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I 摘 要 康復機器人是康復設備的一種類型，同時作為醫(yī)療機器人的一 個重要分支，它的研究貫穿了康復醫(yī)學、生物力學、機械學、機械 力學、電子學、材料學、計算機科學以及機器人學等諸多領域，已 經成為了國際機器人領域的一個研究熱點?？祻歪t(yī)學工程雖然在我 國得到了普遍的重視，但由于康復機器人研究尚處于起步階段，一 些簡單康復器械目前還遠遠不能滿足市場對智能化、人機工程化康 復機器人的需求，因此有待進一步的研究和發(fā)展。 本文從使用角度分析了人體上肢運動原理，設計了一種坐式上 肢康復訓練機器人，用于心腦血管疾病或神經系統(tǒng)疾病造成的上肢 體損傷患者的上肢康復訓練。本設計中的上肢康復機器人主要由機 身、運動機構和傳動機構組成。機身包括放置于地面上的基座、兩 根可以伸縮的立柱以及上橫梁；運動機構則由上肢前后擺動機構、 上肢屈伸機構和上肢分合機構組成，它們分別裝在機身的基座、立 柱和橫梁上，且分別由單獨的電機和減速器驅動；傳動機構主要包 括傳動軸、絲杠螺母副、同步齒形帶等元件。該機器人在單片機的 控制下，實現(xiàn)患者的上肢前后擺、屈伸、分合運動以及手腕轉動的 康復訓練；也可啟動部分電機，完成其中的部分康復訓練。 隨著機器人技術的發(fā)展，小型化、輕量化而且更接近實用的人 工智能機器人不斷地被開發(fā)研制出來，人們對康復機器人的未來也 充滿了期待。 II 關鍵詞：上肢；康復機器人；結構設計；運動機構；傳動機構 III ABSTRACT Rehabilitation robot is a type of rehabilitation facilities, and as an important branch of medical robots at the same time, it comes from the rehabilitation medicine, biomechanics, mechanics, mechanics of machinery, electronics, material science, computer science and robotics, and many other areas, and it has become a research hotspot in the field of international robot. Medical Engineering in our country has been received widespread attention though, and because of rehabilitation robotics still in its infancy, some simple rehabilitation equipment is far from meeting intelligence, ergonomics of the rehabilitation robot needs, so we still need to do some further research and development. From the use of perspective, the upper limb movement principle of the human body is analyzed. And the seated upper extremity rehabilitation robot is designed for the cardiovascular diseases or diseases of the nervous system on the body damage in patients with upper limb rehabilitation training. The design of upper limb rehabilitation robot is mainly composed of the fuselage, the motion mechanism and the transmission mechanism. The fuselage includes the platform base, two scalable columns and a beam; The motion mechanism consists of the back and forth various agency, the flex movement agency, the lifting agency and the wrist rotation agency, respectively installed on the base of IV the fuselage, the stand column and the beam, and the every movement is driven by the separate drive motor and reducer; The transmission mechanism is composed of the transmission shaft, screw nut pair and elements such as synchronous cog belt. The upper limb’s pendulum, expand and the rotation of the wrist of patients are realized by the robot under the control of the MCU. Part of the rehabilitation training also can be started by motor. With the development of robot technology, miniaturization, lightweight and more close to practical