基于多传感器信息的新型穿戴式上肢外骨骼康复机器人

目的 设计基于多传感器信息的新型穿戴式上肢外骨骼康复机器人,以解决上肢外骨骼康复机器人便携性不佳、患者参与度较低、训练模式自适应不足等问题,并探究受试者穿戴外骨骼时肌肉激活程度、肌电信号预测关节角度的准确性以及实现上肢康复训练的可行性.方法 该设备机械结构包括肘关节和腕关节,采用模块化设计并结合3D打印技术;控制系统包括肌电采集、应力采集、姿态采集等单元,并设计主动、被动和助动三种训练模式.受试者穿戴外骨骼机器人后进行屈-伸肘实验,对比有、无辅助力时手臂肌肉激活程度;分析肘关节角度,并对比肌电信号预测的关节运动角度;验证机器人运行性能与应力检测效果.结果 受试者穿戴外骨骼康复机器人安全可靠地完成了屈-伸肘动作,受试者肱二头肌、肱三头肌肌肉激活程度在有、无辅助力时分别减弱约32％、11％,肌电信号预测关节角度准确度约95％,应力测量值误差均低于5％.结论 上肢外骨骼机器人可以给人体提供辅助力、预测关节角度,机器人通过肌电、应力以及位置信息辅助患者实现上肢康复训练具有可行性.     

可穿戴上肢康复机器人的设计及其运动仿真和动力学分析

目的针对目前台式上肢康复机器人体积庞大、不便移动的缺点,设计了一款新型的可穿戴式上肢康复机器人,并通过对其运动特性的分析和关节力矩的计算,验证设计的合理性。方法首先,根据模块化设计原理,进行总体结构设计;然后,利用SOILDWORKS进行三维建模,并运用SOILDWORKS Motion对机器人肘关节屈曲/伸展运动、肩关节屈曲/伸展运动、肩肘关节联动运动进行运动仿真;最后,基于拉格朗日方法建立系统的动力学方程,并应用MATLAB软件计算得到机械臂关节力矩的变化曲线。结果仿真结果证实了肩关节、肘关节、腕关节运动仿真曲线平滑,动力学分析证实关节力矩变化曲线平滑且最大关节力矩均小于电机经减速后输出的额定转矩。结论该可穿戴式上肢康复机器人设计合理,为后续上肢康复机器人的研究奠定了理论基础。     

老年人左、右手喝水动作的运动特性研究

目的通过采集和分析人体三维运动数据,研究老年人左、右手喝水动作的运动学特性。分析左、右手动作的差异,为镜像康复设备的设计和精准康复训练方案的制定提供数据支持和理论基础。方法选取16名右利手的老年人为实验对象,实验对象分别用左、右手完成喝水动作。应用运动捕捉系统采集实验者上肢的三维运动轨迹,分析实验对象在喝水动作中,左、右肩、肘、腕关节的三维运动角度和角速度的相关性。结果左、右手在肩关节的矢状轴角度、肘关节的屈伸角度、肩关节的旋内旋外角度、肘关节旋内旋外的角度上具有高度相关性(相关系数r0.8);在肩关节冠状轴的角度、腕关节掌屈背伸的角速度上具有低度相关性(0.3r0.5);在肩关节冠状轴的角速度上具有微弱相关性(0.1r0.3);在其余上肢的关节角度和角速度上具有显著相关性(0.5r0.8)。结论健康老年人在完成喝水动作中,主要利用肩关节的旋内旋外活动和肘关节的屈伸、旋内旋外活动。右手在关节屈伸角度的运动幅度上大于左手,而在关节旋内旋外角度的运动幅度方面小于左手。在镜像康复机器人设计和康复轨迹规划中,应尊重左、右手的差异,实现精准康复的目的。     

索控式中央驱动上肢康复机器人

目的根据居家康复的要求与趋势,针对国内外上肢康复机器人体积庞大、传动链复杂以及驱动噪声大的缺点,设计了一款索控式中央驱动上肢康复机器人。方法首先采用钢丝绳和同步带组成的传动系统进行动力传递,并采用中央驱动式设计,即将电机驱动设备统一安置于远离患者的底座上;然后通过Solidworks建立三维模型,并设计动力传递系统的总体方案;最后通过Solidworks中的Motion模块对机器人肩关节屈曲/伸展运动、肩关节内收/外展运动、肘关节屈曲/伸展运动以及肩肘关节联动运动进行运动学仿真,验证所设计的上肢康复机器人机械臂结构的合理性及设定轨迹的可行性。结果肩关节、肘关节以及腕关节运动学仿真曲线证实了该上肢康复机器人能够平稳地完成规划的轨迹动作,从而验证了机械结构设计合理,方案可行。结论索控式中央驱动上肢康复机器人具有动力传递系统轻便以及结构简单的优点,可以协助患者完成各种康复运动。     

