成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写
的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明
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签字日期, ≯卯,年莎月, ,, ,, 签字日期,加,年二月, ≯日浙,,,大学硕十学位论文
工作身体力行,在学业和生活上对我的关怀及指导无微不至,特别是在项目研究的过
程中,杨老师富有启发性的建议和指导保障了课题的顺利进展,对科研求事的作风和
严谨的态度,为我做出了楷模,使我终身受益。在此,谨向恩师致以诚挚的感谢和崇
大的帮助。陈老师知识渊博,学术思想活跃,治学态度严谨,工作勤奋,不论是做人
还是做事,陈老师都是我终身学习的楷模。李老师为人宽厚豁达,对学生关爱有加,
对待科研踏实求是,在日常的学术讨论中经常可以一刀见血的指出课题存在的问题,
并提出切合实际的解决办法,使我受益匪浅,在此,谨向以上两位老师表示衷心的感
学友的身上我学到了很多的东西,我们之间也建立了深厚的友谊,与诸位同窗相处的这段日子将是我人生中一段美好的回忆。在这里,我要特别感谢博士生张佳帆、刘芳
芳,硕士生张杰、张欣、张煜、谢延青,本科生杨寅等同学在课题上对我的帮助,
爱是对我最大的支持,你们永远是我最可靠的坚实后盾,是我不断努力向前的动力源
急性脑血管病通常被称为脑卒中,也叫中风,是导致患者残疾的首要疾病, 同时
的病人约为,,,,万人。我国的情况是, ,,,,、 ,,,,、 ,,,,年城市主要死因分析表示,
脑血管病为第二主要死因,近年来死因顺序仍然没有改变。若以小样本调查结果进行
扩大计算,估计在我国每年有,,,,,,,万人新患急性脑血管病,其中半数残留严重后
遗症,影响生活质量。若以新老脑卒中累计来推测,每年死于脑血管病的病例数可能高达,,,,,,万。这样一个估计数字在整个中国的人口基数中仅占千分之一,但它对
社会和家庭的经济负担以及对老年人生活质量的影响是极其严重的Ⅲ。医学理论和临
床医学证明,这类患者除了早期的手术治疗和必要的药物治疗外,正确、科学的康复
患脑卒中后,绝大部分患者存在肢体运动功能障碍,有,, ,,,, ,的患者,个月内
不能恢复独立步行能力啦, ,其功能障碍的程度和恢复过程存在着个体差异, 同一患者下肢的功能障碍程度亦可见明显差异, 因此需分别评估, 目前常用的评估方法是,浙江大学硕十学位论文
,,,,,,,,,,阶段评估法。据,,,,,,,,,,对中风后运动功能恢复的观察,将其分为六
个阶段,见表,, ,。临床中,参照,,,,,,,,,,六阶段表即可判断患者所处的运动功能
治疗按照顺序分为,床上训练,坐起及座位平衡训练,从座位到站起训练,站立及站立平衡训练,步行训练,上肢及手功能训练,作业治疗训练等。其中,步行训练占有
重要的地位。步行训练步行能力的恢复是脑卒中患者维持整体健康,争取达到生活自
理的重要一环,也是患者及其亲属最为关心的问题。但步行训练应以其它训练为基础,
避免仓促、盲目进行。先开始原地患腿前后摆动、踏步、屈膝、伸髓练习,然后进行扶持步行或平行杠内步行训练。可使用手杖步行,逐渐到徒手步行。在步行训练时注
意纠正划圈步态。行走较为平稳后,开始上下台阶训练,要按“健腿先上,患腿先下”
的要领练习“接替式”上,下台阶,待能力增强后发展为随意“交替式”上、下台阶,根据患者步行能力发展的情况,适时增加转弯,越过低矮障碍、斜坡及较长距离
