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设计名称
  上肢康复机器人结构设计及仿真运动设计[3A0]
设计编号
  A5-0922
设计软件
  AutoCAD, Word
包含内容
  见右侧图片
说明书字数
  13600字(正文部分)
图纸数量
  见右侧图片
推荐指数
  较好
价格:
  优惠中
整理日期
  2013,02,24
整理人
  小木
购买流程
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设计简介

文档包括:
说明书一份,32页,13600字左右.
开题报告一份.
任务书一份.
中期检查表一份.

图纸共19张,如下所示
A0-上肢康复机器人.dwg
A0-横梁装配.dwg
A0-左立柱装配图.dwg
A0-6张小零件图.dwg
A0-8张小零件图.dwg
A2-2张小零件图.dwg

第1章 绪论 2
1.1 概述 2
1.2 康复机器人的国内外研究现状 3
1.3 上肢康复机器人系统的发展前景 6
1.4 本课题主要研究内容 7
第2章 总体结构方案设计 8
2.1 总体方案设计 8
2.2 康复机器人框架造型的设计 11
2.3 本章小结 12
第3章 伺服元件选择 13
3.1 电机选择 13
3.1.1 升降机构电机选择 13
3.1.2 前后摆机构电机选择 14
3.1.3 分合机构电机选择 15
3.1.4 手腕转动机构电机的选择 16
3.2 联轴器选择 16
3.3 蜗轮蜗杆减速器的选择 17
3.4 本章小结 17
第4章 机械机构设计与计算 18
4.1 丝杠设计 18
4.2 锥齿轮设计 19
4.3 同步齿形带设计 21
4.4 轴设计与校核 23
4.5 轴承校核 26
4.6 键选择及校核计算 27
4.7 本章小结 28
结  论 29
参考文献 30
致  谢 32

摘 要

康复机器人是康复设备的一种类型,康复机器人技术早已广受世界各国科研工作者和医疗机构的普遍重视,其中以欧美和日本的成果最为显著。在我国康复医学工程虽然得到了普遍的重视,但是康复机器人研究仍处于起步阶段,一些简单康复器械远远不能满足市场对智能化、人机工程化康复机器人的需求,有待进一步的研究和发展。
本文从使用的角度对人体上肢的运动原理进行了分析,设计出了一种坐式上肢康复训练机器人,用于心脑血管疾病致瘫或者意外事故所造成上肢损伤的患者作上肢及其相关关节的康复训练。本设计的康复机器人机身是由放置于平台上的机座,两根可伸缩的立柱和上横梁及其手柄组成,并在其各个组成部分上分别装上上肢屈伸机构、前后摆机构、分合机构和手腕旋转机构;各运动机构由单独的电机和减速器驱动,而传动机构的主件分别是传动轴、丝杠螺母副、同步齿形带传动副。
康复机器人的立柱主要采用薄壁套筒,这样既减轻了重量,也使得丝杠螺母副能构得到套筒的固定和定位。整个设计主要要注意的主要问题是减重和减噪,避免整体结构过于庞大笨重。

关键词:康复;上肢;结构设计;减重;噪音

ABSTRACT

Rehabilitation robot is a type of rehabilitation facilities. Rehabilitation robotics have long been well received by the world scientists and the general importance of medical institutions, in which Europe and the United States and Japan, the results are the most significant. Medical Engineering in our country has been received widespread attention though, and rehabilitation robotics still in its infancy, some simple rehabilitation equipment is far from meeting intelligence, ergonomics of the rehabilitation robot needs to be further research and development.
This perspective on the human body from the use of upper limb movement principle is analyzed,the seated upper extremity rehabilitation robot is designed , for the paralysis caused by cardiovascular diseases or accidents. The design of the rehabilitation robot body is placed on the platform base, two scalable columns and beams of the handle on the composition and its components are installed on the upper limb flexion which include separate and close agency, before and after agency, lifting agency and the wrist rotation agency; the every movement is driven by the separate drive motor and reducer, and the main parts are the shaft, screw nut pairs, timing belt, deputy.
Rehabilitation robot column mainly adopts the thin wall sleeve, so as to reduce weight, also makes the lead screw nut pair can be fixed and the positioning sleeve. The design of the main attention to the major problem is the weight loss and noise reduction, avoid the whole structure is too bulky.

