3373 上肢康復機器人結構設計

3373 上肢康復機器人結構設計,上肢,康復,痊愈,機器人,結構設計 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: 王春生 導 師 姓 名: 陳 曦 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(jù)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(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，由于交通運輸工具的迅速增長，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)以百萬計的有神經(jīng)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(jīng)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(zhì)量，治療、康復和服務于他們的產(chǎn)品的技術和質(zhì)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(jù)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(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(nèi)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(lián)機構，通過剛度調(diào)節(jié)實現(xiàn)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(jīng)網(wǎng)絡方法，實現(xiàn)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(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(shù)據(jù)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(lián)機器人的位置及力控制，采用了模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)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(xiàn)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(nèi)容和擬解決的主要問題3.1 基本內(nèi)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(xiàn)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(nèi)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(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。這樣通過單片機控制電機，電機的帶動傳動軸，就可實現(xiàn)對上肢前后擺的康復訓練。在實現(xiàn)前后擺動的過程當中，渦輪蝸桿能夠對機構實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)這個目的?？缮炜s立柱由立柱座（箱體）、外套筒、內(nèi)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(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(xiàn)內(nèi)套筒在立柱內(nèi)同步的向上下滑動，實現(xiàn)上肢的屈伸屈伸康復運動。同時，為了使立柱內(nèi)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(zhì)鋁合金。經(jīng)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(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(xiàn)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(xiàn)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(jīng)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(xiàn)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(jù)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(shù) 1 5 10 50 90 95 1 5 10 50 90 955 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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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] 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