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附錄 1. 外文翻譯 康復機器人 RRH1 本文介紹了一種用于下肢康復機器人的原型。它是在圓柱運動模型的基礎上創(chuàng)建的，配備了兩個剛性臂、特殊的手柄和固定裝置。它有五個活躍的自由度并且被設計成重復物理治療的軌跡。提出的康復機器人的原型有不同類型的能力訓練運動，如： 髖關節(jié)和膝關節(jié)屈曲/伸展，腿外展/內收。機器人執(zhí)行的保護系統(tǒng)（包括過載檢測） 可以確保安全地與病人合作。 1. 開發(fā)下肢康復機器人裝置 電機輔助下肢修復設備的開發(fā)是在二十世紀七十年代。這種的設計概念已經(jīng)被測試過。這種機械結構由在整形外科工作的羅伯特 B. Salter 評估。他指出患者關節(jié)的周期性屈曲延長可減少恢復時間并在骨科手術后增加其運動范圍。這些設備有對上肢和下肢康復的兩種類型，如圖 1 所示。 電子和控制系統(tǒng)領域的技術革命迅猛發(fā)展，更因為其新的治療特性[7]安裝半自 動和自動設備的康復診所數(shù)量增加。應用電子控制系統(tǒng)允許用戶調整一些基本參數(shù)如： 運動的范圍和速度。它還提供了一個防護控制，防止過度的力量作用于修復聯(lián)合。而 且，隨著治療的進展，該設備執(zhí)行一次自動增加運動范圍。 各種設計都可以讓康復過程在站立時、坐著、或躺在病床上得以實現(xiàn)。但實際上他們只能在一個平面上工作限制了這些設備。因此，改變康復程序往往需要移動患者到不同的位置或更換機械工作的方向。另一方面，腿部康復 CPM 的主要優(yōu)勢鐵軌的重量輕，成本相對較低。 圖 2.用于步態(tài)再教育的擬人機器人矯形器：a - LOKOMAT - Hocoma 公司，轉載自[2]，b - 來自特拉華大學的ALEX，轉載自[1] 現(xiàn)代神經(jīng)修復與機器人輔助設備是一個相對較新的康復領域。首先嘗試開發(fā)出這種設備在二十世紀 90 年代后期?？祻皖I域的經(jīng)驗和工程知識允許來自 ETH 大學的研究人員在蘇黎世于 2000 年創(chuàng)建機械矯形器系統(tǒng) Lokomat[2,5]。Lokomat（如圖 2 所示）的設計專為神經(jīng)障礙和脊髓損傷患者進行步態(tài)再教育。 機器人矯形器 Lokomat 提供步態(tài)再教育的持續(xù)進展。體重支持系統(tǒng)是機器人的一個組成部分，用于自動化跑步機訓練和治療協(xié)助。它也可以用于需要從輪椅上抬起的 患者。關于慣性力量傳統(tǒng)配重系統(tǒng)可能會影響垂直運動導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動。卸載裝置還提供了在跑步機上行走時對接觸力的調節(jié)。 在機器人輔助治療期間，步態(tài)的最佳重復循環(huán)次數(shù)根據(jù)編程的模式執(zhí)行。專業(yè)軟件為個別患者提供可調范圍的運動（關于髖關節(jié)和膝關節(jié)），運動速度變化同步與跑步機速度的步行周期。并且通用機械模塊在機器人腿的構建中實現(xiàn)手柄精確適應不同患者的解剖結構。 世界各地的研究人員也在努力開發(fā)類似的設備。但是，他們并沒有超越原型階段， 大部分階段的機器還沒有商品化。比如最近在特拉華大學開發(fā)設計的 Lokomat。亞歷克斯說它的名字為主動腿外骨骼，它可以被更多的自由度和被動自由度用于重力補償系統(tǒng)，如圖 2b 所示[1]。機械矯形器腿有 3 個主動自由度對應的彎曲動作在矢狀面上的膝蓋和髖關節(jié)。另外，矯形器有一自由度負責腿部的內收和綁架運動。 整個機構與兩個被動自由度的支撐結構連接，提供額外的垂直和水平動作。通過被動關節(jié)結構中使用的彈性元件用于補償支具的重量，并執(zhí)行適當?shù)膭幼鳎ü桥铏M向， 垂直和旋轉）。 圖 3. LOPES 機器人矯形器，轉載自[3] 與以前的設備結構非常相似的是 LOPES - 下肢 Powered Exoskeleton，如圖 3 所示，這是專為步態(tài)康復而設計的并在訓練程序中使用跑步機[3]。這個項目的主要的目標是：減輕物理治療師的負擔提高中風患者的培訓效果和配套在步態(tài)再教育過程中選擇運動器材的元素。