《新型膝关节用CPM机的结构设计.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《新型膝关节用CPM机的结构设计.pdf（42页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、 I 摘要 CPM康复机技术是近年来迅速发展起来的一门新兴技术，是机电一体化技术在医学领域的新应用。下肢膝关节康复机是其中的一种，它可以模拟正常人的膝关节屈伸姿态，对下肢有运动障碍的病人进行有效的下肢康复训练。本课题的主要研究内容是设计一种能满足康复用的 CPM机。本课题的主要研究内容是设计一种具有虚拟髋关节轴特征的 CPM机。本文介绍了康复下肢膝关节康复机技术在国内外发展现状和应用情况，并对下肢膝关节康复器 CPM机的机械结构进行分析设计。设计出的双平行四边形结构，满足了设计要求.本文还简要介绍了膝关节康复器的运动学模型，对结构进行了运动学分析。在此基础上，对下肢膝关节康复机的屈伸机构的运动
2、情况进行了动画仿真，为最优设计提供理论依据。关键词：CPM，膝关节，双平行四边形，康复 II Abstract Rehabilitative machine technology is a new one that has been developed rapidly in recent years,which represents the applications of Mechanotronics Technology in the medical field.Horizontal limbs rehabilitative is one of this kind of Mechanotro
3、nics Technology.It can simulate the motion of normal humans laying gesture and give the patients healing training which will help them to recover from illness.The main topic of this study is designing a kind rehabilitation machine which can meet the need after knee surgery.The main topic of this stu
4、dy is designing a kind rehabilitation machine which has a virtual hip shaft features The paper at first systematically overviews the developing and application situation of rehabilitative machine,and puts forward the overall structure scheme for horizontal lower limbs rehabilitative machine.The doub
5、le parallelogram structure that designed can meet the design requirements.In addition，the kinematics models and the kinematical analysis of the Lower Limbs Rehabilitative machine are introduced concisely.On this foundation，the movement process of the gaits equipment is simulated，which provides the t
6、heoretic basis of optimization designing.Key words CPM,knee joint，double parallelogram，recovery III 目录 毕业设计任务 摘要 Abstract 第一章绪论 1 1.1 研究背景及意义 1 1.2 国内外在膝关节康复器械方面的研究现状 2 1.2.1 卧式 CPM机2 1.2.2 立式下肢辅助康复机构 5 1.2.3 论文的主要研究工作 8 第二章 CPM概述 9 2.1 CPM 仪器 9 2.2 作用机制 9 2.3 优点 9 2.4 临床应用范围 9 第三章 膝关节康复器的总体方案研究 11
