上肢康復機器人結構設計及仿真運動設計【20張CAD圖紙和說明書全套】

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畢業(yè)設計中期檢查表 填表日期 2012年 5月7~11日 迄今已進行 11 周剩余 6 周 學生姓名 院系 專業(yè)、班級 指導教師姓名 職稱 從事 專業(yè) 是否外聘 □是□否 題目名稱 學 生 填 寫 畢業(yè)設計工作進度 已完成主要內容 待完成主要內容 　 　 存在問題及努力方向 　 學生簽字： 指導教師 意 見 畢業(yè)設計進度：超前□ 正?！? 滯后□ 嚴重滯后□ 指導教師簽字： 年 月 日 系意見 系主任簽字： 年 月 日 畢業(yè)設計任務書 學生姓名 王春生 院系 機電工程學院 專業(yè)、班級 機械設計制造及其 自動化08-12 指導教師姓名 陳曦 職稱 助教 從事 專業(yè) 電氣工程 是否外聘 □是否 題目名稱 上肢康復機器人結構設計及運動仿真及仿真運動（結構設計） 一、設計目的、意義 設計目的： 設計一種坐式上肢康復訓練機，用于心腦血管疾病致癱或意外事故所造成的上肢體損傷的患者左上肢及相關關節(jié)康復訓練。由于康復訓練機器人要與人體直接相連，來帶動肢體進行康復訓練，所以對驅動器的安全性、柔性的要求較高。 設計意義： 近年來，由于心腦血管疾病使中老年患者出現偏癱的人數不斷增多，而且在年齡上呈現年輕化趨勢。與此同時，由于交通事故而造成神經系統(tǒng)損傷或者肢體損傷的人數也越來越多。為了提高這類人群的生活質量，基于治療、康復和服務于一身的產品的需求趨勢不斷增高。隨著機器人技術和康復醫(yī)學的發(fā)展，醫(yī)療康復機器人的市場占有率呈逐年上升的趨勢，因此，服務于四肢的康復設備的研究和應用有著廣闊的發(fā)展前景。 康復機器人是康復設備的一種?？祻蜋C器人技術早已廣受世界各國科研工作者和醫(yī)療機構的普遍重視，在我國康復醫(yī)學工程雖然得到了普遍的重視，而康復機器人研究仍處于起步階段，一些簡單康復器械遠遠不能滿足市場對智能化、人機工程化的康復機器人的需求，有待進一步的研究和發(fā)展。 二、設計內容、技術要求（研究方法） 設計內容： 1. 上肢康復訓練機器人原理分析，選擇合理的設計方案，進行總體結構設計； 2. 康復機器人上肢前后擺機構設計及康復機器人屈伸機構設計； 3. 分合機構設計及手腕轉動機構設計； 4. 康復機器人伺服元件的選擇。 技術要求： 1. 機器人采用電機驅動； 2. 在對患者進行康復訓練的過程中，能夠在任何位置實現安全的停止； 3. 康復機器人：寬度1.5m，整體高度1.4m~1.7m； 4. 能夠實現對上肢的上下、屈伸、分合以及手腕轉動的康復訓練； 三、設計完成后應提交的成果 1.設計說明書一份，字數不少于1.5萬字； 2.圖紙量折合后不少于3張A0，其中，至少包含1張A0總體結構裝配圖。 四、設計進度安排 2012.2.27-2012.3.20 收集資料，查閱文獻，撰寫開題報告； 2012.3.21-2012.4.3 確定設計方案，進行總體結構設計； 2012.4.4-2012.4.17 康復機器人上肢前后擺機構設計及康復機器人屈伸機構設計； 2012.4.18-2011.4.30 分合機構設計及手腕轉動機構設計； 2012.5.1-2012.5.14 伺服元件選擇； 2012.5.15-2012.6.5 繪制、修改總體結構裝配圖及零件工作圖； 2012.6.6-2012.6.15 撰寫設計說明書，整理材料，準備答辯。 五、主要參考資料 [1]呂廣明，孫立寧，彭龍剛.康復機器人現狀及關鍵技術分析[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2006. [2]劉珊.人體上肢與上肢康復機器人運動控制研究[D].華中科技大學，2008. [3]乎昊.3DOF可穿戴式上肢康復機器人結構設計及仿真研究[D]．哈爾濱工程大學，2008. [4]楊恩霞.機械設計[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2006. [5]胡宇川，季林紅.一種偏癱上肢復合運動韻康復動訓練機器人[J].機械設計與制造，2007. [6]Mathieup．EM Gand Kinematics of normal subject performing trunk flexion/extensions freely in space[J].Journal of Electromyography and Kinesiology, 2008. [7]Hoppenotp, Collee．Localization and control of a rehabilitation mobile robot by close human-machine cooperation[J].IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering,2009. [8] 杜志江，孫立寧.外科機器人技術發(fā)展現狀及關鍵技術分析[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2008． 六、備注 指導教師簽字： 年 月 日 系主任簽字： 年 月 日 本科學生畢業(yè)設計 上肢康復機器人結構設計及仿真運動 系部名稱： 機電工程學院 專業(yè)班級：機械設計制造及其自動化 08-12 學生姓名： 王春生 指導教師： 陳 曦 職 稱： 講師 黑 龍 江 工 程 學 院 二○一二年六月 The Graduation Design for Bachelor's Degree The Design Of upper Limb Rehabilitation RobotStructure And SimulationOf motion Candidate：Wang Chunsheng Specialty：Mechanical Design and Manufacturing &Automation Class：08-12 Supervisor：Lecturer. ChenXi Heilongjiang Institute of Technology 2012-06·Harbin 畢業(yè)設計開題報告 設 計 題 目: 上肢康復機器人結構設計 院 系 名 稱: 機電工程學院 專 業(yè) 班 級: 機械設計08-12班 學 生 姓 名: 導 師 姓 名: 開 題 時 間: 2012年3月24日 指導委員會審查意見： 簽字： 年 月 日 1課題研究的目的和意義 據報道，我國60歲以上的老年人已有1.43億，占全國人口的11％，到2050年將達到4.37億。在老齡人群眾中有大量的腦血管疾病或神經系統(tǒng)疾病患者，這類患者多數伴有偏癱癥狀。近年由于患心腦血管疾病使中老年患者出現偏癱的人數不斷增多，而且在年齡上呈現年輕化趨勢。與此同時，由于交通運輸工具的迅速增長，因交通事故而造成神經心痛損傷或者肢體損傷的人數也越來越多。在我國數以百萬計的有神經科疾病病史和受到過意外傷害的患者需要進行康復治療，僅以中風為例，每年大約有600，000中風幸存者，其中的二百萬病人在中風后存在長期的運動障礙。隨著國民經濟的發(fā)展，這個特殊群體已得到了更多人的關注，為了提高他們的生活質量，治療、康復和服務于他們的產品的技術和質量也在相應地提高。隨著機器人技術和康復醫(yī)學的發(fā)展，在歐洲、美國和日本等國家，醫(yī)療康復機器人的市場占有率呈逐年上升的趨勢，僅預測日本未來機器人市場，2005年醫(yī)療、護理、康復機器人的市場份額約為250，000美元，而到2012年將上升到1，050，000美元，其增長率在機器人的所有應用領域中占據首位。因此，服務于四肢的康復設備的研究和應用有著廣闊的發(fā)展前景。 本課題的研究目的是設計一種坐式上肢康復訓練機，用于心腦管疾病致癱或意外事故所造成的上肢體損傷的患者左上肢及相關關節(jié)康復訓練。 2康復機器人的國內外研究現狀 2.1 國外研究動態(tài) 美國是研究氣動肌肉機構最多的國家，主要集中在大學。 華盛頓大學的生物機器人實驗室從生物學角度對氣動肌肉的特性作了深入研究，從等效做功角度建模，并進行失效機理分析，代寫論文制作力假肢和仿人手臂用于脊椎反射運動控制研究。 