ISSN 1000-0054
CN
11-2223/N
清华大学学报 (自然科学版)
J T singhua U niv (Sci& T ech),
2006 年 第 46 卷 第 11 期
2006, V ol.46, N o.11
18/39
1864-1867
辅助上肢运动康复机器人技术研究
张秀峰
1
, 季林红
1
, 王景新
2
(1. 清华大学 精密 仪器与机械学系, 北京 100084; 2. 东北轻合金有限责任公司, 哈尔滨 150060)
收稿日期: 2004-06-10
基金项目:国家“八六三”高技术项目 (2002
AA
420100-2)
作者简介: 张秀峰 (1968-), 男 ( 汉), 北 京, 博士 后 。
通讯联系人:季林红,副教授,E-mail:jilh@ tsinghua.edu.cn
摘 要: 为了给上肢偏瘫患者的治疗提供有效的辅助工具,
研制了一种新型神经康复机器人。该机器人采用二连杆机构
模拟人体上肢,其中机器人大臂、小臂分别由两台伺服电机
驱动,可以实现平面内的复合运动。另外,该机器人系统针对
患者病情的不同阶段,可以提供相应的训练模式。对临床 30
名患者为期 1 个月的辅助治疗结果显示: 病人对这种新的
治疗方法不反感,上肢的运动功能得到明显改善,未发现其
他副作用。
关键词: 机器人; 神经康复; 训练模式; 康复评价
中图分类号:TP24 文献标识码:B
文章编号: 1000-0054(2006)11-1864-04
R o b otic aid for u pper limb re ha b ilitation
ZHAN G X iufeng
1
,
JI L inhong
1
,
WA N G Ji ngxin
2
(
1
.
D epartment o f Precisio n Instruments and Mechanology
,
Tsinghua University
,
Beijing 100084
,
China
;
2
.
No rtheast Lig ht A lloy C o
.,
Ltd
.,
Harbi n 150060
,
China
)
Abstract
: A ro b o tic n e u ro -r e h a b ilita tio n a rm w a s d e v e lo p e d fo r
disabled upper lim bs. T he robot is m ade of tw o linkages w hich
sim ulate the structure of the hum an upper lim b. T he big arm and
th e sm all arm of th e ro bot are driven by tw o servo m otors th at
enable m ovem ents in a plane. T h e rob o tic system has different
training m odes for different levels of im pairm en t. R esults from 30
patients in a clinical trial for a m onth show that the patients can
effectively use th e prosth esis to im prove upper lim b m ovem ents
w ith ou t a n y b ad effe c t.
Key words
: robot; neuro -reh ab ilitatio n; training m od e; rehabi-
litation ev alu atio n
无论是成年哺乳动物还是非哺乳动物,其中枢
神经系统受到损伤后,在适当条件下其结构和功能
等都可重新组织再生。这一理论被称为脑的可塑性
理论
[1]
。据此,在临床上有很多偏瘫疗法,但总的来
说仍以肢体康复训练为核心内容。康复训练过程主
要依靠医师对患者进行一对一的手工操作,并根据
其主观临床经验对患肢康复效果进行评价。由于机
器人技术在节省劳力、精确控制运动、存储训练信
息、提供患者科学训练模式等方面具有优势,因此已
被引入到了康复领域,辅助患肢进行训练
[2 ,3]
。
1
康复机器人机械设计
1
.
1
康复机器人设计原理
设计原理主要是模仿人体上肢结构,采用二连
杆机构。从机械结构上来说,在训练中康复机器人与
偏瘫上肢一起构成了平面五连杆机构。通过给定机
器人两个关节的输入量,就可得到另外两杆关节的
输出,从而控制偏瘫上肢运动的轨迹、速度及关节力
矩等,进而实现机器人辅助患肢进行定量训练的目
的。通过对二连杆末端运动轨迹的规划,可在平面内
辅助患肢实现各种训练轨迹,这些预设轨迹为机器
人针对患肢障碍肌群的高效训练提供了必要基础。
该康复机器人具有 3 个自由度,其中机器人大
臂、小臂分别由两台伺服电机驱动,可实现平面内的
复合运动。另一个自由度主要用来调整不同患者训
练时肩关节的高度,以免训练中被拉伤。该机器人机
械系统主要由大臂、小臂、减速装置、皮带轮、钢丝
带、传动轴、皮带张紧装置及手固持器等组成。
1
.
2
康复机器人机构特点
与以往二连杆康复机器人相比,该康复机器人
机构具有以下特点。
1) 结构紧凑。由于增加了减速装置,驱动二连
杆的两个电机可以被安装在水平面同侧,节省了系
统总体结构空间,也为升降机的安装提供了可能。
2) 结构刚度增大。机器人大臂由两根杆件并
联而成,刚度明显增加,克服了二连杆结构的缺点。
3) 传动效率高。二连杆机构中一个自由度是