【正文】 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。 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。 noise 黑龍江工程學(xué)院學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 第 1 章 緒論 概述 據(jù)報(bào)道，我國 60 歲以上的老年人已有 億，占全國人口的 11％，到 2050 年將達(dá)到 億。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(dòng)障礙。 康復(fù)機(jī)器人是康復(fù)設(shè)備的一種類型。康復(fù)肢體運(yùn)動(dòng)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(dòng)人的大小臂大小腿康復(fù)運(yùn)動(dòng)功能 ,而不能帶動(dòng)手腳各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)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(dòng)人手腕關(guān)節(jié)手指各個(gè)關(guān)節(jié)都能運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手托板 ,在小腿鉸鏈桿上安裝了可以帶動(dòng)人腳踝腳指各個(gè)關(guān)節(jié)都能運(yùn)動(dòng)的機(jī)械腳托板后實(shí)現(xiàn)的 ,用途是康復(fù)肢體運(yùn)動(dòng)功能 ,帶動(dòng)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(dòng)作 ,通過較長時(shí)間的被動(dòng)運(yùn)動(dòng)鍛煉 ,最終使殘疾人患肢的主黑龍江工程學(xué)院學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 動(dòng)運(yùn)動(dòng)功能得到康復(fù)。 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]。對于中風(fēng)、偏癱、 上 肢運(yùn)動(dòng)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。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。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。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(dòng)輪椅上安裝了一個(gè)六自由度的機(jī)械手，能夠幫助行動(dòng)不便的老人和殘疾人獨(dú)立的行動(dòng)。 S. Tachi 等人在 MIT 日本實(shí)驗(yàn)室研制了一種移動(dòng)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)?？祻?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(dòng)系統(tǒng)的功能。運(yùn)動(dòng)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(dòng)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。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。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 MITMANUS ,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(dòng)。圖 為 MITMANUS [12]在治療中風(fēng)病人。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(dòng)性。 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(dòng)能力不足時(shí)提供更大的輔助，而在患者有能力完成動(dòng)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。 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(dòng)參數(shù)，提供實(shí)時(shí)反饋、遠(yuǎn)程訓(xùn)練等。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。 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(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)由單獨(dú)的電機(jī)和減速器驅(qū)動(dòng)，而傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的主件分別是傳動(dòng)軸、絲杠螺母副、同步齒形帶。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。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)。 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 前后擺機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖 黑龍江工程學(xué)院學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 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(dòng)而一起運(yùn)動(dòng)。 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(dòng)軸、軸承座等組成。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(dòng)軸相連。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。穿過側(cè)壁的傳動(dòng)軸帶動(dòng)左右的齒輪副，帶動(dòng)絲杠同步的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)套筒在立柱內(nèi)同步的向上下滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上肢的屈伸屈伸康復(fù)運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)， 箱體的下端，通過鍵將其與一根傳動(dòng)軸相連，在前后擺減速電機(jī)的帶動(dòng)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(dòng)，用以實(shí)現(xiàn)患者上肢的前后擺康復(fù)訓(xùn)練。 經(jīng)過充分的考慮，上肢分合運(yùn)動(dòng)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(dòng)副、光感滑軌和把手來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，一根光桿滑軌固定于橫梁的左右段機(jī)構(gòu)中。同時(shí)考慮到消除因絲杠傳動(dòng)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。 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖 手腕康復(fù)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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)。工作時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)，在單片機(jī)的控制下，帶動(dòng)手柄繞電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手腕的康復(fù)訓(xùn)練 [16]。