【正文】 中國計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)Design of rehabilitation medical device of lower limb joint學(xué)生姓名 學(xué)號 學(xué)生專業(yè) 機(jī)械電子工程 班級 08機(jī)電2班 二級學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 指導(dǎo)教師 李運(yùn)堂 副教授中國計(jì)量學(xué)院2012年5月致 謝本次畢業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)過幾個月的時間終于順利地完成了，期間最應(yīng)該感謝的是李運(yùn)堂老師。李運(yùn)堂老師無論在本論文的研究、設(shè)計(jì)還是寫作中始終給予了我無微不至的關(guān)懷和全面、細(xì)心的指導(dǎo)，尤其是在培養(yǎng)我嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯孔黠L(fēng)方面對進(jìn)行了嚴(yán)格的要求。在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的幾個月里，李老師嚴(yán)格地要求我，同時耐心地在理論和操作上幫助我，使我少走了很多彎路，給我提供了良好的學(xué)習(xí)知識和實(shí)踐的機(jī)會，對我論文的完成給予了莫大的幫助。李運(yùn)堂老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)、敏銳的思維、淵博的學(xué)識和極強(qiáng)的動手能力給我留下了極其深刻的印象，他對我的諄諄教誨和言傳身教使我受益無窮。導(dǎo)師淵博的知識、誨人不倦的師德、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、兢兢業(yè)業(yè)的工作作風(fēng)和對科學(xué)知識執(zhí)著的追求與探索精神深深的影響著我，不僅在學(xué)術(shù)上給我以動力和指導(dǎo)，而且從生活上，思想上激勵和教育我。在此，向我的導(dǎo)師致以最誠摯的謝意。另外，也要感謝沈凱超和張春杰同學(xué)在本設(shè)計(jì)的過程中對我的幫助，同時感謝學(xué)校能夠給我這樣一次鍛煉的機(jī)會，使自己在專業(yè)和實(shí)踐方面的能力到得到了提高。最后，在中國計(jì)量學(xué)院四年的本科學(xué)習(xí)中，得到了機(jī)電工程學(xué)院許多老師和同學(xué)的幫助，在此，一并向他們表示誠摯的感謝。摘 要：本文以關(guān)愛殘疾人，輔助患者進(jìn)行下肢關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)煉為出發(fā)點(diǎn)，在現(xiàn)有的裝置基礎(chǔ)上，對下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械裝置的優(yōu)化與改進(jìn)。首先，本文對機(jī)構(gòu)桿件、滾珠絲桿和電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與計(jì)算，并對機(jī)構(gòu)桿件和底座的材料進(jìn)行了分析與選擇。其次，本文通過用Solidworks2011軟件對裝置的各個零件進(jìn)行建模，并對主要零件進(jìn)行應(yīng)力分析。最后，本文通過用Solidworks2011軟件對裝置的總裝配圖進(jìn)行干涉檢查，分析與解決問題，優(yōu)化改進(jìn)裝置。 本裝置的作用是讓患者在術(shù)后，下肢能夠得到有效和及時的修復(fù)性鍛煉。具體功能是讓踝關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)左右擺動和足內(nèi)翻、足外翻，膝關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)伸縮和彎曲。該裝置保證患者在家里，沒有醫(yī)生指導(dǎo)的情況下，能夠自己操作，安全又可靠。關(guān)鍵詞：下肢關(guān)節(jié)；醫(yī)療器械；康復(fù)器械設(shè)計(jì)；Solidworks2011中圖分類號：TH122 Design of Rehabilitation Medical Device of Lower Limb JointAbstract: In order to take care of the disabled and assist in patients who want to do lower extremity joint exercise, this thesis on medical equipment optimization and improvement, which about lower extremity joint rehabilitation, bases on the existing device, can help them. Firstly, it does some design and calculation in the mechanism parts, ball screw and electrical parameters, meanwhile, the bar and base materials are analyzed and selected. Secondly, it not only creates the model of each part, but also dose stress analysis