英國Salford 大學高級機器人研究中心對氣動肌肉的應用作了長期的系統(tǒng)研究，開發(fā)了用于核工業(yè)的操作手、靈巧手、仿人手臂以及便攜式氣源和集成化氣動肌肉，目前正在研究10 自由度的下肢外骨骼以及仿人手的遠程控制。 法國國立應用科學學院(Instituted National dissidences Appliqués, INSA)研究了氣動肌肉的動靜態(tài)性能和多種控制策略，目前正在研制新型驅動源的人工肌肉以及在遠程醫(yī)療上的應用。 日本Bridgestone 公司在Rubber tauter 之后又發(fā)明了多種不同結構的氣動肌肉。德國Festoon 公司發(fā)明了適合工業(yè)應用的氣動肌腱Fluidic muscle，壽命可達1000萬次以上，同時還對氣動肌肉的應用作了許多令人耳目一新的工作。英國Shadow 公司研制了目前世界上最先進的仿人手。美國的Kinetic Muscles 公司與亞利桑那州立大學合作開發(fā)了多種用于肌肉康復訓練的小型醫(yī)療設備。 2.2 國內研究動態(tài) 自20 世紀90 年代以來，我國陸續(xù)開始了康復機器人的研究。 北京航空航天大學的宗光華較早開始氣動肌肉的研究，分析了其非線性特性、橡膠管彈性及其自身摩擦對驅動模型的影響，并應用于五連桿并聯機構，通過剛度調節(jié)實現柔順控制。 上海交通大學的田社平等運用零極點配置自適應預測控制、非線性逆系統(tǒng)控制以及基于神經網絡方法，實現單自由度關節(jié)的快速、高精度位置控制。 哈爾濱工業(yè)大學的王祖溫等分析了氣動肌肉結構參數對性能的影響、氣動肌肉的靜動態(tài)剛度特性以及與生物肌肉的比較，提出將氣動肌肉等效為變剛度彈簧，設計了氣動肌肉驅動的具有4 自由度的仿人手臂、外骨骼式力反饋數據手套和6 足機器人，采用輸入整形法解決關節(jié)階躍響應殘余震蕩問題。 北京理工大學的彭光正等先后進行了單根人工肌肉、單個運動關節(jié)以及3 自由度球面并聯機器人的位置及力控制，采用了模糊控制、神經網絡等多種智能控制算法，并設計了6 足爬行機器人和17 自由度仿人五指靈巧手。 2005年車仁煒，呂廣明，陸念力對5自由度的康復機械手進行了動力學分析，將等效有限元的方法應用到開式的5自由度的康復機械手的動力分析中，這種方法比傳統(tǒng)的分析方法建模效率高、簡單快捷，極其適合現代計算機的發(fā)展，的除了機械臂的動力響應曲線. 3本課題研究的基本內容和擬解決的主要問題 3.1基本內容 本實用“上肢康復機器人”的機身是由放置于地面上的基座、兩根可以伸縮的立柱和上橫梁組成，并在其各組成部分上分別裝配上肢前后擺動機構上肢屈伸機構和上肢分合機構；各運動機構由單獨的電機和減速器驅動，而傳動機構的主件分別是傳動軸、絲杠螺母副、同步齒形帶。在單片機的控制下，實現患者的上肢前后擺、屈伸、分合運動以及手腕的轉動康復訓練；也可啟動部分電機，完成其中的部分康復訓練。具體內容如下： 1、首先對上肢康復訓練機器人進行原理分析，然后選擇合理的設計方案，進行總體結構設計； 2、康復機器人上肢前后擺機構設計及康復機器人屈伸機構設計； 3、手繪和計算機繪制相結合，繪制整體裝配圖及主要零部件的零件圖； 4、分合機構設計及手腕轉動機構設計和伺服元件的選擇； 3.2擬解決的主要問題： 1、 機器人采用電機驅動； 2、 在對患者進行康復訓練的過程中，能夠在任何位置實現安全的停止； 3、 康復機器人：寬度1.5m，整體高度1.4米~1.7m；能夠實現對上肢的上下，屈伸，分合以及手腕轉動的康復訓練； 4總體結構方案設計 4.1總體方案設計 該康復機器人將采用電力驅動，用電機驅動來實現各個功能，對上肢進行康復訓練?？傮w方案為： 機身由平臺上面的機座、兩根可伸縮的立柱、橫梁以及手柄組成，并在其各組成部分上分別裝上上肢前后擺機構、上肢屈伸機構、上肢分合機構和手腕轉動機構；各運動機構有單獨的電機和減速器驅動；傳動機構的主件分別是傳動軸、絲杠螺母副以及同步帶傳動副。 1、前后擺機構設計 圖4.1　前后擺機構運動簡圖 康復機器人前后擺機構主要的功能是對患者的上肢進行前后擺康復訓練。在設計的中，前后擺要滿足一下兩個要求：一是擺動的角度要足夠大，能夠對患者上肢的肩關節(jié)、肘關節(jié)進行充分的康復訓練；二是整個機構的穩(wěn)定性、安全性要好，在對患者進行康復訓練的過程中，能夠在任何位置實現安全的停止。 因此，上肢前后擺機構裝在基座上，由直流電機、減速器、渦輪蝸桿、傳動軸、軸承座等組成。其中直流減速電機固定在底座平天上，通過聯軸器將其與渦輪蝸桿連接在一起，再通過聯軸器將渦輪蝸桿與傳動軸連接在一起；兩根可伸縮的立柱通過鍵與軸而將其固定于軸承座上。這樣通過單片機控制電機，電機的帶動傳動軸，就可實現對上肢前后擺的康復訓練。在實現前后擺動的過程當中，渦輪蝸桿能夠對機構實現自鎖，使整個結構的穩(wěn)定性、安全性大大的增加。 2、屈伸機構設計 圖4.2　屈伸機構運動簡圖 康復機器人的屈伸機構是實現對患者上肢進行屈伸康復訓練，以達到對患者肩關節(jié)肘和肘關節(jié)的康復目的。設計時，要使患者的上肢能夠得到足夠充分的空間進行屈伸訓練，因此，上肢屈伸機構借助左右對稱布置的兩根可伸縮的立柱來實現這個目的。 可伸縮立柱由立柱座（箱體）、外套筒、內套筒組成；而使之伸縮的機構包括直流電機、錐齒輪副、絲杠螺母副。其中絲杠螺母副通過一對角接觸球軸承固定，軸承外圈通過擋圈與立柱座（箱體）和外套筒，借助法蘭盤，用螺栓連接；內套筒插裝在外套筒內，通過螺母與絲杠連接在一起，組成絲杠螺母副。立柱套筒內沿軸向滑動。穿過側壁的傳動軸帶動左右的齒輪副，帶動絲杠同步的轉動，從而實現內套筒在立柱內同步的向上下滑動，實現上肢的屈伸屈伸康復運動。同時，為了使立柱內套筒能夠安全的停止在任何一位置，設計絲杠時需讓絲杠具有自鎖的功能，讓患者可以在任何一位置進行其他的康復訓練。 3、分合機構設計 圖4.3　分合機構運動簡圖 分合機構是用來對患者進行上肢分合康復訓練而設計的。在設計的過程當中，應當注意減噪的設計，并且要留有足夠大的空對患者的上肢進行分合康復訓練。由于整個康復機器人的結構尺寸比較大，所以分合機構衡梁也需要注意盡量減小重量，所以，衡梁的材料采用硬質鋁合金。 經過充分的考慮，上肢分合運動的機構借助安裝在橫梁上帶傳感器的直流減速電機、同步齒形帶傳動副、光感滑軌和把手來實現。其中橫梁分別與立柱內套筒上端通過螺栓連接在一起，直流減速電機借助法蘭盤分別固定在橫梁的左右兩端。通過擋板和螺釘，將同步齒形帶帶輪固定在電機軸上，另一端通過軸和軸承將帶輪固定在橫梁的中部。這樣就將左右?guī)鲃痈惫潭ㄔ诹藱M梁上。同時，一根光桿滑軌固定于橫梁的左右段機構中。把手貫穿于光桿滑軌，并與同步帶連接在一起，啟動電機，就能夠實現上肢的分合康復訓練。 在康復訓練中，兩根立柱在升降的過程中，難免會出現細微的傳動誤差，致使左右兩根立柱的升降不同步，從而對整個機構造成破壞，因此，在橫梁的一端，通過圓柱銷的鉸連接，用以消除這種危害。 4、手腕轉動機構設計 圖4.4　手腕康復結構運動簡圖 手腕康復機構中，主要應當考慮對患者上肢的固定，重點在把手的設計。經過查閱文獻充分思考之后，決定把手由手柄、把手支架、小臂護套組成，最后在把手上裝上直流減速電機，組成手腕的康復訓練機構。直流減速電機通過螺釘將其固定于把手支架法蘭盤面上。小臂護套，通過吊環(huán)將其固定在把手支架上面。工作時，啟動電機，在單片機的控制下，帶動手柄繞電機軸旋轉，從而帶動手腕的轉動，實現手腕的康復訓練。 4.2　康復機器人框架造型的設計 本次設計的坐式上肢康復機器人，主體結構采用金屬材料，其承受外在的力量主要是患者的上肢，受力相對較小，所以，其各個零部件的大小尺寸應相對較小，用以減輕整體的重量。在綜合考慮了康復機器人運動空間受力之后，立柱套筒的壁厚設計為5mm。 表2.1是《人體主要尺寸表》[17]，根據其對人群中18~60歲成年男子和18~55歲成年女子各個主要不為尺寸的統(tǒng)計，本次設計康復機器人的寬度大約1.5m，整體高度1.4m~1.7m 表4.1 人體主要尺寸表 男 （18-60歲） 女 （18-55歲） 身高（mm） 1583 1604 1678 1754 1775 1814 1449 1484 1503 1570 1640 1659 體重（kg） 44 48 50 59 70 75 39 42 44 52 63 66 上臂長（mm） 279 289 294 313 333 338 252 262 267 284 303 302 前臂長（mm） 206 216 220 237 253 258 185 193 198 213 229 234 百分位數 1 5 10 50 90 95 1 5 10 50 90 95 5進度安排 2012.2.27—2012.3.20 收集資料，查閱文獻 ，撰寫開題報告； 2012.3.21—2012.4.03 確定設計方案，進行總體結構設計； 2012.4.04—2012.4.17 康復機器人上肢前后擺機構設計及康復機器人 屈伸機構設計； 2012.4.18—2012.4.30 分合機構設計及手腕轉動設計； 2012.5.01—2012.2.14 伺服元件選擇； 2012.5.15—2012.5.14 繪制和修改總體結構裝配圖及零件工作圖； 2012.6.06—2012.6.15 撰寫設計說明書，整理材料，準備答辯 6.