下肢康復機器人設計

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1、開封大學畢業(yè)論文 第1章　緒論 1.1　概述 康復機器人是近年出現(xiàn)的一種新型機器人，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動障礙的人恢復提高運動能力，稱為康復訓練機器人是作為一種輔助裝置代替失去運動能力的肢體完成一部分動作，稱為機器人假肢。康復機器人作一種自動化設備，可以幫助患者進行科學而又有效的康復訓練，使患者的運動機能得到更好的恢復?？祻蜋C器人由計算機控制，并配有相應的傳感器和安全系統(tǒng)，可以自動廉價康復訓練效果，根據(jù)病人的實際情況自動調(diào)節(jié)運動參數(shù)，實現(xiàn)最佳訓練?？祻蜋C器人在原理上和工業(yè)機器有很大的區(qū)別，它也不限于一般的體育運動訓練器材。它直接作用于

2、人體，與人在同一個作業(yè)空間工作，人與機器人作為一個整體而協(xié)調(diào)運動。 康復機器人成果包括以下三方面技術(shù)：手部康復訓練機器人：手及腕部康復訓練。手臂康復訓練機器人：手臂康復訓練。下肢康復訓練機器人：行走功康復訓練。 康復機器人技術(shù)得以傳化為產(chǎn)品對于提高患者康復質(zhì)量，減少患者的病痛，減輕社會負擔具有重要的實際意義。由于各種原因而患有一側(cè)肢體運動障礙的患者人數(shù)很多，隨著生活水平的提高對康復治療的需求也會越來很大，康復機器人將有很好的市場前景。這項技術(shù)在歐美等國家自得到普遍重視，康復機器人成果的轉(zhuǎn)化可能會帶動一個新興的機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這將對國民經(jīng)濟的發(fā)展發(fā)揮重要作用。 1.2　下肢康復機器人研究

3、現(xiàn)狀 1.2.1　康復機器人的生產(chǎn)發(fā)展 康復機器人是幫助殘疾人解決生活中活動困難的一種工具，它可以在家里或在工作場所使用，使殘疾人獲得更強的生活能力，并相當大地提高他們的生活質(zhì)量。康復機器人現(xiàn)在已經(jīng)由科學幻想走進了現(xiàn)實生活之中過去幾年，康復機器人在歐洲已經(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機器人打人了市場，即Hmdv l及MANus，它們都是歐洲生產(chǎn)的Handy 1有5個自由度，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)個自由度，其工作范圍可由地面到人站立時達到的地方，不過，康復機器人進人市場的過程卻非常緩慢，許

4、多人仍然把它看作是一項未來的技術(shù) 顯然，要想在實際生活中很好地利用康復機器人。除了技術(shù)因素之外，還受到一些其他因素的影響。 下肢康復訓練機器人是根據(jù)康復醫(yī)學理論和人機合作機器人原理，通過一套計算機控制下的走步狀態(tài)控制系統(tǒng)，使患者模擬正常人的步伐規(guī)律作康復訓練運動，鍛煉下肢的肌肉，恢復神經(jīng)系統(tǒng)對行走功能的控制能力，達到恢復走路機能的目的。 根據(jù)機器人技術(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，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(jié)構(gòu)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

5、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(gòu)是將機械手安裝在自主或半自主車輛上。 下肢康復機器人屬于運動訓練機器人，下肢康復訓練機器人的主要工作任務就是能夠模擬真人的步態(tài)姿態(tài)，來實現(xiàn)對病人下肢的康復訓練。在整個機器人的工作過程中，主要是通過機器人的運動來帶動病人癱瘓的下肢，使其在牽引力的作用下能夠完成對正常人的步態(tài)的模擬，從而達到對下肢的肌肉鍛煉目的，進而達到能夠恢復神經(jīng)系統(tǒng)對行走功能的控制能力，進一步的達到恢復整個行走機能，最終能夠是病人進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輪椅適當提高視覺、空間的技能和運動能力，同樣可以用類似的器械來提高老年人甚至成年

6、人的運動能力。如對運動員運動損傷的康復治療、針對性輔助訓練，以及像宇航員這種特殊職業(yè)的模擬訓練等。國外在這一領域已經(jīng)有了較廣泛的研究與應用，國內(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，機器人在這一領域的應用前景將十分廣闊。 1.2.2　國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1987年，英國Mike Topping公司研制成功了Handy1康復機器人樣機，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，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

7、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是另外一種進人市場的康復機器人，由荷蘭Exact Dynamics公司開發(fā)，該手臂具有7個自由度，包括6個旋轉(zhuǎn)自由度和1個機械手。圖1.1所示是瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學（ETH）的名為LOKOMAT的康復機器人。圖1.2是美國Rutgers大學踝關節(jié)康復訓練機器人[3]。 圖1.2 美國Rutgers踝關節(jié)康復訓練機器人 國外關于醫(yī)學機器人的研究雖然已取得了不少成就，但離生物機器人還有相當?shù)木嚯x，因此還有

8、很多工作要做。國內(nèi)關于這方面的研究較少，主要是集中在假肢領域。國內(nèi)只有哈爾濱工程大學機點一體化研究所在這領域取得了一定的成果。成功研制出了多功能手臂康復訓練機器人，下肢康復訓練機器人 圖1.1 ETH的LOKOMA ETH的LOKOMAT 復訓練機器人，下肢康復訓練機器人， 臥式下肢康復訓練器等，并獲得了專利。 1.3　下肢康復機器人的主要目的及現(xiàn)實意義 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，下肢康復訓練機器人可以控制使其模擬正常人的行走姿態(tài)、膝關節(jié)和踝關節(jié)的協(xié)調(diào)運動，實現(xiàn)對下肢的康復訓練，下肢康復訓練機器人可以模擬正常人的步伐規(guī)律

9、、鍛煉下肢的肌肉，恢復神經(jīng)系統(tǒng)對行走能力的控制，達到恢復走路機能的目的。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。 從總體上來看，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

