开题报告-新型膝关节用CPM机的结构设计.doc

毕业设计（论文）开题报告题目名称： 新型膝关节用CPM机的结构设计学生姓名专 业机械工程及自动化班 级一、选题的目的意义1.结合实际锻炼并提高学生进行机械产品方案设计、结构设计的能力。2.所设计的cpm机具有应用价值，若设计合理，方案可行，则可生产应用。3.CPM是一个比较新的治疗理念, 20多年的研究为其发展奠定了重要的理论基础和 丰富的实践经验,但是目前应用上还是探索阶段,应用范围主要还是在全膝关节置 换术后及一些骨科损伤后的康复阶段。其应用是以防止关节僵硬,提高关节活动度 为主要目的,而在刺激关节软骨再生方面应用很少。相信CPM这一临床治疗方法会 进一步完善,会为骨关节外科的治疗带来巨大的进步。二、国内外研究综述20世纪70年代加拿大骨科专家Salter经过大量实验提出了CPM的概念。它是利用专门器械使关节进行持续较长时间的缓慢的被动运动,使治疗和康复相结合,可以有效防止关节粘连,对关节内软骨的再生与修复有促进作用,有利于肢体功能的恢复。自从1978年临床应用后,经过20年的发展,该技术现在广泛应用于医学、体育等领域,引起了越来越多的关注。目前国内外治疗骨关节病的方法有两类：手术和非手术治疗方法。对于这二类治疗方法，其最终目的均要恢复患者的肢体的运动能力。CPM就是一种帮助患者尽快恢复运动的一种康复器材。该器械是根据人的运动生理功能及人体尺寸设计的，在国外已经广泛应用于骨折病人及各种骨关节病人的康复治疗。其治疗原理是将患者的肢体固定于器械上，根据病人情况及治疗要求，设置CPM的运动方式，强迫患者随CPM做受迫运动，逐步地使患病部位恢复运动能力，并达到人的生理运动位置。CPM主要是骨折病人、骨关节病人为实现膝关节、踝关节、骨关节的功能恢复而进行训练的一种理想康复器械。 目前已有多种类型的CPM机,如下肢CPM机、上肢CPM机和手指CPM机。这些CPM机主要由3部分构成:肢体托架、电机及传动部分和控制系统。控制系统可调控关节运动范围的大小,关节正常运动范围内运动弧的位置和关节运动的频率。大多数病人对CPM的顺应性好,病人感到舒适。三、毕业设计（论文）所用的方法 综合运用所学的基础理论课、技术基础课和专业课知识和技能去分析解决该问题。掌握工程设计的一般程序、规范和方法通过调研，获取各种与本设计有关的数据资料，结合产品设计的步骤，拟定各个设个过程的内容。 设计计算、制图、试验设计、测试、数据处理、编写技术文件、正确使用技术资料、文献标准、手册等工具书产品的设计方法一般遵循如下几条： 1.完成设计过程中必须的试验研究(新原理结构、材料元件工艺的功能或模具试验)，并写出研究试验报告。 2.膝关节CPM机产品的适用人群。 3.作出CPM产品设计计算书(如对运动、刚度、强度、振动、变形、电路、液气路、能量转换、能源效率等方面的计算、核算)； 4.画出产品总体尺寸图、产品主要零部件图，并校准； 5.运用价值工程，对产品中造价高的、结构复杂的、体积笨重的、数量多的主要零部件的结构、材质精度等选择方案进行成本与功能关系的分析，并编制技术经济分析报告； 6.绘出各种系统原理图(如传动、电气、液气路、联锁保护等系统)； 7.提出特殊元件、外购件、材料清单； 8.对设计的图纸计算说明书等的某些内容进行审查和修正； 9.完成设计。经过对本次膝关节CPM机的设计分析，本次设计所需用的制图与仿真软件为AutoCAD、solidworks、Pro/E，应熟练掌握。四、 主要参考文献与资料获得情况1专利： 人体下肢关节康复器，申请（专利）号：94227560.8； 王成焘 3 薛澄岐. CPM运动训练器设计，东南大学机械工程系，J.S. Machine Building& Automation No.5-19994 孙健利.直线滚动导轨机构承受垂直载荷时的刚度计算，华中理工大学学 报.1998.16950：35405 谢峰. 数控工作台静刚度、寿命及定位精度的理论研究.华中理工大学硕士论 文，19936 北京中西远大科技有限公司,产品样本 7 丁玉兰. 