上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人肘關(guān)節(jié)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計【上肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計】【說明書+CAD+PROE+仿真】

上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人肘關(guān)節(jié)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計【上肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計】【說明書+CAD+PROE+仿真】,上肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計,說明書+CAD+PROE+仿真,上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人肘關(guān)節(jié)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計【上肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計】【說明書+CAD+PROE+仿真】,上肢,骨骼,康復(fù),痊愈,機(jī)器人,肘關(guān)節(jié),機(jī)械,系統(tǒng),設(shè)計 摘要 上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 是 醫(yī) 療 機(jī) 器 人 的 一 個 重 要 分 支 ， 它 以 偏 癱 腦 卒 中 病 人 運 動 療 法 中 的 運 動 再 學(xué) 習(xí) 理 論 為 基 礎(chǔ) ， 融 合 了 醫(yī) 學(xué) 、 生 物 學(xué) 、 機(jī) 械 學(xué) 、 信 息 與 計 算 機(jī) 科 學(xué) 等 諸 多 學(xué) 科 ， 是 目 前 國 內(nèi) 外 的 研 究 熱 點 。 本 文 對 上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 的 總 體 設(shè) 計 、 運 動 學(xué) 分 析 、 運 動 控 制 系 統(tǒng) 、 機(jī) 器 人 樣 機(jī) 及 實 驗 等 進(jìn) 行 了 研 究 和 開 發(fā) ， 為 該 領(lǐng) 域 產(chǎn) 品 設(shè) 計 奠 定 理 論 基 礎(chǔ) 、 提 供 技 術(shù) 支 撐 。 論 文 結(jié) 合 上 肢 解 剖 學(xué) 和 運 動 治 療 理 論 ， 從 安 全 性 、 仿 生 學(xué) 、 外 骨 骼 材 質(zhì) 、 訓(xùn) 練 任 務(wù) 、 安 裝 使 用 等 幾 個 方 面 總 結(jié) 出 上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 的 設(shè) 計 要 求 ;在 此 基 礎(chǔ) 上 ， 設(shè) 計 出 了 輕 型 、 運 動 可 靠 的 上 肢 外 骨 骼 康 復(fù) 機(jī) 器 人 肘 關(guān) 節(jié) 機(jī) 械 系 統(tǒng) ， 并 詳 細(xì) 介 紹 了 康 復(fù) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 的 機(jī) 械 本 體 和 控 制 策 略 。 關(guān)鍵詞:上肢康復(fù)機(jī)器人，運動學(xué)分析，運動控制系統(tǒng) ABSTRACT As an important branch of medical robot， the rehabilitation training robot for stroke hemiplegic patients is a hot research topic both at home and abroad. Based on motor relearning theory， it combines many technology fields such as medicine， biology， mechanics， information & computer science， etc. This thesis makes researches on system design， kinematic analysis， motion control system， prototype and experiment， and lies the foundation for further theoretical research and provides technical supportings. Taking safety， bionics，exoskeleton material， training mission and installation use into consideration， the design rules for upper limb rehabilitation robot are proposed on basis of human upper limb anatomy and motion rehabilitation theory. Under the guidance of rules， a novel exoskeletal upper limb rehabilitation robot for patients in light and movement reliable is developed.The mechanical structure， control strategies of the rehabilitation system are also introduced. Keywords: Upper limb rehabilitation robot，Kinematic analysis，Motion control system 目錄 摘要 I ABSTRACT II 第1章 緒論 1 1.1 研究背景及意義 1 1.2 上肢康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.3 肘關(guān)節(jié) 3 1.3.1 上肢外骨骼自由度分析 3 1.3.2 肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 4 1.3.3 肘關(guān)節(jié)的運動及參數(shù) 4 1.4 外骨骼機(jī)械設(shè)計 5 1.4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計 5 1.4.2 驅(qū)動系統(tǒng)種類及各優(yōu)缺點 6 1.4.3 能源 7 1.4.4 舉例比較 7 1.5 控制系統(tǒng) 8 1.6 上肢康復(fù)機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練策略關(guān)鍵技術(shù)綜述 11 1.7 發(fā)展前景 12 第2章 外骨路式機(jī)器人上肢康復(fù)肘關(guān)節(jié)方案設(shè)計 13 2.1 上肢生理特點與康復(fù)治療方法 13 2.1.1 手臂的生理結(jié)構(gòu)特點 13 2.1.2 復(fù)治療方法 14 2.2 機(jī)器人上肢康復(fù)系統(tǒng)構(gòu)建 15 2.3 肘關(guān)節(jié)系統(tǒng)方案 16 第3章 