中风病人行走辅助机构的设计(机械CAD图纸)

可编辑修改可编辑修改精品文档精品文档摘要康复机器人技术则是近年来迅速发展的一门新兴机器人技术，是机器人技术在医学领域的新应用；目前康复机器人已成为国际社会研究的热点之一。本课题主要研究的中风病人行走辅助机构。Pro/EPro/E关键词：中风行走辅助机构康复ABSTRACTTherehabilitationrobottechnologyisanewrobottechnologydevelopedrapidlyrecently,whichisanewapplicationinmedicalfieldsofrobottechnology.CurrentlytheresearchonrehabilitationrobothasbeenoneofthefocusesintheInternationalSociety.Therehabilitationrobottechnologyisasynthesisofmanysubjects,whichcoversmechanics,electronics,controlandrehabilitativemedicineandsoon;ithasbeenatypicalrepresentationofthemechatronicsresearch.Themainresearchofthispaperisbasedontheattitudecontrolrehabilitationtrainingsystemdesign.Inthispaper,lowerextremityrehabilitationanddevelopmentofrobotapplicationsathomeandabroad,lowerextremityexoskeletontrainingrobot'soverallprogramdesign,structuraldesign,designandoverallcontrol;gaittrainingontherobotforthree-dimensionalmodeling,andimportantpartstoTherobotgaittraininghasatotaloffivedegreesoffreedom,eachofwhichamechanicallegjointshaveDOF)toimitatehumanknee,hipandaweightreliefforweightreliefsystem(includingadegreeoffreedom).Thesystemcanbeusedforbraininjury,stroke,andtohelppatientsbetterrehabilitationtraining,andmeetstheneedsofdifferentgroupsofpeople.Keywords：rehabilitationtraining robot lowerextremityexoskeletons目录摘要 IABSTRACT II第一章绪论 1下肢行走辅助机构研究背景 1中风病人行走辅助机构研究目的和意义 1病人行走辅助机构研究概况 2国外研究发展概况 2国内研究发展概况 6存在问题 9论文选题意义及研究内容 9第二章人体下肢运动分析 11人体下肢解剖作用 11下肢主要关节特征 12步态分析 14第三章 椭圆机设计 15基于机械设计原理轴的设计（包括套筒的设计，轴承的选择） 15轴Ⅰ的结构设计 15轴Ⅱ的结构设计 16轴Ⅲ的结构设计 18螺母的选择及其主要尺寸 19椭圆机的人机工程设计 19椭圆机的简介及其设计要求 19人体尺寸的选择 20踏板间距和踏板大小的确定 22外观及色彩设计 22第四章人体负重装置 24包臀和抱腰的设计 24负重机构机架设计 24负重机构的平衡块的设计 25第五章Pro/E建模 26轴的三维模型形成 26轴承的三维模型形成 27可编辑修改垫圈的三维模型形成 28螺母的三维模型形成 29踏板的三维模型形成 30底座及其连接部分三维模型的形成 30轴连接三维模型形成 31杆连接部分三维模型的形成 32轴三维模型的形成 33杆连接三维模型的形成 33负重机构三维模型 34椭圆机总装配图的三维模型 35第六章结论 36参考文献 37精品文档可编辑修改可编辑修改精品文档精品文档第一章绪论下肢行走辅助机构研究背景中风[1]是一种非常严重的记性（短期）时间，因脑部的突然供血中断受损150055050065（法国、德国、意大利、英国和日本）100,0002141.9%。[2]在中国（from2002who1,652,885[3]。中风后遗症中的偏瘫，造成平衡功能障碍，步态不稳，一侧肢体肌力减退、75%的中风幸存者，并足以减少他们的就业能力甚至正常日常生活能力。中风病患者多为老年人，大部分已经没有工作能力，伤病的出现对患者及家庭都造成了残酷的打击，伴随而来的是高昂的医疗费用，以及对家庭、社会造成的负担。为此，世界各国都投入了大量的人力、物力、财75%的中风幸存者，并足以减少他们的就业能力甚至正常日常生活能力。中风病患者多为老年人，大部分已经没有工作能力，伤病的出现对患者及家庭都造成了残酷的打击，伴随而来的是高昂的医疗费用，以及对家庭、社会造成的负担。为此，世界各国都投入了大量的人力、物力、财容成立康复研究的重点和热点。中风病人行走辅助机构研究目的和意义从而不受任何束缚，给这些病人带来新的希望。病人行走辅助机构研究概况可以更好的帮助他们正常生活。国外研究发展概况Berkeleylowerextremityexoskeleton，BLEEX，如图所示。该装置目前已经研制出两代下肢主力外骨骼，目的是通过在BLEEX7DOF，其中髋关节3DOF，膝关节1DOF，踝关节3DOF，另外在腰带中部增加1DOF40可编辑修改50322伯克利下肢外骨骼负重装置BerkeleylowerextremityexoskeletonAdamZoss,H.Kazerooni,AndrewChu.OntheMechanicalDesignoftheBerkeleyLowerExtremityExoskeleton(BLEEX),2005IEEE/RSJConferenceonIntelligentRobotsandSystem,August,Edmunton.2005,3465-3472eLEGS电池提供动力外骨骼系统，这种外骨骼系统可以帮助截瘫患者摆脱轮椅，自由行走。“eLEGSeLEGSeLEGS轨迹是以从人的自然步态收集的数据为基础的(大约肢体角度，膝盖弯曲程度，脚趾间隙)，在一个步伐中，髋关节摆动，膝盖弯曲。在每个脚跟和脚掌处的压精品文档可编辑修改速度可达时速精品文档可编辑修改3公里HULCHULC使用起来更方便。在“eLEGS”外骨骼上，有一个粘扣带，一个背包式的夹子和电子外骨骼系统eLEGSeLEGS BerkeleyRoboticsandHumanEngineeringLaboratory.Retrieved29January2012ExoskeletonBerkeleyBionics .Retrieved29January2012.Medical公司阿密特·戈夫尔(Amit Goffer)主持研究的一套康复医疗下肢助动外骨骼它可帮助下身麻痹患者(即腰部以下瘫痪的人)站立行走和爬楼梯如图所示为“ReWalk”下肢步行助力腿。“ReWalk”由电动腿部支架、身体感应器和一个背包组成并需要一副拐杖帮助维持身体平衡背包内置有计算机控制系统和蓄电池。使用者可以先用遥控腰带选定某种设置，如站、坐、走、爬等，然后向倾，激活身体感应器来启动装置。精品文档可编辑修改ReWalkerReWalkerassistleg1999HAL-320084200811比如机械加工方面、修理等等。由从结构来看，它由鞋子，框架，鞍状车座三部6DOF，1DOF。采用精品文档可编辑修改本田行走辅助支撑系统HondawalkingassistdevicewithbodyweightsupportsystemHondaUnveilsExperimentalWalkingAssistDeviceWithBodyweightSupportSystem,November7,2008HondatoShowcaseExperimentalWalkingAssistDeviceatBARRIERFREE,April22,2008尹军茂，穿戴式下肢外骨骼结构分析与设计，2010:16-19国内研究发展概况点都有所不同。精品文档可编辑修改关节处，通过控制髋关节和膝关节电机的协调转动完成步行动作。Walkerforparaplegicpatients上海大学研究了一种步态支具用于下肢行走康复，如图1.10所示，属于外骨骼结构形式。每支腿具有2个自由度，分别对应着人的髋、膝关节的屈伸，力为常人的步态轨迹，同时实现减重控制，仿真结果验证了系统的有效性。精品文档可编辑修改下肢康复自动步态矫正器Lowerlimbrehabilitationautogaitappliance刘富强，行走辅助机器人研究，哈尔滨工业大学博士论文，2012：16-212004年开始，中国科学院合肥智能机械所的余永、葛运建等以助力为目标开展了下肢步行助力外骨骼的设计研究。如图1-101DOF转动，1DOF1DOF4个伺服电机驱动。助力腿沿矢状面运动的髋关节及膝关节为主动关节，整套助力机器人系统由以上42精品文档可编辑修改中科院研制穿戴主力腿WearableExoskeletonDevelopedbyChineseAcademyofScience

