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穿戴 机械 机构 设计 下肢 康复 机器人

资源描述：

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内容简介：

穿戴式下肢康复装置的设计莫佳佳，邱毅瑞，陈达仁1.机械工程与力学学院，宁波大学，818号，顺化路，宁波，315211，中国浙江省。2.机械工程学院，台湾大学，1号，第4罗斯福路，台北，台湾，10617,，.tw。关键词：下肢关节；康复；肌电图摘要：我们提出了一种下肢康复装置来帮助受损的人恢复腿的能力。该装置由链接和弹簧组成，它的特点如下：（1）它是半被动和以家庭为基础的，使脑卒中患者受自己的控制进行下肢体运动；（2）它结构简单，重量轻，但它有类似的性质用于其他治疗机器人上；（3）动态平衡训练器和肌电图（EMG）进行BIODEX分析。结果表明，股直肌，股外侧肌和股内侧肌的训练对恢复非常好。.1.介绍 在中国，那些患有神经损伤的人，像轻偏瘫中风和一百万一年以上的交通事故。老年人和病人可能发生的肌肉无力或瘫痪，这往往限制他们大量的运动并对他们的日常生活带来不好的影响。这些设备出现，就是为了帮助他们恢复肌肉强度和康复步态。 第一个MIT-MAUNS【1】康复机器人应运而生，2012年，许多类型的治疗设备已被陈【2】等聪慧的研究者意识到。并设计出“半被动”戴的康复设备，这设备的弹簧装在脑卒中患者上，使他们进行上肢控制运动训练。然而，矫形器的下肢是典型的动力。在本文中，我们提出了一个“半被动”穿戴式下肢康复装置，该装置可以用来协助腿受损的人恢复腿的能力。 在文献中，已经有很多的方法能计算出重力。康复机，包括配重，弹簧和辅助平行四边形【3-5】。弹簧附件的选择已被证明能够平衡重量的下肢康复装置，这典型运动人体的关节力矩可以分解为重力转矩，惯性力矩和肌肉依从转矩【6】。亚当斯仿真软件的研究实验方法，并探讨当穿戴下，人体下肢肌肉康复装置的影响。Biodex，Biopac和肌电图都是用来获取关节力矩和肌肉电活动的设备。2.下肢的运动学模型2.1设计 可穿戴式下肢康复装置，如下图所示,它是由木板组件和复位弹簧装置组成。复位弹簧装置连接木板和木板组件，组件包括大腿和小腿木板。一个腰带是用在大腿上的木板，其长度可调，是为了防止轴向和纵向移动。弹簧的恢复装置还包括两个滑块，它们是第一滑块和第二滑块。大腿板第一导轨与第一滑块与小腿板第二导轨与第二滑动对比。有三个弹簧安装装置。第一弹簧套在腰带和腿板之间，第二弹簧放置固定轴和小牛板之间。弹簧的作用是将滑块间的引力势能的弹性势能弹簧做康复运动。第三个弹簧固定大腿和小腿之间的木板，可以连接大腿与小腿板。 图1是可穿戴式下肢康复装置 图12.2。运动学模型 一个右下肢运动学和坐标系统示意图如下。下肢包括两个环节，大腿和小腿，大腿是从臀部到膝盖的区域HK，小膝踝AK是半被动式外骨骼部分，卸髋关节和膝关节在重力的运动范围内，大腿和小腿的中心被假定固定，始终位于机器MT和MC 之间，在任何瞬时。上下肢的运动可分为两运动：臀部分量1，2，膝关节弯曲分量X1，X2。 图2 图2是一个右下肢的运动学和坐标系统图 髋关节相当于一个三自由度球形关节，而膝关节建模只允许屈伸关节单自由度。在本文中，我们只需要考虑髋关节屈曲-伸展膝关节，因为他们的结合是最重要的运动下肢。一种康复装置示意图如下图所示。下肢结合外骨骼可以建模为一二连接串行连接。根据前面所述，我们在设备的适当位置添加弹簧和滑块，以使系统重力平衡。这用于下肢康复装置的弹簧装置是共面的。 