《下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（46頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 論 文 ）下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)院 別專業(yè)名稱班級(jí)學(xué)號(hào)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師年 6 月 15 日下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)摘 要下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練 機(jī)構(gòu)是主要針對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)機(jī) 能障 礙的患者進(jìn)行恢 復(fù)肢體運(yùn)動(dòng)功能的康 復(fù)訓(xùn) 練設(shè) 備。下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn) 練機(jī)構(gòu)在近幾年來(lái)迅 速發(fā)展，并且臨 床醫(yī)學(xué)對(duì)其的需求越來(lái)越大，具有重要的社 會(huì)意義和研 究?jī)r(jià)值，因此國(guó)際康復(fù)領(lǐng)域?qū)祻?fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的研究也越來(lái)越重視，其已成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。首先通過(guò)查閱資料，詳細(xì)的了解了本文研究的課題所在的背 景、意 義以及下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)在國(guó)外和國(guó)內(nèi)的研究和發(fā) 展現(xiàn)狀，基于國(guó) 內(nèi)外下肢被動(dòng)康 復(fù)訓(xùn) 練機(jī)構(gòu)研 究成果，確 定了本論文的主要研 究?jī)?nèi)容——腳 踏式下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)。根據(jù)下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)在訓(xùn) 練效果、安 全性和經(jīng) 濟(jì)性的設(shè)計(jì)要 求以及人體下肢尺寸和下 肢主要關(guān) 節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況，將患者下肢的運(yùn)動(dòng)與訓(xùn)練機(jī)構(gòu)相互聯(lián)系起來(lái)，由此確定本文研究的腳踏式下肢康復(fù)被動(dòng)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的系 統(tǒng)組成并對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹及方 案的選擇，之后再根據(jù)訓(xùn) 練機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求對(duì)其機(jī) 械部分電動(dòng)推桿、電機(jī)、齒輪以及腳 蹬等進(jìn)行了詳 細(xì)的方 案設(shè)計(jì)和對(duì)控 制部分進(jìn) 行簡(jiǎn) 單的介紹。在訓(xùn) 練機(jī)構(gòu)機(jī) 械部分的設(shè) 計(jì)方案的基 礎(chǔ)上，對(duì)電動(dòng) 推桿、電機(jī)、齒 輪及腳 蹬等進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，確定了電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電動(dòng)推桿等的型號(hào)以及腳蹬的回轉(zhuǎn)半徑和尺寸。將本機(jī) 構(gòu)與人 體運(yùn)動(dòng)結(jié)合起來(lái)，構(gòu) 建平 面閉 環(huán)鉸 鏈五 連桿人 機(jī)模型，在進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練模式時(shí)運(yùn)用矢 量方程對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，推導(dǎo)出大腿和小腿的位 姿以及髖 關(guān)節(jié)和膝 關(guān)節(jié)的角 速度與轉(zhuǎn) 柄運(yùn)動(dòng)狀 態(tài)之間的關(guān)系。最后為了更好地了解本機(jī)構(gòu)的結(jié) 構(gòu)、形狀，對(duì)其機(jī) 械部分、調(diào)整支架部分和整體進(jìn)行三 維建 模。本文所設(shè)計(jì)的腳踏式下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)主要帶動(dòng)人體下肢實(shí)現(xiàn)圓 周踏 車運(yùn)動(dòng)。腳掌與腳 蹬用繃 帶緊固在一起，在矢 狀面內(nèi)下肢髖 關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝 關(guān)節(jié)連續(xù)不斷地做屈腿和伸腿運(yùn)動(dòng)。本文設(shè)計(jì)的腳踏式訓(xùn)練機(jī)構(gòu)具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、人 機(jī)融 合性好、成 本低等。關(guān)鍵詞：下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)分析，三維建模 Lower limb passive rehabilitation training mechanism designAbstractPassive lower limb rehabilitation training institutions is mainly for lower limb motor dysfunction in patients with rehabilitation training device for motor function recovery. Passive lower limb rehabilitation training institutions in recent years rapid development, and clinical medicine to demand more and more, has important social significance and research value, therefore the rehabilitation of rehabilitation training institutions research pay more and more attention, it has become the hot spot of the current research.Firstly, through access to information, to understand the research background and significance and the lower limb passive rehabilitation training institutions research status at home and abroad, and at home and abroad, the lower limb passive rehabilitation training institutions research on basis of research results, determine the main research study content - foot limb passive rehabilitation training institutions.Then according to the lower limb passive rehabilitation training institutions in the training effect, safety and economy of the design requirements, a detailed understanding of the lower limb of the human body size and lower extremity joint movement, will be on this basis, patients with lower limb movement and training institutions linked with each other, determine the research study of foot limb passive rehabilitation