參考文獻 [1] 杜志江，孫立寧.外科機器人技術發(fā)展現狀及關鍵技術分析[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2009，35(7)． [2] 呂廣明，孫立寧，彭龍剛.康復機器人現狀及關鍵技術分析[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2010，36(9). [3] 李慶玲. 基于sEMG信號的外骨骼式機器人上肢康復系統(tǒng)研究[ J] 機械設計2012（1） [4] 李慶玲,.孫立寧.杜志江；上肢康復機器人發(fā)展現狀的分析與研究 [J] 機械設計 2008 [5]蘭陟. 李振亮. 李亞.基于旋量理論的5-DOF上肢康復機器人雅克比矩陣求解[J] 機械設計2011(5) [8]張今瑜，張立勛，王克義.坐式上肢康復訓練機[P].中華人民共和國：ZL 200520021461.3,2005. [9] 劉珊.人體上肢與上肢康復機器人運動控制研究[D].華中科技大學，2008. [10] 胡宇川，季林紅.一種偏癱上肢復合運動韻康復動訓練機器人[J].機械設計與制造，2007. [11] 乎昊.3DOF可穿戴式上肢康復機器人結構設計及仿真研究[D]．哈爾濱工程大學，2008. [12]吳軍.黃劍 .王永驥；集成運動意圖辨識與虛擬現實環(huán)境的上肢康復機器人[ J] 第二十九屆中國控制會議論文集 2010 (7 ) [13]劉珊.人體上肢與上肢康復機器人運動控制研究[J]華中科技大學2009 (12) [14] Dario P，Gugielmelli E, Allotta B，etal．Robotics for medical application [J].IEEE Robotics and Automation Magazine2008，3(3)：:44-56. [15]Song W K，Lee，Bien Z，Kares．Intelligent wheel-chair-mounted robotic arm system using vision and force senor[J]．Robotics and Autonomous System,2009，(28). [16]Hoppenotp，Collee．Localization and control of a rehabilitation mobile robot by close human-machine cooperation [J].IEEE Transactions on Neurl Systems and Rehabilitation Engineering，2009，(9)；181-190. 黑龍江工程學院學院本科生畢業(yè)設計 摘 要 康復機器人是康復設備的一種類型，康復機器人技術早已廣受世界各國科研工作者和醫(yī)療機構的普遍重視，其中以歐美和日本的成果最為顯著。在我國康復醫(yī)學工程雖然得到了普遍的重視，但是康復機器人研究仍處于起步階段，一些簡單康復器械遠遠不能滿足市場對智能化、人機工程化康復機器人的需求，有待進一步的研究和發(fā)展。 本文從使用的角度對人體上肢的運動原理進行了分析，設計出了一種坐式上肢康復訓練機器人，用于心腦血管疾病致癱或者意外事故所造成上肢損傷的患者作上肢及其相關關節(jié)的康復訓練。本設計的康復機器人機身是由放置于平臺上的機座，兩根可伸縮的立柱和上橫梁及其手柄組成，并在其各個組成部分上分別裝上上肢屈伸機構、前后擺機構、分合機構和手腕旋轉機構；各運動機構由單獨的電機和減速器驅動，而傳動機構的主件分別是傳動軸、絲杠螺母副、同步齒形帶傳動副。 康復機器人的立柱主要采用薄壁套筒，這樣既減輕了重量，也使得絲杠螺母副能構得到套筒的固定和定位。整個設計主要要注意的主要問題是減重和減噪，避免整體結構過于龐大笨重。 關鍵詞：康復；上肢；結構設計；減重；噪音 II ABSTRACT Rehabilitation robot is a type of rehabilitation facilities. Rehabilitation robotics have long been well received by the world scientists and the general importance of medical institutions, in which Europe and the United States and Japan, the results are the most significant. Medical Engineering in our country has been received widespread attention though, and rehabilitation robotics still in its infancy, some simple rehabilitation equipment is far from meeting intelligence, ergonomics of the rehabilitation robot needs to be further research and development. This perspective on the human body from the use of upper limb movement principle is analyzed，the seated upper extremity rehabilitation robot is designed , for the paralysis caused by cardiovascular diseases or accidents. The design of the rehabilitation robot body is placed on the platform base, two scalable columns and beams of the handle on the composition and its components are installed on the upper limb flexion which include separate and close agency, before and after agency, lifting agency and the wrist rotation agency; the every movement is driven by the separate drive motor and reducer, and the main parts are the shaft, screw nut pairs, timing belt, deputy. Rehabilitation robot column mainly adopts the thin wall sleeve, so as to reduce weight, also makes the lead screw nut pair can be fixed and the positioning sleeve. The design of the main attention to the major problem is the weight loss and noise reduction, avoid the whole structure is too bulky. Key words：rehabilitation；upper limb；structural design；Weight loss; noise 黑龍江工程學院學院本科生畢業(yè)設計 ABSTRACT 1 第1章　緒論 2 1.1 概述 2 1.2　康復機器人的國內外研究現狀 3 1.3 上肢康復機器人系統(tǒng)的發(fā)展前景 6 1.4　本課題主要研究內容 7 第2章　總體結構方案設計 8 2.1 總體方案設計 8 2.2　康復機器人框架造型的設計 11 2.3　本章小結 12 第3章 伺服元件選擇 13 3.1　電機選擇 13 3.1.1　升降機構電機選擇 13 3.1.2 前后擺機構電機選擇 14 3.1.3 分合機構電機選擇 15 3.1.4　手腕轉動機構電機的選擇 16 3.2　聯軸器選擇 16 3.3　蝸輪蝸桿減速器的選擇 17 3.4　本章小結 17 第4章 機械機構設計與計算 18 4.1　絲杠設計 18 4.2　錐齒輪設計 19 4.3　同步齒形帶設計 21 4.4　軸設計與校核 23 4.5　軸承校核 26 4.6　鍵選擇及校核計算 27 4.7　本章小結 28 結　　論 29 參考文獻 30 致　　謝 32 摘 要 康復機器人是康復設備的一種類型，康復機器人技術早已廣受世界各國科研工作者和醫(yī)療機構的普遍重視，其中以歐美和日本的成果最為顯著。