任务导向型上肢康复机器人训练在脑卒中后上肢功能恢复中的疗效研究

目的:探究任务导向型上肢康复机器人训练在脑卒中后上肢功能恢复中的疗效。方法:选取2021年1月—2023年12月在西安交通大学第一附属医院诊治脑卒中的92例患者,随机分为对照组(46例,行常规康复训练)和研究组(46例,行任务导向型上肢康复机器人训练),比较两组患者上肢运动功能,上肢痉挛程度,以及肱二头肌、肱三头肌的积分肌电值(iEMG)、协同收缩率。结果:相较于训练前,训练4周后两组患者Fugl-Meyer上肢运动功能评分量表(FMA-UE)评分、Wolf运动功能测试量表(WMFT)评分、功能独立性评定(FIM)评分均升高(P<0.05),且研究组FMA-UE、WMFT、FIM评分高于对照组(P<0.05)。训练4周后两组患者改良Ashworth肌张力评定量表(MAS)分级优于训练前(P<0.05),且研究组MAS分级优于对照组(P<0.05)。相较于训练前,训练4周后两组患者肱二头肌、肱三头肌的iEMG升高,协同收缩率降低(P<0.05),且研究组iEMG高于对照组,协同收缩率低于对照组(P<0.05)。结论:任务导向型上肢康复机器人训练应用于脑卒中后,可改善患者的上肢运动功能,缓解上肢肌肉痉挛,提高肱二头肌、肱三头肌的iEMG,降低肱二头肌、肱三头肌的协同收缩率。

重力自平衡上肢康复机器人设计与试验

【目的】在机器人中添加重力平衡机构,可有效提升机器人的动态性能。但现有上肢康复训练机器人涉及末端牵引式平衡机构的很少。针对该问题,在分析了上肢康复机器人悬臂工作过程中质心变化规律的基础上,设计了一种可自动平衡重力的上肢康复机器人悬臂机构。【方法】该机构能够通过确定零长弹簧位置以及参数实现重力平衡,即只需1根弹簧便能满足上肢康复机器人悬臂在拉伸以及旋转工作状态下的自平衡;理论上可完全消除由重力产生的关节负载,减小能量损耗,提升上肢康复机器人的工作范围及系统性能;并且设计了康复机器人平衡模型并搭建样机试验平台,验证了模型的准确性和设计方案的可行性。【结果】结果表明,与传统牵引式康复悬臂相比,弹簧重力平衡方案的效果显著,平衡所需力矩减小了92%,关节驱动转矩减小了85%。

基于脑神经可塑性的上肢康复机器人在脑卒中偏瘫患者中的应用效果

目的:探讨基于脑神经可塑性的上肢康复机器人在脑卒中偏瘫患者中的应用效果。方法:选取2022年1月—2023年12月徐州市康复医院老年康复科收治的64例脑卒中偏瘫患者为研究对象,采用随机数字表法分为常规组(n=32)与康复组(n=32)。常规组给予常规康复训练治疗,康复组在常规组基础上给予上肢康复机器人治疗。比较两组神经功能、上肢运动功能、上肢运动参数、生活质量。结果:治疗4周后,两组美国国立卫生研究院卒中量表评分均低于治疗前,且康复组低于常规组(P<0.05);两组上肢运动功能评分均高于治疗前,且康复组高于常规组(P<0.05)。治疗4周后,两组主动用力时间占比均高于治疗前,且康复组高于常规组(P<0.05);两组运动轨迹平均偏差率均低于治疗前,且康复组低于常规组(P<0.05)。治疗4周后,两组生理功能、生理职能、社会功能、躯体疼痛、精神健康、情感职能、活力、总体健康评分均高于治疗前,且康复组高于常规组(P<0.05)。结论:基于脑神经可塑性的上肢康复机器人在脑卒中偏瘫患者中的应用效果较好,可改善患者的神经功能和上肢运动功能,提高生活质量。

