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--- 2019.4.15day1项目主题:冬奥冰雪运动损伤机器人 [2019/04/16 22:12]
jiwei 创建
+++ 2019.4.15day1项目主题:冬奥冰雪运动损伤机器人 [2019/04/16 22:13] (当前版本)
jiwei
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-## 项目主题：冬奥冰雪运动损伤康复机器人
-#### 一、课题的目的、意义及必要性、技术背景
-##### 1.1课题目的
-- 目前运动性损伤康复严重依赖人工，治疗周期长，康复效果欠佳，康复设备单一、缺乏整体性智能性
-- 研究关节神经反馈闭环康复模型，开发出一种将主被动机械康复训练模块、多种理疗手段（按摩、热疗、磁疗）以及运动员力量恢复训练模块有效耦合的运动性损伤快速康复机器人，实现运动性康复精准治疗。
-##### 1.2课题意义及必要性
-- 运动性损伤快速康复机器人国内相关领域空白，具有技术先进性。
-- 符合北京市服务机器人产业规划和《国家科技创新2030》重大工程第六条智能制造和机器人的发展战略。
-- 课题参与单位有北京市科研院所和张家口奥运定点医院，确保课题成果可以落地。
-- 研究成果不仅可以服务于冬奥会，也可服务于其他运动性损伤的康复需求，市场需求较大。
-##### 1.3技术背景
-国外：
-.1991 年，麻省理工大学研制出第一台完整意义上的上肢康复机器人，命名为 MIT-Manus。该机器结构相对简单，为五连杆机械设计，有 2 个自由度，属于末端牵引式康复机器，可带动患者的肩、肘部运动，实现康复训练。
-.最先进的康复机器人则是可穿戴外骨骼机器人。它基于仿生原理进行设计，结合人体工程学，可以穿戴于患肢。每个关节上都对应有单独的驱动装置， 患者佩戴后可以确保机器人的运动模式和人体自由度同轴，可以实现更有效的康复训练。
-.瑞士HOCOMA AG公司Lokomat 机器人是一款能够提供即时反馈与评估的步态训练机器人，对中风、脊髓损伤、创伤性脑损伤、多发性硬化症等神经系统疾病患者有良好的康复效果。Lokomat 通过一套在跑台上全自动运行的外骨骼式下肢步态矫正驱动装置， 实现了机器人辅助的全自动步态训练，可以有效地提高神经科病人的行走功能。
-Lokomat全自动机器人步态训练评估系统由“外骨骼式下肢步态矫正驱动装置”、“智能减重系统”、和“医用跑台”组成。患者髋关节和膝关节在步态矫正器马达的带动下，在跑台上，像正常人一样行走。同时，矫正器上还装有压力传感器，可保证患者在训练过程中的安全性。Lokomat 全自动机器人有基础型、专业型和儿童型三种配置类型，可以满足多种患者的训练要求。目前，Lokomat 几乎垄断中国高端康复机器人市场。
-{{ :lokomat_机器人.jpg |}}
-.以色列公司 ReWalk Robotics 公司的 ReWalk 系列
-{{ :rewalk_系列.jpg |}}
-.日本Cyberdyne 公司的 HAL
-.美国 Berkeley Bionics 公司的 eLEGS
-.新西兰 Rex Bionics公司的 REX
-国内：
-.清华大学：二自由度（2-DOF）的康复机器人
-二连杆结构，故可实现平面内大范围的康复运动，它主要由训练机械手臂和手臂支撑两部分组成，患者用手握住手柄或固定在手柄末端，在伺服电机的带动下实现肘关节的复合运动。该康复机器人系统具有主动训练、辅助主动训练及被动训练等多种功能。
-.哈工大:五个自由度，可以实现两臂进行康复训练，不用分左右手，这是一种可穿戴式结构，患者坐在椅子上，穿戴好机器人手臂后可以实现肩部屈／伸、旋内／外，肘屈／伸，腕关节屈／伸及外展／内收运动。可帮助病患进行主动训练和被动训练。可帮助患者实现一些简单的生活功能性动作。
