毕业设计（论文）-下肢康复机器人设计.doc

开封大学毕业论文第1章绪论1.1概述康复机器人是近年出现的一种新型机器人，它的主要作用有两方面，一是帮助由于疾病而造成偏瘫，或者因意外伤害造成肢体运动障碍的人恢复提高运动能力，称为康复训练机器人是作为一种辅助装置代替失去运动能力的肢体完成一部分动作，称为机器人假肢。康复机器人作一种自动化设备，可以帮助患者进行科学而又有效的康复训练，使患者的运动机能得到更好的恢复。康复机器人由计算机控制，并配有相应的传感器和安全系统，可以自动廉价康复训练效果，根据病人的实际情况自动调节运动参数，实现最佳训练。康复机器人在原理上和工业机器有很大的区别，它也不限于一般的体育运动训练器材。它直接作用于人体，与人在同一个作业空间工作，人与机器人作为一个整体而协调运动。康复机器人成果包括以下三方面技术：手部康复训练机器人：手及腕部康复训练。手臂康复训练机器人：手臂康复训练。下肢康复训练机器人：行走功康复训练。康复机器人技术得以传化为产品对于提高患者康复质量，减少患者的病痛，减轻社会负担具有重要的实际意义。由于各种原因而患有一侧肢体运动障碍的患者人数很多，随着生活水平的提高对康复治疗的需求也会越来很大，康复机器人将有很好的市场前景。这项技术在欧美等国家自得到普遍重视，康复机器人成果的转化可能会带动一个新兴的机器人产业的发展，这将对国民经济的发展发挥重要作用。1.2下肢康复机器人研究现状1.2.1康复机器人的生产发展康复机器人是帮助残疾人解决生活中活动困难的一种工具，它可以在家里或在工作场所使用，使残疾人获得更强的生活能力，并相当大地提高他们的生活质量。康复机器人现在已经由科学幻想走进了现实生活之中过去几年，康复机器人在欧洲已经有所发展，一些欧洲企业在技术开发及投资方面给予了支持目前已有两种康复机器人打人了市场，即Hmdv l及MANus，它们都是欧洲生产的Handy 1有5个自由度，残疾人可利用它在桌面高度吃饭；MANUs是一种装在轮椅上的仿人形的手臂，它有6(或7)个自由度，其工作范围可由地面到人站立时达到的地方，不过，康复机器人进人市场的过程却非常缓慢，许多人仍然把它看作是一项未来的技术 显然，要想在实际生活中很好地利用康复机器人。除了技术因素之外，还受到一些其他因素的影响。下肢康复训练机器人是根据康复医学理论和人机合作机器人原理，通过一套计算机控制下的走步状态控制系统，使患者模拟正常人的步伐规律作康复训练运动，锻炼下肢的肌肉，恢复神经系统对行走功能的控制能力，达到恢复走路机能的目的。根据机器人技术的发展水平，一般具有以下三种结构第一种是彻底结构化的控制平台，类似于桌面工作站，将机械手安装在固定的控制平台上，完成在固定工作空间内的操作；第二种结构是将机械手安装在轮椅上，这样就可以在任何地域使用，但这导致了机械手刚性下降，抓取的精度往往达不到要求，而且这种方法只适合于那些可以用轮椅的人。第三种机构是将机械手安装在自主或半自主车辆上。下肢康复机器人属于运动训练机器人，下肢康复训练机器人的主要工作任务就是能够模拟真人的步态姿态，来实现对病人下肢的康复训练。在整个机器人的工作过程中，主要是通过机器人的运动来带动病人瘫痪的下肢，使其在牵引力的作用下能够完成对正常人的步态的模拟，从而达到对下肢的肌肉锻炼目的，进而达到能够恢复神经系统对行走功能的控制能力，进一步的达到恢复整个行走机能，最终能够是病人进早的在病痛中脱离出来。已有研究表明，儿童能通过操作电动轮椅适当提高视觉、空间的技能和运动能力，同样可以用类似的器械来提高老年人甚至成年人的运动能力。如对运动员运动损伤的康复治疗、针对性辅助训练，以及像宇航员这种特殊职业的模拟训练等。国外在这一领域已经有了较广泛的研究与应用，国内尚处于起步阶段。随着体育和职业教育两大产业的发展，机器人在这一领域的应用前景将十分广阔。 1.2.2国内外发展现状1987年，英国Mike Topping公司研制成功了Handy1康复机器人样机，它是目前世界上最成功的一种低价、市售的康复机器人系统，目前正在生产的Handy1机器人由5自由度机器人手臂和新型控制器组成，具有话音识别、语音合成、传感器输人、手柄控制以及步进电机控制能力。Handy1具有很强的通话能力，它可以在操作过程中为护理人员及用户提供有用的信息，所提供的信息可以是简单的操作指令或有益的指示，可以用任何一种欧洲语言表达出来。这种装置可以大大提高Handyl方便用户的能力，而且有助于突破语言的障碍。MANUS是另外一种进人市场的康复机器人，由荷兰Exact Dynamics公司开发，该手臂具有7个自由度，包括6个旋转自由度和1个机械手。图1.1所示是瑞士苏黎世联邦工业大学（ETH）的名为LOKOMAT的康复机器人。图1.2是美国Rutgers大学踝关节康复训练机器人3。图1.2 美国Rutgers踝关节康复训练机器人国外关于医学机器人的研究虽然已取得了不少成就，但离生物机器人还有相当的距离，因此还有很多工作要做。国内关于这方面的研究较少，主要是集中在假肢领域。国内只有哈尔滨工程大学机点一体化研究所在这领域取得了一定的成果。成功研制出了多功能手臂康复训练机器人，下肢康复训练机器人图1.1 ETH的LOKOMAETH的LOKOMAT 复训练机器人，下肢康复训练机器人， 卧式下肢康复训练器等，并获得了专利。1.3下肢康复机器人的主要目的及现实意义研究下肢康复训练机器人，主要是对于要进行下肢康复训练的人来说，下肢康复训练机器人可以控制使其模拟正常人的行走姿态、膝关节和踝关节的协调运动，实现对下肢的康复训练，下肢康复训练机器人可以模拟正常人的步伐规律、锻炼下肢的肌肉，恢复神经系统对行走能力的控制，达到恢复走路机能的目的。