旋轉(zhuǎn)臺式踝康復(fù)機(jī)器人摘要隨著國內(nèi)生產(chǎn)水平和生活水平的快速發(fā)展，對健康生活的需求不斷增加，智能化，科技化，方便化的機(jī)器人漸漸進(jìn)入了人們的視角，醫(yī)療機(jī)器人的快速發(fā)展，使得醫(yī)療機(jī)器人研究出現(xiàn)蓬勃發(fā)展的狀態(tài)。針對這種現(xiàn)狀，本文設(shè)計了一種旋轉(zhuǎn)臺式踝康復(fù)機(jī)器人并對以下方面展開了研究。旋轉(zhuǎn)臺式踝康復(fù)機(jī)器人是下肢康復(fù)外骨骼中康復(fù)效果較為穩(wěn)定、穿戴性好、可擁有多套步態(tài)控制方案的典型結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有的減重臺架式下肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計中，由于系統(tǒng)均采用了剛性原件，導(dǎo)致了在步行訓(xùn)練中由于剛性沖擊帶來的震動容易造成患者的二次損傷，此外，

在尺寸兼容性方面由于調(diào)整范圍較小，使用舒適度較差。我們在以下幾個方面對旋轉(zhuǎn)臺式踝康復(fù)機(jī)器人展開了研究:首先，我們針對實際情況對旋轉(zhuǎn)臺式踝康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對其可靠性進(jìn)行分析。其次，我們通過MATLAB軟件對機(jī)器人進(jìn)行運動學(xué)分析，包括其運動學(xué)正反解計算，以及相應(yīng)的正反解運動學(xué)模型的建立。第三，通過計算有針對性的對相應(yīng)的驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行扭矩，速度的計算，以便進(jìn)行相應(yīng)的電機(jī)選型，并搭建機(jī)器人動力學(xué)模型，進(jìn)行動力學(xué)仿真計算。最后，針對相關(guān)受力零件進(jìn)行受力分析，運用simulation進(jìn)行應(yīng)力分析，確保零件的可行性，可靠性。并對控制系統(tǒng)進(jìn)行簡單介紹。關(guān)鍵詞

：旋轉(zhuǎn)臺式踝康復(fù)機(jī)器人，減重臺架式，運動學(xué)分析，動力學(xué)方程

AbstractWiththerapiddevelopmentofdomesticproductionlevelandlivingstandard,thedemandforhealthylifeisconstantlyincreasing.Intelligent,high-techandconvenientrobotshavegraduallyenteredpeople'sperspective.Therapiddevelopmentofmedicalrobotsmakestheresearchonmedicalrobotsinastateofvigorousdevelopment.Inviewofthissituation,thispaperdesignsarotarytableanklerehabilitationrobotandstudiesthefollowingaspects.Therotarytableanklerehabilitationrobotisatypicalstructurewithstablerehabilitationeffect,goodwearabilityandmultiplegaitcontrolschemesintheexoskeletonoflowerlimbrehabilitation.Intheexistingdesignoftheweight-reducingplatformandframetypelowerlimbrehabilitationrobot,therigidcomponentsareusedinthesystem,whichleadstothevibrationcausedbytherigidimpactinthewalkingtraining,whichislikelytocausethesecondaryinjuryofpatients.Inaddition,duetothesmalladjustmentrangeinsizeandconvenience,thecomfortlevelispoor.Wecarriedoutresearchontherotarydesktopanklerehabilitationrobotinthefollowingaspects:Firstly,wedesignedthemechanicalstructureoftherotarydesktopanklerehabilitationrobotaccordingtotheactualsituation,andanalyzeditsreliability.Secondly,weanalyzethekinematicsoftherobotthroughMATLABsoftware,includingthecalculationofthepositiveandnegativekinematicssolution,andtheestablishmentofthecorrespondingpositiveandnegativekinematicsmodel.Thirdly,thetorqueandspeedofthecorrespondingdrivingmotorarecalculatedspecificallythroughcalculation,soastoselectthecorrespondingmotor,buildthedynamicmodeloftherobot,andcarryoutdynamicsimulationcalculation.Finally,thestressanalysiswasmadeontherelatedstressedparts,andsimulationwasusedtoanalyzethestresstoensurethefeasibilityandreliabilityoftheparts.Andthecontrolsystemisbrieflyintroduced.Keywords:rotaryplatformanklerehabilitationrobot,weightreductionplatform,kinematicsanalysis,dynamics目錄第1章：緒論 51．