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畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 設(shè)計（論文）題目： 手指康復(fù)機(jī)械臂設(shè)計 學(xué) 院 名 稱： 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 班 級： 機(jī)制141 學(xué) 生 姓 名： 朱昊霽 學(xué)號： 14403010124 指 導(dǎo) 教 師： 易新華 2017年 10 月 12 日 目錄 摘要 2 abstract 3 第一章 緒論 1 1.1引言 1 1.2國內(nèi)外對手臂康復(fù)治療的現(xiàn)狀 2 第二章 手指康復(fù)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 7 2.1手指結(jié)構(gòu)分析 7 2.2手指結(jié)構(gòu)設(shè)計 9 2.2手指康復(fù)手臂的運(yùn)動分析 9 2.3數(shù)值計算 12 第三章 手指康復(fù)機(jī)械手臂的三維建模 15 3.1軟件介紹 15 3.2 SolidWorks三維設(shè)計軟件的常用命令簡述 17 3.2.1.草圖繪制命令 17 3.2.2特征繪制命令 18 3.2.3鈑金、焊件等其它特征繪圖命令 19 3.2.4 邁迪數(shù)據(jù)庫等插件操作 20 3.3手指康復(fù)機(jī)械臂的建模 21 3.3.1手臂支撐的三維建模 21 3.3.2大拇指支撐塊的三維建模 21 3.3.3第一關(guān)節(jié)支撐塊的建模 22 3.3-4第二關(guān)節(jié)建模 24 3.3.5第二關(guān)節(jié)固定塊的建模 24 3.3.6第二關(guān)節(jié)建模 25 3.3.7手指和手臂綁帶的設(shè)計建模 26 3.3.8手指康復(fù)機(jī)械手臂的總裝 27 致 謝 29 參考文獻(xiàn) 30 摘要 手是人類最主要的驅(qū)動單元之一，在人類與環(huán)境的交互過程中，手的使用率達(dá)到百分之八十多。而手指又是人類軀體器官創(chuàng)傷率最高的部分，據(jù)統(tǒng)計在工作當(dāng)中，由于工傷因起的人身意外傷害，手指部分的創(chuàng)傷約占四分之一。然而在手指康復(fù)治療的過程當(dāng)中，大部分都無法恢復(fù)到以前的動作水平。目前單純依靠人工協(xié)助康復(fù)治療的方法不僅費(fèi)時費(fèi)力而且價格成本昂貴，而每一名康復(fù)治療醫(yī)生往往同時為幾名患者同時治療，不僅浪費(fèi)時間而且有可能耽誤患者的康復(fù)訓(xùn)練。在這個背景下，本課題主要研究一種自動的手指康復(fù)機(jī)械臂，通過電缸帶動連桿機(jī)構(gòu)模擬人類手指運(yùn)動軌跡，以達(dá)到人工協(xié)助手指康復(fù)的目的，并且有效避免了復(fù)雜的醫(yī)患關(guān)系，使患者自主進(jìn)行手指康復(fù)訓(xùn)練，促使手部技能的恢復(fù)。 abstract Hand is one of the most important driving units of human beings. In the interaction between human and environment, the use rate of hand is more than 80 percent. And fingers are the most traumatic part of human organs and organs. According to statistics, in the work, because of the personal injury caused by industrial injury, the finger part trauma accounts for 1/4. However, in the process of finger rehabilitation, most of them can not recover to the previous level of action. At present, the method of rehabilitative treatment relying solely on artificial assistance is not only time-consuming but also expensive, and every rehabilitation physician often treats several patients at the same time, which not only wastes time, but also delays patient's rehabilitation training. Under this background, this paper mainly studies a kind of automatic finger rehabilitation arm, the electric cylinder drives