多功能康復(fù)椅虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)含SW三維及6張CAD圖
多功能康復(fù)椅虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)含SW三維及6張CAD圖,多功能,康復(fù),痊愈,虛擬,樣機(jī),設(shè)計(jì),sw,三維,cad
目錄
摘要 II
Abstract III
第一章 緒論 1
1.1 康復(fù)機(jī)器人的簡介 1
1.2 下肢康復(fù)椅的研究現(xiàn)狀 2
1.2.1 康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展 2
1.2.2 國內(nèi)外康復(fù)機(jī)器人的現(xiàn)狀 2
1.3 下肢康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)及其意義 3
1.4 本章小結(jié) 4
第二章 康復(fù)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 5
2.1 康復(fù)機(jī)器人的服務(wù)對象研究 5
2.1.1 康復(fù)機(jī)器人的需求調(diào)查 5
2.1.2 康復(fù)機(jī)器人適用對象的調(diào)查 5
2.2 康復(fù)機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)及其原理 6
2.3 康復(fù)椅的六自由度平臺(tái)的設(shè)計(jì) 7
2.3.1 六自由度平臺(tái)的簡介 7
2.3.2 液壓六自由度平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7
2.4 前肢運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì) 9
2.5 腳腕部分的設(shè)計(jì) 11
第三章 康復(fù)椅的主要控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 12
3.1 康復(fù)椅中六自由度平臺(tái)的控制方案 12
3.1.1 液壓六自由度平臺(tái)的控制原理 12
3.1.2 主要參數(shù)元件的設(shè)計(jì)及選擇 14
3.1.3 六自由度液壓油箱的設(shè)計(jì)及其計(jì)算 18
3.2 驅(qū)動(dòng)前肢的絲杠部分的控制方案 22
3.3 本章小結(jié) 23
第四章 多功能康復(fù)椅的 Adams 仿真分析 24
4.1 虛擬樣機(jī)與 Adams 仿真分析簡介 24
4.2 康復(fù)椅中六自由度平臺(tái) Adams 中建模的過程 25
4.2.1 adams 建模 25
4.2.2 模型約束和驅(qū)動(dòng)的添加 26
4.3 六自由度平臺(tái)空間位置的計(jì)算 28
4.4 反解研究液壓平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 29
4.4.1 由反解加載驅(qū)動(dòng)控制 29
4.4.2 不同情況下各個(gè)液壓缸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 30
4.5 正解液壓平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 41
4.6 前肢部分的仿真模擬 44
4.7 聯(lián)合仿真 45
4.8 本章小結(jié) 48
第五章 結(jié)論與展望 49
參考文獻(xiàn) 51
致謝 52
摘要
隨著社會(huì)的發(fā)展，醫(yī)療輔助機(jī)器人日益出現(xiàn)在我們的視線里，現(xiàn)在應(yīng)用在醫(yī)
療領(lǐng)域，最為大家熟知的是使用的機(jī)器人來進(jìn)行精密手術(shù)的控制。現(xiàn)在出現(xiàn)各種
各樣的康復(fù)機(jī)器人，它的研究貫穿了康復(fù)醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)械學(xué)、機(jī)械力學(xué)、
電子學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及機(jī)器人學(xué)等諸多領(lǐng)域，已經(jīng)成為了國際機(jī)器人
領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前，康復(fù)機(jī)器人已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到康復(fù)護(hù)理、假肢和康
復(fù)治療等方面，這不僅促進(jìn)了康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展,也帶動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域的新技術(shù)和新
理論的發(fā)展。
現(xiàn)在由于各種原因造成肢體的殘疾的患者在人工輔助運(yùn)動(dòng)的時(shí)候需要耗費(fèi)很
大的人力，在現(xiàn)在日益老齡化和快節(jié)奏的生活里，很難對需要幫助的人一個(gè)完善
系統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練，所以希望設(shè)計(jì)一款代替人工的康復(fù)椅，給予需要幫助的人一個(gè)
系統(tǒng)的恢復(fù)。
本文主要主要研究對下肢康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和虛擬樣機(jī)的仿真，本文的主要
重點(diǎn)是六自由度平臺(tái)的建模和設(shè)計(jì)。通過對平臺(tái)的控制來精確的控制來實(shí)現(xiàn)坐在
椅子上人的腰背部的運(yùn)動(dòng)，通過控制絲杠的運(yùn)動(dòng)來控制人的腿部的運(yùn)動(dòng)，模擬人
身體的運(yùn)動(dòng)，被動(dòng)的使患者的肌肉得到運(yùn)動(dòng)，防止肌肉的萎縮。先在 solidworks
中進(jìn)行三維建模，根據(jù)人體工學(xué)，建立的模型符合人的身體比例。通過對六自由
度平臺(tái)的搜集資料，最后決定采用電液控制的摸設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)液壓回路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的
運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)行 adams 仿真時(shí)，六自由度平臺(tái)的仿真時(shí)重點(diǎn)，對于多自由度的機(jī)器
人的仿真，通過反求，求出液壓缸的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后在通過正求，加載每個(gè)液壓
缸的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而完成仿真。多功能康復(fù)椅的應(yīng)用前景廣泛，需要進(jìn)一步的完
善。
關(guān)鍵詞：康復(fù)椅、并聯(lián)機(jī)器人、六自由度平臺(tái)、adams 仿真
IV
Abstract
With the development of society, medical assistant robot has appeared in my sight,
is now used in the medical field, the most well known is the use of robots to control
precision operation. There is now a wide variety of rehabilitation robot, it runs
through the rehabilitation medicine, biomechanics, mechanics, mechanics, electronics,
materials science, computer science and robotics and other fields, has become a
research hotspot in the field of international robot. At present, the rehabilitation robot
has been widely applied to the rehabilitation nursing, prosthesis and rehabilitation
therapy, which has not only promoted the development of rehabilitation medicine,
also contributed to the development of new technology and new theory in the area of.
Now, because of various reasons causing physical disability patients will need a lot of
manpower in the artificial auxiliary movement, in the now aging and the fast pace of
life, it is difficult to help people in need of a perfect training system, so we hope to
design a substitute for manual rehabilitation chair back, who need help the people of a
system.
This paper mainly studies the simulation design of the lower limbs rehabilitative robot
and virtual prototype, the main focus of this paper is the modeling and design of six
degree of freedom platform. Controlled by control of the platform to precisely to sit
on the chair of human lumbar motion, to control by controlling the screw motion of
the leg movement, simulation of human body movement, passive patient's muscle
exercise, prevent muscle atrophy. The first 3D modeling in SolidWorks, according to
human body engineering, the model accord with human body proportion. By six
degrees of freedom platform to collect data, finally decided to adopt a touch design of
electro-hydraulic control, hydraulic circuit design to realize the complex motion. In
the ADAMS simulation, simulation of six degrees of freedom platform with emphasis,
simulation for robots with many degrees of freedom, the reverse, the trajectory of the
hydraulic cylinder, and then through to beg, trajectory loading of each cylinder, thus
completing the simulation. Application of multifunctional rehabilitation chair widely,
needs further improvement.