浙江大学下肢外骨骼ExoskeletonDevelopedbyZJU浙江大学研制的下肢助力机器人有8DOF，4DOF（髋关节2DOF，膝关节1DOF，踝关节1DO。助力腿沿矢状面运动的髋关节和膝关节为主动关节，由4安装有位置传感器，足底安置了一维力传感器以感知机器人的运动状态。人已成功用于科学研究和市场推广。我国相关科研院所的研究也取得了部分成果，为进一步的研究和开发打下了一定的基础。存在问题很多的文体。精品文档可编辑修改可编辑修改精品文档精品文档残的使用中，平衡性要求非常高。以及更合适的能源。价格问题。这类辅助器械造价昂贵，普通用户难以承受价格，前面提及到Rewalker因此普及率以及性价比都非常的重要。断威胁到老年人的生活，因此中风病人行走辅助机构在我国具有很大的市场。经上面分析，老年人的下肢辅助器械将进入重要的发展周期中。论文选题意义及研究内容我国健身器材产业的飞速发展。CAD第二章人体下肢运动分析下肢康复机器人是为人体下肢设计,而且与人体直接接触。所以在设计时,首先应考虑其舒适性,而舒适性的优劣体现在其拟人化结构的优劣。因此在进行结构设计前,必须先对人体下肢的生理结构、运动特性以及康复理论进行研究。选择关节类型,同时在结构上要求尽量的简单,重量轻。所以,本课题重在设计出全工作的人体下肢康复机器人。人体下肢解剖作用要研究下肢，先建立参考坐标系及基本平面作分析。解剖学中规定了5组动平衡的作用,横断面内的自由度应用于步态转弯时,因此,冠状面、横断面内的的运动,以便使设计更能符合人体的正常结构特点,使下肢运动更符合人体的正常步态达到更好的康复训练效果。可编辑修改下肢主要关节特征（股骨（胫骨和腓骨（趾骨）形成三个主要关节，分别是髋关节、膝关节、踝关节。通过对人体下肢运，膝关节一个自由度（1DOF，踝关节具有屈伸、内收外展和内旋外旋三个自由度（3DOF。精品文档可编辑修改牛彬.可穿戴式的下肢步行外骨骼控制机理研究与实现[D].浙江大学硕士学位论文,200605内，髋关节可做屈/伸运动（0°~135°、0°~15、控制平衡的外展/内收运动（0°~30°、0°~25°）和改变不行方向的外旋/内旋运动（0°~90°、0°~70）3DOF。胫骨不仅可以围绕膝关节做后屈伸运动（-3°~13°。还可以做内旋、外旋运动。但由于这个关节上用于加强的韧带多而强，因此内旋/外旋运动涌动幅度不1DOF。精品文档可编辑修改0°~200°~25°，但运动3DOF。步态分析精品文档可编辑修改可编辑修改精品文档精品文档5cm的垂直移动。第三章 椭圆机设计基于机械设计原理轴的设计（轴承的选择）轴Ⅰ的结构设计2-1A B C D E图3-1轴Ⅰ根据轴向定位的要求确定各段轴的长度、直径ABABl =25d=10AB

