本科毕业论文-下肢关节康复医疗器械设计

中国计量学院本科毕业设计论文下肢关节康复医疗器械的设计DESIGNOFREHABILITATIONMEDICALDEVICEOFLOWERLIMBJOINT学生姓名学号学生专业机械电子工程班级08机电2班二级学院机电工程学院指导教师李运堂副教授中国计量学院2012年5月致谢本次毕业设计经过几个月的时间终于顺利地完成了，期间最应该感谢的是李运堂老师。李运堂老师无论在本论文的研究、设计还是写作中始终给予了我无微不至的关怀和全面、细心的指导，尤其是在培养我严谨的研究作风方面对进行了严格的要求。在做毕业设计的几个月里，李老师严格地要求我，同时耐心地在理论和操作上帮助我，使我少走了很多弯路，给我提供了良好的学习知识和实践的机会，对我论文的完成给予了莫大的帮助。李运堂老师严谨的治学、敏锐的思维、渊博的学识和极强的动手能力给我留下了极其深刻的印象，他对我的谆谆教诲和言传身教使我受益无穷。导师渊博的知识、诲人不倦的师德、严谨的治学态度、兢兢业业的工作作风和对科学知识执着的追求与探索精神深深的影响着我，不仅在学术上给我以动力和指导，而且从生活上，思想上激励和教育我。在此，向我的导师致以最诚挚的谢意。另外，也要感谢沈凯超和张春杰同学在本设计的过程中对我的帮助，同时感谢学校能够给我这样一次锻炼的机会，使自己在专业和实践方面的能力到得到了提高。最后，在中国计量学院四年的本科学习中，得到了机电工程学院许多老师和同学的帮助，在此，一并向他们表示诚挚的感谢。摘要本文以关爱残疾人，辅助患者进行下肢关节的康复训炼为出发点，在现有的装置基础上，对下肢关节康复医疗器械装置的优化与改进。首先，本文对机构杆件、滚珠丝杆和电机的参数进行了设计与计算，并对机构杆件和底座的材料进行了分析与选择。其次，本文通过用SOLIDWORKS2011软件对装置的各个零件进行建模，并对主要零件进行应力分析。最后，本文通过用SOLIDWORKS2011软件对装置的总装配图进行干涉检查，分析与解决问题，优化改进装置。本装置的作用是让患者在术后，下肢能够得到有效和及时的修复性锻炼。具体功能是让踝关节实现左右摆动和足内翻、足外翻，膝关节实现伸缩和弯曲。该装置保证患者在家里，没有医生指导的情况下，能够自己操作，安全又可靠。关键词下肢关节；医疗器械；康复器械设计；SOLIDWORKS2011中图分类号TH122DESIGNOFREHABILITATIONMEDICALDEVICEOFLOWERLIMBJOINTABSTRACTINORDERTOTAKECAREOFTHEDISABLEDANDASSISTINPATIENTSWHOWANTTODOLOWEREXTREMITYJOINTEXERCISE,THISTHESISONMEDICALEQUIPMENTOPTIMIZATIONANDIMPROVEMENT,WHICHABOUTLOWEREXTREMITYJOINTREHABILITATION,BASESONTHEEXISTINGDEVICE,CANHELPTHEMFIRSTLY,ITDOESSOMEDESIGNANDCALCULATIONINTHEMECHANISMPARTS,BALLSCREWANDELECTRICALPARAMETERS,MEANWHILE,THEBARANDBASEMATERIALSAREANALYZEDANDSELECTEDSECONDLY,ITNOTONLYCREATESTHEMODELOFEACHPART,BUTALSODOSESTRESSANALYSISINTHEMAINPARTSWITHSOLIDWORKS2011FINALLY,WITHTHEHELPOFSOLIDWORKS2011,ITOPTIMIZESANDIMPROVESTHEDEVICEBYCONDUCTINGTHEINTERFERENCEDETECTIONOFGENERALASSEMBLYDRAWINGS,ANALYSISANDPROBLEMSOLVINGTHEDEVICEFUNCTIONISTOMAKETHEPOSTOPERATIVEPATIENTSDOREPAIRTRAININGEFFECTIVELYANDTIMELYTHESPECIFICFUNCTIONISTOMAKETHEANKLESWINGSAROUND,THEFOOTTURNSINANDOUT,THEKNEESTRETCHESANDBENDSCOMETUREITENSURESPATIENTSTHEMSELVESBEABLETOOPERATESAFELYANDRELIABLYWITHOUTADOCTORSGUIDANCEKEYWORDSLOWERLIMBJOINTSMEDICALDEVICESREHABILITATIONDEVICEDESIGNSOLIDWORKS2011CLASSIFICATIONTH122目录1绪论111研究背景及意义112下肢关节康复医疗器械的研究现状1121机械式踝关节康复辅具1122电动踝关节功能康复辅具2123智能化踝关节康复辅具2124下肢关节康复医疗器械的特点313本文研究的主要内容32设计要求与方案比较521下肢关节康复医疗器械设计技术要求522下肢关节康复医疗器械设计方案确定53下肢关节康复医疗器械