基于神经-肌骨-外骨骼耦合仿真框架的平地和上坡行走动力学分析

1

作者 靳葳 刘佳奇 +1 位作者 张琦炜 方虹斌 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第3期817-831,共15页

评估人体穿戴外骨骼后的运动性能是指导外骨骼硬件迭代和控制策略优化的重要依据.与传统的基于实验的评估相比,基于人-外骨骼耦合系统动力学仿真的评估避免了平台搭建和实地测试、实验数据分析处理的巨大人力和时间成本.此外,如将人体... 评估人体穿戴外骨骼后的运动性能是指导外骨骼硬件迭代和控制策略优化的重要依据.与传统的基于实验的评估相比,基于人-外骨骼耦合系统动力学仿真的评估避免了平台搭建和实地测试、实验数据分析处理的巨大人力和时间成本.此外,如将人体神经肌骨动力学纳入人-外骨骼耦合系统,动力学仿真还能够生成肌肉激活、肌肉力和关节力矩等实验中难以测量的生理学和生物力学信息,从而可以从肌肉发力的层面评估不同环境下穿戴外骨骼对人体运动的影响.本研究以人体肌骨-髋关节外骨骼耦合系统为研究对象,基于考虑人体神经肌骨动力学、足地接触和人-外骨骼交互作用的完整神经-肌骨-外骨骼耦合正向动力学仿真框架,对系统在平地和上坡(5.71°,10%)两种场景以0.8 m/s步速行走的动力学进行了比较研究.通过给定模型中的神经肌肉反射参数,综合考虑系统运动状态、肌肉收缩动力学、肌骨运动学、肌肉代谢、不同环境下的地反力和人机交互力等因素,并采用协方差矩阵自适应进化策略进行分阶段多目标优化,可以在不需要实验数据输入的条件下,高效完成全系统的动力学仿真.计算结果表明,所提仿真框架不仅能够生成包括肌肉激活、肌肉力、关节力矩和关节角度在内的完整生理学和生物力学信号,还能够反映和解释不同肌肉的激活模式随步行环境的适应性变化.此外还在与仿真情况一致的步行条件下进行了人体穿戴外骨骼行走测试,并进一步将肌肉激活数据与测得的肌电信号对比.结果表明,仿真与实验的肌肉激活结果保持了较高的相关性,并呈现出相对于地形坡度基本一致的变化规律;在上坡行走时,腘绳肌、臀大肌、髂腰肌和比目鱼肌的肌肉激活程度的RMS值均显著高于平地行走的情况,而股直肌与胫骨前肌的肌肉激活程度的RMS值则有所下降.上述结果表明,提出的动力学仿真框架可以在无实验数据输入的条件下有效且准确地捕捉在不同地形中行走时肌肉激活模式的定性差异.本研究为人体肌骨-外骨骼耦合系统在多场景下的行走仿真与性能评估提供了新的途径,也为外骨骼设计与控制策略的优化提供了理论参考和仿真分析方法. 展开更多

关键词 下肢动力外骨骼 动力学建模 人机动力学 肌肉骨骼模型 肌肉激活

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下肢外骨骼助行机器人研究现状及发展趋势 被引量：20

2

作者 刘会勇 赵青 《机械设计与制造》 北大核心 2013年第8期146-148,151,共4页

随着科学技术的进步和人们对于增强自身能力的渴望,下肢外骨骼助行机器人已成为国内外"人机一体化"的一个重要研究方向。根据研究工作积累和文献资料调研,总结了国内外主要研究机构对于下肢外骨骼助行机器人的研究现状,分析... 随着科学技术的进步和人们对于增强自身能力的渴望,下肢外骨骼助行机器人已成为国内外"人机一体化"的一个重要研究方向。根据研究工作积累和文献资料调研,总结了国内外主要研究机构对于下肢外骨骼助行机器人的研究现状,分析了下肢外骨骼助行机器人研制需要解决的关键技术,对下肢外骨骼助行机器人的发展趋势进行了预测。研究工作表明:下肢外骨骼助行机器人在穿戴性、智能化以及便携性等方面都有了突破性的发展,但是应当加强对微型能源、轻质便携材料、多功能系统等的研究和开发,才能广泛应用于军事、科考、旅游、交通、救灾等领域。 展开更多