=15d=M10，左端螺纹0.545°。②选择滚动轴承。因为轴承只承受径向力的作用，故选用深沟球轴承（GB/T276-1994）[7]，参照工作要求并根据dBC

=17㎜，由轴承产品目录中选取轴承代号6003，其尺寸为dDB=17㎜35㎜10㎜，故BC段轴，d =17㎜。BC③右端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位。由轴肩高度一般为h=（0.07~0.1）d，取系数为0.1，因此，取dCD

=20.4㎜。DE（类似螺栓头）lDE如图3-2所示。

=5dDE

=30㎜，其端面具体尺寸图3-2轴Ⅰ端面尺寸⑤因为轴所装的位置左右两挡板的距离为145㎜，挡板♘度为4㎜，所以取轴肩段lCD

=5㎜。⑥为使轴承所装位置对称以及与其他零件的配合，取lBC

=40㎜。0.50.545°。较小的角度内转动，故两轴承间套筒的长度lT1

=（145+4-10-10-10-10）㎜=109㎜，内径d1

=17.5d2

=22.5（满足配合要求；与挡板配合端套筒的长度lT2

=10-4=6d1

=17.5d2

=22.5㎜。轴Ⅱ的结构设计3-3A B C D E图3-3轴Ⅱ根据轴向定位的要求确定各段轴的长度、直径ABABl =15d=5AB

=10d=M10，左端倒螺纹0.545°。②选择滚动轴承。因为轴承只承受径向力的作用，故选用深沟球轴承（GB/T276-199，参照工作要求并根据dBC

=17㎜，由轴承产品目录中选取轴承代号6003，其尺寸为dDB=17㎜35㎜10㎜，故BC段轴，d =17㎜。BCh（0.07~0.1）d，取系数为0.1，因此，取dCD

