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一种智能膝关节假肢及其控制算法研究

现代仪器与医疗 2022年第6期28卷 19-27页

作者：张意彬吕杰喻洪流上海理工大学健康科学与工程学院上海健康医学院医疗器械学院上海健康医学院康复学院

为了使下肢假肢的功能更趋近于人体下肢，提出了一种智能膝关节假肢的设计方法及其相应的控制算法。首先，根据人体膝关节的结构特点，设计仿生膝关节的机械组件。并在此基础上，为其添加分体式的膝关节阻尼控制模块。然后，为阻尼控制... 详细信息

为了使下肢假肢的功能更趋近于人体下肢，提出了一种智能膝关节假肢的设计方法及其相应的控制算法。首先，根据人体膝关节的结构特点，设计仿生膝关节的机械组件。并在此基础上，为其添加分体式的膝关节阻尼控制模块。然后，为阻尼控制模块添加控制算法[传统PD控制算法、微粒群(PSO)优化的BP神经网络PD控制算法]。最后通过步态测试对比两种不同算法的实际控制效果。最终的实验结果表明：在行走的摆动相，PSO-BP-PD控制相较于传统PD控制，膝关节摆动角度的控制准确度提升5.1°,稳定度下降0.7°。

关键词：微粒群优化 BP神经网络智能膝关节假肢比例微分控制

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基于肌电触发的上肢康复训练机器人的实现

上海理工大学学报 2015年第4期37卷 355-361页

作者：方又方喻洪流官龙易金花张颖石萍上海理工大学医疗器械与食品学院上海200093

在三自由度中央驱动式上肢康复训练机器人样机的基础上,通过提取患者的肌电信号,设计了一种肌电触发的助力训练控制方案,达到帮助上肢功能障碍患者进行助力康复训练的目的.运用多种电子技术,提取桡侧腕屈肌和尺侧腕屈肌这一对拮抗肌的... 详细信息

在三自由度中央驱动式上肢康复训练机器人样机的基础上,通过提取患者的肌电信号,设计了一种肌电触发的助力训练控制方案,达到帮助上肢功能障碍患者进行助力康复训练的目的.运用多种电子技术,提取桡侧腕屈肌和尺侧腕屈肌这一对拮抗肌的表面肌电信号,结合运动系统的分层多核控制方案,实现对患者肌电信号的检测和处理,根据患者的运动意图提供相应的助力动作,实现肌电触发的助力训练模式.进行了肌电信号识别实验和速度调节验证实验,验证了肌电触发的速度可调式助力训练方案的可行性.

关键词：上肢康复机器人肌电信号助力训练中央驱动分层控制

基于STM32下肢康复轮椅测试平台控制系统研究

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软件 2023年第1期44卷 48-51页

作者：喻雪琴喻洪流王多琎上海理工大学健康科学与工程学院上海200093 上海康复器械工程技术研究中心上海200093 民政部神经功能信息与康复工程重点实验室上海200093

随着老龄化程度加深以及摔倒骨折和脑卒中等原因导致的下肢功能障碍者越来越多,对下肢康复轮椅的研究也越来越广泛,但目前对下肢康复轮椅测试平台的研究仍较少。本文设计了一种下肢康复轮椅测试平台控制系统,以STM32F103系列单片机为控... 详细信息

随着老龄化程度加深以及摔倒骨折和脑卒中等原因导致的下肢功能障碍者越来越多,对下肢康复轮椅的研究也越来越广泛,但目前对下肢康复轮椅测试平台的研究仍较少。本文设计了一种下肢康复轮椅测试平台控制系统,以STM32F103系列单片机为控制核心,采用模块化设计思想,对通讯模块、电机驱动模块、传感器信号采集模块等进行软硬件设计,采用传感器技术实时控制假人模拟患者基于多姿态轮椅进行康复训练过程中的角度和压力,验证了该控制系统的可靠性。

关键词：下肢康复轮椅测试平台控制系统模块化设计

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一种新型生物融合式腰椎外骨骼的设计及评估

机械设计与研究 2023年第3期39卷 210-214,221页

作者：杜世珍石萍王道雨简卓喻洪流上海理工大学康复工程与技术研究所上海200093 上海康复器械工程技术研究中心上海200093 上海卓道医疗科技有限公司上海201210

设计一种新型生物融合式腰椎外骨骼,用于腰部损伤患者进行康复训练。腰椎外骨骼仿照人体腰部的运动轨迹能够进行前屈后伸,左右侧屈,纵向拔伸等运动动作,能够达到腰部助力及牵引康复训练的效果。腰椎外骨骼的结构由腰部组件,骨盆组件及... 详细信息