近年来, 国外根据动物实验和临床研究提出了减重活动平板步行训练方法,¨ ,,。训练采用悬吊式减重器和活动平板,医用跑步机,配合工作,来协助患者完成步行动
作,其悬吊装置可以不同程度地减少患者上身体重对下肢的负荷,使支撑能力不足的
患者也可以进行早期步行训练。减重步行训练,,,,,,,的作用主要包括№¨ ,¨嬲, ,、,,,,,通过电脑控制减重吊带将人体悬吊,减轻步行时髋部和双下肢的负重,可能使
病人步行中身体重心的分布趋于对称,提高病人步行稳定性, ,、减少了步行中下肢
相关肌群的收缩负荷,使下肢肌力不到,级的病人能提早进行步态训练,有利于病人
的早期下床活动, ,、下肢关节负荷的减轻可以改善和加大下肢关节的活动范围,从
而提高了步行速度, ,、减重状态下可以调节下肢的肌肉张力, ,、病人在减重装置的
保护下安全性提高。 ,,,,,进行的大量重复训练可看作一种强制性使用,传送带不断向后运动强迫病人迈步,强化下肢的运动任务。如果这种强制达到一定时程、频率和
强度,可防止发生废用,强化训练效果,发生运动再学习和,或神经通路的重组网,和
传统的运动疗法相比, ,,,,,可提高偏瘫病人的步行能力及实用性,使病人恢复自信
,,周内,其日常生活活动能力恢复最好时间是在,,, ,周内,们, 由此可见,尽早采用减重活动平板步行的训练方法,对患者最终能够重获步行能力是有着重大意义的。
目前采用的减重活动平板步行训练大都还是理疗师对患者进行“手把手”的训练,
其训练模式存在的问题显而易见。 ,、对一位脑卒中患者进行“手把手”的步行康复
训练至少同时需要两名理疗师来完成,而随着偏瘫患者的增多,理疗医师的人手严重
缺乏, ,、传统的人工康复训练消耗理疗师大量的时间与体力,从而,无法保证充足
的训练时间和足够的训练强度,治疗的效果也多取决于理疗医师的经验和水平, ,、不能向患者提供实时直观的反馈信息,训练过程缺乏吸引力,患者多被动接受治疗,
参与治疗的主动性不够,从而加大了训练的难度, ,、训练不能精确控制和记录训练
参数,运动轨迹、速度、强度等,,从而难以得到客观定量的康复评价指标,这不利于
治疗方案的确定和改进,并且无法开展对偏瘫患者神经康复规律的深入研究。在我国
目前医疗资源严重短缺的条件下,相当多的卒中及脊髓损伤患者失去了早期康复治疗
的机会,或者只能够进行一些不规范的康复训练,严重影响了患者的生存质量。因此,开拓更加广泛的康复训练手段和进一步提高康复效率是解决患者运动功能障碍的当
务之急。而近年来“以人为核心”的人机一体化技术…,的发展,为改良脑卒中康复医
减重活动平板步行训练方法的模式,还有可能彻底解决上述此训练方法中存在的问
题,首先,机器人不存在“疲倦”的问题,能够满足不同患者对训练强度的要求,其
次,机器人可以将理疗医师从繁重的训练任务中解放出来,从而专注于制定治疗方案、分析训练数据、优化训练内容等高级的工作中, 以改进机器人的功能,再次,使用机
器人技术可以通过多媒体技术为患者提供丰富多彩的训练内容,使患者能够积极参与
治疗,树立康复的信心,并及时得到治疗效果的反馈信息,还有,机器人可以客观记
录训练过程中患者患肢的位置、速度以及肌力恢复状态等客观数据,供理疗医师分析,
以评价治疗效果,更进一步,机器人所记录下的详细数据,使得理疗医师有可能从中
发现数据与治疗结果之间的对应关系,从而有可能深入探究中枢神经康复的规律,最后,使用机器人治疗技术,使得远程治疗和集中治疗,一名理疗医师同时为几名患者
