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特殊的问题

机电一体化的新兴趋势

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体积 2021年 |文章的ID 6628802 | https://doi.org/10.1155/2021/6628802

吴京曹,Hongliu Yu心语吴,李Sujiao孟玲拢,淳杰, 开发和评估一个康复的轮椅Multiposture转换和智能控制”,复杂性, 卷。2021年, 文章的ID6628802, 14 页面, 2021年 https://doi.org/10.1155/2021/6628802

开发和评估一个康复的轮椅Multiposture转换和智能控制

学术编辑器:一个Zabihollah
收到了 2020年10月10日
接受 2021年2月22日
发表 2021年2月27日

文摘

中风及其他神经系统疾病对流动性产生影响,独立和生活质量产生重大影响。核心的下肢运动功能障碍患者的康复需求步态训练,restand和机动性。在这项工作中,我们引入一个新开发的多功能轮椅,我们称之为“ReChair”,初步评价其性能。ReChair无缝地集成了流动性,步态训练,multiposture转换。ReChair驾驶和multiposture转换是通过声音,完成的按钮,移动终端控制。这项工作描述了功能需求、机械结构、控制系统和综合评价ReChair包括multiposture变换的运动学仿真和被动下肢康复训练定量验证ReChair的运动功能,语音控制系统评估显示,语音识别系统适用于家庭环境、无传感器检测速度测试结果表明车轮速度如何衡量无传感器方法适合旅行控制、被动和平衡训练测试结果显示下肢康复训练在日常生活中通过ReChair方便。最后,实验结果表明,ReChair满足病人的需求和具有实际意义。符合成本效益,易于使用,并支持多种控制方式,以适应不同的康复阶段。

1。介绍

世界上老龄化的趋势正在加速。根据“2019年世界人口前景:强调,”发布的联合国,世界上有六分之一的人将超过65岁(16%)到2050年,相比之下,一个2019年11 (9%)。65岁以上人口的比例预计将双在2019年和2050年之间在大多数国家(1]。中风、脊髓损伤(SCI)、及其他神经系统疾病往往与衰老相关的(2),影响日常生活所需的各种功能,特别是流动已独立和生活质量产生重大影响。的关系指出,更多的老年人预计将影响下肢运动功能障碍。此外,中风或SCI患者呆在床上很长一段时间的风险是次要问题,包括压力溃疡、肥胖、糖尿病、骨质疏松症和其他慢性疾病,增加死亡率的风险(3]。

好消息是,可改善下肢运动功能康复训练。一个有效的训练方法是进行高强度重复的任务(4]。传统的下肢康复训练依赖手工练习,理疗医师和病人必须在一对一的互动。然而,随着下肢运动功能障碍患者的数量正在增加,物理治疗师远非足够的数量(5]。这种短缺会导致有限的治疗病人和体力消耗的理疗师。为了减轻身体负担物理治疗师和最大化独立中风或SCI患者的函数,提出了众多的下肢康复和辅助设备。下肢康复训练设备通常分为体重支持设备(BWSTDs)和下肢外骨骼(米歇尔)[6]。BWSTD是体重的基本组件支持系统和米歇尔与跑步机或动踏板。的重要的大小和成本BWSTDs通常导致有限的应用程序。此外,他们都是安装在专业医院和临床中心等设施。

提供日常辅助系统和替代的残余神经赤字防止回到直立两足步行,会应用在日常康复的过程中(7- - - - - -9]。我通常能够携带的人穿着他们,提供辅助行走力和保持身体平衡。目前有几种可穿戴会发展和早期临床评估。米歇尔“重新行走”由阿尔戈医疗技术开发提供了动力髋关节和膝关节运动使SCI患者能够直立,走路,和爬楼梯上下。脚踝是被动和使用双动矫正法与有限的运动和spring-assisted背屈。行走控制是通过微妙的躯干运动和重心的变化。这是第一外骨骼获得FDA批准用于个人和康复在美国(10]。范德比尔特大学的研究人员提出了一个提供辅助动力米歇尔在髋关节和膝关节力矩SCI的个人。一个内置的碳纤维ankle-foot矫正法(AFO)被用来提供脚踝稳定性和传输的重量米歇尔在地上。发达米歇尔叫Indego在以下研究[11,12]。系统由Ekso Bionics由电动马达权力髋关节和膝关节的运动关节,被动弹簧脚踝关节,踏板的用户,和一个背包,一台电脑,电池供应,和有线控制器(3]。有必要“重新行走”,Indego Ekso使用辅助行走艾滋病,如拐杖,平衡和改变方向。雷克斯(雷克斯仿生学PLC、伦敦、英国)是唯一不需要补充的商业化稳定米歇尔上半身支持平衡(13]。