10、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　關于下肢康復訓練機器人踝關節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)設計的分析 1.4.1　下肢康復訓練機器人基本結(jié)構(gòu) 圖1.3 下肢康復訓練機器人外觀結(jié)構(gòu)圖 下肢康復訓練機器人外觀結(jié)構(gòu)如圖1.3，它由機座、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、導軌、重心平衡系統(tǒng)、活動扶手等組成。受訓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，背心通過吊纜和機座內(nèi)的重力平衡機構(gòu)相連，以平衡受訓練者的部分體重，吊纜的長度通過

11、纜長調(diào)整機構(gòu)和纜繩來調(diào)整。當機器人開始工作后，走步狀態(tài)控制系統(tǒng)在計算機的控制下帶動受訓練者的雙腿做走步運動，重心控制系統(tǒng)根據(jù)受訓者的走步狀態(tài)，自動計算重心的高低變化，通過吊纜實時調(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，與重心平衡機構(gòu)協(xié)調(diào)工作幫助患者進行走步運動練。步態(tài)控制裝置主要由主動曲柄、腳踏板(連桿)和滑輪組成。主動曲柄由直流伺服電機控制，腳跟隨踏板一起被動運動，形成一個橢圓軌跡，產(chǎn)生與正常人行走軌跡相近的運動軌跡，同時由于腳跟隨踏板運動，患者的小腿和大腿處于相應的運動狀態(tài)。由兩套步態(tài)裝置分別控制兩條腿的走步狀態(tài)，兩者之間成相位關系，走步的速

12、度通過控制電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)整，步幅則通過改變主動曲柄的工作半徑來調(diào)節(jié)。腳的姿態(tài)控制系統(tǒng)是由直線伺服機構(gòu)實現(xiàn)的，通過控制腳踏板繞踏板軸回轉(zhuǎn)運動的角度，來模擬正常人走路時踝關節(jié)的姿態(tài)變化[4]。 1.4.2　踝關節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)設計的整體思路 踝關節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案是由圓柱凸輪加一從動桿組成的機構(gòu)來實現(xiàn)的，這個機構(gòu)可以把直流伺服電動機的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為踝關節(jié)的往復傾斜運動，并能夠保證驅(qū)動的腳踏板俯仰角度與踝關節(jié)俯仰的角度互相一致，在～之間。通過圓柱凸輪的轉(zhuǎn)動就可以帶動腳踏板的運動，從而迫使踝關節(jié)運動，實現(xiàn)驅(qū)動。凸輪的運轉(zhuǎn)則與直流伺服電機相連。直流伺服電機在單片機的控制下進行速度、位置和角度的協(xié)調(diào)控制，

13、以適應不同狀態(tài)的康復訓練．控制單片機與執(zhí)行機構(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，并設計專門的I／O接口電路板對信號進行放大整形等處理。 1.4.3　本設計的主要任務和要求 本課題的任務就是設計下肢康復訓練機器人踝關節(jié)的驅(qū)動系統(tǒng)。包括完成整體機械部分的機構(gòu)設計和完成整個設計的三維實體仿真。用Pro/E軟件繪制三維造型，通過動態(tài)模擬以檢驗能否實現(xiàn)預定功能。通過整體的結(jié)構(gòu)設計，掌握下肢康復訓練機器人的研究的基本方法。 第2章　機構(gòu)總體設計 2.1　引言 下肢康復機器人踝關節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)，是對下肢具有運動障礙的患者進行主動康復訓練的自動化機械裝置，此時患者是被動運動，它可

14、以幫助腿部運動有障礙的患者進行運動機能恢復性訓練。通過計算機自動控制患者的重心和走步狀態(tài)，模擬正常人的走路狀態(tài)，使病腿的運動功能得到訓練。本課題研究的主要任務是完成下肢康復機器人的腳踝的機械本體設計，它是整個下肢康復訓練機器人的一部分，安裝在下肢康復訓練機器人的連桿上，以便協(xié)調(diào)地訓練整個下肢來達到康復訓練的目的。作為幫助有下肢運動障礙的病人進行康復訓練的機器人，首先，應該具有合理的結(jié)構(gòu)，能夠模擬正常人的行走運動，盡量仿真人體的運動規(guī)律，盡量與人體各個關節(jié)的速度變化曲線相吻合，為病人進行下肢機能恢復訓練提供幫助，使病人在康復訓練過程中感到舒適。其次，考慮到機器人的工作對象是行動不便的病人，需要提

15、高機器人的可靠性和安全性，盡可能地保證患者的安全。最后，該機器人屬于康復機器人，應該保證無污染和清潔，以利于病人的康復。 2.2　機構(gòu)的性能指標和總體方案 2.2.1　機構(gòu)的性能指標 下肢康復機器人是對下肢具有運動障礙的患者進行主動康復訓練的自動化機械裝置，它可以幫助因中風等疾病或因外傷引起的腿部運動障礙進行運動機能恢復性訓練。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)周期來設計腳踏板的俯仰角度，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計機構(gòu)。下肢康復機器人姿態(tài)機構(gòu)的性能應達到如下主要技術(shù)指標： 1．自由度

16、：繞踏板轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動，整個機構(gòu)往復運動； 2．承載能力：加上設備80kg左右，應不低于此數(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)自動控制。 2.2.2　機構(gòu)總體方案 下肢康復機器人機構(gòu)由很多不同功能的部分構(gòu)成，本文僅對踝關節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行討論：機器人本體：腳踝驅(qū)動機構(gòu)；控制器：本設計控制部分的設計目的是控制機構(gòu)實現(xiàn)踝關節(jié)的運動規(guī)律。 控制部分主要由單片機來實現(xiàn)的。該裝置采用單片機控制，通過行程指令、速度指令和力矩指令給定控制信號，經(jīng)過PWM放大器進行放大后，驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動，并通過傳感器及電流傳感器對電機輸出軸的位置、速度及力

