【正文】 肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械運(yùn)動更加協(xié)調(diào)，靈活。2 設(shè)計(jì)要求與方案比較該裝置可以實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)同時(shí)的修復(fù)鍛煉效果；該裝置可以實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)的左右擺動；該裝置的最大運(yùn)行距離達(dá)500mm左右；該裝置大腿支架長度可調(diào)節(jié)范圍不小于90mm，小腿支架長度可調(diào)節(jié)范圍不小于100mm；康復(fù)器額定載荷為200N,在額定荷載下應(yīng)能平穩(wěn)工作不卡滯，往復(fù)運(yùn)行無異常撞擊聲； 下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械設(shè)計(jì)方案確定下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械設(shè)計(jì)曾考慮的兩種方案：方案一： 方案一，該裝置有6根桿件組成，機(jī)構(gòu)桿件較多，整個(gè)裝置運(yùn)動起來精確度高。該裝置有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)長度的標(biāo)尺，可以適應(yīng)正常成年人的腿的長度。改裝置單片機(jī)控制電機(jī)帶動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動從而帶動整個(gè)裝置的運(yùn)動，整個(gè)系統(tǒng)簡單明了，靈敏度較高方案二： 方案二，該裝置有4根桿件組成，機(jī)構(gòu)桿件較為簡單明了，設(shè)計(jì)簡便。改裝置的腳踏板還可以實(shí)現(xiàn)左右擺動，是踝關(guān)節(jié)得以多角度的訓(xùn)練。而且改裝置的滾珠絲桿與電機(jī)在底座里面，密封性好。該裝置機(jī)構(gòu)簡單，電機(jī)功率可以選小點(diǎn)，所以整個(gè)裝置顯得輕便些。方案三： 方案三可以看出，方案一的滾珠絲桿暴露在空氣中，容易進(jìn)灰塵等，壽命會減短。該裝置的踝關(guān)節(jié)只能實(shí)現(xiàn)2個(gè)自由度的運(yùn)動。且機(jī)構(gòu)桿件較多，設(shè)計(jì)較復(fù)雜。方案二尺寸調(diào)節(jié)沒有方案一方便。方案三結(jié)合了方案一、二的優(yōu)點(diǎn)。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)踝關(guān)節(jié)的左右擺動，機(jī)構(gòu)桿件簡單，設(shè)計(jì)簡便，還可以實(shí)現(xiàn)大小腿的長度調(diào)節(jié)，且該裝置滾珠絲桿與電機(jī)在底座里面，密封性比較好。綜上所述，選擇方案三能更好的訓(xùn)練患者的踝關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)。3下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械設(shè)計(jì)為了整個(gè)裝置剛度滿足要求，需要選擇下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械的材料。機(jī)構(gòu)桿件由于要承受整個(gè)下肢，且要帶動下肢運(yùn)動，所以對剛度要求較高。又不能太重，所以要選擇材料密度不是很大的材料，但又要滿足一定的強(qiáng)度的材料。而底座要承受整個(gè)裝置的重量，所以對材料的選取也有嚴(yán)格的要求，要求材料密度大。表1 各種材料的性能比較 材料性能鋼鋁玻璃鋼碳纖維T300/4211碳纖維T300/QY8911密度/~抗拉強(qiáng)度/M Pa700~84047070~28013961548抗壓強(qiáng)度/M Pa420~85030~100100~27010291226抗彎強(qiáng)度/M Pa420~46070~11011001000~20001000~2000由表1可知，鋼相對于其他材料來說有明顯的性能優(yōu)點(diǎn)，其密度大，而且抗拉強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度都比其他材料大。因此鋼可作為下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械的底座的材料。具體可采用45號鋼（主要性能如表2）。表2 45號鋼的主要性能名稱抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度伸長率收縮率沖擊功鋼材硬度退火鋼數(shù)值600MPa355MPa16%40%39J229HBS197HBS鋁相對于其他材料而言，抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度中等偏上，滿足下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械的機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度，而且材料密度不是最大，滿足運(yùn)動要求。