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六自由度上肢康復(fù)儀器
摘要：新的訓(xùn)練方法和練習(xí)使上肢康復(fù)機(jī)器人的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用成為可能。該技術(shù)可以定量評(píng)價(jià)和提高效果的穩(wěn)定性。本文涉及的6自由度康復(fù)機(jī)急診驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展，其包括上肢及手腕的使用。
指數(shù)條款，康復(fù)體系，上肢康復(fù)，腕關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，ER驅(qū)動(dòng)器
一 介紹
上肢的運(yùn)動(dòng),如飲食和操作電器非常的復(fù)雜、多樣且必不可少的日?；顒?dòng)。因此, 養(yǎng)老是重要的問(wèn)題，鍛煉身體以保持他們的上肢功能。此外,還有很多許多造成中風(fēng)，癱瘓的病人的 例如，在日本每年兩百五十萬(wàn)元人都有中風(fēng)，其中不少是癱瘓。人類的大腦有著一個(gè)非凡能力及可塑性程度（自組織），學(xué)習(xí)能力，開放的運(yùn)動(dòng)康復(fù)的可能性。因此，神經(jīng)康復(fù)中風(fēng)患者是有效的。
物理治療包括一對(duì)一的互動(dòng)幫助和鼓勵(lì)患者通過(guò)重復(fù)練習(xí)治療。機(jī)器人治療師消除了不必要的消耗，定量治療及監(jiān)測(cè)病人的進(jìn)展，并確保規(guī)劃治療方案的一致性。
社會(huì)中老齡化比例近年來(lái)呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，他們的身體每況愈下已成為許多國(guó)家的社會(huì)問(wèn)題。早期發(fā)現(xiàn)他們身體功能惡化，所以要減少老年人的長(zhǎng)期臥床而且還要保障護(hù)理以及足夠的康復(fù)訓(xùn)練，這也需要全社會(huì)老年人積極參與。使用適用于機(jī)器人技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，運(yùn)用新的訓(xùn)練方法使康復(fù)變得可能。定量反饋一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以提高定性的評(píng)估訓(xùn)練培訓(xùn)效果。因此,一些康復(fù)上肢系統(tǒng)發(fā)展運(yùn)用這些技術(shù)然而,他們中的大多數(shù)人申請(qǐng)培訓(xùn)二維平面，但是許多日常生活的動(dòng)作,都要在一個(gè)手臂垂直的方向上移動(dòng)。因此,使用系統(tǒng)s練習(xí)似乎為此類培訓(xùn)更有效果。雖然M使用彪馬-560方式IME系統(tǒng)和斯坦福大學(xué)能能有三個(gè)層面的訓(xùn)練,美洲獅機(jī)器人——最早使用起源于560年工業(yè),殘疾人年齡也可能不能保持足夠的安全培訓(xùn)
這項(xiàng)工作是在經(jīng)濟(jì)上支持新能源及產(chǎn)業(yè)技術(shù)，貿(mào)易部和日本的產(chǎn)業(yè)組織發(fā)展等人大阪大學(xué)開發(fā)了兩種類型的2自由度顯示系統(tǒng)，使用ER驅(qū)動(dòng)器[4] [5][6]，并已進(jìn)行了上肢臨床康復(fù)的試驗(yàn) [6]。在這些系統(tǒng)中，雌激素受體驅(qū)動(dòng)器確?？梢詸C(jī)械安全。然后，大阪大學(xué)及旭化成集團(tuán)加入NEDO技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)項(xiàng)目5年，并在此基礎(chǔ)上制定了的3-D上肢康復(fù)器具知識(shí)[5]。然后，兵庫(kù)醫(yī)科大學(xué)進(jìn)行了臨床評(píng)價(jià)。
在5年NEDO技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)開發(fā)康復(fù)項(xiàng)目的系統(tǒng)，手腕的康復(fù)驅(qū)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器和自由旋轉(zhuǎn)。因此，適當(dāng)?shù)纳现滞罂祻?fù)包括在內(nèi)的無(wú)法達(dá)到的?？死撞妓梗?。麻省理工學(xué)院開發(fā)的機(jī)器人手腕[8]，然后已開發(fā)的系統(tǒng)，包括一個(gè)5自由度康復(fù)麻省理工學(xué)院馬努斯手腕機(jī)器人[9]。
在本文中，我們提出一個(gè)六自由度的發(fā)展趨勢(shì)，包括上肢手腕使用，在這個(gè)項(xiàng)目中康復(fù)機(jī)的ER執(zhí)行器將會(huì)實(shí)際應(yīng)用到下一代機(jī)器人上。2005年國(guó)際博覽會(huì)在日本的愛知縣舉行，屆時(shí)這臺(tái)機(jī)器將被展出。
圖1 電流變傳動(dòng)器的概念圖
圖2多圓柱型的ER執(zhí)行器輸出雙旋轉(zhuǎn)方向扭矩 圖3 多圓柱型的ER離合器
電流變流體是一種流體，其流變特性可以通過(guò)施加電場(chǎng)改變[10]。圖1所示