人机工程学，北京理工大学出版社8 熊浜生. 现代连杆机构设计，化学工业出版社，20059 孙桓；陈作模；葛文杰.机械原理，高等教育出版社，2006 10 单辉祖.材料力学（上下册），高等教育出版社，2002 11 陈立德机械基础课程设计指导书（第二版），高等教育出版社，200412 孟宪源. 现代机构手册M. 机械工业出版社，199513 郁明山，等。现代机械传动收的M.机械工业出版社，199614 吕仲文. 机械创新设计. 机械工业出版社，200415 邹慧君.机械运动方案设计手册. 上海交通大学出版社，199416 张世民. 平面连杆机构的设计，高等教育出版社，198317 梁崇高. 平面连杆机构的计算设计，高等教育出版社，199318 祖启明关于持续被动运动的基础研究和临床应用J国外医学:物理与 康复学分册, 1995, 15 (3): 155158 19苏奇. 持续被动活动在下肢骨折治疗中的应用J. 中华创伤杂志，1997,3(1):51 20潭新玲，曹秀丽. 下肢骨折术后患者的康复训练J.现代康复，2001,12:137-13821 Odriscoll S W, Kumar A, Salter R BThe effect of the volume of effusion , joint position and continuous passive motion on intraarticular pressure in the rabbit knee JJ Rheumato1, 1983, 10 (8): 360363 22 Funk D A, Noyes F R, Grood E SEffect of flexion angle on the pressure volume of human knee JJ Arthroscopy, 1991, (7) 23 Salter R B, Simmonds D F, Malcolm B W,et alThe biological effect of continuous passive motion on the healing of full thickness defects in articular cartilage JJ Bone Joint Surg, 1980, 62 (4): 1232125124 R.贝伊尔著，陈兆雄译.机构运动学综合，机械工业出版社，1987五、 指导教师审批意见 指导教师签名 年 月 日附录5毕业设计（论文）中期检查表题目名称 新型膝关节用CPM机的结构设计学生姓名所学专业机械工程及自动化学号一、已完成的任务1、查阅资料2、外文文献翻译3、设计方案并进行可行性分析4、开题报告5、产品的详细尺寸设计和主要零部件的校核6、画出三维图，进行仿真检验。二、存在问题1、所仿真的cpm机在运行过程中出现死点。2、电动机选择、电动机与丝杠的传动连接。3、初始方案设计部分结构不能满足要求，即摇杆的调节与固定装置无法按初始方案设计，故中途修改方案。三、拟采取的研究方法和可行性分析电动机的选择：（1）类比法 参照同类生产机械来决定电动机的额定功率。（2）统计法 经统计分析找出电动机的额定功率与生产机械的主要参数之间的计算公式。（3）实验法 用同类或者相进类型的生产机械进行试验，测出功率大小。（4）计算法 根据电动机的负载情况，从发热、过载能力、起动能力等方面考虑，通过计算求出所需功率。电动机与丝杠的连接： 由所选电动机与和传动比选择传动机构。四、指导教师对学生劳动纪律、设计（论文）进展等方面的评语 指导教师签名： 年 月 日关于新型膝关节用CPM机的结构设计的外文文献翻译美国专利 专利号：4671257凯泽等人 专利公开日期：1987.06.09连续被动运动运动器材发明人：俄亥俄州的 罗伯特.T.凯泽；伊利里亚；尼尔 J.卡伦；克利夫兰；西奥多 D.维克菲尔德。