外骨骼式上肢康复机器人及其控制方法研究

提出了一种融合单、多关节及日常生活功能行动作训练的5自由度外骨骼式偏瘫上肢康复机器人系统.根据偏瘫患者上肢单侧受损的特点,提取偏瘫患者的健侧肢体运动的表面肌电信号用于驱动康复机器人辅助患者患侧肢体实现康复训练动作.采用肌电绝对值积分和自回归参数模型法对上肢运动中参与动作的4块肌肉产生的sEMG信号分别进行特征提取,并分别作为基于Levenberg-Marquardt算法的反向传播神经网络的输入,6个上肢运动作为输出建立表面肌电信号与上肢康复动作之间的关系.试验结果表明该方法利用sEMG准确地完成了对上肢康复动作的识别.该方法有利于提高中枢神经系统紧张度,促进血液循环,在康复的同时防止并发症的产生,更有利于提高患者运动积极性,保持患者正确运动的感觉.

六自由度外骨骼式上肢康复机器人设计

获得及时且有效的康复训练已成为偏瘫或者截瘫病人的迫切需求,然而康复医师匮乏、康复设备落后却是患者康复的主要障碍。但如何设计一款可以替代康复医师对患者进行康复训练的机器人并制定有效的康复训练控制方法是目前亟待解决的难题。外骨骼机器人,通常包括助力型外骨骼机器人和医疗康复型外骨骼机器人,是一种能穿在人身上,提供额外的动力的机械装备,可以跟随人体运动,并承担主要负荷,增强人体机能。本文探讨了六自由度外骨骼式上肢康复机器人设计,并提出了实用性应用措施,为此类机器人设计水平提升提供参考依据。

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。

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。

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。

上肢康复可穿戴式外骨骼助力机器人的机械设计与研究

基于人体上肢生物力学机理、传统康复训练弊端和目前上肢康复机器人现状,提出了一种六自由度、柔性调节、可穿戴式上肢康复外骨骼设计方案。首先,对上肢各关节力学进行分析,利用CATIA三维软件对上肢康复可穿戴外骨骼的整体机械结构进行了虚拟样机设计,创新性设计了前臂和上臂内/外旋单排四点接触球轴承齿形传动以及肩部柔性化被动调整机构(粘弹性阻尼器)等;然后,对上肢康复外骨骼各关节驱动力矩进行了理论分析与计算、各关节驱动电机和变速箱的选型;最后,对上肢外骨骼进行了整体有限元分析。研究和试验结果表明:该上肢外骨骼助力结构设计方案具有较高可行性,能帮助上肢瘫痪及其运动功能障碍患者自主康复训练。

针对上肢外骨骼的康复机器人的设计

为满足患者对康复质量的迫切需求,本文提出了一种上肢外骨骼康复机器人训练系统,该系统可以针对患者进行康复训练。患者也可以根据自身情况选择合适的训练方式。测试结果表明,本文提出的训练系统能显著提高病人的康复效率。

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。

末端牵引式上肢外骨骼结构设计与运动学分析

针对上肢外骨骼关节互联性较差、智能化水平低、本体尺寸较大及制造成本较高等缺点,设计了一种结构简单、价格低廉且可批量定制的新型桌面式三自由度末端牵引式上肢外骨骼。首先,根据患者的康复功能需求,结合人体上肢的尺寸进行整体的结构设计;其次,使用有限元仿真软件Ansys Workbench对关键零/部件进行静力学仿真,优化零件刚度、强度及尺寸,从而验证外骨骼材料及尺寸的合理性;然后采用Denavit-Hartenberg(D-H)参数法建立坐标系,推导了正运动学并对末端位姿工作空间进行求解,并绘制了工作空间点云图;最后,使用Adams软件对末端牵引式上肢外骨骼进行了运动学分析。结果表明,末端牵引式上肢外骨骼结构设计合理,能够满足上肢运动功能障碍患者的康复训练要求。

