下肢被動康復訓練機構設計

畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ）下肢被動康復訓練機構設計院 別專業(yè)名稱班級學號學生姓名指導教師年 6 月 15 日下肢被動康復訓練機構設計摘 要下肢被動康復訓練 機構是主要針對下肢運動機 能障 礙的患者進行恢 復肢體運動功能的康 復訓 練設 備。下肢被動康復訓 練機構在近幾年來迅 速發(fā)展，并且臨 床醫(yī)學對其的需求越來越大，具有重要的社 會意義和研 究價值，因此國際康復領域對康復訓練機構的研究也越來越重視，其已成為當下研究的熱點。首先通過查閱資料，詳細的了解了本文研究的課題所在的背 景、意 義以及下肢被動康復訓練機構在國外和國內的研究和發(fā) 展現(xiàn)狀，基于國 內外下肢被動康 復訓 練機構研 究成果，確 定了本論文的主要研 究內容腳 踏式下肢被動康復訓練機構。根據(jù)下肢被動康復訓練機構在訓 練效果、安 全性和經(jīng) 濟性的設計要 求以及人體下肢尺寸和下 肢主要關 節(jié)的運動情況，將患者下肢的運動與訓練機構相互聯(lián)系起來，由此確定本文研究的腳踏式下肢康復被動訓練機構的系 統(tǒng)組成并對其進行簡單的介紹及方 案的選擇，之后再根據(jù)訓 練機構的設計要求對其機 械部分電動推桿、電機、齒輪以及腳 蹬等進行了詳 細的方 案設計和對控 制部分進 行簡 單的介紹。在訓 練機構機 械部分的設 計方案的基 礎上，對電動 推桿、電機、齒 輪及腳 蹬等進行詳細的計算，確定了電機、傳動機構、電動推桿等的型號以及腳蹬的回轉半徑和尺寸。將本機 構與人 體運動結合起來，構 建平 面閉 環(huán)鉸 鏈五 連桿人 機模型，在進行被動訓練模式時運用矢 量方程對其進行運動學分析，推導出大腿和小腿的位 姿以及髖 關節(jié)和膝 關節(jié)的角 速度與轉 柄運動狀 態(tài)之間的關系。最后為了更好地了解本機構的結 構、形狀，對其機 械部分、調整支架部分和整體進行三 維建 模。本文所設計的腳踏式下肢被動康復訓練機構主要帶動人體下肢實現(xiàn)圓 周踏 車運動。腳掌與腳 蹬用繃 帶緊固在一起，在矢 狀面內下肢髖 關節(jié)、膝關節(jié)和踝 關節(jié)連續(xù)不斷地做屈腿和伸腿運動。本文設計的腳踏式訓練機構具有很多優(yōu)點，比如結 構簡單、人 機融 合性好、成 本低等。關鍵詞：下肢康復訓練機構設計，運動分析，三維建模 Lower limb passive rehabilitation training mechanism designAbstractPassive lower limb rehabilitation training institutions is mainly for lower limb motor dysfunction in patients with rehabilitation training device for motor function recovery. Passive lower limb rehabilitation training institutions in recent years rapid development, and clinical medicine to demand more and more, has important social significance and research value, therefore the rehabilitation of rehabilitation training institutions research pay more and more attention, it has become the hot spot of the current research.Firstly, through access to information, to understand the research background and significance and the lower limb passive rehabilitation training institutions research status at home and abroad, and at home and abroad, the lower limb passive rehabilitation training institutions research on basis of research results, determine the main research study content - foot limb passive rehabilitation training institutions.Then according to the lower limb passive rehabilitation training institutions in the training effect, safety and economy of the design requirements, a detailed understanding of the lower limb of the human body size and lower extremity joint movement, will be on this basis, patients