一种气动驱动新型上肢康复机器人.pdf

第 3期 2 0 1 1 年 3月 机械 设 计 与制 造 Ma c h i n e r y De s i g nM a n u f a c t u r e l 6 5 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 0 3 0 1 6 5 0 2 一 种气动驱动新型上肢康复机器人 术 王 生泽金韬 东华大学 机械工程学院 ， 上海 2 0 1 6 2 0 A No v el u p p e r l i mb r e h a b i l i t a t i o n r o b o t b y p n eu ma t i c a c t u a t o r s WANG S h e n g - z e ， J I N T a o C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， D o n g h u a U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 1 6 2 0 ， C h i n a I 【 摘 要】 结合临 床康复医学 理论及临 床康复经验对上肢康复机器人方案进行研究， 设计了 一种应 用于偏瘫患者康复训练的气动式上肢康复柔性机器人， 进而将气动技术的安全性、 柔顺性应用到康复领 ； 域中来， 有效地实 现了患 肢由完全被动到以 被动为主逐渐到以主动为主， 最后康复到完全主动训练过程 j 的适宜模式。 j 关键词 上肢康复； 机器人； 气动； 结 构设计 j 【 A b s t r a c t 】 T h e c l i n i c a l r e h a b i l i ta t i v e m e d ic i n e t h e o r y a n d t h e c l i n i c al r e c o v e r y e x p e r i e n c e c o n d u c ts } j a r e u n ifi e d ， r e s e a r c h e d i n t o th e u p p e r l im b r e h a b il i t a t i o n r o b o t ’ s p r o g r a m a n d d e s ig n e d口r e h a b il it a t i o n j t r a i n i n g u p p e r li m b r e h a b i l i t a t io n o f p n e u m a t i c fl e x i b l e r o b o t w h i c h is a p p l ie d t o p a t i e n t s w i th h e m ip l e g i a ． I i T h e n t h e s e c u r it y a n d t h e fl e x i b il i t y of p n e u m a t i c t e c h n o l o g y is ap p l i e d i n t o t h e fi e l d o f r e h a b i l it a t i o n ． A n d I s h o w e d a n e f f o r t t o eff e c t i v e ly i m p l e m e n t t h e l i m b s f r o m c o m p l e t e ly p a s s i v e t o p a s s i v e to a c t iv e m ai n l y d o ra -； in a t e d g r a d u al ly t o t h e fi n a l ly r e h abi l it a t i o n of t h e t r ai n i n g p r o c e s s t o c o m p l e t e l y t a k e t h e i n i t i at iv e t r ai n in g； T ’ ； app r apr i a t e m o d e ． ； t、 K e y w o r d s R e h a b i li t a t i o n f o r u p p e r l i m b ； R o b o t ； P n e u m a t i c t e c h n o l o g y ； S t r u c t u r e d e s i g n ， ． 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A ． 