文獻(xiàn)綜述-外骨骼式下肢康復(fù)機(jī)器人（重力減重系統(tǒng)）

課題名稱(chēng) 基于平板運(yùn)動(dòng)的外骨骼式下肢康復(fù)機(jī)器人（重力減重系統(tǒng)） 指導(dǎo)教師 下屬學(xué)院 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 專(zhuān)業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化 班級(jí) 16機(jī)械3 學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 開(kāi)題日期 2019年12月9日 要求：一、說(shuō)明材料來(lái)源情況；二、對(duì)課題的研究歷史、研究現(xiàn)狀等進(jìn)行準(zhǔn)確的分析與歸納并做出簡(jiǎn)要評(píng)述；三、表達(dá)自己的觀(guān)點(diǎn)與主張，闡述該課題的發(fā)展動(dòng)向和趨勢(shì)；四、文獻(xiàn)綜述正文字?jǐn)?shù)漢字要求2000字以上，外文要求10000個(gè)字符以上。 一、材料來(lái)源情況 我選擇的課題是《基于平板運(yùn)動(dòng)的外骨骼式下肢康復(fù)機(jī)器人（重力減重系統(tǒng)）》，基于平板運(yùn)動(dòng)的外骨骼式下肢康復(fù)機(jī)器人（重力減重系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)涉及到多方面知識(shí)體系，經(jīng)過(guò)對(duì)課題的仔細(xì)研讀，我在各種學(xué)術(shù)論文網(wǎng)站如中國(guó)知網(wǎng)、萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)中查找資料，同時(shí)結(jié)合自己所學(xué)習(xí)的書(shū)本與社會(huì)實(shí)踐所得來(lái)的知識(shí)，來(lái)讓自己對(duì)本課題有更進(jìn)一步的了解并以此完善自身知識(shí)體系。在各種錯(cuò)綜復(fù)雜的文獻(xiàn)中，我將資料細(xì)分為以下幾類(lèi)：1、國(guó)內(nèi)外研究歷史與現(xiàn)狀；2、重力減重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；3、今后發(fā)展趨勢(shì)分析。 二、國(guó)內(nèi)外研究歷史與現(xiàn)狀 褚夢(mèng)秋（2018）在《下肢康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究進(jìn)展》中結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀對(duì)下肢康復(fù)機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行了分類(lèi)，根據(jù)性能的不同又把控制系統(tǒng)分成嵌入式控制系統(tǒng)，工業(yè)控制單元和實(shí)時(shí)仿真控制系統(tǒng)三類(lèi)并總結(jié)歸納了國(guó)內(nèi)外研究人員的研究歷史和現(xiàn)狀。最后對(duì)該領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)和展望。 張嬌嬌（2012）在《下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人研究進(jìn)展》中總結(jié)歸納了國(guó)內(nèi)外在驅(qū)動(dòng)方式，機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)等不同系統(tǒng)的康復(fù)機(jī)器人并且闡述了他們各自在控制精度，使用，成本角和安全等多方面的優(yōu)缺點(diǎn)。 程方，王人成，賈曉紅，張濟(jì)川（2008）在《減重步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人研究進(jìn)展》中按照不同的分類(lèi)方法如按驅(qū)動(dòng)方式，動(dòng)力輸入方式等介紹了國(guó)內(nèi)外多種典型的康復(fù)機(jī)器人以及他們的結(jié)構(gòu)和各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 迄今為止，現(xiàn)有機(jī)器人所能提供的訓(xùn)練動(dòng)作只是簡(jiǎn)單的曲線(xiàn)或者直線(xiàn)軌跡，首先它與臨床訓(xùn)練的要求不符,?不能在康復(fù)早期給患者以更多的正確運(yùn)動(dòng)感覺(jué)的刺激；其次這些動(dòng)作與日常功能性動(dòng)作相差甚遠(yuǎn)，對(duì)于患者恢復(fù)日常生活能力幫助不大。不僅如此，由于機(jī)器人不能根據(jù)患者的康復(fù)情況做出實(shí)時(shí)的調(diào)整(輔助或阻尼支撐或不支撐),?容易讓患者完全依賴(lài)于機(jī)器人完成動(dòng)作,從而有可能導(dǎo)致癱肢產(chǎn)生異常運(yùn)動(dòng)模式.?此外,相同的訓(xùn)練內(nèi)容用于所有患者,缺乏針對(duì)性的治療方案,可能導(dǎo)致癱肢產(chǎn)生異常運(yùn)動(dòng)模式。 