下肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)

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1、開(kāi)封大學(xué)畢業(yè)論文第1章緒論1.1概述康復(fù)機(jī)器人是近年出現(xiàn)的一種新型機(jī)器人，它的主要作用有兩方面，一是幫助由于疾病而造成偏癱，或者因意外傷害造成肢體運(yùn)動(dòng)障礙的人恢復(fù)提高運(yùn)動(dòng)能力，稱為康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人是作為一種輔助裝置代替失去運(yùn)動(dòng)能力的肢體完成一部分動(dòng)作，稱為機(jī)器人假肢?？祻?fù)機(jī)器人作一種自動(dòng)化設(shè)備，可以幫助患者進(jìn)行科學(xué)而又有效的康復(fù)訓(xùn)練，使患者的運(yùn)動(dòng)機(jī)能得到更好的恢復(fù)?？祻?fù)機(jī)器人由計(jì)算機(jī)控制，并配有相應(yīng)的傳感器和安全系統(tǒng)，可以自動(dòng)廉價(jià)康復(fù)訓(xùn)練效果，根據(jù)病人的實(shí)際情況自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最佳訓(xùn)練?？祻?fù)機(jī)器人在原理上和工業(yè)機(jī)器有很大的區(qū)別，它也不限于一般的體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練器材。它直接作用于人體，與人在同一

2、個(gè)作業(yè)空間工作，人與機(jī)器人作為一個(gè)整體而協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)?？祻?fù)機(jī)器人成果包括以下三方面技術(shù)：手部康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人：手及腕部康復(fù)訓(xùn)練。手臂康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人：手臂康復(fù)訓(xùn)練。下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人：行走功康復(fù)訓(xùn)練。康復(fù)機(jī)器人技術(shù)得以傳化為產(chǎn)品對(duì)于提高患者康復(fù)質(zhì)量，減少患者的病痛，減輕社會(huì)負(fù)擔(dān)具有重要的實(shí)際意義。由于各種原因而患有一側(cè)肢體運(yùn)動(dòng)障礙的患者人數(shù)很多，隨著生活水平的提高對(duì)康復(fù)治療的需求也會(huì)越來(lái)很大，康復(fù)機(jī)器人將有很好的市場(chǎng)前景。這項(xiàng)技術(shù)在歐美等國(guó)家自得到普遍重視，康復(fù)機(jī)器人成果的轉(zhuǎn)化可能會(huì)帶動(dòng)一個(gè)新興的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這將對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展發(fā)揮重要作用。1.2下肢康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀1.2.1康復(fù)機(jī)器人的生產(chǎn)

3、發(fā)展康復(fù)機(jī)器人是幫助殘疾人解決生活中活動(dòng)困難的一種工具，它可以在家里或在工作場(chǎng)所使用，使殘疾人獲得更強(qiáng)的生活能力，并相當(dāng)大地提高他們的生活質(zhì)量。康復(fù)機(jī)器人現(xiàn)在已經(jīng)由科學(xué)幻想走進(jìn)了現(xiàn)實(shí)生活之中過(guò)去幾年，康復(fù)機(jī)器人在歐洲已經(jīng)有所發(fā)展，一些歐洲企業(yè)在技術(shù)開(kāi)發(fā)及投資方面給予了支持目前已有兩種康復(fù)機(jī)器人打人了市場(chǎng)，即Hmdv l及MANus，它們都是歐洲生產(chǎn)的Handy 1有5個(gè)自由度，殘疾人可利用它在桌面高度吃飯；MANUs是一種裝在輪椅上的仿人形的手臂，它有6(或7)個(gè)自由度，其工作范圍可由地面到人站立時(shí)達(dá)到的地方，不過(guò)，康復(fù)機(jī)器人進(jìn)人市場(chǎng)的過(guò)程卻非常緩慢，許多人仍然把它看作是一項(xiàng)未來(lái)的技術(shù) 顯然，

4、要想在實(shí)際生活中很好地利用康復(fù)機(jī)器人。除了技術(shù)因素之外，還受到一些其他因素的影響。下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人是根據(jù)康復(fù)醫(yī)學(xué)理論和人機(jī)合作機(jī)器人原理，通過(guò)一套計(jì)算機(jī)控制下的走步狀態(tài)控制系統(tǒng)，使患者模擬正常人的步伐規(guī)律作康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)，鍛煉下肢的肌肉，恢復(fù)神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)行走功能的控制能力，達(dá)到恢復(fù)走路機(jī)能的目的。根據(jù)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展水平，一般具有以下三種結(jié)構(gòu)第一種是徹底結(jié)構(gòu)化的控制平臺(tái)，類似于桌面工作站，將機(jī)械手安裝在固定的控制平臺(tái)上，完成在固定工作空間內(nèi)的操作；第二種結(jié)構(gòu)是將機(jī)械手安裝在輪椅上，這樣就可以在任何地域使用，但這導(dǎo)致了機(jī)械手剛性下降，抓取的精度往往達(dá)不到要求，而且這種方法只適合于那些可以用輪椅的人

5、。第三種機(jī)構(gòu)是將機(jī)械手安裝在自主或半自主車輛上。下肢康復(fù)機(jī)器人屬于運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人，下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的主要工作任務(wù)就是能夠模擬真人的步態(tài)姿態(tài)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)病人下肢的康復(fù)訓(xùn)練。在整個(gè)機(jī)器人的工作過(guò)程中，主要是通過(guò)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)病人癱瘓的下肢，使其在牽引力的作用下能夠完成對(duì)正常人的步態(tài)的模擬，從而達(dá)到對(duì)下肢的肌肉鍛煉目的，進(jìn)而達(dá)到能夠恢復(fù)神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)行走功能的控制能力，進(jìn)一步的達(dá)到恢復(fù)整個(gè)行走機(jī)能，最終能夠是病人進(jìn)早的在病痛中脫離出來(lái)。已有研究表明，兒童能通過(guò)操作電動(dòng)輪椅適當(dāng)提高視覺(jué)、空間的技能和運(yùn)動(dòng)能力，同樣可以用類似的器械來(lái)提高老年人甚至成年人的運(yùn)動(dòng)能力。如對(duì)運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)損傷的康復(fù)治療、針對(duì)性輔助

6、訓(xùn)練，以及像宇航員這種特殊職業(yè)的模擬訓(xùn)練等。國(guó)外在這一領(lǐng)域已經(jīng)有了較廣泛的研究與應(yīng)用，國(guó)內(nèi)尚處于起步階段。隨著體育和職業(yè)教育兩大產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，機(jī)器人在這一領(lǐng)域的應(yīng)用前景將十分廣闊。 1.2.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1987年，英國(guó)Mike Topping公司研制成功了Handy1康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)，它是目前世界上最成功的一種低價(jià)、市售的康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，目前正在生產(chǎn)的Handy1機(jī)器人由5自由度機(jī)器人手臂和新型控制器組成，具有話音識(shí)別、語(yǔ)音合成、傳感器輸人、手柄控制以及步進(jìn)電機(jī)控制能力。Handy1具有很強(qiáng)的通話能力，它可以在操作過(guò)程中為護(hù)理人員及用戶提供有用的信息，所提供的信息可以是簡(jiǎn)單的操作指令或有益的指

7、示，可以用任何一種歐洲語(yǔ)言表達(dá)出來(lái)。這種裝置可以大大提高Handyl方便用戶的能力，而且有助于突破語(yǔ)言的障礙。MANUS是另外一種進(jìn)人市場(chǎng)的康復(fù)機(jī)器人，由荷蘭Exact Dynamics公司開(kāi)發(fā)，該手臂具有7個(gè)自由度，包括6個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和1個(gè)機(jī)械手。圖1.1所示是瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)（ETH）的名為L(zhǎng)OKOMAT的康復(fù)機(jī)器人。圖1.2是美國(guó)Rutgers大學(xué)踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人3。圖1.2 美國(guó)Rutgers踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人國(guó)外關(guān)于醫(yī)學(xué)機(jī)器人的研究雖然已取得了不少成就，但離生物機(jī)器人還有相當(dāng)?shù)木嚯x，因此還有很多工作要做。國(guó)內(nèi)關(guān)于這方面的研究較少，主要是集中在假肢領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)只有哈爾濱工程大

