文摘
协助偏瘫的患者日常生活的活动,已研制出许多柔软上肢外骨骼。在本文中,我们提出了康复训练的柔软上肢外骨骼结构基于人体生物力学。基于鲍登电缆软驱动结构设计。必须考虑人机交互的力量,因为它可以在关节损伤,导致手臂不适。我们专注于结构优化人机交互力降到最低。人类的手臂在ADAMS建立模型进行运动仿真。总结最优性条件,肘关节的运动模拟在亚当斯受力点的数量和位置改变。介绍肩膀骨骼系统的运动通过一个数学模型的基础上,鲍登电缆传输和利用人机接触力传感器检测人工交互部队对实验数据的分析。实验结果表明,人机交互力可以减少当轴承力点的数量增加,轴承力的观点是远离弯头。
1。介绍
近年来,许多可穿戴外骨骼是迅速发展援助和康复领域的(1]。外骨骼应用提供生物联合辅助扭矩加强人体的运动能力或帮助残疾的人2]。这些可穿戴外骨骼通常由刚性链接与生物肢体(并行运行3]。刚性结构是由软结构代替克服不适导致僵化的外骨骼。气动人工肌肉致动器是用来取代传统的电动机和液压传动4]。即使是由铝和复合金属刚性结构,整个重量的外骨骼与气动人工肌肉可以大大减少。然而,机械阻抗引起的不适和关节损伤和运动约束还没有很好地解决了(5]。
为了消除这些限制,提出了软外骨骼的概念。首先,小说软cable-driven exosuit可应用提出了对身体力量协助走(6]。绑定结构包括纺织布料没有刚性连接和铰链。人体通过quasioptimal兼容的接口连接到柔软的外骨骼。解决的局限性拉伸伸长气动执行机构,一种新型的传动装置基于鲍登电缆软可穿戴外骨骼提出(7]。这个驱动结构允许将汽车放在better-loaded部分远离运动关节。鲍登电缆护套的肢体与轮盖,另一个极端是连接到锚点。通过内部鲍登电缆软外骨骼传递驱动力,和鲍登电缆拉力转化为关节力矩(8]。鲍登电缆的力传递效果是好的。因此,基于鲍登电缆传输驱动结构设计成为第一选择。
目前,中风患者的数量在中国每年超过200万。大约75%的中风幸存者有不同程度的残疾。中风偏瘫的一个常见的后遗症。靶向治疗中风患者偏瘫的患者包括功能恢复肩膀,肘部,臀部和膝盖9]。柔软而中风偏瘫患者上肢外骨骼进行康复训练,人机交互力可以对人体造成伤害。的主要解决方案是减少人机交互的力量在支持过程中通过优化控制策略。分层级联控制器,提出了改进控制策略对上肢外骨骼。高级控制器执行援助水平估计,中层控制器执行自适应补偿的差距,和底层控制器执行自适应摩擦补偿和位置控制(10]。本文的研究结构优化主要是减少人机交互力。鲍登之间的固定锚位置的选择电缆和纺织品表面的人体舒适和遵从性有很大的影响。鲍登电缆的数量也有一个对人机交互力的影响。
本文主要介绍了三个部分。首先,现有研究的基础上,柔软的外骨骼,上肢结构软外骨骼康复训练的建议。然后,人机交互力的影响因素进行了讨论,提出了结构优化的一些方法。最后,主题与柔软上肢外骨骼执行肘部的弯曲运动来验证仿真实验中给出的结论。时可以减少人机交互力受力点添加,远离中心的手肘在一定范围内。
2。结构设计
2.1。设计概述
基于人类的上肢生物力学的分析,纺织材料构成软外骨骼的基本结构(11]。力转移软外骨骼如图1。本文中提到的数字标签图中。肩膀周围的柔软上肢外骨骼高度(3),低于腰部周围的弯头(2)和(9),力是通过肩带(4 - 8)。鲍登电缆护套的肢体是连接到一个固定的带子绑在肩膀上。(3)鲍登电缆内部延伸的肢体鲍登电缆护套的定点织物带(2)肘部以下。当扩展运动肘部执行协助下由柔软的外骨骼,固定肩带点之间的距离(2)和(3)是近了。带(2)转移向下的力带(1)当肘部的弯曲运动。同时,皮带(2)传输带(3)的向上的力。
(一)
(b)
肘部的柔软上肢外骨骼产生转矩通过鲍登电缆传输系统。肌肉肌腱的工作原理可以被鲍登电缆传输系统模拟。此外,人机耦合柔性结构系数高。驱动力的一部分被人体生成的被动,,另一个是提供的外骨骼。指图1,当执行肘部的弯曲运动,带(2)逐步收紧。带(2)产生阻抗扭矩而手肘弯曲到最大程度。执行扩展运动肘时,皮带(2)释放储存能量并协助肘部运动。
