康复机器人毕业论文 - 图文

康复机器人毕业论文

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引 言

康复机器人作为医疗机器人的一个重要分支，它的研究贯穿了康复医学、生物力学、机械学、机械力学、电子学、材料学、计算机科学以及机器人学等诸多领域，已经成为了国际机器人领域的一个研究热点。随着传统机械学、传感技术、生物医学、智能控制技术、计算机技术及其他新兴技术的迅速发展，给生物医学工程领域的医用机器人技术带来了高速发展的契机，促进了医用领域的设备自动化和机器人化。医用机器人结合了多个学科最新研究和发展的成果，应用于医学诊疗，康复等相关的医学领域，其中，康复机器人占据相当大的比例，如各种假肢、矫形器及用于恢复四肢功能性障碍的康复辅助医疗设备。康复机器人可细分为辅助型和治疗型两种，辅助型康复机器人主要用来帮助老年人和残疾人更好的适应日常生活和工作，部分补偿了他们弱化的机体功能。目前，很多国家已经开始进入老龄化社会，据世界卫生组织统计，再过50年，全世界60岁以上的老龄人口将翻一番；另外，疾病、灾难等也造成了大量的残疾人，他们需要大量的看护服务。康复机器人不但可以照料他们的日常生活，还能帮他们找回自立、自尊的感觉，重新融入社会当中去。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。

康复机器人是工业机器人和医用机器人的结合。20 世纪80 年代是康复机器人研究的起步阶段,美国、英国和加拿大在康复机器人方面的研究处于

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手部康复机的设计

世界的领先地位。1990 年以前全球的56 个研究中心分布在5 个工业区内：北美、英联邦、加拿大、欧洲大陆和斯堪的纳维亚半岛及日本。1990年以后康复机器人的研究进入到全面发展时期。目前,康复机器人的研究主要集中在康复机械手、医院机器人系统、智能轮椅、假肢和康复治疗机器人等几个方面。相信随着科学技术的发展，康复设备的研究定会更加深入，得到的关注也会越来越多。

Handy1康复机器人是目前世界上最成功的一种低价的康复机器人系统，现在有100多名严重残疾的人经常在使用它。在许多发达国家都有人采用了这种机器人。Handy1的简单性以及多功能性提高了它对所有残疾人群体以及护理人员的吸引。该系统为有特殊要求的人们提供了较大的自主性，使他们增加了融入到正常环境中的机会

1 上肢康复机的简介

1.1背景及意义

近年来，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，在美国数以百万计的有神经科疾病病史和受过意外伤害的患者需要精心康复治疗，仅以中风为例，每年大约有600000中风幸存者，其中的200000病人在中风后存在长期的运动障碍。我国和世界上许多国家一样，正在步入老龄化，在老龄人群中有大量的脑血管疾病或神经系统疾病患者，这类患者对数伴有偏瘫症状。我国又是中风病的高发地区之一，中风患病率在每10万人口中约550例，以总人口12亿计算，则中风病人约有660万，在幸存者中约70%-80%的病人留有不同程度的残疾[1-2]。此外，随着社会及城市建设的发展，交通事故、斗殴及建筑工地事故等导致的脑外伤日趋增多，成为肢体瘫痪的另一常见原因。文献报道，车祸致颅脑 外伤占同期各种颅脑外伤人数的43.4%，车祸伤较突然，患者常缺乏设备，容易加重颅脑外伤。

对于中风和脑外伤患者，尽早介入康复训练不仅能够维持关节活动度，防止关节挛缩，而且能够明显提高患者活动功能的最终康复程度。传统的康复治疗中，治疗师手把手地对患者进行一对一的康复训练，使得训练效率和训练强度难以保证，训练效果受治疗师水平影响，而且缺乏评价训练参数和康复效果关系的客观数据，难以对训练参数进行优化以获得最佳治疗方案。

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为提高康复训练效率，减轻家庭和社会的经济负担，本课题将机器人技术应用于患者的手部运动功能康复，研制一种柔顺舒适、可穿戴的手功能康复机器人，辅助患者完成手部运动功能的重复训练，其轻便经济、穿卸方便，尤其适于家庭使用，既可为患者提高有效的康复训练，又不增加临床医疗人员的负担和卫生保健成本。我们一般见到的上肢康复机都是针对于肩部、肘部的，而这里本课题研究的上肢康复机是针对于手部的，更具有针对性，也必将有得到患者的称赞。

