穿戴式上肢外骨骼康复机器人发展现状分析

随着人口老龄化程度的日益加深,脑卒中患者逐年增多,康复训练目前已成为治疗脑卒中致残的最为有效方法之一.穿戴式上肢外骨骼康复机器人因其体积小、质量轻,便携性好,不但能够满足患者居家康复训练的需求,也可以辅助患者实现生活自理,在各类康复设备中具有明显的优势.文章在此背景下详细阐述了目前穿戴式上肢外骨骼康复机器人发展历程中所...     

下肢外骨骼机器人柔顺特性的研究进展

下肢外骨骼机器人是旨在帮助患有步行障碍的人重新获得腿部和关节的力量,以实现站立和行走等功能的可穿戴设备。与包含刚性机构的传统机器人相比,具有柔顺特性的下肢外骨骼机器人能在被动式弹性元件中储存和释放能量,同时最大限度地减少由于冲击引起的反作用力,提高人机交互的安全性。本文从驱动柔顺和关节柔顺两方面对下肢外骨骼机器人柔顺特性进行综述,分类介绍增强型、辅助型、康复型下肢外骨骼机器人,并对该领域未来发展趋势进行展望。     

基于实时步态分析的行走辅助外骨骼机器人系统

面向因病痛或自然衰老等原因腿部运动功能受到轻度影响的患者或老年人,本文提出了一种可穿戴外骨骼机器人系统,通过体重支撑的方式减轻双腿在行走过程中对髋、膝、踝关节和腿部肌肉的负载,以实现行走辅助的功能。考虑到使用人群的心理诉求和病症特点,有别于固定式或跟随式康复机器人上配有的减重系统,本文提出的外骨骼机器人结构美观,轻巧便携。系统通过足底压力传感器实时对使用者的步态进行分析,通过步态相的划分,针对各步态相提出不同的控制策略。通过座椅上的压力传感器实时监测外骨骼提供支撑力度的大小,且驱动控制使用比例-积分-微分(PID)控制技术进行力矩控制。机器人系统总重12.5 kg,站立时平均辅助支撑约10 kg,行走中平均辅助支撑约3 kg,起到了一定的体重支撑效果,减轻了行走和站立时对下肢的压力。     

轻型化外骨骼手功能训练器结构设计及实现

为帮助由脑卒中引起的手功能障碍患者更好的完成手部的康复,设计一种能在日常生活辅助使用的轻型化穿戴式外骨骼式手功能训练器.通过对拇指运动仿生机构和四指运动仿生机构的设计,得到了适用于患者穿戴的手指仿生结构.在SolidWorks motion仿真软件中对训练器的抓握运动进行仿真分析,验证了其运动符合正常人手抓握运动规律.在实验样机上进行穿戴实验和关节活动度测量实验,结果表明,所研制的轻型化外骨骼手功能训练器具有很强的仿生性,安全可靠,适合手功能障碍患者穿戴进行手部康复训练.     

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。     

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...     

一种上肢外骨骼康复机器人的控制系统研究

为帮助上肢功能障碍患者进行康复训练,本文设计了一种4自由度上肢外骨骼康复机器人,并实现了语音和肌电两种控制方案。本文基于RSC-4128语音芯片,实现了对特定人的识别。另外自制表面肌电(sEMG)信号采集电极,采集sEMG信号,并通过信号处理、时域特征提取、固定阈值算法等实现模式识别,还利用脉冲宽度调制(PWM)算法实现了对系统运动速度的调节。最后,对系统进行了语音和肌电控制的测试。结果表明语音控制平均识别率达93.1%,肌电控制平均识别率达90.9%,验证了系统控制方案的可行性,为上肢康复机器人控制系统的进一步完善奠定了理论基础。     

