面向人体颈部医疗康复的软体机器人设计与制造.docx

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面向人体颈部医疗康复的软体机器人设计与制造

摘要

软体机器人是一种新型的机器人，是根据自然软体生物可以在一定限度内自然变化形态的现象，采用柔性材料制作的。

软体机器人的形态结构相对简单，具有更高的功率重量比，能够产生主被动变形适应更加复杂的环境，抵御较强的冲击，在一定程度上弥补了刚性机器人的不足，在医疗康复、工业机械手、救灾救援和勘探勘测等领域具有非常广阔的应用前景，逐渐成为机器人研究的热门方向。

目前软体机器人的研究仍处于起步阶段，在材料选择、结构设计与制造、运动学和动力学建模、驱动控制等方面仍有诸多难题亟待解决，通常采用形状记忆合金、化学驱动、气压驱动等驱动方式将其他形式能转化为机械能的方法。

所以说开展相关研究具有重要意义。

而颈椎病被医学界公认为是威胁人类健康的三大疾病之一，脊椎受损（SCI）是由于创伤性的运动导致神经和脊髓血管机构的变形。

除了突发SCI案例，临床观察表明，人不可再生软组织的生理变化导致神经结构（脊髓，髓椎和髓根）空间减少，这种影响被脊椎滑动由于脊椎方面脆弱，韧带骨化，椎关节融合等因素放大，如骨质疏松症。

脊椎生物结构的不同组成部分包括脊柱和椎骨，，此类患者的康复的需求在社会引起了极大关注。

为解决现阶段颈部康复机器人研究成果中存在的一些问题，例如结构很复杂、不便携、存在安全隐患等，本论文设计了一套面向人体颈部康复的软体机器人，用于辅助颈椎病患者在康复初期进行颈部的屈伸运动康复训练。

该系统操作简单、质轻、便携，且消除了潜在的安全隐患。

系统包括软体致动器、微型气泵和电磁阀组及多个控制器。

本系统采用气动致动器驱动，软体执行器是一种柔软的、内部有气腔的半圆柱形和长方形硅胶条，内部充入空气后可实现单向的弯曲伸展和单向的轴向伸展。

软体致动器设计的好坏直接影响系统的性能。

在控制系统设计过程中，首先进行了气泵和电磁阀的选型，然后通过气路分流方案实现了单气泵对多个软体执行器的驱动，大大降低了系统的成本与重量。

为了后期能实现系统精确控制，搭建了实验平台测量致动器进气量与弯曲角度和伸长量间的关系。

软体机器人是机器人领域中的新的方向，本次毕业设计研究具有创造性地将软体机器人的研究思想应用到了康复医学领域，利用柔性材料自身的特性达到了传统机械结构达不到的效果，令系统整体质量及成本大大降低，且消除了潜在的安全隐患，更适合在康复领域应用。

关键词：

软体机器人颈部康复气动致动器

Abstract

Softwarerobotisanewtypeofrobot,whichisbasedonthephenomenonthatnaturalsoftorganismscannaturallychangeshapewithinacertainlimit,usingflexiblematerials.Therobotrobot'smorphologicalstructureisrelativelysimple,hasahigherpower-to-weightratio,canproduceactiveandpassivedeformationtoadapttoamorecomplexenvironment,resiststrongimpact,toacertainextent,makeupforthedeficienciesofrigidrobots,inmedicalrehabilitation,industrialroboticsDisasterrecovery,explorationandexplorationandotherfieldshaveverybroadapplicationprospectsandhavegraduallybecomeahottopicinrobotresearch.Atpresent,theresearchofsoftwarerobotisstillinitsinfancy.Therearestillmanyproblemstobesolvedinmaterialselection,structuraldesignandmanufacturing,kinematicsanddynamicsmodeling,anddrivecontrol.Usually,shapememoryalloys,chemicaldrives,pneumaticdrives,etc.areused.Thedrivemethodwillconvertotherformsintomechanicalenergy.Therefore,itisofgreatsignificancetocarryoutrelevantresearch.

