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气动助力行走靴的设计与研究

液压与气动 2010年第10期34卷 48-50页

作者：梁永江强壮彭学林泉柳州职业技术学院广西柳州545006

通过研究发明一种新型的行走靴,这种行走靴可以为人们行走提供主要的动力,实现快速、轻松的行走。该行走靴利用气动技术,以液氮汽化时的能量为动力,同时使用二位五通换向阀进行控制,具有使用方便、寿命长、安全稳定的优点。

关键词：助力行走气动技术液氮汽化

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骑乘式下肢助行器结构与运动仿真研究

机械科学与技术 2024年第6期43卷 984-990页

作者：王晓伟高胜鲁陈旭山东建筑大学机电工程学院济南250101

随着我国老龄化程度日益加剧,面向越来越多的老年人辅助行走需求设计了一种骑乘式下肢助行装置并进行了运动学仿真。通过对人体下肢运动特征分析进行助行器自由度分配,建立助行器减负模型并验证其可行性;建立助行装置实体建模;利用标准... 详细信息

随着我国老龄化程度日益加剧,面向越来越多的老年人辅助行走需求设计了一种骑乘式下肢助行装置并进行了运动学仿真。通过对人体下肢运动特征分析进行助行器自由度分配,建立助行器减负模型并验证其可行性;建立助行装置实体建模;利用标准D-H法对助行器摆动相进行运动学分析;基于OpenSim开源软件编写人体下肢角位移驱动函数,利用虚拟样机技术进行运动学仿真得到助行器关节角位移曲线。仿真结果表明,该骑乘式下肢助行器与人体具有较好的物理耦合性。

关键词：助力行走结构设计减负原理运动学仿真

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被动式踝关节助力外骨骼机构设计与仿真

机械科学与技术 2024年

作者：仇志宇朱松青韩亚丽金壮壮南京工程学院机械工程学院

研究了一种基于离合器和弹簧组成的踝关节助力外骨骼，该外骨骼为被动式设计，通过离合器在行走不同阶段的开合，串联弹簧实现能量的存储与释放，进而实现行走助力并减少代谢消耗的目的。首先，基于三维建模软件SolidWorks进行踝关节助... 详细信息

研究了一种基于离合器和弹簧组成的踝关节助力外骨骼，该外骨骼为被动式设计，通过离合器在行走不同阶段的开合，串联弹簧实现能量的存储与释放，进而实现行走助力并减少代谢消耗的目的。首先，基于三维建模软件SolidWorks进行踝关节助力外骨骼结构设计；其后，基于Adams虚拟样机仿真，研究机构的合理性，并基于OpenSim进行人体穿戴踝关节外骨骼后的代谢能量变化研究，最后进行行走实验，实验结果证明实验者穿戴踝关节助力外骨骼行走时，下肢肌肉的肌电信号减小，踝关节有较好的助力行走效果。

关键词：踝关节被动式外骨骼助力行走 OpenSim仿真

多自由度下肢外骨骼康复机器人结构设计与控制策略的研究

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多自由度下肢外骨骼康复机器人结构设计与控制策略的研究

作者：王辉青岛科技大学

学位级别：硕士

近年来,全球范围内人口老龄化问题愈加严重,导致偏瘫在老年人群体中发病率增高,再加上交通事故、劳动损伤等因素使下肢运动功能丧失的人群数量逐渐增多。下肢包括髋关节、膝关节和踝关节,在人们的日常生活中起到重要的作用。由于之前的... 详细信息

