基于医学成像的动态建模,用于仿生指关节和手外骨验证
Xiaochan Wang1, Cheolhee Cho1, Peng Zhang2
1Department of Design, Kyungpook National University, Daegu 41566, Republic of Korea.
Biomimetics (Basel, Switzerland)
|October 28, 2025
概括
这项研究引入了一种用于手部康复外骨的新方法,以改善患者的康复. 通过精确模拟关节运动,新设计增强了动力学对齐,并减少不适,以获得更好的康复结果.
科学领域:
- 生物医学工程 生物医学工程
- 康复机器人 康复机器人
- 生物力学 生物力学
背景情况:
- 现有的手部康复外骨架往往无法解释手指关节复杂的滚动滑动运动.
- 这种监督导致动力学 misalignment 和不舒服的压力点,阻碍有效的患者恢复.
- 指关节的瞬间旋转中心 (ICOR) 漂移是当前外骨架设计中经常被忽视的关键因素.
研究的目的:
- 开发和验证一种用于模拟和整合手指关节瞬间旋转中心 (ICOR) 轨迹到手外骨架设计的新方法.
- 为了创建一个多度自由度 (DOF) 外骨架,生物模拟动力学对增强动力学对齐和人机兼容性.
- 为了减少动力失调和界面压力度在手部康复外骨架中,以改善患者的治疗结果.
主要方法:
- 采用即时半径方法 (IRM),使用医学成像来建模MCP,PIP和DIP关节的ICOR轨迹.
- 通过曲线拟合构建了等价ICOR,指导了交叉类型生物模拟动力学对的设计.
- 开发并使用IMU传感器和薄膜压力传感器验证了一种具有每指双DOF的十个链接外骨.
主要成果:
- 仿生外骨显示出更接近的指尖轨迹与生理运动相匹配,并显著减少了根平均平方误差 (RMSE).
- 界面压力测量显示,平均压力降低了15-25%,MCP和PIP关节的峰值压力降低了20-30%.
- 压力分布变得更加均,表明人机兼容性得到改善,局部应力减少.
结论:
- 采用基于IRM的建模,相当于ICOR和生物仿真动力学对的综合框架显著提高了手外骨的动力学对齐.
- 这种方法有效地降低了接口压力,并改善了外骨和生理关节运动之间的匹配.
- 该研究强调了ICOR在康复机器人技术中的重要性,为个性化康复和临床翻译提供了一个有希望的方向.
