毕业设计（论文）-旋转台式踝关节康复机器人设计

旋转台式踝康复机器人摘要随着国内生产水平和生活水平的快速发展，对健康生活的需求不断增加，智能化，科技化，方便化的机器人渐渐进入了人们的视角，医疗机器人的快速发展，使得医疗机器人研究出现蓬勃发展的状态。针对这种现状，本文设计了一种旋转台式踝康复机器人并对以下方面展开了研究。旋转台式踝康复机器人是下肢康复外骨骼中康复效果较为稳定、穿戴性好、可拥有多套步态控制方案的典型结构。现有的减重台架式下肢康复机器人设计中，由于系统均采用了刚性原件，导致了在步行训练中由于刚性冲击带来的震动容易造成患者的二次损伤，此外，

在尺寸兼容性方面由于调整范围较小，使用舒适度较差。我们在以下几个方面对旋转台式踝康复机器人展开了研究:首先，我们针对实际情况对旋转台式踝康复机器人进行机械结构设计，并对其可靠性进行分析。其次，我们通过MATLAB软件对机器人进行运动学分析，包括其运动学正反解计算，以及相应的正反解运动学模型的建立。第三，通过计算有针对性的对相应的驱动电机进行扭矩，速度的计算，以便进行相应的电机选型，并搭建机器人动力学模型，进行动力学仿真计算。最后，针对相关受力零件进行受力分析，运用simulation进行应力分析，确保零件的可行性，可靠性。并对控制系统进行简单介绍。关键词

：旋转台式踝康复机器人，减重台架式，运动学分析，动力学方程

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目录第1章：绪论 51．1课题背景及意义 51.2国内外康复机器人研究现状 71.2.1国外康复机器人研究现状 71.2.2国内康复机器人研究现状 91.3本文研究的主要内容 11第2章踝关节康复机器人的总体设计 132.1引言 132.2踝关节运动结构简化 142.3对踝关节机器人要求 142.4机器人总体结构设计 152.5传动部分及运动平台结构设计 172.6本章小结 20第3章踝关节康复器人的运动学建模 213.1踝关节康复机器人正运动学模型的建立 213.2踝关节康复机器人逆运动学分析 243.3算例仿真分析 263.4本章小结 29第4章：踝关节康复机器人的电机选型 304.1上平台驱动电机选型 304.2旋转平台电机选型 31第5章：踝关节康复机器人相关零件计算分析 33第6章：程序 38结论 43参考文献 44致谢 46第1章：绪论1．1课题背景及意义近年来，随着生活水平的提高，汽车保有量呈现暴增态势，道路安全事故也越来越多，各种致病因子的增加，导致中枢神经系统疾病和意外事故导致的偏瘫和截瘫事件逐年增长，其中脊髓损伤更是呈现逐年增高的态势，脊髓损伤是脊柱损伤最严重的并发症，往往导致损伤节段以下肢体严重的功能障碍。脊髓损伤不仅会给患者本人带来身体和心理的严重伤害，还会对整个社会造成巨大的经济负担。由于脊髓损伤所导致的社会经济损失，针对脊髓损伤的预防、治疗和康复已成为当今医学界的一大课题。传统的踝关节康复治疗的基本方法是理疗师“手把手”的对患者肢体进行背伸/跖屈，内翻/外翻，内收/外展等的康复训练。这种训练方式对踝关节的康复起到了重要作用，但是由于康复医师个人精力和时间有限，不能保证充足的训练强度和训练时间，并且训练方法也多是依靠康复医师以前的经验，较难得到客观精确的评定标准，不利于患者肢体康复信息的反馈和治疗方法的改进。对下肢损伤的患者来说，能够站起来摆脱轮椅的束缚或许使他们最大的愿望，站立的康复训练能够保证血液循环系统和神经系统的正常运转，甚至有促进作用，能够阻止长期坐姿和躺姿所导致的一系列并发症的产生，这对患者来说是一大福音，因此下肢康复训练的辅助设备的设计是十分有必要的。不仅是医学设备创新的进步，也是对患者有极大的帮助作用。随着科技的进步以及机器人设计水平的提高，让医疗机器人的研究逐渐受到重视并逐年增加，尤其是外骨骼辅助机器人的诞生，是康复医学的一大进步，开始外骨骼机器人主要应用在军用方面，帮助军人增加负重能力，减少长期高压负重对军人身体的损伤，并得到广泛应用。