上肢康复机器人结构毕业设计及仿真运动

摘要
康复机器人是康复设备的一种类型，康复机器人技术早已广受世界各国科研工作者和医疗机构的普遍重视，其中以欧美和日本的成果最为显著。

在我国康复医学工程虽然得到了普遍的重视，但是康复机器人研究仍处于起步阶段，一些简单康复器械远远不能满足市场对智能化、人机工程化康复机器人的需求，有待进一步的研究和发展。

本文从使用的角度对人体上肢的运动原理进行了分析，设计出了一种坐式上肢康复训练机器人，用于心脑血管疾病致瘫或者意外事故所造成上肢损伤的患者作上肢及其相关关节的康复训练。

本设计的康复机器人机身是由放置于平台上的机座，两根可伸缩的立柱和上横梁及其手柄组成，并在其各个组成部分上分别装上上肢屈伸机构、前后摆机构、分合机构和手腕旋转机构；各运动机构由单独的电机和减速器驱动，而传动机构的主件分别是传动轴、丝杠螺母副、同步齿形带传动副。

康复机器人的立柱主要采用薄壁套筒，这样既减轻了重量，也使得丝杠螺母副能构得到套筒的固定和定位。

整个设计主要要注意的主要问题是减重和减噪，避免整体结构过于庞大笨重。

关键词：康复；上肢；结构设计；减重；噪音
ABSTRACT
Rehabilitation robot is a type of rehabilitation facilities. Rehabilitation robotics have long been well received by the world scientists and the general importance of medical institutions, in which Europe and the United States and Japan, the results are the most significant. Medical Engineering in our country has been received widespread attention though, and rehabilitation robotics still in its infancy, some simple rehabilitation equipment is far from meeting intelligence, ergonomics of the rehabilitation robot needs to be further research and development.
This perspective on the human body from the use of upper limb movement principle is analyzed，the seated upper extremity rehabilitation robot is designed , for the paralysis caused by cardiovascular diseases or accidents. The design of the rehabilitation robot body is placed on the platform base, two scalable columns and beams of the handle on the composition and its components are installed on the upper limb flexion which include separate and close agency, before and after agency, lifting agency and the wrist rotation agency; the every movement is driven by the separate drive motor and reducer, and the main parts are the shaft, screw nut pairs, timing belt, deputy.
Rehabilitation robot column mainly adopts the thin wall sleeve, so as to reduce weight, also makes the lead screw nut pair can be fixed and the positioning sleeve. The design of the main attention to the major problem is the weight loss and noise reduction, avoid the whole structure is too bulky.
Key words：rehabilitation；upper limb；structural design；Weight loss; noise
目录
摘要 (I)
ABSTRACT (1)
目录 (2)
第1章绪论 (3)
1.1概述 (3)
1.2康复机器人的国内外研究现状 (4)
1.3上肢康复机器人系统的发展前景 (7)
1.4本课题主要研究内容 (8)
第2章总体结构方案设计 (9)
2.1总体方案设计 (9)
2.2康复机器人框架造型的设计 (12)
2.3本章小结 (13)
第3章伺服元件选择 (14)
3.1电机选择 (14)
3.1.1升降机构电机选择 (14)
3.1.2 前后摆机构电机选择 (15)
3.1.3 分合机构电机选择 (16)
3.1.4手腕转动机构电机的选择 (17)
3.2联轴器选择 (17)
3.3蜗轮蜗杆减速器的选择 (18)
3.4本章小结 (18)
第4章机械机构设计与计算 (19)
4.1丝杠设计 (19)
4.2锥齿轮设计 (20)
4.3同步齿形带设计 (22)
4.4轴设计与校核 (24)
4.5轴承校核 (27)
4.6键选择及校核计算 (28)
4.7本章小结 (29)
结论 (30)
参考文献 (31)
致谢 (33)
第1章绪论
1.1 概述
据报道，我国60岁以上的老年人已有1.43亿，占全国人口的11％，到2050年将达到4.37亿。

