下肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)

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1、開封大學(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

2、人體，與人在同一個(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)。 康復(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

3、現(xiàn)狀 1.2.1　康復(fù)機(jī)器人的生產(chǎn)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?？祻?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，康復(fù)機(jī)器人進(jìn)人市場(chǎng)的過程卻非常緩慢，許

4、多人仍然把它看作是一項(xiàng)未來的技術(shù) 顯然，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

5、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。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)器人的工作過程中，主要是通過機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)來帶動(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。已有研究表明，兒童能通過操作電動(dòng)輪椅適當(dāng)提高視覺、空間的技能和運(yùn)動(dòng)能力，同樣可以用類似的器械來提高老年人甚至成年

6、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，它可以在操作過程中為護(hù)理人員

7、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示，可以用任何一種歐洲語言表達(dá)出來。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

8、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LOKOMA ETH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)練的人來說，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

9、、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，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

10、個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)。站在醫(yī)院的角度來看，康復(fù)機(jī)人的研究給他帶來了實(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

11、纜長(zhǎng)調(diào)整機(jī)構(gòu)和纜繩來調(diào)整。當(dāng)機(jī)器人開始工作后，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)算重心的高低變化，通過吊纜實(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

12、度通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)整，步幅則通過改變主動(dòng)曲柄的工作半徑來調(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，通過控制腳踏板繞踏板軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角度，來模擬正常人走路時(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，

13、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I／O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，通過動(dòng)態(tài)模擬以檢驗(yàn)?zāi)芊駥?shí)現(xiàn)預(yù)定功能。通過整體的結(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

14、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

15、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

16、：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。 控制部分主要由單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。該裝置采用單片機(jī)控制，通過行程指令、速度指令和力矩指令給定控制信號(hào)，經(jīng)過PWM放大器進(jìn)行放大后，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過傳感器及電流傳感器對(duì)電機(jī)輸出軸的位置、速度及力

17、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： 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

18、求：所設(shè)計(jì)的機(jī)械無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)，制造及使用的過程中，因此，設(shè)計(jì)機(jī)械時(shí)應(yīng)全面綜合地考慮。 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

19、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，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

20、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性太好而不能往復(fù)控制，無法實(shí)現(xiàn)。而且踏板下面沒有放置蝸輪的空間（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

21、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，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)

22、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)輪廓來保證踏板的俯

23、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)來實(shí)現(xiàn)踏板的擺動(dòng)，用電機(jī)來驅(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)過減速之后（減速器需與驅(qū)動(dòng)電機(jī)配套）通過聯(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

24、 7—凸輪軸 8—軸承座 9—輪子 圖2.1 機(jī)構(gòu)示意圖 通過電機(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

25、設(shè)計(jì)之初想過幾種驅(qū)動(dòng)方式，作過一翻比較。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，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-

26、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)無級(jí)調(diào)速。用電液伺服控制液體流量和運(yùn)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

27、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，通過比較得出電氣驅(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)

28、，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)期以來交流電機(jī)的調(diào)速問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)由于體積比較小（放

29、在腳底下），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，ω=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ω=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)

30、的距離為0.1m，垂直于凸輪時(shí)轉(zhuǎn)矩最大，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RE4

31、0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) 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) 150 200 2890 1000 3.33 1.16 48

32、 33 0.134´104 maxon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)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)說明，并對(duì)其一些零件進(jìn)行強(qiáng)度校核。 3.1　機(jī)械零

33、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；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

34、產(chǎn)生的彈性變形不超過允許的限度，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，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

35、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，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

36、坯制造、機(jī)械加工過程及裝配等幾個(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。

37、 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)過程如下，根據(jù)具體尺寸設(shè)計(jì)行程B0B4為62mm，輪軸直徑60mm。

38、 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，其展開輪廓曲線可近似繪制如下： 圖 3.1 圓柱凸輪輪廓展開圖 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、…，過這些點(diǎn)畫一系列中心在OA線上、半徑等于AB0的圓弧。 3. 自B

