人體上肢輔助康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的開發(fā)

戴鳳智，劉 波，岳遠(yuǎn)里，白瑞祥

（天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300222）

?

人體上肢輔助康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的開發(fā)

戴鳳智，劉 波，岳遠(yuǎn)里，白瑞祥

（天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300222）

摘 要：開發(fā)了能夠幫助上肢癱瘓患者逐步恢復(fù)上肢運(yùn)動(dòng)功能的上肢輔助康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備.通過編寫上肢動(dòng)作組控制該設(shè)備模仿正常人體上肢動(dòng)作，以此帶動(dòng)患者上肢的康復(fù)運(yùn)動(dòng).在設(shè)計(jì)上肢動(dòng)作時(shí)，參考人體醫(yī)學(xué)相關(guān)知識和人體生理結(jié)構(gòu)特征，獲得上肢運(yùn)動(dòng)的極限位置信息，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選材.控制系統(tǒng)采用高精度、大扭力舵機(jī).實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合人體上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律.

關(guān)鍵詞：上肢康復(fù)；訓(xùn)練器械；安全性；舒適性；康復(fù)動(dòng)作組

中風(fēng)和偏癱疾病嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量.若不能及時(shí)進(jìn)行康復(fù)治療，可能會(huì)導(dǎo)致肌肉廢用性萎縮，并對消化系統(tǒng)和心腦血管系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響［1］.接受康復(fù)訓(xùn)練能有效緩解病情，長期堅(jiān)持肢體訓(xùn)練能取得較好的康復(fù)效果［2］.

康復(fù)運(yùn)動(dòng)分為被動(dòng)運(yùn)動(dòng)、按摩運(yùn)動(dòng)、助力主動(dòng)運(yùn)動(dòng)、主動(dòng)運(yùn)動(dòng)和抗阻力運(yùn)動(dòng)等.通過適當(dāng)?shù)纳现珓?dòng)作引導(dǎo)和輔助訓(xùn)練，能重新恢復(fù)上肢運(yùn)動(dòng)功能，增強(qiáng)上肢力量，重新修復(fù)受損的運(yùn)動(dòng)機(jī)能，防止上肢畸形癱瘓和肌肉萎縮.肌肉得到鍛煉能加快上肢血液流動(dòng)，間接增強(qiáng)心腦血管功能，對患者的心理和精神方面也有一定的緩解作用.

清華大學(xué)研制的二連桿結(jié)構(gòu)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人［3］，是通過二連桿在平面的復(fù)合運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)手臂做康復(fù)訓(xùn)練，在關(guān)節(jié)處通過兩臺(tái)伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng).在不同的康復(fù)訓(xùn)練階段，通過控制二連桿速度和力的大小來滿足患者不同階段的訓(xùn)練要求.但機(jī)器人只能對患者進(jìn)行單臂的簡單屈伸運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，并且不具有對患者進(jìn)行局部肌肉震動(dòng)和按摩的功能，在外觀上也容易使患者產(chǎn)生畏懼心理，影響康復(fù)效果.

哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所開發(fā)的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人［4］，主體材料采用硬鋁合金，具有可穿戴式結(jié)構(gòu).患者坐在座椅上能夠?qū)崿F(xiàn)肩部屈伸、外展/內(nèi)收和肘部屈伸等訓(xùn)練，安全性較高.實(shí)驗(yàn)表明該機(jī)器人能夠?qū)颊呱现M(jìn)行多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練.缺點(diǎn)是這種訓(xùn)練是針對關(guān)節(jié)的屈伸等運(yùn)動(dòng)，而不是針對動(dòng)作組（完成一個(gè)連貫動(dòng)作需要多關(guān)節(jié)連續(xù)合作進(jìn)行，例如伸臂取水杯并拿到嘴邊）.

目前已有的康復(fù)訓(xùn)練器具，不能很好地控制康復(fù)動(dòng)作組及運(yùn)動(dòng)量.并且多數(shù)康復(fù)設(shè)備著重考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)，整個(gè)設(shè)備只有很少的自動(dòng)化系統(tǒng)加入.因此，智能化程度較低.由于肢體康復(fù)訓(xùn)練器具開發(fā)工作還處于初級階段，市面上沒有質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的成品銷售，其在技術(shù)性和功能性方面還有很多沒有突破的難點(diǎn)，突出表現(xiàn)在安全性能、使用舒適性、輕便性、連續(xù)工作時(shí)間等幾個(gè)方面［5-6］.

