穿戴式外骨骼康复辅具临床应用现状分析

 穿戴式外骨骼康复辅具是一种可穿戴于人体上的智能化生机电控制系统,该系统通过外骨骼与人体肢体间力-位移的交互实现人机动作的耦合,可辅助人体实现某些特定功能,在临床康复治疗领域具有重要应用前景。上肢外骨骼和下肢外骨骼是目前常见的穿戴式外骨骼。上肢外骨骼包括肩肘手臂外骨骼和手指外骨骼,在康复训练中主要应用于中风后患者肩肘关节及腕手关节运动功能的康复训练。下肢外骨骼能够辅助下肢麻痹患者完成站立及运动,在下肢运动功能的康复治疗方面具有巨大的应用潜力。本文综述了目前常见的穿戴式外骨骼康复辅具的特点及其临床应用现状,并总结了目前国内外可穿戴外骨骼的研究进展。     

基于迭代学习控制算法的下肢外骨骼机器人跟随特性研究

目前下肢外骨骼机器人存在的运动控制算法追踪人体髋关节和膝关节期望轨迹时存在误差,从而导致人机系统随动性能差。因此,本文提出迭代学习控制算法追踪人体髋关节和膝关节期望轨迹。首先,结合人体下肢结构分析,建立下肢外骨骼机器人动力学模型;其次,基于迭代学习控制算法建立下肢外骨骼机器人随动控制模型;最后,利用Matlab软件设计指数变增益闭环D型运动控制系统,分析收敛速度与谱半径的关系,追踪得到人体下肢髋关节和膝关节期望轨迹。仿真结果表明该算法能够有效提高下肢外骨骼机器人步态轨迹跟踪精度,提升人机系统随动性能。     

基于迭代学习控制算法的下肢外骨骼机器人跟随特性

目前下肢外骨骼机器人存在的运动控制算法追踪人体髋关节和膝关节期望轨迹时存在误差,从而导致人机系统随动性能差。因此,提出迭代学习控制算法追踪人体髋关节和膝关节期望轨迹。首先,结合人体下肢结构分析,建立下肢外骨骼机器人动力学模型;其次,基于迭代学习控制算法建立下肢外骨骼机器人随动控制模型;最后,利用Matlab软件设计指数变增益闭环D型运动控制系统,分析收敛速度与谱半径的关系,追踪得到人体下肢髋关节和膝关节期望轨迹。仿真结果表明该算法能够有效提高下肢外骨骼机器人步态轨迹跟踪精度,提升人机系统随动性能。     

下肢外骨骼矫形器运动学分析

基于减重步行训练原理,研究下肢外骨骼矫形器康复系统.针对下肢康复训练机器人不存在固定基座,利用常规的方法进行运动学分析较困难的问题,引入参考坐标系的坐标变换矩阵,建立下肢康复训练机器人运动学模型,推导出步行训练机器人正逆运动学公式.最后规划步态轨迹,利用ADAMS软件进行运动学仿真和双腿外骨骼矫形器样机试验,验证了运动学模型及其推导公式的正确性.     

一种外骨骼式康复机器人训练效果仿真

针对外骨骼式下肢康复机器人训练有效性的问题,开展了基于人体生物力学软件Any Body的康复训练仿真实验研究.通过人体动作捕捉实验,获取一成年男子在正常步行时的运动学信息,利用Any Body建立人体步行模型,并以下肢肌肉受力情况为依据确定下肢主要肌肉群.建立人-机系统模型,借助Hill方程,以人体下肢肌肉收缩速率作为判断标准,通过模拟实现矢状面内运动的外骨骼式下肢康复机器人的康复运动,获取下肢主要肌肉的收缩速率变化情况,并将其与正常步行时的肌肉收缩速率进行比较与分析.结果表明,两种情况下大腿肌肉群的收缩速率变化情况基本一致,小腿与髋部肌肉群差异较明显.改进外骨骼结构,使其能够同时实现在冠状面内的运动,比较在两种结构下的下肢主要肌肉收缩速率变化情况,结果表明髋部肌肉产生了较为明显的波动.因此,能实现矢状面内运动的外骨骼式下肢康复机器人能够有效训练大腿肌肉群,但对小腿与髋部肌肉的训练效果不明显,加入冠状面运动后,能提高对髋部肌肉的训练效果.     

下肢外骨骼康复机器人设计及其运动学分析

采用电机驱动方式,设计一种用于辅助行走和康复训练的人体下肢外骨骼康复装置.将下肢外骨骼简化为矢状面内的五杆机构,建立相应的D-H(Denavit-Hartenberg)模型,推导出一个步态周期内髋关节、膝关节、踝关节和脚尖的坐标方程.在ADAMS环境下,对下肢外骨骼进行运动学仿真分析,所得到的髋关节、膝关节和踝关节的坐标变化曲线表明:下肢外骨骼各关节在空间中具有连续的运动轨迹.     

