摘要：为解决柔性传感器监测手指关节运动时灵敏度、测量范围及阈值有限的问题,设计并制备了一种多介电层(3层)结构形式的离子皮肤手指关节角度传感器。该传感器由多个硅橡胶薄膜和高保水性的离子凝胶电极构成,当穿戴传感器的手指关节弯曲时,根据应变引起其电容信号的变化,可测得手指关节弯曲角度。构建多介电层结构形式的离子皮肤应变传感理论模型;推导多介电层离子皮肤手指关节角度传感器的角度传感理论模型;测试传感器输出与手指关节角度关系。实验结果表明,传感器角度传感理论模型与测试结果吻合较好;传感器灵敏度为单介电层离子皮肤手指关节角度传感器的3.5倍,测量范围囊括手指关节从展平到完全弯曲状态角度,阈值小于1°,具有灵敏度高、测量范围广和阈值低的特性。离子皮肤多介电层的结构形式及理论模型对康复训练患者及微操纵机械手的精准测量具有较好应用前景。

摘要：研究基于混合滤波的电力巡视无人机机械臂关节角度自动控制方法,通过机械臂关节角度的精确控制,满足电力巡视需求。构建电力巡视无人机机械臂动力学模型,确定无人机机械臂的期望关节角度。融合最优时滞滤波器与零振动时滞滤波器,构建混合滤波器。利用混合滤波器滤波处理角度传感器采集的机械臂关节角度信号,输出机械臂的实际关节角度。通过期望关节角度与实际关节角度,确定机械臂关节角度误差。设计自适应滑模控制器的控制率,依据机械臂关节角度误差自适应修正控制器输出量,实现无人机机械臂关节角度自动控制。实验结果表明,该方法能够精准控制机械臂关节角度,机械臂关节角度的控制误差低于0.2 rad,关节角度的竖直波动低于2 cm。

摘要：针对传统的光电编码器角度测量方法无法满足自驱动关节臂坐标测量机角度高精度实时测量的问题,设计了基于FPGA组合设计方法的光电编码器角度实时测量系统,由原理图输入设计的抗扰动模块、Verilog HDL语言设计的四倍频辨相计数模块、Qsys搭建的数据传输模块和Visual Studio设计的软件模块组成。通过与数字采样频率为1 MHz的16位USB-6229数据采集卡同步对比实验结果表明,在相同条件下,FPGA与数据采集卡同时测量光电编码器的数据完全吻合,因此设计的光电编码器角度实时测量系统可以直接运用于自驱动关节臂坐标测量机的关节角度测量。

摘要：背景:人体各关节灵活程度不同,但屈伸运动都是具备的,在日常活动当中,屈伸运动也是最为常见的,但关节屈伸时在何角度产生的力矩是最大的呢?目的:掌握膝关节屈伸时发挥最大肌力的关节角度,为运动健身、训练提供理论指导。设计、时间及地点:对比观察,试验于2008-04/06在郑州大学体育学院实验室进行。对象:自愿参加测试的大学生男女各30名。方法:测试仪器使用澳大利亚产Kinitech等速肌力测试系统,按照Kinitech等速肌力测试系统手册要求对参试者膝关节进行固定并测试,3种测试速度为慢速60(°)/s、中速120(°)/s和快速240(°)/s。主要观察指标:膝关节屈伸肌群的峰值力矩、达到峰值力矩时关节角度。结果:在速度为60(°)/s时,男女左屈肌小于右屈肌达到峰值力矩的关节角度,且左伸肌小于右伸肌;男子右屈肌达到峰值力矩的关节角度大于左屈肌,且女子与男子相同。在速度为120(°)/s时,男子屈伸肌达到峰值力矩的关节角度差异不显著,女子右伸肌达到峰值力矩的关节角度大于左伸肌。在速度为240(°)/s时,男子左屈肌达到峰值力矩的关节角度大于右屈肌,而左伸肌和右伸肌差异不存在显著性。女子左右屈伸肌差异也不存在显著性。结论:自然发育下人体存在优势腿,在不同速度下达到峰值力矩的关节角度有所不同,在日常运动健身时尽可能的全面训练,使屈伸肌群得到全面发展。

摘要：为解决现有关节角度测量装置的不足,提出一种基于多光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)的关节角度测量方法。该方法将多光纤光栅固定在套袖上,套袖戴在肘关节上,辅以自主设计的基于LabVIEW关节角度计算及数据处理的程序和可视化界面,实现对肘关节角度实时测量并输出可视化数据。该套袖具有柔性化程度高、不受电磁信号干扰、测量效率高、结构简单的优点。对所制作套袖进行测量实验,实验结果表明,该测量方法的误差约为2.88%,重复性误差在4%以下,具有实际的应用价值。

