哈理工下置式人工髋关节模拟试验机传动部分设计带机械图
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哈尔滨理工大学毕业设计(论文)开 题 报 告学生姓名 学 号 专 业 班 级 指导教师 20 年 月 日课题题目及来源：题目：下置式人工髋关节模拟试验机传动部分设计题目来源： 自拟课题研究的意义和国内外研究现状：下置式人工髋关节模拟试验机的主要功能是帮助患者完成各种运动功能的恢复训练，该类产品有行走训练、手臂运动训练、脊椎运动训练等。下置式人工髋关节模拟试验机有两种：辅助型下置式人工髋关节模拟试验机和康复训练机器人。辅助型下置式人工髋关节模拟试验机主要是帮助肢体运动有困难的患者完成各种动作，该类产品有机器人轮椅、机器人护士、机器人假肢、机械外骨骼等。下置式人工髋关节模拟试验机是康复医学和机器人技术的完美结合，下置式人工髋关节模拟试验机技术在欧美等国家得到了科研工作者和医疗机构的普遍重视，许多研究机构都开展了有关的研究工作，近年来取得了一些有价值的成果。对于中风、偏瘫、下肢运动机能损伤等患者来说，下肢康复训练机器人有着很好的治疗效果。国内外许多研究机构都在这方面取得了不错的研究结果。下肢康复训练机器人发展主要经历了几个阶段。由早期的简单步行训练机发展到现在功能丰富、符合人体运动机理的下肢康复训练机器人。早期发展的下肢康复训练系统是借助于跑步机、悬吊系统等帮助患者进行运动训练，此种产品结构简单、价格便宜，但训练过程中必须有专业人员的帮助，而且并不符合人体运动机理，还不能称为康复训练机器人，只能是一种半自动的康复训练机械，它的功能单一、价格便宜，而且需要在专业护理人员的帮助下进行康复训练，这种机械对下肢病情比较轻的病人较合适。在对有运动障碍的老人或残疾人进行治疗和康复的过程中，使用下置式人工髋关节模拟试验机可以解决好多问题：机器人的使用可以解决专业护理人员缺乏和医疗费用昂贵的问题，可以避免由于训练方法不科学和专业护理人员个人疏忽等主观原因引起的对病人的伤害，可供病人在家或工作场所使用，使病人获得更多的独立生活能力，提高了病人的生活质量等。下置式人工髋关节模拟试验机是一种自动化医疗康复设备，它以医学理论为依据，帮助患者进行科学而有效的康复训练，使患者的运动机能得到更快更好的恢复。目前，下置式人工髋关节模拟试验机已经广泛地应用到康复护理、假肢和康复治疗等方面，这不仅促进了康复医学的发展，也带动了相关领域的新技术和新理论的发展。下置式人工髋关节模拟试验机有两种：辅助型下置式人工髋关节模拟试验机和康复训练机器人。辅助型下置式人工髋关节模拟试验机主要是帮助肢体运动有困难的患者完成各种动作，该类产品有机器人轮椅、机器人护士、机器人假肢、机械外骨骼等。康复训练机器人的主要功能是帮助患者完成各种运动功能的恢复训练，该类产品有行走训练、手臂运动训练、脊椎运动训练等。下置式人工髋关节模拟试验机是康复医学和机器人技术的完美结合，下置式人工髋关节模拟试验机技术在欧美等国家得到了科研工作者和医疗机构的普遍重视，许多研究机构都开展了有关的研究工作，近年来取得了一些有价值的成果。对于中风、偏瘫、下肢运动机能损伤等患者来说，下肢康复训练机器人有着很好的治疗效果。国内外许多研究机构都在这方面取得了不错的研究结果。下肢康复训练机器人发展主要经历了几个阶段。由早期的简单步行训练机发展到现在功能丰富、符合人体运动机理的下肢康复训练机器人。早期发展的下肢康复训练系统是借助于跑步机、悬吊系统等帮助患者进行运动训练，此种产品结构简单、价格便宜，但训练过程中必须有专业人员的帮助，而且并不符合人体运动机理，还不能称为康复训练机器人，只能是一种半自动的康复训练机械，如图1.1、图1.2所示。图1.1、图1.2中的步行训练机，它的功能单一、价格便宜，而且需要在专业护理人员的帮助下进行康复训练，这种机械对下肢病情比较轻的病人较合适。 