申请日期：1985.01.23引用文献 美国专利文档 US1709153 4/1929 Pownall US1862237 6/1923 Pepler US2135018 11/1938 Svensson US2168649 8/1939 Johnson US2183265 12/1939 Maloney US2631582 3/1953 Bensfield US2777439 1/1957 Tuttle US3046072 7/1962 Douglass,sr,et.all US3072400 1/1963 Dykinga US3612042 10/1971 Fry US3618595 11/1971 Stahmer et al. US3661149 5/1972 Ferries US3683898 8/1972 Underwood US3693614 9/1972 Schon US3834694 9/1974 Pridgen US4048886 9/1977 Zettler US4185622 1/1980 Swenson US4282865 8/1981 Pogue US4323060 4/1982 Pecheux US4485524 12/1984 Neville US4487199 12/1984 Sariger US4489454 12/1984 Thompson US4492222 1/1985 Hajianpour US4506661 3/1985 Foster US4509509 4/1985 Bouvet et al. US4523585 6/1985 Lamb US4538595 9/1985 Hajianpour US4546763 10/1985 Coutts US4549534 10/1985 Zagorski引用的国外专利文献 CA8202832 9/1982 Canda DE521142 3/1931 Fed.Rep.of Germany DE2524468 12/1976 Fed.Rep.of Germany引用的其他出版物 mobilimb TM广告， Danninger医疗手册；dann-flex广告 Danninger医疗手册；danninger med.sutter连续被动运动机器model 300广告使用说明书，sutter 生物医学公司；Oecck-7 膝关节连续被动锻炼器，骨科设备公司广告手册Stryker 腿部锻炼器，Stryker广告手册角系统，Zimmer 公司广告手册1983年主要审核人：理查德 J. 埃帕莱助理审核：J.威尔士律师、代理或公司：夏普、Beall、费根、Minnich 和 McKee。摘要一张床(A)有围栏(20、22)和定义了一个病人支承面(38)。总成(B)包括横向部分 (50),装夹在床上围栏和竖直的标杆(58)。电源模块安装杆（70）定位安装在有选择性地调节垂直位置及其并有选择地对职位的轴存储位置帷幕。电源模块（丙）驱动器，通过往复在选择调速角位移和轴（98）之间的选择性可调角位移限制。病人关节屈总成（D）是和电源模块轴弯曲病人的一个关节由电源模块提供的动力一连接起来的。通俗地讲，联合伸缩组件提供多元化，特别是对每一个弯曲，如弯曲膝盖组装病人的关节，一个适应，一肘弯曲集会，等等。在膝盖的弯曲集会，大腿支持框架部分（174）和小腿支持框架部分（176）是相互联系的一个多中心的铰链（178）。在一个手肘弯曲总成，手腕弯曲的机制（220）是由为配合弯曲肘关节弯曲的患者的手腕提供。发明背景这项是发明和病人康复艺术的结合。这项发明给出了受伤和物理治疗时关节和四肢的康复特定应用程序,描述与特定的参考都有约束力。这项发明会在其他领域广泛应用于病人康复,如恢复从整形外科、循环系统的刺激,肌肉康复,等等。在过去,术后和创伤后治疗病人的关节是普遍地包括了生物固定。受影响的关节是固定的,被牵引延长时间。固定化、各种医疗问题都会联系起来。特别是包膜,韧带和关节粘连,静脉血栓形成,瘀,osteopenia创伤,周边水肿肌肉萎缩,以及类似的问题一般都归因于生物固定。这些与固定相关的内科疾病可以通过减少或者消除动员年初受损的关节来消除。人们已经发现有利于共同发起后立即动员整形外科,在很多情况下操作和恢复时病人仍在麻醉。