in the main parts with Solidworks2011. Finally, with the help of Solidworks2011, it optimizes and improves the device by conducting the interference detection of general assembly drawings, analysis and problem solving.The device function is to make the postoperative patients do repair training effectively and timely. The specific function is to make the ankle swings around, the foot turns in and out, the knee stretches and bends e ture. It ensures patients themselves be able to operate safely and reliably without a doctor’s guidance.Keywords：Lower limb joints。 medical devices。 rehabilitation device design。 SolidWorks2011Classification: TH122目 錄1 緒論 1 研究背景及意義 1 下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械的研究現(xiàn)狀 1 機(jī)械式踝關(guān)節(jié)康復(fù)輔具 1 電動踝關(guān)節(jié)功能康復(fù)輔具 2 智能化踝關(guān)節(jié)康復(fù)輔具 2 下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械的特點(diǎn) 3 本文研究的主要內(nèi)容 32 設(shè)計(jì)要求與方案比較 5 5 下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械設(shè)計(jì)方案確定 53下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械設(shè)計(jì) 7 7 7 8 9 10 10 11 13 電動機(jī)的型號選擇與設(shè)計(jì) 13 電動機(jī)類型選擇 13 14 15 15 15 164 下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械零件建模與應(yīng)力分析 17 17 17 18 18 18 195下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械系統(tǒng)建模、干涉分析與系統(tǒng)優(yōu)化 24 24 24 256總結(jié)與展望 28 28 28參考文獻(xiàn) 30附錄A：桿1零件圖 32附錄B：桿2零件圖 33附錄C：桿3零件圖 34附錄D：桿4零件圖 35附錄E：桿5零件圖 36附錄F：桿6零件圖 37附錄G：連接桿1零件圖 38附錄H：連接桿2零件圖 39附錄I：連接桿3零件圖 40附錄J：腳踏板零件圖 41附錄K：電機(jī)零件圖 42附錄L：滾珠絲杠零件圖 43附錄M：總裝配圖……………………………………………………...……………………..44作者簡歷 45學(xué)位論文數(shù)據(jù)集 46IV中國計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1 緒論 研究背景及意義殘疾人與健康人相比,在身體和心理方面都有其自身的特點(diǎn)。因此,作為殘疾人使用的康復(fù)醫(yī)療器械與一般的健身器材有很大不同。我國最早的成套康復(fù)訓(xùn)練器械是從國外進(jìn)口的。上世紀(jì)80年代末,中國針對殘疾人成立了殘疾人康復(fù)訓(xùn)練中心,從日本引進(jìn)了大量的康復(fù)醫(yī)療器械。經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn),殘疾人康復(fù)訓(xùn)練中心成立了康復(fù)工程研究所,這個研究所的只要目的是結(jié)合臨床醫(yī)學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，采用科學(xué)有效的技術(shù)手段，給殘疾人提供和研發(fā)一些康復(fù)訓(xùn)練的器械，包括一系列的研發(fā)、生產(chǎn)、售后服務(wù)性的指導(dǎo)殘疾人操作，維修服務(wù)的一條龍服務(wù)，在進(jìn)行質(zhì)量的反饋，從而改進(jìn)設(shè)備的技術(shù)，為殘疾人提供更舒適，更方便的醫(yī)療器械。在最近研究的十幾年時間里,參考與借鑒了國內(nèi)外的許多先進(jìn)技術(shù)與設(shè)備,我們自己已經(jīng)設(shè)計(jì)研發(fā)出了各種功能的康復(fù)醫(yī)療器械，有了自己的一套設(shè)計(jì)理念與方案，而不是光光靠引進(jìn)外國的技術(shù)手段。下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械對下肢行走有困難的患者提供了很大的方便，尤其是對術(shù)后的患者，還有就是截肢的患者和裝了假肢的患者，給他們提供了一個康復(fù)訓(xùn)練的好機(jī)會與好方法，加快他們的康復(fù)效果。