上肢康复机器人设计【三维PROE】 【含动画仿真】【8张CAD图纸+PDF图】

喜欢就充值下载吧。。资源目录里展示的文件全都有，，请放心下载，，有疑问咨询QQ:414951605或者1304139763 ======================== 喜欢就充值下载吧。。资源目录里展示的文件全都有，，请放心下载，，有疑问咨询QQ:414951605或者1304139763 ======================== 上肢康复机器人结构设计与运动仿真 开题报告 班级：机械1202 学号：2012010034 姓名：石雨 指导教师：高宏 一、综述 1.1课题背景意义 中风，或称脑卒中，亦称为脑血管意外，是指由各种原因引起脑动脉系统和静脉系统发生病理性改变所造成的一类疾病。中风所出现的脑血液循环障碍直接影响脑组织，并使脑细胞发生功能性或器质改变。中风具有高死亡率、高复发率以及高致残率等特点，严重影响了人们的生存质量及生命。世界卫生组织将这种病确定为当今人类的第一杀手。一旦患了中风，重者死亡，轻者半身瘫痪，生活不能自理，给患者的生活、工作、学习带来极大的不便，也给患者带来了极大的精神痛苦，同时也给患者家人和社会带来负担。据统计数据表明，2005年全球因脑卒中死亡的人数估计达570万以上，如果不采取措施，预计到2015年会增加到650万，到2030年这一数字将会突破780万。我国每年的新发病率为250万，其中因脑卒中死亡的达150万，世界卫生组织对我国做过研究，他们预测如果增长不变的话，到2030年将有400万死于脑卒中。因此，脑卒中的防治已成为国内外医疗领域的研究热点。 随着世界各国相继进入老龄化，中风患者势必越来越多。科技的发展使医护人员对于急性中风患者能够采取比较有效的治疗手段，中风后能够幸存下来的人越来越多。但是通常中风患者易残留各种各样的后遗症，如偏瘫、语言功能障碍、运动功能障碍、神志障碍、面瘫(口眼歪斜)、二便失禁等，一般以运动功能障碍居多，重者影响正常生活。在幸存者中有70％一80％残留有不同的残疾，一组资料显示生活不能自理者高达42．5％。因中风而导致运动功能障碍，常常对患者本人及家庭造成心理和其它方面的冲击。社会和家庭需要花费极大的代价来治疗和护理这些患者，造成社会成本的极大浪费。冈此，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，也可以减轻家庭及社会的经济负担。 随着我国脑神经外科技术的不断发展，虽然越来越多的脑血管疾病患得到了及时的手术治疗，但大部分患者在手术后会伴随后遗症。对中风后遗症患者，必须争取早期康复治疗，尤其在发病后的前三个月内的康复治疗是获得理想功能恢复的最佳时机，但对病程长者，其潜在功能恢复力也不容忽视，应当继续进行相应的康复治疗，也可达到改善功能的效果。根据临床经验，在发病后两年内，如果康复措施得当，会有不同程度的恢复。进行系统的康复训练能够帮助患者提高其自理能力，降低致残率，让患者早日回归并适应家庭和社会生活。可见，它有着非常重要的意义和作用。 1.2国内外研究现状 康复机器人是机器人科学与康复医学的交叉学科，是机器人技术在医疗领域中的新应用。康复机器人具体又可分为康复训练机器人和功能辅助型机器人两种。前者的主要功能是帮助患者完成各种运动功能的恢复性训练，如人的下肢行走训练、手臂运动训练、脊椎牵引运动训练、颈部运动训练等；后者的主要功能是用来帮助肢体运动功能障碍的患者完成各种运动，如智能轮椅、导盲手杖、 机器人假假肢等。本文研究的是上肢康复训练机器人，主要用来帮助上肢有运动功能障碍的患者进行康复训练。 1.2.1 国外研究现状 康复机器人技术在欧美国家得到了机器人研究者和医疗机构的普遍重视，许多研究机构都开展了有关的研究工作，近年来取得了一些有价值的成果。 康复机器人是机器人技术和康复工程的结合。