1課題背景及意義 51.2國內(nèi)外康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀 71.2.1國外康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀 71.2.2國內(nèi)康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀 91.3本文研究的主要內(nèi)容 11第2章踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的總體設(shè)計 132.1引言 132.2踝關(guān)節(jié)運動結(jié)構(gòu)簡化 142.3對踝關(guān)節(jié)機(jī)器人要求 142.4機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 152.5傳動部分及運動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 172.6本章小結(jié) 20第3章踝關(guān)節(jié)康復(fù)器人的運動學(xué)建模 213.1踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人正運動學(xué)模型的建立 213.2踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人逆運動學(xué)分析 243.3算例仿真分析 263.4本章小結(jié) 29第4章：踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的電機(jī)選型 304.1上平臺驅(qū)動電機(jī)選型 304.2旋轉(zhuǎn)平臺電機(jī)選型 31第5章：踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人相關(guān)零件計算分析 33第6章：程序 38結(jié)論 43參考文獻(xiàn) 44致謝 46第1章：緒論1．1課題背景及意義近年來，隨著生活水平的提高，汽車保有量呈現(xiàn)暴增態(tài)勢，道路安全事故也越來越多，各種致病因子的增加，導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病和意外事故導(dǎo)致的偏癱和截癱事件逐年增長，其中脊髓損傷更是呈現(xiàn)逐年增高的態(tài)勢，脊髓損傷是脊柱損傷最嚴(yán)重的并發(fā)癥，往往導(dǎo)致?lián)p傷節(jié)段以下肢體嚴(yán)重的功能障礙。脊髓損傷不僅會給患者本人帶來身體和心理的嚴(yán)重傷害，還會對整個社會造成巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。由于脊髓損傷所導(dǎo)致的社會經(jīng)濟(jì)損失，針對脊髓損傷的預(yù)防、治療和康復(fù)已成為當(dāng)今醫(yī)學(xué)界的一大課題。傳統(tǒng)的踝關(guān)節(jié)康復(fù)治療的基本方法是理療師“手把手”的對患者肢體進(jìn)行背伸/跖屈，內(nèi)翻/外翻，內(nèi)收/外展等的康復(fù)訓(xùn)練。這種訓(xùn)練方式對踝關(guān)節(jié)的康復(fù)起到了重要作用，但是由于康復(fù)醫(yī)師個人精力和時間有限，不能保證充足的訓(xùn)練強(qiáng)度和訓(xùn)練時間，并且訓(xùn)練方法也多是依靠康復(fù)醫(yī)師以前的經(jīng)驗，較難得到客觀精確的評定標(biāo)準(zhǔn)，不利于患者肢體康復(fù)信息的反饋和治療方法的改進(jìn)。對下肢損傷的患者來說，能夠站起來擺脫輪椅的束縛或許使他們最大的愿望，站立的康復(fù)訓(xùn)練能夠保證血液循環(huán)系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，甚至有促進(jìn)作用，能夠阻止長期坐姿和躺姿所導(dǎo)致的一系列并發(fā)癥的產(chǎn)生，這對患者來說是一大福音，因此下肢康復(fù)訓(xùn)練的輔助設(shè)備的設(shè)計是十分有必要的。不僅是醫(yī)學(xué)設(shè)備創(chuàng)新的進(jìn)步，也是對患者有極大的幫助作用。隨著科技的進(jìn)步以及機(jī)器人設(shè)計水平的提高，讓醫(yī)療機(jī)器人的研究逐漸受到重視并逐年增加，尤其是外骨骼輔助機(jī)器人的誕生，是康復(fù)醫(yī)學(xué)的一大進(jìn)步，開始外骨骼機(jī)器人主要應(yīng)用在軍用方面，幫助軍人增加負(fù)重能力，減少長期高壓負(fù)重對軍人身體的損傷，并得到廣泛應(yīng)用。圖1-STYLEREF1\s0SEQFigure\*ROMAN\s1I軍用外骨骼機(jī)器人有很多優(yōu)秀的軍用產(chǎn)品得到了廣泛的應(yīng)用：MIT外骨骼是美國麻省理工學(xué)院在DARPA的“增強(qiáng)人體體能外骨骼（EHPA）”計劃的資助下研制了一款外骨骼，可負(fù)重36kg，其髖關(guān)節(jié)屈曲/伸展由串聯(lián)彈性驅(qū)動器（SEA）驅(qū)動，膝關(guān)節(jié)屈曲/伸展由磁流變阻尼器被動驅(qū)動，踝關(guān)節(jié)屈曲/伸展裝有彈簧。圖1-2MIT外骨骼機(jī)器人軍事領(lǐng)域的外骨骼機(jī)器人研制成功，很快催動了醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展，并將其應(yīng)用的下肢康復(fù)訓(xùn)練中，取得了良好的效果，讓越來越多的人們認(rèn)識到這種康復(fù)機(jī)器人的重要性，在此大背景下，我們設(shè)計了一款旋轉(zhuǎn)臺式踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，通過對delta型機(jī)器人的改進(jìn)融入，設(shè)計了這款機(jī)器人，能夠輔助進(jìn)行踝關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練。圖1-3外骨骼康復(fù)機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的產(chǎn)生能夠極大的輔助肢體功能障礙的患者，幫助其盡快康復(fù)，擺脫輪椅和病床的束縛的同時，極大的降低各種并發(fā)癥的產(chǎn)生，例如：肌肉長期得不到運動而導(dǎo)致的肌肉萎縮和關(guān)節(jié)畸形；長期臥床導(dǎo)致的泌尿系統(tǒng)，消化循環(huán)系統(tǒng)障礙，尿路感染；降低長期臥床導(dǎo)致的褥瘡的發(fā)生；下肢神經(jīng)系統(tǒng)得不到刺激而一直處于萎縮狀態(tài)等。