上肢康复训练机器人的设计研究.pdf

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1、 上肢康复训练机器人的设计研究上肢康复训练机器人的设计研究 摘摘 要要 康复机器人技术是一门涵盖了医疗康复学、机械动力学、计算机仿真学以 及机器人制造技术等多学科的新型交叉研究领域。在欧美等发达国家，康复机 器人技术已经得到了科研工作者和医疗机构的普遍重视，并取得了一些有价值 的研究成果。但在我国，由于人口众多，医疗机构分布不均匀，治疗师水平参 差不齐，康复医学事业正处于起步阶段。因此，运用现代医学技术和机电技术 相结合，大力发展康复机器人技术，对解决我国康复事业的实际问题有着重要 的意义。随着康复机器人的研究和使用，可以进一步取代传统的治疗手段，对 治疗过程进行量化，提高治疗的效果和效率。同

2、时，改变患者只能去医院或者 诊所治疗的方式，减少地域和空间的限制，降低治疗的成本。因此，康复机器 人的设计和使用，在现代康复医学上有着康复的应用前景。 本文分析了上肢康复机器人的国内外的发展现状，讨论了康复医学理论中 关于康复训练的方法、过程，总结出对康复机器人设计的要求。按照要求，设 计了一种新型的上肢康复机器人。该机器人利用曲柄摇杆机构，并根据中国成 年人上肢运动的范围，确定了康复机器人的机构尺寸，并留有一定余量，以适 应不同身高患者和在不同康复状态下训练使用。 结 合 相 关 行 业 的 规 定 ， 在 确 定 了 曲 柄 摇 杆 机 构 的 尺 寸 后 ， 利 用 Matlab/Sim

3、ulik 对所推导的尺寸进行了轨迹仿真和静力分析，仿真表明，所选 择的尺寸是符合人体上肢康复训练的。在此基础上，详细设计了装置的动力传 动部分，最后对所设计的运动装置进行了简要的运动分析。 文章的最后，总结了本文设计的人体上肢康复训练机器人的优缺点，并对 进一步工作的方向做了简要的探讨。 关键词：关键词： 康复 上肢 训练 连杆机构 Design of upper limb rehabilitation robot ABSTRACT Rehabilitation Robotics is a covered medical rehabilitation science, new interdis

4、ciplinary research field of mechanical dynamics, computer science and robotics manufacturing simulation technology and other subjects. In Europe and other developed countries, the rehabilitation robot technology has been widely attention of researchers and medical institutions, and made some valuabl

5、e research. But in China, due to the large population, the uneven distribution of medical institutions, the uneven level therapists, rehabilitation medicine career is in its infancy. Therefore, the use of modern medical technology and mechatronics technology, to develop rehabilitation robotics, to s

6、olve practical problems of rehabilitation cause of great significance. With the use of rehabilitation research and robots, may be further substituted traditional treatment, the treatment process to quantify the effect of improving the efficiency and treatment. At the same time, changing the patient

7、to the hospital or clinic for treatment only way to reduce the geographical and space, reduce the cost of treatment. Therefore, the design and use of rehabilitation robots in modern rehabilitation medicine has prospects of rehabilitation. This paper analyzes the present situation of the development

8、of upper limb rehabilitation robot, and discuss methods of rehabilitation medicine theory about rehabilitation training, process, summarize the rehabilitation robot design. As requested, the design of a new type of upper limb rehabilitation robot. The robots use crank rocker mechanism, and according

9、 to the scope of Chinese adult arm movement to determine the size of the institution rehabilitation robot, and to leave some headroom to accommodate patients of different height and rehabilitation training used in different states. Combined with the provisions of the relevant industry, in determinin

10、g the size of the crank rocker mechanism, the use of Matlab / Simulik dimensions of the derived trajectory simulation and static analysis, simulation results show that the chosen size is in line with the human upper limb rehabilitation training. On this basis, the detailed design of the power transm

11、ission part of the device, the last movement of the device is designed for a brief motion analysis. In the end， the paper sums up the advantages and the disadvantages of this design， and make a brief discussion about the further work i11 this field Key words: Rehabilitation Upper-limb Training Linka