the connecting rod mechanism to simulate human finger movement trajectory, in order to achieve the purpose of finger assisted rehabilitation, and effectively avoids the complicated relationship between doctors and patients, so that patients are independent of finger rehabilitation training, to promote the recovery of hand skills. Key words: finger rehabilitation mechanical arm treatment for rehabilitation of finger movement of connecting rod mechanism 第一章 緒論 1.1引言 康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人技術(shù)是近年來迅速發(fā)展的一門新興技術(shù)，是機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的新應(yīng)用，經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)取得了很大的成果。本次畢業(yè)設(shè)計是穿戴式手指康復(fù)機(jī)器臂的設(shè)計，它是康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的一種，可以固定在手指上，由驅(qū)動器驅(qū)動模仿手指的運(yùn)動狀態(tài)，從而帶動患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，使手指有運(yùn)動障礙的病人得到康復(fù)。 人類生活 90%的工作都由手部完成，因而手部功能對于人的日常生活至關(guān)重。 而龐大的工作量，也使得手部是人體最易受傷害的部位。 在所有工傷中，手部四分之一左右。 手部受傷后往往康復(fù)周期長，對完成精細(xì)動作的功能恢復(fù)多不，影響了患者的生活質(zhì)量。如何促進(jìn)傷后手的功能康復(fù)，已成為一個熱門的研究話題。 1960 年，加拿大骨科醫(yī)生Robert Salter [1][2]提出了連續(xù)被動活動康復(fù)療法ContinuousPassive Motion，簡稱CPM）。其主要理論為通過外力帶動患肢做長時間運(yùn)動，促進(jìn)患肢血液循環(huán)， 阻止病患關(guān)節(jié)僵硬與肌肉萎縮， 以達(dá)到加速康復(fù)的目的。 CPM療法已被證實(shí)療效顯著，可以有效加快手部康復(fù)速度。 但是這種高重復(fù)性、高勞動強(qiáng)度的康復(fù)方法，對理療師提出了很高要求。為了應(yīng)對這個問題，機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)被應(yīng)用到手部康復(fù)中， 通過外骨骼系統(tǒng)代替理療師，驅(qū)動患者手指各關(guān)節(jié)進(jìn)行被動運(yùn)動，促進(jìn)手部功能康。 通過長時間運(yùn)動加快血液循環(huán)，防止肌肉萎縮的質(zhì)量方法是有效的，所以說課題研究的手指康復(fù)機(jī)械手臂是有必要的。 1.2國內(nèi)外對手臂康復(fù)治療的現(xiàn)狀 1.2.1國外手指康復(fù)機(jī)械手臂的發(fā)展 在人體的構(gòu)造當(dāng)中，手指的骨骼偏小，不像四肢那樣龐大，早在九十年代，人們已經(jīng)研制出對人類軀干手臂、腿骨等的模擬仿生機(jī)械臂，可以幫助傷殘人士重新獲得自由行走的權(quán)利，假臂假肢的發(fā)展促進(jìn)了人類骨骼運(yùn)動學(xué)的發(fā)展。隨著新時代科技的飛速進(jìn)步和機(jī)電產(chǎn)品、自動化水平顯著提高的背景下，一些更加小巧，性能更加穩(wěn)定的機(jī)電設(shè)備產(chǎn)品油然而生，比如袖珍的小電機(jī)，不僅性能很高而且做工美觀，材料性能卓越，越來越受到醫(yī)療設(shè)備的關(guān)注，漸漸的開始滿足醫(yī)療設(shè)備的要求，所以目前對手指關(guān)節(jié)的輔助機(jī)械設(shè)備的研究也蓬勃發(fā)展，對手指關(guān)節(jié)的質(zhì)量康復(fù)設(shè)備的研究也顯得尤為重要。 下圖是美國研制的手指康復(fù)治療系統(tǒng)圖，它被稱作Hand Mentor 康復(fù)系統(tǒng)，它主要是由輔助顯示器和手指彎曲單元組成，患者在治療的過程中，按照屏幕提示進(jìn)行手指的彎曲、伸展。外部機(jī)械骨骼會根據(jù)不同情況進(jìn)行協(xié)助動作，以滿足患者對手指康復(fù)治療的目的。其發(fā)展使用比較早，成為較早的投入使用的手指康復(fù)治療手臂，并且以得到官方醫(yī)療機(jī)構(gòu)的認(rèn)可，并大規(guī)模投入使用。