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基于用户体验的下肢无源助力外骨骼设计优化及效能评估

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基于用户体验的下肢无源助力外骨骼设计优化及效能评估

作者：沈峰岑江南大学

学位级别：硕士

随着我国体育运动的不断发展,人们对于运动损伤的关注度逐渐提高。无动力外骨骼能够有效增强人体运动能力,广泛应用于在军事领域、户外运动、工业应用领域,能够有效预防肌肉过度疲劳,关节过度负载等带来的运动损伤,拥有非常广泛的应用... 详细信息

随着我国体育运动的不断发展,人们对于运动损伤的关注度逐渐提高。无动力外骨骼能够有效增强人体运动能力,广泛应用于在军事领域、户外运动、工业应用领域,能够有效预防肌肉过度疲劳,关节过度负载等带来的运动损伤,拥有非常广泛的应用前景。本研究从用户体验的角度出发,基于人体下肢运动规律提出了一种新型下肢无源可穿戴外骨骼并对其进行了效能评估。首先,本研究确定了目标用户人群,并对目标用户人群特征、使用场景、用户痛点、用户需求进行了分析,并基于下肢无源外骨骼产品特性构建了用户需求指标。基于Kano模型设计了相关问卷对需求指标属性进行了用户调研及定量定性分析,并以此为理论依据提出了下肢无源外骨骼设计优化策略。然后,基于已有助力原理,从提高人机耦合性出发提出了一种以滑轮滑槽代替固有弹性元件连接点的优化助力原理,并基于人体下肢运动规律对滑槽形状进行了优化设计,使其能够在人体运动过程中配合人体运动控制弹性元件的储能及释放。同时,基于下肢外骨骼助力结构几何关系,对相关结构参数进行设计优化。基于虚拟样机仿真技术,校验关键零部件机械强度并进行优化设计,校验下肢无源外骨骼与人体运动状态的一致性。然后,基于下肢外骨骼结构设计及产品功能特点,对下肢无源外骨骼进行设计定位,确定了下肢无源外骨骼的形态、色彩、材质及结构尺寸,并进行草图方案设计。从造型风格、穿戴舒适性、加工可行性方面评估草图方案,并选取最优方案进行深化设计,进一步设计其三维模型并进行产品效果渲染。然后基于三维模型,进行零部件的加工定制并完成功能样机制作。最后,从生物工学及用户体验两个维度,对下肢无源外骨骼样机进行测试评价。基于肌电信号评估方法测试穿戴外骨骼进行运动对于人体下肢肌肉的影响,经验证穿戴下肢外骨骼进行蹲起运动能够有效降低i EMG积分肌电值约36.14%,进行行走运动能够有效降低i EMG积分肌电值约50.94%。基于用户体验理论及模糊层次分析法对下肢无源外骨骼的用户体验进行了测试评估。本研究基于层次分析法相关理论,构建了下肢无源外骨骼用户体验评价体系,并基于模糊综合评价方法,设计了用户体验主观评价量表并进行了下肢无源外骨骼用户体验评价实验及相关实验数据收集。优化后的下肢外骨骼样机整体用户体验评分为3.542,外观适应性评分为3.711,操作流畅性评分为3.313,人机耦合性评分为3.391,助力效能评分为3.694,操作流畅性及人机耦合性的用户体验有明显改善,整体体验评价较好。本研究创新性地设计了一款以滑轮滑槽为弹性元件连接点的助力型外骨骼,为下肢无源外骨骼相关研究拓宽了思路,为后续相关领域结构创新设计提供参考。本研究基于用户体验提出了下肢无源外骨骼设计优化策略,并基于模糊层次分析法构建了下肢无源外骨骼用户体验评价模型,对功能样机进行了用户体验综合评估,为后续相关领域下肢无源外骨骼用户体验评估优化提供参考。

关键词：下肢助力无源外骨骼用户体验体验评估

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无源助力外骨骼腿部优化设计

无源助力外骨骼腿部优化设计

作者：张星星电子科技大学

学位级别：硕士

无源助力外骨骼是一种能够支撑穿戴者负重,辅助人体运动的无动力的可穿戴机械装置。传统有源驱动助力外骨骼受限于电池技术,无法长时间持续穿戴使用,影响在户外的实际应用。无源外骨骼采用轻量化设计,不借助外部能源,依靠外骨骼机械结... 详细信息