Cervicalspondylosisisrecognizedbythemedicalcommunityasoneofthethreemajordiseasesthatthreatenhumanhealth.SCIiscausedbytraumaticexercisethatcausesdeformationofthenerveandspinalvascularstructures.InadditiontothesuddenSCIcases,clinicalobservationshaveshownthatphysiologicalchangesinhumannon-reproduciblesofttissueresultindecreasedspaceintheneuralstructures（spinal,spinal,andmedullary）.Thiseffectiscausedbythespineslidingduetofragilespine,ligamentossification,andvertebralfusion.Suchfactorsasamplification,suchasosteoporosis.Thedifferentcomponentsofthestructureofthespineincludethespineandvertebrae,andtheneedforrehabilitationofsuchpatientshasattractedconsiderableattentioninsociety.Inordertosolvesomeproblemsexistingintheresearchresultsofneckrehabilitationrobotsinthecurrentstage,forexample,thestructureiscomplex,notportable,andtherearehiddensafetyproblems,thispaperdesignsasetofsoftbodyrobotsforhumanneckrehabilitationtoassistpatientswithcervicalspondylosis.Intheearlystageofrehabilitation,neckflexionandextensionexerciseswereperformed.Thesystemissimple,lightweight,portable,andeliminatespotentialsafetyhazards.Thesystemincludesasoftwareactuator,aminiatureairpumpandasolenoidvalvesetandapluralityofcontrollers.

Thesystemisdrivenbyapneumaticactuator.Thesoftactuatorisasoft,semi-cylindricalandrectangularsiliconestripwithanaircavityinside.Theinsideisfilledwithairanditcanrealizeone-waybendingandone-wayaxialstretching..Softwareactuatordesigndirectlyaffectstheperformanceofthesystem.Inthedesignprocessofthecontrolsystem,theselectionoftheairpumpandthesolenoidvalvewasfirstcarriedout,andthenthesingleairpumpwasdrivenbythemultipleairactuatorsthroughtheairwaydiversionscheme,whichgreatlyreducedthecostandweightofthesystem.Inordertoachieveaccuratecontrolofthesystematalaterstage,anexperimentalplatformwassetuptomeasuretherelationshipbetweentheintakeairamountandthebendingangleandelongationoftheactuator.Softwarerobotisanewdirectioninthefieldofrobotics.Thisgraduateddesignresearchhascreativelyappliedtheresearchthinkingofsoftwarerobotstothefieldofrehabilitationmedicine,usingthecharacteristicsofflexiblematerialstoachievetheeffectsthatcannotbeachievedbytraditionalmechanicalstructures.Theoverallqualityandcostaregreatlyreduced,andpotentialsafetyhazardsareeliminated,whichismoresuitableforapplicationinthefieldofrehabilitation.

Keywords:

softbodyrobot,neckrehabilitation,pneumaticactuator

第一章绪论

第1.1节研究背景

第1.1.1节人体颈部主要疾病介绍

在科技日益进步的今天，人们的生活方式也发生了改变，虽然生活变得越来越好，但是疾病的隐患也逐步增加。

近些年来颈部疾病主要是颈椎病的发病率激增，成为了一种普遍常见的病。

据我国权威机构发布的数据显示，我国60%以上的人患有颈椎病。

就目前的情况来说，每年患有颈椎病的人以100万的速度增加并且患病年龄由55岁提前到25岁[1]。

但是在生活中大多数的人认为颈椎病没有什么危害，所以大多被人们忽视，但是颈椎病的危害很大，首先颈椎病严重的患者会出现酸疼主要表现在头颈肩部或者手臂，感受到脖子生硬活动受限；其次颈椎病就会延伸到患者的交感神经，通常在这个时候患者就会出现头晕、视力模糊、耳鸣、平衡不好掌握等症状；最后颈椎病可能会导致下肢无力、麻痹等症状，综上所述颈椎病的严重后果是值得我们重视的。

颈椎病通常可以分为颈型颈椎病、椎动脉型颈椎病和脊髓型颈椎病等。

颈型颈椎病是由于长时间工作等头一直前屈使颈椎间盘前方受压造成的；椎动脉型颈椎病通常是因为睡觉姿势等原因使头颈肩部测屈使颈椎间盘侧方受到挤压形成的；最后的脊髓型颈椎病是由于椎体后缘骨质增生使得椎管狭窄，脊髓受损造成的。

