电动指板设计说明书.docx

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电动指板设计说明书

康复机械（电动指板）的设计

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用于恢复手功能康复的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。

电动指板可以有效活动手指所收到的痉挛，肌肉萎缩等症状，促进手指的迅速复原，使用改良电动指板对降低偏瘫患者屈腕肌张力有明显疗效，且安全可靠，操作简单，值得推广。

利于偏瘫上肢康复；电动分指板能够帮助患者将手指分开伸展，达到抑制手指屈曲紧张，防止手指挛缩的目的，用于防止和矫正手指屈肌痉挛或挛缩畸形。

电动指板能够帮助患者将手指分开伸展，达到抑制手指屈曲紧张，防止手指挛缩的目的。

电动指板，还可以通过手随电动指板的滑动，锻炼肘关节的内收和外展，以及肩关节的活动。

偏瘫、脑瘫、四肢瘫等手痉挛患者。

此项研究项目可以使得手指残疾患者的康复周期得以缩短，康复效果更加明显，康复过程中所受到的疼痛得以减少，更加具有人性化，而且此项研究项目的适用范围更加广泛，适用患者的类型更加广泛。

论文设计了康复机械（电动指板）的机械结构，使之符合人手的生理特征，并且采用电动机作为驱动器，使康复机器具有良好的舒适性和使用安全性，适合家庭和社区中使用。

关键词：

凸轮，齿轮，功能康复，设计，指板，周期

REHAbBILITATIONMACHTIONERY（ELECTRICFINGERBOARD）DESIGN

ABSTRACT

Theclinicaldataoftherecentstroke,andmindinjurytotheoutsideofthemarkedincreaseinnumber,mostoflifecannotbeyourself,notonlycausedthephysicalandpsychologicalgreatpressures,butthesocialandfamilybroughtaheavyburden.thisaimstodevelopanewcanbeusedtorestorethefunctionsofhisrecoveryofamechanismdesignedtoassistvictimsthroughhisfingers,stretching,traditionaltrainingmanualrecoverymethodtosolvetheproblem.

Electrictotheboardcanbeeffectivewithitscontractionofmusclecramp,thesymptomssuchastopromotetherapiddemobilizationfingers,theuseofelectronicmeanstoreducethecauseofthewristmuscletensionisobviouseffect,andsafe,easyoperation,itisworthpromoting.conducivetorehabilitation；electricdivisionmeanstohelpthepatientwillbeseparatedfromherfingerout,spasmofthefingersormisshapen.electronicmeanstohelpthepatientwillbeseparatedfromherfingerout,andtosuppressandpreventhisfingersbackpurpose.Electronicmeans,canbyhandwiththemeansofaslidingpanel,theexerciseoftheelbow,shoulder,andjointactivities.andallotherhandscontractconvulsivelypatients.theresearchprojectofdisabledpatientscanrecoverfromherfingertoshortentheperiod,opeandapplicationofthetypemore.

Paperdesignedforrehabilitationoftheelectricmachinery（）themechanism,withthestaffofthephysicalfeatures,andthemotorforadrivetotherecoveryofcomfortandsecurity,suitableforfamilyandcommunityuse.