1 引言 随着我国老龄化的加剧， 伴随老龄化过程中明显的生理衰退就 是四肢的灵活洼不断下降，而在老龄 群中有大量有脑血管疾病或 神经系统疾病患者， 这些患者又大者 阼} 有偏瘫症状， 对日 常生活产生 了种种不利的影响。目。前 抖中 经系统伤病所致偏瘫患者的治疗主要 依赖于治疗师的对一的徒-Y - i l练， 这种方法不仅费时费力， 而且也 缺乏量化的客观评价， 不能够实时监测治疗效果。 为解决这些康复训 练过程中出现的问题， 需要安全、 定量、 有效及可进行重复训练的新 技术， 因此机器人辅助训练技术在这种背景下应运而生 。 目前， 对于上肢康复机器人的研究， 国外的辅助康复治疗机 器人设备已有很多， 所运用到的机器人技术也各有不同； 而国内 的研究起步较晚，但一些研究机构和部分高校也已展开研究， 并 得到了一些初步的结论。如由MI T研制的 M I T MA N U S机器人 以及 Ha p t i c Ma s t e r 机器人口 】 。而这些康复训练机器人通常采用电 机驱动， 造成设备的结构复杂、 价格昂贵， 并且由电机驱动的机械 系统刚性大、 柔性差， 难以在康复训练中适应患肢由“ 被动” 到“ 半 被动、 半主动” ， 到“ 主动” 过程的训练模式。针对现在有康复机器 人系统的不足， 本文提出了一种新型的上肢康复柔性机器人， 采 用气源驱动， 能辅助患者完成整个上肢的复合运动功能训练。 2 机器人的机械结构设计 2 ． 1 上肢康复机器人设计要求 该机器人的设计以人体上肢解剖学为理论依据， 根据某医 院提供的临床医学数据 ， 如表 1 所示 ， 选定上肢运动最基本也是 最重要的三个关节加以分析。 表 1关节运动参数 从上表我们可以总结出上肢运动主要有 5 个 自由度肩关 节前屈／ 后伸、 肩关节外展／ 内收、 肩关节内旋／ 外旋、 肘关节屈曲肿 展、 腕关节屈／ f b 。 2 ． 2机器人驱动器的选择 驱动系统是康复机器人的重要组成部分，用以产生运动和 力， 对系统的性能和操作能力具有决定性的作用。 到目 前为止， 绝 大多数的康复机器人均采用电机驱动， 为达到康复效果， 即患肢 康复有一个“ 被动半主动一主动” 的过程， 往往要在机器上加装 电机驱动器与阻尼器， 使得结构与控制复杂； 而作为康复使用， 机 器人不需要很高的定位精度， 但很多康复机器人往往是由工业机 器人直接改装而来， 并非单单针对康复使用， 这就使得机器人高 ★ 来稿 日 期 2 0 1 0 0 5 1 0 ★基金项目 上海市经委支撑计划课题 产一 2 7 一 方向一 2 2 d 1 6 6 王生泽等 一种气动驱动新型上肢康复机器人 第 3 期 精度功能浪费， 驱动柔顺性较差而且价格昂贵。 气动驱动具有独特的优点， 它在许多行业已得到广泛应用， 虽然它工作精度不是很高， 但其驱动的高度柔顺性使其在康复机 器人方面很有应用潜力； 它安装简便， 不需要复杂的机构及精度 要求 ； 其动作平滑， 响应满足康复训练要求并可实现极慢速， 可更 接近于生物运动驱动； 系统安全．1生 高 ； 同时， 它还具备价格低廉、 输出力／ 重量比高、 节能、 缓冲、 可压缩 、 阻尼等优点， 所以在康复 机器人的设计中采用气动元器件 直线气缸、 摆动气缸 的驱动方 式， 可将驱动器与阻尼器二者合二为一 ， 方便实现“ 被动半主 动一主动” 的康复运动训练功能。 2 ． 3机器人结构设计的方案选择 对于产品设计开发而言， 在设计要求、 基本参数给定之后， 其设计方案往往不是唯一的。 设计方案的多样性增加了可选择的 空间， 而方案最终的确定则取决于对可选方案的科学评价 ， 对其 可行性的合理论证。首先提出对肩关节的结构设计， 设计要求肩 关节需要产生前屈／ 后伸、 外展／ 内收、 内旋／ 外旋三个方向的旋转 运动， 出于对机构体积与重量上的考虑， 根据实际的需要， 对其中 的自由度进行必要取舍， 给出了初步设计方案， 如图 1 所示。 如图 1 所示，方案是将上肢机器人本体被放置在铝合金架 上， 舍去肩关节内旋／ 夕 旋 自由度， 保留前屈／ 后伸 、 外展／ 内收自由 度。驱动采用两种不同形式 如图 1 a 所示， 是将一摆动气缸安 装在一直角角件上， 由其产生的旋转运动直接带动上臂做屈伸动 作 ； 如图 1 b 所示 ， 是康复机器人的背面， 一行程可读式直线气 缸经由驱动摇杆带动一齿轮转动， 为避免摇杆摆动行程大导致驱 动摇杆机构出现死点 ， 增设一传动比为 3 1 的齿轮传动 ， 将直线 气缸运动转变为肩关节转动， 实现上肢的收展动作。 a b 图 1肩关节驱动机构 其次对肘关节进行结构设计。肘关节的屈伸动作为单纯的 旋转运动， 在满足设计要求的前提下， 采用摇块机构的传动方案， 如图 2 所示。 