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基本信息

項目名稱:
基于外骨骼的智能手部康復訓練裝置
小類:
機械與控制
簡介:
本作品旨在針對手部中風患者和肌肉衰退老年人,研究一種基于外骨骼的手部康復訓練裝置,其可穿戴在患者手上,動作量化、精準,自動運行、可觀測,并建立數據庫,在患者的個體差異性問題上,進行有針對性的治療,也為醫生提供全面、定量化的分析依據,促進康復醫學的發展。
詳細介紹:
本作品旨在針對手部中風患者和肌肉衰退老年人,研究一種基于外骨骼的手部康復訓練裝置,其可穿戴在患者手上,動作量化、精準,自動運行、可觀測,并建立數據庫,在患者的個體差異性問題上,進行有針對性的治療,也為醫生提供全面、定量化的分析依據,促進康復醫學的發展。 本課題旨在研究一種基于外骨骼的手部康復訓練裝置,其可穿戴在患者手上,對患者手部進行量化、精準的康復治療,自動運行、可觀測,并建立數據庫,在患者的個體差異性問題上,進行有針對性的治療,也為醫生提供全面、定量化的分析依據,促進康復醫學的發展。 一、研究目標、研究內容與考核指標 (一)研究目標 針對手部康復訓練,研究開發采用伺服電機驅動的手部外骨骼系統,并進行相關模擬試驗研究,驗證外骨骼系統康復訓練的可靠性及可行性,嘗試在醫生的幫助指導下,進行臨床實驗。 (二)研究內容 根據目標,基于外骨骼的智能手部康復訓練裝置的研究內容主要包括以下方面: 1)從人體解剖學的角度出發,研究手部抓握動作等運動學機理,建立適合于本作品的運動模型; 2)研究并設計仿生機電系統; 3)研究手部康復外骨骼機器人的智能控制技術,提供多種訓練模式以適應不同的患者; 4)建立患者數據庫,探索通過患者訓練數據為醫生治療提供量化的治療建議。 (三)技術指標 本課題的技術指標主要有以下內容:負載(手指),100 g;關節轉動角速度,30°/ s;壽命,2 年;精度,位置控制誤差小于3%;可適應性,滿足正常身材成年人的可穿戴性;供電方式,220V AC (四)關鍵技術 由于外骨骼技術涉及多學科的交叉,所面臨的研究內容和關鍵技術多而復雜,因此這項技術走向實用仍然有很多的障礙需要跨越。主要有以下一些關鍵問題: 1、擬人化方案設計。通過人手解剖學分析,研究手部抓握動作等運動學機理,建立合理的抓握模型,使外骨骼的機械結構和自由度分布與人體運動關節結構和自由度相匹配,并具有良好的可穿戴性。 2、低質量小慣性傳動結構。由于使用對象是偏癱患者,手部外骨骼應當盡量減少給患者帶來的負擔,同時考慮控制性能,小慣性的傳動結構具有很大優勢。 3、外骨骼的智能主動控制。將動作進行合理的分類,制定控制策略,進行軌跡規劃,并優化算法,避開奇點。同時,探索將力信號引入位置環,以實現外骨骼的柔順控制(阻抗控制)。 4、實驗及評價方法。建立完善的實驗方法和評價體系方法,有利于柔性外骨骼系統的設計發展,也有利于形成針對偏癱患者的量化治療方法,改變以往過分依賴經驗治療的局面。 三、研究方法及實現方案 本課題總的研究思路是:參考其它外骨骼類的研究,在相同相似之初借鑒并加以改進應用,不同之處摸索實驗,尋找最適合于空間機械手遙操作的方法。具體研究方法步驟如下: 1)人體運動學部分:參考國標中成年人手臂尺寸,在計算機中模擬,獲得手指末端的運動位置;按照所做的方案模擬,獲得外骨骼手指末端的運動位置;兩者進行對比,對運動同步性進行分析。 2)具體結構設計部分:設計并驗證柔性外骨骼系統,根據具體結構特性,確立不同的優化目標,建立數學模型,求解優化結果,同時進行實驗對比分析。 