機械手設計論文范文

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第1篇

1手持式醫療器械的特點

1.1安全性

對于手持式醫療器械而言，日常應用廣泛的原因在于，該項產品具有較高的安全性。醫療器械的應用領域非常廣泛，對醫護人員、對殘障患者、對醫療領域的研究工作，都具有較大的積極意義，并且能夠在客觀上改變醫療工作的現狀以及患者的生活方式，使其達到一個新的高度。手持式醫療器械作為醫療器械領域中的一個重點部分，其安全性是有嚴格規范的。第一，手持式醫療器械在出現故障時，必須能夠保證使用人員的人身安全，而不是造成意外事故。第二，手持式醫療器械在日常使用過程中，出現損壞時，應以突出的部位顯示，告知患者醫療器械出現問題，避免患者繼續應用。第三，手持式醫療器械的日常接觸部位是使用人員的手部，因此必須提高對手部的保障措施，避免磨損、劃傷等情況的出現。

1.2復雜性

現代醫療器械融合了多學科的研究成果，功能復雜化、模塊多樣化。同時醫療器械的使用者也具有復雜性，手持式醫療器械的使用者并不全是專業的醫護人員，圍繞著手持式醫療器械產品的用戶環境也并不僅僅只有醫護人員。如家庭環境下，使用者多為非醫護專業人員，甚至可能是病人本身。他們并不具備基本的醫學背常識和醫療器械操作知識。從圖1來看，手持式醫療器械所具有的復雜性，是手持式醫療器械的核心部分，其復雜特性不僅決定了其他特點的表現，同時對該類型醫療器械的實際應用也產生了較大的影響。本研究認為，手持式醫療器械的復雜性并不容易把握，在今后的工作中，一方面要降低復雜特點，提高其他的特性，幫助手持式醫療器械獲得更多的功能；另一方面要把握好復雜性帶來的影響，盡量不要影響到手持式醫療器械的設計和研發工作。

2手持式醫療器械的設計要點

2.1安全性

手持式醫療器械的市場非常廣泛，為了能夠進一步滿足廣大患者的需求，手持式醫療器械在設計過程中，必須滿足固定的要求，也就是日常說的設計要點，同時還要在設計要點方面實現更大的突破，否則很難滿足現實工作中的需求。經過長期的探究發現，手持式醫療器械的設計要點之一在于安全性。圖2為脈搏血氧儀。該產品由深圳市杰納瑞公司生產，該儀器在設計中充分考慮到了以下安全性：第一，使用可充電鎳氫電池：可以避免在患者使用的過程中，人體接觸到市電220V的可能，提高安全性能，另外鎳氫電池非常穩定，存儲時間也比較長，能夠長期安全使用；第二，連接人體的血氧探頭，均使用符合生物兼容性的材料，避免人體長時間接觸可能產生的過敏反應；第三，考慮靜電防護，通過國家檢測要求，提高了產品的穩定性和安全性。由此可見，產品的安全性關系到具體使用和對患者的效果，必須加以重視起來。

2.2造型設計

手持式醫療器械區別于其他醫療器械的一個重點在于，該類型的醫療器械所占有的空間非常小，主要是通過手來進行操作，并且較小的醫療器械在操作過程中，細節操作往往決定了最終的結果。因此，手持式醫療器械的造型設計是非常重要的。第一，手持式醫療器械的造型必須小巧，能夠讓操作人員及時的分辨出該類型醫療器械的作用。在總體的造型方面，要有突出的表現，能夠在眾多的醫療器械當中及時找到。第二，手持式醫療器械的色彩要分明，不同的顏色代表的含義不同，并且要考慮到實際應用的情況。倘若燈光昏暗，手持式醫療器械的設計則要用鮮艷顏色來突出；倘若燈光明亮，則要應用柔和色彩。最終要的是，一旦遇到色盲的特殊人員，色彩所表達的意義則有很大區別，因此在色彩的把握上，必須考慮到多種情況。第三，手持式醫療器械的造型設計，還要便于實際操作。由于該類型醫療產品主要是用于精細手術、患者傷殘應用等領域，操作性能必須達到一個較高的水準，同時還要具備抗污染、抗腐蝕等特點，保證不會對患者、醫護人員造成傷害。