1.2研究现状

康复器械的最终目标是恢复人体肌体组织的运动机能，实现肌体组织的自然化动作。第一次尝试将为残疾人服务的机器人系统产品化是在20世纪的60年代到70年代，但实践证明这些尝试都失败了，主要原因在于单价太高而导致康复机器人产品化失败。20世纪80年代是康复机器人研究的起步阶段，美国、英国和加拿大在康复机器人方面的研究处于世界领先地位[3]。1990年以前全球的56个研究中心分布在5个工业区内：北美、英联邦、加拿大、欧洲大陆和斯堪的纳维亚半岛及日本。

作为上肢康复机器人研究的起点，加利福尼亚大学的lure在1993年设计了名为手一物体一手的康复装置（图1-1a）。该装置从人类日常生活中对双手协调性工作的需要出发，以简单的双手移动和挤压物体训练双手协调性。2年后，lure又设计出另一套训练双手上举协调性的装置（图1-2b），并在装置上绑上装满咖啡的杯子，依靠装置为患手提供力辅助而成功完成上举的实验来证明了该装置的可行性。这两个装置结构功能都比较简单，由于实验是由正常人完成的，因此未作出对肌肉运动功能的评价。

a b

图1-1 Lure的康复装置 Figure1-1 Lure rehabilitation unit

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手部康复机的设计

麻省理工学院从1995年开始研制一种被称为MIT—Marius的康复机器人(如图1-2)。该机器人采用连杆机构，患者握住机构末端的手柄完成平面内的运动训练。计算机为患者提供视觉反馈。该装置的主要特点是具有反向可驱动性，也就是采用阻抗控制技术实现末端点平滑和柔顺，遵从患者运动产生平滑快速运动[5]。患者进行圆或直线路径的平面运动训练后，利用临床评价方法及采集到的运动学参数进行评价，发现机器人训练对肌肉群的恢复有十分有效。另一方面，在研究人员记录下，患者训练前后的动作完成过程中运动学参数，如轨迹、速度等等，通过实验发现，传统的方法在实验前后的评价值不变，而实际上患者肌肉功能已经有了比较明显的改善，由此证明了医学临床评价的粗糙。

图1-2 机器人系统MIT-MANUS

Figure1-2 Robot system MIT-MANUS

2000年，lum与斯坦福大学合作开发了名为MIME的系列康复机器人。该系列机器人分为3代。第1代完成两个自由度的单关节运动，包括肘部弯曲／伸展，前臂的旋前／旋后；第2代能够实现前臂的平面运动；第3代能够实现前臂的三维空间运动(如图1-3所示)。第2代和第3代的显著特点是在Puma系列机器人的带动下，不但能够完成单侧训练而且能够完成镜像运动。人体上肢由两个支撑架支撑，提供上肢运动的Puma机器人连接在患侧支撑架上，当健侧实现某二维或三维动作时，负责监测的传感器和光电编码器记录运动，并将数据传送给Puma机器人，带动患侧实现对健侧运动的复制。训练疗程前后采用传统的I临床方法对患者进行评价，并对比证实了该装置康复训练对肌肉运动功能的恢复[12-14]。

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图1-3 MIME机器人

Figure1-3 MIME robot

1999年Cozens J Alastair设计了一套康复装置(如图1-4所示)，该装置跟随支撑臂前方的闪烁灯执行10度～80度的肘部屈／伸运动。系统获取电子量角器、加速度计的反馈，根据控制法则对支撑臂上的患肢运动进行外力辅助或干扰，最后依据试验结果，给出训练方式的效果比较。

图1-4 肘部康复装置

Figure1-4 Elbow rehabilitation device

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机器人协助康复医师对患者进行I|缶床康复的研究在经过多年的发展后，取得一定的成果，但实现其真正的临床应用仍然需要学者们的不断探索和改进。作为直接与人体作用的机构，康复机器人在设计上需要考虑以下因素。

首先，针对运动功能原本就已被损伤的患者患肢，由于其更易受到伤害，设计之初首要关注的问题足患者的安全问题，体现在机构和控制方面。合理的、人性化的机构设计首先从硬件上体现对安全的考虑，然后在控制算法上利用软件控制机械装置的运动，实现对康复对象的多重保护。