肘關(guān)節(jié)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計 17 3.1 機(jī)構(gòu)驅(qū)動方案 17 3.2 機(jī)構(gòu)運動方式 18 3.3 機(jī)構(gòu)方案 18 3.4 零部件具體設(shè)計 19 3.3.1 上臂 19 3.3.2 下臂 20 3.3.3 拉桿 22 3.3.4 裝配圖 22 第4章 系統(tǒng)運動仿真及有限元分析 24 4.1 運動仿真 24 4.1.1 機(jī)構(gòu)組裝 24 4.1.2 機(jī)構(gòu)設(shè)置 25 4.1.3 運動分析 27 4.2 有限元分析 28 4.2.1 創(chuàng)建模型 29 4.2.2 建立分析模型 29 4.2.3 結(jié)構(gòu)分析 34 第五章 系統(tǒng)控制策略 45 5.1 表面肌電信號的產(chǎn)生機(jī)理與特點 45 5.2 基于sEMG信號的上肢康復(fù)機(jī)器人控制策略 47 5.2.1 上肢康復(fù)訓(xùn)練動作目標(biāo)集設(shè)計 47 5.2.2 表面肌電電極的布置與信號采集 47 5.2.3 基于sEMG動作辨識的自主性被動訓(xùn)練方案 48 致謝 50 參考文獻(xiàn) 51 IV 第1章 緒論 1.1 研究背景及意義 隨著我 國 老 齡 化 的 加 劇 ， 伴 隨 老 齡 化 過 程 中 明 顯 的 生 理 衰 退 就 是 四 肢 的 靈 活 性 不 斷 下 降 ， 而 在 老 齡 人 群 中 有 大 量 有 腦 血 管 疾 病 或 神 經(jīng) 系 統(tǒng) 疾 病 患 者 ， 這 些 患 者 又 大 都 伴 有 偏 癱 癥 狀 ， 對 日 常 生 活 產(chǎn) 生 了 種 種 不 利 的 影 響 。 手 臂 是 日 常 生 活 中 運 用 最 多 也 最 容 易 受 傷 的 肢 體 ， 治 療 時 通 常 運 用 一 定 物 理 療 法 以 輔 助 藥 物 治 療 。 傳 統(tǒng) 的 人 工 物 理 療 法 中 ， 治 療 師 們 勞 動 強(qiáng) 度 大 且 要 求 具 有 高 度 熟 練 技 巧 。 而 康 復(fù) 機(jī) 器 人 旨 在 利 用 機(jī) 器 人 原 理 ， 把 智 能 控 制 與 人 體 運 動 相 結(jié) 合 ， 以 代 替 人 工 進(jìn) 行 康 復(fù) 訓(xùn) 練 ， 其 能 夠 承 受 的 工 作 強(qiáng) 度 高 ， 促 進(jìn) 神 經(jīng) 功 能 重 塑 ， 恢 復(fù) 患 者 運 動 及 控 制 能 力 的 目 的 。 目 前 患 者 的 治 療 主 要 依 賴 于 治 療 師 的 一 對 一 的 徒 手 訓(xùn) 練 ， 這 種 方 法 不 僅 費 時 費 力 ， 而 且 也 缺 乏 量 化 的 客 觀 評 價 ， 不 能 夠 實 時 監(jiān) 測 治 療 效 果 。 為 解 決 這 些 康 復(fù) 訓(xùn) 練 過 程 中 出 現(xiàn) 的 問 題 ， 需 要 安 全 、 定 量 、 有 效 及 可 進(jìn) 行 重 復(fù) 訓(xùn) 練 的 新 技 術(shù) ， 因 此 機(jī) 器 人 輔 助 訓(xùn) 練 技 術(shù) 在 這 種 背 景 下 應(yīng) 運 而 生 。 將 虛 擬 現(xiàn) 實 和 外 骨 骼 技 術(shù) 引 入 到 肢 體 的 康 復(fù) 工 程 ， 根 據(jù) 康 復(fù) 醫(yī) 學(xué) 的 運 動 療 法 和 作 業(yè) 療 法 ， 為 上 肢 殘 疾 患 者 研 制 出 手 臂 外 骨 骼 康 復(fù) 系 統(tǒng) ， 實 現(xiàn) 了 手 臂 的 運 動 控 制 ， 并 構(gòu) 建 了 虛 擬 環(huán) 境 仿 真 平 臺 [1]。 借 助 于 觸 覺 感 知 接 口 的 力 反 饋 作 用 可 以 使 患 者 感 覺 到 手 臂 受 到 的 作 用 力 。 提 出 手 臂 功 能 康 復(fù) 測 評 方 法 ， 并 建 立 患 者 康 復(fù) 病 案 數(shù) 據(jù) 庫 。 手 臂 外 骨 骼 康 復(fù) 系 統(tǒng) 為 患 者 提 供 有 效 的 肢 體 功 能 恢 復(fù) 的 工 具 。 圖 1.1 上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 1.2 上肢康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 人 體 外 骨 骼 的 相 關(guān) 研 究 是 一 個 比 較 前 沿 的 領(lǐng) 域 ， 目 前 世 界 科 技 強(qiáng) 國 包 括 美 國 、 日 本 、 法 國 和 俄 羅 斯 等 國 家 在 該 領(lǐng) 域 開 展 了 大 量 的 研 究 ， 并 取 得 了 一 些 初 步 成 果 。 而 在 我 國 ， 該 領(lǐng) 域 的 研 究 尚 處 于 起 步 階 段 。 由 于 上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 具 有 如 此 多 的 優(yōu) 點 ， 因 而 隨 著 目 前 機(jī) 器 人 技 術(shù) 、 先 進(jìn) 控 制 技 術(shù) 、 計 算 機(jī) 技 術(shù) 、 傳 感 技 術(shù) 、 生 物 醫(yī) 學(xué) 、 人 工 智 能 技 術(shù) 等 的 發(fā) 展 ， 康 復(fù) 機(jī) 器 人 技 術(shù) 也 在 近 幾 年 獲 得 了 很 大 進(jìn) 步 ， 成 為 機(jī) 器 人 領(lǐng) 域 與 康 復(fù) 醫(yī) 學(xué) 領(lǐng) 域 的 研 究 熱 點 ． 上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 可 以 分 為 兩 大 類 ， 一 類 為 末 端 牽 引 式 康 復(fù) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) ， 另 一 類 為 外 骨 骼 式 康 復(fù) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) ． 末 端 牽 引 式 康 復(fù) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 是 一 種 以 普 通 連 桿 機(jī) 構(gòu) 或 串 聯(lián) 機(jī) 器 人 機(jī) 構(gòu) 為 主 體 機(jī) 構(gòu) ， 使 機(jī) 器 人 末 端 與 患 者 手 臂 連 接 ， 通 過 機(jī) 器 人 運 動 帶 動 患 者 上 肢 運 動 來 達(dá) 到 康 復(fù) 訓(xùn) 練 目 的 的 機(jī) 械 系 統(tǒng) ． 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 與 患 者 相 對 獨 立 ， 僅 通 過 患 者 手 部 與 機(jī) 器 人 末 端 相 連 ． 其 結(jié) 構(gòu) 簡 單 、 易 于 控 制 ， 價 格 低 廉 [2]。 工 業(yè) 機(jī) 器 人 為 成 熟 產(chǎn) 品 ， 整 個 系 統(tǒng) 可 靠 性 更 高 ， 早 期 的 上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 大 都 為 此 種 系 統(tǒng) ． 美 國 麻 省 理 工 學(xué) 院 （ MIT） 的 Hogan 提 出 的 2-DOF（ 自 由 度 ） 臂 平 面 康 復(fù) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) MIT-MANUS， 具 有 一 定 的 重 力 補 償 作 用 ． 