（机械电子工程专业论文）并联式踝关节康复机器人系统设计.pdf

摘要 摘要 本文以设计新型并联式踝关节康复机器人系统为研究目的。根据踝关 节康复的需要以及相关的医学知识，详细的分析了踩关节的损伤、组成、 结构、治疗和康复方法。在此基础上，对踩关节康复机器入机构、运动学 及擦裁系统进行了研究。 酋先，结合解剖医学、临床医学、康复医学等稠荚知识，分析了踝关 节的损伤并进行了康复运动建模。针对踝关节康复运动训练的需要，本文 提出了两种新型的三自由度并联踝关节康复机器人机构3 r s s s 空间 机构和3 - s p s s 对顶双锥机构，实现了三个自由度的踝关节康复运动。 其次，分析了3 - r s s s 窳间机构和3 - s p s s 对顶双锥机构的特点，通过 m a t l a b 软件得至l 了它们的工作窒润。结合踝关节康复训练曲线，进一步分 孛居了它们的运动学闻题。褥到了3 - r s s s 空闯并联橇构妁位_ 置反鳃，募求 导出了该机构速度正反解；得到了3 - s p s s 并联机构位匿正反解，通过求导 的方法建立了该机构的一阶影响系数和二阶影响系数矩阵，并得出了速度 正反解和加速度正反解。 最后，在分析了传统的p c + 单片机控制方法的基础上，本文提出了基 于运动控制器的踝关节康复机器人控制系统方案。详细地叙述了硬件系统 设计和帮软l 牛系统豹设计过程，并对该系统进行了调试。 荚键词躁关节康复机器入；空间3 - r s s s 机构；空间3 - s p s s 对顶双锥机 构；工作空间；位置正反解；控制系统 燕山大学工学硕士学豫论文 a b s t r a c t t h ea i mo f t h i sp a p e ri st od e v e l o pan e wa n k l er e h a b i l i t a t i o nr o b o ts y s t e m a c c o r d i n gt ot h en e e do fa n k l er e h a b i l i t a t i o na n dr e l a t e dk n o w l e d g eo f m e d i c i n e ， w ea n a l y z et h eh a r m , t h ec o m p o s h i o n , t h em e c h a n i s m ，t h et r e a t m e n ta n dt h e r e h a b i l i t a t i o nm e t h o do fa n k l ei nd e t a i l t h e nw ee a r l yo nr e s e a r c ho nt h e m e c h a n i s m , k i n e m a t i c sa n dc o n t m ls y s t e mo f a n k l er e h a b i l i t a t i o nr o b o t f i r s t l y , w ea n a l y z et h eh a r mo f a n k l ea n db u i l dt h em o d e lo f r e h a b i l i t a t i o n m o v e m e n ta c c o r d i n gt ot h er e l a t e dk n o w l e d g eo fm e d i c i n e a n dw ei n t r o d u c e s o m er e h a b i l i t a t i o nd e v i c e su s e df o ra n k l er e h a b i l i t a t i o nm o v e m e n tt r a i n i n g a t p r e s e n tm o s tr e h a b i l i t a t i o nd e v i c e sc a no n l yi m i t a t eo n eo rt w od o fa n k l e r e h a b i l i t a t i o nm o v e m e n t s ot h i sp a p e rp r o p o s e st w ok i n d so f3d o f p a r a l l e l r e h a b i l i t a t i o nm e c h a n i s m s ，i n c l u d i n g3 - r s s sp a r a l l e lm e c h a n i s ma n d3 - s p s s p a r a l l e lm e c h a n i s m t h e yc a nr e a l i z e3d o f a n k l er e h a b i l i t a t i o nm o v e m e n t s s e c o n d l y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et w om e c h a n i s m s a n dd e s c r i b e st h e i