柔顺主—被动膝关节康复训练技术研究

论文摘要

随着康复医学领域的不断发展,针对一些膝关节受损后进行手术治疗的患者,越来越多的医学工作者认为为了达到更好的康复效果,术后的康复训练应该是从被动到半主动直至完全主动的柔顺可控的训练过程。目前,康复训练的仪器只能提供单一的被动康复训练或主动康复训练功能,无法满足患者整个康复训练过程的需求。此外,现有的适用于膝关节术后被动康复训练的搭放式康复训练仪器多为电机+丝杆螺母的刚性连接方式,在康复过程中容易对患者造成二次伤害,而佩戴式康复训练仪器不适用于膝关节患者术后早期的康复训练。本文提出并设计了一种柔顺主-被动膝关节康复器,采用气动柔性驱动的方式保证了康复训练过程的柔顺性。该康复器的输出力可作为驱动患者膝关节伸屈运动的主动力与阻尼力,集被动康复训练与主动康复训练过程于一体。本文的主要工作如下：（1）根据人体膝关节的结构模型分析了患者在手术后康复训练各阶段的具体训练内容,以及各阶段患者对康复器械的功能要求。在此基础上提出了膝关节康复器的总体设计要求。为满足患者术后起全过程的康复要求,采用患者平躺下肢搭放在康复器上进行康复训练的搭放式结构,能够实现对患者被动与主动两种模式的康复训练,并保证康复训练过程的柔顺性以避免对患者造成二次伤害。（2）针对现有Mckibben型气动柔性驱动器变形率较低导致采用此种驱动方式的康复器械整体结构复杂、庞大的问题,本文设计并制作了一种推力大行程气动柔性驱动器,通过扁平截面弹性管螺旋卷绕多层叠加驱动的方式实现了较大的变形率。在理论分析的基础上建立了该气动柔性驱动器的基本模型。并通过实验研究进一步验证了该气动柔性驱动器的特性。实验结果表明,该推力大行程气动柔性驱动器具有线性度较高,迟滞小等优点。（3）确定了柔顺主-被动膝关节康复器的整体机械结构,提出了采用无杆气缸+推力大行程气动柔性驱动器的复合驱动方式与搭放式下肢托架单元的结构。利用无杆气缸能够实现较大行程范围内的驱动,同时易于控制其输出力的大小与方向实现被动与主动康复训练间的切换。而在屈膝训练过程的末端对患者关节组织进行拉伸训练的过程中采用推力大行程气动柔性驱动器的方式可保证该过程的柔顺性,以满足康复训练过程高安全性的要求。搭放式下肢托架单元具有长度调节装置,能够调节康复器大腿杆与小腿杆的长度以适应不同身高人群患者的康复需求。（4）搭建了柔顺主-被动膝关节康复器的实验系统,采用LabVIEW软件对康复器控制系统进行编程。对推力大行程气动柔性驱动器的柔顺性、无杆气缸的动态响应能力以及康复器被动康复训练与主动康复训练过程进行了实验研究,分析了负载参数变化对康复器训练过程的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 本课题的研究意义及研究目的
• 1.2 国内外在膝关节康复领域的研究现状及分析
• 1.2.1 基于电机驱动的膝关节康复器
• 1.2.2 基于健康下肢驱动的膝关节康复器
• 1.2.3 基于气动柔性驱动器的膝关节康复器
• 1.2.4 膝关节康复器械研究现状分析
• 1.3 课题研究面临的问题
• 1.4 主要研究内容
• 2 柔顺主-被动膝关节康复器设计与分析
• 2.1 膝关节的结构模型
• 2.2 膝关节康复训练功能要求
• 2.3 柔顺主-被动膝关节康复器的总体设计要求
• 2.3.1 机械系统设计要求
• 2.3.2 硬件控制系统设计要求
• 2.3.3 软件控制系统设计要求
• 2.4 本章小结
• 3 推力大行程气动柔性驱动器设计与分析
• 3.1 推力大行程气动柔性驱动器技术方案
• 3.1.1 推力大行程气动柔性驱动器的工作原理
• 3.1.2 关键技术研究
• 3.1.3 推力大行程气动柔性驱动器的实现
• 3.2 推力大行程气动柔性驱动器建模研究
• 3.3 推力大行程气动柔性驱动器静态特性试验研究
• 3.3.1 等压特性试验结果
• 3.3.2 等长特性试验结果
• 3.4 本章小结
• 4 柔顺主-被动膝关节康复器系统设计
• 4.1 柔顺主-被动膝关节康复器的设计
• 4.1.1 柔顺主-被动膝关节康复器的设计
• 4.1.2 驱动器结构设计
• 4.1.3 下肢托架单元结构
• 4.2 柔顺主-被动膝关节康复器的静力学分析
• 4.3 柔顺主-被动膝关节康复器的工作原理
• 4.3.1 被动训练方式
• 4.3.2 主动训练方式
• 4.4 膝关节主-被动康复器康复训练模式研究
• 4.5 本章小结
• 5 柔顺主-被动膝关节康复器的实验研究
• 5.1 实验系统
• 5.1.1 实验原理及其硬件系统
• 5.1.2 实验软件系统
• 5.2 气动柔性驱动器的柔顺性测试
• 5.3 柔顺性主-被动康复器的动态特性测试
• 5.4 柔顺性主-被动康复器的康复训练实验
• 5.4.1 被动康复训练
• 5.4.2 主动康复训练
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况