毕业设计（论文）-气动肌肉-磁流变复合驱动的手腕康复训练装置设计

毕业设计设计题目设计题目气动肌肉/磁流变复合驱动的手腕康复训练装置设计学生姓名学号专业班级机械设计制造及其自动化指导教师院系名称机械工程学院2017年05月31日目录中文摘要………………1英文摘要………………21.绪论………………31.1课题的研究背景及意义………31.2国内外的研究现状……………31.2.1国外的研究现状………31.2.2国内的研究现状………51.3系统组成的重要元件…………61.3.1气动肌肉……………61.3.1.1气动肌肉的简介……………61.3.1.2气动肌肉的实际应用………71.3.2磁流变阻尼器………81.3.2.1磁流变液的概念……………81.3.2.2磁流变液的流变效应……91.3.2.3磁流变阻尼器的工作原理………………91.4论文结构……………………112手腕康复训练装置系统结构设计………………122.1整体的设计思路……………122.1.1机械装置系统………122.1.2气动系统……………132.1.3控制电路系统………142.1.4工作原理和工作模式………………142.1.5气动肌肉的选型……………………152.1.6磁流变阻尼器的设计选型…………172.1.6.1Bingham模型…………172.1.6.2非线性滞回双黏性模型………………182.1.6.3设计计算过程…………192.2传感器的选择与安装………202.2.1位移传感器…………202.2.2压力传感器…………222.2.3倾角传感器…………232.3气动系统的设计与选型……………………252.3.1气源处理单元………252.3.2阀的选择……………262.3.3气动系统的连接……………………272.4本章小结……………………283气动肌肉控制系统设计…………293.1概述…………293.2气动肌肉的控制电路……………………293.2.1概述…………………293.2.2PWM波发生电路的组成芯片…………303.2.2.1分频器74HC163…………303.2.2.2比较器74HC85……………313.2.2.3数据锁存器74HC374……323.2.2.4译码器74HC138…………343.2.2.5反向器74HC03……………353.2.3电路模块分析………353.2.3.1晶振分频模块……………353.2.3.2选择器模块………………363.2.3.3直流脉宽调制（PWM）波产生模块……373.2.3.4继电器模块………………383.2.4电路图………………393.3数据采集卡PCL-711B………393.4本章小结……………………40总结…………………41致谢…………………42参考文献……………43气动肌肉磁流变复合驱动的手腕康复训练装置设计摘要：手腕部分是小臂和手部连接的重要关节，因为手部要经常的去抓取物体进行各类操作，使用机会频繁。当手腕猛然背伸、跌倒时手掌着地等，经常会导致腕关节的骨折损伤。并且在疗养过程中，人们经常会忽视骨折愈合后腕关节功能的康复，致使腕关节部分功能丧失，比如肩关节或腕关节出现活动不灵现象，上肢不能上举等症状。因此，当手腕骨折基本愈合后，要及时对患者实施预防、改善腕关节屈伸、收展和旋转运动的康复训练。本课题的主要研究目的是在现有磁流变液动力传动技术研究和应用的基础上，对磁流变液和气动肌肉复合驱动技术进行研究，进一步探究磁流变液动力传动机理，以期为磁流变在医学领域的应用提供依据。针对上述问题，本文采用磁流变阻尼器和气动人工肌腱进行复合驱动，充分利用了磁流变阻尼器中磁流变液的特性、人工肌腱的柔软性和其中压缩空气的可压缩性，极大地提高了系统的可实时控制性、安全和柔顺性，能够很方便的在进行手腕关节康复训练时实现多自由度运动。关键字：气动人工肌肉，磁流变复合驱动，手腕康复训练装置DesignofWristRehabilitationTrainingDeviceDrivenbyPneumaticMuscleMagnetorheologyAbstract：Wristpartofthearmandthepalmofthehandisanimportantjoint,becausethehandsoftentocrawlobjects,forvarioustypesofoperations,theuseoffrequentopportunities.Whenthewristsuddenlystretched,felltothepalmofyourhandandsoon,oftenleadtowristfracturefracture.Andintheconvalescenceprocess,peopleoftenignorethehealingofthewristafterthehealingofthewrist,resultinginsomelossofthewristfunction,suchasshoulderorwristjointactivityisnotthephenomenonoftheupperlimbcannotmoveontheothersymptoms.Therefore,whenthebasichealingofthewristfracture,thetimelyimplementationofthepreventionofpatients,improvethewristflexionandextension,developmentandrotaryexerciserehabilitationtraining.Themainpurposeofthisstudyistostudythemagnetorheologicalfluidandpneumaticcompositedrivingtechnologyonthebasisoftheresearchandapplicationoftheexistingmagnetorheologicalfluidpowertransmissiontechnology,andtofurtherexplorethemechanismofmagnetorheologicalfluidpowertransmission,withaviewtoMagnetorheologyinthefieldofmedicalapplicationstoprovidethebasis.Inviewoftheaboveproblems,thispaperusesthemagnetorheologicaldamperandthepneumaticartificialtendontocarryonthecompounddrive,makesfulluseofthemagnetorheologicalfluidinthemagnetorheologicalfluid,theflexibilityoftheartificialtendonandthecompressibilityofthecompressedair,Theearthtoimprovethesystemcanbereal-timecontrol,securityandflexibility,canbeveryconvenientinthewristjointrehabilitationtrainingtoachievemulti-degreeoffreedommovement.KeyWords：Pneumaticartificialmuscle,Magnetorheologicalcompositedrive,Wristrehabilitationtrainingdevice1绪论1.1课题的研究背景及意义手腕部分是小臂和手部连接的重要关节，因为手部要经常的去抓取物体、进行各类操作，使用机会频繁。当手腕猛然背伸、跌倒时手掌着地等，经常会导致腕关节的骨折损伤。并且在疗养过程中，人们经常会忽视骨折愈合后腕关节功能的康复，致使腕关节部分功能丧失，比如肩关节或腕关节出现活动不灵现象，上肢不能上举等症状。因此，当手腕骨折基本愈合后，要及时对患者实施预防、改善腕关节屈伸、收展和旋转运动的康复训练。已有市场上的手腕康复训练器大多采用电机驱动，能实现3自由度运动，每个自由度一个电机控制，这样就会致使整体结构复杂、价格昂贵，特别是电机驱动的机械系统柔顺性差、刚度高。虽然有研究者利用气动肌腱来代替电机作为驱动元件，运用了气动肌腱的柔软性和其中空气的可压缩性，很大程度上提高了系统的安全和柔顺性，但对于气动肌肉的实时控制性却难以实现。而磁流变传动装置（MagnetorheologicialTransmissionDevice,MRTD）是一种利用磁流变传动技术开发的动力传递装置，具有响应速度快（一般为毫秒级）、传动部件磨损较小、控制简单（通过调节外加磁场，可实现转矩或转速的无级调节）、体积小、控制能源消耗低（2~50W）、控制电压低（2~25V）、对外界杂质的干扰不敏感等特点，而且在机电装置的启动、制动、转矩调节、无级调速、过载安全保护等方面具有很大的优势。综合上原因，虽然近些年很多科研团队针对手腕康复训练系统的研究倾注了很多必血，但目前市场上还没有能真正代替医生的用于患者手腕康复训练的装置。因此，设计一款适用于患者进行运动功能康复训练的手腕康复训练装置，具有重大的理论和现实意义。1.2国内外的研究现状1.2.1国外的研究现状英国索尔福德大学的CaldwellD.G等人研制了一个7自由度的仿人手臂,其手腕部分的3个自由度和肘部的一个自由度使用Mckibben肌肉驱动,该手臂被用作虚拟和遥感操作中的主机械手,如下左图所示。之前还用18块小的Mckibben肌肉制作了一个四指灵巧手。此灵巧手的构造与人手的骨架完全相同,用于遥控操作的从手，利用操作者佩戴的数据手套对其进行控制。此外,法国图卢兹国立大学的M.Hamerlian等人用Mckibben肌肉开发了一个三自由度机械手臂，如右图所示。法国图卢兹国立大学的Tondu等人用Mckibben肌肉开发了一个2自由度水平关节机器人。阿尔及利亚人工智能机器人实验室的荷兰代夫特理工大学的GabrielleJ.M.等人用Mckibben肌肉设计了一个4自由度人形木偶。日本东京大学的LeeY.K.等人用Mckibben肌肉设计了一个仿人手。图1.1七自由度的人形手臂图1.2三自由度人形机械手臂美国Lord公司开发出了较多型号的磁流变阻尼器，图示为RD-1005-3磁流变阻尼器。当阻尼器动作时，工作腔的磁流变液将会流过环形节流器，通过改变其内线圈电流大小即可改变节流器中磁流变液的粘度，从而控制阻尼力的大小。该阻尼器为单出杆式，直径为41，活塞行程±29，工作腔磁流变液体积为70。图1.3磁流变阻尼器1.2.2国内的研究现状国内针对气动人工肌腱和康复训练装置的研究起步较晚，但是进展比较快，目前大部分是集中在对手臂、下肢进斤康复训练的装置的研究上。例如哈工大的隋立明博士利用气动肌腱设计了一个4自由度的仿人手臂,基本可以实现手臂各关节的柔顺运动。北理工的范伟博士使用气动肌腱研发了一个柔索驱动的3自由度球面并联机器人。