上肢主动训练康复机器人设计与研究

随着脑卒中患者的增加,康复机器人成为患者康复训练的主要途径,其比康复师更加适合重复运动训练。康复机器人可有效降低康复治疗师的工作压力。主动训练作为康复机器人的主要特点,比简单的被动训练更加有效。介绍了上肢康复机器人2自由度主动训练控制方法,实现了患者肩关节和肘关节的康复训练。基于阻抗控制建立了康复机器人控制器,并将主动训练与虚拟现实相结合,可控制实际反作用力和目标反作用力的平均误差X轴为1.41×0.79 N,Y轴为1.22×0.91N。     

基于屏障 Lyapunov 函数的上肢康复机器人 自适应主动交互训练控制

针对上肢运动功能障碍患者进行辅助康复训练,搭建了一套上肢康复外骨骼机器人系统,并提出一种基于屏障Lyapunov函数的增广神经网络自适应导纳控制策略。首先,介绍了上肢康复外骨骼的机械机构及其控制系统。然后,推演了控制器的设计过程并进行了Lyapunov稳定性证明。最后,分别进行了不同控制内环的轨迹跟踪被动训练实验和不同导纳参数下基于人机交互力的主动交互训练实验,同时分析比对了主动训练时的人机交互力与轨迹偏差的变化关系。被动训练实验结果证明了增广神经网络对人机模型动力学的逼近效果,其轨迹跟踪峰值误差为模糊PID控制器的53%。主动交互训练实验证明了通过调整导纳参数可实现在相同训练任务下不同强度的康复训练以匹配不同康复阶段下的患者。     

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。     

上肢康复机器人发展现状的分析与研究

首先对上肢康复机器人的现状及发展进行了阐述,分析了当前康复机器人系统所存在的不足,并结合临床康复医学理论及临床康复经验对上肢康复机器人的结构、训练模式、评价方法及应用细节提出了建议.在此基础上提出了一种应用于偏瘫患者康复训练的外骨骼式上肢康复训练机器人,针对现有不足及提出的建议对该机器人进行了设计与实现.     

基于足底力反馈的踝关节主被动康复策略

踝关节机能损伤人群数量增长与康复医师紧缺是现阶段面临的一个重要社会问题,为此,基于一款2-SPU/RR踝关节康复机器人提出一种主被动结合的辅助康复策略。首先建立虚拟样机模型和对应的结构简图,进行运动学分析,求解了机器人的工作空间,结果表明该机器人能够满足踝关节跖屈-背屈和内翻-外翻复合运动需求。然后针对目前康复机器人主要研究内容为被动康复问题,未能根据患者脚踝实际损伤情况进行康复,提出一种踝关节机器人主被动康复结合的方法。先预设康复运动轨迹,基于足底压力数据和力感知算法获得患者的运动意图,通过软硬件控制系统实现机器人主动跟随,同时将运动轨迹进行记录和数据化。最后对描迹轨迹进行优化,根据优化轨迹使用5段S型加减速控制方式进行定制化被动康复。主被动康复系统实现了机器人跟随控制与患者主动行为感知的结合,有助医师对踝关节机能损伤患者的诊断与治疗。     

上肢康复机器人建模与力反馈控制策略实验研究CSCD

为改善患者在使用上肢康复机器人过程中的人机交互感,提升康复训练中人的体验感,在经典控制策略中加入力反馈环节。建立基于力反馈控制算法的上肢康复机器人控制模型。基于Simulink对力反馈控制算法进行仿真,获取实验结果并进行验证分析。通过仿真实验能够得出力反馈控制算法的有效性,并利用上肢康复机器人进行实验验证。实验结果表明该力反馈控制模型的有效性患者主动参与康复训练的目的。     

上肢康复机器人建模与力反馈控制策略实验研究

为改善患者在使用上肢康复机器人过程中的人机交互感,提升康复训练中人的体验感,在经典控制策略中加入力反馈环节。建立基于力反馈控制算法的上肢康复机器人控制模型。基于Simulink对力反馈控制算法进行仿真,获取实验结果并进行验证分析。通过仿真实验能够得出力反馈控制算法的有效性,并利用上肢康复机器人进行实验验证。实验结果表明该力反馈控制模型的有效性患者主动参与康复训练的目的。     

