多功能康復椅虛擬樣機設計含SW三維及6張CAD圖

多功能康復椅虛擬樣機設計含SW三維及6張CAD圖,多功能,康復,痊愈,虛擬,樣機,設計,sw,三維,cad 目錄 摘要.................................................................................................................. I Abstract.................................................................................................................. II 第一章 緒論..........................................................................................................1 1.1 康復機器人的簡介.................................................................................1 1.2 下肢康復椅的研究現(xiàn)狀.........................................................................2 1.2.1 康復機器人的發(fā)展.......................................................................2 1.2.2 國內(nèi)外康復機器人的現(xiàn)狀...........................................................2 1.3 下肢康復機器人的設計及其意義.........................................................3 1.4 本章小結...............................................................................................4 第二章 康復機器人的執(zhí)行機構設計..................................................................5 2.1 康復機器人的服務對象研究.................................................................5 2.1.1 康復機器人的需求調(diào)查..............................................................5 2.1.2 康復機器人適用對象的調(diào)查......................................................5 2.2 康復機器人的整體設計及其原理.........................................................6 2.3 康復椅的六自由度平臺的設計.............................................................7 2.3.1 六自由度平臺的簡介..................................................................7 2.3.2 液壓六自由度平臺的結構設計..................................................7 2.4 前肢運動的設計.....................................................................................9 2.5 腳腕部分的設計...................................................................................11 2.6 本章小結...............................................................................................11 第三章 康復椅的主要控制機構的設計............................................................13 3.1 康復椅中六自由度平臺的控制方案...................................................13 3.1.1 液壓六自由度平臺的控制原理................................................13 3.1.2 主要參數(shù)元件的設計及選擇....................................................15 3.1.3 六自由度液壓油箱的設計及其計算......................................18 3.2 驅(qū)動前肢的絲杠部分的控制方案.......................................................22 3.3 本章小結.............................................................................................23 第四章 多功能康復椅的 Adams 仿真分析.......................................................25 4.1 虛擬樣機與 Adams 仿真分析簡介.......................................................25 4.2 康復椅中六自由度平臺 Adams 中建模的過程..................................26 4.2.1 adams 