其次，作为康复患者的一种治疗工具，康复机器人应该提供多样的、有效的运动模式。从临床康复医学的经验出发，机器人的运动模式应适应于不同病情和不同恢复期的患者，并有助于恢复患者日常活动功能，这对保持患者对正确运动的感觉及增强患者自信心都具有相当重要的作用。

另外，无论是对于个体不同、病情不同的患者，要提出更为有效、更具针对性的治疗方案，还是在训练、恢复的过程中，对疗效进行准确的认识，在设计中都必须考虑对患者运动功能的评价。目前临床仍应用主观、粗糙的的量表打分进行评价，现有的康复机器人系统也采用运动过程中的运动学各参数，各种传感器的取值等对患者运动进行量化评价。因此，有待进一步挖掘有效、直接的评价参数对评价系统进行完善。

最后，在机器人的设计过程中，须以人为本进行细节的完善，如：患者训练过程中肢体的支撑问题，训练过程中患者的舒适度问题，以及如何提高和保持患者训练的积极性等问题。

1.4 新型上肢康复机的研究

在现有康复机器人系统的不足及提出的若干建议的基础上，设计了一种新型上肢康复机器人，如图1-9。该机器人的设计以人体上肢解剖学为理论依据，采用外骨骼式结构，各关节的自由度符合人体上肢各关节自由度分配情况，并从康复患者的实际康复训练角度出发，选定上肢运动最基本也是最重要的5个自由度：肩部屈／伸、肩部外展／内收、肘部屈／伸、腕部屈／伸和腕部旋内／旋外，并结合机器人结构及训练要求设定各个自由度活动范围。

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手部康复机的设计

图1-9 5DOF上肢康复机

Figure1-9 5DOF upper limb rehabilitation machine

中风偏瘫患者由于神经损伤导致其上肢肌肉运动功能受损，不仅不能够顺利自如的实现上肢各个动作，甚至对克服自身重力的简单运动也存在难度，因此，对患者患肢的支撑就显得尤为重要。外骨骼式的上肢康复机器人，其包围式结构为患肢在训练运动中提供全方位的支撑，为不同损伤程度及不同恢复时期的患者康复训练的顺利进行提供了保障[11]。另一方面，虽然外骨骼式结构稍显复杂，但其具有与人体上肢相似的结构和关节活动度，其康复训练运动与肢体运动一致，有助于实现患者上肢的正确运动。外骨骼式结构的上肢康复机器人就像一件刚性外衣穿在患者上肢外面，提供给患肢足够的支撑和保护，提供适当的动力并模拟人体上肢的运动，帮助患肢实现康复训练。

康复训练器具在使用过程中与患者肢体进行最直接的接触，特别是不以人体为驱动源的设备，合理有效地实现其功能，达到康复效果，是建立在保障肢体安全的基础上的，这一点对患者尤其重要。相对于健康人来说，患者的受损肢体无论其力量还是对异常状况的反映能力均相对较差，更易受到伤害。因此，提出的康复机器人从如下方面保障受试者安全。

(1)利用各关节传感器监测运动过程中受试者的施力信息，当由肌张力引起的反方向作用力过高时，停止当前运动，以免造成肌肉拉伤；

(2)限位开关将机器人的工作空间限定在合理的肢体运动范围之内，避免超过极限角度对受试患者的再次伤害；

(3)利用软件对机器人运动速度、位移进行限定；

(4)合理设定驱动器件参数，实时监测机器人运动状态，出现故障及时断电；

(5)设定急停按钮，当出现紧急的意外情况时，医生通过触发该按钮切断电源，停止运动，同样在结构设计中考虑到机器人位于任意位姿时的自锁，避免

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由重力引起的各关节转动对患肢伤害。系统选用大减速比谐波减速器实现机器人自锁。

