机械设计报告

《机械设计报告》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械设计报告（27页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、机械设计报告Company number ：【WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998 】清华大学机械设计综合实践题目：上肢康复机器人系统设计系 别：精密仪器与机械学系专 业：机械工程及自动化班 级：精 85 班姓 名：张智、李思维、许剑学 号、指导教师：季林红日期：2011年6月摘要:上肢康复训练在临床上应用非常广泛。对于中风病人，对其偏瘫部位进行康 复训练是十分重要和关键的医疗手段，及早进行康复训练可以大大减少残疾的 可能性。同时，由于一些事故而造成神经损伤或者肢体损伤的人数也越来越 多，尤其是上肢运动功能的丧失，极大地影响了患者日常生活的能力。对于这 些偏瘫和肢体受损伤

2、的患者，进行康复训练是十分重要和关键的医疗手段。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，这种方式是 一种劳力集中的过程，训练效率和训练强度难以保证，训练效果受到治疗师水 平的影响，而且患者参与治疗的主动性不够。目前开发研究的上肢康复训练机器人体积过于庞大，虽然功能强大，但是 价格昂贵，绝大多数患者无力承受。我们旨在设计一种可以惠及更多人的价格 低廉，同时可以很好的带动患者进行训练的上肢康复训练机器人，并完成了运 动方案设计计算和结构设计，绘制了三维图，并将部分关键组件和零件转成了 加工用的二维图。 关键词：上肢康复训练机器人；四连杆机构；结构设计；钢丝绳结构 目录1 引言

3、机械设计综合实践任务书任务的目的与意义 相关技术的发展现状 存在的问题分析 初步的解决方案和技术路线2 机械系统运动方案设计功能分解及功能原理设计执行机构方案设计 确定原动机及传动系统 拟定机械系统运动方案 机械系统运动方案的评价与决策 机械系统运动与动力分析3 机械系统结构设计总体布局及结构草图设计 总体结构设计侧面运动摇杆设计 万向节结构设计 连杆机构尺度设计 典型部件装配图 典型零件图引言机械设计综合实践任务书设计背景中风、脑卒中等脑血管病是我国发病率高的常见病，在其幸存者中，病残 率高达 70%-80%，其主要的后遗症是神经性偏瘫，以半身瘫痪或者单肢瘫痪为 主。在所有严重的偏瘫患者中，

4、大概仅有 18%能够恢复所有运动功能，有不同 程度的劳动能力丧失，生活依赖他人照顾，给家庭及社会带来沉重负担。 设计目标设计一个具有如下功能的上肢康复机构：（1）够辅助患者上肢实施一些常规动作，如辅助肩、肘关节的屈伸以及各关节 间的复杂联动。（2）操作系统尽量简单，主动、和被动操作过程中指定点的运动速度和力可 控。（3）患者穿戴方便。设计内容（1）学习和了解人体上肢运动规律以及偏瘫等神经损伤情况下的表现特者，调 研上肢康复辅助系统在国内外的相关产品和专利、文献，结合人体和上肢相关 参数测量结果的统计分析，提出具体的设计指标、核心技术和解决方案，并进 行论证，制定技术路线和时间安排，完成开题报告

5、。（2）根据任务要求，组员间合理分配任任务，每个成员完成相应的工作，包括 方案的调研、讨论、选择、计算、设计和制图，以及产品说明书等。（3）对设计的机构进行结构优化，包括机构方案的分析、比较及设计，并回执 零件图和装配图，节能型关键零部件的校核，撰写机构设计说明书。（4）在开题报告、机构设计和机构设计说明书的基础上，整理出机械设计综合 实践报告，并撰写答辩PPT,进行答辩。（5）需提交存档的资料：全部调研资料；机械设计综合实践报告；答辩 PPT；设计的零件图和装配图。任务的目的与意义医学和神经科学研究结果表明，真正难于康复的严重偏瘫患者仅占患者总 数的 10%， 7080%的患者若给予及时的康

