（机械设计及理论专业论文）基于人机工程学的手臂康复训练机构的研究.pdf

州删! l l l _lll_hjllilllij,fllr l l l l l l 。 y 15 2 4 6 9 9 分类号 u dc ： 密级： 编号： 基于人机工程学的手臂康复训练机构的研究 r e s e a r c ho fr e h a b i l i t a t i o nt r a l n i n g i n s t l t u t l 0 n sf o ra r mb a s e do ne r g o n o m i c s 学位授予单位及代码：丝查堡王丕堂l ! q1 8 学科专业名称及代码：扭缝量盐区堡逾l q s q 2 1 32 研究方向：班岱遮盐撞鲞皇直壁申请学位级别：亟土 指导教师：武歪壅研究生：王瓞主 论文起止时间：2 0 0 7 1 1 - - 2 0 0 8 2 摘要 论文结合康复训练机器人在康复医疗领域应用的需求，针对基于人机工程学 的康复训练机构的选型进行了分析和研究。 本文首先介绍了康复训练机器人在国内外的发展现状以及应用情况，分析了 这一技术在未来的发展前景。分析并研究了人体测量学、人体解剖学和康复心理 学等方面内容，确定了手臂康复训练机构设计所需达到的人机工程学指标。 通过对现有手臂康复训练机器人人机工程学性能的分析，以及自然状态下人 手臂各关节活动状况的分析，结合已经确定的人机工程学指标，提出了基于人机 工程学的手臂康复训练机构的结构方案，进行了机械结构选型，确定了基于人机 工程学的手臂康复训练机构的结构形式。并验证其运动情况符合人机工程学。 关键词：手臂康复机器人人机工程学手臂建模活动空间外骨骼 a b s t r a c t t h et h e s i sc o m b i n e st h en e e d so fa p p l i c a t i o n sf o rr e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n gr o b o ti n r e h a b i l i t a t i o nm e d i c a ld o m a i n ，i ta n a l y s e sa n dr e s e a r c h e sf o rt h ef o r ms e l e c t i o no ft h e a l n lr e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n gi n s t i t u t i o n s f i r s t l y , t h ep a p e ro v e r v i e w s t h e d e v e l o p i n g s i t u a t i o na n da p p l i c a t i o no f r e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n gr o b o t a n dt h e na n a l y s e st h ed e v e l o p m e n to ft h i st e c h n o l o g y i n f u t u r e a n a l y s e s a n dr e s e a r c h e s t h ea n t h r o p o m e t r y ，h u m a na n a t o m ya n d r e h a b i l i t a t i o np s y c h o l o g y , d e t e r m i n e st h ec o n t e n to fr e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n gi n s t i t u t i o n f o ra l m st ot h eo r g o n o m i cd e s i g n t h r o u g ht h ea n a l y s i so fe r g o n o m i cp e r f o r m a n c eo fa r mr e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n g r o b o tw h i c hh a v ee x i s t e d 。a sw e l l 硒a e t i v i f i e ss i t u a t i o no fh u m a n a r mj o i n t si nn a t u r a l s t a t e ，t h ep a p e rc o m b i n e st h ee r g o n o m i ct a r g e th a v eb e e nd e t e r m i n e d ，b r i n g su pt h e s t r u c t u r ep r o g r a mo fr e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n gr o b o tf o ra r n lb a s