【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 盡量簡(jiǎn)潔輕巧，具有一定的靈活性，提高訓(xùn)練動(dòng)作的種類，增大動(dòng)作幅度，在三維空間內(nèi)對(duì)患肢各個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行訓(xùn)練；同時(shí)發(fā)展 ―多路復(fù)用 ‖的網(wǎng)絡(luò)康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)，提高資源利用率。 2. 控制策略與運(yùn)動(dòng)模式的設(shè)計(jì)由于患者的病情千差萬(wàn)別，因此，機(jī)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(shí)和控制算法設(shè)計(jì)等方面需要作更深入的研究。 3. 力反饋：機(jī)器人應(yīng)該能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)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。 4. 安全機(jī)制：安全問(wèn)題是康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)重要方面，康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人必須根據(jù)臨床康復(fù)訓(xùn)練的基本動(dòng)作和安全性的要求，在設(shè)計(jì)中除了考慮機(jī)器人的功能實(shí)現(xiàn)外，還要防止患肢二次損傷，必須從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) (硬件 )和控制系統(tǒng) (軟件 )兩個(gè)方面保證康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的安全性。 5. 康復(fù)效果的評(píng)價(jià)機(jī)制：與肌電信號(hào)檢測(cè)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(shí)驗(yàn)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(píng)估方法，從而對(duì)運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)機(jī)制重新評(píng)估和理解。 機(jī)器人具備許多人類所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，例如：長(zhǎng)期、穩(wěn)定地重復(fù)訓(xùn)練，精確、客觀地測(cè)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。但是，目前康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究仍然處于起步階段。從近年的發(fā)展看，美國(guó)的著名大學(xué)如 MIT， Stanford， Northwestern 等對(duì)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(jì) 7 究都十分重視，處于世界領(lǐng)先。國(guó)內(nèi)的研究基礎(chǔ)和對(duì)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(fèi)投入方面嚴(yán)重不足。由于我國(guó)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。隨著康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人的研究和使用，有望簡(jiǎn)化醫(yī)師與患者 ―一對(duì)一 ‖的繁重治療過(guò)程，推動(dòng)殘疾人 ―人人享有康復(fù)服務(wù) ‖這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，提高殘疾人的生活質(zhì)量。同時(shí)，通過(guò)臨床上使用積累的大量數(shù)據(jù)，將有助于認(rèn)識(shí)訓(xùn)練參數(shù)與康復(fù)效果之間的關(guān)系，從而能夠在機(jī)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(jī)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?jī)?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。在單片機(jī)的控制下，實(shí)現(xiàn)患者的上肢前后擺、屈伸、分合運(yùn)動(dòng)以及手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練；也可啟動(dòng)部分電機(jī)，完成其中的部分康復(fù)訓(xùn)練 [14]。具體內(nèi)容如下： 首先對(duì)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(jì)方案，進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 康復(fù)機(jī)器人上肢前后擺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及康復(fù)機(jī)器人屈伸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 分合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)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、齒輪等機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算。確定結(jié)構(gòu)尺寸，形狀，材料，動(dòng)力等參數(shù)，對(duì)齒輪、主軸、軸承進(jìn)行必要的校核、驗(yàn)算； 手繪和計(jì)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； 黑龍江工程學(xué)院學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 第 2章 總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的主要工作是設(shè)計(jì)一個(gè)用于上肢康復(fù)的機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)上肢的上下、屈伸、分合以及手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的康復(fù)訓(xùn)練 [14]。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。本章將對(duì)“上肢康復(fù)機(jī)器人”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)械結(jié)構(gòu)作出詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)。 