3)控制系統部分:在控制結構中,充分地考慮人在控制回路中的作用以及人機之間相互決策的關系,實現人機協調控制策略。作品將首先對人機智能外骨骼系統中人機合作的任務智能分配進行總結,然后從包括感知層的信息感知和交互、決策層第人機一體化協調控制以及執行層的人機交互等三個方面對人機交互控制方法進行研究。 (一)總體技術路線。作品將在系統分析的基礎上開展外骨骼控制系統樣機設計、制作及調試、實驗工作。待技術成熟后,將投入運行使用。 (二)人手解剖學分析。手是人體由肩關節開始的杠桿的力學鏈的最后一個環節,其多個關節、自由度允許手在一個很大的空間范圍內運動,完成多項任務,從抓握各種形狀到觸摸探察,再到手語表達,可以實現不同功能,而手指19塊骨、14個關節正是這些超常適應性的結構基礎。 針對運動肢體的建模,通??梢苑譃槿悾褐恍枇私怅P節力和力矩的多剛體開鏈模型,稍微復雜的剛度—阻尼系統模型,以及需要計算各肌肉受力情況的多肌肉高仿真模型。本作品采用多剛體開鏈結構角度建立力學模型。 從解剖學的角度來看,人手關節構造復雜,現有技術很難以做到完全的仿生設計。在建模過程中,關節數越多,設計的難度就越大,相應制造難度更大,特別是在多自由度關節位置。因此,合理的選擇關節運動模型,以簡單有效的結構形式實現研究所需的全部功能,是手部機械外骨骼設計的基本出發點。 基本抓握動作通過拇指、食指和中指三個手指即可實現,而無名指、小指的設計控制與食指、中指完全類同,僅在尺寸上發生變化,故本文選擇了采用三指模型。 同時研究表明,指掌關節和近端指間關節的屈曲運動為控制手指動作的主要自由度,指掌關節側擺自由度則是為了提高手部姿態的適應能力,而遠端指間關節屈曲自由度是一個非獨立自由度,與近端指間關節存在耦合關系,且遠端指骨間關節在抓握動作中通常只起到配合作用。 因此,本作品在自由度上做如下處理。食指和中指保留三個自由度,指掌關節屈曲自由度、近端指間關節屈曲自由度和遠端指間關節屈曲自由度,且末端兩自由度存在耦合關系,同時拇指保留屈曲自由度和內收外展自由度,考慮機構設計,內收外展為被動自由度。這樣就得到了8自由度的三指抓握模型。 (三)系統方案 系統共有4部分組成,上位機、下位機、電機-絲杠驅動機構和多連桿傳動機構,上位機通過can總線將指令發送給下位機,下位機與電機之間構成閉環子系統,最后各關節的運動信息由傳感器反饋至上位機。 由上文可知,運動傳遞主要有兩類運動傳遞鏈。近端指節運動傳遞鏈和中遠端指節運動傳遞鏈。 本作品采用固定式方案,避免了讓患者去承擔裝置的重量,而所采用的材料以非金屬為主,降低外骨骼本身的慣量,少數集中受力位置采用硬質鋁合金,實物照片中顯示的是以金屬材料為主,目前正在更換非金屬材料制作的外骨骼。 1)近端指節運動傳遞鏈 近端指節運動傳遞鏈將掌指關節的轉動運動傳遞到手背上,變為直線運動,以便于控制。該運動傳遞鏈可行性較高的為曲柄滑塊(或相似)機構和鋼絲繩傳動機構兩個方案,為了獲得更好的受力狀況,并且能夠雙向受力,本課題擬采用曲柄滑塊機構作為近端指節運動傳遞鏈。 2)遠端和中端指節運動傳遞鏈根據手部解剖學原理,遠端指節和中端指節在運動中并非完全獨立,存在一定程度的耦合,即遠端指節的轉動角度大致為中端指節轉動角度的3/4,具體數值因個體有所差異。 由于遠端指節距離手部最遠,運動傳遞鏈設計最為復雜,而起作用在抓握中并非絕對必要,故選擇傳動方案,可以考慮或者舍棄遠端指節傳遞鏈,或者遠端指節運動傳遞鏈不承受載荷僅當做傳感器使用;另一方面,中端指節的運動傳遞鏈的思路與近端指節相似直接通過連桿將中端指節的運動傳遞到手背位置,既不利于機構設計,也不利于力的傳遞,因此將借助近端指節,以其為連桿機構的一部分傳遞力和運動。 