【正文】 要 康復機器人是康復設備的一種類型，康復機器人技術早已廣受世界各國科研工作者和醫(yī)療機構的普遍重視，其中以歐美和日本的成果最為顯著。 康復機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得到套筒的固定和定位。 noise 黑龍江工程學院學院本科生畢業(yè)設計 2 第 1 章 緒論 概述 據(jù)報道，我國 60 歲以上的老年人已有 億，占全國人口的 11％，到 2050 年將達到 億。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。 康復機器人是康復設備的一種類型。康復肢體運動功能用機械肢體組合系列機器人 ,是多種同類機器人屬于機器人領域 ,解決了本人發(fā)明的實用新型專利半身不遂患者康復學步機 ,只能帶動人的大小臂大小腿康復運動功能 ,而不能帶動手腳各關節(jié)運動的重大不足 ,主要技術特征是將半身不遂患者康 復學步機略加改進后 ,在學步機的小臂絞鏈桿上安裝了可以帶動人手腕關節(jié)手指各個關節(jié)都能運動的機械手托板 ,在小腿鉸鏈桿上安裝了可以帶動人腳踝腳指各個關節(jié)都能運動的機械腳托板后實現(xiàn)的 ,用途是康復肢體運動功能 ,帶動患肢的各個關節(jié)、每塊骨骼、每塊肌肉、每個筋鍵、每條神經(jīng)都在作患者萬分渴望而大腦又支配不了的動作 ,通過較長時間的被動運動鍛煉 ,最終使殘疾人患肢的主黑龍江工程學院學院本科生畢業(yè)設計 3 動運動功能得到康復。 康復機器人有兩種：輔助型康復機器人和康復訓練機器人 [3]。對于中風、偏癱、 上 肢運動機能損傷等患者來說，上 肢康復訓練機器人有著很好的治療效果。種機械手安裝在一個徹底結構化的控制平臺上，在固定的空間內操作，具有足夠自由度的串聯(lián)機器人再配上適合殘疾人使用的人機界面是這種機器人典型的設計模式。隨后他對樣機進行了改造，也使得 Handy1 成為歷史上最成功的康復機器人。這種機械手已經(jīng)成為面向應用的流行設計， KARES[5]系統(tǒng)，就是一種基于輪椅的機械手系統(tǒng)，在電動輪椅上安裝了一個六自由度的機械手，能夠幫助行動不便的老人和殘疾人獨立的行動。 S. Tachi 等人在 MIT 日本實驗室研制了一種移動式康復機器人 MELDOG[6] ，作為“倒盲狗”以幫助盲人完成操作和搬運物體的任務?？祻椭委煓C器人在醫(yī)療實踐上主要是用于恢復患者肢體運動系統(tǒng)的功能。運動技能的學習或再學習，這是一個囊括 了競爭運動控制理論、訓練技術和人機接口問題等諸多方面的復雜問題。單手刀技術水平限制，長期停留在“打關節(jié)”康復范圍。美國麻省理工學院研制了一種幫助中風患者康復治療的機器人 MITMANUS ,它有 2 個自由度 ,可以實現(xiàn)病人的肩、肘和手在水平和豎直平面內的運動。圖 為 MITMANUS [12]在治療中風病人?；谔摂M環(huán)境的康復訓練通常與網(wǎng)絡相結合，因此，不僅具有遠程康復機器人系統(tǒng)的優(yōu)點，還提高了患者進行康復訓練的能動性。 3. 力反饋：機器人應該能夠實時檢測患者與機器人之間的相互作用力 ，在患者主動能力不足時提供更大的輔助，而在患者有能力完成動作時，適當減小輔助甚至施加阻力，以便充分發(fā)揮患者殘存的功能。 機器人具備許多人類所無法比擬的優(yōu)點，例如：長期、穩(wěn)定地重復訓練，精確、客觀地測定訓練與運動參數(shù)，提供實時反饋、遠程訓練等。由于我國的康復醫(yī)學事業(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)展康復訓練醫(yī)療機器人系統(tǒng)更具實際意義。 本課題主要研究內容 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。就本設計而言，設計的主體是兩根可升降的立柱，放于地面與立柱相連的機座、橫梁、與機座相連的立柱座、同步齒型 帶及帶輪等等。在康復機器人結構設計中，立柱主要由三部分組成，內套筒、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構。 此外，立柱的電機通過加腹板的電機支承架固定，支架通過螺釘固定在立柱座上 圖 前后擺機構運動簡圖 黑龍江工程學院學院本科生畢業(yè)設計 9 面，這樣，電機和立柱就連接在一起，在前后擺的過程 當中，整個立柱就能隨著電機的轉動而一起運動。 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。前后擺電機通過滑塊型彈性聯(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)軸器與傳動軸相連。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。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)內套筒在立柱內同步的向上下滑動，實現(xiàn)上肢的屈伸屈伸康復運動。與此同時， 箱體的下端，通過鍵將其與一根傳動軸相連，在前后擺減速電機的帶動下，通過能夠實現(xiàn)自鎖的蝸桿減速器，使整個結構能夠發(fā)生前后擺運動，用以實現(xiàn)患者上肢的前后擺康復訓練。 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)。同時，一根光桿滑軌固定于橫梁的左右段機構中。同時考慮到消除因絲杠傳動不精確帶來的誤差，兩端支承座的設計稍有不同，其中一端采用了鉸接連接。 手腕轉動機構設計 圖 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。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 [16]。包括驅動方式的選取、驅動系和傳動系的設計，康復機器人整體尺寸及外形的設計。