图1.1步行训练机3 图1.2悬挂式步行训练机4随着机器人技术和康复医学的发展，人们对人的行走步态有了比较清楚的认识，开发出了一些符合人体康复需要的产品。德国柏林自由大学(Free University of Berlin)开展了腿部下置式人工髋关节模拟试验机的研究5，并研制了MGT型下置式人工髋关节模拟试验机样机(图1.3)。瑞士苏黎士联邦工业大学(ETH)在腿部康复机构、走步状态分析方面也取得了一些成果，在汉诺威2001年世界工业展览会上展出了名为LOKOMAT(图1.4)的下置式人工髋关节模拟试验机模型。LOKOMAT机器人主要由步态矫正器、先进的体重支持系统和跑台组成。LOKOMAT机器人以使用者为根本，通过对机器人的行为、耐心、合作及运动功能进行评估,建立了一种更为有效的治疗方式，即：机器人先侦测使用者的运动，并且跟随使用者的运行轨迹而不是强制使用者按照预定的轨迹运动，通过机器人的自适应功能，来满足使用者的不同需求，它可以调整训练参数以适合不同患者的需要6。 图1.3MGT型下置式人工髋关节模拟试验机 图1.4LOKOMAT机器人 德国柏林的IPK研究所研制的Robotic Gait Rehabilitation，通过一个可编程控制的脚踏板来带动患者实现步态的轨迹模拟，这个脚踏板由直线电机带动实现往复直线运动，脚踏板支撑部分类似于二自由度机械臂，由两个伺服电机驱动7(图1.5）。图1.5robotic gait rehabilitation 系统在试验中美国加州大学伯克利分校的科学家研制出一种机器人称为“伯克利末端外骨骼”（BLEEX）8，BLEEX包括可以牢牢地固定在使用者脚上但又不会和使用者摩擦的金属支架，以及用来承载重物的背包式外架和动力设备等，这种机器人除了可以帮助正常人增加负载能力外还可以帮助下肢残疾的病人行走，一定程度上恢复下肢功能(图1.6）。图1.6BLEEX日本筑波大学Cybernics实验室的科学家和工程师们，研制出了世界上第一种商业外骨骼机器人(Hybrid Assistive Leg，HAL)9(图1.7)，准确地说，是自动化机器人腿：“混合辅助腿”。这种装置能帮助残疾人以每小时4公里的速度行走，毫不费力地爬楼梯。除HAL“混合辅助腿”外，日本还研制成功了一种全身性外骨骼机器人。神奈川理工学院研制的“动力辅助服”9(Power Assist Suit)(图1.8）可使人的力量增加0.5-1倍，使用肌肉压力传感器分析佩戴者的运动状况，通过复杂的气压传动装置增加人的力量。这种装置最初是为护士研制的，用来帮助她们照料体重较大或根本无法行走的病人。现在已经有残疾人在这种机器人的帮助下实现了登山运动。图1.7HAL机器人图1.8Power Assist Suit美国NPH研究中心开创了机器人系统量化步行能力和步态失调的研究领域，根据活动依赖神经系统的可塑性，量化和评估模式肌电图在步态等方面的作用，建立数学模型模拟的感觉运动障碍。图1.9为NPH的机器人在实验中。图1.9NPH的机器人在进行试验在我国，康复医疗工程已经得到了普遍重视，康复训练机器人广阔的应用前景将推动下置式人工髋关节模拟试验机技术的进一步发展。我国对下置式人工髋关节模拟试验机的研究起步比较晚，辅助型下置式人工髋关节模拟试验机的研究成果相对较多，康复训练机器人方面的研究成果则比较少。清华大学在国内率先研制了卧式下肢康复训练机器人样机在这项成果中他们采用了虚拟现实技术10。哈尔滨工程大学在下置式人工髋关节模拟试验机方面也取得了不错的成果。哈尔滨工程大学研制的下肢下置式人工髋关节模拟试验机可以模拟正常人行走的步态、踝关节的运动姿态以及重心的运动规律，带动下肢做行走运动，实现对下肢各个关节的运动训练、肌肉的锻炼以及神经功能的恢复训练。