《面向人體頸部醫(yī)療康復(fù)的軟體機(jī)器人設(shè)計與制造分析研究機(jī)械自動化專業(yè)》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《面向人體頸部醫(yī)療康復(fù)的軟體機(jī)器人設(shè)計與制造分析研究機(jī)械自動化專業(yè)（33頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、目錄 摘要 3 Abstract 5 第一章 緒論 7 第1.1節(jié) 研究背景 7 第1.1.1節(jié) 人體頸部主要疾病介紹 7 第1.1.2節(jié) 人體頸部疾病的治療現(xiàn)狀 8 第1.2節(jié) 面向人體頸部治療的軟體康復(fù)機(jī)器人 10 第1.2.1節(jié) 軟體康復(fù)機(jī)器人介紹 10 第1.2.2節(jié) 頸部治療的軟體康復(fù)機(jī)器人介紹 12 第1.3節(jié) 本文研究的目的及意義 13 第二章 頸部軟體康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀綜述 13 第2.1節(jié) 軟體康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀綜述 13 第2.2節(jié) 頸部軟體康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀綜述 16 第三章 頸部康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計與制造 16 第3.1節(jié) 頸部康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計

2、 16 第3.1.1節(jié) 頸部康復(fù)機(jī)器人尺寸設(shè)計 16 第3.1.2節(jié) 頸部康復(fù)機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 18 第3.1.3節(jié) 頸部康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計 20 第3.2節(jié) 頸部康復(fù)機(jī)器人的制造 22 第3.2.1節(jié) 材料清單 22 第3.2.2節(jié) 頸部康復(fù)機(jī)器人各組成模塊制作方法 22 第3.3節(jié) 本章小結(jié) 26 第四章 實(shí)驗(yàn)研究 26 第4.1節(jié) 實(shí)驗(yàn)平臺的搭建 26 第4.2節(jié) 頸部康復(fù)機(jī)器人氣動致動器的性能測試及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理 27 第4.3節(jié) 本章小結(jié) 31 第五章 總結(jié)與展望 32 第5.1節(jié) 總結(jié) 32 第5.2節(jié) 展望 33 參考文獻(xiàn) 33 致謝 34

3、 摘要 軟體機(jī)器人是一種新型的機(jī)器人，是根據(jù)自然軟體生物可以在一定限度內(nèi)自然變化形態(tài)的現(xiàn)象，采用柔性材料制作的。軟體機(jī)器人的形態(tài)結(jié)構(gòu)相對簡單，具有更高的功率重量比，能夠產(chǎn)生主被動變形適應(yīng)更加復(fù)雜的環(huán)境，抵御較強(qiáng)的沖擊，在一定程度上彌補(bǔ)了剛性機(jī)器人的不足，在醫(yī)療康復(fù)、工業(yè)機(jī)械手、救災(zāi)救援和勘探勘測等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景，逐漸成為機(jī)器人研究的熱門方向。目前軟體機(jī)器人的研究仍處于起步階段，在材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)建模、驅(qū)動控制等方面仍有諸多難題亟待解決，通常采用形狀記憶合金、化學(xué)驅(qū)動、氣壓驅(qū)動等驅(qū)動方式將其他形式能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的方法。所以說開展相關(guān)研究具有重要意

4、義。 而頸椎病被醫(yī)學(xué)界公認(rèn)為是威脅人類健康的三大疾病之一，脊椎受損（SCI）是由于創(chuàng)傷性的運(yùn)動導(dǎo)致神經(jīng)和脊髓血管機(jī)構(gòu)的變形。除了突發(fā)SCI案例，臨床觀察表明，人不可再生軟組織的生理變化導(dǎo)致神經(jīng)結(jié)構(gòu)（脊髓，髓椎和髓根）空間減少，這種影響被脊椎滑動由于脊椎方面脆弱，韌帶骨化，椎關(guān)節(jié)融合等因素放大，如骨質(zhì)疏松癥。脊椎生物結(jié)構(gòu)的不同組成部分包括脊柱和椎骨，，此類患者的康復(fù)的需求在社會引起了極大關(guān)注。為解決現(xiàn)階段頸部康復(fù)機(jī)器人研究成果中存在的一些問題，例如結(jié)構(gòu)很復(fù)雜、不便攜、存在安全隱患等，本論文設(shè)計了一套面向人體頸部康復(fù)的軟體機(jī)器人，用于輔助頸椎病患者在康復(fù)初期進(jìn)行頸部的屈伸運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練。該系統(tǒng)操作

5、簡單、質(zhì)輕、便攜，且消除了潛在的安全隱患。系統(tǒng)包括軟體致動器、微型氣泵和電磁閥組及多個控制器。 本系統(tǒng)采用氣動致動器驅(qū)動，軟體執(zhí)行器是一種柔軟的、內(nèi)部有氣腔的半圓柱形和長方形硅膠條，內(nèi)部充入空氣后可實(shí)現(xiàn)單向的彎曲伸展和單向的軸向伸展。軟體致動器設(shè)計的好壞直接影響系統(tǒng)的性能。在控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，首先進(jìn)行了氣泵和電磁閥的選型，然后通過氣路分流方案實(shí)現(xiàn)了單氣泵對多個軟體執(zhí)行器的驅(qū)動，大大降低了系統(tǒng)的成本與重量。為了后期能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)精確控制，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺測量致動器進(jìn)氣量與彎曲角度和伸長量間的關(guān)系。軟體機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域中的新的方向，本次畢業(yè)設(shè)計研究具有創(chuàng)造性地將軟體機(jī)器人的研究思想應(yīng)用到了康復(fù)醫(yī)學(xué)