rw o r k s p a c e w ef h r t h e ra n a l y z et h ek i n e m a t i c sa c c o r d i n gt o t h ec u r v e so f a n k l er e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n g w ea n a l y z et h ei n v e r s ef o r m u l a t i o no f p o s f f i o na n dt h ef o r w a r da n di n v e r s ef o r m u l a t i o no fv e l o c i t yo f3 - r s s s m e c h a n i s m a n dw em a i n l ya n a l y z et h ef o r w a r da n di n v e r s ef o r m u l a t i o no f p o s i t i o n , v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o no f3 - s p s sm e c h a n i s m , a n db u i l dt h ef i r s t o r d e ra n ds e c o n do r d e r n f l u e n c ec o e 茁e i e n tm a t r i x e s a tl a s t ，a f t e rc o m p a r i n gt r a d i t i o n a lm o v e m e n tc o n t r o lm e t h o dw i t hp o p u l a r o n e ，w ep r o p o s et h ec o n t r o lm e t h o df o ra n k l er e h a b i l i t a t i o nr o b o ts y s t e m , a n d a n a l y z ea n dd e s i g ni t k e y w o r d st h ea n k l er e h a b i l i t a t i o nr o b o t ；3 - r s s sp a r a l l e lm e c h a n i s m ；3 - s p s s p a r a l l e lm e c h a n i s m ； w o r k s p a c e ；t h ef o r w a r da n di n v e r s e f o r m u l a t i o no f p o s i t i o n ；c o n t r o ls y s t e m 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文躁关节康复梳器人系统 设计，是本人在导师指导下，在燕【i 大学攻读硕士学位期间独立进行研究 工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发 表或撰写过的研究成采。对本文豹磷究工作做崮黧要贡献兹个人和集体， 均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字j 断笈 日期：础年煳碉 燕山大学硕士学位论文使用授权书 踝荚节康复机嚣入系统设计系本人在燕l j 大学玫读硕士学位裴阍 在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所有， 本人如需发表将署名燕i j l 大学为第一完成单位及相关人员。本人完全了解 燕山大学关于保存、嫒羽学位论文的援定，同意学校保留荠翔有关部门送 交论文的笈e p 件和电予版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部 分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学像论文属于 不保密蠢z ( 请在以上相应方梃内打“”) 作者签名：9 漪限日期：彳年乒月勉日 导师签名：毒钦疋 第1 章绪论 1 1 概述 第1 章绪论 机器人是可以熏复编程、基于传感器的机械电子系统，可以完成对人 类活动有益的一些工作【l 】。随着工业自动化、航天、海洋、核工业等领域 的发展，智能机器人技术的应用越来越广泛【2 ，引。雨智能机器入系统的实璜 不仅决定于机器入的结构和机器人控制特性，更重耍的是系统必须具有多 传感器葶秘智能控制系统【4 1 。 近年来，世界机器人技术镁域出瑰了黧大貔调整，枫嚣人的应用领域 已不再局限于传统的制造业，其重心从制造业向非制造业、从第二产业向第 一产业和第三产业转移，尤其是东医疗领域得到了飞速的发展。同时，由 于人类文明的进步和生活水平的提高，也推动了医学机器人工程的发展， 促进了医用领域的自动化和机器入化【5 l 。医用祝器人已经成为国际祝器人 领域的一个前沿研究热点，正日益受到人们的关注【6 l 。 医稚机器入主要包括外科手术机器入、潦复机器入和医院骚务枕器人 等。