现有的大尺寸和重大成本BWSTDs限制他们的日常生活中应用。另一方面,安全水平,耐力,和穿舒适导致有限的使用会14]。核心的下肢运动功能障碍患者的康复需求步态训练,multiposture转换和流动性。BWSTDs和我不满足上述要求不可替代的手段。设备使用的轮椅仍然是最患者下肢运动功能障碍。关于电动轮椅的不同方面的各种研究已经进行(15- - - - - -21]。人机接口硬件和传感器的发展处理算法,智能轮椅给患者下肢运动功能障碍不仅流动,而且必要的康复和日常生活帮助22- - - - - -24]。Doyoung和他的同事们提出了一个轮椅综合下肢康复系统(25),是由一个电动轮椅,升降机,米歇尔。患者的步态训练和运输相结合的米歇尔,是基于一个轮椅。这提供了一种新思路患者下肢运动功能障碍的康复。然而,步态训练这一系统依赖于米歇尔,这是一个复杂和困难的使用在日常生活中。因此,移动设备的multiposture转换函数来避免压疮和在日常生活中结合了步态训练系统将有利于患者下肢运动功能障碍。

我们已经提出了一个技术报告和语音控制轮椅的一般介绍了在以前的工作26]。在这项工作中,我们目前的发展多功能轮椅(ReChair)无缝地集成了流动性,步态训练,在日常生活和multiposture转换条件。而BWSTDs下肢康复医院,ReChair提供降低护理人员的努力,带来的好处是节约时间,在家里使用的能力。与你相比,ReChair更容易和更安全的在日常使用。首先,我们介绍ReChair的主要设计概念和技术特点。其次,每个模块的详细规格包括机械结构、运动仿真和控制系统。第三,我们的实验任务和评价ReChair从不同的角度。讨论了系统并与之前的相关工作。最后,一个简短的结论和未来研究计划的最后一部分。

2。材料和方法

2.1。功能需求的ReChair

ReChair的组合是下肢康复训练设备和驱动轮椅。四个主要功能需求应该满意。首先,ReChair电动轮椅的基本功能。当不进行下肢康复训练,ReChair用作普通电动轮椅分别在室内和室外。电力驱动和multiposture转换功能是必要的。这些函数是辅助下肢康复训练,如平衡控制培训期间你的站姿和被动培训期间坐或躺的位置。然后,多个下肢训练模式需要不同的康复过程。培训模式主要包括主动和被动训练。积极培训使用以下方法实现。在站立的姿势,病人重心左右移动。 Pressure sensors on the footplate collect information about the center of gravity to control the bird's left and right movements in the game. When the bird eats the fallen gem, the patient scores. Passive training is carried out during sitting or standing posture to drive lower limb to simulate walking motion or planned trajectory. Finally, multiple control methods are combined in ReChair. The voice, button, and mobile terminal (mobile phone or smart tablet) control are used for driving and multiposture transformation of ReChair. Multiple control methods meet different requirements of the patients. Patients and nursing staff can choose the appropriate way to operate the ReChair in a convenient way.

2.2。机械设计

ReChair是基于模块化的思想设计的。系统设计如图1。ReChair的基本组件框架模块、线性驱动模块,下肢康复训练模块,缓冲模块,扶手模块,模块。

为了确保稳定,框架采用后轮驱动的方法。两个驱动电机(运动技术的电气与机械有限公司,有限公司台湾)的额定电压24 V和功率320 W是附着在左和右帧的轮椅运动。两个电池对整个电力系统是安装在后面的框架。这样的安排是有用的反向运动的重心,防止翻转和rear-tipping轮椅。下肢康复训练模块连接到模块之间的连接柄的座位和座位。线性致动器是用来驱动柄的来回运动。下肢被动训练实现的合作向前/向后和上/下汽车的柄。力传感器安装在踏板平衡训练。前面antitilt轮下踏板作为行车安全援助。线性驱动模块主要包括8汽车multiposture转换和下肢康复训练。 The wheelchair can be used for standing, sitting, and lying positions’ transformation. Passive training activated by the shank or thigh is also realized by corresponding motors. When the thigh up/down motor moves, it can drive the thigh joint to rotate around its fixed rotation center, so as to lift the patient's thigh and drive the patient to perform lower limb rehabilitation training. The thigh bondage is used to secure the patient's thigh and prevent the patient from slipping while in standing posture. The seat cushion and the wheelchair frame are connected by fixed hinges. When the wheelchair is in the sitting position, the slot on the cushion can be stuck downwards on the side bar of the wheelchair frame so that the frame can support the cushion. The height and the front and rear position of the arm pad are adjustable. The front/back and left/right distance of the controller from the arm pad can also be adjusted to suit different human bodies. The left and right handrails can be rolled backward and removed if needed. These adjustable designs help the patients to get in and out of the wheelchair easily.

