体感控制的上肢外骨骼镜像康复机器人系统

为辅助患肢进行自主康复训练,研制了一种体感控制的上肢外骨骼镜像康复机器人系统。设计了可穿戴式三自由度上肢康复机械臂,利用Kinect传感器提取人体6个骨骼关节点数据,计算所需控制参数,将健肢的体势动作转化为控制信号,控制机械臂带动患肢做镜像或同步运动康复训练。搭建了上肢外骨骼康复机器人系统实验平台,分别进行了单关节镜像控制和多关节联动同步控制穿戴实验,系统具有良好的体感控制随动性能,能满足上肢康复训练的要求。     

基于ADAMS的手康复机器人运动学仿真分析

文中基于手指的生物学特征与ADAMS,设计了一种手指康复训练机器人,机器人通过平行四边形连杆机构进行关节独立驱动,实现对手指的屈曲/伸展运动训练,通过对机构进行运动学仿真,分析了机器人驱动关节速度、角速度及角加速度特性,结果显示符合手指的运动学特性,可以作为手指康复机器人的机构模型。     

多肢体综合康复训练机器人设计与研究

针对传统康复机器人康复功能单一、联动训练不足、控制操作性差等问题,设计了一种涵盖上、下肢体七种关节的综合康复训练机器人,包括上肢的肩关节与肘关节、下肢的髋关节与膝关节、手掌的腕关节与指关节、脚掌的踝关节独立康复训练模式以及下肢-脚掌联动、上肢摆臂-下肢步态联动复合训练模式。试验表明:本康复机器人简化了机械传动链、提高了操控性,能实现稳定、有效的独立模式下的单肢体关节康复训练和复合模式下的多肢体关节联动康复训练,满足了患者的多样化要求。     

基于运动捕捉仪的人体上肢运动轨迹参数的测量与分析

针对人体上肢运动的轨迹参数和方程模型复杂、计算量庞大的问题,提出了一种新型的测量上肢运动轨迹方法。首先对人体上肢运动模型进行了重新分析与简化,根据人体上肢运动特点设计了一组实验,其中包含单关节运动实验、多关节协同运动实验及任务实验;通过NDI运动捕捉仪系统采集了实验者的上肢基本运动数据;将实验数据中的离散点用曲线拟合并展开后,得到了各组实验中各关节的周期性轨迹方程;运用ADAMS进行了建模及运动仿真,以验证拟合轨迹方程的正确性。研究结果表明,该方法能有效测量人体上肢运动参数,其结果可供上肢康复训练机器人的运动轨迹控制与上肢运动功能评价时参考。     

5-DOF上肢康复机械臂交互式康复训练控制策略

设计一种5-DOF穿戴式偏瘫上肢康复机械臂系统,提出被动和主动两阶段的交互式康复训练控制策略。在被动训练中,根据偏瘫患者上肢单侧受损的特点,提取偏瘫患者的健侧上肢4块肌肉的表面肌电信号(Surface electromyogram, sEMG) 作为康复机械臂的控制信号,利用AR参数模型和BP神经网络来理解患者的运动意图,驱动机械臂辅助患侧上肢实现特定的康复训练动作。在主动训练中,通过实时获取各关节力矩信号来判断人体上肢的运动所产生的作用力方向与大小,并利用比例控制器和运动学雅可比逆矩阵控制康复臂末端速度、驱动各关节运动。试验结果证明了提出方法的正确性和有效性。     

外骨骼上肢康复机器人的结构设计与仿真研究

针对上肢轻度瘫痪患者自主进行康复理疗训练的问题,在深入了解传统康复训练的弊端和康复机器人所应具备性能的基础上,提出了一种可穿戴式的外骨骼上肢康复机器人设计方案。首先,从仿生学角度出发,对该康复机器人的整体机械结构进行了建模,并设计了3处长度调节固定机构;然后,对机器人各关节驱动力矩进行了理论分析与计算,通过模型动作编写了step函数,将函数与三维模型图导入Adams进行了动力学仿真;得到了各关节的驱动力矩曲线图,再将其与理论计算结果作了对比分析;最后,对肩关节支撑板和大臂支撑板进行了强度分析。研究结果表明:该外骨骼上肢康复机器人结构设计方案具有较高可行性,能帮助患者实现康复训练。     

手部功能康复外骨骼的结构设计与分析

由脑卒中、脑外伤等原因导致的偏瘫患者的手部康复训练资源十分稀缺,针对这一现状,本文基于日常抓握动作中各手指关节协同相关性及其重要程度、结合各手指关节阻力矩进行康复外骨骼设计,该手部功能康复外骨骼共具有10个主动自由度,能够实现四指MP关节内收外展、四指MP与PIP关节耦合屈曲伸展、大拇指CMC关节对向运动及IP关节独立屈曲伸展运动等关节动作并具有充足的驱动能力,能够实现柱状抓握、球状抓握、盘状抓握、对捏等常用生活功能抓握活动的全手指功能康复。     