在我國康復醫(yī)學工程雖然得到了普遍的重視，但是康復機器人研究仍處于起步階段，一些簡單康復器械遠遠不能滿足市場對智能化、人機工程化康復機器人的需求，有待進一步的研究和發(fā)展。 本文從使用的角度對人體上肢的運動原理進行了分析，設計出了一種坐式上肢康復訓練機器人，用于心腦血管疾病致癱或者意外事故所造成上肢損傷的患者作上肢及其相關關節(jié)的康復訓練。本設計的康復機器人機身是由放置于平臺上的機座，兩根可伸縮的立柱和上橫梁及其手柄組成，并在其各個組成部分上分別裝上上肢屈伸機構、前后擺機構、分合機構和手腕旋轉機構；各運動機構由單獨的電機和減速器驅動，而傳動機構的主件分別是傳動軸、絲杠螺母副、同步齒形帶傳動副。 康復機器人的立柱主要采用薄壁套筒，這樣既減輕了重量，也使得絲杠螺母副能構得到套筒的固定和定位。整個設計主要要注意的主要問題是減重和減噪，避免整體結構過于龐大笨重。 關鍵詞：康復；上肢；結構設計；減重；噪音 31 ABSTRACT Rehabilitation robot is a type of rehabilitation facilities. Rehabilitation robotics have long been well received by the world scientists and the general importance of medical institutions, in which Europe and the United States and Japan, the results are the most significant. Medical Engineering in our country has been received widespread attention though, and rehabilitation robotics still in its infancy, some simple rehabilitation equipment is far from meeting intelligence, ergonomics of the rehabilitation robot needs to be further research and development. This perspective on the human body from the use of upper limb movement principle is analyzed，the seated upper extremity rehabilitation robot is designed , for the paralysis caused by cardiovascular diseases or accidents. The design of the rehabilitation robot body is placed on the platform base, two scalable columns and beams of the handle on the composition and its components are installed on the upper limb flexion which include separate and close agency, before and after agency, lifting agency and the wrist rotation agency; the every movement is driven by the separate drive motor and reducer, and the main parts are the shaft, screw nut pairs, timing belt, deputy. Rehabilitation robot column mainly adopts the thin wall sleeve, so as to reduce weight, also makes the lead screw nut pair can be fixed and the positioning sleeve. The design of the main attention to the major problem is the weight loss and noise reduction, avoid the whole structure is too bulky. Key words：rehabilitation；upper limb；structural design；Weight loss; noise 第1章　緒論 1.1 概述 據報道，我國60歲以上的老年人已有1.43億，占全國人口的11％，到2050年將達到4.37億。在老齡人群眾中有大量的腦血管疾病或神經系統(tǒng)疾病患者，這類患者多數伴有偏癱癥狀[1]。近年由于患心腦血管疾病使中老年患者出現偏癱的人數不斷增多，而且在年齡上呈現年輕化趨勢。與此同時，由于交通運輸工具的迅速增長，因交通事故而造成神經心痛損傷或者肢體損傷的人數也越來越多。在我國數以百萬計的有神經科疾病病史和受到過意外傷害的患者需要進行康復治療，僅以中風為例，每年大約有600，000中風幸存者，其中的二百萬病人在中風后存在長期的運動障礙。隨著國民經濟的發(fā)展，這個特殊群體已得到了更多人的關注，為了提高他們的生活質量，治療、康復和服務于他們的產品的技術和質量也在相應地提高。隨著機器人技術和康復醫(yī)學的發(fā)展，在歐洲、美國和日本等國家，醫(yī)療康復機器人的市場占有率呈逐年上升的趨勢，僅預測日本未來機器人市場，2005年醫(yī)療、護理、康復機器人的市場份額約為250，000美元，而到2010年將上升到1，050，000美元，其增長率在機器人的所有應用領域中占據首位。因此，服務于四肢的康復設備的研究和應用有著廣闊的發(fā)展前景[2]。 康復機器人是康復設備的一種類型?？祻蜋C器人技術早已廣受世界各國科研工作者和醫(yī)療機構的普遍重視，其中以歐美和日本的成果最為顯著。在我國康復醫(yī)學工程雖然得到了普遍的重視，而康復機器人研究仍處于起步階段，一些簡單康復器械遠遠不能滿足市場對智能化、人機工程化的康復機器人的需求，有待進一步的研究和發(fā)展。由于康復訓練機器人要與人體直接相連，來帶動肢體進行康復訓練，所以對驅動器的安全性、柔性的要求較高?？祻椭w運動功能用機械肢體組合系列機器人,是多種同類機器人屬于機器人領域,解決了本人發(fā)明的實用新型專利半身不遂患者康復學步機,只能帶動人的大小臂大小腿康復運動功能,而不能帶動手腳各關節(jié)運動的重大不足,主要技術特征是將半身不遂患者康復學步機略加改進后,在學步機的小臂絞鏈桿上安裝了可以帶動人手腕關節(jié)手指各個關節(jié)都能運動的機械手托板,在小腿鉸鏈桿上安裝了可以帶動人腳踝腳指各個關節(jié)都能運動的機械腳托板后實現的,用途是康復肢體運動功能,帶動患肢的各個關節(jié)、每塊骨骼、每塊肌肉、每個筋鍵、每條神經都在作患者萬分渴望而大腦又支配不了的動作,通過較長時間的被動運動鍛煉,最終使殘疾人患肢的主動運動功能得到康復。 