with lower limb movement and training institutions linked with each other, determine the research study of foot limb passive rehabilitation training institutions system composition and carries on the simple introduction and scheme choice, then, according to the training institutions of the design requirements of the mechanical part of the electric push rod, a motor, a gear and pedal and other of the detailed design of the solution and to control part of the system were introduced.Again in training mechanical parts design scheme based on and the design process of the electric push rod, a motor, a gear and pedal and other for detailed calculation, motor, transmission mechanism, electric putter, types and the pedal of the radius of gyration and the size is determined. Will the institutions and human motion combine construction of plane closed-loop five hinge connecting rod model machine model, then the patients in passive training mode using the vector equation of the kinematic analysis, deduced the thigh and the lower leg posture and hip and knee joint angular velocity and the movement of a keyless state between relationship.Finally in order to have a better understanding of the mechanism of the structure, shape, of the mechanical parts, adjusting bracket of the part and the whole of three dimensional modeling.The lower limb passive rehabilitation institutions for the project of the main drive of lower extremity realizecircumferential treadmill exercise. The fixed foot pedal and bandage bandage,in the sagittal plane of the hip joint, knee joint and ankle joint flexion extension movementcontinue to do. Pedal type training mechanism designed in this paper has the advantages of simple structure, good man-machine integration, low cost.Key Words:lower limb rehabilitation mechanism design，three-dimensional，motion simulation modeling目錄1 緒論 .11.1 課題研究的背景及意義 11.2 國內外研究現(xiàn)狀 .11.2.1 國外研究現(xiàn)狀 .11.2.2 國內研究現(xiàn)狀 .31.3 本文的研究內容 .52 下肢被動康復機構總體結構設計 .62.1 下肢被動康復訓練機構的設計要求 62.1.1 人體尺寸測量 .62.1.2 人體下肢關節(jié)介紹及分析 .92.1.3 下肢被動康復訓練機構機械設計技術指標 .92.2 下肢被動康復訓練機構的組成 .92.3 機械部分設計 .112.3.1 調整支架部分的設計 .112.3.2 動力單元的設計 .112.3.3 齒輪傳動設計 .112.3.4 腳蹬的設計 .122.4 控制模塊設計 .123 下肢被動康復訓練機構設計及運動分析 .143.1 下肢康復訓練機構調整架的設計 143.2 下肢被動康復訓練機構主體部分設計 163.2.1 減速器的設計與選型 .163.2.2 圓錐齒輪的傳動設計與選型 .173.2.3 腳蹬的設計與計算 .193.3 下肢被動康復訓練機構的人機建模及運動分析 .213.3.1 人機模型的建立 .213.3.2 被動訓練時人機模型運動分析 .234 下肢被動康復訓練機構的三維建模 .274.1 訓練機械的三維建模 274.2 調整支架的三維建模 284.3 整體三維建模 29結 論 .30致 謝 32參考文獻 33附 錄 35附錄 A.35附錄 B1 .44附錄 B2 .451 緒論1.1 課題研究的背景及意義中風是指供應腦的動脈發(fā)生粥樣硬化，引起血管狹窄，堵塞或破裂，從而造成部分腦組織的損害。