第３７卷第１期 河北联合大学学报（自然科学版） ２０１５年１月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｂｅｉ Ｕｎｉｔｅｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖｏ１．３７ ＮＯ．１
Ｊａｎ．２０１５
文章编号：２０９５—２７１６（２０１５）０１—００４４—０５
外骨骼式上肢康复机器人机构的研究
徐文墨，程秀芳，王腾飞
（河北联合大学机械工程学院，河北唐山０６３００９）
关键词：康复训练；上肢；肘关节；前臂 摘 要：随着近年来偏瘫患者的增多，传统的康复医疗手段已经不能满足当前社会需求。在康
复领域中，上肢康复尤为热点。人体上肢从事各种复杂、精细活动，它的运动功能直接影响人 类的日常生活能力。提出一种两自由度的新型机构，对患者肘关节的屈、伸和前臂的前、后旋
运动进行康复训练，以达到上肢康复的目的。
中图分类号：ＴＨ７０３ 文献标识码：Ａ
近几年，随着社会人口老龄化的增速发展，越来越多的人成为偏瘫的高发人群。偏瘫，表现为使患者失
去自主运动及生活的能力。根据全国脑血管病防治办公室的估计，在存活的脑卒中患者中，７５ 左右的患者 不同程度地丧失劳动能力，４ｏ％重度致残，给家庭和社会造成了沉重的负担。临床医学证明，训练开始越早，
脑的可塑性越大，运动功能恢复的潜力越大。传统的临床康复治疗是医师徒手或者借助机械器材对患者进 行的一对一的连续被动训练，效率低，效果不明显，消耗费用高，很难推广。这一中风后的常见症状给患者家
庭带来了沉重的经济负担。针对这种行动能力有问题的人群，国内外科研单位相继研制出很多康复机械系
统来帮助患者实现适合自己的康复过程。康复机器人的应用，大大减小了医师的运动强度，提高了康复效
率，保证康复过程中的动作始终如一，保持正确的运动路线，使患者得到更好的康复。 人体上肢从事各种复杂、精细活动，它的运动功能直接影响人类的Ｅｔ常生活能力。因而，偏瘫后上肢运
动能力的恢复是康复医疗领域的重要课题。康复的主要目的是：预防残疾的发生和改善运动、语言交流、认 知以及其他受损的功能（身体水平上）；尽可能地恢复患者的日常生活活动能力（活动水平上）；使患者在精神
康复机器人的研究现状分析
发表时间：2016-03-09T10:42:50.787Z 来源：《健康世界》2015年21期 作者： 崔迪
[导读] 宁波工程学院 康复机器人的研究与开发日渐白热化，在医院、社区或家庭中的应用也越发普遍，本文就面向神经康复的康复机器人或相关设备的发展历程及研究现状进行了全面深入的分析。
宁波工程学院 浙江宁波 315201
摘要：目前，康复机器人的研究与开发日渐白热化，在医院、社区或家庭中的应用也越发普遍，本文就面向神经康复的康复机器人或相关设备的发展历程及研究现状进行了全面深入的分析。
关键词：康复；机器人；脑损伤
康复机器人可分为辅助性和治疗型两种。辅助型康复机器入主要用来帮助老年人和残疾人更好地适应日常的工作和生活，部分补偿了他们弱化的机体功能；治疗型康复机器人用来帮助患者恢复机体功能。目前，康复机器人的研究主要集中在康复机械手、智能轮椅、康复
治疗机器人以及家庭和单位之间的交互设备及智能控制界面等几个方面。
康复机器人的研究从上世界80年代发展至今已有30余年的历史，目前较为知名的康复机器人产品有以下几种：
1.MIT_Manus[1]是比较经典的上肢康复机器人，在1995年由美国麻省理工大学研制，该机器人采用了阻抗控制，实现了康复训练的安全性和平稳性，其中，InMotion 是它的临床应用版本，从图1可以看出该机器人是末端式康复机器人，在水平范围内能够自由活动，具有多
种训练模式，通过显示器显示当前任务，以及提供使用者操作提示和信息反馈。
2.Arm Guide[2]，该康复机器人也是一种末端式康复机器人，如图2所示，可以看出该康复机器人结构较为简单，因此造价成本相对较低，考虑到到达运动时日常生活中最为常用的运动，该康复机器人的设计就是为了锻炼到达运动，使用者的手臂被固定在康复机器人上，
可以在限制的轨迹上反复进行到达运动的训练，而且该康复机器人配备了六自由度的力传感器，可以实时获取患者的力信号，并通过显示
第３６卷第４期２０１９年４月机 电 工 程ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ.３６Ｎｏ.４Ａｐｒ.２０１９