本課題的研究目的是設計一種坐式上肢康復訓練機，用于心腦血管疾病致癱或意外事故所造成的上肢體損傷的患者左上肢及相關關節(jié)康復訓練。 1.2　康復機器人的國內外研究現狀 康復機器人是一種自動化醫(yī)療康復設備，它以醫(yī)學理論為依據，幫助患者進行科學而有效的康復訓練，使患者的運動機能得到更快更好的恢復。目前，康復機器人已經廣泛地應用到康復護理、假肢和康復治療等方面，這不僅促進了康復醫(yī)學的發(fā)展，也帶動了相關領域的新技術和新理論的發(fā)展。 康復機器人有兩種：輔助型康復機器人和康復訓練機器人[3]。輔助型康復機器人主要是幫助肢體運動有困難的患者完成各種動作，該類產品有機器人輪椅、機器人護士、機器人假肢、機械外骨骼等?？祻陀柧殭C器人的主要功能是幫助患者完成各種運動功能的恢復訓練，該類產品有行走訓練、手臂運動訓練、脊椎運動訓練等。 康復機器人是康復醫(yī)學和機器人技術的完美結合，康復機器人技術在歐美等國家得到了科研工作者和醫(yī)療機構的普遍重視，許多研究機構都開展了有關的研究工作，近年來取得了一些有價值的成果。對于中風、偏癱、上肢運動機能損傷等患者來說，上肢康復訓練機器人有著很好的治療效果。國內外許多研究機構都在這方面取得了不錯的研究結果。 目前，康復機器人的研究主要集中在康復機械手和康復治療機器人等幾個方面[16]。 1、康復機械手的研究現狀 設計康復機器人最初的一個目的就是在殘疾人和環(huán)境之間放置一個機械臂， 通過這個機械臂來部分或全部的實現操作功能，按機械臂的安裝位置劃分，康復機械手可分為3類： （1）基于桌面的機械手[4]。種機械手安裝在一個徹底結構化的控制平臺上，在固定的空間內操作，具有足夠自由度的串聯機器人再配上適合殘疾人使用的人機界面是這種機器人典型的設計模式。目前此類機器人已經達到了實用化，如法國CEA公司開發(fā)的MASTER系統(tǒng)、美國的Tolfa Corportion開發(fā)的DEVAR系統(tǒng)，以及英國的Oxford Intelligent Machines Ltd.開發(fā)的RAID系統(tǒng)等。此種類型的機械手是早期的工業(yè)機器人在康復系統(tǒng)領域內的一次成功應用。1987年，英國人Mike Topping研制了Handy1康復機器人，使一個患有腦癱的11歲男孩第一次能夠進行獨立就餐。隨后他對樣機進行了改造，也使得Handy1成為歷史上最成功的康復機器人。圖1.1是Handy1康復機器人原型，圖1.2是康復機器人正在對患者進行康復訓練。 （2）基于輪椅的機械手。這種機器人是安裝在輪椅上的，是因為輪椅的移動擴大了機械手的工作范圍，同時由于安裝基座的改變致使機械手的剛性下降和抓取精度的降低，這種機械手也只是用于用于輪椅的患者，這是一點不足。這種機械手已經成為面向應用的流行設計，KARES[5]系統(tǒng)，就是一種基于輪椅的機械手系統(tǒng)，在電動輪椅上安裝了一個六自由度的機械手，能夠幫助行動不便的老人和殘疾人獨立的行動。隨著只能輪椅的研究發(fā)展，這種機械手也將會有很廣泛的發(fā)展和應用。 圖1.1　Handy1 圖1.2　工作中的Handy1 （3）基于移動機器人的機械手。這類機械手是目前最先進的康復機械手，這種機械手安裝在移動的機器人或者半自主的小車上從而適用于更多的患者使用，同時擴大了機械手的活動空間并提高了抓取的精度。S. Tachi等人在MIT日本實驗室研制了一種移動式康復機器人MELDOG[6] ，作為“倒盲狗”以幫助盲人完成操作和搬運物體的任務。法國Evry大學研制了一種移動式康復機器人ARPH[7]，使用者可以從工作站實施遠程控制，使移動機器人實現定位和抓取工作。這種機械手系統(tǒng)都是需要由視覺、靈巧操作、運動、傳感、導航及系統(tǒng)控制等電子系統(tǒng)組成，要求比較高，價格也是相對的比較昂貴。 2、康復治療機器人研究現狀 康復治療機器人是康復醫(yī)學和機器人技術的完美結合，不再把機器人當作輔助患者的工具，而是把機器人和計算機當作提高臨床康復效率的新型治療工具?？祻椭委煓C器人在醫(yī)療實踐上主要是用于恢復患者肢體運動系統(tǒng)的功能。按運動系統(tǒng)的問題可以劃分為2類：一類是生物力學或生物物理化學類型的應用，另一類是運動學習[8]。當人的肢體受外傷燒傷或做手術后，由于受傷組織的皮膚、韌帶和肌肉失去彈性而導致肢體運動的速度和范圍受到限制[9]。生物力學或生物物理化學類型的應用就是使用機器人系統(tǒng)來打破受傷肢體的運動范圍。運動技能的學習或再學習，這是一個囊括了競爭運動控制理論、訓練技術和人機接口問題等諸多方面的復雜問題。 （1）CPM機[10]。CPM機時利用康復醫(yī)學中連續(xù)被動運動（Continuous Passive Motion\CPM）的基本原理對受傷肢體進行康復治療的機械裝置，是目前前為止唯一的一個機器人生物力學或生物物理化學類型的應用的例證。早在20世紀60年代初期就有醫(yī)學團體運用CPM機進行術后康復治療的醫(yī)學實踐，此后也有用于膝、肩、肘關節(jié)等康復的CPM機出現。單手刀技術水平限制，長期停留在“打關節(jié)”康復范圍。目前,市場上已經有了用于腕關節(jié)和手指關節(jié)這樣的“小關節(jié)”康復的CPM機,但他們還不能像“大關節(jié)”CPM機那樣實現精確的控制。 （2）神經運動康復治療機器人[11]。目前這一類機器人的研究比較活躍,用來康復治療與神經運動有關的疾病, 包括中風、帕金森氏病和大腦性麻痹(Cerebral Palsy) 。美國麻省理工學院研制了一種幫助中風患者康復治療的機器人MIT-MANUS ,它有2 個自由度,可以實現病人的肩、肘和手在水平和豎直平面內的運動。在治療過程中,把中風病人的手臂固定在一個特制的手臂支撐套中,手臂支撐套固定在機器人臂的末端。病人的手臂按計算機屏幕上規(guī)劃好的特定軌跡運動,屏幕上顯示出虛擬的機器人操作桿的運動軌跡,病人通過調整手臂的運動可以使兩條曲線盡量重合,從而達到康復治療的目的。如果病人的手臂不能主動運動,機器人臂可以像傳統(tǒng)康復醫(yī)療中臨床醫(yī)生的做法那樣帶動病人的手臂運動。圖1.3為MIT-MANUS [12]在治療中風病人。 圖1.3　中風病人在用MIT-MANUS 治療 （3）基于虛擬環(huán)境的康復醫(yī)療訓練機器人系統(tǒng)[13]。為了鼓勵患者進行康復訓練，提高康復訓練的效果，在訓練過程中吸引患者的興趣是一個主要方面。虛擬環(huán)境技術的發(fā)展使這種思想得以實現，研究者們采用基于虛擬環(huán)境的用戶界面，通過一些小游戲鼓勵患者進行主動訓練。基于虛擬環(huán)境的康復訓練通常與網絡相結合，因此，不僅具有遠程康復機器人系統(tǒng)的優(yōu)點，還提高了患者進行康復訓練的能動性。 圖1.4　遠程康復醫(yī)療訓練機器人系統(tǒng)結構 1.3 上肢康復機器人系統(tǒng)的發(fā)展前景 目前的康復機器人都能夠在一定程度上向患者提供簡單的訓練方案，研究結果表明機器人輔助治療確有一定療效。從現有文獻及臨床需要來看，今后上肢康復機器人系統(tǒng)的研究可能集中在以下幾個方面： 1. 康復醫(yī)療機器人系統(tǒng)設計：機械設計是康復訓練機器人系統(tǒng)的基礎，應盡量簡潔輕巧，具有一定的靈活性，提高訓練動作的種類，增大動作幅度，在三維空間內對患肢各個關節(jié)進行訓練；同時發(fā)展“多路復用”的網絡康復醫(yī)療機器人系統(tǒng)，提高資源利用率。 2. 控制策略與運動模式的設計由于患者的病情千差萬別，因此，機器人要感知患肢狀態(tài)(力量和位置)并采取相應的訓練模式和控制策略，在控制系統(tǒng)適應性和穩(wěn)定性、傳感器技術應用、系統(tǒng)辨識和控制算法設計等方面需要作更深入的研究。 3. 力反饋：機器人應該能夠實時檢測患者與機器人之間的相互作用力，在患者主動能力不足時提供更大的輔助，而在患者有能力完成動作時，適當減小輔助甚至施加阻力，以便充分發(fā)揮患者殘存的功能。 4. 安全機制：安全問題是康復機器人設計過程中的一個重要方面，康復訓練機器人必須根據臨床康復訓練的基本動作和安全性的要求，在設計中除了考慮機器人的功能實現外，還要防止患肢二次損傷，必須從機構設計(硬件)和控制系統(tǒng)(軟件)兩個方面保證康復機器人系統(tǒng)的安全性。 5. 