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上肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動仿真
開題報(bào)告
班級：機(jī)械1202 學(xué)號：2012010034
姓名：石雨 指導(dǎo)教師：高宏
一、綜述
1.1課題背景意義
中風(fēng)，或稱腦卒中，亦稱為腦血管意外，是指由各種原因引起腦動脈系統(tǒng)和靜脈系統(tǒng)發(fā)生病理性改變所造成的一類疾病。中風(fēng)所出現(xiàn)的腦血液循環(huán)障礙直接影響腦組織，并使腦細(xì)胞發(fā)生功能性或器質(zhì)改變。中風(fēng)具有高死亡率、高復(fù)發(fā)率以及高致殘率等特點(diǎn)，嚴(yán)重影響了人們的生存質(zhì)量及生命。世界衛(wèi)生組織將這種病確定為當(dāng)今人類的第一殺手。一旦患了中風(fēng)，重者死亡，輕者半身癱瘓，生活不能自理，給患者的生活、工作、學(xué)習(xí)帶來極大的不便，也給患者帶來了極大的精神痛苦，同時(shí)也給患者家人和社會帶來負(fù)擔(dān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2005年全球因腦卒中死亡的人數(shù)估計(jì)達(dá)570萬以上，如果不采取措施，預(yù)計(jì)到2015年會增加到650萬，到2030年這一數(shù)字將會突破780萬。我國每年的新發(fā)病率為250萬，其中因腦卒中死亡的達(dá)150萬，世界衛(wèi)生組織對我國做過研究，他們預(yù)測如果增長不變的話，到2030年將有400萬死于腦卒中。因此，腦卒中的防治已成為國內(nèi)外醫(yī)療領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
隨著世界各國相繼進(jìn)入老齡化，中風(fēng)患者勢必越來越多?？萍嫉陌l(fā)展使醫(yī)護(hù)人員對于急性中風(fēng)患者能夠采取比較有效的治療手段，中風(fēng)后能夠幸存下來的人越來越多。但是通常中風(fēng)患者易殘留各種各樣的后遺癥，如偏癱、語言功能障礙、運(yùn)動功能障礙、神志障礙、面癱(口眼歪斜)、二便失禁等，一般以運(yùn)動功能障礙居多，重者影響正常生活。在幸存者中有70％一80％殘留有不同的殘疾，一組資料顯示生活不能自理者高達(dá)42．5％。因中風(fēng)而導(dǎo)致運(yùn)動功能障礙，常常對患者本人及家庭造成心理和其它方面的沖擊。社會和家庭需要花費(fèi)極大的代價(jià)來治療和護(hù)理這些患者，造成社會成本的極大浪費(fèi)。岡此，尋求有效的康復(fù)手段，使患者能夠在一定程度上恢復(fù)失去的功能，不僅有利于提高患者本身的生活質(zhì)量，也可以減輕家庭及社會的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。
隨著我國腦神經(jīng)外科技術(shù)的不斷發(fā)展，雖然越來越多的腦血管疾病患得到了及時(shí)的手術(shù)治療，但大部分患者在手術(shù)后會伴隨后遺癥。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(gè)月內(nèi)的康復(fù)治療是獲得理想功能恢復(fù)的最佳時(shí)機(jī)，但對病程長者，其潛在功能恢復(fù)力也不容忽視，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)進(jìn)行相應(yīng)的康復(fù)治療，也可達(dá)到改善功能的效果。根據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn)，在發(fā)病后兩年內(nèi)，如果康復(fù)措施得當(dāng)，會有不同程度的恢復(fù)。進(jìn)行系統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練能夠幫助患者提高其自理能力，降低致殘率，讓患者早日回歸并適應(yīng)家庭和社會生活。可見，它有著非常重要的意義和作用。
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
