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仿生学 4

仿生机器人 4

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仿生 3

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可实现跖屈—背屈双向运动辅助的绳驱动踝关节外骨骼 Research

王田苗1,裴轩1,侯涛刚1,2,樊瑜波3,5,杨轩1,Hugh M. HERR4,杨兴帮4

《信息与电子工程前沿（英文）》 2020年第21卷第5期页码 723-739 doi: 10.1631/FITEE.1900455

摘要：下肢外骨骼辅助机器人广泛应用于运动辅助或康复训练。因绳驱动外骨骼具有良好人体顺应性且更加轻便，研究人员研发出一系列绳驱动样机辅助踝关节运动，但其中大多数只能辅助单向运动。本文提出一种可穿戴绳驱动踝关节外骨骼机器人，该外骨骼机器人使用一对单电机分别实现两侧踝关节跖屈—背屈双向运动辅助。，可有效识别步态周期和步行状态。为验证外骨骼动力输出性能，进行力矩跟踪实验。在受试者佩戴该外骨骼并提供主动辅助力情况下，比目鱼肌活动与未佩戴外骨骼状态相比降低5.2％，从而验证该外骨骼的力辅助作用。本文研究表明，该轻型绳驱动外骨骼机器人在人体运动增强或康复训练中具有潜在应用前景。

关键词：踝关节外骨骼；跖屈—背屈双向辅助；仿生步态力矩；绳驱动；步态探测

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潜在用于单侧膝受伤患者的传感引导步态同步下肢外骨骼 Research Articles

王东海1,2

《信息与电子工程前沿（英文）》 2022年第23卷第6期页码 920-936 doi: 10.1631/FITEE.2000465

摘要：

本文展示了一种可潜在帮助单侧膝受伤患者正常行走的传感引导步态同步下肢外骨骼系统。外骨骼能够减轻人体体重对受伤膝下肢的负载，并维持与健康侧下肢行走步态摆动相同步。传感引导步态同步系统集成了人体传感网络，它能感知健康侧下肢的运动步态。基于测量的关节角度轨迹引导，安装电机的髋关节在行走中提起腿杆，并将膝受伤步态和健康步态以半周期延时进行同步。实验验证了下肢外骨骼的效果。本文比较了健康腿和膝受伤腿的测量关节角度轨迹、仿真的膝受力、人机交互力等方面，结果说明髋关节安装电机受控制的下肢外骨骼能够将受伤腿和体重支撑外骨骼的融合步态与健康腿步态进行同步。

关键词：传感引导；下肢外骨骼；人体传感网络；步态同步；体重支撑

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一种应用于功率放大液压驱动外骨骼的基于物理人机交互估计的控制策略 None

Yi LONG, Zhi-jiang DU, Wei-dong WANG, Long HE, Xi-wang MAO, Wei DONG

《信息与电子工程前沿（英文）》 2018年第19卷第9期页码 1076-1085 doi: 10.1631/FITEE.1601667

摘要：提出一种能通过生物医学或机械传感器测量人机交互信号感知人体运动的用于助力的下肢外骨骼，并估计人体步态轨迹以快速准确地实施相应动作。提出安装在外骨骼上的力矩传感器直接获得物理人机交互（physical human-robot interaction，pHRI）力矩信息。采用卡尔曼平滑器消除噪声并平滑信号，定义了从pHRI力矩到人体步态轨迹的映射关系。通过外骨骼在运动期间的实时状态推导该映射，并通过基于地面反作用力的阈值方法识别人体运动相位。用一种常规比例-积分-微分（proportional-integral-derivative，PID）控制策略控制外骨骼跟随人体步态运动。测试人员穿戴外骨骼以自然速度在水平面进行行走实验，实验结果验证了所提策略的有效性。

关键词：外骨骼；物理人机交互；力矩传感器；人体步态；卡尔曼平滑器

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基于人体髋关节转动中心分析的髋关节外骨骼仿生设计 Article

