【文章內(nèi)容簡介】 處理硬度（HRC）精密級絲桿50CrMo4 QT中周波熱處58~62轉(zhuǎn)造級絲桿S55C中周波熱處58~62螺帽SCM420H滲碳熱處58~62 電動機的型號選擇與設(shè)計 電動機類型選擇本裝置所用電機為直流伺服電機。原因如下：控制精度高：本裝置是針對受傷的下肢而設(shè)計的一種康復(fù)型醫(yī)療器械。機械桿件在運動時的運動精度必須非常精確。所以在控制精度方面要求較高；閉環(huán)控制系統(tǒng)：本裝置需要有對膝關(guān)節(jié)的角度反饋，是閉環(huán)控制系統(tǒng)；恒力矩輸出：本裝置需要一個恒力矩的輸出，從而使患者感覺到舒適。速度響應(yīng)快：在發(fā)生意外狀況的時候，可是實現(xiàn)快速啟停功能。本裝置在啟動性能和調(diào)速性能方面要求較高。綜上所知，下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械的電動機類型選直流伺服電動機。 電機的參數(shù)主要是對電機的功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩計算。（1）預(yù)選電動機的功率與轉(zhuǎn)矩 進(jìn)給系統(tǒng)示意圖1—電動機；2—齒輪；3—工作臺正常成年人的下肢重量為5~15Kg,取平均。??；移動部件的總質(zhì)量（機構(gòu)桿件、滾珠絲桿、人體下肢等）的總質(zhì)量；電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，轉(zhuǎn)速為；齒輪軸部件（小齒輪）的轉(zhuǎn)動慣量；齒輪軸部件（大齒輪）的轉(zhuǎn)動慣量；軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；齒輪與齒輪的齒數(shù)分別為20和30，模數(shù)為m=1。1）等效到電動機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量和等效轉(zhuǎn)矩 ………… ()因為 …………() …………()所以 2)系統(tǒng)執(zhí)行的功率匹配預(yù)選電動機的估算功率可由下式確定 …………()式中：—電動機的最佳轉(zhuǎn)速；電動機的最高角速度（）；—考慮電動機、減速器等的功率系數(shù)，一般可取。(2) 電動機額定轉(zhuǎn)速的選擇當(dāng)電機的額定功率相同的時候,額定轉(zhuǎn)速越高,電機的安裝尺寸、總體重量和成本就會越小。因此,選用速度較高的電機的成本較低，經(jīng)濟性比較好。但由于在生產(chǎn)的機械速度一定的時候,電機的轉(zhuǎn)速就會越高,肯定會增加傳動機構(gòu)的轉(zhuǎn)速比,使傳動機構(gòu)更加復(fù)雜。所以在設(shè)計電機的時候一定要中和考慮電機的各種參數(shù)的各個因素，一定不要漏了電機的機械特性。假設(shè)滾珠絲桿有個初速度，根據(jù)公式：滾珠絲桿的線速度=絲桿導(dǎo)程x電機轉(zhuǎn)速知： …………()而電機的同步轉(zhuǎn)速有3000r/min；1500r/min；1000r/min；750r/min等 。為了能夠滿足整個裝置的運動，選擇電機轉(zhuǎn)速為3000r/min。表8 電機參數(shù)電機型號額定電壓輸出功率保持力矩轉(zhuǎn)動慣量機身長度機身寬度重量57BLF0324V188W200mm114mm．1底座的作用及基本結(jié)構(gòu)設(shè)計底座的基本作用是支撐整個裝置。它既承受其他零部件的重量和工作載荷，又起保證各零部件相對位置的基準(zhǔn)作用。由于下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械的底座里要安裝電機，諧波齒輪和滾珠絲桿，底座要抽殼，所以底座的加工工藝選擇為鑄造。底座大多采用鑄件，其基本特點是尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工面多，幾何精度和相對位置精度要求較高。所以在加工底座的表面的時候一定要注重底座的表面粗糙度，表面精度。