多自由度力觉辅助远程康复训练机械臂.doc

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1、多自由度力觉辅助远程康复训练机械臂设计：高磊，曹丹，曹群，李煊鹏，赵马泉指导教师：宋爱国，崔建伟（东南大学仪器科学与工程系，南京210096）摘要：多自由度力觉辅助远程康复训练机械臂的设计采用并行连杆机构。这种机械结构的优点是易于控制、机构轻巧，控制两个点就可以让机械臂在一个范围很大的二维空间内运动。通过离合器的开合可以完成主动治疗和被动治疗的切换。机械臂系统将力反馈遥操作机器人技术应用于上肢受伤和中风病人的辅助康复医疗，患者可以在家中根据医生的远程设定自行进行康复锻炼。可以预计，该系统的应用，不仅可以大大提高医生的工作效率，而且极大地方便了广大上肢受伤

2、和中风病人。关键词：并行连杆机构；三自由度；力反馈；基于Internet的远程测控；康复医疗训练1引言机器人技术一项重要的科学技术，特别是机械设计、计算机、自动控制技术等现代技术发展的重要产物之一。随着电子技术、传感器技术、医学影像技术、现代信息处理技术等技术的飞速发展,机器人技术应用到医疗领域,由此而产生了医疗康复机器人。医疗康复机器人的发展不仅在医学领域产生了重大的影响,为传统医学带来了极大的技术甚至是观念上的变革,而且作为一种产业已经成为世界经济新的增长点,因而受到了世界各国的普遍重视[1]。上肢受伤和中风病人需要在医生的指导和一定大小的外力的作用

3、下进行肢体功能的恢复锻炼。传统的康复训练设备大多单纯采用机械结构，使用时每个病人都需要有一个专门的康复医生帮助治疗。而随着中国人口老龄化的加快中风病人将越来越多，患者多医生少的矛盾越来越突出。我们的创新设计作品是一种康复训练机械臂。它是一种可以自动控制的，用于中风病患者康复训练的康复机器人；它使得每个医生可以同时指导多个病人进行康复治疗。2国内外研究概况康复治疗机器人是康复医学和机器人技术的完美结合。20世纪80年代是康复机器人研究的起步阶段,美国、英国、加拿大和日本在康复机器人方面的研究处于世界的领先地位。1990年以后康复机器人的研究进入到全面发展时

4、期[3]。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、假肢等几个方面[4]。2.1康复治疗机器人的研究现状康复治疗机器人在医疗实践上主要是用于恢复患者肢体运动系统的功能。运动系统的问题可以划分为两类:一类是生物力学或生物物理化学类型的应用;另一类是运动学习[4~7]。当人的肢体受外伤、烧伤或做手术后,由于受伤组织的皮肤、韧带和肌肉失去弹性而导致肢体运动的速度和范围受到限制。生物力学或生物物理化学类型的应用就是使用机器人系统来打破受伤肢体的运动范围[8]。当病患经历了中风(Stroke)、帕金森氏病(Parkinson’sDise

5、ase)等一系列的运动神经伤害后，往往也会失去运动的能力。这就需要运动技能的学习或再学习。运动技能的学习或再学习是一个囊括了竞争运动控制理论、训练技术和人机接口问题等诸多方面的复杂问题,下面详细介绍。2.2CPM机　CPM机是利用康复医学中连续被动运动(ContinuousPassiveMotion/CPM)[8]的基本原理对受伤肢体进行康复治疗的机械装置,是目前为止唯一的一个机器人生物力学或生物物理化学类型的应用的例证。早在20世纪60年代初期就有医学团体运用CPM机进行了术后康复治疗的医学实践,此后也有用于膝、肩、肘关节等康复的CPM机出现。但由于受

6、技术水平的限制,这类CPM机长期停留在“大关节”康复的范围内。目前,市场上已经有了用于腕关节和手指关节这样的“小关节”康复的CPM机(图2.2为Rolyan公司的手关节和腕关节CPM机),但他们还不能像“大关节”CPM机那样实现精确的控制,不能对手指抓握等精巧的动作进行训练,治疗的效果还有待提高[9]。图2.2　Rolyan公司的CPM机2.3神经运动康复治疗机器人　目前这一类机器人的研究比较活跃,用来康复治疗与神经运动有关的疾病,包括中风、帕金森氏病和大脑性麻痹(CerebralPalsy)[6~9]。美国麻省理工学院研制了一种帮助中风患者康复治疗的机

7、器人MIT-MANUS[6~9],它有2个自由度,可以实现病人的肩、肘和手在水平和竖直平面内的运动。在治疗过程中,把中风病人的手臂固定在一个特制的手臂支撑套中,手臂支撑套固定在机器人臂的末端。病人的手臂按计算机屏幕上规划好的特定轨迹运动,屏幕上显示出虚拟的机器人操作杆的运动轨迹,病人通过调整手臂的运动可以使两条曲线尽量重合,从而达到康复治疗的目的。如果病人的手臂不能主动运动,机器人臂可以像传统康复医疗中临床医生的做法那样带动病人的手臂运动。图2.3为MIT-MANUS在治疗中风病人[6~9]。图2.3　中风病人在用MIT-MANUS治疗在此基础上，他们又

8、研制了用于腕部康复的机械设备，可以提供三个旋转自由度，并进行了初步的临床实验。另