本文設(shè)計(jì)了人體上肢輔助康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，并在機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、動(dòng)作組設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了探討.

1　上肢輔助康復(fù)設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)

1.1人體上肢的運(yùn)動(dòng)范圍

為讓患者在安全和舒適的條件下進(jìn)行訓(xùn)練，充分考慮了人體上肢的運(yùn)動(dòng)極限和運(yùn)動(dòng)范圍.人體上肢生理結(jié)構(gòu)允許運(yùn)動(dòng)的極限角度是：前臂旋外和旋內(nèi)均為80°～90°.以人體直立手臂下垂為基準(zhǔn)，手臂上抬和向后伸展的極限角度分別為170°和40°，水平左右擺動(dòng)角度為70°和60°.

為了防止在訓(xùn)練過程中發(fā)生意外，給患者造成傷害，在進(jìn)行康復(fù)動(dòng)作組的編制時(shí)，留出安全余量范圍，保證訓(xùn)練的安全，設(shè)定安全角度（不能超過極限角度）范圍如下：前臂旋外和旋內(nèi)角度均為0°～50°；以人體直立手臂下垂為基準(zhǔn)，手臂上抬和向后伸展的角度范圍分別設(shè)定為0°～130°和0°～10°，水平左右擺角均為0°～30°.

機(jī)械設(shè)計(jì)參考了國家標(biāo)準(zhǔn)GB10000—1988［7］，符合人體生理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1）.

表1　中國成年人人體尺寸Tab.1　Chinese adult body size

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)獲得的成年人體上肢各部位的質(zhì)量、長度與人體身高體質(zhì)量mt的關(guān)系如下：

前臂質(zhì)量m1=0.018，mt

前臂長度l1=0.146，ht

上臂質(zhì)量m2=0.035，7，mt上臂長度l2=0.159，ht

1.2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上肢輔助康復(fù)設(shè)備需要足夠的強(qiáng)度，能承受人體手臂的壓力和拉力.支架采用強(qiáng)度較高的鋁型材［4］，在固定人體上肢的部位采用有機(jī)玻璃板.有機(jī)玻璃板的質(zhì)量較輕，且強(qiáng)度能夠支撐人體手臂的質(zhì)量.將有機(jī)玻璃板彎折一個(gè)弧度，該弧度符合人體上肢的生理結(jié)構(gòu)，讓手臂在恢復(fù)過程中更加舒適，在緊固手臂后使患者沒有不適感.外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成與人體上肢形狀類似的外骨骼.設(shè)備的上臂和前臂裝置設(shè)計(jì)成分離的結(jié)構(gòu)，便于肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng).圖1所示為上肢輔助康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的三維設(shè)計(jì)外形.

圖1　 上肢輔助康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的三維設(shè)計(jì)外形Fig.1　3D design of upper limb rehabilitation training equipment

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮到不同患者的情況不同，在連接件上設(shè)計(jì)出更多的連接孔，使不同患者能夠根據(jù)需求來調(diào)節(jié)設(shè)備的前臂和上臂長度.在肩部也設(shè)計(jì)了可調(diào)工件，可以進(jìn)行細(xì)微調(diào)節(jié).完成粗略調(diào)節(jié)的機(jī)構(gòu)為一套十字滑臺(tái)導(dǎo)軌，動(dòng)力源為步進(jìn)電機(jī).通過遙控便可以進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)［8］.

整個(gè)設(shè)備固定于座椅之上，占地面積小，并能夠給患者更加舒適的體驗(yàn).在選取零部件時(shí)，盡量選用標(biāo)準(zhǔn)件，以使零件更換更為方便.在一些可調(diào)零件的設(shè)計(jì)上，通過調(diào)節(jié)打孔的間隔和密度來靈活實(shí)現(xiàn)尺寸的調(diào)節(jié).

