论文总字数：24259字

摘 要

人手部功能的削弱和失效不但使患者不能参与社会劳动，甚至失去自理能力，给社会和家庭造成极大的负担。本文针对手部康复训练主要由康复医师利用手工方法实施产生的训练效率低下、训练积极性不高等问题，设计了一种用于手部辅助康复训练的被动康复训练器。首先介绍了用于驱动被动康复训练器磁流变电机的结构、实现原理和性能，在此基础上讨论了手部辅助康复训练器的设计方法，该装置在支架上安流变电机，并安装有角度传感器和力传感器，流变电机轴上设计两自由度康复手柄，患者通过手柄实现对手部的康复训练。讨论了康复训练器的控制方法并设计了控制电路，最后设计趣味性的康复游戏，与康复器配合实现康复训练。该康复训练器安全稳定性好、重量轻、输出力可控制范围大，能够及时收集患者的康复程度，为医生制定进一步的医疗方案提供依据，患者也可根据自身情况适时调整康复训练难度，具有很好的实用价值和广泛的应用前景。

关键词：康复训练，力觉交互，流变电机，智能材料

Abstract: Patient with weakened or disabled hand function can not participate in social work, or even lose the ability to take care of themselves, which will result in a heavy burden to the society and the family. A passive rehabilitation training device is designed in this thesis for hand assisted rehabilitation training to solve the problems such as inefficiency, low enthusiasm and so on, which are caused by manual method mainly implemented by rehabilitation physician. Firstly, the structure, principle and performance of rheological motor based on magneto-rheological fluid for passive rehabilitation training device is introduced and design method for hand assisted rehabilitation device is discussed. The rheological motors are mounted on a support, with an angle sensor and a force sensor being installed. A two degrees of freedom rehabilitation handle is mounted on the rheological motors’ shaft, and hand rehabilitation training can be implemented by the handle. Secondly, control methods for rehabilitation training device are discussed and a controller is designed. Interesting rehabilitation games are developed in the end, and rehabilitation training can be implemented by cooperating with rehabilitation training device. The rehabilitation training device developed has many advantages such good security and stability, light weight, large output force, and so on. The degree of rehabilitation can be collected in time, which can be taken as the basis for medical doctors to make the further medical treatment, and the difficulty of rehabilitation training can be adjusted timely by patients according to their own situation. It will have very good practical value and broad application prospect.

Key words: rehabilitation training, force interaction, rheological motor, smart material

目 录

1 前言 5

1.1 背景和意义 5

1.2 国内外发展现状 5

1.3 存在的问题 6

1.4 研究的主要内容 7

2 基于磁流变液的流变电机 7

2.1 磁流变液 7

2.1.1 磁流变液及磁流变效应 7

2.1.2 磁流变液的工作模式 8

2.2 磁流变液流变电机的结构和原理 8

2.2.1 磁流变液流变电机结构 8

2.2.2 磁流变液流变电机实现原理 9

2.3 磁流变液流变电机动力学模型 9

2.3.1 磁流变液的本构模型 9

2.3.2 磁流变液流变电机的动力学模型 9

2.3.3 磁流变液流变电机的电磁特性分析 11

2.4 流变电机性能分析 14

2.4.1 静态性能 14

2.4.2 动态性能 15

3 两自由度手部康复训练器 15

3.1 康复训练器结构 15

3.2 康复训练器手柄受力分析 17

3.3 康复训练器的控制电路设计 19

3.3.1 控制电路构成 19

3.3.2 USB通信 20

3.3.3 角度的测量 25

3.3.4 电流源 26

3.4 康复训练器控制 28

4 康复训练游戏的设计 29

4.1 康复训练游戏简介 29

4.2 康复训练游戏设计 31

4.2.1 碰撞检测 31

4.2.2 小球碰撞后的恢复方法 32

4.2.3 游戏难度的设置 32

4.3 康复训练器应用试验 33

结 论 35

参考文献 36

致 谢 38

前言

背景和意义

根据全国第二次残疾人抽样调查结果显示，目前我国有8296万残疾人，其中有康复需求的残疾人接近5000万。每年因车祸、疾病等原因新增加的残疾人数量达100多万。同时，我国已经进入老龄化社会，约7000万老年人有康复需求，可见社会对康复医疗有巨大的需求。据统计，全国仅有19%的残疾人一年内受过康复服务，城市接受康复服务的残疾人比例为29.5%，农村为15.7%，这充分说明目前康复服务的覆盖面还十分有限。研究表明，一定强度的重复训练对于伤残部位的康复具有积极的促进作用，目前，大多数康复训练仍然停留在医生与患者的一对一训练，但由于康复医师人力资源的缺乏和治疗费用的昂贵，使得患者获得康复训练的机会受到很大限制，并且康复训练过程由康复医师掌控，康复的效果完全取决于医师的责任心和经验，康复程度的评估也只能依赖于医师的直观判断。造成目前这种状况除残疾人康复意识不强的因素外，还有以下原因，（1）缺乏较好的康复训练器具，特别是便携式的适用于社区或家庭用的康复训练器具；（2）患者缺乏康复训练积极性，因为一般的康复训练都是单调重复的动作，而且无直观的效果评估系统，只能依靠患者自身的感觉粗略估计康复训练的效果，致使许多患者缺乏训练积极性和主动性，由此造成训练强度和时间的不足，影响训练效果；（3）康复训练不能贴近日常生活，康复训练后有许多患者仍然不能独立生活或生活质量不高。因此研究开发出能够适用于社区和家庭康复训练的康复训练器具有重要的社会意义和应用前景，患者通过和康复游戏交互进行康复训练，可以大大地提高其参与康复训练的积极性和主动性，从而确保患者能够按质按量完成康复训练；另外康复训练器能够将患者的康复数据（如力、伸展角度、速度等）及时采集到计算机中，患者能够实时看到自己的康复训练成果，从而进一步提高康复训练积极性，医生通过收集患者的康复数据能够及时掌握其康复情况并据此制定进一步康复方案，能够有效地提高康复训练的效果。