图1-STYLEREF1\s0SEQFigure\*ROMAN\s1I军用外骨骼机器人有很多优秀的军用产品得到了广泛的应用：MIT外骨骼是美国麻省理工学院在DARPA的“增强人体体能外骨骼（EHPA）”计划的资助下研制了一款外骨骼，可负重36kg，其髋关节屈曲/伸展由串联弹性驱动器（SEA）驱动，膝关节屈曲/伸展由磁流变阻尼器被动驱动，踝关节屈曲/伸展装有弹簧。图1-2MIT外骨骼机器人军事领域的外骨骼机器人研制成功，很快催动了医疗康复机器人的发展，并将其应用的下肢康复训练中，取得了良好的效果，让越来越多的人们认识到这种康复机器人的重要性，在此大背景下，我们设计了一款旋转台式踝关节康复机器人，通过对delta型机器人的改进融入，设计了这款机器人，能够辅助进行踝关节的康复训练。图1-3外骨骼康复机器人康复训练机器人的产生能够极大的辅助肢体功能障碍的患者，帮助其尽快康复，摆脱轮椅和病床的束缚的同时，极大的降低各种并发症的产生，例如：肌肉长期得不到运动而导致的肌肉萎缩和关节畸形；长期卧床导致的泌尿系统，消化循环系统障碍，尿路感染；降低长期卧床导致的褥疮的发生；下肢神经系统得不到刺激而一直处于萎缩状态等。由此可知康复训练机器人的研发设计意义十分重大，需要广大科研人员共同努力推动他的发展。1.2国内外康复机器人研究现状1.2.1国外康复机器人研究现状外骨骼康复机器人开发起源于上世纪八十年代，在九十年代步入了高速发展阶段。早期有关外骨骼机器人的研究主要目的是为了让机械来加强人体的生理机能。这个领域的就佼佼者是以色列的Rewalk公司、日本的Cyberdyne公司、美国的EksoEksoBionics公司，瑞士HOCOMAAG公司等。他们设计研发了很多康复训练机器人并应用到实际中，得到了广泛的应用。以色列的Rewalk公司旗下共有两款产品，分别是ReWalkPersonal和ReWalkRehabilitation，ReWalkPersonal仅仅用于家庭和工作的辅助作用，并不用于医疗康复，而ReWalkRehabilitation主要用于临床修复，为瘫痪患者提供物理治疗方式，包括减缓瘫痪导致的肢体疼痛、肌肉痉挛、帮助肠道消化系统、加速新陈代谢等；中风和脑瘫患者也是ReWalk未来的目标人群。图1-4图1-4以色列ReWalk公司生产的Rehabilitation机器人Cyberdyne也是一家专注于外骨骼康复机器人的日本公司。Cyberdyne将山海嘉之教授以及他在筑波大学实验室的发明加以商业化。该公司的产品属于混合辅助肢体，目前已经开发出了辅助下肢和机器人手臂。Cyberdyne最吸引人的也是最具有创新性的地方是能够通过患者意念控制。人体神经系统和肌肉在大脑打算移动肢体的时候会发出微弱电信号，而外骨骼上安装的一系列传感器会持续监测这些信号，并做出相应的动作。图1-5Cyberdyne生产的康复机器人EksoBionics是一家美国康复机器人生产公司，与美国军方合作时间较长，为军方提供了一系列外骨骼辅助训练机器人，有丰厚的国防经费作为支撑，而且与伯克利大学等知名科研院所合作，十分强劲的实力。其仿生技术更是研究领域的佼佼者，他们将仿生技术应用到康复机器人的研究中，取得了良好的效果。EksoBionics是一款外骨骼机器人，该产品利用仿生原理，使下肢瘫痪的个人站起来，并借由重量支撑及其四点相互补偿的步伐在地面行走。行走的达成是通过用户向前的重量移动来启动步行，电池供电的马达驱动双腿并代替神经肌肉的功能。图1-6美国EksoBionics生产的康复机器人1.2.2国内康复机器人研究现状我国在外骨骼领域的起步较晚，但正在奋起直追，我国国家自然科学基金、863计划和科技支撑计划等都已经开始相应的研究。例如，浙江大学正在研究可穿戴式下肢辅助行走外骨骼机构、基于肌电信号控制的康复医疗下肢外骨骼、悬挂式下肢协助康复外骨骼、踝关节外骨骼原型系统等；哈尔滨工业大学的外骨骼研究针对上肢和下肢的康复训练；海军航空院已研制出有动力驱动的外骨骼助力腿样机；电子科技大学研制的基于电机驱动和液压驱动的助力型外骨骼系统能实现行走、转体、下蹲等动作，并通过多通道智能人机交互技术和分布式实时控制技术大幅提升样机性能的稳定和可靠性；中科院也已研制出一种下肢外骨骼机器人，在单条机械腿上配置了6个自由度（机械髋关节3个，机械膝关节1个，机械踝关节1个，足底1个）。