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仿生运动康复机器人结构设计与优化

吉林大学学报（工学版） 2020年第3期50卷 1144-1152页

作者：刘坤吉硕孙震源徐洪伟刘勇吉林大学机械与航空航天工程学院长春130022

为了给人体提供运动康复辅助和训练功能,设计了张合型下肢仿生运动康复机器人。通过前、后轮之间的差速,实现机器人鞍座可按照对标健康人体运动过程中髋关节运动轨迹进行运动,并且机械结构可从站姿张合状态调整为坐姿轮椅状态。分析了... 详细信息

为了给人体提供运动康复辅助和训练功能,设计了张合型下肢仿生运动康复机器人。通过前、后轮之间的差速,实现机器人鞍座可按照对标健康人体运动过程中髋关节运动轨迹进行运动,并且机械结构可从站姿张合状态调整为坐姿轮椅状态。分析了机械结构的静、动态平衡条件并做了有限元分析,以杆件壁厚值为变量,以所选材料最大许用应力、最大位移为边界条件,以最小质量为目标函数,得到了一款轻量化的张合型仿生运动康复机器人的机械结构。

关键词：生物医学工程机器人设计仿生运动结构优化

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自振荡凝胶的仿生运动

化学进展 2022年第4期34卷 824-836页

作者：王丽媛张朦王静袁玲任林高庆宇中国矿业大学化工学院徐州221116 温州大学化学与材料工程学院新材料与产业技术研究院温州325000

定向运动是生命体最基本的功能,是其进化、生存和繁衍的前提。近年来为了研究生命体的运动机制,许多人工系统被相继开发并用于模拟部分生命体的运动行为。在诸多人工仿生系统里,自振荡凝胶由于同时具有内部驱动产生动能、运动定向性、... 详细信息

定向运动是生命体最基本的功能,是其进化、生存和繁衍的前提。近年来为了研究生命体的运动机制,许多人工系统被相继开发并用于模拟部分生命体的运动行为。在诸多人工仿生系统里,自振荡凝胶由于同时具有内部驱动产生动能、运动定向性、无缆化和环境自适应等性能而备受瞩目。本文介绍了自振荡凝胶仿生运动的化学-机械能转换的理论根源并综述了仿生运动模式研究近期的进展,在此基础上展望了自振荡凝胶运动研究面临的机遇、挑战和未来发展方向。

关键词：自振荡凝胶仿生运动化学能-机械能转换化学波

基于折纸结构的软体尺蠖机器人设计与仿生运动研究

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基于折纸结构的软体尺蠖机器人设计与仿生运动研究

作者：董国琦哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

随着机器人技术的发展,软体机器人方向逐渐成为各国的研究热点。各国学者在软体机器人的结构设计、驱动方式、仿生运动、工业应用等方面展开了研究。软体机器人在气压驱动下,具有响应速度快、适应性强的优点,因此受到研究者的广泛关注... 详细信息

