下肢康复训练机器人步态规划及运动学仿真

为满足神经受损患者步行康复训练需要,设计了一种具有四自由度步态机构的下肢康复训练机器人,建立了步态机构正逆运动学解析模型;为使机器人能模拟不同步态为患者提供多种训练模式,根据步行运动特征,给出了以步长,步态周期及步态时相为参数的可调步态规划方法.通过基于Matlab＼Simulink＼SiMMechanics环境下的机构运动学仿真分析,验证了运动学模型的正确性以及步态规划的可行性,说明该四自由度步态训练机器人可以模拟正常人步行时的步态和脚踝运动姿态,满足患者步态训练需要.仿真结果还可用于步态机构的参数优化设计,并为后续人机控制系统研究提供必要数据和研究基础.     

立卧两用电动轮椅车的设计

在研究坐姿对身体产生的不利影响的基础上,突破传统轮椅的功能和结构,提出了一种可实现站立及仰卧姿态的电动轮椅车的设计方案,阐明了轮椅机构的工作原理,并对站立机构进行了运动分析．在UG／Motion Simulation模块中建立了轮椅虚拟样机,并进行了运动仿真,结果验证了轮椅机构的合理性．     

面向脊髓损伤早期康复的虚拟现实训练环境

针对脊髓损伤患者的早期康复训练急需有效康复训练手段,研究了虚拟现实和康复机器人相结合的脊髓损伤早期康复训练方法,制定了康复训练模式.在分析人体运动与肌肉训练对应关系的基础上,以六自由度并联平台为基本框架,设计了八自由度混联康复机器人.同时构建了虚拟现实康复训练场景,并建立了其与机器人的通信机制,使机器人动作与虚拟场景变化保持同步,实现了患者、机器人与虚拟场景之间的实时交互.最后对整个系统进行了运动测试,机器人系统与虚拟场景在各模式下能协调工作.     

一种步行机器人举重运动的步态规划

提出了类人机器人的一种举重运动生成方法,并在此基础上设计了一组举重的姿态,利用机器人的全身运动使举重变得轻松。该方法让机器人执行一个基本运动来产生即刻传到重物上的冲力,使机器人能举起在持续力作用下举不起的物体,但冲力可能导致机器人站立不稳。基于此,本文进一步给出了类人机器人的支撑面内质心投影的计算方法,为机器人动态控制提供依据,实验证明了该方法的有效性。     

康复机器人辅助站立人体质心动量测试及模拟

为了分析康复机器人辅助站立过程中人体质心动量的变化规律,使用所建模型对机器人辅助站立过程中人体质心轨迹、线性动量和角动量进行了测试。依据拉格朗日方程推导人体质心动量数学模型,并利用辅助平行四边形法确定质心位置。分别对慢速、常速和快速辅助站立时,人体质心轨迹、线性动量及角动量进行了测试,利用所推导数学模型,在Matlab/Simulink中建模并对人体质心动量和轨迹进行了模拟。结果表明:当采用不同辅助站立速度时,康复机器人仍能保持人体平稳地完成站立。通过分析质心水平和垂直动量得出:水平动量是站立稳定性的决定因素,而垂直动量是完成竖直站立的决定因素。模拟值与测试值重合度较好,表明所建模型可实现对质心位置和动量的有效预测,为分析辅助站立的稳定性和康复训练奠定了基础。     

4自由度上肢康复机器人结构设计与仿真分析

设计了一种4自由度外骨骼康复训练机器人,改善了当前康复机器人运动关节单一、康复训练空间有限的缺陷。参照人体上肢尺寸标准,应用SolidWorks绘制了机器人三维模型,根据DH法对机器人建立正向运动学模型,通过Matlab验证了模型的正确性。通过Adams对模型进行运动学仿真,验证了结构在不发生干涉的条件下能够实现多关节复合康复训练运动。同时对机器人工作空间进行仿真分析,验证了机器人工作空间与人体上肢的日常活动空间是相匹配的,能够满足患者上肢康复训练的要求,应用Matlab对抬臂屈肘康复运动进行轨迹规划,验证了整个康复运动平稳合理。     

WAM机器人辅助上肢康复训练技术应用研究

运用WAM机器人辅助偏瘫上肢进行康复训练,从机器人运动参数和传统医学评估方法两方面分析验证康复训练的有效性.基于WAM机器人搭建实验平台,设计"十"字和"米"字康复训练方式,添加趣味性游戏,招募上肢偏瘫患者跟踪进行康复训练与评估.采集WAM机器人的轨迹和转矩信息,分析康复训练前后轨迹跟踪误差和转矩变化,评价患肢的运动功...     

