可穿戴式下肢外骨骼康复机器人运动学分析

本文指出外骨骼康复机器人被广泛应用于下肢运动障碍患者的辅助行走,可大大增强肢体运动功能受损患者的康复效果。通过仿生学,本文设计了一种由绳索驱动的可穿戴式下肢外骨骼康复机器人。采用D-H法,对可穿戴式下肢外骨骼康复机器人进行了运动学建模,得到了各关节之间的运动学关系。采用五次多项式插值法进行步态规划,得出了步态运动方程,并将其所得的关节角速度数据导入到ADAMS软件中,对可穿戴式下肢外骨骼康复机器人进行了运动学仿真分析。最后得出,关节角位移变化平滑、稳定,表明了所设计康复机器人具有良好的效果。

下肢外骨骼康复机器人应用于脑卒中偏瘫下肢运动功能障碍患者的效果

目的:探讨下肢外骨骼康复机器人应用于脑卒中偏瘫下肢运动功能障碍患者的效果。方法:按照随机数表法将东莞市康复医院2020年1月—2022年2月收治的61例脑卒中偏瘫下肢运动功能障碍患者分为观察组和对照组,对照组30例予以常规康复训练,观察组31例在对照组基础上予以下肢外骨骼康复机器人训练,观察两组下肢运动功能、平衡功能、步态情况及步行能力。结果:干预2个月后,观察组Fugl-Meyer运动功能量表(FMA)各维度评分及总分高于对照组(P<0.05);观察组步频、步速快于对照组,步行周期、支撑相时长、摆动相时长少于对照组(P<0.05),观察组平衡功能优于对照组(P<0.05);观察组步行能力优于对照组(P<0.05)。结论:下肢外骨骼康复机器人应用于脑卒中偏瘫下肢运动功能障碍患者有助于加强平衡功能,改善步态,提高步行能力,促进下肢功能恢复。

下肢外骨骼康复机器人安全标准的研究

该研究对下肢外骨骼康复机器人相关的国内外行业标准进行了梳理,明确了下肢外骨骼康复机器人的适用标准,并以检测的1台下肢外骨骼康复机器人样机为例,分别从电气安全和电磁兼容(EMC)安全两方面分析该设备安全风险点,以期为相关从业人员提供参考。

下肢外骨骼康复机器人的发展和应用

随着社会老龄化程度不断加深,下肢功能障碍的患者越来越多,患者运动能力的康复治疗越来越重要。从上世纪80年代开始,面向下肢的外骨骼康复机器人逐步应用于运动障碍患者的康复治疗,尤其是脑卒中等神经疾病导致的运动功能障碍。面向下肢的外骨骼机器人是一种可穿戴、非线性的复杂机械装置,有着广泛的研究与应用价值。本综述根据外骨骼康复机器人治疗部位分三个方面阐述了面向下肢的外骨骼康复机器人的研究现状,临床应用以及面临的挑战,并在此基础上展望了面向下肢的外骨骼康复机器人的发展趋势。

下肢外骨骼康复机器人的研究现状和发展趋势

下肢外骨骼康复机器人是可以穿戴在人身体外部的人机一体化机械结构,临床上广泛用于由神经损伤及其他疾病导致的下肢功能障碍患者。本文介绍了国内外下肢外骨骼康复机器人的研究现状,指出了该领域目前存在的问题并分析了发展趋势,指出未来国内在下肢外骨骼康复机器人的研发方面应注重实际推广应用及智能化。

下肢外骨骼康复机器人动力学分析与仿真

下肢外骨骼康复机器人动力学模型的准确建立,是实现机器人精确控制的前提条件。文中将下肢外骨骼机器人简化为7杆模型,并将下肢运动周期划分为单腿支撑和双腿支撑两个阶段,采用拉格朗日方法建立外骨骼康复机器人系统的整体动力学模型。通过人体下肢运动的实时动作捕捉及其运动轨迹的数据分析,得到人体正常行走时的关节运动规律,推导出各个关节所需的驱动力矩。利用SolidWorks建立机器人三维简化模型并导入ADAMS软件进行动力学仿真,验证了理论推导的准确性,为机器人电机的选型和控制系统的设计提供了理论依据。

