机械原理课程设计-卧式下肢康复机的设计.doc

河北联合大学机械原理课程设计说明书卧式下肢康复机的设计学 院：轻工学院班 级：09机械10班学生姓名：指导教师：2012年 6月 15日i机械原理课程设计说明书机械原理课程设计任务书一、卧式下肢康复机的性能指标卧式下肢康复机器人是对下肢具有运动障碍的患者进行主动康复训练的自动化机械装置，它可以帮助因中风等疾病或因外伤引起的腿部运动障碍进行运动机能恢复性训练。卧式下肢康复机器人的整体性能应达到如下主要技术指标：(1)1自由度（主运动机构）；(2)承载能力10kg的屈伸机构；(3)曲柄的转速20转/分钟左右；(4)机构能使病人模仿正常人仰卧时屈伸腿运动；(5)脚踏板点的运动轨迹为椭圆，使椭圆轨迹与正常人行走轨迹相吻合。二、卧式下肢康复机的设计内容用matlab编程完成下述内容：1、分析正常人行走轨迹、正常人腿部大致尺寸；了解下肢具有运动障碍的患者的康复机理。2、建立机构数学模型，根据脚踏板点的运动轨迹，设计最适合人体运动的机构尺寸；3、分析机构各杆尺寸变化对脚踏板点的轨迹的影响，进而分析影响人体运动的步高和步距；4、分析机构脚踏板点的速度特性，并进行仿真；5、分析机构脚踏板点的加速度特性，并进行仿真；6、研究机构的动力特性。目录1.正常人的步态分析及运动障碍患者的康复机理4 1.1人体比例及步态分析4 1.2下肢运动障碍患者的康复机理42.下肢康复机机构方案设计53.建立机构的数学模型并设计机构尺寸5 3.1利用解析法建立机构的数学模型5 3.2根据脚踏板点的运动轨迹，设计机构尺寸64.分析机构各杆尺寸变化对脚踏板点的轨迹影响9 4.1曲柄长度r对椭圆轨迹的影响9 4.2连杆长度l对椭圆轨迹的影响10 4.3基座长度d对椭圆轨迹的影响115.脚踏板处速度仿真分析136.脚踏板处加速度仿真分析177.机构的动力特性分析19 7.1机构的极位夹角分析19 7.2机构的传动角分析及仿真198.总结.209.参考文献21241.正常人的步态分析及运动障碍患者的康复机理1.1人体比例及步态分析正常人的下肢大体尺寸为 90cm-105cm；正常人行走轨迹是椭圆；正常人的步距45cm-65cm；步高8cm-10cm。1.2下肢运动障碍患者的康复机理根据人机工程学理论，群体中个体和个体之间存在着差异，通常随着人机工程学、运动生物力学、体育科学以及康复医学等学科的发展，人们对于人体模型的研究越来越广泛。虽然人体所完成各种动作的复杂性是任何机械也无法比拟的，但是从机构学的角度看，人体是可以用若干柔性或刚性体组成的系统模型予以有效地描述。因此，在建立下肢模型的时候都采用了简化的方法，对下肢的动力学特性进行分析的时候，大多数采用多体系统的力学方程求解的方法。确定人体下肢康复目标，把人体下肢简化为由骨盆、双侧大腿、小腿和足7部分刚体组成，骸、膝和躁关节简化为在矢状面内运动的铰链，骨盆可以看作一个机架，简化后的下肢模型如图2所示。该模型具有双侧下肢骸、膝、踩关节六个自由度，骸关节在矢状面的训练范围为屈曲0o一900，膝关节的训练范围为屈曲0o一1400，踩关节的训练范围从踢屈59。到背屈2。膝关节和踩关节可以完成关节的全范围训练，髓关节是在关节活动的部分范围内进行训练，六个关节的训练范围可以满足恢复行走功能的康复要求。2.下肢康复机机构方案设计（1）分析各机构的优缺点曲柄滑块的优点：（1）面接触为低副，压强小，便于润滑，磨损轻，寿命长，传动动力大（2）低副易于加工，成本低（3）杆可较长，可用作远距离的操作控制（4）可利用连杆实现较复杂的运动规律和运动轨迹。曲柄滑块的缺点：（1）低副中存在间隙，精度低（2）传动线路长，易产生较大的误差累积，所以不能精确复杂的运动规律，同时机械效率低（3）不适宜高速运动,，但是适合人的运动。凸轮推杆机构的优点：(1)可实现高速化，不适合人的运动，结构紧凑，可靠性高；(2)可以使推杆得到各种预期的运动规律，(3)结构紧凑凸轮推杆机构的缺点：(1)不可变，不能变更动作时间(2)由于高副接触（点，线），压强大，易磨损，寿命短(3)设计较难，不易加工。（2） 确定设计机构综上比较，曲柄滑块适合低速场合，正好符合人行走时的运动；成本也低，适合大多数人群；运动副之间便于润滑、可靠等特点，所以选择曲柄滑块机构。3.