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畢業(yè)設(shè)計(jì)中期檢查表
填表日期
2012年 5月7~11日
迄今已進(jìn)行 11 周剩余 6 周
學(xué)生姓名
院系
專業(yè)、班級
指導(dǎo)教師姓名
職稱
從事
專業(yè)
是否外聘
□是□否
題目名稱
學(xué)
生
填
寫
畢業(yè)設(shè)計(jì)工作進(jìn)度
已完成主要內(nèi)容
待完成主要內(nèi)容
存在問題及努力方向
學(xué)生簽字：
指導(dǎo)教師
意 見
畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度：超前□ 正?！? 滯后□ 嚴(yán)重滯后□
指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日
系意見
系主任簽字： 年 月 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書
學(xué)生姓名
王春生
院系
機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)、班級
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其
自動化08-12
指導(dǎo)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(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動仿真及仿真運(yùn)動（結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）
一、設(shè)計(jì)目的、意義
設(shè)計(jì)目的：
設(shè)計(jì)一種坐式上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)，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(guān)關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練。由于康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人要與人體直接相連，來帶動肢體進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，所以對驅(qū)動器的安全性、柔性的要求較高。
設(shè)計(jì)意義：
近年來，由于心腦血管疾病使中老年患者出現(xiàn)偏癱的人數(shù)不斷增多，而且在年齡上呈現(xiàn)年輕化趨勢。與此同時(shí)，由于交通事故而造成神經(jīng)系統(tǒng)損傷或者肢體損傷的人數(shù)也越來越多。為了提高這類人群的生活質(zhì)量，基于治療、康復(fù)和服務(wù)于一身的產(chǎn)品的需求趨勢不斷增高。隨著機(jī)器人技術(shù)和康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人的市場占有率呈逐年上升的趨勢，因此，服務(wù)于四肢的康復(fù)設(shè)備的研究和應(yīng)用有著廣闊的發(fā)展前景。
康復(fù)機(jī)器人是康復(fù)設(shè)備的一種?？祻?fù)機(jī)器人技術(shù)早已廣受世界各國科研工作者和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的普遍重視，在我國康復(fù)醫(yī)學(xué)工程雖然得到了普遍的重視，而康復(fù)機(jī)器人研究仍處于起步階段，一些簡單康復(fù)器械遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場對智能化、人機(jī)工程化的康復(fù)機(jī)器人的需求，有待進(jìn)一步的研究和發(fā)展。
二、設(shè)計(jì)內(nèi)容、技術(shù)要求（研究方法）
設(shè)計(jì)內(nèi)容：
1. 上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人原理分析，選擇合理的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
2. 康復(fù)機(jī)器人上肢前后擺機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及康復(fù)機(jī)器人屈伸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；
3. 分合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及手腕轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；
4. 康復(fù)機(jī)器人伺服元件的選擇。
技術(shù)要求：
1. 機(jī)器人采用電機(jī)驅(qū)動；
2. 在對患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的過程中，能夠在任何位置實(shí)現(xiàn)安全的停止；
3. 康復(fù)機(jī)器人：寬度1.5m，整體高度1.4m~1.7m；
4. 能夠?qū)崿F(xiàn)對上肢的上下、屈伸、分合以及手腕轉(zhuǎn)動的康復(fù)訓(xùn)練；
三、設(shè)計(jì)完成后應(yīng)提交的成果
1.設(shè)計(jì)說明書一份，字?jǐn)?shù)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(jié)構(gòu)裝配圖。
四、設(shè)計(jì)進(jìn)度安排
2012.2.27-2012.3.20 收集資料，查閱文獻(xiàn)，撰寫開題報(bào)告；
2012.3.21-2012.4.3 確定設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
2012.4.4-2012.4.17 康復(fù)機(jī)器人上肢前后擺機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及康復(fù)機(jī)器人屈伸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；
2012.4.18-2011.4.30 分合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及手腕轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；
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(jié)構(gòu)裝配圖及零件工作圖；
2012.6.6-2012.6.15 撰寫設(shè)計(jì)說明書，整理材料，準(zhǔn)備答辯。
五、主要參考資料
[1]呂廣明，孫立寧，彭龍剛.康復(fù)機(jī)器人現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)分析[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006.
[2]劉珊.人體上肢與上肢康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動控制研究[D].華中科技大學(xué)，2008.
[3]乎昊.3DOF可穿戴式上肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真研究[D]．哈爾濱工程大學(xué)，2008.
[4]楊恩霞.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2006.
[5]胡宇川，季林紅.一種偏癱上肢復(fù)合運(yùn)動韻康復(fù)動訓(xùn)練機(jī)器人[J].機(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)分析[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008．
六、備注
指導(dǎo)教師簽字：
年 月 日
系主任簽字：
年 月 日
本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)
上肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真運(yùn)動
系部名稱： 機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)班級：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 08-12
學(xué)生姓名： 王春生
指導(dǎo)教師： 陳 曦
職 稱： 講師
黑 龍 江 工 程 學(xué) 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(shè)計(jì)開題報(bào)告
設(shè) 計(jì) 題 目: 上肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
院 系 名 稱: 機(jī)電工程學(xué)院
專 業(yè) 班 級: 機(jī)械設(shè)計(jì)08-12班
學(xué) 生 姓 名:
導(dǎo) 師 姓 名:
開 題 時(shí) 間: 2012年3月24日
指導(dǎo)委員會審查意見：
簽字： 年 月 日
1課題研究的目的和意義
據(jù)報(bào)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(dá)到4.37億。在老齡人群眾中有大量的腦血管疾病或神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者，這類患者多數(shù)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(xiàn)偏癱的人數(shù)不斷增多，而且在年齡上呈現(xiàn)年輕化趨勢。與此同時(shí)，由于交通運(yùn)輸工具的迅速增長，因交通事故而造成神經(jīng)心痛損傷或者肢體損傷的人數(shù)也越來越多。在我國數(shù)以百萬計(jì)的有神經(jīng)科疾病病史和受到過意外傷害的患者需要進(jìn)行康復(fù)治療，僅以中風(fēng)為例，每年大約有600，000中風(fēng)幸存者，其中的二百萬病人在中風(fēng)后存在長期的運(yùn)動障礙。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這個(gè)特殊群體已得到了更多人的關(guān)注，為了提高他們的生活質(zhì)量，治療、康復(fù)和服務(wù)于他們的產(chǎn)品的技術(shù)和質(zhì)量也在相應(yīng)地提高。隨著機(jī)器人技術(shù)和康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，在歐洲、美國和日本等國家，醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人的市場占有率呈逐年上升的趨勢，僅預(yù)測日本未來機(jī)器人市場，2005年醫(yī)療、護(hù)理、康復(fù)機(jī)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(jī)器人的所有應(yīng)用領(lǐng)域中占據(jù)首位。因此，服務(wù)于四肢的康復(fù)設(shè)備的研究和應(yīng)用有著廣闊的發(fā)展前景。
本課題的研究目的是設(shè)計(jì)一種坐式上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)，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(guān)關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練。
2康復(fù)機(jī)器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
2.1 國外研究動態(tài)
美國是研究氣動肌肉機(jī)構(gòu)最多的國家，主要集中在大學(xué)。
華盛頓大學(xué)的生物機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室從生物學(xué)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(jìn)行失效機(jī)理分析，代寫論文制作力假肢和仿人手臂用于脊椎反射運(yùn)動控制研究。
英國Salford 大學(xué)高級機(jī)器人研究中心對氣動肌肉的應(yīng)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(yuǎn)程控制。
法國國立應(yīng)用科學(xué)學(xué)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(qū)動源的人工肌肉以及在遠(yuǎn)程醫(yī)療上的應(yīng)用。
日本Bridgestone 公司在Rubber tauter 之后又發(fā)明了多種不同結(jié)構(gòu)的氣動肌肉。德國Festoon 公司發(fā)明了適合工業(yè)應(yīng)用的氣動肌腱Fluidic muscle，壽命可達(dá)1000萬次以上，同時(shí)還對氣動肌肉的應(yīng)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(jìn)的仿人手。美國的Kinetic Muscles 公司與亞利桑那州立大學(xué)合作開發(fā)了多種用于肌肉康復(fù)訓(xùn)練的小型醫(yī)療設(shè)備。
2.2 國內(nèi)研究動態(tài)
自20 世紀(jì)90 年代以來，我國陸續(xù)開始了康復(fù)機(jī)器人的研究。
北京航空航天大學(xué)的宗光華較早開始?xì)鈩蛹∪獾难芯浚治隽似浞蔷€性特性、橡膠管彈性及其自身摩擦對驅(qū)動模型的影響，并應(yīng)用于五連桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)，通過剛度調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)柔順控制。
上海交通大學(xué)的田社平等運(yùn)用零極點(diǎn)配置自適應(yīng)預(yù)測控制、非線性逆系統(tǒng)控制以及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，實(shí)現(xiàn)單自由度關(guān)節(jié)的快速、高精度位置控制。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王祖溫等分析了氣動肌肉結(jié)構(gòu)參數(shù)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(shè)計(jì)了氣動肌肉驅(qū)動的具有4 自由度的仿人手臂、外骨骼式力反饋數(shù)據(jù)手套和6 足機(jī)器人，采用輸入整形法解決關(guān)節(jié)階躍響應(yīng)殘余震蕩問題。
北京理工大學(xué)的彭光正等先后進(jìn)行了單根人工肌肉、單個(gè)運(yùn)動關(guān)節(jié)以及3 自由度球面并聯(lián)機(jī)器人的位置及力控制，采用了模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種智能控制算法，并設(shè)計(jì)了6 足爬行機(jī)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(fù)機(jī)械手進(jìn)行了動力學(xué)分析，將等效有限元的方法應(yīng)用到開式的5自由度的康復(fù)機(jī)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(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展，的除了機(jī)械臂的動力響應(yīng)曲線.
