一种新型坐卧式下肢康复机器人控制系统设计

目的:针对脑卒中和外伤等因素导致的下肢功能障碍问题,设计一种新型坐卧式下肢康复机器人的控制系统。方法:开发了基于坐卧式下肢康复机器人的分布式控制系统;提出了高精度的被动训练控制方案和主被动混合训练控制方案;并进行了传感器采集模块测试试验、被动康复训练试验和主被动混合训练试验,来验证所设计的控制系统性能。结果:传感器采集模块具有很高的精度,被动康复训练和主被动混合训练均达到了预期效果。结论:该下肢康复机器人控制系统设计合理,方案可行。

基于空间末端引导式上肢康复机器人平面游戏的交互方式研究

目的:游戏互动可以极大提高上肢功能障碍者康复训练的积极性,本文结合空间末端引导式上肢康复机器人的结构特点,分别基于关节角度变化和机械臂末端点位置提出了2种平面游戏的交互设计方法。方法:通过建立机械臂3个驱动关节角度与游戏界面坐标系的映射关系实现人-机游戏互动,并比较了同一运动轨迹在2种不同交互设计方法下的游戏界面轨迹。结果:基于关节角度变化的平面游戏交互方式,通过建立关节角和游戏界面坐标系的映射函数,可以简化运算过程提高运算效率;基于机械臂末端点位置信息的平面游戏交互方式则更能准确地表述机械臂的实际运动姿态,可以实现1∶1复原机械臂末端轨迹。结论:提出的2种基于不同数据信息的游戏交互方式均有各自的特点和优势,为多自由度上肢康复机器人进行平面游戏交互设计提供了解决方案。

我国康复机器人技术研究与应用概况

中国乃至全球范围内,人口老龄化已成为大势所趋。2019年我国60岁及以上人口约为2.54亿人,占总人口的18.1%,并以每年800多万的速度增加,沉重的老龄化与少子化并存压力正给社会、经济及家庭带来愈来愈无法承受的负担^([1])。脑卒中高发于老年人群已成为我国首要死亡原因,也是导致残疾的首要原因。以康复机器人为代表的治疗技术可以辅助患者进行运动再学习,帮助患者恢复运动本能。

康复机器人系统数据通信技术应用现状

为实现康复数据传输的及时性和数据使用的有效性,确保康复机器人能够发挥智能化、个性化康复训练功能,从康复机器人与其协同工作的人机交互系统之间采用的通信技术出发,对康复机器人数据通信技术的发展现状在有线与无线两个方面进行分类综述。首先,总结了现有康复机器人通信技术的基本特点与应用方式。其次,基于准确性与实时性在通信方面的重要性,阐述并分析了案例中通信技术应用的局限,并结合现有技术提出解决方案。接着,总结了有线与无线通信技术在康复机器人应用上的适用性与优缺点。最后,基于现有技术与期望目标间的差距,提出了改善康复机器人通信技术的解决方案。

上肢功能康复评估系统研究进展

根据脑损伤部位、程度的不同,脑卒中所造成的功能障碍表现形式完全不同。其中上肢功能障碍是脑卒中最常见的后遗症之一,上肢功能状况会极大程度地影响到患者的自理能力和日常生活质量,由于障碍程度随时间推移会逐渐加重,通常建议卒中后患者尽早进行康复治疗[1—3]。而功能障碍的评估是后续康复方案制定的重要前提和依据。

一种新型床旁上肢康复训练机器人的结构设计与运动分析

目的:设计一款新型床旁上肢康复训练机器人,为脑卒中和意外导致偏瘫的肢体运动功能障碍者提供卧床上肢训练。方法:综合考虑上肢的活动范围及康复策略,结合病床-机构空间位置和床旁运动模式与康复医学人体关节运动学理论,将肩关节部分自由度重构,使其在床旁位姿下具有4个主动自由度的同时不易产生侧翻风险。结果:新型床旁上肢康复训练机器人设计验证可行,工作空间合理,被动训练轨迹连续且平稳。结论:本文提出的这种床旁上肢康复训练机器人在开展临床康复工作时,能够改善上肢功能障碍者处于仰卧位下肩关节复合带运动受限的问题,实现康复机器人与卧床照护两者间的融合,精确的轨迹曲线规划有助于机械臂更好地服务临床。

国内外按摩机器人研究进展及关键技术分析

本文从按摩治疗机理角度出发,对国内外按摩机器人及其关键技术进行了详细介绍,将按摩机器人按结构特点分为仿生式、便携式和平台式三类,并对每一类按摩机器人的研究进展进行了归纳总结。针对研究进程中手法实现、信息感知、控制策略等关键问题进行了分析和梳理,最后基于目前研究现状,展望了按摩机器人的发展趋势。

