上肢外骨骼康復機器人肘關節(jié)機械系統(tǒng)設計【上肢康復機器人設計】【說明書+CAD+PROE+仿真】,上肢康復機器人設計,說明書+CAD+PROE+仿真,上肢外骨骼康復機器人肘關節(jié)機械系統(tǒng)設計【上肢康復機器人設計】【說明書+CAD+PROE+仿真】,上肢,骨骼,康復,痊愈,機器人,肘關節(jié),機械,系統(tǒng),設計 摘要 上 肢 康 復 機 器 人 是 醫(yī) 療 機 器 人 的 一 個 重 要 分 支 ， 它 以 偏 癱 腦 卒 中 病 人 運 動 療 法 中 的 運 動 再 學 習 理 論 為 基 礎 ， 融 合 了 醫(yī) 學 、 生 物 學 、 機 械 學 、 信 息 與 計 算 機 科 學 等 諸 多 學 科 ， 是 目 前 國 內 外 的 研 究 熱 點 。 本 文 對 上 肢 康 復 機 器 人 系 統(tǒng) 的 總 體 設 計 、 運 動 學 分 析 、 運 動 控 制 系 統(tǒng) 、 機 器 人 樣 機 及 實 驗 等 進 行 了 研 究 和 開 發(fā) ， 為 該 領 域 產 品 設 計 奠 定 理 論 基 礎 、 提 供 技 術 支 撐 。 論 文 結 合 上 肢 解 剖 學 和 運 動 治 療 理 論 ， 從 安 全 性 、 仿 生 學 、 外 骨 骼 材 質 、 訓 練 任 務 、 安 裝 使 用 等 幾 個 方 面 總 結 出 上 肢 康 復 機 器 人 的 設 計 要 求 ;在 此 基 礎 上 ， 設 計 出 了 輕 型 、 運 動 可 靠 的 上 肢 外 骨 骼 康 復 機 器 人 肘 關 節(jié) 機 械 系 統(tǒng) ， 并 詳 細 介 紹 了 康 復 機 器 人 系 統(tǒng) 的 機 械 本 體 和 控 制 策 略 。 關鍵詞:上肢康復機器人，運動學分析，運動控制系統(tǒng) ABSTRACT As an important branch of medical robot， the rehabilitation training robot for stroke hemiplegic patients is a hot research topic both at home and abroad. Based on motor relearning theory， it combines many technology fields such as medicine， biology， mechanics， information & computer science， etc. This thesis makes researches on system design， kinematic analysis， motion control system， prototype and experiment， and lies the foundation for further theoretical research and provides technical supportings. Taking safety， bionics，exoskeleton material， training mission and installation use into consideration， the design rules for upper limb rehabilitation robot are proposed on basis of human upper limb anatomy and motion rehabilitation theory. Under the guidance of rules， a novel exoskeletal upper limb rehabilitation robot for patients in light and movement reliable is developed.The mechanical structure， control strategies of the rehabilitation system are also introduced. Keywords: Upper limb rehabilitation robot，Kinematic analysis，Motion control system 目錄 摘要 I ABSTRACT II 第1章 緒論 1 1.1 研究背景及意義 1 1.2 上肢康復醫(yī)療機器人的國內外發(fā)展現狀 2 1.3 肘關節(jié) 3 1.3.1 上肢外骨骼自由度分析 3 1.3.2 肘關節(jié)結構 4 1.3.3 肘關節(jié)的運動及參數 4 1.4 外骨骼機械設計 5 1.4.1 結構設計 5 1.4.2 驅動系統(tǒng)種類及各優(yōu)缺點 6 1.4.3 能源 7 1.4.4 舉例比較 7 1.5 控制系統(tǒng) 8 1.6 上肢康復機器人康復訓練策略關鍵技術綜述 11 1.7 發(fā)展前景 12 第2章 外骨路式機器人上肢康復肘關節(jié)方案設計 13 2.1 上肢生理特點與康復治療方法 13 2.1.1 手臂的生理結構特點 13 2.1.2 復治療方法 14 2.2 機器人上肢康復系統(tǒng)構建 15 2.3 肘關節(jié)系統(tǒng)方案 16 第3章 肘關節(jié)機械系統(tǒng)設計 17 3.1 機構驅動方案 17 3.2 機構運動方式 18 3.3 機構方案 18 3.4 零部件具體設計 19 3.3.1 上臂 19 3.3.2 下臂 20 3.3.3 拉桿 22 3.3.4 裝配圖 22 第4章 系統(tǒng)運動仿真及有限元分析 24 4.1 運動仿真 24 4.1.1 機構組裝 24 4.1.2 機構設置 25 4.1.3 運動分析 27 4.2 有限元分析 28 4.2.1 創(chuàng)建模型 29 4.2.2 建立分析模型 29 4.2.3 結構分析 34 第五章 系統(tǒng)控制策略 45 5.1 表面肌電信號的產生機理與特點 45 5.2 基于sEMG信號的上肢康復機器人控制策略 47 5.2.1 上肢康復訓練動作目標集設計 47 5.2.2 表面肌電電極的布置與信號采集 47 5.2.3 基于sEMG動作辨識的自主性被動訓練方案 48 致謝 50 參考文獻 51 IV 第1章 緒論 1.1 研究背景及意義 隨著我 國 老 齡 化 的 加 劇 ， 伴 隨 老 齡 化 過 程 中 明 顯 的 生 理 衰 退 就 是 四 肢 的 靈 活 性 不 斷 下 降 ， 而 在 老 齡 人 群 中 有 大 量 有 腦 血 管 疾 病 或 神 經 系 統(tǒng) 疾 病 患 者 ， 這 些 患 者 又 大 都 伴 有 偏 癱 癥 狀 ， 對 日 常 生 活 產 生 了 種 種 不 利 的 影 響 。 