training institutions system composition and carries on the simple introduction and scheme choice, then, according to the training institutions of the design requirements of the mechanical part of the electric push rod, a motor, a gear and pedal and other of the detailed design of the solution and to control part of the system were introduced.Again in training mechanical parts design scheme based on and the design process of the electric push rod, a motor, a gear and pedal and other for detailed calculation, motor, transmission mechanism, electric putter, types and the pedal of the radius of gyration and the size is determined. Will the institutions and human motion combine construction of plane closed-loop five hinge connecting rod model machine model, then the patients in passive training mode using the vector equation of the kinematic analysis, deduced the thigh and the lower leg posture and hip and knee joint angular velocity and the movement of a keyless state between relationship.Finally in order to have a better understanding of the mechanism of the structure, shape, of the mechanical parts, adjusting bracket of the part and the whole of three dimensional modeling.The lower limb passive rehabilitation institutions for the project of the main drive of lower extremity realizecircumferential treadmill exercise. The fixed foot pedal and bandage bandage,in the sagittal plane of the hip joint, knee joint and ankle joint flexion extension movementcontinue to do. Pedal type training mechanism designed in this paper has the advantages of simple structure, good man-machine integration, low cost.Key Words:lower limb rehabilitation mechanism design，three-dimensional，motion simulation modeling目錄1 緒論 .11.1 課題研究的背景及意義 11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .11.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 .11.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 .31.3 本文的研究?jī)?nèi)容 .52 下肢被動(dòng)康復(fù)機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .62.1 下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 62.1.1 人體尺寸測(cè)量 .62.1.2 人體下肢關(guān)節(jié)介紹及分析 .92.1.3 下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo) .92.2 下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的組成 .92.3 機(jī)械部分設(shè)計(jì) .112.3.1 調(diào)整支架部分的設(shè)計(jì) .112.3.2 動(dòng)力單元的設(shè)計(jì) .112.3.3 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) .112.3.4 腳蹬的設(shè)計(jì) .122.4 控制模塊設(shè)計(jì) .123 下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析 .143.1 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)調(diào)整架的設(shè)計(jì) 143.2 下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)主體部分設(shè)計(jì) 163.2.1 減速器的設(shè)計(jì)與選型 .163.2.2 圓錐齒輪的傳動(dòng)設(shè)計(jì)與選型 .173.2.3 腳蹬的設(shè)計(jì)與計(jì)算 .193.3 下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的人機(jī)建模及運(yùn)動(dòng)分析 .213.3.1 人機(jī)模型的建立 .213.3.2 被動(dòng)訓(xùn)練時(shí)人機(jī)模型運(yùn)動(dòng)分析 .234 下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的三維建模 .274.1 訓(xùn)練機(jī)械的三維建模 274.2 調(diào)整支架的三維建模 284.3 整體三維建模 29結(jié) 論 .30致 謝 32參考文獻(xiàn) 33附 錄 35附錄 A.35附錄 B1 .44附錄 B2 .451 緒論1.1 課題研究的背景及意義中風(fēng)是指供應(yīng)腦的動(dòng)脈發(fā)生粥樣硬化，引起血管狹窄，堵塞或破裂，從而造成部分腦組織的損害。腦中風(fēng)多發(fā)于老年人群，而且一旦發(fā)病，會(huì)對(duì)患者的身體健康造成嚴(yán)重的危害，大大降低患者的生活質(zhì)量。我國(guó)現(xiàn)在已經(jīng)步入了人口老齡化的社會(huì)，這些高血 壓及腦中風(fēng)等老年病對(duì)我國(guó)老年人群的危害越來(lái)越嚴(yán)重，已經(jīng)成為老年人群的主要死因，不僅如此，即使在幸存者中約百分之七十到八十的患者在肢體上也會(huì)留有不同程度的殘疾?，F(xiàn)如今，我國(guó)的車輛數(shù)目越來(lái)越多，從而發(fā)生交通事故的機(jī)率也越來(lái)越高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前，我國(guó)是世界上交通事故發(fā)生最嚴(yán)重的國(guó)家。由此交通事故而造成神經(jīng)性損傷或者肢體損傷的人數(shù)也越來(lái)越多。在我國(guó)，人們的經(jīng)濟(jì)水平越來(lái)越高，對(duì)生活質(zhì)量和健康的關(guān)注和要求也越來(lái)越高，康復(fù)醫(yī)療事業(yè)也越來(lái)越受人們的重視。但目前我國(guó)的康復(fù)醫(yī)療水平相對(duì)與國(guó)外并不是很高，所以我國(guó)的康復(fù)醫(yī)療事業(yè)還有很大的發(fā)展空間，具有重大的研究的價(jià)值。在傳統(tǒng)的康復(fù)醫(yī)療過(guò)程中，需要醫(yī)療師應(yīng)用簡(jiǎn)單的器械對(duì)患者進(jìn)行一對(duì)一的指導(dǎo)和治療，這樣是有很大的局限性的，一方面患者肢體的各個(gè)關(guān)節(jié)不能得到很好地活動(dòng)，另一方面醫(yī)療師的勞動(dòng)強(qiáng)度也是非常大。不僅如此，目前我國(guó)肢體損傷的患者數(shù)目巨大，而醫(yī)療師的數(shù)目卻很少，明顯不能滿足市場(chǎng)的需求。