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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于外骨骼的智能手部康復(fù)訓(xùn)練裝置
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品旨在針對手部中風(fēng)患者和肌肉衰退老年人，研究一種基于外骨骼的手部康復(fù)訓(xùn)練裝置，其可穿戴在患者手上，動作量化、精準(zhǔn)，自動運(yùn)行、可觀測，并建立數(shù)據(jù)庫，在患者的個(gè)體差異性問題上，進(jìn)行有針對性的治療，也為醫(yī)生提供全面、定量化的分析依據(jù)，促進(jìn)康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展。
- 詳細(xì)介紹：
- 本作品旨在針對手部中風(fēng)患者和肌肉衰退老年人，研究一種基于外骨骼的手部康復(fù)訓(xùn)練裝置，其可穿戴在患者手上，動作量化、精準(zhǔn)，自動運(yùn)行、可觀測，并建立數(shù)據(jù)庫，在患者的個(gè)體差異性問題上，進(jìn)行有針對性的治療，也為醫(yī)生提供全面、定量化的分析依據(jù)，促進(jìn)康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展。 本課題旨在研究一種基于外骨骼的手部康復(fù)訓(xùn)練裝置，其可穿戴在患者手上，對患者手部進(jìn)行量化、精準(zhǔn)的康復(fù)治療，自動運(yùn)行、可觀測，并建立數(shù)據(jù)庫，在患者的個(gè)體差異性問題上，進(jìn)行有針對性的治療，也為醫(yī)生提供全面、定量化的分析依據(jù)，促進(jìn)康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展。 一、研究目標(biāo)、研究內(nèi)容與考核指標(biāo) （一）研究目標(biāo) 針對手部康復(fù)訓(xùn)練，研究開發(fā)采用伺服電機(jī)驅(qū)動的手部外骨骼系統(tǒng)，并進(jìn)行相關(guān)模擬試驗(yàn)研究，驗(yàn)證外骨骼系統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練的可靠性及可行性，嘗試在醫(yī)生的幫助指導(dǎo)下，進(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn)。 （二）研究內(nèi)容 根據(jù)目標(biāo)，基于外骨骼的智能手部康復(fù)訓(xùn)練裝置的研究內(nèi)容主要包括以下方面： 1）從人體解剖學(xué)的角度出發(fā)，研究手部抓握動作等運(yùn)動學(xué)機(jī)理，建立適合于本作品的運(yùn)動模型； 2）研究并設(shè)計(jì)仿生機(jī)電系統(tǒng)； 3）研究手部康復(fù)外骨骼機(jī)器人的智能控制技術(shù)，提供多種訓(xùn)練模式以適應(yīng)不同的患者； 4）建立患者數(shù)據(jù)庫，探索通過患者訓(xùn)練數(shù)據(jù)為醫(yī)生治療提供量化的治療建議。 （三）技術(shù)指標(biāo) 本課題的技術(shù)指標(biāo)主要有以下內(nèi)容：負(fù)載（手指），100 g；關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角速度，30°/ s；壽命，2 年；精度，位置控制誤差小于3%；可適應(yīng)性，滿足正常身材成年人的可穿戴性；供電方式，220V AC （四）關(guān)鍵技術(shù) 由于外骨骼技術(shù)涉及多學(xué)科的交叉，所面臨的研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)多而復(fù)雜，因此這項(xiàng)技術(shù)走向?qū)嵱萌匀挥泻芏嗟恼系K需要跨越。主要有以下一些關(guān)鍵問題： 1、擬人化方案設(shè)計(jì)。通過人手解剖學(xué)分析，研究手部抓握動作等運(yùn)動學(xué)機(jī)理，建立合理的抓握模型，使外骨骼的機(jī)械結(jié)構(gòu)和自由度分布與人體運(yùn)動關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和自由度相匹配，并具有良好的可穿戴性。 2、低質(zhì)量小慣性傳動結(jié)構(gòu)。