设计731装置结构材料选取732人体下肢关节运动分析733机械杆件机构的设计834滚珠丝杆的选择9341滚珠丝杆的结构的选择10342滚珠丝杆的结构尺寸的选择10343滚珠丝杆的选择步骤11344滚珠丝杆的参数1335电动机的型号选择与设计13351电动机类型选择13352电机参数计算14353电动机参数1536下肢关节康复医疗器械机座设计15361底座的作用及结构设计15362底座的材料选择164下肢关节康复医疗器械零件建模与应力分析1741对ADAMS软件介绍1742用ADAMS机构杆件运动仿真1743用SOLIDWORKS对机构杆件建模1844用SOLIDWORKS对滚珠丝杆建模1845用SOLIDWORKS对电机建模1846用SOLIDWORKS对机构主要零件应力分析195下肢关节康复医疗器械系统建模、干涉分析与系统优化2451机电一体化系统的介绍2452下肢关节康复医疗器械装置的初步装配2453下肢关节康复医疗器械装置的干涉检查与优化256总结与展望2861已完成工作2862需要解决的问题28参考文献30附录A杆1零件图32附录B杆2零件图33附录C杆3零件图34附录D杆4零件图35附录E杆5零件图36附录F杆6零件图37附录G连接杆1零件图38附录H连接杆2零件图39附录I连接杆3零件图40附录J脚踏板零件图41附录K电机零件图42附录L滚珠丝杠零件图43附录M总装配图44作者简历45学位论文数据集461绪论11研究背景及意义残疾人与健康人相比,在身体和心理方面都有其自身的特点。因此,作为残疾人使用的康复医疗器械与一般的健身器材有很大不同。我国最早的成套康复训练器械是从国外进口的。上世纪80年代末,中国针对残疾人成立了残疾人康复训练中心,从日本引进了大量的康复医疗器械。经国务院批准,残疾人康复训练中心成立了康复工程研究所,这个研究所的只要目的是结合临床医学的经验，采用科学有效的技术手段，给残疾人提供和研发一些康复训练的器械，包括一系列的研发、生产、售后服务性的指导残疾人操作，维修服务的一条龙服务，在进行质量的反馈，从而改进设备的技术，为残疾人提供更舒适，更方便的医疗器械。在最近研究的十几年时间里,参考与借鉴了国内外的许多先进技术与设备,1我们自己已经设计研发出了各种功能的康复医疗器械，有了自己的一套设计理念与方案，而不是光光靠引进外国的技术手段。下肢关节康复医疗器械对下肢行走有困难的患者提供了很大的方便，尤其是对术后的患者，还有就是截肢的患者和装了假肢的患者，给他们提供了一个康复训练的好机会与好方法，加快他们的康复效果。1同时，现在马路上的车辆越来越多，从而交通事故也越来越多，再者人口老龄化导致引起的骨质疏松的人越来越多，加之现代的年轻人越来越提倡体育运动，现在这个社会提倡运动美，注重对身体的保养，都比较加强运动。年轻人在运动的时候难免会受伤，比如打篮球的时候手扭伤，踢足球的时候脚扭伤等等。有关数据研究统计，膝关节和踝关节的受伤和韧带的拉伤的人的比例在不断的上升。这样的患者在手术后都要面临同样的一个结果，就是在家静养。1其实术后不及时的锻炼，就坐那静养的方法是不对的，长时间地不动会导致肌肉的萎缩、关节僵直的严重后果。所以为了保证在手术后能都快速的恢复肢1体的运动能力，有人研发了下肢关节康复医疗器械这种康复医疗器械，帮助患者术后修复锻炼。112下肢关节康复医疗器械的研究现状121机械式下肢关节康复医疗器械机械式踝关节康复医疗器械的使用方法是，人体靠在板上站直，收扶着杆，系上安全带，脚踩在踝关节的矫正板上，依靠人体调节自身的重量是装置保持一定的角度。如图11机械式踝关节康复医疗器械有两个矫正板。所以人通过踩在不同的板上可以实现不同的矫正作用。可以实现脚踝的内外翻转等。由于2此装置要通过人体来调节角度，所以必须能够承受整个人体的重量，所以对装置的刚度与强度要求很高，在材料选择方面必须细致。机械式踝关节康复器械虽然操作起来很简单，但是如果在家里没有矫形医师的指导的情况下，患者通过自身能力来调整踝关节矫正角度，可能会产生事与愿违的效果。图11机械式踝关节康复医疗器械122电动式下肢关节康复医疗器械电动式下肢关节康复医疗器械采用了CPU全微电脑控制，装置运行情况可以通过LCD双屏背光液晶显示。电动式下肢关节康复医疗器械的运动角度、速度、时间等参数都可以通过通过CPU控制，LCD液晶显示出来。操作简单方便，患者很容易上手。而且该装置还有力矩控制和超力矩保护的功能，能够确保患者使用安全。2图12电动踝关节功能康复辅具123智能型下肢关节康复医疗器械智能型踝关节康复医疗器械是在电动式下肢关节康复医疗器械的基础上，加入了智能的元素。例如，装置在运行的时候，如果遇到突发事件，能够自行反转，而且该装置的力矩能够任意的设置。可以让患者在使用装置时更加安全可靠。最重要的是该装置还可以设定关机时间，为临床使用和管理提供了方便。2图13智能化踝关节康复医疗器械124下肢关节康复医疗器械的特点下肢关节康复医疗器械是一种智能化踝关节康复辅具，贯穿了康复医学、生物力学、机械学、机械力学、电子学以及材料学等诸多领域，已经成为国际研究热点。下肢关节康复器供下肢关节功能患者作康复辅助治疗用。由于关节被动活动能促进创伤后关节液的分泌和吸收的循环，能促进软骨的再生，防止粘连，减少痛苦的作用，因此下肢关联康复器对关节手术后的康复锻炼都适用。