1、 本科毕业设计 (论文 ) 下肢关节康复医疗器械 的 设计 Design of rehabilitation medical device of lower limb joint 学生姓名 学 号 087225 学生专业 机械电子工程 班级 08 机电 2 班 二级学院 机电工程学院 指导 教师 副教授 中国计量学院 2012 年 5 月 郑 重 声 明 本人呈交的 毕业设计 论文 ， 是在导师的指导下 ， 独立进行研究工作所取得的成果 ， 所有数据、图片资料真实 可靠 。 尽我所知 ， 除文中已经注明引用的内容外 ， 本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容 。 对本论文所涉及的研究工
2、作做出贡献的其他个人和集体 ，均已在文中以明确的方式标明 。 本学位论文的知识产权归属于培养单位 。 学生 签名： 日期： 分类号： TH122 密 级： 公开 UDC： 621 学校代码： 10356 中国计量学院 本科毕业设计 (论文 ) 下肢关节康复医疗器械设计 Design of rehabilitation medical device of lower limb joint 作 者 戚雪珍 学号 0800107225 申请学位 工学学士 指导教师 李运堂 副教授 学科专业 机械电子工程 培养单位 中国计量学院 答辩委员会 主席 许昌 评 阅 人 2012 年 5 月 致 谢 本次毕
3、业设计经过 几个月的时间终于顺利 地 完成 了，期 间最应该感谢的是李运堂 老师。李运堂老师无论在 本论文的研究 、设计还是 写作中 始 终给予了我无微不至的关怀和全面 、细心 的指导 ，尤其 是在培养我严谨的研究作风方面 对进行了严格的要求 。 在做毕业设计的 几个月里，李老师严格地 要求我 ，同时耐心地 在理论和操作上帮助 我， 使我少走了很多弯路 ， 给我提供了良好 的 学习 知识和实践的机会 ， 对我论文的完成给予了莫大的帮助 。 李运堂老师严谨的治学、敏锐的思维、渊博的学识和极强的动手能力给我留下了 极其 深刻的印象 ，他 对我的谆谆教诲和言传身教使我受益无穷 。 导师渊博的知识、
4、诲人不倦的师德、严谨的治学态度、兢兢业业的工作作风和对科学知识执着的追求与探索精神深深的影响着我 ， 不仅在学术上给我以动力和指导 ， 而且从生活上 ， 思想上激励和教育我 。 在此 ， 向我的导师致以最诚挚的谢意 。 另外 ，也要感谢 沈凯超和张春杰同学 在本设计的过程中对我的帮助，同时 感谢学校能够给我这样一次锻炼的机会 ， 使自己在专业和实践方面 的能力到得到了提高 。 最后 ， 在 中国 计量学院四年的本科学习中 ， 得到了机电工程学院许多老师和同学的帮助 ，在此 ，一并向他们表示诚挚的感谢。 I 下肢关节康复医疗器械设计 摘 要 ： 本文以关爱残疾人，辅助患者进行下肢关节的 康复训
5、炼 为 出发点 ， 在现有的装置基础上，对 下肢关节康复医疗器械装置的 优化与改进。首先 ，本文 对 机构杆件、滚珠丝杆和电机的参数进行了设计与计算 ，并对机构杆件和底座的材料进行了分析与选择。其次， 本文 通过 用 Solidworks2011 软件 对装置的各个零件 进行 建模，并对主要零件进行应力分析。 最后， 本文 通过 用 Solidworks2011 软件 对装置 的总装配图进行 干涉检查，分析与解决问题，优化改进装置。 本装置 的作用 是让患者在术后，下肢能够得到有效和及时的修复性锻炼。 具体功能是 让踝关节 实现左右摆动和 足内翻、足外翻，膝关节实现伸缩和弯曲。该装置保证患者在
6、家里，没有医生指导的情况下，能够自己操作，安全又可靠。 关键词 ：下肢关节；医疗器械；康复器械设计 ； Solidworks2011 中图分类号： TH122 II Design of Rehabilitation Medical Device of Lower Limb Joint Abstract: In order to take care of the disabled and assist in patients who want to do lower extremity joint exercise, this thesis on medical equipment optimi