Thekeywords：

cam,gear,convalesceanddesign，Fretboard，cycle

目录

1　绪论……………………………………………………………5

1.1　课题背景及意义…………………………….……………5

1.2　研究现状…………………………………….……………6

2.1　康复机械的机械结构设计……………………………….9

2.2　机械结构的设计要求……………………………………….9

2.3机械结构的方案设计………………………………………10

2.4传动机构的设计….……………………………………....11

2.5指板槽的设计…………………………………………………12

2.5.1指板槽的设计意义…………………………………………12

2.5.2指板槽的设计内容…………………………………………12

2.6　手掌托的设计….……………………………………………13

2.6.1手掌托的设计意义…………………………………………13

2.6.2手掌托的设计内容…………………………………………14

2.7凸轮的设计...……………………………………………….....14

2.8　齿轮轴的设计……………………………………………….15

2.8.1齿轮轴的设计内容…………………………………………15

2.8.2齿轮轴的校核………………………………………………16

2.9齿轮的设计……………………………………….…………..17

2.10手柄的设计………………………………………………….18

2.11电动机的选择………………….…………………………….19

2.11轴承的设计………………………………………………….20

2.11.1轴承的设计内容………………………………………….20

2.11.2轴承的校核……………………………………………….21

2.12弹簧的设计…………………………………………………..22

2.13其他零部件的选择…………………………………………..23

3总结………………………………………………………………24

4参考文献…………………………………………………………25

5致谢…………………………………………………………..26

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.现阶段指板主要为非电动指板，目前国内主要是木制分指板、带万向轮分指板、绑式分指板、ABS分指板、和弧形分指板等，主要用途是防止和矫正手指痉挛畸形及屈肌痉挛；目前分指板主要是机械固定的，不是电动的.历史上的指板研究也是从低级到高级的过程，以往关于康复机械（指板）的研究主要是木制，品种比较单一，产品性能比较落后，康复效果比较差，费用比较高，患者所受痛苦比较大，随着科技的发展康复机械（指板）的材料、结构、原理也在不断的变更中从比较落后的木制分指板到后来的带万向轮分指板再到后来的绑式分指板、弧式分指板，康复机械（指板）的性能也在不断的改善，康复效果也在不断的提高，康复周期也在不断的缩短，但康复机械（电动指板）的研究将会打破过去康复机械在这一块的盲区，使自动化与康复机械相连接沟通，将会节省极大的人力物力，更重要的一点是自动化的应用将会使康复效果更加明显，康复周期更加快捷，从而开启康复界的一个新的纪元。

图1.1常规指板

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。

2.1康复机械（电动指板）的机械结构设计

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，本文所研制的康复机械（电动指板）主要是针对手指进行康复训练的器械。

图2.1手指结构图

由于康复机械（电动指板）是作用在人手上的，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使用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光滑性，更适合恢复训练，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、聚苯酸脂等工程塑料材料制作。

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。

缩短了康复周期。

2.2机械结构的方案设计

本项目使用塑料分指板，需用多条固定带把各个手指和手掌固定到塑料底板上，使手指呈分离、伸展状态。

如果是便携式，可在夜间和休闲时使用，能保证足够的使用时间，有利于取得较好的预防、矫正效果，对防止偏瘫的“钩形手”十分有用。

使用分指板，需把手指分别放到分指块之间的指槽内，使5个手指呈分离状态，用固定带把手掌固定，保持一段时间。

经常坚持训练，可以防止指间关节挛缩变形。

因为训练中手指呈伸展状态，所以这种训练也可以防止手的屈肌挛缩.设计一电动指板可自动恢复手指受损部位的活动，分指板采用块状结构，动力采用凸轮式结构，使得凸轮与分指板每一块相接触，而齿轮轴则固定在一可调节的轴上面，用于调节每次指板活动的幅度，进而根据患者的病情及康复情况进行详适应的调整。

更加适合康复周期，从而达到更好的康复效果。

图2.2机械机构图

1指板槽，2手掌托，3螺钉，4螺钉，5滑动轴承，6齿轮轴，7微型电动机，8凸轮，9履带式齿条，10齿轮，11螺钉，12手柄，13底座，14弹簧，15键，16垫片

2.3传动机构的设计

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，康复机械（电动指板）采用电动机作为驱动器，齿轮齿条结构简单、易于小型化、质量较轻，具有独特的柔顺性。

转速可调，更便于康复。

本方案采用方案三，动力采用凸轮式结构，使得凸轮与分指板每一块相接触，而齿轮轴则为一可调节的轴，用于调节每次指板活动的幅度，随着齿轮轴的移动使指板槽抬起的高度随之改变，进而根据患者的病情及康复情况进行详适应的调整。

缩短康复周期，达到更好的康复效果。

为确保本康复机械（电动指板）的质量和尺寸的大小，大部分材料选用工程塑料，工程塑料是指一类可以作为结构材料，在较宽的温度范围内承受机械应力，在较为苛刻的化学物理环境中使用的高性能的高分子材料。