康復(fù)機(jī)器人是機(jī)器人科學(xué)與康復(fù)醫(yī)學(xué)的交叉學(xué)科，是機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域中的新應(yīng)用?？祻?fù)機(jī)器人具體又可分為康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人和功能輔助型機(jī)器人兩種。前者的主要功能是幫助患者完成各種運(yùn)動功能的恢復(fù)性訓(xùn)練，如人的下肢行走訓(xùn)練、手臂運(yùn)動訓(xùn)練、脊椎牽引運(yùn)動訓(xùn)練、頸部運(yùn)動訓(xùn)練等；后者的主要功能是用來幫助肢體運(yùn)動功能障礙的患者完成各種運(yùn)動，如智能輪椅、導(dǎo)盲手杖、 機(jī)器人假假肢等。本文研究的是上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，主要用來幫助上肢有運(yùn)動功能障礙的患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀
康復(fù)機(jī)器人技術(shù)在歐美國家得到了機(jī)器人研究者和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的普遍重視，許多研究機(jī)構(gòu)都開展了有關(guān)的研究工作，近年來取得了一些有價(jià)值的成果。
康復(fù)機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)和康復(fù)工程的結(jié)合。首次嘗試將服務(wù)于殘疾人的機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)品化是在20世紀(jì)的60年代到70年代。實(shí)踐證明這些嘗試都不太成功，這主要有2個(gè)方面原因：其一是設(shè)計(jì)的不理想，尤其是人機(jī)接口；其二是因?yàn)閱蝺r(jià)太高導(dǎo)致了康復(fù)機(jī)器人產(chǎn)品化的失敗。20世紀(jì)80年代是康復(fù)機(jī)器人研究的起步階段，美國、英國和加拿大在康復(fù)機(jī)器人方面的研究處于世界的領(lǐng)先地位。1990年以前全球的56個(gè)研究中心分布在5個(gè)工業(yè)區(qū)內(nèi)：北美、英聯(lián)邦、歐洲大陸和斯堪的納維亞半島及日本。1990年以后康復(fù)機(jī)器人的研究進(jìn)入到全面發(fā)展時(shí)期。
1991年，MIT設(shè)計(jì)完成了第一臺上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)MIT-MANUS，該設(shè)備采用五連桿機(jī)構(gòu)，末端阻抗較小，利用阻抗控制實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練的安全性、穩(wěn)定性和平順性，用于病人的肩、肘運(yùn)動。MANUS具有輔助或阻礙手臂的平面運(yùn)動功能，可以精確測量手臂的平面運(yùn)動參數(shù)，并通過計(jì)算機(jī)界面為患者提供視覺反饋，在臨床應(yīng)用中取得了很好的效果。在此基礎(chǔ)上，他們又研制了用丁手腕部康復(fù)的機(jī)械設(shè)備，可以提供三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，并進(jìn)行了初步的臨床試驗(yàn)。MIT-MANUS在結(jié)構(gòu)機(jī)械設(shè)計(jì)方面考慮了安全性、穩(wěn)定性以及患者近距離物理接觸的柔順性。圖1-1為MIT-MANUS系統(tǒng)，圖1-2為安裝在輪椅上的MIT-MANUS。
圖1-1 MIT-MANUS系統(tǒng) 圖1-2安裝在輪椅上的MIT-MANUS
另一個(gè)典型的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)是MIME(mirror-image motion enabler)，如圖1-3所示。該設(shè)備包括左右兩個(gè)可移動的手臂支撐．由工業(yè)機(jī)器人PIMA-560操縱患者手臂，為息者提供驅(qū)動力，既可以提供平面運(yùn)動訓(xùn)練，也可以帶動肘和肩膀進(jìn)行三維運(yùn)動。但是PUMA-560本質(zhì)上是工業(yè)機(jī)器人。因而從機(jī)械的角度上說不具有反向可驅(qū)動性以及結(jié)構(gòu)上與人的上肢不完全匹配，該系統(tǒng)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用有其局限性。
