资源描述
附录 1. 外文翻译康复机器人 RRH1本文介绍了一种用于下肢康复机器人的原型。它是在圆柱运动模型的基础上创建的，配备了两个刚性臂、特殊的手柄和固定装置。它有五个活跃的自由度并且被设计成重复物理治疗的轨迹。提出的康复机器人的原型有不同类型的能力训练运动，如： 髋关节和膝关节屈曲/伸展，腿外展/内收。机器人执行的保护系统（包括过载检测） 可以确保安全地与病人合作。1. 开发下肢康复机器人装置电机辅助下肢修复设备的开发是在二十世纪七十年代。这种的设计概念已经被测试过。这种机械结构由在整形外科工作的罗伯特 B. Salter 评估。他指出患者关节的周期性屈曲延长可减少恢复时间并在骨科手术后增加其运动范围。这些设备有对上肢和下肢康复的两种类型，如图 1 所示。电子和控制系统领域的技术革命迅猛发展，更因为其新的治疗特性7安装半自 动和自动设备的康复诊所数量增加。应用电子控制系统允许用户调整一些基本参数如： 运动的范围和速度。它还提供了一个防护控制，防止过度的力量作用于修复联合。而 且，随着治疗的进展，该设备执行一次自动增加运动范围。各种设计都可以让康复过程在站立时、坐着、或躺在病床上得以实现。但实际上他们只能在一个平面上工作限制了这些设备。因此，改变康复程序往往需要移动患者到不同的位置或更换机械工作的方向。另一方面，腿部康复 CPM 的主要优势铁轨的重量轻，成本相对较低。图 2.用于步态再教育的拟人机器人矫形器：a - LOKOMAT - Hocoma 公司，转载自2，b - 来自特拉华大学的ALEX，转载自1现代神经修复与机器人辅助设备是一个相对较新的康复领域。首先尝试开发出这种设备在二十世纪 90 年代后期。康复领域的经验和工程知识允许来自 ETH 大学的研究人员在苏黎世于 2000 年创建机械矫形器系统 Lokomat2,5。Lokomat（如图 2 所示）的设计专为神经障碍和脊髓损伤患者进行步态再教育。机器人矫形器 Lokomat 提供步态再教育的持续进展。体重支持系统是机器人的一个组成部分，用于自动化跑步机训练和治疗协助。它也可以用于需要从轮椅上抬起的 患者。关于惯性力量传统配重系统可能会影响垂直运动导致患者在治疗期间不能使用。Lokomat 配有电脑在模拟步行周期中模拟病人的运动。卸载装置还提供了在跑步机上行走时对接触力的调节。在机器人辅助治疗期间，步态的最佳重复循环次数根据编程的模式执行。专业软件为个别患者提供可调范围的运动（关于髋关节和膝关节），运动速度变化同步与跑步机速度的步行周期。并且通用机械模块在机器人腿的构建中实现手柄精确适应不同患者的解剖结构。世界各地的研究人员也在努力开发类似的设备。但是，他们并没有超越原型阶段， 大部分阶段的机器还没有商品化。比如最近在特拉华大学开发设计的 Lokomat。亚历克斯说它的名字为主动腿外骨骼，它可以被更多的自由度和被动自由度用于重力补偿系统，如图 2b 所示1。机械矫形器腿有 3 个主动自由度对应的弯曲动作在矢状面上的膝盖和髋关节。另外，矫形器有一自由度负责腿部的内收和绑架运动。整个机构与两个被动自由度的支撑结构连接，提供额外的垂直和水平动作。通过被动关节结构中使用的弹性元件用于补偿支具的重量，并执行适当的动作（骨盆横向， 垂直和旋转）。图 3. LOPES 机器人矫形器，转载自3与以前的设备结构非常相似的是 LOPES - 下肢 Powered Exoskeleton，如图 3 所示，这是专为步态康复而设计的并在训练程序中使用跑步机3。这个项目的主要的目标是：减轻物理治疗师的负担提高中风患者的培训效果和配套在步态再教育过程中选择运动器材的元素。根据编程的轨迹生成机器人矫形器的运动。在训练过程中患者和机械骨架相互作用。自适应控制和具有可调节的串行弹性图的电动机驱动器（3b） 应用于外骨骼的活动关节9,10。