康复机器人对患者的训练模式：康复机器人对病患上肢进行康复训练的首要条件是：该机器人能够实现上肢各关节运动，模拟上肢各正常运动模式。对于不同的患者，根据其病患程度的不同，需要采用不同的康复方法进行渐进式的治疗。在急性期，以临床抢救为主，但康复措施应及早介入。在这个阶段，康复的重点是预防关节挛缩、变形，体现在康复训练治疗方面，主要采用被动运动疗法。偏瘫的恢复期分成3个阶段：软瘫期一痉挛期一改善期。每个阶段所采用的运动疗法的方式要具有针对性才能达到有效的训练。软瘫期主要以恢复和提高肌张力的训练为主；痉挛期以单关节的分离运动为主，抑制异常的运动模式；在改善期，通过评估患者的恢复情况，按由简到繁、由易到难的原则对患者制定运动训练计划，进行有针对性地训练，同时介入日常生活功能性动作的训练，保持患肢训练运动的正确感觉，逐步恢复肢体功能。因此临床中对偏瘫患者的康复训练运动过程是被动运动、助力运动及主动运动[18]。

康复训练对患者来说，是一个全方位的训练运动，其运动对象囊括了上肢所有的关节，机器人在各种康复训练模式下，对患肢采取的训练运动方式包括从肩部关节到腕部关节的被动运动及辅助运动。在训练期间，根据实际恢复情况辅以简单的日常生活动作的训练，将各个单关节动作训练加以深化及应用。这些动作的完成是维持独立生活所不可缺少的，当患者经过努力完成这些动作时，在心理上就可以建立起独立生活的信念，对康复治疗充满信心，从而改善康复进程和效果。对于上肢康复机器人来说，对日常生活动作的训练方式取决于上肢日常功能相关动作，在生活自理方面，吃饭、梳头、刷牙、剃须等动作相似，均为由上肢各关节动作，使人手从体侧运动到头部位置的三维空间运动。提裤动作作为简单的三维空间训练动作与进食动作一起引入到所设计的上肢康复机器人中，作为对偏瘫患者的基本日常生活动作训练。

这里我只对上肢中的手结构进行设计，因为医疗康复器械行业中针对于手康复机的设计比较少，而市场中对于这个方向的需求还是比较大，所以我设计的手康复机有针对性，实用性。

1.5 小结

当今社会中，脑中风是严重威胁中老年人身体健康的疾病，发病率有逐年上升的趋势。这种疾病引发了患者肢体运动功能的丧失及相关并发症。尤其是上肢运动功能的丧失，极大地影响了患者日常生活的能力。临床上对偏瘫患者的康复方法很大程度依赖于治疗医师对患者一对一的物理治疗。这样的方法是一种劳力集中的过程，不仅费时费力，也缺乏量化且客观的评价。机器人技术的发展及其与临床康复医学的结合为康复机器人研究提供了一个很好的契机。

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手部康复机的设计

利用机器人及其相关技术对训练过程进行客观的监测与评价，提高偏瘫康复训 练的针对性及科学性，同时将治疗医师从繁重的体力劳动中解脱出来，为患者制定更好的康复方案，进一步提高康复的效率。

对于康复机的设计，欧美等发达国家占据主导地位，技术也日趋成熟，而且发展方向也越来越广泛，应用范围也渐渐延伸到生活的每个角落，而我们国家相对比较落后，康复设备仅限制于比较狭小的范围，但是相信随着我们对康复机器人设计的关注和科学技术的发展，先进康复机器人的国产化定会实现，而且会普遍进入我们生活。

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2 手部康复机的方案设计

2.1 手部康复机的设计要求

手是人体从事各种活动和工作的重要器官，由于手骨体形小，数量多，连接复杂，主要由腕骨、掌骨、指骨所组成，计有大小不同的骨27块，决定了手的功能复杂而灵巧。手部主要的关节如图8所示。第一节指骨的底以卵圆形凹的关节面与掌骨组成掌指关节，第二节指骨底有两侧凹，中间凸的关节面接第一节指骨下端的滑面，形成近侧指间关节。中风病人或脑外伤患者的手部关节无法进行正常的运动，患手就无法实现所拥有的握拳、伸展、侧捏、对掌等功能，本文所研制的手功能康复机主要是针对这两个关节实施康复训练。

