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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:143   在线投稿
     
     

    核心提示:1.外骨骼设备的一起源№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一康复设备,因 作为人体穿在外面的一人工机械而得名 。它将设备的一机械能与人的一智能

     
    1.外骨骼设备的一起源№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一康复设备,因 作为人体穿在外面的一人工机械而得名 。它将设备的一机械能与人的一智能相结合,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№和重返社会的一目的一 。早在1960年外骨骼技术就开始被科学家关注,1966美国发明的一Hardiman 助力 机器人由于科技限制未能面世,但是为之后的一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ζ,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一是伯克利分校运用仿生学设计的一BLEEX军用型助力 型机器人,主要以负重№和行军为目的一,包含7个自由度(髋、踝关节各三个,膝关节一个)№和30个以上    的一传感器形成仿生机械腿以完成下肢各个方向的一活动 。随着社会发展№和临床需要,科学家们参照之前的一设计理念为截瘫患者量身定制了Ekso设备,以期提高他们的一社会参与度 。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一HAL№和Rewalk机器人,增加残疾人生活自理能力 ,减少照顾人员的一生活压力  。从工程学的一角度而言,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一原因  。
    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一步行康复,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一发展空间,开始吸取▓欧美国家设计理念并开始自己的一研究,目前为止也有了不 错的一研究成果 。上    海大学采用三连杆开练式基础理论设计出的一外骨骼设备以增加患者踝关节的一主动控制,减少残存肌肉下降为目的一;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一运动轨迹,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一欠驱动结构,智能协调人体№和机器之间的一运动一致性[38] 。浙江大学利用足底传感器的一敏锐度№和小车的一辅助设计出汽动型机器人,它可以在保证安全的一情况下既能提前判断出患者的一运动轨迹,又●能提高运动的一准确度,毋庸置疑,外骨骼技术的一发展迈入加速发展期,已经产生出了相对成熟的一产品主要应用于康复训练,更趋智能化,轻型化№和模块化的一外骨骼将更多的一应用于助老助残№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一,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一异常 。步态周期是指一侧足底着地到该侧第二次着地的一过程所需的一时间,根据足底与地面的一接触情况又●分为支撑相№和摆动相,支撑相约占整个过程的一60%,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一过程 。行走过程中的一不 同步态过程对应着不 同的一关节角度参数(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一参数变化是依靠神经-肌肉系统的一高度自动支配的一,骨骼肌接收到运动神经的一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一运动 。
    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一下肢辅助设备进行设计时主要关注的一有以下几个问题: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一金属材料→,其良好的一机械性能№和物理性能(密度低强度高№和可加工性与抗腐蚀性的一特性)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一装置,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一驱动形式;运动控制发展于伺服控制,指通过对电流电压等电学指标№和设备速度位置的一掌控,让设备能够按照预定的一运动轨迹运动,刘棣斐等已经在研究中证明,由于穿戴者自身肌力 大小不 同造成的一理想运动轨迹№和实际运动轨迹之间的一差值可以根据公式精确算︻出来 。
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