颈椎病患者的康复需求对于现在的市场和技术是一项巨大的挑战。

尽管传统的颈部治疗方法例如按摩、理疗和针灸等，可以帮助患者减少一些颈部的症状或者具有一定的治疗效果，但是这些方法都主要依赖颈部治疗师的经验，并且基本都是一对一或多对一型的辅助治疗格式，这样的治疗方法会耗费大量的人力和金钱，会给家庭造成沉重的经济负担。

大多数的科学研究表明，颈部康复运动的治疗方法可以使颈部肌肉缓解，加速促进颈部血液的循环，促进水肿的吸收和整复错位最终达到一定的治疗效果。

因此研究颈部康复对于我们来说有着重大的意义。

随着机电一体化和机器人方面的发展，颈部康复的仪器已经从早期的固定式颈椎牵引器演变到了可移动便携式的颈部康复仪器，并且由当初的刚性机械结构进化为柔性牵引。

现在已经出现了许多康复机器人，并且总体来说出现很多优秀成果，但是通常的康复仪器的运动轨迹是固定的，因此我们设想了一种能够贴近人体柔软的机器人，甚至可以在远处控制。

本文探讨的颈部康复柔性机器人是一种新型的机器人，也是一种新思路，如果得以实现加上优化，我相信将会对颈部疾病患者带来福音。

相较传统的许多颈部康复方式有更多优势，希望本课题能够对医疗方面的康复有所帮助。

第1.1.2节人体颈部疾病的治疗现状

颈椎病是指在颈椎盘间发生了变化，使得颈椎骨质增生或者其他椎部方面的异常从而压迫了颈部的血管、神经和脊髓等产生的一系列症状。

病因大多是睡眠姿势不良、过度疲劳、工作生活中的不良姿势和某些激烈的运动等，所以如今已经成为了一种普遍的病。

在医学方面普遍认为是损伤等导致脊柱部位静力学不平衡出现了压迫或化学刺激而引发颈椎病。

颈椎的主要功能是承载头颅重量和维持头颅的平衡，完成各种活动，但是颈椎病导致了许多颈椎侧屈、椎前屈后伸和旋转的活动障碍。

目前为止，牵引疗法简便安全，能够有效地缓解或者解除症状，所以也就是现在治疗颈椎病的主要疗法【2】。

在国内外的研究下，颈椎病的治疗方法有很多也各具优势。

颈椎病的治疗方式也分为针灸治疗、运动治疗和药物治疗。

传统方式的治疗方法可以分为以上三类，但是随着近些年的技术发展，颈椎病的治疗方式也变得越来越多样化。

也出现了更多的颈部康复仪器。

也是针对颈部康复的物理疗法，也是鉴于物理疗法的优点。

例如气动的颈部康复仪，这种仪器通过中间的气腔充气，达到抬升颈部的动作。

相比传统的刚性牵引器，能够适应患者的治疗体验。

第1.2节面向人体颈部治疗的软体康复机器人

第1.2.1节软体康复机器人介绍

康复机器人作为医疗方面的一个重要分支，康复机器人的研究也涉及康复方面的医学、生物力学、机械学、材料学、计算机方面科学以及机器人学等诸多领域，已经成为了机器人领域的一个热门的研究方向。

目前为止康复机器人已经广泛地应用到了关于康复方面的护理、假肢和治疗等方面，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。

康复机器人的领域上我国国内的研究起步较晚，但是近些年的康复需求正在逐步增加，所以有越来越多的科研或者医疗器械投入到了康复机器人中。

软体康复机器人是在康复机器人的基础上进一步研究，将更多的刚性康复仪器变为柔性机器人【3】。

但是软体机器人的研究仍然处于起步阶段，材料的选择需要更多的研究，当然更为重要的难题是软体机器人的集成度比较低，其中的控制系统和执行器的研究是最为重要的两个重点。

传统的仿生机器人采用的都是刚性的部件，所以在模仿柔软机器人的时候并没有体现出应具有的柔软性，而软体康复机器人是采用柔性材料制作，具有很好的柔软特性，并且可以自由地改变自身的形态，在进行康复运动的时候能够更好地适应人性需求。

