上肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)【三維PROE】 【含動(dòng)畫仿真】【8張CAD圖紙和文檔所見所得】【JS系列】
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上肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真開題報(bào)告 班級(jí):機(jī)械1202 學(xué)號(hào):2012010034 姓名:石雨 指導(dǎo)教師:高宏 一、綜述1.1課題背景意義中風(fēng),或稱腦卒中,亦稱為腦血管意外,是指由各種原因引起腦動(dòng)脈系統(tǒng)和靜脈系統(tǒng)發(fā)生病理性改變所造成的一類疾病。中風(fēng)所出現(xiàn)的腦血液循環(huán)障礙直接影響腦組織,并使腦細(xì)胞發(fā)生功能性或器質(zhì)改變。中風(fēng)具有高死亡率、高復(fù)發(fā)率以及高致殘率等特點(diǎn),嚴(yán)重影響了人們的生存質(zhì)量及生命。世界衛(wèi)生組織將這種病確定為當(dāng)今人類的第一殺手。一旦患了中風(fēng),重者死亡,輕者半身癱瘓,生活不能自理,給患者的生活、工作、學(xué)習(xí)帶來極大的不便,也給患者帶來了極大的精神痛苦,同時(shí)也給患者家人和社會(huì)帶來負(fù)擔(dān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,2005年全球因腦卒中死亡的人數(shù)估計(jì)達(dá)570萬以上,如果不采取措施,預(yù)計(jì)到2015年會(huì)增加到650萬,到2030年這一數(shù)字將會(huì)突破780萬。我國每年的新發(fā)病率為250萬,其中因腦卒中死亡的達(dá)150萬,世界衛(wèi)生組織對(duì)我國做過研究,他們預(yù)測(cè)如果增長不變的話,到2030年將有400萬死于腦卒中。因此,腦卒中的防治已成為國內(nèi)外醫(yī)療領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。隨著世界各國相繼進(jìn)入老齡化,中風(fēng)患者勢(shì)必越來越多??萍嫉陌l(fā)展使醫(yī)護(hù)人員對(duì)于急性中風(fēng)患者能夠采取比較有效的治療手段,中風(fēng)后能夠幸存下來的人越來越多。但是通常中風(fēng)患者易殘留各種各樣的后遺癥,如偏癱、語言功能障礙、運(yùn)動(dòng)功能障礙、神志障礙、面癱(口眼歪斜)、二便失禁等,一般以運(yùn)動(dòng)功能障礙居多,重者影響正常生活。在幸存者中有70一80殘留有不同的殘疾,一組資料顯示生活不能自理者高達(dá)425。因中風(fēng)而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)功能障礙,常常對(duì)患者本人及家庭造成心理和其它方面的沖擊。社會(huì)和家庭需要花費(fèi)極大的代價(jià)來治療和護(hù)理這些患者,造成社會(huì)成本的極大浪費(fèi)。岡此,尋求有效的康復(fù)手段,使患者能夠在一定程度上恢復(fù)失去的功能,不僅有利于提高患者本身的生活質(zhì)量,也可以減輕家庭及社會(huì)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。隨著我國腦神經(jīng)外科技術(shù)的不斷發(fā)展,雖然越來越多的腦血管疾病患得到了及時(shí)的手術(shù)治療,但大部分患者在手術(shù)后會(huì)伴隨后遺癥。對(duì)中風(fēng)后遺癥患者,必須爭取早期康復(fù)治療,尤其在發(fā)病后的前三個(gè)月內(nèi)的康復(fù)治療是獲得理想功能恢復(fù)的最佳時(shí)機(jī),但對(duì)病程長者,其潛在功能恢復(fù)力也不容忽視,應(yīng)當(dāng)繼續(xù)進(jìn)行相應(yīng)的康復(fù)治療,也可達(dá)到改善功能的效果。根據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn),在發(fā)病后兩年內(nèi),如果康復(fù)措施得當(dāng),會(huì)有不同程度的恢復(fù)。進(jìn)行系統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練能夠幫助患者提高其自理能力,降低致殘率,讓患者早日回歸并適應(yīng)家庭和社會(huì)生活。可見,它有著非常重要的意義和作用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀康復(fù)機(jī)器人是機(jī)器人科學(xué)與康復(fù)醫(yī)學(xué)的交叉學(xué)科,是機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域中的新應(yīng)用??祻?fù)機(jī)器人具體又可分為康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人和功能輔助型機(jī)器人兩種。