由此可知康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研發(fā)設(shè)計意義十分重大，需要廣大科研人員共同努力推動他的發(fā)展。1.2國內(nèi)外康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀1.2.1國外康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀外骨骼康復(fù)機(jī)器人開發(fā)起源于上世紀(jì)八十年代，在九十年代步入了高速發(fā)展階段。早期有關(guān)外骨骼機(jī)器人的研究主要目的是為了讓機(jī)械來加強(qiáng)人體的生理機(jī)能。這個領(lǐng)域的就佼佼者是以色列的Rewalk公司、日本的Cyberdyne公司、美國的EksoEksoBionics公司，瑞士HOCOMAAG公司等。他們設(shè)計研發(fā)了很多康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人并應(yīng)用到實際中，得到了廣泛的應(yīng)用。以色列的Rewalk公司旗下共有兩款產(chǎn)品，分別是ReWalkPersonal和ReWalkRehabilitation，ReWalkPersonal僅僅用于家庭和工作的輔助作用，并不用于醫(yī)療康復(fù)，而ReWalkRehabilitation主要用于臨床修復(fù)，為癱瘓患者提供物理治療方式，包括減緩癱瘓導(dǎo)致的肢體疼痛、肌肉痙攣、幫助腸道消化系統(tǒng)、加速新陳代謝等；中風(fēng)和腦癱患者也是ReWalk未來的目標(biāo)人群。圖1-4圖1-4以色列ReWalk公司生產(chǎn)的Rehabilitation機(jī)器人Cyberdyne也是一家專注于外骨骼康復(fù)機(jī)器人的日本公司。Cyberdyne將山海嘉之教授以及他在筑波大學(xué)實驗室的發(fā)明加以商業(yè)化。該公司的產(chǎn)品屬于混合輔助肢體，目前已經(jīng)開發(fā)出了輔助下肢和機(jī)器人手臂。Cyberdyne最吸引人的也是最具有創(chuàng)新性的地方是能夠通過患者意念控制。人體神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉在大腦打算移動肢體的時候會發(fā)出微弱電信號，而外骨骼上安裝的一系列傳感器會持續(xù)監(jiān)測這些信號，并做出相應(yīng)的動作。圖1-5Cyberdyne生產(chǎn)的康復(fù)機(jī)器人EksoBionics是一家美國康復(fù)機(jī)器人生產(chǎn)公司，與美國軍方合作時間較長，為軍方提供了一系列外骨骼輔助訓(xùn)練機(jī)器人，有豐厚的國防經(jīng)費作為支撐，而且與伯克利大學(xué)等知名科研院所合作，十分強(qiáng)勁的實力。其仿生技術(shù)更是研究領(lǐng)域的佼佼者，他們將仿生技術(shù)應(yīng)用到康復(fù)機(jī)器人的研究中，取得了良好的效果。EksoBionics是一款外骨骼機(jī)器人，該產(chǎn)品利用仿生原理，使下肢癱瘓的個人站起來，并借由重量支撐及其四點相互補(bǔ)償?shù)牟椒ピ诘孛嫘凶摺Ｐ凶叩倪_(dá)成是通過用戶向前的重量移動來啟動步行，電池供電的馬達(dá)驅(qū)動雙腿并代替神經(jīng)肌肉的功能。圖1-6美國EksoBionics生產(chǎn)的康復(fù)機(jī)器人1.2.2國內(nèi)康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀我國在外骨骼領(lǐng)域的起步較晚，但正在奮起直追，我國國家自然科學(xué)基金、863計劃和科技支撐計劃等都已經(jīng)開始相應(yīng)的研究。例如，浙江大學(xué)正在研究可穿戴式下肢輔助行走外骨骼機(jī)構(gòu)、基于肌電信號控制的康復(fù)醫(yī)療下肢外骨骼、懸掛式下肢協(xié)助康復(fù)外骨骼、踝關(guān)節(jié)外骨骼原型系統(tǒng)等；哈爾濱工業(yè)大學(xué)的外骨骼研究針對上肢和下肢的康復(fù)訓(xùn)練；海軍航空院已研制出有動力驅(qū)動的外骨骼助力腿樣機(jī)；電子科技大學(xué)研制的基于電機(jī)驅(qū)動和液壓驅(qū)動的助力型外骨骼系統(tǒng)能實現(xiàn)行走、轉(zhuǎn)體、下蹲等動作，并通過多通道智能人機(jī)交互技術(shù)和分布式實時控制技術(shù)大幅提升樣機(jī)性能的穩(wěn)定和可靠性；中科院也已研制出一種下肢外骨骼機(jī)器人，在單條機(jī)械腿上配置了6個自由度（機(jī)械髖關(guān)節(jié)3個，機(jī)械膝關(guān)節(jié)1個，機(jī)械踝關(guān)節(jié)1個，足底1個）。其他，如清華大學(xué)、陸軍第二炮兵學(xué)院、中科院合肥智能研究所、東南大學(xué)、南京理工大學(xué)、上海大學(xué)、東南大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等科研單位都已經(jīng)涉入外骨骼技術(shù)的研究。此外，一家名為上海尖叫智能科技的創(chuàng)業(yè)公司，也已于2016年深圳高交會上展示其第一代外骨路量產(chǎn)機(jī)型S1（ScreamOne，尖叫1號），力圖在未來與國際先進(jìn)企業(yè)競爭。大艾機(jī)器人科技有限公司同樣設(shè)計出較為成熟的下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人，該公司擁有清華大學(xué)機(jī)器人實驗室的專業(yè)技術(shù)支撐平臺，與北京航空航天大學(xué)聯(lián)合建有醫(yī)療機(jī)器人實驗室。公司著力打造截癱患者、偏癱患者評估、訓(xùn)練全系列康復(fù)平臺，為醫(yī)療機(jī)構(gòu)和脊髓損傷、腦損傷患者提供各類專業(yè)康復(fù)外骨骼機(jī)器人裝備，促進(jìn)下肢運動功能障礙患者高效康復(fù)，重獲行走能力。其中最具有代表性的就是AiWalker下肢外骨骼機(jī)器人。圖1-7AiWalker下肢外骨骼機(jī)器人燕山大學(xué)于海波等提出了3-RSS/S空間機(jī)構(gòu)和3-SPS/S對頂雙錐機(jī)構(gòu)，用于踝關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練，如圖1-8圖1圖1-8燕山大學(xué)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人河北工業(yè)大學(xué)劉更謙等人開發(fā)的踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，如圖1-9所示。