文档介绍:该【全国大学生机械创新设计大赛作品说明书 】是由【世界末末日】上传分享,文档一共【21】页,该文档可以免费在线阅读,需要了解更多关于【全国大学生机械创新设计大赛作品说明书 】的内容,可以使用淘豆网的站内搜索功能,选择自己适合的文档,以下文字是截取该文章内的部分文字,如需要获得完整电子版,请下载此文档到您的设备,方便您编辑和打印。基于CPM康复理论的手肘运动康复训练器械设计说明书设计者:谢群,张万军,李建清指导教师:潘慧龙,周伦〔西南交通大学机械工程学院,成都610031〕[摘要]:本产品涉及一种运动功能障碍患者如肘部手术,长期卧床病患进展康复训练的设备,特别涉及一种针对前肢肘关节,腕关节功能康复训练,以促进运动功能恢复的CPM康复机器。该产品突出解决康复器械机械传动和使用单片机和简化传感装置实现系统自动掌握问题,具有肯定的可移植性,用以提高康复器械的牢靠性,有用性,易用性,实现康复机械的智能化。[关键字]:肘关节;CPM机;单片机掌握技术领域本产品涉及一种运动功能障碍患者如肘部手术,长期卧床病患进展康复训练的设备,特别涉及一种针对前肢肘关节,腕关节功能康复训练,以促进运动功能恢复的CPM康复机器。该产品突出解决康复器械机械传动和使用单片机和简化传感装置实现系统自动掌握问题,具有肯定的可移植性,用以提高康复器械的牢靠性,有用性,易用性,便携性,实现康复机械的智能化。争论背景目前,我国每年有120-150万人患中风,其中多半残留严峻的后遗症,影响生活质量。由于受到各种因素的制约,多数不行能在医院长期承受康复治疗,出院后进展自主熬炼是一种有效的方法。对于中风病人,对其偏瘫部位进展康复训练是格外重要和关键的医疗手段,及早进展康复训练可以大大削减残疾的1可能性。[1]另一方面,由于事故,运动意外损害等引起的肢体受伤病人的临床病症也需要准时的康复训练。运动康复训练是通过运动刺激,提高运动功能障碍患者患部运动功能的一个主要康复手段。目前上述病人的康复训练或康复治疗,主要是由阅历丰富的医生依据病人的病情和恢复状况,亲自操纵康复训练装置,对病人的肢体施加肯定大小的作用力,引导病人进展往复的肢体运动熬炼。在偏瘫上肢训练中引入机器人技术,其优点在于,机器人不存在疲乏问题,能够满足不同患者对训练强度的要求;实现自动掌握,可以客观的记录训练过程中患者患肢的各种运动参数,供医生分析,以评价治疗效果;使用机器人技术,使得远程治疗和集中治疗〔一名医生同时为多名患者供给指导〕成为可能。国外现有的康复医疗装置中,比较典型的是CPM机。CPM〔ContinuousPassiveMotion〕即连续被动运动理论,是康复医学中理论成熟的针对术后恢复及偏瘫患者康复训练治疗理论,最早应用于骨科治疗。“骨科医生常使用连续被动运动疗法或CPM来帮助患者在关节受伤后或关节手术后实现康复。手术后,很多患者消灭苦痛,导致患者无法充分活动关节以重获得正常的关节活动度。关节四周的组织由于缺乏运动而变得僵硬,并将开头消灭疤痕。术后利用CPM机进展康复治疗时,关节在关节活动范围内活动的时间得以延长。这一用途通过增大关节活动度可大大缩短康复时间,促进关节外表和软组织复原,削减粘连和疤痕组织的形成,并削减关节强硬。争论说明,与承受同种手术但没有使用CPM机进展康复治疗的患者相比,使用CPM机进展治疗的患者需要的止痛药物较少……”[2]2CPM机治疗实例基于连续被动运动理论而设计的CPM机,是目前为止唯一的一个机器人生物力学或生物物理化学的应用的例证。其中典型的康复机器人设备是美国麻省理工学院研制的MITMANUS,它有两个自由度,可以实现病人的肩,肘运动。国内的类似设备比较少,南航开发了一种康复医疗机械手臂,承受单片机和步进电机掌握;江浙一些企业也参与CPM类似的康复机械臂装置。[3]通过检索国家学问产权局〔sipo.〕供给的专利数据,通过对相关领域大量专利分析比较,技术成熟且具肯定代表性如[14801184]、[1736357A]、[]等专利。但以上康复机械都存在一些共同的缺陷:1〕机构设计不尽合理,运动角度和速度掌握缺乏,运动训练方式单一;需要医生实地亲自操作,实施一对一的治疗,或按预先设定路径运动,不能实现医患交互;没有运动位置检测,不能供给训练信息反响;病人不能自主运动,操作缺少人性化和易用性。3设计内容产品示意图本产品设计主要分为两个局部::通过一个动力源〔小型直流电机〕实现类肘关节自身运动的往复运动,在机构局部实现往复过程中角度可调,速度可调,实现临床常承受运动模式。通过查询有关人体工学资料,暂定可实现最大往复角度130度,即50度——180度区间范围。角度调整拟承受无级调整机构,速度调整承受电机掌握实现的无级调速或通过掌握直流电机输出实现。针对使用安全性,机构设计同时需要急停保护装置,速度和角度的最高限定装置等。