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穿戴式下肢康復裝置的設計
莫佳佳，邱毅瑞，陳達仁
1.機械工程與力學學院，寧波大學，818號，順化路，寧波，315211，中國浙江省。
2.機械工程學院，臺灣大學，1號，第4羅斯福路，臺北，臺灣，10617,achiuyijui@nbu.edu.cn，bdzchen@ntu.edu.tw。
關鍵詞：下肢關節(jié)；康復；肌電圖
摘要：我們提出了一種下肢康復裝置來幫助受損的人恢復腿的能力。該裝置由鏈接和彈簧組成，它的特點如下：（1）它是半被動和以家庭為基礎的，使腦卒中患者受自己的控制進行下肢體運動；（2）它結構簡單，重量輕，但它有類似的性質(zhì)用于其他治療機器人上；（3）動態(tài)平衡訓練器和肌電圖（EMG）進行BIODEX分析。結果表明，股直肌，股外側肌和股內(nèi)側肌的訓練對恢復非常好。.
1.介紹
在中國，那些患有神經(jīng)損傷的人，像輕偏癱中風和一百萬一年以上的交通事故。老年人和病人可能發(fā)生的肌肉無力或癱瘓，這往往限制他們大量的運動并對他們的日常生活帶來不好的影響。這些設備出現(xiàn)，就是為了幫助他們恢復肌肉強度和康復步態(tài)。 第一個MIT-MAUNS?【1】康復機器人應運而生，2012年，許多類型的治療設備已被陳【2】等聰慧的研究者意識到。并設計出“半被動”戴的康復設備，這設備的彈簧裝在腦卒中患者上，使他們進行上肢控制運動訓練。然而，矯形器的下肢是典型的動力。在本文中，我們提出了一個“半被動”穿戴式下肢康復裝置，該裝置可以用來協(xié)助腿受損的人恢復腿的能力。
在文獻中，已經(jīng)有很多的方法能計算出重力?？祻蜋C，包括配重，彈簧和輔助平行四邊形【3-5】。彈簧附件的選擇已被證明能夠平衡重量的下肢康復裝置，這典型運動人體的關節(jié)力矩可以分解為重力轉矩，慣性力矩和肌肉依從轉矩【6】。亞當斯仿真軟件的研究實驗方法，并探討當穿戴下，人體下肢肌肉康復裝置的影響。Biodex，Biopac和肌電圖都是用來獲取關節(jié)力矩和肌肉電活動的設備。
2.下肢的運動學模型
2.1設計
可穿戴式下肢康復裝置，如下圖所示,它是由木板組件和復位彈簧裝置組成。復位彈簧裝置連接木板和木板組件，組件包括大腿和小腿木板。一個腰帶是用在大腿上的木板，其長度可調(diào)，是為了防止軸向和縱向移動。彈簧的恢復裝置還包括兩個滑塊，它們是第一滑塊和第二滑塊。大腿板第一導軌與第一滑塊與小腿板第二導軌與第二滑動對比。有三個彈簧安裝裝置。第一彈簧套在腰帶和腿板之間，第二彈簧放置固定軸和小牛板之間。彈簧的作用是將滑塊間的引力勢能的彈性勢能彈簧做康復運動。第三個彈簧固定大腿和小腿之間的木板，可以連接大腿與小腿板。 圖1是可穿戴式下肢康復裝置
圖1
2.2。運動學模型
一個右下肢運動學和坐標系統(tǒng)示意圖如下。下肢包括兩個環(huán)節(jié)，大腿和小腿，大腿是從臀部到膝蓋的區(qū)域HK，小膝踝A?K是半被動式外骨骼部分，卸髖關節(jié)和膝關節(jié)在重力的運動范圍內(nèi)，大腿和小腿的中心被假定固定，始終位于機器MT和MC 之間，在任何瞬時。上下肢的運動可分為兩運動：臀部分量θ1，θ2，膝關節(jié)彎曲分量X1，X2。
圖2
圖2是一個右下肢的運動學和坐標系統(tǒng)圖
髖關節(jié)相當于一個三自由度球形關節(jié)，而膝關節(jié)建模只允許屈伸關節(jié)單自由度。在本文中，我們只需要考慮髖關節(jié)屈曲-伸展膝關節(jié)，因為他們的結合是最重要的運動下肢。一種康復裝置示意圖如下圖所示。下肢結合外骨骼可以建模為一二連接串行連接。根據(jù)前面所述，我們在設備的適當位置添加彈簧和滑塊，以使系統(tǒng)重力平衡。這用于下肢康復裝置的彈簧裝置是共面的。
圖3，相應的勢能圖
系統(tǒng)的潛在能量，由重力勢能，彈性潛在能量和質(zhì)量潛在能量組成。與人腳的質(zhì)量比較時，大腿和小腿是相對小的重力勢能，這兩者是微不足道的。因此，較低的重力勢能的四肢是
