康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)含NX三維及11張CAD圖
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XXXX
設(shè)計(jì)(論文)外文翻譯
（譯文）
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20XX年 5月 25
設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 9 頁 共 9 頁
六自由度上肢康復(fù)儀器
摘要：新的訓(xùn)練方法和練習(xí)使上肢康復(fù)機(jī)器人的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用成為可能。該技術(shù)可以定量評價(jià)和提高效果的穩(wěn)定性。本文涉及的6自由度康復(fù)機(jī)急診驅(qū)動器的發(fā)展，其包括上肢及手腕的使用。
指數(shù)條款，康復(fù)體系，上肢康復(fù)，腕關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，ER驅(qū)動器
一 介紹
上肢的運(yùn)動,如飲食和操作電器非常的復(fù)雜、多樣且必不可少的日?；顒?。因此, 養(yǎng)老是重要的問題，鍛煉身體以保持他們的上肢功能。此外,還有很多許多造成中風(fēng)，癱瘓的病人的 例如，在日本每年兩百五十萬元人都有中風(fēng)，其中不少是癱瘓。人類的大腦有著一個非凡能力及可塑性程度（自組織），學(xué)習(xí)能力，開放的運(yùn)動康復(fù)的可能性。因此，神經(jīng)康復(fù)中風(fēng)患者是有效的。
物理治療包括一對一的互動幫助和鼓勵患者通過重復(fù)練習(xí)治療。機(jī)器人治療師消除了不必要的消耗，定量治療及監(jiān)測病人的進(jìn)展，并確保規(guī)劃治療方案的一致性。
社會中老齡化比例近年來呈現(xiàn)增長的趨勢，他們的身體每況愈下已成為許多國家的社會問題。早期發(fā)現(xiàn)他們身體功能惡化，所以要減少老年人的長期臥床而且還要保障護(hù)理以及足夠的康復(fù)訓(xùn)練，這也需要全社會老年人積極參與。使用適用于機(jī)器人技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，運(yùn)用新的訓(xùn)練方法使康復(fù)變得可能。定量反饋一臺計(jì)算機(jī)可以提高定性的評估訓(xùn)練培訓(xùn)效果。因此,一些康復(fù)上肢系統(tǒng)發(fā)展運(yùn)用這些技術(shù)然而,他們中的大多數(shù)人申請培訓(xùn)二維平面，但是許多日常生活的動作,都要在一個手臂垂直的方向上移動。因此,使用系統(tǒng)s練習(xí)似乎為此類培訓(xùn)更有效果。雖然M使用彪馬-560方式IME系統(tǒng)和斯坦福大學(xué)能能有三個層面的訓(xùn)練,美洲獅機(jī)器人——最早使用起源于560年工業(yè),殘疾人年齡也可能不能保持足夠的安全培訓(xùn)
這項(xiàng)工作是在經(jīng)濟(jì)上支持新能源及產(chǎn)業(yè)技術(shù)，貿(mào)易部和日本的產(chǎn)業(yè)組織發(fā)展等人大阪大學(xué)開發(fā)了兩種類型的2自由度顯示系統(tǒng)，使用ER驅(qū)動器[4] [5][6]，并已進(jìn)行了上肢臨床康復(fù)的試驗(yàn) [6]。在這些系統(tǒng)中，雌激素受體驅(qū)動器確?？梢詸C(jī)械安全。然后，大阪大學(xué)及旭化成集團(tuán)加入NEDO技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)項(xiàng)目5年，并在此基礎(chǔ)上制定了的3-D上肢康復(fù)器具知識[5]。然后，兵庫醫(yī)科大學(xué)進(jìn)行了臨床評價(jià)。
在5年NEDO技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)開發(fā)康復(fù)項(xiàng)目的系統(tǒng)，手腕的康復(fù)驅(qū)動機(jī)的驅(qū)動器和自由旋轉(zhuǎn)。因此，適當(dāng)?shù)纳现滞罂祻?fù)包括在內(nèi)的無法達(dá)到的。克雷布斯，等。麻省理工學(xué)院開發(fā)的機(jī)器人手腕[8]，然后已開發(fā)的系統(tǒng)，包括一個5自由度康復(fù)麻省理工學(xué)院馬努斯手腕機(jī)器人[9]。
在本文中，我們提出一個六自由度的發(fā)展趨勢，包括上肢手腕使用，在這個項(xiàng)目中康復(fù)機(jī)的ER執(zhí)行器將會實(shí)際應(yīng)用到下一代機(jī)器人上。2005年國際博覽會在日本的愛知縣舉行，屆時(shí)這臺機(jī)器將被展出。
圖1 電流變傳動器的概念圖
圖2多圓柱型的ER執(zhí)行器輸出雙旋轉(zhuǎn)方向扭矩 圖3 多圓柱型的ER離合器
電流變流體是一種流體，其流變特性可以通過施加電場改變[10]。圖1所示
ER流體驅(qū)動器的概念圖。?“ER執(zhí)行器是由一個ER離合器，驅(qū)動電機(jī)和減少齒輪單元組成的。電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持恒定。由外加電場控制的ER執(zhí)行器的扭矩的輸出。
截面圖的電流變傳動器可給予在扭矩方向上的輸出。輸入旋轉(zhuǎn)零件圖（第一部分和第二部分）擁有圓筒結(jié)構(gòu)。輸入旋轉(zhuǎn)部分由一個電動機(jī)通過齒輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，輸入第二部分是通過同一系列電機(jī)齒輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。輸入扭矩傳遞是通過輸出軸旋轉(zhuǎn)的充滿顆粒型電流變流體圓柱部分的旋轉(zhuǎn)圓筒。兩輸入軸和輸出軸缸作為電極，輸出扭矩是由電氣控制電極之間的應(yīng)用。該輸出軸是由鋁合金氣缸以降低轉(zhuǎn)動慣量。圖3顯示離合器圓柱結(jié)構(gòu)。
使用ER流體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是有效的人機(jī)共存，上肢康復(fù)系統(tǒng)和機(jī)電一體化系統(tǒng)一樣[4]。圖4顯示了一個概念圖人機(jī)共存，ER流體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用機(jī)電一體化（HMCM）的系統(tǒng)。人機(jī)共存是ER執(zhí)行器在應(yīng)用程序的優(yōu)點(diǎn)，機(jī)電一體化（HMCM）的系統(tǒng)
從操作的特點(diǎn)：
（A）由于ER執(zhí)行器具有良好的驅(qū)動器，駕駛性能背面，所以操作者可以很容易地從它的運(yùn)作機(jī)電一體化系統(tǒng)。
（B）操作其最終的效應(yīng)就是機(jī)電一體化系統(tǒng)，HMCM系統(tǒng)可以使輸入氣缸的轉(zhuǎn)速快速移動到ER流體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)
二 從系統(tǒng)表現(xiàn)顯示
（一）快速部隊(duì)響應(yīng)特性源于對ER驅(qū)動器的低慣性屬性及快速電流變流體的響應(yīng)，充分的介紹高保真的可能。
（二）可以安全地實(shí)現(xiàn)部隊(duì)顯示系統(tǒng)能力的介紹
圖7 被動顯示系統(tǒng) 圖8 康復(fù)仿真
圖9手動控制仿真 圖10 圖1原型
圖11 運(yùn)動鏈接2
圖12 運(yùn)動鏈接3
三 利用電流變液康復(fù)和顯示系統(tǒng)
古莊重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室大阪大學(xué)自1993就已經(jīng)發(fā)展康復(fù)系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)ER執(zhí)行器的使用
圖5顯示了二自由度康復(fù)系統(tǒng)，在試圖中展現(xiàn)了ER流體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？祻?fù)培訓(xùn)系統(tǒng)主要是安裝在一個醫(yī)院測試目的。13例自愿參加多個上肢的物理性能實(shí)驗(yàn)評價(jià)和康復(fù)訓(xùn)練患者由于脊髓受損或堵塞大腦動脈手臂麻痹。圖6顯示了二自由度康復(fù)系統(tǒng)，應(yīng)用ER流體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的展示。
圖7顯示了一個被動的力，使用ER制動器[14]。使用剎車呈現(xiàn)阻力，被動的力顯示運(yùn)營商的力量是相當(dāng)安全[14][15]。
古莊實(shí)驗(yàn)研究室被動恢復(fù)上肢顯示
圖8顯示了上肢康復(fù)系統(tǒng)使用ER驅(qū)動器3-D展示 [7]。NEDO技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)開發(fā)EMUL項(xiàng)目5年，并為中風(fēng)患者使用評估 [16]，Motricity公司指數(shù)[17]，現(xiàn)階段[18]在臨床試驗(yàn)中。好結(jié)果獲得的評價(jià)。
三自由度康復(fù)系統(tǒng)不能包括實(shí)現(xiàn)上肢手腕康復(fù)，自由旋轉(zhuǎn)手腕所示圖9。因此，我們開發(fā)了6自由度機(jī)器使用ER執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為明年新一代機(jī)器人的實(shí)際中得以應(yīng)用。在本章中我們提出的發(fā)展第一樣機(jī)采用伺服電機(jī)。
圖10顯示了第一樣機(jī)的圖紙，本機(jī)制的原型如下。
1）手臂部分具有2自由度，水平旋轉(zhuǎn)和垂直運(yùn)動。
圖13 手腕部和第一原型的鏈接3
圖14 鏈接3的側(cè)視圖
2）執(zhí)行器及皮帶滑輪減少了系統(tǒng)的手臂運(yùn)動，以減少慣性運(yùn)動部件。垂直旋轉(zhuǎn)部分采用
并行鏈路機(jī)制組成的鏈接2（1）鏈接2（2）如圖。?10。這使得在所有的反平衡重量的重力效應(yīng)補(bǔ)償（見圖11）。
3）鏈接-3通過水平面的空間連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)如圖12所示
4）手腕的執(zhí)行器安裝在腕關(guān)節(jié)鏈接1上，以減少運(yùn)動部件的慣性。電機(jī)的力矩傳輸 使用的手腕萬向節(jié)，傳動軸和導(dǎo)線的滑輪系統(tǒng)（見圖13）。
5）圖14顯示了手腕線滑輪系統(tǒng)。圖15分別顯示側(cè)傾，俯仰，偏航，電線的途徑。
6）手腕的橫搖導(dǎo)致“A”部分和“B”的部分之間相對轉(zhuǎn)動如圖14所示。導(dǎo)致此相對轉(zhuǎn)動，為駕駛電線，俯仰和偏航扭曲運(yùn)動 在圖16所示。為了減少線長度的變化引起的本卷的異議，這些電線都盡可能放在軸的附近。
四 六自由度康復(fù)機(jī)
圖17顯示康復(fù)機(jī)的照片。該系統(tǒng)由ER驅(qū)動器驅(qū)動。圖18顯示驅(qū)動器手臂運(yùn)動的手柄和手腕機(jī)制被改為懸臂式，從兩方支持型。圖19顯示了手柄和手腕機(jī)制的抓地力。圖20顯示總系統(tǒng)的圖片。重力是懸臂式握柄必要的組成，如圖21所示。何時(shí)我們采取這樣的機(jī)制，體重靠近手柄增加，并表現(xiàn)為力量和顯示系統(tǒng)安全性是人機(jī)共存系統(tǒng)的安全性能變質(zhì)的。所以，我們把重量的平衡，在急診室器盒，如圖22所示。
我們正在開發(fā)上肢康復(fù)訓(xùn)練軟件，包括手腕的靈巧需要。圖23，圖24和圖?25顯示了培訓(xùn)軟件的一部分。
圖22 重量平衡的安排 圖23 虛擬撞擊
圖24 虛擬澆灑器 圖25 虛擬擦
五 對安全的考慮
一個上肢康復(fù)系統(tǒng)具有很大的工作區(qū)域，可以被視為一種機(jī)器人。在這樣一種人機(jī)共存的系統(tǒng)中，操作員必須接觸或接近機(jī)器人，從而確保系統(tǒng)的安全是必要的，使機(jī)器人能夠操作者更安全[19]。在工業(yè)機(jī)器人中，操作員可以不訪問避免危險(xiǎn)條件除教學(xué)機(jī)器人。圖26顯示了人機(jī)共存結(jié)構(gòu)安全的機(jī)器人。
ER的驅(qū)動器有以下安全優(yōu)缺點(diǎn)。
（一）ER的驅(qū)動器的輸出軸的最大行駛速度 由輸入軸的轉(zhuǎn)速對ER離合器限制。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)速輸入軸緩慢，HMCM系統(tǒng)保證ER驅(qū)動器運(yùn)營商的安全。
（二）輸出部分的慣性，可以做得非常??小。因此，在意外事故的情況下，，可以減少沖擊力執(zhí)行機(jī)構(gòu)的慣性
由于人機(jī)共存的國際安全標(biāo)準(zhǔn)尚未建立，我們沒有別的選擇 除了ISO標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)使用機(jī)器的工作接近人類（見表一）。發(fā)達(dá)國家康復(fù)系統(tǒng)可以保證這些參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，我國對ER驅(qū)動器的使用和機(jī)械設(shè)計(jì)如下：
1（一）和（二）表是比較理想轉(zhuǎn)速制定下氣體的運(yùn)動情況
2（三）一只60瓦電機(jī)驅(qū)動器輸入旋轉(zhuǎn)缸滿足使用的要求。
3 設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)減少，從而實(shí)現(xiàn)了每個關(guān)節(jié)機(jī)械限制，機(jī)械重力補(bǔ)償和使用的驅(qū)動器。
圖26 為確保人機(jī)結(jié)構(gòu)安全
第六 結(jié)論
我們已經(jīng)制定了一個6自由度上肢康復(fù)機(jī) 包括手腕如下。
1）第一個原型機(jī)采用伺服電機(jī)作為原動力從而使整個系統(tǒng)能夠在控制中進(jìn)行康復(fù)運(yùn)動。