39、1作平行OA直線交過C1的圓弧于點(diǎn)D1，自B2作平行OA直線交過C2的圓弧于點(diǎn)D2，……。將B0、D1、D2、…連成光滑曲線，便得到展開圖的理論輪廓曲線。 4. 以理論輪廓曲線上諸點(diǎn)為圓心畫一系列滾子，而后作兩條包絡(luò)線，即可得凸輪展開圖的實(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

40、輪間的相對(duì)空間運(yùn)動(dòng)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

41、、20 Q275、35 （1Cr18Ni9Ti） 45 40Cr、35SiMn 38SiMnMo [τ]/MPa 15~25 20~35 25~45 35~55 A0 149~126 135~112 126~103 112~97 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)說明各尺寸的確定過程。 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)軸器通過平鍵連接，取FG=45mm。 （2）初步選擇滾動(dòng)軸承

42、。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×62mm×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l~2mm的退刀槽。 （5）根據(jù)軸承

43、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段是軸的過渡段，取長(zhǎng)lBC=10mm，lDE=10mm。 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GB/T 1096-1979）；同時(shí)為了保證套筒聯(lián)軸器與

44、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渡配合來保證的，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2×45°，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 >6~10 >10~18 >18~30 >30~50 >50~80 >80~120 >120~180 C或R 0.5 0.6 0

45、.8 1.0 1.2 1.6 2.0 2.5 3.0 7．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

46、彎矩和扭矩圖中可以看出截面B是軸的危險(xiǎn)截面?，F(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T 8. 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。

47、 圖3.4 中心軸示意圖 圖 3.4 中心軸示意圖 中心軸穿過軸承擋環(huán)，軸承，連桿套，框架。一端由六角型凹槽周向固定，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：

48、 （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，無論是剪切還是擠壓，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。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

49、.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

50、上開有四個(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)就校核過了，本節(jié)只是對(duì)其它沒有校核的零件進(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

51、 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)

52、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 無沖擊或輕微沖擊 1.0~1.2 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 1.2~1.8 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 1.8~3.0 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

53、：——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) 125 150 175 200 225 250 300 350 溫度系數(shù) 1.00 0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 0.70 0.6 0.5 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

54、，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

55、 ——鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(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

56、單個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)，可能有多種控制方案來實(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

57、案可以用來實(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)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)

58、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，在開始階段應(yīng)該盡量選擇通用計(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)品開發(fā)還是科研樣機(jī)：對(duì)于產(chǎn)品開發(fā)要考慮將來的生產(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)

59、，這時(shí)應(yīng)該選擇硬件借口、、接口資源比較豐富，軟件開發(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

60、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PI

61、D運(yùn)算，發(fā)出PWM信號(hào)，經(jīng)過濾波電路的D/A轉(zhuǎn)換后成為0～5V的電壓信號(hào)，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換之后變成－10～10V ，作為給直流伺服電機(jī)控制器的速度指令。直流伺服電機(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)過濾波去噪聲后反饋給單片機(jī)，單片機(jī)通過計(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 行程開關(guān) 濾波電路 電平轉(zhuǎn)換 控制器 電機(jī) 編碼器 行程開關(guān) PWM1

62、 AT90S8535 PWM2 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)開發(fā)過程，縮短其開發(fā)周期，減少開發(fā)費(fèi)用，同時(shí)提高產(chǎn)品質(zhì)量?？梢酝ㄟ^添加運(yùn)動(dòng)副，驅(qū)動(dòng)器使其運(yùn)動(dòng)起來，以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真。此外完成機(jī)構(gòu)

63、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)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)的過程與零件的裝配過程極為相似。 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

64、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

65、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。這一階段就是開題準(zhǔn)備階段，為以后的設(shè)計(jì)開闊了視野，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

66、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)。 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Pro/E軟件對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)畫仿真和圖形仿真。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.5：31-35． [2] 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.2：33-36． [3] 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.2：12-14． [4] 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