下肢康复训练机器人腰部机构建模与运动学仿真研究

摘要 目的：分析所设计的下肢康复机器人腰部机构能否满足脑卒中患者的康复需求,并根据分析结果对机构进行优化。 方法：对腰部机构进行运动学建模和正逆解计算,在此基础上,根据患者在行走康复训练中腰胯部的运动学特点,利用MATLAB软件对机构进行运动学仿真,并分析仿真结果,以此来判断所设计的机构能否满足脑卒中患者在康复训练时的需求。 结果：滑块机构可以实现患者在行走康复训练过程中腰部的上下起伏运动,两个平行四边形机构和两个转动副共同作用可以完全实现患者腰部的左右摆动,转动副和末端的两个球面副可以实现患者腰部的三个旋转自由度。 结论：康复机器人腰部机构能够满足患者在行走康复训练时腰部的运动需求。     

助行康复机器人减重支撑单元控制仿真研究

目的:研究助行康复机器人减重支撑机构恒质量减重控制策略,为神经损伤患者运动过程下肢承受动态负荷的训练提供理论依据.方法:设计一种用于助行康复机器人的减重支撑机构,研究行走过程中人机系统的动力学特性,并提出了平衡身体重力及惯性力的恒质量减重控制策略.根据人体运动重心变化规律及机构参数,通过MATLAB软件对助行过程中恒质量减重控制进行了仿真研究.结果:仿真结果验证了在力闭环控制器的作用下,支撑机构能够跟踪人体的主动运动并对人体实现恒质量减重.结论:减重支撑机构适用于减重步行康复训练,恒质量减重控制策略为患者下肢承受动态负荷的训练提供了理论依据.     

外骨骼康复机器人改善脑卒中偏瘫患者下肢功能的临床研究

目的：观察应用下肢外骨骼康复机器人康复训练对脑卒中偏瘫患者下肢功能的改善情况。方法：脑卒中偏瘫下肢运动功能障碍患者60例,分为机器人组和对照组各30例。对照组给予脑卒中常规康复治疗,机器人组在常规康复治疗的基础上,应用下肢外骨骼康复机器人进行康复训练。于训练前后通过 Fugl-Meyer运动及平衡功能评分、Holden步行功能分级对患者的下肢康复情况进行评价。结果：训练60d后,2组 Fugl-Meyer运动功能评分、Fugl-Meyer平衡功能评分、Holden步行功能分级均较治疗前明显提高（P＜0．05）,且机器人组提高幅度较对照组更显著（P＜0．05）。结论：应用下肢外骨骼康复机器人可改善脑卒中偏瘫患者的下肢功能,值得在临床上推广应用。     

适应个体差异的下肢康复机器人步态规划与实现

目的 针对下肢康复机器人轨迹规划,进行适应个体差异康复运动模式的求解,实现精准康复。方法 在总结出下肢康复机器人6种运动模式后,根据人体多刚体理论,将下肢康复机器人外骨骼简化成二连杆机构,对运动模式进行逆运动学分析,并基于C#设计运动模式求解系统。结果 将基于C#运动模式求解系统计算的运动模式关节角度值传输到上位机,6种运动模式均成功应用于下肢康复机器人。通过运动模式逆运动学分析基于C#设计的运动模式求解系统,对于不同腿长的下肢运动功能障碍患者,进行适应个体差异的运动模式关节角度值求解。通过样机实验,下肢康复机器人能够按照规划的运动模式带动人体模型进行康复训练,且实际关节角度曲线与理论关节角度曲线基本重合,关节角度误差较小。结论 验证了适应个体差异运动模式求解的有效性和可行性。     

一种轮椅式下肢助行机器人的设计及运动学仿真分析

目的:设计一种轮椅式下肢助行机器人,以协助下肢患者进行日常的助行康复训练。方法:利用升降机构和腿部助力机构来完成对下肢患者的助行康复训练,并通过MATLAB软件对腿部助力机构进行了运动学仿真分析。结果:仿真结果表明,在腿部助力机构的带动下,患者腿部的运动规律符合正常人行走时的步态特征曲线。结论:证明了机构设计的合理性,可以用于下肢患者的助行训练。     