6、領(lǐng)域，利用柔性材料自身的特性達(dá)到了傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)達(dá)不到的效果，令系統(tǒng)整體質(zhì)量及成本大大降低，且消除了潛在的安全隱患，更適合在康復(fù)領(lǐng)域應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：軟體機(jī)器人 頸部康復(fù) 氣動致動器 Abstract Software robot is a new type of robot, which is based on the phenomenon that natural soft organisms can naturally change shape within a certain limit, using flexible mater

7、ials. The robot robot's morphological structure is relatively simple, has a higher power-to-weight ratio, can produce active and passive deformation to adapt to a more complex environment, resist strong impact, to a certain extent, make up for the deficiencies of rigid robots, in medical rehabilitat

8、ion, industrial robotics Disaster recovery, exploration and exploration and other fields have very broad application prospects and have gradually become a hot topic in robot research. At present, the research of software robot is still in its infancy. There are still many problems to be solved in ma

9、terial selection, structural design and manufacturing, kinematics and dynamics modeling, and drive control. Usually, shape memory alloys, chemical drives, pneumatic drives, etc. are used. The drive method will convert other forms into mechanical energy. Therefore, it is of great significance to carr

10、y out relevant research. Cervical spondylosis is recognized by the medical community as one of the three major diseases that threaten human health. SCI is caused by traumatic exercise that causes deformation of the nerve and spinal vascular structures. In addition to the sudden SCI cases, clinical

11、observations have shown that physiological changes in human non-reproducible soft tissue result in decreased space in the neural structures (spinal, spinal, and medullary). This effect is caused by the spine sliding due to fragile spine, ligament ossification, and vertebral fusion. Such factors as a

12、mplification, such as osteoporosis. The different components of the structure of the spine include the spine and vertebrae, and the need for rehabilitation of such patients has attracted considerable attention in society. In order to solve some problems existing in the research results of neck rehab

13、ilitation robots in the current stage, for example, the structure is complex, not portable, and there are hidden safety problems, this paper designs a set of soft body robots for human neck rehabilitation to assist patients with cervical spondylosis. In the early stage of rehabilitation, neck flexio

14、n and extension exercises were performed. The system is simple, lightweight, portable, and eliminates potential safety hazards. The system includes a software actuator, a miniature air pump and a solenoid valve set and a plurality of controllers. The system is driven by a pneumatic actuator. The so

15、ft actuator is a soft, semi-cylindrical and rectangular silicone strip with an air cavity inside. The inside is filled with air and it can realize one-way bending and one-way axial stretching. . Software actuator design directly affects the performance of the system. In the design process of the con

16、trol system, the selection of the air pump and the solenoid valve was first carried out, and then the single air pump was driven by the multiple air actuators through the airway diversion scheme, which greatly reduced the cost and weight of the system. In order to achieve accurate control of the sys

17、tem at a later stage, an experimental platform was set up to measure the relationship between the intake air amount and the bending angle and elongation of the actuator. Software robot is a new direction in the field of robotics. This graduated design research has creatively applied the research thi

18、nking of software robots to the field of rehabilitation medicine, using the characteristics of flexible materials to achieve the effects that cannot be achieved by traditional mechanical structures. The overall quality and cost are greatly reduced, and potential safety hazards are eliminated, which

19、is more suitable for application in the field of rehabilitation. Keywords: soft body robot, neck rehabilitation, pneumatic actuator 第一章 緒論 第1.1節(jié) 研究背景 第1.1.1節(jié) 人體頸部主要疾病介紹 在科技日益進(jìn)步的今天，人們的生活方式也發(fā)生了改變，雖然生活變得越來越好，但是疾病的隱患也逐步增加。近些年來頸部疾病主要是頸椎病的發(fā)病率激增，成為了一種普遍常見的病。據(jù)我國

20、權(quán)威機(jī)構(gòu)發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，我國60%以上的人患有頸椎病。就目前的情況來說，每年患有頸椎病的人以100萬的速度增加并且患病年齡由55歲提前到25歲[1]。但是在生活中大多數(shù)的人認(rèn)為頸椎病沒有什么危害，所以大多被人們忽視，但是頸椎病的危害很大，首先頸椎病嚴(yán)重的患者會出現(xiàn)酸疼主要表現(xiàn)在頭頸肩部或者手臂，感受到脖子生硬活動受限；其次頸椎病就會延伸到患者的交感神經(jīng)，通常在這個時候患者就會出現(xiàn)頭暈、視力模糊、耳鳴、平衡不好掌握等癥狀；最后頸椎病可能會導(dǎo)致下肢無力、麻痹等癥狀，綜上所述頸椎病的嚴(yán)重后果是值得我們重視的。 頸椎病通?？梢苑譃轭i型頸椎病、椎動脈型頸椎病和脊髓型頸椎病等。頸型頸椎病是由于長時間工作

