面向人体颈部医疗康复的软体机器人设计与制造

1、苏州大学本科生毕业设计（论文） 目录 HYPERLINK l _Toc7389 摘要3 HYPERLINK l _Toc4782 Abstract5 HYPERLINK l _Toc6650 第一章 绪论7 HYPERLINK l _Toc14579 第1.1节 研究背景7 HYPERLINK l _Toc12320 第1.1.1节 人体颈部主要疾病介绍7 HYPERLINK l _Toc13885 第1.1.2节 人体颈部疾病的治疗现状8 HYPERLINK l _Toc26921 第1.2节 面向人体颈部治疗的软体康复机器人10 HYPERLINK l _Toc10251 第1.2.1节

2、软体康复机器人介绍10 HYPERLINK l _Toc11811 第1.2.2节 颈部治疗的软体康复机器人介绍12 HYPERLINK l _Toc13974 第1.3节 本文研究的目的及意义13 HYPERLINK l _Toc25658 第二章 颈部软体康复机器人研究现状综述13 HYPERLINK l _Toc201 第2.1节 软体康复机器人研究现状综述13 HYPERLINK l _Toc2903 第2.2节 颈部软体康复机器人研究现状综述16 HYPERLINK l _Toc6381 第三章 颈部康复机器人的设计与制造16 HYPERLINK l _Toc16027 第3.1节

3、颈部康复机器人的设计16 HYPERLINK l _Toc8112 第3.1.1节 颈部康复机器人尺寸设计16 HYPERLINK l _Toc3526 第3.1.2节 颈部康复机器人驱动系统设计18 HYPERLINK l _Toc14450 第3.1.3节 颈部康复机器人控制系统设计20 HYPERLINK l _Toc7888 第3.2节 颈部康复机器人的制造22 HYPERLINK l _Toc10500 第3.2.1节 材料清单22 HYPERLINK l _Toc16691 第3.2.2节 颈部康复机器人各组成模块制作方法22 HYPERLINK l _Toc18481 第3.3节

4、 本章小结26 HYPERLINK l _Toc10436 第四章 实验研究26 HYPERLINK l _Toc14802 第4.1节 实验平台的搭建26 HYPERLINK l _Toc29704 第4.2节 颈部康复机器人气动致动器的性能测试及实验数据的处理27 HYPERLINK l _Toc144 第4.3节 本章小结31 HYPERLINK l _Toc28151 第五章 总结与展望32 HYPERLINK l _Toc1630 第5.1节 总结32 HYPERLINK l _Toc17606 第5.2节 展望33 HYPERLINK l _Toc13926 参考文献33 HYPE

5、RLINK l _Toc20460 致谢34摘要软体机器人是一种新型的机器人，是根据自然软体生物可以在一定限度内自然变化形态的现象，采用柔性材料制作的。软体机器人的形态结构相对简单，具有更高的功率重量比，能够产生主被动变形适应更加复杂的环境，抵御较强的冲击，在一定程度上弥补了刚性机器人的不足，在医疗康复、工业机械手、救灾救援和勘探勘测等领域具有非常广阔的应用前景，逐渐成为机器人研究的热门方向。目前软体机器人的研究仍处于起步阶段，在材料选择、结构设计与制造、运动学和动力学建模、驱动控制等方面仍有诸多难题亟待解决，通常采用形状记忆合金、化学驱动、气压驱动等驱动方式将其他形式能转化为机械能的方法。所

6、以说开展相关研究具有重要意义。而颈椎病被医学界公认为是威胁人类健康的三大疾病之一，脊椎受损（SCI）是由于创伤性的运动导致神经和脊髓血管机构的变形。除了突发SCI案例，临床观察表明，人不可再生软组织的生理变化导致神经结构（脊髓，髓椎和髓根）空间减少，这种影响被脊椎滑动由于脊椎方面脆弱，韧带骨化，椎关节融合等因素放大，如骨质疏松症。脊椎生物结构的不同组成部分包括脊柱和椎骨，此类患者的康复的需求在社会引起了极大关注。为解决现阶段颈部康复机器人研究成果中存在的一些问题，例如结构很复杂、不便携、存在安全隐患等，本论文设计了一套面向人体颈部康复的软体机器人，用于辅助颈椎病患者在康复初期进行颈部的屈伸运动