因此下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械的機(jī)構(gòu)桿件選擇鋁（主要性能如表3）作為材料。表3 鋁合金的主要性能鋁合金拉伸強(qiáng)度(25176。CMPa)屈服強(qiáng)度(25176。CMPa)硬度延伸率密度1060合金1751956012關(guān)節(jié)是骨與骨間的連接部分，決定著人體下肢的運(yùn)動形式。人體下肢的運(yùn)動鏈?zhǔn)且孕D(zhuǎn)為主的轉(zhuǎn)動副結(jié)構(gòu)。人體下肢運(yùn)動包含了豐富的機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)問題。大腿長度的測量是從股骨下端至膝關(guān)節(jié)的長度。一般。膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動類似于一個(gè)轉(zhuǎn)動副，所以可以簡化為一個(gè)球狀的轉(zhuǎn)動件。膝關(guān)節(jié)是人體中一個(gè)很奇特的關(guān)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡單但是是關(guān)節(jié)最大的，屬于球狀關(guān)節(jié)，能夠進(jìn)行拉伸彎曲的運(yùn)動，膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動角度最大可以達(dá)到10176。130176。膝關(guān)節(jié)在運(yùn)動的時(shí)候還可以進(jìn)行細(xì)微的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，但是人在行走的時(shí)候還是以拉伸與彎曲運(yùn)動為主，所以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動可以忽略不計(jì)，這樣在對膝關(guān)節(jié)的三維建模的時(shí)候可以簡化膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動。小腿長度的測量是從膝關(guān)節(jié)至踝關(guān)節(jié)的長度。一般。踝關(guān)節(jié)運(yùn)動動作時(shí)足內(nèi)翻和足外翻，還可以進(jìn)行左右擺動運(yùn)動，所以運(yùn)動的動作比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)需要考慮的也比較多。足內(nèi)翻的角度范圍為10176。~20176。，足外翻的角度范圍為25176。~30176。，踝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度范圍為13176。~25176。踝關(guān)節(jié)在運(yùn)動中起到了非常重要的作用，而且為了支撐整個(gè)腳底，受的力比較大，在一切劇烈的動作中有著至關(guān)重要的傳力的作用。所以必須要好好修復(fù)踝關(guān)節(jié)，考慮踝關(guān)節(jié)運(yùn)動時(shí)的各個(gè)動作，使其完全康復(fù)。膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)在運(yùn)動時(shí)的角度問題和正常成年人的小腿、大腿長度問題也是下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械的機(jī)構(gòu)桿件部分設(shè)計(jì)時(shí)需要解決的一個(gè)重點(diǎn)。下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械的機(jī)械桿件機(jī)構(gòu)的模型來至于人體下肢的運(yùn)動的分析與計(jì)算。膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動形式可簡化為機(jī)械構(gòu)件的轉(zhuǎn)動副。輔助患者的腳踝和膝蓋像正常人一樣運(yùn)動，由于關(guān)節(jié)被動活動能促進(jìn)創(chuàng)傷后關(guān)節(jié)液的分泌和吸收的循環(huán)，能促進(jìn)軟骨的再生，防止粘連，減少痛苦的作用，因此下肢關(guān)節(jié)康復(fù)器對關(guān)節(jié)手術(shù)后的康復(fù)鍛煉都適用。從而使受傷的踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)能慢慢適應(yīng)行走時(shí)經(jīng)歷的運(yùn)動過程。