腦中風(fēng)康復(fù)設(shè)備機(jī)電一體化畢業(yè)論文

1、 . . . 腦中風(fēng)康復(fù)設(shè)備機(jī)電一體化摘要：康復(fù)機(jī)器人是近年來發(fā)展起來的一種新的運(yùn)動神經(jīng)康復(fù)治療技術(shù),作為醫(yī)療機(jī)器人的一個(gè)重要分支,它貫穿了康復(fù)醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)以與機(jī)器人學(xué)等諸多領(lǐng)域,已經(jīng)成為了國際機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。根據(jù)康復(fù)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)和應(yīng)用并結(jié)合該領(lǐng)域的研究背景，分別從康復(fù)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)架構(gòu)和運(yùn)動控制策略等方面詳細(xì)分析和介紹了國外近年來的主要研究成果，并對該領(lǐng)域的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討?？祻?fù)機(jī)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(yùn)動機(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

2、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?？祻?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，近年來取得了一些有價(jià)值的成果。對于中風(fēng)、偏癱、上肢運(yùn)動機(jī)能損傷等患者來說，上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人有著很好的治療效果。國外許多研究機(jī)構(gòu)都在這方面取得了不錯(cuò)的研究結(jié)果。關(guān)鍵詞：康復(fù)機(jī)器人 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 運(yùn)動控制 康復(fù)治療23 / 24目 錄1、緒論41.1 概述41.2 康復(fù)機(jī)器人的國外研究現(xiàn)狀41.3 上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展前景72、康復(fù)機(jī)器人的原理和

3、設(shè)計(jì)92.1 工作原理和結(jié)構(gòu)92.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)112.2.1 電機(jī)選擇122.2.2 電機(jī)控制電路123、康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動控制策略143.1 力控制策略143.1.1 經(jīng)典控制：143.1.2 現(xiàn)代控制：143.1.3 智能控制：144、機(jī)器人輔助運(yùn)動功能康復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展前景164.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)164.2 運(yùn)動控制策略164.3 康復(fù)效果評價(jià)和康復(fù)機(jī)理研究165、康復(fù)機(jī)器人機(jī)電總體方案設(shè)計(jì)175.1 前后擺機(jī)構(gòu)設(shè)175.2 屈伸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)185.4 手腕轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)195.5 電機(jī)選擇205.5.1 驅(qū)動方式選擇205.5.2 電機(jī)的參數(shù)選擇205.6 位置傳感器的選擇215.7 力傳感器

4、的選擇 225.8 安全性設(shè)計(jì)22結(jié)束語23參考文獻(xiàn)24答辭251、緒論1.1 概述據(jù)報(bào)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(shí)，由于交通運(yùn)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(jì)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

5、在長期的運(yùn)動障礙。隨著國民經(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、美國和日本等國家，醫(yī)療康復(fù)機(jī)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(jī)器人市場，2005年醫(yī)療、護(hù)理、康復(fù)機(jī)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(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)早已廣受世界各國科研工作者和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的普遍重視，其中以歐美

6、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(jī)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(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?？祻?fù)肢體運(yùn)動功能用機(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),只能帶動人的大小臂大小腿康復(fù)運(yùn)動功能,而不能帶動手腳各關(guān)節(jié)運(yùn)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(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人手腕關(guān)節(jié)手指各個(gè)關(guān)節(jié)都能

7、運(yùn)動的機(jī)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(gè)關(guān)節(jié)都能運(yùn)動的機(jī)械腳托板后實(shí)現(xiàn)的,用途是康復(fù)肢體運(yùn)動功能,帶動患肢的各個(gè)關(guān)節(jié)、每塊骨骼、每塊肌肉、每個(gè)筋鍵、每條神經(jīng)都在作患者萬分渴望而大腦又支配不了的動作,通過較長時(shí)間的被動運(yùn)動鍛煉,最終使殘疾人患肢的主動運(yùn)動功能得到康復(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與相關(guān)關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練。1.2 康復(fù)機(jī)器人的國外研究現(xiàn)狀康復(fù)機(jī)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(yùn)動機(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

8、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?？祻?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)動有困難的患者完成各種動作，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)動訓(xùn)練、脊椎運(yùn)動訓(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，近年來取得了一些有價(jià)值的成果。對于中風(fēng)、偏癱、上肢運(yùn)動機(jī)能損傷等患者

9、來說，上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人有著很好的治療效果。國外許多研究機(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， 通過這個(gè)機(jī)械臂來部分或全部的實(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)化的控制平臺上，在固定的空間操作，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CEA公司開發(fā)的MASTER系統(tǒng)、美國的Tol

10、fa Corportion開發(fā)的DEVAR系統(tǒng)，以與英國的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)域的一次成功應(yīng)用。1987年，英國人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)檩喴蔚囊苿訑U(kuò)大了機(jī)械手的工作圍，同時(shí)由于安裝基座的改變致使

11、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系統(tǒng)，就是一種基于輪椅的機(jī)械手系統(tǒng)，在電動輪椅上安裝了一個(gè)六自由度的機(jī)械手，能夠幫助行動不便的老人和殘疾人獨(dú)立的行動。隨著只能輪椅的研究發(fā)展，這種機(jī)械手也將會有很廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。 圖1.1Handy1 圖1.2工作中的Handy1（3）基于移動機(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

