剛?cè)岵⒙?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計【說明書+CAD+SOLIDWORKS】
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穿戴式下肢康復(fù)裝置的設(shè)計
莫佳佳,邱毅瑞,陳達(dá)仁
1.機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院,寧波大學(xué),818號,順化路,寧波,315211,中國浙江省。
2.機(jī)械工程學(xué)院,臺灣大學(xué),1號,第4羅斯福路,臺北,臺灣,10617,achiuyijui@nbu.edu.cn,bdzchen@ntu.edu.tw。
關(guān)鍵詞:下肢關(guān)節(jié);康復(fù);肌電圖
摘要:我們提出了一種下肢康復(fù)裝置來幫助受損的人恢復(fù)腿的能力。該裝置由鏈接和彈簧組成,它的特點(diǎn)如下:(1)它是半被動和以家庭為基礎(chǔ)的,使腦卒中患者受自己的控制進(jìn)行下肢體運(yùn)動;(2)它結(jié)構(gòu)簡單,重量輕,但它有類似的性質(zhì)用于其他治療機(jī)器人上;(3)動態(tài)平衡訓(xùn)練器和肌電圖(EMG)進(jìn)行BIODEX分析。結(jié)果表明,股直肌,股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌的訓(xùn)練對恢復(fù)非常好。.
1.介紹
在中國,那些患有神經(jīng)損傷的人,像輕偏癱中風(fēng)和一百萬一年以上的交通事故。老年人和病人可能發(fā)生的肌肉無力或癱瘓,這往往限制他們大量的運(yùn)動并對他們的日常生活帶來不好的影響。這些設(shè)備出現(xiàn),就是為了幫助他們恢復(fù)肌肉強(qiáng)度和康復(fù)步態(tài)。 第一個MIT-MAUNS?【1】康復(fù)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生,2012年,許多類型的治療設(shè)備已被陳【2】等聰慧的研究者意識到。并設(shè)計出“半被動”戴的康復(fù)設(shè)備,這設(shè)備的彈簧裝在腦卒中患者上,使他們進(jìn)行上肢控制運(yùn)動訓(xùn)練。然而,矯形器的下肢是典型的動力。在本文中,我們提出了一個“半被動”穿戴式下肢康復(fù)裝置,該裝置可以用來協(xié)助腿受損的人恢復(fù)腿的能力。
在文獻(xiàn)中,已經(jīng)有很多的方法能計算出重力??祻?fù)機(jī),包括配重,彈簧和輔助平行四邊形【3-5】。彈簧附件的選擇已被證明能夠平衡重量的下肢康復(fù)裝置,這典型運(yùn)動人體的關(guān)節(jié)力矩可以分解為重力轉(zhuǎn)矩,慣性力矩和肌肉依從轉(zhuǎn)矩【6】。亞當(dāng)斯仿真軟件的研究實驗方法,并探討當(dāng)穿戴下,人體下肢肌肉康復(fù)裝置的影響。Biodex,Biopac和肌電圖都是用來獲取關(guān)節(jié)力矩和肌肉電活動的設(shè)備。
2.下肢的運(yùn)動學(xué)模型
2.1設(shè)計
可穿戴式下肢康復(fù)裝置,如下圖所示,它是由木板組件和復(fù)位彈簧裝置組成。復(fù)位彈簧裝置連接木板和木板組件,組件包括大腿和小腿木板。一個腰帶是用在大腿上的木板,其長度可調(diào),是為了防止軸向和縱向移動。彈簧的恢復(fù)裝置還包括兩個滑塊,它們是第一滑塊和第二滑塊。大腿板第一導(dǎo)軌與第一滑塊與小腿板第二導(dǎo)軌與第二滑動對比。有三個彈簧安裝裝置。第一彈簧套在腰帶和腿板之間,第二彈簧放置固定軸和小牛板之間。彈簧的作用是將滑塊間的引力勢能的彈性勢能彈簧做康復(fù)運(yùn)動。第三個彈簧固定大腿和小腿之間的木板,可以連接大腿與小腿板。 圖1是可穿戴式下肢康復(fù)裝置
圖1
2.2。運(yùn)動學(xué)模型
一個右下肢運(yùn)動學(xué)和坐標(biāo)系統(tǒng)示意圖如下。下肢包括兩個環(huán)節(jié),大腿和小腿,大腿是從臀部到膝蓋的區(qū)域HK,小膝踝A?K是半被動式外骨骼部分,卸髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)在重力的運(yùn)動范圍內(nèi),大腿和小腿的中心被假定固定,始終位于機(jī)器MT和MC 之間,在任何瞬時。上下肢的運(yùn)動可分為兩運(yùn)動:臀部分量θ1,θ2,膝關(guān)節(jié)彎曲分量X1,X2。
圖2
圖2是一個右下肢的運(yùn)動學(xué)和坐標(biāo)系統(tǒng)圖
髖關(guān)節(jié)相當(dāng)于一個三自由度球形關(guān)節(jié),而膝關(guān)節(jié)建模只允許屈伸關(guān)節(jié)單自由度。在本文中,我們只需要考慮髖關(guān)節(jié)屈曲-伸展膝關(guān)節(jié),因為他們的結(jié)合是最重要的運(yùn)動下肢。一種康復(fù)裝置示意圖如下圖所示。下肢結(jié)合外骨骼可以建模為一二連接串行連接。根據(jù)前面所述,我們在設(shè)備的適當(dāng)位置添加彈簧和滑塊,以使系統(tǒng)重力平衡。這用于下肢康復(fù)裝置的彈簧裝置是共面的。
圖3,相應(yīng)的勢能圖