建模................................................................................. 26 4.2.2 模型約束和驅(qū)動的添加............................................................27 4.3 六自由度平臺空間位置的計算.........................................................29 4.4 反解研究液壓平臺的運動規(guī)律...........................................................30 4.4.1 由反解加載驅(qū)動控制................................................................30 4.4.2 不同情況下各個液壓缸的運動規(guī)律........................................31 4.5 正解液壓平臺的運動規(guī)律...................................................................42 4.6 前肢部分的仿真模擬...........................................................................45 4.7 聯(lián)合仿真...............................................................................................46 4.8 本章小結...........................................................................................49 第五章 結論與展望..........................................................................................51 參考文獻..............................................................................................................53 I 致謝......................................................................................................................54 Rehabilitation_Robot(康復機器人)的翻譯.........................................................55 II 摘要 隨著社會的發(fā)展，醫(yī)療輔助機器人日益出現(xiàn)在我們的視線里，現(xiàn)在應用在醫(yī) 療領域，最為大家熟知的是使用的機器人來進行精密手術的控制?，F(xiàn)在出現(xiàn)各種 各樣的康復機器人，它的研究貫穿了康復醫(yī)學、生物力學、機械學、機械力學、 電子學、材料學、計算機科學以及機器人學等諸多領域，已經(jīng)成為了國際機器人 領域的一個研究熱點。目前，康復機器人已經(jīng)廣泛地應用到康復護理、假肢和康 復治療等方面，這不僅促進了康復醫(yī)學的發(fā)展,也帶動了相關領域的新技術和新 理論的發(fā)展。 現(xiàn)在由于各種原因造成肢體的殘疾的患者在人工輔助運動的時候需要耗費很 大的人力，在現(xiàn)在日益老齡化和快節(jié)奏的生活里，很難對需要幫助的人一個完善 系統(tǒng)的康復訓練，所以希望設計一款代替人工的康復椅，給予需要幫助的人一個 系統(tǒng)的恢復。 本文主要主要研究對下肢康復機器人的設計和虛擬樣機的仿真，本文的主要 重點是六自由度平臺的建模和設計。通過對平臺的控制來精確的控制來實現(xiàn)坐在 椅子上人的腰背部的運動，通過控制絲杠的運動來控制人的腿部的運動，模擬人 身體的運動，被動的使患者的肌肉得到運動，防止肌肉的萎縮。先在 solidworks 中進行三維建模，根據(jù)人體工學，建立的模型符合人的身體比例。通過對六自由 度平臺的搜集資料，最后決定采用電液控制的摸設計，設計液壓回路實現(xiàn)復雜的 運動。在進行 adams 仿真時，六自由度平臺的仿真時重點，對于多自由度的機器 人的仿真，通過反求，求出液壓缸的運動軌跡，然后在通過正求，加載每個液壓 缸的運動軌跡，從而完成仿真。多功能康復椅的應用前景廣泛，需要進一步的完 善。 關鍵詞：康復椅、并聯(lián)機器人、六自由度平臺、adams 仿真 I Abstract With the development of society, medical assistant robot has appeared in my sight, is now used in the medical field, the most well known is the use of robots to control precision operation. There is now a wide variety of rehabilitation robot, it runs through the rehabilitation medicine, biomechanics, mechanics, mechanics, electronics, materials science, computer science and robotics and other fields, has become a research hotspot in the field of international robot. At present, the rehabilitation robot has been widely applied to the rehabilitation nursing, prosthesis and