上肢康复机器人的结构设计

上肢康复机器人的结构设计目 录中文摘要及关键词I英文摘要及关键词II第一章 绪 论11.1课题的背景和意义11.1.1 课题的背景11.1.2课题意义11.2 课题的国内外研究现状和发展趋势21.2.1 国内外研究现状21.2.2 课题发展趋势91.3本文主要研究内容9第二章 上肢康复机器人的总体方案设计102.1 人体上肢结构102.2 总体设计思路132.3 设计方案对比及方案选择132.3.1 设计方案对比132.3.2 设计方案选择142.4 自由度的选择和空间动作范围确定152.5 康复机器人的组成182.5.1 执行机构182.5.2 驱动机构232.5.3 控制系统分类252.6 上肢康复机器人基本参数确定252.6.1 结构参数确定252.6.2 运动参数确定262.7 本章小结26第三章 上肢康复机器人整体结构设计273.1 肩关节运动机构设计273.1.1 肩关节运动机构设计要求273.1.2 肩关节运动机构结构与选择283.1.3 肩关节运动机构尺寸设计283.2 肘关节运动机构的设计293.2.1 肘关节运动机构设计的要求293.2.2 肘关节运动机构结构与选择293.2.3 肘关节运动机构设计303.3 前臂和腕关节运动机构的设计303.3.1 前臂和腕关节运动机构设计的要求303.3.2前臂和腕关节运动机构结构与选择313.3.3 前臂和腕关节运动机构设计313.4 机身结构设计323.4.1 机身结构设计的要求323.4.2 机身结构的选择333.4.3 机身结构设计333.5 本章小结34第四章 伺服元件的选择354.1 前臂与腕关节运动机构电机的选取354.2 肘关节运动机构电机的选取364.3 肩关节运动机构电机的选取374.4 步进电机驱动器选择384.5 联轴器选择384.6 本章小结39第五章 主要零部件的校核405.1 肩关节运动机构传动轴校核405.2轴承校核435.3键选择及校核计算445.4本章小结45结 论46参考文献47致 谢49中文摘要及关键词随着机器人技术的发展，将机器人辅助治疗技术应用到中风患者的康复训练中，已经受到国内外研究人员的重视，并逐渐成为康复工程领域研究的重要课题和热门点。具有重要的研究意义和应用价值。本文从康复训练的角度对人体上肢的运动原理进行了分析，设计出了一种可穿戴式外骨骼式上肢康复机器人，用于心脑血管疾病致瘫或者意外事故所造成的上肢损伤的患者上肢及其相关关节的康复训练。本设计中的上肢康复机器人机身是高度可调节的机座，整个外骨骼机构包括了：肩关节运动机构、肘关节运动机构、前臂和腕关节运动机构。各运动机构由单独的电机驱动，而传动机构主要是传动轴。本设计中的上肢康复机器人各个关节康复机构尺寸具有一定的可调节性，能供一定范围内身高人群使用。关键词：康复，上肢，外骨骼，结构设计英文摘要及关键词With the development of robot technology, the robot-assisted therapy applied to there habilitation of stroke patients has been gradually paid attention by domestic and foreign researchers. It has become an important research subject and hot spot in the field of rehabilitation engineering. Therefore, the study has important significance and application value.This perspective on the human body from the use of upper limb movement principle is analyzed，designed a wearable exoskeleton upper limb rehabilitation robot, for the paralysis caused by cardiovascular diseases or accidents. The design of the upper limb rehabilitation robot body is height-adjustable stand, The exoskeleton mechanism comprises: the shoulder joint movement mechanism, the movement mechanism elbow, forearm and wrist articulation mechanism.