【正文】 分為兩類(lèi):一類(lèi)是生物力學(xué)或生物物理化學(xué)類(lèi)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(yùn)動(dòng)神經(jīng)傷害后，往往也會(huì)失去運(yùn)動(dòng)的能力。早在20 世紀(jì)60 年代初期就有醫(yī)學(xué)團(tuán)體運(yùn)用CPM 機(jī)進(jìn)行了術(shù)后康復(fù)治療的醫(yī)學(xué)實(shí)踐,此后也有用于膝、肩、肘關(guān)節(jié)等康復(fù)的CPM機(jī)出現(xiàn)。美國(guó)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(jī)器人MITMANUS[6~9] ,它有2 個(gè)自由度,可以實(shí)現(xiàn)病人的肩、肘和手在水平和豎直平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。 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(jī)器人的報(bào)道還有：?jiǎn)讨味卮髮W(xué)醫(yī)學(xué)中心ISIS設(shè)計(jì)的InMotion2 (IM2)、BiManuTrack、Gentle/s system、 REHAROB以及華盛頓大學(xué)設(shè)計(jì)的7 DOF帶動(dòng)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(jī)器人WY23[6~9] ,臨床結(jié)果表明,該機(jī)器人能使病人口腔開(kāi)合范圍由36 mm 提高到41 mm。　已有研究表明,兒童能通過(guò)操作電動(dòng)輪椅適當(dāng)提高視覺(jué)、空間的技能和運(yùn)動(dòng)能力[6~9] ,同樣可以用類(lèi)似的器械來(lái)提高老年人甚至成年人的運(yùn)動(dòng)能力。隨著體育和職業(yè)教育兩大產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,機(jī)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(jī)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(shí)施一對(duì)一的康復(fù)治療，或按計(jì)算機(jī)中預(yù)先設(shè)定的路徑運(yùn)動(dòng)，不能實(shí)現(xiàn)醫(yī)患交互；3）沒(méi)有力反饋功能；4）病人不能主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，或康復(fù)設(shè)備不能提供阻尼力。主要由機(jī)械臂，手柄，托盤(pán)，位置傳感器及電機(jī)和底座構(gòu)成。考慮到電機(jī)的軸與角位移傳感器的軸不可能完全對(duì)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(jī)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(yùn)動(dòng)的速度和范圍受到限制。這類(lèi)疾病對(duì)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(diǎn)就是生物力學(xué)的控制策略。而患肢運(yùn)動(dòng)信息的錯(cuò)誤辨識(shí)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(wú)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(yùn)動(dòng)功能障礙。我們現(xiàn)階段所研究的輔助康復(fù)機(jī)器人僅針對(duì)腦卒中患者在恢復(fù)期的上肢運(yùn)動(dòng)功能康復(fù) ,因此本文關(guān)于控制策略和評(píng)估策略的討論也主要圍繞上述對(duì)象。經(jīng)過(guò)近幾十年的大量臨床研究和實(shí)驗(yàn)，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(guò)功能重組（reorganization）和功能重建（reestablishment）獲得。而在現(xiàn)實(shí)中由于偏癱康復(fù)治療技術(shù)本身難點(diǎn)、疑點(diǎn)較多，加之傳統(tǒng)觀點(diǎn)對(duì)偏癱康復(fù)認(rèn)識(shí)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(yùn)動(dòng)功能障礙。4 方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 我們的多自由度力覺(jué)輔助遠(yuǎn)程康復(fù)訓(xùn)練機(jī)械臂根據(jù)臨床康復(fù)訓(xùn)練的基本動(dòng)作和安全性的要求,在設(shè)計(jì)中除了考慮機(jī)器人的功能實(shí)現(xiàn)外,特別注意了對(duì)患者癱肢的保護(hù)。，由康復(fù)鍛煉機(jī)械臂及外部測(cè)控電路組成。工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)是位置控制很精確但是不靈活，而且工業(yè)機(jī)器人一般體積龐大、造價(jià)昂貴。多自由度機(jī)械臂的設(shè)計(jì)采用并行連桿機(jī)構(gòu)。