近些年來(lái)，機(jī)器人技術(shù)成為熱門技術(shù)，所以康復(fù)醫(yī)療機(jī)械的科研人員也把研究重點(diǎn)放在了如何將機(jī)器人和康復(fù)醫(yī)療器械相結(jié)合起來(lái)，康復(fù)機(jī)器人可以代替醫(yī)療師對(duì)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，患者的肢體可以得到更好的活動(dòng)與治療，避免了醫(yī)療師在治療過(guò)程中因勞動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大和持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成的治療效率下降等人為因素的影響，減輕了社會(huì)和家庭的負(fù)擔(dān)，具有重大意義。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀康復(fù)機(jī)器人發(fā)展歷史并不長(zhǎng)，但是它的發(fā)展速度卻非常的快，已經(jīng)走向了商 品化的模式，特別是在西方國(guó)家，康復(fù)機(jī)器人的應(yīng)用已經(jīng)很普遍了。以下介紹幾種國(guó)外典型的下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)。（1）Lokomat 。Lokomat 是瑞士的研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的下肢康復(fù)機(jī)器人，見圖 1.1。訓(xùn)練時(shí)，患者的下肢通過(guò)六個(gè)綁帶與 Lokomat 相連，最基本的被動(dòng)訓(xùn)練只需控制四個(gè)關(guān)節(jié)的角度和角速度，以帶動(dòng)患者模仿人體行運(yùn)動(dòng)。并且本機(jī)器人在關(guān)節(jié)處安裝有位置和力傳感器，用來(lái)檢測(cè)關(guān)節(jié)的位置和力，并反饋到控制系統(tǒng)。圖 1.1 瑞士 Lokomat 下肢康復(fù)機(jī)器人（2）AutoAmbulator。見圖 1.2。這款機(jī)器人是 2002 年美 國(guó) HealthSouth 公司研究設(shè)計(jì)的，用于滿足旗下的康復(fù)醫(yī)院的需要。這款機(jī)器人的核心是兩條腳踏式機(jī)械腿，這兩條機(jī)械腿是分離的，在每條機(jī)械腿各上有兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)單元，患者的大腿和小腿由機(jī)械腿上的兩個(gè)連桿在計(jì)算機(jī)的控制下分別牽引來(lái)完成步行訓(xùn)練?；颊咴谟?xùn)練時(shí)，其步態(tài)特征參數(shù)由機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以此作為評(píng)定患者訓(xùn)練康復(fù)效果的依據(jù)。圖 1.2 AutoAmbulato 康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)康復(fù)機(jī)器人的研究起步比較晚，但也取得了一些成就。在國(guó)內(nèi)，康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域研究比較好的團(tuán)隊(duì)有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院合肥智能機(jī)械研究所等。以下就介紹一下這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的研究成果。(1)可穿戴助力機(jī)器人。助力機(jī)器人是中科院合肥智能機(jī)械研究所研制的下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)，見圖 1.3。它分為驅(qū)動(dòng)、控制和機(jī)械三個(gè)部分?；颊咴谑褂么藱C(jī)器人時(shí)，會(huì)在身體上安裝多個(gè)力傳感器，可以詳盡的了解患者各關(guān)節(jié)訓(xùn)練時(shí)的狀態(tài)。這款機(jī)不同于其他機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是它可以帶動(dòng)患者下肢進(jìn)行多個(gè)自由度的康復(fù)訓(xùn)練，比如說(shuō)伸腿和屈腿、向內(nèi)或向外旋轉(zhuǎn)下肢關(guān)節(jié)等，這樣患者就可以根據(jù)自己的意愿改變行走的方向，不僅僅局限于只能進(jìn)行直線行走的訓(xùn)練。圖 1.3 可穿戴助力機(jī)器人(2)步態(tài)康復(fù)機(jī)器人。2002 年，哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電一體化研究所研制了一種步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，見圖 1.4。由計(jì)算機(jī)模擬人體下肢各關(guān)節(jié)在做腳踏運(yùn)動(dòng)時(shí)的狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡，控制腳踏板帶動(dòng)踩在其上的患者下肢進(jìn)行步態(tài)踏板運(yùn)動(dòng)，以此來(lái)對(duì)患者進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練。本機(jī)器人一方面可以根據(jù)不同的患者調(diào)整模擬的軌跡，另一方面還可以用計(jì)算機(jī)對(duì)該機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程的控制。圖 1.4 哈爾濱工程大學(xué)的步態(tài)康復(fù)機(jī)器人1.3 本文的研究?jī)?nèi)容本文所設(shè)計(jì)的腳踏式下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)主要帶動(dòng)人體下肢實(shí)現(xiàn)圓周踏車運(yùn)動(dòng)。腳掌與腳蹬用繃帶緊固在一起，在矢狀面內(nèi)下肢髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)連續(xù)不斷地做屈腿和伸腿運(yùn)動(dòng)。本文設(shè)計(jì)的腳踏式訓(xùn)練機(jī)構(gòu)具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、人機(jī)融合性好、成本低等。本文主要研究下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)，在康復(fù)醫(yī)學(xué)、正常人體步態(tài)理論以及人機(jī)工 學(xué)的基礎(chǔ)上，主要完成對(duì)下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其具體內(nèi)容如下： (1)通過(guò)查閱資料，了解課題研究的背景及意義和下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，確定論文的主研究?jī)?nèi)容—腳踏式下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)。(2)根據(jù)下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，詳細(xì)了解人體下肢尺寸和下肢主要關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)情況，確定本文研究的下肢康復(fù)機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)組成，并對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹及方案的選擇，之后再對(duì)機(jī)械部分電動(dòng)推桿、電機(jī)、齒輪以及腳蹬等進(jìn)行詳細(xì)的方案設(shè)計(jì)。(3)在訓(xùn)練機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，對(duì)電動(dòng)推桿、電機(jī)、齒輪以及腳蹬等設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，確定了電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電動(dòng)推桿等的型號(hào)以及腳蹬的回轉(zhuǎn)半徑和尺寸。將本機(jī)構(gòu)與人體運(yùn)動(dòng)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)建平面閉環(huán)鉸鏈五連桿模型人機(jī)模型，然后對(duì)患者在進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練模式時(shí)運(yùn)用矢量方程對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，推導(dǎo)出大腿和小腿的位姿以及髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的角速度與轉(zhuǎn)柄運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間的關(guān)系。