圖1-3 鏡像運(yùn)動機(jī)器人MIME
1993年美國的Lum等人研制了一種稱作手—物體一手的系統(tǒng)(hand-object-hand system)，嘗試對一只手功能受損的患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。這種雙手物理治療輔助機(jī)器包括兩個(gè)置于桌面上、可繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的夾板狀手柄，其中一個(gè)手柄下端連接在驅(qū)動電機(jī)上，電機(jī)可以輔助患者完成動作(如圖1-4所示）。該機(jī)器主要幫助完成兩個(gè)任務(wù)動作的訓(xùn)練：雙手移動和雙手?jǐn)D壓。雙手移動任務(wù)要求兩手夾持某一物體作前后往返運(yùn)動，擠壓運(yùn)動要求在物體上產(chǎn)生需要的抓取力。為限制自由度數(shù)目，患者雙手要放置在剛性手柄上，以阻止手腕屈伸。
圖1-4 手-物體-手系統(tǒng)
1999年，Reinkensmeyer等研制了輔助和測量向?qū)鰽RM--Guide，用來測定患者上肢的活動空間。2000年他們對該裝置進(jìn)行改進(jìn)，用來輔助治療和測量腦損傷患者上肢運(yùn)動功能，如圖1-5所示。該設(shè)備為單電機(jī)驅(qū)動的二自由度裝置，包括一個(gè)直線軌道，其俯仰角和水平面的傾斜角可以調(diào)整。試驗(yàn)中患者手臂縛在夾板上，沿直線軌道運(yùn)動，傳感器可以記錄患者前臂所產(chǎn)生的力。但是這種設(shè)備訓(xùn)練方式單一，無法進(jìn)行更深的研究。
圖1-5 輔助康復(fù)和測量向?qū)鰽RM-Guide
2005年，瑞士蘇黎世大的Tobias Nef等開發(fā)了一種新型的上肢康復(fù)機(jī)器ARMin，如圖1-6所示。它是一種6自由度半外骨架裝置，安裝有傳感器及6維力／力矩傳感器，能夠進(jìn)行肘部屆伸和肩膀的空間運(yùn)動，用于臨床訓(xùn)練上肢損傷患者日程生活中的話動。
圖1-6 ARMin康復(fù)機(jī)器人
此外關(guān)于上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的報(bào)道還有：CPM機(jī)、REHAROB以及華盛頓大學(xué)設(shè)計(jì)的7DOF上肢外骨架裝置等。其中，CPM機(jī)是利用康復(fù)醫(yī)學(xué)中連續(xù)被動運(yùn)動(Continuous Passive Motion/CPM)的基本原理對受傷肢體進(jìn)行康復(fù)治療的機(jī)械裝置，是目前為止一個(gè)機(jī)器人生物力學(xué)或生物物理化學(xué)類型的應(yīng)用的例證。由于受技術(shù)水平的限制，CPM機(jī)長期停留在“大關(guān)節(jié)”康復(fù)的范圍內(nèi)。目前，市場上已經(jīng)有了用于腕關(guān)節(jié)和手指關(guān)節(jié)這樣的“小關(guān)節(jié)”康復(fù)的CPM機(jī)（圖1-7 Rolyan公司的手關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)CPM 機(jī)），但他們還不能像“大關(guān)節(jié)”CPM機(jī)那樣實(shí)現(xiàn)精確的控制，不能對手指抓握等精巧動作進(jìn)行訓(xùn)練，治療的效果還有待提高。
圖1-7 Rolyan公司的CPM機(jī)
近年來．隨著機(jī)器人技術(shù)和康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，在歐洲、美國和日本等國家，行行色色的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人,如手臂訓(xùn)練機(jī)器人、踝關(guān)節(jié)訓(xùn)練機(jī)器人等，以其經(jīng)濟(jì)的價(jià)格，簡易的操作以及適宜的病情反饋與康復(fù)訓(xùn)練指導(dǎo)得到了醫(yī)學(xué)專家與病人的肯定。
1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀
目前，國內(nèi)在該領(lǐng)域進(jìn)行研究的主要有清華大學(xué)、東南大學(xué)、上海交通大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。其中，上海交通大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)合作展開了“神經(jīng)的運(yùn)動控制與控制信息源的研究”。其研究目的是提取神經(jīng)信息，利用神經(jīng)信息來控制電子假手。目前，七個(gè)自由度假手模擬裝置已設(shè)計(jì)完成，神經(jīng)信息的提取正在進(jìn)行動物試驗(yàn)，信息的整合與控制電路的設(shè)計(jì)進(jìn)展順利。其原理是借助儀器，通過意識控制動作的反復(fù)訓(xùn)練，伴隨信息轉(zhuǎn)化、生物反饋、生物控制和功能訓(xùn)練過程，不斷調(diào)節(jié)和增強(qiáng)腦的指令，從而提高中樞神經(jīng)系統(tǒng)和骨骼肌肉系統(tǒng)的支配和控制能力，消除控制機(jī)能障礙和運(yùn)動障礙，改善直至恢復(fù)機(jī)能狀態(tài)。清華大學(xué)在國家“863”計(jì)劃支持下，從2000年起即開展了機(jī)器人輔助神經(jīng)康復(fù)的研究，研制了兩款上肢復(fù)合運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)，他們都可以在平面內(nèi)進(jìn)行兩個(gè)自由度的運(yùn)行訓(xùn)練，如圖1-8示。
圖1-8 上肢復(fù)合運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)（清華大學(xué)研制）
東南大學(xué)從2004年起也開展了康復(fù)機(jī)器人技術(shù)的研究，并設(shè)計(jì)了一套上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)(圖1-9)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1-10所示。此系統(tǒng)現(xiàn)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，并為了能眵為治療醫(yī)師提供客觀的病人康復(fù)信息，系統(tǒng)還建立了患者信息數(shù)據(jù)庫。同時(shí)，為了吸引患者更積極的參與訓(xùn)練，系統(tǒng)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)了不同難易程度的多套游戲系統(tǒng)．界面如圖1-11所示。
圖1-9 康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行圖（東南大學(xué)研制）
圖1-10 單自由度上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（東南大學(xué)研制）
圖1-11 三個(gè)不同難度的程序界面
1.3目前存在的問題
目前康復(fù)機(jī)器人偏癱治療的研究仍然處于起步階段．臨床應(yīng)用任重而道遠(yuǎn)。應(yīng)用于偏癱康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)器人還存在如下問題：
（1）患者訓(xùn)練動作種類相對較少且僅限于重復(fù)某些單一的動作，患者肢體的活動范圍主要限于訓(xùn)練身體正前方，運(yùn)動幅度比較小，不能以大范圍活動關(guān)節(jié)和較多關(guān)節(jié)的復(fù)雜活動為目標(biāo)，不能夠充分提供中樞神經(jīng)康復(fù)所需的運(yùn)動刺激。
（2）一般僅限于水平面運(yùn)動(MIME可以訓(xùn)練一些三維運(yùn)動)，不能進(jìn)行三維或更多維的運(yùn)動訓(xùn)練：僅限于某些關(guān)節(jié)、肌肉群或局部神經(jīng)系統(tǒng)的康復(fù)；
（3）研究的目標(biāo)主要在于探索機(jī)器人能否應(yīng)用于康復(fù)訓(xùn)練中，以及這種訓(xùn)練方式有無治療效果，而對于如何提高康復(fù)訓(xùn)練的效果的研究井不深入。
（4）機(jī)器人輔助治療過程的機(jī)制有待深入研究。
（5）機(jī)器人的適用面不夠廣泛。此適用面包括不同的患者的適用；同一患者不同的恢復(fù)時(shí)期的適用；患者需不同鍛煉模式(如患者的主動或被動鍛煉等模式)的適用；在患者肌肉出現(xiàn)痙攣時(shí)(此時(shí)患肢可能出現(xiàn)較大的阻力或其他干擾)，如何緩解痙攣和使康復(fù)效果繼續(xù)維持現(xiàn)有的較好的水平，等等方面的適用性。