本機(jī)構(gòu)是一種縮放儀機(jī)構(gòu)的變種，整個(gè)機(jī)械臂部分主要由并行連桿機(jī)構(gòu)組成，通過(guò)調(diào)節(jié)主動(dòng)杠桿的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)從動(dòng)杠桿運(yùn)動(dòng)，使從動(dòng)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(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)主動(dòng)桿A點(diǎn)與B點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)可以帶動(dòng)從動(dòng)桿C在這個(gè)二維平面中運(yùn)動(dòng)。根據(jù)平行四邊形的性質(zhì)和幾何關(guān)系得：A端不動(dòng)的情況下只需要B端詳移動(dòng)到B′′就可以實(shí)現(xiàn)，如圖上點(diǎn)劃線(xiàn)A′′B′′C′′所示；如果我們要使C點(diǎn)到達(dá)C′′′也就是目標(biāo)點(diǎn)在到達(dá)C′′后在縱軸上向下運(yùn)動(dòng)。以上實(shí)現(xiàn)的是平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)即兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)，我們將這個(gè)機(jī)構(gòu)安裝于活動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)上時(shí)就可以完成第三個(gè)自由度。如圖所示，它由AD、DCTz、BTx、CTx等四桿組成，由Tx、Tz兩個(gè)滑塊控制X、Z兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，再加上繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，形成成三維空間運(yùn)動(dòng)所需要的三個(gè)自由度。當(dāng)采用合適的控制策略，對(duì)XY運(yùn)動(dòng)解耦，可以實(shí)現(xiàn)三維空間的運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練。X、Z方向的運(yùn)動(dòng)范圍有關(guān)，X、Z方向的運(yùn)動(dòng)極限。因?yàn)檫@個(gè)機(jī)構(gòu)安裝于活動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)上完成第三個(gè)自由度。手柄安裝在機(jī)械臂的一端，病人握住就可以進(jìn)行治療。機(jī)械臂的設(shè)計(jì)采用并行連桿機(jī)構(gòu)，原理在前文有述?？紤]到電機(jī)的軸與角位移傳感器的軸不可能完全對(duì)心，為防止剛性撞擊，增加接近開(kāi)關(guān)。因?yàn)樵谑褂玫臅r(shí)候機(jī)械臂的一端有患者使用時(shí)，將導(dǎo)致機(jī)械臂一端的重力很大。機(jī)架采用組合裝配結(jié)構(gòu)可以改善系統(tǒng)的工藝性。計(jì)算機(jī)給出控制指令信號(hào)經(jīng)過(guò)USB端口傳入單片機(jī)，單片機(jī)把接收到的信號(hào)處理后送入D/A。位置傳感器的信號(hào)直接送到A/D；力傳感器得到的是小信號(hào)，小信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理放大電路送至A/D。 這樣做既可以精確控制機(jī)械臂的位置和力量，更好的治愈病患。位置傳感器選擇價(jià)格低廉、線(xiàn)性度好、精度高、便于安裝的多圈滑動(dòng)電阻器，它的輸出電壓較大，因此無(wú)需前級(jí)調(diào)理放大電路?；谝陨蠋c(diǎn)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(kuò)多個(gè)位置傳感器和力傳感器，位置傳感器由于輸出機(jī)械手臂的即時(shí)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(wú)需前級(jí)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(jí)調(diào)理放大電路。 D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832模塊 ，它用于將單片機(jī)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)，對(duì)機(jī)械手臂進(jìn)行操作。USB接口芯片采用的是USB 總線(xiàn)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(xiàn)和讀、寫(xiě)、片選控制線(xiàn)以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機(jī)/DSP/MCU/MPU等控制器的系統(tǒng)總線(xiàn)上；在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，CH372 的配套軟件提供了簡(jiǎn)潔易用的操作接口，與本地端的單片機(jī)通訊就如同讀寫(xiě)文件。本設(shè)計(jì)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(diǎn)。 下位機(jī)軟件采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思想，根據(jù)功能可以分為以下幾個(gè)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(jī)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(xiě)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(wú)記錄邊界的數(shù)據(jù)流。特點(diǎn)如下:首先，我們采用的是一般的網(wǎng)絡(luò)通訊模式即客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器（C/S）方式，其中病人端為客戶(hù)機(jī)，醫(yī)生端為服務(wù)器。