由于使用對象是偏癱患者，手部外骨骼應(yīng)當(dāng)盡量減少給患者帶來的負(fù)擔(dān)，同時(shí)考慮控制性能，小慣性的傳動結(jié)構(gòu)具有很大優(yōu)勢。 3、外骨骼的智能主動控制。將動作進(jìn)行合理的分類，制定控制策略，進(jìn)行軌跡規(guī)劃，并優(yōu)化算法，避開奇點(diǎn)。同時(shí)，探索將力信號引入位置環(huán)，以實(shí)現(xiàn)外骨骼的柔順控制（阻抗控制）。 4、實(shí)驗(yàn)及評價(jià)方法。建立完善的實(shí)驗(yàn)方法和評價(jià)體系方法，有利于柔性外骨骼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)發(fā)展，也有利于形成針對偏癱患者的量化治療方法，改變以往過分依賴經(jīng)驗(yàn)治療的局面。 三、研究方法及實(shí)現(xiàn)方案 本課題總的研究思路是：參考其它外骨骼類的研究，在相同相似之初借鑒并加以改進(jìn)應(yīng)用，不同之處摸索實(shí)驗(yàn)，尋找最適合于空間機(jī)械手遙操作的方法。具體研究方法步驟如下： 1）人體運(yùn)動學(xué)部分：參考國標(biāo)中成年人手臂尺寸，在計(jì)算機(jī)中模擬，獲得手指末端的運(yùn)動位置；按照所做的方案模擬，獲得外骨骼手指末端的運(yùn)動位置；兩者進(jìn)行對比，對運(yùn)動同步性進(jìn)行分析。 2）具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分：設(shè)計(jì)并驗(yàn)證柔性外骨骼系統(tǒng)，根據(jù)具體結(jié)構(gòu)特性，確立不同的優(yōu)化目標(biāo)，建立數(shù)學(xué)模型，求解優(yōu)化結(jié)果，同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比分析。 3）控制系統(tǒng)部分：在控制結(jié)構(gòu)中，充分地考慮人在控制回路中的作用以及人機(jī)之間相互決策的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)調(diào)控制策略。作品將首先對人機(jī)智能外骨骼系統(tǒng)中人機(jī)合作的任務(wù)智能分配進(jìn)行總結(jié)，然后從包括感知層的信息感知和交互、決策層第人機(jī)一體化協(xié)調(diào)控制以及執(zhí)行層的人機(jī)交互等三個(gè)方面對人機(jī)交互控制方法進(jìn)行研究。 （一）總體技術(shù)路線。作品將在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上開展外骨骼控制系統(tǒng)樣機(jī)設(shè)計(jì)、制作及調(diào)試、實(shí)驗(yàn)工作。待技術(shù)成熟后，將投入運(yùn)行使用。 （二）人手解剖學(xué)分析。手是人體由肩關(guān)節(jié)開始的杠桿的力學(xué)鏈的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，其多個(gè)關(guān)節(jié)、自由度允許手在一個(gè)很大的空間范圍內(nèi)運(yùn)動，完成多項(xiàng)任務(wù)，從抓握各種形狀到觸摸探察，再到手語表達(dá)，可以實(shí)現(xiàn)不同功能，而手指19塊骨、14個(gè)關(guān)節(jié)正是這些超常適應(yīng)性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。 針對運(yùn)動肢體的建模，通?？梢苑譃槿悾褐恍枇私怅P(guān)節(jié)力和力矩的多剛體開鏈模型，稍微復(fù)雜的剛度—阻尼系統(tǒng)模型，以及需要計(jì)算各肌肉受力情況的多肌肉高仿真模型。本作品采用多剛體開鏈結(jié)構(gòu)角度建立力學(xué)模型。 從解剖學(xué)的角度來看，人手關(guān)節(jié)構(gòu)造復(fù)雜，現(xiàn)有技術(shù)很難以做到完全的仿生設(shè)計(jì)。在建模過程中，關(guān)節(jié)數(shù)越多，設(shè)計(jì)的難度就越大，相應(yīng)制造難度更大，特別是在多自由度關(guān)節(jié)位置。因此，合理的選擇關(guān)節(jié)運(yùn)動模型，以簡單有效的結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)研究所需的全部功能，是手部機(jī)械外骨骼設(shè)計(jì)的基本出發(fā)點(diǎn)。 