首次尝试将服务于残疾人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不太成功，这主要有2个方面原因：其一是设计的不理想，尤其是人机接口；其二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。1990年以前全球的56个研究中心分布在5个工业区内：北美、英联邦、欧洲大陆和斯堪的纳维亚半岛及日本。1990年以后康复机器人的研究进入到全面发展时期。 1991年，MIT设计完成了第一台上肢康复训练机器人系统MIT-MANUS，该设备采用五连杆机构，末端阻抗较小，利用阻抗控制实现训练的安全性、稳定性和平顺性，用于病人的肩、肘运动。MANUS具有辅助或阻碍手臂的平面运动功能，可以精确测量手臂的平面运动参数，并通过计算机界面为患者提供视觉反馈，在临床应用中取得了很好的效果。在此基础上，他们又研制了用丁手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试验。MIT-MANUS在结构机械设计方面考虑了安全性、稳定性以及患者近距离物理接触的柔顺性。图1-1为MIT-MANUS系统，图1-2为安装在轮椅上的MIT-MANUS。 图1-1 MIT-MANUS系统 图1-2安装在轮椅上的MIT-MANUS 另一个典型的上肢康复训练机器人系统是MIME(mirror-image motion enabler)，如图1-3所示。该设备包括左右两个可移动的手臂支撑．由工业机器人PIMA-560操纵患者手臂，为息者提供驱动力，既可以提供平面运动训练，也可以带动肘和肩膀进行三维运动。但是PUMA-560本质上是工业机器人。因而从机械的角度上说不具有反向可驱动性以及结构上与人的上肢不完全匹配，该系统在医疗领域的应用有其局限性。 图1-3 镜像运动机器人MIME 1993年美国的Lum等人研制了一种称作手—物体一手的系统(hand-object-hand system)，尝试对一只手功能受损的患者进行康复训练。这种双手物理治疗辅助机器包括两个置于桌面上、可绕转轴转动的夹板状手柄，其中一个手柄下端连接在驱动电机上，电机可以辅助患者完成动作(如图1-4所示）。该机器主要帮助完成两个任务动作的训练：双手移动和双手挤压。双手移动任务要求两手夹持某一物体作前后往返运动，挤压运动要求在物体上产生需要的抓取力。为限制自由度数目，患者双手要放置在刚性手柄上，以阻止手腕屈伸。 图1-4 手-物体-手系统 1999年，Reinkensmeyer等研制了辅助和测量向导器ARM--Guide，用来测定患者上肢的活动空间。2000年他们对该装置进行改进，用来辅助治疗和测量脑损伤患者上肢运动功能，如图1-5所示。该设备为单电机驱动的二自由度装置，包括一个直线轨道，其俯仰角和水平面的倾斜角可以调整。试验中患者手臂缚在夹板上，沿直线轨道运动，传感器可以记录患者前臂所产生的力。但是这种设备训练方式单一，无法进行更深的研究。 图1-5 辅助康复和测量向导器ARM-Guide 2005年，瑞士苏黎世大的Tobias Nef等开发了一种新型的上肢康复机器ARMin，如图1-6所示。它是一种6自由度半外骨架装置，安装有传感器及6维力／力矩传感器，能够进行肘部届伸和肩膀的空间运动，用于临床训练上肢损伤患者日程生活中的话动。 图1-6 ARMin康复机器人 此外关于上肢康复训练机器人的报道还有：CPM机、REHAROB以及华盛顿大学设计的7DOF上肢外骨架装置等。其中，CPM机是利用康复医学中连续被动运动(Continuous Passive Motion/CPM)的基本原理对受伤肢体进行康复治疗的机械装置，是目前为止一个机器人生物力学或生物物理化学类型的应用的例证。