手指关节功能康复仪的设计含开题及9张CAD图
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手指关节功能康复仪的设计含开题及9张CAD图,手指,关节,功能,康复,设计,开题,CAD
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1手指关节功能康复仪的设计手指关节功能康复仪的设计摘 要生活中由于中风、脑偏瘫、半身不遂、手指烧伤等导致手指关节不能自由活动，需要时间长但频率较高的多次按摩才能最终康复。目前，连续被动活动（Continuous Passive Motion，简称 CPM）理论正在进入临床实践并被广大康复医师所接受。针对患者手部康复治疗需要，为了给手外伤患者提供一个用于手指功能康复的仪器，给手外科康复医师提供一个临床研究的仪器设备，提高手功能康复治疗的自动化、智能化水平，根据现代医学护理工作要求经济、实用、功能多和携带方便等因素，针对连续被动活动装置在手功能康复中应用的特点与难点，本文围绕手指关节功能康复仪的康复原理、装置的结构设计与尺度综合、机械系统设计、康复仪的运动学和动力学等技术进行了深入研究，最终设计了这种手指关节功能康复仪，它可以实现：1、手指的屈伸运动；2、手部按摩功能；3、手指血液循环的促进；4、大脑神经的刺激和保健。该装置以凸轮的自传和水平往复运动合成的复合运动实现手指的屈伸，用凸轮边缘表面镶嵌的小滚珠和柔性托板来实现对手指的按摩功能；利用红外线对人和生物体有热效应，促进血液循环和新陈代谢，从而使人的疾病得到医治和促进人的健康；最后，利用磁场的治疗功能，调整神经功能。关键词：连续被动运动；CPM 机；手指关节功能康复仪 2AbstractLife as stroke, cerebral paralysis, paraplegia, burn fingers as a result of finger joints can not move freely，it requires a long time but the high frequency of multiple massage to get well.At present, continuous passive motion （called CPM) theory is in clinical practice and it is accepted by the general rehabilitation physician. As required of the fingers for the rehabilitation of patients，in order to provide a functional rehabilitation equipment for the finger for patients，to provide a clinical research equipment for hand surgery rehabilitation physician，improve hand function rehabilitation automation and intelligence，according to modern medical care for economy , practical, functional and easy to carry so many factors，continuous passive motion devices for rehabilitation of hand function in the application of the characteristics and difficulties, this paper focuses on joint function recovery instrument finger recovery principle, structuredesign and dimensional synthesis, mechanical system design, rehabilitation apparatus of the kinematics and dynamics techniques in-depth study，final design of this finger joint functional recovery apparatus，it can be achieved: 1, finger flexion and extension; 2 、finger massage function;3, promote finger blood circulation; 4, brain nerve stimulation and health care. The autobiography and the horizontal reciprocating movement of the device to the cam to achieve finger in flexion and extensio，cam surface mount the small ball and soft board to achieve finger massage function;；use of infrared thermal effects on humans and organisms ，promote blood circulation and metabolism，Thus making the disease can be treated and promoting good healthy; finally, the use of magnetic therapy function, adjust the nerve function.Key words:Continuous Passive Motion; CPM machine; Finger joint functional recovery apparatus 3目录目录引言.11 绪论.11.1 课题背景 .11.2 康复机器人研究概述 .21.2.1 手部的 CPM 机研究现状.21.2.2 红外线放射疗法研究.61.2.3 磁疗的研究.91.3 本课题的来源及研究目的和意义 .131.4 本课题研究的主要内容 .132 手指关节功能康复仪的结构设计.142.1 设计要求 .142.2 康复仪结构设计及其工作原理 .142.3 总体方案设计 .152.3.1 人手的生物学特性分析.152.3.2 传动方式.162.3.3 电机选择.212.3.4 机构设计计算.212.3.5 力学分析.343 控制部分的设计.403.1 说明 .403.2 电路部分的设计 .403.2.1 传感器电路.403.2.2 电机驱动电路.41总结.43谢 辞.44参考文献.45 4引言手指关节功能康复仪是康复医学和机械的完美结合，其作为现在医学上辅助医疗的医疗机器人的一个重要分支，也可称为康复机器人。自 20 世纪 60 年代初世界第一台机器人在美国问世以来，经过四十余年的发展，机器人正在进入医疗领域，并显示强大的生命力和广阔的应用前景。因此，世界各国特别是西方发达国家都争先开展高技术用于医疗器械的研究和发展，并先后在医学界、科学技术界、工业界制定了各种研究计划，许多产品已经走向市场和临床应用。中国人口众多，是医疗仪器、器械的使用大国。我们若能抓住机遇，从国情出发，自主设计开发辅助医疗机器人系统，解决国内医疗技术迫切需要解决的问题，就可以避免落后引进在落后的被动局面，在医用机器人领域实现跨越发展。因此，开展基于先进机器人技术的医疗机器人研究具有显著的社会效益、经济效益和理论研究价值。