基本抓握動作通過拇指、食指和中指三個(gè)手指即可實(shí)現(xiàn)，而無名指、小指的設(shè)計(jì)控制與食指、中指完全類同，僅在尺寸上發(fā)生變化，故本文選擇了采用三指模型。 同時(shí)研究表明，指掌關(guān)節(jié)和近端指間關(guān)節(jié)的屈曲運(yùn)動為控制手指動作的主要自由度，指掌關(guān)節(jié)側(cè)擺自由度則是為了提高手部姿態(tài)的適應(yīng)能力，而遠(yuǎn)端指間關(guān)節(jié)屈曲自由度是一個(gè)非獨(dú)立自由度，與近端指間關(guān)節(jié)存在耦合關(guān)系，且遠(yuǎn)端指骨間關(guān)節(jié)在抓握動作中通常只起到配合作用。 因此，本作品在自由度上做如下處理。食指和中指保留三個(gè)自由度，指掌關(guān)節(jié)屈曲自由度、近端指間關(guān)節(jié)屈曲自由度和遠(yuǎn)端指間關(guān)節(jié)屈曲自由度，且末端兩自由度存在耦合關(guān)系，同時(shí)拇指保留屈曲自由度和內(nèi)收外展自由度，考慮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)收外展為被動自由度。這樣就得到了8自由度的三指抓握模型。 （三）系統(tǒng)方案 系統(tǒng)共有4部分組成，上位機(jī)、下位機(jī)、電機(jī)-絲杠驅(qū)動機(jī)構(gòu)和多連桿傳動機(jī)構(gòu)，上位機(jī)通過can總線將指令發(fā)送給下位機(jī)，下位機(jī)與電機(jī)之間構(gòu)成閉環(huán)子系統(tǒng)，最后各關(guān)節(jié)的運(yùn)動信息由傳感器反饋至上位機(jī)。 由上文可知，運(yùn)動傳遞主要有兩類運(yùn)動傳遞鏈。近端指節(jié)運(yùn)動傳遞鏈和中遠(yuǎn)端指節(jié)運(yùn)動傳遞鏈。 本作品采用固定式方案，避免了讓患者去承擔(dān)裝置的重量，而所采用的材料以非金屬為主，降低外骨骼本身的慣量，少數(shù)集中受力位置采用硬質(zhì)鋁合金，實(shí)物照片中顯示的是以金屬材料為主，目前正在更換非金屬材料制作的外骨骼。 1）近端指節(jié)運(yùn)動傳遞鏈 近端指節(jié)運(yùn)動傳遞鏈將掌指關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動運(yùn)動傳遞到手背上，變?yōu)橹本€運(yùn)動，以便于控制。該運(yùn)動傳遞鏈可行性較高的為曲柄滑塊（或相似）機(jī)構(gòu)和鋼絲繩傳動機(jī)構(gòu)兩個(gè)方案，為了獲得更好的受力狀況，并且能夠雙向受力，本課題擬采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作為近端指節(jié)運(yùn)動傳遞鏈。 2）遠(yuǎn)端和中端指節(jié)運(yùn)動傳遞鏈根據(jù)手部解剖學(xué)原理，遠(yuǎn)端指節(jié)和中端指節(jié)在運(yùn)動中并非完全獨(dú)立，存在一定程度的耦合，即遠(yuǎn)端指節(jié)的轉(zhuǎn)動角度大致為中端指節(jié)轉(zhuǎn)動角度的3/4，具體數(shù)值因個(gè)體有所差異。 由于遠(yuǎn)端指節(jié)距離手部最遠(yuǎn)，運(yùn)動傳遞鏈設(shè)計(jì)最為復(fù)雜，而起作用在抓握中并非絕對必要，故選擇傳動方案，可以考慮或者舍棄遠(yuǎn)端指節(jié)傳遞鏈，或者遠(yuǎn)端指節(jié)運(yùn)動傳遞鏈不承受載荷僅當(dāng)做傳感器使用；另一方面，中端指節(jié)的運(yùn)動傳遞鏈的思路與近端指節(jié)相似直接通過連桿將中端指節(jié)的運(yùn)動傳遞到手背位置，既不利于機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，也不利于力的傳遞，因此將借助近端指節(jié)，以其為連桿機(jī)構(gòu)的一部分傳遞力和運(yùn)動。 本作品擬采用多連桿機(jī)構(gòu)作為運(yùn)動傳遞鏈，同時(shí)使遠(yuǎn)端指節(jié)和中端指節(jié)轉(zhuǎn)動存在耦合關(guān)系，即遠(yuǎn)端指節(jié)的轉(zhuǎn)角大約為近端指節(jié)轉(zhuǎn)角的3/4。 3）驅(qū)動部分 康復(fù)訓(xùn)練裝置的負(fù)載對象是人手，相對而言屬于輕載狀況，同時(shí)動作的靈巧性和準(zhǔn)確性要求也較高，故適合采用伺服電機(jī)驅(qū)動。由于各運(yùn)動傳遞鏈的輸入端均為直線移動的滑塊，考慮空間結(jié)構(gòu)尺寸，采用絲杠傳動。 