多关节的上肢康复机械臂的研究【字数：13910】
偏瘫病因复杂多样，会导致感知和运动功能障碍，对患者的生活质量产生影响。康复机械臂可以辅助患者做简单的康复训练，改善偏瘫患者的运动能力。目前，市场上的康复机械臂价格昂贵，增加了普通家庭偏瘫患者的负担。针对上述问题，本文提出一种基于多关节的上肢康复机械臂的设计，该机械臂根据人体三个关节设计了六个自由度，能够实现肩关节屈伸、肩关节旋转、肘关节屈伸、肘关节旋转、腕关节屈伸、腕关节旋转单关节重复运动和多关节复合运动的多种康复训练动作，带动患者患肢进行被动式训练。为使康复患者能够充分得到锻炼，提高康复效果，本文增加了主动式训练，即在原有基础上增加肌电信号控制方式，通过采集人体肌电信号，识别患者动作意图，使机械臂能主动带动人体运动。通过验证，本文设计的多关节上肢康复机械臂，对患者患肢的牵引，整个机械臂看可以在多个运动平面内运动，可以对患者患肢由单关节重复运动到多关节复合运动，进行大范围、大幅度的复合运动康复训练。而且可以理解患者意图，充分激发患者的神经冲动。本文设计的机械臂价格低，能够满普通家庭患者的需求，具有一定的市场。
目 录
第1章 绪论 1
1.1 课题背景及研究意义 1
1.1.1 课题研究背景 1
1.1.2 研究意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 课题研究内容及目标 2
1.3.1 本课题主要研究内容 2
1.3.2 研究目标 2
第2章 康复机械臂设计 2
2.1 康复机械臂的总体结构 3
2.2 机械臂框架 3
2.3 自由度结设计 4
2.4 电机选型 5
2.5 电机驱动设计 6
2.6 控制器设计 6
2.6.1 控制器选型 6
2.6.2 控制器在线调试 7
2.7 控制器控制电机设计 7
2.8 动作组设计 8
2.9 电源设计 9
2.10 本章小结 10
第3章 机械臂康复训练 10
3.1 被动式康复训练控制策略 10
3.2 主动式康复训练控制策略 11
3.3 主动式训练与被 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
动式训练的关系 12
3.4 本章小结 12
第4章 肌电信号 13
4.1 表面肌电信号采集硬件设计 13
4.1.1 前置放大电路 14
4.1.2 滤波与二级放大电路 15
4.1.3 电压抬升电路 16
4.1.4 电源设计 17
4.2 表面肌电信号采集软件设计 17
4.2.1 A/D采样 17
4.2.2 肌电信号显示 18
4.2.3 姿势识别 19
4.3 本章小结 20
第5章 康复机械臂系统上位机设计 21
5.1 上位机整体框架 21
5.2 控制机械臂 21
5.3 本章小结 23
第6章 调试与结果 23
6.1 主动式训练测试 23
6.2 被动式训练测试 24
6.3 本章小结 27
第7章 总结与展望 27
参考文献 29
附录 31
致谢 32
绪论
课题背景及研究意义
课题研究背景
我国人口基数大，根据相关调查研究报告显示，我国目前残疾人口达4063万，大多数都是大于60岁的老年人，他们中大多数人都面临着各种困扰，需要大量的康复医疗设备来帮助他们生活。
老年人偏瘫由许多因素造成。对老年人的正常生活有很大的阻碍。当老年人受到疾病困扰时，往往会产生消极的心态。再加上治疗偏瘫的康复医疗不成熟，费用高，更是增加普通家庭的负担。
根据医学研究表明，偏瘫患者得到正确的治疗后能够恢复常人的生活水平，有独立的运动能力。大多数的患者在治疗后，可以正常生活。但是康复的过程漫长而又枯燥，目前现有的设备只能做出一些简单的直线运动康复训练，不能观察患者的状况，对患者引导性较差，无法带动患者对于治疗的积极性，康复效果事倍功半。
研究意义
随着人们生活水平的提高，患者也想得到好的待遇。在日常生活中，人们对于上肢的运动时最多的，它能够帮助我们完成大部分事情。而偏瘫患者对手臂却不能运动自如，人们对于上肢康复机械臂的需求越来越大。上肢康复机械臂是以神经可塑性原理为理论基础，实时模拟人体上肢运动规律设计的设备。患者通过重复训练，循序渐进的治疗，可以有效提高患者的上肢协调性、肌肉力量、肩肘腕关节活动范围和抓握的力等上肢运动能力；帮助因各种疾病导致上肢功能障碍的患者重新学习已失去的上肢功能，通过不断的训练促进神经与大脑的连接，有助于缓解家庭和社会负担，促进中国康复医学工程技术的发展
国内外研究现状
康复机器人很早以前就已经开始研究了，一 方面， 它是恢复运动的能力，另一方面是那些无法照顾自己或者降低了生活能力并恢复原有生活能力甚至提高生活能力的人。
人体肌电信号在人体运动之前，在运动结果之前，非常敏感并且能够反射精细运动。接下来是， 如何把人工指令反馈到运动器官。
芝加哥康复研究所开发了一种康复训练器，如图11所示，具有三个自由度。为了实现患者的手臂运动在直线方向上的偏转和提升运动利用电极和磁粉制动器。在训练中，可以实现五个目标点的手部运动。在对患者进行训练中，用于测量患者手臂末端的轨迹使用的是运动跟踪分析和系统，达到运动的平滑性，此外还可以查看患者运动的恢复效果。清华大学开发的UECM是中国最具代表性的康复训练设备，如图12所示。该设计的UECM采用的是一个2自由度双连杆机制，有三种训练模式：主动、被动以及抗阻训练。
