基于气动肌腱混合驱动上肢康复装置的开发与研制

目的:设计一款基于气动肌腱混合驱动的上肢康复装置。该装置一方面可增加康复训练装置的柔顺性,降低使用者在康复训练中被造成二次伤害的可能性,另一方面兼顾到对肩关节大范围高效率康复治疗的追求。方法:首先根据人因工程学确定上肢各关节运动角度范围,通过D-H法对其进行正向运动学求解得到外骨骼末端运动轨迹。然后,进行动力学建模与分析,求出各个关节驱动所需扭矩。最后设计合理的控制系统,对装置各个关节运动进行数学模型建立并进行Matlab/Simulink仿真验证控制系统的合理性。结果:得到基于气动肌腱混合驱动的上肢康复装置的末端运动轨迹、关节运动角度和驱动扭矩并设计其控制系统。结论:研究结果对基于气动肌腱混合驱动的上肢康复装置控制系统的上下位机程序编写提供良好的参考依据,并对上肢康复训练器械的开发具有指导意义。     

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。     

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.     

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。     

机器人治疗急性期脑卒中患者上肢功能的恢复

背景：研究证实机器人治疗能促进慢性期和亚急性期脑卒中患者上肢功能的恢复,但是针对急性期患者的研究很少。 目的：观察机器人治疗急性期脑卒中患者上肢功能恢复的效果。 方法：30 例急性期脑卒中患者自愿选择治疗方式：常规治疗组按照成熟的常规康复治疗方案进行治疗,包括神经促进技术、神经肌肉电刺激、针刺等;机器人治疗组在常规康复治疗方案的基础上,进行上肢机器人治疗,该机器人具有可调节的上肢减重系统、智能反馈和三维空间训练系统,患者可以在计算机虚拟环境中完成单关节或多关节康复训练。 结果与结论：①两组治疗后Fugl-Meyer上肢功能评分与功能独立性评定量表评分均明显优于治疗前。②治疗后3周,两组间Fugl-Meyer上肢功能评分差异无显著性意义(P=0.075);3个月时机器人治疗组Fugl-Meyer上肢功能评分明显高于常规治疗组(P < 0.01)。③治疗后3周、3个月,两组间功能独立性评定量表评分差异无显著性意义(P > 0.05)。④治疗后3周、3个月,机器人治疗组Fugl-Meyer上肢功能评分和功能独立性评定量表评分相对于治疗前的改变量大于常规治疗组(P < 0.05)。表明在常规治疗基础上,机器人治疗急性期脑卒中能获得更高的上肢运动功能,更好地改善运动和日常生活能力。     

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。     

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...     

中央驱动式上肢康复机器人运动学建模与分析

为在结构上减小机械臂的体积,同时还减小电机噪音、辐射等不良因素对上肢功能障碍患者的影响,本文提出了上肢康复机器人的中央驱动式传动结构。利用Denavit-Hartenberg(D-H)表示法对中央驱动式上肢康复机器人进行运动学建模,得到了其正、逆运动学方程。使用SolidWorks三维建模软件进行三维建模,并让其在预设康复轨迹下进行运动仿真实验,得到了各关节的角度-时间曲线及机械臂手柄的位置-时间曲线。实验结果表明,机械臂手柄能在设定的康复轨迹下运动,验证了中央驱动式结构设计的合理性。同时,由机械臂手柄位置信息通过逆运动学方程计算得到的各关节的角度-时间曲线与从实验中得到的曲线最大误差不到3°,验证了所得运动学方程的有效性。     

基于虚拟现实的交互式上肢康复训练系统研究

该文主要介绍针对上肢功能障碍的患者使用的基于虚拟现实的交互式上肢康复训练系统的研究,通过机械设计和力学计算,设计了康复训练系统中的减重设备部分;依据提高患者训练效果和兴趣的设计目的,结合无线三轴传感器的应用程序接口,运用Unity3D引擎进行康复训练游戏的设计。患者穿戴上传感器后能够使用减重设备进行康复游戏,完成康复训练。经实验验证,该系统能够有效的辅助患者进行康复训练并且记录患者的关节运动信息。虚拟现实训练能够提高康复训练的质量和效率。     

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。     

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...     

