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全向四足机器人动力学及三维步态研究

全向四足机器人动力学及三维步态研究

作者：刘炳南北京交通大学

学位级别：硕士

随着计算机技术、人工智能技术、机器人技术等高新技术日新月异的发展,人们对于机器人的幻想已不再遥远。近些年来,足式机器人成为了新的研究热点,相较于传统的轮式、履带式机器人而言,足式机器人的落足点是离散的,对非机构化地面适应... 详细信息

随着计算机技术、人工智能技术、机器人技术等高新技术日新月异的发展,人们对于机器人的幻想已不再遥远。近些年来,足式机器人成为了新的研究热点,相较于传统的轮式、履带式机器人而言,足式机器人的落足点是离散的,对非机构化地面适应能力强,可广泛应用于野外等复杂环境中。目前四足机器人的腿部大多采用三自由串联结构,每个关节都需安装驱动,其承载能力及动态性能较差,且由于电机分布在各关节处,不便统一密封维护。随着并联机器人技术的发展,并联机构也逐渐应用于四足机器人的腿部,提升了四足机器人的承载能力及动态性能,拓宽了四足机器人的应用范围。目前对于四足机器人步态规划的研究主要集中于沿矢状面移动,未充分考虑四足机器人的侧向运动能力。相比于非全向移动方式,全向移动无需转向即可避障,移动更加灵活可变。本文将一种三自由度并联机械腿应用于四足机器人上,主要就机械腿运动学、动力学及四足机器人三维步态规划、仿真实验及样机搭建等内容展开研究。本文首先就一种并联机械腿进行了运动学分析,包括坐标系建立、自由度分析、运动学正反解、雅可比矩阵求解、可达工作空间及刚度性能分析;然后,应用螺旋理论求解各关节、杆件的速度、加速度影响因素,并结合虚功原理求解出机械腿的动力学解析表达式,并进行了数值仿真对比;其次,研究了四足机器人的三维步态,包括全方向行走步态及全方位行走步态,规划了Trot及连续静步态的全方向行走,研究了抬腿点、落足点、迈步顺序、稳定性及变速度等相关内容,并通过重心五次多项式规划改善了连续静步态全方向行走的稳定性;最后,根据旋转中心理论将三自由度平面运动转化为绕转动中心的转动运动,并以间歇步态为基本步态,给出了初始位置、迈步顺序、稳定性及变速度分析等相关内容;在此基础上,搭建了Simulink/Adams联合仿真环境,仿真了四足机器人斜向及转向行走能力,对比了两种步态在定曲率圆形轨迹下的运动能力;最后使用3D打印技术搭建了样机,并进行了自由度实验及步态实验。

关键词：并联机械腿四足机器人螺旋理论动力学三维步态

高位髋关节中心全髋关节置换治疗发育性髋关节发育不良后的三维步态评价

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中国组织工程研究 2021年第3期25卷 350-355页

作者：张羽冯硕杨志张野孙健宁安伦陈向阳徐州医科大学附属医院骨科江苏省徐州市221002

背景:对于CroweⅡ、Ⅲ型发育性髋关节发育不良合并重度髋关节骨性关节炎的患者行全髋关节置换,是选择髋臼解剖重建还是高位髋关节旋转中心重建目前仍存在争议。目的:比较全髋关节置换过程中高位髋关节中心和解剖髋关节中心重建技术在步... 详细信息

