踝泵运动机设计控制系统PLC

淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页目 录1 绪论 11.1 课题背景与研究意义 11.2 踝泵运动的定义及优点 21.3 论文主要工作 21.4 本章总结 22 踝泵运动机控制系统概述及方案选择 32.1 踝关节运动模型分析 32.2 工作模式及轨迹控制 52.3 踝泵运动机的医学参数 52.4 本章总结 53 踝泵运动机的机械部分 63.1 踝泵运动机的机械组成 63.2 踝泵运动机运动的实现 63.3 医学参数的实现 73.4 数据参数输入方式选型 73.5 电机的选择 83.6 踝泵运动机主控制器方案论述 93.7 总体控制方案 113.8 本章小结 124 踝泵运动机控制系统硬件设计与选型 124.1 触摸屏的选型 124.2 步进电机与驱动器选型 124.3 PLC 选型 154.4 其他器件选型 174.5 踝泵运动机的接线图设计 175 踝泵运动机触摸屏系统设 195.1 DOP-Soft 软件的使用方法 195.2 踝泵运动机的触摸屏画面设计 216 PLC 程序设计 246.1 PLC 程序设计的基本原则 246.2 控制运行要求 246.3 系统的 I/O 地址分配 256.4 本章小结 267 系统安装与调试 27淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第页 共 页7.1 硬件接线 287.2 调试 287.3 本章小结 288 结 论 28致 谢 29参考文献 30淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 33 页1 绪论1.1 课题背景与研究意义随着人们的生活水平的提高，以及生活节奏的变快，人口老龄化也成为了一个不可避免的问题，而且汽车的增多也加大了交通事故的发生率，不管是老人还是发生交通事故，都会导致这些人群的肢体在运动上非常的不方便，而脚踝是人体中承重最大的一个部位，人体的绝大部分的体重都会在脚踝上产生作用，比如说在人们的生活中，不管是人们在正常的走路中，还是在弹跳运动中，这些动作主要就是依靠脚踝的屈伸进行的，而老年人的脚踝是最容易发生损伤的，人们在运动中也比较容易损伤脚踝，而脚踝一旦发生损伤，就会使得人们行走困难，从而对人们的生活产生巨大的影响，而且如果长期的不能走路的话，就会造成肌肉萎缩这样严重的疾病，甚至，更严重的会造成静脉血栓 1。所以说，对于脚踝来说，进行康复练习是非常重要的，对于一些运动障碍的疾病来说，早期就进行康复练习对于运动障碍的恢复是非常有好处的，不仅仅能够促进身体的恢复，还能够促进静脉中血液的流动，使得身体越来越健康。对于脚踝的康复训练可以利用一些医疗器械，促进脚踝的自主运动，并增强脚踝的柔韧性，以及增加脚踝之间的协调性，主要就是以自主运动为主要的训练方法，而以被动的辅助性的运动为次要的方式，通过对脚踝运动的刺激，能够使得脚踝的肌肉群更加的发达，并产生柔韧性，对于脚踝的下次损伤也有一定的预防的作用 2-4。而目前来说，对于脚踝的训练还是以人工为主，就是通过支付昂贵的训练成本来请专业的康复训练师来进行训练，而这种训练方式除了会增加较高的费用之外，还会有一些缺点，比如不能够对康复训练实现强度较高的训练，而且不能够实现多次的重复性的训练，对于训练也无法进行完全针对性的练习，对于训练成效也不能进行在线的实时的监控，而只能依靠训练师的主观的判断，此外，目前市场上的脚踝康复训练机械大都是需要较多的人为的参与，而且，功能也较少，所以对于研制一套综合性的、先进的脚踝训练机还是非常具有现实意义的，并且还会具有较为广阔的市场前景，还能够大大的降低康复训练的成本。淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 33 页1.2 踝泵运动的定义及优点踝泵运动，就是通过踝关节的运动，像泵一样促进下肢血液循环和淋巴回流。踝泵运动是下肢骨折功能锻炼最简便、有效的训练方法，主要通过踝关节的活动带动下肢肌肉收缩，加快血液回流，促进肿胀消除及肢体功能康复；术后早期的踝泵训练能使高凝状态的血液流动增快 6。