Keywords: chair, recovery of 6-dof parallel robot, Adams,
simulation platform
第一章 緒論
1.1 康復(fù)機(jī)器人的簡介
康復(fù)機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人和醫(yī)用機(jī)器人的結(jié)合。20 世紀(jì) 80 年代是康復(fù)機(jī)
器人研究的起步階段,美國、英國和加拿大在康復(fù)機(jī)器人方面的研究處于世界的
領(lǐng)先地位。1990 年以前全球的 56 個(gè)研究中心分布在 5 個(gè)工業(yè)區(qū)內(nèi)：北美、英
聯(lián)邦、加拿大、歐洲大陸和斯堪的納維亞半島及日本。1990 年以后康復(fù)機(jī)器人
的研究進(jìn)入到全面發(fā)展時(shí)期。目前,康復(fù)機(jī)器人的研究主要集中在康復(fù)機(jī)械手、
醫(yī)院機(jī)器人系統(tǒng)、智能輪椅、假肢和康復(fù)治療機(jī)器人等幾個(gè)方面。
康復(fù)機(jī)器人的主要作用體現(xiàn)在兩個(gè)方面，第一就是幫助由于疾病造成的癱
瘓，或者是因意外傷害造成的肢體運(yùn)動(dòng)障礙的人提高運(yùn)動(dòng)能力，這部分作用的機(jī)
器人稱作康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人；第二就是輔助肢體運(yùn)動(dòng)，完成肢體的某個(gè)運(yùn)動(dòng)，這部
分機(jī)器人成為機(jī)器人假肢?？祻?fù)機(jī)器人由計(jì)算機(jī)進(jìn)行精確的控制，并配有相應(yīng)的
傳感器和安全系統(tǒng)，可以根據(jù)病人的實(shí)際情況調(diào)節(jié)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)最佳的鍛煉效
果。
康復(fù)機(jī)器人的目前主要的成果包括以下幾個(gè)方向：手部康復(fù)機(jī)器人，手臂康
復(fù)機(jī)器人，下肢康復(fù)機(jī)器人，及其行走機(jī)器人。目前康復(fù)機(jī)器人更加人性化設(shè)計(jì)，
通過對人體的生物機(jī)能和傳感器技術(shù)相結(jié)合，主動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)人的肢體的運(yùn)動(dòng)，
做到更加的精確，效果更明顯?？祻?fù)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展對于提高患者的康復(fù)質(zhì)量，
減少患者的病痛，減輕社會(huì)負(fù)擔(dān)具有重大的意義。由于各種原因造成運(yùn)動(dòng)障礙的
患者越來越多，人們對康復(fù)機(jī)械的需求越來越多，需求的形式也是多種多樣的，
針對不同的病人會(huì)出現(xiàn)不同的康復(fù)機(jī)械，其發(fā)展的方向更加的人性化，更加的專
業(yè)化。在西方國家，康復(fù)機(jī)械發(fā)展的很全面，趨于更加的高端，我國的康復(fù)機(jī)械
需要更多的投入，需要更加專業(yè)的人開發(fā)。在這個(gè)方面未來會(huì)有更廣的發(fā)展，會(huì)
帶動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
52
1.2 下肢康復(fù)椅的研究現(xiàn)狀
1.2.1 康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展
20 世紀(jì) 80 年代是康復(fù)機(jī)器人研究的起步階段,美國、英國和加拿大在康復(fù)
機(jī)器人方面的研究處于世界的領(lǐng)先地位。1990 年以前全球的 56 個(gè)研究中心分
布在 5 個(gè)工業(yè)區(qū)內(nèi)：北美、英聯(lián)邦、加拿大、歐洲大陸和斯堪的納維亞半島及
日本。1990 年以后康復(fù)機(jī)器人的研究進(jìn)入到全面發(fā)展時(shí)期。目前,康復(fù)機(jī)器人的
研究主要集中在康復(fù)機(jī)械手、醫(yī)院機(jī)器人系統(tǒng)、智能輪椅、假肢和康復(fù)治療機(jī)器
人等幾個(gè)方面。目前最新的產(chǎn)品是 Handy1，Handy1 康復(fù)機(jī)器人是目前世界上最
成功的一種低價(jià)的康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，現(xiàn)在有 100 多名嚴(yán)重殘疾的人經(jīng)常在使用
它。在許多發(fā)達(dá)國家都有人采用了這種機(jī)器人。
根據(jù)現(xiàn)在機(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，通過傳感器控制，完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，完成輔助的任務(wù)。
1.2.2 國內(nèi)外康復(fù)機(jī)器人的現(xiàn)狀
國外的機(jī)器人做的最具代表的是上文提到的
Handy1 康復(fù)機(jī)器人，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，它具有話音識(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(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。
國內(nèi)的康復(fù)機(jī)器人的研究主要集中在假肢上，只有部分的科研機(jī)關(guān)開始關(guān)注
康復(fù)機(jī)器人，至今國內(nèi)的成果也是可觀的，出現(xiàn)了下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人等各種康
復(fù)機(jī)器人的專利。目前，國內(nèi)在該領(lǐng)域進(jìn)行研究的主要有清華大學(xué)、上海交通大
學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。其中，上海交通大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)合作展開了
“神經(jīng)的運(yùn)動(dòng)控制與控制信息源的研究”。其研究目的是提取神經(jīng)信息，利用神
經(jīng)信息來控制電子假手。七個(gè)自由度假手模擬裝置已設(shè)計(jì)完成，神經(jīng)信息的提取
正在進(jìn)行動(dòng)物試驗(yàn)，信息的整合與控制電路的設(shè)計(jì)進(jìn)展順利。我國醫(yī)療設(shè)備自動(dòng)
化程度較高的大多數(shù)為進(jìn)口設(shè)備，成本較高．因此，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，該領(lǐng)
域技術(shù)研究的深入，康復(fù)設(shè)備的國產(chǎn)化具有必然性及可行性。
1.3 下肢康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)及其意義
研究下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，主要是對于要進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練的人來說，下肢
康復(fù)主要是以活動(dòng)腿部的肌肉為主要的目的，模擬人在運(yùn)動(dòng)過程中腿部肌肉的活
動(dòng)規(guī)律，鍛煉下肢肌肉，防止肌肉的萎縮。同時(shí)，研究人的腰背部的運(yùn)動(dòng)，通過
控制元件，帶動(dòng)坐在機(jī)器上的人的運(yùn)動(dòng)。本文的設(shè)計(jì)主要是通過患者固定在康復(fù)
椅上，通過控制六自由度平臺(tái)，來實(shí)現(xiàn)患者腰背部的運(yùn)動(dòng)，這樣減少了病人長期
臥床而不能得到鍛煉的痛苦，這也那也減少護(hù)理人員的工作強(qiáng)度，通過控制絲杠
的運(yùn)動(dòng)，來控制腿部的運(yùn)動(dòng)，對腿部肌肉運(yùn)動(dòng)具有很大幫助，通過控制腳踏板的
運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)腳腕的運(yùn)動(dòng)。
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，對下肢的康復(fù)
訓(xùn)練起到輔助的作用。 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，對于下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究在對以后研究其他的
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 本章小結(jié)
本章主要闡述了康復(fù)機(jī)器人的背景，發(fā)展及其未來的發(fā)展前景，對康復(fù)機(jī)器人
有了更加全面的了解和細(xì)致的把握，接著通過查閱資料和分析畢設(shè)任務(wù)，明確了
多功能康復(fù)椅的設(shè)計(jì)方向和特色之處，明確了設(shè)計(jì)和應(yīng)用康復(fù)機(jī)器人的必要性。
最后自學(xué)了與康復(fù)機(jī)器人有關(guān)的課程，同時(shí)學(xué)習(xí)了關(guān)于控制六自由度平臺(tái)的有關(guān)
