具备力传感监测的上肢外骨骼康复系统的设计与实现

作者：罗维; 李国瑞; 李雨来; 蒲江波^*; 徐圣普^*

来源：生物医学工程与临床, 2022, 26(04): 407-413.

DOI：10.13339/j.cnki.sglc.20220429.002

• 卒中康复
• 外骨骼
• 机器人辅助康复训练
• 三维力传感器
• 功能性电刺激

目的 近年来，外骨骼机器人正逐渐走入临床康复实践，自由度、运动模式和力反馈评价是影响外骨骼机器人康复效果的重要因素，实验设计并实现了多抗阻训练模式的上肢外骨骼康复系统，该系统具备6个自由度并可全程跟踪用户与外骨骼间的接触力。方法 通过人体上肢运动学分析，对上肢外骨骼康复系统的关节和自由度进行设计，主要由配重箱体、升降台、横梁、外骨骼机械臂组成；考虑不同体型患者要求，配置可调节长度导轨；硬件系统采用主控板、节点板的分层控制方法；软件系统使用模块化设计。在上肢外骨骼康复系统与人体接触处设置多个三维力传感器。使用角度和力传感器对上肢外骨骼康复系统的运动角度空间、疲劳测试下控制稳定度及主、被动模式下的接触力分布进行分析。最终征募17例受试者进行肩关节的伸展运动，采集不同阻抗等级下的力传感器数据，并进行主观体验问卷调查。结果 上肢外骨骼康复系统工作空间角度幅值与设计要求相同，误差小于5%；连续工作4 h情况下，运动角速度变化率不超过1%。主动运动模式下，17例受试者人机接触力男性测量值（23.63±5.26） N，女性（21.54±5.16） N；人机接触力较小，其中15例受试者给出了舒适度较高及以上的评价，表明该系统具有良好的佩戴舒适度。人机接触力与阻抗等级的提升呈正相关，提示了抗阻模式在康复肌力训练中的应用价值。结论 实验设计并实现了一款基于直接力控制的6个自由度上肢外骨骼康复系统，能够实现主动、被动、抗阻、运动处方等多种模式，该系统可连续监测运动过程中的接触力，有助于避免运动伤害，结合脑机接口和功能电刺激技术时可形成感觉运动的闭环训练，为上肢外骨骼康复系统的临床应用提供了新研究工具。

• 单位
  中国医学科学院; 北京协和医学院