rehabilitation therapy, which has not only promoted the development of rehabilitation medicine, also contributed to the development of new technology and new theory in the area of. Now, because of various reasons causing physical disability patients will need a lot of manpower in the artificial auxiliary movement, in the now aging and the fast pace of life, it is difficult to help people in need of a perfect training system, so we hope to design a substitute for manual rehabilitation chair back, who need help the people of a system. This paper mainly studies the simulation design of the lower limbs rehabilitative robot and virtual prototype, the main focus of this paper is the modeling and design of six degree of freedom platform. Controlled by control of the platform to precisely to sit on the chair of human lumbar motion, to control by controlling the screw motion of the leg movement, simulation of human body movement, passive patient's muscle exercise, prevent muscle atrophy. The first 3D modeling in SolidWorks, according to human body engineering, the model accord with human body proportion. By six degrees of freedom platform to collect data, finally decided to adopt a touch design of electro-hydraulic control, hydraulic circuit design to realize the complex motion. In the ADAMS simulation, simulation of six degrees of freedom platform with emphasis, simulation for robots with many degrees of freedom, the reverse, the trajectory of the hydraulic cylinder, and then through to beg, trajectory loading of each cylinder, thus completing the simulation. Application of multifunctional rehabilitation chair widely, II needs further improvement. Keywords: chair, recovery of 6-dof parallel robot, Adams, simulation platform III IV 第一章 緒論 1.1 康復機器人的簡介 康復機器人是工業(yè)機器人和醫(yī)用機器人的結合。20 世紀 80 年代是康復機 器人研究的起步階段,美國、英國和加拿大在康復機器人方面的研究處于世界的 領先地位。1990 年以前全球的 56 個研究中心分布在 5 個工業(yè)區(qū)內(nèi)：北美、英 聯(lián)邦、加拿大、歐洲大陸和斯堪的納維亞半島及日本。1990 年以后康復機器人 的研究進入到全面發(fā)展時期。目前,康復機器人的研究主要集中在康復機械手、 醫(yī)院機器人系統(tǒng)、智能輪椅、假肢和康復治療機器人等幾個方面。 康復機器人的主要作用體現(xiàn)在兩個方面，第一就是幫助由于疾病造成的癱 瘓，或者是因意外傷害造成的肢體運動障礙的人提高運動能力，這部分作用的機 器人稱作康復訓練機器人；第二就是輔助肢體運動，完成肢體的某個運動，這部 分機器人成為機器人假肢?？祻蜋C器人由計算機進行精確的控制，并配有相應的 傳感器和安全系統(tǒng)，可以根據(jù)病人的實際情況調(diào)節(jié)參數(shù)，從而實現(xiàn)最佳的鍛煉效 果。 康復機器人的目前主要的成果包括以下幾個方向：手部康復機器人，手臂康 復機器人，下肢康復機器人，及其行走機器人。目前康復機器人更加人性化設計， 通過對人體的生物機能和傳感器技術相結合，主動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)人的肢體的運動， 做到更加的精確，效果更明顯?？祻蜋C器人技術的發(fā)展對于提高患者的康復質(zhì)量， 減少患者的病痛，減輕社會負擔具有重大的意義。由于各種原因造成運動障礙的 患者越來越多，人們對康復機械的需求越來越多，需求的形式也是多種多樣的， 針對不同的病人會出現(xiàn)不同的康復機械，其發(fā)展的方向更加的人性化，更加的專 業(yè)化。在西方國家，康復機械發(fā)展的很全面，趨于更加的高端，我國的康復機械 需要更多的投入，需要更加專業(yè)的人開發(fā)。在這個方面未來會有更廣的發(fā)展，會 帶動國民經(jīng)濟的發(fā)展。 1 1.2 下肢康復椅的研究現(xiàn)狀 1.2.1 康復機器人的發(fā)展 20 世紀 80 年代是康復機器人研究的起步階段,美國、英國和加拿大在康復 機器人方面的研究處于世界的領先地位。