设计和开发一种通过对手外伤康复便携式外骨骼机器.doc
康复机器人的设计-锻炼手臂、手指、下肢等功能（含三维UG图）
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康复
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第 14 页 共 14 页 编号： 外文翻译（译文）学 院： 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 姓 名： 职 称： 设计研发一种对手部康复便携式外骨骼机器摘要-人类的手很容易受伤。物理康复治疗后,总是需要一个很长的手部恢复时间,疗效恶化、社会和金融困难都与身体的退化会产生影响。CPM机是一种基于治理机制的理论持续被动运动机器。改善康复结果和验证理论，我们已经开发出一种便携式外骨骼机。该装置非常容易连接以及调整来适应不同大小的手。在手指做屈伸运动的时候机器可以向手指指骨施加垂直力。它可以精确控制在范围以内还可以控制手指的移动速度。最后基于它的机械结构、运动学仿真和验证等，运动学仿真和动态模拟可以做出来。一 介绍手部损害的发生率有戏剧性的上升趋势。近年来，超过20%至40%急诊病例的外科手术和创伤骨科手的案件。这些案例大多数,造成手臂或手掌失去运动能力。对于手的治疗是一种非常重要的,因为在手中有很多小块的肌肉。所以治理受伤的手是一个很艰巨的事情,时间会很长,康复训练对手功能恢复很有效。损伤的手可能导致的社会经济困难，然而严重会引起的生理及情绪恶化。在康复训练过程中，现在有三大类方法治疗手运动功能障碍。一个是物理疗法,二是通过运动或利用弹性支撑做被动运动。第三个方法事恢复受伤神经,舒缓压力,移植健全的肌肉和肌腱。近年来,随着科技不断的发展被动运动(CPM)，外骨骼肌以此为基础康复理论已广泛应用于临床实践。市场中有各种类型的CPM机，不仅针对大关节功能训练，如手腕，肘关节和踝关节，也用于小关节等康复。然而，这些机器的大多数运动都是有限制的，驱动的自由程度和不集成传感器等。他们不能做内收外展运动和一些灵巧的动作功能锻炼。也康复治疗CPM机还停留在经验论水平上。没有确切的科学数据可以证明其疗效。所以综合以上的原因,提出一种新型的CPM机是迫切需要的的发展的,他不仅能够为您提供手功能的康复，还提供了一种定量检测的和评价的手功能恢复的方法。迄今为止,大多数外骨骼手在主从使用系统上建立了触觉接口。CyberGrasp是一种用于商业上产品投入,它对弯曲的五个指尖力量有反馈作用。东京大学的科学家们在遥远尽头可以通过一个电缆传递外骨骼信息并在其涵盖工作区范围内操控手指。外骨骼有一个邂逅型力反馈功能，它可使无约束使用者的手指在自然接触的感觉下运动。有一个问题，开发的虚拟现实施加在手指指骨的手外骨骼的力，往往在一个方向施加，但康复治疗的必须是双向运动。有时候，在康复治疗移动手指关节力太小。罗格斯大学硕士应用气动活塞驱动外骨骼可以发挥对在4指尖屈反馈作用 。它的研究适用于康复中风病人。另一个外骨骼声控设备是由卡内基 - 梅隆大学科学家开发研究 ，根据使用者的手指力由气动活塞提供辅助。最近一个新的外骨骼手由滑轮和一个连杆机构组成，该器件可提供耦合的活动自由度倾角，画中画弯曲/伸展和积极的自由度微通道板弯曲/伸展的手指。索尔福德大学在互动虚拟环境中已研制出一种基于外骨骼系统的物理和职业治疗手。外骨骼可以支持四个自由度，霍尔传感器附着在每一个杠杆来衡量的角度手指关节。每个手指可以自由实现双向运动。介绍了他的精确，可重复的手指运动及力测量，交互性，潜力巨大运动分类和统计登记和评估。垂直于手指指骨，在完成屈伸运动，所有上面介绍的外骨骼机都不能发挥作用。因此一个错误的方向上用力去推或拉人体关节将使受伤关节的情况更糟。该装置文献8中提出的设备是在本文介绍的类似的外骨骼手。