總體方案設(shè)計(jì) 該康復(fù)機(jī)器人將采用電力驅(qū)動(dòng)，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能，對(duì)上肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練?？傮w方案為： 機(jī)身由平臺(tái)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(dòng)機(jī)構(gòu)；各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)有單獨(dú)的電機(jī)和減速器驅(qū)動(dòng)；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的主件分別是傳動(dòng)軸、絲杠螺母副以及同步帶傳動(dòng)副。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)。 立柱的外套筒通過(guò)螺栓與立柱軸承套和立柱座連接在一起，絲杠通過(guò)裝在軸承套中的兩個(gè)角接觸球軸承定位和固定。在立柱套筒的定位中，通過(guò)止口來(lái)實(shí)現(xiàn)精確定位。為了保證整個(gè)康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，各個(gè)零部件的垂直度，表面粗糙度都一定要達(dá)到設(shè)計(jì)的要求 [15]，這樣才能使真?zhèn)€結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程總不會(huì)出項(xiàng)卡死之類的現(xiàn)象，同時(shí)也減小了噪聲。 此外，立柱的電機(jī)通過(guò)加腹板的電機(jī)支承架固定，支架通過(guò)螺釘固定在立柱座上 圖 前后擺機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)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(guò)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)。同時(shí)，支承架的垂直度也要達(dá)到精度要求，這樣才能使電機(jī)軸與傳動(dòng)軸的同軸度達(dá)到所需的要求。 前后擺機(jī)構(gòu)設(shè)（如圖 所示：） 康復(fù)機(jī)器人前后擺機(jī)構(gòu)主要的功能是對(duì)患者的上肢進(jìn)行前后擺康復(fù)訓(xùn)練。在設(shè)計(jì)的中，前后擺要滿足一下兩個(gè)要求：一是擺動(dòng)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(gè)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性要好，在對(duì)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的過(guò)程中，能夠在任何位置實(shí)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(dòng)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(guò)聯(lián)軸器將其與渦輪蝸桿連接在一起，再通過(guò)聯(lián)軸器將渦輪蝸桿與傳動(dòng)軸連接在一起；兩根可伸縮的立柱通過(guò)鍵與軸而將其固定于軸承座上。這樣通過(guò)單片機(jī)控制電機(jī)，電機(jī)的帶動(dòng)傳動(dòng)軸，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)上肢前后擺的康復(fù)訓(xùn)練。在實(shí)現(xiàn)前后擺動(dòng)的過(guò)程當(dāng)中，渦輪蝸桿能夠?qū)C(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自鎖，使整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性大大的增加。前后擺電機(jī)通過(guò)滑塊型彈性聯(lián)軸器與蝸桿減速器相連，蝸桿減速器通過(guò) HL 型柱銷彈性聯(lián)軸器與傳動(dòng)軸相連。前后擺傳動(dòng)軸通過(guò)鍵與立柱座連接，其中立柱座與機(jī)座之間用套筒隔開(kāi)，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(rùn)滑。 屈伸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖 屈伸機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 康復(fù)機(jī)器人的屈伸機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)對(duì)患者上肢進(jìn)行屈伸康復(fù)訓(xùn)練，以達(dá)到對(duì)患者肩關(guān)節(jié)肘和肘關(guān)節(jié)的康復(fù)目的。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(duì)稱布置的兩根可伸縮的立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。 黑龍江工程學(xué)院學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(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(guò)一對(duì)角接觸球軸承固定，軸承外圈通過(guò)擋圈與立柱座（箱體）和外套筒，借 助法蘭盤(pán)，用螺栓連接；內(nèi)套筒插裝在外套筒內(nèi)，通過(guò)螺母與絲杠連接在一起，組成絲杠螺母副。在絲杠的帶動(dòng)下，在立柱套筒內(nèi)沿軸向滑動(dòng)。穿過(guò)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)。同時(shí)，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(jì)絲杠時(shí)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(jī)構(gòu)中，主要有兩個(gè)零部件，一個(gè)是與立柱連接的立柱座，另一個(gè)就是康復(fù)機(jī)器人的機(jī)座。立柱座是將前后擺機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)連接在一起的關(guān)鍵部 件，在里面安裝有錐齒輪運(yùn)動(dòng)副，其目的是改變傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)方向，使立柱實(shí)現(xiàn)上升下降，實(shí)現(xiàn)患者的上肢屈伸康復(fù)訓(xùn)練。與此同時(shí)， 箱體的下端，通過(guò)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(guò)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。 