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

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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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能量辅助骨骼服NAEIES的开发 被引量：29

2

作者 归丽华 杨智勇 +2 位作者 顾文锦 张远山 杨秀霞 《海军航空工程学院学报》 2007年第4期467-470,共4页

骨骼服是一种辅助人承受负载,有效增强人的负重能力,并帮助人们在各种地形条件下行走,结合了人的智能和机械动力装置的机械能量的一种人机结合的机器人.文章介绍了海军航空工程学院开发的能量辅助骨骼服(NAEIES)的系统组成及工作原理.NA... 骨骼服是一种辅助人承受负载,有效增强人的负重能力,并帮助人们在各种地形条件下行走,结合了人的智能和机械动力装置的机械能量的一种人机结合的机器人.文章介绍了海军航空工程学院开发的能量辅助骨骼服(NAEIES)的系统组成及工作原理.NAEIES采用上肢控制下肢的原理,通过测量上肢的运动信息,控制下肢膝关节的运动,而下肢髋关节的运动则通过气弹簧来巧妙地实现,良好的实现了骨骼服在承载的同时,跟踪人的行走步态. 展开更多

关键词 能量辅助 人机结合 骨骼服 机器人 外骨骼

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外骨骼机器人控制方法综述 被引量：24

3

作者 杨智勇 张静 +2 位作者 归丽华 张远山 杨秀霞 《海军航空工程学院学报》 2009年第5期520-526,共7页

外骨骼是一种结合了人的智能和机械动力装置的机械能量的一种人机结合的机器人，它可以辅助人承受负载，有效增强人的负重能力，帮助人们在各种复杂地形上面行走。外骨骼技术是一种复杂的人机技术，在国际上发展迅速，但在我国还处于起... 外骨骼是一种结合了人的智能和机械动力装置的机械能量的一种人机结合的机器人，它可以辅助人承受负载，有效增强人的负重能力，帮助人们在各种复杂地形上面行走。外骨骼技术是一种复杂的人机技术，在国际上发展迅速，但在我国还处于起步阶段。文章介绍了外骨骼技术的研究现状，详细论述了外骨骼的控制目标和各种控制方法，希望引起研究人员对外骨骼技术发展的重视，促进我国在外骨骼领域的发展。 展开更多

关键词 外骨骼 机器人 能量辅助 人机结合

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多关节外骨骼助力机器人发展现状及关键技术分析 被引量：56

4

作者 宋遒志 王晓光 +1 位作者 王鑫 汪阳 《兵工学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第1期172-185,共14页

外骨骼助力机器人突破了传统运载工具易受地形条件影响的限制,在军用领域和民用领域都展现了巨大的应用前景,是当前各国研究的热点。从负重外骨骼助力机器人和康复外骨骼助力机器人两个方面,综述了国内外多关节外骨骼助力机器人的发展... 外骨骼助力机器人突破了传统运载工具易受地形条件影响的限制,在军用领域和民用领域都展现了巨大的应用前景,是当前各国研究的热点。从负重外骨骼助力机器人和康复外骨骼助力机器人两个方面,综述了国内外多关节外骨骼助力机器人的发展现状。重点分析了人机匹配性设计、驱动方式、步态检测、人机协同行走控制策略以及助力效果评估等关键技术,并对多关节外骨骼助力机器人今后的研究方向及研究重点进行了展望。 展开更多

关键词 控制科学与技术 外骨骼 助力机器人 辅助设备 多关节

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下肢助力外骨骼机器人自适应阻抗控制研究 被引量：4

5

作者 邱静 陈启明 +2 位作者 卢军 程洪 黄瑞 《电子科技大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第4期689-695,共7页