7、zation and improvement, which about lower extremity joint rehabilitation, bases on the existing device, can help them. Firstly, it does some design and calculation in the mechanism parts, ball screw and electrical parameters, meanwhile, the bar and base materials are analyzed and selected. Secondly,
8、 it not only creates the model of each part, but also dose stress analysis in the main parts with Solidworks2011. Finally, with the help of Solidworks2011, it optimizes and improves the device by conducting the interference detection of general assembly drawings, analysis and problem solving. The de
9、vice function is to make the postoperative patients do repair training effectively and timely. The specific function is to make the ankle swings around, the foot turns in and out, the knee stretches and bends come ture. It ensures patients themselves be able to operate safely and reliably without a
10、doctors guidance. Keywords ： Lower limb joints; medical devices; rehabilitation device design; SolidWorks2011 Classification: TH122 III 目 录 1 绪论 . 1 1.1 研究背景及意义 . 1 1.2 下肢关节康复医疗器械的研究现状 . 1 1.2.1 机械式踝关节康复辅具 . 1 1.2.2 电动踝关节功能康复辅具 . 2 1.2.3 智能化踝关节康复辅具 . 2 1.2.4 下肢关节康复医疗器械的特点 . 3 1.3 本文研究的主要内容 . 3 2 设计要
11、求 与 方案比较 . 5 2.1 下肢关节康复医疗器 械设计技术要求 . 5 2.2 下肢关节康复医疗器械设计方案 确定 . 5 3 下肢关节康复医疗器械设计 . 7 3.1 装置结构材料选取 . 7 3.2 人体下肢关节运动分析 . 7 3.3 机械杆件机构的设计 . 8 3.4 滚珠丝杆的选择 . 9 3.4.1 滚珠丝杆的 结构的选择 . 10 3.4.2 滚珠丝杆的 结构尺寸的选择 . 10 3.4.3 滚珠丝杆 的选择步骤 .11 3.4.4 滚珠丝杆的参数 . 13 3.5 电动机的型号选择与设计 . 13 3.5.1 电动机类 型选择 . 13 3.5.2 电机参数计算 . 14
12、 3.5.3 电动机参数 . 15 3.6 下肢关节康复医疗器械机座设计 . 15 3.6.1 底 座的作用及 结构设计 . 15 3.6.2 底 座的 材料选择 . 16 4 下肢关节康复医疗器械零件建模与应力分析 . 17 4.1 对 ADAMS 软件 介绍 . 17 4.2 用 ADAMS 机构杆件运动仿真 . 17 4.3 用 solidworks 对机构杆件建模 . 18 4.4 用 solidworks 对滚珠丝杆建模 . 18 4.5 用 solidworks 对电机建模 . 18 IV 4.6 用 solidworks 对机构主要零件应力分析 . 19 5 下肢关节康复医疗器械