设计一种新型生物融合式腰椎外骨骼,用于腰部损伤患者进行康复训练。腰椎外骨骼仿照人体腰部的运动轨迹能够进行前屈后伸,左右侧屈,纵向拔伸等运动动作,能够达到腰部助力及牵引康复训练的效果。腰椎外骨骼的结构由腰部组件,骨盆组件及四个电动推杆组成,控制系统由主控制模块、位置传感器模块、压力传感器模块等七个模块组成。通过位置控制器与力控制器进行腰部助力与牵引两种训练模式的控制。在腰椎外骨骼样机的研制中,设计腰椎外骨骼整体外观结构,以及控制器的外观与功能,并进行腰椎外骨骼穿戴演示。最后,通过穿戴腰椎外骨骼采集受试者背部肌肉的肌电信号特征值来进行腰椎外骨骼辅助效果的评估。实验结果表明,腰椎外骨骼能够有效降低人体腰部负荷,减缓腰部压力。

关键词：腰椎外骨骼运动学控制系统评估

痉挛型脑瘫儿童手术后表面肌电信号和关节角度评估

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医用生物力学 2022年第4期37卷 726-732页

作者：唐源敏罗雪芹孙继明喻洪流孟青云李素姣上海理工大学医疗器械与食品学院康复工程与技术研究所上海200093 上海康复器械工程技术研究中心上海200093 上海浦南医院功能神经外科上海200125 上海健康医学院医疗器械学院上海201318

目的通过表面肌电(surface electromyography,sEMG)和关节角度评估脑瘫儿童手术后运动功能。方法采集16名痉挛型脑瘫患儿手术前后直线行走时股直肌、股二头肌、半腱肌、胫骨前肌、腓肠肌内外侧sEMG和髋、膝、踝关节角度,计算各步态时期s... 详细信息

目的通过表面肌电(surface electromyography,sEMG)和关节角度评估脑瘫儿童手术后运动功能。方法采集16名痉挛型脑瘫患儿手术前后直线行走时股直肌、股二头肌、半腱肌、胫骨前肌、腓肠肌内外侧sEMG和髋、膝、踝关节角度,计算各步态时期sEMG均方根、积分肌电值和关节角度均值,进行肌力肌张力评估。结果手术后,患儿下肢肌肉肌张力均显著降低(P<0.05),股直肌和股二头肌在摆动阶段肌力减小。胫骨前肌在摆动中末期肌力增大(P<0.05)。髋、膝关节屈曲角降低(P<0.05)。踝关节背屈角增大(P<0.05),内翻角减小(P<0.05)。结论治疗后患者蹲伏步态和马蹄内翻足均得到改善,运动功能得到提升。sEMG结合关节角度分析可对患者肌肉功能进行定量评估,为临床诊断提供参考。

关键词：痉挛型脑性瘫痪表面肌电信号关节角度运动学分析步态生物力学

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柔性双手康复外骨骼抛接任务的过程协同控制

机器人 2021年第6期43卷 664-673页

作者：孟巧玲陈立宇姜明鹏沈志家聂志洋刘晓瑾谢巧莲喻洪流上海理工大学康复工程与技术研究所上海200093 上海康复器械工程技术研究中心上海200093 民政部神经功能信息与康复工程重点实验室上海200093

针对柔性双手外骨骼在抛接任务中响应速度慢等问题,提出了一种双手抛接物体过程的能量传递模型以及具有位置前馈的力/位协同混合控制系统.首先基于双手接抛物体过程的运动特征,建立抛接物―人手碰撞能量传递模型;利用能量守恒定律与虚... 详细信息

针对柔性双手外骨骼在抛接任务中响应速度慢等问题,提出了一种双手抛接物体过程的能量传递模型以及具有位置前馈的力/位协同混合控制系统.首先基于双手接抛物体过程的运动特征,建立抛接物―人手碰撞能量传递模型;利用能量守恒定律与虚功原理建立柔性外骨骼手―人手耦合数学模型,推导出抛接碰撞模型中的绳索伸长量,以绳索伸长量作为前馈信息进行位置补偿;抛接过程初段对驱动绳索采用位置控制,当绳索伸长量保持不变且绳索拉力值持续增大时系统转换为力交互控制;最后通过柔性双手外骨骼抛接抓握实物的位置控制实验和力交互实验验证了基于绳索伸长量的位置前馈控制的动态响应性和有效性以及后段力交互控制下指尖接触力的稳定性.实验结果表明,柔性双手康复外骨骼可以辅助用户实现对抛接物的快速抓握,满足抛接任务对外骨骼手的协同控制要求.