三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 張啟國(guó)（2013）在《下肢外骨骼康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人減重系統(tǒng)研究》中.依據(jù)減重步行訓(xùn)練的原理、作用設(shè)計(jì)了一款自主控制的減重系統(tǒng)。減重系統(tǒng)可分為豎直減重、水平隨動(dòng)兩個(gè)部分，豎直減重部分主要是卸載患者腿部無(wú)法承受的身體重量，水平隨動(dòng)部分是完成患者的下肢按照預(yù)先設(shè)置的步態(tài)做跟隨運(yùn)動(dòng)，完成正常的減重步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練. 陸嘉杰（2019）在《基于力/位控制的下肢康復(fù)機(jī)器人減重系統(tǒng)研究》中首先介紹了機(jī)器人減重支撐機(jī)構(gòu)的工作原理,采用牛頓-歐拉法建立了減重系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。結(jié)合動(dòng)力學(xué)模型對(duì)機(jī)器人進(jìn)行力/位控制策略的研究,實(shí)現(xiàn)精確地位置跟隨及恒質(zhì)量減重。最后利用MATLAB對(duì)減重支撐機(jī)構(gòu)的力/位控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明,減重誤差小于4N,跟隨誤差小于4mm,力/位混合控制策略可以滿(mǎn)足減重康復(fù)訓(xùn)練的需求。 孫立群（2014）在《下肢康復(fù)機(jī)器人減重平臺(tái)跟隨減重控制的研究》中對(duì)下肢康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀以及目前的應(yīng)用水平進(jìn)行了介紹。介紹了康復(fù)機(jī)器人各個(gè)系統(tǒng)，包括減重系統(tǒng)、下肢外骨骼系統(tǒng)和多環(huán)境訓(xùn)練平臺(tái)系統(tǒng)。根據(jù)各個(gè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，制定合適的控制方案。并且分析了各個(gè)系統(tǒng)的工作原理。建立了減重平臺(tái)的數(shù)學(xué)模型。對(duì)嵌入式控制系統(tǒng)各個(gè)電路模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)。搭建了下肢康復(fù)機(jī)器人嵌入式控制系統(tǒng)，并且對(duì)嵌入式控制系統(tǒng)進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)。 楊輝（2009）在《下肢康復(fù)機(jī)器人減重支撐系統(tǒng)的研究》中設(shè)計(jì)了一種繩牽引式的減重支撐系統(tǒng),完成了動(dòng)力學(xué)建模,并采用力控制方式實(shí)現(xiàn)了減重力的恒定。通過(guò)Simulink對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明,該減重支撐系統(tǒng)輸出減重力動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)誤差小,體現(xiàn)了主動(dòng)控制的優(yōu)越性,并為進(jìn)一步進(jìn)行交流伺服控制平臺(tái)的搭建奠定了基礎(chǔ)。 任廣安（2011）在《康復(fù)減重支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析》中做了以下幾個(gè)方面的研究工作:(1)簡(jiǎn)述減重支撐系統(tǒng)現(xiàn)狀、介紹其工作原理并分析其優(yōu)缺點(diǎn)。(2)提出設(shè)計(jì)方案并簡(jiǎn)述工作原理。(3)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并對(duì)主要零件進(jìn)行校核。(4)利用傳遞函數(shù)對(duì)氣動(dòng)位置控制系統(tǒng)和氣動(dòng)力控制系統(tǒng)進(jìn)行建模并用PID矯正，分析系統(tǒng)性能。（5)對(duì)氣動(dòng)位置控制系統(tǒng)和氣動(dòng)力控制系統(tǒng)進(jìn)行非線(xiàn)性建模并用PID矯正，分析系統(tǒng)性能。研究結(jié)果表明，氣動(dòng)位置控制系統(tǒng)仿真效果較好，而氣動(dòng)力控制系統(tǒng)由于氣缸摩擦力作用，很難實(shí)現(xiàn)較好的控制效果。 宋承盈（2014）在《步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)重心控制》中結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究成果對(duì)重心控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式以及結(jié)構(gòu)方式比較分析，確定了步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)重心控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案和控制方案。