下肢外骨骼康复机器人的动力学建模及神经网络辨识仿真

针对下肢外骨骼康复机器人的灵敏度放大控制需要精确逆动力学模型的问题,通过Solidworks软件建立精确的三维实体模型,联合Matlab/SimMechanics建立下肢外骨骼康复机器人的动力学模型,以角度、角速度和角加速度作为输入信号,输出信号为髋、膝关节力矩,进行逆动力学仿真分析。将仿真后的输入输出数据利用BP神经网络进行训练并获得外骨骼逆动力学动态数学模型。仿真结果表明,该方法可以获得下肢外骨骼康复机器人精确的模型,并为进一步的实现外骨骼的灵敏度放大控制提供保证。

下肢外骨骼康复机器人在膝关节活动受限康复治疗中的应用

背景:下肢外骨骼康复机器人以持续主被动活动联合为理论基础,通过模拟人体运动,刺激机体的自然复原力,发挥组织代偿作用。目的:动态观察并了解下肢外骨骼康复机器人在膝关节活动受限患者功能锻炼中的康复作用。方法:将20例术后早期膝关节活动受限患者随机等分为实验组与对照组,实验组采用下肢外骨骼康复机器人行肢体功能锻炼,对照组采用被动训练装置CPM机行功能锻炼,治疗间隙2组均采用心理疏导、低频脉冲电疗和红外线等物理治疗。结果与结论:治疗2个月后,实验组与对照组患者膝关节后屈、前伸活动度均较治疗前明显改善(P<0.01),同时实验组股四头肌肌力较治疗前明显改善(P<0.01)。2个月后的后续治疗,实验组患者膝关节后屈、前伸活动度有了进一步的改善(P<0.05),对照组上述指标无明显改善。说明早期采用下肢外骨骼康复机器人或CPM机配合心理疏导、低频脉冲电疗和红外线等治疗均能明显提高膝关节活动受限患者膝关节活动度,同时下肢外骨骼康复机器人具有恢复患者股四头肌肌力的作用。

下肢外骨骼康复机器人的自适应控制研究

针对下肢外骨骼康复机器人的动力特性,为实现康复训练过程中控制的实时性和高精度,消除系统中存在的未建模动态、外部扰动和非线性不确定性的影响,本文提出采用两个相互独立控制器共同作用控制方法,即基于标称模型的计算力矩控制器和变结构鲁棒自适应补偿控制器。补偿控制器基于Lyapunov函数法,通过引入一个动态信号和非线性阻尼项来抑制未建模动态、外部有界扰动和非线性不确定项的影响。设计的自适应律通过在线刷新系统的不确定参数,增强了控制系统的鲁棒性并保证系统达到全局渐近稳定。通过Lyapunov稳定性定理和仿真结果证明了该控制策略的可行性和有效性。

下肢外骨骼康复机器人的灵敏度放大控制研究

针对课题组研发的下肢外骨骼康复机器人中的患者主动训练模式,提出了灵敏度放大的控制方法,建立弹簧阻尼模型更好的模拟出人机交互时的交互力,并通过Matlab/Sim Mechanics和BP神经网络建立逆动力学模型,用Sim Mechanics和Simulink模块进行了计算机仿真实验,仿真结果表明采用灵敏度放大控制方法能减小患者训练时体能的消耗,实现了患者以较小的力矩带动外骨骼实现共同运动,同时可以采集到患者腿部的数据进行康复评价.

