【正文】 / s33mm6 m m / s2021 ???? hpvn …………( 6) 而電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速有 3000r/min； 1500r/min； 1000r/min； 750r/min等 。但由于 在 生產(chǎn) 的 機(jī)械速度一定 的時(shí)候 ,電機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)越 高 ,肯定會(huì)增加 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速比 ,使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)更加復(fù)雜 。 (2) 電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速的選擇 當(dāng)電機(jī)的額定功率相同的時(shí)候 ,額定轉(zhuǎn)速 越 高 ,電 機(jī)的 安裝 尺寸、 總體 重量和成本 就會(huì)越 小 ]9[ 。取 NFL 200? ；移動(dòng)部件的總質(zhì)量（機(jī)構(gòu)桿件、滾珠絲桿、人體下 肢等）的總質(zhì)量 kgM A 400? ； 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 25104 kgmJ m ??? ，轉(zhuǎn)速為 mn ；齒輪軸部件（小齒輪）的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 24105 kgmJ ?? ?? ；齒輪軸部件（大齒輪）的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 24107 kgmJ ?? ?? ；軸 ? 的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 NmTL 4? ；齒輪 1z 與齒輪 2z 的齒數(shù)分別為 20 和 30，模數(shù)為 m=1。 電 機(jī) 參數(shù)計(jì)算 電 機(jī)的 參數(shù) 主要是 對(duì)電機(jī)的 功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩 計(jì)算 。 本裝置在啟動(dòng)性能和調(diào)速性能方面要求較高。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(duì)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(gè)恒力矩的輸出，從而使患者感覺到舒適。原因如下： 控制精度高 ： 本裝置是針對(duì)受傷的下肢而設(shè)計(jì)的一種康復(fù)型醫(yī)療器械。 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 。 ? ? rpm17 6810260 7222 ????? r pmldrfAE Igln ?? ?? …………( ) n — 容許轉(zhuǎn)速 (rpm ) ? —安全系數(shù)（取 ? =） E —縱彈性系數(shù) (E =104 2kgf/mm ) I —絲桿的軸斷面之最小二次力矩 ( 44 mm64/drI ?? ) dr —絲桿軸牙底直徑 (mm ) A —絲桿軸斷面積 ( 22 mm4/drA ?? ) L — 安裝間距 (mm )(絲桿兩端安裝之相對(duì)距離 ) g —重力加速度 (g =103 2mm/s ) ? —材料之比重量 (? =106 kgf/mm3) f 、 ? 依滾珠絲桿之安裝方法而定之系數(shù) 支持 —支持 f = ( n?? ) 固定 —支持 f = (? =) 固定 —固定 f = (? =) 固定 —自由 f = (? =) (3)壓桿穩(wěn)定性核算 22/ ( ) m a xk k sF f EI K l F???(N) ………… （ ） 式中： kF —實(shí)際承 受載荷的能力； kf —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(jiǎn)支時(shí)為 2，雙推 —自由式時(shí)為 ）； 中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 E —鋼的彈性模量 ? 510 （ MPa） ； I —絲桿小徑 2d 的截面慣性矩（ I = 42 /64d? mkgs2）； K —壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取 為 ~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(zhǎng)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(dòng)精度及定位精度，故應(yīng)驗(yàn)算滿載時(shí)的變形量。一般速以危險(xiǎn)速率的 80%以下為容許轉(zhuǎn)速。 (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。 最大 軸向 的工作載荷 maxF （ N） =200N 作用下的 可持續(xù)工作時(shí)間大于 T（ h） =2h、絲桿的長(zhǎng)度 l （ mm） =592mm、絲桿的轉(zhuǎn)速 n =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。 已知絲桿有效行程 ul =507mm， 螺母長(zhǎng)度 ml =32mm， 所以 絲桿的螺紋長(zhǎng)度 ： 1l =ul + ml =507+32=539mm …………() ul 有效行程 (mm) 1l 絲杠螺紋全長(zhǎng) (mm) ml 余程 (mm)(見 表 5) 表 5 余程 導(dǎo)程 T（ mm） 3 4 5 6 8 10 12 16 20 余程 Le 10 12 16 20 24 32 40 45 50 60 絲杠全長(zhǎng) =有效行程 +螺母長(zhǎng)度 +設(shè)計(jì)余量 +兩端支撐長(zhǎng)度（軸承寬度 +鎖緊螺母寬度 +裕量） +動(dòng)力輸入連接長(zhǎng)度（如果使用聯(lián)軸器則大致是聯(lián)軸器長(zhǎng)度的一半 +裕量） ]8[ 。 長(zhǎng)度盡量選 6米以下，超過(guò)的 就選 用齒輪齒條 。 1 級(jí)精度最高，依次遞減 (如表 4)。 滾珠絲杠 根據(jù)使用范圍分為定位型（ P）和傳動(dòng)型（ T）兩種。 一般 螺紋長(zhǎng)度與公稱直接的長(zhǎng)度之比10/ld30 是最佳的 ； 公稱 導(dǎo)程 hP 該按照裝置的承載能力和裝置的 傳動(dòng)精度及 機(jī)構(gòu)的 傳動(dòng)速度 來(lái)設(shè)計(jì)計(jì)算的。公稱直徑 0d 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(lái)進(jìn)行 選擇 計(jì)算與設(shè)計(jì)的 ]7[ 。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(guò)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) ]85[? 