ER流體驅(qū)動(dòng)器的概念圖。?“ER執(zhí)行器是由一個(gè)ER離合器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減少齒輪單元組成的。電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持恒定。由外加電場(chǎng)控制的ER執(zhí)行器的扭矩的輸出。
截面圖的電流變傳動(dòng)器可給予在扭矩方向上的輸出。輸入旋轉(zhuǎn)零件圖（第一部分和第二部分）擁有圓筒結(jié)構(gòu)。輸入旋轉(zhuǎn)部分由一個(gè)電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，輸入第二部分是通過(guò)同一系列電機(jī)齒輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。輸入扭矩傳遞是通過(guò)輸出軸旋轉(zhuǎn)的充滿顆粒型電流變流體圓柱部分的旋轉(zhuǎn)圓筒。兩輸入軸和輸出軸缸作為電極，輸出扭矩是由電氣控制電極之間的應(yīng)用。該輸出軸是由鋁合金氣缸以降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。圖3顯示離合器圓柱結(jié)構(gòu)。
使用ER流體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是有效的人機(jī)共存，上肢康復(fù)系統(tǒng)和機(jī)電一體化系統(tǒng)一樣[4]。圖4顯示了一個(gè)概念圖人機(jī)共存，ER流體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用機(jī)電一體化（HMCM）的系統(tǒng)。人機(jī)共存是ER執(zhí)行器在應(yīng)用程序的優(yōu)點(diǎn)，機(jī)電一體化（HMCM）的系統(tǒng)
從操作的特點(diǎn)：
（A）由于ER執(zhí)行器具有良好的驅(qū)動(dòng)器，駕駛性能背面，所以操作者可以很容易地從它的運(yùn)作機(jī)電一體化系統(tǒng)。
（B）操作其最終的效應(yīng)就是機(jī)電一體化系統(tǒng)，HMCM系統(tǒng)可以使輸入氣缸的轉(zhuǎn)速快速移動(dòng)到ER流體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)
二 從系統(tǒng)表現(xiàn)顯示
（一）快速部隊(duì)響應(yīng)特性源于對(duì)ER驅(qū)動(dòng)器的低慣性屬性及快速電流變流體的響應(yīng)，充分的介紹高保真的可能。
（二）可以安全地實(shí)現(xiàn)部隊(duì)顯示系統(tǒng)能力的介紹
圖7 被動(dòng)顯示系統(tǒng) 圖8 康復(fù)仿真
圖9手動(dòng)控制仿真 圖10 圖1原型
圖11 運(yùn)動(dòng)鏈接2
圖12 運(yùn)動(dòng)鏈接3
三 利用電流變液康復(fù)和顯示系統(tǒng)
古莊重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室大阪大學(xué)自1993就已經(jīng)發(fā)展康復(fù)系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)ER執(zhí)行器的使用
圖5顯示了二自由度康復(fù)系統(tǒng)，在試圖中展現(xiàn)了ER流體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？祻?fù)培訓(xùn)系統(tǒng)主要是安裝在一個(gè)醫(yī)院測(cè)試目的。13例自愿參加多個(gè)上肢的物理性能實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)和康復(fù)訓(xùn)練患者由于脊髓受損或堵塞大腦動(dòng)脈手臂麻痹。圖6顯示了二自由度康復(fù)系統(tǒng)，應(yīng)用ER流體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的展示。
圖7顯示了一個(gè)被動(dòng)的力，使用ER制動(dòng)器[14]。使用剎車呈現(xiàn)阻力，被動(dòng)的力顯示運(yùn)營(yíng)商的力量是相當(dāng)安全[14][15]。
古莊實(shí)驗(yàn)研究室被動(dòng)恢復(fù)上肢顯示
圖8顯示了上肢康復(fù)系統(tǒng)使用ER驅(qū)動(dòng)器3-D展示 [7]。NEDO技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)開發(fā)EMUL項(xiàng)目5年，并為中風(fēng)患者使用評(píng)估 [16]，Motricity公司指數(shù)[17]，現(xiàn)階段[18]在臨床試驗(yàn)中。好結(jié)果獲得的評(píng)價(jià)。
三自由度康復(fù)系統(tǒng)不能包括實(shí)現(xiàn)上肢手腕康復(fù)，自由旋轉(zhuǎn)手腕所示圖9。因此，我們開發(fā)了6自由度機(jī)器使用ER執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為明年新一代機(jī)器人的實(shí)際中得以應(yīng)用。在本章中我們提出的發(fā)展第一樣機(jī)采用伺服電機(jī)。
圖10顯示了第一樣機(jī)的圖紙，本機(jī)制的原型如下。
1）手臂部分具有2自由度，水平旋轉(zhuǎn)和垂直運(yùn)動(dòng)。
圖13 手腕部和第一原型的鏈接3