e do ne r g o n o m i c ，a u t h o r s e l e c t e st h es t r u c t u r eo ft h em a c h i n e ，a n dd e t e r m i n e st h e s t r u c t u r ef o r m so f r e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n ga r mw h i c hb a s e do nt h ee r g o n o m i c s i tp r o v e st h es t r u c t u r e f o r m sa r ek e e p i n gw i t he r g o n o m i e k e yw o r d s ：a r mr e h a b iii t a t i o nt r a i n i n gr o b o t e r g o n o m i od e s i g n a r mm o d ei in g w o rk s p a o ee x o s k eie t o n s 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于人机工程学的手臂康复训练 机构的研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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。 作者签名：囊兰婪垦蟹会堕生年上月堕日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 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，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：至啦 导师签名： 碑年月尘日 幽年五月旦日 第一章绪论 康复机器人属于医疗器械范畴，是机器人技术在医疗领域的应用n 3 。它针对有运动 障碍的人群，通过辅助使用者的肢体进行运动，使其完成康复训练或者进行简单的日 常行为动作。康复机器人在原理上和工业机器人有着很大的区别，因为它直接作用于 人体，与人在同一个作业空间内工作，人和机器要成为一个整体，和谐的相互作用。 它也不同于普通的阻力型体育运动器材，其主要使用对象是有运动障碍的患者。 按照功能分，康复机器人可分为辅助型和康复训练型两种。辅助型康复机器人主 要用来帮助肢体运动有困难的患者完成各种运动，如机器人轮椅，导盲手杖，机器人 假肢，机器人护士等；康复训练型机器人的主要功能是帮助患者完成各种运动功能的 恢复训练，如行走训练，手臂运动训练，脊椎运动训练，颈部运动训练等。 按照形式分，康复机器人主要分为固定式和便携式两种。前者通常体积较为庞大， 结构复杂，但固定性好，具有很精准的操作性；后者体积较小，通常用外骨骼的造型 来实现，模仿人体关节的运动形式，受用性好，但固定性较差，穿戴较为复杂。 近年来，各种类型的康复训练机器人在康复医疗领域都得到了广泛的应用，随着 社会老龄化的日趋严重，和交通事故的日渐增长，康复机器人正越来越多的被用在康 复治疗过程当中。 1 1 课题的目的和意义 当今，在医学领域，康复训练机器人正在日益发挥着越来越重要的作用，它可以 用于减轻神经系统受损( 如中风、脑外伤、脊柱损伤等) 的病人的痛苦。举例来说， 中风病人往往会伴随产生运动障碍的症状，这种运动的障碍基于感官和运动肌肉的缺 陷，如肌肉无力，丧失肌肉协调能力乜1 ，以及增加肌肉反射张力和过度反射等痉挛症状， 都是由这个原因引起的。这所引发的后果是患者无法自主的完成行走或者吃东西等日 常生活的基本任务，于是一个更快更好的令人鼓舞的治疗方法应运而生，就是高强度 运动量的训练法。 这种疗法我们可以看做是通过刺激神经元的方法来改善运动机能和恢复肌肉的控 制能力口h 钔。也就是说，是通过重复的运动训练，激活了损坏的肌肉神经，从而增加了 肌肉的工作效率和可靠性嘲这种疗法的另一个目的是通过软组织的训练，来增加肌肉 被动运动的范围，并提高肌肉的力量。临床试验结果表明1 ，较长时间的高强度运动治 疗，可以使患者的运动能力得到显著的恢复，如果在肌肉受损的早期就开始这样的治 疗，并且达到高强度的重复训练的话，患者将会得到比预期更好的恢复效果，而且， 这种感应运动的质量对于神经康复也是至关重要的。因此，对于肢体康复患者，循环 性的、重复性的、有节奏的、符合生理特性的康复训练，将会给治疗带来更好的效果。 至今为止，运动疗法主要都是由职业的物理治疗师进行徒手操作的口3 。这种疗法有 一个不可避免的缺点就是物理治疗师的疲劳。在治疗过程中，他们重复的机械的尽职 尽责的工作，但是这所产生的疲劳，对于患者来讲，在人机工程学方面就会产生很不 利的影响。因此，当这些医师疲劳的时候，动作就会不一致，从而会影响到患者的整 个治疗过程。如果患者有严重的痉挛症状，治疗的周期往往会缩短甚至被遗漏，这就 是徒手治疗法的局限之处。因此，使用康复训练机器人进行治疗，则可以充分的避免 这种状况的发生，康复训练机器人恰恰是非常适合进行精确的、重复的、高强度的机 械运动的。 