陳煒開題報告

1、上下肢康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與開發(fā) 開題報告班級/學(xué)號：機(jī)械1101班/2011010015 姓名：陳煒指導(dǎo)教師：劉相權(quán)一、 綜述1.1 研究的背景和意義隨著醫(yī)療衛(wèi)生條件的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)條件的改善，人類平均壽命不斷增長，老年人口日益增多，老齡人群的健康問題也成了人們共同關(guān)心和面臨的問題。其中，對老年人造成嚴(yán)重傷害的一種疾病就是中風(fēng)。中風(fēng)，屬于腦血管疾病的一種，其所出現(xiàn)的腦血液循環(huán)障礙將直接對人的大腦組織造成不可恢復(fù)的損傷，從而導(dǎo)致偏癱后遺癥的產(chǎn)生，偏癱后遺癥的康復(fù)治療更是廣大醫(yī)護(hù)工作者和患者所面臨的棘手問題。因此，中風(fēng)由于它的高致殘率、高復(fù)發(fā)率和高死亡率等特點(diǎn)，被世界衛(wèi)生組織確定為危害當(dāng)今人類健康的

2、第一殺手。 在當(dāng)前醫(yī)療條件下，醫(yī)護(hù)人員對于患者的急性中風(fēng)能夠采取比較有效的治療手段來保證患者的生命安全。但是，中風(fēng)所引起的諸如偏癱、運(yùn)動功能障礙、語言功能障礙、神志障礙等后遺癥，卻成為當(dāng)今醫(yī)療界所面臨的一個難題。在中風(fēng)后遺癥患者中，大多屬于運(yùn)動功能障礙，資料顯示中風(fēng)后因運(yùn)動功能障礙而生活不能自理的高達(dá) 42.5%。這不僅使得患者生活不能自理，而且也為患者家庭帶來極大的心理與經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。臨床研究表明，對中風(fēng)后遺癥患者，必須爭取早期康復(fù)治療，尤其在發(fā)病后的前三個月內(nèi)進(jìn)行康復(fù)治療是獲得理想功能恢復(fù)的最佳時機(jī)，治療總有效率可達(dá) 92.4%。因此，我們迫切需要尋求一種有效的康復(fù)手段，使得中風(fēng)后遺癥患者能夠

3、最大限度的恢復(fù)到正常狀態(tài)，以減輕患者的生理和心理痛苦，減輕家庭和社會的負(fù)擔(dān)。 目前，在偏癱上下肢康復(fù)訓(xùn)練方面，國內(nèi)外醫(yī)療界所采用的主要是康復(fù)訓(xùn)練師親自對患者進(jìn)行康復(fù)指導(dǎo)和訓(xùn)練。這種治療方式雖然取得較好的治療效果，但是仍然存在下述三方面的問題： （1）患者較多的情況下，一名康復(fù)訓(xùn)練師不可能在同一時間對多名患者進(jìn)行有效地康復(fù)訓(xùn)練，治療效率低下。即便是技術(shù)嫻熟的康復(fù)訓(xùn)練師可以同時照顧多名患者，那么由于其體力的限制，也不能保證每個患者都能得到足夠強(qiáng)度的康復(fù)訓(xùn)練。此外，康復(fù)訓(xùn)練師的技術(shù)能力不盡相同，不同康復(fù)訓(xùn)練師的治療效果也有很大差異，很難保證每個患者都能得到高效合理的康復(fù)治療。 （2）因?yàn)榧夹g(shù)差異，一

4、些康復(fù)訓(xùn)練師不能根據(jù)患者病況程度精確拿捏康復(fù)治療方法和力度，不能準(zhǔn)確記錄患者康復(fù)進(jìn)程中的各種病況數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致康復(fù)評價指標(biāo)不夠客觀合理，影響治療方案的進(jìn)一步完善和改進(jìn)，耽誤患者的康復(fù)治療。 （3）由于現(xiàn)在人力成本的不斷提高，康復(fù)訓(xùn)練師的服務(wù)費(fèi)用也不斷增加，對于經(jīng)濟(jì)條件較差的患者，其家庭將無力承擔(dān)高昂的康復(fù)訓(xùn)練費(fèi)用，這也無疑會耽誤患者治療，影響患者一生的幸福。 綜上所述，僅依靠康復(fù)訓(xùn)練師親自對患者進(jìn)行的康復(fù)指導(dǎo)和訓(xùn)練，無疑會制約偏癱后遺癥康復(fù)訓(xùn)練手段的進(jìn)一步發(fā)展，影響患者康復(fù)治療的效果，增加患者家庭負(fù)擔(dān)和社會的醫(yī)療成本。因此，有必要將先進(jìn)的技術(shù)手段應(yīng)用到偏癱康復(fù)治療領(lǐng)域，以替代康復(fù)訓(xùn)練師而進(jìn)行新