3本課題研究的基本內(nèi)容和擬解決的主要問題
3.1基本內(nèi)容
本實(shí)用“上肢康復(fù)機(jī)器人”的機(jī)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(jī)構(gòu)上肢屈伸機(jī)構(gòu)和上肢分合機(jī)構(gòu)；各運(yùn)動機(jī)構(gòu)由單獨(dú)的電機(jī)和減速器驅(qū)動，而傳動機(jī)構(gòu)的主件分別是傳動軸、絲杠螺母副、同步齒形帶。在單片機(jī)的控制下，實(shí)現(xiàn)患者的上肢前后擺、屈伸、分合運(yùn)動以及手腕的轉(zhuǎn)動康復(fù)訓(xùn)練；也可啟動部分電機(jī)，完成其中的部分康復(fù)訓(xùn)練。具體內(nèi)容如下：
1、首先對上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人進(jìn)行原理分析，然后選擇合理的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
2、康復(fù)機(jī)器人上肢前后擺機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及康復(fù)機(jī)器人屈伸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；
3、手繪和計(jì)算機(jī)繪制相結(jié)合，繪制整體裝配圖及主要零部件的零件圖；
4、分合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及手腕轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和伺服元件的選擇；
3.2擬解決的主要問題：
1、 機(jī)器人采用電機(jī)驅(qū)動；
2、 在對患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的過程中，能夠在任何位置實(shí)現(xiàn)安全的停止；
3、 康復(fù)機(jī)器人：寬度1.5m，整體高度1.4米~1.7m；能夠?qū)崿F(xiàn)對上肢的上下，屈伸，分合以及手腕轉(zhuǎn)動的康復(fù)訓(xùn)練；
4總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
4.1總體方案設(shè)計(jì)
該康復(fù)機(jī)器人將采用電力驅(qū)動，用電機(jī)驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能，對上肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練?？傮w方案為：
機(jī)身由平臺上面的機(jī)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(jī)構(gòu)、上肢屈伸機(jī)構(gòu)、上肢分合機(jī)構(gòu)和手腕轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)；各運(yùn)動機(jī)構(gòu)有單獨(dú)的電機(jī)和減速器驅(qū)動；傳動機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖4.1 前后擺機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖
康復(fù)機(jī)器人前后擺機(jī)構(gòu)主要的功能是對患者的上肢進(jìn)行前后擺康復(fù)訓(xùn)練。在設(shè)計(jì)的中，前后擺要滿足一下兩個(gè)要求：一是擺動的角度要足夠大，能夠?qū)颊呱现募珀P(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)進(jìn)行充分的康復(fù)訓(xùn)練；二是整個(gè)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性要好，在對患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的過程中，能夠在任何位置實(shí)現(xiàn)安全的停止。
因此，上肢前后擺機(jī)構(gòu)裝在基座上，由直流電機(jī)、減速器、渦輪蝸桿、傳動軸、軸承座等組成。其中直流減速電機(jī)固定在底座平天上，通過聯(lián)軸器將其與渦輪蝸桿連接在一起，再通過聯(lián)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(jī)控制電機(jī)，電機(jī)的帶動傳動軸，就可實(shí)現(xiàn)對上肢前后擺的康復(fù)訓(xùn)練。在實(shí)現(xiàn)前后擺動的過程當(dāng)中，渦輪蝸桿能夠?qū)C(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自鎖，使整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性大大的增加。
2、屈伸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖4.2 屈伸機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖
康復(fù)機(jī)器人的屈伸機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)對患者上肢進(jìn)行屈伸康復(fù)訓(xùn)練，以達(dá)到對患者肩關(guān)節(jié)肘和肘關(guān)節(jié)的康復(fù)目的。設(shè)計(jì)時(shí)，要使患者的上肢能夠得到足夠充分的空間進(jìn)行屈伸訓(xùn)練，因此，上肢屈伸機(jī)構(gòu)借助左右對稱布置的兩根可伸縮的立柱來實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。
可伸縮立柱由立柱座（箱體）、外套筒、內(nèi)套筒組成；而使之伸縮的機(jī)構(gòu)包括直流電機(jī)、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(nèi)套筒插裝在外套筒內(nèi)，通過螺母與絲杠連接在一起，組成絲杠螺母副。立柱套筒內(nèi)沿軸向滑動。穿過側(cè)壁的傳動軸帶動左右的齒輪副，帶動絲杠同步的轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)套筒在立柱內(nèi)同步的向上下滑動，實(shí)現(xiàn)上肢的屈伸屈伸康復(fù)運(yùn)動。同時(shí)，為了使立柱內(nèi)套筒能夠安全的停止在任何一位置，設(shè)計(jì)絲杠時(shí)需讓絲杠具有自鎖的功能，讓患者可以在任何一位置進(jìn)行其他的康復(fù)訓(xùn)練。
3、分合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖4.3 分合機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖
分合機(jī)構(gòu)是用來對患者進(jìn)行上肢分合康復(fù)訓(xùn)練而設(shè)計(jì)的。在設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)注意減噪的設(shè)計(jì)，并且要留有足夠大的空對患者的上肢進(jìn)行分合康復(fù)訓(xùn)練。由于整個(gè)康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸比較大，所以分合機(jī)構(gòu)衡梁也需要注意盡量減小重量，所以，衡梁的材料采用硬質(zhì)鋁合金。
經(jīng)過充分的考慮，上肢分合運(yùn)動的機(jī)構(gòu)借助安裝在橫梁上帶傳感器的直流減速電機(jī)、同步齒形帶傳動副、光感滑軌和把手來實(shí)現(xiàn)。其中橫梁分別與立柱內(nèi)套筒上端通過螺栓連接在一起，直流減速電機(jī)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(jī)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(shí)，一根光桿滑軌固定于橫梁的左右段機(jī)構(gòu)中。把手貫穿于光桿滑軌，并與同步帶連接在一起，啟動電機(jī)，就能夠?qū)崿F(xiàn)上肢的分合康復(fù)訓(xùn)練。
在康復(fù)訓(xùn)練中，兩根立柱在升降的過程中，難免會出現(xiàn)細(xì)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(gè)機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖4.4 手腕康復(fù)結(jié)構(gòu)運(yùn)動簡圖
手腕康復(fù)機(jī)構(gòu)中，主要應(yīng)當(dāng)考慮對患者上肢的固定，重點(diǎn)在把手的設(shè)計(jì)。經(jīng)過查閱文獻(xiàn)充分思考之后，決定把手由手柄、把手支架、小臂護(hù)套組成，最后在把手上裝上直流減速電機(jī)，組成手腕的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)。直流減速電機(jī)通過螺釘將其固定于把手支架法蘭盤面上。小臂護(hù)套，通過吊環(huán)將其固定在把手支架上面。工作時(shí)，啟動電機(jī)，在單片機(jī)的控制下，帶動手柄繞電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動手腕的轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)手腕的康復(fù)訓(xùn)練。
4.2 康復(fù)機(jī)器人框架造型的設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)的坐式上肢康復(fù)機(jī)器人，主體結(jié)構(gòu)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(gè)零部件的大小尺寸應(yīng)相對較小，用以減輕整體的重量。在綜合考慮了康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動空間受力之后，立柱套筒的壁厚設(shè)計(jì)為5mm。
表2.1是《人體主要尺寸表》[17]，根據(jù)其對人群中18~60歲成年男子和18~55歲成年女子各個(gè)主要不為尺寸的統(tǒng)計(jì)，本次設(shè)計(jì)康復(fù)機(jī)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(shù)
1 5 10 50 90 95
1 5 10 50 90 95
5進(jìn)度安排
2012.2.27—2012.3.20 收集資料，查閱文獻(xiàn) ，撰寫開題報(bào)告；
2012.3.21—2012.4.03 確定設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
2012.4.04—2012.4.17 康復(fù)機(jī)器人上肢前后擺機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及康復(fù)機(jī)器人
屈伸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；
2012.4.18—2012.4.30 分合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及手腕轉(zhuǎn)動設(shè)計(jì)；
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(jié)構(gòu)裝配圖及零件工作圖；
2012.6.06—2012.6.15 撰寫設(shè)計(jì)說明書，整理材料，準(zhǔn)備答辯
6.參考文獻(xiàn)
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[2] 呂廣明，孫立寧，彭龍剛.康復(fù)機(jī)器人現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)分析[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，36(9).