8、學(xué)機(jī)點(diǎn)一體化研究所在這領(lǐng)域取得了一定的成果。成功研制出了多功能手臂康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人圖1.1 ETH的LOKOMAETH的LOKOMAT 復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人， 臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練器等，并獲得了專利。1.3下肢康復(fù)機(jī)器人的主要目的及現(xiàn)實(shí)意義研究下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，主要是對(duì)于要進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練的人來(lái)說(shuō)，下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人可以控制使其模擬正常人的行走姿態(tài)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)下肢的康復(fù)訓(xùn)練，下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人可以模擬正常人的步伐規(guī)律、鍛煉下肢的肌肉，恢復(fù)神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)行走能力的控制，達(dá)到恢復(fù)走路機(jī)能的目的。從總體上來(lái)看，下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的總體工作目的就是為了能夠

9、使下肢需要進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的人能夠更加方便的，更輕松的達(dá)到訓(xùn)練的目的，對(duì)下肢的康復(fù)訓(xùn)練起到輔助的作用。從總體上來(lái)看，研究下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的最大的受益者就是下肢康復(fù)訓(xùn)練有難度的病人，他可以幫助病人進(jìn)早的從病痛中擺脫出來(lái)，及早的恢復(fù)健康的身體，這些是研究的直接原因和動(dòng)力。從另一方面來(lái)看，對(duì)于下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究在對(duì)以后研究其他的類似康復(fù)機(jī)器人的時(shí)候，他有很多的研究成果都是可以直接被后續(xù)的工作所應(yīng)用的。為其他的研究工作打下了一個(gè)很好的基礎(chǔ)，為以后的工作的延續(xù)提供了一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)。站在醫(yī)院的角度來(lái)看，康復(fù)機(jī)人的研究給他帶來(lái)了實(shí)在的好處。一方面可以減少工作護(hù)理人員的負(fù)擔(dān)，同時(shí)還可以是病人能夠運(yùn)動(dòng)的更加的

10、方便。1.4關(guān)于下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的分析1.4.1下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)圖1.3 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人外觀結(jié)構(gòu)圖下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人外觀結(jié)構(gòu)如圖1.3，它由機(jī)座、左腳走步狀態(tài)控制系統(tǒng)、右腳走步狀態(tài)控制系統(tǒng)、左腳姿態(tài)控制系統(tǒng)、右腳姿態(tài)控制系統(tǒng)、框架、導(dǎo)軌、重心平衡系統(tǒng)、活動(dòng)扶手等組成。受訓(xùn)練者的雙腳站在走步狀態(tài)控制系統(tǒng)的腳踏板上，穿好承重背心，背心通過(guò)吊纜和機(jī)座內(nèi)的重力平衡機(jī)構(gòu)相連，以平衡受訓(xùn)練者的部分體重，吊纜的長(zhǎng)度通過(guò)纜長(zhǎng)調(diào)整機(jī)構(gòu)和纜繩來(lái)調(diào)整。當(dāng)機(jī)器人開(kāi)始工作后，走步狀態(tài)控制系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)的控制下帶動(dòng)受訓(xùn)練者的雙腿做走步運(yùn)動(dòng)，重心控制系統(tǒng)根據(jù)受訓(xùn)者的走步狀態(tài)，自動(dòng)計(jì)算重心的高

11、低變化，通過(guò)吊纜實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)重心的高低并具有防止摔倒的功能。腳踏板由左右兩塊踏板組成，它在步態(tài)控制裝置的控制下，與重心平衡機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)工作幫助患者進(jìn)行走步運(yùn)動(dòng)練。步態(tài)控制裝置主要由主動(dòng)曲柄、腳踏板(連桿)和滑輪組成。主動(dòng)曲柄由直流伺服電機(jī)控制，腳跟隨踏板一起被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)橢圓軌跡，產(chǎn)生與正常人行走軌跡相近的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)由于腳跟隨踏板運(yùn)動(dòng)，患者的小腿和大腿處于相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。由兩套步態(tài)裝置分別控制兩條腿的走步狀態(tài)，兩者之間成相位關(guān)系，走步的速度通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整，步幅則通過(guò)改變主動(dòng)曲柄的工作半徑來(lái)調(diào)節(jié)。腳的姿態(tài)控制系統(tǒng)是由直線伺服機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)控制腳踏板繞踏板軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角度，來(lái)模擬正常人

12、走路時(shí)踝關(guān)節(jié)的姿態(tài)變化4。1.4.2踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體思路踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案是由圓柱凸輪加一從動(dòng)桿組成的機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)機(jī)構(gòu)可以把直流伺服電動(dòng)機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為踝關(guān)節(jié)的往復(fù)傾斜運(yùn)動(dòng)，并能夠保證驅(qū)動(dòng)的腳踏板俯仰角度與踝關(guān)節(jié)俯仰的角度互相一致，在之間。通過(guò)圓柱凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)就可以帶動(dòng)腳踏板的運(yùn)動(dòng)，從而迫使踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。凸輪的運(yùn)轉(zhuǎn)則與直流伺服電機(jī)相連。直流伺服電機(jī)在單片機(jī)的控制下進(jìn)行速度、位置和角度的協(xié)調(diào)控制，以適應(yīng)不同狀態(tài)的康復(fù)訓(xùn)練控制單片機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間經(jīng)過(guò)調(diào)速器、PWM放大器以及光電耦合隔離，減少干擾，并設(shè)計(jì)專門的IO接口電路板對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大整形等處理。1.4.3本設(shè)計(jì)的主要

13、任務(wù)和要求本課題的任務(wù)就是設(shè)計(jì)下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人踝關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。包括完成整體機(jī)械部分的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和完成整個(gè)設(shè)計(jì)的三維實(shí)體仿真。用Pro/E軟件繪制三維造型，通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬以檢驗(yàn)?zāi)芊駥?shí)現(xiàn)預(yù)定功能。通過(guò)整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，掌握下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究的基本方法。第2章機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)2.1引言下肢康復(fù)機(jī)器人踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，是對(duì)下肢具有運(yùn)動(dòng)障礙的患者進(jìn)行主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的自動(dòng)化機(jī)械裝置，此時(shí)患者是被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，它可以幫助腿部運(yùn)動(dòng)有障礙的患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)機(jī)能恢復(fù)性訓(xùn)練。通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制患者的重心和走步狀態(tài)，模擬正常人的走路狀態(tài)，使病腿的運(yùn)動(dòng)功能得到訓(xùn)練。本課題研究的主要任務(wù)是完成下肢康復(fù)機(jī)器人的腳踝的機(jī)械本體設(shè)計(jì)，它是整

14、個(gè)下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的一部分，安裝在下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的連桿上，以便協(xié)調(diào)地訓(xùn)練整個(gè)下肢來(lái)達(dá)到康復(fù)訓(xùn)練的目的。作為幫助有下肢運(yùn)動(dòng)障礙的病人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)器人，首先，應(yīng)該具有合理的結(jié)構(gòu)，能夠模擬正常人的行走運(yùn)動(dòng)，盡量仿真人體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，盡量與人體各個(gè)關(guān)節(jié)的速度變化曲線相吻合，為病人進(jìn)行下肢機(jī)能恢復(fù)訓(xùn)練提供幫助，使病人在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中感到舒適。其次，考慮到機(jī)器人的工作對(duì)象是行動(dòng)不便的病人，需要提高機(jī)器人的可靠性和安全性，盡可能地保證患者的安全。最后，該機(jī)器人屬于康復(fù)機(jī)器人，應(yīng)該保證無(wú)污染和清潔，以利于病人的康復(fù)。2.2機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)和總體方案2.2.1機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)下肢康復(fù)機(jī)器人是對(duì)下肢具有運(yùn)動(dòng)障

15、礙的患者進(jìn)行主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的自動(dòng)化機(jī)械裝置，它可以幫助因中風(fēng)等疾病或因外傷引起的腿部運(yùn)動(dòng)障礙進(jìn)行運(yùn)動(dòng)機(jī)能恢復(fù)性訓(xùn)練。由于患者的步態(tài)跟正常人的步態(tài)是一致的，所以必須按照正常人的步態(tài)周期來(lái)設(shè)計(jì)腳踏板的俯仰角度，速度變化規(guī)律等參數(shù)。而由于患者的行走速度肯定會(huì)比正常人的速度要慢很多，所以不能夠按照正常人的步速去設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)。下肢康復(fù)機(jī)器人姿態(tài)機(jī)構(gòu)的性能應(yīng)達(dá)到如下主要技術(shù)指標(biāo)：1自由度：繞踏板轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，整個(gè)機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)；2承載能力：加上設(shè)備80kg左右，應(yīng)不低于此數(shù)；3行走速度：每分鐘走25步（可以根據(jù)具體情況調(diào)整）；4俯仰角度：，模仿正常人腳踝姿態(tài)自動(dòng)控制。2.2.2機(jī)構(gòu)總體方案下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)由很多不