无源助力外骨骼是一种能够支撑穿戴者负重,辅助人体运动的无动力的可穿戴机械装置。传统有源驱动助力外骨骼受限于电池技术,无法长时间持续穿戴使用,影响在户外的实际应用。无源外骨骼采用轻量化设计,不借助外部能源,依靠外骨骼机械结构和人体负重原理实现对人体的运动辅助,具有轻便、易穿戴、可长时间使用等优点,但无源外骨骼仍存在腿部支撑性和舒适性不足的问题。本文通过对无源助力外骨骼膝关节的支撑性和大小腿结构的舒适性优化设计,旨在减轻外骨骼腿部的穿戴负担和不适,提高外骨骼膝关节在行走过程中的支撑性,从而提升无源助力外骨骼长时间负重使用的助力性能。根据人体下肢解剖学特征,对人体负重行走的下肢运动信息、外骨骼下肢人机协同性和穿戴舒适性分析,针对关节支撑性和穿戴舒适性提出了无源助力外骨骼膝关节和大小腿结构的设计方案。首先针对无源助力外骨骼行走过程中腿部支撑性不足的问题设计了支撑期自锁的外骨骼六连杆膝关节结构。根据人体行走的下肢关节轨迹信息,采用最优化方法设计外骨骼膝关节六连杆机构,使外骨骼腿部运动能尽可能逼近人体正常步态的腿部运动。利用六连杆机构的自锁性实现行走步态支撑期的外骨骼膝关节角度锁定,从而提高负重行走过程中无源外骨骼对人体负重的支撑性,减轻人体关节负担。然后针对外骨骼长时间使用的穿戴舒适性问题,设计了增强散热的外骨骼半包裹式大小腿结构。通过人体腿部三维扫描,设计贴合人体腿部表面的外骨骼半包裹式大小腿结构以减小外骨骼穿戴时的人机相互作用力。利用运动前后采集的腿部热红外图像,得到人体腿部热舒适敏感度的分布,以此建立人体腿部穿戴外骨骼的热舒适度评估模型,对外骨骼大小腿进行热舒适度拓扑结构优化设计,使腿部半包裹结构具有良好透气性,从而使人体穿戴使用外骨骼时的腿部舒适度达到最佳。最后介绍了无源助力外骨骼腿部设计和整体结构的实现,对外骨骼膝关节结构和大小腿半包裹结构进行强度分析和功能分析。

关键词：无源外骨骼腿部设计膝关节穿戴舒适性

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背带式上肢助力外骨骼设计与控制

背带式上肢助力外骨骼设计与控制

作者：解利西安工业大学

学位级别：硕士

在物流业中快递分拣、灾难救援中物资运送、军事中炮弹填充和弹药搬运等领域,存在大量完全依靠人力搬运的现象。这种长时间、重复和高负荷的工作容易导致从业人员的肌肉疲劳和关节损伤,从而造成工作效率的下降。为了解决这些问题,本文... 详细信息

