腳踝康復機結構部分畢業(yè)設計正文

淮陰工學院

畢業(yè)設計說明書（論文）作者:陳挺學號：1111121107系(院):機械工程學院專業(yè):機械設計制造及其自動化(專轉(zhuǎn)本)題目:腳踝康復機設計——機械設計講師殷永華講師殷永華指導者：(姓名)(專業(yè)技術職務)評閱者：(姓名)(專業(yè)技術職務)2015年5月畢業(yè)設計說明書（論文）中文摘要在分析人體腳踝的基本結構、運動過程和一些常見的康復手段的基礎上，本文提出了三種可行性機構方案。通過各方案逐一的比較分析，確定一種具有兩個擺動自由度，利用絲桿滑臺傳動的腳踝康復機方案。依據(jù)醫(yī)學參數(shù)及設計要求，進行部件計算及選型，利用Creo2.0軟件中Simulate模塊對重要零件進行有限元分析及運動分析，驗證方案準確性，并制造出腳踝康復機原型機。該原型機結構機構簡單、運動靈活、控制方便、成本低廉，在某醫(yī)院的臨床試驗中驗證了該腳踝康復機結構設計的合理性。關鍵詞腳踝康復，Creo2.0，有限元分析，畢業(yè)設計說明書（論文）外文摘要TitleTheDesignofAnAnkleRehabilitationMachine-MechanicalDesignAbstractBasedontheanalysisofthebasicstructure,movementprocessandsomecommonrehabilitationmeasuresofhumanankle,thispaperpresentsthreefeasiblemechanisms..Ahastwoswingingdegreeoffreedom,thewirerodslidetransmissionofanklerehabilitationmachineschemeisdeterminedthroughcomparisonanalysisoftheschemeofonebyone.Accordingtomedicalparametersanddesignrequirements,componentcalculationandselection,usingsimulatemoduleCreo2.0softwareinfiniteelementanalysisandmotionanalysisofimportantparts,theschemetovalidatetheaccuracy,andmakingtheanklerehabilitationmachineprototype.Thestructureoftheprototypesimplemechanism,flexiblemovement,convenientcontrol,lowcost,inahospitalinclinicaltrialstoverifytherationalityofthestructuredesignoftheanklerehabilitationmachine.KeywordsAnkleRehabilitation,Creo2.0,FiniteElementAnalysis淮陰工學院畢業(yè)設計說明書（論文）第頁共37頁1緒論1.1課題背景與意義目前，隨著長期臥床不能運動患者的增多，癱瘓、下肢功能障礙等成為了常見的并發(fā)癥。由于患者的下肢長期得不到鍛煉，肌肉、基膜和結締組織性能減退，造成肌肉僵硬，甚至出現(xiàn)廢用性肌萎縮等。小腿的三頭肌持續(xù)痙攣而得不到牽伸就會導致跟腹攣縮，會使得原本可逆的足下垂轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢赡娴淖阆麓?。