在老龄人群众中有大量的脑血管疾病或神经系统疾病患者，这类患者多数伴有偏瘫症状[1]。

近年由于患心脑血管疾病使中老年患者出现偏瘫的人数不断增多，而且在年龄上呈现年轻化趋势。

与此同时，由于交通运输工具的迅速增长，因交通事故而造成神经心痛损伤或者肢体损伤的人数也越来越多。

在我国数以百万计的有神经科疾病病史和受到过意外伤害的患者需要进行康复治疗，仅以中风为例，每年大约有600，000中风幸存者，其中的二百万病人在中风后存在长期的运动障碍。

随着国民经济的发展，这个特殊群体已得到了更多人的关注，为了提高他们的生活质量，治疗、康复和服务于他们的产品的技术和质量也在相应地提高。

随着机器人技术和康复医学的发展，在欧洲、美国和日本等国家，医疗康复机器人的市场占有率呈逐年上升的趋势，仅预测日本未来机器人市场，2005年医疗、护理、康复机器人的市场份额约为250，000美元，而到2010年将上升到1，050，000美元，其增长率在机器人的所有应用领域中占据首位。

因此，服务于四肢的康复设备的研究和应用有着广阔的发展前景[2]。

康复机器人是康复设备的一种类型。

康复机器人技术早已广受世界各国科研工作者和医疗机构的普遍重视，其中以欧美和日本的成果最为显著。

在我国康复医学工程虽然得到了普遍的重视，而康复机器人研究仍处于起步阶段，一些简单康复器械远远不能满足市场对智能化、人机工程化的康复机器人的需求，有待进一步的研究和发展。

由于康复训练机器人要与人体直接相连，来带动肢体进行康复训练，所以对驱动器的安全性、柔性的要求较高。

康复肢体运动功能用机械肢体组合系列机器人,是多种同类机器人属于机器人领域,解决了本人发明的实用新型专利半身不遂患者康复学步机,只能带动人的大小臂大小腿康复运动功能,而不能带动手脚各关节运动的重大不足,主要技术特征是将半身不遂患者康复学步机略加改进后,在学步机的小臂绞链杆上安装了可以带动人手腕关节手指各个关节都能运动的机械手托板,在小腿铰链杆上安装了可以带动人脚踝脚指各个关节都能运动的机械脚托板后实现的,用途是康复肢体运动功能,带动患肢的各个关节、每块骨骼、每块肌肉、每个筋键、每条神经都在作患者万分渴望而大脑又支配不了的动作,通过较长时间的被动运动锻炼,最终使残疾人患肢的主动运动功能得到康复。

本课题的研究目的是设计一种坐式上肢康复训练机，用于心脑血管疾病致瘫或意外事故所造成的上肢体损伤的患者左上肢及相关关节康复训练。

1.2康复机器人的国内外研究现状
康复机器人是一种自动化医疗康复设备，它以医学理论为依据，帮助患者进行科学而有效的康复训练，使患者的运动机能得到更快更好的恢复。

目前，康复机器人已经广泛地应用到康复护理、假肢和康复治疗等方面，这不仅促进了康复医学的发展，也带动了相关领域的新技术和新理论的发展。

康复机器人有两种：辅助型康复机器人和康复训练机器人[3]。

辅助型康复机器人主要是帮助肢体运动有困难的患者完成各种动作，该类产品有机器人轮椅、机器人护士、机器人假肢、机械外骨骼等。

康复训练机器人的主要功能是帮助患者完成各种运动功能的恢复训练，该类产品有行走训练、手臂运动训练、脊椎运动训练等。

康复机器人是康复医学和机器人技术的完美结合，康复机器人技术在欧美等国家得到了科研工作者和医疗机构的普遍重视，许多研究机构都开展了有关的研究工作，近年来取得了一些有价值的成果。

对于中风、偏瘫、上肢运动机能损伤等患者来说，上肢康复训练机器人有着很好的治疗效果。

国内外许多研究机构都在这方面取得了不错的研究结果。

目前，康复机器人的研究主要集中在康复机械手和康复治疗机器人等几个方面[16]。

1、康复机械手的研究现状
设计康复机器人最初的一个目的就是在残疾人和环境之间放置一个机械臂，通过这个机械臂来部分或全部的实现操作功能，按机械臂的安装位置划分，康复机械手可分为3类：
（1）基于桌面的机械手[4]。

