康复机械手臂-安阳专利成果转化中心

康复机械手臂说明讲述：刘建民2008.11.18项目研究的背景及意义国内外研究现状机械手臂的结构、功能及特点项目发展前景展望一、项目研究的背景及意义1、项目研究的背景中风是一组好发于中、老年人的急性脑血管病，其特点是发病率高、死亡率高、致残率高、复发率高、并发症多等特点，因此又称“四高一多”症，是严重威胁人类健康的疾病。我国每年新发完全性脑中风120－150万人，死亡者80－100万人，死亡人数占发病人数66.7％，存活者中约75％致残，5年内复发率高达41％。美国每年有50万人发病，其中15万人死亡。存活者中需要医疗照顾的200余万人。就世界范围来说俄罗斯、芬兰、香港的发病率更高。香港每1000人当中便有10至20人曾经中风，每年新增病例达14000例左右，因中风入院的病人数目超过两万，占全年入院总人数的1/5，所导致的死亡个案每年更逾3000例。

近年来的统计结果表明中风的发病率在逐年上升，发病的年龄也在年轻化，青壮年的发病率所占比例达到10%左右，甚至婴儿也会患中风。根据现在的医疗技术，也只是把这些生命从死亡线上挽救回来，可是伤残带给他们的问题又是一生的困扰。2、项目研究的意义偏瘫康复训练的传统方法是治疗师对患者进行手把手的训练。病人中风以后，部分中枢神经受到损伤，对身体某一部分的运动控制功能丧失，临床上表现为偏瘫。急性期内瘫肢通常衰弱无力，即处于软瘫期；大约治疗一周以后，肌张力逐渐增高，出现异常运动模式，继续进行康复治疗，可以恢复部分或全部运动功能。在这整个过程中，偏瘫患者上肢的各种动作必须在治疗师的辅助之下才能完成。通常治疗师要握住患者的患肢，通过各种手法辅助患者进行运动。这种训练方式存在如下一些问题：

（1）一名治疗师只能同时对一名患者进行动作训练，训练效率低下；（2）由于治疗师自身的原因，可能无法保证患者得到足够的训练强度；（3）训练会受到不同治疗师自身因素的影响，治疗效果多取决于治疗师的经验和水平；（4）不能精确控制和记录训练参数（运动速度、轨迹、强度等），不利于治疗方案的确定和改进；（5）不能记录描述康复进程的各种数据，康复评价指标不够客观；（6）无法建立训练参数和康复指标之间的对应关系，不利于偏瘫患者神经康复规律的深入研究；（7）不能向患者提供实时直观的反馈信息；

（8）训练过程不具吸引力，患者被动接受治疗，参与治疗的主动性不够。另外，由于缺乏客观可控的手段对整个康复过程进行监控，因此在现有的各种治疗方案中，治疗结果并没有明显的优劣之分。就是说，对现有治疗方法还没有有效的办法可以进行比较和优化。

采用机器人辅助治疗的技术，有可能解决上述所有的问题。首先，机器人不存在“疲倦”的问题，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重的训练任务中解放出来，而专注于制定治疗方案、分析训练数据、优化训练内容并改进机器人的功能；再次，机器人可以客观记录训练过程中患者受损肢体的位置、方向、速度以及所产生的力等客观数据，供治疗师分析，以评价治疗的效果；更进一步，机器人所记录下的详细数据，使得治疗师有可能从中发现数据与治疗结果之间的对应关系，从而有可能深入了解中枢神经康复的规律，并进一步了解人类大脑与人类运动功能之间控制与影响的关系，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，并及时得到治疗效果的反馈信息；最后，使用机器人治疗技术，使得远程治疗和集中治疗（一名治疗师同时为几名患者提供指导）成为可能。

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。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。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。