16、同功能的部分構(gòu)成，本文僅對(duì)踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論：機(jī)器人本體：腳踝驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；控制器：本設(shè)計(jì)控制部分的設(shè)計(jì)目的是控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律?？刂撇糠种饕蓡纹瑱C(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該裝置采用單片機(jī)控制，通過(guò)行程指令、速度指令和力矩指令給定控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)PWM放大器進(jìn)行放大后，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)傳感器及電流傳感器對(duì)電機(jī)輸出軸的位置、速度及力矩進(jìn)行測(cè)量反饋，與整個(gè)下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人各部分協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，從而構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。本文的研究?jī)?nèi)容主要就是踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械本體機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)腳踏板的俯仰擺動(dòng)，幫助患者在康復(fù)運(yùn)動(dòng)中時(shí)實(shí)現(xiàn)腳踝的運(yùn)動(dòng)。 2.3機(jī)械本體部分設(shè)計(jì)2.3.1總體設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足的基本要求：

17、根據(jù)生產(chǎn)及生活的需要不同，設(shè)計(jì)的機(jī)械種類也不盡相同，但設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足的基本要求是相同的，這些基本要求是：1. 使用功能要求：就是要求所設(shè)計(jì)的機(jī)械應(yīng)具有預(yù)定的使用功能，即能夠保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)動(dòng)，又能保證組成機(jī)械的零，部件工作可靠，有適當(dāng)?shù)膲勖?，而且使用，維修方便。這是機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求。2. 工藝性要求：所設(shè)計(jì)的機(jī)械無(wú)論總體方案還是各部分的結(jié)構(gòu)方案，在滿足使用要求的情況下應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，實(shí)用，在毛坯制造，機(jī)械加工，裝配，維修等方面都具有良好的工藝性，合理的選用材料，盡可能地選用標(biāo)準(zhǔn)件。3. 經(jīng)濟(jì)性要求：經(jīng)濟(jì)性要求是一個(gè)綜合指標(biāo)，他體現(xiàn)于機(jī)械的設(shè)計(jì)，制造及使用的過(guò)程中，因此，設(shè)計(jì)機(jī)械時(shí)應(yīng)全面綜合

18、地考慮。此外還有便于拆裝和運(yùn)輸?shù)囊蠹伴L(zhǎng)期保持工作精度的要求等。本設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)部分的重要內(nèi)容是傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)。主要是實(shí)現(xiàn)踏板的軸的傳動(dòng)方式，目前常用的傳動(dòng)方式有以下幾種：齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)等。以下分別比較各種方案優(yōu)缺點(diǎn)后決定選用哪一種傳動(dòng)方案。1. 齒輪傳動(dòng)的主要特點(diǎn)有：效率高；在常用的機(jī)械傳動(dòng)中，以齒輪傳動(dòng)的效率為最高。節(jié)構(gòu)緊湊，在同樣的使用條件下，齒輪傳動(dòng)所需的空間尺寸一般比較小。工作可靠、壽命長(zhǎng)；設(shè)計(jì)制造正確合理、使用維護(hù)良好的齒輪傳動(dòng)，工作十分可靠，壽命可達(dá)一、二十年，這是其他機(jī)構(gòu)所不能比擬的。傳動(dòng)比穩(wěn)定 傳動(dòng)比穩(wěn)定往往是對(duì)傳動(dòng)性能的基本要求。齒輪傳動(dòng)的制造及安裝精度要求高

19、，價(jià)格較貴，且不適宜傳動(dòng)距離較大的場(chǎng)合22。由于本設(shè)計(jì)的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)并不能實(shí)現(xiàn)整周轉(zhuǎn)動(dòng)，而且還需要往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如果選用齒輪傳動(dòng)的話，就必須對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的調(diào)速性要求非常之高，而且電機(jī)的正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換非常頻繁，對(duì)電機(jī)和控制要求非常高，控制不容易實(shí)現(xiàn)。2. 蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)：能實(shí)現(xiàn)大的傳動(dòng)比；由于傳動(dòng)比大，零件數(shù)目少。結(jié)構(gòu)很緊湊。沖擊載荷小，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低；當(dāng)蝸桿的螺旋升角小于嚙合面的當(dāng)量摩擦角時(shí)，蝸桿傳動(dòng)便具有了自鎖性；在嚙合處有相對(duì)滑動(dòng)。 當(dāng)滑動(dòng)速度很大、工作條件不夠良好時(shí)，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的摩擦及磨損，從而引起過(guò)渡發(fā)熱，是潤(rùn)滑狀況惡化。因此，摩擦損耗較大，效率低。蝸輪蝸桿傳動(dòng)也不適合本設(shè)計(jì)的預(yù)定目標(biāo)，因?yàn)樽枣i性

20、太好而不能往復(fù)控制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)。而且踏板下面沒(méi)有放置蝸輪的空間（蝸輪蝸桿的體積相差太大），不采用。3. 帶傳動(dòng)的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平穩(wěn)，造價(jià)低廉及能夠緩沖吸振；帶傳動(dòng)由于存在彈性滑動(dòng)和打滑現(xiàn)象，不能保持穩(wěn)定的平均傳動(dòng)比。帶傳動(dòng)如果是采用同步帶的話就可以保持穩(wěn)定的傳動(dòng)比，可以用于本機(jī)構(gòu)中，但是如果采用的話，空間比較大，感覺(jué)很不簡(jiǎn)便，不首先使用。4. 鏈傳動(dòng)屬于帶有中間撓性件的嚙合傳動(dòng)，與屬于摩擦傳動(dòng)的帶傳動(dòng)相比，帶傳動(dòng)無(wú)彈性滑動(dòng)和打滑現(xiàn)象，因而能保證準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比，傳動(dòng)效率高，作用在軸上的徑向壓力小；在同樣使用條件下，鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)較為緊湊。同時(shí)鏈傳動(dòng)能在高溫及速度較低的情況下工作。與齒輪傳動(dòng)相比

21、，鏈傳動(dòng)的安裝和制造精度要求較低，成本低廉。鏈傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)是：在兩根平行軸之間只能用于同向回轉(zhuǎn)的傳動(dòng)；運(yùn)動(dòng)是不能保證恒定的瞬時(shí)傳動(dòng)比；磨損后容易發(fā)生跳齒；工作是有噪音。鏈傳動(dòng)與同步帶想似，缺點(diǎn)比同步帶還多，不適用于近距離傳動(dòng)。5. 螺旋傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造，易于自鎖，但其主要缺點(diǎn)是摩擦阻力大，傳動(dòng)效率低（一般30%40%），磨損快，傳動(dòng)精度低等。如果不考慮效率及磨損的話，螺旋傳動(dòng)是個(gè)非常適合本設(shè)計(jì)的方案，因?yàn)樗加玫目臻g很小，結(jié)構(gòu)緊湊，雖然需要電機(jī)換向轉(zhuǎn)動(dòng)，但比齒輪傳動(dòng)控制簡(jiǎn)單得多。如果選用滾動(dòng)螺旋的話上述問(wèn)題便得到了解決，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，只有在高精度、高效率的重要傳動(dòng)中才適宜選用，如數(shù)控，精

22、密機(jī)床、測(cè)試裝置或自動(dòng)控制系統(tǒng)中的螺旋傳動(dòng)等。所以本設(shè)計(jì)還是不予優(yōu)先考慮。6. 圓柱凸輪傳動(dòng)，其實(shí)凸輪機(jī)構(gòu)算不上傳動(dòng)，只能叫機(jī)構(gòu)，但有一種圓柱凸輪不但可以實(shí)現(xiàn)往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)而不用改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以根據(jù)需要而設(shè)計(jì)輪廓來(lái)保證踏板的俯仰角度。在充分比較了各種方案之后，決定選用類似擺動(dòng)從動(dòng)件的圓柱凸輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)踏板的擺動(dòng)，用電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)圓柱凸輪帶動(dòng)從動(dòng)件。2.3.2機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式機(jī)構(gòu)的機(jī)械圖如圖2.1所示，驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過(guò)減速之后（減速器需與驅(qū)動(dòng)電機(jī)配套）通過(guò)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪軸一旦轉(zhuǎn)動(dòng)后，就會(huì)帶動(dòng)連桿套擺動(dòng)，磙子在圓柱凸輪的槽內(nèi)滾動(dòng)以減少摩擦。踏板此時(shí)固定在連桿上的套筒上，跟隨連桿一