5、型的康復(fù)指導(dǎo)和訓(xùn)練，從而為廣大患者送去健康的福音。在這種背景下，康復(fù)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生了。 康復(fù)機(jī)器人是將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到康復(fù)工程的產(chǎn)物。與傳統(tǒng)的康復(fù)治療手段相比，康復(fù)機(jī)器人具有以下四個優(yōu)勢： （1）利用康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行康復(fù)治療，不會由于康復(fù)訓(xùn)練師的個人原因而造成患者的康復(fù)訓(xùn)練達(dá)不到足夠的強(qiáng)度。 （2）患者可以購買或者租賃一臺康復(fù)機(jī)器人，按照使用說明和醫(yī)生給出的治療方案，在家里進(jìn)行自主的康復(fù)訓(xùn)練，而不受治療地點(diǎn)的限制，治療時間也能得到保障。 （3）康復(fù)機(jī)器人可以通過一些高科技的技術(shù)手段，在患者康復(fù)訓(xùn)練的同時為患者提供一些豐富多彩的訓(xùn)練內(nèi)容和患者感興趣的放松娛樂內(nèi)容，使治療過程不再那么枯燥乏味，提高患

6、者參與治療的積極性。 （4）康復(fù)機(jī)器人能將治療效果信息及時反饋至身在異地的康復(fù)醫(yī)生，以便其根據(jù)患者康復(fù)情況制定出更合理的治療方案，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程治療。 然而，目前國內(nèi)外已有的康復(fù)治療機(jī)器人，結(jié)構(gòu)龐大，系統(tǒng)復(fù)雜，而且費(fèi)用比較昂貴，不夠簡潔輕便，并且大都為只針對上肢或者只針對下肢的兩鐘類別的康復(fù)機(jī)器人，這使得康復(fù)機(jī)器人的適用范圍受到了限制?；诖耍疚臄M設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定度高，安全性好，易于操作的集上下肢于一體的康復(fù)輔助訓(xùn)練機(jī)器人，為廣大偏癱患者帶去康復(fù)的希望。因此，本課題的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢目前，康復(fù)機(jī)器人技術(shù)是醫(yī)工交叉結(jié)合的嶄新領(lǐng)域，將先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用

7、在醫(yī)療領(lǐng)域中的康復(fù)機(jī)器人，是機(jī)器人技術(shù)和康復(fù)醫(yī)學(xué)完美結(jié)合的體現(xiàn)。康復(fù)機(jī)器人分為：康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人和功能輔助型機(jī)器人。康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人能夠輔助患者進(jìn)行如：人的下肢行走、手臂運(yùn)動、頸部運(yùn)動等功能的恢復(fù)性訓(xùn)練；功能輔助型機(jī)器人有機(jī)器人假肢、導(dǎo)盲手杖、智能輪椅等，主要用來幫助有肢體運(yùn)動功能障礙的患者實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動。本文設(shè)計的是上下肢康復(fù)輔助訓(xùn)練機(jī)器人，用來幫助上肢和下肢有運(yùn)動功能障礙的偏癱后遺癥患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，以達(dá)到恢復(fù)人體肌體組織的運(yùn)動機(jī)能，實(shí)現(xiàn)肌體組織自然化動作的最終目標(biāo)。 1.2.1國外研究現(xiàn)狀 歐美國家在康復(fù)機(jī)器人的相關(guān)研究工作方面起步較早，而且得到了機(jī)器人研究者和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的普遍重視。從 20 世

8、紀(jì) 60 年代開始，許多研究者就嘗試將用于殘疾人康復(fù)治療的機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)品化，雖然取得一定的研究成果，但是康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展仍然比較緩慢。直到 20 世紀(jì) 80 年代，康復(fù)機(jī)器人研究仍然處于起步階段。但是進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，康復(fù)機(jī)器人的研究步入了全面發(fā)展的快車道。 （1）上肢康復(fù)輔助訓(xùn)練機(jī)器人國外研究現(xiàn)狀 1991 年，麻省理工學(xué)院設(shè)計制作了第一臺上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng) MIT-MANUS，如圖1.1 所示。該機(jī)器人主要用于病人的肩、肘康復(fù)治療，其原理上采用五連桿機(jī)構(gòu)，有效降低了機(jī)器人末端執(zhí)行器的阻抗，實(shí)現(xiàn)了康復(fù)訓(xùn)練的安全性、舒適性和平穩(wěn)性，在臨床應(yīng)用中取得了良好的治療效果。此外，MANUS

9、 還可以利用計算機(jī)準(zhǔn)確測量手臂的平面運(yùn)動參數(shù)，該參數(shù)可以通過人機(jī)交互界面直接反饋給患者。 圖 1.1 MIT-MANUS上肢康復(fù)機(jī)器人 圖 1.2 ARM-Guide 1999 年，美國加州大學(xué) Reinkensmeyer 與芝加哥康復(fù)研究所 Kahn 等聯(lián)合研發(fā)了一種輔助康復(fù)和測量向?qū)У脑O(shè)備 ARM-Guide，如圖 1.2 所示。該設(shè)備主要用來測定患者上肢的活動空間。2000 年，他們在 ARM-Guide 的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計出了一種新的 ARM-Guide，用以輔助治療和測量腦損傷患者上肢運(yùn)動功能。這種新設(shè)備具有三個自由度，采用電機(jī)驅(qū)動，其姿態(tài)可以通過一個直線軌道進(jìn)行調(diào)整。而且