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。     

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。     

外骨骼框架生物力学设计及强度分析

目的 依据人体运动学分析,设计一套模仿人体下肢生理结构和运动特点的外骨骼机械结构,研究外骨骼在步行过程中两个不同时相下的生物力学特性,为外骨骼的设计与优化提供研究基础。方法 首先根据下肢步态分析,应用三维建模软件进行外骨骼机械结构的设计,在生成实体模型后利用有限元软件进行装配、网格划分以及单元属性赋值,并建立各个构建之间的面-面接触关系,模拟分析外骨骼的应力分布情况。结果 在1 kN载荷下,双腿站立（工况1）的最大应力为91.45 MPa,胫骨竖直（工况2）最大应力为154.55 MPa,分别发生在后背支架和髋部,与设计前的传力机制分析结果一致。结论 外骨骼在不同工况下应力分布有明显不同。由于在计算中没有考虑到步行过程中可能产生的冲击等不确定因素,在设计优化外骨骼时需要考虑并乘以一定的安全系数。     

神经元功能网络的度量及性能分析

网络的度量是复杂网络理论在神经元集群信息处理机制解析中的重要研究内容之一。针对神经元功能网络的定量度量问题,系统分析了聚类系数、全局效率、特征路径长度及传递性等度量指标与网络拓扑连接变化的定量描述关系。基于锋电位发放序列构建了神经元功能网络,仿真研究表明,构建的网络可以有效表征神经元之间的连接关系。利用鸽子弓状皮质尾外侧区(NCL)实测数据,研究了神经元功能网络对鸽子运动行为的编码特性。研究表明,NCL区神经元功能网络可以有效编码鸽子的运动行为,而且四种度量指标在鸽子左转、直行和右转等不同行为时具有显著差异。研究结果表明本文的神经元功能网络构建方法可行,对于解析大脑神经信息处理机制具有较高的应用价值。     

计及舒适性的膝关节外骨骼机器人张弛穿戴系统性能优化及方法研究

为了提高穿戴舒适性与承载有效性,本文在提出一种膝关节外骨骼机器人张弛穿戴系统原型及其工作机制解析的基础上,对该系统开展静力学优化综合及其方法研究。首先,本文基于系统虚拟样机模型的构建,构造一种计及应力、变形及受力结点占比等要素的综合穿戴舒适度评价指标;其次,基于系统虚拟样机静力学仿真,结合评价指标,开展多目标遗传优化与铠甲层拓扑构型的局部优化综合;最后,通过模型重建仿真数据证实了该系统具有良好的穿戴舒适性。本研究为后续穿戴系统的承载性能及样机建造提供了理论基础。     

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.     

球面外骨骼并联机构的运动学及工作空间分析

本文基于生物力学模型开源软件OpenSim生物力学仿真曲线,针对腿部运动功能受损的患者或患有行走功能障碍的老年人的康复治疗,提出了一种2自由度的球面髋关节外骨骼并联机构。首先,对并联机构进行建模,通过逆运动学分析得到机构的位置反解,对反解进行求导,推导出该机构的速度分析表达式。将模型分别导入机械系统动力学分析软件ADAMS与矩阵处理分析软件MATLAB中进行仿真实验,通过两者的速度仿真结果比较,验证了速度分析的正确性。然后,根据获取的雅可比(Jacobian)矩阵对该机构进行了3种奇异位型分析,根据机构反解在MATLAB中编程,给定机构参数与限制条件,获得该机构的可达工作空间。最后,构建原理样机实验平台。实验结果表明,外骨骼髋关节采用这种并联机构,能够满足人体髋关节的运动转动角度要求,也可以协助患者较好地进行腿部的前屈后伸运动和外展内收运动,有助于开展相应的康复训练,并且对人体髋关节外骨骼并联机构的研究也具有理论意义与应用价值。     

52例突眼性甲状腺肿患者的肌肉功能及肌电图分析

突眼性甲状腺肿病 ,又称Ｇｒａｖｅｓ病毒性弥漫性甲状腺肿或Ｂａｓｅｄｏｗ病 ,是一种伴有甲状腺激素 (ＴＨ)分泌增多的器官特异性自身免疫性疾病[1 ] ,女性多见 ,男女之比为 1:4～ 1∶6,好发年龄 2 0～ 40岁。慢性甲状腺功能亢进性肌病 (ＣＴＭ)是ＧＤ的常见的合并症 ,根据陈清棠[2 ] 等提出的ＣＴＭ的诊断标准 ,本文对 5 2例随机选择的突眼性甲状腺肿病患者的肌肉功能进行评估并作肌电图检查 (即只要确诊为突眼性甲状腺肿病者均进行检查 ) ,并对其相关性进行分析 ,观察ＣＴＭ的发病率。现报告如下。1　资料与方法　　病例资料 :5 2例患者…     