=20.4㎜。④取右端DE段轴（类似螺栓头）lDE如图2-4所示。

=10dDE

=30㎜，其端面具体尺寸图3-4轴Ⅱ端面尺寸⑤因为轴所装的位置左右两挡板内侧间的距离为45㎜，挡板♘度为4㎜，所以取轴肩段lCD

=5㎜。⑥为使轴承所装位置对称以及与其他零件的配合，故取lBC=40㎜。

（45+8-10-4-1）0.50.545°。较小的角度内转动lT1

=（45+8-10-10-10-10）㎜=13㎜，内径d1

=17.5d2

=22.5（满足配合要求；与挡板配合端套筒的长度l =10-4=6dT2 1

=17.5d2

=22.5㎜。轴Ⅲ的结构设计3-5A B图3-5轴Ⅲ

C D E根据轴向定位的要求确定各段轴的长度、直径ABABl =15d=5AB

=10d=M10，左端倒螺纹0.545°。②选择滚动轴承。因为轴承只承受径向力的作用，故选用深沟球轴承（GB/T276-199，参照工作要求并根据dBC

=17㎜，由轴承产品目录中选取轴承代号6003，其尺寸为dDB=17㎜35㎜10㎜，故BC段轴，d =17㎜。BCh（0.07~0.1）d，取系数为0.1，因此，取dCD

=20.4㎜。DE（类似螺栓头）lDE如图3-6所示。

=5dDE

=30㎜，其端面具体尺寸图3-6轴Ⅲ端面尺寸⑤因为轴所装的位置左右两挡板内侧间的距离为96㎜，挡板♘度为4㎜，所以取轴肩段lCD

=5㎜。⑥为使轴承所装位置对称以及与其他零件的配合，故取lBC

=40㎜。0.50.545°。较小的角度内转动lT1

=（96+8-10-10-10-10）㎜=64㎜，内径d1

=17.5d2

=22.5（满足配合要求；与挡板配合端套筒的长度l =10-4=6dT2 1

=17.5d2

=22.5㎜。螺母的选择及其主要尺寸由于轴端的螺纹d6170D=M10，表面不经处理。椭圆机的人机工程设计椭圆机的简介及其设计要求椭圆机是利用人站立在踏板上，双手紧握把柄，身体挺直，通过手臂曲伸及脚踏板反复的椭圆形运动达到锻炼的目的。通过椭圆机的锻炼可以增强肘关节、膝关节的柔韧性，促进血液循环，增强心肺功能，发展人体上、下肢及腰部肌群的力量。椭圆机的基本设计要求为：椭圆机的结构尺寸符合锻炼者的人体尺寸；舒畅；椭圆机的运动负载符合力学原理。除了上述运动功能设计要求外，还有外形美观、符合运动心理学等设计要求。人体尺寸的选择根据表2-1可知中国六个区域人体尺寸相差不大，故设计的椭圆机尺寸应满18～60组的第95百分位数和女性18～55岁年龄组的第5百分位数，作为尺寸上下限的依据，它考虑了绝大多数的使用群体。表3-1中国六个区域人体尺寸的均值和标准差东北、华北西北东北、华北西北东南华中华南西南标标标标标标项目均均均均均均准 准 准 准 准 值 值 值 值 值 值差 差 差 差差 差体重648.2607.6597.7576.9566.9556.8男/㎏（18～60身高/㎜169356.6168453.7168655.2166956.3165057.1164756.7岁）胸围88855.588051.586552.85349.85149.85548./㎜0223体重557.7527.1517.2506.8496.5506.9女/㎏（18～50身高/㎜158651.8157551.9157550.8156050.7154949.7154653.9岁）胸围84866.483755.983159.82055.81957.80958./㎜8868表3-2我国成年男女人体部分功能尺寸（单位：mm）男（18～60岁）女（18～55岁）测量项目PPPP PP550955 5095坐姿前臂手前伸长416447478383 413442坐姿前臂手功能前伸长310343376277 306333坐姿上肢前伸长777834892712 764818坐姿上肢功能前伸长673730789607 657707踏板间距和踏板大小的确定可编辑修改图3-7踏板示意图35015030形状如图3-7所示。外观及色彩设计产品给人的第一印象中，色彩占80％，造型占20％。熟悉产品之后，两者各占50％或明朗、愉快，或沉闷、压抑，影响人的情绪，产生冷暖感、兴奋感、平静感、轻重感、大小感与疲劳感等，进而影响产品功能的发挥和使用积极性。精品文档可编辑修改让人感到平静、舒服、轻松，不会让人感到沉重、压抑以及影响人的情绪等。精品文档可编辑修改第四章人体负重装置负重装置用于减轻病人运动时下肢的压力，中风偏瘫病人的下肢缺乏力量，即使经过了大量的物理治疗，但是效果还是不理想。根据这种情况，有必要在辅助机构上加上负重机，让病人康复有一个前序渐进的过程，以达到训练的结果。因此选用悬挂式负重装置。包臀和抱腰的设计包臀和抱腰设计的要求是能将人体包裹住，并且使人保持身体平衡。如图4.1。图4.1包臀和抱腰机构负重机构机架设计500kg4.2。精品文档可编辑修改图4.2负重机构机架的设计负重机构的平衡块的设计10（10kg，根据不同的需4.3。图4.3平衡块的设计精品文档可编辑修改第五章Pro/E建模Pro/ENGINEER是将若干简单形体按照一定的相对位置进行堆积或挖切形成的。实体形成过程。轴的三维模型形成因为椭圆机所用到的五根轴的基本外形相似，在此选择轴Ⅱ作为代表Pro/ENGINEER轴Ⅱ的基本参数l =15㎜，dAB