10、還可以通過傳感器測量患者前臂所產(chǎn)生的力，但是這種設(shè)備運(yùn)動和訓(xùn)練方式比較單一。 圖 1.3 1DOF 腕關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人 圖 1.4 2DOF 肩肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人 2005 年，意大利的 Roberto Colombo 等人設(shè)計了腕關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人（圖 1.3 所示）和肩肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人（圖 1.4 所示）。兩者分工完成各自的訓(xùn)練任務(wù)，以實(shí)現(xiàn)對患者腕關(guān)節(jié)和肩肘關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練。其中腕關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人可以借助自身良好的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)±90 范圍內(nèi)的康復(fù)訓(xùn)練，肩肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人則主要實(shí)現(xiàn)肩肘關(guān)節(jié)在二維空間的自然伸縮。 圖 1.5 ARMin上肢康復(fù)機(jī)器人 2006 年，瑞士蘇黎世大學(xué)的 Nef 等研

11、制了一種新型上肢康復(fù)機(jī)器人 ARMin，如圖 1.5 所示。該機(jī)器人采用不完全外骨骼結(jié)構(gòu)，具有六個自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)肘部屈伸和肩膀的空間運(yùn)動。使用過程中，可以分別選擇不同的適合患者的康復(fù)訓(xùn)練模式，完成對上肢損傷患者的康復(fù)訓(xùn)練。 此外，還有其他很多研究者或研究機(jī)構(gòu)對上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人進(jìn)行了大量研究，取得豐碩的成果。如：荷蘭代夫特技術(shù)大學(xué)設(shè)計了一種可穿戴式機(jī)器人，它能像衣服一樣穿在患者的肢體上，與患者的上肢一起運(yùn)動，從而達(dá)到康復(fù)治療的效果。某研究者設(shè)計了一種利用控制患者腕關(guān)節(jié)運(yùn)動位置的機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)患者手臂康復(fù)訓(xùn)練。 （2）下肢康復(fù)輔助訓(xùn)練機(jī)器人國外研究現(xiàn)狀現(xiàn)在很多下肢康復(fù)器械的設(shè)計方案都是將助行機(jī)構(gòu)

12、與跑步機(jī)和懸吊系統(tǒng)相結(jié)合，例如圖1.2.1所示是由瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)設(shè)計研制的一款LOKOMAT全自動機(jī)器人步態(tài)訓(xùn)練與評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括步態(tài)矯正裝置、減重懸掛系統(tǒng)和智能跑臺等裝置，該系統(tǒng)可以調(diào)整步態(tài)訓(xùn)練模式，使步態(tài)矯正裝置帶動病人的雙腿在跑臺上作不同的鍛煉，控制系統(tǒng)可以控制步態(tài)矯正機(jī)構(gòu)上的執(zhí)行元件，驅(qū)動患者的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)作相應(yīng)運(yùn)動，動力電機(jī)可以精確地控制跑臺運(yùn)行速度，使之與病人的行走速度相耦合。其控制系統(tǒng)可以精確調(diào)整，使之可以適應(yīng)不同患者的康復(fù)訓(xùn)練。在矯正裝置的各個關(guān)節(jié)上均安裝有壓力傳感器，可實(shí)時精確地監(jiān)控矯正裝置對患者的作用力。目前，LOKOMAT系統(tǒng)已經(jīng)成功地被全球100多家有

13、名的研究所和康復(fù)醫(yī)院引進(jìn)使用。還有一種常見的設(shè)計方案是外骨骼動力輔助系統(tǒng)，其代表是日本筑波大學(xué)（Tsukuba University）大學(xué)設(shè)計開發(fā)的機(jī)器人裝混合助力腿（HAL），如圖1.2.2所示，HAL主要結(jié)構(gòu)包括背包、感應(yīng)控制裝置和分布在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)兩側(cè)的4個電機(jī)，該產(chǎn)品主要用于幫助步態(tài)沒有協(xié)調(diào)性的患者行走，可以幫助患者以4千米每小時的速度行走，并且能完成上下樓梯等復(fù)雜動作，其運(yùn)動由患者通過控制器控制，無需任何操縱臺，也不需要外接任何控制設(shè)備。該裝置配備了很多傳感器，如地面?zhèn)鞲衅?、肌電傳感器、角辨向器等，可以輔助控制器根據(jù)生理反饋調(diào)整人的姿態(tài)，使人感到舒適。上述兩種典型設(shè)備控制可實(shí)現(xiàn)的功