12、ge 致致 谢谢 本文是在导师王勇教授的悉心指导下完成的。王老师多次询问研究进程， 并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。王老师严谨求 实的治学态度、一丝不苟的作风、踏踏实实的精神、诲人不倦的品格以及深厚 的学术素养，不仅授我以文，而且教我做人，使我终生受益。在此论文完成之 际，谨向导师王勇教授致以最诚挚的谢意。 同时汤萍、王淮阳等师姐师弟也提出了宝贵的建议和意见，在此一并致以 最诚挚的谢意。 感谢所有给予我支持和帮助的老师、朋友和同学。 感谢对论文进行评审、提出宝贵意见的各位专家。 最后，我要对我的家人表示深深的感谢，感谢他们长期以来的支持和鼓 励，以及他们给予我的无私的爱

13、。感谢我的儿子，在我遇到困难和挫折时，能 用他真挚的笑脸给我无限的鼓励。 黄均安 2013 年 11 月 22 日 目目 录录 第第 1 章章 绪论绪论 1 1.1 引言 1 1.2 脑血管疾病的产生及危害 1 1.3 康复医疗的理论基础和治疗方法 3 1.3.1 理论基础 . 3 1.3.2 治疗方法 . 5 1.4 康复医疗机器人领域的现状 . 6 1.5 本课题研究意义 11 1.6 本课题的研究内容11 1.7 论文的框架 12 1.8 本章小结 12 第第 2 章章 手部康复训练机器人总体方案设手部康复训练机器人总体方案设计计 . 13 2.1 人体上肢结构分析与模型建立 13 2.

14、1.1 人体上肢结构 13 2.1.2 模型建立 . 14 2.2 总体设计方案. 14 第第 3 章章 机器人的结构设计及运动学分析机器人的结构设计及运动学分析. 16 3.1 四杆机构的设计 . 16 3.2 四杆机构的运动轨迹分析 17 3.2.1 数学模型的建立 17 3.2.2 M 函数的编译 18 3.2.3 用 Simulik 建立模型机构. 20 3.2.4 轨迹仿真 21 3.3 手部结构的静力分析 21 3.3.1 曲柄摇杆机构中各杆长度关系. 21 3.3.2 各杆的受力分析及计算 22 3.3.3 静力学分析结果. 23 3.4 丝杠及电机的选择. 24 3.4.1 丝

15、杠电机的选择 24 3.4.2 丝杆的选择 . 24 3.5 本章小结 25 第第 4 章章 传动装置的设计传动装置的设计 . 26 4.1 传动装置的选择及设计 26 4.1.1 常见传动装置的特点 26 4.1.2 传动装置的选择 26 4.2 传动装置的设计计算 26 4.2.1 电机的选择. 26 4.2.2 传动装置的具体设计 . 27 4.2.3 齿轮的设计. 28 4.2.4 轴和联轴器的设计 36 4.3 本章小结 44 第第 5 章章 手部机构的运动分析手部机构的运动分析 45 总结与展望总结与展望 51 参考文献参考文献 52 插图清单插图清单 图 1-1 发病原因 . 2

16、 图 1-2 “手物体手”的系统 7 图 1-3 上举康复器 . 7 图 1-4 脑神经辅助康复机器人 8 图 1-5 脑神经辅助康复改进机器人 . 8 图 1-6 有三个自由度的康复训练机器人 9 图 1-7 镜像运动机器人装置 9 图 1-8 上肢复合运动的康复训练机器人 10 图 1-9 康复机器人使用过程 10 图 1-10 论文框架结构 12 图 2-1 人体上肢骨骼解剖图 13 图 2-2 方案一 14 图 2-3 方案二 15 图 3-1 机构运动简图 16 图 3-2 四杆机构 . 17 图 3-3 Simulik Library Browser 界面. 20 图 3-4 模型

17、机构 . 20 图 3-5 模块参数的修改 21 图 3-6 仿真输出结果 21 图 3-7 各杆的受力分析图 . 22 图 3-8 静力分析结果 24 图 3-9 上肢机构三维图 25 图 4-1 轴 1 的设计 . 37 图 4-2 轴 2 的设计 . 38 图 4-3 轴 3 的设计 . 39 图 4-4 轴 3 所受弯矩和扭矩图 41 图 5-1 曲柄转速为 60r/min 时手柄上一点的位置、速度、加速度与时间的 关系 45 图 5-2 曲柄转速为 60r/min 时手柄上一点的位置、速度、加速度与时间的 关系 46 图 5-3 曲柄转速为 60r/min 时手柄上一点的位置、速度、