robot of artificial intelligence are constantly developed, and people is full of expectation to the future of the rehabilitation robot. Key words：upper limb; rehabilitation robot; structural design; motion mechanism; transmission mechanism V 目 錄 第 1 章 緒論 ................................................................................................................1 1.1 本課題的目的與意義 .........................................................................................1 1.2 康復機器人的國內外研究現(xiàn)狀 ..........................................................................2 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 ..............................................................................................2 1.2.2 國內研究現(xiàn)狀 ..............................................................................................5 1.3 本課題主要研究內容 ..........................................................................................7 第 2 章 上肢康復機器人總體結構方案 ....................................................................8 2.1 總體方案設計 ......................................................................................................8 2.1.1 機器人整體尺寸的選擇 ..............................................................................8 2.1.2 機器人驅動裝置的選擇 ..............................................................................8 2.1.3 機器人的總體方案 ......................................................................................9 2.2 運動機構的總體設計 ........................................................................................10 2.2.1 前后擺動機構 ............................................................................................10 2.2.2 屈伸運動機構 ............................................................................................10 2.2.3 分合運動機構 ............................................................................................11 2.2.4 手腕轉動機構 ............................................................................................12 2.3 本章小結 ............................................................................................................12 第 3 章 上肢康復機器人機械結構設計 ..................................................................13 3.1 前后擺動機構 ....................................................................................................13 3.1.1 電機的選擇 ................................................................................................13 VI 3.1.2 減速器的選擇 ............................................................................................14 3.1.3 聯(lián)軸器的選擇 ............................................................................................15 