织物带pump-effect模式材料增强透气性和舒适度。腰部带构造是一块是用尼龙搭扣在前面。尼龙搭扣的腰带腰部大小在10厘米的范围内。它是更方便和延伸不如扣形式由于尼龙搭扣。肩带是由“我”字,有两个独立可调Velcro-covered标签沿着它的高度,使它获得了受试者的肩膀以舒适的方式。一层织物缝肩带是用来修复鲍登电缆护套,和内部充斥着海绵来减少压力。
手肘带了一块,有两个独立可调年底尼龙搭扣带适合肘部大小在8厘米的范围内。用于力之间的传输的带肩带和肘部缝合带,皮带的宽度是3厘米。
有两个固定块的ABS塑料修复鲍登电缆之间的上臂和前臂。每个固定块有两个独立可调节的维可牢尼龙搭扣可以适合上臂和前臂大小在5厘米的范围内。整个柔软上肢外骨骼结构的重量小于800克。选择合适的博登拉线的长度,以防止过度的弯曲和作为一个机械限制保护主题。
2.2。设计原则
柔软上肢外骨骼的作用是协助中风偏瘫的患者进行康复训练。为了避免损坏导致皮带位移网状的东西,应该改进整体刚度。它不太可能导致损伤的整体刚度较高。因此,应遵循几个原则设计时对患者上肢软外骨骼。人体的某些领域更承重,和这个功能需要充分考虑。这些区域被定义为关键锚如肩膀、臀部和鞋底。这些典型的地区主要是由骨骼可以承受正常或接近正常水平反应部队。软外骨骼的一级结构位于肩膀。在开车阶段,皮肤少位移相对于骨。织物带(3)提供向上的肱骨与向下的张力,防止和肱骨的横向运动。 So, the shoulder with soft exoskeleton can remain relative stable.
大部分的负载转移到骨盆,确保相对运动时骨骼和皮肤尽可能正常加载。剪切力可能会损害人类的身体,如果超过皮肤的摩擦力。是不可能完全避免软外骨骼和人体之间的剪力。小位移可以发生在皮肤和骨骼在低剪切力。例如,当弯曲肘部动作执行,几个位移在肘部不能对人体产生伤害。绑定中柔软的外骨骼结构,下的位移法向力几乎导致伤害人体。
宽边带带可以被利用来减少软外骨骼与人体之间的压力。身体不适之前可以承受一定程度的压力。估计最大舒适压力通常是约0.5 N /厘米。当织物带的接触面积增加,可以减少织物带的位移增加整体刚度。除了带子皮带的宽度的增加,压力可以减少当边带皮带的张力平衡。如果软外骨骼进行康复训练,患者舒适的病人可以通过调整平衡张力提高织物的肩带(4 - 7)。由于中风偏瘫患者的特殊性,鲍登电缆护套连接到固定位置通过滑轮安装在背面,以避免伤害身体。
2.3。致动器的结构
考虑到柔软上肢外骨骼康复训练,直流电机所产生的最大扭矩必须帮助病人解除前臂被动。最大扭矩由驱动系统可以定义如下: 在哪里最大扭矩是由直流电机提供,前臂的重量,的质心的距离是前臂肘部的中心(12]。
如图2,这是一个驱动系统的上肢外骨骼。Maxon EC的驱动系统是由45 251601平的无刷直流电机和5:1行星齿轮箱连接到直流电机。鲍登电缆鲍登电缆外护套包装,防止在传输过程中损坏导致鲍登电缆。鲍登电缆护套的肢体与滑轮的外框。另一个极端是连接到后方手臂的底部的滑轮安装在后面。鲍登电缆连接到肢体的滑轮,,另一个是连接到固定锚的前臂13]。鲍登电缆拉紧,生成和扭矩在肘部开车阶段。这种执行机构主要提供转矩产生的运动通过鲍登电缆柔软的外骨骼。因此,致动器可以安装在一个位置远离弯头。柔软上肢外骨骼的病人接受一个更小的负载,提高康复训练的舒适度。
2.4。选择和校准的传感器
flex 4.5传感器(美国SparkFun)就像一个可变电阻器,它的输出电压变化通过收缩。我们使用一个简单的放大分压器阻力的变化转换成电压的变化。输出电压之间的关系和弯曲角被认为是线性的(14]。flex需要校准传感器获得输出电压之间的映射关系和弯曲角实验呈现的测量。电影压力传感器(电子邮件保护)公斤(LEANSTAR,中国)是一个传感器用于测量压力的程度。当外部压力作用于薄膜压力传感器,传感器的电阻值发生了变化。外部压力的变化转换成电压的变化由分压器。根据数据的手工,薄膜压力传感器校准建立线性映射输出电压和压力值之间的关系。由于环境和其他因素的干扰,巴特沃斯滤波器是用来过滤噪音当传感器连接到电路。
