下肢康复机器人技术及气动肌肉的应用.pdf

2 0 1 2年 8月 第 4 0卷 第 1 5期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I C S Au g ． 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 1 5 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 5 ． 0 3 8 下肢康复机器人技术及气动肌肉的应用 滕燕 ，杨罡 ，李小宁 ，吕征 1 ．南京理工大学机械工程学院，江苏南京 2 1 0 0 9 4 ； 2 ．南京医科 大学第一 附属 医院骨科 ，江苏南京 2 1 0 0 2 9 摘要 利用康复训练器械对受伤下肢进行及时的康复训练是提高下肢康复质量的有效临床干预手段。结合近年来 国内 外的主要研究成果，分析总结了下肢康复训练器械的研究现状，按驱动方式的不同将下肢康复训练器械进行了分类并分析 了各 自的特点，同时指出柔顺性、安全性和智能化是下肢康复器械未来的发展方向。 关键词康复；下肢；柔顺 中图分类号 T P 2 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 51 3 7 4 Ap pl i c a t i o n o f Re h a bi l i t a t i o n Ro bo t i c s Te c hn o l o g y a nd Pn e uma t i c Mu s c l e f o r I n j u r e d Lo we r Li mb TENG Ya n‘ ，YANG Ga n g ， LI Xi a o n i n g ， LV Zh e ng 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，N a n j i n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 9 4，C h i n a ；2 ． D e p a r t m e n t o f O r t h o p e d i c s ，T h e F i r s t A f f i l i a t e d H o s p i t a l w i t h N a n j i n g Me d i c a l U n i v e r s i t y ，N a n ji i n g J i a n g s u 2 1 0 0 2 9 ，C h i n a Ab s t r a c t F o r i mp r o v i n g t h e r e h a b i l i t a t i o n q u a l i t y，i t i s a n e f f e c t i v e l y c l i n i c a l me t h o d t o ma k e u s e o f t h e l o w e r l i mb r e h a b i l i t a t i o n t r a i n i n g a p p l i a n c e f o r i n j u r e d l o w e r l i mb t i m e l y ．T h e d e v e l o p m e n t s i t u a t i o n o f l o w e r l i m b r e h a b i l i t a t i o n t r a i n i n g a p p l i a n c e w a s a n a l y z e d a n d s u mma r i z e d a c c o r d i n g t o t h e ma i n s t u d y r e s u l t s a t h o me a n d a b r o a d i n r e c e n t y e a r s ． T h e l o w e r l i mb r e h ab i l i t a t i o n t r a i n i n g a p p l i a n c e s we r e c l a s s i f i e d b a s e d o n d i ff e r e n t d ri v e me t h o d a n d e a c h o f i t s c h a r a c t e r i s t i c s w e r e a n a l y z e d ． A l s o ，i t i s p o i n t e d o u t t h a t t h e d e v e l o p me n t d i r e c t i o n o f l o we r l i mb r e h a b i l i t a t i o n t r a i n i n g a p p l i anc e i n t h e f u t u r e i s c o mp l i a n c e ，s a f e t y a n d i n t e l l i g e n t ． Ke y wo r d s R e h ab i l i t a t i o n； L o we r l i mb s ； C o mp l i a n c e 由于交通事故、人 口老龄化 、生活习惯改变等导 致骨关节疾病人群数量激增 ，这其 中很 大一部分是下 肢关节受到损伤。