3.1.4 軸的設計與校核 ........................................................................................16 3.1.5 鍵選擇及校核計算 ....................................................................................18 3.1.6 整體結構的設計 ........................................................................................19 3.2 屈伸運動機構 ....................................................................................................20 3.2.1 電機的選擇 ................................................................................................20 3.2.2 聯(lián)軸器的選擇 ............................................................................................21 3.2.3 絲杠的設計計算 ........................................................................................21 3.2.4 錐齒輪的設計計算 ....................................................................................23 3.2.5 軸承校核 ....................................................................................................25 3.2.6 總體結構的設計 ........................................................................................26 3.3 分合運動機構 ....................................................................................................27 3.3.1 電機的選擇 ................................................................................................27 3.3.2 支撐座的設計 ............................................................................................28 3.3.3 橫梁的設計 ................................................................................................29 3.3.4 同步齒形帶設計 ........................................................................................29 3.3.5 總體結構的設計 ........................................................................................31 3.4 手腕轉動機構 ....................................................................................................31 3.4.1 電機的選擇 ................................................................................................31 3.4.2 總體結構的設計 ........................................................................................32 3.5 本章小結 ............................................................................................................33 第 4 章 總結 ..............................................................................................................34 參考文獻 ......................................................................................................................35 VII 致 謝 ............................................................................................................................37 1 第 1 章 緒論 1.1 本課題的目的與意義 隨著科技進步與人民生活水平的提高，我國和世界上其它國家一樣，正在向老 年化結構發(fā)展，伴隨而來的是心腦血管疾病或神經系統(tǒng)患者正呈現(xiàn)逐年增長的趨勢。 