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[4] 李慶玲,.孫立寧.杜志江；上肢康復(fù)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀的分析與研究 [J] 機(jī)械設(shè)計(jì) 2008
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[13]劉珊.人體上肢與上肢康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動控制研究[J]華中科技大學(xué)2009 (12)
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黑龍江工程學(xué)院學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
康復(fù)機(jī)器人是康復(fù)設(shè)備的一種類型，康復(fù)機(jī)器人技術(shù)早已廣受世界各國科研工作者和醫(yī)療機(jī)構(gòu)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(fù)醫(yī)學(xué)工程雖然得到了普遍的重視，但是康復(fù)機(jī)器人研究仍處于起步階段，一些簡單康復(fù)器械遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場對智能化、人機(jī)工程化康復(fù)機(jī)器人的需求，有待進(jìn)一步的研究和發(fā)展。
本文從使用的角度對人體上肢的運(yùn)動原理進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)出了一種坐式上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)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(guān)關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練。本設(shè)計(jì)的康復(fù)機(jī)器人機(jī)身是由放置于平臺上的機(jī)座，兩根可伸縮的立柱和上橫梁及其手柄組成，并在其各個(gè)組成部分上分別裝上上肢屈伸機(jī)構(gòu)、前后擺機(jī)構(gòu)、分合機(jī)構(gòu)和手腕旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；各運(yùn)動機(jī)構(gòu)由單獨(dú)的電機(jī)和減速器驅(qū)動，而傳動機(jī)構(gòu)的主件分別是傳動軸、絲杠螺母副、同步齒形帶傳動副。
康復(fù)機(jī)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(gòu)得到套筒的固定和定位。整個(gè)設(shè)計(jì)主要要注意的主要問題是減重和減噪，避免整體結(jié)構(gòu)過于龐大笨重。
關(guān)鍵詞：康復(fù)；上肢；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；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(xué)院學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
ABSTRACT 1
第1章 緒論 2
1.1 概述 2
1.2 康復(fù)機(jī)器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3
1.3 上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展前景 6
1.4 本課題主要研究內(nèi)容 7
第2章 總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 8
2.1 總體方案設(shè)計(jì) 8
2.2 康復(fù)機(jī)器人框架造型的設(shè)計(jì) 11
2.3 本章小結(jié) 12
第3章 伺服元件選擇 13
3.1 電機(jī)選擇 13
3.1.1 升降機(jī)構(gòu)電機(jī)選擇 13
3.1.2 前后擺機(jī)構(gòu)電機(jī)選擇 14
3.1.3 分合機(jī)構(gòu)電機(jī)選擇 15
3.1.4 手腕轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)電機(jī)的選擇 16
3.2 聯(lián)軸器選擇 16
3.3 蝸輪蝸桿減速器的選擇 17
3.4 本章小結(jié) 17
第4章 機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 18
4.1 絲杠設(shè)計(jì) 18
4.2 錐齒輪設(shè)計(jì) 19
4.3 同步齒形帶設(shè)計(jì) 21
4.4 軸設(shè)計(jì)與校核 23
4.5 軸承校核 26
4.6 鍵選擇及校核計(jì)算 27
4.7 本章小結(jié) 28
結(jié) 論 29
參考文獻(xiàn) 30
致 謝 32
摘 要
康復(fù)機(jī)器人是康復(fù)設(shè)備的一種類型，康復(fù)機(jī)器人技術(shù)早已廣受世界各國科研工作者和醫(yī)療機(jī)構(gòu)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(fù)醫(yī)學(xué)工程雖然得到了普遍的重視，但是康復(fù)機(jī)器人研究仍處于起步階段，一些簡單康復(fù)器械遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場對智能化、人機(jī)工程化康復(fù)機(jī)器人的需求，有待進(jìn)一步的研究和發(fā)展。
本文從使用的角度對人體上肢的運(yùn)動原理進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)出了一種坐式上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)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(guān)關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練。本設(shè)計(jì)的康復(fù)機(jī)器人機(jī)身是由放置于平臺上的機(jī)座，兩根可伸縮的立柱和上橫梁及其手柄組成，并在其各個(gè)組成部分上分別裝上上肢屈伸機(jī)構(gòu)、前后擺機(jī)構(gòu)、分合機(jī)構(gòu)和手腕旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；各運(yùn)動機(jī)構(gòu)由單獨(dú)的電機(jī)和減速器驅(qū)動，而傳動機(jī)構(gòu)的主件分別是傳動軸、絲杠螺母副、同步齒形帶傳動副。
康復(fù)機(jī)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(gòu)得到套筒的固定和定位。整個(gè)設(shè)計(jì)主要要注意的主要問題是減重和減噪，避免整體結(jié)構(gòu)過于龐大笨重。
關(guān)鍵詞：康復(fù)；上肢；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；減重；噪音
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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(jù)報(bào)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(dá)到4.37億。在老齡人群眾中有大量的腦血管疾病或神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者，這類患者多數(shù)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(xiàn)偏癱的人數(shù)不斷增多，而且在年齡上呈現(xiàn)年輕化趨勢。與此同時(shí)，由于交通運(yùn)輸工具的迅速增長，因交通事故而造成神經(jīng)心痛損傷或者肢體損傷的人數(shù)也越來越多。在我國數(shù)以百萬計(jì)的有神經(jīng)科疾病病史和受到過意外傷害的患者需要進(jìn)行康復(fù)治療，僅以中風(fēng)為例，每年大約有600，000中風(fēng)幸存者，其中的二百萬病人在中風(fēng)后存在長期的運(yùn)動障礙。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這個(gè)特殊群體已得到了更多人的關(guān)注，為了提高他們的生活質(zhì)量，治療、康復(fù)和服務(wù)于他們的產(chǎn)品的技術(shù)和質(zhì)量也在相應(yīng)地提高。隨著機(jī)器人技術(shù)和康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，在歐洲、美國和日本等國家，醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人的市場占有率呈逐年上升的趨勢，僅預(yù)測日本未來機(jī)器人市場，2005年醫(yī)療、護(hù)理、康復(fù)機(jī)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(jī)器人的所有應(yīng)用領(lǐng)域中占據(jù)首位。因此，服務(wù)于四肢的康復(fù)設(shè)備的研究和應(yīng)用有著廣闊的發(fā)展前景[2]。
康復(fù)機(jī)器人是康復(fù)設(shè)備的一種類型?？祻?fù)機(jī)器人技術(shù)早已廣受世界各國科研工作者和醫(yī)療機(jī)構(gòu)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(fù)醫(yī)學(xué)工程雖然得到了普遍的重視，而康復(fù)機(jī)器人研究仍處于起步階段，一些簡單康復(fù)器械遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場對智能化、人機(jī)工程化的康復(fù)機(jī)器人的需求，有待進(jìn)一步的研究和發(fā)展。由于康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人要與人體直接相連，來帶動肢體進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，所以對驅(qū)動器的安全性、柔性的要求較高?？祻?fù)肢體運(yùn)動功能用機(jī)械肢體組合系列機(jī)器人,是多種同類機(jī)器人屬于機(jī)器人領(lǐng)域,解決了本人發(fā)明的實(shí)用新型專利半身不遂患者康復(fù)學(xué)步機(jī),只能帶動人的大小臂大小腿康復(fù)運(yùn)動功能,而不能帶動手腳各關(guān)節(jié)運(yùn)動的重大不足,主要技術(shù)特征是將半身不遂患者康復(fù)學(xué)步機(jī)略加改進(jìn)后,在學(xué)步機(jī)的小臂絞鏈桿上安裝了可以帶動人手腕關(guān)節(jié)手指各個(gè)關(guān)節(jié)都能運(yùn)動的機(jī)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(gè)關(guān)節(jié)都能運(yùn)動的機(jī)械腳托板后實(shí)現(xiàn)的,用途是康復(fù)肢體運(yùn)動功能,帶動患肢的各個(gè)關(guān)節(jié)、每塊骨骼、每塊肌肉、每個(gè)筋鍵、每條神經(jīng)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(shí)間的被動運(yùn)動鍛煉,最終使殘疾人患肢的主動運(yùn)動功能得到康復(fù)。