下肢关节康复医疗器械是实现人体在保持良好的坐姿下，使人体脚踝和膝3盖在一个平面内，得以伸缩和弯曲，像正常人行走一样的反复运动，从而使踝关节和膝关节得意修复。具体是通过CPU控制，使电机带动脚踏板的旋转运动和滚珠丝杆直线运动，再使机构实现伸缩弯曲运动，从而实现人体脚踝及膝盖的模拟行走锻炼，使脚踝和膝盖具有一定的灵活性。图14下肢关节康复医疗器械13本文研究的主要内容下肢关节康复医疗器械设计必然是一个挑战。装置的机械构件长度，运动分析与模拟；滚珠丝杆的参数选择与精度计算；电机的参数计算与选型决定了它需要更为合理的设计方案。装置每个部分的配合运动的优劣不仅直接影响患者舒适性，还决定整个装置的稳定性和连贯性。装置机械构件的连接与运动是通过对人体行走时下肢关节（踝关节和膝关节）的运动情况来设计的。通过分析人体骨骼模型和关节运动建立人体简化模型。通过分析步行特征初步掌握关节运动协调规律。采用简化模型分析人体运动学特性。通过这些特征的研究，合理设计出舒适又灵活可靠的杆件机构，使其与人体运动达到协调统一。滚珠丝杆的设计通过，四杆机构的运动情况来计算，确定滚珠丝杆的轴向最大载荷，运动速度，公称直径和公称导程。从而可以得出滚珠丝杆的型号和精度。滚珠丝杆副在负载时，其滚珠与滚道面接触点处将产生弹性变形。滚珠丝杆是把丝杆的回转运动转换为螺母的直线运动，换向时，其轴向间隙会引起空回。这种空回是非连续的，既影响传动精度，又影响系统的稳定性。电机的选择与设计，根据滚珠丝杆的速度，转速，公称直径和公称导程计算。包括电机的型号，转速，功率。电机的参数选择直接影响整个装置的稳定性。本章就以上问题进行了深入讨论。研究下肢关节康复医疗器械，主要是对要进行下肢关节康复训练的人来说，下肢关节康复医疗器械可以控制使其模拟正常人的行走动作、膝关节和踝关节的协调运动，实现对下肢的康复训练。下肢关节康复医疗器械可以实现正常人行走时膝关节和踝关节的收缩和伸展，锻炼下肢肌肉，恢复神经系统对行走能力的控制，达到恢复行走机能的目的。本文以关爱残疾人为出发点，着眼于下肢关节康复医疗器械的结构设计，以机电一体化系统设计、机械设计原理和机电传动等课程为基础，同时参考、借鉴其他领域的方案，设计下肢关节康复医疗器械的结构方案，其主要研究内容归结为以下三方面一、运用ADAMS运动分析装置的运动，得出机构模拟运动的相关参数。根据机构杆件的运动参数，计算滚珠丝杆和电机的相关参数，选择滚珠丝杆与电机的型号。二、根据机电一体化系统设计原理，参考已成熟的设计方案，选定合适的材料，根据计算尺寸，使用SOLIDWORKS2011三维机械设计软件建模各个零件，然后装配总的工程图。三、使用SOLIDWORKS2011软件中的应力分析插件工具（COSMOSXPRESS2011）对主要零件进行应力分析，根据分析结果改进设计方案，优化设计方案，使下肢关节康复医疗器械运动更加协调，灵活。2设计要求与方案比较21下肢关节康复医疗器械设计技术要求1、该装置可以实现踝关节与膝关节同时的修复锻炼效果；2、该装置可以实现踝关节的左右摆动；3、该装置的最大运行距离达500MM左右；4、该装置大腿支架长度可调节范围不小于90MM，小腿支架长度可调节范围不小于100MM；5、康复器额定载荷为200N,在额定荷载下应能平稳工作不卡滞，往复运行无异常撞击声；22下肢关节康复医疗器械设计方案确定下肢关节康复医疗器械设计曾考虑的两种方案方案一图21方案一如图21所示，该装置有6根杆件组成，机构杆件较多，整个装置运动起来精确度高。该装置有调节机构长度的标尺，可以适应正常成年人的腿的长度。改装置单片机控制电机带动滚珠丝杆转动从而带动整个装置的运动，整个系统简单明了，灵敏度较高方案二图22方案二如图22所示，该装置有4根杆件组成，机构杆件较为简单明了，设计简便。改装置的脚踏板还可以实现左右摆动，是踝关节得以多角度的训练。而且改装置的滚珠丝杆与电机在底座里面，密封性好。该装置机构简单，电机功率可以选小点，所以整个装置显得轻便些。方案三图23方案三可以看出，方案一的滚珠丝杆暴露在空气中，容易进灰尘等，寿命会减短。该装置的踝关节只能实现2个自由度的运动。且机构杆件较多，设计较复杂。方案二尺寸调节没有方案一方便。方案三结合了方案一、二的优点。该装置能够实现踝关节的左右摆动，机构杆件简单，设计简便，还可以实现大小腿的长度调节，且该装置滚珠丝杆与电机在底座里面，密封性比较好。综上所述，选择方案三能更好的训练患者的踝关节与膝关节。3下肢关节康复医疗器械设计31装置结构材料选取为了整个装置刚度满足要求，需要选择下肢关节康复医疗器械的材料。机构杆件由于要承受整个下肢，且要带动下肢运动，所以对刚度要求较高。又不能太重，所以要选择材料密度不是很大的材料，但又要满足一定的强度的材料。而底座要承受整个装置的重量，所以对材料的选取也有严格的要求，要求材料密度大。表1各种材料的性能比较材料性能钢铝玻璃钢碳纤维T300/4211碳纤维T300/QY8911密度/GCM3782716185156161抗拉强度/MPA7008404707028013961548抗压强度/MPA4208503010010027010291226抗弯强度/MPA4204607011011001000200010002000由表1可知，钢相对于其他材料来说有明显的性能优点，其密度大，而且抗拉强度，抗压强度和抗弯强度都比其他材料大。