17、矩進行測量反饋，與整個下肢康復訓練機器人各部分協(xié)調(diào)運動，從而構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 本文的研究內(nèi)容主要就是踝關節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)，機械本體機構(gòu)來實現(xiàn)腳踏板的俯仰擺動，幫助患者在康復運動中時實現(xiàn)腳踝的運動。 2.3　機械本體部分設計 2.3.1　總體設計 機械設計時應滿足的基本要求： 根據(jù)生產(chǎn)及生活的需要不同，設計的機械種類也不盡相同，但設計時應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：就是要求所設計的機械應具有預定的使用功能，即能夠保證執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)所需的運動，又能保證組成機械的零，部件工作可靠，有適當?shù)膲勖?，而且使用，維修方便。這是機械設計的基本要求。 2. 工藝性要

18、求：所設計的機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盡量簡單，實用，在毛坯制造，機械加工，裝配，維修等方面都具有良好的工藝性，合理的選用材料，盡可能地選用標準件。 3. 經(jīng)濟性要求：經(jīng)濟性要求是一個綜合指標，他體現(xiàn)于機械的設計，制造及使用的過程中，因此，設計機械時應全面綜合地考慮。 此外還有便于拆裝和運輸?shù)囊蠹伴L期保持工作精度的要求等。 本設計機構(gòu)部分的重要內(nèi)容是傳動部分的設計。主要是實現(xiàn)踏板的軸的傳動方式，目前常用的傳動方式有以下幾種：齒輪傳動、蝸桿傳動、帶傳動、鏈傳動等。以下分別比較各種方案優(yōu)缺點后決定選用哪一種傳動方案。 1. 齒輪傳動的主要特點有： 效

19、率高；在常用的機械傳動中，以齒輪傳動的效率為最高。節(jié)構(gòu)緊湊，在同樣的使用條件下，齒輪傳動所需的空間尺寸一般比較小。工作可靠、壽命長；設計制造正確合理、使用維護良好的齒輪傳動，工作十分可靠，壽命可達一、二十年，這是其他機構(gòu)所不能比擬的。傳動比穩(wěn)定 傳動比穩(wěn)定往往是對傳動性能的基本要求。齒輪傳動的制造及安裝精度要求高，價格較貴，且不適宜傳動距離較大的場合[22]。 由于本設計的軸向轉(zhuǎn)動并不能實現(xiàn)整周轉(zhuǎn)動，而且還需要往復運動，如果選用齒輪傳動的話，就必須對驅(qū)動電機的調(diào)速性要求非常之高，而且電機的正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換非常頻繁，對電機和控制要求非常高，控制不容易實現(xiàn)。 2. 蝸桿傳動的特點： 能實現(xiàn)大的傳

20、動比；由于傳動比大，零件數(shù)目少。結(jié)構(gòu)很緊湊。沖擊載荷小，傳動平穩(wěn)，噪聲低；當蝸桿的螺旋升角小于嚙合面的當量摩擦角時，蝸桿傳動便具有了自鎖性；在嚙合處有相對滑動。 當滑動速度很大、工作條件不夠良好時，會發(fā)生嚴重的摩擦及磨損，從而引起過渡發(fā)熱，是潤滑狀況惡化。因此，摩擦損耗較大，效率低。 蝸輪蝸桿傳動也不適合本設計的預定目標，因為自鎖性太好而不能往復控制，無法實現(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. 帶傳動的特點： 結(jié)構(gòu)簡單，傳動平穩(wěn)，造價低廉及能夠緩沖吸振；帶傳動由于存在彈性滑動和打滑現(xiàn)象，不能保持穩(wěn)定的平均傳動比。帶傳動如果是采用同步帶的話就可以保持

21、穩(wěn)定的傳動比，可以用于本機構(gòu)中，但是如果采用的話，空間比較大，感覺很不簡便，不首先使用。 4. 鏈傳動屬于帶有中間撓性件的嚙合傳動，與屬于摩擦傳動的帶傳動相比，帶傳動無彈性滑動和打滑現(xiàn)象，因而能保證準確的平均傳動比，傳動效率高，作用在軸上的徑向壓力??；在同樣使用條件下，鏈傳動結(jié)構(gòu)較為緊湊。同時鏈傳動能在高溫及速度較低的情況下工作。與齒輪傳動相比，鏈傳動的安裝和制造精度要求較低，成本低廉。鏈傳動的主要缺點是：在兩根平行軸之間只能用于同向回轉(zhuǎn)的傳動；運動是不能保證恒定的瞬時傳動比；磨損后容易發(fā)生跳齒；工作是有噪音。鏈傳動與同步帶想似，缺點比同步帶還多，不適用于近距離傳動。 5. 螺旋傳動結(jié)構(gòu)簡

22、單，便于制造，易于自鎖，但其主要缺點是摩擦阻力大，傳動效率低（一般30%—40%），磨損快，傳動精度低等。如果不考慮效率及磨損的話，螺旋傳動是個非常適合本設計的方案，因為它占用的空間很小，結(jié)構(gòu)緊湊，雖然需要電機換向轉(zhuǎn)動，但比齒輪傳動控制簡單得多。如果選用滾動螺旋的話上述問題便得到了解決，但結(jié)構(gòu)復雜，只有在高精度、高效率的重要傳動中才適宜選用，如數(shù)控，精密機床、測試裝置或自動控制系統(tǒng)中的螺旋傳動等。所以本設計還是不予優(yōu)先考慮。 6. 圓柱凸輪傳動，其實凸輪機構(gòu)算不上傳動，只能叫機構(gòu)，但有一種圓柱凸輪不但可以實現(xiàn)往復轉(zhuǎn)動而不用改變驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)向，而且結(jié)構(gòu)簡單，可以根據(jù)需要而設計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，決定選用類似擺動從動件的圓柱凸輪機構(gòu)來實現(xiàn)踏板的擺動，用電機來驅(qū)動圓柱凸輪帶動從動件。 2.3.2　機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式 機構(gòu)的機械圖如圖2.1所示，驅(qū)動電機經(jīng)過減速之后（減速器需與驅(qū)動電機配套）通過聯(lián)軸器驅(qū)動凸輪軸轉(zhuǎn)動，凸輪軸一旦轉(zhuǎn)動后，就會帶動連桿套擺動，磙子在圓柱凸輪的槽內(nèi)滾動以減少摩擦。踏板此時固定在連桿上的套筒上，跟隨連桿一同擺動。病人的腳由踏板上的布帶固定住，這樣就達到了對腳踝的驅(qū)動，只要模擬正常人的運動規(guī)律就能很好地對病人做康復訓練了。 1－踏板 2－框架 3－中心軸 4－磙子 5－驅(qū)動電機 6—聯(lián)軸器