21、等頭一直前屈使頸椎間盤前方受壓造成的；椎動脈型頸椎病通常是因?yàn)樗X姿勢等原因使頭頸肩部測屈使頸椎間盤側(cè)方受到擠壓形成的；最后的脊髓型頸椎病是由于椎體后緣骨質(zhì)增生使得椎管狹窄，脊髓受損造成的。 頸椎病患者的康復(fù)需求對于現(xiàn)在的市場和技術(shù)是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。盡管傳統(tǒng)的頸部治療方法例如按摩、理療和針灸等，可以幫助患者減少一些頸部的癥狀或者具有一定的治療效果，但是這些方法都主要依賴頸部治療師的經(jīng)驗(yàn)，并且基本都是一對一或多對一型的輔助治療格式，這樣的治療方法會耗費(fèi)大量的人力和金錢，會給家庭造成沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。大多數(shù)的科學(xué)研究表明，頸部康復(fù)運(yùn)動的治療方法可以使頸部肌肉緩解，加速促進(jìn)頸部血液的循環(huán)，促進(jìn)水腫的

22、吸收和整復(fù)錯位最終達(dá)到一定的治療效果。因此研究頸部康復(fù)對于我們來說有著重大的意義。 隨著機(jī)電一體化和機(jī)器人方面的發(fā)展，頸部康復(fù)的儀器已經(jīng)從早期的固定式頸椎牽引器演變到了可移動便攜式的頸部康復(fù)儀器，并且由當(dāng)初的剛性機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)化為柔性牽引。現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了許多康復(fù)機(jī)器人，并且總體來說出現(xiàn)很多優(yōu)秀成果，但是通常的康復(fù)儀器的運(yùn)動軌跡是固定的，因此我們設(shè)想了一種能夠貼近人體柔軟的機(jī)器人，甚至可以在遠(yuǎn)處控制。 本文探討的頸部康復(fù)柔性機(jī)器人是一種新型的機(jī)器人，也是一種新思路，如果得以實(shí)現(xiàn)加上優(yōu)化，我相信將會對頸部疾病患者帶來福音。相較傳統(tǒng)的許多頸部康復(fù)方式有更多優(yōu)勢，希望本課題能夠?qū)︶t(yī)療方面的康復(fù)有所幫助

23、。 第1.1.2節(jié) 人體頸部疾病的治療現(xiàn)狀 頸椎病是指在頸椎盤間發(fā)生了變化，使得頸椎骨質(zhì)增生或者其他椎部方面的異常從而壓迫了頸部的血管、神經(jīng)和脊髓等產(chǎn)生的一系列癥狀。病因大多是睡眠姿勢不良、過度疲勞、工作生活中的不良姿勢和某些激烈的運(yùn)動等，所以如今已經(jīng)成為了一種普遍的病。在醫(yī)學(xué)方面普遍認(rèn)為是損傷等導(dǎo)致脊柱部位靜力學(xué)不平衡出現(xiàn)了壓迫或化學(xué)刺激而引發(fā)頸椎病。頸椎的主要功能是承載頭顱重量和維持頭顱的平衡，完成各種活動，但是頸椎病導(dǎo)致了許多頸椎側(cè)屈、椎前屈后伸和旋轉(zhuǎn)的活動障礙。目前為止，牽引療法簡便安全，能夠有效地緩解或者解除癥狀，所以也就是現(xiàn)在治療頸椎病的主要療法【2】。 在

24、國內(nèi)外的研究下，頸椎病的治療方法有很多也各具優(yōu)勢。頸椎病的治療方式也分為針灸治療、運(yùn)動治療和藥物治療。 傳統(tǒng)方式的治療方法可以分為以上三類，但是隨著近些年的技術(shù)發(fā)展，頸椎病的治療方式也變得越來越多樣化。也出現(xiàn)了更多的頸部康復(fù)儀器。也是針對頸部康復(fù)的物理療法，也是鑒于物理療法的優(yōu)點(diǎn)。例如氣動的頸部康復(fù)儀，這種儀器通過中間的氣腔充氣，達(dá)到抬升頸部的動作。相比傳統(tǒng)的剛性牽引器，能夠適應(yīng)患者的治療體驗(yàn)。 第1.2節(jié) 面向人體頸部治療的軟體康復(fù)機(jī)器人 第1.2.1節(jié) 軟體康復(fù)機(jī)器人介紹 康復(fù)機(jī)器人作為醫(yī)療方面的一個重要分支，康復(fù)機(jī)器人的研究也涉及康復(fù)方

25、面的醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)械學(xué)、材料學(xué)、計算機(jī)方面科學(xué)以及機(jī)器人學(xué)等諸多領(lǐng)域，已經(jīng)成為了機(jī)器人領(lǐng)域的一個熱門的研究方向。目前為止康復(fù)機(jī)器人已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到了關(guān)于康復(fù)方面的護(hù)理、假肢和治療等方面，這不僅促進(jìn)了康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，也帶動了相關(guān)領(lǐng)域的新技術(shù)和新理論的發(fā)展。康復(fù)機(jī)器人的領(lǐng)域上我國國內(nèi)的研究起步較晚，但是近些年的康復(fù)需求正在逐步增加，所以有越來越多的科研或者醫(yī)療器械投入到了康復(fù)機(jī)器人中。 軟體康復(fù)機(jī)器人是在康復(fù)機(jī)器人的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究，將更多的剛性康復(fù)儀器變?yōu)槿嵝詸C(jī)器人【3】。但是軟體機(jī)器人的研究仍然處于起步階段，材料的選擇需要更多的研究，當(dāng)然更為重要的難題是軟體機(jī)器人的集成度比較低，其中的控

