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。     

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关节运动轨迹分析与步态测试研究

本研究针对一款下肢外骨骼康复机器人(lower limb exoskeleton rehabilitation robot,LLERR)进行了关节运动轨迹分析与步态测试研究.分别通过D-H法和拉格朗日法对外骨骼机器人单侧下肢进行运动学和动力学建模分析,得出各运动关节间运动学与动力学关系.通过虚拟样机仿真验证提出的外骨骼...     

光学三维运动捕捉系统用于生物力学测试的精准度分析

背景:光学三维运动捕捉系统无论在生理还是病理、体外或体内实验以及医疗或生活方面均应用广泛,但尚无研究客观分析该系统精准度及其影响因素。目的:建立光学三维运动捕捉系统,分析其应用于生物力学测试的精准度及影响因素。方法:首先,安装光学三维运动捕捉系统摄像机为半弧形高低交替位置,捕捉静止标记点18组坐标数据,每组400个坐标值,计算出系统精密度。应用机械臂完成沿坐标轴X、Y和Z轴方向运动,所得的坐标数据经MATLAB处理计算出运动距离(测量值)。然后,以电子千分尺为实际值基准,计算运动捕捉系统的准确度。最后,根据前述精准度测试方法分别在不同运动方向、各个坐标轴、有无室内照明、不同相机数目、不同Marker尺寸材质和不同相机位置变量下,应用单因素方差分析系统的精准度是否有差异。结果与结论:(1)光学式三维运动捕捉系统摄像机为半弧形交替摆放时,X、Y和Z轴坐标精密度分别为5.00,10.26,5.50μm,沿X、Y和Z轴运动的准确度分别为15.58,20.69,12.24μm;(2)随着摄像头从单面形到环状,精密度逐渐增加,呈环形摆放时精密度最优;(3)室内有无开始照明灯对系统的精准度无明显影响...     

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。     

上肢康复机器人训练对脑卒中恢复期患者肺功能的影响

目的:研究上肢康复机器人训练对脑卒中恢复期患者肺功能的影响.方法:选取2018年10月至2020年10月我院收治的82例脑卒中恢复期患者作为研究对象.根据康复训练方式的不同分为参照组(41例)和实验组(41例).参照组采用常规作业疗法的康复训练40次,2个疗程;实验组采用上肢康复机器人康复训练20次,4周.通过用力肺活量(Fast vital capacity,FVC)、第1秒钟用力呼气容积(Forced expiratory volume in 1 second,FEV1)、最大呼出流量(Peak Expiratory Flow,PEF)和FEV1/FVC％判断患者肺功能;通过上肢功能评定法(Fugl-Meyer,FMA)和Rosenbek渗透-误吸分级标准分别判断上肢功能状态和误吸程度.比较两组患者肺功能、上肢功能状态和误吸程度.结果:治疗后两组肺功能均有改善(P<0.05),实验组改善最为明显(P<0.05);治疗后两组FMA评分均上升(P<0.05),实验组上升更为明显(P<0.05);治疗后两组吞咽误吸程度均下降(P<0.05),实验组下降更为明显(P<0.05).结论:使用上肢康复机器人对脑卒中恢复期患者进行训练,能够有效提升患者的肺功能,减轻吞咽误吸程度并恢复一定的上肢功能.     

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.     

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。     

上肢康复训练机器人镜像运动实现方法

针对偏瘫患者上肢康复训练需求,提出一种上肢康复训练机器人镜像运动实现方法.利用Kinect 2.0检测人体健肢运动信息,实时进行数据处理与患肢轨迹规划,驱动患肢运动实现康复训练.为解决Kinect 2.0检测数据不稳定的问题,采用带有趋势因子的限幅滤波方法;基于Bezier曲线的轨迹规划方法,实时生成患肢运动轨迹与控制...     

融合生物运动信息的上肢运动功能康复诊断方法研究

针对上肢运动功能的康复诊断问题,提出一种融合运动力学信息与生物电信息的综合性上肢运动功能评价方法,用于评价运动功能障碍患者肩肘腕关节的运动功能水平。在上肢进行动作时,对加速度信号和肌电信号进行信号采集、有效信号的选择、特征提取和特征筛选,并利用两类信号在动作分析中的不同优势,将信号的特征值进行优化组合。以简式Fugl-Meyer评分值为标准,构建多个线性回归模型,实现上肢运动功能的综合性评价。在对10位受试者肩肘腕的7个上肢动作（握拳、展拳、屈腕、伸腕、屈肘、伸肘、上肢平举）功能诊断实验中,提出的诊断方法不仅可以进行实时的信息提取和功能诊断,而且与Fugl-Meyer评价有很强的一致性,相关系数达99%以上。实验表明,该诊断方法能取代传统的上肢运动功能评价方法,并更细致地对上肢运动功能进行量化评分。     

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.     