基于Simulink的上肢康复训练人机整体建模与分析

机器人康复训练是解决中风瘫痪患者康复训练需求的重要方法,康复机器人设定的训练参数对患者能力的适应程度是决定训练能否加快患者康复进程的重要因素。目前临床上的康复训练内容由康复医师对患者进行量表评估并结合自己的经验制定,这种经验式的训练方法在康复机器人训练过程中无法实现。为了探讨上肢康复机器人运动训练参数与患者运动能力之间的关系,本文建立了牵引式上肢康复机器人训练的Simulink人机整体模型,并将模型计算的人体肩关节、肘关节运动与实际动作下的肩关节、肘关节运动进行了对照。分析显示仿真结果与实验数据存在明显的相关性,从而证明了模型的准确性。进一步地,本文根据模型仿真结果拟合了人机接触端平面画圆半径与人体肩关节、肘关节主动运动自由度的线性函数关系,为临床上康复机器人制定训练目标提供了量化参考。     

脑卒中患者上肢康复机器人及评价方法综述

利用机器人技术进行上肢康复训练是脑卒中患者进行康复治疗的重要手段之一。本文根据中枢神经系统具有高度的可塑性,分析了机器人辅助康复训练的理论依据。并且依据康复机器人的社会需求和研究意义,归纳总结了5种上肢康复机器人的研究进展和研究成果,其中包括上肢康复机器人、功能性电刺激辅助上肢康复机器人、基于虚拟现实技术的上肢康复机器人、基于sEMG的上肢康复训练机器人、基于BCI上肢康复训练机器人。为完善康复机器人的功能,实现对脑卒中患者上肢运动功能的量化评估,本文还分析了目前临床上常用的几种评价方法,即Brunnstrom等级评价法、Fugl?Meyer量表评价法、上田敏评价法和Bobath评价法。最后分析了上肢康复机器人在机械设计、控制策略和评价方法等方面的发展趋势。     

应用虚拟盒块测试系统评估脑卒中患者上肢运动功能的可行性研究

目的 评估力反馈设备结合虚拟现实技术设计的虚拟盒块测试(virtual box and block test, VBBT)用于远程评估上肢运动功能的可行性。方法 设计了一个VBBT系统用于评估上肢运动功能。该系统可用于计算受试者的VBBT得分、平均速度、运动谱弧长、耗能和平均抓握力。共招募20名健康受试者和16名脑卒中患者进行VBBT。结果 脑卒中患者与健康受试者在VBBT参数的对比上均具有显著性差异(P<0.05);接收者工作特征(receiver operating characteristic, ROC)曲线表明,VBBT参数可区分脑卒中患者和健康受试者的表现(P<0.05)。脑卒中患者VBBT参数与传统临床评估的相关性分析结果表明,VBBT参数的共时效度;多元回归分析结果显示,VBBT的运动学和力学参数能够补充性解释传统临床评估。结论 VBBT可用于远程评估脑卒中患者的上肢运动功能。     

基于表面肌电信号和动作捕捉的上肢运动疲劳分析EI北大核心CSCD

目前,上肢运动的疲劳状态监测,一般单纯依赖表面肌电信号(sEMG)对疲劳进行识别和分类,导致结果不稳定,存在一定局限。为此,本文将sEMG信号识别与动作捕捉技术引入到疲劳状态监测过程中,提出了一种融合改进的肌电疲劳阈值算法与生物力学分析的疲劳分析方法。本研究通过右上肢负载屈肘试验,同步采集肱二头肌sEMG信号与上肢动作捕捉数据,并同时运用柏格(Borg)疲劳度主观自觉量表记录受试者疲劳感受。然后,将融合改进的肌电疲劳阈值算法和生物力学分析的疲劳分析方法与平均功率频率(MPF)、谱矩比(SMR)、模糊近似熵(fApEn)、Lempel-Ziv复杂度(LZC)四种单一评价指标疲劳评价方法的试验结果进行对比。试验结果表明,本文方法对总体疲劳状态识别率结果达到98.6%,对轻松、过渡、疲劳三种状态的识别率分别达到97%、100%、99%,较其他方法更有优势。本文研究结果证明,本文方法在上肢运动过程中能够有效预防过度训练引起的二次损伤,对于疲劳监护具有重要意义。     