从总体上来看，下肢康复训练机器人的总体工作目的就是为了能够使下肢需要进行康复训练的人能够更加方便的，更轻松的达到训练的目的，对下肢的康复训练起到辅助的作用。从总体上来看，研究下肢康复训练机器人的最大的受益者就是下肢康复训练有难度的病人，他可以帮助病人进早的从病痛中摆脱出来，及早的恢复健康的身体，这些是研究的直接原因和动力。从另一方面来看，对于下肢康复训练机器人的研究在对以后研究其他的类似康复机器人的时候，他有很多的研究成果都是可以直接被后续的工作所应用的。为其他的研究工作打下了一个很好的基础，为以后的工作的延续提供了一个基础平台。站在医院的角度来看，康复机人的研究给他带来了实在的好处。一方面可以减少工作护理人员的负担，同时还可以是病人能够运动的更加的方便。1.4关于下肢康复训练机器人踝关节驱动系统设计的分析1.4.1下肢康复训练机器人基本结构图1.3 下肢康复训练机器人外观结构图下肢康复训练机器人外观结构如图1.3，它由机座、左脚走步状态控制系统、右脚走步状态控制系统、左脚姿态控制系统、右脚姿态控制系统、框架、导轨、重心平衡系统、活动扶手等组成。受训练者的双脚站在走步状态控制系统的脚踏板上，穿好承重背心，背心通过吊缆和机座内的重力平衡机构相连，以平衡受训练者的部分体重，吊缆的长度通过缆长调整机构和缆绳来调整。当机器人开始工作后，走步状态控制系统在计算机的控制下带动受训练者的双腿做走步运动，重心控制系统根据受训者的走步状态，自动计算重心的高低变化，通过吊缆实时调节重心的高低并具有防止摔倒的功能。脚踏板由左右两块踏板组成，它在步态控制装置的控制下，与重心平衡机构协调工作帮助患者进行走步运动练。步态控制装置主要由主动曲柄、脚踏板(连杆)和滑轮组成。主动曲柄由直流伺服电机控制，脚跟随踏板一起被动运动，形成一个椭圆轨迹，产生与正常人行走轨迹相近的运动轨迹，同时由于脚跟随踏板运动，患者的小腿和大腿处于相应的运动状态。由两套步态装置分别控制两条腿的走步状态，两者之间成相位关系，走步的速度通过控制电机的转速来调整，步幅则通过改变主动曲柄的工作半径来调节。脚的姿态控制系统是由直线伺服机构实现的，通过控制脚踏板绕踏板轴回转运动的角度，来模拟正常人走路时踝关节的姿态变化4。1.4.2踝关节驱动系统设计的整体思路踝关节驱动系统的结构方案是由圆柱凸轮加一从动杆组成的机构来实现的，这个机构可以把直流伺服电动机的回转运动转化为踝关节的往复倾斜运动，并能够保证驱动的脚踏板俯仰角度与踝关节俯仰的角度互相一致，在之间。通过圆柱凸轮的转动就可以带动脚踏板的运动，从而迫使踝关节运动，实现驱动。凸轮的运转则与直流伺服电机相连。直流伺服电机在单片机的控制下进行速度、位置和角度的协调控制，以适应不同状态的康复训练控制单片机与执行机构之间经过调速器、PWM放大器以及光电耦合隔离，减少干扰，并设计专门的IO接口电路板对信号进行放大整形等处理。1.4.3本设计的主要任务和要求本课题的任务就是设计下肢康复训练机器人踝关节的驱动系统。包括完成整体机械部分的机构设计和完成整个设计的三维实体仿真。用Pro/E软件绘制三维造型，通过动态模拟以检验能否实现预定功能。通过整体的结构设计，掌握下肢康复训练机器人的研究的基本方法。第2章机构总体设计2.1引言下肢康复机器人踝关节驱动系统，是对下肢具有运动障碍的患者进行主动康复训练的自动化机械装置，此时患者是被动运动，它可以帮助腿部运动有障碍的患者进行运动机能恢复性训练。通过计算机自动控制患者的重心和走步状态，模拟正常人的走路状态，使病腿的运动功能得到训练。本课题研究的主要任务是完成下肢康复机器人的脚踝的机械本体设计，它是整个下肢康复训练机器人的一部分，安装在下肢康复训练机器人的连杆上，以便协调地训练整个下肢来达到康复训练的目的。作为帮助有下肢运动障碍的病人进行康复训练的机器人，首先，应该具有合理的结构，能够模拟正常人的行走运动，尽量仿真人体的运动规律，尽量与人体各个关节的速度变化曲线相吻合，为病人进行下肢机能恢复训练提供帮助，使病人在康复训练过程中感到舒适。其次，考虑到机器人的工作对象是行动不便的病人，需要提高机器人的可靠性和安全性，尽可能地保证患者的安全。最后，该机器人属于康复机器人，应该保证无污染和清洁，以利于病人的康复。2.2机构的性能指标和总体方案2.2.1机构的性能指标下肢康复机器人是对下肢具有运动障碍的患者进行主动康复训练的自动化机械装置，它可以帮助因中风等疾病或因外伤引起的腿部运动障碍进行运动机能恢复性训练。由于患者的步态跟正常人的步态是一致的，所以必须按照正常人的步态周期来设计脚踏板的俯仰角度，速度变化规律等参数。而由于患者的行走速度肯定会比正常人的速度要慢很多，所以不能够按照正常人的步速去设计机构。下肢康复机器人姿态机构的性能应达到如下主要技术指标：1自由度：绕踏板转轴的转动，整个机构往复运动；2承载能力：加上设备80kg左右，应不低于此数；3行走速度：每分钟走25步（可以根据具体情况调整）；4俯仰角度：，模仿正常人脚踝姿态自动控制。2.2.2机构总体方案下肢康复机器人机构由很多不同功能的部分构成，本文仅对踝关节驱动系统结构进行讨论：机器人本体：脚踝驱动机构；控制器：本设计控制部分的设计目的是控制机构实现踝关节的运动规律。控制部分主要由单片机来实现的。