由于受技术水平的限制，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1-7 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动作进行训练，治疗的效果还有待提高。 图1-7 Rolyan公司的CPM机 近年来．随着机器人技术和康复医学的发展，在欧洲、美国和日本等国家，行行色色的康复训练机器人,如手臂训练机器人、踝关节训练机器人等，以其经济的价格，简易的操作以及适宜的病情反馈与康复训练指导得到了医学专家与病人的肯定。 1.2.2国内研究现状 目前，国内在该领域进行研究的主要有清华大学、东南大学、上海交通大学、复旦大学、浙江大学、哈尔滨工程大学和哈尔滨工业大学等。其中，上海交通大学和复旦大学合作展开了“神经的运动控制与控制信息源的研究”。其研究目的是提取神经信息，利用神经信息来控制电子假手。目前，七个自由度假手模拟装置已设计完成，神经信息的提取正在进行动物试验，信息的整合与控制电路的设计进展顺利。其原理是借助仪器，通过意识控制动作的反复训练，伴随信息转化、生物反馈、生物控制和功能训练过程，不断调节和增强脑的指令，从而提高中枢神经系统和骨骼肌肉系统的支配和控制能力，消除控制机能障碍和运动障碍，改善直至恢复机能状态。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，研制了两款上肢复合运动康复训练机，他们都可以在平面内进行两个自由度的运行训练，如图1-8示。 图1-8 上肢复合运动康复训练机（清华大学研制） 东南大学从2004年起也开展了康复机器人技术的研究，并设计了一套上肢康复训练机器人系统(图1-9)，其机械结构如图1-10所示。此系统现可以实现被动、主动和带阻尼主动三种锻炼模式和一对多的训练模式，并为了能眵为治疗医师提供客观的病人康复信息，系统还建立了患者信息数据库。同时，为了吸引患者更积极的参与训练，系统利用虚拟现实技术设计了不同难易程度的多套游戏系统．界面如图1-11所示。 图1-9 康复机器人系统运行图（东南大学研制） 图1-10 单自由度上肢康复训练机械臂系统结构（东南大学研制） 图1-11 三个不同难度的程序界面 1.3目前存在的问题 目前康复机器人偏瘫治疗的研究仍然处于起步阶段．临床应用任重而道远。应用于偏瘫康复训练的机器人还存在如下问题： （1）患者训练动作种类相对较少且仅限于重复某些单一的动作，患者肢体的活动范围主要限于训练身体正前方，运动幅度比较小，不能以大范围活动关节和较多关节的复杂活动为目标，不能够充分提供中枢神经康复所需的运动刺激。 （2）一般仅限于水平面运动(MIME可以训练一些三维运动)，不能进行三维或更多维的运动训练：仅限于某些关节、肌肉群或局部神经系统的康复； （3）研究的目标主要在于探索机器人能否应用于康复训练中，以及这种训练方式有无治疗效果，而对于如何提高康复训练的效果的研究井不深入。 （4）机器人辅助治疗过程的机制有待深入研究。 （5）机器人的适用面不够广泛。此适用面包括不同的患者的适用；同一患者不同的恢复时期的适用；患者需不同锻炼模式(如患者的主动或被动锻炼等模式)的适用；在患者肌肉出现痉挛时(此时患肢可能出现较大的阻力或其他干扰)，如何缓解痉挛和使康复效果继续维持现有的较好的水平，等等方面的适用性。 因此，上肢康复训练机器人系统的应用研究将集中在以下几个方面： 第一康复医疗机器人结构设计：机械结构是康复训练机器人系统的基础，应尽量简洁轻巧，具有一定的灵活性，提高训练动作的种类，增大动作幅度，在三维空间内对患肢各个关节进行训练。 第二控制策略与运动模式的设计：由于患者的病情千差万别各不相同，因此，机器人要感知患肢状态并采取相应的训练模式和控制策略，在控制系统适应性和稳定性、传感器技术应用、系统辨识和控制算法设计等方面需要作更深入的研究。 