手部康复训练联合上肢康复机器人在脑梗死上肢功能障碍患者中的应用效果

目的:探讨手部康复训练与傅利叶上肢康复机器人联合应用在脑梗死上肢功能障碍患者中的临床应用效果。方法:选择2021年12月—2023年12月在连云港市第一人民医院收治的93例脑梗死患者,以随机数字表法将其分为对照组(46例,行常规治疗与康复干预)与观察组(47例,行手部康复训练联合傅利叶上肢康复机器人干预)。对比两组患者的干预疗效、上肢功能、日常生活能力、生活质量、神经指标及不良反应。结果:与对照组相比,观察组治疗总有效率更高(P<0.05)。与治疗前相比,治疗1个月后两组Fugl-Meyer上肢运动功能评分量表(FMA-UE)评分、上肢动作研究量表(ARAT)评分、改良Barthel指数(MBI)评分、脑卒中专用生活质量量表(SS-QOL)评分、神经生长因子(NGF)水平、脑源性神经营养因子(BDNF)水平均增高,神经元特异性烯醇化酶(NSE)水平降低,且观察组FMA-UE评分、ARAT评分、MBI评分、SS-QOL评分、NGF水平、BDNF水平高于对照组,NSE水平低于对照组(P<0.05)。两组患者不良反应发生率比较,差异无统计学意义(P>0.05)。结论:手部康复训练联合傅利叶上肢康复机器人干预可有效促进脑梗死上肢功能障碍患者康复,具备较高的安全性。

基于空间末端引导式上肢康复机器人平面游戏的交互方式研究

目的:游戏互动可以极大提高上肢功能障碍者康复训练的积极性,本文结合空间末端引导式上肢康复机器人的结构特点,分别基于关节角度变化和机械臂末端点位置提出了2种平面游戏的交互设计方法。方法:通过建立机械臂3个驱动关节角度与游戏界面坐标系的映射关系实现人-机游戏互动,并比较了同一运动轨迹在2种不同交互设计方法下的游戏界面轨迹。结果:基于关节角度变化的平面游戏交互方式,通过建立关节角和游戏界面坐标系的映射函数,可以简化运算过程提高运算效率;基于机械臂末端点位置信息的平面游戏交互方式则更能准确地表述机械臂的实际运动姿态,可以实现1∶1复原机械臂末端轨迹。结论:提出的2种基于不同数据信息的游戏交互方式均有各自的特点和优势,为多自由度上肢康复机器人进行平面游戏交互设计提供了解决方案。

基于模糊控制的上肢康复机器人变导纳控制

传统固定参数的导纳模型无法对上肢康复机器人的柔顺性实时调节,而现有变参数导纳模型需要结合实际康复需求进行改善。为此,以自主研发的串并混联的末端牵引式上肢康复机器人为研究对象,结合模糊控制与导纳控制,提出了一种面向实际康复需求的新型变导纳控制策略,制定了4条有利于康复效率与安全的模糊规则。该策略利用交互力误差及其变化率作为模糊控制输入,实时改变导纳模型的参数,实现柔顺性自主调节。仿真和实验结果验证了所提出的变导纳模型控制策略可行性和所制定的4条模糊规则的有效性。在患者可适应训练强度的场景中,相较于固定导纳模型,变导纳模型追踪给定路径时产生的冗余路径最多可降低56.13%,提高了康复训练效率;当康复运动超出患者可承受范围时,变导纳模型可提前0.5 s改变追踪路径,提高了康复的安全性。

六自由度上肢康复机器人机构设计及轨迹规划

本研究设计一款六自由度上肢康复机器人,机器人采用绳索驱动、串并联相结合的关节结构形式,能够牵引偏瘫患者的上肢实现多个关节且活动范围较大的康复运动训练。针对上肢康复机器人机构适用性问题,基于运动学理论和D-H坐标系法建立上肢康复机器人本体D-H参数模型,根据空间坐标向量之间的平移、旋转关系,对运动序列建模分析,求解正运动学,通过封闭解法求解逆运动学。基于运动学分析结果,提出五次多项式函数关节空间轨迹规划方法,对上肢提拉抬肘运动进行轨迹规划仿真,验证了康复运动过程中的运动能力。