当前用于人体运动增强的下肢助力外骨骼系统获得越来越多的关注。获取高精度跟随控制是下肢助力外骨骼机器人研制的主要挑战。针对当前基于位置的控制算法需要复杂的外骨骼动力学模型的问题,该文提出了基于增强学习的变参数阻抗控制算... 当前用于人体运动增强的下肢助力外骨骼系统获得越来越多的关注。获取高精度跟随控制是下肢助力外骨骼机器人研制的主要挑战。针对当前基于位置的控制算法需要复杂的外骨骼动力学模型的问题,该文提出了基于增强学习的变参数阻抗控制算法。首先介绍了HUALEX助力外骨骼系统并对HUALEX建立简单动力学模型。基于此,提出一种基于增强学习的自适应阻抗控制算法,验证了阻抗参数对控制效果的影响,并通过仿真实验验证了该算法的有效性。 展开更多

关键词 自适应阻抗控制 阻抗控制 动力学模型 下肢助力外骨骼 增强学习

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助力外骨骼负载特征与驱动特征耦合效应 被引量：3

6

作者 张铭奎 程文明 刘放 《浙江大学学报（工学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第4期807-816,共10页

针对助力外骨骼在蹲起姿态中由不同负载特征所引起的驱动失效问题,为了研究负载特征对关节驱动的影响,建立考虑负载特征的助力外骨骼蹲起姿态动力学模型,研究负载特征与关节驱动特征的耦合关系.基于Lagrange动力学理论及矩阵理论,推导... 针对助力外骨骼在蹲起姿态中由不同负载特征所引起的驱动失效问题,为了研究负载特征对关节驱动的影响,建立考虑负载特征的助力外骨骼蹲起姿态动力学模型,研究负载特征与关节驱动特征的耦合关系.基于Lagrange动力学理论及矩阵理论,推导出多刚体系统动力学建模矩阵法,得到助力外骨骼关节驱动力矩及驱动功率方程.通过人体机器多视觉运动捕捉测量实验及非线性拟合,得到各关节的角位移、角速度及角加速度.研究结果表明:负载质量与踝关节及膝关节驱动特征为线性强耦合,与髋关节驱动特征为分段线性弱耦合;负载位置与髋关节驱动特征为分段线性强耦合,负载姿态与髋关节驱动特征为分段非线性耦合,负载位置及负载姿态与踝关节及膝关节驱动特征无耦合效应. 展开更多

关键词 蹲起姿态 助力外骨骼 负载特征 驱动特征 耦合效应

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单兵救援助力外骨骼机器人的设计与特性分析 被引量：3

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作者 宋纪元 朱爱斌 +2 位作者 屠尧 张甲林 张育林 《兵工学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第9期2037-2047,共11页

针对单兵救援人员对装甲车内伤员实施救助时体力不足的问题,开展外骨骼辅助救援者的设计与特性分析研究。通过对人体弯腰提升过程运动机理的研究,开展救援外骨骼的机构设计、运动学与动力学分析。基于分散负载的理念,融合外骨骼方案和... 针对单兵救援人员对装甲车内伤员实施救助时体力不足的问题,开展外骨骼辅助救援者的设计与特性分析研究。通过对人体弯腰提升过程运动机理的研究,开展救援外骨骼的机构设计、运动学与动力学分析。基于分散负载的理念,融合外骨骼方案和外肢体方案,提出一种辅助人体提升重物的并联助力机构,设计一种单兵救援提升助力系统,完成救援外骨骼的样机研制并通过实验验证了样机运动的有效性。研究结果表明:救援外骨骼机器人能够实现救援者提升过程的运动需求,并能够实现分散救援者负载、提高救援效率的目标。 展开更多

关键词 机器人 助力外骨骼 外肢体 单兵救援 腰部助力

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“外骨骼”液压伺服系统物理模拟及仿真 被引量：1

8

作者 刘祚时 庄子宝 《煤炭技术》 CAS 北大核心 2010年第6期22-24,共3页

根据外骨骼机器人的运动特点设计了液压驱动系统,利用功率键合图和传递函数建模法建立机器人处于支撑相前期运动的模型,用MATLAB软件对系统的压力和速度仿真,由仿真结果证明了所设计液压系统的合理性。

关键词 外骨骼机器人 功率键合图 建模 仿真

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基于气动肌肉的可穿戴式上肢外骨骼助力机器人动力学仿真 被引量：3

