手部康复结构设计

广泛关注，所以上肢运动的康复已成为中风患者关注的焦点。ofriskmorethanfiftypercent,astrokeintheelderlypatientsaccoproportionofthecrowd.Alongwiththesocialagingdegreeismoretheelderlyhealthproblemiswidespreadattentionfromallwalksoflife,sorecoveryofupperlimbmovementhasbecomethefocusofstrokepatients.Withthedevelopmentofthesocietyandtheprogressofscienceandtechnology,robottechnologyhasbeenappliemadegreatachievements,buttherearestillsomeproblemssuchascomplicatedpatientswithsimplerehabilitationexercisetrainBasedonmotordriverdesignedmultiplelinkageofrehabilitationtrainingmachine,mayrealizetheshoulderjoint,andalargearmsflexed,frehabilitationtraining,andcanalsobetargetedonajointrehabilitationexercisetraining,whichgreatlyimprovedtheuseofdifferentpatients.Keywords:upperlimbrehabilitation,linkage,Synchronousbelt,solidworks目录摘要第一章绪论 1.1课题研究的背景和意义 1.2国外研究现状 1.3国内研究现状 2-第二章人体上肢康复机构原理方案设计 4-2.1人体上肢康复机构总体方案 4-2.1.1人体上肢运动分析 4-2.1.2上肢人体尺寸 2.2上肢康复机构总体方案设计 2.2.1上肢康复机构总原理 2.2.2传动方案 7-2.3肩关节、肘关节的结构设计 7-2.3.1肩关节及大臂平面、竖直旋转的结构 2.3.2肩关节及大臂的内外旋结构 7-2.3.3肘关节及小臂伸屈结构 第三章结构尺寸的确定 9-3.1肩部横梁结构设计 9-3.2同步带的设计 第四章三维建模及装配 4.2建模与装配的过程 4.2.1升降柱及箱体 4.2.2肩及大臂机构部件建模 4.2.3肘及小臂机构部件建模 4.2.4总体三维装配建模 第五章有限元分析 5.1有限元分析 5.2应力约束的设定 5.3添加载荷 5.4生成网格 5.5选择材料 5.6运行结果及分析 第一章绪论随着社会经济和生活的进步与发展，我国人民均寿命得到延长，因次，老龄化的人口也急剧增加，由于心脑血管或神经系统等疾病引起的偏瘫人数也开始增长。同时，年轻人的生活压力愈发负重，导致大部分人都有存在身体的紧张从而导致偏瘫现象。因此，帮助此类病患进行有效的康复运动，促使其肢体运动功能的恢复具有十分重要的意义。欧美国家在康复机器人的相关研究者起步较早，从20年代60年代就尝试将康复机器人系统产品化，虽然取得一定的成果，但是发展依然较缓慢，直至90年代，康复机器人才进入一个崭新的时代。MIT在上世纪90年代研制出MIT-MANUS上肢康复机器人系统，如图1-1所示。该机器人主要用于上肢偏瘫患者的肩，肘关节康复训练治疗，该系统采用了五连杆机构形式和抗阻控制技术，有效降低了机器人末端执行的阻抗，实现了康复训练的安全性，舒适性。亚利桑那州立大学设计了名为RUPERT的上肢助力训练机器人系统，其采用了可穿戴式的外骨骼机械本体结构，在每个关节处采用气动肌肉驱动其康复训练，迄今为止已经发展到第四代了，如图1-2所示。到第四代时，已经能够实现腕部伸/屈。而且在每个关节处均装有倾角传感器，用以上肢各个关节的运动状态信息。并且可以通过多关节的协同控制训练可以上肢的运动感觉和机能，促进受损中枢神经系统的回复和重塑。国内康复机器人研究发展情况相对国外起步比较晚，但最近十年内，在国家对于康复医疗工程给予了重视和帮助下，也取得了诸多科研成果。