腦中風就是其中一種，這種疾病嚴重威脅了中老年人身體健康，我國每年新發(fā)腦中 風病例 120-150 萬人，死亡者 80-100 萬人，死亡率高達 66.7%。這種疾病有偏癱癥 狀 [1]，將引發(fā)患者肢體運動功能的喪失，尤其是上肢運動功能的喪失，極大地影響 了患者日常生活。臨床上對偏癱患者的康復方法很大程度依賴于治療醫(yī)師對患者一 對一的指導和訓練，這種方法存在一些問題：首先，一位治療醫(yī)師只能對一位患者 進行運動訓練，效率低；其次，治療效果大多數(shù)情況下取決于治療醫(yī)師的水平和經 驗；再次，不能控制和記錄精確參數(shù)，不利于治療方案的確定和改進，康復評價指 標不客觀?？傊?，這種方法是一種勞力集中的過程，不僅費時費力，也缺乏量化且 客觀的評價，不利于偏癱患者康復規(guī)律的深入研究。 為了減輕家庭和社會的經濟負擔，提高康復訓練效率，同時隨著機器人技術的 迅速發(fā)展，研究者們開始將機器人技術應用到了康復領域，提出了康復機器人。與 傳統(tǒng)康復方法相比，康復機器人能滿足患者對訓練強度的不同要求，極大的減輕了 治療醫(yī)師的體力勞動，也減少了臨床醫(yī)療人員的負擔和衛(wèi)生保健的成本；另外康復 機器人能對運動訓練過程進行客觀的監(jiān)測與評價，可以詳實地記錄治療數(shù)據及圖形， 從而提供了客觀、準確的治療和評價參數(shù)，能夠幫助患者制定更好的康復方案，進 一步提高康復的效率，同時也有助于康復機器人輔助治療偏癱研究的深入開展，具 有改善康復效果和提高康復效率的潛力。 本文真對心腦血管疾病或神經系統(tǒng)疾病造成的上肢體損傷患者，設計了一種坐 式上肢康復機器人。該機器人通過機械手臂帶動患者的患肢在水平或垂直面運動， 利用計算機控制上肢康復運動，實現(xiàn)機器人與人的上肢協(xié)調運動，從而達到最佳康 復效果。 2 1.2 康復機器人的國內外研究現(xiàn)狀 康復機器人是康復醫(yī)學與機器人學科結合的成果，屬于醫(yī)療機器人范疇?？祻?機器人主要分為兩種：功能輔助型康復機器人和康復訓練機器人 [2]。功能輔助型康 復機器人的主要功能是幫助肢體運動有困難的患者完成各種動作，其產品主要有機 器人輪椅、機械外骨骼、導盲手杖、機器人護士、機器人假肢等。康復訓練機器人 的主要功能是幫助患者完成各種運動功能的恢復性訓練，如上肢運動訓練、下肢行 走訓練、頸部運動訓練、脊椎運動訓練等。 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 在歐美等國家，上肢康復機器人在 20 世紀 0 年代就開始起步了。隨著科技醫(yī) 療技術的發(fā)展，更是得到了醫(yī)療機構和科研工作者的大力重視，繼而開展了相關的 研究工作。 1993 年，加利福尼亞大學的 lum 設計了名為手-物體-手的康復裝置 [3] (圖 1.1a)。 該裝置從人類日常生活中對雙手協(xié)調性工作的需要出發(fā)，以簡單的雙手移動和擠壓 物體訓練雙手協(xié)調性。2 年后，lum 又設計出另一套訓練雙手上舉協(xié)調性的裝置 [4] (圖 1.1b) ，并在裝置上綁上裝滿咖啡的杯子，依靠裝置為患手提供力輔助而成功 完成上舉的實驗來證明了該裝置的可行性。這兩個裝置結構功能都比較簡單，由于 實驗是由正常人完成的，因此未作出對肌肉運動功能的評價。 (a) (b) 圖 1.1 lum 研制的上肢康復裝置 1999 年，Cozens JA Lastair 設計了一套肘部康復裝置 [5] (如圖 1.2 所示)，該裝 置跟隨支撐臂前方的閃爍燈執(zhí)行 10°~80°的肘部屈/ 伸運動。系統(tǒng)獲取電子量角器、 3 加速度計的反饋，根據控制法則對支撐臂上的患肢運動進行外力輔助或干擾，最后 依據試驗結果，給出訓練方式的效果比較。 圖 1.2 肘部運動康復裝置 2000 年芝加哥大學研制了一種 ARM Guide 訓練裝置 [6,7]，如圖 1.3 所示。該裝 置具有 3 個自由度，通過手動調節(jié)其中 2 個自由度 Yaw 和 Pitch 使患者完成不同直 線軌跡的 Reach 訓練。訓練過程中患者手臂綁在夾板上，沿直線軌道練習 5 個目標 點的 Reach 運動 ,并利用傳感器測量患者前臂施力大小。訓練療程完成后，使患者 完成日常生活動作，對比所記錄的軌跡范圍、直線度、平滑度，并利用未訓練過的 點來檢驗未訓練區(qū)域的運動恢復，該訓練裝置的設計思路與機構決定了其訓練方式 的單一性，因此很難進行訓練方式的擴展及深入研究。 圖 1.3 ARM Guide 訓練裝置 麻省理工學院從 1995 年開始研制一種被稱為 MIT-Manus 的康復機器人[8] (如 圖 1.4)。該機器人采用連桿機構，患者握住機構末端的手柄完成平面內的運動訓練。 計算機為患者提供視覺反饋。該裝置的主要特點是具有反向可驅動性，也就是采用 阻抗控制技術實現(xiàn)末端點平滑和柔順，遵從患者運動產生平滑快速運動?；颊哌M行 4 圓或直線路徑的平面運動訓練后，利用臨床評價方法及采集到的運動學參數(shù)進行評 價，發(fā)現(xiàn)機器人訓練對肌肉群的恢復有十分有效。另一方面，在研究人員記錄下， 患者訓練前后的動作完成過程中運動學參數(shù)，如軌跡、速度等等，通過實驗發(fā)現(xiàn)， 傳統(tǒng)的方法在實驗前后的評價值不變，而實際上患者肌肉功能已經有了比較明顯的 改善，由此證明了醫(yī)學臨床評價的粗糙。 圖 1.4 MIT-MANUS 圖 1.5 ARMin 康復機器人 瑞士蘇黎世大學研究出了 ARMin 康復機器人 [9] (圖 1.5)，它具有低慣量、低摩 擦、可反向驅動的特性。