在医用桃器人系统中，医疗外科机器人的研究最为突出，占脊耜当重要 灼地位。由于医务工作人员与科学工程技术人员的紧密配合，将先进的枫器 人技术、嗣“箕视謦像技术、计算机控裁技术帮微戗伤外科技术撼结合，研 究开发了许多类型的医用外科手术机器人系统，有的系统已应用于临床实 践，一些研究成果已湿示出巨大的潜在经济和社会效益1 6 】。这方西的研究不 仅在提高手术的质量、减少手术创伤、缩短病人的恢复周期、降低病人和 医院的开支等方面带来一系列的技术变革，也将改变传统医疗外科的许多 概念，对新一代手术设备的开发与研制，对人工假体的设计，对医学的教学 与骈究，对牺康域家庭豹护理及康复王程等方蘑的发展也将产生深远豹影 嘛，并对机器人技术( r o b o t i c s ) 、计算机虚拟现实技术( v i r t u a l r e a l i t y ) 、帆 械电子学技术( m e c b 。a t r o n i c s ) 等相关学科的理论与技术发展也产生了积极 的雄动作用【7 】。 燕山大学工学硕士学位论文 迄今为止，国内外已研究和开发了多种医用机器人系统，适用的手术 范围也越来越广泛，有的己商品化，并用于临床手术 8 】。医疗外科机器人系 统的不断发展，从理论和应用上也提出了有待于进一步深入研究的问题， 特别是适用于外科手术的机器人系统设计、系统集成和临床应用研究【9 1 。 在医疗外科机器人系统的研究领域，国外由于资金雄厚和国家重视， 医疗外科机器人系统的研究和发展较快，各国政府不仅希望医疗外科机器 人系统的研究能为疾病的治疗带来方便，产生良好的社会效益，而且更希 望医疗机器人系统的研究能生成一个新的经济增长点医用机器人的生 产产业，获得良好的经济效益【l 。医用机器人系统的研究和开发引起了西 方许多先进的国家诸如美国、法国、德国、意大利、日本等国政府和学术 界的极大关注，并投入了大量的人力和财力。欧共体正在制定一项新的计 划，其中将机器人辅助外科手术及虚拟外科手术仿真系统作为重点研究发 展计划之一。由这方面研究而发展起来的医疗电子设备正以每年1 0 的速 度增长，几乎大于工业方面的增长速度。 已产品化的系统以辅助导航系统为主，这是因为导航系统并不参与手 术操作，它只提供手术前的规划和手术过程的监视，产品具有良好的安全 性，不会因为导航系统的故障而造成对病人或医务人员的伤害。目前医疗 外科机器人系统的主要研究技术热点为：临床应用、微机器人、仿真、图 形导航、虚拟临场、多媒体通讯、遥操作研究掣1 1 l 。实践证明，发展医疗 外科机器人技术是医疗部门摆脱陈旧的手术方法，提高手术的效率、质量 和降低手术费用的可靠途径。 随着社会的不断进步，人们生活质量的稳步提高，人们对康复机器人 的兴趣也越来越浓厚。康复机器人学作为一种独立的医疗机器人学科也取 得了巨大的发展，它的研究贯穿了康复医学、生物力学、机械学、机械力 学、电子学、材料学、计算机科学以及机器人学等诸多领域，已经成为了 国际机器人领域的一个新的研究热点【1 2 】。康复的含义是在受创伤或得病后 恢复患者肢体或器官的正常的形状或功能。康复工程就是致力于为患者提 供此类辅助装置 1 ”，把先进的机器人技术引入到康复工程中的康复机器 人，体现了康复医学和机器人技术的完美结合。目前，康复机器人已经广 2 第1 章绪论 泛地应嗣到康复护理、假肢和康复治疗等方聪，这不仅健进了凌复鬓学豹 发展，也带动了相关领域的新技术和新理论的发展1 4 】。 1 2 康复机器人技术的发震与研究现状 廉复机器人建近年来出现的一种新型撬器入，作为医疗橇器人静重要 分支之一，康复机器人具体又分为康复训练机嚣人和功能辅助型机器人黼 摹孛 j s i 。前考主要豹功能是帮助患者完成各种运动功熊的恢复性训练，如人 体下肢行走训练、手臂运动训练、脊椎牵弓l 运动训练、颈部运动训练等； 后者的主要功能是用来帮助肢体有运动困难的患者党成各种动作，如智能 轮椅、导襄手杖、视器人假胺等。 康复机器人在原理上和传统的工业祝器人有很大的区别，也不同子一 般的体商运动堋练器械n 御。它直接作用于人体，与人在阍一个作业空闯王 体，人每援器人作为一个整体协调运动；两工业枫嚣人在工作其工作空阙 内怒不允许人介入豹；一般的体育器材大多题进行力量牲训练，多为阻力 型，通道对受训者施加一定的运动阻力使瓤肉褥到锻炼，多用于健康人， 刁；能直接应用于运动功能受损或有运动嫜碍的患者。 1 2 1国外康复机器人的发展现状 在嗣岁 ，枫器人用予康复领域包括康复训练、劫残和老人爱护等，研 究领域主要包括康复机械手、智熊轮椅、家庭和单饺之间的交互设备及智 能控制界两等【1 8 。 康复极械手豹嚣豹是逶过棍器人学臂宪成残疾人的手臂功能。枫械手 必须具有足够的自由度以满足每个用户的需要，根据机器人技术的发展水 平，一般具有以下三种结构【嘲。 第一种楚彻底结构化的控制平台，类似子集面工作站，将棍械手安装 在固定豹控翎平蠹上，完成在阉宠工体空间斑的操作，这秘方法鬯l 经实用 化，妇旱期法国c e a 公司开发的m a 黔_ t e r 系统，美国t o l f ac o r p o r a t i o n 开发的d e v a r 系统，以及英国o x f o r d i n t e l l i g e n t m a c h i n e s 开发的r a i d 系 统，麻省理工学院的机械手( 2 啡f 鹜i - 1 ) 等。 