上肢外骨骼康复机器人肘关节机械系统设计【上肢康复机器人设计】【说明书+CAD+PROE+仿真】

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Based on motor relearning theory， it combines many technology fields such as medicine， biology， mechanics， information & computer science， etc. This thesis makes researches on system design， kinematic analysis， motion control system， prototype and experiment， and lies the foundation for further theoretical research and provides technical supportings.Taking safety， bionics，exoskeleton material， training mission and installation use into consideration， the design rules for upper limb rehabilitation robot are proposed on basis of human upper limb anatomy and motion rehabilitation theory. Under the guidance of rules， a novel exoskeletal upper limb rehabilitation robot for patients in light and movement reliable is developed.The mechanical structure， control strategies of the rehabilitation system are also introduced.Keywords: Upper limb rehabilitation robot，Kinematic analysis，Motion control system目录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 研究背景及意义11.2 上肢康复医疗机器人的国内外发展现状21.3 肘关节31.3.1 上肢外骨骼自由度分析31.3.2 肘关节结构41.3.3 肘关节的运动及参数41.4 外骨骼机械设计51.4.1 结构设计51.4.2 驱动系统种类及各优缺点61.4.3 能源71.4.4 举例比较71.5 控制系统81.6 上肢康复机器人康复训练策略关键技术综述111.7 发展前景12第2章 外骨路式机器人上肢康复肘关节方案设计132.1 上肢生理特点与康复治疗方法132.1.1 手臂的生理结构特点132.1.2 复治疗方法142.2 机器人上肢康复系统构建152.3 肘关节系统方案16第3章 肘关节机械系统设计173.1 机构驱动方案173.2 机构运动方式183.3 机构方案183.4 零部件具体设计193.3.1 上臂193.3.2 下臂203.3.3 拉杆223.3.4 装配图22第4章 系统运动仿真及有限元分析244.1 运动仿真244.1.1 机构组装244.1.2 机构设置254.1.3 运动分析274.2 有限元分析284.2.1 创建模型294.2.2 建立分析模型294.2.3 结构分析34第五章 系统控制策略455.1 表面肌电信号的产生机理与特点455.2 基于sEMG信号的上肢康复机器人控制策略475.2.1 上肢康复训练动作目标集设计475.2.2 表面肌电电极的布置与信号采集475.2.3 基于sEMG动作辨识的自主性被动训练方案48致谢50参考文献51IV第1章 绪论1.1 研究背景及意义随着我 国 老 龄 化 的 加 剧 ， 伴 随 老 龄 化 过 程 中 明 显 的 生 理 衰 退 就 是 四 肢 的 灵 活 性 不 断 下 降 ， 而 在 老 龄 人 群 中 有 大 量 有 脑 血 管 疾 病 或 神 经 系 统 疾 病 患 者 ， 这 些 患 者 又 大 都 伴 有 偏 瘫 症 状 ， 对 日 常 生 活 产 生 了 种 种 不 利 的 影 响 。 手 臂 是 日 常 生 活 中 运 用 最 多 也 最 容 易 受 伤 的 肢 体 ， 治 疗 时 通 常 运 用 一 定 物 理 疗 法 以 辅 助 药 物 治 疗 。 传 统 的 人 工 物 理 疗 法 中 ， 治 疗 师 们 劳 动 强 度 大 且 要 求 具 有 高 度 熟 练 技 巧 。 而 康 复 机 器 人 旨 在 利 用 机 器 人 原 理 ， 把 智 能 控 制 与 人 体 运 动 相 结 合 ， 以 代 替 人 工 进 行 康 复 训 练 ， 其 能 够 承 受 的 工 作 强 度 高 ， 促 进 神 经 功 能 重 塑 ， 恢 复 患 者 运 动 及 控 制 能 力 的 目 的 。 目 前 患 者 的 治 疗 主 要 依 赖 于 治 疗 师 的 一 对 一 的 徒 手 训 练 ， 这 种 方 法 不 仅 费 时 费 力 ， 而 且 也 缺 乏 量 化 的 客 观 评 价 ， 不 能 够 实 时 监 测 治 疗 效 果 。 