本项目的主要目标就是使用这四种技术，设计一种辅助偏瘫病人进行康复训练的机器人，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——康复效果三者之间的关系，达到提高训练效率和优化康复效果的目的。返回主目录二、国内外研究现状康复机器人是工业机器人和医用机器人的结合。第一次尝试把为残疾人服务的机器人系统产品化是在20世纪的60年代到70年代。实践证明这些尝试都失败了,其主要有2个方面原因：其一是设计的不理想,尤其是人机接口；另一个不是技术的原因,而是因为单价太高导致了康复机器人产品化的失败。20世纪80年代是康复机器人研究的起步阶段,美国、英国和加拿大在康复机器人方面的研究处于世界的领先地位。目前,康复机器人的研究主要集中在康复机械手、医院机器人系统、智能轮椅、假肢和康复治疗机器人等几个方面。其中康复机械手国内已经先后研究出了一系列产品：如下下图图1所所示示为为肩关关节节专用用机机械械手手，，可可实实现现肩肩关关节节的的前前屈屈、、后后伸伸、、外外展展、、内内收收及及上上举举、、旋旋转转各各种种运运动动。。图2供供肘关关节节功能能恢恢复复之之用用。。图3采采用用回回转转运运动动方方式式，，模模拟拟手手指指自自然然运运动动轨轨迹迹，，适适用用于于手指康复锻炼。。配置左、、右手套件件，左、、右手均可可使用。这些产品的的共同点：：都针对某某一关节进进行康复锻锻炼，是在在患者患肢肢上的一点点进行牵引引，以这一一点的运动动轨迹来替替代整个患患肢的运动动轨迹，并并确定患肢肢上各关节节的活动。。其只能带带动患者患患肢做小幅幅度的运动动，运动范范围仅限于于患者身体体正前方的的小块区域域，不能带带动患者患患肢做向体体侧的大范范围大幅度度的伸展运运动，从而而不能充分分提供中枢枢神经康复复所需的运运动刺激。。而且，机机器人对患患肢的支撑撑不具灵活活性，不利利于患者发发挥患肢的的残余功能能。返回主目录录三、机械手手臂的结构构、功能及及特点基于前面所所述现有产产品的局限限性，本项项目的目标标是研制一一台用于偏偏瘫上肢复复合运动康康复辅助训训练的机器器人。通过过机器人对对患者患肢肢的牵引，，不仅可以以在多个运运动平面内内帮助患者者完成上肢肢多关节、、大范围、、大幅度的的复合运动动康复训练练，而且可可根据不同同情况允许许患者进行行自主支撑撑，有利于于患者发挥挥患肢的残残余功能。。在临床床应用用上，，通过过对不不同类类型的的患者者进行行机器器人辅辅助康康复训训练的的方式式，提提取大大量临临床治治疗数数据，，为临临床治治疗方方案的的制定定和优优化提提供客客观依依据；；归纳纳出易易于测测量、、便于于反馈馈的康康复评评价指指标，，向患患者和和治疗疗人员员提供供实时时、直直观的的反馈馈信息息；对对比治治疗参参数和和康复复指标标之间间的关关系，，进而而总结结出机机器人人辅助助偏瘫瘫康复复训练练的初初步规规律。。1、、康康复复机机器器人人手手臂臂组组成成结结构构康复复机机器器人人手手臂臂由由三三个个子子系系统统组组成成：：（1））辅辅助助训训练练系系统统：：机机械械结结构构部部分分和和控控制制部部分分，，直直接接向向患患者者提提供供辅辅助助康康复复训训练练动动作作和和训训练练模模式式。。（2））信信息息反反馈馈系系统统：：包包括括患患者者生生理理信信号号采采集集和和处处理理模模块块以以及及康康复复训训练练参参数数和和瘫瘫肢肢运运动动参参数数的的处处理理块块和和参参数数显显示示模模块块，，向向患患者者提提供供康康复复训训练练过过程程中中的的各各种种参参数数。。（3））康复复评价价系统统：包包括对对各种种信号号进行行比较较分析析模块块，给给出对对瘫肢肢康复复效果果的评评价。。