3-PH/R踝关节康复机器人的运动轨迹

目的 研究3-PH/R踝关节康复机器人在不同轨迹下对关节及肌肉受力的影响.方法 分析3-PH/R踝关节康复机器人的运动学原理,将机器人模型简化后导入生物力学建模软件中,以踝关节康复机器人的实际运动轨迹作为模型驱动,比较在跖背屈、内外翻和章动3种不同运动轨迹下关节和肌肉的受力情况,并对3种运动轨迹进行相关性分析.结果 章...     

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。     

基于 Kinect 探讨针刺结合康复训练对脑卒中患者上肢功能的影响

目的 用Kinect探讨针刺结合康复训练对脑卒中患者上肢功能的影响。方法 将脑卒中后上肢功能障碍患者随机分为对照组(康复训练)和治疗组(针刺+康复训练)各15例。比较两组患者治疗前后改良Barthel指数(modified Barthel index, MBI)、Fugl-Meyer运动功能评估(Fugl-Meyer assessment, FMA)及Wolf运动功能测试(Wolf motor function test, WMFT),用Kinect评估两组患者干预前后前臂放桌面、伸肘、喝水3个动作的运动时间(motor time, MT)、运动单位数量(motor unit number, MUN)、曲率指数(index of curvature, IC)、肘关节屈曲角度(elbow flexion angle, EFA)、肩关节屈曲角度(shoulder flexion angle, SFA)与肩关节内收角度(shoulder adduction angle, SAA)的变化。结果 经过6周治疗,治疗组患者MBI和FMA分数、WMFT总分数及伸肘分数均高于对照组(P<0.05...     

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。     

用于人体上肢运动姿态监测的聚吡咯导电织物的机电性能评价

针对当前可穿戴电子产品对柔性可拉伸纤维基传感元件的需求,探讨导电弹力机织物用于监测人体上肢复杂运动姿态的可行性。为此,采用原位聚合法制备3种不同类型的聚吡咯导电织物（棉/氨斜纹、棉/氨平纹和涤/氨平纹织物）,采用扫描电镜（SEM）观察聚合之后聚吡咯在织物中的分布状态;分别以这3种导电织物为传感元件,制作姿态监测织物传感器,进行上肢运动状态的准静态测试。扫描电镜图显示,聚吡咯不仅吸附在织物表面,且被吸附在织物内部的每一根纤维表面,可反映所制备导电织物作为传感器敏感材料的稳定性。准静态运动的测试结果表明,导电织物拉伸变形时,电阻变化的方向性差异能用于表征人体上肢的不同运动姿态,且表征过程中3种织物的电阻变化无明显差异。随后的棉/氨平纹导电织物弯曲运动实时测试表明,聚吡咯导电织物能够实时呈现人体关节的运动幅度及运动次数。通过观测聚吡咯导电织物的拉伸电阻变化及其方向性差异,可准确反映上肢的弯曲、旋转及其复合运动。     

基于腹腔镜训练的上肢行为分析研究

本研究提出了一种客观评价腹腔镜训练过程的方案。利用Micron Tracker追踪被测试者右上肢肩、肘及腕部的运动轨迹,采用线性插值法,实现对轨迹的连续采集。通过对5名被测试者15组数据分析得知,在同一高度的操作平台下,纵向比较,单个被测试者3次实验中,3个方向的运动距离最大相差肩部为3 cm,肘部为25 cm,腕部为35 cm。横向比较,5个被测试者中,运动距离最大相差肩部为11 cm,肘部为95 cm,腕部为75 cm。且肘部关节角度超出人体舒适度范围最高达7668%,最低为000%。实验结果表明,针对不同的训练者需要采用不同的标准参数来进行评价。所提出方法有望为腹腔镜手术训练中动作的规范化,提供客观的数据支持及人因设计提供方法。     

早期康复护理对脑卒中临床疗效及偏瘫肢体功能的影响分析

目的 探究早期康复护理应用于脑卒中的临床效果。方法 选取2016年7月~2017年7月收治的94例脑卒中患者的临床资料,依照护理方式分为对照组和研究组,每组47例。对照组实施常规护理,研究组实施早期康复护理,比较两组临床疗效、肢体功能与心理状态。结果 研究组临床治疗总有效率为93.62%,高于对照组的70.21%,差异有统计学意义（P＜0.05）。研究组护理后的偏瘫肢体功能评分为（69.72±21.04）分,高于对照组的（53.11±16.06）分,差异有统计学意义（P＜0.05）。研究组护理后焦虑评分和抑郁评分均低于对照组,差异有统计学意义（P＜0.05）。结论 早期康复护理对脑卒中患者生活能力有很好的改善效果,可以促进偏瘫肢体功能恢复,降低病发后致残率,值得普及。