12、式康復(fù)機(jī)器人MELDOG6 ，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Evry大學(xué)研制了一種移動式康復(fù)機(jī)器人ARPH7，使用者可以從工作站實(shí)施遠(yuǎn)程控制，使移動機(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、傳感、導(dǎo)航與系統(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)動系統(tǒng)的功能。按運(yùn)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

13、學(xué)類型的應(yīng)用，另一類是運(yùn)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(yùn)動的速度和圍受到限制。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)來打破受傷肢體的運(yùn)動圍。運(yùn)動技能的學(xué)習(xí)或再學(xué)習(xí)，這是一個(gè)囊括了競爭運(yùn)動控制理論、訓(xùn)練技術(shù)和人機(jī)接口問題等諸多方面的復(fù)雜問題。（1）CPM機(jī)。CPM機(jī)時(shí)利用康復(fù)醫(yī)學(xué)中連續(xù)被動運(yùn)動（Continuous Passive MotionCPM）的基本原理對受傷肢體進(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

14、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，長期停留在“打關(guān)節(jié)”康復(fù)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(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。（2）神經(jīng)運(yùn)動康復(fù)治療機(jī)器人。目前這一類機(jī)器人的研究比較活躍,用來康復(fù)治療與神經(jīng)運(yùn)動有關(guān)的疾病, 包括中風(fēng)、帕金森氏病和大腦性麻痹(Cerebral Palsy) 。美國麻省理工學(xué)院研制了一種幫助中風(fēng)患者康復(fù)治療的機(jī)器人MIT-MANUS ,它有2 個(gè)自由度,可以實(shí)現(xiàn)病人的肩、肘和手在水平和豎直平面的運(yùn)動。在治療過程中,把中風(fēng)病人的手臂固定在一個(gè)特制的手臂支撐套中,

15、手臂支撐套固定在機(jī)器人臂的末端。病人的手臂按計(jì)算機(jī)屏幕上規(guī)劃好的特定軌跡運(yùn)動,屏幕上顯示出虛擬的機(jī)器人操作桿的運(yùn)動軌跡,病人通過調(diào)整手臂的運(yùn)動可以使兩條曲線盡量重合,從而達(dá)到康復(fù)治療的目的。如果病人的手臂不能主動運(yùn)動,機(jī)器人臂可以像傳統(tǒng)康復(fù)醫(yī)療中臨床醫(yī)生的做法那樣帶動病人的手臂運(yùn)動。圖1.3為MIT-MANUS 在治療中風(fēng)病人。 圖1.3中風(fēng)病人在用MIT-MANUS 治療（3）基于虛擬環(huán)境的康復(fù)醫(yī)療訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)。為了鼓勵(lì)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，提高康復(fù)訓(xùn)練的效果，在訓(xùn)練過程中吸引患者的興趣是一個(gè)主要方面。虛擬環(huán)境技術(shù)的發(fā)展使這種思想得以實(shí)現(xiàn)，研究者們采用基于虛擬環(huán)境的用戶界面，通過一些小游戲鼓勵(lì)

16、患者進(jìn)行主動訓(xùn)練?；谔摂M環(huán)境的康復(fù)訓(xùn)練通常與網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，因此，不僅具有遠(yuǎn)程康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，還提高了患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的能動性。 圖1.4遠(yuǎn)程康復(fù)醫(yī)療訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.3 上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展前景目前的康復(fù)機(jī)器人都能夠在一定程度上向患者提供簡單的訓(xùn)練方案，研究結(jié)果表明機(jī)器人輔助治療確有一定療效。從現(xiàn)有文獻(xiàn)與臨床需要來看，今后上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的研究可能集中在以下幾個(gè)方面： 1. 康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)：機(jī)械設(shè)計(jì)是康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)，應(yīng)盡量簡潔輕巧，具有一定的靈活性，提高訓(xùn)練動作的種類，增大動作幅度，在三維空間對患肢各個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行訓(xùn)練；同時(shí)發(fā)展“多路復(fù)用”的網(wǎng)絡(luò)康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)

17、，提高資源利用率。2. 控制策略與運(yùn)動模式的設(shè)計(jì)由于患者的病情千差萬別，因此，機(jī)器人要感知患肢狀態(tài)(力量和位置)并采取相應(yīng)的訓(xùn)練模式和控制策略，在控制系統(tǒng)適應(yīng)性和穩(wěn)定性、傳感器技術(shù)應(yīng)用、系統(tǒng)辨識和控制算法設(shè)計(jì)等方面需要作更深入的研究。3. 力反饋：機(jī)器人應(yīng)該能夠?qū)崟r(shí)檢測患者與機(jī)器人之間的相互作用力，在患者主動能力不足時(shí)提供更大的輔助，而在患者有能力完成動作時(shí)，適當(dāng)減小輔助甚至施加阻力，以便充分發(fā)揮患者殘存的功能。4. 安全機(jī)制：安全問題是康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)重要方面，康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人必須根據(jù)臨床康復(fù)訓(xùn)練的基本動作和安全性的要求，在設(shè)計(jì)中除了考慮機(jī)器人的功能實(shí)現(xiàn)外，還要防止患肢二次損傷，必須

