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附錄 1. 外文翻譯 康復(fù)機(jī)器人 RRH1 本文介紹了一種用于下肢康復(fù)機(jī)器人的原型。它是在圓柱運(yùn)動(dòng)模型的基礎(chǔ)上創(chuàng)建的，配備了兩個(gè)剛性臂、特殊的手柄和固定裝置。它有五個(gè)活躍的自由度并且被設(shè)計(jì)成重復(fù)物理治療的軌跡。提出的康復(fù)機(jī)器人的原型有不同類型的能力訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)，如： 髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)屈曲/伸展，腿外展/內(nèi)收。機(jī)器人執(zhí)行的保護(hù)系統(tǒng)（包括過載檢測(cè)） 可以確保安全地與病人合作。 1. 開發(fā)下肢康復(fù)機(jī)器人裝置 電機(jī)輔助下肢修復(fù)設(shè)備的開發(fā)是在二十世紀(jì)七十年代。這種的設(shè)計(jì)概念已經(jīng)被測(cè)試過。這種機(jī)械結(jié)構(gòu)由在整形外科工作的羅伯特 B. Salter 評(píng)估。他指出患者關(guān)節(jié)的周期性屈曲延長(zhǎng)可減少恢復(fù)時(shí)間并在骨科手術(shù)后增加其運(yùn)動(dòng)范圍。這些設(shè)備有對(duì)上肢和下肢康復(fù)的兩種類型，如圖 1 所示。 電子和控制系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)革命迅猛發(fā)展，更因?yàn)槠湫碌闹委熖匦訹7]安裝半自 動(dòng)和自動(dòng)設(shè)備的康復(fù)診所數(shù)量增加。應(yīng)用電子控制系統(tǒng)允許用戶調(diào)整一些基本參數(shù)如： 運(yùn)動(dòng)的范圍和速度。它還提供了一個(gè)防護(hù)控制，防止過度的力量作用于修復(fù)聯(lián)合。而 且，隨著治療的進(jìn)展，該設(shè)備執(zhí)行一次自動(dòng)增加運(yùn)動(dòng)范圍。 各種設(shè)計(jì)都可以讓康復(fù)過程在站立時(shí)、坐著、或躺在病床上得以實(shí)現(xiàn)。但實(shí)際上他們只能在一個(gè)平面上工作限制了這些設(shè)備。因此，改變康復(fù)程序往往需要移動(dòng)患者到不同的位置或更換機(jī)械工作的方向。另一方面，腿部康復(fù) CPM 的主要優(yōu)勢(shì)鐵軌的重量輕，成本相對(duì)較低。 圖 2.用于步態(tài)再教育的擬人機(jī)器人矯形器：a - LOKOMAT - Hocoma 公司，轉(zhuǎn)載自[2]，b - 來自特拉華大學(xué)的ALEX，轉(zhuǎn)載自[1] 現(xiàn)代神經(jīng)修復(fù)與機(jī)器人輔助設(shè)備是一個(gè)相對(duì)較新的康復(fù)領(lǐng)域。首先嘗試開發(fā)出這種設(shè)備在二十世紀(jì) 90 年代后期?？祻?fù)領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)和工程知識(shí)允許來自 ETH 大學(xué)的研究人員在蘇黎世于 2000 年創(chuàng)建機(jī)械矯形器系統(tǒng) Lokomat[2,5]。Lokomat（如圖 2 所示）的設(shè)計(jì)專為神經(jīng)障礙和脊髓損傷患者進(jìn)行步態(tài)再教育。 機(jī)器人矯形器 Lokomat 提供步態(tài)再教育的持續(xù)進(jìn)展。體重支持系統(tǒng)是機(jī)器人的一個(gè)組成部分，用于自動(dòng)化跑步機(jī)訓(xùn)練和治療協(xié)助。它也可以用于需要從輪椅上抬起的 患者。