自从轮椅主要用于患者下肢功能障碍,安全与稳定的机制是非常重要的。的运动机制ReChair简要如图所示2。站立的姿势是实现了电动机的线性位移的顺时针旋转缓冲和模块化。大腿向上和向下运动是由直线电机和旋转的缓冲。直线电机可收放起落架和背部模块化实现旋转变换从坐到后面的谎言。直线电机驱动下肢康复训练模块化实现柄向上和向下。柄来回是通过直线电机的线性位移柄平行。为了防止事故发生,必须验证机制运动的独特性。机制的条件有明确的运动机制自由度大于零和传动杆件的数量等于机制景深(27]。平面运动机构有三个自由度,当组件是不与其他机制。低副引入了两个约束条件,两人带来一个更高。

机构自由度的计算公式如下: 在哪里 景深的机制, 是移动的号码链接, 的数量是低副, 是更高的数量。我们计算机构自由度的运动机制从图3。所有自由度等于一体的机制与传动杆件的数量。的运动机制的独特性ReChair验证。

2.3。运动学仿真

ReChair的运动模式包括坐,站,坐躺,下肢康复训练中。为了证明ReChair可以实现multiposture转换和被动下肢训练方式,稳定SolidWorks的宇宙运动模块是用来进行康复轮椅的运动仿真。监测点的位置和坐站过程如图3(一个)。从坐轮椅时站的姿势,驱动链接是单口电机、电动机,和柄向前/向后运动。在站之前,让前面antitilt轮子接触地面,以确保稳定的机制,防止其重心向前移动,导致难以预料的情况或不适考虑到地面的影响。水平角位移的座位上,背上,腿支持如图3 (b)。整个模拟过程是光滑的,没有干涉的运动机制。当站在运动的位移到达极限位置,轮椅就是在期望的姿态。实现设计要求,电动机选择和结构设计是合理的。

坐躺过程和水平角位移的座位上,背上,腿支持如图4。相同的仿真方法是用于坐站的姿势变换。驱动链接是汽车和柄上/下汽车。关键组件是光滑的轨迹。当谎言的位移运动到极限位置,正是在水平位置和运动功能减退或会发生干涉。坐,站,坐,躺仿真结果表明,与ReChair multiposture变换可以实现。

下肢康复训练过程中坐着独特的踏板的轨迹图所示5。整个过程分为两个过程:向上和向前运动踏板,踏板的运动。铝合金的踏板是由这个工作。叠层复合结构显示良好的性能在动态条件下用随机振动。萨曼等人提出了一个精确的有限元模型对N-layer MR-laminated梁使用layerwise理论(28)和动态行为的实验工作进行层压复合随机激励下梁与magneto-rheological液(29日]。针对叠层复合结构的优良特性,我们将优化的踏板叠层复合材料在以下工作。双方的踏板朝相反的方向在同一过程。被动训练类似于循环往复运动。运动的速度改变时,踏板的运动轨迹是不同的。因此,被动的下肢康复训练的轨迹规划是实现。训练时间和强度可以设置由护理人员或病人本身。

2.4。控制系统实现

电动轮椅的商用控制器包括手操纵杆,sip-n-puff,下巴操纵杆,和头部操纵杆(30.]。输入方法包括声音、触摸,计算机视觉,加速度计,脑电图成为流行的智能轮椅最近[31日]。等人提出了一个智能控制器的一位轮椅移动机器人使用粒子群优化比例控制器(PSO-P)为每个轴调整比例控制器的收益(32),Rabhi等人提出了一个新的智能电动轮椅的操纵杆位置控制器(33],Ruzaij等人所描述的设计和实现三种模式的操作声音在轮椅控制器。sound-dependent模式和动态时间规整算法,sound-dependent模式与隐马尔可夫模型算法,与文本sound-independent sound-independent模式算法进行比较(34]。ReChair的控制系统使用模块化的概念,如图6。它分为四个模块,主控制器,控制器,旅行姿态控制器,和信号处理器。

主要的控制器是ReChair控制系统的核心部分。上计算机的指令(手机或智能平板电脑)和控制面板(操纵杆或按钮)由主控制器接收和处理。然后,每个副控制相应的任务和数据分布。每个子模块的方式开关由主控制器进行调整,以确保控制系统的正常功能。重要的数据或信息反馈给上层电脑通过蓝牙和网络通信系统。控制电路的核心芯片是基于STM32F103RCT6(意法半导体、瑞士)。STM32F103包含了高性能ARM®皮质®m3 32位RISC核心操作在一个72 MHz的频率,高速嵌入式记忆,和一个广泛范围的增强的I / O和外围设备连接到两个APB总线。它可以满足每个电机的电流和速度控制,每个模块之间的通信,各种传感器信号的采集和处理。主控制模块的电源5 V和3.3 V。电池提供24 V直流电源,所以稳压器芯片用于降低电压5 V和3.3 V。 The 5 V DC power supply is obtained through DC-DC chip MP2303 (Monolithic Power Systems, American) and LDO chip LM1117-5.5 V (National Instruments, American). The 3.3 V DC power supply is generated by the 5V power supply through LM1117-3.3 V.