折算到電動機軸上的負載轉矩 LT 應滿足折算前后前后的功率不變原則，考慮傳動機構的 傳動損耗，則有 L cMFvT n?? （ ） 式中 LT —— 折算到電機軸上的負載轉矩， N m F—— 工作機構直線運動時運動所受到的阻力， N v—— 工作機構的線速度， m/s Mn —— 電動機的轉速， r/min 黑龍江工程學院學院本科生畢業(yè)設計 14 c? —— 總的傳動效率 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有限公司的產(chǎn)品，其各參數(shù)見表 。 黑龍江工程學院學院本科生畢業(yè)設計 15 表 電機參數(shù) 型號 輸出轉矩 （ N. mm） 輸出轉速（ r/min） 功率 （ W） 電壓 （ V） 110SZ55 83590 40 100 24 圖 110SZ55減速電機 分合機構電機選擇 在分合運動的過程中，設計速度 v=,單只手臂的質量 5m? kg， 把手與光桿滑軌的動摩擦因素 ? ，得到運動所受到的阻力 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，分和運動過程當中，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，所選擇的電機的功率為 P=5W 根據(jù)公式（ ），可得到轉換在電機軸上的轉矩 LT = 根據(jù)以上所算出的數(shù)據(jù)，選擇的是寧波儀表電機廠的直流減速伺服電機電機，具體各參數(shù)見表 。 升降機構中，聯(lián)軸器為 G425T；前后擺動機構總電機與渦輪蝸桿連接的減速器是G463T，都是廣州鉅人自動化設備有限公司的產(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，結構緊湊； ② 在蝸桿傳動中，由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，它和蝸輪齒是逐漸進入及逐漸推出嚙合的，同時嚙合的齒對又比較多，故沖擊載荷小，傳動平穩(wěn)，噪聲??； ③ 當蝸桿的螺旋線升角小于嚙合面的當量摩擦角時，蝸桿傳動變具有自鎖性。 黑龍江工程學院學院本科生畢業(yè)設計 18 第 4章 機械機構設計與計算 本章對康復機器人屈伸機構中絲杠螺母副、錐齒輪副以及分合運動中同步齒形帶進行了設計計，并對關鍵的、受力受扭矩較大的結構進行了相應的校核計算。 （ 2）螺桿強度計算 由于螺桿所受到的軸向力不是很大，故略 （ 3）螺母螺紋牙強度計算 剪切強度條件 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）螺母外徑凸緣強度計算 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)實際設計情況，設定帶輪的中心距 39。39。 截面上的轉切應力為 2T TTW? ? （ ） 式中 T2—— 轉矩， Nm 黑龍江工程學院學院本科生畢業(yè)設計 24 WT—— 抗扭截面模量 代入數(shù)據(jù)計算的截面上的轉切應力為 。 軸承校核 固定絲杠軸軸承 7202AC 的校核。在本設計 中鍵起到了傳遞力和運動的作用，因此鍵的選擇要達到一定的強度，防止因鍵連接的強度不夠導致的鍵斷裂，影響康復機器人整個結構的正常運行，甚至發(fā)生事故。主要設計校核的零件有：絲杠、錐齒輪、同步齒型帶、軸、鍵、支撐連接件等。根據(jù)實際情況，選擇合理的設計方案，比如總體尺寸大小、材料以及驅動方式，完成對康復機器人總體結構設計； 設計出系統(tǒng)的零部件，完成驅動原件和標準件的選擇和校核，主要包括絲杠、齒輪、同步齒形帶等機構的設計計算。14THBMESI[C]． [s． l]： [s． n]， 1995. [11]Ell Yetalmn． The application of neural。但是，要實現(xiàn)對其更加完美的設計，還有一些工作需要進行，對一些地方進行進一步的完善： （ 1） 對手臂的固定還有待進一步完善，使得對手臂的固定能是患者感覺更加的舒適； （ 2） 在整體框架結構的設計方面還有空間進一步的完善、進一步減小整體結構的重量。本設計通過實際的設計計算，結構緊湊、重量較輕、噪聲小、運動靈活，能夠完成對患者上肢的康復訓練。一般 45鋼的 [ p? ]為100~120MPa 所以曲軸上的鍵的校核計算為 黑龍江工程學院學院本科生畢業(yè)設計 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 黑龍江工程學院學院本科生畢業(yè)設計 27 基本額定壽命為： ?)(601016Ah PCrnL ? （ ） 式中 rC —— 基本額定動載荷 1n —— 軸承轉速， r/min ? —— 壽命指數(shù)，對于球軸承 3?? 代入數(shù)據(jù)計算得到軸承壽命為 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)的計算 由經(jīng)直線插入，知道因軸肩而形成的理論應力集中為 ??? ， ??? ， 軸的材料敏感系數(shù)為 ??q ， ??q ， 故有效應力集中系數(shù)為： )1(1 ???? ??? ?qk )1(1 ???? ??? ?qk 查得尺寸系數(shù)為 ??? ，扭轉尺寸系數(shù)為 ??? ，軸采用磨削加工，表面質量系數(shù)為 ?? ?? ?? ，軸表面未經(jīng)強化處理，即 1?q? ，則綜合系數(shù)值為 ???? ???? ??kK ???? ???? ??kK 黑龍江工程學院學院本科生畢業(yè)設計 25 圖 前后擺傳動軸受力示意圖 （ 3）碳鋼系數(shù)的確定 碳鋼的特性系數(shù)取為 ??? ， ??? 。L = mm ，同時得到同步帶的齒數(shù) z=140 (7)確定中心距 A 22A X X Y? ? ?,