14、能多、康復(fù)功效好，但系統(tǒng)龐大且復(fù)雜、價格昂貴，只適合康復(fù)醫(yī)療中心引進(jìn)以供患者使用，對于一般患者難以承受,因此市場上還有多種簡單便攜式的下肢康復(fù)設(shè)備。圖1.2.3所示裝置是德國OPED公司生產(chǎn)的主被動活動器CAM0PED，該裝置針對不同患者的情況可實(shí)現(xiàn)不同的康復(fù)模式。對于下肢癱瘓情況較為嚴(yán)重的患者，可以采用完全電機(jī)驅(qū)動模式；對于單側(cè)腿癱瘓的患者，可以采用以健康腿的運(yùn)動帶動患腿運(yùn)動的模式。如此可以有效地幫助患者恢復(fù)肢體感覺，對于患者恢復(fù)腿部機(jī)能也有較好的幫助。這種產(chǎn)品的特點(diǎn)是重量輕、結(jié)構(gòu)簡審，小巧便攜。 圖1.2.4所示器械為日本東京大學(xué)研制出的一種主動力型康復(fù)醫(yī)療器械HartWalker，其結(jié)構(gòu)

15、主要包括兩個豎直的KAF矯形器和一個支撐減重兼平衡作用的四輪車。此器械在使用時，人的重量主要集中在中間的豎直桿上，如此設(shè)計的作用是可以解放出人的雙手進(jìn)行一些輔助的操作?？傊?，國外下肢康復(fù)器械新產(chǎn)品的一些主要特點(diǎn)有：（1） 智能化。傳統(tǒng)機(jī)械與計算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合，利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)和控制技術(shù)使康復(fù)器械達(dá)到各種預(yù)期功用；（2） 人機(jī)一體化。將生物工程技術(shù)用于人體康復(fù)工程，使康復(fù)者能夠在舒適的前提下進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 （1）上肢康復(fù)輔助訓(xùn)練機(jī)器人國內(nèi)研究現(xiàn)狀 與國外相比，我國在康復(fù)輔助訓(xùn)練機(jī)器人領(lǐng)域的探索和研究開始較晚。但是近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民群眾對健康關(guān)注程度的提高，

16、國內(nèi)的一些科研院所以及高等學(xué)校在康復(fù)輔助訓(xùn)練機(jī)器人方面相繼開展了大量的設(shè)計研究，開發(fā)和研制出了多種型號的用于上肢康復(fù)輔助訓(xùn)練的機(jī)器人樣機(jī)。目前，國內(nèi)的康復(fù)輔助訓(xùn)練機(jī)器人研究已經(jīng)取得巨大發(fā)展，但是相比國外仍然有較大差距，仍需國內(nèi)科技工作人員投入更多的物力和精力進(jìn)行相關(guān)研究。 上海交通大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)的科研專家聯(lián)合開展了一項(xiàng)研究，該研究的目的是通過提取患者的神經(jīng)信息，然后利用該信息來實(shí)現(xiàn)電子假手的控制，以完成對患者的康復(fù)訓(xùn)練。該研究的原理是利用相關(guān)儀器，有意識地控制患者進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，在康復(fù)訓(xùn)練的同時，連續(xù)調(diào)整和適當(dāng)加強(qiáng)大腦指令，以達(dá)到提高中樞神經(jīng)系統(tǒng)和骨骼肌肉系統(tǒng)支配和控制能力的目的，使患者逐步消除

17、運(yùn)動障礙。 圖 1.7 上肢復(fù)合運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人自 2000 年開始，清華大學(xué)就組織了一支科研力量，致力于機(jī)器人輔助神經(jīng)康復(fù)的研究，并在該方面取得了豐碩成果。其目前已經(jīng)成功研制了包括肩肘復(fù)合運(yùn)動康復(fù)機(jī)器人、肩關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人和手康復(fù)訓(xùn)練器在內(nèi)的多種康復(fù)機(jī)器人,如圖 1.7 所示。2004 年初，清華大學(xué)將自己的科研成果在中國康復(fù)研究中心進(jìn)行臨床應(yīng)用，取得了一定的康復(fù)效果，并獲得了大量非常具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義的臨床數(shù)據(jù)。圖 1.8 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了一種具有五個自由度的上肢康復(fù)機(jī)器人，如圖 1.8所示。其結(jié)構(gòu)采用了外骨骼式，各關(guān)節(jié)利用電機(jī)驅(qū)動，能夠完成肩

