具有基于虚拟现实的运动跟踪功能的上臂外骨骼的设计和分析
摘要：
机器人康复是治疗腿部或肢体受伤的患者的新疗法。患者的第二个选择是使用机器人康复，而不是传统的康复，因为机器人康复消耗更少的钱和更短的时间。机器人康复可以通过构建外骨骼来改善。外骨骼是一种外部结构，包含连接到患者身体的链接和关节。为患者恢复损伤和开发设备与人体之间的智能连接提供服务。这种外骨骼设计需要执行一定程度的自由扩展/柔韧运动。该设备由框架、电机、力传感器和外壳组成。在此设计中，电机需要开发所需的扭矩量，以便患者能够轻松地执行运动。
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介绍：
许多患者患有麻痹性疾病，为了满足对患者的更高需求，需要开发机械设备，以帮助他们进行常规活动，外骨骼设备旨在弥补医疗康复方面的空白。与其他仅限于临床使用的康复机器人相比，外骨骼是医疗康复的新阶段。外骨骼的应用包括：1） 辅助设备（人体放大器），2） 物理治疗设备，3） 主设备，4） 触觉设备。这种外骨骼被设计为物理治疗设备，可以执行职业任务和被动或主动的物理治疗模式。高性能外骨骼装置的开发是通过考虑几个因素，如电机放置，扭矩生成，重量和刚度所需的，以及力量和压力维持
本文讨论了上臂外骨骼的机械设计和分析。设计目标如下：
设备需要执行1-DOF接取和向下。
外骨骼设计需要易于使用和耐用。
设计一个机械外骨骼，将覆盖外骨骼，给它一个更好的外观，使患者感到舒适，而他们正在使用它。
设计和分析的指导是使用MITCLAC进行齿轮分析，SolidWorks用于案例设计，Ansys用于力和应力分析。
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外骨骼配置：
图1说明了外骨骼的设计，它由具有运动跟踪功能的虚拟现实头安装组成。
该系统由执行器、IMU 和虚拟现实头安装组成，其中使用带镜头的商用 VR 盒将生成的 L-R 图像对焦在放置在 VR 头安装内和镜头正前方的手机上生成的 L-R 图像。
齿轮分析和选择：
在每种机械工艺和设备中，选择合适的齿轮对于确保正确的扭矩变速器非常重要。为上臂设计外骨骼需要开发一个齿轮分析，以将所需的扭矩量传递到电机，使患者能够执行提升和延长的动作。需要轴将齿轮与电机连接起来，以达到所需的功率。齿轮分为不同类型，如刺激齿轮，赫利亚卡齿轮和蠕虫齿轮和斜面齿轮。每个齿轮都有自己的优点和缺点，并根据应用，确定齿轮类型发生。阶段数取决于齿轮的适用使用，某些应用程序需要 2 级齿轮系统，其他应用程序需要多个齿轮阶段。牙齿大小的直径可以通过使用方程（1）来确定。D=N/P
d是直径N是牙齿的数量，P是直径间距。
模块和齿轮的圆形间距可以通过使用方程 计算。
m=d/N m表示齿轮的模块和P是圆形音高。齿轮速度可以通过应用方程（4）来估计。此后，计算扭矩允许使用方程（5）和（6） [9]找到传输到轴所需的功率量。
V=ω=2πNd/60T=Ft x rP=T x V
各种材料可用于齿轮制造，因此很难找到具有所需性能的最佳材料，使齿轮能够正常工作。有一对夫妇的材料，大多数齿轮的设计如表I[9]所示。在此设计中，根据重量、物理特性和压力和力维持，为齿轮制造选择了不同的替代方案。
通过使用 MITCALC 软件，可以从头开始设计和分析齿轮。在本次设计中，所选材料为合金结构钢T2，因为强度值高，耐腐蚀性好，耐久性和耐热性强。在此齿轮设计中，刺激齿轮被选为齿轮类型。确定齿轮比对于扭矩比较至关重要。
从表二中，根据齿轮比对齿轮进行分析，以进行输出扭矩、质量和安全系数。选择替代 3 是因为所需的输出扭矩量需要超过 800 N.m 这样患者就可以轻松地移动外骨骼。之所以选择它，是因为重量设计安全系数超过1。
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封面材料选择：
选择合适的材料对于设计所需的材料非常重要。材料是物质的组成。材料基础科学集中在材料结构和特性上。表三显示材料及其封面设计的参数[11]， [12]。
封面设计：
在这个任务中，外骨骼的机械开发不仅包括结构设计，还包括执行器的选择。选择适当的执行器是相当具有挑战性的，因为人类关节需要一个高扭矩与轻量级驱动器。因此，这种外骨骼的机械设计是基于患者的要求，遵循低重量和中等尺寸的需求。此外，外骨骼将帮助那些手臂肌肉薄弱的患者，提供移动手臂所需的力量，这种力量将由电机产生。外骨骼将产生一定程度的自由上下[14]。
此外，在这种外骨骼设计中，盖子将由碳纤维制成，因为它具有非常适合设计需要的特性。此外，2个表带将用于马达放置的接头和手腕和上肢的机械锁。图2显示了封面设计的等轴测量视图。
碳纤维将用于上下臂，但电机将覆盖橡胶材料，以提供上下移动的灵活性。该病例将从外部覆盖外骨骼，并且使用表带直接连接到外骨骼，外骨骼将作为一个设备呈现给患者，这将使它更容易使用。表带将被放置在关节顶部，以锁定和连接盖与患者的手臂。在外骨骼内，外骨骼和患者手臂之间将使用舒适的海绵，以保护它免受任何伤害，也给患者舒适，轻松进行康复练习[7]。
安西斯分析：
机械安赛斯软件 （APDL） 用于此设计，以分析对外骨骼起作用的力和应力。外骨骼在安西斯被定义为光束，可以自由地在一侧移动，并固定在末端。因此，对作者的上肢进行了测量，在Ansys工作表上生成了3个关键点，第一点位于手臂顶部的起点，第二点位于距离原点12.5厘米的关节处，最后一点位于距离原点42.5厘米处。
因此，产生了一条带圆形横截面的直线，为三点。圆形横截面半径为1.75毫米。此外，原点在所有 DOF 中都固定。此外，负载在第二个点被施加，受2个力的影响，一个是齿轮的重量和电机的重量，这是1.266Kg向下压，第二个力是从 1039N.mm 向上行动的电机产生的扭矩。扭矩的量分为两个点，即关节和最后一个点，如图3所示。
结果表明，最高应力位于5163.41N左右的固定点，最低应力位于8.564N左右的第三点，如图4所示。
图5显示了使用齿轮开发的外骨骼，封面设计，这是前面讨论过的。
经测试的外骨骼在自由度下运行良好。通过提高齿轮设计和执行器的效率，可以进一步改进这种机械设计。
结论：
本文提出了上肢外骨骼的设计与分析与虚拟现实为基础的运动跟踪功能的康复建议。首先，进行了齿轮分析和设计，以确保选择正确的扭矩变速器，以便给电机所需的扭矩量。材料选择被认为是确定设计重量、功能、力和压力维持的一个重要因素。因此，本文根据所需的特性，为封面设计和齿轮选择提供了不同的替代方案。然后，盖子设计用于覆盖并安装到电机中，以获得更好的灵活性。最后，进行力和应力分析。
标签：外骨骼,电机,扭矩,患者,齿轮,虚拟现实,设计,上臂 来源： https://blog.csdn.net/nvsirgn/article/details/118727469
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