机械电子工程毕业论文.docx
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机械电子工程毕业论文
中国计量学院
本科毕业设计(论文)
下肢关节康复医疗器械的设计
Designofrehabilitationmedicaldevice
oflowerlimbjoint
学生姓名学号0800107225
学生专业机械电子工程班级08机电2班
二级学院机电工程学院指导教师副教授
中国计量学院
2012年5月
郑重声明
本人呈交的毕业设计论文,是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,所有数据、图片资料真实可靠。
尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确的方式标明。
本学位论文的知识产权归属于培养单位。
UDC:
621学校代码:
10356
中国计量学院
本科毕业设计(论文)
下肢关节康复医疗器械设计
Designofrehabilitationmedicaldevice
oflowerlimbjoint
作者戚雪珍
申请学位工学学士
学科专业机械电子工程答辩委员会主席许昌
学号0800107225
指导教师李运堂副教授
培养单位中国计量学院
评阅人
2012年5月
本次毕业设计经过几个月的时间终于顺利地完成了,期间最应该感谢的是李运堂老师。
李运堂老师无论在本论文的研究、设计还是写作中始终给予了我无微不至的关怀和全面、细
心的指导,尤其是在培养我严谨的研究作风方面对进行了严格的要求。
在做毕业设计的几个
月里,李老师严格地要求我,同时耐心地在理论和操作上帮助我,使我少走了很多弯路,给
我提供了良好的学习知识和实践的机会,对我论文的完成给予了莫大的帮助。
李运堂老师严
谨的治学、敏锐的思维、渊博的学识和极强的动手能力给我留下了极其深刻的印象,他对我
的谆谆教诲和言传身教使我受益无穷。
导师渊博的知识、诲人不倦的师德、严谨的治学态度、
兢兢业业的工作作风和对科学知识执着的追求与探索精神深深的影响着我,不仅在学术上给
我以动力和指导,而且从生活上,思想上激励和教育我。
在此,向我的导师致以最诚挚的谢
另外,也要感谢沈凯超和张春杰同学在本设计的过程中对我的帮助,同时感谢学校能够
给我这样一次锻炼的机会,使自己在专业和实践方面的能力到得到了提高。
最后,在中国计量学院四年的本科学习中,得到了机电工程学院许多老师和同学的帮助,
在此,一并向他们表示诚挚的感谢。
下肢关节康复医疗器械设计
摘要:
本文以关爱残疾人,辅助患者进行下肢关节的康复训炼为出发点,在现有的装置基础上,对下肢关节康复医疗器械装置的优化与改进。
首先,本文对机构杆件、滚珠丝杆和电机的参数进行了设计与计算,并对机构杆件和底座的材料进行了分析与选择。
其次,本文通过用Solidworks2011软件对装置的各个零件进行建模,并对主要零件进行应力分析。
最后,本文通过用Solidworks2011软件对装置的总装配图进行干涉检查,分析与解决问题,优化改进装置。
本装置的作用是让患者在术后,下肢能够得到有效和及时的修复性锻炼。
具体功能是让踝关节实现左右摆动和足内翻、足外翻,膝关节实现伸缩和弯曲。
该装置保证患者在家里,没有医生指导的情况下,能够自己操作,安全又可靠。
关键词:
下肢关节;医疗器械;康复器械设计;Solidworks2011中图分类号:
TH122
DesignofRehabilitationMedicalDeviceofLowerLimbJoint
Abstract:
Inordertotakecareofthedisabledandassistinpatientswhowanttodolowerextremityjointexercise,thisthesisonmedicalequipmentoptimizationandimprovement,whichaboutlowerextremityjointrehabilitation,basesontheexistingdevice,canhelpthem.Firstly,itdoessomedesignandcalculationinthemechanismparts,ballscrewandelectricalparameters,meanwhile,thebarandbasematerialsareanalyzedandselected.Secondly,itnotonlycreatesthemodelofeachpart,butalsodosestressanalysisinthemainpartswithSolidworks2011.Finally,withthehelpofSolidworks2011,itoptimizesandimprovesthedevicebyconductingtheinterferencedetectionofgeneralassemblydrawings,analysisandproblemsolving.
Thedevicefunctionistomakethepostoperativepatientsdorepairtrainingeffectivelyandtimely.Thespecificfunctionistomaketheankleswingsaround,thefootturnsinandout,thekneestretchesandbendscometure.Itensurespatientsthemselvesbeabletooperatesafelyandreliablywithoutadocto'srguidance.