该装置采用单片机控制，通过行程指令、速度指令和力矩指令给定控制信号，经过PWM放大器进行放大后，驱动伺服电机转动，并通过传感器及电流传感器对电机输出轴的位置、速度及力矩进行测量反馈，与整个下肢康复训练机器人各部分协调运动，从而构成闭环控制系统。本文的研究内容主要就是踝关节驱动系统，机械本体机构来实现脚踏板的俯仰摆动，帮助患者在康复运动中时实现脚踝的运动。 2.3机械本体部分设计2.3.1总体设计机械设计时应满足的基本要求：根据生产及生活的需要不同，设计的机械种类也不尽相同，但设计时应满足的基本要求是相同的，这些基本要求是：1. 使用功能要求：就是要求所设计的机械应具有预定的使用功能，即能够保证执行机构实现所需的运动，又能保证组成机械的零，部件工作可靠，有适当的寿命，而且使用，维修方便。这是机械设计的基本要求。2. 工艺性要求：所设计的机械无论总体方案还是各部分的结构方案，在满足使用要求的情况下应尽量简单，实用，在毛坯制造，机械加工，装配，维修等方面都具有良好的工艺性，合理的选用材料，尽可能地选用标准件。3. 经济性要求：经济性要求是一个综合指标，他体现于机械的设计，制造及使用的过程中，因此，设计机械时应全面综合地考虑。此外还有便于拆装和运输的要求及长期保持工作精度的要求等。本设计机构部分的重要内容是传动部分的设计。主要是实现踏板的轴的传动方式，目前常用的传动方式有以下几种：齿轮传动、蜗杆传动、带传动、链传动等。以下分别比较各种方案优缺点后决定选用哪一种传动方案。1. 齿轮传动的主要特点有：效率高；在常用的机械传动中，以齿轮传动的效率为最高。节构紧凑，在同样的使用条件下，齿轮传动所需的空间尺寸一般比较小。工作可靠、寿命长；设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动，工作十分可靠，寿命可达一、二十年，这是其他机构所不能比拟的。传动比稳定 传动比稳定往往是对传动性能的基本要求。齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不适宜传动距离较大的场合22。由于本设计的轴向转动并不能实现整周转动，而且还需要往复运动，如果选用齿轮传动的话，就必须对驱动电机的调速性要求非常之高，而且电机的正反转转换非常频繁，对电机和控制要求非常高，控制不容易实现。2. 蜗杆传动的特点：能实现大的传动比；由于传动比大，零件数目少。结构很紧凑。冲击载荷小，传动平稳，噪声低；当蜗杆的螺旋升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动便具有了自锁性；在啮合处有相对滑动。 当滑动速度很大、工作条件不够良好时，会发生严重的摩擦及磨损，从而引起过渡发热，是润滑状况恶化。因此，摩擦损耗较大，效率低。蜗轮蜗杆传动也不适合本设计的预定目标，因为自锁性太好而不能往复控制，无法实现。而且踏板下面没有放置蜗轮的空间（蜗轮蜗杆的体积相差太大），不采用。3. 带传动的特点：结构简单，传动平稳，造价低廉及能够缓冲吸振；带传动由于存在弹性滑动和打滑现象，不能保持稳定的平均传动比。带传动如果是采用同步带的话就可以保持稳定的传动比，可以用于本机构中，但是如果采用的话，空间比较大，感觉很不简便，不首先使用。4. 链传动属于带有中间挠性件的啮合传动，与属于摩擦传动的带传动相比，带传动无弹性滑动和打滑现象，因而能保证准确的平均传动比，传动效率高，作用在轴上的径向压力小；在同样使用条件下，链传动结构较为紧凑。同时链传动能在高温及速度较低的情况下工作。与齿轮传动相比，链传动的安装和制造精度要求较低，成本低廉。链传动的主要缺点是：在两根平行轴之间只能用于同向回转的传动；运动是不能保证恒定的瞬时传动比；磨损后容易发生跳齿；工作是有噪音。链传动与同步带想似，缺点比同步带还多，不适用于近距离传动。5. 螺旋传动结构简单，便于制造，易于自锁，但其主要缺点是摩擦阻力大，传动效率低（一般30%40%），磨损快，传动精度低等。如果不考虑效率及磨损的话，螺旋传动是个非常适合本设计的方案，因为它占用的空间很小，结构紧凑，虽然需要电机换向转动，但比齿轮传动控制简单得多。如果选用滚动螺旋的话上述问题便得到了解决，但结构复杂，只有在高精度、高效率的重要传动中才适宜选用，如数控，精密机床、测试装置或自动控制系统中的螺旋传动等。所以本设计还是不予优先考虑。6. 圆柱凸轮传动，其实凸轮机构算不上传动，只能叫机构，但有一种圆柱凸轮不但可以实现往复转动而不用改变驱动电机的转向，而且结构简单，可以根据需要而设计轮廓来保证踏板的俯仰角度。在充分比较了各种方案之后，决定选用类似摆动从动件的圆柱凸轮机构来实现踏板的摆动，用电机来驱动圆柱凸轮带动从动件。2.3.2机构的结构形式机构的机械图如图2.1所示，驱动电机经过减速之后（减速器需与驱动电机配套）通过联轴器驱动凸轮轴转动，凸轮轴一旦转动后，就会带动连杆套摆动，磙子在圆柱凸轮的槽内滚动以减少摩擦。踏板此时固定在连杆上的套筒上，跟随连杆一同摆动。病人的脚由踏板上的布带固定住，这样就达到了对脚踝的驱动，只要模拟正常人的运动规律就能很好地对病人做康复训练了。 1踏板 2框架 3中心轴 4磙子 5驱动电机 6联轴器 7凸轮轴 8轴承座 9轮子图2.1 机构示意图通过电机的转速可以控制踏板俯仰的角速度，而踏板的俯仰角度大小则由凸轮的行程来保证，由于凸轮的行程一旦确定是不能够改变的，每个圆柱凸轮只有一个固定的行程。这就是说踏板俯仰的角度大小也是不可更改的。这是凸轮机构应用在踝关节驱动系统机构的一个不足之处。但正常人的脚踝在走路时踝关节角度在到之间不等，奔跑时的角度就比较大了，可达。