。 滾珠絲桿的選擇 按照國(guó)標(biāo) GB/ 及應(yīng)用實(shí)例， 滾珠絲杠 （目前已基本取代梯形絲杠，已俗稱絲杠）是用來(lái)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)；或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行元件，并具有傳動(dòng)效率高，定位準(zhǔn)確等特點(diǎn) ]5[ 。 按照給定兩連架桿對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)桿件機(jī)構(gòu)的方法，假設(shè) ??151? 、 ??1651? ，???? 1 5 030 22 ?? 、 ， ???? 1 3 545 22 ?? 、 可以求出下肢機(jī)構(gòu)醫(yī)療器械的各桿件的長(zhǎng)度 ： 4501?l mm ； 2502 ?l mm； 2403 ?l mm； 5504 ?l mm 中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 由于 ： 1234 llll ??? …………() 所以得： 最長(zhǎng)邊與最短邊長(zhǎng)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) 。 大范圍關(guān)節(jié)活動(dòng)度，活動(dòng)范圍適應(yīng)性增大，最大運(yùn)行距離已達(dá) 500mm 左右(國(guó)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。將已知的三對(duì)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角 1? 、 1? ， 2? 、2? ， 3? 、 3? 分別代入式，可得到方程組 ? ?? ?? ??????????????????233130322212022111101c o sc o sc o sc o sc o sc o sc o sc o sc o spψpψppψpψppψpψp?????? ………… （ ） 由方程組可以解出三個(gè)未知數(shù) 0p 、 1p 和 2p 。 圖 機(jī)構(gòu)封閉多邊形 該機(jī)構(gòu)的四桿組成封閉多邊形。 此機(jī)構(gòu)各桿長(zhǎng)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(duì)長(zhǎng)度。 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況起著決定性的作用。 機(jī)械傳動(dòng) 部分的 部件對(duì) 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(dòng)形式。 輔助患者的腳踝和膝蓋像正常人一樣運(yùn)動(dòng)， 由于關(guān)節(jié)被動(dòng)活動(dòng)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(duì)關(guān)節(jié)手術(shù)后的康復(fù)鍛煉都適用 ]4[ 。 機(jī)械桿件機(jī)構(gòu)的 設(shè)計(jì) 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(lái)至于人體下肢的運(yùn)動(dòng)的 分析與計(jì)算。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(dòng)時(shí)的各個(gè)動(dòng)作，使其完全康復(fù)。]2[ 。踝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度范圍為 13176。 足外翻的角 度范圍為 25176。 足內(nèi)翻的角度范圍為 10176。一般，正常成年人的小腿長(zhǎng)度為 。膝關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候還可以進(jìn)行細(xì)微的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但是人在行走的時(shí)候還是以拉伸與彎曲運(yùn)動(dòng)為主，所以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以忽略不計(jì)，這樣在對(duì)膝關(guān)節(jié)的三維建模的時(shí)候可以簡(jiǎn)化膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。130176。 膝關(guān)節(jié) 的運(yùn)動(dòng)類似于一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，所以可以簡(jiǎn)化為一個(gè)球狀的轉(zhuǎn)動(dòng)件。 大腿長(zhǎng)度的測(cè)量是從股骨下端至膝關(guān)節(jié)的長(zhǎng)度。人體下肢的運(yùn)動(dòng)鏈?zhǔn)且孕D(zhuǎn)為主的 轉(zhuǎn)動(dòng)副 結(jié)構(gòu)。CMPa) 屈服強(qiáng)度(25176。 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 。具體可采用 45 號(hào)鋼 （主要性能如表 2） 。 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 Pa 700~840 470 70~280 1396 1548 抗壓強(qiáng)度 /M Pa 420~850 30~100 100~270 1029 1226 抗彎強(qiáng)度 /M Pa 420~460 70~110 1100 1000~2021 1000~2021 由 表 1 可知，鋼相對(duì)于其他材料來(lái)說(shuō)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。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。 中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 3 下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械 設(shè)計(jì) 裝置結(jié)構(gòu)材料選取 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。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)踝關(guān)節(jié)的左右擺動(dòng)，機(jī)構(gòu)桿件簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，還可以實(shí)現(xiàn)大小腿的長(zhǎng)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。方案二尺寸調(diào)節(jié)沒(méi)有方案一方便。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(dòng)。