本課題的研究目的是設(shè)計(jì)一種坐式上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)，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(guān)關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練。
1.2 康復(fù)機(jī)器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
康復(fù)機(jī)器人是一種自動化醫(yī)療康復(fù)設(shè)備，它以醫(yī)學(xué)理論為依據(jù)，幫助患者進(jìn)行科學(xué)而有效的康復(fù)訓(xùn)練，使患者的運(yùn)動機(jī)能得到更快更好的恢復(fù)。目前，康復(fù)機(jī)器人已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到康復(fù)護(hù)理、假肢和康復(fù)治療等方面，這不僅促進(jìn)了康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，也帶動了相關(guān)領(lǐng)域的新技術(shù)和新理論的發(fā)展。
康復(fù)機(jī)器人有兩種：輔助型康復(fù)機(jī)器人和康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人[3]。輔助型康復(fù)機(jī)器人主要是幫助肢體運(yùn)動有困難的患者完成各種動作，該類產(chǎn)品有機(jī)器人輪椅、機(jī)器人護(hù)士、機(jī)器人假肢、機(jī)械外骨骼等?？祻?fù)訓(xùn)練機(jī)器人的主要功能是幫助患者完成各種運(yùn)動功能的恢復(fù)訓(xùn)練，該類產(chǎn)品有行走訓(xùn)練、手臂運(yùn)動訓(xùn)練、脊椎運(yùn)動訓(xùn)練等。
康復(fù)機(jī)器人是康復(fù)醫(yī)學(xué)和機(jī)器人技術(shù)的完美結(jié)合，康復(fù)機(jī)器人技術(shù)在歐美等國家得到了科研工作者和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的普遍重視，許多研究機(jī)構(gòu)都開展了有關(guān)的研究工作，近年來取得了一些有價(jià)值的成果。對于中風(fēng)、偏癱、上肢運(yùn)動機(jī)能損傷等患者來說，上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人有著很好的治療效果。國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)都在這方面取得了不錯的研究結(jié)果。
目前，康復(fù)機(jī)器人的研究主要集中在康復(fù)機(jī)械手和康復(fù)治療機(jī)器人等幾個(gè)方面[16]。
1、康復(fù)機(jī)械手的研究現(xiàn)狀
設(shè)計(jì)康復(fù)機(jī)器人最初的一個(gè)目的就是在殘疾人和環(huán)境之間放置一個(gè)機(jī)械臂， 通過這個(gè)機(jī)械臂來部分或全部的實(shí)現(xiàn)操作功能，按機(jī)械臂的安裝位置劃分，康復(fù)機(jī)械手可分為3類：
（1）基于桌面的機(jī)械手[4]。種機(jī)械手安裝在一個(gè)徹底結(jié)構(gòu)化的控制平臺上，在固定的空間內(nèi)操作，具有足夠自由度的串聯(lián)機(jī)器人再配上適合殘疾人使用的人機(jī)界面是這種機(jī)器人典型的設(shè)計(jì)模式。目前此類機(jī)器人已經(jīng)達(dá)到了實(shí)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(jī)械手是早期的工業(yè)機(jī)器人在康復(fù)系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)的一次成功應(yīng)用。1987年，英國人Mike Topping研制了Handy1康復(fù)機(jī)器人，使一個(gè)患有腦癱的11歲男孩第一次能夠進(jìn)行獨(dú)立就餐。隨后他對樣機(jī)進(jìn)行了改造，也使得Handy1成為歷史上最成功的康復(fù)機(jī)器人。圖1.1是Handy1康復(fù)機(jī)器人原型，圖1.2是康復(fù)機(jī)器人正在對患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。
（2）基于輪椅的機(jī)械手。這種機(jī)器人是安裝在輪椅上的，是因?yàn)檩喴蔚囊苿訑U(kuò)大了機(jī)械手的工作范圍，同時(shí)由于安裝基座的改變致使機(jī)械手的剛性下降和抓取精度的降低，這種機(jī)械手也只是用于用于輪椅的患者，這是一點(diǎn)不足。這種機(jī)械手已經(jīng)成為面向應(yīng)用的流行設(shè)計(jì)，KARES[5]系統(tǒng)，就是一種基于輪椅的機(jī)械手系統(tǒng)，在電動輪椅上安裝了一個(gè)六自由度的機(jī)械手，能夠幫助行動不便的老人和殘疾人獨(dú)立的行動。隨著只能輪椅的研究發(fā)展，這種機(jī)械手也將會有很廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。
圖1.1 Handy1 圖1.2 工作中的Handy1
（3）基于移動機(jī)器人的機(jī)械手。這類機(jī)械手是目前最先進(jìn)的康復(fù)機(jī)械手，這種機(jī)械手安裝在移動的機(jī)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(shí)擴(kuò)大了機(jī)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(shí)驗(yàn)室研制了一種移動式康復(fù)機(jī)器人MELDOG[6] ，作為“倒盲狗”以幫助盲人完成操作和搬運(yùn)物體的任務(wù)。法國Evry大學(xué)研制了一種移動式康復(fù)機(jī)器人ARPH[7]，使用者可以從工作站實(shí)施遠(yuǎn)程控制，使移動機(jī)器人實(shí)現(xiàn)定位和抓取工作。這種機(jī)械手系統(tǒng)都是需要由視覺、靈巧操作、運(yùn)動、傳感、導(dǎo)航及系統(tǒng)控制等電子系統(tǒng)組成，要求比較高，價(jià)格也是相對的比較昂貴。
2、康復(fù)治療機(jī)器人研究現(xiàn)狀
康復(fù)治療機(jī)器人是康復(fù)醫(yī)學(xué)和機(jī)器人技術(shù)的完美結(jié)合，不再把機(jī)器人當(dāng)作輔助患者的工具，而是把機(jī)器人和計(jì)算機(jī)當(dāng)作提高臨床康復(fù)效率的新型治療工具。康復(fù)治療機(jī)器人在醫(yī)療實(shí)踐上主要是用于恢復(fù)患者肢體運(yùn)動系統(tǒng)的功能。按運(yùn)動系統(tǒng)的問題可以劃分為2類：一類是生物力學(xué)或生物物理化學(xué)類型的應(yīng)用，另一類是運(yùn)動學(xué)習(xí)[8]。當(dāng)人的肢體受外傷燒傷或做手術(shù)后，由于受傷組織的皮膚、韌帶和肌肉失去彈性而導(dǎo)致肢體運(yùn)動的速度和范圍受到限制[9]。生物力學(xué)或生物物理化學(xué)類型的應(yīng)用就是使用機(jī)器人系統(tǒng)來打破受傷肢體的運(yùn)動范圍。運(yùn)動技能的學(xué)習(xí)或再學(xué)習(xí)，這是一個(gè)囊括了競爭運(yùn)動控制理論、訓(xùn)練技術(shù)和人機(jī)接口問題等諸多方面的復(fù)雜問題。
（1）CPM機(jī)[10]。CPM機(jī)時(shí)利用康復(fù)醫(yī)學(xué)中連續(xù)被動運(yùn)動（Continuous Passive Motion\CPM）的基本原理對受傷肢體進(jìn)行康復(fù)治療的機(jī)械裝置，是目前前為止唯一的一個(gè)機(jī)器人生物力學(xué)或生物物理化學(xué)類型的應(yīng)用的例證。早在20世紀(jì)60年代初期就有醫(yī)學(xué)團(tuán)體運(yùn)用CPM機(jī)進(jìn)行術(shù)后康復(fù)治療的醫(yī)學(xué)實(shí)踐，此后也有用于膝、肩、肘關(guān)節(jié)等康復(fù)的CPM機(jī)出現(xiàn)。單手刀技術(shù)水平限制，長期停留在“打關(guān)節(jié)”康復(fù)范圍。目前,市場上已經(jīng)有了用于腕關(guān)節(jié)和手指關(guān)節(jié)這樣的“小關(guān)節(jié)”康復(fù)的CPM機(jī),但他們還不能像“大關(guān)節(jié)”CPM機(jī)那樣實(shí)現(xiàn)精確的控制。
（2）神經(jīng)運(yùn)動康復(fù)治療機(jī)器人[11]。目前這一類機(jī)器人的研究比較活躍,用來康復(fù)治療與神經(jīng)運(yùn)動有關(guān)的疾病, 包括中風(fēng)、帕金森氏病和大腦性麻痹(Cerebral Palsy) 。美國麻省理工學(xué)院研制了一種幫助中風(fēng)患者康復(fù)治療的機(jī)器人MIT-MANUS ,它有2 個(gè)自由度,可以實(shí)現(xiàn)病人的肩、肘和手在水平和豎直平面內(nèi)的運(yùn)動。在治療過程中,把中風(fēng)病人的手臂固定在一個(gè)特制的手臂支撐套中,手臂支撐套固定在機(jī)器人臂的末端。病人的手臂按計(jì)算機(jī)屏幕上規(guī)劃好的特定軌跡運(yùn)動,屏幕上顯示出虛擬的機(jī)器人操作桿的運(yùn)動軌跡,病人通過調(diào)整手臂的運(yùn)動可以使兩條曲線盡量重合,從而達(dá)到康復(fù)治療的目的。如果病人的手臂不能主動運(yùn)動,機(jī)器人臂可以像傳統(tǒng)康復(fù)醫(yī)療中臨床醫(yī)生的做法那樣帶動病人的手臂運(yùn)動。圖1.3為MIT-MANUS [12]在治療中風(fēng)病人。
圖1.3 中風(fēng)病人在用MIT-MANUS 治療
