智能手部康复训练机器人

智能手部康复训练机器人 张 � 儒,万 � 军 (景德镇陶瓷学院机电系,江西 景德镇 333001) The Intelligent Hand Rehabilitation Training Robot ZHANG Ru,WAN Jun ( School of Mechanic and Electric Eng ineer ing, Jingdezhen Ceram ic Institute, Jingdezhen 333001, China) � � 摘要:设计了手部康复训练机器人的总体 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 , 选择了机器人的机构形式、驱动方式和控制方式. 并 根据总体方案, 设计了机器人的机械系统、驱动系统 和控制系统. 关键词:机器人;手部康复;单片机控制 中图分类号: T P391. 9 文献标识码: A 文章编号: 1001�2257( 2008) 12�0053�03 收稿日期: 2008�07�25 Abstract: T his art icle f ir st designed the reha� bilitat ion robo t in overall concept. It contains choo� sing r obo t� s mechanical o rganizat ion form, the drive type and the control mode. Then accor ding to the over al l concept , it has designed r obo t 's me� chanical system , the driving system and the control system . Key words: robo t; the hand r ehabilitation t rain� ing; single chip contr ol 0 � 引言 随着新技术对康复工程领域的渗透,对康复工 程领域的研究变得越来越深入, 取得了众多的研究 成果. 通过一些研究机构的尝试, 基本上可以确 定[ 1- 4] : 机器人辅助康复医疗必须能够确保患者安 全,患者可以接受机器人训练,治疗过程较常规治疗 手段更具有发展潜力; 用康复机器人进行康复训练 具有治疗效果; 机器人可以记录详实的治疗数据和 图形,提供有效的治疗和 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 手段,为深入研究人体 运动规律以及大脑与肢体的控制与影响关系提供了 另一种途径;使用机器人辅助治疗在提高效率和训 练强度方面具有极大的潜力. 但是这些康复产品具有以下一些缺点: 制造成 本高昂,很难将研究成果推广普及; 多为专用机器 人,功能单一,无法批量生产,其机器人系统比较复 杂,技术的升级更新比较困难;针对腕部及手指运动 功能障碍进行康复治疗的机器人较少. 对于肢体受损程度并不严重, 只是在功能上出 现运动性障碍的患者(如仅是腕关节运动障碍的患 者) ,可以通过一些简单的康复训练, 使肢体运动障 碍得到改善甚至完全恢复.而目前市场上的康复医 疗产品差强人意, 迫切需要设计出性价比比较高的 康复器械以满足患者的需求 [ 5- 6] . 1 � 人体手部结构分析与模型建立 按照人体解剖生理学, 人的手由腕骨、掌骨和指 骨组成.腕骨与上臂骨连接处为腕关节.掌骨与指骨 连接部分为掌指关节, 各指骨间的连接部分为指关 节.其中,靠近指尖的关节叫远指关节, 中间的叫近 指关节[ 7] . 腕关节的运动可在 2个轴进行.分别是位于矢 状面的屈曲和伸展运动以及位于冠状面的内收和外 展运动.其中,屈曲是指手的前掌面向着前臂的前方 运动,伸展是指手的后背面向着前臂的后方运动,内 收是手向垂直轴的运动, 外展是手离开垂直轴的运 动[ 7 ] . 人手食指、中指、无名指以及小指的机构大体是 一样的.