(4)為了更好地了解本機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、形狀，對(duì)其機(jī)械部分、調(diào)整支架部分和整體進(jìn)行三維建模。2 下肢被動(dòng)康復(fù)機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)主要針對(duì)下肢活動(dòng)有障礙的患者進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練。為了能夠有效地幫助患者進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練，主要包括以下幾個(gè)原則：(1) 患者在使用下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)器械一段時(shí)間后，下肢各關(guān)節(jié)及肌肉能夠得到很好的訓(xùn)練，下肢活動(dòng)障礙能夠得到很好的治療，達(dá)到理想的治療效果。(2)所有醫(yī)療器械最重要的一點(diǎn)是其安全性，本文設(shè)計(jì)的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器也應(yīng)具備這一點(diǎn)。本器械帶動(dòng)下肢活動(dòng)，根據(jù)患者的病情進(jìn)行訓(xùn)練，對(duì)于康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)與人體下肢的配合、訓(xùn)練的開始與停止、訓(xùn)練時(shí)的機(jī)械的運(yùn)行速度等方面要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，避免因器材設(shè)計(jì)不合理而給患者帶來(lái)二次傷害。 (3)雖然我們現(xiàn)在很多科研機(jī)構(gòu)研制出很多性能優(yōu)良的下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)，但是很多下肢有障礙的患者并沒有得到下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)很好的治療，甚至有些患者得不到下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的治療。究其原因，就是市面上銷售的下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)價(jià)格昂貴，只有一些大型醫(yī)院或醫(yī)療機(jī)構(gòu)能夠配備，并且在醫(yī)院進(jìn)行完善的康復(fù)治療很多家庭也負(fù)擔(dān)不起，所以下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)要想在市面上廣泛推廣，走出只限于大型醫(yī)院或醫(yī)療機(jī)構(gòu)的現(xiàn)狀，就要在安全性和有效性的基礎(chǔ)上，降低它的成本，使它更加的經(jīng)濟(jì)。2.1.1 人體尺寸測(cè)量本文設(shè)計(jì)的下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)是對(duì)人體下肢進(jìn)行訓(xùn)練的，所以它的設(shè)計(jì)尺寸是以人體尺寸為標(biāo)準(zhǔn)的?！禛B10000-88 中國(guó)成年人人體尺寸》是一九八七年七月一日所實(shí)施的，本標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)人類工程學(xué)的要求提供了我國(guó)成年人人體尺寸的基礎(chǔ)數(shù)值。標(biāo)準(zhǔn)中所列數(shù)值，代表從事工業(yè)生產(chǎn)的法定中國(guó)成年人（男 18-60 歲女 18-55 歲）的人體尺寸數(shù)值。以下是中國(guó)成年人人體主要尺寸表 2.1 和圖 2.1 和中國(guó)成年人坐姿人體尺寸表 2.2 和圖 2.2。表 2.1 中國(guó)成年人人體主要尺寸18~60 周歲（男） 18~55 周歲（女）百分位數(shù)(%) 1 5 10 50 90 1 5 10 50 904.1.1 身高(mm) 1543 1583 1604 1678 1754 1449 1484 1503 1570 16404.1.2 體重（ kg） 44 48 50 59 71 39 42 44 52 634.1.2 上臂長(zhǎng)(mm) 279 289 294 313 333 252 262 267 284 3034.1.4 前臂長(zhǎng)(mm) 206 216 220 237 253 185 193 198 213 2294.1.5 大腿長(zhǎng)(mm) 403 428 436 465 496 387 402 410 438 4674.1.6 小腿長(zhǎng)(mm) 324 338 344 369 396 300 313 319 344 370圖 2.1 人體主要尺寸表 2.2 中國(guó)成年人坐姿人體尺寸(mm) 18-60 周歲（男） 18-55 周歲（女）百分位數(shù) 5 10 50 90 95 5 10 50 90 954.3.1 坐高 858 870 908 947 958 809 819 855 891 9014.3.2 坐姿頸椎點(diǎn)高 615 624 657 691 701 579 587 617 648 6574.3.3 坐姿眼高 749 761 798 836 847 695 704 739 773 7834.3.4 坐姿肩高 557 566 598 631 641 518 526 556 585 5944.3.5 坐姿肘高 228 235 263 291 298 215 223 251 277 2844.3.6 坐姿大腿厚 112 116 130 146 151 113 117 130 146 1514.3.7 坐姿加膝高 456 464 493 523 532 424 431 458 485 4934.3.8 小腿加足高 342 389 413 439 448 342 350 382 399 4054.3.9 坐深 421 429 457 486 494 401 408 433 461 4694.3.10 臀膝距 515 524 554 585 595 495 502 529 561 5704.3.11 坐姿下肢長(zhǎng) 921 937 992 1046 1063 851 865 912 960 975圖 2.2 坐姿人體尺寸2.1.2 人體下肢關(guān)節(jié)介紹人體的下肢關(guān)節(jié)主要包括髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)三個(gè)關(guān)節(jié)，各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)形式簡(jiǎn)單的可以分為屈伸、外展內(nèi)收和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)這三類。因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)的下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)主要帶動(dòng)人體下肢進(jìn)行圓周的腳踏車運(yùn)動(dòng)，主要是在人體的矢狀面內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，所以我們可以看成是本機(jī)構(gòu)帶動(dòng)人體下肢的各關(guān)節(jié)主要進(jìn)行屈伸運(yùn)動(dòng)。我們?nèi)梭w的各個(gè)關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)角度并不是隨意的，而是要有一個(gè)運(yùn)動(dòng)角度范圍的，這主要是因?yàn)楦鱾€(gè)關(guān)節(jié)之間有相互約束。為了不對(duì)患者造成二次傷害，在對(duì)下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該保證患者在使用此器械時(shí)，下肢各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度應(yīng)在正常人體關(guān)節(jié)所能承受的最大范圍內(nèi)。根據(jù) GB/T14779-93 坐姿人體功能設(shè)計(jì)要求，參照?qǐng)D2.2 得出下肢各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍如表 2.3 所示。