上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人肘關(guān)節(jié)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)【上肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)】【說(shuō)明書+CAD+PROE+仿真】

上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人肘關(guān)節(jié)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)【上肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)】【說(shuō)明書+CAD+PROE+仿真】,上肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì),說(shuō)明書+CAD+PROE+仿真,上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人肘關(guān)節(jié)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)【上肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)】【說(shuō)明書+CAD+PROE+仿真】,上肢,骨骼,康復(fù),痊愈,機(jī)器人,肘關(guān)節(jié),機(jī)械,系統(tǒng),設(shè)計(jì) 摘要上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 是 醫(yī) 療 機(jī) 器 人 的 一 個(gè) 重 要 分 支 ， 它 以 偏 癱 腦 卒 中 病 人 運(yùn) 動(dòng) 療 法 中 的 運(yùn) 動(dòng) 再 學(xué) 習(xí) 理 論 為 基 礎(chǔ) ， 融 合 了 醫(yī) 學(xué) 、 生 物 學(xué) 、 機(jī) 械 學(xué) 、 信 息 與 計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 等 諸 多 學(xué) 科 ， 是 目 前 國(guó) 內(nèi) 外 的 研 究 熱 點(diǎn) 。 本 文 對(duì) 上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 的 總 體 設(shè) 計(jì) 、 運(yùn) 動(dòng) 學(xué) 分 析 、 運(yùn) 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 、 機(jī) 器 人 樣 機(jī) 及 實(shí) 驗(yàn) 等 進(jìn) 行 了 研 究 和 開 發(fā) ， 為 該 領(lǐng) 域 產(chǎn) 品 設(shè) 計(jì) 奠 定 理 論 基 礎(chǔ) 、 提 供 技 術(shù) 支 撐 。 論 文 結(jié) 合 上 肢 解 剖 學(xué) 和 運(yùn) 動(dòng) 治 療 理 論 ， 從 安 全 性 、 仿 生 學(xué) 、 外 骨 骼 材 質(zhì) 、 訓(xùn) 練 任 務(wù) 、 安 裝 使 用 等 幾 個(gè) 方 面 總 結(jié) 出 上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 的 設(shè) 計(jì) 要 求 ;在 此 基 礎(chǔ) 上 ， 設(shè) 計(jì) 出 了 輕 型 、 運(yùn) 動(dòng) 可 靠 的 上 肢 外 骨 骼 康 復(fù) 機(jī) 器 人 肘 關(guān) 節(jié) 機(jī) 械 系 統(tǒng) ， 并 詳 細(xì) 介 紹 了 康 復(fù) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 的 機(jī) 械 本 體 和 控 制 策 略 。 關(guān)鍵詞:上肢康復(fù)機(jī)器人，運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)ABSTRACTAs an important branch of medical robot， the rehabilitation training robot for stroke hemiplegic patients is a hot research topic both at home and abroad. Based on motor relearning theory， it combines many technology fields such as medicine， biology， mechanics， information & computer science， etc. This thesis makes researches on system design， kinematic analysis， motion control system， prototype and experiment， and lies the foundation for further theoretical research and provides technical supportings.Taking safety， bionics，exoskeleton material， training mission and installation use into consideration， the design rules for upper limb rehabilitation robot are proposed on basis of human upper limb anatomy and motion rehabilitation theory. Under the guidance of rules， a novel exoskeletal upper limb rehabilitation robot for patients in light and movement reliable is developed.The mechanical structure， control strategies of the rehabilitation system are also introduced.Keywords: Upper limb rehabilitation robot，Kinematic analysis，Motion control system目錄摘要IABSTRACTII第1章 緒論11.1 研究背景及意義11.2 上肢康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀21.3 肘關(guān)節(jié)31.3.1 上肢外骨骼自由度分析31.3.2 肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)41.3.3 肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)及參數(shù)41.4 外骨骼機(jī)械設(shè)計(jì)51.4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)51.4.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)種類及各優(yōu)缺點(diǎn)61.4.3 能源71.4.4 舉例比較71.5 控制系統(tǒng)81.6 上肢康復(fù)機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練策略關(guān)鍵技術(shù)綜述111.7 發(fā)展前景12第2章 外骨路式機(jī)器人上肢康復(fù)肘關(guān)節(jié)方案設(shè)計(jì)132.1 上肢生理特點(diǎn)與康復(fù)治療方法132.1.1 手臂的生理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)132.1.2 復(fù)治療方法142.2 機(jī)器人上肢康復(fù)系統(tǒng)構(gòu)建152.3 肘關(guān)節(jié)系統(tǒng)方案16第3章 肘關(guān)節(jié)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)173.1 機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方案173.