但其有一定缺陷，其手指一并包裹在手指治療機(jī)械中，不能對單根手指進(jìn)行治療，只能一塊彎曲、伸展。不能有效的對單個手指進(jìn)行集中治療康復(fù)，這是這類手指康復(fù)治療機(jī)械手臂的弊端。 圖1.2-1 美國研制的手指康復(fù)治療機(jī)械手臂 如下圖所示石油德國工業(yè)大學(xué)研制的手臂康復(fù)治療機(jī)械臂，他主要的結(jié)構(gòu)是在每個關(guān)節(jié)處采用兩根連桿的方式代替關(guān)節(jié)的運(yùn)動，一根手指兩個關(guān)節(jié)，共由四根連桿組成且其驅(qū)動單元獨(dú)立，即每個關(guān)節(jié)都由一個獨(dú)立的驅(qū)動單元組成，完成手指的彎曲、伸展動作。且在連桿末端裝有角度傳感器，有效的實(shí)時監(jiān)控手指的彎曲狀態(tài)，并進(jìn)行信號反饋。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，驅(qū)動單元太多，控制起來比較復(fù)雜，一根手指的活動需要三個驅(qū)動單元來協(xié)助完成，其驅(qū)動單元太多導(dǎo)致了，五根手指不能同時進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，在有效空間內(nèi)只能單獨(dú)訓(xùn)練兩到三個手指，而且手指結(jié)構(gòu)長度不同，顯得設(shè)備雜亂，而且患者短時間內(nèi)不能很好的學(xué)會使用。 圖1.2-2 德國研制的手指康復(fù)治療機(jī)械手臂 近些年來，日本也推出了自己的手指康復(fù)治療機(jī)械手臂，其機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，但功能也相對來說比較強(qiáng)大，手臂總共有18個自由度，沒跟手指三個自由度，還有手掌與手臂之間也可以旋轉(zhuǎn)，其控制系統(tǒng)也采用較為先進(jìn)的信息數(shù)據(jù)采集，但其體積龐大，搬運(yùn)起來十分麻煩，智能就地治療，不能輕便的搬運(yùn)，患者收到局限性。 圖1.2-3 日本研制的手指康復(fù)治療機(jī)械手臂 1.2.2國內(nèi)手指康復(fù)治療機(jī)械手臂的發(fā)展 相比之下我國在手指康復(fù)治療機(jī)械手臂的研制比較晚，但是隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技水平的提高，越來越重視對科研這塊的投入，不管資金還是科研設(shè)施都有長足的發(fā)展與進(jìn)步。對手指康復(fù)治療的機(jī)械手臂和機(jī)器人也從無到有，不斷進(jìn)步。目前哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、青島大學(xué)和華中科技大學(xué)也已經(jīng)開始對手指康復(fù)機(jī)械臂開展學(xué)術(shù)研究，并取得一定的成果。 下圖是哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的手指康復(fù)機(jī)械手臂，其主要是通過電機(jī)帶動齒輪旋轉(zhuǎn)然后通過四連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)四連桿繞一圓心轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)模擬手指運(yùn)動軌跡的方式，其中關(guān)節(jié)處安有力學(xué)傳感器，可以反饋彎曲力的大小，自動調(diào)節(jié)力的大小，以適應(yīng)不同患者的需求，但其設(shè)計的手指康復(fù)治療機(jī)械手臂圍單一，因不同患者手臂距離有一定長度差值，無法彌補(bǔ)不同人群患者的需要，而且其設(shè)計為單一手臂設(shè)計無法適應(yīng)各手指長度不一的情況。 圖1.2-4 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的手指康復(fù)治療機(jī)械手臂 隨著新材料的層出不窮，一些新材料新思路也運(yùn)用在手指康復(fù)治療機(jī)械手臂的設(shè)計當(dāng)中，華中科技大學(xué)就是通過使用具有記憶功能的新穎材料模擬手指的彎曲狀態(tài)，其主要原理是通過氣壓或電流的輸出影響新材料的不同參數(shù)，使其彎曲大小不同，模擬代替手指筋骨，通過連接的鋼絲繩帶動手指連桿機(jī)構(gòu)獲得模擬手指運(yùn)動的效果。雖然新材料的使用是一個很好的創(chuàng)新，但是目前具有記憶功能的新材料還沒有解決其體積質(zhì)量的問題，促使其設(shè)計的手指康復(fù)治療機(jī)械手臂的重量和體積都比較大，無法快捷便捷的使用。 圖1.2-5 華中科技大學(xué)研制的手指康復(fù)治療機(jī)械手臂 綜上可見我國國內(nèi)的手指康復(fù)治療機(jī)械手臂的研究也在長足的進(jìn)步當(dāng)中，起重許多都已經(jīng)投產(chǎn)和不斷改進(jìn)當(dāng)中，相信一個屬于適合國內(nèi)國人的手指康復(fù)治療機(jī)械手臂的產(chǎn)品會越來越好，并走向國際科研的前列。 