面向两自由度下肢康复训练机器人平滑运动轨迹优化方法

目的:针对下肢康复机器人周期衔接不够平滑的问题,本文提出面向两自由度(2-DOF)下肢康复训练机器人在不同康复训练任务目标下的平滑运动轨迹优化方法。方法:首先针对自研的下肢康复机器人建立了2-DOF运动学模型,然后根据不同康复训练任务目标选用傅里叶法与特征点正弦法对求解的关节运动轨迹进行优化。结果:基于傅里叶拟合法的轨迹优化方法获得的关节训练活动度与速度相对较小,而基于特征点正弦拟合法的轨迹优化方法获得的关节训练活动度与速度相对较大。结论:提出的两种基于傅里叶拟合与基于特征点正弦拟合对角度—时间曲线的优化方法均能够使机器人轨迹与运动特征发生改变,并有效地应对康复机器人在周期衔接时的加速度突变问题,使下肢康复机器人的运行更加平稳,在临床康复训练过程对于不同训练任务的患者可采用不同的轨迹优化方法。

穿戴式颈椎康复设备研究现状与趋势

颈椎康复设备广泛应用于康复科、推拿科等科室,用于各类颈椎病的治疗,有效减轻了医护人员的体力负担,极大地丰富了医生的治疗手段。该文首先简述了颈椎病的分型、治疗方法及其机理;其次,概述了颈椎康复设备的作用机制,并根据驱动方式、作用机理等对市面上现有的颈椎康复设备进行了分类,将其分为六大种类;再次,针对穿戴式颈椎康复设备的国内外研究及发展现状进行了详细介绍与总结;最后,对穿戴式颈椎康复设备未来6个方面(增加牵引维度及模式、提升柔顺性、提升人机耦合性、提升穿戴便携性、加深与传统医学的融合、加快产业化落地)的发展趋势进行了展望。

手部康复机器人技术研究进展

手部康复机器人主要用于手部运动功能障碍患者的康复治疗和日常生活辅助,通过康复辅助训练的手段提高患者手部运动功能,其结构以及控制方式是影响患者康复效果的主要因素。因此对手部康复机器人的结构及控制方式进行总结能为以后的研究方向提供重要参考。本文首先对人体手部特性进行分析,然后对国内外近四年手部康复机器人的结构、手部数据采集方式以及控制模式进行了分类和综述,最后分析了现有手部康复机器人的不足之处,并提出便携的柔性手部康复机器人将会成为研究热点。

床旁上肢康复机器人设计研究

目的:针对由脑卒中导致的卧床的上肢偏瘫患者,设计一种床旁式上肢康复训练机器人。方法:通过研究人体上肢结构与运动,进行床旁上肢康复机器人的构型和尺寸优化设计。通过模块化建模思想综合功能构型尺寸等因素进行机械设计,使用ANSYS仿真对关键零部件进行强度校核。构建床旁上肢机器人运动学模型,并进行正逆运动学方程的计算与分析,进行机器人训练轨迹研究。结果:该床旁式上肢康复训练机器人在验证过程中无机械干涉,能实现上肢康复训练的要求,训练效果均达到预期。结论:该床旁式上肢康复训练机器人设计合理,方法可行。

全体系康复辅助器具智能评估配置云平台研究

目的:针对目前康复辅助器具服务过程中服务内容不完整、不规范问题,通过创建康复辅助器具服务云平台,规范辅具服务,实现流程一体化的康复辅助器具服务模式。方法:提出一种新型全体系康复辅助器具服务模式,包含两个维度:一是整合民政、残联、医疗卫生等现有资源建立康复辅助器具服务体系;二是针对辅具需求、评估、配置、辅具供应、训练、使用、反馈等全链条流程,建立覆盖全流程技术层面的康复辅助器具服务体系。云平台采用工作流模型驱动技术将相关服务部门的业务逻辑进行整合,利用人工智能规则引擎技术对患者进行康复辅助器具的智能化评估和配置。结果:建立面向患者、医疗卫生、民政、残联、辅具厂商的辅具服务云平台,可有效支持各机构部门的协同工作。功能覆盖从辅具申请、评估、到配置的各类康复辅助器具服务。结论:该平台具有流程、辅具配置规则可配置等特点,可使不同部门间实现资源共享、服务协同、供需互动,提高康复辅助器具配置服务工作的高效性和便捷性,减轻工作人员负担。

儿童康复机器人控制系统研究现状与发展趋势

经过多年的发展,面向成人的康复机器人已在临床上得到实际应用,针对多种肢体障碍而设计的康复机器人在成年患者群体中取得了较好的治疗和康复效果。然而,专门为儿童患者群体所设计的康复机器人依然处于发展的起步阶段,儿童康复机器人所搭载的控制系统也处于探索、改进的过程中,应用于成人康复机器人上的驱动系统、感知系统以及人机交互系统也随之产生出新的发展思路与应用前景。本文通过对国内外儿童康复机器人控制系统研究进行综述,总结不同类型儿童康复机器人驱动方式、感知技术、控制策略、康复训练的应用特点,探讨运动控制、智能控制、信息控制的技术重点,展望国内同类型研究的发展方向。