手 臂 是 日 常 生 活 中 運 用 最 多 也 最 容 易 受 傷 的 肢 體 ， 治 療 時 通 常 運 用 一 定 物 理 療 法 以 輔 助 藥 物 治 療 。 傳 統(tǒng) 的 人 工 物 理 療 法 中 ， 治 療 師 們 勞 動 強 度 大 且 要 求 具 有 高 度 熟 練 技 巧 。 而 康 復 機 器 人 旨 在 利 用 機 器 人 原 理 ， 把 智 能 控 制 與 人 體 運 動 相 結 合 ， 以 代 替 人 工 進 行 康 復 訓 練 ， 其 能 夠 承 受 的 工 作 強 度 高 ， 促 進 神 經 功 能 重 塑 ， 恢 復 患 者 運 動 及 控 制 能 力 的 目 的 。 目 前 患 者 的 治 療 主 要 依 賴 于 治 療 師 的 一 對 一 的 徒 手 訓 練 ， 這 種 方 法 不 僅 費 時 費 力 ， 而 且 也 缺 乏 量 化 的 客 觀 評 價 ， 不 能 夠 實 時 監(jiān) 測 治 療 效 果 。 為 解 決 這 些 康 復 訓 練 過 程 中 出 現 的 問 題 ， 需 要 安 全 、 定 量 、 有 效 及 可 進 行 重 復 訓 練 的 新 技 術 ， 因 此 機 器 人 輔 助 訓 練 技 術 在 這 種 背 景 下 應 運 而 生 。 將 虛 擬 現 實 和 外 骨 骼 技 術 引 入 到 肢 體 的 康 復 工 程 ， 根 據 康 復 醫(yī) 學 的 運 動 療 法 和 作 業(yè) 療 法 ， 為 上 肢 殘 疾 患 者 研 制 出 手 臂 外 骨 骼 康 復 系 統(tǒng) ， 實 現 了 手 臂 的 運 動 控 制 ， 并 構 建 了 虛 擬 環(huán) 境 仿 真 平 臺 [1]。 借 助 于 觸 覺 感 知 接 口 的 力 反 饋 作 用 可 以 使 患 者 感 覺 到 手 臂 受 到 的 作 用 力 。 提 出 手 臂 功 能 康 復 測 評 方 法 ， 并 建 立 患 者 康 復 病 案 數 據 庫 。 手 臂 外 骨 骼 康 復 系 統(tǒng) 為 患 者 提 供 有 效 的 肢 體 功 能 恢 復 的 工 具 。 圖 1.1 上 肢 康 復 機 器 人 1.2 上肢康復醫(yī)療機器人的國內外發(fā)展現狀 人 體 外 骨 骼 的 相 關 研 究 是 一 個 比 較 前 沿 的 領 域 ， 目 前 世 界 科 技 強 國 包 括 美 國 、 日 本 、 法 國 和 俄 羅 斯 等 國 家 在 該 領 域 開 展 了 大 量 的 研 究 ， 并 取 得 了 一 些 初 步 成 果 。 而 在 我 國 ， 該 領 域 的 研 究 尚 處 于 起 步 階 段 。 由 于 上 肢 康 復 機 器 人 系 統(tǒng) 具 有 如 此 多 的 優(yōu) 點 ， 因 而 隨 著 目 前 機 器 人 技 術 、 先 進 控 制 技 術 、 計 算 機 技 術 、 傳 感 技 術 、 生 物 醫(yī) 學 、 人 工 智 能 技 術 等 的 發(fā) 展 ， 康 復 機 器 人 技 術 也 在 近 幾 年 獲 得 了 很 大 進 步 ， 成 為 機 器 人 領 域 與 康 復 醫(yī) 學 領 域 的 研 究 熱 點 ． 上 肢 康 復 機 器 人 可 以 分 為 兩 大 類 ， 一 類 為 末 端 牽 引 式 康 復 機 器 人 系 統(tǒng) ， 另 一 類 為 外 骨 骼 式 康 復 機 器 人 系 統(tǒng) ． 末 端 牽 引 式 康 復 機 器 人 系 統(tǒng) 是 一 種 以 普 通 連 桿 機 構 或 串 聯 機 器 人 機 構 為 主 體 機 構 ， 使 機 器 人 末 端 與 患 者 手 臂 連 接 ， 通 過 機 器 人 運 動 帶 動 患 者 上 肢 運 動 來 達 到 康 復 訓 練 目 的 的 機 械 系 統(tǒng) ． 機 器 人 系 統(tǒng) 與 患 者 相 對 獨 立 ， 僅 通 過 患 者 手 部 與 機 器 人 末 端 相 連 ． 其 結 構 簡 單 、 易 于 控 制 ， 價 格 低 廉 [2]。 工 業(yè) 機 器 人 為 成 熟 產 品 ， 整 個 系 統(tǒng) 可 靠 性 更 高 ， 早 期 的 上 肢 康 復 機 器 人 系 統(tǒng) 大 都 為 此 種 系 統(tǒng) ． 美 國 麻 省 理 工 學 院 （ MIT） 的 Hogan 提 出 的 2-DOF（ 自 由 度 ） 臂 平 面 康 復 機 器 人 系 統(tǒng) MIT-MANUS， 具 有 一 定 的 重 力 補 償 作 用 ． 后 來 又 提 出 了 2-DOF 腕 關 節(jié) 康 復 機 器 人 ， 與 臂 MIT-MANUS 結 合 形 成 了 完 整 的 系 統(tǒng) ， 可 以 實 現 4-DOF 的 康 復 運 動 ， 并 已 經 開 始 應 用 于 臨 床 治 療 ． 訓 練 時 ， MIT-MANUS 可 以 推 動 、 引 導 或 干 擾 患 者 上 肢 的 運 動 ， 以 提 供 不 同 的 訓 練 模 式 ； 可 以 采 集 位 置 、 速 度 、 力 等 信 息 以 供 分 析 ； 可 以 將 運 動 狀 態(tài) 信 息 顯 示 到 電 腦 屏 幕 上 為 患 者 提 供 視 覺 反 饋 ． 