康复机器人毕业论文 - 图文(3)

康复机器人毕业论文

机器人协助康复医师对患者进行I|缶床康复的研究在经过多年的发展后，取得一定的成果，但实现其真正的临床应用仍然需要学者们的不断探索和改进。作为直接与人体作用的机构，康复机器人在设计上需要考虑以下因素。

首先，针对运动功能原本就已被损伤的患者患肢，由于其更易受到伤害，设计之初首要关注的问题足患者的安全问题，体现在机构和控制方面。合理的、人性化的机构设计首先从硬件上体现对安全的考虑，然后在控制算法上利用软件控制机械装置的运动，实现对康复对象的多重保护。

其次，作为康复患者的一种治疗工具，康复机器人应该提供多样的、有效的运动模式。从临床康复医学的经验出发，机器人的运动模式应适应于不同病情和不同恢复期的患者，并有助于恢复患者日常活动功能，这对保持患者对正确运动的感觉及增强患者自信心都具有相当重要的作用。

另外，无论是对于个体不同、病情不同的患者，要提出更为有效、更具针对性的治疗方案，还是在训练、恢复的过程中，对疗效进行准确的认识，在设计中都必须考虑对患者运动功能的评价。目前临床仍应用主观、粗糙的的量表打分进行评价，现有的康复机器人系统也采用运动过程中的运动学各参数，各种传感器的取值等对患者运动进行量化评价。因此，有待进一步挖掘有效、直接的评价参数对评价系统进行完善。

最后，在机器人的设计过程中，须以人为本进行细节的完善，如：患者训练过程中肢体的支撑问题，训练过程中患者的舒适度问题，以及如何提高和保持患者训练的积极性等问题。

1.4 新型上肢康复机的研究

在现有康复机器人系统的不足及提出的若干建议的基础上，设计了一种新型上肢康复机器人，如图1-9。该机器人的设计以人体上肢解剖学为理论依据，采用外骨骼式结构，各关节的自由度符合人体上肢各关节自由度分配情况，并从康复患者的实际康复训练角度出发，选定上肢运动最基本也是最重要的5个自由度：肩部屈／伸、肩部外展／内收、肘部屈／伸、腕部屈／伸和腕部旋内／旋外，并结合机器人结构及训练要求设定各个自由度活动范围。

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手部康复机的设计

图1-9 5DOF上肢康复机

Figure1-9 5DOF upper limb rehabilitation machine

中风偏瘫患者由于神经损伤导致其上肢肌肉运动功能受损，不仅不能够顺利自如的实现上肢各个动作，甚至对克服自身重力的简单运动也存在难度，因此，对患者患肢的支撑就显得尤为重要。外骨骼式的上肢康复机器人，其包围式结构为患肢在训练运动中提供全方位的支撑，为不同损伤程度及不同恢复时期的患者康复训练的顺利进行提供了保障[11]。另一方面，虽然外骨骼式结构稍显复杂，但其具有与人体上肢相似的结构和关节活动度，其康复训练运动与肢体运动一致，有助于实现患者上肢的正确运动。外骨骼式结构的上肢康复机器人就像一件刚性外衣穿在患者上肢外面，提供给患肢足够的支撑和保护，提供适当的动力并模拟人体上肢的运动，帮助患肢实现康复训练。

康复训练器具在使用过程中与患者肢体进行最直接的接触，特别是不以人体为驱动源的设备，合理有效地实现其功能，达到康复效果，是建立在保障肢体安全的基础上的，这一点对患者尤其重要。相对于健康人来说，患者的受损肢体无论其力量还是对异常状况的反映能力均相对较差，更易受到伤害。因此，提出的康复机器人从如下方面保障受试者安全。

(1)利用各关节传感器监测运动过程中受试者的施力信息，当由肌张力引起的反方向作用力过高时，停止当前运动，以免造成肌肉拉伤；

(2)限位开关将机器人的工作空间限定在合理的肢体运动范围之内，避免超过极限角度对受试患者的再次伤害；

(3)利用软件对机器人运动速度、位移进行限定；

(4)合理设定驱动器件参数，实时监测机器人运动状态，出现故障及时断电；

(5)设定急停按钮，当出现紧急的意外情况时，医生通过触发该按钮切断电源，停止运动，同样在结构设计中考虑到机器人位于任意位姿时的自锁，避免

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由重力引起的各关节转动对患肢伤害。系统选用大减速比谐波减速器实现机器人自锁。

