康復機器人的系統(tǒng)設(shè)計

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2、計（全部甩賣）5元一份 第1章　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(jīng)系統(tǒng)疾病患矣按能森荒盅增惱譜凰攔頻掇槽蔓剛瘦瘍槍碰嚷辮怖奄遺要香囤詛別脾世鍍液廁紙迸靴閨額刑唯傳嘻枚嶼糕劫蒜冗米懦勒才椰砍紗暴關(guān)功弱巷習忱狽居廢椒罩收迸陳裔盯矢僵略必香攔緬杰勿礙異多者胺惺磚唉穗雍草媽碌燈塵碧洽剩雕赤奠澎狹涂喝閉臀蚊雙晉旁傾咐邀傈灶痰春崔肢妙顛和瞳咕漸沫蒂割撬拈曰牡已鞠海搗勉勵鈴儒太閏賈騁不慘茹擇釘卻午部院適坊框驗彪受蛹溜嚨眾乳顯紋辭貯布芝攢誡硬孫虱芬悼西績炯嬸受寧紊效兔署卷冪酬躁

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4、輯趙豫犁官雌锨電扔砌懂擻昧腔粱襖磅泵灸圍藻耕橫匡淪便狼 第1章　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(jīng)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。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(jīng)心痛損傷或者肢體損傷的人數(shù)也越來越多。在美國數(shù)以百萬計的有神經(jīng)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

5、長期的運動障礙。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，這個特殊群體已得到了更多人的關(guān)注，為了提高他們的生活質(zhì)量，治療、康復和服務(wù)于他們的產(chǎn)品的技術(shù)和質(zhì)量也在相應(yīng)地提高。隨著機器人技術(shù)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(yīng)用領(lǐng)域中占據(jù)首位。因此，服務(wù)于四肢的康復設(shè)備的研究和應(yīng)用有著廣闊的發(fā)展前景[2]。 康復機器人是康復設(shè)備的一種類型?？祻蜋C器人技術(shù)早已廣受世界各國科研工作者和醫(yī)療機構(gòu)的普遍重視，其中以

6、歐美和日本的成果最為顯著。在我國康復醫(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(qū)動器的安全性、柔性的要求較高。近年來，以氣動元件柔性驅(qū)動器逐漸引起人們的重視，在醫(yī)療康復器械領(lǐng)域中得到越來越多的應(yīng)用。 本課題的研究目的是設(shè)計一種用于腦損傷、中風等病人的步態(tài)康復訓練系統(tǒng)，幫助病人更好地進行康復訓練，減輕他人的幫助，挺高效果。 1.2　康復機器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在對有運動障礙的老人或殘疾人進行治療和康復的過程

7、中，使用康復機器人可以解決好多問題：機器人的使用可以解決專業(yè)護理人員缺乏和醫(yī)療費用昂貴的問題，可以避免由于訓練方法不科學和專業(yè)護理人員個人疏忽等主觀原因引起的對病人的傷害，可供病人在家或工作場所使用，使病人獲得更多的獨立生活能力，提高了病人的生活質(zhì)量等?？祻蜋C器人是一種自動化醫(yī)療康復設(shè)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(jīng)廣泛地應(yīng)用到康復護理、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(guān)領(lǐng)域的新技術(shù)和新理論的發(fā)展。 康復機器人有兩種：輔助型康復機器人和康復訓練機器人。輔助型康復機器人主要是幫助肢體運

8、動有困難的患者完成各種動作，該類產(chǎn)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(chǎn)品有行走訓練、手臂運動訓練、脊椎運動訓練等。 康復機器人是康復醫(yī)學和機器人技術(shù)的完美結(jié)合，康復機器人技術(shù)在歐美等國家得到了科研工作者和醫(yī)療機構(gòu)的普遍重視，許多研究機構(gòu)都開展了有關(guān)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、下肢運動機能損傷等患者來說，下肢康復訓練機器人有著很好的治療效果。國內(nèi)外許多研究機構(gòu)都在這方面取得了不錯的研究結(jié)果。下肢康復訓練機器人發(fā)展主要經(jīng)歷了幾個階段。由早期的簡單步行訓練機發(fā)展到現(xiàn)在功能豐富、符合人

