剛柔并聯(lián)下肢康復機器人結構設計【三維SW】【15張CAD圖紙】

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哈爾濱工程大學 2014 屆學士學位論文立題論證書 院（系） 機電工程學院 題目對應專業(yè) 機械設計制造及其自動化 題目申報人 王克義 職 稱 講師 申報時間 2013.12.12 題目名稱 剛柔混聯(lián)下肢康復機器人結構設計 題目來源 （劃√號，不可多選） 在研 科研項目 √ 生產(chǎn)實踐 自擬題目 題目類型 理工類 理論研究類（ ） 工程設計類（√） 軟件開發(fā)類（ ） 科學實驗類（ ） 綜合類（ ） （劃√號，不可多選）? 文管類 理論型（） 應用型（） 文獻綜述型（） （劃√號，不可多選） 課 題 簡 述 隨著老齡化的到來以及自然災害和交通事故等原因，接受康復訓練的群體人數(shù)變得越來越大，研究康復訓練機器人技術，研制康復訓練機器人產(chǎn)品，對和諧社會建設具有重要意義。 剛柔混聯(lián)下肢康復機器人主要是針對下肢內(nèi)收外展/內(nèi)旋外旋運動而設計的，目的是同時實現(xiàn)下肢的上述運動模式。該機器人具有3個自由度，分別是平面2個移動和腳踏板面的1個轉(zhuǎn)動。柔性機構用于直接對腳踏板的牽引，而剛性支鏈是為了實現(xiàn)繩索驅(qū)動端位置的改變，實現(xiàn)不同的牽引形式。繩索和剛性支鏈構成一種剛柔混聯(lián)機器人的傳動構件。 本 課 題 預 期 目 標 須填寫本課題應完成的工作，課題預期目標和成果形式 主要工作： 根據(jù)課題需要滿足的要求，查閱國內(nèi)外相關資料，包括繩索牽引機構和康復訓練等方面，設計機構的總體方案，進行機構學分析，設計出該機器人各裝置的零部件，并分析部分裝置的運動性質(zhì)；在三維機構裝配圖基礎上進行部分運動仿真。 課題預期目標： 利用三維軟件完成機器人的機構設計，出CAD工程圖，并根據(jù)驅(qū)動要求選擇驅(qū)動元件；利用三維機構裝配圖進行運動仿真，以此驗證設計結果。 成果形式： 工程圖0#圖紙3張，其中1張裝配圖，2張零部件圖； 畢業(yè)論文。 技術要求 上機 200 機時 圖紙 3 張 電路板 0 塊 閱讀文獻 25 篇 讀書筆記 2 萬字 主 要 參 考 資 料 1.林龍震.pro/e 基礎設計，電子工業(yè)出版社，2004.4. 2.機械設計手冊編委會.機械設計手冊，機械工業(yè)出版社，2004.8. 3.王克義,馬方超等.下肢內(nèi)收外展訓練機.中國發(fā)明專利.ZL201210173493.X. 4.Davis RB, Ounpuu S, et a1. A Comparision of two -dimensional and three -dimensional techniques for the determination of joint rotation angles [C]. Proceedings of the International Symposium on 3-D Analysis of Human Movement,Montreal, Canada, 1991: 67—70. 5.鄭文經(jīng)等.機械原理，高等教育出版社，2000.2. 6.機電一體化技術手冊編委會.機電一體化技術手冊，機械工業(yè)出版社，1999.7. 上方要加支撐裝置，以分擔人體重量。右側添加導引裝置防止繩對絞盤造成損害，正視圖框架左右1.2m，側視圖框架間距離1m。 右側添加的導引裝置簡圖 說明書摘要 本發(fā)明提供的是一種下肢內(nèi)收外展訓練機器人，該機器人由支撐框架、兩套繩索牽引支鏈、一套剛柔混聯(lián)支鏈和腳踏板組成。支撐框架由型材搭建而成。兩套繩索牽引支鏈均由裝有編碼器的力矩電動機、絞盤、繩索組成，固定在支撐框架上的力矩電動機驅(qū)動絞盤轉(zhuǎn)動，從而帶動柔性繩索運動，兩套繩索牽引支鏈的繩索另一端共同連接到腳踏板上的一點處。剛柔混聯(lián)支鏈由裝有編碼器的力矩電動機、絞盤、繩索、裝有編碼器的直流電動機、絲杠螺母、滑軌、過輪和力矩傳感器組成，固定在支撐框架上的直流電動機驅(qū)動由滑軌機構約束的絲杠螺母機構，實現(xiàn)固定在螺母上的過輪平移運動；固定在支撐框架上的力矩電動機驅(qū)動絞盤轉(zhuǎn)動，帶動柔性繩索運動，繩索的另一端通過力矩傳感器和過輪后連接到腳踏板上。