康复机器人毕业论文
康复机器人毕业论文
引 言
康复机器人作为医疗机器人的一个重要分支，它的研究贯穿了康复医学、生物力学、机械学、机械力学、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。随着传统机械学、传感技术、生物医学、智能控制技术、计算机技术及其他新兴技术的迅速发展，给生物医学工程领域的医用机器人技术带来了高速发展的契机，促进了医用领域的设备自动化和机器人化。医用机器人结合了多个学科最新研究和发展的成果，应用于医学诊疗，康复等相关的医学领域，其中，康复机器人占据相当大的比例，如各种假肢、矫形器及用于恢复四肢功能性障碍的康复辅助医疗设备。康复机器人可细分为辅助型和治疗型两种，辅助型康复机器人主要用来帮助老年人和残疾人更好的适应日常生活和工作，部分补偿了他们弱化的机体功能。目前，很多国家已经开始进入老龄化社会，据世界卫生组织统计，再过50年，全世界60岁以上的老龄人口将翻一番；另外，疾病、灾难等也造成了大量的残疾人，他们需要大量的看护服务。康复机器人不但可以照料他们的日常生活，还能帮他们找回自立、自尊的感觉，重新融入社会当中去。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。
康复机器人是工业机器人和医用机器人的结合。20 世纪80 年代是康复机器人研究的起步阶段,美国、英国和加拿大在康复机器人方面的研究处于
1
手部康复机的设计
世界的领先地位。1990 年以前全球的56 个研究中心分布在5 个工业区内：北美、英联邦、加拿大、欧洲大陆和斯堪的纳维亚半岛及日本。1990年以后康复机器人的研究进入到全面发展时期。目前,康复机器人的研究主要集中在康复机械手、医院机器人系统、智能轮椅、假肢和康复治疗机器人等几个方面。相信随着科学技术的发展，康复设备的研究定会更加深入，得到的关注也会越来越多。
Handy1康复机器人是目前世界上最成功的一种低价的康复机器人系统，现在有100多名严重残疾的人经常在使用它。在许多发达国家都有人采用了这种机器人。Handy1的简单性以及多功能性提高了它对所有残疾人群体以及护理人员的吸引。该系统为有特殊要求的人们提供了较大的自主性，使他们增加了融入到正常环境中的机会
1 上肢康复机的简介
1.1背景及意义
近年来，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，在美国数以百万计的有神经科疾病病史和受过意外伤害的患者需要精心康复治疗，仅以中风为例，每年大约有600000中风幸存者，其中的200000病人在中风后存在长期的运动障碍。我国和世界上许多国家一样，正在步入老龄化，在老龄人群中有大量的脑血管疾病或神经系统疾病患者，这类患者对数伴有偏瘫症状。我国又是中风病的高发地区之一，中风患病率在每10万人口中约550例，以总人口12亿计算，则中风病人约有660万，在幸存者中约70%-80%的病人留有不同程度的残疾[1-2]。此外，随着社会及城市建设的发展，交通事故、斗殴及建筑工地事故等导致的脑外伤日趋增多，成为肢体瘫痪的另一常见原因。文献报道，车祸致颅脑 外伤占同期各种颅脑外伤人数的43.4%，车祸伤较突然，患者常缺乏设备，容易加重颅脑外伤。
对于中风和脑外伤患者，尽早介入康复训练不仅能够维持关节活动度，防止关节挛缩，而且能够明显提高患者活动功能的最终康复程度。传统的康复治疗中，治疗师手把手地对患者进行一对一的康复训练，使得训练效率和训练强度难以保证，训练效果受治疗师水平影响，而且缺乏评价训练参数和康复效果关系的客观数据，难以对训练参数进行优化以获得最佳治疗方案。
2
康复机器人毕业论文