腦中風多發(fā)于老年人群，而且一旦發(fā)病，會對患者的身體健康造成嚴重的危害，大大降低患者的生活質量。我國現(xiàn)在已經(jīng)步入了人口老齡化的社會，這些高血 壓及腦中風等老年病對我國老年人群的危害越來越嚴重，已經(jīng)成為老年人群的主要死因，不僅如此，即使在幸存者中約百分之七十到八十的患者在肢體上也會留有不同程度的殘疾?，F(xiàn)如今，我國的車輛數(shù)目越來越多，從而發(fā)生交通事故的機率也越來越高。據(jù)統(tǒng)計，目前，我國是世界上交通事故發(fā)生最嚴重的國家。由此交通事故而造成神經(jīng)性損傷或者肢體損傷的人數(shù)也越來越多。在我國，人們的經(jīng)濟水平越來越高，對生活質量和健康的關注和要求也越來越高，康復醫(yī)療事業(yè)也越來越受人們的重視。但目前我國的康復醫(yī)療水平相對與國外并不是很高，所以我國的康復醫(yī)療事業(yè)還有很大的發(fā)展空間，具有重大的研究的價值。在傳統(tǒng)的康復醫(yī)療過程中，需要醫(yī)療師應用簡單的器械對患者進行一對一的指導和治療，這樣是有很大的局限性的，一方面患者肢體的各個關節(jié)不能得到很好地活動，另一方面醫(yī)療師的勞動強度也是非常大。不僅如此，目前我國肢體損傷的患者數(shù)目巨大，而醫(yī)療師的數(shù)目卻很少，明顯不能滿足市場的需求。近些年來，機器人技術成為熱門技術，所以康復醫(yī)療機械的科研人員也把研究重點放在了如何將機器人和康復醫(yī)療器械相結合起來，康復機器人可以代替醫(yī)療師對患者進行康復訓練，患者的肢體可以得到更好的活動與治療，避免了醫(yī)療師在治療過程中因勞動強度過大和持續(xù)時間過長造成的治療效率下降等人為因素的影響，減輕了社會和家庭的負擔，具有重大意義。1.2 國內外研究現(xiàn)狀1.2.1 國外研究現(xiàn)狀康復機器人發(fā)展歷史并不長，但是它的發(fā)展速度卻非常的快，已經(jīng)走向了商 品化的模式，特別是在西方國家，康復機器人的應用已經(jīng)很普遍了。以下介紹幾種國外典型的下肢被動康復訓練機構。（1）Lokomat 。Lokomat 是瑞士的研究機構設計的下肢康復機器人，見圖 1.1。訓練時，患者的下肢通過六個綁帶與 Lokomat 相連，最基本的被動訓練只需控制四個關節(jié)的角度和角速度，以帶動患者模仿人體行運動。并且本機器人在關節(jié)處安裝有位置和力傳感器，用來檢測關節(jié)的位置和力，并反饋到控制系統(tǒng)。圖 1.1 瑞士 Lokomat 下肢康復機器人（2）AutoAmbulator。見圖 1.2。這款機器人是 2002 年美 國 HealthSouth 公司研究設計的，用于滿足旗下的康復醫(yī)院的需要。這款機器人的核心是兩條腳踏式機械腿，這兩條機械腿是分離的，在每條機械腿各上有兩個獨立的驅動單元，患者的大腿和小腿由機械腿上的兩個連桿在計算機的控制下分別牽引來完成步行訓練?；颊咴谟柧殨r，其步態(tài)特征參數(shù)由機器人進行實時監(jiān)測，以此作為評定患者訓練康復效果的依據(jù)。圖 1.2 AutoAmbulato 康復訓練機器人1.2.2 國內研究現(xiàn)狀國內康復機器人的研究起步比較晚，但也取得了一些成就。在國內，康復機器人領域研究比較好的團隊有哈爾濱工業(yè)大學、中科院合肥智能機械研究所等。以下就介紹一下這兩個團隊的研究成果。(1)可穿戴助力機器人。助力機器人是中科院合肥智能機械研究所研制的下肢被動康復訓練機構，見圖 1.3。它分為驅動、控制和機械三個部分?；颊咴谑褂么藱C器人時，會在身體上安裝多個力傳感器，可以詳盡的了解患者各關節(jié)訓練時的狀態(tài)。這款機不同于其他機器人的優(yōu)點是它可以帶動患者下肢進行多個自由度的康復訓練，比如說伸腿和屈腿、向內或向外旋轉下肢關節(jié)等，這樣患者就可以根據(jù)自己的意愿改變行走的方向，不僅僅局限于只能進行直線行走的訓練。圖 1.3 可穿戴助力機器人(2)步態(tài)康復機器人。2002 年，哈爾濱工程大學機電一體化研究所研制了一種步態(tài)康復訓練機器人，見圖 1.4。由計算機模擬人體下肢各關節(jié)在做腳踏運動時的狀態(tài)和運動軌跡，控制腳踏板帶動踩在其上的患者下肢進行步態(tài)踏板運動，以此來對患者進行下肢康復訓練。本機器人一方面可以根據(jù)不同的患者調整模擬的軌跡，另一方面還可以用計算機對該機器人進行遠程的控制。圖 1.4 哈爾濱工程大學的步態(tài)康復機器人1.3 本文的研究內容本文所設計的腳踏式下肢被動康復訓練機構主要帶動人體下肢實現(xiàn)圓周踏車運動。腳掌與腳蹬用繃帶緊固在一起，在矢狀面內下肢髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)連續(xù)不斷地做屈腿和伸腿運動。本文設計的腳踏式訓練機構具有很多優(yōu)點，比如結構簡單、人機融合性好、成本低等。