23、同擺動(dòng)。病人的腳由踏板上的布帶固定住，這樣就達(dá)到了對(duì)腳踝的驅(qū)動(dòng)，只要模擬正常人的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就能很好地對(duì)病人做康復(fù)訓(xùn)練了。 1踏板 2框架 3中心軸 4磙子 5驅(qū)動(dòng)電機(jī) 6聯(lián)軸器 7凸輪軸 8軸承座 9輪子圖2.1 機(jī)構(gòu)示意圖通過(guò)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以控制踏板俯仰的角速度，而踏板的俯仰角度大小則由凸輪的行程來(lái)保證，由于凸輪的行程一旦確定是不能夠改變的，每個(gè)圓柱凸輪只有一個(gè)固定的行程。這就是說(shuō)踏板俯仰的角度大小也是不可更改的。這是凸輪機(jī)構(gòu)應(yīng)用在踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的一個(gè)不足之處。但正常人的腳踝在走路時(shí)踝關(guān)節(jié)角度在到之間不等，奔跑時(shí)的角度就比較大了，可達(dá)。所以在設(shè)計(jì)凸輪時(shí)應(yīng)該盡量保證的俯仰。這樣對(duì)于做康復(fù)訓(xùn)練的

24、病人是非常合適的。的角度對(duì)于走路訓(xùn)練足夠了，而人的踝關(guān)節(jié)所能承受的角度遠(yuǎn)大于，所以不會(huì)傷到病人。2.3.3機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)在設(shè)計(jì)之初想過(guò)幾種驅(qū)動(dòng)方式，作過(guò)一翻比較。也總結(jié)了各種方式的不同特點(diǎn)以及運(yùn)用場(chǎng)合。一般的驅(qū)動(dòng)元件包括各種交流直流伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)、液壓、氣壓、電氣伺服閥等等。他們共同的特點(diǎn)是都可以輸出一定的運(yùn)動(dòng)和力。但工作的特性差異很大，應(yīng)用范圍也不相同。一般對(duì)驅(qū)動(dòng)元件有以下幾個(gè)方面的要求：1. 功率密度大，即指驅(qū)動(dòng)元件的單位重量的輸出功率；2. 快速性好，即加減速時(shí)扭矩大，頻率特性特別好；3. 位置控制精度高，調(diào)速范圍寬，低速平穩(wěn)；4. 震動(dòng)小，噪聲小；5. 可靠性高，壽命長(zhǎng)；6. 高效率，

25、節(jié)約能源。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式可分為以下幾類：1. 氣壓驅(qū)動(dòng) 使用壓力通常在0.4-0.6Mpa,最高可達(dá)1Mpa。氣壓驅(qū)動(dòng)主要是氣源方便（一般工廠都由壓縮空氣站供應(yīng)壓縮空氣），驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有緩沖作用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可以在高溫、粉塵、惡劣的環(huán)境中工作。氣壓驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)是功率質(zhì)量比小，裝置體積大，同時(shí)由于空氣的可壓縮性使得機(jī)器人在任意定位時(shí)，位置精度不高。適用于易燃、易爆和灰塵大的場(chǎng)合。2. 液壓驅(qū)動(dòng) 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用2-15Mpa的油液驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，體積較氣壓驅(qū)動(dòng)小，功率質(zhì)量比大，驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)，且系統(tǒng)的固有效率高，快速性好，同時(shí)，液壓驅(qū)動(dòng)調(diào)速比較簡(jiǎn)單，能在很大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。用電液伺服控制液體流量和運(yùn)

26、動(dòng)方向時(shí)，可以使機(jī)器人的軌跡重復(fù)性提高。液壓驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)是易漏油，這不僅影響工作穩(wěn)定性和定位精度，而且污染環(huán)境。液壓驅(qū)動(dòng)多用于要求輸出力較大，運(yùn)動(dòng)速度較低的場(chǎng)合。3. 電氣驅(qū)動(dòng) 電氣驅(qū)動(dòng)是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動(dòng)負(fù)載，減少了由電能變成壓力能的中間環(huán)節(jié)，直接獲得要求的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)元件包括各種交流直流伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)。由于電氣驅(qū)動(dòng)具有易于控制，運(yùn)動(dòng)精度高，響應(yīng)快，使用方便，信號(hào)檢測(cè)、傳遞和處理方便，成本低廉，驅(qū)動(dòng)效率高，不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，電氣驅(qū)動(dòng)已經(jīng)成為最普遍、應(yīng)用最多的驅(qū)動(dòng)方式，90年代后生產(chǎn)的機(jī)器人大多數(shù)采用這種驅(qū)動(dòng)方式。介紹完各種驅(qū)動(dòng)方式后，通過(guò)比較得出電

27、氣驅(qū)動(dòng)應(yīng)用最多，最為方便。本設(shè)計(jì)的空間較小，電氣驅(qū)動(dòng)直接就是轉(zhuǎn)動(dòng)，所以選擇電氣驅(qū)動(dòng)。電氣驅(qū)動(dòng)方式需要選擇一個(gè)合適的電動(dòng)機(jī)。電機(jī)有直流電機(jī)和交流電機(jī)兩類。常用的交流電機(jī)有三相異步電機(jī)和同步電機(jī)。異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)容易、運(yùn)行可靠、價(jià)格便宜，具有較好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，因此，它是工業(yè)中使用最為廣泛的一種電機(jī)。直流電機(jī)雖不及交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、維護(hù)方便、運(yùn)行可靠，但由于長(zhǎng)期以來(lái)交流電機(jī)的調(diào)速問(wèn)題未能得到滿意的解決，在此之前，直流電機(jī)具有交流電機(jī)不能比擬的良好的啟動(dòng)性能。目前為止，雖然交流電機(jī)的調(diào)速問(wèn)題得到一定程度解決，但是在速度調(diào)節(jié)要求較高，正、反轉(zhuǎn)和啟、制動(dòng)頻繁或多單元同步調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)的

28、機(jī)械上，仍采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。本設(shè)計(jì)由于體積比較?。ǚ旁谀_底下），最好選用體積小巧的電機(jī)，需要的轉(zhuǎn)矩也不大，選用直流伺服電機(jī)比較合適。電機(jī)型號(hào)選擇如下：1. 運(yùn)動(dòng)速度：最高行走速度25步/分（病人不宜太快）,機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)周期T=4.8s，=1.309rad/s.步態(tài)機(jī)構(gòu)行進(jìn)一個(gè)周期，姿態(tài)機(jī)構(gòu)的踏板完成30往返的運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)規(guī)律為余弦函數(shù)。設(shè)姿態(tài)機(jī)構(gòu)的角速度為=Acost。由運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律可知，步態(tài)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)1/2周期，姿態(tài)機(jī)構(gòu)也運(yùn)動(dòng)1/2周期，即。 積分可得A=1.37rad/s。2. 轉(zhuǎn)矩：人的體重為80Kg，按80的體重作用在一只承重腳上計(jì)算。腳掌作用具連桿末端作用點(diǎn)的距離為0.1m，垂直于凸輪時(shí)轉(zhuǎn)矩

29、最大，連桿末端作用力F與腳掌作用于心軸力臂相等，故3. 功率： （2.1） 4. 電機(jī)扭矩：減速器減速比43，總效率為，有： 得到電機(jī)轉(zhuǎn)矩5. 電機(jī)功率： 在比較了各種廠商生產(chǎn)的直流伺服電機(jī)后，發(fā)現(xiàn)了瑞士maxon公司生產(chǎn)的一系列直流電機(jī)，其性能如表2.1所示。其中RE系列電機(jī)性能非常好，用戶的反饋也比較好。根據(jù)以上計(jì)算選擇RE40中的148877（定貨號(hào)）。maxon的RE40電機(jī)額定功率150w。并配有專門的行星輪減速箱，減速比從小到大非常齊全，我們選用GP42C的減速比為43：1的減速箱，這樣就能夠很方便地調(diào)速了，控制時(shí)將很簡(jiǎn)單。表2.1 maxon RE40的主要性能指標(biāo)額定功率(W)

