基于膝关节外骨骼张弛穿戴系统的动力学性能优化

旨在提高下肢外骨骼的穿戴舒适性与承载有效性,设计了一种新型超越离合器驱动的张弛穿戴系统研究原型,深入开展该系统仿生工作机理的阐述及其动力学性能的优化研究。首先,鉴于下肢外骨骼人-机穿戴接触压力构造的复杂性以及相关材料力学参数的非线性,建立以超越离合器驱动单元为主体的外骨骼张弛系统等效模型,并进行刚柔耦合动力学仿真。其次,基于Ansys workbench的DesignXplorer平台,以超越离合器棘轮厚度和棘轮质心平面与轮盘质心平面间的距离等要素为优化参数,以弹簧节点的最大加速度数值、弹簧节点的最大速度数值和棘轮棘爪接触处的最大应力为优化目标,对该系统展开结构设计优化。最后,通过仿真优化前后数据对比,佐证了优化后张弛穿戴系统具有较好的动力学性能及所采用研究方法合理有效,为后续外骨骼人-机并联张弛穿戴系统的承载舒适性研究与详细设计提供理论基础。

液压驱动下肢助力外骨骼机器人膝关节结构设计及试验

液压驱动下肢助力外骨骼是一种典型的人机交互类机器人,在跟随人体行进的同时,可提高人的负重能力。为实现最优化的结构设计以降低对系统压强、液压缸尺寸的要求,通过仿生学分析人类正常步行时的步态数据,依据准拟人化设计准则,采用CAD设计软件、数值计算等方法,给出了液压驱动膝关节的设计过程,并通过MATLAB等仿真软件进行了验证。基于确定的模型参数,进行了结构设计及平台搭建,并进行了穿戴试验。仿真及试验结果表明,该方法设计的外骨骼膝关节可以满足步行及负重需求。在负重由10增加为20 kg时,即负重增加一倍时,膝关节的轨迹平均跟踪误差减小了0.05%,跟踪误差最大值增加了20.7%,但是相对于整个膝关节的活动范围,该误差仅占总活动范围的1.2%。该研究为优化液压驱动下肢助力外骨骼提供了参考方法,并可为直线执行器驱动外骨骼其他关节的优化设计提供参考。

穿戴式下肢外骨骼助行机器人系统研究

目的提出一种新型轻量化穿戴式下肢外骨骼助行机器人系统,探究其辅助步态紊乱者和T4脊髓节段以下损伤的截瘫患者(排除双下肢肌痉挛和明显疼痛者)实现行走及姿态变换康复训练的可行性。方法设计髋关节双电机主动驱动,膝关节被动四连杆模拟人体运动瞬心变化的主被动混合式可穿戴下肢外骨骼助行机器人结构,基于模块化设计思想,提出以STM32F767IGT6及外围电路为主控制器,包含姿态采集、电源和拐杖模块的控制系统。以正常人穿戴该外骨骼机器人进行平地、斜坡及姿态变换实验,分析运动过程中髋、膝、踝关节角度,并对比正常人穿戴和未穿戴该机器人股外侧肌和股内侧肌的肌电信号。结果穿戴者可实现仅基于该外骨骼机器人系统辅助的坐下-站立姿态变换以及平地/斜坡行走,且髋、膝、踝关节角度与正常人行走变化趋势基本一致,穿戴该机器人相比未穿戴行走时,股外侧肌和股内侧肌肌电信号均降低。结论该主被动混合式可穿戴下肢外骨骼助行机器人在仅髋关节两个电机驱动下,依然可实现行走及姿态变换的康复训练,验证了髋关节双电机主动驱动、膝关节被动四连杆结构的下肢外骨骼助行机器人系统帮助截瘫患者和步态紊乱者行走康复的可行性。

下肢外骨骼机器人对关节镜下半月板修补术后患者功能重建的治疗效果

目的·探索下肢外骨骼康复机器人对关节镜下半月板修补术后康复期患者的下肢功能恢复的治疗效果,并与关节功能康复训练器(continuous passive motion,CPM)康复结果进行比较。方法·以同济大学附属同济医院骨科2020年6月至2021年6月收治的膝关节半月板损伤后行关节镜下半月板修补术的90例患者为研究对象,试验未进行双盲法分组及分配隐藏;随机将患者分为常规康复疗法联合CPM训练组(常规组,45例)和常规康复疗法联合下肢外骨骼机器人训练组(外骨骼组,45例),康复训练前收集患者的基线资料。对2组患者在康复训练前(术后4 d)和康复训练后(康复训练2个月后)的膝关节Lysholm评分分级、国际膝关节评分委员会(International Knee Documentation Committee,IKDC)膝关节主观功能评分分级、美国特种外科医院(Hospital for Special Surgery,HSS)评分、膝关节活动度进行对比分析。记录试验过程中的不良事件。结果·常规组和外骨骼组患者的性别、年龄、病程,膝关节损伤部位及分型间差异均无统计学意义(均P>0.05)。所有患者均完成2个月的康复训练。半月板修补术后常规组和外骨骼组患者康复前Lysholm评分和IKDC评分的优良率、HSS评分和膝关节活动度差异均无统计学意义(均P>0.05);康复训练2个月后2组患者Lysholm评分和IKDC评分的优良率,以及HSS评分均较康复前显著提高(均P<0.05),且常规组Lysholm评分和IKDC评分的优良率,以及HSS评分均显著低于外骨骼组(均P<0.05)。常规组患者康复前后膝关节活动度改善无统计学意义(P>0.05),而外骨骼组康复前后膝关节活动度改善有统计学意义(P=0.000),且康复后外骨骼组膝关节活动度显著大于常规组(P=0.001)。康复训练期间,2组患者均未见明显不良反应。结论·对于关节镜下半月板修补术后康复期患者,在同时联合常规康复疗法的情况下,下肢外骨骼康复机器人比CPM对于促进膝关节功能恢复,提高膝关节活动度的效果更加显著。