3所示。结构优化
3.1。动态分析的上肢外骨骼
由于不同的患者的运动能力,提供的扭矩软的外骨骼改变了病人的状况。鲍登电缆的力之间的关系,身体转矩,获得运动的角度通过建立一个数学模型的基础上,鲍登电缆传输(15]。
人类基于鲍登电缆传输臂模型图所示3(一个)。目标函数灵活的鲍登电缆被定义为
(一)
(b)
目标函数伸肌的鲍登电缆被定义为 在哪里是手臂的宽度的一半,肘部的中心的距离是固定的点,的半径弯头,弯曲的角度/扩展运动。矩阵被定义为
协助鲍登电缆被定义为转矩 在哪里是鲍登电缆的张力检测到负载细胞。人类手臂动力学可以建立拉格朗日公式16]。手臂的动能和势能定义如下: 在哪里是人类手臂的质量,是人类手臂的长度,然后呢的重心的距离是前臂肘部的中心。通过定义拉格朗日函数 和拉格朗日公式,建立了人类手臂的动力学模型 在哪里是人类的总力矩手臂外骨骼,是估计的外骨骼,是人类手臂的时刻。
上肢软外骨骼系统检测到人机交互的力量通过flex传感器和实时反馈控制系统,以便外骨骼系统工作稳定,准确。软绑定结构允许高度的人机耦合和维护外骨骼系统的稳定性在一定程度上没有专业的保护。
3.2。运动模拟
人机交互的影响力使用者需要考虑因为柔软上肢外骨骼的主题是偏瘫的患者。考虑到交互部队上肢外骨骼和人类之间,两个因素需要考虑:压力分布和压力大小。前者反映了佩戴者的安慰,而后者与病人的安全(17]。一般来说,主要有两种方法来减少人机交互力。更大的压力的方法是对一个地方有更强的抵抗力。另一种方法是压力分散在尽可能大范围减少对皮肤的压力。身体的一些部位不适合人机交互力。应注意以下几点。为了确保自由的运动关节,是不可能选择主动关节周围的接触点。神经密集的地区应该逃避避免不必要的损伤(18]。由于多样性的病人的身体和运动能力,我们需要找到一个通用的优化结构,可以改善病人的安慰。上肢软外骨骼转移的驱动力的鲍登电缆连接到织物表带的身体。一方面,我们应该考虑人机交互上的鲍登电缆数量的影响;另一方面,我们应该考虑固定位置的影响和鲍登电缆之间的人机交互技术织物带力。
作为显示在图4人类手臂模型,建立了软外骨骼在亚当斯。人类肘部模型的旋转角度60度(19]。肘部的弯曲运动软外骨骼所提供的协助下模拟不同条件下研究人机交互力的变化曲线。
首先,驱动力的大小对人机交互力进行了分析。仿真实验的结果比较人机交互力和不同的驱动力是描绘在图5,显示的人机交互力增强的增长驱动力。压力更大范围的传播通常是被证明是一个很好的方式来消除疼痛和由此产生的损失20.]。人类之间的人机交互的传播力和软外骨骼影响人体的软组织。
人机交互力之间的关系和人类皮肤软组织的变形。软组织模型通常分为单轴和multiaxis模型,每个模型可分为非线性弹性和粘弹性的元素。在非线性模型中,压力之间的关系和应变表示为
在弹性纤维,应力和应变之间的关系表示为 。皮肤的弹性模型表示为 。的线性粘弹性特征描述软组织麦克斯韦单元和沃伊特元素。麦克斯韦方程元素表达如下: 在哪里刚度系数和吗阻尼系数。沃伊特元素的方程表示如下:
研究了人机交互力当鲍登的数量电缆连接到定点的织物带前臂是改变。根据空间一体化理论,随着压力接触面积的增加,表面压力传感器的数量也增加和舒适性会恶化。因此,鲍登电缆的最大数量设置为3。仿真实验的结果比较人机交互力和不同数量的鲍登电缆是描绘在图6,表明相互作用力的增加却降低了鲍登电缆的数量。随着鲍登电缆的数量的增加,织物受力点带添加和力由一个连接点却降低了。
(一)
(b)