关键词 人机一体化 下肢 外骨骼 助行机器人

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髂腰肌对髋关节功能的实验性研究 被引量：9

3

作者 单大卯 伍勰 《西安体育学院学报》 北大核心 2006年第1期67-70,共4页

由于髂腰肌在人体中所处位置、肌纤维走向、起止点位置关系等,具有特殊性和复杂性,目前尚无适宜方法获得在体运动过程中该肌工作可信的定量数据。结合下肢肌肉附着点三维坐标的研究提供的有关资料、数据,根据髋关节解剖位和运动全程幅... 由于髂腰肌在人体中所处位置、肌纤维走向、起止点位置关系等,具有特殊性和复杂性,目前尚无适宜方法获得在体运动过程中该肌工作可信的定量数据。结合下肢肌肉附着点三维坐标的研究提供的有关资料、数据,根据髋关节解剖位和运动全程幅度中肌长度、力臂的变化规律,对髂腰肌的功能进行定量分析和评定。结果表明,对下肢机械轴即髋膝关节中心连线作用而言,在解剖基准位,髂腰肌对髋关节有旋内功能。 展开更多

关键词 髂腰肌 髂腰肌代起点 下肢机械轴 下肢肌肉功能模型 肌力臂

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基于人机耦合的下肢外骨骼动力学分析及仿真 被引量：8

4

作者 张燕 李梵茹 +1 位作者 李威 刘作军 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2019年第7期780-790,共11页

建立了一种包含人机交互力的人体-外骨骼模型,对人体和外骨骼分别采用7连杆的刚体模型进行建模,建立其D-H坐标系,得到人机模型在运动过程中的变化矢量.采用Newton-Euler方程建立动力学方程式,将人机之间的交互力简化为弹力,根据运动中... 建立了一种包含人机交互力的人体-外骨骼模型,对人体和外骨骼分别采用7连杆的刚体模型进行建模,建立其D-H坐标系,得到人机模型在运动过程中的变化矢量.采用Newton-Euler方程建立动力学方程式,将人机之间的交互力简化为弹力,根据运动中人体和外骨骼质心之间的距离变化得到其相对位移,从而求得运动过程中交互力的大小.最终在ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical system)仿真软件中对动力学模型进行仿真,并将动力学方程得到的关节力矩代入到仿真中,验证了该人体-外骨骼模型的正确性. 展开更多

关键词 下肢外骨骼 人机交互 D-H坐标 动力学 仿真

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下肢外骨骼助行机器人驱动系统分析 被引量：6

5

作者 刘会勇 赵青 《机床与液压》 北大核心 2013年第13期168-171,共4页

下肢外骨骼助行机器人驱动系统的性能对于保证穿戴者和机器人之间的相互协调并真正实现"人机一体化"至关重要。简要分析了人体下肢运动机制,介绍下肢外骨骼助行机器人驱动系统研究现状,并且对各种不同的下肢外骨骼助行机器人... 下肢外骨骼助行机器人驱动系统的性能对于保证穿戴者和机器人之间的相互协调并真正实现"人机一体化"至关重要。简要分析了人体下肢运动机制,介绍下肢外骨骼助行机器人驱动系统研究现状,并且对各种不同的下肢外骨骼助行机器人驱动系统进行分析,为下肢外骨骼助行机器人驱动系统的设计提供参考。 展开更多

关键词 下肢 外骨骼 助行机器人 驱动系统 人机一体化

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下肢外骨骼负载携行控制方法研究 被引量：1

6

作者 郭庆 尹静敏 +1 位作者 王强 蒋丹 《液压与气动》 北大核心 2017年第7期6-10,共5页

对人自然行走的步态运动规律进行了5个步态相位划分,并通过人体动作捕获试验获得行走过程中下肢髋关节和膝关节角度变化规律。结合髋关节与膝关节姿态运动规律建立膝关节外骨骼运动数学模型,从理论上分析负载携行系统的运动特性,给出位... 对人自然行走的步态运动规律进行了5个步态相位划分,并通过人体动作捕获试验获得行走过程中下肢髋关节和膝关节角度变化规律。结合髋关节与膝关节姿态运动规律建立膝关节外骨骼运动数学模型,从理论上分析负载携行系统的运动特性,给出位姿随动控制时的液压缸动态负载参考值。利用伺服阀对液压缸位移进行伺服控制,设计液压缸位移反馈PID控制律,实现携行系统在不同负重、不同位姿变化条件下人机耦合助力随动控制需求。通过重载携行试验表明:外骨骼能够实现50 kg以上人机重载携行,试穿员具有明显的省力效果。 展开更多

