气动刚柔耦合结构上肢康复设备设计研究

作     者：王鹏铖 

作者单位：青岛理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：丛晓妍;朱宏轩

授予年度：2023年

学科分类：1004[医学-公共卫生与预防医学(可授医学、理学学位)] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 10[医学] 

主      题：上肢康复辅助设备 气动肌肉 模型仿真 人体工程 运动舒适度 刚柔耦合 

摘      要：随着时间推移国内人口老龄化基数的比例正大幅提升。由于人体机能的不断退化,带来大量的老年疾病以及各种隐性附加病症,如肌肉萎缩导致的偏瘫以及各类神经疾病引发的运动功能障碍等。国家与社会开始针对人口老龄化建设,批次部署大量的社区医疗保障机构与老年养护中心。针对运动功能障碍的康复设备也在大环境的促进下展开设计研发。近几年康复工程领域中针对外骨骼康复设备的研究比例呈快速发展趋势,并延伸出多种方向。以上肢康复设备为例,国内外研究方向大体可分为可穿戴外骨骼康复设备与末端执行器康复设备。早期研发的康复设备因材料与设备配置等因素限制,多以末端执行器康复设备为主。后续随着大量新型材料的出现,针对康复设备的研发逐步开始转向可穿戴外骨骼康复设备,其中以气动肌肉为驱动器的外骨骼康复设备。通过气动肌肉仿生人体肌群运行模式,提升设备与人体组织的贴合适应性。气动肌肉具备高强度、轻负载、工作进程柔顺等优势。运行功能上只能提供指定方向的单向力且本质上只是自身延展的张力,并且气动肌肉具有高度非线性、即变性和延滞性等变异特征。因此单纯以气动肌肉为驱动源的康复设备,想要实现精细化控制难度相对较大。目前国内外研发的上肢康复设备大多针对具体功能性以及控制方案进行研究,对用户生理舒适度以及心理需求等方面的研究相对较少。本论文基于设计学的视角借助多学科交叉融合,以人体上肢康复运动的舒适性指标为研究出发点针对上肢康复设备进行相关设计研究。(1)分析国内外研发的康复设备,根据不同的功能结构以及驱动方式进行细化区分。分析近年的研究方向趋势,并结合文献资料梳理创新点,为课题研究提供多元化方向。国内外针对康复辅助设备的研究,多为功能组织结构化以及控制程序开发等方向,针对设备运行功能的相关研究已趋于平稳,在用户需求、人体工程学以及产品使用舒适度等方向的研究较为欠缺。(2)通过人体解剖学以及运动康复工程学的相关理论,对人体上肢的运动轨迹、活动限位、运动肌力指标等数据进行细化整合,为后续设备的结构定型以及相关实验提供人体组织基准指标。根据气动肌肉的相关理论,建立3D模型进行Abaqus有限元分析。通过模拟仿真,采集气动肌肉在不同标准气压驱动下的收缩系数。根据仿真的相关数据制作初期原型机,并采集原型机的运行数据。(3)依据人体工效学与运动康复学的相关理论,针对人体运动舒适度开展细化研究。通过自主设计建立的上肢运动DH模型以及人体运动轨迹实时监测系统,提取人体上肢在不同运动状态下的反馈情况。并基于Siemens Tecnomatix Jack软件对人体上肢的相关运动进行实时仿真,对人体上肢运动中的关节运动角度以及受力负载情况进行采样。为后续设备驱动方案以及驱动器定型提供对应指标,保障设备与人体之间的运动贴合度。(4)对各组驱动器的力源数据进行采样分析,为后续设备的最终选型提供数据支撑。依据前期的人体运动数据样本以及驱动器数据,构建气动肌肉组合结构以及刚柔耦合结构两种驱动方案进行对比分析。最终选取相对较优的驱动方案,建立硬件电控系统以及软件操控系统。最后建立相对完整的初期原型机布局并与前期采集的人体运动数据进行横向比对,分析设备驱动器能否与人体运动进程相匹配,是否能够满足人体康复运动所需的力源供给,并且不会与人体上肢在进行运动过程中产生数据对冲。能辅助人体进行指定康复训练并且保障人体运动舒适度。(5)根据设计心理学的相关理论以及研究方法,利用SCL-90心理测评量化表对目标患者进行心理测评,得出相对科学有效的心理数据样本。根据心理样本数据分析用户康复过程中的心理需求,并从中抽取出对应设计方案的相关设计要素。最终建立完整的上肢刚柔耦合结构康复设备设计方案,并对康复设备的具体使用舒适性进行评价分析。