动态平衡外骨骼装备

动态平衡外骨骼装备

赵和龙,李华光,文思硕 ,宋子龙,战一帆

青岛黄海学院    山东  青岛  266427

摘要：

基于老年人口、残疾人口的大量增加，加之考虑国内康复医疗现状，康复医疗供给不足（机构数量少、床位短缺、从业人员短缺）我们初期将产品定位于一款可穿戴式下肢动态平衡康复用外骨骼机器人。该机器人由下肢模块和控制模块组成，采用Inventor软件进行三维建模，并对核心支撑部件进行静力学分析，以验证整体结构设计的稳定性和正确性。仿真结果表明：患者可以实现上肢康复和下肢康复联合训练，真正实现了四肢康复训练全方位和立体化，可以满足患者康复训练需求并且具有一定的市场推广价值。

关键词：康复医疗、外骨骼机器人、动态平衡

引言

在世界人口中，大约15%的人有某种形式的残疾，造成全球残疾率估计数上升的原因是：人口老龄化和慢性疾病迅速蔓延，近年来老龄化问题严重，全球范围内老龄化国家日益增多。全球老年人口基数大，且腿脚大多不便。而且老年人的患病几率极高，我国由于中风而导致终身残疾、行动困难的老年人有很多。同时残疾人口也不可忽视，我国脊髓损伤患者以及行走不便患者数量较大并呈逐年上升趋势，其中包括偏瘫、截瘫病患以及行走不便的人，使得助老助残问题日益成为一个重大的社会问题，但目前的一些康复设备无法满足这一巨大的需求。

设计方案

要解决患者四肢康复治疗问题、老年人行走不便，帮助老年人正常生活，预防肌肉萎缩，肌肉退化，实现

下肢康复治疗，其控制系统关键要解决以下几个问题：

（1）设备使用者上肢承重问题设计柔性可穿戴式膝关节保护外骨骼，用于实现人体运动过程中膝关节负载减重及行走助力功能. 根据人体生物力学特点，使用固体各向同性材料惩罚（SIMP）模型与有限元分析设计柔性外骨骼膝关节，该柔性关节在行走运动支撑期具有刚性，能够减轻膝关节体重负载，在摆动期柔性较强，能适应人体生理关节运动特性，不对膝关节造成额外载荷. 在柔性可穿戴式膝关节外骨骼结构的基础上，配套设计行走助力模块，研究相应的助力控制方法可以实现步行助力. 性能测试实验表明，单侧膝关节保护外骨骼最大能减轻110 N的膝关节负载，外骨骼结构自身质量为639 g，减重比大；带行走助力模块的外骨骼系统质量为4.8 kg，能实现步行运动的助力功能。

（2）安全保护能力通过机械或从结构上产生缓冲效果，维持关节稳定；提供肌肉主动刺激，以保护关键和软组织，为了保证柔性外骨骼系统在工作过程中安全稳定，需要进行实时监控，党超出安全裕度时，及时向穿戴者传送信号并报警，并按照导入的安全规则，对系统进行控制。分别在医师方面、患者方面和设备方面设计了不同的操作使用方式，并对其配置，搭建，使用管理有着严格的要求。规范了康复机器人的使用方法，为了确保系统的万无一失，还必须要在底层设有机械和电路的硬限位，使外骨骼在检测到关节到达机械限位时，能够自动切断电源或使关节以反向缓慢运动回到安全初始位置，避免伤害操作者。

（3）设备方便快捷的操作系统

口令控制混合拼接矩阵信号切换

CREATOR快捷智能语音控制系统可以对混合拼接矩阵切换器进行语音口令控制。支持WEB页面直接控制矩阵信号源矩阵切换，拼接预案调用，信号上墙等操作并且实时监测矩阵的在线状态和信号源在线状态检测;支持语音口令控制矩阵的信号切换、模式调用、信号切换上屏等操作。智能语音控制系统兼容网络型中央控制系统，支持语音口令控制中控系统，对中控系统控制的主要内容有：话筒设备的麦克风打开、关闭；灯光的开启和关闭，声音的大小调节，第三方系统包括高清混合拼接矩阵设备、网络型中控主机设备等，支持语音口令控制分布系统的视频与音频的绑定、IPC网络健康摄像机的云台控制，拼接模式的保存和调用等操作。

3、智能外骨骼康复设备软件设计

3.1智能外骨骼康复装备设计流程图

如图为康复外骨骼康复装备设计流程设计图，进行康复训练过程中，主要以重量检测装置所检测的负重为依据，负重或手动开关时启动设备开始继续操作。

图1智能外骨骼康复装备设计流程图

3.2智能外骨骼康复装备辅助行走、康复训练设计流程图

如图2所示为为智能外骨骼康复装备辅助行走、康复训练设计流程图。初始化角加速度装置，舵机开始工作（同时可设定一定量的训练时间），启动电机，检测到肌肉隆起时，根据选定的训练模式进行程序设定，如进行康复训练行走，信号灯亮橙色，辅助支撑行走，信号灯亮蓝色。第三步主控制根据压力传感器反馈的信息控制旋转角度，步伐调节。