背景:对于CroweⅡ、Ⅲ型发育性髋关节发育不良合并重度髋关节骨性关节炎的患者行全髋关节置换,是选择髋臼解剖重建还是高位髋关节旋转中心重建目前仍存在争议。目的:比较全髋关节置换过程中高位髋关节中心和解剖髋关节中心重建技术在步态特征方面的差异。方法:选择2014年1月至2017年7月CroweⅡ-Ⅲ型发育性髋关节发育不良继发单侧髋关节病变女性患者40例,均接受全髋关节置换治疗,其中20例术中进行解剖型髋关节中心重建,另20例进行高位髋关节中心重建。置换后随访2年以上,进行步态分析。研究获得徐州医科大学附属医院伦理委员会批准。结果与结论:①时空参数:两组手术侧和非手术侧的步速、步频、步长、单腿支撑时间、单腿摆动时间、双腿支撑时间相似,两组间手术侧的步速、步频、步长、单腿支撑时间、单腿摆动时间、双腿支撑时间比较差异均无显著性意义(P>0.05);②运动学参数:高位重建组手术侧的髋关节最大伸展度低于非手术侧(P0.05);③动力学参数:高位重建组手术侧的足底反作用力纵向峰值高于解剖重建组(P0.05);④结果表明在发育性髋关节发育不良患者中,应用高位髋关节中心重建进行全髋关节置换能获得与解剖髋关节中心重建相似的步态参数,但与接受解剖髋关节旋转中心重建术的患者相比,采用高位髋关节中心重建的患者髋关节屈伸范围运动受限,髋关节纵向受力更大。

关键词：骨假体关节置换髋关节发育不良高髋关节中心三维步态关节重建

三维步态在脑卒中足下垂患者下肢节段协调性分析的应用

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中国康复 2021年第3期36卷 144-149页

作者：沈新培夏清杜玲玲蚌埠医学院研究生院安徽蚌埠233000 合肥市第二人民医院康复医学科合肥230011

目的:运用三维步态分析系统分析脑卒中偏瘫足下垂患者的下肢关节协调性。方法:选取脑卒中偏瘫足下垂患者15例作为观察组,配对设计选取15例健康者作为对照组一和对照组二。采集2组受试者行走过程中的时空参数和运动学参数,通过绘制仰角... 详细信息

目的:运用三维步态分析系统分析脑卒中偏瘫足下垂患者的下肢关节协调性。方法:选取脑卒中偏瘫足下垂患者15例作为观察组,配对设计选取15例健康者作为对照组一和对照组二。采集2组受试者行走过程中的时空参数和运动学参数,通过绘制仰角曲线图和步态环图进行协调性分析。结果:观察组偏瘫侧与非偏瘫侧比较,步频、支撑期百分比,髋、膝关节活动度(ROM),最大踝背屈角度、小腿、足部仰角范围均减小(均P步态环图偏离正常水滴形态,表现为高度降低、尾部消失、扭曲。结论:步态环图可直观反映脑卒中偏瘫足下垂患者下肢协调性障碍,其中PV值的改变可能是其协调功能障碍的标志之一。

关键词：脑卒中足下垂三维步态协调性

三维步态分析系统在膝骨性关节炎患者中的临床研究

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宁夏医学杂志 2021年第8期43卷 721-724页

作者：何金龙余俊杨海波冯育宁夏医科大学总医院骨科宁夏银川750004

目的应用VICON三维步态分析系统对膝关节骨性关节炎临床应用中的效果进行定量分析。方法选取因膝关节骨性关节炎行人工全膝关节置换的老年患者20例为研究组,20例健康的老年人为对照组。采用英国VICON运动捕捉系统对2组受试者分别行三维... 详细信息

目的应用VICON三维步态分析系统对膝关节骨性关节炎临床应用中的效果进行定量分析。方法选取因膝关节骨性关节炎行人工全膝关节置换的老年患者20例为研究组,20例健康的老年人为对照组。采用英国VICON运动捕捉系统对2组受试者分别行三维步态检测,通过三维步态分析技术分析关节运动学与动力学指标(步频、跛行指数、步长、步幅、步速、双足支撑期、单足支撑期、一步时间、步行周期)以及膝关节周围肌肉肌电变化情况。结果与正常对照组相比,骨关节炎患者性别、年龄、体重指数等一般资料差异无统计学意义(P>0.05);膝骨性关节炎患者步态运动学与动力学和肌电活动各项指标较对照组明显延长或者异常增加,差异有统计学意义(P三维步态分析系统对膝骨性关节炎的诊断、治疗及疗效评价是一种客观、量化、可重复性强的评价系统,应用前景广泛。

