康復機器人-設計工程規(guī)劃書

設計題目：基于索驅動的康復訓練仿人機械臂1工程的背景和意義近年來，由于各種原因導致肢體殘障的人士越來越多。目前造成殘障的主要原因有三。其一，由于災害事故造成肢體殘障。由中國康復研究中心完成的北京市脊髓損傷流行病學調查結果顯示，我國每年有近十萬新增肢體殘疾病人，我國殘疾人口總數(shù)為8296萬，占總人口的6.34%，涉及2.6億家庭人口。其二，由于人口老齡化導致癱瘓。據(jù)第六次人口普查報告可知，截止2023年我國60歲以上的老年人已超過1.78億，占總人口的13.26%，比第五次人口普查上升2.93個百分點；65歲以上的老年人到達1.19億，占總人口的8.87%，比第五次人口普查上升1.91個百分點。有關部門預計，從2023年到2023年，全國60歲以上老年人將由1.78億增加到2.21億，平均每年增加老年人860萬；老年人口比重將由13.3%增加到16%，平均每年遞增0.54個百分點，到2030年全國老年人口規(guī)模將會翻一番。并且我國老年人中，長期臥床、生活不能自理的約有2700萬人，半身不遂的約有70萬人，82萬老年性癡呆病人中約有24萬人長期臥床。其三，由于中風、脊髓損傷等疾病引起的肢體殘障。中風的世界平均發(fā)病率為200/10萬，且根據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，中國的中風發(fā)病率排名世界第一；對于脊髓損傷，國外報道其年發(fā)病率為每百萬人口15~40例，我國上海市1991年統(tǒng)計的脊髓損傷發(fā)生率為34.3人/百萬人，北京市2002年脊髓損傷發(fā)病率為60人/百萬人。由于以上三點的形勢比擬嚴峻，導致殘障人士越來越多。而殘障人士由于生活不能自理，不僅給其自身造成了痛苦，而且對于其家庭和社會而言都帶來了極大的負擔，因此，殘障人士的康復治療越來越受社會關注。早期的康復治療方式主要是通過理療師一對一指導進行指導，不僅需要大量的康復治療中心和理療師，需要很高的本錢，同時由于康復治療中心離患者有一段距離，而這些殘障人士一般又難以獨立出行，如此會給患者及其家屬造成很大的不便。因此，早期康復治療的開展一直受到了很大的限制。而隨著機器人的開展和康復機器人這一理念的提出，這一限制得到的緩解。由于康復機器人體積小，不需要單獨的理療師輔助治療，可以方便患者自主在家庭使用，可以降低治療的費用并且相對方便。這在緩解殘障人士給社會帶來的壓力方面和緩解殘障人士的痛苦方面，有著重大的意義。2國內外研究開展現(xiàn)狀2.1康復機器人開展現(xiàn)狀康復機器人涉及機械、電子、控制、生物、傳感等多個方面，起步于20世紀80年代，美國、英國和加拿大在康復機器人方面的研究處于世界的領先地位。1990年以前全球的56個研究中心分布在5個工業(yè)區(qū)內：北美、英聯(lián)邦、加拿大、歐洲大陸和斯堪的納維亞半島及日本。1990年以后康復機器人的研究進入到全面開展時期。目前康復機器人的研究主要集中在康復機械手、醫(yī)院機器人系統(tǒng)、智能輪椅、假肢和康復治療機器人等幾個方面。國內康復機器人由于存在技術含量低、產學研脫節(jié)、機械加工水平低等原因，使得目前國內的康復機器人主要還處于研究階段。雖然在“十二五〞中，國家對康復機器人的開展提出了重視，但目前國內康復機器人的開展水平還是比擬低的，與國外的看富機器人水平相差較大。2.2上肢康復機器人開展現(xiàn)狀上肢康復機器人最早的是1993年美國的LumP.S等人研制的hand-object-handsystem，可以訓練患者雙手加持物體的動作。到目前為止，由于機器人技術、控制技術、計算機技術、傳感技術、生物仿生技術、人工智能技和機械制造技術的開展，康復機器人也已經有了長足的進步。美國麻省理工學院〔MIT〕的Hogan提出的2-DOF〔自由度〕臂平面康復機器人系統(tǒng)MIT-MANUS，具有一定的重力補償作用。后來又提出了2-DOF腕關節(jié)康復機器人，與臂MIT-MANUS結合形成了完整的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)4-DOF的康復運動，并已經開始應用于臨床治療。瑞士蘇黎世大學于2005年提出過一款6-DOF的半外骨骼機器人ARMin，可以實現(xiàn)肩關節(jié)的空間運動康復訓練和肘關節(jié)的屈伸運動康復訓練。英國Leeds大學的RaymondHolt等人研制了一款名為iPAM的雙臂機器人，可以實現(xiàn)雙臂個三個關節(jié)、6-DOF的運動，實現(xiàn)康復訓練。美國華盛頓大學研制的CADEN-7機器人是一款7-DOF的外骨骼式機器人，可以輔助患肢的肩、肘、腕進行多關節(jié)的復合運動，完成康復治療。