關(guān)于慣性力量傳統(tǒng)配重系統(tǒng)可能會(huì)影響垂直運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致患者在治療期間不能使用。 Lokomat 配有電腦在模擬步行周期中模擬病人的運(yùn)動(dòng)。卸載裝置還提供了在跑步機(jī)上行走時(shí)對(duì)接觸力的調(diào)節(jié)。 在機(jī)器人輔助治療期間，步態(tài)的最佳重復(fù)循環(huán)次數(shù)根據(jù)編程的模式執(zhí)行。專業(yè)軟件為個(gè)別患者提供可調(diào)范圍的運(yùn)動(dòng)（關(guān)于髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)），運(yùn)動(dòng)速度變化同步與跑步機(jī)速度的步行周期。并且通用機(jī)械模塊在機(jī)器人腿的構(gòu)建中實(shí)現(xiàn)手柄精確適應(yīng)不同患者的解剖結(jié)構(gòu)。 世界各地的研究人員也在努力開發(fā)類似的設(shè)備。但是，他們并沒有超越原型階段， 大部分階段的機(jī)器還沒有商品化。比如最近在特拉華大學(xué)開發(fā)設(shè)計(jì)的 Lokomat。亞歷克斯說它的名字為主動(dòng)腿外骨骼，它可以被更多的自由度和被動(dòng)自由度用于重力補(bǔ)償系統(tǒng)，如圖 2b 所示[1]。機(jī)械矯形器腿有 3 個(gè)主動(dòng)自由度對(duì)應(yīng)的彎曲動(dòng)作在矢狀面上的膝蓋和髖關(guān)節(jié)。另外，矯形器有一自由度負(fù)責(zé)腿部的內(nèi)收和綁架運(yùn)動(dòng)。 整個(gè)機(jī)構(gòu)與兩個(gè)被動(dòng)自由度的支撐結(jié)構(gòu)連接，提供額外的垂直和水平動(dòng)作。通過被動(dòng)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中使用的彈性元件用于補(bǔ)償支具的重量，并執(zhí)行適當(dāng)?shù)膭?dòng)作（骨盆橫向， 垂直和旋轉(zhuǎn)）。 圖 3. LOPES 機(jī)器人矯形器，轉(zhuǎn)載自[3] 與以前的設(shè)備結(jié)構(gòu)非常相似的是 LOPES - 下肢 Powered Exoskeleton，如圖 3 所示，這是專為步態(tài)康復(fù)而設(shè)計(jì)的并在訓(xùn)練程序中使用跑步機(jī)[3]。這個(gè)項(xiàng)目的主要的目標(biāo)是：減輕物理治療師的負(fù)擔(dān)提高中風(fēng)患者的培訓(xùn)效果和配套在步態(tài)再教育過程中選擇運(yùn)動(dòng)器材的元素。根據(jù)編程的軌跡生成機(jī)器人矯形器的運(yùn)動(dòng)。在訓(xùn)練過程中患者和機(jī)械骨架相互作用。自適應(yīng)控制和具有可調(diào)節(jié)的串行彈性圖的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器（3b） 應(yīng)用于外骨骼的活動(dòng)關(guān)節(jié)[9,10]。此解決方案使患者能夠感知機(jī)械矯形器機(jī)器人對(duì)修復(fù)四肢的最小影響。與商業(yè) Lokomat 相比，矯形器 LOPES 有更多的主動(dòng)自由度。這使得自由的動(dòng)作沿著三個(gè)軸線的髖關(guān)節(jié)，如圖 3a 中的 1,2 和 3 所示。第一第二個(gè)接頭在垂直方向上與伺服電機(jī)一起工作標(biāo)記為 3 是被動(dòng)的（沒有驅(qū)動(dòng)器）。 圖 4.