18、部、肘部和腕部的伸/屈以及肩部的外擺/內(nèi)收、腕部的旋轉(zhuǎn)等動作，使患者能夠完成一些日常生活中簡單的功能性動作的練習(xí)。 華中科技大學(xué)研發(fā)的一種上肢康復(fù)機(jī)器人，與以往的康復(fù)機(jī)器人有很大的區(qū)別，其采用了獨(dú)特的氣動肌肉驅(qū)動方式，而且可以在三個自由度空間內(nèi)運(yùn)動，如圖 1.9 所示。該氣動肌肉采用拮抗肌對的方式來實(shí)現(xiàn)單關(guān)節(jié)的雙向運(yùn)動。 圖 1.9 基于氣動肌肉驅(qū)動的3DOF上肢康復(fù)機(jī)器人 此外，東南大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)等高校也開展了很多關(guān)于康復(fù)機(jī)器人技術(shù)的研究，并取得了一定的成果。其中，東南大學(xué)成功研制了一套可以實(shí)現(xiàn)被動、主動和帶阻尼主動三種鍛煉模式和一對多的訓(xùn)練模式的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)。河北工業(yè)大學(xué)設(shè)計

19、了一種可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)模擬患者動作的手臂外骨骼康復(fù)機(jī)器人，并取得了良好的效果。 （2）下肢康復(fù)輔助訓(xùn)練機(jī)器人國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國對下肢康復(fù)器械的研究比較晚，如今在各種因素的刺激下，康復(fù)醫(yī)學(xué)工程雖然得到了普遍的重視，但我國在康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域的研究仍處于起步階段。近幾年我國已經(jīng)在康復(fù)工程方面的研究取得了一定的進(jìn)展，并且已經(jīng)取得了不少成果，填補(bǔ)了一些空白，特別是中檔產(chǎn)品發(fā)展較快，成果比較喜人。清華大學(xué)在國家科技支撐計劃和國家自然基金的支持下率先開始了下肢康復(fù)器械的研究開發(fā)工作，成功研制了康復(fù)機(jī)器人GRTS，制造出了樣機(jī)并進(jìn)行了大量的臨床應(yīng)用，取得了一些患者的臨床數(shù)據(jù)，測試結(jié)果顯示GRTS在下肢偏癱患者

20、的康復(fù)方面已經(jīng)起到良好的效果。圖1.2.6為GRTS康復(fù)機(jī)器人的三維造型圖，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式為直接電機(jī)驅(qū)動，這樣的結(jié)構(gòu)比較緊湊，且控制方便。哈爾濱工程大學(xué)的張立勛教授團(tuán)隊(duì)近十年來一直在從事下肢康復(fù)器械的研究，其研究方向較為寬泛，在關(guān)節(jié)液壓驅(qū)使驅(qū)動康復(fù)機(jī)器人、電機(jī)驅(qū)動康復(fù)機(jī)器人、繩索牽引式康復(fù)器械、人機(jī)合作機(jī)器人等國內(nèi)外重點(diǎn)研究方向上均有所涉獵，成果豐富。圖1.2.7所示的助行康復(fù)機(jī)器人是其較新的研究成果，此康復(fù)器械主要由三部分組成：助行機(jī)構(gòu)、起坐裝置以及可移動座椅，可以完成助行、幫助人起坐等輔助作用，還可以作為電動輪椅進(jìn)行直行、拐彎等動作，功能頗為豐富，成果申請了多項(xiàng)專利，具有較強(qiáng)的創(chuàng)

21、新性與實(shí)用性。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的下肢康復(fù)助行機(jī)構(gòu)能夠同時對患者的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，主要由兩個部分組成：穿戴式助行行走機(jī)構(gòu)以及用于減重作用的抬升機(jī)構(gòu)。通過這兩部分裝置的共同作用，患者可以無需別人幫助自行進(jìn)行腿部關(guān)節(jié)鍛煉以期恢復(fù)健康。除上述院校，中科院合肥智能機(jī)械研究所、浙江大學(xué)機(jī)電所、上海大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院也均針對偏癱患者的康復(fù)需要提出了不同的解決方案，并取得了不少研究成果。如今類型各異的下肢康復(fù)器械已經(jīng)得到了一定的應(yīng)用,并且在臨床上具有良好的表現(xiàn)。在今天這個以人為本的社會當(dāng)中,隨著人們生活水平越來越提高,對健康問題也會愈發(fā)重視,這是康復(fù)醫(yī)療器械發(fā)展的重要契機(jī)。以往依賴

22、治療師一對一徒手治療的工作必將逐步被康復(fù)醫(yī)療器械所取代。1.3 目前存在的主要問題 （1）上肢康復(fù)輔助訓(xùn)練機(jī)器人目前存在的主要問題 經(jīng)過國內(nèi)外專家多年的設(shè)計研究以及臨床應(yīng)用，康復(fù)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)取得巨大的發(fā)展，但是仍然存在不少問題，有待進(jìn)一步研究解決。本文在對現(xiàn)有文獻(xiàn)和康復(fù)機(jī)器人臨床應(yīng)用情況深入研究調(diào)查的基礎(chǔ)上，對目前國內(nèi)康復(fù)機(jī)器人所存在的問題總結(jié)歸納如下： （1）結(jié)構(gòu)龐大，系統(tǒng)復(fù)雜，應(yīng)用范圍受到限制。 （2）訓(xùn)練活動范圍及幅度較小，訓(xùn)練方式簡單，不能實(shí)現(xiàn)部分關(guān)節(jié)大范圍活動和多關(guān)節(jié)復(fù)雜活動，以達(dá)到為中樞神經(jīng)提供足夠強(qiáng)度刺激的目的。 （3）機(jī)器人的適用性不強(qiáng)，不能很好地適用于不同患者之間，同一患者