因此，上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用研究將集中在以下幾個(gè)方面：
第一康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：機(jī)械結(jié)構(gòu)是康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)，應(yīng)盡量簡潔輕巧，具有一定的靈活性，提高訓(xùn)練動作的種類，增大動作幅度，在三維空間內(nèi)對患肢各個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行訓(xùn)練。
第二控制策略與運(yùn)動模式的設(shè)計(jì)：由于患者的病情千差萬別各不相同，因此，機(jī)器人要感知患肢狀態(tài)并采取相應(yīng)的訓(xùn)練模式和控制策略，在控制系統(tǒng)適應(yīng)性和穩(wěn)定性、傳感器技術(shù)應(yīng)用、系統(tǒng)辨識和控制算法設(shè)計(jì)等方面需要作更深入的研究。
第三力反饋：機(jī)器人應(yīng)該能夠?qū)崟r(shí)檢測患者與機(jī)器人之間的相互作用力，在患者主動能力不足時(shí)提供更人的輔助，而在患者有能力完成動作時(shí)，適當(dāng)減小輔助甚至施加阻力，以便充分發(fā)揮患者殘存的功能。
第四安全機(jī)制：安全問題是康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)過程的一個(gè)重要方面，康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人必須根據(jù)臨床康復(fù)訓(xùn)練的基本動作和安全機(jī)制的要求，在設(shè)計(jì)中除了考慮機(jī)器人的功能實(shí)現(xiàn)外，還要防止患肢二次損傷，必須從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)(硬件)和控制系統(tǒng)(軟件)兩個(gè)方面保證康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的安全性。
第五康復(fù)效果的評價(jià)機(jī)制：與肌電信號檢測相結(jié)合，探索訓(xùn)練參數(shù)與康復(fù)效果之間的關(guān)系，提高訓(xùn)練效果。在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)臨床康復(fù)的初步規(guī)律，建立客觀、精確的康復(fù)評估方法。
第六多路復(fù)用：發(fā)展“多路復(fù)用”的網(wǎng)絡(luò)康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)，提高資源利用率。
1.4 課程的研究意義
據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國腦卒中的發(fā)病率是歐美發(fā)達(dá)國家的4-5倍，是日本的3倍，加之腦外傷等疾病而導(dǎo)致我國肢體癱瘓患者數(shù)量顯著增加，其中大多數(shù)患者生活無法自理，這不僅造成了患者生理和心理上的巨大壓力，還給患者家庭帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。與此同時(shí)，我國同許多其他國家一樣，正在步入老齡化社會，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國60歲以上老年人人口占全國人口的10%以上。并伴隨機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展以及應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，機(jī)器人已經(jīng)被應(yīng)用于日程生活的許多方面。康復(fù)機(jī)器人是在這種需求下應(yīng)運(yùn)而生的一個(gè)新的研究領(lǐng)域，它的研究貫穿了康復(fù)醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及機(jī)器人學(xué)等諸多領(lǐng)域，并已經(jīng)成為了國際機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