国内外发展现状

手是人们探索和开发世界的重要工具，手功能的削弱和失效不但使患者不能参与社会劳动，甚至失去自理能力，给社会和家庭造成极大的负担。鉴于手部康复训练的重要意义，国内外各大研究机构广泛开展了这方面的研究，目前应用最广泛的手部康复训练交互设备为力反馈数据手套，如已商品化的CyberGrasp，该力反馈数据手套将外骨骼机构安装于手背上用于实现力反馈功能，利用数据手套CyberGlove测量手的姿态，在每个手指上产生最大为12N的力。Rutgers Master Ⅱ是Rutgers大学人机交互实验室研究开发的力反馈数据手套，采用玻璃-石墨气动活塞给每个手指上施加力，既具有手姿态测量能力又具有力反馈功能，静态摩擦力很小，只有0.014N，装置安装于手指与手掌之间，该力反馈数据手套相当轻巧，只有100g，而且容易穿戴，能够对每个手指施加16N的力。Rutgers大学电子与计算机工程系的Scott H Winter和Mourad Bouzit利用磁流变液设计了一种用于手部康复训练的被动式力反馈数据手套^[1]，该力反馈数据手套采用外骨骼结构安装于手臂上，其最大的特点是采用了基于磁流变液的被动力反馈执行器，使得稳定性、安全性都能够得到保障，装置总重量不超过100g，没有附加的设备，能耗只有1.65W。哈尔滨工业大学的孙中圣等人利用气动人工肌肉作为驱动器研制的外骨骼力反馈数据手套，具有移动方便、手指自由伸展/握紧、集手姿态和力测量于一身等优点^[2]。除了力反馈数据手套外，用于手部康复训练的交互设备还有PHANTOM，美国的 William K. Durfee等人设计的交互设备^[3]，该设备利用固定于上臂的外骨骼机构连接至手指实现手的康复训练，美国西北大学的A Khanicheh等人利用电流变液设计了一种带两个旋转手柄的手部康复训练交互设备^[4]，该设备可以产生较大的力。2010年，美国西北大学的Mark Sivak等人利用电流变液驱动器研制开发了一个两自由度力觉康复训练器用于手部康复训练^[5]。2011年，日本Gifu大学的Satoshi Ito等人研究了运动辅助康复训练器用于手部残疾的患者康复训练^[6]。国内的力交互技术起步相对较慢，能够用于手部康复训练的交互设备也不多见，除了哈尔滨工业大学^[7]、北航^[8-9]等做了一定的研究工作外，东南大学在这方面也进行了初步的探索^[10-11]。

存在的问题

纵观目前存在的手部康复训练器，大多数是由电机、压缩空气、电磁场等驱动的主动型装置，主动型装置灵活性好，但由于主动型康复训练器稳定性、安全性相对较差，特别是出现故障时很容易失去控制，对患者造成二次伤害。另外，利用数据手套作为康复训练器能够对每个手指运动功能及手的协调性等进行康复训练，但外骨骼机构需要穿戴到患者的手上，使用不便并容易对患者造成二次伤害。也有部分研究机构利用智能材料设计手部康复训练器，但因结构的不合理使得实用性不强而得不到推广。总之，目前的大多数康复训练器结构复杂、体积庞大、价格昂贵、操作难度大并且需要医护人员现场看护，这给康复训练设备进入家庭和社区带来很大的困难。

研究的主要内容

针对以上问题，本文以磁流变液为功能材料，设计了一种便携式手部康复训练器，该训练器采用被动方式驱动，实现患者的主动训练；设计控制电路，患者能够根据自己的康复情况适时调整训练难度；设计康复训练游戏，康复训练器与康复游戏配合，可有效地提高患者参与训练的积极性和主动性；设置多种传感器，患者的康复效果可实时的测量和评估出来，可增强患者康复的信心。该设备具有安全稳定、体积小、结构简单、重量轻、容易操作等优点，它的研制成功将具有重要的意义和广泛的应用前景。

基于磁流变液的流变电机

磁流变液

磁流变液及磁流变效应

磁流变液是一种具有发展前途和工程应用价值的新型智能材料。性能良好的磁流变液在磁场的作用下能产生明显的磁流变效应，即在液态和固态之间进行快速可逆的转化，这种转化是在毫秒量级的时间内完成的。在该过程中，磁流变液的粘度保持连续、无级变化，整个转化过程极快，且可控，能耗极小^[12]。

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