本作品擬采用多連桿機構作為運動傳遞鏈,同時使遠端指節和中端指節轉動存在耦合關系,即遠端指節的轉角大約為近端指節轉角的3/4。 3)驅動部分 康復訓練裝置的負載對象是人手,相對而言屬于輕載狀況,同時動作的靈巧性和準確性要求也較高,故適合采用伺服電機驅動。由于各運動傳遞鏈的輸入端均為直線移動的滑塊,考慮空間結構尺寸,采用絲杠傳動。 4)手部外骨骼康復機器人控制系統 控制系統方面,采用二級控制系統。上位機直接采用PC機,主要用于向下位機發送步態及位姿軌跡命令,創建并實時更新患者數據庫以及通過用戶界面進行人機交互等功能的實現。下位機采用單片機,并與外骨骼各關節的電機“一對一”的構成電流、速度、位置的小閉環,直接控制電機執行上位機發出的軌跡命令。同時,作品將探索力控制模式下的抓握動作康復訓練。 選用工控機或配置較高、運算速度快的PC機作為上位機,負責用戶面板的人機交互,數據采集與顯示,建立及更新病人數據庫,向下位機發送步態控制命令等任務。下位機選用直流伺服電機專用的電機控制器,其與電機以及電機配備的光電編碼器構成位置、速度、電流閉環,可以實現對電機位置、速度、力矩的精確控制,以達到對外骨骼關節角度、角速度、轉矩的精確控制。數據采集同樣利用與PC機PCI插接的DAQ卡,實時采集下肢康復訓練時各個關節的力信號,以及日后擴展的關節角度信號等。最后,一些出于安全考慮裝設的限位開關以及緊停開關等,可根據具體要求通過自制的接口板電路與相應的控制器I/O接口連接,以保證康復訓練時患者以及系統自身的安全。 5)控制系統軟件 在設計開發軟件的時候主要考慮以下的幾條基本原則: (1) 基本功能的完整性,包括:電機實時位置、速度、力矩控制,外骨骼關節角度、角速度等數據的采集,顯示訓練數據的用戶界面,用于記錄患者基本信息及下肢康復訓練數據的患者康復訓練數據庫等。 (2) 體系結構的穩定性,如果體系結構經常變動,那么建筑在體系結構之上的用戶界面、患者數據庫、功能模塊等也要跟著經常變動,這將導致發生混亂。 (3) 可擴展性,具體指軟件擴展新功能的容易程度。 (4) 友好性,包括:保持界面空間布局的合理性,豐富完善的操作提示及確認,能有效避免錯誤操作,合理利用顏色和圖形,選擇合適的字體和字號等。 軟件包括初始化和主程序循環兩大部分。主程序循環中又包含有,設置監視、運動曲線計算、數據處理、訓練數據顯示及記錄四個環節。 程序運行后,首先進入的是初始化環節。由于初始化環節是用戶界面程序按預先的設定自動在后臺運行的,不受用戶控制,所以可以考慮采用順序、并行方式運行各初始化的子程序,以提高運行效率。 監視環節,主要是用來在外骨骼執行康復訓練動作開始前,接收用戶通過人機交互設備發出的操作設置命令,為后續環節收集必要的參數。 運動曲線計算也是一步后臺運行程序,不受用戶控制,作用是根據上一環節用戶提供的設置及配置命令,計算出外骨骼動作所需的運動曲線,然后直接傳遞到下一環節。 數據處理環節則是將康復訓練時,系統捕獲的訓練數據實時地通過上位機顯示器屏幕反饋給用戶并記錄于相應的患者數據庫中。 訓練完成后,由“Exit”退出系統。 具體的編程實現采用圖形化編程語言Labview。 四 安全性設計 由于基于外骨骼的智能手部康復訓練裝置直接與患者進行接觸,安全問題顯得尤為重要。本作品的安全性是通過結構和控制兩方面予以保證的。 結構安全性側重于裝置的運動位置。每個手指的兩個動力都是通過曲柄滑塊機構輸入的,滑塊的行程決定了外骨骼手指的運動范圍只在人手的正?;顒臃秶畠?,超過此范圍的運功將無法實現。 控制安全性則側重裝置輸出的力。