北京航空航天大学、天津大学、上海交通大学和浙江大学等高校都在进行Mckibben肌肉驱动机器人的研究。东南大学近年来对上肢康复训练系统进行了深入研究，宋爱国教授等人将力反馈遥操作技术应用到了康复医疗领域，研制了基于Internet的可用于远程康复训练机械臂。另外东南大学的研究人员利用磁流变阻尼器研制了针对手腕的康复训练装置，并在临床实验中取得了显著的效果。同时还研制了针对手指的被动力反馈数据手套如下图所示。图1.4基于磁流变阻尼器的被动力反馈数据手套华中科技大学利用气动肌肉研发了可穿戴的手功能康复机器人RHRT-1如下图所示。此康复机器人有3个自由度，能够在康复训练中帮助患者完成手指各个关节的弯曲训练。但该装置较为繁重且靠手臂支撑，而偏擁患者往往手臂力量不足，给患者的康复治疗带来了困难。图1.5可穿戴式手部功能康复训练机器人RHRT-11.3系统组成的重要元件1.3.1气动肌肉1.3.1.1气动肌肉的简介随着气动技术的快速发展及广泛应用，新型气动元件不断涌现。其中，气动人工肌肉作为最具有代表性的新型气动元件之一，在近年来引起国内外学者的特别关注，尤其在气动人工肌肉的应用方面做了大量的研究工作，并且取得了重要的成果，有人称气动人工肌肉的出现，是气动技术的又一次革命。气动人工肌肉是流体驱动人工肌肉的一种。由流体驱动的人工肌肉早在20世纪30年代就被俄罗斯的一位发明家S.Garsiev设计并制造出来，而且有很多种类，根据设计的结构和驱动方式，总体可分为四种:(1)液压和气压驱动的人工肌肉；(2)正压和负压驱动的人工肌肉；(3)编织/网式和嵌入式人工肌肉；(4)张紧膜或重排膜结构人工肌肉。当时，设计者首先对液压驱动方式作了周密详尽的考虑，由于人工肌肉的主要特征是它的膨胀和变形，在轴向能够收缩产生拉力，同时它还应具有柔顺性，因此，人工肌肉的材料和工作压力受一定的限制，最大工作压力范围为500～800kPa，不能太高,在此压力范围内若采用液压驱动，执行元件的功率/重量比值太低，实际上液压驱动的方式是不理想的，所以人们以后设计流体驱动的人工肌肉时多采用压缩空气做为工作介质。虽然气动人工肌肉结构繁多，但主要还是由橡胶管和编织网组成，当对橡胶筒套充气时，橡胶筒套因弹性变形压迫外部编织网，由于编织网刚度很大，限制其只能径向变形，直径变大长度缩短。此时，如果将气动人工肌肉与负载相联，就会产生收缩力，收缩力的大小与元件的几何尺寸、制造材料和充气压力有关；反之，当放气时气动人工肌肉弹性回缩，直径变细，长度增加，收缩力减小。1.3.1.2气动肌肉的实际应用MAS仿生气动肌肉是Festo公司2000年新概念气动产品。它以螺纹来进行配合，更加精确。该产品将柔性管和由坚韧纤维组成的菱形网状结构相结合。当气体流入柔性管时，肌肉就会向周围扩张，产生巨大的拉力。在自动化应用场合，气动肌肉MAS使用非常灵活，可产生相当于传统气动驱动器驱动力10倍的冲力以及极大的加速度，反应灵敏，无爬行现象。总的来说，气动肌肉可以用在两种情况下：（1）当内部压力或肌肉体积一定时，气动肌肉和弹簧的特性相似，它的长度随外力的大小改变而改变，近似符合胡克定律：其中相当于弹簧的弹性系数，为肌肉伸长/压缩量。这种情况下的气动肌肉与弹簧相比的优点是刚度和预紧力都可以被很容易的改变。在恒压力和恒体积下，它都可以作为一个弹簧被使用，而且它能完美的发挥弹簧效果。因此，气动肌肉在很多场合得到广泛的应用，如可应用在夹持器，刹车装置，机械臂的重力补偿装置中所需用的弹簧等。（2）当气动肌肉的外部载荷一定时，将可以带一定负载作为单作用执行器工作。假设气动肌肉上承受恒定负载，那么在静止状态下，它就会有一定的伸长量。当开始对肌肉加压时，当受压时，气动肌肉会以最佳动态特性和最低空气消耗达到最大力输出。气动肌肉的压缩能力受载荷和压力等级影响，而当载荷一定时，通过改变压力，可使气动肌肉达到预先要求的一定位置。即可用气动肌肉组成一位置控制系统，实现简单的定位控制。气动肌肉的这种特性可应用在提升物体，运动平台位置控制,流水线上分拣重物的机构等。图1.6气动肌肉的两种应用方式气动肌肉的最简化模型如下：式中F是气动肌肉收缩时产生的拉力，是充入橡胶内管中的气体压力，为纤维线相对于气动肌肉轴向的缠绕圈数，是位于两个钢箍之间的单根纤维长度，为纤维编织线与气动肌肉轴向之间的夹角图1-5MAS-10-…的特征曲线。图1-5MAS-10-…的特征曲线1.3.2磁流变阻尼器1.3.2.1磁流变液的概念磁流变液是一种颗粒悬浮液，通常是由微米级尺寸的软磁性颗粒分散于基载液中形成，为了保证颗粒长期可靠悬浮于基载液中，加入了合适的颗粒表面添加剂，因此，磁流变液由三部分组成：软磁性颗粒、基载液和表面添加剂，各组成部分的物理化学性质决定了磁流变液的性能。软磁性颗粒是磁流变液的重要组成部分，直接影响磁流变液的磁特性，一般应选用磁化率高的软磁性材料。常用的磁流变液颗粒材料主要有铁、钴、镍及其合金，铁的氧化物、氮化物等，这些颗粒材料性能、价格、制备难易程度等各不相同，其中羰基铁粉（）由于制作简单、价格便宜、性能优良，已在磁流变液中广泛应用，颗粒尺寸一般在几百纳米到几十微米之间，颗粒形状通常为球形，但也存在椭圆形等其它形状。基载液是软磁性颗粒的载体，作用是将软磁性颗粒均匀分散在磁流变液中，其性能对磁流变液的性能有重要影响，对于基载液的要求是温度稳定性好、氧化稳定性好、粘度低、密度高、非易燃、无污染，目前常用的基载液主要有：矿物油、硅油、合成油、水、乙二醇等。表面添加剂是吸附在软磁性颗粒表面的长链分子层，可以有效阻止颗粒因表面吸附作用及颗粒与基载液间的密度差形成的凝聚、结团、沉降，保证磁流变液性能的稳定。