1 绪论1.1 课题背景康复机器人在医疗实践上主要是用于恢复患者肢体系统的功能。运动系统的问题可以划分为两类：一类是生物力学或生物物理化学类型的应用，另一类是运动学习。当人的肢体受外伤、烧伤、或做手术后，由于受伤组织的皮肤、韧带和肌肉失去弹性而导致肢体运动的速度和范围受到限制。生物力学或生物物理化学类型的应用就是使用机器人系统来打破受伤肢体的运动范围。CPM 机是康复治疗机器人的一种。CPM 机是利用康复医学中连续被动活动（Continuous Passive Motion，简称 CPM）的基本原理对受伤肢体进行康复治疗的机械装置。连续被动活动理论在 1960 年左右由 Salter 提出，进过数十年的临床及动物试验，在 1970 年他提出 CPM 装置假说，内容为：增加关节软骨的营养与新陈代谢的活力；刺激多能叶间细胞去分化进入到关节软骨之中，反抗纤维化的组织或骨头并带领着软骨再生；加速关节软骨与钙化组织的复原。关节在受伤或者术后的僵直的发展过程经过四个阶段：出血、浮肿、产生肉芽组织和纤维化。连续被动活动可能在前两个阶段中用于关节和周围组织的活血和散瘀，这就要求保持正常的周围组织的依从性。如果在受伤或术后立刻采用连续被动活动进行整个关节范围的活动一直到关节僵直不再继续发展，这样对于阻止关节僵直的发展是非常有效的。上述观点首先在膝关节的康复治疗应用中成功，后来又在肘关节的康复治疗中得到验证，从而证明了连续被动活动这一理论在关节功能康复治疗中应用的有效性。连续被动活动理论提出后不久便有了用于膝、肩、肘关节等康复的 CPM 装置 5出现，但由于受技术原因，此类 CPM 装置长期停留在“大关节”康复的范围内。最近有关机构研制的用于手腕关节和指关节这样的“小关节”康复的 CPM 装置，但还不能想“大关节”CPM 装置那样实现精确的控制，对多关节康复训练的 CPM 装置而不是多自由度的驱动机构，治疗的效果还有待提高。1.2 康复机器人研究概述1.2.1 手部的 CPM 机研究现状康复机器人的研究贯穿了康复医学、生物力学、机械学、机械力学、电子学、计算机学等诸多领域，已经成为了国际机器人领域的一个研究热点。康复的含义是在受创伤或得病后恢复患者肢体或器官的正常的形状或功能。康复工程就是致力于为患者提供此类辅助装置。吧先进的机器人技术引入到康复工程中的康复机器人体现了康复医学和机器人技术的完美结合。目前康复机器人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理论发展。康复机器人是工业机器人和医用机器人的结合。第一次尝试把为残疾人服务的机器人系统产品化是在上世界 60 年代到 70 年代。实践证明这些尝试都失败了，其主要有两方面的原因：其一是设计得不理想，尤其是人机接口；另一个不是技术的原因，单价太高导致了康复机器人产品化的失败。上世纪 80 年代是康复机器人研究的起步阶段，美国、英国和加拿大在康复机器人方面处于世界的领先地位。1990 年以前全球的56 个研究中心分布在 5 个工业区内：北美，英联邦，加拿大，欧洲大陆和斯堪的纳维亚半岛及日本。1990 年以后康复机器人的研究进入到全面发展时期。目前，康复机器人的研究主要集中在康复机械手、医院机器人系统、智能轮椅、假肢和康复治疗机器人等几个方面。随着 CPM 康复理论研究和 CPM 装置临床实践的不断发展，CPM 装置的发展呈现向小关节喝多关节的方向发展；向小型化、嵌入式、便携式发展；向智能型和网络化发展；开发复合更有效的结构形式；开发和应用新的动力源和传动方式；提高医学专家和患者在康复过程中的主观能动性的研究内容与成果体现了这种发展趋势。目前手指关节 CPM 机已经出现，本文对近几年的发展作了研究，1999 年，韩国成均馆大学科研人员研制出一种针对手指外伤的康复机械手，如图 1-1 所示。实现食指关节的康复运动，DIP、PIP 关节康复机构采用平面四杆机构，MP1、MP2 关节采用空间六杆机构，采用钢丝的键驱动方式，每个关节可以单独控制，同时集成了力传感器和角度传感器，但力传感器在机构的驱动杆件上，并不是康复运动中真正作用在手指上的力，角度传感器安在四杆机构的顶端，计算出的康复角度与实际的有较大的误差。 62001 年，美国科研人员研制出的针对五个手指的康复机械手，采用前驱动的控制方式，每个手指的康复运动用一个电机控制，共 5 个电机，每个手指的指端与机构固定，通过钢丝的拉伸运动，指端的弯曲和伸直带动整个手指实现弯曲运动，驱动机构与执行机构分离，优点是结构紧凑、轻便，但并未集成力传感器和位置传感器，不能对康复效果做有效的信息反馈和评价。如图 1-2 所示。2003 年，英国曼侧斯特大学科研人员设计出一种外骨骼式康复机构，如图 1-3 所示，采用模块化的设计思想，实现四个手指的康复运动，采用钢丝作为传动机构。整个机构有三部分组成，外骨架模块，康复机构的主要部分，用于固定手指，集成微型力矩传感器，有效的传递手指上的力觉信息；手套模块，固定外骨骼同时保护手指免受伤害；电机驱动模块。该机构针对不同人的手指特征进行调整，不同长度和粗细的手指都可进行康复训练，系统集成了力传感器，能够实时准确的反馈手指的力 7觉信息。2004 年，美国卡内梅隆大学机器人研究所科研人员研制出一种新型的手部 CPM 机。如图 1-4 所示，该机构固定大拇指，单独康复食指，机构可以针对不同人的手指进行调整，DIP、PIP 关节的康复运动机构，气动驱动，能达到良好的康复效果，只是并未建立起有效的感知系统来反馈康复运动信息。2005 年，德国柏林工业大学的机器人研究中心的科研人员在现在的康复机构手的基础上研制出了一种新型的手部 CPM 机。仍然采用平面四杆机构，但驱动杆为贴近手指的连杆，可以减少力传递过程中的能量损失，获得更好的康复角度和力矩，实现了单个手指关节的精确控制，整个机构由四部分组成：指套执行机构驱动机构集成微型传感器，同样，该设计驱动模块和执行模块分开，采用钢丝的键驱动方式，如图 1-5，图 1-6 所示。 8国内的哈尔滨工业大学和哈尔滨工程大学等学校都进行了相关的研究，对现有的康复机构进行了改进，并且集成了力、角度微型传感器，与执行机构巧妙的结合在一起，重量轻，达到良好的康复效果。目前市场上出现了适合手指关节康复的 CPM 机，如图 1-7 所示，价格较高，多个手指采用一个电机控制，虽然实现康复运动，但不够精确，且不能对康复过程实时监控，缺乏感知信息。综合以上分析，现有的手部 CPM 大多存在下列的缺点和不足：康复过程中缺乏对手指关节速速、关节力矩、关节角度进行精确控制；感知能力较差，力和位置反 9馈信息不足，对康复效果在物理上不能作有效的评价；安全性有待进一步提高；体积较大，携带不便。1.2.2 红外线放射疗法研究红外线的物理性质在光谱中波长自 0.76 至 400 微米的一段称为红外线，红外线是不可见光线。所有高于绝对零度（273）的物质都可以产生红外线。现代物理学称之为热射线。医用红外线可分为两类：近红外线与远红外线。近红外线或称短波红外线，波长 0.761.5微米，穿入人体组织较深,约 510 毫米；远红外线或称长波红外线，波长 1.5400 微米，多被表层皮肤吸收，穿透组织深度小于 2 毫米。红外线的生理作用和治疗作用人体对红外线的反射和吸收 红外线照射体表后，一部分被反射，另一部分被皮肤吸收。皮肤对红外线的反射程度与色素沉着的状况有关，用波长 0.9 微米的红外线照射时，无色素沉着的皮肤反射其能量约 60；而有色素沉着的皮肤反射其能量约40。长波红外线（波长 1.5 微米以上）照射时，绝大部分被反射和为浅层皮肤组织吸收，穿透皮肤的深度仅达 0.052 毫米，因而只能作用到皮肤的表层组织；短波红外线（波长 1.5 微米以内）以及红色光的近红外线部分透入组织最深，穿透深度可达10 毫米，能直接作用到皮肤的血管、淋巴管、神经末梢及其他皮下组织。