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流体驱动柔性康复机械手运动分析和结构研究

流体驱动柔性康复机械手运动分析和结构研究

作者：朱磊安徽工程大学

学位级别：硕士

在中风患者手功能恢复治疗中,康复器械辅助治疗是常用的方法,具有精准、高效的特点。然而,传统刚性康复器械柔顺性差,容易造成患者二次伤害;多数气动柔性康复器械重量大、噪声高,不利于推广使用。扭管驱动(Twisted Tube Actuator)柔性... 详细信息

在中风患者手功能恢复治疗中,康复器械辅助治疗是常用的方法,具有精准、高效的特点。然而,传统刚性康复器械柔顺性差,容易造成患者二次伤害;多数气动柔性康复器械重量大、噪声高,不利于推广使用。扭管驱动(Twisted Tube Actuator)柔性康复机械手有利于减少噪声和机身重量,提高柔顺性与安全性。本文以柔性康复机械手为研究对象,研究内容包括气动柔性驱动器结构设计;气动柔性驱动器仿真分析与参数优化;TTA模型建立与参数确立;康复机械手结构设计及运动学建模;康复机械手样机制作及试验验证等。主要工作和研究内容如下。(1)气动柔性驱动器的结构设计。依据运动机能学,分析了人手骨骼结构及运动特点,结合临床康复医学,梳理中风患者康复需求,得到患者手部肌肉活动规律;运用虚拟手指理论,确定柔性驱动器设计参数,建立柔性驱动器本构模型,确立柔性驱动器材料参数,为柔性驱动器设计提供依据。(2)气动柔性驱动器仿真分析与参数优化。依据柔性驱动器结构参数,建立柔性驱动器结构模型;使用ABAQUS仿真软件,分析载荷作用下驱动器应力应变和弯曲变形;使用对比法,分析多组参数模型的性能表现,优化柔性驱动器结构参数,验证柔性驱动器的有效性。(3)TTA模型建立与参数确立。针对气动柔性康复机械手存在噪声、笨重等问题,基于TTA驱动方式,建立柔性康复机械手的驱动模型;采用理论与试验相结合的方法,确立TTA模块各零件参数,有效地规避了气动驱动存在的问题。(4)康复机械手的结构设计及运动学建模。依据手指关节活动特点,建立康复机械手结构模型,使用旋量法建立康复机械手正运动学模型;运用旋量法与代数法相结合的方法,设计康复机械手的逆运动学算法;依据康复机械手结构参数,使用MATLAB软件,验证逆运动学算法的正确性,为康复机械手运动控制提供理论基础。(5)康复机械手的实物制作及试验验证。依据康复机械手系统构成,搭建康复机械手驱动控制系统;采用试验测试方法,验证柔性驱动器性能;制作康复机械手样机,采用屈曲与伸展双向测试方法,验证康复机械手使用效果。研究工作的亮点及创新点在于,应用旋量法与代数法相结合的方法,求解康复机械手的逆运动学问题;康复机械手引用TTA方式,实现康复机械手双向康复运动。

关键词：手部康复柔性机器人运动学旋量法扭管驱动双向康复

面向人手运动功能康复的双向弯曲软体致动器设计、建模与性能分析

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面向人手运动功能康复的双向弯曲软体致动器设计、建模与性能分析

作者：张婕华中科技大学

学位级别：硕士

我国正逐步进入深度老龄化社会,脑卒中是中老年的高发疾病之一,患病率逐年升高,造成了大量的肢体运动功能受损的患者,尤其是导致了患者手部运动功能障碍。日常生活中出现的突发性事故,也造成了不少手部损伤的患者。手部运动功能的障碍... 详细信息