第三力反馈：机器人应该能够实时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人的辅助，而在患者有能力完成动作时，适当减小辅助甚至施加阻力，以便充分发挥患者残存的功能。 第四安全机制：安全问题是康复机器人设计过程的一个重要方面，康复训练机器人必须根据临床康复训练的基本动作和安全机制的要求，在设计中除了考虑机器人的功能实现外，还要防止患肢二次损伤，必须从机构设计(硬件)和控制系统(软件)两个方面保证康复机器人系统的安全性。 第五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。在大量试验的基础上，总结临床康复的初步规律，建立客观、精确的康复评估方法。 第六多路复用：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。 1.4 课程的研究意义 据统计，我国脑卒中的发病率是欧美发达国家的4-5倍，是日本的3倍，加之脑外伤等疾病而导致我国肢体瘫痪患者数量显著增加，其中大多数患者生活无法自理，这不仅造成了患者生理和心理上的巨大压力，还给患者家庭带来了沉重的负担。与此同时，我国同许多其他国家一样，正在步入老龄化社会，据统计，我国60岁以上老年人人口占全国人口的10%以上。并伴随机器人技术的不断发展以及应用范围的不断扩展，机器人已经被应用于日程生活的许多方面。康复机器人是在这种需求下应运而生的一个新的研究领域，它的研究贯穿了康复医学、生物力学、机械学、电子学、材料学、计算机科学以及机器人学等诸多领域，并已经成为了国际机器人领域的一个研究热点。 在老龄化过程中，最明显的生理衰退就是老年人四肢的灵活性不断下降，进而对日常的生活产生影响。此外，由于多种疾病而引起的肢体运动性障碍的病人人数也在增加。与之相对的是，通过人工简单或简单的医疗设备进行的康复训练已经远远不能满足患者的要求。随着国民经济的发展，这个特殊的群体已经等到越来越多人的关注，治疗、康复和服务于他们的产品技术和质量也在逐步提高。因此，康复设备的研究和应用有着广阔的发展前景。 二、研究内容 课题所研究的康复机器人属于主动型康复机器人，它能够实现空间三自由度的灵活移动，彼此互不干涉，使患者的上肢结构能够在安全的活动范围内得到充分锻炼。本论文的内容具体如下： （1） 运动康复治疗理论基础 研究脑卒中后偏瘫的发病原因、特征及康复理论，同时了解目前康复治疗常用的技术和方法，从医学角度提出对康复机器人的设计要求。 （2） 机器人系统结构设计 通过总结学习目前已经设计成型的康复机器人，对它们的有且点进行分析，结合人体工程学原理，确定课程所要设计的机器人，具体包括系统构成、各模块设计、构件选型及工作原理等。 （3） 机器人运动学分析 学习机器人位置运动学相关知识，分析课题所设计机器人在空间直角坐标系下的运动学，对系统进行建模，完成运动学分析。 （4） 机器人动力学分析 用电脑软件对机器人系统进行建模，分析其末端力或力矩与各关节速度、加速度之间的关系，为机器人后续的优化设计，仿真奠定理论基础。 （5） 机器人仿真 用计算机软件对其进行运动学仿真，得到运动轨迹、关节位移、关节速度和加速度等变化曲线，同时完成运动学理论分析结果的验证，为以后进一步研究做准备。 三、研究设计方案 康复机器人是代替医师帮助患者进行训练的设备，不同于普通的工业机器人，为了保证康复训练的安全性和有效性，需要对其设计提出一定要求。 3.1 人体上肢结构与运动学分析 在设计康复机器人时要符合人机工程学原理，保证患者运动的绝对安全，对于机构的合理设计就要从人体上肢解刨学出发，了解其结构特点，为设计提供必要的参考数据，使它能够最大限度的符合人体工程学和运动原理。 