全国大学生机械创新设计大赛作品说明书Word文档格式.doc

1、目前，我国每年有120-150万人患中风，其中多半残留严重的后遗症，影响生活质量。由于受到各种因素的制约，多数不可能在医院长期接受康复治疗，出院后进行自主锻炼是一种有效的方法。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。1另一方面，由于事故，运动意外伤害等引起的肢体受伤病人的临床症状也需要及时的康复训练。运动康复训练是通过运动刺激，提高运动功能障碍患者患部运动功能的一个主要康复手段。目前上述病人的康复训练或康复治疗，主要是由经验丰富的医生根据病人的病情和恢复情况，亲自操纵康复训练装置，对病人的肢体施加一定大小的作用力，引导病人进行

2、往复的肢体运动锻炼。在偏瘫上肢训练中引入机器人技术，其优点在于，机器人不存在疲倦问题，能够满足不同患者对训练强度的要求；实现自动控制，可以客观的记录训练过程中患者患肢的各种运动参数，供医生分析，以评价治疗效果；使用机器人技术，使得远程治疗和集中治疗（一名医生同时为多名患者提供指导）成为可能。国外现有的康复医疗装置中，比较典型的是CPM机。CPM（Continuous Passive Motion）即连续被动运动理论，是康复医学中理论成熟的针对术后恢复及偏瘫患者康复训练治疗理论，最早应用于骨科治疗。 “骨科医生常使用连续被动运动疗法或CPM 来帮助患者在关节受伤后或关节手术后实现康复。手术后，许

3、多患者出现疼痛，导致患者无法充分活动关节以重新获得正常的关节活动度。关节周围的组织因为缺乏运动而变得僵硬，并将开始出现疤痕。术后利用CPM机进行康复治疗时，关节在关节活动范围内活动的时间得以延长。这一用途通过增大关节活动度可大大缩短康复时间，促进关节表面和软组织复原，减少粘连和疤痕组织的形成，并减少关节强硬。研究表明，与接受同种手术但没有使用CPM机进行康复治疗的患者相比，使用CPM机进行治疗的患者需要的止痛药物较少”2（1）CPM机治疗实例基于连续被动运动理论而设计的CPM机，是目前为止唯一的一个机器人生物力学或生物物理化学的应用的例证。其中典型的康复机器人设备是美国麻省理工学院研制的MIT

4、MANUS，它有两个自由度，可以实现病人的肩，肘运动。国内的类似设备比较少，南航开发了一种康复医疗机械手臂，采用单片机和步进电机控制；江浙一些企业也参与CPM类似的康复机械臂装置。3通过检索国家知识产权局（） 提供的专利数据，通过对相关领域大量专利分析比较，技术成熟且具一定代表性如公开号CN14801184、公开号CN1736357A、ZL专利号200420019014.X等专利。但以上康复机械都存在一些共同的缺陷：1）机构设计不尽合理，运动角度和速度控制不足，运动训练方式单一；2）需要医生实地亲自操作，实施一对一的治疗，或按预先设定路径运动，不能实现医患交互；3）没有运动位置检测，不能提供训

5、练信息反馈；4）病人不能自主运动，操作缺少人性化和易用性。l 设计内容（2）产品示意图本产品设计主要分为两个部分：第一. 机械设计部分主要设计思路:通过一个动力源（小型直流电机）实现类肘关节自身运动的往复运动，在机构部分实现往复过程中角度可调，速度可调，实现临床常采用运动模式。通过查询有关人体工学资料，暂定可实现最大往复角度130度，即50度180度区间范围。角度调节拟采用无级调节机构，速度调节采用电机控制实现的无级调速或通过控制直流电机输出实现。针对使用安全性，机构设计同时需要急停保护装置，速度和角度的最高限定装置等。同时作为产品，需考虑使用舒适度，可携带性，外观设计等因素。设计流程：先期通

6、过ADAMS动态仿真软件建立原理验证模型，通过虚拟样机仿真，完成机构定型工作；之后在AUTOCAD按1：1比例建模，通过修改模型最终定型；通过AUTOCAD出加工图；联系学校机械中心加工完成实物。转动方案：比较齿轮传动方案，链轮传动方案和同步带轮传动方案，我们选择了同步带轮的传动方案，主要基于以下分析：带传动作为一种中间挠性件的传动方案，能缓和载荷冲击，在往复运动中能减少对肘部冲击；运行平稳，无噪音，适合家庭及医院环境下使用；在出现过载时引起带在带轮上打滑，起到一定的保护作用；同步带靠啮合传动，可以保证执行同步；制造和安装精度不如啮合传动严格。（3）总体传动方案示意以下为同步带传动的计算过程：

7、名义功率：p取p=50*kw计算功率：Pc=Ka*p,由查表得Ka=1.4*1.1 Pc=50*1.4*1.1=66*kw选择带型和节距： 型号：xl 节距：5.080mm 基本带宽b=9.5mm齿数：z1=Zmin 由表查得Zmin=13 取z1=13 z2=25 i=z2/z1=25/13=1.923带轮节圆直径： d1=z1*p/pi=13*5.080/13=21.02mm d2=z2*p/pi=25*5.080/13=40.43mm带速：v=pi*d1*n/（60*1000） 其中n=50rpm =pi*21.02*50/（60*1000） =0.056m/s由表可查得：xl型带由Vm