該裝置具有 6 個自由度(4 個主動、2 個被動)及 4 種運動 模式,其中預定軌跡模式為醫(yī)生指導患者手臂運動，并記錄下軌跡，其后由機器人 以不同速度對該軌跡進行重復；預定義治療模式是在預定的幾種標準治療練習中進 行選擇訓練；在點到達模式中，預定到達點通過圖像顯示給患者，由機器人對患者 肢體進行支撐和引導完成訓練；患者引導力支持模式中，運動軌跡由患者確定，利 用測得的位置、速度信息通過系統(tǒng)的機械模型來預測所需力與力矩的大小，并通過 5 一個可調輔助因子來提供一部分力和力矩。該裝置目前仍然在研究中，利用健康人 作了一些機構的可行性實驗,還未提出任何評價方法。 意大利的 Roberto Colombo 等人研制了自由度腕關節(jié)（圖 1.6）和自由度肩肘 關節(jié)康復機器人（圖 1.7） [10]。腕關節(jié)康復機器人提供的工作范圍是±90°，最大 阻抗扭矩為±9Nm，其控制系統(tǒng)包括兩個控制環(huán)；肩肘關節(jié)康復機器人的功能原則 是二位空間的自然伸縮。在康復過程中評定康復的儀器可以記錄患者的運動參數(shù)并 作出評價。 圖 1.6 自由度腕關節(jié)機器人 圖 1.7 自由度肩肘關節(jié)康復機器人 1.2.2 國內研究現(xiàn)狀 國內關于上肢康復機器人的研究起步較晚，但經過國內研究者們努力的探討， 在這一領域也有了一定的成果。 臺灣國立成功大學設計了一種應用于平面上肘關節(jié)屈/伸運動的康復機器人 [11]， 利用模糊控制器完成精確的位置與力的控制，對一定數(shù)量的正常人和偏癱患者進行 圓形軌跡運動的臨床試驗中，在運動方向上給予適當?shù)淖枇?，并由剛性參?shù)及測得 的肱二頭肌和肱三頭肌機電信號分別對運動控制能力與運動協(xié)調性進行量化評估。 清華大學在國家“863”計劃支持下，從 2000 年起即開展了機器人輔助神經康 復的研究，研制了一種上肢康復設備 UECM[12-14]，可以在平面內進行兩個自由度 的運行訓練，如圖 1.8 所示。 6 圖 1.8 上肢復合運動康復訓練機（清華大學研制） 哈爾濱工程大學研制了多功能手臂康復訓練器 [15]，如圖 1.9 所示，該訓練器的 兩個訓練把手在單片機控制下可以帶動被訓練者的左右手臂以不同的工作模式進行 訓練，氣可工作在主動訓練模式、主從訓練模式和阻尼方式。 圖 1.9 多功能手臂康復訓練器 東南大學設計了一套上肢康復訓練機器人系統(tǒng) [16]，機械結構如圖 1.10 所示。 此系統(tǒng)可以實現(xiàn)被動、主動和帶阻尼主動三種鍛煉模式和一對多的訓練模式。 圖 1.10 單自由度上肢康復訓練機械臂系統(tǒng)結構 7 上海交通大學的康復工程研究所和 CAD 模具研究中心聯(lián)合研制了適用于上肢 康復的 FES 附件外骨骼康復機器人，如圖 1.11 所示。 圖 1.11 FES 附件外骨骼康復機器人 1.3 本課題主要研究內容 本文中設計的上肢康復機器人主要由機身、運動機構和傳動機構組成。機身包 括放置于地面上的基座、兩根可以伸縮的立柱以及上橫梁；運動機構則由上肢前后 擺動機構、上肢屈伸機構和上肢分合機構組成，它們分別裝在機身的基座、立柱和 橫梁上，且分別由單獨的電機和減速器驅動；傳動機構主要包括傳動軸、絲杠螺母 副、同步齒形帶等元件。該機器人在單片機的控制下，實現(xiàn)患者的上肢前后擺、屈 伸、分合運動以及手腕的轉動康復訓練；也可啟動部分電機，完成其中的部分康復 訓練 [17]。具體內容如下： 第 2 章首先對上肢康復訓練機器人進行了原理分析，然后選擇合理的設計方案， 最出總體結構設計； 第 3 章對上肢康復機器人中前后擺動機構、屈伸運動機構、分合運動機構和手 腕轉動機構中主要運動元件進行了選擇與計算，如電機、聯(lián)軸器和減速器的選擇， 傳動軸、絲杠、同步齒形帶以及錐齒輪等的設計校核計算。同時用 UG 這款三維軟 件繪制了上肢康復機器人的三維結構圖。 第 4 章對本次設計的上肢康復機器人進行了總結。 8 第 2 章 上肢康復機器人總體結構方案 本設計的主要工作是設計一個用于上肢康復的機器人，能夠實現(xiàn)對上肢的上下、 屈伸、分合以及手腕轉動的康復訓練 [17]。就本設計而言，設計的主體是兩根可升降 的立柱，放于地面與立柱相連的機座、橫梁，以及與機座相連的立柱座、同步齒型 帶和帶輪等等。本章將確定上肢康復機器人的總體結構設計方案。 2.1 總體方案設計 2.1.1 機器人整體尺寸的選擇 本文設計是坐式上肢康復機器人，其主體結構采用金屬材料。受到外來力量主 要是患者的上肢，受力相對較小，因此機器人各個零部件的大小尺寸也應相對較小， 從而減輕機器人的整體重量。 表 2.1 是《人體主要尺寸表》 [18]，根據其對人群中 18~60 歲成年男子和 18~55 歲成年女子各個主要尺寸的統(tǒng)計，本次上肢康復機器人的寬度大約 1.5m，整體高 度 1.4m~1.7m。 表2.1 人體主要尺寸表 男 （18-60 歲） 女 （18-55 歲） 身高（mm） 1583 1604 1678 1754 1775 1814 1449 1484 1503 1570 1640 1659 體重（kg） 44 48 50 59 70 75 39 42 44 52 63 66 上臂長（mm） 279 289 294 313 333 338 252 262 267 284 303 302 前臂長（mm） 206 216 220 237 253 258 185 193 198 213 229 234 百分位數(shù) 1 5 10 50 90 95 1 5 10 50 90 95 2.1.2 機器人驅動裝置的選擇 驅動裝置對上肢康復機器人而言是至關重要的。按驅動方式可以分為三類： （1）氣壓驅動，其使用壓力通常在 0.4～0.6MPa，最高可達 1MPa。氣壓驅動 的氣源一般是由壓縮空氣站提供的壓縮空氣，因此方便快捷。另外，氣壓驅動系統(tǒng) 9 具有緩沖作用，結構簡單，成本低，可以在高溫、粉塵等惡劣環(huán)境中工作。但是其 功率質量比小，裝置體積大，同時由于空氣的壓縮性使得機器人在任意定位時，位 置精度不高。因此只適合于易燃、易爆和灰塵大的場合。 （2）液壓驅動，一般用 2～5MPa 的油液驅動機器人。與氣壓驅動相比，其優(yōu) 點是體積較小，功率質量比大，驅動平穩(wěn)，且固有效率高，快速性好。