7、3.1 膝关节康复器的基本功能要求 11 3.2 总体结构方案 11 3.3 方案分析与设计 13 第四章 CPM机的结构设计 16 4.1 具体结构设计要求 16 4.2 各个主要部件的机械结构设计与校核 16 4.2.1 人体参数分析 16 4.2.2 大小腿托架受力分析 19 4.3 传动机构设计 20 4.3.1 各种螺旋传动特点及应用 20 4.3.2 滑动螺旋传动设计 21 4.3.3 丝杠的校核 25 4.3.4 康复器的驱动方式选择 26 4.4 两个底座的设计 29 4.5 大小腿托架杆的设计 31 4.6 角度调节板的设计 32 4.7 滚动轴承的选择 34 4.7.1 轴
8、承的选用原则 34 4.7.2 CPM 机轴承的选择 36 第五章 结论 37 谢辞 38 参考文献 39 1 第一章 绪论 1.1研究背景及意义 膝关节是人体最复杂的关节,在临床和体育运动中经常发生各种损伤。对膝关节及其周围骨或软组织的治疗和手术,常可导致膝关节内、外粘连和僵直,影响膝关节功能恢复,上述问题也是在膝关节康复治疗时候面对的主要的棘手问题。20 世纪 70 年代加拿大骨科专家Salter经过大量实验提出了CPM的概念1。它是利用专门器械使关节进行持续较长时间的缓慢的被动运动,使治疗和康复相结合,可以有效防止关节粘连,对关节内软骨的再生与修复有促进作用,有利于肢体功能的恢复。自从
9、1978年临床应用后,经过 20 年的发展,该技术现在广泛应用于医学、体育等领域,引起了越来越多的关注。膝关节CPM机对膝关节的康复有很大的效果。在传统关节治疗的过程中，通常病人长时间不运动，把关节固定在一个位置，这有肯能造成关节或组织的粘连和挛缩，导致关节僵化、畸形等，影响关节的正常功能，留下后遗症，给患者的工作和生活带来不便。随着科技的进步，越来越多的医学领域的专家认为，术后进行早期锻炼、及时进行系统的康复治疗则可以减少胡杜绝这些后遗症，所以康复一起越来越多应用于医学康复领域。使用肢体功能康复器来代替护理员对患者实施被动运动训练，对减轻人工劳动强度、即及时使患者的的关节运动幅度和能力得到保
10、持和恢复具有重要意义。虽然器械不可能像护理人员那样让患者的肢体做各种各样复杂的运动，但只要能做到几种主要的运动，就能保持和恢复关节运动的幅度，有利于恢复患者肢体的主要运动功能。持续被动运动（Continuous Passive Motion，简称 CPM）是目前关节损伤患者术后康复训练的重要方法。它是在 20 世纪 70 年代初的时候由 Salter等人提出并且发明的，在 80 年代初期专门用在膝关节人工关节置换术后来练习关节活动度，后来被更多的人认识到它的重要性，更广泛地应用在各种膝关节手术之后。使用 CPM机进行关节术后功能训练是比较成熟的康复训练方法。但目前的 CPM康复训练器械多是机械
11、-电机式的，以这种方式来驱动关节，位置精度可以达到很高，但为患者提供的多是刚性、被动的运动和锻炼，并且在运动中由于人体大腿和支撑大腿的支架相互摩擦增加了训练过程中患者的痛苦，实现关节的安全运动较困难。但现有的大多数下肢关节康复器都存在着大腿托架回转中心与人体髋关节转动点不重合的问题，致使运动过程中病员下肢关节压力增大，以及皮肤在康复器上滑移、擦动，给病员带来额外伤痛。针对这个问题的改进方案往往是将康复器设计成具有单侧大腿支架的结构，这是由于病员下身会阴部位的干涉而无法在该部位设置铰接点；这种类型的康复器使用时要经常在左、右两边调整变换，给使用带来不便；且由于采用不对称的单边支撑结构，易造成器械
12、变形。专利ZL94227560.8提出了应用双平行四边形机构和谐波传动机构的改进方法，使病员髋关节转动点与双平行四边形的虚铰接点重合，以避免机构运动时对人体的干涉和皮肤损伤。该技术从原理上有了显著进步，但并没有彻底解决上述问题，因为对于不同的病员，由于身 2 体特征的差异，其髋关节转动点位置是不同的，康复训练器设计时必须考虑如何适应这种差别；另外，由于双平行四边形的虚铰接点是看不到的，如何确定人与训练器的相互位置尚缺乏有效的手段。本课题旨在研究开发一种具有髋关节轴特征的膝关节康复训练器，课题的研究将具有良好的学术意义和实际应用前景。1.2 国内外在膝关节康复器械方面的研究现状 随着科技进步和人