传统康复医学认为，下肢骨关节受 伤后应以静置修复为主，待骨骼组织愈合后再进行关 节功能锻炼。但 现代 医学发现 ，长期静置会导致关节 囊粘连、挛缩，关节僵硬或强直，而且会不同程度地 出现下肢关节废 用性 肌 肉萎缩 和退 行性关 节炎 ， 使下肢运动功能缺失，严重影响患者 E t 后的生活质 量。因此 ，如何在下肢受伤后及时帮助患者消除和减 轻各项关节功能障碍、弥补和重建各项关节功能缺失 成为患者和医疗工作者越来越关注的问题。 现代康复医学认为 ，下肢受伤后应尽早进行康复 训炼 ，训练过程应该是从被动到半主动 助动直 至完全 主动的柔顺可控 的过程 ，这不仅可 以最大 限度 地恢复下肢关节的运动功能，增加肌力 ，而且还能大 大缩短康复时间 。以往康复训练往往依赖于治疗 人员对 患者一 对 一 的物理 治疗 ，由于劳 动强 度非 常 大，限制了治疗次数和每次治疗的时间，康复效果往 往并不令 人满 意 。同时 ，由于患 者数 量 和需 求 的激 增，少量的治疗人员显然难以满足要求。因此 ，对康 复训练器械的研制受到了人们的普遍重视。康复训练 器械可以代替治疗人员对肢体进行大量重复性运动， 将治疗人员从繁重简单的劳动中解放出来 ，是一种有 效的关节功能康复临床干预手段。 1 下肢康复训练器械的发展历程简介 2 O世纪 7 O年代 ，加拿大医生 S a h e r R B首先提出 关节持续被动运动 C o n t i n u o u s P a s s i v e Mo t i o n ，简称 C P M 的概念 ，即对关节损伤患者进行被动的有规律 的功能锻炼 ，帮助受损关节胶原纤维在关节屈伸方 向 沉积 ，促进透 明软骨 的形成 ，使得膝关节达到最大的 活动范 围 ，恢 复膝 关节 的功 能 。根 据这一 理 论 ， 1 9 8 2年 C o u t t s 等研制 出了持续 被动 训练 装置 简称 C P M机 ，并第一次将其应用于人体关节康复训练 中。1 9 9 2年 ，M c l n n e s 等 为研究 持续被动训 练在 不同 收稿 日期 2 0 1 1 0 9 0 4 基金项 目国家 自然科学基金项 目 5 1 0 7 5 2 1 3 ；江苏省 自然科学基金项 目 B K 2 0 0 8 4 0 5 作者简介滕燕 1 9 7 O 一 ，女，博士 ，副研究员，主要从事气动及机电一体化技术、关节康复器械方面的科研和教学工 作 。Em a i l y a n t e n g s o h u ． c o m。 1 5 0 机床与液压 第 4 0卷 由此可以得 到数控 机床 的评价集合 r 0 0 0 0 ． 71 0． 2 9] Rl 0 0 0 0 ． 9 9 6 0 ． 0 0 4 l L 0 0 0． 9 3 0 ． 9 3 0． 0 7 J 为 了避免人 为对 某些 指标 赋予 的权重 过高 或 过 低，采用专家经验和信息熵值结合的方法 ，确定指标 综合权重。熵的计算依据式 6 ，经过咨询多位专 家的意见，专家评价各指标的权重向量为 E 0 ． 5，0 ． 3 5，0 ． 1 5 因此，结合专家经验和信息熵值的综合权重为 叫 一 ／ 叫 一 L ∑ 式中 为信息熵权值； 为专家经验权值。 由此 ，可得到数控机床的综合权 重向量 W [ 0 ． 1 6 6 7 ，0 ． 1 1 7 ，0 ． 0 5 ] 综合评价的结果可以由R E W R得到，计算 结果为 R E [ 0 ，0 ，0 ． 1 3 9 5 ，0 ． 7 1 3 3 ，0 ． 1 4 7 2 ] 数控机床可靠性综合评价的流程 如图 3所示 。 图 3 可靠性综合评价流程图 经过对计算结果的分析可以看出，数控机床的 可靠 性评价结 果在 “ 高” 级别所 占的权 重最 大 ，为 0 ． 7 1 3 3 ，因此 判 断 数 控 机 床 的 可 靠 性 等 级 为 “ 高 ” 。 3结束语 在对数控机 床 的故 障数 据进 行 整理 分 析 的基 础 上 ，通过对其参数估计和拟合校验得到了威布尔分布 时数控机床 的数学期望值 。鉴于数控机床可靠性 的模 糊 性 ，采 用模糊 理论评价数控机床 的可靠性 ，并通过 融合信息熵理论和专家知识确定各指标的综合权重， 为数控机床的可靠性评价提供了一种高可信性和高精 度 的方法 。 另外 ，从数控机床可靠性综合评价的结果也可 以 看出，所分析数控机床 的可靠性较高，说明了 “ 高 档数控机床与基础制造装备”科技重大专项实施 的 重要性 和企业在 机床可靠性工作方 面的有效性 。 参考文献 【 1 】申桂香 ， 张英芝， 薛玉霞， 等． 基于熵权法的数控机床可 靠性综合评价 [ J ] ． 吉林大学学报 工学版， 2 0 0 9， 3 9 5 1 2 0 81 2 1 1 ． 