下肢外骨骼康复机器人对偏瘫患者步态参数的影响

目的:探索下肢外骨骼康复机器人对偏瘫患者步态时空参数的影响。方法:选取偏瘫患者30例,机器人组:15例患者除日常训练外还需每日穿戴外骨骼机器人训练1h,对照组:15例患者进行日常康复训练。从两种角度对患者步态及康复效果进行分析:一是利用SPSS软件对机器人组患者的助力等级数据进行分析,通过配对样本t检验的方法比较患者首末次的康复状态。二是采用IDEEA?运动捕捉系统对包括步速、步频、步行周期等步态时空参数进行采集,分析患者首末次评估的数据差异。结果:与不穿下肢外骨骼机器人行走相比,机器人组患侧助力等级明显降低,步速明显变快,支撑相时间明显减短,具有显著性差异(P<0.05)。结论:下肢外骨骼康复机器人能够有效改善偏瘫患者步态。

下肢外骨骼康复机器人刚柔耦合分析与仿真

下肢外骨骼康复机器人的组成连杆在辅助人类运动的时候会因为自身柔性发生弹性变形,会影响到整个行走轨迹的位置精度和控制的实时性与准确性。针对所设计的下肢外骨骼康复机器人,首先通过步态仿真验证模型的正确性,然后建立其刚柔耦合动力学模型。在刚柔耦合动力学模型的基础上,通过ADAMS和ANSYS完成摆动期阶段内的刚柔耦合动力学联合仿真,得到其动态变形误差数据。结果表明:在Y方向、Z方向位移误差和整体位移误差分别在-38~3.6 mm、-7.5~3 mm、-6~14.5 mm内波动,与其他两方面相比,Y方向上的位移误差最大,在误差允许的范围内。验证了下肢外骨骼康复机器人刚柔耦合模型的正确性与合理性,为后续的结构优化和控制系统的设计提供了参考依据。

下肢外骨骼康复机器人对偏瘫患者步态时空参数不对称性的影响

目的探索下肢外骨骼康复机器人对偏瘫患者步态时空参数不对称性的影响。方法选取10例偏瘫患者,让其穿戴外骨骼机器人在平地上连续行走10m,不穿带外骨骼机器人在平地上连续行走10m。采用光学运动捕捉系统分析跨步长、支撑相时间及摆动相时间等步态时空参数,各时空参数的不对称性评估采用不对称比表示,即同一个研究对象步行过程中分别双侧下肢各步态时空参数的比值。结果与不穿下肢外骨骼机器人行走时相比,穿戴外骨骼机器人后患侧跨步长明显增加,支撑相占比明显缩短,摆动相占比明显增加,各个时空参数的左右腿不对称性明显减小(均P<0.05)。结论下肢外骨骼康复机器人能够显著改善偏瘫患者步态时空参数的不对称性。

脑卒中患者下肢外骨骼康复机器人步态规划与运动学仿真

为满足越来越多的脑卒中患者辅助行走和康复训练的需要,设计了一款下肢外骨骼机器人模型,采用D-H参数法建立踝关节、膝关节、髋关节坐标系,推演出步态周期内的坐标方程。为了安全起见,要求脑卒中患者步行速度慢且步长短,利用CoG(Center of Gravity,重心地面投影点)作为步态规划中的稳定性判断依据,并用Robotics Toolbox for Matlab仿真,结果表明:下肢外骨骼康复机器人在康复训练过程中各关节具有连续且稳定的步态轨迹,为后续脑卒中患者使用的下肢外骨骼康复机器人样机研制提供了必要的理论依据。

下肢外骨骼康复机器人的研究与进展

背景:如何提高脑血管疾病所致中枢神经系统损伤患者的日常活动能力是康复医学亟待解决的问题,而外骨骼康复机器人的发展为解决这一问题提供了可能。目的:回顾下肢外骨骼康复机器人的研究进展,对下肢外骨骼康复机器人的设计与开发提出新的展望。方法:由第一作者检索1990/2008PubMed数据库(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/PubMed)及万方数据库(http://www.wanfangdata.com.cn)有关医用下肢外骨骼康复机器人的文献,英文检索词为"exoskeletons robot,central nerve damage,passive rehabilitation training,the man-machine integration interaction interface",中文检索词为"外骨骼机器人,中枢神经损伤,主被动康复训练,人机一体化交互接口"。排除重复性研究。结果与结论:共纳入26篇文献归纳总结。外骨骼康复机器人研究报道较多,但如能解决体积小、轻便、低功耗、大功率输出等问题,同时具有响应快、低惯性、高精度和高安全性等性能,必将使神经损伤患者下肢功能最大化地恢复成为可能。

