肩关节康复训练机器人设计

肩关节康复训练机器人设计指导教师:葛江华负责人:李晓杰组员：金业鑫

李妍

刘基铭

孙立然哈尔滨理工大学所在院

：机械动力工程学院所属学科

：机械设计及其自动化使用实验室

：数字化设计及仿真实验室项目成果简介为了实现手臂康复训练，本实用新型使用一根钢丝绳通过多个滑轮拉动手臂，关节处采用带弹簧卡盘的心轴，可随意转动和固定关节，建立气动人工肌肉在ADAMS里的仿真模型，实现了手臂肘关节和肩关节的康复训练。手臂结构简单，并且关节角度可以进行人工调节,这样既能简便机械结构,又能更好的达到预期效果,对于不同手臂康复要求对应不同手臂康复训练，当对于肘关节康复训练时，卡盘固定肩关节，而对于肩关节，卡盘固定肘关节，而且可以用卡盘限制心轴转动角度对整个手臂进行不同的康复训练。在ADAMS里对钢丝绳与滑轮缠绕的仿真需要钢丝绳在滑轮上缠绕不能脱离滑轮，同时要求钢丝绳与滑轮同步，这就需要在钢丝绳和滑轮之间建立齿轮副，但在它们之间必须通过连杆作为支架辅助来完成。手臂机构重量轻便于穿戴，价格便宜，而且工作可靠，整体结构简洁有效，调整方便。项目研究中参阅的书籍和论文目录[1]于惠力，向敬忠主编机械设计科学出版社第一版[2]赵九江主编材料力学哈尔滨工业大学出版社第一版[3]郑文经主编机械原理高等教育出版社第七版[4]陈宏钧,方向明,马素敏等编典型零件机械加工生产实例机械工业出版社

[5]王季琨,沈中伟,刘锡珍主编机械制造工艺学天津大学出版社

[6]哈尔滨工业大学,上海工业大学主编机床夹具设计上海科学技术出版社

[7]李洪主编机械加工工艺手册北京出版社

[8]龚定安,蔡建国编著机床夹具设计手册陕西科学技术出版社

[9]孙丽嫒主编机械制造工艺及专用夹具冶金工业出版社

[10]杨叔子主编机械加工工艺师手册机械工业出版社

[11]李益民主编机械制造工艺设计简明手册哈尔滨工业大学

[12]刘文剑曹天河赵维缓编2008-7-1夹具工程师手册黑龙江科学技术出版社

[13]上海市金属切削技术协会编金属切削手册上海科学技术出版社

[14]于骏一主编典型零件制造工艺机械工业出版社

[15]刘晋霞.ADAMS2012虚拟样机从入门到精通[M].机械工业出版社.[16]郑相周，唐国元.机械系统虚拟样机技术[M].高等教育出版社.[17]王新敏,李义强,许宏伟.ANSYS结构分析单元与应用[M].人民交通出版社.

[18]谢龙汉,刘新让,刘文超.ANSYS结构及动力学分析[M].电子工业出版社.[19]S.F.Zhang,J.F.Mao,X.Tian,K.ZengandZ.H.Sha:JournalofManufacturingTechnology&MachineTool,Vol.06(2011),No.3,pp.175-178.[20]Y.Qi:JournalofMechanicalEngineer,Vol.05(2011),No.3,pp.40-42.[21]祁阳.运动控制卡在数控机床上的应用[J].机械工程师,2011(05):40-42.[22]董玉红主编数控技术高教出版社项目成果形式及数量获得专利

2份心得体会

6份研究论文

1份研究论文XiaojieLi,YexinJin,liranSun,Yanli,JianghuaGe,KinematicsanalysisandSimulationofarmrehabilitationrobot(ISSN:1738-9968)KinematicsanalysisandSimulationofarmrehabilitationrobotXiaojieLi，YexinJin，LiranSun，YanLi，JianghuaGeSchoolofMechanicalandDynamicEngineering,HarbinUniversityofScienceandTechnology,Harbin,150080,ChinaKeywords:Rehabilitationrobot,ADAMS,Kinematicssimulation

Abstract:Firstly,accordingtothehumanarmphysiologicalstructureandbionics,designrehabilitationrobotmechanicalstructure,basedonproesoftwareformodelingtherobot,andimportedintotheADAMSsoftwareofkinematicssimulationanalysis.Accordingthat,itdeterminesthestateofmotionoftherobotundercertaininputconditions,andprovidesimportantdatafortheactualmechanismcontrol.0introductionWiththedevelopmentofscienceandtechnology,especiallytherapiddevelopmentofrobottechnology,combinedrobottechnologywithmedicaltheorythatappliedtorehabilitationrobotstohelpdisabledpatientsdorehabilitationtraininghasbeenofgreatimportancetoscientists.Itislong-term,stable,objective,andhelpthepatientsdorehabilitationtraining,theprocessofremovingtheeffectofsubjectivethefactors,whichgreatlyreducethetrainingtime,improvetrainingeffect.Moreimportantly,rehabilitationrobotcanathomeorinthecommunitytohelpdisabledpatientswithrehabilitationtreatment,greatlyfacilitatethepatients.Inaddition,comparedwithrehabilitationtraininginstrumentwiththesamefunctionabroad,rehabilitationrobothasasignificantpriceadvantage.Rehabilitationrobotsarecameoutfromthetraditionaldesignideas,applicationtonewdesignideas,soastodriveotherindustriesoftheinformatization.Andbythetechniqueofvirtualprototypeoftherobotperformanceevaluation,toagreatextent,itcanimproveefficiency,reducecosts,improvethesafetyfactor.1analysisofphysiologicalmechanismmodelArmphysiologicalstructurecontainstheshoulderjoint,shoulderrevolutejoint,wristjoint,radius,ulnaandbiceps.Accordingtotheaboveanalysis,withthehelpofmechanicalarmtodrivethehumanarmtoexercise,preventmuscleatrophy,becauseittdoesnotmoveforhelongtime,andthroughthemovementtostimulatethemotornerve.Exercisemodeofrehabilitationmechanism(1)flexionandextensionmovements:thearmaroundthesagittalplanewhichonthecoronalaxismove,forwardforflexion,backwardextension.(2)abduction,adductionmovement:thearmaroundthesagittalaxismotionisinthecoronalplane,whenitisawayfromthetrunk,inabduction,whenitisnearthetrunk,inadduction.2theusedmaterialsAsthetraditionaldrivequalityandvolumearerelativelylarge,notsuitableforapplicationinwearablemechanicaldesign,becauseitsrigidelementsforthehumanbodyaresecurityrisks,fromtheergonomicsperspectiveitisnotallowed.Therefore,shoulderjointrehabilitationtrainingrobotusepneumaticartificialasmuscleactuator.Pneumaticartificialmuscleisakindofnewpneumaticactuators,comparedtotraditionalrigidimplementationofthecomponents,whichhasgoodflexibility,highsafety,lightweight,lownoiseadvantages.Becausethepneumaticartificialmuscleissimilarwiththebodymuscles,suchasforcelengthcharacteristics,expansionrate.soitisespeciallysuitablefortheapplicationinhumanrehabilitationtrainingrobot.Rotatingpartalsoreliesongaspneumaticartificialmusclethroughthesteelwireropeispulled,andintheendpartoftherotatingshaft,itprovideswithananglesensorandtherobotarmandforearmwiththeadjustingscrew,tofacilitatetheuseofarmlengthofthebody.Inordertoreducethequalityoftherobotarm,artificialmusclewhichtherobotdoesflexionofthepneumaticalsoputontherobot'sleftandrightwing,butkeyproblemishowtotransmittheforcewhichthroughtheleftandrightwingpneumaticartificialmuscletothearm.Theropeisthroughtheplastichosesteelrope,andtheforceistransmittedtotherotationofthearmframethroughtheguideplate..

