康复服务机的设计
北京理工大学珠海学院2020届本科毕业生论文 康复服务机的设计颈部康复结构设计摘要 随着社会智能化的时代来临，程序员、金融分析师等上班族人数的增长。由于长时间坐着办公，患上颈椎病的人群也日益增长，对人们的正常生活造成不良影响。目前在医学临床上对颈椎病患者的主要疗法有颈部局部牵引和手法治疗。需要有医护人士的辅助下才能康复，而对于病人能自理使用的颈椎康复设备还处于缺失的阶段。病人往往由于缺乏人员照顾而得不到有效的治疗，从而使得颈椎病反复发作。因此，本文旨在研究一种全自动化颈部康复器，帮助病人解决在身边缺乏医护人士照顾的情况下，也能自主使用设备对颈部进行康复治疗。为使颈部康复器能够为颈椎病患者起到最大的治疗疗效，本文通过查阅大量人体颈部结构及颈椎康复文献深入研究人体颈部的肌肉结构及康复动作。以颈部牵引、颈部转动这两大康复动作展开机械结构设计，对设计的机械结构进行相关的三维模型建模、强度校核计算以及重要受力零件的有限元分析，从而进一步确定机构运行的可靠性。对颈部康复器进行三维动画仿真，模拟患者自主使用颈部康复器时的情况，验证各个机构的运行情况。本文以一名成年男子为研究对象，通过设计合理的颈部康复方案，利用颈部牵引及颈部转动两大康复机构对患者颈椎进行相应的牵引拉伸和往复转动两大动作，围绕这两方面开展结构设计，并对机构进行合理验证，完成设计工作。关键词： 颈部牵引;颈部转动;结构设计；有限元分析AbstractWith the advent of the era of social intelligence, the number of working leaders such as programmers and financial analysts has increased. More and more patients with cervical spondylosis. At present, the main treatment of cervical spondylosis in clinical medicine is local traction and manipulation. Therefore, the purpose of this paper is to study a full-automatic cervical rehabilitation device for the rehabilitation of cervical patients.Through consulting a large number of books related to human rehabilitation, I designed the mechanical structure of two major rehabilitation actions: neck traction and neck lateral flexion. In addition, the related three-dimensional model, strength check calculation and finite element analysis of cervical spine are carried out. Finally, the traction time and side bending angle of the neck are determined, and the 3D animation simulation of the neck rehabilitation device is carried out to simulate the situation when the patient uses the neck rehabilitation device independently and verify the operation of each mechanism.In this paper, cervical spondylosis patients as the research object, through the existing reasonable neck rehabilitation program, the use of cervical traction to correct the physiological curvature of the cervical spine and lateral flexion of the neck to assist patients with cervical sternocleidomastoid muscle strengthening exercise, around these two aspects of the structural design, and the reasonable verification of the mechanism to complete the graduation design.Key words: Neck traction; Neck rotation; Structural design；Finite element analysis目录摘要ABSTRACT一、绪论71.1 研究背景71.2 国内外研究现状71.3 研究内容及意义8二、颈部康复器的原理方案设计92.1 设计内容92.2 