13、民生活水平的提高，人类平均寿命逐渐延长，老龄入口逐渐增多，随着年纪的增长，人的骨骼、关节往往会因为退化或长期使用导致磨损，而骨骼的退化和磨损会导致他们行动不便，或者由于脑血管疾病会导致一定程度的偏瘫症状；交通工具的增多，由交通事故造成的肢体损伤的人数也在逐渐增加。医学理论和临床医学证明，这类患者除了早期的手术治疗和药物治疗外，正确科学的康复训练对于肢体运动功能的恢复和提高起到非常重要的作用，所以康复机构逐渐成了研究热点。国内外对于肢体康复器特别是下肢康复器的研究开发做了大量工作，并且取得了较大进展，部分分机构也得到了广泛应用。下肢康复机构按患者的康复训练姿势分类，可以分为两大类：卧式 CPM机
14、和立式下肢辅助康复器。1.2.1 卧式 CPM机 目前使用最多的下肢康复装置多是卧式 CPM机，与下肢的贴合方式采用搭放式，患者术后可以采用卧姿，将下肢放在 CPM机构上进行训练。CPM的概念是于 20 世纪 70 年代由加拿大骨科专家 Salter经过大量实验提出。它是利用专门器械（由机构或电子装置带动或维持部分肢体的运动）使关节进行持续较长时间的缓慢的被动运动，使治疗和康复相结合，可缓解疼痛，改善关节活动范围，防止关节挛缩和粘连。对关节内软骨的再生与修复有促进作用，有利于肢体功能的恢复。对于术后肢体持续运动的训练方式，CPM机训练是较为成熟的方法。CPM的发展经过了三次历史性阶段，1975
15、年 Salter经过试验和临床研究后首次提出CPM的概念。1982年 Coutts等将 CPM装置应用在人体康复训练上。1992年，McInnes等开始了前瞻性的研究，探讨 CPM在不同情况下的应用效果。目前，CPM技术在我国已被骨科康复街普遍接受，适用范围也越来越广。图 1.1是一种卧式膝关节 CPM机，在使用过程中，患者下肢搭放在机构上面，通过软性捆绑带将患者下肢与机构相贴合，使得下肢能够在机构的带动下完成相应的弯曲和伸展训练动作。3 图 1.1 膝关节 CPM机 目前市场上大部分的下肢康复器均采用此种结构方式，由于其采用 CPM训练方式，所以称之为 CPM机，图 1.2为一般的 CPM机
16、的结构原理图。其工作原理为：机构采用电机做为驱动器，通过丝杠传动，改变电机的转动为螺母的直线运动，由于螺母与连杆 3 固连，所以连杆 3 做平动，连杆 3 作为连杆机构的主动杆，通过连杆 1 带动连杆 2 做旋转运动，所以连杆 3 做平动，连杆 3 作为连杆机构的主动杆，通过连杆 1 带动连杆 2 做旋转运动，这样连杆 1 与连杆 2 就会产生相对旋转运动，当患者把下肢放在机构上就可以带动膝关节转动。图 1.2 CPM机的结构原理图 患者需要康复训练的时候，躺在床上将病退放在机构上，小腿放在连杆 1 的位置，大腿放在连杆 2 的位置，电机转动带动丝杠转动，从而带动丝杠上的螺母移动，连杆 3 在
17、螺母的作用下做平移运动，带动连杆 1 和 2 运动从而使膝关节弯曲和伸展。这种机构多以卧式为主，患者躺在病床上就可以进行训练，非常方便，只需将推放在机构上，在机构带动下便可完成相应动作，所以在康复领域应用较为普遍，较多应用于膝关节手术后的康复训练。电机的无级转速和转向功能，使得机构可以实现较大范围的形成，而且定位精度较高。对卧式 CPM机的研制，国外的研究比较成熟和深入。图 1.3为德国生产的主动活动器CAMOPED。它的工作原理是以健康腿的运动带动患腿进行屈伸运动，从而帮助患腿的被动 4 训练，能够有效地帮助患者恢复其肢体感觉，因此患者的协调功能也能得到更早的恢复。其特点是运用新型材料重量轻
18、，结构简单，便于携带与放置，已实现产品化。图 1.3 主动活动器 CAMOPED 图 1.4为 Nicholas J London等研制的小型 CPM设备“CPMlite”。它由小型电马达驱动，并可收纳至旅行包中，整机重量只有 3.5kg，非常方便实用。此装置与其他 CPM机相比，成本较低廉，能够满足大多数患者的康复需求。图 1.4 小型 CPM设备 CPMlite 在我国，康复医学工程虽然得到了普遍的重视，但康复机器研究仍处于起步阶段，近几年我国康复工程在这方面取得的一些进展，特别是技术含量不太高的产品（如康复器械），填补了国内下肢康复器的研究的空白，但还是以简易型康复训练器械的产品较多。图
19、 1.5是浙江金华公司的下肢关节康复器。图1.6为宝华达系列下肢康复器。5 图 1.5 浙江金华下肢康复器 图 1.6 宝华达系列下肢康复器 医学专家姬永琴、李晓玲、陈晚英等进行了下肢 CPM机得改进与应用，根据患肢大腿及小腿的长度，调节 CPM机杆的长度，使患肢脚到膝关节距离与脚套到机架夹角的距离相等。王广欣等提出了含有变刚度结构的下肢挂接康复训练器，通过机械方式实现刚度变化。其变刚度设计局限于机械方式，没有克服机械-电机传动方式的缺点。以上所有这些探索仅局限与局部结构调整和设计的优化上，不能克服传统CPM设备固有的缺点。1.2.2 立式下肢辅助康复机构 立式下肢辅助康复机构多采用穿戴方式，