8、ax=50m/s 则由vVmax由带型表可查，并选取带基本长度Lp=558.80mm中心距a有： a=其中Dm=（d1+d2）/2 =（21.02+40.43）/2 =30.725mm （d2-d1）/2 =（40.43-21.02）/2 =9.705mm则可计算得：a=230.95mm,也就是设计中取的实际中心距小带轮啮合齿数：Zm=z1/2-p*z1*（z2-z1）/（20*a） =13/2-5.080*13*（40.43-21.02）/（20*230.95） =6.238圆整得Zm=6 齿数选择：小带轮齿数22，大带轮齿数25 带型号选择：XL150带（4）同步带轮实物 驱动方式的选择：

9、我们考虑分析比较：交流电机虽然功率较大但相应体积较大，不适合作为便携式设备的驱动，并且交流电机使用市电作为电源，漏电的安全保护欠缺；步进电机在往复控制，位置确定的实现上有较大优势，简便易行，但其输出转矩较小，经计算远不能达到驱动手臂运动的要求转矩输出，并且价格也最为昂贵，不利于降低产品的成本。综上比较我们选择齿轮减速直流电机作为驱动，它较好的解决其他两种电机的突出矛盾。对所需直流电机参数计算如下：1. 电机功率公式：P=T其中，T为转矩，单位Nm；为角速度，单位rad/s。在电机工作的范围内任何状态均适用。直流电机的最大功率对应于转矩为1/2最大转矩，转速为1/2最大转速（即空载）的工况，公式

10、为：Pm=1/4*Tmax*max但在选择时应该设法让电机运转在最佳状态，以便获得更长的运行时间。2. 电机速度。转速是关键指标，通常以r/min标记。根据以下公式估算手臂速度：Vr=（VmD）/60 Vr为手臂往复的线速度，Vm为电机转速S=（v/60）piD v电机转速，D驱动轮直径经查阅相关人体工学资料，肘部往复频率的最高限度大约在60次/分，我们已据此进行计算相应电机转速。通过计算，选择额定功率50W，额定电压24V，输出转速为50r/min的齿轮减速直流电机。（5）直流电机实物检测装置设计：经广泛查阅相关机器人传感检测方面的资料，获得信息关于位置检测，角度检测及压力检测的相关技术。常

11、见的技术如电容式传感器，压电陶瓷材料，及应变片装置等。但是经分析，作为一种小型康复器械，如果直接采用现有技术，势必造成产品成本大幅增加，失去原有的市场定位；同时在实现基本功能的基础，对精度要求不是很严格的前提下，直接使用现有技术是一种技术富余。本产品采用接触开关结合机构代替现有传感器，实现角度控制，安全力反馈等基本功能，在大幅减低成本的同时，较好的实现所设计功能。 角度控制：结构如下图（6）角度控制机构铣削加工弧形幅板，在靠近幅板外侧保留弧形槽，两只接触开关分别于它们的基座相连一同在凹槽滑动，拧紧螺钉则保持接触开关位置固定。往复运动机构在两只接触开关所限定的角度范围之间运动。当往复运动机构运动

12、到一侧接触开关，触动接触开关，产生电信号传输到单片机，单片机根据程序改变直流电机相应转向。突出优势:相比较光电数码盘检测、电容式传感器方式作用直接，不完全依赖程序和传感器，具有稳定可靠的的特点，在信号处理技术要求难度及执行速度有较大优势；接触开关及其基座本身也是角度安全限制装置，在程序失控状态下，也能起到安全保护作用防止角度过大；使用前护理人员可以根据不同病人直观简单进行预设定角度，直接参照病人可活动角度范围固定接触传感器位置，相比程序控制更直观，操作调节更简单易行。 前臂缓冲机构：（7）前臂缓冲机构如图所示本装置将与运动的前臂相连，前臂随机构往复运动时，将带动上下两对弹簧交替压缩，中轴相对钢

13、筒往复运动。此机构能有效缓解吸收在运动过程中机构对前臂的压迫感，明显增加舒适度。也可避免当肌肉出现僵紧状态，机构运行带来的机械损伤。 臂托机构：（8）臂托机构整个臂托机构安放在静音滑轨之上，原理是分析在手臂随康复器往复运动，由于绑定措施，造成关节部分不能顺利舒张，影响使用，甚至对关节或周围肌肉造成损伤。解决方案可以分为前臂随运动在一定范围内往复调整，或是上臂部分相同运动，本产品采用上臂调整方式，首先由于上臂运动将带动肩关节部分活动，起到更好的运动效果，其次据相关资料显示，上臂受损率远低于前臂，这也是基于安全考虑。第二.控制检测部分主要设计思路：通过对动力源（直流电机）控制，配合力和位置传感器，实现对机构进行定时，定速，定量控制。通过一定算法驱动直流电机，带动训练机械臂运动。同时提供温度检测模块、脉搏检测模块，防止运动超量。该部分拟采用TI公司的MSP430系列超低功耗16位单片机、电机驱动电路、液晶显示模块、脉搏检测模块、温度检测模块，主要通过PROTELL设计电路和实验室制板相结合，进行电路设计和试验验证。最终电路交付相关厂家制作印制电