事实上，根据临床实践的结果，我们可以看出，机器人辅助知觉运动训练对于减 少患者康复中的再次受损有着积极的影响阳1 。有报道指出口1 ，那些经过保守治疗以后， 自愿接受机械辅助治疗的患者，其恢复情况较没有接受辅助治疗的患者有了极大的改 善。此外，它还表现在对于患有脑血管疾病的病人n 们，康复训练机器人的辅助训练， 为其他们提供了肌肉神经的激活模式。其中一个主要的优势就是康复训练机器人的使 用提供了更加密集的治疗机会。并且，康复训练机器人也提高了治疗的质量，从长远 来看这有利于更多的重复性的循环刺激n 。但是，一些人对康复训练机器人的能力也 是有所怀疑的，他们提出了对于康复训练机器人自发适应特殊需要以及适应特殊病人 的人机工程学指标的问题。这就是第二代康复训练机器人还在实验室研究当中的原因。 这种康复训练机器人将用于满足重要的临床应用要求，使患有体重过轻等病症的病人 通过康复训练，将体重指标提高到安全的范围内。并且，提出了针对于康复训练机器 人的先进的控制计划，使其能够更好的和患者之间相互作用。 此外，康复训练机器人在心理方面逐渐被患者和临床医师所接受也是非常重要的 1 2 】。大多数的研究人员专注于改善控制方面，而极少考虑康复训练机器人设计中的另 一个重要问题，就是康复训练机器人所能提供的工作空间以及它与人体关节之间的相 互作用，甚至当人体关节发生错位的时候，康复训练机器人仍然在继续工作，这种u 劓 限制康复训练机器人可用自由度的方法，不仅可以导致肌肉活动模式的改变，而且将 对整个康复训练的过程造成负面的影响。 本文的主要目的就是提出一个真正符合人机工程学指标的机械模型，使其能很好 的与人类肢体间相互作用。也就是说，在使用这个模型时，要使肢体可能发生的运动， 在最自然的活动空间内进行，并尽量避免由生物关节与康复训练机器人之间产生的错 位所导致的残余应力，避免对患者造成二次伤害。这个能够使康复训练机器人和生物 关节之间更好的相互作用。 2 1 2 康复训练机器人的发展历史和研究现状 康复机构属于医疗机器人范畴，是机器人技术在医疗领域的新应用，在欧美等国 家己经得到了科研工作者和医疗机构的普遍重视，近年来也取得了一些有价值的成果， 在我国，康复医学工程虽然得到了普遍的重视，而康复机器人研究仍处于起步阶段， 一些简单康复器械远远不能满足市场对智能化、人机工程化的康复机器人的需求。所 以康复训练机器人广阔的市场前景将推动这一新型的技术在以后得到更多的重视与推 广。 表1 - 1 主要辅助康复研究项目示意表n 6 1 自2 0 世纪6 0 年代初期出现了第一台康复机器人c a s e n 蜘以后，直到7 0 年代中期， 对康复机器人技术的研究才逐步发展起来。到了8 0 年代，许多个专门针对康复机器人 研究的工作站的建立，对这项研究起到了很大的推动作用，但仍然只局限于美欧等国。 9 0 年代以后，对康复机器人的研究全面展开，更多的国家如中国、韩国、日本等都开 始了对康复机器人技术的深入研究，出现了丰富的辅助康复系统。 康复机器人在欧美等国家已经得到了科研工作者和医疗机构的普遍重视，近年来 取得了一些非常有价值的成果。英国基尔大学研制了一种帮助残疾人吃饭的康复机器 人h a n d yi ，该机器人是一台成本低、设计新颖、结构紧凑的机器人。它可以使平时靠 别人喂着吃饭的残疾人自己独立吃饭，是目前世界上最成功的一种低价、市售的康复 机器人系统。 3 圈阚 一碡 图1 3 手臂康复训练机器人m i m e 处于此领域前沿的牛津大学，目前正研究基于记录脑神经元产生的脑电信号“”。 利用脑电图扫描器r e e g ) ，建立人脑和计算机的通讯通道，通过此通道，大脑可以与外 界环境交流或控制外界环境。由于该研究受到高级模式识别、信号测量、神经网络预 测误差等多项技术的限制，目前只成功实现了一维运动，即可控制指针在显示器上、 下移动，= 维运动的研究工作正在进行中。 s o 血a s a n c h c z 等人研制了一套名为e c - r i p 的首部外骨骼，用来帮助人的手部进行运 动“”。这套外骨骼可以实现手部的全方位运动，它以普通手套作为外壳，使用一种叫 做形状记忆合金( s h a p em e m o r y a l l o y ) 的金属作为驱动装置，将形状记忆合金条安装 在手套的手掌一侧，背部装有不锈钢条提供伸展力，当给形状记忆合金加热时，它模 仿人手指的运动，为手提供抓握力，当恢复正常温度时，在不锈钢条的作用下，实现 伸展运动。控制上采用声控，有3 个不同的控制命令。 约翰霍普金斯大学的研究生y o u n g 和他的同时研制了一套声控的上肢外骨骼，来帮 助患有肌肉萎缩病的人控制自己的手臂抓取东西n 们。他们设计了一个曲柄机构，使手 部可以抓取和松开，前臂可以抬起和放下。使用直流电机作为动力装置，工作时操作 者用声音控制外骨骼的动作。 日本制造的h a l - 3 ( h y b r i da s s i s t i v el e g ) 机器外骨骼用来帮助老年人和下肢伤残的 人走路，总重约1 5 公斤啪h 2 。以肌动电流信号( e m g ) 作为控制器的输入信号。在操作 者背上的包内装有计算机和电池，在操作者的髋关节和膝部装有7 5 0 w 的直流电机，计 算机分析从操作者肌肉测得的肌动电流信号，计算出操作者下一个动作，并驱动惦记 带动操作者的腿部运动。