基本信息
- 项目名称：
- 上肢康复训练机器人
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本上肢康复训练机器人用于中风偏瘫患者的康复训练。采用穿戴式外骨骼设计，由气动驱动。该机器人既能直接准确地模拟手臂的各种运动，又能利用患者的一侧健康手臂自主运动信息直接驱动患者另一侧患肢作随动康复运动。 康复训练上能轻松实现患者上肢的被动（全助力）、半主动（半助力）、主动（阻力）、随动及其组合训练模式。 利用本机器人，中风偏瘫患者可在社区医院或家庭进行个性化康复训练。
- 详细介绍：
- 本作品涉及一种采用气动控制且能方便实现对手臂及手指各关节运动模拟的穿戴式外骨骼上肢康复训练机器人。该机器人在肩关节处采用带虚轴的三自由度设计，实现了机构与上肢的紧密依附，并且通过在腕部采用一套空间六杆机构，实现了腕部的背伸屈曲和内收外展两个自由度，同时由于在各旋转副处添加了角度传感器收集反馈机构运动的角度信息，既能直接准确地模拟真实手臂的各种运动，也能方便利用患者的一侧健康手臂自主运动信息来直接驱动患者另一侧患肢作随动康复运动，因此在康复训练上能轻松实现患者上肢的被动（全助力）训练、半主动（半助力）训练、主动（阻力）训练和随动训练。 采用本发明牵引手臂及手指作各种姿势的运动，主要涉及四大创新点： 1.康复训练机器人采用气动元器件作为作动件，充分利用气弹性等气动技术的特点，容易模拟人体肌肉的作动效果；并将驱动器和阻尼器合二为一，容易实现被动、半主动、主动训练。 2.将驱动元件置于固定的机架上，极大地减轻了运动构件的重量，通过线管钢丝绳传动，保证了机构运动的灵活性。 3.利用机电一体化技术，患者通过健侧手臂的自由运动来控制患侧手臂的伴随运动，实现患者的自主康复训练。 4.采用弧形导轨设计了带虚轴的三自由度外骨骼式肩关节，在满足机构与人体不干涉的前提下实现肩部的完整运动。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一、目的和基本思路： 当前我国由于脑卒中导致的偏瘫病人逐年增加，而康复治疗师紧缺，国内康复训练设备研发刚刚起步，而部分国外康复训练设备虽然先进，但价格昂贵。研发适合我国国情的方便在社区医院或家庭中进行训练的小型、性价比高的康复训练机器人具有很强的现实意义。 二、创新点： 1.康复训练机器人采用气动元器件，并将驱动器和阻尼器合二为一，不仅方便实现患肢康复运动的被动、半主动、主动训练，而且使运动具有气动柔性。 2.将全部气动元器件置于固定机架上，通过线管钢丝绳传动，极大地减轻了运动构件的重量，保证了机器人上肢运动的灵活性。 3.利用气动伺服控制技术，患者可通过健侧手臂的自主运动来控制患侧手臂的伴随运动，实现患肢的自控康复训练。 4.采用弧形导轨设计了带虚轴的三自由度外骨骼式肩关节，在满足机构与人体不干涉的前提下实现肩部的完整运动。 三、技术关键和主要技术指标： 1.肩关节处采用带虚轴的三自由度机构，腕部采用空间六杆机构，整套装置共含有10个自由度，能有效模拟人体上肢的各种运动和运动幅度。 2.通过线管钢丝绳传动将驱动装置置于固定基座上，将活动机构的重量控制在10kg内，整套装置轻巧、舒适、人性化。 3.采用机械限位和电气控制双重手段，确保患者在康复训练时的绝对安全。采用0.5MPa的气源，在满足驱动机构运动的前提下又具有可靠的安全工作环境。 4.该装置可提供被动、半主动、主动、随动及其组合模式，方便实现个性化康复训练。
科学性、先进性
