【正文】 分為兩類:一類是生物力學(xué)或生物物理化學(xué)類型的應(yīng)用。當(dāng)病患經(jīng)歷了中風(fēng) ( Stroke )、帕金森氏病( Parkinson’s Disease)等一系列的運動神經(jīng)傷害后，往往也會失去運動的能力。早在20 世紀(jì)60 年代初期就有醫(yī)學(xué)團體運用CPM 機進(jìn)行了術(shù)后康復(fù)治療的醫(yī)學(xué)實踐,此后也有用于膝、肩、肘關(guān)節(jié)等康復(fù)的CPM機出現(xiàn)。美國麻省理工學(xué)院研制了一種幫助中風(fēng)患者康復(fù)治療的機器人MITMANUS[6~9] ,它有2 個自由度,可以實現(xiàn)病人的肩、肘和手在水平和豎直平面內(nèi)的運動。 在治療中風(fēng)病人[6~9]。此外關(guān)于上肢康復(fù)醫(yī)療訓(xùn)練機器人的報道還有：喬治敦大學(xué)醫(yī)學(xué)中心ISIS設(shè)計的InMotion2 (IM2)、BiManuTrack、Gentle/s system、 REHAROB以及華盛頓大學(xué)設(shè)計的7 DOF帶動力的上肢外骨架裝置等。日本早稻田大學(xué)研制了一種臨床訓(xùn)練病人張嘴、閉嘴的康復(fù)機器人WY23[6~9] ,臨床結(jié)果表明,該機器人能使病人口腔開合范圍由36 mm 提高到41 mm?！∫延醒芯勘砻?兒童能通過操作電動輪椅適當(dāng)提高視覺、空間的技能和運動能力[6~9] ,同樣可以用類似的器械來提高老年人甚至成年人的運動能力。隨著體育和職業(yè)教育兩大產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,機器人在這一領(lǐng)域的應(yīng)用前景將十分廣闊。這些康復(fù)機械都存在一些共同的缺陷：1）不能遠(yuǎn)程操作；2）醫(yī)生在本地親自操作，實施一對一的康復(fù)治療，或按計算機中預(yù)先設(shè)定的路徑運動，不能實現(xiàn)醫(yī)患交互；3）沒有力反饋功能；4）病人不能主動運動，或康復(fù)設(shè)備不能提供阻尼力。主要由機械臂，手柄，托盤，位置傳感器及電機和底座構(gòu)成?？紤]到電機的軸與角位移傳感器的軸不可能完全對心，為防止剛性撞擊，增加柔性聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)直流力矩電機與角位移傳感器。[11]很多因此而致殘、受傷的患者由于受傷組織的皮膚、韌帶和肌肉失去彈性而導(dǎo)致肢體運動的速度和范圍受到限制。這類疾病對患者本人、家庭造成生活、心理及其它方面的沖擊。其中最重要的一點就是生物力學(xué)的控制策略。而患肢運動信息的錯誤辨識將有可能造成肌肉組織撕裂、肌肉痙攣及結(jié)締組織損傷。否則 ,無法達(dá)到康復(fù)效果 ,并有可能造成患者肢體損傷 ,引起患者痙攣加重和不可逆轉(zhuǎn)的運動功能障礙。我們現(xiàn)階段所研究的輔助康復(fù)機器人僅針對腦卒中患者在恢復(fù)期的上肢運動功能康復(fù) ,因此本文關(guān)于控制策略和評估策略的討論也主要圍繞上述對象。經(jīng)過近幾十年的大量臨床研究和實驗，大腦可塑性理論已經(jīng)為絕大多數(shù)學(xué)者所認(rèn)可。研究表明，中樞神經(jīng)系統(tǒng)受損后的功能恢復(fù)可以通過功能重組（reorganization）和功能重建（reestablishment）獲得。而在現(xiàn)實中由于偏癱康復(fù)治療技術(shù)本身難點、疑點較多，加之傳統(tǒng)觀點對偏癱康復(fù)認(rèn)識的誤解，往往由于訓(xùn)練方法不當(dāng)，而造成患者痙攣加重和不可逆轉(zhuǎn)的運動功能障礙。4 方案設(shè)計 系統(tǒng)總體設(shè)計 我們的多自由度力覺輔助遠(yuǎn)程康復(fù)訓(xùn)練機械臂根據(jù)臨床康復(fù)訓(xùn)練的基本動作和安全性的要求,在設(shè)計中除了考慮機器人的功能實現(xiàn)外,特別注意了對患者癱肢的保護。，由康復(fù)鍛煉機械臂及外部測控電路組成。