4）手部外骨骼康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)方面，采用二級控制系統(tǒng)。上位機(jī)直接采用PC機(jī)，主要用于向下位機(jī)發(fā)送步態(tài)及位姿軌跡命令，創(chuàng)建并實(shí)時(shí)更新患者數(shù)據(jù)庫以及通過用戶界面進(jìn)行人機(jī)交互等功能的實(shí)現(xiàn)。下位機(jī)采用單片機(jī)，并與外骨骼各關(guān)節(jié)的電機(jī)“一對一”的構(gòu)成電流、速度、位置的小閉環(huán)，直接控制電機(jī)執(zhí)行上位機(jī)發(fā)出的軌跡命令。同時(shí)，作品將探索力控制模式下的抓握動作康復(fù)訓(xùn)練。 選用工控機(jī)或配置較高、運(yùn)算速度快的PC機(jī)作為上位機(jī)，負(fù)責(zé)用戶面板的人機(jī)交互，數(shù)據(jù)采集與顯示，建立及更新病人數(shù)據(jù)庫，向下位機(jī)發(fā)送步態(tài)控制命令等任務(wù)。下位機(jī)選用直流伺服電機(jī)專用的電機(jī)控制器，其與電機(jī)以及電機(jī)配備的光電編碼器構(gòu)成位置、速度、電流閉環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)位置、速度、力矩的精確控制，以達(dá)到對外骨骼關(guān)節(jié)角度、角速度、轉(zhuǎn)矩的精確控制。數(shù)據(jù)采集同樣利用與PC機(jī)PCI插接的DAQ卡，實(shí)時(shí)采集下肢康復(fù)訓(xùn)練時(shí)各個(gè)關(guān)節(jié)的力信號，以及日后擴(kuò)展的關(guān)節(jié)角度信號等。最后，一些出于安全考慮裝設(shè)的限位開關(guān)以及緊停開關(guān)等，可根據(jù)具體要求通過自制的接口板電路與相應(yīng)的控制器I/O接口連接，以保證康復(fù)訓(xùn)練時(shí)患者以及系統(tǒng)自身的安全。 5）控制系統(tǒng)軟件 在設(shè)計(jì)開發(fā)軟件的時(shí)候主要考慮以下的幾條基本原則： (1) 基本功能的完整性，包括：電機(jī)實(shí)時(shí)位置、速度、力矩控制，外骨骼關(guān)節(jié)角度、角速度等數(shù)據(jù)的采集，顯示訓(xùn)練數(shù)據(jù)的用戶界面，用于記錄患者基本信息及下肢康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的患者康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫等。 (2) 體系結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，如果體系結(jié)構(gòu)經(jīng)常變動，那么建筑在體系結(jié)構(gòu)之上的用戶界面、患者數(shù)據(jù)庫、功能模塊等也要跟著經(jīng)常變動，這將導(dǎo)致發(fā)生混亂。 (3) 可擴(kuò)展性，具體指軟件擴(kuò)展新功能的容易程度。 (4) 友好性，包括：保持界面空間布局的合理性，豐富完善的操作提示及確認(rèn)，能有效避免錯(cuò)誤操作，合理利用顏色和圖形，選擇合適的字體和字號等。 軟件包括初始化和主程序循環(huán)兩大部分。主程序循環(huán)中又包含有，設(shè)置監(jiān)視、運(yùn)動曲線計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、訓(xùn)練數(shù)據(jù)顯示及記錄四個(gè)環(huán)節(jié)。 程序運(yùn)行后，首先進(jìn)入的是初始化環(huán)節(jié)。由于初始化環(huán)節(jié)是用戶界面程序按預(yù)先的設(shè)定自動在后臺運(yùn)行的，不受用戶控制，所以可以考慮采用順序、并行方式運(yùn)行各初始化的子程序，以提高運(yùn)行效率。 監(jiān)視環(huán)節(jié)，主要是用來在外骨骼執(zhí)行康復(fù)訓(xùn)練動作開始前，接收用戶通過人機(jī)交互設(shè)備發(fā)出的操作設(shè)置命令，為后續(xù)環(huán)節(jié)收集必要的參數(shù)。 運(yùn)動曲線計(jì)算也是一步后臺運(yùn)行程序，不受用戶控制，作用是根據(jù)上一環(huán)節(jié)用戶提供的設(shè)置及配置命令，計(jì)算出外骨骼動作所需的運(yùn)動曲線，然后直接傳遞到下一環(huán)節(jié)。 