手部外骨骼运动相容性设计综述 被引量：13

1

作者 李剑锋 张兆晶 +3 位作者 张雷雨 陶春静 季润 范金红 《上海交通大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第6期729-742,共14页

以人机运动相容性为关注点,对手部外骨骼设计的研究现状进行分析与综述.首先,结合人手解剖学结构与关节运动学属性的分析,简要介绍手部的主要运动学参考模型.其次,根据实现人机运动相容性的设计方法,将手部外骨骼归纳为人机关节轴线对... 以人机运动相容性为关注点,对手部外骨骼设计的研究现状进行分析与综述.首先,结合人手解剖学结构与关节运动学属性的分析,简要介绍手部的主要运动学参考模型.其次,根据实现人机运动相容性的设计方法,将手部外骨骼归纳为人机关节轴线对齐、关节轴线自适应和柔顺性结构手套等3种主要类型,并扼要分析典型手部外骨骼的设计特点.最后,结合人机穿戴偏差、个体体征差异和人机关节运动属性差异等对人机运动相容性的影响,对手部外骨骼设计需要考虑的问题和后续研究进行了分析与论述. 展开更多

关键词 手部外骨骼 手运动学模型 运动相容性 设计方法

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基于3-UPS/RRR的并联踝关节康复机构及其性能分析 被引量：9

2

作者 李剑锋 徐成辉 +3 位作者 陶春静 季润 李世才 张兆晶 《自动化学报》 EI CSCD 北大核心 2016年第12期1794-1807,共14页

基于踝关节的生理解剖结构和运动特性分析,提出了一种适用于踝关节康复的3自由度3-UPS/RRR并联机构.该机构采用三个主动支链倾斜布置避开了机构的奇异位形,能满足踝关节康复运动需要,同时约束支链和动平台的设计使机构的转动中心与患者... 基于踝关节的生理解剖结构和运动特性分析,提出了一种适用于踝关节康复的3自由度3-UPS/RRR并联机构.该机构采用三个主动支链倾斜布置避开了机构的奇异位形,能满足踝关节康复运动需要,同时约束支链和动平台的设计使机构的转动中心与患者的踝关节转动中心重合.应用解析法得到了机构的位置反解,建立了速度雅可比矩阵和静力雅可比矩阵,求解了机构的工作空间.基于雅可比矩阵,仿真分析了机构的运动学性能和静力学性能.结果表明在规定的工作空间内机构具有良好的可操作性、运动灵活性、刚度特性和力矩传递性能.最后运用牛顿–欧拉法建立了机构的逆动力学方程,得到了驱动力、约束力与运动参数的关系,并给出了仿真实例. 展开更多

关键词 踝关节康复 并联机构 约束支链 力矩传递性能 牛顿-欧拉法

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人体上肢运动的雅克比矩阵与灵活性分析 被引量：4

3

作者 李剑锋 袁树峥 +3 位作者 范金红 陶春静 马春敏 季润 《上海交通大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第2期173-180,共8页

为了解人体上肢的运动学属性和操作能力,结合上肢解剖结构分析和国际生物力学学会提出的上肢运动描述方法,建立了人体右侧上肢的运动学模型.该模型包含了胸锁关节、盂肱关节和肘关节的运动,并将肩锁关节与肩胛胸壁关节的运动等效为上肢... 为了解人体上肢的运动学属性和操作能力,结合上肢解剖结构分析和国际生物力学学会提出的上肢运动描述方法,建立了人体右侧上肢的运动学模型.该模型包含了胸锁关节、盂肱关节和肘关节的运动,并将肩锁关节与肩胛胸壁关节的运动等效为上肢带骨运动.根据人体上肢关节的运动耦合关系推导了上肢关节与腕点间的速度雅克比矩阵,并对人体右上肢在冠状面、矢状面和水平面内的运动灵活性进行了分析.结果表明:影响腕点运动的独立关节参数少于上肢自然运动轴的数目,对应于上肢抬升角取值域的变化,雅克比矩阵有3种不同的结构形式;上肢在冠状面、矢状面和水平面内运动时,伸展位形区域的指标值小于屈曲位形区域的指标值,在屈曲位形区域人体上肢具有更好的运动灵活性. 展开更多