，the moving mechanism driven by a separate motor.The design of the upper limb rehabilitation robot the size of each joint rehabilitation agencies have some adjustability can be within a certain range for tall people to use.Keywords：rehabilitation，upper limb，exoskeleton，structural designII上肢康复机器人的结构设计第一章 绪 论1.1课题的背景和意义1.1.1 课题的背景随着我国老龄化的加剧，伴随老龄化过程中明显的生理衰退就是四肢的灵活性不断下降，而在老龄人群中有大量有脑血管疾病或神经系统疾病患者，这些患者又大都伴有偏瘫症状，对日常生活产生了种种不利的影响, 给患者、家庭及社会带来了沉重的负担。医学理论和临床医学证明, 这类患者除了早期的手术治疗和必要的药物治疗外, 正确的、科学的康复训练对于肢体运动功能的恢复和提高起到非常重要的作用。神经康复治疗过程是一项艰苦的工作, 目前主要依靠康复医师对患者进行一对一的手工操作和主观临床经验对患肢进行的评估, 限制了康复水平的提高。康复医学与机器人技术的结合为研究新的康复技术提供了一个很好的契机。 这样的结合不仅可以减少医生的工作强度, 更可以优化患者的康复治疗方法, 提高康复效果。为解决这些康复训练过程中出现的问题，需要安全、定量、有效及可进行重复训练的新技术，因此机器人辅助训练技术在这种背景下应运而生2。1.1.2课题意义传统的运动康复训练是康复治疗师通过人力协助患者完成一系列的运动，不可避免的存在着诸多弊端： 无法得到精确的量化数据对康复效果进行客观的评价； 不能精确控制训练参数，不利于治疗方案的改进； 不易将患肢的运动信息实时直观的反馈给患者； 训练过程缺乏吸引力，患者参与治疗的主动性不够； 缺少多感官刺激，不利于恢复运动神经对肌肉的支配； 治疗师一对一的辅助患者，训练效率低； 治疗效果多取决于治疗师的经验和水平； 治疗师体力消耗大，极易疲惫，影响康复训练的效果等。采用上肢康复机器人辅助治疗的技术，是解决上述问题的有效途径。将机器人系统运用到运动康复训练中，直接与患者接触，辅助其完成一系列的运动，有以下优点： 可以利用传感技术得到训练时的量化数据，对康复效果进行客观的评价； 可以精确的控制训练参数，有利于为患者提供稳定的治疗方案，以及对治疗方案进行改进； 可以通过屏幕显示或虚拟现实等手段将患肢的运动信息实时直观的反馈给患者； 可以通过游戏的形式进行训练，吸引患者主动参与到运动训练中来； 在训练时加入声、光、电等多种感官的刺激，更利于患者神经系统的康复； 机器人系统使得一个治疗师同时辅助多名患者进行训练成为可能，提高了治疗效率； 可以为不同的患者建立针对性的训练数据文档，减少治疗师的文案工作，更多的精力投入到治疗方案的改进中来； 机器人不知“疲倦”，能够满足不同患者对训练强度的要求； 使得治疗师远程协助患者训练成为可能等。可见，将机器人技术运用到康复训练中来，可以弥补传统康复训练的大量不足，具有改善康复效果和提高康复效率的潜力。1.2 课题的国内外研究现状和发展趋势1.2.1 国内外研究现状康复机器人是工业机器人和康复训练的结合，涉及到多个领域，包括：机械工程学、电子工程学、生物医学、人造器官学、自动化技术、人工智能和传感科技等。国外发展状况: 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3。1990 年以后康复机器人的研究进入到全面发展时期。上肢康复机器人最早出现是在 1993 年，美国的Lum P.S 等人研制了一种称作“手-物体-手”的系统，用于对中风后偏瘫病人的上肢进康复训练见图1.1。患者的双手置于两个夹板状手柄中，只可以进行腕关节的屈曲/伸展运动。患侧手在驱动电机的辅助下，完成双手夹持物体的动作。1995 年，Lum P.S等又研制了一种双手举物的康复器，用来训练患者用双手将物体举起并移动的动作见图1.2。患者双手握住手柄上举，系统可以在患侧手无法产生足够大的力时予以辅助，协助患者完成上举并移动的动作4。 图 1.1 “手-物体-手”系统 图 1.2 双手举物康复器 1995 年开始至今，美国的Hogan 和Krebs 等研制了一款名为MIT-MANUS 的神经康复机器人，并不断扩展其功能。到现在为止，该机器人的机械部分有个模块：平面模块，手腕模块和手部模块，依次串联，见图1.3-图1.6。平面模牵引肘和前臂在水平面上做平移运动，并有一定的重力补偿，辅助患者的肩关节肘关节进行活动；手腕模块提供了三个运动自由度，辅助患者的前臂和手腕关节行活动；手部模块辅助手掌部分关节进行活动，训练抓握功能。整个体统采用阻抗控制以保证安全。