后 來 又 提 出 了 2-DOF 腕 關(guān) 節(jié) 康 復(fù) 機(jī) 器 人 ， 與 臂 MIT-MANUS 結(jié) 合 形 成 了 完 整 的 系 統(tǒng) ， 可 以 實 現(xiàn) 4-DOF 的 康 復(fù) 運 動 ， 并 已 經(jīng) 開 始 應(yīng) 用 于 臨 床 治 療 ． 訓(xùn) 練 時 ， MIT-MANUS 可 以 推 動 、 引 導(dǎo) 或 干 擾 患 者 上 肢 的 運 動 ， 以 提 供 不 同 的 訓(xùn) 練 模 式 ； 可 以 采 集 位 置 、 速 度 、 力 等 信 息 以 供 分 析 ； 可 以 將 運 動 狀 態(tài) 信 息 顯 示 到 電 腦 屏 幕 上 為 患 者 提 供 視 覺 反 饋 ． 美 國 斯 坦 福 大 學(xué) 研 制 了 基 于 PUMA500、 560 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) MIME（ mirror im-age motion enabler） ， 可 以 輔 助 患 者 完 成 上 肢 患 側(cè) 與 健 側(cè) 的 鏡 像 運 動 ． 該 系 統(tǒng) 采 集 健 側(cè) 上 肢 運 動 的 軌 跡 ， 鏡 像 到 患 側(cè) ， 并 通 過 工 業(yè) 機(jī) 器 人 輔 助 患 側(cè) 進(jìn) 行 運 動 ， 也 已 開 始 患 者 的 臨 床 康 復(fù) 治 療 ． 2000 年 ， 美 國 加 州 大 學(xué) 與 芝 加 哥 康 復(fù) 研 究 所 研 制 了 可 實 現(xiàn) 上 肢 運 動 的 3-DOF 康 復(fù) 機(jī) 器 人 ARMGuide（ assisted rehabilitation and measurement guide） [3]， 具 有 一 個 主 動 DOF． 通 過 電 機(jī) 驅(qū) 動 直 線 導(dǎo) 軌 來 帶 動 大 臂 實 現(xiàn) 曲 伸 等 運 動 。 作 為 上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 研 究 的 起 點 ， 1993 年 加 利 福 尼 亞 大 學(xué) 的 P. S. lum研 究 設(shè) 計 了 名 為 手 -目 標(biāo) -手 (hand-object-hand)的 雙 手 康 復(fù) 裝 置 ， 該 裝 置 從 人 類 日 常 生 活 中 對 雙 手 協(xié) 調(diào) 性 工 作 的 的 需 要 出 發(fā) ， 利 用 健 手 帶 動 患 手 的 主 從 方 法 ， 通 過 簡 單 的 雙 手 移 動 和 擠 壓 物 體 訓(xùn) 練 雙 手 協(xié) 調(diào) 性 。 為 保 持 動 作 模 式 的 正 確 性 ， 裝 置 中 設(shè) 計 了 兩 個 剛 性 夾 板 ， 將 手 部 自 由 度 限 制 在 手 腕 屈 伸 運 動 ， 并 通 過 該 裝 置 檢 測 和 傳 遞 力 信 息 。 美 國 亞 利 桑 那 大 學(xué) 的 He 等 研 發(fā) 了 基 于 人 工 氣 動 肌 肉 （ PM） 驅(qū) 動 的 4-DOF、 5-DOF 上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 RUPERT（ robotic upper extremity repetitivetrainer） ． 4-DOF 包 括 肩 關(guān) 節(jié) 屈 ／ 伸 運 動 、 肘 屈 ／ 伸 、 前 臂 轉(zhuǎn) 動 、 腕 內(nèi) ／ 外 擺 動 ， 主 要 完 成 肩 、 肘 、 腕 運 動 ， 5-DOF 增 加 了 大 臂 的 旋 內(nèi) ／ 外 功 能 ， 增 大 了 工 作 空 間 ． 人 工 氣 動 肌 肉 驅(qū) 動 的 主 要 優(yōu) 點 是 動 作 方 式 、 工 作 特 性 等 與 人 的 肌 肉 功 能 相 似 ， 整 個 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 運 動 特 征 與 人 手 臂 相 似 ， 具 有 其 他 驅(qū) 動 方 式 沒 有 的 柔 順 性 。 加 州 大 學(xué) 歐 文 分 校 開 發(fā) 了 5-DOFT-WREXtraining Wilmington robotic exoskeleton） 和 5 自 由 度 Pneu-WREX 二 種 肩 、 肘 訓(xùn) 練 上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) [4]。 前 者 沒 有 驅(qū) 動 裝 置 ， 適 于 患 者 的 主 動 訓(xùn) 練 與 運 動 參 數(shù) 測 定 ． 后 者 采 用 氣 動 驅(qū) 動 ， 更 進(jìn) 一 步 適 于 患 者 被 動 康 復(fù) 訓(xùn) 練 。 外 骨 骼 技 術(shù) 在 我 國 尚 處 于 基 礎(chǔ) 研 究 階 段 ， 我 國 國 家 自 然 科 學(xué) 基 金 和 科 技 支 撐 計 劃 也 逐 漸 關(guān) 注 、 開 展 外 骨 骼 機(jī) 器 人 的 研 究 ， 清 華 大 學(xué) 、 上 海 大 學(xué) 、 東 南 大 學(xué) 、 浙 江 大 學(xué) 、 合 肥 中 科 院 、 海 軍 航 空 工 程 學(xué) 院 等 單 位 也 介 入 了 該 課 題 基 礎(chǔ) 理 論 與 關(guān) 鍵 技 術(shù) 的 研 究 。 1.3 肘關(guān)節(jié) 1.3.1 上肢外骨骼自由度分析 其 中 包 括 ： 肩 部 ３ 個 自 由 度 （ 外 展 ／ 內(nèi) 收 、 屈 ／ 伸 、 軸 向 轉(zhuǎn) 動 ） 、 肘 部 １ 個 自 由 度 （ 屈 ／ 伸 ） 、 腕 部 ２ 個 自 由 度 （ 屈 ／ 伸 、 軸 向 轉(zhuǎn) 動 ） ， 如 圖 1.2所 示 。 圖 1.2 上肢自由度 1.3.2 肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 肘 關(guān) 節(jié) 是 由 三 個 關(guān) 節(jié) 共 同 包 裹 在 一 個 關(guān) 節(jié) 囊 內(nèi) 組 成 的 復(fù) 關(guān) 節(jié) 。 當(dāng) 肘 關(guān) 節(jié) 伸 直 時 ， 肱 骨 內(nèi) 、 外 上 髁 與 尺 骨 鷹 咀 尖 恰 位 于 一 條 直 線 上 ， 屈 肘 時 則 形 成 以 鷹 咀 尖 為 頂 角 的 等 腰 三 角 形 ， 臨 床 上 常 以 此 鑒 別 肘 關(guān) 節(jié) 脫 位 或 肱 骨 髁 上 骨 折 。 肘 關(guān) 節(jié) 在 伸 直 的 情 況 下 ， 若 受 暴 力 如 跌 倒 時 一 側(cè) 手 掌 著 地 ， 使 肱 骨 下 端 向 前 移 位 、 尺 骨 鷹 咀 則 向 后 移 ， 形 成 肘 關(guān) 節(jié) 后 脫 位 。 當(dāng) 肘 關(guān) 節(jié) 伸 直 ， 前 臂 處 于 旋 后 位 時 ， 臂 與 前 臂 并 不 在 一 條 直 線 上 ， 前 臂 的 遠(yuǎn) 側(cè) 端 偏 向 外 側(cè) ， 二 者 之 間 形 成 一 向 外 開 放 的 鈍 角 ， 稱 為 提 攜 角 。 