关键词 人体上肢 运动学模型 关节运动耦合 雅克比矩阵

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脊髓损伤恒河猴后肢步态数据处理方法的设计 被引量：4

4

作者 宋伟 赵文 +4 位作者 魏瑞晗 赵璨 季润 曹金柱 蒲放 《中国康复理论与实践》 CSCD 北大核心 2013年第8期734-738,共5页

目的基于Matlab建立一套适用于非人灵长类动物的步态数据处理方法。方法通过VICON系统在3只恒河猴脊髓损伤术后6周进行后肢步态分析测试,获取运动学数据。通过Excel Link将Matlab与Microsoft Excel相结合,实现对运动学原始数据的筛选和... 目的基于Matlab建立一套适用于非人灵长类动物的步态数据处理方法。方法通过VICON系统在3只恒河猴脊髓损伤术后6周进行后肢步态分析测试,获取运动学数据。通过Excel Link将Matlab与Microsoft Excel相结合,实现对运动学原始数据的筛选和提取,并在Matlab环境下进行计算。结果通过计算得到步长、步高以及膝关节和踝关节角度等运动学参数。在0.2km/h、0.5 km/h、0.8 km/h速度下,步长(F=2.869,P=0.088)和步高(F=1.148,P=0.344)均值无显著性差异(P>0.05),表明数据模型可重复。通过计算得到的角度-时间曲线图反映了关节功能和运动变化规律。系统初步实现了足部步态轨迹的描绘,还实现了步态运动的二维/三维轨迹图的生成。结论该系统使得实验原始数据的处理不依赖于VICON系统,计算得到的参数和轨迹描绘可基本满足非人灵长类动物后肢行为学评价的需求。 展开更多

关键词 非人灵长类动物 步态 数据处理 矩阵实验室 步态参数 步态轨迹 猴

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膝关节康复外骨骼构型综合与结构设计 被引量：9

5

作者 李剑锋 黄相强 +2 位作者 陶春静 王飒 季润 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第4期625-632,共8页

为了探讨膝关节自适应性康复外骨骼机构构型综合与结构设计问题,本文基于人体膝关节屈伸运动实验采集的数据,提取出膝关节运动瞬时螺旋参数;根据膝关节生理结构和膝关节螺旋轴的瞬变特性考究,建立人体膝关节的运动学模型。结合人-机运... 为了探讨膝关节自适应性康复外骨骼机构构型综合与结构设计问题,本文基于人体膝关节屈伸运动实验采集的数据,提取出膝关节运动瞬时螺旋参数;根据膝关节生理结构和膝关节螺旋轴的瞬变特性考究,建立人体膝关节的运动学模型。结合人-机运动相容性、人-机闭链自由度和人-机约束力矩作用性质分析,提出一种与人体膝关节运动相容的康复外骨骼机构构型;考虑结构简单性和穿戴舒适性,对膝关节康复外骨骼装置进行了结构设计,获得了一套可自适应人体膝关节转动轴线运动特性的膝关节康复外骨骼机构。 展开更多

关键词 膝关节康复 自适应 螺旋轴 运动相容 人-机闭链 构型综合 结构设计 外骨骼

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恒河猴脊髓半侧损伤模型的行为学评价方法的研究 被引量：2

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作者 宋伟 魏瑞晗 +3 位作者 赵文 赵璨 季润 蒲放 《中国康复医学杂志》 CAS CSCD 北大核心 2013年第11期985-989,共5页

