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手部康复结构设计毕业论文

康复服务机的结构设计

——手部康复结构设计

学院：

工业自动化学院

专业：

机械工程

姓名：

林铭学号：

160406102702

指导老师：

曾亮华、周旭东职称：

讲师、工程师

中国·珠海

二○二零年五月

诚信承诺书

本人郑重承诺：

我所呈交的毕业论文《手部康复结构设计》是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，论文使用的数据真实可靠。

承诺人签名：

林铭

日期：

2020年5月10日

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，solidworks

Abstract

Alsoknownasstroke,strokeisconsideredoneofthethreebigkillershumanhealth,causinglimbhemiplegiaafterastrokecannotcarryoutnormallifeactivitiesofriskmorethanfiftypercent,astrokeintheelderlypatientsaccountforlargerproportionofthecrowd.Alongwiththesocialagingdegreeismoreandmoreserious,theelderlyhealthproblemiswidespreadattentionfromallwalksoflife,sotherecoveryofupperlimbmovementhasbecomethefocusofstrokepatients.

Withthedevelopmentofthesocietyandtheprogressofscienceandtechnology,robottechnologyhasbeenappliedtothefieldsofupperlimbrehabilitationtraining.Atpresent,thestudyofupperlimbrehabilitationrobotsathomeandabroadhavemadegreatachievements,buttherearestillsomeproblemssuchascomplicatedstructure,inconvenienttocarry,integrationisnothigh,thistopicputforwardasetofportableexoskeletonupperlimbsrehabilitationrobot,includingfingerstohelpstrokepatientswithsimplerehabilitationexercisetraining.

Basedonmotordriverdesignedmultiplelinkageofrehabilitationtrainingmachine,mayrealizetheshoulderjoint,andalargearmsflexed,flexedelbowandforearm,wristcurlandfingerknucklesflexed.Thisdesignnotonlycanthepartswithrehabilitationtraining,andcanalsobetargetedonajointrehabilitationexercisetraining,whichgreatlyimprovedtheuseofdifferentpatients.

Byusingthesolidworksmodeling,tothecorrespondingsimulationofvariousagencies,isinstitutionscanpresentareasonablemovementtrend.

Keywords:

upperlimbrehabilitation,linkage,Synchronousbelt,solidworks

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MIT-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1-1MIT-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GB10000-88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

0~2.12

肘关节及小臂

0~1.2

手部

0~0.72

机械臂末端

0~1

2.2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，其内置所需要的电子元器件，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。

M1、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

升降柱控制高度选用丝杆传动的方式来实现，其优点在于能够精确的位置伺服，也有利于运动速度的控制。

各个关节康复机构的紧凑有利于空间节约，因此，可以使用谐波减速器与电机连接直接驱动肩关节的两个电机、肘关节的一个电机以及腕关节一个电机以此来驱动肩关节及大臂水平面、竖直平面，肘关节及小臂屈曲/伸展。

对于肩关节的内外旋，为了驱动圆弧构件对于大臂绕中轴线旋转，因此采用同步带传动的方法，其优点在于传动效率高，运动比较平稳，传动比准确。

2.3肩关节、肘关节的结构设计

2.3.1肩关节及大臂平面、竖直旋转的结构

上肢康复机构肩关节及大臂康复运动的机构主要就是在平面和竖直方向上将手臂进行旋转，因此需要满足旋转的角度要满足康复训练的要求，即需要在规定的如表2.1的规定功能范围内，其次需要满足整个机构的稳定性和安全性。

因此，其肩关节及大臂的结构为如图2.4所示。

图2.4肩关节及大臂结构

肩关节及大臂康复结构在杆件1的末端上装在直流电机，减速器和传动轴，其电机驱动时杆件1通过杆件2的联结带动整体机构进行水平面的旋转。

杆件3与杆件2的联结处装有直流电机，减速器和传动轴，其电机控制驱动时杆件3连接的滑动部件带动除杆件3以上的构件进行竖直平面的旋转。

杆件1与杆件3所带来的旋转不处于同一平面，因此不会造成构件间的冲突。

通过进行对滑动部件的调整可以调节其连接部件与杆件2的距离，以此来调节肩关节与箱体的距离，这样可以适应不同人群肩关节与大臂的长度。

2.3.2肩关节及大臂的内外旋结构

肩关节及大臂的内外旋结构采用的是弧形构件，弧形结构的圆心在大臂截面的圆心上，电机驱动小带轮对整个同步带结构进行运动，大带轮与磁力轮通过同轴连接，当大带轮旋转时磁力轮会跟着旋转，在磁力轮的作用下圆弧构件相对导轨滑块旋转，圆弧构件俩端都具有限位柱防止康复运动过度。

