康復機器人的設(shè)計含NX三維及11張CAD圖

康復機器人的設(shè)計含NX三維及11張CAD圖,康復,痊愈,機器人,設(shè)計,nx,三維,11,十一,cad 設(shè)計（論文）報告用紙 第 13 頁 共 13 頁 設(shè)計研發(fā)一種對手部康復便攜式外骨骼機器 摘要-人類的手很容易受傷。物理康復治療后,總是需要一個很長的手部恢復時間,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機是一種基于治理機制的理論持續(xù)被動運動機器。改善康復結(jié)果和驗證理論，我們已經(jīng)開發(fā)出一種便攜式外骨骼機。該裝置非常容易連接以及調(diào)整來適應不同大小的手。在手指做屈伸運動的時候機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。最后基于它的機械結(jié)構(gòu)、運動學仿真和驗證等，運動學仿真和動態(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動能力。對于手的治療是一種非常重要的,因為在手中有很多小塊的肌肉。所以治理受傷的手是一個很艱巨的事情,時間會很長,康復訓練對手功能恢復很有效。損傷的手可能導致的社會經(jīng)濟困難，然而嚴重會引起的生理及情緒惡化。在康復訓練過程中，現(xiàn)在有三大類方法治療手運動功能障礙。一個是物理療法,二是通過運動或利用彈性支撐做被動運動。第三個方法事恢復受傷神經(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)展被動運動(CPM)，外骨骼肌以此為基礎(chǔ)康復理論已廣泛應用于臨床實踐。市場中有各種類型的CPM機，不僅針對大關(guān)節(jié)功能訓練，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。 然而，這些機器的大多數(shù)運動都是有限制的，驅(qū)動的自由程度和不集成傳感器等。他們不能做內(nèi)收外展運動和一些靈巧的動作功能鍛煉。也康復治療CPM機還停留在經(jīng)驗論水平上。沒有確切的科學數(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機是迫切需要的的發(fā)展的,他不僅能夠為您提供手功能的康復，還提供了一種定量檢測的和評價的手功能恢復的方法。 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作用。東京大學的科學家們在遙遠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動。有一個問題，開發(fā)的虛擬現(xiàn)實施加在手指指骨的手外骨骼的力，往往在一個方向施加，但康復治療的必須是雙向運動。有時候，在康復治療移動手指關(guān)節(jié)力太小。 羅格斯大學碩士應用氣動活塞驅(qū)動外骨骼可以發(fā)揮對在4指尖屈反饋作用 。它的研究適用于康復中風病人。另一個外骨骼聲控設(shè)備是由卡內(nèi)基 - 梅隆大學科學家開發(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現(xiàn)雙向運動。介紹了他的精確，可重復的手指運動及力測量，交互性，潛力巨大運動分類和統(tǒng)計登記和評估。垂直于手指指骨，在完成屈伸運動，所有上面介紹的外骨骼機都不能發(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[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)實應用應用程序，但達不到康復的目的。 本文內(nèi)容如下：第二節(jié)提出CPM機的設(shè)計目標和要求。第三節(jié)介紹了機械施工設(shè)備。對CPM機的運動驗證進行了討論。最后的結(jié)論，當前工作和未來可能的改進。 二 設(shè)計的目標和要求 我們的目標和CPM機器的要求設(shè)計如下：適合手尺寸的變化在完整的屈伸運動中，對手指指骨施加垂直力雙向運動安裝在手的背側(cè)以便釋放手掌空間此外，設(shè)備應該是重量輕，低高位置的自由運動和反向可驅(qū)動性容易控制。 三 機械設(shè)計 A 功能結(jié)構(gòu) 人類的手部結(jié)構(gòu)非常復雜。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/伸展的傾角和遠端拇指接頭耦合，但近端拇指和遠端指間展獨立的。人手的生理學如圖1所示。 圖1 人類生理學 進行了實驗研究，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)的運動進行了測量，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 彎曲或擴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和一對軟電纜齒輪組成。兩個靈活的彈簧管指導軟電纜外骨骼。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驅(qū)動雖然一對錐齒輪正齒輪機架，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 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，力量傳感器圓形機架可在導槽滑動。圓形的衣架設(shè)計，讓幾乎完全屈曲和在所有關(guān)節(jié)的延伸。輕松實現(xiàn)垂直力量所有關(guān)節(jié)的角度。