用腳踏板產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)修復(fù)系統(tǒng)：a - 觸覺步行者（德國(guó)）[8]，b - 來自慶尚大學(xué)（韓國(guó)）的設(shè)備[6] 這是最近臨床測(cè)試，來自柏林大學(xué)和 Fraunhofer IPK 的一組工程師從技術(shù)部門創(chuàng)建的 HapticWalker 設(shè)備具有完全不同的結(jié)構(gòu)。該機(jī)制具有立體框架的形式，患者懸掛在該框架中機(jī)器人手臂上的特殊線束中，如圖 4a 所示。機(jī)器人手臂的效應(yīng)器被制成具有手柄的特殊平臺(tái)附著病人的腳。產(chǎn)生下肢的運(yùn)動(dòng)通過推或拉病人的腳，就像在 CPM 導(dǎo)軌上那樣。在 HapticWalker 設(shè)備，患者由動(dòng)態(tài)重量支撐補(bǔ)償制度。根據(jù)患者的情緒產(chǎn)生腿部動(dòng)作，腳提供了一些擴(kuò)展的可能性，以獲得更自然的行走和爬樓梯。這種治療方法不僅涉及下肢，還涉及整個(gè)身體。第一項(xiàng)測(cè)試顯示用 HapticWalker 進(jìn)行治療增加身體的力量和效率。增加這些參數(shù)是康復(fù)中的基本方面之一，并為人們回到日常生活做好準(zhǔn)備。但是，只能采取行動(dòng)沒有額外限制膝蓋和臀部，腳在這種情況下一個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)可能導(dǎo)致病理性補(bǔ)償動(dòng)作。 另一種用于下肢康復(fù)的機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于腳板生成運(yùn)動(dòng)，運(yùn)用相同方法的是由韓國(guó)慶尚大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)開發(fā)機(jī)器人如圖 4b 所示。這個(gè)機(jī)器人可以模擬在平坦表面的行走，因此作為大多數(shù)帶跑步機(jī)器人的工作，但其優(yōu)越的特點(diǎn)是生成步行在不平坦地形上的步態(tài)特征。例如，它可以生成與升序或降序相對(duì)應(yīng)的軌跡樓梯。提出的設(shè)備具有輕巧緊湊的結(jié)構(gòu)，這使其可用于家庭治療。作者提出了一個(gè)支持患者在康復(fù)設(shè)備上的解決方案創(chuàng)新。通常在帶有自由骨盆的系統(tǒng)，為防止跌倒，患者由腰部固定到使用被動(dòng)懸架系統(tǒng)的機(jī)器人的框架。在韓國(guó)設(shè)計(jì)中，在治療過程使用額外的動(dòng)力機(jī)械系統(tǒng)來接合四肢。鍛煉期間，患者握住手臂手柄。它們由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此可以根據(jù)編程的步態(tài)模式控制其運(yùn)動(dòng)。 在機(jī)器人輔助裝置中，缺乏附著下肢的一個(gè)外部骨架（Lokomat，LOPES，ALEX） 使得這個(gè)過程成為可能康復(fù)效率更高，并允許涉及許多肌肉群參與恢復(fù)。骨盆的釋放導(dǎo)致了在三維空間中執(zhí)行其自然擺動(dòng)的能力。一方面，它反映了自然的方式的運(yùn)動(dòng)， 但它也會(huì)產(chǎn)生意想不到的，病態(tài)的代償性動(dòng)作。 在 2003 年的高級(jí)智能機(jī)電一體化大會(huì)上，提出了下肢康復(fù)的先進(jìn)系統(tǒng)[4]。這種 線驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手的概念如圖 5 所示病人躺在專門準(zhǔn)備好的位置上。他的腿連接到可調(diào)線束上，線束通過電線連接到電動(dòng)馬達(dá)安裝在外部框架上。通過系統(tǒng)電纜和模塊，框架上的患者可以輕松操作患者的腿部一個(gè)指定的工作區(qū)。增加系統(tǒng)中使用的驅(qū)動(dòng)器數(shù)量可以產(chǎn)生更復(fù)雜的動(dòng)作 圖 5.