30、額 定轉(zhuǎn)矩(N.mm)瞬時(shí)最大扭矩(N.mm)額定轉(zhuǎn)速(r/min)額定電流(A)電樞電阻（）額定電壓(V)電樞電感（MH）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg.m2)150200289010003.331.16 48330.134´104maxon的直流伺服電機(jī)都配有專用的控制卡，這樣控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速等就變的十分簡(jiǎn)便。2.4本章小結(jié)本章介紹了下肢康復(fù)機(jī)器人踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的總體構(gòu)成和系統(tǒng)的性能指標(biāo)，詳細(xì)研究和設(shè)計(jì)了下肢康復(fù)機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，凸輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)最終實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)腳踏板與地面的角度變化，輔助患者的踝關(guān)節(jié)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，幫助下肢有運(yùn)動(dòng)障礙的患者恢復(fù)下肢的運(yùn)動(dòng)機(jī)能。第3章機(jī)械零件設(shè)計(jì)在機(jī)械產(chǎn)品的有關(guān)設(shè)計(jì)

31、中，其機(jī)械本體的設(shè)計(jì)是最主要的。在這一章中，將對(duì)下肢康復(fù)機(jī)器人姿態(tài)機(jī)構(gòu)機(jī)械本體中一些重要和特殊的零件設(shè)計(jì)進(jìn)行重點(diǎn)說(shuō)明，并對(duì)其一些零件進(jìn)行強(qiáng)度校核。3.1機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一些基本原則1、避免在預(yù)定壽命期內(nèi)失效的要求：（1）強(qiáng)度零件在工作中發(fā)生斷裂或不允許的殘余變形統(tǒng)屬于強(qiáng)度不足。上述失效形式，除了用于安全裝置中預(yù)定適時(shí)破壞的零件外，對(duì)于任何零件都是可以避免的。因此，具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度是設(shè)計(jì)零件時(shí)必須滿足的基本要求。為了提高零件的強(qiáng)度，在設(shè)計(jì)原則上可以采用以下的措施：采用強(qiáng)度高的材料；使零件具有足夠的截面尺寸；合理的設(shè)計(jì)零件的截面形狀，以增大截面的慣性矩；采用熱處理和化學(xué)處理的方法，以提高材料的力學(xué)性能

32、；提高運(yùn)動(dòng)零件的制造精度，以降低運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)載荷；合理的配置機(jī)器中各零件的相對(duì)位置，以降低作用于零件上的載荷等。（2）剛度零件在工作時(shí)所產(chǎn)生的彈性變形不超過(guò)允許的限度，這就叫做滿足了剛度要求。顯然，只有當(dāng)彈性變形過(guò)大就要影響工作性能的零件，才需要滿足這樣的要求。對(duì)于這類零件，設(shè)計(jì)時(shí)除了要做強(qiáng)度計(jì)算外，還必須做剛度計(jì)算。零件的剛度分為整體變形剛度和表面接觸剛度兩種。前者是指零件整體在載荷作用下發(fā)生的伸長(zhǎng)、縮短、扭曲、旋轉(zhuǎn)等彈性變形的程度；后者是指因兩零件接觸表面上的微觀凸峰在載荷作用下發(fā)生變形所致的兩零件變化的程度。原則上說(shuō)，為了提高零件的整體剛度，可采取增大零件的截面尺寸或增大截面的慣性矩；縮短

33、支撐跨矩或采用多支點(diǎn)結(jié)構(gòu)，以縮小撓曲變形等。為了提高接觸剛度，可采取增大精加工以降低表面不平度等。（3）壽命有的零件在工作初期雖然可以滿足各種要求，但在工作一定時(shí)間后，卻可能由于某種（或某些）原因而失效。這個(gè)零件正常工作延續(xù)的時(shí)間就叫零件的壽命。影響零件壽命的主要因素有：材料的疲勞，材料的腐蝕以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)零件接觸表面的磨損等三方面。大部分機(jī)械零件均在變應(yīng)力條件下工作，因此疲勞破壞是引起零件失效的主要原因。影響零件材料疲勞強(qiáng)度的主要因素是：應(yīng)力集中、零件尺寸大小、零件表面品質(zhì)及環(huán)境狀況。在設(shè)計(jì)零件時(shí)，應(yīng)努力從這幾個(gè)方面采取措施，以提高零件抵抗疲勞破壞的能力。2. 結(jié)構(gòu)工藝要求零件要有良好的結(jié)構(gòu)工

34、藝性，是指在既定的條件下，能夠方便而經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)出來(lái)，并便于裝配成機(jī)器這一特性。所以，零件的結(jié)構(gòu)工藝性應(yīng)從毛坯制造、機(jī)械加工過(guò)程及裝配等幾個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)加以綜合考慮。工藝性是和機(jī)器生產(chǎn)批量大小及具體的生產(chǎn)條件相關(guān)的。為了改善零件的工藝性，就應(yīng)當(dāng)熟悉當(dāng)前的生產(chǎn)水平及條件。對(duì)零件的結(jié)構(gòu)工藝性具有決定性影響的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在整個(gè)設(shè)計(jì)工作中占有很大的比重，因此必須予以足夠的重視。3. 經(jīng)濟(jì)性要求零件的經(jīng)濟(jì)性首先表現(xiàn)在零件本身的生產(chǎn)成本上。設(shè)計(jì)零件時(shí)，應(yīng)力求設(shè)計(jì)出耗費(fèi)最少的零件。要降低零件的成本，首先要采用輕型的零件結(jié)構(gòu)，以降低材料消耗；采用少余量或無(wú)余量的毛坯或簡(jiǎn)化零件結(jié)構(gòu)，以減少加工工時(shí)。這些對(duì)降低零件成

35、本均有顯著的作用。工藝性良好的結(jié)構(gòu)就意味著加工及裝配費(fèi)用低，所以工藝性對(duì)經(jīng)濟(jì)性有著直接的影響。采用廉價(jià)而供應(yīng)而充足的材料以代替貴重金屬；對(duì)于大型零件采用組合結(jié)構(gòu)以代替整體結(jié)構(gòu)，都可以在降低材料費(fèi)用方面起到積極的作用。另外，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化的零件、部件以取代特殊加工的零、部件，就可在經(jīng)濟(jì)方面取得很大的效益。3.2機(jī)械零件設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)零件的過(guò)程中，本論文主要采用了Pro/E軟件。而在繪制零件圖時(shí)則使用了Auto CAD軟件。3.2.1凸輪軸的設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)凸輪軸時(shí)，首先應(yīng)該對(duì)凸輪的輪廓進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)圓柱凸輪的輪廓曲線，應(yīng)該將其展開(kāi)成平面后變成移動(dòng)凸輪。根據(jù)踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)。凸輪輪廓曲線展設(shè)計(jì)過(guò)程如下，

36、根據(jù)具體尺寸設(shè)計(jì)行程B0B4為62mm，輪軸直徑60mm。 如圖3.1，已知圓柱凸輪半徑0.06m，從動(dòng)件長(zhǎng)度0.1m，滾子半徑4mm，V是凸輪回轉(zhuǎn)方向，其展開(kāi)輪廓曲線可近似繪制如下：圖 3.1 圓柱凸輪輪廓展開(kāi)圖 1. 作OA線垂直于凸輪回轉(zhuǎn)軸線，作OAB0=/2，從而得出從動(dòng)件的初始位置AB0。把從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)周期8等分，根據(jù)踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以得到從動(dòng)件的各個(gè)位置AB0、AB1、AB2、AB3、AB4。 2. 取線段B0B0之長(zhǎng)為188.4mm即圓柱的周長(zhǎng)。將B0B0分為與從動(dòng)件位移線圖橫軸對(duì)應(yīng)的八等分，得點(diǎn)C1、C2、C3、，過(guò)這些點(diǎn)畫(huà)一系列中心在OA線上、半徑等于AB0的圓弧。 3. 自

37、B1作平行OA直線交過(guò)C1的圓弧于點(diǎn)D1，自B2作平行OA直線交過(guò)C2的圓弧于點(diǎn)D2，。將B0、D1、D2、連成光滑曲線，便得到展開(kāi)圖的理論輪廓曲線。 4. 以理論輪廓曲線上諸點(diǎn)為圓心畫(huà)一系列滾子，而后作兩條包絡(luò)線，即可得凸輪展開(kāi)圖的實(shí)際輪廓曲線。因圓柱凸輪輪廓凹槽位于圓柱面上，當(dāng)與凹槽接觸的圓柱滾子隨從動(dòng)件作平面圓弧運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾子將以不同深度插入凸輪槽中。由于上述設(shè)計(jì)過(guò)程未考慮滾子與凸輪之間在從動(dòng)件擺動(dòng)軸線方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由此所得凸輪機(jī)構(gòu)，其從動(dòng)件實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律與預(yù)期運(yùn)動(dòng)規(guī)律在理論上即存在偏差，所以是一種近似設(shè)計(jì)方法。欲消除設(shè)計(jì)偏差，必須對(duì)理論輪廓曲線進(jìn)行修正，或者根據(jù)滾子與凸輪間的相對(duì)空間運(yùn)動(dòng)

