毕业设计（论文）-手指关节功能康复仪设计

1、全套图纸加153893706 第 1 页 共 46 页引言手指关节功能康复仪是康复医学和机械的完美结合，其作为现在医学上辅助医疗的医疗机器人的一个重要分支，也可称为康复机器人。自20世纪60年代初世界第一台机器人在美国问世以来，经过四十余年的发展，机器人正在进入医疗领域，并显示强大的生命力和广阔的应用前景。因此，世界各国特别是西方发达国家都争先开展高技术用于医疗器械的研究和发展，并先后在医学界、科学技术界、工业界制定了各种研究计划，许多产品已经走向市场和临床应用。中国人口众多，是医疗仪器、器械的使用大国。我们若能抓住机遇，从国情出发，自主设计开发辅助医疗机器人系统，解决国内医疗技术迫切需要解决的问题，就可以避免落后引进在落后的被动局面，在医用机器人领域实现跨越发展。因此，开展基于先进机器人技术的医疗机器人研究具有显著的社会效益、经济效益和理论研究价值。1 绪论1.1 课题背景康复机器人在医疗实践上主要是用于恢复患者肢体系统的功能。运动系统的问题可以划分为两类：一类是生物力学或生物物理化学类型的应用，另一类是运动学习。当人的肢体受外伤、烧伤、或做手术后，由于受伤组织的皮肤、韧带和肌肉失去

2、弹性而导致肢体运动的速度和范围受到限制。生物力学或生物物理化学类型的应用就是使用机器人系统来打破受伤肢体的运动范围。CPM机是康复治疗机器人的一种。CPM机是利用康复医学中连续被动活动（Continuous Passive Motion，简称CPM）的基本原理对受伤肢体进行康复治疗的机械装置。连续被动活动理论在1960年左右由Salter提出，进过数十年的临床及动物试验，在1970年他提出CPM装置假说，内容为：增加关节软骨的营养与新陈代谢的活力；刺激多能叶间细胞去分化进入到关节软骨之中，反抗纤维化的组织或骨头并带领着软骨再生；加速关节软骨与钙化组织的复原。关节在受伤或者术后的僵直的发展过程经过四个阶段：出血、浮肿、产生肉芽组织和纤维化。连续被动活动可能在前两个阶段中用于关节和周围组织的活血和散瘀，这就要求保持正常的周围组织的依从性。如果在受伤或术后立刻采用连续被动活动进行整个关节范围的活动一直到关节僵直不再继续发展，这样对于阻止关节僵直的发展是非常有效的。上述观点首先在膝关节的康复治疗应用中成功，后来又在肘关节的康复治疗中得到验证，从而证明了连续被动活动这一理论在关节功能康复治疗中应

3、用的有效性。连续被动活动理论提出后不久便有了用于膝、肩、肘关节等康复的CPM装置出现，但由于受技术原因，此类CPM装置长期停留在“大关节”康复的范围内。最近有关机构研制的用于手腕关节和指关节这样的“小关节”康复的CPM装置，但还不能想“大关节”CPM装置那样实现精确的控制，对多关节康复训练的CPM装置而不是多自由度的驱动机构，治疗的效果还有待提高。1.2 康复机器人研究概述1.2.1 手部的CPM机研究现状康复机器人的研究贯穿了康复医学、生物力学、机械学、机械力学、电子学、计算机学等诸多领域，已经成为了国际机器人领域的一个研究热点。康复的含义是在受创伤或得病后恢复患者肢体或器官的正常的形状或功能。康复工程就是致力于为患者提供此类辅助装置。吧先进的机器人技术引入到康复工程中的康复机器人体现了康复医学和机器人技术的完美结合。目前康复机器人已经广泛地应用到康复护理、假肢和康复治疗等方面，这不仅促进了康复医学的发展，也带动了相关领域的新技术和理论发展。康复机器人是工业机器人和医用机器人的结合。第一次尝试把为残疾人服务的机器人系统产品化是在上世界60年代到70年代。实践证明这些尝试都失败了，其主

