【正文】 工程化康復(fù)機器人的需求，有待進一步的研究和發(fā)展。本設(shè)計的康復(fù)機器人機身是由放置于平臺上的機座，兩根可黑龍江工程學(xué)院學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 III 伸縮的立柱和上橫梁及其手柄組成，并在其各個組成部分上分別裝上上肢屈伸機構(gòu)、前后擺機構(gòu)、分合機構(gòu)和手腕旋轉(zhuǎn)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、同步齒形帶傳動副。整個設(shè)計主要要注意的主要問題是減重和減噪，避免整體結(jié)構(gòu)過于龐大笨重。 the every movement is driven by the separate drive motor and reducer, and the main parts are the shaft, screw nut pairs, timing belt, deputy. Rehabilitation robot column mainly adopts the thin wall sleeve, so as to reduce weight, also makes the lead screw nut pair can be fixed and the positioning sleeve. The design of the main attention to the major problem is the weight loss and noise reduction, avoid the whole structure is too bulky. Key words： rehabilitation； upper limb； structural design； Weight loss。在老齡 人群眾中有大量的腦血管疾病或神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者，這類患者多數(shù)伴有偏癱癥狀 [1]。 與此 同時，由于交通運輸工具的迅速增長，因交通事故而造成神經(jīng)心痛損傷或者肢體損傷的人數(shù)也越來越多。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，這個特殊群體已得到了更多人的關(guān)注，為了提高他們的生活質(zhì)量，治療、康復(fù)和服務(wù)于他們的產(chǎn)品的技術(shù)和質(zhì)量也在相應(yīng)地提高。因此，服務(wù)于四肢的康復(fù)設(shè)備的研究和應(yīng)用有著廣闊的發(fā)展前景 [2]?？祻?fù)機器人技術(shù)早已廣受世界各國科研工作者和醫(yī)療機構(gòu)的普遍重視，其中以歐美和日本 的成果最為顯著。由于康復(fù)訓(xùn)練機器人要與人體直接相連，來帶動肢體進行康復(fù)訓(xùn)練，所以對驅(qū)動器的安全性、柔性的要求較高。 本課題的研究目的 是設(shè)計一種坐式上肢康復(fù)訓(xùn)練機，用于心腦血管疾病致癱或意外事故所造成的上肢體損傷的患者左上肢及相關(guān)關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練。目前，康復(fù)機器人已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到康復(fù)護理、假肢和康復(fù)治療等方面，這不僅促進了康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，也帶動了相關(guān)領(lǐng)域的新技術(shù)和新理論的發(fā)展。輔助型康復(fù)機器人主要是幫助肢體運動有困難的患者完成各種動作，該類產(chǎn)品有機器人輪椅、機器人護士、機器人假肢、機械外骨骼等。 康復(fù)機器人是康復(fù)醫(yī)學(xué)和機器人技術(shù)的完美結(jié)合，康復(fù)機器人技術(shù)在歐美等國家得到了科研工作者和醫(yī)療機構(gòu)的普遍重視，許多研究機構(gòu)都開展了有關(guān)的研究工作，近年來取得了一些有價值的成果。國內(nèi)外許多研究機構(gòu)都在這方面取得了不錯的研究結(jié)果。 康復(fù)機械手的研究現(xiàn)狀 設(shè)計康復(fù)機器人最初的一個目的就是在殘 疾人和環(huán)境之間放置一個機械臂， 通過這個機械臂來部分或全部的實現(xiàn)操作功能，按機械臂的安裝位置劃分，康復(fù)機械手可分為 3 類： （ 1）基于桌面的機械手 [4]。目前此類機器人已經(jīng)達到了實用化，如法國 CEA 公司開發(fā)的 MASTER 系統(tǒng)、美國的 Tolfa Corportion 開發(fā)的 DEVAR 系統(tǒng)，以及英國的 Oxford Intelligent Machines RAID 系統(tǒng)等。 1987 年，英國人 Mike Topping 研制了 Handy1 康復(fù)機器人，使一個患有腦癱的 11 歲男孩第一次能夠進行獨立就餐。圖 是 Handy1 康復(fù)機器黑龍江工程學(xué)院學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 4 人原型，圖 是康復(fù)機器人正在對患者進行康復(fù)訓(xùn)練。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。隨著只能輪椅的研究發(fā)展，這種機械手也將會有很廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。這類機械手是目前最先進的康復(fù)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。法國 Evry 大學(xué)研制了一種移動式康復(fù)機器人 ARPH[7]，使用者可以從工作站實施遠程控制，使移動機器人實現(xiàn)定位和抓取工作。 康復(fù)治療機器人研究現(xiàn)狀 康復(fù)治療 機器人是康復(fù)醫(yī)學(xué)和機器人技術(shù)的完美結(jié)合，不再把機器人當(dāng)作輔助患者的工具，而是把機器人和計算機當(dāng)作提高臨床康復(fù)效率的新型治療工具。按運動系統(tǒng)的問題可以劃分為 2 類：一類是生物力學(xué)或生物物理化學(xué)類型的應(yīng)用，另一類是運動學(xué)習(xí) [8]。生物力學(xué)或生物物理化學(xué)類型的應(yīng)用就是使用機器人系統(tǒng)來打破受傷肢體的運動范圍。 （ 1） CPM 機 [10]。