下肢外骨骼机器人的步态评估方法及应用研究

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下肢外骨骼机器人作为康复辅具帮助截瘫患者完成起立、行走、转弯等日常活动动作,但目前个人版外骨骼机器人需要在医疗机构进行患者身体的康复评估以及外骨骼使用熟练度的评估,尤其是外骨骼熟练度的评估只能通过简单的经验评估,缺乏外骨骼使用熟练度的量化方法。因此,本论文针对该问题,提出下肢外骨骼机器人的步态评估方法,在此基础之上,进一步提出外骨骼机器人熟练度量化方法,并进行系统实现,其中主要包括以下两方面:针对康复医疗场景下需要对患者使用个人版外骨骼机器人进行康复评估的问题,本文提出了下肢外骨骼机器人的步态评估方法,并设计实现了下肢外骨骼机器人的步态评估系统,该方法通过外骨骼传感器数据计算患者穿戴外骨骼进行康复训练时的步态参数,该系统通过计算所得的步态参数,以评估报告的形式展示患者历次康复训练时步态的改善情况。首先,本文依据康复评定中步态评估理论,从步态的时空参数、关节角度、对称性、平衡性等方面构建正常人的步态参数模型。其次,结合理论及外骨骼数据特点,计算患者穿戴下肢外骨骼进行步行训练时步态的时空参数、关节角度、对称性、平衡性作为评估指标。最后,将评估指标应用于系统构建下肢外骨骼的步态评估系统,并进行系统验证。从验证结果来看,系统能准确的反映患者历次穿戴外骨骼机器人进行康复训练时的步态情况。针对康复医疗场景下外骨骼使用熟练度的评估只能通过简单的经验评估,缺乏量化方法的问题,本文从下肢外骨骼的步态评估方法出发,提出外骨骼使用熟练度的量化方法并构建熟练度模型,最后从步态趋势方面对熟练度差异原因进行分析。首先,从外骨骼的康复训练模式及康复评定中功能性评定两方面出发对熟练度进行定义。其次,根据熟练度定义设计针对于下肢外骨骼机器人的ADL评定量表。然后,进行实验,采集患者穿戴外骨骼时的传感器数据并用设计的ADL评定量表对整个过程进行评分。接着,寻找患者穿戴外骨骼时步态参数与评分间的对应关系,构建基于RF和GBDT的熟练度模型。为区分评分结果,直观体现功能性水平,再将熟练度进行等级划分。最后,从步态趋势方面出发采用DTW算法对熟练度差异原因进行分析。实验数据表明熟练度模型具有较好的区分效果和鲁棒性。本文提出了下肢外骨骼机器人的步态评估方法,以此为特征进一步提出外骨骼熟练度量化方法并构建步态评估系统,为医生了解患者使用外骨骼进行康复训练的康复进程及外骨骼步态规划的标准化、性能改进提供参考依据。
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