1.3 论文主要工作（1）通过查阅资料，分析了脚踝康复机的研究背景与研究意义，并介绍了脚踝康复机目前的研究概况。（2）进行脚踝运动机控制系统的方案设计，并进行主要控制器的选型。（3） 对 PLC 进行了详细的介绍，给出了 PLC 的两种定义，以及 PLC 的主要功能还有主要特点，并给出了 PLC 的硬件组成，以及 PLC 的工作原理。（4） 对脚踝运动机控制系统进行硬件设计与选型，详细介绍了脚踝运动机控制系统中 PLC 的选型，以及 I/O 地址分配。（5） 给出了脚踝运动机控制系统设计的流程图，然后给出了系统接线图以及人机界面的组态图。1.4 本章总结 本章为脚踝运动机控制系统的绪论部分，首先介绍了本课题踝泵运动机的背景以及本课题关于脚踝运动机的研究意义，接着介绍了脚踝运动机控制系统的发展概况，最后介绍了本设计的主要工作。淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 33 页2 踝泵运动机控制系统概述及方案选择2.1 踝关节运动模型分析2.1.1 踝关节运动分析在人体进行运动的过程中，踝关节扮演着非常重要的角色，而几乎所有的运动都可以分解为几个基本的动作:背屈/跖屈、外翻 /内翻、外旋/ 内旋，如图 2.1 所示从左至右依次为：背屈、跖屈、外翻、内翻、外旋/内旋图 2. 1 脚踝运动示意图脚踝的几个基本运动的运动范围，如表 2.1 所示:表 2.1 脚踝基本运动的运动范围脚踝基本动作 背屈 跖屈 外翻 内翻 外旋 内旋运动范围 020 045 5 5 020 0102.1.2 踝关节康复运动的简化模型从上述中关于踝关节的主要运动可以知道踝关节在运动过程中的几个主要的动作，而对脚踝关节进行康复运动的时候，也是需要重复这几个动作，也就是对踝关节进行跖屈，背屈，外翻，内翻，内旋，外旋运动，而一些更复杂的康复运动都可以以这几个运动形式进行组合，在进行脚踝运动模型简化的时候，可以将这几个运动简化为 XYZ 三个坐标轴的转动，以及沿着各个轴线的移动。如图 2.2 所示：淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 33 页图 2.2 踝关节运动模型图 a:跖屈 图 c:内旋 图 e ：内翻图 b:背屈 图 d ：外旋 图 f ：外翻图 2.3 踝关节三种基本运动和幅度在上图中，YZ 轴的平面的运动定义为绕着 X 轴转动的背屈跖屈这两个运动，跖屈范围为 0 到 45，背屈范围为20到 0；而 XY 面为横向的平面，这个平面的05图 a：背伸45淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 33 页运动绕着 Z 轴进行转动，或者沿着 Z 轴进行移动，这就是内旋外旋运动，内旋范围为 0 到 10，外旋范围为-20到 0；而对于 ZX 平面，这个平面的运动绕着 Y 轴转动，主要做内翻外翻的动作，内翻外翻都小于 5设计时可依靠固定脚踝的弹性绷带予以少度的偏转。为了方便设计，可以将每一种运动幅度取为 20。踝关节三种基本运动和幅度如图 2.3 所示：2.2 工作模式及轨迹控制根据踝泵运动的动作，为达到对踝关节充分训练的目的，踝泵运动机需要三种工作模式，一是针对踝关节主要的运动方式背伸和跖屈进行训练，二是针对踝关节综合运动进行训练，具体模式如下：模式一：屈伸动作。训练针对人体踝关节主要的运动方式，背屈和跖屈。其中动作组数及每组次数均可调节。模式二：左脚环绕。训练针对人体踝关节各种基本运动的综合。其中动作组数及每组次数均可调节。模式二：右脚环绕。训练针对人体踝关节各种基本运动的综合。2.3 踝泵运动机医学参数明确脚踝康复医学参数是完成设计任务的前提和保证。本康复机适用于脚踝康复初期使用，通过模仿理疗医师对患者手动完成背屈、跖屈和脚踝康复环绕运动，促进患者脚部血液循环，减轻疼痛，防止组织坏死，并起到预防深静脉血栓的作用。具体医学参数如下：（1）背屈的角度 20，跖屈的角度 45。（2）内旋的角度 20，外旋的角度 10。（3）要求完成一次背屈和跖屈的时间在 40 秒，完成一次环绕运动的时间在 2分钟。（4）腿部、小腿和护具使用弹力绷带固。