手康复机的机械结构设计Word文件下载.docx

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关键词：

手康复机，功能康复，接卸结构，设计

ABSTRACT

Theclinicaldatademonstratedthatthenumberoflimbsparalysiscausedbystrokeandtraumaticbraininjuryisobviouslyincreasedinrecentyears,mostofthemcan’ttakecareofthemselves,anditnotonlyresultsintremendousphysicalandpsychologicalpressure,butalsobringsaseriousburdentotheirfamilyandthesociety.Thegoalofthispaperistodevelopanovelwearabledeviceforroboticassistedhandrepetitivetherapy.Itcanprovideassistiveforcesrequiredforgraspingandfingerextension,andsolvetheproblemsintraditionalartificialrehabilitativetrainingmethods.

Inthisthesis,therobot'

smechanicalstructureisdesignedfirstlyandmadetoconformtothehandphysiologicalcharacteristic.Apneumaticmuscleisdesignedtodriventherapeuticdevice.Therobotisworncomfortablyandsafely.Itsuitstousinginfamilyandcommunity.

Keywords:

handrehabilitationmachine;

functionalrehabilitation;

unloadingstructure;

design

1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HandMentor（图2所示）主要用于中风偏瘫患者手腕功能的恢复[8]，HandMentor首先鼓励患者尽力伸展手腕，到达伸展极限时，HandMentor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指关节的运动功能训练，相比HandMentor，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2HandMentor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和四指相连，这样不仅结构简单，而且可以保证气动肌肉的收缩力一直是沿气动肌肉轴向，气动肌肉就不会出现扭转、弯曲等状态，提高了气动肌肉拉力的利用率，延长了气动肌肉的使用寿命。

气动肌肉的气源也是必不可少的设备，本文中用的是上海捷豹压缩机有限公司生产的静音空气压缩机FB-0.017/7，功率为0.245KW，压力为0.7MPa，排气量为17L/min，噪音45dB；

气动肌肉的驱动部件采用SMC公司生产的电磁比例阀，+24V电源供电，输入信号为0~+5V直流电压，并且可以将气动肌肉的气压信号转换为0~+5V的电压信号反馈给系统。

（a）充气前（b）充气后

图5Mckibben型气动肌肉

2.2.2传动轮设计

自行制作的气动肌肉长度是23cm，充气气压为0.3MPa时产生轴向收缩行程为4cm，收缩率是17.4%，而通过实验测得将四指拉直需要的行程为10cm，为了解决气动肌肉收缩行程短的问题，设计了一种传动轮，如图6所示，大轮直径

与小轮直径

的比值为3:

1，则二者周长之比也为3:

1，显然，将气动肌肉的绳索绕在小轮之上，连接四指的绳索绕在大轮之上后，气动肌肉收缩4cm时，可以拉动四指12cm，这样就解决了启动肌肉收缩行程不够的问题。

图6传动轮

2.3手康复机关节的设计

2.3.1机构方案设计

图7两个自由度的机构图

方案一，考虑到手有两了自由度，手康复机的机构设计为如图7所示，手康复机的四指部分具有2个自由度，对应于人手的掌指关节和指关节，原动件为指腹和指尖，连接件为掌指关节和指指关节。

因此，在四指运动中活动构件数为n=2，低副为

=2，全部活动构件具有3n个自由度，而用运动副联接后约束掉2

个自由度，所以机构所具有的自由度为：

即该机构的自由度为2。

为了使该机构有确定的运动，需要使给定机构的独立运动规律的数目等于机构的自由度数，而给定的独立运动规律是通过原动件提供的，那么需要两个原动件，即设计机构中的指腹和指尖，所以机构能达到预期的运动要求，现四指的伸展。

拇指具有一个自由度，原动件为拇指，连接件为掌指关节。

因此，在拇指运动中活动构件数为n=1，低副为

=1，全部活动构件具有3n个自由度，而用运动副联接后约束掉2

即该机构的自由度为1。

为了使该机构有确定的运动，需要使给定机构的独立运动规律的数目等于机构的自由度数，而给定的独立运动规律是通过原动件提供的，那么需要一个原动件，即设计机构中的拇指，所以机构能达到预期的运动要求，现拇指的外展。

