Walking aids for elderly people： a systematic overview

Reduction of falls of elderly people has been an active research area for many years.Falls of older people can be signicantly reduced through the smart use of technologies.Such technologies can help older people to regain mobility and reduce their reliance on community care services.Therefore,mobility aids,as one of the main components of these assistive technologies,are mainly discussed in this paper.Recent obstacle detection systems and mobility aids will be reviewed in this paper,where different features are explicitly addressed.

Structure design and analysis of aid walking mechanism for a lower limb rehabilitation robot

In order to improve the rehabilitative effect of users＇ recovery training and reduce the production cost of rehabilitation institution, this paper designs an aid walking mechanism for a lower limb rehabilitation robot which achieves the movement of transmission by use of the interrelationship between hip and knee. Using single chip micyoco （SCM） control technology to achieve the coordinated operation of the entire mechanical institution, this aid walking mechanism simulates the walking gait. Besides, this paper also verifies that materials＇ strength meet the design requirements by Solidworks simulation stress-strain analysis module.

助行康复机器人自适应步态控制方法研究

为了提高助行康复机器人在不同坡度上的稳定性,合理的步态控制方法显得尤为重要。这里以助行康复机器人为研究对象,提出了一种将长短期记忆网络和动态运动基元结合的步行康复机器人自适应步态控制方法。将传感器采集信息与动态运动基元中步态控制项相结合,对参考步态进行调整。同时通过更改动态运动基元的时间项和空间项对步态进行二次调整以适应不同的坡度。通过试验对该控制方法的可用性进行验证。结果表明,该方法可以在(0~20)°斜坡进行自适应步态变换,具有一定的实用价值。

基于JACK虚拟仿真的学龄前脑瘫儿童助行器人机优化设计

目的减少学龄前脑瘫儿童助行器的安全隐患,解决患儿在训练过程中的肢体二次损伤问题,提升助行器人机舒适性,对学龄前脑瘫儿童助行器进行优化设计。方法通过JACK虚拟仿真软件的RULA工具,分析得到学龄前脑瘫儿童在使用助行器过程中存在的不合理姿势,并对其进行人机工学与受力分析,提出改进方法并进行设计优化,最后导入JACK虚拟仿真软件进行风险与舒适性验证。结果优化后的学龄前脑瘫儿童助行器的使用受伤风险从4级降低到1级,患儿躯干弯曲力矩、L4/L5脊柱压缩力、剪切力的姿势载荷指数分别降低53%、47%、81%,上身各关节处于舒适角度。结论经过JACK仿真分析及人机优化后的助行器,有效降低了学龄前脑瘫儿童在康复训练中的二次损伤风险,减轻了患儿步行训练中的身体负担,提升了助行器使用的舒适性。

基于可视图与改进遗传算法的机器人平滑路径规划

针对传统遗传算法在路径规划中存在收敛速度慢、易早熟和路径质量差等缺点,提出一种基于可视图与改进遗传算法的路径规划算法。首先,利用可视图法压缩地图信息,减少搜索节点;然后,对路径个体采用浮点数编码,引入模拟二进制交叉(simulated binary crossover,SBX)算子和多项式变异算子,并采用精英保留策略和轮盘赌相结合的选择算子以防止优质个体丢失;之后,将贝塞尔(Bezier)算子引入遗传算法,改善路径的平滑性;最后,分段优化贝塞尔控制节点,防止优化路径与障碍物碰撞。在仿真地图中进行测试,实验结果表明,所提算法相比于其他算法可以规划出一条更平滑、更短的路径。将算法应用在康复助行机器人中进行测试,实验结果表明,所提算法能有效解决机器人的全局路径规划问题,提升全局路径规划的效率。