目前我們就是將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通訊任務(wù)分成兩個(gè)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(gè)線(xiàn)程來(lái)完成它。此訓(xùn)練模式適于基本無(wú)運(yùn)動(dòng)功能的患者。(3)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)：電機(jī)采用力矩控制模式，設(shè)定速度范圍。電機(jī)輸出力矩提供運(yùn)動(dòng)阻力，受試者克服阻力完成訓(xùn)練；也可以通過(guò)電機(jī)的速度控制模式實(shí)現(xiàn)，此時(shí)設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速為零，力矩范圍確定運(yùn)動(dòng)阻力的大小。在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)可以將患者的病歷數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，為后期治療提供依據(jù)。工業(yè)機(jī)器人就無(wú)法完成這種“高難度動(dòng)作”?？蓪?shí)現(xiàn)臨床上常用的4種訓(xùn)練模式：被動(dòng)運(yùn)動(dòng)、助力運(yùn)動(dòng)、主動(dòng)運(yùn)動(dòng)和阻力運(yùn)動(dòng)。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(guó)人口老齡化的加快中風(fēng)病人將越來(lái)越多，患者多醫(yī)生少的矛盾越來(lái)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(dòng)控制的康復(fù)機(jī)械臂，使得每個(gè)醫(yī)生可以同時(shí)指導(dǎo)多個(gè)病人進(jìn)行康復(fù)治療。另一方面，由于車(chē)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(shí)的康復(fù)訓(xùn)練；此外，隨著家庭汽車(chē)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(jī)器人技術(shù)及時(shí)開(kāi)發(fā)出具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的康復(fù)設(shè)備，對(duì)促進(jìn)我國(guó)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(jì)一種完善的算法，保證治療過(guò)程中的機(jī)械臂準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)。5）多自由度機(jī)械臂由于設(shè)計(jì)、制作時(shí)間較短，很多地方還未調(diào)試完成。4）結(jié)合有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)護(hù)人員的經(jīng)驗(yàn)開(kāi)發(fā)一套專(zhuān)家系統(tǒng)，這樣就可以節(jié)省人力物力，同時(shí)可以在很大范圍能取得一樣的療效。2）補(bǔ)償問(wèn)題(見(jiàn)4．2機(jī)械部分設(shè)計(jì))：由于主動(dòng)桿是圍繞轉(zhuǎn)臺(tái)在運(yùn)動(dòng)，從動(dòng)桿做的是兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)。我國(guó)“十五”規(guī)劃提出了到2015年實(shí)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(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)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(huì)的負(fù)擔(dān)，推動(dòng)殘疾人“人人享有康復(fù)服務(wù)”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，有著廣泛的應(yīng)用前景。我國(guó)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(jī)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(lái)及時(shí)地調(diào)整康復(fù)方案；醫(yī)生能夠通過(guò)視頻采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)了解病人的要求。當(dāng)機(jī)械臂繞著Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，C則能實(shí)現(xiàn)前后方向上的運(yùn)動(dòng)，三個(gè)方向組合便實(shí)現(xiàn)了三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。這種機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是易于控制、機(jī)構(gòu)輕巧，控制兩個(gè)點(diǎn)就可以讓機(jī)械臂在一個(gè)范圍很大的二維空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于這4種訓(xùn)練模式，病人家里的計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收到