建立机构的数学模型并设计机构尺寸3.1利用解析法建立机构的数学模型如图所示建立位置坐标系，各矢量如图，地面所在x轴记为向量e，曲柄r绕轴转动角度 ，连杆l与x轴夹角为n ，在封闭多边形中，恒有 显然有： 即 脚踏板位置坐标：x轴 y轴 3.2运用matlab软件编写程序计算并绘制脚踏板的轨迹已知r=100mm，l=1000mm，l=150mm，h=150mm运行程序： h=150; l=150; l=1000; r=100; 对变量赋值 th=0:0.1:pi*2; th即为模型中 th1=acos(h+r*sin(th)/l)-th-pi/2; x1=(l-l)*cos(th+th1)+r*cos(th); y1=(l-l)*sin(th+th1)+r*sin(th); plot(x1,y1,*),axis equal; xlabel(x(mm); ylabel(y(mm);legend(r=100);r=100时脚踏板运动轨迹：根据要求短轴为30mm左右，取r=120，运行程序： h=150; l=150; l=1000; r=120; th=0:0.1:pi*2; th1=acos(h+r*sin(th)/l)-th-pi/2; x1=(l-l)*cos(th+th1)+r*cos(th); y1=(l-l)*sin(th+th1)+r*sin(th); plot(x1,y1,*),axis equal; xlabel(x(mm); ylabel(y(mm);legend(r=120);r=120时脚踏板运动轨迹：由图可知，r=120时更符合短轴要求，取r=120。4.分析机构各杆尺寸变化对脚踏板点的轨迹影响4.1 曲柄长度r对椭圆轨迹的影响连杆长度l=1000mm,基座高度h=150mm,脚踏板位置l=150mm,曲柄r分别为50mm,100mm,150mm.运行程序： h=150; l=1000; l=150; r1=50; r2=100; r3=150; 对比量为r th=0:0.1:pi*2; th1=acos(h+r1*sin(th)/l)-th-pi/2; th2=acos(h+r2*sin(th)/l)-th-pi/2; th3=acos(h+r3*sin(th)/l)-th-pi/2; x1=(l-l)*cos(th+th1)+r1*cos(th); 脚踏板水平位置 x2=(l-l)*cos(th+th2)+r2*cos(th); x3=(l-l)*cos(th+th3)+r3*cos(th); y1=(l-l)*sin(th+th1)+r1*sin(th); 脚踏板垂直位置 y2=(l-l)*sin(th+th2)+r2*sin(th); y3=(l-l)*sin(th+th3)+r3*sin(th); plot(x1,y1,*,x2,y2,*,x3,y3,*),axis equal; 以横坐标x纵坐标y输出轨迹 xlabel(x(mm); ylabel(y(mm); legend(r1=50,r2=100,r3=150);分别得到三个椭圆轨迹：4.2 连杆长度l对椭圆轨迹的影响曲柄r=120mm,基座高度h=150mm,脚踏板位置l=150mm,连杆长度分别为900mm,1000mm,1100mm.运行程序： h=150; r=120; l=150; l1=900; l2=1000; l3=1100; th=0:0.1:pi*2; th1=acos(h+r*sin(th)/l1)-th-pi/2; th2=acos(h+r*sin(th)/l2)-th-pi/2; th3=acos(h+r*sin(th)/l3)-th-pi/2; x1=(l1-l)*cos(th+th1)+r*cos(th); x2=(l2-l)*cos(th+th2)+r*cos(th); x3=(l3-l)*cos(th+th3)+r*cos(th); y1=(l1-l)*sin(th+th1)+r*sin(th); y2=(l2-l)*sin(th+th2)+r*sin(th); y3=(l3-l)*sin(th+th3)+r*sin(th); plot(x1,y1,*,x2,y2,*,x3,y3,*),axis equal; xlabel(x(mm); ylabel(y(mm); legend(l1=900,l2=1000,l3=1100);分别得到三个椭圆轨迹：4.3 基座长度d对椭圆轨迹的影响连杆长度l=1000mm,脚踏板位置l=150mm,曲柄r=120mm,基座高度h分别为130mm,150mm,170mm.