手部康复结构设计.docx

摘要脑卒中又称中风，被认为人类健康三大杀手之一，中风后致使肢体偏瘫无法实现生活正常活动的几率有百分之五十以上，中风的患者在中老年人的人群中占得比重较大。随着社会老龄化程度越来越严重，中老年人的健康问题被社会各界广泛关注，所以上肢运动的康复已成为中风患者关注的焦点。随着社会的发展和科学技术的进步，机器人技术已经被应用到上肢康复训练的领域中。目前，国内外上肢康复机器人的研究已有了很大的成果，但是仍存在一些问题比如结构复杂、携带不便、集成度不高等，本课题提出了一套包含手指在内的便携式外骨骼上肢康复机器人，来帮助脑卒中患者进行简单的康复运动训练。基于电机驱动设计出多个连杆机构组成的康复训练机器，可实现肩关节及大臂的伸屈、肘关节及小臂的伸屈，并使用同步带来实现手臂内外旋功能。该设计不仅能够各个部分一起进行康复训练，也能够针对性地对某个关节进行康复运动训练，这大大提高对不同患者的使用针对性。通过使用solidworks进行建模，对各个机构进行对应的仿真，是机构能够呈现出合理的运动趋势。关键词：上肢康复，连杆机构，同步带，solidworksAbstractAlsoknownasstroke,strokeisconsideredoneofthethreebigkillershumanhealth,causinglimbhemiplegiaafterastrokecannotcarryoutnormallifeactivitiesofriskmorethanfiftypercent,astrokeintheelderlypatientsaccountforlargerproportionofthecrowd.Alongwiththesocialagingdegreeismoreandmoreserious,theelderlyhealthproblemiswidespreadattentionfromallwalksoflife,sotherecoveryofupperIimbmovementhasbecomethefocusofstrokepatients.Withthedevelopmentofthesocietyandtheprogressofscienceandtechnology,robottechnologyhasbeenappliedtothefieldsofupperlimbrehabilitationtraining.Atpresent,thestudyofupperlimbrehabilitationrobotsathomeandabroadhavemadegreatachievements,buttherearestillsomeproblemssuchascomplicatedStructureanconvenienttoCarryJntegrationisnothigh,thistopicputforwardasetofportableexoskeletonupperlimbsrehabilitationrobot,includingfingerstohelpstrokepatientswithsimplerehabilitationexercisetraining.Basedonmotordriverdesignedmultiplelinkageofrehabilitationtrainingmachine,mayrealizetheshoulderjoint,andalargearmsflexed,flexedelbowandforearm,wristcurlandfingerknucklesflexed.Thisdesignnotonlycanthepartswithrehabilitationtraining,andcanalsobetargetedonajointrehabilitationexercisetraining,whichgreatlyimprovedtheuseofdifferentpatients.Byusingthesolidworksmodeling,tothecorrespondingsimulationofvariousagencies,isinstitutionscanpresentareasonablemovementtrendKeywords:upperlimbrehabilitation,linkage,Synchronousbelt,solidworks目录摘要Abstract第一章绪论1-1.1 课题研究的背景和意义1-1.2 国外研究现状1-1.3 国内研究现状2-第二章人体上肢康复机构原理方案设计4-2.1 人体上肢康复机构总体方案4-2.1.1 人体上肢运动分析4-2.1.2 上肢人体尺寸5.2.2 上肢康复机构总体方案设计6-2.2.1 上肢康复机构总原理6-2.2.2 传动方案7-2.3 肩关节、肘关节的结构设计7-2.3.1 肩关节及大臂平面、竖直旋转的结构7-2.3.2 肩关节及大臂的内外旋结构7-2.3.3 肘关节及小臂伸屈结构8-第三章结构尺寸的确定9-3.1 肩部横梁结构设计9-3.2 同步带的设计11-第四章三维建模及装配14-4.1 SolidWorks软件的基本介绍14-4.2 建模与装配的过程14-4.2.1 升降柱及箱体14-4.2.2 肩及大臂机构部件建模14-4.2.3 肘及小臂机构部件建模15-4.2.4 总体三维装配建模16-第五章有限元分析17-5.1 有限元分析17-5.2 应力约束的设定17-5.3 添加载荷17-5.4 生成网格17-5.5 选择材料18-5.6 运行结果及分析18-参考文献20-第一章绪论1.1 课题研究的背景和意义随着社会经济和生活的进步与发展，我国人民均寿命得到延长，因次，老龄化的人口也急剧增加，由于心脑血管或神经系统等疾病引起的偏瘫人数也开始增长。