腦中風康復設備機電一體化畢業(yè)論文

1、腦中風康復設備機電一體化 摘要：康復機器人是近年來發(fā)展起來的一種新的運動神經康復治療技術,作為醫(yī)療機器人的一個重要分支,它貫穿了康復醫(yī)學、生物力學、機械學、電子學、材料學、計算機科學以及機器人學等諸多領域,已經成為了國際機器人領域的一個研究熱點。根據(jù)康復機器人技術的發(fā)展特點和應用并結合該領域的研究背景，分別從康復機器人機械結構設計、系統(tǒng)架構和運動控制策略等方面詳細分析和介紹了國內外近年來的主要研究成果，并對該領域的一些關鍵技術進行了探討?？祻蜋C器人是一種自動化醫(yī)療康復設備，它以醫(yī)學理論為依據(jù)，幫助患者進行科學而有效的康復訓練，使患者的運動機能得到更快更好的恢復。目前，康復機器人已經廣泛地應用到

2、康復護理、假肢和康復治療等方面，這不僅促進了康復醫(yī)學的發(fā)展，也帶動了相關領域的新技術和新理論的發(fā)展?？祻蜋C器人是康復醫(yī)學和機器人技術的完美結合，康復機器人技術在歐美等國家得到了科研工作者和醫(yī)療機構的普遍重視，許多研究機構都開展了有關的研究工作，近年來取得了一些有價值的成果。對于中風、偏癱、上肢運動機能損傷等患者來說，上肢康復訓練機器人有著很好的治療效果。國內外許多研究機構都在這方面取得了不錯的研究結果。關鍵詞：康復機器人 系統(tǒng)設計 運動控制 康復治療目 錄1、緒論41.1 概述41.2 康復機器人的國內外研究現(xiàn)狀41.3 上肢康復機器人系統(tǒng)的發(fā)展前景72、康復機器人的原理和設計92.1 工作原

3、理和結構92.2 控制系統(tǒng)設計112.2.1 電機選擇122.2.2 電機控制電路123、康復機器人運動控制策略143.1 力控制策略143.1.1 經典控制：143.1.2 現(xiàn)代控制：143.1.3 智能控制：144、機器人輔助運動功能康復的關鍵技術及發(fā)展前景164.1 系統(tǒng)設計164.2 運動控制策略164.3 康復效果評價和康復機理研究165、康復機器人機電總體方案設計175.1 前后擺機構設175.2 屈伸機構設計185.4 手腕轉動機構設計195.5 電機選擇205.5.1 驅動方式選擇205.5.2 電機的參數(shù)選擇205.6 位置傳感器的選擇215.7 力傳感器的選擇225.8 安

4、全性設計22結束語23參考文獻24答謝辭251、緒論1.1 概述據(jù)報道，我國60歲以上的老年人已有1.43億，占全國人口的11，到2050年將達到4.37億。在老齡人群眾中有大量的腦血管疾病或神經系統(tǒng)疾病患者，這類患者多數(shù)伴有偏癱癥狀1。近年由于患心腦血管疾病使中老年患者出現(xiàn)偏癱的人數(shù)不斷增多，而且在年齡上呈現(xiàn)年輕化趨勢。與此同時，由于交通運輸工具的迅速增長，因交通事故而造成神經心痛損傷或者肢體損傷的人數(shù)也越來越多。在我國數(shù)以百萬計的有神經科疾病病史和受到過意外傷害的患者需要進行康復治療，僅以中風為例，每年大約有600，000中風幸存者，其中的二百萬病人在中風后存在長期的運動障礙。隨著國民經濟

5、的發(fā)展，這個特殊群體已得到了更多人的關注，為了提高他們的生活質量，治療、康復和服務于他們的產品的技術和質量也在相應地提高。隨著機器人技術和康復醫(yī)學的發(fā)展，在歐洲、美國和日本等國家，醫(yī)療康復機器人的市場占有率呈逐年上升的趨勢，僅預測日本未來機器人市場，2005年醫(yī)療、護理、康復機器人的市場份額約為250，000美元，而到2010年將上升到1，050，000美元，其增長率在機器人的所有應用領域中占據(jù)首位。因此，服務于四肢的康復設備的研究和應用有著廣闊的發(fā)展前景2。 康復機器人是康復設備的一種類型?？祻蜋C器人技術早已廣受世界各國科研工作者和醫(yī)療機構的普遍重視，其中以歐美和日本的成果最為顯著。在我國康

6、復醫(yī)學工程雖然得到了普遍的重視，而康復機器人研究仍處于起步階段，一些簡單康復器械遠遠不能滿足市場對智能化、人機工程化的康復機器人的需求，有待進一步的研究和發(fā)展。由于康復訓練機器人要與人體直接相連，來帶動肢體進行康復訓練，所以對驅動器的安全性、柔性的要求較高?？祻椭w運動功能用機械肢體組合系列機器人,是多種同類機器人屬于機器人領域,解決了本人發(fā)明的實用新型專利半身不遂患者康復學步機,只能帶動人的大小臂大小腿康復運動功能,而不能帶動手腳各關節(jié)運動的重大不足,主要技術特征是將半身不遂患者康復學步機略加改進后,在學步機的小臂絞鏈桿上安裝了可以帶動人手腕關節(jié)手指各個關節(jié)都能運動的機械手托板,在小腿鉸鏈桿

