脑中风康复设备机电一体化本科毕设论文.doc

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 4
1.1 概述 4
1.2 康复机器人的国内外研究现状 4
1.3 上肢康复机器人系统的发展前景 7
2、康复机器人的原理和设计 9
2.1 工作原理和结构 9
2.2 控制系统设计 11
2.2.1 电机选择 12
2.2.2 电机控制电路 12
3、康复机器人运动控制策略 14
3.1 力控制策略 14
3.1.1 经典控制： 14
3.1.2 现代控制： 14
3.1.3 智能控制： 14
4、机器人辅助运动功能康复的关键技术及发展前景 16
4.1 系统设计 16
4.2 运动控制策略 16
4.3 康复效果评价和康复机理研究 16
5、康复机器人机电总体方案设计 17
5.1 前后摆机构设 17
5.2 屈伸机构设计 18
5.4 手腕转动机构设计 19
5.5 电机选择 20
5.5.1 驱动方式选择 20
5.5.2 电机的参数选择 20
5.6 位置传感器的选择 21
5.7 力传感器的选择  22
5.8 安全性设计 22
结束语 23
参考文献 24
答谢辞 25

1、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 Corportion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1.1　Handy1 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MELDOG[6] ，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ARPH[7]，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 Motion\CPM）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(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( 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1—11．

1—训练器主体，2、5—运动臂，3—控制面板及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，11—USB 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180°［5］，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-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 所示。 单片机SSU7301 的P1. 5 口用作PWM 的输出端口。 PMW 采用5 位分辨率，PWM 频率选择为23 437. 5 Hz。 通过分别写入0F—1F 到PWM D0 特殊功能寄存器，将PWM 均匀分为9 个等级，对应电机转速的9 个等级。 P1. 6 端口用作电机方向控制端口，实现电机的正向和反向转动。 P1. 3 端口用作继电器控制端口，继电器导通时电机才能工作。 P3. 5端口使能第2 功能，作为AD1 的模拟输入端，采集W2 上的电压，以判断机器人的运动是主动模式还是被动模式。
电机控制电路配备一块南京国显电子公司的LED 显示屏HD44780，在机器人上实时显示电机运转状态以及主、被动模式信息。
通过USB 与上位机通信，上位机可以通过用户端控制电机的转速、负载以及运动方向，并能实时显示以上信息以及有无主动训练等信息。 SSU7301MCU 的P3. 0 和P3. 1 端口作为第2 功能引脚用作串口通信，用于与C8051F320MCU 通信。 同时，P2 的8 个I /O 端口用作控制面板按键的检测，以防备PC 机控制出现异常时直接控制电机的转速、负载以及运动方向。