Key words:rehabilitation;upper limb;structural design;Weight loss; noise

毕业设计任务书

专业 电气工程 是否外聘 □是□√否

题目名称 上肢康复机器人结构设计及运动仿真及仿真运动(结构设计)
一、设计目的、意义
设计目的:
设计一种坐式上肢康复训练机,用于心脑血管疾病致瘫或意外事故所造成的上肢体损伤的患者左上肢及相关关节康复训练。由于康复训练机器人要与人体直接相连,来带动肢体进行康复训练,所以对驱动器的安全性、柔性的要求较高。
设计意义:
近年来,由于心脑血管疾病使中老年患者出现偏瘫的人数不断增多,而且在年龄上呈现年轻化趋势。与此同时,由于交通事故而造成神经系统损伤或者肢体损伤的人数也越来越多。为了提高这类人群的生活质量,基于治疗、康复和服务于一身的产品的需求趋势不断增高。随着机器人技术和康复医学的发展,医疗康复机器人的市场占有率呈逐年上升的趋势,因此,服务于四肢的康复设备的研究和应用有着广阔的发展前景。
康复机器人是康复设备的一种。康复机器人技术早已广受世界各国科研工作者和医疗机构的普遍重视,在我国康复医学工程虽然得到了普遍的重视,而康复机器人研究仍处于起步阶段,一些简单康复器械远远不能满足市场对智能化、人机工程化的康复机器人的需求,有待进一步的研究和发展。
二、设计内容、技术要求(研究方法)
设计内容:
1. 上肢康复训练机器人原理分析,选择合理的设计方案,进行总体结构设计;
2. 康复机器人上肢前后摆机构设计及康复机器人屈伸机构设计;
3. 分合机构设计及手腕转动机构设计;
4. 康复机器人伺服元件的选择。
技术要求:
1. 机器人采用电机驱动;
2. 在对患者进行康复训练的过程中,能够在任何位置实现安全的停止;
3. 康复机器人:宽度1.5m,整体高度1.4m~1.7m;
4. 能够实现对上肢的上下、屈伸、分合以及手腕转动的康复训练;
三、设计完成后应提交的成果
1.设计说明书一份,字数不少于1.5万字;
2.图纸量折合后不少于3张A0,其中,至少包含1张A0总体结构装配图。

四、设计进度安排
2012.2.27-2012.3.20 收集资料,查阅文献,撰写开题报告;
2012.3.21-2012.4.3 确定设计方案,进行总体结构设计;
2012.4.4-2012.4.17 康复机器人上肢前后摆机构设计及康复机器人屈伸机构设计;
2012.4.18-2011.4.30 分合机构设计及手腕转动机构设计;
2012.5.1-2012.5.14 伺服元件选择;
2012.5.15-2012.6.5 绘制、修改总体结构装配图及零件工作图;
2012.6.6-2012.6.15 撰写设计说明书,整理材料,准备答辩。
五、主要参考资料

[1]吕广明,孙立宁,彭龙刚.康复机器人现状及关键技术分析[J].哈尔滨工业大学学报,2006.
[2]刘珊.人体上肢与上肢康复机器人运动控制研究[D].华中科技大学,2008.
[3]乎昊.3DOF可穿戴式上肢康复机器人结构设计及仿真研究[D].哈尔滨工程大学,2008.
[4]杨恩霞.机械设计[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2006.
[5]胡宇川,季林红.一种偏瘫上肢复合运动韵康复动训练机器人[J].机械设计与制造,2007.
[6]Mathieup.EM Gand Kinematics of normal subject performing trunk flexion/extensions freely in space[J].Journal of Electromyography and Kinesiology, 2008.
[7]Hoppenotp, Collee.Localization and control of a rehabilitation mobile robot by close human-machine cooperation[J].IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering,2009.
[8] 杜志江,孙立宁.外科机器人技术发展现状及关键技术分析[J].哈尔滨工业大学学报,2008.
六、备注

指导教师签字:

毕业设计开题报告

1课题研究的目的和意义
据报道,我国60岁以上的老年人已有1.43亿,占全国人口的11%,到2050年将达到4.37亿。在老龄人群众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。近年由于患心脑血管疾病使中老年患者出现偏瘫的人数不断增多,而且在年龄上呈现年轻化趋势。与此同时,由于交通运输工具的迅速增长,因交通事故而造成神经心痛损伤或者肢体损伤的人数也越来越多。在我国数以百万计的有神经科疾病病史和受到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,其中的二百万病人在中风后存在长期的运动障碍。随着国民经济的发展,这个特殊群体已得到了更多人的关注,为了提高他们的生活质量,治疗、康复和服务于他们的产品的技术和质量也在相应地提高。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,仅预测日本未来机器人市场,2005年医疗、护理、康复机器人的市场份额约为250,000美元,而到2012年将上升到1,050,000美元,其增长率在机器人的所有应用领域中占据首位。因此,服务于四肢的康复设备的研究和应用有着广阔的发展前景。
本课题的研究目的是设计一种坐式上肢康复训练机,用于心脑管疾病致瘫或意外事故所造成的上肢体损伤的患者左上肢及相关关节康复训练。
2康复机器人的国内外研究现状
2.1 国外研究动态
美国是研究气动肌肉机构最多的国家,主要集中在大学。
华盛顿大学的生物机器人实验室从生物学角度对气动肌肉的特性作了深入研究,从等效做功角度建模,并进行失效机理分析,代写论文制作力假肢和仿人手臂用于脊椎反射运动控制研究。
英国Salford 大学高级机器人研究中心对气动肌肉的应用作了长期的系统研究,开发了用于核工业的操作手、灵巧手、仿人手臂以及便携式气源和集成化气动肌肉,目前正在研究10 自由度的下肢外骨骼以及仿人手的远程控制。
法国国立应用科学学院(Instituted National dissidences Appliqués, INSA)研究了气动肌肉的动静态性能和多种控制策略,目前正在研制新型驱动源的人工肌肉以及在远程医疗上的应用。
日本Bridgestone 公司在Rubber tauter 之后又发明了多种不同结构的气动肌肉。德国Festoon 公司发明了适合工业应用的气动肌腱Fluidic muscle,寿命可达1000万次以上,同时还对气动肌肉的应用作了许多令人耳目一新的工作。英国Shadow 公司研制了目前世界上最先进的仿人手。美国的Kinetic Muscles 公司与亚利桑那州立大学合作开发了多种用于肌肉康复训练的小型医疗设备。
2.2 国内研究动态
自20 世纪90 年代以来,我国陆续开始了康复机器人的研究。
北京航空航天大学的宗光华较早开始气动肌肉的研究,分析了其非线性特性、橡胶管弹性及其自身摩擦对驱动模型的影响,并应用于五连杆并联机构,通过刚度调节实现柔顺控制。
上海交通大学的田社平等运用零极点配置自适应预测控制、非线性逆系统控制以及基于神经网络方法,实现单自由度关节的快速、高精度位置控制。
哈尔滨工业大学的王祖温等分析了气动肌肉结构参数对性能的影响、气动肌肉的静动态刚度特性以及与生物肌肉的比较,提出将气动肌肉等效为变刚度弹簧,设计了气动肌肉驱动的具有4 自由度的仿人手臂、外骨骼式力反馈数据手套和6 足机器人,采用输入整形法解决关节阶跃响应残余震荡问题。
北京理工大学的彭光正等先后进行了单根人工肌肉、单个运动关节以及3 自由度球面并联机器人的位置及力控制,采用了模糊控制、神经网络等多种智能控制算法,并设计了6 足爬行机器人和17 自由度仿人五指灵巧手。
2005年车仁炜,吕广明,陆念力对5自由度的康复机械手进行了动力学分析,将等效有限元的方法应用到开式的5自由度的康复机械手的动力分析中,这种方法比传统的分析方法建模效率高、简单快捷,极其适合现代计算机的发展,的除了机械臂的动力响应曲线.
3本课题研究的基本内容和拟解决的主要问题
3.1基本内容
本实用“上肢康复机器人”的机身是由放置于地面上的基座、两根可以伸缩的立柱和上横梁组成,并在其各组成部分上分别装配上肢前后摆动机构上肢屈伸机构和上肢分合机构;各运动机构由单独的电机和减速器驱动,而传动机构的主件分别是传动轴、丝杠螺母副、同步齿形带。在单片机的控制下,实现患者的上肢前后摆、屈伸、分合运动以及手腕的转动康复训练;也可启动部分电机,完成其中的部分康复训练。具体内容如下:
1、首先对上肢康复训练机器人进行原理分析,然后选择合理的设计方案,进行总体结构设计;
2、康复机器人上肢前后摆机构设计及康复机器人屈伸机构设计;
3、手绘和计算机绘制相结合,绘制整体装配图及主要零部件的零件图;
4、分合机构设计及手腕转动机构设计和伺服元件的选择;
3.2拟解决的主要问题:
1、机器人采用电机驱动;
2、在对患者进行康复训练的过程中,能够在任何位置实现安全的停止;
3、康复机器人:宽度1.5m,整体高度1.4米~1.7m;能够实现对上肢的上下,屈伸,分合以及手腕转动的康复训练;
4总体结构方案设计
4.1总体方案设计
该康复机器人将采用电力驱动,用电机驱动来实现各个功能,对上肢进行康复训练。总体方案为:
机身由平台上面的机座、两根可伸缩的立柱、横梁以及手柄组成,并在其各组成部分上分别装上上肢前后摆机构、上肢屈伸机构、上肢分合机构和手腕转动机构;各运动机构有单独的电机和减速器驱动;传动机构的主件分别是传动轴、丝杠螺母副以及同步带传动副。
1、前后摆机构设计
图4.1 前后摆机构运动简图
康复机器人前后摆机构主要的功能是对患者的上肢进行前后摆康复训练。在设计的中,前后摆要满足一下两个要求:一是摆动的角度要足够大,能够对患者上肢的肩关节、肘关节进行充分的康复训练;二是整个机构的稳定性、安全性要好,在对患者进行康复训练的过程中,能够在任何位置实现安全的停止。
因此,上肢前后摆机构装在基座上,由直流电机、减速器、涡轮蜗杆、传动轴、轴承座等组成。其中直流减速电机固定在底座平天上,通过联轴器将其与涡轮蜗杆连接在一起,再通过联轴器将涡轮蜗杆与传动轴连接在一起;两根可伸缩的立柱通过键与轴而将其固定于轴承座上。这样通过单片机控制电机,电机的带动传动轴,就可实现对上肢前后摆的康复训练。在实现前后摆动的过程当中,涡轮蜗杆能够对机构实现自锁,使整个结构的稳定性、安全性大大的增加。
2、屈伸机构设计
图4.2 屈伸机构运动简图
康复机器人的屈伸机构是实现对患者上肢进行屈伸康复训练,以达到对患者肩关节肘和肘关节的康复目的。设计时,要使患者的上肢能够得到足够充分的空间进行屈伸训练,因此,上肢屈伸机构借助左右对称布置的两根可伸缩的立柱来实现这个目的。
可伸缩立柱由立柱座(箱体)、外套筒、内套筒组成;而使之伸缩的机构包括直流电机、锥齿轮副、丝杠螺母副。其中丝杠螺母副通过一对角接触球轴承固定,轴承外圈通过挡圈与立柱座(箱体)和外套筒,借助法兰盘,用螺栓连接;内套筒插装在外套筒内,通过螺母与丝杠连接在一起,组成丝杠螺母副。立柱套筒内沿轴向滑动。穿过侧壁的传动轴带动左右的齿轮副,带动丝杠同步的转动,从而实现内套筒在立柱内同步的向上下滑动,实现上肢的屈伸屈伸康复运动。同时,为了使立柱内套筒能够安全的停止在任何一位置,设计丝杠时需让丝杠具有自锁的功能,让患者可以在任何一位置进行其他的康复训练。