=10㎜；lBC

=40㎜，dBC

=17㎜；lCD

=5㎜，dCD

=20.4㎜；l =5DE㎜，dDE

=30㎜。其中螺纹部分l

=13㎜。其简图如图3-1所示。螺纹A B C D E图5-1轴Ⅱ示意图三维模型建立在Pro/ENGINEERzhou1。精品文档可编辑修改Pro/ENGINEER中的“螺旋扫描切口”命令，草绘旋转轴和扫描轨迹并标注扫描轨迹线和旋转轴间距为10“2按钮，确定无误后单击“确定”按钮，最后点击“保存”按钮保存所画的图形。12㎜，所绘图形把轴端的圆包括在内，点击“确定”按钮完成草绘；单击“拉伸工具”命令按钮，修改拉伸的深度为10㎜，然后，单击“去除材料”按钮完成；单击“预览”按钮，确定无误后单击“确定”按钮完成整个轴的三维模型建立，单击“保存”按钮。轴的三维模型，如图3-2所示。图5-2轴的三维模型图轴承的三维模型形成轴承的基本参数轴承代号为6003，基本尺寸为dDB=17㎜35㎜10㎜。三维模型建立定的阵列关系，完成轴承的三维模型。首先，新建一个零件图并命名为“zhoucheng精品文档可编辑修改其次，绘制轴承内的小圆珠。之前先建立一个基准平面，单击“基准平面具，选择轴承的轴和一个合适的平面，选择旋转角度为45 ，新建的基准平面系统默认为DTM1。在DTM1平面上草绘圆并修改尺寸。按住Ctrl键选择DTM1平面和刚草绘的圆，长按鼠标右键，在下拉菜单中选择“组”将所选项构建成一组。最后，单击所建的组并单击鼠标右键，选择“阵列”选项，修改角度和阵列的个数，完成操作，确定无误后保存。建立的轴承的三维模型如图3-3所示。图5-3轴承的三维模型图垫圈的三维模型形成垫圈的基本参数内径d1

=10.5㎜，外径d2

=20㎜，♘度h=2㎜。三维模型建立建立一个零件图并命名为“dianquan单击“拉伸工具”按钮，修改拉伸深度并单击“预览”按钮，确定无误后单击模型如图3-4所示。精品文档可编辑修改图5-4垫圈的三维模型图螺母的三维模型形成螺母的基本参数D=M12，da

=10.8㎜，dw

=14.6㎜，e=17.77㎜，s=16㎜。三维模型建立“luomu“确定”按钮完成草绘。其次，单击“拉伸工具”按钮并修改拉伸深度，单击“预览”按钮确定无误后，单击“确定”按钮完成。2精品文档可编辑修改图5-5螺母的三维模型图踏板的三维模型形成踏板的基本参数长度350㎜，宽度为150㎜，高度为10㎜，板♘为5㎜。三维模型形成“taban图5-6踏板的三维模型图底座及其连接部分三维模型的形成底座包含的各个零件的三维模型的形成与以前的过程大同小异，在此不作叙述。在此介绍由各个零件通过各种约束和配合，最后组装成底座这一大的组件。精品文档可编辑修改图5-7底座及其连接部分的三维模型图首先，设置工作目录，新建一个组件图，单击“将元件添加到组件”按钮，lan1再单击“将元件添加到组件”