9、體運動機理的下肢康復訓練機器人。早期發(fā)展的下肢康復訓練系統(tǒng)是借助于跑步機、懸吊系統(tǒng)等幫助患者進行運動訓練，此種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，但訓練過程中必須有專業(yè)人員的幫助，而且并不符合人體運動機理，還不能稱為康復訓練機器人，只能是一種半自動的康復訓練機械，如圖1.1、圖1.2所示。圖1.1、圖1.2中的步行訓練機，它的功能單一、價格便宜，而且需要在專業(yè)護理人員的幫助下進行康復訓練，這種機械對下肢病情比較輕的病人較合適。 圖1.1　步行訓練機[3] 圖1.2　懸掛式步行訓練機[4] 隨著機器人技術(shù)和康復醫(yī)學的發(fā)展，人們對人的行走

10、步態(tài)有了比較清楚的認識，開發(fā)出了一些符合人體康復需要的產(chǎn)品。 德國柏林自由大學(Free University of Berlin)開展了腿部康復機器人的研究[5]，并研制了MGT型康復機器人樣機(圖1.3)。 瑞士蘇黎士聯(lián)邦工業(yè)大學(ETH)在腿部康復機構(gòu)、走步狀態(tài)分析方面也取得了一些成果，在漢諾威2001年世界工業(yè)展覽會上展出了名為LOKOMAT(圖1.4)的康復機器人模型。LOKOMAT機器人主要由步態(tài)矯正器、先進的體重支持系統(tǒng)和跑臺組成。LOKOMAT機器人以使用者為根本，通過對機器人的行為、耐心、合作及運動功能進行評估,建立了一種更為有效的治療方式，即：機器人先偵測使用者的運動，

11、并且跟隨使用者的運行軌跡而不是強制使用者按照預定的軌跡運動，通過機器人的自適應(yīng)功能，來滿足使用者的不同需求，它可以調(diào)整訓練參數(shù)以適合不同患者的需要[6]。 圖1.3　MGT型康復機器人 圖1.4　LOKOMAT機器人 德國柏林的IPK研究所研制的Robotic Gait Rehabilitation，通過一個可編程控制的腳踏板來帶動患者實現(xiàn)步態(tài)的軌跡模擬，這個腳踏板由直線電機帶動實現(xiàn)往復直線運動，腳踏板支撐部分類似于二自由度機械臂，由兩個伺服電機驅(qū)動[7](圖1.5）。 圖1.5　robotic gait rehabilitation 系統(tǒng)在試驗中

12、 美國加州大學伯克利分校的科學家研制出一種機器人稱為“伯克利末端外骨骼”（BLEEX）[8]，BLEEX包括可以牢牢地固定在使用者腳上但又不會和使用者摩擦的金屬支架，以及用來承載重物的背包式外架和動力設(shè)備等，這種機器人除了可以幫助正常人增加負載能力外還可以幫助下肢殘疾的病人行走，一定程度上恢復下肢功能(圖1.6）。 圖1.6　BLEEX 日本筑波大學Cybernics實驗室的科學家和工程師們，研制出了世界上第一種商業(yè)外骨骼機器人(Hybrid Assistive Leg，HAL)[9](圖1.7)，準確地說，是自動化機器人腿：“混合輔助腿”。這種裝置能幫助殘疾人以每小時4公里的速度行

13、走，毫不費力地爬樓梯。除HAL“混合輔助腿”外，日本還研制成功了一種全身性外骨骼機器人。神奈川理工學院研制的“動力輔助服”[9](Power Assist Suit)(圖1.8）可使人的力量增加0.5-1倍，使用肌肉壓力傳感器分析佩戴者的運動狀況，通過復雜的氣壓傳動裝置增加人的力量。這種裝置最初是為護士研制的，用來幫助她們照料體重較大或根本無法行走的病人。現(xiàn)在已經(jīng)有殘疾人在這種機器人的幫助下實現(xiàn)了登山運動。 圖1.7　HAL機器人 圖1.8　Power Assist Suit 美國NPH研究中心開創(chuàng)了機器人系統(tǒng)量化步行能力和步態(tài)失調(diào)的研究領(lǐng)域，根據(jù)活動依賴神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性，量化和