數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)則是將康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，系統(tǒng)捕獲的訓(xùn)練數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地通過上位機(jī)顯示器屏幕反饋給用戶并記錄于相應(yīng)的患者數(shù)據(jù)庫中。 訓(xùn)練完成后，由“Exit”退出系統(tǒng)。 具體的編程實(shí)現(xiàn)采用圖形化編程語言Labview。 四 安全性設(shè)計(jì) 由于基于外骨骼的智能手部康復(fù)訓(xùn)練裝置直接與患者進(jìn)行接觸，安全問題顯得尤為重要。本作品的安全性是通過結(jié)構(gòu)和控制兩方面予以保證的。 結(jié)構(gòu)安全性側(cè)重于裝置的運(yùn)動位置。每個(gè)手指的兩個(gè)動力都是通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)輸入的，滑塊的行程決定了外骨骼手指的運(yùn)動范圍只在人手的正?；顒臃秶畠?nèi)，超過此范圍的運(yùn)功將無法實(shí)現(xiàn)。 控制安全性則側(cè)重裝置輸出的力。由于電機(jī)轉(zhuǎn)矩的輸出是通過控制電流來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，為了克服阻力，電流會升高增大輸出轉(zhuǎn)矩，故可通過限制電流，來確保外骨骼不會對患者產(chǎn)生過大的力。本控制系統(tǒng)中設(shè)定了安全電流為0.35A，對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩為3.24mNm。 五 空間可達(dá)性 為了驗(yàn)證前述方案在空間可達(dá)性方面是否滿足人手的空間可達(dá)性要求，對其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用了攝像跟蹤的方法，可以看出外骨骼和人手大致的運(yùn)動趨勢是一致的。其中外骨骼指節(jié)軌跡和人手指尖軌跡存在一定距離，是因?yàn)閷?shí)際人手尺寸與外骨骼并不能完全吻合引起；外骨骼指尖軌跡在屈曲末尾急劇回收，則是因?yàn)橥夤趋赖倪h(yuǎn)端指節(jié)和中端指節(jié)進(jìn)行了耦合，而實(shí)際臨床試驗(yàn)中很少遇到需要完全屈曲的狀況。綜上，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證外骨骼的空間可達(dá)性能滿足人手要求。 六、創(chuàng)新點(diǎn) 通過上文闡述，本課題的創(chuàng)新點(diǎn)主要可以歸納為兩方面：仿生機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和由此帶來的康復(fù)訓(xùn)練理論化量化。 （一）仿生機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1、以生物外骨骼為原型的仿生設(shè)計(jì)，并將其與機(jī)械手技術(shù)相結(jié)合，目前同類技術(shù)尚處于起步階段； 2、自由度的仿生設(shè)計(jì)，方案所采用的8自由度三指抓握模型，以人手固有骨骼結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行合理簡化，不僅使系統(tǒng)能完成主要的抓握動作，還解決了設(shè)計(jì)空間不足等問題，這一點(diǎn)尚未在文獻(xiàn)中出現(xiàn)； 3、零件結(jié)構(gòu)的仿骨骼設(shè)計(jì)等。 目前上述創(chuàng)新之處均已獲國家發(fā)明、實(shí)用專利保護(hù)。 （二）康復(fù)訓(xùn)練理論化量化 1、自動化運(yùn)行，建立患者數(shù)據(jù)庫，使醫(yī)生能夠進(jìn)行定量比較分析，包括與正常人的橫向?qū)Ρ取⒒颊咦陨淼目v向?qū)Ρ?，并以此為依?jù)展開理論研究； 2、患者獨(dú)立數(shù)據(jù)，因人而異地制定訓(xùn)練計(jì)劃，針對性治療，保證治療效果；同時(shí)，在很多二三線城市，不具備對手部中風(fēng)患者治療的條件，或者缺少經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生，本作品的自動化、智能化的特點(diǎn)正適合于無人治療或者遠(yuǎn)程治療。 