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六自由度上肢康復儀器
摘要：新的訓練方法和練習使上肢康復機器人的虛擬現(xiàn)實技術應用成為可能。該技術可以定量評價和提高效果的穩(wěn)定性。本文涉及的6自由度康復機急診驅動器的發(fā)展，其包括上肢及手腕的使用。
指數(shù)條款，康復體系，上肢康復，腕關節(jié)康復機器人，ER驅動器
一 介紹
上肢的運動,如飲食和操作電器非常的復雜、多樣且必不可少的日?；顒印Ｒ虼? 養(yǎng)老是重要的問題，鍛煉身體以保持他們的上肢功能。此外,還有很多許多造成中風，癱瘓的病人的 例如，在日本每年兩百五十萬元人都有中風，其中不少是癱瘓。人類的大腦有著一個非凡能力及可塑性程度（自組織），學習能力，開放的運動康復的可能性。因此，神經(jīng)康復中風患者是有效的。
物理治療包括一對一的互動幫助和鼓勵患者通過重復練習治療。機器人治療師消除了不必要的消耗，定量治療及監(jiān)測病人的進展，并確保規(guī)劃治療方案的一致性。
社會中老齡化比例近年來呈現(xiàn)增長的趨勢，他們的身體每況愈下已成為許多國家的社會問題。早期發(fā)現(xiàn)他們身體功能惡化，所以要減少老年人的長期臥床而且還要保障護理以及足夠的康復訓練，這也需要全社會老年人積極參與。使用適用于機器人技術、虛擬現(xiàn)實設備，運用新的訓練方法使康復變得可能。定量反饋一臺計算機可以提高定性的評估訓練培訓效果。因此,一些康復上肢系統(tǒng)發(fā)展運用這些技術然而,他們中的大多數(shù)人申請培訓二維平面，但是許多日常生活的動作,都要在一個手臂垂直的方向上移動。因此,使用系統(tǒng)s練習似乎為此類培訓更有效果。雖然M使用彪馬-560方式IME系統(tǒng)和斯坦福大學能能有三個層面的訓練,美洲獅機器人——最早使用起源于560年工業(yè),殘疾人年齡也可能不能保持足夠的安全培訓
這項工作是在經(jīng)濟上支持新能源及產(chǎn)業(yè)技術，貿(mào)易部和日本的產(chǎn)業(yè)組織發(fā)展等人大阪大學開發(fā)了兩種類型的2自由度顯示系統(tǒng)，使用ER驅動器[4] [5][6]，并已進行了上肢臨床康復的試驗 [6]。在這些系統(tǒng)中，雌激素受體驅動器確?？梢詸C械安全。然后，大阪大學及旭化成集團加入NEDO技術開發(fā)機構項目5年，并在此基礎上制定了的3-D上肢康復器具知識[5]。然后，兵庫醫(yī)科大學進行了臨床評價。
在5年NEDO技術開發(fā)機構開發(fā)康復項目的系統(tǒng)，手腕的康復驅動機的驅動器和自由旋轉。因此，適當?shù)纳现滞罂祻桶ㄔ趦鹊臒o法達到的?？死撞妓?，等。麻省理工學院開發(fā)的機器人手腕[8]，然后已開發(fā)的系統(tǒng)，包括一個5自由度康復麻省理工學院馬努斯手腕機器人[9]。
在本文中，我們提出一個六自由度的發(fā)展趨勢，包括上肢手腕使用，在這個項目中康復機的ER執(zhí)行器將會實際應用到下一代機器人上。2005年國際博覽會在日本的愛知縣舉行，屆時這臺機器將被展出。
圖1 電流變傳動器的概念圖
圖2多圓柱型的ER執(zhí)行器輸出雙旋轉方向扭矩 圖3 多圓柱型的ER離合器
電流變流體是一種流體，其流變特性可以通過施加電場改變[10]。圖1所示
