基于PCI-1240运动控制卡的肢体康复训练控制系统的实现与软件设计EI北大核心CSCD

本研究开发了一种基于坐姿的下肢康复运动控制系统,该系统包括下肢外骨骼机构、电机驱动控制电路、运动控制程序等。通过6个电机为髋、膝、踝关节转动提供动力,采用PCI-1240运动控制卡作为控制核心,实现了下肢各关节重复性转动训练和步态康复训练的速度、角度和运动时间的精确控制和调节。本文试验结果表明,该运动控制系统能很好地满足下肢功能障碍患者重复性康复训练运动的需求。本文为康复训练机器人中运动控制系统提供了更多的方法数据,可促进工业自动化设备向医疗领域转变,有利于康复机器人的更进一步研究。     

基于爬行训练的脊柱康复训练设备控制系统的设计

开发了一种基于爬行运动的脊柱康复训练运动控制系统,该系统基于支撑床体机构和上下肢爬行训练支撑机构,控制系统由电机驱动控制电路、运动控制程序等组成。通过2个直流电机为爬行运动训练提供动力,1个步进电机为脊柱侧弯矫正训练提供动力,1个直线导杆电机控制床体旋转和2个步进电机控制腹部支撑上下、左右移动。上位机采用PCI-1240运动控制卡作为控制核心,实现爬行训练的距离、速度和运动时间等的控制;下位机使用单片机实现对训练位置和姿态的控制。试验结果表明,该运动控制系统能很好地控制脊柱康复训练仪各部分的协调动作,以满足脊柱患者康复训练的需求。     

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。     

腕功能康复机器人按需辅助控制策略研究

在康复机器人辅助脑卒中患者进行康复训练时,为激发患者的主动参与意识,康复机器人应按照患者康复需求提供其所需的辅助力矩。本文针对腕功能康复机器人提出一种按需辅助控制策略:首先制定能力评估规则,并依据该规则评估患者能力;然后设计控制器,控制器可基于评估结果求解出患者完成康复训练任务所需的辅助力矩,并下发指令至电机;最后控制电机输出指令值,辅助患者完成康复训练任务。将该控制策略应用于腕功能康复机器人,不仅实现了按需辅助的训练模式,而且能够避免辅助力矩激增,同时康复治疗师可在线调节能力评估规则中的多个参数,为不同康复状态的患者定制任务难度。本文所提方法不依赖于力学传感器信息,降低了开发成本且易于实现,具有一定的工程应用价值。     

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。     

一种跟随人体重心高度的骨盆支撑减重康复系统EI北大核心CSCD

支撑减重康复训练系统现已成为下肢运动功能障碍康复的重要治疗方法。本文针对现有的恒定阻抗减重的骨盆支撑减重康复系统在康复训练过程中骨盆机构提供固定的运动轨迹、患者主动参与康复训练程度低等问题,提出了一种跟随人体重心高度(CoMH)的骨盆支撑减重康复系统。该系统通过惯性测量单元采集人体下肢运动信息,经过人工神经网络对CoMH进行预测,实现骨盆支架高度的跟踪控制。通过偏瘫患者康复训练进行试验,结果表明,相比于骨盆支架运动轨迹固定的传统减重康复训练,跟随CoMH骨盆支撑减重康复训练使患者患侧髋、膝关节活动范围分别提升25.0%和31.4%,患侧摆动相与支撑相占比更接近健侧步态相位。该减重康复训练模式的骨盆支架的运动轨迹取决于当前训练者的状态,可实现偏瘫患者健侧主动运动引导行走训练。动态调整减重支撑的策略更有助于提高行走康复训练效率。     

下肢康复训练机器人的自主交互控制方法

为了提高下肢康复训练机器人康复训练和行走辅助控制中自主交互控制的稳定性,提出一种基于单输出自适应前馈调节的下肢康复训练机器人康复训练和行走辅助控制位姿修正自主交互控制方法。采用分布式传感器阻力力学采集方法进行下肢康复训练机器人的行为姿态参数采集,结合环境物理参数和机器人的位姿参数进行动态匹配和自动参量调节,采用模糊约束控制方法进行机器人的位姿参数调整,在行为学空间内实现机器人的位姿修正和动态稳定性控制。仿真结果表明,采用该方法进行下肢康复训练机器人自主交互控制的输出稳定性较好,环境适应能力较强,提高了下肢康复训练机器人的行走辅助控制能力。     

面向外骨骼的下肢多模态协同量化分析与康复评估方法

针对传统下肢康复量表评估方法费时、费力且难以在外骨骼康复训练中使用的问题，本文基于下肢外骨骼机器人训练提出了一种多模态协同信息融合的下肢步行能力定量评估方法。该方法通过引入定量的协同指标融合电生理和运动学层面信息，显著提高康复评估过程的效率和信度。首先，采集受试者穿戴外骨骼步行训练的下肢肌电和运动学数据。然后，基于肌肉协同理论，使用协同量化算法构造肌电和运动学的协同指标特征。最后，融合电生理和运动学层面信息，建立模态特征融合模型，输出下肢运动功能评分。试验结果表明，本文所构造的肌电、运动学协同特征与临床量表的相关系数分别为0.799和0.825。融合后的协同特征在K近邻（KNN）模型中的结果得到了更高的相关系数（r=0.921,P <0.01）。该方法可以根据评估结果修改外骨骼机器人的康复训练模式，为实现“人在环中”的评估—训练同步模式奠定了基础，也为下肢远程康复训练和评估提供了一个潜在的方法。     