3 燕l h 大学工学硕士学谯论文 圈1 - 1 麻省瑾工学院康复机械手 f i g 1 - 1r e h a b i l i t a t i o n m e c h a n i c a lh a n do f m a s s a c h u s e t t si m t i t u t e o f t e c h n o l o g y 第二； 申续构是将机械手安装在轮椅上，这样就可以在任何地域使髑， 魈这导致了极械手刚性下降，抓取豹精度往往这不至4 要求，藤且这种方法 只适合于那些可以用轮椅的人。如美国的m o v a r 系统、意大利的u r m a d 系统与英国的h a n d y 康复机器人等撑1 ( 圈1 - 2 ) 。 图1 - 2 h a n 康复机器人 f i g 1 - 2r e h a b i l i t a t i o nr o b o th a n d y i 4 第1 章绪论 第三静辊梅是将梳城手安装在自主或半巍主车辘上。嚣本零京大学的 s t a c h i 激授在m i t 日本实验室工作时开发了一个移动式康复机器人 m e l , - - d o g 1 9 】，终为“导盲狗”。美国也开发出了类似的导盲机器人，如 图1 3 所示。 图1 - 3 导盲机器人 f i g , 1 - 3s e e i n ge y er o b o t 在智能轮椅方面，来自欧洲s c u o l as u p e r i o r es a n n a 技术实验室的一 个研究，j 、组在u r m a d 系统基础上开发了m o v a i d 系统，它内若干个固 定的位于室内主要活动区域( 如厨房和卧室) 的工作站和一个可以在室内自 由避障的移动机器人组成，操作者可以通过工作站的实时图形界面监擦和 于预机器入的动作，它可以帮助残疾人完成诸如用微波炉加热食物、打扫 厨房和清理床铺等工作，目前，该系统已经在意大利经过了实际的残痰人 使用验证。般来说，这种思路的系统一般融视觉、操作器、行走、传感 器数据采集和系统控制等几部分组成。轮椅是下肢残疾和失去行走能力的 老年人豹主要交通王具，已由过去攀缝蔹靠入力操作发展到现在的智能轮 椅。各类传感器和高效的信息处理及控制技术在轮椅上的应用，使轮椅成 为了高度是动化的智能移动机器人【22 1 。几年蓠，m a d a m s z 等人提出半自主 导航轮椅，具有在办公室环境下运动的能力，可以进行从当前位置到建筑 5 燕山大学工学硕士学位论文 物内特殊室内的路径规划，系统同时装备最小碰撞功能，所有的传感器和 限位装置都安装在轮椅上，一个监控系统负责高级的操作和导航，减轻残 疾人的工作负担。麻省理工智能实验室的智能轮椅威尔斯利【2 3 1 ( 图1 - 4 ) ，为 一半自主式机器人轮椅，配备有计算机控制和传感器的电动轮椅，还装有 一个笔记本电脑用于人机界面交互。在欧洲，目前致力于开发具有部分自 主行为的轮椅，意大利的t g rs r l 公司生产了一种结合轮椅与小车 结构的智能轮椅，叫e x p l o r e r ( 在欧洲s p m n t i m m e d i a t e 计划中修改 为m a n u s ) ，它不仅能在规则的地形下行走，而且可以上下楼梯。代表最 新发展方向的是美国费城p e n n s y l v a n i a 大学的p w e l l m a n 等人设计的智 能轮椅，在这个设计里，一个移动的车辆上还包含了两个可以作为手和臂 工作的机械手。另外，由于腿式轮椅先天具有全方向运动的能力，在不同 的地形或恶劣的环境下都能工作，而且允许重构( 在静止时，一个腿可以作 为操作手来用。完成简单的接取物体或开门等动作) ，也得到了一定的发展。 目前，已经有许多团体在研究双手协调、双腿协调等问题。美国麻省 理工学院研制了一种帮助中风患者恢复行走能力的下肢训练机器人系统 ( 图1 5 ) 。新泽西州立大学研究的r u t g e r s 系统，采用了虚拟现实技术【2 5 】( 图 1 6 、。 图i - 4 智能轮椅 f i g 1 - 4i n t e l l e c t u a lw h e e lc h a i r 6 第1 章绪论 圈1 - 5 中风康复机器人 图1 - 6r u t g e r s 系统 f i g 1 - 5p o s t - s 口o k er e h a b i l i t a t i o nr o b o t f i g 1 - 6r u t g e r ss y s t e m 1 2 2 国内康复机器人妁发展现状 目前，国内在该领域进行研究的主要有清华大学、上海交通大学、复 虽大学、哈尔滨工业大学等。其中一e 海交遵大学和复旦大学合作展开了 “神经的运动控制与控制信息源的研究”。其研究目的是提取神经信息， 利用神经信息来控制电子假手。目前，七个自由度假乎模拟装置已设计完 成，神经信怠的提取正在进行动物试验，信患的整合与控制毫路的设计进 展顺利一b 海交通大学的康复工程研究所研制的手臂稳定度测试康复仪国 际蕾怠l ，手臂稳定度不仅成为定量检测手臂稳定废的手段，因时穗是康复 医疗和功能训练仪器。