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警用排爆
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康复机器人RRH11. 开发下肢康复机器人装置 本文提出了一种用于下肢康复机器人的原型。 它是在圆柱运动模型的基础上创建的，配备有两个刚性臂，特殊手柄和固定装置。 它具有五个主动自由度，是在重复学习阶段由物理治疗师产生的轨迹。 康复机器人的原型可以重播不同类型的训练有素的练习，例如：髋关节和膝关节屈曲/伸展，腿外展/内收。 在机器人中实施的保护系统（包括过载检测）使患者安全工作。 下肢康复的运动辅助装置开始于二十世纪七十年代。此时连续被动运动轨道的概念已经被测试。这种机械结构由Robert B. Salter（一名矫形外科医生）的工作进行评估，患者关节的周期性屈曲伸展减少了恢复时间，并增加了整形外科手术后的运动范围。这些装置设计有两种类型，用于上肢和下肢康复，如图1所示。电子和控制系统领域的快速技术革命增加了康复诊所安装和使用的半自动和自动化设备的数量，主要是由于其新的治疗特性7。应用电子控制系统允许用户调整一些基本参数，例如：运动的范围和速度。它还提供了一个规格的控制，防止过度的作用于恢复接头的力。此外，随着治疗的进展，装置执行运动的范围自动增加。图 1 CPM轨道：a - 用于上肢康复，b - 用于下肢康复，转载自 各种设计允许使康复过程在患者的坐姿或卧位中实现。 然而，这些设备的重要限制是它们是否能够在单个平面上工作。 因此，改变康复过程往往需要将患者移动到不同的位置或设置机械装置的新方向。 另一方面，腿部康复治疗的主要优点是其重量轻，成本相对较低。图 2 步态教育的拟人机器人矫形器：a - LOKOMAT - Hocoma公司，转载自2，b - 来自特拉华大学的ALEX，转载自1现代神经康复的机器人辅助装置是一个相对较新的康复领域。 第一次尝试开发这种装置出现在二十世纪九十年代后期。 在康复和工程知识领域的经验使得苏黎世ETH大学的研究人员能够在2000年创建一个机械矫形系统Lokomat 2,5。 Lokomat（如图2所示）设计用于神经障碍和脊髓损伤患者的步态再教育过程。机器人矫形器Lokomat在步态再教育方面不断进步。 机器人的整体部分的体重支撑系统用于自动跑步机训练和治疗师协助。 它也可以用于需要从轮椅上活动的病人。 关于患者的在垂直运动期间可能有效的惯性力量，传统的配重系统在治疗期间不能使用。 Lokomat配备了一个计算机驱动的卸载单元，可以在步态循环期间模仿患者的运动，并且还可以在跑步机上行走期间提供对接触力的调节。在机器人辅助治疗期间，机器人会根据编程模式执行步态循环的最佳重复次数。 专门的软件为个体患者（髋关节和膝关节）提供可调整的运动范围，运动速度可变，步行周期与跑步机速度的同步。 在机器人腿的构造中实现的通用机械模块和手柄允许精确来适应不同患者的解剖结构。世界各地的研究人员也在努力发展类似的机器人。 然而，它们并没有超出原型的阶段，而且大部分的结构尚未被商业化。 最近在美国纽瓦克州特拉华大学开发了与Lokomat类似的设计。 其名称ALEX表示活动腿外骨骼，它可以被更大数量的自由度和被动重力补偿系统识别，如图2b 1所示。 机械矫形腿具有3个主动自由度，对应于膝盖和矢状面上的髋关节的弯曲运动。 此外，矫形器有一个自由度负责腿部的内收和外展运动。整个机构连接到具有两个被动自由度的支撑结构，这提供了额外的垂直和水平运动。 用于构造被动关节的弹性元件用于补偿支架的重量，并执行骨盆的适当运动（横向，垂直和旋转）。 图3 来自3结构非常类似于以前的设备是LOPES - 下肢动力外骨骼，如图3所示。其设计的目的用于步态复习，并在训练程序中使用跑步机3。该项目的主要目标是：减轻物理治疗师的负担，提高中风患者的训练效率，并支持步态再教育过程中运动器材的选定。根据编程的轨迹生成机器人矫形器的运动。在训练过程中，考虑患者与机械骨架之间的相互作用。在电动机驱动器（图3b所示）中具有可调节串联弹性的顺应性和自适应控制被应用于外骨骼的主动接头9,10。