基本信息
- 项目名称：
- 基于外骨骼的智能手部康复训练装置
- 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：
- 本作品旨在针对手部中风患者和肌肉衰退老年人，研究一种基于外骨骼的手部康复训练装置，其可穿戴在患者手上，动作量化、精准，自动运行、可观测，并建立数据库，在患者的个体差异性问题上，进行有针对性的治疗，也为医生提供全面、定量化的分析依据，促进康复医学的发展。
- 详细介绍：
- 本作品旨在针对手部中风患者和肌肉衰退老年人，研究一种基于外骨骼的手部康复训练装置，其可穿戴在患者手上，动作量化、精准，自动运行、可观测，并建立数据库，在患者的个体差异性问题上，进行有针对性的治疗，也为医生提供全面、定量化的分析依据，促进康复医学的发展。 本课题旨在研究一种基于外骨骼的手部康复训练装置，其可穿戴在患者手上，对患者手部进行量化、精准的康复治疗，自动运行、可观测，并建立数据库，在患者的个体差异性问题上，进行有针对性的治疗，也为医生提供全面、定量化的分析依据，促进康复医学的发展。 一、研究目标、研究内容与考核指标 （一）研究目标 针对手部康复训练，研究开发采用伺服电机驱动的手部外骨骼系统，并进行相关模拟试验研究，验证外骨骼系统康复训练的可靠性及可行性，尝试在医生的帮助指导下，进行临床实验。 （二）研究内容 根据目标，基于外骨骼的智能手部康复训练装置的研究内容主要包括以下方面： 1）从人体解剖学的角度出发，研究手部抓握动作等运动学机理，建立适合于本作品的运动模型； 2）研究并设计仿生机电系统； 3）研究手部康复外骨骼机器人的智能控制技术，提供多种训练模式以适应不同的患者； 4）建立患者数据库，探索通过患者训练数据为医生治疗提供量化的治疗建议。 （三）技术指标 本课题的技术指标主要有以下内容：负载（手指），100 g；关节转动角速度，30°/ s；寿命，2 年；精度，位置控制误差小于3%；可适应性，满足正常身材成年人的可穿戴性；供电方式，220V AC （四）关键技术 由于外骨骼技术涉及多学科的交叉，所面临的研究内容和关键技术多而复杂，因此这项技术走向实用仍然有很多的障碍需要跨越。主要有以下一些关键问题： 1、拟人化方案设计。通过人手解剖学分析，研究手部抓握动作等运动学机理，建立合理的抓握模型，使外骨骼的机械结构和自由度分布与人体运动关节结构和自由度相匹配，并具有良好的可穿戴性。 2、低质量小惯性传动结构。由于使用对象是偏瘫患者，手部外骨骼应当尽量减少给患者带来的负担，同时考虑控制性能，小惯性的传动结构具有很大优势。 3、外骨骼的智能主动控制。将动作进行合理的分类，制定控制策略，进行轨迹规划，并优化算法，避开奇点。同时，探索将力信号引入位置环，以实现外骨骼的柔顺控制（阻抗控制）。 4、实验及评价方法。建立完善的实验方法和评价体系方法，有利于柔性外骨骼系统的设计发展，也有利于形成针对偏瘫患者的量化治疗方法，改变以往过分依赖经验治疗的局面。 三、研究方法及实现方案 本课题总的研究思路是：参考其它外骨骼类的研究，在相同相似之初借鉴并加以改进应用，不同之处摸索实验，寻找最适合于空间机械手遥操作的方法。具体研究方法步骤如下： 1）人体运动学部分：参考国标中成年人手臂尺寸，在计算机中模拟，获得手指末端的运动位置；按照所做的方案模拟，获得外骨骼手指末端的运动位置；两者进行对比，对运动同步性进行分析。 2）具体结构设计部分：设计并验证柔性外骨骼系统，根据具体结构特性，确立不同的优化目标，建立数学模型，求解优化结果，同时进行实验对比分析。 