近年来,全球范围内人口老龄化问题愈加严重,导致偏瘫在老年人群体中发病率增高,再加上交通事故、劳动损伤等因素使下肢运动功能丧失的人群数量逐渐增多。下肢包括髋关节、膝关节和踝关节,在人们的日常生活中起到重要的作用。由于之前的康复训练方式是利用专业性的康复人员对患者进行针对性训练,其主要问题是病人数量众多,而康复训练医师不管从数量上或是在康复效果上都面临着巨大的不足,另外是康复医疗设备的功能较为简易,所以国际上需要高效且功能完善的设备研究。针对下肢运动功能障碍性患者的康复方式和助力行走的局限性,本文设计一种多自由度下肢外骨骼康复机器人,包括结构设计与控制方法。首先,对下肢的骨骼结构进行分析,整理出关节运动与其相互的关系,设计一种多自由度下肢外骨骼康复机器人,实现下肢10个自由度的康复训练,包括单肢的髋、膝、踝关节,自由度分布为2、1、2,完成直立、抬腿、髋外展、踝腰侧偏等多种康复训练和助力方式,设计尺寸符合人因工程学的标准。其次,对下肢外骨骼康复机构进行理论的合理性分析。创建髋、膝关节串联部分的D-H坐标系,结合代数法和改进的PSO优化算法求解该部分的正逆运动学解,建立踝关节并联部分的约束方程,通过数值法证明机构存在正确解。利用MATLAB、ADAMS对机构建模和运动学仿真,证明机构的合理性。再次,提取脚部各种运动的表面肌电信号并将其分类识别作为控制指令。利用Delsys设备提取了脚部各种运动的sEMG信号,并对其信号预处理操作,得到时域下的sEMG信号特征,组合其特征向量。通过LDA判别法、RNN、CNN三种分类算法进行数据分类,识别出输入的运动并分类,比较不同算法的分类效果,选择分类效果最好的CNN算法作为分类目标的算法,作为后续控制系统研究的前提。最后,介绍基于基础实验平台的各部分结构创新和踝关节的单独控制实验。通过基础实验平台的穿戴实验体验,具体地提出创新的三处结构,设计以嵌入式开发平台为基础的控制系统,并作为踝关节机构的单独控制系统,通过踝关节反馈实验,证明了该部分机构的合理性及后续研究的方向。

关键词：外骨骼康复机器人助力行走运动学分析表面肌电信号分类识别

被动储能式人体下肢外骨骼机构动力学性能研究

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被动储能式人体下肢外骨骼机构动力学性能研究

作者：史雪锋西安理工大学

学位级别：硕士

外骨骼助力机构是通过人机协作来减少人体代谢能消耗进而实现助力,同时对人体进行支撑和保护的可穿戴装置。本文主要针对户外运动者及老年人构思出了一种被动储能式人体下肢外骨骼机构,该机构可将人体行走过程中的重力势能及动能储存起... 详细信息

外骨骼助力机构是通过人机协作来减少人体代谢能消耗进而实现助力,同时对人体进行支撑和保护的可穿戴装置。本文主要针对户外运动者及老年人构思出了一种被动储能式人体下肢外骨骼机构,该机构可将人体行走过程中的重力势能及动能储存起来,并在合适的时机释放出来帮助人体行走,减少代谢能消耗,可增加穿戴者的行走距离。为验证所提出的外骨骼机构助力效果,本文主要从结构选型设计、动力学分析、仿真验证几个方面对外骨骼机构展开了研究。首先,通过对我国成年人人体尺寸及下肢运动的分析,得到了外骨骼机构的设计参数;根据助力原理及设计参数对外骨骼机构进行了方案选型和结构设计,设计出了包括髋、膝、踝三关节的助力外骨骼机构,并完成了其三维实体建模及三关节弹性元件的选型。其次,建立了外骨骼机构七连杆运动学模型,利用D-H法得到了下肢末端姿态相对于固定坐标系的位置关系,验证了外骨骼机构的可穿戴性。基于拉格朗日法建立了人体穿戴外骨骼机构单脚支撑、双脚支撑和一脚虚触地的双脚支撑七连杆动力学模型;根据成年人人体惯性参数确定了动力学模型中各个参数,基于MATLAB将该参数代入到动力学模型中求解,得到了一个步态周期内的下肢关节力矩变化曲线。基于Adams建立了人体穿戴上外骨骼机构的仿真模型,并对其进行了行走仿真分析,仿真结果表明该机构能够降低人体行走的关节力矩,验证了外骨骼机构的助力效果及理论模型的准确性。最后,通过OpenSim软件建立了人体穿戴外骨骼机构的肌肉骨骼模型,利用该软件的肌肉计算控制模块对该模型进行了行走仿真,分析了人体穿戴前后的肌肉力、肌肉激活度和肌肉代谢能变化。仿真结果表明,该外骨骼机构能够有效的降低行走过程中的肌肉力、肌肉激活度及代谢能消耗,从生物学角度验证了该机构的助力效果。本研究为户外运动者及老年人的远距离行走提供了一种装置,同时对人体助行装置的相关研发提供了有价值的参考。

