脑中风康复设备机电一体化.doc
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1、脑中风康复设备机电一体化 摘要:康复机器人是近年来发展起来的一种新的运动神经康复治疗技术,作为医疗机器人的一个重要分支,它贯穿了康复医学、生物力学、机械学、电子学、材料学、计算机科学以及机器人学等诸多领域,已经成为了国际机器人领域的一个研究热点。根据康复机器人技术的发展特点和应用并结合该领域的研究背景,分别从康复机器人机械结构设计、系统架构和运动控制策略等方面详细分析和介绍了国内外近年来的主要研究成果,并对该领域的一些关键技术进行了探讨。康复机器人是一种自动化医疗康复设备,它以医学理论为依据,帮助患者进行科学而有效的康复训练,使患者的运动机能得到更快更好的恢复。目前,康复机器人已经广泛地应用到
2、康复护理、假肢和康复治疗等方面,这不仅促进了康复医学的发展,也带动了相关领域的新技术和新理论的发展。康复机器人是康复医学和机器人技术的完美结合,康复机器人技术在欧美等国家得到了科研工作者和医疗机构的普遍重视,许多研究机构都开展了有关的研究工作,近年来取得了一些有价值的成果。对于中风、偏瘫、上肢运动机能损伤等患者来说,上肢康复训练机器人有着很好的治疗效果。国内外许多研究机构都在这方面取得了不错的研究结果。关键词:康复机器人 系统设计 运动控制 康复治疗目 录1、绪论41.1 概述41.2 康复机器人的国内外研究现状41.3 上肢康复机器人系统的发展前景72、康复机器人的原理和设计92.1 工作原
3、理和结构92.2 控制系统设计112.2.1 电机选择122.2.2 电机控制电路123、康复机器人运动控制策略143.1 力控制策略143.1.1 经典控制:143.1.2 现代控制:143.1.3 智能控制:144、机器人辅助运动功能康复的关键技术及发展前景164.1 系统设计164.2 运动控制策略164.3 康复效果评价和康复机理研究165、康复机器人机电总体方案设计175.1 前后摆机构设175.2 屈伸机构设计185.4 手腕转动机构设计195.5 电机选择205.5.1 驱动方式选择205.5.2 电机的参数选择205.6 位置传感器的选择215.7 力传感器的选择225.8 安
4、全性设计22结束语23参考文献24答谢辞251、绪论1.1 概述据报道,我国60岁以上的老年人已有1.43亿,占全国人口的11,到2050年将达到4.37亿。在老龄人群众中有大量的脑血管疾病或神经系统疾病患者,这类患者多数伴有偏瘫症状1。近年由于患心脑血管疾病使中老年患者出现偏瘫的人数不断增多,而且在年龄上呈现年轻化趋势。与此同时,由于交通运输工具的迅速增长,因交通事故而造成神经心痛损伤或者肢体损伤的人数也越来越多。在我国数以百万计的有神经科疾病病史和受到过意外伤害的患者需要进行康复治疗,仅以中风为例,每年大约有600,000中风幸存者,其中的二百万病人在中风后存在长期的运动障碍。随着国民经济
5、的发展,这个特殊群体已得到了更多人的关注,为了提高他们的生活质量,治疗、康复和服务于他们的产品的技术和质量也在相应地提高。随着机器人技术和康复医学的发展,在欧洲、美国和日本等国家,医疗康复机器人的市场占有率呈逐年上升的趋势,仅预测日本未来机器人市场,2005年医疗、护理、康复机器人的市场份额约为250,000美元,而到2010年将上升到1,050,000美元,其增长率在机器人的所有应用领域中占据首位。因此,服务于四肢的康复设备的研究和应用有着广阔的发展前景2。 康复机器人是康复设备的一种类型。康复机器人技术早已广受世界各国科研工作者和医疗机构的普遍重视,其中以欧美和日本的成果最为显著。在我国康
6、复医学工程虽然得到了普遍的重视,而康复机器人研究仍处于起步阶段,一些简单康复器械远远不能满足市场对智能化、人机工程化的康复机器人的需求,有待进一步的研究和发展。由于康复训练机器人要与人体直接相连,来带动肢体进行康复训练,所以对驱动器的安全性、柔性的要求较高。康复肢体运动功能用机械肢体组合系列机器人,是多种同类机器人属于机器人领域,解决了本人发明的实用新型专利半身不遂患者康复学步机,只能带动人的大小臂大小腿康复运动功能,而不能带动手脚各关节运动的重大不足,主要技术特征是将半身不遂患者康复学步机略加改进后,在学步机的小臂绞链杆上安装了可以带动人手腕关节手指各个关节都能运动的机械手托板,在小腿铰链杆