总体方案确定92.2.1 牵引结构方案92.2.2 转动结构方案122.2.3技术参数的设定132.3 机构自由度计算152.3.1 牵引结构的自由度计算152.3.2 转动结构的自由度计算15三、结构尺寸确定173.1 牵引结构的尺寸确定173.1.1 固定板的设计173.1.2支架长度的确定173.1.3 电动推杆的选用193.1.4截面模量的确定203.1.5支架的强度校核213.1.6 横轴长度确定及强度校核263.2 旋转结构的尺寸确定283.2.1 曲柄及连杆长度的确定283.2.2 摇杆尺寸的确定293.2.3 底座尺寸的确定313.3 杆件的受力分析313.4 杆件的强度校核343.4.1 摇杆的强度校核343.4.2 连杆抗压强度校核353.5 电机的选用36四、三维建模及装配394.1 建模软件介绍394.2 升降结构的建模394.2.1 剪叉支架的建模394.2.2 电动推杆的建模404.2.3 升降板的建模404.2.4 整体的建模装配414.3 旋转结构的建模424.3.1 曲柄、连杆及固定板的建模424.3.2 滑块的建模424.3.3 底座的建模434.3.4 摇杆、拉杆的建模444.3.5 整体结构建模装配444.4.4 颈部康复机构装配45五、有限元分析485.1 有限元分析使用的软件485.2 材质定义485.3 应用约束485.4 添加载荷495.5 生成网格505.6 查看及分析结果51六、总结53参考文献54一、 绪论1.1 研究背景颈椎病是现代人常见疾病的一种。颈椎病是指人体颈椎发生退行性病理改变，引起颈部神经或椎动脉压迫，产生一系列功能障碍的临床综合症状。近年来，随着智能手机等便携性可穿戴设备的普及，颈椎病的发生伴有年轻化的趋势。其中，长期不良工作姿势，是导颈椎病的多发因素之一。其颈椎的主要病变形式为慢性劳损。据有关的一份调查关于职业因素对颈椎病影响的报告结果显示，慢性劳损是现代人颈椎病的主要发病因素。研究人员对430名需要长期低头工作的会计、记者等需长期坐立的劳动者及308名站立营业员对照调查颈椎病的患病率。统计发现前者的患病率为20.4%，而后者患病率仅为13.9%，证明不良的工作姿势会增加患颈椎病的风险。国内的颈椎病病患者正呈现逐年增加趋势，因此研究如何设计一种颈部康复器具有十分重要的意义。 1.2 国内外研究现状目前，国外对于颈部康复治疗上具有领先地位。颈部的康复主要以器械康复、运动康复两大领域为主。简单的康复器械有悬挂式的颈椎牵引器。通过安装在固定的门或墙体上即可实现牵引治疗。而结构复杂且功能先进的器械有外骨骼康复设备，目前日本在外骨骼康复机器人领域中处于世界领先地位，这种康复设备在运动传动及力的控制上更为灵敏，能够实现移动速度的多级调节。图1.1为一外骨骼康复设备。颈椎康复设备在国内的发展还处于比较缓慢的阶段。目前国内中小城市的医院对于非手术型颈椎病患者的常用疗法主要集中在简单的器械牵引及手法按摩上，专业医师或相关护士对病人实施颈部相关穴位、肌肉的按摩。以及定期使用颈椎牵引椅给患者颈部做牵拉、拉伸等动作，加强颈部周边组织血液循环进而达到康复的目的。近年来，国内一些高校也开始研制新型颈椎康复设备。图1.2为郑州大学所研发的一款非手术型的颈椎半自动康复设备。 图1.1 外骨骼康复设备 图1.2 非手术颈椎康复设备1.3 研究内容及意义颈部康复结构设计主要的研究内容及意义有以下三点：（1）颈部牵引结构的设计，颈部的牵引是颈椎病康复的一个重要治疗环节。颈部牵引是将颈部通过某种可升降机构从原有生理位置牵拉并固定在一定的高度上，通过放松椎间神经压迫和减缓椎间组织囊肿，从而恢复至正常的人体颈椎生理曲度。牵拉颈部的过程中要保证患者颈部的舒适度，其次要保证颈部周围肌肉受到均衡的牵拉力，还要保证牵引过程中头部的正确位置。（2）颈部转动结构的设计，除了颈部牵引康复训练以外，颈部还需要左右两个方向的转动，通过锻炼颈部左右两侧的胸锁乳突肌加强颈部肌肉的血液循环，缓解患者颈部僵硬疼痛的症状。在颈部转动的过程，头部始终与肩部保持水平。通过机构往复的摆动带动头部左右做一定范围内的往复转动运动。在头部转动过程中，需要采取一定能够实现往复循环摆动机构，其次摆动幅度和电机扭矩也需要合理控制。（3）通过相关的运动学分析和力学计算，建立机构主要受力零件的有限元分析算例，为验证计算数据提供重要依据。本设计中使用SolidWorks 2020 软件对颈部康复器三维建模及运动仿真，先完成各零部件的建模，再对各零部件整体组装。最后导出主要零件和整体机构的二维图，完成结构设计工作。二、颈部康复器的原理方案设计2.1 设计内容本课题设计内容为颈部康复结构的设计，此康复机构包含两大机构，一是实现颈部牵引的结构设计，二是实现颈部左右固定幅度往复转动的颈部转动结构的设计。因此本课题将围绕这两大康复结构展开方案设计及相关尺寸计算，最终完成总体的结构设计。图2.1为颈部康复结构设计的示意图。图2.1 颈部康复结构设计示意图2.2 总体方案确定2.2.1 牵引结构方案方案一为滑轮式牵引结构，结构如图2.2所示。方案一主要通过电机与滑轮的组合完成对颈部的牵引。设计一个L型支架并将其固定在座椅上，将滑轮安装在支架上，通过电机转轴缓缓收缩滑绳，滑绳通过滑轮组改变作用力方向从而将佩戴在人体头部的吊架缓慢升起而完成整个牵引过程。但由于在升降过程中牵引架容易发生转动，造成颈部受力不均，稳定性较差。在使用不当时容易发生颈椎扭伤的危险，因此该机构不适宜作为牵引方案。图2.