图2-1 人手解剖图 Figure2-1 Hand anatomy

由于手功能康复机是“ 穿”在人手上的，与正常人肢体相比，患手更为脆弱，更容易受到损伤。因此机构设计必须首先要保证患者穿戴的舒适性和运动的安全性，避免与人体产生刚性接触。显然，在所有结构中，与患手运动空间基本相同的结构更适合辅助康复训练，因此，所设计的机械结构不仅要有足够的强度还应更具柔顺性，更适合穿戴，而且还要满足辅助瘫肢完成多种动作得需要。

牵引机构设计要求：牵引机构是用于牵引患者患肢进行康复运动训练的机构，是偏瘫上肢康复机器人上作重要的机构。目前，国外的上肢康复训练机器人的牵引机构多采用机械结构，这主要因为机械机构设计简单，运动精度高，易于控制，有利于保障患者患肢的安全。在对机器人牵引机构进行设计之前，应先对机器人的工作对象、工作状态、实现的功能以及运动的方式和范围进行详细的规划。对于偏瘫患者软瘫期主要是肌肉训练为主，痉挛期主要以单关节的分离运动为主，恢复期以复合运动为主。对于手康复机在这里采用二连杆机构，这样机构简单，复合手的运动要求。

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支撑要求：由于偏瘫患者的患肢都比较虚弱，一般情况下患者都不能对患肢进行自主支撑，所以设计的机器人应该具有对患者进行支撑机构，以满足训练时对患肢支撑的需求。这里对于手部康复机，只要对上臂固定，手部悬空就可以满足支撑要求。

患者安全的要求：由于治疗机器人直接对患者的肢体进行操作，而且相对健康人手臂来说，患者患肢更容易受到损伤，所以康复训练机器人在保障患肢安全方面要求很高，主要表现在机器人的结构设计和控制系统的设计中。这里手康复机的设计中我们主要考虑结构安全，限制极限位置，防止对患者拉伤。

指掌结构采用铝合金材料制作。这种材料共同优点是轻便、美观、卫生、加工方便。制成后的康复机器人更加符合生物力学要求，不仅穿戴时更加舒适，同时也提高了治疗效果。 2.2手部康复机的设计方案

目前，设计的手功能康复机结构要求简单、轻便、安全，还要有经济性和实用性。这里我们设计多种方案，通过比较得到最合适的方案，就选择的方案进一步设计。 2.2.1 设计方案一

方案一：选取合适的伺服步进电机,电机转轴伸出与丝杠连接，电机转动带动丝杠转动，螺母由于丝杠的转动做直线运动，螺母上连接两条钢丝，螺母的直线运动拉动两钢丝完成所需的要求[4]。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）

1永磁式步进电机 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；永磁式步进电动机输出力矩大，动态性能好，但步距角大。

2反应式步进电机 反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。

3混合式步进电机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小。

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图2-2伺服电机 Figure2-2 Servo motor

丝杠的选择：按照国标GB/T17587.3-1998及应用实例，滚珠丝杠（目前已基本取代梯形丝杠，已俗称丝杠）是用来将旋转运动转化为直线运动；或将直线运动转化为旋转运动的执行元件，并具有传动效率高，定位准确等特点；当丝杠作为主动体时，螺母就会随丝杠的转动角度按照对应规格的导程转化成直线运动，被动工件可以通过螺母座和螺母连接，从而实现对应的直线运动。滚珠丝杠螺母间因无间隙，直线运动时精度较高，尤其在频繁换向时无需间隙补偿。滚珠丝杠丝母间摩擦力很小，转动时非常轻松。

滚珠丝杠与电机连接时中间必须加装联轴器以达到柔性连接。同步带则可以直接用同步轮与电机出力轴连接。滚珠丝杠副依据国家标准GB/T17587.3-1998, 分为定位滚珠丝杠副(P)和传动滚珠丝杠副(T)两大类.精度等级共分七个等级,即1.2.3.4.5.7.10级,1级精度最高.依次降低. 滚珠丝杆转动一周螺母移动的距离为一个螺距距离,如果是丝杠每转一周螺母移动四个（或五个）螺旋线的距离，那么表示该丝杠是四线（或五线）丝杠，俗称四头（或五头）丝杠。 一般小导程滚珠丝杠都采用单线，中，大或超大导程采用两线或多线。 选型：滚珠丝杠的选型过程中对滚珠丝杠本身需要注意的主要参数如下： 1---公称直径。即丝杠的外径，常见规格有12、14、16、20、25、32、40、50、63、80、100、120，不过请注意，这些规格中，各厂家一般只备16~50的货，也就是说，其他直径大部分都是期货（见单生产，货期大约在30~60天之间，日系产品大约是2~2.5个月，欧美产品大约是3~4个月）。公称直径和负载基本成正比，直径越大的负载越大，具体数值可以查阅厂家产品样本。这里只说明两个概念：动额定负荷与静额定负荷，前者指运动状态下的额定轴向负载，后者是指静止状态下的额定轴向负载。设计时参考前者即可。需要注意的是，额定负荷并非最大负荷，实际负荷与额定负荷的比值越小，丝杠的理论寿命越高。推荐：直径尽量选16~63。