18、加速度与时间的 关系 47 图 5-4 曲柄转速为 20r/min 时，改变曲柄运动初始位置后手柄上所测点的 位置、速度、加速度与时间的关系 48 图 5-5 手部机构极限位置 . 48 图 5-6 曲柄的初始运动位置为另一极限位置时所测点的位置、速度、 加速的与时间的关系 49 图 5-7 降低丝杠电机的转速， 保持曲柄运动的初始位置同图 5-5， 转速为 20r/min 时所测点的位置，速度和加速度与时间的关系 50 插表清单插表清单 表 3-1 直流电机参数 . 24 表 4-1 直流电机的参数 . 27 表 4-2 传动装置各轴参数表. 28 表 4-3 斜齿圆柱齿轮参数表. 36 1

19、 第第 1 章章 绪论绪论 1.11.1 引言引言 当神经系统受到伤害，就会导致肢体运动功能产生障碍，而脑血管疾病则 是引起神经系统受到伤害的主要原因1。故本章先对脑血管疾病的病理作简单 介绍，再对康复医疗理论及现有国内外治疗方法作出概述，明确设计康复医疗 机器人的重要性。 1.21.2 脑血管疾病的脑血管疾病的产生及危害产生及危害 脑卒中是一种发病率高、病死率高、致残率高的脑血管疾病，俗称中风， 亦称为脑血管意外 2。它是由各种原因引起脑动脉系统和静脉系统发生病理性 改变造成的一类疾病。近年来，由于诊断技术、抢救技术和治疗技术水平的提 升，以及人类对脑卒中病理机制了解的不断加深，脑卒中的病死

20、率大幅度下降， 但致残率却明显上升，严重影响了人们的生存质量和生命。世界卫生组织 （WHO）将这种病理确定为当今人类的第一杀手。 一旦患了脑卒中， 重者死亡， 轻者半身瘫痪，生活不能自理，给患者的生活、工作、学习带米极大的不便， 也给患者带来了极大的精神痛苦，同时也给患者家人和社会带米负担。据全国 心血管专业委员会的调查， 全国存活的脑卒中患者有70%以上患有不同程度的残 疾，40%重度致残。 脑卒中主要发生在大脑、小脑或脑干的右侧或左侧，可在脑实质内或脑实 质外耳引起语言、运动、认知、感觉及心理障碍。根据脑血管损害性质的不同， 脑卒中常分为缺血性脑卒中和出血性脑卒中两大类 34: (1) 缺

21、血性脑卒中：是指在某支脑动脉内形成血栓或自身异常物质及外来 异物随血流进入颅内，而阻塞了某支脑动脉，从而使相应的脑组织缺血受损而 导致偏瘫。其病因多见于脑动脉硬化或狭窄、血液枯稠、风湿性心脏病等。此 类主要包括脑血栓和脑梗死造成的偏瘫。 (2) 出血性脑卒中：是由于引起的脑组织死亡的相应部分脑血管出血。病 人以头痛，呕吐，偏瘫，昏迷为主要表现，多见于老年人和高血压、突发性疲 劳的病人，以及其他脑动脉硬化，脑血管畸形病人，常见有蛛网膜下腔出血和 偏瘫脑出血偏瘫。 如图1-1，在许多情况下，尤其是缺血性脑血管病的出血的原因可以由各种 原因引起的，这些又是脑血管疾病的患者和中风的另一原因。脑血管疾病

22、是非 常复杂的，脑血管疾病的病变过程是漫长的，由于这些原因，想要彻底治愈是 非常困难的。 脑卒中的发病率在我国约0.7%，地域、年龄、性别上有明显差异，一般北 方发病率高于南方，中老年人相对于青少年易患脑卒中，男性发病率也高于女 性。具体来看，有高血压、高血脂、糖尿病以及心脏病史的人往往是脑卒中的 2 高发人群 5。 高血压 肾损害 年龄增加等 脑血管通透性增加高血压性疾病 脑内小动脉血管坏死 脑底部颅处动脉粥样硬化 脑出血 脑梗塞 一般性脑缺血发作 肾损害脑内小动脉血管坏死脑出血 基础血管病变的进展发病机理 图 1-1 发病原因 当脑实质受到损害，往往会出现偏瘫、失语、身体麻木，语言障碍，运

