人体平衡能力检测与康复训练设备设计与优化

发布时间：2020-08-21 19:35

【摘要】：平衡功能是人体维持正常体位及完成各项日常活动的基本保证。平衡能力的保持需要有完善的中枢神经及运动调节系统。任何层面的损伤都会造成平衡功能障碍,影响正常工作和生活,甚至失去生活自理能力。因此,为实现对人体平衡能力进行准确评估并提供相应的康复训练,需要设计开发检测与康复训练集成于一体的智能化设备。本文首先对国内外相关研究和已有产品的技术特点与性能进行分析比较。通过对临床数据进行统计分析,确定了开发产品的评估指标。在尽量减少运动耦合的设计目标下,通过适当引入虚约束结构,确定了3自由度U型悬臂式“半环抱”的机械主体结构、利用MPU6050传感器进行人体姿态数据采集的设计方案。根据总体设计方案,对机械结构中的关键部件进行理论分析与优化设计。(1)通过对支撑立柱的有限元分析,确定了立柱的结构型式和尺寸参数;(2)利用参数化建模方法,对U型臂进行建模与仿真分析,得到了U型臂几何构型和尺寸参数的优化设计结果。(3)针对回转悬臂式结构的特点,对起到关键支撑和连接作用的轴系结构进行优化设计,给出了轴承跨距、悬臂长度和外部载荷对轴承寿命的影响。在此基础上,完成虚拟样机设计。基于D-H参数法建立虚拟样机运动学模型,导出了样机的运动学正、逆解,并利用MATLAB中的robotics toolbox工具进行仿真验证。利用拉格朗日法建立虚拟样机的动力学方程,对影响系统稳定性和定位精度的惯量项和重力项进行理论分析,得到了不同工况下的计算结果,为人体平衡能力检测与康复训练设备的驱动与控制系统的设计提供依据。在完成样机设计与分析的基础上,对人体倾角姿态数据采集与处理系统进行了设计与初步实验验证。根据总体方案中的检测指标,对传感器的选型进行分析。基于LabVIEW和单片机串口通信的数据采集与处理方案,搭建倾角测量实验装置来模拟人体空间姿态,完成对相关指标的性能测试实验,验证了人体姿态数据采集方案的可行性与合理性。
【学位授予单位】：青岛大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH789
【图文】：

平衡仪,智能

较典型的有美国 Neurocom international 公司的平衡训练评估系统，以及运用重心实时检测法的德国 Dr.-Wolff 平衡测试与训练仪。图1.1所示为美国Neurocom international公司的动态平衡功能评定系统(Equitest,Smart Balance Master)，这是目前功能和技术最先进的平衡功能检测系统[9]。该系统由美国航空航天局(NASA)和美国国家卫生研究院联合支持研发，它所展示的智能平衡诊断概念已为公众所接受。由此开发出的各种高端产品已在为世界卫生组织（World Health Organization，简称 WHO）提出的伤残模型提供临床诊断的相关信息。所涉及的诊断方式主要有两类测试：感官损伤评估(Sensory Impairment Assessments)和运动损伤评估(Motor ImpairmentAssessments)。图 1.2 所示为德国 Dr.-Wolff 公司的 Balance-check 平衡测试与训练系统，该产品的主要检测装置是具有 6 个自由度（踏板可以沿 x、y、z 轴方向移动以及绕 x、y、z轴的转动）的平衡板，通过采集受测者在踏板上重心数据分析其平衡能力。这一结构可以满足受测者不同维度上的动态平衡测试和训练，恢复受伤关节的活动度和力量，协调发展大小肌群，改善本体感觉。测试和康复训练模式多样，可以根据受测者调整不同难度等级和康复训练方式。图 1.1 智能平衡仪图图 1.2 平衡检测仪国外还有一些科研机构和高等院校从事平衡检测方面的研究工作。图 1.3 所示为由法国 Patanè 团队设计研发的一款 3 自由度动态平衡评估仪—ROTOBIT3D。该设备具有绕 x、y、z 三轴的三个旋转自由度

平衡检测仪,高等院校,科研机构

典型的有美国 Neurocom international 公司的平衡训练评估系统，以及运用重心检测法的德国 Dr.-Wolff 平衡测试与训练仪。图1.1所示为美国Neurocom international公司的动态平衡功能评定系统(Equitemart Balance Master)，这是目前功能和技术最先进的平衡功能检测系统[9]。该系美国航空航天局(NASA)和美国国家卫生研究院联合支持研发，它所展示的智能诊断概念已为公众所接受。由此开发出的各种高端产品已在为世界卫生组World Health Organization，简称 WHO）提出的伤残模型提供临床诊断的相关信息涉及的诊断方式主要有两类测试：感官损伤评估(Sensory Impairment Assessmen运动损伤评估(Motor ImpairmentAssessments)。图 1.2 所示为德国 Dr.-Wolff 公司的 Balance-check 平衡测试与训练系统，该产主要检测装置是具有 6 个自由度（踏板可以沿 x、y、z 轴方向移动以及绕 x、y、的转动）的平衡板，通过采集受测者在踏板上重心数据分析其平衡能力。这一可以满足受测者不同维度上的动态平衡测试和训练，恢复受伤关节的活动度和，协调发展大小肌群，改善本体感觉。测试和康复训练模式多样，可以根据受调整不同难度等级和康复训练方式。

机器人,法国

图 1.3 3D 平衡评估机器人图 1.4 动态平衡仪表 1.1 平衡测试仪公司/科研机构国家产品名称Dr.-Wolff 德国 Balance-checkMicro Medical Tech 美国 SportKat, BalanceQuestPatanè 法国 ROTOBIT3DSynapsys 法国 SYNAPSYS platform皮埃尔和玛丽居里大学法国 IsiMoveAMTI 美国 AccuSwayPLUSAnima 日本 Korebalance2.2 国内研究现状近几年，国内的一些高等院校、科研院所以及企业陆续开始从事这方面的研究作，但由于起步较晚，很多工作尚处在研发阶段。中国人民解放军第二军医大学海军军医大学）是国内最早开展相关研究的单位。该校联合复旦大学眼耳鼻喉科[13]

【参考文献】