：

-般指能承受一定的外力作用，并有良好的机械性能和尺寸稳定性，在高、低温下仍能保持其优良性能，可以作为工程结构件的塑料。

聚碳酸酯（PC）既具有类似有色金属的强度，同时又兼备延展性及强韧性，它的冲击强度极高，用铁锤敲击不能被破坏，能经受住电视机荧光屏的爆炸。

聚碳酸酯的透明度又极好，并可施以任何着色。

为保证电动指板更适合人手指的康复，所以电动机的转速不能太大，为保证该指板的质量轻便，电动机的质量不能太大，为便于携带其尺寸亦不能太大，所以综上所述电动机选用微型电动机。

2.4传动机构的设计

康复机械（电动指板）的传动机构为齿轮齿条传动

齿轮齿条在传动过程中会有自己所独有的运动特点:

齿轮传动用来传递任意两轴间的运动和动力，其圆周速度可达到300m/s，传递功率可达105KW，齿轮直径可从不到1mm到150m以上，是现代机械中应用最广的一种机械传动。

齿轮齿条传动与带传动相比主要有以下优点：

（1）传递动力大、效齿轮传动的特点。

齿轮传动用来传递任意两轴间的运动和动力，其圆周速度可达到300m/s，传递功率可达105KW，齿轮直径可从不到1mm到150m以上，是现代机械中应用最广的一种机械传动。

（2）寿命长，工作平稳，可靠性高；

（3）能保证恒定的传动比，能传递任意夹角两轴间的运动。

齿轮传动与带传动相比主要缺点有：

（1）制造、安装精度要求较高，因而成本也较高；

（2）不宜作远距离传动。

该项目的具体工作过程为，微型电动机的运动带动与其相连的齿轮的运动，齿轮与齿条相啮合，齿轮带动履带式齿条运动，履带式齿条上与五个齿轮相啮合，随着履带式齿条的传动从而带动了其上的齿轮运动，齿轮与轴固定在一起，从而带动齿轮轴的转动，凸轮与齿轮轴通过键连接，齿轮轴转动带动了凸轮的转动，随着凸轮机构推程的变化而使得其上方的指板槽产生上下位移，从而带动患者的手指进行运动，达到康复治疗的效果。

2.5．1指板槽的设计意义

指板槽采用工程塑料，一般指能承受一定的外力作用，并有良好的机械性能和尺寸稳定性，在高、低温下仍能保持其优良性能，可以作为工程结构件的塑料。

聚碳酸酯（PC）既具有类似有色金属的强度，同时又兼备延展性及强韧性，它的冲击强度极高，用铁锤敲击不能被破坏，能经受住电视机荧光屏的爆炸。

2.5.2指板槽的设计内容

指板槽外形尺寸根据手指的大致尺寸相似，其尾部有孔用于连接弹簧使其与手掌托相连，其厚度为2厘米，宽为2.5厘米，长度随着不同的手指而不同，其下方为凸轮凸轮转动促使其运动，从而达到康复效果，随着下方凸轮的左右移动带动指板槽的移动幅度发生变化，进而改善康复效果。

指板槽两侧采用隔板定位，保证其不发生偏移，进而保证康复效果。

图2.3指板槽结构图

指板槽尾部稍微长一些，用于遮盖弹簧，防止弹簧受到损伤，以及防止弹簧夹到人手部。

2.6.1手掌托的设计意义

手掌托用于放置手掌，手掌托的形状根据手掌的实际形状来设计，手掌托的材料为工程塑料。

手掌托上有四个螺纹孔用于与下支撑板相连。

侧面有五个孔用于与弹簧连接，与指板槽连接。

手掌托的材料为工程塑料，其设计为平板式.适应不同人群，不同掌形的人的需要。

2.6.2手掌托的设计内容

图2.4手掌托外形结构图

手掌托的材质为工程塑料，由于该器械受力较小，所以经过验证满足强度要求。

手掌托上螺钉为M10，用于连接底座。

为了使指板槽不至于干涉，选择手掌托上固定齿轮轴的孔间距为35mm，根据手掌形状将该器械设计成如图所示形状。

2.7凸轮的设计

图2.5凸轮结构图

该项目上的五个凸轮形状一致，均为偏心圆。

偏心圆的半径为25mm，凸轮与轴通过键连接，外部通过垫片与螺钉固定。

常用的凸轮材料为以下几种：

Q215普通碳素结构钢，25Mn优质碳素结构钢，20Cr合金结构钢，工程塑料尼龙，提高耐磨性、抗压强度为117MPa（干态），工程塑料聚甲醛有良好的摩擦磨损性能，抗压强度为125MPa，工程塑料聚碳酸酯有高的冲击韧性和优异的尺寸稳定性抗压强度为82~86MPa，综上比较，选择凸轮的材料为工程塑料，工程塑料具有良好的工艺性能，而且质量轻便，便于携带。