其基本原理是借助仪器，通过意识控制动作的反复 调练，传隧信息转佬、生物反馈、生物控制和功能训练过程，不断调节和 增强脑的指令，从而提高中枢神经系统和骨骼肌肉系统的支配和控制能力， 消除控制机能障碍和运动障碍，改善直至恢复机能状态。 我国对康复机器人的研究起步比较晚，辅助型的康复机器人的研究成 果相对较多，康复训练机器人的方面的研究成果则比较少。清华大学在国 内率先磷制了鹭式下蔽康复棍器人样桃，采罐了虚拟现实技术。我国在智 7 燕山大学工学硕士学位论文 能轮椅方面取得了一定的进展，但机构的复杂性和灵活性上和国外相比有 一定差距，但也根据自身特色研制出技术指标接近国外先进水平的智能轮 椅。研究单位有中科院自动化所、上海交通大学和第三军医大学等“1 ( 图 1 7 1 。 哈尔滨工程大学通过步态和姿态机器人控制系统模拟正常人行走的步 态、踝关节的运动姿态；通过重心控制机器人系统控制重心的运动规律； 两个系统协调运动带动下肢做行走运动，实现对下肢各个关节的运动训练、 肌肉的锻炼以及神经功能的恢复训练1 2 5 ( 图1 - 8 ) 通过获取脚的受力状态、 腿部肌肉状态和下肢关节状态等人体的生物信息，协调重心控制系统和步 态系统的运动关系，使之与人体运动状态相协调，获得最佳训练效果。 图1 7 智能轮椅 f i g 1 - 7i n t e l l e c t u a lw h e e lc h a i r 图1 - 8 下肢康复训练机器人 f i g 1 - 8l o w e rl i m b sr e h a b i l i t a t i o nr o b o t 1 - 3康复机器人的发展方向、相关技术分析及研究意义 1 3 1康复机器人的发展方向 康复器械的机械本体技术应向着智能化、集成化、轻型化、微型化、 舒适化及美观化的方向发展，具体体现在以下几个方面 1 “l s 】： 8 第1 章绪论 ( 1 ) 康复器械的范嚣有掰扩大。按照传统豹概念滚复器械主要是指包括 上、下肢和躯干在内的各种器矫形器和假肢，但近年来，随着工程技术向 壤复医学豹渗透，潦复器械的范嗣已经有所扩大。一方封，矫彤器和假肢 本身的范围有所扩大，如各种手杖、拐杖、和其他助行器、备种轮椅、用 于改善支持功能的特制坐垫、床垫等均已进入矫形器范畴；出现了肌电控 制的假肢。另一方面，一凛现代科学技术的进入，如功能性电刺激、生物 反馈、肌电信号和脑电信号用于控制，机械的体内装攫以及环境控制系统 等拓展了康复医学的研究领域，随后的研究成果将极大的提高和完善现有 的康复器械，进一步提高康复水平。 ( 2 ) 新糕辩瘟瑶于康复器械近年来，嗣聚乙烯、聚丙爝等热塑材料象l 作 的康复器械发展很快，各种类型不同的康复器械相继问世。这些材料共同 优点是轻便、美观、卫生、可塑性好、加工方便，制成后的康复器械更翔 符合生物力学要求，不仅穿戴时更加舒适，同时也提高了治疗效果。 ( 3 ) 现代科学技术在康复器械中的应用随着科学技术的进步和医学与 工程技术的纵深结合，新康复器械不断出现。主要的发展方向脊两个方面， 一是将单关节的康复器械集成为整个肢体的全关节康复器械，并改善其可 穿戴性。二是提高藤复器械的智麓化程度，使萁尽可能模拟人体的鲁然运 动，并结合人体工程学提高产品的舒适性。 ( 4 ) 康复医学专家系统及康复枫理的研究要搜人体熊够较快康复，就要 学习和记忆现有的康复知识，充分利用现有的临床及专家经验，将其形成 知识库。该专家系统对患者的康复效果及进程起着重要作用。还需从理论 角度，对人体康复与诸多因素的关系进行探讨。这是康复知识专家系统的 理论支持，并对专家系统建立具有指导意义。 1 3 _ 2 康复机器人的研究意义 撵统诗，我国6 0 岁以上豹老年入已有1 2 亿，占全巨入口鹤1 0 ，伴 随老龄化过程中明驻的生理衰退就是老年人四肢的灵活性不断下降，进而 对日常的生活产生了种种不利的影响。此外，由于各葶中疾病丽弓| 起的肢体 运动性障碍的病人也在显著增加。与之相对的是，通过人工或简单的医疗 9 燕由大学工学碾学使论文 设备进行的康复理疗，已经远不能满足患者的要求。随着国民经济的发展， 这个特殊群体已德到更多人的关注，治疗、康复和服务于l 也们匏产品技术 和质量也在相应地提高。因此，服务于四肢的康复设备的研究和应用有着 广阔的发展前景。医用机器人结合了多个学科最新研究和发展的成果，应 用于医学诊疗，康复等相关的医学领域。其中，康复机器人占据相当大的 比例，如番种假肢、矫形器及用于恢复四肢功能性障碍的康复辅助医疗设 备f 2 郇。享主会发展的必然趋势作为医工缩合产物豹四彼康复设备的研究起步 较晚，就+ f 肢和踝关节康复设备而言，产品功能单一，其应用范围具有很大 的局限性，现有产晶的智麓纯程度并不袁。酲酋，我国医疗设备自动化程 度较高的大多数为进口设备，成本较高。因此，随着科学技术的发展，该 领域技术研究的深入，康复设备的国产化具有必然性及可行性。 1 4 少自由度并联机器人研究现状 空阔枫器入梳构和传统的六自出度并联机构相比，具有结构简单，设 计、制造和控制的成本都相对较低的特点。特别是具有完全相同的分支， 结构对称具有各向弼性的对称少垂出度荠联撬捣在工妊生产帮葵绝领域更 具应用潜力。 