3、康复机器人运动控制策略
机器人在辅助患者进行康复训练过程中，其运动控制策略有自身应用和设计特点，必须依据运动功能康复理论和病患机制。国内外文献中有关康复机器人运动控制策略从控制手段主要分为：力控制策略、力场控制策略及生物电信号控制策略。
3.1 力控制策略：运用力传感器直接检测机器人同病患部位之间的相互作用力并对之进行控制，是机器人辅助康复运动控制中应用最广泛的一种方法，具体控制过程大体经历了3 个阶段：经典控制、现代控制、智能控制。
3.1.1 经典控制：
从广义角度讲，经典控制主要有3 类，PID 控制、阻抗控制和力/位置混合控制。如MIME、ARMGuide 等运用PID 控制机器人辅助患者实现康复训练。PID 控制虽然结构简单、适应性强，但是康复机器人本身是一个复杂的非线性系统，过程中如患者病情发生突变，PID 控制很难取得理想的效果。
阻抗控制是通过调节机器人末端的位置偏差和力的动态关系来实现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]首次提出并应用于康复机器人MIT-Manus 控制。阻抗控制虽然对系统的不确定性和扰动具有较强的鲁棒性，但当患者的病情不确定时，阻抗控制表现出较差的轨迹跟踪能力。
力/位置混合控制采用位置控制方式和力控制方式分别控制自由和受限方向上运动。Lokomat 将患者下肢的主动力纳入力/位置混合控制架构实现了下肢及步态的康复训练。该方法直观上允许对康复机械同患者的相互作用力进行直接控制，但是对力、位置分别控制对系统的运算性能提出较高要求，控制系统实时性变差。
3.1.2 现代控制：
康复机器人是一个具有时变、强耦合和非线性的动力学特征的系统，加上患者在过程中因肌张力的变化、肌肉痉挛等造成的环境不确定性，其控制十分复杂。上述经典控制策略在适用范围和控制效果方面均存在不足。现代控制理论的发展为康复机器人力控制提供了重要的理论基础。Takahashi 等[14]运用H2 及最优控制方法设计了一个减振系统并运用于腕关节康复训练中。Wege 等[15]基于Lyapunov 稳定性理论设计了滑模位置控制器并运用于手指关节的康复训练，取得了一定的效果。但从现有的成果来看，最优控制往往不能保证控制的最佳特性，效果不明显。鲁棒控制、变结构控制等虽具有适应患者病情变化的能力，但是在控制实时性严格的情况下难以保证系统的稳定性和跟踪精度。
3.1.3 智能控制：
随着智能控制技术发展，康复机器人运动控制进入智能化阶段，尤其被控对象有不确定性的情况下，智能控制得到了较成功的应用。具有代表性的有：Ju 等将模糊逻辑及PID 控制融入力/位置混合控制使患者上肢沿直线/圆弧路径进行康复训练。Erol 等运用神经网络技术对PID 控制增益进行实时调整，使康复机器人末端提供的辅助力能适应患者病情的变化。Ahn等基于神经模糊控制和气动人工肌肉驱动技术进行肘部康复训练实验，均取得了较理想的效果。但智能控制也有其局限性，如模糊控制中规则库过大，模糊推理时间延长，实时性难以保证；规则库简单则控制效果受到限制。另外，神经网络技术中隐含层及隐含层神经元数量的合理确定、泛化能力仍是一个值得研究的课题。
力场控制策略：力场控制策略仿照物理学中电势和电场力的概念，把机械手在环境中的运动视为一种人造受力场中的运动。当需要提供辅助力时，可以将辅助力场设计为机械手末端位置矢量的函数，根据训练过程中机械手末端的位置偏差调整辅助力大小和方向；当需要提供阻力时，可以将阻力场设计为机械手末端速度矢量的函数或者根据康复训练过程中的力场后效应进行阻力场设计。力场控制难点在于力场本身的设计以及力场控制策略的选择。胡宇川等基于力场控制策略研制了一种用于偏瘫上肢复合运动的康复训练机器人，该机器人不仅可以带动患肢完成大范围、大幅度的复合动作训练，而且还可以实现主动、被动、抗阻、助力等多种训练模式。Patton 等根据康复训练中力场的后效应(after-effect)使患者沿着事先设定的正弦轨迹进行伸展康复训练。Banala 等为使患者完成步态康复训练设计PID 力场控制器使之在脚部附近产生阻尼力场。

4、机器人辅助运动功能康复的关键技术及发展前景
机器人辅助运动功能康复治疗技术涉及机器人技术、信息技术、康复医学等众多领域。从现有文献和康复机器人临床应用来看，未来机器人辅助患者运动功能康复的研究应主要集中在以下几个方面：
4.1 系统设计
系统设计主要分为机械本体设计和系统架构设计两个方面。机械本体设计应综合考虑患者的病情特点、实现功能、训练模式、安全舒适性等，提高训练动作的种类，增大动作幅度，积极探索新材料技术在康复机械中的应用，使机械更加简洁轻巧，穿戴起来更加舒适。从康复机器人训练系统架构来看，应积极发展远程康复医疗机器人训练系统，特别是多路复用的网络康复医疗机器人系统，使患者在家或者其它医疗中心就能够方便地接受康复治疗，节约成本，提高资源利用率。
4.2 运动控制策略
运动控制策略患者康复运动过程中，由于肌力/肌张力变化、肌肉痉挛等使系统负载和动力学参数发生不确定改变，有可能使控制系统变得不稳定，甚至给病患部位造成二次损伤。因此，在控制系统稳定性、安全性、检测技术、控制算法等方面应更深入的研究。此外，在基于生物电信号控制康复机器人运动过程中，对肌电信号本质特征的提取及处理方法、脑电信号的测量、BCI系统通讯速度和控制的准确度等方面还需深入的研究。
4.3 康复效果评价和康复机理研究
为给临床康复治疗提供有价值的参考数据，研究临床康复的初步规律，必须在患者康复训练过程中提取相应的运动特征参数，并结合康复医师的临床经验，形成专家知识库，对康复治疗效果进行实时定量评估，在大量临床实践的基础上，探索训练参数同康复治疗效果之间的关系，并选取有价值的运动特征参数作为康复评价指标，建立新的科学的康复评估机制。此外，还应从理论角度进一步的研究人体运动康复同各种因素之间的内在联系，为机器人辅助运动功能康复和建立有效的评估机制提供理论支持。