训练时，MIT-MANUS 可以推动、引导或干扰患者上肢的运动，以提供不同的训练模式；可以采集位置、速度、力等信息以供分析；可以将运动状态信息显示到电脑屏幕上为患者提供视觉反馈5。Hogan 等在该机器人系统上做了不少临床实验，并得出一系列结论：机器人辅助治疗不会给患者带来负作用；患者可以接受这种治疗方式；辅助患肢进行运动训练可以促进脑神经康复，且将机器人辅助训练引入传统康复训练效果更好；改进的疗效在3 年后仍然存在；中风三个月后，神经康复并未停止，仍在继续7。图 1-3 MIT-MANUS的平面模块 图 1-4 MIT-MANUS 的手腕模块 图1-5 MIT-MANUS 的手部模块图 1.6 MIT-MANUS 机器人2000 年，David J，Reinkensmeyer 等研制了一款称作ARM Guide (assistedrehabilitation and measurement guide)的康复机器人，用来辅助治疗和测量脑损伤患者的上肢运动功能，见图1.7。患者手臂缚在夹板上，由电机驱动沿直线轨道运动，轨道的俯仰角和偏斜角可以调整。在该系统上的实验表明，经过训练，患者瘫肢沿着ARM Guide 主动运动的范围扩大了；患者运动的峰值速度得到了提高，肌张力降低；经过训练患者的总体运动控制能力得到了提高8。图 1.7 ARM Guide 康复机器人2000 年美国斯坦福大学研制了一款名为MIME(mirror-imaginable)的上肢康复机人，可以辅助患者完成上肢患侧与健侧的镜像运动，见图1.8。该系统采集健侧上肢运动的轨迹，镜像到患侧，并通过PUMA 550 工业机器人辅助患侧进行运动。实表明，经过机器人辅助训练的患者，其患肢的运动功能较传统作业疗法训练结果更佳，主要表现在临床运动损伤等级的提高、力量的增加和运动范围的扩大等9。图 1.8 MIME 康复机器人2002 年，以英国Reading 大学为首的欧洲跨国研究小组，研制了一款名为GENTLE/S 的上肢康复训练机器人，见图1.9。患者的上肢通过吊索与Haptic MASTER工业机器人连接，系统提供重力补偿和一系列的驱动，主要对肩关节和肘关节进行运动训练。运用虚拟现实技术，通过电脑屏幕给予患者视觉反馈，临床实验取得了明显效果。自2004 年开始，上肢康复机器人的研究开始了突飞猛进的发展，开始涌现出各式各样的机器人系统11。图 1.9 GENTLE/S 系统 自2004 年开始，上肢康复机器人的研究开始了突飞猛进的发展，开始涌现出各式各样的机器人系统。以下列举一些近年研制出的新型上肢康复训练机器人。英国 Leeds 大学Raymond Holt 等人研制了一款名为iPAM(intelligent pneumaticarm movement)的双臂机器人，见图1.10。患肢的上臂和前臂通过两个机械臂进行牵引，完成康复训练动作。两个机械臂各有3 个关节，共6 个自由度，采用气体动力驱动7。图 1.10 iPAM 双臂机器人瑞士 Zurich 大学的Tobias Nef 等研制了一款名为ARMin 的半外骨骼式的上肢康复训练机器人，见图1.11。该机器人共有6 个自由度，为患肢提供重力补偿，并可协助患肢的肩关节、肘关节进行复合运动，接受作业治疗13。图 1.11 ARMin 系统华盛顿大学研制的 CADEN-7 机器人是一款外骨骼式机器人，具有7 个自由度7,可以辅助患肢的肩、肘、腕进行多关节的复合运动，见图1.12。图 1-12 CADEN-7 机器人国内发展状况：在我国，康复医学工程虽然得到了普遍的关注，但康复机器人研究仍处于起步阶段。清华大学在国家自然科学基金的资助下，从2000 年开始起即开展了辅助神经康复的研究，已成功研制了肩肘复合运动康复机器人、肩关节康复机器人和手的康复训练器等多种康复机器人，见图1.13、图1.14，并于2004 年初开始在中国康复研究中心进行临床应用，已经取得大量临床数据，并在陈旧性偏瘫患者的康复方面观察到初步效果14。 图 1.13 肩肘复合运动康复机器人 图1.14 肩关节康复机器人哈尔滨工程大学机电一体化研究所在国家自然科学基金和归国留学基金的支持下，开展了上肢、下肢智能康复机器人的研究，并成功研制了多功能上肢康复训练机器人、智能手部康复训练器以及下肢康复训练机器人的样机14。此外，还有一些比较成熟的商品化上肢康复训练机器人已用于临床。这些机器人中，针对上肢单关节或少量关节进行训练的系统大多提供动力来牵引患肢；针对上肢多关节的复合运动进行训练的系统并不提供动力，对患肢只有引导作用或重力补偿的功能。1.2.2 课题发展趋势随着康复医学和机器人技术的发展，开始出现功能越来越强大，效果越来越好的康复训练机器人。在机器人的机械结构方面，有复杂化、精细化的趋势。由患肢的少关节参与向多关节参与发展；小范围运动向大范围运动发展；末端执行器牵引式向外骨骼穿戴式发展。在机器人的控制系统方面，向着安全化、多样化发展，提供主动、被动等多种训练模式。