為了保證減重系統(tǒng)能夠安全可靠運(yùn)行，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度分析和模態(tài)分析，防止系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)強(qiáng)度不夠或者產(chǎn)生共振。其次通過(guò)對(duì)所選直流電機(jī)參數(shù)的查閱和測(cè)量建立了直流電機(jī)模型，并且應(yīng)用Matlab中的Signal Constraint工具預(yù)定了速度控制器參數(shù)，并建立了重心控制系統(tǒng)的仿真模型，進(jìn)行了速度閉環(huán)和位置閉環(huán)的仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。最后根據(jù)控制系統(tǒng)，對(duì)關(guān)鍵硬件進(jìn)行了選擇和使用學(xué)習(xí)，搭建了基于QPID的實(shí)驗(yàn)半物理仿真系統(tǒng)。 Wahab Aminiazar（2013）在《Optimized intelligent control of a 2-degree of freedom robot for rehabilitation of lower limbs using neural network and genetic algorithm》中提出了一種基于規(guī)則的智能控制方法，用以模擬2自由度平面機(jī)器人的健康肢體行為。隨著康復(fù)過(guò)程的進(jìn)行，平面機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)將通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求解，控制參數(shù)將通過(guò)遺傳算法優(yōu)化。 Yixiong Chen（2014）在《The FES-assisted control for a lower limb rehabilitation robot: simulation and experiment》中為了研究功能性電刺激（FES）與機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練相結(jié)合的可行性，設(shè)計(jì)了一種用于下肢康復(fù)的外骨骼機(jī)器人iLeg的控制策略，提出了FES輔助訓(xùn)練與阻抗控制相結(jié)合的策略。通過(guò)阻抗控制，建立了機(jī)器人的主動(dòng)柔順性，激發(fā)了患者主動(dòng)完成訓(xùn)練任務(wù)的努力。FES控制采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前饋控制器和PD反饋控制器相結(jié)合的方法。利用Matlab進(jìn)行仿真，并對(duì)脊髓損傷者和健康者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果令人滿(mǎn)意，驗(yàn)證了該控制策略的可行性。 下肢康復(fù)機(jī)器人（重力減重系統(tǒng)）主要分為三大系統(tǒng):機(jī)械結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。其中控制系統(tǒng)是影響減重系統(tǒng)進(jìn)而影響康復(fù)機(jī)器人使用效果的關(guān)鍵因素。控制系統(tǒng)決定了響應(yīng)精度，系統(tǒng)穩(wěn)定，反饋快慢等多種因素。應(yīng)綜合各實(shí)際使用情況結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究成果選擇并設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。 四、發(fā)展趨勢(shì) 呂星（2019）在《偏癱患者下肢康復(fù)機(jī)器人的研究進(jìn)展》中介紹了近年來(lái)偏癱患者下肢康復(fù)機(jī)器人及其所用的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,并對(duì)康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了闡述。 岳海波（2017）在《步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)》中按類(lèi)型討論步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其控制策略,并分析了步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)。 今后研發(fā)的步態(tài)機(jī)器人應(yīng)能將干擾感覺(jué)信息輸入最小化，易化正確的感覺(jué)信息輸入和步態(tài)力學(xué)，并智能化地根據(jù)外界變化同步作出輔助量大小調(diào)整，還可為機(jī)器人配以合適的生物信息檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生物反饋控制以提高康復(fù)效果。 五、個(gè)人觀(guān)點(diǎn)及研究意義及發(fā)展趨勢(shì) 隨著我國(guó)社會(huì)老齡化進(jìn)程逐漸加快以及各種自然災(zāi)害和交通事故等因素，我國(guó)有很大一部分人群的生命是在殘疾中度過(guò)的。