掌指关节( M P)属于球窝关节,可作屈伸、收 展和环绕等多种动作, 而近端指关节( P IP )和远端 指关节( DIP)则属于滑车关节,只可作屈伸动作.拇 指的腕掌关节( CM )为一个鞍状关节,可作屈伸、收 展和内外反转等动作, 而掌指关节的内外翻转动作 与另两指关节的屈伸运动配合, 能够完成复杂的空 间运动,常称为拇指的对掌运动[ 8 ] . 由以上分析知,人的手部结构十分精细,动作极 �53��机械与电子�2008( 12) 其精巧,功能非常复杂,而且其运动是由人的中枢神 经直接控制的, 可以按照人的意志实现各个动作或 者协调动作,是一个能完成多种功能的多输入多输 出系统.显然,从目前工程可能应用的技术来看, 要 完全模拟和再现上述各个方面还是无法做到的. 但是,若从工程的观点,把人手视作一个机构, 则可认为它是一种由许多连杆构件组成的空间开式 运动链,如图 1所示, 肱骨 1与肩部以球面副相连; 尺骨 2和桡骨 3通过一个 �级副彼此相连, 并分别 用转动副和球面副与肱骨 1相连;手掌简化成为一 个构件 4,它与尺、桡骨和 5个手指骨均用能作 2个 相对转动的�级副相连; 各手指指骨间均用转动副 彼此相连接. 图 1� 上肢模型 设 F为具有 n 个运动构件的机构的自由度; n 为运动构件的个数; k 为运动副的级别序号(等于运 动副引入的约束数) ; p k 为相应于 k 级的运动副数 目.则空间机构的自由度可用下式计算: F = 6n- �6 k= 1 kp k 现在应用上式求整个上肢的自由度 .从图 1 中 可知 ,n= 19 ,p 1 = 0 ,p 2 = 1 ,p 3 = 2 , p 4 = 6 ,p 5 = 11 , 于是, F= 6 � 19- (2 � 1+ 3 � 2+ 4 � 6+ 5 � 11 )= 27 同理可以求得手指部分的自由度为 : F f = 6 � 15- (4 � 5+ 5 � 10 )= 20 所以 ,人体手部的自由度为 20 (手指) + 2 (手 腕)= 22 . 2 � 手部康复机器人总体方案 为了设计出合理的手部康复训练机器人系统, 带动患者腕关节及手指的各个关节进行往复运动, 达到康复治疗的目的. 所设计的机器人系统应当能 够活动尽可能多的关节; 能在三维空间对患肢进行 训练;应当轻便简洁,便于患者携带并且随时进行治 疗.在控制方面机构应当具有定时、调速等基本功能 以方便患者的使用. 鉴于以上的分析, 且考虑到经济实用性及低成 本的因素,期望将机构的长宽高限制在 300 mm � 200 mm � 200 mm 以内的, 以便于患者携带.康复机 器人设计如下:康复机器人有 3个自由度,通过机构 的旋转,不仅可以带动手腕运动, 使腕关节得到锻 炼,同时还可以带动手指一起做协同运动,使手指的 各个受损关节得到有效的治疗. 要实现平面运动可以有多种机构来完成,如双 关节式、极坐标式和五连杆式等.本设计方案采用极 坐标式的机构形式. 其优点为: 两坐标系正交,相互 不影响,运动学分析简单,并且较容易控制. 手部康复训练机器人系统的示意如图 2所示. 图 2� 手部康复训练机器人系统示意 工作原理为控制模块控制直流电动机旋转,电 动机输出轴经过减速器减速后, 通过联轴器与传动 轴相连,传动轴作旋转运动,传动轴经过带轮机构将 旋转运动传递给四杆机构,再由四杆机构带动执行 机构在水平面内作摆动运动. 手部康复训练机器人工作时, 患者将前臂放置 在支撑架上,手指部分放置在执行机构的 2个按摩 球上,通过执行机构的摆动, 带动患者腕关节摆动, 从而达到对患者腕关节进行康复训练的目的.并且 由于执行机构的 2个按摩球在水平面内具有独立的 旋转自由度,故在对患者腕关节进行康复治疗的同 时,患者手指的各个关节也可以协同运动,从而提高 了康复医疗的效果. 3 � 手部康复机器人运动机构 手部康复训练机器人的执行机构如图 3所示. 为了在治疗患者腕部的同时, 能够使手部的尽 可能多的关节得到锻炼, 本设计仿照健身球的健身 原理,将康复机器人的执行机构的末端设计成 2个 可以相对于传动杆转动的按摩球. 