18、從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)(硬件)和控制系統(tǒng)(軟件)兩個(gè)方面保證康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的安全性。5. 康復(fù)效果的評價(jià)機(jī)制：與肌電信號檢測相結(jié)合，探索訓(xùn)練參數(shù)與康復(fù)效果之間的關(guān)系，提高訓(xùn)練效果。大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，探索臨床康復(fù)的初步規(guī)律，并建立新的康復(fù)評估方法，從而對運(yùn)動功能的康復(fù)機(jī)制重新評估和理解。 機(jī)器人具備許多人類所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，例如：長期、穩(wěn)定地重復(fù)訓(xùn)練，精確、客觀地測定訓(xùn)練與運(yùn)動參數(shù)，提供實(shí)時(shí)反饋、遠(yuǎn)程訓(xùn)練等。但是，目前康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究仍然處于起步階段。從近年的發(fā)展看，美國的著名大學(xué)如MIT，Stanford，Northwestern等對這一領(lǐng)域的研究都十分重視，處于世界領(lǐng)先。國的研究基礎(chǔ)和對這一領(lǐng)域的了

19、解和把握與上述領(lǐng)先單位的差距并不很大，但在經(jīng)費(fèi)投入方面嚴(yán)重不足。由于我國的康復(fù)醫(yī)學(xué)事業(yè)仍然處于起步階段，但患者數(shù)量多、治療師資源缺乏，據(jù)此現(xiàn)狀，發(fā)展康復(fù)訓(xùn)練醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)更具實(shí)際意義。隨著康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人的研究和使用，有望簡化醫(yī)師與患者“一對一”的繁重治療過程，推動殘疾人“人人享有康復(fù)服務(wù)”這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，提高殘疾人的生活質(zhì)量。同時(shí)，通過臨床上使用積累的大量數(shù)據(jù)，將有助于認(rèn)識訓(xùn)練參數(shù)與康復(fù)效果之間的關(guān)系，從而能夠在機(jī)器人輔助腦神經(jīng)康復(fù)治療上取得更大的突破。因此，康復(fù)醫(yī)療訓(xùn)練機(jī)器人技術(shù)在現(xiàn)代康復(fù)醫(yī)學(xué)和神經(jīng)反饋訓(xùn)練有廣泛的應(yīng)用前景。2、康復(fù)機(jī)器人的原理和設(shè)計(jì)2.1 工作原理和結(jié)構(gòu)根據(jù)已廣泛應(yīng)用于臨床

20、的CPM( Continuous Passive Motion) 理論，即滑膜關(guān)節(jié)持續(xù)被動活動理論，康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循2 種設(shè)計(jì)原則1) 解剖學(xué)設(shè)計(jì) 支撐并推動關(guān)節(jié)按其自然運(yùn)動形式活動，在技術(shù)上可使支撐帶動關(guān)節(jié)接近生理活動。2) 隨意聯(lián)動設(shè)計(jì) 通過牽動關(guān)節(jié)周圍組織運(yùn)動，使關(guān)節(jié)按其固有的運(yùn)動軌跡活動。解剖學(xué)設(shè)計(jì)可使患者更舒適，而隨意聯(lián)動則考慮到機(jī)械實(shí)現(xiàn)簡單和使用方便，更易幫助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。 因此上下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的設(shè)計(jì)采用隨意聯(lián)動設(shè)計(jì)，通過運(yùn)動臂的運(yùn)動分別牽引上、下肢做大圍的康復(fù)訓(xùn)練。 上下肢康復(fù)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其主要結(jié)構(gòu)見圖1 中1111訓(xùn)練器主體，2、5運(yùn)動臂，3

21、控制面板與LED 顯示模塊，4齒輪，6電機(jī)，7電機(jī)控制模塊，8床邊固定件，9墻體固定件， 10電源，11USB 通信模塊圖1 上下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)橫梁裝配圖立柱座左頂端法蘭左立柱裝配圖 中軸承承套圖1 中，電源10 為電機(jī)6 提供24 V 工作電壓，電機(jī)6 經(jīng)過減速器和一個(gè)鏈傳動帶動齒輪軸4 轉(zhuǎn)動，在齒輪軸4 的兩端有2 個(gè)運(yùn)動臂2 和5，它們的位置相差180°5，以保證患者在被動模式下運(yùn)動時(shí)最大限度地被運(yùn)動臂牽引。當(dāng)2 個(gè)運(yùn)動臂安裝有2個(gè)運(yùn)動手柄時(shí)，患者就可以在運(yùn)動手柄的帶動下進(jìn)行上肢康復(fù)訓(xùn)練，而當(dāng)2 個(gè)運(yùn)動臂安裝有2 個(gè)運(yùn)動腳踏時(shí)，患者就可以在進(jìn)行相應(yīng)的下肢康復(fù)訓(xùn)練。2.2

22、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人控制系統(tǒng)采用2 級控制方案，總體控制方案示意如圖2 所示。 PC 機(jī)主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理、狀態(tài)顯示和機(jī)器人運(yùn)動的控制。 控制面板作為備用控制設(shè)備，在PC 機(jī)控制出現(xiàn)異常時(shí)與時(shí)控制機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)。2.2.1 電機(jī)選擇上下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人可提供訓(xùn)練者進(jìn)行主動訓(xùn)練和被動訓(xùn)練。主動訓(xùn)練是指訓(xùn)練者利用自身的力量克服阻力旋轉(zhuǎn)曲柄進(jìn)行的訓(xùn)練; 被動訓(xùn)練是指訓(xùn)練者不借助自身的力量，隨著由電機(jī)帶動的曲柄進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的訓(xùn)練。 在被動訓(xùn)練狀態(tài)，當(dāng)訓(xùn)練者向運(yùn)動方向施加主動力時(shí)即自動轉(zhuǎn)為主動訓(xùn)練。 在主動訓(xùn)練狀態(tài)，當(dāng)訓(xùn)練者停止施加主動力時(shí)即自動轉(zhuǎn)為被動訓(xùn)練 為適應(yīng)這種訓(xùn)練要求，電機(jī)選擇HIW