七、研究進(jìn)度及已取得成果（一）研究進(jìn)度 本課題始研于2007年國家大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃提握式助動義手（已結(jié)題），2008年完成第一輪設(shè)計(jì)研究，2009年完成第二輪設(shè)計(jì)研究，2010年完成第三輪設(shè)計(jì)研究。目前，基于外骨骼的智能手部康復(fù)訓(xùn)練裝置的制造加工及初步調(diào)試已經(jīng)完成，正處在優(yōu)化改進(jìn)階段。同時(shí)也在聯(lián)系醫(yī)院相關(guān)專家，探討臨床實(shí)驗(yàn)中的相關(guān)問題。（二）本作品目前已取得成果如下： 1. 發(fā)明專利 一種外骨骼機(jī)械手及其使用方法 - 200910061213.4 ，已授權(quán)，作者為第一發(fā)明人； 2. 發(fā)明專利 固定式康復(fù)訓(xùn)練外骨骼機(jī)械手 – 201110121085.5 ，申請中，作者為第二發(fā)明人（指導(dǎo)老師第一發(fā)明人）； 3. 實(shí)用新型 一種多手指外骨骼機(jī)械手-200920229468.2，已授權(quán)，作者為第一發(fā)明人； 4. 樣品一件，見附圖。 （三）本作品所采用相關(guān)技術(shù)在國內(nèi)外均屬于起步階段，尚無成熟產(chǎn)品出現(xiàn)，目前的臨床試驗(yàn)主要針對可行性，并在醫(yī)生的指導(dǎo)和監(jiān)督下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為XX省新華醫(yī)院（三甲）腦科，主任醫(yī)生為徐彬，患者中風(fēng)后手部肌肉萎縮，導(dǎo)致肌力下降，臨床鑒定為4級（正常人5級），可以做出大部分動作，但不能應(yīng)付精密動作或者需要力量的動作，如拿快子。單個(gè)完整療程需要2-3周，并且需要藥監(jiān)部門的批準(zhǔn)，故此處只做了三次初步臨床試驗(yàn)。 主任醫(yī)生徐彬認(rèn)為“機(jī)器設(shè)計(jì)合理，符合人的本能運(yùn)動功能”同時(shí)“臨床可行、可操作，對臨床肯定幫助很大，具有很大的潛在市場”。 八、總結(jié) 現(xiàn)已完成實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷募庸ぶ谱?，隨著作品的深入，也對手部外骨骼及康復(fù)訓(xùn)練有了更為全面深刻的認(rèn)識，積累了寶貴的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，這對于進(jìn)一步深化和以后相關(guān)作品的開展都具有積極的促進(jìn)意義，目前正在調(diào)試控制系統(tǒng)。希望一直以來不懈的努力研究成果能為后來者提供一些參考，更為康復(fù)醫(yī)療事業(yè)做出一份貢獻(xiàn)。
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作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 一、目的：針對手部中風(fēng)患者和肌肉衰退老年人，傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練的不足在于：過于依賴醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)；掌握方法的醫(yī)生很少，偏遠(yuǎn)地區(qū)無法治療；對于病人的個(gè)體差異性問題，缺乏相應(yīng)的針對措施。而智能機(jī)器人靈巧手動作量化精準(zhǔn)、自動化、過程可控可觀測。將其與可穿戴外骨骼技術(shù)融合，即為前述問題的解決方法。作品旨在研究一種基于外骨骼的手部康復(fù)訓(xùn)練裝置，可穿戴，動作量化，可建數(shù)據(jù)庫，對個(gè)體差異，進(jìn)行有針對性的治療。二、思路：患者穿戴本裝置，同時(shí)新建或載入患者數(shù)據(jù)庫，由醫(yī)生進(jìn)行模式選擇，手部康復(fù)訓(xùn)練裝置則對患者實(shí)施康復(fù)訓(xùn)練，并記錄數(shù)據(jù)，供醫(yī)生研究分析。 三、創(chuàng)新點(diǎn) 1 仿生機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)：1）以生物外骨骼為原型的仿生設(shè)計(jì)；2）8自由度抓握模型仿生設(shè)計(jì)；3）零件結(jié)構(gòu)的仿骨骼設(shè)計(jì)。