在上肢康復機器人方面，我國也做出了一些成果。清華大學在國家“863〞方案支持下，從2000年起開展了機器人輔助神經康復的研究，研制了一種上肢康復設備UECM，采用二連桿機構模擬人體上肢，其中機器人大臂、小臂分別由兩臺伺服電機驅動，可以在平面內進行兩個自由度的康復訓練。哈爾濱工業(yè)大學設計的一種外骨骼式上肢康復機器人系統(tǒng)可以實現(xiàn)肩部屈／伸、旋內／外，肘屈／伸，腕關節(jié)屈／伸及外展／內收5-DOF運動。廣州一康醫(yī)療設備實業(yè)2023年生產了一種無驅動的患者主動訓練型上肢康復機械系統(tǒng)，可以實現(xiàn)肩、肘、腕組合的6-DOF運動，實現(xiàn)康復訓練。3現(xiàn)有技術和產品存在的問題分析目前的上肢康復機器人均是采用剛性連桿等機構來實現(xiàn)傳動，在進行多自由度控制時機構非常復雜，導致機械結構質量很大。同時，在使用連桿對整個上肢進行驅動時，由于連桿的多級傳動會造成較大的能量損耗，因此需要采取在各關節(jié)直接安裝電機驅動，這樣會導致上肢上機械結構的質量進一步增大。在這種情況下，如果不采取額外支撐而由患者自身承當機械結構的負載，那么會對患者造成壓迫，造成不適甚至是損傷；如果采用額外支撐將負載引到地面，那么整個康復機器人將會變得笨重，使得患者在進行康復訓練時只能固定在一個位置，帶來不便。同時，由于剛性連桿機構的質量較大，轉動慣量較大，使得康復機器人只能在很小的運動速度下才能保證足夠的穩(wěn)定性，因此極大的限制了康復訓練時的移動速度。此外，剛性的連桿機構在對于不同體型患者的調節(jié)、適應能力上存在缺乏，一般不能很好的貼合患者的肢體，給患者的帶來不適的同時還可能造成康復訓練的錯誤動作，嚴重的甚至有可能產生畸形。4設計規(guī)劃4.1設計目標為了改善目前剛性的上肢康復機器人所存在的問題，現(xiàn)提出一種柔性的驅動、傳動結構——索驅動的康復訓練仿人機械臂。相對于剛性驅動、傳動方式而言，索驅動機械臂的結構得到了極大的簡化。索驅動機械臂由電機、繩索和每節(jié)肢體上一個的節(jié)環(huán)組成，由于節(jié)環(huán)相對較小，而繩索的質量又可以忽略，極大的簡化了康復機器人的結構。為了使索驅動仿人機械臂能夠正常的工作，設計時應當滿足一定的要求?！?〕有合理的自由度數(shù)。仿人機械臂的設計應當以人體上肢各關節(jié)的運動為參照，依據(jù)患者的損傷部位和程度對各個關節(jié)分配相應的自由度，驅動肌肉損傷而不能自主移動的方向，實現(xiàn)康復治療?！?〕有合理的預緊力。由于繩索只能提供拉力，因此在使用索驅動時應當給予繩索一定的預緊力使索驅動的節(jié)環(huán)能夠快速準確的反響和移動。同時預緊力不能過大，否那么會造成繩索疲勞壽命減少甚至繩索拉斷，還有可能給患者帶來不適。〔3〕有盡量大的轉動范圍。由于索驅動各節(jié)環(huán)之間由繩索連接，二者之間的安裝位置比擬靈活，能夠滿足大局部患者的體型要求，但為了保證索驅動仿人機械臂能夠滿足患者的關節(jié)轉動要求，應當進行合理的設計，使各關節(jié)的轉動范圍盡量大。〔4〕要防止繩索纏繞。節(jié)環(huán)之間僅由繩索連接和驅動，沒有剛性的定位，因此應當合理的分布繩索，并且找準適宜的安裝位置，防止因繩索的纏繞而導致機構不能工作。4.2技術路線〔1〕索驅動仿人機械臂繩索數(shù)量的選擇由于每條繩索自身需要一定的預緊力，在機械臂運動時，需要對每條繩索都進行驅動。因此在設計索驅動機械臂時，如果繩索的數(shù)量過多，會導致動力學分析與計算和對繩索的控制變得復雜，會增加繩索纏繞情況發(fā)生的可能，還會導致制造本錢的增加；如果繩索過少，即使可以滿足自由度的要求，但由于繩索只能提供拉力，所以每根繩索帶動手臂轉動的范圍是有限的，繩索過少會使得機械臂的運動范圍達不到要求；同時即使在范圍內也會由于角度不適宜而導致繩索拉力過大，致使驅動力缺乏而不能正常工作或者繩索強度缺乏而斷裂。因此，在設計索驅動仿人機械臂時，必須依據(jù)相應的動力學分析選取適宜的繩索數(shù)。〔2〕索驅動仿人機械臂節(jié)點位置的布置如下列圖所示，由于繩索傳遞的力一直是沿著繩索方向，在驅動手臂繞關節(jié)轉動時，僅垂直手臂方向為有效力，可以產生拉動手臂繞關節(jié)的轉動，而沿手臂方向的分力那么是無效的，甚至是有害的，因為沿手臂方向的別離不僅會使繩索受力增大導致繩索疲勞壽命減少，還會對手臂造成壓迫給患者造成不適。因此，選擇適宜的節(jié)點，可以增大手臂在運動過程中繩索與手臂之間的夾角，進而增大有效分力并減小無效分力。5初步進度表周次任務第一周〔1〕市場調研〔2〕草擬設計規(guī)劃書第二周〔1〕尺寸設計，運動動力分析〔2〕結構優(yōu)化分析