此外，如果患者長期無法運動，肌肉就會出現(xiàn)廢用性的肌萎縮，導致腳踝背伸肌肉群力量的減退，腳踝變得背伸困難，會造成患者肢足下垂、內(nèi)翻及足跟不能正常走路，引發(fā)骨髓、膝蓋、腳踝痙攣，因此預防與矯正足下垂是對這類患者護理工作的重點[1-3]。腳踝康復訓練的基本方法是理療師一對一的對患者進行腳踝背屈、跖屈、內(nèi)翻、外翻、內(nèi)旋、外旋的康復訓練。該訓練方法對患者腳踝功能的恢復起到了至關重要作用，同時為理療醫(yī)師積累了寶貴的實踐經(jīng)驗。然而，這種康復方式背后也存在著不足與弊端：理療醫(yī)師只能同時對一名患者進行康復治療，而目前需要接受治療的患者數(shù)量巨大，使理療醫(yī)師的需求量日益增多，遠滿足不了患者的需求；傳統(tǒng)的手工訓練方式需要耗費理療醫(yī)師大量的時間和體力，無法保證充足的康復時間和足夠的康復強度；勞動力成本的增加，導致傳統(tǒng)手工訓練的成本陡增，醫(yī)療開支巨大，成為普通家庭難以越過的鴻溝；患者也很難醫(yī)師進行良好的互動，訓練的信息可能無法及時的反饋，影響訓練的舒適性，使康復訓練變得枯燥無味；傳統(tǒng)訓練不能記錄訓練的各種參數(shù)（比如：運行的軌跡、速度、角度等），只能靠醫(yī)師的經(jīng)驗進行訓練，得不到定量的分析，對康復訓練方法的改進帶來了困難，并且對患者神經(jīng)康復規(guī)律的研究帶來挑戰(zhàn)[4-5]。當今社會，醫(yī)療物資相對緊缺，相當多的受傷患者失去了早期康復治療的最有利時機，給患者的康復帶來了嚴重的影響[6-7]。因此，開拓新的康復訓練手段和進一步提高康復效果是解決患者肌肉萎縮和預防深靜脈血栓的當務之急。設計腳踝康復機來對患者進行腳踝康復訓練，既可以模擬傳統(tǒng)的腳踝康復訓練的方法，又可以彌補傳統(tǒng)方法中存在的不足，具有如下優(yōu)點：機器可以被簡單的復制，可以根據(jù)患者的數(shù)量來增加或減少，很好的解決了人手不足的問題，并且機器可以連續(xù)工作，不知疲倦，可以充分滿足患者對訓練時間和強度的需求；腳踝康復機能夠節(jié)約理療醫(yī)師的工作時間，這樣他們可以利用訓練的時間來制訂患者的腳踝康復方案。而腳踝康復機運行的數(shù)據(jù)也可以記錄下來，用于對該患者前后訓練結果比對；腳踝康復機能夠及時的獲取患者腳踝的血液壓力、流速等信息，快速地做出響應，以便讓康復訓練變得更加完美，同時患者也可以從腳踝康復機的屏幕上實時了解到當前康復的時間、速度、力度、周期等一系列康復數(shù)據(jù)；腳踝康復機的訓練數(shù)據(jù)，可以讓醫(yī)師發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)與治療結果之間潛在關系，從而發(fā)現(xiàn)康復訓練的規(guī)律?？偠灾?，腳踝康復機為腳踝康復患者帶來福音。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展，可實現(xiàn)遠程康復訓練以及一對多的康復訓練[8]。1.2腳踝康復機研究狀況腳踝康復機是一種新興的康復機器人技術，20世紀80年代是康復機器人的起步階段，其研究主要集中分布在美國、英國、加拿大、歐洲、日本等5個工業(yè)區(qū)內(nèi)的56個研究中心[9]。進入90年代后，隨著傳感器技術的快速發(fā)展，康復機器人也得到了全面的發(fā)展。目前，融合了先進傳感器技術和康復方案的康復機器人在康復治療和護理領域得到了廣泛運用。近年來，在腳踝康復部分的研制同樣取得了不錯的成果。1.2.1國外研究狀況美國“Rutgersankle”腳踝康復機美國羅格斯大學研制的“Rutgersankle”是一臺基于Stewart平臺可遠程控制并帶有虛擬現(xiàn)實力反饋的腳踝康復機系統(tǒng)[9]，如圖1.1，1.2所示。