手功能康復外骨骼的機構設計與分析
發(fā)布時間：2020-06-29 13:33
【摘要】：人的大部分日�；顒有枰值膮⑴c才能完成,因此幫助偏癱患者改善并恢復手部運動功能是偏癱康復的一項重要內(nèi)容。針對目前國內(nèi)醫(yī)療資源緊張而偏癱患者在康復期又急需合適手部康復訓練裝置的問題,本課題基于連續(xù)被動運動理論(Continuous Passive Motion,CPM)、神經(jīng)代償可塑性理論和運動康復理論,設計了一種具有良好人手適應性的穿戴式手功能康復訓練外骨骼。本文根據(jù)人手特點對手功能康復外骨骼進行了機構選型,并在構型基礎上進行了機構優(yōu)化分析、運動學及動力學仿真分析、康復系統(tǒng)組成分析、物理樣機實驗分析,驗證了所研制的手功能康復外骨骼在康復訓練時的有效性。首先在機構上解決了外骨骼和人手的適應性問題。通過探究手指自由運動規(guī)律,擬合出三指節(jié)運動規(guī)律函數(shù);通過對關節(jié)閉鏈機構優(yōu)化和選型,在避免讓指節(jié)充當受力桿件的前提下,解決了轉(zhuǎn)動部分瞬心投影和指節(jié)長度調(diào)整兩大技術問題,達到了適應性康復訓練要求;驅(qū)動部分采用了模塊化設計,通過電機、健側驅(qū)動轉(zhuǎn)化形式滿足了患者的個性化康復訓練需求。其次通過理論和仿真分析得到了手功能康復外骨骼的理論運動參數(shù)。為方便解耦將指節(jié)機構分為閉鏈機構和主運動鏈機構兩部分,使用D-H法對主運動鏈機構進行分析得到了空間位姿雅可比矩陣,并進行了正、逆運動學分析,又聯(lián)立閉鏈機構得到單根手指空間運動學矩陣;進一步分析得到力雅可比矩陣并利用牛頓-歐拉法建立了動力學模型;通過Pro/E和ADAMS軟件對單根機械手指進行了運動學、動力學仿真,證明了模型在理論情況下訓練的安全性和有效性。再次對手功能康復外骨骼控制系統(tǒng)進行了模塊化分析探索。將康復系統(tǒng)模塊化為外骨骼執(zhí)行模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理控制模塊、人機交互可視化模塊;分析了各模塊主要功能以及模塊之間的聯(lián)系,并對閉環(huán)控制策略和人機交互界面進行了簡單描述和設計。最后進行了一系列物理樣機實驗。通過分析一代物理樣機的優(yōu)點及不足,總結出二代物理樣機應具備的特點;為驗證二代物理樣機的有效性,進行了人手適應性實驗、運動角度實驗、指面垂直正壓力實驗、健側輔助康復訓練實驗;實驗結果證明了二代物理樣機能夠解決外骨骼關節(jié)瞬心投影和指節(jié)長度調(diào)節(jié)問題,并能在安全壓力范圍內(nèi)帶動手指按照預定規(guī)律運動,此外樣機特有的健側輔助康復訓練模式豐富了患者的個性化康復訓練需求。
【學位授予單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH77
【圖文】：
第一章 緒論1.2.1 四指協(xié)同訓練式康復訓練裝置國內(nèi)，如圖 1.1 華中科技大學何際平教授科研團隊研制了一款康復訓練外骨骼[32]，通過四指并攏式的外骨骼機構，輔助患者手部進行康復訓練，并且在設計上以電機控制器和終端單片機雙向通信為前提，此外設計了額外的對應數(shù)模轉(zhuǎn)換通道輸出控制信號以控制八條氣動肌肉。通過串口通信，整個外骨骼系統(tǒng)與控制終端既可以將實時數(shù)據(jù)傳輸給終端進行分析，又可以通過中端的輸出命令，控制手功能康復外骨骼的訓練參數(shù)，但是在痙攣評定分析上存在不足。同樣，如圖1.2 國內(nèi)還有沈陽理工大學研制的康復機械手[33]，中國科學院研制的康復輔助設備[34]，上海理工大學研制的輕量型康復機械手[35]。
又可以通過中端的輸出命令，控制手功能康復外骨骼的訓練參數(shù)，但是在痙攣評定分析上存在不足。同樣，如圖1.2 國內(nèi)還有沈陽理工大學研制的康復機械手[33]，中國科學院研制的康復輔助設備[34]，上海理工大學研制的輕量型康復機械手[35]。圖 1.1 華中科技大學康復機械手Fig 1.1 Huazhong University of Science and Technology Rehabilitation Hand圖 1.2 沈陽理工大學手部康復設備Fig 1.2 Shenyang Polytechnic University Hand Rehabilitation Equipment國外，如圖 1.3 美國 KineticMuscles 公司與亞利桑那州立大學合作研制的Hand Mentor 可以讓患者進行腕部和指部的恢復性動作訓練[36]。該康復設備結構簡單，使用方便，氣動的設計讓四指可以通過氣墊的擠壓而逐漸伸展，調(diào)節(jié)顯示器上的參數(shù)可以調(diào)節(jié)充放氣的間隔和極限，適合偏癱初期患者使用。如圖 1.4 已
【學位授予單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH77
【圖文】：
第一章 緒論1.2.1 四指協(xié)同訓練式康復訓練裝置國內(nèi)，如圖 1.1 華中科技大學何際平教授科研團隊研制了一款康復訓練外骨骼[32]，通過四指并攏式的外骨骼機構，輔助患者手部進行康復訓練，并且在設計上以電機控制器和終端單片機雙向通信為前提，此外設計了額外的對應數(shù)模轉(zhuǎn)換通道輸出控制信號以控制八條氣動肌肉。通過串口通信，整個外骨骼系統(tǒng)與控制終端既可以將實時數(shù)據(jù)傳輸給終端進行分析，又可以通過中端的輸出命令，控制手功能康復外骨骼的訓練參數(shù)，但是在痙攣評定分析上存在不足。同樣，如圖1.2 國內(nèi)還有沈陽理工大學研制的康復機械手[33]，中國科學院研制的康復輔助設備[34]，上海理工大學研制的輕量型康復機械手[35]。
又可以通過中端的輸出命令，控制手功能康復外骨骼的訓練參數(shù)，但是在痙攣評定分析上存在不足。同樣，如圖1.2 國內(nèi)還有沈陽理工大學研制的康復機械手[33]，中國科學院研制的康復輔助設備[34]，上海理工大學研制的輕量型康復機械手[35]。圖 1.1 華中科技大學康復機械手Fig 1.1 Huazhong University of Science and Technology Rehabilitation Hand圖 1.2 沈陽理工大學手部康復設備Fig 1.2 Shenyang Polytechnic University Hand Rehabilitation Equipment國外，如圖 1.3 美國 KineticMuscles 公司與亞利桑那州立大學合作研制的Hand Mentor 可以讓患者進行腕部和指部的恢復性動作訓練[36]。該康復設備結構簡單，使用方便，氣動的設計讓四指可以通過氣墊的擠壓而逐漸伸展，調(diào)節(jié)顯示器上的參數(shù)可以調(diào)節(jié)充放氣的間隔和極限，適合偏癱初期患者使用。如圖 1.4 已
【參考文獻】
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1 李光林;鄭悅;吳新宇;胡穎;方鵬;熊t
本文編號：2733929
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