Inthearmandshoulderjointsconnected,thereistheleftpartofthehosemargin,becausetheplastichosecangenerateitsbendingdeformation,eveninthepresenceofduetoadjustthesizeofshoulderjointcausedbywireropelengthchanges,alsowon'taffecttherobot'snormalmovement,whileavoidingthehandwingmotionwireropeandrobotappearsentanglementphenomenon.4ModelingprocessAccordingtothesizeandstructuremodelofthecommonhumanarm,the3Dmodeloftheappropriatesizeisestablishedbyusingthe3Dmodelingsoftwareofproe.

Establishthethree-dimensionalmodelofthepartsintheproedrawing.Atthistimepayattentionthattheestablishmentofthemodeloftheunitsetshouldbe"mnks",andinthecreationoftheassemblyalsoshouldpayattentiontothisproblem,sothattransferedtheentitymodeltoADAMSsoftware,youcanalsousethefrontoftheunittocalculate,eliminatingtheconversionbetweenunits.Establishthemodeloftheassemblyoftherobot.Afterthecreationofthemainparts,thevariouspartsofthegroupisassembledtotheassemblybody,therigidbodymodeloftheimportedADAMSisneededtobeconsideredbodyasasubassemblymodelassembly,butalsotakeintoaccounttheinitialpositionofeachcomponentmovement,Theinitialpositionofthecomponentissetatthebeginningoftheassemblytoreducethesubsequentadjustment.(3)IntheproeestablishM/Proenvironmentanddefinerigidbody.Afterthecompletionoftheassembly,usingproeandADAMSsoftwaretheseamlessconnectionprogramM/ProtogeneratethefileswhichAdamscanread.Thisensuresthetwosoftwareseamlessconnection.AftertheinstallationofM/Pro,intheproe,M/Procascadingmenuappears,themenucandesignatedeachrigidbody,toestablishthebasicconstraintsbetweenrigidbodiesandsomereferencecoordinatesystem,afterthecompletionoftheestablishment,theuseoftheinterfaceprogramcanbedirectlytotheentitymodelissavedasafileformat,whichcanbereadinADAMS.(4)ImportedtoAdams,thenaddednecessaryconstraintsanddrivers.Thethree-dimensionalmodelisimportedintoAdams,modelingtoolsprovidedbyAdams,themodelwasfurtherimprovedandaddthenecessarydriversandconstraints,makethenecessaryelementsforthemodelcomplete.5SimulationanalysisSaveacopyofthex-tformatthroughthe3Dmodel,pulledintoAdamsmodule,createeachjointontheconstraintsofthemodelintheADAMDSmodel,bendapulleyinsteadinthebendoutletandthearmconnectingthemiddlepart,countedatotaloffour.Afterapplyingthedrivepulley,Liftthearmbythemovementoftheropeonthepulley.shoulderabductionadductionwithrotatingandmovingjointsisconnected;consideringtheseparateoperationisnotonlyeachjointrehabilitationofrehabilitationtherapy,whenreachedacertainstage,Ihopeeachjointofpatientswithupperlimbtoachieveacertaindegreeofmovement，andgettothecoordinatematters.Thetwomotionoftheshoulderjointcanonlyberealizedbythemechanicalintegral,andthecompoundmotionoftherobotarmcanbesimulatedbyaddingtherotationpairs,needtopayattentiontoavoidinginterferencewiththeoverallmechanical.Settingthedrivespeedis5m/s,selectionapointofshoulderjointtoextractintheZaxismotioncurvecandescribethemotionprocess.6ConcludingremarksProposedforupperlimbrehabilitationrobotbasedon,thesolidstructuremodel,usingADAMSsoftwaretosimulatetherobotmodel.Consideringupperlimbrehabilitationtrainingprocessintheactualneedsofthetraining,itisconcludedthatthekeypointsoftherobotshoulderjointanglechangecurve;judgethatitsmovementisinaccordancewiththerequirementsofupperlimbrehabilitationtraining,alsothesimulationalsoconfirmsthatthebuiltmotionmodeliscorrect,itlaidafoundationforthenextstepdynamicsimulationanalysisandlocusofcontrol.References:Lihuijun,Songaiguo.ResearchprogressandProspectoftheupperlimbrehabilitationtrainingrobot(J).Applicationofrobottechnology,2006(4):32-36.DuZhijiang,SunChuanjie,ChenYanning.Researchstatusofrehabilitationrobots[J].ChineseJournalofrehabilitationmedicine,2003,18(5):293-294

