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1、华中科技大学硕士学位论文肘关节康复训练装置的研究姓名：杨明申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：熊蔡华20080524华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 I摘摘 要要 康复训练机器人的研究正在蓬勃兴起，引起了越来越多的研究者的兴趣。本文对肘关节康复训练装置的结构设计、气动人工肌肉的特性研究、气动伺服控制技术等关键技术进行了研究。 通过对现代康复理论和康复训练方法的研究， 本文明确了康复训练在运动功能康复中的重要地位和积极作用。针对肘关节功能运动要求，开展功能结构研究，在理论研究的基础上，对整个肘关节康复训练装置进行了整体设计，从模块化的角度对此装置的
2、机械本体结构、气动驱动系统和控制系统分别进行了详细的分析，明确了各部分的具体结构和功能需求，提出了整个肘关节康复训练装置的设计方案。 针对肘关节康复训练装置所采用的特殊驱动器及其控制要求， 本文对气动人工肌肉进行了静态和动态特性实验，结合实验，建立了整个系统的数学模型。根据控制系统的具体要求，在动态特性模型的基础上，采用分段式的 PID 控制算法进行了控制研究，为气动人工肌肉在多关节康复机器人中的应用打下初步的基础。 最后开发出了肘关节康复训练装置实验样机， 并在正常人体上进行了多种康复训练模式的实验研究，包括主动运动、被动运动和抗扰运动模式。实验结果检验了该康复训练机器人机械结构的有效性、控
3、制系统的安全性、可靠性，为下一步的临床实验研究奠定了基础。 关键词：关键词：康复训练 模块化 气动人工肌肉 PID 控制 训练模式 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 IIAbstract With the rapid development of rehabilitation robots, more and more researchers are paying attention to this field. Key technologies about elbow rehabilitation device have been discussed d
4、etailedly, including the mechanical design, pneumatic servo control and so on, which will contribute to the realization of whole rehabilitation robot. According to the modern rehabilitation theory and rehabilitation training method, rehabilitation training makes positive effect in motor function rec
5、overy after stroke, which has been the foundation of the system design of elbow rehabilitation device. Then mechanical structure, pneumatic driving system and control system have been discussed detail by detail using modularization method, which have built up the whole elbow rehabilitation device. I
6、n order to design the control system effectively, static and dynamic characteristics of the pneumatic muscle both have been analyzed, and experimentized study has been developed. Then we have built up the mathematic model of the whole system by the method of experimental analysis. According to the d
7、ynamic characteristic, segmentation-based PID control algorithm have been developed, which have also been proved to be effect. In the end, we have developed the experimental prototype, and done some experimental test under normal human body, including active training, passive training and disturbanc
8、e rejection training. Experimental data has been analyzed to make sure that the elbow rehabilitation device will make positive contributiton to stroke patients. Keywords: Rehabilitation, Modularization, Pneumatic muscle, PID control, Training mode独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已
