下肢康复机器人结构设计的研究进展

下肢康复机器人是一种针对下肢功能障碍进行针对性康复训练的工具,能够为神经损伤导致的行走功能障碍患者提供安全、有效的步行训练,其结构和功能是影响患者功能恢复的关键因素。因此对下肢康复机器人的结构和功能进行系统总结能够为结构优化和功能提升提供重要的参考。本文从下肢康复机器人的分类、驱动方式和临床应用三个方面对下肢康复机器人的研究现状进行综述,并对下肢康复机器人的研究方向进行展望。     

基于减重步行训练的下肢康复机器人结构设计与分析

提出了一款基于气囊式减重原理的下肢康复训练机器人。它集主动训练与被动训练、静态平衡与功能评定于一体,适用于下肢偏瘫的脑卒中患者。装置的机械结构包括减重支持结构、步行器、拉伸锁定结构配合U型架、箱体结构和外框架辅助结构。对跑步机这一运动部件用SolidWorks软件进行三维建模,并用有限元分析软件Ansys进行应力计算表明:跑步机最大应力值为3.593 2 MPa,最大变形值为1.062 7 mm,均在材料容许范围以内,验证了设计的合理性与可行性。     

下肢康复训练减重支撑系统的研究现状

目的：下肢减重康复训练已成为下肢功能康复重要的治疗方法之一,因其在恢复步行能力、纠正步态、改善平衡、减轻肌肉痉挛、减少心肺负荷等方面具有优势,故下肢减重康复训练越来越受到众多学者的关注。然而,下肢康复训练减重支撑系统是下肢减重康复训练必不可少的一部分,因为合理舒适的减重支撑系统对于减重康复训练的效果具有较大的影响。因此随着科技的发展下肢康复训练减重支撑系统也在一步步改进以满足患者的需求。本文对下肢康复训练减重支撑系统的国内外研究现状进行综述,并展望其发展趋势。方法：通过查阅国内外相关文献,同时融合本单位的相关经验分析总结进行综述。结果：目前所使用的减重支撑系统（BWS）主要有悬吊减重系统、斜床背部支撑减重系统、水浮力减重系统、空气压差式减重系统等。结论：上述几种减重系统都有其缺点,在使用时具有一定的局限性,因此需要进行相关技术的进一步改进以设计出更加自然、合理的下肢减重支撑系统以满足更多患者的需求,故下肢康复训练减重支撑系统具有广阔的发展空间和良好的应用前景。     

基于爬行运动的脊柱康复训练仪的设计

设计出一款多态脊柱康复爬行训练仪。该爬行仪可实现被动形式下的跪撑爬行、攀高爬行、俯式爬行、扭腰摆动等多种爬行训练模式。爬行运动对脊柱有很好的锻炼效果,根据爬行运动设计要实现的动作,利用Solid Works对训练仪整体结构进行三维建模,对训练仪进行运动学和动力学的理论分析,并结合Solid Works Motion进行运动学和动力学仿真。最后通过有限元分析软件ANSYS Workbench对主要受力部件进行静力学分析。通过运动仿真,三维模型可以实现各种预定的运动模式,而且对关键部件进行的强度校核满足强度要求。该训练仪运动模式多样且结构设计合理,选材强度合适,具有一定的可行性。     

基于斜床减重式下肢康复训练的人体关节受力分析

基于斜床减重式下肢康复训练,对人体下肢屈伸运动过程的关节进行运动与受力分析,将人体简化为7刚体模型,采用Lagrange方法进行动力学建模与分析,并在Matlab中对数学模型仿真,获得人体在斜床不同倾角下训练时关节所受力矩。关节力矩随着斜床倾角的增大而增大;随着人体大、小腿之间夹角的减小而增大。在ADAMS中根据人体参数建立几何模型进行仿真分析,计算两种模型结果间的相关系数,结果显示两种方法获得的关节力矩组间相关系数接近于1,验证了Lagrange方法建立的数学模型的合理性。本研究结果对制定个性化下肢康复训练方案提供良好的参考依据,并对下肢训练康复器械的开发具有指导意义。     