2019年广西科技大学夏金凤等根据康复理论以及患者的需要，为提高康复机器人的通用性和治疗，以模仿治疗师为根据，从康复治疗师的治疗手法出发，患者的病患特征为指引，设计正对偏瘫患者康复训练的上肢仿生康复机器人，如图1-3所示，设计满足了上肢康复训练的需求且单臂有7个自由度，以及在腰部3个自由度。华中科技大学开发并研制了多代上肢康复机器人，在于2016年采用线驱动的方式，由步进电机作为动力源，牵引钢丝绳驱动外骨骼，实现了低惯性，如图1-4所示。该外骨骼具有10个自由度，能够复现人体上肢运动协同特性，使用较少的电机即可驱动多个关节运动，完成多种上肢康复动作及上肢常用动作。图1-4华中科技大学康复机器人整体机构第二章人体上肢康复机构原理方案设计人体上肢主要构成的关节大致可分为肩关节，肘关节，如图2.1,对上肢的结构进行拆解和分析，在考虑不同关节的运动方向限制、行程限制以及局部到整体的连贯性、可操作性以及安全性的情况下，每个关节运动功能范围及极限范围如表2-1所示，其中，功能范围是指进行日常生活中一些常用活动时关节的运动范围，以此通过不同的机构去实现每一个关节所需要的运动方案减少对整体复杂运动形式的设计，由局部到整体进行设计，最后再由整体去优化或改善局部机构。运动类型自由度极限范围肩关节及大臂水平面内收)水平面外展)竖直面上抬)竖直面下摆)内旋)运动类型自由度极限范围肩关节及大臂外旋肘关节及小臂屈曲伸展为了使病患能够舒适的使用上肢康复机构，因此对于人体尺寸的要求采取坐姿的形式进行获取，人体尺寸如图2.2所示。大臂的长度为a,小臂的长度为b,肘关节到掌心长度为c,坐姿的肩关节到地面的距离为d。图2.2人体坐姿各关节尺寸图根据GB10000-88记录的中国成年人体尺寸，我们选用男性分组为18-60岁，选取百分比数为50的上肢人体数据，尺寸数据如表2.2所示。表2.2人体上肢尺寸数据参考值测量项目大臂长小臂长肘关节到掌心长坐姿肩关节到地面距离本次上肢康复机构设计使用的最高人体体重限制为85kg,根据身体各个关节的配重比，因此，上肢各个关节机构的载重如表2.3所示。载重部位载重范围(kg)肩关节及大臂肘关节及小臂手部机械臂末端2.2.1上肢康复机构总原理该上肢康复机构将采用电力驱动，通过使用电机驱动来实现各个关节所需的功能，对上肢的各个关节进行康复训练。总体方案为：机构将采用基座式设计，组成的结构可分为箱体和各个关节的机构部件组成。箱体坐立于地面，其内置所需要的电子元器件，再由升降柱与机构部件进行连接，病患可以坐在椅子或任意平面平台上，穿戴上肢康复运动机构，进行康复训练，原理图如2.3所示。XM为升降柱的电机，在以xy为平面绕z轴旋转驱动升降柱上下移动，通过此方式来调节上肢康复机构的整体高度尺寸，以此来用于不同肩高的病患。M1、M2、M3都是属于肩关节及大臂的电机，分别通过以xy为平面绕z轴旋转驱动肩关节水平面转动、以yz为平面绕x轴旋转驱动肩关节竖直面转动、以xz为平面绕y轴旋转驱动肩关节及大臂内外旋。M4为肘关节及小臂的电机，通过以xy为平面绕z轴驱动肘关节及小臂的屈各个关节康复机构的紧凑有利于空间节约，因此，可以使用谐波减速器与电机连接直接驱动肩关节的两个电机、肘关节的一个电机以及腕关节一个电机以此来驱动肩关节及大臂水平面、竖直平面，肘关节及小臂屈曲/伸展。上肢康复机构肩关节及大臂康复运动的机构主要就是在平面和竖直方向上将手臂进行旋转，因此需要满足旋转的角度要满足康复训练的要求，即需要在规定的如表2.1的规定功能范围内，其次需要满足整个机构的稳定性和安全性。因此，其肩关节及大臂的结构为如图2.4所示。肩关节及大臂康复结构在杆件1的末端上装在直流电机，减速器和传动轴，其电机驱动时杆件1通过杆件2的联结带动整体机构进行水平面的旋转。杆件3与杆件2的联结处装有直流电机，减速器和传动轴，其电机控制驱动时杆件3连接的滑动部件带动除杆件3以上的构件进行竖直平面的旋转。杆件1与杆件3所带来的旋转不处于同一平面，因此不会造成构件间的冲突。通过进行对滑动部件的调整可以调节其连接部件与杆件2的距离，以此来调节肩关节与箱体的距离，这样可以适应不同人群肩关节与大臂的长度。