1、引言 錯誤！未指定書簽。課題研究的背景 錯誤！未指定書簽。踝泵運動的定義及優點 錯誤！未指定書簽。本文主要研究的內容 錯誤！未指定書簽?？刂品桨傅脑O計 錯誤！未指定書簽。踝關節運動模型分析 錯誤！未指定書簽。目前用于踝關節康復訓練的器械 錯誤！未指定書簽。腳踝康復機的功能要求分析 錯誤！未指定書簽。腳踝康復機的控制方案確定 錯誤！未指定書簽?？刂葡到y硬件設計 錯誤！未指定書簽。的選型 錯誤！未指定書簽。步進電機的選型 錯誤！未指定書簽。觸摸屏的選型 錯誤！未指定書簽。其他元器件選型與元件清單 錯誤！未指定書簽。的分配 錯誤！未指定書簽。電氣原理圖的設計 錯誤！未指定書簽。接線圖 錯誤！未指定書

2、簽?？刂葡到y軟件設計 錯誤！未指定書簽。程序設計 錯誤！未指定書簽。觸摸屏畫面設計 錯誤！未指定書簽。系統安裝與調試 錯誤！未指定書簽。硬件接線 錯誤！未指定書簽。調試 錯誤！未指定書簽。結論 錯誤！未指定書簽。致謝 錯誤！未指定書簽。參 考 文 獻 錯誤！未指定書簽。引言 課題研究的背景隨著經濟的發展，生活節奏的加快，人口老齡化的加重以及汽車等交通工具的廣泛使用，使得交通事故和人體疾病導致肢體運動障礙的概率增加。踝關節是人體負重最大的關節，也是下肢運動的關鍵關節。人體站立時全身重量均落在踝關節上，日常生活中行走、跳躍活動，主要依靠踝關節的背屈跖屈運動。踝關節的損傷在日常生活中較為常見，踝關節

3、損傷后會使患者行動不便，嚴重影響其正常的日常生活。尤其對于長期臥床患者，會造成關節粘連和肌肉蔞縮, 并且極易引起并發癥（下肢深靜脈血栓形成），心、腦、肺部疾病導致長期臥床的患者的臨床報導非常多見。因此，對踝關節的康復治療相當重要。早期積極主動、被動的康復訓練鍛煉以促進靜脈血液回流，起到了不可替代的作用。踝關節康復訓練的主要采取運動訓練的方式，以主動活動為主，被動活動為輔，如指導或幫助患者進行踝泵運動?？祻陀柧毷侵缚梢越柚饬蜥t療器械，使踝關節進行有規律地、適度地運動，從而加速關節組織的愈合，增強踝關節周圍韌帶肌肉力量，提高踝關節的柔韌性、穩定性及協調性，預防再次扭傷，增強人體對踝關節的本體感

4、覺。目前對踝關節的康復訓練主要依賴于治療師一對一的徒手訓練, 難以實現高強度、有針對性和重復性的康復訓練要求, 而且手工康復訓練的成本很高。另外由于康復評價也多為主觀評價, 不能夠實時監測治療效果。另外市場上的關于踝關節康復訓練的器械大多需要人力來完成, 且功能單一, 大多僅提供關節一個方向的運動, 對關節整體功能的恢復尚存不足, 而且使用不當易造成關節的再次損傷。市場上還沒有專門針對踝關節進行綜合康復訓練的醫療器械。因此，本設計希望研制一臺能夠綜合輔助患者康復訓練的機器人“腳踝康復機”。 踝泵運動的定義及優點踝泵運動（英文名字），是就是通過踝關節的運動，起到像泵一樣的作用，促進下肢的血液循環

5、和淋巴回流。踝泵運動是下肢骨折功能鍛煉最簡便、有效的訓練方法，主要通過踝關節的活動帶動下肢肌肉收縮，加快血液回流，促進腫脹消除及肢體功能康復；術后早期的踝泵訓練能使高凝狀態的血液流動增快。該護理方法簡單易行，安全實惠，療效突出，臨 床應用廣泛。但踝泵運動臨床護理操作方式不盡相同，有單純的踝關節屈伸運動，同 時有踝關節的內收和外展、跖屈和背伸、內翻和外翻組合在一起的“環繞運動”。.本文主要研究的內容本文主要是在踝關節損傷及其康復訓練理論的基礎上，根據踝關節的康復需要， 結合自己所學專業知識，完成腳踝康復機的控制系統進行設計。 完成相關圖紙的設計?？刂品桨傅脑O計.踝關節運動模型分析踝關節運動分析踝