（3）基于虛擬環(huán)境的康復(fù)醫(yī)療訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)[13]。為了鼓勵患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，提高康復(fù)訓(xùn)練的效果，在訓(xùn)練過程中吸引患者的興趣是一個(gè)主要方面。虛擬環(huán)境技術(shù)的發(fā)展使這種思想得以實(shí)現(xiàn)，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(jìn)行主動訓(xùn)練。基于虛擬環(huán)境的康復(fù)訓(xùn)練通常與網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，因此，不僅具有遠(yuǎn)程康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，還提高了患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的能動性。
圖1.4 遠(yuǎn)程康復(fù)醫(yī)療訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.3 上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展前景
目前的康復(fù)機(jī)器人都能夠在一定程度上向患者提供簡單的訓(xùn)練方案，研究結(jié)果表明機(jī)器人輔助治療確有一定療效。從現(xiàn)有文獻(xiàn)及臨床需要來看，今后上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的研究可能集中在以下幾個(gè)方面：
1. 康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)：機(jī)械設(shè)計(jì)是康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)，應(yīng)盡量簡潔輕巧，具有一定的靈活性，提高訓(xùn)練動作的種類，增大動作幅度，在三維空間內(nèi)對患肢各個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行訓(xùn)練；同時(shí)發(fā)展“多路復(fù)用”的網(wǎng)絡(luò)康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)，提高資源利用率。
2. 控制策略與運(yùn)動模式的設(shè)計(jì)由于患者的病情千差萬別，因此，機(jī)器人要感知患肢狀態(tài)(力量和位置)并采取相應(yīng)的訓(xùn)練模式和控制策略，在控制系統(tǒng)適應(yīng)性和穩(wěn)定性、傳感器技術(shù)應(yīng)用、系統(tǒng)辨識和控制算法設(shè)計(jì)等方面需要作更深入的研究。
3. 力反饋：機(jī)器人應(yīng)該能夠?qū)崟r(shí)檢測患者與機(jī)器人之間的相互作用力，在患者主動能力不足時(shí)提供更大的輔助，而在患者有能力完成動作時(shí)，適當(dāng)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(jī)制：安全問題是康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)重要方面，康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人必須根據(jù)臨床康復(fù)訓(xùn)練的基本動作和安全性的要求，在設(shè)計(jì)中除了考慮機(jī)器人的功能實(shí)現(xiàn)外，還要防止患肢二次損傷，必須從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)(硬件)和控制系統(tǒng)(軟件)兩個(gè)方面保證康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的安全性。
5. 康復(fù)效果的評價(jià)機(jī)制：與肌電信號檢測相結(jié)合，探索訓(xùn)練參數(shù)與康復(fù)效果之間的關(guān)系，提高訓(xùn)練效果。大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，探索臨床康復(fù)的初步規(guī)律，并建立新的康復(fù)評估方法，從而對運(yùn)動功能的康復(fù)機(jī)制重新評估和理解。 機(jī)器人具備許多人類所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，例如：長期、穩(wěn)定地重復(fù)訓(xùn)練，精確、客觀地測定訓(xùn)練與運(yùn)動參數(shù)，提供實(shí)時(shí)反饋、遠(yuǎn)程訓(xùn)練等。但是，目前康復(fù)訓(xùn)練機(jī)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(xué)如MIT，Stanford，Northwestern等對這一領(lǐng)域的研究都十分重視，處于世界領(lǐng)先。國內(nèi)的研究基礎(chǔ)和對這一領(lǐng)域的了解和把握與上述領(lǐng)先單位的差距并不很大，但在經(jīng)費(fèi)投入方面嚴(yán)重不足。由于我國的康復(fù)醫(yī)學(xué)事業(yè)仍然處于起步階段，但患者數(shù)量多、治療師資源缺乏，據(jù)此現(xiàn)狀，發(fā)展康復(fù)訓(xùn)練醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)更具實(shí)際意義。隨著康復(fù)醫(yī)療機(jī)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(fù)服務(wù)”這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，提高殘疾人的生活質(zhì)量。同時(shí)，通過臨床上使用積累的大量數(shù)據(jù)，將有助于認(rèn)識訓(xùn)練參數(shù)與康復(fù)效果之間的關(guān)系，從而能夠在機(jī)器人輔助腦神經(jīng)康復(fù)治療上取得更大的突破。因此，康復(fù)醫(yī)療訓(xùn)練機(jī)器人技術(shù)在現(xiàn)代康復(fù)醫(yī)學(xué)和神經(jīng)反饋訓(xùn)練有廣泛的應(yīng)用前景。
1.4 本課題主要研究內(nèi)容
本實(shí)用“上肢康復(fù)機(jī)器人”的機(jī)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(jī)構(gòu)上肢屈伸機(jī)構(gòu)和上肢分合機(jī)構(gòu)；各運(yùn)動機(jī)構(gòu)由單獨(dú)的電機(jī)和減速器驅(qū)動，而傳動機(jī)構(gòu)的主件分別是傳動軸、絲杠螺母副、同步齒形帶。在單片機(jī)的控制下，實(shí)現(xiàn)患者的上肢前后擺、屈伸、分合運(yùn)動以及手腕的轉(zhuǎn)動康復(fù)訓(xùn)練；也可啟動部分電機(jī)，完成其中的部分康復(fù)訓(xùn)練[14]。具體內(nèi)容如下：
1、 首先對上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人進(jìn)行原理分析，然后選擇合理的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
2、 康復(fù)機(jī)器人上肢前后擺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及康復(fù)機(jī)器人屈伸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3、 分合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及手腕轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
4、設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的零部件，完成驅(qū)動原件和標(biāo)準(zhǔn)件的選擇和校核，主要包括絲杠、齒輪等機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算。確定結(jié)構(gòu)尺寸，形狀，材料，動力等參數(shù)，對齒輪、主軸、軸承進(jìn)行必要的校核、驗(yàn)算；
5、手繪和計(jì)算機(jī)繪制相結(jié)合，繪制整體裝配圖及主要零部件的零件圖；
第2章 總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)的主要工作是設(shè)計(jì)一個(gè)用于上肢康復(fù)的機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)對上肢的上下、屈伸、分合以及手腕轉(zhuǎn)動的康復(fù)訓(xùn)練[14]。就本設(shè)計(jì)而言，設(shè)計(jì)的主體是兩根可升降的立柱，放于地面與立柱相連的機(jī)座、橫梁、與機(jī)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(fù)機(jī)器人”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)械結(jié)構(gòu)作出詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)。
2.1 總體方案設(shè)計(jì)
該康復(fù)機(jī)器人將采用電力驅(qū)動，用電機(jī)驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能，對上肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練?？傮w方案為：
機(jī)身由平臺上面的機(jī)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(jī)構(gòu)、上肢屈伸機(jī)構(gòu)、上肢分合機(jī)構(gòu)和手腕轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)；各運(yùn)動機(jī)構(gòu)有單獨(dú)的電機(jī)和減速器驅(qū)動；傳動機(jī)構(gòu)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(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，立柱主要由三部分組成，內(nèi)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(jié)構(gòu)。