为 解 决 这 些 康 复 训 练 过 程 中 出 现 的 问 题 ， 需 要 安 全 、 定 量 、 有 效 及 可 进 行 重 复 训 练 的 新 技 术 ， 因 此 机 器 人 辅 助 训 练 技 术 在 这 种 背 景 下 应 运 而 生 。 将 虚 拟 现 实 和 外 骨 骼 技 术 引 入 到 肢 体 的 康 复 工 程 ， 根 据 康 复 医 学 的 运 动 疗 法 和 作 业 疗 法 ， 为 上 肢 残 疾 患 者 研 制 出 手 臂 外 骨 骼 康 复 系 统 ， 实 现 了 手 臂 的 运 动 控 制 ， 并 构 建 了 虚 拟 环 境 仿 真 平 台 1。 借 助 于 触 觉 感 知 接 口 的 力 反 馈 作 用 可 以 使 患 者 感 觉 到 手 臂 受 到 的 作 用 力 。 提 出 手 臂 功 能 康 复 测 评 方 法 ， 并 建 立 患 者 康 复 病 案 数 据 库 。 手 臂 外 骨 骼 康 复 系 统 为 患 者 提 供 有 效 的 肢 体 功 能 恢 复 的 工 具 。 图 1.1 上 肢 康 复 机 器 人 1.2 上肢康复医疗机器人的国内外发展现状人 体 外 骨 骼 的 相 关 研 究 是 一 个 比 较 前 沿 的 领 域 ， 目 前 世 界 科 技 强 国 包 括 美 国 、 日 本 、 法 国 和 俄 罗 斯 等 国 家 在 该 领 域 开 展 了 大 量 的 研 究 ， 并 取 得 了 一 些 初 步 成 果 。 而 在 我 国 ， 该 领 域 的 研 究 尚 处 于 起 步 阶 段 。 由 于 上 肢 康 复 机 器 人 系 统 具 有 如 此 多 的 优 点 ， 因 而 随 着 目 前 机 器 人 技 术 、 先 进 控 制 技 术 、 计 算 机 技 术 、 传 感 技 术 、 生 物 医 学 、 人 工 智 能 技 术 等 的 发 展 ， 康 复 机 器 人 技 术 也 在 近 几 年 获 得 了 很 大 进 步 ， 成 为 机 器 人 领 域 与 康 复 医 学 领 域 的 研 究 热 点 上 肢 康 复 机 器 人 可 以 分 为 两 大 类 ， 一 类 为 末 端 牵 引 式 康 复 机 器 人 系 统 ， 另 一 类 为 外 骨 骼 式 康 复 机 器 人 系 统 末 端 牵 引 式 康 复 机 器 人 系 统 是 一 种 以 普 通 连 杆 机 构 或 串 联 机 器 人 机 构 为 主 体 机 构 ， 使 机 器 人 末 端 与 患 者 手 臂 连 接 ， 通 过 机 器 人 运 动 带 动 患 者 上 肢 运 动 来 达 到 康 复 训 练 目 的 的 机 械 系 统 机 器 人 系 统 与 患 者 相 对 独 立 ， 仅 通 过 患 者 手 部 与 机 器 人 末 端 相 连 其 结 构 简 单 、 易 于 控 制 ， 价 格 低 廉 2。 工 业 机 器 人 为 成 熟 产 品 ， 整 个 系 统 可 靠 性 更 高 ， 早 期 的 上 肢 康 复 机 器 人 系 统 大 都 为 此 种 系 统 美 国 麻 省 理 工 学 院 （ MIT） 的 Hogan 提 出 的 2-DOF（ 自 由 度 ） 臂 平 面 康 复 机 器 人 系 统 MIT-MANUS， 具 有 一 定 的 重 力 补 偿 作 用 后 来 又 提 出 了 2-DOF 腕 关 节 康 复 机 器 人 ， 与 臂 MIT-MANUS 结 合 形 成 了 完 整 的 系 统 ， 可 以 实 现 4-DOF 的 康 复 运 动 ， 并 已 经 开 始 应 用 于 临 床 治 疗 训 练 时 ， MIT-MANUS 可 以 推 动 、 引 导 或 干 扰 患 者 上 肢 的 运 动 ， 以 提 供 不 同 的 训 练 模 式 ； 可 以 采 集 位 置 、 速 度 、 力 等 信 息 以 供 分 析 ； 可 以 将 运 动 状 态 信 息 显 示 到 电 脑 屏 幕 上 为 患 者 提 供 视 觉 反 馈 美 国 斯 坦 福 大 学 研 制 了 基 于 PUMA500、 560 工 业 机 器 人 的 上 肢 康 复 机 器 人 系 统 MIME（ mirror im-age motion enabler） ， 可 以 辅 助 患 者 完 成 上 肢 患 侧 与 健 侧 的 镜 像 运 动 该 系 统 采 集 健 侧 上 肢 运 动 的 轨 迹 ， 镜 像 到 患 侧 ， 并 通 过 工 业 机 器 人 辅 助 患 侧 进 行 运 动 ， 也 已 开 始 患 者 的 临 床 康 复 治 疗 2000 年 ， 美 国 加 州 大 学 与 芝 加 哥 康 复 研 究 所 研 制 了 可 实 现 上 肢 运 动 的 3-DOF 康 复 机 器 人 ARMGuide（ assisted rehabilitation and measurement guide） 3， 具 有 一 个 主 动 DOF 通 过 电 机 驱 动 直 线 导 轨 来 带 动 大 臂 实 现 曲 伸 等 运 动 。 作 为 上 肢 康 复 机 器 人 研 究 的 起 点 ， 1993 年 加 利 福 尼 亚 大 学 的 P. S. lum研 究 设 计 了 名 为 手 -目 标 -手 (hand-object-hand)的 双 手 康 复 装 置 ， 该 装 置 从 人 类 日 常 生 活 中 对 双 手 协 调 性 工 作 的 的 需 要 出 发 ， 利 用 健 手 带 动 患 手 的 主 从 方 法 ， 通 过 简 单 的 双 手 移 动 和 挤 压 物 体 训 练 双 手 协 调 性 。 