一种外骨骼式手功能康复训练器的研究

基于正常人手指结构与运动仿生原理,对人体手部生物学特性进行分析,设计了一种可用于脑卒中或创伤后手功能康复治疗的外骨骼式手功能康复训练器。该训练器包括外骨骼机械结构和肌电控制系统,具有可适应不同人手指长度的调节机构,通过采集使用者前臂肌电对外骨骼机构的运动状态进行控制,从而驱动使用者的手指进行屈曲/伸展康复训练。最后通过机构仿真实验和实验样机实验验证了训练器的机械结构仿生性、力学性能和训练效果。     

基于表面肌电信号的不同步行速度下肌肉协同及肌肉功能网络分析

深入了解步行过程中的下肢肌肉协作机制是提高神经肌肉功能障碍患者步态康复疗效的关键。本文研究了步行速度的变化对下肢肌肉协同模式及肌肉功能网络的影响。招募了8名健康受试者分别以三种不同速度在跑步机上执行步行任务,同步采集右下肢8块肌肉的表面肌电信号（sEMG）,通过非负矩阵分解（NNMF）方法提取肌肉协同模式,利用互信息（MI）方法分别构建alpha频段（8～13 Hz）、beta频段（14～30 Hz）和gamma频段（31～60 Hz）肌肉功能网络,引入复杂网络分析方法量化不同网络差异。肌肉协同分析提取到5个肌肉协同模式,步行速度的变化没有改变肌肉协同的数量,但导致了肌肉权值的变化;肌肉网络分析发现在同一速度下,高频段具有更低的全局效率和聚类系数,随着步行速度的增加,局部肌肉之间的连接强度增加。研究结果表明不同速度的步行运动存在不同的肌肉协同模式和肌肉功能网络,本研究为探索不同步行速度下肌肉协同机制提供了新的视野,有望为神经肌肉功能障碍患者的步态功能评估提供理论支撑。     

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。     

单兵背负式外骨骼担架的设计与分析

针对在海军舰艇上救助伤员的搬运环节,本文设计了一款新型单兵背负式外骨骼担架搬运装置。利用三维建模软件构建了单兵背负式外骨骼担架的三维模型,通过有限元分析技术对所设计的外骨骼担架开展静力学仿真、模态分析和瞬态动力学分析。结果表明,平地行走时,外骨骼担架的最大应力为265.55 MPa,低于其制作材料的许用强度,且整体变形小;模态分析得到的各步态下外骨骼担架的固有频率范围为1.96～28.70 Hz,与人体行走时的摆动频率1 Hz差别较大,表明所设计的结构可以有效避免共振现象的发生。瞬态动力学分析结果表明,外骨骼担架的最大形变和应力均在安全范围之内,满足预期性能要求。综上,本研究设计的单兵背负式外骨骼担架可解决现有担架需2人以上搬运的问题,尤其适用于海军舰艇狭小空间,可为海军舰艇上的伤员救助提供新的方案。     

面向鸽子机器人的磁刺激线圈仿真设计及实验研究

为了探究将磁刺激技术应用于动物机器人运动控制的可行性,本文面向鸽子机器人,仿真分析线圈半径、匝数等因素对磁刺激强度、深度及聚焦性的影响,提出线圈设计方案。将线圈置于鸽子头部及腿部,磁刺激同时记录腿部肌电。结果发现,磁刺激时肌电明显增强。降低磁刺激系统输出频率,输出电流增大,肌电随之增强。与脑部磁刺激相比,刺激坐骨神经引起的肌电增强反应更为显著。这表明,磁刺激系统通过驱动该线圈可以有效地实现对脑及外周神经功能的调控。本研究为后续实用性线圈优化改进提供了理论及实验指导,为动物机器人磁刺激运动控制实施奠定了初步的理论和实验基础。