3）控制系统部分：在控制结构中，充分地考虑人在控制回路中的作用以及人机之间相互决策的关系，实现人机协调控制策略。作品将首先对人机智能外骨骼系统中人机合作的任务智能分配进行总结，然后从包括感知层的信息感知和交互、决策层第人机一体化协调控制以及执行层的人机交互等三个方面对人机交互控制方法进行研究。 （一）总体技术路线。作品将在系统分析的基础上开展外骨骼控制系统样机设计、制作及调试、实验工作。待技术成熟后，将投入运行使用。 （二）人手解剖学分析。手是人体由肩关节开始的杠杆的力学链的最后一个环节，其多个关节、自由度允许手在一个很大的空间范围内运动，完成多项任务，从抓握各种形状到触摸探察，再到手语表达，可以实现不同功能，而手指19块骨、14个关节正是这些超常适应性的结构基础。 针对运动肢体的建模，通常可以分为三类：只需了解关节力和力矩的多刚体开链模型，稍微复杂的刚度—阻尼系统模型，以及需要计算各肌肉受力情况的多肌肉高仿真模型。本作品采用多刚体开链结构角度建立力学模型。 从解剖学的角度来看，人手关节构造复杂，现有技术很难以做到完全的仿生设计。在建模过程中，关节数越多，设计的难度就越大，相应制造难度更大，特别是在多自由度关节位置。因此，合理的选择关节运动模型，以简单有效的结构形式实现研究所需的全部功能，是手部机械外骨骼设计的基本出发点。 基本抓握动作通过拇指、食指和中指三个手指即可实现，而无名指、小指的设计控制与食指、中指完全类同，仅在尺寸上发生变化，故本文选择了采用三指模型。 同时研究表明，指掌关节和近端指间关节的屈曲运动为控制手指动作的主要自由度，指掌关节侧摆自由度则是为了提高手部姿态的适应能力，而远端指间关节屈曲自由度是一个非独立自由度，与近端指间关节存在耦合关系，且远端指骨间关节在抓握动作中通常只起到配合作用。 因此，本作品在自由度上做如下处理。食指和中指保留三个自由度，指掌关节屈曲自由度、近端指间关节屈曲自由度和远端指间关节屈曲自由度，且末端两自由度存在耦合关系，同时拇指保留屈曲自由度和内收外展自由度，考虑机构设计，内收外展为被动自由度。这样就得到了8自由度的三指抓握模型。 （三）系统方案 系统共有4部分组成，上位机、下位机、电机-丝杠驱动机构和多连杆传动机构，上位机通过can总线将指令发送给下位机，下位机与电机之间构成闭环子系统，最后各关节的运动信息由传感器反馈至上位机。 由上文可知，运动传递主要有两类运动传递链。近端指节运动传递链和中远端指节运动传递链。 本作品采用固定式方案，避免了让患者去承担装置的重量，而所采用的材料以非金属为主，降低外骨骼本身的惯量，少数集中受力位置采用硬质铝合金，实物照片中显示的是以金属材料为主，目前正在更换非金属材料制作的外骨骼。 1）近端指节运动传递链 近端指节运动传递链将掌指关节的转动运动传递到手背上，变为直线运动，以便于控制。该运动传递链可行性较高的为曲柄滑块（或相似）机构和钢丝绳传动机构两个方案，为了获得更好的受力状况，并且能够双向受力，本课题拟采用曲柄滑块机构作为近端指节运动传递链。 2）远端和中端指节运动传递链根据手部解剖学原理，远端指节和中端指节在运动中并非完全独立，存在一定程度的耦合，即远端指节的转动角度大致为中端指节转动角度的3/4，具体数值因个体有所差异。 由于远端指节距离手部最远，运动传递链设计最为复杂，而起作用在抓握中并非绝对必要，故选择传动方案，可以考虑或者舍弃远端指节传递链，或者远端指节运动传递链不承受载荷仅当做传感器使用；另一方面，中端指节的运动传递链的思路与近端指节相似直接通过连杆将中端指节的运动传递到手背位置，既不利于机构设计，也不利于力的传递，因此将借助近端指节，以其为连杆机构的一部分传递力和运动。 