根據(jù)編程的軌跡生成機器人矯形器的運動。在訓練過程中患者和機械骨架相互作用。自適應控制和具有可調節(jié)的串行彈性圖的電動機驅動器（3b） 應用于外骨骼的活動關節(jié)[9,10]。此解決方案使患者能夠感知機械矯形器機器人對修復四肢的最小影響。與商業(yè) Lokomat 相比，矯形器 LOPES 有更多的主動自由度。這使得自由的動作沿著三個軸線的髖關節(jié)，如圖 3a 中的 1,2 和 3 所示。第一第二個接頭在垂直方向上與伺服電機一起工作標記為 3 是被動的（沒有驅動器）。 圖 4.用腳踏板產(chǎn)生運動的神經(jīng)修復系統(tǒng)：a - 觸覺步行者（德國）[8]，b - 來自慶尚大學（韓國）的設備[6] 這是最近臨床測試，來自柏林大學和 Fraunhofer IPK 的一組工程師從技術部門創(chuàng)建的 HapticWalker 設備具有完全不同的結構。該機制具有立體框架的形式，患者懸掛在該框架中機器人手臂上的特殊線束中，如圖 4a 所示。機器人手臂的效應器被制成具有手柄的特殊平臺附著病人的腳。產(chǎn)生下肢的運動通過推或拉病人的腳，就像在 CPM 導軌上那樣。在 HapticWalker 設備，患者由動態(tài)重量支撐補償制度。根據(jù)患者的情緒產(chǎn)生腿部動作，腳提供了一些擴展的可能性，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，還涉及整個身體。第一項測試顯示用 HapticWalker 進行治療增加身體的力量和效率。增加這些參數(shù)是康復中的基本方面之一，并為人們回到日常生活做好準備。但是，只能采取行動沒有額外限制膝蓋和臀部，腳在這種情況下一個方向上的運動可能導致病理性補償動作。 另一種用于下肢康復的機器人系統(tǒng)設計基于腳板生成運動，運用相同方法的是由韓國慶尚大學的一個團隊開發(fā)機器人如圖 4b 所示。這個機器人可以模擬在平坦表面的行走，因此作為大多數(shù)帶跑步機器人的工作，但其優(yōu)越的特點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應的軌跡樓梯。提出的設備具有輕巧緊湊的結構，這使其可用于家庭治療。作者提出了一個支持患者在康復設備上的解決方案創(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懸架系統(tǒng)的機器人的框架。在韓國設計中，在治療過程使用額外的動力機械系統(tǒng)來接合四肢。鍛煉期間，患者握住手臂手柄。它們由直流電機驅動，因此可以根據(jù)編程的步態(tài)模式控制其運動。 在機器人輔助裝置中，缺乏附著下肢的一個外部骨架（Lokomat，LOPES，ALEX） 使得這個過程成為可能康復效率更高，并允許涉及許多肌肉群參與恢復。骨盆的釋放導致了在三維空間中執(zhí)行其自然擺動的能力。一方面，它反映了自然的方式的運動， 但它也會產(chǎn)生意想不到的，病態(tài)的代償性動作。 在 2003 年的高級智能機電一體化大會上，提出了下肢康復的先進系統(tǒng)[4]。這種 線驅動的機械手的概念如圖 5 所示病人躺在專門準備好的位置上。他的腿連接到可調線束上，線束通過電線連接到電動馬達安裝在外部框架上。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指定的工作區(qū)。增加系統(tǒng)中使用的驅動器數(shù)量可以產(chǎn)生更復雜的動作 圖 5.用于下肢康復的導絲系統(tǒng)：概念和原型，從[4]轉載 2. RRH1 機器人的構造 我們的下肢康復機器人如圖 6 所示。除了全功能原型的照片外，還有一個示意圖繪圖顯示主要組成部分，可能的動作（帶箭頭）和機器人的工作空間（虛線表示部分）。機器人由一個鋁制底盤和位于其上的可調整立柱組成矩形底座。輕質結構（約 100 公斤），連兩個腳輪使整個機構易于從一張病床到另一張病床移動，甚至只有一個人就可搬動。沒有必要將病人轉移到特殊康復區(qū); 治療可以運用于事故發(fā)生后不久甚至可以適用于失去知覺的人。機器人可以通過安裝在車輪（F1）上的制動器鎖定到位，同時其高度可以通過曲柄（E）針對特定的床和患者進行調整。 圖 6.康復機器人 RRH1：A - 帶 LCD 顯示屏和觸摸屏的機箱，B - 急停，C 型機器手臂，D 型機器人工作空間，E 型可調式立柱，標準（F）腳輪和剎車腳輪（F1）圖。 