下肢外骨骼康复机器人的优化控制模型研究

传统的机器人控制模型采用模糊PID超外差控制方案,无法有效实现下肢外骨骼康复机器人的6自由度控制,性能不好。提出基于李雅普洛夫法和反演技术自适应非线性跟踪的下肢外骨骼康复机器人的优化控制模型。设计康复机器人动力学模型,在常规静止无功率补偿控制模型基础上加一个跟踪误差的积分项,优化康复机器人轮动控制等效控制律,选择李雅普洛夫函数获得期望的稳定特性,将6自由度下肢逆运动学问题分成2个更小维度的子逆运动学问题,消除参数估计对系统稳定性的影响。求得系统反向的控制输入,实现基于李雅普洛夫法的控制误差补偿设计。仿真结果表明,该控制算法具有较好的控制性能,控制系统能在2 s内迅速跟踪到输入信号,且不会出现误差。

下肢外骨骼康复机器人人因工程研究进展

下肢外骨骼康复机器人是专门针对下肢运动障碍及行动不便者,提供康复锻炼的智能化装备,其发展对于中国康复事业具有重大的理论意义与实际应用价值。人因工程研究可有效提高下肢康复机器人HRI人机交互安全性与交互效率。因此,深入探讨国内外下肢外骨骼康复机器人人因工程研究进展,对其研究现状、发展趋势进行总结归纳。通过文献检索方法对相关文献进行分析,发现人机交互、步态行为、结构设计、安全问题等是下肢外骨骼康复机器人人因工程领域的研究热点,并从人因出发,系统梳理国内外下肢外骨骼康复机器人人因工程研究进展和发展动态,提出我国在下肢外骨骼康复机器人人因工程领域所面临的挑战,研究重点和未来发展趋势。

一种下肢外骨骼康复机器人优化的结构设计与控制仿真分析

越来越多的脑卒中患者使得理疗师的康复训练工作繁重且康复效果评估体系不完整,针对此现状,设计出一款优化的外骨骼康复机器人模型。介绍了该机器人优化的结构设计,并对其进行了相对应的控制策略分析,进而提出一种控制方法并进行了仿真分析。仿真实验研究表明,所提出的控制策略在跟踪精度和速度上都具有明显的优势。

下肢外骨骼康复机器人的设计及仿真分析

针对当前下肢运动障碍患者众多而康复师和智能化康复设备短缺的状况,设计了一种下肢外骨骼康复机器人。该机器人主要由外骨骼机械腿和模块化关节组成,模块化关节有利于缩短产品的研发周期和外骨骼关节的维修与替换。利用D-H参数法建立下肢外骨骼机器人运动学与动力学模型,并结合Creo三维软件动态仿真模块进行仿真,得出了各关节的力矩,为下肢外骨骼机器人关节驱动电机的选型以及控制系统的设计提供了理论基础。

下肢外骨骼康复机器人人机交互系统分析

随着医疗康复市场的扩大,越来越多的外骨骼机器人应用于医疗与日常生活中。下肢外骨骼康复机器人可以对诸如脊髓损伤患者、截瘫病发患者、残疾人、中老年人等行走不便者辅助行走进行有效的治疗和预防。为了提高其设计的准确性,规范其设计数据,分别从人体下肢骨结构和自由度,步态周期及髋关节、膝关节和髁关节的角度变化,对下肢外骨骼康复机器人的人机交互系统进行了分析,结合人机数据分析,总结出了在进行下肢外骨骼康复机器人的设计时需要注意的安全性、穿戴性、舒适性和可调节性。