上下肢康复机器人的结构设计与开发开题报告班级/学号：机械1101班/2011010015姓名：陈炜指导教师：刘相权一、综述1.1研究的背景和意义随着医疗卫生条件的发展和经济条件的改善，人类平均寿命不断增长，老年人口日益增多，老龄人群的健康问题也成了人们共同关心和面临的问题。

其中，对老年人造成严重伤害的一种疾病就是中风。

中风，属于脑血管疾病的一种，其所出现的脑血液循环障碍将直接对人的大脑组织造成不可恢复的损伤，从而导致偏瘫后遗症的产生，偏瘫后遗症的康复治疗更是广大医护工作者和患者所面临的棘手问题。

因此，中风由于它的高致残率、高复发率和高死亡率等特点，被世界卫生组织确定为危害当今人类健康的第一杀手。

在当前医疗条件下，医护人员对于患者的急性中风能够采取比较有效的治疗手段来保证患者的生命安全。

但是，中风所引起的诸如偏瘫、运动功能障碍、语言功能障碍、神志障碍等后遗症，却成为当今医疗界所面临的一个难题。

在中风后遗症患者中，大多属于运动功能障碍，资料显示中风后因运动功能障碍而生活不能自理的高达42.5%。

这不仅使得患者生活不能自理，而且也为患者家庭带来极大的心理与经济负担。

临床研究表明，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进行康复治疗是获得理想功能恢复的最佳时机，治疗总有效率可达92.4%。

因此，我们迫切需要寻求一种有效的康复手段，使得中风后遗症患者能够最大限度的恢复到正常状态，以减轻患者的生理和心理痛苦，减轻家庭和社会的负担。

目前，在偏瘫上下肢康复训练方面，国内外医疗界所采用的主要是康复训练师亲自对患者进行康复指导和训练。

这种治疗方式虽然取得较好的治疗效果，但是仍然存在下述三方面的问题：（1）患者较多的情况下，一名康复训练师不可能在同一时间对多名患者进行有效地康复训练，治疗效率低下。

即便是技术娴熟的康复训练师可以同时照顾多名患者，那么由于其体力的限制，也不能保证每个患者都能得到足够强度的康复训练。

此外，康复训练师的技术能力不尽相同，不同康复训练师的治疗效果也有很大差异，很难保证每个患者都能得到高效合理的康复治疗。

（2）因为技术差异，一些康复训练师不能根据患者病况程度精确拿捏康复治疗方法和力度，不能准确记录患者康复进程中的各种病况数据，从而导致康复评价指标不够客观合理，影响治疗方案的进一步完善和改进，耽误患者的康复治疗。

（3）由于现在人力成本的不断提高，康复训练师的服务费用也不断增加，对于经济条件较差的患者，其家庭将无力承担高昂的康复训练费用，这也无疑会耽误患者治疗，影响患者一生的幸福。

综上所述，仅依靠康复训练师亲自对患者进行的康复指导和训练，无疑会制约偏瘫后遗症康复训练手段的进一步发展，影响患者康复治疗的效果，增加患者家庭负担和社会的医疗成本。

因此，有必要将先进的技术手段应用到偏瘫康复治疗领域，以替代康复训练师而进行新型的康复指导和训练，从而为广大患者送去健康的福音。

在这种背景下，康复机器人应运而生了。

康复机器人是将机器人技术应用到康复工程的产物。

与传统的康复治疗手段相比，康复机器人具有以下四个优势：（1）利用康复机器人进行康复治疗，不会由于康复训练师的个人原因而造成患者的康复训练达不到足够的强度。

（2）患者可以购买或者租赁一台康复机器人，按照使用说明和医生给出的治疗方案，在家里进行自主的康复训练，而不受治疗地点的限制，治疗时间也能得到保障。

（3）康复机器人可以通过一些高科技的技术手段，在患者康复训练的同时为患者提供一些丰富多彩的训练内容和患者感兴趣的放松娱乐内容，使治疗过程不再那么枯燥乏味，提高患者参与治疗的积极性。