包括驅(qū)動(dòng)方式的選取、驅(qū)動(dòng)系和傳動(dòng)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)。折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 LT 應(yīng)滿足折算前后前后的功率不變原則，考慮傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的 傳動(dòng)損耗，則有 L cMFvT n?? （ ） 式中 LT —— 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(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)所受到的阻力， N v—— 工作機(jī)構(gòu)的線速度， m/s Mn —— 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速， r/min 黑龍江工程學(xué)院學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 c? —— 總的傳動(dòng)效率 代入數(shù)據(jù)得 5 0 0 0 .19 .5 5 0 .9 10 .3 5 1 5 0 0LT ?? ? ?? 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 。 黑龍江工程學(xué)院學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 表 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 110SZ55減速電機(jī) 分合機(jī)構(gòu)電機(jī)選擇 在分合運(yùn)動(dòng)的過程中，設(shè)計(jì)速度 v=,單只手臂的質(zhì)量 5m? kg， 把手與光桿滑軌的動(dòng)摩擦因素 ? ，得到運(yùn)動(dòng)所受到的阻力 F fN? （ ） 式中 f —— 摩擦系數(shù) N —— 正 壓力， N 代入數(shù)據(jù)得 F=15N 因此，分和運(yùn)動(dòng)過程當(dāng)中，所需要的功率 P Fv? （ ） 代入數(shù)據(jù)得到 P= 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（ ），可得到轉(zhuǎn)換在電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩 LT = 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 。 升降機(jī)構(gòu)中，聯(lián)軸器為 G425T；前后擺動(dòng)機(jī)構(gòu)總電機(jī)與渦輪蝸桿連接的減速器是G463T，都是廣州鉅人自動(dòng)化設(shè)備有限公司的產(chǎn)品，具體各參數(shù)見表 。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(dòng)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(dòng)平穩(wěn)，噪聲小； 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(dòng)變具有自鎖性。 黑龍江工程學(xué)院學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 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(dòng)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。 （ 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 250 0 .2 73 .1 4 1 6 0 .6 5 4 7aFD b u? ?? ? ?? ? ? ?MPa[? ]= 40MPa 螺紋高度 2 2 1 4 2 8Hd? ? ? ? ?，工作圈數(shù) 28 74Hu P? ? ? 彎曲強(qiáng)度 ? ?? ? 22 6 2 5 0 1 6 1 4 / 26 0 . 6 33 . 1 4 1 6 0 . 6 5 4 7ab FlD b u? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ?MPa［ b? ］ =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 ? ? ? ?2422223 .1 4 1 1 .53 .1 4 564 1 1 7 5 0 8 N0 .6 1cEIFul? ???? ? ??， 滿足要求 [21] （ 6）絲杠效率 ? ? ? ?39。A 根 據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)情況，設(shè)定帶輪的中心距 39。39。 截面上的轉(zhuǎn)切應(yīng)力為 2T TTW? ? （ ） 式中 T2—— 轉(zhuǎn)矩， Nm 黑龍江工程學(xué)院學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 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 。 軸承校核 固定絲杠軸軸承 7202AC 的校核。在本設(shè)計(jì) 中鍵起到了傳遞力和運(yùn)動(dòng)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。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。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(dòng)方式，完成對康復(fù)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的零部件，完成驅(qū)動(dòng)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。14THBMESI[C]． [s． l]： [s． n]， 1995. [11]Ell Yetalmn． The application of neural。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。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(dòng)靈活，能夠完成對患者上肢的康復(fù)訓(xùn)練。一般 45鋼的 [ p? ]為100~120MPa 所以曲軸上的鍵的校核計(jì)算為 黑龍江工程學(xué)院學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 p? = 20443 1250002 ??? =95MPa≤120MPa 經(jīng)過校核，滿足條件 [22]。 因此 1 1 4 4 0 4 4P ? ? ? ? 2 1 44 0 44P ? ? ? ? （ 4）軸承壽命的校核 黑龍江工程學(xué)院學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 基本額定壽命為： ?)(601016Ah PCrnL ? （ ） 式中 rC —— 基本額定動(dòng)載荷 1n —— 軸承轉(zhuǎn)速， r/min ? —— 壽命指數(shù)，對于球軸承 3?? 代入數(shù)據(jù)計(jì)算得到軸承壽命為 hL = ? h， 因此軸承壽命足夠大，滿足 要求 [20]。 軸徑 ? ?3 m in11 6 m m 0 . 1 ebMdd???? （ 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 ??q ， ??q ， 故有效應(yīng)力集中系數(shù)為： )1(1 ???? ??? ?qk )1(1 ???? ??? ?qk 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 1?q? ，則綜合系數(shù)值為 ???? ???? ??kK ???? ???? ??kK 黑龍江工程學(xué)院學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 圖 前后擺傳動(dòng)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 ??? ， ??? 。L = mm ，同時(shí)得到同步帶的齒數(shù) z=140 (7)確定中心距 A 22A X X Y? ? ?,