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期刊论文 21

年份

2023 4

2022 4

2020 3

2019 5

2018 2

2017 1

2016 1

2012 1

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关键词

square-twist折纸 1

下肢外骨骼机器人；人机交互；运动学习；轨迹生成；运动基元；黑盒优化 1

下肢机器人；捕获点；步态相位；人机系统平衡 1

下肢；外骨骼；自平衡；双足行走；模块化设计 1

优化设计 1

传感引导；下肢外骨骼；人体传感网络；步态同步；体重支撑 1

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 1

可展开机构 1

可穿戴机器人；外骨骼；跨行业；人工制品；标准；抓取 1

可编程性 1

可重复使用运载火箭（RLV） 1

在轨展开 1

增强 1

外骨骼 1

外骨骼；物理人机交互；力矩传感器；人体步态；卡尔曼平滑器 1

形状记忆聚合物复合材料 1

折纸超材料 1

温度遥测 1

火星探测 1

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检索范围：

排序：展示方式：

Design and experiment of a novel pneumatic soft arm based on a deployable origami exoskeleton

《机械工程前沿（英文）》 2023年第18卷第4期 doi: 10.1007/s11465-023-0770-2

摘要： Soft arms have shown great application potential because of their flexibility and compliance in unstructured environments. However, soft arms made from soft materials exhibit limited cargo-loading capacity, which restricts their ability to manipulate objects. In this research, a novel soft arm was developed by coupling a rigid origami exoskeleton with soft airbags. The joint module of the soft arm was composed of a deployable origami exoskeleton and three soft airbags. The motion and load performance of the soft arm of the eight-joint module was tested. The developed soft arm withstood at least 5 kg of load during extension, contraction, and bending motions; exhibited bistable characteristics in both fully contracted and fully extended states; and achieved a bending angle of more than 240° and a contraction ratio of more than 300%. In addition, the high extension, contraction, bending, and torsional stiffnesses of the soft arm were experimentally demonstrated. A kinematic-based trajectory planning of the soft arm was performed to evaluate its error in repetitive motion. This work will provide new design ideas and methods for flexible manipulation applications of soft arms.

关键词： pneumatic soft arm soft airbag deployable origami exoskeleton bistable characteristics cargo-loading capacity

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Practical optimization of deployable and scissor-like structures using a fast GA method

M. SALAR, M. R. GHASEMI, B. DIZANGIAN

《结构与土木工程前沿（英文）》 2019年第13卷第3期页码 557-568 doi: 10.1007/s11709-018-0497-z

摘要： This paper addresses practical sizing optimization of deployable and scissor-like structures from a new point of view. These structures have been recently highly regarded for beauty, lightweight, determine behavior, proper performance against lateral loads and the ability of been compactly packaged. At this time, there is a few studies done considering practical optimization of these structures. Loading considered here includes wind and gravity loads. In foldable scissor-like structures, connections have a complex behavior. For this reason, in this study, the authors used the ABAQUS commercial package as an analyzer in the optimization procedure. This made the obtained optimal solutions highly reliable from the point of view of applicability and construction requirements. Also, to do optimization task, a fast genetic algorithm method, which has been recently introduced by authors, was utilized. Optimization results show that despite less weight for aluminum models than steel models, aluminum deployable structures are not affordable because they need more material than steel structures and cause more environmental damage.

关键词： optimization scissor-like structures deployable structures genetic algorithm ABAQUS

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Design and preliminary evaluation of an exoskeleton for upper limb resistance training

Tzong-Ming WU, Dar-Zen CHEN

《机械工程前沿（英文）》 2012年第7卷第2期页码 188-198 doi: 10.1007/s11465-012-0327-2

摘要：

Resistance training is a popular form of exercise recommended by national health organizations, such as the American College of Sports Medicine (ACSM) and the American Heart Association (AHA). This form of training is available for most populations. A compact design of upper limb exoskeleton mechanism for home-based resistance training using a spring-loaded upper limb exoskeleton with a three degree-of-freedom shoulder joint and a one degree-of-freedom elbow joint allows a patient or a healthy individual to move the upper limb with multiple joints in different planes. It can continuously increase the resistance by adjusting the spring length to train additional muscle groups and reduce the number of potential injuries to upper limb joints caused by the mass moment of inertia of the training equipment. The aim of this research is to perform a preliminary evaluation of the designed function by adopting an appropriate motion analysis system and experimental design to verify our prototype of the exoskeleton and determine the optimal configuration of the spring-loaded upper limb exoskeleton.