24、 7—凸輪軸 8—軸承座 9—輪子 圖2.1 機構(gòu)示意圖 通過電機的轉(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，每個圓柱凸輪只有一個固定的行程。這就是說踏板俯仰的角度大小也是不可更改的。這是凸輪機構(gòu)應用在踝關節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)機構(gòu)的一個不足之處。但正常人的腳踝在走路時踝關節(jié)角度在到之間不等，奔跑時的角度就比較大了，可達。所以在設計凸輪時應該盡量保證的俯仰。這樣對于做康復訓練的病人是非常合適的。的角度對于走路訓練足夠了，而人的踝關節(jié)所能承受的角度遠大于，所以不會傷到病人。 2.3.3　機構(gòu)的驅(qū)動 在

25、設計之初想過幾種驅(qū)動方式，作過一翻比較。也總結(jié)了各種方式的不同特點以及運用場合。 一般的驅(qū)動元件包括各種交流直流伺服電機，步進電機、液壓、氣壓、電氣伺服閥等等。他們共同的特點是都可以輸出一定的運動和力。但工作的特性差異很大，應用范圍也不相同。一般對驅(qū)動元件有以下幾個方面的要求： 1. 功率密度大，即指驅(qū)動元件的單位重量的輸出功率； 2. 快速性好，即加減速時扭矩大，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. 震動小，噪聲?。? 5. 可靠性高，壽命長； 6. 高效率，節(jié)約能源。 機器人的驅(qū)動方式可分為以下幾類： 1. 氣壓驅(qū)動 使用壓力通常在0.4-

26、0.6Mpa,最高可達1Mpa。氣壓驅(qū)動主要是氣源方便（一般工廠都由壓縮空氣站供應壓縮空氣），驅(qū)動系統(tǒng)具有緩沖作用，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可以在高溫、粉塵、惡劣的環(huán)境中工作。氣壓驅(qū)動的缺點是功率質(zhì)量比小，裝置體積大，同時由于空氣的可壓縮性使得機器人在任意定位時，位置精度不高。適用于易燃、易爆和灰塵大的場合。 2. 液壓驅(qū)動 液壓驅(qū)動系統(tǒng)用2-15Mpa的油液驅(qū)動機器人，體積較氣壓驅(qū)動小，功率質(zhì)量比大，驅(qū)動平穩(wěn)，且系統(tǒng)的固有效率高，快速性好，同時，液壓驅(qū)動調(diào)速比較簡單，能在很大范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速。用電液伺服控制液體流量和運動方向時，可以使機器人的軌跡重復性提高。液壓驅(qū)動的缺點是易漏油，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)動多用于要求輸出力較大，運動速度較低的場合。 3. 電氣驅(qū)動 電氣驅(qū)動是利用各種電機產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過減速機構(gòu)去驅(qū)動負載，減少了由電能變成壓力能的中間環(huán)節(jié)，直接獲得要求的機器人運動。驅(qū)動元件包括各種交流直流伺服電機，步進電機。由于電氣驅(qū)動具有易于控制，運動精度高，響應快，使用方便，信號檢測、傳遞和處理方便，成本低廉，驅(qū)動效率高，不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點，電氣驅(qū)動已經(jīng)成為最普遍、應用最多的驅(qū)動方式，90年代后生產(chǎn)的機器人大多數(shù)采用這種驅(qū)動方式。 介紹完各種驅(qū)動方式后，通過比較得出電氣驅(qū)動應用最多，最為方便。本設計的空間較小，電氣驅(qū)動直接就是轉(zhuǎn)動

28、，所以選擇電氣驅(qū)動。 電氣驅(qū)動方式需要選擇一個合適的電動機。電機有直流電機和交流電機兩類。常用的交流電機有三相異步電機和同步電機。異步電機結(jié)構(gòu)簡單、維護容易、運行可靠、價格便宜，具有較好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性，因此，它是工業(yè)中使用最為廣泛的一種電機。直流電機雖不及交流電機結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、維護方便、運行可靠，但由于長期以來交流電機的調(diào)速問題未能得到滿意的解決，在此之前，直流電機具有交流電機不能比擬的良好的啟動性能。 目前為止，雖然交流電機的調(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、制動頻繁或多單元同步調(diào)速運轉(zhuǎn)的生產(chǎn)的機械上，仍采用直流電機驅(qū)動。 本設計由于體積比較小（放

29、在腳底下），最好選用體積小巧的電機，需要的轉(zhuǎn)矩也不大，選用直流伺服電機比較合適。 電機型號選擇如下： 1. 運動速度：最高行走速度25步/分（病人不宜太快）,機構(gòu)的運動周期T=4.8s，ω=1.309rad/s.步態(tài)機構(gòu)行進一個周期，姿態(tài)機構(gòu)的踏板完成30往返的運動,運動規(guī)律為余弦函數(shù)。設姿態(tài)機構(gòu)的角速度為ω=Acost。由運動學規(guī)律可知，步態(tài)機構(gòu)運動1/2周期，姿態(tài)機構(gòu)也運動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算。腳掌作用具連桿末端作用點

30、的距離為0.1m，垂直于凸輪時轉(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. 電機扭矩：減速器減速比43，總效率為，有： 得到電機轉(zhuǎn)矩 5. 電機功率： 在比較了各種廠商生產(chǎn)的直流伺服電機后，發(fā)現(xiàn)了瑞士maxon公司生產(chǎn)的一系列直流電機，其性能如表2.1所示。其中RE系列電機性能非常好，用戶的反饋也比較好。根據(jù)以上計算選擇RE4

31、0中的148877（定貨號）。 maxon的RE40電機額定功率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，控制時將很簡單。 表2.1 maxon RE40的主要性能指標 額定 功率 (W) 額 定 轉(zhuǎn)矩(N.mm) 瞬時最大扭矩 (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 慣量 (kg.m2) 150 200 2890 1000 3.33 1.16 48