如表 1。表 1 皮肤对红外线的透过率波长（微米）透过率（）2.01.51.21.00.80.70.60.570.54163940404037373216红外线红斑 足够强度的红外线照射皮肤时，可出现红外线红斑，停止照射不久红斑即消失。大剂量红外线多次照射皮肤时，可产生褐色大理石样的色素沉着，这与热作用加强了血管壁基底细胞层中黑色素细胞的色素形成有关。红外线的治疗作用 红外线治疗作用的基础是温热效应。在红外线照射下，组织温度升高，毛细血管扩张，血流加快，物质代谢增强，组织细胞活力及再生能力提高。红外线治疗慢性炎症时，改善血液循环，增加细胞的吞噬功能，消除肿胀，促进 10炎症消散。红外线可降低神经系统的兴奋性，有镇痛、解除横纹肌和平滑肌痉挛以及促进神经功能恢复等作用。在治疗慢性感染性伤口和慢性溃疡时，改善组织营养，消除肉芽水肿，促进肉芽生长，加快伤口愈合。红外线照射有减少烧伤创面渗出的作用。红外线还经常用于治疗扭挫伤，促进组织肿张和血肿消散以及减轻术后粘连，促进瘢痕软化，减轻瘢痕挛缩等。红外线对眼的作用 由于眼球含有较多的液体，对红外线吸收较强，因而一定强度的红外线直接照射眼睛时可引起白内障。白内障的产生与短波红外线的作用有关；波长大于 1.5 微米的红外线不引起白内障。光浴对机体的作用 光浴的作用因素是红外线、可见光线和热空气。光浴时，可使较大面积，甚至全身出汗，从而减轻肾脏的负担，并可改善肾脏的血液循环，有利于肾功能的恢复。光浴作用可使血红蛋白、红细胞、中性粒细胞、淋巴细胞、嗜酸粒细胞增加，轻度核左移；加强免疫力。局部浴可改善神经和肌肉的血液供应和营养，因而可促进其功能恢复正常。全身光浴可明显地影响体内的代谢过程，增加全身热调节的负担；对植物神经系统和心血管系统也有一定影响。设备与治疗方法红外线光源红外线辐射器将电阻丝缠在瓷棒上，通电后电阻丝产热，使罩在电阻丝外的碳棒温度升高（一般不超过 500），发射长波红外线为主。红外线辐射器有立地式和手提式两种。立地式红外线辐射器的功率可达 600100 瓦或更大。近年我国一些地区制成远红外辐射器供医用，例如有用高硅氧为元件，制成远红外辐射器。白炽灯在医疗中广泛应用各种不同功率的白炽灯泡做为红外线光源。灯泡内的钨丝通电后温度可达 20002500。白炽灯用于光疗时有以下几种形式：立地式白炽灯：用功率为 2501000W 的白炽灯泡，在反射罩间装一金属网，以为防护。立地式白炽灯，通常称为太阳灯。手提式白炽灯：用较小功率（多为 200W 以下）的白炽灯泡，安在一个小的反射罩内，反射罩固定在小的支架上。光浴装置可分局部或全身照射用二种。根据光浴箱的大小不同，在箱内安装4060W 的灯泡 630 个不等。光浴箱呈半圆形，箱内固定灯泡的部位可加小的金属反射罩。全身光浴箱应附温度计，以便观察箱内温度，随时调节。红外线治疗的操作方法患者取适当体位，裸露照射部位。检查照射部位对温热感是否正常。将灯移至照射部位的上方或侧方，距离一般如下：功率 500W 以上，灯距应在 5060cm 以上；功率 250300W，灯距在 3040cm；功率 200W 以下，灯距在 20cm 左右。 11应用局部或全身光浴时，光浴箱的两端需用布单遮盖。通电后 35 分钟，应询问患者的温热感是否适宜；光浴箱内的温度应保持在 4050。每次照射 1530 分钟，每日 12 次，1520 次为一疗程。治疗结束时，将照射部位的汗液擦干，患者应在室内休息 1015 分钟后方可外出。附注意事项1 治疗时患者不得移动体位，以防止烫伤。2 照射过程中如有感觉过热、心慌、头晕等反应时，需立即告知工作人员。3 照射部位接近眼或光线可射及眼时，应用纱布遮盖双眼。4 患部有温热感觉障碍或照射新鲜的瘢痕部位、植皮部位时，应用小剂量，并密切观察局部反应，以免发生灼伤。5 血循障碍部位，较明显的毛细血管或血管扩张部位一般不用红外线照射。照射方式的选择和照射剂量 不同照射方式的选择红外线照射主要用于局部治疗，在个别情况下，如小儿全身紫外线照射时也可配合应用红外线做全身照射。局部照射如需热作用较深，则优先选用白炽灯（即太阳灯）。治疗慢性风湿性关节炎可用局部光浴；治疗多发性末梢神经炎可用全身光浴。 照射剂量决定红外线治疗剂量的大小，主要根据病变的特点、部位、患者年龄及机体的功能状态等。红外线照射时患者有舒适的温热感，皮肤可出现淡红色均匀的红斑，如出现大理石状的红斑则为过热表现。皮温以不超过 45为准，否则可致烫伤。主要适应证和禁忌证适应证风湿性关节炎，慢性支气管炎，胸膜炎，慢性胃炎，慢性肠炎，神经根炎，神经炎，多发性末梢神经炎，痉挛性麻痹、弛缓性麻痹，周围神经外伤，软组织外伤，慢性伤口，冻伤，烧伤创面，褥疮，慢性淋巴结炎，慢性静脉炎，注射后硬结，术后粘连，瘢痕挛缩，产后缺乳，乳头裂，外阴炎，慢性盆腔炎，湿疹，神经性皮炎，皮肤溃疡等。禁忌证有出血倾向，高热，活动性肺结核，重度动脉硬化，闭塞性脉管炎等。附处方举例1 红外线照射双膝关节灯距 40cm，30 分钟，每日一次，7 次。适应证：慢性风湿性关节炎 2 红外线照射右侧胸廓（下半部）灯距 50cm，20 分钟，每日一次，8 次。 12适应证：右侧干性胸膜炎3 太阳灯照射腰骶部灯距 40cm，2030 分钟，每日一次，6 次。适应证：腰骶神经根炎 4 全身光浴箱内温度 4045，2030 分钟，每日一次，8 次。适应证：多发性末梢神经炎5 左小腿局部光浴2030 分钟，每日一次，8 次。适应证：左侧腓总神经外伤1.2.3 磁疗的研究 磁疗（magnetotherapy），以磁场作用于人体治疗疾病的方法。磁场影响人体电流分布、荷电微粒的运动、膜系统的通透性和生物高分子的磁矩取向等，使组织细胞的生理、生化过程改变，产生镇痛、消肿、促进血液及淋巴循环等作用。磁疗的常用方法有：静磁疗法。用于穴位和病变局部。动磁疗法。又称旋磁和脉动磁疗法。磁化水疗法和磁针疗法等。临床常用以治疗软组织损伤、表浅血管瘤、乳腺增生、神经痛、胃肠功能紊乱等。 一、磁疗特点 中国应用磁场于医疗方面，经过近四十年来的实践和研究，具有以下特点。 适应症广应用各种类型的磁场治疗疾病时，其适应症状广，不仅在内科疾病与外科疾病方面，有大量的适应症，而且在妇科、儿科、眼科、耳鼻喉科、皮肤科等各科中，均有不少疾病是磁疗的适应症，应用磁场治疗的疾病，已超过百种。疗效好磁疗法发展快、治疗疾病种类多，对于多种疾病有良好、较好或有一定的治疗效果，磁场除了疗效好，而且对有的疾病的效果产生也快。甚至有的疾病可以出现即时效果。省时方便磁场疗法不仅可在医院、门诊部开展，而且也可以不去医院就可以应用磁场治疗疾病，在医生指导下，将磁片贴敷于穴位或病变部位，或者使用磁性健康用品后，定期与医生联系，反映使用情况，就不必每天去医院，而可以边工作边治疗，节省很多时间；有些小型的磁疗机或磁疗用具，经过简单的学习，就可以自己或家人帮助操作，有的磁疗产品价格合理，而且可以反复使用，因此经济节约。 13多病兼治磁疗法属于物理疗法的范畴，磁场属于一种物理治疗因素，一般物理疗法在施治时，是针对某一种疾病，而磁疗法则与其他物理疗法有所不同，有时可以同时治疗几种疾病，如用磁片贴敷治疗扭挫伤，如同时有关节炎，失眠，再加贴与其有关的穴位，则关节炎、失眠也可以同时治疗了。又如使用磁性床垫治疗失眠，如同时有高血压病，那后者也可以同时得到治疗，如因神经衰弱使用磁性枕垫，如同时有颈椎病，那颈椎病也同时得到治疗。治疗作用的双向性在物理疗法中，有些物理因素的作用具有双向性，如有的物理因素有镇静作用，同时也有兴奋作用，但必须有一个条件，即使用剂量不同，或极性不同，而磁疗法不需上述类似条件，在有的情况下可以产生两种不同的作用，如应用磁场使面神经的兴奋性升高，治疗面神经麻痹，同时又可以降低面神经的兴奋性，治疗面肌抽搐，又如应用磁场降低肠平滑肌的兴奋性，治疗因肠平滑肌运动亢进而引起的腹泻，磁场又可以用增强平滑肌的活动性，故可治疗因肠平滑肌运动缓慢所致的便秘。