2 康復(fù)訓(xùn)練理論化量化：1、建立患者數(shù)據(jù)庫，使醫(yī)生以此為依據(jù)展開理論研究；2、患者獨(dú)立數(shù)據(jù)，因人而異地制定訓(xùn)練計(jì)劃、任務(wù)。四、技術(shù)關(guān)鍵和技術(shù)指標(biāo) 1、擬人化設(shè)計(jì)，以解剖學(xué)為基礎(chǔ)，建立合理模型，使外骨骼自由度與人手協(xié)調(diào)。2、低質(zhì)量小慣性傳動結(jié)構(gòu)。3、外骨骼的智能主動控制。將動作進(jìn)行合理的分類，進(jìn)行軌跡規(guī)劃，并制定控制策略，實(shí)現(xiàn)外骨骼的柔順控制。4、實(shí)驗(yàn)及評價(jià)方法，建立完善的實(shí)驗(yàn)方法和評價(jià)體系方法，改變以往過分依賴經(jīng)驗(yàn)治療的局面。 5、技術(shù)指標(biāo)：負(fù)載（手指）100克；關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角速度30°/s；壽命2 年；位置控制誤差小于3%；滿足正常身材成年人的可穿戴性。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本作品的先進(jìn)性體現(xiàn)國內(nèi)外手部外骨骼康復(fù)技術(shù)處于起步階段，尚無成熟研究；科學(xué)性則體現(xiàn)在合理的結(jié)構(gòu)方案及控制方案。 現(xiàn)階段大部分研究者著重于單只外骨骼的研究，遇到的問題有：外骨骼本身及其動力源、控制系統(tǒng)等會給使用者帶來額外的負(fù)擔(dān)；單指結(jié)構(gòu)雖然更容易，但在人手主要動作方面，則很難考慮周全。另一方面，傳動方式上，現(xiàn)有的鋼絲繩柔性傳動只能單向受力，而連桿剛性傳動因手指末端自由度距機(jī)架過遠(yuǎn)，機(jī)構(gòu)繁冗。 本作品采用了目前較少見的固定式結(jié)構(gòu)，避免設(shè)備本身成為患者的負(fù)擔(dān)；采用三指抓握模型，可對患者進(jìn)行手指的訓(xùn)練和動作輔助訓(xùn)練。采用了多連桿機(jī)構(gòu)將遠(yuǎn)端指間關(guān)節(jié)和中段指間關(guān)節(jié)運(yùn)動耦合起來，提高整體結(jié)構(gòu)剛度，避免機(jī)構(gòu)繁冗?？刂葡到y(tǒng)采用二級控制系統(tǒng)。上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送步態(tài)及位姿軌跡命令，創(chuàng)建并實(shí)時(shí)更新患者數(shù)據(jù)庫以及通過用戶界面進(jìn)行人機(jī)交互。下位機(jī)與外骨骼各關(guān)節(jié)的電機(jī)構(gòu)成電流、速度、位置的小閉環(huán)，直接控制電機(jī)執(zhí)行上位機(jī)發(fā)出的軌跡命令。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 1、校賽“挑戰(zhàn)杯”科技作品競賽，A類，一等獎。 2、省賽“挑戰(zhàn)杯”科技作品競賽，A類，一等獎。 3、省新華醫(yī)院（三甲）腦科，初步病例實(shí)驗(yàn)，具備臨床可行性。4、作品論文Design of a Hand Exoskeleton Rehabilitation Device 被2011 International Conference on Mechatronics and Materials Processing（ICMMP）錄用，EI檢索。5、科技查新，國內(nèi)未見相同報(bào)道、文獻(xiàn)。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 1、實(shí)物 2、現(xiàn)場展示 3、圖片
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 一、使用說明首先登陸數(shù)據(jù)庫，新建或者讀取專屬數(shù)據(jù)文件；穿戴上外骨骼；醫(yī)生對康復(fù)訓(xùn)練模式進(jìn)行選擇；患者手指在外骨骼的帶動下動作；切換不同動作、速度；訓(xùn)練完成，患者數(shù)據(jù)載入數(shù)據(jù)庫；醫(yī)生根據(jù)數(shù)據(jù)給出相關(guān)指導(dǎo)意見。二、特點(diǎn)、優(yōu)勢及適用范圍、推廣前景 1、技術(shù)特點(diǎn)包括：擬人化仿生設(shè)計(jì)；固定式8自由度抓握模型，多連桿機(jī)構(gòu)傳動；二級控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集患者運(yùn)動信息；數(shù)據(jù)庫管理患者信息。 