具备力传感监测的上肢外骨骼康复系统的设计与实现

目的 近年来,外骨骼机器人正逐渐走入临床康复实践,自由度、运动模式和力反馈评价是影响外骨骼机器人康复效果的重要因素,实验设计并实现了多抗阻训练模式的上肢外骨骼康复系统,该系统具备6个自由度并可全程跟踪用户与外骨骼间的接触力。方法 通过人体上肢运动学分析,对上肢外骨骼康复系统的关节和自由度进行设计,主要由配重箱体、升降台、横梁、外骨骼机械臂组成;考虑不同体型患者要求,配置可调节长度导轨;硬件系统采用主控板、节点板的分层控制方法;软件系统使用模块化设计。在上肢外骨骼康复系统与人体接触处设置多个三维力传感器。使用角度和力传感器对上肢外骨骼康复系统的运动角度空间、疲劳测试下控制稳定度及主、被动模式下的接触力分布进行分析。最终征募17例受试者进行肩关节的伸展运动,采集不同阻抗等级下的力传感器数据,并进行主观体验问卷调查。结果 上肢外骨骼康复系统工作空间角度幅值与设计要求相同,误差小于5%;连续工作4 h情况下,运动角速度变化率不超过1%。主动运动模式下,17例受试者人机接触力男性测量值（23.63±5.26） N,女性（21.54±5.16） N;人机接触力较小,其中15例受试者给出了舒适度较高...     

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。     

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...     

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。     

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。     

三自由度上肢康复机器人运动学分析和运动轨迹规划仿真

为满足中风后患者上肢功能障碍康复的需求,设计了一款结构简单、稳定性高的三自由度上肢康复机器人。基于机器人的结构特点,建立D-H后置坐标系,获得运动学方程进行运动学分析;并利用matlab机器人工具箱对机器人模型进行轨迹规划仿真,仿真结果表明设计的康复机器人结构合理,为后续康复机器人的控制优化奠定基础。     

训练轨迹对上肢肌肉协同的影响

目的通过分析康复机器人辅助训练过程中沿不同轨迹运动的上肢肌肉协同特性,探究运动轨迹对上肢肌肉骨骼特性的影响,为康复机器人训练轨迹优化设计提供基础实验数据与指导。方法首先在末端牵引式康复机器人系统中设计3种上肢运动训练轨迹(L1为直线,L2为弧线,L3为半圆),然后采集12名健康志愿者在沿3种训练轨迹上肢运动过程中的表面肌电信号,并使用非负矩阵分解算法进行肌肉协同特性的获取,对不同轨迹组间肌肉协同结构的相似系数、屈肌占比以及募集模式积分系数进行对比分析,探讨康复机器人不同训练轨迹对上肢肌肉骨骼特性的影响。结果同一训练轨迹中各志愿者的肌肉协同结构具有较高相似性(平均SI>0.81)。各轨迹组的肌肉协同结构中的屈肌占比随运动进程逐渐增加。各轨迹组的肌肉协同募集模式均具有时序特性,前期伸肌起主要作用,后期屈肌起主要作用,中期屈肌占比随轨迹曲率增加而增加。轨迹L1与L2、L2与L3协同结构非常相似(SI>0.90),而L1与L3协同结构较为相似(SI>0.75)。结论康复机器人辅助上肢的训练轨迹对上肢肌肉特性有一定影响,不同训练轨迹带来的肌肉协同结构较为相似,但是运动过程中屈肌群占比及协同贡献度会为了协调动作而发生变化。由此可推测不同训练轨迹对不同肌群的训练强度可能会有所不同。康复机器人训练轨迹设计需根据康复需求进行优化设计。