方案二，考虑到手四指有两个自由度，机构又要适应大小不同的手，所以机构设计如图8所示，有三个自由度，机构中有三个原动件，所以机构有确定的运动。

图8三个自由度的机构图

2.3.2手康复机指腹结构的选择

首先根据实际手的一般尺寸大小及手康复机的工作原理确定结构，考虑到机构要适合大小不同的手，选机构设计的方案二，需要在指腹关节设计中做滑块结构，滑块设计成硬C型块，总长=51.8mm，宽=7.5mm，厚=0.8mm，滑块上有链接结构，设计4个孔径=1.6mm的通孔。

导轨为两个厚=0.5mm,宽=14mm，长=46mm的两个薄钢板，为使和架子固定两边各有2个M1.6的螺纹孔。

架子与掌指关节连接，滑块与限位机构连接，架子及细节尺寸如附图9、10、11所示。

图9手指关节图

图10滑块结构图

图11限位块结构图

图12手指关节结构图

图13钢板结构图

图14定位块结构图

图15滑轨结构图

图16滑块结构图

图17连接块结构图

根据附图9、10、11的设计结构，滑块结构存在着容易卡死的现象，设计不合理，结构较复杂和大，所以对滑块进行了优化设计。

滑块设计成方形块镗内孔，后切割，长=14mm，宽=7.5mm，厚-=8.5mm，内孔=5.2mm,滑块上有链接结构，设计4个孔径M1.6mm的螺纹孔。

导轨为一个外直径=5mm的圆柱,两端考虑到要连接到架子上,圆柱连接不平稳,钻孔也不好加工,所以在圆柱的两端分别加工两个平行平面,为使和架子固定两边各有一个1.8的通孔。

架子与掌指关节连接，滑块与限位机构连接，架子及细节尺寸如附图12、13、14、15、16、17所示

图18手指关节结构图

图19叉件结构图

图20滑块结构图

根据第二组的设计，考虑到结构还是比较复杂，对手没有保护措施，摩擦容易对手造成伤害，所以又做了如下的结构优化，机构选择机构设计中的方案一，结构中选择了一个叉件和两个钢板结构的件组成滑块，结构以及制造工艺都比较简单，自由度也能满足结构要求，本件中滑块与手背直接连接，可以真正做到手康复机械在运动中与手没有相对滑动，在前面所设计的结构中考虑的不全面，滑块与限位机构连接，只是起到了可以固定不同长短的指腹即适应大小不同的手，所以在本设计中选用了最后一组结构（如图18、19、20），它可以靠滑块结构使手不受到相对摩擦，靠叉件结构中的四组直径为1.8mm的通孔来适应大小不同的手。

叉件总长=75mm，总宽=60mm，铝板宽=5mm，厚=3mm，在距叉未3mm处，由于要与掌指关节连接，设计了长10mm，宽10mm，高3mm，并在面居中位置设计了四个直径1.8mm的通孔的叉把结构，滑块底钢板长=56mm，宽=10mm，起了高=3.5mm的凸台，总高=5.5mm，由于要与滑块上钢板连接设有M1.6mm的螺纹孔，上钢板长=56mm，宽=10mm，高=2mm和底钢板对应的设有四个直径=1.8mm的通孔。

两块钢板的接触面加工为6.3的粗糙度，滑块的两个滑端粗糙度为0.8，由于与人手接触，所有的结构都需要锐角倒钝，去毛刺。

手康复机选用第三组结构，本机构有两个自由度。

它的工作原理是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，拉动手指伸直，另一根气动肌肉与拇指相连，辅助拇指外展（如图23所示）。

图23机构示意图

为了增大力矩，减少气动肌肉收缩行程，指关节结构设计形式如图21所示，气动肌肉收缩时，拉动指关节旋转，完成手指的伸展。

掌指关节的结构如图22所示，关节的下部安装导轨，上面的滑块可以自由滑动，可以减小机械关节与手指背部的摩擦，穿戴更加舒适。

图21机械本体指关节结构图图22机械本体掌指关节结构

2.3.3手康复机尺寸确定

据观察普通人手的掌指关节和指指关节的距离在6mm左右，指尖距为5左右，在结构设计中为了使所设计机构满足不同手的需要，所以通过四组1.8mm的通孔，把掌指关节和指指关节的距离确定在52-67mm的可调范围内，指尖三角焊接件也设计了三组1.8mm的通孔，把可固定的距离设定在30-50mm。