目的:通过观察恒河猴脊髓神经损伤前、损伤修复后的不同行为学变化,对神经损伤及修复进行宏观的评价,建立一种适用于恒河猴下肢运动行为学评价的实验方法。方法:为了评估脊髓损伤后的非人灵长类动物的行为学,本文建立了3只恒河猴胸段(T7... 目的:通过观察恒河猴脊髓神经损伤前、损伤修复后的不同行为学变化,对神经损伤及修复进行宏观的评价,建立一种适用于恒河猴下肢运动行为学评价的实验方法。方法:为了评估脊髓损伤后的非人灵长类动物的行为学,本文建立了3只恒河猴胸段(T7—T9)脊髓半侧移除模型。本研究基于VICON运动捕捉系统,对脊髓损伤前后的恒河猴设计了步态分析实验。随后,利用FootScan平衡测试分析系统测量分析脊髓损伤前后恒河猴自然站立时双侧下肢的承重情况。结果:恒河猴脊髓损伤后6周、12周右膝、踝关节活动的角度变化范围小于左侧;脊髓损伤后12周右腿的足底压力较6周有所提高,6周、12周右腿的足底压力均值分别为7.25%、8.43%。结论:该实验方法适用于非人灵长类动物的行为学评价,对于动物脊髓损伤后修复的研究具有重要意义。 展开更多

关键词 脊髓半侧损伤 下肢 运动捕捉 行为学评价 下肢承重 恒河猴

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2-UPS/RR并联髋关节助力机构及运动性能 被引量：2

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作者 李剑锋 李世才 +3 位作者 陶春静 季润 徐成辉 张兆晶 《北京工业大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2017年第1期49-57,共9页

为了帮助髋关节受损的患者完成行走运动,提出了一种适用于髋关节助力的2-UPS/RR并联机构.该机构不仅可以满足髋关节助力所需要的前屈/后伸、内收/外展、内旋/外旋运动,还可以保证机构的旋转中心与不同患者的髋关节旋转中心重合.计算了... 为了帮助髋关节受损的患者完成行走运动,提出了一种适用于髋关节助力的2-UPS/RR并联机构.该机构不仅可以满足髋关节助力所需要的前屈/后伸、内收/外展、内旋/外旋运动,还可以保证机构的旋转中心与不同患者的髋关节旋转中心重合.计算了自由度,并应用解析法给出了机构的位置反解,建立了速度雅克比矩阵,通过对驱动参数的限定,求解了机构的工作空间.最后,基于雅克比矩阵,对比分析了分别驱动移动副和虎克副2根旋转轴时机构的运动学性能.结果表明:在规定的工作空间内驱动移动副时,机构具有良好的可操作性、运动灵活性和刚度特性.相比当前的髋关节助力机构,其结构简单,有效避免了支链间不必要的干涉,减小了整个机构的占用体积.设计的该机构适合髋关节助力训练. 展开更多

关键词 髋关节助力 并联机构 可操作度 灵活性 刚度特性

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下肢柔性助力外衣的工效学设计与步态预测 被引量：4

8

作者 张雷雨 贺彦东 +4 位作者 李剑锋 苏鹏 陶春静 季润 董明杰 《中南大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第4期1171-1184,共14页

为增强人体的下肢运动机能,研制一套柔性功能外衣,作为助力系统的末端执行元件包覆于人体下肢,对髋关节的前屈动作助力,并研发基于力位混合控制的外接驱动系统,初步完成下肢柔性助力外衣系统样机的搭建。在此基础上,提出以IMU为主导的... 为增强人体的下肢运动机能,研制一套柔性功能外衣,作为助力系统的末端执行元件包覆于人体下肢,对髋关节的前屈动作助力,并研发基于力位混合控制的外接驱动系统,初步完成下肢柔性助力外衣系统样机的搭建。在此基础上,提出以IMU为主导的自适应步态检测算法,检测频率自适应于人体运动速度,实现步态信息的高效检测,并以检测信息为基础,提出“牛顿+三次指数平滑”预测算法,实时预测人体下肢动作。研究结果表明:功能外衣具有较高的刚度和良好的穿戴舒适性,符合功能外衣的设计要求;“牛顿+三次指数平滑”预测算法可实时预测50 ms之后的髋关节角度,预测过程稳定,在人体行走过程中,预测曲线平滑性较好,精度较高,可满足助力系统的步态预测要求,为下肢助力研究提供依据。 展开更多