其他，如清华大学、陆军第二炮兵学院、中科院合肥智能研究所、东南大学、南京理工大学、上海大学、东南大学、中国科学技术大学等科研单位都已经涉入外骨骼技术的研究。此外，一家名为上海尖叫智能科技的创业公司，也已于2016年深圳高交会上展示其第一代外骨路量产机型S1（ScreamOne，尖叫1号），力图在未来与国际先进企业竞争。大艾机器人科技有限公司同样设计出较为成熟的下肢外骨骼康复机器人，该公司拥有清华大学机器人实验室的专业技术支撑平台，与北京航空航天大学联合建有医疗机器人实验室。公司着力打造截瘫患者、偏瘫患者评估、训练全系列康复平台，为医疗机构和脊髓损伤、脑损伤患者提供各类专业康复外骨骼机器人装备，促进下肢运动功能障碍患者高效康复，重获行走能力。其中最具有代表性的就是AiWalker下肢外骨骼机器人。图1-7AiWalker下肢外骨骼机器人燕山大学于海波等提出了3-RSS/S空间机构和3-SPS/S对顶双锥机构，用于踝关节的康复训练，如图1-8图1图1-8燕山大学踝关节康复机器人河北工业大学刘更谦等人开发的踝关节康复机器人，如图1-9所示。该机器人采用电机驱动，由固定底座，三条R-S-S支链，中心约束球铰以及上部运动平台组成。机器人结构简单，承载能力强，能够完成踝关节三个转动自由度方向的运动。图1图1-9河北工业大学踝关节康复机器人1.3本文研究的主要内容本文主要针对通过对传统的delta机械臂的改造，设计使之成为支撑脚部的平台支撑，再添加一个旋转自由度，从而实现对踝关节的康复训练，本文主要的研究对象踝关节康复训练机器人。首先，介绍机器人设计的总体结构以及主要创新点，对其独特的delta结构进行自由度分析，并对部分结构进行介绍。其次对机器人的相关部分进行运动学分析，确保实现的可行性与可靠性。第三，通过计算有针对性的对相应的驱动电机进行扭矩，速度的计算，以便进行相应的电机选型，并搭建机器人动力学模型，进行动力学仿真计算。最后，针对相关受力零件进行受力分析，运用simulation进行应力分析，确保零件的可行性，可靠性。并对控制系统进行简单介绍。以上就是本次设计的主要内容。图1-8踝关节康复机器人第2章踝关节康复机器人的总体设计2.1引言踝关节（anklejoint），由胫、腓骨下端的关节面与距骨滑车构成，故又名距骨小腿关节。胫骨的下关节面及内、外踝关节面共同形成的“冂”形的关节窝，容纳距骨滑车（关节头），由于滑车关节面前宽后窄，当足背屈时，较宽的前部进入窝内，关节稳定；但在跖屈时，如走下坡路时滑车较窄的后部进入窝内，踝关节松动且能作侧方运动，此时踝关节容易发生扭伤，其中以内翻损伤最多见，因为外踝比内踝长而低，可阻止距骨过度外翻。图2-1人体踝关节踝关节主要运动有浩冠状轴的屈伸运动以及小幅度的内旋和外旋运动。同时踝关节是人体下肢重要的承重关节，能够承受约为体重4倍的重量，同时踝关节应具有较好的灵洁性。如果踝关节个能有足够艮好的灵活度，不仅会影响醒众下肢步行运动的协调性，还会对其余关节如关节产生转动力的影响。因此设计一个满足步行时踝关节运动的机构是很重要的。.人体踝关节康复训练需要在满足踝关节运动自由度的要求下，尽可能保证训练康复的安全性，防止对患者的二次伤害，因此我们对电机转角通过角度传感器进行控制，限制在踝关节安全范围之内，超出会进行电机的自动刹车，同时在足底设置了力学传感器来采集患者步行训练过程中足底受力情况，并反馈给计算机进行分析。在传感器的布置上采用前掌3个受压点，跖趾关节处设置了4个均匀分布传感器，足跟则布置了5个传感器，能够较全面的采集患者的受力数据。便于对康复训练进行分析提供数据支持，方便后期训练的调整。2.2踝关节运动结构简化根据以上踝关节运动形式的分析可知，背伸/跖屈、内收/外展和内翻/外翻是踝关节日常运动的三种最基本的方式，另外踝关节的运动离不开人体下肢的带动，通常，腿部的运动可能会带动足部的平移。