大学生科技创新竞赛获奖作品精析：机械机电控制类创新点

1.功能方面的创新点

（1）概念创新 本作品采用人体包覆式“外骨骼”架构进行设计，通过结构支撑与动作驱动两大功能的有机结合，具备了新体验健身与新途径康复两大作用。与现有普通健身与康复装置不同，本作品从人机工学原理出发，依靠精巧空间仿生结构与人体产生互动，运动轨迹与人体实际运动轨迹高度拟合，且有阻力和动力两种输出方式，可施加人体健身或康复运动时所需的不同阻力或动力，提供了多方式健身与多途径康复的实用功能。本作品的研究成果对未来“外骨骼系统”的研发具有显著的借鉴作用和参考价值。

（2）功能创新 与普通健身与康复装置不同，本作品具有自由动作锻炼功能和标准姿势教学功能，智能化、自主化程度较高。传统健身需要在教练的指导下进行，成本高、限制多。本作品在概念创新和功能创新的牵引与推动下，消除了这些限制，使个人健身可在科学的健身理论和正确的健身要领指导下进行。同时本作品的技术集成度和功能集成度远高于其他健身器械，几乎可以实现全种类健身动作的锻炼功能。

（3）体验创新 本作品自主开发在WIFI环境下基于Windows系统的PC控制设备和基于安卓系统的可移动控制设备，用户交互体验舒畅便利，所配置的具有安卓操作系统的客户端，功能强大，操作便捷，通用性好，扩展性强，形成了安卓客户端—控制系统—机械系统的控制结构。

2.结构方面的创新点

（1）仿生研究取得新突破 在开展研究期间，项目组在北京体育大学进行了多次“人体动作捕捉实验”，并以仿生实验的数据为基础，进行数学模型的构建与作品框架的设计，在此基础上再进行整体结构设计。由于仿生研究取得新突破，使得仿生空间机构的运动轨迹与人体实际运动轨迹高度拟合，可保证作品在使用过程中不与人体发生碰撞或干涉，符合人机工程学原理与准则。

（2）机构设计取得新进展 腰背运动结构的设计一直是人体随动机构设计的一大难题。本作品所设计的背部8R空间连杆机构在结构方面实现了较大的创新，可保障作品实现前后、左右双自由度的运动，因而可实现对腰背部绝大多数肌肉群的锻炼：包括腹直肌、腹横肌及腹外斜肌。同时该机构只需4个驱动装置便可完成所有动作，节省了空间，减轻了重量，强化了功能，降低了成本。(www.xing528.com)

（3）驱动输出取得新效果 本作品采用多台直流电动机作为提供健身与康复所需阻力和动力的施力器件，可以实现不同方向和大小的力或力矩的高效输出。对于按多种趋势变化的负荷，本作品也能够通过调整电动机负荷曲线，改变电动机的驱动特性，使健身或康复的效果最大化。

（4）模块设计取得新成果 本作品通过将手部和腿部具有相似特征的部分设计为通用模块结构，使机身的制造和维护更加方便与快捷。模块化设计的实施与突破，一方面可使作品制造所需的专用器具减少，成本降低；另一方面可使作品调整所需的时间与步骤大为缩短和简化，比如模块的更换只需拆卸两颗螺丝即可完成，操作简便。

除了上述突破与进展以外，本作品在下述方面也取得了相当的创新成果：

（1）多种调整结构 作为一款针对不同使用群体的家用机电产品，本作品的四肢及腰背均具有范围合理的尺寸调整机构。四肢的调整只需旋松锁扣，便可自由调整长度；腰背的调整由电动机控制，操作界面集成在客户端中。同时，本作品还配置有穿戴方便的背带与手柄，提高了人体与机器接触的舒适度。

（2）多项安全措施 本作品具有“关节限位挡片”、“超负荷急停”与“防倾倒安全座椅”等多项安全保护功能。机械的安全性设计集成在各个模块中，结构简单，性能可靠，在降低成本的同时保证了机构具有较小的体积。同时，本作品还设置有电气安全保护措施，上位机监测到电动机工作状况出现异常时会中止驱动系统供电，同时保护使用者与装置本身不受伤害。

（3）多重电动机控制 本作品具有22个自由度，引入五次样条曲线插补算法进行运动轨迹规划，采用四阶闭环控制策略，实现了多电动机协调控制，可靠度高，反应灵敏，保障本作品能够完成复杂的健身与康复动作。