1、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
2、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
3、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，
4、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
5、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
6、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 1.1 MIT-MANUS上肢康复机器人 图 1.2 ARM-Guide 1999 年，美国加州大学 R
7、einkensmeyer 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 1.3 1DOF 腕关节康复机器人 图 1.4 2DOF 肩肘关节康复机器人 2005 年，意大利的 Roberto
8、 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 1.5 ARMin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
9、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
10、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
11、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CAM
12、0PED，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
13、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。目前，国内的康复辅助训练机器人研究已经取得巨大发展，但是相比国外仍然有较大差
14、距，仍需国内科技工作人员投入更多的物力和精力进行相关研究。上海交通大学和复旦大学的科研专家联合开展了一项研究，该研究的目的是通过提取患者的神经信息，然后利用该信息来实现电子假手的控制，以完成对患者的康复训练。该研究的原理是利用相关仪器，有意识地控制患者进行反复训练，在康复训练的同时，连续调整和适当加强大脑指令，以达到提高中枢神经系统和骨骼肌肉系统支配和控制能力的目的，使患者逐步消除运动障碍。 图 1.7 上肢复合运动康复训练机器人自 2000 年开始，清华大学就组织了一支科研力量，致力于机器人辅助神经康复的研究，并在该方面取得了丰硕成果。其目前已经成功研制了包括肩肘复合运动康复机器人、肩关节康
15、复机器人和手康复训练器在内的多种康复机器人,如图 1.7 所示。2004 年初，清华大学将自己的科研成果在中国康复研究中心进行临床应用，取得了一定的康复效果，并获得了大量非常具有现实指导意义的临床数据。图 1.8 哈尔滨工业大学研制的五自由度上肢康复机器人 哈尔滨工业大学研制了一种具有五个自由度的上肢康复机器人，如图 1.8所示。其结构采用了外骨骼式，各关节利用电机驱动，能够完成肩部、肘部和腕部的伸/屈以及肩部的外摆/内收、腕部的旋转等动作，使患者能够完成一些日常生活中简单的功能性动作的练习。 华中科技大学研发的一种上肢康复机器人，与以往的康复机器人有很大的区别，其采用了独特的气动肌肉驱动方式
16、，而且可以在三个自由度空间内运动，如图 1.9 所示。该气动肌肉采用拮抗肌对的方式来实现单关节的双向运动。图 1.9 基于气动肌肉驱动的3DOF上肢康复机器人 此外，东南大学、河北工业大学等高校也开展了很多关于康复机器人技术的研究，并取得了一定的成果。其中，东南大学成功研制了一套可以实现被动、主动和带阻尼主动三种锻炼模式和一对多的训练模式的上肢康复训练机器人系统。河北工业大学设计了一种可以通过虚拟现实系统模拟患者动作的手臂外骨骼康复机器人，并取得了良好的效果。 （2）下肢康复辅助训练机器人国内研究现状我国对下肢康复器械的研究比较晚，如今在各种因素的刺激下，康复医学工程虽然得到了普遍的重视，但我