康复训练对脑卒中偏瘫患者下肢功能恢复效果的影响

目的结合我院脑卒中偏瘫患者治疗中,运用康复训练帮助患者恢复下肢功能的相关情况,对其效果进行分析。方法按照患者入院顺序和国际随机数字排列法,将从我院接诊脑卒中患中,选取54例偏瘫患者,随机将其分为两组,给予对照组常规训练方法,给予康复组康复训练方法,观测两组患者各项指标评估结果对比。结果训练后,对照组ADL评估结果为(19.00±5.04),NIHSS为(5.00±1.13),FMA为(21.00±3.05);康复组ADL评估结果为(28.54±4.57),NIHSS为(1.24±1.54),FMA为(28.00±1.63)。结论在脑卒中偏瘫患者下肢功能治疗中,康复训练可有效给予患者相应的训练,促进肌群活动,提高下肢功能恢复效果,值得推广。     

人-机运动相容型下肢康复训练外骨骼机构的构型设计与分析

对人-机运动相容型下肢康复训练外骨骼机构的构型设计进行研究,根据下肢的生物骨骼模型和下假肢膝关节设计技术,建立与人体下肢运动功能接近的刚体骨骼模型。分析人-机关节运动属性差异和人-机连接位姿偏差对人-机运动相容性的影响,基于人-机闭链的自由度分析和在人-机连接环节中增置连接关节,提出一种人-机运动相容的下肢外骨骼机构构型,并对无连接位姿偏差和有联接位姿偏差的骨骼-机构联体模型进行了ADAMS运动仿真分析。结果表明,在人-机连接环节中增置连接关节后,可以避免因人-机关节运动属性差异和人-机连接位姿偏差导致的人-机运动干涉现象,实现外骨骼机构运动与人体下肢运动的完全相容。     

绳索并联驱动下肢康复机器人的设计与分析

下肢运动障碍患者对下肢康复器械的需求日益增大.基于刚性连杆康复机器人的局限,本研究设计了一款绳索并联驱动的下肢康复机器人.通过对人体步态运动规律的分析,建立了人机运动学模型,利用数值法对运动学正逆解进行了验证,得到了绳索长度、速度、加速度变化规律,并进行了工作空间的研究.最后将模型导入Adams软件进行仿真,其下肢各关...     

平衡功能障碍康复训练装置的有限元分析

背景：为了对平衡功能障碍患者进行有效的康复训练,课题组自行设计了一款康复训练装置。 目的：对自行设计的平衡功能障碍康复训练装置进行强度和刚度分析。 方法：利用有限元分析软件ANSYS的工作界面Workbench对康复训练装置进行了强度和刚度分析。分别模拟临床上平衡功能障碍康复训练时的5种不同工作状况,在相同约束条件下分别施加装置自重载荷和患者体质量载荷,得出在不同工况下的应力分布和变形大小。 结果与结论：5种工况下,应力集中与变形突出的区域大致相同,其数值与角度成正相关关系且最大等效应力值均小于所用材料的屈服强度,说明该康复训练装置的强度满足设计要求,能够承受所加的负载;从最大应力值和变形来看,该装置的设计趋于保守,可通过结构优化减轻整体装置的质量;对于复杂模型,ANSYS最新工作界面Workbench比Classic界面效率更高。     

新型可降解锌合金支架的结构设计及其力学性能分析

目的对比分析一款新结构可降解支架和传统结构可降解支架力学性能和对狭窄血管的治疗效果。方法利用有限元数值模拟,将新结构支架和传统结构支架分别植入直径狭窄为30%的血管,对比分析两种支架的支撑性能及其对狭窄血管重构的影响。结果与传统结构支架相比,新结构支架的径向回弹率和狗骨头率分别降低了26.6%和34.7%。此外,植入新结构支架的狭窄血管回弹较小,拥有更平滑更大的管腔。结论对比传统结构支架,新结构支架具有更高的支撑性能,对狭窄血管的治疗效果更佳。具有高支撑性能的新结构支架有望成为临床介入治疗设备的新选择。     