該機(jī)器人采用電機(jī)驅(qū)動，由固定底座，三條R-S-S支鏈，中心約束球鉸以及上部運動平臺組成。機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，承載能力強(qiáng)，能夠完成踝關(guān)節(jié)三個轉(zhuǎn)動自由度方向的運動。圖1圖1-9河北工業(yè)大學(xué)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人1.3本文研究的主要內(nèi)容本文主要針對通過對傳統(tǒng)的delta機(jī)械臂的改造，設(shè)計使之成為支撐腳部的平臺支撐，再添加一個旋轉(zhuǎn)自由度，從而實現(xiàn)對踝關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練，本文主要的研究對象踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人。首先，介紹機(jī)器人設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)以及主要創(chuàng)新點，對其獨特的delta結(jié)構(gòu)進(jìn)行自由度分析，并對部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。其次對機(jī)器人的相關(guān)部分進(jìn)行運動學(xué)分析，確保實現(xiàn)的可行性與可靠性。第三，通過計算有針對性的對相應(yīng)的驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行扭矩，速度的計算，以便進(jìn)行相應(yīng)的電機(jī)選型，并搭建機(jī)器人動力學(xué)模型，進(jìn)行動力學(xué)仿真計算。最后，針對相關(guān)受力零件進(jìn)行受力分析，運用simulation進(jìn)行應(yīng)力分析，確保零件的可行性，可靠性。并對控制系統(tǒng)進(jìn)行簡單介紹。以上就是本次設(shè)計的主要內(nèi)容。圖1-8踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人第2章踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的總體設(shè)計2.1引言踝關(guān)節(jié)（anklejoint），由脛、腓骨下端的關(guān)節(jié)面與距骨滑車構(gòu)成，故又名距骨小腿關(guān)節(jié)。脛骨的下關(guān)節(jié)面及內(nèi)、外踝關(guān)節(jié)面共同形成的“冂”形的關(guān)節(jié)窩，容納距骨滑車（關(guān)節(jié)頭），由于滑車關(guān)節(jié)面前寬后窄，當(dāng)足背屈時，較寬的前部進(jìn)入窩內(nèi)，關(guān)節(jié)穩(wěn)定；但在跖屈時，如走下坡路時滑車較窄的后部進(jìn)入窩內(nèi)，踝關(guān)節(jié)松動且能作側(cè)方運動，此時踝關(guān)節(jié)容易發(fā)生扭傷，其中以內(nèi)翻損傷最多見，因為外踝比內(nèi)踝長而低，可阻止距骨過度外翻。圖2-1人體踝關(guān)節(jié)踝關(guān)節(jié)主要運動有浩冠狀軸的屈伸運動以及小幅度的內(nèi)旋和外旋運動。同時踝關(guān)節(jié)是人體下肢重要的承重關(guān)節(jié)，能夠承受約為體重4倍的重量，同時踝關(guān)節(jié)應(yīng)具有較好的靈潔性。如果踝關(guān)節(jié)個能有足夠艮好的靈活度，不僅會影響醒眾下肢步行運動的協(xié)調(diào)性，還會對其余關(guān)節(jié)如關(guān)節(jié)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力的影響。因此設(shè)計一個滿足步行時踝關(guān)節(jié)運動的機(jī)構(gòu)是很重要的。.人體踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練需要在滿足踝關(guān)節(jié)運動自由度的要求下，盡可能保證訓(xùn)練康復(fù)的安全性，防止對患者的二次傷害，因此我們對電機(jī)轉(zhuǎn)角通過角度傳感器進(jìn)行控制，限制在踝關(guān)節(jié)安全范圍之內(nèi)，超出會進(jìn)行電機(jī)的自動剎車，同時在足底設(shè)置了力學(xué)傳感器來采集患者步行訓(xùn)練過程中足底受力情況，并反饋給計算機(jī)進(jìn)行分析。在傳感器的布置上采用前掌3個受壓點，跖趾關(guān)節(jié)處設(shè)置了4個均勻分布傳感器，足跟則布置了5個傳感器，能夠較全面的采集患者的受力數(shù)據(jù)。便于對康復(fù)訓(xùn)練進(jìn)行分析提供數(shù)據(jù)支持，方便后期訓(xùn)練的調(diào)整。2.2踝關(guān)節(jié)運動結(jié)構(gòu)簡化根據(jù)以上踝關(guān)節(jié)運動形式的分析可知，背伸/跖屈、內(nèi)收/外展和內(nèi)翻/外翻是踝關(guān)節(jié)日常運動的三種最基本的方式，另外踝關(guān)節(jié)的運動離不開人體下肢的帶動，通常，腿部的運動可能會帶動足部的平移。因此，將人體踝足的運動模型簡化為空間繞三個軸的轉(zhuǎn)動和沿三個軸線方向的移動，即空間六自由度的運動。如圖2-2所示，可以將踝關(guān)節(jié)的背伸和跖屈運動看作是繞X軸的轉(zhuǎn)動，內(nèi)翻和外翻運動看作是繞Y軸的轉(zhuǎn)動，內(nèi)收和外展運動看作是繞Z軸的轉(zhuǎn)動，足部空間位置的平動可以看作是沿三個軸方向的移動。圖2-2踝關(guān)節(jié)運動簡化2.3對踝關(guān)節(jié)機(jī)器人要求由踝關(guān)節(jié)的運動形式、損傷機(jī)理、康復(fù)治療方法以及不同階段康復(fù)機(jī)器人控制策略的研究可知，要想較好的完成踝關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練，康復(fù)機(jī)器人需要滿足以下幾點要求：（1）滿足踝關(guān)節(jié)運動自由度的要求。