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1、上肢康复机器人的结构设计目 录中文摘要及关键词I英文摘要及关键词II第一章 绪 论11.1课题的背景和意义11.1.1 课题的背景11.1.2课题意义11.2 课题的国内外研究现状和发展趋势21.2.1 国内外研究现状21.2.2 课题发展趋势91.3本文主要研究内容9第二章 上肢康复机器人的总体方案设计102.1 人体上肢结构102.2 总体设计思路132.3 设计方案对比及方案选择132.3.1 设计方案对比132.3.2 设计方案选择142.4 自由度的选择和空间动作范围确定152.5 康复机器人的组成182.5.1 执行机构182.5.2 驱动机构232.5.3 控制系统分类252.6
2、 上肢康复机器人基本参数确定252.6.1 结构参数确定252.6.2 运动参数确定262.7 本章小结26第三章 上肢康复机器人整体结构设计273.1 肩关节运动机构设计273.1.1 肩关节运动机构设计要求273.1.2 肩关节运动机构结构与选择283.1.3 肩关节运动机构尺寸设计283.2 肘关节运动机构的设计293.2.1 肘关节运动机构设计的要求293.2.2 肘关节运动机构结构与选择293.2.3 肘关节运动机构设计303.3 前臂和腕关节运动机构的设计303.3.1 前臂和腕关节运动机构设计的要求303.3.2前臂和腕关节运动机构结构与选择313.3.3 前臂和腕关节运动机构设
3、计313.4 机身结构设计323.4.1 机身结构设计的要求323.4.2 机身结构的选择333.4.3 机身结构设计333.5 本章小结34第四章 伺服元件的选择354.1 前臂与腕关节运动机构电机的选取354.2 肘关节运动机构电机的选取364.3 肩关节运动机构电机的选取374.4 步进电机驱动器选择384.5 联轴器选择384.6 本章小结39第五章 主要零部件的校核405.1 肩关节运动机构传动轴校核405.2轴承校核435.3键选择及校核计算445.4本章小结45结 论46参考文献47致 谢49中文摘要及关键词随着机器人技术的发展，将机器人辅助治疗技术应用到中风患者的康复训练中，已
4、经受到国内外研究人员的重视，并逐渐成为康复工程领域研究的重要课题和热门点。具有重要的研究意义和应用价值。本文从康复训练的角度对人体上肢的运动原理进行了分析，设计出了一种可穿戴式外骨骼式上肢康复机器人，用于心脑血管疾病致瘫或者意外事故所造成的上肢损伤的患者上肢及其相关关节的康复训练。本设计中的上肢康复机器人机身是高度可调节的机座，整个外骨骼机构包括了：肩关节运动机构、肘关节运动机构、前臂和腕关节运动机构。各运动机构由单独的电机驱动，而传动机构主要是传动轴。本设计中的上肢康复机器人各个关节康复机构尺寸具有一定的可调节性，能供一定范围内身高人群使用。关键词：康复，上肢，外骨骼，结构设计英文摘要及关键
5、词With the development of robot technology, the robot-assisted therapy applied to there habilitation of stroke patients has been gradually paid attention by domestic and foreign researchers. It has become an important research subject and hot spot in the field of rehabilitation engineering. Therefore
6、, the study has important significance and application value.This perspective on the human body from the use of upper limb movement principle is analyzed，designed a wearable exoskeleton upper limb rehabilitation robot, for the paralysis caused by cardiovascular diseases or accidents. The design of t
7、he upper limb rehabilitation robot body is height-adjustable stand, The exoskeleton mechanism comprises: the shoulder joint movement mechanism, the movement mechanism elbow, forearm and wrist articulation mechanism.，the moving mechanism driven by a separate motor.The design of the upper limb rehabil
8、itation robot the size of each joint rehabilitation agencies have some adjustability can be within a certain range for tall people to use.Keywords：rehabilitation，upper limb，exoskeleton，structural designII上肢康复机器人的结构设计第一章 绪 论1.1课题的背景和意义1.1.1 课题的背景随着我国老龄化的加剧，伴随老龄化过程中明显的生理衰退就是四肢的灵活性不断下降，而在老龄人群中有大量有脑血管疾病