Keywords:
Lowerlimbjoints;medicaldevices;rehabilitationdevicedesign;SolidWorks2011
Classification:
TH122
1绪论1...
1.1研究背景及意义1
1.2下肢关节康复医疗器械的研究现状1
1.2.1机械式踝关节康复辅具1
1.2.2电动踝关节功能康复辅具2
1.2.3智能化踝关节康复辅具2
1.2.4下肢关节康复医疗器械的特点3
1.3本文研究的主要内容3
2设计要求与方案比较5...
2.1下肢关节康复医疗器械设计技术要求5
2.2下肢关节康复医疗器械设计方案确定5
3下肢关节康复医疗器械设计7..
3.1装置结构材料选取7
3.2人体下肢关节运动分析7
3.3机械杆件机构的设计8
3.4滚珠丝杆的选择9
3.4.1滚珠丝杆的结构的选择10
3.4.2滚珠丝杆的结构尺寸的选择10
3.4.3滚珠丝杆的选择步骤11
3.4.4滚珠丝杆的参数13
3.5电动机的型号选择与设计13
3.5.1电动机类型选择13
3.5.2电机参数计算14
3.5.3电动机参数15
3.6下肢关节康复医疗器械机座设计15
3.6.1底座的作用及结构设计15
3.6.2底座的材料选择16
4下肢关节康复医疗器械零件建模与应力分析1.7
4.1对ADAMS软件介绍17
4.2用ADAMS机构杆件运动仿真17
4.3用solidworks对机构杆件建模18
4.4用solidworks对滚珠丝杆建模18
4.5用solidworks对电机建模18
4.6用solidworks对机构主要零件应力分析19
5下肢关节康复医疗器械系统建模、干涉分析与系统优化2.4
5.1机电一体化系统的介绍24
5.2下肢关节康复医疗器械装置的初步装配24
5.3下肢关节康复医疗器械装置的干涉检查与优化25
6总结与展望2..8.
6.1已完成工作28
6.2需要解决的问题28
参考文献3..0..
附录A:
杆1零件图32
附录C:
杆3零件图34
附录D:
杆4零件图35
附录E:
杆5零件图36
附录F:
杆6零件图37
附录G:
连接杆1零件图38
附录H:
连接杆2零件图39
附录I:
连接杆3零件图40
附录J:
脚踏板零件图41
附录K:
电机零件图42
附录L:
滚珠丝杠零件图43
附录M:
总装配图..44
作者简历45
学位论文数据集46
1绪论
1.1研究背景及意义
残疾人与健康人相比,在身体和心理方面都有其自身的特点。
因此,作为残疾人使用的康复医疗器械与一般的健身器材有很大不同。
我国最早的成套康复训练
器械是从国外进口的。
上世纪80年代末,中国针对残疾人成立了残疾人康复训练中心,从日本引进了大量的康复医疗器械。
经国务院批准,残疾人康复训练中心成立了康复工程研究所,这个研究所的只要目的是结合临床医学的经验,采用科学有效的技术手段,给残疾人提供和研发一些康复训练的器械,包括一系列的研发、生产、售后服务性的指导残疾人操作,维修服务的一条龙服务,在进行质量的反馈,从而改进设备的技术,为残疾人提供更舒适,更方便的医疗器械[1]。
在最近
研究的十几年时间里,参考与借鉴了国内外的许多先进技术与设备,我们自己已经设计研发出了各种功能的康复医疗器械,有了自己的一套设计理念与方案,而不是光光靠引进外国的技术手段。
下肢关节康复医疗器械对下肢行走有困难的患者提供了很大的方便,尤其是对术后的患者,还有就是截肢的患者和装了假肢的患者,给他们提供了一个康复训练的好机会与好方法,加快他们的康复效果[1]。
同时,现在马路上的车辆越来越多,从而交通事故也越来越多,再者人口老龄化导致引起的骨质疏松的人越来越多,加之现代的年轻人越来越提倡体育运动,现在这个社会提倡运动美,注重对身体的保养,都比较加强运动。
年轻人在运动的时候难免会受伤,比如打篮球的时候手扭伤,踢足球的时候脚扭伤等等。
有关数据研究统计,膝关节和踝关节的受伤和韧带的拉伤的人的比例在不断的上升⑴。
这样的患者在手术后都要面临同样的一个结果,就是在家静养。