機(jī)械傳動部分的部件對整個(gè)系統(tǒng)的影響很大，在整個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)中作為執(zhí)行器的存在，影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動形式。特別是機(jī)械傳動的設(shè)計(jì)類型、運(yùn)動方式、零件的剛性以及傳動的銜接性、可靠性對機(jī)電一體化系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)性的作用。對整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況起著決定性的作用。在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，已知連架桿AB和CD的三對對應(yīng)位置、和、要求確定各桿的長度、和。此機(jī)構(gòu)各桿長度按同一比例增減時(shí)，各桿轉(zhuǎn)角間的關(guān)系不變，故只需確定各桿的相對長度。故取=1，則該機(jī)構(gòu)的待求參數(shù)只有三個(gè)。 機(jī)構(gòu)封閉多邊形該機(jī)構(gòu)的四桿組成封閉多邊形。取各桿在坐標(biāo)軸和上的投影，可得以下關(guān)系式： …………()將和移到等式右邊，再把二等式兩邊平方相加，即可消去，整理得： …………()為化簡上式，令 ， ， …………()則有 …………()上式即為兩連架桿轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系式。將已知的三對對應(yīng)轉(zhuǎn)角、分別代入式，可得到方程組 …………（）由方程組可以解出三個(gè)未知數(shù)、和。將它們代入（3）式，即可求得、和，以上求的的桿長、和可同時(shí)乘以任意比例常數(shù)，所得機(jī)構(gòu)都能實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。大范圍關(guān)節(jié)活動度，活動范圍適應(yīng)性增大，最大運(yùn)行距離已達(dá)500mm左右(國外先進(jìn)機(jī)型水平)，本儀器在如此大運(yùn)行距離仍可保證快速穩(wěn)定運(yùn)行。且在充分考慮了醫(yī)療臨床治療需要后，增加了踝關(guān)節(jié)同步運(yùn)動功能。按照給定兩連架桿對應(yīng)位置設(shè)計(jì)桿件機(jī)構(gòu)的方法，假設(shè)、，可以求出下肢機(jī)構(gòu)醫(yī)療器械的各桿件的長度：mm ；mm；mm；mm 由于： …………()所以得： 最長邊與最短邊長度之和大于其余兩邊之和，所以該機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)。按照機(jī)構(gòu)的演化，可以把一個(gè)機(jī)架改為滑塊，因此想到滾珠絲桿機(jī)構(gòu)。按照國標(biāo)GB/，滾珠絲杠（目前已基本取代梯形絲杠，已俗稱絲杠）是用來將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動；或?qū)⒅本€運(yùn)動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的執(zhí)行元件，并具有傳動效率高，定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)。根據(jù)防塵防護(hù)條件以及對調(diào)隙及預(yù)緊的要求，可選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)型式。由于下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械必須有預(yù)緊或在使用過程中因磨損而需要定期調(diào)整時(shí)，應(yīng)采用雙螺母螺紋預(yù)緊或齒差預(yù)緊式結(jié)構(gòu)。選擇滾珠絲桿的型號的時(shí)候主要是選擇絲桿的兩個(gè)參數(shù)：公稱直徑和公稱導(dǎo)程（或螺距）。公稱直徑是根據(jù)機(jī)構(gòu)傳遞的軸向的最大載荷，然后按照滾珠絲桿的尺寸系列表格來進(jìn)行選擇計(jì)算與設(shè)計(jì)的。螺紋長度越長就越容易出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象，螺紋也容易壞死，不好維護(hù)，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候盡可能的是螺紋長度短一些。一般螺紋長度與公稱直接的長度之比30是最佳的；公稱導(dǎo)程該按照裝置的承載能力和裝置的傳動精度及機(jī)構(gòu)的傳動速度來設(shè)計(jì)計(jì)算的。公稱導(dǎo)程的值越大表明絲桿的承載能力也大，公稱導(dǎo)程的值越小就說明裝置的傳動精度就較高。滾珠絲杠根據(jù)使用范圍分為定位型（P）和傳動型（T）兩種。根據(jù)精度要求分為7個(gè)精度等級，即7和10級。1級精度最高，依次遞減(如表4)。