康復效果的評價機制：與肌電信號檢測相結合，探索訓練參數與康復效果之間的關系，提高訓練效果。大量實驗的基礎上，探索臨床康復的初步規(guī)律，并建立新的康復評估方法，從而對運動功能的康復機制重新評估和理解。 機器人具備許多人類所無法比擬的優(yōu)點，例如：長期、穩(wěn)定地重復訓練，精確、客觀地測定訓練與運動參數，提供實時反饋、遠程訓練等。但是，目前康復訓練機器人的研究仍然處于起步階段。從近年的發(fā)展看，美國的著名大學如MIT，Stanford，Northwestern等對這一領域的研究都十分重視，處于世界領先。國內的研究基礎和對這一領域的了解和把握與上述領先單位的差距并不很大，但在經費投入方面嚴重不足。由于我國的康復醫(yī)學事業(yè)仍然處于起步階段，但患者數量多、治療師資源缺乏，據此現狀，發(fā)展康復訓練醫(yī)療機器人系統(tǒng)更具實際意義。隨著康復醫(yī)療機器人的研究和使用，有望簡化醫(yī)師與患者“一對一”的繁重治療過程，推動殘疾人“人人享有康復服務”這一目標的實現，提高殘疾人的生活質量。同時，通過臨床上使用積累的大量數據，將有助于認識訓練參數與康復效果之間的關系，從而能夠在機器人輔助腦神經康復治療上取得更大的突破。因此，康復醫(yī)療訓練機器人技術在現代康復醫(yī)學和神經反饋訓練有廣泛的應用前景。 1.4　本課題主要研究內容 本實用“上肢康復機器人”的機身是由放置于地面上的基座、兩根可以伸縮的立柱和上橫梁組成，并在其各組成部分上分別裝配上肢前后擺動機構上肢屈伸機構和上肢分合機構；各運動機構由單獨的電機和減速器驅動，而傳動機構的主件分別是傳動軸、絲杠螺母副、同步齒形帶。在單片機的控制下，實現患者的上肢前后擺、屈伸、分合運動以及手腕的轉動康復訓練；也可啟動部分電機，完成其中的部分康復訓練[14]。具體內容如下： 1、 首先對上肢康復訓練機器人進行原理分析，然后選擇合理的設計方案，進行總體結構設計； 2、 康復機器人上肢前后擺結構設計及康復機器人屈伸機構設計 3、 分合機構設計及手腕轉動機構設計 4、設計出系統(tǒng)的零部件，完成驅動原件和標準件的選擇和校核，主要包括絲杠、齒輪等機構的設計計算。確定結構尺寸，形狀，材料，動力等參數，對齒輪、主軸、軸承進行必要的校核、驗算； 5、手繪和計算機繪制相結合，繪制整體裝配圖及主要零部件的零件圖； 第2章　總體結構方案設計 本設計的主要工作是設計一個用于上肢康復的機器人，能夠實現對上肢的上下、屈伸、分合以及手腕轉動的康復訓練[14]。就本設計而言，設計的主體是兩根可升降的立柱，放于地面與立柱相連的機座、橫梁、與機座相連的立柱座、同步齒型帶及帶輪等等。本章將對“上肢康復機器人”的結構設計及機械結構作出詳細的分析和設計。 2.1 總體方案設計 該康復機器人將采用電力驅動，用電機驅動來實現各個功能，對上肢進行康復訓練?？傮w方案為： 機身由平臺上面的機座、兩根可伸縮的立柱、橫梁以及手柄組成，并在其各組成部分上分別裝上上肢前后擺機構、上肢屈伸機構、上肢分合機構和手腕轉動機構；各運動機構有單獨的電機和減速器驅動；傳動機構的主件分別是傳動軸、絲杠螺母副以及同步帶傳動副。在康復機器人結構設計中，立柱主要由三部分組成，內套筒、外套筒和絲杠螺母副，此外還有用于固定絲杠螺母副用的軸承套等附屬結構。 立柱的外套筒通過螺栓與立柱軸承套和立柱座連接在一起，絲杠通過裝在軸承套中的兩個角接觸球軸承定位和固定。在立柱套筒的定位中，通過止口來實現精確定位。為了保證整個康復機器人的結構的穩(wěn)定，各個零部件的垂直度，表面粗糙度都一定要達到設計的要求[15]，這樣才能使真?zhèn)€結構在運動的過程總不會出項卡死之類的現象，同時也減小了噪聲。 此外，立柱的電機通過加腹板的電機支承架固定，支架通過螺釘固定在立柱座上 圖2.1　前后擺機構運動簡圖 面，這樣，電機和立柱就連接在一起，在前后擺的過程當中，整個立柱就能隨著電機的轉動而一起運動。同時，支承架的垂直度也要達到精度要求，這樣才能使電機軸與傳動軸的同軸度達到所需的要求。 1、前后擺機構設（如圖2.1所示：） 康復機器人前后擺機構主要的功能是對患者的上肢進行前后擺康復訓練。在設計的中，前后擺要滿足一下兩個要求：一是擺動的角度要足夠大，能夠對患者上肢的肩關節(jié)、肘關節(jié)進行充分的康復訓練；二是整個機構的穩(wěn)定性、安全性要好，在對患者進行康復訓練的過程中，能夠在任何位置實現安全的停止。 因此，上肢前后擺機構裝在基座上，由直流電機、減速器、渦輪蝸桿、傳動軸、軸承座等組成。其中直流減速電機固定在底座平天上，通過聯軸器將其與渦輪蝸桿連接在一起，再通過聯軸器將渦輪蝸桿與傳動軸連接在一起；兩根可伸縮的立柱通過鍵與軸而將其固定于軸承座上。這樣通過單片機控制電機，電機的帶動傳動軸，就可實現對上肢前后擺的康復訓練。在實現前后擺動的過程當中，渦輪蝸桿能夠對機構實現自鎖，使整個結構的穩(wěn)定性、安全性大大的增加。前后擺電機通過滑塊型彈性聯軸器與蝸桿減速器相連，蝸桿減速器通過HL型柱銷彈性聯軸器與傳動軸相連。前后擺傳動軸通過鍵與立柱座連接，其中立柱座與機座之間用套筒隔開，留有5mm的間隙。整體結構較大，但是重量不大，此外軸承處要注意潤滑。 2、屈伸機構設計 圖2.2　屈伸機構運動簡圖 康復機器人的屈伸機構是實現對患者上肢進行屈伸康復訓練，以達到對患者肩關節(jié)肘和肘關節(jié)的康復目的。設計時，要使患者的上肢能夠得到足夠充分的空間進行屈伸訓練，因此，上肢屈伸機構借助左右對稱布置的兩根可伸縮的立柱來實現這個目的。 可伸縮立柱由立柱座（箱體）、外套筒、內套筒組成；而使之伸縮的機構包括直流電機、錐齒輪副、絲杠螺母副。其中絲杠螺母副通過一對角接觸球軸承固定，軸承外圈通過擋圈與立柱座（箱體）和外套筒，借助法蘭盤，用螺栓連接；內套筒插裝在外套筒內，通過螺母與絲杠連接在一起，組成絲杠螺母副。在絲杠的帶動下，在立柱套筒內沿軸向滑動。穿過側壁的傳動軸帶動左右的齒輪副，帶動絲杠同步的轉動，從而實現內套筒在立柱內同步的向上下滑動，實現上肢的屈伸屈伸康復運動。同時，為了使立柱內套筒能夠安全的停止在任何一位置，設計絲杠時需讓絲杠具有自鎖的功能，讓患者可以在任何一位置進行其他的康復訓練。在前后擺的機構中，主要有兩個零部件，一個是與立柱連接的立柱座，另一個就是康復機器人的機座。立柱座是將前后擺機構和升降機構連接在一起的關鍵部件，在里面安裝有錐齒輪運動副，其目的是改變傳動鏈的傳動方向，使立柱實現上升下降，實現患者的上肢屈伸康復訓練。與此同時， 箱體的下端，通過鍵將其與一根傳動軸相連，在前后擺減速電機的帶動下，通過能夠實現自鎖的蝸桿減速器，使整個結構能夠發(fā)生前后擺運動，用以實現患者上肢的前后擺康復訓練。 3、分合機構設計 圖2.3　分合機構運動簡圖 分合機構是用來對患者進行上肢分合康復訓練而設計的。在設計的過程當中，應當注意減噪的設計，并且要留有足夠大的空對患者的上肢進行分合康復訓練。由于整個康復機器人的結構尺寸比較大，所以分合機構衡梁也需要注意盡量減小重量，所以，衡梁的材料采用硬質鋁合金。 經過充分的考慮，上肢分合運動的機構借助安裝在橫梁上帶傳感器的直流減速電機、同步齒形帶傳動副、光感滑軌和把手來實現。其中橫梁分別與立柱內套筒上端通過螺栓連接在一起，直流減速電機借助法蘭盤分別固定在橫梁的左右兩端。通過擋板和螺釘，將同步齒形帶帶輪固定在電機軸上，另一端通過軸和軸承將帶輪固定在橫梁的中部。這樣就將左右?guī)鲃痈惫潭ㄔ诹藱M梁上。同時，一根光桿滑軌固定于橫梁的左右段機構中。把手貫穿于光桿滑軌，并與同步帶連接在一起，啟動電機，就能夠實現上肢的分合康復訓練。 在康復訓練中，兩根立柱在升降的過程中，難免會出現細微的傳動誤差，致使左右兩根立柱的升降不同步，從而對整個機構造成破壞，因此，在橫梁的一端，通過圓柱銷的鉸連接，用以消除這種危害。在分合機構的設計中，最主要的就是橫梁的設計以及橫梁支承座的設計，橫梁支承座有兩個作用，一個是支撐橫梁，另一個是固定電機。同時考慮到消除因絲杠傳動不精確帶來的誤差，兩端支承座的設計稍有不同，其中一端采用了鉸接連接。另外，由于分合機構采用的是同步齒形帶傳動，因此需要考慮相應的帶的張緊措施。于是在橫梁的中部開槽，用螺釘對中部軸承套的定位來實現帶的張緊。 其中，橫梁支承座由兩部分焊接而成，上部分是一個C型槽，下部分是一個圓形的開孔法蘭盤，用螺栓將其與立柱內套筒連接在一起，這樣，整個橫梁就與立柱連為一體了。 4、手腕轉動機構設計 圖2.4　手腕康復結構運動簡圖 手腕康復機構中，主要應當考慮對患者上肢的固定，重點在把手的設計。