基于人工智能和临床诊断的上肢康复评估方法研究进展

脑卒中导致患者肢体运动功能障碍或缺失,严重影响了患者的生活质量。在上肢康复治疗中,医生需要对患者的上肢进行主观康复评估,但这种方法误差大、成本高。因此,人们将人工智能技术应用到医疗康复领域。本文总结了基于s EMG信号特征、运动轨迹误差特征、关节运动角度特征、关节角速度特征的客观评估方法,以及Brunnstrom等级评价法、上田敏评价法、Fugl-Meyer量表评价法、Wolf运动功能测试评价方法等主观评估方法。最后,本文认为现有的客观评估方法普遍受到训练资料过少、特征单一等因素影响。主观评估方法普遍受到评估时间过长、易受主观影响等因素影响。未来的客观评估算法还应在算法准确性、训练资料规模、多特征融合等方面继续改进。     

上肢康复机器人研究进展

在社会老龄化问题日益加剧的形势下,上肢康复机器人技术的研究和发展意义重大,该文对上肢康复机器人的国内外研究进展进行了分类概述和分析,对上肢康复机器人的发展趋势进行了展望。     

抓举过程中运动员的上肢运动学分析

人体运动过程中,身体各部位的加速度、角加速度等运动学参数对计算关节力、关节力矩及肌肉力等动力学参数起着至关重要的作用.文章通过分析人体运动过程中关节坐标系相对世界坐标系的瞬时位置关系,以及各时刻关节坐标系空间位置关系,提出了基于关节坐标系的人体运动学参数计算方法.然后,以运动员抓举杠铃过程中的上肢运动为例,利用运动捕捉系统进行数据采集,计算出前臂在运动过程中的质心平移加速度和角加速度.结果 表明,前臂质心总的平移加速度主要由竖直方向的分量构成,而角加速度主要在改变杠铃轨迹过程中产生.     

测量并分析上楼梯过程中下肢关节角变化

目的获取上楼梯运动过程中国人下肢关节活动范围的统计学数据,从而为大屈曲度人工关节设计提供依据。方法设计常规楼梯实验装置,利用运动捕捉系统(Optotrak Certus,NDI)和三维测力台(AMTI,Bertec),建立系统地测量上楼梯过程中下肢运动的方法,并应用此方法对40例样本进行测量。结果计算获得了40例样本在上楼梯过程中,髋关节、膝关节及踝关节在1个运动周期内沿各方向上关节角的变化规律及活动范围,其中髋、膝、踝关节在矢状面上活动范围分别是-1.6°～66.7°,0°～91.4°,-20.8°～22.4°。结论上楼梯运动过程中,髋、膝、踝关节在矢状面上活动度最大,且髋关节和膝关节屈曲度最大。与水平路面上正常行走和慢跑运动中关节运动范围比较,上楼梯运动中,髋关节和膝关节在矢状面上运动范围均较大。     

基于MI-BCI的上肢在线运动康复原型系统

目的为实现单侧肢体运动想象与实际运动康复的身体部位及运动模式的一致化,进一步改善康复效果,本文设计了一种基于MI-BCI的上肢在线运动功能康复原型系统。方法该系统主要包括以g.MOBIlab脑电仪为核心的运动想象脑电信号(motor imagery electroencephalogram,MI-EEG)实时采集模块、在线处理模块及机械手臂控制模块等几部分。利用MATLAB和C语言混合编程及多线程技术完成对MI-EEG的实时采集、眼电伪迹去除、特征提取与分类,基于ARM9的S3C2440A微处理器设计机械手臂控制系统,控制模块与PC机间采用基于请求响应模式的通信协议,用手臂伸/屈MI-EEG的分类结果实现对机械手臂伸/屈同运动模式的实时控制。结果对5名受试者进行实际测试,对手臂伸/屈MI-EEG的平均识别率为76.75%,验证了系统的实用性。结论本系统具有良好的自适应性和实时性,为研制出更加自然、可临床应用的上肢运动康复系统奠定了基础。     

Ambulatory measurement of upper limb usage and mobility-related activities during normal daily life with an upper limb-activity monitor: a feasibility study

