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移动式外骨骼设备
 
更新日期:2020-01-06   来源:体育文化导刊   浏览次数:82   在线投稿
 
 

核心提示:1.外骨骼设备的起源和发展史穿戴式外骨骼是最近几年来被广泛应用于临床的康复设备,因作为人体穿在外面的人工机械而得名。它将设备的机械能与人的智能

 
1.外骨骼设备的起源和发展史
穿戴式外骨骼是最近几年来被广泛应用于临床的康复设备,因作为人体穿在外面的人工机械而得名。它将设备的机械能与人的智能相结合,借助于人机电一体化特点,模拟出正常步态路线,作用于截瘫等脊髓损伤患者以期达到恢复下肢运动功能和重返社会的目的。早在1960年外骨骼技术就开始被科学家关注,1966美国发明的Hardiman 助力机器人由于科技限制未能面世,但是为之后的外骨骼研究奠定了理论基础。这一失败案例之后,欧美国家汲取经验,注入大量时间和财力关注外骨骼技术,截至目前已经取得了很多前瞻性研究。
下肢外骨骼最具有代表性的是伯克利分校运用仿生学设计的BLEEX军用型助力型机器人,主要以负重和行军为目的,包含7个自由度(髋、踝关节各三个,膝关节一个)和30个以上的传感器形成仿生机械腿以完成下肢各个方向的活动。随着社会发展和临床需要,科学家们参照之前的设计理念为截瘫患者量身定制了Ekso设备,以期提高他们的社会参与度。此后,日本筑波大学和以色列不甘落后,分别设计出了具有代表性的HAL和Rewalk机器人,增加残疾人生活自理能力,减少照顾人员的生活压力。从工程学的角度而言,以上设计均为关节驱动型,相较于传统康复方式其对康复更具价值,然而控制系统复杂和电池使用时间有限是限制该技术被大量应用于临床的原因。
我国外骨骼设备研究起步较晚,1990年清华大学设计了我国首个下肢外骨骼设备,主要用于脊髓损伤患者的步行康复,但由于穿戴繁琐,设备沉重而且训练模式单一没有得到广泛使用。2000年各理工科院校和科研机构意识到该技术广阔的发展空间,开始吸取欧美国家设计理念并开始自己的研究,目前为止也有了不错的研究成果。上海大学采用三连杆开练式基础理论设计出的外骨骼设备以增加患者踝关节的主动控制,减少残存肌肉下降为目的;哈尔滨工业大学利用仿生学理念设计悬挂式外骨骼机器人,通过直流电伺服电动机借用压力传感器智能预估患者的运动轨迹,为调整和改善步态提供科学依据。中科院基于足底机器人模型以信号感知技术和降低患者自由度的欠驱动结构,智能协调人体和机器之间的运动一致性[38]。浙江大学利用足底传感器的敏锐度和小车的辅助设计出汽动型机器人,它可以在保证安全的情况下既能提前判断出患者的运动轨迹,又能提高运动的准确度,毋庸置疑,外骨骼技术的发展迈入加速发展期,已经产生出了相对成熟的产品主要应用于康复训练,更趋智能化,轻型化和模块化的外骨骼将更多的应用于助老助残和军事领域事业。
2 .下肢外骨骼研发特点
下肢各项运动都是依靠髋,膝和踝关节与周围软组织相互协作共同完成的,任何环节出现问题可能会被隐藏或者代偿最终都会表现为正常步态的异常。步态周期是指一侧足底着地到该侧第二次着地的过程所需的时间,根据足底与地面的接触情况又分为支撑相和摆动相,支撑相约占整个过程的60%,是指足底与地面接触过程;摆动相约占40%,是指足底离开地面的过程。行走过程中的不同步态过程对应着不同的关节角度参数(各关节运动角度,最大屈伸角度等)和动力学参数(力矩和反作用力等),运动过程中这些复杂的参数变化是依靠神经-肌肉系统的高度自动支配的,骨骼肌接收到运动神经的信号时产生收缩完成机体运动。所以,下肢外骨骼康复设备重点是在重现下肢运动功能,在支撑状态可以维持机体体重和姿势,在摆动相可以完成身体姿势转变及各个方向的运动。
工程师根据患者行走功能受限情况,利用动力学,形态学等知识对患者的下肢辅助设备进行设计时主要关注的有以下几个问题:材料,弹性驱动器和运动控制等。铝合金作为工业产业中利用最多的金属材料,其良好的机械性能和物理性能(密度低强度高和可加工性与抗腐蚀性的特性)逐渐被工程师发现并运用在外骨骼设计之中;驱动器是一种将其他能量转换为机械能的装置,外骨骼设备弹性驱动器根据驱动形式可以三类:液压(稳定性好,但运动速度慢),电机(效率高灵敏性好)和气压驱动(成本低维修简单,但稳定性略差目前只应用于轻载型外骨骼),三者各有优劣,工程师会根据实际情况选择最大效应的驱动形式;运动控制发展于伺服控制,指通过对电流电压等电学指标和设备速度位置的掌控,让设备能够按照预定的运动轨迹运动,刘棣斐等已经在研究中证明,由于穿戴者自身肌力大小不同造成的理想运动轨迹和实际运动轨迹之间的差值可以根据公式精确算出来。
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