因此钢可作为下肢关节康复医疗器械的底座的材料。具体可采用45号钢（主要性能如表2）。表245号钢的主要性能名称抗拉强度屈服强度伸长率收缩率冲击功钢材硬度退火钢数值600MPA355MPA164039J229HBS197HBS铝相对于其他材料而言，抗拉强度、抗压强度和抗弯强度中等偏上，满足下肢关节康复医疗器械的机构的强度，而且材料密度不是最大，满足运动要求。因此下肢关节康复医疗器械的机构杆件选择铝（主要性能如表3）作为材料。表3铝合金的主要性能铝合金拉伸强度25CMPA屈服强度25CMPA硬度延伸率密度1060合金175195601228232人体下肢关节运动分析关节是骨与骨间的连接部分，决定着人体下肢的运动形式。人体下肢的运动链是以旋转为主的转动副结构。人体下肢运动包含了丰富的机构运动学问题。大腿长度的测量是从股骨下端至膝关节的长度。一般，正常成年人的大腿长度为2286CM4572CM。膝关节的运动类似于一个转动副，所以可以简化为一个球状的转动件。膝关节是人体中一个很奇特的关节，结构简单但是是关节最大的，属于球状关节，能够进行拉伸弯曲的运动，膝关节的运动角度最大可以达到10130。膝关节在运动的时候还可以进行细微的旋转运动，但是人2在行走的时候还是以拉伸与弯曲运动为主，所以旋转运动可以忽略不计，这样在对膝关节的三维建模的时候可以简化膝关节的运动。小腿长度的测量是从膝关节至踝关节的长度。一般，正常成年人的小腿长度为2794CM6096CM。踝关节运动动作时足内翻和足外翻，还可以进行左右摆动运动，所以运动的动作比较复杂，设计需要考虑的也比较多。足内翻的角度范围为1020，足外翻的角度范围为2530，踝关节的旋转角度范围为1325。踝关节在运动中起到了非常重要的作用，而且为了支撑整个脚底，2受的力比较大，在一切剧烈的动作中有着至关重要的传力的作用。所以必须要好好修复踝关节，考虑踝关节运动时的各个动作，使其完全康复。膝关节和踝关节在运动时的角度问题和正常成年人的小腿、大腿长度问题也是下肢关节康复医疗器械的机构杆件部分设计时需要解决的一个重点。33机械杆件机构的设计下肢关节康复医疗器械的机械杆件机构的模型来至于人体下肢的运动的分析与计算。膝关节与踝关节的运动形式可简化为机械构件的转动副。辅助患者的脚踝和膝盖像正常人一样运动，由于关节被动活动能促进创伤后关节液的分泌和吸收的循环，能促进软骨的再生，防止粘连，减少痛苦的作用，因此下肢关节康复器对关节手术后的康复锻炼都适用。从而使受伤的踝关节和膝关节4能慢慢适应行走时经历的运动过程。机械传动部分的部件对整个系统的影响很大，在整个机电一体化系统中作为执行器的存在，影响整个系统的运动形式。特别是机械传动的设计类型、运动方式、零件的刚性以及传动的衔接性、可靠性对机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性的作用。对整个系统的运4行状况起着决定性的作用。在铰链四杆机构中，已知连架杆AB和CD的三对对应位置、，、12和、，要求确定各杆的长度、和。此机构各杆长度按同一比231L23L4例增减时，各杆转角间的关系不变，故只需确定各杆的相对长度。故取1，1L则该机构的待求参数只有三个。图31机构封闭多边形该机构的四杆组成封闭多边形。取各杆在坐标轴和上的投影，可得以XY下关系式31SINISINCOCO324LL将和移到等式右边，再把二等式两边平方相加，即可消去，整COS理得3222433341COSCOSLLL为化简上式，令，3303PL134/L22431LLP则有342COSSCO上式即为两连架杆转角之间的关系式。将已知的三对对应转角、1，、，、分别代入式，可得到方程组123（3523130322211COSSCOSPP）由方程组可以解出三个未知数、和。将它们代入（3）式，即可求2得、和，以上求的的杆长、和可同时乘以任意比例常数，所得2L34L1L23L4机构都能实现对应的转角关系。大范围关节活动度，活动范围适应性增大，最大运行距离已达500MM左右国外先进机型水平，本仪器在如此大运行距离仍可保证快速稳定运行。且在充分考虑了医疗临床治疗需要后，增加了踝关节同步运动功能。按照给定两连架杆对应位置设计杆件机构的方法，假设、15，可以求出下肢机构医疗165150322、135422、器械的各杆件的长度MM；MM；MM；MM4501L250L2403L504L由于361234LL所以得最长边与最短边长度之和大于其余两边之和，所以该机构为双摇杆机构。按照机构的演化，可以把一个机架改为滑块，因此想到滚珠丝杆机构。34滚珠丝杆的选择按照国标GB/T1758731998及应用实例，滚珠丝杠（目前已基本取代梯形丝杠，已俗称丝杠）是用来将旋转运动转化为直线运动；或将直线运动转化为旋转运动的执行元件，并具有传动效率高，定位准确等特点。5341滚珠丝杆的结构的选择根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，可选择适当的结构型式。由于下肢关节康复医疗器械必须有预紧或在使用过程中因磨损而需要定期调整时，应采用双螺母螺纹预紧或齿差预紧式结构。