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被动踝足外骨骼对平地行走时运动表现的影响
1
作者 孟琳 宋钊熙 +2 位作者 董洪涛 徐瑞 明东 《电子测量与仪器学报》 CSCD 北大核心 2023年第6期14-21,共8页
被动踝关节外骨骼(unpowered-ankle exoskeleton)可实现人体步态行走良好辅助作用,但对其助行增强效果研究多局限于跑步机行走范式,现少有在平地行走下穿戴外骨骼对穿戴者运动生物力学影响的研究。本研究设计组装了一款低成本模块化的... 被动踝关节外骨骼(unpowered-ankle exoskeleton)可实现人体步态行走良好辅助作用,但对其助行增强效果研究多局限于跑步机行走范式,现少有在平地行走下穿戴外骨骼对穿戴者运动生物力学影响的研究。本研究设计组装了一款低成本模块化的被动踝关节外骨骼,首次研究了平地行走下穿戴被动踝关节外骨骼对健康年轻穿戴者肌肉激活与运动表现的影响。实验招募5名穿戴者,在无外骨骼、仅穿戴外骨骼框架和穿戴外骨骼3种实验条件下完成直线行走任务,过程中同步采集人体下肢主要肌群的肌电和关节运动轨迹。提取了肌电激活特征和关节角度特征,采用双因素方差分析方法揭示了不同外骨骼穿戴状态对相关特征的影响。结果表明,外骨骼框架会对人体提供支撑,降低站立阶段腓肠肌内侧肌肉激活。而穿戴外骨骼在站立阶段使腓肠肌内侧的平均肌肉激活显著降低20%,也显著降低了踝关节的峰值力矩及功率。外骨骼会使髋膝关节的运动学和动力学表现发生变化,这可能与下肢关节间的能量交换有关。因此,被动踝关节外骨骼可在平地行走下对踝关节实现支撑相和推离阶段有效辅助,但穿戴者同时也会适应外骨骼穿戴而改变其步态。 展开更多
关键词 踝足外骨骼 人体增强 无动力外骨骼
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基于无动力外骨骼的无基础设施三维空间定位 被引量：1
2
作者 张颢龄 张金荣 +1 位作者 黄熙瑞 梁浩天 《重庆理工大学学报（自然科学）》 CAS 北大核心 2018年第3期201-209,共9页
针对无基础设施定位提出一套基于无动力外骨骼的六点相对位置测量方案。首先,使用MPU9250和MIRAN-KTC 150构建三维空间测量模块并通过刚体三维空间矢量算法进行解算;其次,为进行步态捕获,选用2组20~40岁的正常男性作为样本进行人体下肢... 针对无基础设施定位提出一套基于无动力外骨骼的六点相对位置测量方案。首先,使用MPU9250和MIRAN-KTC 150构建三维空间测量模块并通过刚体三维空间矢量算法进行解算;其次,为进行步态捕获,选用2组20~40岁的正常男性作为样本进行人体下肢运动力学特征分析,得出M型脚跟加速度物理模型;最后,使用有穷自动机触发各模块对人的空间状态进行记录分析,进行异常步态过滤。试验结果表明:该方案单步平均空间误差在3cm左右,单程精确度可达分米级,在无基础设施的情况下能较精确地测量人每步发生的三维位置变换。 展开更多
关键词 三维空间定位 无动力外骨骼 无基础设施 步态分析
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面向半失能老人的无动力外骨骼分析及设计 被引量：1
3
作者 李刚 宋振东 +2 位作者 邹风山 孙乾城 李加平 《机械工程师》 2020年第12期81-88,共8页
基于半失能老人步态特征,建立了人体下肢运动学模型,推导了人体行走动力学方程,在此基础上,设计了面向半失能老人的无动力下肢外骨骼结构。为了便于用户穿戴,基于人体工程学,完成了外骨骼绑带等柔性部件结构的设计及外观设计。为验证文... 基于半失能老人步态特征,建立了人体下肢运动学模型,推导了人体行走动力学方程,在此基础上,设计了面向半失能老人的无动力下肢外骨骼结构。为了便于用户穿戴,基于人体工程学,完成了外骨骼绑带等柔性部件结构的设计及外观设计。为验证文中设计的外骨骼性能及可靠性,加工了无动力下肢外骨骼样机,并进行了相关测试及实验。 展开更多