Stewart平臺通過6根支桿汽缸將定平臺與動平臺連接，而通過球鉸鏈將支桿與上下平臺相連接。上平臺通過6個支桿汽缸長度的變化來實現(xiàn)6個自由度的改變。可以說該機構是最早的并聯(lián)機構。在控制系統(tǒng)方面采用了人機交互的趣味游戲，一改人們對以往康復枯燥無味的印象。同時，6個支桿汽缸的末端還安裝了力與力矩的傳感器來采集康復過程中的受力數(shù)據(jù)。這些采集的受力數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)技術上傳給遠處的理療醫(yī)師，從而讓醫(yī)師了解到患者的康復情況，也可以現(xiàn)實遠程的控制、指導和評估等功能。圖1.SEQ圖1.\*ARABIC1Rutgersankle機器人圖1.SEQ圖1.\*ARABIC2腳踝康復機韓國4自由度腳踝康復機韓國的Yooh和Ryu提出了可重構的氣動雙向運動平面4自由度踝關節(jié)康復外骨骼系統(tǒng)[10]，如圖1.3所示。該機構利用兩個組合的并聯(lián)機構，利用控制系統(tǒng)來改變四個汽缸的伸出長度，來實現(xiàn)上部的平面帶動腳踝完成跖屈、背屈、內(nèi)旋、外旋等康復訓練的動作。同時，可以通過四個汽缸帶動平面的環(huán)繞，來完成腳踝康復環(huán)繞訓練。此外，可以通過重組結構，構成平衡訓練儀。圖1.SEQ圖1.\*ARABIC3氣動4自由度腳踝康復機a)結構示意圖b)腳踝被動訓練模式c)平衡訓練模式英國倫敦大學研制的腳踝康復并聯(lián)機構通常的腳踝康復訓練只能用到三個或者四個自由度，多余的自由度都將造成機構的臃腫。倫敦大學提出了如圖1.4、1.5所示的腳踝康復機構方案[11]，讓結構得到了極大的簡化。圖1.SEQ圖1.\*ARABIC43-SPS/S并聯(lián)機構腳踝康復機圖1.SEQ圖1.\*ARABIC54-SPS/SP并聯(lián)機構腳踝康復機通過控制彈簧壓縮力來調(diào)節(jié)背屈力大小的腳踝康復訓練輔助裝置Yamamoto等[11]通過控制彈簧壓縮力的思路，設計了一種背屈力可調(diào)的腳踝康復訓練裝置，以提高肌肉強度，如圖1.6所示。韓國首爾延世大學單自由度主動式腳踝矯形器韓國首爾延世大學的Kim和Hwang，開發(fā)了一種單自由度的腳踝康復機[12]。通過腳底的接觸開關來判斷患者的腳底與地接觸的情況,來控制腳踝康復機，如圖1.7所示。圖1.SEQ圖1.\*ARABIC6彈簧壓力可控腳踝康復機圖1.SEQ圖1.\*ARABIC7韓國延世大學的AAF0及其腳底接觸開關1.2.2國內(nèi)研究狀況燕山大學的空間并聯(lián)式踝關節(jié)康復機器人機構燕山大學的于海波通過對腳踝運動模型的簡化,提出了空間3-RSS/S機構和空間3-SPS/S機構的空間并聯(lián)式腳踝康復機器人機構[13],分別如下圖所示。圖1.SEQ圖1.\*ARABIC8空間3-RSS/S機構并聯(lián)式腳踝康復機圖1.SEQ圖1.\*ARABIC9空間3-SPS/S機構并聯(lián)式腳踝康復機南京理工大學腳踝康復機南理工與金華科惠醫(yī)療儀器公司一起開發(fā)出了JK-H1腳踝康復機。該腳踝康復機只有一個自由度，無法滿足腳踝像球運動副一樣具有多個旋轉(zhuǎn)自由度，導致其康復運動的方式存在不足，難以實現(xiàn)理想恢復效果。1.3腳踝康復機設計的技術難點本課題的最終目的是為了設計一種運用在腳踝康復初期的腳踝康復機器，能夠擺脫傳統(tǒng)理療醫(yī)師的手工按摩，取而代之的是利用腳踝康復機模擬理療醫(yī)師對患者的腳踝進行背屈與跖屈，內(nèi)旋與外旋，內(nèi)翻與外翻等腳踝康復訓練，同時能夠滿足使用方便，操作簡單，通用性好的要求。