为 保 持 动 作 模 式 的 正 确 性 ， 装 置 中 设 计 了 两 个 刚 性 夹 板 ， 将 手 部 自 由 度 限 制 在 手 腕 屈 伸 运 动 ， 并 通 过 该 装 置 检 测 和 传 递 力 信 息 。 美 国 亚 利 桑 那 大 学 的 He 等 研 发 了 基 于 人 工 气 动 肌 肉 （ PM） 驱 动 的 4-DOF、 5-DOF 上 肢 康 复 机 器 人 RUPERT（ robotic upper extremity repetitivetrainer） 4-DOF 包 括 肩 关 节 屈 伸 运 动 、 肘 屈 伸 、 前 臂 转 动 、 腕 内 外 摆 动 ， 主 要 完 成 肩 、 肘 、 腕 运 动 ， 5-DOF 增 加 了 大 臂 的 旋 内 外 功 能 ， 增 大 了 工 作 空 间 人 工 气 动 肌 肉 驱 动 的 主 要 优 点 是 动 作 方 式 、 工 作 特 性 等 与 人 的 肌 肉 功 能 相 似 ， 整 个 机 器 人 系 统 运 动 特 征 与 人 手 臂 相 似 ， 具 有 其 他 驱 动 方 式 没 有 的 柔 顺 性 。 加 州 大 学 欧 文 分 校 开 发 了 5-DOFT-WREXtraining Wilmington robotic exoskeleton） 和 5 自 由 度 Pneu-WREX 二 种 肩 、 肘 训 练 上 肢 康 复 机 器 人 系 统 4。 前 者 没 有 驱 动 装 置 ， 适 于 患 者 的 主 动 训 练 与 运 动 参 数 测 定 后 者 采 用 气 动 驱 动 ， 更 进 一 步 适 于 患 者 被 动 康 复 训 练 。 外 骨 骼 技 术 在 我 国 尚 处 于 基 础 研 究 阶 段 ， 我 国 国 家 自 然 科 学 基 金 和 科 技 支 撑 计 划 也 逐 渐 关 注 、 开 展 外 骨 骼 机 器 人 的 研 究 ， 清 华 大 学 、 上 海 大 学 、 东 南 大 学 、 浙 江 大 学 、 合 肥 中 科 院 、 海 军 航 空 工 程 学 院 等 单 位 也 介 入 了 该 课 题 基 础 理 论 与 关 键 技 术 的 研 究 。 1.3 肘关节1.3.1 上肢外骨骼自由度分析其 中 包 括 ： 肩 部 个 自 由 度 （ 外 展 内 收 、 屈 伸 、 轴 向 转 动 ） 、 肘 部 个 自 由 度 （ 屈 伸 ） 、 腕 部 个 自 由 度 （ 屈 伸 、 轴 向 转 动 ） ， 如 图 1.2所 示 。 图 1.2 上肢自由度 1.3.2 肘关节结构肘 关 节 是 由 三 个 关 节 共 同 包 裹 在 一 个 关 节 囊 内 组 成 的 复 关 节 。 当 肘 关 节 伸 直 时 ， 肱 骨 内 、 外 上 髁 与 尺 骨 鹰 咀 尖 恰 位 于 一 条 直 线 上 ， 屈 肘 时 则 形 成 以 鹰 咀 尖 为 顶 角 的 等 腰 三 角 形 ， 临 床 上 常 以 此 鉴 别 肘 关 节 脱 位 或 肱 骨 髁 上 骨 折 。 肘 关 节 在 伸 直 的 情 况 下 ， 若 受 暴 力 如 跌 倒 时 一 侧 手 掌 着 地 ， 使 肱 骨 下 端 向 前 移 位 、 尺 骨 鹰 咀 则 向 后 移 ， 形 成 肘 关 节 后 脱 位 。 当 肘 关 节 伸 直 ， 前 臂 处 于 旋 后 位 时 ， 臂 与 前 臂 并 不 在 一 条 直 线 上 ， 前 臂 的 远 侧 端 偏 向 外 侧 ， 二 者 之 间 形 成 一 向 外 开 放 的 钝 角 ， 称 为 提 携 角 。 1.3.3 肘关节的运动及参数肘 关 节 的 肱 尺 关 节 可 沿 略 斜 的 额 状 轴 作 屈 伸 运 动 ； 桡 尺 近 侧 关 节 与 桡 尺 远 侧 关 节 是 必 须 同 时 运 动 的 联 合 关 节 ， 司 前 臂 的 旋 转 运 动 ； 肱 桡 关 节 虽 属 球 窝 关 节 ， 但 只 能 配 合 上 述 两 关 节 的 活 动 ， 即 与 肱 尺 关 节 一 起 ， 共 同 进 行 屈 伸 运 动 ， 配 合 桡 尺 近 侧 关 节 进 行 垂 直 轴 的 旋 转 5。 肘 关 节 中 立 位 为 肘 关 节 伸 直 。 屈 曲 角 度 为 0-140 ， 过 伸 角 度 为 0-10 。 旋 前 （ 掌 心 向 下 ） 90 ， 旋 后 （ 掌 心 向 上 ） 90 。 运 动 角 速 度 为 40-80 /s， 如 图 1.3所 示 。 图 1.3 肘关节活动范围 1.4 外骨骼机械设计1.4.1 结构设计外 骨 骼 机 器 人 是 一 种 人 体 可 穿 戴 的 机 械 装 置 ， 因 此 使 用 过 程 中 的 安 全 性 、 舒 适 性 和 实 用 性 是 应 该 首 先 考 虑 的 因 素 。 外 骨 骼 机 器 人 大 致 可 分 为 上 肢 外 骨 骼 机 器 人 、 下 肢 外 骨 骼 机 器 人 和 全 身 外 骨 骼 机 器 人 ， 无 论 是 哪 一 种 外 骨 骼 机 器 人 都 将 与 人 体 进 行 。 亲 密 接 触 。 ， 因 此 在 设 计 外 骨 骼 机 械 结 构 时 要 全 面 地 分 析 人 体 各 关 节 的 运 动 范 围 和 运 动 特 点 ， 尽 量 的 合 理 化 、 拟 人 化 ， 从 而 使 穿 戴 者 安 全 舒 适 、 动 作 灵 活 且 不 受 限 制 6。 