26、制系統(tǒng)和執(zhí)行器的研究是最為重要的兩個重點(diǎn)。傳統(tǒng)的仿生機(jī)器人采用的都是剛性的部件，所以在模仿柔軟機(jī)器人的時候并沒有體現(xiàn)出應(yīng)具有的柔軟性，而軟體康復(fù)機(jī)器人是采用柔性材料制作，具有很好的柔軟特性，并且可以自由地改變自身的形態(tài)，在進(jìn)行康復(fù)運(yùn)動的時候能夠更好地適應(yīng)人性需求。 到目前為止，軟體康復(fù)機(jī)器人的研究大概有心臟包裹器【4】，如圖1-1是一種包裹在心臟外面的硅膠套。其內(nèi)層是用可以收縮的同心環(huán)而外層是使用螺旋的方式進(jìn)行收縮，其中一共有14個氣動裝置可以通過充氣來分別控制，然后利用其不同的收縮類型來模仿心臟的律動。如圖1-2是麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系的趙選賀研發(fā)的溫和抓取器【5】，使用水凝膠制成的中空的

27、連續(xù)立方體，通過水泵將水注入特定的部分完成有節(jié)奏的收縮，可以用來在外科手術(shù)中進(jìn)行抓取。 圖1-1 圖1-2 第1.2.2節(jié) 頸部治療的軟體康復(fù)機(jī)器人介紹 軟體康復(fù)機(jī)器人的研究仍然處于初步階段，運(yùn)用到頸部治療的軟體康復(fù)機(jī)器人所以少之又少。在目前頸部康復(fù)的儀器大多還是剛性的牽引器。如圖1-3龍?zhí)ь^是采用剛性材料拉伸頸部，在一定程度上治療頸部。但是由于運(yùn)動的位置比較固定，牽引拉伸的力量不容易控制而剛性儀器可能會導(dǎo)致頸部拉傷等不適。如圖1-4是一種充氣式的頸部康復(fù)儀器，這種儀器避免了剛性的問題，但是這種整體充氣抬升拉伸的方

28、式對頸部康復(fù)的影響并不完全對，因?yàn)橹灰炝瞬弊拥纳隙瞬课?，而且是整體的抬升不能使用于所有的頸部患者的治療。正常都需要看情況使頸部前傾一定的角度。那樣才能擴(kuò)大頸椎之間的間隙，促進(jìn)血液的循環(huán)和修復(fù)。 圖1-3 圖1-4 當(dāng)然現(xiàn)在市面上也出現(xiàn)了一些U形枕，通常直接直接穿戴式來起到頸部的拉伸，但是作用很小。 本文提出的面向頸部醫(yī)療康復(fù)的軟體機(jī)器人是一種采取氣動致動器構(gòu)成的康復(fù)機(jī)器人，因?yàn)樵黾恿酥聞悠鞯膫€數(shù)，不同位置的布局使得在充氣的時候能夠讓頸部康復(fù)機(jī)器人產(chǎn)生特定的抬升彎曲，適應(yīng)性更強(qiáng)。 第1

29、.3節(jié) 本文研究的目的及意義 傳統(tǒng)的剛性頸部康復(fù)治療機(jī)器人采用硬質(zhì)的材料制造，自由度十分有限，所以無法像柔性康復(fù)機(jī)器人達(dá)到一種連續(xù)性的康復(fù)運(yùn)動動作。而且剛性儀器所占的空間比較大，無法在狹小的空間產(chǎn)生需要的運(yùn)動，所以說傳統(tǒng)的頸部康復(fù)儀器在靈活性方面和安全性還有很大的提升空間。但是研究軟體頸部康復(fù)機(jī)器人采用硅膠、記憶合金等材料制造，應(yīng)變能力可以大大增加。靈活性也可以得到提升，對于患者的康復(fù)也更加安全。 第二章 頸部軟體康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀綜述 第2.1節(jié) 軟體康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀綜述 在軟體康復(fù)機(jī)器人的研究逐步興起，國內(nèi)外的研究也在不斷深入。近幾十年的時間里面，很多科學(xué)家

30、和學(xué)者都投入到軟體機(jī)器人的研究中來，國家現(xiàn)在也在不斷地提供幫助，畢竟是一項(xiàng)前景可觀的領(lǐng)域。但是由于軟體機(jī)器人的起步比較晚，所以這項(xiàng)研究仍然處于起步階段，在實(shí)際生活中的運(yùn)動還不能夠達(dá)到人人都可用的時候。作為仿生機(jī)器人的研究后續(xù)，軟體機(jī)器人具有更高的靈活性和安全性，但是比起剛性儀器缺少了一部分的精確性，因?yàn)檫\(yùn)動軌跡的控制并不能十分準(zhǔn)確，而且會受到外界的影響較大。本節(jié)將講述軟體康復(fù)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀。 不得不說的是哈佛大學(xué)在2014年研究出一種爬行機(jī)器人【6】，如圖2-1，是由硅膠制成，內(nèi)置驅(qū)動器，因?yàn)楸容^靈活所以可以通過各種狹小的通道并且可以承受較大的外界影響。有了軟體機(jī)器人的研究發(fā)現(xiàn)后，哈佛大學(xué)