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。     

下肢外骨骼康复机器人的研究与进展

背景：如何提高脑血管疾病所致中枢神经系统损伤患者的日常活动能力是康复医学亟待解决的问题,而外骨骼康复机器人的发展为解决这一问题提供了可能。 目的：回顾下肢外骨骼康复机器人的研究进展,对下肢外骨骼康复机器人的设计与开发提出新的展望。 方法：由第一作者检索1990/2008 PubMed数据库(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/PubMed)及万方数据库(http://www.wanfangdata.com.cn)有关医用下肢外骨骼康复机器人的文献,英文检索词为“exoskeletons robot,central nerve damage,passive rehabilitation training,the man-machine integration interaction interface”,中文检索词为“外骨骼机器人,中枢神经损伤,主被动康复训练,人机一体化交互接口”。排除重复性研究。 结果与结论：共纳入26篇文献归纳总结。外骨骼康复机器人研究报道较多,但如能解决体积小、轻便、低功耗、大功率输出等问题,同时具有响应快、低惯性、高精度和高安全性等性能,必将使神经损伤患者下肢功能最大化地恢复成为可能。     

一种组合式远程康复训练机器人的研制:适用性及其安全性

背景:国内对康复机器人的研究起步比较晚,辅助型康复机器人的研究相对较多,而康复训练机器人的研究相对较少,医工跨学科的结合有待加强,国内的康复器械远远不能满足市场对智能化、人机工程化的康复机器人的需求。目的:针对国内康复专家少而患者较多这一问题,将遥操作机器人技术与康复医疗器械相结合,以期研制一种基于力反馈的组合式远程康复训练机器人系统。方法:充分考虑到患者的安全性,采用磁流变阻尼器加上直流电机的模式,设计了一种组合式机械臂,将遥操作机器人技术应用于肢体残障者的康复训练,使患者可以根据康复治疗师的远程设定进行康复锻炼,并将虚拟现实技术与康复训练相结合,把枯燥的康复训练变成轻松有趣的游戏。结果及结论:该系统的服务对象是上肢有运动障碍的患者,通过对机械臂的拆卸和组合,可给患者提供康复需要的不同训练模式和治疗方案;运用计算机网络技术可使患者根据康复医师的远程设定进行康复训练;身临其境的虚拟现实技术显著提高了康复训练的积极性与效果。实验结果表明,所研制的远程康复训练机器人系统具有良好的适用性和安全性。     

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。     

下肢康复训练方法的研究现状

下肢运动功能障碍严重影响了患者的日常生活及步行的功能,严重时会造成偏瘫等现象,越来越多的研究者致力于寻找新的有效的下肢康复训练方法。目前临床常用的下肢康复训练方法有肌电生物反馈与综合康复训练结合法、针灸联合康复训练法、电刺激疗法和步态训练法。本文针对近年来下肢康复训练方法的多样性进行了系统回顾及总结,尤其对早期介入的减重步态训练康复模式进行了综述及展望。     

融合功能性电刺激的助行康复外骨骼机器人混合控制策略研究进展

运动康复有助于促进脊柱损伤的恢复或脑卒中患者神经可塑,这对患者受损运动功能的恢复有着非常重要的作用。近年来,功能性电刺激(FES)技术与外骨骼机器人的结合,发挥了这两种康复技术的优势,同时互补了各自缺陷,从而促进实现了更有效的康复辅助模式,目前已逐渐成为本领域的研究热点。综述融合FES与下肢康复机器人混合控制策略的研究现状,并分别就FES结合被动矫形器的单向控制方法和融合主动外骨骼的协同控制方法,剖析其相关技术与难点;讨论构建人机信息交互环路的关键问题,以及如何设计出合理高效混合控制策略,从而实现动态控制分配和患者最大程度主动参与康复训练的目标。对未来的混合康复技术发展方向进行了总结与展望。     

下肢步态康复机器人:研究进展及临床应用

背景:为解决康复训练过程中出现的问题,需要安全、定量、有效及可进行重复训练的新技术,康复机器人的出现从某种程度上解决了这一问题。目的:对如何使用康复机器人加强和恢复肌肉骨骼的功能,并改善其协调能力进行相应的探讨。分析以上新发展对康复领域的影响,局限性以及现在科研人员所面临的挑战。方法: 以stroke,gait,biofeedback,rehabilitation,treadmilltraining,rehabilitationrobot为检索词,检索Pubmed数据库(1992-04/2009-12);以"脑卒中,步态,生物反馈,康复疗法,活动平板训练,康复机器人"为检索词,检索中国期刊全文数据库(1992-04/2009-12)。以与下肢步态康复机器人的相关文献为评价指标。纳入与下肢步态康复机器人相关的内容,排除重复研究。结果与结论:腿部驱动步态康复训练机器人通过牵引患者大腿和小腿协调摆动完成腿部步行动作,足底驱动步态康复训练机器人通过驱动患者足部模拟步行过程中踝关节的运动轨迹来进行步态训,从某种程度上解决很多临床问题。在探索脑卒中患者如何使用康复机器人的过程中发现:机器人的应用提供了各种康复机会来改善残疾人的生存质量。     