知識(shí)，對如何控制平臺(tái)有了更深的了解，為下一步的進(jìn)行設(shè)計(jì)有了更深的了解，
并做了充分的準(zhǔn)備。
第二章 康復(fù)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 康復(fù)機(jī)器人的服務(wù)對象研究
2.1.1 康復(fù)機(jī)器人的需求調(diào)查
根據(jù)第二次全國殘疾人抽樣調(diào)查，目前，我國各類殘疾人總數(shù)８２９６萬人，
殘疾人占全國總?cè)丝诘谋壤秊椋叮常矗?肢體殘疾２４１２萬人，占２９．０
７％，隨著現(xiàn)在社會(huì)的發(fā)展，這個(gè)數(shù)字在不斷上漲，其中下肢殘疾的人數(shù)上漲速
度比較快。由于各種原因造成的下肢殘疾的數(shù)量不斷增加，與之相對應(yīng)的是，社
會(huì)上的康復(fù)設(shè)施資源比較少，有很多的患者難以獲得更加合適的治療方案。替代
人力的康復(fù)方法逐漸走進(jìn)了我們的視線，所以康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)尤為重要，目前
市場上的機(jī)器人主要是輔助訓(xùn)練的機(jī)器人，讓患者能夠逐漸的恢復(fù)運(yùn)動(dòng)能力，缺
少治療性或者是缺少預(yù)防性機(jī)器人。對于那些下肢很難運(yùn)動(dòng)的人來說，輔助訓(xùn)練
的機(jī)器人很難起到作用，所以本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人適用于下肢很難運(yùn)動(dòng)的人和很難
起來運(yùn)動(dòng)的人，所以這個(gè)需求是比較大的。
2.1.2 康復(fù)機(jī)器人適用對象的調(diào)查
本文主要是針對下肢運(yùn)動(dòng)的虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)，主要針對特定的人群，包括長期
臥床的病人，或者是腿部受到較嚴(yán)重的傷害很難進(jìn)行普通的康復(fù)訓(xùn)練。所以就需
要一個(gè)平臺(tái)將患者固定在上面，然后通過控制平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)康復(fù)運(yùn)動(dòng)，其中康
復(fù)運(yùn)動(dòng)包括腿部的抬升運(yùn)動(dòng)，這個(gè)運(yùn)動(dòng)是不負(fù)壓力的運(yùn)動(dòng)，也就是說這個(gè)運(yùn)動(dòng)不
是簡單的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，而是一個(gè)恢復(fù)肌肉功能的運(yùn)動(dòng)，主要是讓長期無法運(yùn)
動(dòng)的肌肉得到運(yùn)動(dòng)，避免肌肉的萎縮。同時(shí)，康復(fù)椅還帶動(dòng)腰部的運(yùn)動(dòng)，活動(dòng)長
期無法得到鍛煉的腰背部，這主要通過設(shè)計(jì)患者固定的椅面的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)患者的
身體能力，和人體工學(xué)以及醫(yī)學(xué)的要求，合理設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)，從而對肌肉的機(jī)能進(jìn)行
恢復(fù)，防止器萎縮。還有附加的功能就是腳腕的運(yùn)動(dòng)，這部分配合腿部的運(yùn)動(dòng)，
可以適當(dāng)調(diào)整，并設(shè)計(jì)了合理余量，調(diào)整腳踏板的運(yùn)動(dòng)幅度。
2.2 康復(fù)機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)及其原理
圖 2- 1 康復(fù)機(jī)械椅的簡圖
多功能康復(fù)椅分為三個(gè)部分，第一部分是椅面，包括六自由度平臺(tái)，這是
康復(fù)椅的核心部分，也是設(shè)計(jì)仿真的主要部分。第二部分是前肢的腿部運(yùn)動(dòng)的部
分，這部分主要是電機(jī)帶動(dòng)絲杠的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)前肢的擺動(dòng)輔助運(yùn)動(dòng)。第三部分是
腳腕部分的運(yùn)動(dòng)主要是電機(jī)帶動(dòng)皮帶輪的運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)腳踏板的運(yùn)動(dòng)。
這個(gè)平臺(tái)主要部分是控制方面，在 solidworks 中無法體現(xiàn)出，因此只能應(yīng)用到
adams 進(jìn)行仿真，對于液壓仿真方面，會(huì)在下文中進(jìn)行詳細(xì)的介紹。
2.3 康復(fù)椅的六自由度平臺(tái)的設(shè)計(jì)
2.3.1 六自由度平臺(tái)的簡介
六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是由六支作動(dòng)筒，上、下各六只萬向鉸鏈和上、下兩個(gè)
平臺(tái)組成，下平臺(tái)固定在基礎(chǔ)上，借助六支作動(dòng)筒的伸縮運(yùn)動(dòng)，完成上平臺(tái)在空
間六個(gè)自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的運(yùn)動(dòng)，從而可以模擬出各種空間運(yùn)動(dòng)
姿態(tài)?？蓮V泛應(yīng)用到各種訓(xùn)練模擬器以及動(dòng)感電影、娛樂設(shè)備等領(lǐng)域，甚至可用
到空間宇宙飛船的對接，空中加油機(jī)的加油對接中。
在加工業(yè)可制成六軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床、靈巧機(jī)器人等。由于六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的研
制，涉及機(jī)械、液壓、電氣、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器，空間運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型、實(shí)時(shí)
信號傳輸處理、圖形顯示、動(dòng)態(tài)仿真等等一系列高科技領(lǐng)域，因而六自由度運(yùn)動(dòng)
平臺(tái)的研制變成了高等院校、研究院所在液壓和控制領(lǐng)域水平的標(biāo)志性象征。六
自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是傳動(dòng)及控制技術(shù)領(lǐng)域的皇冠級產(chǎn)品，掌握了它，在傳動(dòng)和控制
領(lǐng)域基本上就沒有了難題。
2.3.2 液壓六自由度平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)本體結(jié)構(gòu)包括上、下平臺(tái), 變長桿系統(tǒng), 鏈接上、下
平臺(tái)和變長桿的鉸接元件, 力傳感元件, 位移傳感元件等。下平臺(tái)為固定的平
臺(tái)，上平臺(tái)是可動(dòng)的平臺(tái)，采用六根變長機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)部分為液壓缸，通過液
壓控制系統(tǒng)，控制桿的收縮，從而控制平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)資料，位移檢測元件位
移傳感器選用直流差動(dòng)變壓器式位移傳感器。它把振蕩器、相敏解調(diào)器與差動(dòng)變
壓器封裝在一起，只需提供穩(wěn)定的直流電源，就能獲得與位移量成線性關(guān)系的直
流電壓輸出。
鉸接元件采用萬向節(jié)鉸接設(shè)計(jì)。這樣，在之路上，上、下各有轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，
液壓缸伸縮有一個(gè)移動(dòng)自由度，缺少的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度由液壓缸和液壓活塞桿的
相對轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，上下鉸接元件分布的圓半徑為上下平臺(tái)的半徑r =300mm，液壓缸
a
的行程為 125mm，上下平臺(tái)的初始位置的高度為 h=600mm
圖 2- 2 液壓缸的簡易視圖
在 solidworks 中建模，其中液壓缸的采用連個(gè)軸心重合的連桿代替，鉸接出畫
出一個(gè)球鉸，以此來完成鉸
接 。 上 下 平 板 的 距 離
l=500mm，上下平板的半徑
為 300mm。球鉸均勻的分布
在平板上，上下板的球鉸錯(cuò)
開放置。如下圖：
圖 2- 3 六自由度平臺(tái)的示意圖
2.4 前肢運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)
在 solidworks 中 建 模 設(shè) 計(jì) 前 肢 的 連 接 方 式 如 下 圖 所 示 ：
圖 2- 4 前肢驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)圖
其中設(shè)計(jì)前肢的支架的擺角為α=
60 ，其中前肢支架中的球鉸到頂部的距離
?