外骨骼型下肢康复机器人柔性关节驱动器的设计及实验研究

目的当刚性驱动器直接作用于关节时,由于关节缺少对驱动力的缓冲,容易对其造成损伤。为此,本文拟设计一种柔性关节驱动器,以实现柔性变刚度驱动。方法采用弹簧和扭簧组合实现不同驱动力下驱动器刚度的变化。通过调节电机的转速实现弹簧、扭簧的压缩以及正反向的运动,并确定弹簧及扭簧的参数。最后搭建柔性变刚度关节驱动器实验平台,通过选用不同劲度系数的弹簧、扭簧进行低力、中力和高力模式下的柔性驱动实验,以验证柔性关节驱动器设计的合理性。结果选取弹簧的刚度为10 N/mm、扭簧抗扭刚度为0.1 N·m/rad。当驱动力较小时,弹簧压缩,扭簧不发生作用;当驱动力较大时,扭簧扭转,弹簧不发生作用;当驱动力介于二者之间时,弹簧和扭簧同时发生作用。结论柔性关节驱动器能够在不同驱动力作用下使扭簧和弹簧发生作用,实现柔性变刚度驱动的目的。     

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。     

俯卧式脊柱康复训练仪运动学建模与分析

为了改善现有脊柱康复训练设备的功能单一、结构复杂、训练模式不合理的现状。本研究通过对人体爬行运动进行建模,实现新型智能脊柱康复训练仪的设计。用Denavit-Hartenberg法对爬行训练仪进行运动学建模,得到其正逆运动学方程。使用MATLAB建模软件在预设康复轨迹下进行运动学仿真实验,对运动学求解进行验证。实验结果表明,脊柱康复训练仪能在预定轨迹下按爬行训练的要求运动,验证了脊柱康复训练仪结构设计的合理性。同时,由机械把手位置信息通过逆运动学方程计算得到的各关节的角度误差最大不大于3°,验证了所得运动学方程的有效性。     

下肢抗阻训练对老人步行能力及平衡能力影响的Meta分析

目的:大量研究已证实下肢抗阻训练对增加老年人骨骼肌含量、降低肌肉减少症发生率具有较为显著的效果.关于下肢抗阻训练是否能够对老年人步行能力及平衡能力产生积极影响,目前存在较大争议.因此,文章通过Meta分析判断下肢抗阻训练对老年人步行能力和平衡能力的干预效果,为老年人抗阻训练标准化运动处方制定提供理论依据.方法:计算机检...     

Three-dimensional assessment of lower limb alignment: Accuracy and reliability

Introduction

Three-dimensional (3D) surgical planning and patient-specific implants are becoming increasingly popular in orthopedics and trauma surgery. In contrast to the established and standardized alignment assessment on two-dimensional (2D) long standing radiographs (LSRs) there is neither a standardized nor a validated protocol for the analysis of 3D bone models of the lower limb. This study aimed to create a prerequisite for pre-operative planning.

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。     

基于有限元法的骨组织工程支架力学性能分析及改进设计

目的分析不同孔隙结构和孔隙率骨组织工程支架的力学性能,并对支架的孔隙结构进行改进设计使其性能提高。方法利用SolidWorks软件进行方形孔、球形孔和圆柱形孔3种结构55%～75%孔隙率的支架建模,计算得到各结构的表面积体积比;利用ANSYS Workbench软件进行结构受力的有限元计算,得到支架结构的应力分布和等效压缩模量;根据应力分布的特点,将方形孔的支架结构改进为长方形孔隙结构和长方体单元结构两种支架。结果随着孔隙率的增加,3种结构的表面积体积比均增大,对于相同的孔隙率,方形孔和球形孔的表面积体积比较大,圆柱形孔最小;3种结构的最大压应力总体趋势是随着孔隙率的增加而增大,对于同一孔隙率的3种结构,方形孔的最大压应力最小;3种结构的模量和孔隙率近似呈线性关系,方形孔和圆柱形孔的模量值相近;60%孔隙率的方形孔及两种改进结构应力分析表明,两种改进结构的平行于应力方向的4条棱侧壁应力可减小约15%。结论方形孔的表面积体积比和力学性能比相同孔隙率的球形孔和圆柱形孔结构要更有优势,而改进的两种结构又可以提高方形孔的力学性能,两种改进的孔隙丰富了组织工程支架的结构,研究结果为两种支架的临床应用提供力学依据。