手康复机设计论文图文Word下载.docx

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目前，康复机器人已经广泛地应用到康复护理、假肢和康复治疗等方面，这不仅促进了康复医学的发展,也带动了相关领域的新技术和新理论的发展。

康复机器人是工业机器人和医用机器人的结合。

20世纪80年代是康复机器人研究的起步阶段,美国、英国和加拿大在康复机器人方面的研究处于世界的领先地位。

1990年以前全球的56个研究中心分布在5个工业区内：

北美、英联邦、加拿大、欧洲大陆和斯堪的纳维亚半岛及日本。

1990年以后康复机器人的研究进入到全面发展时期。

目前,康复机器人的研究主要集中在康复机械手、医院机器人系统、智能轮椅、假肢和康复治疗机器人等几个方面。

相信随着科学技术的发展，康复设备的研究定会更加深入，得到的关注也会越来越多。

Handy1康复机器人是目前世界上最成功的一种低价的康复机器人系统，现在有100多名严重残疾的人经常在使用它。

在许多发达国家都有人采用了这种机器人。

Handy1的简单性以及多功能性提高了它对所有残疾人群体以及护理人员的吸引。

该系统为有特殊要求的人们提供了较大的自主性，使他们增加了融入到正常环境中的机会

1上肢康复机的简介

1.1背景及意义

近年来，随着机器人技术和康复医学的发展，在欧洲、美国和日本等国家，医疗康复机器人的市场占有率呈逐年上升的趋势，在美国数以百万计的有神经科疾病病史和受过意外伤害的患者需要精心康复治疗，仅以中风为例，每年大约有600000中风幸存者，其中的200000病人在中风后存在长期的运动障碍。

我国和世界上许多国家一样，正在步入老龄化，在老龄人群中有大量的脑血管疾病或神经系统疾病患者，这类患者对数伴有偏瘫症状。

我国又是中风病的高发地区之一，中风患病率在每10万人口中约550例，以总人口12亿计算，则中风病人约有660万，在幸存者中约70%-80%的病人留有不同程度的残疾[1-2]。

此外，随着社会及城市建设的发展，交通事故、斗殴及建筑工地事故等导致的脑外伤日趋增多，成为肢体瘫痪的另一常见原因。

文献报道，车祸致颅脑外伤占同期各种颅脑外伤人数的43.4%，车祸伤较突然，患者常缺乏设备，容易加重颅脑外伤。

对于中风和脑外伤患者，尽早介入康复训练不仅能够维持关节活动度，防止关节挛缩，而且能够明显提高患者活动功能的最终康复程度。

传统的康复治疗中，治疗师手把手地对患者进行一对一的康复训练，使得训练效率和训练强度难以保证，训练效果受治疗师水平影响，而且缺乏评价训练参数和康复效果关系的客观数据，难以对训练参数进行优化以获得最佳治疗方案。

为提高康复训练效率，减轻家庭和社会的经济负担，本课题将机器人技术应用于患者的手部运动功能康复，研制一种柔顺舒适、可穿戴的手功能康复机器人，辅助患者完成手部运动功能的重复训练，其轻便经济、穿卸方便，尤其适于家庭使用，既可为患者提高有效的康复训练，又不增加临床医疗人员的负担和卫生保健成本。

我们一般见到的上肢康复机都是针对于肩部、肘部的，而这里本课题研究的上肢康复机是针对于手部的，更具有针对性，也必将有得到患者的称赞。

1.2研究现状

康复器械的最终目标是恢复人体肌体组织的运动机能，实现肌体组织的自然化动作。

第一次尝试将为残疾人服务的机器人系统产品化是在20世纪的60年代到70年代，但实践证明这些尝试都失败了，主要原因在于单价太高而导致康复机器人产品化失败。

20世纪80年代是康复机器人研究的起步阶段，美国、英国和加拿大在康复机器人方面的研究处于世界领先地位[3]。

1990年以前全球的56个研究中心分布在5个工业区内：

作为上肢康复机器人研究的起点，加利福尼亚大学的lure在1993年设计了名为手一物体一手的康复装置（图1-1a）。

该装置从人类日常生活中对双手协调性工作的需要出发，以简单的双手移动和挤压物体训练双手协调性。

2年后，lure又设计出另一套训练双手上举协调性的装置（图1-2b），并在装置上绑上装满咖啡的杯子，依靠装置为患手提供力辅助而成功完成上举的实验来证明了该装置的可行性。

这两个装置结构功能都比较简单，由于实验是由正常人完成的，因此未作出对肌肉运动功能的评价。

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图1-1Lure的康复装置

Figure1-1Lurerehabilitationunit

麻省理工学院从1995年开始研制一种被称为MIT—Marius的康复机器人（如图1-2。

该机器人采用连杆机构，患者握住机构末端的手柄完成平面内的运动训练。

计算机为患者提供视觉反馈。

该装置的主要特点是具有反向可驱动性，也就是采用阻抗控制技术实现末端点平滑和柔顺，遵从患者运动产生平滑快速运动[5]。

患者进行圆或直线路径的平面运动训练后，利用临床评价方法及采集到的运动学参数进行评价，发现机器人训练对肌肉群的恢复有十分有效。

另一方面，在研究人员记录下，患者训练前后的动作完成过程中运动学参数，如轨迹、速度等等，通过实验发现，传统的方法在实验前后的评价值不变，而实际上患者肌肉功能已经有了比较明显的改善，由此证明了医学临床评价的粗糙。