其构件的结构原理如图2.5所示。

图2.5肩关节及大臂内外旋结构

2.3.3肘关节及小臂伸屈结构

对于肘关节及小臂的伸屈结构原理如图2.6所示，其需要连接弧形结构的固定件，固定件与旋转件通过旋转轴转动来驱动旋转件绕逆时针旋转，旋转件连接的肘关节与小臂则可以达到预期的康复训练效果。

图2.6肘关节及小臂伸屈结构原理图

第三章结构尺寸的确定

3.1肩部横梁结构设计

上肢肩部横梁结构在整体上肢康复机构中具有重要的意义，它不仅支撑着肩部以下各个关节机构及人体上臂的重量而且也兼具肩关节及大臂水平面旋转的功能作用，其整体结构如图3.1所示。

图3.1肩部横梁结构

肩部横梁悬臂与升降柱连接，当升降柱向上或向下移动式，肩部横梁将带动肩部以下部分进行升降移动，与此同时其与电动机、减速器等部分一同连接，通过电机驱动来使横梁进行水平面旋转以此来带动整体上肢在水平面进行摆动使其达到康复训练的效果。

在这个过程中，重力的作用将作用于横梁末端，对横梁产生弯矩。

因此，在设计的过程中要满足抗弯强度和抗弯刚度两方面的要求，验证梁的截面尺寸，其次校核横梁末端的挠度，在计算校核后确定其是否处于使用要求的范围内。

上肢康复机构除升降柱的整体重量m预估为20kg，其人体手臂的重量m’大约为5kg，考虑到安全系数K=1.3,故根据《工程力学》计算其末端负载。

其中F为末端受到的负载；

m为肩部及以下机构的重量与人体的重量之和；

g为重力加速为，g=9.8m/

；

M为末端受到的弯矩；

为横梁的长度，

将数据代入可以得到F=367.5N，横梁末端收到的弯矩为M=84.525Nm。

悬臂横梁弯矩分布如图3.2所示，最危险的弯矩为84.525Nm。

图3.2横梁弯矩分布

横梁的截面形状如图3.3所示,其形状为长方形，其中B=40mm，H=15mm。

图3.3横梁截面形状

根据《工程力学》惯性矩的公式，计算其横梁的惯性矩。

抗弯截面系数：

代入数据可得

抗弯强度校验：

其中横梁的材料选用铝合金7075-T6，其屈服极限为[

]=505Mpa,代入数据可得

因此横梁的最大屈服极限远小于材料所对应的屈服极限，故其抗弯强度满足使用的强度需求。

横梁末端挠度：

其中E为弹性模量，根据铝合金的材料可得E=72Gpa，因此将公式带入数据可得

设计挠度极限：

因此，横梁的末端最大挠度为0.07mm，小于挠度的极限设计值0.23mm，故其抗弯刚度满足使用的刚度需求。

3.2同步带的设计

同步带主要实现的功能在于传递电机转矩使之能够传递到肩关节及大臂的内外旋机构上使之能够达到康复训练的运动。

在这个运动过程中，需要无滑动的精确传输，根据不同病患的康复程度其传输功率范围需要大，传输平稳。

因此，同步带和带轮选用圆弧齿形，相对于V型可以保证传动的同步。

设定该同步带的电机功率为100W，上肢康复机构整体的每天运行时间大概为8~10小时，根据《机械设计手册第三卷》同步齿形带章节对于设定功率

的计算。

其中

为工况系数，根据《机械设计手册第三卷》表13-1-68中每天运转的时间可得，

，P为电机的功率，代入数据可得

根据传送带的设定功率

以及转速

，参考圆弧同步齿形带选型图，确定其型号为5M，其模数m=2.5mm。

经查表确定，小带轮齿数

。

故小带轮节圆直径

：

验算其带速：

计算得出的带速为0.4m/s小于型号为5M模数为2.5中最大带速，因此其带速符合规定使用要求。

初步设定传动比

，故大带轮的齿数

为

大带轮节圆直径

：

初步设定中心距

：

代入数据可得

根据实际设计情况，设计带带轮的中心距为

。

初定带的节线长度

及其齿数

通过《机械设计手册第三卷》13-1-58同步齿形带节线长度表，取

实际的中心距a：

其中,

代入数据可得

116.75mm

验算小带轮啮合齿数

代入数据可得

此时，当模数m=2.5，

符合规定使用要求。

带宽b：

其中

为5M型号的基准宽度

，

为圆弧齿带长系数表，通过查表可知

，