7、上安装了可以带动人脚踝脚指各个关节都能运动的机械脚托板后实现的,用途是康复肢体运动功能,带动患肢的各个关节、每块骨骼、每块肌肉、每个筋键、每条神经都在作患者万分渴望而大脑又支配不了的动作,通过较长时间的被动运动锻炼,最终使残疾人患肢的主动运动功能得到康复。本课题的研究目的是设计一种坐式上肢康复训练机,用于心脑血管疾病致瘫或意外事故所造成的上肢体损伤的患者左上肢及相关关节康复训练。1.2 康复机器人的国内外研究现状康复机器人是一种自动化医疗康复设备,它以医学理论为依据,帮助患者进行科学而有效的康复训练,使患者的运动机能得到更快更好的恢复。目前,康复机器人已经广泛地应用到康复护理、假肢和康复治疗等
8、方面,这不仅促进了康复医学的发展,也带动了相关领域的新技术和新理论的发展。康复机器人有两种:辅助型康复机器人和康复训练机器人3。辅助型康复机器人主要是帮助肢体运动有困难的患者完成各种动作,该类产品有机器人轮椅、机器人护士、机器人假肢、机械外骨骼等。康复训练机器人的主要功能是帮助患者完成各种运动功能的恢复训练,该类产品有行走训练、手臂运动训练、脊椎运动训练等。康复机器人是康复医学和机器人技术的完美结合,康复机器人技术在欧美等国家得到了科研工作者和医疗机构的普遍重视,许多研究机构都开展了有关的研究工作,近年来取得了一些有价值的成果。对于中风、偏瘫、上肢运动机能损伤等患者来说,上肢康复训练机器人有着
9、很好的治疗效果。国内外许多研究机构都在这方面取得了不错的研究结果。目前,康复机器人的研究主要集中在康复机械手和康复治疗机器人等几个方面16。1、康复机械手的研究现状设计康复机器人最初的一个目的就是在残疾人和环境之间放置一个机械臂, 通过这个机械臂来部分或全部的实现操作功能,按机械臂的安装位置划分,康复机械手可分为3类:(1)基于桌面的机械手4。种机械手安装在一个彻底结构化的控制平台上,在固定的空间内操作,具有足够自由度的串联机器人再配上适合残疾人使用的人机界面是这种机器人典型的设计模式。目前此类机器人已经达到了实用化,如法国CEA公司开发的MASTER系统、美国的Tolfa Corportio
10、n开发的DEVAR系统,以及英国的Oxford Intelligent Machines Ltd.开发的RAID系统等。此种类型的机械手是早期的工业机器人在康复系统领域内的一次成功应用。1987年,英国人Mike Topping研制了Handy1康复机器人,使一个患有脑瘫的11岁男孩第一次能够进行独立就餐。随后他对样机进行了改造,也使得Handy1成为历史上最成功的康复机器人。图1.1是Handy1康复机器人原型,图1.2是康复机器人正在对患者进行康复训练。(2)基于轮椅的机械手。这种机器人是安装在轮椅上的,是因为轮椅的移动扩大了机械手的工作范围,同时由于安装基座的改变致使机械手的刚性下降和抓
11、取精度的降低,这种机械手也只是用于用于轮椅的患者,这是一点不足。这种机械手已经成为面向应用的流行设计,KARES系统,就是一种基于轮椅的机械手系统,在电动轮椅上安装了一个六自由度的机械手,能够帮助行动不便的老人和残疾人独立的行动。随着只能轮椅的研究发展,这种机械手也将会有很广泛的发展和应用。 图1.1Handy1 图1.2工作中的Handy1(3)基于移动机器人的机械手。这类机械手是目前最先进的康复机械手,这种机械手安装在移动的机器人或者半自主的小车上从而适用于更多的患者使用,同时扩大了机械手的活动空间并提高了抓取的精度。S. Tachi等人在MIT日本实验室研制了一种移动式康复机器人MELD