系統(tǒng)的潛在能量,由重力勢能,彈性潛在能量和質(zhì)量潛在能量組成。與人腳的質(zhì)量比較時,大腿和小腿是相對小的重力勢能,這兩者是微不足道的。因此,較低的重力勢能的四肢是
在M?t與Mc之間,右大腿和右小腿數(shù)量最多,Rhm是距離髖關(guān)節(jié)Mt中心的質(zhì)量,rRmc是膝關(guān)節(jié)MC中心的質(zhì)量, 相應(yīng)的彈性勢能的V1,V2,V3,彈簧模量K1,K2,K3,可以推導(dǎo)出
K1,K2,K3是三個彈簧的彈性模量,Lhb,Lcd,Lce是三個彈簧的長度,大腿木板潛在能量是Vm1,木板潛在能量是Vm2,第一滑塊潛在能量是Vm3和第二滑塊潛在能量是Vm4,可以推導(dǎo)出公式:
根據(jù)(2)到(8),我們獲得了總的潛在能量
因此,腿會加入這三個所提到的潛在能量,并在重力平衡以上。
3。數(shù)值結(jié)果
建立了隨著下肢外骨骼運(yùn)動學(xué)模型下肢。在這本文,我們利用亞當(dāng)斯模擬Biodex獲得髖關(guān)節(jié)力矩。Biopac和肌電圖(EMG)是被用來獲得肌肉電活動的設(shè)備。下肢肌肉有四個部分,股直肌,股中間肌,股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌。然而,由于股中間肌深度,信號就被可靠地通過,使用表面肌電圖記錄。因此,對于其他三個肌肉的肌電圖收集。在這個實驗中,一個健康的年輕成年人參與評測,其測量參數(shù)在表1中列出該裝置的數(shù)量,這種裝置的功能相當(dāng)于一個沙袋綁在大腿上,提出了用沙袋練習(xí)的方法。他的右下肢從初始狀態(tài)下,大腿和小腿是在垂直位置。我們稱這種運(yùn)動為“抬腿”運(yùn)動。范圍從0度擴(kuò)展到90度。
表1。對男性下肢人體測量學(xué)參數(shù)
主觀方面
人體測量學(xué)
參數(shù)
水分
70厘米
大腿長度
48厘米
髖關(guān)節(jié)膝關(guān)節(jié)長度
44厘米
大腿電路
63厘米
膝CIR
43厘米
大腿寬
22厘米
膝寬
10厘米
黑色的線顯示在圖4上,它顯示出髖關(guān)節(jié)的扭矩,從實驗“抬腿”運(yùn)動與B(1.81公斤)重沙袋,而當(dāng)B權(quán)電阻連接到下肢外骨骼時,紅色是關(guān)節(jié)力矩通過ADMAS仿真。圖4顯示時
大腿與地面平行,關(guān)節(jié)力矩達(dá)到峰值的15000?n-mm,實驗結(jié)果大約在16000?n-mm,其超過模擬量。
圖4髖關(guān)節(jié)屈曲-伸展的男性受試者關(guān)節(jié)力矩
圖5顯示一個男性的肌肉的肌電圖(a)是股直肌;(b)是股外側(cè)肌;(c)是股內(nèi)側(cè)肌。在“抬腿”運(yùn)動狀態(tài)下,所有三個肌肉被訓(xùn)練時,股直肌是最活躍的。股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌相對溫和,但表現(xiàn)出有兩個明顯的峰高度的一致性現(xiàn)象。 所有的肌肉沒有活性,到達(dá)時間是8秒。圖5是一個男性的肌肉的肌電圖,(a)是股直肌;(b)是股外側(cè)肌;(c)是股內(nèi)側(cè)
4。結(jié)論
下肢矯形器的介紹,旨在幫助步行的人。當(dāng)穿戴該裝置,我們使用亞當(dāng)斯仿真軟件,人體下肢的肌肉和關(guān)節(jié)力矩實驗限制方法來探討影響。它表明,股直肌,股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌下肢康復(fù)肌肉訓(xùn)練非常好,我們相信這種矯形器康復(fù)裝置可能非常適用于一個潛在的肌肉無力或癱瘓患者,所有的研究工作是在浙江省新興藝術(shù)家(新廟)基金會的撥款20128405025號的資助下進(jìn)行的,基礎(chǔ)教育部:第y201119372號;下批準(zhǔn)號:2012a610077。
工具書類
【1】H.I. Krebs, N. Hogan, M.L. Aisen, B.T. Volpe,機(jī)器人輔助神經(jīng)康復(fù),IEEE跨康復(fù)工程,vo1.6(1),(1998)第75-87頁。
【2】 邱毅瑞,陳達(dá)仁?,可穿戴式上肢矯形器訓(xùn)練設(shè)計康復(fù)致動器,力學(xué)和材料卷。201-202(2012)第864-870頁。
【3】S.K.Agrawal, G. Gardner, S. Pledgie,重力平衡平面設(shè)計制作輔助的平行四邊形機(jī)構(gòu)設(shè)計,ASME,123卷(4)(2001),第525-528頁。
【4】G.J. Walsh, D.A. Streit, B. J. Gilmore,空間彈簧平衡理論,機(jī)械機(jī)器理論26 (2)(1991),第155-170頁。
【5】 D.A. STREIT,E. Shin,平衡機(jī)的平面連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計卷11(3)(1993),第604-610頁。
【6】Agrawal,banala,A. Fattah, Sangwan,Krishnamoorthy,J.P.?Scholz,W.L. Hsu,IEEE跨神經(jīng)系統(tǒng)與康復(fù)工程,第15(3)(2007),第410-420頁。
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