6、關節是人體下肢運動的關鍵部位。 根據踝關節的生理結構及人類日常的活動方 式可知，踝關節任何復雜的運動都可分解為三個基本的運動。這三種運動形式分別為：背伸跖屈、內收外展、內翻外翻以及空間位置的平動是踝關節完成日常運動所需的基 本運動方式，其中背伸和跖屈是其主要的運動形式。 關于運動的幅度，由于測量方法、 測量條件、測量儀器和技術不同，得到的測量數據很不一致，另外性別，身體狀況的差別，踝關節的運動范圍不盡相同。經過查閱資料匯總得到，一般情況下踝關節的最 大運動幅度為：背伸。 ;跖屈。；內收。；外展。；由于內翻和外翻偏轉角度較 小，很少有人測量，設計時可依靠固定腳踝的彈性繃帶予以少度的偏轉。踝關節三

7、種 基本運動和幅度如圖 所示：外展250踝關節康復運動的簡化模型踝關節的康復運動形式主要指踝關節的跖屈，背屈，外翻，內翻，外展，內收運動，以及踝關節在某位置時的牽引。其它的康復運動都是由這些運動復合而成。為設計研究方便，我們將踝關節的康復運動簡化為繞三個互相垂直相交的軸線的轉動和沿軸線的移動，如圖所示:030徑向平面定義在 所在的平面，在該平面的運動為繞軸的轉動的背屈跖屈運動；橫向的平面定義成 面，其運動為繞 軸的轉動和沿 軸的微量移動，即為內收 外展運動和足底緩沖作用；前向平面定義成平面，具運動為繞 軸的轉動的內翻外翻運動。在實際設計踝關節康復機器人的過程中，我們要考慮不同人的踝關節運動幅

8、度的不同，應該使康復機器人的運動幅度較之一般人留有一定余量。本文中，為了容 易分析比較踝關節康復機器人的運動學特性，取每個運動方式的范圍均為。.目前用于踝關節康復訓練的器械康復訓練的醫療器械國內外已開展了利用機器人技術對踝關節損傷康復治療的研究。我國對康復治療的作用認識比較晚，到近幾年才開始在臨床上對于踝關節損傷應用康復治療，市場上 幾乎沒有專用的踝關節康復器械。國外很多公司制造了多種用于提高踝關節力量、平衡能力和協調性的踝關節康復 器械。從簡單的彈性繃帶（如圖 所示）、泡沫塑料滾筒（如圖 所示）到復雜的電子 平臺平衡系統（如圖所示）、多關節系統 （如圖 所示）等。彈性繃帶是目前用于踝關節康復

9、訓練最簡單的輔助工具，患者把雙腳套在彈力帶中。當患者移動雙腳的時候，彈力帶提供阻力，從而訓練控制踝關節運動的肌肉?；?者可以選擇阻力不同的彈力帶，適合不同時期的康復需要。泡沫塑料滾筒是一種提供踝關節平衡能力和協調性訓練的簡單的康復器械。半圓筒或圓筒置于患者腳下，給患者提供了不平穩表面。半圓筒方式由于它的不平穩面更 容易平衡，所以通常是康復訓練的第一步。當患者取得了一定的效果之后，圓筒方式 用于提高平衡訓練的難度。平衡系統實質上是一臺電子控制搖板， 使患者站在一個可以移動重心的平面上， 且該平面的平穩性可以通過控制系統來操作。該系統可以評估患者的平衡能力和協調 性。也可以訓練患者肌肉運動的知覺能

10、力，彌補自身的不足。該系統可以提供患者康 復的記錄和由電腦建立的反饋圖表。多關節系統：是一臺用于身體多關節綜合康復系統，可控制踝關節運動的阻力， 測量踝關節的輸出力。從而使治療專家根據量化肌肉的輸出力準確地對患者功能進行 評估。目前踝關節康復產品，雖然在一定程度上對踝關節康復起到了一些作用，但功能和使用的方便性上都存在缺陷，需進一步完善。這些器械大多需要人力來完成，且功能單一，大多僅提供關節一個方向的運動，對關節整體功能的恢復尚存不足，而且使用 不當易造成關節的再次損傷。具有綜合功能的器械醫用成本極高。市場上還沒有專門 針對踝關節進行綜合康復訓練的便攜醫療器械。新型控制系統在醫療器械領域的應用

