一种新型下肢康复机器人的机构设计与分析

针对缺少在社区与家庭中使用的康复机器人的现状,提出一种新型下肢康复机器人设计方案.首先,根据患者康复训练需求完成了机器人的机构设计,建立了机器人的三维模型并介绍了其具体结构;其次,在矢状面内建立人-机模型并对机构进行运动学分析,对精确实现踝关节规划轨迹的控制规律进行了仿真分析;最后,基于样机进行了多位姿试验.试验结果表明:机器人能够实现"坐-卧-站"多位姿康复训练,该机器人设计方案具有可行性,能够为不同康复期的下肢偏瘫患者提供针对性的康复训练轨迹,有助于偏瘫患者康复训练.     

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.     

新型可穿戴式多自由度气动上肢康复机器人

针对中风和脑外伤患者的运动功能障碍问题,设计了一种新型可穿戴式多自由度上肢康复机器人,采用气动肌肉驱动,能有效辅助患者完成肩伸、肩旋、肘伸以及指掌和指间关节的复合功能运动训练.最后,采用PID控制器进行了初步的临床实验,实现了各关节角度的参考轨迹跟踪.实验结果验证了所设计的上肢康复机器人的可用性和有效性.     

人机末端交互运动中轨迹跟随控制算法

为了解决上肢康复机器人的灵活性低、体积笨重和康复效果差等问题，提出了使用协作机器人UR10作为一种新的康复辅助工具的控制算法。通过建立UR10的运动学模型和患者手臂运动学模型，确定患者手臂与UR10协作机器人末端交互运动的灵巧空间，获得机器人与患者合理的相对安放位置。在患者上肢手掌心能够到达的运动空间中，选定两条距离长度最远的空间轨迹，利用Robotics Toolbox对机器人末端沿代表性轨迹进行仿真，验证轨迹跟随控制的准确性。现场测试也验证了轨迹跟随和灵巧空间的有效性。     

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。     

下肢康复训练机器人

下肢康复训练机器人能够使患者模拟正常人的步伐规律作康复训练运动，锻炼下肢的肌肉，恢复神经系统对行走功能的控制能力，达到恢复走路机能的目的，该机器人由步态控制系统、姿态控制系统、重心控制机构等部分组成，介绍了下肢康复训练机器人的总体结构、计算机控制原理以及由PWM实现的I／O接口电路。     

基于柔性关节的下肢康复机器人设计与分析

结合国内外现有的下肢康复产品及研究成果,研制了具有柔性关节的坐/卧式下肢康复机器人,采用摄像分析法进行步态分析,并对下肢康复机器人进行了动力学建模、分析及仿真.研究表明,下肢康复机器人对脑卒中患者的康复训练、脊髓损伤和截瘫、骨折患者的重新行走均能起到辅助作用,实现患者恒力恒速运动.      

基于模糊PI控制的穿戴式上肢康复机器人

为了加速患有运动功能障碍的患者上肢伸展功能的康复,研制出基于模糊PI控制的穿戴式上肢康复机器人.该上肢机器人借助结合眼动跟踪仪的虚拟现实平台通过气动肌肉驱动实现上肢的康复训练,采用模糊PI控制器对机器人实施位置控制.实验通过受试者穿戴该上肢机器人完成各关节的轨迹跟踪来检测模糊PI控制的效果.实验结果证明:模糊PI控制响应速度较快,轨迹跟踪误差较小,实用性较好.     

基于单自由度Watt机构的拟人步态下肢康复机器人设计

针对目前大多数下肢康复机器人结构复杂、造价高昂、控制不便等问题,文章优化设计出一款Watt-I型六杆机构式单自由度拟人步态下肢康复机构。对下肢康复机构进行尺度优化设计,以正常步态轨迹为目标轨迹对Watt-I型六杆机构进行轨迹综合,得到机构尺寸;对下肢康复机构进行轻量化设计,在SolidWorks中建立其三维模型,并导入到ANSYS Workbench中进行拓扑优化,得到优化后的简化模型;采用响应面方法对连杆板厚及边长等参数进行优化设计;基于优化后的机构对下肢康复机器人进行结构设计,给出三维模型。结果表明：该机构能很好地复现正常步态轨迹,目标轨迹点与对应机构轨迹点之间的平均位置误差仅为7.76 mm;在满足材料强度的条件下,轻量化后的六杆机构质量减少32.66%。该下肢康复机器人仅需一个匀速驱动即可为下肢运动障碍患者进行步行康复训练,具有普惠性。     

基于差分进化算法下肢康复机构的优化设计

文章针对基于运动轨迹的单自由度下肢康复机器人存在的足部踏板速度突变问题，提出一种平面连杆机构尺度综合的优化方法。对下肢康复机构进行运动学分析，建立正逆解的数学模型，构建机构的凸轮曲线与足部轨迹的运动学关系；采用差分进化算法对下肢康复机构进行尺度综合分析，通过构造优化目标函数优化模型中的各参数，得到一组机构参数的最优解。优化结果表明，采用差分进化算法优化后，可以降低下肢康复机构足部踏板的速度突变，提高装置的稳定性，同时保证足部步态轨迹与正常步态轨迹基本重合。研究结果表明，该优化方法可以为下肢偏瘫患者提供科学的康复训练轨迹，有助于其康复训练。最后，文章提出一种基于层次分析法(analytic hierarchy process, AHP)的下肢功能康复评估指标体系，并建立一种以综合指标为基础的评估方法，该指标能够真实地反映患者在康复过程中的训练效率，使康复训练方式的选择更加科学、高效，更好地满足患者的康复需求。