所以在设计凸轮时应该尽量保证的俯仰。这样对于做康复训练的病人是非常合适的。的角度对于走路训练足够了，而人的踝关节所能承受的角度远大于，所以不会伤到病人。2.3.3机构的驱动在设计之初想过几种驱动方式，作过一翻比较。也总结了各种方式的不同特点以及运用场合。一般的驱动元件包括各种交流直流伺服电机，步进电机、液压、气压、电气伺服阀等等。他们共同的特点是都可以输出一定的运动和力。但工作的特性差异很大，应用范围也不相同。一般对驱动元件有以下几个方面的要求：1. 功率密度大，即指驱动元件的单位重量的输出功率；2. 快速性好，即加减速时扭矩大，频率特性特别好；3. 位置控制精度高，调速范围宽，低速平稳；4. 震动小，噪声小；5. 可靠性高，寿命长；6. 高效率，节约能源。机器人的驱动方式可分为以下几类：1. 气压驱动 使用压力通常在0.4-0.6Mpa,最高可达1Mpa。气压驱动主要是气源方便（一般工厂都由压缩空气站供应压缩空气），驱动系统具有缓冲作用，结构简单，成本低，可以在高温、粉尘、恶劣的环境中工作。气压驱动的缺点是功率质量比小，装置体积大，同时由于空气的可压缩性使得机器人在任意定位时，位置精度不高。适用于易燃、易爆和灰尘大的场合。2. 液压驱动 液压驱动系统用2-15Mpa的油液驱动机器人，体积较气压驱动小，功率质量比大，驱动平稳，且系统的固有效率高，快速性好，同时，液压驱动调速比较简单，能在很大范围内实现无级调速。用电液伺服控制液体流量和运动方向时，可以使机器人的轨迹重复性提高。液压驱动的缺点是易漏油，这不仅影响工作稳定性和定位精度，而且污染环境。液压驱动多用于要求输出力较大，运动速度较低的场合。3. 电气驱动 电气驱动是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，减少了由电能变成压力能的中间环节，直接获得要求的机器人运动。驱动元件包括各种交流直流伺服电机，步进电机。由于电气驱动具有易于控制，运动精度高，响应快，使用方便，信号检测、传递和处理方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境等诸多优点，电气驱动已经成为最普遍、应用最多的驱动方式，90年代后生产的机器人大多数采用这种驱动方式。介绍完各种驱动方式后，通过比较得出电气驱动应用最多，最为方便。本设计的空间较小，电气驱动直接就是转动，所以选择电气驱动。电气驱动方式需要选择一个合适的电动机。电机有直流电机和交流电机两类。常用的交流电机有三相异步电机和同步电机。异步电机结构简单、维护容易、运行可靠、价格便宜，具有较好的稳态和动态特性，因此，它是工业中使用最为广泛的一种电机。直流电机虽不及交流电机结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠，但由于长期以来交流电机的调速问题未能得到满意的解决，在此之前，直流电机具有交流电机不能比拟的良好的启动性能。目前为止，虽然交流电机的调速问题得到一定程度解决，但是在速度调节要求较高，正、反转和启、制动频繁或多单元同步调速运转的生产的机械上，仍采用直流电机驱动。本设计由于体积比较小（放在脚底下），最好选用体积小巧的电机，需要的转矩也不大，选用直流伺服电机比较合适。电机型号选择如下：1. 运动速度：最高行走速度25步/分（病人不宜太快）,机构的运动周期T=4.8s，=1.309rad/s.步态机构行进一个周期，姿态机构的踏板完成30往返的运动,运动规律为余弦函数。设姿态机构的角速度为=Acost。由运动学规律可知，步态机构运动1/2周期，姿态机构也运动1/2周期，即。 积分可得A=1.37rad/s。2. 转矩：人的体重为80Kg，按80的体重作用在一只承重脚上计算。脚掌作用具连杆末端作用点的距离为0.1m，垂直于凸轮时转矩最大，连杆末端作用力F与脚掌作用于心轴力臂相等，故3. 功率： （2.1） 4. 电机扭矩：减速器减速比43，总效率为，有： 得到电机转矩5. 电机功率： 在比较了各种厂商生产的直流伺服电机后，发现了瑞士maxon公司生产的一系列直流电机，其性能如表2.1所示。其中RE系列电机性能非常好，用户的反馈也比较好。根据以上计算选择RE40中的148877（定货号）。maxon的RE40电机额定功率150w。并配有专门的行星轮减速箱，减速比从小到大非常齐全，我们选用GP42C的减速比为43：1的减速箱，这样就能够很方便地调速了，控制时将很简单。表2.1 maxon RE40的主要性能指标额定功率(W)额 定转矩(N.mm)瞬时最大扭矩(N.mm)额定转速(r/min)额定电流(A)电枢电阻（）额定电压(V)电枢电感（MH）转动惯量(kg.m2)150200289010003.331.16 48330.134104maxon的直流伺服电机都配有专用的控制卡，这样控制电机的转速等就变的十分简便。2.4本章小结本章介绍了下肢康复机器人踝关节驱动系统机构的总体构成和系统的性能指标，详细研究和设计了下肢康复机器人的踝关节驱动机构，凸轮轴的转动最终实现调节脚踏板与地面的角度变化，辅助患者的踝关节进行康复训练，帮助下肢有运动障碍的患者恢复下肢的运动机能。第3章机械零件设计在机械产品的有关设计中，其机械本体的设计是最主要的。在这一章中，将对下肢康复机器人姿态机构机械本体中一些重要和特殊的零件设计进行重点说明，并对其一些零件进行强度校核。3.1机械零件设计的一些基本原则1、避免在预定寿命期内失效的要求：（1）强度零件在工作中发生断裂或不允许的残余变形统属于强度不足。