23、动 不平衡，意识下降等症状。这类症状往往发生突然，随后逐步恢复，但有时会 留下一定程度的运动功能障碍后遗症（Dysmotility sequelae）。运动障碍指 自主运动能力发生障碍，不能完全随意运动，或动作不连贯、不能完成，主要 表现为：运动慢随意运动缓慢；运动难运动启动困难；运动少运 动幅度小，自发运动少。其常见症状主要为抽动、震颤、痉挛、肌肉强直等， 具体表现为以下几个方面 6： (1)对心脏血管的影响 心脏功率下降：由于长期卧床往往会导致心脏功能下降，心脏单次扩展 和收缩时输出血量减少，致使心跳频率增加。有研究表明，当患者卧床时，心 率平均每天增加 0.5 次/分；长期卧床患者心率甚

24、至比正常人高 20-45 次/分， 经过 2 个月左右的连续运动，才能逐步恢复到卧床之前的心率水平。 体位性低血压(Orthostatic hypotension)：当人体的姿势发生改变，即由平 躺变为站立状态时，由于心脏的位置发生变换，血液开始变换，导致人体内的血液开 始重新分布，血管开始收缩，以维持血压的正常。但对于脑卒中患者来说，心血管的 这种适应能力可能会丧失，导致突然站起时血液不能重新分布，血管收缩不及时，往 往会出现血压下降、甚至晕厥等现象，从而发生体位性低血压。 静脉栓塞（Venous thrombosis） ：由于卧床时间较长，患者的血液往往会发生 凝固性和粘稠度增加的现象，长

25、期不活动，上、下肢血流变的缓慢，淤滞，极易形成 3 静脉栓塞。 血容量减少：卧床时间较长也会引起血容量逐渐减少，研究发现，当完全卧床 7 天后，血容量比卧床前降低 15%左右。由于血容量减少、导致血液粘稠度增加，往 往容易再次诱发脑卒中。 (2)对肌肉骨骼的影响 肌肉力下降：研究表明，在完全卧床休息的情况下，肌肉也因不活动而出现萎 缩， 肌肉力量每天将下降 1%左右。 如果时间长达 1-2 个月， 肌肉力量甚至可减少一半， 医学上将此称为废用性萎缩（Disuse atrophy） ，该现象尤其以背部的伸肌和大腿的 股四头肌最为明显。 骨质疏松：由于长期不活动，肌肉力下降，骨骼缺乏肌肉牵拉，支撑

26、体重的力 量会减小，再由于内分泌和代谢的变化，钙从排泄中的量增加从而导致骨质密度产生 疏松。 关节挛缩（Joint contractures） ：如果出现四肢瘫痪后，由于关节长期固定 不动或肢体放置位置不正确，很容易造成痉挛收缩。一般卧床一周后，腹部肌肉开始 出现缩短，而经过一个月，在关节周围的肌肉及软组织发生硬化将会引起关节挛缩， 使活动进一步受限。 (3)对消化系统的影响：由于缺乏运动长期卧床的病人，容易导致食欲不振，肠 道吸收功能障碍，从而出现营养不良低蛋白血症，且常伴有便秘，大便结情节等症状。 (4)对泌尿系统的影响：偏瘫患者卧床不起容易出现尿失禁，泌尿道感染和结石。 细菌在结石的存在

27、下持续生长，繁殖，并减少抗生素的作用。 (5)对呼吸系统的影响：卧床不起的病人，呼吸功能会降低 20左右，而浅呼吸 又会增加单位分钟的呼吸次数来保证呼吸顺利， 致使膜片的运动范围减小， 频率增加， 呼吸道分泌物不易排出。 (6)对精神神经的影响：长期卧床的病人会引起幻觉和定向力障碍，持续卧床几 天就可能会出现注意力下降。此外，焦虑症和抑郁症，也会使耐受性下降，并引发疼 痛，失眠，降低平衡和协调能力等症状。 总之，脑血管疾病后遗症，严重影响患者的身体和生活，不仅给病人带来了巨大 的痛苦，也使得家庭和社会增加了负担。 1.3 1.3 康复医疗的理论基础和治疗方法康复医疗的理论基础和治疗方法 1.3