无痛苦、无损伤、安全性好在施行磁疗时，患者没有痛苦与不适，无任何损伤，因此易于为患者所接受。在穴位上施行磁场治疗时，不象针刺那样需要刺破皮肤，对于因病而需要针刺治疗时，有的可以应用磁场代替针刺治疗，故尤其适用于怕针惧痛的患者。即使极个别人在接受磁场治疗时，产生某些不适反应，降低磁场强度或停止磁场作用后，不适应反应将会消失，因此说磁疗法是一种安全性好的治疗方法。二、磁疗现状 中国在古代就用磁疗治病。60 年代初用铁氧体磁块贴敷穴位治高血压、关节炎等症状，后来出现了磁疗机及衣、帽、鞋、裤、垫等随身衣物上贴敷磁场的疗法，旋磁法、磁电法、磁针法等。中国的磁疗已进入多层次、多学科、多水平和深入提高的阶段。对磁疗的理论，生物效应，临床适应症，方法学，磁疗产品研究等，都有较明确的论证。磁疗已成为物理治疗的主要方法之一。有许多医疗科技工作者对机理进行更深一步的研究，多种磁疗服饰、磁疗睡眠系统正在向高层次发展。三、磁疗作用机理 磁性是物质的属性之一。人体也具有一定的磁性，现已发现人脑、心脏、皮肤和其他器官的电流活动都产生有磁 场，甚至连头发上的毛囊也产生有磁场。由于现代磁学和生物学的发展，出现了生物磁学这门边缘科学，现已获知磁性物质和磁场对生物学的生理机能都有一定的作用和影响，这种作用和影响叫生物的磁效应。这种磁效应应是由于物体内部微观结构的电子运动和构成生物组织的物质磁性决定的。科学实验已证实，磁性物质和磁场对生物的分子、细胞、神经、器官及整体（指活体）的各个 14层次均显示出不同的影响。磁疗就是利用人体内部的这种生物磁效应来调整和恢复人体内各种不平衡或不正常的机能状态来达到保健的目的。根据生物的磁效应，磁疗治病机理可以概括为以下几个方面： 1生命过程中的氧化还原反应、神经的传导、心肺的搏动等都与人体内部的电子传递有关，磁场可以影响电子的运动。2生物膜的渗透性有极强的选择性，它对人体内部的脑电位及物质的交换和代谢有主要的作用。磁场能影响一些带电离子，如钾、钠、氧的渗透能力。3人体中的各种酶和蛋白质都含有许多微量过渡金属，如铁、钴、锰、铜等。这些微量元素大多是各种酶和蛋白质的组成部分，同时又是酶和蛋白质的活动中心。磁场通过对过渡金属元素（磁性离子）的作用而改变这些酶和蛋白质的活动功能，加速酶系统的生化反应。四、磁疗作用1磁疗能增强白血球的生命力，在磁场的作用下，白血球吞噬机能比较活跃，红血球和淋巴细胞的沉降变慢，有利于消炎和降低血沉。 2磁疗能改善血液循环，增强氧气和铁质的吸收，排除二氧化碳和血液内的污物（有害毒素和疲劳物质）。3磁疗能在体内产生电流，增加血管壁的弹性使血管扩张，降低血液粘度，加快血流，消除栓塞。4磁疗有加强内分泌液渗透作用，纠正内分泌的失调和紊乱。5磁疗能刺激人体的感应器兴奋末梢神经，调节神经功能。6磁疗能使致痛物质如缓激肽、5-色胺、酸性代谢产物等扩散和消失，减轻和消除疼痛。从中医来说，由于磁疗象针灸一样，主要是通过人体经穴来治疗疾病，说明磁疗对经络的作用是很明显的，经络的实质虽然至今医学上尚未阐明和作出定论，有认为是现代的神经系统，也有认为是血管系统，再有认为是内分泌系统，还有认为是淋巴系统，或是它们之间的组合，但经络是客观存在的。不仅中医是这样认为，西医也对经络的存在是肯定的，这些系统是都属于人体的神经体液，所以磁疗都对其产生作用和影响，按中医来说，即：活血化淤是中医的重要疗法，特别是 70 年代以来，活血化淤的临床应用有很大发展，治疗的范围愈来愈广泛，疗效愈来愈高，对其机理的研究愈来愈深。在临床上已证实，凡是中医活血化淤疗法能够治疗的疾病，磁疗大都能治疗，而且效果很好，如血肿、高血压、脑中风（脑血管病）、冠心病、糖尿病、胸腔积水、肾炎、水肿，尤其是关节疼痛等都收到很好的效果，说明磁疗的活血化淤的作用是很强的，所以从中医来说，磁疗的作用更加明显。五、磁疗健康 15 科学家经过实验和观察发现，磁场效应有益健康。所谓磁场效应就是磁场作用于人体后引起的生物效应。归纳起来有以下几个方面： 1促进细胞代谢，活化细胞，从而加速细胞内废物和有害物质排泄。2平衡内分泌系统。3促进血液循环，改善微循环状态。4促进炎症消退，消除炎症肿胀和疼痛。5双向调节血压，尤其能使高血压降低。6提高红细胞的携氧能力，降低血液粘度。7增强和改善人体免疫功能，提高人体对疾病的抵抗能力。8有抗衰老作用，清除体内积存的自由基。9改善血脂代谢，有降低胆固醇作用。10消除疲劳、促进体力恢复。11镇静作用，消除失眠和神经紧张。上述种种磁场效应，确实对人体健康能起到有益作用，是人类理想的健康之宝。磁疗在中国可谓历史悠久。早在秦汉时期，人们就开始用天然的磁石治病。在(神农本草经)中就有记载：“磁石味辛酸寒，主治周痹风湿、肢节肿痛，不可持物。“随着医学科学的发展，创造出不少磁疗器械，如磁针法、磁电法、直流电磁疗、旋转磁疗法、交变磁疗法等。因磁疗使用方法简单，安全可靠，无损伤，无痛苦，已被广泛地应用于临床，深受广大病人欢迎。因磁场能改善血液循环和组织营养，降低末梢神经的兴奋性，促使致痛物质的分解和转化，从而具有镇痛作用；磁场可以加强局部的血液循环，改善组织的通透性，有利于炎症的消散和渗出物的吸收。同时，磁场还能提高机体的非特异性免疫功能，似改变病人的全身状态，提高对疾病的抵抗能力，抑制和防止疾病的复发；磁场可促进局部的血液循环，加速炎症渗出物的吸收和消散，具有消肿作用。磁疗的剂量要根据病人的年龄、身体状况、病情、治疗部位等具体情况决定。磁场的强度一般分为三级：在 0.05T(特斯拉)以下者为小剂量；0.05-0.15T 者为中等剂量；0.15T 以上者为大剂量。老年体弱者，一般宜从小，剂量开始，如疗效不明显而无明显副作用时，可适当加大磁场强度。磁疗的时间、疗程也需根据病人具体情况而定。在家里进行磁疗，最常用的是磁片贴敷法。这种方法最容易掌握，只要选择合适磁场强度的磁片，用胶布固定在治疗部位或一定的穴位上即可。若对磁片过敏，可在磁片下衬以薄纸，再用胶布固定。一般磁片贴敷法可连续进行 5-6 天，取下休息 1-2 天再贴，3-4 周为一疗程。贴敷磁疗时，其副作用大多在两天内出现，有恶心、呕吐、心慌、一时性呼吸困难、头晕、嗜睡、乏力、低热等。轻者可对症治疗，重者则需停止磁疗。 161.3 本课题的来源及研究目的和意义 人手是一个极易受到损伤的器官。在创伤中，手指伤占有较大的比例，占外科急诊总数的 20%以上，占骨科急诊总数的 40%。由于手部解剖比较精细，神经血管纵横交错，小肌肉遍布全手，致使手部损伤的治疗要求较高，难度较大，治疗后康复期长，手完成精细动作的功能恢复多不理想。如何更好的促进外伤后手的功能恢复，已显得至关重要。手部的主要功能要通过手指的灵活运动来完成，而严重影响手指功能的外伤主要包括以下几种：手部伸屈指肌腱损伤、手指骨折、脱位、影响手指运动的相应的神经肌肉损伤、手指离断伤、手指及手掌软组织挫伤。临床上手外伤术后多需将患指固定于功能位、休息位或某一特殊位 3-4 周。致使淤积于关节内肌腱周围的淤血已经形成纤维变性，这就直接导致手指关节及肌腱的粘连，在不同程度上影响患指的功能。近年来，手外科的临床医生已经对这种情况予以高度关注，并积极寻找解决办法。目前治疗手外伤康复期手部活动功能障碍的主要方法有理疗，包括：湿热疗法、电磁波、超声、氦氖激光照射、感应电疗法；患指主动活动及应用支具及弹力装置进行手指的被动活动，如动力型夹板。近年来，连续被动活动（CPM）这一新生的生物学概念已经出现。即在连续被动活动作用下，加速关节软骨及周围的肌腱和韧带的愈合和再生，使连续被动活动这一治疗理念为广大临床医生所接受。但到目前为止，仍无一种能较好解决关节僵直及手僵直的治疗器具临床使用。国外临床上对于手外伤后手的功能改善和康复方面主要采用的是通过修复受损神经，解除神经压迫，以及通过健全的肌肉肌腱的移植转位来重建或改善患手的功能。