5、康复机器人机电总体方案设计
该康复机器人将采用电力驱动，用电机驱动来实现各个功能，对上肢进行康复训练。总体方案为：
机身由平台上面的机座、两根可伸缩的立柱、横梁以及手柄组成，并在其各组成部分上分别装上上肢前后摆机构、上肢屈伸机构、上肢分合机构和手腕转动机构；各运动机构有单独的电机和减速器驱动；传动机构的主件分别是传动轴、丝杠螺母副以及同步带传动副。在康复机器人结构设计中，立柱主要由三部分组成，内套筒、外套筒和丝杠螺母副，此外还有用于固定丝杠螺母副用的轴承套等附属结构。
立柱的外套筒通过螺栓与立柱轴承套和立柱座连接在一起，丝杠通过装在轴承套中的两个角接触球轴承定位和固定。在立柱套筒的定位中，通过止口来实现精确定位。为了保证整个康复机器人的结构的稳定，各个零部件的垂直度，表面粗糙度都一定要达到设计的要求，这样才能使真个结构在运动的过程总不会出项卡死之类的现象，同时也减小了噪声。
此外，立柱的电机通过加腹板的电机支承架固定，支架通过螺钉固定在立柱座上
图2.1　前后摆机构运动简图
面，这样，电机和立柱就连接在一起，在前后摆的过程当中，整个立柱就能随着电机的转动而一起运动。同时，支承架的垂直度也要达到精度要求，这样才能使电机轴与传动轴的同轴度达到所需的要求。

5.1 前后摆机构设（如图2.1所示：）
康复机器人前后摆机构主要的功能是对患者的上肢进行前后摆康复训练。在设计的中，前后摆要满足一下两个要求：一是摆动的角度要足够大，能够对患者上肢的肩关节、肘关节进行充分的康复训练；二是整个机构的稳定性、安全性要好，在对患者进行康复训练的过程中，能够在任何位置实现安全的停止。
因此，上肢前后摆机构装在基座上，由直流电机、减速器、涡轮蜗杆、传动轴、轴承座等组成。其中直流减速电机固定在底座平天上，通过联轴器将其与涡轮蜗杆连接在一起，再通过联轴器将涡轮蜗杆与传动轴连接在一起；两根可伸缩的立柱通过键与轴而将其固定于轴承座上。这样通过单片机控制电机，电机的带动传动轴，就可实现对上肢前后摆的康复训练。在实现前后摆动的过程当中，涡轮蜗杆能够对机构实现自锁，使整个结构的稳定性、安全性大大的增加。前后摆电机通过滑块型弹性联轴器与蜗杆减速器相连，蜗杆减速器通过HL型柱销弹性联轴器与传动轴相连。前后摆传动轴通过键与立柱座连接，其中立柱座与机座之间用套筒隔开，留有5mm的间隙。整体结构较大，但是重量不大，此外轴承处要注意润滑。
5.2 屈伸机构设计
图2.2　屈伸机构运动简图
康复机器人的屈伸机构是实现对患者上肢进行屈伸康复训练，以达到对患者肩关节肘和肘关节的康复目的。设计时，要使患者的上肢能够得到足够充分的空间进行屈伸训练，因此，上肢屈伸机构借助左右对称布置的两根可伸缩的立柱来实现这个目的。
可伸缩立柱由立柱座（箱体）、外套筒、内套筒组成；而使之伸缩的机构包括直流电机、锥齿轮副、丝杠螺母副。其中丝杠螺母副通过一对角接触球轴承固定，轴承外圈通过挡圈与立柱座（箱体）和外套筒，借助法兰盘，用螺栓连接；内套筒插装在外套筒内，通过螺母与丝杠连接在一起，组成丝杠螺母副。在丝杠的带动下，在立柱套筒内沿轴向滑动。穿过侧壁的传动轴带动左右的齿轮副，带动丝杠同步的转动，从而实现内套筒在立柱内同步的向上下滑动，实现上肢的屈伸屈伸康复运动。同时，为了使立柱内套筒能够安全的停止在任何一位置，设计丝杠时需让丝杠具有自锁的功能，让患者可以在任何一位置进行其他的康复训练。在前后摆的机构中，主要有两个零部件，一个是与立柱连接的立柱座，另一个就是康复机器人的机座。立柱座是将前后摆机构和升降机构连接在一起的关键部件，在里面安装有锥齿轮运动副，其目的是改变传动链的传动方向，使立柱实现上升下降，实现患者的上肢屈伸康复训练。与此同时，
箱体的下端，通过键将其与一根传动轴相连，在前后摆减速电机的带动下，通过能够实现自锁的蜗杆减速器，使整个结构能够发生前后摆运动，用以实现患者上肢的前后摆康复训练。
5.3 分合机构设计