具体地说,连续被动运动关节的被发现到受到有效减少或者消除身体问题,加快痊愈,减少疼痛的程度和止痛药治疗相关的要求,这个方法提高了运动幅度受损的关节恢复等等。早期被动运动装置,包括膝盖手术的自行车踏板的安排。主动脚踏板用一个合适的驱动方式弯曲在病人的膝上。随后,更精密的仪器都迅速发展，甚至当病人被还躺在床上的时候，它们可以使用。一个超级结构在床上支持一系列的滑轮,马达,以及可调的杠杆臂驱动电机。一根绳子绕在杠杆臂上扩展到滑轮和支持吊索定位膝盖的周围的病人。马达把杠杆臂,绳索和吊索安排举起,降低了膝盖的高度。在这个系统中存在的不足之处是需要较长的安装时间和繁琐的性能测定装置。随后,简单的床和地板支持设备也被开发出来。在一个电机驱动蜗轮踏脚板远离病人。当这个病人的脚踏板,接近定位的踏板,踏板带动病人足以提升高度并降低病人的膝关节高度。其中一个问题是连接在一起的脚踏设备驱动使膝关节受到不良压力。为了来减轻压迫的膝盖上,其他设备形成了蜗轮开著挂接在腿体支撑的结构。大腿支持部分连接到一个简单的支点。在蜗轮选择性地使大腿和小腿部分能转动,向外延伸向上弯曲病人的膝盖之。一个简单的问题能转动,腿支撑结构pivotable运动不匹配的运动人类的膝盖。这的错配运动的膝盖,腿支护结构造成部分腿幻灯片或移动纵向相对都有约束力。此外,蜗轮驱动持续被动运动锻炼结构相对庞大而要求之间相对较大的储存区域运动会议。体积庞大的尺寸局限在病房相对宝贵的储藏空间是特别不利的。本发明提供了一个新的和改进的连续被动运动锻炼仪器，解决了以上提出了问题和类似的问题。发明摘要依照本发明的一个方面,设计一种连续的被动运动锻炼设备提供。病人的床大多包含一对相对放置的围栏和病人支承面。电源模块提供了动力来驱动病人关节屈装配装置来伸缩病人支持在病人支承在床上的腿部。装配安装了电源模块的邻近床围栏。本发明根据更多的限制，安装装置是直接安装在床的围栏上。在床上的可移动围栏就选择来提高患者的头和脚,运动设备能够动摇同步。本发明还根据一些限制条件，安装的组件包括横向扩展。在优选的实施方式中,功率模块安装的垂直位置是选择性的可调装置。此外,安装了电源模块的摇摆机构对远离病人的运动之间的部位。另一个方面，依照本发明，功率模块包括马达驱动轴，它通过处理一般水平往复角位移中心轴的轴上。一个控制电路控制角位移和速度的轴上。控制电路包括紧急关闭阀,当故障传感器连续被动运动锻炼感觉到故障存在，它会以终止终止来回应这个故障。另一个依照本发明的的方面,病人关节屈组件包括能转动支持帧的一端,由轮或辊支承面在病人的床上，多中心重要的连接部分连接能转动的框架,框架弯曲在同一的运动方式作用在病人的膝上。还根据另一个方面,本发明的联合的一组弯曲总成提供互连进行选择性的力量模块。联合弯曲总成可能特别适合伸缩病人的膝盖、脚腕、臀部、肘、手腕、或这一类的关节。主要利用本发明是提供了更快、更完整的治疗效果,重建关节外科、更换、受伤等等。然而,本发明的另一个好处是,它很容易适应提供连续被动运动运动的一组的关节。与常规的技能的艺术在阅读和理解以下首选的详细描述相比，本发明的优势就变得更加明显图纸简要介绍 这项发明各图纸形式，排列的部分仅仅供作阐述发明。图1部分爆炸图, 依照本发明，它的角度看成一个连续的被动运动锻炼器械,图2A和B是一个两部分拟说明控制电路动力学的运动控制的病人关节屈组装图图3是一个多中心的详见联合结构的病人关节屈组装的图1。图四是一种体现一个功率模块安装装配的功率模块安装在一个可移动台上。图5是以病人的角度去看联合屈肘屈曲适应及其他骨关节患者的手臂。详细说明配说明图1，特别适用于病人的膝上、关节屈组件病人的其它关节随时互联给了电源模块。装配B选择性地安装一个功率模块C相邻床的那边。使病人提升了他的头和肩膀或他的脚和腿,提升框架部分包括一对移动围栏可移动的安装在固定的围栏。特别的,可移动的围栏包括病人头和身体上部提升部分连接第24条、第26为关键的运动相对于固定侧轨道部分14、16。一个直线电机30或其他框架提升手段,operatively之间连接着部分固定成本和可移动的框架有选择性的旋转上面的身体,提高对其关键部分连接固定围栏提高患者的头。