关键词 运动分析 无动力外骨骼 结构设计 柔性部件 外观设计
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腰部外骨骼机器人多刚-柔体动力学等效逆解方法研究及其性能优化综合
4
作者 周祖意 杨玉维 +2 位作者 齐文耀 龚健超 李照童 《机械工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第5期107-118,共12页
针对减轻腰部运动负载对其疾病防治的重要性,提出一种具有人体生物力学特性的多自由度仿生腰部无动力外骨骼机器人研究原型,继而针对其计及人机共融性的运动承载仿生工作机理的有效实现,深入开展基于多刚-柔体动力学逆解的系统仿生综合... 针对减轻腰部运动负载对其疾病防治的重要性,提出一种具有人体生物力学特性的多自由度仿生腰部无动力外骨骼机器人研究原型,继而针对其计及人机共融性的运动承载仿生工作机理的有效实现,深入开展基于多刚-柔体动力学逆解的系统仿生综合性能优化及其方法研究。首先,基于相关离体生物力学实验数据,构建人体腰椎仿生等效复合刚度力学模型,进而于人体矢状面内搭建人机穿戴并联系统多刚-柔体正动力学模型;其次,旨在腰部外骨骼机器人性能优化综合的有效实现,提出一种新型动力学综合性能评价指标——仿生承载舒适度;再次,相对于柔性逆动力学频域法求解的非因果复杂性,提出一种通过正动力学线性优化迭代逼近多刚-柔体动力学逆解的等效方法,以实现外骨骼机器人穿戴前后人体胸椎运动轨迹的一致性;最后,深入开展人机穿戴并联多刚-柔体系统仿生综合性能优化研究,进而得到外骨骼机器人最优设计参数组。仿真结果表明:外骨骼机器人穿戴前后,在保障人体胸椎在矢状面内弯曲角度轨迹误差极小(4.5×10^(-6)(^(o)))工况下,人体等效受力较穿戴前得到明显改善;优化后的外骨骼机器人穿戴舒适性指标明显提升,从而证明了腰部外骨骼机器人具有较好的动力学仿生综合性能,以及所采用研究方法的合理有效性。同时,优化后的系统设计参数对后续腰部外骨骼机器人物理样机的建造及相关实验的开展具有重要意义。 展开更多
关键词 腰部无动力外骨骼机器人 多刚-柔体 正动力学 等效逆动力学 仿生承载舒适度 综合性能优化
原文传递
基于人机工程学的无动力下肢外骨骼设计研究 被引量：5
5
作者 常淳 赵聪明 李浩轩 《工业设计》 2020年第4期30-32,共3页
本文以为普通人和有负重需要的人提供助力为目标,对无动力下肢外骨骼进行设计。在保证结构合理的基础上力求满足质量轻、操作简便、人机协调等目标。在人机工程学和人体步态运动规律的基础上提出一种无动力下肢外骨骼的设计概念,设计了... 本文以为普通人和有负重需要的人提供助力为目标,对无动力下肢外骨骼进行设计。在保证结构合理的基础上力求满足质量轻、操作简便、人机协调等目标。在人机工程学和人体步态运动规律的基础上提出一种无动力下肢外骨骼的设计概念,设计了该外骨骼各关节的自由度数、部件参数等关键信息,在上述基础上对外骨骼进行详细设计,并对其进行分析测试。最终基本完成了设计原型,符合预期目标,下肢外骨骼实现了对使用者助力的目的,满足了相关结构强度要求。实验结果表明下肢外骨骼的结构设计合理,工作模式符合设计要求,为进一步探索下肢外骨骼的设计打下了基础。 展开更多
关键词 人机工程学 无动力下肢外骨骼 设计
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面向山区救援的无动力下肢外骨骼外观设计研究 被引量：1
6