凸轮上键槽根据轴径选择，选择为键宽bx键高h为2x2键长度为6毫米的小型键。

凸轮与轴采用轴肩定位侧面采用螺纹固定，凸轮与指板槽采用对心接触，凸轮连接的键材料为45钢。

凸轮的运动带动指板槽的运动。

为指板槽运动的动力部件。

凸轮厚度为6毫米。

质量较轻。

2.8.1齿轮轴的设计内容

图2.6齿轮轴的结构示意图

齿轮轴材料选用工程塑料，聚碳酸酯，抗拉强度为65~69MPa,抗弯强度为104MPa.，抗压强度为82~86MPa，该材料质地较轻，便于携带。

2.8.2齿轮轴的校核

图2.7轴结构受力图

P，轴传递功率为51Wn=150r/min

d=10mm

按照弯扭合成强度校核。

Fr=15N,

轴材料为工程塑料，抗弯强度为104MPa,抗压强度为82~86MPa。

验证

处得弯曲应力。

验证知其合格

扭转切应力

=

合格

验证得其满足弯曲与扭转强度，所以合格

2.9齿轮的设计

齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。

按齿轮轴线的相对位置分平行轴圆柱齿轮传动、相交轴圆锥齿轮传动和交错轴螺旋齿轮传动。

具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点。

　　齿轮传动是指用主、从动轮轮齿直接、传递运动和动力的装置。

　　在所有的机械传动中，齿轮传动应用最广，可用来传递相对位置不

远的两轴之间的运动和动力。

　　齿轮传动的特点是：

齿轮传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大。

例如传递功率可以从很小至几十万千瓦；速度最高可达300m/s；齿轮直径可以从几毫米至二十多米。

但是制造齿轮需要有专门的设备，啮合传动会产生噪声。

图2.8齿轮剖面图

齿轮的模数为1.5，齿数为20.

齿轮与齿条啮合为该器械的动力部件，为整个器械提供动力。

齿轮与履带式齿条相啮合，履带式齿条带动齿轮轴运动，从而带动凸轮轴运动。

履带式齿条为购得。

2.10手柄的设计

用来调节齿轮轴的左右移动，从而达到调节指板槽上下移动的幅度。

进而改善治疗效果，缩短康复周期。

图2.9手柄的结构示意图

手柄的形状以方便人的操作而设计。

因为齿轮轴与凸轮的质量较轻，所受载荷不大，所以对手柄材料的强度要求不高，为了减轻器械质量，以及提高性能要求，所以手柄材料选为工程塑料。

手柄通过螺钉与齿轮轴相连接，通过移动手柄达到移动齿轮轴的目的，从而改变凸轮与指板槽的接触位置，随着凸轮与指板槽接触位置的不同指板槽上下扬起的幅度也不同，从而达到改善治疗效果，缩短康复周期的目的。

2.11电动机的选择

　微型电动机，是一种体积、容量较小，输出功率一般在数百瓦以下，用途、性能及环境条件要求特殊的一类电动机。

微型电动机主要应用于三个领域：

1、无特殊控制要求的驱动场合作为运动机械负载的动力源。

2、音像设备。

例如，在盒式录像机中，微特电机既是磁鼓组件的关键元件，有事其主导轴驱动、收供带和磁带盒的自动装载以及磁带张力控制的重要元件。

3、办公自动化设备、计算机外部设备和工业自动化设备。

如磁盘驱动器、复印机、数控机床、机器人等都应用了微型电动机。

图2.10微型电动机

根据尺寸形状及性能要求选择微型电动机，本器械的微型电动机型号选择为56R（4S56R-N12056S）,该电动机的额定功率为51W，最大静转矩为6

该电动机的重量为620g，长度为56mm.。

2.12.1滑动轴承的设计内容

图