31、又將研究拓展到了康復(fù)的領(lǐng)域，在2014年又制造出手部輔助運(yùn)動機(jī)器人【7】，如圖2-2，所以說這是一款較早的康復(fù)軟體機(jī)器人了，這種機(jī)器人采用氣動方式，來幫助手部肌肉無力或者力氣較小的患者康復(fù)使用，也適用于中風(fēng)患者的手部康復(fù)。 圖2-1 圖2-2 比較前一種康復(fù)機(jī)器人，哈佛大學(xué)的Connor Walsh【8】研究出一種下肢康復(fù)軟體機(jī)器人，如圖2-3，是采用“電機(jī)+線驅(qū)”的方式來驅(qū)動的，裝置的原理是加載一個類似自行車剎車線做成的的滑輪裝置將線的一端連在小腿繃帶上，而另一端連在患者背后的電機(jī)上。當(dāng)患者向前行走時，線會產(chǎn)生

32、收縮從而幫助使用者進(jìn)行抬腿動作。 圖2-3 關(guān)于康復(fù)機(jī)器人的還有一個是來自于Gunjan Agarwal脊椎康復(fù)機(jī)器人【9】的研究，如圖2-4。 圖2-4 （a）包括由椎骨，椎間盤，脊髓和其他組件組成的腰椎單位的人體脊柱表示。（b）用真空驅(qū)動的軟氣動執(zhí)行器（V-SPA）模塊表示脊柱單元。（c）單個V-SPA模塊的數(shù)值模擬結(jié)果。（d）具有固定端的加壓V-SPA模塊組件的模擬結(jié)果。（e） V-SPA組件經(jīng)歷自由彎曲位移。（f）在機(jī)器人組裝的幫助下復(fù)制和協(xié)助脊柱運(yùn)動的示意圖。 第2.2節(jié) 頸部軟體康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀綜述

33、 關(guān)于頸部軟體康復(fù)機(jī)器人的研究，在國內(nèi)外暫時并沒有新型機(jī)器人的出現(xiàn)，也可能是因?yàn)轭i部康復(fù)的儀器已經(jīng)出現(xiàn)了更多的化學(xué)療法，物理療法的儀器已經(jīng)出現(xiàn)在了人們的視野中，并沒有更多深入的投入。目前為止國內(nèi)外頸部康復(fù)儀器種類還是許多頸部靠枕、頸部按摩儀和頸部治療儀等。就目前的情況來說，雖然可以滿足許多種康復(fù)運(yùn)動的需要，但是許多儀器遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了患者所需的功能，使得價格昂貴，然而像靠枕等簡單的頸部康復(fù)軟體機(jī)器人作用過于單一，使得沒有辦法完全得到康復(fù)或者是作用很小。所以綜上所述，目前頸部康復(fù)機(jī)器人存在便攜不夠、價格昂貴結(jié)構(gòu)復(fù)雜、甚至有安全隱患等問題，為了解決這些問題，本文嘗試提出了一種質(zhì)量輕、便攜、安全并且操作

34、容易的面向頸部康復(fù)的軟體機(jī)器人。 第三章 頸部康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計與制造 第3.1節(jié) 頸部康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計 第3.1.1節(jié) 頸部康復(fù)機(jī)器人尺寸設(shè)計 在進(jìn)行頸部康復(fù)軟體機(jī)器人的設(shè)計的時候，首先需要確定頸部康復(fù)機(jī)器人各個部分的尺寸，然后按照尺寸建模，再設(shè)計機(jī)器人。頸部康復(fù)機(jī)器人的尺寸設(shè)計按照人體頸部的普遍尺寸來對應(yīng)，來保證穿戴康復(fù)機(jī)器人的時候的舒適性。根據(jù)成年人標(biāo)準(zhǔn)身材的對照表，成年男子的頸圍通常在35cm左右，而成年女性的頸圍通常在30cm左右。而脖子通常都在10~18cm。 本課題的設(shè)計采用常規(guī)的頸部康復(fù)儀器大小，但是其中沿康復(fù)儀器圓周邊緣均勻放置三個半圓氣動致動器，然后

35、在其中間隙部分插入三個矩形致動器。通過頸部尺寸的平均值為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，我們采用的半圓致動器尺寸長為6cm，寬為2.5cm，圓半徑為1.5cm；矩形致動器的尺寸為長為10cm，寬為3.5cm，高為1.5cm。這樣總體設(shè)計考慮到了后期的致動器充氣變形和組裝等變化因素，更加容易適應(yīng)人體頸部的佩戴。如圖3-1、3-2。 圖3-1 圖3-2 本課題一大重要的研究就是致動器的位置結(jié)構(gòu)，因?yàn)橄噍^于傳統(tǒng)的頸部康復(fù)儀器，我們采用了矩形致動器達(dá)到彎曲效果適應(yīng)頸部的包裹，和半圓形致動器的拉伸且數(shù)量的增加，能夠達(dá)到不同的康復(fù)動作從而達(dá)到不同的治療效果，適應(yīng)更多類型的患者。

36、 然后進(jìn)行設(shè)計氣動致動器內(nèi)部的幾何結(jié)構(gòu)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)致動器充放氣的過程，其內(nèi)部必須必須采取氣腔的形式。關(guān)于氣腔的形狀，有內(nèi)部全部是中控空的氣腔形式，也有采取不同的腔式結(jié)構(gòu)相連接，來達(dá)到不同的變化效果。至于我們已經(jīng)采取的致動器結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到優(yōu)化或有所說明。因?yàn)橹挥袣鈩又聞悠鞯墓枘z體，充氣變形后的形狀不得而知或者不好把握、精確度不夠，我們選用了拉伸程度很小的尼龍材料作為限制層內(nèi)嵌在硅膠內(nèi)，使得致動器的變形能夠單向或按照理想方向。為了方便清晰表達(dá)致動器的組成部分，我們用了不同的顏色表示不同的加工部分，灰色部分表示尼龍而其他顏色的部分均為同種材料。致動器的內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)及尺寸如圖3-3和3-4所示。