工業(yè)機器人的特點是位置控制很精確但是不靈活，而且工業(yè)機器人一般體積龐大、造價昂貴。多自由度機械臂的設(shè)計采用并行連桿機構(gòu)。本機構(gòu)是一種縮放儀機構(gòu)的變種，整個機械臂部分主要由并行連桿機構(gòu)組成，通過調(diào)節(jié)主動杠桿的運動帶動從動杠桿運動，使從動杠桿的末端也就是患者的手能夠在方框所示的范圍中進(jìn)行上下、左右、前后三個方向的運動。通過主動桿A點與B點的運動可以帶動從動桿C在這個二維平面中運動。根據(jù)平行四邊形的性質(zhì)和幾何關(guān)系得：A端不動的情況下只需要B端詳移動到B′′就可以實現(xiàn)，如圖上點劃線A′′B′′C′′所示；如果我們要使C點到達(dá)C′′′也就是目標(biāo)點在到達(dá)C′′后在縱軸上向下運動。以上實現(xiàn)的是平面內(nèi)的運動即兩個方向上的運動，我們將這個機構(gòu)安裝于活動轉(zhuǎn)臺上時就可以完成第三個自由度。如圖所示，它由AD、DCTz、BTx、CTx等四桿組成，由Tx、Tz兩個滑塊控制X、Z兩個方向的運動，再加上繞Z軸的轉(zhuǎn)動，形成成三維空間運動所需要的三個自由度。當(dāng)采用合適的控制策略，對XY運動解耦，可以實現(xiàn)三維空間的運動康復(fù)訓(xùn)練。X、Z方向的運動范圍有關(guān)，X、Z方向的運動極限。因為這個機構(gòu)安裝于活動轉(zhuǎn)臺上完成第三個自由度。手柄安裝在機械臂的一端，病人握住就可以進(jìn)行治療。機械臂的設(shè)計采用并行連桿機構(gòu)，原理在前文有述?？紤]到電機的軸與角位移傳感器的軸不可能完全對心，為防止剛性撞擊，增加接近開關(guān)。因為在使用的時候機械臂的一端有患者使用時，將導(dǎo)致機械臂一端的重力很大。機架采用組合裝配結(jié)構(gòu)可以改善系統(tǒng)的工藝性。計算機給出控制指令信號經(jīng)過USB端口傳入單片機，單片機把接收到的信號處理后送入D/A。位置傳感器的信號直接送到A/D；力傳感器得到的是小信號，小信號經(jīng)過調(diào)理放大電路送至A/D。 這樣做既可以精確控制機械臂的位置和力量，更好的治愈病患。位置傳感器選擇價格低廉、線性度好、精度高、便于安裝的多圈滑動電阻器，它的輸出電壓較大，因此無需前級調(diào)理放大電路。基于以上幾點特性，我們選用了儀用放大器 AD620（） 位置傳感器模塊電路中包擴多個位置傳感器和力傳感器，位置傳感器由于輸出機械手臂的即時位置狀態(tài)，而力傳感器由于輸出各關(guān)節(jié)的受力狀態(tài)，位置傳感器的輸出電壓較大，無需前級調(diào)理放大電路,而力傳感器的輸出電壓值較小，須添加儀用放大器作為前級調(diào)理放大電路。 D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832模塊 ，它用于將單片機輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，并驅(qū)動電機，對機械手臂進(jìn)行操作。USB接口芯片采用的是USB 總線的通用設(shè)備接口芯片，在本地端CH372具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機/DSP/MCU/MPU等控制器的系統(tǒng)總線上；在計算機系統(tǒng)中，CH372 的配套軟件提供了簡潔易用的操作接口，與本地端的單片機通訊就如同讀寫文件。本設(shè)計采用的是內(nèi)置固件模式。另外，該芯片還有高增益、轉(zhuǎn)換速率快、高帶寬、輸出電壓和電流大和工作電壓范圍大（16V60V）等特點。 下位機軟件采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計思想，根據(jù)功能可以分為以下幾個子程序部分：力值與位置信息采樣部分、輸出控制部分和與上微機的通信部分。康復(fù)醫(yī)療訓(xùn)練臂的控制及通信系統(tǒng)是基于C++編寫的程序。流式套接字定義了一種可靠的面向連接的服務(wù)，可以提供雙向、可靠、順序且不重復(fù)的無記錄邊界的數(shù)據(jù)流。特點如下:首先，我們采用的是一般的網(wǎng)絡(luò)通訊模式即客戶機/服務(wù)器（C/S）方式，其中病人端為客戶機，醫(yī)生端為服務(wù)器。