第二章 手指康復(fù)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1手指結(jié)構(gòu)分析 在人的手掌結(jié)構(gòu)構(gòu)造中，主要有骨骼支撐起手掌的骨架，然后通過軟組織帶動骨骼進(jìn)行彎曲伸展，其中包含提供養(yǎng)分的血液循環(huán)系統(tǒng)，和感知信息的神經(jīng)系統(tǒng)。其手臂的主要骨骼框架結(jié)構(gòu)可分為手臂、手腕、手掌和手指，其中五根手指長度不一，依次為大拇指、食指、中指、無名指和小拇指。 其中五根手指長度和粗細(xì)都不盡相同，其中手指除了大拇指和手掌鏈接的地方都有兩個關(guān)節(jié)項(xiàng)鏈作為手指彎曲伸展的圓心節(jié)點(diǎn)，為了更好的設(shè)計手指康復(fù)治療機(jī)械手臂查找資料參閱對普通人手指長度進(jìn)行分析，如下表： 表2.1-1普通人手指長度分析表 通過分析在設(shè)計時暫切取中值，以適應(yīng)更過的患者人群，在做設(shè)計后期根據(jù)不同情況再做修改。 通過高速攝像頭快速捕捉人在拿捏取放物品時各關(guān)節(jié)的狀態(tài)信息，分析規(guī)律，得出人們平時不管在取用什么物品時其各關(guān)節(jié)的運(yùn)動關(guān)系都想差無幾，其中規(guī)律可見下圖。 圖2.1-1 高速攝像頭下的手指運(yùn)動圖形 通過成像分析得出結(jié)論為： θ2 = 4.65θ1 θ3 = 6.94θ1 2.2手指結(jié)構(gòu)設(shè)計 與手指運(yùn)動相關(guān)的手部骨骼主要包括掌骨、 近指骨、 中指 骨 及 遠(yuǎn) 指 骨， 并 依 次 由 掌 指 關(guān)節(jié)、 近端指關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)端指關(guān)節(jié)連接。依據(jù)手指關(guān)節(jié)運(yùn)動規(guī)律， 設(shè)計了四連桿終端牽拉式手指康復(fù)訓(xùn)練裝置， 由直線電機(jī)、 弧形架、 連桿及指套構(gòu)成， 連接點(diǎn)Ｇ、 Ｋ、 Ｂ、 Ａ、 Ｆ 均 為 鉸 鏈 結(jié) 構(gòu)。Ａ 點(diǎn) 有 限 位 銷， 用 于限定弧形架與連桿間的夾角范圍， 防止沿連桿方向的推力過小 甚 至 消 失?；?形 架、 連 桿 及 指 套 構(gòu) 成３自由度系統(tǒng)， １個獨(dú)立的輸入控制量， 因此屬于欠驅(qū)動式系統(tǒng)， 其終端運(yùn)動具有一定的不確定度套與遠(yuǎn)指骨固定后， 手指及機(jī)械機(jī)構(gòu)共同構(gòu)成了六連桿結(jié)構(gòu)， 決定了手指關(guān)節(jié)的活動范圍。 圖2.2-1手指康復(fù)治療機(jī)械手臂模型簡圖 2.2手指康復(fù)手臂的運(yùn)動分析 康復(fù)訓(xùn)練裝置必須能夠帶動手指在所需的范圍內(nèi)進(jìn)行屈曲伸展運(yùn)動， 這需要對機(jī)械構(gòu)件的各個尺寸進(jìn)行優(yōu)化 設(shè) 計。 將 圖 １ 中 手 指 及 前 端 機(jī) 械 構(gòu) 件（ 弧形架 ＢＡ 段、 連桿及指套） 簡化為圖２所示的運(yùn)動學(xué)模型。Ｃ、 Ｄ 兩 點(diǎn) 分 別 位 于 掌 指 關(guān) 節(jié) 與 近 端 指關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸中心， Ｅ 位于指套與手指終端接觸點(diǎn)， 且指套與遠(yuǎn)指骨相互垂直。由于遠(yuǎn)端指骨較短， 所以為了便于計算忽略其長度。角β、 γ 分別為掌指關(guān)節(jié)和近端指關(guān)節(jié)的彎曲角度， 弧形架轉(zhuǎn)動角度用α 表示，弧形架與連 桿 間 夾 角 用δ 表 示， 則 向 量（ β ０， γ ０， α ０，δ ０） 實(shí)際代表了手指及前端機(jī)械構(gòu)件的空間狀態(tài)，所有存在的空間狀態(tài)構(gòu)成狀態(tài)集Ｍ。對機(jī)械構(gòu)件尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的目的是使 Ｍ包含手指在屈曲伸展過程中所有可能的空間狀態(tài)。 圖2.2-2手指康復(fù)治療機(jī)械手模型運(yùn)行軌跡簡圖 當(dāng)電機(jī)做伸縮運(yùn)動時， 改變α值， Ａ 點(diǎn)坐標(biāo)可由α 唯一確定 ｘ Ａ ＝ｌ ３ｃｏｓ α ｙ Ａ ＝ｌ ３ｓｉｎ α＋ｈ１ Ａ 點(diǎn)由鉸鏈連接， 因此連桿與弧形架間可發(fā)生自由轉(zhuǎn)動， 又由于限位銷的存在， 因此有δ ｍｉｎ ≤δ≤δ ｍａｘ Ｆ 點(diǎn)位置由δ 確定，可通過方程組求得。 