手部康复结构设计 - 林铭.doc
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1、-1-康复服务机的结构设计康复服务机的结构设计手部康复结构设计手部康复结构设计学学院:院:工业自动化学院工业自动化学院专专业:业:机械工程机械工程姓姓名:名:林铭林铭学学号:号:160406102702指导老师:指导老师:曾亮华、周旭东曾亮华、周旭东 职职称:称:讲师、工程师讲师、工程师中国珠海二二零年五月-2-诚信承诺书诚信承诺书本人郑重承诺:本人郑重承诺:我所呈交的毕业论文手部康复结构设计是在指导教师的指导下,独立开展研究取得的成果,文中引用他人的观点和材料,均在文后按顺序列出其参考文献,论文使用的数据真实可靠。承诺人签名:林铭日期:2020年 5 月 10 日-3-摘要摘要脑卒中又称中风
2、,被认为人类健康三大杀手之一,中风后致使肢体偏瘫无法实现生活正常活动的几率有百分之五十以上,中风的患者在中老年人的人群中占得比重较大。随着社会老龄化程度越来越严重,中老年人的健康问题被社会各界广泛关注,所以上肢运动的康复已成为中风患者关注的焦点。随着社会的发展和科学技术的进步,机器人技术已经被应用到上肢康复训练的领域中。目前,国内外上肢康复机器人的研究已有了很大的成果,但是仍存在一些问题比如结构复杂、携带不便、集成度不高等,本课题提出了一套包含手指在内的便携式外骨骼上肢康复机器人,来帮助脑卒中患者进行简单的康复运动训练。基于电机驱动设计出多个连杆机构组成的康复训练机器,可实现肩关节及大臂的伸屈
3、、肘关节及小臂的伸屈,并使用同步带来实现手臂内外旋功能。该设计不仅能够各个部分一起进行康复训练,也能够针对性地对某个关节进行康复运动训练,这大大提高对不同患者的使用针对性。通过使用 solidworks 进行建模,对各个机构进行对应的仿真,是机构能够呈现出合理的运动趋势。关键词:上肢康复,连杆机构,同步带,solidworks-4-AbstractAlso known as stroke,stroke is considered one of the three big killers humanhealth,causing limb hemiplegia after a stroke can
4、 not carry out normal life activitiesof risk more than fifty percent,a stroke in the elderly patients account for largerproportion of the crowd.Along with the social aging degree is more and more serious,the elderly health problem is widespread attention from all walks of life,so therecovery of uppe
5、r limb movement has become the focus of stroke patients.With the development of the society and the progress of science and technology,robot technology has been applied to the fields of upper limb rehabilitation training.At present,the study of upper limb rehabilitation robots at home and abroad hav
6、emade great achievements,but there are still some problems such as complicatedstructure,inconvenient to carry,integration is not high,this topic put forward a set ofportable exoskeleton upper limbs rehabilitation robot,including fingers to help strokepatients with simple rehabilitation exercise trai
7、ning.Based on motor driver designed multiple linkage of rehabilitation trainingmachine,may realize the shoulder joint,and a large arms flexed,flexed elbow andforearm,wrist curl and finger knuckles flexed.This design not only can the parts withrehabilitation training,and can also be targeted on a joi
8、nt rehabilitation exercisetraining,which greatly improved the use of different patients.By using the solidworks modeling,to the corresponding simulation of variousagencies,is institutions can present a reasonable movement trend.Key words:upper limb rehabilitation,linkage,Synchronous belt,solidworks-
9、5-目录目录摘要Abstract第一章第一章 绪论绪论.-1-1.1课题研究的背景和意义.-1-1.2国外研究现状.-1-1.3国内研究现状.-2-第二章第二章人体上肢康复机构原理方案设计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.-5-2.2 上肢康复机构总体方案设计.-6-2.2.1 上肢康复机构总原理.-6-2.2.2 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.-7-2.3.2 肩关节及大臂的内外旋结构.-7-2.3.3 肘关节及小臂伸
10、屈结构.-8-第三章第三章 结构尺寸的确定结构尺寸的确定.-9-3.1 肩部横梁结构设计.-9-3.2 同步带的设计.-11-第四章第四章 三维建模及装配三维建模及装配.-14-4.1 SolidWorks 软件的基本介绍.-14-4.2 建模与装配的过程.-14-4.2.1 升降柱及箱体.-14-4.2.2 肩及大臂机构部件建模.-14-4.2.3 肘及小臂机构部件建模.-15-4.2.4 总体三维装配建模.-16-第五章第五章 有限元分析有限元分析.-17-5.1 有限元分析.-17-5.2 应力约束的设定.-17-5.3 添加载荷.-17-5.4 生成网格.-17-5.5 选择材料.-1
11、8-5.6 运行结果及分析.-18-参考文献参考文献.-20-1-第一章第一章 绪论绪论1.1 课题研究的背景和意义课题研究的背景和意义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。1.2 国外研究现状国外研究现状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
12、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。图 1-1 MIT-MANUS 康复机器人系统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,已经能够实现五个自由度的主动辅助运动:
13、肩部伸/屈、肩部外旋、肘部伸/屈、前臂旋前/旋后、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-2-受损中枢神经系统的回复和重塑。图 1-2 RUPERT-IV 上肢康复机器人1.3 国内研究现状国内研究现状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
14、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。图 1-3 上肢仿生康复机器人整体机构-3-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-4-第二章第二章人体上肢康复机构原理方案设计人体上肢康复机构原理方案设计2.1 人体上肢康复
15、机构总体方案人体上肢康复机构总体方案2.1.1 人体上肢运动分析人体上肢运动分析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。图 2.1 肩、肘关节运动形式表 2-1 肩、肘、腕关节运动范围运动类型自由度极限范围肩关节
16、及大臂水平面内收(0,50)水平面外展(0,130)竖直面上抬(0,90)竖直面下摆(0,135)内旋(0,60)-5-运动类型自由度极限范围肩关节及大臂外旋(0,60)肘关节及小臂屈曲(0,145)伸展(0)2.1.2 上肢人体尺寸上肢人体尺寸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
17、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参考值(mm)大臂长313小臂长237肘关节到掌心长100坐姿肩关节到地面距离1011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。-6-表 2.3上肢各个关节机构的载重载重部位载重范围(kg)肩关节及大臂0 2.12肘关节及小臂0 1.2手部0 0.72机械臂末端0 12.2 上肢康复机构总体方案设计上肢康复机构总体方案设计2.2.1 上肢康复机构总原理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
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- 手部康复结构设计 林铭 康复 结构设计
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