4、要有两方面的原因：其一是设计得不理想，尤其是人机接口；另一个不是技术的原因，单价太高导致了康复机器人产品化的失败。上世纪80年代是康复机器人研究的起步阶段，美国、英国和加拿大在康复机器人方面处于世界的领先地位。1990年以前全球的56个研究中心分布在5个工业区内：北美，英联邦，加拿大，欧洲大陆和斯堪的纳维亚半岛及日本。1990年以后康复机器人的研究进入到全面发展时期。目前，康复机器人的研究主要集中在康复机械手、医院机器人系统、智能轮椅、假肢和康复治疗机器人等几个方面。随着CPM康复理论研究和CPM装置临床实践的不断发展，CPM装置的发展呈现向小关节喝多关节的方向发展；向小型化、嵌入式、便携式发展；向智能型和网络化发展；开发复合更有效的结构形式；开发和应用新的动力源和传动方式；提高医学专家和患者在康复过程中的主观能动性的研究内容与成果体现了这种发展趋势。目前手指关节CPM机已经出现，本文对近几年的发展作了研究，1999年，韩国成均馆大学科研人员研制出一种针对手指外伤的康复机械手，如图1-1所示。实现食指关节的康复运动，DIP、PIP关节康复机构采用平面四杆机构，MP1、MP2关节采用空间

5、六杆机构，采用钢丝的键驱动方式，每个关节可以单独控制，同时集成了力传感器和角度传感器，但力传感器在机构的驱动杆件上，并不是康复运动中真正作用在手指上的力，角度传感器安在四杆机构的顶端，计算出的康复角度与实际的有较大的误差。2001年，美国科研人员研制出的针对五个手指的康复机械手，采用前驱动的控制方式，每个手指的康复运动用一个电机控制，共5个电机，每个手指的指端与机构固定，通过钢丝的拉伸运动，指端的弯曲和伸直带动整个手指实现弯曲运动，驱动机构与执行机构分离，优点是结构紧凑、轻便，但并未集成力传感器和位置传感器，不能对康复效果做有效的信息反馈和评价。如图1-2所示。2003年，英国曼侧斯特大学科研人员设计出一种外骨骼式康复机构，如图1-3所示，采用模块化的设计思想，实现四个手指的康复运动，采用钢丝作为传动机构。整个机构有三部分组成，外骨架模块，康复机构的主要部分，用于固定手指，集成微型力矩传感器，有效的传递手指上的力觉信息；手套模块，固定外骨骼同时保护手指免受伤害；电机驱动模块。该机构针对不同人的手指特征进行调整，不同长度和粗细的手指都可进行康复训练，系统集成了力传感器，能够实时准确的反馈

6、手指的力觉信息。2004年，美国卡内梅隆大学机器人研究所科研人员研制出一种新型的手部CPM机。如图1-4所示，该机构固定大拇指，单独康复食指，机构可以针对不同人的手指进行调整，DIP、PIP关节的康复运动机构，气动驱动，能达到良好的康复效果，只是并未建立起有效的感知系统来反馈康复运动信息。2005年，德国柏林工业大学的机器人研究中心的科研人员在现在的康复机构手的基础上研制出了一种新型的手部CPM机。仍然采用平面四杆机构，但驱动杆为贴近手指的连杆，可以减少力传递过程中的能量损失，获得更好的康复角度和力矩，实现了单个手指关节的精确控制，整个机构由四部分组成：指套执行机构驱动机构集成微型传感器，同样，该设计驱动模块和执行模块分开，采用钢丝的键驱动方式，如图1-5，图1-6所示。国内的哈尔滨工业大学和哈尔滨工程大学等学校都进行了相关的研究，对现有的康复机构进行了改进，并且集成了力、角度微型传感器，与执行机构巧妙的结合在一起，重量轻，达到良好的康复效果。目前市场上出现了适合手指关节康复的CPM机，如图1-7所示，价格较高，多个手指采用一个电机控制，虽然实现康复运动，但不够精确，且不能对康复过程实