32、 33 0.134104 maxon的直流伺服電機都配有專用的控制卡，這樣控制電機的轉(zhuǎn)速等就變的十分簡便。 2.4　本章小結(jié) 本章介紹了下肢康復機器人踝關節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)機構(gòu)的總體構(gòu)成和系統(tǒng)的性能指標，詳細研究和設計了下肢康復機器人的踝關節(jié)驅(qū)動機構(gòu)，凸輪軸的轉(zhuǎn)動最終實現(xiàn)調(diào)節(jié)腳踏板與地面的角度變化，輔助患者的踝關節(jié)進行康復訓練，幫助下肢有運動障礙的患者恢復下肢的運動機能。 第3章　機械零件設計 在機械產(chǎn)品的有關設計中，其機械本體的設計是最主要的。在這一章中，將對下肢康復機器人姿態(tài)機構(gòu)機械本體中一些重要和特殊的零件設計進行重點說明，并對其一些零件進行強度校核。 3.1　機械零件設計的一些

33、基本原則 1、避免在預定壽命期內(nèi)失效的要求： （1）強度 零件在工作中發(fā)生斷裂或不允許的殘余變形統(tǒng)屬于強度不足。上述失效形式，除了用于安全裝置中預定適時破壞的零件外，對于任何零件都是可以避免的。因此，具有適當?shù)膹姸仁窃O計零件時必須滿足的基本要求。 為了提高零件的強度，在設計原則上可以采用以下的措施：采用強度高的材料；使零件具有足夠的截面尺寸；合理的設計零件的截面形狀，以增大截面的慣性矩；采用熱處理和化學處理的方法，以提高材料的力學性能；提高運動零件的制造精度，以降低運動時的動載荷；合理的配置機器中各零件的相對位置，以降低作用于零件上的載荷等。 （2）剛度 零件在工作時所產(chǎn)生的彈性變

34、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。對于這類零件，設計時除了要做強度計算外，還必須做剛度計算。 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、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

35、滿足各種要求，但在工作一定時間后，卻可能由于某種（或某些）原因而失效。這個零件正常工作延續(xù)的時間就叫零件的壽命。 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運動零件接觸表面的磨損等三方面。 大部分機械零件均在變應力條件下工作，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度的主要因素是：應力集中、零件尺寸大小、零件表面品質(zhì)及環(huán)境狀況。在設計零件時，應努力從這幾個方面采取措施，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)濟的生產(chǎn)出來，并便于裝配成機器這一特性。所以，零件的結(jié)構(gòu)工藝性應從毛坯制造、機械

36、加工過程及裝配等幾個生產(chǎn)環(huán)節(jié)加以綜合考慮。工藝性是和機器生產(chǎn)批量大小及具體的生產(chǎn)條件相關的。為了改善零件的工藝性，就應當熟悉當前的生產(chǎn)水平及條件。對零件的結(jié)構(gòu)工藝性具有決定性影響的零件結(jié)構(gòu)設計，在整個設計工作中占有很大的比重，因此必須予以足夠的重視。 3. 經(jīng)濟性要求 零件的經(jīng)濟性首先表現(xiàn)在零件本身的生產(chǎn)成本上。設計零件時，應力求設計出耗費最少的零件。 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化零件結(jié)構(gòu)，以減少加工工時。這些對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用低，所以工藝性對經(jīng)濟性有著直接的影響。 采用廉價

37、而供應而充足的材料以代替貴重金屬；對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用方面起到積極的作用。 另外，盡可能采用標準化的零件、部件以取代特殊加工的零、部件，就可在經(jīng)濟方面取得很大的效益。 3.2　機械零件設計 在設計零件的過程中，本論文主要采用了Pro/E軟件。而在繪制零件圖時則使用了Auto CAD軟件。 3.2.1　凸輪軸的設計 在設計凸輪軸時，首先應該對凸輪的輪廓進行設計。設計圓柱凸輪的輪廓曲線，應該將其展開成平面后變成移動凸輪。根據(jù)踝關節(jié)運動規(guī)律設計。 凸輪輪廓曲線展設計過程如下，根據(jù)具體尺寸設計行程B0B4為62mm，輪軸直徑60mm。 如圖3.1

38、，已知圓柱凸輪半徑0.06m，從動件長度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，從而得出從動件的初始位置AB0。把從動件的運動周期8等分，根據(jù)踝關節(jié)運動規(guī)律可以得到從動件的各個位置AB0、AB1、AB2、AB3、AB4。 2. 取線段B0B0之長為188.4mm即圓柱的周長。將B0B0分為與從動件位移線圖橫軸對應的八等分，得點C1、C2、C3、…，過這些點畫一系列中心在OA線上、半徑等于AB0的圓弧。 3. 自B1作平行OA

39、直線交過C1的圓弧于點D1，自B2作平行OA直線交過C2的圓弧于點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為圓心畫一系列滾子，而后作兩條包絡線，即可得凸輪展開圖的實際輪廓曲線。 因圓柱凸輪輪廓凹槽位于圓柱面上，當與凹槽接觸的圓柱滾子隨從動件作平面圓弧運動時，滾子將以不同深度插入凸輪槽中。由于上述設計過程未考慮滾子與凸輪之間在從動件擺動軸線方向的相對運動，由此所得凸輪機構(gòu)，其從動件實際運動規(guī)律與預期運動規(guī)律在理論上即存在偏差，所以是一種近似設計方法。欲消除設計偏差，必須對理論輪廓曲線進行修正，或者根據(jù)滾子與凸輪間的相對空

40、間運動關系，采用解析法對凸輪輪廓曲面進行精確設計。 在輪廓設計好之后，應根據(jù)轉(zhuǎn)矩的大小及凸輪的直徑設計凸輪軸的形狀及其尺寸。 軸的設計和校核： 1．求凸輪軸上的轉(zhuǎn)矩T1 在之前的設計中，已求出 2．求作用在凸輪上的力 在凸輪設計中，從動桿對凸輪的力是變化的，我們對軸的設計應取最大時刻的力，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、20 Q