在髋部和膝部装有电位计，作为角度传感器，在脚步还装有 半导体压力传感器，用来测量操作者脚和地面的相互作用。 日本h o k k a i d o 大学的k e i t a r on a r u s e 等人研制了一套用来帮助弯腰直腰的外骨骼 瞳羽，这套外骨骼只有一个自由度。人作弯腰直腰动作时，作用力主要集中在第五脊椎 骨和骶骨之间，所以这套外骨骼关节就以这一位置作为辅助运动的位置，它以直流电 机作为动力源，以五个连杆作为执行机构，五个连杆分别与人体的各个部位相连。它 以肌动电流信号( e m g ) 和关节角作为控制器的输入信号，来估计操作者的运动意向。 在我国，康复医学虽然得到了广泛的重视，但是康复机器人的研究仍然处于起步 阶段，一些简单的康复器械远远不能满足市场对智能化，人机工程化的康复机器人的 需要。所以康复训练机器人广阔的市场前景将推动这一新型技术在以后得到更多的重 视与推广。 上世纪9 0 年代，中科院设计的自动导航智能轮椅，进一步完善了轮椅的功能，使 其不仅成为代步工具，还可以完成简单的日常操作。 北京大学的研究人员研制了一套作为触觉感知接口的外骨骼系统嘲。它包括两部 分：一套手部外骨骼，一套手臂外骨骼。这套外骨骼系统手部有1 1 个自由度，手臂部 分有5 个自由度，在每个手指的指尖处都装有振动器( v i b r a t o r ) 。工作时可以进行实时的 接触外个和抓取外力的反馈。作为触觉感知接口它可以使操作者与虚拟现实中的物体 产生交互作用。手部自由度分为：大拇指1 个，食指4 个，中指3 个，无名指2 个，小指1 个。手臂自由度分布为：肩部3 个，肘部1 个，前臂1 个，腕部2 个。它用电位计作为角 度传感器测量各关节的角度，使用单片机收集角度传感器的信息。 其他许多的科研院所也开始投入到康复训练机器人的研制开发在当中。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、复旦大学、哈尔滨工业大学 等。其中，上海交通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 度假手模拟装置已设计完成，神经信息的提取正在进行动物试验，信息的整合与控制 电路的设计进展顺利。 1 3 市场前景及发展趋势 图1 4 清华大学研制的康复训练机器人 近年来，随着机器人技术和康复医学的发展，在欧洲、美国和日本等国，医疗康 复机器人的市场占有率呈逐年上升的趋势，仅预测日本未来机器人市场，2 0 0 5 年医疗、 护理、康复机器人的市场份额约为2 5 0 ，0 0 0 美元，而到2 0 1 0 年将上升到1 ，0 5 0 ，0 0 0 美元，其增长率在机器人的所有应用领域中占据首位髓耵。自主的康复运动训练已经成 为数以万计的有神经科疾病病史和收到意外伤害的患者基本而有效的疗法，而形形色 色的康复机器人，如跑步机式康复训练机器人、自行车式腿部训练机器人、行走辅助 车、手臂训练机器人、踝关节训练机器人、下肢训练机器人以及人工假肢、电动轮椅 等，都以其经济的价格，简易的操作，适时的病情反馈和康复训练知道，得到了医学 专家和病人的肯定。 针对未来市场需求以及当前情况，可以看出康复机器人有以下几个发展趋势： 1 智能化 康复机器人除了具有基本的自主移动、拿取和运送物品等功能外，还应进一步提 高智能水平，简化用户的控制，使机器人能体察用户意图，在简单指令下自主完成各 种操作。所以需要发展和综合应用各种智能控制技术，开发和完善灵活丰富的人机接 口，同时结合计算机通讯、网络技术和智能家居技术，使康复机器人能更有效地将用 户和社会生活环境融合起来。 2 人性化 康复机器人是为残疾人和老年人设计的，更应根据他们的生理和心理特点，考虑 到他们的特殊需要，设计出称心如意的产品。例如使机器人的颜色、形态、行为方式 6 上更能为人接受，使用更舒适、安全、可靠，与用户有反馈沟通的能力等。这样，机 器人才能真正步人家庭，作为一个得力的助手而不仅仅是一部供人操作的机器。 3 模块化 要实现康复机器人的批量生产、技术兼容性和简易快捷的更新能力，必须实现模 块化。机器人的硬件部分如机器臂、控制器、传感系统和人机接口等都按统一的标准 模块化设计，形成各自的嵌入式系统，能方便地集成和统一控制。这样既便于各项技 术的单独更新和升级，还可以充分利用第三方的强势技术，同时也可以根据用户各自 的需要定制不同的产品。 1 4 外骨骼作为康复系统的研究与应用 外骨骼系统( e x o s k e l e t o ns y s t e m ) p 以其能将操作者的力量放大、便携、易操作、具有 触觉感知功能等优点，在许多机器人领域得到广泛的应用。 外骨骼系统是一种各关节与人体关节相一致，并依附于人体外部的机械系统口5 1 ， 按其安装形式不同，可以分为便携式和固定式两种。工作时由操作者将其“穿在身 上，操作者和外骨骼之间可以进行直接的力和其他信息的传递。根据外骨骼的特性， 目前它主要有以下几个方面的应用： 1 作为力的放大设备。 外骨骼系统可以使操作者的力量增大若干倍，这一功能收到军事人员的青睐。同 时也可以对老、弱、残、等人员进行助力运动，作为一种助力和康复设备。 2 作为遥控操作系统中的控制设备。 