11、()單片機控制系統單片機又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算 機系統集成到一個芯片上。相當于一個微型的計算機。()計算機控制系統計算機控制系統是在自動控制技術和計算機技術飛速發展的基礎上產生的。隨著計算機技術的進步，計算機控制技術在醫療器械領域發揮了不可代替的作用。()運動控制器系統運動控制器是以中央邏輯控制單元為核心，以傳感器為信號敏感元件，以電機動 力裝置和執行單元為控制對象的一種控制裝置。在全數字環境下，伺服控制器實現了 軟件化伺服控制。()控制系統即可編程控制器，是指以計算機技術為基礎的新型工業控制裝置，它是一種專門 為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的

12、電子裝置?？刂葡到y比較控制系統優點缺點單片機系統較強的接口驅動能力、擴展簡 便、低功耗、信號采集、數據 處理能力強運動控制領域，穩定性及抗干擾能力較 弱、高速、高精度和多軸的同步運動控 制存在瓶頸計算機系統綜合功能強大，集控制、檢測、 分析、數據運算一體多為大型綜合器械，制造及使用成本高、 開發周期長運動控制器可以實現多種運動軌跡的控 制、結構形式模塊化成本高，一般卅于高速高精度，運動軌 跡復雜的場合控制系統穩定、安全可靠；體積小重量 輕，易實現機電自動一體化體系機構相對封閉，各廠家對應小同的 編程語言及指令系統；本設計的腳踝康復機，要求低速運動平穩可靠，能夠滿足醫用運動要求，操作簡 單，經濟

13、安全。 控制系統能夠滿足要求。腳踝康復機的功能要求分析對踝關節康復訓練裝置進行設計前，應對康復訓練裝置的功能要求進行分析。踝 泵運動實際上是輔助踝關節進行模擬各種能夠進行的動作，達到訓練的目的。踝關節 的運動可以分解為三組基本的動作，()背伸和跖屈，()內收和外展，()內翻與 外翻。踝關節其他復雜動作均可由這三種基本的動作組合而成。為達到康復訓練的良 好效果，踝泵運動器應滿足以下基本功能：()性能穩定，能夠長期安全使用。踝關節康復訓練一般需要長期療養過程，長期安 全實用是康復訓練的基本保障。()可供多種訓練模式選擇。在能夠實現基本動作的基礎上，為達到康復訓練效果， 讓腳踝部得到充分徹底的動作練

14、習，可根據需要提供多種模式。()具有很好的柔性，訓練動作次數、運動速度、周期、動作幅度等多種參數可調。 由于每個人的腳能夠動作的最大極限，偏轉角度不盡相同，以及每個人的恢復程度不 同，應根據每個人的具體情況，設定對應適合的參數，這就需要踝泵運動器的多種參 數均可在一定范圍內調節。()高度自動化。為減少人力勞動，踝泵運動器需要自動返回原點，自動統計動作次 數等。()操作簡單，易監控。為實現監控功能，讓患者了解康復訓練進度，可配置人際友 好界面，畫面盡可能做的簡單易懂，實用便捷。.腳踝康復機的控制方案確定總體控制方案基于對踝關節訓練原理分析，在已經設計好的放置腳部球副機械結構的基礎上， 結合自己所

15、學專業知識，提出踝泵運動器的控制總體方案?？刂品桨甘且詾榭刂坪诵? 觸摸屏為監控及輸入裝置，接近開關傳感器為信號元件，兩臺步進電機和絲桿螺母副 滑臺為被控對象。兩絲桿螺母滑臺正交布置，通過控制步進電機帶動絲桿上的滑臺做 直線或曲線運動，從而帶動球副結構，實現踝泵運動的動作?？刂葡到y的難點在于對 滑臺的軌跡控制。電源模塊工作模式及軌跡控制根據踝泵運動的動作，為達到對踝關節充分訓練的目的，踝泵運動器需要三種工 作模式，一是針對踝關節主要的運動方式背伸和跖屈進行訓練，二是針對踝關節綜合 運動進行訓練，具體模式如下：模式一：屈伸動作。訓練針對人體踝關節主要的運動方式，背伸和跖屈。其中動 作組數及每組次

