七自由度上肢外骨骼康复机器人设计与仿真

针对脑卒中患者的康复训练问题,基于SolidWorks设计了一种七自由度外骨骼式的上肢康复机器人。根据人体生理结构设定机器人的基本参数,运用D-H参数法建立机器人的运动模型,推导运动学方程,通过MATLAB中Robotics Toolbox验证运动学模型的正确性,同时利用5次多项式插值函数对机器人进行轨迹规划,获得各关节角度变化数据;通过ADAMS创建机器人的虚拟模型,以关节角度变化数据作为驱动,对机器人进行动力学仿真,得到各关节所受力矩变化情况,为各关节电机选型提供依据。

一种轮椅平台的上肢外骨骼康复机器人的研究

目的:针对现有上肢康复机器人由于体积庞大、移动不便导致上肢功能障碍患者难以在最佳时期介入康复治疗的问题,本研究设计一种以轮椅为平台的轻便式上肢外骨骼康复机器人。方法:根据人体运动学和动力学特性确定合适的机械结构参数并完成整体机械设计;以嵌入式为平台开发上肢康复机器人控制系统,利用自适应PID控制算法解决上肢康复机器人机交互问题;通过上位机软件绘制运动轨迹和关节角度、速度和力矩的变化曲线,验证设计指标达标情况。结果:该上肢外骨骼康复机器人肩关节屈伸、收展以及肘关节伸屈运动范围在人体对应关节运动范围的60.67%—81.10%,肩关节屈伸电机输出力矩0—18Nm,肘关节屈伸电机输出扭矩在0—14Nm。结论:该上肢外骨骼康复机器人设计合理,人体穿戴方便舒适、各关节运动范围、输出力矩符合人体运动特性,且操作简单,移动方便,可帮助上肢功能障碍患者进行被动、主动和助力康复训练。

主从式上肢外骨骼康复机器人的运动学研究

针对主从式上肢外骨骼康复机器人的机械臂活动空间设计和双臂干涉问题,基于Denavit-Hartenberg参数建模法,以人体上肢活动范围为边界条件,建立主从臂各关节在统一固定坐标系下的运动学模型;以齐次坐标运动学模型为基础,确定基于上肢运动极限位置约束的主从双臂间的安全活动空间,并利用蒙特卡罗算法进行仿真验证;根据主从双臂活动范围的安全距离与上肢活动规律,给出主、从双臂各五自由度康复机器人的设计及从臂跟随主臂意图运动的训练方法。计算机仿真试验和实验室样机现场试验结果表明,机器人活动空间满足康复训练上肢活动方式和活动范围等人体工学要求,解决了因主从臂干涉而造成的二次伤害等影响康复效果的问题。

基于多传感器信息的新型穿戴式上肢外骨骼康复机器人

目的设计基于多传感器信息的新型穿戴式上肢外骨骼康复机器人,以解决上肢外骨骼康复机器人便携性不佳、患者参与度较低、训练模式自适应不足等问题,并探究受试者穿戴外骨骼时肌肉激活程度、肌电信号预测关节角度的准确性以及实现上肢康复训练的可行性。方法该设备机械结构包括肘关节和腕关节,采用模块化设计并结合3D打印技术;控制系统包括肌电采集、应力采集、姿态采集等单元,并设计主动、被动和助动三种训练模式。受试者穿戴外骨骼机器人后进行屈-伸肘实验,对比有、无辅助力时手臂肌肉激活程度;分析肘关节角度,并对比肌电信号预测的关节运动角度;验证机器人运行性能与应力检测效果。结果受试者穿戴外骨骼康复机器人安全可靠地完成了屈-伸肘动作,受试者肱二头肌、肱三头肌肌肉激活程度在有、无辅助力时分别减弱约32%、11%,肌电信号预测关节角度准确度约95%,应力测量值误差均低于5%。结论上肢外骨骼机器人可以给人体提供辅助力、预测关节角度,机器人通过肌电、应力以及位置信息辅助患者实现上肢康复训练具有可行性。