两肢通用型上肢康复机器人系统设计与研究

随脑卒中等上肢运动功能障碍患者逐渐增多，上肢康复机器人的应用越来越广泛。针对现有上肢康复机器人存在质量较大、结构不紧凑、人机融合性差、移动不便以及仅适用于单侧肢体康复等问题，设计了一种满足左右两肢康复的通用型外骨骼上肢康复机器人。首先对上肢康复机器人整体结构采用SOLIDWORKS进行建模；其次围绕上肢康复机器人控制系统，阐述了机器人基于CAN总线的软硬件系统开发；最后，为验证设计的准确性，使用ADAMS进行了运动学和动力学仿真，加工出实物样机，进行多种模式的康复训练实验。实验结果表明：所设计上肢康复机器人可满足患者康复训练需求。     

上肢康复机器人的研究

以人体上肢的生理结构为依据,设计了一个5自由度的上肢康复机器人,实现肩关节内收外展、前屈后伸及内旋外旋,肘关节前屈后伸,前臂旋前旋后的运动。同时引入一个被动自由度从而保证机器人与用户关节的对齐,增加了运动范围。按照人体尺寸标准,采用Creo绘制了机械臂的三维模型,并通过ADAMS软件进行运动学仿真,验证了结构的可行性。     

上肢康复机器人关键技术研究进展

上肢运动功能的丧失或减弱严重降低患者生活质量,机器人助力康复训练技术能有效地促进患者上肢运动功能的恢复.本文对上肢康复机器人现状进行了文献追踪研究,将上肢康复机器人分为外骨骼式和末端牵引式两大类,并围绕各自的结构、驱动形式、人机交互性、控制策略、训练模式、适用关节等多项技术进行总结对比,提出了上肢康复机器人在医、工结合中存在的关键问题和技术方案,并讨论了上肢康复机器人的技术发展趋势,可为相关研究提供方向借鉴.     

基于虚拟现实手臂外骨骼康复系统的研究

将虚拟现实和外骨骼技术引入到肢体的康复工程，根据康复医学的运动疗法和作业疗法，为上肢残疾患者研制出手臂外骨骼康复系统，实现了手臂的运动控制，并构建了虚拟环境仿真平台。借助于触觉感知接口的力反馈作用可以使患者感觉到手臂受到的作用力。提出手臂功能康复测评方法，并建立患者康复病案数据库。手臂外骨骼康复系统为患者提供有效的肢体功能恢复的工具。     

多模式柔顺膝关节康复器设计及力分析

研究开发了一种多模式柔顺膝关节康复器,提出了无杆气缸+气动柔性驱动器的复合驱动技术,保证了对膝关节康复训练柔顺性和大行程的要求.设计了康复器的结构和控制系统的软、硬件,并对康复器的驱动力进行了分析.所研发的康复器可实现膝关节主动、被动等多种模式的康复训练.     

A clinically feasible kinematic assessment method of upper extremity motor function impairment after stroke

The development of feasible kinematic assessment methods of upper extremity motor function impairment after stroke is clinically extremely important in physiotherapy and rehabilitation engineering. Microsoft Kinect has a potential of a low-cost and compact solution for clinical based assessment of the upper limb motor function after stroke. However, the reliability of Microsoft Kinect in the upper limb motor function assessment has not been well established. Therefore, there is a hesitation in usage of Microsoft Kinect for clinical applications. It is expected that any measurement procedure has the capability to differentiate between pathological and normal performance. On the other hand, the identification of the kinematic metrics that best evaluate impairment of upper-extremity motor function is a key problem of any measurement protocol. Primary objective of our study is, by differentiating pathological performance from the healthy performance and identifying the kinematic metrics that best evaluate the impairment, to demonstrate the robustness/usability of Microsoft Kinect in kinematic analysis of motor performance of stroke patients. We compared the kinematic metrics of the forward reaching movement obtained data recorded from Microsoft Kinect between three stroke patients and two healthy subjects based on the Principal Component Analysis (PCA). In the study, we have defined a new inter-joint coordination index (IJCI) based on PCA to capture inter-joint coordination dynamic of reaching movement in addition to other metrics those have been previously defined and used in literature to quantify upper limb impairment. We observed that the IJCI has significant importance to detect impairment of upper-extremity motor function during a forward reaching task and to discriminate stroke patients from healthy controls.We hope that this paper will promote the acceptance of objective kinematic analysis into routine rehabilitation practices.     