16、數均可調節。運動軌跡反映到人腳，就是踝關節做背伸和跖屈，腳尖 的軌跡即為上下有規律的擺動。模式二：左腳環繞。訓練針對人體踝關節各種基本運動的綜合。其中動作組數及 每組次數均可調節。該模式先對腳步進行屈伸動作，作為訓練前的預熱準備工作，再 進行復雜的壞繞運動，運動軌跡反映到腳部，就是左腳腳尖的軌跡是以踝關節為中心, 做近似順時針橢圓運動。模式二：右腳環繞。訓練針對人體踝關節各種基本運動的綜合。其中動作組數及 每組次數均可調節。該模式先對腳步進行屈伸動作，作為訓練前的預熱準備工作，再 進行復雜的壞繞運動，運動軌跡反映到腳部，就是右腳腳尖的軌跡是以踝關節為中心, 做近似逆時針橢圓運動。右腳模式與左腳

17、模式的區別在于橢圓軌跡的方向相反。要達到設計的三種踝泵運動訓練模式，需要研究對腳的軌跡控制，腳步機構的動 作是有步進電機帶動的絲桿滑臺的運動來控制的，實質上轉化為對絲桿滑臺的控制。 步進電機轉過一周，對應的絲桿轉過一周，滑臺移動一個導程（），通過改變脈沖頻 率來改變步進電機的轉速，從而改變滑臺的移動速度；改變脈沖周期數來控制步進電 機轉過的圈數，來控制滑臺的移動距離。控制系統硬件設計. 的選型的定義即可編程控制器，（），是指以計算機技術為基礎的新型工業控制裝置，它是 一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計

18、時、計數和算術運算等 操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過 程。及其有關的外圍設備都應該按易于與工業控制系統形成一個整體，易于擴展其功 能的原則而設計。的特點）使用方便，編程簡單；采用簡明的梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言，而 無需計算機知識，因此系統開發周期短，現場調試容易。另外，可在線修改程序，改 變控制方案而不拆動硬件。編程器的操作和使用也很簡單。）功能強，性能價格比高；一臺小型內有成百上千個可供用戶使用的編程元件， 有很強的功能，可以實現復雜的控制功能。它與相同功能的繼電器系統相比具有很高 的性能價格比?？梢酝ㄟ^通信聯網實現分散控制，集中管理。）硬

19、件配套齊全，用戶使用方便，適應性強；產品已經標準化、系列化、模塊 化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進行系統配置， 組成不同功能、不同規模的系統。的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接 線。有較強的帶負載能力，可以直接驅動一般的電磁閥和小型交流接觸器。）可靠性高，抗干擾能力強；傳統的繼電器控制系統使用了大量的中間繼電器、 時間繼電器，由于觸點接觸不良，容易出現故障。用軟件代替大量的中間繼電器和時 間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關的少量硬件元件，接線可減少到繼電器控制系統 的，因觸點接觸不良造成的故障大為減少。采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強的抗干擾能力

20、，平均無故障時間 達到數萬小時以上，可以直接用于有強烈干擾的工業生產現場，已被廣大用戶公認為 最可靠的工業控制設備之一。止匕外，帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時可及時 發出警報信息。）系統的設計、安裝、調試工作量少；用軟件功能取代了繼電器控制系統中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數器等器件，使控制柜的設計、安裝、接線工作量 大大減少。的故障率極低；且具有很強的自診斷功能，可故障信息，迅速查明故障信 息，維修極為方便。的梯形圖程序一般采用順序控制設計法來設計。這種編程方法很有規律，很容易 掌握。對于復雜的控制系統，設計梯形圖的時間比設計相同功能的繼電器系統電路圖 的時間要少得多。的用戶程序可

21、以在實驗室模擬調試，輸入信號用小開關來模擬，通過上的發光二 極管可觀察輸出信號的狀態。完成了系統的安裝和接線后，在現場的統調過程中發現 的問題一般通過修改程序就可以解決，系統的調試時間比繼電器系統少得多。的工作過程采用循環掃描的工作方式。在中，用戶程序按先后順序存放，從第一條指令開始執行程序，直至遇到結束符后又返回第一條，如此周而復始不斷循環。 工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段。完成 上述三個階段稱作一個掃描周期。掃描周期是一個很重要的指標，小型 的掃描周期一般為十幾毫秒到幾十毫秒。從輸入端有一個輸入信號發生變化到輸出端對該變 化做出反應，需要一段時間，這段

22、時間就稱為的響應時間或滯后時間。如圖圖循環掃描過程()輸入采樣階段在輸入采樣階段，以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態和數據，并將它們存入 映象區中的相應的單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態和數據發生變化，映象區中的相應單元的狀態和數據也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周 期，才能保證在任何情況下，該輸入才能被讀入。()用戶程序執行階段在用戶程序執行階段，總是根據梯形圖程序先左后右、先上后下的掃描原則，順序執行用戶程序指令(梯形圖)。對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根 據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在