骨盆辅助式康复机器人对急性期脑梗死患者下肢功能和膝关节本体感觉的影响

目的 探究骨盆辅助式康复机器人对急性期脑梗死患者的下肢功能和膝关节本体感觉的影响。 方法 将40例急性脑梗死偏瘫患者按随机数字表法分为对照组（20例）和观察组（20例）,2组患者均接受常规药物治疗和康复干预,观察组患者在此基础上增加骨盆辅助式康复机器人训练。骨盆辅助式康复机器人训练每日训练1次,每次训练20 min,每周训练5 d,连续训练4周。于治疗前和治疗4周后（治疗后）分别采用简式 Fugl-Meyer运动功能量表（FMA）下肢部分、Berg平衡量表（BBS）、功能性步行分级（FAC）量表和等速测试仪对2组患者的下肢运动功能、平衡功能、步行功能和膝关节本体感觉进行评估。 结果 治疗后,2组患者的下肢FMA评分、BBS评分、FAC分级和膝关节重现角度差值与组内治疗前比较,差异均有统计学意义（P＜0.05）,且观察组上述指标分别为（21.75±3.18）分、（31.55±3.39）分、（3.15±0.49）级和（6.25±0.91）°,均显著优于对照组治疗后,差异均有统计学意义（P＜0.05）。 结论 骨盆辅助式康复机器人训练可显著改善急性期脑梗死患者的下肢运动功能、平衡功能、膝关节本体感觉和步行能力。     

一种生物融合式踝关节康复机器人的设计

目的:设计一种康复机器人用于损伤踝关节的运动康复治疗.方法:基于对踝关节生理结构的分析,结合机构学理论知识将其等效为球面副,应用生物融合式康复机构设计理念得到包含弹性转动副的人机闭环机构;应用球面几何、影响系数法对该机构进行康复运动分析,并综合考虑安全、卫生、患者康复体位等因素完成踝关节康复机器人样机设计.结果:本研究所设计的康复机器人在运动过程当中,可以通过对机械驱动量的改变实现踝关节一定姿态下输出作用力的调整.同时,还可以在机械驱动量不变的条件下通过对踝关节主动作用力的改变实现其位姿的调整;实验验证该康复机器人样机在电机驱动下可实现踝关节典型康复运动,能够满足踝关节康复治疗对机器人运动形式的要求.结论:基于生物融合式康复机构所研制机器人在完成踝关节基本康复运动的同时,可以充分发挥患者能动性从而实现更好的康复治疗效果.     

三维空间末端牵引上肢康复机器人轨迹规划研究

摘要 目的：为了解决现有康复机器人结构复杂、柔顺性和安全性不足、作业治疗中三维空间训练欠缺等问题,提出三维空间末端牵引式上肢康复训练机器人。 方法：通过对上肢康复机器人的结构、运动学理论和人体上肢运动范围分析,建立人机交互的安全空间;结合康复医学中的作业疗法,进行康复动作设计及末端轨迹规划,运用Matlab对机器人末端运动轨迹进行仿真分析,并通过实验验证设计的合理性及可行性。 结果：通过仿真分析和实验结果可以看出机器人末端轨迹及各关节速度和加速度曲线平滑,无跳动现象。 结论：三维空间末端牵引式上肢康复机器人可以实现二维和三维空间的康复训练,用气压比例伺服控制实现末端直线位移,增加了康复训练的柔顺性和安全性,更好满足康复医学中作业疗法的要求。     

骨盆辅助式康复机器人训练对急性期脑梗死患者躯干控制及步行功能的影响

目的 观察骨盆辅助式康复机器人训练对急性期脑梗死患者躯干控制及步行功能的影响。 方法 采用随机数字表法将40例急性期脑梗死偏瘫患者分为观察组及对照组,每组20例。2组患者均给予常规药物治疗及康复训练,观察组患者在此基础上给予骨盆辅助式康复机器人训练,每天训练1次,每周训练5 d,连续干预4周。于治疗前、治疗4周后（治疗后）分别采用简式Fugl-Meyer运动功能量表（下肢部分）、功能性步行分级量表（FAC）、躯干控制测试（TCT）及机器人检测系统对2组患者下肢运动功能、步行能力、躯干控制能力和骨盆运动情况进行评估。 结果 治疗后,2组患者下肢FMA评分、FAC分级、TCT评分及骨盆运动参数均较治疗前明显改善（P＜0.05）,并且观察组下肢FMA评分［（19.35±2.54）分］、FAC分级［（2.85±0.67）级］、TCT评分［（74.65±7.86）分］及骨盆侧向位移［（10.05±1.54）cm］、高度位移［（14.25±1.94）cm］、旋转角度［（9.15±1.72）°］、侧倾角度［（21.35±2.18）°］均显著优于同期对照组水平,组间差异均具有统计学意义（P＜0.05）。 结论 骨盆辅助式康复机器人训练能显著改善急性期脑梗死患者躯干控制及步行功能,且疗效明显优于常规康复训练。     