美 國 斯 坦 福 大 學 研 制 了 基 于 PUMA500、 560 工 業(yè) 機 器 人 的 上 肢 康 復 機 器 人 系 統(tǒng) MIME（ mirror im-age motion enabler） ， 可 以 輔 助 患 者 完 成 上 肢 患 側 與 健 側 的 鏡 像 運 動 ． 該 系 統(tǒng) 采 集 健 側 上 肢 運 動 的 軌 跡 ， 鏡 像 到 患 側 ， 并 通 過 工 業(yè) 機 器 人 輔 助 患 側 進 行 運 動 ， 也 已 開 始 患 者 的 臨 床 康 復 治 療 ． 2000 年 ， 美 國 加 州 大 學 與 芝 加 哥 康 復 研 究 所 研 制 了 可 實 現 上 肢 運 動 的 3-DOF 康 復 機 器 人 ARMGuide（ assisted rehabilitation and measurement guide） [3]， 具 有 一 個 主 動 DOF． 通 過 電 機 驅 動 直 線 導 軌 來 帶 動 大 臂 實 現 曲 伸 等 運 動 。 作 為 上 肢 康 復 機 器 人 研 究 的 起 點 ， 1993 年 加 利 福 尼 亞 大 學 的 P. S. lum研 究 設 計 了 名 為 手 -目 標 -手 (hand-object-hand)的 雙 手 康 復 裝 置 ， 該 裝 置 從 人 類 日 常 生 活 中 對 雙 手 協(xié) 調 性 工 作 的 的 需 要 出 發(fā) ， 利 用 健 手 帶 動 患 手 的 主 從 方 法 ， 通 過 簡 單 的 雙 手 移 動 和 擠 壓 物 體 訓 練 雙 手 協(xié) 調 性 。 為 保 持 動 作 模 式 的 正 確 性 ， 裝 置 中 設 計 了 兩 個 剛 性 夾 板 ， 將 手 部 自 由 度 限 制 在 手 腕 屈 伸 運 動 ， 并 通 過 該 裝 置 檢 測 和 傳 遞 力 信 息 。 美 國 亞 利 桑 那 大 學 的 He 等 研 發(fā) 了 基 于 人 工 氣 動 肌 肉 （ PM） 驅 動 的 4-DOF、 5-DOF 上 肢 康 復 機 器 人 RUPERT（ robotic upper extremity repetitivetrainer） ． 4-DOF 包 括 肩 關 節(jié) 屈 ／ 伸 運 動 、 肘 屈 ／ 伸 、 前 臂 轉 動 、 腕 內 ／ 外 擺 動 ， 主 要 完 成 肩 、 肘 、 腕 運 動 ， 5-DOF 增 加 了 大 臂 的 旋 內 ／ 外 功 能 ， 增 大 了 工 作 空 間 ． 人 工 氣 動 肌 肉 驅 動 的 主 要 優(yōu) 點 是 動 作 方 式 、 工 作 特 性 等 與 人 的 肌 肉 功 能 相 似 ， 整 個 機 器 人 系 統(tǒng) 運 動 特 征 與 人 手 臂 相 似 ， 具 有 其 他 驅 動 方 式 沒 有 的 柔 順 性 。 加 州 大 學 歐 文 分 校 開 發(fā) 了 5-DOFT-WREXtraining Wilmington robotic exoskeleton） 和 5 自 由 度 Pneu-WREX 二 種 肩 、 肘 訓 練 上 肢 康 復 機 器 人 系 統(tǒng) [4]。 前 者 沒 有 驅 動 裝 置 ， 適 于 患 者 的 主 動 訓 練 與 運 動 參 數 測 定 ． 后 者 采 用 氣 動 驅 動 ， 更 進 一 步 適 于 患 者 被 動 康 復 訓 練 。 外 骨 骼 技 術 在 我 國 尚 處 于 基 礎 研 究 階 段 ， 我 國 國 家 自 然 科 學 基 金 和 科 技 支 撐 計 劃 也 逐 漸 關 注 、 開 展 外 骨 骼 機 器 人 的 研 究 ， 清 華 大 學 、 上 海 大 學 、 東 南 大 學 、 浙 江 大 學 、 合 肥 中 科 院 、 海 軍 航 空 工 程 學 院 等 單 位 也 介 入 了 該 課 題 基 礎 理 論 與 關 鍵 技 術 的 研 究 。 1.3 肘關節(jié) 1.3.1 上肢外骨骼自由度分析 其 中 包 括 ： 肩 部 ３ 個 自 由 度 （ 外 展 ／ 內 收 、 屈 ／ 伸 、 軸 向 轉 動 ） 、 肘 部 １ 個 自 由 度 （ 屈 ／ 伸 ） 、 腕 部 ２ 個 自 由 度 （ 屈 ／ 伸 、 軸 向 轉 動 ） ， 如 圖 1.2所 示 。 圖 1.2 上肢自由度 1.3.2 肘關節(jié)結構 肘 關 節(jié) 是 由 三 個 關 節(jié) 共 同 包 裹 在 一 個 關 節(jié) 囊 內 組 成 的 復 關 節(jié) 。 當 肘 關 節(jié) 伸 直 時 ， 肱 骨 內 、 外 上 髁 與 尺 骨 鷹 咀 尖 恰 位 于 一 條 直 線 上 ， 屈 肘 時 則 形 成 以 鷹 咀 尖 為 頂 角 的 等 腰 三 角 形 ， 臨 床 上 常 以 此 鑒 別 肘 關 節(jié) 脫 位 或 肱 骨 髁 上 骨 折 。 肘 關 節(jié) 在 伸 直 的 情 況 下 ， 若 受 暴 力 如 跌 倒 時 一 側 手 掌 著 地 ， 使 肱 骨 下 端 向 前 移 位 、 尺 骨 鷹 咀 則 向 后 移 ， 形 成 肘 關 節(jié) 后 脫 位 。 當 肘 關 節(jié) 伸 直 ， 前 臂 處 于 旋 后 位 時 ， 臂 與 前 臂 并 不 在 一 條 直 線 上 ， 前 臂 的 遠 側 端 偏 向 外 側 ， 二 者 之 間 形 成 一 向 外 開 放 的 鈍 角 ， 稱 為 提 攜 角 。 1.3.3 肘關節(jié)的運動及參數 肘 關 節(jié) 的 肱 尺 關 節(jié) 可 沿 略 斜 的 額 狀 軸 作 屈 伸 運 動 ； 橈 尺 近 側 關 節(jié) 與 橈 尺 遠 側 關 節(jié) 是 必 須 同 時 運 動 的 聯 合 關 節(jié) ， 司 前 臂 的 旋 轉 運 動 ； 肱 橈 關 節(jié) 雖 屬 球 窩 關 節(jié) ， 但 只 能 配 合 上 述 兩 關 節(jié) 的 活 動 ， 即 與 肱 尺 關 節(jié) 一 起 ， 共 同 進 行 屈 伸 運 動 ， 配 合 橈 尺 近 側 關 節(jié) 進 行 垂 直 軸 的 旋 轉 [5]。 肘 關 節(jié) 中 立 位 為 肘 關 節(jié) 伸 直 。 