上肢关节康复训练器设计与结构优化-开题报告.doc

上肢关节康复训练器设计与结构优化 开题报告 综述 1.本课题研究的意义 我们绝大多数的活动都是由上肢来完成的，人体的上肢受损，会对我们的学习、生活、工作造成不便。近年来，由于各种疾病尤其是中风、脑卒和意外事故，导致很多患者患有不同程度的残疾，劳动力丧失，生活依赖他人照顾，给家庭和社会带来了很大的负担。偏瘫后，尽早的进行康复训练，能够尽可能的帮助患者恢复，降低残疾可能性。传统的康复训练，是治疗者一对一的对病人进行按摩，和康复训练。这种方式存在一些问题:首先,一名治疗师只能同时对一名患者进行运动训练,训练效率低,并且由于治疗师自身原因,无法保证患者得到足够的训练强度,治疗效果多取决于治疗师的经验和水平；其次,不能精确控制和记录参数,不利于治疗方案的确定和改进,康复评价指标不够客观,不利于偏瘫患者神经康复规律的深入研究;此外,不能向患者提供实时直观的反馈信息,训练不具吸引力,患者被动接受治疗,参与治疗的主动性不够。 因此,应该开拓更先进的偏瘫康复训练手段,把更先进的技术引入到偏瘫康复治疗领域。所以将机器人及其相关技术与临床康复医学相结合设计出康复机器人来替代医生帮助患者进行康复训练很有必要。首先,机器人不存在疲倦的问题,能够满足不同患者对训练强度的要求,它将治疗师从繁重的训练任务中解脱出来,而专注于制定治疗方案、分析训练数据、优化训练内容并改进机器人的功能；其次,机器人可以客观记录训练中患肢的位置、方向、速度以及所产生的力等客观数据供治疗师分析,以评价治疗的效果。这些数据使治疗师可以从中发现数据与治疗结果间的对应关系,从而可能深入了解中枢神经康复的规律,进一步了解大脑与运动功能之间控制与影响的关系,为大脑的开发开辟新的天地；再次,机器人技术可以通过多媒体技术为患者提供丰富多彩的训练内容,令患者积极参与治疗,并及时得到治疗效果的反馈信息,使得远程治疗和集中治疗成为可能。康复医学和机器人技术学的科研人员的实验和研究证明:患者可以接受机器人辅助治疗,治疗过程具有吸引力；机器人对患者进行康复训练确实有很好的康复治疗效果；在治疗过程中,系统还提供了有效的康复评价手段。 然而现有的上肢康复机器人虽然能够减轻医生的负担，提高效率，但是仍然存在一些问题：康复机器人体型较大，无法实现家庭化；目前的康复机器人基本能实现多个自由度运动，但是当病人仅仅需要一个或两个关节康复运动训练时，病人仍必须穿上所有的装备；多应用预定程序来实现对肢体的被动康复运动，往往忽略了病人自己的运动意图。 国内外研究现状 国外发展现状 英国Reading大学为首的欧洲跨国研究小组研制出GENTLE/S上肢康复训练机器人，如图1所示，其机械臂为三自由度的升降式摇臂结构，通过牵引患肢腕部实现手臂空间运动。该款机器人结构较为简单，紧凑，并利用虚拟现实技术，通过电脑屏幕对患者实施视觉反馈。 图1 GENTLE/S上肢康复训练机器人 图2 Saga University 3自由度上肢康复机器人 日本佐贺大学开发的3自由度外骨骼上肢康复机器人，如图2所示，其机械臂安装在轮椅上，可以实现肘关节和肩关节运动，并且利用表面肌电图，和力传感器，实现机械臂的运动辅助功能，当人有某个方面的运动意图时，通过肌电传感器采集到的信号，以及力传感器采集的信号，进行分析，控制电机末端速度，达到辅助运动的效果。 除此以外，还有几种典型上肢外骨骼上肢康复机器人。 国内发展现状 清华大学，从2000年起开展了辅助神经康复的研究，目前已成功研制了肩肘复合运动康复机器人、肩关节康复机器人和手的康复训练器等多种康复机器人，通过对患者肩、肘关节进行康复辅助训练的机器人设备，能够实现肩关节、肘关节康复训练的各种必须动作。如图3 图3 肩肘复合运动康复机器人。 哈尔滨工业大学发明一种外骨骼式上肢康复机器人交互康复训练控制策略，能够实现5个自由度的康复训练运动。对应患者不同恢复期有两种训练模式：被动式，主动式。在被动运动中，提取患者上肢肌肉的表面肌电信号作为患者运动意图，控制机器人带动患侧实现运动的被动训练；主动运动中，通过实时获取运动过程中患肢作用于机器人所产生的关节力矩来判断人体上肢的运动意图，进而驱动机器人跟随意图对患肢进行康复的主动—辅助训练，如图4所示。