表4 有效螺紋長度精密等級C1C2C3C4C5超過以下EeEeEeEeEe31565871281212231831540075971310141225204005008510715101612272050063096118161218143023630800107139181320143525800100011815102115221640271000125013918112416251846301250160015102113291829205435160020001811251535213522654020002500221330184124412577462500315026153621502950299354螺紋長度=有效行程+螺母長度+設(shè)計(jì)裕量（如果還要安裝防護(hù)罩，還要考慮防護(hù)罩壓縮后的長度，一般按防護(hù)罩最大長度的1／8計(jì)算）。長度盡量選6米以下，超過的就選用齒輪齒條。 由于下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械的安裝不需要防護(hù)罩，所以不需要考慮設(shè)計(jì)裕量。已知絲桿有效行程=507mm，螺母長度=32mm，所以絲桿的螺紋長度： =+=507+32=539mm …………() 有效行程(mm) 絲杠螺紋全長(mm) 余程 (mm)(見表5) 表5 余程 導(dǎo)程T（mm）3456810121620余程 Le10121620243240455060絲杠全長=有效行程+螺母長度+設(shè)計(jì)余量+兩端支撐長度（軸承寬度+鎖緊螺母寬度+裕量）+動力輸入連接長度（如果使用聯(lián)軸器則大致是聯(lián)軸器長度的一半+裕量）。已知動力輸入連接長度=20mm，所以絲桿的總長度： =507+32+40=579mm …………()在選用滾珠絲桿副時(shí)，必須知道實(shí)際的工作條件：公稱直徑D=20mm，內(nèi)徑d=16mm，導(dǎo)程（螺距）為6mm，齒高4mm,精度C7。最大軸向的工作載荷（N）=200N作用下的可持續(xù)工作時(shí)間大于T（h）=2h、絲桿的長度（mm）=592mm、絲桿的轉(zhuǎn)速=300mm/s（導(dǎo)程電機(jī)轉(zhuǎn)速）、滾道硬度HRC及絲桿的工況，然后按照下列步驟進(jìn)行選擇。 滾珠絲桿(1)承載能力選擇計(jì)算作用于絲桿軸向最大動載荷 …………()式中： —滾珠絲桿壽命系數(shù)（單位為1轉(zhuǎn)），(其中為使用壽命時(shí)間（h），普通機(jī)械為5000~10 000、數(shù)控機(jī)床及其他機(jī)電一體化設(shè)備及儀器裝置為15 000、航空機(jī)械為1 000)；—載荷系數(shù)（~，~，~）；—硬度系數(shù)（，,。(2)容許的轉(zhuǎn)速當(dāng)發(fā)生共振時(shí)之速度，稱之為危險(xiǎn)速度。共振產(chǎn)生時(shí)會造成加工品質(zhì)不良，甚而造成機(jī)器損壞，所以一定要極力避免馬達(dá)之轉(zhuǎn)速和滾珠絲桿的自然頻率發(fā)生振。一般速以危險(xiǎn)速率的80%以下為容許轉(zhuǎn)速。若求得的容許轉(zhuǎn)速不符合貴公司的設(shè)計(jì)需求時(shí)可在中間加裝支撐機(jī)構(gòu)藉此提高容許轉(zhuǎn)?！?)— 容許轉(zhuǎn)速()—安全系數(shù)（取=）—縱彈性系數(shù)(=104)—絲桿的軸斷面之最小二次力矩()—絲桿軸牙底直徑()—絲桿軸斷面積()— 安裝間距()(絲桿兩端安裝之相對距離)—重力加速度( =103 )—材料之比重量(=106 kgf/mm3)、 依滾珠絲桿之安裝方法而定之系數(shù)支持—支持 = ()固定—支持 = (=)固定—固定 = (=)固定—自由 = (=)(3)壓桿穩(wěn)定性核算 (N) …………（）式中：—實(shí)際承受載荷的能力；—壓桿穩(wěn)定的支撐系數(shù)（雙推—雙推時(shí)為4，單推—單推是為1，雙推—簡支時(shí)為2，雙推—）；—（MPa）；—絲桿小徑的截面慣性矩（=mkgs2）；—壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，~4，垂直安裝時(shí)取小值(4)剛度驗(yàn)算滾珠絲桿在軸向力的作用下，將產(chǎn)生伸長或縮短，在扭矩的作用下將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)而影響絲桿導(dǎo)程的變化，從而影響傳動精度及定位精度，故應(yīng)驗(yàn)算滿載時(shí)的變形量。其驗(yàn)算公式如下：滾珠絲桿在工作負(fù)載F和扭矩M共同作用下，所引起的每一個(gè)導(dǎo)程的變形量為： …………() 式中：—；—絲桿的最小截面積()；—扭矩（）；—絲桿的低徑的截面慣性矩。在絲桿副精度標(biāo)準(zhǔn)中一般規(guī)定每一米彈性變形所允許的基本導(dǎo)程誤差值。表6 滾珠絲桿參數(shù)型號絲桿總長螺紋長度公稱直徑D內(nèi)徑d導(dǎo)程精度FL2005357953920166C7表7 滾珠絲桿的材料與硬度零件名稱材料滲碳