85342滚珠丝杆的结构尺寸的选择选择滚珠丝杆的型号的时候主要是选择丝杆的两个参数公称直径和公称导程（或螺距）。公称直径是根据机构传递的轴向的最大0DHPT0D载荷，然后按照滚珠丝杆的尺寸系列表格来进行选择计算与设计的。螺7纹长度越长就越容易出现卡死的现象，螺纹也容易坏死，不好维护，所以1L在设计的时候尽可能的是螺纹长度短一些。一般螺纹长度与公称直接的长度之比30是最佳的；公称导程该按照装置的承载能力和装置的传1/LDHP动精度及机构的传动速度来设计计算的。公称导程的值越大表明丝杆的H承载能力也大，公称导程的值越小就说明装置的传动精度就较高。滚珠H丝杠根据使用范围分为定位型（P）和传动型（T）两种。根据精度要求分为7个精度等级，即1、2、3、4、5、7和10级。1级精度最高，依次递减如表4。表4有效螺纹长度螺纹长度有效行程螺母长度设计裕量（如果还要安装防护罩，还要考虑防护罩压缩后的长度，一般按防护罩最大长度的18计算）。长度尽量选86米以下，超过的就选用齿轮齿条。由于下肢关节康复医疗器械的安装不需要防护罩，所以不需要考虑设计裕量。已知丝杆有效行程507MM，螺母长度32MM，所以丝杆的螺纹长度ULML50732539MM371LUM有效行程MM丝杠螺纹全长MM余程MM见表5ULML表5余程导程T（MM）253456810121620余程LE10121620243240455060丝杠全长有效行程螺母长度设计余量两端支撑长度（轴承宽度锁紧螺母宽度裕量）动力输入连接长度（如果使用联轴器则大致是联轴器长度的一半裕量）。已知动力输入连接长度20MM，所以丝杆的总长度8DL5073240579MM38DMUZLL343滚珠丝杆的选择步骤在选用滚珠丝杆副时，必须知道实际的工作条件公称直径D20MM，内径D16MM，导程（螺距）为6MM，齿距29MM，齿高4MM,精度C7。最大轴向的工作载荷（N）200N作用下的可持续工作时间大于T（H）2H、丝MAXF杆的长度（MM）592MM、丝杆的转速300MM/S（导程电机转速）、滚LN道硬度HRC及丝杆的工况，然后按照下列步骤进行选择。精密等级C1C2C3C4C5超过以下EEEEEEEEEE31565871281212231831540075971310141225204005008510715101612272050063096118161218143023630800107139181320143525800100011815102115221640271000125013918112416251846301250160015102113291829205435160020001811251535213522654020002500221330184124412577462500315026153621502950299354图32滚珠丝杆1承载能力选择计算作用于丝杆轴向最大动载荷39NPFLFWHQ50MAX3式中滚珠丝杆寿命系数（单位为1转），其中为使用L660/1LNT寿命时间（H），普通机械为500010000、数控机床及其他机电一体化设备及仪器装置为15000、航空机械为1000；载荷系数（平稳或轻度冲击时为1012，中等冲击1215，较大冲WF击或振动时1525）；硬度系数（HRC58时为10，等于55时为111,525时为135,50时HF为156,45时为240。2容许的转速当发生共振时之速度，称之为危险速度。共振产生时会造成加工品质不良，甚而造成机器损坏，所以一定要极力避免马达之转速和滚珠丝杆的自然频率发生振。一般速以危险速率的80以下为容许转速。若求得的容许转速不符合贵公司的设计需求时可在中间加装支撑机构藉此提高容许转。4310RPM1768026072RLDFAEIGLN容许转速NRPM安全系数（取08）纵弹性系数21104EE2KGF/丝杆的轴断面之最小二次力矩I446/DRI丝杆轴牙底直径DR丝杆轴断面积A22M4/DRA安装间距丝杆两端安装之相对距离L重力加速度98103GG2M/S材料之比重量78106KGF/MM3、依滚珠丝杆之安装方法而定之系数F支持支持97FN固定支持1513927固定固定219473F固定自由3418753压杆稳定性核算N（311）22/MAXKSFFEIKLF式中实际承受载荷的能力；KF压杆稳定的支撑系数（双推双推时为4，单推单推是为1，双推F简支时为2，双推自由式时为025）；钢的弹性模量21（MPA）；E510丝杆小径的截面惯性矩（MKGS2）；I2DI42/6D压杆稳定安全系数，一般取为254，垂直安装时取小值K4刚度验算滚珠丝杆在轴向力的作用下，将产生伸长或缩短，在扭矩的作用下将产生扭转而影响丝杆导程的变化，从而影响传动精度及定位精度，故应验算满载时的变形量。其验算公式如下滚珠丝杆在工作负载F和扭矩M共同作用下，所引起的每一个导程的变形量为312CM20IEMPSFLH式中钢的弹性模量为21X105；EPA丝杆的最小截面积；S2C扭矩（）；MNM丝杆的低径的截面惯性矩。I2D在丝杆副精度标准中一般规定每一米弹性变形所允许的基本导程误差值。