到目前为止，软体康复机器人的研究大概有心脏包裹器【4】，如图1-1是一种包裹在心脏外面的硅胶套。

其内层是用可以收缩的同心环而外层是使用螺旋的方式进行收缩，其中一共有14个气动装置可以通过充气来分别控制，然后利用其不同的收缩类型来模仿心脏的律动。

如图1-2是麻省理工学院机械工程系的赵选贺研发的温和抓取器【5】，使用水凝胶制成的中空的连续立方体，通过水泵将水注入特定的部分完成有节奏的收缩，可以用来在外科手术中进行抓取。

图1-1图1-2

第1.2.2节颈部治疗的软体康复机器人介绍

软体康复机器人的研究仍然处于初步阶段，运用到颈部治疗的软体康复机器人所以少之又少。

在目前颈部康复的仪器大多还是刚性的牵引器。

如图1-3龙抬头是采用刚性材料拉伸颈部，在一定程度上治疗颈部。

但是由于运动的位置比较固定，牵引拉伸的力量不容易控制而刚性仪器可能会导致颈部拉伤等不适。

如图1-4是一种充气式的颈部康复仪器，这种仪器避免了刚性的问题，但是这种整体充气抬升拉伸的方式对颈部康复的影响并不完全对，因为只要拉伸了脖子的上端部位，而且是整体的抬升不能使用于所有的颈部患者的治疗。

正常都需要看情况使颈部前倾一定的角度。

那样才能扩大颈椎之间的间隙，促进血液的循环和修复。

图1-3图1-4

当然现在市面上也出现了一些U形枕，通常直接直接穿戴式来起到颈部的拉伸，但是作用很小。

本文提出的面向颈部医疗康复的软体机器人是一种采取气动致动器构成的康复机器人，因为增加了致动器的个数，不同位置的布局使得在充气的时候能够让颈部康复机器人产生特定的抬升弯曲，适应性更强。

第1.3节本文研究的目的及意义

传统的刚性颈部康复治疗机器人采用硬质的材料制造，自由度十分有限，所以无法像柔性康复机器人达到一种连续性的康复运动动作。

而且刚性仪器所占的空间比较大，无法在狭小的空间产生需要的运动，所以说传统的颈部康复仪器在灵活性方面和安全性还有很大的提升空间。

但是研究软体颈部康复机器人采用硅胶、记忆合金等材料制造，应变能力可以大大增加。

灵活性也可以得到提升，对于患者的康复也更加安全。

第二章颈部软体康复机器人研究现状综述

第2.1节软体康复机器人研究现状综述

在软体康复机器人的研究逐步兴起，国内外的研究也在不断深入。

近几十年的时间里面，很多科学家和学者都投入到软体机器人的研究中来，国家现在也在不断地提供帮助，毕竟是一项前景可观的领域。

但是由于软体机器人的起步比较晚，所以这项研究仍然处于起步阶段，在实际生活中的运动还不能够达到人人都可用的时候。

作为仿生机器人的研究后续，软体机器人具有更高的灵活性和安全性，但是比起刚性仪器缺少了一部分的精确性，因为运动轨迹的控制并不能十分准确，而且会受到外界的影响较大。

本节将讲述软体康复机器人的研究现状。

不得不说的是哈佛大学在2014年研究出一种爬行机器人【6】，如图2-1，是由硅胶制成，内置驱动器，因为比较灵活所以可以通过各种狭小的通道并且可以承受较大的外界影响。

有了软体机器人的研究发现后，哈佛大学又将研究拓展到了康复的领域，在2014年又制造出手部辅助运动机器人【7】，如图2-2，所以说这是一款较早的康复软体机器人了，这种机器人采用气动方式，来帮助手部肌肉无力或者力气较小的患者康复使用，也适用于中风患者的手部康复。

图2-1图2-2

比较前一种康复机器人，哈佛大学的ConnorWalsh【8】研究出一种下肢康复软体机器人，如图2-3，是采用“电机+线驱”的方式来驱动的，装置的原理是加载一个类似自行车刹车线做成的的滑轮装置将线的一端连在小腿绷带上，而另一端连在患者背后的电机上。