ZhangFuxiang,FuYili,Wangshuguo.Rehabilitationrobotresearchprogress[J].JournalofHebeiUniversityofscienceandtechnology,2005,3(2):100-106.YangYong,Zhanglixun,Wanglan.Dynamicsanalysisofarmrehabilitationrobot(J).Mechanicaldesign,2007,11(11):27-29.EROLD，SARKARN.Smoothhuman-robotinteractioninrobot-assistedrehabilitation［C］.2007IEEE10thInternationalConferenceonRehabilitationRobotics，2007：5-15.LvGuangming,SunLining,ZhangBo.FiveDOFSofupperlimbrehabilitationrobotarmofkinematicsanalysis(J).JournalofHarbinInstituteofTechnology,2006,38(5):698-701.ZhangLixu,WangKeyi,ZhangJinyu.ThelowerlimbrehabilitationtrainingrobotsofThemotioncoordinationprinciple(J).Mechanicaldesignandresearch,2007,23(6):46-50.获得专利专利《一种手臂康复机器人肘关节机构》已受理，专利号：201620126822.9专利《一种手臂康复机器人手臂机构》已受理，专利号：201620126820.X专利《一种手臂康复机器人肘关节机构》

手臂康复机器人肘关节机构

手臂康复机器人肘关节机构技术领域本实用新型属于医疗设备技术领域，具体涉及一种手臂康复机器人肘关节机构。背景技术随着科学技术的发展，尤其是机器人技术的高速发展，将机器人技术和医学理论相结合，运用康复机器人来帮助肢体残障患者做康复训练运动已经得到各国科学家的重视。其可以长期、稳定、客观地帮助患者做康复训练，过程中排除了人为主观因素的影响，极大程度减少训练时间，提高训练效果。更重要的是，康复机器人可以在家里或者社区里帮助肢体残障患者进行康复训练，极大方便患者的治疗。此外，与国外具有同样功能的康复训练仪相比，康复机器人具有明显的价格优势。现在国内市场上所用的手臂康复机器人手臂机构主要有以下两种：一种是采用电机驱动五连杆机构，利用阻抗控制，适用于患者肩，肘在水平和竖直平面内的复合运动训练。在机械设计方面具有安全性、稳定性与柔顺性，但不具有可穿戴性，而且价格昂贵。第二种是通过绑带与人体上臂和手腕链接在固定板上，在固定板末端安装转动轴，通过钢丝绳拉动手臂上举，结构简单，利于制造，便于穿戴，但自由度较少，功能单一，肘部关节无法训练。以上两种手臂康复机器人手臂机构，一种结构复杂，价格昂贵，设备笨重不便于穿戴；另一种结构简单，便于可穿戴，但功能单一。实用新型内容本实用新型针对上述存在的问题，提供一种手臂康复机器人肘关节机构，目的是实现便于穿戴的手臂肘关节的运动训练，本实用新型采用如下技术方案实现：手臂康复机器人肘关节机构，其组成包括：螺钉A、钢丝绳、大链轮、上臂杆、销钉A、拉杆A、螺钉B、普通铰链、下臂杆、螺钉C、链条、小链轮、销钉B、拉杆B和销钉C，所述钢丝绳与大链轮用螺钉A连接，所述大链轮采用螺钉C固定在上臂杆的顶端，所述大链轮与小链轮通过链条进行传动，所述小链轮用螺钉B固定在拉杆A上，所述拉杆A的一端与拉杆B的一端用销钉B链接,所述拉杆A的另一端与上臂杆采用销钉A链接，所述拉杆B的另一端采用销钉C固定在下臂杆上，所述上臂杆与下臂杆用普通铰链连接。本实用新型的有益效果为：当钢丝绳施加拉力是可以完全保证肘关节运动，不会引起肩关节随着施加拉力的变化而引起肩关节连带运动的，当肘关节无需运动时，只要保证钢丝绳恒定不动，下臂杆就能固定。本机构具有简便的机械结构,便于操作，适用性强，可以有针对性的达到预期训练效果。具体实施方式：参照图1一种手臂康复机器人肘关节机构，它的组成包括：螺钉A1、钢丝绳2、大链轮3、上臂杆4、销钉A5、拉杆A6、螺钉B7、普通铰链8、下臂杆9、螺钉C10、链条11、小链轮12、销钉B13、拉杆B14和销钉C15，所述钢丝绳2与大链轮3用螺钉A1连接，所述大链轮3采用螺钉C10固定在上臂杆4的顶端，所述大链轮3与小链轮12通过链条11进行传动，所述小链轮12用螺钉B7固定在拉杆A6上，所述拉杆A6的一端与拉杆B14的一端用销钉B13链接,所述拉杆A6的另一端与上臂杆4采用销钉A5链接，所述拉杆B14的另一端采用销钉C15固定在下臂杆9上，所述上臂杆4与下臂杆9用普通铰链8连接。当钢丝绳2拉动大链轮3就会带动链条11转动，之后拉杆A6随着小链轮12一起向上运动，拉杆A6通过销钉B13带动拉杆B14向上运动。拉杆B14带动下臂杆9进行旋转，达到肘关节运动的目的。当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。专利《一种手臂康复机器人手臂机构》一种手臂康复机器人手臂机构