12、OG6 ,作为“倒盲狗”以帮助盲人完成操作和搬运物体的任务。法国Evry大学研制了一种移动式康复机器人ARPH7,使用者可以从工作站实施远程控制,使移动机器人实现定位和抓取工作。这种机械手系统都是需要由视觉、灵巧操作、运动、传感、导航及系统控制等电子系统组成,要求比较高,价格也是相对的比较昂贵。2 康复治疗机器人研究现状康复治疗机器人是康复医学和机器人技术的完美结合,不再把机器人当作辅助患者的工具,而是把机器人和计算机当作提高临床康复效率的新型治疗工具。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。按运动系统的问题可以划分为2类:一类是生物力学或生物物理化学类型的应用,另一类
13、是运动学习8。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。运动技能的学习或再学习,这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。(1)CPM机。CPM机时利用康复医学中连续被动运动(Continuous Passive MotionCPM)的基本原理对受伤肢体进行康复治疗的机械装置,是目前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机进行术后康复治疗的医学实践,此后
14、也有用于膝、肩、肘关节等康复的CPM机出现。单手刀技术水平限制,长期停留在“打关节”康复范围。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,但他们还不能像“大关节”CPM机那样实现精确的控制。(2)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(Cerebral Palsy) 。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器人MIT-MANUS ,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
15、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1.3为MIT-MANUS 在治疗中风病人。 图1.3中风病人在用MIT-MANUS 治疗(3)基于虚拟环境的康复医疗训练机器人系统。为了鼓励患者进行康复训练,提高康复训练的效果,在训练过程中吸引患者的兴趣是一个主要方面。虚拟环境技术的发展使这种思想得以实现,研究者们采用基于虚拟环境的用户界面,通过一些小游戏鼓励患者进行主动
16、训练。基于虚拟环境的康复训练通常与网络相结合,因此,不仅具有远程康复机器人系统的优点,还提高了患者进行康复训练的能动性。 图1.4远程康复医疗训练机器人系统结构1.3 上肢康复机器人系统的发展前景目前的康复机器人都能够在一定程度上向患者提供简单的训练方案,研究结果表明机器人辅助治疗确有一定疗效。从现有文献及临床需要来看,今后上肢康复机器人系统的研究可能集中在以下几个方面: 1. 康复医疗机器人系统设计:机械设计是康复训练机器人系统的基础,应尽量简洁轻巧,具有一定的灵活性,提高训练动作的种类,增大动作幅度,在三维空间内对患肢各个关节进行训练;同时发展“多路复用”的网络康复医疗机器人系统,提高资源
17、利用率。2. 控制策略与运动模式的设计由于患者的病情千差万别,因此,机器人要感知患肢状态(力量和位置)并采取相应的训练模式和控制策略,在控制系统适应性和稳定性、传感器技术应用、系统辨识和控制算法设计等方面需要作更深入的研究。3. 力反馈:机器人应该能够实时检测患者与机器人之间的相互作用力,在患者主动能力不足时提供更大的辅助,而在患者有能力完成动作时,适当减小辅助甚至施加阻力,以便充分发挥患者残存的功能。4. 安全机制:安全问题是康复机器人设计过程中的一个重要方面,康复训练机器人必须根据临床康复训练的基本动作和安全性的要求,在设计中除了考虑机器人的功能实现外,还要防止患肢二次损伤,必须从机构设计