圖14 鏈接3的側(cè)視圖
2）執(zhí)行器及皮帶滑輪減少了系統(tǒng)的手臂運(yùn)動(dòng)，以減少慣性運(yùn)動(dòng)部件。垂直旋轉(zhuǎn)部分采用
并行鏈路機(jī)制組成的鏈接2（1）鏈接2（2）如圖。?10。這使得在所有的反平衡重量的重力效應(yīng)補(bǔ)償（見圖11）。
3）鏈接-3通過(guò)水平面的空間連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)如圖12所示
4）手腕的執(zhí)行器安裝在腕關(guān)節(jié)鏈接1上，以減少運(yùn)動(dòng)部件的慣性。電機(jī)的力矩傳輸 使用的手腕萬(wàn)向節(jié)，傳動(dòng)軸和導(dǎo)線的滑輪系統(tǒng)（見圖13）。
5）圖14顯示了手腕線滑輪系統(tǒng)。圖15分別顯示側(cè)傾，俯仰，偏航，電線的途徑。
6）手腕的橫搖導(dǎo)致“A”部分和“B”的部分之間相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)如圖14所示。導(dǎo)致此相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，為駕駛電線，俯仰和偏航扭曲運(yùn)動(dòng) 在圖16所示。為了減少線長(zhǎng)度的變化引起的本卷的異議，這些電線都盡可能放在軸的附近。
四 六自由度康復(fù)機(jī)
圖17顯示康復(fù)機(jī)的照片。該系統(tǒng)由ER驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。圖18顯示驅(qū)動(dòng)器手臂運(yùn)動(dòng)的手柄和手腕機(jī)制被改為懸臂式，從兩方支持型。圖19顯示了手柄和手腕機(jī)制的抓地力。圖20顯示總系統(tǒng)的圖片。重力是懸臂式握柄必要的組成，如圖21所示。何時(shí)我們采取這樣的機(jī)制，體重靠近手柄增加，并表現(xiàn)為力量和顯示系統(tǒng)安全性是人機(jī)共存系統(tǒng)的安全性能變質(zhì)的。所以，我們把重量的平衡，在急診室器盒，如圖22所示。
我們正在開發(fā)上肢康復(fù)訓(xùn)練軟件，包括手腕的靈巧需要。圖23，圖24和圖?25顯示了培訓(xùn)軟件的一部分。
圖22 重量平衡的安排 圖23 虛擬撞擊
圖24 虛擬澆灑器 圖25 虛擬擦
五 對(duì)安全的考慮
一個(gè)上肢康復(fù)系統(tǒng)具有很大的工作區(qū)域，可以被視為一種機(jī)器人。在這樣一種人機(jī)共存的系統(tǒng)中，操作員必須接觸或接近機(jī)器人，從而確保系統(tǒng)的安全是必要的，使機(jī)器人能夠操作者更安全[19]。在工業(yè)機(jī)器人中，操作員可以不訪問(wèn)避免危險(xiǎn)條件除教學(xué)機(jī)器人。圖26顯示了人機(jī)共存結(jié)構(gòu)安全的機(jī)器人。
ER的驅(qū)動(dòng)器有以下安全優(yōu)缺點(diǎn)。
（一）ER的驅(qū)動(dòng)器的輸出軸的最大行駛速度 由輸入軸的轉(zhuǎn)速對(duì)ER離合器限制。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)速輸入軸緩慢，HMCM系統(tǒng)保證ER驅(qū)動(dòng)器運(yùn)營(yíng)商的安全。
（二）輸出部分的慣性，可以做得非常??小。因此，在意外事故的情況下，，可以減少?zèng)_擊力執(zhí)行機(jī)構(gòu)的慣性
由于人機(jī)共存的國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)尚未建立，我們沒有別的選擇 除了ISO標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)使用機(jī)器的工作接近人類（見表一）。發(fā)達(dá)國(guó)家康復(fù)系統(tǒng)可以保證這些參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)對(duì)ER驅(qū)動(dòng)器的使用和機(jī)械設(shè)計(jì)如下：
1（一）和（二）表是比較理想轉(zhuǎn)速制定下氣體的運(yùn)動(dòng)情況
2（三）一只60瓦電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸入旋轉(zhuǎn)缸滿足使用的要求。
3 設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)減少，從而實(shí)現(xiàn)了每個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)械限制，機(jī)械重力補(bǔ)償和使用的驅(qū)動(dòng)器。
圖26 為確保人機(jī)結(jié)構(gòu)安全
第六 結(jié)論
我們已經(jīng)制定了一個(gè)6自由度上肢康復(fù)機(jī) 包括手腕如下。
1）第一個(gè)原型機(jī)采用伺服電機(jī)作為原動(dòng)力從而使整個(gè)系統(tǒng)能夠在控制中進(jìn)行康復(fù)運(yùn)動(dòng)。
表1國(guó)際，國(guó)內(nèi)安全標(biāo)準(zhǔn)
2）六自由度康復(fù)機(jī)主要包括使用ER驅(qū)動(dòng)器以及在手腕和四肢已開發(fā)的基礎(chǔ)上從樣機(jī)的開發(fā)獲得的知識(shí)。
3）我們正在制定康復(fù)上層軟件目前包括手腕和四肢。