3、分合机构设计
图4.3 分合机构运动简图
分合机构是用来对患者进行上肢分合康复训练而设计的。在设计的过程当中,应当注意减噪的设计,并且要留有足够大的空对患者的上肢进行分合康复训练。由于整个康复机器人的结构尺寸比较大,所以分合机构衡梁也需要注意尽量减小重量,所以,衡梁的材料采用硬质铝合金。
经过充分的考虑,上肢分合运动的机构借助安装在横梁上带传感器的直流减速电机、同步齿形带传动副、光感滑轨和把手来实现。其中横梁分别与立柱内套筒上端通过螺栓连接在一起,直流减速电机借助法兰盘分别固定在横梁的左右两端。通过挡板和螺钉,将同步齿形带带轮固定在电机轴上,另一端通过轴和轴承将带轮固定在横梁的中部。这样就将左右带传动副固定在了横梁上。同时,一根光杆滑轨固定于横梁的左右段机构中。把手贯穿于光杆滑轨,并与同步带连接在一起,启动电机,就能够实现上肢的分合康复训练。
在康复训练中,两根立柱在升降的过程中,难免会出现细微的传动误差,致使左右两根立柱的升降不同步,从而对整个机构造成破坏,因此,在横梁的一端,通过圆柱销的铰连接,用以消除这种危害。
4、手腕转动机构设计
图4.4 手腕康复结构运动简图
手腕康复机构中,主要应当考虑对患者上肢的固定,重点在把手的设计。经过查阅文献充分思考之后,决定把手由手柄、把手支架、小臂护套组成,最后在把手上装上直流减速电机,组成手腕的康复训练机构。直流减速电机通过螺钉将其固定于把手支架法兰盘面上。小臂护套,通过吊环将其固定在把手支架上面。工作时,启动电机,在单片机的控制下,带动手柄绕电机轴旋转,从而带动手腕的转动,实现手腕的康复训练。
4.2 康复机器人框架造型的设计
本次设计的坐式上肢康复机器人,主体结构采用金属材料,其承受外在的力量主要是患者的上肢,受力相对较小,所以,其各个零部件的大小尺寸应相对较小,用以减轻整体的重量。在综合考虑了康复机器人运动空间受力之后,立柱套筒的壁厚设计为5mm。
表2.1是《人体主要尺寸表》[17],根据其对人群中18~60岁成年男子和18~55岁成年女子各个主要不为尺寸的统计,本次设计康复机器人的宽度大约1.5m,整体高度1.4m~1.7m
表4.1 人体主要尺寸表