9

作者 谷巍 宋晓明 +2 位作者 洪红伦 付鑫涛 韩彦龙 《承德石油高等专科学校学报》 CAS 2017年第5期29-34,共6页

依据仿生设计原理,设计了一种基于气动肌肉的可穿戴式上肢外骨骼助力机器人,并进行了动力学仿真分析。参考人体肩关节、肘关节、腕关节的运动机理及特性参数,设计外骨骼的机械结构,运用Pro-e软件建立其三维装配体模型,将其导入ADAMS中... 依据仿生设计原理,设计了一种基于气动肌肉的可穿戴式上肢外骨骼助力机器人,并进行了动力学仿真分析。参考人体肩关节、肘关节、腕关节的运动机理及特性参数,设计外骨骼的机械结构,运用Pro-e软件建立其三维装配体模型,将其导入ADAMS中进行动力学仿真。通过仿真分析得到大、小臂等的角速度和角加速度以及各个关节的力矩变化规律,验证了设计的合理性与正确性,为机器人智能控制提供了理论基础。 展开更多

关键词 气动肌肉 穿戴式 外骨骼 助力机器人 动力学

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负重型外骨骼机器人液压阀块流道的流场分析及优化 被引量：4

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作者 王海波 范曙远 张龙 《西南交通大学学报》 EI CSCD 北大核心 2019年第4期848-854,共7页

为了研究负重型外骨骼液压动力单元温升及噪声过大的问题,利用ANSYS Fluent软件对负重型外骨骼液压阀块内部流道主要组成部分Z型流道和交叉流道进行计算流体动力学仿真,分别设计了5组不同尺寸的仿真试验,分析不同流道尺寸下流体速度稳... 为了研究负重型外骨骼液压动力单元温升及噪声过大的问题,利用ANSYS Fluent软件对负重型外骨骼液压阀块内部流道主要组成部分Z型流道和交叉流道进行计算流体动力学仿真,分别设计了5组不同尺寸的仿真试验,分析不同流道尺寸下流体速度稳定性与压力损失变化情况.仿真试验表明,对于流道直径为5 mm的外骨骼动力单元液压阀块交叉流道压力损失随着进出口流道偏心距的增大而增大,流体速度在偏心距为1.25 mm时稳定性最好;Z型流道压力损失在进出口流道之间的距离为17 mm时达到最小,流体速度随着该距离的增大其稳定性上升.优化过后的样机试验表明,液压阀块最大温度下降了3.3℃,最大噪声下降了7.6 dB. 展开更多

关键词 助力外骨骼 液压动力单元 液压阀块 流道压力损失 液压噪声

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军用动力外骨骼的发展现状及关键技术综述 被引量：6

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作者 颉翔宇 周利坤 司玉昌 《兵工自动化》 2022年第10期14-20,共7页

为推动军用动力外骨骼实战应用,对国内外较为成熟的军用动力外骨骼项目进行分析综述。介绍人机耦合、主动控制、机器驱动、能量供给以及新型材料等关键技术的具体功能和应用现状,结合军事需求对未来可能利于外骨骼系统发展的新型技术加... 为推动军用动力外骨骼实战应用,对国内外较为成熟的军用动力外骨骼项目进行分析综述。介绍人机耦合、主动控制、机器驱动、能量供给以及新型材料等关键技术的具体功能和应用现状,结合军事需求对未来可能利于外骨骼系统发展的新型技术加以展望,根据实战需要阐述军用动力外骨骼3种战场运用方式,展望其未来发展方向。结果表明,该分析可为我国军用动力外骨骼发展提供技术参考。 展开更多

关键词 军用动力外骨骼 发展现状 关键技术 战场运用

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基于增强学习的下肢助力外骨骼虚阻抗控制（英文） 被引量：3

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作者 黄瑞 程洪 郭宏亮 《电子科技大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第3期321-329,共9页

