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基于自适应切换迭代学习的绳驱踝外骨骼力控制器设计
1
作者 李颖 孙容磊 张歆悦 《机械与电子》 2024年第9期36-44,共9页
人-外骨骼构成强耦合系统,步态的偶然变异对控制器产生较大干扰,导致系统震荡。针对这一问题,提出了一种自适应切换的迭代学习控制策略。在峰值误差较大时,采用峰值迭代学习控制,仅对力控信号峰值点进行迭代更新;当峰值误差较小时,切换... 人-外骨骼构成强耦合系统,步态的偶然变异对控制器产生较大干扰,导致系统震荡。针对这一问题,提出了一种自适应切换的迭代学习控制策略。在峰值误差较大时,采用峰值迭代学习控制,仅对力控信号峰值点进行迭代更新;当峰值误差较小时,切换为传统的PD型迭代学习控制,对力控信号所有点进行迭代更新。为进一步改善控制效果,设计了前馈控制器来补偿鲍登绳传动的非线性摩擦。仿真和外骨骼实验结果表明,与传统PD型迭代学习算法相比,自适应切换的迭代学习控制策略保证了助力曲线的平稳升降,同时该策略具有更快的收敛速度以及受干扰后更快的恢复速度,实现了行走过程中辅助力的准确跟踪控制。 展开更多
关键词 自适应切换 峰值迭代学习 PD型迭代学习 前馈补偿器 足踝外骨骼 鲍登绳传动
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直立抗扰下踝关节外骨骼人机协作控制优化
2
作者 庞牧野 詹赳 +1 位作者 唐必伟 向馗 《华中科技大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第2期95-101,共7页
针对直立抗扰下穿戴者肌肉活动和外骨骼助力间的适应问题,提出了一种踝关节外骨骼人机协作控制参数的“人在环”优化方法.该方法将穿戴者下肢肌肉激活量作为评估人机协作适应度的指标,建立优化目标函数.在外骨骼工作过程中,使用分段阻... 针对直立抗扰下穿戴者肌肉活动和外骨骼助力间的适应问题,提出了一种踝关节外骨骼人机协作控制参数的“人在环”优化方法.该方法将穿戴者下肢肌肉激活量作为评估人机协作适应度的指标,建立优化目标函数.在外骨骼工作过程中,使用分段阻抗控制算法计算输出力矩;采用贝叶斯优化算法,根据计算出的目标函数值进行优化,获得最佳的阻抗控制参数,实现直立抗扰下外骨骼人机协作最优控制.实验表明:该方法可以有效降低穿戴者下肢肌肉激活程度,减少穿戴者踝关节动作力矩,完成直立抗扰任务,对穿戴者有积极的辅助作用,研究结果为外骨骼人机协作控制的优化提供了一种通用的解决方法. 展开更多
关键词 踝关节外骨骼 人机协作 阻抗控制 直立抗扰 人在回路 贝叶斯优化
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踝关节外骨骼助行模式对下肢肌肉激活与协调模式的影响 被引量：2
3
作者 王伟 丁建全 +3 位作者 汪毅 刘艺程 张娟娟 刘景泰 《生物医学工程学杂志》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第1期75-83,91,共10页
踝关节外骨骼可用来提高人的行走效率,辅助老年人、运动功能障碍患者等进行日常活动或康复训练,但外骨骼的助行模式会对穿戴者的下肢肌肉激活与协调模式产生影响。本文利用一款绳驱动踝关节外骨骼,设计了不同助力时机与助力大小组合的... 踝关节外骨骼可用来提高人的行走效率,辅助老年人、运动功能障碍患者等进行日常活动或康复训练,但外骨骼的助行模式会对穿戴者的下肢肌肉激活与协调模式产生影响。本文利用一款绳驱动踝关节外骨骼,设计了不同助力时机与助力大小组合的助行模式,采集了7名穿戴者在跑步机上以1.25 m/s速度水平行走时的下肢表面肌电信号,研究不同助行模式对穿戴者下肢肌肉激活与协调模式的影响。实验结果表明,比目鱼肌激活程度在踝关节外骨骼助力时有明显降低,在助力时机为步态周期49%、助力大小为0.7 N·m/kg时,最高可降低(38.5±10.8)%。并且,相对于助力时机,助力大小对比目鱼肌激活程度影响更为显著。踝关节外骨骼不同模式助行时,所测量下肢肌肉可分解为5个基本协同模式,且合适的助力时机与助力大小条件下,下肢肌肉协调模式和正常行走相比改变较小。此外,比目鱼肌-胫骨前肌、股直肌-半腱肌的协同收缩度在外骨骼助力时比正常行走均有升高。本研究有助于理解健康穿戴者如何调整自身的神经肌肉控制机制来适应不同外骨骼助力,并为选择合适的助行模式以及合理利用外骨骼提高行走效率提供依据。 展开更多