随着机器人技术的发展,软体机器人方向逐渐成为各国的研究热点。各国学者在软体机器人的结构设计、驱动方式、仿生运动、工业应用等方面展开了研究。软体机器人在气压驱动下,具有响应速度快、适应性强的优点,因此受到研究者的广泛关注。气动软体机器人的结构直接影响机器人的性能,现有的软体机器人内腔结构多设计为圆柱、方形,或类圆形或方形的衍生结构。本文借鉴尺蠖软体生物结构特点,引入折纸结构,设计了一种兼具连续性和大折展比的软体机器人。气动软体机器人的内腔结构直接影响机器人变形和运动能力。本文基于仿尺蠖运动设计软体机器人,分析了软体尺蠖运动机理,软体机器人需增大相同气压条件下应变层的形变量。因此,引入折纸结构,实现软体机器人在高压驱动下大折展比的特性。同时,设计了机器人摩擦足的结构,为软体机器人实现运动提供了有效的物理模型。并且,软体机器人采用硅胶超弹性材料制成,通过对硅胶材料进行单轴拉伸实验,获得应变应力数据,为软体机器人结构参数设计提供基础。软体机器人采用硅胶材料制成,机器人的材料选型和结构参数影响仿生运动效果。利用应力应变实验数据,通过有限元软件进行材料参数拟合,获得不同硅胶材料的仿真系数并确定制造硅胶型号。通过有限元分析软件仿真,分析机器人的侧边折叠角、腔体顶部三角形高对软体机器人弯曲角的影响,获得软体机器人的最优结构参数。并且对设计的折纸结构软体机器人进行单腔和双腔驱动仿真分析,为软体机器人运动分析提供理论基础。软体机器人的运动过程缺乏理论数据指导,针对目前软体机器人非线性变形理论建模多样化的现状,对折纸型软体机器人应变层结构合理简化,将其形变过程进行分段建模。根据橡胶弹性物理学相关唯象理论、应变层应力应变关系和力矩平衡原理,建立软体机器人力学模型和运动学模型,得到软体机器人应变层形变量、机器人弯曲角度理论值,推导得到机器人弯曲半径与输入压强之间的关系,为软体机器人运动控制实验提供理论基础。为实现仿尺蠖软体机器人在多路气压输入下的连续运动,搭建了软体机器人运动控制平台。设计了软体机器人制作模具,利用3D打印和硅胶脱模技术,制作了软体机器人。并对软体机器人样机进行性能测试和运动实验,实现了机器人仿尺蠖运动,验证了软体机器人结构设计的合理性和理论建模分析的有效性。

关键词：折纸结构软体机器人非线性变形仿生运动

仿生运动对老年人慢性非特异性腰痛的影响研究

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仿生运动对老年人慢性非特异性腰痛的影响研究

Belousov-Zhabotinsky反应自振荡水凝胶仿生运动研究进展

第十三届全国体育科学大会

作者：王新蕊邹国防天津体育学院

研究目的:人口老龄化是全球现象,我国在21世纪初已经成为世界上老年人口数量最多增速最快的国家之一,在老龄化社会中老年人们的健康和生存质量成为人们不可忽视的重要问题。非特异性腰痛腰痛在临床上发病率高,流行病学调查显示,腰痛发... 详细信息