在物流业中快递分拣、灾难救援中物资运送、军事中炮弹填充和弹药搬运等领域,存在大量完全依靠人力搬运的现象。这种长时间、重复和高负荷的工作容易导致从业人员的肌肉疲劳和关节损伤,从而造成工作效率的下降。为了解决这些问题,本文设计了两种外骨骼装置:一种是无源上肢助力外骨骼,利用卷簧驱动,通过柔性背带传递驱动力,在搬运10kg以下的货物时提供助力,轻便易穿戴;另一种是有源上肢助力外骨骼,针对搬运10kg以上20kg以下的货物,采用电机驱动,同样通过柔性背带传递驱动力,并能够感知搬运者的意图,实时对上肢提供助力。背带式上肢助力外骨骼主要研究工作如下:(1)根据人体上肢手臂肘关节特征,用D-H法得出搬运时手臂的运动空间。提出一种使用柔性背带传递驱动力的助力方案,并对其助力效率进行分析。(2)针对10kg以下的搬运任务,设计了一种无源外骨骼结构,使用卷簧齿轮机构通过驱动背带为手臂提供助力。然后对其关键部件进行静力学和动力学仿真,验证其机械结构强度和可供力矩大小,最后完成实物制作。而对于10kg至20kg的搬运任务,采用更强劲的电机代替卷簧,并对外骨骼驱动结构进行优化。同样,对有源外骨骼的关键部件进行了静力学和动力学仿真以验证设计的可靠性,最终完成实物制作。(3)设计有源外骨骼的控制系统,采用上下分层控制方案,类似于“人脑-脊髓”的结构。在上层,通过多传感器数据采集器采集人体数据,随后将其输入到长短期记忆(LSTM)算法中,以识别进行的搬运动作。而在下层,借鉴脊髓的控制原理,应用PID算法对电机进行控制。该系统能够根据识别的搬运动作,实时调节电机力矩,以确保外骨骼为人体提供所需的辅助力。(4)搭建外骨骼测试实验平台,分别对穿戴无源外骨骼/未穿外骨骼搬运10kg以内重物和对穿戴有源外骨骼/未穿外骨骼搬运10kg以上20kg以内重物,进行持重搬运、重复搬运和持重站立实验,对比测试人员手臂肌电信号幅值和手臂肘关节角度标准差,对两种上肢外骨骼的助力功能进行实验验证。通过实验数据分析可知,这两种外骨骼均能有效缓解手臂肌肉疲劳,并且维持搬运时身体的稳定性。

关键词：上肢助力无源外骨骼有源外骨骼结构设计控制系统

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无源助行外骨骼机构的设计与动力学特性研究

无源助行外骨骼机构的设计与动力学特性研究

作者：赵晨曦西安理工大学

学位级别：硕士

外骨骼是一种可供人体穿戴的刚性机械装置,用于帮助人体行走、适用于越野登山、负重前行和下肢康复等场合。穿戴外骨骼机构后会使使用者与装置形成一体化的系统,这个系统相比于正常人体步态系统有了更承重的结构。本文分析了一种人体下... 详细信息

外骨骼是一种可供人体穿戴的刚性机械装置,用于帮助人体行走、适用于越野登山、负重前行和下肢康复等场合。穿戴外骨骼机构后会使使用者与装置形成一体化的系统,这个系统相比于正常人体步态系统有了更承重的结构。本文分析了一种人体下肢被动助行外骨骼装置(Walking Assist Exoskeleton,简称:WAE),穿戴外骨骼可以使小腿及脚踝减轻行走状态下拓屈的支持力,为人体关节的转动提供额外扭矩,减轻了步态中关键阶段的关节负担。本文构型了一种新型无动力源外骨骼机构,该机构无外部电动机,通过刚性杆组、超越离合器和弹性元件的组合机构来实现对人体步行过程中的能量转换,增强了使用者的行走能力。建立了人体穿戴外骨骼系统的动力学理论模型,分别对单脚与双脚支撑模式的人机系统进行了分析,并运用Matlab软件对相关参数进行了求解,计算出行走时各关节的理论转矩。通过正常步态下的求解数据,绘制了关节运动的拟合曲线,建立了人体穿戴外骨骼行走的虚拟样机模型,并进行动力学仿真分析。本文进行了机械装置和人体生物力学的交叉研究,使用Opensim中的CMC肌肉参数模块,建立了人体穿戴外骨骼的生物力学模型,分别对穿戴与不穿戴外骨骼的情况进行了行走步态仿真,从生物力学的角度对比了穿戴外骨骼前后肌肉相关的变化。结果表明,穿戴WAE行走会降低步态中关键肌肉的活动,降低肌肉在步行状态下的活性值与肌肉力,并且有效的减低了人体因步行运动产生的代谢值损耗,验证了穿戴外骨骼机构能够确实提高人体的行走能力。本文的研究成果为行走用无源外骨骼机构的设计提供了一种新思路和方法。

关键词：无源外骨骼助行机构人机耦合动力学虚拟样机