上肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（全套）2012本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
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- 上肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（全套）2012本科畢業(yè)設(shè)計(jì)第1章 緒論
1.1 概述
據(jù)報(bào)道，我國(guó)60歲以上的老年人已有1.43億，占全國(guó)人口的11％，到2050年將達(dá)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(shì)。與此同時(shí)，由于交通運(yùn)輸工具的迅速增長(zhǎng)，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(lái)越多。在我國(guó)數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的有神經(jīng)科疾病病史和受到過(guò)意外傷害的患者需要進(jìn)行康復(fù)治療，僅以中風(fēng)為例，每年大約有600，000中風(fēng)幸存者，其中的二百萬(wàn)病人在中風(fēng)后存在長(zhǎng)期的運(yùn)動(dòng)障礙。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這個(gè)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(fù)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(jī)器人技術(shù)和康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，在歐洲、美國(guó)和日本等國(guó)家，醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人的市場(chǎng)占有率呈逐年上升的趨勢(shì)，僅預(yù)測(cè)日本未來(lái)機(jī)器人市場(chǎng)，2005年醫(yī)療、護(hù)理、康復(fù)機(jī)器人的市場(chǎng)份額約為250，000美元，而到2010年將上升到1，050，000美元，其增長(zhǎng)率在機(jī)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(fù)設(shè)備的研究和應(yīng)用有著廣闊的發(fā)展前景[2]。
康復(fù)機(jī)器人是康復(fù)設(shè)備的一種類型�？祻�(fù)機(jī)器人技術(shù)早已廣受世界各國(guó)科研工作者和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的普遍重視，其中以歐美和日本的成果最為顯著。在我國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)工程雖然得到了普遍的重視，而康復(fù)機(jī)器人研究仍處于起步階段，一些簡(jiǎn)單康復(fù)器械遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)對(duì)智能化、人機(jī)工程化的康復(fù)機(jī)器人的需求，有待進(jìn)一步的研究和發(fā)展。由于康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人要與人體直接相連，來(lái)帶動(dòng)肢體進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，所以對(duì)驅(qū)動(dòng)器的安全性、柔性的要求較高�？祻�(fù)肢體運(yùn)動(dòng)功能用機(jī)械肢體組合系列機(jī)器人,是多種同類機(jī)器人屬于機(jī)器人領(lǐng)域,解決了本人發(fā)明的實(shí)用新型專利半身不遂患者康復(fù)學(xué)步機(jī),只能帶動(dòng)人的大小臂大小腿康復(fù)運(yùn)動(dòng)功能,而不能帶動(dòng)手腳各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的重大不足,主要技術(shù)特征是將半身不遂患者康復(fù)學(xué)步機(jī)略加改進(jìn)后,在學(xué)步機(jī)的小臂絞鏈桿上安裝了可以帶動(dòng)人手腕關(guān)節(jié)手指各個(gè)關(guān)節(jié)都能運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手托板,在小腿鉸鏈桿上安裝了可以帶動(dòng)人腳踝腳指各個(gè)關(guān)節(jié)都能運(yùn)動(dòng)的機(jī)械腳托板后實(shí)現(xiàn)的,用途是康復(fù)肢體運(yùn)動(dòng)功能,帶動(dòng)患肢的各個(gè)關(guān)節(jié)、每塊骨骼、每塊肌肉、每個(gè)筋鍵、每條神經(jīng)都在作患者萬(wàn)分渴望而大腦又支配不了的動(dòng)作,通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的被動(dòng)運(yùn)動(dòng)鍛煉,最終使殘疾人患肢的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)功能得到康復(fù)。