/ /
芝加哥研制的康复训练器
清华大学研制的康复训练设备
课题研究内容及目标
本课题主要研究内容
1）多自由度上肢康复机械臂的设计。
2）康复训练的研究。
3）肌电信号采集电路的设计。
研究目标
本课题设计的多自由度上肢康复机械臂能够在康复初期，带动患者患肢完成被动训练模式，逐渐增强人体运动能力；在康复中后期，康复机械臂能够理解患者意图，帮助患者完成动作，进行主动式训练。
目 录
第1章 绪论 1
1.1 课题背景及研究意义 1
1.1.1 课题研究背景 1
1.1.2 研究意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 课题研究内容及目标 2
1.3.1 本课题主要研究内容 2
1.3.2 研究目标 2
第2章 康复机械臂设计 2
2.1 康复机械臂的总体结构 3
2.2 机械臂框架 3
2.3 自由度结设计 4
2.4 电机选型 5
2.5 电机驱动设计 6
2.6 控制器设计 6
2.6.1 控制器选型 6
2.6.2 控制器在线调试 7
2.7 控制器控制电机设计 7
2.8 动作组设计 8
2.9 电源设计 9
2.10 本章小结 10
第3章 机械臂康复训练 10
3.1 被动式康复训练控制策略 10
3.2 主动式康复训练控制策略 11
3.3 主动式训练与被 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
动式训练的关系 12
3.4 本章小结 12
第4章 肌电信号 13
4.1 表面肌电信号采集硬件设计 13
4.1.1 前置放大电路 14
4.1.2 滤波与二级放大电路 15
4.1.3 电压抬升电路 16
4.1.4 电源设计 17
4.2 表面肌电信号采集软件设计 17
4.2.1 A/D采样 17
4.2.2 肌电信号显示 18
4.2.3 姿势识别 19
4.3 本章小结 20
第5章 康复机械臂系统上位机设计 21
5.1 上位机整体框架 21
5.2 控制机械臂 21
5.3 本章小结 23
第6章 调试与结果 23
6.1 主动式训练测试 23
6.2 被动式训练测试 24
6.3 本章小结 27
第7章 总结与展望 27
参考文献 29
附录 31
致谢 32
绪论
课题背景及研究意义
课题研究背景
我国人口基数大，根据相关调查研究报告显示，我国目前残疾人口达4063万，大多数都是大于60岁的老年人，他们中大多数人都面临着各种困扰，需要大量的康复医疗设备来帮助他们生活。
老年人偏瘫由许多因素造成。对老年人的正常生活有很大的阻碍。当老年人受到疾病困扰时，往往会产生消极的心态。再加上治疗偏瘫的康复医疗不成熟，费用高，更是增加普通家庭的负担。
根据医学研究表明，偏瘫患者得到正确的治疗后能够恢复常人的生活水平，有独立的运动能力。大多数的患者在治疗后，可以正常生活。但是康复的过程漫长而又枯燥，目前现有的设备只能做出一些简单的直线运动康复训练，不能观察患者的状况，对患者引导性较差，无法带动患者对于治疗的积极性，康复效果事倍功半。
研究意义
随着人们生活水平的提高，患者也想得到好的待遇。在日常生活中，人们对于上肢的运动时最多的，它能够帮助我们完成大部分事情。而偏瘫患者对手臂却不能运动自如，人们对于上肢康复机械臂的需求越来越大。上肢康复机械臂是以神经可塑性原理为理论基础，实时模拟人体上肢运动规律设计的设备。患者通过重复训练，循序渐进的治疗，可以有效提高患者的上肢协调性、肌肉力量、肩肘腕关节活动范围和抓握的力等上肢运动能力；帮助因各种疾病导致上肢功能障碍的患者重新学习已失去的上肢功能，通过不断的训练促进神经与大脑的连接，有助于缓解家庭和社会负担，促进中国康复医学工程技术的发展
国内外研究现状
康复机器人很早以前就已经开始研究了，一 方面， 它是恢复运动的能力，另一方面是那些无法照顾自己或者降低了生活能力并恢复原有生活能力甚至提高生活能力的人。
人体肌电信号在人体运动之前，在运动结果之前，非常敏感并且能够反射精细运动。接下来是， 如何把人工指令反馈到运动器官。
芝加哥康复研究所开发了一种康复训练器，如图11所示，具有三个自由度。为了实现患者的手臂运动在直线方向上的偏转和提升运动利用电极和磁粉制动器。在训练中，可以实现五个目标点的手部运动。在对患者进行训练中，用于测量患者手臂末端的轨迹使用的是运动跟踪分析和系统，达到运动的平滑性，此外还可以查看患者运动的恢复效果。清华大学开发的UECM是中国最具代表性的康复训练设备，如图12所示。该设计的UECM采用的是一个2自由度双连杆机制，有三种训练模式：主动、被动以及抗阻训练。
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芝加哥研制的康复训练器
清华大学研制的康复训练设备
课题研究内容及目标
本课题主要研究内容
1）多自由度上肢康复机械臂的设计。
2）康复训练的研究。
3）肌电信号采集电路的设计。
研究目标
本课题设计的多自由度上肢康复机械臂能够在康复初期，带动患者患肢完成被动训练模式，逐渐增强人体运动能力；在康复中后期，康复机械臂能够理解患者意图，帮助患者完成动作，进行主动式训练。
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