目前，国内外无论是市场上还是科研单位，都出现了对手指关节康复的 CPM 机器，但他们还不能像大关节 CPM 机那样实现精确地控制，不能对手指抓握等精巧的动作进行训练，治疗的效果还有待提高。鉴于以上原因，根据现代循证医学（Evidence Based Medicine，简称 EBM）和CPM 理论，在对手（指）运动进行建模、仿真并进行系统的运动学和动力学分析的基础上，研究设计一种适合于手指功能康复治疗的仪器。该手指关节功能康复仪能更好地促进手部创伤患者的功能锻炼恢复，使恢复运动更加有效，恢复过程更短，安全性也将得到更好的保障。1.4 本课题研究的主要内容本文研究的主要内容分为以下几个方面：康复仪的机械结构设计 根据手指的生理特征以及康复机构的工作原理，完成机械结构设计。要求康复仪尽量方便、安全、体积小、可靠、实用。 17机构运动和受力分析 根据康复原理和要求计算机构和手部的受力情况。确保机构的可靠性以及患指的安全性。电机选择 根据康复仪机构的工作要求选择适当的电机。尽量选择小电机，以便康复仪整体体积小，方便灵活。2 手指关节功能康复仪的结构设计2.1 设计要求 手指关节功能康复仪的机械系统是整个系统的执行系统。机械系统包括完成创伤手指的连续被动活动的 CPM 装置和其必须的动力和传动部件。另外，机械系统还要考虑整个系统的信号调理电路板、电气安装接口等。本章主要介绍康复仪的机械结构设计。2.2 康复仪结构设计及其工作原理机构组成根据研究设计，手指关节功能康复仪实物图如图 2-1。图 2-1 手指关节功能康复仪的结构图 凸轮柱由凸轮轴、凸轮片、直径为 3mm 的铜柱和若干个小滚珠组成。 曲柄滑块机构由曲柄轴、曲柄轮、连杆和凸轮组成。 18 带传动机构由带轮轴、带轮和传动带组成。 柔性托板机构有托板、铰链组、拉力弹簧和压力弹簧组成。 红外线装置由电路板、21 个红外线发射管和 24 个普通发光二极管组成。 磁疗装置由安装在仪器底座上 4 个固定磁块和在凸轮柱内部的两个磁块组成。 工作原理如图 2-1 所示，康复仪有两个电动机，可调速电动机 11 通过凸轮轴带动凸轮柱旋转，与柔性托板机构共同对手指进行按摩作用。可调速电动机 2 与带轮轴连接，经过一级带传动减速后，通过曲柄滑块机构带动凸轮柱水平往复运动，和柔性托板一起实现手指关节的屈伸运动。安装在机体后内测的红外线装置在按摩过程中发光发热，促进患者手部的血液循环，增强了按摩效果。磁疗装置在按摩过程中，由于磁体自身运动角度的变化，产生循环的交变磁场，与手指关节的屈伸、按摩、红外线发射疗法四位合一，康复效果更佳。2.3 总体方案设计2.3.1 人手的生物学特性分析人手具有复杂的结构，是由骨骼和连接骨骼的韧带、作为动力机构的肌肉和把肌肉与骨骼连在一起的肌腱以及手上的软组织和皮肤等（忽略神经及血液系统）组成。骨骼在关节处相连，其大小不变。肌肉产生力矩，通过肌膜控制关节的运动，对每一条肌肉都与一条或多条与其力矩相反的肌肉与它相互作用。由于骨骼在运动中发挥支撑以及姿态的主导作用，因而对于手部运动的研究也必须以其骨骼的构造为主要对象。事实上，不同部位的关节的形状与功能的不同，则决定着最终的姿态。其中的主要原因就是处于关节之间的骨骼不会自身的变形，即这种连接相对可认为属于刚体性质。因而运动完全取决于关节的转动本身。一般地，手部的关节至多是弯曲运动和内收外展运动。弯曲运动是指在手掌自然 19平面相纵向垂直的平面上的运动。这主要由手背的的指间关节和腕部关节来完成。除能完成完全运动之外，手背的掌与指连接的关节，还能进行内外展运动。应当说明的是，这类关节的弯曲运动与内收外展运动间含有特定的约束关系，即弯曲运动完成之后，一般不再有内收外展轴向的转动。出大拇指外其他四个手指相对于手掌的运动由指掌关节 MP、指间关节 PIP、指端关节 DIP 决定手指有 4 个自由度，其中 MP 处有 2 个自由度；PIP 和 DIP 处各有 1 个自由度；大拇指有 2 个自由度，整个手指共有 18 个自由度，如图 2-2 所示。图 2-2 人手机构模型手指运动的特点包括：手指关节的弯曲伸展范围和内收外展范围有限，如 MP 关节的弯曲角度一般不大于 90 度；各段手指骨在同一个平面内运动；大拇指外伸的两段指骨在同一平面内运动；MP 处弯曲的轴线和内收外展的轴线几乎垂直；PIP和 DIP 之间的运动相互约束，即使没有外力作用，弯曲 PIP 的同时，DIP 也必然会弯曲；反之亦然。依据正常成年男女手指功能模型，手指运动角度如表 2 所示。表 2 手指屈伸角度范围2.3.2 传动方式 在康复仪整个机构中，要实现对手指的按摩以及实现手指关节的屈伸运动。对手指的按摩是通过凸轮的旋转运动实现的，如图 2-2 所示，凸轮的旋转运动由电动机 11 利用联轴器通过凸轮轴带动凸轮旋转，而电动机 2 也是利用联轴器使主动轮 14 旋转的。联轴器的作用是连接两轴，传递运动和转矩。 20联轴器类型如下：联轴器类型的选择原则：根据机器的工作特点、性能要求，结合联轴器的性能等选择。 1、对低速、刚性大的短轴，可选用刚性固定式联轴器； 2、对低速、刚性小的长轴，则宜选用刚性可移式联轴器； 3、对传递转矩较大的重型机械，可选用齿轮联轴器； 4、对需有一定补偿量，单向转动而冲击载荷不大的中、低速传动的水平轴的联接，可选用滚子链联轴器； 5、对高速轴，应选用弹性联轴器 ；6、对轴线相交的两轴，则宜选用万向联轴器。由上面分析我们选择刚性固定式联轴器。常用的刚性固定式联轴器有套筒式、夹壳式和凸缘式等 ，图 2-3 是两种凸缘联轴器。 图 2-3 凸缘联轴器 21而对手指关节的屈伸运动时通过凸轮的水平往复运动实现的，由图 2-2 知，可调速电动机 2 与带轮轴连接，经过一级带传动减速后，通过曲柄滑块机构带动凸轮柱水平往复运动，和柔性托板一起实现手指关节的屈伸运动。电动机 2 带动主动轮 14 转动，主动轮经过传送带带动从动轮 13 转动，而从动轮与两个一样的曲柄轮同轴连接，曲柄轮与从动轮以相同的角速度转动，曲柄轮通过连杆带动凸轮实现凸轮的水平往复运动。带传动是一种挠性传动。带传动的基本组成零件为带轮和传动带。当主动轮转动时，利用带轮和传动带之间的摩擦或啮合作用，将运动和动力通过传动带传递给从动轮。带传动具有结构简单、传动平稳、价格低廉和缓冲吸振等特点，在近代机械中应用广泛。带传动的组成 固联于主动轴上的带轮 1(主动轮)；固联于从动轴上的带轮 3(从动轮)；紧套在两轮上的传动带 2，如图 2-4 所示。图 2-4 带传动传动原理摩擦传动：当主动轮转动时，由于带和带轮间的摩擦力，便拖动从动轮一起转动，并传递动力（平带和带传动） 。啮合传动：当主动轮转动时，由于带和带轮间的啮合，便拖动从动轮一起转动，并传递动力（同步带传动） 。带传动的特点结构简单、传动平稳、造价低廉以及缓冲减振；摩擦式带传动有弹性滑动和打滑的现象，传动比不稳定。带传动的类型平带传动，结构简单，传动效率高，带轮也容易制造，在传动中心距较大的场合应用较多。圆带传动结构简单，其材料常为皮革、棉、麻等；在一般机械传动中，应用最广的带传动是带传动，在同样的张紧力下，带传动较平带传动能产生更大的摩擦力。 22V 带传动中 V 带的横截面呈等腰梯形，带轮上也做出相应的轮槽，传动时，V 带的两个侧面和轮槽接触，槽面摩擦可以提供更大的摩擦力；多楔带传动兼有平带传动和带传动的优点，柔韧性好、摩擦力大，并解决了多根 V 带长短不一而使各带受力不均的问题，主要用于传递大功率而结构要求紧凑的场合。同步带传动是一种啮合传动，具有的优点是：无滑动，能保证固定的传动比；带的柔韧性好，所用带轮直径可较小。由于康复仪中凸轮水平往复运动时凸轮与手部之间的作用力主要为水平方向的摩擦力，该力度不会太大，所以我们选择摩擦型带传动。在摩擦型带传动中，其类型是根据传动带的横截面形状的不同，分为平带传动、圆带传动、V 带传动和多楔带传动，如图 2-5。