我国正逐步进入深度老龄化社会,脑卒中是中老年的高发疾病之一,患病率逐年升高,造成了大量的肢体运动功能受损的患者,尤其是导致了患者手部运动功能障碍。日常生活中出现的突发性事故,也造成了不少手部损伤的患者。手部运动功能的障碍会使患者的生活能力严重下降,因此需要重视手部康复的发展,康复运动治疗是促进手部功能恢复的重要环节。用于手部康复的外骨骼机器人能够辅助患者的手部进行运动,促进功能的恢复。针对患者的康复运动需求以及人手的骨骼结构和运动特性,本文提出了一种用于手部康复训练,可主动双向运动的软体致动器的设计方案。致动器仅有一个气腔,采用了三角波纹管的结构,在正负气压下能够主动产生两个方向的运动。本文主要内容如下:(1)分析人体手指的骨骼结构、关节的运动特性,并结合手部运动康复需求,合理选择设计软体致动器所需的自由度,确定软体致动器想要驱动的每个关节的运动范围。提出了可主动双向运动的三角波纹管型软体致动器的设计,通过有限元仿真预测软体致动器的弯曲运动。(2)对影响软体致动器弯曲性能的关键结构参数进行仿真分析,分析比较不同的尺寸参数下致动器的弯曲性能和弯曲线性度,得到了软体致动器的优化设计方法。(3)基于分段恒定曲率的方法思想,将软体致动器简化为长度不变的梁模型,提取仿真前后代表梁模型的点集的坐标变换,经过最小二乘法计算拟合,得到不同气压下软体致动器的弯曲变形运动曲线,建立了软体致动器的弯曲运动与气压的函数关系式。(4)制作了软体致动器的实物模型,进行了加压下弯曲运动和末端接触力的实验测试,得到了致动器的实际运动性能,验证了所提出的软体致动器结构功能的可行性,并与有限元仿真的结果进行了比较分析。

关键词：手部康复软体机器人有限元仿真数学建模

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软体外骨骼康复手系统设计与实现

软体外骨骼康复手系统设计与实现

作者：袁路林华中科技大学

学位级别：硕士

近年来,因中风及脑外伤等原因造成的手部运功功能障碍患者数量愈来愈多。手部运动功能障碍症严重影响了患者的日常生活和工作。手部外骨骼康复机器人是用来进行手部运动功能康复的重要装备,其通过辅助患者的手指进行弯曲和伸展运动,以... 详细信息

近年来,因中风及脑外伤等原因造成的手部运功功能障碍患者数量愈来愈多。手部运动功能障碍症严重影响了患者的日常生活和工作。手部外骨骼康复机器人是用来进行手部运动功能康复的重要装备,其通过辅助患者的手指进行弯曲和伸展运动,以及多指协调的功能性训练,来修复患者手部受损的运动功能。针对人手运动功能的康复需求,本文研究了一种可用于手部康复治疗的气动软体驱动器,开展了软体驱动器的结构参数与制作工艺研究,设计了软体驱动器的变结构控制器,构建了基于软体驱动器的背包式外骨骼手软硬件系统,开发了基于Android系统的人机交互软件。论文主要完成的工作及取得主要成果如下:(1)从运动机能学的角度分析了人手的骨骼结构和运动学特点,梳理了手部运动功能障碍患者的康复需求,确定了软体驱动器的运动范围和结构参数约束,建立了基于高分子硅胶材料的软体驱动器基材混合调控方法,提出了波纹半圆形柱型中空硅胶管的驱动器设计方案,通过仿真优化获得了软体驱动器的最佳结构参数,据此提出了软体驱动器的制作工艺流程以及位置传感器的集成方法,实现了软体驱动器驱动-感知的一体化设计。(2)针对气动软体驱动器的非线性和时滞性特征,结合柔性传感器的标定以及阶跃响应实验,研究了在不同气压下的软体驱动器动态响应特性,通过最小二乘法拟合辨识出软体驱动器的二阶动态响应模型参数,基于该模型构建了软体驱动器的滑模变结构控制策略,并通过轨迹跟踪实验验证该模型与滑模控制器的有效性。(3)基于研制的软体驱动器,开发了兼具柔顺性与安全性的软体外骨骼康复手软硬件系统。该系统包含模块化的软体外骨骼手、硬件驱动系统、软件系统以及用于镜像康复治疗的数据手套。可为患者提供三种实用的康复训练模式:手功能运动能力评价、被动训练和健侧带动患侧的镜像训练。(4)结合软体外骨骼康复手,建立了便携式软体外骨骼康复手背包系统的实验平台,对软体外骨骼康复手硬件系统和人机交互软件系统分别进行了性能测试,并验证系统各模块的可靠性和安全性。实验结果表明本系统运行稳定可靠,各模块功能正常,满足手部功能运动障碍患者康复需求。