表1國際，國內(nèi)安全標(biāo)準(zhǔn)
2）六自由度康復(fù)機(jī)主要包括使用ER驅(qū)動器以及在手腕和四肢已開發(fā)的基礎(chǔ)上從樣機(jī)的開發(fā)獲得的知識。
3）我們正在制定康復(fù)上層軟件目前包括手腕和四肢。
設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 8 頁 共 8 頁
骨骼機(jī)器人
摘要：一個可穿戴式骨骼康復(fù)機(jī)器人，方便靈巧，他是一種可以協(xié)助技術(shù)工人新概念產(chǎn)品。斯基爾機(jī)器人是由伺服機(jī)制的觸覺設(shè)備（觸覺或滑動傳感器/顯示器）構(gòu)成的，所以它可以按照人的行為運(yùn)動。外骨骼機(jī)器人可以為在危險(xiǎn)環(huán)境中工作的人提供合適空間或技術(shù)，在海上該項(xiàng)目建立了一個原型模型的可穿戴式機(jī)器人，其中包括一個上身組件，一對武器及手套。
一 介紹
一個艙外活動（伊娃）的機(jī)器人，航天飛機(jī)進(jìn)行一些重要太空計(jì)劃的任務(wù)時(shí)機(jī)器人對整個經(jīng)過都是很有效的，對于那些正在開發(fā)或?qū)嶒?yàn)的伊娃機(jī)器人為今后的伊娃任務(wù)。而在未來一些伊娃機(jī)器人的任務(wù)將增加，有存在宇航員不可避免的任務(wù)的。
宇航員在危險(xiǎn)的環(huán)境中需要宇航服保護(hù)自己，如真空，超低溫度，微流星等等，因?yàn)?，空間訴訟是在1 /3的大氣壓力，西服面料通過空間的張力會變得僵硬。而且，厚織物抑制宇航員從遙感對象處理。主要的問題是所造成的太空服。
（一）手和肩膀的疲勞。（二）缺失手指。（三）限制范圍的定義。
研究和發(fā)展的首要問題，特別是手指，手掌，指關(guān)節(jié)的疲勞（CP），已為助力手套。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這些發(fā)展助力手套可以減少指關(guān)節(jié)力矩，但這些發(fā)展并沒有處理在指尖的力矩，這是必要的技術(shù)工作。
為了解決這些問題，作者提出了一個新的概念，“社會伙伴”，熟練工人穿戴外骨骼機(jī)。斯基爾伴侶概念不僅是宇航員，然而在危險(xiǎn)環(huán)境中的熟練工人也可以。在本文中，斯基爾隊(duì)友的概念及其應(yīng)用介紹，然后原型開發(fā)的太空服概述。
二 功能伙伴
技術(shù)伙伴是一個當(dāng)人體穿著它可以移動的機(jī)器或設(shè)備總稱。并且它是一個被動的器材，具有在人類知識的操作系統(tǒng)自動智能響應(yīng)。技術(shù)伙伴的功能如下。
（1）由佩戴外骨骼機(jī)器人如果他在危險(xiǎn)的環(huán)境中要完成不可避免的工作專家。通常，工作的人在危險(xiǎn)的環(huán)境需要保護(hù)的措施，例如，空間適合在軌道或干燥的衣服。而且，這些衣服限制人的運(yùn)動和增加疲勞。斯基爾搭檔使人減少肌肉拉傷而為他工作。
（2）外骨骼結(jié)構(gòu)包圍的人的身體，人們可以沒有任何限制的運(yùn)動，或者是從事自己的工作。此外，觸覺受體或傳感器應(yīng)安裝在人機(jī)接口的位置上，主要目的是為提高工作效率。因此，當(dāng)穿上它時(shí)看起來就像一個擬人機(jī)器人。
（3）它是一種伴隨響應(yīng)的運(yùn)動。它必須足夠快的響應(yīng)工人沒有穿技巧伴侶或感覺附滋擾的行動，支持他的技能好像他是最理想的情況下為他工作。而且，作為一個可選的功能，它是一個外骨骼殼防止工人受到危險(xiǎn)。工人在危險(xiǎn)的環(huán)境將得到好處就像是隊(duì)友的保護(hù)殼。斯基爾伴侶可能是的工人工作在在高水壓條件環(huán)境下不可避免的工作服，暴露低溫輻射。保護(hù)殼很厚會使人體運(yùn)動緩慢，像一個很厚的套裝，動力伴侶會彌補(bǔ)它的質(zhì)量，慣性和剛度的伺服系統(tǒng)。穿著技巧伴侶是感覺沒有穿衣服或沒有工作適合所有。
三 斯基爾搭檔伊娃
十一月1997，日本宇航員土井博士上了“哥倫比亞”航天飛機(jī)。戴太空服裝出艙活動，他（伊娃）2倍。第一個活動是捕獲的手柄斯巴達(dá)的衛(wèi)星。二是擺放和康復(fù)機(jī)器人相機(jī)和伊娃總活動時(shí)間超過12小時(shí)。（圖1）
圖 1 伊娃（日本宇航員土井博士）日本宇宙開發(fā)事業(yè)團(tuán)的照片
作者討論了土井博士使用伊娃的經(jīng)驗(yàn)。穿宇航服的問題如下：[ 11
（1）手部疲勞：太空服手套因?yàn)榧訅鹤兊媒┯玻? /3的氣氛和宇航員需要更多的手指力量克服剛度。伊娃的任務(wù)包括更頻繁把握運(yùn)動，例如，抓扶手移動自己，把握手工具。他還提到主要拇指，食指及中手指被用來抓運(yùn)動。
（2）手指是一個困難、復(fù)雜和敏感的任務(wù)：太空服手套指尖部位覆蓋有橡膠和這并沒有界面滑移。他執(zhí)行這類任務(wù)主要由他的視力不是他的意義上的手指。
（3）限制的動作：空間有一個軸承套關(guān)節(jié)的肩膀和肩膀的運(yùn)動是沒有如果沿軸承關(guān)節(jié)，肩肌肉疲勞。如果有兩只軸承關(guān)節(jié)在肩，這問題會得到改善。而且，他補(bǔ)充說，腰和髖關(guān)節(jié)彎曲是最困難的，這讓他很難看到在他的胸部的開關(guān)。
通過以上討論，應(yīng)用技巧搭檔的太空服將有以下特點(diǎn)。
（一）技術(shù)改善了由于加壓而使得航天服關(guān)節(jié)僵硬。斯基爾搭檔也檢測到航天員的運(yùn)動伺服系統(tǒng)機(jī)制。
（二）技術(shù)檢測/顯示隊(duì)友力，壓力和支路意義在指尖，使宇航員完成的復(fù)雜和敏感的任務(wù)。
四 原型模型
開發(fā)的原型模式開始的時(shí)候是在1998的夏季。我們集中在硬件設(shè)計(jì)和組件上。本節(jié)顯示我們的項(xiàng)目狀態(tài)的原型開發(fā)。
人的肌肉執(zhí)行機(jī)構(gòu)已被采用為一執(zhí)行器的伴侶。致動器主要優(yōu)勢包括：
（1）伺服電機(jī)比電磁電動機(jī)較大傳動比。
（2）主要特征是類似人類肌肉的致動器 。
原型執(zhí)行器的能力，如圖2所示，8毫米（5/ 16英寸）直徑150毫米（5.9英寸）長產(chǎn)生超過200n在400kpa（58磅）。力測量器，如圖3所示。從測量。新型的驅(qū)動器，如下所示。
圖2 麥吉人工肌肉皮膚伴侶
圖3 執(zhí)行器的輸出
圖4 肘關(guān)節(jié)與人工肌肉
肘關(guān)節(jié)原型肘關(guān)節(jié)由人工肌肉執(zhí)行器和一個增量式編碼器（圖4）。執(zhí)行器是放置在肌腱肘部關(guān)節(jié)和產(chǎn)生力矩的關(guān)節(jié)部位。氣動調(diào)節(jié)器與微機(jī)控制致動器。重量是3768。
這已模糊控制的基本數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)結(jié)果控制不負(fù)載顯示圖5。觸覺傳感器（壓敏導(dǎo)電橡膠）是要連接到檢測人體運(yùn)動。
圖 5 肘關(guān)節(jié)位置控制的例子
圖 6 肘關(guān)節(jié)與氣動缸
腕關(guān)節(jié)也被設(shè)計(jì)以及建造。腕關(guān)節(jié)的自由度主要包括滾轉(zhuǎn)和俯仰。組成部分的聯(lián)合是幾乎一樣的彎頭接頭。腕關(guān)節(jié)已經(jīng)組裝的肘關(guān)節(jié)后關(guān)節(jié)進(jìn)行測試和改進(jìn)計(jì)劃。
手指關(guān)節(jié)顯示在圖7和圖8。本手指關(guān)節(jié)是由拇指，指向手指和中指。手指指向和中指有兩自由度。拇指三是中央的部分（腕），微通道板和最低端部的（趾）關(guān)節(jié)。小型氣動缸驅(qū)動各關(guān)節(jié)。
氣動缸產(chǎn)生彎曲力的手指延長部隊(duì)所產(chǎn)生的被動的線圈彈簧。人工肌肉驅(qū)動器要連接到手套的擴(kuò)展力如果彈簧的力量是不夠的。
壓敏導(dǎo)電橡膠連接到指尖測力之間的手指和手套。感應(yīng)位置傳感器被連接到測量手指關(guān)節(jié)角。
圖7 原型手套
圖8 手指關(guān)節(jié)沒有手套
未來的工作下一步的原型開發(fā)組裝手指，手腕關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)而且。觸覺設(shè)備計(jì)劃把手指。
項(xiàng)目目標(biāo)的伴侶的項(xiàng)目是開發(fā)一個原型外骨骼機(jī)械宇航服。原型模型將包括一個上身組裝，以及對武器手套。此原型模式將被放置在壓力服裝隔熱層。
武器的原型有肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)。每個關(guān)節(jié)是由氣動執(zhí)行器構(gòu)件，可以感受角度。觸覺傳感器附在人體運(yùn)動檢測，使機(jī)器可以按照宇航員的運(yùn)動而運(yùn)動。因?yàn)樵湍Ｐ褪冀K是連接到人類的身體上，阻抗控制將是適當(dāng)?shù)娜藱C(jī)合作的。力扭矩傳感器將需要之間手腕和手套實(shí)現(xiàn)阻抗控制。
結(jié)構(gòu)的手套本身之間的接口和宇航員的手和手套將研究和精心設(shè)計(jì)。如觸覺或觸覺裝置滑動傳感器和顯示器將需要完成的任務(wù)。
5 應(yīng)用工程
如今，“工業(yè)化”和“先進(jìn)”的建設(shè)系統(tǒng)更受歡迎，在世界和在日本。這些系統(tǒng)短期實(shí)現(xiàn)有效的生產(chǎn)和較少的人力，為建筑行業(yè)引起了較好營業(yè)利潤。主要工作是由機(jī)器監(jiān)督建設(shè)由一個高性能的信息網(wǎng)絡(luò)很多計(jì)算機(jī)。自動化系統(tǒng)和機(jī)器人參加在建筑工地。降低勞動成本的網(wǎng)站建設(shè)使更多的商業(yè)利潤。在這樣的建筑工地。
工人將一個建筑系統(tǒng)部件如機(jī)經(jīng)營者，或一個智能交通設(shè)備，或靈活的處理機(jī)器?，F(xiàn)代先進(jìn)建筑系統(tǒng)，如自動和機(jī)器人建筑系統(tǒng)，移植的高級技能從人類的工人。
雖然許多自動化系統(tǒng)的開發(fā)和建設(shè)工作的實(shí)際使用，人參與建設(shè)工作是不可避免的。
原因如下：
（1）在一個工地有數(shù)以百計(jì)的任務(wù)運(yùn)用自動化系統(tǒng)來完成每一個任務(wù)。這是不實(shí)現(xiàn)的，
（2）各施工現(xiàn)場有不同的條件，其中從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，環(huán)境的網(wǎng)站等等因素考慮；因此，一個特定的自動化系統(tǒng)并不一定適用于其他網(wǎng)站建設(shè)。
（3）一些人的技術(shù)沒有在自動化系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，有一些任務(wù)自動化系統(tǒng)不能做到。應(yīng)用技巧隊(duì)友的建設(shè)工作網(wǎng)站一種解決人機(jī)合作。技巧伴侶有能力讓工人來完成各種任務(wù)的。這樣的需求是必要的。
六 結(jié)論
介紹一個概念技能伴侶及伊娃外骨骼機(jī)器人的我應(yīng)用。而且還介紹了原型模型太空服發(fā)展現(xiàn)狀的的概述。原型開發(fā)組裝的肩膀，肘，手腕，和手套的第一個目標(biāo)。今后的工作包括觸覺設(shè)備的發(fā)展和阻抗控制的接頭
編號：
XXXX
XXX設(shè)計(jì)(論文)外文翻譯
（原文）
學(xué) 院：
專 業(yè)：
學(xué)生姓名：
學(xué) 號：
指導(dǎo)教師單位：
姓 名：
職 稱：
20XX年 5月 25日
設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 13 頁 共 13 頁
設(shè)計(jì)研發(fā)一種對手部康復(fù)便攜式外骨骼機(jī)器
摘要-人類的手很容易受傷。物理康復(fù)治療后,總是需要一個很長的手部恢復(fù)時(shí)間,療效惡化、社會和金融困難都與身體的退化會產(chǎn)生影響。CPM機(jī)是一種基于治理機(jī)制的理論持續(xù)被動運(yùn)動機(jī)器。改善康復(fù)結(jié)果和驗(yàn)證理論，我們已經(jīng)開發(fā)出一種便攜式外骨骼機(jī)。該裝置非常容易連接以及調(diào)整來適應(yīng)不同大小的手。在手指做屈伸運(yùn)動的時(shí)候機(jī)器可以向手指指骨施加垂直力。它可以精確控制在范圍以內(nèi)還可以控制手指的移動速度。最后基于它的機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動學(xué)仿真和驗(yàn)證等，運(yùn)動學(xué)仿真和動態(tài)模擬可以做出來。
一 介紹
手部損害的發(fā)生率有戲劇性的上升趨勢。近年來，超過20%至40%急診病例的外科手術(shù)和創(chuàng)傷骨科手的案件。這些案例大多數(shù),造成手臂或手掌失去運(yùn)動能力。對于手的治療是一種非常重要的,因?yàn)樵谑种杏泻芏嘈K的肌肉。所以治理受傷的手是一個很艱巨的事情,時(shí)間會很長,康復(fù)訓(xùn)練對手功能恢復(fù)很有效。損傷的手可能導(dǎo)致的社會經(jīng)濟(jì)困難，然而嚴(yán)重會引起的生理及情緒惡化。在康復(fù)訓(xùn)練過程中，現(xiàn)在有三大類方法治療手運(yùn)動功能障礙。一個是物理療法,二是通過運(yùn)動或利用彈性支撐做被動運(yùn)動。第三個方法事恢復(fù)受傷神經(jīng),舒緩壓力,移植健全的肌肉和肌腱。
近年來,隨著科技不斷的發(fā)展被動運(yùn)動(CPM)，外骨骼肌以此為基礎(chǔ)康復(fù)理論已廣泛應(yīng)用于臨床實(shí)踐。市場中有各種類型的CPM機(jī)，不僅針對大關(guān)節(jié)功能訓(xùn)練，如手腕，肘關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，也用于小關(guān)節(jié)等康復(fù)。
然而，這些機(jī)器的大多數(shù)運(yùn)動都是有限制的，驅(qū)動的自由程度和不集成傳感器等。他們不能做內(nèi)收外展運(yùn)動和一些靈巧的動作功能鍛煉。也康復(fù)治療CPM機(jī)還停留在經(jīng)驗(yàn)論水平上。沒有確切的科學(xué)數(shù)據(jù)可以證明其療效。所以綜合以上的原因,提出一種新型的CPM機(jī)是迫切需要的的發(fā)展的,他不僅能夠?yàn)槟峁┦止δ艿目祻?fù)，還提供了一種定量檢測的和評價(jià)的手功能恢復(fù)的方法。