平带传动 V 带传动 多楔带传动 啮合传动图 2-5 带传动类型V 带的横截面呈等腰梯形，带轮上也做成相应的轮槽。传动时，V 带只和轮槽的两个侧面接触，即以两侧面为工作面。根据槽面摩擦的原理，在同样的张紧力下，V带传动较平带传动能产生更大的摩擦力。这是 V 带传动性能上的最主要优点。在加上V 带传动允许的传动比较大，结构较紧凑，以及 V 带多已标准化并且大量生产等优点，因而 V 带传动的应用比平带传动广泛得多，故在本设计中决定采用 V 带传动。带的张紧装置的设计，如表 3 所示。如表 3 所示给出了几种常用的张紧装置，每种装置有其自己的实用场合，所以要根据自己的使用条件和自己的具体情况而定用什么张紧装置。0FF1F00F02尚未工作状态0FF1F00F02尚未工作状态 23表 3 带的张紧装置定期张紧装置采用定期改变中心距的方法来调节带的预紧力，使带重新张紧。在水平或者倾斜不大的传动中，这种张紧装置分为两种方式，如图所示。自动张紧装置将装有带轮的电机安装在浮动的摆架上，利用电机的自重，使带轮随同电机绕固定轴摆动，以保持张紧力。采用张紧轮的装置当中心距不能调节的时候，可以采用张紧轮将带张紧。张紧轮一般应放在松边的内侧，使带只受单向弯曲。同时张紧轮还应尽量靠近大轮，以免过分影响带在小轮上图图 2.17 带张紧装置带张紧装置 24的包角。张紧轮的轮槽尺寸与带轮的相同，且直径小于小带轮的直径。根据本次设计的要求以及实际情况，决定采用自动张紧装置。2.3.3 电机选择根据康复仪机构中传动和运动方式的特点，电机驱动是一个不错的选择，首先电机驱动有以下特点：用电机来驱动获得的旋转运动比较方便，可以直接应用其电机轴来固定机构，这样就能够减少机械的工作量，增加机构的可靠性。如果是步进电机的话，在角度的控制方面有很大的优势，因为数字量的控制将更加简单。采用电机驱动，虽然获得旋转运动比较方便，但是电机的自重较大，这样设计时，整个系统的重量将变大，而且也好多的不确定的因数，增加了设计的难度，对产品的可预知性能有很大的缺陷，增加了风险。能实现启动、停止、连续的正反转运行，且具有良好的响应特性。正反转的特性相同，且运行我稳定。维修容易，而且不用保养。由此，我们选择两个相同的可调速电动机完成整个系统的运动，其主要参数为：功率 P：1.5W-3.5W，转速 n：20r/min-40r/min,工作电压 U：6V-12V 通过改变电机电压实现电机的调速。2.3.4 机构设计计算一、凸轮的设计 凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件 。凸轮机构一般是由凸轮 、从动件和机架三个构件组成的高副机构。凸轮通常作连续等速转动，从动件根据使用要求设计使它获得一定规律的运动凸轮机构最大的优点是：只要作出适当的凸轮轮廓，就可以使从动件得到任意预定的运动规律，并且机构简单、紧凑，占据空间小，设计比较方便。缺点是：凸轮与从动杆为电接触或线接触，容易使磨损凸轮轮廓，只能用于受力不大的地方，凸轮轮廓是曲线，给加工带来很大困难。凸轮机构能实现复杂的运动要求，广泛用于各种自动化和半自动化机械装置中。凸轮机构的类型很多，常按凸轮和推杆的形状及其运动形式的不同分类。按凸轮的形状分，如图 2-6 所示。盘形凸轮。这种凸轮是一个具有变化向径的盘形构件绕固定轴线回转。圆柱凸轮。这种凸轮是一个圆柱面上开有曲线凹槽，或是在圆柱面端面上作出曲线轮廓的构件。 25图 2-6 凸轮按形状分类按推杆的形状分尖顶推杆。这种推杆的构造最简单，但易磨损，所以只适用于作用力不大和速度较低的场合，如用于仪表等机构中，如图2-7 所示。如图 2-7 尖顶推杆滚子推杆。这种推杆由于滚子与凸轮轮廓之间为滚动摩擦，所以磨损较小，故可用来传递较大的动力，滚子常采用特制结构的球轴承或滚子轴承，如图2-8 所示。 26图 2-8 滚子推杆平底推杆。这种推杆的优点是凸轮与平底的接触面间易形成油膜，润滑较好，所以常用于高速传动中，如图 2-9 所示。图 2-9 平底推杆 27按从动件的运动形式分，如图 2-10 所示。图 2-10 凸轮按从动件的运动形式分按凸轮与从动件维持高副接触 (封闭)的方式分，如图 2-11，图 2-12 所示。 图 2-11 力封闭型凸轮机构 28图 2-12 形封闭型凸轮机构在康复仪中人的手指相当于一般凸轮机构中的从动件，随着凸轮的旋转，手指上下起伏运动，由凸轮与弹性托板对手的作用力实现对手的按摩。从动件的常用运动规律(一)基本运动规律 基本运动规律包括多项式类运动规律和三角函数类运动规律。 1. 多项式类运动规律s c0c1 c2 2 c3 3cn n基本运动规律中，n3。 29 2. 三角函数类运动规律主要有余弦加速度运动规律和正弦加速度运动规律 余弦加速度运动规律或12ac costT（）1ac cos（）正弦加速度运动规律或12ac sintT（）12ac sin（）3. 几种常用运动规律的特点 等速运动规律推程 hshva=0速度曲线不连续，机构将产生刚性冲击。等速运动规律适用于低速轻载场合。 等加速等减速运动规律 推程 前半程 后半程 222hs222hsh（） 24hv24hv（- ） 224ha224ha 加速度曲线不连续，机构将产生柔性冲击(Soft impulse)。等加速等减速运动规律适用于中速轻载场合。 余弦加速度运动规律推程 hs1 cos2hvsin2 222hacos2加速度曲线不连续，存在柔性冲击。余弦加速度运动规律适用于中速中载场合。 30 正弦加速度运动规律 推程12shsin2h2v1 cos222 h2asin 速度曲线和加速度曲线连续，无刚性冲击和柔性冲击。正弦加速度运动规律适用于高速轻载场合。 345 次多项式运动规律推程345sh 10156234hv3060302322ha60180120速度曲线和加速度曲线连续，无刚性冲击和柔性冲击。3-4-5 次运动规律适用于高速中载场合。(二) 组合运动规律 为了克服单一运动规律的某些缺陷，获得更好的运动和动力特性，可以把几种运动规律拼接起来，构成组合运动规律。组合原则位移曲线、速度曲线必须连续，高速凸轮机构加速度曲线也必须连续。各段运动规律的位移、速度和加速度曲线在连接点处其值应分别相等。(三) 选择或设计从动件运动规律时应考虑的问题 当机器的工作过程对从动件的运动规律有特殊要求，而凸轮的转速不太高时，应首先从满足工作需要出发来选择或设计从动件的运动规律，其次考虑动力特性和便于加工。 当机器的工作过程只要求从动件实现一定的工作行程，而对其运动规律无特殊要求时，对于低速凸轮机构，主要考虑便于加工；对于高速凸轮机构，首先考虑动力特性。 当机器对从动件的运动特性有特殊要求，而凸轮的转速又较高，并且只用一种基本运动规律又难于满足这些要求时，可以考虑采用满足要求的组合运动规律。 31 在设计从动件运动规律时，除了要考虑其冲击特性之外，还要考虑从动件的最大速度、最大加速度以及最大跃度，这一点对于高速凸轮机构尤其重要。 maxvmaxamaxj表 4运动规律最大速度maxv0h最大加速度maxa220h最大跃度maxj330h适用场合等速运动1.00低速轻载等加速等减速2.004.00中速轻载余弦加速度1.574.93中低速重载正弦加速度2.006.2839.5中高速轻载五次多项式1.885.7760.0高速中载初步设计确定凸轮的基圆半径为，凸轮的厚度为 85mm。由于凸轮在对0r20mm手指部分按摩过程中旋转速度不能太快，对手的压力也不能太大，故而其工作条件为低速轻载。由表 4 可知，对于凸轮其推程运动规律和回程运动规律都可选用等速运动规律。由按摩过程中手与凸轮的相对位置在这里选用对心平底推杆盘形凸轮机构的公式设计。vOP,OPv/dsdpv由图 2-13 可知，工作轮廓线为 32图 2-13 凸轮轮廓线Bbdsxrs sincosdBbdsyrs cossind由于有柔性托板的作用，其实对按摩凸轮的尺寸形状要求并不太大，只要凸轮的轮廓尺寸变化不是突然间变化很大，对手部以及机构不会造成损害一般都能接受。