上述失效形式，除了用于安全装置中预定适时破坏的零件外，对于任何零件都是可以避免的。因此，具有适当的强度是设计零件时必须满足的基本要求。为了提高零件的强度，在设计原则上可以采用以下的措施：采用强度高的材料；使零件具有足够的截面尺寸；合理的设计零件的截面形状，以增大截面的惯性矩；采用热处理和化学处理的方法，以提高材料的力学性能；提高运动零件的制造精度，以降低运动时的动载荷；合理的配置机器中各零件的相对位置，以降低作用于零件上的载荷等。（2）刚度零件在工作时所产生的弹性变形不超过允许的限度，这就叫做满足了刚度要求。显然，只有当弹性变形过大就要影响工作性能的零件，才需要满足这样的要求。对于这类零件，设计时除了要做强度计算外，还必须做刚度计算。零件的刚度分为整体变形刚度和表面接触刚度两种。前者是指零件整体在载荷作用下发生的伸长、缩短、扭曲、旋转等弹性变形的程度；后者是指因两零件接触表面上的微观凸峰在载荷作用下发生变形所致的两零件变化的程度。原则上说，为了提高零件的整体刚度，可采取增大零件的截面尺寸或增大截面的惯性矩；缩短支撑跨矩或采用多支点结构，以缩小挠曲变形等。为了提高接触刚度，可采取增大精加工以降低表面不平度等。（3）寿命有的零件在工作初期虽然可以满足各种要求，但在工作一定时间后，却可能由于某种（或某些）原因而失效。这个零件正常工作延续的时间就叫零件的寿命。影响零件寿命的主要因素有：材料的疲劳，材料的腐蚀以及相对运动零件接触表面的磨损等三方面。大部分机械零件均在变应力条件下工作，因此疲劳破坏是引起零件失效的主要原因。影响零件材料疲劳强度的主要因素是：应力集中、零件尺寸大小、零件表面品质及环境状况。在设计零件时，应努力从这几个方面采取措施，以提高零件抵抗疲劳破坏的能力。2. 结构工艺要求零件要有良好的结构工艺性，是指在既定的条件下，能够方便而经济的生产出来，并便于装配成机器这一特性。所以，零件的结构工艺性应从毛坯制造、机械加工过程及装配等几个生产环节加以综合考虑。工艺性是和机器生产批量大小及具体的生产条件相关的。为了改善零件的工艺性，就应当熟悉当前的生产水平及条件。对零件的结构工艺性具有决定性影响的零件结构设计，在整个设计工作中占有很大的比重，因此必须予以足够的重视。3. 经济性要求零件的经济性首先表现在零件本身的生产成本上。设计零件时，应力求设计出耗费最少的零件。要降低零件的成本，首先要采用轻型的零件结构，以降低材料消耗；采用少余量或无余量的毛坯或简化零件结构，以减少加工工时。这些对降低零件成本均有显著的作用。工艺性良好的结构就意味着加工及装配费用低，所以工艺性对经济性有着直接的影响。采用廉价而供应而充足的材料以代替贵重金属；对于大型零件采用组合结构以代替整体结构，都可以在降低材料费用方面起到积极的作用。另外，尽可能采用标准化的零件、部件以取代特殊加工的零、部件，就可在经济方面取得很大的效益。3.2机械零件设计在设计零件的过程中，本论文主要采用了Pro/E软件。而在绘制零件图时则使用了Auto CAD软件。3.2.1凸轮轴的设计在设计凸轮轴时，首先应该对凸轮的轮廓进行设计。设计圆柱凸轮的轮廓曲线，应该将其展开成平面后变成移动凸轮。根据踝关节运动规律设计。凸轮轮廓曲线展设计过程如下，根据具体尺寸设计行程B0B4为62mm，轮轴直径60mm。 如图3.1，已知圆柱凸轮半径0.06m，从动件长度0.1m，滚子半径4mm，V是凸轮回转方向，其展开轮廓曲线可近似绘制如下：图 3.1 圆柱凸轮轮廓展开图 1. 作OA线垂直于凸轮回转轴线，作OAB0=/2，从而得出从动件的初始位置AB0。把从动件的运动周期8等分，根据踝关节运动规律可以得到从动件的各个位置AB0、AB1、AB2、AB3、AB4。 2. 取线段B0B0之长为188.4mm即圆柱的周长。将B0B0分为与从动件位移线图横轴对应的八等分，得点C1、C2、C3、，过这些点画一系列中心在OA线上、半径等于AB0的圆弧。 3. 自B1作平行OA直线交过C1的圆弧于点D1，自B2作平行OA直线交过C2的圆弧于点D2，。将B0、D1、D2、连成光滑曲线，便得到展开图的理论轮廓曲线。 4. 以理论轮廓曲线上诸点为圆心画一系列滚子，而后作两条包络线，即可得凸轮展开图的实际轮廓曲线。因圆柱凸轮轮廓凹槽位于圆柱面上，当与凹槽接触的圆柱滚子随从动件作平面圆弧运动时，滚子将以不同深度插入凸轮槽中。由于上述设计过程未考虑滚子与凸轮之间在从动件摆动轴线方向的相对运动，由此所得凸轮机构，其从动件实际运动规律与预期运动规律在理论上即存在偏差，所以是一种近似设计方法。欲消除设计偏差，必须对理论轮廓曲线进行修正，或者根据滚子与凸轮间的相对空间运动关系，采用解析法对凸轮轮廓曲面进行精确设计。 在轮廓设计好之后，应根据转矩的大小及凸轮的直径设计凸轮轴的形状及其尺寸。轴的设计和校核：1求凸轮轴上的转矩T1在之前的设计中，已求出2求作用在凸轮上的力在凸轮设计中，从动杆对凸轮的力是变化的，我们对轴的设计应取最大时刻的力，凸轮轮廓直径为60mm，因此3初步确定轴的最小直径估算轴的最小直径公式 选取轴的材料为45钢，调质处理。根据表3.1，取A0=103， 则 表3.1 轴常用的几种材料的T及A0值轴的材料Q235-A、20Q275、35（1Cr18Ni9Ti）4540Cr、35SiMn38SiMnMo/MPa1525203525453555A014912613511212610311297凸轮轴的最小直径显然是安装平键出的直径dFG 。