本文主要研究下肢被動康復訓練機構，在康復醫(yī)學、正常人體步態(tài)理論以及人機工 學的基礎上，主要完成對下肢被動康復訓練機構的結構設計。其具體內容如下： (1)通過查閱資料，了解課題研究的背景及意義和下肢被動康復訓練機構在國內外的研究現(xiàn)狀，確定論文的主研究內容腳踏式下肢被動康復訓練機構。(2)根據(jù)下肢被動康復訓練機構的設計要求，詳細了解人體下肢尺寸和下肢主要關節(jié)運動情況，確定本文研究的下肢康復機構的系統(tǒng)組成，并對其進行簡單的介紹及方案的選擇，之后再對機械部分電動推桿、電機、齒輪以及腳蹬等進行詳細的方案設計。(3)在訓練機構設計方案的基礎上，對電動推桿、電機、齒輪以及腳蹬等設計過程進行詳細的計算，確定了電機、傳動機構、電動推桿等的型號以及腳蹬的回轉半徑和尺寸。將本機構與人體運動結合起來，構建平面閉環(huán)鉸鏈五連桿模型人機模型，然后對患者在進行被動訓練模式時運用矢量方程對其進行運動學分析，推導出大腿和小腿的位姿以及髖關節(jié)和膝關節(jié)的角速度與轉柄運動狀態(tài)之間的關系。(4)為了更好地了解本機構的結構、形狀，對其機械部分、調整支架部分和整體進行三維建模。2 下肢被動康復機構總體結構設計2.1 下肢被動康復訓練機構的設計要求下肢被動康復訓練機構主要針對下肢活動有障礙的患者進行下肢康復訓練。為了能夠有效地幫助患者進行下肢康復訓練，主要包括以下幾個原則：(1) 患者在使用下肢被動康復訓練機構器械一段時間后，下肢各關節(jié)及肌肉能夠得到很好的訓練，下肢活動障礙能夠得到很好的治療，達到理想的治療效果。(2)所有醫(yī)療器械最重要的一點是其安全性，本文設計的下肢康復訓練機器也應具備這一點。本器械帶動下肢活動，根據(jù)患者的病情進行訓練，對于康復訓練機構與人體下肢的配合、訓練的開始與停止、訓練時的機械的運行速度等方面要進行合理的設計，避免因器材設計不合理而給患者帶來二次傷害。 (3)雖然我們現(xiàn)在很多科研機構研制出很多性能優(yōu)良的下肢被動康復訓練機構，但是很多下肢有障礙的患者并沒有得到下肢被動康復訓練機構很好的治療，甚至有些患者得不到下肢被動康復訓練機構的治療。究其原因，就是市面上銷售的下肢被動康復訓練機構價格昂貴，只有一些大型醫(yī)院或醫(yī)療機構能夠配備，并且在醫(yī)院進行完善的康復治療很多家庭也負擔不起，所以下肢被動康復訓練機構要想在市面上廣泛推廣，走出只限于大型醫(yī)院或醫(yī)療機構的現(xiàn)狀，就要在安全性和有效性的基礎上，降低它的成本，使它更加的經(jīng)濟。2.1.1 人體尺寸測量本文設計的下肢被動康復訓練機構是對人體下肢進行訓練的，所以它的設計尺寸是以人體尺寸為標準的。GB10000-88 中國成年人人體尺寸是一九八七年七月一日所實施的，本標準根據(jù)人類工程學的要求提供了我國成年人人體尺寸的基礎數(shù)值。標準中所列數(shù)值，代表從事工業(yè)生產的法定中國成年人（男 18-60 歲女 18-55 歲）的人體尺寸數(shù)值。以下是中國成年人人體主要尺寸表 2.1 和圖 2.1 和中國成年人坐姿人體尺寸表 2.2 和圖 2.2。表 2.1 中國成年人人體主要尺寸1860 周歲（男） 1855 周歲（女）百分位數(shù)(%) 1 5 10 50 90 1 5 10 50 904.1.1 身高(mm) 1543 1583 1604 1678 1754 1449 1484 1503 1570 16404.1.2 體重（ kg） 44 48 50 59 71 39 42 44 52 634.1.2 上臂長(mm) 279 289 294 313 333 252 262 267 284 3034.1.4 前臂長(mm) 206 216 220 237 253 185 193 198 213 2294.1.5 大腿長(mm) 403 428 436 465 496 387 402 410 438 4674.1.6 小腿長(mm) 324 338 344 369 396 300 313 319 344 370圖 2.1 人體主要尺寸表 2.2 中國成年人坐姿人體尺寸(mm) 18-60 周歲（男） 18-55 周歲（女）百分位數(shù) 5 10 50 90 95 5 10 50 90 954.3.1 坐高 858 870 908 947 958 809 819 855 891 9014.3.2 坐姿頸椎點高 615 624 657 691 701 579 587 617 648 6574.3.3 坐姿眼高 749 761 798 836 847 695 704 739 773 7834.3.4 坐姿肩高 557 566 598 631 641 518 526 556 585 5944.3.5 坐姿肘高 228 235 263 291 298 215 223 251 277 2844.3.6 坐姿大腿厚 112 116 130 146 151 113 117 130 146 1514.3.7 坐姿加膝高 456 464 493 523 532 424 431 458 485 4934.3.8 小腿加足高 342 389 413 439 448 342 350 382 399 4054.3.9 坐深 421 429 457 486 494 401 408 433 461 4694.3.10 臀膝距 515 524 554 585 595 495 502 529 561 5704.3.11 坐姿下肢長 921 937 992 1046 1063 851 865 912 960 975圖 2.2 坐姿人體尺寸2.1.2 人體下肢關節(jié)介紹人體的下肢關節(jié)主要包括髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)三個關節(jié)，各關節(jié)的運動形式簡單的可以分為屈伸、外展內收和旋轉運動這三類。