此解决方案使患者能够感知机械矫形器机器人对修复四肢的最小影响。与商业 Lokomat 相比，矫形器 LOPES 有更多的主动自由度。这使得自由的动作沿着三个轴线的髋关节，如图 3a 中的 1,2 和 3 所示。第一第二个接头在垂直方向上与伺服电机一起工作标记为 3 是被动的（没有驱动器）。图 4.用脚踏板产生运动的神经修复系统：a - 触觉步行者（德国）8，b - 来自庆尚大学（韩国）的设备6这是最近临床测试，来自柏林大学和 Fraunhofer IPK 的一组工程师从技术部门创建的 HapticWalker 设备具有完全不同的结构。该机制具有立体框架的形式，患者悬挂在该框架中机器人手臂上的特殊线束中，如图 4a 所示。机器人手臂的效应器被制成具有手柄的特殊平台附着病人的脚。产生下肢的运动通过推或拉病人的脚，就像在 CPM 导轨上那样。在 HapticWalker 设备，患者由动态重量支撑补偿制度。根据患者的情绪产生腿部动作，脚提供了一些扩展的可能性，以获得更自然的行走和爬楼梯。这种治疗方法不仅涉及下肢，还涉及整个身体。第一项测试显示用 HapticWalker 进行治疗增加身体的力量和效率。增加这些参数是康复中的基本方面之一，并为人们回到日常生活做好准备。但是，只能采取行动没有额外限制膝盖和臀部，脚在这种情况下一个方向上的运动可能导致病理性补偿动作。另一种用于下肢康复的机器人系统设计基于脚板生成运动，运用相同方法的是由韩国庆尚大学的一个团队开发机器人如图 4b 所示。这个机器人可以模拟在平坦表面的行走，因此作为大多数带跑步机器人的工作，但其优越的特点是生成步行在不平坦地形上的步态特征。例如，它可以生成与升序或降序相对应的轨迹楼梯。提出的设备具有轻巧紧凑的结构，这使其可用于家庭治疗。作者提出了一个支持患者在康复设备上的解决方案创新。通常在带有自由骨盆的系统，为防止跌倒，患者由腰部固定到使用被动悬架系统的机器人的框架。在韩国设计中，在治疗过程使用额外的动力机械系统来接合四肢。锻炼期间，患者握住手臂手柄。它们由直流电机驱动，因此可以根据编程的步态模式控制其运动。在机器人辅助装置中，缺乏附着下肢的一个外部骨架（Lokomat，LOPES，ALEX） 使得这个过程成为可能康复效率更高，并允许涉及许多肌肉群参与恢复。骨盆的释放导致了在三维空间中执行其自然摆动的能力。一方面，它反映了自然的方式的运动， 但它也会产生意想不到的，病态的代偿性动作。在 2003 年的高级智能机电一体化大会上，提出了下肢康复的先进系统4。这种线驱动的机械手的概念如图 5 所示病人躺在专门准备好的位置上。他的腿连接到可调线束上，线束通过电线连接到电动马达安装在外部框架上。通过系统电缆和模块，框架上的患者可以轻松操作患者的腿部一个指定的工作区。增加系统中使用的驱动器数量可以产生更复杂的动作图 5.用于下肢康复的导丝系统：概念和原型，从4转载2. RRH1 机器人的构造我们的下肢康复机器人如图 6 所示。除了全功能原型的照片外，还有一个示意图绘图显示主要组成部分，可能的动作（带箭头）和机器人的工作空间（虚线表示部分）。机器人由一个铝制底盘和位于其上的可调整立柱组成矩形底座。轻质结构（约100 公斤），连两个脚轮使整个机构易于从一张病床到另一张病床移动，甚至只有一个人就可搬动。没有必要将病人转移到特殊康复区; 治疗可以运用于事故发生后不久甚至可以适用于失去知觉的人。机器人可以通过安装在车轮（F1）上的制动器锁定到位，同时其高度可以通过曲柄（E）针对特定的床和患者进行调整。图 6.康复机器人 RRH1：A - 带 LCD 显示屏和触摸屏的机箱，B - 急停，C 型机器手臂，D 型机器人工作空间，E 型可调式立柱，标准（F）脚轮和刹车脚轮（F1）图。图 7.康复机器人 RRH1 的运动结构，坐标系根据 D-H 符号，请注意，它是双重机制，并且腿的两个手柄位于相同的位置直线导轨。