1 4 1 三维移动并联枕构 1 9 8 3 年h u n t 2 7 提出了三自由度3 - r p s 空间并联机构；c l a v e l 2 8 1 在1 9 8 8 年提出的三蠡垂发移动并联褫嚣入d e l t a ( 图1 - 9 ) 该楗构包含1 2 个球副， 9 个转动副和1 7 个构件；h e r v 6 2 9 1 在1 9 9 1 年综合出多种由四自由度分支构 成的对称三维移动机构，如3 - r r c 机构( 图1 - 1 0 ) 等；t s a i 3 0 j 1 1 盔1 9 9 6 年用 平面四杆机构代替d e l t a 机构中的球面四杆机构，得到种结构比 d e l t a 机构简单的三维移动机构( 图1 n ) ；l 司年，t s a i t 3 0 】提出了3 - u p u 三 维移动枫构( 圈1 - 1 2 ) ； 2 0 0 0 年，d ig r e g o r i o 3 2 1 提出了3 - r u u 三维移动并 联机构。k o n g 和g o s s e l i n 【3 3 】在2 0 0 2 年提出立方体的3 - c r r 并联机构f 图 1 - 1 3 ) 。 1 0 第1 章绪论 图1 - 9d e l t a 三自由度移动并联机构 f i g 1 - 9d e l t a3 - d o ft r a n s l a t i o n a lp m 图1 - l o3 - r r c 移动并联机构 f i g 1 - l o3 - r r c 雠a n s l a t i o n a lp m 圈l 一1 1 a i 的移动并联机构 f i g 1 - 11t s a i st r a n s l a t i o n a lp m 图l - 1 2 3 u p u 移动并联机构 图1 1 3 3 c r r 三自由度并联机构 f 培l - 1 23 一u p u 胁l a t i 。h a lp m f i 磐1 1 33 c r r l a l i 。豫lp m 燕山大学工学硕士学位论文 1 4 2 三国由度转动并联机构 a s a d a 0 3 在1 9 8 5 年提出了一种公轴线驱动的三自由度球隧并联机构 ( 霞1 - 1 4 ) ；在1 9 9 4 年g o s s e l i n d 4 1 提出了驱动电机轴线共面的球两并联机构 ( 图1 - 1 5 ) 。另一类三自由度转动并联机构为h u a n g 和f a n g ”1 在1 9 9 6 年提 出的立方体3 - r p s 并联机构( 图1 1 6 ) ，该机构动平台可绕三条不汇交的轴 线转动，很具特殊性。 网1 - 1 4a s a d a 的球面并联机构 f i g 1 - 1 4a s a d a ss p h e r i c a lp m 笪 图1 1 5g o s s e l i n 的球面并联机构 f i g , 1 - 1 5g o s s e l i n ss p h e r i c a lp m 图1 - 1 6 立方体3 - r p s 并联机构 f i g , 1 - 1 6c u b i d3 - 娜p m 第1 辇绪论 1 5 课题的来源及研究意义 随着人们生活水平的提高，人们更加关注健康问题。踩关节的损伤是 e t 常中最常见的一种损伤形式，它不仅绘患者身体上带来痛苦，也严重影 响患者的难常的生活工作。然而，传统的治疗康复方法，已经不能遥应人 们对躁关节康复的期黧和要求。科学和技术豹匿大进步推魂了医学娥器人 工程的发展，促进了驻用领域的自动化和机器人化。本文将并联机器人的 研究与医疗领域的蹂关节康复研究相结合，开发踩关节康复丰凡器人系统。 与国外裾比，由于我国生产力水平和生活水平，搬砖较低，无论是医 用机器人技术，还是现代的廉复医学知识，都还处在相对落后水平。因此， 将并联棍嚣人技术，特别是少自由度并联戳器人技术，与医疗康复桃器人 的应用研究相结合，不仅在于拓宽并联机器人的应用范匿，而且在探索医 疗机器入领域的研究有着重要的理论价值。同时，由予本论文的踝关节康 复机器人的研究黉接砸向与应用，因此还具有熏要豹应用价值，为踩关节 损伤患者提供新的治疗康复手段。在设计时，考虑到目前中国的实际情况， 对系统遴行了优化，造价穗对比较低，将要容易推广应用。 l 。6 本文的主要研究内容 本文主要是根据踝关节康复的需要，根据相关的医学知识，对踝关节 的损伤、组成、结构、治疗和康复方法、进行了详细的分析。在此繁础上， 进行了躁关节康复机器人枫构的设计，提出了辩群新型的少是由度并联康 复机器人机构，描绘了它们的工作空间，对这两种方案进行了 e 较，并结 合躁关节藤复训练曲线，进步分析了他们的运动学阚遂。最后，分丰斥并 提出了踩关康复机器人的控锘4 系统方案。 第1 章，详细介绍国内外医疗机器人领域，特别是康复机器人领域的发 展概况，阐述了本课磁豹选题意义及研究内容。 第2 章，结合解剖医学、临床医学、康复医学等相关知识，分析了踝关 节的损伤并进行了康复运动建模。 第3 章，针对躁关节康复运动的需要，提出了两种新型的踝关节康复机 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 器人机构空间3 一r s s s 机构和空间3 一s p s s 对顶双锥机构。 第4 章，对踝关节康复机器人机构的运动学进行了分析，检验着两种踝 关节康复机器人机构能否很好地实现踝关节康复运动。 