手功能康复外骨骼的机构设计与分析
发布时间：2020-06-29 13:33
【摘要】：人的大部分日常活动需要手的参与才能完成,因此帮助偏瘫患者改善并恢复手部运动功能是偏瘫康复的一项重要内容。针对目前国内医疗资源紧张而偏瘫患者在康复期又急需合适手部康复训练装置的问题,本课题基于连续被动运动理论(Continuous Passive Motion,CPM)、神经代偿可塑性理论和运动康复理论,设计了一种具有良好人手适应性的穿戴式手功能康复训练外骨骼。本文根据人手特点对手功能康复外骨骼进行了机构选型,并在构型基础上进行了机构优化分析、运动学及动力学仿真分析、康复系统组成分析、物理样机实验分析,验证了所研制的手功能康复外骨骼在康复训练时的有效性。首先在机构上解决了外骨骼和人手的适应性问题。通过探究手指自由运动规律,拟合出三指节运动规律函数;通过对关节闭链机构优化和选型,在避免让指节充当受力杆件的前提下,解决了转动部分瞬心投影和指节长度调整两大技术问题,达到了适应性康复训练要求;驱动部分采用了模块化设计,通过电机、健侧驱动转化形式满足了患者的个性化康复训练需求。其次通过理论和仿真分析得到了手功能康复外骨骼的理论运动参数。为方便解耦将指节机构分为闭链机构和主运动链机构两部分,使用D-H法对主运动链机构进行分析得到了空间位姿雅可比矩阵,并进行了正、逆运动学分析,又联立闭链机构得到单根手指空间运动学矩阵;进一步分析得到力雅可比矩阵并利用牛顿-欧拉法建立了动力学模型;通过Pro/E和ADAMS软件对单根机械手指进行了运动学、动力学仿真,证明了模型在理论情况下训练的安全性和有效性。再次对手功能康复外骨骼控制系统进行了模块化分析探索。将康复系统模块化为外骨骼执行模块、数据采集模块、数据处理控制模块、人机交互可视化模块;分析了各模块主要功能以及模块之间的联系,并对闭环控制策略和人机交互界面进行了简单描述和设计。最后进行了一系列物理样机实验。通过分析一代物理样机的优点及不足,总结出二代物理样机应具备的特点;为验证二代物理样机的有效性,进行了人手适应性实验、运动角度实验、指面垂直正压力实验、健侧辅助康复训练实验;实验结果证明了二代物理样机能够解决外骨骼关节瞬心投影和指节长度调节问题,并能在安全压力范围内带动手指按照预定规律运动,此外样机特有的健侧辅助康复训练模式丰富了患者的个性化康复训练需求。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH77
【图文】：
第一章 绪论1.2.1 四指协同训练式康复训练装置国内，如图 1.1 华中科技大学何际平教授科研团队研制了一款康复训练外骨骼[32]，通过四指并拢式的外骨骼机构，辅助患者手部进行康复训练，并且在设计上以电机控制器和终端单片机双向通信为前提，此外设计了额外的对应数模转换通道输出控制信号以控制八条气动肌肉。通过串口通信，整个外骨骼系统与控制终端既可以将实时数据传输给终端进行分析，又可以通过中端的输出命令，控制手功能康复外骨骼的训练参数，但是在痉挛评定分析上存在不足。同样，如图1.2 国内还有沈阳理工大学研制的康复机械手[33]，中国科学院研制的康复辅助设备[34]，上海理工大学研制的轻量型康复机械手[35]。
又可以通过中端的输出命令，控制手功能康复外骨骼的训练参数，但是在痉挛评定分析上存在不足。同样，如图1.2 国内还有沈阳理工大学研制的康复机械手[33]，中国科学院研制的康复辅助设备[34]，上海理工大学研制的轻量型康复机械手[35]。图 1.1 华中科技大学康复机械手Fig 1.1 Huazhong University of Science and Technology Rehabilitation Hand图 1.2 沈阳理工大学手部康复设备Fig 1.2 Shenyang Polytechnic University Hand Rehabilitation Equipment国外，如图 1.3 美国 KineticMuscles 公司与亚利桑那州立大学合作研制的Hand Mentor 可以让患者进行腕部和指部的恢复性动作训练[36]。该康复设备结构简单，使用方便，气动的设计让四指可以通过气垫的挤压而逐渐伸展，调节显示器上的参数可以调节充放气的间隔和极限，适合偏瘫初期患者使用。如图 1.4 已
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH77
【图文】：
第一章 绪论1.2.1 四指协同训练式康复训练装置国内，如图 1.1 华中科技大学何际平教授科研团队研制了一款康复训练外骨骼[32]，通过四指并拢式的外骨骼机构，辅助患者手部进行康复训练，并且在设计上以电机控制器和终端单片机双向通信为前提，此外设计了额外的对应数模转换通道输出控制信号以控制八条气动肌肉。通过串口通信，整个外骨骼系统与控制终端既可以将实时数据传输给终端进行分析，又可以通过中端的输出命令，控制手功能康复外骨骼的训练参数，但是在痉挛评定分析上存在不足。同样，如图1.2 国内还有沈阳理工大学研制的康复机械手[33]，中国科学院研制的康复辅助设备[34]，上海理工大学研制的轻量型康复机械手[35]。
又可以通过中端的输出命令，控制手功能康复外骨骼的训练参数，但是在痉挛评定分析上存在不足。同样，如图1.2 国内还有沈阳理工大学研制的康复机械手[33]，中国科学院研制的康复辅助设备[34]，上海理工大学研制的轻量型康复机械手[35]。图 1.1 华中科技大学康复机械手Fig 1.1 Huazhong University of Science and Technology Rehabilitation Hand图 1.2 沈阳理工大学手部康复设备Fig 1.2 Shenyang Polytechnic University Hand Rehabilitation Equipment国外，如图 1.3 美国 KineticMuscles 公司与亚利桑那州立大学合作研制的Hand Mentor 可以让患者进行腕部和指部的恢复性动作训练[36]。该康复设备结构简单，使用方便，气动的设计让四指可以通过气垫的挤压而逐渐伸展，调节显示器上的参数可以调节充放气的间隔和极限，适合偏瘫初期患者使用。如图 1.4 已
【参考文献】
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1 李光林;郑悦;吴新宇;胡颖;方鹏;熊t
本文编号：2733929
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