1.3.3 肘關(guān)節(jié)的運動及參數(shù) 肘 關(guān) 節(jié) 的 肱 尺 關(guān) 節(jié) 可 沿 略 斜 的 額 狀 軸 作 屈 伸 運 動 ； 橈 尺 近 側(cè) 關(guān) 節(jié) 與 橈 尺 遠(yuǎn) 側(cè) 關(guān) 節(jié) 是 必 須 同 時 運 動 的 聯(lián) 合 關(guān) 節(jié) ， 司 前 臂 的 旋 轉(zhuǎn) 運 動 ； 肱 橈 關(guān) 節(jié) 雖 屬 球 窩 關(guān) 節(jié) ， 但 只 能 配 合 上 述 兩 關(guān) 節(jié) 的 活 動 ， 即 與 肱 尺 關(guān) 節(jié) 一 起 ， 共 同 進(jìn) 行 屈 伸 運 動 ， 配 合 橈 尺 近 側(cè) 關(guān) 節(jié) 進(jìn) 行 垂 直 軸 的 旋 轉(zhuǎn) [5]。 肘 關(guān) 節(jié) 中 立 位 為 肘 關(guān) 節(jié) 伸 直 。 屈 曲 角 度 為 0-140° ， 過 伸 角 度 為 0-10° 。 旋 前 （ 掌 心 向 下 ） 90° ， 旋 后 （ 掌 心 向 上 ） 90° 。 運 動 角 速 度 為 40-80° /s， 如 圖 1.3所 示 。 圖 1.3 肘關(guān)節(jié)活動范圍 1.4 外骨骼機(jī)械設(shè)計 1.4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計 外 骨 骼 機(jī) 器 人 是 一 種 人 體 可 穿 戴 的 機(jī) 械 裝 置 ， 因 此 使 用 過 程 中 的 安 全 性 、 舒 適 性 和 實 用 性 是 應(yīng) 該 首 先 考 慮 的 因 素 。 外 骨 骼 機(jī) 器 人 大 致 可 分 為 上 肢 外 骨 骼 機(jī) 器 人 、 下 肢 外 骨 骼 機(jī) 器 人 和 全 身 外 骨 骼 機(jī) 器 人 ， 無 論 是 哪 一 種 外 骨 骼 機(jī) 器 人 都 將 與 人 體 進(jìn) 行 。 親 密 接 觸 。 ， 因 此 在 設(shè) 計 外 骨 骼 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 時 要 全 面 地 分 析 人 體 各 關(guān) 節(jié) 的 運 動 范 圍 和 運 動 特 點 ， 盡 量 的 合 理 化 、 擬 人 化 ， 從 而 使 穿 戴 者 安 全 舒 適 、 動 作 靈 活 且 不 受 限 制 [6]。 因 此 ， 設(shè) 計 外 骨 骼 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 時 要 考 慮 到 以 下 幾 點 ： 1） 設(shè) 計 外 骨 骼 時 要 盡 量 遵 循 擬 人 原 則 ， 外 骨 骼 各 個 肢 體 關(guān) 節(jié) 等 機(jī) 械 形 狀 和 尺 寸 參 照 人 體 ； 2） 外 骨 骼 機(jī) 器 人 的 各 個 關(guān) 節(jié) ， 如 膝 、 髖 、 踝 關(guān) 節(jié) 等 ， 自 由 度 要 考 慮 到 人 體 相 應(yīng) 關(guān) 節(jié) ， 確 保 其 運 動 形 式 與 人 的 運 動 形 式 相 同 ， 并 且 外 骨 骼 各 個 關(guān) 節(jié) 要 有 一 定 的 運 動 范 圍 ， 使 其 既 不 限 制 人 體 運 動 ， 又 能 確 保 動 作 時 的 安 全 ； 3） 外 骨 骼 要 能 夠 在 不 同 的 環(huán) 境 使 用 ， 如 沙 漠 、 山 地 、 坡 地 、 草 地 、 樓 梯 等 。 圖 1.4 上肢康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu) 圖1.5 具有6個自由度的上肢柔性外骨骼結(jié)構(gòu) 1.4.2 驅(qū)動系統(tǒng)種類及各優(yōu)缺點 外 骨 骼 機(jī) 器 人 的 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 和 驅(qū) 動 器 必 須 質(zhì) 量 輕 、 體 積 小 ， 并 且 能 提 供 足 夠 大 的 驅(qū) 動 力 矩 或 扭 矩 ， 同 時 要 具 有 良 好 的 散 熱 性 能 [7]。 當(dāng) 前 國 際 上 的 外 骨 骼 設(shè) 備 常 用 的 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 主 要 有 電 動 機(jī) 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 、 氣 壓 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 、 液 壓 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 3 種 。 1、 液 壓 驅(qū) 動 液 壓 驅(qū) 動 是 以 液 體 為 工 作 介 質(zhì) 進(jìn) 行 能 量 傳 遞 和 控 制 的 傳 動 方 式 。 液 壓 系 統(tǒng) 具 有 慣 性 小 、 構(gòu) 造 簡 單 、 可 靠 性 高 、 工 作 穩(wěn) 定 等 優(yōu) 點 。 但 是 工 作 中 受 壓 液 體 容 易 泄 漏 ， 并 且 工 作 噪 聲 較 大 、 能 源 使 用 效 率 低 、 傳 動 速 度 低 。 美 國 加 州 大 學(xué) 伯 克 利 分 校 研 制 成 的 助 力 機(jī) 械 服 裝 BLEEX 系 列 和 雷 神 公 司 推 出 的 外 骨 骼 機(jī) 械 裝 XOS 系 列 均 采 用 了 液 壓 驅(qū) 動 方 式 來 驅(qū) 動 外 骨 骼 。 2、 氣 壓 驅(qū) 動 氣 壓 驅(qū) 動 是 以 壓 縮 空 氣 為 工 作 介 質(zhì) 進(jìn) 行 能 量 傳 遞 和 控 制 的 傳 動 方 式 。 氣 壓 系 統(tǒng) 具 有 結(jié) 構(gòu) 簡 單 、 無 污 染 、 阻 力 損 失 小 、 成 本 低 等 優(yōu) 點 ， 它 在 許 多 行 業(yè) 已 得 到 廣 泛 應(yīng) 用 ， 其 驅(qū) 動 的 高 度 柔 順 性 使 其 在 康 復(fù) 機(jī) 器 人 方 面 很 有 應(yīng) 用 潛 力 ； 它 安 裝 簡 便 ， 不 需 要 復(fù) 雜 的 機(jī) 構(gòu) 及 精 度 要 求 ； 其 動 作 平 滑 ， 響 應(yīng) 滿 足 康 復(fù) 訓(xùn) 練 要 求 并 可 實 現(xiàn) 慢 速 ， 但 是 氣 動 裝 置 傳 動 速 度 的 穩(wěn) 定 性 較 差 ， 信 號 傳 遞 速 度 較 慢 、 控 制 性 差 ， 不 適 用 于 大 功 率 系 統(tǒng) 傳 動 。 日 本 神 奈 川 工 科 大 學(xué) 成 功 研 制 的 全 身 型 外 骨 骼 機(jī) 器 人 （ powerassist suit， PAS） 采 用 的 氣 壓 傳 動 裝 置 可 將 使 用 者 的 力 量 增 加 0.5～ l.0倍 。 3、 電 動 機(jī) 驅(qū) 動 電 動 機(jī) 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 是 利 用 電 力 設(shè) 備 并 調(diào) 節(jié) 電 參 數(shù) 來 傳 遞 動 力 和 進(jìn) 行 控 制 的 一 種 傳 動 方 式 。 電 動 機(jī) 系 統(tǒng) 技 術(shù) 成 熟 、 結(jié) 構(gòu) 簡 單 、 無 污 染 、 信 號 傳 遞 迅 速 且 易 于 實 現(xiàn) 自 動 化 ， 但 是 其 動 態(tài) 平 衡 性 差 、 質(zhì) 量 大 、 慣 性 大 、 換 向 慢 。 日 本 駐 波 大 學(xué) 的 外 骨 骼 機(jī) 器 人 HAL 系 列 采 用 了 電 動 機(jī) 驅(qū) 動 技 術(shù) 。 