其实术后不及时的锻炼,就坐那静养的方法是不对的,长时间地不动会导致肌肉的萎缩、关节僵直的严重后果[1]。
所以为了保证在手术后能都快速的恢复肢体的运动能力,有人研发了下肢关节康复医疗器械这种康复医疗器械,帮助患者术后修复锻炼⑴0
1.2下肢关节康复医疗器械的研究现状
1.2.1机械式下肢关节康复医疗器械
机械式踝关节康复医疗器械的使用方法是,人体靠在板上站直,收扶着杆,系上安全带,脚踩在踝关节的矫正板上,依靠人体调节自身的重量是装置保持一定的角度。
如图1.1机械式踝关节康复医疗器械有两个矫正板。
所以人通过踩在不同的板上可以实现不同的矫正作用。
可以实现脚踝的内外翻转等[2]0由于此装置要通过人体来调节角度,所以必须能够承受整个人体的重量,所以对装置的刚
度与强度要求很高,在材料选择方面必须细致。
机械式踝关节康复器械虽然操作起来很简单,但是如果在家里没有矫形医师的指导的情况下,患者通过自身能力来调整踝关节矫正角度,可能会产生事与愿违的效果。
图1.1机械式踝关节康复医疗器械
1.2.2电动式下肢关节康复医疗器械
电动式下肢关节康复医疗器械采用了CPU全微电脑控制,装置运行情况可以通过LCD双屏背光液晶显示。
电动式下肢关节康复医疗器械的运动角度、速度、时间等参数都可以通过通过CPU控制,LCD液晶显示出来。
操作简单方便,患者很容易上手。
而且该装置还有力矩控制和超力矩保护的功能,能够确保患者使用安全[2]o
图1.2电动踝关节功能康复辅具
1.2.3智能型下肢关节康复医疗器械
智能型踝关节康复医疗器械是在电动式下肢关节康复医疗器械的基础上,加入了智能的元素。
例如,装置在运行的时候,如果遇到突发事件,能够自行反转,而且该装置的力矩能够任意的设置。
可以让患者在使用装置时更加安全可靠。
最重要的是该装置还可以设定关机时间,为临床使用和管理提供了方便[2]o
图1.3智能化踝关节康复医疗器械
1.2.4下肢关节康复医疗器械的特点
下肢关节康复医疗器械是一种智能化踝关节康复辅具,贯穿了康复医学、生物力学、机械学、机械力学、电子学以及材料学等诸多领域,已经成为国际研究热点。
下肢关节康复器供下肢关节功能患者作康复辅助治疗用。
由于关节被动活
动能促进创伤后关节液的分泌和吸收的循环,能促进软骨的再生,防止粘连,减
少痛苦的作用,因此下肢关联康复器对关节手术后的康复锻炼都适用⑻。
下肢关
节康复医疗器械是实现人体在保持良好的坐姿下,使人体脚踝和膝盖在一个平面内,得以伸缩和弯曲,像正常人行走一样的反复运动,从而使踝关节和膝关节得意修复。
具体是通过CPU控制,使电机带动脚踏板的旋转运动和滚珠丝杆直线运动,再使机构实现伸缩弯曲运动,从而实现人体脚踝及膝盖的模拟行走锻炼,使脚踝和膝盖具有一定的灵活性。
图1.4下肢关节康复医疗器械
1.3本文研究的主要内容
下肢关节康复医疗器械设计必然是一个挑战。
装置的机械构件长度,运动分析与模拟;滚珠丝杆的参数选择与精度计算;电机的参数计算与选型决定了它需要更为合理的设计方案。
装置每个部分的配合运动的优劣不仅直接影响患者舒适性,还决定整个装置的稳定性和连贯性。
装置机械构件的连接与运动是通过对人体行走时下肢关节(踝关节和膝关节)的运动情况来设计的。
通过分析人体骨骼模型和关节运动建立人体简化模型。
通过分析步行特征初步掌握关节运动协调规律。
采用简化模型分析人体运动学特性。
通过这些特征的研究,合理设计出舒适又灵活可靠的杆件机构,使其与人体运动达到协调统一。
滚珠丝杆的设计通过,四杆机构的运动情况来计算,确定滚珠丝杆的轴向最大载荷,运动速度,公称直径和公称导程。
从而可以得出滚珠丝杆的型号和精度。
滚珠丝杆副在负载时,其滚珠与滚道面接触点处将产生弹性变形。
滚珠丝杆是把丝杆的回转运动转换为螺母的直线运动,换向时,其轴向间隙会引起空回。
这种空回是非连续的,既影响传动精度,又影响系统的稳定性。
电机的选择与设计,根据滚珠丝杆的速度,转速,公称直径和公称导程计算。
包括电机的型号,转速,功率。
电机的参数选择直接影响整个装置的稳定性。
本章就以上问题进行了深入讨论。