图2.3　分合机构运动简图
分合机构是用来对患者进行上肢分合康复训练而设计的。在设计的过程当中，应当注意减噪的设计，并且要留有足够大的空对患者的上肢进行分合康复训练。由于整个康复机器人的结构尺寸比较大，所以分合机构衡梁也需要注意尽量减小重量，所以，衡梁的材料采用硬质铝合金。
经过充分的考虑，上肢分合运动的机构借助安装在横梁上带传感器的直流减速电机、同步齿形带传动副、光感滑轨和把手来实现。其中横梁分别与立柱内套筒上端通过螺栓连接在一起，直流减速电机借助法兰盘分别固定在横梁的左右两端。通过挡板和螺钉，将同步齿形带带轮固定在电机轴上，另一端通过轴和轴承将带轮固定在横梁的中部。这样就将左右带传动副固定在了横梁上。同时，一根光杆滑轨固定于横梁的左右段机构中。把手贯穿于光杆滑轨，并与同步带连接在一起，启动电机，就能够实现上肢的分合康复训练。
在康复训练中，两根立柱在升降的过程中，难免会出现细微的传动误差，致使左右两根立柱的升降不同步，从而对整个机构造成破坏，因此，在横梁的一端，通过圆柱销的铰连接，用以消除这种危害。在分合机构的设计中，最主要的就是横梁的设计以及横梁支承座的设计，横梁支承座有两个作用，一个是支撑横梁，另一个是固定电机。同时考虑到消除因丝杠传动不精确带来的误差，两端支承座的设计稍有不同，其中一端采用了铰接连接。另外，由于分合机构采用的是同步齿形带传动，因此需要考虑相应的带的张紧措施。于是在横梁的中部开槽，用螺钉对中部轴承套的定位来实现带的张紧。
其中，横梁支承座由两部分焊接而成，上部分是一个C型槽，下部分是一个圆形的开孔法兰盘，用螺栓将其与立柱内套筒连接在一起，这样，整个横梁就与立柱连为一体了。