因此，将人体踝足的运动模型简化为空间绕三个轴的转动和沿三个轴线方向的移动，即空间六自由度的运动。如图2-2所示，可以将踝关节的背伸和跖屈运动看作是绕X轴的转动，内翻和外翻运动看作是绕Y轴的转动，内收和外展运动看作是绕Z轴的转动，足部空间位置的平动可以看作是沿三个轴方向的移动。图2-2踝关节运动简化2.3对踝关节机器人要求由踝关节的运动形式、损伤机理、康复治疗方法以及不同阶段康复机器人控制策略的研究可知，要想较好的完成踝关节的康复训练，康复机器人需要满足以下几点要求：（1）满足踝关节运动自由度的要求。踝足的运动模型简化为空间六个自由度的运动，因此踝关节康复机器人要能够实现空间六个自由度的运动，即绕X、Y、Z轴方向的转动和沿这三个轴线方向的移动。（2）满足踝关节活动度的要求。踝关节的活动度是进行踝关节康复训练的基础。要使踝关节能够得到良好的康复，必须首先改善其关节的活动度，因为以后关于踝关节肌力和耐力的训练都是在此基础上进行的。康复机器人的运动范围必须不能小于正常人体踝关节的运动范围。（3）能够提供多种训练模式。踝关节的康复主要分为三个不同的阶段，并且在每个阶段利用康复机器人对踝关节进行康复训练的目的都不相同，因此，康复机器人要能够提供多种训练模式来满足踝关节不同阶段康复训练的要求。康复训练的模式主要包括改善关节活动度的轨迹跟踪训练，用于增强关节肌力和耐力的阻抗控制训练，以及康复后期的踝关节主动运动训练等。（4）满足安全性的要求。由于在康复训练过程中，康复机器人与患者肢体密切接触，因此，在训练时必须要保证患者的安全性，避免肢体的再度损伤，这对患者尤为重要。（5）结构简单，成本低，使用方便。2.4机器人总体结构设计踝关节康复机器人要求我们设计时材料的选取需要在保证一定机械强度的前提下尽量轻量化。综合以上要求我们选择了在工业中广泛使用的铝合金，大部分部件均使用6016合金铝。下表列出其对应的力学性能表2-16016合金铝力学性能极限抗拉强度屈服强度延伸率弹性系数弯曲极限强度泊松比疲劳强度124MPa55.2MPa25%68.9GPa228MPa0.3362.1MPa旋转台式踝关节康复机器人总共设计了四个自由度，能够满足正常的踝关节康复训练的需要，总体结合了传统的delta机械臂结构和旋转平台设计。能够保证训练稳定的同时还能兼顾其灵活性的要求。图2-3踝关节康复机器人三维图本设计参考Stewart机器人的并联设计，采用上下两层结构设计，中间用摆臂控制平台的运动姿态，来控制机构的动作，用虎克铰将摆臂联接在上下平台上，可以同时约束两平板使其不能产生相对扭转。摆臂是采用了典型的并联机器人3-RRR机构，并且这种结构有很多优点（1）无累积误差，精度较高；（2）驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动态响应好；（3）结构紧凑，刚度高，承载能力大；（4）完全对称的并联机构具有较好的各向同性；（5）工作空间较小；图2-4Stewart机器人的并联结构图2-5并联3-RRR结构简图2.5传动部分及运动平台结构设计2.5.1（一）机械部分分析图2-5中，上端黑色部分为脚垫，橡胶材质。材质较为柔软，有减震吸震的效果，能够减少或消除电机运转所带来的微小震动，降低震动对患者的影响。三立柱为推杆，推杆的作用是稳定和支撑的作用，在工作过程中，推杆是随动的，随着delta结构进行伸缩运动，在此过程中推杆的行程也是有一定限度的，通过限定推杆的行程来限定推杆平台转动的角度，防止出现意外事故导致的平台倾斜角过大而对患者的踝关节造成二次损伤。中间的驱动臂采用电机驱动电机与驱动臂的下轴连接，电机通过带轮完成减速和传动，保证运动的平稳，电机的转动控制平台的移动和翻转。为了保证运动平台的稳定性，在平台周围加入滑动套筒，以此来支撑在其上的重量，保证机构寿命。用球铰机构将其固定在上下板上，球铰机构可以保证两平板之间的角度变化，以此来满足人的踝关节的动作。图图2-6上平台运动三维模型图2-7上平台三维图（二）自由度分析nfii图2-82.5图2-9旋转台三维图旋转台是通过电机带动带轮进行旋转的，电机经过二级减速之后能够保证在稳定的同时还能兼顾活动的精度。