上肢康复机器人结构设计（全套）2012本科毕业设计
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- 上肢康复机器人结构设计（全套）2012本科毕业设计第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患者，这类患者多数伴有偏瘫症状[1]。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。与此同时，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。在我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。康复肢体运动功能用机械肢体组合系列机器人,是多种同类机器人属于机器人领域,解决了本人发明的实用新型专利半身不遂患者康复学步机,只能带动人的大小臂大小腿康复运动功能,而不能带动手脚各关节运动的重大不足,主要技术特征是将半身不遂患者康复学步机略加改进后,在学步机的小臂绞链杆上安装了可以带动人手腕关节手指各个关节都能运动的机械手托板,在小腿铰链杆上安装了可以带动人脚踝脚指各个关节都能运动的机械脚托板后实现的,用途是康复肢体运动功能,带动患肢的各个关节、每块骨骼、每块肌肉、每个筋键、每条神经都在作患者万分渴望而大脑又支配不了的动作,通过较长时间的被动运动锻炼,最终使残疾人患肢的主动运动功能得到康复。
本课题的研究目的是设计一种坐式上肢康复训练机，用于心脑血管疾病致瘫或意外事故所造成的上肢体损伤的患者左上肢及相关关节康复训练。
1.2 康复机器人的国内外研究现状
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[3]。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、上肢运动机能损伤等患者来说，上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。
目前，康复机器人的研究主要集中在康复机械手和康复治疗机器人等几个方面[16]。
1、康复机械手的研究现状
设计康复机器人最初的一个目的就是在残疾人和环境之间放置一个机械臂， 通过这个机械臂来部分或全部的实现操作功能，按机械臂的安装位置划分，康复机械手可分为3类：
（1）基于桌面的机械手[4]。种机械手安装在一个彻底结构化的控制平台上，在固定的空间内操作，具有足够自由度的串联机器人再配上适合残疾人使用的人机界面是这种机器人典型的设计模式。目前此类机器人已经达到了实用化，如法国CEA公司开发的MASTER系统、美国的Tolfa Corportion开发的DEVAR系统，以及英国的Oxford Intelligent Machines Ltd.开发的RAID系统等。此种类型的机械手是早期的工业机器人在康复系统领域内的一次成功应用。1987年，英国人Mike Topping研制了Handy1康复机器人，使一个患有脑瘫的11岁男孩第一次能够进行独立就餐。随后他对样机进行了改造，也使得Handy1成为历史上最成功的康复机器人。图1.1是Handy1康复机器人原型，图1.2是康复机器人正在对患者进行康复训练。
（2）基于轮椅的机械手。这种机器人是安装在轮椅上的，是因为轮椅的移动扩大了机械手的工作范围，同时由于安装基座的改变致使机械手的刚性下降和抓取精度的降低，这种机械手也只是用于用于轮椅的患者，这是一点不足。这种机械手已经成为面向应用的流行设计，KARES[5]系统，就是一种基于轮椅的机械手系统，在电动轮椅上安装了一个六自由度的机械手，能够帮助行动不便的老人和残疾人独立的行动。随着只能轮椅的研究发展，这种机械手也将会有很广泛的发展和应用。
图1.1 Handy1 图1.2 工作中的Handy1
（3）基于移动机器人的机械手。这类机械手是目前最先进的康复机械手，这种机械手安装在移动的机器人或者半自主的小车上从而适用于更多的患者使用，同时扩大了机械手的活动空间并提高了抓取的精度。S. Tachi等人在MIT日本实验室研制了一种移动式康复机器人MELDOG[6] ，作为“倒盲狗”以帮助盲人完成操作和搬运物体的任务。法国Evry大学研制了一种移动式康复机器人ARPH[7]，使用者可以从工作站实施远程控制，使移动机器人实现定位和抓取工作。这种机械手系统都是需要由视觉、灵巧操作、运动、传感、导航及系统控制等电子系统组成，要求比较高，价格也是相对的比较昂贵。
2、康复治疗机器人研究现状
康复治疗机器人是康复医学和机器人技术的完美结合，不再把机器人当作辅助患者的工具，而是把机器人和计算机当作提高临床康复效率的新型治疗工具。康复治疗机器人在医疗实践上主要是用于恢复患者肢体运动系统的功能。按运动系统的问题可以划分为2类：一类是生物力学或生物物理化学类型的应用，另一类是运动学习[8]。当人的肢体受外伤烧伤或做手术后，由于受伤组织的皮肤、韧带和肌肉失去弹性而导致肢体运动的速度和范围受到限制[9]。生物力学或生物物理化学类型的应用就是使用机器人系统来打破受伤肢体的运动范围。运动技能的学习或再学习，这是一个囊括了竞争运动控制理论、训练技术和人机接口问题等诸多方面的复杂问题。
（1）CPM机[10]。CPM机时利用康复医学中连续被动运动（Continuous Passive MotionCPM）的基本原理对受伤肢体进行康复治疗的机械装置，是目前前为止唯一的一个机器人生物力学或生物物理化学类型的应用的例证。早在20世纪60年代初期就有医学团体运用CPM机进行术后康复治疗的医学实践，此后也有用于膝、肩、肘关节等康复的CPM机出现。单手刀技术水平限制，长期停留在“打关节”康复范围。目前,市场上已经有了用于腕关节和手指关节这样的“小关节”康复的CPM机,但他们还不能像“大关节”CPM机那样实现精确的控制。...
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