表面添加剂是一些具备特殊分子结构的有机化合物，选择表面添加剂时，需保证长链分子的一端会对基载液形成争夺颗粒表面的竞争吸附，同时另一端会被基载液溶剂化，这就要求表面添加剂一端应具有良好的相容性，另一端则不具备溶解性。常用的表面添加剂有黄原胶、硬脂酸盐、羧酸、硅胶等。1.3.2.2磁流变液的流变效应磁流变液在外加磁场作用下粘性、塑性等流变特性发生急剧变化，其基本特征是：在无外加磁场时，为自由流动状态，表现出牛顿流体行为；而在外加磁场作用下，瞬间由自由流动状态变为半固体，表现出Bingham流体行为，而且这种变化是可逆的。磁场对磁流变液的粘性、塑性等特性的影响称为磁流变效应。（a）无磁场（b）有磁场图1.7磁场作用下颗粒分布示意图1.3.2.3磁流变阻尼器的工作原理磁流变技术研究的一个重要目标是利用磁流变液在外磁场作用下改变流变特性这一特点，开发各种用途的磁流变阻尼器，MR阻尼器的工作模式有下列几种:压力驱动模式或流动模式、直接剪切模式和挤压模式。本次课题选择的就是压力驱动模式，由活塞、缸筒和磁流变液构成的阻尼－弹性部分和橡胶复位元件组成。根据其工作原理可以将它视为一个Maxwell（麦克斯韦）模型元件与另一弹簧并联而成的标准线形固体模型。Maxwell（麦克斯韦）模型是将一个弹簧和一个牛顿阻尼器串联起来，如图1.8所示：图1.8Maxwell模型弹簧的伸长量为，由胡克定律确定；阻尼器的速率由牛顿阻尼定律决定，这里为牛顿阻尼系数。显然有：对上式微分,并应用虎克和牛顿阻尼定律得到：或可改写成：式中的称为Maxwell模型的松弛时间。所以，本文中所用的磁流变阻尼器就可以近似看成图1.9所示力学模型：图1.9磁流变阻尼器的动力学模型对Maxwell模型元件表示的下述关系：由平衡方程和变形的协调条件显然有：微分式（1-7）代入式（1-6），得到式中、称为标准线形固体的松弛时间。1.4论文结构本论文总共划分为四章，主要结构如下：为概述，主要介绍了课题背景，研究现状，并对系统所需要的重要元件做一个简要的说明。对系统的设计做了详细介绍，介绍机械系统和气动系统的设计，其中包括对气动肌腱、磁流变阻尼器的设计计算，和对阀体的选型。主要对磁流变换向阀的控制电路设计过程进行了明确介绍。总结了论文所说明的内容以及设计计算过程中的一些心得体会。2手腕康复训练装置系统结构设计2.1整体的设计思路整个气动肌肉磁流变复合驱动手腕康复训练装置由三大系统组成：机械装置系统、气动系统以及控制电路系统。本装置的系统组成原理图如下：图2.1系统组成原理图2.1.1机械装置系统机械装置系统主要由底座、中心支撑杆、磁流变阻尼器、气动肌肉、训练平台、训练手柄、小臂固定架、球铰等连接固定元件构成。机械装置构成的原理图如下：图2.2机械装置系统原理图2.1.2气动系统气动系统只要由气源、气动三联件、减压阀和高速电磁换向阀组成,电磁换向阀控制气动人工肌肉的充气和放气，从而促使气动肌肉产生纵向的位移，带动训练平台进行康复运动。气动系统的原理图如下：图2.3气动系统原理图2.1.3控制电路系统控制电路分为电磁换向阀的控制电路以及磁流变阻尼器的内部线圈控制电路：电磁换向阀控制电路以工控机为控制核心，由电源模块、数据采集卡PCL-711B、电磁换向阀驱动电路及外围电路组成；而磁流变阻尼器则由程控电源控制。控制电路系统原理图如下：图2.4电磁换向阀控制电路2.1.4工作原理和工作模式工作原理：当电磁换向阀接通时，向气动人工肌肉充气，人工肌肉在气体压力作用下产生横向膨胀，而沿轴向产生伸缩位移，从而带动训练平台运动。当控制电磁阀断开时，人工肌肉内的压缩空气向外排出，恢复原位。磁流变液在磁场的作用下可以由液态逐渐向固态转变，这种转变是可逆的，从而提供不同的阻尼力，而控制磁流变阻尼器内部线圈中电流的大小即可控制磁场的变化。工作模式：康复训练时，患者将小臂放在固定架上，并用橡胶带将其固定，手部握住训练平台中部的训练手柄，在训练平台多自由度运动的带动下，手腕关节被动地达到了活动的目的，起到了康复训练的作用。通过将气动肌肉和磁流变阻尼器有机结合，在主动训练时由气动肌肉产生柔顺的主动驱动力，驱动手腕关节完成多自由度运动。在被动训练阶段，通过被动力反馈，由磁流变阻尼器为手腕主动运动提供合适的阻尼力，同时结合角度传感器检测手腕关节活动范围，从而控制其运动幅度，有利于提高手腕康复训练效果，保障康复训练的安全性。2.1.5气动肌肉的选型气动肌肉是整个系统的执行元件，而且也是需要直接购买的元件，因此，首先应当选择气动肌肉的型号，尺寸。首先选择FESTO公司的气动肌肉，主要有两种类别的气动肌肉：气动肌腱DMSP、气动肌腱MAS。分类如下：表2.1气动肌腱分类类型型号内径额定长度提升力NDMSP530-10000-1401040-90000-6302060-90000-150040120-90000-6000MAS1040-90000-6302060-90000-150040120-90000-6000从FESTOChina网上查询到两种气动肌腱的主要技术参数如下：表2.2气动肌腱DMSP的技术参数表2.3气动肌腱MAS的技术参数比较两种气动肌腱，前者力的理论值范围为140N-6000N，后者力的理论值范围为400N-6000N，手腕康复训练装置是为手腕提供柔顺力，因此选取较小者，即气动肌腱DMSP。而气动肌腱DMSP又分为四种：DMSP-5-...、DMSP-10-...、DMSP-20-、DMSP-40-...