41、275、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)設計，如圖3.2是凸輪軸的結(jié)構(gòu)簡圖，下面詳細說明各尺寸的確定過程。 圖3.2 軸的結(jié)構(gòu)與裝配簡圖 （1）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度： 凸輪軸FG段需要與聯(lián)軸器通過平鍵連接，取FG=45mm。 （2）初步選擇滾動軸承。因軸承同時

42、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，標準精度的單列圓錐滾子軸承71107E，其尺寸為dDT=35mm62mm19mm，故lAB=20mm，lEF=35mm。 兩端滾動軸承采用軸肩進行軸向定位。由手冊上查得71107E型軸承的定位軸肩高h=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段長度lAB=20mm，并加工l~2mm的退刀槽。 （5）根據(jù)軸承端蓋的裝卸及便于對軸承添加潤滑脂的要求，取右軸承蓋的外端面與

43、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動規(guī)律，這一軸段的長度應足夠長，取lCD=140mm。 （7）BC段與DE段是軸的過渡段，取長lBC=10mm，lDE=10mm。 至此，已初步確定了周的各段直徑和長度。 5. 軸上零件的周向定位 凸輪軸于一個套筒聯(lián)軸器采用平鍵聯(lián)接，此處軸徑為20mm。由手冊查得平鍵截面bh=6mm6mm（GB/T1095-1079），鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為15mm（標準鍵長見GB/T 1096-1979）；同時為了保證套筒聯(lián)軸器與軸配合有良好的對中性，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

44、平鍵為6mm6mm15mm，配合也為H7/r6，滾動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245，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 0.8 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)圖做出軸的計算簡圖。在確定軸承的支點位置時，應從手冊中查取a值（支反力作

45、用點至軸承外圈寬邊距離）。對于30212型圓錐滾子軸承，由手冊中查得a=22mm。因此，作為簡支梁的軸的支撐跨距 根據(jù)軸的計算簡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)圖以及彎矩和扭矩圖中可以看出截面B是軸的危險截面?，F(xiàn)將計算出的截面B處MH，MV及M的值列于表3.3。 表3.3 危險截面處彎矩扭矩 載荷 水平面H 垂直面V

46、 支反力F 彎矩M 總彎矩 扭矩T 8. 按彎扭合成應力校核軸的強度 進行校核時，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，查機械設計手冊得。因此，故安全。 3.2.2　中心軸的設計 中心軸是一根固定心軸，它的外觀結(jié)構(gòu)設計如圖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

47、定，這樣就成為一根固定心軸，它只承受彎矩，沒有扭矩。只承受剪切應力，很小的壓應力。由于中心軸是機構(gòu)中比較重要和比較危險的零件，只要它能夠滿足強度要求的話。其它零件問題都不大，因為人的體重有可能都作用在中心軸上。這就需要對其進行剪切強度校核： （3.2） 式中P為作用力，A為危險截面面積，為剪切應力，[]為許用剪切應力，查手冊知[]=，遠大于此值，剪切強度滿足要求。 下面校核一下擠壓強度： （3.3） 式中P為作用力，B為擠壓截面面積，為擠壓應力，[]為許用擠壓應力，查手冊知[]=。 由此可見，無論是剪切還是擠壓，材料的許用強度都遠遠高于所承受的

48、應力，這是由于人的體重有限，況且還是按照最保守的計算。實際上康復機器人還有重心控制機構(gòu)，人本身的自重不會全部加載到踝關節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)上。這更說明零件符合要求。 3.2.3　踏板的設計 踏板是人體與機器人接觸的部件，它通過螺釘固定在連桿套筒上。踏板的主要作用是：承擔使用者腳部的踩踏，并且通過繞軸的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)模擬踝關節(jié)的運動。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。進一步設計可以完善這一結(jié)構(gòu)。 圖 3.5 踏板簡圖 3.2.4　連桿套的設計 連桿套如圖3.6，是連桿與套筒的和體，連桿是凸輪的從動件，套筒是軸 圖3.6

49、連桿套簡圖 套，內(nèi)部放有軸承，與心軸配合。這樣就把連桿的擺動轉(zhuǎn)化為軸套繞固定的心軸轉(zhuǎn)動。實現(xiàn)了轉(zhuǎn)動的功能。連桿與套筒上平面的角度保證了套筒轉(zhuǎn)動的角度范圍，即，這個區(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變成正負十五度了，與預期要求相背。套筒的平面上開有四個螺紋孔，與踏板上的螺紋孔互相對應，裝配時由四個內(nèi)六角螺釘固定住。 其它主要零件的設計還有軸承座，軸承端蓋，框架等。用零件圖就可以加工表達，主要的零件設計就是以上這

50、些了。其它零件設計過程都根據(jù)他們設計。 3.3　校核計算 在下肢康復訓練機器人踝關節(jié)驅(qū)動機構(gòu)中，一些主要的零件也是可能的危險零件在設計時就校核過了，本節(jié)只是對其它沒有校核的零件進行校核，如平鍵，軸承等。 3.3.1　軸承的校核 凸輪軸上滾動軸承的校核： 凸輪軸上使用軸承的型號為32007型圓錐滾子軸承，查手冊可知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 在軸的設計與校核中，已經(jīng)得到兩軸承的支反力分別為 則 2．求兩軸承的計算軸向力和 對于圓錐滾子軸承，按表3.4，軸承派生軸向力，其中，是對應的值。 表

51、3.4 約有半數(shù)滾動體接觸式派生軸向力的計算公式 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，因此可估算 由于，所以軸承1被壓緊，故 3．求軸承當量動載荷和 （3.4） 式中，、分別為徑向動載荷系數(shù)和軸向動載荷系數(shù)。對于32007型圓錐滾子軸承，由軸承設計手冊，可得 當時， 當時， 其中，。 對于左側(cè)軸承1 故 對于右側(cè)軸承2 故 假設軸承運轉(zhuǎn)中有輕微沖擊載荷，按表3.5，取 表