他們還設(shè)計劃線，所以針對不同的方案鄰國的圓形衣架做不干預。機械施工的所有關(guān)節(jié)球軸承的支持。衣架的圓形設(shè)計，讓幾乎完全彎曲的所有關(guān)節(jié)的延伸。輕松實現(xiàn)垂直測量所有關(guān)節(jié)的角度。他們還設(shè)計劃線，所以針對不同的方陣臨近圓形衣架都不干預。球軸承支持所有關(guān)節(jié)的機械施工。 圖 4 CPM機的:(a)外骨骼機與拉伸手指模型(b)手指的彎曲 (c)彎曲及擴展單元 (d)爆炸的觀點/擴展彎曲單元。 圖 5 顯示一個CAD制圖的CPM機致動器模塊。為了簡化執(zhí)行機構(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)點電價支持獨立。為了使機制輕小,驅(qū)動電機必須放在遠離關(guān)節(jié)的地方。因此，我們使用線驅(qū)動器的方法。由于一根導線只能產(chǎn)生在一個方向的力，我們用兩根導聯(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與一對錐齒輪上（2:1傳輸速率）?？紤]性能，重量和噪音，我們最終選擇 “17N78-216E伺服電機。電機的重量是17克，電機的額定功率為3.2W。減速機內(nèi)置電機傳輸速率為88:1。最大手指關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)速度是驅(qū)動的機轉(zhuǎn)速17.7。手指運動周期為1.48s。執(zhí)行器單元的輸出扭矩可達1納米，這足夠驅(qū)動手指的。 圖 5CPM的機驅(qū)動器模塊:(a)致動器模塊,(b)和(c)彎曲/擴展單元(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機和驅(qū)動器模塊被單獨列出。 圖 7 手指和CPM機的側(cè)面:(a)在伸展的位置,(b)彎曲的位置。 圖 7 手指和CPM機頂視圖:(a)在正常位置(b)向外伸展的位置。 圖 8 特寫手指CPM機：（一）CPM的外骨骼機，（二）CPM機的驅(qū)動器模塊 在圖四中我們使用的是傳統(tǒng)壓力傳感器的應變片。機械力傳感器彈性結(jié)構(gòu),作為一個機械零配件應安裝在彎曲/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。 馬達位置傳感器是一個MR編碼器它安裝到電機軸上，它可以產(chǎn)生電機轉(zhuǎn)速的反饋信息。它可以用來控制電機的回路位置。 E.結(jié)構(gòu)類型分析 該機制的理論從結(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。運動學環(huán)節(jié)都有一定的運動性。如果一個旋轉(zhuǎn)小齒輪以恒定的速度，在2 O的時刻會達到平衡。 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)。康復角度關(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，所以康復的角度θ得到如下： 運動學的確認為了展現(xiàn)出性CPM機的適和任務(wù)的發(fā)展,對于他的運動一直在驗證。該驗證計算了運動學和逆向運動學。最后基于運動學和動力學執(zhí)行仿真。參考機器人關(guān)節(jié)坐標顯示在圖10。 A 向前運動學 對于CPM機，D-H參數(shù)在機器人的關(guān)節(jié)提供其他相關(guān)的信息類型和序列。機器人運動學參數(shù)如表所示： 機器人的尖端位置的坐標如下： 圖10 的機器人關(guān)節(jié)的坐標參考框架 機器人運動學參數(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 逆向運動學對于要計算的逆運動學機器人的工作空間和機器人控制的分析非常的重要。計算機器人的逆運動學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:運動學仿真模擬和動態(tài)仿真。值得關(guān)注的是，CPM機是兩項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現(xiàn)雙向運動可以將受傷的手指在最大角范圍做運動,以達到最佳治療效果。因此,上述典型功能的機器人進行了驗證允許檢查使用仿真工具(ADAMS軟件)設(shè)計康復的任務(wù)兼容性。兩種類型的仿真顯示康復訓練是如下,圖11(a)和(b)顯示手指的屈曲和右臂誘拐運動。 （1）運動學仿真 仿真機器人關(guān)節(jié)角位置、速度。仿真時間是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)計要求,也符合正?？祻湾憻挕? （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。在標志點上創(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）收縮擴展指間關(guān)節(jié)的扭矩（三）收縮和擴展的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。也會設(shè)計拇指模塊，包括現(xiàn)有的機制。整合所有接頭的傳感器，我們會做一些實驗，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。同時，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，這樣我們就可以改善CPM機控制方法，使它更好地滿足患者的要求，并一同促進康復理論的發(fā)展。