23、系統存儲區中對應位的狀態；或者刷新該輸出線圈在映象區中對應位的狀態；或者確定是否要執行該梯形圖所規定的特殊功能 指令。在用戶程序執行過程中，只有輸入點在 映象區內的狀態和數據不會發生變化， 而其他輸出點和軟設備在映象區或系統 存儲區內的狀態和數據都有可能發生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執行結果會對排在下面的用到這些線圈或數據的 梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態或數據只能到 下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。()輸出刷新階段當掃描用戶程序結束后， 就進入輸出刷新階段。在此期間，按照 映象區內對應的狀態和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應

24、的外部設備。這時, 才是 的真正輸出。一般來說，的掃描周期包括自診斷、通訊等，如下圖所示，即一個掃描周期等于自診斷、通訊、輸入采樣、用戶程序執行、輸出刷新等所有時間的 總和。的選型選型時具體考慮以下幾個方面要求：點的數量、用戶的存儲容量、的響應速度要求等要求及現有資源。結合自己所學專業知識，綜合考慮目前的可編程控制器種 類，通過比較三菱、西門子、等廠家的產品，分析論證它們的優缺點，發現使西門子 系列 更容易完成該項目的要求。同時為滿足接口數量，因此，我在本系統中選用西 門子 型號。利用其豐富的基本及功能指令來設計，從而實現對環境因子的具體控制 要求。西門子系列的特點是：操作簡單方便，穩定性好、

25、可靠性高，功能強大。通過 使用 編程軟件，直接在機上用梯形圖編程，并進行現場實際操作調試程序。所選性能指標如下：它是晶體管輸出型型號可網顰建終CPD二醯頓-時鐘班CCP)/供電電壓直流點數數據存儲區程序執行時間脈沖輸出X通訊接口X高速計數器XX實時時鐘內置.步進電機的選型步進電機的概述步進電機是將脈沖信號轉化成角位移的執行機構：當步進驅動器接收到一個脈沖 信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。由于受脈沖的控制，其轉子的角位移量和速度 嚴格地與輸入脈沖的數量和脈沖頻率成正比， 通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而 達到準確定

26、位的目的；通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到 調速的目的；通過改變通電順序，從而達到改變電機旋轉方向的目的。步進電機有如 下特點：()可用數字信號直接進行開環控制，步進電機的動態響應快，易于反復起動、正反 轉及變速，適用于中小力矩。步進電機具有半電流自鎖功能，維持控制繞組的電流為 額定電流的一半，電機便停在某一位置上不動，即步進電機有自整角能力，不需要機 械制動。()用于位置控制，通過細分驅動，消除了電機的低頻振蕩，提高了電機的輸出轉矩， 提高步距精度，沒有累積誤差，開環控制就能獲得較高的控制精度。也可接編碼器， 防止失步。()步進電機還具有耐振性好，結構簡單，運行可靠，步

27、距角不受電源電壓、負載大 小、環境條件的影響，每轉一圈，步距積累誤差為零，控制性能好，基本不需維護和 價格低廉的特點。()步進電機的缺點是電效率低，帶負載的能力不大，起動轉矩小，存在低頻振 蕩和高頻力矩不足的問題，必須進行細分驅動，改善電機運行性能。步進電機沒有積 累誤差，因此是一種具有較高定位精度的執行元件。 步進電機主要用于開環控制系統， 當精度和速度有較高要求時也可采用閉環控制。作為伺服電動機應用于速度、位置控 制領域時，往往可以使系統簡化、工作可靠，而且獲得較高的控制精度。對于同一臺 步進電機來講，可以在寬廣的范圍內通過改變脈沖頻率來實現無級平滑調速，能夠快 速啟動、反動和制動。步進電

28、機的這種控制功能，是其他電動機無法替代的。因而成 為經濟型數控系統一種主要的伺服元件。在工業上尤其是用作狀態伺服元件、狀態指 示元件、位置控制和速度控制元件。廣泛應用到其他領域，如電加工機床、小功率機 械加工機床、測量儀器、光學和醫療儀器以及包裝機械等。給電機加一個脈沖信號，改變一次勵磁狀態并使轉子轉過一定的角度。其位移量 (角度或長度)與輸入脈沖個數有嚴格的對應關系， 電機轉速與輸入脈沖頻率能保持同 步?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，達到精確定位的目的；可以通過控制脈 沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度， 達到調速的目的。改變輸入脈沖的通電相序, 就能控制轉子機械位移的方向，實現位置控