在一些危险的环境，如深海、太空、辐射地区等不适合人直接进入其中进行工作， 这就需要遥控操作机器人代替人进行工作。外骨骼以其便携易操作等优点，在这一领 域有着广阔的应用前景，许多研究人员已在这方面进行了大量的研究工作。 3 作为触觉感知设备接口。 出具感知接口应具有力力矩觉和接触觉等主要感知功能汹h 2 7 1 ，外骨骼作为触觉感 知接口有着广泛的应用前景。 早在上个世纪六十年代，美日两国就制定了意向研究发展计划，决定研制由人穿 上外衣一样的装有东西系统的外骨骼。可以控制一组机械肌肉，使操作者的力量增 加2 5 倍，不过在人接触物体时，他感觉到的力量就像直接接触物体一样，从此，机器 人领域外骨骼的发展拉开序幕。 1 4 1 中枢神经康复系统的设计要求 近3 0 年来，神经康复领域中最重要的研究成果之一是阐明了中枢神经系统具有高 度的可塑性( p l a s t i c i t y ) 啪h 删。实验表明，在此过程中特定的功能训练是必不可少的，这 为辅助康复系统的研制提供了重要的医学依据。 中枢神经康复系统是直接对患者肢体进行操纵，因此系统的设计必须从患者的需 7 求出发，同时符合临床康复医疗训练的规律。 首先，与正常人肢体相比，患肢更为脆弱，更容易受到损伤。所以必须从机械结 构和控制系统两个方面保证患者的安全性。显然，在所有结构中，与患肢运动空间基 本相同的结构更特合辅助康复训练。因此，所设计的康复系统应培植在患者瘫肢的同 侧，结构与患肢类似，不仅能够完全满足辅助患肢完成多种动作的需要，而且结构简 单，并易于实现。 其次，患者的病情千差万别，在不同的康复阶段具有不同的运动模式，因此，康 复系统提供的训练动作应能满足不同患者的特殊训练需要，尽可能完成多种动作同 时，康复医疗训练必须针对不同的患者设计不同的训练方案，井有针对性的提供各种 训练所需要的参数运动参数和力参数，在康复系统的运动场和力场的设计中要考 虑息者瘫肢的特征。 再者，康复系统应该能够实时的检测患者与康复系统之间的相互作用力，在患者 主动能力不足的情况下提供足够的帮助，而在患者有能力完成时，适当减小辅助力甚 至施加阻力，以便充分发挥患者的能力，提高康复医疗的效果。 最后，康复系统要能够实时采集数据，并对其进行及时处理，以简洁易懂的方式 向患者提供康复进展信息，以激发患者参与训练的欲望，多方面提高康复效果。 1 4 2 外骨骼作为康复系统 从外骨骼的研究与应用来看，它很适合用于康复医疗工程： 外骨骼依附于人体，各关节与人的关节相一致，运动时模拟人的动作，其运动空 间与人的肢体运动空间基本相同。 外骨骼几乎可以完成人体能完成的所有动作，因此，它可以为康复医疗提供所需 要的运动，从外骨骼的控制技术看，设计一些康复方案也是非常容易的。 作为触觉感知接口，外骨骼可以实时检测出其与操作者之间的相互作用力，它既 可以对操作者进行助力运动，也可以为操作者的运动提供阻力。 很多外骨骼都装有角度传感器和力力矩传感器，这样外骨骼可以为操作者及时提 供位置和力力矩的信息。 可见，外骨骼用于康复医疗工程是十分理想的，与其他的康复仪器相比，外骨骼 具有无可比拟的优越性口玎锄1 ，许多研究人员已在这方面做了深入的研究。 文献3 1 中介绍了一种基于虚拟现实的手臂康复骨骼康复系统，该康复系统将虚拟 显示和外骨骼技术引入到肢体康复工程，根据康复医学的运动疗法和作业疗法，设计 了运动控制方案，并构建了虚拟环境仿真平台，此套外骨骼以汽缸作为动力源，可以 带动患者时间2 个自由度的运动：肩部的外摆内收运动和肘部的屈伸运动。使用角度 位移传感器测量患者的运动位置。提出了手臂功能康复测评的方法，并建立了康复病 案数据库。 a n u pm i s r a 等人设计了一台3 个自由度( 上臂旋转、肘部屈伸和小臂旋转) 的外骨骼 用来对脑溢血患者进行肢体康复训练，并对这一设计进行了计算机模拟嘲3 。在作者的 设计中，这套外骨骼以伺服电机作为驱动装置，各个连接处的角度由计算机系统进行 测量和计算，用来确定手臂运动的速度和加速度。 图15 手臂外骨骼和手部外骨髂图16 手臂外骨骼作为康复系统 k a z u o k i g u c h i 等人研制了一种3 自由度的外骨骼系统。“，见图15 和图16 ，它被用 来辅助人的上肢进行日常运动和康复训练，这套外骨骼系统以肌动电流信号( e m g ) 作 为控制器的输入信号，应用模糊神经控制方法来实现对外骨骼的复杂的实时控制。初 期的模糊i f - t h e n 控制规则是根据对以前试验中人的肩部和周不运动模式的分析来设 计的，然后转移到神经控制模式。 文献”1 介绍了一套对肘部进行运动康复_ i i 练的外骨骼系统。这套外骨骼系统只有1 个自由度( 肘部的屈伸) ，它同样用肌动电流信号作为控制器的输入信号，其控制方法 与文献3 中介绍的外骨髂系统的控制方法也很相似。 1 5 本文的研究内容及主要工作 本文“基于人机工程学的手臂康复训练机构的研究”的研究目的是寻求一种真正 符合人机工程学的机械结构，帮助需要康复训练的病人在最自然的运动空间内进行康 复训练并尽量避免康复训练机构在治疗过程中对患者造成的二次伤害，进而使康复 训练机构和人肢体之间更好的相互作用。