迄今為止,大多數(shù)外骨骼手在主從使用系統(tǒng)上建立了觸覺接口。CyberGrasp是一種用于商業(yè)上產(chǎn)品投入,它對彎曲的五個指尖力量有反饋?zhàn)饔?。東京大學(xué)的科學(xué)家們在遙遠(yuǎn)盡頭可以通過一個電纜傳遞外骨骼信息并在其涵蓋工作區(qū)范圍內(nèi)操控手指。外骨骼有一個邂逅型力反饋功能，它可使無約束使用者的手指在自然接觸的感覺下運(yùn)動。有一個問題，開發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)施加在手指指骨的手外骨骼的力，往往在一個方向施加，但康復(fù)治療的必須是雙向運(yùn)動。有時(shí)候，在康復(fù)治療移動手指關(guān)節(jié)力太小。
羅格斯大學(xué)碩士應(yīng)用氣動活塞驅(qū)動外骨骼可以發(fā)揮對在4指尖屈反饋?zhàn)饔?。它的研究適用于康復(fù)中風(fēng)病人。另一個外骨骼聲控設(shè)備是由卡內(nèi)基 - 梅隆大學(xué)科學(xué)家開發(fā)研究 ，根據(jù)使用者的手指力由氣動活塞提供輔助。最近一個新的外骨骼手由滑輪和一個連桿機(jī)構(gòu)組成，該器件可提供耦合的活動自由度傾角，畫中畫彎曲/伸展和積極的自由度微通道板彎曲/伸展的手指。索爾福德大學(xué)在互動虛擬環(huán)境中已研制出一種基于外骨骼系統(tǒng)的物理和職業(yè)治療手。外骨骼可以支持四個自由度，霍爾傳感器附著在每一個杠桿來衡量的角度手指關(guān)節(jié)。每個手指可以自由實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)動。介紹了他的精確，可重復(fù)的手指運(yùn)動及力測量，交互性，潛力巨大運(yùn)動分類和統(tǒng)計(jì)登記和評估。垂直于手指指骨，在完成屈伸運(yùn)動，所有上面介紹的外骨骼機(jī)都不能發(fā)揮作用。因此一個錯誤的方向上用力去推或拉人體關(guān)節(jié)將使受傷關(guān)節(jié)的情況更糟。
該裝置文獻(xiàn)[8]中提出的設(shè)備是在本文介紹的類似的外骨骼手。正如作者所知道的，這是在觸覺交互與虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用應(yīng)用程序，但達(dá)不到康復(fù)的目的。
本文內(nèi)容如下：第二節(jié)提出CPM機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求。第三節(jié)介紹了機(jī)械施工設(shè)備。對CPM機(jī)的運(yùn)動驗(yàn)證進(jìn)行了討論。最后的結(jié)論，當(dāng)前工作和未來可能的改進(jìn)。
二 設(shè)計(jì)的目標(biāo)和要求
我們的目標(biāo)和CPM機(jī)器的要求設(shè)計(jì)如下：適合手尺寸的變化在完整的屈伸運(yùn)動中，對手指指骨施加垂直力雙向運(yùn)動安裝在手的背側(cè)以便釋放手掌空間此外，設(shè)備應(yīng)該是重量輕，低高位置的自由運(yùn)動和反向可驅(qū)動性容易控制。
三 機(jī)械設(shè)計(jì)
A 功能結(jié)構(gòu)
人類的手部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。每個手指都有三個關(guān)節(jié)及四個自由度的和2關(guān)節(jié)，四個自由度的拇指。從遠(yuǎn)端指間和近端指間有一個自由度手指和2自由度微通道板（每掌指骨）。拇指有三個自由度的微通道板和一個自由度的彎曲/伸展的傾角和遠(yuǎn)端拇指接頭耦合，但近端拇指和遠(yuǎn)端指間展獨(dú)立的。人手的生理學(xué)如圖1所示。
圖1 人類生理學(xué)
進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以確定人力食指功能模塊。因此，每個關(guān)節(jié)長度，每個關(guān)節(jié)移動的范圍和力量
不同年齡段六十個人的每個關(guān)節(jié)的運(yùn)動進(jìn)行了測量，列出測量值表一和表二食指的關(guān)節(jié)量度--長度
人食指彎曲及伸展的??功能模塊
B.概念設(shè)計(jì)
彎曲或擴(kuò)展的傳動方式由三部分組成：一個驅(qū)動器模塊、兩個柔性電纜和外骨骼，見圖2。驅(qū)動器模塊由一個直流電機(jī)和一對軟電纜齒輪組成。兩個靈活的彈簧管指導(dǎo)軟電纜外骨骼。周圍的小滑輪通過循環(huán)創(chuàng)建一個雙向運(yùn)動，有共同的軸電纜齒輪的外骨骼。根據(jù)齒輪，圓形齒條旋轉(zhuǎn)手指關(guān)節(jié)手指指骨，在齒輪測量關(guān)節(jié)角度。
圖2 屈伸關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式
伸展或內(nèi)收的駕駛模式還包括一個直流電動機(jī)驅(qū)動雖然一對錐齒輪正齒輪機(jī)架，見圖3。直接將齒輪和手指用MP2方法固定聯(lián)合在一起，從而使手指指骨旋轉(zhuǎn)
圖3 MP2方法聯(lián)合驅(qū)動模式
C.體現(xiàn)設(shè)計(jì)
圖4顯示了一個手指外骨骼的CAD圖紙。它是連接到驅(qū)動器構(gòu)的單位和每個方陣的手指附件。要調(diào)整方陣的變化長度，力量傳感器圓形機(jī)架可在導(dǎo)槽滑動。圓形的衣架設(shè)計(jì)，讓幾乎完全屈曲和在所有關(guān)節(jié)的延伸。輕松實(shí)現(xiàn)垂直力量所有關(guān)節(jié)的角度。他們還設(shè)計(jì)劃線，所以針對不同的方案鄰國的圓形衣架做不干預(yù)。機(jī)械施工的所有關(guān)節(jié)球軸承的支持。衣架的圓形設(shè)計(jì)，讓幾乎完全彎曲的所有關(guān)節(jié)的延伸。輕松實(shí)現(xiàn)垂直測量所有關(guān)節(jié)的角度。他們還設(shè)計(jì)劃線，所以針對不同的方陣臨近圓形衣架都不干預(yù)。球軸承支持所有關(guān)節(jié)的機(jī)械施工。
圖 4 CPM機(jī)的:(a)外骨骼機(jī)與拉伸手指模型(b)手指的彎曲 (c)彎曲及擴(kuò)展單元 (d)爆炸的觀點(diǎn)/擴(kuò)展彎曲單元。
圖 5 顯示一個CAD制圖的CPM機(jī)致動器模塊。為了簡化執(zhí)行機(jī)構(gòu)單位DIP PIP MCP的行動,每只手指關(guān)節(jié)耦合在一起。在外展肌和內(nèi)節(jié)點(diǎn)電價(jià)支持獨(dú)立。為了使機(jī)制輕小,驅(qū)動電機(jī)必須放在遠(yuǎn)離關(guān)節(jié)的地方。因此，我們使用線驅(qū)動器的方法。由于一根導(dǎo)線只能產(chǎn)生在一個方向的力，我們用兩根導(dǎo)聯(lián)合在一起產(chǎn)生一種雙向的力。因此，一個手指需要6根電線。六根電線線的兩端連接到放置在力傳感器的小滑輪上，個小滑輪的另一端連接到一個直流電動機(jī)與一對錐齒輪上（2:1傳輸速率）。考慮性能，重量和噪音，我們最終選擇 “17N78-216E伺服電機(jī)。電機(jī)的重量是17克，電機(jī)的額定功率為3.2W。減速機(jī)內(nèi)置電機(jī)傳輸速率為88:1。最大手指關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)速度是驅(qū)動的機(jī)轉(zhuǎn)速17.7。手指運(yùn)動周期為1.48s。執(zhí)行器單元的輸出扭矩可達(dá)1納米，這足夠驅(qū)動手指的。
圖 5CPM的機(jī)驅(qū)動器模塊:(a)致動器模塊,(b)和(c)彎曲/擴(kuò)展單元(A)和單位/內(nèi)外展肌的(B)驅(qū)動器模塊和一個爆炸視圖
圖 6(a)和(b)顯示了手指的側(cè)面與CPM機(jī)器在拉伸和彎曲狀態(tài)下位置和角度。
圖 7(a)和(b) 手指CPM機(jī)正常的頂視圖及外展肌的位置。在圖8（a）及（b）特寫手指與外骨骼CPM機(jī)和驅(qū)動器模塊被單獨(dú)列出。
圖 7 手指和CPM機(jī)的側(cè)面:(a)在伸展的位置,(b)彎曲的位置。
圖 7 手指和CPM機(jī)頂視圖:(a)在正常位置(b)向外伸展的位置。
圖 8 特寫手指CPM機(jī)：（一）CPM的外骨骼機(jī)，（二）CPM機(jī)的驅(qū)動器模塊
在圖四中我們使用的是傳統(tǒng)壓力傳感器的應(yīng)變片。機(jī)械力傳感器彈性結(jié)構(gòu),作為一個機(jī)械零配件應(yīng)安裝在彎曲/延伸模塊。
霍爾位置傳感器適合在關(guān)節(jié)部分。我們使用新創(chuàng)2sa-10雙軸如霍爾傳感器傳感元件的位置傳感器。
馬達(dá)位置傳感器是一個MR編碼器它安裝到電機(jī)軸上，它可以產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋信息。它可以用來控制電機(jī)的回路位置。
E.結(jié)構(gòu)類型分析
該機(jī)制的理論從結(jié)構(gòu)類型，我們將從分析的角度來看。
1）一個自由度的驅(qū)動結(jié)構(gòu)
DIP和PIP驅(qū)動單自由度結(jié)構(gòu)是固定的。我們假設(shè)手指與外骨骼機(jī)器無相對滑動。圖9（a）所示的原理圖是一個自由度的驅(qū)動結(jié)構(gòu)圖。運(yùn)動學(xué)環(huán)節(jié)都有一定的運(yùn)動性。如果一個旋轉(zhuǎn)小齒輪以恒定的速度，在2 O的時(shí)刻會達(dá)到平衡。
外圍力量T，圓周力F和旋轉(zhuǎn)角?聯(lián)合得到如下所示：
其中T1， T 2是齒輪的扭矩， D1、D2為參考齒輪的直徑，P為發(fā)射功率，n1是小齒輪旋轉(zhuǎn)的速度， R1、R2齒輪參考半徑。
圖 9示意圖兩個外骨骼結(jié)構(gòu)類型：（一）驅(qū)動一個自由度，（二驅(qū)動兩自由度結(jié)構(gòu)
2）兩自由度驅(qū)動結(jié)構(gòu)
圖 9（b）顯示驅(qū)動示意圖兩自由度結(jié)構(gòu)?？祻?fù)角度關(guān)系是θ角和旋轉(zhuǎn)角α和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)角度γ是：
MP關(guān)節(jié)有γ= 0，所以康復(fù)的角度θ得到如下：
運(yùn)動學(xué)的確認(rèn)為了展現(xiàn)出性CPM機(jī)的適和任務(wù)的發(fā)展,對于他的運(yùn)動一直在驗(yàn)證。該驗(yàn)證計(jì)算了運(yùn)動學(xué)和逆向運(yùn)動學(xué)。最后基于運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)執(zhí)行仿真。參考機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)顯示在圖10。
A 向前運(yùn)動學(xué)
對于CPM機(jī)，D-H參數(shù)在機(jī)器人的關(guān)節(jié)提供其他相關(guān)的信息類型和序列。機(jī)器人運(yùn)動學(xué)參數(shù)如表所示：
機(jī)器人的尖端位置的坐標(biāo)如下：
圖10 的機(jī)器人關(guān)節(jié)的坐標(biāo)參考框架
機(jī)器人運(yùn)動學(xué)參數(shù)
符號：IA，ID代表的鏈路長度I，θI，α1代表I和I-1角之間的聯(lián)合
B 逆向運(yùn)動學(xué)對于要計(jì)算的逆運(yùn)動學(xué)機(jī)器人的工作空間和機(jī)器人控制的分析非常的重要。計(jì)算機(jī)器人的逆運(yùn)動學(xué)主要方法是解析解和數(shù)值解的，齊次變換矩陣如下圖所示
通過解析解，是得到如下：
C模擬結(jié)果
仿真由兩部分組成:運(yùn)動學(xué)仿真模擬和動態(tài)仿真。值得關(guān)注的是，CPM機(jī)是兩項(xiàng)基本職能所必須具備的:在安全范圍可以提供足夠的動力使手指和趾骨實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)動可以將受傷的手指在最大角范圍做運(yùn)動,以達(dá)到最佳治療效果。因此,上述典型功能的機(jī)器人進(jìn)行了驗(yàn)證允許檢查使用仿真工具(ADAMS軟件)設(shè)計(jì)康復(fù)的任務(wù)兼容性。兩種類型的仿真顯示康復(fù)訓(xùn)練是如下,圖11(a)和(b)顯示手指的屈曲和右臂誘拐運(yùn)動。
（1）運(yùn)動學(xué)仿真
仿真機(jī)器人關(guān)節(jié)角位置、速度。仿真時(shí)間是5秒，數(shù)值已經(jīng)給出在圖12(a)和(b)。圖表顯示最大彎曲角度,PIPMP1DIP和MP2連接是110,20。這個數(shù)值符合設(shè)計(jì)要求,也符合正?？祻?fù)鍛煉。
（2)的動態(tài)仿真
起初扭矩MP1裝在齒輪上的PIP DIP和MP2方法在ADAMS聯(lián)合作為CPM機(jī)驅(qū)動扭矩，扭矩值是0.9N/M0.1N/M0， 1 N/M ，0.8 N/M。第二MP1扭矩加載在手指上PIP，DIP和MP2方法聯(lián)合的阻力矩，扭矩值是0.16 N/M ，0.1 N/M， 0.1 N/M和0.15 N/M。在標(biāo)志點(diǎn)上創(chuàng)建的P1 P2和P3手指和趾骨對合成的手指關(guān)節(jié)力矩的測量。 如圖13所示的值，圖表顯示，為MP1，PIP，DIP和MP2方法聯(lián)合，最大扭矩為0.82 N/M 0.21 N/M 0.31 N/M和0.92 N/M，最小扭矩是0.51 N/M 0.20 N/M 0.20 N/M和0.60 N/M。綜上所訴在安全扭矩范圍，CPM機(jī)可以移動方便帶動手指指骨。
圖11 （一）彎曲手指的示意圖 （二）示意圖手指的收縮和向外伸平
圖 12 (a) 展示 DIP(3)PIP(1)MP1(2) and MP2(4)角位置 (b) DIP(3) PIP(1) MP1(2) and MP2(4) 角速度
圖 13 （一）MP1聯(lián)合扭矩收縮和延伸（二）收縮擴(kuò)展指間關(guān)節(jié)的扭矩（三）收縮和擴(kuò)展的DIP扭矩聯(lián)合，（D）MP2的方法關(guān)節(jié)內(nèi)收和外伸扭矩。