人机交互力研究是基于不同的受力点的织物带前臂。前臂被定义为中间的中心位置。扩展了三米的位置从中间位置到手腕被定义为位置远离弯头。相反的方向延伸的位置被定义为位置靠近肘部。仿真实验结果比较人机交互力有不同的受力点是描绘在图7。基于织物带前臂建于亚当斯,越远的受力点肘部的中心,人机交互力越小。
(一)
(b)
从仿真结果,结果表明,人机交互力与人体外骨骼的数量可以减少通过改变鲍登带子上的电缆和连接点带前臂。
4所示。实验评价
4.1。实验方案
这个实验的目的是证明该上肢软外骨骼结构优化是有效的。人类主体实验进行一个70公斤的男性的话题。作为显示在图8的主题进行屈伸运动上肢外骨骼。当穿着柔软上肢外骨骼,主题可以调整绑定通过尼龙搭扣位置,以确保修复绑定腰带在正确的位置准确。在前一节中描述的结构优化是在这些测试进行验证。在实验过程中,主题是指示执行多个重复弯曲的动作完成软外骨骼所提供的援助。前臂被定义为中间的中心位置。扩展了三米的位置从中间位置到手腕被定义为位置远离弯头。相反的方向延伸的位置被定义为位置靠近肘部。两个实验分别进行。(1)基于连接的固定位置点软外骨骼和手臂,肘部的多个重复弯曲运动完全执行援助交付的外骨骼当鲍登电缆的数量改变。(2)的基础上固定数量的鲍登电缆,多个肘部弯曲运动的执行与完成提供的援助外骨骼当连接位置外骨骼和手臂之间的变化。
电影压力传感器安装在身体和软外骨骼检测人体表面的压力 。flex传感器固定在肘部的肘部运动检测 。压力和角度通过MATLAB拟合得到的曲线压力角和运动。
4.2。实验结果
第一个实验的结果比较不同数量的鲍登电缆是描绘在图9(一个),表明人体表面的压力减少的速度增加的数量鲍登电缆。如图9(一个)人机交互部队几乎相同,直到肘部弯曲角18度。后来,人机交互力减少鲍登电缆数量的增加。实验结果验证该结论对鲍登电缆的数量在仿真实验。人机交互力可以减少当受力点增加的数量在一定范围内广泛传播的压力。因此,外骨骼系统的安全和舒适可以提高通过增加鲍登电缆的数量。第二个实验的结果比较鲍登电缆之间不同的连接位置和织物带是描绘在图9 (b),显示人机交互力减少当受力点远离弯头。如图9 (b)人机交互部队几乎相同,直到肘部弯曲角是10度。之后,人机交互力下降时,受力点远离弯头的中心。实验结果验证了结论的定位仿真实验。人机交互力可以减少当鲍登电缆之间的连接点,织物表带是远离中心的手肘在一定范围内。
(一)
(b)
5。结论和未来的工作
我们提出的机械结构和传动机构的设计基于鲍登电缆柔软上肢外骨骼。提出了结构优化的方法来减少人机交互力。人类手臂模型与上肢软外骨骼成立于亚当斯。通过仿真实验,受力点的数量的影响,受力点的定位人机交互力在一定范围内是总结。一个试点评估演示了仿真实验的结论。主题与柔软上肢外骨骼执行肘部的弯曲运动的软外骨骼所提供的协助下条件下不同数量的鲍登电缆和鲍登电缆和织物之间不同的连接分带。得到了以下结论。(1)人机交互力可以减少当鲍登电缆的数量增加销售压力更大范围内的措施。(2)人机交互力可以减少当连接位置改变,使受力点远离弯头的中心。
基于提出的优化结构,柔软上肢外骨骼是适合中风患者的康复训练。这种优化的结构可以减少人机交互力10% -15%,避免损害病人。
柔软的外骨骼非常光和几乎导致划伤。这基本上软外骨骼运动也不限制自由,允许使用者通过全方位的运动。
有许多领域未来的外骨骼系统的改进。目前,一个简单的驱动是建立促进结构优化。在未来,发动机和变速箱需要系统地选择和驱动的结构应进一步优化改善传输和降低鲍登电缆传输系统的摩擦力。摩擦是暂时忽视了在控制系统的设计。在实际情况下,控制系统需要改进和摩擦因素需要考虑。在未来,中风偏瘫患者将参加实验来验证分层控制系统的准确性和评估外骨骼的效果。
数据可用性
所有的数据支持本文中所示的结果,可以提供相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
本研究在一定程度上支持天津市自然科学基金(14 jcybjc42700)和部分自然科学研究的一般程序江苏省高等教育(16 kjb510040)。