运行程序： l=150; l=1000; r=120; h1=130; h2=150; h3=170; th=0:0.1:pi*2; th1=acos(h1+r*sin(th)/l)-th-pi/2; th2=acos(h2+r*sin(th)/l)-th-pi/2; th3=acos(h3+r*sin(th)/l)-th-pi/2; x1=(l-l)*cos(th+th1)+r*cos(th); x2=(l-l)*cos(th+th2)+r*cos(th); x3=(l-l)*cos(th+th3)+r*cos(th); y1=(l-l)*sin(th+th1)+r*sin(th); y2=(l-l)*sin(th+th2)+r*sin(th); y3=(l-l)*sin(th+th3)+r*sin(th); plot(x1,y1,*,x2,y2,*,x3,y3,*),axis equal; xlabel(x(mm); ylabel(y(mm); legend(h1=130,h2=150,h3=170);从图中可知，随着曲柄长度的增加椭圆轨迹的长度和短轴度增加，曲柄长度r对椭圆的长轴和短轴都有决定性影响，调节椭圆轨迹的长度和短轴最好方法是调节曲柄长度。5.脚踏板处速度仿真分析1.水平方向的速度仿真 h=150; l=150; l=1000; r=120; th=0:0.1:pi*2; th1=acos(h+r*sin(th)/l)-th-pi/2; x1=(l-l)*cos(th+th1)+r*cos(th); dth=diff(th); 对变量角th求导 dx1=diff(x1); dx1th=dx1./dth; n=length(th); plot(th(1:n-1),dx1th,*); grid on legend(dx1./dth); xlabel(th=0 to pi*2); ylabel(vx1(mm/s); title(values of th and vx1); /输出标题/2.垂直方向的速度仿真 h=150; l=150; l=1000; r=120; th=0:0.1:pi*2; th=0:0.1:pi*2; th1=acos(h+r*sin(th)/l)-th-pi/2; y1=(l-l)*sin(th+th1)+r*sin(th); dth=diff(th); dy1=diff(y1); dy1th=dy1./dth; n=length(th); plot(th(1:n-1),dy1th,*); grid on legend(dy1./dth); xlabel(th=0 to pi*2); ylabel(vy1(mm/s); title(values of th and vy1);6.脚踏板处加速度仿真分析1.水平方向的加速度仿真 h=150; l=150; l=1000; r=120; th=0:0.1:pi*2; th1=acos(h+r*sin(th)/l)-th-pi/2; x1=(l-l)*cos(th+th1)+r*cos(th); ddth=diff(th,2); ddx1=diff(x1,2); ddx1th=ddx1./ddth; plot(th(1:n-1),dx1th,*); grid on legend(dx1./dth); xlabel(th=0 to pi*2); ylabel(ax1(mm/s2); title(values of th and ax1);2.垂直方向的加速度仿真 h=150; l=150; l=1000; r=120; th=0:0.1:pi*2; th1=acos(h+r*sin(th)/l)-th-pi/2; y1=(l-l)*sin(th+th1)+r*sin(th); ddth=diff(th,2); ddy1=diff(y1,2); ddy1th=ddy1./ddth; plot(th(1:n-1),dy1th,*); grid on legend(dy1./dth); xlabel(th=0 to pi*2); ylabel(ay1(mm/s2); title(values of th and ay1);7.机构的动力特性分析7.1机构的极位夹角分析1、 极位夹角的分析当存在极位夹角时就会有急回特性，机构的极位夹角越大，机构的急回特性也就越明显，对曲柄滑块机构来说, 为使机构具有较好的传动性能, 同时又满足一定的急回特性, ,k 值取小于1. 3(较为合适, 且随着机构所需传递的力的增大, 因相应的传动角也要求增大。 2、效率 当传动角最大时，此时余角即压力角最小，曲柄滑块机构中的摇杆轴线方向（二力构件，轴线即力作用线）与滑块运动方向夹角最小，使得滑块与支撑面间的压力、摩擦力都最小；而且传动角最大时必然处于极位，简单分析，摇杆受力必然由压力变为拉力，力的绝对值肯定是由大变小然后再增大，传动角最大时摇杆的力最小摩擦小了，机械效率肯定高考虑极端情况，传动角为90，则压力角0，力与速度共线，所有力全部用来做功，效率最高。所以对滑块润滑是摩擦力尽可能小。7.2机构的传动角分析及仿真连杆与传动件之间所夹的锐角称为此连杆机构在此相对位置时的传动角。传动角越大，对机构的传动越有利。为了保证机构传力性能良好，应使；出现在主动曲柄与机架