【正文】 黑龍江工程學院學院本科生畢業(yè)設計 30 參考文獻 [1] 杜志江，孫立寧 .外科機器人技術發(fā)展現(xiàn)狀及關鍵技術分析 [J].哈爾濱工業(yè)大學學報， 2020， 35(7)． [2] 呂廣明，孫立寧，彭龍剛 .康復機器人現(xiàn)狀及關鍵技術分析 [J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2020， 36(9). [3] Song W K， Lee， Bien Z， Kares． Intelligent wheelchairmounted robotic arm system using vision and force senor[J]． Robotics and Autonomous System,1999， (28). [4] Dario P， Gugielmelli E, Allotta B， etal． Robotics for medical application [J].IEEE Robotics and Automation Magazine， 1996， 3(3)： :4456. [5] Hoppenotp， Collee． Localization and control of a rehabilitation mobile robot by close humanmachine cooperation [J].IEEE Transactions on Neurl Systems and Rehabilitation Engineering， 2020， (9)； 181190. [6] Hashino, Atoshi． Aiding robots[J].Advanced Robotics， 1993,(7)； 97103． [7] Mathieup． EM Gand Kinematics of normal subject performing trunk flexion/ extensions freely in space [J].Journal of Electromyography and Kinesiology， 2020， 10(3). 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(5)中心距 39。? = 0 .1 4a r c ta n a r c ta n 8 .2c o s c o s 3 0f ? ?? ? ?? 絲杠能實現(xiàn)自鎖性能 。在選擇之前，對所需電機的功率、輸出轉矩、轉速等參數(shù)進行了計算，并根據(jù)其結果進行了相應的產(chǎn)品選擇，為下一步的零件設計奠定了堅實的基礎。） 容許偏心 mm 慣性力矩 質量g 經(jīng)彈性系數(shù)Nm/rad 最高回轉系數(shù)rpm G425T 10 3 3 10?? 24 125 6000 G463T 25 33 3 10?? 318 1200 2500 蝸輪蝸桿減 速器的選擇 在實現(xiàn)康復機器人前后擺運動的過程當中，為了使患者上肢停在任一位置，本次設計選擇了用蝸輪蝸桿減速器實現(xiàn)機械自鎖。這種聯(lián)軸器有著許多的優(yōu)點 ① 結構簡單，容 易安裝 ② 電器絕緣性能好 ③ 高扭矩、偏心黑龍江工程學院學院本科生畢業(yè)設計 17 反作用力小、震動吸收性優(yōu) ④ 軸套與滑塊的移動作用、可容許大的偏心與偏角 ⑤ 順時針與逆時針回轉特性完全相同。時， gT 最大，且 gT =250Nm，折算到電機上的轉矩 LT = gT /（ ? i ） 得到電機的輸出轉矩 LT =75Nm，功率 P=40w，轉速 n=30rpm； 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 。 電機選擇 升降機構電機選擇 在立柱升降對患者進行上肢屈伸康復訓練的過程中，考慮到患者的承受能力，設定其移動速度為 ? m/s ， 立柱以上整體的質量 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 當立柱升降時 ? ， 所受到的垂直方向的阻力 vL cMFT n??。 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，本次設計康復機器人的寬度大約 ，整體高度黑龍江工程學院學院本科生畢業(yè)設計 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 本章針對康復機器人的設計要求，對其總體結構進行了分析，構建了機器人的運動形式及外形框架。