在老齡化過程中，最明顯的生理衰退就是老年人四肢的靈活性不斷下降，進(jìn)而對日常的生活產(chǎn)生影響。此外，由于多種疾病而引起的肢體運(yùn)動性障礙的病人人數(shù)也在增加。與之相對的是，通過人工簡單或簡單的醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行的康復(fù)訓(xùn)練已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足患者的要求。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這個(gè)特殊的群體已經(jīng)等到越來越多人的關(guān)注，治療、康復(fù)和服務(wù)于他們的產(chǎn)品技術(shù)和質(zhì)量也在逐步提高。因此，康復(fù)設(shè)備的研究和應(yīng)用有著廣闊的發(fā)展前景。
二、研究內(nèi)容
課題所研究的康復(fù)機(jī)器人屬于主動型康復(fù)機(jī)器人，它能夠?qū)崿F(xiàn)空間三自由度的靈活移動，彼此互不干涉，使患者的上肢結(jié)構(gòu)能夠在安全的活動范圍內(nèi)得到充分鍛煉。本論文的內(nèi)容具體如下：
（1） 運(yùn)動康復(fù)治療理論基礎(chǔ)
研究腦卒中后偏癱的發(fā)病原因、特征及康復(fù)理論，同時(shí)了解目前康復(fù)治療常用的技術(shù)和方法，從醫(yī)學(xué)角度提出對康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求。
（2） 機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
通過總結(jié)學(xué)習(xí)目前已經(jīng)設(shè)計(jì)成型的康復(fù)機(jī)器人，對它們的有且點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)合人體工程學(xué)原理，確定課程所要設(shè)計(jì)的機(jī)器人，具體包括系統(tǒng)構(gòu)成、各模塊設(shè)計(jì)、構(gòu)件選型及工作原理等。
（3） 機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析
學(xué)習(xí)機(jī)器人位置運(yùn)動學(xué)相關(guān)知識，分析課題所設(shè)計(jì)機(jī)器人在空間直角坐標(biāo)系下的運(yùn)動學(xué)，對系統(tǒng)進(jìn)行建模，完成運(yùn)動學(xué)分析。
（4） 機(jī)器人動力學(xué)分析
用電腦軟件對機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行建模，分析其末端力或力矩與各關(guān)節(jié)速度、加速度之間的關(guān)系，為機(jī)器人后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真奠定理論基礎(chǔ)。
（5） 機(jī)器人仿真
用計(jì)算機(jī)軟件對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，得到運(yùn)動軌跡、關(guān)節(jié)位移、關(guān)節(jié)速度和加速度等變化曲線，同時(shí)完成運(yùn)動學(xué)理論分析結(jié)果的驗(yàn)證，為以后進(jìn)一步研究做準(zhǔn)備。
三、研究設(shè)計(jì)方案
康復(fù)機(jī)器人是代替醫(yī)師幫助患者進(jìn)行訓(xùn)練的設(shè)備，不同于普通的工業(yè)機(jī)器人，為了保證康復(fù)訓(xùn)練的安全性和有效性，需要對其設(shè)計(jì)提出一定要求。
3.1 人體上肢結(jié)構(gòu)與運(yùn)動學(xué)分析
在設(shè)計(jì)康復(fù)機(jī)器人時(shí)要符合人機(jī)工程學(xué)原理，保證患者運(yùn)動的絕對安全，對于機(jī)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)就要從人體上肢解刨學(xué)出發(fā)，了解其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為設(shè)計(jì)提供必要的參考數(shù)據(jù)，使它能夠最大限度的符合人體工程學(xué)和運(yùn)動原理。