上肢輔助康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和機(jī)械結(jié)構(gòu)三視圖如圖2所示.

綜合考慮材料的密度和成本，選用厚度為6，mm 的70系列鋁板作為支架，其材質(zhì)較輕，強(qiáng)度適當(dāng)，可滿足需要.若人體身高1.754，m、體質(zhì)量71，kg，則人體上肢單條手臂質(zhì)量m0=3.8，kg，上肢全臂（上臂加前臂）長l=0.586，m［7］，選用6，mm厚的鋁板可以支撐起人體上肢［4］.

圖2　 上肢輔助康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Structure of upper limb rehabilitation training equipment

1.3機(jī)械強(qiáng)度校驗(yàn)

為保證設(shè)計(jì)的安全性，需要進(jìn)行螺母切應(yīng)力的計(jì)算.設(shè)螺栓的剪切力為FR，則剪切強(qiáng)度其中，d0=6，mm為螺栓抗剪面直徑.螺栓的許用剪切強(qiáng)度［τ］為3.5～5.0，MPa，應(yīng)滿足τ≤［τ］.

設(shè)F為每個(gè)M4螺母所受螺栓剪切力，h= 19，mm為螺釘?shù)叫牡木嚯x，取重力加速度g= 9.8，m/s2，則

滿足τ≤［τ］.

2　上肢輔助康復(fù)設(shè)備的控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的主控制器采用stm32系列ARM芯片.在動(dòng)作組的控制和執(zhí)行上使用舵機(jī)控制板，通過調(diào)節(jié)占空比來精確控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度.

提前在舵機(jī)控制板內(nèi)存儲(chǔ)若干套預(yù)先編排的動(dòng)作.當(dāng)舵機(jī)控制板與主控芯片STM32F103RBT6通信時(shí)，能按照患者的需求調(diào)取存儲(chǔ)的康復(fù)訓(xùn)練程序.在上肢康復(fù)設(shè)備的背部設(shè)置有按鍵，患者家屬或醫(yī)生也可以依照康復(fù)需要為患者選擇不同的康復(fù)運(yùn)動(dòng)模式.

上肢輔助康復(fù)系統(tǒng)配備液晶顯示設(shè)備，能夠?qū)?dāng)前的運(yùn)動(dòng)模式、運(yùn)動(dòng)量等信息顯示出來，還能顯示康復(fù)訓(xùn)練時(shí)間的長短和康復(fù)動(dòng)作組的選擇，便于患者本人和家屬清楚康復(fù)狀況，也使醫(yī)護(hù)人員能夠更好地了解當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以便為患者合理地安排康復(fù)運(yùn)動(dòng)組以及訓(xùn)練的時(shí)間和強(qiáng)度.

上肢輔助康復(fù)設(shè)備還具有超限報(bào)警功能.由于占空比調(diào)節(jié)輸出時(shí)有可能占空比過大而導(dǎo)致舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度偏大，如果超出人體上肢的運(yùn)動(dòng)范圍就會(huì)發(fā)生事故.根據(jù)人體上肢醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)，在機(jī)械設(shè)計(jì)和程序中預(yù)先設(shè)定好人體上肢運(yùn)動(dòng)的角度范圍.如果在康復(fù)過程中設(shè)備將要超過限定數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)由角度傳感器監(jiān)測到這一變化，會(huì)反饋到主控芯片并觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)來阻止這一動(dòng)作，使之保持在安全范圍內(nèi)，防止對患者造成傷害.

為達(dá)到訓(xùn)練強(qiáng)度和恢復(fù)效果，采用大扭力舵機(jī)（ASMC-02系列舵機(jī)）帶動(dòng)人體上肢進(jìn)行康復(fù)運(yùn)動(dòng).在電源方面選擇大功率多電壓輸出的開關(guān)電源作為設(shè)備電源.這樣，在滿足電機(jī)的電壓要求同時(shí)，可使電機(jī)有足夠能量帶動(dòng)上肢運(yùn)動(dòng)，又能滿足芯片的安全電壓要求.