1990 年以前全球的 56 個研究中心分 布在 5 個工業(yè)區(qū)內(nèi)：北美、英聯(lián)邦、加拿大、歐洲大陸和斯堪的納維亞半島及 日本。1990 年以后康復機器人的研究進入到全面發(fā)展時期。目前,康復機器人的 研究主要集中在康復機械手、醫(yī)院機器人系統(tǒng)、智能輪椅、假肢和康復治療機器 人等幾個方面。目前最新的產(chǎn)品是 Handy1，Handy1 康復機器人是目前世界上最 成功的一種低價的康復機器人系統(tǒng)，現(xiàn)在有 100 多名嚴重殘疾的人經(jīng)常在使用 它。在許多發(fā)達國家都有人采用了這種機器人。 根據(jù)現(xiàn)在機器人技術的發(fā)展水平，一般具有以下三種結構．第一種是徹底結 構化的控制平臺，類似于桌面工作站，將機械手安裝在固定的控制平臺上，完成 在固定工作空間內(nèi)的操作；第二種結構是將機械手安裝在輪椅上，這樣就可以在 任何地域使用，但這導致了機械手剛性下降，抓取的精度往往達不到要求，而且 這種方法只適合于那些可以用輪椅的人。第三種機構是將機械手安裝在自主或半 自主車輛上，通過傳感器控制，完成復雜的運動，完成輔助的任務。 1.2.2 國內(nèi)外康復機器人的現(xiàn)狀 國外的機器人做的最具代表的是上文提到的 Handy1 康復機器人，它是目前世界上最成功的一 種低價、市售的康復機器人系統(tǒng)。目前正在生產(chǎn) 的 Handy1 機器人由 5 自由度機器人手臂和新型控 制器組成，它具有話音識別、語音合成、傳感器 輸人、手柄控制以及步進電機控制能力。Handy1 具有很強的通話能力，它可以 在操作過程中為護理人員及用戶提供有用的信息，所提供的信息可以是簡單的操 作指令或有益的指示，可以用任何一種歐洲語言表達出來。這種裝置可以大大提 2 高 Handyl 方便用戶的能力，而且有助于突破語言的障礙。 國內(nèi)的康復機器人的研究主要集中在假肢上，只有部分的科研機關開始關注 康復機器人，至今國內(nèi)的成果也是可觀的，出現(xiàn)了下肢康復訓練機器人等各種康 復機器人的專利。目前，國內(nèi)在該領域進行研究的主要有清華大學、上海交通大 學、復旦大學、哈爾濱工業(yè)大學等。其中，上海交通大學和復旦大學合作展開了 “神經(jīng)的運動控制與控制信息源的研究”。其研究目的是提取神經(jīng)信息，利用神 經(jīng)信息來控制電子假手。七個自由度假手模擬裝置已設計完成，神經(jīng)信息的提取 正在進行動物試驗，信息的整合與控制電路的設計進展順利。我國醫(yī)療設備自動 化程度較高的大多數(shù)為進口設備，成本較高．因此，隨著科學技術的發(fā)展，該領 域技術研究的深入，康復設備的國產(chǎn)化具有必然性及可行性。 1.3 下肢康復機器人的設計及其意義 研究下肢康復訓練機器人，主要是對于要進行下肢康復訓練的人來說，下肢 康復主要是以活動腿部的肌肉為主要的目的，模擬人在運動過程中腿部肌肉的活 動規(guī)律，鍛煉下肢肌肉，防止肌肉的萎縮。同時，研究人的腰背部的運動，通過 控制元件，帶動坐在機器上的人的運動。本文的設計主要是通過患者固定在康復 椅上，通過控制六自由度平臺，來實現(xiàn)患者腰背部的運動，這樣減少了病人長期 臥床而不能得到鍛煉的痛苦，這也那也減少護理人員的工作強度，通過控制絲杠 的運動，來控制腿部的運動，對腿部肌肉運動具有很大幫助，通過控制腳踏板的 運動，實現(xiàn)腳腕的運動。 從總體上來看，下肢康復訓練機器人的總體工作目的就是為了能夠使下肢需 要進行康復訓練的人能夠更加方便的，更輕松的達到訓練的目的，對下肢的康復 訓練起到輔助的作用。 研究下肢康復訓練機器人的最大的受益者就是下肢康復 訓練有難度的病人，他可以幫助病人進早的從病痛中擺脫出來，及早的恢復健康 的身體，這些是研究的直接原因和動力。 從另一方面來看，對于下肢康復訓練機器人的研究在對以后研究其他的 3 類似康復機器人的時候，他有很多的研究成果都是可以直接被后續(xù)的工作所應用 的。為其他的研究工作打下了一個很好的基礎，為以后的工作的延續(xù)提供了一個 基礎平臺。站在醫(yī)院的角度來看，康復機人的研究給他帶來了實在的好處。一方 面可以減少工作護理人員的負擔，同時還可以是病人能夠運動的更加的方便。 1.4 本章小結 本章主要闡述了康復機器人的背景，發(fā)展及其未來的發(fā)展前景，對康復機器人 有了更加全面的了解和細致的把握，接著通過查閱資料和分析畢設任務，明確了 多功能康復椅的設計方向和特色之處，明確了設計和應用康復機器人的必要性。 最后自學了與康復機器人有關的課程，同時學習了關于控制六自由度平臺的有關 知識，對如何控制平臺有了更深的了解，為下一步的進行設計有了更深的了解， 并做了充分的準備。 4 第二章 康復機器人的執(zhí)行機構設計 2.1 康復機器人的服務對象研究 2.1.1 康復機器人的需求調(diào)查 根據(jù)第二次全國殘疾人抽樣調(diào)查，目前，我國各類殘疾人總數(shù)８２９６萬人， 殘疾人占全國總人口的比例為６．３４％,肢體殘疾２４１２萬人，占２９．０ ７％，隨著現(xiàn)在社會的發(fā)展，這個數(shù)字在不斷上漲，其中下肢殘疾的人數(shù)上漲速 度比較快。由于各種原因造成的下肢殘疾的數(shù)量不斷增加，與之相對應的是，社 會上的康復設施資源比較少，有很多的患者難以獲得更加合適的治療方案。替代 人力的康復方法逐漸走進了我們的視線，所以康復機器人的設計尤為重要，目前 市場上的機器人主要是輔助訓練的機器人，讓患者能夠逐漸的恢復運動能力，缺 少治療性或者是缺少預防性機器人。對于那些下肢很難運動的人來說，輔助訓練 的機器人很難起到作用，所以本文設計的機器人適用于下肢很難運動的人和很難 起來運動的人，所以這個需求是比較大的。 2.1.2 康復機器人適用對象的調(diào)查 本文主要是針對下肢運動的虛擬樣機的設計，主要針對特定的人群，包括長期 臥床的病人，或者是腿部受到較嚴重的傷害很難進行普通的康復訓練。所以就需 要一個平臺將患者固定在上面，然后通過控制平臺的運動實現(xiàn)康復運動，其中康 復運動包括腿部的抬升運動，這個運動是不負壓力的運動，也就是說這個運動不 是簡單的康復訓練機器人，而是一個恢復肌肉功能的運動，主要是讓長期無法運 動的肌肉得到運動，避免肌肉的萎縮。