研究下肢关节康复医疗器械,主要是对要进行下肢关节康复训练的人来说,下肢关节康复医疗器械可以控制使其模拟正常人的行走动作、膝关节和踝关节的协调运动,实现对下肢的康复训练。
下肢关节康复医疗器械可以实现正常人行走时膝关节和踝关节的收缩和伸展,锻炼下肢肌肉,恢复神经系统对行走能力的控制,达到恢复行走机能的目的。
本文以关爱残疾人为出发点,着眼于下肢关节康复医疗器械的结构设计,以机电一体化系统设计、机械设计原理和机电传动等课程为基础,同时参考、借鉴其他领域的方案,设计下肢关节康复医疗器械的结构方案,其主要研究内容归结为以下三方面:
一、运用ADAMS运动分析装置的运动,得出机构模拟运动的相关参数。
根据机构杆件的运动参数,计算滚珠丝杆和电机的相关参数,选择滚珠丝杆与电机的型号。
二、根据机电一体化系统设计原理,参考已成熟的设计方案,选定合适的材料,根据计算尺寸,使用SolidWorks2011三维机械设计软件建模各个零件,然后装配总的工程图。
三、使用SolidWorks2011软件中的应力分析插件工具(COSMOSXpress2011)对主要零件进行应力分析,根据分析结果改进设计方案,优化设计方案,使下肢关节康复医疗器械运动更加协调,灵活。
2设计要求与方案比较
2.1下肢关节康复医疗器械设计技术要求
1、该装置可以实现踝关节与膝关节同时的修复锻炼效果;
2、该装置可以实现踝关节的左右摆动;
3、该装置的最大运行距离达500mm左右;
4、该装置大腿支架长度可调节范围不小于90mm,小腿支架长度可调节范围不
小于100mm;
5、康复器额定载荷为200N,在额定荷载下应能平稳工作不卡滞,往复运行无异常撞击声;
2.2下肢关节康复医疗器械设计方案确定
下肢关节康复医疗器械设计曾考虑的两种方案:
方案一:
图2.1方案一
如图2.1所示,该装置有6根杆件组成,机构杆件较多,整个装置运动起来精确度高。
该装置有调节机构长度的标尺,可以适应正常成年人的腿的长度。
改装置单片机控制电机带动滚珠丝杆转动从而带动整个装置的运动,整个系统简单
明了,灵敏度较高
图22方案
如图2.2所示,该装置有4根杆件组成,机构杆件较为简单明了,设计简便。
改装置的脚踏板还可以实现左右摆动,是踝关节得以多角度的训练。
而且改装置的滚珠丝杆与电机在底座里面,密封性好。
该装置机构简单,电机功率可以选小点,所以整个装置显得轻便些。
图2.3方案三
可以看出,方案一的滚珠丝杆暴露在空气中,容易进灰尘等,寿命会减短。
该装置的踝关节只能实现2个自由度的运动。
且机构杆件较多,设计较复杂。
方案二尺寸调节没有方案一方便。
方案三结合了方案一、二的优点。
该装置能够实现踝关节的左右摆动,机构杆件简单,设计简便,还可以实现大小腿的长度调节,且该装置滚珠丝杆与电机在底座里面,密封性比较好。
综上所述,选择方案三能更好的训练患者的踝关节与膝关节。
3下肢关节康复医疗器械设计
3.1装置结构材料选取
为了整个装置刚度满足要求,需要选择下肢关节康复医疗器械的材料。
机构杆件由于要承受整个下肢,且要带动下肢运动,所以对刚度要求较高。
又不能太重,所以要选择材料密度不是很大的材料,但又要满足一定的强度的材料。
而底座要承受整个装置的重量,所以对材料的选取也有严格的要求,要求材料密度大。
表1各种材料的性能比较
材料
性能
钢
铝
玻璃钢
碳纤维
T300/4211
碳纤维T300/QY8911
密度/g.cm-3
7.8
2.7
1.6〜1.85
1.56
1.61
抗拉强度/MPa
700〜840
470
70~280
1396
1548
抗压强度/MPa
420〜850
30~100
100~270
1029
1226
抗弯强度/MPa
420~460
70~110
1100
1000~2000
1000~2000
由表1可知,钢相对于其他材料来说有明显的性能优点,其密度大,而且抗拉强度,抗压强度和抗弯强度都比其他材料大。
因此钢可作为下肢关节康复医疗器械的底座的材料。
具体可采用45号钢(主要性能如表2)。
表245号钢的主要性能
名称
抗拉强度
屈服强度
