基于运动耦合的床式步态康复训练系统研究

  由于脑血管病和脊髓损伤等原因造成的下肢运动障碍患者的数量是非常庞大的。康复医学基础理论表明,重复性的康复训练运动,能够促进人体神经系统的重塑,有助于人体运动功能的恢复。使用专业的康复机器人可以加快康复治疗的进程,提升康复治疗的效果。目前出现的床式康复机器人,如瑞士的Erigo,结构简单,驱动电机数量较少,成本较低,但只能进行简单的踏步训练动作,无法准确模拟正常人行走时的步态。相对的,有些外骨骼式康复机器人,如Lokomat,能够准确模拟正常人行走时的步态,其每个关节单独驱动,用到的电机数量较多,经济性差且控制较复杂。针对现有的康复机器人存在的问题,本文提出了一种基于运动耦合的床式步态康复训练系统。为了降低制造成本,提高其使用的方便性,该系统采用模块化的设计,各模块的运动共用一个电机驱动;步态训练机构采用凸轮-连杆生成精确的关节运动曲线,结构简单并且能够模拟出正常人行走时的步态;床体倾角可调,使其能够满足不同阶段的康复训练需求。本课题具体做了如下的研究:（1）介绍了人体下肢生理结构与运动特征,为确定床式步态康复训练系统的结构和运动参数提供依据。分析了髋、膝、踝关节之间的运动耦合关系,分析结果表明,行走步态膝关节与踝关节角度均可以由髋关节角度和角速度唯一确定。在此基础上分析了关节的运动与大腿、小腿、足部之间的运动耦合关系,分析结果表明,在行走过程中,大腿、小腿、足部的任一点的位置均可以由髋关节角度和角速度唯一确定。这样的耦合关系将为床式步态康复训练系统的设计提供理论依据。（2）对床式步态康复训练系统整体构型进行分析,确定了床式步态康复训练系统的整体组成。基于第二章行走步态关节运动耦合关系分析的结果,制定了步态训练机构的设计方案,建立了腿部运动辅助机构的人机耦合模型,探讨模型中髋关节角度、角速度与机构运动的关系,以此为基础设计腿部运动辅助机构的结构参数。基于足部运动与髋关节角度、角速度的耦合关系设计了足底支撑机构的结构参数。依据正常人行走时的运动耦合规律计算了各机构间的传动比,据此进行了传动系统的设计。最后建立床体运动学模型并进行运动和受力分析,为床体结构设计提供指导。（3）基于康复训练系统在动力学方面对患者个体差异的适应性,对腿部运动辅助机构做了动力学仿真,得到该机构正常运动所需的最大驱动力矩为62Nm,此结果为驱动系统的设计选型提供了参考。为了评价机构在运动学方面对患者个体差异的适应性,给出了评价的方法,并利用MATLAB的lsqcurvefit函数对腿部运动辅助机构的结构参数进行了优化,确定了一组机构参数的最优值,为腿部运动辅助机构的结构设计提供理论依据。（4）进行了床式步态康复训练实验系统的搭建,开展了系统的调试实验,在确认系统运行状态良好的情况下进行了载人的康复训练实验。实验结果表明,对于不同身高的实验者,此床式步态康复训练系统在不同的倾斜状态下都可以模拟正常人的行走步态,且在不同状态下实验所得的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5.5°,膝关节最大误差不超过6.7°。实验证明,使用此系统进行康复训练是可行的。

 

苏州大学江苏省

 

页数：88

 

【学位级别】：硕士

 