穿戴式上肢外骨骼康复机器人发展现状分析

随着人口老龄化程度的日益加深,脑卒中患者逐年增多,康复训练目前已成为治疗脑卒中致残的最为有效方法之一。穿戴式上肢外骨骼康复机器人因其体积小、质量轻,便携性好,不但能够满足患者居家康复训练的需求,也可以辅助患者实现生活自理,在各类康复设备中具有明显的优势。文章在此背景下详细阐述了目前穿戴式上肢外骨骼康复机器人发展历程中所涉及的关键技术,分别从驱动系统、传动机构、训练模式、主动控制方案及自由度等5个方面分析了各类方案的特点与适用环境,并根据现有技术的发展现状应用对其进行比较。最后分析提出了穿戴式上肢外骨骼康复机器人未来将向多自由度、轻量化、自适应助力、弹性与变刚度驱动等方向的发展。

一种混合驱动的上肢康复外骨骼机器人设计

针对现有上肢康复外骨骼机器人的驱动问题,设计一种混合驱动的上肢康复外骨骼机器人,肩关节由电机直接与关节相连驱动,肘关节与腕关节由电机与绳索配合驱动。按照人体上肢解剖学结构设计出外骨骼机器人的本体结构和基本属性,分析肘关节运动原理,进行绳驱动关节张力分析,运用D-H法建立机器人的运动学模型,分析正运动学,通过ADAMS软件对机器人进行动力学仿真,运用CUBSPL函数作为驱动得出各关节的力矩变化,为后面各个关节电机的选型提供依据。

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。

面向目标导向型和双侧主动训练的上肢智能康复外骨骼机器人

针对单侧主动康复训练难以刺激大脑两侧半球神经网络的问题,本文介绍了一种面向目标导向型和双侧主动训练的上肢智能康复外骨骼机器人(简称上肢康复外骨骼系统)。首先,设计了一套考虑肩关节人机适配性的上肢康复外骨骼系统;然后,设计了基于双侧机制的目标导向型主动训练控制框架;最后,通过原型样机实验,证明所提出控制策略具有良好的人机交互性能,并且能使患者完成高参与度的康复训练。

下肢外骨骼康复机器人仿真和试验分析

目的为了帮助下肢运动障碍者进行有序康复训练,设计一种下肢外骨骼康复机器人,动力源驱动下肢交叉摆动模拟人类正常步态行走,实现双下肢协调运动,帮助下肢运动障碍者完成康复训练。方法建立外骨骼机器人三维模型、下肢外骨骼机器人D-H模型,对下肢外骨骼康复机器人进行正、逆运动学分析,并将模型导入ADAMS,创建运动副与驱动函数进行运动学仿真,在此基础上制作样机并进行动力学测试试验分析。结果正、逆运动学验证了外骨骼康复机器人空间运动的合理性,ADAMS运动仿真结果与理论计算具有良好一致性,从而保证设计的下肢外骨骼结构与穿戴者下肢同步协调。仿真分析发现理论计算和仿真的误差主要来源于驱动函数误差,动作误差最大为2.15 cm。试验验证髋关节、膝关节运动与参考输入运动具有一致性。但是运动存在误差,髋关节平均误差为5.57°,膝关节平均误差为5.45°,实验发现电机扭矩不足是引起运动误差的首要因素,其次是零件加工误差和装配误差。结论通过理论计算、仿真与试验分析验证了方案的可行性,发现驱动误差、零件加工精度和装配精度可带来误差。研究结果可为进一步完善机器人性能和研究康复机器人动力学影响因素提供基础和参数依据。