用于下肢康復(fù)的導(dǎo)絲系統(tǒng)：概念和原型，從[4]轉(zhuǎn)載 2. RRH1 機(jī)器人的構(gòu)造 我們的下肢康復(fù)機(jī)器人如圖 6 所示。除了全功能原型的照片外，還有一個(gè)示意圖繪圖顯示主要組成部分，可能的動(dòng)作（帶箭頭）和機(jī)器人的工作空間（虛線表示部分）。機(jī)器人由一個(gè)鋁制底盤和位于其上的可調(diào)整立柱組成矩形底座。輕質(zhì)結(jié)構(gòu)（約 100 公斤），連兩個(gè)腳輪使整個(gè)機(jī)構(gòu)易于從一張病床到另一張病床移動(dòng)，甚至只有一個(gè)人就可搬動(dòng)。沒有必要將病人轉(zhuǎn)移到特殊康復(fù)區(qū); 治療可以運(yùn)用于事故發(fā)生后不久甚至可以適用于失去知覺的人。機(jī)器人可以通過安裝在車輪（F1）上的制動(dòng)器鎖定到位，同時(shí)其高度可以通過曲柄（E）針對(duì)特定的床和患者進(jìn)行調(diào)整。 圖 6.康復(fù)機(jī)器人 RRH1：A - 帶 LCD 顯示屏和觸摸屏的機(jī)箱，B - 急停，C 型機(jī)器手臂，D 型機(jī)器人工作空間，E 型可調(diào)式立柱，標(biāo)準(zhǔn)（F）腳輪和剎車腳輪（F1）圖。 圖 7.康復(fù)機(jī)器人 RRH1 的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，坐標(biāo)系根據(jù) D-H 符號(hào)，請(qǐng)注意，它是雙重機(jī)制，并且腿的兩個(gè)手柄位于相同的位置直線導(dǎo)軌。 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)基于所示的圓柱形方案在圖 7 中。機(jī)器人有 5 個(gè)主動(dòng)自由度 （DOF），編號(hào)從 0 到 4 根據(jù) Denavit-Hartenberg 表示法。運(yùn)動(dòng)模型的參數(shù)如表 1 所示。機(jī)器人的所有關(guān)節(jié)都有相似的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：帶增量編碼器和減速齒輪頭的直流電機(jī)， 電磁離合器和旋轉(zhuǎn)電位器，用于絕對(duì)測(cè)量接頭的位置。 在底盤（A）內(nèi)有一個(gè)帶有兩個(gè)滑架的特殊齒形導(dǎo)軌如圖 8 所示。每個(gè)托架包含兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器：一個(gè)負(fù)責(zé)滑架的水平移動(dòng)和一個(gè)機(jī)動(dòng)化垂直的手臂。這些相互垂直的接頭編號(hào)為 1-3 和 2-4，分別屬于武器 1 和 2。手臂 1 正在舉起手臂 2 握住病人的膝蓋。兩只手臂都在垂直平面上工作 YZ 并且可以產(chǎn)生用于屈膝和伸展膝蓋和臀部的鍛煉， 如如果圖 9a 所示。水平和垂直關(guān)節(jié)的移動(dòng)范圍分別是 650mm 和 470mm。 此外，主齒形導(dǎo)向裝置可以圍繞 Z0 軸旋轉(zhuǎn)。這個(gè)運(yùn)動(dòng)由位于特殊指南上的驅(qū)動(dòng) 器 0 生成這是圖 8 的右側(cè)部分。這個(gè)額外的自由度擴(kuò)展了康復(fù)功能機(jī)器人通過增加臀部?jī)?nèi)收和外展練習(xí)，如圖 9b 所示。繞 Z0 軸旋轉(zhuǎn)的范圍是 15deg。最佳地利用機(jī)構(gòu)機(jī)器人高度的工作區(qū)域應(yīng)通過曲柄（E）進(jìn)行調(diào)整。 2. 編程機(jī)器人 編程康復(fù)機(jī)器人的主要思想是基于通過展示方法教學(xué)。將患者的腿固定在手臂上后機(jī)器人，康復(fù)者把手安裝在手臂的兩端并根據(jù)練習(xí)移動(dòng)腿部。