技术领域：本实用新型属于医疗设备技术领域，具体涉及一种手臂康复机器人手臂机构。背景技术：随着科学技术的发展，尤其是机器人技术的高速发展，将机器人技术和医学理论相结合，运用康复机器人来帮助肢体残障患者做康复训练运动已经得到各国科学家的重视。其可以长期、稳定、客观地帮助患者做康复训练，过程中排除了人为主观因素的影响，极大程度减少训练时间，提高训练效果。更重要的是，康复机器人可以在家里或者社区里进行帮助肢体残障患者进行康复训练，极大方便患者的治疗。此外，与国外具有同样功能的康复训练仪相比，康复机器人具有明显的价格优势。现在国内市场上所用的手臂康复机器人手臂机构主要有以下两种：一种是采用电机驱动五连杆机构，利用阻抗控制，实现训练的安全性，稳定性和柔顺性，适用于患者肩，肘在水平和竖直平面内的复合运动训练。在机械设计方面具有安全性、稳定性与柔顺性，但不具有可穿戴性，而且价格昂贵。第二种是通过绑带与人体上臂和手腕链接在固定板上，在固定板末端安装转动轴，通过钢丝绳拉动手臂上举，结构简单，利于制造，便于穿戴，但自由度较少，功能单一，肘部关节无法训练。以上两种手臂康复机器人手臂机构，一种结构复杂，设备笨重无法穿戴，价格昂贵，可使用购买人群少，另一种结构简单可穿戴，功能单一，愿于购买人群少。实用新型内容：本实用新型的目的是：为了实现手臂康复训练，本实用新型使用一根钢丝绳通过多个滑轮拉动手臂，关节处采用带弹簧卡盘的心轴，可随意转动和固定关节，实现了手臂肘关节和肩关节的康复训练。手臂结构简单，并且关节角度可以进行人工调节,这样既能简便机械结构,又能更好的达到预期效果,其技术方案如下:一种手臂康复机器人手臂机构，它包括：前臂杆1、螺钉2、钢丝绳3、滑轮4、滑轮座5、滑轮6、滑轮座7、固定块8、卡盘9、螺钉组10、心轴11、弹簧柱12、上臂杆13、卡盘14、螺钉组15、心轴16、弹簧柱17、上臂板18、前臂板19，其特征在于：所述钢丝绳3通过螺钉2与前臂杆1固定连接；滑轮4被滑轮座5固定在上臂杆13上；滑轮6被滑轮座7固定在固定块8上；滑轮4与滑轮6通过钢丝绳3构成滑轮组；固定块8通过心轴11与上臂杆13连接在一起；上臂杆13通过心轴16与前臂杆1连接在一起；卡盘9被螺钉组10固定在固定块8上；卡盘14被螺钉组15固定在上臂杆13上；弹簧柱12装在上臂杆13内；弹簧柱17装在前臂杆1内；上臂板18与上臂杆13固定连接；前臂板19与前臂杆1固定连接。本实用新型的有益效果为：对于不同手臂康复要求对应不同手臂康复训练，当对于肘关节康复训练时，卡盘固定肩关节，而对于肩关节，卡盘固定肘关节，而且可以用卡盘限制心轴转动角度对整个手臂进行不同的康复训练。手臂机构重量轻便于穿戴，价格便宜，而且工作可靠，整体结构简洁有效，调整方便。具体实施方式：参照图1和图2一种手臂康复机器人手臂机构，它包括：前臂杆1、螺钉2、钢丝绳3、滑轮4、滑轮座5、滑轮6、滑轮座7、固定块8、卡盘9、螺钉组10、心轴11、弹簧柱12、上臂杆13、卡盘14、螺钉组15、心轴16、弹簧柱17、上臂板18、前臂板19，其特征在于：所述钢丝绳3通过螺钉2与前臂杆1固定连接；滑轮4被滑轮座5固定在上臂杆13上；滑轮6被滑轮座7固定在固定块8上；滑轮4与滑轮6通过钢丝绳3构成滑轮组；固定块8通过心轴11与上臂杆13连接在一起；上臂杆13通过心轴16与前臂杆1连接在一起；卡盘9被螺钉组10固定在固定块8上；卡盘14被螺钉组15固定在上臂杆13上；弹簧柱12装在上臂杆13内；弹簧柱17装在前臂杆1内；上臂板18与上臂杆13固定连接；前臂板19与前臂杆1固定连接。使用时，把手臂固定在前臂板19和上臂板18上，对于肘关节康复训练，弹簧柱17插入卡盘14的0°槽使上臂杆13与固定块8固定，弹簧柱12插入卡盘9的活动槽，钢丝绳3通过滑轮6和滑轮4拉动前臂杆1，再依靠重力放下前臂杆1，反复运动；对于肩关节康复训练，弹簧柱12插入卡盘9的0°槽使前臂杆1与上臂杆13固定，弹簧柱17插入卡盘14的活动槽，钢丝绳3通过滑轮6和滑轮4拉动前臂杆1，带动上臂杆13，再依靠重力放下前臂杆1和上臂杆13，反复运动；对于不同的手臂整体康复训练，弹簧柱12插入卡盘9的活动槽，弹簧柱17插入卡盘14的活动槽，钢丝绳3通过滑轮6和滑轮4拉动前臂杆1带动上臂杆13，再依靠重力放下前臂杆1和上臂杆13，反复运动，可更换不同的卡盘完成不同的康复训练要求。当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。实用新型的主视图实用新型的侧视图实用新型的关节部位主视图一种手臂康复机器人手臂机构，它包括：前臂杆1、螺钉2、钢丝绳3、滑轮4、滑轮座5、滑轮6、滑轮座7、固定块8、卡盘9、螺钉组10、心轴11、弹簧柱12、上臂杆13、卡盘14、螺钉组15、心轴16、弹簧柱17、上臂板18、前臂板19，其特征在于：所述钢丝绳3通过螺钉2与前臂杆1固定连接；滑轮4被滑轮座5固定在上臂杆13上；滑轮6被滑轮座7固定在固定块8上；滑轮4与滑轮6通过钢丝绳3构成滑轮组；固定块8通过心轴11与上臂杆13连接在一起；上臂杆13通过心轴16与前臂杆1连接在一起；卡盘9被螺钉组10固定在固定块8上；卡盘14被螺钉组15固定在上臂杆13上；弹簧柱12装在上臂杆13内；弹簧柱17装在前臂杆1内；上臂板18与上臂杆13固定连接；前臂板19与前臂杆1固定连接。一种手臂康复机器人手臂机构，属于医疗机械技术领域，包括臂杆、钢丝绳、滑轮、心轴、卡盘、臂板，其特征在于：所述钢丝绳通过螺钉与前臂杆固定连接，滑轮被滑轮座固定在臂杆上，上臂杆通过心轴与前臂杆连接在一起，卡盘安在心轴外限制心轴转动角度，臂板固定在臂杆上，能够满足不同手臂康复训练的要求，结构简单,便于穿戴，价格便宜，提高人们的购买意愿。项目总结报告摘要：随着科学技术的发展，尤其是机器人技术的高速发展，将机器人技术和医学理论相结合，运用康复机器人来帮助肢体残障患者做康复训练运动已经得到各国科学家的重视。其可以长期、稳定、客观地帮助患者做康复训练，过程中排除了人为主观因素的影响，极大程度减少训练时间，提高训练效果。更重要的是，康复机器人可以在家里或者社区里帮助肢体残障患者进行康复训练，极大方便患者的治疗。此外，与国外具有同样功能的康复训练仪相比，康复机器人具有明显的价格优势。现在国内市场上所用的手臂康复机器人手臂机构主要有以下两种：一种是采用电机驱动五连杆机构，利用阻抗控制，适用于患者肩，肘在水平和竖直平面内的复合运动训练。在机械设计方面具有安全性、稳定性与柔顺性，但不具有可穿戴性，而且价格昂贵。第二种是通过绑带与人体上臂和手腕链接在固定板上，在固定板末端安装转动轴，通过钢丝绳拉动手臂上举，结构简单，利于制造，便于穿戴，但自由度较少，功能单一，肘部关节无法训练。以上两种手臂康复机器人手臂机构，一种结构复杂，价格昂贵，设备笨重不便于穿戴；另一种结构简单，便于可穿戴，但功能单一。本文设计的机械手臂，是一种手臂康复机器人手臂机构，属于医疗机械技术领域，包括臂杆、钢丝绳、滑轮、心轴、卡盘、臂板，其特征在于：所述钢丝绳通过螺钉与前臂杆固定连接，滑轮被滑轮座固定在臂杆上，上臂杆通过心轴与前臂杆连接在一起，卡盘安在心轴外限制心轴转动角度，臂板固定在臂杆上，选用气动人工肌肉柔性驱动器，患者穿戴更具有舒适性和安全性能够满足不同手臂康复训练的要求，结构简单,便于穿戴，价格便宜，提高人们的购买意愿。项目简介：