344滚珠丝杆的参数表6滚珠丝杆参数型号丝杆总长螺纹长度公称直径D内径D导程精度FL2005357953920166C7345滚珠丝杆的材料与硬度表7滚珠丝杆的材料与硬度零件名称材料渗碳处理硬度（HRC）精密级丝杆50CRMO4QT中周波热处5862转造级丝杆S55C中周波热处5862螺帽SCM420H渗碳热处586235电动机的型号选择与设计351电动机类型选择本装置所用电机为直流伺服电机。原因如下1、控制精度高本装置是针对受伤的下肢而设计的一种康复型医疗器械。机械杆件在运动时的运动精度必须非常精确。所以在控制精度方面要求较高；2、闭环控制系统本装置需要有对膝关节的角度反馈，是闭环控制系统；3、恒力矩输出本装置需要一个恒力矩的输出，从而使患者感觉到舒适。4、速度响应快在发生意外状况的时候，可是实现快速启停功能。本装置在启动性能和调速性能方面要求较高。综上所知，下肢关节康复医疗器械的电动机类型选直流伺服电动机。352电机参数计算电机的参数主要是对电机的功率、转速和转矩计算。（1）预选电动机的功率与转矩MNMJLT1Z2LFAM图33进给系统示意图1电动机；2齿轮；3工作台正常成年人的下肢重量为515KG,取平均。NKGMGFL10/10取；移动部件的总质量（机构杆件、滚珠丝杆、人体下肢等）的总NFL20质量；电动机转子的转动惯量，转速为；齿轮KGMA4254KJMN轴部件（小齿轮）的转动惯量；齿轮轴部件（大齿轮）的转动2105KGJ惯量；轴的负载转矩；齿轮与齿轮的齿数分24107KGMJNMTL41Z2别为20和30，模数为M1。1）等效到电动机轴上的等效转动惯量和等效转矩EQJEQ211222/41MMAKEQNNVMJ因为31310/0ZZIVMA31421/N所以2244521950310704041KGMJMMEQNZNMNTVFTLAEQ8821/22系统执行的功率匹配预选电动机的估算功率可由下式确定P315KWTNJMEQ10259MAXAX式中电动机的最佳转速；MAXNI/R（电动机的最高角速度（）；SAD/考虑电动机、减速器等的功率系数，一般可取，对于小功率伺21服系统可取25。2电动机额定转速的选择当电机的额定功率相同的时候,额定转速越高,电机的安装尺寸、总体重量和成本就会越小。因此,选用速度较高的电机的成本较低，经济性比较好。但由9于在生产的机械速度一定的时候,电机的转速就会越高,肯定会增加传动机构的转速比,使传动机构更加复杂。所以在设计电机的时候一定要中和考虑电机的各种参数的各个因素，一定不要漏了电机的机械特性。9假设滚珠丝杆有个初速度，根据公式SMV/20滚珠丝杆的线速度丝杆导程X电机转速HPN知316R/I1980R/S36/0HPN而电机的同步转速有3000R/MIN；1500R/MIN；1000R/MIN；750R/MIN等。为了能够满足整个装置的运动，选择电机转速为3000R/MIN。353电动机参数表8电机参数电机型号额定电压输出功率保持力矩转动惯量机身长度机身宽度重量57BLF0324V188W06NM220GCM2200MM114MM14KG36下肢关节康复医疗器械机座设计361底座的作用及基本结构设计底座的基本作用是支撑整个装置。它既承受其他零部件的重量和工作载荷，又起保证各零部件相对位置的基准作用。由于下肢关节康复医疗器械的底座9里要安装电机，谐波齿轮和滚珠丝杆，底座要抽壳，所以底座的加工工艺选择为铸造。底座大多采用铸件，其基本特点是尺寸较大、结构复杂、加工面多，几何精度和相对位置精度要求较高。所以在加工底座的表面的时候一定要注9重底座的表面粗糙度，表面精度。其次底座的变形和振动将直接影响产品的质量和正常运转，故应对其刚度和抗振性提出下列基本要求91）刚度与抗振性由于下肢关节康复医疗器械的底座材料为45号钢。如表2所示45号钢的相对于其他材料来说有明显的性能优点，其密度大，而且抗拉强度，抗压强度和抗弯强度都比其他材料大，所以机座的刚度与抗振性能较好。2）稳定性机座的外形为上面面积小，下面面积大，采用头大底小的结构更加平稳。机座为长方形对称图形。机构在装置也是呈对称分布，更利于机构的稳定性。362底座的结材料选择机座的结构设计必须保证其自身刚度、连接处刚度和局部刚度，同时要考虑安装方式、材料选择、结构工艺性以及节省材料、降低成本和缩短生产周期等问题。9本装置选择的底座材料为45号钢，由表2知，45号钢的拉伸强度、屈服强度和硬度都比较高。用45号钢作为底座材料能够保证自身的刚度和提高连接处的接触刚度。由于底座对材料的要求较高，成本较高，所以适当的加工工艺能够减少成本。底座设计成对称的简易形状能够降低成本4下肢关节康复医疗器械零件建模与应力分析41机构确定运动条件ADAMS是一个机械系统动力学自动分析软件。使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。ADAMS软件是在全球运用最为广泛的机械系统仿真软件之一，用户可以利ADAMS在计算机上建立和计算的模拟样机，实现一些难以想象的就够运动的模拟仿真，了解复杂的机械系统设计的运动性能和运动参数。当用户不能够想象出一个复杂机构的运动情况的时候可以借助ADAMS软件来模拟仿真，而且可以得出相应的参数。42用ADAMS机构杆件运动仿真图41机构杆件运动仿真机构的自由度411725323HLPNF由式41可知机构自由度，且等于原动件数。