瘫辅助行走下肢康复外骨骼设计

2014-11-1 15:43:08 | 原作者:admin

      

智能外骨骼将硬件系统、软件系统、传感器系统等综合起来,集成控制、通讯、驱动、传感于一体。要实现外骨骼的辅助行走功能,机械结构是基础,控制策略是思想,控制系统是关键。控制系统的主要作用是执行训练策略,建立机械结构运动与步行训练之间的桥梁。简而言之,控制系统性能的优劣直接影响到实际的步行康复训练效果。
一、外骨骼结构设计要点

机械结构的设计是整个系统开发的基础,其关系到外骨骼辅助行走功能可靠的实现。再者,康复外骨骼以患者为使用对象,安全稳定友好的结构设计至关重要。因此,在机械结构设计过程中应遵循以下的基本要点:
(1)仿生学角度
        康复外骨骼可视为患者肢体的延伸;在结构设计上应符合人体工程学与仿生学。一方面,外骨骼驱动元件的布置应参考人体下肢主要的有代表性的肌肉群分布,并且模拟这些肌肉群在人体行走过程中所发挥的作用。外骨骼关节应该尽可能的模拟真实的下肢关节,尽量在关节中心、自由度的布置上与人体相匹配。另一方面,人体是一个复杂的系统,外骨骼高仿生设计必将导致自由度增多,结构复杂,控制困难,因此在实现基本功能的基础上外骨骼的驱动自由度应尽可能的少,以降低开发成本和难度。
(2)可穿戴调节性
        外骨骼作为可穿戴的人机一体化系统,应具备可穿戴性和舒适性。患者经过简单的操作即可非常容易、顺利而快速的穿脱。此外,外骨骼应具有良好的身材兼容性,所设计的外骨骼下肢的尺寸在长度、宽度方向都应允许在一定范围内调节,以适应高矮胖瘦不同的使用对象。

(3)安全可靠性
        康复外骨骼使用对象特殊,应有结构的安全保护设计,对外骨骼进行机械限位,避免超出患者关节生理活动范围而造成损伤。此外,外骨骼应能坚固可靠,可承受足够的环境康复外骨骼使用对象特殊,应有结构的安全保护设计,对外骨骼进行机械限位,避免超出患者关节生理活动范围而造成损伤。此外,外骨骼应能坚固可靠,可承受足够的环境作用力与驱动力。

二、外骨骼总体结构改进设计

        在结构上,外骨骼主要由直线驱动机构、支撑调节杆、旋转关节、腰杆和底板等组成。与现有下肢外骨骼相比,辅助行走外骨骼驱动机构布置更紧凑,其采用滚珠丝杆的直线运动模拟股二头肌和股四头肌的收缩运动。内外调节支撑杆起到将力传导到地面的作用,同时具有通过内杆伸缩进行尺寸调节的功能。考虑到完全仿人关节会带来极大的结构和控制复杂性,外骨骼旋转关节只实现髋、膝关节的伸屈运动,满足直线步行基本要求;此外,为防止偏瘫患者足下垂,外骨骼足部与小腿刚性连接,但保留脚趾自由度。腰杆主要用于与髋关节连接,再通过腰部、背部附件将外骨骼与穿戴者上身固定。底板用于固定穿戴者足部或者足底压力测量鞋。



三、控制系统整体结构框架

        如下图所示为偏瘫辅助行走下肢外骨骼控制系统的整体结构框架,采用模块化、分级控制的思想,将整个系统分为上位机、下位机和外骨骼驱动、传感模块三部分。上位机利用LabVlEW编程环境编制人机交互界面,主要作用是接收下位机传送上来的信息,显示和保存训练数据,对通讯参数进行设定,以及向下位机发送简单的控制指令。下位机是整个控制系统的核心,包括控制器和电机驱动器。控制器采用运算能力很强的微处理器,实时向电机驱动器发送步态轨迹指令。电机驱动器,它与外骨骼髋、膝关节的直流伺服电机构成“一对一”的控制闭环,形成电流、速度、位置反馈控制,直接驱动关节电机执行控制器发出的步态轨迹命令,完成相应的步行训练动作。此外,电机驱动器还具有采集、通讯组网的功能,通过它很容易实现电机运行状态的监测及训练数据的反馈,保证患者康复效果的评估。



(吴海杰)


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