其次底座的變形和振動將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和正常運轉(zhuǎn)，故應(yīng)對其剛度和抗振性提出下列基本要求：1） 剛度與抗振性由于下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械的底座材料為45號鋼。如表2所示 45號鋼的相對于其他材料來說有明顯的性能優(yōu)點，其密度大，而且抗拉強度，抗壓強度和抗彎強度都比其他材料大，所以機座的剛度與抗振性能較好。2） 穩(wěn)定性機座的外形為上面面積小，下面面積大，采用頭大底小的結(jié)構(gòu)更加平穩(wěn)。機座為長方形對稱圖形。機構(gòu)在裝置也是呈對稱分布，更利于機構(gòu)的穩(wěn)定性。機座的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須保證其自身剛度、連接處剛度和局部剛度，同時要考慮安裝方式、材料選擇、結(jié)構(gòu)工藝性以及節(jié)省材料、降低成本和縮短生產(chǎn)周期等問題。本裝置選擇的底座材料為45號鋼，由表2知，45號鋼的拉伸強度、屈服強度和硬度都比較高。用45號鋼作為底座材料能夠保證自身的剛度和提高連接處的接觸剛度。由于底座對材料的要求較高，成本較高，所以適當(dāng)?shù)募庸すに嚹軌驕p少成本。底座設(shè)計成對稱的簡易形狀能夠降低成本 4 下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械零件建模與應(yīng)力分析ADAMS是一個機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件。使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，對虛擬機械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。ADAMS軟件是在全球運用最為廣泛的機械系統(tǒng)仿真軟件之一，用戶可以利ADAMS在計算機上建立和計算的模擬樣機，實現(xiàn)一些難以想象的就夠運動的模擬仿真，了解復(fù)雜的機械系統(tǒng)設(shè)計的運動性能和運動參數(shù)。當(dāng)用戶不能夠想象出一個復(fù)雜機構(gòu)的運動情況的時候可以借助ADAMS軟件來模擬仿真，而且可以得出相應(yīng)的參數(shù)。 機構(gòu)桿件運動仿真機構(gòu)的自由度: …………()，且等于原動件數(shù)。機構(gòu)具有確定運動的條件。再根據(jù)設(shè)計的尺寸由ADAMS軟件仿真，該機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)運動，且運動參數(shù)滿足患者踝關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)的運動。 機構(gòu)桿件桿1與桿2用鍵連接；桿2與桿3之間可以伸縮，當(dāng)選定長度時用螺栓固定；桿4與桿5之間可以伸縮，當(dāng)選定長度時也用螺栓固定；桿1與桿6用膠水黏??；桿6與底座7通過一根圓桿連接。運動情況：桿6通過圓桿在底座7的導(dǎo)軌里往復(fù)運動帶動桿1，通過鍵的連接使桿2運動。由于桿2與桿3通過螺栓固定，從而使桿3運動，是整個機構(gòu)桿件實現(xiàn)模擬膝關(guān)節(jié)行走的運動。 滾珠絲桿 電機對桿1的應(yīng)力分析下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械在工作時，對桿件而言主要受到了滾珠絲桿對它的拉力。在COSMOSXpress2011中進(jìn)行應(yīng)力分析之前需要對機架進(jìn)行分析的設(shè)置，主要有四個方面，包括指定材質(zhì)，施加約束，施加載荷和網(wǎng)格設(shè)定。在對零件進(jìn)行應(yīng)力分析之前首先要選擇零件的材質(zhì)，在COSMOSXpress2011工具中提供了多種材質(zhì)以供選擇。本設(shè)計選取鋁合金1060合金作為結(jié)構(gòu)材料，因此在COSMOSXpress2011中選擇相應(yīng)的鋁合金作為裝置模型桿件的材料。 桿1的材料選擇在選擇合適的材質(zhì)之后，就要在桿件模型上施加約束。約束的施加面為桿件的直角頂端處。 