在設計腳踝康復機的時，主要存下如下的幾個技術難點。腳踝康復機結構的合理設計在設計機構時，應考慮到使用的安全性，尤其是要設計可靠的機械保護以應對控制系統(tǒng)突發(fā)的控制失效或者是操作者的使用不當所造成的事故。其次，應該考慮腳踝康復機的適用康復階段避免機構的冗余以及在保證康復訓練需求的情況下應盡量減少機構的成本。同時，為了滿足當下消費者對產(chǎn)品美學的追求，還應兼顧產(chǎn)品的外型，保證腳踝康復機具有比較優(yōu)美的外型，以便在日后進入市場時能得到消費者的青睞。操作的簡易與運行的穩(wěn)定性由于腳踝康復機主要使用在醫(yī)院或者普通老百姓的家庭，面向的對象通常是理療監(jiān)護人員或者普通的老百姓，他們往往缺少機電一體化方面相關的專業(yè)知識，可能出現(xiàn)操作不當而出現(xiàn)對腳踝二次損傷的現(xiàn)象。所以要求腳踝康復機具有操作簡單且穩(wěn)定性高，以及具有可靠的保護措施是腳踝康復機設計過程中時刻要考慮的問題。1.4本文研究的內(nèi)容腳踝康復機的研制包涵了結構設計和控制系統(tǒng)的設計，本文主要講解結構設計，主要包涵如下內(nèi)容：腳踝的生理構造、運動分析以及康復由于腳踝康復機的使用對象是腳踝受傷的患者，所以用戶的體驗十分的重要。因此在設計腳踝康復機之前，需要我們先從人的腳踝入手，了解人體腳踝的生理構造、運動過程以及康復原理。腳踝康復機的機構分析與最終確定腳踝康復機的結構關系到控制系統(tǒng)的設計與編程問題，所以在設計腳踝康復機之前就需要對現(xiàn)有類似的康復機結構做詳細的解剖比較，結合當前的需求選擇和設計腳踝康復機的結構。因此，結構設計時就要對結構（除了結構外，還包括驅(qū)動、運動自由度的分配和布置，以及制造工藝的分析）進行整機的考慮，實現(xiàn)結構分配的優(yōu)化。腳康復機設計過程腳踝康復機的結構設計正如同其他機械產(chǎn)品一樣，都需要有詳細的標準件的選型過程和非標零件的設計計算。只有通過這些詳細的設計步驟，才能保證設計的機構具有較高的可靠性和穩(wěn)定的質(zhì)量。同時這些數(shù)據(jù)也是往后維修和結構升級改造的有利依據(jù)。原型機設計制造調(diào)試在完成結構設計初步之后，需要對設計的方案進行制造和實驗分析。這里就詳細的記錄在設計和制造過程中遇到的各種問題已經(jīng)解決的方案，以便于在系統(tǒng)設計或者整機升級過程中遇到類似問題時有據(jù)可循，為日后的工作帶來方便。1.5本章小結本章首先詮釋了腳踝康復醫(yī)療的意義與背景，闡述了在該領域已經(jīng)取得的科研成果，并進行了簡單的總結。然后分析了腳踝康復機在設計過程中需要注意的技術難點。最后介紹了本文在設計腳踝康復機時所完成的一些工作內(nèi)容和設計的目標。2.腳踝生理結構與康復手段由于腳踝康復機的使用對象是腳踝受傷的患者，所以用戶的體驗十分的重要。因此在設計腳踝康復機之前，需要我們先從人的腳踝入手，了解人體腳踝的生理構造、運動過程以及康復原理。2.1腳踝生理結構及其運動2.1.1解剖學術語[14]為了方便對腳踝的運動研究，我們可以將腳踝分成三個平面和腳踝的基本平面和三根軸，分別是矢狀面、水平面、額切面；額狀軸、垂直軸、矢狀軸。矢狀面：沿腳踝前后與地面垂直所作的平面。額切面：沿腳踝踝骨左右所作的與地面垂直的平面水平面：與地面平行的面。額狀軸：額切面與水平面的交線，垂直于矢狀面的軸。矢狀軸：是矢狀面與水平面的交線，垂直于額切面的軸。垂直軸：額切面與矢狀面的交線，垂直通過水平面的軸圖2.SEQ圖2.\*ARABIC1腳踝基本平面與旋轉(zhuǎn)軸示意圖2.1.2腳踝的結構腳踝是人體負重最大關節(jié)，也是下肢運動的主導關節(jié)。