3　上肢輔助康復(fù)設(shè)備的動(dòng)作組設(shè)計(jì)

人體肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是通過手臂的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的.要設(shè)計(jì)出合理的肩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練方案，就要對人體手臂的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行處理.根據(jù)人體解剖學(xué)理論的人體方位圖如圖3所示.

人體垂直站立，垂直地面且通過人體的軸稱為垂直軸，通過人體的前后方向且與垂直軸垂直的軸稱為矢狀軸（縱軸），通過人體且與以上兩軸都垂直的軸稱為冠狀軸（橫軸）.

人體解剖學(xué)把人體分為3個(gè)平面：

（1）水平面（橫切面），是與地面平行且穿過矢狀軸和冠狀軸的平面，其將人體分為上、下兩部分；

（2）冠狀面（額狀面），是與矢狀軸垂直且穿過冠狀軸和垂直軸的平面，其將人體分為前、后兩部分；

（3）矢狀面（縱切面），是與冠狀軸垂直且穿過矢狀軸和垂直軸的平面，其將人體分為左、右兩部分.

人體解剖學(xué)定義肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方式有3種：

（1）屈伸運(yùn)動(dòng)，為手臂在矢狀面上繞冠狀軸運(yùn)動(dòng)，向前為屈，向后為伸；

（2）外展、內(nèi)收運(yùn)動(dòng)，為手臂在冠狀面上繞矢狀軸運(yùn)動(dòng)，遠(yuǎn)離軀干為外展，靠近軀干為內(nèi)收；

（3）外旋、內(nèi)旋運(yùn)動(dòng)，為手臂在水平面上繞垂直軸運(yùn)動(dòng)，遠(yuǎn)離軀干為外旋，靠近軀干為內(nèi)旋.

圖3　 人體方位圖Fig.3　Human orientation

上肢的運(yùn)動(dòng)按照運(yùn)動(dòng)的自由度可分為2類：

（1）單關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，即只進(jìn)行單一關(guān)節(jié)的訓(xùn)練，如肘關(guān)節(jié)的彎曲和伸展運(yùn)動(dòng).這是在康復(fù)訓(xùn)練的初期或者為了提高特定肌群的力量所采用的訓(xùn)練方式.運(yùn)動(dòng)方式單一，但目的性較強(qiáng)，可用于增強(qiáng)神經(jīng)系統(tǒng)對特定動(dòng)作的印象，促進(jìn)神經(jīng)功能的快速康復(fù).

（2）復(fù)合運(yùn)動(dòng)，在關(guān)節(jié)肌肉中，多關(guān)節(jié)肌占多數(shù)，所以必須進(jìn)行復(fù)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練.通過復(fù)合運(yùn)動(dòng)可以鍛煉肌肉的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)能力，以及對多種肌肉群的控制能力.復(fù)合運(yùn)動(dòng)主要采用基于特定任務(wù)的方式實(shí)現(xiàn)，如拿水杯喝水.一系列動(dòng)作必須通過多關(guān)節(jié)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)才能實(shí)現(xiàn).在訓(xùn)練時(shí)，因?yàn)橐?jīng)歷長時(shí)間多次嘗試與失敗，從心理上要給予患者積極的配合，提高患者康復(fù)的信心.進(jìn)行復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)必須非常小心，避免肌肉損傷.

上肢輔助康復(fù)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)必須設(shè)計(jì)成能夠復(fù)現(xiàn)正常人體上肢各種運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，以此帶動(dòng)患者上肢肌肉的收縮與舒張［9］.將這種訓(xùn)練設(shè)計(jì)成不同的動(dòng)作組.動(dòng)作組由不同的運(yùn)動(dòng)模式（水平運(yùn)動(dòng)模式、豎直運(yùn)動(dòng)模式和伸展運(yùn)動(dòng)模式）組成.不同模式鍛煉不同的肌肉組織群，讓康復(fù)效果更好［10］.部分動(dòng)作姿態(tài)如圖4所示.