屈 曲 角 度 為 0-140° ， 過 伸 角 度 為 0-10° 。 旋 前 （ 掌 心 向 下 ） 90° ， 旋 后 （ 掌 心 向 上 ） 90° 。 運 動 角 速 度 為 40-80° /s， 如 圖 1.3所 示 。 圖 1.3 肘關節(jié)活動范圍 1.4 外骨骼機械設計 1.4.1 結構設計 外 骨 骼 機 器 人 是 一 種 人 體 可 穿 戴 的 機 械 裝 置 ， 因 此 使 用 過 程 中 的 安 全 性 、 舒 適 性 和 實 用 性 是 應 該 首 先 考 慮 的 因 素 。 外 骨 骼 機 器 人 大 致 可 分 為 上 肢 外 骨 骼 機 器 人 、 下 肢 外 骨 骼 機 器 人 和 全 身 外 骨 骼 機 器 人 ， 無 論 是 哪 一 種 外 骨 骼 機 器 人 都 將 與 人 體 進 行 。 親 密 接 觸 。 ， 因 此 在 設 計 外 骨 骼 機 械 結 構 時 要 全 面 地 分 析 人 體 各 關 節(jié) 的 運 動 范 圍 和 運 動 特 點 ， 盡 量 的 合 理 化 、 擬 人 化 ， 從 而 使 穿 戴 者 安 全 舒 適 、 動 作 靈 活 且 不 受 限 制 [6]。 因 此 ， 設 計 外 骨 骼 機 械 結 構 時 要 考 慮 到 以 下 幾 點 ： 1） 設 計 外 骨 骼 時 要 盡 量 遵 循 擬 人 原 則 ， 外 骨 骼 各 個 肢 體 關 節(jié) 等 機 械 形 狀 和 尺 寸 參 照 人 體 ； 2） 外 骨 骼 機 器 人 的 各 個 關 節(jié) ， 如 膝 、 髖 、 踝 關 節(jié) 等 ， 自 由 度 要 考 慮 到 人 體 相 應 關 節(jié) ， 確 保 其 運 動 形 式 與 人 的 運 動 形 式 相 同 ， 并 且 外 骨 骼 各 個 關 節(jié) 要 有 一 定 的 運 動 范 圍 ， 使 其 既 不 限 制 人 體 運 動 ， 又 能 確 保 動 作 時 的 安 全 ； 3） 外 骨 骼 要 能 夠 在 不 同 的 環(huán) 境 使 用 ， 如 沙 漠 、 山 地 、 坡 地 、 草 地 、 樓 梯 等 。 圖 1.4 上肢康復機器人的結構 圖1.5 具有6個自由度的上肢柔性外骨骼結構 1.4.2 驅動系統(tǒng)種類及各優(yōu)缺點 外 骨 骼 機 器 人 的 驅 動 系 統(tǒng) 和 驅 動 器 必 須 質 量 輕 、 體 積 小 ， 并 且 能 提 供 足 夠 大 的 驅 動 力 矩 或 扭 矩 ， 同 時 要 具 有 良 好 的 散 熱 性 能 [7]。 當 前 國 際 上 的 外 骨 骼 設 備 常 用 的 驅 動 系 統(tǒng) 主 要 有 電 動 機 驅 動 系 統(tǒng) 、 氣 壓 驅 動 系 統(tǒng) 、 液 壓 驅 動 系 統(tǒng) 3 種 。 1、 液 壓 驅 動 液 壓 驅 動 是 以 液 體 為 工 作 介 質 進 行 能 量 傳 遞 和 控 制 的 傳 動 方 式 。 液 壓 系 統(tǒng) 具 有 慣 性 小 、 構 造 簡 單 、 可 靠 性 高 、 工 作 穩(wěn) 定 等 優(yōu) 點 。 但 是 工 作 中 受 壓 液 體 容 易 泄 漏 ， 并 且 工 作 噪 聲 較 大 、 能 源 使 用 效 率 低 、 傳 動 速 度 低 。 美 國 加 州 大 學 伯 克 利 分 校 研 制 成 的 助 力 機 械 服 裝 BLEEX 系 列 和 雷 神 公 司 推 出 的 外 骨 骼 機 械 裝 XOS 系 列 均 采 用 了 液 壓 驅 動 方 式 來 驅 動 外 骨 骼 。 2、 氣 壓 驅 動 氣 壓 驅 動 是 以 壓 縮 空 氣 為 工 作 介 質 進 行 能 量 傳 遞 和 控 制 的 傳 動 方 式 。 氣 壓 系 統(tǒng) 具 有 結 構 簡 單 、 無 污 染 、 阻 力 損 失 小 、 成 本 低 等 優(yōu) 點 ， 它 在 許 多 行 業(yè) 已 得 到 廣 泛 應 用 ， 其 驅 動 的 高 度 柔 順 性 使 其 在 康 復 機 器 人 方 面 很 有 應 用 潛 力 ； 它 安 裝 簡 便 ， 不 需 要 復 雜 的 機 構 及 精 度 要 求 ； 其 動 作 平 滑 ， 響 應 滿 足 康 復 訓 練 要 求 并 可 實 現 慢 速 ， 但 是 氣 動 裝 置 傳 動 速 度 的 穩(wěn) 定 性 較 差 ， 信 號 傳 遞 速 度 較 慢 、 控 制 性 差 ， 不 適 用 于 大 功 率 系 統(tǒng) 傳 動 。 日 本 神 奈 川 工 科 大 學 成 功 研 制 的 全 身 型 外 骨 骼 機 器 人 （ powerassist suit， PAS） 采 用 的 氣 壓 傳 動 裝 置 可 將 使 用 者 的 力 量 增 加 0.5～ l.0倍 。 3、 電 動 機 驅 動 電 動 機 驅 動 系 統(tǒng) 是 利 用 電 力 設 備 并 調 節(jié) 電 參 數 來 傳 遞 動 力 和 進 行 控 制 的 一 種 傳 動 方 式 。 電 動 機 系 統(tǒng) 技 術 成 熟 、 結 構 簡 單 、 無 污 染 、 信 號 傳 遞 迅 速 且 易 于 實 現 自 動 化 ， 但 是 其 動 態(tài) 平 衡 性 差 、 質 量 大 、 慣 性 大 、 換 向 慢 。 日 本 駐 波 大 學 的 外 骨 骼 機 器 人 HAL 系 列 采 用 了 電 動 機 驅 動 技 術 。 1.4.3 能源 目 前 ， 外 骨 骼 機 器 人 主 要 以 蓄 電 池 供 電 ， 移 動 范 圍 受 到 蓄 電 池 的 容 量 和 效 率 的 限 制 ， 如 何 提 高 蓄 電 池 單 位 體 積 的 容 量 和 外 骨 骼 的 使 用 效 率 是 國 內 外 科 研 機 構 一 直 致 力 于 解 決 的 關 鍵 問 題 ， 可 以 尋 求 新 能 源 技 術 ， 包 括 太 陽 能 、 生 物 能 等 解 決 能 源 發(fā) 展 的 瓶 頸 。 