图1-2机器人系统MIT-MANUS

Figure1-2RobotsystemMIT-MANUS

2000年，lum与斯坦福大学合作开发了名为MIME的系列康复机器人。

该系列机器人分为3代。

第1代完成两个自由度的单关节运动，包括肘部弯曲／伸展，前臂的旋前／旋后；

第2代能够实现前臂的平面运动；

第3代能够实现前臂的三维空间运动（如图1-3所示。

第2代和第3代的显著特点是在Puma系列机器人的带动下，不但能够完成单侧训练而且能够完成镜像运动。

人体上肢由两个支撑架支撑，提供上肢运动的Puma机器人连接在患侧支撑架上，当健侧实现某二维或三维动作时，负责监测的传感器和光电编码器记录运动，并将数据传送给Puma机器人，带动患侧实现对健侧运动的复制。

训练疗程前后采用传统的I临床方法对患者进行评价，并对比证实了该装置康复训练对肌肉运动功能的恢复[12-14]。

图1-3MIME机器人

Figure1-3MIMErobot

1999年CozensJAlastair设计了一套康复装置（如图1-4所示，该装置跟随支撑臂前方的闪烁灯执行10度～80度的肘部屈／伸运动。

系统获取电子量角器、加速度计的反馈，根据控制法则对支撑臂上的患肢运动进行外力辅助或干扰，最后依据试验结果，给出训练方式的效果比较。

图1-4肘部康复装置

Figure1-4Elbowrehabilitationdevice

2000年芝加哥大学研制了一种ARMGuide训练装置，如图1-5所示。

该装置具有3个自由度，通过手动调节其中2个自由度Yaw和Pitch使患者完成不同直线轨迹的Reach训练。

训练过程中患者手臂绑在夹板上，沿直线轨道练习5个目标点的Reach运动，并利用传感器测量患者前臂施力大小。

训练疗程完成后，使患者完成日常生活动作，对比所记录的轨迹范围、直线度、平滑度，并利用未训练过的点来检验未训练区域的运动恢复，该训练装置的设计思路与机构决定了其训练方式的单一性，因此很难进行训练方式的扩展及深入研究[7-8]。

图1-5ARMGuide训练装置

Figure1-5ARMguidetrainingdevices

由瑞士苏黎世大学研究的ARMin康复机器人具有低惯量、低摩擦、可反向驱动的特性哺J。

该装置具有6个自由度（4个主动，2个被动及4种运动模式，其中预定轨迹模式为医生指导患者手臂运动，并记录下轨迹，其后由机器人以不同速度对该轨迹进行重复；

预定义治疗模式是在预定的几种标准治疗练习中进行选择训练；

在点到达模式中，预定到达点通过图像显示给患者，由机器人对患者肢体进行支撑和引导完成训练；

患者引导力支持模式中，运动轨迹由患者确定，利用测得的位置、速度信息通过系统的机械模型来预测所需力与力矩的大小，并通过一个可调辅助因子来提供一部分力和力矩。

该装置目前仍然在研究中，利用健康人作了一些机构的可行性实验，还未提出任何评价方法。

远程康复医疗训练机器人系统:

中风和上肢损伤等需要进行康复医疗训练的患者逐渐增多，但由于受到各种因素的制约，他们不可能在医院长期接受康复治疗。

因此，出院后在家庭或社区医疗中心进行康复锻炼是一种有效的好方法，计算机网络为远程康复训练提供了一个良好的平台。

与传统的康复训练机器人系统相比，远程康复机器人系统无论对患者和治疗师都更为经济便利。

图1-6远程康复训练监控结构图

Figure1-6Structurediagramofmonitoring

2005年，斯坦福大学和芝加哥康复研究所联合研制了一种便携式家用远程康复系统，这是一种主从式的遥操作系统，由主手、从手以及各自的控制器组成，从手引导患者进行康复运动并检测和记录运动信息，主手作为医生提供控制和监控的交换设备，通过网络发送命令并接受从手的运动信息，实现了中风患者肘部的康复训练，该系统可以传输治疗师指令及相关信息，治疗师可以检测患者并监控训练过程。

基于虚拟环境的康复医疗训练机器人系统:

为了鼓励患者进行康复训练，提高康复训练的效果，在训练过程中吸引患者的兴趣是一个主要方面[15]。

虚拟环境技术的发展使这种思想得以实现，研究者们采用基于虚拟环境的用户界面，通过一些小游戏鼓励患者进行主动训练。

基于虚拟环境的康复训练通常与网络相结合，因此，不仅具有远程康复机器人系统的优点，还提高了患者进行康复训练的能动性。

Rutgers大学和Stanford医学院在基于虚拟环境的远程康复机器人系统方面做了大量的工作。

2000年，Rutgers和stanford医学院研制了一套家用康复医疗机器人系统，由一个带有图形加速器的Pc机、一个追踪器和一个多功能触觉控制界面组成，利用WordT00lKit软件构建了虚拟环境并进行虚拟康复路径规划，远程计算机通过Internet连接，治疗师可以在门诊进行远程监控，主要用于患者手、肘、膝和踝关节的康复训练[16]。

2001年，DavidJack等设计实现了一套基于PC的虚拟现实增强系统，利用CyberGlove和RutgersMasterII—ND力反馈手套作为输入设备，实现用户和虚拟环境的交互，并设计了任务级别的操作，以增强患者进行康复训练的主动性，实现中风患者手部功能恢复的康复训练[9]。

J．Tang等利用T00lCommandLanguage/T001kit构建了三维图形界面，将视觉反馈与触觉反馈相结合，通过网络实现了带有力反馈的协作任务。

患者通过InMotion2对虚拟物体施加一定大小的力，虚拟物体因此产生交互作用力，并通过触觉设备作用于患肢。

Wisconsin医学院和Marquette设计了康复训练机器人系统TheraDriVe，主要由3个商用的力反馈操纵轮和驱动软件Smar