由于中指骨長度L2及指套高度H2 固 定，且兩者垂直，因點(diǎn)到Ｆ點(diǎn)距離為， 又因?yàn)椋狞c(diǎn)到Ｃ點(diǎn)距離為L1， 因此有 由Ｅ點(diǎn)到Ｄ點(diǎn)及Ｆ點(diǎn)的距離關(guān)系可知 式中兩不等式依據(jù)人手指骨骼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及Ｄ、 Ｅ、 Ｆ３點(diǎn)的位置關(guān)系得到， ａ、ｂ和ｃ為Ｄ、Ｆ點(diǎn)所確定的直線方程的系數(shù)。 綜上所述,手指關(guān)節(jié)及前端機(jī)械構(gòu)件的狀態(tài)空間集求解過程為： ①給定某一α 值，求得 Ａ 點(diǎn)坐標(biāo)； ②給定某一δ 值，求得 Ｆ 點(diǎn)坐標(biāo)； ③由Ｆ點(diǎn)坐標(biāo)確定Ｄ、Ｅ點(diǎn)位 置，由公式可 知，其解的 數(shù)可能為１、 或者０， 其中０ 表示此種狀態(tài)不存在； ④ 當(dāng)狀態(tài)存在時， 由 各 點(diǎn) 坐 標(biāo)求 得 角 度β、 γ； ⑤ 在［ δ ｍｉｎ， δ ｍａｘ］內(nèi)， 令δ＝δ＋Δ δ， 重復(fù)過程②③④； ⑥令α＝α－Δ α，重復(fù)過程②③④⑤。經(jīng)過上述過程， 求得所有可能的向量（ β， γ， α， δ） 構(gòu)成的空間狀態(tài)集。手指及前端機(jī)械構(gòu)件的空間狀態(tài)集 Ｍ 由公式確定， 此狀態(tài)集中α受電機(jī)直接控制。弧形架的轉(zhuǎn)動范圍越大， 空間狀態(tài)集越大， 包含所有手指空間狀態(tài)的可能性越大。然而， 由于直線電機(jī)可推動弧形架轉(zhuǎn)動的角度有限， 因此需要對機(jī)械構(gòu)件后端（ 電機(jī)、 弧形架 ＫＢ 段及基座） 進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計使得電機(jī)推動弧形架轉(zhuǎn)動的角度滿足前端所需。圖３所示是電機(jī)及機(jī)械構(gòu)件后端的運(yùn)動學(xué)模型， 其 中Ｋ１、 Ｋ２ 分別為電機(jī)完全回縮及伸出時的終端位置，θ1、 θn 分別為完全回縮與伸出時ＫＢ 段與ｘ 軸的夾角， 則電機(jī)實(shí)際可推動弧形架轉(zhuǎn)動的角度為θ1－θn。由圖可知， 各點(diǎn)坐標(biāo)滿足方程： 圖2.2-3手指后端簡化運(yùn)動模型 考慮到訓(xùn)練裝置的可穿戴性，其尺寸大小應(yīng)該有所限定，因此應(yīng)有。另一方面，直線電機(jī)推動弧形架轉(zhuǎn) 的角度需要大于一定值θ １Ｎ， 且電機(jī)的推動弧形架的平均輸出扭矩應(yīng)該最大化， 即 式中：ｆ為電機(jī)輸出力，且為定值；ｈ為直線ＧＫ到原點(diǎn)Ｂ 的距離。 2.3數(shù)值計算 對于特定的手指長度， 利用數(shù)據(jù)分析進(jìn)行數(shù)值計算， 求解不同尺 寸 機(jī) 械 構(gòu) 件 下 運(yùn) 動 學(xué) 模 型 的 Ｍ， 找尋某一尺寸組合使得 Ｍ 包含手指屈伸過程中 所 有可能的空間狀態(tài)。對于給定的手指長度ｌ １、 ｌ ２， 需要確定機(jī)械構(gòu)件尺寸ｌ ３， ｌ ４、 ｈ １ 及ｈ ２。由于變量較多可以通過某 些 構(gòu) 件 的 實(shí) 際 情 況 進(jìn) 行 預(yù) 先 的 尺 寸 設(shè)定。考慮到設(shè)備的可穿戴性及美觀性， 應(yīng)盡量減?。?１、 ｈ ２， 同時為避免機(jī)械沖突， 設(shè)定ｈ １＝２．５ｃｍ， ｈ ２＝２ｃｍ。依據(jù)初步計算結(jié)果， ｌ ４＝４ｃｍ 通常可取得較好效果。以ｌ １＝４．５ｃｍ、 ｌ ２＝３ｃｍ、 ６０°≤δ≤１２０°為例， 求 得 在 式（ １） ～ 式（ ５） 限 定 下 不 同ｌ ３所 對 應(yīng) 的Ｍ， 僅取其中的β及γ、 繪制手指空間狀態(tài)圖， 如圖４所示（ 陰影部分）。設(shè)定手指完全伸展時β與γ 均為０°， 中（ ０， ０） 點(diǎn)， 而 目 標(biāo) 屈 曲 狀 態(tài) 時β 與γ 分 別為６０°、 ８０°，中（ ６０， ８０） 點(diǎn)。從 計 算 結(jié) 果 可 以看出： 當(dāng)ｌ ３≤７．５ｃｍ 時， 手指無法達(dá)到目標(biāo) 屈 曲 狀態(tài)； 當(dāng)ｌ ３≥９ｃｍ 時， 手指無法達(dá)到完全伸展?fàn)顟B(tài)； 當(dāng)８ｃｍ≤ｌ ３≤８．５ｃｍ 時， 對于當(dāng)前給定的手指長度， 手指可在完全伸展及目標(biāo)屈曲狀態(tài)間運(yùn)動。Ｍ 包含了 弧 形 架 轉(zhuǎn) 動 過 程 中 所 有 可 能 的 手 指 及機(jī)械構(gòu)件空間狀態(tài)。為了觀察各個角度隨弧形架轉(zhuǎn)動的變化情況， 不失一般性地選擇從伸展?fàn)顟B(tài)（ ０，０） 點(diǎn)到目標(biāo)屈曲狀態(tài)（ ６０， ８０） 點(diǎn)的直線Ｌ 作為手指狀態(tài)變化的軌跡。利用空間狀態(tài)搜尋法來實(shí)現(xiàn)這一過程， 僅考察元素β、 γ， 找尋 Ｍ 中離伸展?fàn)顟B(tài)（ ０， ０）點(diǎn)最近的點(diǎn) ｍ０， 并記錄α的值為弧形架的初始狀態(tài)α ０。