本課題的研究目的是設(shè)計(jì)一種坐式上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)，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(guān)關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練。
1.2 康復(fù)機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
康復(fù)機(jī)器人是一種自動(dòng)化醫(yī)療康復(fù)設(shè)備，它以醫(yī)學(xué)理論為依據(jù)，幫助患者進(jìn)行科學(xué)而有效的康復(fù)訓(xùn)練，使患者的運(yùn)動(dòng)機(jī)能得到更快更好的恢復(fù)。目前，康復(fù)機(jī)器人已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到康復(fù)護(hù)理、假肢和康復(fù)治療等方面，這不僅促進(jìn)了康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，也帶動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域的新技術(shù)和新理論的發(fā)展。
康復(fù)機(jī)器人有兩種：輔助型康復(fù)機(jī)器人和康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人[3]。輔助型康復(fù)機(jī)器人主要是幫助肢體運(yùn)動(dòng)有困難的患者完成各種動(dòng)作，該類產(chǎn)品有機(jī)器人輪椅、機(jī)器人護(hù)士、機(jī)器人假肢、機(jī)械外骨骼等�？祻�(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的主要功能是幫助患者完成各種運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)訓(xùn)練，該類產(chǎn)品有行走訓(xùn)練、手臂運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、脊椎運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練等。
康復(fù)機(jī)器人是康復(fù)醫(yī)學(xué)和機(jī)器人技術(shù)的完美結(jié)合，康復(fù)機(jī)器人技術(shù)在歐美等國(guó)家得到了科研工作者和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的普遍重視，許多研究機(jī)構(gòu)都開展了有關(guān)的研究工作，近年來(lái)取得了一些有價(jià)值的成果。對(duì)于中風(fēng)、偏癱、上肢運(yùn)動(dòng)機(jī)能損傷等患者來(lái)說(shuō)，上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人有著很好的治療效果。國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)都在這方面取得了不錯(cuò)的研究結(jié)果。
目前，康復(fù)機(jī)器人的研究主要集中在康復(fù)機(jī)械手和康復(fù)治療機(jī)器人等幾個(gè)方面[16]。
1、康復(fù)機(jī)械手的研究現(xiàn)狀
設(shè)計(jì)康復(fù)機(jī)器人最初的一個(gè)目的就是在殘疾人和環(huán)境之間放置一個(gè)機(jī)械臂， 通過(guò)這個(gè)機(jī)械臂來(lái)部分或全部的實(shí)現(xiàn)操作功能，按機(jī)械臂的安裝位置劃分，康復(fù)機(jī)械手可分為3類：
（1）基于桌面的機(jī)械手[4]。種機(jī)械手安裝在一個(gè)徹底結(jié)構(gòu)化的控制平臺(tái)上，在固定的空間內(nèi)操作，具有足夠自由度的串聯(lián)機(jī)器人再配上適合殘疾人使用的人機(jī)界面是這種機(jī)器人典型的設(shè)計(jì)模式。目前此類機(jī)器人已經(jīng)達(dá)到了實(shí)用化，如法國(guó)CEA公司開發(fā)的MASTER系統(tǒng)、美國(guó)的Tolfa Corportion開發(fā)的DEVAR系統(tǒng)，以及英國(guó)的Oxford Intelligent Machines Ltd.開發(fā)的RAID系統(tǒng)等。此種類型的機(jī)械手是早期的工業(yè)機(jī)器人在康復(fù)系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)的一次成功應(yīng)用。1987年，英國(guó)人Mike Topping研制了Handy1康復(fù)機(jī)器人，使一個(gè)患有腦癱的11歲男孩第一次能夠進(jìn)行獨(dú)立就餐。隨后他對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了改造，也使得Handy1成為歷史上最成功的康復(fù)機(jī)器人。圖1.1是Handy1康復(fù)機(jī)器人原型，圖1.2是康復(fù)機(jī)器人正在對(duì)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。