37、 圖3-3 圖3-4 第3.1.2節(jié) 頸部康復(fù)機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 驅(qū)動系統(tǒng)是一個機(jī)器人必不可少的組成部分，當(dāng)然現(xiàn)在機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)有很多方式，有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電機(jī)驅(qū)動和許多新型的驅(qū)動方式如化學(xué)驅(qū)動。但是針對頸部康復(fù)軟體機(jī)器人屬于柔性機(jī)器人的范圍，通常只有氣壓驅(qū)動、化學(xué)驅(qū)動和記憶合金驅(qū)動這三種方式。氣動是最常見的方式，主要具有反應(yīng)快速、能源環(huán)保、可靠安全等優(yōu)點(diǎn)，但是運(yùn)動軌跡不易控制并且驅(qū)動的限度有限成為了不可忽視的缺點(diǎn)；化學(xué)驅(qū)動的方式就是利用化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能供給機(jī)器人運(yùn)動，反應(yīng)也較迅速，但是更加不易控制從而增加了控制的不確定性；記憶合金驅(qū)動方式是簡稱為“SM

38、A”的隨溫度變化而改變形狀的金屬，結(jié)構(gòu)緊湊但是受到溫度的影響較大。綜上所述，本文采用氣動驅(qū)動的方式。 氣泵選擇的是微型6v直流電機(jī)耐腐蝕真空泵，可實(shí)現(xiàn)充氣和抽氣兩種不同功能，其參數(shù)如表3-5所示。 型號 KLP05-6 隔膜泵類型 隔膜氣/液泵 電機(jī)類型 直流有刷電機(jī) 電壓 6V 噪音 65dB 正壓 ＞0.06Mpa 負(fù)壓 ＜-0.03Mpa 液體壓力 ＞0.3Mpa 氣體流量（空氣） ＞1000ml/min 液體流量（純水） ＞450ml/min 產(chǎn)品重量 60 g 使用環(huán)境溫度 5~50℃ 使用環(huán)境濕度 0~90%RH 表3-5

39、 |氣泵參數(shù)表 整機(jī)長度為75mm，電機(jī)直徑為24mm，具體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計模型圖如圖3-6，尺寸單位mm，按照其尺寸參數(shù)，3D打印合適的支撐架，用于防震固定元件。 圖3-6 |氣泵尺寸參數(shù)圖 第3.1.3節(jié) 頸部康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計 頸部康復(fù)機(jī)器人的控制系統(tǒng)的設(shè)計采用了電磁閥，因?yàn)殡姶砰y是一種控制流體的基礎(chǔ)自動化元件，可以配合不同的電路能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期達(dá)到的控制，因?yàn)橹聞悠髦挥幸粋€進(jìn)氣口，所以還要實(shí)現(xiàn)致動器的充氣放氣的過程。電磁閥通?？梢园赐跀?shù)目進(jìn)行區(qū)分，如圖3-7。 圖3-7 但是考慮到本次采用的致動器的數(shù)目，我們使用了二位三

40、通的電磁閥，如圖3-8和3-9。 圖3-8 圖3-9 主要是使用氣泵和電磁閥配合，氣泵工作時候給致動器進(jìn)行充氣，然后利用硅膠的自己恢復(fù)的能力和電磁閥的變化進(jìn)行放氣。電磁閥和氣泵致動器間的連接情況如圖3-10。 圖3-10 第3.2節(jié) 頸部康復(fù)機(jī)器人的制造 第3.2.1節(jié) 材料清單 1. 3D打印模具 2. 液態(tài)硅膠 3. 尼龍 4. 氣管 5. 氣泵 6. 電磁閥 7. 針 第3.2.2節(jié) 頸部康復(fù)機(jī)器人各組成模塊制作方法 致動器是軟體機(jī)器人的重要組成部分，也是其中最有價值的核心部件。也可以說致動器設(shè)

41、計的合理性或者正確性直接可以決定軟體機(jī)器人的研究的結(jié)果。所以我們需要有合理、可行、有效的制作方法來制作致動器。硅膠是需要澆入到模具中去才能夠自己冷卻成型，形成彈性體。首先就是模具的制作，我們根據(jù)致動器內(nèi)部腔體和外部層的結(jié)構(gòu)設(shè)計模具，并直接使用3D打印機(jī)創(chuàng)建模具，是一種快速有效的模具制造方法。如圖3-11；然后是選用硅膠材料，因?yàn)榭紤]到軟體機(jī)器人應(yīng)該具有的柔性、彈性和不可壓縮的性質(zhì)且硅膠的配比也有較大的影響。如圖3-12。 圖3-11 圖3-12 在制作致動器的過程中需要注意的是先制作中空層（圖3-13），然后封閉中空層（圖3-14