7、上安裝了可以帶動人腳踝腳指各個關節(jié)都能運動的機械腳托板后實現(xiàn)的,用途是康復肢體運動功能,帶動患肢的各個關節(jié)、每塊骨骼、每塊肌肉、每個筋鍵、每條神經都在作患者萬分渴望而大腦又支配不了的動作,通過較長時間的被動運動鍛煉,最終使殘疾人患肢的主動運動功能得到康復。本課題的研究目的是設計一種坐式上肢康復訓練機，用于心腦血管疾病致癱或意外事故所造成的上肢體損傷的患者左上肢及相關關節(jié)康復訓練。1.2 康復機器人的國內外研究現(xiàn)狀康復機器人是一種自動化醫(yī)療康復設備，它以醫(yī)學理論為依據(jù)，幫助患者進行科學而有效的康復訓練，使患者的運動機能得到更快更好的恢復。目前，康復機器人已經廣泛地應用到康復護理、假肢和康復治療等

8、方面，這不僅促進了康復醫(yī)學的發(fā)展，也帶動了相關領域的新技術和新理論的發(fā)展?？祻蜋C器人有兩種：輔助型康復機器人和康復訓練機器人3。輔助型康復機器人主要是幫助肢體運動有困難的患者完成各種動作，該類產品有機器人輪椅、機器人護士、機器人假肢、機械外骨骼等?？祻陀柧殭C器人的主要功能是幫助患者完成各種運動功能的恢復訓練，該類產品有行走訓練、手臂運動訓練、脊椎運動訓練等?？祻蜋C器人是康復醫(yī)學和機器人技術的完美結合，康復機器人技術在歐美等國家得到了科研工作者和醫(yī)療機構的普遍重視，許多研究機構都開展了有關的研究工作，近年來取得了一些有價值的成果。對于中風、偏癱、上肢運動機能損傷等患者來說，上肢康復訓練機器人有著

9、很好的治療效果。國內外許多研究機構都在這方面取得了不錯的研究結果。目前，康復機器人的研究主要集中在康復機械手和康復治療機器人等幾個方面16。1、康復機械手的研究現(xiàn)狀設計康復機器人最初的一個目的就是在殘疾人和環(huán)境之間放置一個機械臂， 通過這個機械臂來部分或全部的實現(xiàn)操作功能，按機械臂的安裝位置劃分，康復機械手可分為3類：（1）基于桌面的機械手4。種機械手安裝在一個徹底結構化的控制平臺上，在固定的空間內操作，具有足夠自由度的串聯(lián)機器人再配上適合殘疾人使用的人機界面是這種機器人典型的設計模式。目前此類機器人已經達到了實用化，如法國cea公司開發(fā)的master系統(tǒng)、美國的tolfa corportio

10、n開發(fā)的devar系統(tǒng)，以及英國的oxford intelligent machines ltd.開發(fā)的raid系統(tǒng)等。此種類型的機械手是早期的工業(yè)機器人在康復系統(tǒng)領域內的一次成功應用。1987年，英國人mike topping研制了handy1康復機器人，使一個患有腦癱的11歲男孩第一次能夠進行獨立就餐。隨后他對樣機進行了改造，也使得handy1成為歷史上最成功的康復機器人。圖1.1是handy1康復機器人原型，圖1.2是康復機器人正在對患者進行康復訓練。（2）基于輪椅的機械手。這種機器人是安裝在輪椅上的，是因為輪椅的移動擴大了機械手的工作范圍，同時由于安裝基座的改變致使機械手的剛性下降和抓

11、取精度的降低，這種機械手也只是用于用于輪椅的患者，這是一點不足。這種機械手已經成為面向應用的流行設計，kares系統(tǒng)，就是一種基于輪椅的機械手系統(tǒng)，在電動輪椅上安裝了一個六自由度的機械手，能夠幫助行動不便的老人和殘疾人獨立的行動。隨著只能輪椅的研究發(fā)展，這種機械手也將會有很廣泛的發(fā)展和應用。 圖1.1handy1 圖1.2工作中的handy1（3）基于移動機器人的機械手。這類機械手是目前最先進的康復機械手，這種機械手安裝在移動的機器人或者半自主的小車上從而適用于更多的患者使用，同時擴大了機械手的活動空間并提高了抓取的精度。s. tachi等人在mit日本實驗室研制了一種移動式康復機器人meld

12、og6 ，作為“倒盲狗”以幫助盲人完成操作和搬運物體的任務。法國evry大學研制了一種移動式康復機器人arph7，使用者可以從工作站實施遠程控制，使移動機器人實現(xiàn)定位和抓取工作。這種機械手系統(tǒng)都是需要由視覺、靈巧操作、運動、傳感、導航及系統(tǒng)控制等電子系統(tǒng)組成，要求比較高，價格也是相對的比較昂貴。2 康復治療機器人研究現(xiàn)狀康復治療機器人是康復醫(yī)學和機器人技術的完美結合，不再把機器人當作輔助患者的工具，而是把機器人和計算機當作提高臨床康復效率的新型治療工具。康復治療機器人在醫(yī)療實踐上主要是用于恢復患者肢體運動系統(tǒng)的功能。按運動系統(tǒng)的問題可以劃分為2類：一類是生物力學或生物物理化學類型的應用，另一類