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式183.3 機(jī)構(gòu)方案183.4 零部件具體設(shè)計(jì)193.3.1 上臂193.3.2 下臂203.3.3 拉桿223.3.4 裝配圖22第4章 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真及有限元分析244.1 運(yùn)動(dòng)仿真244.1.1 機(jī)構(gòu)組裝244.1.2 機(jī)構(gòu)設(shè)置254.1.3 運(yùn)動(dòng)分析274.2 有限元分析284.2.1 創(chuàng)建模型294.2.2 建立分析模型294.2.3 結(jié)構(gòu)分析34第五章 系統(tǒng)控制策略455.1 表面肌電信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理與特點(diǎn)455.2 基于sEMG信號(hào)的上肢康復(fù)機(jī)器人控制策略475.2.1 上肢康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作目標(biāo)集設(shè)計(jì)475.2.2 表面肌電電極的布置與信號(hào)采集475.2.3 基于sEMG動(dòng)作辨識(shí)的自主性被動(dòng)訓(xùn)練方案48致謝50參考文獻(xiàn)51IV第1章 緒論1.1 研究背景及意義隨著我 國(guó) 老 齡 化 的 加 劇 ， 伴 隨 老 齡 化 過(guò) 程 中 明 顯 的 生 理 衰 退 就 是 四 肢 的 靈 活 性 不 斷 下 降 ， 而 在 老 齡 人 群 中 有 大 量 有 腦 血 管 疾 病 或 神 經(jīng) 系 統(tǒng) 疾 病 患 者 ， 這 些 患 者 又 大 都 伴 有 偏 癱 癥 狀 ， 對(duì) 日 常 生 活 產(chǎn) 生 了 種 種 不 利 的 影 響 。 手 臂 是 日 常 生 活 中 運(yùn) 用 最 多 也 最 容 易 受 傷 的 肢 體 ， 治 療 時(shí) 通 常 運(yùn) 用 一 定 物 理 療 法 以 輔 助 藥 物 治 療 。 傳 統(tǒng) 的 人 工 物 理 療 法 中 ， 治 療 師 們 勞 動(dòng) 強(qiáng) 度 大 且 要 求 具 有 高 度 熟 練 技 巧 。 而 康 復(fù) 機(jī) 器 人 旨 在 利 用 機(jī) 器 人 原 理 ， 把 智 能 控 制 與 人 體 運(yùn) 動(dòng) 相 結(jié) 合 ， 以 代 替 人 工 進(jìn) 行 康 復(fù) 訓(xùn) 練 ， 其 能 夠 承 受 的 工 作 強(qiáng) 度 高 ， 促 進(jìn) 神 經(jīng) 功 能 重 塑 ， 恢 復(fù) 患 者 運(yùn) 動(dòng) 及 控 制 能 力 的 目 的 。 目 前 患 者 的 治 療 主 要 依 賴 于 治 療 師 的 一 對(duì) 一 的 徒 手 訓(xùn) 練 ， 這 種 方 法 不 僅 費(fèi) 時(shí) 費(fèi) 力 ， 而 且 也 缺 乏 量 化 的 客 觀 評(píng) 價(jià) ， 不 能 夠 實(shí) 時(shí) 監(jiān) 測(cè) 治 療 效 果 。 為 解 決 這 些 康 復(fù) 訓(xùn) 練 過(guò) 程 中 出 現(xiàn) 的 問(wèn) 題 ， 需 要 安 全 、 定 量 、 有 效 及 可 進(jìn) 行 重 復(fù) 訓(xùn) 練 的 新 技 術(shù) ， 因 此 機(jī) 器 人 輔 助 訓(xùn) 練 技 術(shù) 在 這 種 背 景 下 應(yīng) 運(yùn) 而 生 。 將 虛 擬 現(xiàn) 實(shí) 和 外 骨 骼 技 術(shù) 引 入 到 肢 體 的 康 復(fù) 工 程 ， 根 據(jù) 康 復(fù) 醫(yī) 學(xué) 的 運(yùn) 動(dòng) 療 法 和 作 業(yè) 療 法 ， 為 上 肢 殘 疾 患 者 研 制 出 手 臂 外 骨 骼 康 復(fù) 系 統(tǒng) ， 實(shí) 現(xiàn) 了 手 臂 的 運(yùn) 動(dòng) 控 制 ， 并 構(gòu) 建 了 虛 擬 環(huán) 境 仿 真 平 臺(tái) 1。 借 助 于 觸 覺(jué) 感 知 接 口 的 力 反 饋 作 用 可 以 使 患 者 感 覺(jué) 到 手 臂 受 到 的 作 用 力 。 提 出 手 臂 功 能 康 復(fù) 測(cè) 評(píng) 方 法 ， 并 建 立 患 者 康 復(fù) 病 案 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 。 手 臂 外 骨 骼 康 復(fù) 系 統(tǒng) 為 患 者 提 供 有 效 的 肢 體 功 能 恢 復(fù) 的 工 具 。 圖 1.1 上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 1.2 上肢康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀人 體 外 骨 骼 的 相 關(guān) 研 究 是 一 個(gè) 比 較 前 沿 的 領(lǐng) 域 ， 目 前 世 界 科 技 強(qiáng) 國(guó) 包 括 美 國(guó) 、 日 本 、 法 國(guó) 和 俄 羅 斯 等 國(guó) 家 在 該 領(lǐng) 域 開 展 了 大 量 的 研 究 ， 并 取 得 了 一 些 初 步 成 果 。 而 在 我 國(guó) ， 該 領(lǐng) 域 的 研 究 尚 處 于 起 步 階 段 。 由 于 上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 具 有 如 此 多 的 優(yōu) 點(diǎn) ， 因 而 隨 著 目 前 機(jī) 器 人 技 術(shù) 、 先 進(jìn) 控 制 技 術(shù) 、 計(jì) 算 機(jī) 技 術(shù) 、 傳 感 技 術(shù) 、 生 物 醫(yī) 學(xué) 、 人 工 智 能 技 術(shù) 等 的 發(fā) 展 ， 康 復(fù) 機(jī) 器 人 技 術(shù) 也 在 近 幾 年 獲 得 了 很 大 進(jìn) 步 ， 成 為 機(jī) 器 人 領(lǐng) 域 與 康 復(fù) 醫(yī) 學(xué) 領(lǐng) 域 的 研 究 熱 點(diǎn) 上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 可 以 分 為 兩 大 類 ， 一 類 為 末 端 牽 引 式 康 復(fù) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) ， 另 一 類 為 外 骨 骼 式 康 復(fù) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 末 端 牽 引 式 康 復(fù) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 是 一 種 以 普 通 連 桿 機(jī) 構(gòu) 或 串 聯(lián) 機(jī) 器 人 機(jī) 構(gòu) 為 主 體 機(jī) 構(gòu) ， 使 機(jī) 器 人 末 端 與 患 者 手 臂 連 接 ， 通 過(guò) 機(jī) 器 人 運(yùn) 動(dòng) 帶 動(dòng) 患 者 上 肢 運(yùn) 動(dòng) 來(lái) 達(dá) 到 康 復(fù) 訓(xùn) 練 目 的 的 機(jī) 械 系 統(tǒng) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 與 患 者 相 對(duì) 獨(dú) 立 ， 僅 通 過(guò) 患 者 手 部 與 機(jī) 器 人 末 端 相 連 其 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 、 易 于 控 制 ， 價(jià) 格 低 廉 2。 