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康复机械手臂说明讲述：刘建民2008.11.18项目研究的背景及意义国内外研究现状机械手臂的结构、功能及特点项目发展前景展望一、项目研究的背景及意义1、项目研究的背景中风是一组好发于中、老年人的急性脑血管病，其特点是发病率高、死亡率高、致残率高、复发率高、并发症多等特点，因此又称“四高一多”症，是严重威胁人类健康的疾病。我国每年新发完全性脑中风120－150万人，死亡者80－100万人，死亡人数占发病人数66.7％，存活者中约75％致残，5年内复发率高达41％。美国每年有50万人发病，其中15万人死亡。存活者中需要医疗照顾的200余万人。就世界范围来说俄罗斯、芬兰、香港的发病率更高。香港每1000人当中便有10至20人曾经中风，每年新增病例达14000例左右，因中风入院的病人数目超过两万，占全年入院总人数的1/5，所导致的死亡个案每年更逾3000例。近年来的统计结果表明中风的发病率在逐年上升，发病的年龄也在年轻化，青壮年的发病率所占比例达到10%左右，甚至婴儿也会患中风。根据现在的医疗技术，也只是把这些生命从死亡线上挽救回来，可是伤残带给他们的问题又是一生的困扰。2、项目研究的意义偏瘫康复训练的传统方法是治疗师对患者进行手把手的训练。病人中风以后，部分中枢神经受到损伤，对身体某一部分的运动控制功能丧失，临床上表现为偏瘫。急性期内瘫肢通常衰弱无力，即处于软瘫期；大约治疗一周以后，肌张力逐渐增高，出现异常运动模式，继续进行康复治疗，可以恢复部分或全部运动功能。在这整个过程中，偏瘫患者上肢的各种动作必须在治疗师的辅助之下才能完成。通常治疗师要握住患者的患肢，通过各种手法辅助患者进行运动。这种训练方式存在如下一些问题：（1）一名治疗师只能同时对一名患者进行动作训练，训练效率低下；（2）由于治疗师自身的原因，可能无法保证患者得到足够的训练强度；（3）训练会受到不同治疗师自身因素的影响，治疗效果多取决于治疗师的经验和水平；（4）不能精确控制和记录训练参数（运动速度、轨迹、强度等），不利于治疗方案的确定和改进；（5）不能记录描述康复进程的各种数据，康复评价指标不够客观；（6）无法建立训练参数和康复指标之间的对应关系，不利于偏瘫患者神经康复规律的深入研究；（7）不能向患者提供实时直观的反馈信息；（8）训练过程不具吸引力，患者被动接受治疗，参与治疗的主动性不够。另外，由于缺乏客观可控的手段对整个康复过程进行监控，因此在现有的各种治疗方案中，治疗结果并没有明显的优劣之分。就是说，对现有治疗方法还没有有效的办法可以进行比较和优化。采用机器人辅助治疗的技术，有可能解决上述所有的问题。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；其次，机器人可以将治疗师从繁重的训练任务中解放出来，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；再次，机器人可以客观记录训练过程中患者受损肢体的位置、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；更进一步，机器人所记录下的详细数据，使得治疗师有可能从中发现数据与治疗结果之间的对应关系，从而有可能深入了解中枢神经康复的规律，并进一步了解人类大脑与人类运动功能之间控制与影响的关系，为人类大脑的开发开辟新的天地；还有，使用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，使患者能够积极参与治疗，并及时得到治疗效果的反馈信息；最后，使用机器人治疗技术，使得远程治疗和集中治疗（一名治疗师同时为几名患者提供指导）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。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，人们开始将目光投向机器人应用的另一领域—治疗机器人。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。本项目的主要目标就是使用这四种技术，设计一种辅助偏瘫病人进行康复训练的机器人，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——康复效果三者之间的关系，达到提高训练效率和优化康复效果的目的。返回主目录二、国内外研究现状康复机器人是工业机器人和医用机器人的结合。第一次尝试把为残疾人服务的机器人系统产品化是在20世纪的60年代到70年代。实践证明这些尝试都失败了,其主要有2个方面原因：其一是设计的不理想,尤其是人机接口；另一个不是技术的原因,而是因为单价太高导致了康复机器人产品化的失败。20世纪80年代是康复机器人研究的起步阶段,美国、英国和加拿大在康复机器人方面的研究处于世界的领先地位。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、假肢和康复治疗机器人等几个方面。其中康复机械手国内已经先后研究出了一系列产品：如下图1所示为肩关节专用机械手，可实现肩关节的前屈、后伸、外展、内收及上举、旋转各种运动。