上肢康复训练与生活辅助机器人的设计与研究

摘要 目的：结合康复训练与生活辅助机械臂设计需求与特征,提高机械臂工作空间及其运动性能,本文提出1种9-DOF上肢康复训练与生活辅助机器人。 方法：提出1种由7-DOF工作臂和2-DOF悬臂组成的9-DOF机械臂构型;建立机械臂的运动学模型,分别构建机械臂在康复模式和生活辅助模式下的工作空间;通过在Adams中对机械臂的康复训练模式以及生活辅助模式的运动进行仿真试验,验证机械臂关节的工作性能。 结果：该机械臂在康复模式下工作空间与人体上肢运动空间相重合,符合康复训练需求;在生活辅助模式下,2-DOF悬臂可扩大工作臂的活动范围并且实现工作臂的左右手互换。仿真结果表明,机械臂在运动过程中关节运动平稳,无突变情况发生。 结论：该上肢康复机器人设计合理,能够分别满足康复训练生活辅助模式下的工作空间需求,具有良好的运动稳定性,可用于上肢功能障碍患者的康复训练和日常生活辅助。     

一种新型智能交互式上肢康复机器人研究

目的:针对现有的上肢康复机器人的不足,设计一款新型的智能交互式上肢康复机器人帮助脑卒中偏瘫患者完成上肢康复训练。方法:设计一种新型3个自由度的上肢康复机器人机械结构,利用套筒和弧齿锥齿轮组成的传动系统进行动力传输,所有电气系统元件统一安装于机器人底部机箱内减少噪音。设计电气控制系统,完成系统实验对样机进行验证,并用Unity3D引擎设计一款专用于本机器人的虚拟现实游戏使患者的训练更具有趣味性。结果:该机器人能按设计要求完成3自由度的运动,能很好地完成规划的预定动作并实现噪音小的设计目标。虚拟现实训练能够有效地提高康复训练的质量和效率。结论:该上肢康复机器人能基本实现预期功能和效果,帮助偏瘫患者进行训练达到康复的目的。     

一种新型四自由度的上肢康复机器人

目的针对目前大多数上肢康复机器人串联式结构的弊端,设计一款新型四自由度上肢康复机器人。方法将肩、肘关节驱动系统及信息检测系统集中放置在基座内,设计同步带传动系统及弧齿锥齿轮传动系统将动力经过杆件从基座内传递至机械臂的肩、肘关节;选用基于关节空间的三次多项式轨迹规划法对取物和画四边形两种动作进行轨迹规划,并设计单自由度运动控制实验及多自由度轨迹规划实验验证设计的合理性及可行性。结果该康复机器人各关节均能按照设计的速度达到设计的运动范围,且能够较准确地完成规划好的康复训练动作。结论该机器人有效减小了机械臂的体积和质量,克服了电机噪声、辐射等对患者康复训练的影响,且能够辅助患者完成多种康复运动。     

一种组合式远程康复训练机器人的研制:适用性及其安全性

背景:国内对康复机器人的研究起步比较晚,辅助型康复机器人的研究相对较多,而康复训练机器人的研究相对较少,医工跨学科的结合有待加强,国内的康复器械远远不能满足市场对智能化、人机工程化的康复机器人的需求.目的:针对国内康复专家少而患者较多这一问题,将遥操作机器人技术与康复医疗器械相结合,以期研制一种基于力反馈的组合式远程康复训练机器人系统.方法:充分考虑到患者的安全性,采用磁流变阻尼器加上直流电机的模式,设计了一种组合式机械臂,将遥操作机器人技术应用于肢体残障者的康复训练,使患者可以根据康复治疗师的远程设定进行康复锻炼,并将虚拟现实技术与康复训练相结合,把枯燥的康复训练变成轻松有趣的游戏.结果及结论:该系统的服务对象是上肢有运动障碍的患者,通过对机械臂的拆卸和组合,可给患者提供康复需要的不同训练模式和治疗方案;运用计算机网络技术可使患者根据康复医师的远程设定进行康复训练;身临其境的虚拟现实技术显著提高了康复训练的积极性与效果.实验结果表明,所研制的远程康复训练机器人系统具有良好的适用性和安全性.     

表面肌电信号在脑卒中患者上肢运动功能康复中的应用

目的:为脑卒中患者提供一种可视、有趣的游戏训练方式,有效地帮助患者恢复上肢运动功能.方法:在建立一套良好的硬软件系统后,借助虚拟现实技术,将患者手臂肌肉的表面肌电信号(sEMG)和运动传感器信号结合起来完成游戏.结果:患者在该游戏中得到了良好的视觉反馈,上肢运动功能康复效果明显,训练积极性增强.结论:使用sEMG信号可以有效帮助脑卒中患者进行康复训练,康复训练过程有趣实用.     