Wei YANG,Can-jun YANG,Ting XU

《信息与电子工程前沿（英文）》 2016年第17卷第8期页码 792-802 doi: 10.1631/FITEE.1500286

摘要：为了改善外骨骼穿戴舒适性，本文提出了一种基于人机物理交互优化的外骨骼设计方法。该方法通过设计外骨骼髋关节，使其保证人体髋关节运动时外骨骼髋关节转动中心能跟随人体髋关节转动中心的运动轨迹。当人体髋关节运动时，通过实验测量和计算可以得到其转动中心轨迹。本文设计的外骨骼髋关节运动机构能在人体髋关节屈曲/伸展和外展/内收时，保证转动中心都能够包容人体髋关节转动中心运动范围。同时，所设计的外骨骼髋关节被应用到下肢步行康复训练外骨骼中。通过人机接触力实验可知，与传统设计外骨骼髋关节进行相比，本文设计的仿生髋关节外骨骼在髋关节屈曲/伸展和内收/外展时分别可以减小24.1%和76.0%的人机接触力。这一结果证明仿生设计髋关节外骨骼更具穿戴舒适性，更符合人机工程学的设计要求。最后，本文通过建立人机闭式链模型进一步分析了仿生设计对于人体髋关节内力的影响，并验证该设计能减少关节内力作用。

关键词：髋关节外骨骼；髋关节中心；柔顺关节；人机交互力

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基于表面肌电信号的行走环境与步态周期识别 Special Feature on Intelligent Robats

Seulki KYEONG, Wonseok SHIN, Minjin YANG, Ung HEO, Ji-rou FENG, Jung KIM

《信息与电子工程前沿（英文）》 2019年第20卷第3期页码 342-352 doi: 10.1631/FITEE.1800601

摘要：在外骨骼机器人控制研究中，识别及预测操作者运动意图是一项很大挑战。外骨骼机器人是一种检测和驱动人体运动的机械动力装置，因其复杂的人机交互技术，需要使用很多不同类型传感器。肌电信号能在实际运动做出之前识别预期动作，并且可以缩短外骨骼机器人控制中的时间延迟。为应用下肢外骨骼帮助行走，本文工作旨在使用不同类型传感器（包括表面肌电信号传感器）识别行走环境和区分步态周期。为此，将地面反作用力、人机相互作用力、位置传感器和表面肌电信号传感器相结合，对4个受试者进行步态实验。本文展示了在行走环境与步态周期的识别中使用表面肌电信号及其他类型传感器的实验成果。“平均绝对值、过零点书”特征组合在行走环境识别实验中，在足跟接地前与足趾离地前情况下，分类准确率分别为80%与77.1%；步态周期分类准确率为75.5%。上述结果表明，表面肌电信号可有效用于控制外骨骼机器人。

关键词：行走环境；步态周期；表面肌电信号；外骨骼

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基于捕获点理论的下肢步行康复外骨骼防跌倒步态规划 Research Article

Mei-ying Deng, Zhang-yi Ma, Ying-nan Wang, Han-song Wang, Yi-bing Zhao, Qian-xiao Wei, Wei Yang, Can-jun Yang,ycj@zju.edu.cn

《信息与电子工程前沿（英文）》 2019年第20卷第10期页码 1322-1330 doi: 10.1631/FITEE.1800777

摘要：研究了在下肢康复外骨骼康复训练过程中穿戴者上半身向前倾斜导致的平衡问题。通过对人体—外骨骼系统建模并使用捕获点理论获取瞬时捕获点，将稳定区域与不同步态相的瞬时捕获点比较，分析不同步态相的平衡特性以及步态过程中平衡状态的变化。基于人体骨骼系统的模型和不同阶段的平衡条件，针对穿戴者上半身前倾导致人体骨骼系统的不稳定性，提出一种轨迹校正策略。最后，在浙江大学下肢外骨骼上实验，验证轨迹校正策略的可靠性。所提轨迹校正策略可及时响应上半身前倾，同时在重心从双支撑相转移到单支撑相的过程中，步态周期与零力矩点传递的比值相应减小，步态稳定性提高。

关键词：下肢机器人；捕获点；步态相位；人机系统平衡

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一种基于分块步态模板的鲁棒性步态识别方法 Research Articles