提供指导,成为可能,通过将成熟的产品推广应用,最终使所有的患者受益。浙江大学硕十学位论文
复训练机器人和辅助型康复机器人。康复训练机器人的主要功能是帮助患者完成各种
运动功能的恢复训练,如行走训练、手臂运动训练、脊椎运动训练、颈部运动训练等,
辅助型康复机器人主要用来帮助肢体运动有困难的患者完成各种动作,如机器人轮
器械。它直接作用于人体,与人在同一个作业空间内工作,人与外骨骼作为一个整体
协同运动,而工业机器人在工作时通常是不允许人进入其作业空间的。普通的体育训练器械则大都是阻力型的,通过对受训者施加运动阻力使其肌肉得到锻炼,并且它往
对象,它主要用于辅助患有脑血管疾病或神经系统疾病的患者进行下肢的康复训练,帮助他们重获步行能力。它可以在专业的医疗机构甚至在家中使用,使患者获得更强
的独立生活能力,并能相当大的提高他们的生活质量。在过去的几年中,下肢康复外
骨骼在世界各国已经有了很大的发展并取得了相当多的成果,一些企业在其技术开发及投资方面有了很大的投入,下肢康复外骨骼的产业化和普及应用指日可待。
在下肢外骨骼的研究投入与成果方面,欧美及日本等发达国家几乎占据着统治的地位。最早出现的下肢外骨骼可以追溯到,,,,年,前苏联莫斯科的,,,,,,, ,,,,,,,,
用电机驱动的外骨骼,随后在,,世纪六、七十年代相继在前苏联和前南斯拉夫等国
出现了一大批钻研于此技术的前辈,并先后开发出了许多用于工业和康复场合的外骨
骼系统,,,。虽然没有详细的说明,不过从一些描述性的记载可以看出当时的外骨骼大
多由气动或液压驱动,结构笨重,控制系统不稳定,并且操作较为危险。到了,,世
纪末进入,,世纪,随着伺服、微机控制等技术的日渐成熟,下肢外骨骼技术也有了
长足的发展,世界各国好多著名的研究机构都加入到了此技术的开发行列之中,其研
究的方向更加细化,研究的成果五花八门,笨重、不稳定等从前难以解决的缺点均被
逐渐不同程度的克服,驱而代之外骨骼系统,机械结构更加轻便,控制系统更加稳定,
两大类。两类外骨骼最终要面向的人群不同,实现的功能也不一样。行走辅助类下肢
外骨骼更多的是面向正常人, 以辅助穿戴者行走或提升穿戴者的肢体机能为目的,医
疗康复类下肢外骨骼则更多的为患有心脑血管或神经类疾病的患者服务, 以协助他们进行康复期间的下肢训练,加快康复进程。另外一种分类方法是按人一外骨骼系统的
驱动方式来分,可分为被动式外骨骼和主动式外骨骼。穿戴被动式外骨骼进行操作时,
动作是由人来驱动外骨骼完成,外骨骼本身不设有驱动装置,主动式外骨骼自身就装
有驱动装置,操作时,人由外骨骼带动完成动作,或外骨骼辅助人完成动作,起到助力的作用。要注意的是,上述的两种分类标准是相互包容的,而并非对立。将不同的
分类标准进行排列组合,就可以得到更为细致的外骨骼分类。 目前,研究较为集中主
要用于医疗康复的外骨骼有,被动医疗康复类外骨骼和主动医疗康复类外骨骼两类。
被动医疗康复外骨骼研究方面具有代表性的是美国,,,,,,,,大学机械系统实验室开发的用于下肢康复的重力平衡下肢外骨骼,射,如图,, ,所示。
作用, 以达到辅助患者进行步行训练的目的,它有以下两个主要的特点, ,、它是被动的, 因此不包含有任何的动力装置,整个装置由结构连接杆和弹簧构成, ,、装置
使用十分安全,并且它的人机接口可以方便快捷的匹配不同穿戴者个体的肢体几何尺
寸和惯量。另外,此装置主要研究的是如何利用机械结构平衡下肢重力的方法, 目前