骨盆减重康复机器人训练对脑卒中后偏瘫患者下肢功能的影响

目的:探讨骨盆减重康复机器人对脑卒中后偏瘫患者下肢功能的影响。方法:将脑卒中偏瘫患者39例随机分为观察组19例和对照组20例。其中观察组予常规康复治疗结合骨盆减重康复机器人训练,对照组予常规康复治疗结合针对性的平衡和步行训练。在治疗前后采用Brunnstrom下肢分期、Fugl-Meyer下肢运动功能评分、Berg平衡量表、功能性步行量表(FAC)、Barthel指数进行评估。结果:治疗2周后,2组Brunnstrom下肢运动功能分期较治疗前及2组间比较差异均无统计学意义;观察组Fugl-Meyer下肢运动功能评分较治疗前明显提高(P<0.05),2组间比较差异无统计学意义,对照组Fugl-Meyer下肢运动功能评分较治疗前差异无统计学意义。治疗3周后,观察组Brunnstrom下肢运动功能分期、Fugl-Meyer下肢运动功能评分均较治疗前明显提高(P<0.05),但2组间比较差异无统计学意义,对照组Brunnstrom下肢运动功能分期、Fugl-Meyer下肢运动功能评分治疗前后比较差异无统计学意义。治疗2周后,2组Berg平衡量表评分均较治疗前明显提高(均P<0.05),2组间比较差异无统计学意义;治疗3周后,2组Berg平衡量表评分较治疗前均明显提高(均P<0.05),且观察组明显高于对照组(P<0.05)。治疗2周后,2组Barthel指数评分较治疗前均明显提高(P<0.05),2组间比较差异无统计学意义;治疗3周后,2组Barthel指数评分均较治疗前均明显提高(均P<0.05),2组间比较差异无统计学意义。结论:骨盆减重康复机器人训练可以有效改善脑卒中后偏瘫患者的平衡功能、下肢运动功能及日常生活活动能力,且在平衡功能改善方面优于康复治疗师指导下的康复训练。     

基于C#和TwinCAT下肢康复机器人控制系统研究

目的:针对脑卒中偏瘫患者因神经元病变造成的神经回路阻断,研究通过试错和重复的功能训练使脑卒中偏瘫患者形成运动记忆的下肢康复机器人控制策略,使患者重建神经回路并恢复运动能力。方法:根据脑卒中患者的康复训练需求,结合下肢康复机器人硬件平台的结构和特点,基于运动学习理论,制定康复策略,设计下肢康复机器人控制系统。结果:完成了由基于C#的上位机软件和基于TwinCAT的下位机软件组成的下肢康复机器人控制系统。上位机功能包括模式选择、训练数据处理、参数设置;下位机软件负责采集训练数据、运动控制功能;上下位机软件之间采用ADS通信方式。结论:控制系统满足患者康复训练的使用需求,帮助康复理疗师对患者进行更加全面、系统、有效、安全的步态和平衡康复训练。     

踝关节可左右摆动的康复器具设计

背景：下肢康复辅具在下肢功能恢复训练中占有越来越重要的地位。目的：设计了一种新型的踝关节康复器具,达到对髋关节、膝关节、踝关节康复运动的目的。方法：基于三维设计软件Solidworks,设计了一种新型踝关节康复辅具,增加了踝关节左右摆动功能。结果与结论：在国内外踝关节康复器具研究基础上,增加了踝关节左右摆动功能的新型踝关节康复器具,3D运动仿真结果表明方案有效可行。     