关键词 下肢外骨骼 人体步态 助力携行 液压位移控制

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基于SVM的下肢运动表面肌电信号的特征提取与辨识分析 被引量：3

7

作者 张羿 赵慧龙 +1 位作者 张向刚 秦开宇 《载人航天》 CSCD 2015年第2期179-186,共8页

为了对蹲、站、行走支撑与行走摆动四类人体典型运动行为进行有效的分类辨识,三位健康且未经过专业训练的受试者被邀请参加运动实验,实验对人体下肢股内侧肌的表面肌电信号(Electromyography,EMG)进行实时采集和记录。通过时域、频域、... 为了对蹲、站、行走支撑与行走摆动四类人体典型运动行为进行有效的分类辨识,三位健康且未经过专业训练的受试者被邀请参加运动实验,实验对人体下肢股内侧肌的表面肌电信号(Electromyography,EMG)进行实时采集和记录。通过时域、频域、时频域方法,对特征值进行提取,发现下肢股内侧肌的表面肌电信号在下蹲、起立、行走支撑期和行走摆动期四类运动方式下的动态特征具有明显的差异性。基于上述结论,介绍了一种基于支持向量机(Support Vector Machine,SVM)的误识别样本二次分类方法,对上述典型运动类型进行了辨识分析。与传统单次样本识别结果相比,本文所发展的基于SVM特征值分析的误识别样本二次分类方法能较好地提高识别效果,样本辨识结果显示时域和时频域的识别效果最好,时频域方法抗外界干扰能力较好。 展开更多

关键词 下肢 表面肌电信号 特征提取 支持向量机 时频域

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进化贝叶斯优化的核极限学习机分类器 被引量：12

8

作者 张梦蝶 覃华 苏一丹 《计算机工程与设计》 北大核心 2022年第2期399-405,共7页

为解决传统核极限学习机算法参数优化困难的问题,提高分类准确度,提出一种改进贝叶斯优化的核极限学习机算法。用樽海鞘群设计贝叶斯优化框架中获取函数的下置信界策略,提高算法的局部搜索能力和寻优能力;用这种改进的贝叶斯优化算法对... 为解决传统核极限学习机算法参数优化困难的问题,提高分类准确度,提出一种改进贝叶斯优化的核极限学习机算法。用樽海鞘群设计贝叶斯优化框架中获取函数的下置信界策略,提高算法的局部搜索能力和寻优能力;用这种改进的贝叶斯优化算法对核极限学习机的参数进行寻优,用最优参数构造核极限学习机分类器。在UCI真实数据集上进行仿真实验,实验结果表明,相比传统贝叶斯优化算法,所提算法能提升核极限学习机的分类精度,相较其它优化算法,所提算法可行有效。 展开更多

关键词 核极限学习机 核参数 贝叶斯优化 进化下置信界策略 分类精度

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下肢外骨骼助力性能评价方法研究 被引量：3

9

作者 邱林 钟佩思 +3 位作者 李东民 郑义 葛立 康静 《机械科学与技术》 CSCD 北大核心 2018年第9期1331-1335,共5页

为定量研究下肢外骨骼的助力性能,提出了助力性能量化指标矩差和ΔT与矩差功率比μ,矩差和ΔT定义为人体穿戴外骨骼前后下肢髋、膝、踝三关节力矩差值之和,矩差功率比μ定义为ΔT与外骨骼消耗的总功率p之比。建立了下肢外骨骼的动力学模... 为定量研究下肢外骨骼的助力性能,提出了助力性能量化指标矩差和ΔT与矩差功率比μ,矩差和ΔT定义为人体穿戴外骨骼前后下肢髋、膝、踝三关节力矩差值之和,矩差功率比μ定义为ΔT与外骨骼消耗的总功率p之比。建立了下肢外骨骼的动力学模型,结合人体步态运动数据获得了在常见步态下总功率p的变化情况。利用动力学分析软件ADAMS建立了人体简化仿真模型和人机穿戴仿真模型,分析了ΔT的变化规律,结合p和ΔT得到μ的变化规律,结果显示,在行走站立阶段,ΔT均保持较大数值,表明穿戴外骨骼之后,在站立阶段人体下肢三关节力矩大幅减小,外骨骼辅助作用明显;矩差功率比μ均在摆动阶段取得最大值,表明在摆动阶段外骨骼单位功耗对人体辅助贡献大,功耗利用率高。 展开更多