20、此装置可以穿在患者下肢上，能够与腿部紧密贴合。机构中与下肢贴合的部分一般采用材质较轻、软性的材料，与腿部结合紧密，所以能够实现较精确的角度控制。其穿戴式的结构使得训练灵活，在站立、坐着、躺着的姿势下都可以进行康复训练。此类研究中驱动器较多选择气动人工肌肉和气缸，能够提供一定的柔顺性，安全性相对高一点。但由于气动人工肌肉和气缸行程较短的原因，使得此类康复机构能够实现的康复角度相对较小，不能满足大角度的康复要求，所以多用在步态训练和助残应用中。此类装置穿戴比较复杂麻烦，不太方便实用。由于气动肌肉的特殊结构，其非线性和气体的可压缩性使得对气动人工肌肉的研究比较困难复杂，鉴于实验室的研究条件，对气动人
21、工肌肉的研究还是国外较深入，所以对此类穿戴式康复机构的研究也多见于国外学者成果之中。如图 1.7所示机构，它是模仿人类下肢的肌肉工作方式开发的机构。此结构中使用了四根气动人工肌肉模仿促使膝关节的弯曲和伸展的生物肌肉，在试验中通过采集生物肌肉的肌电流来控制气动人工肌肉，它是结合了人类自身的生物控制功能和人工的机械控制技术，主要对膝关节的弯曲伸展动作和下肢的站立、坐着等各种姿态进行控制。此技术非常先进和复杂，但对生物肌电的研究还处在发展阶段，所以此发明还处在实验室研究阶段，没有被广泛推广。6 图 1.7基于生物肌电技术的 PMA驱动的下肢辅助装置 如图 1.8的膝关节辅助机构，以气缸作为驱动器。传
22、感器采集生物肌肉的肌电流，通过一定规则的计算，预测膝关节将来的动作所需要的转矩，用此转矩作为参考来可能告知气缸的输出力，从而辅助膝关节将来的各种动作。此结构与人腿贴合密切，控制精度高，但穿戴较麻烦，而且分左右腿，不适合术后的康复需求，只能用来辅助患者膝关节的动作。图 1.8 基于生物肌电技术的下肢辅助器 如图 1.9所示的下肢训练装置，完全以气动人工肌肉作为驱动器驱动膝关节和踝关节的弯曲和伸展动作。在工作的时候，分主-辅机构，健康的下肢穿戴主机构，患病的下肢穿戴辅助机构，主机构先动作，通过测量膝关节和踝关节这一旋转过程的力矩，来控制辅助机构中的气动人工肌肉，使之产生相同的力矩，从而达到和健康下
23、肢相同的弯曲角度。此控制方法非常巧妙，而且使用气动人工肌肉，对于康复训练来讲非常安全。7 a）膝关节弯曲 b）膝关节伸展 图 1.9 穿戴式主辅结构下肢训练装置 图 1.10膝关节-踝关节-脚部矫正装置用来恢复下肢的步态训练。矫正器的驱动器基于生物机械原理，能够以机械方式模仿正常下肢步态运动中个关节的运动参数。通过预先确定各关节的目标步态训练参数，通过各关节的驱动器，驱动下肢按正常步态脚部训练。图 1.10 步态矫正器 立式下肢辅助康复机构由于多采用穿戴式，和人体的贴合较紧密，机构的弯曲角度等同于人体关节的弯曲角度，能够实现精确的控制，而且多采用气动人工肌肉或气缸作为驱动器，柔顺性较好，能够满
24、足和人接触时的安全性。由于康复姿势的限制，立式的下肢辅助康复机构并不能用于术后的康复，而且能够达到的康复角度很小，所以多用于辅助康复训练。但穿戴式机构一般较复杂，而且要区分左右腿，穿戴麻烦，不太实用。8 1.2.3论文的主要研究工作 本课题是针对市场上现有膝关节 CPM机存在的实际问题，设计出一种具有虚拟髋关节轴特征的新型膝关节康复器。其需要解决的问题为：设计出下肢关节康复训练器，其特征在于能适应不同病员身体特征，实现病员髋关节转动点与训练器大腿托架转动中心准确重合，并且调节直观、简便。并对整机的尺寸样式等的设计符合人机工程学要求，最大可能地提高康复训练效果和人体舒适度。9 第二章 CPM概述
25、 CPM主要用于防止制动引起的关节挛缩,促进关节软骨、韧带和肌腱的修复,改善局部血液淋巴循环,促进肿胀、疼痛等症状的消除,最终目的是配合康复治疗,促进肢体功能的恢复。2.1 CPM仪器 目前已有多种类型的 CPM机,如下肢 CPM机、上肢 CPM机和手指 CPM机2。这些 CPM机主要由 3部分构成:肢体托架、电机及传动部分和控制系统。控制系统可调控关节运动范围的大小,关节正常运动范围内运动弧的位置和关节运动的频率。大多数病人对 CPM的顺应性好,病人感到舒适。2.2 作用机制 a)刺激具有双重分化能力的细胞向关节软骨转化 骨膜和软骨膜源于中胚层组织,其未分化的骨原细胞具有成骨和成软骨的双重分