本作品拟采用多连杆机构作为运动传递链，同时使远端指节和中端指节转动存在耦合关系，即远端指节的转角大约为近端指节转角的3/4。 3）驱动部分 康复训练装置的负载对象是人手，相对而言属于轻载状况，同时动作的灵巧性和准确性要求也较高，故适合采用伺服电机驱动。由于各运动传递链的输入端均为直线移动的滑块，考虑空间结构尺寸，采用丝杠传动。 4）手部外骨骼康复机器人控制系统 控制系统方面，采用二级控制系统。上位机直接采用PC机，主要用于向下位机发送步态及位姿轨迹命令，创建并实时更新患者数据库以及通过用户界面进行人机交互等功能的实现。下位机采用单片机，并与外骨骼各关节的电机“一对一”的构成电流、速度、位置的小闭环，直接控制电机执行上位机发出的轨迹命令。同时，作品将探索力控制模式下的抓握动作康复训练。 选用工控机或配置较高、运算速度快的PC机作为上位机，负责用户面板的人机交互，数据采集与显示，建立及更新病人数据库，向下位机发送步态控制命令等任务。下位机选用直流伺服电机专用的电机控制器，其与电机以及电机配备的光电编码器构成位置、速度、电流闭环，可以实现对电机位置、速度、力矩的精确控制，以达到对外骨骼关节角度、角速度、转矩的精确控制。数据采集同样利用与PC机PCI插接的DAQ卡，实时采集下肢康复训练时各个关节的力信号，以及日后扩展的关节角度信号等。最后，一些出于安全考虑装设的限位开关以及紧停开关等，可根据具体要求通过自制的接口板电路与相应的控制器I/O接口连接，以保证康复训练时患者以及系统自身的安全。 5）控制系统软件 在设计开发软件的时候主要考虑以下的几条基本原则： (1) 基本功能的完整性，包括：电机实时位置、速度、力矩控制，外骨骼关节角度、角速度等数据的采集，显示训练数据的用户界面，用于记录患者基本信息及下肢康复训练数据的患者康复训练数据库等。 (2) 体系结构的稳定性，如果体系结构经常变动，那么建筑在体系结构之上的用户界面、患者数据库、功能模块等也要跟着经常变动，这将导致发生混乱。 (3) 可扩展性，具体指软件扩展新功能的容易程度。 (4) 友好性，包括：保持界面空间布局的合理性，丰富完善的操作提示及确认，能有效避免错误操作，合理利用颜色和图形，选择合适的字体和字号等。 软件包括初始化和主程序循环两大部分。主程序循环中又包含有，设置监视、运动曲线计算、数据处理、训练数据显示及记录四个环节。 程序运行后，首先进入的是初始化环节。由于初始化环节是用户界面程序按预先的设定自动在后台运行的，不受用户控制，所以可以考虑采用顺序、并行方式运行各初始化的子程序，以提高运行效率。 监视环节，主要是用来在外骨骼执行康复训练动作开始前，接收用户通过人机交互设备发出的操作设置命令，为后续环节收集必要的参数。 运动曲线计算也是一步后台运行程序，不受用户控制，作用是根据上一环节用户提供的设置及配置命令，计算出外骨骼动作所需的运动曲线，然后直接传递到下一环节。 数据处理环节则是将康复训练时，系统捕获的训练数据实时地通过上位机显示器屏幕反馈给用户并记录于相应的患者数据库中。 训练完成后，由“Exit”退出系统。 具体的编程实现采用图形化编程语言Labview。 四 安全性设计 由于基于外骨骼的智能手部康复训练装置直接与患者进行接触，安全问题显得尤为重要。本作品的安全性是通过结构和控制两方面予以保证的。 结构安全性侧重于装置的运动位置。