18、(硬件)和控制系统(软件)两个方面保证康复机器人系统的安全性。5. 康复效果的评价机制:与肌电信号检测相结合,探索训练参数与康复效果之间的关系,提高训练效果。大量实验的基础上,探索临床康复的初步规律,并建立新的康复评估方法,从而对运动功能的康复机制重新评估和理解。 机器人具备许多人类所无法比拟的优点,例如:长期、稳定地重复训练,精确、客观地测定训练与运动参数,提供实时反馈、远程训练等。但是,目前康复训练机器人的研究仍然处于起步阶段。从近年的发展看,美国的著名大学如MIT,Stanford,Northwestern等对这一领域的研究都十分重视,处于世界领先。国内的研究基础和对这一领域的了解和把握
19、与上述领先单位的差距并不很大,但在经费投入方面严重不足。由于我国的康复医学事业仍然处于起步阶段,但患者数量多、治疗师资源缺乏,据此现状,发展康复训练医疗机器人系统更具实际意义。随着康复医疗机器人的研究和使用,有望简化医师与患者“一对一”的繁重治疗过程,推动残疾人“人人享有康复服务”这一目标的实现,提高残疾人的生活质量。同时,通过临床上使用积累的大量数据,将有助于认识训练参数与康复效果之间的关系,从而能够在机器人辅助脑神经康复治疗上取得更大的突破。因此,康复医疗训练机器人技术在现代康复医学和神经反馈训练有广泛的应用前景。2、康复机器人的原理和设计2.1 工作原理和结构根据已广泛应用于临床的CPM
20、( Continuous Passive Motion) 理论,即滑膜关节持续被动活动理论,康复训练机器人的设计应遵循2 种设计原则1) 解剖学设计 支撑并推动关节按其自然运动形式活动,在技术上可使支撑带动关节接近生理活动。2) 随意联动设计 通过牵动关节周围组织运动,使关节按其固有的运动轨迹活动。解剖学设计可使患者更舒适,而随意联动则考虑到机械实现简单和使用方便,更易帮助患者进行康复训练。 因此上下肢康复训练机器人的设计采用随意联动设计,通过运动臂的运动分别牵引上、下肢做大范围的康复训练。 上下肢康复机器人的机械结构如图1 所示,其主要结构见图1 中1111训练器主体,2、5运动臂,3控制面
21、板及LED 显示模块,4齿轮,6电机,7电机控制模块,8床边固定件,9墙体固定件, 10电源,11USB 通信模块图1 上下肢康复机器人机械结构横梁装配图立柱座左顶端法兰左立柱装配图 中轴承承套图1 中,电源10 为电机6 提供24 V 工作电压,电机6 经过减速器和一个链传动带动齿轮轴4 转动,在齿轮轴4 的两端有2 个运动臂2 和5,它们的位置相差1805,以保证患者在被动模式下运动时最大限度地被运动臂牵引。当2 个运动臂安装有2个运动手柄时,患者就可以在运动手柄的带动下进行上肢康复训练,而当2 个运动臂安装有2 个运动脚踏时,患者就可以在进行相应的下肢康复训练。2.2 控制系统设计上下肢
22、康复训练机器人控制系统采用2 级控制方案,总体控制方案示意如图2 所示。 PC 机主要负责系统的管理、状态显示和机器人运动的控制。 控制面板作为备用控制设备,在PC 机控制出现异常时及时控制机器人的运动状态。2.2.1 电机选择上下肢康复训练机器人可提供训练者进行主动训练和被动训练。主动训练是指训练者利用自身的力量克服阻力旋转曲柄进行的训练; 被动训练是指训练者不借助自身的力量,随着由电机带动的曲柄进行旋转的训练。 在被动训练状态,当训练者向运动方向施加主动力时即自动转为主动训练。 在主动训练状态,当训练者停止施加主动力时即自动转为被动训练 为适应这种训练要求,电机选择台湾HIWIN公司的AM
23、-1 型电机 该电机体积小,控制电压即可控制转速,且转矩为线性,有益于电路设计。通过增加減速箱可达到增加扭力的效果。2.2.2 电机控制电路电机控制电路选用上海新茂半导体有限公司的SSU7301 单片机作为主控芯片 SSU7301 是一款8 位单片机,以标准8052CPU 为核心,外围集成了A/D 转换器、PWM、SPWM、看门狗定时器和LCD 驱动器等多种功能,内置8 KB 的闪速存储器。总体来说,SSU7301单片机性能优良,资源丰富,应用方便,完全满足上下肢康复训练机器人电机控制电路设计要求。采用单片机PWM 调制方式对电机进行控制,驱动芯片选用LM18200,驱动部分电路原理如图3 所
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