13、是運動學習8。當人的肢體受外傷燒傷或做手術后，由于受傷組織的皮膚、韌帶和肌肉失去彈性而導致肢體運動的速度和范圍受到限制。生物力學或生物物理化學類型的應用就是使用機器人系統(tǒng)來打破受傷肢體的運動范圍。運動技能的學習或再學習，這是一個囊括了競爭運動控制理論、訓練技術和人機接口問題等諸多方面的復雜問題。（1）cpm機。cpm機時利用康復醫(yī)學中連續(xù)被動運動（continuous passive motioncpm）的基本原理對受傷肢體進行康復治療的機械裝置，是目前前為止唯一的一個機器人生物力學或生物物理化學類型的應用的例證。早在20世紀60年代初期就有醫(yī)學團體運用cpm機進行術后康復治療的醫(yī)學實踐，此后

14、也有用于膝、肩、肘關節(jié)等康復的cpm機出現(xiàn)。單手刀技術水平限制，長期停留在“打關節(jié)”康復范圍。目前,市場上已經有了用于腕關節(jié)和手指關節(jié)這樣的“小關節(jié)”康復的cpm機,但他們還不能像“大關節(jié)”cpm機那樣實現(xiàn)精確的控制。（2）神經運動康復治療機器人。目前這一類機器人的研究比較活躍,用來康復治療與神經運動有關的疾病, 包括中風、帕金森氏病和大腦性麻痹(cerebral palsy) 。美國麻省理工學院研制了一種幫助中風患者康復治療的機器人mit-manus ,它有2 個自由度,可以實現(xiàn)病人的肩、肘和手在水平和豎直平面內的運動。在治療過程中,把中風病人的手臂固定在一個特制的手臂支撐套中,手臂支撐套固

15、定在機器人臂的末端。病人的手臂按計算機屏幕上規(guī)劃好的特定軌跡運動,屏幕上顯示出虛擬的機器人操作桿的運動軌跡,病人通過調整手臂的運動可以使兩條曲線盡量重合,從而達到康復治療的目的。如果病人的手臂不能主動運動,機器人臂可以像傳統(tǒng)康復醫(yī)療中臨床醫(yī)生的做法那樣帶動病人的手臂運動。圖1.3為mit-manus 在治療中風病人。 圖1.3中風病人在用mit-manus 治療（3）基于虛擬環(huán)境的康復醫(yī)療訓練機器人系統(tǒng)。為了鼓勵患者進行康復訓練，提高康復訓練的效果，在訓練過程中吸引患者的興趣是一個主要方面。虛擬環(huán)境技術的發(fā)展使這種思想得以實現(xiàn)，研究者們采用基于虛擬環(huán)境的用戶界面，通過一些小游戲鼓勵患者進行主動

16、訓練?；谔摂M環(huán)境的康復訓練通常與網(wǎng)絡相結合，因此，不僅具有遠程康復機器人系統(tǒng)的優(yōu)點，還提高了患者進行康復訓練的能動性。 圖1.4遠程康復醫(yī)療訓練機器人系統(tǒng)結構1.3 上肢康復機器人系統(tǒng)的發(fā)展前景目前的康復機器人都能夠在一定程度上向患者提供簡單的訓練方案，研究結果表明機器人輔助治療確有一定療效。從現(xiàn)有文獻及臨床需要來看，今后上肢康復機器人系統(tǒng)的研究可能集中在以下幾個方面： 1. 康復醫(yī)療機器人系統(tǒng)設計：機械設計是康復訓練機器人系統(tǒng)的基礎，應盡量簡潔輕巧，具有一定的靈活性，提高訓練動作的種類，增大動作幅度，在三維空間內對患肢各個關節(jié)進行訓練；同時發(fā)展“多路復用”的網(wǎng)絡康復醫(yī)療機器人系統(tǒng)，提高資源

17、利用率。2. 控制策略與運動模式的設計由于患者的病情千差萬別，因此，機器人要感知患肢狀態(tài)(力量和位置)并采取相應的訓練模式和控制策略，在控制系統(tǒng)適應性和穩(wěn)定性、傳感器技術應用、系統(tǒng)辨識和控制算法設計等方面需要作更深入的研究。3. 力反饋：機器人應該能夠實時檢測患者與機器人之間的相互作用力，在患者主動能力不足時提供更大的輔助，而在患者有能力完成動作時，適當減小輔助甚至施加阻力，以便充分發(fā)揮患者殘存的功能。4. 安全機制：安全問題是康復機器人設計過程中的一個重要方面，康復訓練機器人必須根據(jù)臨床康復訓練的基本動作和安全性的要求，在設計中除了考慮機器人的功能實現(xiàn)外，還要防止患肢二次損傷，必須從機構設計

18、(硬件)和控制系統(tǒng)(軟件)兩個方面保證康復機器人系統(tǒng)的安全性。5. 康復效果的評價機制：與肌電信號檢測相結合，探索訓練參數(shù)與康復效果之間的關系，提高訓練效果。大量實驗的基礎上，探索臨床康復的初步規(guī)律，并建立新的康復評估方法，從而對運動功能的康復機制重新評估和理解。 機器人具備許多人類所無法比擬的優(yōu)點，例如：長期、穩(wěn)定地重復訓練，精確、客觀地測定訓練與運動參數(shù)，提供實時反饋、遠程訓練等。但是，目前康復訓練機器人的研究仍然處于起步階段。從近年的發(fā)展看，美國的著名大學如mit，stanford，northwestern等對這一領域的研究都十分重視，處于世界領先。國內的研究基礎和對這一領域的了解和把握