一行程可读式直线气缸尾部与上臂固定装置铰接连 接， 当气缸活塞前后伸缩运动的时候， 气缸可以上下摆动 ， 再经由 摇块机构原理， 将直线位移变为肘关节的屈曲 申 展运动。 图2肘关节驱动机构 图3腕关节驱动机构 最后对于腕关节的 结构设计与肘关节的 设计类似， 在满足 设计要求的前提下， 这里不再赘述， 如图3所示。 在对各个关节结构设计的初步方案进行可行性论证的过程 中， 笔者发现了诸多问题。肩关节的外展／ 内收运动， 由直线气缸 带动一套双摇杆机构， 摇杆机构驱动齿轮机构传动 ， 虽然取传动 比为 3 1 ， 避免了摇杆在运动过程中死点的出现， 但是在驱动运动 过程中不可避免的有传动角的变化，而且在肩关节抬升的过程 中， 相对转轴的力矩也在不断地变化， 这使得对直线气缸的最大 输出力有很高的要求， 运动动态控制要求也较复杂。对于肘关节 与腕关节结构的设计也是如此。滑块摇杆机构在运动的过程中， 都不可避免地会出现传动压力角变化的现象， 而且在某些位置上 压力角的取值过小， 这对康复训练运动平稳效果会产生一定的影 响； 并且， 未来将机器人产品化后 ， 外部的封装也会出现不小的问 题， 因为连杆机构运动过程中会占有一定的空间域， 会使得外包 装显得臃肿、 庞大， 结构不紧凑。 a b 图 4改进设计的总体结构 针对上述出现的问题， 对机器人进行改进设计 ， 如图 4所示 此方案已申请国家实用新型专利 首先，将肩关节做外J艮／ 内收运动的驱动方案改为直接由一 大扭矩输出的摆动气缸驱动，这样就克服了连杆机构会出现死 点 、 压力角过小和力矩变化的缺点； 另外由于采用此方案结构紧 凑了许多，增加肩关节内旋／ 夕 旋 自由度并由一输出扭矩较小的 摆动气缸驱动。由此， 肩关节的球副便由三个轴线正交的摆动气 缸来实现。其次， 将肘关节与腕关节原先的连杆机构改为齿轮齿 条传动机构来实现， 由固定在臂上的直线气缸驱动齿条做往复直 线运动 ， 齿条与齿轮啮合带动关节做旋转摆动， 这样既避免了原 先连杆机构会出现传动压力角变化并在某位置过小的问题， 又使 得整套机构结构紧凑， 有利于未来机器人产品化的外封装。 最后， 考虑到将来患者的体形各异， 上肢的长短势必也各不相同， 将大 臂 、 小臂固定装置分别制成可抽拉式结构， 其间由长圆孔滑槽来 调节佩戴的长度， 进而提高上肢康复机器人的适用性。 与正常人肢体相比， 患肢更为脆弱， 更容易受到损伤 ， 因此 必须设计合适的机构以保证患者的安全．陛。 该上肢康复柔性机器 人与人体相接触的穿戴部分均可用 A B S 等热塑材料制作。这些 材料轻便、 美观、 卫生、 加工方便， 而且制成后更加符合生物力学 要求， 不仅穿戴更舒适， 而且有利于康复治疗月 。 3总结 本文设计了一种由气源驱动的上肢康复柔性机器人，该机 器人采用外骨骼穿戴式结构，在结构设计上体现了仿生性的要 求 ， 实现了5个自由度的运动， 尤其是肩关节的设计采用分解 自 第 3期 2 0 1 1 年 3月 机械 设 计 与制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa nu f a c t u r e l 6 7 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 0 3 0 1 6 7 0 2 光电编码器在非圆齿轮滚齿加工 自动对刀中的应用 术 姜衍仓 田芳勇2 ’ 濮阳职业技术学院 建筑工程系， 濮阳 4 5 7 0 0 0 兰州理工大学 机电工程学院 ， 兰州 7 3 0 0 5 0 A u t o ma t i c t o o l a d j u s t me n t f o r n o n - c i r c u la r g e a r h o b b in g J I ANG Ya n c a n g ， T I AN F a n g - y o n g 2 D e p a r t m e n t o f A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ， P u y a n g V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e ， P u y a n g 4 5 7 0 0 0 ， C h i n a C o l l e g e o f Me c h a n i c a l - E l e c t r o n i c ， L a n z h o u U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 ， C h i n a r” 。 ” ” ” ” ” “ 。 “ ” ’ ‘ ” { 【 摘要】 对刀是非圆齿轮滚齿加工 f费 力。 