工作重点是完成康复训练机构的人机工程学 模型的研究，课题内容包括以下几个方面： 1 人机工程学概念的引入 引入人机工程学中，与本课题相关的人体铡量学、人体解剖学、康复心理学等方 离 面的内容，并针对这些方面的内容进行分析，提出康复训练机构所要达到的人机工程 学要求。 2 人手臂活动模型的建立和运动学研究 根据人机工程学相关问题分析所得出的结论，初步建立人体手臂模型，并进行人 体手臂的运动研究，以及以人体手臂和手臂康复训练机构的相互作用为目标的运动学 研究。提出理想化的手臂康复训练机构模型。 3 现有的手臂康复训练机构所存在问题及原因分析 从人机工程学角度出发，根据现有的手臂康复训练机构的结构特点，提出其所存 在的问题因素，分析这些问题产生的原因，加以研究讨论。 4 手臂康复训练机构结构选型 根据现有的手臂康复训练机构所存在的问题，究其原因，寻求解决方案。提出相 对合理的机构形式，通过对照讨论，进行最优化的结构选型。 5 手臂康复训练机构简化结构运动学分析 将选型后的机构进行简化，针对简化后的模型进行位置分析和速度分析，为机构 的控制提供运动学基础。 6 讨论分析，得出结论 针对所选择的结构及运动分析，进行讨论。最终得出本文研究的结果。 1 6 本章小结 这一章主要对康复训练机构做了简要介绍，回顾了康复训练机构发展的历程以及 各个时期的技术要点。根据现实需要，展望了康复训练机构的未来发展趋势以及市场 前景。提出了本文所预计要完成的几项主要内容，为下一步的研究工作和随后论文的 撰写建立了大纲。 1 0 第二章人机工程学在产品设计中的应用 这一章将从人体测量学、人体解剖学、康复心理学等方面进行了与本课题相关内 容的研究，将人机工程学的概念引入到产品设计当中，体现出产品设计过程中“以人 为本的基本理念。 2 1 人机工程学与产品设计 人机工程学是- i - 多学科的交叉学科，研究的核心问题是不同的作业中人、机器 及环境三者间的协调，研究方法和评价手段。涉及心理学、生理学、医学、人体测量 学、美学和工程技术等多个领域，研究的目的则是通过各学科知识的应用，来指导工 作器具、工作方式和工作环境的设计和改造，使得作业在效率、安全、健康、舒适等 几个方面的特性都得以提高口刀。 2 1 1 人机工程学研究内容及其对于设计学科的作用 1 为工业设计中考虑“人的因素”提供人体尺度参数： 应用人体测量学、人体力学、生理学、心理学等学科的研究方法，对人体结构特 征和肌能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、体重、体表面积、比重、重心以及 人体各部分在活动时相互关系和可及范围等人体结构特征参数提供人体各部分的发力 范围、活动范围、动作速度、频率、重心变化以及动作时惯性等动态参数分析人的视 觉、听觉、触觉、嗅觉以及肢体感觉器官的肌能特征，分析人在劳动时的生理变化、 能量消耗、疲劳程度以及对各种劳动负荷的适应能力，探讨人在工作中影响心理状态 的因素，及心理因素对工作效率的影响等。人体工程学的研究，为产品设计全面考虑 “人的因素 提供了人体结构尺度，人体生理尺度和人的心理尺度等数据，这些数据 可有效地运用到产品设计中去。 2 为产品设计中”产品”的功能合理性提供科学依据： 现代产品设计中，如搞纯物质功能的创作活动，不考虑人机工程学的需求，那将 是创作活动的失败。因此，如何解决“产品 与人相关的各种功能的最优化，创造出 与人的生理和心理肌能相协调的“产品 ，这将是当今产品设计中，在功能问题上的新 课题。人体工程学的原理和规律将是设计师在设计前考虑的问题。 3 为产品设计中考虑“环境因素提供设计准则： 通过研究人体对环境中各种物理因素的反应和适应能力，分析声、光、热、振动、 尘埃和有毒气体等环境因素对人体的生理、心理以及工作效率的影响程序，确定了人 在生产和生活活动中所处的各种环境的舒适范围和安全限度，从保证人体的健康、安 全、合适和高效出发，为产品设计方法中考虑“环境因素 提供了设计方法和设计准 则。以上几点充分体现了人机工程学为产品设计开拓了新设计思路，并提供了独特的 设计方法和理论依据。社会发展，技术进步，产品更新，生活节奏紧张，这一切必然 导致“产品刀质量观的变化。人们将会更加重视“方便”、“舒适 、“可靠、“价值 、 “安全 、和“效率 等方面的评价，人机工程学等边缘学科的发展和应用，也必须会 将产品设计的水准提到人们所追求的那个崭新高度。 2 1 2 人机工程学在产品设计中的应用 人机工程学是研究人的特性及工作条件与机器相匹配的科学。它把人和机器视为一 个有机结合的系统，指出机器应该具有什么样的条件才能使人付出适宜的代价后可获 得整个系统的最佳效益呻1 。人机工程学不仅涉及到工程技术理论，还涉及到人体解剖 学、生理学、心理学以及劳动卫生学等。认真研究这门科学，可以创造出最佳设计和 最适宜的条件，使人机实现高度协调统一，形成高效、经济、安全的有机系统。 1 人机匹配与人机系统总体设计 人机匹配是指人的特性与机器特性的适当配合。在人机系统中，人是系统的主体， 机器是人创造出来的，机器当然应该适应人的特点。如操作空间应与人体外形测量尺 寸相适应；操作机构应与人的形体和最佳用力范围相适应，指示仪表及信号应适合人 的视觉、听觉和触觉的常规要求等。 操纵机构是人将信息传给机器的工具。因为人输出信息的部位( 口、手、足等) 不 同和操作要求不同，所以操作机构的种类也很多。