2.3觸覺設計

除了上述的兩項設計要點以外，手持式醫療器械的觸覺設計，也是非常重要的一個方面。觸覺設計主要是讓操作人員能夠明確的感受到自己在操作醫療器械，同時在感覺上比較明顯，避免力度過大或者是力度過小而造成不必要的影響。觸覺設計一直都是手持式醫療器械設計的重要方面，常常作為設計的瓶頸進行突破。例如，薄膜按鍵已經成為輕型觸覺控制器的主要類型。脈搏血氧儀薄膜按鍵上的功能不僅有應用于動力供應中的開/關控制功能，還有用于其他開與關的轉換功能：同時具有步進控制功能。以脈搏血氧儀plus為例，受脈搏血氧儀設備本身結構功能的影響，薄膜按鍵設計應滿足單手持握的操作規程，控制鍵應可使用單個手指操作，應保證控制鍵排布不易造成誤操作的發生。從以上的表述來看，觸覺設計將會直接影響手持式醫療器械的日常使用、修理、優化等工作，并且會對使用者產生較大的影響。在今后的工作中，觸覺設計必須更加人性化，一方面提升觸覺的靈敏度，另一方面增加失誤操作的禁止功能，即便是出現錯誤操作，依靠觸覺設計，也能夠在第一時間，對所有將要發生的問題予以制止。結語本研究對手持式醫療器械的設計要點進行分析，就現有的手持式醫療器械而言，在很大程度上已經滿足了醫護人員及患者的需求，但由于患者數量的增多，以及特殊案例的出現，部分手持式醫療器械在性能上顯得有些不足，今后需要進一步設計。

第2篇

關鍵詞：上肢康復訓練機器人 青島大學碩士開題報告范文 青島論文 開題報告

一、 選題的目的和意義

據統計,我國60 歲以上的老年人已有1.12 億。伴隨老齡化過程中明顯的生理衰退就是老年人四肢的靈活性不斷下降，進而對日常的生活產生了種種不利的影響。此外，由于各種疾病而引起的肢體運動性障礙的病人也在顯著增加，與之相對的是通過人工或簡單的醫療設備進行的康復理療已經遠不能滿足患者的要求。隨著國民經濟的發展，這個特殊群體已得到更多人的關注，治療康復和服務于他們的產品技術和質量也在相應地提高，因此服務于四肢的康復機器人的研究和應用有著廣闊的發展前景。

目前世界上手功能康復機器人的研究出于剛起步狀態，各種機器人產品更是少之又少，在國內該領域中尚處于空白狀態，臨床應用任重而道遠，因此對手功能康復機器人的研究有廣闊的應用前景和重要的科學意義。

目前大多數手功能康復設備存在以下一些問題：康復訓練過程中，缺乏對關節位置、關節速度的觀測和康復力的柔順控制，安全性能有待提高;大多數手功能康復設備沒有拇指的參與;感知功能差，對康復治療過程的力位信息和康復效果不能建立起有效地評價。本課題針對以上問題，采用氣動人工肌肉驅動的手指康復訓練機器人實現手指康復訓練的多自由度運動，不僅降低了設備成本，更重要的是提高了系統對人類自身的安全性和柔順性，且具有體積小，運動的強度和速度易調整等特點。

課題的研究思想符合實際國情和康復機器人對系統柔順性、安全性、輕巧性的高要求 。它將機器人技術應用于患者的手部運動功能康復，研究一種柔順舒適、可穿戴的手功能康復機器人，輔助患者完成手部運動功能的重復訓練，其輕便經濟、穿卸方便，尤其適于家庭使用，既可為患者提供有效的康復訓練，又不增加臨床醫療人員的負擔和衛生保健。

綜上所述，氣動人工肌肉驅動手指康復訓練機器人的設計是氣壓驅動與機器人技術相結合在康復醫學領域內的新應用，具有重要的科學意義。

二、 國內外研究動態

2.1 國外研究動態

美國是研究氣動肌肉機構最多的國家，主要集中在大學。

華盛頓大學的生物機器人實驗室從生物學角度對氣動肌肉的特性作了深入研究，從等效做功角度建模，并進行失效機理分析，制作力假肢和仿人手臂用于脊椎反射運動控制研究。

vanderbilt 大學認知機器人實驗室(cognitive robotics lab, crl)研制了首個采用氣動肌肉驅動的爬墻機器人，并應用于驅動智能機器人(intelligent soft-arm control, isac)的手臂。

伊利諾伊大學香檳分校的貝克曼研究所對圖像定位的5自由度soft arm 機械手采用神經網絡進行高精度位置控制和軌跡規劃。亞利桑那州立大學設計了并聯彈簧的新結構氣動肌肉驅動器，可以同時得到收縮力和推力，并與工業界合作開發了多種用于不同部位肌肉康復訓練的小型醫療設備。