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(gè)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(shí)現(xiàn)精確定位。為了保證整個(gè)康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，各個(gè)零部件的垂直度，表面粗糙度都一定要達(dá)到設(shè)計(jì)的要求[15]，這樣才能使真?zhèn)€結(jié)構(gòu)在運(yùn)動的過程總不會出項(xiàng)卡死之類的現(xiàn)象，同時(shí)也減小了噪聲。
此外，立柱的電機(jī)通過加腹板的電機(jī)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(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖
面，這樣，電機(jī)和立柱就連接在一起，在前后擺的過程當(dāng)中，整個(gè)立柱就能隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動而一起運(yùn)動。同時(shí)，支承架的垂直度也要達(dá)到精度要求，這樣才能使電機(jī)軸與傳動軸的同軸度達(dá)到所需的要求。
1、前后擺機(jī)構(gòu)設(shè)（如圖2.1所示：）
康復(fù)機(jī)器人前后擺機(jī)構(gòu)主要的功能是對患者的上肢進(jìn)行前后擺康復(fù)訓(xùn)練。在設(shè)計(jì)的中，前后擺要滿足一下兩個(gè)要求：一是擺動的角度要足夠大，能夠?qū)颊呱现募珀P(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)進(jìn)行充分的康復(fù)訓(xùn)練；二是整個(gè)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性要好，在對患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的過程中，能夠在任何位置實(shí)現(xiàn)安全的停止。
因此，上肢前后擺機(jī)構(gòu)裝在基座上，由直流電機(jī)、減速器、渦輪蝸桿、傳動軸、軸承座等組成。其中直流減速電機(jī)固定在底座平天上，通過聯(lián)軸器將其與渦輪蝸桿連接在一起，再通過聯(lián)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(jī)控制電機(jī)，電機(jī)的帶動傳動軸，就可實(shí)現(xiàn)對上肢前后擺的康復(fù)訓(xùn)練。在實(shí)現(xiàn)前后擺動的過程當(dāng)中，渦輪蝸桿能夠?qū)C(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自鎖，使整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性大大的增加。前后擺電機(jī)通過滑塊型彈性聯(lián)軸器與蝸桿減速器相連，蝸桿減速器通過HL型柱銷彈性聯(lián)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(jī)座之間用套筒隔開，留有5mm的間隙。整體結(jié)構(gòu)較大，但是重量不大，此外軸承處要注意潤滑。
2、屈伸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖2.2 屈伸機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖
康復(fù)機(jī)器人的屈伸機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)對患者上肢進(jìn)行屈伸康復(fù)訓(xùn)練，以達(dá)到對患者肩關(guān)節(jié)肘和肘關(guān)節(jié)的康復(fù)目的。設(shè)計(jì)時(shí)，要使患者的上肢能夠得到足夠充分的空間進(jìn)行屈伸訓(xùn)練，因此，上肢屈伸機(jī)構(gòu)借助左右對稱布置的兩根可伸縮的立柱來實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。
可伸縮立柱由立柱座（箱體）、外套筒、內(nèi)套筒組成；而使之伸縮的機(jī)構(gòu)包括直流電機(jī)、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(nèi)套筒插裝在外套筒內(nèi)，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(nèi)沿軸向滑動。穿過側(cè)壁的傳動軸帶動左右的齒輪副，帶動絲杠同步的轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)套筒在立柱內(nèi)同步的向上下滑動，實(shí)現(xiàn)上肢的屈伸屈伸康復(fù)運(yùn)動。同時(shí)，為了使立柱內(nèi)套筒能夠安全的停止在任何一位置，設(shè)計(jì)絲杠時(shí)需讓絲杠具有自鎖的功能，讓患者可以在任何一位置進(jìn)行其他的康復(fù)訓(xùn)練。在前后擺的機(jī)構(gòu)中，主要有兩個(gè)零部件，一個(gè)是與立柱連接的立柱座，另一個(gè)就是康復(fù)機(jī)器人的機(jī)座。立柱座是將前后擺機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)連接在一起的關(guān)鍵部件，在里面安裝有錐齒輪運(yùn)動副，其目的是改變傳動鏈的傳動方向，使立柱實(shí)現(xiàn)上升下降，實(shí)現(xiàn)患者的上肢屈伸康復(fù)訓(xùn)練。與此同時(shí)，
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(jī)的帶動下，通過能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖的蝸桿減速器，使整個(gè)結(jié)構(gòu)能夠發(fā)生前后擺運(yùn)動，用以實(shí)現(xiàn)患者上肢的前后擺康復(fù)訓(xùn)練。
3、分合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖2.3 分合機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖
分合機(jī)構(gòu)是用來對患者進(jìn)行上肢分合康復(fù)訓(xùn)練而設(shè)計(jì)的。在設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)注意減噪的設(shè)計(jì)，并且要留有足夠大的空對患者的上肢進(jìn)行分合康復(fù)訓(xùn)練。由于整個(gè)康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸比較大，所以分合機(jī)構(gòu)衡梁也需要注意盡量減小重量，所以，衡梁的材料采用硬質(zhì)鋁合金。
經(jīng)過充分的考慮，上肢分合運(yùn)動的機(jī)構(gòu)借助安裝在橫梁上帶傳感器的直流減速電機(jī)、同步齒形帶傳動副、光感滑軌和把手來實(shí)現(xiàn)。其中橫梁分別與立柱內(nèi)套筒上端通過螺栓連接在一起，直流減速電機(jī)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(jī)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(shí)，一根光桿滑軌固定于橫梁的左右段機(jī)構(gòu)中。把手貫穿于光桿滑軌，并與同步帶連接在一起，啟動電機(jī)，就能夠?qū)崿F(xiàn)上肢的分合康復(fù)訓(xùn)練。
在康復(fù)訓(xùn)練中，兩根立柱在升降的過程中，難免會出現(xiàn)細(xì)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(gè)機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，最主要的就是橫梁的設(shè)計(jì)以及橫梁支承座的設(shè)計(jì)，橫梁支承座有兩個(gè)作用，一個(gè)是支撐橫梁，另一個(gè)是固定電機(jī)。同時(shí)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(shè)計(jì)稍有不同，其中一端采用了鉸接連接。另外，由于分合機(jī)構(gòu)采用的是同步齒形帶傳動，因此需要考慮相應(yīng)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(shí)現(xiàn)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(gè)C型槽，下部分是一個(gè)圓形的開孔法蘭盤，用螺栓將其與立柱內(nèi)套筒連接在一起，這樣，整個(gè)橫梁就與立柱連為一體了。
4、手腕轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖2.4 手腕康復(fù)結(jié)構(gòu)運(yùn)動簡圖
手腕康復(fù)機(jī)構(gòu)中，主要應(yīng)當(dāng)考慮對患者上肢的固定，重點(diǎn)在把手的設(shè)計(jì)。經(jīng)過查閱文獻(xiàn)充分思考之后，決定把手由手柄、把手支架、小臂護(hù)套組成，最后在把手上裝上直流減速電機(jī)，組成手腕的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)。直流減速電機(jī)通過螺釘將其固定于把手支架法蘭盤面上。小臂護(hù)套，通過吊環(huán)將其固定在把手支架上面。工作時(shí)，啟動電機(jī)，在單片機(jī)的控制下，帶動手柄繞電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動手腕的轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)手腕的康復(fù)訓(xùn)練[16]。
2.2 康復(fù)機(jī)器人框架造型的設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)的坐式上肢康復(fù)機(jī)器人，主體結(jié)構(gòu)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(gè)零部件的大小尺寸應(yīng)相對較小，用以減輕整體的重量。在綜合考慮了康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動空間受力之后，立柱套筒的壁厚設(shè)計(jì)為5mm。
表2.1是《人體主要尺寸表》[17]，根據(jù)其對人群中18~60歲成年男子和18~55歲成年女子各個(gè)主要不為尺寸的統(tǒng)計(jì)，本次設(shè)計(jì)康復(fù)機(jī)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(shù)
1 5 10 50 90 95
1 5 10 50 90 95
2.3 本章小結(jié)