桿1的固定夾具對COSMOSXpress2011中的應(yīng)力分析設(shè)置的最后一步為對網(wǎng)格單元大小和單元公差的確定。 桿1的網(wǎng)格在COSMOSXpress2011中，可選擇的載荷類型有力和壓強兩類，因此選擇載荷類型為“力”。之后要確定載荷的大小，,載荷的施加面為機架的上表面 桿1力的方向 桿1力的大小通過COSMOSXpress2011工具對本設(shè)計中的主要零件—機架進(jìn)行分析，其結(jié)果包括應(yīng)力分布、位移分布和形變分布如圖37，在三個圖可知本文設(shè)計的四施翼飛行器的機架滿足要求。 桿1的應(yīng)力結(jié)果 桿1的位移結(jié)果 對桿3的應(yīng)力分析在COSMOSXpress2011中進(jìn)行應(yīng)力分析之前需要對桿3進(jìn)行分析的設(shè)置，也主要有四個方面，包括指定材質(zhì)，施加約束，施加載荷和網(wǎng)格設(shè)定。 桿3的參數(shù)設(shè)定通過受力分析后的結(jié)果顯示為三個部分 桿3應(yīng)力結(jié)果 桿3位移結(jié)果 桿3變量結(jié)果 對滾珠絲桿的應(yīng)力分析： 滾珠絲桿參數(shù)設(shè)置滾珠絲桿應(yīng)力分析結(jié)果圖： 滾珠絲桿應(yīng)力結(jié)果 滾珠絲桿位移結(jié)果 滾珠絲桿應(yīng)變結(jié)果5下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械系統(tǒng)建模、干涉分析與系統(tǒng)優(yōu)化機電一體化是在機械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械是一個機電一體化產(chǎn)品。它由機械系統(tǒng)（滾珠絲桿）、電子信息處理系統(tǒng)（單片機）、動力系統(tǒng)（電機）、傳感檢測系統(tǒng)（角度傳感器）、執(zhí)行系統(tǒng)（機構(gòu)桿件）。 機構(gòu)桿件裝配圖。，在桿7中間貫穿兩個螺紋孔，用螺栓把桿7和滾珠絲桿螺母固定。 滾珠絲桿螺母 電機與滾珠絲桿的連接，把電機、。 抽殼后的底座 底座透視圖 底座透明的總裝配圖在產(chǎn)品設(shè)計過程中，當(dāng)各零部件組裝完成后，最關(guān)心的是各個零部件之間的干涉情況，而在SolidWorks2011中帶有“裝配干涉分析”的功能，它可以幫助用戶了解這些信息。在經(jīng)過軟件的“裝配干涉分析”的功能檢查后，結(jié)果顯示本結(jié)構(gòu)裝配“有干涉”。所以此裝配圖不可以進(jìn)行實際裝配。 干涉檢查所以該裝置還需要改進(jìn)。由于減速器齒輪設(shè)計的較多，使整個裝置安裝時不是左右對稱分布，存在著偏心距。裝置在運行的時候會出現(xiàn)跳離地面的情況，會影響患者的康復(fù)訓(xùn)練。所以該裝置的傳動部分仍需要改進(jìn)。 裝配圖出現(xiàn)問題已知諧波齒輪的傳動比大， 傳動平穩(wěn)，承載能力高，傳遞單位扭矩的體積和重量小，傳動精度高，回差小的特點，所以可以將該裝置的一系列齒輪傳動部分可以改為一個諧波齒輪減速器傳動，正好可以彌補一系列齒輪減速器產(chǎn)生偏心距的缺點。這樣的對稱結(jié)構(gòu)可以消除產(chǎn)生的偏心距，使裝置更加穩(wěn)定。有利于患者的康復(fù)訓(xùn)練 改進(jìn)后底座透視圖 改進(jìn)后總裝配圖把電機與滾珠絲桿裝入底座之后，再把機構(gòu)桿件與螺母連接桿連接。 總裝配圖對改進(jìn)后的裝配圖進(jìn)行干涉檢查后，結(jié)果為無干涉。所以改進(jìn)后的裝配圖可以進(jìn)行裝配。 干涉檢查6總結(jié)與展望經(jīng)過幾個月的努力工作，本文所設(shè)計的下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械的設(shè)計已經(jīng)基本完成，已經(jīng)完成的工作包括以下幾部分：完成了對下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械總體方案的設(shè)計，并對各個方案進(jìn)行比較進(jìn)而選取合適的方案，同時經(jīng)過對比選擇了合適的結(jié)構(gòu)材料；完成了選取方案中各個零件的材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括機構(gòu)桿件、滾珠絲桿、電機與底座等，繪制完成了各個部分的零件圖和工程圖，同時對主要零件進(jìn)行了應(yīng)力分析；對整個結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了裝配和對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了必要的基本分析。