23、不同的恢復(fù)時期等情況。 （2） 下肢康復(fù)輔助訓(xùn)練機(jī)器人目前存在的主要問題 下肢康復(fù)助行器械設(shè)計的主要問題主要體現(xiàn)在以下三個方面: (1)機(jī)械結(jié)構(gòu) 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計是下肢康復(fù)器械設(shè)計的第一步，也是最重要的一步，結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理將會直接影響到整個裝置能否實(shí)現(xiàn)康復(fù)醫(yī)療目的。現(xiàn)有的下肢康復(fù)器械就其結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，大致可分為四類:腳踏板類；骨盆操作器配合減重踏步車類；下肢外骨骼配合減重踏步車類；懸吊減重系統(tǒng)配合可控移動車類。這四類結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)，四前機(jī)構(gòu)方面的研究重點(diǎn)主要集中在能夠設(shè)計出一種更適于人機(jī)交互的結(jié)構(gòu)，最大程度地輔助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，而非限制患者的運(yùn)動。 (2)步態(tài)規(guī)劃 結(jié)合康復(fù)訓(xùn)練要求，根據(jù)捕獲的

24、人體運(yùn)動步態(tài)數(shù)據(jù)，為康復(fù)器械設(shè)定好運(yùn)動數(shù)掘，并能夠在線進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整,以保證患者的平衡和步態(tài)協(xié)調(diào)，這兩個問題統(tǒng)稱為步態(tài)規(guī)劃問題。目前國內(nèi)外主流的步態(tài)規(guī)劃方法主要可分為基于運(yùn)動捕捉數(shù)據(jù)、基于簡化動力學(xué)模型、基于動態(tài)穩(wěn)定判據(jù)、基于人工智能以及基于仿生原理五類。其中有的步態(tài)規(guī)劃方法己經(jīng)發(fā)展成熟，而有的還與現(xiàn)實(shí)有很大差距。無論采用怎樣的步態(tài)規(guī)劃方法，其首要原則都要滿足人的生理特征，并能夠保證患者的安全。 (3)控制策略 下肢康復(fù)器械能否達(dá)到預(yù)定的康復(fù)目標(biāo)，從一定程度上能夠取代醫(yī)療師實(shí)現(xiàn)各種醫(yī)療模式，主要取決于其康復(fù)策略的制定，此問題也是康復(fù)醫(yī)療器械研發(fā)的難點(diǎn)所在。根據(jù)不同患者的情況，以及根據(jù)同一患者步態(tài)

25、康復(fù)階段的康復(fù)情況，適當(dāng)?shù)厥够颊甙l(fā)揮自主意愿,完成各種康復(fù)醫(yī)療模式，這是針對下肢康復(fù)器械制定控制策略所要解決的基本問題。高水準(zhǔn)的控制策略應(yīng)當(dāng)能夠根據(jù)患者的表現(xiàn)判斷患者的康復(fù)現(xiàn)狀，并自動調(diào)整訓(xùn)練參數(shù)，加速患者的康復(fù)進(jìn)程。1.4前景展望 上下肢康復(fù)機(jī)器人能給患者帶來美好生活的期望,其研究開發(fā)具有重大的社會意義和市場價值,也是時下一個熱門研究領(lǐng)域,因此有必要研究深入以期能夠?qū)V大截癱患者帶來康復(fù)福音。并且，根據(jù)現(xiàn)有的國內(nèi)外設(shè)計方案，各國的學(xué)者進(jìn)行更加深入的了解和研究，并且進(jìn)行優(yōu)化完善，進(jìn)一步優(yōu)化上下肢康復(fù)輔助訓(xùn)練機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、材料，以減輕機(jī)器人的重量，提高機(jī)器人的動力學(xué)性能；同時對患者上下肢施加的力

26、進(jìn)行控制，與人體上下肢接觸的部分選取舒適度高的上下肢康復(fù)輔助訓(xùn)練機(jī)器人的設(shè)計材料，以進(jìn)一步提高患者在康復(fù)訓(xùn)練過程中的舒適性；不僅如此，為了達(dá)到最佳的康復(fù)訓(xùn)練效果，適時監(jiān)控患者在康復(fù)訓(xùn)練過程中的身體適應(yīng)情況，應(yīng)適當(dāng)引入表面肌電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。二、研究內(nèi)容1、設(shè)計技術(shù)參數(shù)：（1）承載能力：85Kg以上； （2）占地面積：小于1平方米；（3）能康復(fù)下肢髖、膝、踝關(guān)節(jié)； （4）能近似模擬正常人行走步態(tài)軌跡和腳步位姿；（5）能進(jìn)行主被動訓(xùn)練。2、設(shè)計內(nèi)容（1）完成上下肢康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計；（2）建立三維虛擬模型并對其進(jìn)行運(yùn)動仿真；（3）完成上下肢康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動仿真。三、實(shí)現(xiàn)方法及預(yù)期目標(biāo)1、預(yù)計實(shí)現(xiàn)方