外骨骼机器人辅助步行康复治疗脊髓损伤:研究热点的CiteSpace分析

背景:脊髓损伤危害严重,损伤后步行功能障碍最影响患者的日常生活能力,在该领域运用外骨骼机器人开展辅助步行康复研究日趋活跃。目的:应用CiteSpace可视化软件绘制脊髓损伤后外骨骼机器人辅助步行为主题的科学知识图谱,并探讨近10年该领域研究现状、热点及未来趋势,为该领域后续科学研究和临床运用提供借鉴。方法:利用Web of Science核心集数据库通过布尔逻辑运算符进行主题词检索,选择语种英语,检索策略:TS=“spinal cord injury OR SCI”AND“walk OR walking”AND“robot OR exoskeleton OR(exoskeleton-assisted walking)OR EAW”,利用知识图谱软件CiteSpace 6.2.R4对去重后获得的高质量文献进行发文量、国家/研究机构合作、高影响力作者/文献共被引、关键词共现/聚类/突现等主题热点、国际前沿趋势可视化分析,并绘制科学知识图谱。结果与结论:①共纳入544篇高质量文献,近10年该领域发文量、总被引频次呈增长趋势;②发文量排名前3的国家依次是美国、中国、意大利,发文量排名前3研究机构是美国退伍军人事务部、美国退伍军人健康管理局、瑞士联邦理工学院;③被引文献频次最高(167次)和中介中心性最高(0.13)的作者均为美国宾夕法尼亚Esquenazi A团队,在该领域具有较高影响力;④对被引频次、中介中心性前5共被引文献分析显示:目前针对脊髓损伤患者配备动力外骨骼设备步行康复研究重点包括在机构、家庭等真实环境中步行康复训练安全性判断、优势分析、个体化培训计划设计,动力外骨骼设备应用于胸椎及以下节段运动功能完全丧失脊髓损伤患者辅助步行效果优劣、影响因素及应用潜力等;⑤近年该领域研究热点集中于个体化(individuals)、步态(gait)、动力外骨骼(powered exoskeleton)、减重支持(body weight support)、功能性电刺激(functional electrical stimulation)、康复(rehabilitation)、辅助技术(assistive technology)、步行活动(ambulation)、恢复(recovery)等内容;⑥该领域研究早期多应用于脑卒中患者,前沿包括减重支持、往复式步态矫形器及功能性电刺激等技术手段,脊髓损伤外骨骼机器人辅助步行康复研究近年呈现上升趋势,关注点逐渐向以适应性控制为机制的医用下肢外骨骼设备研制、安全性提升、应用潜力挖掘等前沿方向转变,研究检测手段注重联合功能性近红外光谱成像等高端技术,而关注患者生活质量、提升运动训练能力及改善机体结构为该领域未来的研究热点。