1.4.3 能源 目 前 ， 外 骨 骼 機(jī) 器 人 主 要 以 蓄 電 池 供 電 ， 移 動 范 圍 受 到 蓄 電 池 的 容 量 和 效 率 的 限 制 ， 如 何 提 高 蓄 電 池 單 位 體 積 的 容 量 和 外 骨 骼 的 使 用 效 率 是 國 內(nèi) 外 科 研 機(jī) 構(gòu) 一 直 致 力 于 解 決 的 關(guān) 鍵 問 題 ， 可 以 尋 求 新 能 源 技 術(shù) ， 包 括 太 陽 能 、 生 物 能 等 解 決 能 源 發(fā) 展 的 瓶 頸 。 1.4.4 舉例比較 1、 氣 動 驅(qū) 動 肘 關(guān) 節(jié) （ 圖 1.6） 圖 1.6氣動驅(qū)動肘關(guān)節(jié) 肘 關(guān) 節(jié) 的 屈 伸 動 作 為 單 純 的 旋 轉(zhuǎn) 運 動 ， 在 滿 足 設(shè) 計 要 求 的 前 提 下 ， 采 用 搖 塊 機(jī) 構(gòu) 的 傳 動 方 案 ， 如 上 圖 所 示 。 一 個 行 程 可 讀 式 直 線 氣 缸 尾 部 與 上 臂 固 定 裝 置 鉸 接 連 接 ， 當(dāng) 氣 缸 活 塞 前 后 伸 縮 運 動 的 時 候 ， 氣 缸 可 以 上 下 擺 動 ， 再 經(jīng) 由 搖 塊 機(jī) 構(gòu) 原 理 ， 將 直 線 位 移 變 為 肘 關(guān) 節(jié) 的 屈 曲 /伸 展 運 動 。 在 各 關(guān) 節(jié) 基 本 結(jié) 構(gòu) 造 型 完 成 后 ， 需 要 將 其 組 合 到 一 起 ， 完 成 整 體 結(jié) 構(gòu) 。 需 要 關(guān) 節(jié) 中 間 的 連 接 件 和 手 臂 的 造 型 ， 例 如 連 接 手 掌 和 腕 關(guān) 節(jié) 的 連 接 件 、 肘 關(guān) 節(jié) 和 前 臂 的 連 接 件 、 放 置 直 徑 氣 動 肌 肉 的 前 臂 、 放 置 直 徑 氣 動 肌 肉 的 上 臂 、 放 置 12mm直 徑 的 肩 關(guān) 節(jié) 肌 肉 架 以 及 各 種 用 于 連 接 的 標(biāo) 準(zhǔn) 件 的 選 取 、 軸 承 配 套 端 蓋 的 設(shè) 計 。 各 個 關(guān) 節(jié) 安 裝 繩 索 時 需 注 意 裝 配 的 順 序 和 安 裝 的 初 始 位 置 ， 以 及 繩 索 的 預(yù) 緊 。 帶 有 繩 套 的 繩 索 需 留 有 一 定 余 量 ， 減 少 扭 曲 的 影 響 。 氣 動 肌 肉 的 柔 性 外 骨 骼 肘 關(guān) 節(jié) 由 兩 條 氣 動 肌 肉 及 單 自 由 度 旋 轉(zhuǎn) 運 動 副 構(gòu) 成 ， 實 現(xiàn) 人 體 上 臂 肘 關(guān) 節(jié) 的 單 自 由 度 的 轉(zhuǎn) 動 [8]。 這 種 結(jié) 構(gòu) 與 現(xiàn) 有 的 外 骨 骼 機(jī) 械 手 或 者 其 它 穿 戴 器 械 相 比 ， 結(jié) 構(gòu) 新 穎 ， 輕 便 靈 巧 ， 采 用 氣 動 肌 肉 作 為 關(guān) 節(jié) 的 執(zhí) 行 元 件 ， 模 仿 人 體 肌 肉 伸 縮 的 動 作 ， 具 有 仿 生 學(xué) 的 特 點 。 2、 電 機(jī) 驅(qū) 動 手 臂 圖1.7 康復(fù)機(jī)器人運動自由度 基 于 人 體 上 肢 的 運 動 功 能 要 求 ， 上 圖 設(shè) 計 的 整 個 裝 置 既 可 穿 戴 于 患 者 身 上 ， 也 可 固 定 在 座 椅 或 支 架 上 以 減 輕 患 者 負(fù) 擔(dān) 。 該 裝 置 內(nèi) 含 的 運 動 機(jī) 構(gòu) 包 括 ： 肩 關(guān) 節(jié) 的 水 平 運 動 （ 主 要 由 導(dǎo) 軌 支 架 、 滑 塊 1、 連 桿 1 與 搖 桿 1 實 現(xiàn) ） ， 肩 關(guān) 節(jié) 的 豎 直 運 動 （ 主 要 由 蝸 輪 蝸 桿 、 滑 塊 2、 連 桿 2、 搖 桿 2 實 現(xiàn) ） ， 肩 關(guān) 節(jié) 的 旋 轉(zhuǎn) 運 動 （ 齒 輪 機(jī) 構(gòu) ） 和 肘 關(guān) 節(jié) 的 屈 /伸 運 動 。 鑒 于 腕 關(guān) 節(jié) 能 比 較 方 便 地 實 現(xiàn) 自 我 輔 助 康 復(fù) 訓(xùn) 練 ， 因 此 ， 本 設(shè) 計 將 腕 關(guān) 節(jié) 設(shè) 計 成 跟 隨 手 臂 自 由 轉(zhuǎn) 動 。 為 了 防 止 康 復(fù) 中 發(fā) 生 二 次 損 傷 ， 將 機(jī) 器 人 康 復(fù) 訓(xùn) 練 的 相 關(guān) 角 度 設(shè) 定 為 ： 以 矢 狀 面 為 基 準(zhǔn) ， 水 平 方 向 上 肩 關(guān) 節(jié) 外 展 /內(nèi) 收 0~100° /0~40° ， 以 水 平 面 為 基 準(zhǔn) ， 豎 直 方 向 上 肩 關(guān) 節(jié) 上 擺 /下 擺 0~75° /0~110° ， 旋 轉(zhuǎn) 運 動 上 內(nèi) 旋 /外 旋 0~75° /0~45° ； 肘 關(guān) 節(jié) 彎 曲 0~135° ， 旋 前 /旋 后 均 0~50° 。 1.5 控制系統(tǒng) 現(xiàn) 有 康 復(fù) 機(jī) 器 人 的 控 制 方 式 一 般 有 肌 電 信 號 傳 感 器 （ EMG） 、 力 傳 感 器 和 上 位 機(jī) 控 制 三 種 。 EMG 和 力 傳 感 器 能 夠 實 時 檢 測 患 肢 的 任 一 自 由 度 上 是 否 有 主 動 力 ， 并 通 過 反 饋 為 相 應(yīng) 自 由 度 提 供 助 力 ， 幫 助 患 肢 實 現(xiàn) 康 復(fù) 運 動 [9]。 這 兩 種 方 法 更 適 用 于 后 期 的 主 動 康 復(fù) 和 助 力 康 復(fù) 運 動 。 在 上 位 機(jī) 控 制 的 方 式 中 ， 患 者 可 以 根 據(jù) 自 身 情 況 設(shè) 定 各 關(guān) 節(jié) 康 復(fù) 運 動 的 角 度 和 速 度 ， 并 且 選 擇 系 統(tǒng) 中 預(yù) 設(shè) 的 一 些 專 業(yè) 的 組 合 康 復(fù) 曲 線 輔 助 患 者 的 康 復(fù) 鍛 煉 。 因 此 ， 該 方 法 更 適 用 于 被 動 康 復(fù) 訓(xùn) 練 。 圖1.8 上肢外骨骼機(jī)器人控制框圖 圖1.9 關(guān)節(jié)控制模型 1.6 國 內(nèi) 外 研 究 綜 述 總 結(jié) 作 為 一 種 新 型 、 高 效 及 應(yīng) 用 前 景 廣 泛 的 神 經(jīng) 康 復(fù) 裝 置 ， 上 肢 康 復(fù) 訓(xùn) 練 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 的 研 究 正 在 不 斷 改 進(jìn) ， 日 益 創(chuàng) 新 [10]。 按 照 研 究 時 間 的 大 致 先 后 順 序 將 以 上 康 復(fù) 系 統(tǒng) 各 方 面 特 征 進(jìn) 行 列 表 總 結(jié) 如 表 1-1所 示 。 這 些 系 統(tǒng) 以 治 療 醫(yī) 師 的 徒 手 治 療 方 法 為 依 據(jù) ， 驗 證 了 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 執(zhí) 行 康 復(fù) 運 動 的 可 行 性 。 