该解决方案使患者感觉到机械矫形器对康复肢体的影响很小。相对于商业Lokomat，矫形器LOPES具有较大数量的活动自由度。这提供了沿着三轴的臀部的自由运动，如图3中的1,2和3所示。 第一和第二关节都是伺服电机，而标有3的垂直方向是无源的（无驱动）。图 4 通过脚踏板运动产生神经康复系统：a - Haptic Walker（德国）8，b-来自韩国庆尚大学的装置6 最近临床测试的不完善的建筑是由柏林技术大学的德国科学家和弗劳恩霍夫IPK的一组工程师创建的HapticWalker设备8。该机构具有立方体框架的形式，其中患者被悬挂在机器人手臂上的特殊线束中，如图4所示。机器人手臂的机器人作为特殊平台，带有手柄以附接患者的脚。通过推动或拉动患者的脚而产生下肢的运动，如在CPM轨道中完成的。在HapticWalker装置中，患者由动态重量补偿系统支持。通过对病人脚的作用产生腿部动作，提供了更多的自然步行和爬楼梯的可能性。这种治疗方法不仅涉及下肢，还涉及整个身体。第一次测试显示，用HapticWalker治疗可以增强身体的力量和效能。增加这些参数是康复的基本方面之一，并使人们重新回到日常生活的职责和活动。然而，仅在脚上行动而不会对膝盖和臀部造成额外的限制，可能导致原位移动，其中一个方向的运动可导致病理性补偿运动。 基于通过脚踏板运动产生的相同方法的下肢康复机器人系统的另一种设计是图4所示的机器人。由Ko-rea团队开发6。这种机器人可以模拟平面的行走，因此作为大多数具有跑步机的机器人，但其优越的特征是产生走在不平坦地形上行走的步态模式。例如，它可以产生对应于楼梯的上升或下降的轨迹。呈现的装置具有重量轻，结构紧凑的特点，可在家中进行治疗。作者提出了一种支持患者康复治疗的创新解决方案。通常在具有自由骨盆的系统中，为了防止坠落，患者利用被动悬挂系统将腰部固定在机器人的框架上。在韩国设计中，使用额外的动力机械系统来使上肢进入治疗过程。患者在运动期间握住手柄。它们由直流电机驱动，因此可以根据编程的步态模式控制其运动。在机器人辅助设备中，没有将下限附加到外部骨架的限制（Lokomat，LOPES，ALEX）使康复过程更加有效，并允许涉及许多肌肉群。 骨盆的释放导致在三维空间中执行其自然摆动型运动的能力。 一方面反映了自然的运动方式，但也可以产生意想不到的病理补偿运动。2003年，在先进智能机电一体化会议上，提出了一种先进的下肢康复系统4。 这种线驱动机械手的概念如图5所示。 病人处于特别准备的位置。 他的腿连在一起。图 5 线驱系统下肢康复：概念与原型，转载自4 可调节的线束通过电线连接到安装在外部框架上的电动马达。 围绕患者放置在框架上的电缆和块的系统允许在指定的工作空间内轻松地操纵患者腿部。 增加系统中使用的驱动器数量可以产生更复杂的运动。2. RRH1机器人的构造我们自己的下肢康复机器人如图6所示。 除了全功能原型的照片外，还有一个示意图，显示了主要部件，可能的运动（带箭头）和机器人的工作空间（圆筒的虚线呈现部分）。机器人由铝制底盘和位于矩形基座上的可调节柱组成。 轻型建筑（约100公斤），连同两个标准和两个脚轮使整个机构易于从一张病床移动到另一个医院，甚至一个人。 没有必要将病人搬到特殊康复区; 治疗可以在事故发生后立即开始，甚至可以用于无意识的人。 机器人可以通过安装在车轮（F1）上的制动器锁定到位，同时可以通过曲柄（E）调整特定床和患者的高度。 图 6 康复机器人RRH1：A - 带LCD显示屏和触摸屏的机箱，B - 紧急停止，C - 带手柄的机器人手臂，D - 机器人工作空间，E可调节柱，带标准（F）的底座和带制动器的脚轮（F1）图 7 康复机器人RRH1的运动结构，具有D-H符号的坐标框，注意是双重机构，两个手柄位于同一直线导轨上 机器人的运动结构基于图7所示的圆柱方案。 根据Denavit-Hartenberg符号，机器人具有从0到4的5个主动自由度（DOF）。 运动模型的参数如表1所示。机器人的所有接头都具有类似的驱动系统：具有增量编码器的直流电机和减速齿轮头，用于绝对测量接头位置的电磁离合器和旋转电位计。 在底盘（A）内有一个特殊的齿形导轨，两个车架在其上行进，如图8所示。.每个托架包含两个驱动器：一个负责滑架的水平运动和一个电动垂直臂。 