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基于FBS模型和TOPSIS法的手部康复产品设计

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机械设计 2023年第10期40卷 170-176页

作者：宋端树张善超朱桐刘立白道靖江苏师范大学机电工程学院江苏徐州221116

为解决现有手部康复训练产品结构复杂、便携性差及使用场景受限等问题,提出功能-行为-结构(Function-Behavior-Structure,FBS)模型和逼近理想解排序法(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution,TOPSIS)相结合的产品创新设计方法。通过问卷和深度访谈获取用户手部康复需求,运用层次分析法确定用户需求权重;结合人手的生理结构和运动特性对产品进行功能—行为—结构的逐级映射,并对设计方案进行发散和整合;运用TOPSIS法对设计方案进行综合评价,筛选出最优方案,并对其进行可行性验证。以一种满足用户复杂康复需求的手部康复训练产品为例,验证了设计方法的可行性,为同类产品的创新设计提供新路径。

关键词：产品设计手部康复功能-行为-结构模型逼近理想解排序法

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软体手部康复机器人的结构设计与位姿控制

软体手部康复机器人的结构设计与位姿控制

作者：胡国旭西安工业大学

学位级别：硕士

随着我国社会的快速发展,老龄化问题日益突显,脑卒中引起的手部运动功能障碍患者不断增加。手部功能康复机器人可以通过协调训练修复受损的运动神经,从而恢复患者手部运动功能,并提高患者独立生活能力。针对当前软体手部康复机器人运动... 详细信息

随着我国社会的快速发展,老龄化问题日益突显,脑卒中引起的手部运动功能障碍患者不断增加。手部功能康复机器人可以通过协调训练修复受损的运动神经,从而恢复患者手部运动功能,并提高患者独立生活能力。针对当前软体手部康复机器人运动形式单一、高度非线性和时滞性等问题,本文提出了一种具有屈伸运动和收展运动特点的多自由度软体驱动器设计方案;开展了针对软体手部康复机器人运动特性的模糊PID控制方法研究;构建了具有多自由度的软体手部康复机器人自适应控制系统。论文的主要内容如下:(1)选取日常使用频率最高的食指作为研究对象,根据人体食指的结构特点和运动特性,明确软体驱动器的结构尺寸和弯曲角度约束关系,提出软体驱动器的屈伸、收展运动一体化设计方案,实现了拟人手的多自由运动。(2)基于Yeoh超弹性本构模型和分段常曲率假设模型,构建多自由度软体驱动器的理论模型,探究了其气腔的壁厚、长度、间距和数目等关键参数与弯曲性能之间的关系。对软体驱动器进行仿真以比较分析影响其弯曲性能的结构参数,验证了所建立的数学模型的有效性,确定了软体驱动器气腔的最佳结构参数。(3)结合软体驱动器的结构参数,设计其制作模具并利用3D打印进行制造,采用分步灌注成型工艺制作出软体驱动器,据此搭建控制平台并对软体驱动器进行弯曲特性、末端输出力和抓取性能测试,进一步验证了仿真模型和数学模型的有效性以及软体驱动器康复训练的合理性。(4)针对软体手部康复机器人控制系统在驱动多自由度软体驱动器进行屈伸运动和收展运动时的非线性和时滞性特征,结合软体驱动器气压与角度的关系,进行软体手部康复机器人的系统模型辨识,建立传统PID控制和模糊PID控制的对比仿真,开发了融合模糊PID控制算法的嵌入式控制系统,并通过单角度位置控制、多角度连续位置控制和轨迹跟踪控制实验对控制算法进行验证,结果表明模糊PID控制具有超调量小、调节时间快、连续性好等优势。本文提出的软体手部康复机器人采用了集成屈伸和收展运动设计的多自由度软体驱动器,有效地解决了软体驱动器单一运动的限制。同时,应用模糊PID控制方法成功解决了软体驱动器在运动控制中的非线性和时滞性问题。该设计方案能够有效满足手部功能运动障碍患者的康复需求,在医疗康复领域具有一定的研究意义和工程应用价值。

