肘关节康复训练装置研究（可编辑）

肘关节康复训练装置研究（可编辑） 肘关节康复训练装置研究 华中科技大学 硕士学位论文 肘关节康复训练装置的研究 姓名:杨明 申请学位级别:硕士 专业:机械电子工程 指导教师:熊蔡华 20080524 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 康复训练机器人的研究正在蓬勃兴起,引起了越来越多的研究者 的兴趣。本文对 肘关节康复训练装置的结构设计、气动人工肌肉的特性研究、气 动伺服控制技术等 关键技术进行了研究。 通过对现代康复理论和康复训练方法的研究,本文明确了康复训 练在运动功能康 复中的重要地位和积极作用。针对肘关节功能运动要求,开展功 能结构研究,在理 论研究的基础上,对整个肘关节康复训练装置进行了整体设计,从模块化的角度对 此装置的机械本体结构、气动驱动系统和控制系统分别进行了详细的,明确了 各部分的具体结构和功能需求,提出了整个肘关节康复训练装置的设计。 针对肘关节康复训练装置所采用的特殊驱动器及其控制要求,本文对气动人工肌 肉进行了静态和动态特性实验,结合实验,建立了整个系统的数学模型。根据控制 系统的具体要求,在动态特性模型的基础上,采用分段式的 PID 控制算法进行了控 制研究,为气动人工肌肉在多关节康复机器人中的应用打下初步的基础。 昀后开发出了肘关节康复训练装置实验样机, 并在正常人体上进行了多种康复训 练模式的实验研究,包括主动运动、被动运动和抗扰运动模式。实验结果检验了该 康复训练机器人机械结构的有效性、控制系统的安全性、可靠性,为下一步的临床 实验研究奠定了基础。 关键词:康复训练 模块化 气动人工肌肉PID控制 训练模式 I2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract With the rapid development of rehabilitation robots, more and more researchers are paying attention to this field. Key technologies about elbow rehabilitation device have been discussed detailedly, including the mechanical design, pneumatic servo control and so on, which will contribute to the realization of whole rehabilitation robotAccording to the modern rehabilitation theory and rehabilitation training method, rehabilitation training makes positive effect in motor function recovery after stroke, which has been the foundation of the system design of elbow rehabilitation device. Then mechanical structure, pneumatic driving system and control system have been discussed detail by detail using modularization method, which have built up the whole elbow rehabilitation device In order to design the control system effectively, static and dynamic characteristics of the pneumatic muscle both have been analyzed, and experimentized study has been developed. Then we have built up the mathematic model of the whole system by the method of experimental analysis. According to the dynamic characteristic, segmentation-based PID control algorithm have been developed, which have also been proved to be effect In the end, we have developed the experimental prototype, and done some experimental test under normal human body, including active training, passive training and disturbance rejection training. Experimental data has been analyzed to make sure that the elbow rehabilitation device will make positive contributiton to stroke patients Keywords: Rehabilitation, Modularization, Pneumatic muscle, PID control,Training mode II3独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密?,在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密?。 (请在以上方框内打“?”) 学位论文作者签名:指导教师签名: 日期: 年 月 日 日期: 年 月 日 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪 论 1.1 课题来源 本课题得到以下项目的资助:国家 863高技术研究发展计划“康复机器人结构与驱动机构设计技术”资助号: 2007AA04Z204国家自然科学基金项目“康复机器人主/被动运动协调及其应用”资助号: 50775080国家自然科学基金对外交流与合作项目“基于模糊方法的复杂非线性系统智能控 制”资助号:50640460116 1.2 课题背景 2006 年第二次全国残疾人抽样调查结果表明我国是残疾人数昀多的国家:现有 各类残疾人总数已达 8296 万,占全国总人口的比例超过 6%,其中肢体残疾人数超 过 2412万人。此外,我国现幸存中风病人 700万,其中 450万病人不同程度丧失劳 动力和生活不能自理,致残率高达 75%,而且我国每年约增加 200 万中风病患者, 每年中风病人死亡 120 万。再者,在青壮年人群中,由于工伤、交通事故等原因, 也出现了大量的肢体残疾者。为此,国务院办公厅转发了卫生部等部门《关于进一 步加强残疾人康复工作的意见》,确定了今后一个时期残疾人康复工作的总体目标 和指导方针。该《意见》明确到 2015年实现残疾人“人人享有康复服务”,极大地 推动了残疾人康复工作的整体进程。针对我国残疾人众多而人性化康复医疗装备非 常匮乏的严峻现实, 2008年 3月 28日胡锦涛总书记专门主持了中共中央政治局会议 对促进残疾人事业发展做出部署:促进残疾人事业发展,改善残疾人状况,已成为 全面建设小康社会和构建社会主义和谐社会的一项重要而紧迫的任务。脑卒中Stroke,又名脑中风,是一种突然起病的脑血液循环障碍性疾病。临床 表现以猝然昏扑、不省人事或突然发生口眼歪斜、半身不遂、舌强言蹇、智力障碍 为主要特征。因中风常导致偏瘫,常常对患者本人、家庭造成心理及其它方面的冲 [1] 击 。社会和家庭需要花费极大的代价来治疗和护理这些患者,造成社会成本的极大 15 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 浪费。因此,寻求有效的康复手段,使患者能够在一定程度上恢复失去的功能,不 仅有利于提高患者本身的生活质量,也可以减轻社会的总体负担。 1.3 研究意义 目前国内外研究表明,大脑的神经系统具有可塑性,大脑运动神经功能的萎缩 源于长期的不运动,然而通过治疗,能够恢复受损后的运动神经功能,而且 90%的 [2, 3] 中风患者可恢复其步行能力和生活自理能力,有些还能恢复工作能力 。此外,中 风病患者的功能恢复常与病程有关。如果中风以后的三个月内能采取有效的康复措 施,那么患者功能恢复效果好。三个月以后因挛缩形成,中风损伤的恢复过程会变 慢,但患者运动功能恢复的潜力不应忽视,只要坚持康复训练,仍 可有不同程度的 改善。目前对于中风造成的后遗症,如偏瘫等的治疗,主要是运动康复训练,而且 [4, 5] 在挛缩发生以前进行康复训练,可以取得更好的效果,恢复得也更快 。所以对于 中风病患者,应在早期介入康复训练,此时患者处于软瘫期,这一阶段的训练可以 降低致残率,提高功能恢复的几率和效果。 [3, 6, 7] 目前国内外的康复训练主要由专业的医护人员完成,存在以下主要问题 : 1 训练的力度、速度都凭经验来完成,对康复训练效果的评估不利; 2 康复医护人员目前很缺乏,而中风患者数量众多,难以实现及时有效的一对 一长期治疗; 3 康复训练受不同医护人员自身的影响,治疗效果难以得到保证; 4 康复的效果难以量化,不利于改进康复过程; 5 康复过程不具有吸引力,不利于心理治疗。 所以,单纯的依靠医护人员来进行康复训练,难以保证康复的及 时性和有效性。 而采用机器人来辅助康复训练,则可以有效地解决上述问题,其优点主要体现在以 下几个方面:一方面,能给患肢提供长期的、精确的、量化的运动刺激;能建立一 种具有实时反馈功能的训练环境,使患者易于了解与患肢的运动学、动力学及生理 学有关的各种信息,进而提高康复训练的自信心,增强康复训练效果。另一方面, 康复机器人可看成是康复医师的“第三只手”,从而摆脱康复医师与患者“一对一” [8-10] 的训练模式,使社区和家庭康复医疗成为可能 。 另外,二十世纪机器人技术的发展,也为机器人参与神经康复治疗提供了可能。 26 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 目前机器人已经在运动功能障碍患者的护理方面得到了广泛的应用。上世纪 90年代, [11] 人们开始将目光投向机器人应用的另一领域?治疗机器人。