23、IN公司的AM-1 型電機(jī) 該電機(jī)體積小，控制電壓即可控制轉(zhuǎn)速，且轉(zhuǎn)矩為線性，有益于電路設(shè)計(jì)。通過增加減速箱可達(dá)到增加扭力的效果。2.2.2 電機(jī)控制電路電機(jī)控制電路選用新茂半導(dǎo)體的SSU7301 單片機(jī)作為主控芯片 SSU7301 是一款8 位單片機(jī)，以標(biāo)準(zhǔn)8052CPU 為核心，外圍集成了A/D 轉(zhuǎn)換器、PWM、SPWM、看門狗定時(shí)器和LCD 驅(qū)動器等多種功能，置8 KB 的閃速存儲器。總體來說，SSU7301單片機(jī)性能優(yōu)良，資源豐富，應(yīng)用方便，完全滿足上下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)要求。采用單片機(jī)PWM 調(diào)制方式對電機(jī)進(jìn)行控制，驅(qū)動芯片選用LM18200，驅(qū)動部分電路原理如圖3 所

24、示。 單片機(jī)SSU7301 的P1. 5 口用作PWM 的輸出端口。 PMW 采用5 位分辨率，PWM 頻率選擇為23 437. 5 Hz。 通過分別寫入0F1F 到PWM D0 特殊功能寄存器，將PWM 均勻分為9 個(gè)等級，對應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的9 個(gè)等級。 P1. 6 端口用作電機(jī)方向控制端口，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正向和反向轉(zhuǎn)動。 P1. 3 端口用作繼電器控制端口，繼電器導(dǎo)通時(shí)電機(jī)才能工作。 P3. 5端口使能第2 功能，作為AD1 的模擬輸入端，采集W2 上的電壓，以判斷機(jī)器人的運(yùn)動是主動模式還是被動模式。電機(jī)控制電路配備一塊國顯電子公司的LED 顯示屏HD44780，在機(jī)器人上實(shí)時(shí)顯示電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)以與

25、主、被動模式信息。通過USB 與上位機(jī)通信，上位機(jī)可以通過用戶端控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)載以與運(yùn)動方向，并能實(shí)時(shí)顯示以上信息以與有無主動訓(xùn)練等信息。 SSU7301MCU 的P3. 0 和P3. 1 端口作為第2 功能引腳用作串口通信，用于與C8051F320MCU 通信。 同時(shí)，P2 的8 個(gè)I /O 端口用作控制面板按鍵的檢測，以防備PC 機(jī)控制出現(xiàn)異常時(shí)直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)載以與運(yùn)動方向。3、康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動控制策略機(jī)器人在輔助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練過程中，其運(yùn)動控制策略有自身應(yīng)用和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，必須依據(jù)運(yùn)動功能康復(fù)理論和病患機(jī)制。國外文獻(xiàn)中有關(guān)康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動控制策略從控制手段主要分為：力控制策略、力場

26、控制策略與生物電信號控制策略。3.1 力控制策略：運(yùn)用力傳感器直接檢測機(jī)器人同病患部位之間的相互作用力并對之進(jìn)行控制，是機(jī)器人輔助康復(fù)運(yùn)動控制中應(yīng)用最廣泛的一種方法，具體控制過程大體經(jīng)歷了3 個(gè)階段：經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制、智能控制。3.1.1 經(jīng)典控制：從廣義角度講，經(jīng)典控制主要有3 類，PID 控制、阻抗控制和力/位置混合控制。如MIME、ARMGuide 等運(yùn)用PID 控制機(jī)器人輔助患者實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練。PID 控制雖然結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)，但是康復(fù)機(jī)器人本身是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，過程中如患者病情發(fā)生突變，PID 控制很難取得理想的效果。阻抗控制是通過調(diào)節(jié)機(jī)器人末端的位置偏差和力的動態(tài)關(guān)系來實(shí)現(xiàn)

27、位置和力控制的方法，不直接控制期望的位置和力。由krebstt (Krebs HI)等2首次提出并應(yīng)用于康復(fù)機(jī)器人MIT-Manus 控制。阻抗控制雖然對系統(tǒng)的不確定性和擾動具有較強(qiáng)的魯棒性，但當(dāng)患者的病情不確定時(shí)，阻抗控制表現(xiàn)出較差的軌跡跟蹤能力。力/位置混合控制采用位置控制方式和力控制方式分別控制自由和受限方向上運(yùn)動。Lokomat 將患者下肢的主動力納入力/位置混合控制架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了下肢與步態(tài)的康復(fù)訓(xùn)練。該方法直觀上允許對康復(fù)機(jī)械同患者的相互作用力進(jìn)行直接控制，但是對力、位置分別控制對系統(tǒng)的運(yùn)算性能提出較高要求，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性變差。3.1.2 現(xiàn)代控制：康復(fù)機(jī)器人是一個(gè)具有時(shí)變、強(qiáng)耦合和非線