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。     

功能性电刺激对运动想象皮层活动的影响研究

脑卒中是现代社会运动功能障碍的首要诱因。针对传统被动强化肢体运动康复训练手段单一及训练策略缺乏客观评价参数指导等关键问题,设计了右上肢运动想象融合不同强度功能性电刺激(阈上与阈下及无刺激)的实验任务范式,17名年轻健康右利手被试参与各项任务实验。脑电时频特征及统计学结果显示:刺激与无刺激模式间C3/C4导联α频带能量及CPz导联β频带能量存在显著性统计差异;阈上刺激与阈下刺激α频带能量仅在辅助运动皮层存在显著的激活差异。以上结果初步可证实,MI结合FES的康复训练模式更有助于激活运动皮层;可推论出FES作用能够强化包括辅助和初级运动皮层、感觉运动皮层在内的α节律及感觉运动皮层的β节律皮层神经活动。     

Pneumatic interactive gait rehabilitation orthosis: design and preliminary testing

Motor rehabilitation techniques based on passive movement of the lower limbs have been developed over the past 15 years. Gait training automation is the latest innovation in these techniques. This paper describes the design and development of a pneumatic interactive gait rehabilitation orthosis (PIGRO), as well as the first experimental results obtained with healthy subjects. PIGRO consists of a modular and size-adaptable exoskeleton, pneumatic actuation systems for the six actuated degrees of freedom (DoF), and a control unit. The foot orthosis and ankle actuation can be removed and/or replaced with orthopaedic shoes so as to permit gait rehabilitation while advancing between parallel bars with ground contact and partial body weight support (i.e. not walking in place). Control logic provides closed-loop position control independently on each joint, with position feedback for each joint in real time. Imposed curves are physiological joint angles: it is also possible to choose between activating one or both legs and to modify curves to obtain different gait patterns if required. The paper concludes with a presentation of experimental results for the device's performance.     

气动助力医疗康复技术的现状及发展趋势

随着人民生活质量的提高和卫生健康事业的进步,气动助力医疗康复技术在康复工程中已展现了独特的优势和广阔的应用前景.从气动助力医疗康复的医学需求和技术需求出发,分析了高柔顺性气动驱动器的设计要求和主要结构型式,阐述了气动助力医疗康复系统由研究单一功能康复锻炼动作到实现较复杂康复训练要求的发展历程和现状,展望了该技术向生机电气一体化、主从训练技术、远程操作和网络服务等方向发展的若干趋势.     

下肢康复训练机器人虚拟环境设计

综述了目前国内外康复业的发展,介绍了下肢康复训练原理,阐述了虚拟现实技术及其在现代医学中的应用,分析了虚拟现实技术在康复医学的重要意义。最后针对下肢康复训练机器人,制作了一套以vrml为基础的康复虚拟环境。     

空气主动悬架模糊控制仿真与实验研究

建立了1/4车体二自由度的空气主动悬架模型,设计了用于该主动空气悬架的模糊控制器,应用Matlab/Simulink控制系统仿真软件,对1/4汽车空气主动悬架模型进行计算机仿真。仿真结果表明具有此模糊控制器的空气主动悬架在提高车辆乘坐的舒适性和操纵的稳定性方面明显优于空气被动悬架。在此基础上,设计了空气主动悬架台架实验,进行了空气被动悬架与空气主动悬架的台架对比实验。由实验结果可以看出,与空气被动悬架相比,空气主动悬架能有效改善车辆性能,与仿真研究结果具有一致性。