28、.1 理论基础 多年来，医学界的观点是：由于中枢神经系统（CNS）不能再生，身体机能损伤 后会永久失去中枢神经系统的一部分。但随着脑康复手段的进一步研究和临床进展， 出现了神经损伤患者的康复病例， 因此医学家有了新的见解。 几种典型的假说为： 7 8 1881 年，马克.H 博士提出了替代说(Alternative theory )。博士认为，在一定 4 条件下，未损坏的皮肤能承受功能损伤区的损失。马克.H 博士的假说成为功能重组理 论（Functional reorganization theory）的奠基人。 1884 年，杰克逊医生又提出功能在不同等级上再现的学说。他认为，神经系统被 分

29、为不同的层次，神经系统的功能在不同层次的重放时间，任何一个被损坏的高级部 分，下半部分可以弥补失去的功能。杰克逊医生的这种假说成为神经功能代偿学说 （Neurological compensatory theory）的基础。 十年后，Monakow 博士提出功能于形态联系的假说(Diaschisis theory)。在这 一假设中，脑损伤区域的正常的传入冲动发送给未受损部分，导致未受损部分的部分 也表现出症状，然后慢慢消失。Monakow 博士用这种假说来解释大脑损伤后部分功能 的恢复。 以上这些假说，经过其它学者的不断修正和完善，成为了新的理论学说，即大脑 可塑性学说（Brain plast

30、icity theory） 。该理论被认为是中枢神经系统损伤后，功 能恢复的主要理论。 在 1930 年，贝丝博士第一个提出了中枢神经系统的可塑性（The plasticity of the central nervous system）的概念。他认为，生命体形式适应变化，对发生在身 体与中枢神经系统损伤后功能恢复的现象是未损伤部分结构调整的结果。 1938 年，肯纳德博士和其团队，对功能重组进一步提出了新的理论。他们认为， 成人脑损伤后，结构化的能力和功能进行了重新组织来承担失去功能，该理论被称为 脑的功能重组理论(Reorganization of brain function theor

31、y)。 1969 年，卢里亚博士提出再训练理论（Re-training theory） 。该理论认为，大 脑损伤的剩余部分，通过功能重组，以一种新的方式来完成的已丧失功能，而在这个 过程中，具体的康复训练是必须的。 近年来，医学工作者通过研究前人的基础上，在神经解剖学和生理学上提出了一 些新的理论，常见的理论有： (1)同侧支配学说（Ipsilateral dominant doctrine） 1980 年 Glee 博士根据动物实验和临床观察发现，单侧损伤后人的大脑半球，依 托半球的另一边，仍然可以控制身体的感觉和运动。根据这些现象，偏瘫肢后功能恢 复的理论提出新的机理，即在某些情况下，可能

32、有同侧半球的主导地位。 (2)半球关联学说（Hemisphere associated doctrine） 这一学说认为大脑两侧半球存在着一定的联系。人类大脑半球运动区特定的肢体 运动的代表区域管理的某些部分。有两半球运动区奇偶区（指相同的可支配部分的运 动代表的区域）之间的相互联系。即使一些不寻常的位区域，也有一些接触。此外， 神经纤维投射到侧对侧运动区，或者投射到对侧感觉运动区。这显然有助于损伤统治 的运动重建。一运动功能恢复的损伤后的机制被转移运动为主的区域，受损区域是根 据转移的主导皮质或皮质下区域。 (3)体感反馈学说（Somatosensory feedback theory） 5

33、 对于一些要求较高或需要细调的运动，在这些运动技巧的过程中，有必要对躯体 感觉反馈参与。虽然神经再生，但在大脑皮层表位的感觉区出现明显的异常，从而使 大的肢体动作困难。有研究表明：经过特殊的感觉训练和外周神经损伤的培养将帮助 神经纤维编入大脑对应新的接待区代码，重新配对误差，具有特定的功能。 (4)再生和可塑学说（Regeneration and plasticity theory） 该理论认为大脑损伤以后，运动功能的神经功能恢复可能会出现新生或“萌芽” 。 所谓的“萌芽” ，即从一个神经细胞的细胞体增长或突生长芽。他们也可能是这些神 经元已经发芽现象。 (5)环境和科学的康复计划对神经活动的