1.4.4 舉例比較 1、 氣 動 驅 動 肘 關 節(jié) （ 圖 1.6） 圖 1.6氣動驅動肘關節(jié) 肘 關 節(jié) 的 屈 伸 動 作 為 單 純 的 旋 轉 運 動 ， 在 滿 足 設 計 要 求 的 前 提 下 ， 采 用 搖 塊 機 構 的 傳 動 方 案 ， 如 上 圖 所 示 。 一 個 行 程 可 讀 式 直 線 氣 缸 尾 部 與 上 臂 固 定 裝 置 鉸 接 連 接 ， 當 氣 缸 活 塞 前 后 伸 縮 運 動 的 時 候 ， 氣 缸 可 以 上 下 擺 動 ， 再 經 由 搖 塊 機 構 原 理 ， 將 直 線 位 移 變 為 肘 關 節(jié) 的 屈 曲 /伸 展 運 動 。 在 各 關 節(jié) 基 本 結 構 造 型 完 成 后 ， 需 要 將 其 組 合 到 一 起 ， 完 成 整 體 結 構 。 需 要 關 節(jié) 中 間 的 連 接 件 和 手 臂 的 造 型 ， 例 如 連 接 手 掌 和 腕 關 節(jié) 的 連 接 件 、 肘 關 節(jié) 和 前 臂 的 連 接 件 、 放 置 直 徑 氣 動 肌 肉 的 前 臂 、 放 置 直 徑 氣 動 肌 肉 的 上 臂 、 放 置 12mm直 徑 的 肩 關 節(jié) 肌 肉 架 以 及 各 種 用 于 連 接 的 標 準 件 的 選 取 、 軸 承 配 套 端 蓋 的 設 計 。 各 個 關 節(jié) 安 裝 繩 索 時 需 注 意 裝 配 的 順 序 和 安 裝 的 初 始 位 置 ， 以 及 繩 索 的 預 緊 。 帶 有 繩 套 的 繩 索 需 留 有 一 定 余 量 ， 減 少 扭 曲 的 影 響 。 氣 動 肌 肉 的 柔 性 外 骨 骼 肘 關 節(jié) 由 兩 條 氣 動 肌 肉 及 單 自 由 度 旋 轉 運 動 副 構 成 ， 實 現 人 體 上 臂 肘 關 節(jié) 的 單 自 由 度 的 轉 動 [8]。 這 種 結 構 與 現 有 的 外 骨 骼 機 械 手 或 者 其 它 穿 戴 器 械 相 比 ， 結 構 新 穎 ， 輕 便 靈 巧 ， 采 用 氣 動 肌 肉 作 為 關 節(jié) 的 執(zhí) 行 元 件 ， 模 仿 人 體 肌 肉 伸 縮 的 動 作 ， 具 有 仿 生 學 的 特 點 。 2、 電 機 驅 動 手 臂 圖1.7 康復機器人運動自由度 基 于 人 體 上 肢 的 運 動 功 能 要 求 ， 上 圖 設 計 的 整 個 裝 置 既 可 穿 戴 于 患 者 身 上 ， 也 可 固 定 在 座 椅 或 支 架 上 以 減 輕 患 者 負 擔 。 該 裝 置 內 含 的 運 動 機 構 包 括 ： 肩 關 節(jié) 的 水 平 運 動 （ 主 要 由 導 軌 支 架 、 滑 塊 1、 連 桿 1 與 搖 桿 1 實 現 ） ， 肩 關 節(jié) 的 豎 直 運 動 （ 主 要 由 蝸 輪 蝸 桿 、 滑 塊 2、 連 桿 2、 搖 桿 2 實 現 ） ， 肩 關 節(jié) 的 旋 轉 運 動 （ 齒 輪 機 構 ） 和 肘 關 節(jié) 的 屈 /伸 運 動 。 鑒 于 腕 關 節(jié) 能 比 較 方 便 地 實 現 自 我 輔 助 康 復 訓 練 ， 因 此 ， 本 設 計 將 腕 關 節(jié) 設 計 成 跟 隨 手 臂 自 由 轉 動 。 為 了 防 止 康 復 中 發(fā) 生 二 次 損 傷 ， 將 機 器 人 康 復 訓 練 的 相 關 角 度 設 定 為 ： 以 矢 狀 面 為 基 準 ， 水 平 方 向 上 肩 關 節(jié) 外 展 /內 收 0~100° /0~40° ， 以 水 平 面 為 基 準 ， 豎 直 方 向 上 肩 關 節(jié) 上 擺 /下 擺 0~75° /0~110° ， 旋 轉 運 動 上 內 旋 /外 旋 0~75° /0~45° ； 肘 關 節(jié) 彎 曲 0~135° ， 旋 前 /旋 后 均 0~50° 。 1.5 控制系統(tǒng) 現 有 康 復 機 器 人 的 控 制 方 式 一 般 有 肌 電 信 號 傳 感 器 （ EMG） 、 力 傳 感 器 和 上 位 機 控 制 三 種 。 EMG 和 力 傳 感 器 能 夠 實 時 檢 測 患 肢 的 任 一 自 由 度 上 是 否 有 主 動 力 ， 并 通 過 反 饋 為 相 應 自 由 度 提 供 助 力 ， 幫 助 患 肢 實 現 康 復 運 動 [9]。 這 兩 種 方 法 更 適 用 于 后 期 的 主 動 康 復 和 助 力 康 復 運 動 。 在 上 位 機 控 制 的 方 式 中 ， 患 者 可 以 根 據 自 身 情 況 設 定 各 關 節(jié) 康 復 運 動 的 角 度 和 速 度 ， 并 且 選 擇 系 統(tǒng) 中 預 設 的 一 些 專 業(yè) 的 組 合 康 復 曲 線 輔 助 患 者 的 康 復 鍛 煉 。 因 此 ， 該 方 法 更 適 用 于 被 動 康 復 訓 練 。 圖1.8 上肢外骨骼機器人控制框圖 圖1.9 關節(jié)控制模型 1.6 國 內 外 研 究 綜 述 總 結 作 為 一 種 新 型 、 高 效 及 應 用 前 景 廣 泛 的 神 經 康 復 裝 置 ， 上 肢 康 復 訓 練 機 器 人 系 統(tǒng) 的 研 究 正 在 不 斷 改 進 ， 日 益 創(chuàng) 新 [10]。 按 照 研 究 時 間 的 大 致 先 后 順 序 將 以 上 康 復 系 統(tǒng) 各 方 面 特 征 進 行 列 表 總 結 如 表 1-1所 示 。 這 些 系 統(tǒng) 以 治 療 醫(yī) 師 的 徒 手 治 療 方 法 為 依 據 ， 驗 證 了 機 器 人 系 統(tǒng) 執(zhí) 行 康 復 運 動 的 可 行 性 。 表1-1 國內外康復機器人系統(tǒng)特點 由 上 表 可 以 看 出 ， 上 肢 康 復 機 器 人 系 統(tǒng) 從 發(fā) 展 初 期 的 針 對 某 一 特 定 動 作 的 單 關 節(jié) 重 復 練 習 逐 漸 延 伸 至 平 面 乃 至 三 維 空 間 的 康 復 訓 練 運 動 ， 其 訓 練 模 式 也 逐 漸 向 多 樣 化 發(fā) 展 。 