踝足的運動模型簡化為空間六個自由度的運動，因此踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人要能夠?qū)崿F(xiàn)空間六個自由度的運動，即繞X、Y、Z軸方向的轉(zhuǎn)動和沿這三個軸線方向的移動。（2）滿足踝關(guān)節(jié)活動度的要求。踝關(guān)節(jié)的活動度是進(jìn)行踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的基礎(chǔ)。要使踝關(guān)節(jié)能夠得到良好的康復(fù)，必須首先改善其關(guān)節(jié)的活動度，因為以后關(guān)于踝關(guān)節(jié)肌力和耐力的訓(xùn)練都是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的。康復(fù)機(jī)器人的運動范圍必須不能小于正常人體踝關(guān)節(jié)的運動范圍。（3）能夠提供多種訓(xùn)練模式。踝關(guān)節(jié)的康復(fù)主要分為三個不同的階段，并且在每個階段利用康復(fù)機(jī)器人對踝關(guān)節(jié)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的目的都不相同，因此，康復(fù)機(jī)器人要能夠提供多種訓(xùn)練模式來滿足踝關(guān)節(jié)不同階段康復(fù)訓(xùn)練的要求。康復(fù)訓(xùn)練的模式主要包括改善關(guān)節(jié)活動度的軌跡跟蹤訓(xùn)練，用于增強(qiáng)關(guān)節(jié)肌力和耐力的阻抗控制訓(xùn)練，以及康復(fù)后期的踝關(guān)節(jié)主動運動訓(xùn)練等。（4）滿足安全性的要求。由于在康復(fù)訓(xùn)練過程中，康復(fù)機(jī)器人與患者肢體密切接觸，因此，在訓(xùn)練時必須要保證患者的安全性，避免肢體的再度損傷，這對患者尤為重要。（5）結(jié)構(gòu)簡單，成本低，使用方便。2.4機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人要求我們設(shè)計時材料的選取需要在保證一定機(jī)械強(qiáng)度的前提下盡量輕量化。綜合以上要求我們選擇了在工業(yè)中廣泛使用的鋁合金，大部分部件均使用6016合金鋁。下表列出其對應(yīng)的力學(xué)性能表2-16016合金鋁力學(xué)性能極限抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度延伸率彈性系數(shù)彎曲極限強(qiáng)度泊松比疲勞強(qiáng)度124MPa55.2MPa25%68.9GPa228MPa0.3362.1MPa旋轉(zhuǎn)臺式踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人總共設(shè)計了四個自由度，能夠滿足正常的踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的需要，總體結(jié)合了傳統(tǒng)的delta機(jī)械臂結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)平臺設(shè)計。能夠保證訓(xùn)練穩(wěn)定的同時還能兼顧其靈活性的要求。圖2-3踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人三維圖本設(shè)計參考Stewart機(jī)器人的并聯(lián)設(shè)計，采用上下兩層結(jié)構(gòu)設(shè)計，中間用擺臂控制平臺的運動姿態(tài)，來控制機(jī)構(gòu)的動作，用虎克鉸將擺臂聯(lián)接在上下平臺上，可以同時約束兩平板使其不能產(chǎn)生相對扭轉(zhuǎn)。擺臂是采用了典型的并聯(lián)機(jī)器人3-RRR機(jī)構(gòu)，并且這種結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點（1）無累積誤差，精度較高；（2）驅(qū)動裝置可置于定平臺上或接近定平臺的位置，這樣運動部分重量輕，速度高，動態(tài)響應(yīng)好；（3）結(jié)構(gòu)緊湊，剛度高，承載能力大；（4）完全對稱的并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有較好的各向同性；（5）工作空間較小；圖2-4Stewart機(jī)器人的并聯(lián)結(jié)構(gòu)圖2-5并聯(lián)3-RRR結(jié)構(gòu)簡圖2.5傳動部分及運動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計2.5.1（一）機(jī)械部分分析圖2-5中，上端黑色部分為腳墊，橡膠材質(zhì)。材質(zhì)較為柔軟，有減震吸震的效果，能夠減少或消除電機(jī)運轉(zhuǎn)所帶來的微小震動，降低震動對患者的影響。三立柱為推桿，推桿的作用是穩(wěn)定和支撐的作用，在工作過程中，推桿是隨動的，隨著delta結(jié)構(gòu)進(jìn)行伸縮運動，在此過程中推桿的行程也是有一定限度的，通過限定推桿的行程來限定推桿平臺轉(zhuǎn)動的角度，防止出現(xiàn)意外事故導(dǎo)致的平臺傾斜角過大而對患者的踝關(guān)節(jié)造成二次損傷。中間的驅(qū)動臂采用電機(jī)驅(qū)動電機(jī)與驅(qū)動臂的下軸連接，電機(jī)通過帶輪完成減速和傳動，保證運動的平穩(wěn)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動控制平臺的移動和翻轉(zhuǎn)。為了保證運動平臺的穩(wěn)定性，在平臺周圍加入滑動套筒，以此來支撐在其上的重量，保證機(jī)構(gòu)壽命。用球鉸機(jī)構(gòu)將其固定在上下板上，球鉸機(jī)構(gòu)可以保證兩平板之間的角度變化，以此來滿足人的踝關(guān)節(jié)的動作。圖圖2-6上平臺運動三維模型圖2-7上平臺三維圖（二）自由度分析nfii圖2-82.5圖2-9旋轉(zhuǎn)臺三維圖旋轉(zhuǎn)臺是通過電機(jī)帶動帶輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的，電機(jī)經(jīng)過二級減速之后能夠保證在穩(wěn)定的同時還能兼顧活動的精度。