文献 指出,治疗机器 人将主要使用以下技术:1、机器人技术;2、传感器技术;3、信息技术;4、电子通 讯技术。本课题的主要目标就是综合运用这四种技术,设计一种辅助偏瘫病人进行 康复训练的装置,将之应用于临床使用,通过对患者使用情况的分析,探索患者病 情?训练内容?康复效果之间的关系,达到提高训练效率和优化康复效果的目的。 综上所述,为脑卒中和神经损伤患者快速康复提供必备的人性化康复装备,对 促进他们就业和再就业、构建和谐社会具有重要的深远意义。 1.4 国内外康复训练机器人研究现状 康复训练机器人总是以一定的方式附着于患肢上引导患肢做康复训练,一方面, 机器人的灵活工作空间应与人的肢体自然活动空间一致,以保证在对患肢各个关节 和肌肉组织进行有效训练的同时不致拉伤人体组织;另一方面,机器人的结构应保 证它能适应不同患者的患肢尺寸,自动顺应运动中产生的配合误差,使机器人在引 导患肢运动时其本体结构不与患肢产生干涉;再者机器人的驱动系统必须具有足够 的安全性,不能存在任何安全隐患。因此,康复机器人顺应性结构及其驱动机构设 计是开发具有人体工程学特点的康复机器人的前提。 对于康复训练机器人的现状和发展趋势,本文主要从机器人工作空间的设计技 术、机构设计技术和驱动系统设计技术三个方面分别进行阐述如下: 1 康复机器人工作空间设计技术的现状 由于康复动作比较复杂,康复机器人在进行康复治疗时其工作空间必须与正常 肢体的工作空间一致,并且在工作空间的各个区域内康复机器人的灵巧性也必须与 正常肢体的灵巧性相同,否则会对人体组织造成过度的拉伤或者康复刺激不够,因 此对康复机器人的工作空间进行分析与优化是设计具有人体工程学特点的康复机器 人结构的前提。 目前国内外相关研究机构在康复机器人工作空间的分析与设计方面已经开展了 一定的研究工作。 新加坡南洋理工大学从人体生理学的角度设计了一种仿人体上肢的线缆驱动上 肢康复机器人,概念图如图 1.1 所示。他们采用 Z-Y-Z欧拉角和圆柱坐标来分析和评 37 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 价该机器人的工作空间,并采用工作空间匹配指标Workspace Matching Index来优化 [12] 该机器人的结构 。 图 1.1基于生理结构的绳索驱动式康复机器人概念图(NTU) 欧空局设计了符合人体工程学特点的九自由度上肢康复机械臂,如图 1.2所示。 在对人体上肢关节结构分析的基础上,给出了一种康复机器人运动学设计方法。该 机械臂在康复训练中有良好的顺应性,在关节运动的过程中,始终保持机构关节与 [13] 人体关节的重合,从而不会产生不良的附加载荷 。 图 1.2 欧空局开发的外骨骼机器人原型 美国加州大学设计了一种五自由度的上肢康复机械臂 T-WREX,如图 1.3所示, 该机械臂通过弹性绷带来平衡上肢的重力。他们采用指数积对该机械臂进行运 动学分析,研究结果表明该机械臂可以在较大的工作空间内对上肢进行指定的功能 [14-16] 训练 。 48 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 1.3 加州大学开发的 T-WREX的工作状态 不过,这些工作空间分析方法主要是针对具体的康复机器人结构而言的, 缺乏 一种有效的具有普适性的康复机器人工作空间设计方法以及相关评价指标。 2 康复机器人本体机构设计技术的现状 [17-19] 目前上肢康复机器人本体结构可以分成两类,一类是末端导引式 ,这种结 构的康复机器人本体需放置在单独的支架上,康复机器人利用末端执行器控制患肢 按照既定的轨迹或者力来运动,以此达到对患肢进行康复训练的目的,如:Helparm, MIME, MIT-Manus, ARM guide,Gentle/s system, Hesse arm robot,NeReBot 等;另一 [13, 14, 20] 类是外骨骼式 ,这种结构的康复机器人需要绑缚在患肢上,并通过杆系的协 调运动来辅助患肢作康复训练动作。在结构上,该类机器人的关节与人体关节重合 或两者的运动轨迹一致,如:欧空局开发的 9-DOF机器人、T-WREX、RUPERT等。 Helparm 是瑞典 Kinsman 公司研制的,它通过反向的重量来实现被动运动,在 带动负重的过程中,通过绳索和滑轮支撑患者胳膊,如图 1-4所示。结构上可以实现 左右胳膊的独立支撑。通过调整负重的质量,来满足不同训练阶段的要求。该设备 [19] 可以实现家庭使用 。 59 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 1.4 瑞典 Helparm MIME 由 VA 和 Stanford 的学者 //.gar 等研制,被称为镜面图像增强器 (mirror-image movement enhance)。它基于 PUMA 560机器人进行设计,采用伺服 电机驱动,患者的手部握住 MIME 的手腕处,通过 PUMA 560 将 力作用于患肢,可 [18] 以实现单侧和双侧的 3D运动。其工作状态如图 1.5所示,图 1.6为其配置示意图 。ARM-GUIDE为一个单驱动的 4自由度机器人设备,如图 1.7所示。它支撑上臂 的结构安装在一个线性导轨上,通过直流伺服电机辅助患者胳膊在 R 方向上沿线性 导轨运动。