英國salford 大學高級機器人研究中心對氣動肌肉的應用作了長期的系統研究，開發了用于核工業的操作手、靈巧手、仿人手臂以及便攜式氣源和集成化氣動肌肉，目前正在研究10 自由度的下肢外骨骼以及仿人手的遠程控制。

法國國立應用科學學院(instituted national dissidences appliqués, insa)研究了氣動肌肉的動靜態性能和多種控制策略，目前正在研制新型驅動源的人工肌肉以及在遠程醫療上的應用。

比利時布魯塞爾自由大學制作了新型的折疊式氣動肌肉用于驅動兩足步行機器人，實現了運動控制。

日本bridgestone 公司在rubber tauter 之后又發明了多種不同結構的氣動肌肉。德國festoon 公司發明了適合工業應用的氣動肌腱fluidic muscle，壽命可達1000萬次以上，同時還對氣動肌肉的應用作了許多令人耳目一新的工作。英國shadow 公司研制了目前世界上最先進的仿人手。美國的kinetic muscles 公司與亞利桑那州立大學合作開發了多種用于肌肉康復訓練的小型醫療設備。

lilly采用基于滑動模的參數自適應控制策略，實現了單氣動肌肉驅動的關節位置控制。

2.2 國內研究動態

自20 世紀90 年代以來，我國陸續開始了氣動肌肉的研究。

北京航空航天大學的宗光華較早開始氣動肌肉的研究，分析了其非線性特性、橡膠管彈性及其自身摩擦對驅動模型的影響，并應用于五連桿并聯機構，通過剛度調節實現柔順控制。

上海交通大學的田社平等運用零極點配置自適應預測控制、非線性逆系統控制以及基于神經網絡方法，實現單自由度關節的快速、高精度位置控制。

哈爾濱工業大學的王祖溫等分析了氣動肌肉結構參數對性能的影響、氣動肌肉的靜動態剛度特性以及與生物肌肉的比較，提出將氣動肌肉等效為變剛度彈簧，設計了氣動肌肉驅動的具有4 自由度的仿人手臂、外骨骼式力反饋數據手套和6 足機器人，采用輸入整形法解決關節階躍響應殘余震蕩問題。

北京理工大學的彭光正等先后進行了單根人工肌肉、單個運動關節以及3 自由度球面并聯機器人的位置及力控制，采用了模糊控制、神經網絡等多種智能控制算法，并設計了6 足爬行機器人和17 自由度仿人五指靈巧手。

哈爾濱工業大學氣動中心的隋立明博士也通過實驗得到了氣動人工肌肉的一個更簡潔的修正模型和經驗公式并對兩根氣動人工肌肉組成的一個簡單關節系統進行實驗建模和采用位置閉環的控制方法進一步驗證氣動人工肌肉的模型。

上海交通大學的林良明也對氣動人工肌肉的軌跡學習控制進行了仿真研究給出了學習的收斂性的初步結論為下一步的學習控制奠定了基礎。其中田社平通過對氣動人工肌肉收縮在頻率域上的數學模型并對它的結構及其靜動態特性進行了理論分析建立了相應的靜態力學方程。

2003年付大鵬等，以機械手抓取物體為分析對象，采用矩陣法來描述機械手的運動學和動力學問題，以四階方陣變換三維空間點的齊次坐標為基礎，將運動、變換和映射與矩陣計算聯系起來建立了機械手的運動數學模型，并提出了機械手運動系統優化設計的新方法，這種方法對機械手的精密設計和計算具有普遍適用意義。

2005年車仁煒，呂廣明，陸念力對5自由度的康復機械手進行了動力學分析，將等效有限元的方法應用到開式的5自由度的康復機械手的動力分析中，這種方法比傳統的分析方法建模效率高、簡單快捷，極其適合現代計算機的發展，的除了機械臂的動力響應曲線，為機械手的優化設計及控制提供理論依據。

2008年北京聯合大學張麗霞，楊成志根據拿取非規則物品的任務要求，采用轉動機構和連桿機構相結合，設計了五指型機器手，手指彎曲電機與指間平衡電機耦合驅動，實現了機器手的多角度張開、抓握運動方式,對實用型仿人機器手的機構設計有參考意義。