7、康复训练。该系统操作简单、质轻、便携，且消除了潜在的安全隐患。系统包括软体致动器、微型气泵和电磁阀组及多个控制器。本系统采用气动致动器驱动，软体执行器是一种柔软的、内部有气腔的半圆柱形和长方形硅胶条，内部充入空气后可实现单向的弯曲伸展和单向的轴向伸展。软体致动器设计的好坏直接影响系统的性能。在控制系统设计过程中，首先进行了气泵和电磁阀的选型，然后通过气路分流方案实现了单气泵对多个软体执行器的驱动，大大降低了系统的成本与重量。为了后期能实现系统精确控制，搭建了实验平台测量致动器进气量与弯曲角度和伸长量间的关系。软体机器人是机器人领域中的新的方向，本次毕业设计研究具有创造性地将软体机器人的研究思想

8、应用到了康复医学领域，利用柔性材料自身的特性达到了传统机械结构达不到的效果，令系统整体质量及成本大大降低，且消除了潜在的安全隐患，更适合在康复领域应用。 关键词：软体机器人 颈部康复 气动致动器AbstractSoftware robot is a new type of robot, which is based on the phenomenon that natural soft organisms can naturally change shape within a certain limit, using flexible materials. The robot robots m

9、orphological structure is relatively simple, has a higher power-to-weight ratio, can produce active and passive deformation to adapt to a more complex environment, resist strong impact, to a certain extent, make up for the deficiencies of rigid robots, in medical rehabilitation, industrial robotics

10、Disaster recovery, exploration and exploration and other fields have very broad application prospects and have gradually become a hot topic in robot research. At present, the research of software robot is still in its infancy. There are still many problems to be solved in material selection, structu

11、ral design and manufacturing, kinematics and dynamics modeling, and drive control. Usually, shape memory alloys, chemical drives, pneumatic drives, etc. are used. The drive method will convert other forms into mechanical energy. Therefore, it is of great significance to carry out relevant research.C

12、ervical spondylosis is recognized by the medical community as one of the three major diseases that threaten human health. SCI is caused by traumatic exercise that causes deformation of the nerve and spinal vascular structures. In addition to the sudden SCI cases, clinical observations have shown tha

13、t physiological changes in human non-reproducible soft tissue result in decreased space in the neural structures (spinal, spinal, and medullary). This effect is caused by the spine sliding due to fragile spine, ligament ossification, and vertebral fusion. Such factors as amplification, such as osteo

14、porosis. The different components of the structure of the spine include the spine and vertebrae, and the need for rehabilitation of such patients has attracted considerable attention in society. In order to solve some problems existing in the research results of neck rehabilitation robots in the cur

15、rent stage, for example, the structure is complex, not portable, and there are hidden safety problems, this paper designs a set of soft body robots for human neck rehabilitation to assist patients with cervical spondylosis. In the early stage of rehabilitation, neck flexion and extension exercises w

16、ere performed. The system is simple, lightweight, portable, and eliminates potential safety hazards. The system includes a software actuator, a miniature air pump and a solenoid valve set and a plurality of controllers.The system is driven by a pneumatic actuator. The soft actuator is a soft, semi-c

17、ylindrical and rectangular silicone strip with an air cavity inside. The inside is filled with air and it can realize one-way bending and one-way axial stretching. . Software actuator design directly affects the performance of the system. In the design process of the control system, the selection of

18、 the air pump and the solenoid valve was first carried out, and then the single air pump was driven by the multiple air actuators through the airway diversion scheme, which greatly reduced the cost and weight of the system. In order to achieve accurate control of the system at a later stage, an expe

19、rimental platform was set up to measure the relationship between the intake air amount and the bending angle and elongation of the actuator. Software robot is a new direction in the field of robotics. This graduated design research has creatively applied the research thinking of software robots to t