29、制。步進電機的位置及速度控制()位置控制步進電機的步距角是脈沖計算中的一個重要參數，步距角是指，當輸入一個電脈沖時,電動機轉子所應轉過角度的理論值，其計算公式如下：3600mzc式中 一相數；一轉子齒數； 一工作方式，單拍和雙拍時 ，單雙拍時。將負載的 最小分辨率(也叫脈沖當量)換算到電機軸上，一個脈沖當量，電機應走一個步距角。那么步進電機轉動一圈需要的脈沖數量為 360 0 /9個，則滑臺移動的位移為：N*s 二0 L3600式中一滑臺位移；一脈沖數；8一步距角；一絲桿導程；由于步進電機的步距角是固 定的，所以改變脈沖數量即可控制滑臺的位移，若加減速器的話，滑臺位移乘以減速 比即可，即：&a

30、mp; =sk ,為減速比。()速度控制當步進電機的步距角確定后，轉速可表達為:n = 6式中一電機轉速；8 一步距角；一脈沖頻率。輸入的脈沖頻率越高，步進電機的轉 速越高，可以通過控制步進電機的脈沖頻率來得到相應的轉速。則對應的滑臺移動速 度為：v=nL=efL/6；式中一滑臺移動速度；一絲桿導程；通過改變脈沖頻率即可改變滑臺移動速度，若加入減速器，則滑臺速度為：M=kv；一減速比。()細分驅動由于步進電機每接收一個脈沖后所轉過的步距角的大小由自身制造工藝即轉子齒數所決定，這一特性使得步進電機分辨率較低， 系統運行過程中靈活性小，電機會振 動特別是在低頻運行時更為明顯，由于振動的原因步進電機

31、運行時產生的噪音高于其 它微電機造成了電機裝置疲勞度增加、使用壽命減少。可以采用細分驅動技術，克服上述缺點。步進電機的工作原理本質上就是勵磁繞組產生的旋轉的合成的磁場帶動轉 子做同步運動。當步進電機未細分時,步進電機所產生的合磁場將以一個固定的角度 進行旋轉。當對步進電機進行細分后，這個固定的角度就會被細化成若干份，從而實現 步距角的細分。步進電機的步距角為8 ,若對步進電機進行細分，則電機實際步距角為：=H/n。步進電機及驅動器的選型()步進電機及驅動器選型時主要考慮以下幾個方面：.通過驅動機械裝置的部件尺寸、減速比、外作用力、重力等其他因素，確定步進電機拖動負載所需要的力矩并計算出負載慣量

32、；.確定實際使用時電機的最高轉速和最低轉速；.根據力矩和速度兩個重要指標，查電機的“矩頻特性”，選擇滿足需要的電機，但要留有一定的力矩余量和速度余量；.選擇電機時，并非步進電機的標稱力矩越大越好， 要考慮其高速性能：有些電機盡管 標稱值很大，但隨著轉速的增加力矩衰減很快，這種電機適用于低速場合；有些電機 雖然標稱值不大，但力矩衰減較慢，可以使用于高速場合。.經濟情況。在滿足控制條件的基礎上，選擇價格合理的步進電機，可以節約成本。綜合以上分析，選用型號為：；能夠滿足要求；具體技術參數如下：型號相數步距角（）電壓（）電流（）保持車歙巨（）定位車歙巨（）空載頻率（）轉動慣量（）相電阻（Q ）Mm (

33、)（2）驅動器選型：步進電機驅動器是一款專業的兩相步進電機驅動，可實現正反轉控制。該驅動器 具有接口采用高速光耦隔離、自動半流減少發熱量、大面積散熱片不懼高溫環境使用、 抗高頻干擾能力強、輸入電壓防反接保護、過熱，過流短路保護等特點。輸入電壓,推薦使用輸入電流推薦使用開關電源功率輸出電流取大功率細分、溫度工作溫度C；存放溫度CC濕度不能結露，不能有水珠氣體禁止有引燃氣體和導電灰塵千克輸入輸出端說明:信號輸入端:脈沖信號輸入正。（） :脈沖信號輸入負。（） :電機正、反轉控制正。:電機正、反轉控制負:電機脫機控制正。:電機脫機控制負。電機繞組連接:連接電機繞組相。:連接電機繞組相。:連接電機繞組