收稿日期:２０１８－１０－１６基金项目:江苏省特种机器人技术重点实验室开放基金项目(２０１７ＪＳＪＱＲ０３)ꎻ三一重工企业专项资助项目(ＸＺＸ/１７Ｂ０１１－１８)作者简介:孙超(１９９４－)ꎬ男ꎬ安徽六安人ꎬ硕士研究生ꎬ主要从事机器人及智能制造系统控制与优化方面的研究ꎮＥ￣ｍａｉｌ:２９９５３０６４５４＠ｑｑ.ｃｏｍ通信联系人:苑明海ꎬ男ꎬ副教授ꎬ硕士生导师ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｙｍｈａｉ＠ｈｈｕ.ｅｄｕ.ｃｎＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００１－４５５１.２０１９.０４.００８
外骨骼上肢康复机器人的结构设计与仿真研究∗
孙 超ꎬ苑明海∗ꎬ周 灼ꎬ蔡仙仙(河海大学机电工程学院ꎬ江苏常州２１３００２)
摘要:针对上肢轻度瘫痪患者自主进行康复理疗训练的问题ꎬ在深入了解传统康复训练的弊端和康复机器人所应具备性能的基础上ꎬ提出了一种可穿戴式的外骨骼上肢康复机器人设计方案ꎮ首先ꎬ从仿生学角度出发ꎬ对该康复机器人的整体机械结构进行了建模ꎬ并设计了３处长度调节固定机构ꎻ然后ꎬ对机器人各关节驱动力矩进行了理论分析与计算ꎬ通过模型动作编写了ｓｔｅｐ函数ꎬ将函数与三维模型图导入Ａｄａｍｓ进行了动力学仿真ꎻ得到了各关节的驱动力矩曲线图ꎬ再将其与理论计算结果作了对比分析ꎻ最后ꎬ对肩关节支撑板和大臂支撑板进行了强度分析ꎮ研究结果表明:该外骨骼上肢康复机器人结构设计方案具有较高可行性ꎬ能帮助患者实现康复训练ꎮ关键词:结构设计ꎻ康复机器人ꎻ动力学仿真ꎻ强度分析中图分类号:ＴＨ１２２ꎻＴＰ２４２ 文献标志码:Ａ文章编号:１００１－４５５１(２０１９)０４－０３８３－０４Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｕｐｐｅｒｌｉｍｂｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎｒｏｂｏｔ
上肢外骨骼康复机器人控制系统研究
由于我国60岁以上老年人口增加、人们饮食习惯的改变等诸多原因,脑卒中发病率在我国大大提高,而术后的脑卒中患者存在着偏瘫等后遗症,需要进行运动康复训练恢复其身体机能。但我国存在着康复治疗医院稀少,正规的康复理疗师数目不足等问题,故短缺的康复治疗资源与患者的运动康复需求这对矛盾日益彰显。
随着机器人技术、检测技术、无线通讯等技术的高速发展与成熟,利用康复机器人牵引患者患肢进行康复运动不仅可以减省人力,使患者得到专业护理,还可以采集运动数据,给出康复效果的客观评价。本文针对偏瘫患者的上肢运动康复需求,研究设计了人机共融交互性好的上肢外骨骼康复机器人控制系统,其主要包括机器人执行机构、驱动机构、上层主控计算机、底层运动控制器、传感器模块、生理指标检测模块、能源模块等,该康复机器人可感知运动意图,具有良好的人机界面,能完成患者信息采集、方案制定、运动控制等任务,并设置保护措施,满足代替人工方式对偏瘫患者上肢进行锻炼的需要。
本文主要研究与工作内容如下:(1)系统组成设计。通过对上肢康复机器人的国内外目前先进技术的研究与分析,结合本课题上肢外骨骼康复机器人的需求和指标,完成了机器人的系统组成设计。
参照人体上臂臂长参数和活动关节角度,设计上肢外骨骼康复机器人为主从双臂同型同构各五自由度形式,进一步根据控制系统需求,完成了控制架构和电机等硬件选型的设计。(2)运动模型分析。
通过齐次坐标变化下的人体上肢模型,利用蒙特卡洛算法,得到人体上肢末端腕部的活动空间;建立康复机器人D-H运动模型,通过计算得到机器人运动学正、逆解析式,并对其进行了仿真得到机械臂模型与康复机器人末端腕部活动空间,验证了所设计的机器人活动范围与人体上肢活动范围基本一致,符合需求;进而对机器人训练臂康复轨迹进行规划,使训练轨迹平滑柔顺,为控制问题打下运动学基础。(3)主从训练方法设计。
设计多种运动锻炼模式以满足不同偏瘫患者的需求;为提高人机共融性设计了一种基于模糊逼近的主从训练控制方法,使患者患肢可根据健康侧肢体运动意图进行双臂协同训练,主从训练控制器的稳定性通过Lyapunov函数验证,并进行仿真验证方法效果,保证了从臂跟随主臂的康复运动效果。在训练过程中,设计了以机器人状态和患者生理情况的双轨并行防护机制,保护患者的安全。