因為本文設計的下肢被動康復訓練機構主要帶動人體下肢進行圓周的腳踏車運動，主要是在人體的矢狀面內進行運動，所以我們可以看成是本機構帶動人體下肢的各關節(jié)主要進行屈伸運動。我們人體的各個關節(jié)的屈伸運動角度并不是隨意的，而是要有一個運動角度范圍的，這主要是因為各個關節(jié)之間有相互約束。為了不對患者造成二次傷害，在對下肢被動康復訓練機構進行結構設計時，應該保證患者在使用此器械時，下肢各關節(jié)的運動角度應在正常人體關節(jié)所能承受的最大范圍內。根據(jù) GB/T14779-93 坐姿人體功能設計要求，參照圖2.2 得出下肢各關節(jié)的運動范圍如表 2.3 所示。表 2.3 下肢關節(jié)運動范圍關節(jié) 關節(jié)運動 運動范圍（度）髖關節(jié) 1 65°-120°膝關節(jié) 2 75°-180°踝關節(jié) 3 70°-125°2.1.3 下肢被動康復訓練機構機械設計技術指標 下肢被動康復訓練機構有被動模式、主動模式、抗阻模式、功能性電刺激四種訓練模式，為了能夠實現(xiàn)這四種模式的功能，并且滿足不同患者訓練時身體需求，通過查閱資料和實際考察得出以下技術指標：(1)最高末端轉速 150 r/min； mv(2)最大末端承載能力 10 kg； (3) 兩個腳蹬間距： 0.16 m-0.2 m；(4)主體部分質量不超過 15 kg； (5)主體部分的體積不大于 0.6×0.15×2 m。 2.2 下肢被動康復訓練機構的組成本文所設計的腳踏式下肢被動康復訓練機構主要帶動人體下肢實現(xiàn)圓周踏車運動。腳掌與腳蹬用繃帶緊固在一起，在人體的矢狀面內下肢髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)連續(xù)不斷地做屈腿和伸腿運動。以下圖 2.3 是其系統(tǒng)框圖。下肢康復訓練機構圖 2.3 下肢康復訓練機構系統(tǒng)框圖(1)下肢被動康復訓練機構調整支架設計 下肢被動康復訓練機構主要通過圓周踏車運動來對患者進行康復訓練，但是如果患者一成不變的保持同一姿勢持續(xù)進行訓練，患者就會逐漸對訓練失去興趣，在心理甚至生理上產生消極抵觸的反應，從而使康復訓練的效果不盡人意。除此之外，由于患者身高等因素的影響，使得不同患者對訓練機構高度的要求也不盡相同。綜上所述，為了提升康復訓練的效果，并且滿足不同患者的需求，本文設計的康復訓練機構對調整支架進行了設計。(2)動力單元的設計動力單元主要是為執(zhí)行元件提供能量。(3)傳動機構機械傳動機構，可以將動力所提供的運動的方式、方向或速度加以改變，被人們有目的地加以利用。本文下肢被動康復訓練機構的傳動機構的設計主要包括下肢被動康復訓練機構中的齒輪傳動和腳踏板與人體下肢組成的連桿機構的設計。（4）控制模塊控制模塊也是下肢被動康復訓練機構比較重要的一部分，本文設計的下肢被動康復訓練機構有四種不同的模式，控制模塊主要是控制機構的運動速度、位置和力矩，從而實現(xiàn)這四種不同的訓練模式。2.3 機械部分設計2.3.1 調整支架部分的設計根據(jù)前文，本文對下肢被動康復訓練機構設計了由立柱和電動推桿組成的調整支架部分。電動推桿進行伸縮以此來調節(jié)調整支架的訓練高度。2.3.2 動力單元的設計氣壓驅動、液壓驅動和電氣驅動這三種驅動方式是目前機器人機構所普遍使用的驅動方式。表 2.4 為三種驅動方式的比較。調整支架動力單元傳動單元控制機構表 2.4 氣壓驅動、液壓驅動和電氣驅動比較優(yōu)點 缺點氣壓驅動1.介質來源方便 2.響應快 3.調節(jié)方便 4.易于維護 5.適應能力強1.精度差 2.輸出功率小 3.穩(wěn)定性差 4.噪音大液壓驅動1.承載能力大 2.無極調速范圍大 3.傳動平穩(wěn) 4.操作方便 5.安全可靠1.能量損耗大 2.傳動效率低 3.實現(xiàn)定傳動比困難 4.油液受溫度影響電氣驅動1.運動精度高 2.響應速度快 3.驅動效率高4.信號的采集、處理方便 5.易于控制 6.不污染環(huán)境等根據(jù)以上三種驅動方式的比較，并且結合康復機器人的性能要求、應用場合以及特殊的工作對象，下肢被動康復訓練機構的驅動方式選擇電氣驅動。2.3.3 齒輪傳動設計下肢被動康復訓練機構系統(tǒng)運行的關鍵部分是訓練部分。通過訓練機構轉動從而帶動人體的下肢在合理安全范圍內做往復的圓周運動來對患者進行康復訓練是本文所設計的下肢被動康復訓練機構的主要原理。本文所設計的訓練機構和人體的下肢共同構成了一個四連桿桿機構，老年人或者下肢殘疾的患者是本文所設計的下肢被動康復訓練機構所訓練的主要群體，所以安全性能要求很高，盡量要避免給患者造成二次傷害，由此所設計的訓練機構傳動一定要平穩(wěn)，對患者下肢的沖擊一定要小。因為齒輪傳動有效率高，結構緊湊，傳動比穩(wěn)定，工作可靠，壽命長等優(yōu)點，而且圓錐齒輪傳動能夠實現(xiàn)兩垂直軸之間的傳動，所以我們采用的是圓錐齒輪傳動的傳動方式。