28、性的動力學(xué)特征的系統(tǒng)，加上患者在過程中因肌力的變化、肌肉痙攣等造成的環(huán)境不確定性，其控制十分復(fù)雜。上述經(jīng)典控制策略在適用圍和控制效果方面均存在不足?，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展為康復(fù)機(jī)器人力控制提供了重要的理論基礎(chǔ)。Takahashi 等14運(yùn)用H2 與最優(yōu)控制方法設(shè)計(jì)了一個(gè)減振系統(tǒng)并運(yùn)用于腕關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練中。Wege 等15基于Lyapunov 穩(wěn)定性理論設(shè)計(jì)了滑模位置控制器并運(yùn)用于手指關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練，取得了一定的效果。但從現(xiàn)有的成果來看，最優(yōu)控制往往不能保證控制的最佳特性，效果不明顯。魯棒控制、變結(jié)構(gòu)控制等雖具有適應(yīng)患者病情變化的能力，但是在控制實(shí)時(shí)性嚴(yán)格的情況下難以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和跟蹤精度。3.1

29、.3 智能控制：隨著智能控制技術(shù)發(fā)展，康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動控制進(jìn)入智能化階段，尤其被控對象有不確定性的情況下，智能控制得到了較成功的應(yīng)用。具有代表性的有：Ju 等將模糊邏輯與PID 控制融入力/位置混合控制使患者上肢沿直線/圓弧路徑進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。Erol 等運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對PID 控制增益進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，使康復(fù)機(jī)器人末端提供的輔助力能適應(yīng)患者病情的變化。Ahn等基于神經(jīng)模糊控制和氣動人工肌肉驅(qū)動技術(shù)進(jìn)行肘部康復(fù)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)，均取得了較理想的效果。但智能控制也有其局限性，如模糊控制中規(guī)則庫過大，模糊推理時(shí)間延長，實(shí)時(shí)性難以保證；規(guī)則庫簡單則控制效果受到限制。另外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中隱含層與隱含層神經(jīng)元數(shù)量的合

30、理確定、泛化能力仍是一個(gè)值得研究的課題。力場控制策略：力場控制策略仿照物理學(xué)中電勢和電場力的概念，把機(jī)械手在環(huán)境中的運(yùn)動視為一種人造受力場中的運(yùn)動。當(dāng)需要提供輔助力時(shí)，可以將輔助力場設(shè)計(jì)為機(jī)械手末端位置矢量的函數(shù)，根據(jù)訓(xùn)練過程中機(jī)械手末端的位置偏差調(diào)整輔助力大小和方向；當(dāng)需要提供阻力時(shí)，可以將阻力場設(shè)計(jì)為機(jī)械手末端速度矢量的函數(shù)或者根據(jù)康復(fù)訓(xùn)練過程中的力場后效應(yīng)進(jìn)行阻力場設(shè)計(jì)。力場控制難點(diǎn)在于力場本身的設(shè)計(jì)以與力場控制策略的選擇。胡宇川等基于力場控制策略研制了一種用于偏癱上肢復(fù)合運(yùn)動的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，該機(jī)器人不僅可以帶動患肢完成大圍、大幅度的復(fù)合動作訓(xùn)練，而且還可以實(shí)現(xiàn)主動、被動、抗阻、助力等

31、多種訓(xùn)練模式。Patton 等根據(jù)康復(fù)訓(xùn)練中力場的后效應(yīng)(after-effect)使患者沿著事先設(shè)定的正弦軌跡進(jìn)行伸展康復(fù)訓(xùn)練。Banala 等為使患者完成步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練設(shè)計(jì)PID 力場控制器使之在腳部附近產(chǎn)生阻尼力場。4、機(jī)器人輔助運(yùn)動功能康復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展前景機(jī)器人輔助運(yùn)動功能康復(fù)治療技術(shù)涉與機(jī)器人技術(shù)、信息技術(shù)、康復(fù)醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域。從現(xiàn)有文獻(xiàn)和康復(fù)機(jī)器人臨床應(yīng)用來看，未來機(jī)器人輔助患者運(yùn)動功能康復(fù)的研究應(yīng)主要集中在以下幾個(gè)方面：4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為機(jī)械本體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。機(jī)械本體設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮患者的病情特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)功能、訓(xùn)練模式、安全舒適性等，提高訓(xùn)練動作的種類，

32、增大動作幅度，積極探索新材料技術(shù)在康復(fù)機(jī)械中的應(yīng)用，使機(jī)械更加簡潔輕巧，穿戴起來更加舒適。從康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練系統(tǒng)架構(gòu)來看，應(yīng)積極發(fā)展遠(yuǎn)程康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人訓(xùn)練系統(tǒng)，特別是多路復(fù)用的網(wǎng)絡(luò)康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)，使患者在家或者其它醫(yī)療中心就能夠方便地接受康復(fù)治療，節(jié)約成本，提高資源利用率。4.2 運(yùn)動控制策略運(yùn)動控制策略患者康復(fù)運(yùn)動過程中，由于肌力/肌力變化、肌肉痙攣等使系統(tǒng)負(fù)載和動力學(xué)參數(shù)發(fā)生不確定改變，有可能使控制系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，甚至給病患部位造成二次損傷。因此，在控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性、檢測技術(shù)、控制算法等方面應(yīng)更深入的研究。此外，在基于生物電信號控制康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動過程中，對肌電信號本質(zhì)特征的提取與處