前者的主要功能是幫助患者完成各種運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)性訓(xùn)練,如人的下肢行走訓(xùn)練、手臂運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、脊椎牽引運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、頸部運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練等;后者的主要功能是用來幫助肢體運(yùn)動(dòng)功能障礙的患者完成各種運(yùn)動(dòng),如智能輪椅、導(dǎo)盲手杖、 機(jī)器人假假肢等。本文研究的是上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人,主要用來幫助上肢有運(yùn)動(dòng)功能障礙的患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。1.2.1 國外研究現(xiàn)狀康復(fù)機(jī)器人技術(shù)在歐美國家得到了機(jī)器人研究者和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的普遍重視,許多研究機(jī)構(gòu)都開展了有關(guān)的研究工作,近年來取得了一些有價(jià)值的成果。康復(fù)機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)和康復(fù)工程的結(jié)合。首次嘗試將服務(wù)于殘疾人的機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)品化是在20世紀(jì)的60年代到70年代。實(shí)踐證明這些嘗試都不太成功,這主要有2個(gè)方面原因:其一是設(shè)計(jì)的不理想,尤其是人機(jī)接口;其二是因?yàn)閱蝺r(jià)太高導(dǎo)致了康復(fù)機(jī)器人產(chǎn)品化的失敗。20世紀(jì)80年代是康復(fù)機(jī)器人研究的起步階段,美國、英國和加拿大在康復(fù)機(jī)器人方面的研究處于世界的領(lǐng)先地位。1990年以前全球的56個(gè)研究中心分布在5個(gè)工業(yè)區(qū)內(nèi):北美、英聯(lián)邦、歐洲大陸和斯堪的納維亞半島及日本。1990年以后康復(fù)機(jī)器人的研究進(jìn)入到全面發(fā)展時(shí)期。1991年,MIT設(shè)計(jì)完成了第一臺(tái)上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)MIT-MANUS,該設(shè)備采用五連桿機(jī)構(gòu),末端阻抗較小,利用阻抗控制實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練的安全性、穩(wěn)定性和平順性,用于病人的肩、肘運(yùn)動(dòng)。MANUS具有輔助或阻礙手臂的平面運(yùn)動(dòng)功能,可以精確測(cè)量手臂的平面運(yùn)動(dòng)參數(shù),并通過計(jì)算機(jī)界面為患者提供視覺反饋,在臨床應(yīng)用中取得了很好的效果。在此基礎(chǔ)上,他們又研制了用丁手腕部康復(fù)的機(jī)械設(shè)備,可以提供三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度,并進(jìn)行了初步的臨床試驗(yàn)。MIT-MANUS在結(jié)構(gòu)機(jī)械設(shè)計(jì)方面考慮了安全性、穩(wěn)定性以及患者近距離物理接觸的柔順性。圖1-1為MIT-MANUS系統(tǒng),圖1-2為安裝在輪椅上的MIT-MANUS。 圖1-1 MIT-MANUS系統(tǒng) 圖1-2安裝在輪椅上的MIT-MANUS另一個(gè)典型的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)是MIME(mirror-image motion enabler),如圖1-3所示。該設(shè)備包括左右兩個(gè)可移動(dòng)的手臂支撐由工業(yè)機(jī)器人PIMA-560操縱患者手臂,為息者提供驅(qū)動(dòng)力,既可以提供平面運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練,也可以帶動(dòng)肘和肩膀進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)。但是PUMA-560本質(zhì)上是工業(yè)機(jī)器人。因而從機(jī)械的角度上說不具有反向可驅(qū)動(dòng)性以及結(jié)構(gòu)上與人的上肢不完全匹配,該系統(tǒng)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用有其局限性。圖1-3 鏡像運(yùn)動(dòng)機(jī)器人MIME1993年美國的Lum等人研制了一種稱作手物體一手的系統(tǒng)(hand-object-hand system),嘗試對(duì)一只手功能受損的患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。這種雙手物理治療輔助機(jī)器包括兩個(gè)置于桌面上、可繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的夾板狀手柄,其中一個(gè)手柄下端連接在驅(qū)動(dòng)電機(jī)上,電機(jī)可以輔助患者完成動(dòng)作(如圖1-4所示)。該機(jī)器主要幫助完成兩個(gè)任務(wù)動(dòng)作的訓(xùn)練:雙手移動(dòng)和雙手?jǐn)D壓。