辅助训训练系系统偏瘫患患者信息反反馈系系统康复评评价系系统运动参数评价结果生理信信息生理信信息评价结结果运动参数训练内容反馈馈信信息息图4机机器器人人子子系系统统与与患患者者的的关关系系本设设计计的的机机械械结结构构部部分分见见下下图图：：2、、康康复复机机器器人人的的功功能能描描述述：：康复复机机器器人人辅辅助助患患者者进进行行上上肢肢肩肩、、肘肘、、腕腕、、手手指指关关节节在在三三维维空空间间进进行行大大幅幅度度、、多多种种类类的的综综合合康康复复训训练练，，其其运运动动域域应应涵涵盖盖正正常常人人上上肢肢全全部部运运动动范范围围，，能能够够实实现现被被动动运运动动、、主主动动运运动动、、助助力力运运动动、、抗抗阻阻运运动动等等四四项项基基本本训训练练运运动动模模式式。。本本设设计计实实现现以以下下运运动动方方式式,如如附附件件示示意意图图：：（1））肩肩部部可可进进行行水水平平、、上上下下和和这这两两个个运运动动的的组组合合划划圆圆弧弧运运动动；；（2））肘肘可可进进行行开开合合、、小小臂臂内内旋旋外外翻翻旋旋转转运运动动；；(3））手手腕腕可可进进行行翻翻腕腕、、侧侧偏偏这这两两个个运运动动的的组组合合划划圆圆弧弧运运动动；；(4)手手指指（（除除拇拇指指））可可进进行行屈屈伸伸运运动动。。这些些运运动动（（锻锻炼炼））可可以以独独立立进进行行，，也也可可以以进进行行组组合合运运动动，，从从而而有有效效、、全全面面的的锻锻炼炼上上肢肢的的各各个个关关节节和和主主要要肌肌肉肉功功能能，，通通过过上上肢肢的的运运动动来来刺刺激激反反射射给给大大脑脑运运动动神神经经，，以以达达到到大大脑脑运运动动神神经经的的功功能能代代偿偿和和重重组组。。并要要求求机机器器人人能能具具备备示示教教功功能能，，以以便便实实现现机机器器人人适适应应不不同同患患者者的的训训练练需需要要，，同同时时机机器器人人能能够够及及时时、、准准确确地地采采集集反反馈馈康康复复训训练练过过程程中中的的运运动动参参数数（（速速度度、、作作用用力力、、姿姿位位、、时时间间等等）），，以以便便能能对对康康复复训训练练效效果果做做出出客客观观的的评评价价。。同时，为了了给患者提提供较好的的康复锻炼炼的视觉、、听觉环境境，以及改改善患者因因患病导致致的失望、、悲观心情情，可以通通过音频、、视频对患患者神经系系统的刺激激以获得较较好的康复复效果。比比如，我们们针对患者者的年龄播播放不同的的视频片段段和音频片片段（较大大年纪的河河南人喜欢欢豫剧，四四川人喜欢欢川剧，青青年人喜欢欢的流行音音乐、歌曲曲；患者希希望看到的的亲人较早早前的书信信、照片，，年轻人喜喜欢的海滨滨、草原、、沙漠等异异域风情音音视频等））。2、产品特特点：（1）有效效性：通过过机器人对对患者患肢肢的牵引，，不仅可以以在多个运运动平面内内帮助患者者完成上肢肢多关节、、大范围、、大幅度的的复合运动动康复训练练，并可实实现多种训训练模式，，满足临床床训练的需需要。机器器人能够检检测患者与与机器人之之间的相互互作用力，，在患者主主动能力不不足时提供供更大的辅辅助，在患患者有能力力完成动作作时，适当当减小辅助助甚至施加加阻力，以以便充分发发挥患者患患肢残存的的功能。同同时产品配配有音频和和视频设备备来刺激患患者神经系系统来改善善患者的心心情，人们们常说：好好心情是所所有病痛的的良药！达达到患处和和心理同时时治疗的效效果。（2）安全全性:本研研究采用了了示教系统统以适合病病患程度不不同的患者者使用，示示教系统可可以通过采采集信号获获得患者患患肢活动范范围轨迹，，并且能比比较准确的的再现出这这个轨迹，，这样就不不会出现被被动运动的的拉伤问题题；在意外外发生时允允许患者用用健侧手或或脚断开电电源；设备备符合相应应的医疗设设备电工安安全等级。。（3）舒适适性和灵活活性：机械械手臂的尺尺寸按照标标准手臂尺尺寸进行设设计，并且且针对不同同人可以进进行调节，，产品配有有座椅和安安放机械手手臂的立柱柱，手臂的的高低可以以通过立柱柱上的升降降部分进行行调解，同同时机械手手左右位