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期刊论文 14

年份

2023 2

2022 2

2020 2

2019 3

2018 2

2017 1

2016 1

2012 1

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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 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

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

可穿戴机器人；外骨骼；跨行业；人工制品；标准；抓取 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

矫正器 1

肌电图学 1

肌肉活动 1

能量消耗 1

膝盖 1

自行车运动 1

行走环境；步态周期；表面肌电信号；外骨骼 1

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 1

髋关节外骨骼；髋关节中心；柔顺关节；人机交互力 1

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检索范围：

排序：展示方式：

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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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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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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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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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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跨行业标准测试方法进展：从制造机器人到可穿戴机器人 Review

Roger BOSTELMAN, Elena MESSINA, Sebti FOUFOU

《信息与电子工程前沿（英文）》 2017年第18卷第10期页码 1447-1457 doi: 10.1631/FITEE.1601316

摘要：制造机器人正朝着轻型机器人的人机协作方向发展。类似地，被动式（弹簧和平衡制动）和主动式（电机制动）外骨骼也可用于人类穿戴并移动身体部位。被计算机和集成传感器控制的外骨骼也被称作“可穿戴机器人”。通过风险评估，符合安全标准的制造机器人和可穿戴机器人现已允许人类使用。然而，两种系统都缺少其性能标准。可穿戴机器人性能标准测试方法可以从目前针对制造机器人和紧急响应机器人的类似性能标准测试方法的研究中得到启发。本文对制造机器人和搜救机器人性能测试的最新研究进行了介绍，同时讨论了如何利用相同测试方法更好地获得可穿戴机器人的性能。

关键词：可穿戴机器人；外骨骼；跨行业；人工制品；标准；抓取

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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。当使用各种传感器时，需要选择数据类型以进行有效传感。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。选择不同传感器类型组合、表面肌电信号传感器不同位置组合以及表面肌电信号不同特征值组合，作为有效数据类型。实验结果表明，与使用单个力学传感器相比，将表面肌电信号传感器与其结合使用，可使识别结果得到很大改善。此外，在3种不同类型传感器的不同组合中，使用表面肌电信号与位置传感器信息的组合得出最高分类准确率。当使用全部4种类型传感器时，行走环境与步态周期分类准确率分别为96.1%与97.8%。在腿部5个表面肌电传感器不同位置组合里，股内侧肌和腓肠肌组合是最有效的2种肌肉类型组合。当仅使用表面肌电信号进行分类时，该组合在行走环境识别实验中，足跟接地前与足趾离地前的情况下，分类准确率分别为74.4%与71.7%；步态周期分类准确率为68%。两组有效的表面肌电信号特征值组合分别是“平均绝对值、过零点数”与“平均绝对值、波形长度”。“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。为解决该问题，提出一种基于新型径向基神经网络的误差约束下的固定时间重构算法，以实现高性能的加速度信号估计。在该算法中，提出一种新型指数型障碍李雅普诺夫函数处理误差约束问题，该函数提供一种统一简洁的李雅普诺夫稳定性证明模板。与此同时，设计一种分数阶滑模控制律，以实现固定时间收敛；为进一步提升系统鲁棒性，使用自适应权重矩阵构建的径向基神经网络近似和消除完全未知的扰动。值得注意的是，该框架下误差的收敛时间与初始状态以及扰动无关，只取决于预设参数，并且重构误差始终位于预定义的界内。数值仿真实验和人体实验结果验证了本文方法的优点以及在实际场景中的鲁棒性。

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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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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标题作者时间类型操作

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

Tzong-Ming WU, Dar-Zen CHEN

期刊论文

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

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

王东海1,2

期刊论文

一种新型自主下肢外骨骼助行机器人的研制