一种踝关节康复医疗智能外骨骼系统

2014-11-1 15:38:44 | 原作者:admin

      



康复医疗外骨骼是近年来出现的一种新型机器人,属于医疗机器人的范畴。它分为训练型康复机器人和辅助型康复机器人。训练型康复机器人的主要功能是帮助患者恢复各种运动功能的训练,如行走训练、手臂运动训练、脊椎运动训练、颈部运动训练等;辅助型康复机器人主要用来帮助肢体运动有困难的患者完成各 种动作,如机器人轮椅、导盲手杖、机器人假肢、机器人护士等。康复医疗外骨骼在原理上和工业机器人有很大的区别,也不同于一般的体育 运动训练器械。它直接作用于人体,与人在同一个作业空间内工作,人与外骨骼作为一个整体协同运动,而工业机器人在工作时通常是不允许人进入其作业空间 的。普通的体育训练器械则大多是阻力型的,通过对受训者施加运动阻力使其肌肉得到锻炼,并且它往往只能用于健康人,不能用于有运动障碍的患者。踝关节智能外骨骼系统它主要用于对患有足下垂、足内翻、足外旋的患者进行踝关节的康复训练,帮助他们恢复正常行走步态。它可以在专业的医疗机构甚至在家中使用,提高患者的生活质量。
一、踝关节外骨骼机械结构设计要点 

机械结构的设计是整个外骨骼系统开发过程中的第一步,是极其重要的一步,关系到整个系统最终功能的实现程度,是最终功能实现的基础。我们在设计 过程中应遵循以下几个要点。首先,外骨骼含有仿生学的概念在里面,在实现功能的同时还应具有可穿戴性,因此,设计时在符合仿生学和人体工程学的基础上,实现结构的可穿戴性。除此之外,还应考虑穿戴的方便性,使用的舒适性。另外,驱动元件和传感器件等辅助元件的数量也要尽可能少,以达到结构简洁紧凑和降低系统成本的目的。 其次,外骨骼的最终使用的功能目标是能驱动人体踝关节按照踝关节生理的运动方式而运动。一方面,要求合理的设计和合理的自由度分配;另一方面,要符合人体踝关节的正常活动范围,防止超出生理活动范围造成对患者的损伤。再次,外骨骼应该具有坚固、耐用、轻巧、便携的特点。外骨骼在使用过程中,其机械结构要能承受施加于患者踝关节的驱动反力。除此之外,由于本项目的最终目标是能够方便患者在家中自行进行康复训练,因此,结构上要小巧轻便。这就对外骨骼材料的选取有特殊的要求,同时,驱动系统及配件选择要求质量尽可能轻,体积尽可能小。

根据上述机械结构的设计要点及各自由度分配的情况,课题采用质量较轻同时能满足强度要求的铝合金材料对外骨骼进行加工制造,脚底板采用尼龙材料,强度高质量轻,绑带部分是购买的粘扣材料自行根据尺寸要求制作而成的。下图是踝关节康复医疗外骨骼的 3D 建模和根据设计图纸加工制造并且装配后的踝关节康复医疗外骨骼的原型模型照片。



二、控制系统结构框架
        下图是踝关节康复医疗外骨骼控制系统结构框架。上位机采用计算能力强大的 PC 机,其主要作用是向下位机发送电机控制的命令,同时接收来自外 骨骼各自由度角度传感器的反馈数据和下位机电机控制器的反馈数据, 并通过编制好的用户界面程序实现用户与外骨骼的人机交互等功能。 课题下位机使用的是无刷直流电机控制器,它与外骨骼 3 个自由度的电机一一对应的构成电机电流、速度、位置的闭环控制,直接控制无刷直流电机执行上位机发出的命令。另外,利用控制器的可编程 I/O 口配合各个自由度的限位开关 实现踝关节康复医疗外骨骼的自由度转角安全限位功能,保证患者在康复训练时的安全。用户通过上位机编制好的用户界面程序, 可以对踝关节康复医疗外骨骼发出 命令并对外骨骼的动作和运行状况进行监测及控制,保证外骨骼按照要求有效的配合患者完成踝关节康复训练。


(张煜)

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