同時，現(xiàn)在馬路上的車輛越來越多，從而交通事故也越來越多，再者人口老齡化導(dǎo)致引起的骨質(zhì)疏松的人越來越多，加之現(xiàn)代的年輕人越來越提倡體育運(yùn)動，現(xiàn)在這個社會提倡運(yùn)動美，注重對身體的保養(yǎng)，都比較加強(qiáng)運(yùn)動。年輕人在運(yùn)動的時候難免會受傷，比如打籃球的時候手扭傷，踢足球的時候腳扭傷等等。有關(guān)數(shù)據(jù)研究統(tǒng)計(jì)，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的受傷和韌帶的拉傷的人的比例在不斷的上升。這樣的患者在手術(shù)后都要面臨同樣的一個結(jié)果，就是在家靜養(yǎng)。其實(shí)術(shù)后不及時的鍛煉，就坐那靜養(yǎng)的方法是不對的，長時間地不動會導(dǎo)致肌肉的萎縮、關(guān)節(jié)僵直的嚴(yán)重后果。所以為了保證在手術(shù)后能都快速的恢復(fù)肢體的運(yùn)動能力，有人研發(fā)了下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械這種康復(fù)醫(yī)療器械，幫助患者術(shù)后修復(fù)鍛煉。 下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械的研究現(xiàn)狀 機(jī)械式下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械機(jī)械式踝關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械的使用方法是，人體靠在板上站直，收扶著桿，系上安全帶，腳踩在踝關(guān)節(jié)的矯正板上，依靠人體調(diào)節(jié)自身的重量是裝置保持一定的角度。所以人通過踩在不同的板上可以實(shí)現(xiàn)不同的矯正作用?？梢詫?shí)現(xiàn)腳踝的內(nèi)外翻轉(zhuǎn)等。由于此裝置要通過人體來調(diào)節(jié)角度，所以必須能夠承受整個人體的重量，所以對裝置的剛度與強(qiáng)度要求很高，在材料選擇方面必須細(xì)致。機(jī)械式踝關(guān)節(jié)康復(fù)器械雖然操作起來很簡單，但是如果在家里沒有矯形醫(yī)師的指導(dǎo)的情況下，患者通過自身能力來調(diào)整踝關(guān)節(jié)矯正角度，可能會產(chǎn)生事與愿違的效果。 機(jī)械式踝關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械 電動式下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械電動式下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械采用了CPU全微電腦控制，裝置運(yùn)行情況可以通過LCD雙屏背光液晶顯示。電動式下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械的運(yùn)動角度、速度、時間等參數(shù)都可以通過通過CPU控制，LCD液晶顯示出來。操作簡單方便，患者很容易上手。而且該裝置還有力矩控制和超力矩保護(hù)的功能，能夠確?；颊呤褂冒踩?。 電動踝關(guān)節(jié)功能康復(fù)輔具 智能型下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械智能型踝關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械是在電動式下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械的基礎(chǔ)上，加入了智能的元素。例如，裝置在運(yùn)行的時候，如果遇到突發(fā)事件，能夠自行反轉(zhuǎn)，而且該裝置的力矩能夠任意的設(shè)置?？梢宰尰颊咴谑褂醚b置時更加安全可靠。最重要的是該裝置還可以設(shè)定關(guān)機(jī)時間，為臨床使用和管理提供了方便。 智能化踝關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械 下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械的特點(diǎn)下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械是一種智能化踝關(guān)節(jié)康復(fù)輔具，貫穿了康復(fù)醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)械學(xué)、機(jī)械力學(xué)、電子學(xué)以及材料學(xué)等諸多領(lǐng)域，已經(jīng)成為國際研究熱點(diǎn)。下肢關(guān)節(jié)康復(fù)器供下肢關(guān)節(jié)功能患者作康復(fù)輔助治療用。由于關(guān)節(jié)被動活動能促進(jìn)創(chuàng)傷后關(guān)節(jié)液的分泌和吸收的循環(huán)，能促進(jìn)軟骨的再生，防止粘連，減少痛苦的作用，因此下肢關(guān)聯(lián)康復(fù)器對關(guān)節(jié)手術(shù)后的康復(fù)鍛煉都適用。下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械是實(shí)現(xiàn)人體在保持良好的坐姿下，使人體腳踝和膝蓋在一個平面內(nèi)，得以伸縮和彎曲，像正常人行走一樣的反復(fù)運(yùn)動，從而使踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)得意修復(fù)。