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。

上肢康复外骨骼机器人控制方法进展研究

上肢康复外骨骼机器人主要用于为上肢运动功能障碍患者提供科学有效的康复训练,以实现患肢运动功能恢复及日常生活自理。该文从控制策略的角度综述了近年来上肢康复外骨骼机器人的研究进展。首先,从不同时期的康复治疗需求的角度出发,对已有的控制策略进行主动、被动控制分类,并对不同的控制方法进行概述,分析了各控制方法的当前研究现状。最后,对上肢康复外骨骼机器人发展中一些关键的挑战进行讨论并展望了未来的研究方向。

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7自由度外骨骼上肢康复机器人设计与控制研究

针对外骨骼上肢康复机器人自由度受限的问题,根据上肢关节运动机理对上肢结构进行模型简化,提出一种改进的7自由度外骨骼上肢康复机器人结构设计,并对运动支撑的各部分单元进行结构建模和分析,根据安全人机工程学进行了康复运动系统的电气设计与控制研究.研究结果表明,该7自由度外骨骼上肢康复机器人在结构设计上更加符合人因工学,控制机制优化,安全性能良好,为实现后期的实时控制与运动规划奠定了基础.

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。

SEMG测量电路在外骨骼上肢康复机器人中的应用

SEMG是一种复杂且微弱的生理信号,在其检测过程中存在许多影响检测精度和可靠性的因素。通过分析表面肌电信号采集过程中的噪声源,针对信号幅值小,信噪比低,易受干扰,难以准确获取的特点,设计了前端采集及信号处理电路,经过滤波、屏蔽、隔离等措施,用于外骨骼上肢康复机器人中拾取前臂的SEMG信号。实验表明,该电路能够有效滤除噪声,抑制工频干扰,满足SEMG信号的测量要求。

外骨骼式上肢康复训练机器人设计

简要介绍了外骨骼式上肢康复训练机器人外观设计背景及目的,进行了设计调研及设计定位,并提出了外观设计的三个方案,通过比较,选用体验更为舒适的方案设计。

可穿戴式下肢康复外骨骼机器人步态规划及仿真

通过分析人的下肢各关节的特征及自由度,设计可穿戴式下肢康复外骨骼机器人结构,利用CAD软件solidworks进行三维建模。为了实现可穿戴式下肢康复外骨骼机器人稳定行走功能,本文运用零力矩点(ZMP)判断依据进行步态规划。在机器人进行步态规划时采用三次样条插值法得到可穿戴式下肢康复外骨骼机器人各关节的平滑运动轨迹,同时,摆动腿在运动过程中脚底与地面始终平行。最后在ADAMS软件中建立可穿戴式下肢康复外骨骼机器人的虚拟样机进行运动学仿真。

龙门式上肢偏瘫康复训练机器人

介绍一种龙门式上肢偏瘫康复训练机器人,包括:水平左右运动机构、水平前后运动机构和竖直上下运动机构。可以带动患者手部作水平左右、水平前后和竖直上下三个方向的直线运动,同时,手柄组件具有三个旋转轴正交的被动旋转自由度,通过三个方向的直线运动和三个旋转轴正交的旋转运动可以合成出任意复杂的上肢动作,从而使患者上肢各关节、运动肌肉群以及运动功能神经系统群得到有效的物理刺激,达到恢复患者上肢运动功能的目的。本康复训练机器人的特点在于采用龙门直角坐标的结构形式,扩大了患者上肢的运动范围,同时三个方向的直线自由度不存在运动耦合,便于实现复杂的轨迹规划与控制。

外骨骼穿戴式康复机器人研究综述

本文介绍了几种典型的外骨骼穿戴式康复机器人系统,包括外骨骼上肢、下肢和手指康复系统。分析外骨骼穿戴式康复系统的结构特点和功能原理,总结外骨骼康复系统的核心技术,展望未来的发展趋势。

非平面2自由度上肢康复外骨骼设计与分析

为了满足患者对康复训练以及生活辅助的需求,针对当前低自由度上肢康复外骨骼康复训练空间有限的问题,设计了一种非平面2自由度上肢康复外骨骼。参照人体上肢结构和肘部运动特点,建立了上肢康复外骨骼的三维模型。采用D-H法建立其参数模型,此外,采用蒙特卡罗法分析了上肢康复外骨骼的可达工作空间,并利用MATLAB对其运动进行轨迹规划,验证了其整个运动过程的稳定性,上肢康复外骨骼能够以2自由度实现连续的四分之一球面训练空间。