（优秀毕业全套设计）上肢康复机器人结构设计及仿真运动设计

.安全机制安全问题是康复机器人设计过程中的个重要方面，康复训练机器人必须根据临床康复训练的基本动作和安全性的要求，在设计中除了考虑机器人的功能实现外，还要防止患肢二次损伤，必须从机构设计硬件和控制系统软件两个方面保证康复机器人系统的安全性。

.康复效果的评价机制与肌电信号检测相结合，探索训练参数与康复效果之间的关系，提高训练效果。

大量实验的基础上，探索临床康复的初步规律，并建立新的康复评估方法，从而对运动功能的康复机制重新评估和理解。

机器人具备许多人类所无法比拟的优点，例如长期稳定地重复训练，精确客观地测定训练与运动参数，提供实时反馈远程训练等。

但是，目前康复训练机器人的研究仍然处于起步阶段。

从近年的发展看，美国的著名大学如等对这领域的研究都十分重视，处于世界领先。

国内的研究基础和对这领域的了解和把握与上述领先单位的差距并不很大，但在经费投入方面严重不足。

由于我国的康复医学事业仍然处于起步阶段，但患者数量多治疗师资源缺乏，据此现状，发展康复训练医疗机器人系统更具实际意义。

随着康复医疗机器人的研究和使用，有望简化医师与患者“对”的繁重治疗过程，推动残疾人“人人享有康复服务”这目标的实现，提高残疾人的生活质量。

同时，通过临床上使用积累的大量数据，将有助于认识训练参数与康复效果之间的关系，从而能够在机器人辅助脑神经康复治疗上取得更大的突破。

因此，康复医疗训练机器人技术在现代康复医学和神经反馈训练有广泛的应用前景。

.本课题主要研究内容本实用“上肢康复机器人”的机身是由放置于地面上的基座两根可以伸缩的立柱和上横梁组成，并在其各组成部分上分别装配上肢前后摆动机构上肢屈伸机构和上肢分合机构各运动机构由单独的电机和减速器驱动，而传动机构的主件分别是传动轴丝杠螺母副同步齿形带。

在单片机的控制下，实现患者的上肢前后摆屈伸分合运动以及手腕的转动康复训练也可启动部分电机，完成其中的部分康复训练。

具体内容如下首先对上肢康复训练机器人进行原理分析，然后选择合理的设计方案，进行总体结构设计康复机器人上肢前后摆结构设计及康复机器人屈伸机构设计分合机构设计及手腕转动机构设计设计出系统的零部件，完成驱动原件和标准件的选择和校核，主要包括丝杠齿轮等机构的设计计算。

确定结构尺寸，形状，材料，动力等参数，对齿轮主轴轴承进行必要的校核验算手绘和计算机绘制相结合，绘制整体装配图及主要零部件的零件图第章总体结构方案设计本设计的主要工作是设计个用于上肢康复的机器人，能够实现对上肢的上下屈伸分合以及手腕转动的康复训练。

就本设计而言，设计的主体是两根可升降的立柱，放于地面与立柱相连的机座横梁与机座相连的立柱座同步齿型带及带轮等等。

本章将对“上肢康复机器人”的结构设计及机械结构作出详细的分析和设计。

.总体方案设计该康复机器人将采用电力驱动，用电机驱动来实现各个功能，对上肢进行康复训练。

总体方案为机身由平台上面的机座两根可伸缩的立柱横梁以及手柄组成，并在其各组成部分上分别装上上肢前后摆机构上肢屈伸机构上肢分合机构和手腕转动机构各运动机构有单独的电机和减速器驱动传动机构的主件分别是传动轴丝杠螺母副以及同步带传动副。

