具有上肢训练功能的座椅及控制系统设计文档格式.docx
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关键词:
上肢康复座椅,优化设计,三维建模,单片机
ABSTRACT
Withthetrainingoftheupperlimbfunctionofthewheelchair,forupperlimbhemiplegiapatients,isdifferentfromtheartificialtrainingadvantage,canreducethehuman,andalsocanreducethepainofpatients.Thetrainingoftheupperlimbfunctionwiththewheelchairhascarriedontheoverallstructuraldesign,tocompletelargearmswing(0~90degrees),asmallarmswing(0~70degrees),tractionmotor,sizeofarmandwristswingetc..Accordingtotheseatoftheperformancerequirements,designacrank,crankandrockermechanismtocompletetheoverallstructureofthedesign.Ontheseatofthekeyrodpartsandstandardpartsstressanalysisandstrengthcheck.UsingSolidWorkstocarryout3Dmodeling,motionsimulation.InadditiontousingADAMS,aforearmsupportrodswingminimumaccelerationforthepurposeofoptimizationdesign.Thecontrolpartadoptssinglechipmicrocomputercontrol,drawingthecircuitdiagram,andtheuseofClanguageprogramming,toachievecontrolpart.
Keywords:
Upperextremityrehabilitationchair,optimizationdesign,3Dmodeling,singlechipmicrocomputer
1绪论
1.1课题来源、选题背景及其意义
1.1.1课题来源
课题源于企业需求。
基于服务机器人系统技术的具有上肢康复训练的座椅是满足上肢残疾病人康复训练和人们日常训练的机电一体化产品,对于促进助老/助残及健康训练系列化服务机器人产品的发展所必需的。
目前,用于上肢康复训练的训练器产品要么功能单一,要么结构复杂价格较贵,普通人购买有一定经济压力。
为此利用机械设计理论、自动控制技术设计满足上肢康复训练的座椅具有重要的意义。
1.1.2辅助器具的发展史
自古以来就有残疾人。
战争、意外事故以及天生缺陷给人类带来了残疾,早在远古时代,人们为了解决残疾人的生活问题,就开始制作一些简单的器具来补偿他们失去的功能,因此辅助器具就诞生了,并在历史进程中留下了足迹。
辅助器具的现代史两次世界大战以来,由于战争和交通事故不断发生,造成残疾人不断增加,使残疾人的辅助器具也不断被开发。
特别是医工结合的新学科——康复工程学在二次大战后的兴起和发展,更促进了辅助产品日新月异。
20世纪80年代后,辅助器具有了较大的发展,出现了很多高科技辅助器具产品,如碳纤维假肢、肌电假肢、微电脑控制的假肢和仿生臂等。
近期开发的智能轮椅更是集电动轮椅、站立轮椅和爬楼梯轮椅为一体的高科技辅助产品。
本次做的产品,也是辅助器具之一,主要用于恢复患者上肢行动能力。
通过机器辅助运动,带动患者运动,从而完成康复训练。
1.1.3课题意义
今天,在医药领域,康复训练,座位正日益发挥着越来越重要的作用,它可以被用来缓解神经系统损伤(如中风,脑外伤,脊髓损伤)病人的痛苦。
例如,中风患者往往伴有运动障碍等症状,这个运动的障碍将被给予的感觉和运动的肌肉疼痛,肌肉无力,肌肉协调的损失,增加反射肌肉紧张痉挛和过度的反映,是由这个原因引起的。
这样的后果是病人无法走路或吃自治的基本任务的日常生活,所以鼓励更快,更好的治疗方法出生的高负荷的训练方法。
这种疗法可以看出,以刺激神经元的方法,以提高运动技能,并恢复肌肉的控制。
换句话说,经过反复的锻炼,激活受损的肌肉和神经,从而增加肌肉的效率和可靠性。
这种疗法的另一个目的是通过培训,软组织,肌肉运动,以增加范围和增加肌肉力量。
一个较长时间的高强度的运动疗法,临床试验,结果可以使患者有显着复苏的运动能力,肌肉损伤的早期治疗,并重复高强度的训练,患者将超过预期的复苏和质量,这种传感器的运动也是必不可少的神经康复。
因此,患者身体康复,周期性的,重复性和生理特点,熊行走,康复训练的生理特点,将带来更好的效果的治疗。
到目前为止,职业物理治疗师手操作的运动疗法。
这种疗法已不可避免的缺点是,物理治疗师的疲劳。
在治疗过程中,他们的机械重复的尽职调查工作,但这种疲劳,患者在人体工程学方面将产生极为不利的影响。
因此,当这些医生的疲劳,行动不一致,从而影响病人的整个治疗过程。
如果病人有严重抽筋的症状,治疗周期趋于缩短,甚至可以省略,这是手治疗的局限性。