基于家用轮式助行器的FMECA及其失效数据分析

中国人口老龄化速度的逐渐加快导致对助行器的需求加大。可靠性是助行器的重要属性之一,然而目前助行器的可靠性研究较少。该文以家用轮式助行器为例,对其展开故障模式、影响及其危害性分析。通过收集、整理和分析26种故障模式,得到影响其可靠性关键模块为坐姿-站姿转换系统。针对此关键模块,该文开展了故障数据的采集及分析,检验其寿命分布符合对数正态分布模型,该模块可靠寿命t_(0.9)的0.95置信下限为2489.4 h。该研究针对家用轮式助行器开展的可靠性分析可以为其他有源医疗设备的可靠性分析提供思路,并推动形成符合我国医疗器械监管法规要求的可靠性研究审评要点,供业界参考。

下肢穿戴式助行器结构设计与仿真分析

设计了一款下肢穿戴式助行器,主要作用是辅助脑卒中、偏瘫等有下肢运动障碍的患者进行日常行走活动。首先,在对下肢运动机制、关节结构以及自由度组成分析的基础上,建立了下肢穿戴式助行器的三维结构模型;应用三维红外动作捕捉系统采集正常人行走步态数据,拟合出对应关节角度曲线;建立助行器简化D-H模型,对助行器进行了运动学建模分析;将动作捕捉实验(简称动捕实验)采集的步态数据作为仿真驱动,对助行器进行了运动学仿真验证。结果表明,仿真得到的关节角度变化曲线与实验采集到的角度曲线基本一致,角速度变化曲线与踝关节质心位置变化曲线符合正常人体行走规律,验证了下肢穿戴式助行器的结构设计的合理性。

基于系统语境下的儿童康复机器人CMF设计研究

本研究基于系统语境下,探究儿童康复机器人CMF设计的关键要素与模型构建。通过构建CMF设计模型,综合规划色彩、材料和表面工艺等内在要素,以可用性、实用性和赞许性等外围约束筛选条件,旨在打造符合儿童心理与生理特点的外骨骼式康复机器人。研究发现,CMF设计的精妙运用不仅能提升产品的美观度,更能增强儿童与机器人的情感联系,从而提高康复效果。本研究初探为儿童康复机器人设计新视角和方法,也展现了CMF设计在复杂康复机器人产品中广阔应用前景,为儿童康复机器人设计注入了更多人文关怀和实用价值。

基于QFD&TRIZ的帕金森患者助行器优化设计研究

目的帕金森病作为常见神经类病症,严重影响着病患群体的生活。为提高帕金森病患者使用助行器产品的便利性,提出基于QFD&TRIZ的帕金森患者助行器优化设计方法。方法将QFD&TRIZ理论组合作为优化帕金森助行器的研究方法。通过对用户特点和助行器功能的分析获取用户需求,并采用访谈调研总结出重点需求。运用QFD理论方法,构建出帕金森患者助行器功能质量屋,将用户的重点需求转化为技术需求;运用TRIZ理论进行冲突问题的分析与转化,并针对设计层面产品特性的矛盾提出解决方案。结果优化帕金森患者助行器,让患者在实现助力行走的同时,可不完全依赖产品进行一定程度的运动康复训练;为患者提供震颤反馈及短期休息功能,实现产品功能多维度的转化。结论通过对帕金森患者助行器的整体分析和优化设计,提出了将QFD&TRIZ理论融合并应用于帕金森患者助行器产品设计的可能。

脑瘫儿童康复助行外骨骼机器人研究与展望

脑瘫是造成儿童行走功能障碍的最常见疾病。下肢外骨骼在成人脊髓损伤或中风患者康复助行方面已有成熟应用,但针对脑瘫儿童步态改善与行走效率提高的研究相对较少。为了从技术与临床角度促进研究人员对脑瘫儿童康复助行外骨骼的理解,本文首先分析了脑瘫儿童外骨骼相比成人外骨骼研究面临的特殊问题;其次根据下肢驱动关节数量对脑瘫儿童康复助行外骨骼进行分类并综述其研究现状,重点阐述了其机构特点、控制策略、临床表现,分析了单关节与多关节脑瘫儿童康复助行外骨骼的优缺点;最后探讨了脑瘫儿童康复助行外骨骼的发展趋势及面临的挑战。