20、he field of rehabilitation medicine, using the characteristics of flexible materials to achieve the effects that cannot be achieved by traditional mechanical structures. The overall quality and cost are greatly reduced, and potential safety hazards are eliminated, which is more suitable for applicat

21、ion in the field of rehabilitation.Keywords: soft body robot, neck rehabilitation, pneumatic actuator绪论研究背景 第1.1.1节 人体颈部主要疾病介绍在科技日益进步的今天，人们的生活方式也发生了改变，虽然生活变得越来越好，但是疾病的隐患也逐步增加。近些年来颈部疾病主要是颈椎病的发病率激增，成为了一种普遍常见的病。据我国权威机构发布的数据显示，我国60%以上的人患有颈椎病。就目前的情况来说，每年患有颈椎病的人以100万的速度增加并且患病年龄由55岁提前到25岁1。但是在生活中大多数的人认为颈椎病

22、没有什么危害，所以大多被人们忽视，但是颈椎病的危害很大，首先颈椎病严重的患者会出现酸疼主要表现在头颈肩部或者手臂，感受到脖子生硬活动受限；其次颈椎病就会延伸到患者的交感神经，通常在这个时候患者就会出现头晕、视力模糊、耳鸣、平衡不好掌握等症状；最后颈椎病可能会导致下肢无力、麻痹等症状，综上所述颈椎病的严重后果是值得我们重视的。颈椎病通常可以分为颈型颈椎病、椎动脉型颈椎病和脊髓型颈椎病等。颈型颈椎病是由于长时间工作等头一直前屈使颈椎间盘前方受压造成的；椎动脉型颈椎病通常是因为睡觉姿势等原因使头颈肩部测屈使颈椎间盘侧方受到挤压形成的；最后的脊髓型颈椎病是由于椎体后缘骨质增生使得椎管狭窄，脊髓受损造成

23、的。颈椎病患者的康复需求对于现在的市场和技术是一项巨大的挑战。尽管传统的颈部治疗方法例如按摩、理疗和针灸等，可以帮助患者减少一些颈部的症状或者具有一定的治疗效果，但是这些方法都主要依赖颈部治疗师的经验，并且基本都是一对一或多对一型的辅助治疗格式，这样的治疗方法会耗费大量的人力和金钱，会给家庭造成沉重的经济负担。大多数的科学研究表明，颈部康复运动的治疗方法可以使颈部肌肉缓解，加速促进颈部血液的循环，促进水肿的吸收和整复错位最终达到一定的治疗效果。因此研究颈部康复对于我们来说有着重大的意义。随着机电一体化和机器人方面的发展，颈部康复的仪器已经从早期的固定式颈椎牵引器演变到了可移动便携式的颈部康复仪

24、器，并且由当初的刚性机械结构进化为柔性牵引。现在已经出现了许多康复机器人，并且总体来说出现很多优秀成果，但是通常的康复仪器的运动轨迹是固定的，因此我们设想了一种能够贴近人体柔软的机器人，甚至可以在远处控制。本文探讨的颈部康复柔性机器人是一种新型的机器人，也是一种新思路，如果得以实现加上优化，我相信将会对颈部疾病患者带来福音。相较传统的许多颈部康复方式有更多优势，希望本课题能够对医疗方面的康复有所帮助。 第1.1.2节 人体颈部疾病的治疗现状颈椎病是指在颈椎盘间发生了变化，使得颈椎骨质增生或者其他椎部方面的异常从而压迫了颈部的血管、神经和脊髓等产生的一系列症状。病因大多是睡眠姿势不良、过度疲劳、

25、工作生活中的不良姿势和某些激烈的运动等，所以如今已经成为了一种普遍的病。在医学方面普遍认为是损伤等导致脊柱部位静力学不平衡出现了压迫或化学刺激而引发颈椎病。颈椎的主要功能是承载头颅重量和维持头颅的平衡，完成各种活动，但是颈椎病导致了许多颈椎侧屈、椎前屈后伸和旋转的活动障碍。目前为止，牵引疗法简便安全，能够有效地缓解或者解除症状，所以也就是现在治疗颈椎病的主要疗法【2】。在国内外的研究下，颈椎病的治疗方法有很多也各具优势。颈椎病的治疗方式也分为针灸治疗、运动治疗和药物治疗。传统方式的治疗方法可以分为以上三类，但是随着近些年的技术发展，颈椎病的治疗方式也变得越来越多样化。也出现了更多的颈部康复仪器