从图中可以看出分别对应的力的理论值为140N、630N、1500N、6000N，手腕训练平台的肌肉并不需要承受很大的负载，因此，从体积的角度考虑，可直接选取直径为5mm的小型气动肌肉，额定长度也选取最小值30。对于气动肌腱DMSP两端接口的选择：从FESTOChina网上查阅资料，第一接口选择RM径向，外螺纹；第二接口选择CF封闭，内螺纹。综上所述，对于所选取的气动肌腱的型号为：DMSP-5-30N-RM-CF-，其最大允许收缩率为20%，工作压力为0-6bar，工作介质为压缩空气。三维建模如下：图2.5气动肌腱三维模型2.1.6磁流变阻尼器的设计选型2.1.6.1Bingham模型磁流变液的本构关系可用Bingham塑性模型描述，剪切应力近似为：式中，表示剪切应力，表示屈服剪应力，表示粘性系数，表示剪切应变率。根据磁流变阻尼器结构和Bingham模型关系，计算磁流变阻尼器的阻尼力为：其中，、、分别表示阻尼器的阻尼力、位移和速度，表示阻尼器的屈服力，表示磁流变液的粘滞阻尼系数，是阶跃函数，。在正弦激励的作用下，有，代入上式，得到阻尼力与位移的关系为：此模型形式简易，概念清楚，可以描述阻尼力-位移关系，易于实际应用。但此模型前提是假定阻尼器屈服前为刚性，因而忽略了粘弹性性能，从而不能描述磁流变阻尼器低速运动时，力和速度之间的非线性性能。2.1.6.2非线性滞回双黏性模型此模型是对非线性双黏性模型的延伸以更好的模拟屈服前阻尼器的滞回现象，公式如下：式中，表示屈服前黏性阻尼系数，表示屈服后黏性阻尼系数，表示屈服力，表示滞回量。、表示减速和加速屈服速度：在正弦激励下，把代入公式，可得阻尼力-位移的关系：此模型概念清晰，可以描述出非线性力与位移、力和速度关系，但采用分段函数形式，曲线在屈服点不光滑，表达式较复杂，实际引用困难。2.1.6.3设计计算过程常用的磁流变阻尼器为剪切阀式阻尼器，其构造图如下：图2.6磁流变阻尼器的构造图剪切式磁流变阻尼器的阻尼力可以表示为阀式阻尼力与剪切式阻尼力之和的形式，即为：则剪切阀式磁流变阻尼器的阻尼力如下：式中，剪切式阻尼力在总阻尼力中所占的比重可以从其库伦阻尼力和粘滞阻尼力分别与相应的阀式库伦阻尼力与粘滞阻尼力之比看出。其中，库伦阻尼力之比为：粘滞阻尼力之比为：由于剪切阀式磁流变阻尼器活塞与缸体的间隙很小，一般仅为1-2，而活塞的直径比间隙要大得多，因此，剪切阀式磁流变阻尼器阻尼力计算模型完全可以应用阀式磁流变阻尼器的计算模型，即上式中，为磁流变液的粘度系数；为活塞的有效长度；为活塞的直径；为活塞杆的直径；为活塞与缸体的间隙，一般取1-2；为活塞运动速度；为屈服剪应力；为阶跃函数，考虑活塞的往复运动。本次设计中，活塞杆有效长度，活塞直径，活塞杆直径，活塞与缸体间隙，取活塞的运动速度，代入得：其中屈服剪切力为固定值，而粘度系数会随线圈中电流的变化而产生很大幅度的变化。磁流变阻尼器的三维建模如下：图2.7磁流变阻尼器三维模型2.2传感器的选择与安装2.2.1位移传感器选择ASM公司生产的WS31-250-R1K-L35-1型拉线式位移传感器，它结构紧凑、具有可测量距离长、精度高、重量小等特性。气动肌腱两端做安装板，将传感器安装在上面，即可测量出肌腱的位移量，再运用相关电路将其反馈到数据采集卡。传感器的具体参数如下表：表2.4位移传感器参数参数输出R1K=电位器:1kΩ分辨率基本无限材料壳体:塑胶线盘:铝测量钢丝:不锈钢,直径:0.45mm电气数据输入电压：电阻在1kΩ时最大32VDC(最大输入功率1W)分压电阻：1kΩ±10%,其它数值需提出要求分压器可调范围：大约3%…97%温度系数±0.0025%f.s./K温度和湿度范围15…+60℃;相对湿度:最大95%不冷凝重量约60克钢丝张力1.5N位移传感器WS31的行程为250，当传感器的电压为+12V时，输出电压与位移呈线性关系：图2.8位移传感器WS31输出电压与位移图当系统静止时，此时已经有一定的位移，可以取为10，由于三根肌肉静止时长度为40，最小长度是32，最大长度是48。因此，可得在实际应用中的传感器最大位移为18，最小位移为2。所以输出电压变化范围为：显然，传感器的输出电压范围在0.048—0.432V之间，将此电压输入工控机中。A/D的有效输入电压范围是-5V到+5V。因此，在+12V的电压下，此传感器完全能够适用于电路。图2.9位移传感器三维模型2.2.2压力传感器压力传感器选用FESTO公司生产的SDE-10-10V/20mA型传感器，压力测量范围0-10bar，模拟输出0-10V，0-20mA。它是压阻式压力传感器，测量的变量为相对压力，精度可达1%，直线性和迟滞符合DIN167005标准，电连接为手头M12×1，4针，气接口是G1/4螺纹孔，重量仅有120g，且有短路保护。工作介质是过滤后的压缩空气，环境温度在0－85℃之间。图2.10SDE－10-10V/20mA型传感器的输出电压与工作压力关系图由上图看出，输出电压U与输入压力P成线性关系。比例系数。因此，当传感器的输入压力小于5bar时，它的输出电压就能够达到限制在5V以内，可以直接输入数据采集卡的D/A中。图2.11压力传感器三维模型2.2.3倾角传感器倾角传感器选用北京通磁业传感技术有限公司的WQH型倾角传感器，采用高性能磁敏感元件，利用重力摆结构，可无电触点的测量倾斜角度，检测角度范围全。具有灵敏度高、分辨率高、寿命长、抗振动、耐环境污染，耐水、油、粉尘和各种恶劣环境等特点。特别适用于运动频繁场合中的姿态角度的测控，平面定位、垂直定位。