34、相。:連接電機繞組相。電源電壓連接:電源正端:電源負端PUL+卬虹二 JDIR+接線：驅動器與控制器、電機、電源接線如圖IVCC喻ft傕金丹.;方向僖蕓冉JENA+使能信會產1EHA-直流電步進電機圖驅動器接線觸摸屏的選型觸摸屏的概述人機界面主要應用于工業，工業人機界是一種帶微處現器的智能終端。目前，工 業人機界面也應用于一些非工業領域，如：銀行信息管理、智能樓宇、智能家居、城 市信息管理、醫院信息管理等，而其廣泛的應川也得益于其成熟的人機界面技術和高 可靠性。因此，工業人機界面正在向應用范更廣的高可靠性智能化信息終端發展。根 據功能的不同，工業人機界面習慣上被分為文本顯器、觸摸屏人機界面和平

35、板電腦三 大類，可以實現人和機器之間的信的交互，即信息輸入及信息輸出顯示，包括文字或 圖形。的點數,使用人機界面可以使機器的配線標準化、簡單化，還能減少所配的 同時由于控制設備的高性能以及操作面板的小型化，相對地提高了整套設備的附加 值。觸摸屏的選型在控制系統中，觸摸屏要完成顯示、輸入功能，對觸摸屏的要求不高，有足夠的畫面數據存儲器；有足夠的分辨率和顯示亮度；有基本的串行通信功能，方便的通信;就可以滿足基于控制的要求，結合市場價格及穩定性。以此為原則選用了臺達公司的觸摸屏完成系統的輸入、顯示功能。該觸摸屏配備有端口和端口，端口通過專用電纜用于與進行連接。該觸摸屏能夠很好兼容西門子,端口用于與安

36、裝有畫面制作工具軟件一的計算機連接。臺達觸摭屏觸摸屏主要技術參數:尺寸：口寸分辨率：X像素供電電壓：直流支持上下載，支持一端口與通訊支持以太網絡造型時尚現代化，內置3音效功能可連接打印機具有宏指令精靈，使用宏指令更加方便其他元器件選型與元件清單為節約成本，方便維護與維修，控制系統硬件盡量采用常用標準件，以下是控制 系統主要元件：序號名稱型號數量一觸摸屏步進電機步進電機驅動器減速器減速比：開關電源急停按鈕光電傳感器絲桿一導程的分配序號地址連接兀件注釋傳感器軸中心檢測傳感器軸中心檢測傳感器軸左限位傳感器軸右限位傳感器軸左限位傳感器軸右限位繼電器選擇左腳繼電器選擇右腳急停按鈕急停電機電機脈沖信號電機

37、電機脈沖信號電機電機方向信號電機電機方向信號電氣原理圖的設計接線圖1 1M 0.00.10.20.30.40.50.60.7 2M 1.01.11.21.31.41.51.5 M L+24V DC*_r、_r、_# _廣 >Li '*- ,SBS1 S2 S3 S4 S5 S6-24VDC軸軸軸軸軸軸 中 中左右左右 心心限限限限 檢檢位位位位 測測停止按鈕I/O 口端子接線圖1學?；搓幑W院班級機自3113設計梁龍強學號1111121102審核比例圖接線圖控制控制控制控制I/O 口端子接線圖2學?；搓幑W院班級機自3113設計梁龍強學號1111121102審核比例圖接線圖控制系

38、統軟件設計程序設計本設計的腳踝康復機，有三種相互獨立的工作模式，可以采用分模塊設計的思想, 即將整個控制程序分成多個功能模塊，每個功能模塊單獨設計成一個子程序，每個子 程序間又有著一定的聯系。將一個將復雜系統劃分成多個模塊進行設計的思想使程序結構更加清晰、合理，同時也有利于每個模塊單獨調試和各程序模塊的整合。控制程.觸摸屏畫面設計在該系統中，使用臺達公司開發的軟件一來設計人機界面。組態軟件是面向監控 與數據采集的軟件平臺工具，能以靈活多樣的組態方式（而不是編程方式）提供良好 的用戶開發界面和簡捷的使用方法。具體設計如下：（1）主畫面：主畫面為狀態顯示畫面，顯示運行模式，記錄運行次數。如圖（）（

39、2）模式選擇畫面：三種工作模式可供選擇，每個模式下的運動組數和次數可調。如圖（）（3）使用說明畫面：說明本系統運行的方法。如圖（）（4）報價提示畫面：上電時和超程時會跳出此畫面。如圖（）、（）（5）屏保畫面：設定一定時間無人操作，屏保畫面顯示。如圖（）：狀態顯示2015m -次數顯示運行運行模式屈伸動作右腳環繞左腳環繞圖（）模式選擇2 cli5.03.11 10:48:28模式- m組數門每細次數I 0如1詠1:T :" 運行加1 j酸1- 11甄曲 °模式二需r、r j每組次數1 口 .復位模式三百組數1 c 1)每組次數Li狀態模泰|LEJ巴回回日回使用說明2015,0