因 此 ， 设 计 外 骨 骼 机 械 结 构 时 要 考 虑 到 以 下 几 点 ： 1） 设 计 外 骨 骼 时 要 尽 量 遵 循 拟 人 原 则 ， 外 骨 骼 各 个 肢 体 关 节 等 机 械 形 状 和 尺 寸 参 照 人 体 ； 2） 外 骨 骼 机 器 人 的 各 个 关 节 ， 如 膝 、 髋 、 踝 关 节 等 ， 自 由 度 要 考 虑 到 人 体 相 应 关 节 ， 确 保 其 运 动 形 式 与 人 的 运 动 形 式 相 同 ， 并 且 外 骨 骼 各 个 关 节 要 有 一 定 的 运 动 范 围 ， 使 其 既 不 限 制 人 体 运 动 ， 又 能 确 保 动 作 时 的 安 全 ； 3） 外 骨 骼 要 能 够 在 不 同 的 环 境 使 用 ， 如 沙 漠 、 山 地 、 坡 地 、 草 地 、 楼 梯 等 。 图 1.4 上肢康复机器人的结构 图1.5 具有6个自由度的上肢柔性外骨骼结构1.4.2 驱动系统种类及各优缺点外 骨 骼 机 器 人 的 驱 动 系 统 和 驱 动 器 必 须 质 量 轻 、 体 积 小 ， 并 且 能 提 供 足 够 大 的 驱 动 力 矩 或 扭 矩 ， 同 时 要 具 有 良 好 的 散 热 性 能 7。 当 前 国 际 上 的 外 骨 骼 设 备 常 用 的 驱 动 系 统 主 要 有 电 动 机 驱 动 系 统 、 气 压 驱 动 系 统 、 液 压 驱 动 系 统 3 种 。 1、 液 压 驱 动 液 压 驱 动 是 以 液 体 为 工 作 介 质 进 行 能 量 传 递 和 控 制 的 传 动 方 式 。 液 压 系 统 具 有 惯 性 小 、 构 造 简 单 、 可 靠 性 高 、 工 作 稳 定 等 优 点 。 但 是 工 作 中 受 压 液 体 容 易 泄 漏 ， 并 且 工 作 噪 声 较 大 、 能 源 使 用 效 率 低 、 传 动 速 度 低 。 美 国 加 州 大 学 伯 克 利 分 校 研 制 成 的 助 力 机 械 服 装 BLEEX 系 列 和 雷 神 公 司 推 出 的 外 骨 骼 机 械 装 XOS 系 列 均 采 用 了 液 压 驱 动 方 式 来 驱 动 外 骨 骼 。 2、 气 压 驱 动 气 压 驱 动 是 以 压 缩 空 气 为 工 作 介 质 进 行 能 量 传 递 和 控 制 的 传 动 方 式 。 气 压 系 统 具 有 结 构 简 单 、 无 污 染 、 阻 力 损 失 小 、 成 本 低 等 优 点 ， 它 在 许 多 行 业 已 得 到 广 泛 应 用 ， 其 驱 动 的 高 度 柔 顺 性 使 其 在 康 复 机 器 人 方 面 很 有 应 用 潜 力 ； 它 安 装 简 便 ， 不 需 要 复 杂 的 机 构 及 精 度 要 求 ； 其 动 作 平 滑 ， 响 应 满 足 康 复 训 练 要 求 并 可 实 现 慢 速 ， 但 是 气 动 装 置 传 动 速 度 的 稳 定 性 较 差 ， 信 号 传 递 速 度 较 慢 、 控 制 性 差 ， 不 适 用 于 大 功 率 系 统 传 动 。 日 本 神 奈 川 工 科 大 学 成 功 研 制 的 全 身 型 外 骨 骼 机 器 人 （ powerassist suit， PAS） 采 用 的 气 压 传 动 装 置 可 将 使 用 者 的 力 量 增 加 0.5 l.0倍 。 3、 电 动 机 驱 动 电 动 机 驱 动 系 统 是 利 用 电 力 设 备 并 调 节 电 参 数 来 传 递 动 力 和 进 行 控 制 的 一 种 传 动 方 式 。 电 动 机 系 统 技 术 成 熟 、 结 构 简 单 、 无 污 染 、 信 号 传 递 迅 速 且 易 于 实 现 自 动 化 ， 但 是 其 动 态 平 衡 性 差 、 质 量 大 、 惯 性 大 、 换 向 慢 。 日 本 驻 波 大 学 的 外 骨 骼 机 器 人 HAL 系 列 采 用 了 电 动 机 驱 动 技 术 。 1.4.3 能源目 前 ， 外 骨 骼 机 器 人 主 要 以 蓄 电 池 供 电 ， 移 动 范 围 受 到 蓄 电 池 的 容 量 和 效 率 的 限 制 ， 如 何 提 高 蓄 电 池 单 位 体 积 的 容 量 和 外 骨 骼 的 使 用 效 率 是 国 内 外 科 研 机 构 一 直 致 力 于 解 决 的 关 键 问 题 ， 可 以 寻 求 新 能 源 技 术 ， 包 括 太 阳 能 、 生 物 能 等 解 决 能 源 发 展 的 瓶 颈 。 1.4.4 举例比较1、 气 动 驱 动 肘 关 节 （ 图 1.6） 图 1.6气动驱动肘关节肘 关 节 的 屈 伸 动 作 为 单 纯 的 旋 转 运 动 ， 在 满 足 设 计 要 求 的 前 提 下 ， 采 用 摇 块 机 构 的 传 动 方 案 ， 如 上 图 所 示 。 一 个 行 程 可 读 式 直 线 气 缸 尾 部 与 上 臂 固 定 装 置 铰 接 连 接 ， 当 气 缸 活 塞 前 后 伸 缩 运 动 的 时 候 ， 气 缸 可 以 上 下 摆 动 ， 再 经 由 摇 块 机 构 原 理 ， 将 直 线 位 移 变 为 肘 关 节 的 屈 曲 /伸 展 运 动 。 在 各 关 节 基 本 结 构 造 型 完 成 后 ， 需 要 将 其 组 合 到 一 起 ， 完 成 整 体 结 构 。 