經過查閱文獻充分思考之后，決定把手由手柄、把手支架、小臂護套組成，最后在把手上裝上直流減速電機，組成手腕的康復訓練機構。直流減速電機通過螺釘將其固定于把手支架法蘭盤面上。小臂護套，通過吊環(huán)將其固定在把手支架上面。工作時，啟動電機，在單片機的控制下，帶動手柄繞電機軸旋轉，從而帶動手腕的轉動，實現手腕的康復訓練[16]。 2.2　康復機器人框架造型的設計 本次設計的坐式上肢康復機器人，主體結構采用金屬材料，其承受外在的力量主要是患者的上肢，受力相對較小，所以，其各個零部件的大小尺寸應相對較小，用以減輕整體的重量。在綜合考慮了康復機器人運動空間受力之后，立柱套筒的壁厚設計為5mm。 表2.1是《人體主要尺寸表》[17]，根據其對人群中18~60歲成年男子和18~55歲成年女子各個主要不為尺寸的統(tǒng)計，本次設計康復機器人的寬度大約1.5m，整體高度1.4m~1.7m 表2.1 人體主要尺寸表 男 （18-60歲） 女 （18-55歲） 身高（mm） 1583 1604 1678 1754 1775 1814 1449 1484 1503 1570 1640 1659 體重（kg） 44 48 50 59 70 75 39 42 44 52 63 66 上臂長（mm） 279 289 294 313 333 338 252 262 267 284 303 302 前臂長（mm） 206 216 220 237 253 258 185 193 198 213 229 234 百分位數 1 5 10 50 90 95 1 5 10 50 90 95 2.3　本章小結 本章針對康復機器人的設計要求，對其總體結構進行了分析，構建了機器人的運動形式及外形框架。包括驅動方式的選取、驅動系和傳動系的設計，康復機器人整體尺寸及外形的設計。本章基本確定了康復機器人的運動方案，在接下來的章節(jié)中，將對所需的電機、聯軸器以及蝸桿的選擇。 第3章 伺服元件選擇 本章的主要內容是通過估算康復機器人的各個運動參數，計算出所需直流電機的功率和轉矩大小，并對其進行產品選擇，接著對聯軸器以及蝸輪蝸桿的選擇。 3.1　電機選擇 3.1.1　升降機構電機選擇 在立柱升降對患者進行上肢屈伸康復訓練的過程中，考慮到患者的承受能力，設定其移動速度為m/s ，立柱以上整體的質量m=50kg，因此，得到功率 （3.1） 代入數據，得=50W 在立柱的傳動鏈中，選擇絲杠的效率=0.375，滾動軸承的效率=0.99，齒輪的傳動效率為=0.95，因此估算得到電機的功率 （3.2） 代入數據得到P=150W 當立柱升降時，所受到的垂直方向的阻力。折算到電動機軸上的負載轉矩應滿足折算前后前后的功率不變原則，考慮傳動機構的傳動損耗，則有 （3.3） 式中 ——折算到電機軸上的負載轉矩，N m F——工作機構直線運動時運動所受到的阻力，N v——工作機構的線速度，m/s ——電動機的轉速，r/min ——總的傳動效率 代入數據得 N. m 綜合考慮之后，選擇的是淄博床架電機有限公司的產品，其各參數見表3.1。 表3.1 電機參數 型號 輸出轉矩 （N mm） 輸出轉速（r/min） 功率 （W） 電壓 （V） 110SZ61 1043 1500 150 12 圖3.1　110SZ61電機 3.1.2 前后擺機構電機選擇 本設計中，康復機器人的總體高度大約為m，質量kg，轉動角速度=0.05rad/s，轉動角度=30°。 對于旋轉運動，當系統(tǒng)勻速轉動時，機械的負載功率為 / (3.4) 式中 ——負載轉矩，N. m ——旋轉角速度，rad/s —— 系統(tǒng)的傳動效率 當=30°時，最大，且=250Nm，折算到電機上的轉矩 =/（） 得到電機的輸出轉矩=75Nm，功率P=40w，轉速n=30rpm； 綜合考慮之后，選擇的是淄博床架電機有限公司的產品，其各參數見表3.2。 表3.2 電機參數 型號 輸出轉矩 （N. mm） 輸出轉速（r/min） 功率 （W） 電壓 （V） 110SZ55 83590 40 100 24 圖3.2　110SZ55減速電機 3.1.3 分合機構電機選擇 在分合運動的過程中，設計速度v=0.10m/s,單只手臂的質量kg，把手與光桿滑軌的動摩擦因素，得到運動所受到的阻力 （3.5） 式中 ——摩擦系數 ——正壓力，N 代入數據得F=15N 因此，分和運動過程當中，所需要的功率 （3.6） 代入數據得到P=1.5W 綜合各方面的因素，所選擇的電機的功率為P=5W 根據公式（3.3），可得到轉換在電機軸上的轉矩=0.6Nm 根據以上所算出的數據，選擇的是寧波儀表電機廠的直流減速伺服電機電機，具體各參數見表3.3。 表3.3 電機參數 型號 輸出轉矩 （N. m） 輸出轉速（r/min） 功率 （W） 電壓 （V） ZYT20-JB60 2.3 250 5 12 圖3.3　ZYT20-JB60減速電機 3.1.4　手腕轉動機構電機的選擇 估算手掌的重量m=1kg，轉動的角度，角速度=0.5rad/s,回轉半徑r=0.1m,因此最大功率出即為處，故所需電機的最大功率1W[18] 綜合各方面因素考慮，選擇功率為2w的直流伺服減速電機，其廠家為寧波市鄞州易順減速器廠，具體個參數見表3.4。 表3.4 電機參數 減速比 輸出轉矩 （Kg. cm） 輸出轉速（r/min） 功率 （W） 電壓 （V） 1:37~1:388 5 5~500 2 6 圖3.4　手柄處電機 3.2　聯軸器選擇 在升降與前后擺機構的聯軸器選擇中，選擇的是十字滑塊性頂絲式彈性聯軸器。這種聯軸器有著許多的優(yōu)點①結構簡單，容易安裝②電器絕緣性能好③高扭矩、偏心反作用力小、震動吸收性優(yōu)④軸套與滑塊的移動作用、可容許大的偏心與偏角⑤順時針與逆時針回轉特性完全相同。 升降機構中，聯軸器為G4-25T；前后擺動機構總電機與渦輪蝸桿連接的減速器是G4-63T，都是廣州鉅人自動化設備有限公司的產品，具體各參數見表3.5。 在蝸輪蝸桿與前后擺傳動的聯軸器選擇中，由于其傳動的轉矩非常大，故選擇的是HL型柱銷彈性聯軸器，型號是HL1，其廠家是上海聯軸器車墩業(yè)務部。 表3.5 聯軸器規(guī)格 型號 最大孔徑mm 容許扭矩 N m 容許偏角（°） 容許偏心mm 慣性力矩 質量g 經彈性系數Nm/rad 最高回轉系數rpm G4-25T 10 3 3 1.9 24 125 6000 G4-63T 25 33 3 3.8 318 1200 2500 3.3　蝸輪蝸桿減速器的選擇 在實現康復機器人前后擺運動的過程當中，為了使患者上肢停在任一位置，本次設計選擇了用蝸輪蝸桿減速器實現機械自鎖。蝸輪蝸桿具有良好的特性： ①零件數目少，結構緊湊； ②在蝸桿傳動中，由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，它和蝸輪齒是逐漸進入及逐漸推出嚙合的，同時嚙合的齒對又比較多，故沖擊載荷小，傳動平穩(wěn)，噪聲??； ③當蝸桿的螺旋線升角小于嚙合面的當量摩擦角時，蝸桿傳動變具有自鎖性。 在本次設計中選擇的蝸桿減速器型號是WD60，廠家是河北橋興減速機制造有限公司。 3.4　本章小結 本章的主要內容是對伺服元件進行選擇。在選擇之前，對所需電機的功率、輸出轉矩、轉速等參數進行了計算，并根據其結果進行了相應的產品選擇，為下一步的零件設計奠定了堅實的基礎。 第4章 　機械機構設計與計算 本章對康復機器人屈伸機構中絲杠螺母副、錐齒輪副以及分合運動中同步齒形帶進行了設計計，并對關鍵的、受力受扭矩較大的結構進行了相應的校核計算。 4.1　絲杠設計 （1）耐磨性計算 假定作用于螺桿的軸向力=250N,螺紋的程艷面積為A（單位），螺紋中徑（單位為mm），螺紋工作高度h（單位mm），螺母高度H（單位mm），螺紋工作圈數，則螺紋工作表面上的耐磨性條件為 （4.1） 令則，對于梯形螺紋h=0.5P，帶入得 （4.2） 則，取=25kg10N/kg=250N, 經查表取=2，材料為鋼-鑄鐵，速度=6~12m/s,=4~7MPa，取=6MPa mm 根據實際情況，查表選取絲杠公稱直徑=16mm,=14mm，P=4mm 螺紋升角 ==5.2° 取摩察系數 =0.14 當量摩擦角 = <絲杠能實現自鎖性能。 （2）螺桿強度計算 由于螺桿所受到的軸向力不是很大，故略 （3）螺母螺紋牙強度計算 剪切強度條件 MPa<[]= 40MPa 螺紋高度，工作圈數 彎曲強度 MPa<［］=45~55MPa （4）螺母外徑凸緣強度計算 由于螺母所受到的軸向力不是很大，故略 （5）螺桿穩(wěn)定性計算 臨界載荷 ， 滿足要求[21] （6）絲杠效率 4.2　錐齒輪設計 1、選擇材料、熱處理方式，精度等級及齒數 根據常用的齒輪材料及力學性能表，選取兩齒輪的材料為，調質處理，硬度190~240HBS，精度8級，取兩齒輪的齒數相同，==31。 