2.3.4 腳蹬的設計當患者進行下肢康復訓練時，化簡為圖 2.4 所示的下肢運動簡圖，患者坐在座椅上，進行腳踏車運動，為了使患者能夠達到最好的訓練效果，應該盡可能的使下肢各關節(jié)在各自的運動范圍內達到最大。表 2.5 為圖 2.4 中各字母所代表的含義。表 2.5 字母含義由圖 2.2 和表 2.3 可知坐姿狀態(tài)下大腿與小腿的夾角ABC 的范圍為 75°-180°，字母 D C B A O OE CE含義肩關節(jié)髖關節(jié)膝關節(jié)腳踏板轉柄轉柄轉軸中心轉柄轉軸到髖關節(jié)所在水平面的垂直距離轉柄轉軸到髖關節(jié)的水平距離大腿和人體垂直軸的夾角BCD 的范圍 65°-120°。 圖 2.4 下肢運動示意圖 2.4 控制模塊設計控制模塊也是下肢被動康復訓練機構比較重要的一部分，本文設計的下肢被動康復訓練機構有四種不同的模式，控制模塊主要是對機構的運動速度、位置及力矩進行控制，從而實現(xiàn)這四種不同的訓練模式。本文設計的下肢被動康復訓練機構主要有三個子系統(tǒng)，分別是上位機控制系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)和傳感反饋系統(tǒng)。上位機控制系統(tǒng)主要包括 ARM 主控微機和人機交互界面。ARM 主控微機負責對整個控制系統(tǒng)進行管理以及運行上層控制算法，人機交互界面主要用于設置訓練模式、設定相關訓練參數(shù)以及顯示康復訓練效果；運動控制系統(tǒng)即直流電機控制器，負責接收并解釋上位機控制系統(tǒng)指令，不僅要能控制和驅動電機帶動患肢實現(xiàn)平滑連續(xù)的軌跡運動，而且還要能根據(jù)不同的上位機控制指令對驅動電機實時地做出相應調整，進而帶動患肢執(zhí)行不同模式、不同強度的運動訓練；傳感反饋系統(tǒng)包括各類傳感器及相應的處理模塊，主要用于檢測并實時反饋傳感器采集的轉柄位置、速度以及患肢與康復訓練器之間的相互作用力等運動參數(shù)?；颊呷藱C交互頁面主控微機圖 2.5 硬件控制系統(tǒng)下肢康復訓練機構直流電機增量式編碼器扭轉傳感器控制器數(shù)據(jù)采集模塊復位接近快關電刺激訓練模塊3 下肢被動康復訓練機構設計及運動分析3.1 下肢康復訓練機構調整支架的設計立柱和電動推桿構成了下肢被動康復訓練機構的調整支架，設計方案如圖 3.1 所示。圖 3.1 下肢被動康復訓練機構調整支架下面我們主要針對電動推桿進行設計。 目前，電動推桿的市場是很成熟的，所以我們直接對電動推桿進行選購。對電動推桿進行選型，要確定電動推桿在運動過程當中的最大推力值。下面對電動推桿推力的大小進行確定。如圖 3.2 為機構主體部分在兩個極限位置時兩電動推桿長度的變化。暫時給定兩極限位置的差值為 285 mm。圖 3.2 兩極限位置時電動推桿長度變化 圖 3.3 電動推桿推力求解坐標系 平面任意力系平衡的充要條件為：（二維靜力學平衡條件）(3-1)0)(0,iyixi FMF，根據(jù)二維靜力學平衡條件，對下肢被動康復訓練機構主體部分進行受力分析，建立推力求解坐標系，如圖 3.3 所示，圖中各字母代表含義及主要數(shù)據(jù)見表 3.1 。表 3.1 字母含義及主要數(shù)據(jù)字母 l h r位置名稱下肢被動康復訓練機構主體部分與立柱的夾角電動推桿與立柱的夾角立柱高度（電動推桿末端鉸鏈到主體部分練機構末端鉸鏈的距離）電動推桿推力作用點到下肢被動康復訓練機構末端鉸鏈的距離下肢被動康復訓練機構質心到下肢被動康復訓練機構末端鉸鏈的距離數(shù)據(jù) 17°-98° 620mm 230mm 400mm其中 (3-2)cosinarthl代入 3.1 中參數(shù)化簡得(3-3)cs236iartn由圖 3.3 和表 3.1 列平面任意力系方程：(3-4)0sincosin0GrhFxyAx即 (3-5) 0sinicossin0i GrFhhAyx式中 F、F x、F y分別為電動推桿推力大小和 x、y 方向分力大小(N)； FAx、F Ay分別為支架在 x、y 方向的約束力大小 (N)； G下肢被動康復訓練機構主體部分重力大小(N)；將 G=150 N 及表 3.1 中的參數(shù)代入式(3-5) 中，得到 F 關于 和 的表達式：(3-6)sin(2360F將式(3-3)和式(3-6)聯(lián)立，從而得到 F 與 的關系式：(3-7) )cos236inarctsin(23s式中 ，計算得 Fmax=285 N，即電動推桿推力最小應能達到 285 N。)9817(由于在訓練過程中，電動推桿要承受人體下肢的部分質量，綜合考慮，最終確定電動推桿推力為 350 N。 表 3.2 列出了所選擇的電動推桿的具體參數(shù)。表 3.2 電動推桿相關參數(shù) 生產廠家 型號 額定電壓 行程 功率 推力BOSGOAL TG-300B 24 V 300 mm 40W 350 N為了避免在下肢康復訓練過程中機器忽然斷電等原因對患者的下肢造成二次傷害，我們所選擇的這款電動推桿內置有限位開關，具有自鎖功能，并且噪音低。3.2 下肢被動康復訓練機構主體部分設計3.2.1 減速器的設計與選型在減速器方面，因為行星減速器具有承載能力高，體積小、重量輕，運轉平穩(wěn)，使用壽命長，噪聲低等優(yōu)點，在石油化工、起重運輸、醫(yī)療康復器械、工程機械、輕工紡織、儀器儀表、汽車、兵器、船舶和航空航天等行業(yè)都有非常廣泛的應用，所以本文所設計的下肢被動康復訓練機構選用的行星減速器，減速比為 16:1，表 3.3 為行星減速器的相關參數(shù)。