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多功能下肢康复外骨骼及云互联系统设计与研究

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多功能下肢康复外骨骼及云互联系统设计与研究

作者：贾丙琪山东理工大学

学位级别：硕士

脑卒中和交通事故患者人数逐年增多,由于医疗资源不足以及分配不均,术后肢体功能康复也成为一个亟待解决的问题。外骨骼机器人在重复性和稳定性方面具有先天的优势,十分适宜开发为助老助残设备,能够长时间、重复性地对患者进行准确的康... 详细信息

脑卒中和交通事故患者人数逐年增多,由于医疗资源不足以及分配不均,术后肢体功能康复也成为一个亟待解决的问题。外骨骼机器人在重复性和稳定性方面具有先天的优势,十分适宜开发为助老助残设备,能够长时间、重复性地对患者进行准确的康复训练,完成训练的同时解决了传统康复治疗的一些弊端。同时云平台技术的不断发展,可以与康复设备相结合解除时间和地域的限制,实现医生与患者之间远程信息交流和康复训练。本文首先对人体下肢生理学构造和关节运动自由度进行研究,考虑人机匹配之后设计出由电动轮椅、辅助起立结构和外骨骼腿组成的下肢外骨骼机器人,整个机器人系统均采用电机作为动力源,可以实现代步、辅助起立和康复训练等功能。利用Ansys对外骨骼机器人进行静力学分析,保证其结构强度符合设计要求,并采用拓扑优化方法对部分构件进行结构优化。建立下肢外骨骼机器人康复训练姿态下的运动学模型,通过关节角度变化来计算末端位姿,同时建立单腿支撑和双腿支撑状态下的动力学模型,计算出理论状态下的关节力矩。将外骨骼机器人样机模型导入到Adams软件中进行分析得出仿真状态下的关节力矩,将仿真数据和理论数据相比较验证步态设计的合理性,利用ZMP理论验证了行走过程中的稳定性。研究云互联系统中所有使用者的需求,根据需求设计云互联系统的功能,系统层次架构以应用层、服务器层和感知层组成。应用层使用B/S结构对前端进行设计,服务器层采用主流MVC框架SSM进行设计,数据通信协议为MQTT,并通过对实体类的分析得出云互联系统UML类图,确定数据库的结构,使用HTML语言和Webstorm软件编写主页、医生界面、患者界面和管理员界面。最后确定传感器系统所涉及的元件型号,设计以模糊PID算法为基础的融合模糊PID控制系统,建立下肢外骨骼机器人实体样机模型,搭建并调试控制系统以及云互联系统,对云互联系统的各项功能进行测试,系统各项功能运行正常。利用实体样机进行外骨骼机器人代步、辅助起立以及康复训练功能实验,各项实验结果均符合预期效果,在运动过程中实际关节角度与输入角度之间存在一定的误差,但仍在可接受的范围内,验证了控制系统和机械结构设计的合理性。

关键词：下肢外骨骼结构设计计算仿真云互联系统样机实验

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焊接机器人空间轨迹段间位姿平滑过渡方法

组合机床与自动化加工技术 2023年第11期 65-68页

作者：潘海鸿何飞龙贾丙琪付英东陈琳广西大学机械工程学院南宁530004

针对目前采用传统轨迹过渡方法在实现多段焊接轨迹过渡处理仅能保证机器人末端速度的平滑性,却无法实现满足弓高误差要求的问题,提出采用三次非均匀有理B样条曲线(non-uniform rational B-splines,NURBS曲线)的最大弓高误差可控的轨迹... 详细信息

针对目前采用传统轨迹过渡方法在实现多段焊接轨迹过渡处理仅能保证机器人末端速度的平滑性,却无法实现满足弓高误差要求的问题,提出采用三次非均匀有理B样条曲线(non-uniform rational B-splines,NURBS曲线)的最大弓高误差可控的轨迹过渡方法。根据最大弓高误差计算过渡路径点,并用NURBS曲线对路径点进行拟合得到过渡轨迹。此外,基于位姿同步,对衔接点的角速度进行前瞻处理,并采用S型加减速对轨迹姿态进行规划。在自主搭建的机器人测试平台验证所提出的轨迹过渡方法,实验结果表明可以根据焊接工艺需求设定最大弓高误差,且在保证机器人末端线速度和角速度平滑性的基础上,保证实际弓高误差小于设定值。