它采用的是一种混合的平衡法, 即先用其特制的机构找到穿戴者和外骨骼的重心位
置,然后再在重心上添加弹簧,从而使整条腿在其运动过程中各个位姿上的重力均得
到平衡,肌力传感器,角度编码器以及力一力矩传感器被装在外骨骼上,用于测量训练时人体下肢关键肌肉的肌力和计算关节力矩,实验表明,正常人穿戴外骨骼做髋膝
关节静态的弯曲动作时,可以分别节省,,,的关节力矩,偏瘫患者穿戴外骨骼进行步
主动医疗康复外骨骼研究方面具有代表性的是瑞士联邦工学院和,,,,,,,,大学
,,,,,,,也许是当今世界上主动医疗康复外骨骼系统中性能表现最为优秀的一
个, 已实现了产业化,世界好多偏瘫研究机构已购买,此系统作为研究的平台。
,,,,,,,每一条下肢外骨骼腿均有髋膝两个自由度,分别由独立的驱动器控制直
流伺服电机进行运动。关节的角度, 电机的输出力矩,患者与外骨骼之间的接触力均
有相应的传感器进行测量。整个,,,,,,,系统通过一个平行四边形连杆机构与跑步机
及悬吊系统相连接,稳固可靠。训练时,患者的下肢通过六个绑带与,,,,,,,相连,
最基本的被动训练只需控制四个关节的角度和角速度, 以带动患者模仿人体步行运
动。 目前,基于此平台, 已经开发出了多种控制策略供不同康复时期的患者进行恢复,Ⅱ太学碗,学位论生
骼。它的设计韧衷与,,,,,,,一样,是面向于下肢活动能力受损的心脑血管或神经疾
病患者。所不同的是, ,,,,,更加关注于所开发的机电系统与患者的兼容性和患者穿
戴外骨骼训练时的舒适性。当然,对康复外骨骼的一些常规要求,如,较大的带宽、
较高的定位精度、 良好的结构坚固】生等,也在,,,,,中得到,相应的体现。
由于设计关注的方面不同,其驱动方式也与,,,,,,,大相径庭。 ,,,,,采用绳缆
拉线式的传动方式控制四个关节,并采用,一系列的弹性构件组成,系统的力反馈环
节,其独特的驱动方式,使得系统具有更加轻便的关节结构以及更为简洁的外骨骼结构,从而提高的效率,另外, 出于舒适性的考虑,外骨骼业为患者提供了更多的关节
自由度,包括,髋关节的屈、伸主动自由度,膝关节的屈、伸主动自由度,髋关节的
国内在,肢机器人方面的研究起步较晚,所取得的成果也不多, 目前的研究机构
主要集中在哈尔滨工业大学和浙江大学,具有代表性的是,哈尔滨工业太学开发的辅
助性下肢康复训练机器人” ” “ ,和浙江大学开发的可穿戴式的下肢步行外骨骼“ “,
讲,它并不属于外骨骼范畴。它通过机器人的步态和姿态控制系统模拟正常人行走的
步态和踝关节的运动姿态,通过机器人的重心控制系统模拟正常人行走时重心的运动浙,,女学Ⅻ十学位论女
规律。两个系统协调配合,带动患者下肢进行步态运动,实现对下肢各个关节的运动
训练。整个系统采用被动的控制策略,通过带动患者进行被动的步态训练来达到最终
可穿戴式下肢步行外骨髂机构,并基于自适应模糊神经网络,,,,,,,控制理论,开展,下肢外骨骼的人机耦台控制策略研究。它类似于上文介绍的,,,,,,属于主动行走
辅助外骨骼一类,其最终目标是实现步行外骨骼穿着舒适性和行走平稳性的同时,降
低入在步行时所消耗的能量,缓解疲劳,并提升人体负重运动的能力。系统的成功研
制将有助于徒步行走者携带更多的装备,行动更加机动、迅速、灵活,也可以作为士
管疾病或中枢神经疾病的偏瘫患者进行下肢康复训练。 由于课题所涉及的开发对象在
国内少有研究先例, 国际上的同类研究也尚未成熟, 因此在整个系统的开发过程中将