6、复治疗，可恢复部分或者绝大部分运 动功能，生活能够自理。因此寻求有效的康复手段，帮助患者重新建立全部或 者部分运动功能，不仅有利于提高患者自身的生活质量，更有利于从总体上减 轻社会负担。为了减轻家庭和社会的经济负担，提高康复训练效率，研究康复 训练效率，研究者们将机器人技术应用于康复领域。机器人不存在疲倦的问 题，能够满足不同患者对训练强度的要求既可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的成本。另外，机器人可以记录详实的治疗数 据及图形，能提供客观、准确的治疗和评价参数，有助于机器人辅助治疗偏瘫 研究的深入开展，具有改善康复效果和提高康复效率的潜力。近年来，国外一 些研究机

7、构开展了上肢康复机器人的研究，已得到一些初步的结论。 相关技术的发展现状国内发展现状 近些年，国内外不少研究者在上肢康复方面做了许多的工作，国内约有关 于上肢康复的专利 40多个，文献资料若干。而国外，在该领域更是研究颇深， 不少成果已经投入到使用中，并取得了较好的效果。专利：一种可穿戴式上肢康复训练机器人装置1 该装置能对患者上肢关节进行局部或者整体的全方位康复训练。该装置的 肩关节由肩顶架、肩侧架和肩部角度传感器组成，上臂有上臂角传感器、上臂 杆、上臂支撑架和第一、第二臂肘连接杆构成，肘关节包括肘环架、肘关节角 速度传感器和前臂杆，前臂包括外圈、滚珠轴、滚珠和内圈；腕关节包括腕前 杆、腕环

8、架、腕关节角度传感器和第一、第二腕掌连接杆，其手掌包括第一、 第二手指、第一、第二指头紧固件、握杆和回伸拉杆。该装置具有 8个自由 度，康复训练中能够提供较多的活动度，使人体上肢的主要关节都能得到辅助 训练；采用可穿戴式结构，达到辅助完成患者的日常生活需要的目的。该装置的优点在于运动自由度较多，能够更多的实现手臂的运动，相对结 构也较为简单。但是该装置也存在一些不容忽视的缺陷：没有动力源，不能够 使患者被动训练，需要患者在已经有一定的恢复后方能够使用；机械结构几乎 都承载在患者手臂上，如重量大的话患者无法使用。在该装置基础上，如增加 动力源和支撑装置，将会取得较好的效果，但是却会使造价提高，精

9、度要求 高，安全性等要求也上升。专利：一种上肢康复训练机器人2该康复机器人装置包括底座、人体工学座椅、康复机械臂和人机交互控制 柜。底座安装有高度调节机构和横向移动机构，横向移动机构上置悬伸臂；康 复机械臂包括肩部外展/内收关节，肩部屈伸关节，上臂、肘关节、前臂内旋外 翻关节、前臂、腕部屈伸关节、手掌和手指，肩部屈伸关节和肩部外展内收关 节连接，前臂由肘关节与上臂连接，前臂上装有前臂内旋外翻关节，手掌由腕 部屈伸关节与手掌连接，手掌由一连杆连接手指；在上臂、前臂和手掌上固连 3个力传感器，其中固连于上臂的传感器是二维传感器。该机器人为患者上肢 各关节提供三维空间内的复合康复运动，能够较高质量地

10、完成患者上肢康复训 练。该装置的优势在于能够支持多关节且包含手指关节的康复训练，能够提供 动力，使患者被动训练，能够为患者康复起到较好的康复效果。但是，由于该 机构采用外骨骼式的结构，机构略显庞大，精度要求也相应高，导致造价成本 会高，无法使用于普通家庭使用，因此也是无法推广开来。在该装置的基础上，如果能够精简机构，将会取得很好的效果。专利：多功能上肢康复机器人3该康复机器人装置根据康复医学理论和人体合作机器人原理，运用计算机 技术模拟人体上肢的运动规律，使用时可根据病患的轻重和患者的体能自主调 整康复训练的速度和强度，从而达到最佳的康复效果。多功能上肢康复训练机 器人包括运动面调整机构。摆动

11、运动机构、伸缩运动机构、控制箱和把手、控 制箱内装有PC机、单片机和驱动器系统、输入键盘和显示器。控制信息可从 键盘上输入，运动状况可在屏幕上显示。该产品不但能够用于心脑血管疾病致 瘫和因意外事故等造成的上肢体损伤患者做上肢康复训练，也可用于健康老年 人的体育锻炼。该产品的优势在于提出了一种可调性和可控制性，能够根据不同的对象做 不同的调整，并且有控制系统能够做出响应的改变，同时实现的运动机构也相 对简单。但该产品在康复训练方面，由于能够实现的自由度有限，因此能够达 到的训练效果也有限。在该装置的基础上，在可调与可控制的前提下，如果能够变换机构形式， 增加自由度，全方位的训练角度，将会有不错的