关键词 下肢外骨骼 助力性能 评价方法 人机穿戴仿真模型 MATLAB

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助力型外骨骼行走模式下多关节动力分配仿真分析 被引量：1

10

作者 陈琦 刘放 王智政 《机械科学与技术》 CSCD 北大核心 2023年第11期1778-1783,共6页

助力型外骨骼是一种人机高度结合的复杂机械结构。为了研究外骨骼在行走模式下负重50 kg时各关节所需驱动力矩以及功率变化规律,本文以西南交通大学第三代助力型外骨骼为研究对象,建立外骨骼模型,运用拉格朗日方程对外骨骼进行动力学分... 助力型外骨骼是一种人机高度结合的复杂机械结构。为了研究外骨骼在行走模式下负重50 kg时各关节所需驱动力矩以及功率变化规律,本文以西南交通大学第三代助力型外骨骼为研究对象,建立外骨骼模型,运用拉格朗日方程对外骨骼进行动力学分析。为实现外骨骼与人体的携行运动,通过姿态传感器对人体行走过程中关节角的变化规律进行了测量与分析,并将其作为驱动函数对ADAMS环境中的外骨骼虚拟样机进行动力学仿真,得出各关节驱动力矩变化曲线,并拟合出各关节功率曲线。所得结果增加了人机携行性以及结果的可靠性,为助力型外骨骼的驱动控制提供了参考依据。 展开更多

关键词 下肢外骨骼 动力学仿真 人机携行 驱动功率

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下肢外骨骼系统摆动相非线性干扰观测器设计 被引量：1

11

作者 陈玲玲 宋晓伟 +1 位作者 王婕 张腾宇 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第12期1994-2000,共7页

针对下肢外骨骼在运行过程中,穿戴者提供的主动力矩不确定问题,本文进行了基于干扰观测技术的摆动相控制方法研究。利用拉格朗日原理对简化后的实物模型进行动力学分析,建立下肢外骨骼摆动相模型。考虑模型的非线性、强耦合特征设计滑... 针对下肢外骨骼在运行过程中,穿戴者提供的主动力矩不确定问题,本文进行了基于干扰观测技术的摆动相控制方法研究。利用拉格朗日原理对简化后的实物模型进行动力学分析,建立下肢外骨骼摆动相模型。考虑模型的非线性、强耦合特征设计滑模控制器,基于干扰观测器对穿戴者的主动力矩进行估计,实现对滑模控制器的补偿,并对观测器/控制器综合设计的闭环系统稳定性进行证明。搭建下肢外骨骼控制系统仿真平台进行髋关节和膝关节的角度控制。实验结果证明,所设计的闭环系统对期望角度具有良好的跟随能力,可以有效抑制干扰的影响。 展开更多

关键词 下肢外骨骼 人机共驱动系统 摆动相 动力学建模 干扰观测器 滑模控制 仿真验证

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基于优化模糊加权核极限学习机的下肢运动识别方法 被引量：3

12

作者 赵翔 涂娟 黄紫娟 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2022年第5期621-626,共6页

为了提高基于表面肌电信号下肢运动识别的准确性,提出了一种优化模糊加权核极限学习机(Kernel-based Fuzzy Weighted Extreme Learning Machine,KFWELM)的下肢运动识别方法。首先提取表面肌电信号的时域、频域、非线性特征,使用局部Fis... 为了提高基于表面肌电信号下肢运动识别的准确性,提出了一种优化模糊加权核极限学习机(Kernel-based Fuzzy Weighted Extreme Learning Machine,KFWELM)的下肢运动识别方法。首先提取表面肌电信号的时域、频域、非线性特征,使用局部Fisher判别分析(Local Fisher Discriminant Analysis,LFDA)和局部保持投影(Locality Preserving Projections,LPP)进行特征降维处理,以减少原特征的信息丢失;其次,采用改进高斯量子粒子群算法(Gaussian Quantum Particle Swarm Optimization,GQPSO)优化KFWELM的正则化系数和核参数;最后进行决策级自适应融合得到分类结果。利用UCI数据库中的数据集进行算法验证,健康人群和患病人群下肢运动分类的平均准确率分别为96.6%和92.8%。实验表明,所提出的方法提高了下肢运动分类的准确率和有效性。 展开更多

