坐卧式股四头肌康复训练机器人系统设计与研究

发布时间：2021-10-16 02:39

　　膝关节功能障碍患者常常伴有不同程度的股四头肌肌力损伤,对患者的生活带来很大的不便。现有的下肢康复机器人均以关节活动度为指标,忽略了肌肉力量的作用,并且限制了膝关节的转角,最终导致康复效果不佳。针对以上问题,本文设计了一款坐卧式股四头肌康复机器人,并对股四头肌的康复策略进行了探讨,最终通过实验验证了肌肉康复的有效性。根据人体生理解剖学知识,规划出了康复机器人的运动范围,保证患者在训练过程的安全性;基于偏置曲柄滑块原理并结合股四头肌的屈伸运动规律提出了不同位姿的康复机构;基于人机工程学知识,给出了股四头肌康复机器人的总体设计方案,其中包括整体结构、驱动源选型和整体控制原理的设计方案。基于闭环矢量法建立了股四头肌康复机器人运动学方程,利用Matlab和Adams软件对康复机器人进行了运动学仿真分析验证;然后通过牛顿欧拉法建立了股四头肌康复机器人人机系统的动力学方程,并完成了相关仿真分析。基于生物力学仿真软件Anybody,通过编写程序在软件中对人体下肢蹲起运动进行了运动学和动力学的仿真分析,分析结果表明下肢屈伸运动对股四头肌的康复有着积极的作用,并进一步提出了股四头肌肌肉的康复策略。最后,搭... 

【文章来源】：燕山大学河北省

【文章页数】：86 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

坐卧式下肢康复机器人燕山大学针对下肢瘫痪的人群设计了一

燕山大学工学硕士学位论文-2-(4)康复机器人的研究使用，缓解了医患比例失调所带来的社会压力，让更多的患者得到了及时有效的康复治疗。目前，就下肢肌力康复机器人而言，国内外已取得不菲的成果，但对股四头肌的康复检测研究较少。另外，国内康复设备大多处于研发实验阶段，医疗设备多为进口，成本较高，且康复设备颇为庞大，不适合家用。针对上述问题，设计出能够惠及大众的股四头肌康复设备刻不容缓。1.2下肢康复机器人国内外研究现状随着医疗领域的快速发展，康复机器人在医疗行业中的地位越发举足轻重，其内容涵盖了康复医学、机械学、生物力学、计算机科学等多门学科[6,7]。上世纪六十年代，人们首次将机器人应用于医疗领域，但由于技术和成本的原因以失败告终，八十年代康复机器人进入初步研究阶段，其中美国、英国和加拿大的相关研究处于前沿，九十年代后我国开始步入康复机器人研究领域[8]。目前，康复机器人已广泛应用于康复医疗领域，并且相关研究也是硕果累累[9-11]。考虑到股四头肌肌力锻炼对膝关节功能障碍患者的重要性，下肢康复机器人的研究逐渐受到国内外学者的重视。1.2.1下肢康复机器人国内研究现状在康复机器人的研究领域，国内研究技术还不成熟，与发达国家仍存在一些差距，但国内相关学者通过对相关前沿知识的借鉴和吸收，在下肢肌力康复机器人的结构构型和运动控制策略上取得了一定的成果[12]。图1-1坐卧式下肢康复机器人图1-2多模式下肢康复机器人燕山大学针对下肢瘫痪的人群设计了一种坐/卧式智能化的下肢康复机器人，如图1-1所示。该机器人由一个座椅和两条三自由度机械腿组成，且大小腿均设有长度

训练或者多关节协同训练[15]。并通过实验样机验证了该机器人的基本性能，经过进一步的改善，可基本满足患者的下肢康复训练。浙江大学设计了一种下肢助力外骨骼机器人，如图1-3所示。该机器人主要包括腰部支撑机构、关节四杆机构以及足底支撑装置。穿戴者在行走过程中，带动外骨骼进行运动，机器人则通过关节处和足底的位置传感器获取穿戴者运动过程中的关节转角的变化情况和运动趋势，并进行学习记忆以复制其步行位姿，进而达到助力甚至增强穿戴者运动能力的目的[16,17]。南京理工大学研制了一种拟人化的下肢康复机器人，如图1-4所示。其结构主要由腰部机构、腿部机构和足部机构组成。基于人机工程学，腰部机构通过调节装置可在患者运动过程中最大程度地贴合人体腰部的运动轨迹，腿部机构设有圆弧滑槽使得髋关节做内外旋运动的转动中心与人体腿部中心重合。此外，为了解决外骨骼与人体由于运动过程中肌肉变形而引起的不匹配的问题，在膝关节和足部各预留了一个局部自由度[18]。最后通过仿真实验验证了下肢康复机构与患者在康复运动过程中有较高的拟合度，基本满足患者康复需求。腰部支撑髋关节膝关节踝关节足底支撑图1-3下肢助力外骨骼图1-4外骨骼整体结构图为了帮助瘫痪患者尽快恢复行走能力，香港中文大学开发出一种可穿戴的下肢外骨骼机器人，并将其命名为CUHK-EXO，如图1-5所示。该机器人主要由关节结构，交互界面和控制系统等组成，可满足患者进行日常基本活动训练。髋关节和膝


本文编号：3438988