2.6本章小结本章通过对踝关节康复机器人总体设计进行介绍，并分析了他的自由度以及材料强度等问题，并且分别对上平台以及旋转平台两部分进行了单独的介绍，通过分析我们可以知道结构设计的可行性。并对接下来进行运动学分析提供了有力依据。第3章踝关节康复器人的运动学建模3.1踝关节康复机器人正运动学模型的建立机器人的正向运动学是指已知各关节的类型、相邻关节之间的尺寸和相邻关节相对运动量的大小时，如何确定工业机器人末端操作器在固定坐标系中的位姿。主要包括以下内容：1）相对杆件的坐标系的确定；2）建立各连杆的模型矩阵A；3）正运动学算法；运动学正解的主要解决方法为D-H法，下面我们运用D-H法对运动学正解进行测算：3.1.1D-H方法进行运动学正图3图3-1D-H坐标建立表3.1连杆参数名称含义正负性质转角θn右手法则关节转动变量距离dn沿Zn-1正向为正关节移动变量长度an与Xn正向一致尺寸参数，常量扭角αn右手法则尺寸参数，常量表3.2支链D-H参数表#θdθ1iθ2iθ3iθ4i=；=；；；；；；；。{O3i}{O}O3i{O}BiPBi其中，求得动平台中心点O1的空间位置坐标为：3.2踝关节康复机器人逆运动学分析给定机器人终端位姿，求各关节变量，称求机器人运动学逆解。在进行求解宏动3-URS结构的位置反解时，已知手柄的空间位姿，即动坐标{O1}相对于参考固定坐标{O}的空间位姿，求解并联机构的关节变量(αi,βi)，即各驱动轴的角位移。在空间动坐标中，任意一方向矢量R'都可以利用坐标变换的方式映射到静态参考坐标中。其中，[T]为动坐标相对于固定参考坐标的空间旋转矩阵，P为手柄上任意指定参考点的空间位置矢量，即动坐标的原点O1在固定参考坐标中的位置。由上式可知固定参考坐标{O}中点与动坐标{O1}中点及存在以下关系：点Bi在动系{O1}中的坐标可表示为：动坐标{O1}的原点O1在固定参考坐标{O}中的位置可表示为：手柄处姿态的空间方向余弦矩阵可描述为：将参数带入，可求得在参考系{O}中点Bi的坐标为：由图3-1可知，在参考静坐标中存在以下向量式：整理可得：由三角形AiPiBi的边角关系得可角γi为：联立推导可得：其中，3.3算例仿真分析给定3-URS并联机构的结构参数a=1383mm、b=463mm、l1=1223mm、l2=1103mm、δ=66o，以及机构的初始位形参数[x,y,z,α,β,γ]=[0,0,145,0,0,0]。利用MATLAB软件先利用反解根据上平台的位姿，求出各个关节变量，在利用正解根据各个关节变量，可以绘制经过不同平移或旋转后的机构位形简图。如图2.4至图2.9所示。沿轴移动图沿轴移动图沿轴移动图绕轴转动图绕轴转动图绕轴转动下面采用数值验证的方法来检验所求本结构运动学正反解的可靠性。表2.3给出了三组不同空间位姿的机构位形参数，根据运动学反解公式（2.14），求出相对应的关节变量，再将求解值带入正解公式（2.5）和（2.6），得到表2.4所示的机构位形参数。计算结果表明，与表2.3中所示的已知机构位形参数相比，误差均≤10-10mm，由以上可知验证了3-URS结构位置正反解的可靠性。表2.3实例反解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位姿标定及误差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分别利用Adams和Matlab软件对模型进行运动学仿真分析，动平台空间运动关系如式（2.15）所示，绘制各转轴的角位移，如图2.10所示。（2.15）(a)转轴a1角位移(b)转轴a2角位移(a)shafta1(b)shafta2(c)转轴a3角位移(d)转轴b1角位移(c)shafta3(d)shaftb1(e)转轴b2角位移(f)转轴b3角位移(e)shaftb2(f)shaftb3综上分析可知，各转轴角位移的极大值和极小值呈规律性随时间变化，符合空间运动曲线的变化规律。