该项目是于2014年5月，由学校通知，感兴趣的同学们一起参加了这个肩关节康复机器人设计项目，为了实现手臂康复训练，本实用新型使用一根钢丝绳通过多个滑轮拉动手臂，关节处采用带弹簧卡盘的心轴，可随意转动和固定关节，实现了手臂肘关节和肩关节的康复训练。手臂结构简单，并且关节角度可以进行人工调节,这样既能简便机械结构,又能更好的达到预期效果,对于不同手臂康复要求对应不同手臂康复训练，当对于肘关节康复训练时，卡盘固定肩关节，而对于肩关节，卡盘固定肘关节，而且可以用卡盘限制心轴转动角度对整个手臂进行不同的康复训练。手臂机构重量轻便于穿戴，价格便宜，而且工作可靠，整体结构简洁有效，调整方便。其技术方案如下:一种手臂康复机器人手臂机构，它包括：前臂杆1、螺钉2、钢丝绳3、滑轮4、滑轮座5、滑轮6、滑轮座7、固定块8、卡盘9、螺钉组10、心轴11、弹簧柱12、上臂杆13、卡盘14、螺钉组15、心轴16、弹簧柱17、上臂板18、前臂板19，其特征在于：所述钢丝绳3通过螺钉2与前臂杆1固定连接；滑轮4被滑轮座5固定在上臂杆13上；滑轮6被滑轮座7固定在固定块8上；滑轮4与滑轮6通过钢丝绳3构成滑轮组；固定块8通过心轴11与上臂杆13连接在一起；上臂杆13通过心轴16与前臂杆1连接在一起；卡盘9被螺钉组10固定在固定块8上；卡盘14被螺钉组15固定在上臂杆13上；弹簧柱12装在上臂杆13内；弹簧柱17装在前臂杆1内；上臂板18与上臂杆13固定连接；前臂板19与前臂杆1固定连接。设计并完成了肩关节康复训练机器人的CAD设计和pore设计，基本完成了预期目标。通过CAD和proe的绘制，能够较清晰地把肩关节康复训练机器人的机械手臂的外观，形状，尺寸，各部件的位置，大小，转动方向，角度，各个部件的位置关系，受力位置以及受力后的运动形式能够较完整，较细致，较清晰，较明白地展现出肩关节康复训练机器人机械手臂的运动。若能通过设计然后投入生产进行，则可以开始人的试验，通过不断地反馈，不断地调整，不断地修正，然后进行病理试验，对不同程度的多个不同年龄，体形，性格，学历的患者进行试验，并记录下相关情况和患者的感受，从而对肩关节康复训练机器人机械手臂进行改进，讲多个修改之处统一，或真对不同类型做几个不同款，比如可分为轻，中，重病患者肩关节康复训练机器人机械手臂，从而更好地对手臂进行不同程度的康复训练，让病人能够有舒适感，能够不像以前的一些治疗手段那样千篇一律，让患者一步步，一点点地按照自己的生理情况而做更完善，更人性化的让患者能够有规律，科学地恢复健康，这才是肩关节康复训练机器人机械手臂的作用和设计的标准。同时，患者因为可以看到自己在一天天地调理，那么也就会心情好起来，这无论是对患者的康复，还是患者的精神状态都会有很大的帮助和改善。而且肩关节康复训练机器人机械手臂重量轻，价格会极其合理，这样患者可以很方便地完成肩关节康复训练机器人机械手臂的康复理疗过程、及不同阶段可以向卖方打电话或下载手机APP，卖方可以免费上门维修或为患者更换不同阶段的不同型号的肩关节康复训练机器人机械手臂，从而让患者收到最大的实在。本文所设计的肩关节康复训练机器人结构简单、可靠，可以满足对人体肩关节做康复运动的要求计算出钢丝绳运动的位移与手臂转角的关系，为机器人的控制系统提供依据的同时，为下一章机器人的仿真分析垫下基础。肩关节康复训练机器人采用气动人工肌肉通过钢丝绳拉动关节转动机构带动人体上肢运动，钢丝绳的位移大小是机器人系统的输入量，手臂转角是机器人系统的输出量，因此研究整个肩关节康复训练机器人钢丝绳的位移与手臂转角的关系是十分必要的。本文所设计的肩关节康复训练机器人可以做外展、前屈和旋外运动，旋外运动是前两个运动的合成运动。机器人外展运动机械原理图

机器人前驱运动机械原理图从理论上证明了机器人结构的合理性。从机器人手臂转角和钢丝绳位移的角度出发在气动人工肌肉拉动钢丝绳带动手臂运动时，转角连续变化，钢丝绳位移与转角接近线性关系，有利于机器人控制系统控制算法的建立，并且钢丝绳位移大小变化不大，机器人的执行器气动人工肌肉的行程在合理范围内，机器人可以实现对人体做肩关节康复训练。