雙手移動(dòng)任務(wù)要求兩手夾持某一物體作前后往返運(yùn)動(dòng),擠壓運(yùn)動(dòng)要求在物體上產(chǎn)生需要的抓取力。為限制自由度數(shù)目,患者雙手要放置在剛性手柄上,以阻止手腕屈伸。圖1-4 手-物體-手系統(tǒng)1999年,Reinkensmeyer等研制了輔助和測(cè)量向?qū)鰽RM-Guide,用來測(cè)定患者上肢的活動(dòng)空間。2000年他們對(duì)該裝置進(jìn)行改進(jìn),用來輔助治療和測(cè)量腦損傷患者上肢運(yùn)動(dòng)功能,如圖1-5所示。該設(shè)備為單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的二自由度裝置,包括一個(gè)直線軌道,其俯仰角和水平面的傾斜角可以調(diào)整。試驗(yàn)中患者手臂縛在夾板上,沿直線軌道運(yùn)動(dòng),傳感器可以記錄患者前臂所產(chǎn)生的力。但是這種設(shè)備訓(xùn)練方式單一,無法進(jìn)行更深的研究。圖1-5 輔助康復(fù)和測(cè)量向?qū)鰽RM-Guide2005年,瑞士蘇黎世大的Tobias Nef等開發(fā)了一種新型的上肢康復(fù)機(jī)器ARMin,如圖1-6所示。它是一種6自由度半外骨架裝置,安裝有傳感器及6維力力矩傳感器,能夠進(jìn)行肘部屆伸和肩膀的空間運(yùn)動(dòng),用于臨床訓(xùn)練上肢損傷患者日程生活中的話動(dòng)。圖1-6 ARMin康復(fù)機(jī)器人此外關(guān)于上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的報(bào)道還有:CPM機(jī)、REHAROB以及華盛頓大學(xué)設(shè)計(jì)的7DOF上肢外骨架裝置等。其中,CPM機(jī)是利用康復(fù)醫(yī)學(xué)中連續(xù)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)(Continuous Passive Motion/CPM)的基本原理對(duì)受傷肢體進(jìn)行康復(fù)治療的機(jī)械裝置,是目前為止一個(gè)機(jī)器人生物力學(xué)或生物物理化學(xué)類型的應(yīng)用的例證。由于受技術(shù)水平的限制,CPM機(jī)長期停留在“大關(guān)節(jié)”康復(fù)的范圍內(nèi)。目前,市場(chǎng)上已經(jīng)有了用于腕關(guān)節(jié)和手指關(guān)節(jié)這樣的“小關(guān)節(jié)”康復(fù)的CPM機(jī)(圖1-7 Rolyan公司的手關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)CPM 機(jī)),但他們還不能像“大關(guān)節(jié)”CPM機(jī)那樣實(shí)現(xiàn)精確的控制,不能對(duì)手指抓握等精巧動(dòng)作進(jìn)行訓(xùn)練,治療的效果還有待提高。圖1-7 Rolyan公司的CPM機(jī)近年來隨著機(jī)器人技術(shù)和康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展,在歐洲、美國和日本等國家,行行色色的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人,如手臂訓(xùn)練機(jī)器人、踝關(guān)節(jié)訓(xùn)練機(jī)器人等,以其經(jīng)濟(jì)的價(jià)格,簡易的操作以及適宜的病情反饋與康復(fù)訓(xùn)練指導(dǎo)得到了醫(yī)學(xué)專家與病人的肯定。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 目前,國內(nèi)在該領(lǐng)域進(jìn)行研究的主要有清華大學(xué)、東南大學(xué)、上海交通大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。其中,上海交通大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)合作展開了“神經(jīng)的運(yùn)動(dòng)控制與控制信息源的研究”。其研究目的是提取神經(jīng)信息,利用神經(jīng)信息來控制電子假手。目前,七個(gè)自由度假手模擬裝置已設(shè)計(jì)完成,神經(jīng)信息的提取正在進(jìn)行動(dòng)物試驗(yàn),信息的整合與控制電路的設(shè)計(jì)進(jìn)展順利。其原理是借助儀器,通過意識(shí)控制動(dòng)作的反復(fù)訓(xùn)練,伴隨信息轉(zhuǎn)化、生物反饋、生物控制和功能訓(xùn)練過程,不斷調(diào)節(jié)和增強(qiáng)腦的指令,從而提高中樞神經(jīng)系統(tǒng)和骨骼肌肉系統(tǒng)的支配和控制能力,消除控制機(jī)能障礙和運(yùn)動(dòng)障礙,改善直至恢復(fù)機(jī)能狀態(tài)。清華大學(xué)在國家“863”計(jì)劃支持下,從2000年起即開展了機(jī)器人輔助神經(jīng)康復(fù)的研究,研制了兩款上肢復(fù)合運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī),他們都可以在平面內(nèi)進(jìn)行兩個(gè)自由度的運(yùn)行訓(xùn)練,如圖1-8示。