当然我们希望凸轮对手指的按摩既有平缓的受力按摩，也有逐渐加大力度、减小力度以及缓慢完成手指屈伸屈伸运动的按摩，所以要求不论在推程或者回程阶段凸轮廓线与凸轮轴心的距离都必须缓慢的变化。基于以上考虑，根据一般成人手掌的大小，为了保证凸轮与手指能够充分的接触按摩，将凸轮的厚度定为 h=85mm，凸轮的基圆半径定为，凸轮远休端最大距离 L=40mm。为了使凸轮旋转，在凸轮的轴心钻一个0r20mm直径为 14mm 的通孔，其上装上凸轮轴，利用联轴器由电动机带动凸轮旋转。我们希望手指受平衡力按摩的时间为受不平衡压力按摩时间的 2 倍，所以可以设定近休止角为，推程角为，回程角为，其基本轮廓及实物图如图 2-14 所示。2409030 33图 2-14 凸轮二、轴的设计整个机构设计中需要两根轴，凸轮轴及曲柄轮轴。表 5 轴的常用材料及其主要力学性能 34凸轮轴的设计，设为轴 取刚性联轴器的传动的效率，而电动机的功率在 1.5W 到 3.5W 之间，当0.99电机功率 P=1.5W 时，轴的转速=20r/min,当电机功率 P=3.5W 时，轴的转速minn=40r/min，所以maxn轴上的最小功率221minminPP1.5 0.991.47W轴上的最大功率221maxmaxPP3.5 0.993.43W轴上的最小转矩31min1minminP1.47 10T95500009550000701.925N mmn20轴上的最大转矩31max1maxmaxP3.43 10T95500009550000818.9N mmn40根据表 5 轴材料选用 45 号调质钢，由表 6 35表 6 几种常用材料的及 C 值Tp取 C=110，轴直径须满足 6333T9.55 10 PPdC0.20.2nn所以，小功率时331.47 10d1104.6120mm 大功率时333.43 10d1104.8540mm所以，d=4.85mm。d轴的最小直径是安装联轴器处轴的直径，即-段的直径，如图 2-15 所示。为了使所选的-段与联轴器的孔径相适应，故需同时选取联轴器的型号。联轴器的计算转矩，查手册，取，则：caATK TAK1.3caATK T1.3 818.91064.57N mm按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件，查手册，选用铝合金弹性联轴器夹紧式，其孔径 d=8mm，故取-段直径为 8mm，半联轴器长度 L=22mm，半联轴器与轴配合毂孔长度=16mm。1L图 2-15 凸轮轴1） 为了满足半联轴器的轴向定位，-轴段右端需制出一轴肩，故取-段的 36直径为 10mm；左端用轴端挡圈定为，按轴端直径取挡圈直径 D=12mm。半联轴器与轴配合得毂孔长度=16mm，为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴1L的端面上，故-段的长度应比略短一些，现取-段长度为 14mm。1L2） 选择轴承。因轴承主要受径向力，而深沟球轴承主要承受径向载荷，同时也可承受一定量的双向轴向载荷，价格低，应用广泛，故选用深沟球轴承。参照工作要求并根据-段的直径 10mm，选择其尺寸为，故-段及-段直径均为 12mm；而-dD B=12mm21mm 5mm段长度为 5mm。3） 取安装凸轮出轴段-的直径为 14mm；凸轮左端与左轴承之间采用套筒定位。已知凸轮轮毂的宽度为 85mm，为了使套筒端面可靠地压紧凸轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取-段长度为 82mm，凸轮的右端采用轴肩定位，轴肩高度，故取 h=2mm，则轴环处-段直径为 18mm。轴环宽度，取h0.07db1.4h-段长度为 3mm。4） 轴承端盖的总宽度为 12mm，根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑剂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距离为 10mm，故取-段的长度为 14mm。5） 轴上零件的轴向定位。凸轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。查手册得平键截面， ，键槽用键槽铣刀加工，长为 12mm，同时为了b h=2mm2mm保证凸轮与轴配合有良好的对中性，故选择凸轮轮毂与轴的配合为；同样H7n6半联轴器与轴的连接，选用平键为 5mm5mm70mm，半联轴器与轴的配合为。H7k66） 确定轴上圆角和倒角标注。参看手册，去轴端倒角为 0.545，各轴肩处的圆角半径见零件图凸轮轴。7） 另外，康复仪支架上装有滑道，可以使电动机带动凸轮旋转的整个系统在滑道上水平往复运动，凸轮轴右端的轴承就套入右端滑块中，利用滑道阻止凸轮轴及右端轴承的轴向位移，而利用轴承在滑道上的滚动可以大大减小摩擦力，减小磨损，增大寿命。曲柄轮轴的设计，设为轴在=1.5W 时，曲柄轮转速=12r/min，=3.5W 时，曲柄轮转速minPminnminP=34r/min 取带传动的传动效率，所以maxn0.95轴上的最小功率222minmin1.5 0.951.354PPW轴上的最大功率 37222maxmax3.5 0.953.159PPW轴上的最小转矩32min2minminP1.354 10T955000095500001077.558N mmn12轴上的最大转矩32max1maxmaxP3.159 10T95500009550000887.31N mmn34根据表 5 轴材料也选用 45 号调质钢，由表 6取 C=110，轴直径须满足 6333T9.55 10 PPdC0.20.2nn所以小功率时331.354 10d1105.3212mm 大功率时333.159 10d1104.9834mm所以 d=5.32mm。d由此，同理于以上凸轮轴的设计，确定曲柄轮轴的尺寸。但要注意的是，为了不妨碍曲柄轮转动时连杆的运动，设计把轴承装在两个曲柄轮之间，该轴承既要阻止曲柄轮轴的径向移动，也不能让曲柄轮轴轴向位移，考虑到深沟球轴承主要承受径向载荷，同时也可承受一定量的双向轴向载荷，同时价格低，应用广泛，所以我选择深沟球轴承，将它固定在康复仪支架上，确保轴的正常运转。三、曲柄轮及连杆的设计曲柄轮与凸轮之间用连杆相连，利用曲柄轮的转动实现凸轮的水平往复运动。如图 2-17 所示，以图示位置为初始位置，当曲柄轮逆时针方向转动时，推动凸轮向左2移动到最大位置；当转动到时，凸轮从左最大位移回到起始点；当转动到时，凸32轮由起始位置移动到右最大位置；当转动到 2时，凸轮由右最大位移回到起点，如此循环，实现凸轮的水平往复运动。根据一般成人手掌大小以及传动要求并且使整个康复仪的结构合理、体积尽量小，设定曲柄轮圆心 O 到点 A 的距离 OA=12.5mm，曲柄轮半径 R=15mm，厚度 h=10mm。这样可以保证曲柄在一次水平往复运动中可以实现对整个手指关节的按摩。而对于连杆，其长度必须大于曲柄轮半径与凸轮远休端最大距离以及 OA 距离之和， 38即15+40+12.5=67.5mm,我们取其长度 L=80mm，厚度取 5mm，其实物图如图 2-16，具体见零件图连杆。图 2-16 连杆图 2-17 凸轮水平往复运动2.3.5 力学分析工作时凸轮和柔性托板对手部作用受力分析计算图 2-18 凸轮对手的伸张力分析如图 2-18 所示当 U=12V 时，凸轮转速 n=40r/min,功率 P=3.5W，凸轮远休端手部受力最大。此时远休端水平线速度 392 nmmvL=L=2 3.14 4060 0.040.1760ss式中 凸轮柱转速； L凸轮远休端最大距离。 