关键词 下肢助力 功能外衣 髋关节前屈 自适应步态检测 步态预测

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脊髓损伤恒河猴下肢残留跨步能力的评估 被引量：1

9

作者 赵璨 魏瑞晗 +4 位作者 赵文 季润 饶家声 杨朝阳 李晓光 《中国康复理论与实践》 CSCD 北大核心 2020年第6期648-653,共6页

目的观察评估脊髓损伤后恒河猴的下肢残留跨步能力。方法成年雌性恒河猴4只,胸椎T7-9右半侧切除脊髓组织1 cm。分别在脊髓损伤前、脊髓损伤后6周和12周,采用VICON系统进行双下肢步态测试,获取动物在跑步机上连续跨步中的双下肢步态周期... 目的观察评估脊髓损伤后恒河猴的下肢残留跨步能力。方法成年雌性恒河猴4只,胸椎T7-9右半侧切除脊髓组织1 cm。分别在脊髓损伤前、脊髓损伤后6周和12周,采用VICON系统进行双下肢步态测试,获取动物在跑步机上连续跨步中的双下肢步态周期时长,步长、步高、膝/踝关节角度幅值以及联动参数比值,并量化分析。结果脊髓损伤后,恒河猴双下肢的协调性破坏,右下肢明显拖拽;左下肢步态周期时长显著增加(P<0.001),膝/踝关节角度屈曲/伸展的幅值均显著增大(P<0.001)。联动参数比值在脊髓损伤前后均无显著性差异(P>0.05)。左下肢步态周期时长与步长(r=0.838,P=0.001)、步高(r=0.726,P=0.007)和踝关节角度变化幅值(r=0.766,P=0.004)均相关,踝关节角度变化幅值与步长呈正相关(r=0.627,P=0.029)。结论脊髓损伤后恒河猴健侧肢体步态模式发生改变。健侧下肢代偿性调整运动策略,以适应患侧下肢功能的缺失。 展开更多

关键词 恒河猴 脊髓半侧损伤 步态分析 残留跨步能力

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下肢康复外骨骼机构人机约束力分析 被引量：3

10

作者 张自强 李剑锋 +1 位作者 陶春静 季润 《机械设计与制造》 北大核心 2013年第12期177-180,共4页

下肢康复外骨骼机构与人体下肢之间连接关节轴线分布的不同会对人-机约束力产生不同的影响,从而可能会影响外骨骼机构在使用过程中的安全性和舒适性。基于螺旋理论,对人-机闭链中刚体骨骼模型的大腿构件、小腿构件以及与其相连的外骨骼... 下肢康复外骨骼机构与人体下肢之间连接关节轴线分布的不同会对人-机约束力产生不同的影响,从而可能会影响外骨骼机构在使用过程中的安全性和舒适性。基于螺旋理论,对人-机闭链中刚体骨骼模型的大腿构件、小腿构件以及与其相连的外骨骼机构连杆分别进行了受力分析,求得外骨骼机构对人体下肢在连接位置处的约束力和约束力矩。分析了不同方向的人-机约束力对穿戴过程中安全性和舒适性的影响,并给出了一个数值算例,比较了胡克铰两种轴线分布情况下人-机约束力的变化规律,为外骨骼的结构设计提供一定的依据。 展开更多

关键词 外骨骼机构 螺旋理论 人-机约束力

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一种新型自适应康复外骨骼机构及重力平衡优化 被引量：2

11

作者 李剑锋 赵朋波 +3 位作者 张雷雨 陶春静 季润 刘钧辉 《工程科学与技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第5期263-270,共8页