关键词：焊接机器人 NURBS曲线弓高误差平滑轨迹过渡

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基于柔性膝关节的外骨骼设计与动力学研究

机械传动 2019年第12期43卷 84-88页

作者：乔学昱赵彦峻厉朝贾丙琪陈淼山东理工大学机械工程学院

为了兼顾外骨骼动力的线性输出与穿戴过程的安全性,设计了一款包含助力与缓冲两种工作模式的下肢外骨骼。首先,对外骨骼膝关节缓冲器及整机模型进行了参数计算与结构设计;然后,对其做动力学分析并通过Matlab计算得到关节理论力矩;将计... 详细信息

为了兼顾外骨骼动力的线性输出与穿戴过程的安全性,设计了一款包含助力与缓冲两种工作模式的下肢外骨骼。首先,对外骨骼膝关节缓冲器及整机模型进行了参数计算与结构设计;然后,对其做动力学分析并通过Matlab计算得到关节理论力矩;将计算所得参数与理论力矩分别代入Adams,对两种工作模式下的外骨骼进行仿真试验;通过对比仿真结果与人体运动标准数据,证明外骨骼助力模式可基本满足穿戴者正常行走需要,缓冲模式可在突发状况下缓冲刚性冲击。研究结果为后期系统的控制与模型制造提供了重要的理论依据。

关键词：柔性膝关节缓冲器动力学分析仿真试验

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脑控下肢外骨骼技术发展及展望

机床与液压 2019年第21期47卷 19-23页

作者：刘文龙赵彦峻贾丙琪厉朝乔学昱山东理工大学机械工程学院

由中风、脊髓损伤或其他相关疾病引起的行动困难的人数正在迅速增加。为了改善这些人的生活质量,帮助他们重新获得行走能力,需要大量的辅助行走设备。近来研究的脑控下肢外骨骼可以释放治疗师负担,并提供有效且重复的步态训练。在过去... 详细信息

由中风、脊髓损伤或其他相关疾病引起的行动困难的人数正在迅速增加。为了改善这些人的生活质量,帮助他们重新获得行走能力,需要大量的辅助行走设备。近来研究的脑控下肢外骨骼可以释放治疗师负担,并提供有效且重复的步态训练。在过去的10年中,外骨骼等机器人辅助器械取得了巨大的进步,一些产品已经商业化。脑控下肢外骨骼是可穿戴的机器人系统,集成了人类智能和机器人的力量。本文作者介绍了脑控下肢外骨骼的基本概念,并总结了几种脑控下肢外骨骼在步态康复方面的主要应用,并对获得穿戴者的动作意图和脑电信号处理技术做出评价,讨论了目前开发的下肢外骨骼的广泛应用、局限性、未来研究和发展方向。

关键词：脑-机接口脑控下肢外骨骼脑电信号处理模式识别神经网络

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欠驱动康复外骨骼手的设计及试验

机械传动 2019年第9期43卷 154-158页

作者：厉朝赵彦峻乔学昱刘文龙贾丙琪山东理工大学机械工程学院

为了解决手部丧失运动能力患者的康复训练以及日常生活不便的问题,设计了欠驱动康复外骨骼手。研究了人手的生理结构,由关节间存在的耦合运动,设计了多连杆以及齿轮传动系统,实现欠驱动康复训练。利用解析法建立了单个手指的运动学模型... 详细信息

为了解决手部丧失运动能力患者的康复训练以及日常生活不便的问题,设计了欠驱动康复外骨骼手。研究了人手的生理结构,由关节间存在的耦合运动,设计了多连杆以及齿轮传动系统,实现欠驱动康复训练。利用解析法建立了单个手指的运动学模型,通过单个手指的运动学模型建立4指的拟合抓握模型,并进行了模拟仿真。建立样机并进行样机实验及运动学仿真,通过结果的对比分析,外骨骼手运动实现了预期的运动且运动合理、误差小。

关键词：外骨骼手连杆传动运动学建模样机实验

一种新型多体位康复训练下肢外骨骼的设计及实验

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机械传动 2021年第8期45卷 139-143,164页

作者：徐国鑫贾丙琪魏笑毕文龙张华强赵彦峻山东理工大学机械工程学院山东淄博255049

针对医学康复训练设备存在训练方式方法过于单一的问题,设计了一种新型多体位康复训练下肢外骨骼,建立了下肢外骨骼数学模型,进行了运动学仿真及分析。搭建了多位下肢康复外骨骼实验平台,进行了基于实物样机模型的步态行走实验。将仿真... 详细信息