关键词：手部康复多自由度结构软体驱动器模糊PID控制

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基于老年帕金森患者手部康复的3D迷宫设计

基于老年帕金森患者手部康复的3D迷宫设计

作者：田浩铖长沙理工大学

学位级别：硕士

帕金森病(PD)又名震颤麻痹,是一种常见的中老年人神经系统变性疾病。近年来,由于老年帕金森病患者的数量逐年上升,患者表现为肢体经常处于无意识震颤当中,不利于进行细致操作,身体和心理都存在严重的退行性疾病,目前在众多老年帕金森患... 详细信息

帕金森病(PD)又名震颤麻痹,是一种常见的中老年人神经系统变性疾病。近年来,由于老年帕金森病患者的数量逐年上升,患者表现为肢体经常处于无意识震颤当中,不利于进行细致操作,身体和心理都存在严重的退行性疾病,目前在众多老年帕金森患者中手部病患康复是较为突出的。因为手是整个肢体中重要的运动器官之一,对于老年帕金森患者,他们的手部颤抖在身体中是较为严重和凸显的,而且手部链接大脑,在操作和康复上直接影响到老年人的心理情绪变化,目前很多手部康复设计只单一的针对老年帕金森患者身体康复或心理康复进行研究的,尤其是康复过程中没有注重老年人的心理娱乐需求,因此对老年帕金森手部患者辅助康复的研究设计应该考虑综合性和多样性。本文以尝试性将帕金森手部患者康复的锻炼机制带入到娱乐性设计当中,进行设计研究。全文分为四大板块进行研究,第一板块(第一、二章):对目前老龄化国情背景下老年帕金森患者的问题和研究目标进行分析;第二板块(第二、三章):研究老年帕金森患者的人群特点和生活行为习惯,并进行生理特征与心理特征研究。再根据设计的娱乐产品载体,对其老年人与老年帕金森患者的娱乐产品,总结发展现况,进行设计需求分析;第三板块(第五章):对老年帕金森患者手部康复方法进行研究分析,提取方法中训练的规律性和共同性,根据训练机制进行娱乐产品的核心设计,达到此娱乐产品对老年帕金森患者手部起到辅助康复的效果;第四板块(第六、七章):进行迷宫娱乐玩具的研究设计实践,根据老年娱乐产品的设计诉求原则进行设计,并对其进行整体方案的验证和评估。研究的创新点在于:一是以当下康复辅具发展设计研究中的可行性与科学性进入了深入的探索。二是改进了现有的手部康复辅具的不完善,通过将康复训练方法带入到娱乐产品中,根据康复方法所设计的产品载体,利用其使用过程达到身体和心理的康复辅助效果。最终帮助老年帕金森患者积极快乐的进行正确的康复训练,恢复或维持手部功能,从而顺利完成日常活动,积极的参与社会生活,获得生理上的康复和心理上的快乐。

关键词：老龄化老年帕金森患者手部康复康复方法玩具设计

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脑卒中后期家用手部康复产品设计研究

脑卒中后期家用手部康复产品设计研究

作者：范笑爽东华大学

学位级别：硕士

近年来,在心脑血管疾病中,脑卒中的危害最为巨大,具有高发病率、高致残率、高死亡率、高复发率等特点,逐渐成为当代社会亟待解决的重大问题。并且近些年来发病呈现年轻化趋势,劳动年龄人口发病率的增加更加加重了家庭和社会的负担。如... 详细信息

