机械原理课程设计-卧式下肢康复机的设计.doc

精品设计
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
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
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,设计机构尺寸 6
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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。

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0
o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。

(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。
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。


如图所示建立位置坐标系,各矢量如图,地