由于腦血管病和脊髓損傷等原因造成的下肢運動障礙患者的數(shù)量是非常龐大的�？祻歪t(yī)學基礎理論表明,重復性的康復訓練運動,能夠促進人體神經(jīng)系統(tǒng)的重塑,有助于人體運動功能的恢復。使用專業(yè)的康復機器人可以加快康復治療的進程,提升康復治療的效果。目前出現(xiàn)的床式康復機器人,如瑞士的Erigo,結構簡單,驅動電機數(shù)量較少,成本較低,但只能進行簡單的踏步訓練動作,無法準確模擬正常人行走時的步態(tài)。相對的,有些外骨骼式康復機器人,如Lokomat,能夠準確模擬正常人行走時的步態(tài),其每個關節(jié)單獨驅動,用到的電機數(shù)量較多,經(jīng)濟性差且控制較復雜。針對現(xiàn)有的康復機器人存在的問題,本文提出了一種基于運動耦合的床式步態(tài)康復訓練系統(tǒng)。為了降低制造成本,提高其使用的方便性,該系統(tǒng)采用模塊化的設計,各模塊的運動共用一個電機驅動;步態(tài)訓練機構采用凸輪-連桿生成精確的關節(jié)運動曲線,結構簡單并且能夠模擬出正常人行走時的步態(tài);床體傾角可調,使其能夠滿足不同階段的康復訓練需求。本課題具體做了如下的研究:（1）介紹了人體下肢生理結構與運動特征,為確定床式步態(tài)康復訓練系統(tǒng)的結構和運動參數(shù)提供依據(jù)。分析了髖、膝、踝關節(jié)之間的運動耦合關系,分析結果表明,行走步態(tài)膝關節(jié)與踝關節(jié)角度均可以由髖關節(jié)角度和角速度唯一確定。在此基礎上分析了關節(jié)的運動與大腿、小腿、足部之間的運動耦合關系,分析結果表明,在行走過程中,大腿、小腿、足部的任一點的位置均可以由髖關節(jié)角度和角速度唯一確定。這樣的耦合關系將為床式步態(tài)康復訓練系統(tǒng)的設計提供理論依據(jù)。（2）對床式步態(tài)康復訓練系統(tǒng)整體構型進行分析,確定了床式步態(tài)康復訓練系統(tǒng)的整體組成。基于第二章行走步態(tài)關節(jié)運動耦合關系分析的結果,制定了步態(tài)訓練機構的設計方案,建立了腿部運動輔助機構的人機耦合模型,探討模型中髖關節(jié)角度、角速度與機構運動的關系,以此為基礎設計腿部運動輔助機構的結構參數(shù)�；谧悴窟\動與髖關節(jié)角度、角速度的耦合關系設計了足底支撐機構的結構參數(shù)。依據(jù)正常人行走時的運動耦合規(guī)律計算了各機構間的傳動比,據(jù)此進行了傳動系統(tǒng)的設計。最后建立床體運動學模型并進行運動和受力分析,為床體結構設計提供指導。（3）基于康復訓練系統(tǒng)在動力學方面對患者個體差異的適應性,對腿部運動輔助機構做了動力學仿真,得到該機構正常運動所需的最大驅動力矩為62Nm,此結果為驅動系統(tǒng)的設計選型提供了參考。為了評價機構在運動學方面對患者個體差異的適應性,給出了評價的方法,并利用MATLAB的lsqcurvefit函數(shù)對腿部運動輔助機構的結構參數(shù)進行了優(yōu)化,確定了一組機構參數(shù)的最優(yōu)值,為腿部運動輔助機構的結構設計提供理論依據(jù)。（4）進行了床式步態(tài)康復訓練實驗系統(tǒng)的搭建,開展了系統(tǒng)的調試實驗,在確認系統(tǒng)運行狀態(tài)良好的情況下進行了載人的康復訓練實驗。實驗結果表明,對于不同身高的實驗者,此床式步態(tài)康復訓練系統(tǒng)在不同的傾斜狀態(tài)下都可以模擬正常人的行走步態(tài),且在不同狀態(tài)下實驗所得的不同身高的實驗者髖關節(jié)測量角度與標準角度的最大誤差不超過5.5°,膝關節(jié)最大誤差不超過6.7°。實驗證明,使用此系統(tǒng)進行康復訓練是可行的。

 

蘇州大學江蘇省

 

頁數(shù)：88

 

【學位級別】：碩士

 