关键词：柔性外骨骼抛接任务前馈控制力/位混合控制

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脊椎疾病康复牵引床的研究现状和趋势

北京生物医学工程 2017年第1期36卷 102-105,110页

作者：孙啸威喻洪流倪伟上海理工大学医疗器械与食品学院康复工程与技术研究所上海200093

脊椎牵引床是结合中医牵引推拿手法与自动化控制于一体的康复医疗设备,能够治疗颈椎病腰椎病,完成医生难以达到的复杂手法,既达到治疗效果,又减轻医生繁重的体力劳动。本文概述了牵引床的机制、作用和分类,详细介绍了国内外脊椎牵引床... 详细信息

脊椎牵引床是结合中医牵引推拿手法与自动化控制于一体的康复医疗设备,能够治疗颈椎病腰椎病,完成医生难以达到的复杂手法,既达到治疗效果,又减轻医生繁重的体力劳动。本文概述了牵引床的机制、作用和分类,详细介绍了国内外脊椎牵引床的研究现状和成果,包括机械式牵引床、自重式牵引床、多维电动式牵引床等。最后分析了未来牵引床在功能化、智能化、安全性的发展趋势。

关键词：康复设备脊椎病牵引床智能化安全性

基于人体生物力学的颈椎动力外骨骼的设计与运动学分析

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上海理工大学学报 2022年第1期44卷 18-26页

作者：戴玥石萍郑宏宇李素姣方凡夫喻洪流上海理工大学健康科学与工程学院上海200093 上海康复器械工程技术研究中心上海200093 上海长海医院康复医学科上海200433

针对神经根型与交感神经型颈椎病,基于颈椎牵引、前屈/后伸、左/右侧屈及旋转运动康复治疗方式,设计了一种基于6-SPS/CS型并联机构的可穿戴式颈椎动力外骨骼。首先,基于人体生物力学进行外骨骼机构设计与颈椎运动分析,采用空间坐标变换... 详细信息

针对神经根型与交感神经型颈椎病,基于颈椎牵引、前屈/后伸、左/右侧屈及旋转运动康复治疗方式,设计了一种基于6-SPS/CS型并联机构的可穿戴式颈椎动力外骨骼。首先,基于人体生物力学进行外骨骼机构设计与颈椎运动分析,采用空间坐标变换方程和闭环矢量法对外骨骼等效并联机构进行运动学逆解分析;其次,利用ADAMS软件对外骨骼等效机构模型进行运动仿真分析,求解出位移、速度和加速度随时间的变化曲线,并与逆运动学理论模型进行对比分析,进一步验证了康复运动范围的可行性;最后,对颈椎动力外骨骼样机的康复功能进行了实验评估分析,外骨骼样机能够实现的运动范围为冠状轴-15°~15°、矢状轴-20°~20°及垂直轴-15°~15°,符合人体颈椎活动需求。结果表明,6-SPS/CS型颈椎动力外骨骼能够辅助人体颈椎进行牵引、前屈/后伸、左/右侧屈及水平旋转运动康复训练,该研究为后续的机构优化与临床应用提供了基础。

关键词：外骨骼并联机构颈椎病生物力学运动学

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人-机-环境共融的智能假肢膝关节研究进展

中国生物医学工程学报 2023年第4期42卷 486-501页

作者：汪晓铭黎林荣陈长龙孙洁张哲文孟巧玲喻洪流上海理工大学康复工程与技术研究所上海200093 上海康复器械工程技术研究中心上海200093 民政部神经功能信息与康复工程重点实验室上海200093

智能假肢膝关节作为下肢假肢中最重要的部件,是一种人-机-环境高度共融的复杂系统,解决此共融系统中的关键科学问题是实现假肢穿戴者步态自然柔顺的必要条件。以仿生设计、智能感知和智能控制这3个主要研究方向为切入点,综述智能假肢膝... 详细信息

智能假肢膝关节作为下肢假肢中最重要的部件,是一种人-机-环境高度共融的复杂系统,解决此共融系统中的关键科学问题是实现假肢穿戴者步态自然柔顺的必要条件。以仿生设计、智能感知和智能控制这3个主要研究方向为切入点,综述智能假肢膝关节的研究进展。仿生设计的重点在于如何通过仿生结构与驱动设计,使假肢关节拟合人体关节驱动/阻尼代偿机制;智能感知聚焦于如何建立人-机-环境交互通道,实现人体运动意图识别与人机协同任务中的混合决策;智能控制主要关注如何在动态环境中调整假肢运动或驱动策略,使假肢更接近于人体正常的步态特征。最后,探讨智能假肢膝关节在人-机-环境共融研究中的发展方向与挑战,其中研究重点包括主被动混合代偿驱动、人体自主使能控制以及人-机-环境双闭环交互。

关键词：智能假肢膝关节人-机-环境共融仿生驱动代偿运动意图识别自主使能控制