為 150mm。設(shè)置最初始的位置是支架垂直地面的時(shí)候，這個(gè)時(shí)候絲杠位于初始
的位置，當(dāng)支架位于最大的擺角的位置時(shí)，絲杠螺母向前運(yùn)動(dòng)的距離為
s=150mm。
圖 2- 5 前肢運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)計(jì)算
其中絲杠通過聯(lián)軸器與電機(jī)直接相連，絲杠一段固定，另一端隨著前肢的運(yùn)
動(dòng)而擺動(dòng)，可以通過調(diào)整連桿的位置調(diào)整最大的擺角，以及絲杠的導(dǎo)程來調(diào)整前
肢的擺動(dòng)角度。
在這個(gè)設(shè)計(jì)的過程中使用滾珠絲杠，滾珠絲桿由螺桿、螺母和滾珠組成。它
的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，滾珠絲杠的特點(diǎn)：第一是高精度的保證，
第二是微進(jìn)給可能，滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動(dòng),所以啟動(dòng)力矩極小,不會(huì)出
現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給，第三是無側(cè)隙、剛性高，
滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值,進(jìn)而得到較高的剛性
(滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力,在實(shí)際用于機(jī)械裝置等時(shí),由于滾珠的斥力可
使絲母部的剛性增強(qiáng))。
電機(jī)的選擇：選擇伺服電機(jī)為輸入因?yàn)樗欧姍C(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，
并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線
性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角
速度輸出。
圖 2- 6 松下伺服電機(jī)的類型
根據(jù)需要的扭矩，選擇的電機(jī)為 MADHT1107NA1，其額定的功率為 100w。
通過以上的選擇可以使控制比較的精確，這樣前肢的運(yùn)動(dòng)的較為精確保證了患者
的安全性。
2.5 腳腕部分的設(shè)計(jì)
在 solidworks 中建模腳腕部分的設(shè)計(jì)即如下圖：
圖 2- 7 腳腕部分示意圖
腳腕部分主要是通過伺服電機(jī)帶動(dòng)皮帶輪 1 轉(zhuǎn)動(dòng)，通過皮帶帶動(dòng)腳踏板的帶
輪 2 轉(zhuǎn)動(dòng)，帶輪 2 與腳踏板的軸通過鍵連接，從而實(shí)現(xiàn)腳踏板的擺動(dòng)。在設(shè)計(jì)過
程中，選擇皮帶輪的原因是允許打滑，在一定程度上起到保護(hù)的作用，在過載或
者其他原因造成腳踏板運(yùn)動(dòng)畸變時(shí)，可以保護(hù)患者的腳腕。
電機(jī)的選擇，由于這部分的扭矩比較小可以使用 50w 的電機(jī)，根據(jù)上圖的電
機(jī)類型，選擇松下伺服電機(jī) MADHT1105NA1.其額定的功率為 50w。
2.6 本章小結(jié)
本章主要介紹了多功能康復(fù)椅的設(shè)計(jì)原則，其中包括結(jié)構(gòu)采用的執(zhí)行元件，
以及部分零件的設(shè)計(jì)原則，這為以后的仿真奠定基礎(chǔ)。在以上的介紹中，可知其
中六自由度平臺(tái)的仿真時(shí)康復(fù)椅的重點(diǎn)，這包括了椅面的運(yùn)動(dòng)軌跡，以及各個(gè)液
壓缸的相對運(yùn)動(dòng)長度。還介紹了其他兩個(gè)部分的控制方式，前肢主要是通過滾珠
絲杠來實(shí)現(xiàn)，由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。腳腕主要是通過電機(jī)帶動(dòng)帶輪，從而控
制其運(yùn)動(dòng)。
第三章 康復(fù)椅的主要控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.1 康復(fù)椅中六自由度平臺(tái)的控制方案
3.1.1 液壓六自由度平臺(tái)的控制原理
六.自由度模擬.平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)空間 6 個(gè)自由度的.獨(dú)立及耦合運(yùn)動(dòng).，主要由液
壓控制系統(tǒng) 1、控制及監(jiān)控系統(tǒng) 2、機(jī).架 3 等主要幾個(gè)部分組成。液壓控制系統(tǒng)
包括模擬驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)力泵站系統(tǒng)，模擬驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由六.套液壓作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)，具
有 6 個(gè).獨(dú)立控制.通道既可聯(lián)動(dòng)又可成對或單獨(dú)動(dòng)作，以便使該平臺(tái)模擬缸體在
空間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài); 控制及監(jiān)控系統(tǒng)主要功能是在子系統(tǒng)內(nèi)修正液壓作動(dòng)筒活塞
行程與指.令的偏差，按給定.臺(tái)體質(zhì)心的空間姿態(tài)計(jì)算目標(biāo)控制參量; 動(dòng)力泵站
是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力源，在控制及監(jiān)控系統(tǒng)的控制下為模擬驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力; 機(jī)
架主要用于試驗(yàn)設(shè)備的安裝，它受 6 套液壓作動(dòng)筒控制，在液壓作動(dòng)筒的驅(qū)動(dòng)
下實(shí)現(xiàn)六自由度運(yùn)動(dòng)。
圖 3- 1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)
液壓伺服控制系統(tǒng)主要包含模擬驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和泵站系統(tǒng)，液壓缸的位置指令和準(zhǔn)
確動(dòng)作均通過控制及監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，采用系統(tǒng)集成技術(shù)將各種元件集中安裝在一
起，減少了空間，使其體積小、重量輕。其中，每個(gè)液壓缸的運(yùn)動(dòng)各由一電液伺
服閥控制。當(dāng) 6 組缸各自取一定伸縮長度時(shí)，可唯一確定運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位置姿態(tài)。
通過 6 個(gè)液壓缸的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)平臺(tái)沿 x、y、z 向的平移或繞 x、y、z 軸的
旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及這 6 個(gè)自由度的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，其靈活性相當(dāng)大。與常見的串聯(lián)運(yùn)動(dòng)
機(jī)構(gòu)不同，由于該種結(jié)構(gòu)的平臺(tái)機(jī)構(gòu)有六個(gè)自由度，其 6 個(gè)液壓缸的協(xié)調(diào)動(dòng)作
顯得尤其重要。因?yàn)檫@里每個(gè)液壓缸也能單獨(dú)由伸縮，但這些伸縮給平臺(tái)造成的
是復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，不能得到純單方向的運(yùn)動(dòng)。
動(dòng)力系統(tǒng)為模擬平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)提供能源，由于液壓伺服系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡潔、空
間占用面積小、驅(qū)動(dòng)力大、控制精度高、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)通
過液壓控制來實(shí)現(xiàn)。液壓泵站是動(dòng)力系統(tǒng)的主要部件，主要作用是給系統(tǒng)提供壓
力油，是整個(gè)系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿υ矗瑫r(shí)兼具控制調(diào)解功能，它主要由各種控制閥、
恒壓變量泵、電機(jī)、蓄能器、冷卻裝置和油箱等組成，結(jié)構(gòu)方面采用塊式集成布
置方式，將油路直接做在輔助連接件上或液壓閥的閥體上，借助連接件及其油路
孔道實(shí)現(xiàn)液壓控制閥及其它元件和管路的集成連接和油路連接，具有管件少、結(jié)
構(gòu)緊湊、組裝方便、外觀整齊美觀、油路通路短，不易泄漏、維修方便等優(yōu)點(diǎn)。
圖 3- 2 液壓系統(tǒng)原理圖
液壓系統(tǒng)的工作原理是：控制及監(jiān)控系統(tǒng)分別向六組模擬驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的伺服閥
對應(yīng)的發(fā)出橫搖、縱搖和縱蕩等六組信號，與各自的傳感器反饋回來的信號比較
后，其差值經(jīng)伺服放大器放大，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的伺服閥產(chǎn)生與之對應(yīng)的壓力流量( 液
壓放大) ，使伺服缸的輸出與輸入信號成比例; 同時(shí)伺服缸的傳感器將輸出反饋
到輸入端，構(gòu)成閉環(huán)控制，6 組液壓伺服系統(tǒng)同時(shí)推動(dòng)模擬平臺(tái)做各種搖擺，模
擬實(shí)際環(huán)境。該系統(tǒng)采用分布式計(jì)算機(jī)控制，用單出桿的電液伺服閥控缸作為動(dòng)
力機(jī)構(gòu)，通過計(jì)算機(jī)由軟件進(jìn)行解耦運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)臺(tái)體 6 個(gè)自由度的獨(dú)立和聯(lián)合
運(yùn)動(dòng)。
3- 4 六自由度平臺(tái)的控制電氣-液壓框圖
3.1.2 主要參數(shù)元件的設(shè)計(jì)及選擇
1）液壓缸的選擇：
π
液壓缸輸出力 F= ? D2 ? P
4
則:D=
4*F
π ? P
=
4*300
π ?200
=30cm 考慮到經(jīng)濟(jì)及維護(hù)保養(yǎng)型，選用標(biāo)準(zhǔn)系列的
液壓缸活塞缸，活塞桿的直徑為 40mm，可滿足性能要求。
π
最大的推力：F= ×3.22 ×200
=15kN 最大拉力為：8.5kN
4
3- 4 液壓缸的二維示意圖
液壓油缸的選擇方法：
a、確定系統(tǒng)參數(shù)：①需要移動(dòng)的重量和所需要的力；②公稱工作壓力和范圍；
③需要行進(jìn)此距離的時(shí)間；④油液介質(zhì)
b、安裝方式：為具體的應(yīng)用場合選擇適當(dāng)?shù)姆绞?