需 要 关 节 中 间 的 连 接 件 和 手 臂 的 造 型 ， 例 如 连 接 手 掌 和 腕 关 节 的 连 接 件 、 肘 关 节 和 前 臂 的 连 接 件 、 放 置 直 径 气 动 肌 肉 的 前 臂 、 放 置 直 径 气 动 肌 肉 的 上 臂 、 放 置 12mm直 径 的 肩 关 节 肌 肉 架 以 及 各 种 用 于 连 接 的 标 准 件 的 选 取 、 轴 承 配 套 端 盖 的 设 计 。 各 个 关 节 安 装 绳 索 时 需 注 意 装 配 的 顺 序 和 安 装 的 初 始 位 置 ， 以 及 绳 索 的 预 紧 。 带 有 绳 套 的 绳 索 需 留 有 一 定 余 量 ， 减 少 扭 曲 的 影 响 。 气 动 肌 肉 的 柔 性 外 骨 骼 肘 关 节 由 两 条 气 动 肌 肉 及 单 自 由 度 旋 转 运 动 副 构 成 ， 实 现 人 体 上 臂 肘 关 节 的 单 自 由 度 的 转 动 8。 这 种 结 构 与 现 有 的 外 骨 骼 机 械 手 或 者 其 它 穿 戴 器 械 相 比 ， 结 构 新 颖 ， 轻 便 灵 巧 ， 采 用 气 动 肌 肉 作 为 关 节 的 执 行 元 件 ， 模 仿 人 体 肌 肉 伸 缩 的 动 作 ， 具 有 仿 生 学 的 特 点 。 2、 电 机 驱 动 手 臂 图1.7 康复机器人运动自由度基 于 人 体 上 肢 的 运 动 功 能 要 求 ， 上 图 设 计 的 整 个 装 置 既 可 穿 戴 于 患 者 身 上 ， 也 可 固 定 在 座 椅 或 支 架 上 以 减 轻 患 者 负 担 。 该 装 置 内 含 的 运 动 机 构 包 括 ： 肩 关 节 的 水 平 运 动 （ 主 要 由 导 轨 支 架 、 滑 块 1、 连 杆 1 与 摇 杆 1 实 现 ） ， 肩 关 节 的 竖 直 运 动 （ 主 要 由 蜗 轮 蜗 杆 、 滑 块 2、 连 杆 2、 摇 杆 2 实 现 ） ， 肩 关 节 的 旋 转 运 动 （ 齿 轮 机 构 ） 和 肘 关 节 的 屈 /伸 运 动 。 鉴 于 腕 关 节 能 比 较 方 便 地 实 现 自 我 辅 助 康 复 训 练 ， 因 此 ， 本 设 计 将 腕 关 节 设 计 成 跟 随 手 臂 自 由 转 动 。 为 了 防 止 康 复 中 发 生 二 次 损 伤 ， 将 机 器 人 康 复 训 练 的 相 关 角 度 设 定 为 ： 以 矢 状 面 为 基 准 ， 水 平 方 向 上 肩 关 节 外 展 /内 收 0100 /040 ， 以 水 平 面 为 基 准 ， 竖 直 方 向 上 肩 关 节 上 摆 /下 摆 075 /0110 ， 旋 转 运 动 上 内 旋 /外 旋 075 /045 ； 肘 关 节 弯 曲 0135 ， 旋 前 /旋 后 均 050 。 1.5 控制系统现 有 康 复 机 器 人 的 控 制 方 式 一 般 有 肌 电 信 号 传 感 器 （ EMG） 、 力 传 感 器 和 上 位 机 控 制 三 种 。 EMG 和 力 传 感 器 能 够 实 时 检 测 患 肢 的 任 一 自 由 度 上 是 否 有 主 动 力 ， 并 通 过 反 馈 为 相 应 自 由 度 提 供 助 力 ， 帮 助 患 肢 实 现 康 复 运 动 9。 这 两 种 方 法 更 适 用 于 后 期 的 主 动 康 复 和 助 力 康 复 运 动 。 在 上 位 机 控 制 的 方 式 中 ， 患 者 可 以 根 据 自 身 情 况 设 定 各 关 节 康 复 运 动 的 角 度 和 速 度 ， 并 且 选 择 系 统 中 预 设 的 一 些 专 业 的 组 合 康 复 曲 线 辅 助 患 者 的 康 复 锻 炼 。 因 此 ， 该 方 法 更 适 用 于 被 动 康 复 训 练 。 图1.8 上肢外骨骼机器人控制框图图1.9 关节控制模型1.6 国 内 外 研 究 综 述 总 结 作 为 一 种 新 型 、 高 效 及 应 用 前 景 广 泛 的 神 经 康 复 装 置 ， 上 肢 康 复 训 练 机 器 人 系 统 的 研 究 正 在 不 断 改 进 ， 日 益 创 新 10。 按 照 研 究 时 间 的 大 致 先 后 顺 序 将 以 上 康 复 系 统 各 方 面 特 征 进 行 列 表 总 结 如 表 1-1所 示 。 这 些 系 统 以 治 疗 医 师 的 徒 手 治 疗 方 法 为 依 据 ， 验 证 了 机 器 人 系 统 执 行 康 复 运 动 的 可 行 性 。 表1-1 国内外康复机器人系统特点由 上 表 可 以 看 出 ， 上 肢 康 复 机 器 人 系 统 从 发 展 初 期 的 针 对 某 一 特 定 动 作 的 单 关 节 重 复 练 习 逐 渐 延 伸 至 平 面 乃 至 三 维 空 间 的 康 复 训 练 运 动 ， 其 训 练 模 式 也 逐 渐 向 多 样 化 发 展 。 然 而 ， 作 为 学 科 交 叉 的 产 物 ， 其 工 作 对 象 的 特 殊 性 决 定 了 上 肢 康 复 系 统 自 身 的 独 特 性 和 复 杂 程 度 。 纵 观 其 发 展 ， 不 难 发 现 康 复 机 器 人 的 辅 助 治 疗 研 究 仍 然 处 于 初 级 阶 段 ， 存 在 以 下 不 足 ： (1)结 构 简 单 、 运 动 形 式 单 一 ： 现 有 上 肢 康 复 机 器 人 的 功 能 设 计 多 定 位 在 单 一 、 重 复 的 动 作 训 练 上 ， 因 此 机 构 形 式 简 单 ， 自 由 度 较 少 是 他 们 的 普 遍 特 点 。 