R、E和 Y 轴的位移或转角由光电编码器记录,机器人与患者之间的接触 [21] 力由 6轴力传感器记录 。图 1.5 MIME 的工作状态 图 1.6 MIME 配置 610 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 1.7 ARM-GUIDE原理图和工作图 RUPERT由亚利桑那州立大学何际平教授等开发,如图 1.8所示,由肩、肘、腕 等四个自由度组成,具有可穿戴式的结构,能够辅助患者进行几种关键的日常生活 [20] 动作,从而达到恢复运动神经功能的作用 。 图 1.8 RUPERT工作图 为了设计符合人体工程学的康复机器人,康复机器人的结构需满足以下三个基 本条件:1康复机器人的工作空间需与正常肢体的运动空间一致;2康复机器人应能 按照正常肢体的运动方式对患肢的各个关节进行有效的刺激; 3康复训练过程中不能 [6, 13] 让患者感觉不适或者存在安全隐患 。相比较而言,外骨骼结构的康复机器人具有 能完全确定患肢的形位以及通过合理的结构设计避免过度拉伸而伤害患肢的优点, 因而更容易满足以上三个要求,目前已经成为设计具有人体工程学特点的康复机器 人的首选结构。 国内在康复机器人的本体结构设计方面已有部分实验性的样机,基本采用了外 7华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 骨骼式的本体结构,已有部分关于外骨骼下肢康复机器人本体结构的专利,然而在 运动的柔顺性、可穿戴性以及安全性方面还存在一定的问题,还没有发现基于人体 工程学原理设计的上肢康复机器人结构方面的专利报道。 3 康复机器人驱动系统设计技术的现状 目前康复机器人驱动系统中的执行器主要有如下几种:电机、气缸和气动肌肉。 但是由于电机和气缸均属于刚性驱动元件,采用它们作为康复机器人的驱动器存在 着严重的安全隐患,而气动肌肉作为一种柔性驱动器则不存在这方面的问题,因而 [19, 22] 是一种很有发展前景的康复机器人驱动器 。美国的 Joseph L.McKibben医生 1950 年到 1960年之间开发了 McKibben气动人工肌肉,进行人工假肢的研究。随后气动 人工肌肉被应用于仿生学,如人工脚踝、仿人机械臂等,现在又被引入康复机器人 领域,如日本教授提出的气动人工肌肉驱动的肩关节装置,何际平教授开发的 [20, 23-27] RUPERT,以及手部康复设备等 。 从患者的角度考虑,康复机器人的驱动方式主要有三种形式:1主动式,这种康 复机器人对患肢不施加任何主动的作用,康复机器人通过绳索和皮带将患肢夹持在 支架上,患肢只能在有限的空间内运动;2被动式,这种康复机器人装备有电机、气 动或者液压等驱动机构,以此辅助患者运动,这些驱动机构所采用的控制方式主要 是开环控制;3主/被动协调式,这类康复机器人的驱动系统中采用了基于阻抗控制 的反馈控制策略,能够在患肢运动过程中施加相应的阻力或者牵引力。由于采用主/ 被动协调驱动方式的康复机器人系统易于根据患肢的恢复情况建立昀优的康复训练 策略,因而这种驱动系统的设计方式已成为康复机器人驱动系统设计的主要发展方 [6, 28, 29] 向 。 在控制系统的设计上,对于应用传统执行器?电机的控制,主要采用 PID控制、 阻抗控制、模糊控制等方法进行研究,具有良好的控制效果。而对于气动人工肌肉, 因为其严重的非线性,很难做到精确的位置控制,国内外对于其精确的位置控制研 究主要采用模糊控制、模糊 PID控制、自适应控制,H 控制等方法,根据不同的条 ? [30-34] 件,系统具有较强的适应性 。但是目前上述控制方法主要应用于仿真,还没有 实际应用于康复领域的相关论文。 8华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1.5 机器人辅助康复训练的初步结论和发展趋势 采用机器人进行辅助康复训练,目前还只是刚刚开始,所得结论还有待长期的 实践检验。根据目前的各项研究结果,与传统的依靠医护人员进行辅助康复的方式 相比较,可以做出以下总结: 1 患者可以接受机器人辅助治疗,治疗过程具有吸引力; 2 合理的机器人结构和控制系统设计,可以确保使用的安全性和康复的有效 性; 3 相关的临床实验研究表明,采用康复机器人辅助患者进行康复训练,可以提 高康复训练的效果; 4 单自由度康复机器人工作空间有限,需要设计多自由度的结构来保证全方位 的康复训练; 5 可以实时记录训练过程中的各项参数,为康复的改进和评估提供了有效的数 据支持; 6 康复机器人可以实现预定轨迹和速度的运动,能实现力、位置和轨迹的重复 训练。 尽管机器人辅助康复训练具有明显的优势,并且已经取得了比较好的效果,但 是目前还存在一些问题,主要体现在:一方面驱动方式主要是电机驱动,刚性太强, 结构上比较重,体积比较大;另一方面康复训练的临床数据过少,缺乏强有力的理 论支持;还有机械手一般都是夹持患肢上的一点进行运动,使患肢上各关节的运动 过程产生不确定性,不能控制特定肌肉的运动过程等。 目前康复机器人的发展趋势主要体现在以下方面: 1 机械结构上采用外骨骼式结构,并采用人体工程学的设计方法,使患者从心 理上能接受机器人康复训练的新模式; 2 采用轻型化的材料,减少对患者肢体的压迫; 3 采用柔性驱动器,如气动肌肉等,提高训练的安全性; 4 采用主/被动协调控制技术,保证训练模式的多样性,针对不同 的康复训练 期提供有效的训练; 5 利用虚拟现实技术,提高训练过程的趣味性。 