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时间:2021-03-06 15:50  合水建设局发布

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尔雅那大学研制了帮助患者站立的康复机器人(standing—uprobotassistivedevicel3,。美国芝加哥大学研制了康复机器人KineAssistl4J.该机器人主要是帮助偏瘫患者或行走不便的患者进行行走训练。清华大学在国家“863”计划支持下,从2000年起即开展了机器人辅助神经康复的研究。研制了卧式下肢康复机器人和步行康复训练机器人等15l。哈尔滨工业大学具有代表性的是由该大学研制的下肢康复助行机构.主要包括穿戴在身上的助行行走机构和抬升机构16J。哈尔滨工程大学机电一体化实验室一直致力于康复机器人领域的研究,研制的卧式下肢康复机器人可以在患者平躺时进行双腿的步态训练。远程控制下肢康复机器人可以模拟正常人行走的椭圆轨迹。上述各下肢康复机器人机械结构复杂、成本较高、不便于患者操作。患者无法独立进行助行康复训练。

本文设计了一种轮椅式下肢助行机器人,可以使患者独立地在家中或室外进行助行康复训练。该轮椅不但可以进行助行康复训练.还可以进行起坐功能的康复训练。

1助行轮椅的总体结构

助行轮椅的Autodesk/Inventor三维装配图如图1所示。主要包括轮椅架、轮椅的驱动轮和万向轮、驱动轮的驱动电机、升降机构、升降机构的驱动电机和腿部助力机构。轮椅的中间位置安装升降机构和升降机构的驱动电机.腿部助力机构安装在轮椅左右两侧。此助行轮椅有两种训练模式,一种是起坐功能的康复训练.另一种是助行康复训练。

使用时.患者可以进行独立操作。并配有言语提

图l助行轮椅三维装配图示功能。进行起坐功能训练时,首先将轮椅驱动轮的驱动电机锁定.使轮椅无法运动从而确保下肢患者进行起坐训练的安全性。患者在坐姿的状态下,系好安全带,手扶在轮椅左右两侧的扶手上,通过控制面板来控制升降机构,以进行起坐功能的训练。同时。患者可以根据自身的情况选择适合自己的升降速度来进行起坐功能的训练。

进行助行康复训练时,首先使患者坐到可升降座位上.系好安全带.防止下肢患者在进行助行康复训练时身体前倾。然后,手扶在轮椅左右两侧扶手上。通过控制面板来控制升降机构使自己达到站立的状态,同时升降机构起到对身体的支持作用。最后启动助行功能键进行助行康复训练,患者可以根据自身的情况来选择适合自己的助行速度进行训练。助行训练时,升降座位可以进行少量的前后调整,与人之间的配合运动具有一定的柔顺性.以避免患者感到不适。康复训练后,患者在通过控制面板来控制升降机构使自己回到坐姿的状态。

1.1升降机构

升降机构的i维设计图如图2所示,主要包括滑轨、滑块、靠背板、靠背支架、升降座位、行程开关、过轮等。升降机构安装在轮椅的正中央,驱动电机带动过轮转动的同时。使得升降座位沿着与地面之间成450角的方向上运动。从而实现了升降机构的往复运动。当滑块碰到滑轨上下两端的行程开关时,升降座位停止运动。只需一台电机即可完成对升降机‘构的控制。从而实现带动下肢患者进行起坐功能的训练。

1.2腿部助力机构

图3为腿部助力机构的三维示意图.主要包括

图2升降机构的三维图

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图3腿部助力机构的三维示意图

驱动电机、涡轮蜗杆减速器、杆机构等。腿部助力机构采用对称的方式安装在轮椅的两侧。驱动电机和涡轮蜗杆减速器配合安装。用来提供对患者进行助行训练时的推动力。小腿杆中装有滑块。可以在下肢患者助行训练时进行自动调整,以免因无法调整使患者感到不适。进行康复训练时,大腿杆和小腿杆分别给大腿和小腿提供助行推力以达到助行的目的。

图4站立时姿态图

图7髋关节转角曲线一

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2结果

为模拟人的步行姿态。利用Autodesk/Inventor软件描述了人体行走过程中可代表人体步态特征的姿态图。图4是人体站立时的姿态图,图5是左脚抬起向前行走时的姿态图.图6是左脚脚尖刚要离开地面向前行走时的姿态图。

为验证腿部助力机构设计的合理性,基于MATLAB,Simulink仿真环境及其下的机构仿真工具SimMechanics,对单侧腿部助力机构进行了运动学

仿真分析。仿真结果如图7一lO所示。图7—8分别表示一个步态周期中,髋、膝关节的转角曲线。以电机所在位置为坐标原点.图9—10分别表示一个步态周期中,膝、踝关节的运动轨迹曲线。仿真结果表明。在腿部助力机构的带动下.患者腿部的运动规律符合正常人行走时的步态特征曲线.从而证明了腿部助力机构设计的合理性.可以用于下肢患者的助行训练。

图5行走时姿态图

图8膝关节转角曲线3结论

本文设计的一种轮椅式下肢助行机器人主要是在升降机构和腿部助力机构的协助下进行助行康复训练,只需一台电机即可完成对升降机构的控制,从而实现带动下肢功能障碍患者进行起坐功能的训练。仿真结果证明了机构设计的合理性。可以用于下肢患者的助行训练。参考文献

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图6脚尖刚离开地面时姿态图

图9膝关节运动轨迹

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图10踝关节运动轨迹

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万方数据

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