正如作者所知道的，这是在触觉交互与虚拟现实应用应用程序，但达不到康复的目的。本文内容如下：第二节提出CPM机的设计目标和要求。第三节介绍了机械施工设备。对CPM机的运动验证进行了讨论。最后的结论，当前工作和未来可能的改进。二 设计的目标和要求我们的目标和CPM机器的要求设计如下：适合手尺寸的变化在完整的屈伸运动中，对手指指骨施加垂直力双向运动安装在手的背侧以便释放手掌空间此外，设备应该是重量轻，低高位置的自由运动和反向可驱动性容易控制。三 机械设计A 功能结构人类的手部结构非常复杂。每个手指都有三个关节及四个自由度的和2关节，四个自由度的拇指。从远端指间和近端指间有一个自由度手指和2自由度微通道板（每掌指骨）。拇指有三个自由度的微通道板和一个自由度的弯曲/伸展的倾角和远端拇指接头耦合，但近端拇指和远端指间展独立的。人手的生理学如图1所示。 图1 人类生理学进行了实验研究，以确定人力食指功能模块。因此，每个关节长度，每个关节移动的范围和力量不同年龄段六十个人的每个关节的运动进行了测量，列出测量值表一和表二食指的关节-长度人食指弯曲及伸展的功能模块B.概念设计弯曲或扩展的传动方式由三部分组成：一个驱动器模块、两个柔性电缆和外骨骼，见图2。驱动器模块由一个直流电机和一对软电缆齿轮组成。两个灵活的弹簧管指导软电缆外骨骼。周围的小滑轮通过循环创建一个双向运动，有共同的轴电缆齿轮的外骨骼。根据齿轮，圆形齿条旋转手指关节手指指骨，在齿轮测量关节角度。 图2 屈伸关节的驱动方式伸展或内收的驾驶模式还包括一个直流电动机驱动虽然一对锥齿轮正齿轮机架，见图3。直接将齿轮和手指用MP2方法固定联合在一起，从而使手指指骨旋转图3 MP2方法联合驱动模式C.体现设计图4显示了一个手指外骨骼的CAD图纸。它是连接到驱动器构的单位和每个方阵的手指附件。要调整方阵的变化长度，力量传感器圆形机架可在导槽滑动。圆形的衣架设计，让几乎完全屈曲和在所有关节的延伸。轻松实现垂直力量所有关节的角度。他们还设计划线，所以针对不同的方案邻国的圆形衣架做不干预。机械施工的所有关节球轴承的支持。衣架的圆形设计，让几乎完全弯曲的所有关节的延伸。轻松实现垂直测量所有关节的角度。他们还设计划线，所以针对不同的方阵临近圆形衣架都不干预。球轴承支持所有关节的机械施工。图 4 CPM机的:(a)外骨骼机与拉伸手指模型(b)手指的弯曲 (c)弯曲及扩展单元 (d)爆炸的观点/扩展弯曲单元。 图 5 显示一个CAD制图的CPM机致动器模块。为了简化执行机构单位DIP PIP MCP的行动,每只手指关节耦合在一起。在外展肌和内节点电价支持独立。为了使机制轻小,驱动电机必须放在远离关节的地方。因此，我们使用线驱动器的方法。由于一根导线只能产生在一个方向的力，我们用两根导联合在一起产生一种双向的力。因此，一个手指需要6根电线。六根电线线的两端连接到放置在力传感器的小滑轮上，个小滑轮的另一端连接到一个直流电动机与一对锥齿轮上（2:1传输速率）。考虑性能，重量和噪音，我们最终选择 “17N78-216E伺服电机。电机的重量是17克，电机的额定功率为3.2W。减速机内置电机传输速率为88:1。最大手指关节的旋转速度是驱动的机转速17.7。手指运动周期为1.48s。执行器单元的输出扭矩可达1纳米，这足够驱动手指的。图 5CPM的机驱动器模块:(a)致动器模块,(b)和(c)弯曲/扩展单元(A)和单位/内外展肌的(B)驱动器模块和一个爆炸视图图 6(a)和(b)显示了手指的侧面与CPM机器在拉伸和弯曲状态下位置和角度。图 7(a)和(b) 手指CPM机正常的顶视图及外展肌的位置。在图8（a）及（b）特写手指与外骨骼CPM机和驱动器模块被单独列出。图 7 手指和CPM机的侧面:(a)在伸展的位置,(b)弯曲的位置。图 7 手指和CPM机顶视图:(a)在正常位置(b)向外伸展的位置。