由 P=v 可知2F=20.60N2FPv3.50.17NN=11K X700 0.015N=10.50N122FK X98 0.015N1.47N式中 压力弹簧的刚度系数；1K拉力弹簧的刚度系数；2K压力弹簧的长度变化量；1X拉力弹簧的长度变化量。2X 所以，手部受垂直力 1105230F=NFsin180180105 180 10.5230 180 1.47 0.707 N=7.45N同理，当 U=6V 时，凸轮转速为 n=20r/min,功率 P=1.5W。此时凸轮远休端速度2 nmmvL=L=2 3.14 2060 0.040.08460ss2PF1.50.08417.92Nv凸轮柱水平往复运动实现手指屈伸过程手部受力分析计算图 2-19 凸轮水平往复运动的受力分析如图 2-19，当 U=12V 时，电动机功率 P=3.5W，经一级带传动减速，曲柄轮的转 40速为 n=34r/min，转换到 A 点的线速度为a2 nmmvL=L=2 3.14 3460 0.01250.04460ssbamvv0.044s由知bbPFvbbPF3.50.04479.55Nv同理当取 U=6V 时，电动机功率 P=1.5W，曲柄轮的转速为 n=12r/min,此时a2 nmmvL=L=2 3.14 1260 0.01250.015760ssbamvv0.0157s故bbPF1.50.015795.54Nv带传动的设计计算带传动中传动比大，会减小带轮的包角。当带轮的包角减小到一定程度时，带传动就会打滑，从而无法传递规定的功率。因此，带传动的传动比一般为。 i7从动轮半径与曲柄轮半径相等，均为 15mm，由上面分析可知，当曲柄轮的转速n=12r/min 时，电机转速为 n=20r/min，而从动轮与曲柄轮同轴，主动轮与电机同轴，其转速各自相等，所以此时有主动轮转速=20r/min, 从动轮=12r/min，所以带传1n2n动的传动比为712n205in123满足要求。而 =1221nd5ind3130d可得主动轮直径=18mm1d带传动的主要失效形式是打滑和疲劳破坏。因此，带传动的设计准则是：在保证不打滑的条件下，带传动具有一定的疲劳强度和寿命。V 带的疲劳强度条件为 max1b1c 41式中，为一定条件下，由带的疲劳强度所决定的需用应力。 由公式eF vP1000 e10FF2Fe20FF2F faecfc0minfa11eFF2 F11e 11FA22FA推导可得带在临界打滑状态下的有效拉力为ecFvvec11f af a11FF 1A 1ee式中 有效圆周力eF V传动带速度 f摩擦系数 带在带轮上的包角联立可得到单根 V 带处于临界打滑状态时所能传递的功率，即最大功率为 vb1cf a011AveP1000式中，的单位为 KW。0P单根普通 V 带所能传递的最大功率称为基本额定功率。其是在规定的实验条件0P下得到的。实际工作条件下带传动的传动比、V 带长度和带轮包角与实验条件不同，因此，需要对单根 V 带的基本额定功率予以修正，从而得到单根 V 带的额定功率 r00LPPPKK式中 当传动比不等于 1 时，单根 V 带额定功率的增量；0P当包角不等于时的修正系数；参看表 7K0180当带长不等于实验规定的特定带长时的修正系数。LK表 7 包角修正系数 42小带轮包角 180175170165160155150145140135130K10.990.980.960.950.930.920.910.890.880.86中心距 a 大，可以增加带轮的包角，减少单位时间内带的循环次数，有利于提高带的寿命。但是中心距过大，则会加剧带的波动，降低带传动的平稳性，同时增大带传动的整体尺寸。中心距小，则有相反的利弊。一般初选带传动的中心距为120120.7 dda2 dd式中，为初选的带传动中心距，mm。0a在带传动需要传递的功率给定的条件下，减小带轮的直径，会增大带传动的有效拉力，从而导致 V 带根数的增加。这样不仅增大了带轮的宽度，而且也增大了载荷在V 带之间分配的不均匀性。另外，带轮直径的减小，增加了带的弯曲应力。为了避免弯曲应力过大，小带轮的基准直径就不能过小。一般情况下，应保证。推荐 ddmindd的 V 带轮的最小基准直径列于表 8 中。表 8 V 带轮的最小基准直径槽型YZABCDE dmindmm205075125200355500当带传递的功率一定时，提高带速，可以降低带传动的有效拉力，相应地减少带的根数或者 V 带的横截面积，总体上减少带传动的尺寸；但是，提高带速，也提高了V 带的离心应力，增加了单位时间内带的循环次数，不利于提高带传动的疲劳强度和寿命。降低带速则有相反的利弊。由此可见，带速不宜过高或过低，一般最高带速30m/s，如表 9。表 9 普通 V 带的最佳转速与最佳带速 43确定计算功率 计算功率是根据传递的功率 P 和带的工作条件而确定的caPcaAPK P 式中：计算功率，kW；caP 工作情况系数；AK 所需传递的额定功率，kw。P选择 V 带的带型 根据计算功率和小带轮转速，从表 10 选取普通 V 带的带型。caP1n表 10 普通 V 带选型图验算带速 v 44带速m/s111d nvv3.14 18 2060 10000.0188460 1000 3 控制部分的设计3.1 说明控制系统是康复仪的一个重要组成部分；是保证机构完成动作要求的主要手段。用它可以控制机械手的工作顺序、运动轨迹、动作时间和速度等，使机构按照作业的要求去完成各项任务。3.2 电路部分的设计3.2.1 传感器电路点位置传感器作为工作机构要在一定的范围内运动，要有限位的传感器。为了能够达到这样的要求我们可以选用机械式的行程开关、光电的接近开关、金属接近开关或者是用霍尔元件传感器。但是在这样的一个控制系统中，为了能够达到高可靠性和方便实用的效果，其中金属接近开关是一个非常好的选择，因为随着现在工业的快速发展，已经作为一种一体化的成品的套件可以方便的购买到。金属接近开关传感器的工作也很简单、方便安装、工作可靠。 45在此介绍这种在机械行业得到广泛应用的金属接近开关电路，该电路由两部分组成，即高频振荡器及开关电路，其工作原理如图 3-1 所示。 图 3-1 金属接近开关原理图金属不靠近探头时，高频振荡器工作，振荡信号经 DV1、DV2 倍压整流，得到一直流电压使 BG2 导通，BG3 截止，后续电路不工作。当有金属靠近探头时，由于涡流损耗，高频振荡器停振，BG2 截止，BG3 得电导通，光电耦合器 4N25 内藏发光管发光，光敏三极管导通接通电路，起开关作用。一体化金属接近开关接线如图 3-2 所示：图 3-2 一体化金属接近开关接线图3.2.2 电机驱动电路在这套康复仪中，为了完成凸轮水平方向和自身旋转运动，本人采用了两个相同的可调速直流电机作为动力源。这样一来可以达到以下的优点：1、用电机轴作为连接部分，机械结构简单；2、成本低廉，容易购买；123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:24-May-2005Sheet of File:F:业业业业业业业业业业main.DdbDrawn By:业业业VCCGND业业 46123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:25-May-2005Sheet of File:F:业业业业业业业业业业main.DdbDrawn By:AGNDQM1NPNRM1RM3100kTRIG2Q3R4CVolt5THR6DIS7VCC8GND1IC4555RN1500RN310kRN510kCN1104CN41uA-+MGD1D2+24v
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