表2.5WHQ型传感器基本性能产品型号WQH90G-60D24N分别率（理论上连续）线性量程回零重复精度工作电压DC24V阻尼方式硅油输出信号4－20mA最大负载温度系数使用温度防护等级IP65角度方向逆时针方向增大图2.12倾角传感器输出曲线倾角传感器安装在手腕康复训练平台之上，可以设计一个互相垂直的两块板用作简易的安装板与训练平台连在一起，一块板上可以用螺钉将其与倾角传感器连接在一起，另一块板可以用螺栓将其与训练平台连接在一起。图2.13倾角传感器三维模型2.3气动系统的设计与选型2.3.1气源处理单元本系统的动力传输介质是压缩空气，由气源（各种气泵）提供压缩空气来供给整个系统，以使执行器动作而达到预定控制。空气中含有水分,油污,尘埃,铁锈颗粒。水以自然空气湿度的形式存在于空气中,在压缩空气冷却过程中,有大量的水分被析出。对压缩空气的干燥处理可防止对气动系统和设备的腐蚀及损坏。油污残渣不能起到驱动件的润滑作用,反而造成敏感部件的阻塞。尘埃等污染物会加速对滑动表面和密封件的磨损，影响气动元件功能和使用寿命。因此,压缩空气必须进行过滤除尘,去污净化,油雾润滑等处理。过滤器可以去除压缩空气中的固态颗粒，水滴和油雾等。油雾器可确保气动元件在必需时有足够的润滑。减压阀可保持恒定的工作气压（出口），与系统（进口）的压力变化和空气消耗无关。安全阀能限制系统压力不致过高，在系统突受高压冲击时起到保护系统的作用。上述各单元可以根据需要自由选择组合。对本系统，采用气源处理单元为日本SMC公司的气动三联件。气源三联件的三维建模如下图所示：图2.14气动三联件三维模型从左往右的顺序为别为空气过滤器、减压阀、油雾分离器。2.3.2阀的选择由于系统平台是实际应用于患者手腕康复训练运动的，因此需要稳定性，这对于阀的要求很高，需要以极快的速度来适应平台上的变化，从而使中间平台能够得以保持稳定。由于高速开关阀的响应很快，与电脑接口也很容易，而且其抗污染能力也很强，因此，应选用高速开关阀来控制气动肌肉。选用FESTO公司的MHP4类型的阀，这种阀体为二位三通阀，常闭式结构。图2.15MHP4二位三通阀气动符号MHP4型的阀1、3两个口在阀体的下部，而2口则位于阀体的上部。这种阀的响应时间可以达到210Hz，工作电压是24V(DC),工作压力可以为-0.9-8bar，完全能够实现系统的要求。对一根肌肉的控制是通过高速电磁换向阀来实现的，如下图所示，阀的下部分接三联件，而上部分接气动肌肉。当电磁换向阀通电时，即接入控制回路，阀体的上面2口下面进气口3接通，此时肌肉充气。反之，当电磁换向阀断电时，电磁铁处于断电状态，压缩气体会通过阀体的下面出气口2进入大气，从而实现放气的过程。图2.16MHP4高速开关阀控制气动肌肉实际中有三根肌肉，因此应有三组，三个阀来对肌肉进行控制。下图是对MPH4高速控制阀的三维建模：图2.17MHP4高速控制阀2.3.3气动系统的连接图2.18气动系统液压原理图空气通过空气过滤器、减压阀、油雾分离器之后，成为无污染的压缩空气，从而进入控制3根气动肌肉的3个电磁换向阀，实现气动肌肉的充放气，进行康复训练运动。2.4本章小结第二章详细介绍的是整个系统的机械结构部分的设计计算，以及气动系统的设计，进行了原理的说明。并对主要的元件：气动肌腱和磁流变阻尼器进行了详细的设计计算。此外，也对位移、压力、倾角三个传感器的选型、基本参数、测量曲线、安装等做了说明。并设计了气动系统的一些元件：三联件的选择以及高速换向阀的选择与安装。3气动肌肉控制系统设计3.1概述气动肌腱系统的工作原理如下图所示。图3.1气动肌腱系统的工作原理图用倾角传感器获得训练平台的转角，传入工控机中经处理后作为反馈信号；用一个电磁换向阀控制一个气动肌肉；用数据采集卡的A/D获取两个位移传感器的信号，并用D/O输出的PWM信号来驱动三个电磁换向阀；用位移传感器测量气动肌腱的长度获取位置讯号；用压力传感器测取气动肌腱内部压力信号；用工控机为控制器，实现信号处理及实时控制。3.2气动肌肉的控制电路3.2.1概述高速开关阀主要使用PWM波来进行控制。图3.2脉宽调制信号的产生原理图数字信号先输入数据缓冲暂存器，并通过地址选择器来对需要进行控制的阀进行选择，再进入相应的数据锁存器，进一步的在比较器中，将工控机中的数字信号和晶振所产生的循环计数脉冲进行逐位的比较，并根据比较结果来生成高电平或者低电平，这样可以通过改变控制信号来改变脉冲宽度，从而生成PWM波。3.2.2PWM波发生电路的组成芯片3.2.2.1分频器74HC163在本系统中，74HC163是作为分频器来使用的，共有五个，分为两组，两个芯片构成第一次分频的分频器，另外三个芯片构成第二次分频的分频器。图3.374HC163功能图表3.14HC163的真值表操作模式输入输出EQ\*jc0\*"Font:宋体"\*hps12\o\ad(\s\up11(),MR)CPCEPCETEQ\*jc0\*"Font:宋体"\*hps12\o\ad(\s\up11(),PE)DnQnTC重置l↑××××LL并行负载hh↑↑××××lllhLHL(1）计数h↑lhh×计数(1）保持hh××h××lhh××qnqn(1）L(1)当CET的信号和TC的信号同时是高电平，则计数器达到了计数的最大值由74HC163的真值表可以看出，当输入低电平，而CP又有上升沿时，输出量均为低电平，这时起到了清零的作用。而当输入高电平，输入低电平，CP又有上升沿时，芯片的输出量Qn与Dn的输入值一样，此时实现的是装载功能，即将Dn的输入量装载到Qn的输出。