34、影响 该学说认为对患者的进行感官刺激，能促进脑皮层神经细胞的功能恢复。建立科 学的康复方案，合理的实施，将会提高中枢神经系统的可塑性，增加神经损伤的修复 速度。 经过近几十年的临床研究和实验，大脑可塑性理论己被绝大多数学者所认可，成 为近 30 年在神经系统疾病康复领域中最重要的研究成果之一。人们逐渐认识到中枢 神经系统具有高度的可塑性，这也成为中枢神经损伤后功能恢复的重要理论依据。目 前，认为与大脑可塑性有关的因素有功能重组和代偿两类，而肢体进行相应的康复训 练，可以导致中枢神经映射( mapping)区域的变化，现已为许多科学研究所证实。 有研究表明，利用特定的培训功能，如机器人辅助康复提

35、供了重要的基础性医疗 技术，可使受损中枢神经系统的功能恢复，在这一过程中是必不可少的。但事实上， 由于瘫痪康复技术本身是复杂的，而传统做法中，常因不当的训练方法会导致痉挛患 者的发生运动功能障碍不可逆。事实上，有些患者只接受简单的康复训练，在家中或 完全依靠自然愈合，其效果更不理想，致使患者错过了康复的最佳时机。 1.3.2 治疗方法 鲍巴斯疗法9 12：治疗师帮助患者控制关节运动或反应的结合部，使患 者学会控制不必要的活动。 布氏疗法 912：由瑞典物理治疗师 Signe Brunnstrom 创立。与鲍巴斯疗 法在理论上正好相反，这种方法主张使用一个共同的运动，以帮助患者控制肢 体的运动，

36、最终实现自我独立运动的目的。 功能性电刺疗法（Functional electrical stimulation therapy）9 12： 上运动神经元病变患者康复中的一种有效疗法。通过肌肉收缩的低频电刺激诱 发，刺激运动或正常自主运动模拟功能，以恢复肌肉的刺激。 强制性使用运动疗法 912：该方法由美国阿拉巴马州大学神经科学研究 人员创立，其核心思想是要求患者佩戴专用器械，达到限制和强制性使用键侧、 患侧的训练目的。 生物反馈疗法9 12：通过特种装置来获得人体生物特征，然后转化为电 信号，以视觉信号或者听觉信号显示出来。该信号用来反映患者不随意的运动 6 或者感觉不到的运动，从而达到控制

37、的目的。一般常用的生物反馈技术包括肌 电生物反馈、脑电生物反馈和力生物反馈。 事实上无论采用哪种方法，在实际操作中都是由医生握住患者的肢体，利 用简单的辅助器械，帮助患者完成各种动作，达到使患者肢体运动的目的，从 而促进损伤肢体逐步康复的目的。长期以来这些方法取得了不错的效果，也是 目前医疗机构常规的治疗手段，但这种治疗方式存在着下列一些问题： 13 (1)由于传统的治疗方式完成的动作比较简单枯燥，患者是被动的运动，不 易引起患者主动性，从而治疗效果不佳； (2)在传统治疗中， 训练的针对性差， 治疗效果的好坏由治疗师的水平决定， 因而训练效率和强度难以保证； (3)患者必须自行前往医院或康复

38、中心，时间、地点收到制约，往往受到当 地治疗条件的限制； (4）治疗过程和治疗效果无法量化，不能用数据进行统计，从而无法对参 数进行优化，对治疗过程及治疗效果不能改进，从另一方面也制约治疗技术的 发展。 综上所述，仅仅依靠传统的治疗手段，往往会限制康复训练的效果，制约 康复技术的改进。通过大最的实践发现，不同的患者有不同的病情，每个人的 训练手段和康复效果不尽相同，因此需要制定具体的训练方式，需要对训练过 程进行监控，并随时反馈、修改治疗手段。此外，对治疗师的技能水平需不断 提高，对训练场地、训练设备的不断维修、保养，对训练过程的参数需要实时 记录，康复效果不断反馈。 随着研究的不断深入，机器

39、人技术在治疗领域逐步应用，开始实现真正具 有治疗和医疗评价的辅助康复机器人。如何运用机器人对患者治疗，实时反馈 治疗情况，已经成为目前的研究热点。 1.41.4 康复医疗机器人领域的康复医疗机器人领域的现状现状 为了提高康复训练的效果，改变传统仅仅依靠治疗师的训练方法，许多康 复医疗机构开始尝试将专用机电设备取代治疗师，引入到康复训练中，陆续研 发了一些训练装置，经过医疗实验，初步取得了一些效果。 Dijkers 博士是最早提出康复训练机器人的，他在 1991 年设计了一种可给 脑卒中患者进行上肢康复训练的机器人， 该机器人不仅可以做简单的往复运动， 还可以根据患者治疗情况进行记录，以便医生根

