【文章內(nèi)容簡介】 盡量簡潔輕巧，具有一定的靈活性，提高訓(xùn)練動作的種類，增大動作幅度，在三維空間內(nèi)對患肢各個關(guān)節(jié)進(jìn)行訓(xùn)練；同時發(fā)展 ―多路復(fù)用 ‖的網(wǎng)絡(luò)康復(fù)醫(yī)療機器人系統(tǒng)，提高資源利用率。 2. 控制策略與運動模式的設(shè)計由于患者的病情千差萬別，因此，機器人要感知患肢狀態(tài) (力量和位置 )并采取相應(yīng)的訓(xùn)練模式和控制策略，在控制系統(tǒng)適應(yīng)性和穩(wěn)定性、傳感器技術(shù)應(yīng)用、系統(tǒng)辨識和控制算法設(shè)計等方面需要作更深入的研究。 3. 力反饋：機器人應(yīng)該能夠?qū)崟r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(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。 4. 安全機制：安全問題是康復(fù)機器人設(shè)計過程中的一個重要方面，康復(fù)訓(xùn)練機器人必須根據(jù)臨床康復(fù)訓(xùn)練的基本動作和安全性的要求，在設(shè)計中除了考慮機器人的功能實現(xiàn)外，還要防止患肢二次損傷，必須從機構(gòu)設(shè)計 (硬件 )和控制系統(tǒng) (軟件 )兩個方面保證康復(fù)機器人系統(tǒng)的安全性。 5. 康復(fù)效果的評價機制：與肌電信號檢測相結(jié)合，探索訓(xùn)練參數(shù)與康復(fù)效果之間的關(guān)系，提高訓(xùn)練效果。大量實驗的基礎(chǔ)上，探索臨床康復(fù)的初步規(guī) 律，并建立新的康復(fù)評估方法，從而對運動功能的康復(fù)機制重新評估和理解。 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(fù)訓(xùn)練，精確、客觀地測定訓(xùn)練與運動參數(shù)，提供實時反饋、遠(yuǎn)程訓(xùn)練等。但是，目前康復(fù)訓(xùn)練機器人的研究仍然處于起步階段。從近年的發(fā)展看，美國的著名大學(xué)如 MIT， Stanford， Northwestern 等對這一領(lǐng)域的研黑龍江工程學(xué)院學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 7 究都十分重視，處于世界領(lǐng)先。國內(nèi)的研究基礎(chǔ)和對這一領(lǐng)域的了解和把握與上述領(lǐng)先單位的差距并不很大，但在經(jīng)費投入方面嚴(yán)重不足。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)療機器人系統(tǒng)更具實際意義。隨著康復(fù)醫(yī)療機器人的研究和使用，有望簡化醫(yī)師與患者 ―一對一 ‖的繁重治療過程，推動殘疾人 ―人人享有康復(fù)服務(wù) ‖這一目標(biāo)的實現(xiàn)，提高殘疾人的生活質(zhì)量。同時，通過臨床上使用積累的大量數(shù)據(jù)，將有助于認(rèn)識訓(xùn)練參數(shù)與康復(fù)效果之間的關(guān)系，從而能夠在機器人輔助腦神經(jīng)康復(fù)治療上取得更大的突破。因此，康復(fù)醫(yī)療訓(xùn)練機器人技術(shù)在現(xiàn)代康復(fù)醫(yī)學(xué)和神經(jīng)反饋訓(xùn)練有廣泛的應(yīng)用前景。 本課題主要研究內(nèi)容 本實用“上肢康復(fù)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(gòu)上肢屈伸機構(gòu)和上肢分合機構(gòu)；各運動機構(gòu)由單獨的電機和減速器驅(qū)動，而傳動機構(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(zhuǎn)動康復(fù)訓(xùn)練；也可啟動部分電機，完成其中的部分康復(fù)訓(xùn)練 [14]。具體內(nèi)容如下： 首先對上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人進(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； 康復(fù)機器人上肢前后擺結(jié)構(gòu)設(shè)計及康復(fù)機器人屈伸機構(gòu)設(shè)計 分合機構(gòu)設(shè)計及手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)設(shè)計 設(shè)計出系 統(tǒng)的零部件，完成驅(qū)動原件和標(biāo)準(zhǔn)件的選擇和校核，主要包括絲杠、齒輪等機構(gòu)的設(shè)計計算。確定結(jié)構(gòu)尺寸，形狀，材料，動力等參數(shù)，對齒輪、主軸、軸承進(jìn)行必要的校核、驗算； 手繪和計算機繪制相結(jié)合，繪制整體裝配圖及主要零部件的零件圖； 黑龍江工程學(xué)院學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 8 第 2章 總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 本設(shè)計的主要工作是設(shè)計一個用于上肢康復(fù)的機器人，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 [14]。就本設(shè)計而言，設(shè)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。本章將對“上肢康復(fù)機器人”的結(jié)構(gòu)設(shè)計及機械結(jié)構(gòu)作出詳細(xì)的分析和設(shè)計。 總體方案設(shè)計 該康復(fù)機器人將采用電力驅(qū)動，用電機驅(qū)動來實現(xiàn)各個功能，對上肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)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(gòu)、上肢屈伸機構(gòu)、上肢分合機構(gòu)和手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)；各運動機構(gòu)有單獨的電機和減速器驅(qū)動；傳動機構(gòu)的主件分別是傳動軸、絲杠螺母副以及同步帶傳動副。在康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計中，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)。 立柱的外套筒通過螺栓與立柱軸承套和立柱座連接在一起，絲杠通過裝在軸承套中的兩個角接觸球軸承定位和固定。在立柱套筒的定位中，通過止口來實現(xiàn)精確定位。為了保證整個康復(fù)機器人的結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，各個零部件的垂直度，表面粗糙度都一定要達(dá)到設(shè)計的要求 [15]，這樣才能使真?zhèn)€結(jié)構(gòu)在運動的過程總不會出項卡死之類的現(xiàn)象，同時也減小了噪聲。 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(gòu)運動簡圖 黑龍江工程學(xué)院學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 9 面，這樣，電機和立柱就連接在一起，在前后擺的過程 當(dāng)中，整個立柱就能隨著電機的轉(zhuǎn)動而一起運動。