康复外骨骼机器人对脑卒中下肢运动功能障碍疗效的Meta分析

目的:运用Meta分析方法系统评价康复外骨骼机器人对脑卒中患者下肢运动功能的康复疗效,并比较不同下肢外骨骼机器人的疗效差异,为脑卒中下肢运动功能障碍患者选择适合的外骨骼机器人提供科学理论依据。方法:计算机检索Cochrane Library、PubMed、Web of Science、Embase、中国知网、维普和万方数据库的相关文献,收集从建库至2022年11月发表的关于探讨下肢康复外骨骼机器人改善脑卒中患者下肢运动功能的随机对照临床试验。由2名研究人员进行文献检索与筛选,使用Cochrane 5.1.0偏倚风险评估工具和Jadad量表对纳入文献进行质量评价。采用RevMan 5.4和Stata 17.0软件对结局指标进行Meta分析。结果:①最终纳入22篇文献,Jadad评分显示均为高质量文献,共865例患者,试验组436例、对照组429例。②Meta分析结果显示,与对照组相比,外骨骼机器人可显著提高脑卒中患者下肢运动功能(Fugl-Meyer Assessment of Lower Extremity,FMA-LE)评分(MD=2.63,95%CI:1.87-3.38,P<0.05)、平衡功能(Berg Balance Scale,BBS)评分(MD=3.62,95%CI:1.21-6.03,P<0.05)、站起-走测试量表(Timed Up and Go,TUG)评分(MD=-2.77,95%CI:-4.48至-1.05,P<0.05)和步频(MD=3.15,95%CI:1.57-4.72,P<0.05),但对功能性步行量表(Functional Ambulation Category Scale,FAC)评分(MD=0.30,95%CI:-0.01-0.61,P>0.05)和6 min步行测试(6-minute walk test,6MWT)评分(MD=3.77,95%CI:-6.60-14.14,P>0.05)的提高不明显。③网状Meta分析结果显示,FMA-LE评分:平地行走式外骨骼(MD=10.23,95%CI:3.81-27.49,P<0.05)和减重式外骨骼(MD=33.66,95%CI:11.49-98.54,P<0.05)与常规康复治疗相比均能改善FMA-LE评分,排序结果为减重式外骨骼>平地行走式外骨骼>常规康复治疗;BBS评分:减重式外骨骼(MD=79.86,95%CI:2.34-2725.99,P<0.05)与常规康复治疗相比能显著改善BBS评分,排序结果为减重式外骨骼>平地行走式外骨骼>常规康复治疗;FAC评分:平地行走式外骨骼(MD=1.38,95%CI:1.00-1.90,P<0.05)与常规康复治疗相比能显著改善FAC评分,排序结果为平地行走式外骨骼>减重式外骨骼>常规康复治疗;TUG评分:减重式外骨骼与常规康复治疗相比(MD=0.07,95%CI:0.01-0.51,P<0.05)能显著改善TUG评分,排序结果为平地行走式外骨骼>减重式外骨骼>常规康复治疗。结论:康复外骨骼机器人可以改善脑卒中患者平衡、步行以及日常生活活动能力,其中减重式外骨骼在提高下肢运动功能和平衡功能方面疗效更优,平地行走式外骨骼在提高功能性步行和转移能力方面疗效更佳。

下肢康复外骨骼机器人设计与性能分析

为了更好地辅助偏瘫患者的康复训练,设计了一种基于盘式电机驱动的下肢康复外骨骼机器人,并通过助力效果可视化研究与性能分析来验证其不同康复训练模式的有效性。首先,对下肢康复外骨骼机器人的结构进行了详细设计,并利用OpenSim软件进行了人机耦合的生物力学分析。然后,开展了基于位置跟踪控制的被动康复训练实验以及抗阻康复训练实验并采集表面肌电信号,验证了所设计下肢康复外骨骼机器人在不同模式下辅助患者康复训练的有效性。结果表明,穿戴下肢康复外骨骼机器人能使人体膝关节的力矩减小50%左右;在被动康复训练实验中,跟随误差为-4°~8°,且人体下肢目标肌群的肌肉激活度呈明显的周期性变化;在抗阻康复训练实验中,人体下肢目标肌群的肌肉激活度随负重的增加而提高。所设计的下肢康复外骨骼机器人具有良好的灵敏性和跟随性,其被动及抗阻康复训练模式均有助于偏瘫患者下肢的康复,具有广阔的应用前景。

面向肩关节康复的气压驱动外骨骼机器人设计与康复动作规划研究

基于肩关节损伤病理进行分析,针对肩关节垂直轴与冠状轴的运动,设计了面向肩关节康复的气压驱动外骨骼机器人。结合肩关节损伤康复训练临床治疗方法与人体工程学原理,确定机器人肩关节的结构与运动范围;设计了气动摆动缸驱动系统,可提供机器人关节的反向驱动特性,提高康复训练的被动柔顺性。建立外骨骼康复训练机器人运动学模型,仿真得到机器人的工作空间,并与人体肩关节运动空间进行了对比。结果表明,设计的机器人工作空间能满足人体肩关节康复训练的需求。设计了康复训练机器人关节的独立与复合动作,可完成肩关节内旋/外旋、屈曲/伸展、够取运动等多种康复训练作业治疗。经试验验证,在样机按规划动作的运动轨迹运行中,气动摆动缸驱动的机器人关节运动平稳,轨迹跟踪误差满足康复训练要求,验证了外骨骼康复机器人结构设计的合理性和康复动作规划的可行性。