在人机接口方面，向着人性化、趣味化发展。提供更加舒适的支撑机构，更吸引人的训练游戏，及多种感官刺激。在信息采集方面，向着全面化发展。不仅要采集运动学的信息，还要采集力学、生物电学等全面的训练信息。在评价指标方面，向着定量化、细致化发展。全面客观细致的评价训练效果。此外，将电刺激，虚拟现实等技术与机器人结合，以期达到更优的康复疗效，是今后研究的热点。1.3本文主要研究内容本文研究了国内外上肢康复机器人发展现状和发展趋势，通过学习机器人的工作原理，熟悉了上肢康复机器人的运动原理。在此基础上，确定了康复机器人的基本系统结构，对人体上肢的结构及各个关节的自由度进行了简单的分析，针对每个自由度设计机器人的支撑形式和牵拉形式。完成了康复机器人上肢前后摆结构及屈伸机构设计、分合机构和手腕转动机构设计。并完成了系统零部件的设计和校核。51第二章 上肢康复机器人的总体方案设计该设计的目的是为了设计一台上肢康复机器人，本章首先分析人体上肢的骨骼、关节、肌肉等组织的相互关系，在此基础上，遵循临床上对机器人的相关要求，对上肢康复机器人的机械结构部分进行设计和分析。2.1 人体上肢结构从解剖学的角度看，人体是由骨、骨连接和骨骼肌组成，全身骨借关节连成骨骼，构成坚硬的人体支架。在运动中，骨起杠杆作用，关节是运动的枢纽，骨骼肌是运动的动力器官18。肌肉收缩引起骨骼绕关节进行运动，如图2.1 所示，而肌肉的运动由神经系统支配和控制。图 2.1 骨、关节、肌肉三者的关系人体上肢包括肩部、上臂、前臂和手。上肢的骨骼主要有肩部的锁骨和肩胛骨，上臂的肱骨，前臂的尺骨和桡骨，手部的腕骨、掌骨和指骨，如图2.2 所示。图 2.2 人体上肢骨骼结构人体上肢的关节主要有胸锁关节，肩关节、肘关节和手关节等。下面分别对其结构进行简单介绍。1）胸锁关节由锁骨的胸骨端与胸骨的锁切迹及第1 肋软骨的上面构成，关节囊附着于关节的周围，前后面较薄，上下面略厚，周围有韧带增强。关节面略呈鞍状，关节腔内有关节盘，将关节腔分为内下和外上两部分，是上肢骨与躯干骨连结的唯一关节，可做各个方向的微动运动和轻微的旋转运动18。2）肩关节由肱骨头和肩胛骨的关节盂构成，属于球窝关节，如图2.3 所示。关节盂周缘有纤维软骨环构成的盂缘附着，加深了关节窝。肱骨头的关节面较大，关节盂的面积仅为关节头的1/3 或1/4，关节囊薄而松弛，因此，肱骨头的运动幅度较大，可在三个相互垂直的运动轴上进行屈伸、收展、旋转等多方向的运动，但稳固性差。3）肘关节由肱尺、肱桡和桡尺近侧三组关节包于一个关节囊内构成，是一个复合关节，如图2.4 所示。其中，肱骨滑车与尺骨半月切迹构成肱尺关节，属于蜗状关节，是肘关节的主体部分；肱骨小头与桡骨头凹构成肱桡关节，属球窝关节；桡骨头环状关节面与尺骨的桡骨切迹构成桡尺近侧关节，属车轴关节。肘关节的肱尺关节可沿略斜的冠状轴作屈伸运动；桡尺近侧关节与桡尺远侧关节是必须同时运动的联合关节，司前臂的旋转运动。4）手关节包括腕关节、腕掌关节、掌指关节和手指关节，如图3-5 所示其中，腕关节由手的舟骨、月骨和三角骨的近侧关节面作为关节头，桡骨的腕关节面和尺骨头下方的关节盘作为关节窝而构成，属椭圆关节，可在冠状轴和矢状轴上进行屈伸、收展运动。屈曲运动和伸展运动的轴不重合，内收运动和外展运动的轴也不重合，它们的偏差都约为5mm18。 图 2.3 肩关节 图 2.4 肘关节运动上肢的主要肌群有背肌、胸肌、肩部肌、上臂肌、前臂肌和手肌等。这些肌肉群的详解见图2.5。图 2.5 运动上肢的肌肉2.2 总体设计思路机器人设计大体可分为以下两个阶段：1. 系统分析阶段根据系统的目标，所确定采用机器人的目的和任务；分析机器人坐在系统的工作环境；根据机器人的工作要求，确定机器人的基本功能和方案。如机器人的自由度、动作精度要求、容许的动作范围。2. 技术设计阶段 根据系统的要求确定机器人的自由度和空间工作范围；确定驱动系统的类型；选择各部件的具体结构，进行机器人总装图的设计；绘制机器人的零件图，并确定尺寸。2.3 设计方案对比及方案选择2.3.1 设计方案对比根据机器人对患肢的支撑、牵拉等方式的不同，可以将现行的康复机器人设计方法分为两种，一种是末端执行器式，另一种是外骨骼式。末端执行器式康复机器人，如 MIT-MANUS 机器人、MIME 机器人和iPAM 机器人等，系统通过机器人的操作末端牵引人体上肢进行运动，虽然机器人操作末端的运动区域可完全涵盖上肢的运动范围，但机器人的关节和人体关节无直接关系，如图2-6 a) 所示。该类系统一般通过牵引手或腕部来完成上肢的运动，故安装使用方便，但使用时上肢各关节位姿通常是不确定的，牵引力无法精确地施加于上肢的各关节，牵引过度时容易对上肢造成伤害。外骨骼是一种可穿戴的仿生设备，最初主要为军事用途而研发，以增强士兵的力量和耐力。在医学上，用来帮助伤残人士进行功能替代或康复是现在的研究热点。