腳踝主要是由小腿的脛骨與腓骨的關節(jié)面以及距骨滑車構成的[15]。腳踝的結構如圖2.2所示。圖2.3所示，腳踝骨通過三組韌帶與腳板連接。在腳踝的內(nèi)側存在著脛側副韌帶，它是一種比較強韌的三角形韌帶。由于該韌帶比較強韌，所以很少受傷。而在脛骨與腓骨下端之間，存在著脛腓韌帶。由于它的存在使得脛腓骨緊密連接在一起，并與踝穴組成一個堅固的整體。我們根據(jù)其附著位置的不同，可以從前往后將其分為四部分：距脛后韌帶、跟脛韌帶、脛舟韌帶以及距脛前韌帶。腳踝的背屈角度范圍主要是由三角韌帶限制，而腳踝的跖屈范圍則由前部纖維限制。在腳踝的外側有腓側副韌帶，可分為：前腓、跟腓、距腓后韌[16-17]。圖2.SEQ圖2.\*ARABIC2腳踝結構示意圖圖2.SEQ圖2.\*ARABIC3腳踝解剖圖2.1.3腳踝的各種運動[16-17]腳踝的運動可分為四種：背屈與跖屈、內(nèi)翻與外翻、內(nèi)旋與外旋和環(huán)繞運動等。如圖2.4所示。背屈與跖屈：是指在矢狀面，繞額狀軸旋轉(zhuǎn)時，向前旋轉(zhuǎn)為背屈，向后旋轉(zhuǎn)為跖屈。一般活動范圍為:背屈0°至20°，跖屈0°至45°。外翻與內(nèi)翻：是指在額切面，繞矢狀軸旋轉(zhuǎn)時，遠離中間面時為外翻，接近中面時為內(nèi)翻。一般活動范圍為：內(nèi)翻0°至30°，外翻0°至20°。外旋與內(nèi)旋：是指在水平面，繞其本身的垂直軸旋轉(zhuǎn)時，從前面向內(nèi)側旋轉(zhuǎn)為內(nèi)旋，從前面向外面旋轉(zhuǎn)為外旋。一般活動范圍為：內(nèi)旋0°至20°，外旋0°至10°。圖2.SEQ圖2.\*ARABIC4腳踝運動示意圖從左至右依次為：背屈、跖屈、外翻、內(nèi)翻、外旋/內(nèi)旋環(huán)繞運動：是指繞額狀軸、矢狀軸連續(xù)運動時，運動軌跡描繪成一個圓錐體。2.2傳統(tǒng)腳踝康復的手段2.2.1康復訓練的階段腳踝的康復階段大體可以分為三個階段，分別是：康復訓練早期、康復訓練中期和康復訓練晚期。早期康復訓練主要的目的是適當增大腳踝的活動范圍以及恢復肌肉的活性,防止長期不能運動造成腳踝僵硬。中期康復訓練主要的目的是幫助病人找回平衡感。后期康復訓練的目的是通過平衡訓練和阻力的訓練，最終實現(xiàn)患者的康復。本課題所研究的腳踝康復機主要是針對早期功能康復訓練。2.2.2腳踝康復的一般步驟：第一步，回復腳踝原有的位置，在受到腳踝損傷之后，需要回復由損傷造成的關節(jié)移位和結構受損。醫(yī)師會大致檢查關節(jié)是否移位和對軟組織受損情況進行檢查（包括跟腱，韌帶和軟骨）。如果這些組織受到損傷，則需要打繃帶或者使用外部支架，情況嚴重，則需要進行手術。如果出現(xiàn)任何疑似的裂痕或者脫位，就需要核磁共振檢測或者X射線檢測來進一步確定結果并確定最適合的治療方法。第二步，恢復關節(jié)穩(wěn)定，當關節(jié)已經(jīng)復位，下一步就需要恢復關節(jié)的穩(wěn)定。這就需要一些特殊的練習來幫助重建腳踝的穩(wěn)定性和正常功能。練習的難度逐漸增加，大致分為：小范圍運動——靈活性練習平衡——感知練習加強力量練習加強持久練習靈活性——增強練習2.2.3常見的腳踝康復方法圖2.SEQ圖2.\*ARABIC5腳踝康復訓練項目指示圖2.3 本章小結本章分別從腳踝的生理結構、運動分析以及傳統(tǒng)的腳踝康復醫(yī)療手段進行了比較詳細的介紹，為后續(xù)腳踝康復機提供了重要的醫(yī)學依據(jù)，為機械結構的設計和確定建立了基礎。3.腳踝康復機的結構及其比較3.1常見腳踝康復機機構目前，腳踝康復機的結構很多。