同時，康復椅還帶動腰部的運動，活動長 期無法得到鍛煉的腰背部，這主要通過設計患者固定的椅面的運動，根據(jù)患者的 身體能力，和人體工學以及醫(yī)學的要求，合理設計運動，從而對肌肉的機能進行 恢復，防止器萎縮。還有附加的功能就是腳腕的運動，這部分配合腿部的運動， 可以適當調(diào)整，并設計了合理余量，調(diào)整腳踏板的運動幅度。 5 2.2 康復機器人的整體設計及其原理 圖 2- 1 康復機械椅的簡圖 多功能康復椅分為三個部分，第一部分是椅面，包括六自由度平臺，這是 康復椅的核心部分，也是設計仿真的主要部分。第二部分是前肢的腿部運動的部 分，這部分主要是電機帶動絲杠的運動，實現(xiàn)前肢的擺動輔助運動。第三部分是 腳腕部分的運動主要是電機帶動皮帶輪的運動，從而帶動腳踏板的運動。 這個平臺主要部分是控制方面，在 solidworks 中無法體現(xiàn)出，因此只能應用到 adams 進行仿真，對于液壓仿真方面，會在下文中進行詳細的介紹。 6 2.3 康復椅的六自由度平臺的設計 2.3.1 六自由度平臺的簡介 六自由度運動平臺是由六支作動筒，上、下各六只萬向鉸鏈和上、下兩個 平臺組成，下平臺固定在基礎上，借助六支作動筒的伸縮運動，完成上平臺在空 間六個自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的運動，從而可以模擬出各種空間運動 姿態(tài)?？蓮V泛應用到各種訓練模擬器以及動感電影、娛樂設備等領域，甚至可用 到空間宇宙飛船的對接，空中加油機的加油對接中。 在加工業(yè)可制成六軸聯(lián)動機床、靈巧機器人等。由于六自由度運動平臺的研 制，涉及機械、液壓、電氣、控制、計算機、傳感器，空間運動數(shù)學模型、實時 信號傳輸處理、圖形顯示、動態(tài)仿真等等一系列高科技領域，因而六自由度運動 平臺的研制變成了高等院校、研究院所在液壓和控制領域水平的標志性象征。六 自由度運動平臺是傳動及控制技術領域的皇冠級產(chǎn)品，掌握了它，在傳動和控制 領域基本上就沒有了難題。 2.3.2 液壓六自由度平臺的結構設計 液壓六自由度運動平臺本體結構包括上、下平臺, 變長桿系統(tǒng), 鏈接上、下 平臺和變長桿的鉸接元件, 力傳感元件, 位移傳感元件等。下平臺為固定的平 臺，上平臺是可動的平臺，采用六根變長機構驅(qū)動，驅(qū)動部分為液壓缸，通過液 壓控制系統(tǒng)，控制桿的收縮，從而控制平臺的運動。根據(jù)資料，位移檢測元件位 移傳感器選用直流差動變壓器式位移傳感器。它把振蕩器、相敏解調(diào)器與差動變 壓器封裝在一起，只需提供穩(wěn)定的直流電源，就能獲得與位移量成線性關系的直 流電壓輸出。 鉸接元件采用萬向節(jié)鉸接設計。這樣，在之路上，上、下各有轉(zhuǎn)動的自由度， 7 液壓缸伸縮有一個移動自由度，缺少的一個轉(zhuǎn)動自由度由液壓缸和液壓活塞桿的 相對轉(zhuǎn)動實現(xiàn)，上下鉸接元件分布的圓半徑為上下平臺的半徑r =300mm，液壓缸 a 的行程為 125mm，上下平臺的初始位置的高度為 h=600mm 圖 2- 2 液壓缸的簡易視圖 在 solidworks 中建模，其中液壓缸的采用連個軸心重合的連桿代替，鉸接出畫 出一個球鉸，以此來完成鉸 接 。 上 下 平 板 的 距 離 l=500mm，上下平板的半徑 為 300mm。球鉸均勻的分布 在平板上，上下板的球鉸錯 開放置。如下圖： 圖 2- 3 六自由度平臺的示意圖 8 2.4 前肢運動的設計 在 solidworks 中 建 模 設 計 前 肢 的 連 接 方 式 如 下 圖 所 示 ： 圖 2- 4 前肢驅(qū)動的設計圖 其中設計前肢的支架的擺角為α= 60 ，其中前肢支架中的球鉸到頂部的距離 ? 為 150mm。設置最初始的位置是支架垂直地面的時候，這個時候絲杠位于初始 的位置，當支架位于最大的擺角的位置時，絲杠螺母向前運動的距離為 s=150mm。 9 圖 2- 5 前肢運動的設計運動計算 其中絲杠通過聯(lián)軸器與電機直接相連，絲杠一段固定，另一端隨著前肢的運 動而擺動，可以通過調(diào)整連桿的位置調(diào)整最大的擺角，以及絲杠的導程來調(diào)整前 肢的擺動角度。 在這個設計的過程中使用滾珠絲杠，滾珠絲桿由螺桿、螺母和滾珠組成。它 的功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，滾珠絲杠的特點：第一是高精度的保證， 第二是微進給可能，滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動,所以啟動力矩極小,不會出 現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實現(xiàn)精確的微進給，第三是無側隙、剛性高， 滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達到負值,進而得到較高的剛性 (滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力,在實際用于機械裝置等時,由于滾珠的斥力可 使絲母部的剛性增強)。 電機的選擇：選擇伺服電機為輸入因為伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制， 并能快速反應，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線 性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角 速度輸出。 圖 2- 6 松下伺服電機的類型 根據(jù)需要的扭矩，選擇的電機為 MADHT1107NA1，其額定的功率為 100w。 通過以上的選擇可以使控制比較的精確，這樣前肢的運動的較為精確保證了患者 的安全性。 10 2.5 腳腕部分的設計 在 solidworks 中建模腳腕部分的設計即如下圖： 圖 2- 7 腳腕部分示意圖 腳腕部分主要是通過伺服電機帶動皮帶輪 1 轉(zhuǎn)動，通過皮帶帶動腳踏板的帶 輪 2 轉(zhuǎn)動，帶輪 2 與腳踏板的軸通過鍵連接，從而實現(xiàn)腳踏板的擺動。