多功能驱动踝足康复矫形器设计、步态分析与控制方法研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51805132
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0506.机械设计学
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

The number of hemiplegic patients are increasing worldwide. These patients normally have the secondary complications such as drop-foot and foot-slap after heel contact. Therefore, it is necessary and impactful to develop medical devices for ankle-foot rehabilitation to help these patients regain the ability to walk. Research on the system stiffness adjustment and energy efficiency, gait analysis, and control of the ankle-foot orthosis for rehabilitation is conducted in this project. Firstly, based on the biomechanical analysis of human body, a variable stiffness magneto-rheological elastic multifunctional actuator is developed to adjust the system stiffness in real-time, filter out the collisions from the ground, and improve the system energy efficiency and safety. Then, based on the proposed gait modeling, analysis and evaluation methods, the adaptive control strategy that considers the function specific assistance, adaptive assistance level, and adaptivity of timing and space is further proposed. In addition, the embedded control system and user-friendly human-machine interface including the multi-sensor system and intelligent terminal application are developed. Finally, the prototype of the ankle-foot orthosis is developed, and experimental studies are performed to validate the effectiveness of the system design, gait analysis, and adaptive control strategy of the ankle-foot orthosis. The results of this project can contribute to the research of the actuators, gait analysis, and control of the rehabilitation robots by providing some theoretical basis and key technologies.
全世界偏瘫患者正逐年增加,患者通常患有足下垂、足跟着地时脚掌拍击地面等并发症,因此亟需用于踝足康复训练的医疗装置以帮助患者逐渐恢复正常行走能力。本项目以踝足康复矫形器为研究对象,深入开展系统刚度调节和能量效率、步态分析和控制策略研究。根据人体生物力学分析,研究可变刚度磁流变弹性多功能驱动器,实现系统刚度可实时调节、缓冲地面冲击以及提高系统能量效率和安全性;探索矫形器步态建模、分析与评估算法,研究矫形器控制策略,实现同时考虑特定功能辅助、辅助功能大小自适应、步态模式时间/空间自适应控制;设计友好的人机交互,构建多传感器系统和嵌入式控制系统,开发智能终端应用程序,搭建矫形器物理样机,开展实验研究验证矫形器系统设计、步态分析与自适应控制策略的可行性和有效性。本项目对踝足康复矫形器驱动、步态分析及控制的研究具有重要意义,可为康复医疗机器人驱动器、步态分析和控制策略等研究提供理论基础和关键技术。

结项摘要

中风后偏瘫患者通常患有足下垂、足跟着地时脚掌拍击地面等并发症,严重影响患者步行功能的恢复。本项目研究的踝足矫康复形器适用于偏瘫患者,能够为穿戴者踝关节提供背屈和跖屈方向上的辅助力/力矩,帮助其进行运动康复。基于人体踝关节结构与运动机理,设计了踝足康复矫形器虚拟样机,研制了可变刚度磁流变弹性多功能驱动器。建立了踝足康复矫形器步态模型,提出了步态分析与评估算法;基于理疗师知识和经验以及踝足康复矫形器运动康复功能建立了模糊专家系统,在偏瘫患者的病理性步态和需要的康复策略之间建立了联系;研究了混合阻抗控制方法对踝足康复矫形器进行运动控制,实现了同时考虑特定功能辅助、辅助功能大小自适应、步态模式时间/空间自适应控制。结合人体工程学,设计了友好的踝足康复矫形器人机交互,搭建了踝足康复矫形器物理样机,招募了志愿者,开展了实验研究,验证了踝足康复矫形器系统设计及其控制方法的正确性和有效性。基于本项目的研究工作,共发表高水平学术论文5篇,申请国家发明专利7项,授权4项。本项目的研究成果丰富了康复医疗机器人的设计理论和控制方法。

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(1)
专利数量(7)
Implementation of robotic ankle–foot orthosis with an impedance-based assist-as-needed control strategy
采用基于阻抗的按需辅助控制策略实施机器人踝足矫形器
  • DOI:
    10.1115/1.4053218
  • 发表时间:
    2021-12
  • 期刊:
    ASME Journal of Mechanisms and Robotics- Transactions of the ASME
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Chen Bing;Zi Bin;Zhou Bin;Wang Zhengyu
  • 通讯作者:
    Wang Zhengyu
Reference Joint Trajectories Generation of CUHK-EXO Exoskeleton for System Balance in Walking Assistance
CUHK-EXO外骨骼的参考关节轨迹生成,以实现步行辅助中的系统平衡
  • DOI:
    10.1109/access.2019.2904296
  • 发表时间:
    2019-01-01
  • 期刊:
    IEEE ACCESS
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Chen, Bing;Zhong, Chun-Hao;Liao, Wei-Hsin
  • 通讯作者:
    Liao, Wei-Hsin
State-of-the-art research in robotic hip exoskeletons: A general review
机器人髋部外骨骼的最新研究:综述
  • DOI:
    10.1016/j.jot.2019.09.006
  • 发表时间:
    2020-01-01
  • 期刊:
    JOURNAL OF ORTHOPAEDIC TRANSLATION
  • 影响因子:
    6.6
  • 作者:
    Chen, Bing;Zi, Bin;Pan, Qiaosheng
  • 通讯作者:
    Pan, Qiaosheng
Knee exoskeletons for gait rehabilitation and human performance augmentation: A state-of-the-art
用于步态康复和人类表现增强的膝外骨骼:最先进的技术
  • DOI:
    10.1016/j.mechmachtheory.2019.01.016
  • 发表时间:
    2019-04-01
  • 期刊:
    MECHANISM AND MACHINE THEORY
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    Chen, Bing;Zi, Bin;Liao, Wei-Hsin
  • 通讯作者:
    Liao, Wei-Hsin
Development of Robotic Ankle-Foot Orthosis With Series Elastic Actuator and Magneto-Rheological Brake
串联弹性执行器和磁流变制动器机器人踝足矫形器的研制
  • DOI:
    10.1115/1.4047987
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    ASME Journal of Mechanisms and Robotics
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Chen Bing;Zi Bin;Wang Zhengyu;Li Yuan;Qian Jun
  • 通讯作者:
    Qian Jun

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    --
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  • 通讯作者:
    陈兵

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变刚度非线性驱动膝关节康复外骨骼设计分析与协同控制研究
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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