26、。也是针对颈部康复的物理疗法，也是鉴于物理疗法的优点。例如气动的颈部康复仪，这种仪器通过中间的气腔充气，达到抬升颈部的动作。相比传统的刚性牵引器，能够适应患者的治疗体验。第1.2节 面向人体颈部治疗的软体康复机器人第1.2.1节 软体康复机器人介绍康复机器人作为医疗方面的一个重要分支，康复机器人的研究也涉及康复方面的医学、生物力学、机械学、材料学、计算机方面科学以及机器人学等诸多领域，已经成为了机器人领域的一个热门的研究方向。目前为止康复机器人已经广泛地应用到了关于康复方面的护理、假肢和治疗等方面，这不仅促进了康复医学的发展，也带动了相关领域的新技术和新理论的发展。康复机器人的领域上我国国内的

27、研究起步较晚，但是近些年的康复需求正在逐步增加，所以有越来越多的科研或者医疗器械投入到了康复机器人中。软体康复机器人是在康复机器人的基础上进一步研究，将更多的刚性康复仪器变为柔性机器人【3】。但是软体机器人的研究仍然处于起步阶段，材料的选择需要更多的研究，当然更为重要的难题是软体机器人的集成度比较低，其中的控制系统和执行器的研究是最为重要的两个重点。传统的仿生机器人采用的都是刚性的部件，所以在模仿柔软机器人的时候并没有体现出应具有的柔软性，而软体康复机器人是采用柔性材料制作，具有很好的柔软特性，并且可以自由地改变自身的形态，在进行康复运动的时候能够更好地适应人性需求。到目前为止，软体康复机器人

28、的研究大概有心脏包裹器【4】，如图1-1是一种包裹在心脏外面的硅胶套。其内层是用可以收缩的同心环而外层是使用螺旋的方式进行收缩，其中一共有14个气动装置可以通过充气来分别控制，然后利用其不同的收缩类型来模仿心脏的律动。如图1-2是麻省理工学院机械工程系的赵选贺研发的温和抓取器【5】，使用水凝胶制成的中空的连续立方体，通过水泵将水注入特定的部分完成有节奏的收缩，可以用来在外科手术中进行抓取。图1-1 图1-2第1.2.2节 颈部治疗的软体康复机器人介绍 软体康复机器人的研究仍然处于初步阶段，运用到颈部治疗的软体康复机器人所以少之又少。在目前颈部康复的仪器大多还是刚性的牵引器。如图1-3龙抬头是采

29、用刚性材料拉伸颈部，在一定程度上治疗颈部。但是由于运动的位置比较固定，牵引拉伸的力量不容易控制而刚性仪器可能会导致颈部拉伤等不适。如图1-4是一种充气式的颈部康复仪器，这种仪器避免了刚性的问题，但是这种整体充气抬升拉伸的方式对颈部康复的影响并不完全对，因为只要拉伸了脖子的上端部位，而且是整体的抬升不能使用于所有的颈部患者的治疗。正常都需要看情况使颈部前倾一定的角度。那样才能扩大颈椎之间的间隙，促进血液的循环和修复。 图1-3 图1-4当然现在市面上也出现了一些U形枕，通常直接直接穿戴式来起到颈部的拉伸，但是作用很小。 本文提出的面向颈部医疗康复的软体机器人是一种采取气动致动器构成的康复机器人，

30、因为增加了致动器的个数，不同位置的布局使得在充气的时候能够让颈部康复机器人产生特定的抬升弯曲，适应性更强。第1.3节 本文研究的目的及意义传统的刚性颈部康复治疗机器人采用硬质的材料制造，自由度十分有限，所以无法像柔性康复机器人达到一种连续性的康复运动动作。而且刚性仪器所占的空间比较大，无法在狭小的空间产生需要的运动，所以说传统的颈部康复仪器在灵活性方面和安全性还有很大的提升空间。但是研究软体颈部康复机器人采用硅胶、记忆合金等材料制造，应变能力可以大大增加。灵活性也可以得到提升，对于患者的康复也更加安全。颈部软体康复机器人研究现状综述第2.1节 软体康复机器人研究现状综述 在软体康复机器人的研究