表1-1 國內(nèi)外康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)特點 由 上 表 可 以 看 出 ， 上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 從 發(fā) 展 初 期 的 針 對 某 一 特 定 動 作 的 單 關(guān) 節(jié) 重 復(fù) 練 習(xí) 逐 漸 延 伸 至 平 面 乃 至 三 維 空 間 的 康 復(fù) 訓(xùn) 練 運 動 ， 其 訓(xùn) 練 模 式 也 逐 漸 向 多 樣 化 發(fā) 展 。 然 而 ， 作 為 學(xué) 科 交 叉 的 產(chǎn) 物 ， 其 工 作 對 象 的 特 殊 性 決 定 了 上 肢 康 復(fù) 系 統(tǒng) 自 身 的 獨 特 性 和 復(fù) 雜 程 度 。 縱 觀 其 發(fā) 展 ， 不 難 發(fā) 現(xiàn) 康 復(fù) 機(jī) 器 人 的 輔 助 治 療 研 究 仍 然 處 于 初 級 階 段 ， 存 在 以 下 不 足 ： (1)結(jié) 構(gòu) 簡 單 、 運 動 形 式 單 一 ： 現(xiàn) 有 上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 的 功 能 設(shè) 計 多 定 位 在 單 一 、 重 復(fù) 的 動 作 訓(xùn) 練 上 ， 因 此 機(jī) 構(gòu) 形 式 簡 單 ， 自 由 度 較 少 是 他 們 的 普 遍 特 點 。 大 部 分 系 統(tǒng) 為 患 者 提 供 簡 單 的 直 線 、 曲 線 或 平 面 運 動 ， 動 作 范 圍 較 小 、 康 復(fù) 訓(xùn) 練 的 模 式 單 一 ， 缺 乏 循 序 漸 進(jìn) 、 系 統(tǒng) 的 治 療 方 法 、 方 案 。 而 聯(lián) 合 單 關(guān) 節(jié) 、 多 關(guān) 節(jié) 復(fù) 合 及 日 常 生 活 動 作 的 多 模 式 訓(xùn) 練 不 僅 能 充 分 活 躍 肢 體 肌 群 ， 且 因 地 制 宜 ， 有 利 于 促 進(jìn) 肢 體 功 能 的 恢 復(fù) 和 保 持 正 確 運 動 的 感 覺 。 (2)缺 乏 臨 床 康 復(fù) 理 論 指 導(dǎo) ： 上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 具 有 獨 特 的 工 作 對 象 )上 肢 運 動 功 能 受 損 的 偏 癱 患 者 ， 因 此 其 功 能 的 實 現(xiàn) 必 須 以 臨 床 康 復(fù) 實 踐 與 經(jīng) 驗 為 理 論 基 礎(chǔ) ， 并 結(jié) 合 人 體 上 肢 解 剖 學(xué) 及 運 動 規(guī) 律 。 無 論 是 機(jī) 器 人 機(jī) 構(gòu) 的 設(shè) 計 ， 還 是 訓(xùn) 練 模 式 的 設(shè) 定 ， 都 必 須 與 偏 癱 患 者 的 康 復(fù) 進(jìn) 程 緊 密 結(jié) 合 。 現(xiàn) 有 系 統(tǒng) 多 沿 襲 傳 統(tǒng) 機(jī) 器 人 的 設(shè) 計 思 路 ， 削 弱 了 機(jī) 器 人 與 康 復(fù) 學(xué) 科 間 的 融 合 。 (3)欠 缺 對 患 者 的 主 動 運 動 激 勵 ： 上 肢 康 復(fù) 機(jī) 器 人 旨 在 通 過 康 復(fù) 運 動 恢 復(fù) 受 損 的 運 動 功 能 ， 而 充 分 利 用 人 機(jī) 間 的 交 互 作 用 ， 激 勵 患 者 肢 體 的 主 動 運 動 意 識 ， 提 高 中 樞 神 經(jīng) 系 統(tǒng) 緊 張 度 ， 不 僅 能 夠 加 速 受 損 神 經(jīng) 的 重 塑 ， 也 有 利 于 防 止 并 發(fā) 癥 的 產(chǎn) 生 ， 恢 復(fù) 患 者 建 立 病 后 康 復(fù) 的 信 心 。 現(xiàn) 有 系 統(tǒng) 大 多 監(jiān) 測 受 試 者 的 力 信 息 或 進(jìn) 行 簡 單 的 力 跟 隨 運 動 ， 從 而 忽 略 了 這 一 提 高 康 復(fù) 效 率 的 重 要 因 素 。 (4)對 臨 床 應(yīng) 用 問 題 欠 缺 考 慮 ： 即 特 殊 的 人 機(jī) 耦 合 系 統(tǒng) 所 引 入 的 問 題 ， 如 運 動 中 患 者 肌 肉 運 動 功 能 的 損 傷 導(dǎo) 致 肌 力 不 足 時 對 受 損 肢 體 的 安 全 保 護(hù) 和 支 撐 問 題 ， 運 動 過 程 當(dāng) 中 對 運 動 異 常 模 式 的 檢 測 和 抑 制 問 題 等 。 1.6 上肢康復(fù)機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練策略關(guān)鍵技術(shù)綜述 偏 癱 作 為 腦 血 管 意 外 的 后 遺 癥 ， 其 活 動 能 力 的 喪 失 或 減 退 的 突 發(fā) 狀 況 給 患 者 造 成 嚴(yán) 重 的 心 理 創(chuàng) 傷 ， 使 患 者 產(chǎn) 生 消 極 的 康 復(fù) 心 理 。 因 而 ， 康 復(fù) 訓(xùn) 練 的 目 的 不 應(yīng) 只 停 留 在 保 持 肢 體 活 動 度 ， 防 止 肌 肉 萎 縮 、 關(guān) 節(jié) 攣 縮 的 層 面 上 ， 還 應(yīng) 同 時 應(yīng) 注 重 患 者 的 心 理 康 復(fù) 問 題 。 臨 床 實 踐 表 明 ： 在 康 復(fù) 訓(xùn) 練 中 加 強(qiáng) 患 者 主 動 運 動 意 愿 對 腦 卒 中 患 者 運 動 功 能 康 復(fù) 具 有 強(qiáng) 化 和 促 進(jìn) 作 用 ， 在 康 復(fù) 過 程 中 強(qiáng) 調(diào) 患 者 的 主 觀 參 與 與 認(rèn) 知 有 利 于 改 善 大 腦 的 側(cè) 枝 循 環(huán) 和 局 部 微 循 環(huán) ， 有 助 于 建 立 患 者 的 康 復(fù) 自 信 ， 激 發(fā) 患 者 的 康 復(fù) 熱 情 ， 進(jìn) 而 增 強(qiáng) 康 復(fù) 效 率 ， 推 動 患 者 康 復(fù) 進(jìn) 程 。 康 復(fù) 機(jī) 器 人 獲 取 人 體 主 動 運 動 意 圖 的 方 式 有 多 種 ， 如 力 /力 矩 信 號 、 神 經(jīng) )肌 肉 電 信 號 、 腦 電 信 號 等 。 其 中 ， 力 信 息 作 為 人 機(jī) 相 互 作 用 的 最 直 接 表 現(xiàn) 形 式 被 廣 泛 的 應(yīng) 用 于 人 機(jī) 交 互 研 究 中 [11]， 而 表 面 肌 電 信 號 (Surface Electromyogram， sEMG )因 與 人 體 肌 肉 運 動 間 的 固 有 相 關(guān) 性 在 近 年 來 也 引 起 了 學(xué) 者 們 的 廣 泛 關(guān) 注 ， 下 面 對 這 兩 個 方 面 的 研 究 現(xiàn) 狀 進(jìn) 行 論 述 。 1.7 發(fā)展前景 外 骨 骼 機(jī) 器 人 在 許 多 領(lǐng) 域 有 著 良 好 的 發(fā) 展 前 景 ， 引 起 了 各 國 的 重 視 ， 近 年 來 外 骨 骼 機(jī) 器 人 技 術(shù) 取 得 了 突 破 性 的 發(fā) 展 ， 但 有 許 多 關(guān) 鍵 問 題 仍 待 解 決 ： 1） 體 積 較 大 、 動 作 笨 拙 ， 其 環(huán) 境 的 適 應(yīng) 性 和 運 動 的 靈 活 性 較 差 ； 2） 與 操 作 者 的 預(yù) 期 動 作 不 吻 合 ； 3） 外 骨 骼 機(jī) 器 人 的 能 源 使 用 效 率 不 高 ； 4） 控 制 系 統(tǒng) 的 自 適 應(yīng) 能 力 和 自 學(xué) 習(xí) 能 力 較 弱 。 