2.3.2肩关节及大臂的内外旋结构肩关节及大臂的内外旋结构采用的是弧形构件，弧形结构的圆心在大臂截面的圆心上，电机驱动小带轮对整个同步带结构进行运动，大带轮与磁力轮通过同轴连接，当大带轮旋转时磁力轮会跟着旋转，在磁力轮的作用下圆弧构件相对导轨滑块旋转，圆弧构件俩端都具有限位柱防止康复运动过度。其构件的结构原理如图2.5所示。图2.5肩关节及大臂内外旋结构对于肘关节及小臂的伸屈结构原理如图2.6所示，其需要连接弧形结构的固定件，固定件与旋转件通过旋转轴转动来驱动旋转件绕逆时针旋转，旋转件连接的肘关节与小臂则可以达到预期的康复训练效果。图2.6肘关节及小臂伸屈结构原理图第三章结构尺寸的确定3.1肩部横梁结构设计上肢肩部横梁结构在整体上肢康复机构中具有重要的意义，它不仅支撑着肩部以下各个关节机构及人体上臂的重量而且也兼具肩关节及大臂水平面旋转的功能作用，其整体结构如图3.1所示。横梁图3.1肩部横梁结构肩部横梁悬臂与升降柱连接，当升降柱向上或向下移动式，肩部横梁将带动肩部以下部分进行升降移动，与此同时其与电动机、减速器等部分一同连接，通过电机驱动来使横梁进行水平面旋转以此来带动整体上肢在水平面进行摆动使其达到康复训练的效果。在这个过程中，重力的作用将作用于横梁末端，对横梁产生弯矩。因此，在设计的过程中要满足抗弯强度和抗弯刚度两方面的要求，验证梁的截面尺寸，其次校核横梁末端的挠度，在计算校核后确定其是否处于使用要求的范围内。上肢康复机构除升降柱的整体重量m预估为20kg,其人体手臂的重量m’大约为5kg,考虑到安全系数K=1.3,故根据《工程力学》计算其末端负载。F=mgKM=Flm为肩部及以下机构的重量与人体的重量之和；将数据代入可以得到F=367.5N,横梁末端收到的弯矩为M=84.525Nm。悬臂横梁弯矩分布如图3.2所示，最危险的弯矩为84.525Nm。图3.3横梁截面形状根据《工程力学》惯性矩的公式，计算其横梁的惯性矩。抗弯截面系数：代入数据可得抗弯强度校验：可得因此横梁的最大屈服极限远小于材料所对应的屈服极限，故其抗弯强度满足使用的强度需求。横梁末端挠度：其中E为弹性模量，根据铝合金的材料可得E=72据可得Gpa,因此将公式带入数设计挠度极限：因此，横梁的末端最大挠度为0.07mm,小于挠度的极限设计值0.23mm,故其抗弯刚度满足使用的刚度需求。3.2同步带的设计同步带主要实现的功能在于传递电机转矩使之能够传递到肩关节及大臂的内外旋机构上使之能够达到康复训练的运动。在这个运动过程中，需要无滑动的精确传输，根据不同病患的康复程度其传输功率范围需要大，传输平稳。因此，同步带和带轮选用圆弧齿形，相对于V型可以保证传动的同步。设定该同步带的电机功率为100W,上肢康复机构整体的每天运行时间大概为8~10小时，根据《机械设计手册第三卷》同步齿形带章节对于设定功率Pa的计算。Pa=K₄P时间可得，K₄=1.2,P为电机的功率，代入数据可得Pa=K₄P=0.1×1.2=0.12kW根据传送带的设定功率Pa以及转速n₁,参考圆弧同步齿形带选型图，确定其型号为5M,其模数m=2.5mm。经查表确定，小带轮齿数z₁=16。故小带轮节圆直径d₁:验算其带速：计算得出的带速为0.4m/s小于型号为5M模数为2.5中最大带速，因此其带速符合规定使用要求。大带轮节圆直径d₂初步设定中心距a₀:代入数据可得根据实际设计情况，设计带带轮的中心距为a₀'=100mm。通过《机械设计手册第三卷》13-1-58同步齿形带节线长度表，取L=414.5mm实际的中心距a:代入数据可得带宽b:第四章三维建模及装配SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质过推动来实行整个上肢康复机构的移动，如图4.1所示。图4.1升降柱及箱体三维建模肩关节及大臂在水平面与竖直平面的运动机构由多个连杆组成，如图2.2所图4.2肩关节及大臂机构三维建模4.2.3肘关节及小臂机构部件建模肘关节及小臂运动机构的部件与内外旋机构的固定，如图4.3所示，通过固定件1与固定件2与手部内外旋机构固定，当内外旋机构旋转时，肘关节及小臂也能够随之旋转，在固定件1与固定件连接旋转件1与旋转件2,在通过旋转件1与固定件2联结处添加电机，电机驱动旋转件1与旋转件2使肘关节及小臂达到康复训练目的，弧形固定件作用在于固定小臂。图4.3肘关节与小臂机构三维建模总体三维建模如图4.4所示。