2---导程。也称螺距，即螺杆每旋转一周螺母直线运动的距离，常见导程有

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1、2、4、6、8、10、16、20、25、32、40，中小导程现货产品一般只有5、10，大导程一般有1616、2020、2525、3232、4040（4位数前两位指直径，后两位指导程），其他规格多数厂家见单生产。导程与直线速度有关，在输入转速一定的情况下，导程越大速度越快。推荐：导程尽量选5和10。

3---长度。长度有两个概念，一个是全长，另一个是螺纹长度。有些厂家只计算全长，但有些厂家需要提供螺纹长度。螺纹长度中也有两个部分，一个是螺纹全长，一个是有效行程。前者是指螺纹部分的总长度，后者是指螺母直线移动的理论最大长度，螺纹长度=有效行程+螺母长度+设计裕量（如果需要安装防护罩，还要考虑防护罩压缩后的长度，一般按防护罩最大长度的1／8计算）。在设计绘图时，丝杠的全长大致可以按照一下参数累加：丝杠全长=有效行程+螺母长度+设计余量+两端支撑长度（轴承宽度+锁紧螺母宽度+裕量）+动力输入连接长度（如果使用联轴器则大致是联轴器长度的一半+裕量）。特别需要注意的是，如果你的长度超长（大于3米）或长径比很大（大于70），最好事先咨询厂家销售人员可否生产，总体的情况是，国内厂家常规品最大长度3米，特殊品16米，国外厂家常规品6米，特殊品22米。当然不是说国内厂家就不能生产更长的，只是定制品的价格比较离谱。推荐：长度尽量选6米以下，超过的用齿轮齿条更划算了。

4---螺母形式。各厂家的产品样本上都会有很多种螺母形式，一般型号中的前几个字母即表示螺母形式。按法兰形式分大约有圆法兰、单切边法兰、双切边法兰和无法兰几种。按螺母长度分有单螺母和双螺母（注意，单螺母和双螺母没有负载和刚性差异，这一点不要听从厂家销售人员的演说，单螺母和双螺母的主要差异是后者可以调整预压而前者不能，另外后者的价格和长度大致均是前者的2倍）。在安装尺寸和性能允许的情况下，设计者在选用时应尽量选择常规形式，以避免维护时备件的货期问题。推荐：频繁动作、高精度维持场合选双螺母，其他场合选双且边单螺母。推荐：螺母形式尽量选内循环双切边法兰单螺母。

5---精度。滚珠丝杠按GB分类有P类和T类，即传动类和定位类，精度等级有1、2、3、4.....几种，国外产品一般不分传动还是定位，一律以C0~C10或具体数值表示，一般来说，通用机械或普通数控机械选C7（任意300行程内定位误差±0.05）或以下，高精度数控机械选C5（±0.018）以上C3（±0.008）以下，光学或检测机械选C3以上。特别需要注意的是，精度和价格关联性很大，并且，精度的概念是组合和维持，也就是说，螺杆的导程误差不能说明整套丝杠的误差，出厂精度合格不能说明额定使用寿命内都维持这个精度。这是个可靠性的问题，与生产商的生产工艺有关。推荐：精度尽量选C7。

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以上说的都是主要参数，在选用型号时还得用到以下参数：珠卷数，珠径，制造方式代码，预压等级等。

图2-3 丝杠螺母 Figure2-3 Screw nut

每个频率下电机输出的转数要与丝杠螺母合适，来保证螺母有足够的行程，选取转度为600prm的电机，输出脉冲为1个每秒，步进间隔为0.5秒，选取螺距为20mm的丝杠，这样一来每秒电机输出10转，螺母移动10cm，满足设计要求。