表 2.3 下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍關(guān)節(jié) 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng) 運(yùn)動(dòng)范圍（度）髖關(guān)節(jié) α1 65°-120°膝關(guān)節(jié) α2 75°-180°踝關(guān)節(jié) α3 70°-125°2.1.3 下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo) 下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)有被動(dòng)模式、主動(dòng)模式、抗阻模式、功能性電刺激四種訓(xùn)練模式，為了能夠?qū)崿F(xiàn)這四種模式的功能，并且滿足不同患者訓(xùn)練時(shí)身體需求，通過(guò)查閱資料和實(shí)際考察得出以下技術(shù)指標(biāo)：(1)最高末端轉(zhuǎn)速 150 r/min； ?mv(2)最大末端承載能力 10 kg； (3) 兩個(gè)腳蹬間距： 0.16 m-0.2 m；(4)主體部分質(zhì)量不超過(guò) 15 kg； (5)主體部分的體積不大于 0.6×0.15×2 m。 2.2 下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的組成本文所設(shè)計(jì)的腳踏式下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)主要帶動(dòng)人體下肢實(shí)現(xiàn)圓周踏車運(yùn)動(dòng)。腳掌與腳蹬用繃帶緊固在一起，在人體的矢狀面內(nèi)下肢髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)連續(xù)不斷地做屈腿和伸腿運(yùn)動(dòng)。以下圖 2.3 是其系統(tǒng)框圖。下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)圖 2.3 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)系統(tǒng)框圖(1)下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)調(diào)整支架設(shè)計(jì) 下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)主要通過(guò)圓周踏車運(yùn)動(dòng)來(lái)對(duì)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，但是如果患者一成不變的保持同一姿勢(shì)持續(xù)進(jìn)行訓(xùn)練，患者就會(huì)逐漸對(duì)訓(xùn)練失去興趣，在心理甚至生理上產(chǎn)生消極抵觸的反應(yīng)，從而使康復(fù)訓(xùn)練的效果不盡人意。除此之外，由于患者身高等因素的影響，使得不同患者對(duì)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)高度的要求也不盡相同。綜上所述，為了提升康復(fù)訓(xùn)練的效果，并且滿足不同患者的需求，本文設(shè)計(jì)的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)對(duì)調(diào)整支架進(jìn)行了設(shè)計(jì)。(2)動(dòng)力單元的設(shè)計(jì)動(dòng)力單元主要是為執(zhí)行元件提供能量。(3)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以將動(dòng)力所提供的運(yùn)動(dòng)的方式、方向或速度加以改變，被人們有目的地加以利用。本文下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要包括下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)中的齒輪傳動(dòng)和腳踏板與人體下肢組成的連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。（4）控制模塊控制模塊也是下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)比較重要的一部分，本文設(shè)計(jì)的下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)有四種不同的模式，控制模塊主要是控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度、位置和力矩，從而實(shí)現(xiàn)這四種不同的訓(xùn)練模式。2.3 機(jī)械部分設(shè)計(jì)2.3.1 調(diào)整支架部分的設(shè)計(jì)根據(jù)前文，本文對(duì)下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了由立柱和電動(dòng)推桿組成的調(diào)整支架部分。電動(dòng)推桿進(jìn)行伸縮以此來(lái)調(diào)節(jié)調(diào)整支架的訓(xùn)練高度。2.3.2 動(dòng)力單元的設(shè)計(jì)氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和電氣驅(qū)動(dòng)這三種驅(qū)動(dòng)方式是目前機(jī)器人機(jī)構(gòu)所普遍使用的驅(qū)動(dòng)方式。表 2.4 為三種驅(qū)動(dòng)方式的比較。調(diào)整支架動(dòng)力單元傳動(dòng)單元控制機(jī)構(gòu)表 2.4 氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和電氣驅(qū)動(dòng)比較優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)氣壓驅(qū)動(dòng)1.介質(zhì)來(lái)源方便 2.響應(yīng)快 3.調(diào)節(jié)方便 4.易于維護(hù) 5.適應(yīng)能力強(qiáng)1.精度差 2.輸出功率小 3.穩(wěn)定性差 4.噪音大液壓驅(qū)動(dòng)1.承載能力大 2.無(wú)極調(diào)速范圍大 3.傳動(dòng)平穩(wěn) 4.操作方便 5.安全可靠1.能量損耗大 2.傳動(dòng)效率低 3.實(shí)現(xiàn)定傳動(dòng)比困難 4.油液受溫度影響電氣驅(qū)動(dòng)1.運(yùn)動(dòng)精度高 2.響應(yīng)速度快 3.驅(qū)動(dòng)效率高4.信號(hào)的采集、處理方便 5.易于控制 6.不污染環(huán)境等——根據(jù)以上三種驅(qū)動(dòng)方式的比較，并且結(jié)合康復(fù)機(jī)器人的性能要求、應(yīng)用場(chǎng)合以及特殊的工作對(duì)象，下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式選擇電氣驅(qū)動(dòng)。2.3.3 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵部分是訓(xùn)練部分。通過(guò)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)人體的下肢在合理安全范圍內(nèi)做往復(fù)的圓周運(yùn)動(dòng)來(lái)對(duì)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練是本文所設(shè)計(jì)的下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的主要原理。本文所設(shè)計(jì)的訓(xùn)練機(jī)構(gòu)和人體的下肢共同構(gòu)成了一個(gè)四連桿桿機(jī)構(gòu)，老年人或者下肢殘疾的患者是本文所設(shè)計(jì)的下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)所訓(xùn)練的主要群體，所以安全性能要求很高，盡量要避免給患者造成二次傷害，由此所設(shè)計(jì)的訓(xùn)練機(jī)構(gòu)傳動(dòng)一定要平穩(wěn)，對(duì)患者下肢的沖擊一定要小。因?yàn)辇X輪傳動(dòng)有效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比穩(wěn)定，工作可靠，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，而且圓錐齒輪傳動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)兩垂直軸之間的傳動(dòng)，所以我們采用的是圓錐齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)方式。