在设计时要考虑机器的动作方向、 阻力、速度和安全等因素。如果操纵机构的运动方向与被控制对象的运动方向及仪表 显示方向保持一致，操作就会准确及时；也可简化培训过程，改善调节的速度和精度， 并减少事故。操纵机构存在摩擦、弹性、粘性和惯性等阻力是必要的，这可以产生“操 纵直接感觉 ，使操作连贯，减少振动和过载造成的干扰，保证操作控制的准确性。 2 人机结合和人机功能分配 人与机器的结合形式，依复杂程度不同可分为“劳动者一工具 、“操作者一机器 、 和“监督者一智能机器等几种。机器的自动化和智能化使其操纵复杂程度提高，对操 作者提出了严格要求，操作者的人体功能限制也对机器设计提出了特殊要求。人机结 合的原则改变了传统的只考虑机械性能的设计思想，提出了同时考虑人与机器两方面 因素、以获取最佳技术经济效果的设计思想。 纵观人类机械设计史可知，造成产品与人体能力之间不甚协调的基本原因有两个， 一是在做产品设计时，对人机协调性不够重视，没有认真对待，而是强调人体如何去 适应产品。由于人的能力是有限的，对产品的适应性也是有限的，所以就不可能达到 期望的人机协调性侧。其二是人类对自身生理特点的认识在逐步深化，认识肤浅时则 不能提出作为产品设计的约束条件。随着科学技术的发展，使人们从正反两方面的经 验教训中认识到人机系统协调关系的重要性，并使研究工作得以强化。 1 2 3 人机系统与环境因素 人机系统是在特定环境中进行工作的。环境对人机系统的工作效能有很大影响； 人机系统对环境也有具体要求。特别是作为系统主体的人，对工作环境的要求更为苛 刻。为了保持系统的高效率、可靠性和持久性，单从不伤害人体的角度来创制环境是 不够的，还必须考虑操作者工作的舒适性。 用于康复的手臂康复训练机构，它依附于人体，在患者主动运动时，此机构跟随 人体一起运动，在患者被动运动时，它带动人体运动，因此，从结构上它要有一定的 拟人性，能够模拟人的运动，还要有一定的刚性，能够提供足够的力矩。 2 1 3 人体测量学的应用 人体测量学是- f - j 新型的学科。塔式通过测量人体各部位尺寸来群定个体之间和 群体之间在人体尺寸上的差别，用以研究人的形态特征，从而为各种工业设计和工程 设计提供人体测量数据。 g b l 0 0 0 8 8 是1 9 8 9 年7 月开始实施的我国成年人人体尺寸国家标准。该标准根据 人机工程学要求提供了我国成年人人体尺寸的基础数据，它适用于工业产品设计，建 筑设计，军事工业，以及工业的技术改造，设备更新及劳动安全保护。 该标准提供了7 类，共4 7 项人体尺寸基础数据，标准中所列出的数据是代表法定 中国成年人( 男1 8 6 0 岁，女1 8 5 5 岁) 的人体尺寸，其中与本次设计相关的人体尺寸如 表2 一l 所示。 表2 - 1 人体主要尺寸 本次设计选择成年男性身高1 7 5 4 m m ，体重7 0 k g 的群体作为手臂外骨骼系统的应 用对象，进行相关的尺寸设计和力矩计算。 设计人体上肢康复系统，以帮助使用者完成日常行为，需要对人体上肢的运动有 充分的了解。但是由于人体上肢的适应性很强，灵活度很高，各关节的运动与结构比 较复杂，设计骨骼、关节韧带、肌肉、软组织等的结构特征与运动，在目前条件下， 要想给出准确的、十分理想的、适合于各种场合的模型是比较困难的。因此，我们只 从侧重实用的角度出发，对人体的上肢进行运动分析。 2 2 依照人体骨骼特点的设计 手臂康复机构，是针对于人体上肢骨骼结构特点而进行针对性设计的一类产品， 因此，在进行设计之前，必须先对人体骨骼的解剖结构、关节运动和类型有所了解。 人体的骨骼与工程材料很相似，属于固体材料1 。人体的各部位也可以在一定范 围内按照一定的自由度运动。 2 2 1 人体骨骼和关节 1 骨的结构和功能 图2 1 人体骨骼解剖图 1 4 如图2 1 所示，人体骨骼由形态不同的骨构成，约占人体体重的1 1 1 0 i 5 。骨依其形 态可分为长骨、短骨、扁骨和不规则骨四种；依其所在的位置可分为颅骨、躯干骨、 四肢骨三部分。骨的主要功能如下： ( 1 ) 骨与骨相连结形成骨骼，支持人体的软组织和支撑全身重量； ( 2 ) 骨骼形成体腔壁，可保护大脑及内脏器官，并帮助呼吸； ( 3 ) 肌肉收缩时引起骨绕关节转动，使人体形成各种各样的运动和操作姿势，是人体运 动的杠杆； ( 4 ) 骨的红骨髓具有造血功能，黄骨髓具有储存脂肪的作用，骨还是人体矿物盐的储备 仓库。 2 人体的关节及运动 关节是骨与骨之间借膜性囊互相连结，相互问具有腔隙，活动性较大的连结形式， 也称间接骨连结或滑膜关节。它由关节面、关节囊和二者之间的关节腔构成。关节可 依据活动度的大小分为不动关节和动关节。其中动关节与人体活动性紧密相关，是确 定人体模型关节点和关节连接段( 身体段) 的活动性质的根据。 ( 1 ) 关节运动形式 关节的运动是绕轴转动，其运动形式与关节面的形态密切相关。根据关节运动轴 的方位，人体关节的所有运动形式可归纳为四种基本形式，即滑动运动、角度运动、 旋转运动、旋转运动、环转运动。 滑动运动这种运动活动量微小，相对关节面的形态基本一致。例如腕骨和附骨之间 的运动。 角度运动是指相邻的两骨绕轴离开或接近，产生角度的增大或减小的运动形式。通 常有屈、伸和收、展两种形式。