ER流體驅動器的概念圖。?“ER執(zhí)行器是由一個ER離合器，驅動電機和減少齒輪單元組成的。電機的轉速保持恒定。由外加電場控制的ER執(zhí)行器的扭矩的輸出。
截面圖的電流變傳動器可給予在扭矩方向上的輸出。輸入旋轉零件圖（第一部分和第二部分）擁有圓筒結構。輸入旋轉部分由一個電動機通過齒輪順時針旋轉，輸入第二部分是通過同一系列電機齒輪逆時針旋轉。輸入扭矩傳遞是通過輸出軸旋轉的充滿顆粒型電流變流體圓柱部分的旋轉圓筒。兩輸入軸和輸出軸缸作為電極，輸出扭矩是由電氣控制電極之間的應用。該輸出軸是由鋁合金氣缸以降低轉動慣量。圖3顯示離合器圓柱結構。
使用ER流體的執(zhí)行機構是有效的人機共存，上肢康復系統(tǒng)和機電一體化系統(tǒng)一樣[4]。圖4顯示了一個概念圖人機共存，ER流體的執(zhí)行機構使用機電一體化（HMCM）的系統(tǒng)。人機共存是ER執(zhí)行器在應用程序的優(yōu)點，機電一體化（HMCM）的系統(tǒng)
從操作的特點：
（A）由于ER執(zhí)行器具有良好的驅動器，駕駛性能背面，所以操作者可以很容易地從它的運作機電一體化系統(tǒng)。
（B）操作其最終的效應就是機電一體化系統(tǒng)，HMCM系統(tǒng)可以使輸入氣缸的轉速快速移動到ER流體的執(zhí)行機構
二 從系統(tǒng)表現(xiàn)顯示
（一）快速部隊響應特性源于對ER驅動器的低慣性屬性及快速電流變流體的響應，充分的介紹高保真的可能。
（二）可以安全地實現(xiàn)部隊顯示系統(tǒng)能力的介紹
圖7 被動顯示系統(tǒng) 圖8 康復仿真
圖9手動控制仿真 圖10 圖1原型
圖11 運動鏈接2
圖12 運動鏈接3
三 利用電流變液康復和顯示系統(tǒng)
古莊重點實驗室大阪大學自1993就已經(jīng)發(fā)展康復系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)ER執(zhí)行器的使用
圖5顯示了二自由度康復系統(tǒng)，在試圖中展現(xiàn)了ER流體的執(zhí)行機構?？祻团嘤栂到y(tǒng)主要是安裝在一個醫(yī)院測試目的。13例自愿參加多個上肢的物理性能實驗評價和康復訓練患者由于脊髓受損或堵塞大腦動脈手臂麻痹。圖6顯示了二自由度康復系統(tǒng)，應用ER流體的執(zhí)行機構的展示。
圖7顯示了一個被動的力，使用ER制動器[14]。使用剎車呈現(xiàn)阻力，被動的力顯示運營商的力量是相當安全[14][15]。
古莊實驗研究室被動恢復上肢顯示
圖8顯示了上肢康復系統(tǒng)使用ER驅動器3-D展示 [7]。NEDO技術開發(fā)機構開發(fā)EMUL項目5年，并為中風患者使用評估 [16]，Motricity公司指數(shù)[17]，現(xiàn)階段[18]在臨床試驗中。好結果獲得的評價。
三自由度康復系統(tǒng)不能包括實現(xiàn)上肢手腕康復，自由旋轉手腕所示圖9。因此，我們開發(fā)了6自由度機器使用ER執(zhí)行機構，為明年新一代機器人的實際中得以應用。在本章中我們提出的發(fā)展第一樣機采用伺服電機。
圖10顯示了第一樣機的圖紙，本機制的原型如下。
1）手臂部分具有2自由度，水平旋轉和垂直運動。