外骨骼式康复机器人，如ARMin 机器人、CADEN-7 机器人ArmeoSpring 机器人等，机械结构可穿戴在人体上，不仅保证机器人的运动域涵盖人体上肢的运动范围，而且机器人关节通过仿生人体关节来设计，如图2.6 b) 所示。该类系统对上肢的手、前臂、上臂等各部位进行支撑和牵引，牵引力精确地施加于上肢的各关节，使用时上肢各关节的位姿状态的确定的。 a) 末端执行器式 b) 外骨骼式图 2.6 两类康复训练机器人示意图2.3.2 设计方案选择单一关节或少数关节的运动训练并不能很好的满足康复训练的需要。设计机器使上肢的多个关节同时参与到训练中来，才能实现更好的康复效果。本设计采用外骨骼式机器人设计思路。人体上肢关节众多，各关节活动方式各异，肢体运动非常灵活，给整个外骨骼系统的设计带来相当大的困难。本文在设计过程中，参照了瑞士Hocoma 公司的Armeo Spring 机器人（图2.7）。该产品是一款外骨骼式机器人系统，它可以辅助人体上肢进行五个自由度的运动：肩关节的曲屈/伸展、内收/外摆和旋内/旋外，肘关节的曲屈/伸展，前臂的旋内/旋外。图 2.7 ArmeoSpring 机器人结合设计的基本要求和基本原则确定本系的方案如图 2.8所示。图 2.8 上肢康复机器人效果图2.4 自由度的选择和空间动作范围确定本文的研究主要针对人体上肢的肩关节、肘关节和腕关节，共5个运动自由度。下面对这5个自由度进行逐一介绍：1）肩关节具有两个自由度，分别是屈曲/伸展和内收/外摆，如图2.9所示。2）肘关节具有一个自由度，是屈曲/伸展，如图2.10 所示。3) 前臂具有一个自由度，是旋内/旋外，如图2.11所示。4）腕关节具有一个自由度，内收/外展，如图2.12 所示。 图 2.9 肩关节运动自由度 图 2.10 肘关节运动自由度图 图 2.11 前臂运动自由度图 2.12 腕关节运动自由度在研究过程中，参照ArmeoSpring 优秀的设计思路以及仿生机械手臂模型，结合康复医学的相关知识，对康复机械手臂定义了如图 2.9 至 图2.12 所示的五个自由度.外骨骼的方案设计时首先对各关节的模型进行一定的简化：1）将肩关节简化为旋转中心固定的球窝关节，上臂可绕两个相互垂直的轴转，具有两个自由度，分别是屈曲/伸展、内收/外摆；1） 将肘关节简化为绕冠状轴旋转的蜗状关节，具有一个自由度，是屈曲/伸展；2） 将前臂简化为绕前臂中心轴旋转的车轴关节，具有一个自由度，是旋内/旋外；3） 将腕关节简化为椭圆关节，在矢状轴上进行收展运动，且收展运动同轴，具有一个自由度，是内收/外展。上肢运动康复训练时，需要对上述各关节共五个自由度进行锻炼。遵循外骨骼式机器人关节运动自由度与人体关节运动自由度同轴的思路，来设计该机器人系统的外骨骼结构。首先对人体上肢的自由度进行建模，因机器人关节运动自由度与人体关节运动自由度同轴，故建立了人体上肢自由度的模型，就确定了机器人各关节的自由度模型。以右臂为例，如图2.13 所示。图中，对应于人体上肢各关节的自由度分别是：1） 肩关节的曲屈/伸展(J2)、内收/外摆(J2)；2） 肘关节的曲屈/伸展(J4)；3） 前臂的旋内/旋外(J5)；4） 腕关节的内收/外展(J6)。其中，J2 和J2是同一个旋转轴在J1 旋转到不同角度时的两种形态；即在J1 为图中角度时，肩关节可绕J2 轴做曲屈/伸展运动，J1 轴旋转90 后，J2 轴变为J2 轴，此时肩关节可可绕J2轴做内收/外摆运动。此外，还要求机构特定部位的尺寸可调，以适应不同患肢的尺寸，包括上臂长度调节(L1)、前臂长度调节(L2)和手掌长度调节（L3）。图 2.13 外骨骼机器人的自由度简图规定各自由度的运动范围，具体数据见表2.1。表2.1 各关节单独动作的运动范围项目旋转角度方向肩关节屈/伸90-45上臂前摆为正肩关节外展/内收090上臂自然下垂为0肘关节屈/伸0125前臂自然下垂为0前臂内旋/外旋-9090前臂外旋为正腕关节外展/内收-7575腕关节外展为正在此方案的基础上，针对每个自由度设计外骨骼的运动形式，并将这些运动形式实体化为外骨骼的结构部件。此外，选用合适的基座方式，给机器人提供稳定的支撑，并利于患者穿戴外骨骼，进行舒适的训练。2.5 康复机器人的组成上肢康复机器人由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成，是一种典型的机电一体化的独立的自动化上肢康复工具。2.5.1 执行机构（1）外骨骼模块外骨骼模块如图2.14所示，具有六个旋转自由度，三处长度尺寸可调节。以右臂为例，使用时，人体上肢的肩关节旋转中心对位到J1、J2、J3 三个旋转轴的交点，针对不同患者的上臂、前臂以及手掌的尺寸，调节长度L1、L2、L3 到舒适的位置，使上肢的肘关节与J4 同轴，腕关节与J5 同轴，粘好魔力绷带，手握手柄。这时，可以开始进行运动训练。