摘要：为了提高机械臂关节角度级联控制能力,提出基于改进神经网络的机械臂关节角度级联控制方法。构建机械臂关节角度级联控制的约束参数模型,结合机械臂关节角度的位姿参数传感测量方法进行信息融合和特征提取,建立机械臂关节角度级联参数测量和层次融合模型,根据两传感器可信度参数分布定位关节角度的姿态,通过定姿补偿和反馈修正的方法,实现机械臂关节角度级联参数融合和增量控制,采用改进神经网络学习的方法进行收敛性学习,实现机械臂关节角度级联控制律优化设计。仿真结果表明,采用该方法进行机械臂关节角度级联控制的收敛性较好,控制误差较小,提高了机械臂的运行可靠性。

摘要：手部外骨骼机构是进行手部康复训练的主要选择之一,其舒适性和安全性主要取决于是否符合人体指关节运动学特征。为了建立准确的指关节运动学模型,首先通过采集手指屈伸过程的医学影像,分析关节运动过程中指骨的接触方式,确定了在关节转动时两指骨的相对运动为滚动与滑动叠加的混合运动,进而证明了指关节运动为非定中心转动。然后,提出“瞬径法”计算连续瞬心轨迹,并通过极坐标变换获取了手指各关节连续瞬心轨迹曲线,并通过能够适应指关节瞬心变化的角度采集设备获取了关节角度变化规律,建立了指关节关联性映射,并分析了关节角度和角速度特征。最后,利用等效瞬心将指关节运动学模型与工程应用相对接,设计了能够定位指关节等效瞬心的跨越式转动副,并将其加装在手部外骨骼机构上进行运动学测试和人机相容性测试,结果表明符合指关节运动学特征的外骨骼机构能够更好地拟合手指生理运动轨迹,在辅助过程中对各指段的压力也更低,证明了模型的有效性。

摘要：手指内部力矩受表面肌电信号、肌力、手部姿态等因素影响而无法直接获取,为了实时且准确地获取手指各关节力矩以及耦合力矩并应用于手部康复机器人的交互控制中,提出了一种基于表面肌电信号和肌肉骨骼模型的手指多关节力矩和耦合力矩分析与实时获取方法。首先设计了自适应手指关节角度采集系统,通过实验同步采集指浅屈肌与指伸肌的肌电信号以及手指各关节的角度数据,建立手指多关节力矩模型,从而获取手指各关节力矩。然后建立手指D-H模型,结合虚功原理获取手指的耦合力矩。最后,辨识了手指多关节力矩模型的参数,并通过OpenSim软件获取了仿真力矩。计算力矩与仿真力矩的对比结果显示:4名被试3个关节力矩的均方根误差分别为0.1567、0.097425、0.08495,证明了该方法能够实时并准确的获取手指各关节力矩和耦合力矩,能够满足手部康复机器人交互控制准确性和实时性的需求。

摘要：目的采集上、下楼梯过程中健康人体下肢运动学、动力学功能参数,为外骨骼助行器实现上、下楼梯这一运动形式的步态轨迹设计和驱动元件选型提供数据支持。方法设计常规楼梯实验装置,利用三维运动捕捉系统和三维测力台系统同步测量方法测量上、下楼梯时踝、膝、髋关节运动信息,应用SPSS统计软件和Origin绘图软件分析下肢运动特点,并对比分析上、下楼梯时下肢的功能参数。结果通过实验获得健康青年人在上、下楼梯时下肢关节在矢状面关节角度、关节力矩随步态变化规律及活动极限值,上楼时踝、膝、髋关节角度依次为-10.66°-13.26°、6.85°-88.92°、1.31°-50.18°,下楼时踝、膝、髋关节角度依次为-37.42°-27.18°、9.83°-95.53°、8.01°-31.62°。上、下楼梯时所需最大踝、膝、髋关节力矩依次为1.788、1.121和0.946 N·m/kg。结论上、下楼梯时人体下肢步态参数随步态变化趋势与关节运动范围显著不同。助行器步态规划要针对上、下楼梯单独设计,驱动元件的选型上要满足上、下楼梯时各关节的最大力矩需求。

摘要：人们的很多生产生活活动是在坐姿下完成的,因此研究坐姿舒适度有很重要的意义。坐姿舒适度在座椅的设计中扮演着越来越重要的角色,而对座椅舒适度的研究也逐渐偏重对坐姿舒适度的评价。人性化座椅的设计必须满足舒适度高的要求,以达到人体舒适坐姿的需求。针对坐姿舒适度评价,采用经典的光学动作捕捉技术和问卷调查相结合的方法对坐姿舒适度进行科学评价。实验选用美国Motion Analysis光学动作捕捉系统,设置11个Eagle数字捕捉镜头,用EVaRT软件获取了40名志愿者人体关键点在空间中的点位数据,采用PCA主成分分析提取特征点的方法提取关键点,用MATLAB软件自主编程对关键点数据进行处理和计算,比较测试者坐在2种不同座椅上的关节角度和力矩数据差异。统计结果表明,志愿者采用不同的姿势坐在不同的座椅上时,躯干、大腿、膝盖部位的角度和力矩数据差异较为明显。结合人机工程理论,利用这些数据差异对坐姿进行分析,为座椅设计提供理论依据。这种人机工程学理论分析评价和问卷调查相结合的方法,为座椅的舒适度评价提供了有效的依据。