26、化能力,CPM可刺激骨原细胞向关节软骨分化。b)缓解滑膜关节损伤后的自身免疫性损害 关节软骨损伤后,软骨这一封闭的抗原外露,与关节液反应产生抗体,形成抗原抗体复合物,进一步损伤关节软骨。CPM引起持续的关节活动,增加关节液代谢,有利于清除抗原抗体复合物,缓解这种物质引起的损伤。c)缓解关节损伤或手术后的疼痛 CPM引起关节不断的平稳的运动,刺激了周围神经中的粗纤维,通过闸门控制机制产生镇痛作用。d)促进局部血液循环,改善关节软骨的营养和代谢 成人软骨的营养来自滑液,因此正常的滑膜和经关节的血液循环对软骨的生存至关重要。CPM可促进局部血液循环,改善局部营养代谢,有利于软骨的修复和愈合。2.3
27、优点 由于 CPM的镇痛、改善局部血液循环和促进多能中胚细胞分化的作用,使它具有无痛苦、迅速消肿、损伤迅速愈合、促进关节软骨修复和避免关节粘连、关节僵硬和退行性创伤性关节炎等优点。2.4 临床适应范围 CPM适应范围很广,对于大多数关节及邻近组织的病损,在固定较为可靠的情况下均可应用,最主要的是术后早期应用。CPM能消除关节周围组织粘连,促进关节周围肌腱韧带的修复,减少关节粘连、僵硬的发生,恢复关节屈伸功能。具体的应用范围有:骨关节骨折内固定术后；10 各种原因致关节粘连挛缩松解术后；肢(指)体的关节囊切除,关节肌腱、韧带重建或修补术后；各种原因所致的关节变形矫形术后,滑膜病变、赘生物切除术后
28、；关节成形术后,各种异体人工假体置换术后。11 第三章 膝关节康复器的总体方案研究 3.1膝关节康复器的基本功能要求 康复训练按肌肉用力方式分为被动运动、半主动运动和主动运动。被动运动：患者完全不用力，肌肉不收缩，肢体处于放松状态，完全靠外力的帮助来完成的运动。半主动运动：在外力的辅助下，通过患者主动收缩肌肉来完成的运动。也可以在运动的整个过程中，主动和被动方式相互交替使用，例如一般过程采用主动运动，另一半过程采用被动运动。主动运动：不需要辅助力，完全由患者主动用力收缩肌肉，克服外部阻力来完成的运动。然而，经过对市场及医院使用的膝关节CPM机的调查，结合医护工作者对关节康复手段和疗效的长期研究
29、，总结现有 CPM机有如下缺陷：下肢关节康复器都存在着大腿托架回转中心与人体髋关节转动点不重合的问题，致使运动过程中病员下肢关节压力增大，以及皮肤在康复器上滑移、擦动，给病员带来额外伤痛。针对 CPM机得这一康复缺点，课题提出了新型 CPM机得设计要求，那么就需要克服现有 CPM机的缺点。对新型膝关节康复器的功能要求为：设计的 CPM机大腿托架回转中心要与人体髋关节转动点重合，避免患者大腿在康复器上滑移擦动。使患者腿部运动平稳。在康复器应用的过程中，对其也有具体的运动参数要求。参考骨科专家的意见，膝关节在康复的过程中，其弯曲角度在被动的情况下需要达到100的训练要求，并且要求在运动过程中角速度
30、不能太大。康复器往复一次用时限制在 2min-8min。所以要针对以上参数要求对康复器的结构进行合理的设计。3.2 总体结构方案 膝关节康复器主要负责膝关节的弯曲和伸展动作，通过控制器的输入参数来控制膝关节的转角大小和转动速度。实现对膝关节角度的控制，首先要确定对膝关节角度的定义。本设计中对膝关节弯曲角度定义如下：当下肢处于伸直状态，大腿，小腿、膝关节在一条直线上的位置定义为0，小腿距离其零度位置的角度为膝关节的弯曲角度，也是膝关节的转动角度。示意图如图 3.1所示：12 图 3.1 膝关节结构主要是由股骨、胫骨、半月板及髌骨组成，外部被肌肉、韧带所包覆、固定。膝关节的运动相当复杂，不仅必须承
31、担人体大部分重量和吸收人体运动时所产生的冲击负荷，还必须与骨骼、肌肉、韧带互动，以产生复杂的运动来保持膝关节运动的稳定性。所以膝关节是人体非常重要的关节，也是康复训练的主要研究对象。膝关节手术后，如患膝不能及时活动与得到锻炼，大量新生胶原组织会迅速沉积在关节周围，这种沉积的胶原纤维将造成膝关节粘连，限制膝关节的运动，使膝关节达不到日常生活所需要的活动度，成为膝关节康复治疗面临的主要棘手问题。针对新的康复器的功能要求，对膝关节康复器的结构进行了方案设计。膝关节康复器是模仿人的膝关节的弯曲伸展动作，带动患者膝关节做相应的运动，实现对术后膝关节的功能康复训练。在结构设计之前，首先要确定机构的自由度。