方案一的示意图如下图2-4[6]

图2-4 方案一示意图 Figure2-4 Option one diagram

2.2.2 设计方案二

方案二：选取合适的伺服电机，电机伸出轴与一直径合适的转轮相连，连接转轮是为了弹簧有足够大的行程，然后转轮上连接弹簧，电机转动带动转轮 转动拉动弹簧完成设计要求。示意图如下图2-5。

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图2-5 方案二示意图 Figure2-5 Option two diagram

2.2.3 设计方案三

方案三：手功能康复机的驱动部分采用气动肌肉，气动肌肉是一种有压缩空气控制的可收缩的直线驱动器，其内部是弹性很好的橡胶管，外层是抗拉强度很高的纤维编织网套，橡胶管与纤维编织网套在两端用钢箍固定，当充入空气后，橡胶管向外膨胀，与外层纤维网接触，进而产生轴向收缩，所产生的拉力可以驱动外接负载。

手康复机本体中气动肌肉通过钢丝与拇指和四指相连，这样不仅结构简单，而且可以保证气动肌肉的收缩力一直是沿气动肌肉轴向，气动肌肉就不会出现扭转、弯曲等状态，提高了气动肌肉拉力的利用率，延长了气动肌肉的使用寿命。

气动肌肉的气源也是必不可少的设备，选用功率、压力、排量等合适的空气压缩机，这种压缩机与电动机合二为一作为产生压力空气的设备，压力空气通过胶皮管进入电磁比例阀，控制压力空气阶段性进入气动肌肉，使肌肉完成收缩，两条气动肌肉分别连接钢丝，拉动钢丝完成设计要求。示意图如下图图2-6。

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图2-6方案三示意图 Figure2-6 Option one diagram

2.3 方案比较与的选择

方案的选择：方案一结构比较简单，可以适当降低速度，但是柔性差，对手会造成伤害。

方案二结构简单，而且由于弹簧的存在具有了一定的柔性，启动时不会对手造成伤害。但是速度过快，就算装上加速器，当手拉到极限位置后，由于弹性力的作用，手会被拉过极限位置，对手造成伤害，而电机频繁启动，对它是寿命也有影响。

方案三，手康复机采用气动肌肉作为驱动器，虽然结构与方案一二相比复杂一些，但是气动肌肉具有很好的柔顺性、安全性，和独特的仿生性。

三种方案优缺点见表2-1：

表2-1 方案优缺点

Table2-1 Strengths and weaknesses of Programs

方案 方案一 优点 结构简单，适当降低速度 缺点 柔性差，安全性差 方案二 启动时有柔性，结构简单 21

速度快，安全性差 手部康复机的设计

方案三 有很好的柔顺性，安全性好，仿生性 结构较复杂 对于康复设备的设计，安全性是相当重要的，虽然方案一、二相对结构表较简单，但是方案三的安全性更加好，所以优先考虑方案三。 方案装配图如图2-7。

图2-7 方案装配图

Figure2-1 Assembly drawing program

2.4 小结

对于手部康复机的设计是多种多样的，驱动部位的设计可以有多种方案，掌指结构也可以有多种方案，本章我们没有对掌指结构做多种设计，而是针对于驱动结构做了三种设计，方案一、二虽然比较简单，但是安全性不够，而方案三运用了空气压缩机带动气动肌肉的方法，虽然相对于前两个方案稍加复杂，但是方案三既安全又有仿生性，所以我们选择采用方案三来完成我们的手部康复机的设计。

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3 手部康复机驱动部件的选择

3.1 空气压缩机的选择

空气压缩机（英文为：air compressor）是气源装置中的主体，它是将原动机（通常是电动机）的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置。由电动机直接驱动压缩机，使曲轴产生旋转运动，带动连杆使活塞产生往复运动，引起气缸容积变化。由于气缸内压力的变化，通过进气阀使空气经过空气滤清器（消声器）进入气缸，在压缩行程中，由于气缸容积的缩小，压缩空气经过排气阀的作用，经排气管，单向阀（止回阀）进入储气罐，当排气压力达到额定压力0.7MPa时由压力开关控制而自动停机。当储气罐压力降至0.5--0.6MPa时压力开关自动联接启动。