种机械手安装在一个彻底结构化的控制平台上，在固定的空间内操作，具有足够自由度的串联机器人再配上适合残疾人使用的人机界面是这种机器人典型的设计模式。

目前此类机器人已经达到了实用化，如法国CEA公司开发的MASTER系统、美国的Tolfa Corportion开发的DEV AR系统，以及英国的Oxford Intelligent Machines Ltd.开发的RAID系统等。

此种类型的机械手是早期的工业机器人在康复系统领域内的一次成功应用。

1987年，英国人Mike Topping研制了Handy1康复机器人，使一个患有脑瘫的11岁男孩第一次能够进行独立就餐。

随后他对样机进行了改造，也使得Handy1成为历史上最成功的康复机器人。

图1.1是Handy1康复机器人原型，图1.2是康复机器人正在对患者进行康复训练。

（2）基于轮椅的机械手。

这种机器人是安装在轮椅上的，是因为轮椅的移动扩大了机械手的工作范围，同时由于安装基座的改变致使机械手的刚性下降和抓取精度的降低，这种机械手也只是用于用于轮椅的患者，这是一点不足。

这种机械手已经成为
面向应用的流行设计，KARES[5]系统，就是一种基于轮椅的机械手系统，在电动轮椅上安装了一个六自由度的机械手，能够帮助行动不便的老人和残疾人独立的行动。

随着只能轮椅的研究发展，这种机械手也将会有很广泛的发展和应用。

图1.1Handy1 图1.2工作中的Handy1 （3）基于移动机器人的机械手。

这类机械手是目前最先进的康复机械手，这种机械手安装在移动的机器人或者半自主的小车上从而适用于更多的患者使用，同时扩大了机械手的活动空间并提高了抓取的精度。

S. Tachi等人在MIT日本实验室研制了一种移动式康复机器人MELDOG[6] ，作为“倒盲狗”以帮助盲人完成操作和搬运物体的任务。

法国Evry大学研制了一种移动式康复机器人ARPH[7]，使用者可以从工作站实施远程控制，使移动机器人实现定位和抓取工作。

这种机械手系统都是需要由视觉、灵巧操作、运动、传感、导航及系统控制等电子系统组成，要求比较高，价格也是相对的比较昂贵。

2、康复治疗机器人研究现状
康复治疗机器人是康复医学和机器人技术的完美结合，不再把机器人当作辅助患者的工具，而是把机器人和计算机当作提高临床康复效率的新型治疗工具。

康复治疗机器人在医疗实践上主要是用于恢复患者肢体运动系统的功能。

按运动系统的问题可以划分为2类：一类是生物力学或生物物理化学类型的应用，另一类是运动学习[8]。

当人的肢体受外伤烧伤或做手术后，由于受伤组织的皮肤、韧带和肌肉失去弹性而导致肢体运动的速度和范围受到限制[9]。

生物力学或生物物理化学类型的应用就是使用机器人系统来打破受伤肢体的运动范围。

运动技能的学习或再学习，这是一个囊括了竞争运动控制理论、训练技术和人机接口问题等诸多方面的复杂问题。

（1）CPM机[10]。

CPM机时利用康复医学中连续被动运动（Continuous Passive
Motion\CPM）的基本原理对受伤肢体进行康复治疗的机械装置，是目前前为止唯一的一个机器人生物力学或生物物理化学类型的应用的例证。