运动反馈虚拟现实四肢康复系统训练模块设计

目的设计一种具有虚拟现实、运动反馈和精准康复的智能四肢康复系统。方法采用双手柄、双脚踏及其锁定结构,采用计算机传感器技术提供多自由度运动选择和协调训练模式,3屏合1显示屏以及不同难易的3D虚拟场景和多传感器交互技术,提供多种虚拟现实运动反馈训练模块。结果和结论设计出一种基于运动反馈的四肢虚拟现实康复训练系统,不同瘫痪程度患者可进行单或双上肢康复训练技术和双脚踝协同训练。     

机器人治疗急性期脑卒中患者上肢功能的恢复

背景:研究证实机器人治疗能促进慢性期和亚急性期脑卒中患者上肢功能的恢复,但是针对急性期患者的研究很少.目的:观察机器人治疗急性期脑卒中患者上肢功能恢复的效果.方法:30 例急性期脑卒中患者自愿选择治疗方式:常规治疗组按照成熟的常规康复治疗方案进行治疗,包括神经促进技术、神经肌肉电刺激、针刺等;机器人治疗组在常规康复治疗方案的基础上,进行上肢机器人治疗,该机器人具有可调节的上肢减重系统、智能反馈和三维空间训练系统,患者可以在计算机虚拟环境中完成单关节或多关节康复训练.结果与结论:①两组治疗后Fugl-Meyer上肢功能评分与功能独立性评定量表评分均明显优于治疗前.②治疗后3周,两组间Fugl-Meyer上肢功能评分差异无显著性意义(P=0.075);3个月时机器人治疗组Fugl-Meyer上肢功能评分明显高于常规治疗组(P < 0.01).③治疗后3周、3个月,两组间功能独立性评定量表评分差异无显著性意义(P > 0.05).④治疗后3周、3个月,机器人治疗组Fugl-Meyer上肢功能评分和功能独立性评定量表评分相对于治疗前的改变量大于常规治疗组(P < 0.05).表明在常规治疗基础上,机器人治疗急性期脑卒中能获得更高的上肢运动功能,更好地改善运动和日常生活能力.     

力反馈远程康复训练虚拟驾驶系统的软件设计

背景:国内随着人口老龄化现象加剧,对康复训练的需求日益迫切.机器人技术与康复医学理论、网络通讯技术相结合的康复训练机器人能够有效解决传统康复训练的缺点与不足,已成为康复领域的研究热点.目的:针对上肢运动功能障碍患者康复训练需要,设计了一套用于远程康复训练的力反馈虚拟驾驶软件系统.方法:采用异步流式套接字模型进行网络通讯,ADO数据库管理技术进行信息管理,虚拟现实技术构建虚拟驾驶环境.采用数据库管理技术取代传统的基于文件的数据处理技术提高了系统信息管理效率;患者端虚拟驾驶环境的构建增加了康复训练的趣味性;且具有直观清晰的数据和视频显示界面.结果与结论:该系统具有直观清晰的实时视频和数据显示界面、高效的数据管理技术、有趣的虚拟驾驶环境等特点,为临床应用奠定了基础.     

基于虚拟反馈技术的改良强制性运动疗法在脑卒中恢复期患者上肢功能恢复中的临床应用

目的:观察基于虚拟反馈技术的改良强制性运动疗法在脑卒中恢复期患者上肢功能恢复中的临床应用。方法:采用随机数字表法将40例脑卒中偏瘫患者分为观察组及对照组,每组20例。2组患者均给予常规上肢功能训练和病房监督指导训练,观察组患者在此基础上辅以基于虚拟反馈技术的改良强制性运动训练,治疗周期为4周。于治疗前、治疗4周后对2组患者Fugl-Meyer运动功能量表上肢评测部分(FMA-UE)、简易上肢机能检查(STEF)及运动活动记录表(MAL)中的患肢使用数量(MAL-AOU)和患肢活动质量(MAL-QOM)进行评估对比。结果:治疗后2组患者FMA-UE、STEF、MAL-AOU和MAL-QOM评分均较治疗前明显提高(均P<0.05),且治疗组患者治疗后各项评分均明显高于对照组(P<0.05)。结论:在常规上肢康复干预基础上辅以基于虚拟反馈技术的改良强制性运动训练,能进一步促进脑卒中偏瘫恢复期患者上肢功能的改善,对提高患者生活质量具有重要意义。     

基于二次映射方法上肢康复训练的虚拟路径研究

目的:为了提高前向通道输入数据的应用性,保证上肢康复训练的有效性和可行性,研究基于虚拟运动路径在脑卒中患者上肢康复训练中的应用价值.方法:通过了解上肢在运动过程中表现出的结构特性,探索控制量的二次映射方法,对康复训练的前向通道的信息进行研究;对虚拟运动路径中特征变化的分析,并结合虚拟运动路径中蕴含着的运动学特性,提出了针对康复训练中虚拟运动路径的跟踪与分析方法.结果:当发生训练场景较大变化或者目标任务的转换,运动会产生平滑度的变化,伴随着加速度也会产生明显的突跳,其运动的平滑度也会产生变化.结论:一种可行的二次映射联系进行数据预处理方法的形成,可以协助患者正确地实施并完成康复训练动作,并且基于路径的运动学特征参数的分析方法的形成,对基于虚拟路径评估的康复训练系统具有一定的指导意义.