因Matlab计算并绘制的曲线图与Adams绘制的曲线图基本上吻合，由此验证了运动学正逆解模型的可靠性，可为该宏动装置的空间位置控制策略准备理论基础。3.4本章小结（1）针对目前许多不足，提出了一种基于宏动3-URS并联机构的力觉再现机械结构，具有动态响应快、惯量低、刚度大、精度高等特点，并进行了结构分析、自由度分析和数目计算。（2）结合D-H矩阵法、机构几何关系、向量法，并通过设置的冗余传感器，建立了一套3-URS并联机构操位姿与转动关节变量之间的对偶函数解析式。通过此套函数方程能够快速求解动平台位姿或关节变量，解决了并联动态位姿耦合信号解耦的实时性问题。（3）采用数值计算和软件分析的方法分别对机构位置正、反解的正确性进行了验证实验。第4章：踝关节康复机器人的电机选型4.1上平台驱动电机选型我们采用了三个驱动电机的上平台以及一个驱动电机驱动旋转平台，现在我们预设计算条件：承重最大重量：100kg最大瞬时加速度：0.3m/s^2最大抬升速度为：0.1/s带轮直径选择：小带轮直径12mm大带轮直径36mm最大力臂：200mm假设三台电机同时抬升，抬升所需要的力均分，在这种情况下只需要算出其中一台电机所需的力就可以选出所需要的电机。每台电机所承受的力为30kg,所以根据牛顿第二定律式中：m：每台电机所承受的重量，kga:最大瞬时加速度由所需的最大启动力为式中：：单个电机承受的重量由带轮直径可知电机减速为：式中：d2:大带轮直径d1:小带轮直径电机的转动速度为：式中:v:小带轮线速度，v=0.3m/s电机功率：估算电机最小功率：式中：：同步带传动的机械效率，取0.92.：滚动轴承的机械效率，取0.98。电机转矩计算;4.2旋转平台电机选型旋转电机经过了两级减速，有两级同步带轮进行减速预设平台最大承重：100kg最大力臂：120mm最大瞬时加速度：0.2m/s2最大速度：0.1m/s最小带轮直径d=10mm电机所需承受的力为电机转速为：式中:v:小带轮转速1.2m/s估算电机最小功率：计算电机转矩：第5章：踝关节康复机器人相关零件计算分析5.1U型连接件U型铰链座载荷来自摆臂。与箱体配合处6个孔起到约束作用，如REF_Ref420870749图2.8.31所示。图STYLEREF4\s2.8.3SEQ图\*ARABIC\s41U型铰链座受力分析（工况=1\*ROMANI）静强度、刚度分析此时导轨座架边界条件如REF_Ref420870755图2.8.32所示。图STYLEREF4\s2.8.3SEQ图\*ARABIC\s42工况=1\*ROMANI边界条件计算后应力及变形情况如REF_Ref420870764图2.8.33所示。最大应力37.3MPa，发生在销孔处，焊缝处应力为33.1MPa，螺孔处因应力集中，应力达47.3MPa，此忽略。最大变形0.02mm，发生在U型铰链座的最上端。图STYLEREF4\s2.8.3SEQ图\*ARABIC\s43U型铰链应力及变形分布（工况1）疲劳强度分析 Q345材料在r=0的疲劳特征SN曲线如REF_Ref420870772图2.8.34所示图STYLEREF4\s2.8.3SEQ图\*ARABIC\s44Q345S-N曲线根据2.7中工况分析，工况=1\*ROMANI摆臂一个周期内循环特征r=0.35，其余设置项如REF_Ref420870782图2.8.35所示。分析类型：StressLife平均应力理论：Goodman应力类型：Equivalent单位：cycles图STYLEREF4\s2.8.3SEQ图\*ARABIC\s45导轨座架疲劳分析设置当循环次数达到1E9次时，U型铰链座安全系数最小为6.2，发生在销孔处，螺孔处因应力集中，安全系数为5.1，此忽略。安全系数分布如REF_Ref420870789图2.8.36所示。5.2螺栓联接受力分析螺纹联接根据载荷性质不同，其失效形式也不同。受静载荷螺栓的失效形式多为螺纹部分的塑性变形或螺栓被拉断；受变向载荷螺栓的失效形式多为螺栓的疲劳断裂；对于受横向载荷的绞制孔用螺栓联接，其失效形式主要为螺栓杆被剪断，螺栓杆或连接孔接触面被挤压破坏。