助行器智能转弯意图感知和摔倒检测

目的提高助行器智能抗摔倒功能,加强安全保障。方法在助行器两侧手柄上放置压力传感器,手动标注对应的运行意图标签,使用支持向量机(SVM)分类器进行模型预测,预测助行器的行驶意图,得到混淆矩阵。在使用者腰部佩带陀螺仪,助行器上安装激光传感器,通过陀螺仪检测角速度和角加速度,激光传感器测量距离,两者结合检测使用者摔倒情况。结果SVM建立的分类器模型能成功预测助行器的直行、左转和右转3种状态。当合角速度>100°/s、合角加速度>1.3 G、Z轴角加速度>0.7 G或<0.2 G、距离>600 mm或<300 mm,提示使用者摔倒。结论本研究设计的助行器可以感知使用者的转弯意图,并检测使用者摔倒情况。

踝关节柔性助行机构设计与控制系统的研究

由于踝关节柔性助行机构结构较为复杂,使用者需求多样化,使其控制效果和应用性能较差。为此,提出踝关节柔性助行机构设计与控制系统。根据使用者需求设计踝关节柔性助行机构总体方案、驱动单元、执行单元与变刚度构件,并确定各个单元参数的计算公式。采用足底压力传感器与陀螺仪传感器识别与预测使用者的步态,应用LabVIEW软件开发助力控制程序,实现踝关节柔性助行机构的控制。实验数据表明,设计系统获得的步态周期长度预测结果与实际步态周期长度保持一致,具有较好的应用性能。

基于情感化的老年助行器设计策略

中国近年来人口老龄化现象愈发严重,老年人群成为中国消费主力军的新生力量。出行对于老年人来说是生活中不可或缺的一部分,为了帮助老年人安全便捷地出行,本文主要从老年人身体机能与心理状况角度出发,运用情感化理论,完成设计策略分析,着重体现老年用户情感需求和助行产品之间的关联。

新型助行器联合核心肌群训练在腰椎退行性疾病患者术后早期康复中的应用效果

目的:探究新型助行器联合核心肌群训练在腰椎退行性疾病患者术后早期康复中的应用效果。方法:选取2022年8月-2023年1月桂林医学院第二附属医院及广西壮族自治区南溪山医院收治的120例腰椎退行性疾病患者,按照随机数表法将其分为两组,各60例。对照组予以核心肌群训练,观察组予以核心肌群训练与新型助行器联合训练。比较两组步行能力、平衡能力、腰椎功能、下肢功能及疼痛程度。结果:与对照组相比,观察组3 m起立-行走时间明显缩短,10 m最大步行速度明显提高,差异有统计学意义(P<0.05)。干预前及干预3个月后,两组Berg平衡量表(BBS)、日本骨科协会评估治疗分数(JOA)、Fugl-Meyer运动功能量表(FMA)、徒手肌力检查(MMT)、视觉模拟评分法(VAS)评分比较,差异无统计学意义(P>0.05);干预1个月、2个月、3个月后,两组BBS评分、JOA评分、FMA评分、MMT评分均较干预前升高,且观察组干预1个月、2个月后评分高于对照组,差异有统计学意义(P<0.05);干预1个月、2个月、3个月后,两组VAS评分较干预前降低,且观察组干预1个月、2个月后评分低于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。结论:腰椎退行性疾病患者术后早期康复中应用新型助行器联合核心肌群训练,患者步行能力、平衡能力、腰椎功能、下肢功能及疼痛程度均有明显改善,临床应用效果较好。

