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穿戴式下肢康復(fù)裝置的設(shè)計(jì)
莫佳佳，邱毅瑞，陳達(dá)仁
1.機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，寧波大學(xué)，818號，順化路，寧波，315211，中國浙江省。
2.機(jī)械工程學(xué)院，臺灣大學(xué)，1號，第4羅斯福路，臺北，臺灣，10617,achiuyijui@nbu.edu.cn，bdzchen@ntu.edu.tw。
關(guān)鍵詞：下肢關(guān)節(jié)；康復(fù)；肌電圖
摘要：我們提出了一種下肢康復(fù)裝置來幫助受損的人恢復(fù)腿的能力。該裝置由鏈接和彈簧組成，它的特點(diǎn)如下：（1）它是半被動和以家庭為基礎(chǔ)的，使腦卒中患者受自己的控制進(jìn)行下肢體運(yùn)動；（2）它結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，但它有類似的性質(zhì)用于其他治療機(jī)器人上；（3）動態(tài)平衡訓(xùn)練器和肌電圖（EMG）進(jìn)行BIODEX分析。結(jié)果表明，股直肌，股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌的訓(xùn)練對恢復(fù)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(fēng)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(yùn)動并對他們的日常生活帶來不好的影響。這些設(shè)備出現(xiàn)，就是為了幫助他們恢復(fù)肌肉強(qiáng)度和康復(fù)步態(tài)。 第一個(gè)MIT-MAUNS?【1】康復(fù)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，2012年，許多類型的治療設(shè)備已被陳【2】等聰慧的研究者意識到。并設(shè)計(jì)出“半被動”戴的康復(fù)設(shè)備，這設(shè)備的彈簧裝在腦卒中患者上，使他們進(jìn)行上肢控制運(yùn)動訓(xùn)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(gè)“半被動”穿戴式下肢康復(fù)裝置，該裝置可以用來協(xié)助腿受損的人恢復(fù)腿的能力。
在文獻(xiàn)中，已經(jīng)有很多的方法能計(jì)算出重力?？祻?fù)機(jī)，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(fù)裝置，這典型運(yùn)動人體的關(guān)節(jié)力矩可以分解為重力轉(zhuǎn)矩，慣性力矩和肌肉依從轉(zhuǎn)矩【6】。亞當(dāng)斯仿真軟件的研究實(shí)驗(yàn)方法，并探討當(dāng)穿戴下，人體下肢肌肉康復(fù)裝置的影響。Biodex，Biopac和肌電圖都是用來獲取關(guān)節(jié)力矩和肌肉電活動的設(shè)備。
2.下肢的運(yùn)動學(xué)模型
2.1設(shè)計(jì)
可穿戴式下肢康復(fù)裝置，如下圖所示,它是由木板組件和復(fù)位彈簧裝置組成。復(fù)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(gè)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(fù)裝置還包括兩個(gè)滑塊，它們是第一滑塊和第二滑塊。大腿板第一導(dǎo)軌與第一滑塊與小腿板第二導(dǎo)軌與第二滑動對比。有三個(gè)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(fù)運(yùn)動。第三個(gè)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(fù)裝置
圖1
2.2。運(yùn)動學(xué)模型
一個(gè)右下肢運(yùn)動學(xué)和坐標(biāo)系統(tǒng)示意圖如下。下肢包括兩個(gè)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(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)在重力的運(yùn)動范圍內(nèi)，大腿和小腿的中心被假定固定，始終位于機(jī)器MT和MC 之間，在任何瞬時(shí)。上下肢的運(yùn)動可分為兩運(yùn)動：臀部分量θ1，θ2，膝關(guān)節(jié)彎曲分量X1，X2。
圖2
圖2是一個(gè)右下肢的運(yùn)動學(xué)和坐標(biāo)系統(tǒng)圖
髖關(guān)節(jié)相當(dāng)于一個(gè)三自由度球形關(guān)節(jié)，而膝關(guān)節(jié)建模只允許屈伸關(guān)節(jié)單自由度。在本文中，我們只需要考慮髖關(guān)節(jié)屈曲-伸展膝關(guān)節(jié)，因?yàn)樗麄兊慕Y(jié)合是最重要的運(yùn)動下肢。一種康復(fù)裝置示意圖如下圖所示。下肢結(jié)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(shè)備的適當(dāng)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(fù)裝置的彈簧裝置是共面的。