-穿戴式下肢康复机器人
-.华中科技大学:三个自由度，改变了以往电机驱动的方式，采用人工气动肌肉驱动，具有一定的柔韧性，不会产生噪音，对患者心理有较好的平复作用。
-有 2-DOF 手腕康复机器人、4-DOF 手臂康复机器人和 9-DOF 的上肢康复机器人。
-.上海交通大学成立课题研究组:下肢助力机器人。
-首先，分析人体步行时各个关节和肌肉的生物学特征，得到其生理特性。
-然后，结合机械设计基础知识及下肢生理特征，设计出符合人体结构的下肢助力机器人。
-该机器人机械关节自由度高度还原肢体关节，可实现与肢体关节的自由度同轴，增强患者的训练舒适度。而且结构简单，加工起来也比较方便。
-.上海璟和技创科技有限公司:多体位智能康复机器人系统（型号：Flexbot）是国内首台具有自主知识产权的下肢康复机器人系统。“Flexbot”机器人参考重量：150.5千克，患者提供了一个下肢康复训练的工作站，能准确模拟正常人步态。突破性提供了早期卧床步态训练，包含完整步态周期的闭链运动和开链运动双重运动模式，结合虚拟现实情景互动技术，为患者提供量化的、多体位的、多种运动模式的步态训练，同时实时提供数据信息反馈。对患者神经系统的重塑和步态再学习起到了革命性的影响，开创了智能康复机器人辅助步行训练的新模式。它有步速监控和急停保护，万一患者发生肢体痉挛，机器人都能够感知。
-.广州一康产品主要分为 MINATO、运动康复、物理治疗和康复评定四个系列，包括 A1-下肢智能反馈训练系统、A2-上肢智能反馈训练系统、A3-步态训练与评估系统、A4-手功能训练与评估等。该步态训练与评估系统针对神经损伤等疾病导致的下肢行走功能障碍患者的步态训练，能够为神经损伤患者在直立体位下进行不断重复且轨迹固定的正常生理步态训练，让患者大脑重新建立正确的行走模式。A3 机器人由机械腿驱动系统、动静态减重系统、医用跑台系统、控制系统和虚拟互动系统几个部分组成。其步行机器人根据亚洲人步态曲线设计，采用进口伺服电机，可精确控制各关节活动角度及行走速度，有主、被动训练模式，可根据患者行走习惯进行步态偏移调整，且带痉挛侦察及保护功能，既满足了患者早期康复是力量补充需求，又促进患者主动参与训练。
-.北京柏惠维康科技有限公司Remebot 神经外科手术机器人。
-尽管国内外研究机构和企业针对严重的脑脊神经损伤康复的研究工作，取得了一定成果，但是这些成果只是针对严重的运动性或者创伤性的神经损伤的长期康复和治疗，尚未有关注运动性损伤的快速康复治疗。
-#### 二、本课题研究内容及所采取的技术路线，具体实施方案
-##### 2.1本课题研究内容
-- 设计要求
-设计要求是在满足肩关节、肘关节、髋关节和膝关节的运动损伤康复机理的条件下，耦合多种理疗方式，缩短患处的康复周期以及得到更好的康复效果。
-{{ :设计要求.png  |}}
-- 运动性损伤多功能耦合康复机理研究
-- 康复机器人机构研究及设计
-- 关节神经反馈闭环康复模型研究
-- 多功能耦合康复控制策略研究
-- 多信息耦合及精准治疗技术研究
-- 机器人多功能耦合功能验证实验及康复医疗专家数据库研究
-##### 2.2技术路线及实施方案
-###### （1）运动性损伤多功能耦合康复机理研究
-###### （2）康复机器人机构研究及设计
-###### （3）方案设计
-**控制系统总体方案设计**
-{{ :wiki:康复机器人控制系统图.png }}
-- 倍福运动控制器
-{{ :wiki:倍福控制器.png?400 }}
-倍福运动控制器接口丰富，可扩展性强；硬件模块化，控制系统 搭建 简单 ，即插即 用； 运动 控 制软件 代码 支持 PLC 、C/C++ 、Matlab/Simulink，通用性和移植性较好。
-PC软件控制，开放性好，速度快，运算能力强， 系统能处理一些复杂的控制算法，比如多轴插值，多轴同步控制等功能，系统功能远远高于比传统 PLC 系统。