圖4　 部分動(dòng)作姿態(tài)Fig.4　Partial action pose

4　實(shí) 驗(yàn)

上肢輔助康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備實(shí)物見圖5，利用其進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

圖5　 上肢輔助康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的實(shí)物圖Fig.5　Physical map of upper limb rehabilitation training equipment

4.1實(shí)驗(yàn)樣本

實(shí)驗(yàn)在天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院人體仿生學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行.隨機(jī)選取大一至大三學(xué)生共16人（8名男性，8名女性）作為實(shí)驗(yàn)樣本.所有受試者均為身體健康、無運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)病史的正常成年人，并在實(shí)驗(yàn)人員的指導(dǎo)下認(rèn)真閱讀了本次實(shí)驗(yàn)方案，表示愿意接受實(shí)驗(yàn).受試者基本情況見表2.

表2　受試者的基本情況Tab.2　Human subjects

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括空載運(yùn)行、單臂上肢牽引運(yùn)動(dòng)和雙臂上肢牽引運(yùn)動(dòng)：

（1）空載運(yùn)行，為設(shè)備在無患者使用的狀態(tài)下進(jìn)行無負(fù)載運(yùn)動(dòng)軌跡和動(dòng)作測試；

（2）單臂上肢牽引運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，為受試者坐在實(shí)驗(yàn)椅上，將一只手臂固定在設(shè)備上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；

（3）雙臂上肢牽引運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，為受試者坐在實(shí)驗(yàn)椅上，將兩只手臂固定在設(shè)備上同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

用于分析的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)主要有：實(shí)驗(yàn)中舵機(jī)的運(yùn)行狀況（是否發(fā)生異常抖動(dòng)等）、液晶顯示和報(bào)警設(shè)備（用于運(yùn)動(dòng)角度的監(jiān)測）是否正常以及受試者的實(shí)驗(yàn)感受等.

4.2實(shí)驗(yàn)步驟

在空載運(yùn)行時(shí)，通過觀察設(shè)備在運(yùn)動(dòng)過程中的抖動(dòng)情況和轉(zhuǎn)動(dòng)速度來查找程序設(shè)計(jì)的不足之處.在空載時(shí)觀察舵機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中是否有明顯的震動(dòng)，同時(shí)觀察報(bào)警器的狀態(tài).在做空載雙臂同時(shí)測試時(shí)，還要使康復(fù)動(dòng)作組兼顧左右兩臂運(yùn)動(dòng)的對稱性.

在單臂上肢牽引運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，將受試者的左臂和右臂輪流固定在上肢輔助康復(fù)設(shè)備的左臂或右臂上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)測試.記錄下受試者的整體感覺和手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)的感受，觀察舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀況和報(bào)警器的狀態(tài).

在雙臂上肢牽引運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，將受試者的雙臂分別固定在上肢輔助康復(fù)設(shè)備的左右臂上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并且在不同的運(yùn)動(dòng)模式間進(jìn)行切換，詢問受試者的感受及觀察舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀況和報(bào)警器的狀態(tài).同時(shí)，還要觀察設(shè)備左右兩臂的運(yùn)動(dòng)是否對稱.

4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在空載運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度正常，無明顯震動(dòng).但開始時(shí)，左右動(dòng)作有些不對稱，通過程序調(diào)整解決了該問題.

在單臂和雙臂的上肢牽引運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，得到表3所示的數(shù)據(jù)（其他未列出的測試數(shù)據(jù)均為正常）.

表3　設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)Tab.3　Experimental result

表3中有4處出現(xiàn)異常.其中2號受試者和7號受試者出現(xiàn)的是舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)異常，后經(jīng)查明是由于程序中占空比設(shè)置不合理造成的.改變設(shè)置后再無震動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生（由震動(dòng)造成了受試者較差的感受）.2號受試者的液晶顯示出錯(cuò)也是由舵機(jī)震動(dòng)引起的，舵機(jī)不再震動(dòng)之后液晶顯示也沒有再出現(xiàn)異常.5號受試者的蜂鳴器異常報(bào)警是由電路連接不穩(wěn)定引起的，對電路重新連接固定后沒有再出現(xiàn)異常.

5　結(jié) 語

本文根據(jù)人體醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)、結(jié)合對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、通過設(shè)計(jì)具有可調(diào)性的機(jī)械結(jié)構(gòu)、搭建電路和控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了上肢輔助康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備.利用預(yù)先設(shè)計(jì)的康復(fù)動(dòng)作組，在選擇模式后可實(shí)施動(dòng)作康復(fù)，并可將康復(fù)信息實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示屏上.