无线模块在主控制器负责数据通信的传播和指令。芯片SI4432(硅实验室、美国)用于设计无线模块。考虑到实际应用的需求,选择433 Mhz频段无线通信模块的工作频率。的模块使用SPI通信接口连接到SPI2主控制芯片的主板。

语音识别模块嵌入到主控制器实现方便用户和机器之间的交互。坐、站、躺姿转换可以使用语音控制实现。语音识别可以分为特定人和非特定人识别(35]。特定人识别指的是识别一个特定的人的声音和语音模块中使用这一系统,确保安全,而非特定人识别是指识别人的声音。核心组件用于设计的语音识别模块NLP-5X(感觉,美国)语音识别处理器。停电期间,防止信息丢失,eepm(电可擦可编程只读存储器)是用于存储与说话者不相关的模板。eepm芯片用于语音模板存储模块是24 lc128(微芯片,美国)。获得演讲模板,语音识别模块收集和处理语音信号通过麦克风和发送到处理器NLP-5X然后执行记录的软件编码的声音。处理过的信号与单片机(微控制器单元)通信模块和通知使相应的命令。扬声器的功能是让一个声音提示在训练和用法。

操纵杆是一种常用的人机界面的工具。操纵杆移动到不同位置显示不同的输出电压信号,可以很轻易地捕捉到电子元件。因此,输入操作符可以收集的位置信号。小9000系列操纵杆(APEM、法国)有两个轴是用于ReChair。它有两个电位器,可以输出两个互相垂直的电压信号。这两个通道电压信号连接到主控制器为12位高精度ADC转换。主控制器发送两个模拟电压信号和用户定义的轮椅的速度水平的旅行通过CAN总线控制器。首先,旅行控制器规范化操纵杆的位置坐标和轮椅,然后计算PWM(脉冲宽度调制)旅行的责任周期控制信号和左右方向的汽车。两个马达的旋转方向和速度是用来实现向前,向后,轮椅的转向。

multiposture转换模块主要由姿态控制器,姿态驱动,线性致动器。HT-KC35(革命,中国)线性致动器是用作multiposture转换电源。这个模块还配备了三个限位开关,其中两个是安装在积极和消极方面的结,座位,第三个是安装在阀座和帧的结。虽然线性致动器自动停止运行行程限制时,控制器没有断开控制信号。一方面,安全风险难以避免,但另一方面,热损失会发生当MOS管交替打开和关闭了很长一段时间。限位开关不仅确保安全和节约能源也通知控制器当前姿态转换过程是否完成。

传感器模块的主要功能是压力传感器的信号采集和处理,主要由信号处理器,一个放大滤波电路,和压力传感器。两个jhbm - 100公斤(德国HBM)压力传感器安装在智能康复的左和右踏板轮椅。站模式,患者可以改变他们的重心来控制游戏的左右运动对象为了完成训练游戏。压力传感器检测重心的变化,将压力信号转换成电信号。重心的偏离侧压力会增加,导致输出电压的增加。低压力导致较小的压力传感器的输出电压。双方的压力传感器的输出电压由差动放大电路放大。然后,信号作为输入信号处理器ADC。在游戏中,这只鸟会的侧输出电压的增加,即重心转移的一面。电压差越大,越快鸟的动作。

3所示。结果与讨论

3.1。语音控制系统评估

ReChair提供了一个语音交互界面,这样的姿势转换和下肢康复训练可以通过语音控制。七个语音指令(1:坐起来,2:躺下,3:站起来,4:坐下,5:被动训练,6:平衡训练,和7:停止)作为控制信号。用户说,控制命令和轮椅控制器执行相应的行动是成功的,而其他人则记录为失败。声音控制系统是由一男一女测试用户在不同的环境中。首先,语音命令训练是在安静的环境中进行(20 - 30 DB)。每个命令训练和存储进行了两次。接下来,两个主题重复七命令用普通话,英语,粤语20倍每个在安静的环境(20 - 30 DB)。最后,重复上述过程在一个相对安静的环境(30 - 40 DB)和一个嘈杂的环境(50 - 60 DB)。成功识别时间和利率以及平均值如表所示1。成功结果表明,平均识别率可以达到91%到96% (20 - 30 DB)在一个安静的环境,无论使用哪种语言的性别主题是什么。成功的平均识别率是81%到84% (30 - 40 DB)在一个相对安静的环境。20 - 40分贝的范围接近家庭环境。识别率的成功表明,语音控制系统适用于控制在家庭环境。虽然识别率降低49%到59%在嘈杂的环境(50 - 60 DB),结果表明,语音控制系统不适合嘈杂的环境。几乎没有区别的成功率不同语言在同一环境。语言差异对声音控制系统几乎没有影响。