针对医学康复训练设备存在训练方式方法过于单一的问题,设计了一种新型多体位康复训练下肢外骨骼,建立了下肢外骨骼数学模型,进行了运动学仿真及分析。搭建了多位下肢康复外骨骼实验平台,进行了基于实物样机模型的步态行走实验。将仿真数据与实验数据进行对比,表明多体位下肢外骨骼设计的正确性以及合理性。

关键词：康复训练多位外骨骼仿真分析样机试验

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基于TRIZ的柔性下肢外骨骼设计与研究

现代制造工程 2020年第6期 24-30页

作者：贾丙琪赵彦峻刘文龙徐国鑫陈淼乔学昱山东理工大学机械工程学院淄博255049

为了改善穿戴者使用下肢外骨骼的舒适度,提升产品竞争力,在TRIZ的理论基础上对下肢外骨骼进行了创新设计,根据TRIZ创新问题解决流程,确立下肢外骨骼设计原则,分别利用物-场分析与矛盾分析等创新工具解决下肢外骨骼刚性冲击与驱动器动力... 详细信息

为了改善穿戴者使用下肢外骨骼的舒适度,提升产品竞争力,在TRIZ的理论基础上对下肢外骨骼进行了创新设计,根据TRIZ创新问题解决流程,确立下肢外骨骼设计原则,分别利用物-场分析与矛盾分析等创新工具解决下肢外骨骼刚性冲击与驱动器动力非线性输出的问题,得到一款包含助力与缓冲2种工作模式的下肢外骨骼,利用虚拟样机技术对下肢外骨骼进行运动仿真,通过对比仿真结果与人体运动标准数据,验证了设计方案的可行性。

关键词：外骨骼 TRIZ 创新设计柔性膝关节

一种多功能下肢外骨骼机器人的设计与仿真分析

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机械传动 2021年第1期45卷 59-64页

作者：贾丙琪毕文龙魏笑徐国鑫赵彦峻孙一栋山东理工大学机械工程学院山东淄博255049

针对老年人以及下肢运动障碍患者的康复训练和运动代步的需求,设计了一种多功能下肢外骨骼机器人,利用辅助起立机构和腿部外骨骼实现对使用者下肢的康复训练。分别了建立外骨骼机器人单腿支撑阶段和双腿支撑阶段5杆模型,采用拉格朗日方... 详细信息

针对老年人以及下肢运动障碍患者的康复训练和运动代步的需求,设计了一种多功能下肢外骨骼机器人,利用辅助起立机构和腿部外骨骼实现对使用者下肢的康复训练。分别了建立外骨骼机器人单腿支撑阶段和双腿支撑阶段5杆模型,采用拉格朗日方法推导出动力学模型,计算各关节所需的理论力矩;建立虚拟样机模型进行动力学仿真,仿真数据与理论数据进行比较,验证了理论推导的准确性和外骨骼机器人设计的合理性,为后续电机选型提供了依据。

关键词：下肢外骨骼结构设计动力学计算仿真分析

自主知识体系构建视野下的近代中国调查与统计——“三校一所”经济史学术沙龙综述

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中国经济史研究 2024年第5期 188-189页

作者：杨帅贾懿琪南开大学经济学院天津300071

2024年4月20日,清华大学、北京大学、南开大学和中国社会科学院经济研究所联合主办的“三校一所”经济史学术沙龙在南开大学经济学院成功举办。本次沙龙由南开大学经济学院、经济史研究中心和政治经济学研究中心承办。来自“三校一所”... 详细信息

2024年4月20日,清华大学、北京大学、南开大学和中国社会科学院经济研究所联合主办的“三校一所”经济史学术沙龙在南开大学经济学院成功举办。本次沙龙由南开大学经济学院、经济史研究中心和政治经济学研究中心承办。来自“三校一所”和中央财经大学、北京师范大学、巴黎政治大学等单位的30余位专家学者,围绕“自主知识体系构建视野下的近代中国调查与统计”这一主题,就调查研究对近代中国社会科学学理化、本土化和体系化的推动作用,以及中国自主知识体系建构的近代历史经验与路径等问题,展开了广泛而深入的讨论。

关键词：学术沙龙三校一所政治经济学研究经济史研究中央财经大学近代中国社会知识体系构建