康复机器人运行 �54� �机械与电子�2008( 12) 时,将患者手指放置于按摩球之上,通过传动杆的旋 转运动带动患者手腕作伸屈运动. 同时,根据康复医 疗理论,设计康复训练的动作时,应以多关节的协调 运动为准则[ 7] . 按摩球设计成可在水平面内相对于 传动杆作旋转运动, 符合多关节协调运动的准则, 也 就更有利于患者手部的康复治疗. 图 3 � 仿健身球式执行机构 4 � 手部康复机器人控制系统 机器人的控制系统应根据训练时所要求的患肢 动作轨迹,对驱动电机发出指令信号,通过电机驱动 牵引机构带动患者患肢进行运动.控制系统要对驱 动电机的旋转速度进行控制. 所以,此控制系统应该 是一个闭环系统 [ 7] . 本文设计的上肢康复机器人控制系统需要满足 以下几个功能: 控制电动机的启动、停止以及转速; 控制电动机的启动、停止的加速度恒定,且电机在稳 定运行时能保持恒定的速度; 接收反馈信号, 实现对 系统的闭环控制;系统的响应要迅速. 根据系统要求及以上几个硬件设计原则, 采用 1片 8051单片机、1片 LM629、1 片 LMD18200 功 率驱动器、1台小功率直流电动机和 1个增量式光 电编码盘来组成上肢康复机器人的控制系统, 如图 4所示. 图 4 � 控制系统电路总体结构 系统以 8051 单片机作为控制芯片. 8051 单片 机的主要工作是向 LM629传送运动数据和 PID 数 据, 并通过 LM 629 对电动机的运行进行监控. LM 629根据单片机发来的数据生成速度图, 进行 PID控制、生成 PWM 信号输出. LMD18200作为驱 动芯片来驱动直流电动机的运行. 增量式光电编码 盘作为传感器安装在直流电动机的输出轴上,用来 反馈电动机的实际位置. 来自增量式光电编码盘的 位置信号 A, B经 LM629四倍频译码,提高分辨率. A, B的逻辑状态每变化 1次, LM 629内的位置寄存 器加 1.编码盘的 A , B 信号同时为低电平时, 就产 生一个 Index 信号送入寄存器,记录电动机的绝对 位置. 5 � 结束语 本文对手部康复训练机器人的设计与控制作了 比较深入的研究. 具体包含以下的工作:在研究了人 体上肢功能运动障碍的发病机理, 比较国内外各种 上肢康复医疗机器人的优缺点的基础上, 提出设计 一种专用于手部康复训练的机器人; 在详细分析了 人体手部结构的基础上,将人体手部模型化,并设计 了一种新型的手部康复训练机器人; 完成了手部康 复训练机器人控制系统硬件部分的设计. 参考文献: [ 1] � 李开勤. 偏瘫患者运动疗法 [ M ] . 北京: 金盾出版社, 2002. [ 2] � 赵钛主.现代偏瘫治疗学[ M ] . 北京: 人民军医出版社, 1996. [ 3] � 王茂斌.偏瘫的现代评价与治疗[ M ] . 北京: 华夏卫生 出版社, 1990. [ 4] � 王广志,任宇鹏, 季林红,等. 机器人辅助运动神经康复 的研究现状[ J] . 机器人技术与应用, 2004, ( 4) : 9- 14. [ 5] � Dar io P , Gug liemelli E, Lachi C. H umano ids and per� sonal r obots: deign and experiments[ J] . Journal of Ro� botic Sy stems, 2001, 18( 12) : 673- 690. [ 6] � Aisen M L , K rebs H I, Hogan N, et al. The effect o f robot�assisted therapy and rehabilitative tra ining on motor recovery follow ing str oke [ J] . 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