圖1-8 上肢復(fù)合運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)(清華大學(xué)研制)東南大學(xué)從2004年起也開展了康復(fù)機(jī)器人技術(shù)的研究,并設(shè)計(jì)了一套上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)(圖1-9),其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1-10所示。此系統(tǒng)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)、主動(dòng)和帶阻尼主動(dòng)三種鍛煉模式和一對(duì)多的訓(xùn)練模式,并為了能眵為治療醫(yī)師提供客觀的病人康復(fù)信息,系統(tǒng)還建立了患者信息數(shù)據(jù)庫。同時(shí),為了吸引患者更積極的參與訓(xùn)練,系統(tǒng)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)了不同難易程度的多套游戲系統(tǒng)界面如圖1-11所示。圖1-9 康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行圖(東南大學(xué)研制)圖1-10 單自由度上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(東南大學(xué)研制)圖1-11 三個(gè)不同難度的程序界面1.3目前存在的問題目前康復(fù)機(jī)器人偏癱治療的研究仍然處于起步階段臨床應(yīng)用任重而道遠(yuǎn)。應(yīng)用于偏癱康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)器人還存在如下問題:(1)患者訓(xùn)練動(dòng)作種類相對(duì)較少且僅限于重復(fù)某些單一的動(dòng)作,患者肢體的活動(dòng)范圍主要限于訓(xùn)練身體正前方,運(yùn)動(dòng)幅度比較小,不能以大范圍活動(dòng)關(guān)節(jié)和較多關(guān)節(jié)的復(fù)雜活動(dòng)為目標(biāo),不能夠充分提供中樞神經(jīng)康復(fù)所需的運(yùn)動(dòng)刺激。(2)一般僅限于水平面運(yùn)動(dòng)(MIME可以訓(xùn)練一些三維運(yùn)動(dòng)),不能進(jìn)行三維或更多維的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練:僅限于某些關(guān)節(jié)、肌肉群或局部神經(jīng)系統(tǒng)的康復(fù);(3)研究的目標(biāo)主要在于探索機(jī)器人能否應(yīng)用于康復(fù)訓(xùn)練中,以及這種訓(xùn)練方式有無治療效果,而對(duì)于如何提高康復(fù)訓(xùn)練的效果的研究井不深入。(4)機(jī)器人輔助治療過程的機(jī)制有待深入研究。(5)機(jī)器人的適用面不夠廣泛。此適用面包括不同的患者的適用;同一患者不同的恢復(fù)時(shí)期的適用;患者需不同鍛煉模式(如患者的主動(dòng)或被動(dòng)鍛煉等模式)的適用;在患者肌肉出現(xiàn)痙攣時(shí)(此時(shí)患肢可能出現(xiàn)較大的阻力或其他干擾),如何緩解痙攣和使康復(fù)效果繼續(xù)維持現(xiàn)有的較好的水平,等等方面的適用性。因此,上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用研究將集中在以下幾個(gè)方面:第一康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):機(jī)械結(jié)構(gòu)是康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)的基礎(chǔ),應(yīng)盡量簡潔輕巧,具有一定的靈活性,提高訓(xùn)練動(dòng)作的種類,增大動(dòng)作幅度,在三維空間內(nèi)對(duì)患肢各個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行訓(xùn)練。第二控制策略與運(yùn)動(dòng)模式的設(shè)計(jì):由于患者的病情千差萬別各不相同,因此,機(jī)器人要感知患肢狀態(tài)并采取相應(yīng)的訓(xùn)練模式和控制策略,在控制系統(tǒng)適應(yīng)性和穩(wěn)定性、傳感器技術(shù)應(yīng)用、系統(tǒng)辨識(shí)和控制算法設(shè)計(jì)等方面需要作更深入的研究。第三力反饋:機(jī)器人應(yīng)該能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)患者與機(jī)器人之間的相互作用力,在患者主動(dòng)能力不足時(shí)提供更人的輔助,而在患者有能力完成動(dòng)作時(shí),適當(dāng)減小輔助甚至施加阻力,以便充分發(fā)揮患者殘存的功能。