工 業(yè) 機(jī) 器 人 為 成 熟 產(chǎn) 品 ， 整 個(gè) 系 統(tǒng) 可 靠 性 更 高 ， 早 期 的 上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 大 都 為 此 種 系 統(tǒng) 美 國(guó) 麻 省 理 工 學(xué) 院 （ MIT） 的 Hogan 提 出 的 2-DOF（ 自 由 度 ） 臂 平 面 康 復(fù) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) MIT-MANUS， 具 有 一 定 的 重 力 補(bǔ) 償 作 用 后 來(lái) 又 提 出 了 2-DOF 腕 關(guān) 節(jié) 康 復(fù) 機(jī) 器 人 ， 與 臂 MIT-MANUS 結(jié) 合 形 成 了 完 整 的 系 統(tǒng) ， 可 以 實(shí) 現(xiàn) 4-DOF 的 康 復(fù) 運(yùn) 動(dòng) ， 并 已 經(jīng) 開 始 應(yīng) 用 于 臨 床 治 療 訓(xùn) 練 時(shí) ， MIT-MANUS 可 以 推 動(dòng) 、 引 導(dǎo) 或 干 擾 患 者 上 肢 的 運(yùn) 動(dòng) ， 以 提 供 不 同 的 訓(xùn) 練 模 式 ； 可 以 采 集 位 置 、 速 度 、 力 等 信 息 以 供 分 析 ； 可 以 將 運(yùn) 動(dòng) 狀 態(tài) 信 息 顯 示 到 電 腦 屏 幕 上 為 患 者 提 供 視 覺(jué) 反 饋 美 國(guó) 斯 坦 福 大 學(xué) 研 制 了 基 于 PUMA500、 560 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) MIME（ mirror im-age motion enabler） ， 可 以 輔 助 患 者 完 成 上 肢 患 側(cè) 與 健 側(cè) 的 鏡 像 運(yùn) 動(dòng) 該 系 統(tǒng) 采 集 健 側(cè) 上 肢 運(yùn) 動(dòng) 的 軌 跡 ， 鏡 像 到 患 側(cè) ， 并 通 過(guò) 工 業(yè) 機(jī) 器 人 輔 助 患 側(cè) 進(jìn) 行 運(yùn) 動(dòng) ， 也 已 開 始 患 者 的 臨 床 康 復(fù) 治 療 2000 年 ， 美 國(guó) 加 州 大 學(xué) 與 芝 加 哥 康 復(fù) 研 究 所 研 制 了 可 實(shí) 現(xiàn) 上 肢 運(yùn) 動(dòng) 的 3-DOF 康 復(fù) 機(jī) 器 人 ARMGuide（ assisted rehabilitation and measurement guide） 3， 具 有 一 個(gè) 主 動(dòng) DOF 通 過(guò) 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 直 線 導(dǎo) 軌 來(lái) 帶 動(dòng) 大 臂 實(shí) 現(xiàn) 曲 伸 等 運(yùn) 動(dòng) 。 作 為 上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 研 究 的 起 點(diǎn) ， 1993 年 加 利 福 尼 亞 大 學(xué) 的 P. S. lum研 究 設(shè) 計(jì) 了 名 為 手 -目 標(biāo) -手 (hand-object-hand)的 雙 手 康 復(fù) 裝 置 ， 該 裝 置 從 人 類 日 常 生 活 中 對(duì) 雙 手 協(xié) 調(diào) 性 工 作 的 的 需 要 出 發(fā) ， 利 用 健 手 帶 動(dòng) 患 手 的 主 從 方 法 ， 通 過(guò) 簡(jiǎn) 單 的 雙 手 移 動(dòng) 和 擠 壓 物 體 訓(xùn) 練 雙 手 協(xié) 調(diào) 性 。 為 保 持 動(dòng) 作 模 式 的 正 確 性 ， 裝 置 中 設(shè) 計(jì) 了 兩 個(gè) 剛 性 夾 板 ， 將 手 部 自 由 度 限 制 在 手 腕 屈 伸 運(yùn) 動(dòng) ， 并 通 過(guò) 該 裝 置 檢 測(cè) 和 傳 遞 力 信 息 。 美 國(guó) 亞 利 桑 那 大 學(xué) 的 He 等 研 發(fā) 了 基 于 人 工 氣 動(dòng) 肌 肉 （ PM） 驅(qū) 動(dòng) 的 4-DOF、 5-DOF 上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 RUPERT（ robotic upper extremity repetitivetrainer） 4-DOF 包 括 肩 關(guān) 節(jié) 屈 伸 運(yùn) 動(dòng) 、 肘 屈 伸 、 前 臂 轉(zhuǎn) 動(dòng) 、 腕 內(nèi) 外 擺 動(dòng) ， 主 要 完 成 肩 、 肘 、 腕 運(yùn) 動(dòng) ， 5-DOF 增 加 了 大 臂 的 旋 內(nèi) 外 功 能 ， 增 大 了 工 作 空 間 人 工 氣 動(dòng) 肌 肉 驅(qū) 動(dòng) 的 主 要 優(yōu) 點(diǎn) 是 動(dòng) 作 方 式 、 工 作 特 性 等 與 人 的 肌 肉 功 能 相 似 ， 整 個(gè) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 運(yùn) 動(dòng) 特 征 與 人 手 臂 相 似 ， 具 有 其 他 驅(qū) 動(dòng) 方 式 沒(méi) 有 的 柔 順 性 。 加 州 大 學(xué) 歐 文 分 校 開 發(fā) 了 5-DOFT-WREXtraining Wilmington robotic exoskeleton） 和 5 自 由 度 Pneu-WREX 二 種 肩 、 肘 訓(xùn) 練 上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 4。 前 者 沒(méi) 有 驅(qū) 動(dòng) 裝 置 ， 適 于 患 者 的 主 動(dòng) 訓(xùn) 練 與 運(yùn) 動(dòng) 參 數(shù) 測(cè) 定 后 者 采 用 氣 動(dòng) 驅(qū) 動(dòng) ， 更 進(jìn) 一 步 適 于 患 者 被 動(dòng) 康 復(fù) 訓(xùn) 練 。 外 骨 骼 技 術(shù) 在 我 國(guó) 尚 處 于 基 礎(chǔ) 研 究 階 段 ， 我 國(guó) 國(guó) 家 自 然 科 學(xué) 基 金 和 科 技 支 撐 計(jì) 劃 也 逐 漸 關(guān) 注 、 開 展 外 骨 骼 機(jī) 器 人 的 研 究 ， 清 華 大 學(xué) 、 上 海 大 學(xué) 、 東 南 大 學(xué) 、 浙 江 大 學(xué) 、 合 肥 中 科 院 、 海 軍 航 空 工 程 學(xué) 院 等 單 位 也 介 入 了 該 課 題 基 礎(chǔ) 理 論 與 關(guān) 鍵 技 術(shù) 的 研 究 。 1.3 肘關(guān)節(jié)1.3.1 上肢外骨骼自由度分析其 中 包 括 ： 肩 部 個(gè) 自 由 度 （ 外 展 內(nèi) 收 、 屈 伸 、 軸 向 轉(zhuǎn) 動(dòng) ） 、 肘 部 個(gè) 自 由 度 （ 屈 伸 ） 、 腕 部 個(gè) 自 由 度 （ 屈 伸 、 軸 向 轉(zhuǎn) 動(dòng) ） ， 如 圖 1.2所 示 。 圖 1.2 上肢自由度 1.3.2 肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)肘 關(guān) 節(jié) 是 由 三 個(gè) 關(guān) 節(jié) 共 同 包 裹 在 一 個(gè) 關(guān) 節(jié) 囊 內(nèi) 組 成 的 復(fù) 關(guān) 節(jié) 。 當(dāng) 肘 關(guān) 節(jié) 伸 直 時(shí) ， 肱 骨 內(nèi) 、 外 上 髁 與 尺 骨 鷹 咀 尖 恰 位 于 一 條 直 線 上 ， 屈 肘 時(shí) 則 形 成 以 鷹 咀 尖 為 頂 角 的 等 腰 三 角 形 ， 臨 床 上 常 以 此 鑒 別 肘 關(guān) 節(jié) 脫 位 或 肱 骨 髁 上 骨 折 。 肘 關(guān) 節(jié) 在 伸 直 的 情 況 下 ， 若 受 暴 力 如 跌 倒 時(shí) 一 側(cè) 手 掌 著 地 ， 使 肱 骨 下 端 向 前 移 位 、 尺 骨 鷹 咀 則 向 后 移 ， 形 成 肘 關(guān) 節(jié) 后 脫 位 。 當(dāng) 肘 關(guān) 節(jié) 伸 直 ， 前 臂 處 于 旋 后 位 時(shí) ， 臂 與 前 臂 并 不 在 一 條 直 線 上 ， 前 臂 的 遠(yuǎn) 側(cè) 端 偏 向 外 側(cè) ， 二 者 之 間 形 成 一 向 外 開 放 的 鈍 角 ， 稱 為 提 攜 角 。 1.3.3 肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)及參數(shù)肘 關(guān) 節(jié) 的 肱 尺 關(guān) 節(jié) 可 沿 略 斜 的 額 狀 軸 作 屈 伸 運(yùn) 動(dòng) ； 橈 尺 近 側(cè) 關(guān) 節(jié) 與 橈 尺 遠(yuǎn) 側(cè) 關(guān) 節(jié) 是 必 須 同 時(shí) 運(yùn) 動(dòng) 的 聯(lián) 合 關(guān) 節(jié) ， 司 前 臂 的 旋 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) ； 肱 橈 關(guān) 節(jié) 雖 屬 球 窩 關(guān) 節(jié) ， 但 只 能 配 合 上 述 兩 關(guān) 節(jié) 的 活 動(dòng) ， 即 與 肱 尺 關(guān) 節(jié) 一 起 ， 共 同 進(jìn) 行 屈 伸 運(yùn) 動(dòng) ， 配 合 橈 尺 近 側(cè) 關(guān) 節(jié) 進(jìn) 行 垂 直 軸 的 旋 轉(zhuǎn) 5。 肘 關(guān) 節(jié) 中 立 位 為 肘 關(guān) 節(jié) 伸 直 。 