图2供肘关节功能恢复之用。图3采用回转运动方式，模拟手指自然运动轨迹，适用于手指康复锻炼。配置左、右手套件，左、右手均可使用。这些产品的共同点：都针对某一关节进行康复锻炼，是在患者患肢上的一点进行牵引，以这一点的运动轨迹来替代整个患肢的运动轨迹，并确定患肢上各关节的活动。其只能带动患者患肢做小幅度的运动，运动范围仅限于患者身体正前方的小块区域，不能带动患者患肢做向体侧的大范围大幅度的伸展运动，从而不能充分提供中枢神经康复所需的运动刺激。而且，机器人对患肢的支撑不具灵活性，不利于患者发挥患肢的残余功能。返回主目录三、机械手臂的结构、功能及特点基于前面所述现有产品的局限性，本项目的目标是研制一台用于偏瘫上肢复合运动康复辅助训练的机器人。通过机器人对患者患肢的牵引，不仅可以在多个运动平面内帮助患者完成上肢多关节、大范围、大幅度的复合运动康复训练，而且可根据不同情况允许患者进行自主支撑，有利于患者发挥患肢的残余功能。在临床应用上，通过对不同类型的患者进行机器人辅助康复训练的方式，提取大量临床治疗数据，为临床治疗方案的制定和优化提供客观依据；归纳出易于测量、便于反馈的康复评价指标，向患者和治疗人员提供实时、直观的反馈信息；对比治疗参数和康复指标之间的关系，进而总结出机器人辅助偏瘫康复训练的初步规律。1、康复机器人手臂组成结构康复机器人手臂由三个子系统组成：（1）辅助训练系统：机械结构部分和控制部分，直接向患者提供辅助康复训练动作和训练模式。（2）信息反馈系统：包括患者生理信号采集和处理模块以及康复训练参数和瘫肢运动参数的处理块和参数显示模块，向患者提供康复训练过程中的各种参数。（3）康复评价系统：包括对各种信号进行比较分析模块，给出对瘫肢康复效果的评价。辅助训练系统偏瘫患者信息反馈系统康复评价系统运动参数评价结果生理信息生理信息评价结果运动参数训练内容反馈信息图4机器人子系统与患者的关系本设计的机械结构部分见下图：2、康复机器人的功能描述：康复机器人辅助患者进行上肢肩、肘、腕、手指关节在三维空间进行大幅度、多种类的综合康复训练，其运动域应涵盖正常人上肢全部运动范围，能够实现被动运动、主动运动、助力运动、抗阻运动等四项基本训练运动模式。本设计实现以下运动方式,如附件示意图：（1）肩部可进行水平、上下和这两个运动的组合划圆弧运动；（2）肘可进行开合、小臂内旋外翻旋转运动；(3）手腕可进行翻腕、侧偏这两个运动的组合划圆弧运动；(4)手指（除拇指）可进行屈伸运动。这些运动（锻炼）可以独立进行，也可以进行组合运动，从而有效、全面的锻炼上肢的各个关节和主要肌肉功能，通过上肢的运动来刺激反射给大脑运动神经，以达到大脑运动神经的功能代偿和重组。并要求机器人能具备示教功能，以便实现机器人适应不同患者的训练需要，同时机器人能够及时、准确地采集反馈康复训练过程中的运动参数（速度、作用力、姿位、时间等），以便能对康复训练效果做出客观的评价。同时，为了给患者提供较好的康复锻炼的视觉、听觉环境，以及改善患者因患病导致的失望、悲观心情，可以通过音频、视频对患者神经系统的刺激以获得较好的康复效果。比如，我们针对患者的年龄播放不同的视频片段和音频片段（较大年纪的河南人喜欢豫剧，四川人喜欢川剧，青年人喜欢的流行音乐、歌曲；患者希望看到的亲人较早前的书信、照片，年轻人喜欢的海滨、草原、沙漠等异域风情音视频等）。2、产品特点：（1）有效性：通过机器人对患者患肢的牵引，不仅可以在多个运动平面内帮助患者完成上肢多关节、大范围、大幅度的复合运动康复训练，并可实现多种训练模式，满足临床训练的需要。机器人能够检测患者与机器人之间的相互作用力，在患者主动能力不足时提供更大的辅助，在患者有能力完成动作时，适当减小辅助甚至施加阻力，以便充分发挥患者患肢残存的功能。同时产品配有音频和视频设备来刺激患者神经系统来改善患者的心情，人们常说：好心情是所有病痛的良药！达到患处和心理同时治疗的效果。（2）安全性:本研究采用了示教系统以适合病患程度不同的患者使用，示教系统可以通过采集信号获得患者患肢活动范围轨迹，并且能比较准确的再现出这个轨迹，这样就不会出现被动运动的拉伤问题；在意外发生时允许患者用健侧手或脚断开电源；设备符合相应的医疗设备电工安全等级。（3）舒适性和灵活性：机械手臂的尺寸按照标准手臂尺寸进行设计，并且针对不同人可以进行调节，产品配有座椅和安放机械手臂的立柱，手臂的高低可以通过立柱上的升降部分进行调解，同时机械手左右位置也可以方便的调换，适合两手臂均患病的患者；座椅柔软舒适。（4）经济性：本产品设计结构简单，机械部分采用连杆和齿轮机构，控制部分采用单片机控制技术，易操作，价格也是一般家庭所能接受的。返回主目录四、项目发展前景展望本项目正处于研发阶段，大部分目标功能已经可以实现，但是我们希望我们的研究在脑神经的康复训练中能有更大突破，因此我们将继续优化机械系统的设计，尽量使其简洁轻巧，具有更大的灵活性，增加训练动作的种类，增大幅度，在三维空间对患肢各关节进行训练，同时发展“多路复用”的网络康复医疗机器人系统，提高资源利用率。增加康复效果的评价机制，与肌电信号检测相结合，探索训练参数与康复效果之间的关系，提高训练效果，大量实验的基础上，探索临床康复的初步规律，并建立新的康复评估方法，从而对运动功能的康复机制重新评估和理解。返回主目录