38、關(guān)系，采用解析法對(duì)凸輪輪廓曲面進(jìn)行精確設(shè)計(jì)。 在輪廓設(shè)計(jì)好之后，應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)矩的大小及凸輪的直徑設(shè)計(jì)凸輪軸的形狀及其尺寸。軸的設(shè)計(jì)和校核：1求凸輪軸上的轉(zhuǎn)矩T1在之前的設(shè)計(jì)中，已求出2求作用在凸輪上的力在凸輪設(shè)計(jì)中，從動(dòng)桿對(duì)凸輪的力是變化的，我們對(duì)軸的設(shè)計(jì)應(yīng)取最大時(shí)刻的力，凸輪輪廓直徑為60mm，因此3初步確定軸的最小直徑估算軸的最小直徑公式 選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)表3.1，取A0=103， 則 表3.1 軸常用的幾種材料的T及A0值軸的材料Q235-A、20Q275、35（1Cr18Ni9Ti）4540Cr、35SiMn38SiMnMo/MPa1525203525453555A01

39、4912613511212610311297凸輪軸的最小直徑顯然是安裝平鍵出的直徑dFG 。綜合考慮選取dFG=20mm。4軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3.2是凸輪軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，下面詳細(xì)說(shuō)明各尺寸的確定過(guò)程。圖3.2 軸的結(jié)構(gòu)與裝配簡(jiǎn)圖（1）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度：凸輪軸FG段需要與聯(lián)軸器通過(guò)平鍵連接，取FG=45mm。（2）初步選擇滾動(dòng)軸承。因軸承同時(shí)受有徑向力和軸向力的作用，故選用單列圓錐滾子軸承。參照工作要求，并根據(jù)直徑dEF=40mm。由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)精度的單列圓錐滾子軸承71107E，其尺寸為d×D×T=35mm×62m

40、m×19mm，故lAB=20mm，lEF=35mm。兩端滾動(dòng)軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位。由手冊(cè)上查得71107E型軸承的定位軸肩高h(yuǎn)=7.5mm，在此取直徑dBC=dDE=50mm。（3）取凸輪輪廓所在的CD段的直徑dCD=60mm；（4）凸輪軸根據(jù)軸承寬度取AB段長(zhǎng)度lAB=20mm，并加工l2mm的退刀槽。（5）根據(jù)軸承端蓋的裝卸及便于對(duì)軸承添加潤(rùn)滑脂的要求，取右軸承蓋的外端面與FG段左端面保持一定的距離，取lEF=30mm。（6）凸輪主體，考慮到凸輪主體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這一軸段的長(zhǎng)度應(yīng)足夠長(zhǎng)，取lCD=140mm。（7）BC段與DE段是軸的過(guò)渡段，取長(zhǎng)lBC=10mm，lDE=10m

41、m。至此，已初步確定了周的各段直徑和長(zhǎng)度。5. 軸上零件的周向定位凸輪軸于一個(gè)套筒聯(lián)軸器采用平鍵聯(lián)接，此處軸徑為20mm。由手冊(cè)查得平鍵截面b×h=6mm×6mm（GB/T1095-1079），鍵槽用鍵槽銑刀加工，長(zhǎng)為15mm（標(biāo)準(zhǔn)鍵長(zhǎng)見(jiàn)GB/T 1096-1979）；同時(shí)為了保證套筒聯(lián)軸器與軸配合有良好的對(duì)中性，故選擇套筒與軸的配合為H7/r6。同樣，聯(lián)軸器與減速器軸選用的平鍵為6mm×6mm×15mm，配合也為H7/r6，滾動(dòng)軸承的周向定位是借過(guò)渡配合來(lái)保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為m6。6. 確定軸上的圓角和倒角尺寸參考表3.2，軸端倒角2

42、15;45°，各軸肩角半徑2mm。表3.2 零件倒角C與圓角半角R的推薦值直徑d>610>1018>1830>3050>5080>80120>120180C或R0.50.60.81.01.21.62.02.53.07求軸上載荷首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖做出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖。在確定軸承的支點(diǎn)位置時(shí)，應(yīng)從手冊(cè)中查取a值（支反力作用點(diǎn)至軸承外圈寬邊距離）。對(duì)于30212型圓錐滾子軸承，由手冊(cè)中查得a=22mm。因此，作為簡(jiǎn)支梁的軸的支撐跨距根據(jù)軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖做出軸的彎矩圖和扭矩圖（圖3.3）a)受力圖 b）水平面受力圖 c）水平面彎矩圖 d）垂直面受力圖e）垂直

43、面彎矩圖 f）總彎矩圖 g）扭矩圖 圖3.3 軸的載荷分析圖從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖中可以看出截面B是軸的危險(xiǎn)截面。現(xiàn)將計(jì)算出的截面B處MH，MV及M的值列于表3.3。表3.3 危險(xiǎn)截面處彎矩扭矩載荷水平面H垂直面V支反力F彎矩M總彎矩扭矩T8. 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面，根據(jù)公式 （3.1）前已選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得。因此，故安全。3.2.2中心軸的設(shè)計(jì)中心軸是一根固定心軸，它的外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3.4所示。 圖3.4 中心軸示意圖圖 3.4 中心軸示意圖中心軸穿過(guò)軸承擋環(huán)，軸承，連桿套，框架。一端由六角型凹槽周

44、向固定，另一端由螺母固定，這樣就成為一根固定心軸，它只承受彎矩，沒(méi)有扭矩。只承受剪切應(yīng)力，很小的壓應(yīng)力。由于中心軸是機(jī)構(gòu)中比較重要和比較危險(xiǎn)的零件，只要它能夠滿足強(qiáng)度要求的話。其它零件問(wèn)題都不大，因?yàn)槿说捏w重有可能都作用在中心軸上。這就需要對(duì)其進(jìn)行剪切強(qiáng)度校核： （3.2）式中P為作用力，A為危險(xiǎn)截面面積，為剪切應(yīng)力，為許用剪切應(yīng)力，查手冊(cè)知=，遠(yuǎn)大于此值，剪切強(qiáng)度滿足要求。下面校核一下擠壓強(qiáng)度：（3.3）式中P為作用力，B為擠壓截面面積，為擠壓應(yīng)力，為許用擠壓應(yīng)力，查手冊(cè)知=。由此可見(jiàn)，無(wú)論是剪切還是擠壓，材料的許用強(qiáng)度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于所承受的應(yīng)力，這是由于人的體重有限，況且還是按照最保守的計(jì)算。

45、實(shí)際上康復(fù)機(jī)器人還有重心控制機(jī)構(gòu)，人本身的自重不會(huì)全部加載到踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上。這更說(shuō)明零件符合要求。3.2.3踏板的設(shè)計(jì)踏板是人體與機(jī)器人接觸的部件，它通過(guò)螺釘固定在連桿套筒上。踏板的主要作用是：承擔(dān)使用者腳部的踩踏，并且通過(guò)繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)模擬踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。人腳固定在踏板上是通過(guò)有的彈性帶子固定，如圖3.5是踏板的俯視圖。進(jìn)一步設(shè)計(jì)可以完善這一結(jié)構(gòu)。圖 3.5 踏板簡(jiǎn)圖 3.2.4連桿套的設(shè)計(jì)連桿套如圖3.6，是連桿與套筒的和體，連桿是凸輪的從動(dòng)件，套筒是軸圖3.6 連桿套簡(jiǎn)圖 套，內(nèi)部放有軸承，與心軸配合。這樣就把連桿的擺動(dòng)轉(zhuǎn)化為軸套繞固定的心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)動(dòng)的功能。連桿與套筒上平面的角度