关键词：外骨骼助力行走动力学分析模型仿真生物力学

基于步态特征的重力支撑型行走助力机器人研究

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基于步态特征的重力支撑型行走助力机器人研究

作者：杨旭光山东大学

学位级别：硕士

在人体行走过程中,肌肉需要通过不断地收缩来驱动下肢完成运动,而对于老年人来说,自身的肌肉性能随着年龄增长而不断下降,已经成为阻碍他们行走的重要因素之一,这一问题在人口老龄化日益严重的今天已经成为亟待解决的社会问题。重力支... 详细信息

在人体行走过程中,肌肉需要通过不断地收缩来驱动下肢完成运动,而对于老年人来说,自身的肌肉性能随着年龄增长而不断下降,已经成为阻碍他们行走的重要因素之一,这一问题在人口老龄化日益严重的今天已经成为亟待解决的社会问题。重力支撑型行走助力机器人作为一种为人体提供行走助力的人机一体化功能设备,主要利用自身结构的特点帮助减轻下肢行走过程中的肌肉力,提高其人体的运动能力。整体组成包括用于提供助力的动力装置、用于传递助力的机械装置及用于检测及处理人体运动意图信号的检测控制系统。它们作为人体下肢行走过程中的辅助动力参与到人机系统中,用以提高人体的综合活动能力。本文在分析了助力机器人的发展史及研究现状后,针对人体穿戴助力机器人后产生的运动灵活度问题、人机协同性问题及助力稳定性问题,提出了一种基于步态特征的重力支撑型行走助力机器人的技术方案,主要内容如下:（1）通过分析人体行走过程中的步态特征及各关节间的协同情况,提出了一种基于重力支撑的行走助力机器人的助力方案,结合人体下肢各骨骼及关节的生理学结构,完成了机器人下肢关节及自由度的分配,确定了机器人的结构设计方案,并完成了结构稳定性验证。（2）针对所设计的结构方案,建立了包括无支撑状态、双腿支撑状态及单腿支撑状态三种不同状态下的数学模型。通过对其运动学、动力学分析,描述了下肢走助力行机器人在三种运动场景的末端运动特征,并建立了下肢各关节的力矩模型。（3）针对行走助力机器人运动特点,提出了一种基于足底压力及足部运动速度的运动意图检测方案,搭建了一整套（包括运动意图检测、助力反馈、电机驱动、电池管理）硬件平台,并完成了相应的硬件测试。（4）利用人体足部灵活性的特点,提取了基于足底压力状态及足部运动信号的人体行走步态特征,并以此提出了行走助力机器人的阶段式控制方案,最后设计试验从助力稳定性及跟随实时性两个方面完成了整机系统性评价。试验结果表明,穿戴行走助力机器人时在步频方面符合人体正常行走规律,具有良好的跟随性;同时依据座椅的压力检测情况说明了行走助力机器人助力稳定性良好,实现了行走助力机器人设计的目标要求。

关键词：助力行走机器人重力支撑运动学步态特征控制

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骑乘式下肢助行器结构设计与仿真研究

骑乘式下肢助行器结构设计与仿真研究

作者：高胜鲁山东建筑大学

学位级别：硕士

随着我国老龄化加剧,社会需要投入大量人力物力解决老年人行走乏力等问题,而下肢外骨骼作为一种辅助装置,现已逐步拓展应用到助老助残领域,对助力老年人行走具有重要的现实意义。为此本文设计了一款骑乘式下肢助行器,旨在减轻患有行走... 详细信息