2009年楊玉維等人對輪式懸架移動2連桿柔性機械手進行了動力學研究與仿真，。采用經典瑞利.里茲法和浮動坐標法描述機械手彈性變形與參考運動間的動力學耦合問題， 綜合利用拉格朗日原理和牛頓.歐拉方程并在笛卡爾坐標系下，以矩陣、矢量簡潔的形式構建了該移動柔性機械手系統的完整動力學模型并進行仿真。

2009年羅志增，顧培民研究設計了一種單電機驅動多指多關節機械手，能夠很好的實現靈巧、穩妥的抓取物體，這個機械手共有4指12個關節。每個手指有3個指節，由兩個平行四邊形的指節結構確保手指末端做平移運動，這種設計方案很好的實現了控制簡單、抓握可靠的目的。

從目前來看，國內對氣動人工肌肉的研究仍處于剛起步的階段。有關氣動人工肌肉的研究與國外還有相當的差距對氣動人工肌肉中的許多問題，還沒有進行深入的研究。此外，采用氣動人工肌肉作為機器人驅動器的研究還不成熟。

三、 主要研究內容和解決的主要問題

目前大多數手功能康復設備存在以下一些問題:康復訓練過程中，缺乏對關節位置、關節速度的觀測和康復力的柔順控制，安全性能有待提高;大多數手功能康復設備沒有拇指的參與;感知功能差，對康復治療過程的力位信息和康復效果不能建立起有效地評價。為此，課題主要研究內容：設計一種結構簡單，易于穿戴，并且安全、柔順、低成本，使用方便的氣動手功能康復設備。對氣動手指康復系統進行機構運動學分析、用mat lab軟件對康復訓練機器人的康復治療過程的力位信息進行仿真分析。

要實現上述的目標，系統中需要著重解決的關鍵技術有：

(1)基于已有上肢康復訓練機器人外骨骼機械手機械結構部分的設計，對手指康復訓練方法分析和提煉。 主要包括：人手部的手指彎曲抓握動作分析，氣壓驅動關節機構自由度的優化配置。使機械手能夠實現手指的彎曲、物體的抓握等手部癱瘓患者不能實現的動作。

(2)對機器人機械機構的運動學分析。主要包括：氣壓驅動的手指關節外骨骼機械機構的運動學分析。

(3)機器人機構的力位信息仿真。主要包括：用mat lab軟件進行機器人氣壓驅動終端的力位信息 仿真。

根據總體方案設計以及工作量的要求，外附骨骼機械手系統是上肢康復訓練機器人的一部分，本文主要是研究手指康復機械系統運動學、動力學分析工作。

四、論文工作計劃與方案

論文工作計劃安排：

2010年9月——2011年6月準備課題階段：

主要工作：學習當今最先進的機器人設計技術;學習用matlab軟件進行計算仿真及優化，查閱國內外的資料，對康復機械手作初步了解。

2011年7月——2011年9月課題前期階段

主要工作：課題方案設計，擬寫開題報告，開題。

2011年10月——2012年7月課題中期階段

主要工作：開始具體課題研究工作，根據已有上肢康復訓練機器人外骨骼機械手機械結構部分設計，對手指康復訓練方法分析和提煉。研究手指康復機械系統運動學、動力學分析工作。

2012年8月——2012年12月課題后期階段

主要工作：對手指康復機器人進行模擬仿真，對設計進行優化，并在此基礎上進一步完善課題。

2013年1月——2013年4月結束課題階段

主要工作：整理相關資料，撰寫論文，準備進行畢業論文答辯。

2013年5月——2013年6月論文答辯階段

主要工作方案：

1. 完成學位課與非學位課學習的同時，進行市場調研，對手指康復機械手作初步了解。

2. 查閱資料，了解氣動手指康復機器人的國內外發展現狀。

3. 分析已有上肢康復訓練機器人外骨骼機械手機械結構的部分設計。

4. 對現有手指康復訓練方法設計進行分析和提煉，分析其優缺點。

5. 開始具體設計工作。

第3篇

【關鍵詞】可編程控制器（PLC） 機械手 梯形圖

引言

機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動化生產設備。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業任務，在構造和性能上兼有人和機器的優點，尤其體現了人的智能和適應性，在國民經濟各領域有著廣闊的發展前景。

機械手可分為專用機械手和通用機械手兩大類。專用機械手：它作為整機的附屬部分，動作簡單，工作對象單一，具有固定（有時可調）程序，使用大批量的自動生產。通用機械手：它是一種具有獨立的控制系統、程序可變、動作靈活多樣的機械手。本文介紹的機械手屬于包裝機取料垛料的專用機械手。