由于電機轉矩的輸出是通過控制電流來實現的,當遇到障礙物時,為了克服阻力,電流會升高增大輸出轉矩,故可通過限制電流,來確保外骨骼不會對患者產生過大的力。本控制系統中設定了安全電流為0.35A,對應的輸出轉矩為3.24mNm。 五 空間可達性 為了驗證前述方案在空間可達性方面是否滿足人手的空間可達性要求,對其進行了實驗。實驗采用了攝像跟蹤的方法,可以看出外骨骼和人手大致的運動趨勢是一致的。其中外骨骼指節軌跡和人手指尖軌跡存在一定距離,是因為實際人手尺寸與外骨骼并不能完全吻合引起;外骨骼指尖軌跡在屈曲末尾急劇回收,則是因為外骨骼的遠端指節和中端指節進行了耦合,而實際臨床試驗中很少遇到需要完全屈曲的狀況。綜上,實驗驗證外骨骼的空間可達性能滿足人手要求。 六、創新點 通過上文闡述,本課題的創新點主要可以歸納為兩方面:仿生機電系統設計和由此帶來的康復訓練理論化量化。 (一)仿生機電系統設計 1、以生物外骨骼為原型的仿生設計,并將其與機械手技術相結合,目前同類技術尚處于起步階段; 2、自由度的仿生設計,方案所采用的8自由度三指抓握模型,以人手固有骨骼結構為基礎進行合理簡化,不僅使系統能完成主要的抓握動作,還解決了設計空間不足等問題,這一點尚未在文獻中出現; 3、零件結構的仿骨骼設計等。 目前上述創新之處均已獲國家發明、實用專利保護。 (二)康復訓練理論化量化 1、自動化運行,建立患者數據庫,使醫生能夠進行定量比較分析,包括與正常人的橫向對比、患者自身的縱向對比,并以此為依據展開理論研究; 2、患者獨立數據,因人而異地制定訓練計劃,針對性治療,保證治療效果;同時,在很多二三線城市,不具備對手部中風患者治療的條件,或者缺少經驗豐富的醫生,本作品的自動化、智能化的特點正適合于無人治療或者遠程治療。 七、研究進度及已取得成果(一)研究進度 本課題始研于2007年國家大學生創新實驗計劃提握式助動義手(已結題),2008年完成第一輪設計研究,2009年完成第二輪設計研究,2010年完成第三輪設計研究。目前,基于外骨骼的智能手部康復訓練裝置的制造加工及初步調試已經完成,正處在優化改進階段。同時也在聯系醫院相關專家,探討臨床實驗中的相關問題。(二)本作品目前已取得成果如下: 1. 發明專利 一種外骨骼機械手及其使用方法 - 200910061213.4 ,已授權,作者為第一發明人; 2. 發明專利 固定式康復訓練外骨骼機械手 – 201110121085.5 ,申請中,作者為第二發明人(指導老師第一發明人); 3. 實用新型 一種多手指外骨骼機械手-200920229468.2,已授權,作者為第一發明人; 4. 樣品一件,見附圖。 (三)本作品所采用相關技術在國內外均屬于起步階段,尚無成熟產品出現,目前的臨床試驗主要針對可行性,并在醫生的指導和監督下進行。實驗地點為XX省新華醫院(三甲)腦科,主任醫生為徐彬,患者中風后手部肌肉萎縮,導致肌力下降,臨床鑒定為4級(正常人5級),可以做出大部分動作,但不能應付精密動作或者需要力量的動作,如拿快子。單個完整療程需要2-3周,并且需要藥監部門的批準,故此處只做了三次初步臨床試驗。 主任醫生徐彬認為“機器設計合理,符合人的本能運動功能”同時“臨床可行、可操作,對臨床肯定幫助很大,具有很大的潛在市場”。 八、總結 現已完成實驗模型的加工制作,隨著作品的深入,也對手部外骨骼及康復訓練有了更為全面深刻的認識,積累了寶貴的實際經驗和實驗數據結果,這對于進一步深化和以后相關作品的開展都具有積極的促進意義,目前正在調試控制系統。希望一直以來不懈的努力研究成果能為后來者提供一些參考,更為康復醫療事業做出一份貢獻。