33、理方法、腦電信號的測量、BCI系統(tǒng)通訊速度和控制的準(zhǔn)確度等方面還需深入的研究。4.3 康復(fù)效果評價(jià)和康復(fù)機(jī)理研究為給臨床康復(fù)治療提供有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)，研究臨床康復(fù)的初步規(guī)律，必須在患者康復(fù)訓(xùn)練過程中提取相應(yīng)的運(yùn)動特征參數(shù)，并結(jié)合康復(fù)醫(yī)師的臨床經(jīng)驗(yàn)，形成專家知識庫，對康復(fù)治療效果進(jìn)行實(shí)時(shí)定量評估，在大量臨床實(shí)踐的基礎(chǔ)上，探索訓(xùn)練參數(shù)同康復(fù)治療效果之間的關(guān)系，并選取有價(jià)值的運(yùn)動特征參數(shù)作為康復(fù)評價(jià)指標(biāo)，建立新的科學(xué)的康復(fù)評估機(jī)制。此外，還應(yīng)從理論角度進(jìn)一步的研究人體運(yùn)動康復(fù)同各種因素之間的在聯(lián)系，為機(jī)器人輔助運(yùn)動功能康復(fù)和建立有效的評估機(jī)制提供理論支持。5、康復(fù)機(jī)器人機(jī)電總體方案設(shè)計(jì)該康復(fù)機(jī)器人將

34、采用電力驅(qū)動，用電機(jī)驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能，對上肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。總體方案為：機(jī)身由平臺上面的機(jī)座、兩根可伸縮的立柱、橫梁以與手柄組成，并在其各組成部分上分別裝上上肢前后擺機(jī)構(gòu)、上肢屈伸機(jī)構(gòu)、上肢分合機(jī)構(gòu)和手腕轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)；各運(yùn)動機(jī)構(gòu)有單獨(dú)的電機(jī)和減速器驅(qū)動；傳動機(jī)構(gòu)的主件分別是傳動軸、絲杠螺母副以與同步帶傳動副。在康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，立柱主要由三部分組成，套筒、外套筒和絲杠螺母副，此外還有用于固定絲杠螺母副用的軸承套等附屬結(jié)構(gòu)。立柱的外套筒通過螺栓與立柱軸承套和立柱座連接在一起，絲杠通過裝在軸承套中的兩個(gè)角接觸球軸承定位和固定。在立柱套筒的定位中，通過止口來實(shí)現(xiàn)精確定位。為了保證整個(gè)康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

35、的穩(wěn)定，各個(gè)零部件的垂直度，表面粗糙度都一定要達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，這樣才能使真?zhèn)€結(jié)構(gòu)在運(yùn)動的過程總不會出項(xiàng)卡死之類的現(xiàn)象，同時(shí)也減小了噪聲。此外，立柱的電機(jī)通過加腹板的電機(jī)支承架固定，支架通過螺釘固定在立柱座上圖2.1前后擺機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖面，這樣，電機(jī)和立柱就連接在一起，在前后擺的過程當(dāng)中，整個(gè)立柱就能隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動而一起運(yùn)動。同時(shí)，支承架的垂直度也要達(dá)到精度要求，這樣才能使電機(jī)軸與傳動軸的同軸度達(dá)到所需的要求。5.1 前后擺機(jī)構(gòu)設(shè)（如圖2.1所示：）康復(fù)機(jī)器人前后擺機(jī)構(gòu)主要的功能是對患者的上肢進(jìn)行前后擺康復(fù)訓(xùn)練。在設(shè)計(jì)的中，前后擺要滿足一下兩個(gè)要求：一是擺動的角度要足夠大，能夠?qū)颊呱现募珀P(guān)節(jié)、

36、肘關(guān)節(jié)進(jìn)行充分的康復(fù)訓(xùn)練；二是整個(gè)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性要好，在對患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的過程中，能夠在任何位置實(shí)現(xiàn)安全的停止。因此，上肢前后擺機(jī)構(gòu)裝在基座上，由直流電機(jī)、減速器、渦輪蝸桿、傳動軸、軸承座等組成。其中直流減速電機(jī)固定在底座平天上，通過聯(lián)軸器將其與渦輪蝸桿連接在一起，再通過聯(lián)軸器將渦輪蝸桿與傳動軸連接在一起；兩根可伸縮的立柱通過鍵與軸而將其固定于軸承座上。這樣通過單片機(jī)控制電機(jī)，電機(jī)的帶動傳動軸，就可實(shí)現(xiàn)對上肢前后擺的康復(fù)訓(xùn)練。在實(shí)現(xiàn)前后擺動的過程當(dāng)中，渦輪蝸桿能夠?qū)C(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自鎖，使整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性大大的增加。前后擺電機(jī)通過滑塊型彈性聯(lián)軸器與蝸桿減速器相連，蝸桿減速器通過HL型柱

37、銷彈性聯(lián)軸器與傳動軸相連。前后擺傳動軸通過鍵與立柱座連接，其中立柱座與機(jī)座之間用套筒隔開，留有5mm的間隙。整體結(jié)構(gòu)較大，但是重量不大，此外軸承處要注意潤滑。5.2 屈伸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖2.2屈伸機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖康復(fù)機(jī)器人的屈伸機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)對患者上肢進(jìn)行屈伸康復(fù)訓(xùn)練，以達(dá)到對患者肩關(guān)節(jié)肘和肘關(guān)節(jié)的康復(fù)目的。設(shè)計(jì)時(shí)，要使患者的上肢能夠得到足夠充分的空間進(jìn)行屈伸訓(xùn)練，因此，上肢屈伸機(jī)構(gòu)借助左右對稱布置的兩根可伸縮的立柱來實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的?？缮炜s立柱由立柱座（箱體）、外套筒、套筒組成；而使之伸縮的機(jī)構(gòu)包括直流電機(jī)、錐齒輪副、絲杠螺母副。其中絲杠螺母副通過一對角接觸球軸承固定，軸承外圈通過擋圈與立柱座（箱體）和外套筒