17、国在康复机器人领域的研究仍处于起步阶段。近几年我国已经在康复工程方面的研究取得了一定的进展，并且已经取得了不少成果，填补了一些空白，特别是中档产品发展较快，成果比较喜人。清华大学在国家科技支撑计划和国家自然基金的支持下率先开始了下肢康复器械的研究开发工作，成功研制了康复机器人GRTS，制造出了样机并进行了大量的临床应用，取得了一些患者的临床数据，测试结果显示GRTS在下肢偏瘫患者的康复方面已经起到良好的效果。图1.2.6为GRTS康复机器人的三维造型图，髋关节和膝关节的驱动方式为直接电机驱动，这样的结构比较紧凑，且控制方便。哈尔滨工程大学的张立勋教授团队近十年来一直在从事下肢康复器械的研究，其
18、研究方向较为宽泛，在关节液压驱使驱动康复机器人、电机驱动康复机器人、绳索牵引式康复器械、人机合作机器人等国内外重点研究方向上均有所涉猎，成果丰富。图1.2.7所示的助行康复机器人是其较新的研究成果，此康复器械主要由三部分组成：助行机构、起坐装置以及可移动座椅，可以完成助行、帮助人起坐等辅助作用，还可以作为电动轮椅进行直行、拐弯等动作，功能颇为丰富，成果申请了多项专利，具有较强的创新性与实用性。哈尔滨工业大学研制的下肢康复助行机构能够同时对患者的髋关节、膝关节和踝关节进行康复训练，主要由两个部分组成：穿戴式助行行走机构以及用于减重作用的抬升机构。通过这两部分装置的共同作用，患者可以无需别人帮助自
19、行进行腿部关节锻炼以期恢复健康。除上述院校，中科院合肥智能机械研究所、浙江大学机电所、上海大学机电工程与自动化学院也均针对偏瘫患者的康复需要提出了不同的解决方案，并取得了不少研究成果。如今类型各异的下肢康复器械已经得到了一定的应用,并且在临床上具有良好的表现。在今天这个以人为本的社会当中,随着人们生活水平越来越提高,对健康问题也会愈发重视,这是康复医疗器械发展的重要契机。以往依赖治疗师一对一徒手治疗的工作必将逐步被康复医疗器械所取代。1.3 目前存在的主要问题 （1）上肢康复辅助训练机器人目前存在的主要问题 经过国内外专家多年的设计研究以及临床应用，康复机器人技术已经取得巨大的发展，但是仍然存
20、在不少问题，有待进一步研究解决。本文在对现有文献和康复机器人临床应用情况深入研究调查的基础上，对目前国内康复机器人所存在的问题总结归纳如下：（1）结构庞大，系统复杂，应用范围受到限制。（2）训练活动范围及幅度较小，训练方式简单，不能实现部分关节大范围活动和多关节复杂活动，以达到为中枢神经提供足够强度刺激的目的。（3）机器人的适用性不强，不能很好地适用于不同患者之间，同一患者不同的恢复时期等情况。（2）下肢康复辅助训练机器人目前存在的主要问题 下肢康复助行器械设计的主要问题主要体现在以下三个方面: （1）机械结构 机械结构设计是下肢康复器械设计的第一步，也是最重要的一步，结构设计是否合理将会直接
21、影响到整个装置能否实现康复医疗目的。现有的下肢康复器械就其结构设计而言，大致可分为四类:脚踏板类；骨盆操作器配合减重踏步车类；下肢外骨骼配合减重踏步车类；悬吊减重系统配合可控移动车类。这四类结构各有优缺点，四前机构方面的研究重点主要集中在能够设计出一种更适于人机交互的结构，最大程度地辅助患者进行康复训练，而非限制患者的运动。 （2）步态规划 结合康复训练要求，根据捕获的人体运动步态数据，为康复器械设定好运动数掘，并能够在线进行姿态调整,以保证患者的平衡和步态协调，这两个问题统称为步态规划问题。目前国内外主流的步态规划方法主要可分为基于运动捕捉数据、基于简化动力学模型、基于动态稳定判据、基于人工
22、智能以及基于仿生原理五类。其中有的步态规划方法己经发展成熟，而有的还与现实有很大差距。无论采用怎样的步态规划方法，其首要原则都要满足人的生理特征，并能够保证患者的安全。 （3）控制策略 下肢康复器械能否达到预定的康复目标，从一定程度上能够取代医疗师实现各种医疗模式，主要取决于其康复策略的制定，此问题也是康复医疗器械研发的难点所在。根据不同患者的情况，以及根据同一患者步态康复阶段的康复情况，适当地使患者发挥自主意愿,完成各种康复医疗模式，这是针对下肢康复器械制定控制策略所要解决的基本问题。高水准的控制策略应当能够根据患者的表现判断患者的康复现状，并自动调整训练参数，加速患者的康复进程。1.4前景
23、展望 上下肢康复机器人能给患者带来美好生活的期望,其研究开发具有重大的社会意义和市场价值,也是时下一个热门研究领域,因此有必要研究深入以期能够对广大截瘫患者带来康复福音。并且，根据现有的国内外设计方案，各国的学者进行更加深入的了解和研究，并且进行优化完善，进一步优化上下肢康复辅助训练机器人的结构、材料，以减轻机器人的重量，提高机器人的动力学性能；同时对患者上下肢施加的力进行控制，与人体上下肢接触的部分选取舒适度高的上下肢康复辅助训练机器人的设计材料，以进一步提高患者在康复训练过程中的舒适性；不仅如此，为了达到最佳的康复训练效果，适时监控患者在康复训练过程中的身体适应情况，应适当引入表面肌电数据