在設計過 程中，選擇皮帶輪的原因是允許打滑，在一定程度上起到保護的作用，在過載或 者其他原因造成腳踏板運動畸變時，可以保護患者的腳腕。 電機的選擇，由于這部分的扭矩比較小可以使用 50w 的電機，根據(jù)上圖的電 機類型，選擇松下伺服電機 MADHT1105NA1.其額定的功率為 50w。 2.6 本章小結 本章主要介紹了多功能康復椅的設計原則，其中包括結構采用的執(zhí)行元件， 以及部分零件的設計原則，這為以后的仿真奠定基礎。在以上的介紹中，可知其 中六自由度平臺的仿真時康復椅的重點，這包括了椅面的運動軌跡，以及各個液 壓缸的相對運動長度。還介紹了其他兩個部分的控制方式，前肢主要是通過滾珠 絲杠來實現(xiàn)，由旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動。腳腕主要是通過電機帶動帶輪，從而控 制其運動。 11 12 第三章 康復椅的主要控制機構的設計 3.1 康復椅中六自由度平臺的控制方案 3.1.1 液壓六自由度平臺的控制原理 六.自由度模擬.平臺能夠?qū)崿F(xiàn)空間 6 個自由度的.獨立及耦合運動.，主要由液 壓控制系統(tǒng) 1、控制及監(jiān)控系統(tǒng) 2、機.架 3 等主要幾個部分組成。液壓控制系統(tǒng) 包括模擬驅(qū)動系統(tǒng)和動力泵站系統(tǒng)，模擬驅(qū)動系統(tǒng)由六.套液壓作動筒驅(qū)動，具 有 6 個.獨立控制.通道既可聯(lián)動又可成對或單獨動作，以便使該平臺模擬缸體在 空間的運動狀態(tài); 控制及監(jiān)控系統(tǒng)主要功能是在子系統(tǒng)內(nèi)修正液壓作動筒活塞 行程與指.令的偏差，按給定.臺體質(zhì)心的空間姿態(tài)計算目標控制參量; 動力泵站 是整個系統(tǒng)的動力源，在控制及監(jiān)控系統(tǒng)的控制下為模擬驅(qū)動系統(tǒng)提供動力; 機 架主要用于試驗設備的安裝，它受 6 套液壓作動筒控制，在液壓作動筒的驅(qū)動 下實現(xiàn)六自由度運動。 13 圖 3- 1 系統(tǒng)組成結構 液壓伺服控制系統(tǒng)主要包含模擬驅(qū)動系統(tǒng)和泵站系統(tǒng)，液壓缸的位置指令和準 確動作均通過控制及監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)，采用系統(tǒng)集成技術將各種元件集中安裝在一 起，減少了空間，使其體積小、重量輕。其中，每個液壓缸的運動各由一電液伺 服閥控制。當 6 組缸各自取一定伸縮長度時，可唯一確定運動平臺的位置姿態(tài)。 通過 6 個液壓缸的協(xié)調(diào)運動來實現(xiàn)平臺沿 x、y、z 向的平移或繞 x、y、z 軸的 旋轉(zhuǎn)運動以及這 6 個自由度的復合運動，其靈活性相當大。與常見的串聯(lián)運動 機構不同，由于該種結構的平臺機構有六個自由度，其 6 個液壓缸的協(xié)調(diào)動作 顯得尤其重要。因為這里每個液壓缸也能單獨由伸縮，但這些伸縮給平臺造成的 是復雜的運動，不能得到純單方向的運動。 動力系統(tǒng)為模擬平臺的運動提供能源，由于液壓伺服系統(tǒng)具有結構簡潔、空 間占用面積小、驅(qū)動力大、控制精度高、反應速度快等優(yōu)點，因此平臺的運動通 過液壓控制來實現(xiàn)。液壓泵站是動力系統(tǒng)的主要部件，主要作用是給系統(tǒng)提供壓 力油，是整個系統(tǒng)的主要動力源，同時兼具控制調(diào)解功能，它主要由各種控制閥、 恒壓變量泵、電機、蓄能器、冷卻裝置和油箱等組成，結構方面采用塊式集成布 置方式，將油路直接做在輔助連接件上或液壓閥的閥體上，借助連接件及其油路 孔道實現(xiàn)液壓控制閥及其它元件和管路的集成連接和油路連接，具有管件少、結 構緊湊、組裝方便、外觀整齊美觀、油路通路短，不易泄漏、維修方便等優(yōu)點。 14 圖 3- 2 液壓系統(tǒng)原理圖 液壓系統(tǒng)的工作原理是：控制及監(jiān)控系統(tǒng)分別向六組模擬驅(qū)動系統(tǒng)的伺服閥 對應的發(fā)出橫搖、縱搖和縱蕩等六組信號，與各自的傳感器反饋回來的信號比較 后，其差值經(jīng)伺服放大器放大，驅(qū)動相應的伺服閥產(chǎn)生與之對應的壓力流量( 液 壓放大) ，使伺服缸的輸出與輸入信號成比例; 同時伺服缸的傳感器將輸出反饋 到輸入端，構成閉環(huán)控制，6 組液壓伺服系統(tǒng)同時推動模擬平臺做各種搖擺，模 擬實際環(huán)境。該系統(tǒng)采用分布式計算機控制，用單出桿的電液伺服閥控缸作為動 力機構，通過計算機由軟件進行解耦運算，實現(xiàn)臺體 6 個自由度的獨立和聯(lián)合 運動。 3- 4 六自由度平臺的控制電氣-液壓框圖 3.1.2 主要參數(shù)元件的設計及選擇 1）液壓缸的選擇： π 液壓缸輸出力 F= ? D2 ? P 4 15 則:D= 4*F π ? P = 4*300 π ?200 =30cm 考慮到經(jīng)濟及維護保養(yǎng)型，選用標準系列的 液壓缸活塞缸，活塞桿的直徑為 40mm，可滿足性能要求。 π 最大的推力：F= ×3.22 ×200 =15kN 最大拉力為：8.5kN 4 3- 4 液壓缸的二維示意圖 液壓油缸的選擇方法： a、確定系統(tǒng)參數(shù)：①需要移動的重量和所需要的力；②公稱工作壓力和范圍； ③需要行進此距離的時間；④油液介質(zhì) b、安裝方式：為具體的應用場合選擇適當?shù)姆绞? c、缸內(nèi)徑和工作壓力：確定缸內(nèi)徑和提供必要的力所需要的系統(tǒng)壓力 d、活塞桿：確定承受縱彎力所需要的最小活塞桿直徑，選擇適當?shù)幕钊麠U端和 活塞桿端螺紋 e、活塞：密封件類型是否適應應用場合 f、緩沖：酌情選擇緩沖要求 16 2) 液壓泵的流量計算及液壓泵的選型: 設計條件: 按系統(tǒng)六缸同時動作時,其平均速度 vp,按 20mm/s 進行計算，故所需 泵的流量為: qΣ = 6A*Vpj = 6 × π/4× 64 × 0.2 × 60 = 36 L /min 液壓泵的選擇原則：選擇液壓泵的主要原則是滿足系統(tǒng)的工況要求,并以此為根 據(jù),確定泵的輸出量、工作壓力和結構型式。 