表 3.3 行星減速器相關參數(shù) 生產廠家 減速器型號 長度 輸出轉矩 工作效率 空載回差 減速比埃依琪 P52HA 53.5 15Nm 81% 0.8 16:13.2.2 圓錐齒輪的傳動設計與選型圓錐齒輪傳動是以大端參數(shù)為標準值的，以下為圓錐齒輪傳動的設計步驟：通常取 （大端壓力角）=20°，ha*（齒頂高系數(shù)） =1，c* （頂隙系數(shù)）=0.2 。由以上驅動電機和行星減速器的選取，可知圓錐齒輪的減速比為 2:1。(1)選精度等級、材料及齒數(shù)。1)醫(yī)療康復器械的傳動比的要求都嚴格，選 6 級精度(GB 10095-88)。2)選擇小齒輪材料為 40Cr，大齒輪材料為 45 鋼。3)初選小齒輪齒數(shù) z1=19，大齒輪齒數(shù) z2= 2 × 19=38。 (2)按齒面接觸疲勞強度進行設計。齒面接觸疲勞強度的設計公式為：（3-8）32121 )5.0()(9. uKTZdRHE式中d1分度圓直徑(mm)；ZE彈性影響系數(shù) (MPa1/2)； H接觸疲勞許用應力(MPa) ； K載荷系數(shù)； T1小圓錐齒輪傳遞轉矩(Nm)；R齒寬系數(shù)； u傳動比。其中， ，P 1輸入功率，n 1小圓錐NmnpT24.61/490.5.15.9221 齒輪轉速。查表選取齒寬系數(shù) R=1/3，彈性影響系數(shù) ZE=189.8MPa1/2，接觸疲勞許用應力 H=522.5MPa。將以上參數(shù)值代入式（3-7），得到 d138.23mm，修正之后最小值 d1=37.24mm，模數(shù) m=d1/z1=1.96mm。(3)按齒根彎曲強度進行設計。齒面接觸疲勞強度的設計公式為：（3-9）321)5.0(4FSaRYuZKTm式中 YFa齒形系數(shù)； YSa應力校正系數(shù)； F彎曲疲勞許用應力。其中，查表得 YFa=2.85、 YSa=1.54，由上文已知其他參數(shù)，彎曲疲勞許用應力大小圓錐齒輪分別為 F1=238.86 MPa， F2=303.57 MPa。將上述參數(shù)值代入式(3-8) 中，得 m1.36 mm，取 m=1.36mm。 對比上述計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù) m 的大小主要取決于齒根彎曲疲勞強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關，可取由彎曲疲勞強度所得的模數(shù) 1.36 并就近圓整為標準值 m=1.5 mm，按齒面接觸強度所得的分度圓直徑 d1=37.24 mm，算得小齒輪的齒數(shù)z1= =24.8325md大齒輪齒數(shù) z2=2 25=50。 (4)確定圓錐齒輪的幾何尺寸。表 3.4 為圓錐齒輪幾何尺寸計算結果。 表 3.4 圓錐齒輪主要參數(shù) 名稱 小圓錐齒輪 大圓錐齒輪分度圓直徑(mm) 37.5 75分度圓錐角(°) 26.57 63.43錐距(mm) 41.93齒頂高(mm) 1.5齒根高(mm) 1.8齒頂圓直徑(mm) 40.18 76.34齒根圓直徑(mm) 34.28 73.39齒頂角(°) 2.05齒根角(°) 2.46齒頂錐角(°) 28.62 65.48齒根錐角(°) 24.11 60.97分度圓齒厚(mm) 2.36齒寬(mm) 13.98(5)獲得了圓錐齒輪的幾何參數(shù)，從而繪制大圓錐齒輪的零件圖，見附錄 B1。3.2.3 腳蹬的設計與計算按產品功能分，腳蹬所屬產品類型為B，曲柄的長度選取以小身材的人群為標準，設計尺寸定位第 5 百分位的女性尺寸，這樣選取大身材的人群也能夠使用。下肢運動示意圖如圖 3.4。其中，ABC 為人體坐在座椅上進行康復訓練時大腿與小腿夾角BCD、大腿與人體軀干夾角 ABC 都最小時的狀態(tài)； A1B1C 為腳步離開腳蹬的情況下進行康復訓練時下肢與人體軀干夾角最大時的狀態(tài)，此時大腿與小腿在一條直線上。由表 2.1 和 2.2 可知在圖 3-4 中，d=402mm 為大腿長，小腿加上足高為 342mm，鞋厚定為 20mm，所以修正之后的小腿加足高為 362mm，即 e=362mm。一般我們的座椅都會有一個很小的傾角，范圍在 05°，可以忽略不計。圖 3.4 下肢運動示意圖(1)當人體處于 ABC 位置時，BCD=65°，ABC=75°，BC=403mm，AB=362mm，在 ABC 中由余玄定理得(3-10)75cos2AC2ABCB即 (3-11)mindel從而求得：l min=466mm。又 (3-12)2/()(cos2C則 ACB=49°(2)當人體運動處于 A1B1C 位置時，DCA 1=120°，A 1B1C=180°，得(3-13) 649520DO在AOC 中， ，OA=21 76340rr2(3-14)CAOcos即 (3-15)746(262r由此可得：r 2=155mm因此可得到下肢做回轉運動時回轉半徑（即腳蹬曲柄長度）為 155mm，OC=609mm 。 接下來對屬于男女通用的產品的腳蹬進行設計，腳蹬的設計尺寸定為第 50 百分位的尺寸，查閱國標 GB10000-88 得第 50 百分位的尺寸數(shù)據(jù)為：足長男性為 247mm，女性為 229mm；足寬男性為 96mm，女性為 88mm。