作品圖片

  • 基于外骨骼的智能手部康復訓練裝置
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作品專業信息

設計、發明的目的和基本思路、創新點、技術關鍵和主要技術指標

一、目的:針對手部中風患者和肌肉衰退老年人,傳統康復訓練的不足在于:過于依賴醫生的經驗;掌握方法的醫生很少,偏遠地區無法治療;對于病人的個體差異性問題,缺乏相應的針對措施。而智能機器人靈巧手動作量化精準、自動化、過程可控可觀測。將其與可穿戴外骨骼技術融合,即為前述問題的解決方法。作品旨在研究一種基于外骨骼的手部康復訓練裝置,可穿戴,動作量化,可建數據庫,對個體差異,進行有針對性的治療。二、思路:患者穿戴本裝置,同時新建或載入患者數據庫,由醫生進行模式選擇,手部康復訓練裝置則對患者實施康復訓練,并記錄數據,供醫生研究分析。 三、創新點 1 仿生機電系統設計:1)以生物外骨骼為原型的仿生設計;2)8自由度抓握模型仿生設計;3)零件結構的仿骨骼設計。2 康復訓練理論化量化:1、建立患者數據庫,使醫生以此為依據展開理論研究;2、患者獨立數據,因人而異地制定訓練計劃、任務。四、技術關鍵和技術指標 1、擬人化設計,以解剖學為基礎,建立合理模型,使外骨骼自由度與人手協調。2、低質量小慣性傳動結構。3、外骨骼的智能主動控制。將動作進行合理的分類,進行軌跡規劃,并制定控制策略,實現外骨骼的柔順控制。4、實驗及評價方法,建立完善的實驗方法和評價體系方法,改變以往過分依賴經驗治療的局面。 5、技術指標:負載(手指)100克;關節轉動角速度30°/s;壽命2 年;位置控制誤差小于3%;滿足正常身材成年人的可穿戴性。

科學性、先進性

本作品的先進性體現國內外手部外骨骼康復技術處于起步階段,尚無成熟研究;科學性則體現在合理的結構方案及控制方案。 現階段大部分研究者著重于單只外骨骼的研究,遇到的問題有:外骨骼本身及其動力源、控制系統等會給使用者帶來額外的負擔;單指結構雖然更容易,但在人手主要動作方面,則很難考慮周全。另一方面,傳動方式上,現有的鋼絲繩柔性傳動只能單向受力,而連桿剛性傳動因手指末端自由度距機架過遠,機構繁冗。 本作品采用了目前較少見的固定式結構,避免設備本身成為患者的負擔;采用三指抓握模型,可對患者進行手指的訓練和動作輔助訓練。采用了多連桿機構將遠端指間關節和中段指間關節運動耦合起來,提高整體結構剛度,避免機構繁冗??刂葡到y采用二級控制系統。上位機向下位機發送步態及位姿軌跡命令,創建并實時更新患者數據庫以及通過用戶界面進行人機交互。下位機與外骨骼各關節的電機構成電流、速度、位置的小閉環,直接控制電機執行上位機發出的軌跡命令。

獲獎情況及鑒定結果

1、校賽“挑戰杯”科技作品競賽,A類,一等獎。 2、省賽“挑戰杯”科技作品競賽,A類,一等獎。 3、省新華醫院(三甲)腦科,初步病例實驗,具備臨床可行性。4、作品論文Design of a Hand Exoskeleton Rehabilitation Device 被2011 International Conference on Mechatronics and Materials Processing(ICMMP)錄用,EI檢索。5、科技查新,國內未見相同報道、文獻。