圖3，相應(yīng)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(shí)，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(guān)節(jié)Mt中心的質(zhì)量，rRmc是膝關(guān)節(jié)MC中心的質(zhì)量, 相應(yīng)的彈性勢能的V1,V2,V3,彈簧模量K1,K2,K3，可以推導(dǎo)出
K1，K2，K3是三個(gè)彈簧的彈性模量，Lhb，Lcd，Lce是三個(gè)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(dǎo)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(gè)所提到的潛在能量，并在重力平衡以上。
3。數(shù)值結(jié)果
建立了隨著下肢外骨骼運(yùn)動學(xué)模型下肢。在這本文，我們利用亞當(dāng)斯模擬Biodex獲得髖關(guān)節(jié)力矩。Biopac和肌電圖（EMG）是被用來獲得肌肉電活動的設(shè)備。下肢肌肉有四個(gè)部分，股直肌，股中間肌，股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)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(gè)肌肉的肌電圖收集。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)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(dāng)于一個(gè)沙袋綁在大腿上，提出了用沙袋練習(xí)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(yùn)動為“抬腿”運(yùn)動。范圍從0度擴(kuò)展到90度。
表1。對男性下肢人體測量學(xué)參數(shù)
主觀方面
人體測量學(xué)
參數(shù)
水分
70厘米
大腿長度
48厘米
髖關(guān)節(jié)膝關(guān)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(guān)節(jié)的扭矩，從實(shí)驗(yàn)“抬腿”運(yùn)動與B（1.81公斤）重沙袋，而當(dāng)B權(quán)電阻連接到下肢外骨骼時(shí)，紅色是關(guān)節(jié)力矩通過ADMAS仿真。圖4顯示時(shí)
大腿與地面平行，關(guān)節(jié)力矩達(dá)到峰值的15000?n-mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果大約在16000?n-mm，其超過模擬量。
圖4髖關(guān)節(jié)屈曲-伸展的男性受試者關(guān)節(jié)力矩
圖5顯示一個(gè)男性的肌肉的肌電圖（a）是股直??；（b）是股外側(cè)肌；（c）是股內(nèi)側(cè)肌。在“抬腿”運(yùn)動狀態(tài)下，所有三個(gè)肌肉被訓(xùn)練時(shí)，股直肌是最活躍的。股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌相對溫和，但表現(xiàn)出有兩個(gè)明顯的峰高度的一致性現(xiàn)象。 所有的肌肉沒有活性，到達(dá)時(shí)間是8秒。圖5是一個(gè)男性的肌肉的肌電圖，（a）是股直??；（b）是股外側(cè)??；（c）是股內(nèi)側(cè)
4。結(jié)論
下肢矯形器的介紹，旨在幫助步行的人。當(dāng)穿戴該裝置，我們使用亞當(dāng)斯仿真軟件，人體下肢的肌肉和關(guān)節(jié)力矩實(shí)驗(yàn)限制方法來探討影響。它表明，股直肌，股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌下肢康復(fù)肌肉訓(xùn)練非常好，我們相信這種矯形器康復(fù)裝置可能非常適用于一個(gè)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(shù)家（新廟）基金會的撥款20128405025號的資助下進(jìn)行的，基礎(chǔ)教育部：第y201119372號；下批準(zhǔn)號：2012a610077。
工具書類
【1】H.I. Krebs, N. Hogan, M.L. Aisen, B.T. Volpe，機(jī)器人輔助神經(jīng)康復(fù)，IEEE跨康復(fù)工程，vo1.6（1），（1998）第75-87頁。
【2】 邱毅瑞，陳達(dá)仁?，可穿戴式上肢矯形器訓(xùn)練設(shè)計(jì)康復(fù)致動器，力學(xué)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(shè)計(jì)制作輔助的平行四邊形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，ASME，123卷（4）（2001），第525-528頁。
【4】G.J. Walsh, D.A. Streit, B. J. Gilmore，空間彈簧平衡理論，機(jī)械機(jī)器理論26 (2)（1991），第155-170頁。
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【6】Agrawal，banala，A. Fattah， Sangwan，Krishnamoorthy，J.P.?Scholz，W.L. Hsu，IEEE跨神經(jīng)系統(tǒng)與康復(fù)工程，第15（3）（2007），第410-420頁。