第四安全機(jī)制:安全問題是康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)過程的一個(gè)重要方面,康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人必須根據(jù)臨床康復(fù)訓(xùn)練的基本動(dòng)作和安全機(jī)制的要求,在設(shè)計(jì)中除了考慮機(jī)器人的功能實(shí)現(xiàn)外,還要防止患肢二次損傷,必須從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)(硬件)和控制系統(tǒng)(軟件)兩個(gè)方面保證康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的安全性。第五康復(fù)效果的評(píng)價(jià)機(jī)制:與肌電信號(hào)檢測(cè)相結(jié)合,探索訓(xùn)練參數(shù)與康復(fù)效果之間的關(guān)系,提高訓(xùn)練效果。在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,總結(jié)臨床康復(fù)的初步規(guī)律,建立客觀、精確的康復(fù)評(píng)估方法。第六多路復(fù)用:發(fā)展“多路復(fù)用”的網(wǎng)絡(luò)康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng),提高資源利用率。 1.4 課程的研究意義據(jù)統(tǒng)計(jì),我國腦卒中的發(fā)病率是歐美發(fā)達(dá)國家的4-5倍,是日本的3倍,加之腦外傷等疾病而導(dǎo)致我國肢體癱瘓患者數(shù)量顯著增加,其中大多數(shù)患者生活無法自理,這不僅造成了患者生理和心理上的巨大壓力,還給患者家庭帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。與此同時(shí),我國同許多其他國家一樣,正在步入老齡化社會(huì),據(jù)統(tǒng)計(jì),我國60歲以上老年人人口占全國人口的10%以上。并伴隨機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展以及應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展,機(jī)器人已經(jīng)被應(yīng)用于日程生活的許多方面。康復(fù)機(jī)器人是在這種需求下應(yīng)運(yùn)而生的一個(gè)新的研究領(lǐng)域,它的研究貫穿了康復(fù)醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及機(jī)器人學(xué)等諸多領(lǐng)域,并已經(jīng)成為了國際機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。在老齡化過程中,最明顯的生理衰退就是老年人四肢的靈活性不斷下降,進(jìn)而對(duì)日常的生活產(chǎn)生影響。此外,由于多種疾病而引起的肢體運(yùn)動(dòng)性障礙的病人人數(shù)也在增加。與之相對(duì)的是,通過人工簡單或簡單的醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行的康復(fù)訓(xùn)練已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足患者的要求。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,這個(gè)特殊的群體已經(jīng)等到越來越多人的關(guān)注,治療、康復(fù)和服務(wù)于他們的產(chǎn)品技術(shù)和質(zhì)量也在逐步提高。因此,康復(fù)設(shè)備的研究和應(yīng)用有著廣闊的發(fā)展前景。二、研究內(nèi)容課題所研究的康復(fù)機(jī)器人屬于主動(dòng)型康復(fù)機(jī)器人,它能夠?qū)崿F(xiàn)空間三自由度的靈活移動(dòng),彼此互不干涉,使患者的上肢結(jié)構(gòu)能夠在安全的活動(dòng)范圍內(nèi)得到充分鍛煉。本論文的內(nèi)容具體如下:(1) 運(yùn)動(dòng)康復(fù)治療理論基礎(chǔ)研究腦卒中后偏癱的發(fā)病原因、特征及康復(fù)理論,同時(shí)了解目前康復(fù)治療常用的技術(shù)和方法,從醫(yī)學(xué)角度提出對(duì)康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求。(2) 機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過總結(jié)學(xué)習(xí)目前已經(jīng)設(shè)計(jì)成型的康復(fù)機(jī)器人,對(duì)它們的有且點(diǎn)進(jìn)行分析,結(jié)合人體工程學(xué)原理,確定課程所要設(shè)計(jì)的機(jī)器人,具體包括系統(tǒng)構(gòu)成、各模塊設(shè)計(jì)、構(gòu)件選型及工作原理等。(3) 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析學(xué)習(xí)機(jī)器人位置運(yùn)動(dòng)學(xué)相關(guān)知識(shí),分析課題所設(shè)計(jì)機(jī)器人在空間直角坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)學(xué),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模,完成運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。