19、與上述領先單位的差距并不很大，但在經費投入方面嚴重不足。由于我國的康復醫(yī)學事業(yè)仍然處于起步階段，但患者數(shù)量多、治療師資源缺乏，據(jù)此現(xiàn)狀，發(fā)展康復訓練醫(yī)療機器人系統(tǒng)更具實際意義。隨著康復醫(yī)療機器人的研究和使用，有望簡化醫(yī)師與患者“一對一”的繁重治療過程，推動殘疾人“人人享有康復服務”這一目標的實現(xiàn)，提高殘疾人的生活質量。同時，通過臨床上使用積累的大量數(shù)據(jù)，將有助于認識訓練參數(shù)與康復效果之間的關系，從而能夠在機器人輔助腦神經康復治療上取得更大的突破。因此，康復醫(yī)療訓練機器人技術在現(xiàn)代康復醫(yī)學和神經反饋訓練有廣泛的應用前景。2、康復機器人的原理和設計2.1 工作原理和結構根據(jù)已廣泛應用于臨床的cpm

20、( continuous passive motion) 理論，即滑膜關節(jié)持續(xù)被動活動理論，康復訓練機器人的設計應遵循2 種設計原則1) 解剖學設計 支撐并推動關節(jié)按其自然運動形式活動，在技術上可使支撐帶動關節(jié)接近生理活動。2) 隨意聯(lián)動設計 通過牽動關節(jié)周圍組織運動，使關節(jié)按其固有的運動軌跡活動。解剖學設計可使患者更舒適，而隨意聯(lián)動則考慮到機械實現(xiàn)簡單和使用方便，更易幫助患者進行康復訓練。 因此上下肢康復訓練機器人的設計采用隨意聯(lián)動設計，通過運動臂的運動分別牽引上、下肢做大范圍的康復訓練。 上下肢康復機器人的機械結構如圖1 所示，其主要結構見圖1 中1111訓練器主體，2、5運動臂，3控制面

21、板及l(fā)ed 顯示模塊，4齒輪，6電機，7電機控制模塊，8床邊固定件，9墻體固定件， 10電源，11usb 通信模塊圖1 上下肢康復機器人機械結構橫梁裝配圖立柱座左頂端法蘭左立柱裝配圖 中軸承承套圖1 中，電源10 為電機6 提供24 v 工作電壓，電機6 經過減速器和一個鏈傳動帶動齒輪軸4 轉動，在齒輪軸4 的兩端有2 個運動臂2 和5，它們的位置相差1805，以保證患者在被動模式下運動時最大限度地被運動臂牽引。當2 個運動臂安裝有2個運動手柄時，患者就可以在運動手柄的帶動下進行上肢康復訓練，而當2 個運動臂安裝有2 個運動腳踏時，患者就可以在進行相應的下肢康復訓練。2.2 控制系統(tǒng)設計上下肢

22、康復訓練機器人控制系統(tǒng)采用2 級控制方案，總體控制方案示意如圖2 所示。 pc 機主要負責系統(tǒng)的管理、狀態(tài)顯示和機器人運動的控制。 控制面板作為備用控制設備，在pc 機控制出現(xiàn)異常時及時控制機器人的運動狀態(tài)。2.2.1 電機選擇上下肢康復訓練機器人可提供訓練者進行主動訓練和被動訓練。主動訓練是指訓練者利用自身的力量克服阻力旋轉曲柄進行的訓練; 被動訓練是指訓練者不借助自身的力量，隨著由電機帶動的曲柄進行旋轉的訓練。 在被動訓練狀態(tài)，當訓練者向運動方向施加主動力時即自動轉為主動訓練。 在主動訓練狀態(tài)，當訓練者停止施加主動力時即自動轉為被動訓練 為適應這種訓練要求，電機選擇臺灣hiwin公司的am

23、-1 型電機 該電機體積小，控制電壓即可控制轉速，且轉矩為線性，有益于電路設計。通過增加減速箱可達到增加扭力的效果。2.2.2 電機控制電路電機控制電路選用上海新茂半導體有限公司的ssu7301 單片機作為主控芯片 ssu7301 是一款8 位單片機，以標準8052cpu 為核心，外圍集成了a/d 轉換器、pwm、spwm、看門狗定時器和lcd 驅動器等多種功能，內置8 kb 的閃速存儲器?？傮w來說，ssu7301單片機性能優(yōu)良，資源豐富，應用方便，完全滿足上下肢康復訓練機器人電機控制電路設計要求。采用單片機pwm 調制方式對電機進行控制，驅動芯片選用lm18200，驅動部分電路原理如圖3 所