关键词：手部康复软体机器人滑模控制有限元仿真

基于运动意图识别的软体康复手套辅助训练系统设计

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基于运动意图识别的软体康复手套辅助训练系统设计

作者：赵文鹏天津大学

学位级别：硕士

手部运动功能障碍作为脑卒中后常见的运动功能障碍之一,给患者的正常生活带来了极大困扰,基于患者运动意图的辅助康复训练能有效促进大脑运动神经重塑,加速手部运动机能恢复。然而,目前软体康复手套的训练模式多为机械式的重复训练且手... 详细信息

手部运动功能障碍作为脑卒中后常见的运动功能障碍之一,给患者的正常生活带来了极大困扰,基于患者运动意图的辅助康复训练能有效促进大脑运动神经重塑,加速手部运动机能恢复。然而,目前软体康复手套的训练模式多为机械式的重复训练且手势单一,无法依据患者运动意图进行多种手势的康复训练。针对上述问题,本文基于镜像康复理论,设计了一种基于运动意图识别的软体康复手套辅助训练系统。主要研究内容和取得的学术成果如下:(1)设计了一种双驱动多关节软体驱动器。通过分析人手的骨骼结构和运动特性,对五指软体驱动器进行了尺寸设计,基于D-H矩阵法求解了由软体驱动器组成的康复手套的运动空间,验证了尺寸设计的合理性;在尺寸设计的基础上,考虑到指关节间的运动具有独立性和耦合性的特点,设计了一种双驱动多关节结构的软体驱动器,并利用有限元法,研究了关键结构参数对弯曲性能的影响,确定了软体驱动器合理的结构参数;通过3D打印模具和浇注工艺制作了软体驱动器并进行实验,实验结果表明软体驱动器可执行两自由度运动且具有良好的弯曲性能。(2)建立了基于表面肌电信号的手部运动意图识别模型。定义了6种手势作为运动意图识别对象,分析手部运动和前臂肌肉的关联性,确定了控制6种手势关联性最大的肌肉,开展了表面肌电信号的采集实验;对采集的表面肌电信号进行了滤波、活动段分割,从时域和频域对不同手势进行了特征提取;建立了时频组合特征和网格搜索优化有向无环图支持向量机相结合的手部运动意图识别模型,实验结果表明该模型具有良好的准确性。(3)搭建了软体康复手套辅助训练系统。系统包括上位机子系统、软体康复手套和下位机子系统,进行了此三部分的功能设计和实物制作;并对系统进行了手部康复辅助训练功能测试,测试结果表明,本系统可以较为准确的识别健侧手部运动意图,并控制软体康复手套辅助患侧手部执行与健侧手部相同的多种手部运动,实现了基于患者运动意图辅助训练的目的,证明了本系统的有效性。

关键词：脑卒中手部康复软体驱动器表面肌电信号运动意图识别

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基于表面肌电信号的康复手套控制技术研究

基于表面肌电信号的康复手套控制技术研究

作者：陈宁特南京理工大学

学位级别：硕士

脑卒中是目前世界上成年人的首要致残因素,幸存者存在50%～70%的偏瘫概率。脑卒中患者术后穿戴气动康复手套可以进行手功能康复训练,是帮助患者进行手部康复的一种较优的解决方案。不同于目前应用较多的预先编程模式和配合外设的主从控... 详细信息