在第ｉ（ ｉ＝１， ２， ３，…） 步中， 令α ｉ＝α ０－ｉ α， 找尋Ｍ 中元素α 等于α ｉ 且離直線Ｌ 最近（ 僅考察元素β、γ） 的點(diǎn) ｍ ｉ， 直至達(dá)到目標(biāo)屈曲狀態(tài)（ ６０， ８０） 點(diǎn)。 圖2.3-1不同關(guān)節(jié)支撐架對手指移動范圍的關(guān)系圖 由上述所得的一系列狀態(tài)點(diǎn)可得夾角δ 及角度β、 γ隨α 變化的曲 線， 如 圖５所 示。β從０．１７°變 化到６０．５５°， γ 從０．２５° 變化到８０．７３°， δ在６０° 與１２０° 范圍內(nèi)連續(xù)變化， 滿足設(shè)計要求。同時， 整個過程弧形架轉(zhuǎn)動８４°， 即θ １Ｎ＝８４°電機(jī)位置由尺寸ｌ ５、 ｌ ６ 確定， 滿足公式）所描 述 的 限 定 條 件。 電 機(jī) 回 縮 狀 態(tài) 下 的 長 度 為8.25ｃｍ， 完全 伸 出 時 的 長 度 為１１．２５ｃｍ。實(shí) 際 制作的機(jī)械構(gòu)件尺寸不可能過大， 考慮可穿戴性及美觀性， 在此限定ｌ ５＜１４ｃｍ， ｌ ６＜５ｃｍ。由于ｆ 為定值， 為１Ｎ， 則可得 不 同ｌ ５ 與ｌ ６ 組 合 下 電 機(jī) 輸 出 平均扭矩） 及可推動弧形架旋轉(zhuǎn)的角度， 其中值為０的區(qū)域表示此點(diǎn)對應(yīng)的ｌ ５、 ｌ ６ 尺寸與電機(jī)尺寸ｌ ７ 無法構(gòu)成三角形。 以所示結(jié)果為例， θ １－θ ２ 應(yīng) 該 大 于84度， 在此設(shè)定為90度， 另外考慮輸出扭矩最大化， 則最優(yōu)點(diǎn)對應(yīng)的ｌ ５、 ｌ ６ 分被為2.9、 8.4ｃｍ， 此 時 電 機(jī) 可 推 動弧形架旋轉(zhuǎn)90度和59度。從上述分析可知， 前端機(jī)械構(gòu)件的尺寸必須與手指長度匹 配 才 能 夠 使 手 指 有 足 夠 的 關(guān) 節(jié) 活 動 范圍。為每位患者定制一套機(jī)械構(gòu)件顯然是不現(xiàn)實(shí)的。 圖2.3-2電缸輸出力與L5和L6的關(guān)系 第三章 手指康復(fù)機(jī)械手臂的三維建模 3.1軟件介紹 目前三維設(shè)計軟件是比較常用的軟件，其功能強(qiáng)大可以繼承許多專業(yè)的插件，以滿足不同設(shè)計的需求，而且可以在三維模型的基礎(chǔ)上出具二維工程圖，簡單便捷，直觀性比較強(qiáng)，避免了二維CAD畫圖對加工技術(shù)人員由于不細(xì)心導(dǎo)致的不必要的失誤。目前三維設(shè)計軟件種類很多，常用的有SolidWorks、UG、proe、catia、3DMAX、犀牛等眾多三維軟件，但其側(cè)重點(diǎn)也有許多不同。SolidWorks三維軟件因其標(biāo)準(zhǔn)件庫比較多，比如軸承、同步輪、同步帶、電動機(jī)、螺栓等標(biāo)準(zhǔn)件庫眾多，使用起來比較簡單方便，而且具有鈑金、焊件等一類的設(shè)計命令，比較適合機(jī)械行業(yè)的使用，尤其非標(biāo)自動化行業(yè)的運(yùn)用，但其曲面命令相對較少，在做曲面類零件時往往比較麻煩。UG設(shè)計軟件相對來說對磨具制造行業(yè)運(yùn)用比較廣泛，其模具制造的分型面、分模命令、而且集成西門子設(shè)備可以模擬刀路運(yùn)行和直接編輯行程加工軌跡的G代碼，被廣泛應(yīng)用于模具行業(yè)。Proe和CATIA其曲面命令相對來說操作簡單，在車輛設(shè)計和打飛機(jī)的設(shè)計等運(yùn)用比較廣泛，但其畫圖等要求比較嚴(yán)謹(jǐn)，也對設(shè)計人員提出了更高要求。3Dmax和犀牛類軟件主要運(yùn)用在產(chǎn)品設(shè)計人員的使用率較高，主要是對產(chǎn)品的外觀要求表較高，后期可以借助專業(yè)的渲染軟件加強(qiáng)對產(chǎn)品設(shè)計的美觀性與協(xié)調(diào)性，經(jīng)常廣泛性的應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域。歸根揭底不管哪一類三維設(shè)計軟件都有其長處，都在差異化的基礎(chǔ)上求同，其設(shè)計性能是越來越便捷越來越高效。只要掌握一兩種三維設(shè)計軟件基本可以滿足對產(chǎn)品、設(shè)備等的設(shè)計與制造。 本次對手指康復(fù)機(jī)械手臂的設(shè)計采用solidworks建模分析。 3.2 SolidWorks三維設(shè)計軟件的常用命令簡述 3.2.1.草圖繪制命令 圖3.2-1草圖繪制命令 草圖繪制命令主要有圓、矩形、線、線條等的基本命令，還有草圖陣列、鏡像等的實(shí)用工具，其主要操作方法就是在建立基準(zhǔn)繪制面的基礎(chǔ)上進(jìn)行草圖的繪制，將其結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)定完成后通過后期特征命令再進(jìn)行操作，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)等命令可以實(shí)現(xiàn)二維到三維圖紙的變換。 