多模式下肢康复训练机器人的设计与实验分析

目的:为满足下肢运动功能障碍患者的康复需要,设计了一种具有多种模式的下肢康复训练机器人。方法:介绍了它的机械结构、系统的工作原理并对样机进行了实验分析。结果:该机器人具有对患者进行主动运动、被动运动、辅助运动和主被动运动等训练模式。可以实现单关节的分离运动和多关节的协同运动。给出了患者髋、膝、踝关节做被动运动训练时往复运动机构末端的位置跟踪情况。基于柔顺性控制的脚踏板末端轨迹跟踪情况,以及被动运动时的足底力和腿部肌肉压力变化情况。结论:通过样机实验,验证了该机器人的基本功能,经过进一步改进和完善,可为下肢运动功能障碍的患者提供有效的康复训练。     

骨盆辅助步行康复机器人对脑卒中偏瘫患者运动功能及日常生活能力的影响

目的:探讨应用骨盆辅助步行康复机器人对卒中偏瘫患者运动功能及日常生活能力的影响。方法:选取嘉兴市第二医院康复医学中心2016年1月—2017年1月间住院确诊的40例脑卒中偏瘫患者,随机数字表法分为治疗组(20例)和对照组(20例),对照组给予常规康复训练,治疗组还给予骨盆辅助步行康复机器人训练,每次10—20min,每周6次,共8周。对两组患者进行康复评定,治疗前后采用下肢Fugl-Meyer评分(FMA)、Berg平衡测试(BBS)、功能性步行能力分级(FAC)及改良Barthel指数(MBI)。结果:治疗前两组患者下肢FMA评分、BBS评分、FAC分级及MBI评分组间差异均无显著性意义(P0.05)。治疗8周后治疗组患者FMA评分、BBS评分、FAC分级及MBI评分较对照组均有明显改善(P0.05),且治疗组FMA评分、BBS评分、FAC分级优于对照组(P0.05)。但MBI评分与对照组比较无显著性差异(P0.05)。结论:骨盆辅助步行康复机器人训练可以更有效地改善卒中偏瘫患者的下肢运动功能,提高步行能力。     

偏瘫步行康复训练机器人减重支撑系统的研究

摘要 目的：提高减重步行训练机器人的临床实用性,设计一种操作简单、实用性强的下肢康复机器人减重支撑系统。 方法：根据系统的观点,建立了减重支撑系统静力学模型,并从人机工程学、康复医学、机械设计等方面对减重支撑系统进行了整体与局部的设计。 结果：经过样机研制和初步临床实验,验证了该减重支撑系统设计的可行性。 结论：该减重支撑系统的临床应用性设计可为以后下肢康复机器人的广泛应用提供参考和指导。     

骨盆辅助式康复机器人训练对脑卒中偏瘫患者下肢功能及骨盆运动学的影响

目的 探讨骨盆辅助式康复机器人训练对脑卒中偏瘫患者步态运动学的影响。 方法 采用随机数字表法将40例脑卒中偏瘫患者分为观察组及对照组，每组20例。2组患者均给予常规药物治疗及康复训练，观察组患者在上述干预基础上辅以骨盆辅助式康复机器人训练，每周训练6次，每次训练20 min，持续训练8周。于入选时及治疗8周后分别采用简化Fugl-Meyer下肢运动功能量表(FMA-LE)评定患者下肢运动功能，采用Berg平衡量表(BBS)评定患者平衡功能，通过Biodex Gait Trainer-2型步态分析系统检测患者步速、步长，采用骨盆辅助机器人系统检测患者骨盆旋转角、骨盆侧倾角、骨盆竖直移动及骨盆侧向移动等运动学参数。 结果 治疗后观察组患者FMA-LE评分、BBS评分、步速、健侧步长、患侧步长分别为(21.40±4.38)分、(39.45±4.47)分、(61.50±17.92)cm/s、(49.25±15.13)cm和(48.65±11.49)cm，均较治疗前及对照组治疗后明显改善(P<0.05)。治疗后观察组患者骨盆旋转角、侧倾角、竖直移动及侧向移动等运动学参数分别为(9.93±1.92)°、(15.57±1.68)°、(12.09±1.13)cm和(8.92±3.26)cm，均较治疗前及对照组治疗后明显改善(P<0.05)。 结论 在常规康复干预基础上辅以骨盆辅助式康复机器人训练，能进一步提高脑卒中偏瘫患者骨盆控制能力，改善步行功能及平衡能力，从而促进患者下肢运动功能恢复。     