综合考虑选取dFG=20mm。4轴的结构设计，如图3.2是凸轮轴的结构简图，下面详细说明各尺寸的确定过程。图3.2 轴的结构与装配简图（1）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度：凸轮轴FG段需要与联轴器通过平键连接，取FG=45mm。（2）初步选择滚动轴承。因轴承同时受有径向力和轴向力的作用，故选用单列圆锥滚子轴承。参照工作要求，并根据直径dEF=40mm。由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组，标准精度的单列圆锥滚子轴承71107E，其尺寸为dDT=35mm62mm19mm，故lAB=20mm，lEF=35mm。两端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位。由手册上查得71107E型轴承的定位轴肩高h=7.5mm，在此取直径dBC=dDE=50mm。（3）取凸轮轮廓所在的CD段的直径dCD=60mm；（4）凸轮轴根据轴承宽度取AB段长度lAB=20mm，并加工l2mm的退刀槽。（5）根据轴承端盖的装卸及便于对轴承添加润滑脂的要求，取右轴承盖的外端面与FG段左端面保持一定的距离，取lEF=30mm。（6）凸轮主体，考虑到凸轮主体的运动规律，这一轴段的长度应足够长，取lCD=140mm。（7）BC段与DE段是轴的过渡段，取长lBC=10mm，lDE=10mm。至此，已初步确定了周的各段直径和长度。5. 轴上零件的周向定位凸轮轴于一个套筒联轴器采用平键联接，此处轴径为20mm。由手册查得平键截面bh=6mm6mm（GB/T1095-1079），键槽用键槽铣刀加工，长为15mm（标准键长见GB/T 1096-1979）；同时为了保证套筒联轴器与轴配合有良好的对中性，故选择套筒与轴的配合为H7/r6。同样，联轴器与减速器轴选用的平键为6mm6mm15mm，配合也为H7/r6，滚动轴承的周向定位是借过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为m6。6. 确定轴上的圆角和倒角尺寸参考表3.2，轴端倒角245，各轴肩角半径2mm。表3.2 零件倒角C与圆角半角R的推荐值直径d610101818303050508080120120180C或R0.50.60.81.01.21.62.02.53.07求轴上载荷首先根据轴的结构图做出轴的计算简图。在确定轴承的支点位置时，应从手册中查取a值（支反力作用点至轴承外圈宽边距离）。对于30212型圆锥滚子轴承，由手册中查得a=22mm。因此，作为简支梁的轴的支撑跨距根据轴的计算简图做出轴的弯矩图和扭矩图（图3.3）a)受力图 b）水平面受力图 c）水平面弯矩图 d）垂直面受力图e）垂直面弯矩图 f）总弯矩图 g）扭矩图 图3.3 轴的载荷分析图从轴的结构图以及弯矩和扭矩图中可以看出截面B是轴的危险截面。现将计算出的截面B处MH，MV及M的值列于表3.3。表3.3 危险截面处弯矩扭矩载荷水平面H垂直面V支反力F弯矩M总弯矩扭矩T8. 按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面，根据公式 （3.1）前已选定轴的材料为45钢，调质处理，查机械设计手册得。因此，故安全。3.2.2中心轴的设计中心轴是一根固定心轴，它的外观结构设计如图3.4所示。 图3.4 中心轴示意图图 3.4 中心轴示意图中心轴穿过轴承挡环，轴承，连杆套，框架。一端由六角型凹槽周向固定，另一端由螺母固定，这样就成为一根固定心轴，它只承受弯矩，没有扭矩。只承受剪切应力，很小的压应力。由于中心轴是机构中比较重要和比较危险的零件，只要它能够满足强度要求的话。其它零件问题都不大，因为人的体重有可能都作用在中心轴上。这就需要对其进行剪切强度校核： （3.2）式中P为作用力，A为危险截面面积，为剪切应力，为许用剪切应力，查手册知=，远大于此值，剪切强度满足要求。下面校核一下挤压强度：（3.3）式中P为作用力，B为挤压截面面积，为挤压应力，为许用挤压应力，查手册知=。由此可见，无论是剪切还是挤压，材料的许用强度都远远高于所承受的应力，这是由于人的体重有限，况且还是按照最保守的计算。实际上康复机器人还有重心控制机构，人本身的自重不会全部加载到踝关节驱动系统上。这更说明零件符合要求。3.2.3踏板的设计踏板是人体与机器人接触的部件，它通过螺钉固定在连杆套筒上。踏板的主要作用是：承担使用者脚部的踩踏，并且通过绕轴的转动实现模拟踝关节的运动。人脚固定在踏板上是通过有的弹性带子固定，如图3.5是踏板的俯视图。进一步设计可以完善这一结构。图 3.5 踏板简图 3.2.4连杆套的设计连杆套如图3.6，是连杆与套筒的和体，连杆是凸轮的从动件，套筒是轴图3.6 连杆套简图 套，内部放有轴承，与心轴配合。这样就把连杆的摆动转化为轴套绕固定的心轴转动。实现了转动的功能。连杆与套筒上平面的角度保证了套筒转动的角度范围，即，这个区间内平面俯仰的角度与地平面的角度保证在零到三十度之间变化。如果连杆与套筒平面垂直的话，平面的俯仰角度就会变成正负十五度了，与预期要求相背。套筒的平面上开有四个螺纹孔，与踏板上的螺纹孔互相对应，装配时由四个内六角螺钉固定住。其它主要零件的设计还有轴承座，轴承端盖，框架等。用零件图就可以加工表达，主要的零件设计就是以上这些了。其它零件设计过程都根据他们设计。