王科俊,刘亮亮,丁欣楠,于凯强,胡钢

《信息与电子工程前沿（英文）》 2021年第22卷第5期页码 615-766 doi: 10.1631/FITEE.2000377

摘要：步态识别具备远程识别的巨大潜力，但这种方法很容易受到与身份无关的因素影响，例如穿衣、随身携带的物体和角度。目前基于步态模板的方法可以有效表示步态特征。每一种步态模板都有其优势以及表征不同的显著信息。本文提出一种步态模板融合方法，以避免经典的步态模板（例如步态能量图像方法）的不足——经典步态模板表征的不完整信息对轮廓变化很敏感。所提步态模板融合方法采取分块的方法，以表征行人不同身体部位的不同步态习惯。根据人体各部分特点将融合的步态模板为3个部分（头部、躯干和腿部区域），然后将这3部分的步态模板分别输入卷积神经网络学习从而获得融合的步态特征。实验结果表明，所提步态识别方法具有良好准确性和鲁棒性。

关键词：步态识别；分块算法；步态模板；步态分析；步态能量图；深度卷积神经网络；生物特征识别；模式识别

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降低自行车运动中股四头肌消耗的无动力膝关节外骨骼研究 Article

Ronnapee Chaichaowarat,Jun Kinugawa,Kazuhiro Kosuge

《工程（英文）》 2018年第4卷第4期页码 471-478 doi: 10.1016/j.eng.2018.07.011

摘要：为了减少自行车运动的能量消耗同时不消耗额外的能源，我们提出利用扭力弹簧对膝关节伸展进行支撑。我们开发了一个基于嵌入式扭转弹簧与交叉四杆机构的膝关节外骨骼原型机。在相同的骑行载荷下，外骨骼机器人可使中值功率谱频率降低。外骨骼机器人不消耗电能，不传递净正机械功，可减轻股四头肌的活动。此项基础研究可应用于骑行辅助可穿戴设备的进一步开发。

关键词：增强自行车运动能量消耗肌电图学外骨骼膝盖矫正器肌肉活动

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欠驱动3D双足机器人步态切换控制策略 Research Articles

Hai-hui YUAN, Yi-min GE, Chun-biao GAN

《信息与电子工程前沿（英文）》 2019年第20卷第8期页码 1026-1035 doi: 10.1631/FITEE.1800206

摘要：实际中，双足机器人常需进行步态切换以实现灵活步行。本文针对一个五杆欠驱动3D双足机器人步态切换问题，提出一种基于分层控制的切换控制策略。该策略包括切换控制器设计以及基于事件的反馈控制器设计。所设计的基于事件反馈控制器会在每一步对反馈增益进行自适应更新，而所设计的切换控制器将引导机器人从当前步态到达目标步态的邻域范围以实现平滑收敛。与以往研究相比，本文采用参数优化法设计切换控制器参数，确保机器人在步态切换过程中满足物理约束条件。最后，为验证所提控制策略的有效性，针对欠驱动3D双足机器人进行了数值仿真验证。

关键词：步态切换；欠驱动3D双足机器人；基于事件的反馈控制器；自适应控制律

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一种新型自主下肢外骨骼助行机器人的研制 Special Feature on Intelligent Robats

Yong HE, Nan LI, Chao WANG, Lin-qing XIA, Xu YONG, Xin-yu WU

《信息与电子工程前沿（英文）》 2019年第20卷第3期页码 318-329 doi: 10.1631/FITEE.1800561

摘要：目前，外骨骼被广泛应用于下肢运动障碍患者的步行辅助。现有外骨骼机器人大部分采用欠驱动模式，导致一系列使用问题，如行走过程中步行干扰和不自然步态。提出一种新型智能自主下肢外骨骼(Auto-LEE)，旨在改善穿戴式助行器用户体验，扩大应用范围。与传统外骨骼不同，Auto-LEE有10个自由度，所有关节都由直流电机独立驱动，使机器人能在无外部支撑下保持平衡行走。此外，在设计中采用模块化结构理念，在控制系统中考虑多模态人机交互。为验证机器人自主平衡双足行走能力，对比3种常用步态规划算法，初步实现行走实验。

关键词：下肢；外骨骼；自平衡；双足行走；模块化设计

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屈螺酮炔雌醇片预防稽留流产清宫术后宫腔粘连初步研究

赵现立,刘朝阳,谭宏伟,张恩娣

《中国工程科学》 2015年第17卷第6期页码 13-15

摘要：

目的：观察稽留流产清宫术后服用屈螺酮炔雌醇片对减轻宫腔粘连发生的效果。观察组：清宫术后给予屈螺酮炔雌醇片，每天服用一片，连续3个周期，对照组：患者实施清宫术后不给予屈螺酮炔雌醇片治疗。结论：清宫术后口服屈螺酮炔雌醇片是减少稽留流产术后发生宫腔粘连的一种安全有效的方法。