2、按齒面接觸疲勞強度設計 （1）確定參數數值 根據所選電機的參數，其輸出轉矩T=843mN/m，P=150w，查表，選取載荷系數，彈性系數MPa，齒寬系數=1，節(jié)點區(qū)域系數，接觸疲勞極限=560MPa，安全系數=1，接觸疲勞壽命系數=1.13，得需用接觸應力 MPa （2）確定傳動尺寸 取動載荷系數=1.1，是用系數=1.25，假設<100N/mm,齒間分配系數=1.2，齒向載荷分配系數=1.07，則 =13.8 對進行修正 確定模數mm，查表，取=1mm，則mm，取齒寬系數=0.3，則，R=22mm，5.5mm 3、校核齒根彎曲疲勞強度 （1）確定參數數值 查機《械設計手冊》，取齒形系數及應力校正系數 =2.72 =1.57 =2.22 =1.77 查得彎曲疲勞極限 =480MPa 取=1.25，得許用彎曲應力 =345.6MPa =353.28MPa （2）驗算齒根彎曲疲勞強度 =78.7MPa< =31.5MPa< 滿足要求。 4.3　同步齒形帶設計 (1)模數m的選擇 根據所傳遞的功率，查表，確定模數mm (2)確定帶輪齒數 z 根據實際情況，經查表，確定帶輪的齒數z=16 (3)帶輪節(jié)圓直徑D mm (4)驗算線速度 m/s (5)中心距 根據實際設計情況，設定帶輪的中心距=600mm (6)齒形帶的計算長度和齒數z 1350.72mm 通過查表《同步齒形帶接線長度》后，取=1319.5，同時得到同步帶的齒數z=140 (7)確定中心距A , （4.3） 式中 , 帶入數據，計算得 mm (8)驗算嚙合齒數 （4.4） 當mm時，4；當>2mm時，6 此時，=4，滿足要求 （9）圓周力P （，千瓦） （4.5） （4.6） 式中 ——張緊輪影響系數，查表，取=1 ——工作情況系數，查表，取=1 ——增速傳動系數，經查表，取=1 代入數據得 （10）確定齒帶寬b 式中 T為齒形帶單位寬度離心力 ==kg （11）齒形帶前切應力 ==0.008 Kg /<=0.05~0.08 Kg/ ,其中小輪嚙合齒數系數，取=1 （12）齒壓比P =0.0186<0.12 4.4　軸設計與校核 在整個結構當中，受力最大的是前后擺運動機構當中的傳動軸，因此，對此軸進行相應的校核計算 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 圖4.1　前后擺傳動軸 根據軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 Ⅰ段與軸承相連接 ，直徑為18mm，長度為22mm Ⅱ段與立柱下端連接，直徑為20mm，長度為58mm Ⅲ段直徑為18mm，長度為550mm Ⅳ段通過聯軸器與渦輪蝸桿連接，其直徑為17mm，長度為30mm （1）判斷危險截面 由于只有Ⅱ截面處受的載荷，且受扭矩，所以對此進行校核。 截面的應力 （4.7） 式中 Mm——彎矩，Nm W——抗彎截面模量 代入數據計算得到=3.125Mpa。 截面上的轉切應力為 （4.8） 式中 T2——轉矩，Nm WT——抗扭截面模量 代入數據計算的截面上的轉切應力為156.25MPa。 MPa 由于軸選用40cr，調質處理，所以 MPa，MPa，MPa 受力如圖4.2所示。 軸徑 （2）綜合系數的計算 由經直線插入，知道因軸肩而形成的理論應力集中為，， 軸的材料敏感系數為，， 故有效應力集中系數為： 查得尺寸系數為，扭轉尺寸系數為，軸采用磨削加工，表面質量系數為，軸表面未經強化處理，即，則綜合系數值為 圖4.2 前后擺傳動軸受力示意圖 （3）碳鋼系數的確定 碳鋼的特性系數取為，。 安全系數的計算： 軸的疲勞安全系數為 （4.9） （4.10） （4.11） 式中 ——只考慮彎矩時的安全系數 ——只考慮轉矩時的安全系數 ——材料對稱循環(huán)的彎曲疲勞極限 ——材料對稱循環(huán)的扭轉疲勞極限 ——彎曲時軸的有效應力集中系數 ——扭轉時軸的有效應力集中系數 ——扭轉剪應力的應力幅，MPa ——扭轉剪應力的平均應力，MPa ——彎曲應力的應力幅，MPa ——彎曲應力的平均應力，MPa ——計算疲勞強度的安全系數 ——疲勞強度的安全系數 代入數據計算得=5，=10，=41.5=S，所以該軸的選用安全[20]。 4.5　軸承校核 固定絲杠軸軸承7202AC的校核。其所受徑向力=65N,軸向力=250N （1）計算內部軸向力 查表得知：7202AC型軸承（） （4.12） 代入數據得 ==44N （2）計算單個軸承軸向載荷 因此軸承1放松，軸承2壓緊 = =44 =+=44+250=294N （3）當量載荷 由于，， 所以，，，。 因此 （4）軸承壽命的校核 基本額定壽命為： 　 　 （4.13） 式中 ——基本額定動載荷 ——軸承轉速，r/min ——壽命指數，對于球軸承 代入數據計算得到軸承壽命為=h，因此軸承壽命足夠大，滿足要求[20]。 4.6　鍵選擇及校核計算 康復機器人結構中立柱座與軸兩部分連接用到鍵連接，并且所受到的扭矩非常大。在本設計中鍵起到了傳遞力和運動的作用，因此鍵的選擇要達到一定的強度，防止因鍵連接的強度不夠導致的鍵斷裂，影響康復機器人整個結構的正常運行，甚至發(fā)生事故。 表4.1 鍵的規(guī)格 名稱 規(guī)格 直徑 （mm） 工作長度 （mm） 工作高度 （mm） 轉矩 （Nm） 極限應力 （MPa） 平鍵 6×6×50 20 44 3 125 100 平鍵強度條件為 =≤[] （4.14） 式中 T——傳遞的轉矩，N.m k——鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，k=0.5h，此處h為鍵的高度，mm l——鍵的工作長度，圓頭平鍵l=L-b，平頭平鍵l=L，這里L為鍵的公稱長度，mm b——為鍵的寬度，mm d——軸的直徑，mm []——鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應力。一般45#鋼的[]為100~120MPa 所以曲軸上的鍵的校核計算為 ==95MPa≤120MPa 經過校核，滿足條件[22]。 4.7　本章小結 本章是在前一章對結構伺服元件的計算選擇基礎上，根據第2章總體結構方案，主要設計和校核了各個部分的零件以及連接件。主要設計校核的零件有：絲杠、錐齒輪、同步齒型帶、軸、鍵、支撐連接件等。 結　　論 本論文綜合了各種上肢康復機器人的結構特點，根據實際應用的基礎上，通過對上肢的各種運動原理的分析之后，設計出了這種坐式上肢康復訓練機器人，采用電機驅動，用單片機進行控制的方式。本設計通過實際的設計計算，結構緊湊、重量較輕、噪聲小、運動靈活，能夠完成對患者上肢的康復訓練。本文主要完成了一下的工作： 1、對上肢康復訓練機器人進行原理分析，并且了解國內外發(fā)展現狀。根據實際情況，選擇合理的設計方案，比如總體尺寸大小、材料以及驅動方式，完成對康復機器人總體結構設計； 2、設計出系統(tǒng)的零部件，完成驅動原件和標準件的選擇和校核，主要包括絲杠、齒輪、同步齒形帶等機構的設計計算。確定結構尺寸，形狀，材料，動力等參數，對齒輪、主軸、軸承進行必要的校核、驗算； 3、手繪和計算機繪制相結合，繪制整體裝配圖及主要零部件的零件圖； 設計出的康復機器人能夠實現對患者上肢的康復訓練，安全的、靈活的完成各項康復動作。但是，要實現對其更加完美的設計，還有一些工作需要進行，對一些地方進行進一步的完善：（1）對手臂的固定還有待進一步完善，使得對手臂的固定能是患者感覺更加的舒適；（2）在整體框架結構的設計方面還有空間進一步的完善、進一步減小整體結構的重量。 參考文獻 [1] 杜志江，孫立寧.外科機器人技術發(fā)展現狀及關鍵技術分析[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2003，35(7)． [2] 呂廣明，孫立寧，彭龍剛.康復機器人現狀及關鍵技術分析[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2004，36(9). 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