每个手指的两个动力都是通过曲柄滑块机构输入的，滑块的行程决定了外骨骼手指的运动范围只在人手的正常活动范围之内，超过此范围的运功将无法实现。 控制安全性则侧重装置输出的力。由于电机转矩的输出是通过控制电流来实现的，当遇到障碍物时，为了克服阻力，电流会升高增大输出转矩，故可通过限制电流，来确保外骨骼不会对患者产生过大的力。本控制系统中设定了安全电流为0.35A，对应的输出转矩为3.24mNm。 五 空间可达性 为了验证前述方案在空间可达性方面是否满足人手的空间可达性要求，对其进行了实验。实验采用了摄像跟踪的方法，可以看出外骨骼和人手大致的运动趋势是一致的。其中外骨骼指节轨迹和人手指尖轨迹存在一定距离，是因为实际人手尺寸与外骨骼并不能完全吻合引起；外骨骼指尖轨迹在屈曲末尾急剧回收，则是因为外骨骼的远端指节和中端指节进行了耦合，而实际临床试验中很少遇到需要完全屈曲的状况。综上，实验验证外骨骼的空间可达性能满足人手要求。 六、创新点 通过上文阐述，本课题的创新点主要可以归纳为两方面：仿生机电系统设计和由此带来的康复训练理论化量化。 （一）仿生机电系统设计 1、以生物外骨骼为原型的仿生设计，并将其与机械手技术相结合，目前同类技术尚处于起步阶段； 2、自由度的仿生设计，方案所采用的8自由度三指抓握模型，以人手固有骨骼结构为基础进行合理简化，不仅使系统能完成主要的抓握动作，还解决了设计空间不足等问题，这一点尚未在文献中出现； 3、零件结构的仿骨骼设计等。 目前上述创新之处均已获国家发明、实用专利保护。 （二）康复训练理论化量化 1、自动化运行，建立患者数据库，使医生能够进行定量比较分析，包括与正常人的横向对比、患者自身的纵向对比，并以此为依据展开理论研究； 2、患者独立数据，因人而异地制定训练计划，针对性治疗，保证治疗效果；同时，在很多二三线城市，不具备对手部中风患者治疗的条件，或者缺少经验丰富的医生，本作品的自动化、智能化的特点正适合于无人治疗或者远程治疗。 七、研究进度及已取得成果（一）研究进度 本课题始研于2007年国家大学生创新实验计划提握式助动义手（已结题），2008年完成第一轮设计研究，2009年完成第二轮设计研究，2010年完成第三轮设计研究。目前，基于外骨骼的智能手部康复训练装置的制造加工及初步调试已经完成，正处在优化改进阶段。同时也在联系医院相关专家，探讨临床实验中的相关问题。（二）本作品目前已取得成果如下： 1. 发明专利 一种外骨骼机械手及其使用方法 - 200910061213.4 ，已授权，作者为第一发明人； 2. 发明专利 固定式康复训练外骨骼机械手 – 201110121085.5 ，申请中，作者为第二发明人（指导老师第一发明人）； 3. 实用新型 一种多手指外骨骼机械手-200920229468.2，已授权，作者为第一发明人； 4. 样品一件，见附图。 （三）本作品所采用相关技术在国内外均属于起步阶段，尚无成熟产品出现，目前的临床试验主要针对可行性，并在医生的指导和监督下进行。实验地点为XX省新华医院（三甲）脑科，主任医生为徐彬，患者中风后手部肌肉萎缩，导致肌力下降，临床鉴定为4级（正常人5级），可以做出大部分动作，但不能应付精密动作或者需要力量的动作，如拿快子。单个完整疗程需要2-3周，并且需要药监部门的批准，故此处只做了三次初步临床试验。 主任医生徐彬认为“机器设计合理，符合人的本能运动功能”同时“临床可行、可操作，对临床肯定帮助很大，具有很大的潜在市场”。 八、总结 现已完成实验模型的加工制作，随着作品的深入，也对手部外骨骼及康复训练有了更为全面深刻的认识，积累了宝贵的实际经验和实验数据结果，这对于进一步深化和以后相关作品的开展都具有积极的促进意义，目前正在调试控制系统。希望一直以来不懈的努力研究成果能为后来者提供一些参考，更为康复医疗事业做出一份贡献。