当、CEP、CET均为高电平时，这个芯片是起计数功能，Q0、Q1、Q2、Q3不停计数，从0000至1111然后再次循环。当和输入高电平，而CEP和CET有一个输入低电平时，则Qn的输出值依然保持不变，可以实现锁存功能。一个芯片只能完成4位的计数功能，电路板中需要12位的计数，因此，需要将三个芯片相连接构成一组计数器。如果将一个芯片的TC接入下一个芯片CET和CEP时，则当芯片的计数达到最大值时，TC会生成一个高电平输出，使第二个芯片计一次数，这样每当第一个芯片完成一次循环，则第二个芯片就计一次数，可以以此来实现多位计数的功能。3.2.2.2比较器74HC8574HC85是一个四位数值比较器，由于需要比较12位的信号，而每个芯片只能比较4位，所以三个74HC85组成一组，共有3组9个芯片来生成PWM波。图3.474HC85的功能图表3.274HC85的真值表比较输入级联输入输出A3，B3A2，B2A1，B1A0,B0lA>BlA<BlA=BQA>BQA<BQA=BA3>B3A3<B3A3=B3A3=B3A3=B3A3=B3A3=B3A3=B3A3=B3A3=B3A3=B3××A2>B2A2<B2A2=B2A2=B2A2=B2A2=B2A2=B2A2=B2A2=B2××××A1>B1A1<B1A1=B1A1=B1A1=B1A1=B1A1=B1××××××A0>B0A0<B0A0=B0A0=B0A0=B0××××××××HLL××××××××LHL××××××××LLHHLHLHLHLHLLLHLHLHLHLHLLLLLLLLLLLHA3=B3A3=B3A3=B3A2=B2A2=B2A2=B2A1=B1A1=B1A1=B1A0=B0A0=B0A0=B0×HL×HLHLLLLHLLHHLL由真值表可知，74HC85的功能是将两组输入信号的大小进行比较，并输出相应的结果，当A3A2A1A0大于B3B2B1B0时，5管脚输出为高电平，其余为低，当A3A2A1A0小于B3B2B1B0时，7和管脚输出为高电平，其余为低，当两组信号相等时，6管脚输出高电平，其余为低。74HC85只能比较两组4位的信号，但是，如果将一个芯片的2、3、4三个管脚分别与另一个芯片的7、6、5三个管脚相连，这样就可以在前者数据相等时，来比较后者的大小，以输出相应值。这样就实现了使用两个芯片来比较8位数据的功能。这样的三个芯片相连，就可以成功的比较12位的数据了。3.2.2.3数据锁存器74HC37474HC374为具有三态输出的八D边沿触发器，输出端O0-O7可直接与总线相连。当三态允许控制端OE为低电平时，O0-O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，O0-O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当时钟端CP脉冲上升沿的作用下O随数据D而变。在本系统中，74HC374是作为数据锁存器来使用的，由于输入信号是12位，而每个芯片只能存储8位数据，因此，每组应有两个数据锁存器共同记录12位的信号。3组共有6个74HC374芯片。图3.574HC374的逻辑图表3.374HC374的真值表输入输出EQ\*jc0\*"Font:宋体"\*hps12\o\ad(\s\up11(),OE)CKDQH××高阻态L↓×无变化L↑LLL↑HH从真值表中看出，当为高电平时无论其他管脚的信号如何，输出量都为高阻态。而当为低电平时，如果CK接收到下降沿，则输出值保持不变；如果CK收到上升沿信号，则输出量与D的输入量相同。由此可以看出，当CK是上升沿时，74HC374可以将D端的输入信号输出，而且当CK下降沿时，输出信号不变，这就起到了数据锁存的作用。3.2.2.4译码器74HC138在本系统中，74HC138是作为三位二进制的译码器来使用的，每个肌肉的控制电路中各一个。图3.674HC138的管脚结构表3.474HC138的真值表输入输出启动选择G1EQ\*jc0\*"Font:TimesNewRoman"\*hps12\o\ad(\s\up11(),G)2AEQ\*jc0\*"Font:TimesNewRoman"\*hps12\o\ad(\s\up11(),G)2BCBAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7×H×××HL××HLLHLLHLLHLLHLLHLLHLLHLL×××××××××LLLLLHLHLLHHHLLHLHHHLHHHHHHLHHHHHHHHHHHLHHHHHHHHHHHLHHHHHHHHHHHLHHHHHHHHHHHLHHHHHHHHHHHLHHHHHHHHHHHLHHHHHHHHHHHL由真值表可以看出，当EQ\*jc0\*"Font:TimesNewRoman"\*hps12\o\ad(\s\up11(),G)2A或EQ\*jc0\*"Font:TimesNewRoman"\*hps12\o\ad(\s\up11(),G)2B有高电平输入时，无论其他管脚的输入是什么，输出量均为高电平，即11111111。当G1有低电平输入时，无论其他管脚的输入是什么，输出量也都是高电平。只有当G1输入高电平，EQ\*jc0\*"Font:TimesNewRoman"\*hps12\o\ad(\s\up11(),G)2A和EQ\*jc0\*"Font:TimesNewRoman"\*hps12\o\ad(\s\up11(),G)2B都输入低电平时，才会实现正常的译码功能。