The aim of this research was to assess the ability of an upper limb-activity monitor (ULAM) to discriminate between upper limb usage and non-usage in healthy and disabled subjects during normal daily life. The ULAM was based on ambulatory accelerometry and consisted of several acceleration sensors connected to a small recorder worn around the waist. While wearing this ULAM, four healthy and four disabled subjects performed an activity protocol representing normal daily life upper limb usage or non-usage. The motility feature (derived from the raw acceleration signals) was used as a measure of the extent of upper limb usage. Agreement scores between ULAM output and videotape recordings (reference method) were calculated. ULAM data that were of special interest for rehabilitation were detected satisfactorily (overall agreement 83.9%). There were no systematic differences in the agreement percentages between healthy and disabled subjects for mobility-related activities (p=0.345) and the different forms of upper limb usage or non-usage (p=0.715). The ULAM can be used in future studies in subjects with upper limb disorders to discriminate between upper limb usage and non-usage during performance of mobility-related activities to determine activity limitations.     

一种简单的上肢关节坐标系定义方法

人体运动的运动学或者动力学分析通常需要对各关节建立局部坐标系,目前大部分人体关节坐标系定义方法基于临床应用,要求专业的解剖学知识,可操作性差.本文定义了上肢的主要解剖学特征点,通过这些特征点构建了肩关节、肘关节及腕关节坐标系,并详细阐述了直接采用肩锁关节点（AC）构建肩关节坐标系的方法和必要性.利用运动捕捉系统对自愿者步态过程中的上肢运动轨迹进行采集,通过分析坐标系特征点在运动过程中空间相对位置的不变性,说明了文章提出的上肢局部坐标系定义方法在一定范围内是合理的.     

Gaze direction effects on perceptions of upper limb kinesthetic coordinate system axes

The effects of varying gaze direction on perceptions of the upper limb kinesthetic coordinate system axes and of the median plane location were studied in nine subjects with no history of neuromuscular disorders. In two experiments, six subjects aligned the unseen forearm to the trunk-fixed anterior-posterior (a/p) axis and earth-fixed vertical while gazing at different visual targets using either head or eye motion to vary gaze direction in different conditions. Effects of support of the upper limb on perceptual errors were also tested in different conditions. Absolute constant errors and variable errors associated with forearm alignment to the trunk-fixed a/p axis and earth-fixed vertical were similar for different gaze directions whether the head or eyes were moved to control gaze direction. Such errors were decreased by support of the upper limb when aligning to the vertical but not when aligning to the a/p axis. Regression analysis showed that single trial errors in individual subjects were poorly correlated with gaze direction, but showed a dependence on shoulder angles for alignment to both axes. Thus, changes in position of the head and eyes do not influence perceptions of upper limb kinesthetic coordinate system axes. However, dependence of the errors on arm configuration suggests that such perceptions are generated from sensations of shoulder and elbow joint angle information. In a third experiment, perceptions of median plane location were tested by instructing four subjects to place the unseen right index fingertip directly in front of the sternum either by motion of the straight arm at the shoulder or by elbow flexion/extension with shoulder angle varied. Gaze angles were varied to the right and left by 0.5 radians to determine effects of gaze direction on such perceptions. These tasks were also carried out with subjects blind-folded and head orientation varied to test for effects of head orientation on perceptions of median plane location. Constant and variable errors for fingertip placement relative to the sternum were not affected by variations in gaze direction or head orientation. Thus, the perceived position of the trunk-fixed median plane is not altered by varying gaze direction. The implications of these results for mechanisms underlying kinesthetic perceptions and their potential roles in programming of upper limb movements to visual targets are discussed.     

亚洲蹲和西方蹲的下肢关节运动学和肌肉激活比较

目的分析比较亚洲蹲和西方蹲动作中下肢关节运动学和肌肉激活程度的差异。方法以11名健康成年人为研究对象,采用三维运动捕捉系统、测力台和表面肌电同步采集两种下蹲动作的运动学、动力学和肌肉激活信息,并通过OpenSim计算下肢肌力。结果在膝关节弯曲角度峰值时刻,亚洲蹲骨盆前倾,而西方蹲骨盆后倾;此外,与亚洲蹲相比,西方蹲具有显著较小的髋关节屈角、较大的膝关节屈角、较大的髋关节外展角和内旋角。在自重深蹲的下降期和上升期中,西方蹲的比目鱼肌力峰值均显著大于亚洲蹲,西方蹲的胫骨前肌力均显著小于亚洲蹲,峰值时刻未见统计学差异。结论在亚洲蹲中,胫骨前肌激活和近侧端关节前屈可能有利于稳定;而在脚跟抬起的西方蹲中,比目鱼肌激活显著,但两者近端肌肉激活模式相同。研究结果为临床深蹲康复方案制定或深蹲训练方式的选择提供理论指导。