脑卒中是目前世界上成年人的首要致残因素,幸存者存在50%～70%的偏瘫概率。脑卒中患者术后穿戴气动康复手套可以进行手功能康复训练,是帮助患者进行手部康复的一种较优的解决方案。不同于目前应用较多的预先编程模式和配合外设的主从控制模式,肌电控制模式具有控制过程动作自然、仿生性好、设备结构简单、应用灵活等优点。本文旨在将气压传动技术与肌电控制技术相结合,最终实现气动康复手套的肌电控制。根据表面肌电信号的特点设计了一种双通道表面肌电信号调理器,用于采集不同手势动作的指屈肌和指伸肌的表面肌电信号。设计了一种双阈值比较的表面肌电信号动作活动段检测方法,应用移动窗口法分割信号数据,提取表面肌电信号的时域及时频域特征并分析特征的聚类性。选择表面肌电信号的小波包系数的能量特征和方差特征组成特征向量,应用主成分分析法降低特征向量维度。设计了BP神经网络模式识别分类器,实现手势动作表面肌电信号的模式识别,应用该算法对十位实验者进行手势动作离线识别,检验该模式识别算法对不同个体的适应性。研究了气动康复手套的弯曲角度伺服控制,基于模糊PID切换控制策略设计了控制系统并搭建实验台,分别进行气动康复手套在阶跃和斜坡信号下的弯曲角度响应实验。在上述研究的基础上,设计了阈值控制策略和模式识别控制策略的肌电控制方法。其一,基于阈值控制策略在MATLAB/Simulink中设计人手“屈/伸”意图的在线识别算法,结合气动康复手套弯曲角度伺服控制实现了康复手套缓慢“屈/伸”运动的肌电控制。其二,基于模式识别策略在MATLAB/Simulink中设计了手势动作表面肌电信号的在线模式识别算法,并实现多模式的手势动作肌电控制,实验中实现了“捏食指”、“捏中指”、“屈掌”、“伸掌”以及“休息”等五种手势的在线识别,根据识别结果控制相应的电磁阀,驱动气动康复手套完成对应模式的动作。最后检验了该在线识别算法对不同实验者手势动作的在线识别效果,平均在线识别率可达75.45%。

关键词：表面肌电信号肌电控制气压传动手部康复

面向脑卒中患者的多关节变刚度康复外骨骼手结构设计与实现

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面向脑卒中患者的多关节变刚度康复外骨骼手结构设计与实现

作者：刘子裕电子科技大学

学位级别：硕士

绝大部分脑卒中患者存在手部运动功能障碍,需要康复师介入进行康复训练。而目前我国面临康复师短缺、人工康复训练成本高等问题,手部康复机器人的出现为解决这些问题提供可能。早期的刚性手部康复外骨骼机器人因其成本高、适配性低以及... 详细信息

绝大部分脑卒中患者存在手部运动功能障碍,需要康复师介入进行康复训练。而目前我国面临康复师短缺、人工康复训练成本高等问题,手部康复机器人的出现为解决这些问题提供可能。早期的刚性手部康复外骨骼机器人因其成本高、适配性低以及容易对人体造成二次伤害的缺点,逐渐被成本低、柔顺性强、适配性高的柔性手部康复机器人所替代。然而目前柔性手部康复机器人无法像刚性机器人一样实现对任意关节的独立康复运动,并且由于柔性材料的刚度较小,无法模拟手指在日常生活中提拉动作时的变刚度特性。针对这些问题,本文设计了一种多关节式可变刚度的柔性外骨骼康复手套,可以实现手指关节分离式的康复运动,可以通过变刚度关节模拟手指提拉动作时的变刚度特性。本文的研究内容如下:(1)针对柔性手部外骨骼康复机器人运动自由度不足的问题,提出了多关节式快速气动网格的软体驱动器模型。基于分段常曲率模型建立了单气囊弯曲数学模型并进行参数修正,通过有限元仿真对软体驱动器的气腔结构进行优化,从而得到了同等气压压强下驱动器的弯曲角度与末端输出压力最大的气腔形状结构,弯曲角度较优化前提升35.8%,输出压力较优化前提升32.23%。结合人体手指运动中仿生学,设计了多关节软体驱动器整体的结构,满足了患者康复过程中关节独立运动的康复需求。(2)针对柔性手部外骨骼康复机器人关节刚度不足的问题,提出了基于形状锁合的平行四边形变刚度关节结构。通过分析人体手部提拉重物时的关节刚度需求以及软体驱动器关节负载时的刚度变化,确定了变刚度关节的设计目标。通过对变刚度关节建立运动学模型和静力学有限元仿真分析,证明了变刚度关节结构设计的正确性,通过对变刚度关节进行刚度分析,证明了变刚度关节能够额外提供1.9～2.5N·m/rad的刚度,满足了患者康复过程中变刚度的康复需求。(3)最后为了验证软体驱动器结构与变刚度关节结构的实用性,制作了柔性多关节手指驱动器,并组合变刚度关节完成实验样机,搭建了气动控制系统。进行康复外骨骼手套单根手指关节弯曲角度实验与手指指尖力实验,使用整个多关节变刚度外骨骼康复手套完成多种手势,并针对不同形状、质量的物品进行抓取以及实验,证明了本文所设计的软体驱动器与变刚度关节结构可以满足患者康复过程中的关节独立运动与变刚度的康复需求。