上肢康复治疗轮椅的使用,因此,你完全可以防止这种情况的发生。
1.2国内外研究现状与发展趋势
1.2.1上肢神经肌肉康复机器人的发展回顾
1993年在美国加州大学的上肢康复机器人设计的出发点-对象-手康复设备。
从手中的工作需要协调的日常生活的设备,一个简单的手移动和挤压对象训练手的协调。
两年后,LUM设计另一套训练手举行了协调设备,并充满了一杯咖啡设备清单上,依靠手的力量辅助设备的侵扰和实验的成功完成,证明该装置的可行性引用。
这两个是相对简单的设备结构和功能,完成了实验室的正常,因此不会使肌肉运动功能的评价。
图1-1lum研制的上肢康复装置
斯坦福大学在2000年,已经开发出一种称为中号的IME康复机器人系列。
这一系列的机器人分为三代。
前两代达到前臂的平面运动;
第三代实现三维运动的前臂(在两个自由度,包括肘关节屈曲/伸直,前臂旋前/旋代单关节运动例如在图2所示)[3]。
彪马系列机器人的第二代和第三代的显着特点,带动不仅是能够完成的单方面训练,并能完成镜运动。
由两个支撑架支撑上肢运动PUM连接患侧支持货架机器人,当对侧实现两个或三个三维运动,负责监测传感器和光电编码器记录运动数据传输到人体上肢PUM的机器人,驱动同侧对侧运动的副本。
之前和之后的传统临床评价的患者,比较和确认由肌肉运动功能的恢复康复训练设备的训练课程。
图1-2第3代MME
1999年CozensJAlastair设计了一套康复装置(如图3所示),该装置跟随支撑臂前方的闪烁灯执行10
~80
的肘部屈/伸运动。
系统获取电子量角器、加速度计的反馈,根据控制法则对支撑臂上的患肢运动进行外力辅助或干扰,最后依据试验结果,给出训练方式的效果进行比较。
图1-3肘部运动康复装置
在2000年,芝加哥大学开发ARM指南培训设备,如图4所示。
该器件具有三个自由度,自由偏航和P痒的程度,使患者完成不同的直线轨迹河段培训的手动调整。
在培训过程中病人的手臂绑夹板5河段的目标点的运动,沿直线轨道的做法,并利用传感器来测量病人的前臂力量的大小。
培训方案完成后,使患者完成日常活动范围的对比,直线度,平整度,不使用未受过训练的点,以测试区域运动恢复训练,训练装置的设计思路,并记录轨道决定奇异的训练方法,使其难以开展的扩大和深入的培训模式的研究。
图1-4ARMGuide训练装置
1.2.2上肢功能训练座椅的现状分析
通过观察肢康复机器人的发展不难发现,上肢的康复训练的研究有一些不足之处,其主要功能两方面的培训和评估。
首先,作为偏瘫训练器患者的康复,康复机器人大部分只限于一些简单的单关节活动或飞机马达复杂,康复的最基本要求是让患者返回简单的生活。
这些动作是从一定意义上讲,实现联合活动,以防止肌肉萎缩的影响,但相距甚远,从日常功能的动作不能刺激病人保持正确的运动感,没有太大的帮助恢复日常生活活动。
此外,对于不同疾病的患者,来有效的康复方案,提供准确地掌握病人的病情。
一方面,传统的评价方法主要依赖于医生的主观视觉和简单的测量仪器。
另一方面,可以看到从美国麻省理工学院的M-IT-M的总体测试,跟综合传统的评价得分中号S1和记录两个阶段的康复训练曲线的速度可以看出,运动功能显着的价值在改善患者MS1的传统方法并没有改变。
因此,大量的事实表明,粗糙的临床评价,不适当的甚至导致误判轻微复苏的患者,需要更精确,仔细评估工具。
康复器材康复状态,一个简单的定性描述的运动学参数研究。
准确,定量的评价手段,是优化的康复计划和康复系统,客观的评估,培训效果的前提下。
1.3课题主要研究内容
1.3.1课题预计达到的目标
通过对市面上的相关同类产品以及国内外的各种专利进行研究与分析,从实用的实用性,人性化,简易性出发,以减少制造成本,降低售价且功能齐全,增加可回收利用性,设计一台上肢训练功能座椅,可实现上肢的多种被动运动。
利用UG、Solidworks及分析软件ADAMS等进行总体方案设计和优化。
控制方案采用单片机控制。
该座椅可实现以下功能:
(1)大臂的摆转(0~90度)
(2)小臂的摆转(0~70度)
(3)手腕牵引运动
(4)大小臂同时摆动
1.3.2研究内容及主要工作
在具体的设计当中,我主要将手臂分为肩部、肘部以及腕部三个主要部分进行具体的设计,并且利用分段设计的方法,主要目的是为了针对不同部位的各自的结构和运动学特点,采取专门的措施来满足作业过程的基本需求。
在分段设计的过程中,还必须考虑到各个部分的联系,以及对于整体的影响,这在设计过程中十分必要的。
上肢康复训练轮椅的牵引机构多以连杆机构为主,因为连杆机构结构简单,易于驱动控制,便于实现主动和被动等多种训练模式,连杆和人体胳膊,有着相类似的骨骼结构(特别是在二连杆),保证人类的手臂运动空间,联动的干扰最小的议案最小范围的条件相一致病人的康复训练。
为一个重要的联系,因为座位需要训练有素的行动,一个电机杆长度范围广泛,杆件的数量不应太多,所以牵引机构在这里运用连杆机构。
由于偏瘫患者的患肢都比较虚弱,一般情况下患者都不能对患肢进行自主支撑,所以所设计的训练座椅应该具有对患者患肢进行辅助支撑的机构,以满足训练时对患肢支撑的需要。
根据目前临床上常用的上肢康复训练手法,训练时医师一般都是把持住患肢的肘关节进行训练,所以机器人的支撑机构也应以支撑患肢的肘关节为主。
由于训练时患肢是在不断运动的,因此要求
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- 关 键 词:
- 具有 上肢 训练 功能 座椅 控制系统 设计