早在20世纪60年代初期就有医学团体运用CPM机进行术后康复治疗的医学实践，此后也有用于膝、肩、肘关节等康复的CPM机出现。

单手刀技术水平限制，长期停留在“打关节”康复范围。

目前,市场上已经有了用于腕关节和手指关节这样的“小关节”康复的CPM机,但他们还不能像“大关节”CPM机那样实现精确的控制。

（2）神经运动康复治疗机器人[11]。

目前这一类机器人的研究比较活跃,用来康复治疗与神经运动有关的疾病, 包括中风、帕金森氏病和大脑性麻痹(Cerebral Palsy) 。

美国麻省理工学院研制了一种帮助中风患者康复治疗的机器人MIT-MANUS ,它有 2 个自由度,可以实现病人的肩、肘和手在水平和竖直平面内的运动。

在治疗过程中,把中风病人的手臂固定在一个特制的手臂支撑套中,手臂支撑套固定在机器人臂的末端。

病人的手臂按计算机屏幕上规划好的特定轨迹运动,屏幕上显示出虚拟的机器人操作杆的运动轨迹,病人通过调整手臂的运动可以使两条曲线尽量重合,从而达到康复治疗的目的。

如果病人的手臂不能主动运动,机器人臂可以像传统康复医疗中临床医生的做法那样带动病人的手臂运动。

图1.3为MIT-MANUS [12]在治疗中风病人。

图1.3中风病人在用MIT-MANUS 治疗
（3）基于虚拟环境的康复医疗训练机器人系统[13]。

为了鼓励患者进行康复训练，提高康复训练的效果，在训练过程中吸引患者的兴趣是一个主要方面。

虚拟环境技术的发展使这种思想得以实现，研究者们采用基于虚拟环境的用户界面，通过一些小游戏鼓励患者进行主动训练。

基于虚拟环境的康复训练通常与网络相结合，因此，不仅具有远程康复机器人系统的优点，还提高了患者进行康复训练的能动性。

图1.4远程康复医疗训练机器人系统结构
1.3 上肢康复机器人系统的发展前景
目前的康复机器人都能够在一定程度上向患者提供简单的训练方案，研究结果表明机器人辅助治疗确有一定疗效。

从现有文献及临床需要来看，今后上肢康复机器人系统的研究可能集中在以下几个方面：
1. 康复医疗机器人系统设计：机械设计是康复训练机器人系统的基础，应尽量简洁轻巧，具有一定的灵活性，提高训练动作的种类，增大动作幅度，在三维空间内对患肢各个关节进行训练；同时发展―多路复用‖的网络康复医疗机器人系统，提高资源利用率。

2. 控制策略与运动模式的设计由于患者的病情千差万别，因此，机器人要感知患肢状态(力量和位置)并采取相应的训练模式和控制策略，在控制系统适应性和稳定性、传感器技术应用、系统辨识和控制算法设计等方面需要作更深入的研究。

3. 力反馈：机器人应该能够实时检测患者与机器人之间的相互作用力，在患者主动能力不足时提供更大的辅助，而在患者有能力完成动作时，适当减小辅助甚至施加阻力，以便充分发挥患者残存的功能。

4. 安全机制：安全问题是康复机器人设计过程中的一个重要方面，康复训练机器人必须根据临床康复训练的基本动作和安全性的要求，在设计中除了考虑机器人的功能实现外，还要防止患肢二次损伤，必须从机构设计(硬件)和控制系统(软件)两个方面保证康复机器人系统的安全性。

