人体下肢康复辅助训练机结构设计毕业设计说明书管理资料文档格式.docx
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采用了虚拟样机技术,使用CATIA、Mechanism/Pro及Adams软件联合建立康复机器人虚拟样机。
详细论述了建立机器人CATIA机械模型的过程、建立机器人Adams动力学模型的过程及上述建模过程中参数的选择。
关键词:
康复训练机器人步行虚拟样机
Abstract
Clinicalmedicineandmedicaltheoriesshowthathemiplegiapatientsneedearlynecessarydrugtreatmentandoperation.Rehabilitationscienceandrighttrainingforphysicalfunctionsrehabilitationareplayingasignificantrole.Sothemaindesignpurposesoftheomni-directionlowerlimbstrainingrobotaretoprovideareliablewalktrainingdevice,rehabilitatepatientswithintelligenttraining,safeguardthehealthoftheelderly,anddelaytheelderlywalkingabilityrecession.ThevirtualprototypetechnologyisintroducedinthisthesoftwareofCATIA,Mechanism/ProandAdams,arehabilitationrobotvirtualprototypeisbuilt.EstablishmentoftheroboticsCATIAmechanicalmodel,generationofAdamsdynamicmodelandselectionofmodelparametersarediscussedindetails,anddynamicssimulationiscarriedout.
Keywords:
rehabilitativetrainingrobot;
walk;
virtualprototype
第1章绪论
研究背景
自上世纪中叶开始,欧洲美洲国家人口逐渐趋向于老龄化。
人口老龄化是指总人口中因年长人口数量增加、年轻人口数量减少而导致的年长人口比例相应增长的动态过程。
人口老龄化标准:
国际上一般将60岁以上人口比重达到10%,或65岁以上人口比例达到7%作为地区或国家进入老龄化社会的标准。
日本等发达国家早在二十世纪中叶便已进入了老龄化阶段[1]。
由于人口寿命的提高和出生率的降低,年长人口占社会总人口的比例逐年增大。
迄今,全球60岁以上年长人口总数已达6亿,其中60多个国家的年长人口达到或超过人口总数的10%,进入了人口老龄化社会。
迅猛的人口老龄化趋势,引起了联合国及世界各国政府的高度重视,老龄问题已成为全世界所关注的重大问题之一。
与此同时,随着科学技术的进步、医疗水平的提高和居民生活水平的改善,我国正步入老龄化社会,年长人口规模逐年增大。
据统计2004年末,,预计我国2014年年长人口将达到2亿,2026年将达到3亿,2037年将达到4亿,2051年将达到峰值,之后将一直在3亿到4亿的规模浮动。
根据联合国预测报告,21世纪上半叶,中国将成为世界上老年人最多的国家,占世界老年人口总数的五分之一,21世纪下半叶,中国将成为第二老年人口大国,仅次于印度[2]。
在老龄人群中有大量的脑血管疾病、肌肉萎缩肌无力或神经系统疾病患者,这类患者多数伴有偏瘫症状。
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。
同时,由于交通运输工具数量的迅速增长,因交通事故而造成肢体损伤的人数也越来越多。
临床医学和医学理论证明,这类患者除了前期手术治疗和药物治疗外,正确、科学、合理的康复训练对于肢体运动功能的恢复起到十分重要的作用[3]。
由于该类患者存在一定的运动障碍,需要有人辅助才能进行康复训练。
由于专业医护资源的不足和医疗费用昂贵等问题,多数病患选择自行康复训练,但由于训练方法不当,很多病患错过了最佳恢复期,因得不到正确的康复训练而逐渐丧失肢体的活动能力[4]。