31、逐步兴起，国内外的研究也在不断深入。近几十年的时间里面，很多科学家和学者都投入到软体机器人的研究中来，国家现在也在不断地提供帮助，毕竟是一项前景可观的领域。但是由于软体机器人的起步比较晚，所以这项研究仍然处于起步阶段，在实际生活中的运动还不能够达到人人都可用的时候。作为仿生机器人的研究后续，软体机器人具有更高的灵活性和安全性，但是比起刚性仪器缺少了一部分的精确性，因为运动轨迹的控制并不能十分准确，而且会受到外界的影响较大。本节将讲述软体康复机器人的研究现状。不得不说的是哈佛大学在2014年研究出一种爬行机器人【6】，如图2-1，是由硅胶制成，内置驱动器，因为比较灵活所以可以通过各种狭小的通道并

32、且可以承受较大的外界影响。有了软体机器人的研究发现后，哈佛大学又将研究拓展到了康复的领域，在2014年又制造出手部辅助运动机器人【7】，如图2-2，所以说这是一款较早的康复软体机器人了，这种机器人采用气动方式，来帮助手部肌肉无力或者力气较小的患者康复使用，也适用于中风患者的手部康复。 图2-1 图2-2比较前一种康复机器人，哈佛大学的Connor Walsh【8】研究出一种下肢康复软体机器人，如图2-3，是采用“电机+线驱”的方式来驱动的，装置的原理是加载一个类似自行车刹车线做成的的滑轮装置将线的一端连在小腿绷带上，而另一端连在患者背后的电机上。当患者向前行走时，线会产生收缩从而帮助使用者进行

33、抬腿动作。图2-3关于康复机器人的还有一个是来自于Gunjan Agarwal脊椎康复机器人【9】的研究，如图2-4。 图2-4（a）包括由椎骨，椎间盘，脊髓和其他组件组成的腰椎单位的人体脊柱表示。（b）用真空驱动的软气动执行器（V-SPA）模块表示脊柱单元。（c）单个V-SPA模块的数值模拟结果。（d）具有固定端的加压V-SPA模块组件的模拟结果。（e） V-SPA组件经历自由弯曲位移。（f）在机器人组装的帮助下复制和协助脊柱运动的示意图。第2.2节 颈部软体康复机器人研究现状综述 关于颈部软体康复机器人的研究，在国内外暂时并没有新型机器人的出现，也可能是因为颈部康复的仪器已经出现了更多的化

34、学疗法，物理疗法的仪器已经出现在了人们的视野中，并没有更多深入的投入。目前为止国内外颈部康复仪器种类还是许多颈部靠枕、颈部按摩仪和颈部治疗仪等。就目前的情况来说，虽然可以满足许多种康复运动的需要，但是许多仪器远远超出了患者所需的功能，使得价格昂贵，然而像靠枕等简单的颈部康复软体机器人作用过于单一，使得没有办法完全得到康复或者是作用很小。所以综上所述，目前颈部康复机器人存在便携不够、价格昂贵结构复杂、甚至有安全隐患等问题，为了解决这些问题，本文尝试提出了一种质量轻、便携、安全并且操作容易的面向颈部康复的软体机器人。颈部康复机器人的设计与制造第3.1节 颈部康复机器人的设计第3.1.1节 颈部康复

