上肢康復機器人結構設計（全套）2012本科畢業設計
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- 上肢康復機器人結構設計（全套）2012本科畢業設計第1章 緒論
1.1 概述
據報道，我國60歲以上的老年人已有1.43億，占全國人口的11％，到2050年將達到4.37億。在老齡人群眾中有大量的腦血管疾病或神經系統疾病患者，這類患者多數伴有偏癱癥狀[1]。近年由于患心腦血管疾病使中老年患者出現偏癱的人數不斷增多，而且在年齡上呈現年輕化趨勢。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心痛損傷或者肢體損傷的人數也越來越多。在我國數以百萬計的有神經科疾病病史和受到過意外傷害的患者需要進行康復治療，僅以中風為例，每年大約有600，000中風幸存者，其中的二百萬病人在中風后存在長期的運動障礙。隨著國民經濟的發展，這個特殊群體已得到了更多人的關注，為了提高他們的生活質量，治療、康復和服務于他們的產品的技術和質量也在相應地提高。隨著機器人技術和康復醫學的發展，在歐洲、美國和日本等國家，醫療康復機器人的市場占有率呈逐年上升的趨勢，僅預測日本未來機器人市場，2005年醫療、護理、康復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用領域中占據首位。因此，服務于四肢的康復設備的研究和應用有著廣闊的發展前景[2]。
康復機器人是康復設備的一種類型。康復機器人技術早已廣受世界各國科研工作者和醫療機構的普遍重視，其中以歐美和日本的成果最為顯著。在我國康復醫學工程雖然得到了普遍的重視，而康復機器人研究仍處于起步階段，一些簡單康復器械遠遠不能滿足市場對智能化、人機工程化的康復機器人的需求，有待進一步的研究和發展。由于康復訓練機器人要與人體直接相連，來帶動肢體進行康復訓練，所以對驅動器的安全性、柔性的要求較高。康復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域,解決了本人發明的實用新型專利半身不遂患者康復學步機,只能帶動人的大小臂大小腿康復運動功能,而不能帶動手腳各關節運動的重大不足,主要技術特征是將半身不遂患者康復學步機略加改進后,在學步機的小臂絞鏈桿上安裝了可以帶動人手腕關節手指各個關節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節都能運動的機械腳托板后實現的,用途是康復肢體運動功能,帶動患肢的各個關節、每塊骨骼、每塊肌肉、每個筋鍵、每條神經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。
本課題的研究目的是設計一種坐式上肢康復訓練機，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關節康復訓練。
1.2 康復機器人的國內外研究現狀
康復機器人是一種自動化醫療康復設備，它以醫學理論為依據，幫助患者進行科學而有效的康復訓練，使患者的運動機能得到更快更好的恢復。目前，康復機器人已經廣泛地應用到康復護理、假肢和康復治療等方面，這不僅促進了康復醫學的發展，也帶動了相關領域的新技術和新理論的發展。
康復機器人有兩種：輔助型康復機器人和康復訓練機器人[3]。輔助型康復機器人主要是幫助肢體運動有困難的患者完成各種動作，該類產品有機器人輪椅、機器人護士、機器人假肢、機械外骨骼等。康復訓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訓練，該類產品有行走訓練、手臂運動訓練、脊椎運動訓練等。
康復機器人是康復醫學和機器人技術的完美結合，康復機器人技術在歐美等國家得到了科研工作者和醫療機構的普遍重視，許多研究機構都開展了有關的研究工作，近年來取得了一些有價值的成果。對于中風、偏癱、上肢運動機能損傷等患者來說，上肢康復訓練機器人有著很好的治療效果。國內外許多研究機構都在這方面取得了不錯的研究結果。
目前，康復機器人的研究主要集中在康復機械手和康復治療機器人等幾個方面[16]。
1、康復機械手的研究現狀
設計康復機器人最初的一個目的就是在殘疾人和環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操作功能，按機械臂的安裝位置劃分，康復機械手可分為3類：
（1）基于桌面的機械手[4]。種機械手安裝在一個徹底結構化的控制平臺上，在固定的空間內操作，具有足夠自由度的串聯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計模式。目前此類機器人已經達到了實用化，如法國CEA公司開發的MASTER系統、美國的Tolfa Corportion開發的DEVAR系統，以及英國的Oxford Intelligent Machines Ltd.開發的RAID系統等。此種類型的機械手是早期的工業機器人在康復系統領域內的一次成功應用。1987年，英國人Mike Topping研制了Handy1康復機器人，使一個患有腦癱的11歲男孩第一次能夠進行獨立就餐。隨后他對樣機進行了改造，也使得Handy1成為歷史上最成功的康復機器人。圖1.1是Handy1康復機器人原型，圖1.2是康復機器人正在對患者進行康復訓練。
（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。這種機械手已經成為面向應用的流行設計，KARES[5]系統，就是一種基于輪椅的機械手系統，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展，這種機械手也將會有很廣泛的發展和應用。
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的康復機械手，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。法國Evry大學研制了一種移動式康復機器人ARPH[7]，使用者可以從工作站實施遠程控制，使移動機器人實現定位和抓取工作。這種機械手系統都是需要由視覺、靈巧操作、運動、傳感、導航及系統控制等電子系統組成，要求比較高，價格也是相對的比較昂貴。
2、康復治療機器人研究現狀
康復治療機器人是康復醫學和機器人技術的完美結合，不再把機器人當作輔助患者的工具，而是把機器人和計算機當作提高臨床康復效率的新型治療工具。康復治療機器人在醫療實踐上主要是用于恢復患者肢體運動系統的功能。按運動系統的問題可以劃分為2類：一類是生物力學或生物物理化學類型的應用，另一類是運動學習[8]。當人的肢體受外傷燒傷或做手術后，由于受傷組織的皮膚、韌帶和肌肉失去彈性而導致肢體運動的速度和范圍受到限制[9]。生物力學或生物物理化學類型的應用就是使用機器人系統來打破受傷肢體的運動范圍。運動技能的學習或再學習，這是一個囊括了競爭運動控制理論、訓練技術和人機接口問題等諸多方面的復雜問題。
（1）CPM機[10]。CPM機時利用康復醫學中連續被動運動（Continuous Passive MotionCPM）的基本原理對受傷肢體進行康復治療的機械裝置，是目前前為止唯一的一個機器人生物力學或生物物理化學類型的應用的例證。早在20世紀60年代初期就有醫學團體運用CPM機進行術后康復治療的醫學實踐，此后也有用于膝、肩、肘關節等康復的CPM機出現。單手刀技術水平限制，長期停留在“打關節”康復范圍。目前,市場上已經有了用于腕關節和手指關節這樣的“小關節”康復的CPM機,但他們還不能像“大關節”CPM機那樣實現精確的控制。...
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