- 1.采用气动元器件作为作动件，兼具驱动器与阻尼器的双重特性，提高了康复训练的适应性、舒适性、安全性；同时利用气弹性等气动技术的特点，使运动具有一定的柔性。（现有康复机器人普遍采用电机驱动） 2.线管钢丝绳传动使得驱动装置与执行机构分离，大大减少康复上肢的负重及控制难度。（现有的大多数设计都直接将电机安装于执行机构上，导致装置庞大、笨重。） 3.随动康复训练模式的设计，可实现患者自主康复训练。（此随动模式的开发，至今国内外未见有报道） 4.肩关节处采用共点的带虚轴的三轴设计，实现了肩关节的完整运动。（现大都采用两自由度） 主要参考文献： 1.寄婧，王兴武，杨瑞芳。 被动训练对脑卒中恢复期患者运动功能的影响[J].中国临床康复， 2003，7（16）；2380 2.胡宇川，季林红。从医学角度探讨偏瘫上肢康复训练机器人的设计。中国临床康复第8卷，第34期 3.吕广明, 孙立宁, 彭龙刚。康复机器人技术发展现状及关键技术分析。哈尔滨工业大学学报，2004，第36卷，第9期
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品；现场演示；图片；录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 一、技术特点及优势：采用可穿戴式的外骨骼设计，既可固定于支架上使用也可直接穿戴在身上使用。操作轻松安全。 二、适应范围：本作品的尺寸可调，适用于不同体型患者的使用，意识清醒的患者可通过该装置进行自主康复训练。 三、技术性说明： （1）采用气动驱动，使得机构的运动具有适当的缓冲作用，通过滑轮线管钢丝绳传动，可将驱动装置安置于执行装置之外，使得执行装置轻巧灵活。采用本作品可实现肩关节、肘关节、腕关节、手指关节的训练，增强上肢运动的灵活性，促进中风偏瘫患者的康复。 （2）该作品具有逆向输入运动的特点，可利用患者的一侧健康手臂自主运动信息来直接驱动患者另一侧患肢作随动康复运动，为康复治疗中患者自主康复机器人的开发提供了基础装置。通过本作品的应用可进一步实现医疗设备的家庭化及其操作的简单化。 四、市场分析和经济效益预测：目前，我国脑卒中相关高危人群数量也有大幅增长的趋势，每年用于此项防治的费用约200亿元人民币。本发明适合中风患者在社区医院或家庭内进行康复训练，使用前景十分广阔。
同类课题研究水平概述
- 国内研究水平： 国内有关康复机器人的研发中，对于解决脑血管病肢体偏瘫患者运动功能障碍的康复训练机器人产品，尤其是上肢功能康复训练机器人还处于起步阶段，主要是几所高校在研发，研发者大多来自于原先工业机器人领域，国内康复机器人产品也大都直接移植工业机器人技术，存在成本高、适应患者康复训练模式不够、难于推广应用等问题。 不同于工业机器人，康复机器人必须采用外骨骼式设计，这给机构设计带来一定的难度，以致国内多数研发者为保证机构稳定性而缩减外骨骼的自由度。 现有康复机器人普遍采用电机驱动，且大多数设计都直接将电机安装于执行机构上，导致装置庞大、笨重。国内现阶段研发工作重点多放置于系统的控制上，未见在机构设计上有明显突破。 国外研究情况： 国外的部分产品在机构设计上已经实现了多自由度设计，但设计上过分强调机器人的灵敏度、精确度导致成本较高，不利于产品的推广和普及。此外，用于患者自主康复的随动功能的开发，国外至今也未见有报道。 到目前为止对手部连续被动活动的机理、连续被动运动装置和临床效果分析的文献资料很是缺乏，国内外市场上都还没有能够对手指抓握等精巧的动作进行训练的产品，康复的效果还有待提高。 综上，康复医学界对于康复治疗的最优康复机理和康复模式仍在探索中，因此提供一款能完全实现人体上肢各运动的康复训练机器人势在必行。