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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：针对手部中风患者和肌肉衰退老年人，传统康复训练的不足在于：过于依赖医生的经验；掌握方法的医生很少，偏远地区无法治疗；对于病人的个体差异性问题，缺乏相应的针对措施。而智能机器人灵巧手动作量化精准、自动化、过程可控可观测。将其与可穿戴外骨骼技术融合，即为前述问题的解决方法。作品旨在研究一种基于外骨骼的手部康复训练装置，可穿戴，动作量化，可建数据库，对个体差异，进行有针对性的治疗。二、思路：患者穿戴本装置，同时新建或载入患者数据库，由医生进行模式选择，手部康复训练装置则对患者实施康复训练，并记录数据，供医生研究分析。 三、创新点 1 仿生机电系统设计：1）以生物外骨骼为原型的仿生设计；2）8自由度抓握模型仿生设计；3）零件结构的仿骨骼设计。2 康复训练理论化量化：1、建立患者数据库，使医生以此为依据展开理论研究；2、患者独立数据，因人而异地制定训练计划、任务。四、技术关键和技术指标 1、拟人化设计，以解剖学为基础，建立合理模型，使外骨骼自由度与人手协调。2、低质量小惯性传动结构。3、外骨骼的智能主动控制。将动作进行合理的分类，进行轨迹规划，并制定控制策略，实现外骨骼的柔顺控制。4、实验及评价方法，建立完善的实验方法和评价体系方法，改变以往过分依赖经验治疗的局面。 5、技术指标：负载（手指）100克；关节转动角速度30°/s；寿命2 年；位置控制误差小于3%；满足正常身材成年人的可穿戴性。
科学性、先进性
- 本作品的先进性体现国内外手部外骨骼康复技术处于起步阶段，尚无成熟研究；科学性则体现在合理的结构方案及控制方案。 现阶段大部分研究者着重于单只外骨骼的研究，遇到的问题有：外骨骼本身及其动力源、控制系统等会给使用者带来额外的负担；单指结构虽然更容易，但在人手主要动作方面，则很难考虑周全。另一方面，传动方式上，现有的钢丝绳柔性传动只能单向受力，而连杆刚性传动因手指末端自由度距机架过远，机构繁冗。 本作品采用了目前较少见的固定式结构，避免设备本身成为患者的负担；采用三指抓握模型，可对患者进行手指的训练和动作辅助训练。采用了多连杆机构将远端指间关节和中段指间关节运动耦合起来，提高整体结构刚度，避免机构繁冗。控制系统采用二级控制系统。上位机向下位机发送步态及位姿轨迹命令，创建并实时更新患者数据库以及通过用户界面进行人机交互。下位机与外骨骼各关节的电机构成电流、速度、位置的小闭环，直接控制电机执行上位机发出的轨迹命令。
获奖情况及鉴定结果
- 1、校赛“挑战杯”科技作品竞赛，A类，一等奖。 2、省赛“挑战杯”科技作品竞赛，A类，一等奖。 3、省新华医院（三甲）脑科，初步病例实验，具备临床可行性。4、作品论文Design of a Hand Exoskeleton Rehabilitation Device 被2011 International Conference on Mechatronics and Materials Processing（ICMMP）录用，EI检索。5、科技查新，国内未见相同报道、文献。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 1、实物 2、现场展示 3、图片