c、缸內(nèi)徑和工作壓力：確定缸內(nèi)徑和提供必要的力所需要的系統(tǒng)壓力
d、活塞桿：確定承受縱彎力所需要的最小活塞桿直徑，選擇適當(dāng)?shù)幕钊麠U端和
活塞桿端螺紋
e、活塞：密封件類型是否適應(yīng)應(yīng)用場合
f、緩沖：酌情選擇緩沖要求
2) 液壓泵的流量計(jì)算及液壓泵的選型:
設(shè)計(jì)條件: 按系統(tǒng)六缸同時(shí)動(dòng)作時(shí),其平均速度 vp,按 20mm/s 進(jìn)行計(jì)算，故所需
泵的流量為:
qΣ = 6A*Vpj = 6 × π/4× 64 × 0.2 × 60 = 36 L /min
液壓泵的選擇原則：選擇液壓泵的主要原則是滿足系統(tǒng)的工況要求,并以此為根
據(jù),確定泵的輸出量、工作壓力和結(jié)構(gòu)型式。
a、確定泵的額定流量泵的流量應(yīng)滿足執(zhí)行元件最高速度要求,所以泵的輸出流
量 qp 應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)所需的最大流量和泄漏量來確定
b、確定泵的額定壓力泵的工作壓力應(yīng)根據(jù)液壓缸的最高工作壓力來確定
c、選擇液壓泵的具體結(jié)構(gòu)型式當(dāng)液壓泵的輸出流量和工作壓力確定后,就可以
選擇泵的具體結(jié)構(gòu)型式了
d、確定液壓泵的轉(zhuǎn)速當(dāng)液壓泵的類型和規(guī)格確定后,液壓泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)按產(chǎn)品樣
本中所規(guī)定的轉(zhuǎn)速選用。
3) 壓力控制閥的選型：
根據(jù)變量泵的流量，系統(tǒng)的工作壓力按 p 為 21 MPa，調(diào)節(jié)壓力 21 MPa，最高壓
力 32 MPa 能滿足使用要求。
4) 伺服閥流量確定：
如果設(shè)定每個(gè)缸的最大速度為 0． 3 m/s 則通過閥的流量為
q = 32 × 30 × 60 = 54 L /min
3.1.3 六自由度液壓油箱的設(shè)計(jì)及其計(jì)算
3- 5 液壓油箱的示意圖
1，設(shè)計(jì)油箱的注意事項(xiàng)
在設(shè)計(jì)油箱時(shí)，油箱必須有足夠大的容量，以保證系統(tǒng)工作時(shí)能夠保持一定
的液位高度；為滿足散熱要求，對于管路比較長的系統(tǒng)，還應(yīng)考慮停車維修時(shí)能
容納油液自由流回油箱時(shí)的容量；在油箱容積不能增大而又不能滿足散熱要求
時(shí)，需要設(shè)冷卻裝置。
A、設(shè)置過濾器。油箱的回油口一般都設(shè)置系統(tǒng)所要求的過濾精度的回油過
濾器，以保持返回油箱的油液具有允許的污染等級，油箱的排油口（即泵的吸油
口）為了防止意外落入油箱中的污染物，有時(shí)也裝設(shè)吸油網(wǎng)式過濾器。猶豫這中
過濾器侵入油箱的深處，不好清理，因此，即使設(shè)置過濾網(wǎng)目也是很低的，一般
為 60 目一下。
B、設(shè)置油箱主要有口。油箱的排油口與回油口之間的距離應(yīng)盡可能遠(yuǎn)些，
管口都應(yīng)插入最低油面之下，以免發(fā)生吸空和回油沖濺產(chǎn)生氣泡。管口制成的斜
角，以增大吸油及出油的截面，使油液流動(dòng)時(shí)速變化不致過大。管口應(yīng)面向箱壁。
吸油管離箱底距離（D 為管徑），距箱邊不小于 3D?；赜凸芫嘞涞拙嚯x 。
C、設(shè)置隔板將吸、回油管隔開，使液流循環(huán)，油流中的氣泡與雜質(zhì)分離和
沉淀。隔板結(jié)構(gòu)有溢流式標(biāo)準(zhǔn)型、回油式及溢流式等幾種。另外還可根據(jù)需要在
隔板上安置濾網(wǎng)。
D、在開式油箱上部的通氣孔上必須配置空氣濾清器。兼作注油口用。油箱
的注油口一般不從油桶中將油液直接注入油箱，而是經(jīng)過濾車從注油口注入，這
樣可以保證注入油箱中的油液具有一定的污染等級。
E、放油孔要設(shè)置在油箱底部最低位置，使換油時(shí)油液和污物能順利地從放
油孔流出。在設(shè)計(jì)油箱時(shí)，從結(jié)構(gòu)上應(yīng)考慮清洗換油方便，設(shè)置清洗孔，以便于
油箱內(nèi)沉淀物的定期清理。
F、當(dāng)液壓泵和電動(dòng)機(jī)安裝在油箱蓋板上時(shí)，必須設(shè)置安裝板。安裝板在油
箱蓋板上通過螺栓加以固定。
G、為了能夠觀察向油箱注入的油液上升情況和在系統(tǒng)工作過程中看見液位
高度，必須設(shè)置液位計(jì)。按 GB/T 3766-1983 中 5、2、3a 規(guī)定：油箱的底部應(yīng)離
地面 150mm 以上，以便于搬移、放油和散熱。為了防止油液可能落在地面上，
可在油箱下部或上蓋附近四周設(shè)置油盤。油盤必須有排油口，以便于油盤的清潔。
２、油箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
壓油箱的結(jié)構(gòu)型式，基本上是由矩形板折邊壓形成四棱柱，再用封板堵住
兩側(cè)而構(gòu)成。端部封板及中間隔板由沖壓成形，箱體是經(jīng)四次壓圓角，接頭外焊
接而成的。這種結(jié)構(gòu)的液壓油箱制造工藝較差，主要表現(xiàn)在箱體鋼板下料時(shí)要求
的精度較高；壓形的反彈量因每次供貨鋼板的機(jī)械性能不同有所不同，導(dǎo)致箱體
的圓角與襯板的半徑吻合不良；不同機(jī)型上的液壓油箱必須使用自己專用的一套
壓型模具。每套模具的體積大、造價(jià)高、利用率低。所示的液壓油箱完全不用壓
形模，而是利用折邊機(jī)折邊成形。箱底面及端部，以及箱底面和側(cè)面分別折成Ｕ
形斷面；再焊好加油口和中間隔板等附件后，扣合拼焊而成。這種結(jié)構(gòu)的液壓油
箱具有以下優(yōu)點(diǎn)：下料精度要求不高；對原材料機(jī)械性能適應(yīng)力強(qiáng)；折邊部位可
隨意調(diào)整，適合多品種小批量生產(chǎn)；不用模具，大大節(jié)省了費(fèi)用，縮短了生產(chǎn)周
期等等。這種結(jié)構(gòu)的液壓油箱，近年來被我們廣泛應(yīng)用在工程機(jī)械、建筑機(jī)械等
行走機(jī)械上。
3、油箱的容量設(shè)計(jì)
油箱容量包括油液容量和空氣容量。油液容量是指油箱中的油液最多時(shí)，即
液面在液位計(jì)的上刻度線時(shí)的油液體積。在最高液面以上要留出等于油液容量１
０％～１５％的空氣容量。
１）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步確定
按經(jīng)驗(yàn)，固定設(shè)備用油箱的油液容量應(yīng)是系統(tǒng)液壓泵流量的３～５倍，行走
設(shè)備為 ０．５～１．５倍的泵流量。據(jù)有些國外資料介紹，油箱容量也可以用
公式估算：
Ｖ＝１．２～１．２５（０．２～０．３３×Ｑ＋ＥＺ）
式中：Ｖ——油箱總?cè)萘浚ǎ蹋òǎ保埃ァ保担サ目諝馊萘浚?
Ｑ——開式回路部分液壓泵流量的總和（L / min）
ＥＺ——單作用液壓缸的總?cè)莘e（Ｌ）
如果系統(tǒng)中采用了冷卻器，則油箱容量可以減小。
２） 根據(jù)熱平衡條件驗(yàn)算
（１）已知單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的總發(fā)熱量Ｈ1（J / h）;
（２）單位時(shí)間內(nèi)冷卻器的散熱量（如果有的話）Ｈ２＝Ｑａ·ρｋ·Ｃｐ·Δ
ｔ（J / h）；
式中：Ｑａ——風(fēng)扇風(fēng)量（m3 / h）
ρｋ——空氣密度（取ρｋ＝1.29kg/m3）
Ｃｐ——空氣比熱容（取Ｃｐ＝1008J/kg·K）
Δｔ——散熱溫差（取Δｔ＝１０Ｋ）
（３）單位時(shí)間內(nèi)液壓系統(tǒng)本身由于溫升所吸收的熱量
Ｈ３＝（ｃ１ｍ１＋ｃ２ｍ２）ΔＴ （J / h）
式中：ｃ１——油箱材料的比熱容