机构具有确定运动的0F条件。再根据设计的尺寸由ADAMS软件仿真，如图41所知，该机构能够实现运动，且运动参数满足患者踝关节与膝关节的运动。43用SOLIDWORKS2011对机构杆件建模1234567图42机构杆件杆1与杆2用键连接；杆2与杆3之间可以伸缩，当选定长度时用螺栓固定；杆4与杆5之间可以伸缩，当选定长度时也用螺栓固定；杆1与杆6用胶水黏住；杆6与底座7通过一根圆杆连接。运动情况杆6通过圆杆在底座7的导轨里往复运动带动杆1，通过键的连接使杆2运动。由于杆2与杆3通过螺栓固定，从而使杆3运动，是整个机构杆件实现模拟膝关节行走的运动。44用SOLIDWORKS2011对滚珠丝杆建模图43滚珠丝杆45用SOLIDWORKS2011对电机建模图44电机46用SOLIDWORKS2011对机构主要零件应力分析1、对杆1的应力分析下肢关节康复医疗器械在工作时，对杆件而言主要受到了滚珠丝杆对它的拉力，因此在SOLIDWORKS2011软件中建立的模型如图45所示。在COSMOSXPRESS2011中进行应力分析之前需要对机架进行分析的设置，主要有四个方面，包括指定材质，施加约束，施加载荷和网格设定。在对零件进行应力分析之前首先要选择零件的材质，在COSMOSXPRESS2011工具中提供了多种材质以供选择，如图45所示。本设计选取铝合金1060合金作为结构材料，因此在COSMOSXPRESS2011中选择相应的铝合金作为装置模型杆件的材料。图45杆1的材料选择在选择合适的材质之后，就要在杆件模型上施加约束。约束的施加面为杆件的直角顶端处，如图46所示。图46杆1的固定夹具对COSMOSXPRESS2011中的应力分析设置的最后一步为对网格单元大小和单元公差的确定。图47杆1的网格在COSMOSXPRESS2011中，可选择的载荷类型有力和压强两类，见图48的滚珠丝杆拉力只作用于局部面，因此选择载荷类型为“力”。之后要确定载荷的大小，由于滚珠丝杆产生的升力一般在200G因此输入载荷的大小为200N图49,载荷的施加面为机架的上表面图48杆1力的方向图49杆1力的大小通过COSMOSXPRESS2011工具对本设计中的主要零件机架进行分析，其结果包括应力分布、位移分布和形变分布如图37，图38和图329所示，在三个图可知本文设计的四施翼飞行器的机架满足要求。图410杆1的应力结果图411杆1的位移结果2、对杆3的应力分析在COSMOSXPRESS2011中进行应力分析之前需要对杆3进行分析的设置，也主要有四个方面，包括指定材质，施加约束，施加载荷和网格设定。图412杆3的参数设定通过受力分析后的结果显示为三个部分图413杆3应力结果图414杆3位移结果图415杆3变量结果3、对滚珠丝杆的应力分析滚珠丝杆的参数设置如图418所示图416滚珠丝杆参数设置滚珠丝杆应力分析结果图图417滚珠丝杆应力结果图418滚珠丝杆位移结果图419滚珠丝杆应变结果5下肢关节康复医疗器械系统建模、干涉分析与系统优化51机电一体化系统的介绍机电一体化是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。下肢关节康复医疗器械是一个机电一体化产品。它由机械系统（滚珠丝杆）、电子信息处理系统（单片机）、动力系统（电机）、传感检测系统（角度传感器）、执行系统（机构杆件）。52下肢关节康复医疗器械装置的初步装配杆7图51机构杆件装配图机构杆件间的装配细节在43章节中已详细描述。如图标注杆7与滚珠丝杆的螺母的配合如图52所示，在杆7中间贯穿两个螺纹孔，用螺栓把杆7和滚珠丝杆螺母固定。螺母与滚珠丝杆安装配合好之后经过一系列的齿轮装置传动装置与电机相连如图53所示。图52滚珠丝杆螺母图53电机与滚珠丝杆的连接然后把底座抽壳如图54所示，把电机、齿轮与滚珠丝杆安装在底座里面如图55所示。图54抽壳后的底座图55底座透视图53下肢关节康复医疗器械装置的干涉检查与优化图56底座透明的总装配图在产品设计过程中，当各零部件组装完成后，最关心的是各个零部件之间的干涉情况，而在SOLIDWORKS2011中带有“装配干涉分析”的功能，它可以帮助用户了解这些信息。在经过软件的“装配干涉分析”的功能检查后，得出的结果如图58所示，结果显示本结构装配“有干涉”。所以此装配图不可以进行实际装配。图57干涉检查所以该装置还需要改进。如图58所指示的有问题的地方。由于减速器齿轮设计的较多，使整个装置安装时不是左右对称分布，存在着偏心距。装置在运行的时候会出现跳离地面的情况，会影响患者的康复训练。所以该装置的传动部分仍需要改进。图58装配图出现问题已知谐波齿轮的传动比大，传动平稳，承载能力高，传递单位扭矩的体积和重量小，传动精度高，回差小的特点，所以可以将该装置的一系列齿轮传动部分可以改为一个谐波齿轮减速器传动，正好可以弥补一系列齿轮减速器产生偏心距的缺点。现将方案改进如图59所示。这样的对称结构可以消除产生的偏心距，使装置更加稳定。有利于患者的康复训练图59改进后底座透视图图510改进后总装配图把电机与滚珠丝杆装入底座之后，再把机构杆件与螺母连接杆连接。改进后的装配图如图510所示。图511总装配图对改进后的装配图进行干涉检查后，如图512所示，结果为无干涉。