35、机器人尺寸设计在进行颈部康复软体机器人的设计的时候，首先需要确定颈部康复机器人各个部分的尺寸，然后按照尺寸建模，再设计机器人。颈部康复机器人的尺寸设计按照人体颈部的普遍尺寸来对应，来保证穿戴康复机器人的时候的舒适性。根据成年人标准身材的对照表，成年男子的颈围通常在35cm左右，而成年女性的颈围通常在30cm左右。而脖子通常都在1018cm。本课题的设计采用常规的颈部康复仪器大小，但是其中沿康复仪器圆周边缘均匀放置三个半圆气动致动器，然后在其中间隙部分插入三个矩形致动器。通过颈部尺寸的平均值为设计标准，我们采用的半圆致动器尺寸长为6cm，宽为2.5cm，圆半径为1.5cm；矩形致动器的尺寸为长为

36、10cm，宽为3.5cm，高为1.5cm。这样总体设计考虑到了后期的致动器充气变形和组装等变化因素，更加容易适应人体颈部的佩戴。如图3-1、3-2。 图3-1 图3-2本课题一大重要的研究就是致动器的位置结构，因为相较于传统的颈部康复仪器，我们采用了矩形致动器达到弯曲效果适应颈部的包裹，和半圆形致动器的拉伸且数量的增加，能够达到不同的康复动作从而达到不同的治疗效果，适应更多类型的患者。然后进行设计气动致动器内部的几何结构。为了能够实现致动器充放气的过程，其内部必须必须采取气腔的形式。关于气腔的形状，有内部全部是中控空的气腔形式，也有采取不同的腔式结构相连接，来达到不同的变化效果。至于我们已经采

37、取的致动器结构能够达到优化或有所说明。因为只有气动致动器的硅胶体，充气变形后的形状不得而知或者不好把握、精确度不够，我们选用了拉伸程度很小的尼龙材料作为限制层内嵌在硅胶内，使得致动器的变形能够单向或按照理想方向。为了方便清晰表达致动器的组成部分，我们用了不同的颜色表示不同的加工部分，灰色部分表示尼龙而其他颜色的部分均为同种材料。致动器的内部几何结构及尺寸如图3-3和3-4所示。 图3-3图3-4第3.1.2节 颈部康复机器人驱动系统设计驱动系统是一个机器人必不可少的组成部分，当然现在机器人的驱动系统有很多方式，有液压驱动、气压驱动、电机驱动和许多新型的驱动方式如化学驱动。但是针对颈部康复软体机

38、器人属于柔性机器人的范围，通常只有气压驱动、化学驱动和记忆合金驱动这三种方式。气动是最常见的方式，主要具有反应快速、能源环保、可靠安全等优点，但是运动轨迹不易控制并且驱动的限度有限成为了不可忽视的缺点；化学驱动的方式就是利用化学能转换为机械能供给机器人运动，反应也较迅速，但是更加不易控制从而增加了控制的不确定性；记忆合金驱动方式是简称为“SMA”的随温度变化而改变形状的金属，结构紧凑但是受到温度的影响较大。综上所述，本文采用气动驱动的方式。气泵选择的是微型6v直流电机耐腐蚀真空泵，可实现充气和抽气两种不同功能，其参数如表3-5所示。型号KLP05-6隔膜泵类型隔膜气/液泵电机类型直流有刷电机电

39、压6V噪音65dB正压0.06Mpa负压-0.03Mpa液体压力0.3Mpa气体流量（空气）1000ml/min液体流量（纯水）450ml/min产品重量60 g使用环境温度550使用环境湿度090%RH表3-5 |气泵参数表整机长度为75mm，电机直径为24mm，具体结构尺寸设计模型图如图3-6，尺寸单位mm，按照其尺寸参数，3D打印合适的支撑架，用于防震固定元件。图3-6 |气泵尺寸参数图第3.1.3节 颈部康复机器人控制系统设计颈部康复机器人的控制系统的设计采用了电磁阀，因为电磁阀是一种控制流体的基础自动化元件，可以配合不同的电路能够实现预期达到的控制，因为致动器只有一个进气口，所以还要