空气压缩机的种类很多，按工作原理可分为空积式压缩机，速度式压缩机，容积式压缩机的工作原理是压缩气体的体积，使单位体积内气体分子的密度增加以提高压缩空气的压力；速度 式压缩机的工作原理是提高气体分子的运动速度，使气体分子具有的动能转化为气体的压力能，从而提高压缩空气的压力。

现在常用的空气压缩机有活塞式空气压缩机，螺杆式空气压缩机，(螺杆

空气压缩机又分为双螺杆空气压缩机和单螺杆空气压缩机)，离心式压缩机以及滑片式空气压缩机，涡旋式空气压缩机。下面是各种压缩机的定义。凸轮式，膜片式和扩散泵等压缩机没有列入其中，是因为它们用途特殊而尺寸相对较小。

容积式压缩机--直接依靠改变气体容积来提高气体压力的压缩机。 往复式压缩机--是容积式压缩机，其压缩元件是一个活塞，在气缸内作往复运动。

回转式压缩机--是容积式压缩机，压缩是由旋转元件的强制运动实现的。

滑片式压缩机--是回转式变容压缩机，其轴向滑片在同圆柱缸体偏心的转子上作径向滑动。截留于滑片之间的空气被压缩后排出。

液体-活塞式压缩机--是回转容积式压缩机，在其中水或其它液体当作活塞来压缩气体，然后将气体排出。

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手部康复机的设计

罗茨双转子式压缩机--属回转容积式压缩机，在其中两个罗茨转子互相啮合从而将气体截住，并将其从进气口送到排气口。没有内部压缩。 螺杆压缩机--是回转容积式压缩机，在其中两个带有螺旋型齿轮的转子相互啮合，从而将气体压缩并排出。

速度型压缩机--是回转式连续气流压缩机，在其中高速旋转的叶片使通过它的气体加速，从而将速度能转化为压力。这种转化部分发生在旋转叶片上，部分发生在固定的扩压器或回流器挡板上。

离心式压缩机--属速度型压缩机，在其中有一个或多个旋转叶轮（叶片通常在侧面）使气体加速。主气流是径向的。

轴流式压缩机--属速度型压缩机，在其中气体由装有叶片的转子加速。主气流是轴向的。

混合流式压缩机--也属速度型压缩机，其转子的形状结合了离心式和轴流式两者的一些特点。

喷射式压缩机--利用高速气体或蒸汽喷射流带走吸入的气体，然后在扩压器上将混合气体的速度转化为压力。

我们常用的空气压缩机有活塞式压缩机（图3-1）和螺杆式压缩机（图3-2）。

图3-1 活塞式压缩机 Figure3-1 Piston compressor

图3-2 螺杆式压缩机

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康复机器人毕业论文

Figure3-2 Screw compressor

活塞式空压机的优点是结构简单，使用寿命长，并且容易实现大容量和高压输出。缺点是振动大，噪声大，且因为排气为断续进行，输出有脉冲，需要贮气罐。工作原理图如图3-3。

图3-3 活塞压缩机工作原理图

Figure3-3 Working principle of piston compressor

螺杆式空气压缩机具有优良的可靠性能，振动小、噪声低、操作方便、易损件少、运行效率高是其最大的优点。

首先按空压机的特性要求，选择空压机的类型。再根据气动系统所需要的工作压力和流量两个参数，确定空压机的输出压力pc和吸入流量qc，最终选取空压机的型号。

空气压缩机的选择主要依据气动系统的工作压力和流量。 气源的工作压力应比气动系统中的最高工作压力高20%左右，因为要考虑供气管道的沿程损失和局部损失。如果系统中某些地方的工作压力要求较低，可以采用减压阀来供气。空气压缩机的额定排气压力分为低压（0.7-1.0MPa）、中压（1.0-10MPa）、 高压（10-100MPa）和超高压（100MPa以上），可根据实际需求来选择。常见使用压力一般为0.7-1.25。

气动肌肉需要的空气压缩机选用上海捷豹压缩机有限公司生产的螺杆式静音空气压缩机FB-0.017/7，功率是0.245KW,压力为0.7MPa，排气量为17L/min，噪音45dB。如图3-4所示。

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