1 包裝機的介紹

包裝機主要用于將堆放雜亂的板材整齊裝箱并包裝。通過取料機械手將雜亂的料運到輥道上，輥道運行，經過上下清刷輥清洗上下表面，板材繼續前行，行至出料區端部規定位置，接近開關發訊，輥道電機減速運轉，停止開關探測到板材，則輥道停止轉動，停止開關發訊給頂升裝置，將板材頂起，防止對中過程中板材下表面劃傷。對中裝置帶動對中擋板進行寬度定位（對中），長度擋板處的反推氣缸將板材推至滿行程（150mm），反推限位開關發訊給出料機械手，機械手把板材吊運到旁邊平車上的包裝箱內后并返回到原位。一個工藝流程結束。

2 機械手的結構

本文所針對的機械手屬于直角坐標式，用于包裝機上鋁及鋁合金板材的表面處理后的取料、垛料工序。該設備主要由鋼結構框架、真空吸盤吊升降機構、橫移傳送小車、行程檢測與控制裝置、真空泵、吸盤、氣動定位系統、電控及PLC控制系統等部分組成。

3 本系統的控制方案

整套包裝機通過PLC系統控制，其中垛料機械手有35路輸入信號，23路輸出信號，根據設備維護的通用性及性價比原則，采用西門子S7-300 PLC即可滿足要求，并通過profibus總線協議與現場機械設備組成控制回路，可以根據上游工位生產情況調整設備本身工作模式，并將設備情況反饋給上游工位，以確保生產安全。

（1）機械手的手動控制過程。按下“停止”按鈕，將自動運行中的吸盤機停止，真空泵停止。再將“自動/手動”旋鈕撥至手動位。“行車 前進/返回”旋鈕，即行車前進至放料工位，返回到取板工位；當移動到工作位時行車自動停止。“機械手 上升/下降”旋鈕，即機械手上升跟下降。當吸附板材后，綠燈閃爍才可以上升，搬運板材。“真空 吸/釋放”旋鈕，即機械手下降到位后，對板的吸附與卸板。卸板時，旋動旋鈕，等待3秒，完成卸板。 “真空 吸/釋放”旋鈕，即機械手下降到位后，對板的吸附與卸板。卸板時，旋動旋鈕，等待3秒，完成卸板。“真空泵”按鈕，即啟動真空泵，每次開機啟動一次，按下“停止”按鈕，真空泵停止工作。“停止”按鈕，將自動運行中的機械手停止，真空泵停止。“緊急停止”按鈕，當在自動運行中，發生誤動作時，可迅速的按下此按鈕，停止動作。再按下“停止”按鈕，將自動運行中的機械手停止，通過手動控制旋鈕，讓機械手返回原始位。

（2）機械手的自動控制過程。將“手動/自動”旋鈕撥至自動位，此時機械手應處于起始位置，真空泵處于釋放狀態，否則將無法工作；若未處于起始位置，必須手動控制旋鈕，讓機械手返回原始位。機列準備就緒后，啟動真空泵，達到工作壓力。接收到總控發出的“反推到位”與“小車到位信號”后，機械手下降吸料。機械手自動下降到板面后停止，開始吸附，當達到吸附壓力后，輸出壓力達到信號。反推和對中擋板回位后，接受到“可以上升信號”，機械手上升。機械手上升到位后，定位氣缸縮回，行車開始前進。行車行駛到放板工位停止，定位氣缸頂出，機械手開始下降。機械手下降到位后，真空釋放，并打開吹氣閥，向吸盤吹氣。延時1秒后機械手上升。機械手上升到位后，定位氣缸縮回，行車返回，行車返回到原位，定位氣缸頂出，一次循環完成，等待下接受下一次信號。以此循環工作，按下“停止”按鈕，自動循環停止。

結語

在簡單介紹工業機械手的基礎上，對基于PLC的機械手控制系統的構成進行了詳盡的論述。（1）本論文機械手采用氣動和電動合理結合，具有節能、無污染、高效、低成本、安全可靠、結構簡單等特點；（2）用PLC作為控制器，優化了機械手的控制系統，機械手能夠自動運行或手動運行。

參考文獻

[1]西門子（中國）有限公司.http：//.cn.

[2]殷洪義.可編程序控制器選擇設計與維護.北京：機械工業出版社，2006：181-200.