42、），最后制作底層（圖3-15）。在把澆入模具的過程中，需要注意的是液態(tài)硅膠中的氣泡，不僅影響了美觀還大大降低的致動器的強(qiáng)度，如果有殘余的氣泡在充氣過程中可能會撕裂甚至發(fā)生爆炸。所以需要針來去除氣泡。 圖3-13 圖3-14 圖3-15 在設(shè)計的過程中我們還必不可少的一步是模具的制造，因?yàn)榘税雸A形致動器的模具如圖3-16、3-17、3-18和矩形致動器的模具如圖3-19、3-20、3-21，具體的模具圖如下圖所示。 圖3-16 圖3-17 圖3-18 圖3-19 圖3-20 圖3-21

43、 第3.3節(jié) 本章小結(jié) 在本章內(nèi)容中簡單介紹了頸部康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計與制造，使讀者大致了解了頸部康復(fù)機(jī)器人的的尺寸，組成材料和致動器的制造中的操作步驟及注意事項(xiàng)。希望能夠?qū)χ聞悠鞯闹谱饔幸欢ǖ牧私狻? 第四章 實(shí)驗(yàn)研究 第4.1節(jié) 實(shí)驗(yàn)平臺的搭建 軟體機(jī)器人因?yàn)椴捎玫氖怯邢逇馇蝗嵝圆牧?，所以說其執(zhí)行裝置-氣動致動器的變形是有限的，而且致動器的充氣量也是需要納入考慮中的。為了提前了解致動器的變形效果和致動器能夠容納的充氣量，我們需要搭建實(shí)驗(yàn)平臺來對致動器進(jìn)行測試。 這次對軟體機(jī)器人進(jìn)行的測試我們測試了致動器充氣量與彎曲角度、伸長量之間的關(guān)系。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)平臺的限制，我

44、們進(jìn)行的測試可能不夠精確，我們的充氣方式采用的是針筒進(jìn)行的充氣，考慮到氣泵充氣的不好控制和致動器承載能力的大小。 關(guān)于致動器的變化測試選用的也是常見的長度尺和角度尺。所以說在測量的過程中存在一定的誤差。如果有力傳感器也可以進(jìn)行致動器變化產(chǎn)生的力。綜上所述測試實(shí)驗(yàn)的平臺是存在一定的偏差的，但是所測試的量仍然是屬于致動器相對比較明顯的變化，所以說測試結(jié)果可以接受。 第4.2節(jié) 頸部康復(fù)機(jī)器人氣動致動器的性能測試及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理 因?yàn)楸敬尾捎昧司匦沃聞悠骱桶雸A形致動器，矩形致動器是在底層添加一層較厚的硅膠層作為限制層，所以說致動器只能產(chǎn)生較大的彎曲變化，而矩形致動器的伸長量測試較為不準(zhǔn)

45、。半圓形的致動器是在外層添加了尼龍進(jìn)行包裹從而限制致動器的彎曲變化，主要還是拉伸大于彎曲的變化。在這些理論的基礎(chǔ)上我們決定用矩形致動器來測試彎曲變化而半圓形致動器測試伸長量的變化。 首先測試的是矩形致動器的彎曲情況，實(shí)驗(yàn)步驟圖如4-1、4-2、4-3、4-4。 圖4-1 圖4-2 圖4-3 圖4-4 根據(jù)充氣量和矩形致動器的彎曲角度制成了以下的圖表，如圖4-5。 圖4-5 我們可以總結(jié)為致動器的彎曲角度隨著進(jìn)氣量的增加而不斷變大，如果致動器的制作合理，將可以實(shí)現(xiàn)

46、從0°~180°的彎曲，可以達(dá)到理想的狀態(tài)。但是在排氣過程中相對于充氣有一定程度的滯后影響，我們總結(jié)為是致動器的材料的影響。 然后進(jìn)行了充氣量與半圓形致動器的伸長量的實(shí)驗(yàn)測試，在該實(shí)驗(yàn)測試中，我們忽略了半圓形致動器的彎曲情況，具體的測量實(shí)驗(yàn)所需的充氣工具仍然是常見的針筒（圖4-6），我們可以根據(jù)針筒所標(biāo)數(shù)值進(jìn)行充氣。 圖4-6 半圓形致動器進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)步驟我們采取了每次充氣量為10ml氣體，然后觀察半圓形致動器的伸長量變化。具體的充氣步驟和數(shù)據(jù)顯示如圖4-7、4-8、4-9、4-10、4-11、4-12所示。 圖4-7 圖4-8

47、 圖4-9 圖4-10 圖4-11 圖4-12 根據(jù)上圖所示的數(shù)據(jù)我們可以進(jìn)行可以進(jìn)行一部分的數(shù)據(jù)處理。但是由于一個半圓形致動器的測量數(shù)據(jù)存在一定的不準(zhǔn)確性和偶然性，所以我們選取了三個相同制作方法制作出的致動器進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表4-13所示. 充氣量/ml 致動器1長度/cm 致動器2長度/cm 致動器3長度/cm 10 11.5 11.5 12 20 12.5 12 13 30 14 13.8 14.5 40 15 15.5 15.5 50 15.8 16 16.2 60

48、16.5 16.2 16.5 表4-13 根據(jù)致動器變化的參數(shù)直接制出充氣量與半圓形致動器伸長量變化的折線圖，如圖4-14，可以更加清晰地反應(yīng)出充氣量與致動器伸長量變化的關(guān)系。 可以從圖中看出致動器的長度隨著充氣量的增加而增大，但不是呈一種線性關(guān)系，因?yàn)橹聞悠鲃傞_始隨著充氣拉伸，截面面積的變化并不大，所以拉伸程度較大，但是伸長到了一定的程度，截面面積逐漸減小，內(nèi)腔的壓力也變得很大從而限制了致動器的拉伸。還有一個發(fā)現(xiàn)是盡管致動器的制作有所差異，但是測量結(jié)果表明對致動器的變形的影響可以忽略不計。 第4.3節(jié) 本章小結(jié) 在