分合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖 分合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 分合機(jī)構(gòu)是用來(lái)對(duì)患者進(jìn)行上肢分合康復(fù)訓(xùn)練而設(shè)計(jì)的。在設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)注意減噪的設(shè)計(jì)，并且要留有足夠大的空對(duì)患者的上肢進(jìn)行分合康復(fù)訓(xùn)練 。由于整個(gè)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(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)。其中橫梁分別與立柱內(nèi)套筒上端通過(guò)螺栓連接在一起，直流減速電機(jī)借助法蘭盤(pán)分別固定在橫梁的左右兩端。通過(guò)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(guò)軸和軸承將帶輪固定在橫梁的中部。這樣就將左右?guī)鲃?dòng)副固定在了橫梁上。同時(shí)，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(dòng)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(guò)程中，難免會(huì)出現(xiàn)細(xì)微的傳動(dòng)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(jì) 11 右兩根立柱的升降不同步，從而對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)造成破壞，因此，在橫梁的一端，通過(guò)圓柱銷的鉸連接，用以消除這種危害。在分合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，最主要的就是橫梁的設(shè)計(jì)以及橫梁支承座的設(shè)計(jì)，橫梁支承座有兩個(gè)作用，一個(gè)是支撐橫梁，另一個(gè)是固定電機(jī)。同時(shí)考慮到消除因絲杠傳動(dòng)不精確帶來(lái)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。另外，由于分合機(jī)構(gòu)采用的是同步齒形帶傳動(dòng)，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(kāi)槽，用螺釘對(duì)中部軸承套的定位來(lái)實(shí)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(gè) C 型槽，下部分是一個(gè)圓形的開(kāi)孔法蘭盤(pán)，用螺栓將其與立柱內(nèi)套筒連接在一起，這樣，整個(gè)橫梁就與立柱連為一體了。 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(jiǎn)圖 手腕康復(fù)機(jī)構(gòu)中，主要應(yīng)當(dāng)考慮對(duì)患者上肢的固定，重點(diǎn)在把手的設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)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(guò)螺釘將其固定于把 手支架法蘭盤(pán)面上。小臂護(hù)套，通過(guò)吊環(huán)將其固定在把手支架上面。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]。 康復(fù)機(jī)器人框架造型的設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)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(duì)較小，所以，其各個(gè)零部件的大小尺寸應(yīng)相對(duì)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(dòng)空間受力之后，立柱套筒的壁厚設(shè)計(jì)為 5mm。 表 是《人體主要尺寸表》 [17]，根據(jù)其對(duì)人群中 18~60 歲成年男子和 18~55 歲成年女子各個(gè)主要不為尺寸的統(tǒng)計(jì)，本次設(shè)計(jì)康復(fù)機(jī)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(jì) 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(zhǎng)（ mm） 279 289 294 313 333 338 252 262 267 284 303 302 前臂長(zhǎng)（ 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(duì)康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，對(duì)其總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，構(gòu)建了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式及外形框架。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)。本章基本確定了康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方案，在 接下來(lái)的章節(jié)中，將對(duì)所需的電機(jī)、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(jì) 13 第 3章 伺服元件選擇 本章的主要內(nèi)容是通過(guò)估算康復(fù)機(jī)器人的各個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，計(jì)算出所需直流電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩大小，并對(duì)其進(jìn)行產(chǎn)品選擇，接著對(duì)聯(lián)軸器以及蝸輪蝸桿的選擇。 電機(jī)選擇 升降機(jī)構(gòu)電機(jī)選擇 在立柱升降對(duì)患者進(jìn)行上肢屈伸康復(fù)訓(xùn)練的過(guò)程中，考慮到患者的承受能力，設(shè)定其移動(dòng)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(dòng)鏈中，選擇絲杠的效率 1? =，滾動(dòng)軸承的效率 2? =， 齒輪的傳動(dòng)效率為 3? =， 因此估算得到電機(jī)的功率 11 2 3PP ???? （ ） 代入數(shù)據(jù)得到 P=150W 當(dāng)立柱升降時(shí) ? ， 所受到的垂直方向的阻力 vL cMFT n??。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