图4.4总体三维装配第五章有限元分析有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件),从而得到问题的解。因为实际问题被较简单的问题所代替，所以这个解不是准确解，而是近似解。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。5.2应力约束的设定在横梁末端进行应力的设定使其固定，如图5.1所示。图5.1约束的设定5.3添加载荷横梁末端进行应力约束后被固定，然后在横梁进行添加载荷，对其选择添加力，其力值为84.525N,如图5.2所示。图5.2添加载荷对支架采用等密度网格划分，网格大小和公差由系统计算。网格密度会直接影响分析结果精度。单元越小，离散误差越低，但网格划分时间与计算的时间也会越长。Simulation菜单选项下选择生成网格命令，在弹出的网格对话框中选择中泊松比不适用中抗剪模量牛顿/mm^2质量密度张力强度牛顿/mm2压缩强度牛顿/mm^2高服理度牛顿/mm^2热膨账系数K热导速比热横联选用的材料为铝合金，型号为7075-T6,如图5.4所示。其屈服强度极限为505Mpa、7079合金在对横梁进行以上操作后，点击模拟运行，系统自行得出计算的结构，应力仿真如图5.5所示。可以看出横梁受到的最大应力发生在固定横梁末端孔处，其最大应力为11.23Mpa,远小于材料的屈服极限505Mpa。图5.5应力计算结果当横梁受力某些部分会出现一些变形，在系统进行受力后其整体的位移如图5.6所示。其红色部分为出现最大的偏移量，其偏移量约为0.17mm,其对于整体机构的运行不造成影响。图5.6横梁变形量[1]NeilSclater.机械设计实用机构与装置(第五版).机械工业出版社.[3]李小龙.人体手部康复训练机器人机构的研究与分析[D].太原市：中北大学.2016.[5]呼吴.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[7]张佳帆，杨灿军，基于柔性外骨骼人机智能系统基础理论及应用技术研究[9]宋俊朋.7-DOF外骨骼串联式上肢康复机器人的结构设计与研究[D].镇江：[11]李庆玲.基sEMG信号的外骨骼式机器人上肢康复系统研究[D].哈尔滨：[12]胡宇川.偏瘫上肢复合运动康复训练机器人的研制.[14]王婷.复现人体上肢运动协同特性的外骨骼康复机器人设计[D].华中科技[15]陈文斌.人体上肢运动学分析与类人肢体设计及运动规划[D].华中科技大捷键与一些电脑小技巧这是高手最常用的第一快捷组合键。这个快捷键组合可以将桌面上的所有窗口瞬间最小化，无论是聊天的窗口还是游戏的窗口……只要再次按下这个组合键，刚才的所有窗口都回来了，而且激活的也正是你最小化之前在使用的窗口!其实，还有一个更简单的办法，就是按winkey+r!如果打开的窗口太多，这个组合键就非常有用了，它可以在一个窗口中显示当前打开的所有窗口的名称和图标●,选中自己希望要打开的窗口，松开这个组合键就可以了。而alt+tab+shift键则去摸鼠标了!这3个键大部分位于键盘的右上方。F10或ALT激活当前程序的菜单栏打开开始菜单在win9x中打开关闭程序对话框删除被选择的选择项目，如果是文件，将被放入回收站删除被选择的选择项目，如果是文件，将被直接删除而不是新建一个新的文件保存当前操作的文件剪切被选择的项目到剪贴板CTRL+INSERT或CTRL+C复制被选择的项目到剪贴板SHIFT+INSERT或CTRL+V粘贴剪贴板中的内容到当前位置ALT+BACKSPACE或CTRL+Z撤销上一步的操作ALT+SHIFT+BACKSPACE重做上一步被撤销的操作Windows键+D:最小化或恢复windows窗口Windows键+U:打开“辅助工具管理器”Windows键+EWindows键+FWindows键+BREAKSHIFT+F10或鼠标右击重新将恢复上一项操作前窗口的大小和位置打开资源管理器打开当前活动项目的快捷菜单SHIFT在放入CD的时候按下不放，可以跳过自动播放CD。