5.4 手腕转动机构设计
图2.4　手腕康复结构运动简图
手腕康复机构中，主要应当考虑对患者上肢的固定，重点在把手的设计。经过查阅文献充分思考之后，决定把手由手柄、把手支架、小臂护套组成，最后在把手上装上直流减速电机，组成手腕的康复训练机构。直流减速电机通过螺钉将其固定于把手支架法兰盘面上。小臂护套，通过吊环将其固定在把手支架上面。工作时，启动电机，在单片机的控制下，带动手柄绕电机轴旋转，从而带动手腕的转动，实现手腕的康复训练。
5.5 电机选择
5.5.1 驱动方式选择
按放大原理的不同，功率放大器可分为脉宽调制型功率放大、开关功率放大和线性功率放大3种类型。
脉宽调制型功率放大器采取准连续的线性放大原理，通过控制其导通脉冲的占空比实现了输出信号的周期平均值与输入信号成比例，成本较低，功耗小，但是其干扰较大，使用其驱动电机时电机容易发生抖动；开关功率放大器只工作于饱和或者截止两种状态，管耗基本为零，但是由于其无法进行调节，所以一般只适用于驱动继电器、步进电机和电磁阀；线性功率放大器控制波形失真率小，控制调节方便，驱动电机时电机转速稳定，抖动较小，干扰也较小，但放大器的效率较低，消耗在功率放大器上的功率损耗较大。
考虑到本系统的使用对象是上肢患有运动障碍的患者，如果训练过程电机产生较
大抖动则容易对患者造成二次拉伤。因此考虑到系统稳定性要求，选用了稳定性较好的线性功率放大器。
由于本系统的对象是患者，在训练的过程中要求电机有很好的低速堵转性能，因此采用了直流力矩电机，直流力矩电机具有低转速、大扭矩、响应快、特性线性度好、力矩波动小等特点，广泛使用于需要频繁正反转的装置或其他类似动作的各种机械上。
5.5.2 电机的参数选择
在立柱升降对患者进行上肢屈伸康复训练的过程中，考虑到患者的承受能力，设定其移动速度为m/s ，立柱以上整体的质量m=50kg，因此，得到功率
（3.1）
代入数据，得=50W
在立柱的传动链中，选择丝杠的效率=0.375，滚动轴承的效率=0.99，齿轮的传动效率为=0.95，因此估算得到电机的功率
（3.2）
代入数据得到P=150W
当立柱升降时，所受到的垂直方向的阻力。折算到电动机轴上的负载转矩应满足折算前后前后的功率不变原则，考虑传动机构的传动损耗，则有
（3.3）
式中 ——折算到电机轴上的负载转矩，N m
F——工作机构直线运动时运动所受到的阻力，N
v——工作机构的线速度，m/s
——电动机的转速，r/min
——总的传动效率
代入数据得
N. m
综合考虑之后，选择的是淄博床架电机有限公司的产品，其各参数见表3.1。
表3.1 电机参数
型号
输出转矩
（N mm）
输出转速（r/min）
功率
（W）
电压
（V）
110SZ61
1043
1500
150
12
图3.1　110SZ61电机

5.6 位置传感器的选择
本系统的位置传感器选用滑动电阻器式角位置传感器，该传感器具有性价比高、精度高、线形度好等特点，其满量程的阻值为1WK。如图2.7所示，角位置传感器的转轴通过柔性联轴节与电机的转轴安装在一起，当电机转动时，带动位置传感器转动从而使其电阻值发生变化，加上外围电路后其输出电压也随之改变。其中柔性连轴节用于克服电机轴芯线与位置传感器转轴轴心线偏差所带来的跳动和测量误差。

5.7 力传感器的选择 
本系统中力传感器采用应变片式力传感器，其内部的4个应变片的贴片电阻构成全桥电路，经调理放大后经A/D转换电路转后后送入ARM处理器。 
本系统选用北京鸿基点科技发展有限公司的BK-5B型悬臂梁式测力/称重传感器，量程为3kg，精度为0.1％。外观图如图2.8所示。 
力传感器安装在机械臂的前端，这样可以减少运动中的惯性力的影响，如果将其安装在机械臂的后端，理论上虽然可以获得较大的形变，但是机械臂运动过程中所产生的较大的惯性力将严重影响力的输出值，使其与实际力产生较大的误差。

5.8 安全性设计
在绪论中本文已经提到，本康复系统的所应用的对象是上肢患有运动障碍的患者。使用方式是患者在机械臂的牵引下完成一系列的康复训练，而机械臂是由电机直接驱动的，考虑到对象的特殊性，万一在训练过程中系统出现故障，会导致患者产生二次受伤，将会背离康复训练的初衷，所以康复训练系统在保障患肢安全性方面要求很高。针对这一要求，系统在结构设计和控制系统的设计中都采取了一定的保护措施。
在结构设计中，保证机械臂的运动空间与患肢的运动空间不发生干涉；为了将机械臂控制在一个