【正文】 由于經(jīng)驗不足，設(shè)計者的水平有限，在設(shè)計中難免有疏漏不足之處，望各位老師給予指正。在此期 間，其他幾位老師也給予了我很大的關(guān)心和幫助，為我解決了許多困難 。 開封大學 畢業(yè)論文 39 參考文獻 [1] 金德文 ， 張濟川 ． 康復(fù)工程學的研究與發(fā)展 [J]． 現(xiàn)代康復(fù) ， 2020， ：3135． [2] 高從軍 ， 歐洲康復(fù)機器人發(fā)展現(xiàn)況及前景 [J]． 機器人技術(shù)與應(yīng)用， 1999， ： 3336． [3] 黃靖遠 ， 劉宏增等 ． 康復(fù)工程前景初探 [J]． 生物醫(yī)學工程學雜志 ， 1999， ： 1214． [4] 夏昊昕， 張 立勛，王嵐 ． 下肢康復(fù)訓練機器人 [J]． 應(yīng)用科技 ， 2020， ： 37． [5] 杜志江 ． 康復(fù)機器人研究現(xiàn)狀 [J]． 中國康復(fù)醫(yī)學雜志， 202005． [6] 鄭文緯 ， 吳克堅 ． 機械原理 [M]． 北京： 高等教育出版社 ， 2020： 121124． [7] 曹得權(quán) ， 唐定勇 ． Pro/Engineer 使用基礎(chǔ) [M]． 北京： 電子工業(yè) 出版社， 2020： 130132． [8] 鄧星鐘 ． 機電傳動控制 [M]． 武漢： 華中理工大學出版社， 2020： 2122． [9] 張立勛 ， 張今瑜 ， 楊勇 .機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 [M]．哈爾濱： 哈爾濱工程大學出版社， 2020： 98110． [10] 楊欣欣 ， 張曉欣 ， 李廣君 ． 計算機繪圖教程 [M]． 哈爾濱： 哈爾濱工程大學出版社， 2020： 1012， 5061， 7276． [11] 詹友剛 ． Pro/Engineer Wildfire 中文野火版教程 —— 通用模塊 [M]． 北京：清華大學出版社 ， 2020： 6871， 201210． [12] 劉竹清 ． Pro/E Wildfire 入門與提高實用教程 [M]． 北京： 中國鐵道出版社 ， 2020： 3336． [13] 衛(wèi)朝富 ， 胡明 ， 呂琨 ． Pro/Engineer 2020 機械設(shè)計實例教程 [M]． 北京：中國鐵道出版社， 2020： 4548， 8992． [14] 詹友剛 ． Pro/Engineer Wildfire 中文野火版教程 —— 范例教程 [M]． 北京：清華大學出版社 ， 2020： 206231， 360372． 開封大學 畢業(yè)論文 40 [15] 孫江宏 ， 黃小龍，羅坤 ． Pro/Engineer Wildfire 虛擬設(shè)計與裝配 [M]． 北京： 中國鐵道出版社 ， 2020： 123156． [16] 吳宗澤 ． 機械設(shè)計使用手 冊 [M]． 北京 ： 化學工業(yè)出版社 ， 2020： 42145． [17] 成大先 ． 機械設(shè)計使用手冊（單行本） [M]． 北京： 化學工業(yè)出版社 ，2020： 198199． [18] 船倉一郎 ， 土屋堯 ， 屈桂太郎 ． 機器人控制電子學 [M]． 北京： 科學出版社， 2020： 1517． [19] 楊欣欣 ， 許國玉 ， 劉志強 .畫法幾何及工程制圖 [M]．哈爾濱： 哈爾濱工程大學出版社， 2020： 313328． [20] 丁海署，容觀澳，王廣志． 人體運動信息檢測與處理 [M]． 北京： 宇航出版社， 1992： 2527． [21] 濮良貴 ， 紀名剛 ． 機械設(shè)計 [M]．北京： 高等教育出版社， 2020： 300364． [22] 張立勛 ， 王立權(quán) ， 楊勇 ． 機械電子學 [M]．哈爾濱： 哈爾濱工程大學出版社， 1999： 7880． [23] 周四新 ， 和青芳 ． Pro/Engineer Wildfire 基礎(chǔ)設(shè)計 [M]．北京： 機械工業(yè)出版社， 2020： 125128． 開封大學 畢業(yè)論文 41 致 謝 在這十六周的畢業(yè)設(shè)計期間，我在李立全老師的親切關(guān)懷和精心指導(dǎo)下順利完成了我的畢業(yè)設(shè)計。 本論文主要是對于踝關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對控制系統(tǒng)并沒有做出詳細的設(shè)計，只是提出了一個總體方案。 最后一項工作是 系統(tǒng)地對下肢康復(fù)訓練機器人踝關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)進行運動學分析，并通過 Pro/E軟件 對驅(qū)動機構(gòu)進行動畫仿真和圖形仿真。