关键词：膝关节骨性关节炎三维步态步态分析

面向蛇形机器人的三维步态控制的层次化联结中枢模式生成器模型

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自动化学报 2013年第10期39卷 1611-1622页

作者：杨贵志马书根李斌王明辉中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳110016 中国科学院大学北京100049 立命馆大学日本草津525-8577

提高蛇形机器人的三维运动控制能力是提高蛇形机器人环境适应能力的关键之一.虽然联结中枢模式生成器(Connectionist central pattern generator,CCPG)模型具有复杂度小、适合硬件实现等优点,但是目前的CCPG模型难以生成相位协调的多自... 详细信息

提高蛇形机器人的三维运动控制能力是提高蛇形机器人环境适应能力的关键之一.虽然联结中枢模式生成器(Connectionist central pattern generator,CCPG)模型具有复杂度小、适合硬件实现等优点,但是目前的CCPG模型难以生成相位协调的多自由度运动的控制信号,从而限制了它的三维步态控制能力.本文根据生物CPG机制的分层结构和运动神经元的功能,提出一个有层次化结构的CCPG(Hierarchical CCPG,HCCPG)模型.HCCPG模型由基本节律信号生成层、模式形成层、运动信号调整层这三个部分组成.运动信号调整层的运动神经元能够独立地对模式形成层的输出信号的幅值、相位等进行调整,从而较好地解决了CCPG模型难以生成相位协调的多自由度运动控制信号的问题.HCCPG模型具有步态控制能力强、复杂度小、有良好的扩展性等优点,从而适合用于控制三维步态.在HCCPG模型的基础上提出一个三维步态控制方法.仿真验证了这个控制方法的有效性.

关键词：蛇形机器人联结中枢模式生成器模型运动神经元循环抑制CPG模型三维步态

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成人型脊柱畸形患者运动功能的三维步态分析

首都医科大学学报 2021年第6期42卷 1070-1075页

作者：白森郄淑燕首都医科大学附属北京康复医院康复诊疗中心北京100144

目的利用三维步态分析系统定量分析成人型脊柱畸形患者(adult spinal deformity,ASD)的步态特征,进一步熟悉ASD患者下肢功能的病理生理变化,为ASD患者的临床诊疗和术后康复提供理论依据。方法纳入ASD患者51例作为病例组,并根据病例组患... 详细信息

目的利用三维步态分析系统定量分析成人型脊柱畸形患者(adult spinal deformity,ASD)的步态特征,进一步熟悉ASD患者下肢功能的病理生理变化,为ASD患者的临床诊疗和术后康复提供理论依据。方法纳入ASD患者51例作为病例组,并根据病例组患者一般情况(性别、年龄、体质量指数、及基础疾病)选出51例健康中老年患者作为对照组。记录所有研究对象的生活质量评分(Healthy Related Questionnaire of Life,HRQOL),包括视觉模拟评分(Visual Analogue Score,VAS)、Oswestry功能障碍指数(Oswestry Disability Index,ODI)及简版生活质量量表-36(Short Form-36,SF-36)评分。使用步态分析系统记录运动学参数。受试者骨盆及下肢特定的位置放置标记后在设定路线内以个体舒适步速行走,至少记录10个步态周期。采用SPSS 23.0软件分析参数。结果与对照组相比,ASD患者下肢步长、跨步长、步频明显减小,且行走过程中呈逐渐减慢趋势;ASD患者髋、膝关节屈伸活动范围明显减小,组间比较差异均有统计学意义(P<0.05)。ASD患者生活质量评分中的VAS、ODI与步长、跨步长、步频、膝关节屈伸及髋关节屈伸度呈负相关关系(P<0.05);SF-36中的生理部分(Physical Component Summary,PCS)与上述指标呈正相关关系(P<0.05)。结论ASD患者跨步长、步长、步频、膝关节屈伸活动度、及髋关节屈伸活动度均减小,且活动中逐渐减小;ASD患者生活质量与运动学参数密切相关。