近年来,在心脑血管疾病中,脑卒中的危害最为巨大,具有高发病率、高致残率、高死亡率、高复发率等特点,逐渐成为当代社会亟待解决的重大问题。并且近些年来发病呈现年轻化趋势,劳动年龄人口发病率的增加更加加重了家庭和社会的负担。如何让脑卒中患者早日实现生活自理、降低致残率,帮助他们回归社会,是一个值得研究和探讨的重大课题。在脑卒中康复研究中,其中手功能障碍大大降低了患者的生存质量。手是大脑功能的延伸,在大量神经的支配下可以完成许多精细的动作。所以手康复研究在脑卒中康复中占据着非常重要的地位。与此同时,由于脑卒中患者具有康复时间长的特点,需要长期的观察和回访,并且由于患者行动不便,前往医院康复往往十分艰难。物联网技术和远程医疗的发展为卒中家庭康复提供了新的思路。本文首先以脑卒中病人为研究对象,以手部康复为研究切入点,以家用康复产品为设计的大环境,运用桌面研究对现有卒中康复产品和卒中康复模式进行分析,发掘现今产品优势与潜在机会;另外,通过理论文献研究法对我国远程医疗系统和远程康复系统进行研究和案例分析,深度剖析其系统架构和商业模式,为实现卒中康复产品社会价值和经济价值的最大化,也为我国远程康复系统寻求恰当的商业模式和系统架构;当前还运用了访谈法、观察法等研究方法对目标用户进行调研,从心理、生理等方面分析我国卒中患者对于康复产品的需求。最终,建构了卒中远程康复系统的服务模式,得出适用于脑卒中患者手部家用康复产品的系统架构、产品系统与交互系统的设计方向,为脑卒中患者康复产品的设计研发提供理论依据和设计参照。

关键词：脑卒中患者手部康复远程医疗家用康复产品

基于偏心波纹管的手部康复软体机器人的设计与实验

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基于偏心波纹管的手部康复软体机器人的设计与实验

作者：张健合肥工业大学

学位级别：硕士

手是人体最灵活的器官之一,手部功能康复训练对恢复患者手部功能至关重要。本文基于软体致动器的特点以及对手部功能康复训练的需求提出一种偏心波纹管软体致动器结构,并研制出一款具有镜像疗法功能的手部康复软体机器人。首先,从解剖... 详细信息

手是人体最灵活的器官之一,手部功能康复训练对恢复患者手部功能至关重要。本文基于软体致动器的特点以及对手部功能康复训练的需求提出一种偏心波纹管软体致动器结构,并研制出一款具有镜像疗法功能的手部康复软体机器人。首先,从解剖学的角度对人手结构以及生物学特性进行了深入的分析,为实现手部功能康复,对人手自由度进行简化,使得本文所研究的康复机器人满足恢复手部功能主要关节自由度的需求。为提高圆形波纹管致动器的弯曲能力,本文提出一种偏心波纹管软体致动器结构,其波峰、波谷的中心存在一定的偏心距,使得致动器在正压驱动时由于上下伸长率不同具备弯曲变形,减少其在变形过程中的能量损耗,提高对手指的驱动能力。通过有限元分析工具对制作工艺范围内影响软体致动器弯曲性能的主要结构参数进行正交试验优化分析,从而确定软体致动器的较优参数尺寸,通过中空吹塑的方式完成了软体致动器的加工制作。其次,设计软体致动器实验平台气动系统并完成实验平台搭建,对制作出的偏心波纹管软体致动器进行气压-弯曲角度、气压-输出力实验。实验结果表明,该结构软体致动器具有较好的弯曲能力,气压-弯曲角度实验得到的实验数据曲线与有限元仿真曲线的平均偏差仅为4.41°,气压-输出力实验结果表明软体致动器在60KPa和-60 KPa气压驱动时的输出力分别为1.895 N、-2.118 N,满足对手部康复训练的力量需求。然后,基于镜像疗法完成了手部康复软体机器人控制系统的设计,包括单气源分指控制气动系统设计、主要器件选型及相关驱动电路设计、电路板绘制以及软件程序编写。利用弯曲传感器检测手指弯曲角度,采用WIFI模块实现数据手套与控制系统主机无线通信,完成了电路板的焊接调试以及软件程序的调试,其中控制系统具备镜像和被动两种康复训练模式。最后,完成了手部康复软体机器人样机研制。针对样机开展物体抓握能力实验、指尖输出力实验以及样机系统实验,实验结果表明:本研究设计的手部康复软体机器人能够辅助使用者抓握不同形状、尺寸和重量的物体;软体机器人具有较大的输出力,能够满足使用者日常生活中抓握物体的基本需求,保压阶段输出力波动小,表明本研究设计的康复手套输出力具有良好的稳定性;系统实验结果表明该样机能够辅助受试者患侧手部复现健侧手部动作,能够实现不同弯曲角度控制以及分指控制功能,该装置基本能够满足手部功能障碍患者的康复训练需求。