52、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、汽輪機、通風機、水泵等 中等沖擊或中等慣性力 1.2~1.8 車輛、動力機械、起重機、造紙機、冶金機械、選礦機、卷揚機、機床等 強大沖擊 1.8~3.0 破碎機、軋鋼機、鉆探機、振動篩等 則 4．驗算軸承壽命 （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 ——基本額定動載荷（單位為） ——當量動載荷（單位為） 溫度不會太高，查表3.6，取

53、 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 因為，所以按左側(cè)軸承的受力大小驗算 已知轉(zhuǎn)速。則 故所選擇軸承可滿足壽命要求。 中心軸上滾動軸承的校核 中心軸上的兩個軸承之所以選擇圓錐磙子軸承，并不是因為它總要承受軸向力，只是在發(fā)生意外情況時（如病人不小心滑倒），腳對踏板會產(chǎn)生一個軸向力。這要求軸承承受徑向力的同時也能夠承受軸向力。 中心軸上兩個軸承共同承擔人作用在一只腳上的力。按最大載荷

54、400N計算壽命： 溫度不會太高，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 ——鍵的工作長度，單位為mm ——軸的直徑，單位為mm ——鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應力，單位為。 在軸的設計與校核中，已得到 鍵的尺寸為： 傳遞的扭矩為 凸輪的材料是鋼材，由機械設計手冊查得許用擠壓應力

55、 鍵的工作長度，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，可得 3.4　本章小結(jié) 本章對下肢康復機器人踝關節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)機構(gòu)的機械本體零件進行了設計，并對一些重要零件進行了強度校核。對于下肢康復訓練機器人踝關節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計已經(jīng)完成。本章是論文的重要的一章，包括各種機械零件的設計，計算尺寸，剛度強度校核等內(nèi)容都是對驅(qū)動系統(tǒng)設計重要部分。 第4章　機構(gòu)控制系統(tǒng)設計 4.1　選擇控制系統(tǒng)方案需要考慮的因素 對于單個機電一體化系統(tǒng)，可能有多種控制方案來實現(xiàn)同一個控制功能。在選擇控制計算機時，除了要保證實現(xiàn)系統(tǒng)的基本控制功能，滿足性能指標要求，還要綜合考慮一些其他因素，應該綜合多種因素

56、做出最佳選擇。這些因素包括如下幾點： 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。 4. 產(chǎn)品是工業(yè)產(chǎn)品還是民用產(chǎn)品。 計算機系統(tǒng)的主要作用是實現(xiàn)一定的控制策略和完成一定的信息處理。當控制系統(tǒng)的功能和主要指標性能確定后，對計算機的基本要求也就隨之確定了。由于工業(yè)控制計算機有多種類型，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實現(xiàn)同一目的。例如一個多自由度的工業(yè)機器人，可以用PC工業(yè)控制機對各自由度進行集中控制，也可以用兩臺工業(yè)控制機構(gòu)成多級控制系統(tǒng)，還可以采用多個單片機分別控制每一個關

57、節(jié)，然后由工業(yè)PC機與多個單片機進行通訊，形成集散控制系統(tǒng)。這些控制方案都可以滿足機器人的控制要求，但是，不同的計算機控制系統(tǒng)的復雜程度，成本，研發(fā)周期，可維護性等都是不同的。因此，在選擇控制計算機時，除了要保證實現(xiàn)系統(tǒng)的基本控制功能，滿足性能指標要求，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)成本和可維護性，可以考慮設計專用計算機控制系統(tǒng)。這樣有利于提高計算機資源的利用率，降低生產(chǎn)成本，提高系統(tǒng)的可靠性。對于單件小批量產(chǎn)品，在開始階段應該盡量選擇通用計算機產(chǎn)品，以便降低成本，縮短生產(chǎn)周期。 2.

58、 一般工業(yè)產(chǎn)品還是需滿足特殊要求的產(chǎn)品：對一般的工業(yè)產(chǎn)品，成本和生產(chǎn)周期應作為主要指標來考慮；對軍事，航天，水下等有特殊要求的場合，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)境適應性。 3. 產(chǎn)品開發(fā)還是科研樣機：對于產(chǎn)品開發(fā)要考慮將來的生產(chǎn)成本，生產(chǎn)周期，可維護性等因素。例如，當既可以采用集中控制又可采用集散控制是，應盡可能采用集散控制計算機系統(tǒng)；對科研樣機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)，這時應該選擇硬件借口、、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算機系統(tǒng)。如德國生產(chǎn)的Dspace實時控制系統(tǒng)，它采用雙CPU主板，根據(jù)要求可以配置D/A

59、，A/D，Encoder，I/O等多種硬件接口，軟件基于Windows平臺設計，可以用Simulink語言以模塊方式直接編程進行實時控制。這種計算機系統(tǒng)的優(yōu)點是硬件資源豐富，軟件開發(fā)速度快，兼容性好，對不同的樣機進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：對于小型家電，便攜式儀器儀表，需要經(jīng)常移動的機電一體化產(chǎn)產(chǎn)品；體積，重量，功耗，成本等應優(yōu)先考慮，這些產(chǎn)品應盡量考慮使用專用的單片機控制系統(tǒng)或微處理器。對于一般的工業(yè)產(chǎn)品，可靠性應作為主要考慮因素。 4.2　驅(qū)動機構(gòu)控制系統(tǒng)總體設計 整個下肢康復訓練機器人總體控制如圖4.1，采用多個單片機分別控制每

60、一個關節(jié)，然后由工業(yè)PC機與多個單片機進行通訊，形成集散控制系統(tǒng)。踝關節(jié)控制系統(tǒng)是以AT90S8535控制單片機最小系統(tǒng)為核心建立的控制系統(tǒng)。單片機通過并口接收步態(tài)單片機的指令，根據(jù)指令驅(qū)動兩個姿態(tài)伺服電機，對姿態(tài)機構(gòu)進行初始化和位置閉環(huán)控制。兩個伺服電機驅(qū)動器都是直流伺服電機控制卡，用來實現(xiàn)姿態(tài)電機的速度閉環(huán)控制。姿態(tài)控制單片機與步態(tài)控制單片機并口通訊，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，進行位置閉環(huán)的PID運算，發(fā)出PWM信號，經(jīng)過濾波電路的D/A轉(zhuǎn)換后成為0～5V的電壓信號，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換之后變成－10～10V ，作為給直流伺服電機控制器的速度指令。直流伺服電機控制器與直流伺