关键词 表面肌电信号 下肢运动识别 高斯量子粒子群算法 模糊加权核极限学习机

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踝关节外骨骼人机耦合动力学与助力性能分析 被引量：7

13

作者 高钰清 靳葳 +1 位作者 徐鉴 方虹斌 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第12期3496-3512,共17页

踝关节在人体下肢运动过程中提供了最大的关节力矩,因此在下肢增强型外骨骼的研究中,踝关节外骨骼受到了重点关注.穿戴外骨骼的人体的行走是典型的动力学问题,但目前人机耦合动力学的相关研究还处于早期阶段.本文以绳驱踝关节外骨骼为... 踝关节在人体下肢运动过程中提供了最大的关节力矩,因此在下肢增强型外骨骼的研究中,踝关节外骨骼受到了重点关注.穿戴外骨骼的人体的行走是典型的动力学问题,但目前人机耦合动力学的相关研究还处于早期阶段.本文以绳驱踝关节外骨骼为研究对象,融合机器人正运动学方法和拉格朗日方程建立了考虑足-地交互力、人体关节力矩和外骨骼力矩的人-机耦合动力学模型.模型中,足-地交互力由Kelvin-Voigt模型结合库伦摩擦模型描述,人体关节力矩由基于粒子群优化的PD控制生成,外骨骼期望力矩由上层控制器依据人体步态周期确定.通过基于模型的动力学仿真,本文从人体踝关节角度、踝关节力矩、踝关节功率和踝关节做功多个角度系统分析了踝关节外骨骼对人体行走的助力效果.研究表明,在2.0 km/h到6.5 km/h的人体步行速度下,穿戴外骨骼可以实现至少24.84%的人体踝关节平均力矩下降和至少24.69%的踝关节做功下降.本文也开展了基于SCONE平台的肌肉骨骼建模和预测仿真.仿真结果表明,在3.6 km/h的步行速度下,穿戴外骨骼可以有效降低比目鱼肌的激活度峰值,并使肌电信号的RMS值下降了6.21%,从而从生理学的角度证实了踝关节外骨骼的助力效果.本文的结果进一步完善了人体下肢-外骨骼耦合系统的动力学建模和分析方法,从动力学和生理学角度证实和解释了踝关节外骨骼对行走的助力机制,也为今后下肢外骨骼的实验研究提供了理论支撑. 展开更多

关键词 下肢动力外骨骼 动力学建模 人机动力学 肌肉骨骼模型 肌肉激活度

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基于人体运动能力的下肢外骨骼支撑相阻抗自调整控制方法研究 被引量：6

14

作者 陈建华 李烨 +1 位作者 王琦 穆希辉 《兵工学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第6期1201-1209,共9页

针对支撑相期间下肢助力外骨骼机器人阻抗控制拟人性、柔顺性不足的问题,开展基于人体运动能力的下肢外骨骼支撑相阻抗自调整控制方法研究。通过下肢刚度特性试验测定支撑相不同阶段人体的刚度特性,分析了外骨骼阻抗与驱动器阻抗之间的... 针对支撑相期间下肢助力外骨骼机器人阻抗控制拟人性、柔顺性不足的问题,开展基于人体运动能力的下肢外骨骼支撑相阻抗自调整控制方法研究。通过下肢刚度特性试验测定支撑相不同阶段人体的刚度特性,分析了外骨骼阻抗与驱动器阻抗之间的非线性变化规律;设计了一种基于人体运动能力的外骨骼支撑相阻抗自调整控制系统,通过重力补偿和系统摩擦力辨识确保阻抗自调整的准确实施,并进行了仿真与试验验证。结果表明:阻抗自调整控制方法能够确保外骨骼较好地跟随预设位移曲线,满足支撑相外骨骼不同阶段的柔顺需求;所得成果可为改善外骨骼行走人机耦合性、研究完整行走步态外骨骼柔顺控制提供支撑。 展开更多

关键词 下肢外骨骼 支撑相 阻抗自调整 人体运动能力 人机耦合

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