图3，相应的势能图 系统的潜在能量，由重力势能，弹性潜在能量和质量潜在能量组成。与人脚的质量比较时，大腿和小腿是相对小的重力势能，这两者是微不足道的。因此，较低的重力势能的四肢是 在Mt与Mc之间，右大腿和右小腿数量最多，Rhm是距离髋关节Mt中心的质量，rRmc是膝关节MC中心的质量, 相应的弹性势能的V1,V2,V3,弹簧模量K1,K2,K3，可以推导出 K1，K2，K3是三个弹簧的弹性模量，Lhb，Lcd，Lce是三个弹簧的长度，大腿木板潜在能量是Vm1，木板潜在能量是Vm2，第一滑块潜在能量是Vm3和第二滑块潜在能量是Vm4，可以推导出公式： 根据（2）到（8），我们获得了总的潜在能量 因此，腿会加入这三个所提到的潜在能量，并在重力平衡以上。3。数值结果 建立了随着下肢外骨骼运动学模型下肢。在这本文，我们利用亚当斯模拟Biodex获得髋关节力矩。Biopac和肌电图（EMG）是被用来获得肌肉电活动的设备。下肢肌肉有四个部分，股直肌，股中间肌，股外侧肌和股内侧肌。然而，由于股中间肌深度，信号就被可靠地通过，使用表面肌电图记录。因此，对于其他三个肌肉的肌电图收集。在这个实验中，一个健康的年轻成年人参与评测，其测量参数在表1中列出该装置的数量，这种装置的功能相当于一个沙袋绑在大腿上，提出了用沙袋练习的方法。他的右下肢从初始状态下，大腿和小腿是在垂直位置。我们称这种运动为“抬腿”运动。范围从0度扩展到90度。 表1。对男性下肢人体测量学参数主观方面人体测量学参数水分70厘米大腿长度48厘米髋关节膝关节长度44厘米大腿电路63厘米膝CIR43厘米大腿宽22厘米膝宽10厘米 黑色的线显示在图4上，它显示出髋关节的扭矩，从实验“抬腿”运动与B（1.81公斤）重沙袋，而当B权电阻连接到下肢外骨骼时，红色是关节力矩通过ADMAS仿真。图4显示时大腿与地面平行，关节力矩达到峰值的15000n-mm，实验结果大约在16000n-mm，其超过模拟量。 图4髋关节屈曲-伸展的男性受试者关节力矩 图5显示一个男性的肌肉的肌电图（a）是股直肌；（b）是股外侧肌；（c）是股内侧肌。在“抬腿”运动状态下，所有三个肌肉被训练时，股直肌是最活跃的。股外侧肌和股内侧肌相对温和，但表现出有两个明显的峰高度的一致性现象。 所有的肌肉没有活性，到达时间是8秒。图5是一个男性的肌肉的肌电图，（a）是股直肌；（b）是股外侧肌；（c）是股内侧4。结论 下肢矫形器的介绍，旨在帮助步行的人。当穿戴该装置，我们使用亚当斯仿真软件，人体下肢的肌肉和关节力矩实验限制方法来探讨影响。它表明，股直肌，股外侧肌和股内侧肌下肢康复肌肉训练非常好，我们相信这种矫形器康复装置可能非常适用于一个潜在的肌肉无力或瘫痪患者，所有的研究工作是在浙江省新兴艺术家（新庙）基金会的拨款20128405025号的资助下进行的，基础教育部：第y201119372号；下批准号：2012a610077。工具书类【1】H.I. Krebs, N. Hogan, M.L. Aisen, B.T. Volpe，机器人辅助神经康复，IEEE跨康复工程，vo1.6（1），（1998）第75-87页。【2】 邱毅瑞，陈达仁，可穿戴式上肢矫形器训练设计康复致动器，力学和材料卷。201-202（2012）第864-870页。【3】S.K.Agrawal, G. Gardner, S. Pledgie，重力平衡平面设计制作辅助的平行四边形机构设计，ASME，123卷（4）（2001），第525-528页。【4】G.J. Walsh, D.A. Streit, B. J. Gilmore，空间弹簧平衡理论，机械机器理论26 (2)（1991），第155-170页。【5】 D.A. STRE