9、或神经系统疾病患者，这些患者又大都伴有偏瘫症状，对日常生活产生了种种不利的影响, 给患者、家庭及社会带来了沉重的负担。医学理论和临床医学证明, 这类患者除了早期的手术治疗和必要的药物治疗外, 正确的、科学的康复训练对于肢体运动功能的恢复和提高起到非常重要的作用。神经康复治疗过程是一项艰苦的工作, 目前主要依靠康复医师对患者进行一对一的手工操作和主观临床经验对患肢进行的评估, 限制了康复水平的提高。康复医学与机器人技术的结合为研究新的康复技术提供了一个很好的契机。 这样的结合不仅可以减少医生的工作强度, 更可以优化患者的康复治疗方法, 提高康复效果。为解决这些康复训练过程中出现的问题，需要安全、
10、定量、有效及可进行重复训练的新技术，因此机器人辅助训练技术在这种背景下应运而生2。1.1.2课题意义传统的运动康复训练是康复治疗师通过人力协助患者完成一系列的运动，不可避免的存在着诸多弊端： 无法得到精确的量化数据对康复效果进行客观的评价； 不能精确控制训练参数，不利于治疗方案的改进； 不易将患肢的运动信息实时直观的反馈给患者； 训练过程缺乏吸引力，患者参与治疗的主动性不够； 缺少多感官刺激，不利于恢复运动神经对肌肉的支配； 治疗师一对一的辅助患者，训练效率低； 治疗效果多取决于治疗师的经验和水平； 治疗师体力消耗大，极易疲惫，影响康复训练的效果等。采用上肢康复机器人辅助治疗的技术，是解决上述
11、问题的有效途径。将机器人系统运用到运动康复训练中，直接与患者接触，辅助其完成一系列的运动，有以下优点： 可以利用传感技术得到训练时的量化数据，对康复效果进行客观的评价； 可以精确的控制训练参数，有利于为患者提供稳定的治疗方案，以及对治疗方案进行改进； 可以通过屏幕显示或虚拟现实等手段将患肢的运动信息实时直观的反馈给患者； 可以通过游戏的形式进行训练，吸引患者主动参与到运动训练中来； 在训练时加入声、光、电等多种感官的刺激，更利于患者神经系统的康复； 机器人系统使得一个治疗师同时辅助多名患者进行训练成为可能，提高了治疗效率； 可以为不同的患者建立针对性的训练数据文档，减少治疗师的文案工作，更多的
12、精力投入到治疗方案的改进中来； 机器人不知“疲倦”，能够满足不同患者对训练强度的要求； 使得治疗师远程协助患者训练成为可能等。可见，将机器人技术运用到康复训练中来，可以弥补传统康复训练的大量不足，具有改善康复效果和提高康复效率的潜力。1.2 课题的国内外研究现状和发展趋势1.2.1 国内外研究现状康复机器人是工业机器人和康复训练的结合，涉及到多个领域，包括：机械工程学、电子工程学、生物医学、人造器官学、自动化技术、人工智能和传感科技等。国外发展状况: 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的领先地位。1990 年以前全球的56 个研究中
13、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3。1990 年以后康复机器人的研究进入到全面发展时期。上肢康复机器人最早出现是在 1993 年，美国的Lum P.S 等人研制了一种称作“手-物体-手”的系统，用于对中风后偏瘫病人的上肢进康复训练见图1.1。患者的双手置于两个夹板状手柄中，只可以进行腕关节的屈曲/伸展运动。患侧手在驱动电机的辅助下，完成双手夹持物体的动作。1995 年，Lum P.S等又研制了一种双手举物的康复器，用来训练患者用双手将物体举起并移动的动作见图1.2。患者双手握住手柄上举，系统可以在患侧手无法产生足够大的力时予以辅助，协助患者完成上举
14、并移动的动作4。 图 1.1 “手-物体-手”系统 图 1.2 双手举物康复器 1995 年开始至今，美国的Hogan 和Krebs 等研制了一款名为MIT-MANUS 的神经康复机器人，并不断扩展其功能。到现在为止，该机器人的机械部分有个模块：平面模块，手腕模块和手部模块，依次串联，见图1.3-图1.6。平面模牵引肘和前臂在水平面上做平移运动，并有一定的重力补偿，辅助患者的肩关节肘关节进行活动；手腕模块提供了三个运动自由度，辅助患者的前臂和手腕关节行活动；手部模块辅助手掌部分关节进行活动，训练抓握功能。整个体统采用阻抗控制以保证安全。训练时，MIT-MANUS 可以推动、引导或干扰患者上肢的
15、运动，以提供不同的训练模式；可以采集位置、速度、力等信息以供分析；可以将运动状态信息显示到电脑屏幕上为患者提供视觉反馈5。Hogan 等在该机器人系统上做了不少临床实验，并得出一系列结论：机器人辅助治疗不会给患者带来负作用；患者可以接受这种治疗方式；辅助患肢进行运动训练可以促进脑神经康复，且将机器人辅助训练引入传统康复训练效果更好；改进的疗效在3 年后仍然存在；中风三个月后，神经康复并未停止，仍在继续7。图 1-3 MIT-MANUS的平面模块 图 1-4 MIT-MANUS 的手腕模块 图1-5 MIT-MANUS 的手部模块图 1.6 MIT-MANUS 机器人2000 年，David J，Reinkensmeyer 等研制了一款称作ARM Guide (assistedrehabilitation and measurement guide)的康复机器人，用来辅助治疗和测量脑损伤患者的上肢运动功能，见图1.7。患者手臂缚在夹板上，由电机驱动沿直线轨