为小带轮啮合齿系数，由于

，根据查表可知

，

为基准额定功率根据《机械设计手册第三卷》13-1-75选取

。

代入数据可得

故根据《机械设计手册第三卷》13-1-52，选取标准宽带b=15mm。

第四章三维建模及装配

4.1SolidWorks软件的基本介绍

Solidworks软件功能强大，组件繁多。

Solidworks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。

SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。

SolidWorks不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。

4.2建模与装配的过程

4.2.1升降柱及箱体

升降柱与箱体联结在一起，轮滑放置于箱体下方四个角落，在使用时可以通过推动来实行整个上肢康复机构的移动，如图4.1所示。

图4.1升降柱及箱体三维建模

4.2.2肩及大臂机构部件建模

肩关节及大臂在水平面与竖直平面的运动机构由多个连杆组成，如图2.2所示，其中在竖直运动的旋转杆上带有旋转固定件和滑动部件，起作用在于调节肩关节与升降柱的距离，当滑动部件滑动到指定的距离，通过旋转部件扭动则可以固定滑动部件所联结的构件。

图4.2肩关节及大臂机构三维建模

4.2.3肘关节及小臂机构部件建模

肘关节及小臂运动机构的部件与内外旋机构的固定，如图4.3所示，通过固定件1与固定件2与手部内外旋机构固定，当内外旋机构旋转时，肘关节及小臂也能够随之旋转，在固定件1与固定件连接旋转件1与旋转件2，在通过旋转件1与固定件2联结处添加电机，电机驱动旋转件1与旋转件2使肘关节及小臂达到康复训练目的，弧形固定件作用在于固定小臂。

图4.3肘关节与小臂机构三维建模

4.2.4总体三维装配建模

总体三维建模如图4.4所示。

图4.4总体三维装配

第五章有限元分析

5.1有限元分析

有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。

它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。

因为实际问题被较简单的问题所代替，所以这个解不是准确解，而是近似解。

由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

5.2应力约束的设定

在横梁末端进行应力的设定使其固定，如图5.1所示。

图5.1约束的设定

5.3添加载荷

横梁末端进行应力约束后被固定，然后在横梁进行添加载荷，对其选择添加力，其力值为84.525N，如图5.2所示。

图5.2添加载荷

5.4生成网格

对支架采用等密度网格划分，网格大小和公差由系统计算。

网格密度会直接影响分析结果精度。

单元越小，离散误差越低，但网格划分时间与计算的时间也会越长。

Simulation菜单选项下选择生成网格命令，在弹出的网格对话框中选择默认设置并点击确定，系统自动对横联进行网格划分。

如图5.3所示

图5.3生成网络

5.5选择材料

横联选用的材料为铝合金，型号为7075-T6，如图5.4所示。

其屈服强度极限为505Mpa。

图5.4选择材料

5.6运行结果及分析

在对横梁进行以上操作后，点击模拟运行，系统自行得出计算的结构，应力仿真如图5.5所示。

可以看出横梁受到的最大应力发生在固定横梁末端孔处，其最大应力为11.23Mpa，远小于材料的屈服极限505Mpa。

图5.5应力计算结果

当横梁受力某些部分会出现一些变形，在系统进行受力后其整体的位移如图5.6所示。

其红色部分为出现最大的偏移量，其偏移量约为0.17mm，其对于整体机构的运行不造成影响。

图5.6横梁变形量

参考文献

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