这些相互垂直的接头被编号为对1-3和2-4，分别属于臂1和2。 手臂1握住病人的膝盖，而手臂2握住脚。 双臂在垂直平面YZ上工作，可以产生膝盖和髋部的屈曲和伸展运动，如图9所示。水平和垂直接头的移动范围分别为650mm和470mm。 表格1RAV1机器人运动学模型的Denavit-Hartenberg参数ArmJointi radd i ma i mi rad10!10!1*00- /21!30d1!3*0- /23!50d3!5*0020!20!2*= 0!1*00- /22!40d2!4*0- /24!60d4!6*00其中： - 关节旋转角度; d - 线性平移; 一段长度的链接; - 斜角; 根据D-H符号 此外，主齿形引导件可绕Z0轴旋转。该运动由位于图1右侧所示的特殊导轨上的驱动器0产生。 8.额外的DOF通过添加髋内收和外展练习来扩展康复机器人的功能，如图1所示。9B。 Z0轴周围的旋转范围为15度。 为了最佳地利用机器人的高度的工作区域，应通过曲柄（E）进行调整。3.机器人编程 康复机器人编程的主要思想是通过展示方法进行教学。 将患者的腿固定在机器人的手臂上后，康复者将握住手臂末端的手柄，并根据锻炼移动腿部。 所有接头的位置和速度轨迹由控制器记录，可以循环播放。手柄配有按钮（如图10所示），用于在准备和教学阶段控制机器人的手臂。 当电动机与连接器断开连接时，按下按钮臂可以自由移动，并且通过电位计监视关节位置。 附加功能可通过触摸屏界面进行。图8康复机器人驱动机构的内部结构（俯视图） 图 9 RRH1机器人产生的练习：a - 抬起腿部，膝盖和髋部的屈曲和伸展，b - 髋关节的外展和内收 当电动机与接头断开连接时，按钮臂可以自由移动，并且通过电位器监测接头的位置。 附加功能可通过触摸屏界面进行。 图 10 机器人手臂上的把手和夹具机器人的手臂非常轻，由连杆和电位计引入的阻力非常低，因此康复能够感受腿部的重量和运动的自然界限。 练习也可能包括一些推动力的限制。 实现手柄上的两个按钮时，教学阶段结束。下一个阶段是测试运行：机器人执行单个循环的运动; 康复者必须监测轨迹的正确性，患者和系统的行为。 这也是调整运动速度的阶段。在这个阶段，系统记录出现在关节的力量。在下一步中，操作员接受轨迹并设置循环次数。4.安全系统一般来说，与人合作需要采取特别的安全措施。 重新适应机器人必须是更加敏感的机制，因为它们与残疾人甚至无意识的患者一起工作。康复机器人RRH1配备了多个安全系统：当紧急停止按钮（B）被按下时，立即停止电机的电源，软件停止在教学执行算法的任何阶段在触摸面板上执行，连续监测每个关节的位置，速度和力出现任何失真时立即停止，检测到通信层的故障时立即停止。5.结论我们已经介绍了对下肢康复装置的简短回顾。一般来说，有三种类型的系统：基于外骨骼（Loko-mat，LOPES，ALEX），通过脚板产生运动（HapticWalker，来自庆尚大学的机器人），并且通过在膝盖和踝关节中保持腿来产生运动。 在后一种情况下，我们发现只有一个使用电线和外部框架的系统的例子来引导机器人的工作空间。我们设计和制造属于同一类机器人的原始建筑，然而，使用刚性连接沿着学习的道路举行和移动腿。 我们的原型可以安全地用于康复早期的意识和无意识的患者。 它也可以用于躺卧在床上的长期或重症监护病人的腿的日常锻炼。 提出的解决方案与线驱动机器人相比，结构更紧凑，移动性更好。它有5个自由度，允许全方位的练习，包括髋关节和膝关节屈曲/伸展，腿外展/内收。承认康复机器人RRH1由罗兹技术大学自动化控制研究所与美国宇航局公司的所有者Maciej Czapiewski先生和华沙航空与应用力学研究所的Krzysztof Mianowski博士合作开发。技术大学提供有价值的机械设计咨询。2011年1月18日编辑委员会收到的手稿; 最终版本，2011年2月8日。 参考1 Banala S. K., Kim S. H., Agrawal1 S., Scholz K.: J. P. Robot Assisted Gait Training With Active Leg Exoskeleton (ALEX). Proc. IEEE/RAS-EMBS Int. Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics, Scottsdale, AZ, USA, 2008, pp. 653-658.2 Colombo G., Joerg M., Schreier R., and Dietz V.: Treadmill training of paraplegic patients using a robotic orthosis. Journal of Rehabilitation Research & Development, 37(6), 2000, pp. 693-700.3 Ekkelenkamp R., Veneman J., and van der Kooij H.: LOPES: a lower extremity powered exoskeleton. ICRA 2007, pp. 3132-3133.4 Homma K., Fukuda O., Sugawara J., Nagata Y., Usuba M.A.: A Wire-driven Leg Rehabilita-tion System: Development of a 4-DOF Experimental System. Proc. of the 2003 IEEE/ASME Int. Conference on Advanced Intelligent Mechatronics.5 Lunenburger L., Colombo G., Riener R., Dietz V.: Biofeedback in gait training with the robotic orthosis Lokomat. Engineering in Medicine and Biology Society, 2004. 26th Annual International Conference of the IEEE; Vol. 2, pp. 4888-4891.6 Novandy B., Yoon J., Manurung A.: Interaction Control of a Programmable Footpad-Type Gait Rehabilitation Robot for Active Walking on Various Terrains. ICORR 2009.7 Salter RB.: The Biologic Concept of Continuous Passive Motion of Synovial Joints: The First 18 Years of Basic Research and Its Clinical Application, Clinical Orthopaedics and Related Research Vol. 242, 1989, pp. 12-25.8 Schmidt H., Volkmar M., Werner C., Helmich I., Piorko F., Kruger J., Hesse S.: Muscle activation patterns of healthy subjects during floor walking and stair climbing on an end-eector-based gait rehabilitation robot. ICORR, The Netherlands, 2007.9 Vallery H., Ekkelenkamp R., van der Kooij H., and Buss M.: Passive and accurate torque control of series elastic actuators. IROS 2007, pp. 3534-3538.10 Veneman J.F., Ekkelenkamp R., Kruidhof R., van der H
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