《多自由度力觉辅助远程康复训练机械臂》.docVIP

多自由度力觉辅助远程康复训练机械臂 设计：高磊，曹丹，曹群，李煊鹏，赵马泉 指导教师：宋爱国，崔建伟 （东南大学仪器科学与工程系，南京210096 图2.2 　Rolyan 公司的CPM 机 2.3 神经运动康复治疗机器人　 目前这一类机器人的研究比较活跃,用来康复治疗与神经运动有关的疾病, 包括中风、帕金森氏病和大脑性麻痹(Cerebral Palsy) [6~9] 。美国麻省理工学院研制了一种帮助中风患者康复治疗的机器人MIT-MANUS[6~9] ,它有2 个自由度,可以实现病人的肩、肘和手在水平和竖直平面内的运动。在治疗过程中,把中风病人的手臂固定在一个特制的手臂支撑套中,手臂支撑套固定在机器人臂的末端。病人的手臂按计算机屏幕上规划好的特定轨迹运动,屏幕上显示出虚拟的机器人操作杆的运动轨迹,病人通过调整手臂的运动可以使两条曲线尽量重合,从而达到康复治疗的目的。如果病人的手臂不能主动运动,机器人臂可以像传统康复医疗中临床医生的做法那样带动病人的手臂运动。图2.3为MIT-MANUS 在治疗中风病人[6~9]。 图2.3　中风病人在用MIT-MANUS 治疗 在此基础上，他们又研制了用于腕部康复的机械设备，可以提供三个旋转自由度，并进行了初步的临床实验。 另一个典型的上肢康复训练装置是MIME（mirror-image motion enabler），该设备包括左右两个可移动的手臂支撑，患侧手臂支撑由工业机器人PUMA-560 操纵，为患肢提供驱动力，既可以提供平面运动训练，也可以带动肩和肘进行三维运动。但是PUMA-560从本源上说是工业机器人，因而从机械的角度上说不具有反向可驱动性以及载荷、运动速度以及输出力控制等原因（如机器人臂的活动空间和患者手臂的活动空间差异很大，在运动规划方面增加了难度；训练比较适合于康复后期的患者，不适用于对安全要求更高的偏瘫急性期患者；安全性更多地依赖于软件的设计)，该系统在医疗领域的应用也有其局限性。 此外关于上肢康复医疗训练机器人的报道还有：乔治敦大学医学中心ISIS设计的InMotion2 (IM2)、Bi-Manu-Track、Gentle/s system、 REHAROB以及华盛顿大学设计的7 DOF带动力的上肢外骨架装置等。 2.4 口腔功能康复治疗机器人 英国一个研究团体的研究表明,用Handy1 帮助残疾人进食的过程能促进病人口腔和肢体运动功能的增强。语言障碍矫正学家的研究表明,口腔运动技能、进食以及发音之间存在着一定的关系。20 世纪90 年代中期就开始了通过提高口腔的运动技能来提高发音能力这方面的研究。日本早稻田大学研制了一种临床训练病人张嘴、闭嘴的康复机器人WY23[6~9] ,临床结果表明,该机器人能使病人口腔开合范围由36 mm 提高到41 mm。 2.5 协调运动康复治疗机器人 现实社会中有这样的人群,他们偏瘫、中风,有的两个上肢或下肢的其中一个有残疾,这就严重影响了病人的活动和操作能力,尤其是必须由双手或双腿来完成的工作能力降低或丧失。目前,已经有许多团体在研究双手协调、双腿协调等问题。美国加利福尼亚大学的科研人员对需用双手完成的日常工作进行了理论分析,并研制了恢复双手操作协调操作能力的原理性样机,试验结果证实了该装置的有效性[6~9] 。 2.6运动训练机器人　 已有研究表明,儿童能通过操作电动轮椅适当提高视觉、空间的技能和运动能力[6~9] ,同样可以用类似的器械来提高老年人甚至成年人的运动能力。值得注意的是康复机器人还有一个重要领域———职业训练,涵盖了从对感知和运动学习的任务训练的评价到工地环境模拟的内容。如对运动员运动损伤的康复治疗、针对性辅助训练,以及象宇航员这种特殊职业的模拟训练等。国外在这一领域已经有了较广泛的研究与应用,国内尚处于起步阶段。随着体育和职业教育两大产业的发展,机器人在这一领域的应用前景将十分广阔。 2.7 国内研究状况 国内用于康复医疗训练的机器人系统比较少，但也正在开展相关研究。台湾国立成功大学研制了一种类似人手臂的康复训练装置，采用力-位置混杂模糊控制器提供恒定的力，使肘和肩按照设定轨迹运动；清华大学在国家“863”计划支持下，从2000年起即开展了机器人辅助神经康复的研究，研制了一种上肢康复设备UECM，可以在平面内进行两个自由度的运行训练[10]。南航开发了一种康复医疗机械臂，采用单片机和步进电机控制；浙江的一些企业也开发一些与CPM类似的康复机械臂装置。这些康复机械都存在一些共同的缺陷：1）不能远程操作；2）医生在本地亲自操作，实施一对一的康复治疗，或按计算机中预先设定的路径运动，不能实现医患交互；3）没有力反馈功能；4）病人不能主动运动，或康复设备不能提供阻尼力。 为了解决这个问题，东南大学宋爱国教授等将力反馈遥操作