为提高康复训练效率，减轻家庭和社会的经济负担，本课题将机器人技术应用于患者的手部运动功能康复，研制一种柔顺舒适、可穿戴的手功能康复机器人，辅助患者完成手部运动功能的重复训练，其轻便经济、穿卸方便，尤其适于家庭使用，既可为患者提高有效的康复训练，又不增加临床医疗人员的负担和卫生保健成本。我们一般见到的上肢康复机都是针对于肩部、肘部的，而这里本课题研究的上肢康复机是针对于手部的，更具有针对性，也必将有得到患者的称赞。
1.2研究现状
康复器械的最终目标是恢复人体肌体组织的运动机能，实现肌体组织的自然化动作。第一次尝试将为残疾人服务的机器人系统产品化是在20世纪的60年代到70年代，但实践证明这些尝试都失败了，主要原因在于单价太高而导致康复机器人产品化失败。20世纪80年代是康复机器人研究的起步阶段，美国、英国和加拿大在康复机器人方面的研究处于世界领先地位[3]。1990年以前全球的56个研究中心分布在5个工业区内：北美、英联邦、加拿大、欧洲大陆和斯堪的纳维亚半岛及日本。
作为上肢康复机器人研究的起点，加利福尼亚大学的lure在1993年设计了名为手一物体一手的康复装置（图1-1a）。该装置从人类日常生活中对双手协调性工作的需要出发，以简单的双手移动和挤压物体训练双手协调性。2年后，lure又设计出另一套训练双手上举协调性的装置（图1-2b），并在装置上绑上装满咖啡的杯子，依靠装置为患手提供力辅助而成功完成上举的实验来证明了该装置的可行性。这两个装置结构功能都比较简单，由于实验是由正常人完成的，因此未作出对肌肉运动功能的评价。
a b
图1-1 Lure的康复装置 Figure1-1 Lure rehabilitation unit
3
手部康复机的设计
麻省理工学院从1995年开始研制一种被称为MIT—Marius的康复机器人(如图1-2)。该机器人采用连杆机构，患者握住机构末端的手柄完成平面内的运动训练。计算机为患者提供视觉反馈。该装置的主要特点是具有反向可驱动性，也就是采用阻抗控制技术实现末端点平滑和柔顺，遵从患者运动产生平滑快速运动[5]。患者进行圆或直线路径的平面运动训练后，利用临床评价方法及采集到的运动学参数进行评价，发现机器人训练对肌肉群的恢复有十分有效。另一方面，在研究人员记录下，患者训练前后的动作完成过程中运动学参数，如轨迹、速度等等，通过实验发现，传统的方法在实验前后的评价值不变，而实际上患者肌肉功能已经有了比较明显的改善，由此证明了医学临床评价的粗糙。
图1-2 机器人系统MIT-MANUS
Figure1-2 Robot system MIT-MANUS
2000年，lum与斯坦福大学合作开发了名为MIME的系列康复机器人。该系列机器人分为3代。第1代完成两个自由度的单关节运动，包括肘部弯曲／伸展，前臂的旋前／旋后；第2代能够实现前臂的平面运动；第3代能够实现前臂的三维空间运动(如图1-3所示)。第2代和第3代的显著特点是在Puma系列机器人的带动下，不但能够完成单侧训练而且能够完成镜像运动。人体上肢由两个支撑架支撑，提供上肢运动的Puma机器人连接在患侧支撑架上，当健侧实现某二维或三维动作时，负责监测的传感器和光电编码器记录运动，并将数据传送给Puma机器人，带动患侧实现对健侧运动的复制。训练疗程前后采用传统的I临床方法对患者进行评价，并对比证实了该装置康复训练对肌肉运动功能的恢复[12-14]。
4
康复机器人毕业论文
图1-3 MIME机器人
Figure1-3 MIME robot
1999年Cozens J Alastair设计了一套康复装置(如图1-4所示)，该装置跟随支撑臂前方的闪烁灯执行10度～80度的肘部屈／伸运动。系统获取电子量角器、加速度计的反馈，根据控制法则对支撑臂上的患肢运动进行外力辅助或干扰，最后依据试验结果，给出训练方式的效果比较。
图1-4 肘部康复装置
Figure1-4 Elbow rehabilitation device
5