针对上肢运动功能障碍患者,康复外骨骼机构在肩、肘关节康复训练中的应用越来越多,由于盂肱关节的浮动属性及难以避免的穿戴误差,人机对应关节的轴线难以始终保持对齐,致使人-机连接界面处产生较大的附加力/矩,严重影响训练效果及穿戴... 针对上肢运动功能障碍患者,康复外骨骼机构在肩、肘关节康复训练中的应用越来越多,由于盂肱关节的浮动属性及难以避免的穿戴误差,人机对应关节的轴线难以始终保持对齐,致使人-机连接界面处产生较大的附加力/矩,严重影响训练效果及穿戴舒适度。为消除产生的附加力/矩,提出一种4R3P2R型自适应上肢康复外骨骼机构,并对其进行位置逆解及重力平衡优化。该型上肢康复外骨骼在肩、肘关节处采用PPRRRP和PRRR构型,支链PPRRRP与肩关节构成3-DOF恰约束人机闭链。同理,支链PRRR与肘关节构成平面2-DOF的恰约束人机闭链。在该外骨骼构型的基础上,建立人机闭链运动学模型,求其位置逆解,推导出任意位姿下外骨骼重力势能与上肢各关节转角间的函数关系。通过构型分析,可知外骨骼机构的第二主动关节主要完成肩关节前屈/后伸的康复训练,该关节受重力矩影响最为显著,因此,需对该主动关节进行重力平衡。在给定的上肢运动空间内,在外骨骼中添加零初长弹簧单元,以总势能波动最小为目标,建立重力平衡模型,对弹簧参数进行优化分析。进一步,对重力平衡模型进行数值仿真,结果表明零初长弹簧单元对外骨骼机构具有较好的平衡效果。 展开更多

关键词 上肢康复 外骨骼 构型综合 人机相容性 重力平衡

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脊髓损伤后恒河猴双下肢体重支撑的改变 被引量：2

12

作者 赵文 魏瑞晗 +7 位作者 饶家声 赵璨 田鹏宇 周侠 季润 李立峰 杨朝阳 李晓光 《中国康复理论与实践》 CSCD 北大核心 2018年第3期266-268,共3页

目的观察脊髓损伤对肢体承重能力的影响,揭示脊髓损伤后下肢承重能力随时间的变化规律。方法 6只成年雌性恒河猴行T_(7-9)右半侧1 cm切除术。采用Foot-Scan系统测量恒河猴脊髓损伤前,损伤后6周12周时双下肢足底压力百分比。结果损伤前,... 目的观察脊髓损伤对肢体承重能力的影响,揭示脊髓损伤后下肢承重能力随时间的变化规律。方法 6只成年雌性恒河猴行T_(7-9)右半侧1 cm切除术。采用Foot-Scan系统测量恒河猴脊髓损伤前,损伤后6周12周时双下肢足底压力百分比。结果损伤前,双下肢足底压力百分比无显著性差异(Z=-1.330,P>0.05);损伤后6周和12周,左下肢足底压力百分比显著高于右下肢(Z>4.783,P<0.001)。损伤前后,右下肢足底压力百分比呈现逐步显著下降趋势(Z=3.191,P<0.001)。结论脊髓损伤后,损伤侧下肢承重能力严重缺失,不经干预则呈持续下降趋势。 展开更多

