摘要：针对传统纯意念运动想象脑控范式和稳态视觉诱发脑控范式存在范式训练难度高、设备集成复杂及高成本、不易随身携带等问题,借助表情辅助脑电信号适应性广、识别率高和易于便携化系统集成的优势,提出了基于表情辅助的假手脑控方法;研究构建了一种基于表情辅助的假手便携可穿戴脑控系统,包括硬件选型设计与系统组建,及表情辅助脑电信号分类识别算法和假手控制算法的设计研究与软件模块开发等,实现提眉、皱眉、左撇嘴和右撇嘴4种辅助表情脑电信号的检测识别,对应完成假手的手指张开、手指闭合、手腕内旋和手腕外旋4个动作的控制,并进行在线实验验证。结果表明:基于表情辅助的假手脑控方法不仅优于传统的稳态视觉诱发脑控范式(去掉了系统中原所必须的稳态视觉诱发器),而且优于纯意念运动想象脑控范式,平均在线识别与控制准确率高于85%。

摘要：针对航天和工业领域中人体佩戴手套执行任务时,手指关节处因受到编织物挤压而造成的手部疲劳损伤以及抓握力下降等问题,设计了一种采用套索驱动的手部助力外骨骼系统。该系统采用以速度为内环、力为外环的力PID控制方法,以拉力传感器反馈输出力,通过力学建模对手部助力外骨骼导线槽开展位置优化。对所设计的外骨骼系统开展抓握实验,结果表明:人体穿戴手部助力外骨骼可再现Feix分类法中全部33种抓握类型;外骨骼抓握指尖力最高可达14N;与不穿戴外骨骼相比,穿戴外骨骼时人体手指关节运动范围能够达到自主弯曲运动范围的63%以上,掌指关节、近端指间关节和大拇指的指间关节角度的皮尔森相关系数可达0.90以上;外骨骼助力抓握使得肱桡肌和桡侧腕长伸肌的肌电均方根峰值分别减小了37.86%和62.46%。实验结果证明所设计的手部助力外骨骼能够明显减少手部肌肉耗能。

摘要：微位移放大机构常常用来扩大压电陶瓷致动器的行程范围。鉴于差动式微位移放大机构具有"小结构大倍数"的特点,设计了一种新型二级差动式杠杆微位移放大机构。应用矩阵表示法对其进行了运动静力学分析,在此基础之上,以柔性铰链的分布位置及其几何特征参数为优化变量,并以提高位移放大比和减小最大应力为目标函数建立一种双目标优化模型。机构经过优化设计后位移放大倍数高达48倍,并对其进行有限元仿真分析,计算结果为44倍,理论模型与有限元模型的误差小于10%。结果表明:提出的优化模型具有准确性和高效性,同样可适用于其他柔性铰链机构的优化设计。

摘要：对于下肢具有残余肌力的下肢瘫痪病人,基于标准步态轨迹被动训练的康复方案无法满足锻炼肌肉的康复训练需求,为此提出了一种人机交互力自适应控制的下肢外骨骼康复机器人控制策略,并设计了可实现康复训练的控制方法。该方法以健康人体行走步态为下肢外骨骼康复机器人的位置控制参考,以穿戴者的自身腿部用力作为力控制约束,根据穿戴者自身腿部力量大小,智能控制和调整步态曲线,以更加适应穿戴者的康复训练需求。仿真试验结果表明,相对于完全被动的康复训练模式,自适应力控制模式能够有效地调整康复过程中人机交互力,可以适应多种不同的康复训练需求,从而大大提高受损患肢运动功能恢复的康复治疗进程,具有实际的应用价值。

摘要：针对下肢助力外骨骼在穿戴者使用过程中人机交互力过大导致舒适性差的问题,对外骨骼关节角速度与腿部交互力产生的主动关节力矩间的映射关系进行研究,提出了将人体下肢摆动相腿部简化为以髋关节为支点的平面二杆模型,建立人体下肢摆动腿动力学模型,得到人体的重力补偿项。采用力传感单元获取人体与外骨骼之间的交互力,将外骨骼与人体间的腿部交互力转化为人体髋膝关节下一时刻运动的期望角度;分别通过S曲线映射和导纳控制模型建立了人体摆动相关节角速度与腿部交互力补偿人体重力分量后产生的关节力矩之间的非线性映射关系。实验结果表明:基于S曲线映射的期望角度预测算法和基于导纳控制模型的期望角度预测算法都实现了对外骨骼对人体运动意图的连续跟踪;基于S曲线映射的期望角度预测算法使得外骨骼跟随人体运动过程中大腿交互力峰值小于25 N,小腿交互力峰值小于20 N;基于导纳控制模型的期望角度预测算法使得外骨骼跟随人体运动过程中大腿腿部交互力峰值小于15 N,小腿腿部交互力峰值小于15 N,且关节角度曲线平滑,能够更好地识别人体运动意图,提升人机交互柔顺性。

摘要：表面织构化(Surface texturing)改性是指根据材料属性选择合适的加工手段,在相对运动的摩擦副表面引入具备特定形状、尺寸、分布和排列的微观结构阵列,从而实现摩擦副摩擦学性能的调控。随着生物材料的迅速发展,生物界面的摩擦学问题是制约其服役安全与寿命的关键因素。表面改性(如合理的表面织构化设计)因强大的润滑优化功能,由此受到科研工作者的广泛关注。在生物材料服役寿命需求日益增加的背景下,首先分析和总结了典型生物材料产品——人工关节在人体服役过程中的失效原因,并将其分为了摩擦学和生物学问题,由此提出了通过表面织构化技术改进人工关节材料的耐磨性和增强其生物相容性,最终达到实现长寿命人工关节服役的目的。详细地论述了近年来表面织构在生物材料上的研究进展,分析了表面织构化参数,如形状、尺寸及排布等对摩擦学性能的影响,考察了不同织构对摩擦副在不同运动工况下承载力及耐磨性的影响,阐述了表面织构的减摩耐磨机理。最后讨论了表面织构对细胞接触引导生长的调控,如对细胞的粘附状态、形态、增殖和分化能力的影响,尽管利于细胞生长的尺寸小于润滑优化的尺寸,但通过多层次或复合设计可望实现生物相容性与摩擦学性能改善相兼具的目标。最后在现有人工关节材料表面改性的研究基础上,对延长人工关节服役寿命的研究方向、发展趋势和应用领域进行了展望。

摘要：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。

摘要：低噪声、低消耗、高推进效率是新一代仿生水下推进技术的主要研究方向。基于生物仿生机理,文中提出了一种利用介电弹性体(DE)的电致变形驱动合成射流驱动器设计方法,并对其在工作过程中的流场进行了有限元仿真。仿真结果表明,该合成射流驱动器产生的流体喷射具有合成射流的特征,能够形成一系列的涡环,射流在涡环的卷吸作用下保持了较好的方向性。文中研究结果在新一代仿生合成射流驱动领域具有很好的应用前景。