上肢康复机器人控制系统设计

在传统治疗方法中主要由医务人员来辅助偏瘫患者完成康复训练,为减轻医务人员的劳动强度、提高康复训练的效果,基于阻抗控制方法为四自由度上肢康复机器人设计控制系统,实现康复机器人辅助患者完成康复训练。对控制方法进行分析后基于工业控制计算机搭建硬件平台,并分别对单关节运动、多关节连动进行理论分析、软件仿真,信号测试和样机实验。基于阻抗控制的上肢康复机器人控制系统能实现辅助患者完成沿规划轨迹的被动训练和跟随患者运动意识的主动训练。     

气动上肢康复机器人伺服控制和运动规划研究

针对中风导致的人体上肢运动功能障碍,提出了一种气动上肢康复训练机器人系统,并研制了二自由度的机器人样机。以带位置检测传感器的摆动气缸作为机器人的关节驱动模块,用比例调压阀作为控制元件,采用PD+速度前馈的柔顺控制策略,对机器人的关节旋转角度实施精准控制。同时,设计了机器人的复合运动轨迹规划,以取水和擦玻璃动作为任务,带动手臂进行康复训练实验。通过样机的测试,验证了控制策略的有效性和康复轨迹规划的可行性。     

基于工作空间测量的居家脑卒中患者上肢康复训练评估系统

由于脑卒中患者不便进行自主居家康复训练与评估,提出一种基于工作空间测量的居家脑卒中患者上肢康复训练评估系统。该系统根据上肢的工作空间设计了上肢康复训练运动协议,指导患者进行康复训练;设计虚拟场景,提高患者的积极性;根据上肢末端运动轨迹,拟合上肢工作空间范围包络面,分析工作空间相对表面积(RSA),运用动态时间规整算法(DTW)计算患者与正常人上肢运动角度的差距;并建立基于自适应网络模糊推理系统(ANFIS)的上肢评估模型。招募13位受试者进行康复训练与评估实验,结果分析表明,该上肢评估模型对样本的正确识别率为95%。该系统可以引导患者进行无医生监督的居家康复训练与评估,是一种简单便捷的康复训练评估方法。     

下肢残障人多功能器械的机构设计与分析

为下肢残障人设计了一种具有康复训练及生活自助的多功能器械.在满足移动行走、下肢康复训练、上床、入厕、高端取物等多功能要求的设计目标下对器械的组成和功能进行分析,利用矢量方程解析法对其中的上肢提升机构、座椅旋转机构和脚蹬收放机构进行机构可行性分析.利用Pro/E软件完成虚拟样机的建立,并对上述机构进行运动仿真分析.通过分析验证了该设计的可行性和合理性.     

上肢康复机器人被动变刚度驱动器建模与试验

康复机器人的关节往往要求良好的变刚度特性以适应人体的柔顺性。根据上肢的关节肌肉特点,对上肢康复圆周轨迹训练中不同位置的刚度需求进行分析,并在此基础上设计了一种新型被动变刚度驱动器,其通过凸轮-滚子-簧片机构产生变化的阻力矩,从而实现上肢圆周轨迹训练过程中不同位置的刚度变化。建立了被动变刚度装置的数学模型并通过仿真和试验验证了模型的准确性和设计方案的可行性。设计的被动变刚度驱动器满足上肢康复训练过程中的刚度变化规律,结构简单且无需额外驱动与控制。     

手指康复外骨骼机器人的结构优化设计

为满足手指功能损伤患者康复的需要,设计了一种基于平面连杆机构的手指康复外骨骼机器人。通过分析仿生手指运动的自由度,建立了机器人运动学模型;以主要机械构件和手指关节转动角度为空间向量元素,求解了机器人的工作空间,在此基础上,得到各机械构件的最佳尺寸,从而完成对机械构件的结构优化设计。仿真实验表明,该机器人能带动手指在一定角度范围进行弯曲拉伸运动,可以满足手指损伤患者的康复训练需求。     

基于钢丝绳-绳套传动的手康复机器人的设计与仿真

为了帮助患者进行手指康复训练,设计了一种新型手康复机器人。首先对人手食指关节进行建模,并对食指关节的耦合运动进行分析。提出了一种连杆+铰链的组合执行结构,连杆结构可以避免相邻手指间的运动干涉,铰链结构则简化了控制方式。使用钢丝绳传动作为机器人系统的传动方式,使得驱动模块和执行模块分离,减少了手部负载。然后在Por/E中设计康复机器人的三维模型,并将模型导入ADAMS中对该机器人进行运动学仿真。仿真结果表明,各关节角度均可达到食指日常活动所需,所设计的机器人结构满足康复训练的要求。最后分析了钢丝绳传动的力学特性,推算了在任意空间姿态下,钢丝绳中的张力计算公式。     