7、时监控，缺乏感知信息。综合以上分析，现有的手部CPM大多存在下列的缺点和不足：康复过程中缺乏对手指关节速速、关节力矩、关节角度进行精确控制；感知能力较差，力和位置反馈信息不足，对康复效果在物理上不能作有效的评价；安全性有待进一步提高；体积较大，携带不便。1.2.2 红外线放射疗法研究红外线的物理性质在光谱中波长自0.76至400微米的一段称为红外线，红外线是不可见光线。所有高于绝对零度（273）的物质都可以产生红外线。现代物理学称之为热射线。医用红外线可分为两类：近红外线与远红外线。近红外线或称短波红外线，波长0.761.5微米，穿入人体组织较深,约510毫米；远红外线或称长波红外线，波长1.5400微米，多被表层皮肤吸收，穿透组织深度小于2毫米。红外线的生理作用和治疗作用人体对红外线的反射和吸收 红外线照射体表后，一部分被反射，另一部分被皮肤吸收。皮肤对红外线的反射程度与色素沉着的状况有关，用波长0.9微米的红外线照射时，无色素沉着的皮肤反射其能量约60；而有色素沉着的皮肤反射其能量约40。长波红外线（波长1.5微米以上）照射时，绝大部分被反射和为浅层皮肤组织吸收，穿透皮肤的深度仅达

8、0.052毫米，因而只能作用到皮肤的表层组织；短波红外线（波长1.5微米以内）以及红色光的近红外线部分透入组织最深，穿透深度可达10毫米，能直接作用到皮肤的血管、淋巴管、神经末梢及其他皮下组织。如表1。表1 皮肤对红外线的透过率波长（微米）透过率（）2.01.51.21.00.80.70.60.570.54163940404037373216红外线红斑 足够强度的红外线照射皮肤时，可出现红外线红斑，停止照射不久红斑即消失。大剂量红外线多次照射皮肤时，可产生褐色大理石样的色素沉着，这与热作用加强了血管壁基底细胞层中黑色素细胞的色素形成有关。红外线的治疗作用 红外线治疗作用的基础是温热效应。在红外线照射下，组织温度升高，毛细血管扩张，血流加快，物质代谢增强，组织细胞活力及再生能力提高。红外线治疗慢性炎症时，改善血液循环，增加细胞的吞噬功能，消除肿胀，促进炎症消散。红外线可降低神经系统的兴奋性，有镇痛、解除横纹肌和平滑肌痉挛以及促进神经功能恢复等作用。在治疗慢性感染性伤口和慢性溃疡时，改善组织营养，消除肉芽水肿，促进肉芽生长，加快伤口愈合。红外线照射有减少烧伤创面渗出的作用。红外线还经常用于

9、治疗扭挫伤，促进组织肿张和血肿消散以及减轻术后粘连，促进瘢痕软化，减轻瘢痕挛缩等。红外线对眼的作用 由于眼球含有较多的液体，对红外线吸收较强，因而一定强度的红外线直接照射眼睛时可引起白内障。白内障的产生与短波红外线的作用有关；波长大于1.5微米的红外线不引起白内障。光浴对机体的作用 光浴的作用因素是红外线、可见光线和热空气。光浴时，可使较大面积，甚至全身出汗，从而减轻肾脏的负担，并可改善肾脏的血液循环，有利于肾功能的恢复。光浴作用可使血红蛋白、红细胞、中性粒细胞、淋巴细胞、嗜酸粒细胞增加，轻度核左移；加强免疫力。局部浴可改善神经和肌肉的血液供应和营养，因而可促进其功能恢复正常。全身光浴可明显地影响体内的代谢过程，增加全身热调节的负担；对植物神经系统和心血管系统也有一定影响。设备与治疗方法红外线光源红外线辐射器将电阻丝缠在瓷棒上，通电后电阻丝产热，使罩在电阻丝外的碳棒温度升高（一般不超过500），发射长波红外线为主。红外线辐射器有立地式和手提式两种。立地式红外线辐射器的功率可达600100瓦或更大。近年我国一些地区制成远红外辐射器供医用，例如有用高硅氧为元件，制成远红外辐射器。白炽灯在医疗中广泛应用各种不同功率的白炽灯泡做为红外线光源。灯泡内的钨丝通电后温度可达20002500。白炽灯用于光疗时有以下几种形式：立地式白炽灯：用功率为2501000W的白炽灯泡，在反射罩间装一金属网，以为防护。立地式白炽灯，通常称为太阳灯。手提式白炽灯：用较小功率（多为200W以下）的白炽灯泡，安在一个小的反射罩内，反射罩固定在小的支架上。光浴装置可分局部或全身照射用二种。根据光浴箱的大小不同，在箱内安装4060W的灯泡630个不等。光浴箱呈半圆形，箱内固定灯泡的部位可加小的金属反射罩。全身光浴箱应附温度计，以便观察箱内温度，随时调节。红外线

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