图 2.14 外骨骼模块的效果图(2)肩关节运动模块肩关节运动模块如图 2.15 所示，第一轴11 通过一个推力轴承和一个深沟球轴承贯穿于基座10，并可绕J1 轴旋转，两个轴承分别承受第一轴11 的轴向载荷和径向载荷。弯杆12 固结在第一轴11 的下端，可随第一轴11 的旋转而绕J1 轴转动。第二轴13 通过一对深沟球轴承与弯杆12 连接，并可绕J2 轴旋转。导杆14 一端固结在第二轴13 的径向，另一端固结在导杆固定块15，可随第二轴13 的旋转而绕J2 轴转动。上臂外环17 和夹持块16 夹持固定于导杆14 之上，可沿导杆滑动并用螺钉锁紧，以调节上臂对应部分的长度。上臂内环18 通过一个滚针轴承安置于上臂外环17，并可绕J3 轴旋转，滚针轴承径向厚度尺寸小，使结构更加紧凑。上臂侧板19 通过螺钉固结于上臂内环18 的内侧，用以连接后续的机构。10 基座 11 第一轴 12 弯杆 13 导杆固定块1 14 导杆 15 导杆固定块2 16 夹持块 17 上臂环 19 上臂侧板图 2.15 肩关节运动模块示意图肩关节依靠上臂绕J2轴旋转来实现其屈曲/伸展运动和内收外展运动，上臂绕J2轴旋转的动力来源于电机的驱动，电机的正/反转可是上臂绕J2轴沿正/反两个方向旋转，从而实现肩关节屈曲/伸展运动和内收/外展运动。肩关节运动模块可以实现肩关节两个自由度的运动，具体工作原理如下：1、肩关节的曲屈/伸展运动：弯杆12 绕J1 旋转到图2.16所示位置时，电机驱动上臂绕J2轴旋转，通过电机的正/反转即可实现肩关节的屈曲/伸展运动。 2、肩关节的内收/外展运动：弯杆12 绕J1 旋转到图2.17所示位置时，电机驱动上臂绕J2轴旋转，通过电机的正/反转即可实现肩关节的内收/外展运动。图 2.16 肩关节的屈曲/伸展 图 2.17 肩关节的内收/外展（3）肘关节运动模块肘关节运动模块如图2.18所示，前臂侧板20 的一端有轴，通过一个深沟球轴承与上臂侧板19 连接，该轴可绕J4 轴旋转；另一端通过螺钉固结于前臂半环21 的内侧。前臂半环21 可随前臂侧板20 上的轴的旋转而绕J4 轴转动。限位块22 通过螺钉固结在上臂侧板19 上，限制前臂侧板20 的转动角度，以保证安全。前臂半环21 的背侧有方形通槽，用以连接后续的机构。肘关节依靠前臂绕J4轴旋转来实现其屈曲/伸展运动，前臂绕J4轴旋转的动力来源于步进电机的驱动，电机的正/反转可使前臂绕J4轴正/反两个方向旋转，从而实现肘关节的屈曲/伸展运动。肘关节运动模块可以实现肘关节的曲屈/伸展运动，具体工作原理如下：电机驱动前臂绕J4 轴旋转，通过电机的正/反转即可实现肘关节屈曲/伸展运动。20 前臂侧板 21 前臂半环 22 限位块图 2-18 肘关节运动模块示意图（4） 前臂和腕关节运动模块前臂和腕关节运动模块如图 2.19 所示，前臂板30 插于前臂半环21 的槽内，可沿槽滑动并用紧定螺钉34 锁紧，以调节前臂对应部分的长度。限位螺钉35 可防止前臂板30 脱出前臂半环21，保证了安全。手部第一弯杆31 的一端有轴，通过一个深沟球轴承与前臂板30 连接，该轴可绕J5 轴旋转，手部第一弯杆31 的另一端开有孔。手部第二弯杆32 的一端有轴，通过一个深沟球轴承与手部第一弯杆31 连接，该轴可绕J6 轴旋转；手部第二弯杆32 的另一端有U 型通槽，手柄33 可在该槽内滑动并用螺母锁定，以调节手掌对应部分的尺寸。前臂依靠手部第二弯板绕J6轴旋转来实现其旋内/旋外运动，手部第二弯板绕J6轴旋转的动力来源于步进电机的驱动，步进电机的正/反转可使手部第二弯板绕J6轴沿正/反两个方向旋转，从而实现前臂的旋内/旋外运动。腕关节依靠手臂第一弯板绕J5轴旋转来实现其内收/外展运动，手部第一弯板绕J5轴旋转的动力来源于电机的驱动，电机的正/反转可使手部第一弯板绕J5轴沿正/反两个方向旋转，从而实现腕关节的内收/外展运动。前臂和腕关节运动模块可以实现前臂和腕关节共两个自由度的运动，具体工作原理如下：1、 前臂的旋内/旋外运动：电机驱动手部第二弯板绕J6轴旋转，患者手握与手部第二弯板弯板相连的手柄，使得前臂也绕J6 旋转，通过电机的正/反转即可实现前臂的旋内/旋外运动。2、 腕关节的内收/外展运动：当手柄绕J6 旋转到与J5 轴垂直时，电机驱动手部第一弯板绕J5 旋转，通过电机的正/反转即可实现腕关节的内收/外展运动。30 前臂板31 手部第一弯杆32 手部第二弯杆33 手柄34 紧定螺钉35 限位螺钉图 2.19 前臂和腕关节运动模块示意图（5）机架和座椅模块外骨骼模块需要有稳固的机架作为支撑。患者采用坐姿进行康复训练时，座椅和机架需要有稳定的相互位置关系。本系统的机架和座椅模块如图2.20所示。基座10通过螺栓固定在机架50 上，座位51 与机架50 为一体式结构，保证了机架的稳定性，且座椅和机架的相互位置固定。患者只需坐于座位51 的合适位置，进行适量的垫高，使人体的肩关节对位于J1、J2、J3 三个旋转轴的交点，再穿戴外骨骼机器人，即可进行训练。