9华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1.6 论文的主要工作 本论文旨在分析偏瘫康复训练的理论和治疗方法,设计符合人体工程学特点的 肘关节康复训练装置,并进行控制系统的初步研究,提出基于 PID的位置控制策略。 论文的主要研究内容如下: 1 偏瘫运动康复治疗的理论基础 包括偏瘫的特征和康复治疗方法,运动功能训练的方法和在临床康复中的作用 以及康复训练机器人的设计要求。 2 肘关节康复训练装置的设计 包括肘关节康复训练装置的结构设计,气动系统设计和控制系统设计。 3 肘关节康复训练装置中的相关关键技术研究 包括气动肌肉的静态和动态性能研究,气动人工肌肉系统的建模和辨识以及基 于 PID的位置控制算法研究。 4 肘关节康复训练装置的实验研究 包括实验对象、设备、过程和结果分析。 10华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 偏瘫运动康复治疗的理论基础 2.1 偏瘫的特征和常见的康复治疗方法 2.1.1偏瘫的特征 [1] 中风后发生中枢性偏瘫的患者具有如下特征 : 1、高位运动调控中枢受损。随意运动是大脑的各级中枢将外周的传入信息整合 后形成运动程序,通过运动程序控制各运动环路,实现各种随意、协调、分离、精 细的运动。中枢性瘫痪使这一过程受到阻碍,因而中枢瘫运动障碍的特点便是随意 性和协调性丧失; 2、肌张力变化。中枢瘫时,由大脑高级运动调控中枢损害,使其对脊髓低级运 动中枢的调控及抑制性作用中断,致使低级中枢的原始功能释放,加之外周的“输 入强化”作用影响,导致运动环路的兴奋性增强,表现为肌张力增高、肌肉痉挛、 关节挛缩僵硬、屈伸不利即痉挛性瘫痪; 3、运动模式发生变化。中枢瘫时,由于对运动的调控障碍及反射 异常,常导致 运动模式的改变,如联合反应、共同运动等异常运动模式的出现; 4、具有其它伴随症状。中枢瘫时期除运动障碍外,还常伴有其它功能障碍,如 语言、认知、智力障碍等。 2.1.2偏瘫的常见康复治疗方法 研究表明:脑卒中偏瘫后,中枢神经系统可通过各种方式沟通相关的突触链, 进行功能重组,使患侧功能恢复成为可能,在恢复过程中常首先出现不协调的粗大 的共同运动或联合反应,必须通过康复治疗或自觉地抑制那些异常的运动活动,不 断促通新的正常的运动通路,才能避免强化错误的运动模式,使运动功能沿着正确 的轨道恢复。进行康复训练时,应遵循人类运动发育规律,由简到繁、由易到难逐 级训练,昀终达到患侧功能的恢复或代偿。这就是偏瘫治疗学的基本理论和原则。 [35-37] 目前再临床上治疗偏瘫的方法主要有 : 11华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 各种理疗 康复医学中的理疗包括电疗、光疗、水疗、蜡疗以及中西医结合的电针疗法、 超声疗法、穴位磁疗、中西药直流电导入疗法等。2 作业疗法: 作业疗法指引导患者去完成按照一定的目的和方法设计的任务,如抓起一个杯 子等,从而达到改善或者恢复其生活能力的目的,同时在心理上给患者以信心,增 强康复的效果。 3 运动疗法 运动疗法是根据疾病特点和患者功能情况,借助治疗器械和治疗者的手法操作 以及患者自身参与,通过主动和/或被动的方式来改善人体局部或整体的功能,提高 身体素质以满足日常生活需求的一种治疗方法。而其利用脑卒中偏瘫特点,根据神 经生理学和发育学原理来促进中枢神经系统的功能康复。运动疗法是脑卒中偏瘫康 复基本手段之一。 运动疗法的主要作用体现在以下方面:促进患者的主/被动运动,提高关节的活动度;防止肌肉萎缩,减小肌张力;促进运动的控制和协调能力。 4 神经促通技术facilitation techniques 神经促通技术又称促进技术,指利用各种方式刺激运动通路上的各个神经元, 调节它们的兴奋性,以获得正常的运动输出。主要的促通技术包括 Bobath技术、 Rood 技术,Brunnstrom 技术等。这些技术在不同国家和地区广为流行,经过数十年的临 床应用,得到了不断的发展。有人认为神经促通技术在方法本质和应用目的上也属 于运动疗法的范畴。 2.2 运动功能训练的方式和方法 运动疗法的方式很多,但是基本都是通过关节的运动来促通肌肉的伸缩运动, 从而锻炼肌肉力量,防止肌肉萎缩,引导运动神经的恢复。 12华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2.2.1按照肌肉的收缩形式分类 1 等张收缩 等张收缩,即肌肉收缩力大于阻力时产生的加速度运动和小于阻力时产生的减 速度运动,特点是肌肉的长度发生了变化,故引起明显的关节运动,但运动时的肌 张力大致恒定,所以称等张收缩或动力收缩。 2 等长收缩 等长收缩,即肌肉收缩力与阻力相等,不引起关节运动,肌肉的长度不变,故 [36] 称等长收缩或静力收缩 。 2.2.2按照主动用力的程度分类 1 主动运动 主动运动:指部分或者完全不依靠外力来完成的运动或动作,由患者主动地依 靠自身的努力来实现一定的运动,医护人员起辅助作用。主动运动的方式主要应用 于康复阶段中的痉挛后期和恢复期,该阶段患者已经过被动运动的训练,肌肉有了 一定的力量,可以抵抗部分肌张力,应鼓励患者进行主动运动,进一步提高肌肉力 量,提高患者对肌肉运动的控制能力。