a、確定泵的額定流量泵的流量應滿足執(zhí)行元件最高速度要求,所以泵的輸出流 量 qp 應根據(jù)系統(tǒng)所需的最大流量和泄漏量來確定 b、確定泵的額定壓力泵的工作壓力應根據(jù)液壓缸的最高工作壓力來確定 c、選擇液壓泵的具體結構型式當液壓泵的輸出流量和工作壓力確定后,就可以 選擇泵的具體結構型式了 d、確定液壓泵的轉(zhuǎn)速當液壓泵的類型和規(guī)格確定后,液壓泵的轉(zhuǎn)速應按產(chǎn)品樣 本中所規(guī)定的轉(zhuǎn)速選用。 3) 壓力控制閥的選型： 根據(jù)變量泵的流量，系統(tǒng)的工作壓力按 p 為 21 MPa，調(diào)節(jié)壓力 21 MPa，最高壓 力 32 MPa 能滿足使用要求。 4) 伺服閥流量確定： 17 如果設定每個缸的最大速度為 0． 3 m/s 則通過閥的流量為 q = 32 × 30 × 60 = 54 L /min 3.1.3 六自由度液壓油箱的設計及其計算 3- 5 液壓油箱的示意圖 18 1，設計油箱的注意事項 在設計油箱時，油箱必須有足夠大的容量，以保證系統(tǒng)工作時能夠保持一定 的液位高度；為滿足散熱要求，對于管路比較長的系統(tǒng)，還應考慮停車維修時能 容納油液自由流回油箱時的容量；在油箱容積不能增大而又不能滿足散熱要求 時，需要設冷卻裝置。 A、設置過濾器。油箱的回油口一般都設置系統(tǒng)所要求的過濾精度的回油過 濾器，以保持返回油箱的油液具有允許的污染等級，油箱的排油口（即泵的吸油 口）為了防止意外落入油箱中的污染物，有時也裝設吸油網(wǎng)式過濾器。猶豫這中 過濾器侵入油箱的深處，不好清理，因此，即使設置過濾網(wǎng)目也是很低的，一般 為 60 目一下。 B、設置油箱主要有口。油箱的排油口與回油口之間的距離應盡可能遠些， 管口都應插入最低油面之下，以免發(fā)生吸空和回油沖濺產(chǎn)生氣泡。管口制成的斜 角，以增大吸油及出油的截面，使油液流動時速變化不致過大。管口應面向箱壁。 吸油管離箱底距離（D 為管徑），距箱邊不小于 3D?；赜凸芫嘞涞拙嚯x 。 C、設置隔板將吸、回油管隔開，使液流循環(huán)，油流中的氣泡與雜質(zhì)分離和 19 沉淀。隔板結構有溢流式標準型、回油式及溢流式等幾種。另外還可根據(jù)需要在 隔板上安置濾網(wǎng)。 D、在開式油箱上部的通氣孔上必須配置空氣濾清器。兼作注油口用。油箱 的注油口一般不從油桶中將油液直接注入油箱，而是經(jīng)過濾車從注油口注入，這 樣可以保證注入油箱中的油液具有一定的污染等級。 E、放油孔要設置在油箱底部最低位置，使換油時油液和污物能順利地從放 油孔流出。在設計油箱時，從結構上應考慮清洗換油方便，設置清洗孔，以便于 油箱內(nèi)沉淀物的定期清理。 F、當液壓泵和電動機安裝在油箱蓋板上時，必須設置安裝板。安裝板在油 箱蓋板上通過螺栓加以固定。 G、為了能夠觀察向油箱注入的油液上升情況和在系統(tǒng)工作過程中看見液位 高度，必須設置液位計。按 GB/T 3766-1983 中 5、2、3a 規(guī)定：油箱的底部應離 地面 150mm 以上，以便于搬移、放油和散熱。為了防止油液可能落在地面上， 可在油箱下部或上蓋附近四周設置油盤。油盤必須有排油口，以便于油盤的清潔。 ２、油箱的結構設計 壓油箱的結構型式，基本上是由矩形板折邊壓形成四棱柱，再用封板堵住 兩側而構成。端部封板及中間隔板由沖壓成形，箱體是經(jīng)四次壓圓角，接頭外焊 接而成的。這種結構的液壓油箱制造工藝較差，主要表現(xiàn)在箱體鋼板下料時要求 的精度較高；壓形的反彈量因每次供貨鋼板的機械性能不同有所不同，導致箱體 的圓角與襯板的半徑吻合不良；不同機型上的液壓油箱必須使用自己專用的一套 壓型模具。每套模具的體積大、造價高、利用率低。所示的液壓油箱完全不用壓 形模，而是利用折邊機折邊成形。箱底面及端部，以及箱底面和側面分別折成Ｕ 形斷面；再焊好加油口和中間隔板等附件后，扣合拼焊而成。這種結構的液壓油 箱具有以下優(yōu)點：下料精度要求不高；對原材料機械性能適應力強；折邊部位可 隨意調(diào)整，適合多品種小批量生產(chǎn)；不用模具，大大節(jié)省了費用，縮短了生產(chǎn)周 20 期等等。這種結構的液壓油箱，近年來被我們廣泛應用在工程機械、建筑機械等 行走機械上。 3、油箱的容量設計 油箱容量包括油液容量和空氣容量。油液容量是指油箱中的油液最多時，即 液面在液位計的上刻度線時的油液體積。在最高液面以上要留出等于油液容量１ ０％～１５％的空氣容量。 １）根據(jù)經(jīng)驗初步確定 按經(jīng)驗，固定設備用油箱的油液容量應是系統(tǒng)液壓泵流量的３～５倍，行走 設備為 ０．５～１．５倍的泵流量。據(jù)有些國外資料介紹，油箱容量也可以用 公式估算： Ｖ＝１．２～１．２５（０．２～０．３３×Ｑ＋ＥＺ） 式中：Ｖ——油箱總容量（Ｌ）（包括１０％～１５％的空氣容量） Ｑ——開式回路部分液壓泵流量的總和（L / min） ＥＺ——單作用液壓缸的總容積（Ｌ） 如果系統(tǒng)中采用了冷卻器，則油箱容量可以減小。 ２） 根據(jù)熱平衡條件驗算 （１）已知單位時間內(nèi)系統(tǒng)的總發(fā)熱量Ｈ1（J / h）; （２）單位時間內(nèi)冷卻器的散熱量（如果有的話）Ｈ２＝Ｑａ·ρｋ·Ｃｐ·Δ ｔ（J / h）； 式中：Ｑａ——風扇風量（m3 / h） ρｋ——空氣密度（取ρｋ＝1.29kg/m3） Ｃｐ——空氣比熱容（?。茫穑?008J/kg·K） Δｔ——散熱溫差（取Δｔ＝１０Ｋ） （３）單位時間內(nèi)液壓系統(tǒng)本身由于溫升所吸收的熱量 Ｈ３＝（ｃ１ｍ１＋ｃ２ｍ２）ΔＴ （J / h） 式中：ｃ１——油箱材料的比熱容 （?。悖保?02J/kg·K） ｃ２——油液的比熱容 21 （?。