2.4 本章小结本章为踝泵运动机的控制系统方案设计，首先介绍了脚踝运动的主要动作的解淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 33 页析，然后对于解析出来的动作进行模型简化，确定了踝泵运动机的工作模式及轨迹控制。最后分析了踝泵运动机的医学参数3 踝泵运动机机械部分3.1 踝泵运动机的机械组成此机构的工作原理是将电机的旋转运动转换为滑块的移动，再将移动转换为执行机构的摆动，其动作原理为：减速步进电机 11 在驱动器的驱动下带动丝杆 10 的旋转，从而使滑块组件 9 来回移动，安装在组件上的小球 8 也随之一起运动，带动连杆 1 的前后左右摆动，以此实现汇交的两轴在规定的角度内摆动，来达到脚踝康复环绕运动的目的。汇交的两轴中心正好位于脚踝踝关节中心，从而也满足了设计的要求。连杆 1 与垂直轴组件 4 刚性连接，连杆 1 在外力的作用下左右摆动，带动垂直轴组件 4 左右摆动并使前后摆动框在垂直组件 4 的外力作用下前后摆动，两者复合运动便组成脚踝康复环绕运动。1.连杆 2.支座 3.额状轴组件 4.垂直轴组件 5.光轴座 6.带座轴承 7.短轴8.小球 9.滑块组件 10.丝杆 11.减速步进电机图 3.1 踝泵运动机机械结构图淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 33 页3.2 踝泵运动机运动的实现要达到设计的三种踝泵运动训练模式，需要研究对脚的轨迹控制，脚步机构的动作是有步进电机带动的丝杆滑台的运动来控制的，实质上转化为对丝杆滑台的控制。步进电机转过一周，对应的丝杆转过一周，滑台移动一个导程（L），通过改变脉冲频率 f 来改变步进电机的转速，从而改变滑台的移动速度；改变脉冲周期数来控制步进电机转过的圈数，来控制滑台的移动距离 9。3.3 医学参数的实现踝泵运动机应根据医疗训练要求，具有很好的柔性，可根据每位患者的训练程度不同，设定不同的参数。这样就能适用范围更广，使康复疗效做到最佳。本踝泵运动机需要调节的主要参数有角度、运动速度、运行次数、间隔停顿时间等。（1）角度 步进电机是将脉冲信号转化成角位移的执行机构：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”) ，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。踝泵运动机的角度可以通过脉冲信号来实现控制。（2）运行速度 当步进电机的步距角确定后，转速 n 可表达为： 式中 n6f电机转速；步距角；f脉冲频率。输入的脉冲频率越高，步进电机的转速越高，可以通过控制步进电机的脉冲频率来得到相应的转速。则对应的滑台移动速度为： ；式中 v滑台移动速度；L 丝杆导程；通过改变脉冲频率即可6/fLnv改变滑台移动速度，若加入减速器，则滑台速度为： ；k减速比。所以运行v1速度可以通过改变脉冲频率来实现。（3）运行次数 踝泵运动机的运行次数可以通过触摸屏进行参数设置，由控制器程序负责实现运行次数的控制。（4）间隔停顿时间 通过控制系统程序来控制步进电机以实现对间隔停顿时间的控制。3.4 数据参数输入方式选型常见的参数输入方式有键盘和触摸屏，下面将分别展示两者特点，并进行输入元件淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 33 页选型3.4.1 触摸屏输入的特点（1）触摸屏是绝对坐标系统,要选哪就直接点那，与鼠标这类相对定位系统的本质区别是一次到位的直观性。绝对坐标系的特点是每一次定位坐标与上一次定位坐标没有关系，触摸屏在物理上是一套独立的坐标定位系统，每次触摸的数据通过校准数据转为屏幕上的坐标。（2）触摸屏是直接输入，接口很多，操作界面和输出界面在一起，参数交换速度快。3.4.2 键盘输入的特点（1）键盘输入接口需要与计算机相连，限制了控制器的选型（2）操作界面和输出界面分开，参数交换较慢本文选用的是触摸屏作为参数输入，因为他交换速度快，输入准确，符合本设计的需求3.5 电机的选择常见的电机有普通电机、步进电机、伺服电机。下面将分别比较步进电机、普通电机，步进电机、伺服电机间