38、，借助法蘭盤，用螺栓連接；套筒插裝在外套筒，通過螺母與絲杠連接在一起，組成絲杠螺母副。在絲杠的帶動下，在立柱套筒沿軸向滑動。穿過側(cè)壁的傳動軸帶動左右的齒輪副，帶動絲杠同步的轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)套筒在立柱同步的向上下滑動，實(shí)現(xiàn)上肢的屈伸屈伸康復(fù)運(yùn)動。同時(shí)，為了使立柱套筒能夠安全的停止在任何一位置，設(shè)計(jì)絲杠時(shí)需讓絲杠具有自鎖的功能，讓患者可以在任何一位置進(jìn)行其他的康復(fù)訓(xùn)練。在前后擺的機(jī)構(gòu)中，主要有兩個(gè)零部件，一個(gè)是與立柱連接的立柱座，另一個(gè)就是康復(fù)機(jī)器人的機(jī)座。立柱座是將前后擺機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)連接在一起的關(guān)鍵部件，在里面安裝有錐齒輪運(yùn)動副，其目的是改變傳動鏈的傳動方向，使立柱實(shí)現(xiàn)上升下降，實(shí)現(xiàn)患者的上肢屈

39、伸康復(fù)訓(xùn)練。與此同時(shí)，箱體的下端，通過鍵將其與一根傳動軸相連，在前后擺減速電機(jī)的帶動下，通過能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖的蝸桿減速器，使整個(gè)結(jié)構(gòu)能夠發(fā)生前后擺運(yùn)動，用以實(shí)現(xiàn)患者上肢的前后擺康復(fù)訓(xùn)練。5.3 分合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖2.3分合機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖分合機(jī)構(gòu)是用來對患者進(jìn)行上肢分合康復(fù)訓(xùn)練而設(shè)計(jì)的。在設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)注意減噪的設(shè)計(jì)，并且要留有足夠大的空對患者的上肢進(jìn)行分合康復(fù)訓(xùn)練。由于整個(gè)康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸比較大，所以分合機(jī)構(gòu)衡梁也需要注意盡量減小重量，所以，衡梁的材料采用硬質(zhì)鋁合金。經(jīng)過充分的考慮，上肢分合運(yùn)動的機(jī)構(gòu)借助安裝在橫梁上帶傳感器的直流減速電機(jī)、同步齒形帶傳動副、光感滑軌和把手來實(shí)現(xiàn)。其中橫梁分別

40、與立柱套筒上端通過螺栓連接在一起，直流減速電機(jī)借助法蘭盤分別固定在橫梁的左右兩端。通過擋板和螺釘，將同步齒形帶帶輪固定在電機(jī)軸上，另一端通過軸和軸承將帶輪固定在橫梁的中部。這樣就將左右?guī)鲃痈惫潭ㄔ诹藱M梁上。同時(shí)，一根光桿滑軌固定于橫梁的左右段機(jī)構(gòu)中。把手貫穿于光桿滑軌，并與同步帶連接在一起，啟動電機(jī)，就能夠?qū)崿F(xiàn)上肢的分合康復(fù)訓(xùn)練。在康復(fù)訓(xùn)練中，兩根立柱在升降的過程中，難免會出現(xiàn)細(xì)微的傳動誤差，致使左右兩根立柱的升降不同步，從而對整個(gè)機(jī)構(gòu)造成破壞，因此，在橫梁的一端，通過圓柱銷的鉸連接，用以消除這種危害。在分合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，最主要的就是橫梁的設(shè)計(jì)以與橫梁支承座的設(shè)計(jì)，橫梁支承座有兩個(gè)作用，一個(gè)

41、是支撐橫梁，另一個(gè)是固定電機(jī)。同時(shí)考慮到消除因絲杠傳動不精確帶來的誤差，兩端支承座的設(shè)計(jì)稍有不同，其中一端采用了鉸接連接。另外，由于分合機(jī)構(gòu)采用的是同步齒形帶傳動，因此需要考慮相應(yīng)的帶的緊措施。于是在橫梁的中部開槽，用螺釘對中部軸承套的定位來實(shí)現(xiàn)帶的緊。其中，橫梁支承座由兩部分焊接而成，上部分是一個(gè)C型槽，下部分是一個(gè)圓形的開孔法蘭盤，用螺栓將其與立柱套筒連接在一起，這樣，整個(gè)橫梁就與立柱連為一體了。5.4 手腕轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖2.4手腕康復(fù)結(jié)構(gòu)運(yùn)動簡圖手腕康復(fù)機(jī)構(gòu)中，主要應(yīng)當(dāng)考慮對患者上肢的固定，重點(diǎn)在把手的設(shè)計(jì)。經(jīng)過查閱文獻(xiàn)充分思考之后，決定把手由手柄、把手支架、小臂護(hù)套組成，最后在把手上裝