关键词： exoskeleton free-weight exercise upper limb motion analysis

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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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基于刚性与非刚性Square-Twist胞元混合排布的折纸超材料设计与性能编程研究 Article

马家耀, 臧世玺, 陈焱, 由衷

《工程（英文）》 2022年第17卷第10期页码 82-92 doi: 10.1016/j.eng.2022.02.015

摘要：

相比由完全相同的胞元组成的超材料，由类型和性能均不同的胞元形成的超材料能够实现更大的力学性能调控范围。然而，目前关于此种超材料的几何设计和性能编程方法鲜有报道。本文通过将一系列不同类型的square-twist 折纸胞元进行空间排布，设计了一种新型折纸超材料。首先建立了超材料胞元的空间排布规则，保证了相邻胞元山-谷线折痕的几何匹配。进而进行了双轴拉伸实验，实验结果表明该新型超材料的变形能、最大刚度和初始峰值力均可由组成胞元的对应特性叠加得到，并且通过改变胞元类型、数量、几何参数、材料参数可以实现对超材料力学性能的大范围编程调控。此外，对具有固定胞元数量的超材料，通过改变山-谷线折痕的排布可以得到胞元类型与数量不同的一系列超材料，从而实现根据具体需求的力学性能重编程。本工作为可编程折纸超材料的设计提供了新的思路，在机械等工程领域具有广阔的应用前景。

关键词：折纸超材料超材料 square-twist折纸非周期性排布可编程性

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Recent development on innovation design of reconfigurable mechanisms in China

Wuxiang ZHANG, Shengnan LU, Xilun DING

《机械工程前沿（英文）》 2019年第14卷第1期页码 15-20 doi: 10.1007/s11465-018-0517-7

摘要： Reconfigurable mechanisms can deliberately reconfigure themselves by rearranging the connectivity of components to meet the different requirements of tasks. Metamorphic and origami-derived mechanisms are two kinds of typical reconfigurable mechanisms, which have attracted increasing attention in the field of mechanisms since they were proposed. Improving the independent design level, innovation, and international competitive powers of reconfigurable mechanical products is important. Summarizing related significant innovation research and application achievements periodically will shed light on research directions and promote academic exchanges. This paper presents an overview of recent developments in innovation design of reconfigurable mechanisms in China, including metamorphic and origami mechanisms and their typical applications. The future development trends are analyzed and forecasted.

关键词： innovation design reconfigurable mechanisms metamorphic mechanisms origami-derived mechanisms development trends

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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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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：

自行车是一种环保且具有娱乐性的交通方式。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。在研究过程中，通过分析8 名健康男性参与者以恒定功率骑行测试的数据，对原型机性能进行了评估。记录参与者在200 W 和225 W 带有加速系统的骑行训练机运动时两个腿部股直肌的表面肌电图（EMG）。然后，通过连续小波变换在时间频率上分析这些数据。在相同的骑行速度和腿部节奏下，肌电的中值功率谱频率随骑行负荷的增加而增加。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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Review of human–robot coordination control for rehabilitation based on motor function evaluation

《机械工程前沿（英文）》 2022年第17卷第2期 doi: 10.1007/s11465-022-0684-4

摘要： As a wearable and intelligent system, a lower limb exoskeleton rehabilitation robot can provide auxiliary rehabilitation training for patients with lower limb walking impairment/loss and address the existing problem of insufficient medical resources. One of the main elements of such a human–robot coupling system is a control system to ensure human–robot coordination. This review aims to summarise the development of human–robot coordination control and the associated research achievements and provide insight into the research challenges in promoting innovative design in such control systems. The patients’ functional disorders and clinical rehabilitation needs regarding lower limbs are analysed in detail, forming the basis for the human–robot coordination of lower limb rehabilitation robots. Then, human–robot coordination is discussed in terms of three aspects: modelling, perception and control. Based on the reviewed research, the demand for robotic rehabilitation, modelling for human–robot coupling systems with new structures and assessment methods with different etiologies based on multi-mode sensors are discussed in detail, suggesting development directions of human–robot coordination and providing a reference for relevant research.

关键词： human–robot coupling lower limb rehabilitation exoskeleton robot motor assessment dynamical model perception

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中国空间可展开结构——进展与趋势

马小飞, 李团结, 马静雅, 王治易, 史创, 郑士昆, 崔琦峰, 李潇, 刘凡, 郭宏伟, 刘立武, 王作为, 李洋

《工程（英文）》 2022年第17卷第10期页码 207-219 doi: 10.1016/j.eng.2022.04.013

摘要：

可展开空间结构技术是一种实现航天器结构构型的方法，尤其是用于具有展开和折叠功能的空间结构。进入轨道后，空间结构从整流罩中释放、展开并定位。随着通信、遥感和导航卫星技术的发展，空间可展开结构已经成为空间科学和技术的前沿研究课题。本文总结了中国空间可展开结构的研究现状和发展趋势，包括：空间大型网状天线、空间太阳翼、深空探测用可展开结构等。从可展开机构设计、索膜结构找形方法、动力学分析、可靠性的环境适应性分析和验证等角度阐述了空间可展开结构的关键技术。最后，阐明了网状天线、太阳翼、可展开机构以及在轨调整、组装和建造等领域的未来技术发展和趋势。

关键词：空间可展开结构，网状天线，太阳翼，深空探测

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Novel method of constructing generalized Hoberman sphere mechanisms based on deployment axes