3.2.2特征繪制命令 圖3.2-2特征繪制命令 常用的特征繪制命令有拉伸、切除、旋轉(zhuǎn)、掃描、圓角、實(shí)體特征陣列鏡像等等特征命令，其主要作用是將二維的平面圖拉伸或旋轉(zhuǎn)等的命令轉(zhuǎn)換為實(shí)體空間模型，再載切除圓角、拔摸、抽殼等的命令下完成其三維模型其他特征的建立。 3.2.3鈑金、焊件等其它特征繪圖命令 圖3.2-3鈑金、焊件繪制命令 在做鈑金類零件時，需要先做基本法蘭薄板類，在薄板的基礎(chǔ)上進(jìn)行折彎、邊線法蘭、切口等繪制命令。焊件類命令主要是在三維空間中進(jìn)行設(shè)計，需要先繪制三維立體空間的草繪圖形，然后根據(jù)焊接的不同結(jié)構(gòu)選擇方管、工字鋼、角鋼等具體型號型材類單元，后期添加角支撐板、焊縫等命令的操作，使用簡單便捷，免去了畫二維圖紙帶來的結(jié)構(gòu)不直觀，參閱材料文件眾多的弊端。 3.2.4 邁迪數(shù)據(jù)庫等插件操作 圖3.2-4邁迪等插件的添加 邁迪數(shù)據(jù)庫插件為第三方插件公司制造，其中包換很多標(biāo)準(zhǔn)模型和在線數(shù)據(jù)庫等的標(biāo)準(zhǔn)模型，其主要是配件公司根據(jù)其規(guī)格型號上傳三維樣本，可直接在數(shù)據(jù)庫找到某一廠家某異型號的三維樣本，其操作簡單快捷，而且省時省力，免去了查閱樣本資料帶來的時間浪費(fèi)，而且避免一些過久的老型號配件選好后很難購買的弊端。其它活動類插件有渲染類的工具，有限元分析類的插件，切實(shí)可行的提高了工作效率，免去了一些常規(guī)力學(xué)分析過分沉長的計算過程，節(jié)約了時間提高了設(shè)計效率，降低設(shè)計成本。 3.3手指康復(fù)機(jī)械臂的建模 3.3.1手臂支撐的三維建模 在手臂支撐板的建模中，根據(jù)第二章所統(tǒng)計普通人手掌的尺寸，進(jìn)行三維建模，手臂支撐板在手指康復(fù)機(jī)械臂的設(shè)計中起到支撐其他零部件和固定患者手臂的作用其材料使用高強(qiáng)度鋁合金，不僅外觀美觀大方而且強(qiáng)度高，可以長久的起到支撐手臂的作用。 3.3-1手臂支撐的三維建模 3.3.2大拇指支撐塊的三維建模 大拇指支撐塊主要起到固定大拇指電缸的作用，其中與電動缸的鏈接為旋轉(zhuǎn)銷，其中旋轉(zhuǎn)銷采用銅制，由于銅制材料較高強(qiáng)度鋁合金材質(zhì)較軟，在長久的旋轉(zhuǎn)磨擦的過程中可以有效減少大零件的磨損，當(dāng)長時間旋轉(zhuǎn)運(yùn)行中，在轉(zhuǎn)動銷磨損嚴(yán)重的情況下可簡單的更換傳動銷，節(jié)約維修成本。 3.3-2大拇指支撐塊的三維建模 3.3.3第一關(guān)節(jié)支撐塊的建模 第一關(guān)節(jié)支撐塊在手指康復(fù)機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)中主要起固定第一關(guān)節(jié)和手指與手掌的鏈接的作用，其與手掌的鏈接采用螺栓鏈接固定，與第一關(guān)節(jié)的鏈接為銅制轉(zhuǎn)動銷的鏈接。在與手掌的鏈接中采用螺栓鏈接，可以避免因使用不當(dāng)造成機(jī)械手臂損壞時可以隨機(jī)簡單的更換相應(yīng)的配件，與第一關(guān)接采用銅制轉(zhuǎn)動銷，可以再磨損較為嚴(yán)重的情況下更換轉(zhuǎn)動銷，有效避免更換主要零部件的作用，降低維修成本和后期保養(yǎng)的成本。 3.3-3第一關(guān)節(jié)支撐塊的建模 3.3.4第一關(guān)節(jié)建模 第一關(guān)節(jié)起到的作用是在電動缸的作用下，電缸輸出軸前伸，在連桿的作用下，第一關(guān)機(jī)接在轉(zhuǎn)動銷的作用下圍繞一圓心旋轉(zhuǎn)，模擬人體手掌第一關(guān)節(jié)的作用，其中五根手指由于長度不同，故其尺寸長度各不相同，中指最長、無名指和食指次之，小拇指和大拇指最短。另外第一關(guān)節(jié)的還起到固定第二關(guān)節(jié)的作用，與第二關(guān)節(jié)行程多連桿，在電缸的作用下，與第二關(guān)節(jié)支撐塊的限制下模擬人體手掌手指的動作。起重第一關(guān)節(jié) 采用高強(qiáng)度鋁合金為加工材料，在與第一關(guān)節(jié)固定塊的鏈接旋轉(zhuǎn)過程中，在第一關(guān)節(jié)的銷空中裝有無油自潤滑銅套，起到減小摩擦，放置主要零件磨損的情況，減小后期維護(hù)成本。 3.3-4第一關(guān)節(jié)建模 3.3.5第二關(guān)節(jié)固定塊的建模 第二關(guān)節(jié)固定塊主要起到鏈接第一關(guān)節(jié)固定塊和固定旋轉(zhuǎn)第二關(guān)節(jié)的作用，其中開有模擬第二關(guān)節(jié)運(yùn)動軌跡的圓弧型槽口，第二關(guān)節(jié)鏈接銷在槽口中根據(jù)槽口的尺寸進(jìn)行滑動移動，起到模擬第二關(guān)節(jié)運(yùn)動軌跡的作用。其中第二關(guān)節(jié)固定塊和第一關(guān)節(jié)固定塊的固定方式為通過弧形連接板與第一關(guān)節(jié)固定塊鏈接，其中鏈接方式為螺栓鏈接，主要是為了后期維護(hù)保養(yǎng)復(fù)雜程度和維護(hù)成本考慮，可以簡單的更換配件和維修設(shè)備。 