图 8 特写手指CPM机：（一）CPM的外骨骼机，（二）CPM机的驱动器模块在图四中我们使用的是传统压力传感器的应变片。机械力传感器弹性结构,作为一个机械零配件应安装在弯曲/延伸模块。霍尔位置传感器适合在关节部分。我们使用新创2sa-10双轴如霍尔传感器传感元件的位置传感器。马达位置传感器是一个MR编码器它安装到电机轴上，它可以产生电机转速的反馈信息。它可以用来控制电机的回路位置。E.结构类型分析该机制的理论从结构类型，我们将从分析的角度来看。1）一个自由度的驱动结构DIP和PIP驱动单自由度结构是固定的。我们假设手指与外骨骼机器无相对滑动。图9（a）所示的原理图是一个自由度的驱动结构图。运动学环节都有一定的运动性。如果一个旋转小齿轮以恒定的速度，在2 O的时刻会达到平衡。外围力量T，圆周力F和旋转角联合得到如下所示：其中T1， T 2是齿轮的扭矩， D1、D2为参考齿轮的直径，P为发射功率，n1是小齿轮旋转的速度， R1、R2齿轮参考半径。图 9示意图两个外骨骼结构类型：（一）驱动一个自由度，（二驱动两自由度结构2）两自由度驱动结构图 9（b）显示驱动示意图两自由度结构。康复角度关系是角和旋转角和旋转关节角度是：MP关节有= 0，所以康复的角度得到如下：运动学的确认为了展现出性CPM机的适和任务的发展,对于他的运动一直在验证。该验证计算了运动学和逆向运动学。最后基于运动学和动力学执行仿真。参考机器人关节坐标显示在图10。A 向前运动学对于CPM机，D-H参数在机器人的关节提供其他相关的信息类型和序列。机器人运动学参数如表所示：机器人的尖端位置的坐标如下： 图10 的机器人关节的坐标参考框架机器人运动学参数符号：IA，ID代表的链路长度I，I，1代表I和I-1角之间的联合B 逆向运动学对于要计算的逆运动学机器人的工作空间和机器人控制的分析非常的重要。计算机器人的逆运动学主要方法是解析解和数值解的，齐次变换矩阵如下图所示通过解析解，是得到如下： C模拟结果仿真由两部分组成:运动学仿真模拟和动态仿真。值得关注的是，CPM机是两项基本职能所必须具备的:在安全范围可以提供足够的动力使手指和趾骨实现双向运动可以将受伤的手指在最大角范围做运动,以达到最佳治疗效果。因此,上述典型功能的机器人进行了验证允许检查使用仿真工具(ADAMS软件)设计康复的任务兼容性。两种类型的仿真显示康复训练是如下,图11(a)和(b)显示手指的屈曲和右臂诱拐运动。（1）运动学仿真仿真机器人关节角位置、速度。仿真时间是5秒，数值已经给出在图12(a)和(b)。图表显示最大弯曲角度,PIPMP1DIP和MP2连接是110,20。这个数值符合设计要求,也符合正常康复锻炼。（2)的动态仿真起初扭矩MP1装在齿轮上的PIP DIP和MP2方法在ADAMS联合作为CPM机驱动扭矩，扭矩值是0.9N/M0.1N/M0， 1 N/M ，0.8 N/M。第二MP1扭矩加载在手指上PIP，DIP和MP2方法联合的阻力矩，扭矩值是0.16 N/M ，0.1 N/M， 0.1 N/M和0.15 N/M。在标志点上创建的P1 P2和P3手指和趾骨对合成的手指关节力矩的测量。 如图13所示的值，图表显示，为MP1，PIP，DIP和MP2方法联合，最大扭矩为0.82 N/M 0.21 N/M 0.31 N/M和0.92 N/M，最小扭矩是0.51 N/M 0.20 N/M 0.20 N/M和0.60 N/M。综上所诉在安全扭矩范围，CPM机可以移动方便带动手指指骨。图11 （一）弯曲手指的示意图 （二）示意图手指的收缩和向外伸平图 12 (a) 展示 DIP(3)PIP(1)MP1(2) and MP2(4)角位置 (b) DIP(3) PIP(1) MP1(2) and MP2(4
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