当患者恢复到一定阶段,通过康复训练装置 施加与主动运动反向的阻力,增加主动运动训练的强度。 进行主动运动时,必须注意尽量鼓励患者依靠自身努力完成任务,不能轻易放 弃;同时训练的过程应该循序渐进,训练的强度应该由小到大,动作的难度应该由 简单到复杂,要避免过度劳累和用力活动;施加阻力过程中必须 保证安全性,否则 会产生相反的效果。 2 被动运动 被动运动:是指全靠外力来完成的运动或动作,外力可以来自人力或器械,通常 由医务人员施行,亦可由患者用健肢来进行。 被动运动使关节在其活动范围内运动,同时牵伸相应的肌肉、肌健、韧带、关节 囊等软组织,因此能防止挛缩与粘连形成,维持与恢复关节正常活动范围,保持肌 肉静态长度。被动运动使肢体反复屈伸,能改善肢体血液循环,也有助于防止或消 除肢体肿胀。对于瘫痪肢体,被动运动还有增强本体感觉,刺激屈伸反射,放松痉 13华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 挛肌肉,为进行主动运动做准备等作用。 被动运动主要应用于软瘫期和痉挛期,此时肌肉处于无力或者开始出现一定的 肌张力,通过被动运动辅助运动或者抵抗肌张力,防止肌肉萎缩。 进行被动运动时,须注意以下几点:?患者应处于舒适或自然的体位,肢体充分 放松,并将身体不参与活动的部分适当支托好;?要确定被动运 动的顺序是从肢体 近端至远端,还是从远端至近端。前者常用于瘫痪病人,后者则用以促进肢体血液 淋巴回流,改善血液循环;?对于要活动的关节,应固定或支托好肢体近端,远端 重量全由操作者支持,使活动充分自由;?支托或抓握肢体的手应尽可能靠近关节, 在进行被动运动过程中可对关节稍加牵拉,活动昀后应对关节稍加挤压;?被动运 动的动作应缓慢、柔和、平稳、有节奏。 2.2.3按照运动的自由度分类 1 单关节运动 单关节运动顾名思义即只进行单一关节的训练,如肘关节的弯曲和伸展运动, 这是在康复训练的初期或者为了提高特定肌群的力量所采用的训练方式。这时运动 的方式单一,目的性比较强,增强神经系统对特定动作的印象,促进神经功能的快 速恢复。 2 复合运动 复合运动是目前康复运动中采用昀多的方式, 因为患者的肌肉群必须通过多关 节的运动来实现。而关节肌肉中,多关节肌占多数,所以必须进行复合运动训练。 通过复合运动可以锻炼肌肉的运动协调能力,以及对多种肌肉群的控制能力。复合 运动主要采用基于特定任务的方式实现,比如拿水杯喝水,这一系列动作必须通过 多关节的复合运动才能实现。同时从心理上给予患者积极的治疗,提高患者康复的 信心。进行复合运动时必须非常小心,避免肌肉损伤。 2.3 康复训练机器人的设计要求 综上所述,要研发能够应用于中风偏瘫患者康复训练的机器人,并保证训练的 有效性和操作的安全性,机器人机械结构、驱动方式和控制系统的设计必须满足特 14华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 定要求。 2.3.1康复训练机器人的机械结构特点 康复训练机器人不同于一般的工业机器人和移动机器人,其结构的设计必须保 证康复过程中牵引或者穿戴的舒适性。根据其使用的背景,康复训练机器人的机械 结构设计有如下特点: 1 对于末端牵引式康复训练机器人,必须保证能平衡肢体的重量。康复医生进 行训练时,一般都是托住患者的肘关节,所以必须有肘关节支撑机构。同时,支撑 机构不能对运动过程产生干涉,所以一般将其设置在机构的边沿部分。末端牵引式 康复训练机器人的牵引力作用点一般在患者的手腕处或者由患者用手指握住。 2 对于外骨骼式康复训练机器人,机构的整体重量都由患者承担,所以机构材 料必须采用低密度、高强度、无污染的材料,如碳素纤维等,以减轻整体重量,同 时减少对患者的伤害。为了对多关节肌肉和单关节肌肉进行有效的锻炼,同时提高 患者对肌肉的控制能力和协调能力,增强外界的刺激,促进神经功能的恢复,机器 人必须具有多自由度,以保证复合运动的进行。各关节的设计必须与人体关节重合, 避免错位造成附加力,对患者造成伤害; 3 在尺寸和关节设计上尽量符合人体工程学的特点,根据患者的臂长可进行适 当调节,提高机器人的适应性。 2.3.2康复训练机器人的控制系统特点 康复训练机器人一般应具有主/被动运动的功能,并且能针对患者康复训练的不 同阶段调整运动强度,所以必须对其控制系统进行独特设计。 在被动运动训练的过程中,运动的角度可以根据康复情况进行选择。如康复初 期,患者处于软瘫期,肌肉基本无张力或者很小,所以被动运动的范围可以比较大, 随着肌张力的逐渐恢复,运动范围要随着改变。在痉挛期,有一定的肌张力,所以 必须控制运动的角度逐步变化,这样会避免肌肉拉伤。主动运动的力也是可以调节 的,根据被动运动的效果和患者的恢复情况,以控制运动的动态性能。 对于控制系统的要求,传统的控制系统评价为稳、快、准,而康复训练机 器人控制过程中的振荡会导致速度和加速度的突变,从而对患者肌肉组织造成冲击, 15华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 反而不利于康复,所以康复训练机器人控制系统的主要评价指标是稳定性。同时康 复训练过程必须根据患者的恢复情况采用合适的速度控制,关节 的角速度过快容易 导致肌肉的损伤,而过慢容易导致低速爬行和振荡的现象,所以一般康复训练中关 节的角速度以 10?