肩关节康复训练机器人是运用Pro/E建立三维模型的，本章运用Mechanism/Pro接口将机器人的三维模型导入ADAMS中进行运动学和动力学仿真，为了确保机器人仿真模型的真实性，本章将对气动人工肌肉的ADAMS仿真模型进行深入研究，并针对所设计机器人结构的特殊性，在钢丝绳与滑轮缠绕处采用了多义线方法处理，通过对机器人结构的运动学与动力学仿真研究，验证机器人结构的正确性。ADAMS是目前应用最广泛的一种虚拟样机仿真软件，它是以计算多体系统动力学为基础，对机械系统进行运动学和动力学仿真，并能根据计算分析结果输出速度、加速度、位移和作用力的曲线，而且可以进行动画演示。ADAMS有三个基本模块：View模块、Slover求解器模块和Postproces后处理模块，还包括众多领域有针对性的模块，例如：飞机模块ADAMS/Aircraft、火车模块ADAMS/Rail和汽车模块ADAMS/Car等。为了建立气动人工肌肉在ADAMS里的仿真模型，首先对气动人工肌肉建立数学模型，针对气动人工肌肉的结构特点，在不考虑其壁厚、橡胶筒和纤维编织网之间的摩擦的情况下，将气动人工肌肉看作一个理想的圆柱体，目前国内外已经有很多关于气动人工肌肉数学模型的研究气动人工肌肉的输出力与长度变化成非线性二次关系，因此对气动人工肌肉采用非线性弹簧模型在ADAMS中仿真比较合理。传统的机械设计中，在机械系统设计完成后，为了验证结构设计的正确与否，常常首先制造出产品的样品进行测试，这样不仅浪费资金，而且大大地增加了产品的开发周期。利用ADAMS软件可以在产品的开发过程中对产品进行虚拟性能测试，按照设计要求，建立ADAMS虚拟仿真模型，并在虚拟的环境中进行模拟机械系统的运动，对机械系统进行分析、改进，直到整个机械系统符合设计要求，不仅降低了开发成本，而且很大程度上缩短了开发时间。在对肩关节康复训练机器人进行仿真时，气动人工肌肉仿真模型的建立和钢丝绳在ADAMS中的处理是仿真的关键所在。Pro/E中机器人模型约束副图

通过利用Mechanism/Pro模块的优点，将机器人的Pro/E三维模型与虚拟样机仿真软件

ADAMS无缝连接，在Pro/E环境下将仿真分析所需的约束副等条件设置完成，在

ADAMS里进行运动学与动力学分析，提高了仿真精度，加快了仿真速度。仿真结果表明，机器人运动比较平稳，冲击和振动较小，不会导致人体肩关节拉伸和碰撞。手臂外展和前屈运动的仿真曲线几乎与理论曲线相重合，验证了仿真分析模型的正确性。针对肩关节康复训练机器人的驱动器采用气动人工肌肉的特点，本章重点介绍了气动人工肌肉在ADAMS里仿真模型的建立，通过对气动人工肌肉数学模型的分析，采用非线性弹簧模型代替气动人工肌肉对机器人进行仿真研究。钢丝绳的建模一直是在ADAMS里仿真分析的难点，本章利用多义线的方法，采用齿轮副将钢丝绳与滑轮联系起来，很好地解决了钢丝绳与滑轮的缠绕和同步问题。成果简介1.专利《一种手臂康复机器人肘关节机构》已受理，专利号：201620126822.9

一种手臂康复机器人肘关节机构，属于医疗机械技术领域。它的组成包括：螺钉A、钢丝绳、大链轮、上臂杆、销钉A、拉杆A、螺钉B、普通铰链、下臂杆、螺钉C、链条、小链轮、销钉B、拉杆B和销钉C。本实用新型可以完全保证肘关节的运动训练，不会引起肩关节和肘关节一起运动，当肘关节无需运动时，只要保证钢丝绳恒定不动，下臂杆就能固定。

本机构具有简便的机械结构,便于操作，适用性强，可以有针对性的达到预期训练效果。本实用新型的有益效果为：当钢丝绳施加拉力是可以完全保证肘关节运动，不会引起肩关节随着施加拉力的变化而引起肩关节连带运动的，当肘关节无需运动时，只要保证钢丝绳恒定不动，下臂杆就能固定。本机构具有简便的机械结构,便于操作，适用性强，可以有针对性的达到预期训练效果。2.专利《一种手臂康复机器人手臂机构》已受理，专利号：201620126820.X

本实用新型的目的是：为了实现手臂康复训练，本实用新型使用一根钢丝绳通过多个滑轮拉动手臂，关节处采用带弹簧卡盘的心轴，可随意转动和固定关节，实现了手臂肘关节和肩关节的康复训练。手臂结构简单，并且关节角度可以进行人工调节,这样既能简便机械结构,又能更好的达到预期效果。

本实用新型的有益效果为：对于不同手臂康复要求对应不同手臂康复训练，当对于肘关节康复训练时，卡盘固定肩关节，而对于肩关节，卡盘固定肘关节，而且可以用卡盘限制心轴转动角度对整个手臂进行不同的康复训练。手臂机构重量轻便于穿戴，价格便宜，而且工作可靠，整体结构简洁有效，调整方便。

当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。本实用新型属于医疗设备技术领域，具体涉及一种手臂康复机器人肘关节机构。现在国内市场上所用的手臂康复机器人手臂机构主要有以下两种：一种是采用电机驱动五连杆机构，利用阻抗控制，适用于患者肩，肘在水平和竖直平面内的复合运动训练。在机械设计方面具有安全性、稳定性与柔顺性，但不具有可穿戴性，而且价格昂贵。

第二种是通过绑带与人体上臂和手腕链接在固定板上，在固定板末端安装转动轴，通过钢丝绳拉动手臂上举，结构简单，利于制造，便于穿戴，但自由度较少，功能单一，肘部关节无法训练。以上两种手臂康复机器人手臂机构，一种结构复杂，价格昂贵，设备笨重不便于穿戴；另一种结构简单，便于可穿戴，但功能单一。