（4）康复机器人能将治疗效果信息及时反馈至身在异地的康复医生，以便其根据患者康复情况制定出更合理的治疗方案，实现远程治疗。

然而，目前国内外已有的康复治疗机器人，结构庞大，系统复杂，而且费用比较昂贵，不够简洁轻便，并且大都为只针对上肢或者只针对下肢的两钟类别的康复机器人，这使得康复机器人的适用范围受到了限制。

基于此，本文拟设计一种结构简单，稳定度高，安全性好，易于操作的集上下肢于一体的康复辅助训练机器人，为广大偏瘫患者带去康复的希望。

因此，本课题的研究具有重要的现实意义。

1.2国内外研究现状及发展趋势目前，康复机器人技术是医工交叉结合的崭新领域，将先进的机器人技术应用在医疗领域中的康复机器人，是机器人技术和康复医学完美结合的体现。

康复机器人分为：康复训练机器人和功能辅助型机器人。

康复训练机器人能够辅助患者进行如：人的下肢行走、手臂运动、颈部运动等功能的恢复性训练；功能辅助型机器人有机器人假肢、导盲手杖、智能轮椅等，主要用来帮助有肢体运动功能障碍的患者实现各种运动。

本文设计的是上下肢康复辅助训练机器人，用来帮助上肢和下肢有运动功能障碍的偏瘫后遗症患者进行康复训练，以达到恢复人体肌体组织的运动机能，实现肌体组织自然化动作的最终目标。

1.2.1国外研究现状欧美国家在康复机器人的相关研究工作方面起步较早，而且得到了机器人研究者和医疗机构的普遍重视。

从20世纪60年代开始，许多研究者就尝试将用于残疾人康复治疗的机器人系统产品化，虽然取得一定的研究成果，但是康复机器人的发展仍然比较缓慢。

直到20世纪80年代，康复机器人研究仍然处于起步阶段。

但是进入20世纪90年代以后，康复机器人的研究步入了全面发展的快车道。

（1）上肢康复辅助训练机器人国外研究现状1991年，麻省理工学院设计制作了第一台上肢康复训练机器人系统MIT-MANUS，如图1.1所示。

该机器人主要用于病人的肩、肘康复治疗，其原理上采用五连杆机构，有效降低了机器人末端执行器的阻抗，实现了康复训练的安全性、舒适性和平稳性，在临床应用中取得了良好的治疗效果。

此外，MANUS还可以利用计算机准确测量手臂的平面运动参数，该参数可以通过人机交互界面直接反馈给患者。

图 1.1MIT-MANUS上肢康复机器人图 1.2ARM-Guide 1999年，美国加州大学Reinkensmeyer与芝加哥康复研究所Kahn等联合研发了一种辅助康复和测量向导的设备ARM-Guide，如图 1.2所示。

该设备主要用来测定患者上肢的活动空间。

2000年，他们在ARM-Guide的基础上进行了优化改进，设计出了一种新的ARM-Guide，用以辅助治疗和测量脑损伤患者上肢运动功能。

这种新设备具有三个自由度，采用电机驱动，其姿态可以通过一个直线轨道进行调整。

而且还可以通过传感器测量患者前臂所产生的力，但是这种设备运动和训练方式比较单一。

图 1.31DOF腕关节康复机器人图 1.42DOF肩肘关节康复机器人2005年，意大利的Roberto Colombo等人设计了腕关节康复机器人（图 1.3所示）和肩肘关节康复机器人（图 1.4所示）。