大 部 分 系 统 为 患 者 提 供 简 单 的 直 线 、 曲 线 或 平 面 运 动 ， 动 作 范 围 较 小 、 康 复 训 练 的 模 式 单 一 ， 缺 乏 循 序 渐 进 、 系 统 的 治 疗 方 法 、 方 案 。 而 联 合 单 关 节 、 多 关 节 复 合 及 日 常 生 活 动 作 的 多 模 式 训 练 不 仅 能 充 分 活 跃 肢 体 肌 群 ， 且 因 地 制 宜 ， 有 利 于 促 进 肢 体 功 能 的 恢 复 和 保 持 正 确 运 动 的 感 觉 。 (2)缺 乏 临 床 康 复 理 论 指 导 ： 上 肢 康 复 机 器 人 具 有 独 特 的 工 作 对 象 )上 肢 运 动 功 能 受 损 的 偏 瘫 患 者 ， 因 此 其 功 能 的 实 现 必 须 以 临 床 康 复 实 践 与 经 验 为 理 论 基 础 ， 并 结 合 人 体 上 肢 解 剖 学 及 运 动 规 律 。 无 论 是 机 器 人 机 构 的 设 计 ， 还 是 训 练 模 式 的 设 定 ， 都 必 须 与 偏 瘫 患 者 的 康 复 进 程 紧 密 结 合 。 现 有 系 统 多 沿 袭 传 统 机 器 人 的 设 计 思 路 ， 削 弱 了 机 器 人 与 康 复 学 科 间 的 融 合 。 (3)欠 缺 对 患 者 的 主 动 运 动 激 励 ： 上 肢 康 复 机 器 人 旨 在 通 过 康 复 运 动 恢 复 受 损 的 运 动 功 能 ， 而 充 分 利 用 人 机 间 的 交 互 作 用 ， 激 励 患 者 肢 体 的 主 动 运 动 意 识 ， 提 高 中 枢 神 经 系 统 紧 张 度 ， 不 仅 能 够 加 速 受 损 神 经 的 重 塑 ， 也 有 利 于 防 止 并 发 症 的 产 生 ， 恢 复 患 者 建 立 病 后 康 复 的 信 心 。 现 有 系 统 大 多 监 测 受 试 者 的 力 信 息 或 进 行 简 单 的 力 跟 随 运 动 ， 从 而 忽 略 了 这 一 提 高 康 复 效 率 的 重 要 因 素 。 (4)对 临 床 应 用 问 题 欠 缺 考 虑 ： 即 特 殊 的 人 机 耦 合 系 统 所 引 入 的 问 题 ， 如 运 动 中 患 者 肌 肉 运 动 功 能 的 损 伤 导 致 肌 力 不 足 时 对 受 损 肢 体 的 安 全 保 护 和 支 撑 问 题 ， 运 动 过 程 当 中 对 运 动 异 常 模 式 的 检 测 和 抑 制 问 题 等 。 1.6 上肢康复机器人康复训练策略关键技术综述偏 瘫 作 为 脑 血 管 意 外 的 后 遗 症 ， 其 活 动 能 力 的 丧 失 或 减 退 的 突 发 状 况 给 患 者 造 成 严 重 的 心 理 创 伤 ， 使 患 者 产 生 消 极 的 康 复 心 理 。 因 而 ， 康 复 训 练 的 目 的 不 应 只 停 留 在 保 持 肢 体 活 动 度 ， 防 止 肌 肉 萎 缩 、 关 节 挛 缩 的 层 面 上 ， 还 应 同 时 应 注 重 患 者 的 心 理 康 复 问 题 。 临 床 实 践 表 明 ： 在 康 复 训 练 中 加 强 患 者 主 动 运 动 意 愿 对 脑 卒 中 患 者 运 动 功 能 康 复 具 有 强 化 和 促 进 作 用 ， 在 康 复 过 程 中 强 调 患 者 的 主 观 参 与 与 认 知 有 利 于 改 善 大 脑 的 侧 枝 循 环 和 局 部 微 循 环 ， 有 助 于 建 立 患 者 的 康 复 自 信 ， 激 发 患 者 的 康 复 热 情 ， 进 而 增 强 康 复 效 率 ， 推 动 患 者 康 复 进 程 。 康 复 机 器 人 获 取 人 体 主 动 运 动 意 图 的 方 式 有 多 种 ， 如 力 /力 矩 信 号 、 神 经 )肌 肉 电 信 号 、 脑 电 信 号 等 。 其 中 ， 力 信 息 作 为 人 机 相 互 作 用 的 最 直 接 表 现 形 式 被 广 泛 的 应 用 于 人 机 交 互 研 究 中 11， 而 表 面 肌 电 信 号 (Surface Electromyogram， sEMG )因 与 人 体 肌 肉 运 动 间 的 固 有 相 关 性 在 近 年 来 也 引 起 了 学 者 们 的 广 泛 关 注 ， 下 面 对 这 两 个 方 面 的 研 究 现 状 进 行 论 述 。 1.7 发展前景外 骨 骼 机 器 人 在 许 多 领 域 有 着 良 好 的 发 展 前 景 ， 引 起 了 各 国 的 重 视 ， 近 年 来 外 骨 骼 机 器 人 技 术 取 得 了 突 破 性 的 发 展 ， 但 有 许 多 关 键 问 题 仍 待 解 决 ： 1） 体 积 较 大 、 动 作 笨 拙 ， 其 环 境 的 适 应 性 和 运 动 的 灵 活 性 较 差 ； 2） 与 操 作 者 的 预 期 动 作 不 吻 合 ； 3） 外 骨 骼 机 器 人 的 能 源 使 用 效 率 不 高 ； 4） 控 制 系 统 的 自 适 应 能 力 和 自 学 习 能 力 较 弱 。 另 外 ， 外 骨 骼 机 器 人 要 真 正 用 于 实 践 12， 还 要 考 虑 其 自 身 的 质 量 问 题 、 柔 性 安 全 问 题 、 噪 音 问 题 、 舒 适 度 问 题 等 。 