文章目錄

摘要

abstract

第一章 緒論

    1.1 課題背景和研究意義

    1.2 下肢康復訓練的生理學原理

    1.3 國內外對康復機器人的研究現(xiàn)狀及分析

        1.3.1 減重訓練式步態(tài)康復機器人

        1.3.2 助行式康復機器人

        1.3.3 床式步態(tài)康復訓練機器人

        1.3.4 研究現(xiàn)狀分析

    1.4 本課題研究內容

    1.5 本章小結

第二章 人體行走生物力學與下肢運動耦合關系分析

    2.1 人體下肢生理結構

        2.1.1 人體基本平面與基準軸的定義

        2.1.2 人體下肢結構與運動特征

        2.1.3 人體下肢基本參數(shù)

    2.2 行走步態(tài)運動學分析

        2.2.1 行走步態(tài)理論分析

        2.2.2 行走步態(tài)關節(jié)運動信息

    2.3 行走步態(tài)關節(jié)運動耦合關系分析

        2.3.1 關節(jié)之間的運動耦合關系分析

        2.3.2 關節(jié)與大腿、小腿和足部的運動耦合關系分析

    2.4 本章小結

第三章 基于運動耦合的床式步態(tài)康復訓練系統(tǒng)機構設計

    3.1 床式步態(tài)康復訓練系統(tǒng)構型分析與綜合

    3.2 基于運動耦合的步態(tài)訓練機構參數(shù)設計

        3.2.1 腿部運動輔助機構的設計

        3.2.2 足底支撐機構的設計

        3.2.3 基于運動耦合的傳動系統(tǒng)設計

    3.3 床體的建模分析及機構設計

        3.3.1 床體設計方案

        3.3.2 床體運動學分析

        3.3.3 床體受力分析

    3.4 本章小結

第四章 面向個體差異的康復訓練系統(tǒng)動力學仿真與結構參數(shù)優(yōu)化

    4.1 下肢生理結構個體差異的數(shù)學描述

    4.2 人機耦合建模與動力學仿真

        4.2.1 建立人機耦合三維模型

        4.2.2 腿部運動輔助機構的動力學仿真

    4.3 康復訓練系統(tǒng)結構參數(shù)優(yōu)化

        4.3.1 面向個體差異的機構評價方法研究

        4.3.2 機構參數(shù)優(yōu)化

    4.4 本章小結

第五章 床式步態(tài)康復訓練系統(tǒng)實驗研究

    5.1 實驗系統(tǒng)的搭建

        5.1.1 床式步態(tài)康復訓練系統(tǒng)機械本體搭建

        5.1.2 元器件選型

        5.1.3 實驗系統(tǒng)傳感器介紹

    5.2 實驗研究

        5.2.1 調試實驗

        5.2.2 運動學分析結果驗證

        5.2.3 不同傾斜狀態(tài)下的康復訓練實驗

        5.2.4 不同速度下的康復訓練實驗

    5.3 本章小結

第六章 總結與展望

    6.1 總結

    6.2 展望

參考文獻

攻讀學位期間本人出版或公開發(fā)表的論著、論文

致謝

 

參考文獻

 

期刊論文

 

[1]低溫熱塑板在踝關節(jié)僵硬康復治療的臨床應用[J]. 吳金玲,石秀秀,杜寧,唐金樹.  北京醫(yī)學. 2020(01)

[2]腦卒中后神經(jīng)可塑性相關信號通路的研究進展[J]. 袁婭金,張桂仙,冉利,周寧娜.  中華老年心腦血管病雜志. 2020(01)

[3]海馬突觸可塑性與神經(jīng)系統(tǒng)相關疾病關系的研究進展[J]. 王玨,吳俞瑩,張新化.  神經(jīng)解剖學雜志. 2019(05)

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[6]上海脊髓損傷者“中途之家”機構康復訓練效果初步評價[J]. 解海霞,萇鳳水,沈雪韻,張琪,孫梅,沈沉,吳愛榮,虞慧炯,張佳,楊玉慧,胡龍軍,陳剛,李程躍,呂軍.  中國康復醫(yī)學雜志. 2018(09)

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博士論文

 

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碩士論文

 

[1]可穿戴式下肢康復機器人的本體設計和步態(tài)規(guī)劃[D]. 陳磊.西華大學 2012

[2]床式下肢外骨骼康復機器人研究[D]. 孫紅偉.上海交通大學 2012

[3]脊髓損傷后截癱病人自護能力的研究[D]. 孫巍.第二軍醫(yī)大學 2007

[4]應用人機工程學研究[D]. 李偉.東華大學 2006

[5]下肢康復機器人控制及實驗研究[D]. 顏慶.哈爾濱工程大學 2004