提出了一种基于增强学习的变虚阻抗控制算法,其控制器设计为一个结合人机交互模型的虚阻抗控制器。为了适应不同穿戴者所产生的交互力,采用了PI2增强学习算法对控制器中的参数进行在线学习。该控制策略在一自由度外骨骼平台和HUALEX下... 提出了一种基于增强学习的变虚阻抗控制算法,其控制器设计为一个结合人机交互模型的虚阻抗控制器。为了适应不同穿戴者所产生的交互力,采用了PI2增强学习算法对控制器中的参数进行在线学习。该控制策略在一自由度外骨骼平台和HUALEX下肢助力外骨骼上进行了实验验证,证明了所提出控制算法的有效性。 展开更多

关键词 人机交互 下肢助力外骨骼 增强学习 虚阻抗控制

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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：5

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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工业装配抗振外骨骼上肢减振性能研究

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作者 吴小笛 王海波 +2 位作者 张乐 陈俞鹏 薛朝军 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2020年第20期242-250,共9页

操作动力工具存在巨大的危害性,动力工具产生的持续性或间歇性振动传递到手掌和手臂,对工人的肌肉骨骼系统的损伤不可忽视。为降低装配工人暴露于振动环境下的风险,提出一种上肢具有斜弹簧阻尼防振结构的抗振外骨骼。对该外骨骼上肢数... 操作动力工具存在巨大的危害性,动力工具产生的持续性或间歇性振动传递到手掌和手臂,对工人的肌肉骨骼系统的损伤不可忽视。为降低装配工人暴露于振动环境下的风险,提出一种上肢具有斜弹簧阻尼防振结构的抗振外骨骼。对该外骨骼上肢数学建模,利用谐波平衡法得到其幅频方程和力传递率T f表达式。以力传递率和固有频率作为减振性能评价指标,设计多组不同的弹簧刚度k 1,k 2、阻尼系数c 1,c 2、连杆长度比l 1/l 2,分析各结构参数对减振性能的影响。结果表明:k 1,k 2、c 1,c 2、l 1/l 2均对减振性能有显著影响,并且k 2、c 2的影响程度高于k 1、c 1。当工具振动频率低于上肢固有频率时,增大k 1,k 2能有效降低力传递率,增大减振性能,反之;增大c 1,c 2能够有效降低力传递率,提高系统的减振性能;l 1/l 2=1.0时,力传递率最低,具有更好的减振效果。 展开更多

关键词 动力工具 减振性能 工业装配外骨骼 谐波平衡法

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敏捷型无动力人体外骨骼在飞机装配中的探索与应用 被引量：1

15

作者 陈勇刚 王军 王道昌 《科技创新与应用》 2021年第20期23-25,共3页

当前,在许多对灵活性要求较高的场所,特别是飞机装配,机器人还难以取代人类。因此,助力外骨骼技术的发展有望在提高工作效率和减少工伤等方面发挥重要作用,例如生产制造、搬运输送、危险工作(如核电站操作维护、航天空间站、深水作业)... 当前,在许多对灵活性要求较高的场所,特别是飞机装配,机器人还难以取代人类。因此,助力外骨骼技术的发展有望在提高工作效率和减少工伤等方面发挥重要作用,例如生产制造、搬运输送、危险工作(如核电站操作维护、航天空间站、深水作业)等领域。这些工位长期使用的位置密集问题往往对工人产生负面影响。通过穿着外骨骼,工人可以更长时间地使用重型工具,且减少疲劳。在生产制造装配行业,搬运输送工作是最常见的,其中存在大量快节奏和高度重复的体力工作、费力的手工操作、局部或全身震动等职业特征,而这些特征多数是肌肉骨骼疾患的危险因素。为了从根本上解决工业生产中工人因肌肉骨骼疲劳而引起的职业病,研究开发一款可以广泛应用于工业生产中的外骨骼显得很有必要。 展开更多

关键词 可穿戴 飞机装配 外骨骼 无动力 敏捷

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外骨骼在康复训练中的应用设计

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作者 金晓明 《科技创新与应用》 2018年第2期102-103,共2页

本次研究中,采用电机驱动方式,通过无线控制系统来实现对测试者的控制,可以保证测试者的直立行走,符合人体生理结构,因此,希望通过文章的研究,可以为截瘫患者的康复训练带来希望。

关键词 截瘫患者 康复训练 驱动外骨骼

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