关键词：手部康复机器人致动器镜像疗法

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基于生机接口的手部康复系统设计

基于生机接口的手部康复系统设计

作者：房华蕾燕山大学

学位级别：硕士

脑卒中患者80%以上患有手部运动功能障碍,针对不同康复阶段的患者手部运动能力也各不相同,所以不同康复阶段的手部功能障碍患者的康复需求也各不相同。现有手部康复训练系统,通过场景交互或康复机器人辅助等方式对手部功能障碍患者进行... 详细信息

脑卒中患者80%以上患有手部运动功能障碍,针对不同康复阶段的患者手部运动能力也各不相同,所以不同康复阶段的手部功能障碍患者的康复需求也各不相同。现有手部康复训练系统,通过场景交互或康复机器人辅助等方式对手部功能障碍患者进行康复训练,但是只适用于某一康复阶段的手部功能障碍患者,无法满足手部运动功能障碍患者康复训练的不同时期,并且康复训练过程缺乏主动性、康复效率较低,无法满足不同时期患者的康复训练需求。所以,满足不同康复阶段的脑卒中手部功能障碍患者的康复训练系统显得尤为重要。本文针对以上问题,设计了一种基于生机接口的手部虚拟康复系统,在现有生机接口技术用于手部康复训练的研究现状上,将生机接口技术与虚拟现实以及康复机械手技术相结合,形成一种虚实交互的康复训练手段,具备三种覆盖手部康复训练不同时期的康复训练功能以满足不同患病程度的脑卒中手部功能障碍患者,并搭建了基于生机接口的手部虚拟康复系统,并通过实验对三种策略进行了验证,同时对系统进行了测试,并验证了系统的有效性,本文的主要内容描述如下:首先,本文设计了一种基于肌电惯性信号的手部康复训练策略,主要受众是脑卒中恢复期有基本运动能力的患者,即通过场景诱导,对患者进行肌电惯性信号同步采集与分析,通过健侧肌电控制穿戴康复机械手的患侧进行辅助训练,同时通过对惯性信号的分析对患侧患侧手部运动功能进行评估,利用Leap Motion手部追踪技术与患者进行人机交互,提高了患者康复训练的积极性,即通过一种主被动结合的方式提高了脑卒中恢复期手部功能障碍患者康复训练的效率。其次,本文设计了一种基于运动想象的手部康复训练策略,主要受众是脑卒中软瘫期丧失基本运动能力的患者,即通过设计的多场景刺激诱导患者进行运动想象,对采集到的运动想象信号进行预处理、特征提取及意图识别,将识别结果发送至康复机械手,辅助患者进行抓握训练,同时通过设计虚拟场景与患者运动想象进行交互,不仅提高了患者大脑运动功能区神经激活程度,同时通过机械手辅助患者进行训练,为脑卒中软瘫期手部功能障碍患者提供了一种神经康复和物理疗法相结合的康复训练方式。再次,本文针对脑卒中软瘫期到恢复期的过渡期,设计了一种基于双主动模式的康复训练策略,包括肌电、脑电两种康复模式,患者使用其中一种模式进行训练时,系统通过场景参数与人机交互的识别率等反馈结果进行虚拟场景自切换,进而控制康复模式的切换,选择更适合患者的康复训练模式。同时在脑电康复模式下提出了一种针对运动想象的神经功能康复评估方式,以脑地形图的形式显示大脑神经激活程度,更直观的得到患者的康复训练情况。为脑卒中过渡期的手部功能障碍患者提供了一种有效的康复训练手段。最后,本文对于提出的三种康复训练策略搭建了基于生机接口的手部虚拟康复系统,该系统包括硬件平台的搭建和软件平台的功能实现。然后针对三种康复训练策略分别进行了患者和健康受试者的实验测试与验证,通过实验前后的患者和健康受试者的康复训练数据分析及评估结果对比,可得患者和健康受试者的手部运动功能得到明显改善,大脑神经激活程度明显增强,同时肌电和脑电的识别率得到了明显提高,验证了本文提出的三种康复策略的有效性及本系统的实用性。