3.1.1 人體上肢結(jié)構(gòu)
人體的上置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，是由肩骨、上臂骨、前臂骨、手骨等骨骼和肩部及胸部肌肉群、肱二頭肌、肱三頭肌、內(nèi)屈肌肉群等肌肉組織以及骨骼之間連接的韌帶、肌腱、起保護(hù)作用的軟組織和皮膚共同組成，如圖3-1所示。
3.1.2 人體上肢運(yùn)動
由于人體上肢結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和運(yùn)動的特殊性，想要建立一個(gè)理想的、準(zhǔn)確的、適用于各種情況的上肢運(yùn)動模型是很困難的，因此本文從實(shí)用的角度出發(fā)對人體上肢運(yùn)動進(jìn)行分析。
人體上肢包括手部、腕關(guān)節(jié)、小臂、肘關(guān)節(jié)、大臂和肩關(guān)節(jié)。肩關(guān)節(jié)將身體和大臂鏈接在一起，肘關(guān)節(jié)將大臂和小臂連接在一起，而腕關(guān)節(jié)將小臂和手部連接在一起。手部的自由度較多，且運(yùn)動復(fù)雜，在本文里我們不作考慮?，F(xiàn)實(shí)日常生活運(yùn)動人體上肢各關(guān)節(jié)的運(yùn)動有：肩關(guān)節(jié)的屈伸、內(nèi)收外擺、大臂的內(nèi)旋外旋、肘關(guān)節(jié)的屈伸、小臂的內(nèi)旋外旋、腕關(guān)節(jié)的屈伸、內(nèi)收外擺等七個(gè)自由度，因此對人體上肢的運(yùn)動進(jìn)行研究，建立的運(yùn)動模型通常具有七個(gè)自由度。人體上肢運(yùn)動模型簡圖如圖3-2所示。
圖3-1 上肢結(jié)構(gòu) 圖3-2人體上肢運(yùn)動模型簡圖
由于每增加一個(gè)自由度都會是康復(fù)機(jī)器人的復(fù)雜程度成倍提高，也造成生產(chǎn)成本的增加，因此，我們結(jié)合實(shí)際需要，對七個(gè)自由度進(jìn)行合理取舍，保留肩關(guān)節(jié)的屈伸、內(nèi)收外擺和肘關(guān)節(jié)的屈伸這三個(gè)自由度。
3.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)需要保證具有兩到三個(gè)自由度，牽引患肢能夠完成多關(guān)節(jié)大范圍的復(fù)合運(yùn)動，同時(shí)應(yīng)在運(yùn)動空間上與人體上肢保持一致，避免在運(yùn)動過程中發(fā)生干涉?？祻?fù)機(jī)器人一般包括末端牽引式和外骨骼式兩種，在設(shè)計(jì)上兩者特點(diǎn)如下。
（1） 末端牽引式康復(fù)機(jī)器人的作用點(diǎn)一般在手腕或者用手握住，在設(shè)計(jì)時(shí)必須保證能夠平衡患肢重量，為患者所用?；颊叨急容^虛弱，不能自主支撐，需增加支撐機(jī)構(gòu)來滿足要求。目前，臨床上一般是通過醫(yī)師拖住患肢肘關(guān)節(jié)進(jìn)行訓(xùn)練，因此，支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)以肘關(guān)節(jié)為主。在訓(xùn)練過程中為了刺激患者中樞神經(jīng)，發(fā)揮他的參與功能，提倡盡量讓患者自主支撐，讓患者能夠在最小的支撐力作用下完成康復(fù)訓(xùn)練。
（2） 外骨骼式康復(fù)機(jī)器人，它的設(shè)計(jì)必須能夠與人體上肢結(jié)構(gòu)吻合，和患者肢體相一致，此外對于材料有較高的要求，密度小，質(zhì)量輕，以避免對患者造成二次傷害。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該具有多個(gè)自由度，滿足患者各個(gè)部位的訓(xùn)練需要，同時(shí)增強(qiáng)外界刺激，提高患者對肌肉的控制能力和協(xié)調(diào)能力。在尺寸方面應(yīng)盡量滿足人體工程學(xué)，可以適當(dāng)調(diào)整臂長，滿足不同患者對結(jié)構(gòu)的要求。
3.2 傳動方式設(shè)計(jì)