（?。悖保?02J/kg·K）
ｃ２——油液的比熱容
（取ｃ２＝１６７４～１８８３J/kg·K）
ｍ１，ｍ２——油箱和油的質(zhì)量（ｋｇ）
ΔＴ ——每小時(shí)系統(tǒng)溫度與環(huán)境溫度之差
（４）單位時(shí)間內(nèi)油箱的散熱量
Ｈ４＝ＫＡΔＴ （Ｊ/ｈ）
式中： Ｋ——油箱散熱系數(shù)（Ｊ/ｍ２·ｈ·Ｋ），其大小與環(huán)境有關(guān)（參見有
關(guān)設(shè)計(jì)手冊）
Ａ——油箱散熱面積（ｍ２）
ΔＴ——系統(tǒng)溫度與環(huán)境溫度之差（一般取≤８０℃）
（５）驗(yàn)算Ｈ４是否稍大于Ｈ１－Ｈ２－Ｈ３，如果相差甚遠(yuǎn)，一方面可重新確
定油箱容量，另一方面，可考慮增大或減小冷卻器，直到合適為止。（為簡單起
見未計(jì)管路及元件表面的散熱。）
此外，還要驗(yàn)算機(jī)器上所有液壓缸全伸狀態(tài)下，油箱的油位不低于最低允許
油位；所有液壓缸全縮時(shí)，油箱的油位不高于最高油位。
3.2 驅(qū)動(dòng)前肢的絲杠部分的控制方案
3- 6 滾珠絲杠的裝配圖
這部分的控制主要是控制伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使絲杠的運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)連桿的運(yùn)
動(dòng)。伺服電機(jī)的控制方式有三種控制方式：速度控制方式，轉(zhuǎn)矩控制方式，位置
控制方式 ?？梢愿鶕?jù)要求選擇合理的控制方式。
滾珠絲杠的導(dǎo)程設(shè)計(jì)原則為：
V
L ≥ max ，根據(jù) Adams 的仿真結(jié)論設(shè)計(jì)滾珠絲
N
max
杠的導(dǎo)程為 5mm。滾珠絲杠的參數(shù)如下所示：
3- 7 滾珠絲杠的參數(shù)
聯(lián)軸器選用彈性套柱銷聯(lián)軸器LT-Y-14，其利用一端套有彈性套（橡膠材料）
的柱銷，裝在兩半聯(lián)軸器凸緣緣孔以實(shí)現(xiàn)兩半聯(lián)軸器的聯(lián)接。具有良好的補(bǔ)償軸
向，徑向和角向軸線偏移性能，減振性能好，結(jié)構(gòu)簡單，工作平穩(wěn)可靠，無噪音，
不用潤滑，維護(hù)方便，裝拆簡單，工藝性好，成本低，通用性好。
3.3 本章小結(jié)
本章主要講述了六自由度平臺(tái)的控制方式，這為下一部分的仿真做了準(zhǔn)備，
對于六自由度平臺(tái)有了更深的了解，六自由度平臺(tái)可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成各種需要
的運(yùn)動(dòng)形式，可以給定各種運(yùn)動(dòng)，從而為后來的康復(fù)訓(xùn)練奠定基礎(chǔ)。六自由度平
臺(tái)主要是采用液壓控制，因?yàn)橐簤嚎刂聘泳_，沒有噪音，精度更高，更加節(jié)
省能量。在對前肢部分的控制方面，主要是應(yīng)用伺服控制系統(tǒng)，伺服控制系統(tǒng)的
好處是給定電壓脈沖信號，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)隨意的控制。
第四章 多功能康復(fù)椅的 Adams 仿真分析
4- 1 adams 仿真軟件
4.1 虛擬樣機(jī)與 Adams 仿真分析簡介
機(jī)械系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)技術(shù)(Virtual Prototyping)即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù),
是一項(xiàng)伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來的新技術(shù)。借助于這項(xiàng)技術(shù), 可以在計(jì)算機(jī)上建
機(jī)械系統(tǒng)的模型, 伴之以三維可視化處理, 模擬在現(xiàn)實(shí)環(huán)境下系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和
動(dòng)力學(xué)特性, 并根據(jù)仿真結(jié)果精化和優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這樣可以提前預(yù)測產(chǎn)品的
性能, 大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間, 節(jié)省開發(fā)費(fèi)用。
虛擬樣機(jī)技術(shù)在發(fā)達(dá)國家, 如美國、德國、日本等都已得到廣泛的應(yīng)用, 其
應(yīng)用領(lǐng)域從汽車制造業(yè)、工程機(jī)械、航空航天業(yè)、造船業(yè)、機(jī)械電子工業(yè)、國防
工業(yè)、通用機(jī)械到人機(jī)工程學(xué)、生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)以及工程咨詢等諸多方面。
ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) 最初由美國
MDI 公司(Mechanical DynamicsInc.) 開發(fā), 目前已被美國 MSC 公司收購成為
MSC/ADAMS,是最著名的虛擬樣機(jī)分析軟件。和其它 CAD 、CAE 軟件比,ADAMS 具
有十分強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)分析功能。而噴涂機(jī)器人工作裝置運(yùn)動(dòng)正可以利用
ADAMS 提供的這些功能進(jìn)行分析, 并可以方便、快捷地得到可視化結(jié)果。
4.2 康復(fù)椅中六自由度平臺(tái) Adams 中建模的過程
4.2.1 adams 建模
ADAMS 作為強(qiáng)大的動(dòng)力學(xué)分析軟件其造型功能與專業(yè)的 CAD 軟件相比要
弱些。Solidworks 功能強(qiáng)大，并且支持 Iges、Parasolid、Step、Dxf、Dwf 等
數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn), 鑒于客觀條件 solidWorks 的諸多優(yōu)點(diǎn)，此次畢業(yè)計(jì)采用了
SolidWorks 來進(jìn)行噴涂機(jī)器人工作裝置的實(shí)體建模。先在 soldworks 中建立六
自由度平臺(tái)的模型，然后再將模型保存為“x_t”的格式，以便于 adams 的打開。
則打開圖如下圖所示：
4- 2 六自由度平臺(tái)的示意圖
4.2.2 模型約束和驅(qū)動(dòng)的添加
圖 4- 3 約束添加完成圖
Joint：Fixed 固接符號：
在導(dǎo)入模型之后我們首先用一個(gè) Joint：Fixed 將下板固接至 Ground 上面，
作 為 整 個(gè) 機(jī) 構(gòu) 的 機(jī) 架 功 能 使 用 。
圖 4- 4 固定副示意圖
移動(dòng)副限制空間5 個(gè)自由度，只保留1 個(gè)直線的自由度。六自由度平
臺(tái)的液壓缸和活塞之間需要相對的滑動(dòng)，因此需要移動(dòng)副作為約束方式，從而保
證兩者相互滑動(dòng)。
圖4-5 移動(dòng)副的添加完成示意圖
Spherical Joint：球鉸
在下板與液壓桿的連接中，由于液壓缸需要自由的擺動(dòng)，所以需要球鉸作為連
接，同理上板與活塞桿的連接需要球鉸連接。
圖 4- 6 球鉸示意圖
為機(jī)構(gòu)添加完所有約束之后，我們利用 Adams/View 的檢測功能對整個(gè)
機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，得出結(jié)論：六自由度平臺(tái)機(jī)構(gòu)只剩下6 個(gè)自由度，結(jié)論正確。機(jī)