对于10.9级M12的普通螺栓，屈服强度，拧紧力矩T=120N.m。为了增强螺纹连接的刚性、防松能力及防止受载螺栓的滑动，装配时需要预紧。其拧紧扳手力矩T用于克服螺纹副的阻力矩T1及螺母与被连接件支撑面间的摩擦力矩T2，装配时可用力矩扳手法控制力矩。公式：拧紧扳手力矩T=120N.m，其中K为拧紧力矩系数，为预紧力N，d为螺纹公称直径12mm。摩擦表面状态K值有润滑无润滑精加工表面0.10.12一般工表面0.13-0.150.18-0.21表面氧化0.20.24镀锌0.180.22粗加工表面-0.26-0.3上表查得，一般加工表面在无润滑的情况下K=0.2则预紧力螺栓承受的最大工作载荷来源于发动机输出传递的转矩，最大转矩850N.m；最大工作载荷螺栓的最大拉力螺栓的最大拉伸应力，螺栓公称应力截面面积As=113.1mm2=50910.716N/（113.110-6m2）=450.139MPa剪切应力：MPa其中=10.106mm，=10.863mm根据第四强度理论，螺栓在预紧状态下的计算应力: 强度条件：其中螺栓的屈服极限；，所以螺栓满足其预紧力的确定原则：拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限的80%。离合器花键轴的转矩通过螺栓传递给电机轴，离合器花键轴最大转矩为=850N.m，转换成对每个螺栓的剪切力式中r=35mm由上计算分析可以得出10.9级M6的普通螺栓满足应力要求。

第6章：程序图6.1引脚连接图#include<reg52.h>//电机1引脚sbitm1=P1^0;sbitm2=P1^1;sbitm3=P1^2;sbitm4=P1^3;//电机2引脚sbitL1=P1^4;sbitL2=P1^5;sbitL3=P1^6;sbitL4=P1^7;//电机3引脚sbits1=P2^0;sbits2=P2^1;sbits3=P2^2;sbits4=P2^3;//按键引脚sbitkey1=P2^4;sbitkey2=P2^5;unsignedcharx,y;//延迟函数voiddelay(chari){ while(i>0) i--;}//电机1正转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); }}//电机1反转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); }}//电机2正转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); }}//电机2反转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); }}//电机3正转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); }}//电机3反转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); }}//电机停转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) //启动按钮 y=1; if(key2==0) //停止按钮 y=2; if(y=1) { move_on1();move_back1(); move_on2();move_back2(); move_on3();move_back3(); } if(y=2) stop();}

结论经过一学期的努力，踝关节康复机器人的设计告一段落，经过一学期的设计分析，我们取得了以下成就：参照现有的踝关节机器人产品结构形式，综合比较各机构的优缺点，确定了本文所研究的高速拾取并联机器人的机构形式和机械结构设计方案，并在Solidworks中建立的机器人的三维模型。通过D-H法建立坐标系，完成了相应的并联机构的运动学正反解通过计算得到了并联机构驱动电机以及旋转平台电机的相应参数并进行了