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-1-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）摘要：多自由度力觉辅助远程康复训练机械臂的设计采用并行连杆机构。这种机械结构的优点是易于控制、机构轻巧，控制两个点就可以让机械臂在一个范围很大的二维空间内运动。通过离合器的开合可以完成主动治疗和被动治疗的切换。机械臂系统将力反馈遥操作机器人技术应用于上肢受伤和中风病人的辅助康复医疗，患者可以在家中根据医生的远程设定自行进行康复锻炼。可以预计，该系统的应用，不仅可以大大提高医生的工作效率，而且极大地方便了广大上肢受伤和中风病人。关键词：并行连杆机构；三自由度；力反馈；基于Internet的远程测控；康复医疗训练1引言机器人技术一项重要的科学技术，特别是机械设计、计算机、自动控制技术等现代技术发展的重要产物之一。随着电子技术、传感器技术、医学影像技术、现代信息处理技术等技术的飞速发展,机器人技术应用到医疗领域,由此而产生了医疗康复机器人。医疗康复机器人的发展不仅在医学领域产生了重大的影响,为传统医学带来了极大的技术甚至是观念上的变革,而且作为一种产业已经成为世界经济新的增长点,因而受到了世界各国的普遍重视[1]。上肢受伤和中风病人需要在医生的指导和一定大小的外力的作用下进行肢体功能的恢复锻炼。传统的康复训练设备大多单纯采用机械结构，使用时每个病人都需要有一个专门的康复医生帮助治疗。而随着中国人口老龄化的加快中风病人将越来越多，患者多医生少的矛盾越来越突出。我们的创新设计作品是一种康复训练机械臂。它是一种可以自动控制的，用于中风病患者康复训练的康复机器人；它使得每个医生可以同时指导多个病人进行康复治疗。2国内外研究概况康复治疗机器人是康复医学和机器人技术的完美结合。20世纪80年代是康复机器人研究的起步阶段,美国、英国、加拿大和日本在康复机器人方面的研究处于世界的领先地位。1990年以后康复机器人的研究进入到全面发展时期[3]。目前,康复机器人的研究主要集中在康复机械手、医院机器人系统、智能轮椅、假肢等几个方面[4]。2.1康复治疗机器人的研究现状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。运动系统的问题可以划分为两类: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[4~7]。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。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[8]。当病患经历了中风(Stroke)、帕金森氏病(Parkinson’sDisease)等一系列的运动神经伤害后，往往也会失去运动的能力。这就需要运动技能的学习或再学习。运动技能的学习或再学习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,下面详细介绍。2.2CPM机CPM机是利用康复医学中连续被动运动(ContinuousPassiveMotion/CPM)[8]的基-2-本原理对受伤肢体进行康复治疗的机械装置,是目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机进行了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。但由于受技术水平的限制,这类CPM机长期停留在“大关节”康复的范围内。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(图2.2为Rolyan公司的手关节和腕关节CPM机),但他们还不能像“大关节”CPM机那样实现精确的控制,不能对手指抓握等精巧的动作进行训练,治疗的效果还有待提高[9]。图2.2Rolyan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(CerebralPalsy)[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-imagemotionenabler），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-3-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/ssystem、REHAROB以及华盛顿大学设计的7DOF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36mm提高到41mm。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机器人技术应用于上肢受伤和中风病人的康复医疗训练，针对上肢受伤和中风病人康复医疗和锻炼的需要，设计了一种基于互联网的、一对多的力觉辅助远程康复医疗机器人系统臂，使一个医生可以同时指导多名中风病人的康复训练，同时又可以使部分中风病人或伤残病人无需住院训练治疗，利用基于互联网的远程力觉辅助康复医疗机械臂，在家中就可以根据医生的远程设定自行进行康复训练。医生则可以对病人进行监控，并根据不同患者的治疗情况及时地远程调整康复方案。单自由度康复锻炼机械臂的主要功能是医生通过远程操作，控制直流力矩电机带动机械手一端的转动，病患的手放在机械手的另一端，患肢被带动着做平面往复转动，以达到康复-4-锻炼的目的。单自由度康复锻炼机械臂的结构如图2.7.1所示，主要由机械臂，手柄，托盘，位置传感器及电机和底座构成。臂的一端安装力传感器，力传感器采用应变计式侧力传感器，用于测量人手和机械臂之间作用力，其测量精度为0.5%F.S。另一端用于放置病患的手部，为使病患的手放置的舒适，设计一个圆盘安装在手臂上，使得设计更加人性化。机械臂的上方与位置传感器相连，以测量机械臂转动的角度，位置传感器采用电位计式，精度较高可以达到0.1%F.S。考虑到电机的轴与角位移传感器的轴不可能完全对心，为防止刚性撞击，增加柔性联轴器联结直流力矩电机与角位移传感器。图2.7.1单自由度力觉辅助远程康复训练机械臂结构图图2.7.2单自由度力觉辅助远程康复训练机械臂实物图东南大学宋爱国教授等的单自由度机械臂的缺点是只有一个自由度,无法对患者的上肢进行充分运动。为此，我们对上述系统进行了改进，设计了三自由度上肢康复训练机器人，它有较大的运动空间，可以对上肢关节进行康复医疗训练。3多自由度力觉辅助远程康复训练机械臂设计的的医学基础3.1背景从国家统计的数据看，1951年到2003年（其中68、69两年空缺），51年中全国因道路交通事故死亡有1655300人，致伤致残的有5887180人。[11]很多因此而致残、受伤的患者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。据资料统计，有关大脑方面的疾病是我国居民死亡率最高的三大疾病之一，我国每年新增患者人数超过300万人，而且随着老龄化的加剧，患者人数会不断增加。虽然随着脑神经外科技术的不断发展，越来越多的患者得到了及时的治疗，挽救了生命，但由于脑血管意外的致残率很高，偏瘫和其它运动障碍患者的人数也随之增加，据1989年上海市的统计调查，-5-6万名脑血管意外后的幸存者中，90%以上有脑血管意外后遗症，其中偏瘫居首位[12~15]。据不完全统计，在美国有620万上肢运动障碍者，而我国偏瘫等上肢运动障碍患者超过1000万。这类疾病对患者本人、家庭造成生活、心理及其它方面的冲击。社会和家庭需要花费极大的代价来治疗和护理这些患者，造成社会成本的很大浪费。因此，寻求有效的康复手段，使患者在一定程度上恢复失去的功能，有利于提高患者本身的生活质量，并减轻社会的负担。3.2生物力学或生物物理化学类型康复训练的医学基础辅助康复控制系统的特点和难点--设计必须符合康复医学理论的康复控制策略。其中最重要的一点就是生物力学的控制策略。机器人要感知患肢状态（力量和位置）并采取相应的控制策略。这是辅助康复控制的技术难点。患肢运动过程中,其肌张力的变化、肌肉痉挛的出现将会使系统负载和动力学参数发生不确定的大幅度改变,有可能使控制系统变得不稳定。而患肢运动信息的错误辨识将有可能造成肌肉组织撕裂、肌肉痉挛及结缔组织损伤。因此,在控制系统适应性、传感器技术应用、运动评估数据分析和算法方面需要作更深入的研究[14~27]。辅助肢体运动功能康复机器人的系统设计有其自身应用和设计的特点。不能在脱离运动