关键词：稽留流产宫腔粘连屈螺酮炔雌醇片

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美国国防部先进研究项目局举办的机器人大挑战赛的参与和崎岖地面行走的滑雪式步态 Article

王宏飞, 李诗濛, 郑元芳

《工程（英文）》 2015年第1卷第1期页码 36-45 doi: 10.15302/J-ENG-2015006

摘要：同时，本文还介绍了一种帮助提高仿人机器人运动稳定性的新步态——滑雪式步态。本文对该步态的稳定性进行了分析，并利用稳定度裕量从两种备选的步进顺序（爬行-1和爬行-2）中进行选择。接下来，本文对滑雪式步态中冗余的闭链系统进行力/力矩分析，通过最小化总耗能量来确定关节力矩。根据稳定性分析和力/力矩分析，我们设计了一种手杖长度，使其可以支撑HUBO2仿人机器人平台稳定地实现爬行-2步态。最后，通过将本文的试验结果和两足步行进行对比，验证了滑雪式步态的可行性。

关键词：仿人机器人美国国防部先进研究项目局举办的机器人大挑战赛（DRC）崎岖地面行走滑雪式步态

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简析工程的多维属性

徐长山,屈磊

《中国工程科学》 2013年第15卷第11期页码 92-96

摘要：

工程作为人类改造自然界，构建人工自然的“造物”活动，具有多维属性，包括工程的阶段性、整体性、动态性、矛盾性、创新型、开放性、人文性、风险性、伦理性、价值性十个方面。这十个方面的属性是对工程特征全貌的一种概括，而且是具有哲学意义的抽象。本文正是从哲学意义上对工程的多维属性进行的解析。

关键词：工程多维属性

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基于神经网络的固定时间约束下外骨骼机器人加速度重构方法 Research

薛涛1,王子威1,张涛1,白鸥2,张萌3,韩斌4

《信息与电子工程前沿（英文）》 2020年第21卷第5期页码 649-808 doi: 10.1631/FITEE.1900418

摘要：精准的加速度信号采集对机械外骨骼系统十分重要，但其难以通过传感器系统直接测量。现有基于重构算法的加速度获取方法能够保证重构误差的有限时间收敛和扰动抑制，但忽略了误差约束和初始状态无关方法。

关键词：加速度重构；固定时间收敛；约束控制；障碍李雅普诺夫函数；初始状态无关方法；外骨骼机器人

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益生菌辅助治疗类风湿关节炎的益处：随机对照临床试验荟萃分析和系统综述 Article

潘胡丹, 李润泽, 李婷, 王俊, 刘良

《工程（英文）》 2017年第3卷第1期页码 115-121 doi: 10.1016/J.ENG.2017.01.006

摘要：

肠道和口腔菌群是影响类风湿关节炎(rheumatoid arthritis, 简称类风关) 发生、发展的重要因素。近年来的研究表明益生菌可改善实验性大鼠关节炎，但益生菌辅助治疗类风关的临床疗效尚未定论。本研究旨在对益生菌辅助治疗类风关的研究报告进行荟萃分析，为益生菌辅助治疗类风关提供临床证据。我们将符合随机对照临床试验标准的文献报告纳入荟萃分析内容，分益生菌辅助治疗组(治疗组) 和非益生菌辅助治疗组(对照组) 进行比较，两者均使用缓解风湿病情药物(DMARDs)。采用Review Manager 5.3.3 对6 个随机对照临床试验报告共246 例患者进行荟萃分析，结果表明，治疗组与对照组在关节炎病情缓解指数ACR20 和DAS28 评分方面的差异无显著意义，但益生菌辅助治疗能显著降低通过对益生菌治疗类风关的综合作用进行系统评估，我们发现益生菌辅助治疗类风关是有益的。但是，目前缺乏高质量的临床试验报告，需要开展更多的多中心、大样本、双盲、随机对照临床试验。

关键词：类风湿关节炎临床试验益生菌辅助系统综述荟萃分析