3.3校核计算在下肢康复训练机器人踝关节驱动机构中，一些主要的零件也是可能的危险零件在设计时就校核过了，本节只是对其它没有校核的零件进行校核，如平键，轴承等。3.3.1轴承的校核凸轮轴上滚动轴承的校核：凸轮轴上使用轴承的型号为32007型圆锥滚子轴承，查手册可知32007轴承的1求两轴承受到的径向载荷和，如图3.7所示图3.7 轴承受力图在轴的设计与校核中，已经得到两轴承的支反力分别为则2求两轴承的计算轴向力和对于圆锥滚子轴承，按表3.4，轴承派生轴向力，其中，是对应的值。表3.4 约有半数滚动体接触式派生轴向力的计算公式圆锥滚子轴承角接触球轴承如图3.7所示，现在轴承轴向力未知，故先假设，因此可估算由于，所以轴承1被压紧，故3求轴承当量动载荷和 （3.4）式中，、分别为径向动载荷系数和轴向动载荷系数。对于32007型圆锥滚子轴承，由轴承设计手册，可得当时，当时，其中，。对于左侧轴承1故对于右侧轴承2故假设轴承运转中有轻微冲击载荷，按表3.5，取表3.5 载荷系数载荷性质举例无冲击或轻微冲击1.01.2电机、汽轮机、通风机、水泵等中等冲击或中等惯性力1.21.8车辆、动力机械、起重机、造纸机、冶金机械、选矿机、卷扬机、机床等强大冲击1.83.0破碎机、轧钢机、钻探机、振动筛等则4验算轴承寿命 （3.5）式中：轴承寿命（单位为）轴承转速（单位为）温度系数，参考表3.6基本额定动载荷（单位为）当量动载荷（单位为）温度不会太高，查表3.6，取表3.6 温度系数轴承温度系数125150175200225250300350温度系数1.000.950.900.850.800.750.700.60.5因为，所以按左侧轴承的受力大小验算已知转速。则故所选择轴承可满足寿命要求。中心轴上滚动轴承的校核中心轴上的两个轴承之所以选择圆锥磙子轴承，并不是因为它总要承受轴向力，只是在发生意外情况时（如病人不小心滑倒），脚对踏板会产生一个轴向力。这要求轴承承受径向力的同时也能够承受轴向力。中心轴上两个轴承共同承担人作用在一只脚上的力。按最大载荷400N计算寿命： 温度不会太高，查表3.6，取1.0，已知转速。则按公式3.5可见轴承理论寿命足够大。（3）键的校核 （3.6）式中： 传递的扭矩，单位为 键与轮毂键槽的接触高度，单位为mm 键的工作长度，单位为mm 轴的直径，单位为mm 键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，单位为。在轴的设计与校核中，已得到键的尺寸为：传递的扭矩为凸轮的材料是钢材，由机械设计手册查得许用挤压应力键的工作长度，键与轮毂键槽的接触高度，可得3.4本章小结本章对下肢康复机器人踝关节驱动系统机构的机械本体零件进行了设计，并对一些重要零件进行了强度校核。对于下肢康复训练机器人踝关节驱动系统的结构设计已经完成。本章是论文的重要的一章，包括各种机械零件的设计，计算尺寸，刚度强度校核等内容都是对驱动系统设计重要部分。第4章机构控制系统设计4.1选择控制系统方案需要考虑的因素对于单个机电一体化系统，可能有多种控制方案来实现同一个控制功能。在选择控制计算机时，除了要保证实现系统的基本控制功能，满足性能指标要求，还要综合考虑一些其他因素，应该综合多种因素做出最佳选择。这些因素包括如下几点：1. 产品是单件小批量生产还是大批量生产。2. 产品是一般工业产品还是需要满足特殊要求的产品。3. 产品是属于产品开发还是科研样机。4. 产品是工业产品还是民用产品。计算机系统的主要作用是实现一定的控制策略和完成一定的信息处理。当控制系统的功能和主要指标性能确定后，对计算机的基本要求也就随之确定了。由于工业控制计算机有多种类型，每种类型又包含许多产品，往往有多种控制方案可以用来实现同一目的。例如一个多自由度的工业机器人，可以用PC工业控制机对各自由度进行集中控制，也可以用两台工业控制机构成多级控制系统，还可以采用多个单片机分别控制每一个关节，然后由工业PC机与多个单片机进行通讯，形成集散控制系统。这些控制方案都可以满足机器人的控制要求，但是，不同的计算机控制系统的复杂程度，成本，研发周期，可维护性等都是不同的。因此，在选择控制计算机时，除了要保证实现系统的基本控制功能，满足性能指标要求，还要综合考虑其他一些因素，综合多种因素做出最佳选择，这些因素包括：1. 单件小批量还是大批量生产：对于大批量生产主要考虑生产效率，生产成本和可维护性，可以考虑设计专用计算机控制系统。这样有利于提高计算机资源的利用率，降低生产成本，提高系统的可靠性。对于单件小批量产品，在开始阶段应该尽量选择通用计算机产品，以便降低成本，缩短生产周期。2. 一般工业产品还是需满足特殊要求的产品：对一般的工业产品，成本和生产周期应作为主要指标来考虑；对军事，航天，水下等有特殊要求的场合，主要考虑的因素不再是成本和研发周期，更重要的是可靠性，环境适应性。3. 产品开发还是科研样机：对于产品开发要考虑将来的生产成本，生产周期，可维护性等因素。例如，当既可以采用集中控制又可采用集散控制是，应尽可能采用集散控制计算机系统；对科研样机的研制主要是要研究装置的工作原理，获取必要的数据，这时应该选择硬件借口、接口资源比较丰富，软件开发方便的集中式，速度比较快的专用计算机系统。如德国生产的Dspace实时控制系统，它采用双CPU主板，根据要求可以配置D/A，A/D，Encoder，I/O等多种硬件接口，软件基于Windows平台设计，可以用Simulink语言以模块方式直接编程进行实时控制。