3.2.2.5反向器74HC0303为两输入端与非门，本系统中，74HC03是作为反向器来使用的，共有4个：它的作用很简单，就是将输入的信号进行反向输出。输入输出nAnBnYLLHHLHLHZZZL表3.574HC03的真值表图3.774HC03的逻辑表3.2.3电路模块分析3.2.3.1晶振分频模块图3.8晶振第一次分频模块如上图所示，首先将两个74HC163芯片相连，这样可以让两个芯片累加计数，以进行多位的分频。晶振产生的方波分别与两个芯片的2管脚即CLK端相连，这样，右边的芯片U11将首先对信号进行分频，其中Q0是二分频，Q1为四分频，Q2为八分频，Q3为十六分频,而左边芯片U12的虽然始终有CLK端的信号，但由于7管脚（ENP）和10管脚（ENT）没有高电平输入，因此，将不进行分频，只有当两个管脚的信号为1时，即U11的15管脚输出高电平时，才会计一个数。因此，当U11满一个周期（0000－1111）时，U12计一个数。因此，U12的Q0对晶振产生的信号进行三十二分频，Q1为六十四分频，Q2为一百二十八分频，Q3为二百五十六分频。但是这样分出的频率依然很大，即使是使用最小频率4MHz的晶振，经过二百五十六分频后仍然是很大的频率（），而且，因为要进行的是十二位的比较，因此，也应有十二位的输出信号。图3.9晶振第二次分频模块上图所示为第二次分频的模块图，基本原理与第一次分频相同，即从第一次分频所产生的信号分别与三片74HC163相连，分别是图中U3,U2,U1，三个芯片相连构成一个十二位的分频器，其中，U3的14管脚为分频后产生的信号的最低位，最高位则是U1的11管脚。这样就可以产生一个十二位的信号。3.2.3.2选择器模块图3.10选择器模块一共有三个阀需要进行控制，因此一共可以产生三组PWM波，而每组的信号都是不一样的。因此，应该对究竟控制哪组电路来进行选择，这里用到的是74HC138来作为选择器。芯片的真值表已经在章节3.2.2.4中给出，对应表可看出，当ABCE2(E3)分别为0000时，选择15管脚，1000时，选择14管脚，0100时，选择13管脚。这样，就达到了对三个阀的控制电路的正确选择。3.2.3.3直流脉宽调制（PWM）波产生模块3.11PWM波产生模块上图所示为一组PWM波的生成模块，与之相似的共有三组，分别控制三个阀，生成PWM波的是比较器74HC85，它的作用是将左右两边的信号大小进行比较，并根据不同的大小关系而输出高电平或者低电平。每组中共有三个比较器，连接方式见上图，通过74HC85的真值表可以很明显看出，比较器首先是对最高四位，即元件U7的D3D2D1D0和元件U4的输入信号B3B2B1B0进行比较。如果大小不等，则U4会直接有输出量，如果相等的话，会对之后的四位进行比较，即比较U5两边的信号，如果再相等，会比较U6两边的信号，确定最终的大小关系。当上面的信号（12位）大于下面信号时，显然比较器输出高电平。当上面的信号小于或者等于下面的信号时，显然输出低电平。如果改变上面的信号输入，就可以改变输出高电平的时间，即改变了占空比。也就是生成了PWM波。比较器产生的PWM波还要通过一个反向器74HC03，这样产生的高电平会变成低电平，而低电平将会变成高电平，这样做是为了控制继电器的通断。3.2.3.4继电器模块固态直流继电器（DC-SSR）的原理图如下，输入电路的右端接+5V电压，而左端则与反向器的输出相连，即与PWM波生成模块相连，当反向器输出的是高电平时，由于V1两端的电压相同，所以V1=0，因此，将不会有输入端的信号，而继电器也没有输出。反之，当反向器输出低电平时，V1右端的电压比左端高，因此，输入电路会接通，再通过光电耦合器的作用，最终在下端输出高电平。可见，继电器的实际作用是将原来的输出电压放大，将+5V的电压放大为+24V的电压。而且这个放大是反向的，即输入低电平，输出高电压，输入高电平，则没有输出电压。图3.12继电器模块3.2.4电路图图3.13单个气动肌肉的控制电路图上图是一个阀的控制电路，三个晶振经过跳线JP1与分频器相连，经过第一次分频后，产生的信号输入跳线JP2，选择一路后输入第二个分频器，再次分频后的信号与工控机的输入信号进行比较，最后通过继电器输出。3.3数据采集卡PCL-711B（如下图所示）是一款ISA总线的半长卡，能够为PC/AT机器兼容系统提供四项基本I/O功能：A/D转换，D/A转换，数字量输入和数字量输出。PCL-711B是一款低成本的板卡，非常适合一般性应用。该卡具有一下功能：8路12位模拟输入量、1路12位模拟输入量、16路数字输入和16位数字输出。此外，它还带有一个20个段子的螺丝端子板和一个扁平电缆接口。图3.14数据采集卡PCL-711B该产品具有以下特点：1）8路25KHZ多功能DAS卡；2）8路单端模拟量输入；3）可编程A/D输入范围；4）A/D，D/A带定时触发；5）一路模拟量输出；6）12位A/D和D/A分辨率。3.4本章小结本章主要介绍了PWM波发生电路，对PWM波发生电路的各个芯片的原理作了详细说明。同时，也详细讲解了整个电路的组成模块，并对各个模块的工作原理和整体的工作原理做出了说明。总结本文所研究的是气动肌肉磁流变复合驱动的手腕康复训练装置的设计，对于手腕的三自由度的运动，通过气动肌肉和磁流变阻尼器进行有机组合，从而实现手腕的屈伸、收展和环转三个运动。主被动的工作模式更有利于患者的实际康复。手腕被动的康复训练过程时，与气动肌肉串联的磁流变阻尼器相当于刚性连接件，通过控制电路实现对气动肌肉的充放气，