柔性传动穿戴式仿生腕关节康复训练器设计开题报告

1. 研究目的与意义

在老年人人群中,脑卒中(中风)是一种具有高发病率的疾病,绝大多数的幸存患者会出现偏瘫后遗症,导致运动功能障碍。其中,手功能的受损严重影响了日常的生活,需要采用有效的康复方法来改善或恢复运动功能。目前主流腕关节主要通过复杂的机械结构实现三自由度转动，通过电机来驱动各部分运动，且腕关节刚度大。例如詹建明等发明的一种机器人腕关节。这些传统的腕关节带来了些不利因素：腕关节驱动肌肉通常包含齿轮齿条传动、齿轮传动等，这些传动机构的引入降低了精度：复杂的机械结构耦合性比较强，实现特定的转动位置调整驱动器幅度大，明显显得不够灵活：复杂的机械结构往往很难做得小巧玲珑：电机作为驱动源，通过多级减速作用于末端执行器的功率降低，所能提供的负载力比较小，且减速之后精度变低；电机驱动的腕关节只能通过主动顺应控制末端执行器作用于负载上作用力，控制算法复杂。

因此，针对脑卒中病人上肢康复训练机器人项目需求，设计基于套索传动的穿戴式仿生结构腕关节康复训练器，最终作为康复训练机器人的一个组成部分，满足项目需要。

2. 课题关键问题和重难点

主要研究工作包括，1）易于病人穿戴的符合人体工程学要求的仿生结构两自由度腕关节训练器的构型及结构；2）康复训练器的套索传动机构设计、分析及计算；3）电机减速器选型计算、及电机基本运动控制；4）在课题组研究生帮助下，实现计算机控制的主被动多种康复训练模式和参数的关节运动控制，可以在ros中建模和仿真。完成样机的设计，完成三维设计、全套二维图绘制.

熟悉一种三维建模软件（如solidworks、proe等），熟悉autocad、ansys，熟悉matlab等计算仿真软件；计算准确、设计严谨、图纸规范。

3. 国内外研究现状（文献综述）

目前主流腕关节主要通过复杂的机械结构实现三自由度转动，通过电机来驱动各部分运动，且腕关节刚度大。例如詹建明等发明的一种机器人腕关节。这些传统的腕关节带来了些不利因素：腕关节驱动肌肉^[2]通常包含齿轮齿条传动、齿轮传动、气传动^[1]等，这些传动机构的引入降低了精度：复杂的机械结构耦合性比较强，实现特定的转动位置调整驱动器幅度大，明显显得不够灵活：复杂的机械结构往往很难做得小巧玲珑：电机作为驱动源，通过多级减速作用于末端执行器^[3]的功率降低，所能提供的负载力比较小，且减速之后精度变低；电机驱动的腕关节只能通过主动顺应控制末端执行器作用于负载上作用力，控制算法复杂。

我希望设计一种新型穿戴式腕关节康复器，包括前臂支撑架和设置在前臂支撑架上的前臂支撑板，所述前臂支撑架一端连接有支撑悬杆，所述支撑悬杆另一端上设置有支撑台^[4]，所述支撑台上沿竖直方向开设有弧形通孔，所述弧形通孔内设置有与之相匹配的弧形手掌托杆，所述弧形手掌托杆一端连接有手掌托台，所述支撑台上水平开设有与弧形通孔贯通的旋钮安装孔，所述旋钮安装孔内设置有锁紧旋钮。此设计，通过在前臂支撑架上的前臂支撑板，这样便于利用前臂支撑板与手臂的结合来固定整个康复器；通过在前臂支撑架一端连接有支撑悬杆，这样便于给手腕的运动留出足够的空间，同时也便于了后续结构件的连接和安装；通过在支撑台上沿竖直方向开设有弧形通孔，在弧形通孔内设置有与之相匹配的弧形手掌托杆，在弧形手掌托杆一端连接有手掌托台，这样便于了通过弧形手掌托杆与弧形通孔的配合来实现手掌的弧线运动，从而进行手腕的康复训练；最后通过在支撑台上水平开设有与弧形通孔贯通的旋钮安装孔，在旋钮安装孔内设置有锁紧旋钮，这样便于利用锁紧旋钮来固定弧形手掌托杆，从而对整个手掌进行支撑固定，以满足多样化使用。此设计，包括前臂支撑架和设置在前臂支撑架上的前臂支撑板，所述前臂支撑架一端连接有支撑悬杆，所述支撑悬杆另一端上设置有支撑台，所述支撑台上沿竖直方向开设有弧形通孔，所述弧形通孔内设置有与之相匹配的弧形手掌托杆^[5]，所述弧形手掌托杆一端连接有手掌托台，所述支撑台上水平开设有与弧形通孔贯通的旋钮安装孔，所述旋钮安装孔内设置有锁紧旋钮，所述前臂支撑板上设置有前臂绑带所述前臂支撑板的横截面为u形，所述手掌托台上设置有软垫，所述手掌托台上连接有束缚带，所述前臂支撑架、支撑悬杆、支撑台和弧形手掌托杆的材料为塑料。