在康复机器人结构设计中，立柱主要由三部分组成，内套筒外套筒和丝杠螺母副，此外还有用于固定丝杠螺母副用的轴承套等附属结构。

立柱的外套筒通过螺栓与立柱轴承套和立柱座连接在起，丝杠通过装在轴承套中的两个角接触球轴承定位和固定。

在立柱套筒的定位中，通过止口来实现精确定位。

为了保证整个康复机器人的结构的稳定，各个零部件的垂直度，表面粗糙度都定要达到设计的要求，这样才能使真个结构在运动的过程总不会出项卡死之类的现象，同时也减小了噪声。

此外，立柱的电机通过加腹板的电机支承架固定，支架通过螺钉固定在立柱座上图.前后摆机构运动简图面，这样，电机和立柱就连接在起，在前后摆的过程当中，整个立柱就能随着电机的转动而起运动。

同时，支承架的垂直度也要达到精度要求，这样才能使电机轴与传动轴的同轴度达到所需的要求。

前后摆机构设如图.所示康复机器人前后摆机构主要的功能是对患者的上肢进行前后摆康复训练。

在设计的中，前后摆要满足下两个要求是摆动的角度要足够大，能够对患者上肢的肩关节肘关节进行充分的康复训练二是整个机构的稳定性安全性要好，在对患者进行康复训练的过程中，能够在任何位置实现安全的停止。

因此，上肢前后摆机构装在基座上，由直流电机减速器涡轮蜗杆传动轴轴承座等组成。

其中直流减速电机固定在底座平天上，通过联轴器将其与涡轮蜗杆连接在起，再通过联轴器将涡轮蜗杆与传动轴连接在起两根可伸缩的立柱通过键与轴而将其固定于轴承座上。

这样通过单片机控制电机，电机的带动传动轴，就可实现对上肢前后摆的康复训练。

在实现前后摆动的过程当中，涡轮蜗杆能够对机构实现自锁，使整个结构的稳定性安全性大大的增加。

前后摆电机通过滑块型弹性联轴器与蜗杆减速器相连，蜗杆减速器通过型柱销弹性联轴器与传动轴相连。

前后摆传动轴通过键与立柱座连接，其中立柱座与机座之间用套筒隔开，留有的间隙。

整体结构较大，但是重量不大，此外轴承处要注意润滑。

屈伸机构设计图.屈伸机构运动简图康复机器人的屈伸机构是实现对患者上肢进行屈伸康复训练，以达到对患者肩关节肘和肘关节的康复目的。

设计时，要使患者的上肢能够得到足够充分的空间进行屈伸训练，因此，上肢屈伸机构借助左右对称布置的两根可伸缩的立柱来实现这个目的。

可伸缩立柱由立柱座箱体外套筒内套筒组成而使之伸缩的机构包括直流电机锥齿轮副丝杠螺母副。

其中丝杠螺母副通过对角接触球轴承固定，轴承外圈通过挡圈与立柱座箱体和外套筒，借助法兰盘，用螺栓连接内套筒插装在外套筒内，通过螺母与丝杠连接在起，组成丝杠螺母副。

在丝杠的带动下，在立柱套筒内沿轴向滑动。

穿过侧壁的传动轴带动左右的齿轮副，带动丝杠同步的转动，从而实现内套筒在立柱内同步的向上下滑动，实现上肢的屈伸屈伸康复运动。

同时，为了使立柱内套筒能够安全的停止在任何位置，设计丝杠时需让丝杠具有自锁的功能，让患者可以在任何位置进行其他的康复训练。

在前后摆的机构中，主要有两个零部件，个是与立柱连接的立柱座，另个就是康复机器人的机座。

立柱座是将前后摆机构和升降机构连接在起的关键部件，在里面安装有锥齿轮运动副，其目的是改变传动链的传动方向，使立柱实现上升下降，实现患者的上肢屈伸康复训练。

与此同时，箱体的下端，通过键将其与根传动轴相连，在前后摆减速电机的带动下，通过能够实现自锁的蜗杆减速器，使整个结构能够发生前后摆运动，用以实现患者上肢的前后摆康复训练。