研究目的:人口老龄化是全球现象,我国在21世纪初已经成为世界上老年人口数量最多增速最快的国家之一,在老龄化社会中老年人们的健康和生存质量成为人们不可忽视的重要问题。非特异性腰痛腰痛在临床上发病率高,流行病学调查显示,腰痛发病率仅次于上呼吸道感染位居第二,而非特异性腰痛占腰痛的85%以上,是影响老年人健康和生存质量的重要原因之一。慢性非特异性腰痛(chronic nonspecific low back pain,CNLBP)是指无明确病理学因素和解剖学结构异常而出现的腰部疼痛、功能活动障碍等症状,且持续疼痛的时间超过了12周。造成CNLBP的原因复杂,包括姿势原因(脊柱前凸姿势、凹背姿势和平背姿势)、妊娠、不良生活习惯(久坐、吸烟等)、年龄增大(>30岁)、职业原因、心理因素和肌肉原因。研究证明肌肉因素是其第一病理机制,腰腹肌群又称核心肌群对脊柱的稳定性、协调性和平衡性起着关键作用。仿生运动是将生物生活与体育活动联系起来的桥梁,通过模仿动物的行为动作来达到促进人们身体健康或提高运动成绩的目的。仿生运动中模仿动物爬行的动作其特点是通过改变有异于日常身体活动的身体姿势来平衡躯干,将身体重量分散到四肢,使腰椎承受的力量大幅度减小。通过重组肌肉运动模式,募集"惰性"肌肉参与运动,从而结构性地调整了肌肉运动模式,进而增强了躯干及四肢力量及灵活性,以及全身血氧供养水平。仿生运动能够延缓核心肌肉的萎缩,增强核心肌肉的肌肉力量有助于腰部支撑,达到减轻老年人腰部疼痛的目的同时仿生运动的趣味性也可以激发老年人体育活动能力,增强老年人的体育活动兴趣,丰富体育的活动形式,因此研究仿生运动对老年人慢性非特异性腰痛的影响,为缓解老年人慢性非特异性腰痛提供实践依据。研究方法:选择天津市66例(年龄60-75岁)慢性非特异性腰痛老年人,其中排除有严重病情或不能完成实验基本要求的老年人,并签署知情同意书。随机分为两组分别为常规康复组(M组)和仿生运动组(N组),每组33例。两组老年人年龄、身高、体重及发病时间均无统计学差异(P>0.05)。两组老年人每周常规康复治疗方案一致。仿生运动组在此基础上采用以下方案:"猫虎爬行"模仿猫科动物爬行,向前运动时,在一侧臀大肌发力的同时,同侧的腰部肌肉也进行积极收缩,以拉伸对侧腰肌,最后大腿跟进的同时对侧上肢向前迈。"螃蟹横行":模仿螃蟹爬行,一侧上肢、下肢外展,头、躯干重心跟随上下肢移动,另一侧上肢、下肢也跟随移动,最后对此动作进行重复。"兔子跳跃"模仿兔子行进时的动作,在15M左右距离摆放高度为30CM障碍物,需要双上肢越过此障碍物,身体重心前移至上肢,下肢跟随越过此障碍物,干预时需注意老年人躯干控制及下肢协同动作。干预时间均为30分钟每次,一周3次,共干预12周。两组分别在干预前后采用疼痛数字评分法(numerical rating scale, NRS),由0-11个数字组成,调查对象在分段量表上说出最能体现自己疼痛程度的数字。评分标准是0表示无痛,1-3表示轻度疼痛,4-6表示中度疼痛,7-10表示无法忍受的疼痛。采用Oswestry功能障碍指数(Oswestry Disability Index,ODI)进行问卷评估,ODI问卷从疼痛强度、举物、行走、坐姿、站立、睡眠等10个方面进行测评,得分越高功能越差。腰部肌肉力量评估采用等速肌力采用等速肌力测试方法 (Cybex)测量老年人的腰部肌肉力量(峰值力矩、平均功率),本研究选取60°/s和90°/s、120°/s作分别代表腰背屈伸过程中能在日常生活中使用的较慢和较快的速度。平衡控制评估,Berg平衡量表(Berg Balance Scale,BBS)包括站起、坐下、独立站立、闭眼站立、上臂前伸、双足交替踏台阶、单腿站立等14个项目,每个项目得分为0～4分,满分为56分,总分共3个等级,得分越高表示平衡能力越好,跌倒的风险越低。研究结果:1、两组受试者干预前后疼痛程度变化:经过12周干预后M、N组NRS评分有明显改变。M、N两组老年人NRS分别由7.5±0.5、7.8±0.4降到5.3±1.7、2.7±1.4(P0.05)。经过12周干预后,N组60°/s和90°/s屈曲、伸展峰值力矩与干预前相比有显著性差异(

关键词：慢性非特异性腰痛仿生运动老年人肌肉力量

来源： cnki会议评论

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山东化工 2017年第7期46卷 79-80页

作者：任林张宝营潘长伟中国矿业大学化工学院江苏徐州221116

活性物质的集体行为与功能是远离平衡态理论、软物质科学、材料科学及生物化学的交叉学科,近十年逐渐成为研究热点,具有深远的理论意义和应用前景。本文综述活性物质研究的热点之一:Belousov-Zhabotinsky反应自振荡水凝胶(BZ胶)的自发... 详细信息

活性物质的集体行为与功能是远离平衡态理论、软物质科学、材料科学及生物化学的交叉学科,近十年逐渐成为研究热点,具有深远的理论意义和应用前景。本文综述活性物质研究的热点之一:Belousov-Zhabotinsky反应自振荡水凝胶(BZ胶)的自发定向运动及由此产生的仿生功能,并展望相关领域今后的研究方向和应用前景。

关键词：活性物质 Belousov-Zhabotinsky反应自振荡凝胶仿生运动

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外骨骼肩关节仿生运动的实现研究

青岛大学学报（工程技术版） 2015年第4期30卷 91-95页

作者：李海涛王钰佟河亭青岛大学机电工程学院山东青岛266071

为了更好的实现外骨骼上肢康复机械臂仿人的康复动作,即在手臂自然下垂状态下,实现大臂的直接外展动作,本文通过分析人体肩关节的结构和基本动作以及部分已存在的外骨骼机械臂肩关节的不足,对运动模型进行简化,设计了一种三自由度外骨... 详细信息