構(gòu)實(shí)現(xiàn)確定運(yùn)動(dòng)的條件是其自由度數(shù)目與原動(dòng)件數(shù)目相等。根據(jù)前面的計(jì)算，我
們對其添加驅(qū)動(dòng)。
圖4- 7 校驗(yàn)示意圖
4.3 六自由度平臺(tái)空間位置的計(jì)算
六自由度控制的空間位置和姿態(tài)有 2 種解析方法。
1)反解．即知道平臺(tái)的空問位置和姿態(tài)，求解 6 只液壓缸的長度?？刹捎每?
間坐標(biāo)變換的方法，代人 6 個(gè)未知數(shù)，分別求解出 6 只液壓缸的長度，進(jìn)而計(jì)算
速度以及加速度。
2)正解。即知道 6 只液壓缸的位移,求解平臺(tái)姿態(tài)。目前還沒有正解問題的解
析解，但可以采用迭代方法以及利用計(jì)算機(jī)快速運(yùn)算的特點(diǎn)和鉸鏈的結(jié)構(gòu)條件約
束，求解平臺(tái)姿態(tài)。
利用 adams 進(jìn)行仿真分析計(jì)算,就可獲得各個(gè)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)特性。在仿真分析中，
給定平臺(tái)的姿態(tài)變化規(guī)律，adams 就會(huì)自動(dòng)輸出各液壓缸和上平臺(tái)的位移、速度、
加速度以及其他計(jì)算機(jī)自定義的各種值，如受力、扭矩等。這些仿真結(jié)果在 adams
中可以根據(jù)需要調(diào)用，也可根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，輸出所需要的動(dòng)畫和數(shù)
據(jù)曲線，從而能夠清晰地看出它們在仿真過程中的變化規(guī)律．
本文主要采用反解的方式，對液壓平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行計(jì)算。
4.4 反解研究液壓平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律
4.4.1 由反解加載驅(qū)動(dòng)控制
由上文可知，我們研究椅面的運(yùn)動(dòng)的話需要通過反解，先給定椅面的運(yùn)動(dòng)方式，
然后再分別求出各個(gè)液壓缸的運(yùn)動(dòng)方式。在 adams 中，點(diǎn)驅(qū)動(dòng) 可以做到這
一點(diǎn)，給定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，然后椅面隨之運(yùn)動(dòng)，這樣就可以反求出各個(gè)液壓缸的運(yùn)動(dòng)
規(guī)律包括位移，速度，加速度等，同時(shí)各個(gè)移動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)規(guī)律也會(huì)被調(diào)用出來。
然后我們再通過反求出的各個(gè)液壓缸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律加載到各個(gè)移動(dòng)副上，正求出椅
面的運(yùn)動(dòng)規(guī)律
圖 4- 8 加載點(diǎn)驅(qū)動(dòng)示意圖
4.4.2 不同情況下各個(gè)液壓缸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律
為了研究不同的情況下椅面的運(yùn)動(dòng)規(guī)律我們將分為控制平臺(tái)的自由度的方
式來研究，首先給定上平面一個(gè)方向的自由度一次類推，研究各個(gè)不同情況下平
臺(tái)中液壓缸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
（1）沿 Z 軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)
這個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)必須的，我們在平時(shí)活動(dòng)腰部的時(shí)候會(huì)左右旋轉(zhuǎn)，這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)符合人體
的工學(xué)。
給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律：如圖所示：
圖 4- 9 Z 軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方程
其中：Rot Z disp（time）=-45d*sin（0.4*pi*time）
其中上椅面的運(yùn)動(dòng)的位置曲線為：位置不發(fā)生變化。
圖 4- 10 各個(gè)液壓缸上移動(dòng)副的標(biāo)記圖
Joint_R1/R2/R3/R4/R5/R6 相對于初始位置的相對位移圖表變化：
圖 4- 11 各個(gè)移動(dòng)副相對位移變化圖
在這個(gè)給定的方程的情況下，各個(gè)移動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)規(guī)律比較對稱，其中兩兩相對時(shí)
運(yùn)動(dòng)規(guī)律是相等。
（2）沿 X 軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)
在研究沿著 x 軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，主要是因?yàn)樵谄綍r(shí)鍛煉的時(shí)，我們會(huì)前后擺動(dòng)我們
的臀部實(shí)現(xiàn)，腰部的運(yùn)動(dòng)。
設(shè)計(jì)方程：RX=-25d*sin(0.4*pi*time)
圖 4- 12 沿 x 軸旋轉(zhuǎn)的方程圖
各個(gè)移動(dòng)副相對于標(biāo)記點(diǎn)的位置變化：
圖 4- 13 沿 x 軸旋轉(zhuǎn)各個(gè)移動(dòng)副的位移變化規(guī)律
由圖中的規(guī)律可知，這些變化時(shí)相對比較對稱的，在各個(gè)移動(dòng)副的變化時(shí)，不
會(huì)有大幅度的變化。符合設(shè)計(jì)的要求。
（3）沿 Z 軸的平動(dòng)和沿 X 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)
圖 4- 14 控制兩個(gè)自由度的方程示意圖
其中：Tz=0.15*sin(0.4*pi*time) Rx=-25d*sin(0.4*pi*time)
圖 4-15 上板的運(yùn)動(dòng)規(guī)律
各個(gè)運(yùn)動(dòng)副的相對初始位置運(yùn)動(dòng)規(guī)律：
圖 4- 16 各個(gè)運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)規(guī)律圖
（4）沿 Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)，同時(shí)繞 Y 軸的平動(dòng)。
給定椅面的運(yùn)動(dòng)規(guī)律：
圖 4- 16 椅面的運(yùn)動(dòng)規(guī)律圖
根據(jù)給定的運(yùn)動(dòng)，我們可以獲得上板的質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如下圖所示：
圖 4- 17 椅面的運(yùn)動(dòng)軌跡
由此可得各個(gè)液壓缸的運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)規(guī)律：
