上肢康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計（全套）2012本科畢業(yè)設(shè)計
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- 上肢康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計（全套）2012本科畢業(yè)設(shè)計第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(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。與此同時，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。在我國數(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(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，其中的二百萬病人在中風(fēng)后存在長期的運動障礙。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(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。隨著機器人技術(shù)和康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，在歐洲、美國和日本等國家，醫(yī)療康復(fù)機器人的市場占有率呈逐年上升的趨勢，僅預(yù)測日本未來機器人市場，2005年醫(yī)療、護(hù)理、康復(fù)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(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)機器人是康復(fù)設(shè)備的一種類型。康復(fù)機器人技術(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，其中以歐美和日本的成果最為顯著。在我國康復(fù)醫(yī)學(xué)工程雖然得到了普遍的重視，而康復(fù)機器人研究仍處于起步階段，一些簡單康復(fù)器械遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場對智能化、人機工程化的康復(fù)機器人的需求，有待進(jìn)一步的研究和發(fā)展。由于康復(fù)訓(xùn)練機器人要與人體直接相連，來帶動肢體進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，所以對驅(qū)動器的安全性、柔性的要求較高。康復(fù)肢體運動功能用機械肢體組合系列機器人,是多種同類機器人屬于機器人領(lǐng)域,解決了本人發(fā)明的實用新型專利半身不遂患者康復(fù)學(xué)步機,只能帶動人的大小臂大小腿康復(fù)運動功能,而不能帶動手腳各關(guān)節(jié)運動的重大不足,主要技術(shù)特征是將半身不遂患者康復(fù)學(xué)步機略加改進(jìn)后,在學(xué)步機的小臂絞鏈桿上安裝了可以帶動人手腕關(guān)節(jié)手指各個關(guān)節(jié)都能運動的機械手托板,在小腿鉸鏈桿上安裝了可以帶動人腳踝腳指各個關(guān)節(jié)都能運動的機械腳托板后實現(xiàn)的,用途是康復(fù)肢體運動功能,帶動患肢的各個關(guān)節(jié)、每塊骨骼、每塊肌肉、每個筋鍵、每條神經(jīng)都在作患者萬分渴望而大腦又支配不了的動作,通過較長時間的被動運動鍛煉,最終使殘疾人患肢的主動運動功能得到康復(fù)。
本課題的研究目的是設(shè)計一種坐式上肢康復(fù)訓(xùn)練機，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)機器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
康復(fù)機器人是一種自動化醫(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，使患者的運動機能得到更快更好的恢復(fù)。目前，康復(fù)機器人已經(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，也帶動了相關(guān)領(lǐng)域的新技術(shù)和新理論的發(fā)展。
康復(fù)機器人有兩種：輔助型康復(fù)機器人和康復(fù)訓(xùn)練機器人[3]。輔助型康復(fù)機器人主要是幫助肢體運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(hù)士、機器人假肢、機械外骨骼等。康復(fù)訓(xùn)練機器人的主要功能是幫助患者完成各種運動功能的恢復(fù)訓(xùn)練，該類產(chǎn)品有行走訓(xùn)練、手臂運動訓(xùn)練、脊椎運動訓(xùn)練等。
康復(fù)機器人是康復(fù)醫(yī)學(xué)和機器人技術(shù)的完美結(jié)合，康復(fù)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(fēng)、偏癱、上肢運動機能損傷等患者來說，上肢康復(fù)訓(xùn)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。