为了便于对手臂进行固定，前臂支撑板上设置有前臂绑带^[6]。为了使手臂放在前臂支撑板上更加舒适，前臂支撑板的横截面为u形。再在手掌托台上增加软垫。为了便于对手掌进行固定，手掌托台上连接有束缚带。上述提到的前臂支撑架、支撑悬杆、支撑台和弧形手掌托杆的材料均为塑料，这样便于选材和使用，同时塑料材质较轻，易于携带和穿戴。

4. 研究方案

设计一种新型穿戴式腕关节康复器，包括前臂支撑架和设置在前臂支撑架上的前臂支撑板，所述前臂支撑架一端连接有支撑悬杆，所述支撑悬杆另一端上设置有支撑台，所述支撑台上沿竖直方向开设有弧形通孔，所述弧形通孔内设置有与之相匹配的弧形手掌托杆，所述弧形手掌托杆一端连接有手掌托台，所述支撑台上水平开设有与弧形通孔贯通的旋钮安装孔，所述旋钮安装孔内设置有锁紧旋钮。

本设计，通过在前臂支撑架上的前臂支撑板，这样便于利用前臂支撑板与手臂的结合来固定整个康复器；通过在前臂支撑架一端连接有支撑悬杆，这样便于给手腕的运动留出足够的空间，同时也便于了后续结构件的连接和安装；通过在支撑台上沿竖直方向开设有弧形通孔，在弧形通孔内设置有与之相匹配的弧形手掌托杆，在弧形手掌托杆一端连接有手掌托台，这样便于了通过弧形手掌托杆与弧形通孔的配合来实现手掌的弧线运动，从而进行手腕的康复训练；最后通过在支撑台上水平开设有与弧形通孔贯通的旋钮安装孔，在旋钮安装孔内设置有锁紧旋钮，这样便于利用锁紧旋钮来固定弧形手掌托杆，从而对整个手掌进行支撑固定，以满足多样化使用。

本设计，包括前臂支撑架和设置在前臂支撑架上的前臂支撑板，前臂支撑架一端连接有支撑悬杆，支撑悬杆另一端上设置有支撑台，支撑台上沿竖直方向开设有弧形通孔，弧形通孔内设置有与之相匹配的弧形手掌托杆，弧形手掌托杆一端连接有手掌托台，支撑台上水平开设有与弧形通孔贯通的旋钮安装孔，旋钮安装孔内设置有锁紧旋钮，前臂支撑板上设置有前臂绑带所述前臂支撑板的横截面为u形，手掌托台上设置有软垫，手掌托台上连接有束缚带，前臂支撑架、支撑悬杆、支撑台和弧形手掌托杆的材料为塑料。

5. 工作计划

2022.12.1-2023.1.1研究现有设计文献，通读外文并进行翻译，深入研究并分析结构以及优缺点，设计自己的概念模型

1.1-2.1学习所需要的新知识，结合目前本科所学知识-机械设计制作，三维建模，互换性与装配技术，验证模型的可实现性

2.1-3.15熟悉一种三维建模软件（如solidworks、proe等），熟悉autocad、ansys，熟悉matlab等计算仿真软件。根据概念模型，完成初步建模，并绘制初步二维图，之后进行计算确定具体参数。