27、法（1）上肢運(yùn)動結(jié)構(gòu)設(shè)計 由人體上肢運(yùn)動特點(diǎn)可知，上肢運(yùn)動功能組件必須有三個轉(zhuǎn)動副，并且通過一定的組合方式將這三個轉(zhuǎn)動副組合起來，以模擬人體上肢的運(yùn)動。此外，各個轉(zhuǎn)動副的中心必須與上肢對應(yīng)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動中心重合。通過以上分析可知：康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人實(shí)現(xiàn)肩部屈/伸、外擺/內(nèi)收的轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動軸線應(yīng)與肩關(guān)節(jié)屈/伸、外擺/內(nèi)收的轉(zhuǎn)動軸線重合，實(shí)現(xiàn)肘部屈/伸的轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動軸線應(yīng)與肘關(guān)節(jié)屈/伸的轉(zhuǎn)動軸線重合。 1）肘關(guān)節(jié)屈/伸運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計 康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人采用外骨骼結(jié)構(gòu)，將大小臂分別固定在大小臂托盤上，使上肢隨著托盤的運(yùn)動而運(yùn)動。大、小臂托盤以轉(zhuǎn)動副連接，轉(zhuǎn)動副的軸線與肘關(guān)節(jié)屈/伸運(yùn)動軸線相重合。考慮到單純的一個轉(zhuǎn)

28、動副承受小臂重量可能剛性不足，且驅(qū)動力矩太大，出于安全性設(shè)計，在此采用四桿機(jī)構(gòu)，如圖 2.6 所示。 此四桿機(jī)構(gòu)將大臂托盤作為機(jī)架，小臂托盤作為連架桿，另一連架桿與驅(qū)動相連。這樣，四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動帶動肘關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)屈/伸運(yùn)動，整個機(jī)構(gòu)的剛性將大大增強(qiáng)，運(yùn)動可靠性與安全性也大大提高。 2）肩關(guān)節(jié)屈/伸、外擺/內(nèi)收運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計 由于肩關(guān)節(jié)有兩個運(yùn)動副，且這兩個運(yùn)動副的軸線垂直相交于一點(diǎn)，而這一點(diǎn)為肩關(guān)節(jié)運(yùn)動過程中的不動點(diǎn)，所以肩關(guān)節(jié)屈/伸、外擺/內(nèi)收運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計是康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人設(shè)計的難點(diǎn)，也是創(chuàng)新點(diǎn)。在此我們設(shè)計了一種 L 型結(jié)構(gòu)的連接件，如圖 2.7 所示。 圖 2.7 可知，L 型連接件兩端的兩個運(yùn)

29、動副實(shí)現(xiàn)了肩關(guān)節(jié)的屈/伸、外擺/內(nèi)收運(yùn)動構(gòu)成轉(zhuǎn)動副 1 的兩構(gòu)件為基臺和 L 型連接件，構(gòu)成轉(zhuǎn)動副 2 的兩個構(gòu)件為大臂托盤和 L 型連接件。這樣，轉(zhuǎn)動副 1 帶動 L 型連接件和肘關(guān)節(jié)四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的屈/伸運(yùn)動，轉(zhuǎn)動副 2 帶動肘關(guān)節(jié)四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的外擺/內(nèi)收運(yùn)動。 （2）下肢運(yùn)動結(jié)構(gòu)設(shè)計下肢康復(fù)器械一般可分為兩種類型,即主動型和被動型,這里所說的主動、被動均是相對于患者而言的。主動型下肢康復(fù)器械由下肢障礙患者帶動器械進(jìn)行訓(xùn)練,常見的有橢圓機(jī)等形式,主要用于人體肌肉的正常訓(xùn)練以及保健運(yùn)動;被動型下肢成復(fù)器械裝打電源和執(zhí)行元件,由器械帶動患者下肢做反復(fù)的運(yùn)動。由于偏癱或癱換患者的下肢沒

30、有運(yùn)動能力或者運(yùn)動能力很微弱,患者幾乎不可能主動投入到康復(fù)訓(xùn)練中去,所以至少在康復(fù)訓(xùn)練的前期應(yīng)采用被動訓(xùn)練的方法。被動康復(fù)訓(xùn)練時應(yīng)注意,應(yīng)盡量與生理運(yùn)動規(guī)律一致,在無痛范圍內(nèi)進(jìn)行訓(xùn)練,而且應(yīng)當(dāng)避免頻繁更換動作姿勢,盡量保持同一體位進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。由于下肢康復(fù)器械的使用對象具有特殊性,在設(shè)計過程中要充分考慮到以下問題:第一,下肢康復(fù)器械的設(shè)計應(yīng)當(dāng)充分考慮到人體工程學(xué)和仿生學(xué)。設(shè)計出的產(chǎn)品的運(yùn)動特征必須符合正常人的運(yùn)動步態(tài),迎合了正常人行走的特性,才能使患者的康復(fù)過程感到舒適,并且避免了患者后期步態(tài)畸形,從而可以免去后期的矯正行走步態(tài)訓(xùn)練。第二,對于下肢障礙患者而言，其下肢神經(jīng)功能發(fā)生了障礙，從而沒

