康复机器人的系统设计

康复机器人的系统设计 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 第1章 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 [1]患者，这类患者多数伴有偏瘫症状。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。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。在美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。近年来，以气动元件柔性驱动器逐 渐引起人们的重视，在医疗康复器械领域中得到越来越多的应用。 本课题的研究目的是设计一种用于脑损伤、中风等病人的步态康复训练 1 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 系统，帮助病人更好地进行康复训练，减轻他人的帮助，挺高效果。 1.2 康复机器人的国内外研究现状 在对有运动障碍的老人或残疾人进行治疗和康复的过程中，使用康复机 器人可以解决好多问题：机器人的使用可以解决专业护理人员缺乏和医疗费 用昂贵的问题，可以避免由于训练方法不科学和专业护理人员个人疏忽等主 观原因引起的对病人的伤害，可供病人在家或工作场所使用，使病人获得更 多的独立生活能力，提高了病人的生活质量等。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。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、下肢 运动机能损伤等患者来说，下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。下肢康复训练机器人发 展主要经历了几个阶段。由早期的简单步行训练机发展到现在功能丰富、符 合人体运动机理的下肢康复训练机器人。早期发展的下肢康复训练系统是借 助于跑步机、悬吊系统等帮助患者进行运动训练，此种产品结构简单、价格 便宜，但训练过程中必须有专业人员的帮助，而且并不符合人体运动机理， 还不能称为康复训练机器人，只能是一种半自动的康复训练机械，如图1.1、 2 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 图1.2所示。图1.1、图1.2中的步行训练机，它的功能单一、价格便宜，而 且需要在专业护理人员的帮助下进行康复训练，这种机械对下肢病情比较轻 的病人较合适。

[3][4]图1.1 步行训练机 图1.2 悬挂式步行训练机 随着机器人技术和康复医学的发展，人们对人的行走步态有了比较清楚 的认识，开发出了一些符合人体康复需要的产品。 德国柏林自由大学(Free University of Berlin)开展了腿部康复机器人的研 究[5]，并研制了MGT型康复机器人样机(图1.3)。 瑞士苏黎士联邦工业大学(ETH)在腿部康复机构、走步状态分析方面也 取得了一些成果，在汉诺威2001年世界工业展览会上展出了名为 LOKOMAT(图1.4)的康复机器人模型。LOKOMAT机器人主要由步态矫正器、先进的体重支持系统和跑台组成。LOKOMAT机器人以使用者为根本，通过对机器人的行为、耐心、合作及运动功能进行评估,建立了一种更为有效的治疗方式，即：机器人先侦测使用者的运动，并且跟随使用者的运行轨迹而不 是强制使用者按照预定的轨迹运动，通过机器人的自适应功能，来满足使用 者的不同需求，它可以调整训练参数以适合不同患者的需要[6]。 3 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 图1.3 MGT型康复机器人 图1.4 LOKOMAT机器人 德国柏林的IPK研究所研制的Robotic Gait Rehabilitation，通过一个可编程控制的脚踏板来带动患者实现步态的轨迹模拟，这个脚踏板由直线电机带 动实现往复直线运动，脚踏板支撑部分类似于二自由度机械臂，由两个伺服 电机驱动[7](图1.5）。

图1.5 robotic gait rehabilitation 系统在试验中 4 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 美国加州大学伯克利分校的科学家研制出一种机器人称为―伯克利末端 [8]外骨骼‖（BLEEX），BLEEX包括可以牢牢地固定在使用者脚上但又不会 和使用者摩擦的金属支架，以及用来承载重物的背包式外架和动力设备等， 这种机器人除了可以帮助正常人增加负载能力外还可以帮助下肢残疾的病人 行走，一定程度上恢复下肢功能(图1.6）。 图1.6 BLEEX 日本筑波大学Cybernics实验室的科学家和工程师们，研制出了世界上第 [9]一种商业外骨骼机器人(Hybrid Assistive Leg，HAL)(图1.7)，准确地说，是自动化机器人腿：―混合辅助腿‖。这种装置能帮助残疾人以每小时4公里的速度行走，毫不费力地爬楼梯。除HAL―混合辅助腿‖外，日本还研制成功了一 [9]种全身性外骨骼机器人。神奈川理工学院研制的―动力辅助服‖(Power Assist Suit)(图1.8）可使人的力量增加0.5-1倍，使用肌肉压力传感器分析佩戴者的 运动状况，通过复杂的气压传动装置增加人的力量。这种装置最初是为护士 研制的，用来帮助她们照料体重较大或根本无法行走的病人。现在已经有残 疾人在这种机器人的帮助下实现了登山运动。 5 哈尔滨工程大学本科生毕业论文

图1.7 HAL机器人 图1.8 Power Assist Suit 美国NPH研究中心开创了机器人系统量化步行能力和步态失调的研究领 域，根据活动依赖神经系统的可塑性，量化和评估模式肌电图在步态等方面 的作用，建立数学模型模拟的感觉运动障碍。图1.9为NPH的机器人在实验中。 6 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 图1.9 NPH的机器人在进行试验 在我国，康复医疗工程已经得到了普遍重视，康复训练机器人广阔的应 用前景将推动康复机器人技术的进一步发展。我国对康复机器人的研究起步 比较晚，辅助型康复机器人的研究成果相对较多，康复训练机器人方面的研 究成果则比较少。清华大学在国内率先研制了卧式下肢康复训练机器人样机 在这项成果中他们采用了虚拟现实技术[10]。哈尔滨工程大学在康复机器人方面也取得了不错的成果。哈尔滨工程大学研制的下肢康复机器人可以模拟正 常人行走的步态、踝关节的运动姿态以及重心的运动规律，带动下肢做行走 运动，实现对下肢各个关节的运动训练、肌肉的锻炼以及神经功能的恢复训 练。通过获取脚的受力状态、腿部肌肉状态和下肢关节状态等人体的生物信 息，协调重心控制系统和步态系统的运动关系，使之与人体运动状态相协调， 获得最佳训练效果。图1.10 、图1.11 所示分别为哈尔滨工程大学研制的卧式 下肢康复机器人和基于步态姿态控制的下肢康复机器人系统[11]。 7 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 图1.9 卧式下肢康复机器人 图1.10 下肢康复训练机器人 1.3 本课题主要研究内容 本文―基于姿态控制步态康复训练系统的设计‖的研究目的是设计出一种可以辅助下肢有运动功能障碍的老人或残疾人进行功能恢复训练的康复机器 人，工作重点是机器人机械本体的结构设计，要考虑安全性、可靠性、柔顺 性，同时进行了气动控制系统的设计。课题内容主要包括： 1.步态康复训练系统的结构方案设计及运动学分析，包括人体行走的步 态、自由度的设计、基本参数的选取、整体结构设计等。 2.机器人机械本体结构的设计与计算，包括姿态控制结构设计和减重结 构设计。 3.机器人驱动器的供气控制系统的设计。 8 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 第2章 总体方案设计与选择的论证 2.1 步态分析 下肢康复机器人是对有脑损伤、中风等病人进行主动康复训练的自动化