在M?t與Mc之間，右大腿和右小腿數(shù)量最多，Rhm是距離髖關節(jié)Mt中心的質(zhì)量，rRmc是膝關節(jié)MC中心的質(zhì)量, 相應的彈性勢能的V1,V2,V3,彈簧模量K1,K2,K3，可以推導出
K1，K2，K3是三個彈簧的彈性模量，Lhb，Lcd，Lce是三個彈簧的長度，大腿木板潛在能量是Vm1，木板潛在能量是Vm2，第一滑塊潛在能量是Vm3和第二滑塊潛在能量是Vm4，可以推導出公式：
根據(jù)（2）到（8），我們獲得了總的潛在能量
因此，腿會加入這三個所提到的潛在能量，并在重力平衡以上。
3。數(shù)值結果
建立了隨著下肢外骨骼運動學模型下肢。在這本文，我們利用亞當斯模擬Biodex獲得髖關節(jié)力矩。Biopac和肌電圖（EMG）是被用來獲得肌肉電活動的設備。下肢肌肉有四個部分，股直肌，股中間肌，股外側肌和股內(nèi)側肌。然而，由于股中間肌深度，信號就被可靠地通過，使用表面肌電圖記錄。因此，對于其他三個肌肉的肌電圖收集。在這個實驗中，一個健康的年輕成年人參與評測，其測量參數(shù)在表1中列出該裝置的數(shù)量，這種裝置的功能相當于一個沙袋綁在大腿上，提出了用沙袋練習的方法。他的右下肢從初始狀態(tài)下，大腿和小腿是在垂直位置。我們稱這種運動為“抬腿”運動。范圍從0度擴展到90度。
表1。對男性下肢人體測量學參數(shù)
主觀方面
人體測量學
參數(shù)
水分
70厘米
大腿長度
48厘米
髖關節(jié)膝關節(jié)長度
44厘米
大腿電路
63厘米
膝CIR
43厘米
大腿寬
22厘米
膝寬
10厘米
黑色的線顯示在圖4上，它顯示出髖關節(jié)的扭矩，從實驗“抬腿”運動與B（1.81公斤）重沙袋，而當B權電阻連接到下肢外骨骼時，紅色是關節(jié)力矩通過ADMAS仿真。圖4顯示時
大腿與地面平行，關節(jié)力矩達到峰值的15000?n-mm，實驗結果大約在16000?n-mm，其超過模擬量。
圖4髖關節(jié)屈曲-伸展的男性受試者關節(jié)力矩
圖5顯示一個男性的肌肉的肌電圖（a）是股直??；（b）是股外側肌；（c）是股內(nèi)側肌。在“抬腿”運動狀態(tài)下，所有三個肌肉被訓練時，股直肌是最活躍的。股外側肌和股內(nèi)側肌相對溫和，但表現(xiàn)出有兩個明顯的峰高度的一致性現(xiàn)象。 所有的肌肉沒有活性，到達時間是8秒。圖5是一個男性的肌肉的肌電圖，（a）是股直肌；（b）是股外側??；（c）是股內(nèi)側
4。結論
下肢矯形器的介紹，旨在幫助步行的人。當穿戴該裝置，我們使用亞當斯仿真軟件，人體下肢的肌肉和關節(jié)力矩實驗限制方法來探討影響。它表明，股直肌，股外側肌和股內(nèi)側肌下肢康復肌肉訓練非常好，我們相信這種矯形器康復裝置可能非常適用于一個潛在的肌肉無力或癱瘓患者，所有的研究工作是在浙江省新興藝術家（新廟）基金會的撥款20128405025號的資助下進行的，基礎教育部：第y201119372號；下批準號：2012a610077。
工具書類
【1】H.I. Krebs, N. Hogan, M.L. Aisen, B.T. Volpe，機器人輔助神經(jīng)康復，IEEE跨康復工程，vo1.6（1），（1998）第75-87頁。
【2】 邱毅瑞，陳達仁?，可穿戴式上肢矯形器訓練設計康復致動器，力學和材料卷。201-202（2012）第864-870頁。
【3】S.K.Agrawal, G. Gardner, S. Pledgie，重力平衡平面設計制作輔助的平行四邊形機構設計，ASME，123卷（4）（2001），第525-528頁。
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【5】 D.A. STREIT，E. Shin，平衡機的平面連桿機構設計卷11（3）（1993），第604-610頁。
【6】Agrawal，banala，A. Fattah， Sangwan，Krishnamoorthy，J.P.?Scholz，W.L. Hsu，IEEE跨神經(jīng)系統(tǒng)與康復工程，第15（3）（2007），第410-420頁。