42、上直流減速電機(jī)，組成手腕的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)。直流減速電機(jī)通過螺釘將其固定于把手支架法蘭盤面上。小臂護(hù)套，通過吊環(huán)將其固定在把手支架上面。工作時(shí)，啟動電機(jī)，在單片機(jī)的控制下，帶動手柄繞電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動手腕的轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)手腕的康復(fù)訓(xùn)練。5.5 電機(jī)選擇5.5.1 驅(qū)動方式選擇按放大原理的不同，功率放大器可分為脈寬調(diào)制型功率放大、開關(guān)功率放大和線性功率放大3種類型。脈寬調(diào)制型功率放大器采取準(zhǔn)連續(xù)的線性放大原理，通過控制其導(dǎo)通脈沖的占空比實(shí)現(xiàn)了輸出信號的周期平均值與輸入信號成比例，成本較低，功耗小，但是其干擾較大，使用其驅(qū)動電機(jī)時(shí)電機(jī)容易發(fā)生抖動；開關(guān)功率放大器只工作于飽和或者截止兩種狀態(tài)，管耗基本為零

43、，但是由于其無法進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以一般只適用于驅(qū)動繼電器、步進(jìn)電機(jī)和電磁閥；線性功率放大器控制波形失真率小，控制調(diào)節(jié)方便，驅(qū)動電機(jī)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，抖動較小，干擾也較小，但放大器的效率較低，消耗在功率放大器上的功率損耗較大。 考慮到本系統(tǒng)的使用對象是上肢患有運(yùn)動障礙的患者，如果訓(xùn)練過程電機(jī)產(chǎn)生較大抖動則容易對患者造成二次拉傷。因此考慮到系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，選用了穩(wěn)定性較好的線性功率放大器。 由于本系統(tǒng)的對象是患者，在訓(xùn)練的過程中要求電機(jī)有很好的低速堵轉(zhuǎn)性能，因此采用了直流力矩電機(jī)，直流力矩電機(jī)具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩、響應(yīng)快、特性線性度好、力矩波動小等特點(diǎn)，廣泛使用于需要頻繁正反轉(zhuǎn)的裝置或其他類似動作的各種機(jī)

44、械上。5.5.2 電機(jī)的參數(shù)選擇在立柱升降對患者進(jìn)行上肢屈伸康復(fù)訓(xùn)練的過程中，考慮到患者的承受能力，設(shè)定其移動速度為m/s ，立柱以上整體的質(zhì)量m=50kg，因此，得到功率 （3.1） 代入數(shù)據(jù)，得=50W 在立柱的傳動鏈中，選擇絲杠的效率=0.375，滾動軸承的效率=0.99，齒輪的傳動效率為=0.95，因此估算得到電機(jī)的功率 （3.2）代入數(shù)據(jù)得到P=150W 當(dāng)立柱升降時(shí)，所受到的垂直方向的阻力。折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足折算前后前后的功率不變原則，考慮傳動機(jī)構(gòu)的傳動損耗，則有 （3.3）式中 折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N mF工作機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動時(shí)運(yùn)動所受到的阻力，Nv工作機(jī)構(gòu)的線速

45、度，m/s電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min總的傳動效率代入數(shù)據(jù)得 N. m綜合考慮之后，選擇的是床架電機(jī)的產(chǎn)品，其各參數(shù)見表3.1。表3.1 電機(jī)參數(shù) 型號輸出轉(zhuǎn)矩（N mm）輸出轉(zhuǎn)速（r/min）功率（W）電壓（V）110SZ611043150015012 圖3.1110SZ61電機(jī)5.6 位置傳感器的選擇本系統(tǒng)的位置傳感器選用滑動電阻器式角位置傳感器，該傳感器具有性價(jià)比高、精度高、線形度好等特點(diǎn)，其滿量程的阻值為1WK。如圖2.7所示，角位置傳感器的轉(zhuǎn)軸通過柔性聯(lián)軸節(jié)與電機(jī)的轉(zhuǎn)軸安裝在一起，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)，帶動位置傳感器轉(zhuǎn)動從而使其電阻值發(fā)生變化，加上外圍電路后其輸出電壓也隨之改變。其中柔性連軸節(jié)用

46、于克服電機(jī)軸芯線與位置傳感器轉(zhuǎn)軸軸心線偏差所帶來的跳動和測量誤差。5.7 力傳感器的選擇 本系統(tǒng)中力傳感器采用應(yīng)變片式力傳感器，其部的4個(gè)應(yīng)變片的貼片電阻構(gòu)成全橋電路，經(jīng)調(diào)理放大后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)后后送入ARM處理器。 本系統(tǒng)選用鴻基點(diǎn)科技發(fā)展的BK-5B型懸臂梁式測力/稱重傳感器，量程為3kg，精度為0.1。外觀圖如圖2.8所示。 力傳感器安裝在機(jī)械臂的前端，這樣可以減少運(yùn)動中的慣性力的影響，如果將其安裝在機(jī)械臂的后端，理論上雖然可以獲得較大的形變，但是機(jī)械臂運(yùn)動過程中所產(chǎn)生的較大的慣性力將嚴(yán)重影響力的輸出值，使其與實(shí)際力產(chǎn)生較大的誤差。5.8 安全性設(shè)計(jì)在緒論中本文已經(jīng)提到，本康復(fù)系統(tǒng)的所應(yīng)用的對象是上肢患有運(yùn)動障礙的患者。使用方式是患者在機(jī)械臂的牽引下完成一系列的康復(fù)訓(xùn)練，而機(jī)械臂是由電機(jī)直接驅(qū)動的，考慮到對象的特殊性，萬一在訓(xùn)練過程中系統(tǒng)出現(xiàn)故障，會導(dǎo)致患者產(chǎn)生