由于限位关系及零件宽度确定指尖三角焊接架的角度为45°

，指指限位角度为153°

，掌指限位90°

，这样就把手指确定在可调、安全的活动范围内。

机构示意图中如图23所示关节和指指关节的距离6m，指尖距6m，铝板宽12mm。

通过气动肌肉与传动轮联接，传动轮为直径1:

3的转换轮，小轮直径15mm，大论直径45mm，为了增大力矩，减少气动肌肉收缩行程，指尖结构设计为三角架型，长边为7mm，短边考虑到人手指尖长度，短边为5mm，宽度12mm，在整个运动过程中直线距离最短，所以在限位架总高为6mm，考虑强度，宽度分别设计为18mm，15mm，5mm，2mm，根据限位需要长度设计为30mm，22mm，23mm，15mm，结构中所用轴承均选用GB/T276-1994623型d=3mm,D=10mm。

2.4安全性设计

由于康复机器人直接对患者的肢体进行操作，而且相对于健康人来说，患者的患肢更容易受到损伤，所以康复训练机器人在保障患肢安全性方面要求很高，其主要表现为机器人的结构设计。

在结构设计中，牵引机构的运动空间不能与患肢的运动空间发生干涉，并且不能对患肢产生过大的拉扯力。

在康复机器人工作的过程中，为了使关节不超过自身的运动范围，进行位置保护是十分必要的，所设计的机械结构充分考虑到了这一点。

在指关节的设计中，采用的三角式结构，当指关节拉伸到180度时，三角式指关节上端恰好被上方的支撑架限制，指关节停止旋转，起到了位置保护作用如图24所示。

在掌指关节的设计中，方法类似，到了位置保护作如图25所示，掌指关节向上旋转制180度时，上方的传动轮支撑架限制掌指关节的继续旋转。

前方承受气动肌肉拉力的部件采用了质量轻、强度大、易加工、可塑性好的铝材料加工制作而成，与人体接触的部分采用了聚乙烯、聚丙烯等热塑材料制作，这些材料轻便、卫生、加工方便，而且比其他金属材料更加柔软，对患手不易造成伤害。

机械本体后方安装两条气动肌肉，下面的一条辅助拇指进行外展康复运动，另一条辅助其余四指进行拉伸，完成患者手部的伸展运动。

图24指关节机械限位图图25掌指关节机械限位

3总结

本文对手功能康复机的机械机构进行了设计，并对部分零件进行了结构设计。

设计出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，辅助患者完成手指伸展运动，具有穿戴舒适性和使用安全性，适合家庭和社区中使用。

另外设计顺序有些问题自由度计算应该在尺寸设计之前完成

也就是说，首先要确定机构是能够做预定运动的，然后才能要求其运动到位，即确定尺寸。

参考文献

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1224-1227．

[8]

致谢

首先，我要对在百忙中阅读评审此学位论文的专家学者们表示诚挚的感谢。

我要感谢李书环教授学习期间，给予我的帮助与指导。

这段时间里，她言传身教，以身作则，不仅在学习、工作生活上给予我极大的帮助和关怀，从她的身上，我同时也学到很多为人处事的方式方法，这对我的未来都是影响深远的。

同时，老师严谨的治学态度和对细节的把握都给我留下了非常深刻的印象，并成为我今后努力的方向。

她耐心地回答我提出的任何问题，帮我指出解决问题的思路，使我在大学阶段学习到了扎实的专业知识，并教我如何学会做人，学会处事，学会做学问。

还有在大学四年里一起共同成长的同学和朋友，从他们身上我也学到了很多优良品质，给了我很多的帮助；

他们在我完成课题和论文过程中提供了大力帮助，在此一并表示感谢。

附录1：