气动肌肉驱动的上肢康复机器人动力学仿真

针对目前外骨骼机器人本体结构复杂,人机交互安全性不高的问题,结合驱动系统中气动人工肌肉的轻质、大驱动力、高柔顺性和接近人体肌肉的特性,提出一种基于气动肌肉的外骨骼上肢康复机器人。采用蒙特卡罗方法获得机器人的安全工作空间,并基于拉格朗日方程对外骨骼上肢康复机器人进行动力学建模,通过MATLAB软件对上肢康复机器人动力学特性仿真。

“手脑感知-手脑运动”理论在脑卒中后上肢康复中的应用

上肢运动功能障碍是脑卒中后患者面临的主要问题,寻求更多有效的康复技术对减轻患者功能障碍程度、提升生活质量具有重要意义。本研究关注感觉功能对上肢运动功能恢复的重要作用,并对“手脑感知-手脑运动”理论开展进一步的解读。在该理论的指导下,课题组就手脑感知康复评估与训练系统创建手脑感知训练五步法(感觉评估、感觉宣教、感觉训练、任务导向性训练和感觉认知)、手脑感知-脑机接口训练范式、手脑感知-镜像疗法训练范式和“手脑感知-手脑运动”理论的其他应用进行阐述,分析了“手脑感知-手脑运动”理论与“中枢-外周-中枢”闭环康复理论的关系,以期为康复医务人员在治疗脑卒中后上肢感觉、运动功能障碍提供参考依据与启发。

一种5R+异形3RPS的混联上肢康复机构研究

为解决现有上肢康复外骨骼结构复杂以及腕部康复效果不佳的问题,提出了一种5R+异形3-RPS的混联上肢康复外骨骼机构,可以实现7个自由度的上肢康复训练。建立康复外骨骼的整体运动学模型,将串联部分与并联部分结合,计算串联部分的位姿转换、腕部并联机构的位姿变换矩阵及整体机构的运动学反解。使用ADAMS软件对该康复机构进行运动学仿真分析,通过末端质心的位移、速度和加速度曲线的分析,证明了机构可以按照康复轨迹正确进行并且过渡安全稳定。通过10次重复实物模型试验,验证腕部所能达到的角度范围及运行的平稳性。腕部装置实际的活动角度范围可达到理想状态的(73~82)%,运行符合预期运动轨迹,验证了理论推导和结构设计的正确性和合理性。

上肢康复机器人任务导向性训练对肩关节功能障碍患者的疗效观察

目的:观察上肢康复机器人任务导向性训练治疗肩关节功能障碍的疗效。方法:选取肩关节功能障碍患者58例,随机分为观察组和对照组各29例。2组均接受物理因子与关节松动术联合治疗,在此基础上,对照组增加肌力训练,观察组增加上肢康复机器人任务导向性训练。在治疗前和治疗4周后,采用Constant-Murley肩功能评分量表(CMS)评定比较2组疗效。结果:治疗4周后,2组CMS总分及疼痛、功能活动、关节活动范围、肌力4个分项的评分均高于治疗前(P<0.01);观察组CMS总分及疼痛、关节活动范围、肌力评分3个分项的评分均高于对照组(P<0.05),2组功能活动评分差异无统计学意义。结论:上肢康复机器人的任务导向性训练可以有效减轻患者肩关节疼痛,提高患者的上肢运动功能和康复效果。

上肢康复机器人的发展及应用综述

介绍了康复机器人的理论基础,综述了上肢康复机器人的研究现状,阐述了上肢康复机器人在脑卒中、脑瘫、脊髓损伤、多发性硬化、帕金森等疾病康复中的应用现状,分析了应用上肢康复机器人进行康复训练的优势和不足,指出了实现更高自由度、选材轻量化、提高设备运行安全性、研发智能控制技术、实现较低成本生产、扩大覆盖率是上肢康复机器人未来发展的方向。