基于人体动力学模型的下肢康复机器人控制方法

为解决目前针对骨科术后患者的下肢康复机器人种类少且交互性弱等问题,该文设计了一种基于人体动力学建模和拉压力传感器实现人机交互的新型坐卧式下肢康复机器人。该系统通过实时监测人机交互力,调整髋关节、膝关节、踝关节训练角度,验证建立的数学模型,对比实际采集的关节角度,得出数学模型在Matlab拟合和Adams仿真中力矩变化趋势相同,且最大均方差不超过0.81N/m,实验对比完全被动和智能被动状态的关节角度有明显调整,证明该系统提升了患者的主动参与性。

针对研究生的《康复工程概论》创新性教学方法探索

据第二次残疾人抽样调查报告和人口普及调查显示,我国现有残疾人8 296万,1.44亿老年人。这不仅提示康复工程产品及其适配服务存在巨大市场,也说明康复工程专业技术人才存在巨大需求市场,而我国现有的各类康复技术人员存在巨大的缺口。因此,对大、中专院校开设康复工程类课程提出了需要,也为其发展提供了契机。上海理工大学医疗器械与食品学院早在10年前就建立了生物医学工程康复工程学科方向,《康复工程概论》是我校面向生物医学工程康复方向研究生开设的一门专业基础课程,但是由于康复工程课程的知识面非常广,涉及医学、工程、心理、教育等多个学科方向,包括肢体、视觉、听觉、言语、智力、精神和多重功能障碍等多方面内容。然而康复工程知识在很多高校本科阶段并没有普及,大部分研究生亟待快速地学习康复工程知识,以及时衔接康复工程理论知识和研究生阶段的科研实践,故如何创新性地提出面向研究生的康复工程概论的创新性教学方法探索非常重要。本文着重对该课程的设计思路、教学内容设计、教学改革、课程实践配套环节等多方面的教学探索进行总结。

基于STM32下肢康复轮椅测试平台控制系统研究

随着老龄化程度加深以及摔倒骨折和脑卒中等原因导致的下肢功能障碍者越来越多,对下肢康复轮椅的研究也越来越广泛,但目前对下肢康复轮椅测试平台的研究仍较少。本文设计了一种下肢康复轮椅测试平台控制系统,以STM32F103系列单片机为控制核心,采用模块化设计思想,对通讯模块、电机驱动模块、传感器信号采集模块等进行软硬件设计,采用传感器技术实时控制假人模拟患者基于多姿态轮椅进行康复训练过程中的角度和压力,验证了该控制系统的可靠性。

康复工程专业人因工程学教学方法创新设计与实践

康复工程专业的人因工程课程以传统的人因工程课程为基础,结合可用性工程、医疗器械人因工程以及可用性设计标准和人因工程学设计标准,从课程内容、授课方式及考核方法等方面进行课程创新设计和探索。教学实践表明,该课程的教学方法创新对提高教学质量和学生的综合能力有显著成效,有利于形成有效的康复工程专业人才培养机制。

基于柔性仿生关节的康复外骨骼机械手设计及运动性能分析

为解决传统康复外骨骼机械手的手指关节旋转中心不一致的缺点,设计了一种基于柔性仿生关节的康复外骨骼机械手。基于欧拉伯努利梁理论及伪刚体模型,使用有限元仿真分析研究外凸圆弧形柔性铰链的刚度特性方程,提出柔性仿生关节的设计方法。对手部外骨骼进行结构设计并进行样机制作,通过实验验证其运动性能。该外骨骼机械手手指最大弯曲角度可达115°,在该角度下的指尖力可基本保持在2.7 N左右。实验结果表明,该外骨骼可以实现手指关节活动度被动训练,并可辅助抓握物品。本研究利用了柔性仿生关节解决了传统外骨骼机械手关节旋转中心不一致的问题,可用于手功能障碍患者的康复训练和日常生活辅助。

基于RBF-SVM算法探究不同训练程度参与下功能性近红外光谱信号的智能分类与识别分析

目的:在临床康复训练中保持高水平的参与度可以显著促进患者运动能力的恢复。本研究旨在利用功能性近红外光谱(fNIRS)技术监测被试者在训练过程中的参与状态变化,并应用机器学习算法对不同参与度进行分类与识别,为临床评估提供客观量化参与信息,促进优化康复训练方案。方法:本研究招募了16名健康的右利手被试者,参与了不同难度水平的训练任务。使用一般线性模型选择显著激活的fNIRS通道,提取氧合血红蛋白(HbO)浓度特征,包括均值、斜率和样本熵,利用支持向量机(SVM)分类器对被试者的训练参与程度进行分类和识别分析。结果:通过8次3折交叉验证评估了SVM分类器的性能,结果显示:斜率、均值、样本熵及这三种特征的组合下,分类模型的准确率分别为75.1%、83.2%、80.5%和86.8%。结论:采用SVM分类器能够有效对fNIRS信号进行分类和识别。该研究为运动训练提供了量化参与程度评估信息,将进一步或可为脑卒中运动功能康复智能评估研究奠定理论基础,并为智能康复处方的制定和动态参数调整提供依据,有助于提高运动康复训练效率和效果。

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。