伴隨老齡化過(guò)程中最明顯的就是老人四肢靈活性的不斷退化，還有各類(lèi)疾病如腦卒中嚴(yán)重影響他們的生活質(zhì)量。 為了幫助偏癱患者恢復(fù)功能，我國(guó)目前仍以傳統(tǒng)人工康復(fù)訓(xùn)練為主。但這種方法由于是一對(duì)一的模式且對(duì)康復(fù)師專(zhuān)業(yè)技能要求較高使得治療師數(shù)量嚴(yán)重不足。而且從康復(fù)效果大都依賴(lài)于康復(fù)師的主觀(guān)判斷，這就缺乏客觀(guān)定量地判斷和調(diào)控，影響康復(fù)效果。因此大力研發(fā)康復(fù)機(jī)器人并用于實(shí)際使用是一件緊迫且意義重大的事。 康復(fù)機(jī)器人的出現(xiàn)為治療提供了新的方法。由于自身重復(fù)性高的特點(diǎn)，減輕了治療師的工作強(qiáng)度。基于信息融合，虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，可以很好地判斷并且調(diào)控康復(fù)效果和康復(fù)療程。為患者精準(zhǔn)化治療方案的制定提供量化依據(jù)。 康復(fù)機(jī)器人有諸多優(yōu)點(diǎn)但目前我國(guó)對(duì)康復(fù)機(jī)器人的研究尚淺，僅局限于工學(xué)理論或人體的整體運(yùn)動(dòng)分析并沒(méi)有得到大量的臨床驗(yàn)證。未來(lái)，康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展將會(huì)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)，不斷優(yōu)化患者與機(jī)器的交互過(guò)程，使患者獲得最優(yōu)的治療效果和治療體驗(yàn)。 參考文獻(xiàn)： [1]褚夢(mèng)秋.下肢康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究進(jìn)展[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程，2018,6（37）:643-649 [2]張嬌嬌.下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人研究進(jìn)展[J].中國(guó)康復(fù)理論與實(shí)踐,2012,8(18):728-730 [3]程方，王人成，賈曉紅，張濟(jì)川.減重步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人研究進(jìn)展 [J].中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志,2008,23(4):366-368. [4]張啟國(guó).下肢外骨骼康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人減重系統(tǒng)研究[D].河北工業(yè)大學(xué)，2013. [5]陸嘉杰.基于力/位控制的下肢康復(fù)機(jī)器人減重系統(tǒng)研究[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù),2019,46(3):49-51 [6]孫立群.下肢康復(fù)機(jī)器人減重平臺(tái)跟隨減重控制的研究[D].河北工業(yè)大學(xué),2014. [7]楊輝.下肢康復(fù)機(jī)器人減重支撐系統(tǒng)的研究[J].機(jī)電工程,2009,26（7）:28-31 [8]任廣安.康復(fù)減重支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析[D].東北大學(xué)，2011 [9]宋承盈.步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)重心控制[D].哈爾濱工程大學(xué).2014. [10]呂星.偏癱患者下肢康復(fù)機(jī)器人的研究進(jìn)展.深圳中西醫(yī)結(jié)合雜志,2019,29(11):187-190 [11]岳海波.步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].科技展望:探索發(fā)現(xiàn),2017,19:108-109 [12]Wahab Aminiazar.Optimized intelligent control of a 2-degree of freedom robot for rehabilitation of lower limbs using neural network and genetic algorithm.Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation,2013,1(10):96-96 [13]Yixiong Chen.The FES-assisted control for a lower limb rehabilitation robot: simulation and experiment.State Key Laboratory of Management and Control for Complex Systems,2014,1(2). 指導(dǎo)教師簽字 2019年 11月 24日