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、使用说明首先登陆数据库，新建或者读取专属数据文件；穿戴上外骨骼；医生对康复训练模式进行选择；患者手指在外骨骼的带动下动作；切换不同动作、速度；训练完成，患者数据载入数据库；医生根据数据给出相关指导意见。二、特点、优势及适用范围、推广前景 1、技术特点包括：拟人化仿生设计；固定式8自由度抓握模型，多连杆机构传动；二级控制系统，实时采集患者运动信息；数据库管理患者信息。 2、随之而来的优势有：良好的可穿戴性和舒适性；可完成多种手部康复训练任务，刚度强；控制系统简单，易于维护；以数据库为基础，医生可展开理论化、量化的研究。 3、本作品针对手部中风患者和肌肉衰退老年人而设计。 4、本作品拥有完全自主知识产权的技术产品,将促进我国辅助器具领域知识产权和技术标准进一步完善，有利于获取相关知识产权份额，有重要的社会意义。三、市场分析和效益预测 仅北京地区1991-2000年间有0.135%的人口罹患中风，以此推算全国约有185万人患有中风，具有广阔的市场前景。；作品具备一定技术含量；填补市场空白。
同类课题研究水平概述
- 机械外骨骼技术早在上世纪就已被提出，并尝试运用于军事领域；同时，也对康复治疗和灾害救援提供了全新的思路，因而被广泛关注。进入2000年后，以美日为代表，机械外骨骼技术进入了快速发展阶段。国内有关机械外骨骼技术的研究最早见于2004年左右，医疗康复是其主要研究方向。开展相关研究的主要有河北工业大学、哈尔滨工业大学、浙江大学等相关科研机构。（一）上肢外骨骼的研究 1）外骨骼最早的研究可以追溯到上世纪60年代，通用电气公司与美国军方合作开发一种外骨骼。它使得举起120公斤的重物就像举起5公斤重物那样轻松。 2）美国加利福尼亚大学一直致力于外骨骼康复机器人的研究，采用肌电控制，目前已能让使用者达到95%的正常人手臂运动范围 3）浙江大学流体传动与控制国家重点实验室于上世纪90年代开始相关方面研究，在2004年左右研制出带有气动力反馈的外骨骼系统，并申请相关专利。（二）下肢外骨骼 1）美国加州大学伯克利分校的人体工程实验室在2004年研制出了Berkeley Lower Extremity Exoskeleton. BLEEX。 2）针对机械外骨骼，MIT也有所研究，目前他们他们最新的成果能使操作者负重80磅而感觉只有16磅，与BLEEX相比，自重减轻了许多，相对负重也要大很多。 3）2003年筑波大学山海嘉之教授为首的Cybernics 实验室研制出了世界上第一种商业外骨骼机器人,于2008年开始批量生产。这是一种自动化机器人腿，这种装置能帮助残疾人以每小时4 千米的速度行走, 毫不费力地爬楼梯。（三）手部外骨骼 1）早在1997年来自Vanderbilt大学的一个研究小组，他们在报告中提出以外骨骼的方式减轻宇航员舱外操作时手指的疲劳程度。 2）卡耐基梅隆大学机器人研究所的手部外骨骼项目，旨在帮助手指存在一定功能障碍的患者康复，主要采用肌电信号控制（EMG）。 3）华中科技大学的手部外骨骼康复机器人采用了二条气动肌肉，分别控制拇指的外展和其余四指的拉伸，自由度较少，动作简单。现阶段的外骨骼技术应用，主要集中在上肢（不含手部）、下肢等部位，对于手指这样灵巧、细小的部位，多为单个手指或者简单自由度的研究，尚未出现多手指多自由度的成熟外骨骼方案。本作品在2007年国家大学创新实验计划的基础上，不断改进，最终形成现阶段的作品。