由此得出腳蹬長度應為(P 50 男 +P50 女 )/2=238mm，同理腳踏板的寬度為 92mm。再加上鞋子寬度 15mm，長度 25mm，修正之后腳蹬長度為 263mm，寬度為 107mm。 3.3 下肢被動康復訓練機構的人機建模及運動分析3.3.1 人機模型的建立將下肢被動康復訓練機構與人體下肢相結合起來時，我們就構建了人機模型。我們人體的下肢主要包括下髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)這三大關節(jié)，這三大關節(jié)相互協(xié)調，從而使下肢能夠完成一些復雜的運動。在患者進行下肢康復訓練時，主要是使下肢在矢狀面內進行一些簡單的活動，而下肢在冠狀面和橫斷面的運動只是輔助運動，對于下肢康復治療并沒有顯著的治療效果，并且這對于一些初期進行下肢康復治療的患者難度很大，操作不當反而不利于下肢康復治療，所以本文所設計的下肢被動康復訓練機構主要帶動人體下肢在矢狀面內進行簡單地踏車圓周運動。因為本文所設計的下肢被動康復訓練機構針對的是下肢運動有障礙的患者，他們的下肢活動不是很靈活，所以出于對患者進行下肢康復訓練時安全的考慮，我們將腳掌與腳蹬之間用繃帶緊固連接起來，這樣患者下肢關節(jié)只能在矢狀面內做簡單的訓練，自由度為 1。下圖 3.5 a)為一個平面閉環(huán)鉸鏈五桿機構的人機模型，因為人體左腿與右腿在下肢康復訓練過程中所接受的訓練是一樣的，即左腿和右腿的運動規(guī)律是一樣的，所以只建立一條腿的人機模型即可。在此人機模型中，將人體的上肢下肢各關節(jié)簡化成剛性鉸鏈，基桿為視為靜止不動的人體軀干、座椅和下肢被動康復訓練機構組成的連桿，下肢被動康復訓練機構的轉柄可視為一個連桿，它與基座形成一個轉動副，腳掌和踏板固連時可視為一連桿與踏板轉軸之間形成一轉動副，再加上人體下肢(單腿)簡化的鉸鏈三連桿模型，最終構成一個平面閉環(huán)鉸鏈五連桿模型，這就是患者在進行踏車訓練時所構成的人機模型。 3.5 a) 平面閉環(huán)鉸鏈五連桿模型 下圖 3.5 b)為平面閉環(huán)鉸鏈四連桿機構的人機模型。在對患者進行下肢康復訓練的初期，即患者在被動訓練模式和功能性電刺激訓練模式下，患者的下肢肌肉基本上是發(fā)不出力的，患者下肢的運動基本上都是由康復訓練機構帶動的。因此出于對患者安全的考慮，我們設計了可拆卸的小腿護具，使小腿、腳掌和腳蹬緊固連接起來，用于保護患者。由此將上文的平面閉環(huán)鉸鏈五連桿機構模型簡化成了平面閉環(huán)鉸鏈四連桿機構模型。3.5 b) 平面閉環(huán)鉸鏈四連桿模型3.3.2 被動訓練時人機模型運動分析在患者進行被動訓練時，患者下肢以預定速度進行實現(xiàn)圓周踏車運動，這樣患者下肢關節(jié)得到了活動，下肢肌肉就得到了放松，防止了肌肉萎縮等不良后果。通過以上分析，患者在進行被動訓練時，我們可以將患者和機構看做平面閉環(huán)鉸鏈四桿模型，自由度為 1，圓周運動的實現(xiàn)主要通過末端轉柄的活動，此時，小腿和足固連在一起，末端軌跡是已知的，所以我們主要分析大腿和小腿位姿以及髖關節(jié)、膝關節(jié)的角速度與已知的轉柄的運動狀態(tài)之間的關系。下面通過列矢量方程的方法求解各桿件之間運動學關系。以平面閉環(huán)鉸鏈四桿作為模型建立復數(shù)坐標系，坐標原點為髖關節(jié)中心，如圖 3.6。表 3.6 為圖 3.5 中各字母含義。表 3.4 各字母含義字母 O A B C l1含義 髖關節(jié)中心 膝關節(jié)中心 踏板轉軸中心 轉柄轉軸中心 大腿長度字母 l2 l3 l4 a b含義膝中到轉柄中距離轉柄長度髖關節(jié)到轉柄轉軸距離小腿長度踝中到轉柄中距離字母 123含義 大腿絕對角度膝中到轉柄中連線絕對角度轉柄的絕對角度基桿(髖關到轉軸距離連線) 絕對角度小腿絕對角度在進行被動訓練時，轉柄的運動狀態(tài)已知，需要求得大腿和小腿的位姿 以及、1髖關節(jié)和膝關節(jié)的角速度 與轉柄的運動狀態(tài) 之間的關系。、1 3、圖 3.6 被動訓練時平面閉環(huán)鉸鏈四桿模型（1）大腿和小腿位姿分析。以 B 點為研究對象，由 OAB 和 OCB，可列一位置向量方程 (3-16)CBOA式（3-16 ）用復數(shù)表示為(3-17)3421 jjjj ellel把式(3-17)中的 項移到等號的右邊，然后，等號兩邊乘上它們各自的共軛復數(shù) 1j(3-18)()( 13413422 jjjjjjjj ellellll 利用歐拉公式 可將式(3-17) 展開，并合并同類項，得到 sincoej(3-19)cos(2)cos(2)( 313143431412321 lllll將上式展開，得(3-20)14343242311314 )cos(in)in)sco(lll ll令(3-21)143432423134231 )cos(sinicolllAll 則有(3-22)3121sincoA求解方程，得到 關于 的表達式(3-23)arctn(31221求得 關于 的表達式后，將式（3-17）展開，有3(3-24)sin(co)sin(co)sin(co)si(co 33442211 jljljljl 將上式實部和虛部分開，得到(3-25)1342 coscossiiinillll將上式上下兩式相除，整理得到 關于 的表達式23