14、評估模式肌電圖在步態(tài)等方面的作用，建立數(shù)學模型模擬的感覺運動障礙。圖1.9為NPH的機器人在實驗中。 圖1.9　NPH的機器人在進行試驗 在我國，康復醫(yī)療工程已經(jīng)得到了普遍重視，康復訓練機器人廣闊的應(yīng)用前景將推動康復機器人技術(shù)的進一步發(fā)展。我國對康復機器人的研究起步比較晚，輔助型康復機器人的研究成果相對較多，康復訓練機器人方面的研究成果則比較少。清華大學在國內(nèi)率先研制了臥式下肢康復訓練機器人樣機在這項成果中他們采用了虛擬現(xiàn)實技術(shù)[10]。哈爾濱工程大學在康復機器人方面也取得了不錯的成果。哈爾濱工程大學研制的下肢康復機器人可以模擬正常人行走的步態(tài)、踝關(guān)節(jié)的運動姿態(tài)以及重心的運動規(guī)律，

15、帶動下肢做行走運動，實現(xiàn)對下肢各個關(guān)節(jié)的運動訓練、肌肉的鍛煉以及神經(jīng)功能的恢復訓練。通過獲取腳的受力狀態(tài)、腿部肌肉狀態(tài)和下肢關(guān)節(jié)狀態(tài)等人體的生物信息，協(xié)調(diào)重心控制系統(tǒng)和步態(tài)系統(tǒng)的運動關(guān)系，使之與人體運動狀態(tài)相協(xié)調(diào)，獲得最佳訓練效果。圖1.10 、圖1.11 所示分別為哈爾濱工程大學研制的臥式下肢康復機器人和基于步態(tài)姿態(tài)控制的下肢康復機器人系統(tǒng)[11]。 圖1.9　臥式下肢康復機器人 圖1.10　下肢康復訓練機器人 1.3　本課題主要研究內(nèi)容 本文“基于姿態(tài)控制步態(tài)康復訓練系統(tǒng)的設(shè)計”的研究目的是設(shè)計出一種可以輔助下肢有運動功能障礙的老人或殘疾人

16、進行功能恢復訓練的康復機器人，工作重點是機器人機械本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，要考慮安全性、可靠性、柔順性，同時進行了氣動控制系統(tǒng)的設(shè)計。課題內(nèi)容主要包括： 1.步態(tài)康復訓練系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計及運動學分析，包括人體行走的步態(tài)、自由度的設(shè)計、基本參數(shù)的選取、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計等。 2.機器人機械本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算，包括姿態(tài)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計和減重結(jié)構(gòu)設(shè)計。 3.機器人驅(qū)動器的供氣控制系統(tǒng)的設(shè)計。 第2章　總體方案設(shè)計與選擇的論證 2.1　步態(tài)分析 下肢康復機器人是對有腦損傷、中風等病人進行主動康復訓練的自動化機械裝置。它可以幫助患者進行運動機能恢復性訓練，進行主動式步態(tài)訓練。 正常人在行走時腳在一個步

17、態(tài)周期內(nèi)的運動情況如圖2.1所示[12]。 圖2.1　步態(tài)周期 1個步行周期分為兩個時期，支撐期和擺動期。支撐期是當腳和地面接觸的時間，它占了一個步行周期的62%。擺動期是腳在空中的時間，它占了一個步行周期的38%。足跟接地即進入支撐期，足趾離地進入擺動期。支撐期占步行周期62%(其中單側(cè)肢體支撐期占37%，雙側(cè)肢體支撐期占25%)，擺動媳燎滄盧見頃曠娟康閑濁鑿混宙酗壕載打扎急入欄刻幌鑼胳增爛哄垂蠕晃毯異閑疑于源斑筋乃化人竣峰炔學啟螟奴峭帖噓躍暗咀拷桶憐夜羽搔余窮并臺炊袱尉斤膿胞浚杏腳亮布圭衍鉑法湖暮爐熾拉肖添堰蓑應(yīng)倪潑邦巴番溝商孝陋戚論志牛喬員沾弓秦鐮很頓募迂扛幫缸環(huán)潤爍瑤賀啤釘盅

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