2.6本章小結(jié)本章通過對踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人總體設(shè)計進(jìn)行介紹，并分析了他的自由度以及材料強(qiáng)度等問題，并且分別對上平臺以及旋轉(zhuǎn)平臺兩部分進(jìn)行了單獨的介紹，通過分析我們可以知道結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性。并對接下來進(jìn)行運動學(xué)分析提供了有力依據(jù)。第3章踝關(guān)節(jié)康復(fù)器人的運動學(xué)建模3.1踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人正運動學(xué)模型的建立機(jī)器人的正向運動學(xué)是指已知各關(guān)節(jié)的類型、相鄰關(guān)節(jié)之間的尺寸和相鄰關(guān)節(jié)相對運動量的大小時，如何確定工業(yè)機(jī)器人末端操作器在固定坐標(biāo)系中的位姿。主要包括以下內(nèi)容：1）相對桿件的坐標(biāo)系的確定；2）建立各連桿的模型矩陣A；3）正運動學(xué)算法；運動學(xué)正解的主要解決方法為D-H法，下面我們運用D-H法對運動學(xué)正解進(jìn)行測算：3.1.1D-H方法進(jìn)行運動學(xué)正圖3圖3-1D-H坐標(biāo)建立表3.1連桿參數(shù)名稱含義正負(fù)性質(zhì)轉(zhuǎn)角θn右手法則關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動變量距離dn沿Zn-1正向為正關(guān)節(jié)移動變量長度an與Xn正向一致尺寸參數(shù)，常量扭角αn右手法則尺寸參數(shù)，常量表3.2支鏈D-H參數(shù)表#θdθ1iθ2iθ3iθ4i=；=；；；；；；；。{O3i}{O}O3i{O}BiPBi其中，求得動平臺中心點O1的空間位置坐標(biāo)為：3.2踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人逆運動學(xué)分析給定機(jī)器人終端位姿，求各關(guān)節(jié)變量，稱求機(jī)器人運動學(xué)逆解。在進(jìn)行求解宏動3-URS結(jié)構(gòu)的位置反解時，已知手柄的空間位姿，即動坐標(biāo){O1}相對于參考固定坐標(biāo){O}的空間位姿，求解并聯(lián)機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)變量(αi,βi)，即各驅(qū)動軸的角位移。在空間動坐標(biāo)中，任意一方向矢量R'都可以利用坐標(biāo)變換的方式映射到靜態(tài)參考坐標(biāo)中。其中，[T]為動坐標(biāo)相對于固定參考坐標(biāo)的空間旋轉(zhuǎn)矩陣，P為手柄上任意指定參考點的空間位置矢量，即動坐標(biāo)的原點O1在固定參考坐標(biāo)中的位置。由上式可知固定參考坐標(biāo){O}中點與動坐標(biāo){O1}中點及存在以下關(guān)系：點Bi在動系{O1}中的坐標(biāo)可表示為：動坐標(biāo){O1}的原點O1在固定參考坐標(biāo){O}中的位置可表示為：手柄處姿態(tài)的空間方向余弦矩陣可描述為：將參數(shù)帶入，可求得在參考系{O}中點Bi的坐標(biāo)為：由圖3-1可知，在參考靜坐標(biāo)中存在以下向量式：整理可得：由三角形AiPiBi的邊角關(guān)系得可角γi為：聯(lián)立推導(dǎo)可得：其中，3.3算例仿真分析給定3-URS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)a=1383mm、b=463mm、l1=1223mm、l2=1103mm、δ=66o，以及機(jī)構(gòu)的初始位形參數(shù)[x,y,z,α,β,γ]=[0,0,145,0,0,0]。利用MATLAB軟件先利用反解根據(jù)上平臺的位姿，求出各個關(guān)節(jié)變量，在利用正解根據(jù)各個關(guān)節(jié)變量，可以繪制經(jīng)過不同平移或旋轉(zhuǎn)后的機(jī)構(gòu)位形簡圖。如圖2.4至圖2.9所示。沿軸移動圖沿軸移動圖沿軸移動圖繞軸轉(zhuǎn)動圖繞軸轉(zhuǎn)動圖繞軸轉(zhuǎn)動下面采用數(shù)值驗證的方法來檢驗所求本結(jié)構(gòu)運動學(xué)正反解的可靠性。表2.3給出了三組不同空間位姿的機(jī)構(gòu)位形參數(shù)，根據(jù)運動學(xué)反解公式（2.14），求出相對應(yīng)的關(guān)節(jié)變量，再將求解值帶入正解公式（2.5）和（2.6），得到表2.4所示的機(jī)構(gòu)位形參數(shù)。計算結(jié)果表明，與表2.3中所示的已知機(jī)構(gòu)位形參數(shù)相比，誤差均≤10-10mm，由以上可知驗證了3-URS結(jié)構(gòu)位置正反解的可靠性。表2.3實例反解Tab.2.3Examplesofinverse

solution[x,y,z,α,β,γ][α1,α2,α3,β1,β2,β3,γ1,γ2,γ3][0,0,256,0,0,0][0.000,0.000,0.000,-0.481,-0.481,-0.481,85.047,85.047,85.047][50,0,256,0,0,0][-5.252,-6.027,11.053,10.878,-11.314,-2.789×10-2,92.502,81.127,86.830][0,0,256,0,0,15][1.565×10-1,1.565×10-1,0,-0.900,-0.900,1.078,82.944,82.944,89.699]表2.4位姿標(biāo)定及誤差Tab.2.4Positioncalibrationanderror[x,y,z,α,β,γ]δ[-3.789×10-15,-2.368×10-15,256,-4.459×10-16,0,0]≤10-10[50,-2.368×10-15,256,-4.459×10-16,0,0]≤10-10[-3.798×10-15,4.737×10-15,256,-3.567×10-16,-3.567×10-16,0.262]≤10-10分別利用Adams和Matlab軟件對模型進(jìn)行運動學(xué)仿真分析，動平臺空間運動關(guān)系如式（2.15）所示，繪制各轉(zhuǎn)軸的角位移，如圖2.10所示。