2.3.4 腳蹬的設(shè)計(jì)當(dāng)患者進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，化簡(jiǎn)為圖 2.4 所示的下肢運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，患者坐在座椅上，進(jìn)行腳踏車運(yùn)動(dòng)，為了使患者能夠達(dá)到最好的訓(xùn)練效果，應(yīng)該盡可能的使下肢各關(guān)節(jié)在各自的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)達(dá)到最大。表 2.5 為圖 2.4 中各字母所代表的含義。表 2.5 字母含義由圖 2.2 和表 2.3 可知坐姿狀態(tài)下大腿與小腿的夾角∠ABC 的范圍為 75°-180°，字母 D C B A O OE CE含義肩關(guān)節(jié)髖關(guān)節(jié)膝關(guān)節(jié)腳踏板轉(zhuǎn)柄轉(zhuǎn)柄轉(zhuǎn)軸中心轉(zhuǎn)柄轉(zhuǎn)軸到髖關(guān)節(jié)所在水平面的垂直距離轉(zhuǎn)柄轉(zhuǎn)軸到髖關(guān)節(jié)的水平距離大腿和人體垂直軸的夾角∠BCD 的范圍 65°-120°。 圖 2.4 下肢運(yùn)動(dòng)示意圖 2.4 控制模塊設(shè)計(jì)控制模塊也是下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)比較重要的一部分，本文設(shè)計(jì)的下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)有四種不同的模式，控制模塊主要是對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度、位置及力矩進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)這四種不同的訓(xùn)練模式。本文設(shè)計(jì)的下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)主要有三個(gè)子系統(tǒng)，分別是上位機(jī)控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和傳感反饋系統(tǒng)。上位機(jī)控制系統(tǒng)主要包括 ARM 主控微機(jī)和人機(jī)交互界面。ARM 主控微機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行管理以及運(yùn)行上層控制算法，人機(jī)交互界面主要用于設(shè)置訓(xùn)練模式、設(shè)定相關(guān)訓(xùn)練參數(shù)以及顯示康復(fù)訓(xùn)練效果；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)即直流電機(jī)控制器，負(fù)責(zé)接收并解釋上位機(jī)控制系統(tǒng)指令，不僅要能控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)患肢實(shí)現(xiàn)平滑連續(xù)的軌跡運(yùn)動(dòng)，而且還要能根據(jù)不同的上位機(jī)控制指令對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)時(shí)地做出相應(yīng)調(diào)整，進(jìn)而帶動(dòng)患肢執(zhí)行不同模式、不同強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練；傳感反饋系統(tǒng)包括各類傳感器及相應(yīng)的處理模塊，主要用于檢測(cè)并實(shí)時(shí)反饋傳感器采集的轉(zhuǎn)柄位置、速度以及患肢與康復(fù)訓(xùn)練器之間的相互作用力等運(yùn)動(dòng)參數(shù)?；颊呷藱C(jī)交互頁(yè)面主控微機(jī)圖 2.5 硬件控制系統(tǒng)下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)直流電機(jī)增量式編碼器扭轉(zhuǎn)傳感器控制器數(shù)據(jù)采集模塊復(fù)位接近快關(guān)電刺激訓(xùn)練模塊3 下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析3.1 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)調(diào)整支架的設(shè)計(jì)立柱和電動(dòng)推桿構(gòu)成了下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的調(diào)整支架，設(shè)計(jì)方案如圖 3.1 所示。圖 3.1 下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)調(diào)整支架下面我們主要針對(duì)電動(dòng)推桿進(jìn)行設(shè)計(jì)。 目前，電動(dòng)推桿的市場(chǎng)是很成熟的，所以我們直接對(duì)電動(dòng)推桿進(jìn)行選購(gòu)。對(duì)電動(dòng)推桿進(jìn)行選型，要確定電動(dòng)推桿在運(yùn)動(dòng)過(guò)程當(dāng)中的最大推力值。下面對(duì)電動(dòng)推桿推力的大小進(jìn)行確定。如圖 3.2 為機(jī)構(gòu)主體部分在兩個(gè)極限位置時(shí)兩電動(dòng)推桿長(zhǎng)度的變化。暫時(shí)給定兩極限位置的差值為 285 mm。圖 3.2 兩極限位置時(shí)電動(dòng)推桿長(zhǎng)度變化 圖 3.3 電動(dòng)推桿推力求解坐標(biāo)系 平面任意力系平衡的充要條件為：（二維靜力學(xué)平衡條件）(3-1)???0)(0,iyixi FMF，根據(jù)二維靜力學(xué)平衡條件，對(duì)下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)主體部分進(jìn)行受力分析，建立推力求解坐標(biāo)系，如圖 3.3 所示，圖中各字母代表含義及主要數(shù)據(jù)見表 3.1 。表 3.1 字母含義及主要數(shù)據(jù)字母 θ α l h r位置名稱下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)主體部分與立柱的夾角電動(dòng)推桿與立柱的夾角立柱高度（電動(dòng)推桿末端鉸鏈到主體部分練機(jī)構(gòu)末端鉸鏈的距離）電動(dòng)推桿推力作用點(diǎn)到下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)末端鉸鏈的距離下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)質(zhì)心到下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)末端鉸鏈的距離數(shù)據(jù) 17°-98° — 620mm 230mm 400mm其中 (3-2)??cosinarthl??代入 3.1 中參數(shù)化簡(jiǎn)得(3-3)cs236iartn由圖 3.3 和表 3.1 列平面任意力系方程：(3-4)????????0sincosin0??GrhFxyAx即 (3-5)???? ????0sinicossin0i ????GrFhhAyx式中 F、F x、F y—分別為電動(dòng)推桿推力大小和 x、y 方向分力大小(N)； FAx、F Ay—分別為支架在 x、y 方向的約束力大小 (N)； G—下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)主體部分重力大小(N)；將 G=150 N 及表 3.1 中的參數(shù)代入式(3-5) 中，得到 F 關(guān)于 θ 和 α 的表達(dá)式：(3-6))sin(2360F?????將式(3-3)和式(3-6)聯(lián)立，從而得到 F 與 θ 的關(guān)系式：(3-7) )cos236inarctsin(23s???式中 ，計(jì)算得 Fmax=285 N，即電動(dòng)推桿推力最小應(yīng)能達(dá)到 285 N。)9817(????由于在訓(xùn)練過(guò)程中，電動(dòng)推桿要承受人體下肢的部分質(zhì)量，綜合考慮，最終確定電動(dòng)推桿推力為 350 N。 表 3.2 列出了所選擇的電動(dòng)推桿的具體參數(shù)。表 3.2 電動(dòng)推桿相關(guān)參數(shù) 生產(chǎn)廠家 型號(hào) 額定電壓 行程 功率 推力BOSGOAL TG-300B 24 V 300 mm 40W 350 N為了避免在下肢康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中機(jī)器忽然斷電等原因?qū)颊叩南轮斐啥蝹Γ覀兯x擇的這款電動(dòng)推桿內(nèi)置有限位開關(guān)，具有自鎖功能，并且噪音低。