此外，液壓 驅動調速較為簡單，能在很大范圍內實現(xiàn)無極調速。缺點是易漏油，從而影響了工 作穩(wěn)定性和定位精度，再者也對環(huán)境造成了污染。因此其多用于要求輸出力較大， 運動速度較低的場合。 （3）電氣驅動，一般是利用各種電機產生的力或轉矩直接或經過減速機構去 驅動載荷，從而減少了電能轉為壓力能的中間環(huán)節(jié)，可以直接獲得要求的機器人運 動。其優(yōu)點是易于控制，運動精度高，響應快，使用方便，信號檢測。傳遞和處理 方便，成本低廉，驅驅動效率高，不污染環(huán)境等。因而電氣驅動得到了研究者的青 睞，在機器人上獲得了廣泛應用。 本文中的上肢康復機器人承受的驅動負載較小，且要求驅動系統(tǒng)結構簡單、易 于控制，因此選擇電氣驅動作為其驅動方式。具體的驅動裝置則選用直流伺服電動 機，它具有體積小、重量輕和良好的控制性等優(yōu)點，使得整個驅動系統(tǒng)結構緊湊， 成本低廉，操作方便。 2.1.3 機器人的總體方案 綜合考慮了上肢康復機器人所要實現(xiàn)的運動之后，其總體方案為：機身、運動 機構和傳動機構以及電機驅動系統(tǒng)。 圖 2.1 上肢康復機器人 10 機身包括放置于地面上的基座、兩根可以伸縮的立柱以及上橫梁；運動機構則 由上肢前后擺動機構、上肢屈伸機構和上肢分合機構以及手腕轉動機構組成，它們 分別裝在機身的基座、立柱和橫梁上，且分別由單獨的電機和減速器驅動；傳動機 構主要包括傳動軸、絲杠螺母副、同步齒形帶等元件。上肢康復機器人的整體結構 如圖 2.1 所示。 2.2 運動機構的總體設計 2.2.1 前后擺動機構 上肢康復機器人前后擺機構需要實現(xiàn)對患者的上肢進行前后擺康復訓練的功能。 而前后擺運動需滿足兩個要求： 1、擺動的角度要足夠大，從而使患者上肢的肩關節(jié)和肘關節(jié)得到充分的康復 訓練； 2、要保證整個前后擺機構的穩(wěn)定性和安全性，即患者在康復訓練時，上肢在 任何位置在能安全地停止。 從而，本設計中將前后擺動機構安裝在基座上，由直流減速電機、減速器、傳 動軸、軸承座等組成。其中直流減速電機固定在底座上，通過聯(lián)軸器與減速器連接； 減速器的另一端則與傳動軸連接在一起。由單片機控制電機，帶動傳動軸轉動，實 現(xiàn)對上肢前后擺動的康復訓練，其運動簡圖如圖 2.2 所示。 圖 2.2 前后擺動機構運動簡圖 2.2.2 屈伸運動機構 上肢康復機器人的屈伸運動機構的主要目的是對患者上肢進行屈伸康復訓練， 以患者肩的關節(jié)肘和肘關節(jié)得到康復。為了使患者的上肢有足夠的空間進行屈伸訓 11 練，本文中的屈伸運動機構設計了兩根左右對稱布置的可伸縮立柱。 可伸縮立柱包括外套筒、內套筒、立柱座（箱體）。而由直流電機、錐齒輪副、 絲杠螺母副組成的機構則能使立柱進行伸縮運動。其中絲杠螺母副由一對角接觸球 軸承固定；立柱座（箱體）和外套筒則借助法蘭盤，用螺栓通過擋圈與軸承外圈連 接；內套筒插裝在外套筒內，通過螺母與絲杠連接，組成絲杠螺母副，其運動簡圖 如圖 2.3 所示。 在直流電機作用下，穿過側壁的傳動軸帶動錐齒輪轉動，將運動傳給絲杠，從 而帶動內套筒在立柱內同步的向上下滑動，實現(xiàn)上肢的屈伸康復運動。 同時，為了使立柱內套筒能夠安全的停止在任何一位置，設計絲杠時需讓絲杠 具有自鎖的功能，讓患者可以在任何一位置進行其他的康復訓練。 圖 2.3 屈伸運動機構運動簡圖 2.2.3 分合運動機構 上肢康復機器人中設計分合運動機構的目的實現(xiàn)患者上肢分合康復訓練。設計 分合機構時，空間要足夠大，從而能使患者上肢得到相應強度的分合康復訓練，且 要主要減少噪音。 圖 2.4 分合運動機構運動簡圖 本文中分合運動機構包括直流減速電機、同步齒形帶傳動副、光感滑軌以及把 手。其中直流減速電機帶有傳感器并借助法蘭盤安裝在橫梁上；橫梁與立柱內套筒 12 連接；同步齒形帶輪一端通過擋板和螺釘固定在電機軸上，另一端通過軸和軸承固 定在橫梁的中部，其運動簡圖如圖 2.4 所示。 2.2.4 手腕轉動機構 上肢康復機器人手腕轉動機構主要考慮的是患者上肢的固定，從而把手很重要， 本文中把手包括小臂護套、把手支、架手柄。把手支架法蘭盤面上裝有直流減速電 機，小臂護套則由吊環(huán)將其固定在把手支架上面，其運動簡圖如圖 2.5 所示。 圖 2.5 手腕康復結構運動簡圖 工作時，啟動電機，在單片機的控制下，帶動手柄繞電機軸旋轉，從而帶動手 腕的轉動，實現(xiàn)手腕的康復訓練 [19]。 2.3 本章小結 本章針對上肢康復機器人的設計要求，確定了機器人的總體結構方案，構建了 機器人的運動形式及外形框架。包括機器人整體尺寸的確定、驅動方式的選則和各 傳動機構的設計。本章基本確定了康復機器人的運動方案，在接下來的章節(jié)中，將 對所需的電機、聯(lián)軸器、減速器進行選擇，并對部分主要零件進行設計校核計算。 13 第 3 章 上肢康復機器人機械結構設計 本章的主要內容是通過估算上肢康復機器人的各個運動參數(shù)，對機器人運動機 構中的主要元件進行結構設計計算與校核，并對所需直流電機、聯(lián)軸器以及減速器 等進行選擇。 3.1 前后擺動機構 3.1.1 電機的選擇 本設計中，康復機器人的總體高度大約為 m，質量 kg，轉動角速1.5h?50? 度 =0.05rad/s，轉動角度 =30°。w? 對于旋轉運動，當系統(tǒng)勻速轉動時，機械的負載功率為 / (3-1)gLPTw?? 其中， （N. m）表示負載轉矩， （rad/s ）表示旋轉角速度， 表示系統(tǒng)gT ? 的傳動效率。 當 =30°時， 最大，且 =250Nm，折算到電機上的轉矩?ggT = /（ ） (3-2)LgT?i 得到電機的輸出轉矩 =75Nm，功率 P=40w，轉速 n=30rpm；L 綜合考慮之后，選擇的是淄博床架電機有限公司的產品，其結構如圖 3.1 所示， 各參數(shù)如表 3.1 所示。 