3.3-5第二關(guān)節(jié)固定塊和第一關(guān)節(jié)固定塊的連接板 3.3-6第二關(guān)節(jié)固定塊的建模 3.3.6第二關(guān)節(jié)建模 第二關(guān)節(jié)固定于上圖第二關(guān)節(jié)固定塊中，主要起到模擬手指末端關(guān)節(jié)運(yùn)動軌跡的作用，其中與第以關(guān)節(jié)的連接方式為連桿結(jié)構(gòu)，與第二關(guān)節(jié)固定塊的連接方式為滑動限位結(jié)構(gòu)，只允許第二關(guān)節(jié)在第二關(guān)節(jié)固定塊中做相應(yīng)的軌跡移動，以滿足手指彎曲和平伸的運(yùn)動動作。其各手指末端關(guān)節(jié)尺寸長度不等，根據(jù)對普通人手指的統(tǒng)計參數(shù)選取數(shù)據(jù)參數(shù)的平均值，以滿足更多患者獲得康復(fù)治療的需求。 3.3-7第二關(guān)節(jié)建模 3.3.7手指和手臂綁帶的設(shè)計建模 綁帶在手指康復(fù)機(jī)械手臂的作用是將患者手臂和手指于康復(fù)設(shè)備固定在一起，起到模擬帶動手指做康復(fù)訓(xùn)練的目的。其松緊程度可調(diào)，以適應(yīng)不同體重不同手臂尺寸的患者的需求，松緊度可調(diào)，力求患者在康復(fù)訓(xùn)練的過程中得到最舒服的感受，避免機(jī)械磨損對患者手臂的二次傷害，其中手臂中安有漫反射開關(guān)有一定的保護(hù)作用，在患者未穿戴好設(shè)備時，設(shè)備鎖死無法啟動，放置使用不當(dāng)造成設(shè)備的損壞和對患者手臂的二次傷害。 3.3-8手指和手臂綁帶的設(shè)計建模 3.3.8手指康復(fù)機(jī)械手臂的總裝 各關(guān)節(jié)之間相互配合，使之相互作用，在共同的作用協(xié)調(diào)寫完成對手指運(yùn)動的模擬分析。 3.3-9手指康復(fù)機(jī)械手臂的總裝 致 謝 通過畢業(yè)設(shè)計，是對我大學(xué)學(xué)習(xí)專業(yè)課程知識的檢驗(yàn)，通過對手指康復(fù)機(jī)械手臂的設(shè)計，查閱相關(guān)資料，了解手指康復(fù)機(jī)械手臂的用途以及未來發(fā)展的趨勢有了更細(xì)致的認(rèn)識。從而提高了運(yùn)用所學(xué)知識的能力，全面鍛煉了我駕御知識的能力,使我對大學(xué)以來所學(xué)的理論知識進(jìn)行了系統(tǒng)化、條理化、全面化的回顧,讓我明白了如何運(yùn)用自己所學(xué)的知識，同時又學(xué)到了其他獲取知識的方法；從而使我獲得了一次大規(guī)模檢索相關(guān)資料的機(jī)會，提高了運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)和對專業(yè)計算機(jī)軟件輔助的能力。 而這些知識都將化作寶貴的財富,為我以后所要從事的工作打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。 畢業(yè)設(shè)計的完成，即使這個畢業(yè)設(shè)計并不完美，我也懂得了學(xué)習(xí)是一個長期積累的過程，我不僅收獲了知識而且也鍛煉了品質(zhì)，通過這次認(rèn)真而又細(xì)致的畢業(yè)設(shè)計，我對待事情的態(tài)度更加嚴(yán)謹(jǐn)更加有耐心，并且我更希望把所做的事情做好做完美，我想這將是一種很重要的財富。 時光飛逝大學(xué)的學(xué)習(xí)生活到了這個季節(jié)將要畫上一個圓滿的句號（更多的是對老師同學(xué)的不舍與感謝），而對于我的人生來說這還只是一個逗號，同時也是我以后人生的一個開端。在此我要特別感謝我的指導(dǎo)老師的熱情關(guān)懷和悉心教導(dǎo)，在我編寫論文之際給與了很大的幫助以至于我不會在設(shè)計的過程中迷失方向，失去前進(jìn)動力。在論文的編寫、選題方面得到了老師無私的幫助，不厭其煩的幫助進(jìn)行論文的修改和改進(jìn)，直到畢業(yè)設(shè)計的完成。指導(dǎo)老師精湛的技術(shù)和扎實(shí)的專業(yè)知識，都深深的影響著我，將對我以后的學(xué)習(xí)、生活和工作大有裨益。這些都是我所需要學(xué)習(xí)的，感謝指導(dǎo)老師給予了我這樣一個學(xué)習(xí)機(jī)會，感謝老師！ 感謝關(guān)心我支持我的朋友們和同學(xué)們，感謝學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)、老師們，感謝你們給予我的幫助與關(guān)懷；我以你們?yōu)榘駱?，我以是您的學(xué)生而自豪。再次感謝！ 參考文獻(xiàn) [1]張帆, 郭書祥, 魏巍. 欠驅(qū)動式外骨骼手指康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計和仿真[J]. 天津理工大學(xué)學(xué)報, 2015(2):30-34. 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