关键词：手部康复虚实交互生机接口康复机械手康复评估

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基于视觉示教的手部康复训练系统研究

基于视觉示教的手部康复训练系统研究

作者：孟云河南科技大学

学位级别：硕士

我国脑卒中患者的数量逐年增加,并且脑卒中致残率高达70%,其中大多数患者的手部功能受到一定程度的损坏。目前我国机器人技术越加成熟,融合医学理论的康复机器人在康复医学领域是炙手可热的。因此本文以手部康复为研究对象,基于计算机... 详细信息

我国脑卒中患者的数量逐年增加,并且脑卒中致残率高达70%,其中大多数患者的手部功能受到一定程度的损坏。目前我国机器人技术越加成熟,融合医学理论的康复机器人在康复医学领域是炙手可热的。因此本文以手部康复为研究对象,基于计算机视觉的方法来对手势进行识别,设计出一套手部康复训练系统。本文主要研究内容是基于骨架特征来进行手势识别,综合考虑舒适性、安全性、经济性和可靠性等因素,设计出一套完整的手部康复训练系统。主要工作内容是应用Media Pipe框架对手部关键点和骨架进行提取,根据得到的手部骨架序列设计了基于关键点向量角度的手势识别方法,训练了基于关节点集方向和距离特征的自制网络模型的手势识别算法,设计了两种算法的手势识别实验,对实验结果进行分析。设计了手部康复训练系统,完成了柔性驱动器、传感器、气动执行元件的选型,完成反馈系统和脉宽调制高速开关阀气动回路的设计。对手部康复的上位机和控制器之间的通信方式进行选择,设计了实时模式和重复训练模式两种康复训练模式,通过上位机的交互界面可以对康复训练模式进行选择,更好的实现人机交互。文章最后设计了两个实验,首先完成了在实时模式和重复训练模式两种模式下基于视觉的手部康复训练实验,此实验旨在检验基于视觉的手部康复训练系统的可行性,实验结果显示,该手部康复训练系统手套牵引患手做出的康复动作和手势识别系统识别出来的动作一致,该系统可以进行手部的康复训练;设计了高速开关阀性能测试实验,对实验数据进行分析,良好的实验数据证明可以通过调节占空比控制高速开关阀开关频率进而实现流量控制,从而控制手指屈伸速度。

关键词：手部康复手势识别骨架提取神经网络系统设计人机交互

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基于微流体的手部康复产品游戏化设计研究

基于微流体的手部康复产品游戏化设计研究

作者：黄天羽南京理工大学

学位级别：硕士

手的重要性不言而喻,对于人们的日常生活工作是至关重要的。然而,并非所有的人都具备完整的双手,其手功能可能存在一定的缺失。例如中风、手外伤等一系列疾病伤害均会造成手功能损害,导致人的手功能产生障碍或丧失。一般情况下,手功能... 详细信息

