基本信息
- 項目名稱：
- 上肢康復訓練機器人
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本上肢康復訓練機器人用于中風偏癱患者的康復訓練。采用穿戴式外骨骼設計，由氣動驅動。該機器人既能直接準確地模擬手臂的各種運動，又能利用患者的一側健康手臂自主運動信息直接驅動患者另一側患肢作隨動康復運動。 康復訓練上能輕松實現(xiàn)患者上肢的被動（全助力）、半主動（半助力）、主動（阻力）、隨動及其組合訓練模式。 利用本機器人，中風偏癱患者可在社區(qū)醫(yī)院或家庭進行個性化康復訓練。
- 詳細介紹：
- 本作品涉及一種采用氣動控制且能方便實現(xiàn)對手臂及手指各關節(jié)運動模擬的穿戴式外骨骼上肢康復訓練機器人。該機器人在肩關節(jié)處采用帶虛軸的三自由度設計，實現(xiàn)了機構與上肢的緊密依附，并且通過在腕部采用一套空間六桿機構，實現(xiàn)了腕部的背伸屈曲和內(nèi)收外展兩個自由度，同時由于在各旋轉副處添加了角度傳感器收集反饋機構運動的角度信息，既能直接準確地模擬真實手臂的各種運動，也能方便利用患者的一側健康手臂自主運動信息來直接驅動患者另一側患肢作隨動康復運動，因此在康復訓練上能輕松實現(xiàn)患者上肢的被動（全助力）訓練、半主動（半助力）訓練、主動（阻力）訓練和隨動訓練。 采用本發(fā)明牽引手臂及手指作各種姿勢的運動，主要涉及四大創(chuàng)新點： 1.康復訓練機器人采用氣動元器件作為作動件，充分利用氣彈性等氣動技術的特點，容易模擬人體肌肉的作動效果；并將驅動器和阻尼器合二為一，容易實現(xiàn)被動、半主動、主動訓練。 2.將驅動元件置于固定的機架上，極大地減輕了運動構件的重量，通過線管鋼絲繩傳動，保證了機構運動的靈活性。 3.利用機電一體化技術，患者通過健側手臂的自由運動來控制患側手臂的伴隨運動，實現(xiàn)患者的自主康復訓練。 4.采用弧形導軌設計了帶虛軸的三自由度外骨骼式肩關節(jié)，在滿足機構與人體不干涉的前提下實現(xiàn)肩部的完整運動。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 一、目的和基本思路： 當前我國由于腦卒中導致的偏癱病人逐年增加，而康復治療師緊缺，國內(nèi)康復訓練設備研發(fā)剛剛起步，而部分國外康復訓練設備雖然先進，但價格昂貴。研發(fā)適合我國國情的方便在社區(qū)醫(yī)院或家庭中進行訓練的小型、性價比高的康復訓練機器人具有很強的現(xiàn)實意義。 二、創(chuàng)新點： 1.康復訓練機器人采用氣動元器件，并將驅動器和阻尼器合二為一，不僅方便實現(xiàn)患肢康復運動的被動、半主動、主動訓練，而且使運動具有氣動柔性。 2.將全部氣動元器件置于固定機架上，通過線管鋼絲繩傳動，極大地減輕了運動構件的重量，保證了機器人上肢運動的靈活性。 3.利用氣動伺服控制技術，患者可通過健側手臂的自主運動來控制患側手臂的伴隨運動，實現(xiàn)患肢的自控康復訓練。 4.采用弧形導軌設計了帶虛軸的三自由度外骨骼式肩關節(jié)，在滿足機構與人體不干涉的前提下實現(xiàn)肩部的完整運動。 三、技術關鍵和主要技術指標： 1.肩關節(jié)處采用帶虛軸的三自由度機構，腕部采用空間六桿機構，整套裝置共含有10個自由度，能有效模擬人體上肢的各種運動和運動幅度。 2.通過線管鋼絲繩傳動將驅動裝置置于固定基座上，將活動機構的重量控制在10kg內(nèi)，整套裝置輕巧、舒適、人性化。 3.采用機械限位和電氣控制雙重手段，確?；颊咴诳祻陀柧殨r的絕對安全。采用0.5MPa的氣源，在滿足驅動機構運動的前提下又具有可靠的安全工作環(huán)境。 4.該裝置可提供被動、半主動、主動、隨動及其組合模式，方便實現(xiàn)個性化康復訓練。
科學性、先進性