本發(fā)明可用于下肢損傷患者進行內(nèi)收外展康復訓練，也可用于健康人的體育鍛煉。 6 摘要附圖 權利要求書 1、一種下肢內(nèi)收外展訓練機器人，由支撐框架、兩套繩索牽引支鏈、一套剛柔混聯(lián)支鏈和腳踏板組成。其特征是：支撐框架由型材搭建而成；兩套繩索牽引支鏈均由裝有編碼器的力矩電動機、絞盤、繩索組成；剛柔混聯(lián)支鏈由裝有編碼器的力矩電動機、絞盤、繩索、裝有編碼器的直流電動機、絲杠螺母、滑軌、過輪和力矩傳感器組成。 2、根據(jù)權利要求1所述的下肢內(nèi)收外展訓練機器人，其特征是：所述的兩套繩索牽引支鏈均是固定在支撐框架上的力矩電動機驅(qū)動絞盤轉(zhuǎn)動，從而帶動柔性繩索運動。 3、根據(jù)權利要求1所述的下肢內(nèi)收外展訓練機器人，其特征是：所述的剛柔混聯(lián)支鏈是固定在支撐框架上的直流電動機驅(qū)動由滑軌機構約束的絲杠螺母機構，實現(xiàn)固定在螺母上的過輪平移運動；而固定在支撐框架上的力矩電動機驅(qū)動絞盤轉(zhuǎn)動，帶動柔性繩索運動，繩索的另一端通過力矩傳感器和過輪后連接到腳踏板上。 4、根據(jù)權利要求2所述的下肢內(nèi)收外展訓練機器人，其特征是：所述的兩套繩索牽引支鏈的牽引繩索的一端共同連接到腳踏板上的一點處。 5、根據(jù)權利要求1所述的下肢內(nèi)收外展訓練機器人，其特征是：所述的剛柔混聯(lián)支鏈的牽引繩索平分兩套繩索牽引支鏈的牽引繩索所夾角度。 6、根據(jù)權利要求3所述的下肢內(nèi)收外展訓練機器人，其特征是：所述的剛柔混聯(lián)支鏈的過輪平移方向不在三根牽引繩索所形成的平面上。 說明書 下肢內(nèi)收外展訓練機器人 （一）技術領域 本發(fā)明涉及一種康復訓練機器人，特別是涉及一種對下肢進行內(nèi)收外展康復訓練的機器人，屬于康復訓練器械。 （二）背景技術 醫(yī)學理論和實踐已經(jīng)證明，腦癱后遺癥或意外事故造成的肢體損傷患者需要進行肢體訓練，以便恢復肢體功能，防止肌肉“廢用性”萎縮和關節(jié)僵硬。為克服專業(yè)醫(yī)護人員的不足以及提高康復訓練效果，出現(xiàn)了各種各樣的康復訓練器械，一般是主動康復訓練器械附著受訓練者肢體上，通過運動期望軌跡帶動肢體運動，以達到康復訓練作用。老人運動能力較弱，通過機器人輔助運動訓練，能夠提高運動機能。設計一種剛柔混聯(lián)下肢訓練機器人，用以對訓練者進行下肢內(nèi)收外展運動康復訓練，同時繩索牽引不僅方便驅(qū)動單元的布置，而且增強了系統(tǒng)動態(tài)性能和系統(tǒng)柔順性，能夠更好地滿足康復訓練的需要。 目前，國內(nèi)外相關文獻主要有以下幾種： 河北工業(yè)大學碩士論文“仿生外骨骼式下肢康復機器人研究”中提到一種采用柔性連接解決下肢內(nèi)收外展運動，該內(nèi)收外展運動是被動形式的。專利號為201010203502.6的專利名稱為“繩索牽引下肢步態(tài)康復機器人”的發(fā)明專利闡述了，通過繩索牽引實現(xiàn)下肢屈伸運動控制；專利號為201120144824.8的專利名稱為“側臥位下肢外展裝置”的實用新型闡述了，通過一套支撐板和框架體實現(xiàn)固定下肢，防止側臥時下肢的內(nèi)收、內(nèi)旋。專利號為CN20092234252U 20090803?的專利名稱為“髖關節(jié)訓練裝置”的實用新型闡述了，通過滑輪組和擺動桿裝置實現(xiàn)下肢髖關節(jié)運動控制。 上述相關文獻所介紹的下肢康復訓練裝置均未采用繩索牽引實現(xiàn)下肢內(nèi)收外展訓練。 （三）發(fā)明內(nèi)容 本發(fā)明的目的在于提供一種下肢內(nèi)收外展訓練機器人，用于對下肢損傷患者或老人的肌肉和關節(jié)功能進行康復訓練。 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：由框架構成支撐系統(tǒng)；兩套繩索牽引支鏈的裝有編碼器的力矩電動機固定在框架上，其驅(qū)動絞盤轉(zhuǎn)動，帶動繩索運動，兩套繩索牽引支鏈的兩根繩索一端連接到腳踏板上的一點處；剛柔混聯(lián)支鏈的裝有編碼器的直流電動機固定在框架上，其驅(qū)動受滑軌約束的絲杠螺母機構，控制固定在螺母上的過輪平移運動，而固定在支撐框架上的裝有編碼器的力矩電動機驅(qū)動絞盤轉(zhuǎn)動，帶動繩索運動，該繩索的另一端通過力矩傳感器和過輪后連接到腳踏板上。