24、示。 單片機ssu7301 的p1. 5 口用作pwm 的輸出端口。 pmw 采用5 位分辨率，pwm 頻率選擇為23 437. 5 hz。 通過分別寫入0f1f 到pwm d0 特殊功能寄存器，將pwm 均勻分為9 個等級，對應電機轉速的9 個等級。 p1. 6 端口用作電機方向控制端口，實現(xiàn)電機的正向和反向轉動。 p1. 3 端口用作繼電器控制端口，繼電器導通時電機才能工作。 p3. 5端口使能第2 功能，作為ad1 的模擬輸入端，采集w2 上的電壓，以判斷機器人的運動是主動模式還是被動模式。電機控制電路配備一塊南京國顯電子公司的led 顯示屏hd44780，在機器人上實時顯示電機運轉狀態(tài)

25、以及主、被動模式信息。通過usb 與上位機通信，上位機可以通過用戶端控制電機的轉速、負載以及運動方向，并能實時顯示以上信息以及有無主動訓練等信息。 ssu7301mcu 的p3. 0 和p3. 1 端口作為第2 功能引腳用作串口通信，用于與c8051f320mcu 通信。 同時，p2 的8 個i /o 端口用作控制面板按鍵的檢測，以防備pc 機控制出現(xiàn)異常時直接控制電機的轉速、負載以及運動方向。3、康復機器人運動控制策略機器人在輔助患者進行康復訓練過程中，其運動控制策略有自身應用和設計特點，必須依據(jù)運動功能康復理論和病患機制。國內外文獻中有關康復機器人運動控制策略從控制手段主要分為：力控制策略

26、、力場控制策略及生物電信號控制策略。3.1 力控制策略：運用力傳感器直接檢測機器人同病患部位之間的相互作用力并對之進行控制，是機器人輔助康復運動控制中應用最廣泛的一種方法，具體控制過程大體經歷了3 個階段：經典控制、現(xiàn)代控制、智能控制。3.1.1 經典控制：從廣義角度講，經典控制主要有3 類，pid 控制、阻抗控制和力/位置混合控制。如mime、armguide 等運用pid 控制機器人輔助患者實現(xiàn)康復訓練。pid 控制雖然結構簡單、適應性強，但是康復機器人本身是一個復雜的非線性系統(tǒng)，過程中如患者病情發(fā)生突變，pid 控制很難取得理想的效果。阻抗控制是通過調節(jié)機器人末端的位置偏差和力的動態(tài)關系

27、來實現(xiàn)位置和力控制的方法，不直接控制期望的位置和力。由krebstt (krebs hi)等2首次提出并應用于康復機器人mit-manus 控制。阻抗控制雖然對系統(tǒng)的不確定性和擾動具有較強的魯棒性，但當患者的病情不確定時，阻抗控制表現(xiàn)出較差的軌跡跟蹤能力。力/位置混合控制采用位置控制方式和力控制方式分別控制自由和受限方向上運動。lokomat 將患者下肢的主動力納入力/位置混合控制架構實現(xiàn)了下肢及步態(tài)的康復訓練。該方法直觀上允許對康復機械同患者的相互作用力進行直接控制，但是對力、位置分別控制對系統(tǒng)的運算性能提出較高要求，控制系統(tǒng)實時性變差。3.1.2 現(xiàn)代控制：康復機器人是一個具有時變、強耦合

28、和非線性的動力學特征的系統(tǒng)，加上患者在過程中因肌張力的變化、肌肉痙攣等造成的環(huán)境不確定性，其控制十分復雜。上述經典控制策略在適用范圍和控制效果方面均存在不足?，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展為康復機器人力控制提供了重要的理論基礎。takahashi 等14運用h2 及最優(yōu)控制方法設計了一個減振系統(tǒng)并運用于腕關節(jié)康復訓練中。wege 等15基于lyapunov 穩(wěn)定性理論設計了滑模位置控制器并運用于手指關節(jié)的康復訓練，取得了一定的效果。但從現(xiàn)有的成果來看，最優(yōu)控制往往不能保證控制的最佳特性，效果不明顯。魯棒控制、變結構控制等雖具有適應患者病情變化的能力，但是在控制實時性嚴格的情況下難以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和跟蹤精

29、度。3.1.3 智能控制：隨著智能控制技術發(fā)展，康復機器人運動控制進入智能化階段，尤其被控對象有不確定性的情況下，智能控制得到了較成功的應用。具有代表性的有：ju 等將模糊邏輯及pid 控制融入力/位置混合控制使患者上肢沿直線/圓弧路徑進行康復訓練。erol 等運用神經網(wǎng)絡技術對pid 控制增益進行實時調整，使康復機器人末端提供的輔助力能適應患者病情的變化。ahn等基于神經模糊控制和氣動人工肌肉驅動技術進行肘部康復訓練實驗，均取得了較理想的效果。但智能控制也有其局限性，如模糊控制中規(guī)則庫過大，模糊推理時間延長，實時性難以保證；規(guī)則庫簡單則控制效果受到限制。另外，神經網(wǎng)絡技術中隱含層及隱含層神經

30、元數(shù)量的合理確定、泛化能力仍是一個值得研究的課題。力場控制策略：力場控制策略仿照物理學中電勢和電場力的概念，把機械手在環(huán)境中的運動視為一種人造受力場中的運動。當需要提供輔助力時，可以將輔助力場設計為機械手末端位置矢量的函數(shù)，根據(jù)訓練過程中機械手末端的位置偏差調整輔助力大小和方向；當需要提供阻力時，可以將阻力場設計為機械手末端速度矢量的函數(shù)或者根據(jù)康復訓練過程中的力場后效應進行阻力場設計。力場控制難點在于力場本身的設計以及力場控制策略的選擇。胡宇川等基于力場控制策略研制了一種用于偏癱上肢復合運動的康復訓練機器人，該機器人不僅可以帶動患肢完成大范圍、大幅度的復合動作訓練，而且還可以實現(xiàn)主動、被動、