40、实现致动器的充气放气的过程。电磁阀通常可以按通口数目进行区分，如图3-7。图3-7但是考虑到本次采用的致动器的数目，我们使用了二位三通的电磁阀，如图3-8和3-9。 图3-8 图3-9主要是使用气泵和电磁阀配合，气泵工作时候给致动器进行充气，然后利用硅胶的自己恢复的能力和电磁阀的变化进行放气。电磁阀和气泵致动器间的连接情况如图3-10。图3-10第3.2节 颈部康复机器人的制造第3.2.1节 材料清单3D打印模具液态硅胶尼龙气管气泵电磁阀针第3.2.2节 颈部康复机器人各组成模块制作方法致动器是软体机器人的重要组成部分，也是其中最有价值的核心部件。也可以说致动器设计的合理性或者正确性直接可以决

41、定软体机器人的研究的结果。所以我们需要有合理、可行、有效的制作方法来制作致动器。硅胶是需要浇入到模具中去才能够自己冷却成型，形成弹性体。首先就是模具的制作，我们根据致动器内部腔体和外部层的结构设计模具，并直接使用3D打印机创建模具，是一种快速有效的模具制造方法。如图3-11；然后是选用硅胶材料，因为考虑到软体机器人应该具有的柔性、弹性和不可压缩的性质且硅胶的配比也有较大的影响。如图3-12。图3-11 图3-12在制作致动器的过程中需要注意的是先制作中空层（图3-13），然后封闭中空层（图3-14），最后制作底层（图3-15）。在把浇入模具的过程中，需要注意的是液态硅胶中的气泡，不仅影响了美观

42、还大大降低的致动器的强度，如果有残余的气泡在充气过程中可能会撕裂甚至发生爆炸。所以需要针来去除气泡。图3-13图3-14图3-15在设计的过程中我们还必不可少的一步是模具的制造，因为包括了半圆形致动器的模具如图3-16、3-17、3-18和矩形致动器的模具如图3-19、3-20、3-21，具体的模具图如下图所示。图3-16 图3-17图3-18图3-19 图3-20 图3-21第3.3节 本章小结 在本章内容中简单介绍了颈部康复机器人的设计与制造，使读者大致了解了颈部康复机器人的的尺寸，组成材料和致动器的制造中的操作步骤及注意事项。希望能够对致动器的制作有一定的了解。实验研究第4.1节 实验平

43、台的搭建软体机器人因为采用的是有限气腔柔性材料，所以说其执行装置-气动致动器的变形是有限的，而且致动器的充气量也是需要纳入考虑中的。为了提前了解致动器的变形效果和致动器能够容纳的充气量，我们需要搭建实验平台来对致动器进行测试。这次对软体机器人进行的测试我们测试了致动器充气量与弯曲角度、伸长量之间的关系。因为实验平台的限制，我们进行的测试可能不够精确，我们的充气方式采用的是针筒进行的充气，考虑到气泵充气的不好控制和致动器承载能力的大小。关于致动器的变化测试选用的也是常见的长度尺和角度尺。所以说在测量的过程中存在一定的误差。如果有力传感器也可以进行致动器变化产生的力。综上所述测试实验的平台是存在一

44、定的偏差的，但是所测试的量仍然是属于致动器相对比较明显的变化，所以说测试结果可以接受。第4.2节 颈部康复机器人气动致动器的性能测试及实验数据的处理因为本次采用了矩形致动器和半圆形致动器，矩形致动器是在底层添加一层较厚的硅胶层作为限制层，所以说致动器只能产生较大的弯曲变化，而矩形致动器的伸长量测试较为不准。半圆形的致动器是在外层添加了尼龙进行包裹从而限制致动器的弯曲变化，主要还是拉伸大于弯曲的变化。在这些理论的基础上我们决定用矩形致动器来测试弯曲变化而半圆形致动器测试伸长量的变化。首先测试的是矩形致动器的弯曲情况，实验步骤图如4-1、4-2、4-3、4-4。图4-1 图4-2 图4-3 图4-

45、4根据充气量和矩形致动器的弯曲角度制成了以下的图表，如图4-5。图4-5我们可以总结为致动器的弯曲角度随着进气量的增加而不断变大，如果致动器的制作合理，将可以实现从0180的弯曲，可以达到理想的状态。但是在排气过程中相对于充气有一定程度的滞后影响，我们总结为是致动器的材料的影响。然后进行了充气量与半圆形致动器的伸长量的实验测试，在该实验测试中，我们忽略了半圆形致动器的弯曲情况，具体的测量实验所需的充气工具仍然是常见的针筒（图4-6），我们可以根据针筒所标数值进行充气。图4-6半圆形致动器进行的实验步骤我们采取了每次充气量为10ml气体，然后观察半圆形致动器的伸长量变化。具体的充气步骤和数据显示