屈 曲 角 度 為 0-140 ， 過(guò) 伸 角 度 為 0-10 。 旋 前 （ 掌 心 向 下 ） 90 ， 旋 后 （ 掌 心 向 上 ） 90 。 運(yùn) 動(dòng) 角 速 度 為 40-80 /s， 如 圖 1.3所 示 。 圖 1.3 肘關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍 1.4 外骨骼機(jī)械設(shè)計(jì)1.4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外 骨 骼 機(jī) 器 人 是 一 種 人 體 可 穿 戴 的 機(jī) 械 裝 置 ， 因 此 使 用 過(guò) 程 中 的 安 全 性 、 舒 適 性 和 實(shí) 用 性 是 應(yīng) 該 首 先 考 慮 的 因 素 。 外 骨 骼 機(jī) 器 人 大 致 可 分 為 上 肢 外 骨 骼 機(jī) 器 人 、 下 肢 外 骨 骼 機(jī) 器 人 和 全 身 外 骨 骼 機(jī) 器 人 ， 無(wú) 論 是 哪 一 種 外 骨 骼 機(jī) 器 人 都 將 與 人 體 進(jìn) 行 。 親 密 接 觸 。 ， 因 此 在 設(shè) 計(jì) 外 骨 骼 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 時(shí) 要 全 面 地 分 析 人 體 各 關(guān) 節(jié) 的 運(yùn) 動(dòng) 范 圍 和 運(yùn) 動(dòng) 特 點(diǎn) ， 盡 量 的 合 理 化 、 擬 人 化 ， 從 而 使 穿 戴 者 安 全 舒 適 、 動(dòng) 作 靈 活 且 不 受 限 制 6。 因 此 ， 設(shè) 計(jì) 外 骨 骼 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 時(shí) 要 考 慮 到 以 下 幾 點(diǎn) ： 1） 設(shè) 計(jì) 外 骨 骼 時(shí) 要 盡 量 遵 循 擬 人 原 則 ， 外 骨 骼 各 個(gè) 肢 體 關(guān) 節(jié) 等 機(jī) 械 形 狀 和 尺 寸 參 照 人 體 ； 2） 外 骨 骼 機(jī) 器 人 的 各 個(gè) 關(guān) 節(jié) ， 如 膝 、 髖 、 踝 關(guān) 節(jié) 等 ， 自 由 度 要 考 慮 到 人 體 相 應(yīng) 關(guān) 節(jié) ， 確 保 其 運(yùn) 動(dòng) 形 式 與 人 的 運(yùn) 動(dòng) 形 式 相 同 ， 并 且 外 骨 骼 各 個(gè) 關(guān) 節(jié) 要 有 一 定 的 運(yùn) 動(dòng) 范 圍 ， 使 其 既 不 限 制 人 體 運(yùn) 動(dòng) ， 又 能 確 保 動(dòng) 作 時(shí) 的 安 全 ； 3） 外 骨 骼 要 能 夠 在 不 同 的 環(huán) 境 使 用 ， 如 沙 漠 、 山 地 、 坡 地 、 草 地 、 樓 梯 等 。 圖 1.4 上肢康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu) 圖1.5 具有6個(gè)自由度的上肢柔性外骨骼結(jié)構(gòu)1.4.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)種類及各優(yōu)缺點(diǎn)外 骨 骼 機(jī) 器 人 的 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 和 驅(qū) 動(dòng) 器 必 須 質(zhì) 量 輕 、 體 積 小 ， 并 且 能 提 供 足 夠 大 的 驅(qū) 動(dòng) 力 矩 或 扭 矩 ， 同 時(shí) 要 具 有 良 好 的 散 熱 性 能 7。 當(dāng) 前 國(guó) 際 上 的 外 骨 骼 設(shè) 備 常 用 的 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 主 要 有 電 動(dòng) 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 、 氣 壓 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 、 液 壓 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 3 種 。 1、 液 壓 驅(qū) 動(dòng) 液 壓 驅(qū) 動(dòng) 是 以 液 體 為 工 作 介 質(zhì) 進(jìn) 行 能 量 傳 遞 和 控 制 的 傳 動(dòng) 方 式 。 液 壓 系 統(tǒng) 具 有 慣 性 小 、 構(gòu) 造 簡(jiǎn) 單 、 可 靠 性 高 、 工 作 穩(wěn) 定 等 優(yōu) 點(diǎn) 。 但 是 工 作 中 受 壓 液 體 容 易 泄 漏 ， 并 且 工 作 噪 聲 較 大 、 能 源 使 用 效 率 低 、 傳 動(dòng) 速 度 低 。 美 國(guó) 加 州 大 學(xué) 伯 克 利 分 校 研 制 成 的 助 力 機(jī) 械 服 裝 BLEEX 系 列 和 雷 神 公 司 推 出 的 外 骨 骼 機(jī) 械 裝 XOS 系 列 均 采 用 了 液 壓 驅(qū) 動(dòng) 方 式 來(lái) 驅(qū) 動(dòng) 外 骨 骼 。 2、 氣 壓 驅(qū) 動(dòng) 氣 壓 驅(qū) 動(dòng) 是 以 壓 縮 空 氣 為 工 作 介 質(zhì) 進(jìn) 行 能 量 傳 遞 和 控 制 的 傳 動(dòng) 方 式 。 氣 壓 系 統(tǒng) 具 有 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 、 無(wú) 污 染 、 阻 力 損 失 小 、 成 本 低 等 優(yōu) 點(diǎn) ， 它 在 許 多 行 業(yè) 已 得 到 廣 泛 應(yīng) 用 ， 其 驅(qū) 動(dòng) 的 高 度 柔 順 性 使 其 在 康 復(fù) 機(jī) 器 人 方 面 很 有 應(yīng) 用 潛 力 ； 它 安 裝 簡(jiǎn) 便 ， 不 需 要 復(fù) 雜 的 機(jī) 構(gòu) 及 精 度 要 求 ； 其 動(dòng) 作 平 滑 ， 響 應(yīng) 滿 足 康 復(fù) 訓(xùn) 練 要 求 并 可 實(shí) 現(xiàn) 慢 速 ， 但 是 氣 動(dòng) 裝 置 傳 動(dòng) 速 度 的 穩(wěn) 定 性 較 差 ， 信 號(hào) 傳 遞 速 度 較 慢 、 控 制 性 差 ， 不 適 用 于 大 功 率 系 統(tǒng) 傳 動(dòng) 。 日 本 神 奈 川 工 科 大 學(xué) 成 功 研 制 的 全 身 型 外 骨 骼 機(jī) 器 人 （ powerassist suit， PAS） 采 用 的 氣 壓 傳 動(dòng) 裝 置 可 將 使 用 者 的 力 量 增 加 0.5 l.0倍 。 3、 電 動(dòng) 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 是 利 用 電 力 設(shè) 備 并 調(diào) 節(jié) 電 參 數(shù) 來(lái) 傳 遞 動(dòng) 力 和 進(jìn) 行 控 制 的 一 種 傳 動(dòng) 方 式 。 電 動(dòng) 機(jī) 系 統(tǒng) 技 術(shù) 成 熟 、 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 、 無(wú) 污 染 、 信 號(hào) 傳 遞 迅 速 且 易 于 實(shí) 現(xiàn) 自 動(dòng) 化 ， 但 是 其 動(dòng) 態(tài) 平 衡 性 差 、 質(zhì) 量 大 、 慣 性 大 、 換 向 慢 。 日 本 駐 波 大 學(xué) 的 外 骨 骼 機(jī) 器 人 HAL 系 列 采 用 了 電 動(dòng) 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 技 術(shù) 。 1.4.3 能源目 前 ， 外 骨 骼 機(jī) 器 人 主 要 以 蓄 電 池 供 電 ， 移 動(dòng) 范 圍 受 到 蓄 電 池 的 容 量 和 效 率 的 限 制 ， 如 何 提 高 蓄 電 池 單 位 體 積 的 容 量 和 外 骨 骼 的 使 用 效 率 是 國(guó) 內(nèi) 外 科 研 機(jī) 構(gòu) 一 直 致 力 于 解 決 的 關(guān) 鍵 問(wèn) 題 ， 可 以 尋 求 新 能 源 技 術(shù) ， 包 括 太 陽(yáng) 能 、 生 物 能 等 解 決 能 源 發(fā) 展 的 瓶 頸 。 