小臂護套，通過吊環(huán)將其固定在把手支架上面。 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。在分合機構的設計中，最主要的就是橫梁的設計以及橫梁支承座的設計，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。這樣就將左右?guī)鲃痈惫潭ㄔ诹藱M梁上。由于整個康復機器人的結構尺寸比較大，所以分合機構衡梁也需要注意盡量減小重量，所以，衡梁的材料采用硬質鋁合金。立柱座是將前后擺機構和升降機構連接在一起的關鍵部 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訓練。在絲杠的帶動下，在立柱套筒內(nèi)沿軸向滑動。 屈伸機構設計 圖 屈伸機構運動簡圖 康復機器人的屈伸機構是實現(xiàn)對患者上肢進行屈伸康復訓練，以達到對患者肩關節(jié)肘和肘關節(jié)的康復目的。在實現(xiàn)前后擺動的過程當中，渦輪蝸桿能夠對機構實現(xiàn)自鎖，使整個結構的穩(wěn)定性、安全性大大的增加。在設計的中，前后擺要滿足一下兩個要求：一是擺動的角度要足夠大，能夠對患者上肢的肩關節(jié)、肘關節(jié)進行充分的康復訓練；二是整個機構的穩(wěn)定性、安全性要好，在對患者進行康復訓練的過程中，能夠在任何位置實現(xiàn)安全的停止。為了保證整個康復機器人的結構的穩(wěn)定，各個零部件的垂直度，表面粗糙度都一定要達到設計的要求 [15]，這樣才能使真?zhèn)€結構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。總體方案為： 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、上肢屈伸機構、上肢分合機構和手腕轉動機構；各運動機構有單獨的電機和減速器驅動；傳動機構的主件分別是傳動軸、絲杠螺母副以及同步帶傳動副。確定結構尺寸，形狀，材料，動力等參數(shù)，對齒輪、主軸、軸承進行必要的校核、驗算； 手繪和計算機繪制相結合，繪制整體裝配圖及主要零部件的零件圖； 黑龍江工程學院學院本科生畢業(yè)設計 8 第 2章 總體結構方案設計 本設計的主要工作是設計一個用于上肢康復的機器人，能夠實現(xiàn)對上肢的上下、屈伸、分合以及手腕轉動的康復訓練 [14]。因此，康復醫(yī)療訓練機器人技術在現(xiàn)代康復醫(yī)學和神經(jīng)反饋訓練有廣泛的應用前景。國內(nèi)的研究基礎和對這一領域的了解和把握與上述領先單位的差距并不很大，但在經(jīng)費投入方面嚴重不足。大量實驗的基礎上，探索臨床康復的初步規(guī) 律，并建立新的康復評估方法，從而對運動功能的康復機制重新評估和理解。 2. 控制策略與運動模式的設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 )并采取相應的訓練模式和控制策略，在控制系統(tǒng)適應性和穩(wěn)定性、傳感器技術應用、系統(tǒng)辨識和控制算法設計等方面需要作更深入的研究。虛擬環(huán)境技術的發(fā)展使這種思想得以實現(xiàn)，研究者們采用基于虛擬環(huán)境的用戶界面，通過一些小游戲鼓勵患者進行主動訓練。如果病人的手臂不能主動運動 ,機器人臂可以像傳統(tǒng)康復醫(yī)療中臨床醫(yī)生的做法那樣帶動病人的手臂運動。目前這一類機器人的研究比較活躍 ,用來康復治療與神經(jīng)運動有關的疾病 , 包括中風、帕金森氏病和大腦性麻痹 (Cerebral Palsy) 。早在 20 世紀 60 年代初期就有醫(yī)學團體運用 CPM 機進行術后康復治療的醫(yī)學實踐，此后也有用于膝、肩、肘關節(jié)等康復的 CPM 機出現(xiàn)。生物力學或生物物理化學類型的應用就是使用機器人系統(tǒng)來打破受傷肢體的運動范圍。 康復治療機器人研究現(xiàn)狀 康復治療 機器人是康復醫(yī)學和機器人技術的完美結合，不再把機器人當作輔助患者的工具，而是把機器人和計算機當作提高臨床康復效率的新型治療工具。這類機械手是目前最先進的康復機械手，這種機械手安裝在移動 的機器人或者半自主的小車上從而適用于更多的患者使用，同時擴大了機械手的活動空間并提高了抓取的精度。這種機器人是安裝在輪椅上的，是因為輪椅的移動擴大了機械手的工作范圍，同時由于安裝基座的改變致使機械手的剛性下降和抓取精度的降低，這 種機械手也只是用于用于輪椅的患者，這是一點不足。 1987 年，英國人 Mike Topping 研制了 Handy1 康復機器人，使一個患有腦癱