32、膝关节并不属于标准意义上的单纯的屈曲和滑动关节，它兼有上述两种关节的特性，因此，膝关节的运动时想安慰空间的运动。它既有铰链的滚动和滑动，又有旋转。胫骨与股骨构成了三维空间的两个运动着的物体，其相对的运动具有 6 个参数或六个自由度，即三个平移自由度和三个旋转自由度。如图 3.2所示，13 图 3.2 膝关节运动 三个平移自由度对应于：a 前后抽屉运动（mm105）；b 内外平移运动（mm21）；c 压缩与分离运动（mm52）三个旋转自由度对应于：a 膝关节的伸屈；b 内外旋转；c 内外翻旋转。正常伸屈范围个体差异较大，从150伸至屈曲150130不等，而内外旋转从完全伸膝时近乎等于零至屈膝的内
33、旋3020。膝关节的伸屈运动范围最大，也是膝关节最基本的功能，在膝关节的运动中起主要作用，其他的运动时伴随着膝关节的伸屈而动作的。所以为了简化起见，本设计以膝关节的伸屈运动为主，确定康复机构具有一个自由度，模仿膝关节的伸屈运动。另外，髋关节的运动在原理上看类似球铰支，实际上，病人进行膝关节康复训练时，大腿只绕髋关节做平面转动。要满足具有虚拟髋关节轴特征的 CPM机，只需保证患者大腿在运动时，髋关节空间位置不变即可。通过查阅相关资料专利 ZL94227560.8提出了应用双平行四边形机构和谐波传动机构的改进方法，使病员髋关节转动点与双平行四边形的虚铰接点重合，以避免机构运动时对人体的干涉和皮肤损
34、伤。该技术从原理上有了显著进步，但并没有彻底解决上述问题，因为对于不同的病员，由于身体特征的差异，其髋关节转动点位置是不同的，康复训练器设计时必须考虑如何适应这种差别。3.3 方案分析与设计 正如前面所提到的双平行四边形结构，在原理上它可以满足病人大腿绕在空间上位置不变的髋关节转动。工作时，双平行四边形虚交点与病人髋关节相重合，避免其真实的交点与人体干涉。该结构既能满足运动要求又能不与人体干涉，确实是一个很好的结构。但由于双平行四边形的虚铰接点是看不到的，如何确定人与训练器的相互位置尚缺乏有效的手段。其在适应不同病人的时候如何调节也缺乏有效手段，因此有必要进行改进。下图 3.3为双平行四边形结
35、构的简单三维模拟图 14 图 3.3 双平行四边形结构简单三维模拟图 图中摇杆 1、摇杆 2、连杆 3、连杆 4、大腿托架构成两个平行四边形，其虚交点如图所示，在对于不同的病员，由于身体特征的差异，其髋关节转动点位置是不同的，康复训练器设计时必须考虑如何适应这种差别员下身会阴部位的干涉而无法在该部位设置铰接点的问题。但对于不同的病员，由于身体特征的差异，其髋关节转动点位置是不同的，康复训练器设计时必须考虑如何适应这种差别，因此有必要对其调节功能进行设计。3.3.1 原有的调节设计 原有的下肢关节康复训练器的调节结构如图 3.4所示。其中机架 4 与调节板 6、摇杆3 组成复合铰链，推杆 14
36、一端与小腿托架 13 固结在一起，另一端与传动机构中的螺母（图中未画出）铰接。病员使用康复训练器时，将一侧下肢放在训练器上，先进行人体与机器相对位置的调整，将位于大腿外侧的伸缩标尺 7 完全拉出，旋松两侧的压板螺钉 5，通过拉动调节板拉杆 17，使得伸缩标尺 7 的顶端与人体髋关节转动点在垂直面内完全重合后，拧紧压板螺钉 5。然后再通过调节大腿调节杆 10、小腿调节杆 15 的伸出长度使得接头 12的转动中心与膝关节转动点重合，即可进行康复训练。机器工作时由电机带动螺杆、螺母，并将力传给推杆 14，推杆 14 通过小腿托架 13、接头 12、大腿调节杆 10 带动双平行四边形机构运动，从而实现
37、了大腿托架回转中心与人体髋关节转动点准确重合的康复运动。但是，该结构有个不足之处：病人的大腿长时间压在大腿托架上做往复屈伸运动，杆件 2 和 3 因受力比较大且左旋转运动，易导致压板螺钉松动，调节板会转动，从而使患者的髋关节在运动过程中不知不觉地与平行四边形虚交点分离，无法满足运动要求；并且在压板螺钉 5 松开，调节调节板时，易造成左右侧旋转幅度不等，是机架产生扭曲，从而使丝杠受到的摩擦力变大，甚至造成卡死，损坏机器，严重者可能导致病人再度受伤。为此，有必要对其调节结构进行改进。15 图 3.4 双平行四边形机构 本章小结：分析过原有资料内双平行四边形机构设计的不足，下面针对其不足，设计者主要