压差式气动减重康复步行训练系统的设计

本研究设计开发了基于空气压差技术的减重康复步行训练系统。该系统采用比例-积分-微分控制器(PID)控制算法精确控制人体减重量,以美国德州仪器公司的混合信号处理器MSP430F149作为气压控制的核心,并使用微软公司的Microsoft Visual C++6.0开发程序设计上位机训练软件。该系统能够为下肢运动功能障碍患者提供舒适的减重步行训练环境,并能够实现对患者肌电信号的采集,以便于进一步对患者的信息进行科学、规范的管理。本文通过该训练系统对10名正常人进行下肢初始承重量、最大减重后下肢承重量、最大减重百分比等参数进行采集,分析结果显示,其组内相关系数(ICC)值均大于0.6。本文研究结果证实,该步行训练系统可靠性高,能够为临床下肢减重康复步行训练提供科学的数据。     

力反馈远程康复训练虚拟驾驶系统的软件设计

背景:国内随着人口老龄化现象加剧,对康复训练的需求日益迫切。机器人技术与康复医学理论、网络通讯技术相结合的康复训练机器人能够有效解决传统康复训练的缺点与不足,已成为康复领域的研究热点。目的:针对上肢运动功能障碍患者康复训练需要,设计了一套用于远程康复训练的力反馈虚拟驾驶软件系统。方法:采用异步流式套接字模型进行网络通讯,ADO数据库管理技术进行信息管理,虚拟现实技术构建虚拟驾驶环境。采用数据库管理技术取代传统的基于文件的数据处理技术提高了系统信息管理效率;患者端虚拟驾驶环境的构建增加了康复训练的趣味性;且具有直观清晰的数据和视频显示界面。结果与结论:该系统具有直观清晰的实时视频和数据显示界面、高效的数据管理技术、有趣的虚拟驾驶环境等特点,为临床应用奠定了基础。     

减重步行康复训练机器人的设计及其临床应用

目的为提高减重步行训练机器人的临床应用,进一步促进康复机器人的实际应用与推广提供方法和措施,针对以往步行训练机器人临床应用性不强的问题,提出一种操作简单、结构灵活、实用性强的下肢康复机器人设计方案。方法利用模块化、集约化的设计方法,从人机工程学、康复医学、机械设计等方面对机器人整体进行穿戴式外骨骼、减重训练架、自适应跑台、悬吊背心等功能模块的划分和设计。同时,结合理论计算与SolidWorks有限元仿真,对机器人的关键部位进行优化分析。结果经过实体样机加工和初步临床实验,验证了该减重步行康复训练机器人设计的可行性和科学性。结论本次临床应用性设计研究可以提高减重步行训练机器人的实用性,可以为类似的研究和设计提供参考。     

下肢外骨骼助行机器人滑模PD控制研究

穿戴式下肢外骨骼助行机器人可以辅助下肢运动有障碍者进行康复训练,助其实现正常行走。首先确定系统自由度个数,并基于拉格朗日法建立动力学模型。为提高多关节协调运动的控制精度以实现拟人化步态,研究了基于滑模函数补偿的PD控制算法。通过Matlab-Simulink仿真,对比分析了PD算法和滑模PD算法,获得了两种算法下髋、膝关节角位移及角速度控制曲线,并计算不同算法的跟踪误差。结果表明,相对于常规的PD控制算法,基于滑模函数补偿的PD控制算法具有更好的精度和稳定性,且响应速度快;以12 s周期为例,在有扰动的情况下,滑模PD控制比PD控制提前约3 s达到稳定。将滑模PD控制算法用于下肢外骨骼机器人的步态控制,可提高控制精度和响应速度。     

基于Kinect和NAO机器人的人体上肢康复训练跟随控制EI北大核心CSCD

动作模仿是康复训练中常见的训练策略。传统的康复训练中患者需要在康复医师的指导下完成训练动作,然而由于医院资源有限,无法满足所有患者的训练指导需求。本文针对康复训练中的动作模仿任务,提出了一种基于Kinect和NAO机器人的跟随控制方法。该方法通过逆运动学解析实现了Kinect坐标系到NAO机器人坐标系关节角度映射。针对肘关节偏转角的估计问题,通过构建虚拟空间平面实现了偏转角的精确估计。最后,基于肘关节的运动偏转角进行了对比实验,结果显示该方法右肘横轴偏转和纵轴偏转的角度估计值均方根误差分别为2.734°和2.159°,证实了该方法可以实现NAO机器人实时、稳定地跟随人体动作,从而向患者展示康复训练方案。