康复机器人对患者的训练模式：康复机器人对病患上肢进行康复训练的首要条件是：该机器人能够实现上肢各关节运动，模拟上肢各正常运动模式。对于不同的患者，根据其病患程度的不同，需要采用不同的康复方法进行渐进式的治疗。在急性期，以临床抢救为主，但康复措施应及早介入。在这个阶段，康复的重点是预防关节挛缩、变形，体现在康复训练治疗方面，主要采用被动运动疗法。偏瘫的恢复期分成3个阶段：软瘫期一痉挛期一改善期。每个阶段所采用的运动疗法的方式要具有针对性才能达到有效的训练。软瘫期主要以恢复和提高肌张力的训练为主；痉挛期以单关节的分离运动为主，抑制异常的运动模式；在改善期，通过评估患者的恢复情况，按由简到繁、由易到难的原则对患者制定运动训练计划，进行有针对性地训练，同时介入日常生活功能性动作的训练，保持患肢训练运动的正确感觉，逐步恢复肢体功能。因此临床中对偏瘫患者的康复训练运动过程是被动运动、助力运动及主动运动[18]。

康复训练对患者来说，是一个全方位的训练运动，其运动对象囊括了上肢所有的关节，机器人在各种康复训练模式下，对患肢采取的训练运动方式包括从肩部关节到腕部关节的被动运动及辅助运动。在训练期间，根据实际恢复情况辅以简单的日常生活动作的训练，将各个单关节动作训练加以深化及应用。这些动作的完成是维持独立生活所不可缺少的，当患者经过努力完成这些动作时，在心理上就可以建立起独立生活的信念，对康复治疗充满信心，从而改善康复进程和效果。对于上肢康复机器人来说，对日常生活动作的训练方式取决于上肢日常功能相关动作，在生活自理方面，吃饭、梳头、刷牙、剃须等动作相似，均为由上肢各关节动作，使人手从体侧运动到头部位置的三维空间运动。提裤动作作为简单的三维空间训练动作与进食动作一起引入到所设计的上肢康复机器人中，作为对偏瘫患者的基本日常生活动作训练。

这里我只对上肢中的手结构进行设计，因为医疗康复器械行业中针对于手康复机的设计比较少，而市场中对于这个方向的需求还是比较大，所以我设计的手康复机有针对性，实用性。

1.5 小结

当今社会中，脑中风是严重威胁中老年人身体健康的疾病，发病率有逐年上升的趋势。这种疾病引发了患者肢体运动功能的丧失及相关并发症。尤其是上肢运动功能的丧失，极大地影响了患者日常生活的能力。临床上对偏瘫患者的康复方法很大程度依赖于治疗医师对患者一对一的物理治疗。这样的方法是一种劳力集中的过程，不仅费时费力，也缺乏量化且客观的评价。机器人技术的发展及其与临床康复医学的结合为康复机器人研究提供了一个很好的契机。

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手部康复机的设计

利用机器人及其相关技术对训练过程进行客观的监测与评价，提高偏瘫康复训 练的针对性及科学性，同时将治疗医师从繁重的体力劳动中解脱出来，为患者制定更好的康复方案，进一步提高康复的效率。

对于康复机的设计，欧美等发达国家占据主导地位，技术也日趋成熟，而且发展方向也越来越广泛，应用范围也渐渐延伸到生活的每个角落，而我们国家相对比较落后，康复设备仅限制于比较狭小的范围，但是相信随着我们对康复机器人设计的关注和科学技术的发展，先进康复机器人的国产化定会实现，而且会普遍进入我们生活。

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2 手部康复机的方案设计

2.1 手部康复机的设计要求

手是人体从事各种活动和工作的重要器官，由于手骨体形小，数量多，连接复杂，主要由腕骨、掌骨、指骨所组成，计有大小不同的骨27块，决定了手的功能复杂而灵巧。手部主要的关节如图8所示。第一节指骨的底以卵圆形凹的关节面与掌骨组成掌指关节，第二节指骨底有两侧凹，中间凸的关节面接第一节指骨下端的滑面，形成近侧指间关节。中风病人或脑外伤患者的手部关节无法进行正常的运动，患手就无法实现所拥有的握拳、伸展、侧捏、对掌等功能，本文所研制的手功能康复机主要是针对这两个关节实施康复训练。

图2-1 人手解剖图 Figure2-1 Hand anatomy

由于手功能康复机是“ 穿”在人手上的，与正常人肢体相比，患手更为脆弱，更容易受到损伤。因此机构设计必须首先要保证患者穿戴的舒适性和运动的安全性，避免与人体产生刚性接触。显然，在所有结构中，与患手运动空间基本相同的结构更适合辅助康复训练，因此，所设计的机械结构不仅要有足够的强度还应更具柔顺性，更适合穿戴，而且还要满足辅助瘫肢完成多种动作得需要。

牵引机构设计要求：牵引机构是用于牵引患者患肢进行康复运动训练的机构，是偏瘫上肢康复机器人上作重要的机构。目前，国外的上肢康复训练机器人的牵引机构多采用机械结构，这主要因为机械机构设计简单，运动精度高，易于控制，有利于保障患者患肢的安全。在对机器人牵引机构进行设计之前，应先对机器人的工作对象、工作状态、实现的功能以及运动的方式和范围进行详细的规划。对于偏瘫患者软瘫期主要是肌肉训练为主，痉挛期主要以单关节的分离运动为主，恢复期以复合运动为主。对于手康复机在这里采用二连杆机构，这样机构简单，复合手的运动要求。

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