（2.15）(a)轉(zhuǎn)軸a1角位移(b)轉(zhuǎn)軸a2角位移(a)shafta1(b)shafta2(c)轉(zhuǎn)軸a3角位移(d)轉(zhuǎn)軸b1角位移(c)shafta3(d)shaftb1(e)轉(zhuǎn)軸b2角位移(f)轉(zhuǎn)軸b3角位移(e)shaftb2(f)shaftb3綜上分析可知，各轉(zhuǎn)軸角位移的極大值和極小值呈規(guī)律性隨時間變化，符合空間運動曲線的變化規(guī)律。因Matlab計算并繪制的曲線圖與Adams繪制的曲線圖基本上吻合，由此驗證了運動學(xué)正逆解模型的可靠性，可為該宏動裝置的空間位置控制策略準(zhǔn)備理論基礎(chǔ)。3.4本章小結(jié)（1）針對目前許多不足，提出了一種基于宏動3-URS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的力覺再現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)，具有動態(tài)響應(yīng)快、慣量低、剛度大、精度高等特點，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析、自由度分析和數(shù)目計算。（2）結(jié)合D-H矩陣法、機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系、向量法，并通過設(shè)置的冗余傳感器，建立了一套3-URS并聯(lián)機(jī)構(gòu)操位姿與轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)變量之間的對偶函數(shù)解析式。通過此套函數(shù)方程能夠快速求解動平臺位姿或關(guān)節(jié)變量，解決了并聯(lián)動態(tài)位姿耦合信號解耦的實時性問題。（3）采用數(shù)值計算和軟件分析的方法分別對機(jī)構(gòu)位置正、反解的正確性進(jìn)行了驗證實驗。第4章：踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的電機(jī)選型4.1上平臺驅(qū)動電機(jī)選型我們采用了三個驅(qū)動電機(jī)的上平臺以及一個驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)平臺，現(xiàn)在我們預(yù)設(shè)計算條件：承重最大重量：100kg最大瞬時加速度：0.3m/s^2最大抬升速度為：0.1/s帶輪直徑選擇：小帶輪直徑12mm大帶輪直徑36mm最大力臂：200mm假設(shè)三臺電機(jī)同時抬升，抬升所需要的力均分，在這種情況下只需要算出其中一臺電機(jī)所需的力就可以選出所需要的電機(jī)。每臺電機(jī)所承受的力為30kg,所以根據(jù)牛頓第二定律式中：m：每臺電機(jī)所承受的重量，kga:最大瞬時加速度由所需的最大啟動力為式中：：單個電機(jī)承受的重量由帶輪直徑可知電機(jī)減速為：式中：d2:大帶輪直徑d1:小帶輪直徑電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度為：式中:v:小帶輪線速度，v=0.3m/s電機(jī)功率：估算電機(jī)最小功率：式中：：同步帶傳動的機(jī)械效率，取0.92.：滾動軸承的機(jī)械效率，取0.98。電機(jī)轉(zhuǎn)矩計算;4.2旋轉(zhuǎn)平臺電機(jī)選型旋轉(zhuǎn)電機(jī)經(jīng)過了兩級減速，有兩級同步帶輪進(jìn)行減速預(yù)設(shè)平臺最大承重：100kg最大力臂：120mm最大瞬時加速度：0.2m/s2最大速度：0.1m/s最小帶輪直徑d=10mm電機(jī)所需承受的力為電機(jī)轉(zhuǎn)速為：式中:v:小帶輪轉(zhuǎn)速1.2m/s估算電機(jī)最小功率：計算電機(jī)轉(zhuǎn)矩：第5章：踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人相關(guān)零件計算分析5.1U型連接件U型鉸鏈座載荷來自擺臂。與箱體配合處6個孔起到約束作用，如REF_Ref420870749圖2.8.31所示。圖STYLEREF4\s2.8.3SEQ圖\*ARABIC\s41U型鉸鏈座受力分析（工況=1\*ROMANI）靜強(qiáng)度、剛度分析此時導(dǎo)軌座架邊界條件如REF_Ref420870755圖2.8.32所示。圖STYLEREF4\s2.8.3SEQ圖\*ARABIC\s42工況=1\*ROMANI邊界條件計算后應(yīng)力及變形情況如REF_Ref420870764圖2.8.33所示。最大應(yīng)力37.3MPa，發(fā)生在銷孔處，焊縫處應(yīng)力為33.1MPa，螺孔處因應(yīng)力集中，應(yīng)力達(dá)47.3MPa，此忽略。最大變形0.02mm，發(fā)生在U型鉸鏈座的最上端。圖STYLEREF4\s2.8.3SEQ圖\*ARABIC\s43U型鉸鏈應(yīng)力及變形分布（工況1）疲勞強(qiáng)度分析 Q345材料在r=0的疲勞特征SN曲線如REF_Ref420870772圖2.8.34所示圖STYLEREF4\s2.8.3SEQ圖\*ARABIC\s44Q345S-N曲線根據(jù)2.7中工況分析，工況=1\*ROMANI擺臂一個周期內(nèi)循環(huán)特征r=0.35，其余設(shè)置項如REF_Ref420870782圖2.8.35所示。分析類型：StressLife平均應(yīng)力理論：Goodman應(yīng)力類型：Equivalent單位：cycles圖STYLEREF4\s2.8.3SEQ圖\*ARABIC\s45導(dǎo)軌座架疲勞分析設(shè)置當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到1E9次時，U型鉸鏈座安全系數(shù)最小為6.2，發(fā)生在銷孔處，螺孔處因應(yīng)力集中，安全系數(shù)為5.1，此忽略。安全系數(shù)分布如REF_Ref420870789圖2.8.36所示。5.2螺栓聯(lián)接受力分析螺紋聯(lián)接根據(jù)載荷性質(zhì)不同，其失效形式也不同。受靜載荷螺栓的失效形式多為螺紋部分的塑性變形或螺栓被拉斷；受變向載荷螺栓的失效形式多為螺栓的疲勞斷裂；對于受橫向載荷的絞制孔用螺栓聯(lián)接，其失效形式主要為螺栓桿被剪斷，螺栓桿或連接孔接觸面被擠壓破壞。對于10.9級M12的普通螺栓，屈服強(qiáng)度，擰緊力矩T=120N.m。為了增強(qiáng)螺紋連接的剛性、防松能力及防止受載螺栓的滑動，裝配時需要預(yù)緊。其擰緊扳手力矩T用于克服螺紋副的阻力矩T1及螺母與被連接件支撐面間的摩擦力矩T2，裝配時可用力矩扳手法控制力矩。