3.2 下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)主體部分設(shè)計(jì)3.2.1 減速器的設(shè)計(jì)與選型在減速器方面，因?yàn)樾行菧p速器具有承載能力高，體積小、重量輕，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，使用壽命長(zhǎng)，噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，在石油化工、起重運(yùn)輸、醫(yī)療康復(fù)器械、工程機(jī)械、輕工紡織、儀器儀表、汽車、兵器、船舶和航空航天等行業(yè)都有非常廣泛的應(yīng)用，所以本文所設(shè)計(jì)的下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)選用的行星減速器，減速比為 16:1，表 3.3 為行星減速器的相關(guān)參數(shù)。表 3.3 行星減速器相關(guān)參數(shù) 生產(chǎn)廠家 減速器型號(hào) 長(zhǎng)度 輸出轉(zhuǎn)矩 工作效率 空載回差 減速比埃依琪 P52HA 53.5 15Nm 81% ≤0.8 16:13.2.2 圓錐齒輪的傳動(dòng)設(shè)計(jì)與選型圓錐齒輪傳動(dòng)是以大端參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值的，以下為圓錐齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)步驟：通常取 α（大端壓力角）=20°，ha*（齒頂高系數(shù)） =1，c* （頂隙系數(shù)）=0.2 。由以上驅(qū)動(dòng)電機(jī)和行星減速器的選取，可知圓錐齒輪的減速比為 2:1。(1)選精度等級(jí)、材料及齒數(shù)。1)醫(yī)療康復(fù)器械的傳動(dòng)比的要求都嚴(yán)格，選 6 級(jí)精度(GB 10095-88)。2)選擇小齒輪材料為 40Cr，大齒輪材料為 45 鋼。3)初選小齒輪齒數(shù) z1=19，大齒輪齒數(shù) z2= 2 × 19=38。 (2)按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。齒面接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為：（3-8）32121 )5.0()][(9. uKTZdRHE????式中d1——分度圓直徑(mm)；ZE——彈性影響系數(shù) (MPa1/2)； [σH]——接觸疲勞許用應(yīng)力(MPa) ； K——載荷系數(shù)； T1——小圓錐齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩(Nm)；φR——齒寬系數(shù)； u——傳動(dòng)比。其中， ，P 1—輸入功率，n 1—小圓錐NmnpT24.61/490.5.15.9221 ?????齒輪轉(zhuǎn)速。查表選取齒寬系數(shù) φR=1/3，彈性影響系數(shù) ZE=189.8MPa1/2，接觸疲勞許用應(yīng)力[σ H]=522.5MPa。將以上參數(shù)值代入式（3-7），得到 d1≥38.23mm，修正之后最小值 d1=37.24mm，模數(shù) m=d1/z1=1.96mm。(3)按齒根彎曲強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。齒面接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為：（3-9）321][)5.0(4FSaRYuZKTm?????式中 YFa——齒形系數(shù)； YSa——應(yīng)力校正系數(shù)； [σF]——彎曲疲勞許用應(yīng)力。其中，查表得 YFa=2.85、 YSa=1.54，由上文已知其他參數(shù)，彎曲疲勞許用應(yīng)力大小圓錐齒輪分別為[σ F]1=238.86 MPa，[σ F]2=303.57 MPa。將上述參數(shù)值代入式(3-8) 中，得 m≥1.36 mm，取 m=1.36mm。 對(duì)比上述計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù) m 的大小主要取決于齒根彎曲疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲疲勞強(qiáng)度所得的模數(shù) 1.36 并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值 m=1.5 mm，按齒面接觸強(qiáng)度所得的分度圓直徑 d1=37.24 mm，算得小齒輪的齒數(shù)z1= =24.83≈25md大齒輪齒數(shù) z2=2 25=50。 ?(4)確定圓錐齒輪的幾何尺寸。表 3.4 為圓錐齒輪幾何尺寸計(jì)算結(jié)果。 表 3.4 圓錐齒輪主要參數(shù) 名稱 小圓錐齒輪 大圓錐齒輪分度圓直徑(mm) 37.5 75分度圓錐角(°) 26.57 63.43錐距(mm) 41.93齒頂高(mm) 1.5齒根高(mm) 1.8齒頂圓直徑(mm) 40.18 76.34齒根圓直徑(mm) 34.28 73.39齒頂角(°) 2.05齒根角(°) 2.46齒頂錐角(°) 28.62 65.48齒根錐角(°) 24.11 60.97分度圓齒厚(mm) 2.36齒寬(mm) 13.98(5)獲得了圓錐齒輪的幾何參數(shù)，從而繪制大圓錐齒輪的零件圖，見附錄 B1。3.2.3 腳蹬的設(shè)計(jì)與計(jì)算按產(chǎn)品功能分，腳蹬所屬產(chǎn)品類型為ⅡB，曲柄的長(zhǎng)度選取以小身材的人群為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)尺寸定位第 5 百分位的女性尺寸，這樣選取大身材的人群也能夠使用。下肢運(yùn)動(dòng)示意圖如圖 3.4。其中，ABC 為人體坐在座椅上進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)大腿與小腿夾角∠BCD、大腿與人體軀干夾角 ∠ABC 都最小時(shí)的狀態(tài)； A1B1C 為腳步離開腳蹬的情況下進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)下肢與人體軀干夾角最大時(shí)的狀態(tài)，此時(shí)大腿與小腿在一條直線上。由表 2.1 和 2.2 可知在圖 3-4 中，d=402mm 為大腿長(zhǎng)，小腿加上足高為 342mm，鞋厚定為 20mm，所以修正之后的小腿加足高為 362mm，即 e=362mm。一般我們的座椅都會(huì)有一個(gè)很小的傾角，范圍在 0~5°，可以忽略不計(jì)。圖 3.4 下肢運(yùn)動(dòng)示意圖(1)當(dāng)人體處于 ABC 位置時(shí)，∠BCD=65°，∠ABC=75°，BC=403mm，AB=362mm，在△ ABC 中由余玄定理得(3-10)?????75cos2AC2ABCB即 (3-11)mindel從而求得：l min=466mm。又 (3-12))2/()(cos2C?????則 ∠ACB=49°(2)當(dāng)人體運(yùn)動(dòng)處于 A1B1C 位置時(shí)，∠DCA 1=120°，∠A 1B1C=180°，得(3-13)???????? 649520DO在△AOC 中， ，OA=21 76340rr?2(3-14)CAO??cos即 (3-15))746(262r????由此可得：r 2=155mm因此可得到下肢做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)回轉(zhuǎn)半徑（即腳蹬曲柄長(zhǎng)度）為 155mm，OC=609mm 。 接下來(lái)對(duì)屬于男女通用的產(chǎn)品的腳蹬進(jìn)行設(shè)計(jì)，腳蹬的設(shè)計(jì)尺寸定為第 50 百分位的尺寸，查閱國(guó)標(biāo) GB10000-88 得第 50 百分位的尺寸數(shù)據(jù)為：足長(zhǎng)男性為 247mm，女性為 229mm；足寬男性為 96mm，女性為 88mm。由此得出腳蹬長(zhǎng)度應(yīng)為(P 50 男 +P50 女 )/2=238mm，同理腳踏板的寬度為 92mm。再加上鞋子寬度 15mm，長(zhǎng)度 25mm，修正之后腳蹬長(zhǎng)度為 263mm，寬度為 107mm。 3.3 下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的人機(jī)建模及運(yùn)動(dòng)分析3.3.1 人機(jī)模型的建立將下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)與人體下肢相結(jié)合起來(lái)時(shí)，我們就構(gòu)建了人機(jī)模型。