46、如图4-7、4-8、4-9、4-10、4-11、4-12所示。图4-7 图4-8 图4-9图4-10 图4-11 图4-12根据上图所示的数据我们可以进行可以进行一部分的数据处理。但是由于一个半圆形致动器的测量数据存在一定的不准确性和偶然性，所以我们选取了三个相同制作方法制作出的致动器进行测试。实验数据如下表4-13所示.充气量/ml致动器1长度/cm致动器2长度/cm致动器3长度/cm1011.511.5122012.51213301413.814.5401515.515.55015.81616.26016.516.216.5表4-13根据致动器变化的参数直接制出充气量与半圆形致动器伸长量变

47、化的折线图，如图4-14，可以更加清晰地反应出充气量与致动器伸长量变化的关系。可以从图中看出致动器的长度随着充气量的增加而增大，但不是呈一种线性关系，因为致动器刚开始随着充气拉伸，截面面积的变化并不大，所以拉伸程度较大，但是伸长到了一定的程度，截面面积逐渐减小，内腔的压力也变得很大从而限制了致动器的拉伸。还有一个发现是尽管致动器的制作有所差异，但是测量结果表明对致动器的变形的影响可以忽略不计。第4.3节 本章小结在本章节我们进行了一系列的实验测试致动器的表现结果，目的是为了后期能够对致动器进行准确的控制。从测试数据和结果来看，矩形致动器的充气排气受到材料影响较大，但是表现与预期结果没有较大的差

48、异。在半圆形致动器的测试中，我们也得到了一些基础数据，在这些数据的分析上可以来决定控制方式，最终达到准确的控制。总结与展望第5.1节 总结本论文总结概述了目前颈部疾病也主要就是颈椎病的现状，把软体机器人方面的研究扩展到颈部康复上面来，因为目前颈部康复的仪器仍然存在着许多缺点。综合颈部疾病康复的物理治疗方法和软体机器人的优点，提出了一种新型的颈部康复软体机器人，更加容易制作、便携安全、可靠有效。在这次的研究中拓宽的软体机器人的研究领域，也大概完成了以下内容：初步了解了颈部疾病的现状和一些基本的治疗方式。学习到颈部疾病的类型分为颈型颈椎病、椎动脉型颈椎病和脊髓型颈椎病等，了解了根据病因采取的一些治

49、疗方法和仪器。本文初步介绍了一些软体机器人包括涉及到康复领域的机器人，知道了软体机器人的灵活性、高自由度、便携安全等优点，但是也存在着相比不易控制等缺点，在许多设计、制造、材料、控制等方面仍然具有许多难题需要我们去解决。初步完成了颈部康复机器人的设计。完成的设计内容包括了驱动方式的研究（使用了气泵和电磁阀）、气动致动器的设计和控制系统的初步学习。通过电磁阀的控制使得气动驱动方式能够驱动多个致动器工作，完成不同的运动轨迹从而达到不同的治疗效果。更加简便的致动器的设计让颈部康复机器人变得便携可靠，降低了成本。本文还对设计出的核心气动致动器建立平台测试数据和表现。通过充气量来测定致动器的变化情况，包括伸长量、弯曲角度和形状变化。也更加突出了致动器的灵活性和一定的可控性。实验数据也表明充气量的变化和控制系统的控制能够满足一定的物理治疗效果。第5.2节 展望 现阶段软体机器人的研究还有许多不足，除了拥有传统刚性机器人或者仪器不能具有的优点，也存在着控制和材料等方面的难题需要我们去解决。在未来的研究中希望可以把软体机器人推广到更多的领域中去，添加更多的技术让软体机器人变得可控，未来也更加“自然”。 参考文献【1】【2】Seok S，Onal