- 1.采用氣動元器件作為作動件，兼具驅動器與阻尼器的雙重特性，提高了康復訓練的適應性、舒適性、安全性；同時利用氣彈性等氣動技術的特點，使運動具有一定的柔性。（現(xiàn)有康復機器人普遍采用電機驅動） 2.線管鋼絲繩傳動使得驅動裝置與執(zhí)行機構分離，大大減少康復上肢的負重及控制難度。（現(xiàn)有的大多數(shù)設計都直接將電機安裝于執(zhí)行機構上，導致裝置龐大、笨重。） 3.隨動康復訓練模式的設計，可實現(xiàn)患者自主康復訓練。（此隨動模式的開發(fā)，至今國內(nèi)外未見有報道） 4.肩關節(jié)處采用共點的帶虛軸的三軸設計，實現(xiàn)了肩關節(jié)的完整運動。（現(xiàn)大都采用兩自由度） 主要參考文獻： 1.寄婧，王興武，楊瑞芳。 被動訓練對腦卒中恢復期患者運動功能的影響[J].中國臨床康復， 2003，7（16）；2380 2.胡宇川，季林紅。從醫(yī)學角度探討偏癱上肢康復訓練機器人的設計。中國臨床康復第8卷，第34期 3.呂廣明, 孫立寧, 彭龍剛?？祻蜋C器人技術發(fā)展現(xiàn)狀及關鍵技術分析。哈爾濱工業(yè)大學學報，2004，第36卷，第9期
獲獎情況及鑒定結果
- 無
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品；現(xiàn)場演示；圖片；錄像
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 一、技術特點及優(yōu)勢：采用可穿戴式的外骨骼設計，既可固定于支架上使用也可直接穿戴在身上使用。操作輕松安全。 二、適應范圍：本作品的尺寸可調(diào)，適用于不同體型患者的使用，意識清醒的患者可通過該裝置進行自主康復訓練。 三、技術性說明： （1）采用氣動驅動，使得機構的運動具有適當?shù)木彌_作用，通過滑輪線管鋼絲繩傳動，可將驅動裝置安置于執(zhí)行裝置之外，使得執(zhí)行裝置輕巧靈活。采用本作品可實現(xiàn)肩關節(jié)、肘關節(jié)、腕關節(jié)、手指關節(jié)的訓練，增強上肢運動的靈活性，促進中風偏癱患者的康復。 （2）該作品具有逆向輸入運動的特點，可利用患者的一側健康手臂自主運動信息來直接驅動患者另一側患肢作隨動康復運動，為康復治療中患者自主康復機器人的開發(fā)提供了基礎裝置。通過本作品的應用可進一步實現(xiàn)醫(yī)療設備的家庭化及其操作的簡單化。 四、市場分析和經(jīng)濟效益預測：目前，我國腦卒中相關高危人群數(shù)量也有大幅增長的趨勢，每年用于此項防治的費用約200億元人民幣。本發(fā)明適合中風患者在社區(qū)醫(yī)院或家庭內(nèi)進行康復訓練，使用前景十分廣闊。
同類課題研究水平概述
- 國內(nèi)研究水平： 國內(nèi)有關康復機器人的研發(fā)中，對于解決腦血管病肢體偏癱患者運動功能障礙的康復訓練機器人產(chǎn)品，尤其是上肢功能康復訓練機器人還處于起步階段，主要是幾所高校在研發(fā)，研發(fā)者大多來自于原先工業(yè)機器人領域，國內(nèi)康復機器人產(chǎn)品也大都直接移植工業(yè)機器人技術，存在成本高、適應患者康復訓練模式不夠、難于推廣應用等問題。 不同于工業(yè)機器人，康復機器人必須采用外骨骼式設計，這給機構設計帶來一定的難度，以致國內(nèi)多數(shù)研發(fā)者為保證機構穩(wěn)定性而縮減外骨骼的自由度。 現(xiàn)有康復機器人普遍采用電機驅動，且大多數(shù)設計都直接將電機安裝于執(zhí)行機構上，導致裝置龐大、笨重。國內(nèi)現(xiàn)階段研發(fā)工作重點多放置于系統(tǒng)的控制上，未見在機構設計上有明顯突破。 國外研究情況： 國外的部分產(chǎn)品在機構設計上已經(jīng)實現(xiàn)了多自由度設計，但設計上過分強調(diào)機器人的靈敏度、精確度導致成本較高，不利于產(chǎn)品的推廣和普及。此外，用于患者自主康復的隨動功能的開發(fā)，國外至今也未見有報道。 到目前為止對手部連續(xù)被動活動的機理、連續(xù)被動運動裝置和臨床效果分析的文獻資料很是缺乏，國內(nèi)外市場上都還沒有能夠對手指抓握等精巧的動作進行訓練的產(chǎn)品，康復的效果還有待提高。 綜上，康復醫(yī)學界對于康復治療的最優(yōu)康復機理和康復模式仍在探索中，因此提供一款能完全實現(xiàn)人體上肢各運動的康復訓練機器人勢在必行。