两者分工完成各自的训练任务，以实现对患者腕关节和肩肘关节的康复训练。

其中腕关节康复机器人可以借助自身良好的控制系统实现±90范围内的康复训练，肩肘关节康复机器人则主要实现肩肘关节在二维空间的自然伸缩。

图 1.5ARMin上肢康复机器人2006年，瑞士苏黎世大学的Nef等研制了一种新型上肢康复机器人ARMin，如图 1.5所示。

该机器人采用不完全外骨骼结构，具有六个自由度，能够实现肘部屈伸和肩膀的空间运动。

使用过程中，可以分别选择不同的适合患者的康复训练模式，完成对上肢损伤患者的康复训练。

此外，还有其他很多研究者或研究机构对上肢康复训练机器人进行了大量研究，取得丰硕的成果。

如：荷兰代夫特技术大学设计了一种可穿戴式机器人，它能像衣服一样穿在患者的肢体上，与患者的上肢一起运动，从而达到康复治疗的效果。

某研究者设计了一种利用控制患者腕关节运动位置的机器人，实现患者手臂康复训练。

（2）下肢康复辅助训练机器人国外研究现状现在很多下肢康复器械的设计方案都是将助行机构与跑步机和悬吊系统相结合，例如图1.2.1所示是由瑞士苏黎世联邦工业大学设计研制的一款LOKOMAT全自动机器人步态训练与评估系统。

该系统主要包括步态矫正装置、减重悬挂系统和智能跑台等装置，该系统可以调整步态训练模式，使步态矫正装置带动病人的双腿在跑台上作不同的锻炼，控制系统可以控制步态矫正机构上的执行元件，驱动患者的髋关节和膝关节作相应运动，动力电机可以精确地控制跑台运行速度，使之与病人的行走速度相耦合。

其控制系统可以精确调整，使之可以适应不同患者的康复训练。

在矫正装置的各个关节上均安装有压力传感器，可实时精确地监控矫正装置对患者的作用力。

目前，LOKOMAT系统已经成功地被全球100多家有名的研究所和康复医院引进使用。

还有一种常见的设计方案是外骨骼动力辅助系统，其代表是日本筑波大学（Tsukuba University）大学设计开发的机器人装混合助力腿（HAL），如图1.2.2所示，HAL主要结构包括背包、感应控制装置和分布在髋关节和膝关节两侧的4个电机，该产品主要用于帮助步态没有协调性的患者行走，可以帮助患者以4千米每小时的速度行走，并且能完成上下楼梯等复杂动作，其运动由患者通过控制器控制，无需任何操纵台，也不需要外接任何控制设备。

该装置配备了很多传感器，如地面传感器、肌电传感器、角辨向器等，可以辅助控制器根据生理反馈调整人的姿态，使人感到舒适。

上述两种典型设备控制可实现的功能多、康复功效好，但系统庞大且复杂、价格昂贵，只适合康复医疗中心引进以供患者使用，对于一般患者难以承受,因此市场上还有多种简单便携式的下肢康复设备。

图1.2.3所示装置是德国OPED公司生产的主被动活动器CAM0PED，该装置针对不同患者的情况可实现不同的康复模式。

对于下肢瘫痪情况较为严重的患者，可以采用完全电机驱动模式；对于单侧腿瘫痪的患者，可以采用以健康腿的运动带动患腿运动的模式。

如此可以有效地帮助患者恢复肢体感觉，对于患者恢复腿部机能也有较好的帮助。

这种产品的特点是重量轻、结构简审，小巧便携。

图1.2.4所示器械为日本东京大学研制出的一种主动力型康复医疗器械HartWalker，其结构主要包括两个竖直的KAF矫形器和一个支撑减重兼平衡作用的四轮车。

此器械在使用时，人的重量主要集中在中间的竖直杆上，如此设计的作用是可以解放出人的双手进行一些辅助的操作。

总之，国外下肢康复器械新产品的一些主要特点有：（1）智能化。

传统机械与计算机技术紧密结合，利用先进的传感器技术和控制技术使康复器械达到各种预期功用；（2）人机一体化。

将生物工程技术用于人体康复工程，使康复者能够在舒适的前提下进行康复训练。

1.2.2国内研究现状（1）上肢康复辅助训练机器人国内研究现状与国外相比，我国在康复辅助训练机器人领域的探索和研究开始较晚。

但是近年来，随着我国经济的发展和人民群众对健康关注程度的提高，国内的一些科研院所以及高等学校在康复辅助训练机器人方面相继开展了大量的设计研究，开发和研制出了多种型号的用于上肢康复辅助训练的机器人样机。