然 而 ， 作 為 學 科 交 叉 的 產 物 ， 其 工 作 對 象 的 特 殊 性 決 定 了 上 肢 康 復 系 統(tǒng) 自 身 的 獨 特 性 和 復 雜 程 度 。 縱 觀 其 發(fā) 展 ， 不 難 發(fā) 現 康 復 機 器 人 的 輔 助 治 療 研 究 仍 然 處 于 初 級 階 段 ， 存 在 以 下 不 足 ： (1)結 構 簡 單 、 運 動 形 式 單 一 ： 現 有 上 肢 康 復 機 器 人 的 功 能 設 計 多 定 位 在 單 一 、 重 復 的 動 作 訓 練 上 ， 因 此 機 構 形 式 簡 單 ， 自 由 度 較 少 是 他 們 的 普 遍 特 點 。 大 部 分 系 統(tǒng) 為 患 者 提 供 簡 單 的 直 線 、 曲 線 或 平 面 運 動 ， 動 作 范 圍 較 小 、 康 復 訓 練 的 模 式 單 一 ， 缺 乏 循 序 漸 進 、 系 統(tǒng) 的 治 療 方 法 、 方 案 。 而 聯 合 單 關 節(jié) 、 多 關 節(jié) 復 合 及 日 常 生 活 動 作 的 多 模 式 訓 練 不 僅 能 充 分 活 躍 肢 體 肌 群 ， 且 因 地 制 宜 ， 有 利 于 促 進 肢 體 功 能 的 恢 復 和 保 持 正 確 運 動 的 感 覺 。 (2)缺 乏 臨 床 康 復 理 論 指 導 ： 上 肢 康 復 機 器 人 具 有 獨 特 的 工 作 對 象 )上 肢 運 動 功 能 受 損 的 偏 癱 患 者 ， 因 此 其 功 能 的 實 現 必 須 以 臨 床 康 復 實 踐 與 經 驗 為 理 論 基 礎 ， 并 結 合 人 體 上 肢 解 剖 學 及 運 動 規(guī) 律 。 無 論 是 機 器 人 機 構 的 設 計 ， 還 是 訓 練 模 式 的 設 定 ， 都 必 須 與 偏 癱 患 者 的 康 復 進 程 緊 密 結 合 。 現 有 系 統(tǒng) 多 沿 襲 傳 統(tǒng) 機 器 人 的 設 計 思 路 ， 削 弱 了 機 器 人 與 康 復 學 科 間 的 融 合 。 (3)欠 缺 對 患 者 的 主 動 運 動 激 勵 ： 上 肢 康 復 機 器 人 旨 在 通 過 康 復 運 動 恢 復 受 損 的 運 動 功 能 ， 而 充 分 利 用 人 機 間 的 交 互 作 用 ， 激 勵 患 者 肢 體 的 主 動 運 動 意 識 ， 提 高 中 樞 神 經 系 統(tǒng) 緊 張 度 ， 不 僅 能 夠 加 速 受 損 神 經 的 重 塑 ， 也 有 利 于 防 止 并 發(fā) 癥 的 產 生 ， 恢 復 患 者 建 立 病 后 康 復 的 信 心 。 現 有 系 統(tǒng) 大 多 監(jiān) 測 受 試 者 的 力 信 息 或 進 行 簡 單 的 力 跟 隨 運 動 ， 從 而 忽 略 了 這 一 提 高 康 復 效 率 的 重 要 因 素 。 (4)對 臨 床 應 用 問 題 欠 缺 考 慮 ： 即 特 殊 的 人 機 耦 合 系 統(tǒng) 所 引 入 的 問 題 ， 如 運 動 中 患 者 肌 肉 運 動 功 能 的 損 傷 導 致 肌 力 不 足 時 對 受 損 肢 體 的 安 全 保 護 和 支 撐 問 題 ， 運 動 過 程 當 中 對 運 動 異 常 模 式 的 檢 測 和 抑 制 問 題 等 。 1.6 上肢康復機器人康復訓練策略關鍵技術綜述 偏 癱 作 為 腦 血 管 意 外 的 后 遺 癥 ， 其 活 動 能 力 的 喪 失 或 減 退 的 突 發(fā) 狀 況 給 患 者 造 成 嚴 重 的 心 理 創(chuàng) 傷 ， 使 患 者 產 生 消 極 的 康 復 心 理 。 因 而 ， 康 復 訓 練 的 目 的 不 應 只 停 留 在 保 持 肢 體 活 動 度 ， 防 止 肌 肉 萎 縮 、 關 節(jié) 攣 縮 的 層 面 上 ， 還 應 同 時 應 注 重 患 者 的 心 理 康 復 問 題 。 臨 床 實 踐 表 明 ： 在 康 復 訓 練 中 加 強 患 者 主 動 運 動 意 愿 對 腦 卒 中 患 者 運 動 功 能 康 復 具 有 強 化 和 促 進 作 用 ， 在 康 復 過 程 中 強 調 患 者 的 主 觀 參 與 與 認 知 有 利 于 改 善 大 腦 的 側 枝 循 環(huán) 和 局 部 微 循 環(huán) ， 有 助 于 建 立 患 者 的 康 復 自 信 ， 激 發(fā) 患 者 的 康 復 熱 情 ， 進 而 增 強 康 復 效 率 ， 推 動 患 者 康 復 進 程 。 康 復 機 器 人 獲 取 人 體 主 動 運 動 意 圖 的 方 式 有 多 種 ， 如 力 /力 矩 信 號 、 神 經 )肌 肉 電 信 號 、 腦 電 信 號 等 。 其 中 ， 力 信 息 作 為 人 機 相 互 作 用 的 最 直 接 表 現 形 式 被 廣 泛 的 應 用 于 人 機 交 互 研 究 中 [11]， 而 表 面 肌 電 信 號 (Surface Electromyogram， sEMG )因 與 人 體 肌 肉 運 動 間 的 固 有 相 關 性 在 近 年 來 也 引 起 了 學 者 們 的 廣 泛 關 注 ， 下 面 對 這 兩 個 方 面 的 研 究 現 狀 進 行 論 述 。 1.7 發(fā)展前景 外 骨 骼 機 器 人 在 許 多 領 域 有 著 良 好 的 發(fā) 展 前 景 ， 引 起 了 各 國 的 重 視 ， 近 年 來 外 骨 骼 機 器 人 技 術 取 得 了 突 破 性 的 發(fā) 展 ， 但 有 許 多 關 鍵 問 題 仍 待 解 決 ： 1） 體 積 較 大 、 動 作 笨 拙 ， 其 環(huán) 境 的 適 應 性 和 運 動 的 靈 活 性 較 差 ； 2） 與 操 作 者 的 預 期 動 作 不 吻 合 ； 3） 外 骨 骼 機 器 人 的 能 源 使 用 效 率 不 高 ； 4） 控 制 系 統(tǒng) 的 自 適 應 能 力 和 自 學 習 能 力 較 弱 。 