/s 左右为宜,以保证运动过程的平稳性。康复过程中对运动角度 的准确性要求不高,原则是在满足稳定的前提下提高准确性。 2.3.3康复训练机器人的安全性要求 由于偏瘫患者的肢体尤其脆弱,所以康复训练机器人在安全性方面有更高要求。 一方面不能让患者产生恐惧心理,外观上要易于接受,结构上不能产生干涉或者与 人体关节不符;其次机构上必须有限位装置,防止控制过程中的过度运动;在控制 系统设计上,必须设置安全阈值,保证可靠性和安全性;整套设备应符合相应的医 疗设备电工安全等级GB 9706.15-1999,其外壳漏电流和患者漏电流不能超过 0.1mA。 2.4 本章小结 本章讨论了偏瘫的特征和目前临床康复训练所采用的康复训练方法,特别对运 动康复训练进行了详细的分类讨论,给康复训练提供了坚实的理 论基础。在此基础 上,提出了康复训练机器人机构设计的要求、控制系统设计要求和安全性要求。 16华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 肘关节康复训练装置的设计 康复训练机器人的主要功能是辅助病患进行康复训练,并为医生提供康复评价 的相关数据,所以一般的康复训练机器人系统应包括辅助训练系统、反馈控制系统 和康复评价系统。辅助训练系统主要用于康复过程的主被动训练,包括机械结构部 分、驱动系统部分和控制系统部分;反馈控制系统用于采集训练过程中的各项医学 数据,如训练过程的速度、加速度、肌张力等;康复评价系统用于对康复训练的效 果进行评价,并及时进行训练修正,以达到昀好的训练效果。 本论文的研究工作主要是围绕肘关节康复训练装置展开的。 3.1 肘关节康复训练装置的整体设计 人体肘关节由肱尺、肱桡和桡尺近侧三组关节包于一个关节囊内构成,是一个 复合关节图 3.1所示。 肱骨 肱骨内上髁 关节囊 鹰嘴 桡骨副韧带 尺侧副韧带 桡骨环状韧带 尺骨 桡骨粗隆图 3.1 肘关节示意图 肱尺关节:是肘关节的主关节,有肱骨滑车与尺骨滑车切迹构成,可展伸 140 度。肱桡关节:由肱骨小头和桡骨的关节凹构成,只能做屈伸和回旋运动。桡尺近 侧关节:由桡骨环状关节面与骨上端的桡切迹构成。伸肱时,前臂与上臂不在一条 直线上,前臂与上臂之间形成一开向外侧的角度,这个角叫提携角(男性约为 165 17华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 度,女性约 135度)。 肘关节的主要活动有屈曲、伸展、内旋和外转,其中屈伸运动由肱尺关节完成, 而内外旋必须由桡尺近侧关节和桡尺远侧关节同时运动完成。 因为肘关节的旋转运动比较复杂,对于可穿戴式结构难以实现。 本研究中肘关 节康复训练装置主要用于对肘关节进行屈伸训练。运动肘关节的肌肉通过肌腱附着 于肱骨的内、外上髁,肱二头肌、肱肌和肱桡肌负责屈曲肘关节,肱三头肌负责伸 直肘关节。该系统为单关节康复训练的装置,对上述肌肉群进行康复训练。该肘关 节康复训练装置为可穿戴式上肢康复训练机器人的一部分,故必须考虑模块化和轻 量化的设计,能够方便的进行单关节训练和与肩关节配合的复合运动训练。 目前在研的康复训练机器人多数采用直接安装在关节转轴处的电机驱动。为了 保证电机输出的转矩较大,其重量和体积均较大,这对于末端牵引式的机器人而言 是比较适用的。然而,为了便于穿戴和保证康复训练的安全,机器人的重量和体积 应尽可能小,驱动器动作应柔顺,为此本研究中机器人关节采用气动人工肌肉进行 驱动。 对气动人工肌肉的控制主要进行闭环的位置控制研究,本研究中控制系统的输 入为电压信号,输出为关节的转角变化和输出力变化。控制过程中,通过角度传感 器检测关节的旋转角度,作为反馈信号;通过拉力传感器检测气动肌肉的输出力, 作为安全阈值,从软件上保证安全性。在康复训练的模式上采用多模式设计方法, 根据不同的康复阶段,可以选择不同的康复训练强度,并实现主/被动运动控制。 可穿戴式肘关节康复训练装置的整体设计框图如图 3.2所示: 图 3.2 机器人系统框图 18华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3.2 肘关节康复训练装置的机械结构设计 由上节的讨论可知,肘关节康复训练装置虽然只有一个自由度,但是其应用的 场合具有特殊性,所以在进行机械结构设计时必须进行人体工程学的综合考虑,使 其与人体肘关节的工作空间吻合,同时对一定身高范围的人具有适应性或可调整性。 3.2.1肘关节康复训练装置的机构原理 人体肘关节虽然为两自由度关节,但是根据上节讨论,本机械结构只考虑肘关 节的屈伸运动。从原理上讲,各种四杆机构均可以实现上述要求。 然而,通过反复 的实验测试和受力分析,本研究决定采用转动导杆机构作为肘关 节屈伸运动机构, 其原理图如图 3.3a所示。 T T l l A 2 1 l l A 2 1 α α l 2 l 1 l f 2 l 1 F f F O O B B β C G C Ga b 图 3.3 转动导杆机构原理图 采用转动导杆机构具有以下优点: 1 使用滑块代替一根连杆,结构简单; 2 通过减小滑块和导杆间的摩擦系数,可以大幅度减小运动过程 中沿导杆方向 的无效分力,保持结构的稳定性,提高效率; 3 滑块对导杆的作用力始终垂直于导杆,传动效率高,不会出现 奇异位置。 