随着我国老龄化加剧,社会需要投入大量人力物力解决老年人行走乏力等问题,而下肢外骨骼作为一种辅助装置,现已逐步拓展应用到助老助残领域,对助力老年人行走具有重要的现实意义。为此本文设计了一款骑乘式下肢助行器,旨在减轻患有行走障碍的老年人行走、站立负担,提高老年人的生活质量,为实体样机的研制做了理论基础。本文在查阅国内外下肢外骨骼助行器领域相关专利、文献的基础上,对不同技术体系的外骨骼研究进行对比总结,针对现有助行器结构复杂、驱动电机数量较多等共性问题,利用上推式主动助力技术设计了结构更为轻便的骑乘式下肢助行器,助行器采用两电机驱动,同时其双腿内侧骑乘、单点联动的结构设计,在助力行走时既可为使用者持续提供向上的托举力,又能保证使用者行走的稳定性。本论文主要研究内容如下:(1)为满足助行器结构适配于人体行走特征的需求,本文对人体下肢结构和下肢运动特征进行了研究,并对人体步态和行走时-空参数进行分析,利用人体行走仿真软件进行仿真,获取了下肢各关节角度曲线作为助行器设计的基础。(2)对人体下肢在行走中所涉及的力进行分析,确定了减负助行方案,建立了助行器结构模型,助行器结构包括:骑座、滑轨、腿部结构、踝关节以及足部。对单腿支撑相助行器腿部构件进行了强度分析,并设计了传动、驱动和控制单元。(3)采用D-H法和解析几何法对助行器模型进行运动学数学建模,利用矩阵关系进一步描述了助行器行走时的位姿变化。利用仿真软件对人机耦合模型进行运动学仿真,设置人体为动力输出带动助行器运动,获得了助行器关节角度参数,并通过仿真结果分析了助行器人机运动协同性。(4)采用拉格朗日第二类方程对助行器进行动力学建模,并对负载状态下助行器模型进行行走仿真,得出各关节扭矩,根据仿真结果计算助行器的实际驱动扭矩。为评估助力效果,分别对人体下肢模型和人机耦合模型进行行走仿真,通过对比人体膝关节扭矩评估助力效果。本论文研究的骑乘式下肢助行器从人体减负方案分析作为切入点进行助行器系统的设计,通过建立数学模型、软件仿真进一步评估、完善了助行器系统。以上研究表明,助行器行走平稳,人机协同性较好,助力效果评估表明助行器可以达到预期的助力要求,能够满足老年人行走助力的需求。

关键词：骑乘式助行器运动学仿真动力学仿真助力行走

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基于虚拟样机的骑乘式助行器设计与仿真研究

基于虚拟样机的骑乘式助行器设计与仿真研究

作者：王世英山东大学

学位级别：硕士

随着现代社会生活质量、卫生保健水平的进步和提高,人类社会逐渐进入老龄化时代,中、老年人口的占比越来越大。人老先老腿,行走困难亿成为越来越多中、老年人日常生活必须面对的问题。为此,本文基于虚拟样机技术设计了一种骑乘式下肢助... 详细信息

随着现代社会生活质量、卫生保健水平的进步和提高,人类社会逐渐进入老龄化时代,中、老年人口的占比越来越大。人老先老腿,行走困难亿成为越来越多中、老年人日常生活必须面对的问题。为此,本文基于虚拟样机技术设计了一种骑乘式下肢助行器并进行了仿真研究,为下一步实体样机研制、制作建立理论基础,旨在给中、老年人下肢提供辅助动力,减轻他们的行走和站立负担,同时具有帮助中、老年人行走锻炼的功能,以提高中、老年人的生活质量。本文在广泛查阅外骨骼辅助装置以及辅助行走装置设计相关研究文献的基础上,基于虚拟样机技术完成了骑乘式下肢助行器的设计与仿真。首先,分析确立助力方式,构建助行器结构模型。依据人机工程学理念,参考人体结构和活动特点,研究人体下肢关节运动机理和运动方式;利用SolidWorks设计与现有骨骼系统近似、平行的外骨骼助力机构虚拟样机,它由骑行座（相当于髋部）、支撑大腿、支撑小腿、踝关节以及鞋套等组件组成:穿戴者的两只脚穿在鞋套中,外骨骼助力装置与穿戴者同步运动,骑行座始终向上托举,减轻体重对腿部的压力,为穿戴者提供行走助力。接着,建立助力机构运动学与动力学模型,研究分析行走有效助力的影响因素。建立助行器助力行走位姿的运动学模型,利用数学关系矩阵描述模型的关联关系,进一步建立运动学仿真模型。计算分析助行器平稳助力行走时各关节角变化的规律,进而在ADAMS环境中对虚拟样机进行运动仿真分析,再依据牛顿-欧拉方程和拉格朗日方程构建关节动力学仿真模型,分析助行器助力行走动力学规律并求解关节驱动扭矩。仿真表明,助行器虚拟样机能够稳定、适时的助力行走,为结构优化、电机选型以及驱动控制奠定了基础。进一步,基于步行位姿及穿戴者意图感知分析确定助力驱动方式,构建助力控制系统。设计以锂电池为储能、关节电机为驱动、同步带与带轮为传动链的膝关节摆角调节结构;将锂电池、关节电机安装在支撑大腿的上端,通过同步带、带轮调节膝关节摆角;利用单片机采集传感器的输出数据,并据此设计通过控制关节电机驱动器,构建以座椅对臀部的托举支撑力为控制目标的闭环控制系统;研究基于步态、意图感知的膝关节摆角控制方法,设计硬件系统、编制控制程序。最后,利用ADAMS环境的助力行走虚拟样机对人机随动、步态仿真、以及助力效果进行了穿戴仿真实验与助力效果评估。仿真实验分析结果表明,助行器助力行走模型在步长、步速和步频上均能符合人体下肢平稳行走规律,助行器能够达到平稳助力人体行走的效果;最终进行了助行器助力效果评估,评估结果说明助行器实现了设计的目标要求,从而为下一步的样机加工制作奠定了基础。

