关节康复机器人上肢理疗和训练

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1、三自由度上肢训练器及控制系统设计（文献翻译）16关节康复机器人上肢理疗和训练摘要：本研究的目的是设计一个机器人系统来帮助患者的康复，使他们能以后做各种日常活动。假设要使一个9自由度的外骨骼机器人到达所期望的的位置，这对操作系统和各关节的设计是相当的困难。在本文中，我们解决操作一个人的手臂的运动轨迹不定的问题，使我们能够避免通过错误姿势来做康复运动，同时寻找所需的解决方案，然后尽可能准确地达到所需的康复运动动作。此外，本研究结合肌电图（EMG）和力传感器来检测病人的运动对他上肢的影响，使康复机器人可以支持人类的的上肢适当地达到预期的运动。为此我们对康复机器人进行设计和实

2、验，并取得可喜的成果。B.-C.Tsai,W.-W.Wang,L.-C.Hsu,L.-C.FuandJ.-S.LaiThe2010IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystemsOctober18-22,2010,Taipei,Taiwan三自由度上肢训练器及控制系统设计（文献翻译）161简介经过去十年的发展，康复机器人物理治疗已经投入使用至今。事实上，许多康复机器人在文献[1-4]已提出了上肢的治疗和援助。根据康复机器人的机械结构，主要有三种类型的中风瘫痪患者接触或互动的。第一种类型是一个端点的

3、固定系统，如MIT-Manus，可以修复的患者的前端的一部分，UE（用户设备）引导所需的变动。也就是说，中风瘫痪患者可以执行动作，只有前臂支撑。是第二类型的线缆悬挂系统，，如Freebal重力补偿系统。它提供了康复服务的UE在反重力的支持。第三类是外骨骼臂系统，如ARMin。在这项研究中，我们的康复机器人选择外骨骼类型。类似人类的机器人臂（外骨骼）的使用已在文献中已经提出各种建议，并对人的手臂的动作的原理进行解释。所有这些类人机器人的结构通常采用一些特殊的组成部分圆形的导环，以达到人的肩膀的内部/外部旋转。然而，参与设计的特殊成分，这项研究的目的是在模仿人类的运动使用

4、的坐标功能和生物启发的标准，以实现我们的目标。这种康复机器人是专为上肢康复外骨骼型，包括自由度的设计，结合选择性反向运动学（IK）解决方案，阻抗控制，由EMG触发而改进的MIT-Manus。其中，自由度设计是指比正常人类的上肢多个关节。这样的设计可以让ROM接近一个正常的人，并提供协调的机械结构。在本研究中因为IK问题产生重复设计的问题，首先是研究机器人手臂和人的手臂区别，然后寻找有效的和理想IK的几何关系解决方案。中风康复治疗的康复机器人的应用程序的运动轨迹是执行圆形轨迹。这个训练计划，使患者的手臂协调运动。Miyoshi等人（2010年）指出，它是一个复杂的运动协

5、调肌肉的共同收缩和偏心活动在内侧/外侧和向前/向后方向。此外，一个显示运动皮层的激活和复制一些几何形状的的视觉反应之间的关系文献已经发表过。三自由度上肢训练器及控制系统设计（文献翻译）162康复机器人的设计2.1机械结构人类的上肢的程度的自由度（DOF）通常被定义为独立的位移或运动的总数。一般来说，肩关节复杂的3自由度运动（前屈/后伸，外展/内收，旋内/旋外），2个自由度，肘关节（屈曲/伸直，前臂旋前/旋后），在腕关节的自由度（前屈/后伸，旋内/旋外）。理想的情况下，设计自由度上肢康复机器人能达到的所有功能，但事实上，它可能无法实现，因为它产生的运动范围（ROM），特

6、别是肩会运动到一些死区。因此，我们采用多自由度设计来解决这个问题。多自由度的康复机器人的设计提供更多可供选择的运动解决方案的同时，避免在相关的工作区不利的轨迹点规划。按照这样的概念，外骨骼型机器手臂配备比一个人的手臂多个关节，产生了9个自由度机械手，包括6DOF肩关节的机器人，在肘关节的1自由度和2自由度在腕关节，如示于图2.1.1。图2.1.1康复机器人的图片在下文中，图2.1.2显示了一个人的上肢和其与所提到的9自由度康复机器人的运动自由。显然，用来容纳由于人类的肩关节的（即2-4个关节，为水平面内运动，关节5为矢量面内运动，运动的机械关节的1-6的康复机器人，即

7、关节1,2，3,4,6的旋内/旋外运动），机械关节7是用于人类的肘关节的运动，以及用于其它的机械关节，以适应由于的人的腕关节的运动（即关节8-9，旋内/旋外运动）。为了使机器人适应不同病人的需求，其作用机理是这样设计的，上臂的长度，可向从26厘米至34厘米之间变化，而与前臂可以作出24厘米和30之间变化厘米。三自由度上肢训练器及控制系统设计（文献翻译）16图2.1.2人体上肢的运动模型一个人的手臂模型（b）康复机器人2.2系统架构根据一般的控制系统的功能，它可以被分为三类：（1）传感器系统（2）驱动装置和（3）计算机处理器。传感器系统通常包括电位器，