結(jié)論與展望
下一步，我們將組裝支持所有四個手指的其他三個手指外骨骼機(jī)。也會設(shè)計(jì)拇指模塊，包括現(xiàn)有的機(jī)制。整合所有接頭的傳感器，我們會做一些實(shí)驗(yàn)，如位置控制和阻抗控制。然后，我們將很快在醫(yī)院做臨床試驗(yàn)。同時(shí)，我們會在不同情況下得到更多受傷的手指的數(shù)據(jù)康復(fù)，這樣我們就可以改善CPM機(jī)控制方法，使它更好地滿足患者的要求，并一同促進(jìn)康復(fù)理論的發(fā)展。
一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容
隨著社會老齡化、疾病、事故造成的人體肢體運(yùn)動功能障礙的增加以及人們對身體健康、康復(fù)質(zhì)量的重視，可以有效提高患者康復(fù)效果和效率的康復(fù)機(jī)器人成為康復(fù)工程領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。采用治療師為運(yùn)動功能障礙患者進(jìn)行一對一訓(xùn)練時(shí)，訓(xùn)練效果受治療師水平的影響，而且缺乏評價(jià)訓(xùn)練參數(shù)和康復(fù)效果關(guān)系的客觀數(shù)據(jù)，難以對訓(xùn)練參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以獲得最佳治療方案。 因此，人們開始研制患者運(yùn)動功能康復(fù)機(jī)器人。開展能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互、協(xié)調(diào)的踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。具體內(nèi)容如下：
1、了解上肢運(yùn)動功能障礙的主要原因和所需康復(fù)的運(yùn)動方法，進(jìn)行調(diào)研；
2、研究針對上肢功能障礙的康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)；
3、設(shè)計(jì)康復(fù)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，繪制零部件圖和裝配圖。
二、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的要求與數(shù)據(jù)
1、分析人體上肢的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動學(xué)，結(jié)合人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人的設(shè)計(jì)為輔助人體上肢肩、肘、腕三個關(guān)節(jié)同時(shí)參與運(yùn)動的外骨骼式機(jī)器人；
2、康復(fù)機(jī)器人至少為3個以上自由度，具有良好的人機(jī)協(xié)調(diào)功能；
3、結(jié)構(gòu)合理，零部件設(shè)計(jì)要綜合考慮制造工藝的因素；
4、用三維軟件建立康復(fù)機(jī)器人的模型；
三、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)完成的工作
整個畢業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)該完成以下工作：
1、完成二萬字左右的畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）；在畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）中必須包括詳細(xì)的300-500個單詞的英文摘要；
2、獨(dú)立完成與課題相關(guān)，不少于四萬字符的指定英文資料翻譯（附英文原文）；
3、設(shè)計(jì)裝配圖及零件圖。
4、完成繪圖工作量折合A0圖紙3張以上，其中必須包含兩張A3以上的計(jì)算機(jī)繪圖圖紙；
四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)
[1] 任仲貴. CAD/CAM原理[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1991.9.
[2] 王明強(qiáng). 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2002.
[3] [Hong-Chao Zhang and Enhao Lin. A hybrid-graph approach for automated setup planning in CAPP. Robotics and Computer Integrated Manufacturing [J], 1999, 15: 89-100.
[4] Y. Zhang, W. Hu and Y. Rong et al. Graph-based set-up planning and tolerance decomposition for computer-aided fixture design. International Journal of Production Research [J], 2001, 39(14): 3109-3126.
[5] 吳宗澤. 機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.
五、試驗(yàn)、測試、試制加工所需主要儀器設(shè)備及條件
計(jì)算機(jī)一臺
SolidWorks軟件一套
AutoCAD軟件一套
任務(wù)下達(dá)時(shí)間：
2012年01月09日
畢業(yè)設(shè)計(jì)開始與完成時(shí)間：
2012年01月09日至 2012年 06 月03日
組織實(shí)施單位：
教研室主任意見：
簽字： 2011 年12月30日
院領(lǐng)導(dǎo)小組意見：
簽字： 2012 年01月 05日
康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)
摘 要
康復(fù)機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)是集機(jī)械學(xué)、醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及機(jī)器人技術(shù)等諸多學(xué)科為一體的新型交叉科研領(lǐng)域，伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，康復(fù)機(jī)器人技術(shù)得到了空前快速的發(fā)展，人們對康復(fù)醫(yī)療機(jī)械的技術(shù)要求也伴隨著生活水平的提高而日益增加，其目的主要在于克服及治療人類肢體功能障礙，使其最大極限地恢復(fù)原有的功能，實(shí)現(xiàn)最大程度的生活自理，提高生活質(zhì)量。
對于市面上現(xiàn)有的康復(fù)設(shè)備而言，產(chǎn)品功能過于單一，并且體積比較龐大，沒能實(shí)現(xiàn)整個手臂和手指關(guān)節(jié)及下肢康復(fù)的集成產(chǎn)品。在這樣的技術(shù)背景下，我國的康復(fù)器械正處于起步階段，伴隨著患者數(shù)量增加，醫(yī)療師資源的匱乏。就此現(xiàn)狀，發(fā)展康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的實(shí)際意義變得更加重大。不過隨著康復(fù)機(jī)器人的研究和技術(shù)的發(fā)展，有望進(jìn)一步化簡醫(yī)生和患者“一對一”的繁重醫(yī)療過程，推動患者享有最優(yōu)質(zhì)的康復(fù)服務(wù)的目標(biāo)。所以本設(shè)計(jì)通過對國內(nèi)外康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用等方面的總結(jié)，提出了一種新型綜合的康復(fù)機(jī)器人
康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，主要針對上肢運(yùn)動功能障礙患者的康復(fù)訓(xùn)練，在上肢康復(fù)的同時(shí)也可以進(jìn)行下肢的鍛煉，能夠更好的幫助患者早日恢復(fù)健康，身體恢復(fù)原有的運(yùn)動能力。
具體工作如下:
依據(jù)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的應(yīng)用對象和應(yīng)用場合的不同，首先分析了現(xiàn)有康復(fù)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn).通過對各種設(shè)計(jì)方案的比較，確定了機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)器人運(yùn)動部件強(qiáng)度的分析、驅(qū)動方式的選擇、傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及選擇等。
關(guān)鍵詞：醫(yī)療器械；康復(fù)機(jī)器人；機(jī)械手指
ABSTRACT
Rehabilitation robot technology mechanics, medicine, computer science and robotics technology, capacity and many other disciplines as one of the new cross-field of scientific research, along with the development of science and technology, rehabilitation robotics has been an unprecedented rapid development, people the technical requirements of the mechanical rehabilitation therapy along with the improvement of living standards and increasing its main purpose is to overcome and treatment of human dysfunction or disease, so that the maximum limit to replace or restore the original function, to achieve the greatest degree of self-care, improve quality of life.
For today's social rehabilitation equipment, the product is relatively homogeneous and relatively large size, have not been able to achieve the integrated product of the entire arm and finger joints and lower limb rehabilitation. This technical background, the rehabilitation of machinery in China today is in its infancy, along with the increase in the number of patients, lack of resources for medical division. This stat us the development of training robot even more significant. But with the rehabilitation robot research and technology development is expected to further of Jane doctors and patients, "one to one" heavy medical procedures, and promote the goal of patients enjoy the highest quality rehabilitation services. This design is a summary of the domestic and international development and application of the rehabilitation robot, a new rehabilitation robot
Rehabilitation training robot design, mainly for the rehabilitation training of the upper limb motor function disorders, while the upper limb rehabilitation can also lower limb exercise, better able to help patients recover soon, the body to restore the original athletic ability.
Specific activities include the following:
According to the application objects and the different applications in rehabilitation training robot, first analyzes the characteristics of the mechanical structure of the existing rehabilitation robots through the comparison of various design options to determine the overall design of the robot, including the design of mechanical structures, intensity analysis of the robot moving parts, the choice of the drive mode, the transmission structure design and selection.