在分析传统人工对刀的 基础上， 提 i 装一光电 编码器， 通过合理设置滚刀轴与 十自动重复对刀 ， 从而显著提 高对刀精度和 。 费时 { 各加 t 实现 i 时的关键工序。传统对刀方法依靠人工利用对刀规对刀， 出了一种新的 自动对刀方法。该方法在滚刀轴和工件轴上 工件轴的机械零位与各 自轴上的光电编码器零位重合， 可 效率。 中图分类号 T H1 6 。 T G 6 5 9 文献标识码 A 1 引言 非圆齿轮有对号啮合的特点，即一对相啮合的非圆齿轮有 一 个起始啮合点， 而且在啮合传动中要严格保证啮合齿之间的相 对位置关系， 其节曲线零线应该对准[ 1 】。 当主动齿轮节曲线零线在 齿槽中点时， 从动轮节曲线零线应该处于轮齿的中点。故非圆齿 轮滚齿加工时， 要严格保证刀具刀齿与工件的起始点 即零线 的 相对位置， 即存在所谓的对刀问题。 加工主动齿轮时， 应使滚刀刀 齿的齿顶中点对准齿轮节曲线的零线。而在加工从动齿轮时， 应 使滚刀刀齿的齿槽中点对准从动齿轮节曲线的零线。 非圆齿轮滚齿加工时的关键调整工序是对刀，加工非圆齿 轮的实践表明， 由于对刀误差而产生的废品占总废品的7 0 ％以上 传统的对刀方法主要是人工利用对刀规对刀[ 11 ， 费时费力且对 女来稿日 期 2 0 1 0 0 5 0 7 ★ 基金项目 甘肃省自 然基金 0 8 0 9 R J Z A 0 1 4 由度的方法， 其结构坚固， 易于控制 ， 具有高度的安全性 、 柔顺性 和轻巧性 。 今后的工作可在此基础上，对各部分进行优化设计并做后续 研究， 如手腕和手指的运动， 较其他关节更为灵活， 之后的研究也可 向此方向发展， 而且将来还可以利用气压的连续变化对上肢进行按 摩等动作 。 对于上肢的康复治疗， 机器 辅助 是个前景广阔的新 兴方法， 将气动技术的引进， 则需要进行更多更深入的研究。 参考文献 1 杨唐柱， 黄晓琳．上肢治疗型康复机器人的研究进展r J ] - 中国康复， 2 0 0 9 ， 2 4 3 2 0 7 ～ 2 0 9 刀精度低， 导致齿形误差较大。 为此， 在分析传统人工对刀的基础 上， 提出了一种新的自动对刀方法。孩方法在滚刀轴和工件轴上 各加装一光电编码器 ， 通过合理设置滚刀轴与工件轴的机械零位 与各自轴上的光电编码器零位重合， 可实现自动重复对刀， 从而 显著提高对刀精度和效率。 2对刀原理 自动对刀的原理就是在滚刀轴和工件轴上各加装一光电编码 器， 合理设置各轴光电编码器零位信号与各自的 机械零位重合。 齿 坯和夹具的安装靠定位销定位， 安装完成后齿坯的节曲线零线和齿 坯轴的零位共线。由于滚刀轴和工件的旋转速度不同， 故两轴必在 某一时间同时到达零位。当两轴编码器同时到达零位信号时， 滚刀 刀齿的齿顶 或齿槽 中点对准齿坯节曲线的零线， 对刀完成。为了 2 李会军， 宋爱国． 上肢康复训练机器人的研究进展及前景[ J ] ．机器人技术 与应用 ， 2 0 0 6 4 3 2 ～ 3 6 3 Ho g a n N， K r e b s HI ， C h a r n n a r o n g J ， S r i k r i s h n a P， S h a r o nA ．MI T MA N U S A W o r k s t a t i o n f o r Ma n u l a n d T r a i n i n g I ． I EEE I n t e r n a t i o n al W o r k s h o p o n Ro b o t a n d Hu ma n Co mmu n i c a t i o n，1 9 9 2 1 6 1 -1 6 5 4隋立明， 张立勋． 气动技术在康复领域中的应用[ J ] ．液压气动与密封 ， 2 0 0 6 4 3 3 ～ 3 5 5 邢科新， 徐琦， 黄剑， 王永骥 ， 吴军． 一种新型穿戴式手功能康复机器人 [ J ] _ 中国机械工程， 2 0 0 9 ， 2 0 2 0 2 3 9 5 ～ 2 3 9 8 6 Ma s a k i Mi n e o ， Os a mu Oy a ma a n d To s h i h i r o Yo s hi mi t s u ．De v e l o p me n t o f P n e u m a t i c a l l y A s s i s t Wal k i n g S y s t e m [ c ] ． P r o c e e d i n g s o f t h e 2 0 0 4 I E E E I n t e r n a t i o n al Wo r k s h o p o n Ro b o t a n d Hu ma n I n t e r a c t i v e Co mmu n i c a t i o n， 2 0 0 4 6 4 3 6 4 7