該設(shè)備能夠在一定程度上代替康復(fù)理療師對患者的康復(fù)按摩，實(shí)現(xiàn)上肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)的效果.同時(shí)，也考慮到占地面積小、易移動(dòng)、輕便的特點(diǎn)，康復(fù)設(shè)備以座椅為依托，零部件盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件，從而降低了制作成本，電壓采用24，V安全電壓，使用安全可靠.

通過對健康人體的上肢牽引運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的安全性、可靠性及舒適性.根據(jù)受試者的體驗(yàn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)中各舵機(jī)轉(zhuǎn)角以及角速度等信息，對機(jī)械裝置和控制程序進(jìn)一步調(diào)整后，設(shè)備和各動(dòng)作組的編排更加符合人體上肢生理運(yùn)動(dòng)規(guī)律.

下一步將應(yīng)用該設(shè)備，對上肢功能障礙患者進(jìn)行實(shí)際的康復(fù)訓(xùn)練，并根據(jù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備的改進(jìn).參考文獻(xiàn)：

［1］ 朱鏞連，王瑞華，方定華. 神經(jīng)康復(fù)學(xué)［M］. 北京：人民軍醫(yī)出版社，2001.

［2］ 楊明. 肘關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置研究［D］. 武漢：華中科技大學(xué)，2008.

［3］ 胡宇川，季林紅. 從醫(yī)學(xué)角度探討偏癱上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的設(shè)計(jì)［J］. 中國臨床康復(fù)，2004（34）：7754-7756.

［4］ 李慶玲，孫立寧. 基于sEMG信號的外骨骼式機(jī)器人上肢康復(fù)系統(tǒng)研究［D］. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

［5］ Wang H S，Liu Y H，Zhou D X. Adaptive visual servoing using point and line features with an uncalibrated eye-inhand camera ［J］. IEEE Transaction on Robotics，2008，24（4）：843-857.

［6］ 蔡峰. 肩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究［D］. 大連：大連交通大學(xué)，2012.

［7］ 國家技術(shù)監(jiān)督局. GB 10000—1988 中國成年人人體尺寸［S］. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988.

［8］ Guo D Q，Ju H，Yao Y Q. Research of manipulator motion planning algorithm based on vision ［C］//Proceedings of the 6th International Conference on Fuzzy Systems and Knowledge Discovery. Piscataway：IEEE，2009：420-425.

［9］ 金智妍，劉麗娟. 腦卒中偏癱病人的康復(fù)護(hù)理［J］. 臨床護(hù)理雜志，2006（2）：74-76.

［10］ 李巧云. 偏癱病人肩關(guān)節(jié)的康復(fù)護(hù)理［J］. 長治醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，14（1）：67-68.

責(zé)任編輯：常濤

Development of Human Upper Limb Rehabilitation Training Equipment

DAI Fengzhi，LIU Bo，YUE Yuanli，BAI Ruixiang

（College of Electronic Information and Automation，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China）

Abstract：An upper limb rehabilitation training equipment was designed to help upper limb paralyzed patients progressively regain their upper limb moving ability.By programming the upper limb action sets，the training equipment is controlled to imitate the normal human upper limb movement，so that the patient could be trained for upper limb rehabilitation.The equipment is based on the knowledge related to physical medicine and the features of human physiological structure，and the region of human upper limb motion was tested for safety.After the material was selected and the mechanical structure was designed，highly accuracy high-torque steering motors were used for control.The result of the experiment shows that the motion of the rehabilitation training equipment is well in accordance with the laws of human upper limb movement.

Key words：upper limb rehabilitation；training equipment；safety；comfort；rehabilitation action set

中圖分類號：TH69

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-6510（2016）02-0057-05

收稿日期：2015-05-20；修回日期：2015-09-14

基金項(xiàng)目：天津科技大學(xué)科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目（20130123）

作者簡介：戴鳳智（1971—），男，天津人，副教授，daifz@tust.edu.cn.

DOI:10.13364/j.issn.1672-6510.20150064