(4) 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析用電腦軟件對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行建模,分析其末端力或力矩與各關(guān)節(jié)速度、加速度之間的關(guān)系,為機(jī)器人后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì),仿真奠定理論基礎(chǔ)。(5) 機(jī)器人仿真用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真,得到運(yùn)動(dòng)軌跡、關(guān)節(jié)位移、關(guān)節(jié)速度和加速度等變化曲線,同時(shí)完成運(yùn)動(dòng)學(xué)理論分析結(jié)果的驗(yàn)證,為以后進(jìn)一步研究做準(zhǔn)備。三、研究設(shè)計(jì)方案康復(fù)機(jī)器人是代替醫(yī)師幫助患者進(jìn)行訓(xùn)練的設(shè)備,不同于普通的工業(yè)機(jī)器人,為了保證康復(fù)訓(xùn)練的安全性和有效性,需要對(duì)其設(shè)計(jì)提出一定要求。3.1 人體上肢結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 在設(shè)計(jì)康復(fù)機(jī)器人時(shí)要符合人機(jī)工程學(xué)原理,保證患者運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)安全,對(duì)于機(jī)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)就要從人體上肢解刨學(xué)出發(fā),了解其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),為設(shè)計(jì)提供必要的參考數(shù)據(jù),使它能夠最大限度的符合人體工程學(xué)和運(yùn)動(dòng)原理。3.1.1 人體上肢結(jié)構(gòu)人體的上置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,是由肩骨、上臂骨、前臂骨、手骨等骨骼和肩部及胸部肌肉群、肱二頭肌、肱三頭肌、內(nèi)屈肌肉群等肌肉組織以及骨骼之間連接的韌帶、肌腱、起保護(hù)作用的軟組織和皮膚共同組成,如圖3-1所示。3.1.2 人體上肢運(yùn)動(dòng)由于人體上肢結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和運(yùn)動(dòng)的特殊性,想要建立一個(gè)理想的、準(zhǔn)確的、適用于各種情況的上肢運(yùn)動(dòng)模型是很困難的,因此本文從實(shí)用的角度出發(fā)對(duì)人體上肢運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。人體上肢包括手部、腕關(guān)節(jié)、小臂、肘關(guān)節(jié)、大臂和肩關(guān)節(jié)。肩關(guān)節(jié)將身體和大臂鏈接在一起,肘關(guān)節(jié)將大臂和小臂連接在一起,而腕關(guān)節(jié)將小臂和手部連接在一起。手部的自由度較多,且運(yùn)動(dòng)復(fù)雜,在本文里我們不作考慮。現(xiàn)實(shí)日常生活運(yùn)動(dòng)人體上肢各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)有:肩關(guān)節(jié)的屈伸、內(nèi)收外擺、大臂的內(nèi)旋外旋、肘關(guān)節(jié)的屈伸、小臂的內(nèi)旋外旋、腕關(guān)節(jié)的屈伸、內(nèi)收外擺等七個(gè)自由度,因此對(duì)人體上肢的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究,建立的運(yùn)動(dòng)模型通常具有七個(gè)自由度。人體上肢運(yùn)動(dòng)模型簡圖如圖3-2所示。圖3-1 上肢結(jié)構(gòu) 圖3-2人體上肢運(yùn)動(dòng)模型簡圖由于每增加一個(gè)自由度都會(huì)是康復(fù)機(jī)器人的復(fù)雜程度成倍提高,也造成生產(chǎn)成本的增加,因此,我們結(jié)合實(shí)際需要,對(duì)七個(gè)自由度進(jìn)行合理取舍,保留肩關(guān)節(jié)的屈伸、內(nèi)收外擺和肘關(guān)節(jié)的屈伸這三個(gè)自由度。3.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)需要保證具有兩到三個(gè)自由度,牽引患肢能夠完成多關(guān)節(jié)大范圍的復(fù)合運(yùn)動(dòng),同時(shí)應(yīng)在運(yùn)動(dòng)空間上與人體上肢保持一致,避免在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生干涉??祻?fù)機(jī)器人一般包括末端牽引式和外骨骼式兩種,在設(shè)計(jì)上兩者特點(diǎn)如下。