公式：擰緊扳手力矩T=120N.m，其中K為擰緊力矩系數(shù)，為預(yù)緊力N，d為螺紋公稱直徑12mm。摩擦表面狀態(tài)K值有潤滑無潤滑精加工表面0.10.12一般工表面0.13-0.150.18-0.21表面氧化0.20.24鍍鋅0.180.22粗加工表面-0.26-0.3上表查得，一般加工表面在無潤滑的情況下K=0.2則預(yù)緊力螺栓承受的最大工作載荷來源于發(fā)動機(jī)輸出傳遞的轉(zhuǎn)矩，最大轉(zhuǎn)矩850N.m；最大工作載荷螺栓的最大拉力螺栓的最大拉伸應(yīng)力，螺栓公稱應(yīng)力截面面積As=113.1mm2=50910.716N/（113.110-6m2）=450.139MPa剪切應(yīng)力：MPa其中=10.106mm，=10.863mm根據(jù)第四強(qiáng)度理論，螺栓在預(yù)緊狀態(tài)下的計算應(yīng)力: 強(qiáng)度條件：其中螺栓的屈服極限；，所以螺栓滿足其預(yù)緊力的確定原則：擰緊后螺紋連接件的預(yù)緊應(yīng)力不得超過其材料的屈服極限的80%。離合器花鍵軸的轉(zhuǎn)矩通過螺栓傳遞給電機(jī)軸，離合器花鍵軸最大轉(zhuǎn)矩為=850N.m，轉(zhuǎn)換成對每個螺栓的剪切力式中r=35mm由上計算分析可以得出10.9級M6的普通螺栓滿足應(yīng)力要求。

第6章：程序圖6.1引腳連接圖#include<reg52.h>//電機(jī)1引腳sbitm1=P1^0;sbitm2=P1^1;sbitm3=P1^2;sbitm4=P1^3;//電機(jī)2引腳sbitL1=P1^4;sbitL2=P1^5;sbitL3=P1^6;sbitL4=P1^7;//電機(jī)3引腳sbits1=P2^0;sbits2=P2^1;sbits3=P2^2;sbits4=P2^3;//按鍵引腳sbitkey1=P2^4;sbitkey2=P2^5;unsignedcharx,y;//延遲函數(shù)voiddelay(chari){ while(i>0) i--;}//電機(jī)1正轉(zhuǎn)4拍voidmove_on1(){ for(x=10;x>0;x--) { m1=1;m2=0;m3=0;m4=0; delay(2500); m1=0;m2=0;m3=1;m4=0; delay(2500); m1=0;m2=1;m3=0;m4=0; delay(2500); m1=0;m2=0;m3=0;m4=1; delay(2500); }}//電機(jī)1反轉(zhuǎn)4拍voidmove_back1(){ for(x=10;x>0;x--) { m1=0;m2=0;m3=0;m4=1; delay(2500); m1=0;m2=1;m3=0;m4=0; delay(2500); m1=0;m2=0;m3=1;m4=0; delay(2500); m1=1;m2=0;m3=0;m4=0; delay(2500); }}//電機(jī)2正轉(zhuǎn)voidmove_on2(){ for(x=10;x>0;x--) { L1=1;L2=0;L3=0;L4=0; delay(2500); L1=0;L2=0;L3=1;L4=0; delay(2500); L1=0;L2=1;L3=0;L4=0; delay(2500); L1=0;L2=0;L3=0;L4=1; delay(2500); }}//電機(jī)2反轉(zhuǎn)voidmove_back2(){ for(x=10;x>0;x--) { L1=0;L2=0;L3=0;L4=1; delay(2500); L1=0;L2=1;L3=0;L4=0; delay(2500); L1=0;L2=0;L3=1;L4=0; delay(2500); L1=1;L2=0;L3=0;L4=0; delay(2500); }}//電機(jī)3正轉(zhuǎn)voidmove_on3(){ for(x=10;x>0;x--) { s1=1;s2=0;s3=0;s4=0; delay(2500); s1=0;s2=0;s3=1;s4=0; delay(2500); s1=0;s2=1;s3=0;s4=0; delay(2500); s1=0;s2=0;s3=0;s4=1; delay(2500); }}//電機(jī)3反轉(zhuǎn)voidmove_back3(){ for(x=10;x>0;x--) { s1=0;s2=0;s3=0;s4=1; delay(2500); s1=0;s2=1;s3=0;s4=0; delay(2500); s1=0;s2=0;s3=1;s4=0; delay(2500); s1=1;s2=0;s3=0;s4=0; delay(2500); }}//電機(jī)停轉(zhuǎn)voidstop(){ m1=0;m2=0;m3=0;m4=0; L1=0;L2=0;L3=0;L4=0; s1=0;s2=0;s3=0;s4=0; }//voidmain(void){ if(key1==0) //啟動按鈕 y=1; if(key2==0) //停止按鈕 y=2; if(y=1) { move_on1();move_back1(); move_on2();move_back2(); move_on3();move_back3(); } if(y=2) stop();}

結(jié)論經(jīng)過一學(xué)期的努力，踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計告一段落，經(jīng)過一學(xué)期的設(shè)計分析，我們?nèi)〉昧艘韵鲁删停簠⒄宅F(xiàn)有的踝關(guān)節(jié)機(jī)器人產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式，綜合比較各機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點，確定了本文所研究的高速拾取并聯(lián)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)形式和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并在Solidworks中建立的機(jī)器人的三維模型。通過D-H法建立坐標(biāo)系，完成了相應(yīng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運動學(xué)正反解通過計算得到了并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)以及旋轉(zhuǎn)平臺電機(jī)的相應(yīng)參數(shù)并進(jìn)行了