1.4.4 舉例比較1、 氣 動(dòng) 驅(qū) 動(dòng) 肘 關(guān) 節(jié) （ 圖 1.6） 圖 1.6氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)肘關(guān)節(jié)肘 關(guān) 節(jié) 的 屈 伸 動(dòng) 作 為 單 純 的 旋 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) ， 在 滿 足 設(shè) 計(jì) 要 求 的 前 提 下 ， 采 用 搖 塊 機(jī) 構(gòu) 的 傳 動(dòng) 方 案 ， 如 上 圖 所 示 。 一 個(gè) 行 程 可 讀 式 直 線 氣 缸 尾 部 與 上 臂 固 定 裝 置 鉸 接 連 接 ， 當(dāng) 氣 缸 活 塞 前 后 伸 縮 運(yùn) 動(dòng) 的 時(shí) 候 ， 氣 缸 可 以 上 下 擺 動(dòng) ， 再 經(jīng) 由 搖 塊 機(jī) 構(gòu) 原 理 ， 將 直 線 位 移 變 為 肘 關(guān) 節(jié) 的 屈 曲 /伸 展 運(yùn) 動(dòng) 。 在 各 關(guān) 節(jié) 基 本 結(jié) 構(gòu) 造 型 完 成 后 ， 需 要 將 其 組 合 到 一 起 ， 完 成 整 體 結(jié) 構(gòu) 。 需 要 關(guān) 節(jié) 中 間 的 連 接 件 和 手 臂 的 造 型 ， 例 如 連 接 手 掌 和 腕 關(guān) 節(jié) 的 連 接 件 、 肘 關(guān) 節(jié) 和 前 臂 的 連 接 件 、 放 置 直 徑 氣 動(dòng) 肌 肉 的 前 臂 、 放 置 直 徑 氣 動(dòng) 肌 肉 的 上 臂 、 放 置 12mm直 徑 的 肩 關(guān) 節(jié) 肌 肉 架 以 及 各 種 用 于 連 接 的 標(biāo) 準(zhǔn) 件 的 選 取 、 軸 承 配 套 端 蓋 的 設(shè) 計(jì) 。 各 個(gè) 關(guān) 節(jié) 安 裝 繩 索 時(shí) 需 注 意 裝 配 的 順 序 和 安 裝 的 初 始 位 置 ， 以 及 繩 索 的 預(yù) 緊 。 帶 有 繩 套 的 繩 索 需 留 有 一 定 余 量 ， 減 少 扭 曲 的 影 響 。 氣 動(dòng) 肌 肉 的 柔 性 外 骨 骼 肘 關(guān) 節(jié) 由 兩 條 氣 動(dòng) 肌 肉 及 單 自 由 度 旋 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) 副 構(gòu) 成 ， 實(shí) 現(xiàn) 人 體 上 臂 肘 關(guān) 節(jié) 的 單 自 由 度 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 8。 這 種 結(jié) 構(gòu) 與 現(xiàn) 有 的 外 骨 骼 機(jī) 械 手 或 者 其 它 穿 戴 器 械 相 比 ， 結(jié) 構(gòu) 新 穎 ， 輕 便 靈 巧 ， 采 用 氣 動(dòng) 肌 肉 作 為 關(guān) 節(jié) 的 執(zhí) 行 元 件 ， 模 仿 人 體 肌 肉 伸 縮 的 動(dòng) 作 ， 具 有 仿 生 學(xué) 的 特 點(diǎn) 。 2、 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 手 臂 圖1.7 康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)自由度基 于 人 體 上 肢 的 運(yùn) 動(dòng) 功 能 要 求 ， 上 圖 設(shè) 計(jì) 的 整 個(gè) 裝 置 既 可 穿 戴 于 患 者 身 上 ， 也 可 固 定 在 座 椅 或 支 架 上 以 減 輕 患 者 負(fù) 擔(dān) 。 該 裝 置 內(nèi) 含 的 運(yùn) 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 包 括 ： 肩 關(guān) 節(jié) 的 水 平 運(yùn) 動(dòng) （ 主 要 由 導(dǎo) 軌 支 架 、 滑 塊 1、 連 桿 1 與 搖 桿 1 實(shí) 現(xiàn) ） ， 肩 關(guān) 節(jié) 的 豎 直 運(yùn) 動(dòng) （ 主 要 由 蝸 輪 蝸 桿 、 滑 塊 2、 連 桿 2、 搖 桿 2 實(shí) 現(xiàn) ） ， 肩 關(guān) 節(jié) 的 旋 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) （ 齒 輪 機(jī) 構(gòu) ） 和 肘 關(guān) 節(jié) 的 屈 /伸 運(yùn) 動(dòng) 。 鑒 于 腕 關(guān) 節(jié) 能 比 較 方 便 地 實(shí) 現(xiàn) 自 我 輔 助 康 復(fù) 訓(xùn) 練 ， 因 此 ， 本 設(shè) 計(jì) 將 腕 關(guān) 節(jié) 設(shè) 計(jì) 成 跟 隨 手 臂 自 由 轉(zhuǎn) 動(dòng) 。 為 了 防 止 康 復(fù) 中 發(fā) 生 二 次 損 傷 ， 將 機(jī) 器 人 康 復(fù) 訓(xùn) 練 的 相 關(guān) 角 度 設(shè) 定 為 ： 以 矢 狀 面 為 基 準(zhǔn) ， 水 平 方 向 上 肩 關(guān) 節(jié) 外 展 /內(nèi) 收 0100 /040 ， 以 水 平 面 為 基 準(zhǔn) ， 豎 直 方 向 上 肩 關(guān) 節(jié) 上 擺 /下 擺 075 /0110 ， 旋 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) 上 內(nèi) 旋 /外 旋 075 /045 ； 肘 關(guān) 節(jié) 彎 曲 0135 ， 旋 前 /旋 后 均 050 。 1.5 控制系統(tǒng)現(xiàn) 有 康 復(fù) 機(jī) 器 人 的 控 制 方 式 一 般 有 肌 電 信 號(hào) 傳 感 器 （ EMG） 、 力 傳 感 器 和 上 位 機(jī) 控 制 三 種 。 EMG 和 力 傳 感 器 能 夠 實(shí) 時(shí) 檢 測(cè) 患 肢 的 任 一 自 由 度 上 是 否 有 主 動(dòng) 力 ， 并 通 過(guò) 反 饋 為 相 應(yīng) 自 由 度 提 供 助 力 ， 幫 助 患 肢 實(shí) 現(xiàn) 康 復(fù) 運(yùn) 動(dòng) 9。 這 兩 種 方 法 更 適 用 于 后 期 的 主 動(dòng) 康 復(fù) 和 助 力 康 復(fù) 運(yùn) 動(dòng) 。 在 上 位 機(jī) 控 制 的 方 式 中 ， 患 者 可 以 根 據(jù) 自 身 情 況 設(shè) 定 各 關(guān) 節(jié) 康 復(fù) 運(yùn) 動(dòng) 的 角 度 和 速 度 ， 并 且 選 擇 系 統(tǒng) 中 預(yù) 設(shè) 的 一 些 專 業(yè) 的 組 合 康 復(fù) 曲 線 輔 助 患 者 的 康 復(fù) 鍛 煉 。 因 此 ， 該 方 法 更 適 用 于 被 動(dòng) 康 復(fù) 訓(xùn) 練 。 圖1.8 上肢外骨骼機(jī)器人控制框圖圖1.9 關(guān)節(jié)控制模型1.6 國(guó) 內(nèi) 外 研 究 綜 述 總 結(jié) 作 為 一 種 新 型 、 高 效 及 應(yīng) 用 前 景 廣 泛 的 神 經(jīng) 康 復(fù) 裝 置 ， 上 肢 康 復(fù) 訓(xùn) 練 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 的 研 究 正 在 不 斷 改 進(jìn) ， 日 益 創(chuàng) 新 10。 按 照 研 究 時(shí) 間 的 大 致 先 后 順 序 將 以 上 康 復(fù) 系 統(tǒng) 各 方 面 特 征 進(jìn) 行 列 表 總 結(jié) 如 表 1-1所 示 。 這 些 系 統(tǒng) 以 治 療 醫(yī) 師 的 徒 手 治 療 方 法 為 依 據(jù) ， 驗(yàn) 證 了 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 執(zhí) 行 康 復(fù) 運(yùn) 動(dòng) 的 可 行 性 。 表1-1 國(guó)內(nèi)外康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)特點(diǎn)由 上 表 可 以 看 出 ， 上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 從 發(fā) 展 初 期 的 針 對(duì) 某 一 特 定 動(dòng) 作 的 單 關(guān) 節(jié) 重 復(fù) 練 習(xí) 逐 漸 延 伸 至 平 面 乃 至 三 維 空 間 的 康 復(fù) 訓(xùn) 練 運(yùn) 動(dòng) ， 其 訓(xùn) 練 模 式 也 逐 漸 向 多 樣 化 發(fā) 展 。 