分合机构设计图.分合机构运动简图分合机构是用来对患者进行上肢分合康复训练而设计的。

在设计的过程当中，应当注意减噪的设计，并且要留有足够大的空对患者的上肢进行分合康复训练。

由于整个康复机器人的结构尺寸比较大，所以分合机构衡梁也需要注意尽量减小重量，所以，衡梁的材料采用硬质铝合金。

经过充分的考虑，上肢分合运动的机构借助安装在横梁上带传感器的直流减速电机同步齿形带传动副光感滑轨和把手来实现。

其中横梁分别与立柱内套筒上端通过螺栓连接在起，直流减速电机借助法兰盘分别固定在横梁的左右两端。

通过挡板和螺钉，将同步齿形带带轮固定在电机轴上，另端通过轴和轴承将带轮固定在横梁的中部。

这样就将左右带传动副固定在了横梁上。

同时，根光杆滑轨固定于横梁的左右段机构中。

把手贯穿于光杆滑轨，并与同步带连接在起，启动电机，就能够实现上肢的分合康复训练。

在康复训练中，两根立柱在升降的过程中，难免会出现细微的传动误差，致使左右两根立柱的升降不同步，从而对整个机构造成破坏，因此，在横梁的端，通过圆柱销的铰连接，用以消除这种危害。

在分合机构的设计中，最主要的就是横梁的设计以及横梁支承座的设计，横梁支承座有两个作用，个是支撑横梁，另个是固定电机。

同时考虑到消除因丝杠传动不精确带来的误差，两端支承座的设计稍有不同，其中端采用了铰接连接。

另外，由于分合机构采用的是同步齿形带传动，因此需要考虑相应的带的张紧措施。

于是在横梁的中部开槽，用螺钉对中部轴承套的定位来实现带的张紧。

其中，横梁支承座由两部分焊接而成，上部分是个型槽，下部分是个圆形的开孔法兰盘，用螺栓将其与立柱内套筒连接在起，这样，整个横梁就与立柱连为体了。

手腕转动机构设计图.手腕康复结构运动简图手腕康复机构中，主要应当考虑对患者上肢的固定，重点在把手的设计。

经过查阅文献充分思考之后，决定把手由手柄把手支架小臂护套组成，最后在把手上装上直流减速电机，组成手腕的康复训练机构。

直流减速电机通过螺钉将其固定于把手支架法兰盘面上。

小臂护套，通过吊环将其固定在把手支架上面。

工作时，启动电机，在单片机的控制下，带动手柄绕电机轴旋转，从而带动手腕的转动，实现手腕的康复训练。

.康复机器人框架造型的设计本次设计的坐式上肢康复机器人，主体结构采用金属材料，其承受外在的力量主要是患者的上肢，受力相对较小，所以，其各个零部件的大小尺寸应相对较小，用以减轻整体的重量。

在综合考虑了康复机器人运动空间受力之后，立柱套筒的壁厚设计为。

表.是人体主要尺寸表，根据其对人群中岁成年男子和岁成年女子各个主要不为尺寸的统计，本次设计康复机器人的宽度大约.，整体高度表.人体主要尺寸表男岁女岁身高体重上臂长前臂长百分位数.本章小结本章针对康复机器人的设计要求，对其总体结构进行了分析，构建了机器人的运动形式及外形框架。

包括驱动方式的选取驱动系和传动系的设计，康复机器人整体尺寸及外形的设计。

本章基本确定了康复机器人的运动方案，在接下来的章节中，将对所需的电机联轴器以及蜗杆的选择。

第章伺服元件选择本章的主要内容是通过估算康复机器人的各个运动参数，计算出所需直流电机的功率和转矩大小，并对其进行产品选择，接着对联轴器以及蜗轮蜗杆的选择。

.电机选择升降机构电机选择在立柱升降对患者进行上肢屈伸康复训练的过程中，考虑到患者的承受能力，设定其移动速度为，立柱以上整体的质量，因此，得到功率.代入数据，得