创新之处1.设计出一种手臂康复机器人肘关节机构，属于医疗机械技术领域。螺钉A1、钢丝绳2、大链轮3、上臂杆4、销钉A5、拉杆A6、螺钉B7、普通铰链8、下臂杆9、螺钉C10、链条11、小链轮12、销钉B13、拉杆B14和销钉C15，所述钢丝绳2与大链轮3用螺钉A1连接，所述大链轮3采用螺钉C10固定在上臂杆4的顶端，所述大链轮3与小链轮12通过链条11进行传动，所述小链轮12用螺钉B7固定在拉杆A6上，所述拉杆A6的一端与拉杆B14的一端用销钉B13链接,所述拉杆A6的另一端与上臂杆4采用销钉A5链接，所述拉杆B14的另一端采用销钉C15固定在下臂杆9上，所述上臂杆4与下臂杆9用普通铰链8连接。当钢丝绳2拉动大链轮3就会带动链条11转动，之后拉杆A6随着小链轮12一起向上运动，拉杆A6通过销钉B13带动拉杆B14向上运动。拉杆B14带动下臂杆9进行旋转，达到肘关节运动的目的。当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例。2.本技术领域的技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。本实用新型可以完全保证肘关节的运动训练，不会引起肩关节和肘关节一起运动，当肘关节无需运动时，只要保证钢丝绳恒定不动，下臂杆就能固定。本机构具有简便的机械结构,便于操作，适用性强，可以有针对性的达到预期训练效果。该设计的创新之处在于链轮的应用和合理的受力位置部置。3.为了实现手臂康复训练，本实用新型使用一根钢丝绳通过多个滑轮拉动手臂，关节处采用带弹簧卡盘的心轴，可随意转动和固定关节，实现了手臂肘关节和肩关节的康复训练。手臂结构简单，并且关节角度可以进行人工调节,这样既能简便机械结构,又能更好的达到预期效果,对于不同手臂康复要求对应不同手臂康复训练，当对于肘关节康复训练时，卡盘固定肩关节，而对于肩关节，卡盘固定肘关节，而且可以用卡盘限制心轴转动角度对整个手臂进行不同的康复训练。手臂机构重量轻便于穿戴，价格便宜，而且工作可靠，整体结构简洁有效，调整方便。现在国内市场上所用的手臂康复机器人手臂机构主要有以下两种：一种是采用电机驱动五连杆机构，利用阻抗控制，适用于患者肩，肘在水平和竖直平面内的复合运动训练。在机械设计方面具有安全性、稳定性与柔顺性，但不具有可穿戴性，而且价格昂贵。第二种是通过绑带与人体上臂和手腕链接在固定板上，在固定板末端安装转动轴，通过钢丝绳拉动手臂上举，结构简单，利于制造，便于穿戴，但自由度较少，功能单一，肘部关节无法训练。以上两种手臂康复机器人手臂机构，一种结构复杂，价格昂贵，设备笨重不便于穿戴；另一种结构简单，便于可穿戴，但功能单一。随着科学技术的发展，尤其是机器人技术的高速发展，将机器人技术和医学理论相结合，运用康复机器人来帮助肢体残障患者做康复训练运动已经得到各国科学家的重视。其可以长期、稳定、客观地帮助患者做康复训练，过程中排除了人为主观因素的影响，极大程度减少训练时间，提高训练效果。更重要的是，康复机器人可以在家里或者社区里帮助肢体残障患者进行康复训练，极大方便患者的治疗。此外，与国外具有同样功能的康复训练仪相比，康复机器人具有明显的价格优势。4.ADAMS自身可以对大多数的刚性和柔性物体进行建模，但不容易对一些变形比较大、挠度比较大的物体进行建模，例如本文所要使用的钢丝绳。钢丝绳在ADAMS中的建模存在轴套力和多义线两种处理方法，前者是将钢丝绳离散成许多相互之间采用轴套力连接的圆柱刚性体,接触力的参数选择只能依靠实验和经验来确定，建模过程比较复杂。多义线方法是将钢丝绳和滑轮之间采用齿轮齿条副接触,其难点在于如何保证在仿真过程中钢丝绳始终与滑轮相切并同步运行。在仿真系统中，利用轴套力方法对钢丝绳进行建模，可以真实的反映钢丝绳的变形、受力等特性，但由于这种方法是将钢丝绳分离成若干小段来处理，这就需要设计者熟悉ADAMS内部的二次开发语言，不仅给仿真过程带来麻烦，而且对设计者提出更高的要求。利用此方法建模时，需要对接触碰撞理论有所理解，在建模过程中，接触参数需要经验或实验来确定，参数选择的正确与否，直接决定着建模是否成功。因此，如果采用其它方法可以满足仿真要求时，应避免采用此方法。多义线的方法对钢丝绳建模只要在ADAMS中将钢丝绳和滑轮之间建立齿轮副即可，不需要掌握ADAMS二次开发语言，建模速度快，仿真效率高，但这种方法忽略了钢丝绳自身振动对机械系统的影响，在对仿真精度要求不高的情况下，可以采用此方法。由于肩关节康复训练机器人所用钢丝绳长度较短、直径较细，可以忽略钢丝绳自身重量及振动对整个机器人系统的影响,为了简化对钢丝绳的建模过程和提高仿真的速度，本文选择多义线方法对钢丝绳进行仿真分析。心得体会这个项目的整个设计过程，包括项目的确定，项目人员的取舍，设计思路的讨论，设计过程中对书目的翻阅，初步定型，人员的任务分配，人员的合作，与老师的交流，对最初的设计思路的改进，各个部件的构思，各个部件的选择，各个部件的尺寸的确定，各个部件的位置的确定，各个部件的联结方式的确定，各个部件的受力位置的确定，CAD图的绘制，CAD零件图的绘制，proe的绘制，项目说明书的编写等。过程中大家以一种学习，研究的心态去做项目，使得大家都能在这个过程中有所收获。从最开始的确定题目，大家就遇到了许多困难。开始设计时，又遇到了不小的困难。首先，我们不知道如何下手去做。因为是创新试验项目，而且是肩关节康复训练机器人的设计，之前并没有接触过，或者深入研究过，所以对这个项目开始时是一头雾水。没办法，大家就开始分头先找资料，然后再一起汇总讨论。讨论的开始，我们对肩关节康复训练机器人的结构首先提出设想。应该是可以带动小臂从0到90度摆动，同时呢，可以带动大臂从+90度到-90度的摆动，这样可以让肩关节康复训练机器人带动患者进行不同程度的训练和康复理疗过程。这样，大体运动方式就确定了。然后，是各个构件的确认。它的组成包括：螺钉A1、钢丝绳2、大链轮3、上臂杆4、销钉A5、拉杆A6、螺钉B7、普通铰链8、下臂杆9、螺钉C10、链条11、小链轮12、销钉B13、拉杆B14和销钉C15，所述钢丝绳2与大链轮3用螺钉A1连接，所述大链轮3采用螺钉C10固定在上臂杆4的顶端，所述大链轮3与小链轮12通过链条11进行传动，所述小链轮12用螺钉B7固定在拉杆A6上，所述拉杆A6的一端与拉杆B14的一端用销钉B13链接,所述拉杆A6的另一端与上臂杆4采用销钉A5链接，所述拉杆B14的另一端采用销钉C15固定在下臂杆9上，所述上臂杆4与下臂杆9用普通铰链8连接。当钢丝绳2拉动大链轮3就会带动链条11转动，之后拉杆A6随着小链轮12一起向上运动，拉杆A6通过销钉B13带动拉杆B14向上运动。拉杆B14带动下臂杆9进行旋转，达到肘关节运动的目的。