2、隨之而來的優(yōu)勢有：良好的可穿戴性和舒適性；可完成多種手部康復(fù)訓(xùn)練任務(wù)，剛度強(qiáng)；控制系統(tǒng)簡單，易于維護(hù)；以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，醫(yī)生可展開理論化、量化的研究。 3、本作品針對手部中風(fēng)患者和肌肉衰退老年人而設(shè)計(jì)。 4、本作品擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)產(chǎn)品,將促進(jìn)我國輔助器具領(lǐng)域知識產(chǎn)權(quán)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步完善，有利于獲取相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)份額，有重要的社會意義。三、市場分析和效益預(yù)測 僅北京地區(qū)1991-2000年間有0.135%的人口罹患中風(fēng)，以此推算全國約有185萬人患有中風(fēng)，具有廣闊的市場前景。；作品具備一定技術(shù)含量；填補(bǔ)市場空白。
同類課題研究水平概述
- 機(jī)械外骨骼技術(shù)早在上世紀(jì)就已被提出，并嘗試運(yùn)用于軍事領(lǐng)域；同時(shí)，也對康復(fù)治療和災(zāi)害救援提供了全新的思路，因而被廣泛關(guān)注。進(jìn)入2000年后，以美日為代表，機(jī)械外骨骼技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展階段。國內(nèi)有關(guān)機(jī)械外骨骼技術(shù)的研究最早見于2004年左右，醫(yī)療康復(fù)是其主要研究方向。開展相關(guān)研究的主要有河北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)等相關(guān)科研機(jī)構(gòu)。（一）上肢外骨骼的研究 1）外骨骼最早的研究可以追溯到上世紀(jì)60年代，通用電氣公司與美國軍方合作開發(fā)一種外骨骼。它使得舉起120公斤的重物就像舉起5公斤重物那樣輕松。 2）美國加利福尼亞大學(xué)一直致力于外骨骼康復(fù)機(jī)器人的研究，采用肌電控制，目前已能讓使用者達(dá)到95%的正常人手臂運(yùn)動范圍 3）浙江大學(xué)流體傳動與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于上世紀(jì)90年代開始相關(guān)方面研究，在2004年左右研制出帶有氣動力反饋的外骨骼系統(tǒng)，并申請相關(guān)專利。（二）下肢外骨骼 1）美國加州大學(xué)伯克利分校的人體工程實(shí)驗(yàn)室在2004年研制出了Berkeley Lower Extremity Exoskeleton. BLEEX。 2）針對機(jī)械外骨骼，MIT也有所研究，目前他們他們最新的成果能使操作者負(fù)重80磅而感覺只有16磅，與BLEEX相比，自重減輕了許多，相對負(fù)重也要大很多。 3）2003年筑波大學(xué)山海嘉之教授為首的Cybernics 實(shí)驗(yàn)室研制出了世界上第一種商業(yè)外骨骼機(jī)器人,于2008年開始批量生產(chǎn)。這是一種自動化機(jī)器人腿，這種裝置能幫助殘疾人以每小時(shí)4 千米的速度行走, 毫不費(fèi)力地爬樓梯。（三）手部外骨骼 1）早在1997年來自Vanderbilt大學(xué)的一個(gè)研究小組，他們在報(bào)告中提出以外骨骼的方式減輕宇航員艙外操作時(shí)手指的疲勞程度。 2）卡耐基梅隆大學(xué)機(jī)器人研究所的手部外骨骼項(xiàng)目，旨在幫助手指存在一定功能障礙的患者康復(fù)，主要采用肌電信號控制（EMG）。 3）華中科技大學(xué)的手部外骨骼康復(fù)機(jī)器人采用了二條氣動肌肉，分別控制拇指的外展和其余四指的拉伸，自由度較少，動作簡單?，F(xiàn)階段的外骨骼技術(shù)應(yīng)用，主要集中在上肢（不含手部）、下肢等部位，對于手指這樣靈巧、細(xì)小的部位，多為單個(gè)手指或者簡單自由度的研究，尚未出現(xiàn)多手指多自由度的成熟外骨骼方案。本作品在2007年國家大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的基礎(chǔ)上，不斷改進(jìn)，最終形成現(xiàn)階段的作品。