38、对原有方案的设计加以改进，并对其调整结构进行重新设计，使调节更加方便。16 第四章 CPM机的结构设计 4.1 具体结构设计要求 膝关节康复器有许多部件组成，他们是靠铰接链连接起来的。在工作过程中会产生一定的相对运动，工作时还存在着先后的运动顺序，所以在进行结构设计时应注意以下问题：1）力求结构紧凑，重量轻 各部件的结构、重量和动力载荷，直接影响康复器的结构、重量和性能。因此在各部件设计时，必须力求结构紧凑、重量轻。还要保证各转动轴的运动平稳，因此要做到结构紧凑的困难时不小的。2）综合考虑，合理布局 在康复器的结构设计中，既要考虑力和运动传递应具有足够的强度，还要综合考虑各方面要求，比如螺旋传
39、动的设计和调整机构的设计，进行合理布局。例如从运动平稳行考虑，相邻铰链轴应保持垂直，平行或一致；又如要从控制难易和可靠性等方面考虑膝关节角度的采集方法；还诸如步进电机的安装、维修及调整和后续的润滑维护等问题。运动要平稳连续 设计的结构原理上是连杆机构，所以在设计的时候要考虑杆件在运动过程中的死点位置，此结构中的死点位置在膝关节的位置，为了避免此现象，在膝关节的铰链位置的角度应尽量避免大于 170度，而且要保证膝关节向上拱起，从而越过死点的位置。要保证滑动杆件在运动过程中与地面相垂直。如果有一定角度倾斜的话，在运动过程中会影响各杆件的几何关系，从而影响最终的膝关节转动角度。装配的过程中必须保证左
40、右两个膝关节处铰链的同轴度。4.2人体参数和 CPM机受力分析 4.2.1 人体参数分析 表 4.1：人体生物力学的参数计算公式 名称 计算公式 名称 计算公式 人 体各部分长度（以人体身高 H为基准）/cm 手掌长：L1=0.109H 前臂长：L2=0.157H 上臂长：L3=0.172H 大腿长：L4=0.232H 小腿长：L5=0.247H 躯干长：L6=0.300H 人体各部分 重 心 位 置（指靠近身体中心关节的距离）/cm 手 掌 重 心 位 置：O1=0.506L1 前 臂 重 心 位 置：O2=0.430L2 上 臂 重 心 位 置：O3=0.436L3 大 腿 重 心 位 置
41、：O4=0.433L4 小 腿 重 心 位 置：17 O5=0.433L5 躯 干 重 心 位 置：O6=0.660L6 人 体各部分的旋转半径（指靠近身体中心各关节的距离）/cm 手掌旋转半径：R1=0.587L1 前臂旋转半径：R2=0.526L2 上臂旋转半径：R3=0.542L3 大腿旋转半径：R4=0.540L4 小腿旋转半径：R5=0.528L5 躯干旋转半径：R6=0.830L6 人体各部分的重量（以体重W 为基准）/kg 手臂重量：W1=0.006W 前臂重量：W2=0.018W 上臂重量：W3=0.0357W 大腿重量：W4=0.0946W 小腿重量：W5=0.042W 躯干
42、重量：W6=0.5804W 人 体各部分体积（以人体体积 V为基准）/L 手 掌 体 积：V1=0.00566V 前 臂 体 积：V2=0.01702V 上 臂 体 积：V3=0.03495V 大腿体积：V4=0.0924V 小 腿 体 积：V5=0.04083V 躯 干 体 积：V6=0.6132V 人体各部分的转动惯量（指绕关节转动 的 惯 量）/kg.手 臂 转 动 惯 量：I1=W1R12 前 臂 转 动 惯 量：I2=W2R22 上 臂 转 动 惯 量：I3=W3R32 大 腿 转 动 惯 量：I4=W4R42 小 腿 转 动 惯 量：I5=W5R52 躯 干 转 动 惯 量：I6=
43、W6R62 根据我国成年人人体比例尺寸关系可知:大腿长约占人体总高 H 的 0.471;小腿约占人体总高H 的0.265;髋关节宽度约占人体总高度H 的0.224;脚长约占人体总高度H 的0.147.我国成年人人体比例尺寸关系图 4.1:18 图 4.1 中国成年人人体尺寸的比例关系 仰卧的活动空间(朝下仰卧时的身体轮廓 a,膝关节弯起的活动空间 b)图 4.2 图 4.2 仰卧活动空间的人体尺寸 正常人在仰卧时屈伸腿的运动情况如图 4.2所示,图 4.2 a 为正视图,零点位于张中垂直平面上,图 4.2b为侧视图,零点位于经头顶的垂直切线上,垂切线与仰卧平面的交点作为零点.腿由伸直状态到完全
44、弯曲时脚的运动范围约为 500mm.大腿与水平面的夹角约为60 度.针对中国人的身体状况,特别针对有运动障碍的中老年患者恢复正常行走功能,按身高 140185cm左右,在设计康复器,合理尺寸大致设定为:大腿长:L4=0.232H=32.442.9 小腿长:L5=0.247H=34.545.7 19 两腿间距:20cm 综合市场上已存在的 cpm机的结构尺寸，从中吸取经验知，一般的产品大腿长度上限为 50cm 小腿长度上限为 55cm。故可取：大腿长：32cm50cm 小腿长：32cm55cm 两腿间距：20cm左右 为了能够适应不同身高的人群 设计的大腿与小腿托架均为可调节长度式托架，如图 4