圖 3.1 110SZ55 減速電機 14 表 3.1 前后擺動機構電機參數(shù) 型號 輸出轉矩（N. mm） 輸出轉速（r/min） 功率（W） 電壓（V） 110SZ55 83590 40 100 24 3.1.2 減速器的選擇 減速器有很多種類，常用的齒輪及蝸桿減速器按其傳動及結構特點，可分為三 類： (1)齒輪減速器：主要有圓錐齒輪減速器、圓柱齒輪減速器和圓錐—圓柱齒輪減 速器。它們的優(yōu)點是效率高、壽命長、維護簡便。 (2)蝸桿減速器：主要有圓弧齒蝸桿減速器、圓柱蝸桿減速器、蝸桿—齒輪減速 器和錐蝸桿減速器。它們的優(yōu)點是在外廓尺寸不大的情況下可以獲得很大的傳動比， 且工作平穩(wěn)、噪聲較小，但其傳動效率比較低。 (3)行星減速器：主要有擺線針輪減速器、漸開線行星齒輪減速器和諧波齒輪減 速器。它們的特點是結構緊湊、精度較高、回程間隙小且使用壽命很長，但價格相 對其它減速器來說略貴。 上肢肢康復機器人在前后擺動過程中，需要使患者上肢能夠平穩(wěn)地停在任一位 置。因此本文使用了蝸輪蝸桿減速器來實現(xiàn)機械自鎖功能。蝸輪蝸桿具有良好的特 性： ①零件數(shù)目少，結構緊湊； ②在蝸桿傳動中，由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，它和蝸輪齒是逐漸進入及 逐漸推出嚙合的，同時嚙合的齒對又比較多，故沖擊載荷小，傳動平穩(wěn)，噪聲?。?③當蝸桿的螺旋線升角小于嚙合面的當量摩擦角時，蝸桿傳動變具有自鎖性。 圖 3.2 WD60 渦輪蝸桿減速器 15 在本文中選擇的渦輪蝸桿減速器型號是 WD60，如圖 3.2 所示，其廠家是河北 橋興減速機制造有限公司。 3.1.3 聯(lián)軸器的選擇 前后擺動機構中減速器和傳動軸，減速器與電機是通過聯(lián)軸器連接起來的，因 此要對聯(lián)軸器進行選擇。聯(lián)軸器種類繁多，按照被連接兩軸的相對位置和位置的變 動情況，可以分為：①固定式聯(lián)軸器。主要用于兩軸要求嚴格對中并在工作中不發(fā) 生相對位移的地方，結構一般較簡單，容易制造，且兩軸瞬時轉速相同，主要有凸 緣聯(lián)軸器、套筒聯(lián)軸器、夾殼聯(lián)軸器等。②可移式聯(lián)軸器。主要用于兩軸有偏斜或 在工作中有相對位移的地方，根據補償位移的方法又可分為剛性可移式聯(lián)軸器和彈 性可移式聯(lián)軸器。根據上肢康復機器人機構的特點，本文選用了十字滑塊性頂絲式 彈性聯(lián)軸器。這種聯(lián)軸器的優(yōu)點是： ①結構簡單，容易安裝； ②電器絕緣性能好； ③高扭矩、偏心反作用力小、震動吸收性優(yōu)； ④軸套與滑塊的移動作用、可容許大的偏心與偏角； ⑤順時針與逆時針回轉特性完全相同。 前后擺動機構中減速器與電機連接的傳動軸選用了廣州鉅人自動化設備有限公 司生產的十字滑塊性頂絲式彈性聯(lián)軸器，其型號為 G4-25T，具體各參數(shù)見表 3.2。 表 3.2 前后擺動機構聯(lián)軸器參數(shù) 表 3.3 HL1 聯(lián)軸器參數(shù) 型號 最大 孔徑 mm 容許 扭矩 N m 容許 偏角 （°） 容許偏 心 mm 慣性力矩 2kg.m質量 g 經彈性 系數(shù) Nm/rad 最高回轉 系數(shù) rpm G4-63T 25 33 3 3.8 4.610??318 1200 2500 型號 公稱扭矩 Tn N .m 許用轉 速 n r/min 軸孔直徑 d1 d2 dz 軸孔 配合 長度 D S 轉動慣量 Kg.m2 重量 Kg HL1 160 33 16 18 42 90 2.5 0.0064 2 16 而傳動軸與減速器連接時，由于其傳動轉矩非常大，故其連接時選用的聯(lián)軸器 是上海聯(lián)軸器車墩業(yè)務部生產的 HL 型柱銷彈性聯(lián)軸器，型號是 HL1，其參數(shù)如表 3.3 所示。 3.1.4 軸的設計與校核 在前后擺動機構中，傳動軸的設計至關重要。根據軸向定位的要求，本文中 傳動軸（其結構如圖3.5所示）共分為四段： （1）第Ⅰ段是與軸承相配合的 ，其直徑定為18mm，長度22mm； （2）第Ⅱ段是與立柱座相連接的，其直徑定為20mm，長度58mm； （3）第Ⅲ段直徑定為18mm，長度550mm； （4）第Ⅳ段是通過聯(lián)軸器與渦輪蝸桿連接，其直徑為17mm，長度為30mm。 圖3.3 前后擺動機構傳動軸 在整個上肢康復機器人的結構當中，前后擺運動機構的傳動軸承受的力是最大， 因此，要對該軸進行強度校核： （1）判斷危險軸段 由于只有第Ⅱ段軸受到載荷與扭矩，因此只需要對此段軸進行強度校核。 該段軸上截面的應力為： （3-1）WMmb?? 其中，M m表示彎矩，單位為N·m；W表示抗彎截面模量。 將數(shù)據代入式3-1得 =3.125Mpa。b? 截面上的轉切應力為： 19 17 （3-2）2TW?? 其中，T 2表示轉矩，單位為N·m；W T表示抗扭截面模量。 將數(shù)據代入式3-2得 =156.25MPa。從而有：T? MPa7825.16??Tmb? 軸的材料為40Cr且調質處理，因此有 MPa， MPa， MPa735B?361??2601?? 軸所受到力、彎矩、扭矩、當量彎矩如圖3.4所示。 圖3.4 前后擺傳動軸受力示意圖 該軸段直徑為： ??3min16<0.ebMdd??? （2）綜合系數(shù)的計算 該軸段的材料敏感系數(shù)為 ， ，因軸肩而形成的理論應力集85.?q7.0?? 中系數(shù)為 ， 。3.???1.? 經直線插入可得其有效應力集中系數(shù)為： 05.2)1(???????qk7?? 18 查得尺寸系數(shù)為 ，扭轉尺寸系數(shù)為 ，軸采用磨削加工，表72.0??? 76.0??? 面質量系數(shù)為 ，軸表面未經強化處理，即 ，則綜合系數(shù)值為：9?? 1q? 93.21????????kK.?? （3）碳鋼系數(shù)的確定 碳鋼的特性系數(shù)取為 ， 。