其中，在对链轮的选择和设计时是我们想法突破。以前的设计很少或几乎不曾用到链轮或带轮。所以开始是是想只是使用连杆机构来完成整个过程。这样既简单，又方便。可是在实际运算过程中发现，单一的使用连杆机构并不能够很好地完成预期目的与要求。这让整个设计陷入僵局，能力的溃乏第一次彰显得这么的淋漓尽致，设计仿佛进行不下去了。大家互相鼓励，觉得在这个时候团队的另一个方面便体现出来了，就是互相安慰，以更好地完成目标。开始觉得是不是可以再加几个杆件，使运动的范围更大，可是随着讨论的进行，大家都觉得如果加上几个杆件的话，无疑可以达到范围的控制，可是为什么不想出更可靠的方法呢？这种方法无疑会增加其他的问题，就是整个肩关节康复训练机器人的重量，肩关节康复训练机器人的价格以及肩关节康复训练机器人的自由性和合理性。肩关节康复训练机器人的设计之出目的在于可随意转动和固定关节，实现了手臂肘关节和肩关节的康复训练。手臂结构简单，并且关节角度可以进行人工调节,这样既能简便机械结构,又能更好的达到预期效果,对于不同手臂康复要求对应不同手臂康复训练，当对于肘关节康复训练时，卡盘固定肩关节，而对于肩关节，卡盘固定肘关节，而且可以用卡盘限制心轴转动角度对整个手臂进行不同的康复训练。手臂机构重量轻便于穿戴，价格便宜，而且工作可靠，整体结构简洁有效，调整方便。对不同类型做几个不同款，比如可分为轻，中，重病患者肩关节康复训练机器人机械手臂，从而更好地对手臂进行不同程度的康复训练，让病人能够有舒适感，能够不像以前的一些治疗手段那样千篇一律，让患者一步步，一点点地按照自己的生理情况而做更完善，更人性化的让患者能够有规律，科学地恢复健康，这才是肩关节康复训练机器人机械手臂的作用和设计的标准。同时，患者因为可以看到自己在一天天地调理，那么也就会心情好起来，这无论是对患者的康复，还是患者的精神状态都会有很大的帮助和改善。而且肩关节康复训练机器人机械手臂重量轻，价格会极其合理，这样患者可以很方便地完成肩关节康复训练机器人机械手臂的康复理疗过程。可是，如果不进行想法突破与创新，就很难达到预期的目标与要求，或者说是即便是完成了，也不能让患者达到自由舒适度的满意。此时，设计再次陷入了一愁莫展的瓶颈阶段。这时候，老师说的一句话让我们豁然开朗，为什么不试试用带或链传动或滑轮呢？设计的过程本身就是一个突破自己的过程，虽然开始没有头绪，可同学们都在查找资料，这叫团队合作，这本身就是在进步。同时，在设计的过程中肯定会遇上难以解决的问题，从而会有几种不同的态度，第一种就是消极得很，仿佛这件事就已经没有出路，已经定格了一样，这样的情绪与态度无疑会对整个设计以及小组内的其他成员也造成或多或少的影响，这样任务或设计就很可能无法完成或者是不能较好地完成预期目标。第二种态度就是无所谓的态度，既不积极，也不消极，就是大家安排什么任务，就去做就可以了。但这样都不利于共同发展与进步。于是，大家釆取老师的意见，同过找资料，学习，慢慢弄懂了关于链轮的知识，然后设计的应用就解决了。此后的设计过程中，诸如此类的问题和经厉还有很多，大家就是这样摸爬滚打中一点点进步，一点点完成。老师的帮助让我们的设计进展顺利。大家在这个过程中的收获才是最重要的，项目本身已经改变了意义。项目实施过程中存在的问题和建议确定机构的数量和位置让我们很伤脑筋解决办法：团队讨论，确定方案。是按资金总数设计还是按性价比设计解决办法：按照我们团队的完成能力设计，从简单开始，后期若时间充足，再逐步改进。需不需要考虑卖产品，从而在选材和结构上调整解决办法：现不考虑，因为随着设计的深入，发现无论是设计的客关难度和我们自身的时间都不能让我们考虑很多设计及改进，还是要近快先把较基本的东西设计出来再说。如何使前臂抬起或落下解决办法：釆用链传动，或者是滑轮传动。如何分配任务解决办法：根据个人能力和个人时间，还是较人性化。

工作日志实验题目：了解肩关节康复机器人结构学

院：机械动力工程学院

专业：机械设计制造及其自动化实验时间：2014.9.48:10——9:50实验地点：哈理工西区南楼——244实验工作内容：总结上学期的工作与经验，检查上学期的工作是否需要修改，讨论接下来的工作安排以及这学期所要完成的目标查找资料，了解以前康复机器人的结构深入讨论肩关节康复机器人的结构设计方案，分析肩关节康复机器人的工作原理与运行方式，确定肩关节康复机器人的总体结构进行资料的整理与总结，讨论并交流学习心得安排下一次实验的准备工作，准备下