40、据患者治疗情况的变化，改变 训练方式。 14 1993 年，一种被称作“手物体手”的系统(如图 1-2)被美国医疗 师 Lum P S 等研制出来。该系统只针对一只手功能受损的患者进行康复训练。 两年之后，该团队在此基础之上又研制了一种采用两自由度的连杆结构来实现 7 双手上举的康复器(如图 1-3)。该康复器的动作主要用来实现患者将物体上举 的训练。当患者双手握住手柄进行上举训练时，该机构不仅可测量出被举物体 的垂直高度和倾斜角度等参数，还可在患者手臂力量不够大的时候提供一定的 动力，以保护患者的安全，保证康复训练的有效进行。值得一提的是，该机构 所提供的动力是可以进行调节的，以满足患者在不

41、同阶段的需要，保证康复训 练的有序的进行 15。 图 1-2 “手物体手”的系统 图 1-3 上举康复器 随着计算机技术的广泛应用，麻省理工学院的 Krebs H I 博士和 Hogan N 博士等人在 1995 年开发了一种脑神经辅助康复机器人 16，如图 1-4。该康复 机器人运用五连杆机构，来实现手臂的平面运动。在运动过程中，对位移、运 动速度、手臂的轨迹等参数进行测量，并提供给计算机，最后通过图形图像反 馈给患者。通过患者的使用，对该机器人进行了改进，研发了改进的机器人， 如图 1-5。在临床过程中，共有近 80 位急性期中风轻度偏瘫患者参加了该机器 人的康复训练。在实验过程中，患者被

42、平均分成了 2 个组，其中一个组仅仅接 受传统治疗，另一组则在传统治疗的基础上，接受一定程度的机器人治疗。通 过比较，专家们发现，运用机器人治疗的患者康复效果比仅接受传统治疗的效 果更好，患者恢复的更快、更理想。通过临床实验，表明机器人技术、计算机 技术、自动化技术与神经科学相结合，可以对医疗技术的发展产生促进作用。 8 图 1-4 脑神经辅助康复机器人 图 1-5 脑神经辅助康复改进机器人 1999 年，Johnson MJ 等采取强制性治疗的方法，设计出一种只有一个自由 度机构17。该机构以汽车驾驶模拟为主，通过显示器提高模拟的路况信息，用 电机来控制操作。由于其工作类似于游戏，极大地提高

43、了患者训练的主动性， 起到了良好的治疗效果。 同年，Rsinkensmeyer 博士采用一种转角可调，以直线往复运动为主的设 备 18，该设备可以对患者上肢的活动距离进行测量，并可检测出在运动过程中 肌肉由于空间变化中所引起的体积改变。在康复训练过程中，患者上肢由手柄 来支撑， 并随着手柄沿着导轨的移动而运动。 通过临床试验， Rsinkensmeyer 博 9 士发现通过使用该设备，脑损伤偏瘫半年以上的患者经过针对性的锻炼，患者 上肢的活动范围和活动速度得到了显著的提高。次年，Rsinkensmeyer 博士等 人又研发了一种用单片机驱动的有三个自由度的装置(如图 1-6 所示)。相比之 前

44、的设备，该装置不仅可以对俯仰角进行调整，还可以在水平面内的偏斜角进 行调整，同时利用传感器对患者所使用的力的大小进行测量。改进的装置经过 临床试验，患者的运动范围获得了扩大，速度得以提高，但肌肉所需的力量是 下降的。 图 1-6 有三个自由度的康复训练机器人 2000 年，镜像运动机器人装置（如图 1-7 所示）被斯坦福大学的 Burgar C G 博士研制出来19 。利用该设备，患者可以自行控制运动速度和活动范围，并 有 12 种不同轨迹可以选择以适应患者不同治疗情况的需要。 对运动员上肢损伤 部位的康复训练发现，相对于传统治疗方式，运动员的前臂的运动可通过设备 镜像到损伤部位，且前臂的两侧