24、采集系统。二、研究内容1、设计技术参数：（1）承载能力：85Kg以上；（2）占地面积：小于1平方米；（3）能康复下肢髋、膝、踝关节；（4）能近似模拟正常人行走步态轨迹和脚步位姿；（5）能进行主被动训练。2、设计内容（1）完成上下肢康复机器人的结构设计；（2）建立三维虚拟模型并对其进行运动仿真；（3）完成上下肢康复机器人的运动仿真。三、实现方法及预期目标1、预计实现方法（1）上肢运动结构设计 由人体上肢运动特点可知，上肢运动功能组件必须有三个转动副，并且通过一定的组合方式将这三个转动副组合起来，以模拟人体上肢的运动。此外，各个转动副的中心必须与上肢对应关节的转动中心重合。通过以上分析可知：康复训
25、练机器人实现肩部屈/伸、外摆/内收的转动副的转动轴线应与肩关节屈/伸、外摆/内收的转动轴线重合，实现肘部屈/伸的转动副的转动轴线应与肘关节屈/伸的转动轴线重合。 1）肘关节屈/伸运动机构设计 康复训练机器人采用外骨骼结构，将大小臂分别固定在大小臂托盘上，使上肢随着托盘的运动而运动。大、小臂托盘以转动副连接，转动副的轴线与肘关节屈/伸运动轴线相重合。考虑到单纯的一个转动副承受小臂重量可能刚性不足，且驱动力矩太大，出于安全性设计，在此采用四杆机构，如图 2.6 所示。 此四杆机构将大臂托盘作为机架，小臂托盘作为连架杆，另一连架杆与驱动相连。这样，四杆机构的运动带动肘关节实现屈/伸运动，整个机构的刚
26、性将大大增强，运动可靠性与安全性也大大提高。 2）肩关节屈/伸、外摆/内收运动机构设计 由于肩关节有两个运动副，且这两个运动副的轴线垂直相交于一点，而这一点为肩关节运动过程中的不动点，所以肩关节屈/伸、外摆/内收运动机构设计是康复训练机器人设计的难点，也是创新点。在此我们设计了一种 L 型结构的连接件，如图 2.7 所示。 图 2.7 可知，L 型连接件两端的两个运动副实现了肩关节的屈/伸、外摆/内收运动构成转动副 1 的两构件为基台和 L 型连接件，构成转动副 2 的两个构件为大臂托盘和 L 型连接件。这样，转动副 1 带动 L 型连接件和肘关节四杆机构实现肩关节的屈/伸运动，转动副 2 带
27、动肘关节四杆机构实现肩关节的外摆/内收运动。（2）下肢运动结构设计下肢康复器械一般可分为两种类型,即主动型和被动型,这里所说的主动、被动均是相对于患者而言的。主动型下肢康复器械由下肢障碍患者带动器械进行训练,常见的有椭圆机等形式,主要用于人体肌肉的正常训练以及保健运动;被动型下肢成复器械装打电源和执行元件,由器械带动患者下肢做反复的运动。由于偏瘫或瘫换患者的下肢没有运动能力或者运动能力很微弱,患者几乎不可能主动投入到康复训练中去,所以至少在康复训练的前期应采用被动训练的方法。被动康复训练时应注意,应尽量与生理运动规律一致,在无痛范围内进行训练,而且应当避免频繁更换动作姿势,尽量保持同一体位进行
28、康复训练。由于下肢康复器械的使用对象具有特殊性,在设计过程中要充分考虑到以下问题:第一,下肢康复器械的设计应当充分考虑到人体工程学和仿生学。设计出的产品的运动特征必须符合正常人的运动步态,迎合了正常人行走的特性,才能使患者的康复过程感到舒适,并且避免了患者后期步态畸形,从而可以免去后期的矫正行走步态训练。第二,对于下肢障碍患者而言，其下肢神经功能发生了障碍，从而没有支撑能力，患者无法自己保持平衡。如何让患者保持平衡也是一个重要设计要点。第三,一般下肢障碍患者的上肢比较完好，可以充分利用其这个特征让其利用其上肢进行人机互动，完成简单的壁障、紧急停车等功能，有利于提高患者的反应能力、积极性以及康复
29、的趣味性。如前叙述，本文的设计目标是要尽量能够模拟人体的正常步态。由于正常人下肢关节自由度多，运动灵活多变，简单的助行器械很难满足多种步态，况且考虑到患者不宜频繁更换运动姿势，因此本文仅针对正常步态进行设计。由图2.1.4的正常步态实测曲线可以看出，髋关节q1在一个步行周期内仅有2个极值点，其变化规律较为简单，类似于余弦曲线，因此可以选用一个曲柄连杆机构来实现大腿的运动规律；膝关节角q2的运动规律较为复杂,在一个步行周期内出现了 4个极值点,不可能由一个四杆机构来实现,可以由两个四杆机构的耦合机构作为膝关节的再现机构,其形式如图2.2.1所示,图中杆1为曲柄,杆7即为带动大腿运动的杆。从节约成本、降低控制难度以及器械轻量化的角度出发,本文采用由一个驱动提供匀速动力同时驱动两个关节的设计,如图2.2.2所示。 根据上述分析,考虑到应用的特殊性以及设汁的要求,对下肢康复器械的驱动和传动装置提出以下要求:（1）传动效率高、输出力矩大,质量轻；（2）过载能力良好,安全可靠；（3）控制方便,精度较高。2、最终实现方法通过对以上方案和查阅其他资料得到的方案进行细致的比较，我得出了自己最终的结构设计方案。如下图所示：如上图所示，根据任务需求设计出来的样机结构包括四大部分：1）底座与机架部分：是康复训练器的支撑部分。在其上面