Xuemin SUN, Yan-An YAO, Ruiming LI

《机械工程前沿（英文）》 2020年第15卷第1期页码 89-99 doi: 10.1007/s11465-019-0567-5

摘要： This study proposes a method of constructing type II generalized angulated elements (GAEs II) Hoberman sphere mechanisms on the basis of deployment axes that intersect at one point. First, the constraint conditions for inserting GAEs II into deployment axes to form a loop are given. The angle constraint conditions of the deployment axes are obtained through a series of linear equations. Second, the connection conditions of two GAEs II loops that share a common deployable center are discussed. Third, a flowchart of constructing the generalized Hoberman sphere mechanism on the basis of deployment axes is provided. Finally, four generalized Hoberman sphere mechanisms based on a fully enclosed regular hexahedron, arithmetic sequence axes, orthonormal arithmetic sequence axes, and spiral-like axes are constructed in accordance with the given arrangement of deployment axes that satisfy the constraint conditions to verify the feasibility of the proposed method.

关键词： deployable mechanism type II generalized angulated elements Hoberman sphere mechanism deployment axes constraint conditions

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基于Watt连杆的可重复使用运载火箭腿式可展开着陆机构——原理、原型设计和实验验证 Article

于海涛, 田保林, 闫振, 高海波, 张宏剑, 吴会强, 王英超, 石玉红, 邓宗全

《工程（英文）》 2023年第20卷第1期页码 120-133 doi: 10.1016/j.eng.2022.05.015

摘要：

可重复使用运载火箭是降低太空运输成本的一种新途径。着陆机构是可重复使用运载火箭的重要组成部分，起到着陆支撑和吸收冲击的作用。本文提出了一种新型的可展开着陆机构（LDLM）。采用Watt-II型六杆机构，利用连杆变分法得到优选构型。本文建立了多目标优化范式，使得可展开着陆机构具有着陆支撑区域大、轻量化、连杆内力合理等优点，在此基础上，利用多目标遗传算法（NSGA-II）进化算法得到了可展开式着陆机构设计的最优尺寸参数。本文研制了全功能可重复使用运载火箭缩比样机，通过集成重力控制的展开方案促进展开动作，避免全范围驱动，采用双重锁紧机构提高展开状态时结构的可靠性，采用多级铝蜂窝缓冲器提供可靠的减震性能。实验结果表明，所提出的可展开式着陆机构能够提供快速平稳的展开（持续时间小于1.5 s），且对舱体的姿态扰动较小（偏航和俯仰波动小于6°）。此外，该机构在0.2 m自由落体测试中提供了足够的冲击衰减（加速度峰值小于10g）。所提出的可展开着陆机构可作为未来可重复使用运载火箭潜在的腿式起落架替代方案。

关键词：可重复使用运载火箭（RLV）可展开机构优化设计

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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。基于相位识别，通过所提算法估计人体步态，将步态辨识结果作为控制器的参考输入。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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针对下肢外骨骼机器人的基于概率运动基元的黑盒优化运动学习 Research Article

王嘉琪,高永卓,吴冬梅,董为

《信息与电子工程前沿（英文）》 2023年第24卷第1期页码 104-116 doi: 10.1631/FITEE.2200065

摘要：外骨骼作为一种可穿戴的机器人，通过拟人化的构型直接传递机械动力来辅助或增强穿戴者运动。当外骨骼用于促进穿戴者的运动时，运动生成过程通常在高层控制中发挥重要作用。该领域的主要挑战之一是实时生成符合人类意图且可以适应不同情况的参考轨迹。在本文中，我们首先提出了一种基于概率运动基元（ProMP）的下肢外骨骼运动建模方法，它是一种用于生成运动轨迹的新型且强大的代表性工具。为了在不同穿戴者使用外骨骼时使轨迹适应不同情况，我们接着提出了一种基于黑盒优化PIBB结合ProMP的新型运动学习方案。运动模型首先由ProMP离线学习，它可以生成参考轨迹供外骨骼控制器在线使用，再采用PIBB在线学习和更新模型，提供了系统的自适应能力，消除了不确定性的影响。使用下肢外骨骼HEXO对六名受试者进行的模拟和实验证明了所提出方法的有效性。

关键词：下肢外骨骼机器人；人机交互；运动学习；轨迹生成；运动基元；黑盒优化

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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。该外骨骼主要重量（即电机、供能单元和控制单元）置于人体近端（即腰部）附近，以减少作用在穿戴者下肢的附加转动惯量。设计了基于齿轮—滑轮组件的绳索力传输系统，有效地将动力从电机端传递至末端执行器；设计了动力输出单元中的自张紧装置，用于实现穿戴者行走过程中绳索的张紧；设计了基于足底压力传感器和惯性测量单元（IMU）的步态检测系统，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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标题作者时间类型操作

Design and experiment of a novel pneumatic soft arm based on a deployable origami exoskeleton

期刊论文

Practical optimization of deployable and scissor-like structures using a fast GA method

M. SALAR, M. R. GHASEMI, B. DIZANGIAN

期刊论文

Design and preliminary evaluation of an exoskeleton for upper limb resistance training

Tzong-Ming WU, Dar-Zen CHEN

期刊论文

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