下肢康复机器人毕业论文
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
25?～30?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I／O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。
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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：
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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：30?，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，
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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：
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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
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