穿戴式外骨骼康复机器人结合Bobath技术对脑卒中偏瘫患者的影响

目的探讨穿戴式外骨骼康复机器人结合Bobath技术对脑卒中偏瘫患者步态、平衡能力、下肢运动Fugl-Meyer功能量表(FMA)评分的影响。方法纳入2020年11月—2022年11月我院收治的78例脑卒中偏瘫患者,按照数字列表法随机分为观察组与对照组,每组39例,对照组予以Bobath技术训练,观察组在对照组基础上予以穿戴式外骨骼康复机器人训练,干预8周。比较两组干预前后的步态参数(步频、步速、跨步长比率)、平衡能力[Berg平衡量表(BBS)]、下肢运动功能FMA评分、日常生活活动能力[改良Barthel指数(MBI)]、下肢肌力恢复情况(屈髋肌力、伸膝肌力)。结果干预前,两组各指标差异无统计学意义(P>0.05);干预后,两组步频、步速、跨步长比率、BBS评分、下肢FMA评分、MBI评分、屈髋肌力、伸膝肌力较干预前显著升高(均P<0.05),观察组步频、步速、跨步长比率、BBS评分、下肢FMA评分、MBI评分、屈髋肌力、伸膝肌力高于对照组(均P<0.05)。结论穿戴式外骨骼康复机器人结合Bobath技术可改善脑卒中偏瘫患者步态和平衡能力,促进下肢运动功能恢复,提高日常生活活动能力,增强患者下肢肌力。

互动式头针结合上肢外骨骼机器人对脑卒中患者上肢功能的影响

目的基于中枢-外周-中枢闭环理论,探讨互动式头针结合上肢外骨骼机器人对脑卒中患者上肢功能的影响。方法选择2022年2月—2023年2月在山东大学附属省立第三医院康复治疗中心招募的40例脑卒中患者,采用随机数字表法将患者分为对照组和观察组,每组20例,均进行常规康复治疗。对照组在常规康复治疗的基础上进行上肢外骨骼机器人康复训练,每次25 min,1次/d,5 d/周,共4周。观察组在对照组治疗基础上新增头针留针,与上肢外骨骼机器人相结合进行互动式头针治疗。头针穴选取顶颞前斜线、顶旁2线的定位标准,留针25 min,间隔5 min施行捻转手法1次,1~2 min/次,1次/d,5 d/周,共4周。分别于治疗前后在ICF身体功能与结构领域使用Fugl-Meyer上肢运动功能评估量表(FMA-UE)评估上肢运动功能。在ICF活动领域使用Wolf运动功能测试(WMFT)评估患者上肢执行功能性任务的能力;在ICF参与领域使用改良Barthel指数(MBI)评估患者日常生活活动能力的独立性。结果①身体功能与结构领域:与治疗前相比,2组治疗4周后FMA-UE评分均明显提高(P<0.05);与对照组相比,观察组治疗后FMA-UE评分提升更显著(P<0.05)。②活动领域:与治疗前相比,2组治疗4周后WMFT评分均明显提高(P<0.05);与对照组相比,观察组治疗后WMFT评分明显提高(P<0.05)。③参与领域:2组治疗4周后MBI评分均明显提高(P<0.05);与对照组相比,观察组治疗后MBI评分提升更显著(P<0.05)。结论互动式头针结合上肢外骨骼机器人可有效改善脑卒中患者上肢运动功能、上肢执行功能性任务能力及日常生活活动能力。