12、效果。专利：上肢康复训练装置4该上肢康复训练装置，其特征点是包括机架、位于机架上方的支撑板；在 支撑板上固连纵向把手；机架与支撑板之间设置两组运动平面相互垂直的平面 连杆机构；该机构中曲柄的一端与转轴固连，另一端与连杆联动，连杆另一端 铰接在支撑板上；两组平面连杆机构共用一根支撑杆，支撑杆一端固定在机架 上，另一端通过球面副与支撑板连接；在连杆与支撑板之间采用十字铰接连 接。该装置简单小巧、便于嫁接在其他康复机械上，手部姿态丰富，可提供多 为空间运动。该装置的优势在于简单便携、成本低，巧妙的运用一个可多方位 运动的支撑板和一个把手来实现上肢的运动。但由于该装置是将手置于支撑板 上运动，支撑板运

13、动的局限性也将导致手部的运动有限，并且手部是放在支撑 板上，并不一定能够随动，导致的必然后果是训练的效果很差。该装置需要在 运动的自由度上做改进，结合现在简单的优势，将会很适合普通家庭的患者使用。国外发展现状1991年，MIT设计完成了第一台上肢康复训练机器人系统MIT-MANUS, 该设备采用五连杆机构，末端阻抗较小，利用阻抗控制实现训练的安全性、稳 定性和平滑性，用于病人的肩、肘运动。MANUS具有辅助或阻碍手臂的平面 运动功能，可以精确测量手臂平面运动参数，并通过计算机界面为患者提供视 觉反馈，在临床应用中取得了很好的效果。在此基础上，他们又研制了用于腕 部康复的机械设备，可以提供三个旋

14、转自由度，并进行了初步的临川实验。与 一般工业机器人不同，MIT-MANUS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。 51993年，加利福尼亚大学的lum设计了名为手-物-手的康复装置。该装置 从人类日常生活中对双手协调性工作的需要出发，以简单的双手移动和挤压物 体训练双手协调性。两年后，lum又设计出了另一套训练上手上举协调性的装 置，并在装置上绑上装满咖啡的杯子，依靠装置为患手提供力辅助而成功完成 上举的实验来证明了该装置的可行性。这两个装置结构功能都比较简单，由于 实验是由正常人完成的，隐刺未作出对肌肉运动功能的评价。 61999年，Reinkensmye

15、r等研制了辅助和测量向导ARM-Guide，用来测量患 者上肢的活动空间。 2000年他们对该装置进行了改进，用来辅助治疗和测量南 损伤患者上肢运动功能。该设备有一个直线轨道，其俯仰角和水平面内的偏斜 角可以调整。实验中患者手臂缚在夹板上，沿直线轨道运动，传感器可以记录 患者前臂所产生的力。这种设备训练方式单一，无法进行更深入的研究。 71999年，Cozens J A lastair设计了一套康复装置，该装置跟随支撑前方的闪 烁灯执行 10-80的肘部屈伸运动。系统获取电子量角器、加速度计的反馈， 根据控制法则对支撑臂上的患肢运动进行外力辅助或干扰，最后依据试验结 果，给出训练方式的效果比较

16、。2000年，lum与斯坦福大学合作开发了名为MME系列康复机器人。该系列 机器人分为 3 代。第一代完成两个自由度的单关节运动，包括肘部弯曲伸展， 前臂的旋前旋后；第二代能够实验前臂的平面运动；第三代能够实现前臂的三 维空间运动。第二代和第三代的显着特点是在Puma系列奇迹人的带动下，不 但能够完成单侧训练而且能够完成镜像运动。人体上肢由两个支撑架支撑，提 供上肢运动的Puma机器人连接在患侧支撑架上，当健侧实现某二位或者三维 运动时，负责监测的传感器和光电编码器记录运动，并将数据传送给Puma机 器人，带动患侧实验对健侧运动的复制。训练疗程前后采用传统的临床方法对 患者进行评价，并对比证实了该装置康复训练对肌肉运动功能的回复。 82005年，瑞士苏黎世大学的Nef等开发了一种新型的上肢康