当患者向前行走时，线会产生收缩从而帮助使用者进行抬腿动作。

图2-3

关于康复机器人的还有一个是来自于GunjanAgarwal脊椎康复机器人【9】的研究，如图2-4。

图2-4

（a）包括由椎骨，椎间盘，脊髓和其他组件组成的腰椎单位的人体脊柱表示。

（b）用真空驱动的软气动执行器（V-SPA）模块表示脊柱单元。

（c）单个V-SPA模块的数值模拟结果。

（d）具有固定端的加压V-SPA模块组件的模拟结果。

（e）V-SPA组件经历自由弯曲位移。

（f）在机器人组装的帮助下复制和协助脊柱运动的示意图。

第2.2节颈部软体康复机器人研究现状综述

关于颈部软体康复机器人的研究，在国内外暂时并没有新型机器人的出现，也可能是因为颈部康复的仪器已经出现了更多的化学疗法，物理疗法的仪器已经出现在了人们的视野中，并没有更多深入的投入。

目前为止国内外颈部康复仪器种类还是许多颈部靠枕、颈部按摩仪和颈部治疗仪等。

就目前的情况来说，虽然可以满足许多种康复运动的需要，但是许多仪器远远超出了患者所需的功能，使得价格昂贵，然而像靠枕等简单的颈部康复软体机器人作用过于单一，使得没有办法完全得到康复或者是作用很小。

所以综上所述，目前颈部康复机器人存在便携不够、价格昂贵结构复杂、甚至有安全隐患等问题，为了解决这些问题，本文尝试提出了一种质量轻、便携、安全并且操作容易的面向颈部康复的软体机器人。

第三章颈部康复机器人的设计与制造

第3.1节颈部康复机器人的设计

第3.1.1节颈部康复机器人尺寸设计

在进行颈部康复软体机器人的设计的时候，首先需要确定颈部康复机器人各个部分的尺寸，然后按照尺寸建模，再设计机器人。

颈部康复机器人的尺寸设计按照人体颈部的普遍尺寸来对应，来保证穿戴康复机器人的时候的舒适性。

根据成年人标准身材的对照表，成年男子的颈围通常在35cm左右，而成年女性的颈围通常在30cm左右。

而脖子通常都在10~18cm。

本课题的设计采用常规的颈部康复仪器大小，但是其中沿康复仪器圆周边缘均匀放置三个半圆气动致动器，然后在其中间隙部分插入三个矩形致动器。

通过颈部尺寸的平均值为设计标准，我们采用的半圆致动器尺寸长为6cm，宽为2.5cm，圆半径为1.5cm；矩形致动器的尺寸为长为10cm，宽为3.5cm，高为1.5cm。

这样总体设计考虑到了后期的致动器充气变形和组装等变化因素，更加容易适应人体颈部的佩戴。

如图3-1、3-2。

图3-1图3-2

本课题一大重要的研究就是致动器的位置结构，因为相较于传统的颈部康复仪器，我们采用了矩形致动器达到弯曲效果适应颈部的包裹，和半圆形致动器的拉伸且数量的增加，能够达到不同的康复动作从而达到不同的治疗效果，适应更多类型的患者。

然后进行设计气动致动器内部的几何结构。

为了能够实现致动器充放气的过程，其内部必须必须采取气腔的形式。

关于气腔的形状，有内部全部是中控空的气腔形式，也有采取不同的腔式结构相连接，来达到不同的变化效果。

至于我们已经采取的致动器结构能够达到优化或有所说明。

因为只有气动致动器的硅胶体，充气变形后的形状不得而知或者不好把握、精确度不够，我们选用了拉伸程度很小的尼龙材料作为限制层内嵌在硅胶内，使得致动器的变形能够单向或按照理想方向。

为了方便清晰表达致动器的组成部分，我们用了不同的颜色表示不同的加工部分，灰色部分表示尼龙而其他颜色的部分均为同种材料。

致动器的内部几何结构及尺寸如图3-3和3-4所示。

图3-3

图3-4

第3.1.2节颈