目前，康復(fù)機器人的研究主要集中在康復(fù)機械手和康復(fù)治療機器人等幾個方面[16]。
1、康復(fù)機械手的研究現(xiàn)狀
設(shè)計康復(fù)機器人最初的一個目的就是在殘疾人和環(huán)境之間放置一個機械臂， 通過這個機械臂來部分或全部的實現(xiàn)操作功能，按機械臂的安裝位置劃分，康復(fù)機械手可分為3類：
（1）基于桌面的機械手[4]。種機械手安裝在一個徹底結(jié)構(gòu)化的控制平臺上，在固定的空間內(nèi)操作，具有足夠自由度的串聯(lián)機器人再配上適合殘疾人使用的人機界面是這種機器人典型的設(shè)計模式。目前此類機器人已經(jīng)達(dá)到了實用化，如法國CEA公司開發(fā)的MASTER系統(tǒng)、美國的Tolfa Corportion開發(fā)的DEVAR系統(tǒng)，以及英國的Oxford Intelligent Machines Ltd.開發(fā)的RAID系統(tǒng)等。此種類型的機械手是早期的工業(yè)機器人在康復(fù)系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)的一次成功應(yīng)用。1987年，英國人Mike Topping研制了Handy1康復(fù)機器人，使一個患有腦癱的11歲男孩第一次能夠進(jìn)行獨立就餐。隨后他對樣機進(jìn)行了改造，也使得Handy1成為歷史上最成功的康復(fù)機器人。圖1.1是Handy1康復(fù)機器人原型，圖1.2是康復(fù)機器人正在對患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。
（2）基于輪椅的機械手。這種機器人是安裝在輪椅上的，是因為輪椅的移動擴大了機械手的工作范圍，同時由于安裝基座的改變致使機械手的剛性下降和抓取精度的降低，這種機械手也只是用于用于輪椅的患者，這是一點不足。這種機械手已經(jīng)成為面向應(yīng)用的流行設(shè)計，KARES[5]系統(tǒng)，就是一種基于輪椅的機械手系統(tǒng)，在電動輪椅上安裝了一個六自由度的機械手，能夠幫助行動不便的老人和殘疾人獨立的行動。隨著只能輪椅的研究發(fā)展，這種機械手也將會有很廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。
圖1.1 Handy1 圖1.2 工作中的Handy1
（3）基于移動機器人的機械手。這類機械手是目前最先進(jìn)的康復(fù)機械手，這種機械手安裝在移動的機器人或者半自主的小車上從而適用于更多的患者使用，同時擴大了機械手的活動空間并提高了抓取的精度。S. Tachi等人在MIT日本實驗室研制了一種移動式康復(fù)機器人MELDOG[6] ，作為“倒盲狗”以幫助盲人完成操作和搬運物體的任務(wù)。法國Evry大學(xué)研制了一種移動式康復(fù)機器人ARPH[7]，使用者可以從工作站實施遠(yuǎn)程控制，使移動機器人實現(xiàn)定位和抓取工作。這種機械手系統(tǒng)都是需要由視覺、靈巧操作、運動、傳感、導(dǎo)航及系統(tǒng)控制等電子系統(tǒng)組成，要求比較高，價格也是相對的比較昂貴。
2、康復(fù)治療機器人研究現(xiàn)狀
康復(fù)治療機器人是康復(fù)醫(yī)學(xué)和機器人技術(shù)的完美結(jié)合，不再把機器人當(dāng)作輔助患者的工具，而是把機器人和計算機當(dāng)作提高臨床康復(fù)效率的新型治療工具。康復(fù)治療機器人在醫(yī)療實踐上主要是用于恢復(fù)患者肢體運動系統(tǒng)的功能。按運動系統(tǒng)的問題可以劃分為2類：一類是生物力學(xué)或生物物理化學(xué)類型的應(yīng)用，另一類是運動學(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)致肢體運動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)用就是使用機器人系統(tǒng)來打破受傷肢體的運動范圍。運動技能的學(xué)習(xí)或再學(xué)習(xí)，這是一個囊括了競爭運動控制理論、訓(xùn)練技術(shù)和人機接口問題等諸多方面的復(fù)雜問題。
（1）CPM機[10]。CPM機時利用康復(fù)醫(yī)學(xué)中連續(xù)被動運動（Continuous Passive MotionCPM）的基本原理對受傷肢體進(jìn)行康復(fù)治療的機械裝置，是目前前為止唯一的一個機器人生物力學(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)團體運用CPM機進(jìn)行術(shù)后康復(fù)治療的醫(yī)學(xué)實踐，此后也有用于膝、肩、肘關(guān)節(jié)等康復(fù)的CPM機出現(xiàn)。單手刀技術(shù)水平限制，長期停留在“打關(guān)節(jié)”康復(fù)范圍。目前,市場上已經(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,但他們還不能像“大關(guān)節(jié)”CPM機那樣實現(xiàn)精確的控制。...
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