9、经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日
10、期： 年 月 日 日期： 年 月 日保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 11 绪绪 论论 1.1 课题来源课题来源 本课题得到以下项目的资助： ? 国家 863 高技术研究发展计划“康复机器人结构与驱动机构设计技术”(资助号：2007AA04Z204) ? 国家自然科学基金项目“康复机器人主/被动运动协调及其应用”(资助号：50775080) ? 国家自然科学基金对外交流与合作项目 “基于模糊方法的复杂非线性系统智能控制”(资助号：50640460116) 1.2 课题背景课题背景 2006 年第二次全国残疾人抽样
11、调查结果表明我国是残疾人数最多的国家：现有各类残疾人总数已达 8296 万，占全国总人口的比例超过 6，其中肢体残疾人数超过 2412 万人。此外，我国现幸存中风病人 700 万，其中 450 万病人不同程度丧失劳动力和生活不能自理，致残率高达 75%，而且我国每年约增加 200 万中风病患者，每年中风病人死亡 120 万。再者，在青壮年人群中，由于工伤、交通事故等原因，也出现了大量的肢体残疾者。为此，国务院办公厅转发了卫生部等部门关于进一步加强残疾人康复工作的意见，确定了今后一个时期残疾人康复工作的总体目标和指导方针。该意见明确到 2015 年实现残疾人“人人享有康复服务”，极大地推动了残疾
12、人康复工作的整体进程。针对我国残疾人众多而人性化康复医疗装备非常匮乏的严峻现实， 2008 年 3 月 28 日胡锦涛总书记专门主持了中共中央政治局会议对促进残疾人事业发展做出部署：促进残疾人事业发展，改善残疾人状况，已成为全面建设小康社会和构建社会主义和谐社会的一项重要而紧迫的任务。 脑卒中(Stroke)，又名脑中风，是一种突然起病的脑血液循环障碍性疾病。临床表现以猝然昏扑、不省人事或突然发生口眼歪斜、半身不遂、舌强言蹇、智力障碍为主要特征。因中风常导致偏瘫，常常对患者本人、家庭造成心理及其它方面的冲击1。 社会和家庭需要花费极大的代价来治疗和护理这些患者， 造成社会成本的极大华华 中中
13、科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2浪费。因此，寻求有效的康复手段，使患者能够在一定程度上恢复失去的功能，不仅有利于提高患者本身的生活质量，也可以减轻社会的总体负担。 1.3 研究意义研究意义 目前国内外研究表明，大脑的神经系统具有可塑性，大脑运动神经功能的萎缩源于长期的不运动，然而通过治疗，能够恢复受损后的运动神经功能，而且 90%的中风患者可恢复其步行能力和生活自理能力，有些还能恢复工作能力2, 3。此外，中风病患者的功能恢复常与病程有关。如果中风以后的三个月内能采取有效的康复措施，那么患者功能恢复效果好。三个月以后因挛缩形成，中风损伤的恢复过程会变慢，但患者运动
14、功能恢复的潜力不应忽视，只要坚持康复训练，仍可有不同程度的改善。目前对于中风造成的后遗症，如偏瘫等的治疗，主要是运动康复训练，而且在挛缩发生以前进行康复训练，可以取得更好的效果，恢复得也更快4, 5。所以对于中风病患者，应在早期介入康复训练，此时患者处于软瘫期，这一阶段的训练可以降低致残率，提高功能恢复的几率和效果。 目前国内外的康复训练主要由专业的医护人员完成，存在以下主要问题3, 6, 7： (1) 训练的力度、速度都凭经验来完成，对康复训练效果的评估不利； (2) 康复医护人员目前很缺乏，而中风患者数量众多，难以实现及时有效的一对一长期治疗； (3) 康复训练受不同医护人员自身的影响，治
15、疗效果难以得到保证； (4) 康复的效果难以量化，不利于改进康复过程； (5) 康复过程不具有吸引力，不利于心理治疗。 所以，单纯的依靠医护人员来进行康复训练，难以保证康复的及时性和有效性。而采用机器人来辅助康复训练，则可以有效地解决上述问题，其优点主要体现在以下几个方面：一方面，能给患肢提供长期的、精确的、量化的运动刺激；能建立一种具有实时反馈功能的训练环境，使患者易于了解与患肢的运动学、动力学及生理学有关的各种信息，进而提高康复训练的自信心，增强康复训练效果。另一方面，康复机器人可看成是康复医师的“第三只手”，从而摆脱康复医师与患者“一对一”的训练模式，使社区和家庭康复医疗成为可能8-10
16、。 另外，二十世纪机器人技术的发展，也为机器人参与神经康复治疗提供了可能。华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 3目前机器人已经在运动功能障碍患者的护理方面得到了广泛的应用。 上世纪90年代，人们开始将目光投向机器人应用的另一领域治疗机器人。文献11指出，治疗机器人将主要使用以下技术:1、机器人技术；2、传感器技术；3、信息技术；4、电子通讯技术。本课题的主要目标就是综合运用这四种技术，设计一种辅助偏瘫病人进行康复训练的装置，将之应用于临床使用，通过对患者使用情况的分析，探索患者病情训练内容康复效果之间的关系，达到提高训练效率和优化康复效果的目的。 综上所述，为脑卒中和神经损伤患者快速康复提供必备的人性化康复装备，对促进他们就业和再就业、构建和谐社会具有重要的深远意义。 1.4 国内外康复训练机器人研究现状国内外康复训练机器人研究现状 康复训练机器人总是以一定的方式附着于患肢上引导患