手的重要性不言而喻,对于人们的日常生活工作是至关重要的。然而,并非所有的人都具备完整的双手,其手功能可能存在一定的缺失。例如中风、手外伤等一系列疾病伤害均会造成手功能损害,导致人的手功能产生障碍或丧失。一般情况下,手功能障碍患者表现出手指没有力气、关节活动不方便、运动失衡等具体症状,这不但会对患者的日常生活产生严重的负面影响,导致患者生活质量有所下降,而且还会造成一定的心理问题,给患者内心留下伤害。同时,很多患者未能通过康复治疗取得良好的成效。本课题旨在通过新材料和新设计理念的运用来试图解决相关问题,首先通过文献和案例研究,对微流体软交互材料的基本架构及其在康复领域的应用前景进行了深入探讨;然后围绕游戏化设计的概念进行相关研究和设计认识,阐述了游戏化的定义、基本特征、设计要素、设计流程,以及设计框架,并对康复治疗领域设计理念的理论基础和国内外优秀设计案例进行了深入研究,总结了游戏化康复产品的优缺点,得出游戏化设计理念与微流体软交互材料结合的设计模型;然后,关注用户的需求,从生理、心理和康复功能特点三个方面对本课题的设计对象进行综合分析,采用问卷调查、访谈等用户研究方法,挖掘用户需求,并通过李克特量表和四象限分析确定需求的优先级;最后创新性地探索微流体软交互材料、游戏化设计理念及手部康复产品三者之间的结合方式,提出有针对性的设计策略及定位,并依据前文提取的重要需求和设计策略进行相应的设计实践。论文的创新之处在于:一是将微流体软交互材料引入到游戏化康复产品设计领域中,带给用户有趣的动态反馈方式和全新的交互体验。二是提高国内现有家用手部康复产品研究的不完备性,在一系列设计改造下,从而为产品赋予更强的科技感、人文性、时效性。最终帮助手部障碍患者积极快乐的进行康复训练,完善优化手部功能,保证各项日常活动正常开展,能更加积极主动地参与到一系列社会活动中。

关键词：微流体交互材料手部康复游戏化设计

基于sEMG信号和UE4引擎的手部康复训练系统的设计与实现

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基于sEMG信号和UE4引擎的手部康复训练系统的设计与实现

作者：栗志铃合肥工业大学

学位级别：硕士

随着近年来我国偏瘫患者人数的不断增加,辅助康复训练系统逐渐成为康复医疗领域的研究热点。本文基于表面肌电信号(s EMG)建立了人机交互接口,运用虚幻4(UE4)引擎编写了手部康复训练系统软件,最终构建了手部康复训练系统。本文主要工作... 详细信息

随着近年来我国偏瘫患者人数的不断增加,辅助康复训练系统逐渐成为康复医疗领域的研究热点。本文基于表面肌电信号(s EMG)建立了人机交互接口,运用虚幻4(UE4)引擎编写了手部康复训练系统软件,最终构建了手部康复训练系统。本文主要工作总结如下:首先,结合sEMG信号的特点和生理机理,使用表面电极采集s EMG信号,根据信号集的用途设计了相应的预处理方案,并提出了基于主成分分析的起始点检测算法和基于幅值特性的起始点检测算法。其次,进行了离线和在线动作段信号的获取,计算了动作段信号的时域特征和频域特征,并根据多通道信号的特点,提出了一种新的特征——绝对平均值的标准差(SDAM)。在选取合适的特征后,对特征空间进行了降维和归一化,分别采用支持向量机(SVM)和逆向传播(BP)神经网络构建了分类器,并进行了分类效果对比,结果表明SVM在离线动作分类中具有更高的分类精度,其精度达到92.59%。考虑到患者的康复过程中安全性和趣味性需求,基于UE4引擎设计了康复训练系统软件,分别制作了用户界面模块、游戏机制模块、人工智能模块以及动画模块,用于激发患者的训练积极性,并在软件安全方面设计了语音急停模块和疲劳检测模块。最后,分别进行了基于主成分分析的起始点检测算法和基于幅值特性的起始点检测算法的实验验证,并开展了疲劳检测实验,验证了模型的可行性。进一步地,采用SVM进行了主动康复训练实验,验证了康复训练系统的可行性和鲁棒性,其综合动作识别率达到87.56%。

关键词：表面肌电信号虚幻引擎意图识别手部康复