圖 4- 18 各個(gè)運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)規(guī)律
（5）任意給定四個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)：沿 X，Y 的平動(dòng)，和 X，Y 的轉(zhuǎn)動(dòng)
則：給定運(yùn)動(dòng)方程，則是：
圖 4- 19 給定四個(gè)自由度方程示意圖
則椅面的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為：如下圖所示
圖 4-20 椅面的運(yùn)動(dòng)規(guī)律
則液壓缸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如下圖示：
圖 4- 21 各個(gè)移動(dòng)副之間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律
（6）任意給定五個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)：給定的方程，如下圖所示
圖 4- 22 方程示意圖
則椅面的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為：
圖 4- 23 椅面的運(yùn)動(dòng)規(guī)律
則各個(gè)液壓缸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如下圖所示：
圖 4- 24 各個(gè)液壓缸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律
同理任意給定六個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)時(shí)：則如下圖所示：
給定的方程如下圖所示：
圖 4- 25 控制方程示意圖
獲得的各個(gè)液壓缸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如下圖：
圖 4-26 各個(gè)液壓缸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律
由上面的給定不同的方程可知道，六自由度平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)各種各樣，通過給定不
同的方程總能獲得我們需要的運(yùn)動(dòng)軌跡，因此六自由度平臺(tái)的應(yīng)用范圍較廣，在
本文中，主要針對患者使用，因此在設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)時(shí)必須符合人體工學(xué)，必須安全可
靠。
4.5 正解液壓平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律
在上一節(jié)中，我們給定“沿 Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)，同時(shí)繞 Y 軸的平動(dòng)”最后獲得
的曲線作為樣條曲線加載到各個(gè)移動(dòng)副的驅(qū)動(dòng)中，從而從正面求得椅面的運(yùn)動(dòng)規(guī)
律。
（1）首先獲得 R1 的運(yùn)動(dòng)曲線，如下圖所示。
圖 4- 27 獲得曲線示意圖
（2）將曲線 R1 設(shè)為樣條曲線：
圖 4- 28 樣條曲線設(shè)置圖
（3）檢查獲得的樣條曲線
圖 4-29 檢驗(yàn)獲得樣條曲線
這樣獲得的樣條曲線可以被函數(shù)調(diào)用，此外，我們也可以自己設(shè)置曲線的坐
標(biāo)，輸入到 adams 自動(dòng)生成樣條曲線，加載到其中，從而控制運(yùn)動(dòng)；
（4）樣條曲線的函數(shù)調(diào)用：
首先刪除點(diǎn)驅(qū)動(dòng)，將獲得曲線作為驅(qū)動(dòng)函數(shù)，在 R1 處加載直線驅(qū)動(dòng)，使用 AKISPL
函數(shù)調(diào)用曲線。
圖 4- 10 正解加載運(yùn)動(dòng)規(guī)律圖
依次類推將其他五個(gè)曲線規(guī)律分別加載到各個(gè)移動(dòng)副中，即可獲得與之相對應(yīng)的
椅面運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
4.6 前肢部分的仿真模擬
首先是建模，由于這是一個(gè)簡單的機(jī)構(gòu)，所以直接在 adams 按照比例形狀建立
簡易的仿前肢運(yùn)動(dòng)。
圖 4- 111 前肢建模示意圖
可以在在進(jìn)行仿真，畫出標(biāo)記點(diǎn)的軌跡，如圖：
圖 4- 12 前肢運(yùn)動(dòng)示意圖
前肢部分相對比較簡單的進(jìn)行仿真運(yùn)動(dòng)，比較容易控制，給定螺母運(yùn)動(dòng)規(guī)律可
得標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
4.7 聯(lián)合仿真
將六自由度平臺(tái)和前肢部分以及腳腕部分一起建立仿真
模型：
圖 4- 13 聯(lián)合仿真示意圖
分別給定給個(gè)驅(qū)動(dòng)的函數(shù)：
腳腕部分的函數(shù)式：α =30d*sin（0.4*pi*time）
絲杠部分的驅(qū)動(dòng)函數(shù)是：l =0.08*sin（0.4*pi*time）
椅面點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的函數(shù)：
最后得到的椅面質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡如下圖：
圖 4- 34 質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)規(guī)律圖
由以上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可得，在仿真中可以同時(shí)控制各個(gè)方向的自由度，實(shí)現(xiàn)最后
的目的。
4.8 本章小結(jié)
本章節(jié)進(jìn)行了噴涂機(jī)器人的 ADAMS 運(yùn)動(dòng)分析，首先先對 ADAMS 軟件進(jìn)行了
一定的了解，接著確定了 ADAMS 運(yùn)動(dòng)仿真的步驟，因康復(fù)椅機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，先
利用 Solidworks 進(jìn)行三維建模裝配，之后保存成 Parasolid 格式導(dǎo)入至 ADAMS
客戶端。在 ADAMS 客戶端里實(shí)現(xiàn)模型約束、驅(qū)動(dòng)的添加，最后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真生
成關(guān)鍵件的運(yùn)動(dòng)曲線。在仿真的過程中以六自由度平臺(tái)的仿真為仿真的重點(diǎn)，然
后在聯(lián)合仿真。
第五章 結(jié)論與展望
康復(fù)機(jī)器人主要作用于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。腦血栓患者除了早期的手術(shù)治療和必要的藥
物治療外，康復(fù)訓(xùn)練對于患者肢體運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)和提高起到非常重要的作用。
康復(fù)機(jī)器人作為一種自動(dòng)化設(shè)備，可以幫患者進(jìn)行科學(xué)而又有效的康復(fù)訓(xùn)練，使
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