在打开word的时候按下不放，可以跳过自启动的宏一个窗口)关闭当前应用程序打开程序最左上角的菜单将windows下运行的MSDOS窗口在窗口和全屏幕状态间切换将当前屏幕以图象方式拷贝到剪贴板将当前活动程序窗口以图象方式拷贝到剪贴板关闭当前应用程序中的当前文本(如word中)切换到当前应用程序中的下一个文本(加shift可以跳到前显示前一页(前进键)显示后一页(后退键)在页面上的各框架中切换(加shift反向刷新强行刷新2.删除以下文件夹中的内容：x:\DocumentsandSettings\用户名\Cookies\下的所有文件(保留index文件)户临时文件)下的所有文件(页面文件)史纪录)快捷方式)x:WINDOWS\Temp\下的所有文件(临时文件)x:WINDOWS\ServicePackFiles(升级sp1或sp2后的备份文件)x:WINDOWS\DriverCache\i386下的压缩文件(驱动程序的备份文件)x:WINDOWS\SoftwareDistribution\download下的所有文件下以$u…开头的隐藏文件4.然后对磁盘进行碎片整理，整理过程中请退出一切正在运行的程序一个还原点”(最好以当时的口期作为还原点的名字)7、在各种软硬件安装妥当之后，其实XP需要更新文件的时候就很少了。删除系统备份文件吧：开始→运行→sfc.exe/purgecache近3xxM。(该命令的作用是立即清除"Windows文件保护"文件高速缓存，释放出其所占据的空间)8、删掉\windows'system32\dllcache下dI档(减去200——300mb),这是备用的dll档，只要你已拷贝了安装文件，完全可以这样做。9、XP会白动备份硬件的驱动程序，但在硬件的驱动安装正确后，一般变动硬件的可能性不大，所以也可以考虑将这个备份删除，文件位于iwindows\drivercacheli386目录下，名称为driver.cab,你直接将它删除就可以了，通常这个文件是74M。10、删除不用的输入法：对很多网友来说，WindowsXPt系统白带的输入法并不全部都合适白己的使用，比如IMJP81口文输入法、IMKR61韩文输入法这些输入法，如果用不着，我们可以将其删除。输入法位丁\windowslime\文件夹中，全部占用了88M的空间。11、升级完成发现windows多了许多类似$NtUninstallQ311889$这些日录，都干掉吧，1x-3xM12、另外，保留着|windowslhelp目录下的东西对我来说是一种伤害，呵呵。。。都干掉!13、关闭系统还原：系统还原功能使用的时间一长，就会古用大量的硬盘空间。因此有必要对其进行手工设置，以减少硬盘占用量。打开"系统属性"对话框，选择"系统还原"选项，选择"在所有驱动器上关闭系统还原"复选框以关闭系统还原。也可仅对系统所在的磁盘或分区设置还原。先选择系统所在的分区，单击"配置"按钮，在弹出的对话框中取消"关闭这个驱动器的系统还原"选项，并可设置用于系统还原的磁盘空间大小。14、休眠功能会占用不少的硬盘空问，如果使用得少不妨将共关闭，关闭的方法是的：打开"控制面板",双击"电源选项",在弹出的"电源选项属性"组件有很大一部分是你根本不可能用到的，可以在"添加/删除Windows组件"组件"中找不到它们，这时可以这样操作：用记事本打开windowslinfsysoc.inf这个文件，用查找/替换功能把文件中的"hide"字符全部替换为空。这样，就把所有组件的隐藏属性都去掉了，存盘退出后再运行"添加-删除程序",就会看见多出不少你原来看不见的选项，把其中那些你用不到的组件删掉(记住存盘的时候要保存为sysoc.inf,而不是默认的sysoc.txt),如Internat信使服务、传真服务、Windowsmessenger,码表等，大约可腾出近50MB的空问。户名"ILocalSettings\Temp文件夹(Y:是系统所在的分区)。这两个位置的文件件，将节省大量的硬盘空间。打开IE浏览器，从"工具"菜单中选择"Internet选项",在弹出的对话框中选择"常规”选项卡，在"Internet临时文件"栏中单击是使用一段时间后，预读文件夹里的文件数量会变得相当庞大，导致系统搜索花费的时间变长。而且有些应用程序会产生死链接文件，更加重了系统搜索的负担。所以，应该定期删除这些预读文件。预计文件存放在WindowsXP系统文件夹的Prefetch文件夹中，该文件夹下的所有文件均可删除。19、压缩NTFS驱动器、文件或文件夹系统，空间实在紧张，