通过获取脚的受力状态、腿部肌肉状态和下肢关节状态等人体的生物信息，协调重心控制系统和步态系统的运动关系，使之与人体运动状态相协调，获得最佳训练效果。图1.10 、图1.11 所示分别为哈尔滨工程大学研制的卧式下肢下置式人工髋关节模拟试验机和基于步态姿态控制的下肢下置式人工髋关节模拟试验机系统11。 图1.9卧式下肢下置式人工髋关节模拟试验机 图1.10下肢康复训练机器人课题研究的主要内容和方法，研究过程中的主要问题和解决办法：课题研究的主要内容:在查阅了国内外大量的有关下置式人工髋关节模拟试验机设计理论及相关知识的资料和文献基础上，综合考虑下置式人工髋关节模拟试验机结构特点、具体作业任务特点以及下置式人工髋关节模拟试验机的推广应用，分析确定使用下置式人工髋关节模拟试验机实现自动化目的。为了实现上述目标，本文拟进行的研究内容如下:1 根据现场作业的环境要求本身的结构特点，确定下置式人工髋关节模拟试验机整体设计方案。2 确定下置式人工髋关节模拟试验机的性能参数，对初步模型进行静力学分析，根据实际情况选择电机。3 从所要功能的实现出发，完成下置式人工髋关节模拟试验机各零部件的结构设计；4 完成主要零部件强度与刚度校核。设计要求1 根据所要实现的功能，提出下置式人工髋关节模拟试验机的整体设计方案；2 完成下置式人工髋关节模拟试验机结构的详细设计；3 通过相关设计计算，完成电机选型；4 完成结构的设计总装配图、主要零件图。研究过程中的主要问题和解决办法：开题报告与外文翻译(2.27-3.17)确定传动系统方案（3.20-3.31） 不合格传动零件的设计计算(4.3-4.11)动力装置的选择(4.12-4.13) 不合格轴的计算(4.14-4.18)轴的强度刚度校核(4.19)轴承的选用与寿命校核(4.20)键的设计(4.21-4.25)零件的工艺设计(4.26-4.28)辅助系统设计(4.28)装配图与零件图绘制(5.1-5.26) 书写设计说明书(5.29-6.16)课题研究所需的参考文献： 1 张建民.机电一体化系统设计M.高等教育出版社，2001（2）：4549.2 冯开平，左宗义.画法几何与机械制图M.华南理工大学出版社，2005（3）：5160.3 顾崇衔.机械制造工艺学M.陕西科学技术出版社，2009（6）：11.4 哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学M.高等教育出版社，2002（4）：7983.5 华东纺织工学院 哈尔滨工业大学 天津大学机床设计图册S上海科学技术出版社1979（5）：1521.6 机械设计手册编写组机械设计手册S机械工业出版社1986（6）：1218.7 邱宣怀机械设计M高等教育出版社2004（2）：4951.8 李华，李焕峰机械制造技术M机械工业出版社出版2003（5）：33379 叶伟昌 ，林岗副机械工程及自动化简明设计手册S机械工业出版社出版2008（2）：5662.10 Texas Advanced Optoelectronic Solutions Inc. TCS230 PRO-G R A M M A B L E C O L O R L I G H T - T O - F R E Q U E N C YCONVERTER. 2003 11张立勋，赵凌燕下肢康复训练机器人的重心轨迹控制研究J应用科技，2005，412Ounpu S.Terminology for clinical gait analysis (Draft #2). Prepared by American Academy of Cerebral Palsy Developmental Medicine Gait La
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