13、系统建模、 干涉分析 与系统优化 . 24 5.1 机电一体化系统的介绍 . 24 5.2 下肢关节康复医疗器械装置的 初步 装配 . 24 5.3 下肢关节康复医疗器械装置的 干涉检查与优化 . 25 6 总结与展望 . 28 6.1 已完成工作 . 28 6.2 需 要解决的问题 . 28 参考文献 . 30 附录 A：杆 1零件图 . 32 附录 B：杆 2零件图 . 33 附录 C：杆 3零件图 . 34 附录 D：杆 4零件图 . 35 附录 E：杆 5零件图 . 36 附录 F：杆 6零件图 . 37 附录 G：连接杆 1零件图 . 38 附录 H：连接杆 2零件图 . 39 附录
14、 I：连接杆 3零件图 . 40 附录 J：脚踏板零件图 . 41 附录 K：电机零件图 . 42 附录 L：滚珠丝杠零件图 . 43 附录 M：总装配图 . .44 作者简 历 . 45 学位论文数据集 . 46 中国计量学院本科毕业设计（论文） 1 1 绪论 1.1 研究背景 及意义 残疾人与健康人相比 ,在身体和心理方面都有其自身的特点。因此 ,作为残疾人使用的 康复医疗器械 与一般的健身器材有很大不同。我国最早的成套康复训练器械是从国外进口的。上世纪 80 年代末 ,中国针对残疾人成立了 残疾人 康复训练中心 ,从日本引进了大量的康复 医疗器械 。经国务院批准 ,残疾人 康复 训练 中
15、心成立了康复工程研究所 ,这个研究所的只要目的是结合临床医学的经验，采用科学有效的技术手段，给残 疾人提供和研发一些康复训练的器械，包括一系列的研发、生产、售后服务性的指导残疾人操作，维修服务的一条龙服务，在进行质量的反馈，从而改进设备的技术，为残疾人提供更舒适，更方便的医疗器械 1 。 在最近研究的 十几年 时间里 ,参考与借鉴了国内外的许多先进技术与设备 ,我们自己已经设计研发出了各种功能的康复医疗器械，有了自己的一套设计理念与方案，而不是光光靠引进外国的技术手段。下肢关节康复医疗器械对下肢行走有困难的患者提供了很大的方便，尤其是对术后的患者，还有就是截肢的患者和装了假 肢的患者，给他们提
16、供了一个康复训练的好机会与好方法，加快他们的康复效果 1 。 同时， 现在马路上的车辆越来越多，从而交通事故也越来越多 ， 再者 人口老龄化导致 引起的骨质疏松的人越来越多，加之现代的年轻人 越来越提倡体育运动， 现在这个社会提倡运动美，注重对身体的保养，都比较加强运动。年轻人在运动的时候难免会受伤，比如打篮球的时候手扭伤，踢足球的时候脚扭伤等等。有关数据研究统计，膝关节和踝关节的受伤和韧带的拉伤的人的比例在不断的上升 1 。 这样的患者在手术后都要面临同样的一个结果，就是在家静养。其实术后不及时的锻炼，就坐那静养的方法是不对的，长时间地不动会导致肌肉的萎缩、关节僵直的严重后果 1 。所以为了
17、保证在手术后能都快速的恢复肢体的运动能力，有人研发了下肢关节康复医疗器械这种康复医疗器械，帮助患者术后修复锻炼 1 。 1.2 下肢关节康复医疗器械的研究现状 1.2.1 机械式 下肢 关节康复 医疗器械 机械式踝关节康复医疗器械的 使 用方法是，人体靠在板上站直，收扶着 杆，系上安全带，脚踩在踝关节的矫正板上，依靠人体调节自身的重量是装置保持一定的角度。如图 1.1机械式踝关节康复医疗器械有两个矫正板。所以人通过踩在不同的板上可以实现不同的矫正作用。可以实现脚踝的内外翻转等 2 。 由于此装置要通过人体来调节角度，所以必须能够承受整个人体的重量，所以对装置的刚中国计量学院本科毕业设计（论文）
18、 2 度与强度要求很高，在材料选择方面必须细致。机械式踝关节康复器械虽然操作起来很简单，但是 如果在 家里 没有矫形医师 的指导 的情况下，患者 通过自身能力来 调整踝关节矫正角度，可能 会产生 事与愿违的 效果。 图 1.1 机械式踝关节康复医疗器械 1.2.2 电动 式下肢 关节康复 医疗器械 电动式下肢关节康复医疗器械采用了 CPU全微电脑控制，装置运行情况可以通过 LCD双屏背光液晶显示。电动式下肢关节康复医疗器械的 运动角度、速度、时间等参数 都可以通过通过 CPU控制， LCD液晶显示出来。操作简单方便，患者很容易上手。而且该装置还有 力矩控制和超力矩保护 的 功能， 能够确保患者使用安全 2 。 图 1.2 电动踝关节功能康复辅具 1.2.3 智能 型 下肢 关节康复 医疗器械 智能 型踝关节康复 医疗器械是在电动式下肢关节康复医疗器械的基础上，加入了智能的元素。例如，装置在运行的时候，如果遇到突发事件，能够自行反转，而且该装置的力矩能够任意的设置。可以让患者在使用装置时更加安全可靠。最重要的是该装置还可以设定关机时间 ， 为临床使用和管理提供了方便 2 。