簡單的腳踝康復機結構有：單自由度的腳踝康復機，如圖3.1(a)所示，只能有一維轉(zhuǎn)動兩自由度的腳踝康復機，如圖3.1(b)所示，能夠?qū)崿F(xiàn)兩維的旋轉(zhuǎn)，但是第二級旋轉(zhuǎn)軸只能安裝在第一級的基礎上，導致運動機構質(zhì)量大，慣性較大。RR/RRR并聯(lián)機構方案能夠很好的解決上面的問題，實現(xiàn)各級分開安裝，慣性較小。如圖3.1(c)所示。實際上，腳踝可以被簡化為具有三個旋轉(zhuǎn)自由度的球運動副，因此腳踝康復機實際只需要三個轉(zhuǎn)動自由度，如果使用串聯(lián)三軸聯(lián)動的機構方案，必將導致后面幾根軸無法安裝在基座上，運動部件較重，慣性較大。所以為了滿足腳踝三個自由度的康復訓練，使用3-SPS/S,3-RSS/S,4-SPS/S等并聯(lián)機構開發(fā)的腳踝康復機，其運動控制更佳。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC1腳踝康復機機構簡圖從機構學角度可以發(fā)現(xiàn)腳踝康復機在不同程度上存在著如下問題：自由度不足：比如單自由度和二自由度的腳踝康復機。自由度冗余：擁有六個自由度的腳踝康復機，在滿足三軸旋轉(zhuǎn)的同時，往往還需要小腿與腳踝康復機一同運動，這就存在小腿不及時跟隨運動，扭傷腳踝的風險。腳踝關節(jié)與機構運動中心不重合：由于腳踝關節(jié)中心不在機構運動中心，導致運動的時候小腿一起運動，同樣存在腳踝扭傷的風險。由于本課題要求結構盡量簡單，機構盡量簡單化，只需要滿足基本的腳踝環(huán)繞運動，無需復雜的多軸復合運動控制，以保證經(jīng)濟實用，成本低廉，能在日后投放市場為目標。所以本課題的腳踝康復機依舊使用了2R的結構設計思想，利用人腳在護具中的旋轉(zhuǎn)空隙來提供第三個旋轉(zhuǎn)自由度。同時在設計結構的時候，讓旋轉(zhuǎn)軸交于一點，并讓這個交點落在腳踝的踝關節(jié)上，保證了選擇中心在踝關節(jié)，避免對腳踝二次損傷。以下提出了3種可行性的2R結構方案。3.2結構設計方案比較在結構方案最終確定之前，先做了3種可行性方案的研究，分別是：球運動副仿腳踝運動腳踝康復機方案、多軸直連驅(qū)動的腳踝康復機方案、匯交兩軸的腳踝康復機方案。各種方案都存在優(yōu)缺點，具體結構說明如下：3.2.1球運動副仿腳踝運動腳踝康復機方案圖3.SEQ圖3.\*ARABIC2腳踝康復機仿骨骼設計的機構示意圖通過之前對腳踝的解剖與運動分析，我們發(fā)現(xiàn)踝關節(jié)可以近似的看成一個具有三個旋轉(zhuǎn)運動的球關節(jié)，圖3.2所示。這就啟發(fā)了我們可以設計一個球運動副，使球副的旋轉(zhuǎn)中心落在腳踝關節(jié)中心，這樣就解決了機構轉(zhuǎn)動中心與腳踝旋轉(zhuǎn)中心不重合的問題，避免了在運動過程中對腳踝的二次損傷。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC3球運動副的腳踝康復機1.大球2.小球3.傳感器4.絲桿5.減速步進電機6.滑塊組件7.耳托如圖3.3是利用球運動副仿照腳踝運動所設計的腳踝康復機。其運動的過程大致如下：減速步進電機5在驅(qū)動器的驅(qū)動下，帶動絲桿4做旋轉(zhuǎn)運動從而使滑塊組件6前后左右來回運動帶動小球2一起運動，從而讓大球1在耳托7里做旋轉(zhuǎn)運動，以此來實現(xiàn)腳踝的旋轉(zhuǎn)運動，達到腳踝康復運動的目的。此設計方案的優(yōu)點：保證了腳踝康復機的運動中心與腳踝的踝關節(jié)旋轉(zhuǎn)中心對齊，避免了康復運動過程中對腳踝的二次損傷；該運動機構的運動軌跡與腳踝的運動方式比較吻合。