1.0???05.? （4）安全系數(shù)的計算： 軸的疲勞安全系數(shù)為 （3-3）maKS??????1 （3-4）1a??? （3-52cS???? ） 其中， 表示只考慮彎矩時的安全系數(shù)， 表示只考慮轉矩時的安全系數(shù)；?SS? 表示材料對稱循環(huán)的彎曲疲勞極限； 表示材料對稱循環(huán)的扭轉疲勞極限；1? 1? 表示彎曲時軸的有效應力集中系數(shù)； 表示扭轉時軸的有效應力集中系數(shù)；?KK? ( MPa)表示扭轉剪應力的應力幅； ( MPa)表示扭轉剪應力的平均應力； ( a? m a? MPa)表示彎曲應力的應力幅； ( MPa)表示彎曲應力的平均應力； 表示計算疲?caS 勞強度的安全系數(shù)； 表示疲勞強度的安全系數(shù)。S 代入數(shù)據計算得 =5， =10， =4 1.5=S，所以該傳動軸是安全的 [20]。??ca? 3.1.5 鍵選擇及校核計算 19 上肢康復機器人結構中立柱座與軸通過鍵進行連接，所受到的扭矩非常大。本 設計中鍵起到了傳遞力和運動的作用，為防止因鍵連接強度不夠導致鍵斷裂，影響 整個上肢康復機器人的正常運行，甚至發(fā)生事故，要選擇達到一定強度的鍵。本設 計中鍵的參數(shù)如表 3.4 所示。 表 3.4 鍵的規(guī)格 名稱 規(guī)格 直徑 （mm） 工作長度 （mm） 工作高度 （ mm） 轉矩 （Nm） 極限應力 （MPa ） 平鍵 6×6×50 20 44 3 125 100 平鍵強度條件為 = ≤[ ] （3-6）p?kldT 3102?p? 其中，T 表示傳遞的轉矩，單位為 N· m；k 表示鍵與輪轂鍵槽的接觸高度， k=0.5h， h 為鍵的高度，單位為 mm；l 表示鍵的工作長度，圓頭平鍵 l=L-b，平頭 平鍵 l=L，這里 L 為鍵的公稱長度，單位為 mm；b 表示為鍵的寬度，單位為 mm；d 表示軸的直徑，單位為 mm；[ ]表示鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許p? 用擠壓應力，一般 45#鋼的[ ]為 100~120MPa。p 所以軸上鍵的擠壓應力為： = =95MPa≤120MPap?204315? 滿足條件 [21]。 3.1.6 整體結構的設計 本文中的上肢康復機器人將前后擺動機構安裝在基座上，前后擺動機構除了直 流減速電機、減速器、聯(lián)軸器和傳動軸等元件外，還包括固定傳動軸的軸承以及軸 承座等元件。其中直流減速電機固定在底座上，通過聯(lián)軸器與減速器連接；減速器 的另一端則與傳動軸連接在一起。前后擺動機構的整體三維結構如圖 3.5 所示。 20 圖 3.5 前后擺動機構 3.2 屈伸運動機構 3.2.1 電機的選擇 患者進行上肢屈伸康復訓練的過程中，考慮到患者的承受能力，設定立柱的移 動速度為 m/s ，立柱以上整體的質量 m=50kg，則其功率為：0.1v? （3-7）1PFv? 將數(shù)據代入式 3-7，得 =50W。1P 在立柱的傳動鏈中，選擇絲杠的效率 =0.375，滾動軸承的效率 =0.99，齒輪1?2? 的傳動效率為 =0.95，電機的功率為3? （3-8）123P?? 將數(shù)據代入式 3-8，得 P=150W。 當立柱升降時 ，所受到的垂直方向的阻力 。折算到電0.1m/sv?9.5vLcMFTn?? 動機軸上的負載轉矩 應滿足折算前后功率不變原則，考慮傳動機構的傳動損耗，LT 則有： （3-9 ）9.5LcMFvTn?? 其中， (N·m)表示折算到電機軸上的負載轉矩，F(xiàn) (N·m)表示工作機構直線LT 運動時運動所受到的阻力，v(m/s)表示工作機構的線速度， ( r/min)表示電動機M 的轉速， 表示總的傳動效率。c? 將數(shù)據代入式 3-9 有： N. m50.19..93LT??? 21 綜合考慮之后，選擇的是淄博床架電機有限公司的產品，其結構如圖 3.6 所示， 各參數(shù)見表 3.5。 表 3.5 電機參數(shù) 型號 輸出轉矩（N mm） 輸出轉速（r/min） 功率（W） 電壓（V） 110SZ61 1043 1500 150 12 圖 3.6 110SZ61 電機 3.2.2 聯(lián)軸器的選擇 屈伸運動機構中，在直流電機作用下，穿過側壁的傳動軸帶動錐齒輪轉動，將 運動傳給絲杠，從而帶動內套筒在立柱內同步的向上下滑動，實現(xiàn)上肢的屈伸康復 運動。直流電機與傳動軸也是通過聯(lián)軸器連接，根據其運動特點，選擇的依然是廣 州鉅人自動化設備有限公司的產品，其型號為 G4-25T，具體參數(shù)見表 3.6。 表 3.6 屈伸運動機構聯(lián)軸器參數(shù) 型號 最大孔徑 mm 容許扭 矩 N m 容許偏 角 （°） 容許偏 心 mm 慣性力矩 2kg.m質量 g 經彈性 系數(shù) Nm/rad 最高回 轉系數(shù) rpm G4-25T 10 3 3 1.9 6.810??24 125 6000 3.2.3 絲杠的設計計算 （1）自鎖性校核 螺紋工作表面上的耐磨性條件為： 22 （3-10）??phHdPFuApaa??22? 其中， （N）為作用于螺桿的軸向力， A（ ）為螺紋的面積，aFm （mm）為螺紋中徑，h（mm）為螺紋工作高度，H （mm）為螺母高度，2d 螺紋工作圈數(shù)， 為材料的許用壓力。uP???p 令 則 ，對于梯形螺紋 h=0.5P，帶入式 3-9 有：2d?2?? （3-11 ） ??2aFd??? 則有 ，取 =25kg 10N/kg=250N, 經查表取 =2，螺桿材料選??20.8aFPd??a?? 為鋼- 鑄鐵，其運動速度 =6~12m/s， =4~7MPa，取 =6MPa ，則有v??p??pmd7.362508.??? 根據實際情況，查表選取絲杠公稱直徑 =16mm， =14mm，P =4mm。d2 螺紋升角 = =5.2°?24arctnarct3.1P??? 取摩察系數(shù) =0.14f 當量摩擦角 = ?? 0.4arctnarctn8.2osos3????? 因為 < ，從而絲杠能實現(xiàn)自鎖性能。?? （2）螺桿