早在 20 世紀 60 年代初期就有醫(yī)學(xué)團體運用 CPM 機進行術(shù)后康復(fù)治療的醫(yī)學(xué)實踐，此后也有用于膝、肩、肘關(guān)節(jié)等康復(fù)的 CPM 機出現(xiàn)。目前 ,市場上已經(jīng)有了用于腕關(guān)節(jié)和手指關(guān) 節(jié)這樣的“小關(guān)節(jié)”康復(fù)的 CPM 機 ,但他們還不能像“大關(guān)節(jié) ” CPM 機那樣實現(xiàn)精確的控制。目前這一類機器人的研究比較活躍 ,用來康復(fù)治療與神經(jīng)運動有關(guān)的疾病 , 包括中風(fēng)、帕金森氏病和大腦性麻痹 (Cerebral Palsy) 。在治療過程中 ,把中風(fēng)病人的手臂固定在一個特制的手臂支撐套中 ,手臂支撐套固定在機器人臂的末端。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(fù)醫(yī)療中臨床醫(yī)生的做法那樣帶動病人的手臂運動。 圖 中風(fēng)病人在用 MITMANUS 治療 （ 3）基于虛擬環(huán)境的康復(fù)醫(yī)療訓(xùn)練機器人系統(tǒng) [13]。虛擬環(huán)境技術(shù)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(xùn)練。 黑龍江工程學(xué)院學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 6 圖 遠程康復(fù)醫(yī)療訓(xùn)練機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 上肢康復(fù)機器人系統(tǒng)的發(fā)展前景 目前的康復(fù)機器人都能夠在一定程度上向患者提供簡單的訓(xùn)練方案，研究結(jié)果表明機器人輔助治療確有一定療效。 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。 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。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。但是，目前康復(fù)訓(xùn)練機器人的研究仍然處于起步階段。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)費投入方面嚴重不足。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) ‖這一目標的實現(xiàn)，提高殘疾人的生活質(zhì)量。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。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]。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]。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)作出詳細的分析和設(shè)計。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(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。 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。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。同時，支承架的垂直度也要達到精度要求，這樣才能使電機軸與傳動軸的同軸度達到所需的要求。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。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。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。 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)對患者上肢進行屈伸康復(fù)訓(xùn)練，以達到對患者肩關(guān)節(jié)肘和肘關(guān)節(jié)的康復(fù)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。在絲杠的帶動下，在立柱套筒內(nèi)沿軸向滑動。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行其他的康復(fù)訓(xùn)練。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。 分合機構(gòu)設(shè)計 圖 分合機構(gòu)運動簡圖 分合機構(gòu)是用來對患者進行上肢分合康復(fù)訓(xùn)練而設(shè)計的。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。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。這樣就將左右?guī)鲃痈惫潭ㄔ诹藱M梁上。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。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。 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。經(jīng)過查閱文獻充分思考之后，決定把手由手柄、把手支架、小臂護套組成，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)。小臂護套，通過吊環(huán)將其固定在把手支架上面。 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。 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)進行了分析，構(gòu)建了機器人的運動形式及外形框架。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。 電機選擇 升降機構(gòu)電機選擇 在立柱升降對患者進行上肢屈伸康復(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? （