50 机架 51 座位图 2.20 机架和座椅模块示意图2.5.2 驱动机构驱动机构是上上肢康复机器人的重要组成部分。根据动力源的不同，康复机械手臂常用的驱动机构大致可分为液压、气动、电机驱动等三类。各种驱动方式的特点如表2.2：表2.2 各种驱动机构的特点内容驱动方式液压驱动气动驱动电机驱动输出功率 很大，压力范围为50140Pa大，压力范围为4860Pa，较大 控制性能利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂响应速度 很高较高 很高结构性能及体积结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题安全性防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险防爆性能好，高于1000kPa(10个大气压)时应注意设备的抗压性设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差对环境的影响液压系统易漏油，对环境有污染排气时有噪声无在工业机器人中应用范围适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人和搬运机器人适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器人，如AC伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等成本液压元件成本较高成本低成本高维修及使用方便，但油液对环境温度有一定要求方便较复杂机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有：1）驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；2）反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换；3）驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；4）安全可靠；5）操作和维护方便；6）对环境无污染，噪声要小；与液压和气压驱动相比较，电机驱动机械手可避免电能变为压力能的中间环节，这就让整个电机系统体积减小，在可靠性和通用型方面也得到了很大的提高。从工作精度上讲，电动机可根据运行距离及电机的脉冲当量传出脉冲数，进而将数据输入计算机，可获得非常高的工作精度24。基于上述驱动系统的特点和机器人驱动系统的设计要求，本次毕业设计的上肢康复机器人的驱动机构采用电机驱动的方式。2.5.3 控制系统分类在机械手臂的控制上，有点动控制和连续控制两种控制方式。大多采用插销版进行点位控制，也有采用可编程控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性5。2.6 上肢康复机器人基本参数确定2.6.1 结构参数确定在机器人各杆件的长度尺寸方面，依据我国成年人人体尺寸国家标准GB10000-88来设计18。该标准根据人类工效学要求提供了我国成年人人体尺寸的基础数值。适用于工业产品、建筑设计、军事工业以及工业的技术改造设备更新及劳动安全保护，先将与本文有关的数据列入表2.3中。表2.3 人体主要尺寸（单位mm）百分位项目1860岁 男性1855岁女性151050909599151050909599上臂长279289294313333338349252262267284303308319前臂长206216220237253258268185193198213229234242手长164170173183193196202154159161171180183189手宽7376778287899167707176808284食指长6063646974767957606166717276坐高836858870908947958979789809819855891901920坐姿肩高539557566598631641659504518526556585594609由此确定基本结构参数如下：上臂长度调节范围：2235cm前臂长度调节范围: 1828cm手臂高度调节范围：98138cm手臂水平调节范围：080cm2.6.2 运动参数确定人体运动的随机性很大的，但是各关节的运动速度总的来说还是处在一个较小的范围之内，考虑到机构的使用者是康复患者，故设定康复机械各部分的速度范围为03r/min。2.7 本章小结本章从上肢康复机器人的实用方面入手，提出了一套总体设计方案，并确定了机器人自由度的要求。同时就上肢康复机器人的组成（执行机构和驱动机构）以及完成动作，给出了具体的肩部、肘部、腕部和机座的结构形式；并选择电机驱动作为本次设计的驱动机构。