3.1.1 人体上肢结构 人体的上置结构比较复杂，是由肩骨、上臂骨、前臂骨、手骨等骨骼和肩部及胸部肌肉群、肱二头肌、肱三头肌、内屈肌肉群等肌肉组织以及骨骼之间连接的韧带、肌腱、起保护作用的软组织和皮肤共同组成，如图3-1所示。 3.1.2 人体上肢运动 由于人体上肢结构的复杂性和运动的特殊性，想要建立一个理想的、准确的、适用于各种情况的上肢运动模型是很困难的，因此本文从实用的角度出发对人体上肢运动进行分析。 人体上肢包括手部、腕关节、小臂、肘关节、大臂和肩关节。肩关节将身体和大臂链接在一起，肘关节将大臂和小臂连接在一起，而腕关节将小臂和手部连接在一起。手部的自由度较多，且运动复杂，在本文里我们不作考虑。现实日常生活运动人体上肢各关节的运动有：肩关节的屈伸、内收外摆、大臂的内旋外旋、肘关节的屈伸、小臂的内旋外旋、腕关节的屈伸、内收外摆等七个自由度，因此对人体上肢的运动进行研究，建立的运动模型通常具有七个自由度。人体上肢运动模型简图如图3-2所示。 图3-1 上肢结构 图3-2人体上肢运动模型简图 由于每增加一个自由度都会是康复机器人的复杂程度成倍提高，也造成生产成本的增加，因此，我们结合实际需要，对七个自由度进行合理取舍，保留肩关节的屈伸、内收外摆和肘关节的屈伸这三个自由度。 3.2 机械结构设计 机器人的机械设计结构需要保证具有两到三个自由度，牵引患肢能够完成多关节大范围的复合运动，同时应在运动空间上与人体上肢保持一致，避免在运动过程中发生干涉。康复机器人一般包括末端牵引式和外骨骼式两种，在设计上两者特点如下。 （1） 末端牵引式康复机器人的作用点一般在手腕或者用手握住，在设计时必须保证能够平衡患肢重量，为患者所用。患者都比较虚弱，不能自主支撑，需增加支撑机构来满足要求。目前，临床上一般是通过医师拖住患肢肘关节进行训练，因此，支撑结构应以肘关节为主。在训练过程中为了刺激患者中枢神经，发挥他的参与功能，提倡尽量让患者自主支撑，让患者能够在最小的支撑力作用下完成康复训练。 （2） 外骨骼式康复机器人，它的设计必须能够与人体上肢结构吻合，和患者肢体相一致，此外对于材料有较高的要求，密度小，质量轻，以避免对患者造成二次伤害。设计时应该具有多个自由度，满足患者各个部位的训练需要，同时增强外界刺激，提高患者对肌肉的控制能力和协调能力。在尺寸方面应尽量满足人体工程学，可以适当调整臂长，满足不同患者对结构的要求。 3.2 传动方式设计 在国内外现有的康复机器人中比较常见的传动方式有直接驱动设计，同步带传动设计，齿轮结构传动设计，气动肌肉传动设计等传动方式。同步带传动设计，各自由度的驱动电机通过带传动实现关节的运动，带传动可降低机器人手臂的自重，但带传动的柔性会影响到传动精度。齿轮结构传动，交错斜齿轮或锥齿轮可使电机安放方向任意变动，减少机构之间的相互干涉，但如果传动比过大，则两齿轮会因尺寸相差太大而不便安装，传动比过小则与直驱方式无异。 3.2 初步设计预想 （1）自由度设计 由于每增加一个自由度都会是康复机器人的复杂程度成倍提高，也造成生产成本的增加，因此，我们结合实际需要，对七个自由度进行合理取舍，保留肩关节的屈伸、内收外摆和肘关节的屈伸这三个自由度。如图3-3、3-4所示。 图3-3三自由度上肢运动模型简图 图3-4动作分解图 在正常的情况下，人体上肢肩关节和肘关节的活动范围如表3-1 所示。 表3-1正常情况下人体上肢关节活动范围 屈 伸 外摆 内收 内旋 外旋 肩关节 0~45 0~170 0~180 0~30 0~95 0~85 肘关节 0~154 0~5 / / 0~90 0~90 本文在康复训练机器人设计时，将肩关节的活动限制在屈 0~30 ，伸 0~90 ，外摆 0~60 ，内收 0 范围内；将肘关节的活动限制在屈 0~150 ，伸 0 范围内。进行这样的限制后，康复训练机器人能够保证患者在康复训练时上肢的动作幅度不会太大，可避免意外发生，提高机器人的安全性。