具體是通過CPU控制，使電機(jī)帶動腳踏板的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和滾珠絲桿直線運(yùn)動，再使機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)伸縮彎曲運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)人體腳踝及膝蓋的模擬行走鍛煉，使腳踝和膝蓋具有一定的靈活性。 下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械 本文研究的主要內(nèi)容下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械設(shè)計(jì)必然是一個挑戰(zhàn)。裝置的機(jī)械構(gòu)件長度，運(yùn)動分析與模擬；滾珠絲桿的參數(shù)選擇與精度計(jì)算；電機(jī)的參數(shù)計(jì)算與選型決定了它需要更為合理的設(shè)計(jì)方案。裝置每個部分的配合運(yùn)動的優(yōu)劣不僅直接影響患者舒適性，還決定整個裝置的穩(wěn)定性和連貫性。裝置機(jī)械構(gòu)件的連接與運(yùn)動是通過對人體行走時下肢關(guān)節(jié)（踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)）的運(yùn)動情況來設(shè)計(jì)的。通過分析人體骨骼模型和關(guān)節(jié)運(yùn)動建立人體簡化模型。通過分析步行特征初步掌握關(guān)節(jié)運(yùn)動協(xié)調(diào)規(guī)律。采用簡化模型分析人體運(yùn)動學(xué)特性。通過這些特征的研究，合理設(shè)計(jì)出舒適又靈活可靠的桿件機(jī)構(gòu)，使其與人體運(yùn)動達(dá)到協(xié)調(diào)統(tǒng)一。滾珠絲桿的設(shè)計(jì)通過，四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動情況來計(jì)算，確定滾珠絲桿的軸向最大載荷，運(yùn)動速度，公稱直徑和公稱導(dǎo)程。從而可以得出滾珠絲桿的型號和精度。滾珠絲桿副在負(fù)載時，其滾珠與滾道面接觸點(diǎn)處將產(chǎn)生彈性變形。滾珠絲桿是把絲桿的回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為螺母的直線運(yùn)動，換向時，其軸向間隙會引起空回。這種空回是非連續(xù)的，既影響傳動精度，又影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電機(jī)的選擇與設(shè)計(jì)，根據(jù)滾珠絲桿的速度，轉(zhuǎn)速，公稱直徑和公稱導(dǎo)程計(jì)算。包括電機(jī)的型號，轉(zhuǎn)速，功率。電機(jī)的參數(shù)選擇直接影響整個裝置的穩(wěn)定性。本章就以上問題進(jìn)行了深入討論。研究下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械，主要是對要進(jìn)行下肢關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的人來說，下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械可以控制使其模擬正常人的行走動作、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)對下肢的康復(fù)訓(xùn)練。下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械可以實(shí)現(xiàn)正常人行走時膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的收縮和伸展，鍛煉下肢肌肉，恢復(fù)神經(jīng)系統(tǒng)對行走能力的控制，達(dá)到恢復(fù)行走機(jī)能的目的。本文以關(guān)愛殘疾人為出發(fā)點(diǎn)，著眼于下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)原理和機(jī)電傳動等課程為基礎(chǔ)，同時參考、借鑒其他領(lǐng)域的方案，設(shè)計(jì)下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械的結(jié)構(gòu)方案，其主要研究內(nèi)容歸結(jié)為以下三方面：一、運(yùn)用ADAMS運(yùn)動分析裝置的運(yùn)動，得出機(jī)構(gòu)模擬運(yùn)動的相關(guān)參數(shù)。根據(jù)機(jī)構(gòu)桿件的運(yùn)動參數(shù)，計(jì)算滾珠絲桿和電機(jī)的相關(guān)參數(shù)，選擇滾珠絲桿與電機(jī)的型號。二、根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，參考已成熟的設(shè)計(jì)方案，選定合適的材料，根據(jù)計(jì)算尺寸，使用SolidWorks2011三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件建模各個零件，然后裝配總的工程圖。三、使用SolidWorks2011軟件中的應(yīng)力分析插件工具（COSMOSXpress2011）對主要零件進(jìn)行應(yīng)力分析，根據(jù)分析結(jié)果改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，使下