浅谈机器人学与康复医学相结合的康复机构设计

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2021年11月26日22:27:34 评论

浅谈机器人学与康复医学相结合的康复机构设计

 

前言

 

康复的目的是使病人的身体、感官和心理功能恢复正常,当今社会经济使病人来弥补赤字,是一种不正常的治疗消费。一般来说,一个有运动型功能障碍的人由于手臂或腿的问题需要经历很长一段时间的治疗性治疗。传统疗法是需要一个理疗师辅助患者做一系列重复和常规的物理运动,逐步增加肌肉锻炼强度,这种恢复过程需要的时间和费用都是比较多的。而康复机器人可以轻松的实现循环运动,机器人有很好的控制功能,它们可以很准确的重复和逐步增加力量练习,机器人这种更准确的辅助治疗被称为“持续被动运动”,广泛的应用在许多医疗中心,使患者也实现了许多康复目的。

CPM的概念在1970年代首次被引入后,在康复过程中患者有时移动四肢有一些突发异常反射,而传统的机器不能应付这种反射,因此有时不适合使用物理疗法。如果病人在机器辅助理疗过程中有一个不当的反射,这个不当的反射和机器给的负荷不符,这种现象有可能会损害病人的肌肉或肌腱组织。正因为如此,需要一个智能设备,可以完成基于病人的四肢反射的康复过程中的'实时反馈。康复机器人可以分为三组:

1) 帮助残疾人特殊需要与他们的日常生活活动。

2) 支持移动性。

3) 帮助治疗师使患者进行重复练习(辅助运动机器人)。

1 国内外康复医疗现状

躯干和下肢承重能力下降是导致不能正常步行的重要原因[2]。近年来减重步行训练在临床上的应用越来越广泛。它是用减重吊带使患者步行时减少下肢负重,借助于运动平板进行步行能力训练[3]。比利时布鲁塞尔Vrije大学开展了一项称为使用可调式康复训练机器人的运动训练,有效加快康复进程,提高了治疗效果[4]。下肢康复机器人还能够自动平衡人的一部分重力,针对这一问题,提出了一种具有重心轨迹自动控制和重力平衡功能的重心轨迹控制系统[5]。东北大学研发的有一种具有特殊性能的康复机器人。这种康复机器人为智能仿生腿研究提供有利条件,于此同时可用于研究人腿与智能腿之间的能否协调和能否对称的问题[6]。这种训练机是一种 被动式的医疗器械,它的训练是靠跑步机带动的被动训练。

2 人体下肢系统简介

设计下肢康复机构,前提是要使其符合人体运动学的自然规律。因此,在设计开始阶段,首先对人体下肢从医学角度出发,对人体下肢的关节进行必要的分析[7]。人体行走分为单脚支撑阶段、双脚支撑阶段和双脚支撑但有一脚处于冗余状态。通过这样的简化,人体的步态在机械结构上更易于实现。

人体下肢骨骼结构主要由趾骨、跗骨构架、腓骨、胫骨、髌骨以及股骨组成,构成三个关节:人体腿部总共具有7个自由度,包括两个球副关节,一个旋转副关节。其中踝关节有三个自由度,最为复杂。(1)踝关节是由腓骨、胫骨和跗骨构架所构成。踝关节有三个自由度,可以完成脚部的侧翻、旋转、翘起和弓背运动形式。(2)膝关节具有一个自由度,可以实现小腿的屈伸运动。(3)髋关节有一个球形关节,具有3个旋转自由度,大腿可以实现三种方式的旋转运动。如图1所示。

3 下肢康复机构初步设计

按照空间并联机构自由度计算公式

(1)

式中:并联机构自由度用字母F;活动构件

数为k;运动副数为g;第i个运动副的自由度数用fi表示;F0为冗余自由度数。此机构由16个活动构件,21个转动副,2个移动副构成,所以该机构的自由度为3。如图2所示。

该机构实际上是在两个垂直平面上的空间并联机构,可以看做是平面机构来简化计算和分析。该机构有三个驱动A、B是常数电机驱动,C是伺服电机驱动。该并联机构是由C伺服电机驱动的曲柄摇杆机构,用以实现膝关节的康复训练。A、B常数电机驱动的实现滑块的往复运动,用以实现踝关节的康复训练。

三个电机驱动,由A、B常数电机驱动实现末端D脚踏板的绕板中心的前翘起和后翘起的重复运动;由C伺服电机驱动实现D脚踏板在平面内的摇动。这两种运动可以辅助训练膝关节和踝关节。

4 结论

依据人体运动学规律,设计了一种新型下肢康复机构。该机构有3个自由度,可以实现脚部的翘起,还可以实现膝关节的康复训练。该机构结构简单,结合了混合驱动易于控制的优点,可以满足有运动性功能障碍者的康复计划。

 

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