31、抗阻、助力等多種訓練模式。patton 等根據(jù)康復訓練中力場的后效應(after-effect)使患者沿著事先設定的正弦軌跡進行伸展康復訓練。banala 等為使患者完成步態(tài)康復訓練設計pid 力場控制器使之在腳部附近產生阻尼力場。4、機器人輔助運動功能康復的關鍵技術及發(fā)展前景機器人輔助運動功能康復治療技術涉及機器人技術、信息技術、康復醫(yī)學等眾多領域。從現(xiàn)有文獻和康復機器人臨床應用來看，未來機器人輔助患者運動功能康復的研究應主要集中在以下幾個方面：4.1 系統(tǒng)設計系統(tǒng)設計主要分為機械本體設計和系統(tǒng)架構設計兩個方面。機械本體設計應綜合考慮患者的病情特點、實現(xiàn)功能、訓練模式、安全舒適性等，提高訓練

32、動作的種類，增大動作幅度，積極探索新材料技術在康復機械中的應用，使機械更加簡潔輕巧，穿戴起來更加舒適。從康復機器人訓練系統(tǒng)架構來看，應積極發(fā)展遠程康復醫(yī)療機器人訓練系統(tǒng)，特別是多路復用的網(wǎng)絡康復醫(yī)療機器人系統(tǒng)，使患者在家或者其它醫(yī)療中心就能夠方便地接受康復治療，節(jié)約成本，提高資源利用率。4.2 運動控制策略運動控制策略患者康復運動過程中，由于肌力/肌張力變化、肌肉痙攣等使系統(tǒng)負載和動力學參數(shù)發(fā)生不確定改變，有可能使控制系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，甚至給病患部位造成二次損傷。因此，在控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性、檢測技術、控制算法等方面應更深入的研究。此外，在基于生物電信號控制康復機器人運動過程中，對肌電信號本質

33、特征的提取及處理方法、腦電信號的測量、bci系統(tǒng)通訊速度和控制的準確度等方面還需深入的研究。4.3 康復效果評價和康復機理研究為給臨床康復治療提供有價值的參考數(shù)據(jù)，研究臨床康復的初步規(guī)律，必須在患者康復訓練過程中提取相應的運動特征參數(shù)，并結合康復醫(yī)師的臨床經驗，形成專家知識庫，對康復治療效果進行實時定量評估，在大量臨床實踐的基礎上，探索訓練參數(shù)同康復治療效果之間的關系，并選取有價值的運動特征參數(shù)作為康復評價指標，建立新的科學的康復評估機制。此外，還應從理論角度進一步的研究人體運動康復同各種因素之間的內在聯(lián)系，為機器人輔助運動功能康復和建立有效的評估機制提供理論支持。5、康復機器人機電總體方案設

34、計該康復機器人將采用電力驅動，用電機驅動來實現(xiàn)各個功能，對上肢進行康復訓練。總體方案為：機身由平臺上面的機座、兩根可伸縮的立柱、橫梁以及手柄組成，并在其各組成部分上分別裝上上肢前后擺機構、上肢屈伸機構、上肢分合機構和手腕轉動機構；各運動機構有單獨的電機和減速器驅動；傳動機構的主件分別是傳動軸、絲杠螺母副以及同步帶傳動副。在康復機器人結構設計中，立柱主要由三部分組成，內套筒、外套筒和絲杠螺母副，此外還有用于固定絲杠螺母副用的軸承套等附屬結構。立柱的外套筒通過螺栓與立柱軸承套和立柱座連接在一起，絲杠通過裝在軸承套中的兩個角接觸球軸承定位和固定。在立柱套筒的定位中，通過止口來實現(xiàn)精確定位。為了保證整

35、個康復機器人的結構的穩(wěn)定，各個零部件的垂直度，表面粗糙度都一定要達到設計的要求，這樣才能使真?zhèn)€結構在運動的過程總不會出項卡死之類的現(xiàn)象，同時也減小了噪聲。此外，立柱的電機通過加腹板的電機支承架固定，支架通過螺釘固定在立柱座上圖2.1前后擺機構運動簡圖面，這樣，電機和立柱就連接在一起，在前后擺的過程當中，整個立柱就能隨著電機的轉動而一起運動。同時，支承架的垂直度也要達到精度要求，這樣才能使電機軸與傳動軸的同軸度達到所需的要求。5.1 前后擺機構設（如圖2.1所示：）康復機器人前后擺機構主要的功能是對患者的上肢進行前后擺康復訓練。在設計的中，前后擺要滿足一下兩個要求：一是擺動的角度要足夠大，能夠對