表面肌电图在脑卒中上肢康复中的应用

在当前全球脑卒中发病率持续上升的背景下,如何有效地提高脑卒中患者的生活质量和康复效果成为了一个重要的研究课题。脑卒中后可出现一系列的功能障碍,上肢功能障碍是脑卒中的常见并发症之一。表面肌电图(sEMG)主要采取在皮肤表面放置电极记录肌肉活动时产生电信号的方法,可无创、实时、客观地记录神经肌肉的活动状态,虽然目前常用的量表评估有着简便易行的优点,但也存在较大的主观意识,因此表面肌电图对脑卒中后上肢功能康复疗效的评估具有积极意义,在临床上具有广阔的应用前景。本文以表面肌电图为研究对象,主要从常用指标、临床意义以及在脑卒中上肢功能康复的应用与挑战展开论述,为后续的临床研究提供指导。

镜像疗法联合上肢康复训练系统在脑卒中偏瘫患者早期康复中的应用效果

目的:分析镜像疗法联合上肢康复训练系统在脑卒中偏瘫患者早期康复中的应用效果。方法:选取2020年2月—2023年2月江苏大学附属武进医院·徐州医科大学武进临床学院康复科收治的脑卒中偏瘫患者76例作为研究对象,根据随机数字表法分为对照组和观察组,各38例。对照组实施镜像疗法,观察组在对照组基础上配合上肢康复训练系统治疗。比较两组上肢功能、日常生活自理能力及康复效果。结果:干预前,两组Fugl-Meyer量表(FMA)评分、Bartheal指数比较,差异无统计学意义(P>0.05);干预后,两组FMA评分、Bartheal指数均高于干预前,且观察组高于对照组,差异有统计意义(P<0.05)。观察组康复有效率高于对照组,差异有统计意义(P=0.047)。结论:镜像疗法联合上肢康复训练系统在脑卒中偏瘫患者早期康复中的应用效果显著,能够改善患者上肢运动功能及日常生活自理能力,促进患者康复。

基于电机-磁流变阻尼器混合驱动的绳索牵引上肢康复机器人的设计与应用

传统的末端牵引康复机器人一般使用电机驱动,连杆传动,难以避免惯性和刚性器件对系统动态性能的影响。针对以上问题,研制了一种基于混合驱动的绳索牵引式上肢康复机器人系统。系统采用绳索牵引末端的方式驱动机器人运动,实现在大工作空间内的柔顺操作。设计了具有低惯性特性的电机-磁流变阻尼器混合驱动系统,以替代传统的电机驱动。结合动作捕捉系统,设计了被动和镜像两种训练模式,以实现脑卒中患者的上肢康复训练。实验证明,混合驱动系统可输出3.5 N·m的转矩;被动训练模式中,机器人在600×500×350 mm的工作空间内,轨迹跟踪误差小于8 mm;镜像训练模式中,轨迹平均跟踪误差为6.34 mm。结果表明,系统的驱动方法和训练模式安全有效。

一种新型床旁上肢康复训练机器人的结构设计与运动分析

目的:设计一款新型床旁上肢康复训练机器人,为脑卒中和意外导致偏瘫的肢体运动功能障碍者提供卧床上肢训练。方法:综合考虑上肢的活动范围及康复策略,结合病床-机构空间位置和床旁运动模式与康复医学人体关节运动学理论,将肩关节部分自由度重构,使其在床旁位姿下具有4个主动自由度的同时不易产生侧翻风险。结果:新型床旁上肢康复训练机器人设计验证可行,工作空间合理,被动训练轨迹连续且平稳。结论:本文提出的这种床旁上肢康复训练机器人在开展临床康复工作时,能够改善上肢功能障碍者处于仰卧位下肩关节复合带运动受限的问题,实现康复机器人与卧床照护两者间的融合,精确的轨迹曲线规划有助于机械臂更好地服务临床。