另 外 ， 外 骨 骼 機(jī) 器 人 要 真 正 用 于 實 踐 [12]， 還 要 考 慮 其 自 身 的 質(zhì) 量 問 題 、 柔 性 安 全 問 題 、 噪 音 問 題 、 舒 適 度 問 題 等 。 隨 著 科 技 的 進(jìn) 步 和 上 述 問 題 的 解 決 ， 各 種 特 殊 功 能 的 外 骨 骼 機(jī) 器 人 將 廣 泛 應(yīng) 用 于 民 用 康 復(fù) 治 療 和 軍 用 助 力 裝 備 方 面 。 綜 上 所 屬 ， 本 課 題 主 要 構(gòu) 想 是 運 用 EMG肌 電 信 號 傳 感 器 來 感 知 肘 部 微 弱 信 號 ， 并 由 此 信 號 來 控 制 可 穿 戴 式 肘 關(guān) 節(jié) 裝 置 [13]。 運 用 直 流 直 線 電 機(jī) 驅(qū) 動 ， 來 控 制 肘 關(guān) 節(jié) 裝 置 的 簡 單 運 動 。 后 期 需 運 用 有 限 元 、 仿 真 軟 件 進(jìn) 行 綜 合 分 析 。 第2章 外骨路式機(jī)器人上肢康復(fù)肘關(guān)節(jié)方案設(shè)計 相 對 于 康 復(fù) 醫(yī) 師 一 對 一 對 患 者 進(jìn) 行 的 康 復(fù) 輔 助 運 動 ， 康 復(fù) 機(jī) 器 人 有 非 常 大 的 優(yōu) 勢 ， 如 有 效 性 強(qiáng) ， 持 續(xù) 性 更 好 等 等 。 康 復(fù) 機(jī) 器 人 起 源 于 現(xiàn) 代 機(jī) 器 人 ， 它 是 特 種 機(jī) 器 人 ， 有 自 己 的 特 點 和 設(shè) 計 要 求 。 從 其 可 穿 戴 性 上 就 可 以 知 道 ， 外 骨 骼 需 要 和 人 體 上 肢 關(guān) 節(jié) 親 合 ， 這 樣 才 能 達(dá) 到 協(xié) 調(diào) 運 動 的 效 果 。 下 面 就 從 康 復(fù) 運 動 效 果 和 外 骨 骼 式 機(jī) 器 人 的 設(shè) 計 要 求 的 角 度 出 發(fā) ， 設(shè) 計 出 適 合 不 同 肢 體 長 度 、 不 同 患 肢 、 實 現(xiàn) 多 種 運 動 方 式 的 模 仿 人 體 上 肢 肘 關(guān) 節(jié) 的 外 骨 骼 式 上 肢 肘 關(guān) 節(jié) 康 復(fù) 機(jī) 器 人 機(jī) 械 系 統(tǒng) 。 2.1 上肢生理特點與康復(fù)治療方法 2.1.1 手臂的生理結(jié)構(gòu)特點 上 肢 的 骨 骼 有 肩 部 的 鎖 骨 、 肩 胛 骨 ， 上 臂 的 朧 骨 ， 前 臂 的 尺 骨 、 饒 骨 ， 手 部 的 腕 骨 、 掌 骨 、 指 骨 [54]， 如 下 圖 2.1(a)所 示 。 上 肢 肌 肉 多 為 長 梭 狀 ， 分 肩 部 肌 肉 、 上 臂 肌 肉 、 前 臂 肌 肉 和 手 部 肌 肉 ， 如 圖 2.1(b)所 示 。 圖2.1 手臂生理結(jié)構(gòu)圖 除 手 部 關(guān) 節(jié) 外 ， 上 肢 的 關(guān) 節(jié) 分 為 肩 關(guān) 節(jié) 、 肘 關(guān) 節(jié) 、 腕 關(guān) 節(jié) 等 三 大 關(guān) 節(jié) 。 本 文 只 討 論 肘 關(guān) 節(jié) ， 將 不 涉 及 其 他 關(guān) 節(jié) 。 肘 關(guān) 節(jié) 是 復(fù) 合 關(guān) 節(jié) ， 如 圖 2.2所 示 。 它 由 肱 尺 關(guān) 節(jié) 、 朧 撓 關(guān) 節(jié) 和 燒 尺 關(guān) 節(jié) 共 同 構(gòu) 成 。 肢 骨 下 端 與 尺 骨 上 端 半 月 切 跡 構(gòu) 成 肱 尺 關(guān) 節(jié) ， 肱 骨 小 頭 與 燒 骨 上 端 小 頭 凹 面 構(gòu) 成 胺 撓 關(guān) 節(jié) ， 燒 骨 上 端 和 尺 骨 上 端 構(gòu) 成 燒 尺 關(guān) 節(jié) 。 這 3個 關(guān) 節(jié) 緊 密 相 貼 ， 共 同 作 用 ， 使 前 臂 產(chǎn) 生 屈 /伸 、 回 旋 等 動 作 。 為 簡 化 起 見 ， 認(rèn) 為 財 關(guān) 節(jié) 具 有 一 個 自 由 度 -屈 /伸 。 圖2.2 肘關(guān)節(jié)生理結(jié)構(gòu)圖 2.1.2 復(fù)治療方法 康 復(fù) 醫(yī) 學(xué) 是 一 門 研 究 殘 疾 人 及 患 者 康 復(fù) 的 醫(yī) 學(xué) 應(yīng) 用 學(xué) 科 ， 其 目 的 在 于 通 過 物 理 療 法 ， 運 動 療 法 ， 生 活 訓(xùn) 練 ， 技 能 訓(xùn) 練 ， 言 語 訓(xùn) 練 和 心 理 咨 詢 等 多 種 手 段 使 病 傷 殘 者 盡 快 的 得 到 最 大 限 度 的 恢 復(fù) ， 使 身 體 殘 留 部 分 的 功 能 得 到 最 充 分 的 發(fā) 揮 ， 達(dá) 到 最 大 可 能 的 生 活 自 理 ， 勞 動 和 工 作 的 能 力 ， 為 病 傷 殘 者 重 返 社 會 打 下 基 礎(chǔ) 。 康 復(fù) 治 療 是 康 復(fù) 醫(yī) 學(xué) 工 作 的 基 本 內(nèi) 容 ， 包 括 物 理 治 療 、 心 理 治 療 、 作 業(yè) 療 法 、 運 動 療 法 、 中 醫(yī) 療 法 、 言 語 治 療 。 運 動 療 法 是 以 生 物 力 學(xué) 和 神 經(jīng) 發(fā) 育 學(xué) 為 基 礎(chǔ) ， 采 用 主 動 和 被 動 運 動 ， 通 過 功 能 改 善 、 代 償 和 替 代 的 途 徑 ， 促 進(jìn) 功 能 障 礙 的 恢 復(fù) 。 基 于 中 樞 神 經(jīng) 系 統(tǒng) 的 運 動 再 學(xué) 習(xí) 方 法 主 要 用 于 中 樞 神 經(jīng) 系 統(tǒng) 疾 患 病 人 的 運 動 功 能 恢 復(fù) 訓(xùn) 練 ， 強(qiáng) 調(diào) 病 人 應(yīng) 主 動 參 與 ， 通 過 重 新 學(xué) 習(xí) 和 反 復(fù) 訓(xùn) 練 ， 恢 復(fù) 其 運 動 功 能 和 日 常 生 活 活 動 能 力 。 2.2 機(jī)器人上肢康復(fù)系統(tǒng)構(gòu)建 在 掌 握 了 人 體 上 肢 解 剖 學(xué) 知 識 和 康 復(fù) 機(jī) 器 人 的 設(shè) 計 要 求 后 ， 接 下 來 的 任 務(wù) 就 是 康 復(fù) 系 統(tǒng) 的 構(gòu) 建 ， 該 康 復(fù) 系 統(tǒng) 主 要 包 含 三 部 分 內(nèi) 容 ： 康 復(fù) 機(jī) 器 人 機(jī) 械 本 體 、 運 動 控 制 系 統(tǒng) 、 控 制 體 系 結(jié) 構(gòu) 。 下 面 就 對 從 這 三 個 方 面 ， 設(shè) 計 所 需 的 上 肢 康 復(fù) 系 統(tǒng) 。 (1) 結(jié) 構(gòu) 的 基 本 形 式 通 過 第 一 章 的 分 析 ， 本 研 究 采 用 三 自 由 度 、 外 骨 豁 式 、 串 聯(lián) 、 電 機(jī) 驅(qū) 動 結(jié) 構(gòu) 形 式 。 