抑制腕部和手部病理性震颤的外骨骼系统研发

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病理性震颤由多种神经性疾病所引起,在老龄人中有极高的发病率。震颤虽然不会危及生命,但会给患者的日常生活带来极大的不便。包括药物治疗、物理治疗以及深颅电刺激(DBS)在内的传统治疗手段往往伴随着诸多风险和副作用,且治疗效果有限。为了克服这些传统治疗方法的局限性,本文基于机器人外骨骼技术设计了两款分别针对腕部震颤抑制以及手部震颤抑制的可穿戴外骨骼,旨在为患者的病理性震颤管理提供一种新的解决方案。腕部抑震外骨骼具有一个自由度,工作在半主动抑震模式。本文设计了一款线性磁流变液阻尼器以实现变阻尼控制。外骨骼总重量为262.13 g,具有良好的穿戴能力以及便携性。通过对磁流变液阻尼器的阻尼力以及磁场分布的分析以及仿真,为结构参数的设计提供了理论依据。基于IMU以及STM32搭建了嵌入式控制平台,以实现震颤运动信息的实时采集以及阻尼力的实时调节。实验结果表明,传感器系统能获得可靠的震颤运动信息;阻尼器的最大持续输出阻尼力可达到8 N;针对模拟震颤,腕部抑震外骨骼能使得震颤的加速度幅值以及角速度幅值分别降低60.39%和55.07%。基于轻型直线电机设计的手部抑震外骨骼工作在被动抑震模式,具有五个自由度,采用欠驱动的方式实现了手部10个自由度的主动驱动以及手部震颤的被动抑制。外骨骼本体采用复杂的曲面设计保证了穿戴的舒适性,总体重量为213.23 g,具有良好的便携性。通过对驱动机构的运动学以及动力学的分析以及仿真,给出了手指的关节角度与电机输入之间的关系以及实现预期关节力所需要满足的电机驱动力的关系。嵌入式控制平台能实现外骨骼的控制以及驱动。实验结果表明,手部抑震外骨骼具有良好的驱动能力。针对模拟抑震,能降低76%-95%的手指运动角度;针对患者震颤,能降低66%-85%的手指运动角度。
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