目前我們就是將整個網(wǎng)絡(luò)通訊任務(wù)分成兩個并行的子任務(wù)，即數(shù)據(jù)傳送部分和圖像傳輸部分，分別采用兩個線程來完成它。此訓(xùn)練模式適于基本無運動功能的患者。(3)主動運動：電機采用力矩控制模式，設(shè)定速度范圍。電機輸出力矩提供運動阻力，受試者克服阻力完成訓(xùn)練；也可以通過電機的速度控制模式實現(xiàn)，此時設(shè)定電機轉(zhuǎn)速為零，力矩范圍確定運動阻力的大小。在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時可以將患者的病歷數(shù)據(jù)記錄下來，為后期治療提供依據(jù)。工業(yè)機器人就無法完成這種“高難度動作”?？蓪崿F(xiàn)臨床上常用的4種訓(xùn)練模式：被動運動、助力運動、主動運動和阻力運動。上肢受傷和中風(fēng)病人需要在醫(yī)生的指導(dǎo)和一定大小的外力的作用下進(jìn)行肢體功能的恢復(fù)鍛煉。而隨著中國人口老齡化的加快中風(fēng)病人將越來越多，患者多醫(yī)生少的矛盾越來越突出，這就要求研制一種用于中風(fēng)病患者康復(fù)訓(xùn)練的醫(yī)療器械可以自動控制的康復(fù)機械臂，使得每個醫(yī)生可以同時指導(dǎo)多個病人進(jìn)行康復(fù)治療。另一方面，由于車禍、事故等引起的肢體受傷病人的臨床癥狀同中風(fēng)病人一樣，也需要進(jìn)行及時的康復(fù)訓(xùn)練；此外，隨著家庭汽車的普及，交通事故引發(fā)的肢體傷殘病人的數(shù)量也在迅速增加。所以利用機器人技術(shù)及時開發(fā)出具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的康復(fù)設(shè)備，對促進(jìn)我國康復(fù)事業(yè)的發(fā)展，進(jìn)而形成自己的產(chǎn)業(yè)技術(shù)具有相當(dāng)重要的意義。應(yīng)該設(shè)計一種完善的算法，保證治療過程中的機械臂準(zhǔn)確的運動。5）多自由度機械臂由于設(shè)計、制作時間較短，很多地方還未調(diào)試完成。4）結(jié)合有經(jīng)驗的醫(yī)護人員的經(jīng)驗開發(fā)一套專家系統(tǒng)，這樣就可以節(jié)省人力物力，同時可以在很大范圍能取得一樣的療效。2）補償問題(見4．2機械部分設(shè)計)：由于主動桿是圍繞轉(zhuǎn)臺在運動，從動桿做的是兩個運動的合運動。我國“十五”規(guī)劃提出了到2015年實現(xiàn)殘疾人“人人享有康復(fù)服務(wù)”的目標(biāo)，多自由度上肢康復(fù)機器人系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)使患者在一定程度上恢復(fù)失去的功能，有利于提高患者本身的生活質(zhì)量，并減輕家庭和社會的負(fù)擔(dān)，推動殘疾人“人人享有康復(fù)服務(wù)”目標(biāo)的實現(xiàn)，有著廣泛的應(yīng)用前景。我國是中風(fēng)病的高發(fā)地區(qū)之一，在北方城市，中風(fēng)病已躍居死因的第一位，在幸存者中約70%~80%的病人留有不同程度的殘疾?？祻?fù)機械臂是一種中風(fēng)病患者用于進(jìn)行康復(fù)治療的醫(yī)療器械。讓患者可以在家中根據(jù)醫(yī)生的設(shè)定自行進(jìn)行遠(yuǎn)程康復(fù)鍛煉，醫(yī)生則可以根據(jù)不同患者的治療情況來及時地調(diào)整康復(fù)方案；醫(yī)生能夠通過視頻采集系統(tǒng)實時了解病人的要求。當(dāng)機械臂繞著Z軸轉(zhuǎn)動時，C則能實現(xiàn)前后方向上的運動，三個方向組合便實現(xiàn)了三個自由度的運動。這種機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是易于控制、機構(gòu)輕巧，控制兩個點就可以讓機械臂在一個范圍很大的二維空間內(nèi)運動。對于這4種訓(xùn)練模式，病人家里的計算機通過網(wǎng)絡(luò)接收到