下肢外骨骼机器人在运动康复中的协同性研究

运动员在日常训练或在比赛中出现的损伤给运动员造成了巨大的痛苦.文章研究一种可以帮助受伤运动员进行康复训练的下肢外骨骼机器人,首先,分析人体的运动过程,然后通过大量不同人体尺寸下的步态数据分析,掌握人体步行各个循环阶段下肢各关节的运动学规律,并对下肢外骨骼机器人用拉格朗日法建立了动力学模型.其次,根据建立的动力学模型和下...     

基于外骨骼机器人下肢康复训练评价策略研究

脑卒中引起的下肢瘫痪是一种常见疾病,临床中由理疗医师施以积极的人工理疗可使患者下肢得到有效的恢复,但存在理疗过程人为因素大、评价标准不一致的缺陷。基于以下肢外骨骼机器人辅助患者进行下肢康复训练的技术,以提高康复训练效率为目标,对肢体运动功能评价的现行标准、评价指标、评价方法三个方面进行了分析,提出具有代表性的康复评定参数,进而研究出适用于利用外骨骼下肢康复机器人进行下肢康复训练中的康复评价策略。     

基于阻抗控制的下肢康复外骨骼随动控制

针对外骨骼单一的轨迹跟随控制难以满足患者主动康复训练需求的问题,将基于计算力矩的阻抗控制应用到下肢外骨骼中,分析控制系统的误差,设计一种自适应鲁棒补偿控制器。研制一种基于电机+套索传动的下肢外骨骼,降低外骨骼下肢的质量以提高轨迹跟踪效果。采用Lagrange法进行动力学分析。建立MATLAB和ADAMS虚拟样机的联合仿真平台,分析不同阻抗参数对人机交互力跟踪效果的影响。联合仿真实验结果表明,机械和控制系统具有良好的轨迹跟踪和人机交互力跟踪效果,验证了算法的有效性,满足患者进行主动康复训练的需求。     

下肢外骨骼康复机器人人机交互力自适应导纳控制

对于下肢具有残余肌力的下肢瘫痪病人,基于标准步态轨迹被动训练的康复方案无法满足锻炼肌肉的康复训练需求,为此提出了一种人机交互力自适应控制的下肢外骨骼康复机器人控制策略,并设计了可实现康复训练的控制方法。该方法以健康人体行走步态为下肢外骨骼康复机器人的位置控制参考,以穿戴者的自身腿部用力作为力控制约束,根据穿戴者自身腿部力量大小,智能控制和调整步态曲线,以更加适应穿戴者的康复训练需求。仿真试验结果表明,相对于完全被动的康复训练模式,自适应力控制模式能够有效地调整康复过程中人机交互力,可以适应多种不同的康复训练需求,从而大大提高受损患肢运动功能恢复的康复治疗进程,具有实际的应用价值。     

用于截瘫患者康复训练的足底轮式驱动外骨骼

截瘫患者必须依赖辅具才能保证正常生活,而站立和行走是他们最迫切的需求。该文介绍了一种采用机械结构设计的动力下肢外骨骼,旨在帮助截瘫患者实现交替行走并提高其在康复训练中的参与度。该系统主要包括足底轮式驱动外骨骼和无线控制肘拐2部分。其中外骨骼由置于足底的定制轮毂电机驱动,而肘拐作为辅助器件主要用于保证行走平衡并通过内嵌的无线控制器控制外骨骼行走状态。交替按压左右肘拐上的控制按键可以实现连续行走,而整个行走过程可以完全由使用者实时地掌控。该外骨骼同时设计了电子刹车和最大步长机械限位用以保证使用安全。由一位健康受试者在三维步态分析系统中完成了穿外骨骼和不穿外骨骼情况下的运动对比实验。步态时空参数和运动学曲线表明:该外骨骼可辅助使用者安全而平稳地完成直立行走。     

欠驱动式外骨骼手指康复机器人的设计和仿真

本文提出一种新的基于脑电信号控制的外骨骼手指康复机器人系统,该系统主要由外骨骼手指康复机器人、脑电信号系统(EEG)、肌电信号系统(EMG)、人机交互系统、电机控制单元、相关传感器和工作站组成.患者通过外界的视觉刺激产生脑电信号,工作站经过对这些信号采集和处理后传递给电机控制单元控制,并驱动电机实现穿戴在患者手上的外骨骼手指机器人运动,辅助其完成康复训练.该机器人主要采用欠驱动的方式,由安装在手背处的电机带动同步齿形带传动机构实现机器的三个关节的弯曲和伸展运动.文章主要利用UG软件对手指机器人进行设计和ADAMS软件进行运动仿真.根据机器人运动轨迹和机器人末端的运动参数曲线可以看出该手指机器人具有运动平稳,不存在运动死点等特点,且机器人能满足人体手指的运动要求,符合人体工学的设计特点,仿真实验证明能够辅助患者进行重复性康复训练.     