作品所處階段

中試階段

技術轉讓方式

作品可展示的形式

1、實物 2、現場展示 3、圖片

使用說明,技術特點和優勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測

一、使用說明首先登陸數據庫,新建或者讀取專屬數據文件;穿戴上外骨骼;醫生對康復訓練模式進行選擇;患者手指在外骨骼的帶動下動作;切換不同動作、速度;訓練完成,患者數據載入數據庫;醫生根據數據給出相關指導意見。二、特點、優勢及適用范圍、推廣前景 1、技術特點包括:擬人化仿生設計;固定式8自由度抓握模型,多連桿機構傳動;二級控制系統,實時采集患者運動信息;數據庫管理患者信息。 2、隨之而來的優勢有:良好的可穿戴性和舒適性;可完成多種手部康復訓練任務,剛度強;控制系統簡單,易于維護;以數據庫為基礎,醫生可展開理論化、量化的研究。 3、本作品針對手部中風患者和肌肉衰退老年人而設計。 4、本作品擁有完全自主知識產權的技術產品,將促進我國輔助器具領域知識產權和技術標準進一步完善,有利于獲取相關知識產權份額,有重要的社會意義。三、市場分析和效益預測 僅北京地區1991-2000年間有0.135%的人口罹患中風,以此推算全國約有185萬人患有中風,具有廣闊的市場前景。;作品具備一定技術含量;填補市場空白。

同類課題研究水平概述

機械外骨骼技術早在上世紀就已被提出,并嘗試運用于軍事領域;同時,也對康復治療和災害救援提供了全新的思路,因而被廣泛關注。進入2000年后,以美日為代表,機械外骨骼技術進入了快速發展階段。國內有關機械外骨骼技術的研究最早見于2004年左右,醫療康復是其主要研究方向。開展相關研究的主要有河北工業大學、哈爾濱工業大學、浙江大學等相關科研機構。(一)上肢外骨骼的研究 1)外骨骼最早的研究可以追溯到上世紀60年代,通用電氣公司與美國軍方合作開發一種外骨骼。它使得舉起120公斤的重物就像舉起5公斤重物那樣輕松。 2)美國加利福尼亞大學一直致力于外骨骼康復機器人的研究,采用肌電控制,目前已能讓使用者達到95%的正常人手臂運動范圍 3)浙江大學流體傳動與控制國家重點實驗室于上世紀90年代開始相關方面研究,在2004年左右研制出帶有氣動力反饋的外骨骼系統,并申請相關專利。(二)下肢外骨骼 1)美國加州大學伯克利分校的人體工程實驗室在2004年研制出了Berkeley Lower Extremity Exoskeleton. BLEEX。 2)針對機械外骨骼,MIT也有所研究,目前他們他們最新的成果能使操作者負重80磅而感覺只有16磅,與BLEEX相比,自重減輕了許多,相對負重也要大很多。 3)2003年筑波大學山海嘉之教授為首的Cybernics 實驗室研制出了世界上第一種商業外骨骼機器人,于2008年開始批量生產。這是一種自動化機器人腿,這種裝置能幫助殘疾人以每小時4 千米的速度行走, 毫不費力地爬樓梯。(三)手部外骨骼 1)早在1997年來自Vanderbilt大學的一個研究小組,他們在報告中提出以外骨骼的方式減輕宇航員艙外操作時手指的疲勞程度。 2)卡耐基梅隆大學機器人研究所的手部外骨骼項目,旨在幫助手指存在一定功能障礙的患者康復,主要采用肌電信號控制(EMG)。 3)華中科技大學的手部外骨骼康復機器人采用了二條氣動肌肉,分別控制拇指的外展和其余四指的拉伸,自由度較少,動作簡單?,F階段的外骨骼技術應用,主要集中在上肢(不含手部)、下肢等部位,對于手指這樣靈巧、細小的部位,多為單個手指或者簡單自由度的研究,尚未出現多手指多自由度的成熟外骨骼方案。本作品在2007年國家大學創新實驗計劃的基礎上,不斷改進,最終形成現階段的作品。
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