另 外 ， 外 骨 骼 機 器 人 要 真 正 用 于 實 踐 [12]， 還 要 考 慮 其 自 身 的 質 量 問 題 、 柔 性 安 全 問 題 、 噪 音 問 題 、 舒 適 度 問 題 等 。 隨 著 科 技 的 進 步 和 上 述 問 題 的 解 決 ， 各 種 特 殊 功 能 的 外 骨 骼 機 器 人 將 廣 泛 應 用 于 民 用 康 復 治 療 和 軍 用 助 力 裝 備 方 面 。 綜 上 所 屬 ， 本 課 題 主 要 構 想 是 運 用 EMG肌 電 信 號 傳 感 器 來 感 知 肘 部 微 弱 信 號 ， 并 由 此 信 號 來 控 制 可 穿 戴 式 肘 關 節(jié) 裝 置 [13]。 運 用 直 流 直 線 電 機 驅 動 ， 來 控 制 肘 關 節(jié) 裝 置 的 簡 單 運 動 。 后 期 需 運 用 有 限 元 、 仿 真 軟 件 進 行 綜 合 分 析 。 第2章 外骨路式機器人上肢康復肘關節(jié)方案設計 相 對 于 康 復 醫(yī) 師 一 對 一 對 患 者 進 行 的 康 復 輔 助 運 動 ， 康 復 機 器 人 有 非 常 大 的 優(yōu) 勢 ， 如 有 效 性 強 ， 持 續(xù) 性 更 好 等 等 。 康 復 機 器 人 起 源 于 現 代 機 器 人 ， 它 是 特 種 機 器 人 ， 有 自 己 的 特 點 和 設 計 要 求 。 從 其 可 穿 戴 性 上 就 可 以 知 道 ， 外 骨 骼 需 要 和 人 體 上 肢 關 節(jié) 親 合 ， 這 樣 才 能 達 到 協(xié) 調 運 動 的 效 果 。 下 面 就 從 康 復 運 動 效 果 和 外 骨 骼 式 機 器 人 的 設 計 要 求 的 角 度 出 發(fā) ， 設 計 出 適 合 不 同 肢 體 長 度 、 不 同 患 肢 、 實 現 多 種 運 動 方 式 的 模 仿 人 體 上 肢 肘 關 節(jié) 的 外 骨 骼 式 上 肢 肘 關 節(jié) 康 復 機 器 人 機 械 系 統(tǒng) 。 2.1 上肢生理特點與康復治療方法 2.1.1 手臂的生理結構特點 上 肢 的 骨 骼 有 肩 部 的 鎖 骨 、 肩 胛 骨 ， 上 臂 的 朧 骨 ， 前 臂 的 尺 骨 、 饒 骨 ， 手 部 的 腕 骨 、 掌 骨 、 指 骨 [54]， 如 下 圖 2.1(a)所 示 。 上 肢 肌 肉 多 為 長 梭 狀 ， 分 肩 部 肌 肉 、 上 臂 肌 肉 、 前 臂 肌 肉 和 手 部 肌 肉 ， 如 圖 2.1(b)所 示 。 圖2.1 手臂生理結構圖 除 手 部 關 節(jié) 外 ， 上 肢 的 關 節(jié) 分 為 肩 關 節(jié) 、 肘 關 節(jié) 、 腕 關 節(jié) 等 三 大 關 節(jié) 。 本 文 只 討 論 肘 關 節(jié) ， 將 不 涉 及 其 他 關 節(jié) 。 肘 關 節(jié) 是 復 合 關 節(jié) ， 如 圖 2.2所 示 。 它 由 肱 尺 關 節(jié) 、 朧 撓 關 節(jié) 和 燒 尺 關 節(jié) 共 同 構 成 。 肢 骨 下 端 與 尺 骨 上 端 半 月 切 跡 構 成 肱 尺 關 節(jié) ， 肱 骨 小 頭 與 燒 骨 上 端 小 頭 凹 面 構 成 胺 撓 關 節(jié) ， 燒 骨 上 端 和 尺 骨 上 端 構 成 燒 尺 關 節(jié) 。 這 3個 關 節(jié) 緊 密 相 貼 ， 共 同 作 用 ， 使 前 臂 產 生 屈 /伸 、 回 旋 等 動 作 。 為 簡 化 起 見 ， 認 為 財 關 節(jié) 具 有 一 個 自 由 度 -屈 /伸 。 圖2.2 肘關節(jié)生理結構圖 2.1.2 復治療方法 康 復 醫(yī) 學 是 一 門 研 究 殘 疾 人 及 患 者 康 復 的 醫(yī) 學 應 用 學 科 ， 其 目 的 在 于 通 過 物 理 療 法 ， 運 動 療 法 ， 生 活 訓 練 ， 技 能 訓 練 ， 言 語 訓 練 和 心 理 咨 詢 等 多 種 手 段 使 病 傷 殘 者 盡 快 的 得 到 最 大 限 度 的 恢 復 ， 使 身 體 殘 留 部 分 的 功 能 得 到 最 充 分 的 發(fā) 揮 ， 達 到 最 大 可 能 的 生 活 自 理 ， 勞 動 和 工 作 的 能 力 ， 為 病 傷 殘 者 重 返 社 會 打 下 基 礎 。 康 復 治 療 是 康 復 醫(yī) 學 工 作 的 基 本 內 容 ， 包 括 物 理 治 療 、 心 理 治 療 、 作 業(yè) 療 法 、 運 動 療 法 、 中 醫(yī) 療 法 、 言 語 治 療 。 運 動 療 法 是 以 生 物 力 學 和 神 經 發(fā) 育 學 為 基 礎 ， 采 用 主 動 和 被 動 運 動 ， 通 過 功 能 改 善 、 代 償 和 替 代 的 途 徑 ， 促 進 功 能 障 礙 的 恢 復 。 基 于 中 樞 神 經 系 統(tǒng) 的 運 動 再 學 習 方 法 主 要 用 于 中 樞 神 經 系 統(tǒng) 疾 患 病 人 的 運 動 功 能 恢 復 訓 練 ， 強 調 病 人 應 主 動 參 與 ， 通 過 重 新 學 習 和 反 復 訓 練 ， 恢 復 其 運 動 功 能 和 日 常 生 活 活 動 能 力 。 2.2 機器人上肢康復系統(tǒng)構建 在 掌 握 了 人 體 上 肢 解 剖 學 知 識 和 康 復 機 器 人 的 設 計 要 求 后 ， 接 下 來 的 任 務 就 是 康 復 系 統(tǒng) 的 構 建 ， 該 康 復 系 統(tǒng) 主 要 包 含 三 部 分 內 容 ： 康 復 機 器 人 機 械 本 體 、 運 動 控 制 系 統(tǒng) 、 控 制 體 系 結 構 。 下 面 就 對 從 這 三 個 方 面 ， 設 計 所 需 的 上 肢 康 復 系 統(tǒng) 。 (1) 結 構 的 基 本 形 式 通 過 第 一 章 的 分 析 ， 本 研 究 采 用 三 自 由 度 、 外 骨 豁 式 、 串 聯 、 電 機 驅 動 結 構 形 式 。 