(18-60岁) 女
(18-55岁)
身高(mm) 1583 1604 1678 1754 1775 1814 1449 1484 1503 1570 1640 1659
体重(kg) 44 48 50 59 70 75 39 42 44 52 63 66
上臂长(mm) 279 289 294 313 333 338 252 262 267 284 303 302
前臂长(mm) 206 216 220 237 253 258 185 193 198 213 229 234
百分位数 1 5 10 50 90 95 1 5 10 50 90 95
5进度安排
2012.2.27—2012.3.20 收集资料,查阅文献 ,撰写开题报告;
2012.3.21—2012.4.03 确定设计方案,进行总体结构设计;
2012.4.04—2012.4.17 康复机器人上肢前后摆机构设计及康复机器人
屈伸机构设计;
2012.4.18—2012.4.30 分合机构设计及手腕转动设计;
2012.5.01—2012.2.14 伺服元件选择;
2012.5.15—2012.5.14 绘制和修改总体结构装配图及零件工作图;
2012.6.06—2012.6.15 撰写设计说明书,整理材料,准备答辩
6.参考文献
[1] 杜志江,孙立宁.外科机器人技术发展现状及关键技术分析[J].哈尔滨工业大学学报,2009,35(7).
[2] 吕广明,孙立宁,彭龙刚.康复机器人现状及关键技术分析[J].哈尔滨工业大学学报,2010,36(9).
[3] 李庆玲. 基于sEMG信号的外骨骼式机器人上肢康复系统研究[ J] 机械设计2012(1)
[4] 李庆玲,.孙立宁.杜志江;上肢康复机器人发展现状的分析与研究 [J] 机械设计 2008
[5]兰陟. 李振亮. 李亚.基于旋量理论的5-DOF上肢康复机器人雅克比矩阵求解[J] 机械设计2011(5)
[8]张今瑜,张立勋,王克义.坐式上肢康复训练机[P].中华人民共和国:ZL 200520021461.3,2005.
[9] 刘珊.人体上肢与上肢康复机器人运动控制研究[D].华中科技大学,2008.
[10] 胡宇川,季林红.一种偏瘫上肢复合运动韵康复动训练机器人[J].机械设计与制造,2007.
[11] 乎昊.3DOF可穿戴式上肢康复机器人结构设计及仿真研究[D].哈尔滨工程大学,2008.
[12]吴军.黄剑 .王永骥;集成运动意图辨识与虚拟现实环境的上肢康复机器人[ J] 第二十九届中国控制会议论文集 2010 (7 )
[13]刘珊.人体上肢与上肢康复机器人运动控制研究[J]华中科技大学2009 (12)
[14] Dario P,Gugielmelli E, Allotta B,etal.Robotics for medical application [J].IEEE Robotics and Automation Magazine2008,3(3)::44-56.
[15]Song W K,Lee,Bien Z,Kares.Intelligent wheel-chair-mounted robotic arm system using vision and force senor[J].Robotics and Autonomous System,2009,(28).
[16]Hoppenotp,Collee.Localization and control of a rehabilitation mobile robot by close human-machine cooperation [J].IEEE Transactions on Neurl Systems and Rehabilitation Engineering,2009,(9);181-190.

部分图纸
截图



上肢康复机器人结构设计及仿真运动设计[3A0]











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