屈伸运动，是关节沿冠状轴运动，使相邻关节的两骨 互相接近，角度减小时为屈，增大时为伸；关节沿矢状轴运动，使骨向正中面移动称 为“内收 ，远离正中面移动的称为“外展”。 旋转运动骨环绕垂直轴或桡骨本身的纵轴旋转的运动形式为旋转运动。其中，骨由 前向内侧旋转称为“旋内：相反，向外侧旋转时称为“旋外 如肩关节的肱骨可沿 本身的垂直轴进行旋内、旋外运动。 环转运动骨的上端在原位置转动，下端作圆周运动，全骨活动的结果犹如描绘一个 圆锥体的图形，这样的运动称为“环转运动 。环转运动实际上是屈、展、伸、收的 一次连续运动凡具有进行冠状和矢状两轴活动能力的关节，都能作环转运动。 ( 2 ) 关节的分类 根据关节面的形态和运动形式，关节可分为单轴关节、双轴关节和多轴关节，如 下： 单轴关节的关节头呈圆柱状或滑车状，骨只能绕一个运动轴作一组运动，只有一 个自由度，包括车轴关节和屈戎关节蜗状关节。 双轴关节的关节头呈椭球状和马鞍状，关节可沿两个相互垂直的运动轴作 屈伸、收展和环转运动。 多轴关节的关节窝保绕呈圆球形的关节头，因此可沿三个相互垂直的运动轴作屈 伸、收展、旋转和环转运动。 3 人体环节的划分 根据人体局部解剖学，人体可按骨性标志( 骨头的某些部分在体表形成明显的隆起 或者凹陷，通常称这些隆起或者凹陷为骨性标志) 分为若干段，每段称为人体环节。划 分人体环节的各分界点应明显、易于测量，并与人体体表尺寸有 良好的相关性。 表2 2 人体环节划分分界点位置 ( 1 ) 人体环节的划分 一般情况，将较为明显的骨性标志作为分界点划分人体为四大部分：头颈、躯干、 上肢、下肢。躯干包括胸部、腰腹部：上肢包括左上臂、右上臂、左前臂、右前臂、左 手、右手；下肢包括左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左足、右足。一共1 5 个环节。 各环节划分分界点见表2 2 ( 其中的分界点术语与用于技术设计的人体测量基础项目中 给出的人体测量相一致) 。 ( 2 ) 上肢制造尺寸的确定 上肢尺寸主要包括：上臂尺寸、前臂尺寸。制造尺寸与人体解剖尺寸间存在一定的 偏差，需要通过以下补偿公式计算获得： 制造上臂尺寸= 解剖上臂尺寸+ ( 2 1 ) 制造前臂尺寸= 解剖前臂尺寸一 ( 2 2 ) 其中，a ：挠骨点高一肘高。 1 6 表2 3 ，体现出了本文中所能用到的人体上肢关节简化及运动情况，将作为手臂康 复训练机构设计时候的参考。 表2 3 人体部分关节简化及运动 对人体骨骼进行解剖学研究，能够更好的使我们了解人体的生理结构，为设计出 符合人机工程学要求的产品，提供了必要的前提。 2 3 康复患者的心理特征 康复，是指应用各种措施以减轻疾患的影响和使有疾患的人重返社会h 。接受康 复训练的患者只是运动功能丧失或发生障碍，他们的感知过程，思维记忆，语言能力， 意志行为等方面都是正常的，他们的情感体验和对自身状况的理解都比较深刻。由于 代偿功能的作用，康复训练机器人的使用会使他们基本上做到生活自理，但是患者的 心理状态往往会对康复训练机器人的装配效果产生影响。因此，在进行康复训练机器 人设计时，我们必须考虑到患者的这些心里特征。 2 3 1 进行康复训练进行前患者的心理特征： 1 震惊阶段：从运动能力健全到缺失，患者起初的反应都是震惊。一时很难接受现实， 有哭喊，吵闹等行为。语言中也流露出不能，叹息的消沉情绪。 2 否定阶段：不能承认截肢的现实情况，认为那是一场梦，梦醒后，一切都会好起来。 不少患者经常以此心理做一时的自我安慰。 3 抑郁反应阶段：持续的情绪低落，活动行为明显减少，认为自己已经变成废物，成为 家庭的负担，和亲人的累赘。 4 承认适应阶段：经过以上三种情绪后的调节，患者开始思考谋求生活的出路。 1 7 2 3 2 首次使用康复训练机器人时心理特征 1 怀疑，好奇。 功能性运动障碍造成的肢体残疾不同于缺失性造成的肢体残疾。从肢体缺失这一 点来说截肢者的特点是残疾固定，不再发展，但功能性运动障碍的患者的运动功能是 可以得到一定程度的恢复的，即通过使用康复训练机器人来进行肢体的功能性训练。 对于患者，一时间很难从运动功能障碍的阴影中走出来。康复训练机器人对于他们来 说是一个新鲜的事物。他们从医务人员的讲述中知道，进行康复训练可以使他们能够 回归社会，过上正常人的生活。这一点给了他们生存的希望和生活的动力，因此对康 复训练机器人产生了很大的好奇心理。一方面期待经过训练能够快速回归社会。另一 方面也对康复训练机器人产生怀疑，害怕使用后的效果根本不能同想象中的医务人员 所讲述的相提并论，造成心理落差过大。 2 过分要求假肢功能 有的患者，在看到病友使用康复训练机器人后效果很好，因此也希望自己将来使 用后能够达到他所想的效果。这时有的患者就会要求医生对康复训练机器人的功能给 予一定的承诺，事实上康复训练机器人的功能存在一定的局限性，它的功能需要由神 经损伤情况等诸多因素而定。康复训练再怎样模仿人体的运动功能不能等同于自身的 运动，穿上后肯定有一定的束缚感。在安装过程中这种前后的落差使患者对康复训练 感到失望，从而造成情绪低落，由此引发不能积极配合训练，影响训练的进程和效果。 3 急躁，对抗，独立，急于适应穿戴假肢 当患者接受康复训练机器人，在穿戴和训练过程中由于急于适应穿戴，以此不听 从训练人员的指导，自己不合理的长时间