（2）基于輪椅的機(jī)械手。這種機(jī)器人是安裝在輪椅上的，是因?yàn)檩喴蔚囊苿?dòng)擴(kuò)大了機(jī)械手的工作范圍，同時(shí)由于安裝基座的改變致使機(jī)械手的剛性下降和抓取精度的降低，這種機(jī)械手也只是用于用于輪椅的患者，這是一點(diǎn)不足。這種機(jī)械手已經(jīng)成為面向應(yīng)用的流行設(shè)計(jì)，KARES[5]系統(tǒng)，就是一種基于輪椅的機(jī)械手系統(tǒng)，在電動(dòng)輪椅上安裝了一個(gè)六自由度的機(jī)械手，能夠幫助行動(dòng)不便的老人和殘疾人獨(dú)立的行動(dòng)。隨著只能輪椅的研究發(fā)展，這種機(jī)械手也將會(huì)有很廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。
圖1.1 Handy1 圖1.2 工作中的Handy1
（3）基于移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械手。這類機(jī)械手是目前最先進(jìn)的康復(fù)機(jī)械手，這種機(jī)械手安裝在移動(dòng)的機(jī)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(shí)擴(kuò)大了機(jī)械手的活動(dòng)空間并提高了抓取的精度。S. Tachi等人在MIT日本實(shí)驗(yàn)室研制了一種移動(dòng)式康復(fù)機(jī)器人MELDOG[6] ，作為“倒盲狗”以幫助盲人完成操作和搬運(yùn)物體的任務(wù)。法國(guó)Evry大學(xué)研制了一種移動(dòng)式康復(fù)機(jī)器人ARPH[7]，使用者可以從工作站實(shí)施遠(yuǎn)程控制，使移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)定位和抓取工作。這種機(jī)械手系統(tǒng)都是需要由視覺、靈巧操作、運(yùn)動(dòng)、傳感、導(dǎo)航及系統(tǒng)控制等電子系統(tǒng)組成，要求比較高，價(jià)格也是相對(duì)的比較昂貴。
2、康復(fù)治療機(jī)器人研究現(xiàn)狀
康復(fù)治療機(jī)器人是康復(fù)醫(yī)學(xué)和機(jī)器人技術(shù)的完美結(jié)合，不再把機(jī)器人當(dāng)作輔助患者的工具，而是把機(jī)器人和計(jì)算機(jī)當(dāng)作提高臨床康復(fù)效率的新型治療工具�？祻�(fù)治療機(jī)器人在醫(yī)療實(shí)踐上主要是用于恢復(fù)患者肢體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的功能。按運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的問(wèn)題可以劃分為2類：一類是生物力學(xué)或生物物理化學(xué)類型的應(yīng)用，另一類是運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)[8]。當(dāng)人的肢體受外傷燒傷或做手術(shù)后，由于受傷組織的皮膚、韌帶和肌肉失去彈性而導(dǎo)致肢體運(yùn)動(dòng)的速度和范圍受到限制[9]。生物力學(xué)或生物物理化學(xué)類型的應(yīng)用就是使用機(jī)器人系統(tǒng)來(lái)打破受傷肢體的運(yùn)動(dòng)范圍。運(yùn)動(dòng)技能的學(xué)習(xí)或再學(xué)習(xí)，這是一個(gè)囊括了競(jìng)爭(zhēng)運(yùn)動(dòng)控制理論、訓(xùn)練技術(shù)和人機(jī)接口問(wèn)題等諸多方面的復(fù)雜問(wèn)題。
（1）CPM機(jī)[10]。CPM機(jī)時(shí)利用康復(fù)醫(yī)學(xué)中連續(xù)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)（Continuous Passive MotionCPM）的基本原理對(duì)受傷肢體進(jìn)行康復(fù)治療的機(jī)械裝置，是目前前為止唯一的一個(gè)機(jī)器人生物力學(xué)或生物物理化學(xué)類型的應(yīng)用的例證。早在20世紀(jì)60年代初期就有醫(yī)學(xué)團(tuán)體運(yùn)用CPM機(jī)進(jìn)行術(shù)后康復(fù)治療的醫(yī)學(xué)實(shí)踐，此后也有用于膝、肩、肘關(guān)節(jié)等康復(fù)的CPM機(jī)出現(xiàn)。單手刀技術(shù)水平限制，長(zhǎng)期停留在“打關(guān)節(jié)”康復(fù)范圍。目前,市場(chǎng)上已經(jīng)有了用于腕關(guān)節(jié)和手指關(guān)節(jié)這樣的“小關(guān)節(jié)”康復(fù)的CPM機(jī),但他們還不能像“大關(guān)節(jié)”CPM機(jī)那樣實(shí)現(xiàn)精確的控制。...
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