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1、毕 业 设 计 中文题目: 手康复机的机械结构设计 英文题目: Hand rehabilitation of the mechanical structure design of machine 学生姓名 9413kk 系 别 机电工程系 专业班级 机械化及其自动化专业二班 指导教师 成绩评定 200 年 月 日目 录1绪论11.1课题背景及意义11.2研究现状12手康复机的机械结构设计32.1机械结构的设计要求32.2机械结构的方案设计42.2.1驱动机构的设计52.2.2传动轮设计62.3手康复机关节的设计72.3.1机构方案设计72.3.2手康复机指腹结构的选择82.3.3手康复机尺寸确
2、定182.4安全性设计193总结20参考文献21致谢22附录1相关英文文献23附录2英文文献中文译文32摘 要临床数据显示，近年来中风和脑外伤而导致的肢体瘫痪患者数量显著增加，其中大多生活无法自理，不仅造成患者生理和心理上的巨大压力，而且给患者家庭和社会带来了沉重的负担。本文旨在开发一种新型的可穿戴的用于手功能康复的手康复机的机械结构设计，辅助患者完成手指伸展运动，解决传统人工康复训练方法中存在的问题。论文设计了手康复机的机械结构，使之符合人手的生理特征，并且采用气动肌肉作为驱动器，使机器手具有穿戴舒适性和使用安全性，适合家庭和社区中使用。关键词：手康复机，功能康复，接卸结构，设计 ABSTR
3、ACTThe clinical data demonstrated that the number of limbs paralysis caused by stroke and traumatic brain injury is obviously increased in recent years, most of them cant take care of themselves, and it not only results in tremendous physical and psychological pressure, but also brings a serious bur
4、den to their family and the society. The goal of this paper is to develop a novel wearable device for robotic assisted hand repetitive therapy. It can provide assistive forces required for grasping and finger extension, and solve the problems in traditional artificial rehabilitative training methods
5、.In this thesis, the robots mechanical structure is designed firstly and made to conform to the hand physiological characteristic. A pneumatic muscle is designed to driven therapeutic device. The robot is worn comfortably and safely. It suits to using in family and community.Keywords: hand rehabilit
6、ation machine; functional rehabilitation; unloading structure;design1 绪论1.1 课题背景及意义近年来，随着机器人技术和康复医学的发展，在欧洲、美国和日本等国家，医疗康复机器人的市场占有率呈逐年上升的趋势，在美国数以百万计的有神经科疾病病史和受过意外伤害的患者需要进行康复治疗，仅以中风为例，每年大约有600,000中风幸存者，其中的200,000病人在中风后存在长期的运动障碍。我国和世界上许多国家一样，正在步入老龄化，在老龄人群中有大量的脑血管疾病或神经系统疾病患者，这类患者多数伴有偏瘫症状。我国又是中风病的高发地区之一，中
7、风患病率在每10万人口中约550例，以总人口12亿计算，则中风病人约有660万，在幸存者中约70%80%的病人留有不同程度的残疾1-3。此外，随着社会及城市建设的发展，交通事故、斗殴及建筑工地事故等导致的脑外伤日趋增多，成为肢体瘫痪的另一常见原因。文献报道，车祸致颅脑外伤占同期各种颅脑外伤人数的43.4，车祸伤较突然，患者常缺乏防备，容易加重颅脑外伤。对于中风和脑外伤患者，尽早介入康复训练不仅能够维持关节活动度，防止关节挛缩，而且能够明显提高患者活动功能的最终康复程度4。传统的康复治疗中，治疗师手把手地对患者进行一对一的康复训练，使得训练效率和训练强度难以保证，训练效果受治疗师水平影响，而且缺