位置和軌跡的軌跡所有關(guān)節(jié)的速度都由控制器記錄并可以重播循環(huán)的方式。手柄配有按鈕（如圖 10 所示） 來控制機(jī)器人在準(zhǔn)備和教學(xué)階段的胳膊。按下按鈕后，可以在電機(jī)斷開時(shí)自由移動(dòng)連接和接頭的位置由電位器監(jiān)控。額外通過觸摸屏界面可以實(shí)現(xiàn)功能。 機(jī)器人的手臂非常輕便，并且通過連接和連接引入了阻力電位器非常低，因此康復(fù)可以感受到腿部的重量和運(yùn)動(dòng)的自然界限。練習(xí)也可能包括一些推動(dòng)反對(duì)限制。當(dāng)手柄上的兩個(gè)按鈕都結(jié)束教學(xué)階段被實(shí)現(xiàn)。下一個(gè)階段是測(cè)試運(yùn)行：機(jī)器人執(zhí)行單個(gè)循環(huán)運(yùn)動(dòng); 康復(fù)者必須監(jiān)測(cè)軌跡，行為的正確性病人和系統(tǒng)。這也是調(diào)整運(yùn)動(dòng)速度的時(shí)候。在這個(gè)階段，系統(tǒng)記錄力量出現(xiàn)在關(guān)節(jié)中。在下一步中，操作員接受軌跡并設(shè)置循環(huán)次數(shù)。 3.安全系統(tǒng) 總的來說，與人們一起工作需要特殊的安全措施。復(fù)原機(jī)器人在工作時(shí)必須更加敏感與殘疾或甚至無(wú)意識(shí)的患者?？祻?fù)機(jī)器人 RRH1 是配備多種安全系統(tǒng)：緊急停止時(shí)立即停止電機(jī)的電源按鈕（B）被按下，在任何 teachexecution 階段，觸摸面板上的軟件停止執(zhí)行算法，連續(xù)監(jiān)測(cè)每個(gè)關(guān)節(jié)的位置，速度和力出現(xiàn)扭曲時(shí)立即停止，檢測(cè)到通信層故障時(shí)立即停止。 5.結(jié)論 我們已經(jīng)提出了較低的康復(fù)設(shè)備的簡(jiǎn)短評(píng)論四肢。一般來說，有三種類型的系統(tǒng)： 基于外骨骼（Lokomat，LOPES，ALEX），通過腳踏板產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)（HapticWalker，機(jī)器人來自慶尚大學(xué)），并通過在膝蓋上舉腿來產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)和踝關(guān)節(jié)。 在后面的例子中，我們只找到了一個(gè)例子系統(tǒng)使用電線和外部框架引腳在工作空 間內(nèi)機(jī)器人。我們?cè)O(shè)計(jì)和建造了屬于同一個(gè)的原始建筑然而，機(jī)器人的類別使用剛性連接來保持和移動(dòng)腿學(xué)到的道路。我們的原型可以安全地用于有意識(shí)的和有意識(shí)的康復(fù)初期的無(wú)意識(shí)患者。它也可以用于長(zhǎng)期或重癥監(jiān)護(hù)病人躺在床上的日常鍛煉。提出的解決方案提供更緊湊的結(jié)構(gòu)和更好的機(jī)動(dòng)性線驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。它有 5 個(gè)自由度，可以進(jìn)行全方位的練習(xí)包括髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的屈曲/伸展，以及腿外展/內(nèi)收。 承認(rèn) 康復(fù)機(jī)器人 RRH1 由自動(dòng)化研究所開發(fā)控制，羅茲技術(shù)大學(xué)與先生合作。LEDMEN 公司的老板 Maciej Czapiewski 和 Krzysztof 博士華沙理工大學(xué)航空與應(yīng)用力學(xué)研究所的 Mianowski 先生就機(jī)械問題提供了寶貴的咨詢意見設(shè)計(jì)。 附錄 2. 外文原文