在國內(nèi)外現(xiàn)有的康復(fù)機(jī)器人中比較常見的傳動方式有直接驅(qū)動設(shè)計(jì)，同步帶傳動設(shè)計(jì)，齒輪結(jié)構(gòu)傳動設(shè)計(jì)，氣動肌肉傳動設(shè)計(jì)等傳動方式。同步帶傳動設(shè)計(jì)，各自由度的驅(qū)動電機(jī)通過帶傳動實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動，帶傳動可降低機(jī)器人手臂的自重，但帶傳動的柔性會影響到傳動精度。齒輪結(jié)構(gòu)傳動，交錯(cuò)斜齒輪或錐齒輪可使電機(jī)安放方向任意變動，減少機(jī)構(gòu)之間的相互干涉，但如果傳動比過大，則兩齒輪會因尺寸相差太大而不便安裝，傳動比過小則與直驅(qū)方式無異。
3.2 初步設(shè)計(jì)預(yù)想
（1）自由度設(shè)計(jì)
由于每增加一個(gè)自由度都會是康復(fù)機(jī)器人的復(fù)雜程度成倍提高，也造成生產(chǎn)成本的增加，因此，我們結(jié)合實(shí)際需要，對七個(gè)自由度進(jìn)行合理取舍，保留肩關(guān)節(jié)的屈伸、內(nèi)收外擺和肘關(guān)節(jié)的屈伸這三個(gè)自由度。如圖3-3、3-4所示。
圖3-3三自由度上肢運(yùn)動模型簡圖
圖3-4動作分解圖
在正常的情況下，人體上肢肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的活動范圍如表3-1 所示。
表3-1正常情況下人體上肢關(guān)節(jié)活動范圍
屈
伸
外擺
內(nèi)收
內(nèi)旋
外旋
肩關(guān)節(jié)
0~45
0~170
0~180
0~30
0~95
0~85
肘關(guān)節(jié)
0~154
0~5
/
/
0~90
0~90
本文在康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)，將肩關(guān)節(jié)的活動限制在屈 0~30 ，伸 0~90 ，外擺 0~60 ，內(nèi)收 0 范圍內(nèi)；將肘關(guān)節(jié)的活動限制在屈 0~150 ，伸 0 范圍內(nèi)。進(jìn)行這樣的限制后，康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人能夠保證患者在康復(fù)訓(xùn)練時(shí)上肢的動作幅度不會太大，可避免意外發(fā)生，提高機(jī)器人的安全性。最終本設(shè)計(jì)中人體上肢關(guān)節(jié)的活動范圍如表3-2所示。
表3-2本設(shè)計(jì)中人體上肢關(guān)節(jié)活動范圍
屈
伸
外擺
內(nèi)收
內(nèi)旋
外旋
肩關(guān)節(jié)
0~30
0~90
0~60
0
0
0
肘關(guān)節(jié)
0~150
0
/
/
0
0
（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用外骨骼式康復(fù)機(jī)器人，與人體上肢結(jié)構(gòu)吻合。對于材料有較高的要求，密度小，質(zhì)量輕。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該具有多個(gè)自由度，滿足患者各個(gè)部位的訓(xùn)練需要，同時(shí)增強(qiáng)外界刺激，提高患者對肌肉的控制能力和協(xié)調(diào)能力。在尺寸方面應(yīng)盡量滿足人體工程學(xué)，可以適當(dāng)調(diào)整臂長，滿足不同患者對結(jié)構(gòu)的要求。機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖如圖3-4所示。
圖3-4
四、對進(jìn)度的具體安排
第1 周，領(lǐng)取任務(wù)書，開始文獻(xiàn)調(diào)研；
第2 周，完成文獻(xiàn)調(diào)研，開始英文翻譯；
第4 周，完成開題報(bào)告，完成英文翻譯；
第7 周，完成設(shè)計(jì)計(jì)算和強(qiáng)度校核計(jì)算，繪制結(jié)構(gòu)草圖；
第8 周，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成裝配草圖繪制；
第 10周，完成零部件尺寸設(shè)計(jì)，零件圖繪制；
第12周，完成論文初稿，完成裝配圖繪制；
第14周，完成論文最后修改和圖紙修改，提交論文最終稿；
第15周，打印論文，準(zhǔn)備答辯；
第16周，完成論文評閱，組織答辯，進(jìn)行成績評定。
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