46、保證了套筒轉(zhuǎn)動(dòng)的角度范圍，即，這個(gè)區(qū)間內(nèi)平面俯仰的角度與地平面的角度保證在零到三十度之間變化。如果連桿與套筒平面垂直的話，平面的俯仰角度就會(huì)變成正負(fù)十五度了，與預(yù)期要求相背。套筒的平面上開(kāi)有四個(gè)螺紋孔，與踏板上的螺紋孔互相對(duì)應(yīng)，裝配時(shí)由四個(gè)內(nèi)六角螺釘固定住。其它主要零件的設(shè)計(jì)還有軸承座，軸承端蓋，框架等。用零件圖就可以加工表達(dá)，主要的零件設(shè)計(jì)就是以上這些了。其它零件設(shè)計(jì)過(guò)程都根據(jù)他們?cè)O(shè)計(jì)。3.3校核計(jì)算在下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，一些主要的零件也是可能的危險(xiǎn)零件在設(shè)計(jì)時(shí)就校核過(guò)了，本節(jié)只是對(duì)其它沒(méi)有校核的零件進(jìn)行校核，如平鍵，軸承等。3.3.1軸承的校核凸輪軸上滾動(dòng)軸承的校核：凸輪軸

47、上使用軸承的型號(hào)為32007型圓錐滾子軸承，查手冊(cè)可知32007軸承的1求兩軸承受到的徑向載荷和，如圖3.7所示圖3.7 軸承受力圖在軸的設(shè)計(jì)與校核中，已經(jīng)得到兩軸承的支反力分別為則2求兩軸承的計(jì)算軸向力和對(duì)于圓錐滾子軸承，按表3.4，軸承派生軸向力，其中，是對(duì)應(yīng)的值。表3.4 約有半數(shù)滾動(dòng)體接觸式派生軸向力的計(jì)算公式圓錐滾子軸承角接觸球軸承如圖3.7所示，現(xiàn)在軸承軸向力未知，故先假設(shè)，因此可估算由于，所以軸承1被壓緊，故3求軸承當(dāng)量動(dòng)載荷和 （3.4）式中，、分別為徑向動(dòng)載荷系數(shù)和軸向動(dòng)載荷系數(shù)。對(duì)于32007型圓錐滾子軸承，由軸承設(shè)計(jì)手冊(cè)，可得當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，其中，。對(duì)于左側(cè)軸承1故對(duì)于右側(cè)軸

48、承2故假設(shè)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中有輕微沖擊載荷，按表3.5，取表3.5 載荷系數(shù)載荷性質(zhì)舉例無(wú)沖擊或輕微沖擊1.01.2電機(jī)、汽輪機(jī)、通風(fēng)機(jī)、水泵等中等沖擊或中等慣性力1.21.8車輛、動(dòng)力機(jī)械、起重機(jī)、造紙機(jī)、冶金機(jī)械、選礦機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、機(jī)床等強(qiáng)大沖擊1.83.0破碎機(jī)、軋鋼機(jī)、鉆探機(jī)、振動(dòng)篩等則4驗(yàn)算軸承壽命 （3.5）式中：軸承壽命（單位為）軸承轉(zhuǎn)速（單位為）溫度系數(shù)，參考表3.6基本額定動(dòng)載荷（單位為）當(dāng)量動(dòng)載荷（單位為）溫度不會(huì)太高，查表3.6，取表3.6 溫度系數(shù)軸承溫度系數(shù)125150175200225250300350溫度系數(shù)1.000.950.900.850.800.750.700.60.

49、5因?yàn)?，所以按左?cè)軸承的受力大小驗(yàn)算已知轉(zhuǎn)速。則故所選擇軸承可滿足壽命要求。中心軸上滾動(dòng)軸承的校核中心軸上的兩個(gè)軸承之所以選擇圓錐磙子軸承，并不是因?yàn)樗傄惺茌S向力，只是在發(fā)生意外情況時(shí)（如病人不小心滑倒），腳對(duì)踏板會(huì)產(chǎn)生一個(gè)軸向力。這要求軸承承受徑向力的同時(shí)也能夠承受軸向力。中心軸上兩個(gè)軸承共同承擔(dān)人作用在一只腳上的力。按最大載荷400N計(jì)算壽命： 溫度不會(huì)太高，查表3.6，取1.0，已知轉(zhuǎn)速。則按公式3.5可見(jiàn)軸承理論壽命足夠大。（3）鍵的校核 （3.6）式中： 傳遞的扭矩，單位為 鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，單位為mm 鍵的工作長(zhǎng)度，單位為mm 軸的直徑，單位為mm 鍵、軸、輪轂三者中最弱

50、材料的許用擠壓應(yīng)力，單位為。在軸的設(shè)計(jì)與校核中，已得到鍵的尺寸為：傳遞的扭矩為凸輪的材料是鋼材，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得許用擠壓應(yīng)力鍵的工作長(zhǎng)度，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，可得3.4本章小結(jié)本章對(duì)下肢康復(fù)機(jī)器人踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械本體零件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)一些重要零件進(jìn)行了強(qiáng)度校核。對(duì)于下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)完成。本章是論文的重要的一章，包括各種機(jī)械零件的設(shè)計(jì)，計(jì)算尺寸，剛度強(qiáng)度校核等內(nèi)容都是對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)重要部分。第4章機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1選擇控制系統(tǒng)方案需要考慮的因素對(duì)于單個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)，可能有多種控制方案來(lái)實(shí)現(xiàn)同一個(gè)控制功能。在選擇控制計(jì)算機(jī)時(shí)，除了要保證實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的

51、基本控制功能，滿足性能指標(biāo)要求，還要綜合考慮一些其他因素，應(yīng)該綜合多種因素做出最佳選擇。這些因素包括如下幾點(diǎn)：1. 產(chǎn)品是單件小批量生產(chǎn)還是大批量生產(chǎn)。2. 產(chǎn)品是一般工業(yè)產(chǎn)品還是需要滿足特殊要求的產(chǎn)品。3. 產(chǎn)品是屬于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)還是科研樣機(jī)。4. 產(chǎn)品是工業(yè)產(chǎn)品還是民用產(chǎn)品。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要作用是實(shí)現(xiàn)一定的控制策略和完成一定的信息處理。當(dāng)控制系統(tǒng)的功能和主要指標(biāo)性能確定后，對(duì)計(jì)算機(jī)的基本要求也就隨之確定了。由于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)有多種類型，每種類型又包含許多產(chǎn)品，往往有多種控制方案可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)同一目的。例如一個(gè)多自由度的工業(yè)機(jī)器人，可以用PC工業(yè)控制機(jī)對(duì)各自由度進(jìn)行集中控制，也可以用兩臺(tái)工業(yè)控制機(jī)

52、構(gòu)成多級(jí)控制系統(tǒng)，還可以采用多個(gè)單片機(jī)分別控制每一個(gè)關(guān)節(jié)，然后由工業(yè)PC機(jī)與多個(gè)單片機(jī)進(jìn)行通訊，形成集散控制系統(tǒng)。這些控制方案都可以滿足機(jī)器人的控制要求，但是，不同的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，成本，研發(fā)周期，可維護(hù)性等都是不同的。因此，在選擇控制計(jì)算機(jī)時(shí)，除了要保證實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的基本控制功能，滿足性能指標(biāo)要求，還要綜合考慮其他一些因素，綜合多種因素做出最佳選擇，這些因素包括：1. 單件小批量還是大批量生產(chǎn)：對(duì)于大批量生產(chǎn)主要考慮生產(chǎn)效率，生產(chǎn)成本和可維護(hù)性，可以考慮設(shè)計(jì)專用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。這樣有利于提高計(jì)算機(jī)資源的利用率，降低生產(chǎn)成本，提高系統(tǒng)的可靠性。對(duì)于單件小批量產(chǎn)品，在開(kāi)始階段應(yīng)該盡量選擇通

53、用計(jì)算機(jī)產(chǎn)品，以便降低成本，縮短生產(chǎn)周期。2. 一般工業(yè)產(chǎn)品還是需滿足特殊要求的產(chǎn)品：對(duì)一般的工業(yè)產(chǎn)品，成本和生產(chǎn)周期應(yīng)作為主要指標(biāo)來(lái)考慮；對(duì)軍事，航天，水下等有特殊要求的場(chǎng)合，主要考慮的因素不再是成本和研發(fā)周期，更重要的是可靠性，環(huán)境適應(yīng)性。3. 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)還是科研樣機(jī)：對(duì)于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)要考慮將來(lái)的生產(chǎn)成本，生產(chǎn)周期，可維護(hù)性等因素。例如，當(dāng)既可以采用集中控制又可采用集散控制是，應(yīng)盡可能采用集散控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；對(duì)科研樣機(jī)的研制主要是要研究裝置的工作原理，獲取必要的數(shù)據(jù)，這時(shí)應(yīng)該選擇硬件借口、接口資源比較豐富，軟件開(kāi)發(fā)方便的集中式，速度比較快的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。如德國(guó)生產(chǎn)的Dspace實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，它