下肢助力机器人动力学分析与应用

背景：2005年成功研制出下肢康复机器人系统,该机器人通过中心控制系统和步态、姿态控制系统互相协调,带动下肢各种运动,从而达到恢复下肢功能的目的。目的：对下肢康复助力机器人做动力学分析。方法：该系统为一个复杂的动力系统,由多个关节和多个连杆组成,具有多个输入和多个输出,分析其运动和作用力之间的关系。通过运动信息感知网,实现机器人系统主动为使用者提供完成髋关节屈/伸、旋内/旋外及外展/内收功能恢复动作的助力支持。结果与结论：利用动力学方程完成人-机混合系统的控制。减小人体感受的运动强度,使练习者能充分完成功能恢复动作,随着康复者下肢力量的加强和动作的熟练程度的提高,通过改变系统控制参数,系统会逐步减少对其助力支持,直到康复。     

运动想象疗法结合生物反馈治疗脑卒中偏瘫的疗效

目的：观察应用下肢康复机器人对早期偏瘫患者进行步行训练对于改善患者步行能力的有效性。方法：脑卒中偏瘫患者46例随机分为观察组和对照组各23例。2组均给予常规康复治疗,观察组加用下肢康复机器人进行步行训练。训练前后采用功能性步行量表（FAC）、患肢运动功能（FMA）及平衡量表（BBS）评定。结果：治疗8周后,2组独立步行率及BBS、FMA下肢评分均较治疗前明显提高（P〈0．01,0．05）,且观察组更高于对照组（P〈0．05）。结论：偏瘫患者早期运用下肢康复机器人进行步行训练能够较好地提高患者的步行能力。     

骨盆辅助式康复机器人联合重复经颅磁刺激对脑卒中后偏瘫患者下肢功能的影响

目的 观察骨盆辅助式康复机器人联合重复经颅磁刺激对脑卒中后偏瘫患者下肢功能的影响。 方法 采用随机数字表法将40例脑卒中后偏瘫患者分为对照组（20例）和实验组（20例）,2组均给予常规康复训练和康复机器人训练,实验组在此基础上辅以重复经颅磁刺激仪,刺激部位为健侧第一躯体皮质运动区（M1）,频率1.0 Hz,强度80%静息运动阈值,连续刺激20 min,刺激时间5 s,间隔时间5 s,每次予以600个脉冲刺激,每周5次,连续治疗8周。于治疗前和治疗8周后（治疗后）采用简式Fugl-Meyer运动量表下肢部分（下肢FMA评分）、Berg平衡量表（Berg评分）和Holden步行功能分级量表（Holden分级）评定2组患者的下肢运动功能、平衡功能和步行能力。 结果 治疗后,2组患者的下肢FMA评分、Berg评分和Holden分级均较组内治疗前均显著改善,差异均有统计学意义（P＜0.05）,且实验组的下肢FMA评分、Berg评分和Holden分级分别（22.05±2.93）分、（39.15±2.68）分和（3.45±0.83）级,明显优于对照组治疗后,差异均有统计学意义（P＜0.05）。 结论 骨盆辅助式康复机器人联合重复经颅磁刺激可有效地改善脑卒中偏瘫患者的下肢运动功能,提高其平衡功能和步行能力。     

下肢康复机器人对改善脑卒中偏瘫患者下肢肌力及运动功能障碍的临床研究

目的:观察下肢康复机器人训练对早期脑卒中偏瘫患者下肢肌力及运动功能的影响。方法:将50例发病6个月内的脑卒中患者随机分为试验组和对照组,每组25例。在常规康复训练的基础上,对照组给予MOTOmed智能运动系统训练,每次30min,每周5次,共治疗8周;试验组给予下肢康复机器人训练,每次30min,每周5次,共治疗8周。治疗前及治疗8周后采用徒手肌力量表(MMT)评估下肢肌力,采用简式Fugl-Meyer运动量表(FMA)评估下肢运动功能,采用下肢康复机器人数据反馈系统评估下肢肌力。结果:治疗前两组患者的一般资料、MMT评估、Fugl-Meyer评估、机器人客观数据评估差异均无显著性意义(P0.05),治疗后两组MMT评估、Fugl-Meyer评估、机器人客观数据评估差异均有显著性意义(P0.05),且试验组均优于对照组(P0.01)。结论:下肢康复机器人结合常规康复治疗能有效地改善早期脑卒中偏瘫患者下肢肌力及运动功能障碍。