(1) 末端牽引式康復(fù)機(jī)器人的作用點(diǎn)一般在手腕或者用手握住,在設(shè)計(jì)時(shí)必須保證能夠平衡患肢重量,為患者所用?;颊叨急容^虛弱,不能自主支撐,需增加支撐機(jī)構(gòu)來滿足要求。目前,臨床上一般是通過醫(yī)師拖住患肢肘關(guān)節(jié)進(jìn)行訓(xùn)練,因此,支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)以肘關(guān)節(jié)為主。在訓(xùn)練過程中為了刺激患者中樞神經(jīng),發(fā)揮他的參與功能,提倡盡量讓患者自主支撐,讓患者能夠在最小的支撐力作用下完成康復(fù)訓(xùn)練。(2) 外骨骼式康復(fù)機(jī)器人,它的設(shè)計(jì)必須能夠與人體上肢結(jié)構(gòu)吻合,和患者肢體相一致,此外對(duì)于材料有較高的要求,密度小,質(zhì)量輕,以避免對(duì)患者造成二次傷害。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該具有多個(gè)自由度,滿足患者各個(gè)部位的訓(xùn)練需要,同時(shí)增強(qiáng)外界刺激,提高患者對(duì)肌肉的控制能力和協(xié)調(diào)能力。在尺寸方面應(yīng)盡量滿足人體工程學(xué),可以適當(dāng)調(diào)整臂長,滿足不同患者對(duì)結(jié)構(gòu)的要求。3.2 傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)在國內(nèi)外現(xiàn)有的康復(fù)機(jī)器人中比較常見的傳動(dòng)方式有直接驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì),同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì),齒輪結(jié)構(gòu)傳動(dòng)設(shè)計(jì),氣動(dòng)肌肉傳動(dòng)設(shè)計(jì)等傳動(dòng)方式。同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì),各自由度的驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過帶傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng),帶傳動(dòng)可降低機(jī)器人手臂的自重,但帶傳動(dòng)的柔性會(huì)影響到傳動(dòng)精度。齒輪結(jié)構(gòu)傳動(dòng),交錯(cuò)斜齒輪或錐齒輪可使電機(jī)安放方向任意變動(dòng),減少機(jī)構(gòu)之間的相互干涉,但如果傳動(dòng)比過大,則兩齒輪會(huì)因尺寸相差太大而不便安裝,傳動(dòng)比過小則與直驅(qū)方式無異。3.2 初步設(shè)計(jì)預(yù)想(1)自由度設(shè)計(jì)由于每增加一個(gè)自由度都會(huì)是康復(fù)機(jī)器人的復(fù)雜程度成倍提高,也造成生產(chǎn)成本的增加,因此,我們結(jié)合實(shí)際需要,對(duì)七個(gè)自由度進(jìn)行合理取舍,保留肩關(guān)節(jié)的屈伸、內(nèi)收外擺和肘關(guān)節(jié)的屈伸這三個(gè)自由度。如圖3-3、3-4所示。圖3-3三自由度上肢運(yùn)動(dòng)模型簡圖圖3-4動(dòng)作分解圖在正常的情況下,人體上肢肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍如表3-1 所示。表3-1正常情況下人體上肢關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍屈伸外擺內(nèi)收內(nèi)旋外旋肩關(guān)節(jié)04501700180030095085肘關(guān)節(jié)015405/090090本文在康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí),將肩關(guān)節(jié)的活動(dòng)限制在屈 030 ,伸 090 ,外擺 060 ,內(nèi)收 0 范圍內(nèi);將肘關(guān)節(jié)的活動(dòng)限制在屈 0150 ,伸 0 范圍內(nèi)。進(jìn)行這樣的限制后,康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人能夠保證患者在康復(fù)訓(xùn)練時(shí)上肢的動(dòng)作幅度不會(huì)太大,可避免意外發(fā)生,提高機(jī)器人的安全性。最終本設(shè)計(jì)中人體上肢關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍如表3-2所示。表3-2本設(shè)計(jì)中人體上肢關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍屈伸外擺內(nèi)收內(nèi)旋外旋肩關(guān)節(jié)030090060000肘關(guān)節(jié)01500/00(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用外骨骼式康復(fù)機(jī)器人,與人體上肢結(jié)構(gòu)吻合。對(duì)于材料有較高的要求,密度小,質(zhì)量輕。