49、本章節(jié)我們進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)測試致動器的表現(xiàn)結(jié)果，目的是為了后期能夠?qū)χ聞悠鬟M(jìn)行準(zhǔn)確的控制。從測試數(shù)據(jù)和結(jié)果來看，矩形致動器的充氣排氣受到材料影響較大，但是表現(xiàn)與預(yù)期結(jié)果沒有較大的差異。在半圓形致動器的測試中，我們也得到了一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在這些數(shù)據(jù)的分析上可以來決定控制方式，最終達(dá)到準(zhǔn)確的控制。 第五章 總結(jié)與展望 第5.1節(jié) 總結(jié) 本論文總結(jié)概述了目前頸部疾病也主要就是頸椎病的現(xiàn)狀，把軟體機(jī)器人方面的研究擴(kuò)展到頸部康復(fù)上面來，因?yàn)槟壳邦i部康復(fù)的儀器仍然存在著許多缺點(diǎn)。綜合頸部疾病康復(fù)的物理治療方法和軟體機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種新型的頸部康復(fù)軟體機(jī)器人，更加容易制作、便攜安全、

50、可靠有效。在這次的研究中拓寬的軟體機(jī)器人的研究領(lǐng)域，也大概完成了以下內(nèi)容： (1) 初步了解了頸部疾病的現(xiàn)狀和一些基本的治療方式。學(xué)習(xí)到頸部疾病的類型分為頸型頸椎病、椎動脈型頸椎病和脊髓型頸椎病等，了解了根據(jù)病因采取的一些治療方法和儀器。 (2) 本文初步介紹了一些軟體機(jī)器人包括涉及到康復(fù)領(lǐng)域的機(jī)器人，知道了軟體機(jī)器人的靈活性、高自由度、便攜安全等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在著相比不易控制等缺點(diǎn)，在許多設(shè)計、制造、材料、控制等方面仍然具有許多難題需要我們?nèi)ソ鉀Q。 (3) 初步完成了頸部康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計。完成的設(shè)計內(nèi)容包括了驅(qū)動方式的研究（使用了氣泵和電磁閥）、氣動致動器的設(shè)計和控制系統(tǒng)的初步學(xué)習(xí)。通

51、過電磁閥的控制使得氣動驅(qū)動方式能夠驅(qū)動多個致動器工作，完成不同的運(yùn)動軌跡從而達(dá)到不同的治療效果。更加簡便的致動器的設(shè)計讓頸部康復(fù)機(jī)器人變得便攜可靠，降低了成本。 (4) 本文還對設(shè)計出的核心氣動致動器建立平臺測試數(shù)據(jù)和表現(xiàn)。通過充氣量來測定致動器的變化情況，包括伸長量、彎曲角度和形狀變化。也更加突出了致動器的靈活性和一定的可控性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明充氣量的變化和控制系統(tǒng)的控制能夠滿足一定的物理治療效果。 第5.2節(jié) 展望 現(xiàn)階段軟體機(jī)器人的研究還有許多不足，除了擁有傳統(tǒng)剛性機(jī)器人或者儀器不能具有的優(yōu)點(diǎn)，也存在著控制和材料等方面的難題需要我們?nèi)ソ鉀Q。在未來的研究中希望可以把軟體

52、機(jī)器人推廣到更多的領(lǐng)域中去，添加更多的技術(shù)讓軟體機(jī)器人變得可控，未來也更加“自然”。 參考文獻(xiàn) 【1】 【2】Seok S，Onal CD，Cho K，et al.Meshworm： a peristaltic soft robot with antagonistic nickel titanium coil actuators[J].Mechatronics，2012，18（5）：1485-1497. 【3】Kang R，Branson DT，Guglielmino E，et al. Dynamic modeling and control of an oct

53、opus inspired multiple continuum arm robot[J]. Computers and Mathematics with Applications， 2012，64（5）：1004-1016. 【4】Nakamaru S，Maeda S，Hara Y，et al.Development of novel self-oscillating gel actuator for achievement of chemical robot[A].IROS 2009. IEEE/RSJ International Conference[C].2009. 【5】

54、Laschi, Cecilia, Barbara Mazzolai, and Matteo Cianchetti. "Soft robotics: Technologies and systems pushing the boundaries of robot abilities." Science Robotics 1.1 (2016): eaah3690. 【6】Asbeck, Alan T., et al. "A biologically inspired soft exosuit for walking assistance." The International Jo

55、urnal of Robotics Research (2015): 0278364914562476. 【7】Polygerinos, Panagiotis, et al. "Soft robotic glove for hand rehabilitation and task specific training." 2015 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). IEEE, 2015. 【8】Shuxiang Guo, Fang Zhao, Wei Wei,

56、Jian Guo, Xin Zhao, Weijie Zhang，“Soft actuator for hand rehabilitation”, Proceedings of the 2015 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation (ICMA), 2015, pp:2197-2202. (檢索號：20160501860379) 【9】Gunjan Agarwal, Nicolas Besuchet, Basile Audergon & Jamie Paik,Published: 27 September 2016