为了更好的实现外骨骼上肢康复机械臂仿人的康复动作,即在手臂自然下垂状态下,实现大臂的直接外展动作,本文通过分析人体肩关节的结构和基本动作以及部分已存在的外骨骼机械臂肩关节的不足,对运动模型进行简化,设计了一种三自由度外骨骼式肩关节。该设计应用在外骨骼机械臂上,可以使机械臂在手臂自然下垂状态下实现外展/内收、前屈/后展、水平外展/水平内收3个基本动作,这样的三自由度(degree of freedom,DOF)联动,可以使外骨骼机械臂实现的日常功能动作更符合人体关节的生理需求,更接近人体自然运动规律。而且三维模型运动模拟结果表明,此设计可达到预期的仿人运动效果。该研究对临床康复仿生运动具有积极意义。

关键词：肩关节外骨骼功能性康复仿生运动

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基于动态图形设计的仿生运动初探

美与时代（创意）（上） 2018年第7期 90-92页

作者：高文谦中华女子学院

随着计算机技术的发展,动态图形已飞速应用到多个领域,包括影视包装、广告媒体、互联网设计、动态信息可视化设计、移动终端设计等。仿生运动的设计工作主要是如何编排图形元素的动态、如何在构成上将复杂的运动做分解、如何按照运动规... 详细信息

随着计算机技术的发展,动态图形已飞速应用到多个领域,包括影视包装、广告媒体、互联网设计、动态信息可视化设计、移动终端设计等。仿生运动的设计工作主要是如何编排图形元素的动态、如何在构成上将复杂的运动做分解、如何按照运动规律及视觉审美原则将元素和动作重新组织以及如何创造出美的动态,这些都离不开形式美原则。动态图形仿生运动的创作越来越注重艺术审美、科学技术、编程语言等跨学科的协作,让观众多角度的体验和广泛地参与,将虚拟艺术和自然空间无缝转换。

关键词：动态图形交互仿生运动设计

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动态图形之仿生运动研究

艺术与设计（理论版） 2018年第8期 76-78页

作者：高文谦中华女子学院北京100101

随着新媒体技术的快速发展,无论艺术还是设计都进入到一个全新的时代。人们可以利用电脑技术和多元化的媒介发挥极致的想象力,构建出虚拟的现实世界。在新媒体环境下,如何将虚拟创作与自然现实有效连接,使技术不再冰冷,让作品传达更多情... 详细信息

随着新媒体技术的快速发展,无论艺术还是设计都进入到一个全新的时代。人们可以利用电脑技术和多元化的媒介发挥极致的想象力,构建出虚拟的现实世界。在新媒体环境下,如何将虚拟创作与自然现实有效连接,使技术不再冰冷,让作品传达更多情感,是艺术家与设计师面临的新挑战。文章从新媒体语境下的动态图形入手,通过跨学科研究和优秀案例分析,挖掘其创作的内在秩序与外生延展,探讨动态图形中的仿生运动创作。

关键词：动态图形仿生运动虚拟现实

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基于STM32的仿生运动机器人设计与制作

电子制作 2019年第10期27卷 18-19页

作者：方诗镪刘云涛张立志钱伟胡安正湖北文理学院物理与电子工程学院湖北襄阳441053

人工智能研究的一个主要目标是使机器能够胜任一些通常需要人类智能因素才能完成的复杂工作。本文基于仿生学原理介绍一种能够行走避障的机器人设计方案,主要以STM32为主控芯片,再通过超声波、摄像头等传感器完成对周围环境信息的采集... 详细信息

人工智能研究的一个主要目标是使机器能够胜任一些通常需要人类智能因素才能完成的复杂工作。本文基于仿生学原理介绍一种能够行走避障的机器人设计方案,主要以STM32为主控芯片,再通过超声波、摄像头等传感器完成对周围环境信息的采集、分析,然后给出正确的行走指令并由仿生机械部分完成。该方案在稳定性和对地形适应能力方面都有一定优势。

关键词： STM32 仿生运动步态规划传感器