Key words Medical equipment；Rehabilitation robot；Mechanical finger mechanism 目 錄
第一章 緒論 1
1.1 課題背景 1
1.2 研究的目的和意義 2
1.3 背景分析 3
第二章 機(jī)械手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5
2.1 產(chǎn)業(yè)化機(jī)械手指的結(jié)構(gòu) 5
2.2 人手的生物學(xué)特性分析 6
2.3 傳動系統(tǒng)的比較 7
2.4 外骨骼手指機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10
2.5 錐齒輪選擇和強(qiáng)度校核 12
2.6 電動機(jī)類別的選擇 15
第三章 機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18
3.1 連桿及自由度的設(shè)計(jì) 18
3.2 手臂的運(yùn)動模式 19
3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19
3.4 關(guān)節(jié)電機(jī)的選擇 19
第四章 鏈輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 21
4.1 鏈傳動的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用 21
4.2 鏈傳動的受力分析 22
4.3 滾子鏈傳動的設(shè)計(jì)計(jì)算 23
4.4 鏈的尺寸計(jì)算 26
第五章 軸的設(shè)計(jì) 27
5.1 軸的概述 27
5.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 27
5.3 軸的校核 27
5.4軸的材料選擇 31
第六章 下肢康復(fù)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 32
6.1 飛輪設(shè)計(jì) 32
6.2 調(diào)速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 33
謝 辭 36
參考文獻(xiàn) 37
第一章 緒論
1.1 課題背景
第二次抽樣調(diào)查統(tǒng)計(jì)的結(jié)果顯示，我國各類殘疾人總數(shù)已達(dá)到8200萬之多，占據(jù)全國總?cè)丝诘?.34%。殘疾人的總數(shù)與1987年中國進(jìn)行第一次抽查時(shí)相比，已增加了3000多萬，其中肢體殘疾人數(shù)超過2412萬。此外，由中風(fēng)引起的殘疾人數(shù)近年來也呈現(xiàn)上升趨勢，我國中風(fēng)病患者每年增加660多萬，其中1/3以上的患者最終會導(dǎo)致死亡，當(dāng)下中風(fēng)已成為導(dǎo)致死亡的第三大罪魁禍?zhǔn)?，其致殘率甚至高達(dá)75%。在青壯年人群中，由于交通事故、工傷等原因，也會出現(xiàn)了許多的肢體殘疾者。
康復(fù)機(jī)器人技術(shù)研究是近30年來迅速發(fā)展起來的一門綜合性較強(qiáng)的學(xué)科。它綜合了機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)、力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)人工智能、自動控制、計(jì)算機(jī)工程、傳感技術(shù)、仿生學(xué)等學(xué)科，該項(xiàng)學(xué)科已經(jīng)嫣然成為最新的技術(shù)研究成果，它充分的體現(xiàn)了機(jī)電一體化多學(xué)科互相滲透，結(jié)合的特點(diǎn)，代表了機(jī)電一體化的最高成就?？祻?fù)訓(xùn)練機(jī)器人是近些年來才涌現(xiàn)的一種新型機(jī)器人。本文主要是研究外骨骼康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，康復(fù)機(jī)器人正是機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。伴隨著人民生活水平的提高和科技進(jìn)步，我國和世界上的許多國家一樣，正逐漸步入老齡化，而在老齡人群之中有大量的腦血管疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者，這類患者多數(shù)會伴有偏癱癥狀。與此同時(shí)，由于交通運(yùn)輸工具的迅速增長，因?yàn)榻煌ㄊ鹿识鴮?dǎo)致神經(jīng)性損傷或者是肢體損傷的人數(shù)也在呈現(xiàn)上升的趨勢。醫(yī)學(xué)理論和臨床醫(yī)學(xué)證實(shí)，這類患者除了必要的臨床手術(shù)治療和必要的藥物治療以外，科學(xué)、正確、有效的康復(fù)訓(xùn)練對于那些肢體運(yùn)動功能有障礙的患者起到非常重要的恢復(fù)和提高的作用.康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人作為一種機(jī)電結(jié)合的自動化康復(fù)醫(yī)療儀器，以醫(yī)學(xué)理論為治療的依據(jù)，幫助患者進(jìn)行有效而又科學(xué)的康復(fù)運(yùn)動，從而使患者的運(yùn)動機(jī)能得到最大限度的恢復(fù)?？祻?fù)機(jī)器人由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制，康復(fù)訓(xùn)練在設(shè)定的程序下自動進(jìn)行，根據(jù)病人的實(shí)際的情況，調(diào)節(jié)其運(yùn)動的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最佳的康復(fù)訓(xùn)練效果。此外康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人還可以作為健康的老年人體育運(yùn)動訓(xùn)練器械。
康復(fù)機(jī)器人的研究貫穿了多個研究領(lǐng)域，儼然已經(jīng)成為了國際機(jī)器人領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)、焦點(diǎn)。康復(fù)的含義是受創(chuàng)傷或者得了某些疾病后通過治療，又恢復(fù)了患者肢體或器官的正常的功能或形狀。通俗的來講，康復(fù)工程主要是致力于為患者提供諸如此類輔助裝置。從而把那些先進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)引入到醫(yī)療康復(fù)工程中來，最終在康復(fù)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)中得以很好的體現(xiàn)，形成了康復(fù)醫(yī)學(xué)和機(jī)器人技術(shù)的完美結(jié)合。目前來說康復(fù)機(jī)器人已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到了康復(fù)護(hù)理、裝配人體假肢、康復(fù)治療、康復(fù)訓(xùn)練等各個方面，這不僅促進(jìn)了康復(fù)機(jī)械在醫(yī)學(xué)的發(fā)展，也帶動了相關(guān)領(lǐng)域的理論和新技術(shù)發(fā)
康復(fù)機(jī)器人是醫(yī)用機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人的完美結(jié)合。人們第一次想要嘗試把為殘疾人服務(wù)的機(jī)器人產(chǎn)品化還要追溯到在上世界60年代到70年代。當(dāng)時(shí)的一些實(shí)踐證明那個時(shí)期人們的嘗試都是以最后的失敗而告終，其失敗的原因主要有兩方：第一個方面就是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不理想，不夠人性化，尤其是沒有良好的控制系統(tǒng)；第二個方面主要是技術(shù)的原因，單價(jià)太高導(dǎo)致了康復(fù)機(jī)器人最終想要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化的目標(biāo)失敗。上世紀(jì)80年代是康復(fù)機(jī)器人研究的起步階段，美國、英國和加拿大等一些發(fā)達(dá)國家在康復(fù)機(jī)器人研究方面已經(jīng)處于世界的領(lǐng)先地位。在1990年以前全球的56個康復(fù)機(jī)器人研究中心分布在5個工業(yè)區(qū)內(nèi)：英聯(lián)邦，加拿大，斯堪的納維亞半島，歐洲大陸和北美及日本。在1990年以后一些發(fā)達(dá)國家在康復(fù)機(jī)器人方面的研究就進(jìn)入到全面發(fā)展時(shí)期。
1.2 研究的目的和意義
為了能夠幫助眾多肢體殘疾病人得到有效、及時(shí)的治療，特別是提高肢體殘疾人生活自理的能力，使更多殘疾人的肢體功能得以恢復(fù)原有的運(yùn)動能力，所以康復(fù)機(jī)器人便騰空出世，使那些失去部分人體機(jī)能的病人得到一部分肢體功能的補(bǔ)償?？梢钥闯鰴C(jī)電結(jié)合的康復(fù)機(jī)器人對肢體功能有障礙的病人的康復(fù)起到了十分重要的作用。目前國內(nèi)外研究表明，大腦的神經(jīng)系統(tǒng)具有一定的可塑性，大腦運(yùn)動神經(jīng)功能的萎縮主要源于長期的不運(yùn)動，然而數(shù)據(jù)表明通過行之有效的治療，能夠恢復(fù)受損運(yùn)動神經(jīng)的部分功能，而且90%的中風(fēng)患者可以恢復(fù)其獨(dú)自步行的能力和生活自理的能力，有些人還能恢復(fù)其工作能力。
醫(yī)療器械的康復(fù)機(jī)器人不同于普通的工業(yè)機(jī)器人，康復(fù)機(jī)器人需要與人體直接進(jìn)行作用接觸，因此，如何保證病人在康復(fù)訓(xùn)練過程中既安全又舒適，便成為康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)中需要解決的關(guān)鍵問題之一。為了更好的適應(yīng)人體的運(yùn)動模式，必須針對康復(fù)機(jī)器人的使用特點(diǎn)進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)，對其整體機(jī)械結(jié)構(gòu)與驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行部位的特殊設(shè)計(jì)。在病人康復(fù)訓(xùn)練初期，康復(fù)機(jī)器人需要帶動患者的肢體運(yùn)動，以一定的運(yùn)動力實(shí)現(xiàn)安全的主動運(yùn)動;在患者肢體功能逐漸恢復(fù)以后，為了能夠更好的增強(qiáng)康復(fù)訓(xùn)練效果，康復(fù)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)給患肢施加一定的附加載荷，實(shí)現(xiàn)由肢體帶動的被動運(yùn)動?？祻?fù)機(jī)器人在外骨骼輔助患者肢體運(yùn)動的同時(shí)，其整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)也能夠很好的主動順應(yīng)肢體的動作，從而實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練安全性和舒適性的根本保證，同時(shí)這也是康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)區(qū)別于一般傳統(tǒng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的根本特征，而且這也是制約康復(fù)機(jī)器人應(yīng)用的一個瓶頸問題。研究設(shè)計(jì)實(shí)用的符合病人康復(fù)理念的康復(fù)機(jī)器人，必須要先設(shè)計(jì)出安全可靠、符合人體工程學(xué)要求的康復(fù)機(jī)器人。整體結(jié)構(gòu)及其各個關(guān)節(jié)的驅(qū)動模式?？祻?fù)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)要同時(shí)具備外骨骼式的可穿戴，重量較輕等特質(zhì)?？祻?fù)運(yùn)動的形式要綜合，康復(fù)訓(xùn)練過程中要有安全舒適等特點(diǎn)。
要想更加全面的研究康復(fù)機(jī)器人必須要先解決其整體結(jié)構(gòu)以及驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使它的在可穿戴性及舒適性方面能夠滿足人體工程學(xué)的要求，否則將會嚴(yán)重影響到康復(fù)機(jī)器人的臨床應(yīng)用的效果，進(jìn)而影響了康復(fù)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，鑒于當(dāng)今社會的研制康復(fù)機(jī)器人市場需求的迫切性，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)研究具有人體工程學(xué)特點(diǎn)康復(fù)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動機(jī)構(gòu)，勢必具有較好的市場前景及應(yīng)用的前景。而且對緩解康復(fù)醫(yī)療師的工作壓力、降低康復(fù)機(jī)器人的生產(chǎn)成本，同時(shí)對促進(jìn)康復(fù)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)也起到了非常重要的作用。現(xiàn)根據(jù)我國的實(shí)際國情， 2010年康復(fù)機(jī)器人的產(chǎn)量以達(dá)到30000臺，開發(fā)設(shè)計(jì)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)的康復(fù)機(jī)器人，勢必將很大程度上提升我國在康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域的自主研發(fā)的能力，促進(jìn)康復(fù)機(jī)器人在我們國家的產(chǎn)業(yè)化，從而使其在這一領(lǐng)域縮小與那些發(fā)達(dá)國家之間的技術(shù)差距。并且開發(fā)出成本較低的康復(fù)機(jī)器人，來迎合我國大多數(shù)家庭的需要。這對于振興和發(fā)展民族高科技工業(yè)將起到?jīng)Q定性的作用，同時(shí)對提升民族工業(yè)的自信心也有著重要的意義。連鎖反應(yīng)，康復(fù)機(jī)器人的技術(shù)的發(fā)展在不斷的創(chuàng)新、研究及產(chǎn)業(yè)化，這對構(gòu)建和諧社會的大環(huán)境也起到了極大的促進(jìn)作用，全社會將更多地形成幫助與關(guān)心殘疾人這一特殊的社會群體氛圍。綜上所述，研發(fā)面向殘疾人的機(jī)電結(jié)合的機(jī)器人產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)康復(fù)機(jī)器人產(chǎn)品化，不僅對硬件的控制系統(tǒng)提供了驗(yàn)證的平臺，還緩解康復(fù)醫(yī)師工作的壓力、降低了康復(fù)機(jī)器人的生產(chǎn)成本、促進(jìn)了康復(fù)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化具有重要的世紀(jì)意義。
1.3 背景分析
康復(fù)機(jī)器人國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人應(yīng)屬于醫(yī)療機(jī)器人范疇之內(nèi)的，康復(fù)機(jī)器人如果說從功能上分的話，可分為外骨骼輔助型康復(fù)機(jī)器人和實(shí)用性康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，是機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域新的應(yīng)用?？祻?fù)訓(xùn)練機(jī)器人的主要功能應(yīng)該是幫助患者完成各種機(jī)體損傷功能的恢復(fù)訓(xùn)練，如行走訓(xùn)練、手臂運(yùn)動訓(xùn)練、脊椎運(yùn)動訓(xùn)練等。本論文主要是針對手指關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)，肩關(guān)節(jié)以及下肢康復(fù)訓(xùn)練的儀器。而對該康復(fù)機(jī)器人的主要研究方面包括康復(fù)機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)、動力學(xué)、運(yùn)動學(xué)等。
數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)今社會康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人主要是用于中風(fēng)病患者、神經(jīng)功能損傷患者、肢體運(yùn)動功能損傷患者的康復(fù)治療。而我國的中風(fēng)病可以說是世界高發(fā)病地區(qū)之一，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中風(fēng)患者的幸存者中約有70%-80%的患者會有不同程度的殘疾。對與這些病人來說，針對他偏袒部位進(jìn)行及早的治療及康復(fù)訓(xùn)練是十分重要和關(guān)鍵的醫(yī)療技術(shù)手段，可以很大程度上減少殘疾的可能性。為了克服傳統(tǒng)醫(yī)療手段的弊端，那么進(jìn)一步開發(fā)研究康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人的必要性就不言而喻了。
醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，其實(shí)從整體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上分，主要包括三個階段:本地的康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制的康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)以及基于虛擬環(huán)境的康復(fù)醫(yī)療訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)。其中有兩種主要工作模式:關(guān)節(jié)運(yùn)動訓(xùn)練模式和肢體肌力訓(xùn)練模式。我國發(fā)展肢體康復(fù)醫(yī)療機(jī)器的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和一些發(fā)達(dá)的國家相比較還處于起步階段，近些年來，這一問題也引起了國內(nèi)有關(guān)人士的重視，但較國外的發(fā)展水平還有一定的距離，大多為一些簡易型康復(fù)訓(xùn)練器械，智能化程度非常低，國外發(fā)展較早，相關(guān)的技術(shù)都已經(jīng)比較成熟。所以綜上所述我們不難看出，在醫(yī)療器械康復(fù)機(jī)器人的這一領(lǐng)域我們的發(fā)展前景還是非常可觀的，下面就讓我來為大家簡單的介紹一種由自己設(shè)計(jì)的新型康復(fù)機(jī)器人。
下面為大家介紹一下本人在這次畢設(shè)中所設(shè)計(jì)的康復(fù)機(jī)器人，以下就是一個UG渲染的三維效果圖，從這個圖中我們可以看到他的整體框架以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過這樣一個康復(fù)訓(xùn)練器材，病人可以鍛煉自己的手臂、手指、下肢等功能有障礙的部位。
圖1-1 康復(fù)機(jī)器人三維效果圖
第二章 機(jī)械手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 產(chǎn)業(yè)化機(jī)械手指的結(jié)構(gòu)
目前，對于康復(fù)機(jī)器人的研究主要集中在醫(yī)院機(jī)器人系統(tǒng)、康復(fù)機(jī)械手、智能輪椅、轉(zhuǎn)配智能假肢和康復(fù)治療機(jī)器人等幾個使用性領(lǐng)域。
隨著外骨骼康復(fù)機(jī)器人康復(fù)理論研究和外骨骼機(jī)械裝置臨床實(shí)踐的不斷發(fā)展，外骨骼機(jī)械康復(fù)裝置的發(fā)展呈現(xiàn)幾個小方面發(fā)展。①康復(fù)鍛煉小關(guān)節(jié)以及多關(guān)節(jié)的方向發(fā)展；②向嵌入式、小型化、便攜的形式發(fā)展；③開發(fā)復(fù)合更有效的結(jié)構(gòu)形式；④開發(fā)和應(yīng)用新的動力源和傳動方式；
國內(nèi)的哈爾濱工程大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等學(xué)校都已經(jīng)進(jìn)行了康復(fù)機(jī)器人的相關(guān)研究，并對現(xiàn)有的康復(fù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了必要的機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)，而且集成了多種傳感器如角度、力等微型傳感器等。通過簡單的機(jī)械配合與執(zhí)行機(jī)構(gòu)巧妙的結(jié)合在一起，雖然機(jī)構(gòu)整體的重量變輕了，但是對那些肢體功能有損傷的患者治療康復(fù)效果卻變得越來越好。
就目前市場上出現(xiàn)了適合手指關(guān)節(jié)康復(fù)的外骨骼機(jī)械儀器來看，如下圖所示，需要的價(jià)格非常昂貴，并且多個手指通過較復(fù)雜的傳動機(jī)構(gòu)采用一個電機(jī)控制驅(qū)動，雖然實(shí)現(xiàn)所謂的康復(fù)運(yùn)動，但運(yùn)動不夠精確，機(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)的康復(fù)功能較為單一，而且不能對康復(fù)過程實(shí)時(shí)監(jiān)控，缺乏感知信息。
圖2-1 機(jī)械手指產(chǎn)品
綜合以上實(shí)例分析得出以下結(jié)論，現(xiàn)有的手部外骨骼康復(fù)儀器大多存在下列的缺點(diǎn)以及不足：1、康復(fù)儀器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜；2、不能很好的使五個手指同時(shí)得到康復(fù)訓(xùn)練目的；3、康復(fù)儀器體積較大，攜帶不便；4、運(yùn)動不夠精確；5、安全性能較差
2.2 人手的生物學(xué)特性分析
人類的手部具有非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，手部是由作為動力機(jī)構(gòu)的肌肉、連接骨骼的韌帶、骨骼、和把肌肉與骨骼連在一起的肌腱以及手上的皮膚和軟組織等（在這里我們忽略神經(jīng)以及血液系統(tǒng)）組成。手指的骨骼是在關(guān)節(jié)處相連，其大小尺寸沒有變化。肌肉產(chǎn)生了力矩，手部通過肌膜控制關(guān)節(jié)的運(yùn)動，對與每一條肌肉都會有一條或者多條與其力矩相反的肌肉相互作用。由于骨骼在整體運(yùn)動中發(fā)揮著支撐以及各種姿態(tài)的主導(dǎo)作用，所以對于手部運(yùn)動的研究也勢必需要以其骨骼的構(gòu)造為主要對象。在事實(shí)上，不同部位的功能與關(guān)節(jié)的形狀的不同，則決定手部各部位的最終姿態(tài)。其中主要的原因就是處于各個關(guān)節(jié)之間的骨骼不會自身產(chǎn)生變化，所以這種連接可以認(rèn)為屬于剛體性質(zhì)的鏈接。因而各個部位的運(yùn)動完全取決于關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動本體。
一般來說，手部的關(guān)節(jié)至多是內(nèi)收外運(yùn)動和伸展彎曲運(yùn)動。彎曲運(yùn)動是指在手掌自然平面相縱向垂直的平面上的運(yùn)動。這主要是通過手背的指間關(guān)節(jié)和腕部關(guān)節(jié)來完成。除了能夠完成相應(yīng)需求運(yùn)動之外，手背及手掌與手指連接的關(guān)節(jié)，還能進(jìn)行內(nèi)外伸展運(yùn)動。應(yīng)當(dāng)在之前說明的是，這類關(guān)節(jié)的彎曲運(yùn)動與內(nèi)收外展運(yùn)動間有著非常特定的約束關(guān)系，即彎曲運(yùn)動完成以后，一般不會再有內(nèi)收外展軸向的轉(zhuǎn)動。
除大拇指以外，其他四個手指相對于手掌的運(yùn)動由指掌關(guān)節(jié)MP、指間關(guān)節(jié)PIP、指端關(guān)節(jié)DIP決定手指具有4個自由度，其中MP處有2個自由度；PIP和DIP處各有1個自由度；大拇指有2個自由度，整個手部的手指共有18個自由度，如下圖所示。
圖2-2 人手機(jī)構(gòu)模型
手指運(yùn)動的特點(diǎn)主要包括：①手指關(guān)節(jié)彎曲伸展的范圍和內(nèi)收外展的范圍有限，如MP關(guān)節(jié)的最大彎曲角度一般不大于90度；②各段手指骨可以在同一個平面內(nèi)運(yùn)動；③大拇指外伸的兩段指骨可以在同一平面內(nèi)運(yùn)動；④手指骨MP處彎曲的軸線以及內(nèi)收外展的軸線幾乎垂直；⑤手指骨的PIP和DIP關(guān)節(jié)之間的運(yùn)動相互約束，即使沒有外力的作用下，當(dāng)彎曲PIP關(guān)節(jié)的同時(shí)，DIP關(guān)節(jié)也必然會隨之彎曲；⑥反之也是一樣的。根據(jù)正常成年男女手指功能模型，手指運(yùn)動角度我們給出了下面這個手部的尺寸圖供參考。
圖2-3 手指的尺寸
如上圖所示，我們可以很清楚看出大部分人在各個年齡段手部的各個關(guān)節(jié)相關(guān)尺寸長度，根據(jù)對上面的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的分析，從而機(jī)械手指的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照圖表尺寸一步一步的完善，最終可以達(dá)到滿足不同病人使用的需要。
2.3 傳動系統(tǒng)的比較
外骨骼機(jī)械手指康復(fù)儀器的傳動系統(tǒng)，根據(jù)其動力源的不同，可以把它大體分為五種形式，即電動、液壓、氣壓、氣液聯(lián)合和電液聯(lián)合傳動等多種方式。目前采用的主要是前三種。
（1）液壓傳動
液壓傳動是目前用得非常多的一種傳動方式，壓力為5～140公斤／厘米2，臂力最大可以達(dá)到100公斤以上。
液壓傳動的優(yōu)點(diǎn)：
① 壓力高(一般在20～40公斤／厘米2，有的可以高達(dá)140公斤／厘米2)?？梢詫?shí)現(xiàn)較大的驅(qū)動力，用其設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)可做得比較輕小、緊湊。
②定位精度高、無級變速，可以實(shí)現(xiàn)任意中間位置的停止。系統(tǒng)的固有振動頻率較高，容量、壓力調(diào)節(jié)容易。
③ 重量小、慣性較小，可以做到多次及快速且無沖擊的變速、換向。比較容易操控，功作平穩(wěn)，遲滯小。
④ 有良好潤滑性能、壽命較長。
⑤ 可以采用伺服型定位控制方式，達(dá)到連續(xù)的控制。
⑥ 可以把直線油缸以及回轉(zhuǎn)油缸直接做成手臂的一部分，結(jié)構(gòu)簡單，剛性較好。
液壓傳動缺點(diǎn)：
① 需配備壓力源，管路系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。
② 油溫變化影響液壓系統(tǒng)的性能，不適用于高溫或低溫的環(huán)境。
③ 對于中型高速動作的外骨骼康復(fù)的機(jī)械手指，如果需要實(shí)現(xiàn)聯(lián)動，那么油泵、電機(jī)和油箱都要需要較大，增加了系統(tǒng)壓力，密封困難。
④ 油液容易泄漏，這不僅影響工作的穩(wěn)定性和定位精度，而且會污染環(huán)境。
⑤ 油液中容易混入水分、氣泡，使系統(tǒng)剛度下降，快速響應(yīng)特性及定位精度變壞。
⑥ 容易燃燒，工作的噪聲較大。
（2）氣壓傳動
氣壓傳動在工業(yè)機(jī)械于中用得也是比較多。它的壓力一般在4～6公斤／厘米2，個別的可以達(dá)到8～10公斤／厘米2。臂力一般是在30公斤以下。高速機(jī)械手采用氣壓傳動機(jī)構(gòu)的較多。執(zhí)行的元件主要包括氣缸、氣馬達(dá)、氣閥等。
氣壓傳動的優(yōu)點(diǎn)：
① 該機(jī)構(gòu)不需要增速機(jī)構(gòu)就可以獲得較高的運(yùn)動速度，這個其實(shí)正是簡易型機(jī)械手的一項(xiàng)主要的性能，使其可以適應(yīng)各種速度非?？斓淖詣影徇\(yùn)工作；
② 氣源比較方便，一般工廠都會有壓縮空氣站；
③ 空氣的泄漏基本是無害，因此對管路要求比較低；
④ 適應(yīng)易燃、易爆等惡劣環(huán)境下工作；
⑤ 結(jié)構(gòu)、保養(yǎng)都很簡單，成本較低；
⑥可以將直線風(fēng)缸和擺動風(fēng)缸做成手臂的一部分，結(jié)構(gòu)比較簡單，剛性較好。
氣壓傳動的缺點(diǎn)：
① 壓力較低，出力較小，體積較大。
② 空氣可以壓縮性較大，粘滯性比油要低，阻尼效果較差，對于定位控制和低速運(yùn)動不利，實(shí)現(xiàn)中間位置的停止很難。而且需要付出很高代價(jià)才能夠在一個循環(huán)系統(tǒng)中得到不同的速度，因此該系統(tǒng)不能用于控制連續(xù)軌跡，只合適于點(diǎn)位控制。
③ 可以采用簡易型“開一關(guān)”控制。
④ 潤滑性能較差，壓縮空氣中含有水分，氣動系統(tǒng)的元件易銹蝕，低溫時(shí)水分結(jié)冰，并且起動困難。
⑤ 使用后的壓縮空氣可以直接排入大氣．會引起噪聲污染。
（3）電動傳動
電動傳動系統(tǒng)是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力矩，通過直接或間接的機(jī)械傳動裝置來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能。像這類驅(qū)動系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，因此效率比氣動和液壓驅(qū)動較高，而且具有使用方便、噪聲低和控制靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，在各類工業(yè)機(jī)器人中得到了廣泛應(yīng)用。
電機(jī)傳動的優(yōu)點(diǎn)：
① 動力源非常簡單，維護(hù)及使用也是極其方便；
② 控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)可以同時(shí)采用一種型式的動力；
③ 動作準(zhǔn)確性可靠，工作速度可以選用的種類較多，成本也較低。
電機(jī)傳動的缺點(diǎn)：
①該機(jī)構(gòu)需要具有減速裝置和把電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動變成直線運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)龐大，速度不容易控制。
② 如果需要變換程序時(shí)，要改變連桿尺寸和凸輪形狀。因此，如果結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的話，調(diào)整不夠靈活，通用性較差。
③ 當(dāng)機(jī)構(gòu)慣性力大時(shí)，元件容易磨損，而影響定位精度。
綜上所述，考慮到需要輸出較大的力矩，便于檢測，容易控制，維修方便，體積小以及成本低等方面考慮，最終選用電動作為動力源。
2.4 外骨骼手指機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖2-4 機(jī)械手指三維效果圖
1 伺服電機(jī) 2手指固定架 3電機(jī)座 4齒輪架 5錐齒輪 6連桿旋轉(zhuǎn)板 7長套筒
8 螺釘 9中套筒 10彎連桿 11手指套 12手指墊板 13軸承1 4手指套固定板
15旋轉(zhuǎn)固定板 16短套筒 17直連桿 18拇指固定板 19機(jī)械手指底板
如上圖所示，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力是伺服電機(jī)提供的，所以比較容易得到，不需要附加其他形式驅(qū)動力。本課題選擇了由一對傳動比為1的錐齒輪作為傳動機(jī)構(gòu)，將伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動形式轉(zhuǎn)化為整個手指上下擺動的運(yùn)動形式，結(jié)構(gòu)由7個可以變化的連桿組成，可以迎合不同尺寸的手指，不僅可以實(shí)時(shí)改變手指的長度還可以改變手指的角度?？梢宰畲笙薅鹊臐M足人們的需要，工作過程如下：當(dāng)伺服電機(jī)ECMA C-206按照所編寫的程序有規(guī)律轉(zhuǎn)動時(shí)，通過錐齒輪的傳動，從而帶動了平行于固定架的錐齒輪轉(zhuǎn)動，與該錐齒輪通過鍵配合的平行連桿一隨著錐齒輪的轉(zhuǎn)動，這樣手指的整體機(jī)構(gòu)按一定規(guī)律上下擺動，連桿一將這一運(yùn)動形式最終傳遞到了與病人的手指固定在一起的手指套上面，進(jìn)而帶動手指的上下擺動 從而實(shí)現(xiàn)鍛煉手指關(guān)節(jié)的目的。-
圖2-5 ABS樹脂材料性能
連桿及套筒所用的材料為ABS樹脂材料， ABS樹脂是以丁二烯、苯乙烯、丙烯腈為原料。采用乳液聚合法制成聚丁二烯膠乳，再用此膠乳與苯乙烯和丙烯腈進(jìn)行乳液接枝共聚，就制得ABS粉料。采用懸浮聚合法制成AS（SAN）乳料。然后將ABS粉料、SAN乳料和各種添加劑按一定配比摻混，經(jīng)擠出造粒，最終得到ABS樹脂產(chǎn)品。ABS樹脂是丙烯腈—丁二烯—苯乙烯的三元共聚物。ABS樹脂外觀微黃不透明，相對密度1.04。它具有良好尺寸穩(wěn)定性，突出的耐沖擊性、耐熱性、介電性、耐磨性，表面光澤性好，易涂裝和著色等優(yōu)點(diǎn)。
2.5 錐齒輪選擇和強(qiáng)度校核
2.5.1齒輪材料的選擇
考慮到設(shè)計(jì)的齒輪傳遞的功率不大，速度不高，采用含碳量在0.15%～0.6%的碳鋼制造齒輪，為提高齒輪耐磨性和輪齒強(qiáng)度，對齒面采用滲碳、表面淬火等熱處理，硬度可以達(dá)到200HBS。
2.5.2按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
≥2.92
（1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
①試選K＝1.3
②齒輪(1)傳遞的轉(zhuǎn)矩。
③選取尺寬系數(shù)φR＝1/3
④查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊到材料的彈性影響系數(shù)ZE＝189.8Mpa
⑤通過機(jī)械設(shè)計(jì)手冊查得按齒面硬度查得.
齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限MPa（碳鋼調(diào)質(zhì)曲線）；
⑥計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
＝60n1jLh＝60251（2836510）＝3.4
⑦查得接觸疲勞壽命系數(shù)由手冊查得接觸疲勞壽命系數(shù):＝0.92；=0.92
⑧計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1％，安全系數(shù)S＝1，由公式得
＝0.92×600MPa＝552MPa
＝0.92×600MPa＝552MPa
（2）計(jì)算
①試算齒輪分度圓直徑d1t，代入中較小的值。
≥2.92
==10.5mm
②計(jì)算圓周速度
v===0.014m/s
③計(jì)算齒寬b
R==10.5×=5.99mm
b=φRR=×5.99mm=1.99mm
④計(jì)算齒寬與齒高之比
分度圓錐角=arctan=450
平均分度圓直徑dm1=d1(1-0.5φR)=8.715mm
mT==0.618，則：
齒高 h=2.25mT=2.25×0.618mm=1.4mm
b/h=10.5/1.4=7.5mm
⑤計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)v=0.014m/s,7級精度，由機(jī)械手冊可以查得動載系數(shù)=1
（工作機(jī)器屬于伺服電機(jī)）；
機(jī)械手冊查得=1.2屬于經(jīng)表面硬化 查得使用系數(shù)由于速度計(jì)較小所以KA=1 故載荷系數(shù) =1.198 K′==1.725
⑥按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑得
==mm=11.54mm
⑦計(jì)算模數(shù)m
m=
2.5.3 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
m≥
（1）確定公式內(nèi)的計(jì)算數(shù)值
①由機(jī)械手冊查得齒輪1的彎曲疲勞強(qiáng)度極限=540Mpa；齒輪2德爾彎曲疲勞極限強(qiáng)度=540MPa
②查得彎曲壽命系數(shù)=0.86 =0.86
③計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取安全系數(shù)S=1.4
=（）/S==331.7Mpa
= （）/S==331.7Mpa
④計(jì)算載荷系數(shù)
K==1.25*1.15*1.1*1.08=1.708
⑤查取應(yīng)力校正系數(shù)
由機(jī)械手冊查得 =2.97；=2.97
⑥查取齒形系數(shù)
同時(shí)可以查得 =1.52
⑦計(jì)算齒輪的并
==0.0136
(2)設(shè)計(jì)計(jì)算
m≥
即： m≥=0.538mm
對比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)0.538，并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=0.6mm。
2.6 電動機(jī)類別的選擇
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所使用的電機(jī)都為伺服電機(jī)，主要是考慮到伺服電機(jī)比較容易控制，可以通過脈沖來確定位置，所以定位比較準(zhǔn)確，伺服電機(jī)接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)相對位移的變化，因?yàn)椋欧姍C(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，伺服電機(jī)的定位精度可以達(dá)到0.001mm。直流伺服電機(jī)分為有刷和無刷電機(jī)。有刷電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)不方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。
1、無刷電機(jī)體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定。控制復(fù)雜，容易實(shí)現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機(jī)免維護(hù)，效率很高，運(yùn)行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。
2、交流伺服電機(jī)也是無刷電機(jī)，分為同步和異步電機(jī)，目前運(yùn)動控制中一般都用同步電機(jī)，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運(yùn)行的應(yīng)用。
3、伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。
選擇電動機(jī)，首先要確定電機(jī)工作點(diǎn)的力矩有多大，及在這個力矩下需要的電機(jī)轉(zhuǎn)速（即額定轉(zhuǎn)速）是多少。依此可以確定需要什么型號以及什么類型的的電機(jī)能滿足這個要求。根據(jù)工作環(huán)境及條件，本次設(shè)計(jì)是選用伺服電機(jī)，它不僅體積小，重量輕，力矩比較大而且平穩(wěn)，速度高相應(yīng)快，可以通過硬件電路的設(shè)計(jì)以及程序的設(shè)計(jì)來控制脈沖數(shù)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度及轉(zhuǎn)動方向。
確定電動機(jī)功率和型號
①工作機(jī)所需功率：Pw =FV=52W
②電動機(jī)輸出功率：
電動機(jī)所需的功率為：
由題意知，選擇電動機(jī)額定功率Ped=100w。
③電動機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇
選擇電動機(jī)轉(zhuǎn)速25r/min
由公式 可以算出它的扭矩 通過改變
T=0.6
選定伺服電機(jī)型號,參數(shù)如下圖：
電動機(jī)型號
額定功率
（W）
電動機(jī)質(zhì)量
（kg）
額定轉(zhuǎn)矩（NM）
ECMA C-206
100
0.3
0.7
下面簡單的介紹一下，機(jī)械手指機(jī)構(gòu)在整個康復(fù)機(jī)器人中的位置情況以及工作的性質(zhì)。
圖2-7 康復(fù)機(jī)器人整體框架圖
通過圖2-7康復(fù)機(jī)器人整體二維圖的框架,可以清晰的看到機(jī)械手指是通過螺栓安裝固定在機(jī)械手臂的前端，機(jī)械手臂的前端有一個可以旋轉(zhuǎn)的構(gòu)件也是通過螺栓與機(jī)械手臂鉸接在一起，機(jī)械手指的整體機(jī)構(gòu)采用4個螺栓緊固在這個旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，這樣機(jī)械手指機(jī)構(gòu)可以根據(jù)不同人的手腕的角度需求，自己進(jìn)行必要的調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手指的旋轉(zhuǎn)功能。
第三章 機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 連桿及自由度的設(shè)計(jì)
圖3-1 三維效果圖
手臂承受載荷的能力大、自重輕。手臂的運(yùn)動性能直接影響到動作的平穩(wěn)性、運(yùn)動的速度和定位精度。如剛性差則會引起手臂在垂直平面內(nèi)的彎曲變形和水平面內(nèi)的側(cè)向扭轉(zhuǎn)變形，手臂就要產(chǎn)生振動，或動作時(shí)工件卡死無法工作。
手臂的運(yùn)動速度要適當(dāng)，慣性要小。機(jī)械手的運(yùn)動速度要適當(dāng)尤其是在外骨骼手臂更是如此，如果轉(zhuǎn)動過快就會導(dǎo)致病人在康復(fù)運(yùn)動過程中手臂受傷，所以不宜盲目地追求高速度。手臂自重輕，其啟動和停止的平穩(wěn)性就好。
位置精度要高。機(jī)械手臂要獲得較高的位置精度，除采用脈沖來控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動方法以外，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上機(jī)械手臂也要有剛度、偏重力矩、慣性力及緩沖效果都直接影響手臂的位置精度。行程檢測機(jī)構(gòu)。
機(jī)械手臂是機(jī)械手的主要部分，它不僅支撐手腕，機(jī)械手指機(jī)構(gòu)還可以使他們在一定范圍內(nèi)有規(guī)律的運(yùn)動，機(jī)械手臂的連桿結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)整變位條在軌道中的位置 改變螺栓位置從而改變連桿的長度尺寸，來適應(yīng)不同長度的手臂。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，自由度越多，機(jī)械手臂的靈活性就越大，對病人的治療也就非常有幫助。不僅能夠使患者手臂的各個關(guān)節(jié)都能參與到運(yùn)動過程中，而且對損傷部位的康復(fù)治療也起到及其重要的作用，所以本次設(shè)計(jì)的整個機(jī)械手臂的自由度為3。整個機(jī)械手臂的連桿材料為鈦合金TA6，密度為4.4g/cm，選擇該材料的主要原因是密度較小，在相同體積的情況下，質(zhì)量小并且硬度非常大，它的Rm要大于685N/mm,所以使用這種鈦合金材料足夠支撐整個上肢機(jī)構(gòu)運(yùn)動。
3.2 手臂的運(yùn)動模式
機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)決定了手臂的運(yùn)動模式，在肩部和肘部各安置有一個型號是MPF-B330P-SJ22AA，MPF-A330P-MJ22AA伺服電機(jī)，康復(fù)機(jī)器人通過控制系統(tǒng)來控制電機(jī)的脈沖，從而控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向以及轉(zhuǎn)動的角度，在后期制作中可以在這里安裝一個力傳感器 型號K1-GMC250 通過該力傳感器實(shí)時(shí)的測量轉(zhuǎn)動的部位受力情況，當(dāng)該傳感器測到的數(shù)值達(dá)到一定極限時(shí)，證明現(xiàn)在病人的手臂已經(jīng)達(dá)到了轉(zhuǎn)動極限，那么將該信號回饋到控制系統(tǒng)，這樣通過程序控制使相應(yīng)關(guān)節(jié)的伺服電機(jī)反向轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)外骨骼手臂的擺動的效果，最終達(dá)到康復(fù)手臂功能的作用。型號為MPF-B330P-SJ24AA的伺服電機(jī)的底部與座椅的靠背通過螺栓緊固在一起，各個關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式均屬于直接驅(qū)動方式，所謂直接驅(qū)動就是電機(jī)與其所驅(qū)動的負(fù)載直接耦合在一起，直接驅(qū)動的方式不存在其他的復(fù)雜機(jī)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)理念消除了繁瑣的間接的傳動機(jī)構(gòu)部件，如齒輪變速箱、皮帶、滑輪等。直接驅(qū)動轉(zhuǎn)動系統(tǒng)為設(shè)計(jì)者和試用者帶來許多好處，其實(shí)直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機(jī)技術(shù)不僅從根本上提高了機(jī)器的可靠性，而且減少了維護(hù)時(shí)間和不必要的麻煩。通過消除機(jī)械傳動帶來的柔性，直接驅(qū)動的設(shè)計(jì)模式避免了對電機(jī)和負(fù)載進(jìn)行慣性匹配的麻煩，同時(shí)電機(jī)的定位和速度精度也可以提高50倍。直接驅(qū)動電機(jī)還帶來另外一個好處，聽覺噪聲降低高達(dá)20dB。
3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)械手臂主要由與主伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)固定座，小臂連桿和大臂連桿等運(yùn)動構(gòu)件組成，動力源來自不同型號的伺服電機(jī)，這樣的驅(qū)動形式屬于直接驅(qū)動。機(jī)械手臂能夠?qū)崿F(xiàn)3個自由度運(yùn)動（由于機(jī)構(gòu)運(yùn)動確定，因此機(jī)構(gòu)的自由度等于機(jī)構(gòu)的運(yùn)動構(gòu)件數(shù)目）中間的關(guān)節(jié)部分分別由型號是MPF-B330P-SJ22AA伺服電機(jī)、MPF-A330P-MJ22AA伺服電機(jī)直接驅(qū)動，根據(jù)控制系統(tǒng)的程序的有效控制，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂與人體手臂的和諧統(tǒng)一。
在機(jī)械手臂各個關(guān)節(jié)電機(jī)設(shè)計(jì)中，整個機(jī)械手臂有3個自由度，相當(dāng)于3個獨(dú)立的關(guān)節(jié)。每個關(guān)節(jié)的驅(qū)動原理都屬于直接驅(qū)動形式，所以省去了一些傳動機(jī)構(gòu)，這樣不僅使整個機(jī)構(gòu)簡單，而且便于操控及設(shè)計(jì)。