然 而 ， 作 為 學(xué) 科 交 叉 的 產(chǎn) 物 ， 其 工 作 對(duì) 象 的 特 殊 性 決 定 了 上 肢 康 復(fù) 系 統(tǒng) 自 身 的 獨(dú) 特 性 和 復(fù) 雜 程 度 。 縱 觀 其 發(fā) 展 ， 不 難 發(fā) 現(xiàn) 康 復(fù) 機(jī) 器 人 的 輔 助 治 療 研 究 仍 然 處 于 初 級(jí) 階 段 ， 存 在 以 下 不 足 ： (1)結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 、 運(yùn) 動(dòng) 形 式 單 一 ： 現(xiàn) 有 上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 的 功 能 設(shè) 計(jì) 多 定 位 在 單 一 、 重 復(fù) 的 動(dòng) 作 訓(xùn) 練 上 ， 因 此 機(jī) 構(gòu) 形 式 簡(jiǎn) 單 ， 自 由 度 較 少 是 他 們 的 普 遍 特 點(diǎn) 。 大 部 分 系 統(tǒng) 為 患 者 提 供 簡(jiǎn) 單 的 直 線 、 曲 線 或 平 面 運(yùn) 動(dòng) ， 動(dòng) 作 范 圍 較 小 、 康 復(fù) 訓(xùn) 練 的 模 式 單 一 ， 缺 乏 循 序 漸 進(jìn) 、 系 統(tǒng) 的 治 療 方 法 、 方 案 。 而 聯(lián) 合 單 關(guān) 節(jié) 、 多 關(guān) 節(jié) 復(fù) 合 及 日 常 生 活 動(dòng) 作 的 多 模 式 訓(xùn) 練 不 僅 能 充 分 活 躍 肢 體 肌 群 ， 且 因 地 制 宜 ， 有 利 于 促 進(jìn) 肢 體 功 能 的 恢 復(fù) 和 保 持 正 確 運(yùn) 動(dòng) 的 感 覺(jué) 。 (2)缺 乏 臨 床 康 復(fù) 理 論 指 導(dǎo) ： 上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 具 有 獨(dú) 特 的 工 作 對(duì) 象 )上 肢 運(yùn) 動(dòng) 功 能 受 損 的 偏 癱 患 者 ， 因 此 其 功 能 的 實(shí) 現(xiàn) 必 須 以 臨 床 康 復(fù) 實(shí) 踐 與 經(jīng) 驗(yàn) 為 理 論 基 礎(chǔ) ， 并 結(jié) 合 人 體 上 肢 解 剖 學(xué) 及 運(yùn) 動(dòng) 規(guī) 律 。 無(wú) 論 是 機(jī) 器 人 機(jī) 構(gòu) 的 設(shè) 計(jì) ， 還 是 訓(xùn) 練 模 式 的 設(shè) 定 ， 都 必 須 與 偏 癱 患 者 的 康 復(fù) 進(jìn) 程 緊 密 結(jié) 合 。 現(xiàn) 有 系 統(tǒng) 多 沿 襲 傳 統(tǒng) 機(jī) 器 人 的 設(shè) 計(jì) 思 路 ， 削 弱 了 機(jī) 器 人 與 康 復(fù) 學(xué) 科 間 的 融 合 。 (3)欠 缺 對(duì) 患 者 的 主 動(dòng) 運(yùn) 動(dòng) 激 勵(lì) ： 上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 旨 在 通 過(guò) 康 復(fù) 運(yùn) 動(dòng) 恢 復(fù) 受 損 的 運(yùn) 動(dòng) 功 能 ， 而 充 分 利 用 人 機(jī) 間 的 交 互 作 用 ， 激 勵(lì) 患 者 肢 體 的 主 動(dòng) 運(yùn) 動(dòng) 意 識(shí) ， 提 高 中 樞 神 經(jīng) 系 統(tǒng) 緊 張 度 ， 不 僅 能 夠 加 速 受 損 神 經(jīng) 的 重 塑 ， 也 有 利 于 防 止 并 發(fā) 癥 的 產(chǎn) 生 ， 恢 復(fù) 患 者 建 立 病 后 康 復(fù) 的 信 心 。 現(xiàn) 有 系 統(tǒng) 大 多 監(jiān) 測(cè) 受 試 者 的 力 信 息 或 進(jìn) 行 簡(jiǎn) 單 的 力 跟 隨 運(yùn) 動(dòng) ， 從 而 忽 略 了 這 一 提 高 康 復(fù) 效 率 的 重 要 因 素 。 (4)對(duì) 臨 床 應(yīng) 用 問(wèn) 題 欠 缺 考 慮 ： 即 特 殊 的 人 機(jī) 耦 合 系 統(tǒng) 所 引 入 的 問(wèn) 題 ， 如 運(yùn) 動(dòng) 中 患 者 肌 肉 運(yùn) 動(dòng) 功 能 的 損 傷 導(dǎo) 致 肌 力 不 足 時(shí) 對(duì) 受 損 肢 體 的 安 全 保 護(hù) 和 支 撐 問(wèn) 題 ， 運(yùn) 動(dòng) 過(guò) 程 當(dāng) 中 對(duì) 運(yùn) 動(dòng) 異 常 模 式 的 檢 測(cè) 和 抑 制 問(wèn) 題 等 。 1.6 上肢康復(fù)機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練策略關(guān)鍵技術(shù)綜述偏 癱 作 為 腦 血 管 意 外 的 后 遺 癥 ， 其 活 動(dòng) 能 力 的 喪 失 或 減 退 的 突 發(fā) 狀 況 給 患 者 造 成 嚴(yán) 重 的 心 理 創(chuàng) 傷 ， 使 患 者 產(chǎn) 生 消 極 的 康 復(fù) 心 理 。 因 而 ， 康 復(fù) 訓(xùn) 練 的 目 的 不 應(yīng) 只 停 留 在 保 持 肢 體 活 動(dòng) 度 ， 防 止 肌 肉 萎 縮 、 關(guān) 節(jié) 攣 縮 的 層 面 上 ， 還 應(yīng) 同 時(shí) 應(yīng) 注 重 患 者 的 心 理 康 復(fù) 問(wèn) 題 。 臨 床 實(shí) 踐 表 明 ： 在 康 復(fù) 訓(xùn) 練 中 加 強(qiáng) 患 者 主 動(dòng) 運(yùn) 動(dòng) 意 愿 對(duì) 腦 卒 中 患 者 運(yùn) 動(dòng) 功 能 康 復(fù) 具 有 強(qiáng) 化 和 促 進(jìn) 作 用 ， 在 康 復(fù) 過(guò) 程 中 強(qiáng) 調(diào) 患 者 的 主 觀 參 與 與 認(rèn) 知 有 利 于 改 善 大 腦 的 側(cè) 枝 循 環(huán) 和 局 部 微 循 環(huán) ， 有 助 于 建 立 患 者 的 康 復(fù) 自 信 ， 激 發(fā) 患 者 的 康 復(fù) 熱 情 ， 進(jìn) 而 增 強(qiáng) 康 復(fù) 效 率 ， 推 動(dòng) 患 者 康 復(fù) 進(jìn) 程 。 康 復(fù) 機(jī) 器 人 獲 取 人 體 主 動(dòng) 運(yùn) 動(dòng) 意 圖 的 方 式 有 多 種 ， 如 力 /力 矩 信 號(hào) 、 神 經(jīng) )肌 肉 電 信 號(hào) 、 腦 電 信 號(hào) 等 。 其 中 ， 力 信 息 作 為 人 機(jī) 相 互 作 用 的 最 直 接 表 現(xiàn) 形 式 被 廣 泛 的 應(yīng) 用 于 人 機(jī) 交 互 研 究 中 11， 而 表 面 肌 電 信 號(hào) (Surface Electromyogram， sEMG )因 與 人 體 肌 肉 運(yùn) 動(dòng) 間 的 固 有 相 關(guān) 性 在 近 年 來(lái) 也 引 起 了 學(xué) 者 們 的 廣 泛 關(guān) 注 ， 下 面 對(duì) 這 兩 個(gè) 方 面 的 研 究 現(xiàn) 狀 進(jìn) 行 論 述 。 1.7 發(fā)展前景外 骨 骼 機(jī) 器 人 在 許 多 領(lǐng) 域 有 著 良 好 的 發(fā) 展 前 景 ， 引 起 了 各 國(guó) 的 重 視 ， 近 年 來(lái) 外 骨 骼 機(jī) 器 人 技 術(shù) 取 得 了 突 破 性 的 發(fā) 展 ， 但 有 許 多 關(guān) 鍵 問(wèn) 題 仍 待 解 決 ： 1） 體 積 較 大 、 動(dòng) 作 笨 拙 ， 其 環(huán) 境 的 適 應(yīng) 性 和 運(yùn) 動(dòng) 的 靈 活 性 較 差 ； 2） 與 操 作 者 的 預(yù) 期 動(dòng) 作 不 吻 合 ； 3） 外 骨 骼 機(jī) 器 人 的 能 源 使 用 效 率 不 高 ； 4） 控 制 系 統(tǒng) 的 自 適 應(yīng) 能 力 和 自 學(xué) 習(xí) 能 力 較 弱 。 另 外 ， 外 骨 骼 機(jī) 器 人 要 真 正 用 于 實(shí) 踐 12， 還 要 考 慮 其 自 身 的 質(zhì) 量 問(wèn) 題 、 柔 性 安 全 問(wèn) 題 、 噪 音 問(wèn) 題 、 舒 適 度 問(wèn) 題 等 。 