闡述了各種不同的控制方式，提出 一種控制方案。 用 Pro/E軟件零件進行三維實體造型， 設(shè)計與校核了每一個非標準機械零件，并根據(jù)系統(tǒng)的需要對標準件進行了選擇與校核。 在這一階段中對于傳動方式的選擇，本文比較了多種機械傳動的形式，結(jié)合設(shè)計的實際情況，最終選擇了適合本機構(gòu)的圓柱凸輪機構(gòu)傳動。這一階段的工作是確定了機械本 體和驅(qū)動控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。這一階段就是開題準備階段，為以后的設(shè)計開闊了視野，提供了設(shè)計思路。 下肢康復(fù)訓練機器人 踝關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng) 的設(shè)計工作是分以下幾個階段進行的： 首先，查閱資料。 仿真 實驗 表 明，本課題所研制的下 肢康復(fù)訓練機器人 踝關(guān)節(jié)驅(qū)動 系統(tǒng)可以實現(xiàn)預(yù)期的 運動規(guī)律 。 機構(gòu)仿真的結(jié)果是可以實現(xiàn)踏板的俯仰角度（ 30 ），而變化規(guī)律與人體開封大學 畢業(yè)論文 37 的運動規(guī)律是非常相似的，所以這些仿真結(jié)果證明本論文采用的機構(gòu)方案，策略和仿真程序是合理的，有效的。因為圖 是按照正常人在正常的情況下的走路速度的曲線。 機構(gòu)仿真及結(jié)果分析 圖 由于并不是一個完整的步態(tài)周期的變化曲線，但仍然可以看出踝關(guān)節(jié)角度變化規(guī)律與圖 中的變化規(guī)律極其相似。機構(gòu)仿真 主要包括創(chuàng)建機構(gòu)和添加驅(qū)動器。 機構(gòu)仿真與真實的機構(gòu)很相似。可以通過添加運動副，驅(qū)動器使其運動起來，以實現(xiàn)機構(gòu)的運動仿真。 步態(tài)控制單片機 濾波電路 電平轉(zhuǎn)換 控制器 電機 編碼器 行程開關(guān) 濾波電路 電平轉(zhuǎn)換 控制器 電機 編碼器 行程開關(guān) PWM1 AT90S8535 PWM2 圖 康復(fù)訓練機器人控制概圖 開封大學 畢業(yè)論文 36 第 5 章 機構(gòu) 的仿真與可行性分析 下肢康復(fù)訓練機器人踝關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)的機構(gòu)設(shè)計完成后，我利用Pro/ENGINEER 軟件對機構(gòu)進行了運動學仿真，以便 研究機構(gòu)的模型能否完成預(yù)定的性能要求。編碼器的脈沖信號經(jīng)過濾波去噪聲后反饋給單片機，單片機通過計算脈沖個數(shù)得出姿態(tài)機構(gòu)的位置。 姿態(tài)控制單片機與步開封大學 畢業(yè)論文 35 態(tài)控制單片機并口通訊，讀取步態(tài)系統(tǒng)的位置信息，以查表的方式得到位置指令，進行位置閉環(huán)的 PID 運算，發(fā)出 PWM 信號，經(jīng)過濾波電路的 D/A 轉(zhuǎn)換后成為 0～ 5V 的電壓信號，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換之后變成－ 10～ 10V ，作為給直流伺服電機控制器的速度指令 。單片機通過并口接收步態(tài)單片機的指令，根據(jù)指令驅(qū)動兩個姿態(tài)伺服電機，對姿態(tài)機構(gòu)進行初始化和位置閉環(huán)控制。 驅(qū)動機構(gòu)控制系統(tǒng)總體設(shè)計 整個下肢康復(fù)訓練機器人 總體控制如圖 ， 采用多個單片機分別控制每一個關(guān)節(jié)，然后由工業(yè) PC 機與多個單片機進行通訊，形成集散控制 系統(tǒng)。 4. 工業(yè)產(chǎn)品還是民用產(chǎn)品：對于小型家電，便攜式儀器儀表，需要經(jīng)常移動的機電一體化產(chǎn)產(chǎn)品；體積，重量，功耗，成本等應(yīng)優(yōu)先考慮，這些產(chǎn)品應(yīng)盡量考慮使用專用的單片機控制系統(tǒng)或微處理器。如德國生產(chǎn)的Dspace 實時控制系統(tǒng)，它采用雙 CPU 主板，根據(jù)要求可以配置 D/A， A/D，Encoder， I/O 等多種硬件接口，軟件基于 Windows 平臺設(shè)計，可以用 Simulink語言以模塊方式直接編程進行實時控制。 3. 產(chǎn)品開發(fā)還是科研樣機 ：對于產(chǎn) 品開發(fā)要考慮將來的生產(chǎn)成本，生產(chǎn)周期，可維護性等因素。