5. 康复效果的评价机制：与肌电信号检测相结合，探索训练参数与康复效果之间的关系，提高训练效果。

大量实验的基础上，探索临床康复的初步规律，并建立新的康复评估方法，从而对运动功能的康复机制重新评估和理解。

机器人具备许多人类所无法比拟的优点，例如：长期、稳定地重复训练，精确、客观地测定训练与运动参数，提供实时反馈、远程训练等。

但是，目前康复训练机器人的研究仍然处于起步阶段。

从近年的发展看，美国的著名大学如MIT，Stanford，Northwestern等对这一领域的研
究都十分重视，处于世界领先。

国内的研究基础和对这一领域的了解和把握与上述领先单位的差距并不很大，但在经费投入方面严重不足。

由于我国的康复医学事业仍然处于起步阶段，但患者数量多、治疗师资源缺乏，据此现状，发展康复训练医疗机器人系统更具实际意义。

随着康复医疗机器人的研究和使用，有望简化医师与患者―一对一‖的繁重治疗过程，推动残疾人―人人享有康复服务‖这一目标的实现，提高残疾人的生活质量。

同时，通过临床上使用积累的大量数据，将有助于认识训练参数与康复效果之间的关系，从而能够在机器人辅助脑神经康复治疗上取得更大的突破。

因此，康复医疗训练机器人技术在现代康复医学和神经反馈训练有广泛的应用前景。

1.4本课题主要研究内容
本实用“上肢康复机器人”的机身是由放置于地面上的基座、两根可以伸缩的立柱和上横梁组成，并在其各组成部分上分别装配上肢前后摆动机构上肢屈伸机构和上肢分合机构；各运动机构由单独的电机和减速器驱动，而传动机构的主件分别是传动轴、丝杠螺母副、同步齿形带。

在单片机的控制下，实现患者的上肢前后摆、屈伸、分合运动以及手腕的转动康复训练；也可启动部分电机，完成其中的部分康复训练[14]。

具体内容如下：
1、首先对上肢康复训练机器人进行原理分析，然后选择合理的设计方案，进行总体结构设计；
2、康复机器人上肢前后摆结构设计及康复机器人屈伸机构设计
3、分合机构设计及手腕转动机构设计
4、设计出系统的零部件，完成驱动原件和标准件的选择和校核，主要包括丝杠、齿轮等机构的设计计算。

确定结构尺寸，形状，材料，动力等参数，对齿轮、主轴、轴承进行必要的校核、验算；
5、手绘和计算机绘制相结合，绘制整体装配图及主要零部件的零件图；
第2章总体结构方案设计
本设计的主要工作是设计一个用于上肢康复的机器人，能够实现对上肢的上下、屈伸、分合以及手腕转动的康复训练[14]。

就本设计而言，设计的主体是两根可升降的立柱，放于地面与立柱相连的机座、横梁、与机座相连的立柱座、同步齿型带及带轮等等。

本章将对“上肢康复机器人”的结构设计及机械结构作出详细的分析和设计。

2.1 总体方案设计
该康复机器人将采用电力驱动，用电机驱动来实现各个功能，对上肢进行康复训练。

总体方案为：
机身由平台上面的机座、两根可伸缩的立柱、横梁以及手柄组成，并在其各组成部分上分别装上上肢前后摆机构、上肢屈伸机构、上肢分合机构和手腕转动机构；各运动机构有单独的电机和减速器驱动；传动机构的主件分别是传动轴、丝杠螺母副以及同步带传动副。

在康复机器人结构设计中，立柱主要由三部分组成，内套筒、外套筒和丝杠螺母副，此外还有用于固定丝杠螺母副用的轴承套等附属结构。

立柱的外套筒通过螺栓与立柱轴承套和立柱座连接在一起，丝杠通过装在轴承套中的两个角接触球轴承定位和固定。

在立柱套筒的定位中，通过止口来实现精确定位。

为了保证整个康复机器人的结构的稳定，各个零部件的垂直度，表面粗糙度都一定要达到设计的要求[15]，这样才能使真个结构在运动的过程总不会出项卡死之类的现象，同时也减小了噪声。

此外，立柱的电机通过加腹板的电机支承架固定，支架通过螺钉固定在立柱座上
图2.1前后摆机构运动简图
面，这样，电机和立柱就连接在一起，在前后摆的过程当中，整个立柱就能随着电机的转动而一起运动。

同时，支承架的垂直度也要达到精度要求，这样才能使电机轴与传动轴的同轴度达到所需的要求。

1、前后摆机构设（如图2.1所示：）
康复机器人前后摆机构主要的功能是对患者的上肢进行前后摆康复训练。

在设计的中，前后摆要满足一下两个要求：一是摆动的角度要足够大，能够对患者上肢的肩关节、肘关节进行充分的康复训练；二是整个机构的稳定性、安全性要好，在对患者进行康复训练的过程中，能够在任何位置实现安全的停止。

