【摘 要】
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脊柱侧凸指脊柱在冠状面上向侧方的弯曲,属于三维畸形,包括冠状位、矢状位和轴位上的序列异常。目前在脊柱侧凸治疗领域,预先通过康复设备对患者施加矫正推力和牵引力,能够显著降低患者脊柱侧凸角度,而现有设备存在施力机构调节费力、治疗舒适性不足、对治疗力控制精度低导致治疗可靠性不足等缺点。本文针对以上问题,结合脊柱侧凸治疗理论以及在同济医学院的调研结果,开发了基于电动缸的脊柱侧凸康复设备。本文主要工作内容及
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脊柱侧凸指脊柱在冠状面上向侧方的弯曲,属于三维畸形,包括冠状位、矢状位和轴位上的序列异常。目前在脊柱侧凸治疗领域,预先通过康复设备对患者施加矫正推力和牵引力,能够显著降低患者脊柱侧凸角度,而现有设备存在施力机构调节费力、治疗舒适性不足、对治疗力控制精度低导致治疗可靠性不足等缺点。本文针对以上问题,结合脊柱侧凸治疗理论以及在同济医学院的调研结果,开发了基于电动缸的脊柱侧凸康复设备。本文主要工作内容及成果总结如下:(1)根据脊柱侧凸矫正原理及实际治疗方法,分析设备功能需求,确定设备各项设计指标,据此完成设备的结构设计,针对关键受力部件进行有限元仿真分析以确定结构可靠性。设计控制系统,包括控制系统整体组成、部件选型、通信方式以及治疗力位控制方式,通过继电器模块控制直流电机,实现对治疗力施加机构及座椅面的位置调节。(2)研究基于位置的自适应阻抗控制方法,以实现对治疗力的柔顺控制。建立阻抗控制模型以及电动缸推杆位置控制模型。基于接触力及环境实际位置,对阻抗模型的参考位移进行实时调节,以减小因环境刚度未知导致的接触力稳态误差。采用模糊控制方法对阻抗控制模型参数进行实时调节,以改善阻抗控制的动态特性。通过Matlab/Simulink模型仿真以及实验进行验证,结果表明,采用自适应阻抗控制提高了控制系统柔顺性,力控制稳态误差降低至4N,超调量降低至9.2%。(3)采用Qt开发基于嵌入式Linux系统的设备控制软件,实现了数据库管理、总线通信、自动化治疗以及人机交互界面等功能。(4)招募健康志愿者接受测试,结果表明,设备运行安全稳定,治疗推力柔顺性提高,各项指标均符合设计要求。本文对基于电动缸的脊柱侧凸康复设备相关技术进行了研究,成功开发设备,且基本达到预期设计目标,为后续实际治疗实验奠定了基础。
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