54、采用雙CPU主板，根據(jù)要求可以配置D/A，A/D，Encoder，I/O等多種硬件接口，軟件基于Windows平臺(tái)設(shè)計(jì)，可以用Simulink語(yǔ)言以模塊方式直接編程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。這種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是硬件資源豐富，軟件開(kāi)發(fā)速度快，兼容性好，對(duì)不同的樣機(jī)進(jìn)行控制只要改變少量的引線和編制不同的軟件即可。4. 工業(yè)產(chǎn)品還是民用產(chǎn)品：對(duì)于小型家電，便攜式儀器儀表，需要經(jīng)常移動(dòng)的機(jī)電一體化產(chǎn)產(chǎn)品；體積，重量，功耗，成本等應(yīng)優(yōu)先考慮，這些產(chǎn)品應(yīng)盡量考慮使用專用的單片機(jī)控制系統(tǒng)或微處理器。對(duì)于一般的工業(yè)產(chǎn)品，可靠性應(yīng)作為主要考慮因素。4.2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)整個(gè)下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人總體控制如圖4.1，采

55、用多個(gè)單片機(jī)分別控制每一個(gè)關(guān)節(jié)，然后由工業(yè)PC機(jī)與多個(gè)單片機(jī)進(jìn)行通訊，形成集散控制系統(tǒng)。踝關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)是以AT90S8535控制單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心建立的控制系統(tǒng)。單片機(jī)通過(guò)并口接收步態(tài)單片機(jī)的指令，根據(jù)指令驅(qū)動(dòng)兩個(gè)姿態(tài)伺服電機(jī)，對(duì)姿態(tài)機(jī)構(gòu)進(jìn)行初始化和位置閉環(huán)控制。兩個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都是直流伺服電機(jī)控制卡，用來(lái)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)電機(jī)的速度閉環(huán)控制。姿態(tài)控制單片機(jī)與步態(tài)控制單片機(jī)并口通訊，讀取步態(tài)系統(tǒng)的位置信息，以查表的方式得到位置指令，進(jìn)行位置閉環(huán)的PID運(yùn)算，發(fā)出PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波電路的D/A轉(zhuǎn)換后成為05V的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換之后變成1010V ，作為給直流伺服電機(jī)控制器的速度指令。直流伺服電

56、機(jī)控制器與直流伺服電機(jī)以及編碼器組成了一個(gè)速度閉環(huán)，所以姿態(tài)控制系統(tǒng)是一個(gè)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。編碼器的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波去噪聲后反饋給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)計(jì)算脈沖個(gè)數(shù)得出姿態(tài)機(jī)構(gòu)的位置。姿態(tài)控制系統(tǒng)中腳踏板的位置需要進(jìn)行標(biāo)定，行程開(kāi)關(guān)所處的位置作為腳踏板的初始置，也就是腳踏板的位置零點(diǎn)。步態(tài)控制單片機(jī)濾波電路電平轉(zhuǎn)換控制器電機(jī)編碼器行程開(kāi)關(guān)濾波電路電平轉(zhuǎn)換控制器電機(jī)編碼器行程開(kāi)關(guān)PWM1AT90S8535PWM2圖 4.1 康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人控制概圖第5章機(jī)構(gòu)的仿真與可行性分析下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，我利用Pro/ENGINEER軟件對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，以便研究機(jī)構(gòu)的模型能否

57、完成預(yù)定的性能要求。5.1仿真概述利用Pro/ENGINEER Wildfire的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真功能可以使原來(lái)在二維圖紙上的難于表達(dá)和設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)變得非常直觀和易于修改，并且能夠大大簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，縮短其開(kāi)發(fā)周期，減少開(kāi)發(fā)費(fèi)用，同時(shí)提高產(chǎn)品質(zhì)量?？梢酝ㄟ^(guò)添加運(yùn)動(dòng)副，驅(qū)動(dòng)器使其運(yùn)動(dòng)起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真。此外完成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真后，運(yùn)用機(jī)構(gòu)中的后續(xù)處理功能可以查看當(dāng)前機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，并且可以對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡、位移、運(yùn)動(dòng)干涉情況的分析，以便研究機(jī)構(gòu)的模型。機(jī)構(gòu)仿真與真實(shí)的機(jī)構(gòu)很相似。機(jī)構(gòu)是由構(gòu)件組合而成的，其中每一個(gè)構(gòu)件都以一定的方式至少與另一個(gè)構(gòu)件相連接，這種聯(lián)接既使兩個(gè)構(gòu)件直接接觸，又使兩構(gòu)

58、件能產(chǎn)生一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)仿真主要包括創(chuàng)建機(jī)構(gòu)和添加驅(qū)動(dòng)器。其中創(chuàng)建機(jī)構(gòu)的過(guò)程與零件的裝配過(guò)程極為相似。5.2機(jī)構(gòu)仿真及結(jié)果分析圖5.1由于并不是一個(gè)完整的步態(tài)周期的變化曲線，但仍然可以看出踝關(guān)節(jié)角度變化規(guī)律與圖5.2中的變化規(guī)律極其相似。之所以不同，是由于單位不同，還有仿真時(shí)給予伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速與圖5.2中人的步速是不相同的。因?yàn)閳D5.2是按照正常人在正常的情況下的走路速度的曲線。而我們的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的步速是按照病人設(shè)計(jì)的，給定的速度比較慢，所以兩條曲線看上去不盡相同，但是它們的變化規(guī)律是大致相同的。機(jī)構(gòu)仿真的結(jié)果是可以實(shí)現(xiàn)踏板的俯仰角度（），而變化規(guī)律與人體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是非常相似的，所以這

59、些仿真結(jié)果證明本論文采用的機(jī)構(gòu)方案，策略和仿真程序是合理的，有效的。角度（o）角度（o）時(shí)間(s)圖 5.2 一個(gè)步態(tài)周期踝關(guān)節(jié)角度變化規(guī)律曲線時(shí)間(s)圖 5.1 仿真角度變化規(guī)律曲線結(jié)論本文結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，具體闡述了一種下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。仿真實(shí)驗(yàn)表明，本課題所研制的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是整個(gè)下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人設(shè)計(jì)的一部分。下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作是分以下幾個(gè)階段進(jìn)行的：首先，查閱資料。在設(shè)計(jì)初期，廣泛查詢國(guó)內(nèi)外在康復(fù)領(lǐng)域的發(fā)展和最新成果。這一階段就是開(kāi)題準(zhǔn)備階

60、段，為以后的設(shè)計(jì)開(kāi)闊了視野，提供了設(shè)計(jì)思路。然后進(jìn)行的是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。這一階段的工作是確定了機(jī)械本體和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。為后面的機(jī)械零件設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)確定了大的方向。在這一階段中對(duì)于傳動(dòng)方式的選擇，本文比較了多種機(jī)械傳動(dòng)的形式，結(jié)合設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，最終選擇了適合本機(jī)構(gòu)的圓柱凸輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)。第三階段的工作對(duì)姿態(tài)系統(tǒng)機(jī)械本體進(jìn)行詳細(xì)地分析與設(shè)計(jì)。用Pro/E軟件零件進(jìn)行三維實(shí)體造型，設(shè)計(jì)與校核了每一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械零件，并根據(jù)系統(tǒng)的需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行了選擇與校核。第四，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。闡述了各種不同的控制方式，提出一種控制方案。下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人是整體聯(lián)動(dòng)，控制時(shí)踝關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)是一個(gè)子系統(tǒng)

61、。最后一項(xiàng)工作是系統(tǒng)地對(duì)下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并通過(guò)Pro/E軟件對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)畫(huà)仿真和圖形仿真。得出系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)規(guī)律。本論文主要是對(duì)于踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)控制系統(tǒng)并沒(méi)有做出詳細(xì)的設(shè)計(jì)，只是提出了一個(gè)總體方案。因此還可以進(jìn)一步詳細(xì)地設(shè)計(jì)一套下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的控制方案。參考文獻(xiàn)1 金德文，張濟(jì)川康復(fù)工程學(xué)的研究與發(fā)展J現(xiàn)代康復(fù)，2000，Vol.4 No.5：31-352 高從軍， 歐洲康復(fù)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)況及前景J機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，1999，Vol.16 No.2：33-363 黃靖遠(yuǎn)，劉宏增等康復(fù)工程前景初探J生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志， 1999，Vol.16 No.2：12-144 夏昊昕，張立勛，王嵐下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人J應(yīng)用科