本章針對康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，對其總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，構(gòu)建了機(jī)器人的運(yùn)動形式及外形框架。包括驅(qū)動方式的選取、驅(qū)動系和傳動系的設(shè)計(jì)，康復(fù)機(jī)器人整體尺寸及外形的設(shè)計(jì)。本章基本確定了康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動方案，在接下來的章節(jié)中，將對所需的電機(jī)、聯(lián)軸器以及蝸桿的選擇。
第3章 伺服元件選擇
本章的主要內(nèi)容是通過估算康復(fù)機(jī)器人的各個(gè)運(yùn)動參數(shù)，計(jì)算出所需直流電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩大小，并對其進(jìn)行產(chǎn)品選擇，接著對聯(lián)軸器以及蝸輪蝸桿的選擇。
3.1 電機(jī)選擇
3.1.1 升降機(jī)構(gòu)電機(jī)選擇
在立柱升降對患者進(jìn)行上肢屈伸康復(fù)訓(xùn)練的過程中，考慮到患者的承受能力，設(shè)定其移動速度為m/s ，立柱以上整體的質(zhì)量m=50kg，因此，得到功率
（3.1）
代入數(shù)據(jù)，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(jī)的功率
（3.2）
代入數(shù)據(jù)得到P=150W
當(dāng)立柱升降時(shí)，所受到的垂直方向的阻力。折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足折算前后前后的功率不變原則，考慮傳動機(jī)構(gòu)的傳動損耗，則有
（3.3）
式中 ——折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N m
F——工作機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動時(shí)運(yùn)動所受到的阻力，N
v——工作機(jī)構(gòu)的線速度，m/s
——電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min
——總的傳動效率
代入數(shù)據(jù)得
N. m
綜合考慮之后，選擇的是淄博床架電機(jī)有限公司的產(chǎn)品，其各參數(shù)見表3.1。
表3.1 電機(jī)參數(shù)
型號
輸出轉(zhuǎn)矩
（N mm）
輸出轉(zhuǎn)速（r/min）
功率
（W）
電壓
（V）
110SZ61
1043
1500
150
12
圖3.1 110SZ61電機(jī)
3.1.2 前后擺機(jī)構(gòu)電機(jī)選擇
本設(shè)計(jì)中，康復(fù)機(jī)器人的總體高度大約為m，質(zhì)量kg，轉(zhuǎn)動角速度=0.05rad/s，轉(zhuǎn)動角度=30°。
對于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，當(dāng)系統(tǒng)勻速轉(zhuǎn)動時(shí)，機(jī)械的負(fù)載功率為
/ (3.4)
式中 ——負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N. m
——旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s
—— 系統(tǒng)的傳動效率
當(dāng)=30°時(shí)，最大，且=250Nm，折算到電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩
=/（）
得到電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=75Nm，功率P=40w，轉(zhuǎn)速n=30rpm；
綜合考慮之后，選擇的是淄博床架電機(jī)有限公司的產(chǎn)品，其各參數(shù)見表3.2。
表3.2 電機(jī)參數(shù)
型號
輸出轉(zhuǎn)矩
（N. mm）
輸出轉(zhuǎn)速（r/min）
功率
（W）
電壓
（V）
110SZ55
83590
40
100
24
圖3.2 110SZ55減速電機(jī)
3.1.3 分合機(jī)構(gòu)電機(jī)選擇
在分合運(yùn)動的過程中，設(shè)計(jì)速度v=0.10m/s,單只手臂的質(zhì)量kg，把手與光桿滑軌的動摩擦因素，得到運(yùn)動所受到的阻力
（3.5）
式中 ——摩擦系數(shù)
——正壓力，N
代入數(shù)據(jù)得F=15N
因此，分和運(yùn)動過程當(dāng)中，所需要的功率
（3.6）
代入數(shù)據(jù)得到P=1.5W
綜合各方面的因素，所選擇的電機(jī)的功率為P=5W
根據(jù)公式（3.3），可得到轉(zhuǎn)換在電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩=0.6Nm
根據(jù)以上所算出的數(shù)據(jù)，選擇的是寧波儀表電機(jī)廠的直流減速伺服電機(jī)電機(jī)，具體各參數(shù)見表3.3。
表3.3 電機(jī)參數(shù)
型號
輸出轉(zhuǎn)矩
（N. m）
輸出轉(zhuǎn)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(jī)
3.1.4 手腕轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)電機(jī)的選擇
估算手掌的重量m=1kg，轉(zhuǎn)動的角度，角速度=0.5rad/s,回轉(zhuǎn)半徑r=0.1m,因此最大功率出即為處，故所需電機(jī)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(jī)，其廠家為寧波市鄞州易順減速器廠，具體個(gè)參數(shù)見表3.4。
表3.4 電機(jī)參數(shù)
減速比
輸出轉(zhuǎn)矩
（Kg. cm）
輸出轉(zhuǎn)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(jī)
3.2 聯(lián)軸器選擇
在升降與前后擺機(jī)構(gòu)的聯(lián)軸器選擇中，選擇的是十字滑塊性頂絲式彈性聯(lián)軸器。這種聯(lián)軸器有著許多的優(yōu)點(diǎn)①結(jié)構(gòu)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(shí)針與逆時(shí)針回轉(zhuǎn)特性完全相同。
升降機(jī)構(gòu)中，聯(lián)軸器為G4-25T；前后擺動機(jī)構(gòu)總電機(jī)與渦輪蝸桿連接的減速器是G4-63T，都是廣州鉅人自動化設(shè)備有限公司的產(chǎn)品，具體各參數(shù)見表3.5。
在蝸輪蝸桿與前后擺傳動的聯(lián)軸器選擇中，由于其傳動的轉(zhuǎn)矩非常大，故選擇的是HL型柱銷彈性聯(lián)軸器，型號是HL1，其廠家是上海聯(lián)軸器車墩業(yè)務(wù)部。
表3.5 聯(lián)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(zhì)量g
經(jīng)彈性系數(shù)Nm/rad
最高回轉(zhuǎn)系數(shù)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(shí)現(xiàn)康復(fù)機(jī)器人前后擺運(yùn)動的過程當(dāng)中，為了使患者上肢停在任一位置，本次設(shè)計(jì)選擇了用蝸輪蝸桿減速器實(shí)現(xiàn)機(jī)械自鎖。蝸輪蝸桿具有良好的特性：
①零件數(shù)目少，結(jié)構(gòu)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(jìn)入及逐漸推出嚙合的，同時(shí)嚙合的齒對又比較多，故沖擊載荷小，傳動平穩(wěn)，噪聲??；
③當(dāng)蝸桿的螺旋線升角小于嚙合面的當(dāng)量摩擦角時(shí)，蝸桿傳動變具有自鎖性。
在本次設(shè)計(jì)中選擇的蝸桿減速器型號是WD60，廠家是河北橋興減速機(jī)制造有限公司。
3.4 本章小結(jié)
本章的主要內(nèi)容是對伺服元件進(jìn)行選擇。在選擇之前，對所需電機(jī)的功率、輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，并根據(jù)其結(jié)果進(jìn)行了相應(yīng)的產(chǎn)品選擇，為下一步的零件設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
第4章 機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算
本章對康復(fù)機(jī)器人屈伸機(jī)構(gòu)中絲杠螺母副、錐齒輪副以及分合運(yùn)動中同步齒形帶進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)，并對關(guān)鍵的、受力受扭矩較大的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的校核計(jì)算。
4.1 絲杠設(shè)計(jì)
（1）耐磨性計(jì)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(shù)，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(jīng)查表取=2，材料為鋼-鑄鐵，速度=6~12m/s,=4~7MPa，取=6MPa
mm
根據(jù)實(shí)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(shù) =0.14
當(dāng)量摩擦角 =
<絲杠能實(shí)現(xiàn)自鎖性能。
（2）螺桿強(qiáng)度計(jì)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(qiáng)度計(jì)算
剪切強(qiáng)度條件
MPa<[]= 40MPa
螺紋高度，工作圈數(shù)
彎曲強(qiáng)度
MPa<［］=45~55MPa
（4）螺母外徑凸緣強(qiáng)度計(jì)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(jì)算
臨界載荷
，
滿足要求[21]
（6）絲杠效率
4.2 錐齒輪設(shè)計(jì)
1、選擇材料、熱處理方式，精度等級及齒數(shù)
根據(jù)常用的齒輪材料及力學(xué)性能表，選取兩齒輪的材料為，調(diào)質(zhì)處理，硬度190~240HBS，精度8級，取兩齒輪的齒數(shù)相同，==31。
2、按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
（1）確定參數(shù)數(shù)值