随 着 科 技 的 进 步 和 上 述 问 题 的 解 决 ， 各 种 特 殊 功 能 的 外 骨 骼 机 器 人 将 广 泛 应 用 于 民 用 康 复 治 疗 和 军 用 助 力 装 备 方 面 。 综 上 所 属 ， 本 课 题 主 要 构 想 是 运 用 EMG肌 电 信 号 传 感 器 来 感 知 肘 部 微 弱 信 号 ， 并 由 此 信 号 来 控 制 可 穿 戴 式 肘 关 节 装 置 13。 运 用 直 流 直 线 电 机 驱 动 ， 来 控 制 肘 关 节 装 置 的 简 单 运 动 。 后 期 需 运 用 有 限 元 、 仿 真 软 件 进 行 综 合 分 析 。 第2章 外骨路式机器人上肢康复肘关节方案设计相 对 于 康 复 医 师 一 对 一 对 患 者 进 行 的 康 复 辅 助 运 动 ， 康 复 机 器 人 有 非 常 大 的 优 势 ， 如 有 效 性 强 ， 持 续 性 更 好 等 等 。 康 复 机 器 人 起 源 于 现 代 机 器 人 ， 它 是 特 种 机 器 人 ， 有 自 己 的 特 点 和 设 计 要 求 。 从 其 可 穿 戴 性 上 就 可 以 知 道 ， 外 骨 骼 需 要 和 人 体 上 肢 关 节 親 合 ， 这 样 才 能 达 到 协 调 运 动 的 效 果 。 下 面 就 从 康 复 运 动 效 果 和 外 骨 骼 式 机 器 人 的 设 计 要 求 的 角 度 出 发 ， 设 计 出 适 合 不 同 肢 体 长 度 、 不 同 患 肢 、 实 现 多 种 运 动 方 式 的 模 仿 人 体 上 肢 肘 关 节 的 外 骨 骼 式 上 肢 肘 关 节 康 复 机 器 人 机 械 系 统 。 2.1 上肢生理特点与康复治疗方法2.1.1 手臂的生理结构特点上 肢 的 骨 骼 有 肩 部 的 锁 骨 、 肩 胛 骨 ， 上 臂 的 胧 骨 ， 前 臂 的 尺 骨 、 饶 骨 ， 手 部 的 腕 骨 、 掌 骨 、 指 骨 54， 如 下 图 2.1(a)所 示 。 上 肢 肌 肉 多 为 长 梭 状 ， 分 肩 部 肌 肉 、 上 臂 肌 肉 、 前 臂 肌 肉 和 手 部 肌 肉 ， 如 图 2.1(b)所 示 。 图2.1 手臂生理结构图除 手 部 关 节 外 ， 上 肢 的 关 节 分 为 肩 关 节 、 肘 关 节 、 腕 关 节 等 三 大 关 节 。 本 文 只 讨 论 肘 关 节 ， 将 不 涉 及 其 他 关 节 。 肘 关 节 是 复 合 关 节 ， 如 图 2.2所 示 。 它 由 肱 尺 关 节 、 胧 挠 关 节 和 烧 尺 关 节 共 同 构 成 。 肢 骨 下 端 与 尺 骨 上 端 半 月 切 迹 构 成 肱 尺 关 节 ， 肱 骨 小 头 与 烧 骨 上 端 小 头 凹 面 构 成 胺 挠 关 节 ， 烧 骨 上 端 和 尺 骨 上 端 构 成 烧 尺 关 节 。 这 3个 关 节 紧 密 相 贴 ， 共 同 作 用 ， 使 前 臂 产 生 屈 /伸 、 回 旋 等 动 作 。 为 简 化 起 见 ， 认 为 財 关 节 具 有 一 个 自 由 度 -屈 /伸 。 图2.2 肘关节生理结构图2.1.2 复治疗方法康 复 医 学 是 一 门 研 究 残 疾 人 及 患 者 康 复 的 医 学 应 用 学 科 ， 其 目 的 在 于 通 过 物 理 疗 法 ， 运 动 疗 法 ， 生 活 训 练 ， 技 能 训 练 ， 言 语 训 练 和 心 理 咨 询 等 多 种 手 段 使 病 伤 残 者 尽 快 的 得 到 最 大 限 度 的 恢 复 ， 使 身 体 残 留 部 分 的 功 能 得 到 最 充 分 的 发 挥 ， 达 到 最 大 可 能 的 生 活 自 理 ， 劳 动 和 工 作 的 能 力 ， 为 病 伤 残 者 重 返 社 会 打 下 基 础 。 康 复 治 疗 是 康 复 医 学 工 作 的 基 本 内 容 ， 包 括 物 理 治 疗 、 心 理 治 疗 、 作 业 疗 法 、 运 动 疗 法 、 中 医 疗 法 、 言 语 治 疗 。 运 动 疗 法 是 以 生 物 力 学 和 神 经 发 育 学 为 基 础 ， 采 用 主 动 和 被 动 运 动 ， 通 过 功 能 改 善 、 代 偿 和 替 代 的 途 径 ， 促 进 功 能 障 碍 的 恢 复 。 基 于 中 枢 神 经 系 统 的 运 动 再 学 习 方 法 主 要 用 于 中 枢 神 经 系 统 疾 患 病 人 的 运 动 功 能 恢 复 训 练 ， 强 调 病 人 应 主 动 参 与 ， 通 过 重 新 学 习 和 反 复 训 练 ， 恢 复 其 运 动 功 能 和 日 常 生 活 活 动 能 力 。 2.2 机器人上肢康复系统构建在 掌 握 了 人 体 上 肢 解 剖 学 知 识 和 康 复 机 器 人 的 设 计 要 求 后 ， 接 下 来 的 任 务 就 是 康 复 系 统 的 构 建 ， 该 康 复 系 统 主 要 包 含 三 部 分 内 容 ： 康 复 机 器 人 机 械 本 体 、 运 动 控 制 系 统 、 控 制 体 系 结 构 。 下 面 就 对 从 这 三 个 方 面 ， 设 计 所 需 的 上 肢 康 复 系 统 。 (1) 结 构 的 基 本 形 式 通 过 第 一 章 的 分 析 ， 本 研 究 采 用 三 自 由 度 、 外 骨 豁 式 、 串 联 、 电 机 驱 动 结 构 形 式 。 