-倍福运动控制器使用 TwinCAT 软件进行编程，Twin CAT 是基于Windows 的实时控制软件，在 Windows 操作系统下，不但操作环境友好，并且可以使用其他控制软件，可以将其他控制功能模块化，共同工作，极大提高了自动化系统的智能化程度。
-Twin CAT 的实时核(RTX 实时内核)独立于 Windows 操作系统，并能够和Windows 共存，由于这个实时核，Twin  CAT 有精确的时基以及对 CPU 的优先支配权。实时核技术使 TwinCAT 扫描周期时间缩短至 50µs ，空转时间小于 3µs ， 并可对 Windows 调节实时率。该控制器如此卓越的工作速度和控制性能，能很好的实现上下肢协调康复训练的实时问题。
-- SERVOTRONIX 驱动器
-{{ :wiki:servotronix_驱动器.png?400 }}
-该驱动器可以在线测量负载惯量等特性，并将数字滤波器、内模控制、增益补偿、最优控制、自适应控制、滑膜变结构等控制算法集成于驱动器内部，通过编程进行实时参数的调整以达到较高的控制精度。同时，驱动器还提供辅助反馈接口，通过该接口接入，可方便构建多轴协同运动控制方案，完全可以满足康复机器人电机伺服驱动的所有需求。
-- 耐创 FCT 系列盘式超薄扭矩传感器
-主动康复训练:在训练过程中需要实时检测患者肢体和机器人之间的接触力，进而实现阻抗控制。检测接触力需要扭矩传感器，为减小设备整体尺寸，选择耐创 FCT 系列盘式超薄扭矩传感器，具有扭矩承载大，测量精度高等优点。
-通过计算康复运动负载，若采用常规的电机减速器和码盘，会造成机器人体积大，重量大等诸多问题，本课题在此对关节动力系统进行了重新设计。采用一体化思想，将高精度谐波减速器，无框力矩电机，中空轴高分辨率绝对值码盘， 制动器、智能传感器集成为一体
-{{ :wiki:一体化集成动力系统.png?400 }}
-整个动力系统具有以下的优点：
-小体积、轻重量、低惯性的要求；
-高转矩输出，输出转矩最高达411N·m；
-定位精度高达 30 弧秒；
-内部贯通，可以通过管线，简化了机械结构。
-- 理疗设备部分：翔宇的磁振热治疗仪和空气波压力治疗仪
-{{ :wiki:磁振热治疗仪.png?400 }}
-{{ :wiki:空气波压力治疗仪.png?400 }}
-优点：工作模式多样，可以单独控制，可进行灵活组合治疗；作用于病患处的结构可以自由定制；理疗过程中，可以根据病人舒适程度可随时调节工作强度；配有紧急终止按钮，保证患者安全；设备接口为常见的通讯接口，方便进行控制和通讯。
-**控制策略**
-康复机器人只有被动训练和主动训练两大类功能
-被动训练:对机器人进行位置控制，使机器人带动患者上肢跟踪指定轨迹运动
-主动训练:对机器人进行阻抗控制，使机器人能够根据患者上肢的自主运动做出相应的动作。
-在设计控制器的时候，就要分别按照位置控制和阻抗控制的要求来设计，位置控制要求的系统的稳定性和具有较好快速性。阻抗控制要求的是系统的柔顺性，即通过力传感器实时检测机器人与患者患肢之间的接触力大小，调整系统的阻抗，使患者患肢在康复机器人协助下安全舒适的进行主动训练。
-- 被动训练
-{{ :wiki:关节位置伺服系统控制模型图.png?400 }}
-**软件模块设计**
-分为六个模块：病人管理模块、医生管理模块、测试模块、训练模块、开处方模块、报表查看模块。
-在Visual Studio 2015平台下采用MFC实现。
-六个模块的具体功能图：
-{{ :软件设计wps图片.png |}}
-设计简图：
-{{ :登录界面_选择界面_病人信息界面_医生信息界面功能图.png |}}
-功能图：
-{{ :测试系统主界面功能图.png |}}
-{{ :训练选项.png  |}}
-**通讯设计**
-{{ :通讯.png  |}}
 ## 项目主题：冬奥冰雪运动损伤康复机器人