等速肌力训练结合上肢康复机器人对脑卒中恢复期偏瘫患者上肢功能恢复、生活质量及神经可塑性的影响

目的:探讨等速肌力训练结合上肢康复机器人对脑卒中恢复期偏瘫患者上肢功能恢复、生活质量及神经可塑性的影响。方法:选取2021年3月—2024年3月在宝鸡市人民医院诊治的102例脑卒中恢复期偏瘫患者作为研究对象,按照随机数字表法将其分为对照组(51例,常规训练)和研究组(51例,等速肌力训练结合上肢康复机器人训练),比较两组患者上肢功能恢复、生活质量及神经可塑性。结果:与训练前相比,两组患者训练3个月后上肢动作研究量表(ARAT)、Fugl-Meyer上肢运动功能评价量表(FMA-UE)评分升高(P<0.05),与对照组相比,研究组训练3个月后ARAT、FMA-UE评分更高(P<0.05)。与训练前相比,两组患者训练3个月后脑卒中专用生活质量量表(SS-QOL)各维度评分升高(P<0.05),与对照组相比,研究组训练3个月后SS-QOL各维度评分更高(P<0.05)。与训练前相比,两组患者训练3个月后斜率不对称指数、cM1-Slope、RMT不对称指数降低,i M1-Slope、cM1-RMT升高(P<0.05),与对照组相比,研究组训练3个月斜率不对称指数、cM1-Slope、RMT不对称指数更低,iM1-Slope、cM1-RMT更高(P<0.05)。结论:等速肌力训练结合上肢康复机器人训练应用于脑卒中恢复期偏瘫患者,可促进上肢功能恢复,提升生活质量,改善神经可塑性。

基于可变异混合PSO的上肢康复机器人轨迹优化

针对上肢康复机器人的训练轨迹运动生涩、不贴合人手臂的日常习惯等问题,提出使用改进粒子群算法对上肢康复机器人进行时间最优轨迹优化.由于粒子群算法极易早熟,存在寻优稳定性较差的问题,在算法中引入鸟类混群协同觅食的概念,设计了一种新的速度更新公式,考虑个体极值、群体极值和社会极值对粒子更新的影响,提高了算法在高维搜索空间中和高维约束条件下的全局寻优能力与寻优鲁棒性,并在粒子迭代过程中引入停滞变异补偿机制增加粒子多样性,进一步提升算法的寻优效率.通过MATLAB仿真实验,改进后的粒子群算法将平均最优时间缩短44.29%,平均收敛代数减小了16.75%,使得上肢康复机器人各关节运动符合康复训练要求,能够提高康复训练质量.

7自由度外骨骼上肢康复机器人的肩部优化及运动仿真

针对上肢手臂运动障碍康复训练的需求,设计了一种7自由度外骨骼上肢康复机器人。采用扁平电动机及谐波减速器驱动;优化了肩部结构,与传统结构相比,减少了肩部连杆机构45.97%的运动空间占比,提升了肩部结构刚度;通过D-H参数法对机器人正、逆运动学求解并验证;使用蒙特卡洛法分析机器人的工作空间,证明了结构设计的合理性;使用Matlab软件对机器人末端进行了运动轨迹仿真。结果显示,在机器人运动过程中,各个关节的角位移、角速度及角加速度变化连续且平缓,验证了机器人设计的合理性和有效性,满足人体手臂康复训练要求。

一种上肢康复机器人肩关节减速器的传动精度分析及优化

基于上肢康复机器人的肩关节相对于其他上肢关节误差敏感性高及承载大的特点,采用一种渐开线少齿差行星减速器应用于其肩关节传动。考虑加工装配误差是造成传动误差的主要因素,运用啮合线增量法建立少齿差行星减速器传动误差的解析计算模型;从统计学角度出发,采用蒙特卡洛法分析了偏心误差及其初始相位对上肢康复机器人肩关节传动精度的影响;基于肩关节传动精度解析模型,分析了传动误差造成的输出力矩波动;并在加工及装配精度不变的情况下,针对少齿差齿轮副各零件的偏心误差初始相位,采用粒子群优化算法进行传动精度优化,以改善上肢康复机器人肩关节传动精度及其造成的输出力矩波动,减少上肢康复患者可能由此造成的二次损伤。