所以改进后的装配图可以进行装配。图512干涉检查6总结与展望61总结经过几个月的努力工作，本文所设计的下肢关节康复医疗器械的设计已经基本完成，已经完成的工作包括以下几部分1、完成了对下肢关节康复医疗器械总体方案的设计，并对各个方案进行比较进而选取合适的方案，同时经过对比选择了合适的结构材料；2、完成了选取方案中各个零件的材料选择与结构设计，包括机构杆件、滚珠丝杆、电机与底座等，绘制完成了各个部分的零件图和工程图，同时对主要零件进行了应力分析；3、对整个结构模型进行了装配和对结构模型进行了必要的基本分析。4、对不合理的装置进行了优化与改进。62展望虽然本结构设计已顺利完成，但由于时间不足和个人能力不足等问题，本设计也存在着一些需要解决的问题，如1、本装置未配备反馈系统,需要加一个对膝关节的运动角度测试传感器，使装置更加安全可靠；2、单片机控制部分及配件遥控器未设计；3、电机与滚珠丝杆间的传动装置为谐波齿轮，未设计。参考文献1徐兆红,宋成利,喻洪流,闫士举,史文博踝关节可左右摆动的康复器具设计J中国组织工程研究与临床康复,2011,1539729272942王健,关胜晓,刘富步态序列图像中人体下肢关节点的定位J计算机仿真,2011,2822843243尹军茂穿戴式下肢外骨骼机构分析与设计M北京北京工业大学,19571894高渤偏瘫患者主动型辅助康复设备设计M天津南开大学,20101785钟颖循环运动式膝关节康复仪设计与膝关节僵直康复相关研究M四川西南交通大学,20071526胡兆燕,程云章,龚德利下肢关节功能康复训练器的研制J中国医疗器械杂志,2000，2442142157王瑞利,刘更谦,于庆增虚拟现实在踝关节康复系统中的应用J医疗保健器具,200624268KURTM,KARING,THOMASS,BUCHANANAREALTIMEEMGDRIVENMUSCULOSKELETALMODELOFTHEANKLEJMULTIBODYSYSTDYN,201138419339李震,于学龙新型下肢关节康复器的研制J中国医疗器械信息,2006,1212353810万大千,徐义明,白跃宏,殷跃红下肢外骨骼康复机器人在膝关节活动受限康复治疗中的应用J中国组织工程研究,2012,16459760011杨可桢,程光蕴,李仲生机械设计基础第五版M北京高等教育出版社,200612陈秀宁,陈宗农,顾大强机械设计基础第三版M北京高等教育出版社,200613王勇步进电机和伺服电机的比较J西部煤化工,2010,2474914丁锋,陈洪芳伺服进给系统滚珠丝杠CAD系统开发J业自动化,007,291062915PPOUNDSRMAHONY,PHYNESJROBERTSDESIGNOFAFOURROTORAERIALROBOTPROC2002AUSTRALASIANCONFERENCEONROBOTICSANDAUTOMATIONCAUCKLAND,2729NOVEMBER16张跃明,张德强考虑构件弹性和转动副间隙的空间机构动力学研究J机械科学与技术,1999洁瑾,张金莲基于PRO/E的滚珠丝杆系统分析与设计J密制造与自动化,2007,4414318胡超电机驱动的丝杆传动月球车的设计J太原科技,2008,10444519孟广季基于UG的双头丝杆三维参数化建模技术研究与实现J制造业信息化,2009,310510620张彪,叶军,鲁翔,宣冬冬一种丝杆螺母机构型机械手的设计J中国西部科技,2010,159313221刘波滚珠丝杠副额定动载荷值的影响因素研究及其计算实现M浙江浙江大学,200616122邓星钟机电传动控制M湖北华中科技出版社,201023李发海,王岩电机与拖动基础M北京清华大学出版社,201024张建机电一体化系统设计M北京北京理工出版社,201025胡仁喜,温正,王渊峰SOLIDWORKS2007中文版标准教程M北京科技出版社,2007附录A杆1零件图附录B杆2零件图附录C杆3零件图附录D杆4零件图附录E杆5零件图附录F杆6零件图附录G连接杆1零件图附录H连接杆2零件图附录I连接杆3零件图附录J脚踏板零件图附录K电机零件图附录L滚珠丝杠零件图附录M总装配图作者简历戚雪珍女1990年出生于浙江省东阳市。2005至2008年，在浙江省东阳市六石街道，六石高级中学上高中；2008至2012年，在浙江省杭州市江干区，中国计量学院上大学。学位论文数据集关键词密级中图分类号UDC下肢关节；医疗器械；康复器械设计公开TH122621论文赞助学位授予单位学位授予单位代码学位类别学位级别中国计量学院10356工学学士论文题名下肢关节康复医疗器械设计论文语种并列题名REHABILITATIONOFLOWERLIMBJOINMEDICALDEVICEDESIGN简体中文作者姓名戚雪珍学号0800107225培养单位名称培养单位代码培养单位地址邮编中国计量学院10356浙江省杭州下沙高教园区学源街310018学科专业研究方向学制学位授予年机械电子工程机械设计4年2012论文提交日期2012年6月导师姓名李运堂职称副教授评阅人冯娟答辩委员会主席许昌答辩委员会成员许昌，冯娟，邵铁峰，李迎电子版论文提交格式文本图像视频音频多媒体其他推荐格式APPLICATION/MSWORD；APPL