作者 黄秀琴 《工业设计》 2022年第4期155-157,共3页
面对日益复杂的山区救援行动,大型设备难以进入救援场所,需要通过大量的人力进行救援,外骨骼可为有负重需求的人提供助力,满足多种作业需求。文章首先研究了山区救援基本情况及外骨骼发展概况;其次通过分析人体关节运动和步态特征,得出... 面对日益复杂的山区救援行动,大型设备难以进入救援场所,需要通过大量的人力进行救援,外骨骼可为有负重需求的人提供助力,满足多种作业需求。文章首先研究了山区救援基本情况及外骨骼发展概况;其次通过分析人体关节运动和步态特征,得出面向山区救援的无动力下肢外骨骼的设计原则;最后根据这些设计原则进行了设计实践。通过文章的研究,以期在保证结构合理的基础上,对无动力下肢外骨骼的外观造型进行优化设计,从而打破传统外骨骼的机械感,赋予机械以美感并注入情感化元素。 展开更多
关键词 山区救援 无动力下肢外骨骼 外观设计
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肌力协同补偿的无动力下肢外骨骼设计与分析 被引量：1
7
作者 王永奉 赵国如 +2 位作者 孔祥战 郑凯 李光林 《工程设计学报》 CSCD 北大核心 2021年第6期764-775,共12页
无动力外骨骼具有质量小、代谢能耗低、基本不改变正常步态、无需外动力源和可持续工作时间长等优点,已逐渐成为新型外骨骼领域的研究热点。为提升常规无动力下肢外骨骼对步态能量的利用效率,设计了一种肌力协同补偿的无动力下肢外骨骼... 无动力外骨骼具有质量小、代谢能耗低、基本不改变正常步态、无需外动力源和可持续工作时间长等优点,已逐渐成为新型外骨骼领域的研究热点。为提升常规无动力下肢外骨骼对步态能量的利用效率,设计了一种肌力协同补偿的无动力下肢外骨骼。首先,通过建立人体下肢动力学模型分析了行走过程中下肢能量的变化规律,得到了步态能量的储存与释放机理;然后,结合设置代起止点的折线路径及肌力贡献度,制定了关节肌肉的肌力协同补偿路径;最后,基于踝、髋关节的刚度设计了弹性储能元件,构建了一款无动力柔性下肢外骨骼,并利用OpenSim软件分析了有无穿戴外骨骼时人体下肢相关肌肉在行走过程中的代谢能耗。结果表明,在穿戴无动力下肢外骨骼时,比目鱼肌、腓肠肌和胫骨前肌的代谢能耗分别降低了31.5%,34.7%和40.0%,股直肌、阔筋膜张肌和缝匠肌的代谢能耗分别降低了36.3%,7.0%和5.0%;单个步态周期内下肢相关肌肉的总代谢能耗降低了15.5%。研究结果可为低代谢能耗的无动力下肢外骨骼的优化设计提供一定的理论依据。 展开更多
关键词 无动力下肢外骨骼 步态能量 代谢能耗 肌力协同补偿
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无动力助行外骨骼的机构设计和运动分析 被引量：2
8
作者 梁观坡 邹泽华 《机电信息》 2018年第24期116-117,共2页
针对神经系统疾病致使下肢行走存在困难的患者,设计了可穿戴无动力助行外骨骼康复装置,旨在帮助患者恢复其正常步行,并改善患者的日常生活自理能力。具体研究内容包括:对人体下肢运动机理进行分析,基于结构设计的安全性、可靠性、舒适性... 针对神经系统疾病致使下肢行走存在困难的患者,设计了可穿戴无动力助行外骨骼康复装置,旨在帮助患者恢复其正常步行,并改善患者的日常生活自理能力。具体研究内容包括:对人体下肢运动机理进行分析,基于结构设计的安全性、可靠性、舒适性,同时考量系统自由度的合理配置后进行Solid Works三维建模,并对髋关节处的储能弹簧与滑道展开重点设计;对髋关节处储能弹簧的最佳刚度参数进行求解。 展开更多
关键词 无动力助行外骨骼 SolidWorks建模 弹簧刚度
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