单侧下肢外骨骼系统设计与开发

发布时间：2020-11-05 16:26

　　 随着人口老龄化的加剧,脑卒中和骨关节疾病发病率的增高,针对下肢运动功能障碍患者的康复训练外骨骼得到了越来越多的关注。偏瘫及下肢骨关节炎主要表现为患肢运动障碍和站立困难。目前主要由护理师指导患者完成日常康复训练。康复外骨骼可以用来辅助理疗师对患者进行康复训练,减少康复所需的人工成本,同时外骨骼还能对个体差异性进行适应。下肢康复训练过程中,不仅可以帮助患者进行减重步态训练,减轻患者疼痛,还可以提高重复率和训练时长。本文设计了一套单侧下肢外骨骼系统,通过测量的健肢运动信息预测患肢步态轨迹,从而指导外骨骼辅助患肢运动,同时设计的外骨骼还能减轻患者在步态训练过程中的关节力。通过对人体下肢运动机理的研究,针对单侧肢体运动障碍的偏瘫患者设计了一种用于患肢步态训练的主动型内侧下肢外骨骼机构。以人体左右运动相似性为理论基础,提出了“健肢教患肢”的控制策略;开发了一套基于惯性传感器的实时步态测量系统以获得健肢实时步态数据;提出了一种基于神经网络的步态分相方法,利用足底压力与模糊分相方法得到的相位数据进行离线训练得到神经网络模型,通过实时测量健肢关节角度数据实现对患肢轨迹的实时预测。以外骨骼机械机构为平台搭建了基于嵌入式控制器的伺服驱动控制系统将控制策略具现,该系统基于步态分相模型得到的患肢预测轨迹,通过串级PID控制电机驱动外骨骼完成“健肢教患肢”控制,实现了利用健肢的运动信息指导外骨骼辅助患肢步态运动的功能。最后,基于设计的外骨骼原型系统进行了患肢在线跟踪实验和减重步态实验来验证外骨骼系统的功能,实验结果验证了“健肢教患肢”的可行性,外骨骼的减重效果。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP242
【部分图文】：

骨骼机器人又根据其作用范围不同可以分为全下肢助力外骨骼和关节下肢助力骼；康复外骨骼[15]可对功能障碍患者进行运动辅助和康复治疗。康复训练外骨骼神经康复治疗，智能化感知和控制以及人体工程学，通过系统的分析和研究，提能治疗方面的临床康复效果。根据其工作方式的不同，康复外骨骼可分成固定式外骨骼和移动式康复外骨骼，而移动式康复外骨骼又有全下肢和部分下肢康复骼之分。1） 固定式康复外骨骼下肢康复机器人 Lokomat[16]是由 Hocoma 医疗器械公司研究和开发生产的康练设备。这款固定式康复训练外骨骼主要由智能化的步态矫正器、舒适的体重支统和可调节的跑台组成（如图 1.1 所示）。Lokomat 机器人会根据患者使用机器行为，耐力，人机交互和运动时间等方面对患者进行评估，为患者智能化制定一合患者的康复治疗方案。即：机器人会对患者的运动方式和运动轨迹进行观察[17照患者的运动范式为患者提供辅助，这样机器人就可以根据不同人群的不同特节训练参数，适应不同患者[18][19]。并且已经收到了最广泛的临床评估[20][21][22]

图 1.2.LOPES 康复外骨骼ALEX[25]是一种具有 12 个主动自由度的双腿外骨骼。这台高度集成的多功能设备，可以用于测试步态训练中人体的各种机能参数，以确定如何最好地提供康复效果。ALEX 的基本特征之一是能够根据脚的轨迹误差来控制脚部的力量[26]。 目前研究者使用 ALEX III[27]进行了各种研究，以探究使用力反馈、视觉反馈和音频反馈的组合来对人类受试者进行步态训练的可行性[28]（如图 1.3 所示）。

图 1.2.LOPES 康复外骨骼ALEX[25]是一种具有 12 个主动自由度的双腿外骨骼。这台高度集成的多功能设备，可以用于测试步态训练中人体的各种机能参数，以确定如何最好地提供康复效果。ALEX 的基本特征之一是能够根据脚的轨迹误差来控制脚部的力量[26]。 目前研究者使用 ALEX III[27]进行了各种研究，以探究使用力反馈、视觉反馈和音频反馈的组合来对人类受试者进行步态训练的可行性[28]（如图 1.3 所示）。
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本文编号：2871888