【 2 】 张宏斌 ， 贾志新， 郗安民． 基于模糊综合评价的 D K 7 7系 列电火 花线切割机床可靠性评估 [ J ] ． 机床 与液压 ， 2 0 0 9 ， 3 7 1 1 2 4 6 2 4 7 ． 【 3 】 张忠松． 加工中心可靠性评价指标的扩展及评价方法研 究[ J ] ． 长春 吉林大学 ， 2 0 0 5 ． 【 4 】 贾志成 ， 胡仲翔， 申桂香． 协同环境下加工中心寿命分布 及可靠性评估[ C] ． 2 0 0 7机械工程全国博士生学术论 坛 。 2 0 0 7 7 4 1 7 4 8 ． 【 5 】 吴丽， 刘骏跃． 基于 B P 神经网络的数控机床使用可靠 性评价[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 7 1 3 81 4 0 ． 【 6 】于捷 ， 朱志伟， 申桂香 ， 等． G oF l o w方法及其在数控机 床可靠性评估中的应用[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 7 1 26 1 29 上接第 1 4 0页 【 1 4 】王广欣， 葛宰林 ， 王卫朝 ， 等． 下肢关节康复训练器 中 国， 2 0 0 6 2 0 2 0 0 4 3 6 ． 6 [ P ] ． 2 0 0 7 0 6 0 6 ． 【 1 5 】S U N H Y， Z H A N G L X ， L I C S ． D y n a m i c A n a l y s i s o f H o r - i z o n t al L o w e r L i m b s R e h a b i l i t a t i v e R o b o t [ C] ／ ／ I E E E I n t e r n a t i o n al Co n f e r e nc e o n I n t e l l i g e nt Co mpu t i n g a n d I n t e l l i g e n t S y s t e ms ． S h a n g h a i ， Ch i n a ， 2 0 0 9 6 5 66 6 0． 【 l 6 】施光林 ， 周爱国， 钟廷修 ， 等． 气动人工肌肉与标准气缸 的力特性比较[ J ] ． 上海交通大学学报， 2 0 0 4 ， 3 8 8 1 3 4 61 3 53． 【 1 7 】 R u P P R ， P L E W A H ， H O F E R E P ， e t a1 ． M o t i o n T h e r a p y Ho me A R o b o t i c De v i c e f o r Au t o ma t e d Lo c o mo t i o n T h e r a P Y a t H o m e [ C] ／ ／ I E E E l l t h I n t e r n a t i o n al C o nfe r e n c e o n R e h abi l i t a t i o n R o b o t i c s ． I oto ， J a p an， 2 0 0 9 3 9 5 4 0 0 ． 【 1 8 】S A WI C K I G S ， G O R D O N K E ， F E R R I S D P ． P o w e r e d L o we r Li mb Or t h o s e s Ap pl i c a t i o ns i n Mo t o r Ad a p t a t i o n a n d R e h a b i l i t a t i o n 『 C] ／ ／ 9 t h I n t e rna t i o n al C o nfe r e n c e o n Re h ab i l i t a t i o n Ro b o t i c s ． C h i c a g o ， US A， 2 0 0 5 2 0 6 2 1 1 ． 【 1 9 】S A S A K I D ， N O R I T S U G U T ， T A K A I WA M ． W e a r a b l e Ma s t e r s l a v e T r a i n i n g D e v i c e for Lo w e r L i mb C o n s t r u c t e d w i t h P n e u ma t i c R u b b e r A r t i fi c i al M u s c l e s [ C] ／ ／ P r o c e e d i n g s of t h e 7 t h J F P S I n t e rna t i o n a l S y mp o s i u m o n F l u i d P o we r ． T o y a ma ， J a p an ， 2 0 0 8 4 9 34 9 8 ． 【 2 0 】 杨罡． 柔顺主 一 被动膝关节康复训练技术研究[ D ] ． 南 京 南京理工大学， 2 0 1 1 ．