对 于 辅 助 患 者 上 肢 做 康 复 运 动 的 机 器 人 ， 其 机 械 结 构 的 基 本 设 计 要 点 是 ： 有 足 够 的 刚 度 和 强 度 来 支 撑 机 械 臂 本 体 和 患 肢 的 重 量 ， 在 此 基 础 上 机 器 人 尽 量 做 到 轻 便 ;机 器 人 关 节 设 置 、 尺 寸 结 构 ， 符 合 人 体 上 肢 的 解 剖 结 构 ;外 骨 骼 与 上 肢 具 有 较 好 的 交 互 性 ;运 动 可 靠 ， 传 动 误 差 小 。 康 复 机 器 人 的 整 体 设 计 流 程 如 图 2.3所 示 。 图2.3 机械设计流程由 于 条 件 有 限 ， 本 文 将 不 设 计 制 作 样 机 的 工 作 。 为 了 尽 量 减 小 外 骨 骼 重 量 ， 本 设 计 拟 选 择 航 空 超 硬 铝 型 材 作 为 关 节 连 接 件 ， 由 于 客 观 条 件 所 限 ， 最 终 采 用 了 硬 铝 型 材 作 为 关 节 连 接 件 。 (2) 肘 关 节 工 作 原 理 一 般 情 况 下 ， 在 人 体 解 剖 学 中 ， 以 标 准 姿 势 进 行 叙 述 和 阐 明 ， 如 图 2.4。 上 自 头 侧 ， 下 至 尾 侧 并 与 地 面 相 垂 直 的 轴 为 垂 直 轴 ， 它 是 上 下 方 向 ;从 腹 侧 面 至 背 侧 面 ， 同 时 与 垂 直 轴 呈 直 角 交 叉 的 轴 叫 做 矢 状 轴 ， 又 称 腹 背 轴 ， 它 是 前 后 方 向 ;额 状 轴 ， 或 称 。 冠 状 轴 。 ： 为 与 水 平 面 平 行 ， 并 与 前 两 个 轴 相 垂 直 的 左 右 方 向 的 轴 。 接 下 来 ， 对 人 体 定 义 三 个 面 ， 这 三 个 面 是 以 上 述 的 三 个 轴 为 基 础 进 行 阐 释 。 冠 状 面 ： 按 左 右 方 向 将 人 体 分 为 前 后 两 部 分 的 纵 切 面 ;矢 状 面 ： 按 前 后 方 向 将 人 体 或 器 官 纵 切 为 左 、 右 两 部 分 的 断 面 ;水 平 面 (横 切 面 )： 与 上 述 两 个 面 垂 直 将 人 体 横 切 分 为 上 下 两 部 分 的 纵 切 面 。 基 于 上 述 分 析 得 出 ， 肘 关 节 主 要 是 完 成 屈 伸 动 作 。 它 的 一 般 运 动 范 围 为 0-150 ， 极 限 运 动 角 度 为 0-160 。 当 然 有 部 分 人 的 肘 关 节 能 完 成 负 角 度 的 运 动 。 此 种 情 况 本 文 将 忽 略 ， 不 予 讨 论 。 2.3 肘关节系统方案通 过 上 述 分 析 ， 明 确 了 肘 关 节 系 统 必 须 达 到 的 要 求 与 实 现 的 功 能 。 本 文 设 计 的 肘 关 节 系 统 方 案 如 下 ： 1、 机 械 部 分 ： 运 用 直 线 电 机 驱 动 ， 来 控 制 肘 关 节 装 置 的 运 动 。 直 线 电 机 安 装 在 下 臂 上 ， 在 上 臂 安 装 一 个 弹 簧 提 供 阻 尼 ， 用 来 与 电 机 驱 动 力 保 持 平 衡 ， 使 肘 关 节 屈 曲 时 可 以 定 住 在 某 几 个 特 定 角 度 。 工 作 原 理 类 似 于 挖 土 机 的 工 作 臂 。 2、 控 制 部 分 ： 运 用 EMG肌 电 信 号 传 感 器 来 感 知 肘 部 微 弱 信 号 ， 并 由 此 信 号 来 控 制 可 穿 戴 式 肘 关 节 装 置 。 第3章 肘关节机械系统设计上一章中详细讨论了外骨路式机器人上肢康复肘关节系统的方案。本章将在上一章的基础上对肘关节机械系统进行设计。3.1 机构驱动方案通过对相关文献的阅读与研究。目前，外骨路式机器人上肢康复机械系统各关节的驱动方案主要有：旋转电机输出扭矩驱动、液压驱动、气压驱动等三种。这三种方案有比较明显的优点，但他们的缺点也同样很突出。旋转电机驱动方式由其的运动特点决定了其可以精确的控制机械系统的运动轨迹；但其输出功率较小，要实现大功率输出就必须增大电机体积，这样就必然会增加系统的重量与功耗，不利于提高系统的续航能力与适用范围。液压与气压驱动方式输出功率区间较大能满足各种不同患者的使用需求。但液压驱动方式必须配套的装配一套庞大复杂的液压回路系统，增加了系统的成本与适用范围。而气压驱动方式则需要设计一套庞大的气体压缩与输送系统。综上所述，本文采用直线电机驱动方式。直线驱动方式的功率输出区间虽不如液压与气压驱动方式的大但能以完全满足系统的各项功能需求。且相对液压驱动、气压驱动来讲直线电机驱动方式对机械系统的精度要高很多，也更容易实现系统的闭环控制。直线电机原理如图3.1所示。图3.1 直线电机原理3.2 机构运动方式现今各类工程中仿生类肘关节的机构应用非常广泛。如工程机械中的挖掘机工作臂，该机构结构紧凑、控制简单。基于此特点，在各项工程中都能见到挖掘机的身影，对各项工程做出了重大贡献。由于直线电机的运动方式与液压油缸相似，因此，本文肘关节也采用类挖掘机工作臂机构。3.3 机构方案本文肘关节机械系统主要由上臂、下臂、直线电机、拉杆和阻尼弹簧等零件组装而成。考虑到肘关节的运动与患者手臂的运动是否干涉，本文将直线电机安装在上臂末端，拉杆安装在下臂前端。为了给肘关节屈曲时有足够的空间，必须在上臂上肘关节处留出一个空洞来。除此之外，还在上臂填加一个弹簧来提供阻尼，用来与电机驱动力保持平衡，使肘关节屈曲时可以定住在某几个特定角度。比如60、90度。机构装配图如图3.2所示，机构运动示意图如图3