45、都可以做镜像运动，有效地扩大了运动范围， 提高了运动力量。 图 1-7 镜像运动机器人装置 美国西北大学芝加哥康复研究所在辅助上肢康复的研究中已开发出小型运 10 动机器人与研究神经系统交互作用的实验机构20。这种机器人与神经混合的系 统为发展神经康复提供了测试和研究的平台，可以对人的运动学习行为和神经 的可塑性进行测试。研究人员在扰动力场的实验设计方面做了非常深入和细致 的研究，其对辅助力场的研究很有特色。 在我国，由于人口众多，医疗事业地区发展不平衡，医患矛盾日益严峻， 虽然医疗康复事业得到普遍重视，但相对于发达国家，我国的医疗事业仍处于 发展初期。虽然从国外引进不少康复设备，但这些设备价

46、格昂贵，维护、保养 费用较高。通过借鉴，我国也开发出许多康复训练设备，机器人技术和机电控 制技术正逐步应用在这一领域，但就整体而言，智能化较低，大部分设备只是 简单康复训练器械。在我国“863”计划的下，清华大学从 2002 年起就开始了 利用机器人来辅助康复治疗的研究工作 21。该项目研制的用于偏瘫患者上肢 复合运动的康复训练机器人（如图 1-8），就是采用了一套曲柄摇杆机构，实 现主动与被动、主抗与助力等不同形式的运动形式，如图 1-9 所示。 图 1-8 上肢复合运动的康复训练机器人 图 1-9 康复机器人使用过程 11 1.5 1.5 本本课题课题研究意义研究意义 我国是一个人口众多，

47、 医疗事业水平相对欠发达， 且医疗机构分布不均衡， 治疗师水平有待提高的国家。因此，运用现代医学技术和机电技术相结合，大 力发展康复机器人技术，对解决我国康复事业的实际问题有着重要的意义。随 着康复机器人的研究和使用，可以进一步取代传统的治疗手段，对治疗过程进 行量化，提高治疗的效果和效率。同时，改变患者只能去医院或者诊所治疗的 方式，减少地域和空间的限制，降低治疗的成本。因此，康复机器人的设计和 使用，在现代康复医学上有着康复的应用前景。 1.6 1.6 本课题的研究内容本课题的研究内容 目前康复机器人偏瘫治疗的研究仍处于起步阶段， 临床应用依旧任重道远。 应用与偏瘫康复的机器人还在如下问题

48、： (1)制造成本高，很难将研究成果推广普及，所以只能屈居实验室； (2)上述设备多为专用机器人，功能单一，患者训练动作种类相对较少且 仅限于重复某些简单或单一的动作； （3）患者肢体的活动范围主要限于训练身体正前方，运动幅度比较小，不 能作大范围活动，不能够充分提供中枢神经康复所需的运动刺激，无法批量生 产； (4)其机器人系统比较复杂，技术的升级更新比较困难； (5)针对人体上肢运动功能障碍进行康复治疗的机器人较少。 本课题的主要研究内容： （1）人体上肢运动的研究； （2）上肢康复训练机器人的结构设计； （3）上肢康复训练机器人的传动装置设计； （4）机构的运动分析。 通过对本课题的研究

49、、设计出的康复机器人的构造简单，可适应患者在不同康 复情况下的运动速度、运动状态，工作安全可靠，不会对患者康复产生影响， 而且大大提高了康复效率，减少治疗师的工作量，此外应使得成本降低，使该 产品能够广泛地被康复机构、患者家庭所使用，缩短国内制造业与国外先进水 平的差距,有利于国内制造业广泛参与全球竞争。 12 1.7 1.7 论文的框架论文的框架 选题依据与研究内容的确定 康复机器人的总体方案设计 机器人的结构设计及运动学分析 传动装置的设计 手部机构的运动分析 结论 图 1-10 论文框架结构 1.1.8 8 本章小结本章小结 本章通过分析上肢功能障碍产生的原因、各类康复理疗和治疗方法的比 较，并对比国内、外现有的康复机器人系统的优缺点，提出了设计上肢康复机 器人的重要性，并明确本课题的研究意义和研究内容。 13 第第 2 章章 手部康复训练机器人总体方案设计手部康复训练机器人总体方案设计 本章将在人体上肢结构分析的基础上，建立上肢机构的模型，提出开发一种 新型手部康复训练机器人的总体设计的两种方案，并对比两种方案的优缺点， 选择较合理的方案作为本设计的具体方案。 2