主题 Env。(DB) 命令语言 1 2 3 4 5 6 7 的意思是

男性 20 - 30 男人。 往下。次 19 18 20. 19 20. 18 19 19
往下。率 95% 90% 100% 95% 100% 90% 95% 95%
Eng。 往下。次 18 20. 19 20. 18 19 19 19
往下。率 90% 100% 95% 100% 90% 95% 95% 95%
可以。 往下。次 20. 19 19 20. 18 19 19 19
往下。率 100% 95% 95% 100% 90% 95% 95% 95%
30 - 40 男人。 往下。次 18 16 15 17 16 17 17 17
往下。率 90% 80% 75% 85% 80% 85% 85% 83%
Eng。 往下。次 17 17 16 16 15 17 18 17
往下。率 85% 85% 80% 80% 75% 85% 90% 83%
可以。 往下。次 16 16 18 15 16 16 17 16
往下。率 80% 80% 90% 75% 80% 80% 85% 81%
50 - 60 男人。 往下。次 10 12 10 10 11 10 10 10
往下。率 50% 60% 50% 50% 55% 50% 50% 52%
Eng。 往下。次 9 11 10 9 10 10 10 10
往下。率 45% 55% 50% 45% 50% 50% 50% 49%
可以。 往下。次 11 11 10 9 10 10 11 10
往下。率 55% 55% 50% 45% 50% 50% 55% 51%
20 - 30 男人。 往下。次 20. 20. 19 19 19 19 19 19
往下。率 100% 100% 95% 95% 95% 95% 95% 96%
Eng。 往下。次 18 18 18 19 19 18 18 18
往下。率 90% 90% 90% 95% 95% 90% 90% 91%
可以。 往下。次 18 17 19 19 19 18 18 18
往下。率 90% 85% 95% 95% 95% 90% 90% 91%
30 - 40 男人。 往下。次 16 16 18 17 17 17 17 17
往下。率 80% 80% 90% 85% 85% 85% 85% 84%
Eng。 往下。颜料 16 16 16 17 17 16 16 16
往下。率 80% 80% 80% 85% 85% 80% 80% 81%
可以。 往下。次 17 16 16 17 17 16 16 16
往下。率 85% 80% 80% 85% 85% 80% 80% 82%
50 - 60 男人。 往下。次 12 13 11 11 11 12 12 12
往下。率 60% 65% 55% 55% 55% 60% 60% 59%
Eng。 往下。次 13 12 12 12 9 10 10 11
往下。率 65% 60% 60% 60% 45% 50% 50% 56%
可以。 往下。次 11 10 10 12 11 11 11 11
往下。.rate 55% 50% 50% 60% 55% 55% 55% 54%

男人。:普通话;Eng。:英语;可以。:广东话;往下。:成功;1:坐起来;2:躺下; 3: stand up; 4: sit down; 5: passive training; 6: balance training; 7: stop.
3.2。无传感器检测方法测试速度的汽车旅行

速度闭环控制方法通常被用来提高静态和动态性能的直流电机速度控制系统。速度闭环的前提是检测速度。常用的检测方法依靠离心速度,光学数字,flash转速表。虽然传感器方法的准确性高,他们需要在一个与电动机的转动部分密切摩擦在旅行过程中或固定在一个特殊的位置。速度检测装置的安装增加了结构复杂性和轮椅的机械装配困难。这项工作提出了一种无传感器快速检测方法。当刷直流电机工作,介绍了h桥驱动回路提供的直流电枢换向器,和生成脉动电流驱动循环。脉动频率与直流电机的速度有关。只要脉动电流的频率信息收集,可以估计实际的速度。收集的脉动电流的电流互感器系列电路输出电压的脉动波形。 The speed of the brush motor is also related to its own related parameters, such as the number of commutator segment, the pairs of magnetic poles, and the parity of the number of the commutator segment [36]。表达的关系 在哪里 显示当前的脉动频率, 电动机的速度, 换向片的数量, 指出了双磁极 是奇偶校验的相关系数 这样 是一个偶数, 是一个奇数。换向器的数量,对磁极,系数都是常量值为一个特定的刷直流电机。因此,刷直流电机的速度 电流脉动频率成正比。

考虑到减速比 ,车轮速度传感器检测到的方法

验证无传感器检测方法速度,两个旅行汽车电动轮椅的选为实验对象。无传感器的速度测量速度检测电路是使用蓝牙模块传输到PC的旅行控制器(图7)。

汽车旅行,值 激光测速在市场上常用的用于测量实际的车轮速度。PWM用于控制电动机转速、驱动信号频率设置为20 KHz。十三集的责任比例给出了汽车旅行,和换向电流的频率测量。车轮速度测量的无传感器速度检测方法和激光测速表所示2。当PWM低于15%,10%和5%,当前电动机转矩太小,无法克服的内部摩擦力矩马达。轮椅保持着静止,速度为零。PWM足以驱动轮椅时,结果表明,车轮速度测量的无传感器方法接近激光转速表显示值。似是而非的错误的产生的原因是电动机产生的电火花干扰的测量波形和与激光测速距离对测量精度的影响。刷直流电机的运行速度越高,测量误差越大。这项工作进行的速度检测wheelchair-driving电机,其最大速度是有限的和不适合高速操作,满足要求。