31、有支撐能力，患者無法自己保持平衡。如何讓患者保持平衡也是一個重要設(shè)計要點(diǎn)。第三,一般下肢障礙患者的上肢比較完好，可以充分利用其這個特征讓其利用其上肢進(jìn)行人機(jī)互動，完成簡單的壁障、緊急停車等功能，有利于提高患者的反應(yīng)能力、積極性以及康復(fù)的趣味性。如前敘述，本文的設(shè)計目標(biāo)是要盡量能夠模擬人體的正常步態(tài)。由于正常人下肢關(guān)節(jié)自由度多，運(yùn)動靈活多變，簡單的助行器械很難滿足多種步態(tài)，況且考慮到患者不宜頻繁更換運(yùn)動姿勢，因此本文僅針對正常步態(tài)進(jìn)行設(shè)計。由圖2.1.4的正常步態(tài)實(shí)測曲線可以看出，髖關(guān)節(jié)q1在一個步行周期內(nèi)僅有2個極值點(diǎn)，其變化規(guī)律較為簡單，類似于余弦曲線，因此可以選用一個曲柄連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)大腿

32、的運(yùn)動規(guī)律；膝關(guān)節(jié)角q2的運(yùn)動規(guī)律較為復(fù)雜,在一個步行周期內(nèi)出現(xiàn)了 4個極值點(diǎn),不可能由一個四桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn),可以由兩個四桿機(jī)構(gòu)的耦合機(jī)構(gòu)作為膝關(guān)節(jié)的再現(xiàn)機(jī)構(gòu),其形式如圖2.2.1所示,圖中桿1為曲柄,桿7即為帶動大腿運(yùn)動的桿。從節(jié)約成本、降低控制難度以及器械輕量化的角度出發(fā),本文采用由一個驅(qū)動提供勻速動力同時驅(qū)動兩個關(guān)節(jié)的設(shè)計,如圖2.2.2所示。 根據(jù)上述分析,考慮到應(yīng)用的特殊性以及設(shè)汁的要求,對下肢康復(fù)器械的驅(qū)動和傳動裝置提出以下要求:(1)傳動效率高、輸出力矩大,質(zhì)量輕；(2)過載能力良好,安全可靠；(3)控制方便,精度較高。2、最終實(shí)現(xiàn)方法通過對以上方案和查閱其他資料得到的方案進(jìn)行細(xì)致

33、的比較，我得出了自己最終的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。如下圖所示：如上圖所示，根據(jù)任務(wù)需求設(shè)計出來的樣機(jī)結(jié)構(gòu)包括四大部分：1）底座與機(jī)架部分：是康復(fù)訓(xùn)練器的支撐部分。在其上面安裝其他的部件及控制電路。它是由方鋼管通過焊接而成的一個框架。2）上肢訓(xùn)練部件：包括手柄、手柄臂、轉(zhuǎn)軸、軸承、上肢離合器、錐齒輪等零部件。3）下肢訓(xùn)練部分：包括腳蹬、腳蹬連桿、連桿軸、軸承、下肢離合器、錐齒輪等零部件。4）減速傳動部分：主要由上下伺服電機(jī)、減速器、上錐齒輪傳動、下錐齒輪傳動組成。3、預(yù)期目標(biāo)（1）完成上下肢康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中包括裝配圖及關(guān)鍵的零件圖；（2）對上下肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行三維建模、虛擬裝配與仿真。四、對進(jìn)度

34、的具體安排第1-2周，完成文獻(xiàn)調(diào)研，開始英文翻譯。第3-4周，完成開題報告，完成英文翻譯。第5-9周，完成原理分析，方案設(shè)計，準(zhǔn)備期中檢查。第10-12周，完成整機(jī)草圖設(shè)計及零件圖設(shè)計。第13-14周，完成裝配圖設(shè)計及零件圖設(shè)計。第15周，開始撰寫論文，并完成論文最后修改和圖紙修改，提交論文最終稿。第16周，完成畢業(yè)論文答辯。五、參考文獻(xiàn)1 張子明. 中風(fēng)臨床指南M. 北京: 中國醫(yī)藥科技出版社, 1993: 1-5 2 李宏偉. 腦卒中患者恢復(fù)期的運(yùn)動療法J. 福建體育科技. 2002, 21(4): 38-40 3 李紅玲, 郭力, 宋蘭欣等. 老年腦卒中偏癱早期康復(fù)療效觀察J. 中國康復(fù)

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