图2智能外骨骼康复装备辅助行走、康复训练设计流程图

3.3智能康复外骨骼语音控制系统设计流程图

如图3所示，智能外骨骼康复装备自动唤醒语音模块。第一步进行语音智能询问，当没有语音识别或识别到关闭操作时，设备自动进行待机操作；当同时听到语音唤醒，执行语音命令，操控下肢模块运行并记录数据，若不能识别则原地待命。

图3智能康复外骨骼语音控制系统设计流程图

3.4智能外骨骼康复装备平衡系统设计流程图

如图4所示智能外骨骼康复装备，平衡系统启动，进行平衡参数的初始化后，开始自动运行，当平衡系统检测到人体摇晃程度过大或检测倾斜角度过大，记录系统运行参数发送数据给主控制器进行分析，主控制器控制舵机转向来保证人体平衡，实现动态平衡。

图4智能外骨骼康复装备平衡系统设计流程图

3.5物联网实时定位系统设计流程图

智能外骨骼康复装备开机启动后，物联网模块初始化，每隔0.5s记录并上传各项运行参数数据及其实时路线，如若电量不足自动预警，提示设备使用者电量不足并自动进入超级节能省电模式，以来维持定位系统正常运行。

图5物联网实时定位系统设计流程图

3理论设计计算

（1）产品尺寸：

①长度：90cm——160cm②宽度：10cm

（2）产品工作时间：安装太阳能板及大容量电池，可工作12小时。

（3）产品最大转动角度：360°无死角旋转（可自动程序设定也可手动遥控调节）

（4）电池参数：24000mA

结构功能：

①智能外骨骼康复装备主要结构组成分为语音控制模块、陀螺仪模块、下肢模块、物联网定位系统、多方位平衡系统四大部分。

②语音控制模块：智能语音操控，使其更加人性化，便捷化，对设备使用者的要求进一步降低。

③下肢模块：辅助行走，辅助普通人、军人行走，帮助残障人士重新站立行走，使得设备的使用面更加广泛。

④物联网定位系统：物联网实时定位，使大数据更加清晰明了，对使用者及其设备有更好的售后服务及其更新改良。

⑤多方位平衡系统：平衡矫正，平衡矫正使得设备更加舒适，稳定有效地帮助设备使用者快速掌握设备使用方法，我们考虑到了老年人说话不清楚的问题，对语音音模块进行完善增加了陀螺仪模块用手就可以控制自己的腿，从而达到对语音模块的弥补，使得产品更加人性化，便捷化。

3.2设备解决问题

主要针对脑卒中患者，残障人士，老年人等人群。重点针对脑卒中患者进行从根部解决问题。脑卒中患者由于脑部血管突然破裂或因血管阻塞导致血液不能流入大脑而引起脑组织损伤，而腿部突然感到无力，导致无法正常行走。本产品可根据患者腿型来定制智能外骨骼各部分尺寸，使其患者使用本产品时更加舒适、可靠。

残障人士和老年人等人群由于行走机能并未完全消失，机器强制性的辅助矫正行走会给残障人士和老年人等人群带来极大的不适甚至存在反作用。所以本产品可根据使用者机能消失的程度状况，适当调整机器辅助矫正的力度，使其给使用者更多地控制自由，使用本产品时更加舒适。

未来我们要在军用领域中开创一款外骨骼康复设备。此款新研发设备每条机械腿包含髋关节膝关节踝关节，机械腿的结构设计上更加完美贴合人体骨骼结构，满足了军人对灵活机动性和稳定支撑性的需求。

前景分析

根据以上几个国家的外骨骼了解和分析，本设备对比他们而言共有以下几点优势

完全地脱离拐杖，不再借助东西，实现静态平衡，而是脱离拐杖，实现动态平衡，大大地降低了使用者的条件。

采用超轻材料，更好解决了其他设备的沉重和不灵活的问题，从而让顾客减轻机器带来负担，从而更贴合实际。

本产品运用物联网定位系统可以精准定位使用者的位置，并且可以吧一些重要数据传输到康复医院。

本产品还配有语音控制系统和肢体控制系统，大大降低了使用者的条件，可实现随心操作。

总结

本论文是在综述了动态平衡外骨骼基础上，结合发展方向，针对康复训练的功能，具体阐述了一个基于步态控制的下肢外骨骼康复机器人的设计。设计的主要工作是设计出一个动态平衡系统能够根据身体的倾斜角度自动调节，防止患者造成第二次伤害。

参考文献

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