36、患者上肢的肩關節(jié)、肘關節(jié)進行充分的康復訓練；二是整個機構的穩(wěn)定性、安全性要好，在對患者進行康復訓練的過程中，能夠在任何位置實現(xiàn)安全的停止。因此，上肢前后擺機構裝在基座上，由直流電機、減速器、渦輪蝸桿、傳動軸、軸承座等組成。其中直流減速電機固定在底座平天上，通過聯(lián)軸器將其與渦輪蝸桿連接在一起，再通過聯(lián)軸器將渦輪蝸桿與傳動軸連接在一起；兩根可伸縮的立柱通過鍵與軸而將其固定于軸承座上。這樣通過單片機控制電機，電機的帶動傳動軸，就可實現(xiàn)對上肢前后擺的康復訓練。在實現(xiàn)前后擺動的過程當中，渦輪蝸桿能夠對機構實現(xiàn)自鎖，使整個結構的穩(wěn)定性、安全性大大的增加。前后擺電機通過滑塊型彈性聯(lián)軸器與蝸桿減速器相連，蝸桿

37、減速器通過hl型柱銷彈性聯(lián)軸器與傳動軸相連。前后擺傳動軸通過鍵與立柱座連接，其中立柱座與機座之間用套筒隔開，留有5mm的間隙。整體結構較大，但是重量不大，此外軸承處要注意潤滑。5.2 屈伸機構設計圖2.2屈伸機構運動簡圖康復機器人的屈伸機構是實現(xiàn)對患者上肢進行屈伸康復訓練，以達到對患者肩關節(jié)肘和肘關節(jié)的康復目的。設計時，要使患者的上肢能夠得到足夠充分的空間進行屈伸訓練，因此，上肢屈伸機構借助左右對稱布置的兩根可伸縮的立柱來實現(xiàn)這個目的?？缮炜s立柱由立柱座（箱體）、外套筒、內套筒組成；而使之伸縮的機構包括直流電機、錐齒輪副、絲杠螺母副。其中絲杠螺母副通過一對角接觸球軸承固定，軸承外圈通過擋圈與立

38、柱座（箱體）和外套筒，借助法蘭盤，用螺栓連接；內套筒插裝在外套筒內，通過螺母與絲杠連接在一起，組成絲杠螺母副。在絲杠的帶動下，在立柱套筒內沿軸向滑動。穿過側壁的傳動軸帶動左右的齒輪副，帶動絲杠同步的轉動，從而實現(xiàn)內套筒在立柱內同步的向上下滑動，實現(xiàn)上肢的屈伸屈伸康復運動。同時，為了使立柱內套筒能夠安全的停止在任何一位置，設計絲杠時需讓絲杠具有自鎖的功能，讓患者可以在任何一位置進行其他的康復訓練。在前后擺的機構中，主要有兩個零部件，一個是與立柱連接的立柱座，另一個就是康復機器人的機座。立柱座是將前后擺機構和升降機構連接在一起的關鍵部件，在里面安裝有錐齒輪運動副，其目的是改變傳動鏈的傳動方向，使立

39、柱實現(xiàn)上升下降，實現(xiàn)患者的上肢屈伸康復訓練。與此同時，箱體的下端，通過鍵將其與一根傳動軸相連，在前后擺減速電機的帶動下，通過能夠實現(xiàn)自鎖的蝸桿減速器，使整個結構能夠發(fā)生前后擺運動，用以實現(xiàn)患者上肢的前后擺康復訓練。5.3 分合機構設計 圖2.3分合機構運動簡圖分合機構是用來對患者進行上肢分合康復訓練而設計的。在設計的過程當中，應當注意減噪的設計，并且要留有足夠大的空對患者的上肢進行分合康復訓練。由于整個康復機器人的結構尺寸比較大，所以分合機構衡梁也需要注意盡量減小重量，所以，衡梁的材料采用硬質鋁合金。經過充分的考慮，上肢分合運動的機構借助安裝在橫梁上帶傳感器的直流減速電機、同步齒形帶傳動副、光

40、感滑軌和把手來實現(xiàn)。其中橫梁分別與立柱內套筒上端通過螺栓連接在一起，直流減速電機借助法蘭盤分別固定在橫梁的左右兩端。通過擋板和螺釘，將同步齒形帶帶輪固定在電機軸上，另一端通過軸和軸承將帶輪固定在橫梁的中部。這樣就將左右?guī)鲃痈惫潭ㄔ诹藱M梁上。同時，一根光桿滑軌固定于橫梁的左右段機構中。把手貫穿于光桿滑軌，并與同步帶連接在一起，啟動電機，就能夠實現(xiàn)上肢的分合康復訓練。在康復訓練中，兩根立柱在升降的過程中，難免會出現(xiàn)細微的傳動誤差，致使左右兩根立柱的升降不同步，從而對整個機構造成破壞，因此，在橫梁的一端，通過圓柱銷的鉸連接，用以消除這種危害。在分合機構的設計中，最主要的就是橫梁的設計以及橫梁支承座

41、的設計，橫梁支承座有兩個作用，一個是支撐橫梁，另一個是固定電機。同時考慮到消除因絲杠傳動不精確帶來的誤差，兩端支承座的設計稍有不同，其中一端采用了鉸接連接。另外，由于分合機構采用的是同步齒形帶傳動，因此需要考慮相應的帶的張緊措施。于是在橫梁的中部開槽，用螺釘對中部軸承套的定位來實現(xiàn)帶的張緊。其中，橫梁支承座由兩部分焊接而成，上部分是一個c型槽，下部分是一個圓形的開孔法蘭盤，用螺栓將其與立柱內套筒連接在一起，這樣，整個橫梁就與立柱連為一體了。5.4 手腕轉動機構設計圖2.4手腕康復結構運動簡圖手腕康復機構中，主要應當考慮對患者上肢的固定，重點在把手的設計。經過查閱文獻充分思考之后，決定把手由手柄