對不合理的裝置進(jìn)行了優(yōu)化與改進(jìn)。雖然本結(jié)構(gòu)設(shè)計已順利完成，但由于時間不足和個人能力不足等問題，本設(shè)計也存在著一些需要解決的問題，如：本裝置未配備反饋系統(tǒng),需要加一個對膝關(guān)節(jié)的運動角度測試傳感器，使裝置更加安全可靠； 單片機控制部分及配件遙控器未設(shè)計； 電機與滾珠絲桿間的傳動裝置為諧波齒輪，未設(shè)計。參考文獻(xiàn)[1] 徐兆紅, 宋成利, 喻洪流, 閆士舉, 史文博. 踝關(guān)節(jié)可左右擺動的康復(fù)器具設(shè)計[J]. 中 國組織工程研究與臨床康復(fù), 2011, 15(39): 72927294.[2] 王健, 關(guān)勝曉, 劉富. 步態(tài)序列圖像中人體下肢關(guān)節(jié)點的定位[J]. 計算機仿真, 2011, 28 (2): 284324．[3] 尹軍茂. 穿戴式下肢外骨骼機構(gòu)分析與設(shè)計[M]. 北京: 北京工業(yè)大學(xué), .[4] 高渤. 偏癱患者主動型輔助康復(fù)設(shè)備設(shè)計[M]. 天津: 南開大學(xué), 2010. 178．[5] 鐘穎. 循環(huán)運動式膝關(guān)節(jié)康復(fù)儀設(shè)計與膝關(guān)節(jié)僵直康復(fù)相關(guān)研究[M]. 四川: 西南交通 大學(xué), 2007. 152.[6] 胡兆燕, 程云章, 龔德利. 下肢關(guān)節(jié)功能康復(fù)訓(xùn)練器的研制[J]. 中國醫(yī)療器械雜志, 2000，24(4): 214215.[7] 王瑞利, 劉更謙, 于慶增. 虛擬現(xiàn)實在踝關(guān)節(jié)康復(fù)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 醫(yī)療保健器具, 2006：2426.[8] Kurt M, Karin G, Thomas S, Buchanan. A. realtime EMGdriven musculoskeletal model of the ankle [J]. Multibody Syst Dyn, 2011. 38 (4): 1933.[9] 李震, 于學(xué)龍. 新型下肢關(guān)節(jié)康復(fù)器的研制[J]．中國醫(yī)療器械信息, 2006, 12(12): 3538.[10] 萬大千, 徐義明, 白躍宏, 殷躍紅. 下肢外骨骼康復(fù)機器人在膝關(guān)節(jié)活動受限康復(fù)治療 中的應(yīng)用[J]．中國組織工程研究, 2012, 16(4): 597600.[11] 楊可楨, 程光蘊, 李仲生. 機械設(shè)計基礎(chǔ)(第五版)[M]．北京: 高等教育出版社, 2006．[12] 陳秀寧, 陳宗農(nóng), 顧大強. 機械設(shè)計基礎(chǔ)(第三版)[M]．北京: 高等教育出版社, 2006.[13] 王勇. 步進(jìn)電機和伺服電機的比較[J]．西部煤化工, 2010, (2): 4749.[14] 丁鋒, 陳洪芳. 伺服進(jìn)給系統(tǒng)滾珠絲杠CAD系統(tǒng)開發(fā)[J]. 業(yè)自動化, 007, 29(10): 629.[15] P. Pounds amp。 R. Mahony, P. Hynes amp。 J. Roberts. Design of a FourRotor Aerial Robot. Proc. 2002 Australasian Conference on Robotics and Automation[C] .Auckland, 2729