45、.3 图 4.3 可调式大腿托架 图 4.3示为安装的极限形式，大腿调节杆可插入空心大腿托架内，并由固定螺钉旋紧固定，以满足不同身高的患者。小腿也采用此种方式，其详细结构见后续设计。4.2.2 大小腿托架受力分析 如下图 4.4，其为大小腿托架杆的受力分析图 若将大小腿重量分开来算的话，查阅表 4.1可知大小腿重量大约为：大腿：2kg-8.5kg 小腿：1kg-4kg 为了后面的设计安全都取大值且再将范围扩大。大腿取 10kg，小腿取 5kg。故施加在大小腿托架上的力约为 100N和 50N.图 4.4人腿作用在康复器上的力图示 20 4.3 传动机构设计 采用螺旋传动 螺旋传动是由螺杆和螺母
46、组成的机构，传递力和运动。通常是将旋转运动变成直线运动，既可以较小的转矩得到很大的推力。又可作为减速装置。得到很大的减速比。也有将直线运动变成旋转运动的。根据螺纹副摩擦性质不同，可分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋，各类螺旋传动的特点和应用如下 4.3.1各种螺旋传动特点及应用 4.3.1.1滑动螺旋传动 1）摩擦阻力大，传动效率低（通常为 30%40%);2）结构简单，加工方便 3）易于自锁 4）运转平稳，但低速或微调时可能出现爬行;5）螺纹有侧向间隙，反向时有空行程，定位梢度和轴向刚度较差(采用消隙机构可提高定位精度);6)磨损快 4.3.1.2滚动螺旋传动 1)摩擦阻力小，传动效率高(一般
47、在 90%以上);2)结构复杂，制造较难;3)具有传动可逆性(可以把旋转运动变成直线运动，又可以把直线运动变成旋转运动)，为了避免探旋副受载后逆转，应设置防逆转机构;4)运转平稳，起动时无颤动，低速时不爬行;5)螺母和蛛杆经调整预紧，可得到很高的定位精度和重复定位精度，并可以提高轴向刚度;6）工作寿命长，不易发生故障;7)伉冲击性能较差 金属切削机床(特别是加工中心、数控机床、精密机床等)、测试机械、仪器的传动螺旋和调整螺旋，起重机构和汽车等转向机构的传力螺旋。飞机、导弹、船舶、铁路等自控系统的传动螺旋和传力螺旋。4.3.1.3 静压螺旋传动 1)摩擦阻力极小.传动效姿可(高达 99%);2)
48、螺母结构复杂;3)具有传动可逆性，必要时应设置防逆转机构;4)工作平稳，无爬行现象;5)反向时无空行程，定位精度高。并有很高的轴向刚度;21 6)磨损小、寿命长;精密机床的进给、分度机构的传动螺旋。综合螺旋传动的以上特点及本课题的具体情况，可以考虑选择滑动螺旋传动机构。4.3.2 滑动螺旋传动设计 4.3.2.1螺纹牙型的选择 滑动螺旋副常采用梯形螺纹、锯齿形螺纹或矩形螺纹等，各种螺纹的特点和应用如下：a.梯形螺纹：图 4.5(a)梯形螺纹 牙型角 30 度.，螺纹副的大径和小径处有相等的径向间隙。牙根强度高，螺纹的工艺性好(可以用高生产率的方法制造);内外螺纹以锥面贴合，对中性好，不易松动;
49、采用剖分式螺母。可以调整和消除间隙;但其效率较低。主要用于用于传力螺旋和传动螺旋。b.锯齿形螺纹：图 4.5(b)锯齿形螺纹 工作面的牙型斜角为 3 度便于加工)，非工作面的牙型斜角为 30 度。外螺纹的牙根处有相当大的圆角，减小了应力集中，提高了动载强度，大径处无间隙.便于对中。和梯形螺纹比，具有螺纹的强度高、工艺性好，有更高的效率。主要用于单向受力的传力螺旋。c.圆螺纹：22 图 4.5(c)圆螺纹 螺纹强度高，应力集中小，和其他螺纹比，对污物和腐蚀的敏感性小，但效率低。主要应用于受冲击和变载荷的传力螺旋。d.矩形螺纹：图 4.5(d)矩形螺纹 牙型为正方形，牙型角=0 度，传动效率高，但
50、精确制造困难(为便于加工，可制成10 度牙型角)。螺纹强度比梯形螺纹、锯齿形螺纹低，对中精度低，螺纹副磨损后的间隙难以补偿与修复。主要用于传力螺旋和传动螺旋。e.三角形螺纹：图 4.5(e)三角形螺纹 牙型角 =30度的特殊螺纹或米制三角螺纹。自锁性好、效率低。主要用于小螺距的高强度调整螺旋，如仪表机沟。根据各滑动螺旋传动以上特点，结合本课题所要传递运动的特点，应选用滑动螺旋传动中的梯形螺纹。滑动螺旋副的失效主要是螺纹磨损，因此螺杆的直径和螺母高度通常是根据耐磨性计算确定的。传力螺旋应校核螺杆危险截面的强度;青铜或铸铁螺母以及承受重载的调整螺旋应校核螺纹牙的剪切和弯曲强度。要求自锁的螺杆应校核