同時，支承架的垂直度也要達(dá)到精度要求，這樣才能使電機軸與傳動軸的同軸度達(dá)到所需的要求。 前后擺機構(gòu)設(shè)（如圖 所示：） 康復(fù)機器人前后擺機構(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，上肢前后擺機構(gòu)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(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。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。前后擺傳動軸通過鍵與立柱座連接，其中立柱座與機座之間用套筒隔開，留有 5mm 的 間隙。整體結(jié)構(gòu)較大，但是重量不大，此外軸承處要注意潤滑。 屈伸機構(gòu)設(shè)計 圖 屈伸機構(gòu)運動簡圖 康復(fù)機器人的屈伸機構(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。 黑龍江工程學(xué)院學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 10 可伸縮立柱由立柱座（箱體）、外套筒、內(nèi)套筒組成；而使之伸縮的機構(gòu)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。在絲杠的帶動下，在立柱套筒內(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。在前后擺的機構(gòu)中，主要有兩個零部件，一個是與立柱連接的立柱座，另一個就是康復(fù)機器人的機座。立柱座是將前后擺機構(gòu)和升降機構(gòu)連接在一起的關(guān)鍵部 件，在里面安裝有錐齒輪運動副，其目的是改變傳動鏈的傳動方向，使立柱實現(xiàn)上升下降，實現(xiàn)患者的上肢屈伸康復(fù)訓(xùn)練。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?qū)崿F(xiàn)自鎖的蝸桿減速器，使整個結(jié)構(gòu)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(fù)訓(xùn)練。 分合機構(gòu)設(shè)計 圖 分合機構(gòu)運動簡圖 分合機構(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)機器人的結(jié)構(gòu)尺寸比較大，所以分合機構(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，上肢分合運動的機構(gòu)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(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，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，致使左黑龍江工程學(xué)院學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 11 右兩根立柱的升降不同步，從而對整個機構(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。在分合機構(gòu)的設(shè)計中，最主要的就是橫梁的設(shè)計以及橫梁支承座的設(shè)計，橫梁支承座有兩個作用，一個是支撐橫梁，另一個是固定電機。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(shè)計稍有不同，其中一端采用了鉸接連接。另外，由于分合機構(gòu)采用的是同步齒形帶傳動，因此需要考慮相應(yīng)的帶的張緊措施。于是在橫梁的中部開槽，用螺釘對中部軸承套的定位來實現(xiàn)帶的張緊。 其中，橫梁支承座由兩部分焊接而成，上部分是一個 C 型槽，下部分是一個圓形的開孔法蘭盤，用螺栓將其與立柱內(nèi)套筒連接在一起，這樣，整個橫梁就與立柱連為一體了。 手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)設(shè)計 圖 手腕康復(fù)結(jié)構(gòu)運動簡圖 手腕康復(fù)機構(gòu)中，主要應(yīng)當(dāng)考慮對患者上肢的固定，重點在把手的設(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，組成手腕的康復(fù)訓(xùn)練機構(gòu)。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(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，在單片機的控制下，帶動手柄繞電機軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動手腕的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)手腕的康復(fù)訓(xùn)練 [16]。 康復(fù)機器人框架造型的設(shè)計 本次設(shè)計的坐式上肢康復(fù)機器人，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)機器人運動空間受力之后，立柱套筒的壁厚設(shè)計為 5mm。 表 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)機器人的寬度大約 ，整體高度黑龍江工程學(xué)院學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 12 ~ 表 人體主要尺寸表 男 （ 1860 歲） 女 （ 1855 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 本章 小 結(jié) 本章針對康復(fù)機器人的設(shè)計要求，對其總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，構(gòu)建了機器人的運動形式及外形框架。包括驅(qū)動方式的選取、驅(qū)動系和傳動系的設(shè)計，康復(fù)機器人整體尺寸及外形的設(shè)計。本章基本確定了康復(fù)機器人的運動方案，在 接下來的章節(jié)中，將對所需的電機、聯(lián)軸器以及蝸桿的選擇。 黑龍江工程學(xué)院學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 13 第 3章 伺服元件選擇 本章的主要內(nèi)容是通過估算康復(fù)機器人的各個運動參數(shù)，計算出所需直流電機的功率和轉(zhuǎn)矩大小，并對其進(jìn)行產(chǎn)品選擇，接著對聯(lián)軸器以及蝸輪蝸桿的選擇。 電機選擇 升降機構(gòu)電機選擇 在立柱升降對患者進(jìn)行上肢屈伸康復(fù)訓(xùn)練的過程中，考慮到患者的承受能力，設(shè)定其移動速度為 ? m/s ， 立柱以上整體的質(zhì)量 m=50kg，因 此，得到功率 1P Fv? （ ） 代入數(shù)據(jù)，得 1P =50W 在立柱的傳動鏈中，選擇絲杠的效率 1? =，滾動軸承的效率 2? =， 齒輪的傳動效率為 3? =， 因此估算得到電機的功率 11 2 3PP ???? （ ） 代入數(shù)據(jù)得到 P=150W 當(dāng)立柱升降時 ? ， 所受到的垂直方向的阻力 vL cMFT n??。折算到電動機軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 LT 應(yīng)滿足折算前后