关键词：成人型脊柱畸形三维步态生活质量评分运动学参数

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慢性踝关节不稳患者三维步态动力学特征

中国运动医学杂志 2019年第3期38卷 182-186页

作者：高丕明罗小兵虞亚明荣海波周文琪何栩四川省骨科医院成都610041

目的:研究慢性踝关节不稳患者步态的三维动力学特征,探讨其运动功能变化及生物力学机制。方法:选择慢性踝关节不稳患者15名(实验组),依据其年龄、身高、体重匹配健康受试者15名(对照组)。采用三维动作捕捉系统和Visual 3D软件观测受试... 详细信息

目的:研究慢性踝关节不稳患者步态的三维动力学特征,探讨其运动功能变化及生物力学机制。方法:选择慢性踝关节不稳患者15名(实验组),依据其年龄、身高、体重匹配健康受试者15名(对照组)。采用三维动作捕捉系统和Visual 3D软件观测受试者步行时支撑期地面反作用力(GRF)及踝关节力矩的变化。结果:实验组在矢状轴、额状轴和垂直轴的GRF第1峰值较对照组差异均无统计学意义(P>0.05),但3个轴向的GRF第2峰值均较对照组小,其中矢状轴向前和垂直轴向上的GRF差异具有统计学意义(P0.05)。踝关节力矩于3个面的第2峰值分别是跖屈、外翻和外展力矩,实验组均较对照组小,其中跖屈和外展力矩差异具有统计学意义(P<0.05)。结论:慢性踝关节不稳患者步行过程中,于支撑末期向上、向前的地面反作用力以及踝跖屈、外展力矩降低,这可能是踝跖屈、外翻肌群肌肉功能不足所致,但导致踝关节跖屈功能不足的主要肌群尚需进一步明确。

关键词：踝关节不稳三维步态地面反作用力力矩运动功能

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三维步态分析技术在膝骨性关节炎中的应用

宁夏医学杂志 2021年第4期43卷 382-384页

作者：冯育杨海波宁夏医科大学总医院创伤骨科宁夏银川750004

膝骨性关节炎(KOA)是一种以膝关节疼痛、关节软骨丧失、关节僵硬、硬化和骨赘形成为特征的退行性疾病。KOA可导致功能障碍和畸形[1]。在美国,60岁以上的人群中,10%以上的男性和13%的女性会受KOA的影响[2]。在中国,该病在中老年人群中的... 详细信息

膝骨性关节炎(KOA)是一种以膝关节疼痛、关节软骨丧失、关节僵硬、硬化和骨赘形成为特征的退行性疾病。KOA可导致功能障碍和畸形[1]。在美国,60岁以上的人群中,10%以上的男性和13%的女性会受KOA的影响[2]。在中国,该病在中老年人群中的患病率为7.2%(女性和男性分别为9.8%和3.7%)[3-4]。

关键词：三维步态膝骨性关节炎

三维步态分析技术在康复领域的应用及发展研究

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中文科技期刊数据库（全文版）医药卫生 2021年第7期 0177-0178页

作者：孙凯雯董安琦范丹丹迟凯隋立欣青岛恒星科技学院健康学院山东青岛266000

人们可以通过步态观察一个人的运动方式及肢体形态。任何神经、肌肉及关节损伤均可导致人体步态异常。步态分析技术在本质上是一种研究运动时人体步行外在规律的检查方法,通过生物力学和运动学的手段以揭示个体的运动本质。三维步态分... 详细信息

人们可以通过步态观察一个人的运动方式及肢体形态。任何神经、肌肉及关节损伤均可导致人体步态异常。步态分析技术在本质上是一种研究运动时人体步行外在规律的检查方法,通过生物力学和运动学的手段以揭示个体的运动本质。三维步态分析技术为人体颅脑损伤、骨关节损伤、神经系统损伤的患者制定有效的康复训练计划、评定康复疗效以及定做支具和矫形器提供客观依据。本文章主要对目前国内三维步态分析技术在康复领域的应用以及发展状况进行综述,希望能够为康复领域提供有效的参考依据。

关键词：三维步态康复治疗应用进展