基于sEMG的多自由度下肢外骨骼康复机器人结构与控制策略

提出一种多自由度下肢外骨骼康复机器人,能够实现下肢多种康复训练。建立踝关节部分约束方程,采用数值法证明机构存在正确解。利用Delsys设备提取脚部运动的sEMG信号,采用LDA、RNN结合LSTM、CNN 3种信号分类方法,提出降维CNN方法,对输入运动进行识别和分类。最后,针对踝关节部分进行sEMG信号作为输出指令的脚部动作反馈实验,验证了该部分机构和控制方法的可行性和合理可靠性。

外骨骼康复机器人联合虚拟现实跑台训练对脑损伤患者肢体运动功能障碍康复效果的影响

目的 探讨外骨骼康复机器人联合虚拟现实跑台训练对脑损伤患者肢体运动功能障碍康复效果的影响。方法 采用便利抽样法选取2021年3月至2023年3月首都医科大学附属北京康复医院收治的96例脑损伤患者为研究对象。按照随机数字表法分为对照组和观察组,各48例。对照组给予常规康复干预,观察组在对照组基础上给予外骨骼康复机器人联合虚拟现实跑台训练,2组均干预1个月。比较2组干预前后的关节活动度、功能性步态评价表(FGA)评分、行走状态、6 min步行试验(6MWT)距离、Fugl-Meyer运动功能评定量表(FMA)评分、Berg平衡量表(BBS)评分和改良Barthel指数(MBI)评分。结果 干预1个月,2组肩关节外展、髋关节外展、膝关节屈曲活动度均大于干预前,且观察组均大于对照组(均P<0.05);观察组步速、步频均高于对照组,步行周期、摆动相时长、支撑相时长均短于对照组(均P<0.05);2组6MWT距离、FMA评分、BBS评分长于/高于干预前,且观察组长于/高于对照组[(161±13)m比(148±11)m、(72±4)分比(66±5)分、(41±5)分比(35±5)分](t=5.187、6.709、6.281,均P<0.001)。干预2周、1个月,2组MBI评分均高于干预前,且观察组均高于对照组[(69±3)分比(64±4)分、(81±3)分比(76±4)分](t=5.827、7.811,均P<0.001)。结论 在脑损伤患者肢体运动功能障碍康复中,采取外骨骼康复机器人联合虚拟现实跑台训练,能提高患者肢体活动度及独立生活能力,改善运动姿态,促进运动能力及步行能力的恢复。

下肢外骨骼运动康复机器人的动力学分析与仿真

通过对正常人体的步态数据进行分析,提出一种下肢外骨骼机器人的鲁棒自适应PD控制策略,首先运用NOKOV三维红外捕捉系统收集正常人体步态信息,然后运用拉格朗日法分别建立单脚支撑和双脚支撑动力学模型,再根据构建的模型选取适应的控制器,最后通过MATLAB仿真验证设计的控制方式的稳定性与数据的正确性。设计的机器人髋关节和膝关节都能快速跟随到期望角度,同时通过相似函数验证机器人的运动轨迹与人体运动轨迹高度相似,表明机器人具有良好舒适性,也验证数据正确性。说明提出的控制方法是有效的,可为后续驱动源的选择等提供参考,有助于受伤运动员进行康复运动。

基于外骨骼机器人的运动康复游戏设计研究

运动康复训练对脑卒中患者的身心恢复至关重要,需要科技创新和心理情感支持以增强用户的参与度和积极体验。为了应对跨学科合作和多种利益相关者带来的设计挑战,本研究梳理了服务系统、人机交互系统、游戏系统与定制化硬件在设计实践中的关系,明确了游戏前、中、后作为训练服务的3个阶段,提出了结合目标维度、反馈与奖赏维度、难度平衡维度的设计框架和整合多种策略的设计流程;最终,基于新型外骨骼机器人技术,完成了运动康复游戏的设计、开发与用户测试。测试结果显示,该游戏在用户体验的流畅性和积极情绪方面具有一定潜力,所提出的框架和流程可为多学科协作下的康复游戏设计和基于定制化硬件的康复游戏开发提供参考。

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。