42、、把手支架、小臂護套組成，最后在把手上裝上直流減速電機，組成手腕的康復訓練機構。直流減速電機通過螺釘將其固定于把手支架法蘭盤面上。小臂護套，通過吊環(huán)將其固定在把手支架上面。工作時，啟動電機，在單片機的控制下，帶動手柄繞電機軸旋轉，從而帶動手腕的轉動，實現(xiàn)手腕的康復訓練。5.5 電機選擇5.5.1 驅動方式選擇按放大原理的不同，功率放大器可分為脈寬調制型功率放大、開關功率放大和線性功率放大3種類型。脈寬調制型功率放大器采取準連續(xù)的線性放大原理，通過控制其導通脈沖的占空比實現(xiàn)了輸出信號的周期平均值與輸入信號成比例，成本較低，功耗小，但是其干擾較大，使用其驅動電機時電機容易發(fā)生抖動；開關功率放大器只

43、工作于飽和或者截止兩種狀態(tài)，管耗基本為零，但是由于其無法進行調節(jié)，所以一般只適用于驅動繼電器、步進電機和電磁閥；線性功率放大器控制波形失真率小，控制調節(jié)方便，驅動電機時電機轉速穩(wěn)定，抖動較小，干擾也較小，但放大器的效率較低，消耗在功率放大器上的功率損耗較大。 考慮到本系統(tǒng)的使用對象是上肢患有運動障礙的患者，如果訓練過程電機產生較大抖動則容易對患者造成二次拉傷。因此考慮到系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，選用了穩(wěn)定性較好的線性功率放大器。 由于本系統(tǒng)的對象是患者，在訓練的過程中要求電機有很好的低速堵轉性能，因此采用了直流力矩電機，直流力矩電機具有低轉速、大扭矩、響應快、特性線性度好、力矩波動小等特點，廣泛使用于需

44、要頻繁正反轉的裝置或其他類似動作的各種機械上。5.5.2 電機的參數(shù)選擇在立柱升降對患者進行上肢屈伸康復訓練的過程中，考慮到患者的承受能力，設定其移動速度為m/s ，立柱以上整體的質量m=50kg，因此，得到功率 （3.1） 代入數(shù)據(jù)，得=50w 在立柱的傳動鏈中，選擇絲杠的效率=0.375，滾動軸承的效率=0.99，齒輪的傳動效率為=0.95，因此估算得到電機的功率 （3.2）代入數(shù)據(jù)得到p=150w 當立柱升降時，所受到的垂直方向的阻力。折算到電動機軸上的負載轉矩應滿足折算前后前后的功率不變原則，考慮傳動機構的傳動損耗，則有 （3.3）式中 折算到電機軸上的負載轉矩，n m f工作機構直線

45、運動時運動所受到的阻力，n v工作機構的線速度，m/s 電動機的轉速，r/min總的傳動效率代入數(shù)據(jù)得 n. m綜合考慮之后，選擇的是淄博床架電機有限公司的產品，其各參數(shù)見表3.1。表3.1 電機參數(shù) 型號輸出轉矩（n mm）輸出轉速（r/min）功率（w）電壓（v）110sz611043150015012 圖3.1110sz61電機5.6 位置傳感器的選擇本系統(tǒng)的位置傳感器選用滑動電阻器式角位置傳感器，該傳感器具有性價比高、精度高、線形度好等特點，其滿量程的阻值為1wk。如圖2.7所示，角位置傳感器的轉軸通過柔性聯(lián)軸節(jié)與電機的轉軸安裝在一起，當電機轉動時，帶動位置傳感器轉動從而使其電阻值發(fā)生

46、變化，加上外圍電路后其輸出電壓也隨之改變。其中柔性連軸節(jié)用于克服電機軸芯線與位置傳感器轉軸軸心線偏差所帶來的跳動和測量誤差。5.7 力傳感器的選擇本系統(tǒng)中力傳感器采用應變片式力傳感器，其內部的4個應變片的貼片電阻構成全橋電路，經調理放大后經a/d轉換電路轉后后送入arm處理器。本系統(tǒng)選用北京鴻基點科技發(fā)展有限公司的bk-5b型懸臂梁式測力/稱重傳感器，量程為3kg，精度為0.1。外觀圖如圖2.8所示。力傳感器安裝在機械臂的前端，這樣可以減少運動中的慣性力的影響，如果將其安裝在機械臂的后端，理論上雖然可以獲得較大的形變，但是機械臂運動過程中所產生的較大的慣性力將嚴重影響力的輸出值，使其與實際力產生較大的誤差。5.8 安全性設計在緒論中本文已經提到，本康復系統(tǒng)的所應用的對象是上肢患有運動障礙的患者。使用方式是患者在機械臂的牽引下完成一系列的康復訓練，而機械臂是由電機直接驅動的，考慮到對象的特殊性，萬一在訓練過程中系統(tǒng)出現(xiàn)故障，會導致患者產生二次受傷，將會背離康復訓練的初衷，所以