下肢外骨骼机器人的控制仿真研究

下肢外骨骼机器人是一种复杂的非线性系统,有效控制策略对于人机系统运动的协调一致性至关重要.本文基于外骨骼机器人的动力学分析,提出了下肢外骨骼机器人的控制系统设计,采用模糊PID控制算法,结合ADAMS和MATLAB/Simulink软件,分别以角度误差和关节力矩作为系统输入输出量,对下肢外骨骼机器人的动力学与控制进行联合仿真.仿真结果验证了所提控制算法的有效性,为保证人体与机器人之间的运动协调性和一致性的良好控制提供了理论依据.     

负重型下肢外骨骼机器人机构研究与仿真

设计兼顾人体运动灵活性与有效承载能力的下肢外骨骼机械结构,是负重型下肢外骨骼改善人机协同性、提高承载能力的关键技术之一。针对华东理工大学设计的外骨骼机器人"ELEbot"的结构进行研究并仿真。这种结构能够根据穿戴者步态的变化,引起自身结构的变化,进而改变下肢外骨骼的空间力闭环,使外骨骼满足不同步态下的功能特性。通过Matlab中的simmechanics模块对建立的模型进行仿真分析,得到人体下肢末端的运动空间,并与正常人体的运动空间比较,得出两者匹配的结论,验证了该结构的可行性。     

基于三维动态捕捉系统和Matlab的穿戴式下肢外骨骼步态分析

使用三维动态捕捉系统获取人体下肢关键点的运动轨迹和三维数据,用Matlab软件分析数据,绘制时间-坐标图形,建立穿戴式下肢外骨骼的三维模型,为进一步研究穿戴式下肢外骨骼奠定基础。     

人体下肢康复训练机器人及其造型设计

为帮助中风后的病人、下肢运动功能弱的老年人、事故或灾难造成的人体下肢运动障碍等的人群进行行走能力的恢复,设计了一种针对人体下肢运动功能恢复的康复训练机器人,解决了智能康复辅具的不足问题.该康复训练机器人由机构、控制系统和安全系统构成,并集成了多种传感器,可实时伴随训练人士,通过人机交互系统实现自动向前、左右转弯和防摔倒等功能.实验表明该系统操作简单,可靠性高.开发了两代下肢康复训练机器人,第一代康复训练机器人已在医院得到了初步应用.对文中讨论的第二代康复训练机器人在造型和局部功能方面进行改进,给出了康复训练机器人的造型设计方案.      

助力型下肢外骨骼机器人现状及展望

 助力型下肢外骨骼机器人是模仿人体下肢运动、增强穿戴者运动能力的智能机器人装置,可以在灾难现场救援、野外施工及军事用途等车辆无法通行的环境中发挥作用。通过分析国内外下肢助力型外骨骼机器人的研究现状,指出目前国内研究仍处于理论分析和实验室测试阶段。提出了助力型下肢外骨骼机器人研究的关键技术,并对助力型外骨骼机器人的发展趋势进行了展望。     

利用惯性传感器数据实时示教下肢外骨骼步态的研究

为实时、灵活和方便地示教下肢外骨骼机器人的步态，提出利用惯性传感器实时示教步态的方法。通过示教者下肢末端的传感器，实时采集脚掌的位姿数据，再根据逆向运动学理论建立下肢各关节角的算法，从而实现每条下肢只需一只传感器即可示教步态的要求。通过安放在小腿和大腿上的其他惯性传感器实测的数据，验证该方法可行性。研究结果表明，该方法时间滞后0.15 s,关节最大误差在2°范围内，能够实现步态的实时示教控制。     

穿戴式下肢外骨骼机器人研究现状

近年来,随着国家人口老龄化问题的加重,医疗技术的限制及青壮劳力的减少,穿戴式下肢外骨骼机器人在医疗、搬运、军事方面上的显著功能获得科研人员的广泛关注.本文试图摒弃传统功能层面的描述,从穿戴式下肢外骨骼机器人的结构层面梳理该类外骨骼机器人近年来的研究进展,进而分析了穿戴式下肢外骨骼机器人应用的新技术材料,然后重点阐述了其最新的关键技术(驱动方式和能源供应),探讨了穿戴式下肢外骨骼机器人今后的发展方向.     

基于接触力信息的可穿戴型下肢助力机器人传感系统研究

为了从人机系统的交互运动信息获取人体下肢的运动意图,从而实现为操作者提供助力的目的,对可穿戴型下肢助力机器人感知系统进行了理论分析和技术实现.在分析整个机器人系统控制所需要的交互信息的基础上,设计了一套基于接触力信息和关节角度信息的多传感器感知系统.该系统主要包括获取腿部接触力传感器、地面反力传感器以及用于获取外骨骼机器人关节运动信息的电机编码器等.相关实验结果表明,所设计的多传感器感知系统性能稳定、实时性好,为可穿戴型下肢助力机器人目标的实现提供了保障.