基于Kinect的机器人辅助上肢被动康复训练控制方法

现有基于Kinect构建的康复训练系统,大多以患者自行开展主动康复训练为主,未能充分利用康复医师的临床经验且很少用于机器人辅助康复训练系统,具有一定的局限.针对此问题,提出一种基于Kinect的机器人辅助上肢被动康复训练方法.首先,开展基于Kinect的上肢骨骼点跟踪与逆运动学计算;其次,基于Linux/QT及Kinect设计三维虚拟康复训练环境;再次,在康复医师示教训练任务并通过Kinect获取示教任务参考轨迹基础上,根据训练过程中Kinect实时捕获的患肢运动位置反馈,设计基于模糊推理的机器人辅助被动康复训练控制器;最后,基于Kinect及Barrett公司4自由度WAM~(TM)康复机器人构建试验统平台,对方法有效性进行试验验证.实验结果表明,所提方法能有效利用医师的临床康复经验,并使机器人较平稳地牵引受试者上肢沿示教任务轨迹进行训练,较好地实现了"医师—机器人—患者"之间的人机协同康复训练.     

基于下肢动力学检测分析的站起康复训练机器人控制

提出了人体站起轨迹控制方法(TCM)和阻尼控制方法(ICM)。采用这两种控制方法可以实现对机器人系统的控制,使患者能安全、有效地进行下肢站起运动康复训练。在患者站起过程中,下肢各肢段旋转角、身体运动轨迹、地面反力(GRF)、压力中心(COP)和绳索张力等参数可由康复机器人系统中的相应传感器实时检测得出,并通过实时运算得出髋、膝、踝各关节力矩,用于反馈控制。试验结果表明,该方法可以保证患者实现安全、舒适、有效的站起训练,适用于站起康复训练机器人控制系统。     

基于单片机的上下肢康复训练机器人

介绍了一种基于单片机的上下肢训练机器人.首先介绍了它的机械设计和控制系统设计.上下肢康复训练机器人由SSU7301单片机控制直流电机系统,由C8051F320单片机负责与上位机的USB通信部分,两部分之间通过串口通信.它可在一台康复训练机器人上实现上、下肢的康复训练,并有被动模式和主动模式2种训练方式,主、被动模式能实...     

基于多层脑功能网络特征的动作意图识别

基于脑电信号完成对步态特征的解码分析并就动作意图做出可靠识别和预测,是基于脑机接口的人机混合康复训练系统和智能助行机器人中的核心问题。为实现对站立、坐下以及静止状态这些最基本步态过程的分类识别,提出了基于多层脑功能网络分析的特征表示方法,结合对各类脑功能网络特征的统计分析,确定对不同动作敏感的网络特征量,并结合支持向量机、线性判别分析、逻辑回归以及朴素贝叶斯算法完成对不同动作过程的分类识别。实验结果表明,所提出的方法可较好地实现对上述动作意图的识别,针对13名被试者对站立、坐下和静止状态的识别准确率均高于71%,最高达到77%。对多层动态脑功能网络的分析结果表明,下肢运动过程的发生会弱化脑区间的相互依赖关系,导致网络拓扑连接结构变得逐渐稀疏。研究结果对理解下肢运动过程中大脑认知过程变化,开展基于脑机接口的下肢康复策略研究和康复系统开发具有一定的参考价值。     

外骨骼式上肢康复机器人及其控制方法研究

提出了一种融合单、多关节及日常生活功能行动作训练的5自由度外骨骼式偏瘫上肢康复机器人系统.根据偏瘫患者上肢单侧受损的特点,提取偏瘫患者的健侧肢体运动的表面肌电信号用于驱动康复机器人辅助患者患侧肢体实现康复训练动作.采用肌电绝对值积分和自回归参数模型法对上肢运动中参与动作的4块肌肉产生的sEMG信号分别进行特征提取,并分别作为基于Levenberg-Marquardt算法的反向传播神经网络的输入,6个上肢运动作为输出建立表面肌电信号与上肢康复动作之间的关系.试验结果表明该方法利用sEMG准确地完成了对上肢康复动作的识别.该方法有利于提高中枢神经系统紧张度,促进血液循环,在康复的同时防止并发症的产生,更有利于提高患者运动积极性,保持患者正确运动的感觉.     