19华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3.2.2肘关节康复训练装置机构参数的优化设计 转动导杆机构运动过程中的受力如图 3.3b所示,设连杆AC的长 度为l ,恒定 2 T A 的驱动力矩 作用于转轴 ,B、C两点之间的距离为l ,G为人体上臂和机构的总 3 O B 重量,质心 距离 的距离为l 。当人体上臂弯曲的过程中,人体上臂和机构的总重 0 量G对转轴B的阻力矩随着发生变化,由图 3.3b可以看出,当人体上臂运动至与大 臂垂直的位置时,总重量G对转轴B的阻力矩达到昀大值。在此位置,必须保证驱 动力F 沿垂直于导杆方向的有效作用力 f 昀大,如式 3.1所示: f 3.1 由几何关系可以得到有效作用力 f 与驱动力F 和转角 α 之间的关系如式 3.2所示: f Fsin α3.2 由力的平衡和几何条件关系得到的约束条件如式3.3所示: T Fl 2 l l / cos α 3.3 2 1 α ?[5 ?,75 ?] 对有效作用力 f 求偏导,并令其等于 0,得到:f T 2 2 cos αsin α 0 3.4 α l 1 在约束条件3.3的范围内求解式3.4可以得到: α 45 ? F 即在 β 角为 90?的条件下,当 α 45 ?时驱动力 沿垂直于 导杆方向的有效作用 T 力 f 昀大,且昀大力为 f 。 2l 1 20华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 3.4 肘关节康复训练装置样机 根据人体上肢的几何参数确定l 的长度,并按照上述优化的参数 进行结构设计, 1 昀后加工装配的肘关节康复训练装置样机如图 3.4所示。 3.3 肘关节康复训练装置的气动驱动系统设计 肘关节康复训练装置的气动驱动系统由两部分组成:气动执行器和气动驱动系 统。其中,气动执行器采用气动人工肌肉Pneumatic Muscle,而气动驱动系统接收 来自控制系统的信号,驱动气动执行器产生输出力和位移,带动肘关节康复训练装 置的运动。 3.3.1气动人工肌肉特点 气动人工肌肉是一种新型的拉伸型气动执行元件,是现代气动技术与机器人技 术、仿生技术、医疗技术相结合的产物。气动人工肌肉突破了气动驱动器必须由气 体推动活塞的传统概念,只是由一段外部包裹纤维网的橡胶筒和两端的接头连接组 成,如同生物肌肉那样能产生很强的收缩力,如图 3.5所示。气动人工肌肉作为一种 全新的气动执行元件,甚至被称为“气动技术的一场革命”。 21华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 3.5 德国 FESTO 公司的气动人工肌肉 昀早的气动人工肌肉为美国的 Joseph L.McKibben医生 1950年到 1960年之间开 发的 McKibben 气动人工肌肉,其昀初是为进行人 工假肢的研究而开发的驱动器。 近年来,德国的 FESTO公司、英国的 ShadowRobot 公司、日本的 Bridgestone Rubber 公司等陆续开发出气动人工肌肉产品,应用于工业自动化、机器人和医疗领域。气 动人工肌肉由内部的橡胶管和外部的纤维编制管组成,通过径向的膨胀和轴向的收 缩实现力和位置的输出。气动人工肌肉的收缩率与输出力成非线性关系,昀大收缩 率可以达到 20%。 [38] 与传统的电机、气缸、液压缸等驱动器比较,气动人工肌肉具有以下优点 : 1 功率/重量比大,可以达到 5kW/kg,甚至 10 kW/kg;2 重量轻,结构简单,安装方便,两端通过螺钉连接,因为重量轻,安装位置 可以竖直或者水平等; 3 柔性好,安全性高,应用于康复训练机器人具有明显优势,避免的了电机等 的硬机械特性; 4 清洁卫生、噪音小,适用于医院、家庭等不同场合,不会对环境造成污染; 5 具有主动制动性能,当气动人工肌肉的编织角达到极限时即不 能继续收缩, 所以控制上具有一个缓变的减速过程。 同时气动人工肌肉具有其本身的一些缺点: 1 收缩率有限,一般应用场合只能达到 15%左右,对其应用构成 了限制; 2 系统的非线性严重,导致精确的位置控制存在难度。 22华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 表 3.1 气动肌腱技术参数 规格 内径 20mm 工作介质 过滤压缩空气 结构特点 高轻度纤维收缩隔膜 工作方式 单作用,拉 昀大输出力 1600N 昀大需用收缩 额定长度的 20% 昀大收缩时的直径扩张量 40mm 工作压力 0-6bar 重复精度 额定长度的 1% 图 3.6 气动肌腱的工作范围 在本研究中采用 FESTO公司生产的直径 20mm气动肌腱,其主要 技术参数如表 3.1和图 3.6所示。 3.3.2气动伺服控制系统 传统的气动控制技术只能实现两个机械调定的位置的准确定位,并且其速度控 制只能依靠单向节流阀来单一调定。在 50 年代,国外曾发表过运用PI 调节实现高 温高压的气动位置控制系统。此后,因为气动伺服系统空气压缩性大、粘度小等原 因,难以用古典控制方式实现精确的位置控制,该技术发展缓慢。 1979年西德 Aachen R.W 工业大学的 W.Backe 教授成功研制出第一个气动伺服阀,从而推动了气动伺服 技术的进一步发展。随着现代控制技术的发展和高速开关阀的出