龙门式上肢偏瘫康复训练机器人

介绍一种龙门式上肢偏瘫康复训练机器人,包括:水平左右运动机构、水平前后运动机构和竖直上下运动机构。可以带动患者手部作水平左右、水平前后和竖直上下三个方向的直线运动,同时,手柄组件具有三个旋转轴正交的被动旋转自由度,通过三个方向的直线运动和三个旋转轴正交的旋转运动可以合成出任意复杂的上肢动作,从而使患者上肢各关节、运动肌肉群以及运动功能神经系统群得到有效的物理刺激,达到恢复患者上肢运动功能的目的。本康复训练机器人的特点在于采用龙门直角坐标的结构形式,扩大了患者上肢的运动范围,同时三个方向的直线自由度不存在运动耦合,便于实现复杂的轨迹规划与控制。     

刚软结合可穿戴手部康复装置设计

手部康复装置是用于手部功能恢复治疗的装置,刚性装置柔性不足、贴合性差,容易造成二次伤害;软体装置驱动力小,且复杂软体装置不易制作。为克服刚性装置与软体装置的缺点,提出了一种结合软体关节与刚性指节的可穿戴手部康复装置。分析人手的生物结构,设计软体关节结构并分析其弯曲特性,基于刚软结合设计气动手指执行器,并进行有限元应力与变形分析;完成软体硅胶关节模具和手部康复装置的制作;搭建气动手指执行器测试实验平台,测试刚软结合手指执行器的弯曲特性和指尖力,并进行手部康复装置对不同形状物体的抓取实验。结果表明所设计的刚软结合可穿戴手部康复装置可实现手部抓握等运动功能的康复训练。     

基于人机耦合模型的上肢康复外骨骼闭环PD迭代控制方法

针对多关节上肢外骨骼重复性康复训练非线性求解困难问题,提出了一种闭环PD迭代学习控制方法。基于人体工学确定了六自由度上肢外骨骼康复机械臂的参数、自由度配置与关节运动范围。以人机交互力为耦合方式,建立了基于牛顿-欧拉法的人机耦合模型,完成了人机耦合动力学模拟分析。基于迭代学习控制理论提出外骨骼康复机械臂的闭环PD迭代学习控制方法,通过建模仿真分析了肩关节/肘关节迭代学习控制的轨迹误差、人机交互力和驱动力矩。第三次迭代后的轨迹误差小于0.05 rad,PD迭代学习控制器的输出对系统控制进行了有效的补偿,提高了系统状态的稳定性。研制了六自由度上肢外骨骼康复机械臂样机,开展试验测试。试验结果表明,随着控制试验在迭代域上的运行,系统的输出向着期望的系统状态转化,所提出的迭代学习控制算法可以提高上肢外骨骼康复训练重复性运动的控制精度,进而提高人机交互性能。     

上肢康复机器人主动训练模式控制策略研究

针对在上肢康复机器人主动训练控制策略中存在的人机交互力跟踪响应速度慢、控制精度低等问题,设计了面向单关节与多关节主动康复训练模式的力阻抗控制器。在对六自由度上肢康复机器人进行运动学与动力学分析的基础上,设计了基于力的阻抗控制算法的力控制器。利用MATLAB/Simulink软件搭建了控制器仿真平台,并分别对阶跃信号、斜坡信号、正弦信号三种不同状态的交互力信号进行控制仿真。仿真结果表明:该方法具有人机交互力跟踪响应速度快、控制精度高的特点。     

上肢康复外骨骼的设计与人机相容性分析

对于上肢运动障碍的脑卒中患者,上肢康复外骨骼是弥补人工康复训练不足、降低医师工作强度的关键设备。针对盂肱关节的瞬变转心属性,采用高等机构学理论,对上肢康复外骨骼进行构型综合,综合出多种肩关节环链Θs和肘前臂环链Θef构型组合,基于构型优选原则,遴选出人机相容性较好的兼容型外骨骼构型。在此基础上,设计并研制含重力平衡系统的上肢康复外骨骼Co-Exos,将弹性元件引入被动滑动副,以改善引入被动关节而产生的不确定性和运动协同性。基于盂肱关节的运动学模型,建立了肩关节环链Θs的人机相容性模型,同时,提出一种追踪和补偿盂肱关节竖直方向位移的方法,将外骨骼Co-Exos与上臂简化为变杆长的导杆机构,推导出被动副的运动学模型。搭建人机相容性试验平台,测量人体上肢在抬升过程中被动副的位移曲线,通过与被动副的理论位移曲线对比可知,肩关节环链Θs和兼容型人机闭链均可补偿与追踪盂肱关节大部分空间位移变化,尤其对竖直方向位移补偿效果最佳,因此,外骨骼Co-Exos与人体上肢具有较好的人机相容性。     

基于层次分析法的上肢康复辅具设计研究

为帮助偏瘫患者进行上肢运动功能康复训练，本文通过用户调研和深度访谈进行需求提炼，运用层次分析法构建决策目标方案模型，计算各功能要素权重，得到需求功能优先级排序，分析对上肢康复辅具设计影响较大的因素。通过各要素权重分析比较，发现连接结构稳定、贴合人体上肢曲面和关节角度范围设置是影响康复辅具设计的主要因素，为偏瘫患者设计了一款上肢运动功能康复辅具。