對于單件小批量產(chǎn)品，在開始階段應(yīng)該盡量選擇通用計算機產(chǎn)品，以便降低成本，縮短生產(chǎn)周期。因此，在選擇控制計算機時，除了要保證實現(xiàn)系統(tǒng)的基本控制功能，滿足性能指標要求，還要綜合考慮其他一些因素，綜合多種因素做出最佳選擇，這些 因素包括： 1. 單件小批量還是大批量生產(chǎn)：對于大批量生產(chǎn)主要考慮生產(chǎn)效率，生產(chǎn)成本和可維護性，可以考慮設(shè)計專用計算機控制系統(tǒng)。例 如一個多自由度的工業(yè)機器人，可以用 PC 工業(yè)控制機對各自由度進行集中控制，也可以用兩臺工業(yè)控制機構(gòu)成多級控制系統(tǒng)，還可以采用多個單片機分別控制每一個關(guān)節(jié)，然后由工業(yè)PC 機與多個單片機進行通訊，形成集散控制系統(tǒng)。當控制系統(tǒng)的功能和主要指標性能確定后，對計算機的基本要求也就隨之確定了。 4. 產(chǎn)品是工業(yè)產(chǎn)品還是民用產(chǎn)品。 2. 產(chǎn)品是一般工業(yè)產(chǎn)品還是需要滿足特殊要求的產(chǎn)品。在選擇控制計算機時，除了要保證實現(xiàn)系統(tǒng)的基本控制功能，滿足性能指標要求，還要綜合考慮一些其他因素，應(yīng)該綜合多種因素做出最佳選擇。本章是論文的重要的一章，包括各種機械零件的設(shè)計，計算尺寸，剛度強度校核等內(nèi)容都是對驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計重要部分。 在軸的設(shè)計與校核中，已得到 鍵 的 尺寸為： 6 m m 6 m m 1 5 m mb h l? ? ? ? ? 傳遞的扭矩為 34N mT?? 凸輪的材料是鋼材 ，由 機械設(shè)計手冊查得 許用擠壓應(yīng)力 [ ] 130MPaP? ? 鍵的工作長度 1 1 1 15 m m 6 m m 9 m ml L b? ? ? ? ?，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度 0 .5 0 .5 6 m m 3 m mkh? ? ? ?，可得 66 1 0 / 3 6h 11 0 1 0 1 . 0 0 9 7 8 0 0( ) ( ) h 6 0 8 4 7 1 0 h6 0n 6 0 2 5 4 0 0tfCL P ? ?? ? ? ??332 1 0 2 3 4 1 0 M P a 1 2 2 . 3 8 M P a [ ]3 9 2 0PPTk l d??? ? ?? ? ? ???開封大學 畢業(yè)論文 32 本章小結(jié) 本章對下肢康復(fù)機器人踝關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)機構(gòu)的機械本體零件進行了設(shè)計，并對一些重要零件進行了強度校核。則 按公式 可見軸承理論壽命 足夠大 。 中心軸上兩個軸承 共同承擔人作用在一只腳上的力。 中心軸上滾動軸承的校核 中心軸上的兩個軸承之所以選擇圓錐磙子軸承，并不是因為它總要承受軸向力， 只是在發(fā) 生意外情況時（如病人不小心滑倒），腳對踏板會產(chǎn)生一個軸向力。 對于 左 側(cè) 軸承 1 111 1 5 5 .7 8 1 .9 25 9 9 .3 3arF eF ? ? ? 故 , ?? 對于 右側(cè) 軸承 2 223 5 5 .7 8 0 .3 31 0 6 7 .3 3arF eF ? ? ? 故 221, 0XY?? 假設(shè)軸承運轉(zhuǎn)中有輕微沖擊載荷，按表 ，取 ? 表 載荷系數(shù) Pf 載荷性質(zhì) Pf 舉例 無沖擊或輕微沖擊 ~ 電機、汽輪機、通風機、水泵等 中等沖擊或中等慣性力 ~ 車輛、動力機械、起重機、造紙機、冶金機械、選礦機、卷揚機、機床等 強大沖擊 ~ 破碎機、軋鋼機、鉆探機、振動篩等 則 1 1 1 1 12 2 2 2 2( ) 1 . 1 (0 . 4 5 9 9 . 3 3 1 . 5 1 1 5 5 . 7 8 ) N 2 1 7 1 . 0 4 N( ) 1 . 1 ( 1 3 5 5 . 7 8 0 1 0 6 7 . 3 3 ) N 3 9 1 . 3 6 NP r aP r aP f X F Y FP f X F Y F? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? 開封大學 畢業(yè)論文 30 4．驗算軸承壽命 610 ()60 th fCL nP?? （ ） 式中： hL —— 軸承壽命（單位為 h ） n —— 軸承轉(zhuǎn)速（單位為 r/min ） tf —— 溫度系數(shù)，參