[發明專利]一種三自由度微型仿腕關節震顫運動仿真機器人

有效

• 申請號: 201410570777.1
• 申請日: 2014-10-23
• 公開（公告）號: CN104409004A
• 公開（公告）日: 2015-03-11
• 發明（設計）人: 孫建;常禮;汪步云;馬成學;劉媛;孫玉香;曹會斌;高理富;葛運建
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G09B23/28
• 分類號: G09B23/28
• 代理公司: 合肥天明專利事務所 34115
• 代理人: 奚華保

技術領域??

本發明屬于醫療機器人領域、實驗機器人領域，具體是指一種用于模仿人體腕關節震顫運動的三自由度全驅動震顫仿真機器人平臺。?

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背景技術

震顫是一種不自主的、有節律性的、近似正弦往返擺動的肢體運動。40歲以上的中老年人有5%的人患有震顫疾病，特別是帕金森氏病，為近一二十年發病率呈上升趨勢的常見病，患病率每10萬人西方106-307人，亞洲為44-82人，非洲31-58人，60歲以上人群中PD的患病率約達1%。震顫常見與人的肢體特別是手臂，影響精細動作、書寫和餐飲，嚴重時可對病人的日常生活、工作、社會交往等帶來諸多不便。盡管目前國內外很多研究機構對震顫研究很多年，但總的來說，存在如下問題：1.由于目前震顫的機理和起源至今尚未明確，對于震顫的治療大多采用探索性方式，無法從根本上治愈；2.各種治療藥物雖能使震顫患者的臨床癥狀在一定時間內獲得一定程度的好轉，但均不能阻止本病的自然進展，且各種藥物都有不同程度的副反應，因而限制了其自身在臨床上的應用；3.目前，一些較為先進的療法尚處于研究階段，雖然實驗證明能較明顯的提高該病的臨床緩解率，減少了副作用，但也存在價格昂貴、遠期療效尚難肯定等問題。

研究表明，除了常規藥物治療之外，生物力加載（biomechanical?loading）、功能性神經肌肉刺激（Functional?neuromuscular?stimulations,?FNS）技術以及康復訓練等是抑制震顫運動的有效措施。生物力加載技術是一種通過外部系統向人體施加機械負載，旨在改變肢體的肌肉-骨骼系統生物力學特征的技術，通過向神經肌肉系統的外圍終端（例如“四肢”）施加“定量”的機械負載，可以有效改變震顫運動的狀態，補償或者抵消引起手臂震顫振動響應，達到抑制腕關節震顫的目的。

“非藥理學”震顫運動抑制的研究主要開展手臂震顫識別與實時建模、震顫信號提取與處理、震顫運動抑制策略以及構建震顫抑制實驗裝置等方面的研究。震顫抑制措施的研究主要集中在震顫運動的“表象”——震顫信號。出于安全性和震顫抑制策略的實驗要求考慮，這里需要設計一種可以模擬人體腕關節震顫運動的機器人裝置，用于模擬手部震顫運動。設計這種裝置的目的和優點在于：1）通過控制電機的轉速，可以調節假肢手部的震顫幅度和頻率，模擬任意頻率的震顫運動；2）通過外加震顫抑制信號，可以改變假肢手部的震顫幅度和頻率，以驗證震顫抑制措施的有效性和安全性，有效的解決由于安全和技術原因無法多次在真實的震顫患者身上驗證震顫策略的問題。

James?Z,Zhang，在“Detection?of?Involuntary?Human?Hand?Motions?Using?Empirical?Mode?Decomposition?and?Hilbert?–?Huang?Transform”文章中，設計一種兩自由度的手臂震顫模擬平臺，主要有三部分組成：震顫模擬發生器，傳感器接口和數據采集裝置。震顫模擬發生器用于產生手臂震顫信號，并且用一個3軸加速度傳感器網絡。為了仿真手臂的震顫運動，這種裝配主要利用安裝在手臂旁邊的推式電磁鐵來模擬震顫運動。但是，由于設計上的缺陷，這種手臂震顫模擬平臺存在如下缺點：1）只能模仿兩個方向的手臂震顫運動，對震顫運動的分析工作不完善；2）由于僅安裝了加速度傳感器來采集運動信號，導致震顫運動信號的表現特征過于單一。

申請者在“基于外骨骼機器人技術的人體手臂震顫抑制關鍵技術研究”一文中，設計了一種可以模擬人體震顫運動的機器人裝置。該平臺可以實現兩自由度的手臂運動，可以產生頻率1-20HZ的震顫運動。這種平臺的優點在于：通過控制電機的轉速，可以調節假肢手臂的震顫幅度和頻率，模擬任意頻率的震顫運動。但是，由于機械裝置設置上的局限性，這個平臺只能模仿前臂上下運動和前臂的旋內/外運動。這導致其對震顫運動的仿真不完善。

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發明內容??

針對現有“非藥理學”手臂震顫抑制策略的存在的問題和不足，本發明公開一種三自由度微型仿腕關節震顫運動仿真機器人，在應用某一種震顫抑制策略進行人體實驗時，首先在該機器人上進行仿真實驗，既能驗證該方法的正確性，又能提高該方法的安全性，解決了進行震顫抑制策略驗證時需要多次采集震顫患者手部震顫信號的問題，大大縮短了新方法的研究進程。

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