根據(jù)所選電機(jī)的參數(shù)，其輸出轉(zhuǎn)矩T=843mN/m，P=150w，查表，選取載荷系數(shù)，彈性系數(shù)MPa，齒寬系數(shù)=1，節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，接觸疲勞極限=560MPa，安全系數(shù)=1，接觸疲勞壽命系數(shù)=1.13，得需用接觸應(yīng)力
MPa
（2）確定傳動尺寸
取動載荷系數(shù)=1.1，是用系數(shù)=1.25，假設(shè)<100N/mm,齒間分配系數(shù)=1.2，齒向載荷分配系數(shù)=1.07，則
=13.8
對進(jìn)行修正
確定模數(shù)mm，查表，取=1mm，則mm，取齒寬系數(shù)=0.3，則，R=22mm，5.5mm
3、校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
（1）確定參數(shù)數(shù)值
查機(jī)《械設(shè)計(jì)手冊》，取齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù)
=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(yīng)力
=345.6MPa
=353.28MPa
（2）驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
=78.7MPa<
=31.5MPa<
滿足要求。
4.3 同步齒形帶設(shè)計(jì)
(1)模數(shù)m的選擇
根據(jù)所傳遞的功率，查表，確定模數(shù)mm
(2)確定帶輪齒數(shù) z
根據(jù)實(shí)際情況，經(jīng)查表，確定帶輪的齒數(shù)z=16
(3)帶輪節(jié)圓直徑D
mm
(4)驗(yàn)算線速度
m/s
(5)中心距
根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)情況，設(shè)定帶輪的中心距=600mm
(6)齒形帶的計(jì)算長度和齒數(shù)z
1350.72mm
通過查表《同步齒形帶接線長度》后，取=1319.5，同時(shí)得到同步帶的齒數(shù)z=140
(7)確定中心距A
, （4.3）
式中 ,
帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得
mm
(8)驗(yàn)算嚙合齒數(shù)
（4.4）
當(dāng)mm時(shí)，4；當(dāng)>2mm時(shí)，6
此時(shí)，=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(shù)，查表，取=1
——工作情況系數(shù)，查表，取=1
——增速傳動系數(shù)，經(jīng)查表，取=1
代入數(shù)據(jù)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(yīng)力
==0.008 Kg /<=0.05~0.08 Kg/ ,其中小輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，取=1
（12）齒壓比P
=0.0186<0.12
4.4 軸設(shè)計(jì)與校核
在整個(gè)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，受力最大的是前后擺運(yùn)動機(jī)構(gòu)當(dāng)中的傳動軸，因此，對此軸進(jìn)行相應(yīng)的校核計(jì)算
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
圖4.1 前后擺傳動軸
根據(jù)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(lián)軸器與渦輪蝸桿連接，其直徑為17mm，長度為30mm
（1）判斷危險(xiǎn)截面
由于只有Ⅱ截面處受的載荷，且受扭矩，所以對此進(jìn)行校核。
截面的應(yīng)力
（4.7）
式中 Mm——彎矩，Nm
W——抗彎截面模量
代入數(shù)據(jù)計(jì)算得到=3.125Mpa。
截面上的轉(zhuǎn)切應(yīng)力為
（4.8）
式中 T2——轉(zhuǎn)矩，Nm
WT——抗扭截面模量
代入數(shù)據(jù)計(jì)算的截面上的轉(zhuǎn)切應(yīng)力為156.25MPa。
MPa
由于軸選用40cr，調(diào)質(zhì)處理，所以
MPa，MPa，MPa
受力如圖4.2所示。
軸徑
（2）綜合系數(shù)的計(jì)算
由經(jīng)直線插入，知道因軸肩而形成的理論應(yīng)力集中為，，
軸的材料敏感系數(shù)為，，
故有效應(yīng)力集中系數(shù)為：
查得尺寸系數(shù)為，扭轉(zhuǎn)尺寸系數(shù)為，軸采用磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)為，軸表面未經(jīng)強(qiáng)化處理，即，則綜合系數(shù)值為
圖4.2 前后擺傳動軸受力示意圖
（3）碳鋼系數(shù)的確定
碳鋼的特性系數(shù)取為，。
安全系數(shù)的計(jì)算：
軸的疲勞安全系數(shù)為
（4.9）
（4.10）
（4.11）
式中 ——只考慮彎矩時(shí)的安全系數(shù)
——只考慮轉(zhuǎn)矩時(shí)的安全系數(shù)
——材料對稱循環(huán)的彎曲疲勞極限
——材料對稱循環(huán)的扭轉(zhuǎn)疲勞極限
——彎曲時(shí)軸的有效應(yīng)力集中系數(shù)
——扭轉(zhuǎn)時(shí)軸的有效應(yīng)力集中系數(shù)
——扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的應(yīng)力幅，MPa
——扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的平均應(yīng)力，MPa
——彎曲應(yīng)力的應(yīng)力幅，MPa
——彎曲應(yīng)力的平均應(yīng)力，MPa
——計(jì)算疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)
——疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)
代入數(shù)據(jù)計(jì)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(jì)算內(nèi)部軸向力
查表得知：7202AC型軸承（）
（4.12）
代入數(shù)據(jù)得 ==44N
（2）計(jì)算單個(gè)軸承軸向載荷
因此軸承1放松，軸承2壓緊
= =44
=+=44+250=294N
（3）當(dāng)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(zhuǎn)速，r/min
——壽命指數(shù)，對于球軸承
代入數(shù)據(jù)計(jì)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(jì)算
康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)中鍵起到了傳遞力和運(yùn)動的作用，因此鍵的選擇要達(dá)到一定的強(qiáng)度，防止因鍵連接的強(qiáng)度不夠?qū)е碌逆I斷裂，影響康復(fù)機(jī)器人整個(gè)結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)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(zhuǎn)矩
（Nm）
極限應(yīng)力
（MPa）
平鍵
6×6×50
20
44
3
125
100
平鍵強(qiáng)度條件為
=≤[] （4.14）
式中 T——傳遞的轉(zhuǎn)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(fēng)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(yīng)力。一般45#鋼的[]為100~120MPa
所以曲軸上的鍵的校核計(jì)算為
==95MPa≤120MPa
經(jīng)過校核，滿足條件[22]。
4.7 本章小結(jié)
本章是在前一章對結(jié)構(gòu)伺服元件的計(jì)算選擇基礎(chǔ)上，根據(jù)第2章總體結(jié)構(gòu)方案，主要設(shè)計(jì)和校核了各個(gè)部分的零件以及連接件。主要設(shè)計(jì)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(jié) 論
本論文綜合了各種上肢康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)上，通過對上肢的各種運(yùn)動原理的分析之后，設(shè)計(jì)出了這種坐式上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，采用電機(jī)驅(qū)動，用單片機(jī)進(jìn)行控制的方式。本設(shè)計(jì)通過實(shí)際的設(shè)計(jì)計(jì)算，結(jié)構(gòu)緊湊、重量較輕、噪聲小、運(yùn)動靈活，能夠完成對患者上肢的康復(fù)訓(xùn)練。本文主要完成了一下的工作：
1、對上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人進(jìn)行原理分析，并且了解國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。根據(jù)實(shí)際情況，選擇合理的設(shè)計(jì)方案，比如總體尺寸大小、材料以及驅(qū)動方式，完成對康復(fù)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
2、設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的零部件，完成驅(qū)動原件和標(biāo)準(zhǔn)件的選擇和校核，主要包括絲杠、齒輪、同步齒形帶等機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算。確定結(jié)構(gòu)尺寸，形狀，材料，動力等參數(shù)，對齒輪、主軸、軸承進(jìn)行必要的校核、驗(yàn)算；
3、手繪和計(jì)算機(jī)繪制相結(jié)合，繪制整體裝配圖及主要零部件的零件圖；
設(shè)計(jì)出的康復(fù)機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)對患者上肢的康復(fù)訓(xùn)練，安全的、靈活的完成各項(xiàng)康復(fù)動作。但是，要實(shí)現(xiàn)對其更加完美的設(shè)計(jì)，還有一些工作需要進(jìn)行，對一些地方進(jìn)行進(jìn)一步的完善：（1）對手臂的固定還有待進(jìn)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面還有空間進(jìn)一步的完善、進(jìn)一步減小整體結(jié)構(gòu)的重量。
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