發(fā)布時間：2020-07-12 02:06

【摘要】：我國每年由于人口老齡化以及腦卒中等疾病引起的下肢功能障礙患者的人群數(shù)量不斷擴(kuò)大,這些喪失部分甚至全部運(yùn)動能力的人群給社會和家庭都帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。運(yùn)動功能受損人群的康復(fù)問題已經(jīng)成為了一個必須面對的社會問題。針對這類患者的傳統(tǒng)康復(fù)手段基本上都是靠康復(fù)醫(yī)師進(jìn)行一對一的康復(fù)治療,這種療法不僅給理療師帶來很大的勞動負(fù)擔(dān),同時也會降低康復(fù)治療的效率,并且我國從事康復(fù)治療的理療師在數(shù)量上存在巨大的缺口,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足我國現(xiàn)實(shí)情況的需求。基于以上情況,對于康復(fù)機(jī)器人的研究就應(yīng)運(yùn)而生。康復(fù)機(jī)器人在需要不斷進(jìn)行重復(fù)訓(xùn)練動作方面具有巨大優(yōu)勢,能夠極大的減輕康復(fù)理療師的工作負(fù)擔(dān),此外,由于康復(fù)機(jī)器人在設(shè)計(jì)過程中嚴(yán)格對標(biāo)健康人體的運(yùn)動特征,使其能夠?yàn)榛颊咛峁┤�、科學(xué)、高效的訓(xùn)練效果。本文中首先介紹了基于人體解剖學(xué)下的下肢骨骼、關(guān)節(jié)以及各主要肌肉肌群。正常人體下肢共有62塊骨骼,主要包括股骨、脛骨、腓骨以及足骨。其中股骨作為人體內(nèi)部最長也是最結(jié)實(shí)的管狀結(jié)構(gòu)骨骼對于支撐人體起到重要作用,脛骨作為小腿骨中的主要骨骼承擔(dān)了人體的大部分自重。下肢的三個關(guān)節(jié)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)共提供了7各自由度用來滿足人體運(yùn)動需求。下肢肌肉相較于上肢肌肉來說需要提供更多的肌肉力,因此顯的更為粗壯。在對人體下肢深入了解后,建立了包含上身、大腿、小腿以及足的人體站起運(yùn)動學(xué)模型,并在此模型的基礎(chǔ)上推導(dǎo)得出了下肢各關(guān)節(jié)的力矩計(jì)算公式。為了滿足實(shí)驗(yàn)的需要,本文搭建了包含力傳感信號、運(yùn)動學(xué)傳感信號以及表面肌電信號三類信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。利用Arduino uno單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理單元,選用四片YZC-161B壓力傳感器組成的全橋電路來測量座椅面豎直反力以及地面豎直反力,選用可擴(kuò)展的六軸運(yùn)動學(xué)傳感器mpu6050以及串行多路復(fù)用器PCA9548AD實(shí)現(xiàn)同時采集三路運(yùn)動學(xué)信號。利用三通道的表面肌電信號采集單元、高速模擬量數(shù)據(jù)采集卡PCI-1713U以及Labview采集表面肌電信號。最終的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以滿足實(shí)驗(yàn)要求。本文中選取了10名健康男性參與實(shí)驗(yàn),對于站起過程中的運(yùn)動姿態(tài)、關(guān)節(jié)力矩以及下肢所選取的五條肌肉的肌肉貢獻(xiàn)做了具體的分析與研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在站起過程中人體總是上身最先開始運(yùn)動,當(dāng)上身向前擺動還未達(dá)到最大值時膝關(guān)節(jié)開始屈伸,隨后人體全身開始伸展直至完全站起。而在這一過程中下肢肌肉的主要貢獻(xiàn)都集中在seat-off時刻之前,在seat-off時刻之后肌肉貢獻(xiàn)明顯降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步揭示了人體在站起過程中自身的控制策略,為后續(xù)康復(fù)機(jī)器人的開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP212.9;R318
【圖文】：

隨著社會的發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，健康問題已經(jīng)成為社會的主要關(guān)注問題之一。站起運(yùn)動是人們?nèi)粘Ｉ钪凶罨疽彩亲钪匾倪\(yùn)動之一，但是對于下肢功能有障礙的人群來說，站起運(yùn)動卻是一件不容易的事，在這類人群中腦卒中患者與老年人占了極大的比例。腦卒中患者一般都會失去全部的生活自理能力，必須依靠他人的照看才能正常生活，這不僅給患者家庭也給社會造成了很大的負(fù)擔(dān)。而近年來我國腦卒中患者的數(shù)量卻不斷攀升，現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到 200 萬人左右每年的新增數(shù)量[1]。腦卒中的另一個特點(diǎn)就是治療后的復(fù)發(fā)率高，且伴隨而來的就是更加嚴(yán)重的病情。因此腦卒中患者應(yīng)該盡可能的接受更加科學(xué)的治療另一方面，自從 2000 年起，我國已經(jīng)進(jìn)入老齡化社會行列之中，如圖 1.1 所示養(yǎng)老問題已經(jīng)成為不能忽視的社會問題。至今為止，我國老齡人口數(shù)量不僅在全球各國中名列第一，而且增加速度也是名列第一[2-3]。因此，下肢功能有障礙人群的康復(fù)已經(jīng)成為全社會都需要面對的問題。

圖 1.3 HAL 基本原理的外骨骼機(jī)器人 Rewark[10-12]在控制方法上另辟蹊徑，它利用固斜傳感器作為患者動作的感知器進(jìn)而控制機(jī)器人的運(yùn)動使其動保持一致，該機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖 1.4 所示，主要由三部分組成械結(jié)構(gòu)、傳感器系統(tǒng)以及控制單元。在日常使用中，Rewalk變化作為控制信號，當(dāng)用戶上半身向前傾斜時,固定在用戶胸速檢測到重心的變化，進(jìn)而控制機(jī)器人邁出第一步，不斷的重現(xiàn)穿戴者以自然步態(tài)行走。由于在設(shè)計(jì)階段已經(jīng)考慮到外骨骼支撐問題，因此用戶不不需要消耗多余的能量。

圖 1.3 HAL 基本原理以色列的外骨骼機(jī)器人 Rewark[10-12]在控制方法上另辟蹊徑，它利用固定于患者胸前的傾斜傳感器作為患者動作的感知器進(jìn)而控制機(jī)器人的運(yùn)動使其盡可能與患者的運(yùn)動保持一致，該機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖 1.4 所示，主要由三部分組成，分別是外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器系統(tǒng)以及控制單元。在日常使用中，Rewalk 將用戶自身重心的變化作為控制信號，當(dāng)用戶上半身向前傾斜時,固定在用戶胸前的相應(yīng)傳感器迅速檢測到重心的變化，進(jìn)而控制機(jī)器人邁出第一步，不斷的重復(fù)以上過程可以實(shí)現(xiàn)穿戴者以自然步態(tài)行走。由于在設(shè)計(jì)階段已經(jīng)考慮到外骨骼機(jī)器人自身重量的支撐問題，因此用戶不不需要消耗多余的能量。

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