8、乏评价训练参数和康复效果关系的客观数据，难以对训练参数进行优化以获得最佳治疗方案。 为提高康复训练效率，减轻家庭和社会的经济负担，本课题将机器人技术应用于患者的手部运动功能康复，研制一种柔顺舒适、可穿戴的手功能康复机器人，辅助患者完成手部运动功能的重复训练，其轻便经济、穿卸方便，尤其适于家庭使用，既可为患者提供有效的康复训练，又不增加临床医疗人员的负担和卫生保健成本。1.2 研究现状康复器械的最终目标是恢复人体肌体组织的运动机能，实现肌体组织的自然化动作。第一次尝试将为残疾人服务的机器人系统产品化是在20世纪的60年代到70年代，但实践证明这些尝试都失败了，主要原因在于单价太高而导致康复机器人
9、产品化失败。20世纪80年代是康复机器人研究的起步阶段，美国、英国和加拿大在康复机器人方面的研究处于世界领先地位。1990年以前全球的56个研究中心分布在5个工业区内：北美、英联邦、加拿大、欧洲大陆和斯堪的纳维亚半岛及日本5-6。图 1 机器人系统MIT-MANUS国内四肢康复设备的研究起步较晚，在此领域展开研究的主要有清华大学、上海交通大学、复旦大学、哈尔滨工业大学等。目前，七个自由度假手模拟装置已设计完成7。但目前的成型产品很难完全满足患者的要求，就上肢康复设备而言，应用范围仅限于局部关节，且智能化程度不高、可穿戴性较差。针对偏瘫上肢的重复功能训练，1991年MIT设计完成了第一台上肢康复
10、训练机器人系统MIT-MANUS ，如图1所示，与一般工业机器人不同，MIT-MANUS尽管在机械设计方面考虑到了安全性、稳定性以及与患者近距离物理接触的柔顺性，但不具有穿戴性，主要针对患者手臂（肩、肘、腕关节）的康复训练，不涉及手部各指关节的功能训练。值得注意的是，美国KMI公司在手部康复机械人领域取得了一定的研究成果。该公司生产的Hand Mentor（图2所示）主要用于中风偏瘫患者手腕功能的恢复8，Hand Mentor首先鼓励患者尽力伸展手腕，到达伸展极限时，Hand Mentor启动气动装置辅助病人将手部腕关节完全伸展开，以达到康复效果。本课题研制的手功能康复机器人则主要是针对病人手
11、指关节的运动功能训练，相比Hand Mentor，手功能康复机器人具有精巧、灵活的机械本体，适应患者手指活动的需要，同时控制的柔顺性和协调性能更好。图 2 Hand Mentor 手导师机器手具备许多人工训练无法比拟的优点，如长期稳定的重复训练、精确客观测定训练与运动参数、提供实时反馈以及远程训练等。随着社会老龄化加剧，中风偏瘫患者逐渐增多，机器手具有越来越大的实用价值。目前世界上手功能康复机器手的研究出于刚起步状态，各种机器手产品更是少之又少，在国内该领域中尚处于空白状态，临床应用任重而道远，因此对手功能康复机器手的研究有广阔的应用前景和重要的科学意义。2 手康复机的机械结构设计2.1 机械
12、结构的设计要求手是人体从事各样活动和工作的重要器官，由于手骨体形小，数量多，连接复杂，主要由腕骨、掌骨、指骨所组成，计有大小不同的骨27块，决定了手的功能复杂而灵巧。手部主要的关节如图3所示。第一节指骨的底以卵圆形凹的关节面与掌骨组成掌指关节，第二节指骨底有两侧凹，中间凸的关节面接第一节指骨下端的滑面，形成近侧指间关节。中风病人或脑外伤患者的手部关节无法进行正常的运动，患手就无法实现所拥有的握拳、伸展、侧捏、对掌等功能，本文所研制的手功能康复机主要是针对这两个关节实施康复训练。图 3 人手解剖图由于手功能康复机是“穿”在人手上的，与正常人肢体相比，患手更为脆弱，更容易受到损伤。因此机构设计必须
13、首先要保证患者穿戴的舒适性和运动的安全性，避免与人体产生刚性接触。显然，在所有结构中，与患手运动空间基本相同的结构更适合辅助康复训练，因此，所设计的机械结构不仅要有足够的强度还应更具柔顺性，更适合穿戴，而且还要满足辅助瘫肢完成多种动作的需要。机械结构采用聚乙烯、聚丙烯等热塑材料制作。这些材料共同优点是轻便、美观、卫生、可塑性好、加工方便。制成后的康复机器人更加符合生物力学要求，不仅穿戴时更加舒适，同时也提高了治疗效果。2.2 机械结构的方案设计目前，所设计的手功能康复机机结构如图4所示，手康复机的机械本体后方安装两条气动肌肉，一根气动肌肉前端连接一根钢丝与前方指关节相连，气动肌肉收缩时，拉动手
14、指伸直，另一根气动肌肉与拇指相连，辅助拇指外展。通过这些机械构造可辅助患手完成伸展、对掌和对指等动作，有效减轻水肿，避免肢体痉挛及非麻痹性肌肉萎缩，使运动尽可能达到协调和随意，提高活动自由度，使肢体功能得到好的恢复，缩短康复疗程，降低治疗费用。采用气动肌肉作为驱动器不仅使机器人更具柔顺性、更适合穿戴而且还降低了成本，适合社区、家庭中使用。图 4 机械机构图2.2.1 驱动机构的设计驱动机构的选择，方案一，伺服电机带动钢丝驱动手康复机动作，考虑到速度快，柔性差，对手会造成伤害；方案二，伺服电机带动弹簧绳驱动手康复机，在启动时，是有了一定的柔性，但当手拉到极限位置后，由于弹性力的作用，手会被拉过极限位置，而电机频繁启动，对它的使用寿命也有影响；方案三，手功能康复机采用气动肌肉作为驱动器，气动人工肌肉结构简单、易于小型化、功率/重量比大，具有独特的仿生性和柔顺性。本设计采用柔顺性好的气动肌肉驱动关节，使得手康复机轻巧、穿戴舒适，容易被患者接受。如图5所示，气动肌肉是一种由压缩空气控制的可收缩的直线驱动器，其内部是弹性很好的橡胶管，外层为抗拉强度很高的纤维编织网套，橡胶管与纤维编织网套在两端用钢箍固定，当充入气体后，橡胶管向外膨胀，与外层纤维网接触，进而产生轴向收缩，所产生的拉力可以驱动外接负载。本手康复机本体中气动肌肉通过钢丝与拇指