圖 7.康復機器人 RRH1 的運動結構，坐標系根據(jù) D-H 符號，請注意，它是雙重機制，并且腿的兩個手柄位于相同的位置直線導軌。 機器人的運動結構基于所示的圓柱形方案在圖 7 中。機器人有 5 個主動自由度 （DOF），編號從 0 到 4 根據(jù) Denavit-Hartenberg 表示法。運動模型的參數(shù)如表 1 所示。機器人的所有關節(jié)都有相似的驅動系統(tǒng)：帶增量編碼器和減速齒輪頭的直流電機， 電磁離合器和旋轉電位器，用于絕對測量接頭的位置。 在底盤（A）內有一個帶有兩個滑架的特殊齒形導軌如圖 8 所示。每個托架包含兩個驅動器：一個負責滑架的水平移動和一個機動化垂直的手臂。這些相互垂直的接頭編號為 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。水平和垂直關節(jié)的移動范圍分別是 650mm 和 470mm。 此外，主齒形導向裝置可以圍繞 Z0 軸旋轉。這個運動由位于特殊指南上的驅動 器 0 生成這是圖 8 的右側部分。這個額外的自由度擴展了康復功能機器人通過增加臀部內收和外展練習，如圖 9b 所示。繞 Z0 軸旋轉的范圍是 15deg。最佳地利用機構機器人高度的工作區(qū)域應通過曲柄（E）進行調整。 2. 編程機器人 編程康復機器人的主要思想是基于通過展示方法教學。將患者的腿固定在手臂上后機器人，康復者把手安裝在手臂的兩端并根據(jù)練習移動腿部。位置和軌跡的軌跡所有關節(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） 來控制機器人在準備和教學階段的胳膊。按下按鈕后，可以在電機斷開時自由移動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現(xiàn)功能。 機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，因此康復可以感受到腿部的重量和運動的自然界限。練習也可能包括一些推動反對限制。當手柄上的兩個按鈕都結束教學階段被實現(xiàn)。下一個階段是測試運行：機器人執(zhí)行單個循環(huán)運動; 康復者必須監(jiān)測軌跡，行為的正確性病人和系統(tǒng)。這也是調整運動速度的時候。在這個階段，系統(tǒng)記錄力量出現(xiàn)在關節(jié)中。在下一步中，操作員接受軌跡并設置循環(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。復原機器人在工作時必須更加敏感與殘疾或甚至無意識的患者?？祻蜋C器人 RRH1 是配備多種安全系統(tǒng)：緊急停止時立即停止電機的電源按鈕（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)測每個關節(jié)的位置，速度和力出現(xiàn)扭曲時立即停止，檢測到通信層故障時立即停止。 5.結論 我們已經(jīng)提出了較低的康復設備的簡短評論四肢。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)生運動（HapticWalker，機器人來自慶尚大學），并通過在膝蓋上舉腿來產(chǎn)生運動和踝關節(jié)。 在后面的例子中，我們只找到了一個例子系統(tǒng)使用電線和外部框架引腳在工作空 間內機器人。我們設計和建造了屬于同一個的原始建筑然而，機器人的類別使用剛性連接來保持和移動腿學到的道路。我們的原型可以安全地用于有意識的和有意識的康復初期的無意識患者。它也可以用于長期或重癥監(jiān)護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構和更好的機動性線驅動機器人。它有 5 個自由度，可以進行全方位的練習包括髖關節(jié)和膝關節(jié)的屈曲/伸展，以及腿外展/內收。 承認 康復機器人 RRH1 由自動化研究所開發(fā)控制，羅茲技術大學與先生合作。LEDMEN 公司的老板 Maciej Czapiewski 和 Krzysztof 博士華沙理工大學航空與應用力學研究所的 Mianowski 先生就機械問題提供了寶貴的咨詢意見設計。 附錄 2. 外文原文