这种计算机系统的优点是硬件资源丰富，软件开发速度快，兼容性好，对不同的样机进行控制只要改变少量的引线和编制不同的软件即可。4. 工业产品还是民用产品：对于小型家电，便携式仪器仪表，需要经常移动的机电一体化产产品；体积，重量，功耗，成本等应优先考虑，这些产品应尽量考虑使用专用的单片机控制系统或微处理器。对于一般的工业产品，可靠性应作为主要考虑因素。4.2驱动机构控制系统总体设计整个下肢康复训练机器人总体控制如图4.1，采用多个单片机分别控制每一个关节，然后由工业PC机与多个单片机进行通讯，形成集散控制系统。踝关节控制系统是以AT90S8535控制单片机最小系统为核心建立的控制系统。单片机通过并口接收步态单片机的指令，根据指令驱动两个姿态伺服电机，对姿态机构进行初始化和位置闭环控制。两个伺服电机驱动器都是直流伺服电机控制卡，用来实现姿态电机的速度闭环控制。姿态控制单片机与步态控制单片机并口通讯，读取步态系统的位置信息，以查表的方式得到位置指令，进行位置闭环的PID运算，发出PWM信号，经过滤波电路的D/A转换后成为05V的电压信号，经过电平转换之后变成1010V ，作为给直流伺服电机控制器的速度指令。直流伺服电机控制器与直流伺服电机以及编码器组成了一个速度闭环，所以姿态控制系统是一个双闭环控制系统。编码器的脉冲信号经过滤波去噪声后反馈给单片机，单片机通过计算脉冲个数得出姿态机构的位置。姿态控制系统中脚踏板的位置需要进行标定，行程开关所处的位置作为脚踏板的初始置，也就是脚踏板的位置零点。步态控制单片机滤波电路电平转换控制器电机编码器行程开关滤波电路电平转换控制器电机编码器行程开关PWM1AT90S8535PWM2图 4.1 康复训练机器人控制概图第5章机构的仿真与可行性分析下肢康复训练机器人踝关节驱动系统的机构设计完成后，我利用Pro/ENGINEER软件对机构进行了运动学仿真，以便研究机构的模型能否完成预定的性能要求。5.1仿真概述利用Pro/ENGINEER Wildfire的机构运动仿真功能可以使原来在二维图纸上的难于表达和设计的运动变得非常直观和易于修改，并且能够大大简化机构的设计开发过程，缩短其开发周期，减少开发费用，同时提高产品质量。可以通过添加运动副，驱动器使其运动起来，以实现机构的运动仿真。此外完成机构运动仿真后，运用机构中的后续处理功能可以查看当前机构的运动，并且可以对机构进行运动轨迹、位移、运动干涉情况的分析，以便研究机构的模型。机构仿真与真实的机构很相似。机构是由构件组合而成的，其中每一个构件都以一定的方式至少与另一个构件相连接，这种联接既使两个构件直接接触，又使两构件能产生一定的相对运动。机构仿真主要包括创建机构和添加驱动器。其中创建机构的过程与零件的装配过程极为相似。5.2机构仿真及结果分析图5.1由于并不是一个完整的步态周期的变化曲线，但仍然可以看出踝关节角度变化规律与图5.2中的变化规律极其相似。之所以不同，是由于单位不同，还有仿真时给予伺服电机的转速与图5.2中人的步速是不相同的。因为图5.2是按照正常人在正常的情况下的走路速度的曲线。而我们的康复训练机器人的步速是按照病人设计的，给定的速度比较慢，所以两条曲线看上去不尽相同，但是它们的变化规律是大致相同的。机构仿真的结果是可以实现踏板的俯仰角度（），而变化规律与人体的运动规律是非常相似的，所以这些仿真结果证明本论文采用的机构方案，策略和仿真程序是合理的，有效的。角度（o）角度（o）时间(s)图 5.2 一个步态周期踝关节角度变化规律曲线时间(s)图 5.1 仿真角度变化规律曲线结论本文结合目前国内外康复训练机器人的研究现状和发展方向，具体阐述了一种下肢康复训练机器人踝关节驱动系统的设计过程。仿真实验表明，本课题所研制的下肢康复训练机器人踝关节驱动系统可以实现预期的运动规律。踝关节驱动系统设计是整个下肢康复训练机器人设计的一部分。下肢康复训练机器人踝关节驱动系统的设计工作是分以下几个阶段进行的：首先，查阅资料。在设计初期，广泛查询国内外在康复领域的发展和最新成果。这一阶段就是开题准备阶段，为以后的设计开阔了视野，提供了设计思路。然后进行的是驱动系统的总体设计。这一阶段的工作是确定了机械本体和驱动控制系统的总体结构。为后面的机械零件设计和控制系统设计确定了大的方向。在这一阶段中对于传动方式的选择，本文比较了多种机械传动的形式，结合设计的实际情况，最终选择了适合本机构的圆柱凸轮机构传动。第三阶段的工作对姿态系统机械本体进行详细地分析与设计。用Pro/E软件零件进行三维实体造型，设计与校核了每一个非标准机械零件，并根据系统的需要对标准件进行了选择与校核。第四，控制系统的设计。阐述了各种不同的控制方式，提出一种控制方案。下肢康复训练机器人是整体联动，控制时踝关节控制系统是一个子系统。最后一项工作是系统地对下肢康复训练机器人踝关节驱动系统进行运动学分析，并通过Pro/E软件对驱动机构进行动画仿真和图形仿真。得出系统可以实现预期运动规律。本论文主要是对于踝关节驱动系统的结构设计，对控制系统并没有做出详细的设计，只是提出了一个总体方案。因此还可以进一步详细地设计一套下肢康复训练机器人的控制方案。参考文献1 金德文，张济川康复工程学的研究与发展J现代康复，2000，Vol.4 No.5：31-352 高从军， 欧洲康复机器人发展现况及前景J机器人技术与应用，1999，Vol.16 No.2：33-363 黄靖远，刘宏增等康复工程前景初探J生物医学工程学杂志， 1999，Vol.16 No.2：12-144 夏昊昕，张立勋，王岚下肢康复训练机器人J应用科