同时作为产品,需考虑使用舒适度,可携带性,外观设计等因素。设计流程:先期通过ADAMS动态仿真软件建立原理验证模型,通过虚拟样4机仿真,完成机构定型工作;之后在AUTOCAD按1:1比例建模,通过修改模型最终定型;通过AUTOCAD出加工图;联系学校机械中心加工完成实物。转动方案:比较齿轮传动方案,链轮传动方案和同步带轮传动方案,我们选择了同步带轮的传动方案,主要基于以下分析:带传动作为一种中间挠性件的传动方案,能缓和载荷冲击,在往复运动中能削减对肘部冲击;运行平稳,无噪音,适合家庭及医院环境下使用;在消灭过载时引起带在带轮上打滑,起到肯定的保护作用;同步带靠啮合传动,可以保证执行同步;制造和安装精度不如啮合传动严格。总体传动方案示意以下为同步带传动的计算过程:名义功率:p取p=50*10-3kw计算功率:Pc=Ka*p,由查表得Ka=*=50**=66*10-3kw选择带型和节距:5齿数:型号:xl节距:=>=Zmin由表查得Zmin=13取z1=13z2=25i=z2/z1=25/13=:d1=z1*p/pi=13*==z2*p/pi=25*=:v=pi*d1*n/(60*1000) 其中n=50rpm=pi**50/(60*1000)=:xl型带由Vmax=50m/s则由v<Vmax由带型表可查,并选取带根本长度Lp=:a=(L-pi*Dm)/4+( (L-pi*Dm)2-8*▲)/4其中Dm=(d1+d2)/2=(+)/2=▲=(d2-d1)/2=(-)/2=:a=,也就是设计中取的实际中心距小带轮啮合齿数:Zm=z1/2-p*z1*(z2-z1)/(20*a)=13/2-*13*(-)/(20*)==6齿数选择:小带轮齿数22,大带轮齿数25带型号选择:XL—150带6(4)同步带轮实物驱动方式的选择:我们考虑分析比较:沟通电机虽然功率较大但相应体积较大,不适合作为便携式设备的驱动,并且沟通电机使用市电作为电源,漏电的安全保护欠缺;步进电机在往复掌握,位置确定的实现上有较大优势,简便易行,但其输出转矩较小,经计算远不能到达驱动手臂运动的要求转矩输出,并且价格也最为昂贵,不利于降低产品的本钱。综上比较我们选择齿轮减速直流电机作为驱动,它较好的解决其他两种电机的突出冲突。对所需直流电机参数计算如下:电机功率公式:P=Tω其中,T为转矩,单位N?m;ω为角速度,单位rad/s。在电机工作的范围内任何状态均适用。直流电机的最大功率对应于转矩为1/2最大转矩,转速为1/2最大转速〔即空载〕的工况,公式为:Pm=1/4*Tmax*ωmax但在选择时应当设法让电机运转在最正确状态,以便获得更长的运行时间。电机速度。转速是关键指标,通常以r/min标记。依据以下公式估算手臂速度:Vr=(VmDπ)/60Vr为手臂往复的线速度,Vm为电机转速S=(v/60)piDv电机转速,D驱动轮直径经查阅相关人体工学资料,肘部往复频率的最高限度大约在60次/分,我们已据此进展计算相应电机转速。通过计算,选择额定功率50W,额定电压24V,输出转速为50r/min的齿轮减速直流电机。7〔5〕直流电机实物检测装置设计:经广泛查阅相关机器人传感检测方面的资料,获得信息关于位置检测,角度检测及压力检测的相关技术。常见的技术如电容式传感器,压电陶瓷材料,及应变片装置等。但是经分析,作为一种小型康复器械,假设直接承受现有技术,势必造成产品本钱大幅增加,失去原有的市场定位;同时在实现根本功能的根底,对精度要求不是很严格的前提下,直接使用现有技术是一种技术充裕。本产品承受接触开关结合机构代替现有传感器,实现角度掌握,安全力反响等根本功能,在大幅减低本钱的同时,较好的实现所设计功能。角度掌握:构造如以下图8角度掌握机构铣削加工弧形幅板,在靠近幅板外侧保存弧形槽,两只接触开关分别于它们的基座相连一同在凹槽滑动,拧紧螺钉则保持接触开关位置固定。往复运动机构在两只接触开关所限定的角度范围之间运动。当往复运动机构运动到一侧接触开关,触动接触开关,产生电信号传输到单片机,单片机依据程序转变直流电机相应转向。突出优势:相比较光电数码盘检测、电容式传感器方式作用直接,不完全依靠程序和传感器,具有稳定牢靠的的特点,在信号处理技术要求难度及执行速度有较大优势;接触开关及其基座本身也是角度安全限制装置,在程序失控状态下,也能起到安全保护作用防止角度过大;使用前护理人员可以依据不同病人直观简洁进展预设定角度,直接参照病人可活动角度范围固定接触传感器位置,相比程序掌握更直观,操作调整更简洁易行。前臂缓冲机构:构造如以下图9前臂缓冲机构如下图本装置将与运动的前臂相连,前臂随机构往复运动时,将带动上下两对弹簧交替压缩,中轴相对钢筒往复运动。此机构能有效缓解吸取在运动过程中机构对前臂的压迫感,明显增加舒适度。也可避开当肌肉消灭僵紧状态,机构运行带来的机械损伤。臂托机构:构造如以下图10