机器人的运动结构基于所示的圆柱形方案在图 7 中。机器人有 5 个主动自由度（DOF），编号从 0 到 4 根据 Denavit-Hartenberg 表示法。运动模型的参数如表 1 所示。机器人的所有关节都有相似的驱动系统：带增量编码器和减速齿轮头的直流电机， 电磁离合器和旋转电位器，用于绝对测量接头的位置。在底盘（A）内有一个带有两个滑架的特殊齿形导轨如图 8 所示。每个托架包含两个驱动器：一个负责滑架的水平移动和一个机动化垂直的手臂。这些相互垂直的接头编号为 1-3 和 2-4，分别属于武器 1 和 2。手臂 1 正在举起手臂 2 握住病人的膝盖。两只手臂都在垂直平面上工作 YZ 并且可以产生用于屈膝和伸展膝盖和臀部的锻炼， 如如果图 9a 所示。水平和垂直关节的移动范围分别是 650mm 和 470mm。此外，主齿形导向装置可以围绕 Z0 轴旋转。这个运动由位于特殊指南上的驱动器 0 生成这是图 8 的右侧部分。这个额外的自由度扩展了康复功能机器人通过增加臀部内收和外展练习，如图 9b 所示。绕 Z0 轴旋转的范围是 15deg。最佳地利用机构机器人高度的工作区域应通过曲柄（E）进行调整。2. 编程机器人编程康复机器人的主要思想是基于通过展示方法教学。将患者的腿固定在手臂上后机器人，康复者把手安装在手臂的两端并根据练习移动腿部。位置和轨迹的轨迹所有关节的速度都由控制器记录并可以重播循环的方式。手柄配有按钮（如图 10 所示） 来控制机器人在准备和教学阶段的胳膊。按下按钮后，可以在电机断开时自由移动连接和接头的位置由电位器监控。额外通过触摸屏界面可以实现功能。机器人的手臂非常轻便，并且通过连接和连接引入了阻力电位器非常低，因此康复可以感受到腿部的重量和运动的自然界限。练习也可能包括一些推动反对限制。当手柄上的两个按钮都结束教学阶段被实现。下一个阶段是测试运行：机器人执行单个循环运动; 康复者必须监测轨迹，行为的正确性病人和系统。这也是调整运动速度的时候。在这个阶段，系统记录力量出现在关节中。在下一步中，操作员接受轨迹并设置循环次数。3.安全系统总的来说，与人们一起工作需要特殊的安全措施。复原机器人在工作时必须更加敏感与残疾或甚至无意识的患者。康复机器人 RRH1 是配备多种安全系统：紧急停止时立即停止电机的电源按钮（B）被按下，在任何 teachexecution 阶段，触摸面板上的软件停止执行算法，连续监测每个关节的位置，速度和力出现扭曲时立即停止，检测到通信层故障时立即停止。5.结论我们已经提出了较低的康复设备的简短评论四肢。一般来说，有三种类型的系统： 基于外骨骼（Lokomat，LOPES，ALEX），通过脚踏板产生运动（HapticWalker，机器人来自庆尚大学），并通过在膝盖上举腿来产生运动和踝关节。在后面的例子中，我们只找到了一个例子系统使用电线和外部框架引脚在工作空间内机器人。我们设计和建造了属于同一个的原始建筑然而，机器人的类别使用刚性连接来保持和移动腿学到的道路。我们的原型可以安全地用于有意识的和有意识的康复初期的无意识患者。它也可以用于长期或重症监护病人躺在床上的日常锻炼。提出的解决方案提供更紧凑的结构和更好的机动性线驱动机器人。它有 5 个自由度，可以进行全方位的练习包括髋关节和膝关节的屈曲/伸展，以及腿外展/内收。承认康复机器人 RRH1 由自动化研究所开发控制，罗兹技术大学与先生合作。LEDMEN 公司的老板 Maciej Czapiewski 和 Krzysztof 博士华沙理工大学航空与应用力学研究所的 Mianowski 先生就机械问题提供了宝贵的咨询意见设计。附录 2. 外文原文
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