智能助行器防跌倒柔顺控制研究

当用户使用助行器过程中有跌倒趋势时,需要使人体能快速恢复正常的站立体态并缓冲助行器紧急制动的惯性力。但是大部分柔顺控制运用机械臂模型较多,运用于助行器模型的防跌倒控制策略较为欠缺。针对此问题,文中提出了一种基于自适应滑模阻抗控制的新型防跌倒柔顺控制策略,并将其用于助行器模型,通过阵列式薄膜压力传感器与超声波传感器融合来达到提升助行器性能的目的。该策略能提高助行器的轨迹跟踪效果,实现对用户的安全防护。两种不同运行情况下的仿真和两种不同地形的模拟实验结果表明,人体可在4 s左右恢复正立,证明该策略能实现助行器运动的柔顺性。

智能助行器的设计趋势

智能助行器能帮助行动失能患者轻松、自由地行动,有效缓解传统助行器单一功能与患者多样需求之间的矛盾。研究智能助行器相关技术的发展现状和设计趋势,可促进智能助行产品设计水准的提升。通过Kano模型调查行动失能患者对智能助行器的实际需求,发现用户行动失能程度不同,购买助行器的目的不同,其对助行器载物量与造型外观的需求各不相同。未来,智能助行器技术与设计应注重设计的轻量化、便利化,同时坚持技术创新,降低助行器智能系统的附加成本,不断在新材料应用上进行突破。

服务设计思维下的独居老人智能产品设计研究--以智能助行器为例

智能产品由于学习成本高、使用难度大,很难在独居老人群体中兴起,并为他们提供便捷服务。在此背景下,设计并制造出能适合于独居老人的智能产品显得格外重要。文章运用服务设计思维,以智能助行器产品为例,利用利益相关者分析、用户画像、用户旅程图、服务系统图、服务蓝图等一系列服务设计的方法和工具对产品进行设计。希望通过文章的研究,能为特殊人群智能产品设计提供一定的参考。

基于自动随机游走的乳腺肿块分割算法

针对乳腺X线影像肿块分割易受弱边缘和周围组织干扰的问题,提出一种基于自动随机游走的乳腺肿块分割算法.利用二维最大熵阈值法、区域生长及形态学方法自动确定一系列标记点,采用平均边缘梯度评价法选择有效标记点进行随机游走分割以获得初步分割结果,并在此分割基础上进行星芒状结构检测,获得完整的肿块分割边缘.随机选取227例肿块图像进行分割,对分割结果进行特征提取和分类.实验结果表明,该算法克服了半自动随机游走的应用局限性,提高了乳腺肿块的分割精度;与其他分割算法相比,该算法在后续的分类中具有更高的分类精度.

电子助行仪对脑卒中患者平衡和步行能力的影响

目的:探讨电子助行仪对脑卒中患者平衡和步行能力的影响。方法:将60例脑卒中患者随机分为观察组和对照组各30例,2组患者均进行常规运动治疗,对照组和观察组在此基础上分别佩戴动态踝足矫形器和电子助行仪进行训练。治疗前后采用Berg平衡量表(BBS)和10m最大步行速度(10m MWS)对患者进行评估。结果:治疗前,佩戴装备后,2组患者组内比较,10m MWS较未佩戴装备时均明显提高(均P<0.05)。治疗2周后,无论是否佩戴装备,2组患者BBS评分及10m MWS较治疗前均明显提高(均P<0.05);未佩戴装备时,观察组10m MWS较对照组明显提高(P<0.01)。结论:佩戴踝足矫形器或电子助行仪均能改脑卒中患者的平衡功能,但电子助行仪在提高患者步行速度方面效果更显著。

人体下肢动力助行器的结构设计与仿真

针对下肢残障人士站立与行走的需求,提出一种新型外动力式助行器,并对其总体结构进行了设计。根据ZMP理论,分析了影响人体行走稳定性的因素,并且参考人体下肢尺寸与各关节特点,对助行器的机构进行设计。通过建立助行器虚拟样机模型,并使用Recur Dyn软件对其进行了运动学与动力学仿真,仿真结果表明,文中提出的助行器结构设计合理。