PWM (%) (赫兹) 估计速度(rad /分钟) 激光测速显示(rad /分钟) 误差(%)
正确的 正确的 正确的 正确的

5 0 0 0 0 0 0 \
10 0 0 0 0 0 0 \
15 61年 58 7.27 6.91 7.5 7.1 3.06 2.67
20. 82年 84年 9.77 10.01 9.5 9.7 2.84 2.77
30. 128年 126年 15.25 15.02 14.7 15.5 3.74 3.09
40 180年 183年 21.45 21.80 22.3 21.1 3.83 3.32
50 228年 224年 27.17 26.69 26.2 27.7 3.71 3.65
60 270年 273年 32.18 32.53 33.5 33.8 3.94 3.76
70年 317年 322年 38.25 38.37 39.9 36.8 4.13 4.27
80年 378年 374年 45.05 44.57 47.1 46.7 4.35 4.56
90年 417年 424年 49.69 50.53 52.2 48.1 4.81 4.79
95年 447年 453年 53.27 53.99 56.3 56.9 5.38 5.64
98年 488年 497年 58.16 59.23 62.3 63.5 6.65 6.72

3.3。下肢康复训练测试

这项研究是由我们的机构审查委员会批准,和所有受试者签署知情同意。ReChair包括两种培训模式:被动训练和约束的轨迹和平衡训练,加上游戏。两个人,包括一个健康的人,一个病人参与的下肢康复训练测试(图8)。

之前被动训练,康复医生登录个人中心的平板电脑应用程序,使一个康复训练计划。该计划包括以下参数:培训时间、最大范围的运动,和训练速度。培训计划与轮椅同步,用户可以进行下肢康复训练的骑车步态在轮椅上。实验运行过程如下:(1)调整坐姿,轮椅的运动范围。有六个级别的运动范围:第一个测试设置为1级的运动范围,而6级是最大的一个运动但仍在正常范围。训练时间设置为5分钟,训练速度是固定在中等水平。(2)开始训练和测量的最大角度 (3)休息10分钟。提高运动水平的范围,重复步骤(1)和(2)。(4)停止实验时感觉有点吃力的。

结果如表所示3。在康复训练的安全必须放在第一。如果的角度范围 太低或太大,训练可能会造成二次损伤的病人。为 ,最大的大腿将20°角。为 ,最大的柄角是58°。的最大角在机械设计改进的余地。然而,这是一个康复训练的安全阈值。健康的人可以完成被动训练与运动虽然病人不能完成6级水平。虽然6级的运动幅度太大的耐心,实验结果表明,该轮椅可以帮助用户进行被动训练,和运动的范围可以在培训过程中适当调整。


主题 运动水平 完整的 培训时间(分钟) (学位) (学位)

正常的人 1 是的 5 10 30.
2 是的 12 35
3 是的 14 41
4 是的 16 45
5 是的 18 53
6 是的 20. 58
病人 1 是的 5 11 32
2 是的 13 36
3 是的 15 43
4 是的 18 47
5 是的 20. 55
6 没有 \ \

平衡训练站姿在玩游戏的同时进行。用户改变了重心控制左右移动的鸟。在游戏中,这只鸟会的侧输出电压的增加,即重心转移的一面。电压差越大,鸟儿将越快。游戏界面如图9。健康的人得到了高分表明平衡训练游戏操作简单,而病人则得到较低的分数在5分钟的训练时间。结果表明,平衡控制能力仍然可以显著提高。与更多的培训病人得到更高的分数,这一点可以作为康复的量化指标。游戏和压力信号处理模块是有益的,可以康复训练的一个重要组成部分。

4所示。讨论

在这项工作中,我们提出了一个多功能轮椅(ReChair)无缝地集成了流动性,步态训练,multiposture转变为日常生活的条件。声音,按钮,和移动终端(手机或智能平板电脑)控制用于驱动和multiposture ReChair转变。评估系统,我们进行了运动学仿真和试验ReChair的考验。结果表明,multiposture转换通过语音控制,无传感器的速度检测方法汽车旅行,和被动和主动训练是按预期实现的。

先前的研究介绍了下肢康复训练主要由BWSTDs在医院。的过程,把病人从轮椅BWSTD是繁琐的,大约需要20分钟。跳过这一步,ReChair下肢康复训练是直接在轮椅上进行的。ReChair减少了医护人员的劳动强度,节约时间。ReChair在家也可以使用。的低成本ReChair相比BWSTDs更负担得起的病人。此外,ReChair减少病人的步态康复机器上的张力。而“重新行走”米歇尔(3,7- - - - - -13),ReChair关注restand remobility。multiposture变换避免了并发症引起的躺了很长一段时间。的流动ReChair满足病人的旅游需求。更容易和更安全比米歇尔在日常使用。与轮椅/康复系统集成设计(25),ReChair包括选择控制模式,使其更广泛地适用。