关键词 脊髓损伤 下肢 体重 支撑 恒河猴

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不同负重方式对老年人行走影响的比较分析 被引量：7

13

作者 张腾宇 张静莎 +2 位作者 季润 吕泽平 李增勇 《中国运动医学杂志》 CAS CSCD 北大核心 2018年第12期1005-1010,共6页

目的:分析日常生活中常见的几种不同负重方式对老年人行走稳定性影响的差异。方法:选取15名健康老年人(8男7女)进行无负重以及双手提、单手提、肩背、怀抱几种不同负重方式下行走的步态测试,负重量为10%体重,之后对步频、步速、步长、... 目的:分析日常生活中常见的几种不同负重方式对老年人行走稳定性影响的差异。方法:选取15名健康老年人(8男7女)进行无负重以及双手提、单手提、肩背、怀抱几种不同负重方式下行走的步态测试,负重量为10%体重,之后对步频、步速、步长、步态周期、支撑期、单足支撑期、双足支撑期等步态时空参数以及平均步态周期变异系数(STV)、压力中心偏移量(COPml、COPap)等与稳定性有关的步态参数进行对比分析。结果:在不同负重方式下,单手提、肩背和怀抱负重的步态周期均显著小于无负重情况(P<0.05或P<0.01),步频均显著大于无负重情况(P<0.05或P<0.01),且怀抱和单手提的步态周期显著小于双手提和肩背的情况(P<0.05或P<0.01),怀抱的步频显著大于双手提和肩背的情况(P<0.05或P<0.01),单手提的步频显著大于双手提的情况(P<0.05或P<0.01);标准化步长在怀抱负重方式下显著小于无负重和双手提的情况(P<0.05或P<0.01);步速、支撑期、单支撑期、双支撑期以及与步态稳定性有关的STV、COPml和COPap参数在不同负重方式间均无显著性差异(P>0.05)。在不同性别之间,男性支撑期占比显著高于女性(P<0.01),而单支撑期占比显著低于女性(P<0.01)。结论:10%体重的负重对老年人步态稳定性没有显著影响,双手提的负重方式对行走步态影响较小。对于不同个体应对不同负重方式的步态调整策略可能各不相同。负重条件下男性保持稳定性的能力优于男性,因此女性老年人负重行走时应更加小心。 展开更多

关键词 负重 行走稳定性 步态参数 老年人

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三维步态分析在截肢患者康复中的应用 被引量：9

14

作者 张腾宇 李立峰 +2 位作者 季润 王强 王喜太 《中国康复理论与实践》 CSCD 2010年第3期293-295,共3页

采用Vicon三维步态分析系统对健康人和穿戴假肢的下肢截肢患者进行步态分析,表明该系统可提供运动学参数和生物力学参数的变化,由此分析假肢穿戴者与健康人各关节运动的差异。将三维步态分析应用于截肢患者康复方面是切实可行的。

关键词 三维步态分析 截肢者 步态参数 康复

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康复外骨骼的人-机重力平衡策略

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作者 李剑峰 赵朋波 +3 位作者 张雷雨 陶春静 季润 刘钧辉 《北京工业大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2018年第11期1376-1384,共9页

针对一种上肢康复外骨骼,提出了2种被动人-机重力平衡策略,以减小关节负载力矩、降低驱动电机功率.采用2套零初长弹簧单元作为重力平衡装置,以人-机系统在任意位姿下的势能总和保持恒定为理论依据,推导出人-机系统的完全重力平衡模型.... 针对一种上肢康复外骨骼,提出了2种被动人-机重力平衡策略,以减小关节负载力矩、降低驱动电机功率.采用2套零初长弹簧单元作为重力平衡装置,以人-机系统在任意位姿下的势能总和保持恒定为理论依据,推导出人-机系统的完全重力平衡模型.为简化平衡系统及避免发生干涉,仅引入单套零初长弹簧单元,以人-机系统在给定运动范围内势能变化最小为优化目标,施以约束条件,对弹簧安装位置及劲度系数进行优化设计,实现人-机系统的部分重力平衡.通过计算人-机系统各位姿下的关节力矩,对2种平衡方式下的算例进行了对比分析.结果表明:完全平衡后各关节重力矩被完全消除,部分平衡后各关节重力矩被大部分消除,验证了2种平衡策略的合理性. 展开更多

关键词 康复外骨骼 完全重力平衡 部分重力平衡 零初长弹簧单元 遗传算法

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