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畢業(yè)設(shè)計開題報告
設(shè) 計 題 目: 上肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計
院 系 名 稱: 機(jī)電工程學(xué)院
專 業(yè) 班 級: 機(jī)械設(shè)計08-12班
學(xué) 生 姓 名:
導(dǎo) 師 姓 名:
開 題 時 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，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)器人實驗室從生物學(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?，分析了其非線性特性、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)計方案，進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計；
2、康復(fù)機(jī)器人上肢前后擺機(jī)構(gòu)設(shè)計及康復(fù)機(jī)器人屈伸機(jī)構(gòu)設(shè)計；
3、手繪和計算機(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)計及手腕轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計和伺服元件的選擇；
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
4.1總體方案設(shè)計
該康復(fù)機(jī)器人將采用電力驅(qū)動，用電機(jī)驅(qū)動來實現(xiàn)各個功能，對上肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。總體方案為：
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
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?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，就可實現(xiàn)對上肢前后擺的康復(fù)訓(xùn)練。在實現(xiàn)前后擺動的過程當(dāng)中，渦輪蝸桿能夠?qū)C(jī)構(gòu)實現(xiàn)自鎖，使整個結(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
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)計時，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現(xiàn)這個目的。
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(fù)運(yùn)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(shè)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(jìn)行其他的康復(fù)訓(xùn)練。
3、分合機(jī)構(gòu)設(shè)計
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)計的。在設(shè)計的過程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)注意減噪的設(shè)計，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，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
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。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，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
本次設(shè)計的坐式上肢康復(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(shè)計康復(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) ，撰寫開題報告；
2012.3.21—2012.4.03 確定設(shè)計方案，進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計；
2012.4.04—2012.4.17 康復(fù)機(jī)器人上肢前后擺機(jī)構(gòu)設(shè)計及康復(fù)機(jī)器人
屈伸機(jī)構(gòu)設(shè)計；
2012.4.18—2012.4.30 分合機(jī)構(gòu)設(shè)計及手腕轉(zhuǎn)動設(shè)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(jié)構(gòu)裝配圖及零件工作圖；
2012.6.06—2012.6.15 撰寫設(shè)計說明書，整理材料，準(zhǔn)備答辯
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