對 于 輔 助 患 者 上 肢 做 康 復(fù) 運 動 的 機(jī) 器 人 ， 其 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 的 基 本 設(shè) 計 要 點 是 ： 有 足 夠 的 剛 度 和 強(qiáng) 度 來 支 撐 機(jī) 械 臂 本 體 和 患 肢 的 重 量 ， 在 此 基 礎(chǔ) 上 機(jī) 器 人 盡 量 做 到 輕 便 ;機(jī) 器 人 關(guān) 節(jié) 設(shè) 置 、 尺 寸 結(jié) 構(gòu) ， 符 合 人 體 上 肢 的 解 剖 結(jié) 構(gòu) ;外 骨 骼 與 上 肢 具 有 較 好 的 交 互 性 ;運 動 可 靠 ， 傳 動 誤 差 小 。 康 復(fù) 機(jī) 器 人 的 整 體 設(shè) 計 流 程 如 圖 2.3所 示 。 圖2.3 機(jī)械設(shè)計流程 由 于 條 件 有 限 ， 本 文 將 不 設(shè) 計 制 作 樣 機(jī) 的 工 作 。 為 了 盡 量 減 小 外 骨 骼 重 量 ， 本 設(shè) 計 擬 選 擇 航 空 超 硬 鋁 型 材 作 為 關(guān) 節(jié) 連 接 件 ， 由 于 客 觀 條 件 所 限 ， 最 終 采 用 了 硬 鋁 型 材 作 為 關(guān) 節(jié) 連 接 件 。 (2) 肘 關(guān) 節(jié) 工 作 原 理 一 般 情 況 下 ， 在 人 體 解 剖 學(xué) 中 ， 以 標(biāo) 準(zhǔn) 姿 勢 進(jìn) 行 敘 述 和 闡 明 ， 如 圖 2.4。 上 自 頭 側(cè) ， 下 至 尾 側(cè) 并 與 地 面 相 垂 直 的 軸 為 垂 直 軸 ， 它 是 上 下 方 向 ;從 腹 側(cè) 面 至 背 側(cè) 面 ， 同 時 與 垂 直 軸 呈 直 角 交 叉 的 軸 叫 做 矢 狀 軸 ， 又 稱 腹 背 軸 ， 它 是 前 后 方 向 ;額 狀 軸 ， 或 稱 。 冠 狀 軸 。 ： 為 與 水 平 面 平 行 ， 并 與 前 兩 個 軸 相 垂 直 的 左 右 方 向 的 軸 。 接 下 來 ， 對 人 體 定 義 三 個 面 ， 這 三 個 面 是 以 上 述 的 三 個 軸 為 基 礎(chǔ) 進(jìn) 行 闡 釋 。 冠 狀 面 ： 按 左 右 方 向 將 人 體 分 為 前 后 兩 部 分 的 縱 切 面 ;矢 狀 面 ： 按 前 后 方 向 將 人 體 或 器 官 縱 切 為 左 、 右 兩 部 分 的 斷 面 ;水 平 面 (橫 切 面 )： 與 上 述 兩 個 面 垂 直 將 人 體 橫 切 分 為 上 下 兩 部 分 的 縱 切 面 。 基 于 上 述 分 析 得 出 ， 肘 關(guān) 節(jié) 主 要 是 完 成 屈 伸 動 作 。 它 的 一 般 運 動 范 圍 為 0-150° ， 極 限 運 動 角 度 為 0-160° 。 當(dāng) 然 有 部 分 人 的 肘 關(guān) 節(jié) 能 完 成 負(fù) 角 度 的 運 動 。 此 種 情 況 本 文 將 忽 略 ， 不 予 討 論 。 2.3 肘關(guān)節(jié)系統(tǒng)方案 通 過 上 述 分 析 ， 明 確 了 肘 關(guān) 節(jié) 系 統(tǒng) 必 須 達(dá) 到 的 要 求 與 實 現(xiàn) 的 功 能 。 本 文 設(shè) 計 的 肘 關(guān) 節(jié) 系 統(tǒng) 方 案 如 下 ： 1、 機(jī) 械 部 分 ： 運 用 直 線 電 機(jī) 驅(qū) 動 ， 來 控 制 肘 關(guān) 節(jié) 裝 置 的 運 動 。 直 線 電 機(jī) 安 裝 在 下 臂 上 ， 在 上 臂 安 裝 一 個 彈 簧 提 供 阻 尼 ， 用 來 與 電 機(jī) 驅(qū) 動 力 保 持 平 衡 ， 使 肘 關(guān) 節(jié) 屈 曲 時 可 以 定 住 在 某 幾 個 特 定 角 度 。 工 作 原 理 類 似 于 挖 土 機(jī) 的 工 作 臂 。 2、 控 制 部 分 ： 運 用 EMG肌 電 信 號 傳 感 器 來 感 知 肘 部 微 弱 信 號 ， 并 由 此 信 號 來 控 制 可 穿 戴 式 肘 關(guān) 節(jié) 裝 置 。 第3章 肘關(guān)節(jié)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計 上一章中詳細(xì)討論了外骨路式機(jī)器人上肢康復(fù)肘關(guān)節(jié)系統(tǒng)的方案。本章將在上一章的基礎(chǔ)上對肘關(guān)節(jié)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。 3.1 機(jī)構(gòu)驅(qū)動方案 通過對相關(guān)文獻(xiàn)的閱讀與研究。目前，外骨路式機(jī)器人上肢康復(fù)機(jī)械系統(tǒng)各關(guān)節(jié)的驅(qū)動方案主要有：旋轉(zhuǎn)電機(jī)輸出扭矩驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動等三種。這三種方案有比較明顯的優(yōu)點，但他們的缺點也同樣很突出。旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動方式由其的運動特點決定了其可以精確的控制機(jī)械系統(tǒng)的運動軌跡；但其輸出功率較小，要實現(xiàn)大功率輸出就必須增大電機(jī)體積，這樣就必然會增加系統(tǒng)的重量與功耗，不利于提高系統(tǒng)的續(xù)航能力與適用范圍。液壓與氣壓驅(qū)動方式輸出功率區(qū)間較大能滿足各種不同患者的使用需求。但液壓驅(qū)動方式必須配套的裝配一套龐大復(fù)雜的液壓回路系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的成本與適用范圍。而氣壓驅(qū)動方式則需要設(shè)計一套龐大的氣體壓縮與輸送系統(tǒng)。 綜上所述，本文采用直線電機(jī)驅(qū)動方式。直線驅(qū)動方式的功率輸出區(qū)間雖不如液壓與氣壓驅(qū)動方式的大但能以完全滿足系統(tǒng)的各項功能需求。且相對液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動來講直線電機(jī)驅(qū)動方式對機(jī)械系統(tǒng)的精度要高很多，也更容易實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。直線電機(jī)原理如圖3.1所示。 圖3.1 直線電機(jī)原理 3.2 機(jī)構(gòu)運動方式 現(xiàn)今各類工程中仿生類肘關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)應(yīng)用非常廣泛。如工程機(jī)械中的挖掘機(jī)工作臂，該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、控制簡單?；诖颂攸c，在各項工程中都能見到挖掘機(jī)的身影，對各項工程做出了重大貢獻(xiàn)。由于直線電機(jī)的運動方式與液壓油缸相似，因此，本文肘關(guān)節(jié)也采用類挖掘機(jī)工作臂機(jī)構(gòu)。 3.3 機(jī)構(gòu)方案 本文肘關(guān)節(jié)機(jī)械系統(tǒng)主要由上臂、下臂、直線電機(jī)、拉桿和阻尼彈簧等零件組裝而成?？紤]到肘關(guān)節(jié)的運動與患者手臂的運動是否干涉，本文將直線電機(jī)安裝在上臂末端，拉桿安裝在下臂前端。為了給肘關(guān)節(jié)屈曲時有足夠的空間，必須在上臂上肘關(guān)節(jié)處留出一個空洞來。除此之外，還在上臂填加一個彈簧來提供阻尼，用來與電機(jī)驅(qū)動力保持平衡，使肘關(guān)節(jié)屈曲時可以定住在某幾個特定角度。比如60、90度。機(jī)構(gòu)裝配圖如圖3.2所示，機(jī)構(gòu)運動示意圖如圖3