相较之下,腿使身边轨道部分连接到34、 32,透视相对于固定围栏14、16的控制下直线电机(未显示)或类似的有选择性的提高病人的腿。一个床垫36支持框架提供部分病人提高病人支承面38。图1,安装装配B包括相对平坦的横向配置50,支持围栏床的框架。第一次装夹夹紧52被选择的控制下旋钮54一边轨道床,第二个夹紧安排56被选择装夹在对面床框的栏杆。“大学生村官”或垂直标杆58紧密结合横向成员通常垂直于50延长床侧铁路。安装装配B很容易安装在床之间被滑动的横向成员在床垫和框架,夹紧夹52和56成很紧密的框架围栏。一个功率模块安装意味着60适应功率模块58。体现图1、模块安装方式,包括一套62处理slidably有良好岗位therealong和angularly垂直位置的选择性thereabout。 一个旋转的套64完全支持套筒62。一销66选择性的与一组的一个主要的良好80.00%有选择性的调整套筒的垂直位置。摘要通过threadedly螺杆68扩展为锁住套筒62套筒角相对位置。一个功率模块安装在当于刚性连接的将套筒62，展模块安装杆平行于床上围栏当锥形螺钉68被锁定在参与是后一个孔。电源模块安装在模块安装在杆70上。在运行时销66释放，功率模块放置于直高度适当,一般密切接近病人支承面38。固定的垂直位置上的力量模块、锥形螺钉68紧紧卡住了固定功率模块支撑杆70平行到一边轨道20的床。由锥形螺钉68释放,允许功率模块C和关节屈装配D到下一个练习部位。电源模块C包括壳体90,被选择安装在模块安装杆70。控制面板92包括94,它展示有关运动的选择执行已进行的锻炼、错误或故障信息等等。一系列的输入开关使操作员输入相应的控制信息控制往复外部振动电机轴98。特别的参考图2A和B,输入开关96提供微型计算机处理器100，在其中选择适当的运动参数。由微机控制电机102，连接与输出轴98使输出轴到振荡之间在选定的速度和选择角位置的限制。值得一提的是,该输入开关包括一个角位置限定开关，那些选择范围角位移被保存在一个角位移极限位置记忆106。在优选的旋转角的位置,分析器108监控实际角位置轴98。在到达选定的限制时,角放宽部位限制设定开关的状态104使极限位置记忆储存当前位置,106为实际轴位置。在训练的时候,一个角位置比较110比较了电路选择角位置极限实际角位置轴98,引起方向键控制电路112扭转马达每一个极限位置为止。一个循环柜台计算电机轴的98振动的情形。输入开关96进一步包括速度选择开关120，它导致一个预定的速度旋转角速度的轴98被保存在一个速度或角速度记忆器122中。一个实际的速度电路24不同角位置信号108旋转角位置决定实际角速度轴98。不同电路126选择性控制脉宽调制器128,电力脉冲宽度提供给电机是多种多样的,以维护实际和选择完全相同的速度。一个时间的选择开关130控制时间记忆132存储预设时间练习。一段时间比较方式比较选定的持续时间从134回忆过去的时间在一个时钟电路136。最后选择的时间,时间比较器引起的供电使这台电机被终止。微机100还包括多个故障传感测量方法。遥感手段包括故障的一种手段角位移测量超越选定的角位移的极限。偏置电路140扩展了选角位置范围抵消一个百分比。一个角位置故障进行了比较实际旋转142手段位置角位置范围扩大,引起电路144终止,开关意味着146回应了获得了极限位置。故障传感器进一步测量电机轴的98以改变方向。一个实际的轴旋转方向判断区分了150手段角位置的确定角位置旋转的方向轴98就是旋转。一个被控制方向的监测监控电路152输出角位置比较电路的方向，监控电路110指导微处理器的轴旋转。如果微处理器选定的旋转方向旋转方向与实际不相符合,则方向比较器154终止供电。故障遥感手段还包括测量轴98的比转所选角速度错误的错误。这样的失败可能例如,是由于一颗破裂的驱动皮带或电机和轴之间的联系。一个被控制的速度电路160连接脉冲宽度调制器128以确定的微型计算机的速度, 由马达指导轴的转动。比较速度比较电路工作实际角速度按实际速度与控制