伸长率
收缩率
冲击功
钢材硬度
退火钢
数值
<600MPa
<355MPa
16%
40%
39J
<229HBS
197HBS
铝相对于其他材料而言,抗拉强度、抗压强度和抗弯强度中等偏上,满足下肢关节康复医疗器械的机构的强度,而且材料密度不是最大,满足运动要求。
因此下肢关节康复医疗器械的机构杆件选择铝(主要性能如表3)作为材料。
表3铝合金的主要性能
铝合金
拉伸强度
(25°MPa)
屈服强度
(25CMPa)
硬度
延伸率
密度
1060合金
175
195
60
12
2.82
3.2人体下肢关节运动分析
关节是骨与骨间的连接部分,决定着人体下肢的运动形式。
人体下肢的运动链是以旋转为主的转动副结构。
人体下肢运动包含了丰富的机构运动学问题。
大腿长度的测量是从股骨下端至膝关节的长度。
一般,正常成年人的大腿长度为22.86cm-45.72cm。
膝关节的运动类似于一个转动副,所以可以简化为一个球状的转动件。
膝关节是人体中一个很奇特的关节,结构简单但是是关节最大的,属于球状关节,能够进行拉伸弯曲的运动,膝关节的运动角度最大可以达到10°130°2]。
膝关节在运动的时候还可以进行细微的旋转运动,但是人在行走的时候还是以拉伸与弯曲运动为主,所以旋转运动可以忽略不计,这样在对膝关节的三维建模的时候可以简化膝关节的运动。
小腿长度的测量是从膝关节至踝关节的长度。
一般,正常成年人的小腿长度为27.94cm-60.96cm。
踝关节运动动作时足内翻和足外翻,还可以进行左右摆动运动,所以运动的动作比较复杂,设计需要考虑的也比较多。
足内翻的角度范围为10。
~20。
,足外翻的角度范围为25。
~30。
,踝关节的旋转角度范围为13。
~25°2]踝关节在运动中起到了非常重要的作用,而且为了支撑整个脚底,受的力比较大,在一切剧烈的动作中有着至关重要的传力的作用。
所以必须要好好修复踝关节,考虑踝关节运动时的各个动作,使其完全康复。
膝关节和踝关节在运动时的角度问题和正常成年人的小腿、大腿长度问题也
是下肢关节康复医疗器械的机构杆件部分设计时需要解决的一个重点。
3.3机械杆件机构的设计
下肢关节康复医疗器械的机械杆件机构的模型来至于人体下肢的运动的分析与计算。
膝关节与踝关节的运动形式可简化为机械构件的转动副。
辅助患者的脚踝和膝盖像正常人一样运动,由于关节被动活动能促进创伤后关节液的分泌和吸收的循环,能促进软骨的再生,防止粘连,减少痛苦的作用,因此下肢关节康复器对关节手术后的康复锻炼都适用[4]。
从而使受伤的踝关节和膝关节能慢慢适应行走时经历的运动过程。
机械传动部分的部件对整个系统的影响很大,在整个机电一体化系统中作为执行器的存在,影响整个系统的运动形式。
特别是机械传动的设计类型、运动方式、零件的刚性以及传动的衔接性、可靠性对机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性的作用[4]。
对整个系统的运行状况起着决定性的作用。
在铰链四杆机构中,已知连架杆AB和CD的三对对应位置1!
,2、2和3、’3,要求确定各杆的长度ll、12、I3和14。
此机构各杆长度按同一比例增减时,各杆转角间的关系不变,故只需确定各杆的相对长度。
故取h=1,则该机
构的待求参数只有三个
图3.1机构封闭多边形
x和y上的投影,可得以下
该机构的四杆组成封闭多边形。
取各杆在坐标轴关系式:
(3.1)
'cos®+丨2COS6=丨4+丨3coS
sin®+l2sin3=l3sin屮
将cos「和Sin「移到等式右边,再把二等式两边平方相加,即可消去「.,整
理得:
'-2,3、*3分别代入式,可得到方程组
‘C0想1=PoC0辎+PiCO(spi—叭)+P2
c0S2二Poc0$2P1c0创2」2P2(3.5)
C0S3=PoC0P1C0创3」IP2
由方程组可以解出三个未知数Po、P1和P2。
将它们代入(3)式,即可求
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