文章目录

摘要

abstract

第一章 绪论

    1.1 课题背景和研究意义

    1.2 下肢康复训练的生理学原理

    1.3 国内外对康复机器人的研究现状及分析

        1.3.1 减重训练式步态康复机器人

        1.3.2 助行式康复机器人

        1.3.3 床式步态康复训练机器人

        1.3.4 研究现状分析

    1.4 本课题研究内容

    1.5 本章小结

第二章 人体行走生物力学与下肢运动耦合关系分析

    2.1 人体下肢生理结构

        2.1.1 人体基本平面与基准轴的定义

        2.1.2 人体下肢结构与运动特征

        2.1.3 人体下肢基本参数

    2.2 行走步态运动学分析

        2.2.1 行走步态理论分析

        2.2.2 行走步态关节运动信息

    2.3 行走步态关节运动耦合关系分析

        2.3.1 关节之间的运动耦合关系分析

        2.3.2 关节与大腿、小腿和足部的运动耦合关系分析

    2.4 本章小结

第三章 基于运动耦合的床式步态康复训练系统机构设计

    3.1 床式步态康复训练系统构型分析与综合

    3.2 基于运动耦合的步态训练机构参数设计

        3.2.1 腿部运动辅助机构的设计

        3.2.2 足底支撑机构的设计

        3.2.3 基于运动耦合的传动系统设计

    3.3 床体的建模分析及机构设计

        3.3.1 床体设计方案

        3.3.2 床体运动学分析

        3.3.3 床体受力分析

    3.4 本章小结

第四章 面向个体差异的康复训练系统动力学仿真与结构参数优化

    4.1 下肢生理结构个体差异的数学描述

    4.2 人机耦合建模与动力学仿真

        4.2.1 建立人机耦合三维模型

        4.2.2 腿部运动辅助机构的动力学仿真

    4.3 康复训练系统结构参数优化

        4.3.1 面向个体差异的机构评价方法研究

        4.3.2 机构参数优化

    4.4 本章小结

第五章 床式步态康复训练系统实验研究

    5.1 实验系统的搭建

        5.1.1 床式步态康复训练系统机械本体搭建

        5.1.2 元器件选型

        5.1.3 实验系统传感器介绍

    5.2 实验研究

        5.2.1 调试实验

        5.2.2 运动学分析结果验证

        5.2.3 不同倾斜状态下的康复训练实验

        5.2.4 不同速度下的康复训练实验

    5.3 本章小结

第六章 总结与展望

    6.1 总结

    6.2 展望

参考文献

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文

致谢

 

参考文献

 

期刊论文

 

[1]低温热塑板在踝关节僵硬康复治疗的临床应用[J]. 吴金玲,石秀秀,杜宁,唐金树.  北京医学. 2020(01)

[2]脑卒中后神经可塑性相关信号通路的研究进展[J]. 袁娅金,张桂仙,冉利,周宁娜.  中华老年心脑血管病杂志. 2020(01)

[3]海马突触可塑性与神经系统相关疾病关系的研究进展[J]. 王珏,吴俞莹,张新化.  神经解剖学杂志. 2019(05)

[4]早期综合康复治疗对急性脑卒中患者功能重建的影响[J]. 符春生.  中国当代医药. 2019(22)

[5]下肢外骨骼康复机器人在脑卒中康复中的应用研究[J]. 王静,陆蓉蓉,白玉龙.  上海电气技术. 2019(01)

[6]上海脊髓损伤者“中途之家”机构康复训练效果初步评价[J]. 解海霞,苌凤水,沈雪韵,张琪,孙梅,沈沉,吴爱荣,虞慧炯,张佳,杨玉慧,胡龙军,陈刚,李程跃,吕军.  中国康复医学杂志. 2018(09)

[7]综合康复疗法及神经康复治疗仪改善脑卒中吞咽障碍的观察[J]. 龚林燕,张郁澜,宋玲,陈路佳.  中国老年保健医学. 2017(02)

[8]下肢康复训练机器人关键技术的研究进展[J]. 郭冰菁,韩建海,李向攀,刘延斌,尤爱民.  中华物理医学与康复杂志. 2017 (03)

[9]脑卒中新定义与房颤相关脑卒中的研究进展[J]. 汤博,梁庆成.  脑与神经疾病杂志. 2017(02)

[10]中国人身高百年增长10厘米[J]. 边斋.  教育视界. 2016(16)

 

 

博士论文

 

[1]舞蹈训练对脑的可塑性影响研究[D]. 李谷静.电子科技大学 2018

[2]普惠性下肢精准康复机器人的设计及实现[D]. 姜礼杰.合肥工业大学 2017

[3]卧式下肢康复机器人研究[D]. 孙洪颖.哈尔滨工程大学 2011

 

硕士论文

 

[1]可穿戴式下肢康复机器人的本体设计和步态规划[D]. 陈磊.西华大学 2012

[2]床式下肢外骨骼康复机器人研究[D]. 孙红伟.上海交通大学 2012

[3]脊髓损伤后截瘫病人自护能力的研究[D]. 孙巍.第二军医大学 2007

[4]应用人机工程学研究[D]. 李伟.东华大学 2006

[5]下肢康复机器人控制及实验研究[D]. 颜庆.哈尔滨工程大学 2004