下肢康复外骨骼

结构部分(朱志勇)

项目主要为设计可以帮助瘫痪人士恢复站立/坐下行走的下肢康复外骨骼(SEU-EXO)。 SEU-EXO在设计过程中注意人体工程学,用户友好的界面和高安全性。SEU-EXO设计包括机械结构,电气系统,硬件设计和传感器布局等。人体下肢每条腿有七个自由度,分别为髋关节三个自由度,膝关节一个自由度和踝关节三个自由度。由于空间和重量的限制,SEU-EXO并没有设计所有关节,而且在行走过程中并非所有的外骨骼关节都有必要。所以我们设计SEU-EXO总有8个自由度,其中髋关节和膝关节各一个自由度为主动驱动,踝关节为两个自由度为是被动关节。该系统的概述设计示于图1。此外SEU-EXO共重约21公斤。其中主动关节(髋关节和膝关节屈曲/扩展)是由直流电动机(Maxon公司EC45,250 W)通过齿轮箱驱动(髋关节和膝关节的减速比为12:1)和蜗轮蜗杆减速(19.5:1减速比) 。因此它可以提供在髋关节和膝关节65 Nm的最大连续扭矩和100 Nm的短期峰值扭矩。机械结构主要是为了实现重量轻的高刚性铝合金(7075)制做。为了使SEU-EXO适合与不同的身体尺寸,大腿长度,小腿长度,以及腰板宽度都是可调节的。因此,SEU-EXO穿戴者身高范围为1.6-1.8米。

控制部分(姜充)

针对患者不同的伤残程度(肌肉损伤、中风、偏瘫、下肢瘫痪),基于一套具有机械动力装置的下肢外骨骼样机,结合不同病患不同阶段康复训练的需求和人体正常行走步态,研究合理的下肢外骼的控骨制算法并设计传感器系统、制作控制平台电路板和连接其他硬件接口;编写程序实现算法,从而实现帮助患者康复训练、正常行走;通过友好的人机交互界面及时反馈训练的强度,进展信息。

研究助力外骨骼控制方法,寻求具有良好助力效果的外骨骼控制策略并设计传感器系统、制作控制平台电路板和连接其他硬件接口。编写程序实现算法,实现人体穿戴外骨骼助力行走,完成负重搬运,爬楼梯等任务;设计外骨骼助力效果评价方案,评价所设计的下肢外骨骼助力效果的评价。

主要内容及关键技术:
1.硬件设计及传感器设计:选择合理、经济的控制平台,在满足控制要求的前提下,尽量保证设计的简化、轻便、较高的可靠性和方便携带。传感器的布置可以正确捕捉穿戴者的步态、意图等信息的同时,尽量简化设计,提高可靠性。
2.人机信息交互:及时、全面反馈使用者穿戴外骨骼机器人的交互信息,提升外骨骼的应用价值和便于进一步完善设计。
3.康复机器人控制策略及算法设计:设计高效稳定的康复机器人控制策略及算法,在保证病患不受到伤害的前提下,完成康复训练的目标。
4.助力机器人控制策略和算法设计:人机协调控制的策略与算法是下肢外骨骼控制中最大的难点,人机协调控制的机器人运动轨迹具有更高的多变性和复杂性。通过合理布置的传感器捕捉人体运动意图,规划步态轨迹,通过下肢外骨骼动力学模型,控制外骨骼机器人,实现助力效果。

造型部分(张素航)

从本质上说, 医疗设备是基于人机工程学原理设计生产的。运用人机工程学原理,同时考虑医疗产品的特殊性,对医疗产品的造型、色彩等进行设计,从而改变人们对原有医疗设备外观产生冷漠的感觉以及内心的恐惧感,提高医护人员使用的舒适性和安全性。目前国内医疗器械厂商在医疗产品的设计中,主要考虑如何实现其功能,较少考虑人、环境等因素。本文是对其造型、结构、色彩等方面更好的运用人机工程学。

通过对医疗器械的形态设计、色彩设计的论述,提出在“以人为本”的设计时代,医疗器械设计的重点已从对用户生理需求上的满足,逐步转移到用户心理需求。尤其在技术、质量、性能、功能等方面很少有差别的情况下,医疗器械的情感因素已成为促进医疗产品销售、发展医疗企业,尤其使病人真正享受人性化的治疗的重要竞争力。最终使产品设计者明白,医疗器械的情感设计,能使医疗器械的使用价值、文化价值和审美价值融为一体,更加突出医疗器械中的人性化含量,而且是现代医疗工业发展的重要竞争力,是医疗企业竞争取胜的关键。