隨 著 科 技 的 進(jìn) 步 和 上 述 問(wèn) 題 的 解 決 ， 各 種 特 殊 功 能 的 外 骨 骼 機(jī) 器 人 將 廣 泛 應(yīng) 用 于 民 用 康 復(fù) 治 療 和 軍 用 助 力 裝 備 方 面 。 綜 上 所 屬 ， 本 課 題 主 要 構(gòu) 想 是 運(yùn) 用 EMG肌 電 信 號(hào) 傳 感 器 來(lái) 感 知 肘 部 微 弱 信 號(hào) ， 并 由 此 信 號(hào) 來(lái) 控 制 可 穿 戴 式 肘 關(guān) 節(jié) 裝 置 13。 運(yùn) 用 直 流 直 線 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) ， 來(lái) 控 制 肘 關(guān) 節(jié) 裝 置 的 簡(jiǎn) 單 運(yùn) 動(dòng) 。 后 期 需 運(yùn) 用 有 限 元 、 仿 真 軟 件 進(jìn) 行 綜 合 分 析 。 第2章 外骨路式機(jī)器人上肢康復(fù)肘關(guān)節(jié)方案設(shè)計(jì)相 對(duì) 于 康 復(fù) 醫(yī) 師 一 對(duì) 一 對(duì) 患 者 進(jìn) 行 的 康 復(fù) 輔 助 運(yùn) 動(dòng) ， 康 復(fù) 機(jī) 器 人 有 非 常 大 的 優(yōu) 勢(shì) ， 如 有 效 性 強(qiáng) ， 持 續(xù) 性 更 好 等 等 。 康 復(fù) 機(jī) 器 人 起 源 于 現(xiàn) 代 機(jī) 器 人 ， 它 是 特 種 機(jī) 器 人 ， 有 自 己 的 特 點(diǎn) 和 設(shè) 計(jì) 要 求 。 從 其 可 穿 戴 性 上 就 可 以 知 道 ， 外 骨 骼 需 要 和 人 體 上 肢 關(guān) 節(jié) 親 合 ， 這 樣 才 能 達(dá) 到 協(xié) 調(diào) 運(yùn) 動(dòng) 的 效 果 。 下 面 就 從 康 復(fù) 運(yùn) 動(dòng) 效 果 和 外 骨 骼 式 機(jī) 器 人 的 設(shè) 計(jì) 要 求 的 角 度 出 發(fā) ， 設(shè) 計(jì) 出 適 合 不 同 肢 體 長(zhǎng) 度 、 不 同 患 肢 、 實(shí) 現(xiàn) 多 種 運(yùn) 動(dòng) 方 式 的 模 仿 人 體 上 肢 肘 關(guān) 節(jié) 的 外 骨 骼 式 上 肢 肘 關(guān) 節(jié) 康 復(fù) 機(jī) 器 人 機(jī) 械 系 統(tǒng) 。 2.1 上肢生理特點(diǎn)與康復(fù)治療方法2.1.1 手臂的生理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上 肢 的 骨 骼 有 肩 部 的 鎖 骨 、 肩 胛 骨 ， 上 臂 的 朧 骨 ， 前 臂 的 尺 骨 、 饒 骨 ， 手 部 的 腕 骨 、 掌 骨 、 指 骨 54， 如 下 圖 2.1(a)所 示 。 上 肢 肌 肉 多 為 長(zhǎng) 梭 狀 ， 分 肩 部 肌 肉 、 上 臂 肌 肉 、 前 臂 肌 肉 和 手 部 肌 肉 ， 如 圖 2.1(b)所 示 。 圖2.1 手臂生理結(jié)構(gòu)圖除 手 部 關(guān) 節(jié) 外 ， 上 肢 的 關(guān) 節(jié) 分 為 肩 關(guān) 節(jié) 、 肘 關(guān) 節(jié) 、 腕 關(guān) 節(jié) 等 三 大 關(guān) 節(jié) 。 本 文 只 討 論 肘 關(guān) 節(jié) ， 將 不 涉 及 其 他 關(guān) 節(jié) 。 肘 關(guān) 節(jié) 是 復(fù) 合 關(guān) 節(jié) ， 如 圖 2.2所 示 。 它 由 肱 尺 關(guān) 節(jié) 、 朧 撓 關(guān) 節(jié) 和 燒 尺 關(guān) 節(jié) 共 同 構(gòu) 成 。 肢 骨 下 端 與 尺 骨 上 端 半 月 切 跡 構(gòu) 成 肱 尺 關(guān) 節(jié) ， 肱 骨 小 頭 與 燒 骨 上 端 小 頭 凹 面 構(gòu) 成 胺 撓 關(guān) 節(jié) ， 燒 骨 上 端 和 尺 骨 上 端 構(gòu) 成 燒 尺 關(guān) 節(jié) 。 這 3個(gè) 關(guān) 節(jié) 緊 密 相 貼 ， 共 同 作 用 ， 使 前 臂 產(chǎn) 生 屈 /伸 、 回 旋 等 動(dòng) 作 。 為 簡(jiǎn) 化 起 見(jiàn) ， 認(rèn) 為 財(cái) 關(guān) 節(jié) 具 有 一 個(gè) 自 由 度 -屈 /伸 。 圖2.2 肘關(guān)節(jié)生理結(jié)構(gòu)圖2.1.2 復(fù)治療方法康 復(fù) 醫(yī) 學(xué) 是 一 門 研 究 殘 疾 人 及 患 者 康 復(fù) 的 醫(yī) 學(xué) 應(yīng) 用 學(xué) 科 ， 其 目 的 在 于 通 過(guò) 物 理 療 法 ， 運(yùn) 動(dòng) 療 法 ， 生 活 訓(xùn) 練 ， 技 能 訓(xùn) 練 ， 言 語(yǔ) 訓(xùn) 練 和 心 理 咨 詢 等 多 種 手 段 使 病 傷 殘 者 盡 快 的 得 到 最 大 限 度 的 恢 復(fù) ， 使 身 體 殘 留 部 分 的 功 能 得 到 最 充 分 的 發(fā) 揮 ， 達(dá) 到 最 大 可 能 的 生 活 自 理 ， 勞 動(dòng) 和 工 作 的 能 力 ， 為 病 傷 殘 者 重 返 社 會(huì) 打 下 基 礎(chǔ) 。 康 復(fù) 治 療 是 康 復(fù) 醫(yī) 學(xué) 工 作 的 基 本 內(nèi) 容 ， 包 括 物 理 治 療 、 心 理 治 療 、 作 業(yè) 療 法 、 運(yùn) 動(dòng) 療 法 、 中 醫(yī) 療 法 、 言 語(yǔ) 治 療 。 運(yùn) 動(dòng) 療 法 是 以 生 物 力 學(xué) 和 神 經(jīng) 發(fā) 育 學(xué) 為 基 礎(chǔ) ， 采 用 主 動(dòng) 和 被 動(dòng) 運(yùn) 動(dòng) ， 通 過(guò) 功 能 改 善 、 代 償 和 替 代 的 途 徑 ， 促 進(jìn) 功 能 障 礙 的 恢 復(fù) 。 基 于 中 樞 神 經(jīng) 系 統(tǒng) 的 運(yùn) 動(dòng) 再 學(xué) 習(xí) 方 法 主 要 用 于 中 樞 神 經(jīng) 系 統(tǒng) 疾 患 病 人 的 運(yùn) 動(dòng) 功 能 恢 復(fù) 訓(xùn) 練 ， 強(qiáng) 調(diào) 病 人 應(yīng) 主 動(dòng) 參 與 ， 通 過(guò) 重 新 學(xué) 習(xí) 和 反 復(fù) 訓(xùn) 練 ， 恢 復(fù) 其 運(yùn) 動(dòng) 功 能 和 日 常 生 活 活 動(dòng) 能 力 。 2.2 機(jī)器人上肢康復(fù)系統(tǒng)構(gòu)建在 掌 握 了 人 體 上 肢 解 剖 學(xué) 知 識(shí) 和 康 復(fù) 機(jī) 器 人 的 設(shè) 計(jì) 要 求 后 ， 接 下 來(lái) 的 任 務(wù) 就 是 康 復(fù) 系 統(tǒng) 的 構(gòu) 建 ， 該 康 復(fù) 系 統(tǒng) 主 要 包 含 三 部 分 內(nèi) 容 ： 康 復(fù) 機(jī) 器 人 機(jī) 械 本 體 、 運(yùn) 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 、 控 制 體 系 結(jié) 構(gòu) 。 下 面 就 對(duì) 從 這 三 個(gè) 方 面 ， 設(shè) 計(jì) 所 需 的 上 肢 康 復(fù) 系 統(tǒng) 。 (1) 結(jié) 構(gòu) 的 基 本 形 式 通 過(guò) 第 一 章 的 分 析 ， 本 研 究 采 用 三 自 由 度 、 外 骨 豁 式 、 串 聯(lián) 、 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 結(jié) 構(gòu) 形 式 。 對(duì) 于 輔 助 患 者 上 肢 做 康 復(fù) 運(yùn) 動(dòng) 的 機(jī) 器 人 ， 其 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 的 基 本 設(shè) 計(jì) 要 點(diǎn) 是 ： 有 足 夠 的 剛 度 和 強(qiáng) 度 來(lái) 支 撐 機(jī) 械 臂 本 體 和 患 肢 的 重 量 ， 在 此 基 礎(chǔ) 上 機(jī) 器 人 盡 量 做 到 輕 便 ;機(jī) 器 人 關(guān) 節(jié) 設(shè) 置 、 尺 寸 結(jié) 構(gòu) ， 符 合 人 體 上 肢 的 解 剖 結(jié) 構(gòu) ;外 骨 骼 與 上 肢 具 有 較 好 的 交 互 性 ;運(yùn) 動(dòng) 可 靠 ， 傳 動(dòng) 誤 差 小 。 