對 于 輔 助 患 者 上 肢 做 康 復 運 動 的 機 器 人 ， 其 機 械 結 構 的 基 本 設 計 要 點 是 ： 有 足 夠 的 剛 度 和 強 度 來 支 撐 機 械 臂 本 體 和 患 肢 的 重 量 ， 在 此 基 礎 上 機 器 人 盡 量 做 到 輕 便 ;機 器 人 關 節(jié) 設 置 、 尺 寸 結 構 ， 符 合 人 體 上 肢 的 解 剖 結 構 ;外 骨 骼 與 上 肢 具 有 較 好 的 交 互 性 ;運 動 可 靠 ， 傳 動 誤 差 小 。 康 復 機 器 人 的 整 體 設 計 流 程 如 圖 2.3所 示 。 圖2.3 機械設計流程 由 于 條 件 有 限 ， 本 文 將 不 設 計 制 作 樣 機 的 工 作 。 為 了 盡 量 減 小 外 骨 骼 重 量 ， 本 設 計 擬 選 擇 航 空 超 硬 鋁 型 材 作 為 關 節(jié) 連 接 件 ， 由 于 客 觀 條 件 所 限 ， 最 終 采 用 了 硬 鋁 型 材 作 為 關 節(jié) 連 接 件 。 (2) 肘 關 節(jié) 工 作 原 理 一 般 情 況 下 ， 在 人 體 解 剖 學 中 ， 以 標 準 姿 勢 進 行 敘 述 和 闡 明 ， 如 圖 2.4。 上 自 頭 側 ， 下 至 尾 側 并 與 地 面 相 垂 直 的 軸 為 垂 直 軸 ， 它 是 上 下 方 向 ;從 腹 側 面 至 背 側 面 ， 同 時 與 垂 直 軸 呈 直 角 交 叉 的 軸 叫 做 矢 狀 軸 ， 又 稱 腹 背 軸 ， 它 是 前 后 方 向 ;額 狀 軸 ， 或 稱 。 冠 狀 軸 。 ： 為 與 水 平 面 平 行 ， 并 與 前 兩 個 軸 相 垂 直 的 左 右 方 向 的 軸 。 接 下 來 ， 對 人 體 定 義 三 個 面 ， 這 三 個 面 是 以 上 述 的 三 個 軸 為 基 礎 進 行 闡 釋 。 冠 狀 面 ： 按 左 右 方 向 將 人 體 分 為 前 后 兩 部 分 的 縱 切 面 ;矢 狀 面 ： 按 前 后 方 向 將 人 體 或 器 官 縱 切 為 左 、 右 兩 部 分 的 斷 面 ;水 平 面 (橫 切 面 )： 與 上 述 兩 個 面 垂 直 將 人 體 橫 切 分 為 上 下 兩 部 分 的 縱 切 面 。 基 于 上 述 分 析 得 出 ， 肘 關 節(jié) 主 要 是 完 成 屈 伸 動 作 。 它 的 一 般 運 動 范 圍 為 0-150° ， 極 限 運 動 角 度 為 0-160° 。 當 然 有 部 分 人 的 肘 關 節(jié) 能 完 成 負 角 度 的 運 動 。 此 種 情 況 本 文 將 忽 略 ， 不 予 討 論 。 2.3 肘關節(jié)系統(tǒng)方案 通 過 上 述 分 析 ， 明 確 了 肘 關 節(jié) 系 統(tǒng) 必 須 達 到 的 要 求 與 實 現 的 功 能 。 本 文 設 計 的 肘 關 節(jié) 系 統(tǒng) 方 案 如 下 ： 1、 機 械 部 分 ： 運 用 直 線 電 機 驅 動 ， 來 控 制 肘 關 節(jié) 裝 置 的 運 動 。 直 線 電 機 安 裝 在 下 臂 上 ， 在 上 臂 安 裝 一 個 彈 簧 提 供 阻 尼 ， 用 來 與 電 機 驅 動 力 保 持 平 衡 ， 使 肘 關 節(jié) 屈 曲 時 可 以 定 住 在 某 幾 個 特 定 角 度 。 工 作 原 理 類 似 于 挖 土 機 的 工 作 臂 。 2、 控 制 部 分 ： 運 用 EMG肌 電 信 號 傳 感 器 來 感 知 肘 部 微 弱 信 號 ， 并 由 此 信 號 來 控 制 可 穿 戴 式 肘 關 節(jié) 裝 置 。 第3章 肘關節(jié)機械系統(tǒng)設計 上一章中詳細討論了外骨路式機器人上肢康復肘關節(jié)系統(tǒng)的方案。本章將在上一章的基礎上對肘關節(jié)機械系統(tǒng)進行設計。 3.1 機構驅動方案 通過對相關文獻的閱讀與研究。目前，外骨路式機器人上肢康復機械系統(tǒng)各關節(jié)的驅動方案主要有：旋轉電機輸出扭矩驅動、液壓驅動、氣壓驅動等三種。這三種方案有比較明顯的優(yōu)點，但他們的缺點也同樣很突出。旋轉電機驅動方式由其的運動特點決定了其可以精確的控制機械系統(tǒng)的運動軌跡；但其輸出功率較小，要實現大功率輸出就必須增大電機體積，這樣就必然會增加系統(tǒng)的重量與功耗，不利于提高系統(tǒng)的續(xù)航能力與適用范圍。液壓與氣壓驅動方式輸出功率區(qū)間較大能滿足各種不同患者的使用需求。但液壓驅動方式必須配套的裝配一套龐大復雜的液壓回路系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的成本與適用范圍。而氣壓驅動方式則需要設計一套龐大的氣體壓縮與輸送系統(tǒng)。 綜上所述，本文采用直線電機驅動方式。直線驅動方式的功率輸出區(qū)間雖不如液壓與氣壓驅動方式的大但能以完全滿足系統(tǒng)的各項功能需求。且相對液壓驅動、氣壓驅動來講直線電機驅動方式對機械系統(tǒng)的精度要高很多，也更容易實現系統(tǒng)的閉環(huán)控制。直線電機原理如圖3.1所示。 圖3.1 直線電機原理 3.2 機構運動方式 現今各類工程中仿生類肘關節(jié)的機構應用非常廣泛。如工程機械中的挖掘機工作臂，該機構結構緊湊、控制簡單?；诖颂攸c，在各項工程中都能見到挖掘機的身影，對各項工程做出了重大貢獻。由于直線電機的運動方式與液壓油缸相似，因此，本文肘關節(jié)也采用類挖掘機工作臂機構。 3.3 機構方案 本文肘關節(jié)機械系統(tǒng)主要由上臂、下臂、直線電機、拉桿和阻尼彈簧等零件組裝而成?？紤]到肘關節(jié)的運動與患者手臂的運動是否干涉，本文將直線電機安裝在上臂末端，拉桿安裝在下臂前端。為了給肘關節(jié)屈曲時有足夠的空間，必須在上臂上肘關節(jié)處留出一個空洞來。除此之外，還在上臂填加一個彈簧來提供阻尼，用來與電機驅動力保持平衡，使肘關節(jié)屈曲時可以定住在某幾個特定角度。比如60、90度。機構裝配圖如圖3.2所示，機構運動示意圖如圖3