以医学理论为依据的康复机器人作为一种自动化康复医疗设备,能帮助患者进行科学而又非常有效的康复训练,可使病患的运动机能逐渐得到恢复。
研究意义
传统的康复训练方法是辅助训练[5]。
以偏瘫为例,病人部分中枢神经受损后,身体某一部分的运动控制功能丧失,临床上表现为偏瘫。
急性期内瘫肢通常处于软瘫期,治疗一周后,肌张力逐渐提高,出现痉挛现象,继续康复治疗,便可恢复部分或全部运动功能[6]。
在这整个过程中,偏瘫患者下肢的各种动作必须在治疗师的辅助之下才能完成,如图1-1。
通常医护人员要用手支撑在病患腰部或腋下,依靠医护人员的力量带动病人行走,由于这种行走训练对医护人员体力要求高,所以只能持续10-20分钟就会暂停。
这种训练方式存在如下问题:
一名甚至多名医护人员只能同时对一名患者进行动作训练,训练效率低下;
由于治疗师自身体能限制,可能无法确保病患得到足够的训练强度;
训练受到治疗师自身因素的影响,治疗效果取决于治疗师的个人经验和技术水平;
不能精确控制和记录训练参数(运动速度、轨迹、强度、时间等),不利于治疗方案的改进;
无法建立训练参数和康复指标之间的对应关系,不利于偏瘫患者神经康复规律的深入研究,不能向病患提供实时直观的反馈信息;
训练过程往往枯燥乏味,病患被动接受治疗,接受治疗的主动性不强。
图1-1传统康复训练
采用机器人辅助治疗的技术,可解决上述问题。
(1)机器人不存在“疲倦”的问题,能够满足不同患者对训练强度的要求;
(2)机器人可以将治疗师从繁重的训练任务中解脱出来,而有时间专注于制定治疗方案、分析训练数据、优化训练内容;
(3)机器人可以记录训练过程中病患受损肢体的位置、方向、速度以及所产生的力等客观数据,供医护人员分析;
(4)机器人所记录下的详细数据,使得治疗师有可能从中发现数据与治疗结果之间的对应关系,为进一步了解人类大脑与人类运动功能之间的关系提供依据;
(5)使用机器人技术可以通过多媒体技术为患者提供丰富多彩的训练内容,使患者能够积极参与治疗;
(6)使用机器人治疗技术,使得远程治疗和集中治疗成为可能。
康复机器人是机器人发展的分支之一,曾尝试开发为残疾人服务的机器人系统,但由于当时科技较低与造价过高两个方面原因导致了康复机器人产品化的失败。
20世纪80年代是康复机器人研究的起步阶段,美国、英国和加拿大等欧美国家在康复机器人方面的研究一直处于世界的领先地位。
1990年以前全球的56个研究中心分布在北美、英联邦、加拿大、欧洲大陆和斯堪的纳维亚半岛及日本这五个工业区内[7]。
1990年以后康复机器人的研究进入到全面发展时期。
康复机器人分为功能辅助型机器人和康复训练机器人两种。
前者主要的功能是帮助肢体有运动困难的患者完成各种动作,如智能轮椅、导盲手杖、机器人假肢等;
后者的主要功能是帮助患者完成各种运动功能的恢复性训练,如人体下肢行走训练、手臂运动训练、脊椎牵引运动训练、颈部运动训练等。
目前,机器人用于康复领域包括康复训练、助残和老人看护等,研究领域主要包括康复机械手、智能轮椅,以及家庭和单位之间的交互设备等。
康复机械手的目的是通过机器人手臂完成残疾人的手臂功能。
机械手必须具有足够的自由度以满足每个用户的需要。
根据机器人技术的发展水平,一般具有以下三种结构:
第一种是彻底结构化的控制平台,类似于桌面工作站,将机械手安装在固定的控制平台上,完成在固定工作空间内的操作,这种方法已经实用化[8]。
如早期法国CEA公司开发的MAS-TER系统,美国TolfaCorporation开发的DEVAR系统,以及英国OxfordIntelligentMachines开发的RAID系统等。
第二种结构是将机械手安装在轮椅上,这样就可以在任何地域使用,但这导致了机械手刚性下降,抓取的精度往往达不到要求,而且这种方法只适合于那些可以用轮椅的人[9],如美国的MOVAR系统和意大利的URMAD系统等。
第三种机构是将机械手安装在自主或半自主车辆上。
,作为“导盲狗”[10]。
欧洲技术实验室的一个研究小组在URMA系统基础上开发了MOVAID系统,它由若干个固定的位于室内主要活动区域(如厨房和卧室)的工作站和一个可以在室内自由避障的移动机器人组成,操作者可以通过工作站的实时图形界面监控和干预机器人的动作,可以帮助残疾人完成诸如用微波炉(专门研制的)加热食物、打扫厨房和清理床铺等工作[11]。