手臂康复机器人阻抗控制实验研究

手臂康复机器人是一种用于因偏瘫、外伤等造成手臂运动障碍患者的辅助康复训练机器人,考虑到患者训练的安全性和舒适性,需要机器人有一定的柔顺性.对此,在控制模型中引入阻抗控制.建立并分析了手臂肌力训练模式目标阻抗控制模型,在此基础上进行了简化.建立了基于dSPACE实时仿真平台的半物理仿真实验系统,以回转关节为例,给出了不同控制参数下的力与关节角度曲线,分析了控制参数对控制效果的影响,结果表明控制模型的可行性和有效性.     

基于CATIA环境下的下肢康复器械系统评估

以一款下肢康复器械为例,调整人体模型各关节角度,模拟人体在使用下肢康复器械过程中的姿态,运用CATIA软件强大的人机分析模块,对人体使用康复器械进行系统评估,得出康复器械设计的优化数据,对未来的下肢康复器械设计起到更好的指导作用.     

上肢康复外骨骼机器人控制方法进展研究

上肢康复外骨骼机器人主要用于为上肢运动功能障碍患者提供科学有效的康复训练,以实现患肢运动功能恢复及日常生活自理。该文从控制策略的角度综述了近年来上肢康复外骨骼机器人的研究进展。首先,从不同时期的康复治疗需求的角度出发,对已有的控制策略进行主动、被动控制分类,并对不同的控制方法进行概述,分析了各控制方法的当前研究现状。最后,对上肢康复外骨骼机器人发展中一些关键的挑战进行讨论并展望了未来的研究方向。     

上肢康复训练轨迹定制优化及柔顺跟踪控制

卒中后早期的被动康复训练可以促进患者脑神经重塑甚至重获肢体运动能力。针对多数上肢康复机器人将参数化规则曲线作为被动训练的轨迹,没能融合康复医师的经验及患者的个体特征,或者缺乏三维个性轨迹的光滑优化以及训练过程中的安全柔顺交互的问题。本文基于新型末端牵引式3自由度上肢康复机器人开展轨迹个性化定制优化以及跟踪控制研究。首先,在笛卡尔空间应用导纳算法及力补偿策略实现理疗师对轨迹的定制。然后,用道格拉斯-普克法压缩原始轨迹数据得到型值点,保留初始轨迹的拓扑形状。用非均匀有理B样条曲线(NURBS)进行插值,并融合动态切换概率和t变异改进蝴蝶优化算法(BOA)优化拟合的轨迹。最后,设计基于RBF网络的滑模自适应以及速度前馈加PID的控制策略实现末端轨迹跟踪,并增加导纳-阻抗控制形成基于力阈值的多模式柔顺跟踪控制,保证较大人机交互力时的安全。结果表明定制机器人末端轨迹的拖动力在5N以内;改进的BOA算法具有更高的收敛速度和精度,优化的轨迹曲率和更小;轨迹跟踪控制策略可以将跟踪误差控制在6mm内;模式切换在0.3s内响应并顺应较大交互力而提高训练的安全性。     

床式步态康复训练系统机构设计

针对现有床式步态康复训练机器人使用不便、成本高昂的问题,提出模块化的床式步态康复训练系统. 包括倾角可调的床体模块、腿部运动辅助机构模块和足底支撑机构模块,模块化设计可以提高其使用方便性,降低制造和使用成本. 为了实现正常的行走步态,腿部运动辅助机构模块采用凸轮-连杆机构模拟大腿和小腿的运动. 建立腿部运动辅助机构的人机耦合模型,并对其进行运动学分析,得到机构与人体下肢的运动学关系,将其作为参数优化和结构设计的基础. 利用MATLAB,以机构对患者个体差异的适应性为目标,对模型中的各参数进行优化,得到一组机构参数的最优解. 实验结果表明,不同身高的实验者髋关节测量角度与标准角度的最大误差不超过5.2°,膝关节最大误差不超过6.7°,验证了机构对实验者个体差异的适应性和使用此系统进行康复训练的可行性.     

面向髓内钉闭合穿钉手术的机器人系统

为了辅助医生完成髓内钉闭合穿钉手术,实现在医生直接控制下的微创骨科手术,研制了由机器人子系统、导航子系统、遥操作子系统和手术仿真子系统组成的机器人辅助髓内钉闭合穿钉手术系统。该手术系统可以在X光图像的引导下,完成断骨牵引复位和髓内钉远端锁定操作,从而提高复位的效果,降低医生的工作强度。同时系统的遥操作功能使医生在非手术地点可遥控系统完成一系列的手术操作,减少医生在X射线下的暴露时间。实验表明,机器人手术系统满足手术要求,可以准确完成手术动作。