最后，给出了设计中所需的技术参数。第三章 上肢康复机器人整体结构设计3.1 肩关节运动机构设计3.1.1 肩关节运动机构设计要求肩关节运动机构的设计首先要实现所要求的运动，为此，需要满足下列各项基本要求：一、 肩关节运动机构应承载能力大、刚度好、自重轻对于机械手臂和机身的承载能力，通常取决于其刚度。以肩关节运动机构为例，一般结构上较多采用悬臂梁形式（水平或垂直悬伸）。显然上臂杆的悬伸长度愈大，则刚度愈差。为提高刚度，除尽可能缩短上臂杆的悬伸长度外，尚应注意以下几方面：（1） 根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸；（2） 提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离；（3） 合理布置作用力的位置和方向；（4） 注意简化结构；（5） 提高配合精度；（6） 减少肩关节运动机构的重量，采用铝合金材料。二、 肩关节动作应灵活为减少肩关节运动时的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械结构，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩。三、 可调节性本文所设计的是外骨骼式上肢康复机器人，其应用场合具有特殊性，所以在机械结构设计时必须进行人体工程学的综合考虑使其与人体肩关节工作空间吻合，同时对一定身高范围的人具有适应性或可调节性。以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些因素，只有这样才能设计出性能良好的上肢肩关节康复机构。3.1.2 肩关节运动机构结构与选择典型的肩部结构：（1）具有一个自由度的回转驱动的肩部结构它具有结构紧凑、灵活等优点而被广泛应用，回转角由动片和静片之间允许回转的角度决定。（2）齿条活塞驱动的肩部结构在要求回转角大于270的情况下，可采用齿条活塞驱动的肩部结构。这种结构外形尺寸较大。（3）机电结合的肩部结构。 本设计要求肩关节完成屈曲/伸展和内收/外展运动，综合以上的分析考虑到各种因素，肩部结构选择具有一个自由度的回转驱动肩部结构，采用电机驱动。3.1.3 肩关节运动机构尺寸设计肩关节运动机构的主要任务是能够帮助患者进行肩关节的屈曲/伸展和内收/外展运动，结合外骨骼式设计思路，可确定肩关节运动机构的主要零部件包括：弯杆、导杆固定块1、导杆、导杆固定块2、夹持块、上臂环和上臂侧板，肩关节运动机构示意图见图2.15。本文所设计的康复机器人是进行人体上肢康复的，在机器人各杆件的长度尺寸方面，依据我国成年人人体尺寸的基础GB10000-88来设计19。对肩关节运动机构各零部件具体尺寸的选择见表3.1。表3.1 肩关节运动机构各零部件尺寸表（单位：mm）代号及名称长宽高孔/轴径12312-弯杆20040826.5101013-导杆固定块135351426.5101014-导杆3551015-导杆固定块235155101016-夹持块401581010517-上臂环604015140130519-上臂侧板20035826.5333.2 肘关节运动机构的设计3.2.1 肘关节运动机构设计的要求本设计中肘关节是连接人体上肢前臂和上臂的重要关节，肘关节的结构与尺寸直接关系到整个上肢康复机构运动的协调性，因此肘关节运动机构在整个上肢康复机构设计中至关重要。肘关节运动机构设计具体有一下几点要求：（1）结构紧凑、尺寸合理肘关节是人体上肢重要的中间运动关节，肘关节运动机构承担着连接上臂和前臂运动机构及肘关节运动的重要任务，为避免上臂运动机构与前臂运动机构在肘关节运动过程中发生干涉，设计时应尽量使得机构结构紧凑，尺寸合理。 （2）运动平稳、安全可靠肘关节虽然为两个自由度的关节，基于可穿戴式外骨骼式的设计思路，肘关节的旋转运动难以实现。本设计中的肘关节康复运动机构主要用于对肘关节进行屈伸训练。3.2.2 肘关节运动机构结构与选择典型的肘部结构:（1）液压缸曲柄连杆回转机构采用曲柄连杆机构来实现肘关节的屈曲/伸展运动需要满足曲柄存在的条件，将会使得整个机构尺寸增大。同时，连杆作为主动件，在运动的过程中容易出现死点，进而导致整个机构锁死。（2）齿轮驱动回转机构采用齿轮驱动回转机构来实现肘关节的屈曲/伸展运动会使得整个上肢康复机构自重增加，对整个机构的强度和可靠性都会产生一定的影响。（3）电机驱动回转机构考虑到本设计中的上肢康复机构适用于上肢偏瘫患者的手臂康复训练，训练过程中所需的机构回转速度较低。在满足运动要求的前提下，为使得整个机构结构紧凑，采用电机直接驱动的方式来实现肘关节的回转运动。3.2.3 肘关节运动机构设计肘关节运动机构的主要任务是能够帮助患者进行肘关节的屈曲/伸展和运动，结合外骨骼式设计思路，可确定肘关节运动机构的主要零部件包