关键词 可穿戴设备 踝关节外骨骼机器人 行走辅助 表面肌电信号 肌肉协同
原文传递
一种结合FES的足下垂康复助力机构设计 被引量：1
4
作者 许坤 李龙委 +3 位作者 李娟 李伟达 夏子玉 万欢 《机械与电子》 2018年第7期72-75,80,共5页
针对足下垂患者的康复训练,提出了一种将功能性电刺激(FES)与踝关节助力机构结合的方法。通过分析正常人体步态曲线,对力传感器检测步态的方法进行了研究,并搭建了下肢步态检测系统;对功能性电刺激技术进行了研究,设计了功能性电刺激单... 针对足下垂患者的康复训练,提出了一种将功能性电刺激(FES)与踝关节助力机构结合的方法。通过分析正常人体步态曲线,对力传感器检测步态的方法进行了研究,并搭建了下肢步态检测系统;对功能性电刺激技术进行了研究,设计了功能性电刺激单元,完成了该单元的硬件设计;通过分析足下垂患者的步态特点,提出了踝关节助力机构所需要完成的功能性目标,并完成了助力机构的研制;根据已经搭建的平台,对传统的PID控制方法进行了研究,设计了下肢步态检测模块、功能性电刺激单元和踝关节助力机构的控制系统,完成了控制系统搭建。 展开更多
关键词 足下垂 功能性电刺激 踝关节助力机构 步态检测
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被动踝足外骨骼对平地行走时运动表现的影响
5
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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一种主动型踝关节助力外骨骼设计及性能实验
6
作者 韩亚丽 韩子瑒 +2 位作者 金壮壮 徐闽海 吴应达 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第11期109-118,共10页
为实现踝关节的运动助力,针对踝关节运动过程角度变化快、运动自由度多的特点,本文提出了一种基于多支链空间连杆机构的主动助力外骨骼,通过电机带动丝杆传动并组合空间连杆机构的设计方式,实现了踝关节主动的背屈/跖屈及从动的内收/外... 为实现踝关节的运动助力,针对踝关节运动过程角度变化快、运动自由度多的特点,本文提出了一种基于多支链空间连杆机构的主动助力外骨骼,通过电机带动丝杆传动并组合空间连杆机构的设计方式,实现了踝关节主动的背屈/跖屈及从动的内收/外展,旨在提高踝关节外骨骼运动跟随的协调性,减少其对穿戴者运动自由度的限制。基于脚底测力系统进行步态识别,采用运动状态机对踝关节助力外骨骼进行分层控制策略研究。并对踝关节进行运动实验测试及助力评估。实验结果表明,踝关节外骨骼的有效助力范围(跖屈30°~背屈20°,内收35°~外展15°)能够满足正常行走需求,具有良好的运动跟随性(角度误差≤2°),受试者小腿肌电信号明显衰减,减幅均值可达28.91%,可实现有效助力。 展开更多
关键词 踝关节助力外骨骼 步态识别 有限状态机
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踝关节助力外骨骼设计及仿真性能分析 被引量：1
7
作者 冯博琳 赵文彬 +2 位作者 宋鹏 周加永 王军利 《组合机床与自动化加工技术》 北大核心 2020年第12期140-143,148,共5页
踝关节在人体正常行走时,踝关节所承受的力矩最大。文章在分析踝关节生物力学的基础上,首先从减缓小腿肌肉疲劳角度出发设计了踝关节助力外骨骼,并建立了其力传递模型。之后,采用有限元仿真分析技术对踝关节助力外骨骼进行有限元静力学... 踝关节在人体正常行走时,踝关节所承受的力矩最大。文章在分析踝关节生物力学的基础上,首先从减缓小腿肌肉疲劳角度出发设计了踝关节助力外骨骼,并建立了其力传递模型。之后,采用有限元仿真分析技术对踝关节助力外骨骼进行有限元静力学仿真,并对小腿固定支架进行瞬态动力学仿真。通过有限元分析,验证了其结构设计的合理性。最后,将正常人行走时的步态数据作为驱动对踝关节助力外骨骼虚拟样机进行了ADAMS动力学仿真,研究不同步速、不同弹簧刚度系数对踝关节助力外骨骼关节力矩的影响,仿真结果表明踝关节助力外骨骼有较好的动力输出效果,为实物的搭建提供可行性依据。 展开更多
关键词 踝关节助力外骨骼 力传递模型 有限元 动力学仿真
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