目前,该系统已经在意大利经过了实际的残疾人使用,这种系统由视觉、操作器、行走、传感器数据采集和系统控制等几部分组成。
康复机器人在国外得到科研工作者和医疗机构的普遍重视,近年来取得很多有价值的成果。
如:
美国科学家在2000年研制了名为MIT-MAUS的手臂康复训练机器人样机[12];
斯坦福大学对手臂康复训练机器人开展了研究工作,在2000年推出了THEARMGUIDE和MIME型手臂康复训练机器人样机[13]。
在下肢康复机器人研究方面,美国的RUTGERS大学开展了脚部康复机器人的研究,并研制了RUTGER踝部康复训练机器人康复系统[14]。
日本的Makikawa实验室研制出可以使病人模拟正常人走路、上坡、滑行等运动的康复机器人(图1-2)[15]。
德国柏林自由大学(FreeUniversityBerlin)研制出了MGT康复机器人[16](图1-3)。
德国Frauchofer研究所开发了绳驱动康复训练机器人[17](图1-4)。
瑞士苏黎士联邦工业大学(ETH)设计了Lokomat下肢康复机器人[18](图1-5)。
日本高知工科大学设计了一系列下肢康复机器人(图1-6),随着康复机器人的进一步研究出现了智能轮椅(图1-7)及可穿戴式下肢康复训练机器人(图1-8)。
图1-2机器人图1-3下肢康复训练机器人
图1-4绳驱动康复训练机器人图1-5康复机器人
图1-6下肢康复机器人图1-7智能轮椅
图1-8可穿戴式下肢康复训练机器人
在康复机器人的研究方面我国起步较晚,在辅助型康复机器人方面的研究成果相对较多,而在康复训练型机器人方面的研究成果则相对较少。
在国内清华大学率先采用了虚拟现实技术,研制了卧式下肢康复机器人的样机[19](图1-9)。
哈尔滨工程大学研制了吊挂式下肢康复机器人(图1-10)[20],对人运动过程中姿态和步态进行控制,采用了重心控制模拟正常人行走的轨迹进行康复训练。
图1-9卧式下肢康复机器人
图1-10吊挂式下肢康复机器人
人体下肢康复辅助训练机是一种帮助下肢有运动功能障碍的患者进行康复训练的机器。
工作的重点是完成机器的机械本体结构设计,根据康复训练机器的应用对象、使用环境及技术指标的要求研究系统的总体组成,根据实际情况,设计实用的机械本体结构,进行机构模型分析,进行驱动方案、控制方案的选择。
第2章下肢康复训练机器人机械结构下肢康复机器人移动机构
康复训练机器人设计目的是辅助病患进行康复训练。
一台完整意义上的移动机器人,应具备移动机制、移动控制机制、环境感知机制和规划决策机制。
使机器人自主地选择行走路径、避障、进行必要的分析推理和决策,达到自主完成任务的目的。
目前,自主移动机器人还处于研发阶段。
技术瓶颈在于环境理解和推理决策。
所以在多数的复杂环境中,移动机器人采用遥控、监控等方法来弥补自主能力上的缺陷,高层决策、控制和感知任务部分或全部由人辅助完成。
本论文设计的下肢训练机器人采用的是全方位移动机构,该机构能使机器人在平面的任何位置勿须转弯就具有全向移动能力。
这种全方位移动机构不但能够在保持基本方位不变的前提下沿平面上任意方向移动,并且可实现任意半径转弯。
康复训练机器人的机械结构设计主要涉及以下几个方面:
(1)高度可否调节:
分为固定式、高度可调式;
(2)承重部位:
分为手持框架式、推车式、腋窝支持式;
(3)移动方式:
分为交替步行式(框架式)、脚轮式;
(4)是否折叠:
分为固定式、折叠式。
该轮式移动机构设计仅适用于相对平坦的地面,即四轮接触地面并保证皆不打滑的条件下才能实现对机器人轨迹的控制。
迄今为止,轮子是移动机器人和人造车辆中最常用的结构。
具有效率高和制作简单等优点。
并且轮子的运动速度和运动方向容易控制。
因此将下肢康复机器人设计为轮式。
为了实现全方位移动的要求,采用一轴驱动一轴转向的方式。
如图2-1所示。
图2-1转向和驱动示意图
如图2-2所示,在电机带动下带轮带动机器人的四个车轮,每个车轮由一台伺服电机及其减速器驱动,以控制每个车轮的转速。
通过控制四个电机的转速,依靠四个车轮速度合成来实现机器人的驱动。
每个车轮还有一个伺服电机驱动齿轮来实现车轮的转向,齿轮与车轮垂直。
电机通过齿轮控制竖轴的旋转,从而使驱动机构转向,实现机器人的全方向移动。
图2-2移动机构
第3章轴承的设计
与滑动轴承相比,由于滚动轴承为滚动摩擦,因而具有摩擦系数小、效率高、起动灵活、宽度小、润滑简单等优点;