3.4 關(guān)節(jié)電機(jī)的選擇
3.4.1肘關(guān)節(jié)電機(jī)選擇
電動機(jī)類型選擇：根據(jù)工作環(huán)境以及工作條件選擇，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是選用瑞士ABB伺服電機(jī)，它具有國際互換性，工作能力可以滿足設(shè)計(jì)要求。
整個機(jī)械手指的質(zhì)量估算為2.5Kg 前手臂重量為2.4Kg 共計(jì)5Kg前段質(zhì)心到關(guān)節(jié)電機(jī)的距離約為280mm 通過公式T=FL=8*9.8*0.28=21.952Nm。后半段質(zhì)心到關(guān)節(jié)電機(jī)的距離約為300mm，通過公式T=FL=20*9.8*0..3=58.8Nm
伺服電機(jī)的選擇型號，如下表所示
1-電動機(jī)型號
輸出功率
電動機(jī)質(zhì)量（kg）
轉(zhuǎn)矩（NM）
MPF-B330P-SJ22AA
7KW
4.8
30
2-電動機(jī)型號
輸出功率
電動機(jī)質(zhì)量（kg）
轉(zhuǎn)矩 （NM）
MPF-A330P-MJ22AA
12KW
8.6
80
3.4.2肩關(guān)節(jié)電動機(jī)選擇
電動機(jī)類型選擇：根據(jù)工作電機(jī)的工作條件及環(huán)境，選用瑞士ABB伺服電機(jī)品牌，它具有國際互換性，工作能力可以滿足技術(shù)要求。而且結(jié)構(gòu)相對簡單 在控制速度方面可以很容易的實(shí)現(xiàn)控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度以及轉(zhuǎn)動的角度，并且伺服電機(jī)的內(nèi)部可以向系統(tǒng)發(fā)送脈沖，這樣系統(tǒng)也可以實(shí)時(shí)的檢測電機(jī)的工作情況，有利于康復(fù)訓(xùn)練的安全進(jìn)行。電動機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇 需要的力矩T=FL/2 T=FL=30*9.8*0.4=117.6Nm
選定伺服電機(jī),參數(shù)如下表所示：
電動機(jī)型號
輸出功率
力矩（NM）
電動機(jī)質(zhì)量（kg）
MPF-B330P-SJ24AA
15.7KW
150
15.8
第四章 鏈輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1 鏈傳動的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用
鏈傳動是一種柔性傳動，它由鏈條和鏈輪（大鏈輪和小鏈輪）組成 通過鏈輪輪齒與鏈條鏈節(jié)的嚙合來傳遞運(yùn)動和動力，鏈傳動在機(jī)械制造中應(yīng)用廣泛
與摩擦型帶傳動比，鏈傳動無彈性滑動和整體打滑現(xiàn)象，因而能保持準(zhǔn)確的平均傳動比，傳動效率較高；又因鏈條不需要像帶那樣張得很緊，所以作用于軸上的景象壓力較??；鏈條采用金屬材料制造，在同樣的使用條件下 鏈傳動的整體尺寸較小 ，結(jié)構(gòu)較為緊湊；同時(shí)看，鏈傳動能在高溫和超市的環(huán)境中工作。
與齒輪傳動相比，鏈傳動的制造與安裝精度要求較低，成本也低，在遠(yuǎn)距離傳動時(shí)，其結(jié)構(gòu)比齒輪傳動就、輕便很多。
鏈傳動的主要缺點(diǎn)是：只能實(shí)現(xiàn)平行軸間鏈輪的同向傳動；運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不能保持恒定的瞬時(shí)傳動比；磨損后容易發(fā)生跳齒；工作時(shí)有噪聲；不宜用在載荷變化很大、高速和急速反響的傳動中。
鏈傳動主要用在要求工作可靠，兩軸相距較遠(yuǎn)，低速重載，工作環(huán)境惡劣，以及其他不宜采用齒輪傳動的場合。例如在摩托車上應(yīng)用了鏈傳動，結(jié)構(gòu)上大為簡化，而且使用方便可靠；掘土機(jī)的運(yùn)動機(jī)構(gòu)就采用了鏈傳動，他居然經(jīng)常受到土塊、泥漿和瞬時(shí)過載等的影響，依然能很好地工作
鏈條按用途不同可以分為傳動鏈、輸送鏈和起重鏈。輸送鏈和起重鏈主要用在運(yùn)輸和起重機(jī)械中。在一般機(jī)械傳動中，常用的是傳動鏈
傳動又可以分為短節(jié)距滾子鏈（簡稱滾子鏈）、齒形鏈等類型。起重滾子鏈常用在傳動系統(tǒng)的低速級，一般傳遞的功率在100Kw以下，鏈速不超過15m/s，推薦使用的最大傳動比為8.齒形鏈應(yīng)用較少
⑴滾子鏈
滾子鏈?zhǔn)怯蓾L子1、套筒2、銷軸3、內(nèi)鏈板4和外鏈板5組成。內(nèi)鏈板和套筒之間、外鏈板與銷軸之間分別用過盈聯(lián)接固聯(lián)。滾子與套筒之間、套筒與銷軸之間均為間隙配合。當(dāng)內(nèi)、外鏈板相對撓曲時(shí)，套筒可繞銷軸自由轉(zhuǎn)動。滾子活套在套筒上，工作時(shí)，滾子沿鏈輪齒廓滾動，減輕了齒廓的磨損。鏈的磨損主要發(fā)生在銷軸與套筒的接觸面上。因此，內(nèi)、外鏈板間應(yīng)留少許間隙，以便潤滑油滲入銷軸和套筒的摩擦面間。內(nèi)、外鏈板制成8字形，是為了使鏈的各剖面具有相近的抗拉強(qiáng)度，也可減輕鏈的質(zhì)量和運(yùn)動時(shí)的慣性力。
傳動鏈?zhǔn)褂脮r(shí)首尾相連成環(huán)形，當(dāng)鏈節(jié)數(shù)為偶數(shù)時(shí)，接頭處可用內(nèi)、外鏈板搭接，插入開口銷或彈簧夾鎖住。若鏈節(jié)為奇數(shù)，需采用一個過渡鏈節(jié)才能首尾相連，鏈條受拉時(shí)，過渡鏈節(jié)將受附加彎矩，所以應(yīng)盡量采用偶數(shù)鏈節(jié)的鏈條。
滾子鏈與鏈輪嚙合的基本參數(shù)是節(jié)距p、滾子外徑d1和內(nèi)鏈節(jié)內(nèi)寬b1。其中，節(jié)距是滾子鏈的主要參數(shù)。節(jié)距增大時(shí)，鏈條中各零件的尺寸也要相應(yīng)增大，可傳遞的功率也隨之增大。但當(dāng)鏈輪齒數(shù)一定時(shí)，節(jié)距越大，鏈輪直徑D也越大，為使D不致過大，當(dāng)載荷較大時(shí)，可用小節(jié)距的雙排鏈或多排鏈。多排鏈的承載能力與排數(shù)成正比，列數(shù)越多，承載能力越高。但由于制造、安裝誤差，很難使各排的載荷均勻，列數(shù)越多，不均勻性越嚴(yán)重，故排數(shù)不宜過多，一般不超過四列。
考慮到我國鏈條生產(chǎn)的歷史和現(xiàn)狀，以及國際上幾乎所有國家的鏈節(jié)距均用英制單位，我國鏈條標(biāo)準(zhǔn)GB1243.1-83中規(guī)定節(jié)距用英制折算成米制的單位。鏈號與相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)鏈號一致，鏈號數(shù)乘以25.4/16mm即為節(jié)距值。后綴A或B分別表示A或B系列。A系列用于重載、重要、較高速的傳動，B系列用于一般的傳動中。
滾子鏈標(biāo)記：鏈號---排數(shù)*鏈節(jié)數(shù) 標(biāo)準(zhǔn)編號 例：10A—1*88 GB1243.1--83
⑵齒形鏈
齒形鏈又稱無聲鏈。由一組帶有兩個齒的鏈板左右交錯并列鉸接而成。每個齒的兩個側(cè)面為工作面，齒形為直線，工作時(shí)鏈齒外側(cè)邊與鏈輪輪齒相嚙合來實(shí)現(xiàn)傳動。
特點(diǎn)：工作平穩(wěn)，噪音小，允許的鏈速高，承受沖擊能力好，傳動效率一般為0.95~0.98，潤滑良好的傳動可達(dá)0.98~0.99。但價(jià)格較高，重量較大，對安裝、維護(hù)要求較高。
應(yīng)用：適宜于高速傳動；又實(shí)用于傳動比大和中心距較小的場合，多用于高速或運(yùn)動精度要求較高的傳動裝置中。
本設(shè)計(jì)用滾子鏈傳動。
4.2 鏈傳動的受力分析
鏈傳動在安裝時(shí)，應(yīng)使鏈條受一定的張緊力，其張緊力是通過使鏈保持適當(dāng)?shù)拇苟人a(chǎn)生的懸垂拉力獲得的。鏈傳動張緊的目的主要是使松邊不致太松，以免影響鏈條正常退出嚙合和產(chǎn)生振動、跳齒或脫鏈現(xiàn)象，因而所需的張緊力比帶傳動小得多。
鏈在工作過程中，緊邊和松邊的拉力不等。若不計(jì)傳動中的動載荷，鏈的緊邊受到的拉力F1是由鏈傳遞的有效圓周力Fe、鏈的離心力Fc及鏈條松邊垂度引起的懸垂拉力Ff三部分組成。
鏈的松邊所受的拉力F2由Fc及Ff兩部分組成。
有效圓周力
N 式中：P---鏈傳動所傳遞的功率，kW； v---鏈速，m/s。
離心力引起的拉力 N
式中：q---單位長度鏈條的質(zhì)量，kg/m。 v---鏈速，m/s。
懸垂拉力Ff的大小與鏈條松邊垂度及傳動的布置方式有關(guān)，在F’f和F”f中選大者。
式中：a---鏈傳動的中心距，mm。 q---單位長度鏈條的質(zhì)量，kg/m。 Kf—垂度系數(shù)。
4.3 滾子鏈傳動的設(shè)計(jì)計(jì)算
已知；傳動用途、工作情況、原動機(jī)種類、傳遞的功率P、鏈輪轉(zhuǎn)速n1、n2（或i），結(jié)構(gòu)尺寸要求等。
設(shè)計(jì)內(nèi)容：鏈條節(jié)距p、列數(shù)、鏈條鏈節(jié)數(shù)Lp、傳動中心距a；大、小鏈輪齒數(shù)z1 、z2；軸向壓力Q；潤滑方式。
設(shè)計(jì)步驟：
① 鏈輪齒數(shù)z1 、z2和傳動比i
小鏈輪齒數(shù)z1對鏈傳動的平穩(wěn)性和使用壽命有較大影響。齒數(shù)少，外廓尺寸小，但齒數(shù)過少，運(yùn)動不均勻性加劇，動載荷和沖擊加大；鏈條進(jìn)入和退出嚙合時(shí)，鏈節(jié)間的相對轉(zhuǎn)角增大，鉸鏈的磨損加??；鏈傳遞的圓周力增大，加速了鏈條和鏈輪的損壞。
齒數(shù)過多，將增大傳動尺寸和質(zhì)量，鏈條磨損后節(jié)距的伸長容易發(fā)生跳齒和脫鏈，同樣會縮短鏈條的使用壽命。
齒數(shù)的選取原則：（1）鏈傳動速度高時(shí)，齒數(shù)多些；（2）為考慮磨損均勻，鏈輪齒數(shù)應(yīng)取與鏈節(jié)數(shù)互為質(zhì)數(shù)的奇數(shù)，并優(yōu)先選用以下數(shù)列：17、19、21、23、25、38、57、76、95、114。
（取整），且。由表9-8，試選v—選取z1，z1盡量用奇數(shù)。
，推薦=2~3.5。當(dāng)v<2m/s且載荷平穩(wěn)時(shí)，可達(dá)10。過大時(shí)，鏈條在小鏈輪上的包角過小，將減少嚙合齒數(shù)，因而易出現(xiàn)跳齒或加速輪齒的磨損，故可用二級或二級以上的傳動。
② 確定計(jì)算功率Pca
計(jì)算功率Pca是根據(jù)傳遞的功率P，并考慮到載荷性質(zhì)和原動機(jī)的種類而確定，即
kW
③ 初選中心距a0
a小，傳動結(jié)構(gòu)緊湊，但a太小，鏈條總長太短，單位時(shí)間里每一鏈節(jié)參與嚙合次數(shù)過多，加劇鏈的磨損和疲勞。a過大，承載好，但鏈條長，橫向振動大。一般
（張緊或托板），中心距不可調(diào)時(shí)，。
④ 鏈節(jié)數(shù)Lp （取整，最好取偶數(shù)）
⑤ 節(jié)距和排數(shù)的確定
一定條件下，節(jié)距越大，鏈傳動承載能力越強(qiáng)，但節(jié)距越大，鏈傳動的多邊形效應(yīng)越嚴(yán)重，動載荷、沖擊、振動越嚴(yán)重。所以，為使鏈傳動結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長，盡量取小節(jié)距的單排鏈。
若傳動速度高，傳遞的功率大；或傳動中心距小，傳動比大，取小節(jié)距的多排鏈。若傳動中心距大而傳動比小，取大節(jié)距的單排鏈。
設(shè)計(jì)時(shí)，先定傳動的列數(shù)查機(jī)械手冊得Kp—由上式計(jì)算得P0 查得鏈號
⑥驗(yàn)算鏈速 判斷是否與假設(shè)符。
⑦確定實(shí)際中心距
為保證松邊有合適的垂度
若傳動中心距可調(diào)，△a取大值；若中心距不可調(diào)，△a取小值。
⑧ 小鏈輪轂孔最大直徑
當(dāng)確定了鏈條節(jié)距和小鏈輪齒數(shù)后，鏈輪的結(jié)構(gòu)和各部分尺寸已可定出（表9-3），轂孔的最大直徑dkmax也可定出，但dkmax不小于安裝鏈輪處的軸徑；若不能滿足要求時(shí)，可采用特殊結(jié)構(gòu)的鏈輪（如鏈輪軸）或重新選擇鏈傳動參數(shù)（增大z1或p）。
⑨ 計(jì)算壓軸力Q
式中：Fe---鏈傳遞的有效圓周力，N；
KQ---壓軸力系數(shù)，對于水平傳動，KQ=1.15；對于垂直傳動KQ=1.05。
⑩ 鏈輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，材料和尺寸。
低速鏈傳動的靜力強(qiáng)度計(jì)算
對于鏈速的低速鏈傳動，因抗拉靜力強(qiáng)度不夠而破壞的幾率很大，故常按下式進(jìn)行抗拉靜力強(qiáng)度計(jì)算式中：
Sca ---鏈的抗拉靜力強(qiáng)度的計(jì)算安全系數(shù)；
Q---單排鏈的極限拉伸載荷，kN；
n---排數(shù)；
KA---工作情況系數(shù)，查表9-9；
F1 ---鏈的緊邊工作拉力，kN。
4.4 鏈的尺寸計(jì)算
本設(shè)計(jì)用滾子鏈傳動
傳動比i=2 n=80r/min，
根據(jù)傳動比小鏈輪的齒數(shù)Z1=19 大鏈輪的齒數(shù)為Z2=38
實(shí)際傳動比i=38/19=2，
初定中心距
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