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該具有多個(gè)自由度,滿足患者各個(gè)部位的訓(xùn)練需要,同時(shí)增強(qiáng)外界刺激,提高患者對(duì)肌肉的控制能力和協(xié)調(diào)能力。在尺寸方面應(yīng)盡量滿足人體工程學(xué),可以適當(dāng)調(diào)整臂長,滿足不同患者對(duì)結(jié)構(gòu)的要求。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖如圖3-4所示。圖3-4四、對(duì)進(jìn)度的具體安排第1 周,領(lǐng)取任務(wù)書,開始文獻(xiàn)調(diào)研;第2 周,完成文獻(xiàn)調(diào)研,開始英文翻譯;第4 周,完成開題報(bào)告,完成英文翻譯;第7 周,完成設(shè)計(jì)計(jì)算和強(qiáng)度校核計(jì)算,繪制結(jié)構(gòu)草圖;第8 周,完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),完成裝配草圖繪制;第 10周,完成零部件尺寸設(shè)計(jì),零件圖繪制;第12周,完成論文初稿,完成裝配圖繪制;第14周,完成論文最后修改和圖紙修改,提交論文最終稿;第15周,打印論文,準(zhǔn)備答辯;第16周,完成論文評(píng)閱,組織答辯,進(jìn)行成績?cè)u(píng)定。五、參考文獻(xiàn)1 張子明.中風(fēng)臨床指南M .北京:中國醫(yī)藥科技出版社.1993.2 李宏偉.腦卒中患者恢復(fù)期的運(yùn)動(dòng)療法J.福建體育科技.2002,21(4):38-40.3 李紅玲,郭力,宋蘭欣等.老年腦卒中偏癱早期康復(fù)療效觀察J.中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志.1999.4 李曉華.早期康復(fù)訓(xùn)練對(duì)腦卒中患者肢體功能恢復(fù)的影響J.中國實(shí)用護(hù)理雜志.2011,27.5 胡宇川.從醫(yī)學(xué)角度探討偏癱上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的設(shè)計(jì)J.中國臨床康復(fù).2004,8.6 呂廣明.康復(fù)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)分析J.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2004,36.7 劉攀峰.三自由度上肢康復(fù)機(jī)器人研制D.東南大學(xué).2009.8 呼昊.3DOF可穿戴式上肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真研究D.哈爾濱工程大學(xué).2008.9 吳軍.上肢康復(fù)機(jī)器人及相關(guān)控制問題研究D.華中科技大學(xué).2012.10胡宇川.偏癱上肢復(fù)合運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研制D.清華大學(xué).2004.11王東巖.外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)器人及其控制方法研究J.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2007,28.12曹電鋒.一種六自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析J.工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào),2013,20.13吳軍.新型可穿戴式多自由度氣動(dòng)上肢康復(fù)機(jī)器人J.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào),2011,39.14Shahrol Mohamaddan, Annisa Jamali,Ana Sakura Zainal Abidina, Mohd Syahmi Jamaludin,Noor Aliah Abd Majida,Muhamad Fadzli Ashari,Helmy Hazmi. Development of Upper Limb Rehabilitation Robot Device for Home Setting J. Procedia Computer Science,76(2015).15K.X. Khor, H.A. Rahman, S.K. Fu, L.S. Sim, C.F. Yeong, E.L. M. Su. A Novel Hybrid Rehabilitation Robot for Upper and Lower Limbs Rehabilitation Training J. Procedia Computer Science 42(2014). 指導(dǎo)老師: 年 月 日監(jiān)督老師: 年 月 日領(lǐng)導(dǎo)小組審查意見:審查人簽字: 年 月 日
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上肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)【三維PROE】
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