关键词：助行器虚拟样机运动学仿真动力学仿真助力行走

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气动肌肉驱动的外骨骼助力系统研究

气动肌肉驱动的外骨骼助力系统研究

作者：李超浙江大学

学位级别：硕士

外骨骼助力系统是人的智能和机器人的机械能相结合的可穿戴装备,广泛应用于军事、医疗以及灾难救援等方面,来为穿戴者提供一定的助力。气动肌肉作为一种新型气动执行器,相比于电机和液压等传统执行器,与生物肌肉特性类似,具有功率质量... 详细信息

外骨骼助力系统是人的智能和机器人的机械能相结合的可穿戴装备,广泛应用于军事、医疗以及灾难救援等方面,来为穿戴者提供一定的助力。气动肌肉作为一种新型气动执行器,相比于电机和液压等传统执行器,与生物肌肉特性类似,具有功率质量比和功率体积比高,响应速度快、成本低廉、安全可靠、清洁无污染以及良好的柔顺性等特点。由于其所具有的优良特性,使得它越来越多的受到研究者的青睐。但国内外所研究的气动肌肉驱动的外骨骼助力装置大多为身体局部康复机构以及上肢助力机构,本文首次尝试进行气动肌肉驱动的外骨骼助力系统的研究,进一步深化气动肌肉的应用。本文以气动肌肉作为驱动器,开展了外骨骼装置的机构设计、气动肌肉数学模型的建立、气动肌肉的非线性控制研究、上下肢运动学动力学理论分析以及上肢负重能力实验和下肢平地行走控制策略研究等,初步完成了外骨骼研究的基础工作。主要内容包括以下几个方面：第一,建立了人体坐标系,并分析了各个关节的运动形式.采用拟人化的设计方法,完成了外骨骼结构的设计。第二,搭建了气动肌肉力学特性测试平台,对气动肌肉的静力学等特性进行了实验研究,建立气动肌肉的多项式拟合模型,针对气动肌肉的强非线性特性,设计了基于微分器的滑模控制器,对单根气动肌肉负载系统进行了正弦位置跟踪控制研究,验证该控制器的有效性。第三,分别建立了上肢和下肢外骨骼的运动坐标系,在此基础之上,进行了上肢和下肢外骨骼的运动学正解和逆解的计算。利用拉格朗日方程和虚功原理,建立了上肢和下肢的动力学方程。利用三维仿真软件ADAMS对外骨骼进行步行模拟仿真。第四,建立了整个外骨骼助力系统实验平台,在此基础之上,对上肢单臂进行实验,验证了其负重能力;测试分析了平地行走过程中,脚底压力的变化及关节角位移的变化规律,设计了外骨骼助力系统人机协同行走控制策略,并通过单腿步行实验验证了其有效性,实现了负重助力行走。

关键词：助力外骨骼系统气动肌肉滑模控制人机协同助力行走