該機器人屬于并聯(lián)機構。 本發(fā)明還有這樣一些結構特征： 1、連接到腳踏板上的三根繩索處于同一平面上。 2、剛柔混聯(lián)支鏈的牽引繩索平分兩套繩索牽引支鏈的牽引繩索所夾角度。 3、剛柔混聯(lián)支鏈的過輪平移方向不在三根牽引繩索所形成的平面上。 4、三個驅(qū)動繩索的力矩電動機和一個驅(qū)動絲杠的直流電動機都安裝有編碼器。 5、剛柔混聯(lián)支鏈的繩索在連接到腳踏板上之前經(jīng)過固定在框架上的力傳感器。 本發(fā)明下肢內(nèi)收外展訓練機器人由支撐系統(tǒng)框架、兩套繩索牽引支鏈、一套剛柔混聯(lián)支鏈和一個腳踏板組成。支撐系統(tǒng)框架由型材搭建而成，可根據(jù)需要任意移動；兩套繩索牽引支鏈均由裝有編碼器的力矩電動機、絞盤、繩索組成，兩個力矩電動機分別固定在框架前后位置上的同一高度處，其驅(qū)動絞盤轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)繩索牽引，兩根牽引繩索均連接到腳踏板側面中點處；一套剛柔混聯(lián)支鏈由裝有編碼器的力矩電動機、絞盤、繩索、裝有編碼器的直流電動機、絲杠螺母、滑軌、過輪和力矩傳感器組成，固定在框架中間位置的直流電動機驅(qū)動受滑軌約束的絲杠螺母機構，固定在支撐框架上的力矩電動機驅(qū)動絞盤轉(zhuǎn)動，帶動繩索運動，該繩索的另一端通過力矩傳感器和固定在螺母上的過輪后連接到腳踏板另一側中點處。結構布置保證了連接到腳踏板上的三根繩索是處于同一平面的，且剛柔混聯(lián)支鏈的牽引繩索平分兩套繩索牽引支鏈的牽引繩索所夾角度，剛柔混聯(lián)支鏈的過輪平移方向不在三根牽引繩索所形成的平面上。這種機器人結構布置形式能夠?qū)崿F(xiàn)下肢內(nèi)收外展運動訓練。 工作初，訓練者一只腳站立在平臺上，另一只腳放置在腳踏板里并扣緊，根據(jù)需要可以配備減重裝置。工作時，由繩索牽引支鏈和剛柔混聯(lián)支鏈共同控制腳踏板做規(guī)劃運動，實現(xiàn)下肢內(nèi)收外展康復訓練。 （四）附圖說明 圖1是本發(fā)明進行訓練時的主視圖； 圖2是本發(fā)明的主視圖； 圖3是本發(fā)明的俯視圖； 圖4是本發(fā)明的左視圖。 （五）具體實施方式 下面結合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述說明： 結合圖1-4，本發(fā)明下肢內(nèi)收外展訓練機器人由支撐系統(tǒng)框架1、兩套繩索牽引支鏈、一套剛柔混聯(lián)支鏈和一個腳踏板13組成。支撐系統(tǒng)框架1由型材搭建而成，可根據(jù)需要任意移動；兩套繩索牽引支鏈均由裝有編碼器的力矩電動機（12、14）、絞盤（11、15）、繩索（10、16）組成，兩個力矩電動機（12、14）分別固定在框架1前后位置上的同一高度處，其驅(qū)動絞盤轉(zhuǎn)動（11、15），實現(xiàn)繩索（10、16）牽引，兩根牽引繩索（10、16）均連接到腳踏板13側面中點處；一套剛柔混聯(lián)支鏈由裝有編碼器的力矩電動機2、絞盤3、繩索5、裝有編碼器的直流電動機9、絲杠螺母7、滑軌8、過輪6和力矩傳感器4組成，固定在框架1中間位置的直流電動機9驅(qū)動受滑軌8約束的絲杠螺母7機構，固定在支撐框架1上的力矩電動機2驅(qū)動絞盤3轉(zhuǎn)動，帶動繩索5運動，該繩索5的另一端通過力矩傳感器4和固定在螺母上的過輪6后連接到腳踏板13另一側中點處。結構布置保證了連接到腳踏板13上的三根繩索（5、10、16）是處于同一平面的，且剛柔混聯(lián)支鏈的牽引繩索5平分兩套繩索牽引支鏈的牽引繩索（10、16）所夾角度，剛柔混聯(lián)支鏈的過輪6平移方向不在三根牽引繩索（5、10、16）所形成的平面上。這種機器人結構布置形式能夠?qū)崿F(xiàn)下肢內(nèi)收外展運動訓練。 工作初，訓練者一只腳站立在平臺上，另一只腳放置在腳踏板13里并扣緊，根據(jù)需要可以配備減重裝置。工作時，由繩索牽引支鏈和剛柔混聯(lián)支鏈共同控制腳踏板13做規(guī)劃運動，實現(xiàn)下肢內(nèi)收外展康復訓練。