智能家居等扩展和改进模块可以集成到ReChair。电气控制门,灯光,空调的家庭环境可以结合ReChair形成一个局域网(LAN)系统的事情。它提供了互动的接口,如语音识别,触摸终端,控制面板对于流动性有残疾的人,这样他们就可以控制各种电气设备在家里由ReChair无线。未来的目标是扩大的影响长时间使用ReChair noncomplete SCI和其他神经步态障碍的原因。本研究的局限性包括样本量相对较小,下肢运动的有限范围,缺乏postintervention随访。

5。结论

Restand、流动性和下肢康复训练是患者下肢运动功能障碍的核心需求。在这项研究中,我们提出了一个多功能轮椅ReChair整合流动性,步态训练,在日常生活和multiposture转换条件。整个设计理念,介绍了每个模块的详细规范。multiposture变换的运动学仿真和被动下肢康复训练进行了定量验证ReChair的运动能力。声音,按钮,和移动终端(手机或智能平板电脑)控制被用于驾驶和multiposture ReChair转变。成功识别率的语音控制评价表明,语音控制系统适用于家庭环境。无传感器检测速度的测试结果表明,车轮速度测量的无传感器方法接近激光转速表显示。被动和平衡训练结果表明,下肢康复训练在日常生活中通过ReChair方便。在未来的工作中,我们计划将智能家居模块添加到ReChair长时间和招募截瘫患者康复训练来验证ReChair的有效性。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

确认

作者感谢陈霜,露露Wang和杰胡锦涛的援助的准备和参与实验评估。这项工作得到了国家自然科学基金(62003327),广东基础研究和应用基础研究基金会(2019 a1515110576),和上海的发展和技术的基础,中国(18441907300)。