由于滚动轴承已经标准化并且由轴承厂大批生产,因而还具有成本低、互换性好、使用及维护方便等优点。
滚动轴承的缺点主要是抗冲击载荷能力较差、高速时又噪声、工作寿命有限、径向尺寸比滑动轴承大等,在这些方面不如液体摩擦的滑动轴承。
与滚动轴承相比,滑动轴承有在高速重载下能正常工作,寿命长;
精度高;
滑动轴承可做成剖分式的,能满足特殊结构需要;
液体摩擦轴承具有很好的缓冲和阻尼作用,可以吸收振动、缓和冲击;
滑动轴承的径向尺寸比滚动轴承的小;
起动摩擦阻力较大,在起动和将要停止工作阶段轴承常处于非液体摩擦状态下和非液体摩擦滑动轴承具有结构简单、使用方便等优点。
设计下肢移动有障碍的人进行康复训练的辅助运动机构,不会遇到高速重载的情况。
因此选择采用滚动轴承。
图3-1所示的驱动轴主要承受径向载荷,角接触球轴承能同时承受径向、轴向联合载荷,因此选用角接触球轴承。
结构如图3-1所示。
图3-1角接触球轴承
转向轴要承受轴向载荷,推力调心滚子轴承能同时承受很大的轴向载荷和不大的径向载荷,深沟球轴承主要承受径向载荷,同时也能承受一定量的轴向载荷。
同时选用推力调心滚子轴承和深沟球轴承,结构如图3-2所示。
图3-2推力调心滚子轴承和深沟球轴承
第4章轴的结构设计
轴的结构设计是确定轴的合理外形和全部结构尺寸,为轴设计的重要步骤。
它由轴上安装零件类型、尺寸及其位置、零件的固定方式,载荷的性质、方向、大小及分布情况,轴承的类型与尺寸,轴的毛坯、制造和装配工艺、安装及运输,对轴的变形等因素有关。
设计者可根据轴的具体要求进行设计,必要时可做几个方案进行比较,以便选出最佳设计方案,以下是一般轴结构设计原则:
1、节约材料,减轻重量,尽量采用等强度外形尺寸或大的截面系数的截面形状;
2、易于轴上零件精确定位、稳固、装配、拆卸和调整;
3、采用各种减少应力集中和提高强度的结构措施;
4、便于加工制造和保证精度。
轴的结构设计就是使轴的各部分具有合理的形状和尺寸,轴的结构是由许多因素决定的,实际设计中应满足的主要要求是:
(1)制造和安装要求,即轴便于加工,轴上零件易于装拆。
(2)定位和固定要求,即轴和轴上零件定位准确轴向和周向固定可靠。
驱动轴在电极的带动下是车轮转动,从而使机器人进行移动。
驱动轴采用阶梯轴的形式,通过轴肩和套筒轴向定位车轮。
考虑到疲劳断裂是轴的主要失效形式,在设计时应在结构方面采取措施,减少受力、应力,以提高轴的疲劳强度。
将轴的输入端设计在一端,输出端设计在另一端。
合理的布置了轴上的传动零件位置。
轴由两个角接触球轴承支撑转动,分别设计在车轮的两端。
如图4-1和图4-2所示。
图4-1驱动轴结构
图4-2驱动轴
为了便于轴上零件的安装和拆卸,转向轴设计为阶梯形。
转向轴从轴端逐渐向中间增大。
将轴的输出端设计在两端,输入端设计在中间部分。
轴的一端设计螺纹,以便和驱动机构固定。
另一端采用推力调心滚子轴承和深沟球轴承来对轴进行轴向和径向支撑。
并且在轴端设计螺纹,以便和转动机构箱体的固定。
如图4-3和4-4所示。
图4-3转向轴
图4-4转向轴结构
第5章电机的选用
按工作电源种类划分:
可分为直流电机和交流电机。
直流电动机按结构及工作原理可划分:
无刷直流电动机和有刷直流电动机。
有刷直流电动机可划分:
永磁直流电动机和电磁直流电动机。
电磁直流电动机划分:
串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。
永磁直流电动机划分:
稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。
其中交流电机还可分:
单相电机和三相电机。
按结构和工作原理划分:
可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。
同步电机可划分:
永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。
异步电机可划分:
感应电动机和交流换向器电动机。
感应电动机可划分:
三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。
交流换向器电动机可划分:
单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。
按起动与运行方式划分:
电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。
按用途划分:
驱动用电动机和控制用电动机。
因为下肢康复机器人所要求的电机数量较多,而且要求电机外形小。
对电机的功率要求也不大。
所以选择微特电机中的小功率异步电机。
如图5-1所示。
图5-1微特电机
AO2系列三相异步电动机铁心、绕组技术数据为:
型号:
AO2-8024
额定功率/W:
750
额定电压/V:
380
满载时|电流/A:
满载时|转速/(r/min):
1400
满载时|效率(%):
满载时|功率因数:
转子铁心/mm)|外径:
128
转子铁心/mm|内径:
77
转子铁心/mm|长度:
75
气隙长度/mm:
槽数|定子:
24
槽数|转子:
30
定子绕组|线规/mm:
定子绕组|每槽匝数:
105
定子绕组|每相串联匝数:
840
定子绕组|节距:
2~7
堵转电流/额定电流:
堵转转距/额定转距:
最大转距/额定转距:
第6章传动选择
齿轮传动如图6-1是机械传动中应用最广泛的一种传动形式。
其主要特点是:
瞬时传动比恒定;
传动效率高,可到达98%~99%;
工作可靠、使用寿命长;
结构紧凑;
适用范围大,传递功率可以从1W到数万KW,圆周速度可以从很小到300m/s;
但是齿轮加工需要专门的机床和刀具,成本高;
精度低时噪音大;
不宜用于轴间距离过大的传动。
齿轮的传动类型很多,以适应对传动的不同要求。
渐开线齿轮应用最广,圆弧齿轮传动用于重型机械传动中。
按齿轮传动的工作条件不同,可分为开式、半开式和闭式传动。
闭式传动的齿轮、轴及轴承等均安装在封闭的箱体内,安装精度高、能保证良好的润滑条件,应用最广。
开式传动的齿轮完全外露,不能防尘,只能周期润滑,仅用于低速和对传动要求不高的场合。
半开式齿轮传动,大多数是齿轮侵入油池内,外装护罩,但不完全封闭,防尘性较差。
图6-1齿轮传动
链传动应用广泛,按用途不同可分为传动链、起重链和曳引链三种。
传动链一般在机械中用来传递动力和运动;
起重链在起重机械中用来提升重物;
曳引链在运输机械中用来输送物料或机件等。
本文只关心传动链就可以了。
链传动是啮合传动,链轮轮齿有特定的图形(与齿轮不同,是非共轭齿廓),可以保证链节和链轮正常的啮合--,既可以保证平均传动比为定值,又可象带传动那样有中间挠性链实现中心距较大的传动,压轴力还不大;
而且工作时为多齿同时啮合,可传递较大的功率;
传动效率高,~;
经济可靠。
主要缺点是瞬时链速和瞬时传动比不是常数,传动中有一定动载荷和冲击,噪声较大,不能用于高速。
因此,链传动常用于两轴中心距离较大、要求平均传动比不变但对瞬时传动比要求不严格的两轴或多轴传动,它还能在低速、重载、工作环境恶劣和较为高温的情况下较好的工作,目前常用于功率在100KW以内、链速在12~15每秒以内、传动比在8以内的农业机械、轻化工机械、机床、起重运输机械、车辆和采矿机械的传动中。
如图6-2所示。
图6-2链传动
带传动如图6-3按传动原理不同可分为摩擦型带传动和啮合型带传动。
摩擦型带传动是靠带与带轮之间的摩擦力传递动力和运动;
啮合型带传动(同步带传动)是靠带齿与轮齿的啮合传递运动和动力。
摩擦型带传动主要特点如下:
(1)传动带具有弹性和挠性,可吸收振动并且缓和冲击,从而使传动平稳、噪声小。
(2)当过载时,传动带与带轮之间可发生相对滑动而不损伤其它零件,起过载保护作用。
(3)适合于主、从动轴间中心距较大的传动。
(4)由于有弹性滑动存在,故不能保证准确的传动比,传动效率较低。
(5)张紧力会产生较大的压轴力,使轴和轴承受力较大,传动带寿命降低。
(6)摩擦容易产生静电火花,不适于高温、易燃、易爆等场合。
与摩擦型带传动相比,同步带传动图6-4兼有带传动和齿轮传动的一些特点。
具有传动比准确、效率高、传动平稳、噪音低、使用寿命长、中心距允许范围大、轴上压力小、能承受一定冲击、不需润滑、较其他类型带传动结构紧凑等优点。
同步带传动的速度最大可到八十米每秒,单级传动比可达10,~,传动功率可到几百千瓦。
现在已广泛用于各种仪器、计算机、汽车、纺织机构、粮食机械、机床、石油机械等机械传动中。
图6-3摩擦型带传动
图6-4同步带
电机对驱动轴的传动在下肢康复机器人的运
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