同时，年轻人的生活压力愈发负重，导致大部分人都有存在身体的紧张从而导致偏瘫现象。因此，帮助此类病患进行有效的康复运动，促使其肢体运动功能的恢复具有十分重要的意义。1.2 国外研究现状欧美国家在康复机器人的相关研究者起步较早，从20年代60年代就尝试将康复机器人系统产品化，虽然取得一定的成果，但是发展依然较缓慢，直至90年代，康复机器人才进入一个崭新的时代。MIT在上世纪90年代研制出WIT-MANUS上肢康复机器人系统，如图1-1所示。该机器人主要用于上肢偏瘫患者的肩，肘关节康复训练治疗，该系统采用了五连杆机构形式和抗阻控制技术，有效降低了机器人末端执行的阻抗，实现了康复训练的安全性，舒适性。图ITMrr-MANUS康复机器人系统亚利桑那州立大学设计了名为RUPERT的上肢助力训练机器人系统，其采用了可穿戴式的外骨骼机械本体结构，在每个关节处采用气动肌肉驱动其康复训练，迄今为止已经发展到第四代了，如图1-2所示。到第四代时，已经能够实现五个自由度的主动辅助运动：肩部伸/屈、肩部外旋、肘部伸/屈、前臂旋前/旋后、腕部伸/屈。而且在每个关节处均装有倾角传感器，用以上肢各个关节的运动状态信息。并且可以通过多关节的协同控制训练可以上肢的运动感觉和机能，促进受损中枢神经系统的回复和重塑。图1-2RUPERT-Iv上肢康复机器人1.3 国内研究现状国内康复机器人研究发展情况相对国外起步比较晚，但最近十年内，在国家对于康复医疗工程给予了重视和帮助下，也取得了诸多科研成果。2019年广西科技大学夏金凤等根据康复理论以及患者的需要，为提高康复机器人的通用性和治疗，以模仿治疗师为根据，从康复治疗师的治疗手法出发，患者的病患特征为指引，设计正对偏瘫患者康复训练的上肢仿生康复机器人，如图1-3所示，设计满足了上肢康复训练的需求且单臂有7个自由度，以及在腰部3个自由度。图1-3上肢仿生康复机器人整体机构华中科技大学开发并研制了多代上肢康复机器人，在于2016年采用线驱动的方式，由步进电机作为动力源，牵引钢丝绳驱动外骨骼，实现了低惯性，如图1-4所示。该外骨骼具有10个自由度，能够复现人体上肢运动协同特性，使用较少的电机即可驱动多个关节运动，完成多种上肢康复动作及上肢常用动作。图1-4华中科技大学康复机器人整体机构第二章人体上肢康复机构原理方案设计2.1 人体上肢康复机构总体方案2.1.1 人体上肢运动分析人体上肢主要构成的关节大致可分为肩关节，肘关节，如图2.1,对上肢的结构进行拆解和分析，在考虑不同关节的运动方向限制、行程限制以及局部到整体的连贯性、可操作性以及安全性的情况下，每个关节运动功能范围及极限范围如表2-1所示，其中，功能范围是指进行日常生活中一些常用活动时关节的运动范围，以此通过不同的机构去实现每一个关节所需要的运动方案减少对整体复杂运动形式的设计，由局部到整体进行设计，最后再由整体去优化或改善局部机构。图2.1肩、肘关节运动形式表2-1肩、肘、腕关节运动范围运动类型自由度极限范围肩关节及大臂水平面内收(0°,50°)水平面外展(0°,130°)竖直面上抬(0°,90°)竖直面下摆(0°,135°)内旋(0°,60°)运动类型自由度极限范围肩关节及大臂外旋(0°,60°)肘关节及小臂屈曲(0°,145°伸展(0°)2.1.2 上肢人体尺寸为了使病患能够舒适的使用上肢康复机构，因此对于人体尺寸的要求采取坐姿的形式进行获取，人体尺寸如图2.2所示。大臂的长度为a,小臂的长度为b,肘关节到掌心长度为c,坐姿的肩关节到地面的距离为d。图2.2人体坐姿各关节尺寸图根据GBlOOOO-88记录的中国成年人体尺寸，我们选用男性分组为18-60岁,选取百分比数为50的上肢人体数据，尺寸数据如表2.2所示。表2.2人体上肢尺寸数据参考值测量项目参考值（mm）大臂长313小臂长237肘关节到掌心长100坐姿肩关节到地面距离1011本次上肢康复机构设计使用的最高人体体重限制为85kg,根据身体各个关节的配重比，因此，上肢各个关节机构的载重如表2.3所示。表2.3上肢各个关节机构的载重载重部位载重范围(kg)肩关节及大臂。2.12肘关节及小臂OL2手部0-0.72机械臂末端0-12.2上肢康复机构总体方案设计2.2.1上肢康复机构总原理该上肢康复机构将采用电力驱动，通过使用电机驱动来实现各个关节所需的功能，对上肢的各个关节进行康复训练。总体方案为：机构将采用基座式设计，组成的结构可分为箱体和各个关节的机构部件组成。箱体坐立于地面，其内置所需耍的电子元器件，再由升降柱与机构部件进行连接，病患可以坐在椅子或任意平面平台上，穿戴上肢康复运动机构，进行康复训练，原理图如2.3所示。图2.3上肢康复机构简易原理图M为升降柱的电机，在以Xy为平面绕Z轴旋转驱动升降柱上下移动，通过此方式来调节上肢康复机构的整体高度尺寸，以此来用于不同肩高的病患。Ml、M2、M3都是属于肩关节及大臂的电机，分别通过以Xy为平面绕Z轴旋转驱动肩关节水平面转动、以yz为平面绕X轴旋转驱动肩关节竖直面转动、以xz为平面绕y轴旋转驱动肩关节及大臂内外旋。M4为肘关节及小臂的电机，通过以Xy为平面绕Z轴驱动肘关节及小臂的屈曲/伸展运动。2.2.2传动方案升降柱控制高度选