引用

  1. 联合国经济和社会事务部2019年世界人口前景:高光美国,纽约,纽约,2019年。
  2. w·g .成员,l·薇罗尼卡,罗杰,A . s . et al .,“心脏病和中风统计- 2012更新来自美国心脏协会的报告”,“循环,卷127,不。1,第152 - 143页,2010。视图:谷歌学术搜索
  3. a·科兹洛夫斯基、t·布莱斯和m . Dijkers”所需的时间和精力与脊髓损伤的人学习使用辅助行走的动力外骨骼,”主题在脊髓损伤康复,21卷,不。2、110 - 121年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
  4. j . j . Wu高,r .歌曲,r . Li y,和l .江”的设计和控制一个3自由度下肢康复机器人,”机电一体化33卷,13-22,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
  5. m·a·a·Erhan Akdog˘,”的设计和控制治疗运动对下肢康复机器人:Physiotherabot,”机电一体化,21卷,不。3、509 - 522年,2011页。视图:谷歌学术搜索
  6. w·孟问:刘、周z .问:Ai, b .盛和谢,“最近发展的机制和控制策略符合下肢康复,”机电一体化31卷,第145 - 132页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
  7. 吴x, D.-X。刘,m . Liu c . Chen和h .郭“个性化的步态模式生成共享下肢外骨骼机器人,”IEEE自动化科学与工程,15卷,不。4、1459 - 1470年,2018页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
  8. w·曹,h, c . Chen k方,吴x,“臀部援助模式对代谢的影响用软外骨骼行走,成本”IEEE自动化科学与工程,1 - 11,2020页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
  9. c .王、吴x和y,“实现脑机接口的下肢外骨骼,”IEEE访问》第六卷,第38534 - 38524页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
  10. a . Esquenazi m . Talaty a Packel, m . Saulino”“重新行走”外骨骼动力恢复动态函数个人thoracic-level motor-complete脊髓损伤,”美国物理医学与康复杂志》上,卷91,不。11日,第921 - 911页,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
  11. r·j·法里斯·h·a·Quintero, m·戈德法布”的初步评价动力下肢矫正法来帮助截瘫的人走,”IEEE神经系统和康复工程,19卷,不。6,652 - 659年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
  12. c . Tefertiller k·海斯,j·琼斯et al .,“最初从一项多中心研究结果利用Indego动力外骨骼在脊髓损伤,”主题在脊髓损伤康复,24卷,不。1,第85 - 78页,2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
  13. n桦木、j·格雷厄姆,t·普里斯特利et al .,“第一临时RAPPERII分析试验的结果在脊髓损伤患者:移动和雷克斯动力行走功能锻炼项目援助,”神经工程学和康复杂志》上,14卷,不。60岁,1 - 10,2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
  14. 穆罕默德,y Amirat, h . Rifai”通过可穿戴机器人下肢运动援助:最先进的和挑战,”先进的机器人,26卷,不。1 - 2日,22页,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
  15. j•利曼和h . m .洛杉矶,“智能轮椅的全面审查:过去,现在,和未来”IEEE人机系统卷,47号4、486 - 499年,2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
  16. 崔j . h . y .钟,美国哦,“运动控制操纵杆的界面的改进的电动轮椅的安全性和舒适性,”机电一体化59卷,第114 - 104页,2019年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
  17. g .冯l . Busoniu T.-M。Guerra,穆罕默德,“Data-efficient强化学习对能源优化助力轮椅、”IEEE工业电子产品,卷66,不。12日,第9744 - 9734页,2019年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
  18. r·c·默里,c .稻米和s . k . Agrawal”设计的轮椅机器人主动体位的支持,“的机制和Robotics-Transactions ASME》杂志上,11卷,不。2、1 - 9,2019页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
  19. t·威廉姆斯和m . Scheutz“最先进的自主控制的轮椅通过自然语言:一项调查,“机器人和自治系统卷,96年,第183 - 171页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
  20. 埃尔多安a和b . d . Argall”机器人轮椅控制范式和界面对用户的影响性能,努力和偏好:一个实验评估,”机器人和自治系统卷,94年,第297 - 282页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
  21. 答:不能,a . Yorozu和m .高桥”驾驶控制电动轮椅考虑不确定性的目光输入在一个未知的环境中,“应用科学,8卷,页1 - 2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
  22. b . j ., j·l·Candiotti Daveler特区Kamaraj et al .,“启发式方法使用机器人轮椅,克服建筑障碍”IEEE神经系统和康复工程,27卷,不。9日,第1854 - 1846页,2019年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
  23. L.-C。谢长廷和郭宏源。陈,“轮椅上的创新设计和原型验证一个自由度进行提升和站功能,“IOP会议系列:材料科学与工程,1 - 8,2017页。视图:谷歌学术搜索
  24. o . Rabreau s Chevallier et al .,“SenseJoy,可插入解决方案评估用户行为在电动轮椅驾驶任务,”神经工程学和康复杂志》上》16卷,页1 - 14,2019。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
  25. Hwang b和d .全“开发和初步测试小说轮椅综合运动/康复系统,”IEEE学报》13日康复机器人技术国际会议(ICORR)美国西雅图,页1 - 6,2013年6月。视图:谷歌学术搜索
  26. w·曹h . Yu,吴x,孟,陈和c, s . Li”声音控制轮椅集成康复训练和姿态转换为下肢运动功能障碍,”技术和医疗保健,2020年,页1 - 6。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
  27. R.L.诺顿,机械设计美国麦格劳-希尔,纽约,纽约,2014年。
  28. 美国摩、a . Zabihollah和m .签署“开发一个精确的有限元模型,对N-layer MR-laminated梁使用layerwise理论,“先进的材料和结构力学,25卷,不。13日,1148 - 1155年,2018页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
  29. 美国摩、a . Zabihollah和m .将核技术”实验工作的动态行为层压复合梁与magneto-rheological流体在随机激励下,”学报》第三届国际会议在机电一体化和机器人技术工程学,页156 - 161,纽约,纽约,美国,2017年2月。视图:谷歌学术搜索
  30. d . Sinyukov r·德斯蒙德·m·迪·j·弗莱明,j . Schaufeld和t . Padir”综合控制半自治的轮椅使用模块化的传感器设计,框架”智能服务机器人,7卷,不。3、145 - 155年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
  31. f . Pasteau a Krupa m .巴别塔,“沿着走廊,协助建立轮椅导航”诉讼的IEEE机器人与自动化国际会议上,页4430 - 4435,香港,中国,2014。视图:谷歌学术搜索
  32. g . Mousa a Almaddah, a,“轮椅控制系统的设计和实现使用粒子群算法,”电脑,材料和连续,卷66,不。2、2005 - 2023年,2021页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
  33. y Rabhi、m . Mrabet和f . Fnaiech”电动轮椅优化操纵杆控制接口,”第16届国际研讨会论文集在科学和技术的自动控制和计算机工程(STA),页201 - 206,拖拉,突尼斯,2015。视图:谷歌学术搜索
  34. m . f . Ruzaij s Neubert n .斯托尔和k·瑟罗,“低成本的设计和测试三种模式操作的声音控制器轮椅和康复机器人”学报2015年IEEE 9日智能信号处理国际研讨会(缕)程序,页1 - 6,锡耶纳,意大利,2015年5月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
  35. j . Makhoul和r·施瓦兹”状态的艺术在连续语音识别”,美国国家科学院院刊》上,卷92,不。22日,第9963 - 9956页,1995年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
  36. 黄黄j . j . d . Chen等人“测量直流电机高频矩特征基于小波分析,“电机控制与应用卷28日,调查2016页。视图:谷歌学术搜索

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