圖13 手腕部和第一原型的鏈接3
圖14 鏈接3的側視圖
2）執(zhí)行器及皮帶滑輪減少了系統(tǒng)的手臂運動，以減少慣性運動部件。垂直旋轉部分采用
并行鏈路機制組成的鏈接2（1）鏈接2（2）如圖。?10。這使得在所有的反平衡重量的重力效應補償（見圖11）。
3）鏈接-3通過水平面的空間連桿機構驅動旋轉如圖12所示
4）手腕的執(zhí)行器安裝在腕關節(jié)鏈接1上，以減少運動部件的慣性。電機的力矩傳輸 使用的手腕萬向節(jié)，傳動軸和導線的滑輪系統(tǒng)（見圖13）。
5）圖14顯示了手腕線滑輪系統(tǒng)。圖15分別顯示側傾，俯仰，偏航，電線的途徑。
6）手腕的橫搖導致“A”部分和“B”的部分之間相對轉動如圖14所示。導致此相對轉動，為駕駛電線，俯仰和偏航扭曲運動 在圖16所示。為了減少線長度的變化引起的本卷的異議，這些電線都盡可能放在軸的附近。
四 六自由度康復機
圖17顯示康復機的照片。該系統(tǒng)由ER驅動器驅動。圖18顯示驅動器手臂運動的手柄和手腕機制被改為懸臂式，從兩方支持型。圖19顯示了手柄和手腕機制的抓地力。圖20顯示總系統(tǒng)的圖片。重力是懸臂式握柄必要的組成，如圖21所示。何時我們采取這樣的機制，體重靠近手柄增加，并表現(xiàn)為力量和顯示系統(tǒng)安全性是人機共存系統(tǒng)的安全性能變質的。所以，我們把重量的平衡，在急診室器盒，如圖22所示。
我們正在開發(fā)上肢康復訓練軟件，包括手腕的靈巧需要。圖23，圖24和圖?25顯示了培訓軟件的一部分。
圖22 重量平衡的安排 圖23 虛擬撞擊
圖24 虛擬澆灑器 圖25 虛擬擦
五 對安全的考慮
一個上肢康復系統(tǒng)具有很大的工作區(qū)域，可以被視為一種機器人。在這樣一種人機共存的系統(tǒng)中，操作員必須接觸或接近機器人，從而確保系統(tǒng)的安全是必要的，使機器人能夠操作者更安全[19]。在工業(yè)機器人中，操作員可以不訪問避免危險條件除教學機器人。圖26顯示了人機共存結構安全的機器人。
ER的驅動器有以下安全優(yōu)缺點。
（一）ER的驅動器的輸出軸的最大行駛速度 由輸入軸的轉速對ER離合器限制。因此，當轉速輸入軸緩慢，HMCM系統(tǒng)保證ER驅動器運營商的安全。
（二）輸出部分的慣性，可以做得非常??小。因此，在意外事故的情況下，，可以減少沖擊力執(zhí)行機構的慣性
由于人機共存的國際安全標準尚未建立，我們沒有別的選擇 除了ISO標準和國內標準使用機器的工作接近人類（見表一）。發(fā)達國家康復系統(tǒng)可以保證這些參數(shù)標準，我國對ER驅動器的使用和機械設計如下：
1（一）和（二）表是比較理想轉速制定下氣體的運動情況
2（三）一只60瓦電機驅動器輸入旋轉缸滿足使用的要求。
3 設計風險減少，從而實現(xiàn)了每個關節(jié)機械限制，機械重力補償和使用的驅動器。
圖26 為確保人機結構安全
第六 結論
我們已經(jīng)制定了一個6自由度上肢康復機 包括手腕如下。
1）第一個原型機采用伺服電機作為原動力從而使整個系統(tǒng)能夠在控制中進行康復運動。
表1國際，國內安全標準
2）六自由度康復機主要包括使用ER驅動器以及在手腕和四肢已開發(fā)的基礎上從樣機的開發(fā)獲得的知識。
3）我們正在制定康復上層軟件目前包括手腕和四肢。