61、服電機以及編碼器組成了一個速度閉環(huán)，所以姿態(tài)控制系統(tǒng)是一個雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。編碼器的脈沖信號經(jīng)過濾波去噪聲后反饋給單片機，單片機通過計算脈沖個數(shù)得出姿態(tài)機構(gòu)的位置。姿態(tài)控制系統(tǒng)中腳踏板的位置需要進行標定，行程開關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。 步態(tài)控制單片機 濾波電路 電平轉(zhuǎn)換 控制器 電機 編碼器 行程開關 濾波電路 電平轉(zhuǎn)換 控制器 電機 編碼器 行程開關 PWM1 AT90S8535 PWM2 圖 4.1 康復訓練機器人控制概圖 第5章　機構(gòu)的仿真與可行性分析 下肢康復訓練機器人踝關節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)的機構(gòu)

62、設計完成后，我利用Pro/ENGINEER軟件對機構(gòu)進行了運動學仿真，以便研究機構(gòu)的模型能否完成預定的性能要求。 5.1　仿真概述 利用Pro/ENGINEER Wildfire的機構(gòu)運動仿真功能可以使原來在二維圖紙上的難于表達和設計的運動變得非常直觀和易于修改，并且能夠大大簡化機構(gòu)的設計開發(fā)過程，縮短其開發(fā)周期，減少開發(fā)費用，同時提高產(chǎn)品質(zhì)量?？梢酝ㄟ^添加運動副，驅(qū)動器使其運動起來，以實現(xiàn)機構(gòu)的運動仿真。此外完成機構(gòu)運動仿真后，運用機構(gòu)中的后續(xù)處理功能可以查看當前機構(gòu)的運動，并且可以對機構(gòu)進行運動軌跡、位移、運動干涉情況的分析，以便研究機構(gòu)的模型。 機構(gòu)仿真與真實的機構(gòu)很相似。機構(gòu)是由

63、構(gòu)件組合而成的，其中每一個構(gòu)件都以一定的方式至少與另一個構(gòu)件相連接，這種聯(lián)接既使兩個構(gòu)件直接接觸，又使兩構(gòu)件能產(chǎn)生一定的相對運動。機構(gòu)仿真主要包括創(chuàng)建機構(gòu)和添加驅(qū)動器。其中創(chuàng)建機構(gòu)的過程與零件的裝配過程極為相似。 5.2　機構(gòu)仿真及結(jié)果分析 圖5.1由于并不是一個完整的步態(tài)周期的變化曲線，但仍然可以看出踝關節(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，還有仿真時給予伺服電機的轉(zhuǎn)速與圖5.2中人的步速是不相同的。因為圖5.2是按照正常人在正常的情況下的走路速度的曲線。而我們的康復訓練機器人的步速是按照病人設計的，給定的速度比較慢，所以兩條曲線看上去不盡相同，但是它

64、們的變化規(guī)律是大致相同的。 機構(gòu)仿真的結(jié)果是可以實現(xiàn)踏板的俯仰角度（），而變化規(guī)律與人體的運動規(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） 時間(s) 圖 5.2 一個步態(tài)周期踝關節(jié)角度變化規(guī)律曲線 時間(s) 圖 5.1 仿真角度變化規(guī)律曲線 結(jié)　　論 本文結(jié)合目前國內(nèi)外康復訓練機器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，具體闡述了一種下肢康復訓練機器人踝關節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)的設計過程。仿真實驗表明，本課題所研制的下肢康復訓練機器人踝關節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)可以實現(xiàn)預期的運動規(guī)律。踝關節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)設計是整

65、個下肢康復訓練機器人設計的一部分。 下肢康復訓練機器人踝關節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)的設計工作是分以下幾個階段進行的： 首先，查閱資料。在設計初期，廣泛查詢國內(nèi)外在康復領域的發(fā)展和最新成果。這一階段就是開題準備階段，為以后的設計開闊了視野，提供了設計思路。 然后進行的是驅(qū)動系統(tǒng)的總體設計。這一階段的工作是確定了機械本體和驅(qū)動控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。為后面的機械零件設計和控制系統(tǒng)設計確定了大的方向。在這一階段中對于傳動方式的選擇，本文比較了多種機械傳動的形式，結(jié)合設計的實際情況，最終選擇了適合本機構(gòu)的圓柱凸輪機構(gòu)傳動。 第三階段的工作對姿態(tài)系統(tǒng)機械本體進行詳細地分析與設計。用Pro/E軟件零件進行三維實體造

66、型，設計與校核了每一個非標準機械零件，并根據(jù)系統(tǒng)的需要對標準件進行了選擇與校核。 第四，控制系統(tǒng)的設計。闡述了各種不同的控制方式，提出一種控制方案。下肢康復訓練機器人是整體聯(lián)動，控制時踝關節(jié)控制系統(tǒng)是一個子系統(tǒng)。 最后一項工作是系統(tǒng)地對下肢康復訓練機器人踝關節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)進行運動學分析，并通過Pro/E軟件對驅(qū)動機構(gòu)進行動畫仿真和圖形仿真。得出系統(tǒng)可以實現(xiàn)預期運動規(guī)律。 本論文主要是對于踝關節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計，對控制系統(tǒng)并沒有做出詳細的設計，只是提出了一個總體方案。因此還可以進一步詳細地設計一套下肢康復訓練機器人的控制方案。 參考文獻 [1] 金德文，張濟川．康復工程學的研究與發(fā)展[J]．現(xiàn)代康復，2000，Vol.4 No.5：31-35． [2] 高從軍， 歐洲康復機器人發(fā)展現(xiàn)況及前景[J]．機器人技術(shù)與應用，1999， Vol.16 No.2：33-36． [3] 黃靖遠，劉宏增等．康復工程前景初探[J]．生物醫(yī)學工程學雜志， 1999，Vol.16 No.2：12-14． [4] 夏昊昕，張立勛，王嵐．下肢康復訓練機器人[J]．應用科