关键词：手部康复柔性外骨骼多关节软体驱动器变刚度关节

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外骨骼康复手的设计与分析

外骨骼康复手的设计与分析

作者：黄耀斌华中科技大学

学位级别：硕士

我国残疾患者众多,并呈逐年增长趋势,医学统计分析表明,大部分的残疾人可以借助康复设备改善生活状况。但是,现在医疗康复装备配置率达不到要求,尤其是手部康复装备。为此,本文设计了一种为手部残疾患者提供辅助运动的新型装备,以此达... 详细信息

我国残疾患者众多,并呈逐年增长趋势,医学统计分析表明,大部分的残疾人可以借助康复设备改善生活状况。但是,现在医疗康复装备配置率达不到要求,尤其是手部康复装备。为此,本文设计了一种为手部残疾患者提供辅助运动的新型装备,以此达到恢复手部运动功能的目的,主要内容包括:(1)利用数据手套对人手运动数据进行采集,对运动数据进行主成分分析,得到了人手在抓取物体过程中的特征运动规律,揭示了人手手指运动相关性的特点。(2)设计了手指驱动机构,并对其进行了优化设计,保证了机构的紧凑性和轻量化,同时,该机构具有运动和力传递的鲁棒性;设计了一种少输入多输出的机构,能满足手指运动所需驱动力的要求。对医学康复理论进行研究,分析了有利于功能恢复的运动模式。(3)研制了可复现人手自然抓取运动规律的外骨骼式手部康复训练装置,该外骨骼康复手装置可实现辅助患者协调手指运动的同时,具有适应不同人手尺寸变化的能力。(4)验证了外骨骼康复手指机构可复现人手自然运动的特性,验证了外骨骼康复手装置的抓握性能,选取了日常生活中的物体进行抓取实验,验证了手部康复装备的运动效果和设计方法的可行性。

关键词：手部康复外骨骼机构设计

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柔性气动康复手套研究进展

机器人技术与应用 2024年第5期 54-56页

作者：方沁璐杜慧江上海健康医学院医疗器械学院上海201318

柔性气动康复手套利用气体驱动柔性致动器带动手套实现对人手部肌肉的辅助运动,帮助手部受伤的患者进行康复锻炼和完成日常生活的手指动作,在康复工程领域有巨大的应用价值。本文回顾了近10年来具有代表性的柔性气动康复手套,分析了相... 详细信息

柔性气动康复手套利用气体驱动柔性致动器带动手套实现对人手部肌肉的辅助运动,帮助手部受伤的患者进行康复锻炼和完成日常生活的手指动作,在康复工程领域有巨大的应用价值。本文回顾了近10年来具有代表性的柔性气动康复手套,分析了相关研究的关键技术,对比了性能指标,并对其未来的发展做出展望。

关键词：康复机器人康复手套可穿戴设备柔性致动器气体驱动康复工程手部康复