毕业设计（论文）-上肢康复机器人设计.docx

论文题目学院机械工程学院年级或专业机械电子工程学生姓名学号指导教师学术诚信承诺本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导卜进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得佳木斯大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：关于论文使用授权的说明本人完全了解佳木斯大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复卬件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制于段保存论文.签名：导师签名：口期：摘要本文针对偏瘫患者的康豆问题，设计了一款外骨骼型可穿戴上肢康复机器人。主要内容有：查阅最新的上肢康更机器人相关资料，了解国内外发展进度和顶尖技术。根据人体上肢解剂学中的人体结构和运动关节的主要特征进行分析，然后根据研究结论，简化抽象出所要设计的人体上肢运动学模型，选取关键部位对应的自由度，并确定r各自由度对应的运动范围，综合考虑选定肩部和肘部共三个自由度进行机器人设计.根据人体上肢的基本尺寸,确定结构参数，先对整个机架进行结构设计，然后选定三个自由度对应的传动方案，并选择电机，进行传动比的分配，最后对传动方案中用到的关键部件进行选型计算。然后进行二维和三维图绘制，最后根据SO1.idWorkS三维装配图进行运动仿真。结尾部分评价了本次设计的康爱机器人的优点及不足。关键词：上肢康复机器人：结构设计：电机选型；传动比计算；齿轮设计计算AbstractIn(hispaper,ancxoskc1.cton-typcwearab1.eupper1.imbrehabi1.itationrobotisdesignedfortherehabi1.itationofhemip1.egicpatients,and(herobotstructureisdesigned.Themaine1.ementsarc.First,the1.atestinfb11nationaboutupper1.imbrehabi1.itationrobotswasreviewed(ounderstandhedeve1.opmentprogressandtoptechno1.ogiesathomeandabroad.Thehumanupper1.imbanatomywasana1.yzedaccording(othemainfeaturesofhumanstructureandInO1.ionjoints,andthenthekinematicmode1.ofthehumanupper1.imbtobedesignedwassimp1.ifiedandabstractedaccordingtotheresearchfindings.1hedegreesoffreedomcorrespondingtothekeypartswerese1.ected,andtherangeofmotioncorrespondingtoeachdegreeoffreedomwasdetermined,andatota1.ofthreedegreesoffreedomoftheshou1.derande1.bowwerese1.ectedfortherobotdesignbasedoncomprehensiveconsideration.Accordingtothebasicdimensionsofthehumanupper1.imb,thestructura1.parametersweredetermined,andthestructura1.designofthewho1.eframeWaScarriedOU1.first,Ihcnthet11nsmissionschemecorrespondingtothethreedegreesoffreedomwasse1.ectedandthemotorwaschosenandtheIransmissionratiowasassigned,andfina1.1.ythekeycomponentsusedin(hetransmissionschemewerese1.ectedandca1.cu1.ated.Thenhe2Dand3Ddrawingsaremade,andfina1.1.ythemotionsimu1.ationis>erto11nedaccordingto(heso1.idworks3Dassemb1.ydrawing.T1.ieconc1.udingparteva1.uateseadvantagesandshortcomingsofthisdesignedrehabi1.itationrobot.Keywords:UPPerIimbrehabi1.itationrobot;structura1.design：motorse1.ection:transmissionratioca1.cu1.ation:geardesignandca1.cu1.ation目录摘要IAbs1.nictII第1章绪论I1.1 课题的研究背景及意义11.2 上肢康熨机涔入国内外发展现状11.2.1 国外对上肢康匆机器人的研究I1.2.2 我国上肢康史机器人发展现状31.3 上肢康复机器人的现状分析41.4 本文主要的研究内容5第2克人体上肢分析和设计要求62.1 人体上肢的组成62.2 人体上肢主要完成的动作623上肢康复机器人设计要求72.4 本章小结8第3章机器人驱动方案设计和结构设计93.1 驱动方案的设计93.1.1 机器人的肩关节前屈后伸6,设计93.1.2 肩关节内外旋7IO3.1.3 肘关节。