因此，上肢前后摆机构装在基座上，由直流电机、减速器、涡轮蜗杆、传动轴、轴承座等组成。

其中直流减速电机固定在底座平天上，通过联轴器将其与涡轮蜗杆连接在一起，再通过联轴器将涡轮蜗杆与传动轴连接在一起；两根可伸缩的立柱通过键与轴而将其固定于轴承座上。

这样通过单片机控制电机，电机的带动传动轴，就可实现对上肢前后摆的康复训练。

在实现前后摆动的过程当中，涡轮蜗杆能够对机构实现自锁，使整个结构的稳定性、安全性大大的增加。

前后摆电机通过滑块型弹性联轴器与蜗杆减速器相连，蜗杆减速器通过HL型柱销弹性联轴器与传动轴相连。

前后摆传动轴通过键与立柱座连接，其中立柱座与机座之间用套筒隔开，留有5mm的间隙。

整体结构较大，但是重量不大，此外轴承处要注意润滑。

2、屈伸机构设计
图2.2屈伸机构运动简图
康复机器人的屈伸机构是实现对患者上肢进行屈伸康复训练，以达到对患者肩关节肘和肘关节的康复目的。

设计时，要使患者的上肢能够得到足够充分的空间进行屈伸训练，因此，上肢屈伸机构借助左右对称布置的两根可伸缩的立柱来实现这个目的。

可伸缩立柱由立柱座（箱体）、外套筒、内套筒组成；而使之伸缩的机构包括直流电机、锥齿轮副、丝杠螺母副。

其中丝杠螺母副通过一对角接触球轴承固定，轴承外圈通过挡圈与立柱座（箱体）和外套筒，借助法兰盘，用螺栓连接；内套筒插装在
外套筒内，通过螺母与丝杠连接在一起，组成丝杠螺母副。

在丝杠的带动下，在立柱套筒内沿轴向滑动。

穿过侧壁的传动轴带动左右的齿轮副，带动丝杠同步的转动，从而实现内套筒在立柱内同步的向上下滑动，实现上肢的屈伸屈伸康复运动。

同时，为了使立柱内套筒能够安全的停止在任何一位置，设计丝杠时需让丝杠具有自锁的功能，让患者可以在任何一位置进行其他的康复训练。

在前后摆的机构中，主要有两个零部件，一个是与立柱连接的立柱座，另一个就是康复机器人的机座。

立柱座是将前后摆机构和升降机构连接在一起的关键部件，在里面安装有锥齿轮运动副，其目的是改变传动链的传动方向，使立柱实现上升下降，实现患者的上肢屈伸康复训练。

与此同时，箱体的下端，通过键将其与一根传动轴相连，在前后摆减速电机的带动下，通过能够实现自锁的蜗杆减速器，使整个结构能够发生前后摆运动，用以实现患者上肢的前后摆康复训练。

3、分合机构设计
图2.3分合机构运动简图
分合机构是用来对患者进行上肢分合康复训练而设计的。

在设计的过程当中，应当注意减噪的设计，并且要留有足够大的空对患者的上肢进行分合康复训练。

由于整个康复机器人的结构尺寸比较大，所以分合机构衡梁也需要注意尽量减小重量，所以，衡梁的材料采用硬质铝合金。

经过充分的考虑，上肢分合运动的机构借助安装在横梁上带传感器的直流减速电机、同步齿形带传动副、光感滑轨和把手来实现。

其中横梁分别与立柱内套筒上端通过螺栓连接在一起，直流减速电机借助法兰盘分别固定在横梁的左右两端。

通过挡板和螺钉，将同步齿形带带轮固定在电机轴上，另一端通过轴和轴承将带轮固定在横梁的中部。

这样就将左右带传动副固定在了横梁上。

同时，一根光杆滑轨固定于横梁的左右段机构中。

把手贯穿于光杆滑轨，并与同步带连接在一起，启动电机，就能够实现上肢的分合康复训练。

在康复训练中，两根立柱在升降的过程中，难免会出现细微的传动误差，致使左右两根立柱的升降不同步，从而对整个机构造成破坏，因此，在横梁的一端，通过圆柱销的铰连接，用以消除这种危害。

在分合机构的设计中，最主要的就是横梁的设计以及横梁支承座的设计，横梁支承座有两个作用，一个是支撑横梁，另一个是固定电。