我們?nèi)梭w的下肢主要包括下髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)這三大關(guān)節(jié)，這三大關(guān)節(jié)相互協(xié)調(diào)，從而使下肢能夠完成一些復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。在患者進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，主要是使下肢在矢狀面內(nèi)進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的活動(dòng)，而下肢在冠狀面和橫斷面的運(yùn)動(dòng)只是輔助運(yùn)動(dòng)，對(duì)于下肢康復(fù)治療并沒有顯著的治療效果，并且這對(duì)于一些初期進(jìn)行下肢康復(fù)治療的患者難度很大，操作不當(dāng)反而不利于下肢康復(fù)治療，所以本文所設(shè)計(jì)的下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)主要帶動(dòng)人體下肢在矢狀面內(nèi)進(jìn)行簡(jiǎn)單地踏車圓周運(yùn)動(dòng)。因?yàn)楸疚乃O(shè)計(jì)的下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)針對(duì)的是下肢運(yùn)動(dòng)有障礙的患者，他們的下肢活動(dòng)不是很靈活，所以出于對(duì)患者進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練時(shí)安全的考慮，我們將腳掌與腳蹬之間用繃帶緊固連接起來(lái)，這樣患者下肢關(guān)節(jié)只能在矢狀面內(nèi)做簡(jiǎn)單的訓(xùn)練，自由度為 1。下圖 3.5 a)為一個(gè)平面閉環(huán)鉸鏈五桿機(jī)構(gòu)的人機(jī)模型，因?yàn)槿梭w左腿與右腿在下肢康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中所接受的訓(xùn)練是一樣的，即左腿和右腿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是一樣的，所以只建立一條腿的人機(jī)模型即可。在此人機(jī)模型中，將人體的上肢下肢各關(guān)節(jié)簡(jiǎn)化成剛性鉸鏈，基桿為視為靜止不動(dòng)的人體軀干、座椅和下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)組成的連桿，下肢被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)柄可視為一個(gè)連桿，它與基座形成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，腳掌和踏板固連時(shí)可視為一連桿與踏板轉(zhuǎn)軸之間形成一轉(zhuǎn)動(dòng)副，再加上人體下肢(單腿)簡(jiǎn)化的鉸鏈三連桿模型，最終構(gòu)成一個(gè)平面閉環(huán)鉸鏈五連桿模型，這就是患者在進(jìn)行踏車訓(xùn)練時(shí)所構(gòu)成的人機(jī)模型。 3.5 a) 平面閉環(huán)鉸鏈五連桿模型 下圖 3.5 b)為平面閉環(huán)鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)的人機(jī)模型。在對(duì)患者進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練的初期，即患者在被動(dòng)訓(xùn)練模式和功能性電刺激訓(xùn)練模式下，患者的下肢肌肉基本上是發(fā)不出力的，患者下肢的運(yùn)動(dòng)基本上都是由康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)帶動(dòng)的。因此出于對(duì)患者安全的考慮，我們?cè)O(shè)計(jì)了可拆卸的小腿護(hù)具，使小腿、腳掌和腳蹬緊固連接起來(lái)，用于保護(hù)患者。由此將上文的平面閉環(huán)鉸鏈五連桿機(jī)構(gòu)模型簡(jiǎn)化成了平面閉環(huán)鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)模型。3.5 b) 平面閉環(huán)鉸鏈四連桿模型3.3.2 被動(dòng)訓(xùn)練時(shí)人機(jī)模型運(yùn)動(dòng)分析在患者進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練時(shí)，患者下肢以預(yù)定速度進(jìn)行實(shí)現(xiàn)圓周踏車運(yùn)動(dòng)，這樣患者下肢關(guān)節(jié)得到了活動(dòng)，下肢肌肉就得到了放松，防止了肌肉萎縮等不良后果。通過(guò)以上分析，患者在進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練時(shí)，我們可以將患者和機(jī)構(gòu)看做平面閉環(huán)鉸鏈四桿模型，自由度為 1，圓周運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)末端轉(zhuǎn)柄的活動(dòng)，此時(shí)，小腿和足固連在一起，末端軌跡是已知的，所以我們主要分析大腿和小腿位姿以及髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)的角速度與已知的轉(zhuǎn)柄的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間的關(guān)系。下面通過(guò)列矢量方程的方法求解各桿件之間運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系。以平面閉環(huán)鉸鏈四桿作為模型建立復(fù)數(shù)坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)為髖關(guān)節(jié)中心，如圖 3.6。表 3.6 為圖 3.5 中各字母含義。表 3.4 各字母含義字母 O A B C l1含義 髖關(guān)節(jié)中心 膝關(guān)節(jié)中心 踏板轉(zhuǎn)軸中心 轉(zhuǎn)柄轉(zhuǎn)軸中心 大腿長(zhǎng)度字母 l2 l3 l4 a b含義膝中到轉(zhuǎn)柄中距離轉(zhuǎn)柄長(zhǎng)度髖關(guān)節(jié)到轉(zhuǎn)柄轉(zhuǎn)軸距離小腿長(zhǎng)度踝中到轉(zhuǎn)柄中距離字母 1?2?3???含義 大腿絕對(duì)角度膝中到轉(zhuǎn)柄中連線絕對(duì)角度轉(zhuǎn)柄的絕對(duì)角度基桿(髖關(guān)到轉(zhuǎn)軸距離連線) 絕對(duì)角度小腿絕對(duì)角度在進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練時(shí)，轉(zhuǎn)柄的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)已知，需要求得大腿和小腿的位姿 以及??、1髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的角速度 與轉(zhuǎn)柄的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 之間的關(guān)系。???、1 3??、圖 3.6 被動(dòng)訓(xùn)練時(shí)平面閉環(huán)鉸鏈四桿模型（1）大腿和小腿位姿分析。以 B 點(diǎn)為研究對(duì)象，由 OAB 和 OCB，可列一位置向量方程 (3-16)????CBOA式（3-16 ）用復(fù)數(shù)表示為(3-17)3421 ???jjjj ellel把式(3-17)中的 項(xiàng)移到等號(hào)的右邊，然后，等號(hào)兩邊乘上它們各自的共軛復(fù)數(shù) 1j(3-18)))(()( 13413422 ????? jjjjjjjj ellellll ??? ???利用歐拉公式 可將式(3-17) 展開，并合并同類項(xiàng)，得到 sincoej??(3-19))cos(2)cos(2)( 313143431412321? lllll將上式展開，得(3-20)14343242311314 )cos(in)in)sco(lll ll????????令(3-21)????????143432423134231 )cos(sinicolllAll ???則有(3-22)3121sincoA??求解方程，得到 關(guān)于 的表達(dá)式(3-23))arctn(31221?????求得 關(guān)于 的表達(dá)式后，將式（3-17）展開，有3(3-24))sin(co)sin(co)sin(co)si(co 33442211 ???jljljljl ????將上式實(shí)部和虛部分開，得到(3-25)?????1342 coscossiiini??llll將上式上下兩式相除，整理得到 關(guān)于 的表達(dá)式2?3