悖玻剑保叮罚础保福福矹/kg·K） ｍ１，ｍ２——油箱和油的質(zhì)量（ｋｇ） ΔＴ ——每小時系統(tǒng)溫度與環(huán)境溫度之差 （４）單位時間內(nèi)油箱的散熱量 Ｈ４＝ＫＡΔＴ （Ｊ/ｈ） 式中： Ｋ——油箱散熱系數(shù)（Ｊ/ｍ２·ｈ·Ｋ），其大小與環(huán)境有關（參見有 關設計手冊） Ａ——油箱散熱面積（ｍ２） ΔＴ——系統(tǒng)溫度與環(huán)境溫度之差（一般取≤８０℃） （５）驗算Ｈ４是否稍大于Ｈ１－Ｈ２－Ｈ３，如果相差甚遠，一方面可重新確 定油箱容量，另一方面，可考慮增大或減小冷卻器，直到合適為止。（為簡單起 見未計管路及元件表面的散熱。） 此外，還要驗算機器上所有液壓缸全伸狀態(tài)下，油箱的油位不低于最低允許 油位；所有液壓缸全縮時，油箱的油位不高于最高油位。 3.2 驅(qū)動前肢的絲杠部分的控制方案 3- 6 滾珠絲杠的裝配圖 這部分的控制主要是控制伺服電機的運轉(zhuǎn)，從而使絲杠的運動，推動連桿的運 22 動。伺服電機的控制方式有三種控制方式：速度控制方式，轉(zhuǎn)矩控制方式，位置 控制方式 ?？梢愿鶕?jù)要求選擇合理的控制方式。 滾珠絲杠的導程設計原則為： V L ≥ max ，根據(jù) Adams 的仿真結論設計滾珠絲 N max 杠的導程為 5mm。滾珠絲杠的參數(shù)如下所示： 3- 7 滾珠絲杠的參數(shù) 聯(lián)軸器選用彈性套柱銷聯(lián)軸器LT-Y-14，其利用一端套有彈性套（橡膠材料） 的柱銷，裝在兩半聯(lián)軸器凸緣緣孔以實現(xiàn)兩半聯(lián)軸器的聯(lián)接。具有良好的補償軸 向，徑向和角向軸線偏移性能，減振性能好，結構簡單，工作平穩(wěn)可靠，無噪音， 不用潤滑，維護方便，裝拆簡單，工藝性好，成本低，通用性好。 3.3 本章小結 本章主要講述了六自由度平臺的控制方式，這為下一部分的仿真做了準備， 對于六自由度平臺有了更深的了解，六自由度平臺可以根據(jù)需要設計成各種需要 的運動形式，可以給定各種運動，從而為后來的康復訓練奠定基礎。六自由度平 臺主要是采用液壓控制，因為液壓控制更加精確，沒有噪音，精度更高，更加節(jié) 省能量。在對前肢部分的控制方面，主要是應用伺服控制系統(tǒng)，伺服控制系統(tǒng)的 好處是給定電壓脈沖信號，控制電機轉(zhuǎn)動，可以實現(xiàn)隨意的控制。 23 24 第四章 多功能康復椅的 Adams 仿真分析 4- 1 adams 仿真軟件 4.1 虛擬樣機與 Adams 仿真分析簡介 機械系統(tǒng)的虛擬樣機技術(Virtual Prototyping)即機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術, 是一項伴隨計算機技術發(fā)展起來的新技術。借助于這項技術, 可以在計算機上建 機械系統(tǒng)的模型, 伴之以三維可視化處理, 模擬在現(xiàn)實環(huán)境下系統(tǒng)的運動學和 動力學特性, 并根據(jù)仿真結果精化和優(yōu)化系統(tǒng)的設計。這樣可以提前預測產(chǎn)品的 性能, 大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)時間, 節(jié)省開發(fā)費用。 虛擬樣機技術在發(fā)達國家, 如美國、德國、日本等都已得到廣泛的應用, 其 應用領域從汽車制造業(yè)、工程機械、航空航天業(yè)、造船業(yè)、機械電子工業(yè)、國防 工業(yè)、通用機械到人機工程學、生物力學、醫(yī)學以及工程咨詢等諸多方面。 ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) 最初由美國 25 MDI 公司(Mechanical DynamicsInc.) 開發(fā), 目前已被美國 MSC 公司收購成為 MSC/ADAMS,是最著名的虛擬樣機分析軟件。和其它 CAD 、CAE 軟件比,ADAMS 具 有十分強大的運動學和力學分析功能。而噴涂機器人工作裝置運動正可以利用 ADAMS 提供的這些功能進行分析, 并可以方便、快捷地得到可視化結果。 4.2 康復椅中六自由度平臺 Adams 中建模的過程 4.2.1 adams 建模 ADAMS 作為強大的動力學分析軟件其造型功能與專業(yè)的 CAD 軟件相比要 弱些。Solidworks 功能強大，并且支持 Iges、Parasolid、Step、Dxf、Dwf 等 數(shù)據(jù)傳輸標準, 鑒于客觀條件 solidWorks 的諸多優(yōu)點，此次畢業(yè)計采用了 SolidWorks 來進行噴涂機器人工作裝置的實體建模。先在 soldworks 中建立六 自由度平臺的模型，然后再將模型保存為“x_t”的格式，以便于 adams 的打開。 則打開圖如下圖所示： 4- 2 六自由度平臺的示意圖 26 4.2.2 模型約束和驅(qū)動的添加 圖 4- 3 約束添加完成圖 Joint：Fixed 固接符號： 在導入模型之后我們首先用一個 Joint：Fixed 將下板固接至 Ground 上面， 作 為 整 個 機 構 的 機 架 功 能 使 用 。 圖 4- 4 固定副示意圖 27 移動副限制空間5 個自由度，只保留1 個直線的自由度。六自由度平 臺的液壓缸和活塞之間需要相對的滑動，因此需要移動副作為約束方式，從而保 證兩者相互滑動。 圖4-5 移動副的添加完成示意圖 Spherical Joint：球鉸 在下板與液壓桿的連接中，由于液壓缸需要自由的擺動，所以需要球鉸作為連 接，同理上板與活塞桿的連接需要球鉸連接。 圖 4- 6 球鉸示意圖 28 為機構添加完所有約束之后，我們利用 Adams/View 的檢測功能對整個 機構進行分析，得出結論：六自由度平臺機構只剩下6 個自由度，結論正確。機 構實現(xiàn)確定運動的條件是其自由度數(shù)目與原動件數(shù)目相等。根據(jù)前面的計算，我 們對其添加驅(qū)動。 圖4- 7 校驗示意圖 4.3 六自由度平臺空間位置的計算 六自由度控制的空間位置和姿態(tài)有 2 種解析方法。 1)反解．即知道平臺的空問位置和姿態(tài)，求解 6 只液壓缸的長度?？刹捎每? 間坐標變換的方法，代人 6 個未知數(shù)，分別求解出 6 只液壓缸的長度，進而計算 速度以及加速度。 2)正解。即知道 6 只液壓缸的位移,求解平臺姿態(tài)。目前還沒有正解問題的解 析解，但可以