康 復(fù) 機(jī) 器 人 的 整 體 設(shè) 計(jì) 流 程 如 圖 2.3所 示 。 圖2.3 機(jī)械設(shè)計(jì)流程由 于 條 件 有 限 ， 本 文 將 不 設(shè) 計(jì) 制 作 樣 機(jī) 的 工 作 。 為 了 盡 量 減 小 外 骨 骼 重 量 ， 本 設(shè) 計(jì) 擬 選 擇 航 空 超 硬 鋁 型 材 作 為 關(guān) 節(jié) 連 接 件 ， 由 于 客 觀 條 件 所 限 ， 最 終 采 用 了 硬 鋁 型 材 作 為 關(guān) 節(jié) 連 接 件 。 (2) 肘 關(guān) 節(jié) 工 作 原 理 一 般 情 況 下 ， 在 人 體 解 剖 學(xué) 中 ， 以 標(biāo) 準(zhǔn) 姿 勢(shì) 進(jìn) 行 敘 述 和 闡 明 ， 如 圖 2.4。 上 自 頭 側(cè) ， 下 至 尾 側(cè) 并 與 地 面 相 垂 直 的 軸 為 垂 直 軸 ， 它 是 上 下 方 向 ;從 腹 側(cè) 面 至 背 側(cè) 面 ， 同 時(shí) 與 垂 直 軸 呈 直 角 交 叉 的 軸 叫 做 矢 狀 軸 ， 又 稱 腹 背 軸 ， 它 是 前 后 方 向 ;額 狀 軸 ， 或 稱 。 冠 狀 軸 。 ： 為 與 水 平 面 平 行 ， 并 與 前 兩 個(gè) 軸 相 垂 直 的 左 右 方 向 的 軸 。 接 下 來(lái) ， 對(duì) 人 體 定 義 三 個(gè) 面 ， 這 三 個(gè) 面 是 以 上 述 的 三 個(gè) 軸 為 基 礎(chǔ) 進(jìn) 行 闡 釋 。 冠 狀 面 ： 按 左 右 方 向 將 人 體 分 為 前 后 兩 部 分 的 縱 切 面 ;矢 狀 面 ： 按 前 后 方 向 將 人 體 或 器 官 縱 切 為 左 、 右 兩 部 分 的 斷 面 ;水 平 面 (橫 切 面 )： 與 上 述 兩 個(gè) 面 垂 直 將 人 體 橫 切 分 為 上 下 兩 部 分 的 縱 切 面 。 基 于 上 述 分 析 得 出 ， 肘 關(guān) 節(jié) 主 要 是 完 成 屈 伸 動(dòng) 作 。 它 的 一 般 運(yùn) 動(dòng) 范 圍 為 0-150 ， 極 限 運(yùn) 動(dòng) 角 度 為 0-160 。 當(dāng) 然 有 部 分 人 的 肘 關(guān) 節(jié) 能 完 成 負(fù) 角 度 的 運(yùn) 動(dòng) 。 此 種 情 況 本 文 將 忽 略 ， 不 予 討 論 。 2.3 肘關(guān)節(jié)系統(tǒng)方案通 過(guò) 上 述 分 析 ， 明 確 了 肘 關(guān) 節(jié) 系 統(tǒng) 必 須 達(dá) 到 的 要 求 與 實(shí) 現(xiàn) 的 功 能 。 本 文 設(shè) 計(jì) 的 肘 關(guān) 節(jié) 系 統(tǒng) 方 案 如 下 ： 1、 機(jī) 械 部 分 ： 運(yùn) 用 直 線 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) ， 來(lái) 控 制 肘 關(guān) 節(jié) 裝 置 的 運(yùn) 動(dòng) 。 直 線 電 機(jī) 安 裝 在 下 臂 上 ， 在 上 臂 安 裝 一 個(gè) 彈 簧 提 供 阻 尼 ， 用 來(lái) 與 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 力 保 持 平 衡 ， 使 肘 關(guān) 節(jié) 屈 曲 時(shí) 可 以 定 住 在 某 幾 個(gè) 特 定 角 度 。 工 作 原 理 類 似 于 挖 土 機(jī) 的 工 作 臂 。 2、 控 制 部 分 ： 運(yùn) 用 EMG肌 電 信 號(hào) 傳 感 器 來(lái) 感 知 肘 部 微 弱 信 號(hào) ， 并 由 此 信 號(hào) 來(lái) 控 制 可 穿 戴 式 肘 關(guān) 節(jié) 裝 置 。 第3章 肘關(guān)節(jié)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)上一章中詳細(xì)討論了外骨路式機(jī)器人上肢康復(fù)肘關(guān)節(jié)系統(tǒng)的方案。本章將在上一章的基礎(chǔ)上對(duì)肘關(guān)節(jié)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。3.1 機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方案通過(guò)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的閱讀與研究。目前，外骨路式機(jī)器人上肢康復(fù)機(jī)械系統(tǒng)各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方案主要有：旋轉(zhuǎn)電機(jī)輸出扭矩驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)等三種。這三種方案有比較明顯的優(yōu)點(diǎn)，但他們的缺點(diǎn)也同樣很突出。旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式由其的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)決定了其可以精確的控制機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡；但其輸出功率較小，要實(shí)現(xiàn)大功率輸出就必須增大電機(jī)體積，這樣就必然會(huì)增加系統(tǒng)的重量與功耗，不利于提高系統(tǒng)的續(xù)航能力與適用范圍。液壓與氣壓驅(qū)動(dòng)方式輸出功率區(qū)間較大能滿足各種不同患者的使用需求。但液壓驅(qū)動(dòng)方式必須配套的裝配一套龐大復(fù)雜的液壓回路系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的成本與適用范圍。而氣壓驅(qū)動(dòng)方式則需要設(shè)計(jì)一套龐大的氣體壓縮與輸送系統(tǒng)。綜上所述，本文采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。直線驅(qū)動(dòng)方式的功率輸出區(qū)間雖不如液壓與氣壓驅(qū)動(dòng)方式的大但能以完全滿足系統(tǒng)的各項(xiàng)功能需求。且相對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)來(lái)講直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的精度要高很多，也更容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。直線電機(jī)原理如圖3.1所示。圖3.1 直線電機(jī)原理3.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式現(xiàn)今各類工程中仿生類肘關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)應(yīng)用非常廣泛。如工程機(jī)械中的挖掘機(jī)工作臂，該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、控制簡(jiǎn)單?；诖颂攸c(diǎn)，在各項(xiàng)工程中都能見(jiàn)到挖掘機(jī)的身影，對(duì)各項(xiàng)工程做出了重大貢獻(xiàn)。由于直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式與液壓油缸相似，因此，本文肘關(guān)節(jié)也采用類挖掘機(jī)工作臂機(jī)構(gòu)。3.3 機(jī)構(gòu)方案本文肘關(guān)節(jié)機(jī)械系統(tǒng)主要由上臂、下臂、直線電機(jī)、拉桿和阻尼彈簧等零件組裝而成?？紤]到肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)與患者手臂的運(yùn)動(dòng)是否干涉，本文將直線電機(jī)安裝在上臂末端，拉桿安裝在下臂前端。為了給肘關(guān)節(jié)屈曲時(shí)有足夠的空間，必須在上臂上肘關(guān)節(jié)處留出一個(gè)空洞來(lái)。除此之外，還在上臂填加一個(gè)彈簧來(lái)提供阻尼，用來(lái)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)力保持平衡，使肘關(guān)節(jié)屈曲時(shí)可以定住在某幾個(gè)特定角度。比如60、90度。機(jī)構(gòu)裝配圖如圖3.2所示，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖如圖3