，伸缩123.2 传动比的计算与分配133.3 机器人总体机械结构133.4 本章小结14第4克关键零部件的计算与选型154.1 电机的选型154.1.1 肩部旋转模块%电机选型154.1.2 肩部内外旋62电机选型164.1.3 肘部伸缩?电机选型164.2 减速器的计算与选型174.3 同步带的选型与计笄174.4 大小齿轮的选型与计算194.5 键齿轮的选型与计算244.6 本章小结26结论27致谢28参考文献30第1章绪论1.1 课题的研究背景及意义在中国人口老龄化、自然灾害不断和各种突发争故的共同影响下,由中风、脑外损伤、有他帙伤等原因导致的残疾人口的数量正在迅速上升。因此医疗机构对康亚设备的需求在不断增加。然而，我国由于对康复涔材的研究起步较晚，现有的智能康亚医疗设备非常匮乏，康复器材明显不足，而且国内医院及康发机构常用的传统康史治疗方法存在若一些缺点，如人员数量消耗太大、康更周期过长、恢复效果不显著等。康豆机器人技术的应用可以有效解决传统康笈方法的不足。本文聘设”一台可穿戴外骨骼式上肢康复机器人，帮助患者实现伤体锻炼及恢复，可以大大减少患者自身锻炼的痛苦和解决摊疾者康夏问题.，1.2 上肢康复机器人国内外发展现状随若近几年来智能控制技术，智能制造技术和机器人技术的不断完善、结合和发展，我国正在加快推进人工智能领域的创新，困绕医疗、保健、养老等民生方面的急需并力主将推广应用r现实，努力为公众提供更加个性化、多样化、高品质的服务，以便让广大人民群众最大限度地享受到优痂服务和更便捷的生活，让受伤面临康友的病人得到最有效的康史锻炼.也为了应对我国人口老龄化的现状和医疗资源需求增长和国内康复器材不足的窘境，其中研究发展速度较快的仃多功能型辅助康复类的机器人，已经投入使用，逐渐成为我国临床康第治疗的重要技术手段之%国内外相关领域的学者正在加紧研究和发明用于人体康比的机器人。美国、英国和加拿大早在20世纪80年代初就开始了针对将机器人用在人体横史领域的研尢，他们在康亚机器人的研究方面位居世界前列口川。到目前为止，所有已经出现的人体上肢康爱机涔人总的可以划分为末端牵引式上肢康复机器人和外骨骼穿蜿式上肢康或机器人这两类向久1.2.1 国外对上肢康复机器人的研究如图1-1所示，韩国某研究所最新推出的种手指恢复型机器人,它能够同时进行多个手指关节活动训练和多个手指握力的训练,其特点是结构简雌,体枳轻小，便于随身携带,适宜于家庭及医院的康亚中。其中一个压力传感器是直接安装在手臂握把处，可以对偏瘫病人的握手情况进行实时检测，也就是可以让我们第一时间准确检测得到偏瘫病人的运动意向，从而引导患者进行主动健身恢宏训练:外部的支架上有个红外光学传感展它可以让病人通过检查握杆与拉伸之间的距离，从而控制握力运动的方向和行程，保障病人进行安全的健身康及锻炼。图1-1弊国研究院手指康复机器人美国华盛顿大学医生Perry及其他的研究人员团队研发了一种被人们称为CaCaden7的新型人体上肢智能康及医疗机器人。它的外部功能组成以及构造设计如卜.图1-2所示，它其实是一款外部结构具有7个主要关节外部自由度的外骨骼式运动康复医疗机器人,其中七个主要关节的外部自由度主要功能表现分别为大群肩部的向外屈伸及旋内向外、大臂的向内旋转、时部的向外屈伸、前臂的向外旋转及大普外展内收。cadcn-7除了大、小普的动力转动外，其他各种传动机构的绳驱动器和控制操作方式都是直接采用移动绳子的方式进行动力驱动，因此所设计的系统重量较轻.多功能自由度康兔机构的整体设计可以让我们本身更真实地用往兔进行模拟我们身体上肢的康兔运动，从而可以让我们很好地实现对我们身体上肢的肩部、肘部、腕部等处的运动康中的锻炼.图1-2华金事大学上肢康复机人Ci-7如图1-3所示，斯坦福大学研尢者开发的上肢康史机器人MIME（镜像运动使能器），它可以自主地进行人类上肢的镜像运动,完成左右肢体的互换。它配备了个机罂人控制系统，可以收集病人健康上肢手臂的运动数据，与患病的手臂进行匹理，然后使用机器人进行康匆运动。图1-3上肢康震机4»人MDE1.2.2 我国上肢康复机器人发展现状在国内，哈尔滨工业大学和华中科技大学在上肢康亚机涔人领域已经取得了一定的进展。哈尔滨工业大学发明了一种外骨骼型上肢康发机器人，它包含有五个自由度。如图1-4所示,它可以在左臂和右臂之间互换。此外,华中科技大学还系统研究了一个上肢气动康复机器人，用气动肌肉控制，如图1-4所示。图14哈尔滨工业大学5-D0F康复机人图1-5气动肌肉驱动的上肢康复机卷人1.3 上肢康复机器人的现状分析综观国内外现状，上肢康复机器人的研发取得了一定的进展和突破，所研发的上肢康复机器人在设计和使用上都有各自的特点。以下是对上肢康爱机器人在设计和操作方式上的不同特点的比较.(1)按设计分类康狂机器人主要按照其具有的自由度m进行分类，单自由度机器人只能对患者进行个单关节的康宓和训练,例如进行手腕或者肘部的健身康比，这不是合理有效地对患者进行康宓训2东。与只有个自由度的康览机器人相比，具有两个自由度的上肢康第机器人可以将病人的伤体恢纪带到一个更高旦完善的康城水平，具有更大的灵活性。具有三个或高于三个自由度的健身康友机器人能够进行三维或空间运动，发展比较成熟,还可以进行左右手臂的镜像运动。用于上肢康爱的多自由度机器人类似于工业机潜人，它们效率更高，可以完成更复杂的康或动作，并提供不同的康爱训练模式U1.(一)按驱动方式分类根据用于康旦机器人实现动力传动的驱动方式的不同，大概可以分为以下三种