上肢康复机器人设计
程秀芳，王腾飞，李文玉
【摘 要】随着脑卒中患者的增多，由脑卒中引起的偏瘫受到越来越多的关注。上肢偏瘫严重影响着患者的生活，由于传统治疗方法存在局限性，所以出现了新的康复领域-康复机器人。设计了一款能满足患者肘关节屈、伸运动和前臂旋前、旋后运动的机械机构。
【期刊名称】河北联合大学学报（自然科学版） 【年(卷),期】2016(038)001 【总页数】5
【关键词】机构；康复训练；安全限位；运动空间
引言
脑卒中也称脑中风，是由于脑部血液循环障碍引起的神经系统损伤。尽管脑外科手术技术在不断进步，患者的死亡率在逐渐降低，但是由脑中风造成的偏瘫患者逐年增多，且多数偏瘫患者失去了生活自理能力，因此给家庭和社会带来了极大的负担。传统的治疗方式是医师和患者进行一对一的单独训练，这种方法效率低，价格比较昂贵，一般家庭难以承受。而且不同医师的治疗水平不同，很难保证每个患者都能得到高效的康复训练。康复机器人是将机器人技术引入到康复医学领域的产物，与传统的康复训练方法相比，康复机器人的出现使医师从繁重的体力劳动中得以解放，不仅减弱了人为因素的影响，提高了康复训练的效率，而且随着人机接口研究的深入，医师还可以根据接口反馈出来的信息进行康复方案的改进，更有助于偏瘫患者的康复训练。
上肢运动功能障碍对患者的日常生活影响很大，所以对上肢康复机器人的研究
显得尤为重要。目前多数康复机器人比较庞大，患者只能在医院进行康复训练。针对这些问题，该项研究设计了可以穿戴在患者身上的上肢康复机器人，帮助患者实现肘关节屈伸运动和前臂旋前、旋后运动，患者既可在医院又可在家中进行康复训练。
1 机构总体设计方案
1.1 上肢康复机器人的设计要求
由于设计的康复机构直接作用于患者的肢体，所以首先应满足安全性的条件，防止因为康复训练给患肢带来二次伤害。设计的康复机构要求能适应不同患者肢体的长度，所以设计的康复机构要设有调节件。患者在不同的康复阶段，其运动的范围也有所不同，设计的康复机构要满足患者不同康复阶段的使用。由于患者肢体运动能力的丧失，所以必须考虑增加支撑患者肢体的结构。为了便于康复机构的推广，设计的机构尽量满足经济性要求。还要保证机器人的运动空间和人体上肢的运动空间相一致。 1.2 上肢康复机器人的设计构想
要保证康复机器人的轻便，材料的选择是关键。综合考虑各材料的性能，零件以铝合金作为主要材料。镁为主要元素，添加少量铜、锰、硅、铁等元素的6061-T5铝合金经过热处理后，获得了良好的物理性能、抗腐蚀性能和机械性能，其加工性能优于其他铝合金材料。在康复训练过程中安全是最重要的，所以要在肘关节屈伸和前臂旋转设定限位装置，防止因康复训练造成患者肢体的二次损伤。肘关节屈伸运动和前臂旋前、旋后运动要求的转矩和速度不同，所以要选择不同的电机分别进行驱动。腕部直齿轮采用扇形结构，便于腕部的固定。
1.3 上肢康复机器人运动范围
患者的肢体运动受限，由于其康复训练是在康复机器人的带动下进行的，所以设计的机器人的运动范围应小于人体正常运动时的范围，表1为上肢康复机器人的运动范围。
2 上肢康复机器人的结构设计
2.1 上肢康复机器人基本尺寸
根据中国成年人人体尺寸数据GB10000-88，选择身高为1 750 mm的中年男子为参考进行计算，相关数据如表2所示。
考虑到设计的康复机器人应适应不同患者的肢体长度，所以该机构应设有可调节件，根据表2中的数据，在大臂长度取280 mm，小臂长度取220 mm的基础上留有50 mm的余量，通过调节螺栓来调节长度，即机械大臂长度范围为260～310 mm，机械小臂长度范围为200～250 mm。 2.2 电机和减速器的选型
电机是机器人的动力源，选择合适的电机对于康复机器人来说尤为重要。电机的转速太快、转矩太小，所以选择电机的同时要选择配套的减速器，两者配合使用来满足康复机器人低转速、大转矩的要求。
查阅相关资料，人体平均密度为kg/m3人体质量估算公式为： (1) 式中：
ρ—人体密度，kg/m3； l—长度，mm； C—周长，mm。
上肢康复机器人设计
