MAGAZINE
刊物內容

回列表

氣動式下肢步態訓練系統設計與控制

摘要"

本研究以改善馬達驅動下肢步態訓練系統結構複雜、剛性大且缺乏柔順性的缺點為目標,旨在針對人工減重步態訓練的不足,運用氣壓傳動柔順、安全及輕巧之特點,開發具柔順特性之下肢步態訓練系統,並進行控制器設計,以驗證氣動元件作為下肢步態訓練系統致動裝置之可行性,整體系統包括氣動式下肢外骨骼、氣動式動態懸吊減重系統與氣壓重心平衡調節系統。本研究除實際研製氣動式下肢步態訓練系統外,在系統控制方面,結合區間第二型模糊邏輯、滑動模式控制與脈波寬度調變法,針對氣動式下肢外骨骼與氣動式懸吊減重系統,分別設計『區間第二型模糊滑動脈寬調變控制器』與『區間第二型模糊滑動控制器』,調節電磁閥空占比及比例壓力閥輸出壓力。實驗結果顯示,氣動式下肢步態訓練系統能實現患者的動態減重仿人行走步態訓練,且下肢外骨骼與懸吊減重系統在控制器的補償下,對步態軌跡追蹤與動態減重均有相當不錯的控制效果。

關鍵詞:下肢步態訓練、區間第二型模糊邏輯、下肢外骨骼、脈波寬度調變

前言

傳統的下肢步態訓練患者需要借助器械或物理治療師的輔助,相關之訓練方式如圖1所示。傳統步態訓練的功能有限,且物理治療師的體能負擔大,難以確保訓練的持續性與穩定性,且訓練效果還會受到物理治療師臨床經驗的影響。因此,尋求有效的步態訓練方式減少併發症與後遺症的發生,縮短病程提高療效對促進患者行走功能的恢復是非常重要的。隨著機器人技術的成熟,機器人在提供長期穩定的重複性與定量運動方面具有明顯的優勢。20世紀90年代初,各國研究機構陸續開發出各種下肢步態訓練的機器人。機器人輔助步態訓練不僅可減輕物理治療師的繁重工作負擔,也可透過定量的運動刺激,為患者提供更科學的訓練模式,在確保訓練安全提高訓練效率與改善訓練效果方面具有相當大的潛力與優越性。
目前市面上的步態訓練系統多數都以馬達驅動外骨骼連杆機構完成關節運動。圖2為瑞士開發的Lokomat下肢步態訓練系統[1-5],該系統易於控制且精度高,但系統以馬達驅動剛性大易對患者產生衝擊,若發生位移突變易造成患者腿部或其他組織的損傷,因此,柔順性與安全性較差;同時因結構複雜,所以在增加外骨骼自由度時,機構將不易實現輕量化。圖3的LOPES (Lower Extremity Powered Exoskeleton)是荷蘭Twente大學,針對神經系統受損之運動功能障礙者所設計的步態訓練裝置[6-9],其與Lokomat的主要差異在於LOPES更重視外骨骼與患者的相容性及使用舒適性,其獨特的驅動方式使關節與外骨骼具有輕便簡潔的結構,因此可提昇整體的驅動效率。美國HEALTHSOUTH公司開發的牽引式機械手步態訓練系統AutoAmbulator [10],如圖4所示。該系統可由患者自行操作2自由度機械手,分別控制兩組馬達牽引患者大腿和小腿完成步態訓練,其工作原理與外骨骼輔助訓練類似,但動作可更接近於物理治療師的手。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌。

READ MORE BACK TO LIST