該裝置機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，電機(jī)功率可以選小點(diǎn)，所 以整個(gè)裝置顯得輕便些。改裝置的腳踏板還可以實(shí)現(xiàn)左右擺動(dòng)，是踝關(guān)節(jié)得以多角度的訓(xùn)練。該裝置有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度的標(biāo)尺，可以適應(yīng)正常成年人的腿的長(zhǎng)度。 三、使用 SolidWorks2021 軟件中的應(yīng)力分析插件工具（ COSMOSXpress2021）對(duì)主要零件進(jìn)行應(yīng)力分析，根據(jù)分析結(jié)果改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，使下 肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械運(yùn)動(dòng)更加協(xié)調(diào)，靈活。根據(jù)機(jī)構(gòu)桿件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，計(jì)算滾珠絲桿和電機(jī)的相關(guān)參數(shù)，選擇滾珠絲桿與電機(jī)的型號(hào)。下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械可以實(shí)現(xiàn)正常人行走時(shí)膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的收縮和伸展，鍛煉下肢肌肉，恢復(fù)神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)行走能力的控制 ，達(dá)到恢復(fù)行走機(jī)能的目的 。本章就以上問(wèn)題進(jìn) 行了深入討論。包括電機(jī)的型號(hào)，轉(zhuǎn)速，功率。這種空回是非連續(xù)的，既影響傳動(dòng)精度，又影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。滾珠絲桿副在負(fù)載時(shí)，其滾珠與滾道面接觸點(diǎn)處將產(chǎn)生彈性變形。 滾珠絲桿的設(shè)計(jì)通過(guò)，四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況來(lái)計(jì)算，確定滾珠絲桿的軸向最大載荷，運(yùn)動(dòng)速度，公稱直徑和公稱導(dǎo)程。采用簡(jiǎn)化模型分析人體運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。通過(guò)分析人體骨骼模型和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)建立人體簡(jiǎn)化模型。裝置每個(gè)部分的配合運(yùn)動(dòng)的優(yōu)劣不僅直接影響患者舒適性，還決定整個(gè)裝置的穩(wěn)定性和連貫性。 圖 下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械 本文研究的主要內(nèi)容 下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械設(shè)計(jì)必然是一個(gè)挑戰(zhàn)。下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械是實(shí)現(xiàn)人體在保持良好的坐姿下，使人體腳踝和膝蓋在一個(gè)平面內(nèi)，得以伸縮和彎曲，像正常人行走一樣的反復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而使踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)得意修復(fù)。 下肢關(guān)節(jié)康復(fù)器供下肢關(guān)節(jié)功能患者作康復(fù)輔助治療用。最重要的是該裝置還可以設(shè)定關(guān)機(jī)時(shí)間 ， 為臨床使用和管理提供了方便 ]2[ 。例如，裝置在運(yùn)行的時(shí)候，如果遇到突發(fā)事件，能夠自行反轉(zhuǎn)，而且該裝置的力矩能夠任意的設(shè)置。而且該裝置還有 力矩控制和超力矩保護(hù) 的 功能， 能夠確?；颊呤褂冒踩?]2[ 。電動(dòng)式下 肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械的 運(yùn)動(dòng)角度、速度、時(shí)間等參數(shù) 都可以通過(guò)通過(guò) CPU控制， LCD液晶顯示出來(lái)。機(jī)械式踝關(guān)節(jié)康復(fù)器械雖然操作起來(lái)很簡(jiǎn)單，但是 如果在 家里 沒(méi)有矯形醫(yī)師 的指導(dǎo) 的情況下，患者 通過(guò)自身能力來(lái) 調(diào)整踝關(guān)節(jié)矯正角度，可能 會(huì)產(chǎn)生 事與愿違的效果。可以實(shí)現(xiàn)腳踝的 內(nèi)外翻轉(zhuǎn)等 ]2[ 。如圖 。所以為了保證在手術(shù)后能都快速的恢復(fù)肢體的運(yùn)動(dòng)能力，有人研發(fā)了下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械這種康復(fù)醫(yī)療器械，幫助患者術(shù)后修復(fù)鍛煉 ]1[ 。 這樣的患者在手術(shù)后都要面臨同樣的一個(gè)結(jié)果，就是在家靜養(yǎng)。年輕人在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候難免會(huì)受傷，比如打籃球的時(shí)候手扭傷，踢足球的時(shí)候腳扭傷等等。下肢關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械對(duì)下肢行走有困難的患者提供了很大的方便，尤其是對(duì)術(shù)后的患者，還有就是截肢的患者和裝了假肢的患者，給他們提供了一個(gè)康復(fù)訓(xùn)練的好機(jī)會(huì)與好方法，加快他們的康復(fù)效果 ]1[ 。經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn) ,殘疾人 康復(fù) 訓(xùn)練 中心成立了康復(fù)工程研究所 ,這個(gè)研究所的只要目的是結(jié)合臨床醫(yī)學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，采用科學(xué)有效的技術(shù)手段，給殘疾人提供和研發(fā)一些康復(fù)訓(xùn)練的器械，包括一系列的研發(fā)、生產(chǎn)、售后服務(wù)性的指導(dǎo)殘疾人操作，維修服務(wù)的一條龍服務(wù)，在進(jìn)行質(zhì)量的反饋，從而改進(jìn)設(shè)備的技術(shù)，為殘疾人提供更舒適，更方便的醫(yī)療器械 ]1[ 。我國(guó)最早的成套康復(fù)訓(xùn)練器械是從國(guó)外進(jìn)口的。 SolidWorks2021 Classification: TH122 III 目 錄