第5 章，比较了传统的运动控制方法和目前流行的运动控制方法，提出 了踝关节康复机器人系统的控制方案，并进行了初步的分析。 1 4 第2 章躁关节的损伤与康复运动建模 第2 章踝关节的损伤与康复运动建模 2 1 概述 关节搬伤是体蛮运凌移翻常行走( 如穿离羰赣和下楼) 中经常发生鼗体 损伤，潋躁关节损伤最为常见，荚次为膝关节损伤。据统计美国平均每天 有2 5 万人损伤躁关节，其中严重的是韧带断裂、关节囊附近骨质掰脱或 脱能以及骨折等。这臻损伤翔键不到合理的治疗和恢复将形成创伤性关节 炎，会造成躁关节长期疼瘸、功能障碍等症状，从蕊严熏影响工作翻生滔。 关节损伤治疗驰一个霪要过程是在初期药物治疗或手术骺遗过按摩和运动 进行功能恢复。目蘸通过缓慢行走进行功能恢复雏方法由予触瑰购强度和 运动幅度等不易掌握，使得不仅恢复所用时间长，丽且会给患者辩来很大 的瘸嚣，甚惫造成严熏髂二次损伤。在康复过穗中，为了提高康复的速度 和康复懿效柒，入们经常偌韵冀康复器被，然两现存的躁关节康复器械不 能根好的满足人舵的嚣求1 3 “。 随着豳民经济豹迅速发展，医疗翌生条伴有了很大的提窝，入俄对健 康的关注瓣凄越来越高，近年来，康复医学镞域的研究取得了许多熏要的 成果。随着科学技术避步嗣入类对康复要求的扩大，康复工程也在不断的发 展 3 7 , 3 8 1 。 康复工程是现代辩学按术与人体潦复需求栩缝合的产物，其经务怒磷 究与开发人体功评绩、诊断、恢复、 弋偿以及鬟残者护理所甏的各季申设 施 l 叭。般说寒，康复工穰所涉及的楚人体的外部功能，包括运动功能、褫 昕功能、交流功能等，不涉及有必内脏的问题。在康复机器人豹磷究过程中， 霈要全瓤的分柝人体关节豹运动和这些运动楚怎样实现。研究人体豹运动 过程燕裁定物理康复疗法豹蘸提也是它的中心内容。在物理治疗过程中， 关节运动的方位、速度移范围对受伤熬j l | 肉和韧带的恢复来讲怒至关重要 的，通过对比委常的关节和损伤关节在其功能上的差羿，才能制定出符合 患者的治疗方案f 3 9 】。 1 5 燕山大学工掌硕士学位论文 科学地评定运动功能对予研制藤复祝器人有重要意义。研究踝关节的 康复机理，进而开发用于踝关节康复的装置，需要研究踩关节的组成结构、 功能、运动形式，对踩关节的损伤情况和康复方法做出正确的评估。 2 2 踩关节的损伤及其原因 2 。2 1 踝关节豹损伤 在外力作用下，关节骤然向一铡灞动嚣超过其正常泛动度时，弓l 起关 节周围软组织如关节囊、韧带、肌腱等发生撕裂伤，称为关节扭伤。轻者 仪有郝分韧繁纤维撕裂、熏者可使韧攀宠全版裂或韧带及关节囊附着处的 骨质撕脱，甚至发生关节脱位。关节扭伤日常最为常见，其中以踝关节最 多，冀次为膝关节和臃关节h o 州1 。 2 2 2 解剖概要、损伤原因及瘸理 躁部包括躁关节和避嚣下关节，蹩下肢承重关节【4 2 1 。前者由胫臃嚣下 端与鞭骨体一艺蘑缝成，盖者出距骨下酒与跟费组藏。胫滕骨下潲有内外躁 和侧副韧带连接，使踝关节相当稳定。内躁下有坚韧的三角韧带和羽 距蘸、 后韧带，此韧带比较薄弱，作掰为限制足的内翻活动。糕过度的强力内翻 或外翻活动时，如行走在不平路面，高处落f 或跑跳时落地不稳，均可弓 起外侧或内侧韧带损伤，部分撕裂或完全断裂或撕脱骨折。如早期治疗不 当，韧带过度松弛，可造成躁关节不稳，易弓l 起反复扭伤，甚系关节软骨 损伤，发生刨伤性关节炎，严纛影响行走功能。 踝关节损伤豹表现： ( 1 ) 外侧韧带损伤由足部强力内翻引起。因外踝较内踝长和钋侧韧带 薄弱，使足内翻活动度较大，所以外侧韧带损伤较为常见，主要是外侧韧 带部分撅裂。其表现是踝外侧疼痛、辨胀、走路跛行，有时可见皮下瘀斑： 外侧韧带部位有压痛；使足内翻时，引起外侧韧带部位疼痛加剧。 ( 2 ) 步 侧韧带完全断裂蜀部症状曼明显，由于失去外侧韧带的控制， 可出现异常内翻活劝度。脊时外踝有小片骨质连同韧带撕脱，叫灏脱骨折。 内翻位摄片时，胫中关节面的倾斜度远远超过5 1 0 0 的正常范围，伤侧关节 6 第2 章踝关节的损伤与康复运动建模 间隙增宽。 ( 3 ) 内侧韧带损伤 由足部纺织品力外翻引起，发生较少。其临床表现 与外侧韧带损伤相似，但位置和方向相反。表现为内侧韧带部位疼痛、肿 胀、压痛、足外翻时，引起内侧韧带部位疼痛，也可有撕脱骨折。 2 3 踝关节损伤的治疗方法 2 3 1踝关节损伤的治疗 踝关节损伤的治疗方法1 4 3 1 ： ( 1 ) 踝部内侧韧带损伤，轻型，胶布固定、绷带包扎于矫枉过正位，如 外侧韧带损伤较轻、踝关节稳定性正常时，早期可抬高患肢，冷敷，以缓 解疼能和减少出血、肿胀。2 3 天后可用理疗、封闭、外敷消肿止痛化瘀物， 适当休息，并注意保护踝部。 ( 2 ) 如损伤较重可用5 7 条宽约2 5 厘米的胶布从小腿内侧下1 3 经过内、 外踝粘贴于小腿外侧中部，胶布外用绷带包扎。使足保持外翻位置，韧带 松弛，以利愈合，固定约3 周。 ( 3 ) 如为内侧韧带损伤，包扎固定位置相反。若症状严重，或韧带完全 断裂或有撕脱骨折者需用短腿石膏靴固定，使其保持“矫枉过正”的位置， 约4 6 周。可在石膏靴底部加橡皮垫或其他耐磨物以便行走。若踝部骨折块 较大，且复位不良，则应切开复位和内固定。 ( 4 ) 踝部韧带损伤，重型，短腿石膏固定，足底加橡皮垫，陈旧性外侧 韧带断裂或反复扭伤致外侧韧带过度松弛造成关节不稳者，可考虑用腓骨 短肌腱重建外侧韧带。 关节扭伤后应及时处理，原则是制动和消肿散瘀， 使损伤的组织得到良好的修复。关节积血较多者，应在无菌技术下及时抽 出，以免后遗关节内粘连。 ( 5 ) 韧带断裂或撕脱骨折而影响关节稳定者，需行手术复位修补，以免 引起反复扭伤，关节软骨损伤和创伤性关节炎。 2 3 2 制动对踝关节的影响 目前制动用于创伤、运动损伤、神经损伤及全身多脏器广泛损伤的辅 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 助治疗h 4 4 5 l 。尽管制动有缓解疼痛、加速伤口愈合，尽早恢复健康等作用， 但也是引起关节运动障碍的常见原因，越来越多的研究人员己认识到制动 的副作用和危害，制动对关节的影响涉及到骨、软骨和关节周围软组织。 制动对韧带的结构特性和材料特性产生明显影响，制动后韧带横截面 积变小，刚度降低，强度下降、能量吸收减小，应变加大，弹性模量减少、 止点变脆弱，出现骨吸收现象，不同直径原纤维的比例发生改变，大直径 原纤维的比例增高。成纤维细胞的形状改变，梭形细胞多见，细胞内肌动 蛋白染色加深。制动后。氨基己路多糖和水分减少，d n a 浓度降低，胶原 的交联和转化都有改变，表现为胶原的交联增加，而胶原的转化却表现出 时间依赖性。较短时间( 9 周) 制动，胶原的合成和降解都增加，胶原含量 基本保持不变；较长时间制动，胶原的降解大于合成，韧带的总胶原含量 减少，出现萎缩。制动对韧带的影响是明显的，合理使用制动，制动后正 确制订康复计划，对提高康复疗效。尽早恢复病人肢体功能有重要的意义。 2 4 踝关节的康复训练 2 4 1 等速运动的概念及应用 对于“i s o n n e t i c s ”，意为“等速”、“等动”和“等角速度”等 4 6 , 4 7 。 解释“等速”的概念可将其与我们比较熟悉的“等张”的概念进行比较。 等张运动时，肌肉( 肢体) 承受的负荷( 阻力) 不变，如运动时采用的沙袋和铅 块等的重量是恒定的，但是肌肉运动( 如肢体曲伸) 的速度是可变化的；等 速运动时，由肌肉收缩引起的肢体围绕其关节某轴心进行旋转的角速度 不变，这是通过肢体对抗一个预先调节的限速装置来达到的，而肌肉( 肢体) 承受的负荷( 阻力) 是变化着的、是由该限速装置相应产生的“可调节 ( a c c o m m o d a t i n g ) 阻抗”，当肌肉用力时并不能使该运动的角速度增加，只 能使肌张力增加、转矩( 力矩) 输出增加，当肌肉收缩力下降，该限速装置 产生的力矩( 阻力) 相应减小，以使肢体运动的角速度不下降，从而保证在 全关节活动范围( r o m ) 运动的各个角度，肌肉始终受到最大的负荷。 等速运动的训练效率高，等速运动能使肌肉在关节活动范围的各个角 1 8 第2 章踝关节的损伤与康复运动建模 度均受到最大负萄，因此在肌肉的力爨、耐力和灵撼性豹锻炼方珏优于其 它运动方式、并能最大限度地恢复关节的r o m 。通过改变等速运动的速 度可改变关节内的压力，增加对关节的本体感受性捌激，促进关节的灵活 性，改善关节的运动功能。 2 4 + 2 被动训练对躁关节的影响 持续被动运动( c o n t i n u o u sp a s s i v em o v e m e n t c p m ) ) i i 练，是近年来国 内外专家、学者提出的关节外科有效的耨方法，用于患者下肢手术或损伤 后关节的康复瞰】。采取运动的方式进行康复，不仅可以增加关节软骨的营 葵和代谢能力，刺激多能翔质细胞分化成关节软骨，船遴关节软骨的愈合， 露且还可以醛止关节囊的挛练、精连、僵硬等蜃速痰，离时不影铜切豳愈 合，使患者治疗和功能康复同步进行。由于踝关节运动常常是绕几个轴同 时转动产生的复合运动，可以通过寒甩闭合链系统( c l o s e dk i n e t i cc h a i n ) 进行等速运动练，提高肢体多关节联合运动功能的康复效果。 2 4 。3机器人技术在踝关节康复中的应用 采用机器人进行踝关节的康复训练，有可能解决传统康复训练方法中 存在的问题。首先，机器人不存在“疲倦”的闯题，能够满足不同患者对 训练强度的要求。其次，机器人可以将治疗师从繁熏的训练任务中解放出 来，丽专注于制定治疗方案、分析训练资料、优化训练内容并改进机器人 的功能。再次，机器入可以客观记渌调练过程中患者患肢的位置、方向、 速度以及所产生终力等客墨鬈资将，供治疗师分掇，以评价治疗效果。更避 一步，机器人j 舞记录下的详细资辩，使得治疗 零有可能从中发现资料与治 疗结果之闻的对应关系，从面有可能深入了解中抠神经康复的规律，并进 一步了解人类大藏与人类运动功麓之间控刽与影响的关系，为人类大脑的 开发开辟新的天地。还有，使用机器人技术可以通过多媒体技术为患者提 供丰富多彩的训练内容，使患者能够积极参与治疗，并及时褥到治疗效果 的反馈信息；最后，使用机器人治疗技术，使得远稔治疗和集中治疗成为 埘能 3 孤。 1 9 燕山大学工学硕士学位论文 2 。5 蹀关节的组成与结构 2 5 。l 踝关节的组成 踩关节是全身负重最大的关节之一( 图2 一1 ) ，由小腿的胫骨和腓骨的远 程与脚上的距骨组成