最终本设计中人体上肢关节的活动范围如表3-2所示。 表3-2本设计中人体上肢关节活动范围 屈 伸 外摆 内收 内旋 外旋 肩关节 0~30 0~90 0~60 0 0 0 肘关节 0~150 0 / / 0 0 （2）结构设计 本设计采用外骨骼式康复机器人，与人体上肢结构吻合。对于材料有较高的要求，密度小，质量轻。设计时应该具有多个自由度，满足患者各个部位的训练需要，同时增强外界刺激，提高患者对肌肉的控制能力和协调能力。在尺寸方面应尽量满足人体工程学，可以适当调整臂长，满足不同患者对结构的要求。机构运动简图如图3-4所示。 图3-4 四、对进度的具体安排 第1 周，领取任务书，开始文献调研； 第2 周，完成文献调研，开始英文翻译； 第4 周，完成开题报告，完成英文翻译； 第7 周，完成设计计算和强度校核计算，绘制结构草图； 第8 周，完成结构设计，完成装配草图绘制； 第 10周，完成零部件尺寸设计，零件图绘制； 第12周，完成论文初稿，完成装配图绘制； 第14周，完成论文最后修改和图纸修改，提交论文最终稿； 第15周，打印论文，准备答辩； 第16周，完成论文评阅，组织答辩，进行成绩评定。 五、参考文献 [1] 张子明.中风临床指南[M] .北京:中国医药科技出版社.1993. [2] 李宏伟.脑卒中患者恢复期的运动疗法[J].福建体育科技.2002,21(4):38-40. [3] 李红玲,郭力,宋兰欣等.老年脑卒中偏瘫早期康复疗效观察[J].中国康复医学杂志.1999. [4] 李晓华.早期康复训练对脑卒中患者肢体功能恢复的影响[J].中国实用护理杂志.2011,27. [5] 胡宇川.从医学角度探讨偏瘫上肢康复训练机器人的设计[J].中国临床康复.2004,8. [6] 吕广明.康复机器人技术发展现状及关键技术分析[J].哈尔滨工业大学学报.2004,36. [7] 刘攀峰.三自由度上肢康复机器人研制[D].东南大学.2009. [8] 呼昊.3DOF可穿戴式上肢康复机器人结构设计及仿真研究[D].哈尔滨工程大学.2008. [9] 吴军.上肢康复机器人及相关控制问题研究[D].华中科技大学.2012. [10]胡宇川.偏瘫上肢复合运动康复训练机器人的研制[D].清华大学.2004. [11]王东岩.外骨骼式上肢康复机器人及其控制方法研究[J].哈尔滨工程大学学报,2007,28. [12]曹电锋.一种六自由度上肢康复机器人的结构设计及运动学分析[J].工程设计学报,2013,20. [13]吴军.新型可穿戴式多自由度气动上肢康复机器人[J].华中科技大学学报,2011,39. [14]Shahrol Mohamaddan， Annisa Jamali，Ana Sakura Zainal Abidina， Mohd Syahmi Jamaludin，Noor Aliah Abd Majida，Muhamad Fadzli Ashari，Helmy Hazmi. Development of Upper Limb Rehabilitation Robot Device for Home Setting [J]. Procedia Computer Science,76(2015). [15]K.X. Khor, H.A. Rahman, S.K. Fu, L.S. Sim, C.F. Yeong, E.L. M. Su. A Novel Hybrid Rehabilitation Robot for Upper and Lower Limbs Rehabilitation Training [J]. Procedia Computer Science 42(2014). 指导老师： 年 月 日 监督老师： 年 月 日 领导小组审查意见： 审查人签字： 年 月 日