40、3 11 10:48:581、使用前，先按“復位”按鈕，校正位置2、在“模式選擇”氟面，可選擇一種模式，再按兩次“啟動"按鈕3、中途若按下“停止”按鈕，可以停止擺動，下次后動前 需先按“復位”按鈕4.若按下“啟動”按鈕設備沒有反應，可依次按下“停止” 、“復位”按鈕，后重新使用運行復位5、緊急情況F,可按外部紅色“急?！卑粹o，使設備停止系統安裝與調試 硬件接線（）按電路圖（或元件明細表）檢查元件配置情況，并進行檢驗按電路圖（或元件明細表）檢查控制板和控制面板上的元件是否齊全，觀察各類元件上的廠標或索引號、工作電壓性質和數值等標志是否符合電路要求。觀察各類元件上觸點及接線端子的位置并用

41、萬用表逐個檢查元件的常開、常閉觸點及接觸器線圈是否完好。（）布線.選用導線） 導線的類型硬線只能用在固定安裝的不動部件之間，且導線的截面積不小于，在其余場合則應采用軟線。）導線的絕緣導線必須絕緣良好，并應具有抗化學腐蝕的能力。）導線的截面積在必須能承受正常條件下流過的最大電流的同時，還應考慮到線路中允許的電壓降、導線的機械強度以及與熔芯的配合。.布線方法所有導線從一個端子到另一個端子的走線必須是連續的，中間不得有接頭；對明露導線必須做到平直、整齊、 走線合理等要求。由于明露導線在布線時需固定、綁扎，工作量較大且維修不便，目前較多采用有齒槽板布線方式。.接線方法所有導線的連接必須牢固、不得松動。

42、導線與端子的接線，原則上是一個端子只接一根導線，至多接二根導線。有些端子不適合連接軟導線時，可在導線端頭上采用針形或叉形等冷壓接頭。 調試測試接線正確性、通電前檢查（）各個元器件的代號、標志是否與原理上的一致，是否齊全。（）各個安全保護措施是否可靠。（）控制電路是否滿足原理圖所要求的各種功能。()各個電氣元件安裝是否正確和牢靠。()各個接線端子是否連接牢固。()布線是否符合要求、整齊。()各個按鈕、光標按鈕和各種電路絕緣導線是否符合要求。()保護電路導線連接是否正確、牢固可靠。()電氣絕緣電阻是否符合要求。、通電試驗通電前應檢查所接電源是否符合要求。 通電后應驗證電氣設備的各個部分的工作 是否

43、正確和操作順序是否正常。然后在正常負載下連續運行，驗證電氣設備所有部分 運行的正確性。同時要驗證全部器件的溫升不得超過規定的允許溫升。程序調試本系統程序分多個模塊，故調試也需分模塊調試，驗證每個模塊的正確性，再驗 證整體程序的正確性，主要包括一下幾個方面：()點確認。根據設計的分配表，逐個確認。()分塊程序調試。通過程序設置將不同功能部分分開調試，修改程序，使得程 序運行功能符合要求。()整體程序調試。根據腳踝康復機的功能要求，調試整個程序。確保各個功能 模塊互不影響本文結合國內外踝關節康復機器人的研究現狀，根據踝關節康復訓練的需要，對 氣腳踝康復機控制系統進行設計。主要研究工作總結如下：()

44、完成控制系統設計并制作，及相關圖紙的繪制?？刂葡到y以為核心，步進電 機為執行元件，根據醫療訓練要求，控制運動軌跡。控制系統采用觸摸屏作人機界面, 使用觸摸屏組態軟件設計出系統的操作和顯示界面，實現了各種參數的設定和控制信 息的動態顯示，提高了系統的人機交互能力。()本控制系統能夠滿足醫療運動要求。()本設計中我的工作主要包含以下內容：提出總體控制方案相關圖紙的繪制程序及觸摸屏畫面的設計系統調試編寫使用說明及技術文檔()創新點：安全可靠；操作簡單，高度自動化；經濟便攜，制造及使用成本低； 運動周期、速度、動作頻率、擺動幅度均可調，能夠滿足不同人的需要，柔性好。()本設計取得一定的成果，在本設計基礎上，將來可以進一步完善該