然而此款設計卻存在諸多問題：設計時將大球1的中間切出能將腳放入球內(nèi)的大孔，造成材料浪費；為了滿足普通成年人的腳踝踝關節(jié)與球心重合，并且達到規(guī)定的旋轉(zhuǎn)角度，則需要預留足夠的接觸球面，因此不得不將球的直徑放得很大，這樣使得大球的質(zhì)量偏重，材料浪費，加工困難，成本較高，運動精度也很難保證；由于該設計方案只有兩個運動軸，使得球的第三個運動方向沒有控制，很難自動復位，靠人腳復位存在扭傷腳踝的風險。3.2.2匯交多軸直連驅(qū)動的腳踝康復機方案圖3.SEQ圖3.\*ARABIC4匯交多軸直連驅(qū)動腳踝康復機結構圖1.可伸縮式腳拖2.垂直軸組件3.額狀軸組件4.矢狀軸組件5.減速箱6.減速步進電機7.傳感器組件球運動副腳踝康復機結構方案采用了減速步進電機與絲桿相連的中間運動轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。通過比較發(fā)現(xiàn)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)康復機的正常擺動，但是在運行的平穩(wěn)性和產(chǎn)品設計的尺寸上都沒有與軸直連的方式來得簡單易行。所謂與軸直連是指：從電機出來的旋轉(zhuǎn)運動不通過絲桿轉(zhuǎn)換為直線運動，而是通過減速裝置直接轉(zhuǎn)變?yōu)檩S的擺動。與前面采用絲桿滑臺相比，與軸直連的腳踝康復機機構簡單、質(zhì)量輕、慣性小、效率高、運行平穩(wěn)，且體積小，是滿足輕量化設計的一大優(yōu)化。如圖3.4所示的匯交多軸與軸直連的腳踝康復機的結構圖，大致的工作過程是這樣的：減速步進電機6在驅(qū)動器的驅(qū)動下，帶動減速箱5內(nèi)的齒輪和各個軸做旋轉(zhuǎn)運動，經(jīng)過減速使步進電機的整周旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為輸出軸的搖擺運動，輸出軸分別與垂直軸組件2、額狀軸組件3、矢裝軸組件4相連接，最終帶動可伸縮式腳拖1做有規(guī)律的腳踝康復環(huán)繞運動，達到腳踝康復的目的。匯交多軸直連驅(qū)動腳踝康復機樣式如下圖3.5、圖3.6所示：圖3.SEQ圖3.\*ARABIC5匯交多軸直連驅(qū)動腳踝康復機樣式一圖3.SEQ圖3.\*ARABIC6匯交多軸直連驅(qū)動腳踝康復機樣式二圖3.5提出的匯交多軸直連驅(qū)動的腳踝康復機主要適用于家庭護理和小型醫(yī)護站，提出了輕便、簡潔、實用、價廉的設計理念。而圖3.6提出的腳踝康復機結構更加復雜，功能更加多樣，適用于大型醫(yī)院的腳踝康復治療中心。該腳踝康復機與使用絲桿結構相比優(yōu)勢突出，但仍然存在較多問題：減速步進電機安裝的位置位于第一軸單側，照成軸兩側配重不均勻。在結構上沒有進一步優(yōu)化，結構過于臃腫，沒能最終實現(xiàn)輕量化設計。非標零件較多，加工制造困難。3.2.3匯交兩軸的腳踝康復機方案圖3.SEQ圖3.\*ARABIC7匯交兩軸的頂部機構1.連桿2.支座3.額狀軸組件4.垂直軸組件5.光軸座6.帶座軸承7.短軸通過對腳踝的研究，發(fā)現(xiàn)人的腳踝旋轉(zhuǎn)軸可以分為:垂直軸、額狀軸、矢狀軸。我們以此將額狀軸和垂直軸設計為被動運動軸，矢狀軸通過腳在護具中的旋轉(zhuǎn)間隙作為主動運動軸，這樣在設計的腳踝康復機只需要兩根驅(qū)動軸，降低設計難度，制造成本，以及排除了因為第三根軸的冗余而造成對腳踝扭傷的風險。由圖3.7可知，連桿1與垂直軸組件4剛性連接，連桿1在外力的作用下左右擺動，帶動垂直軸組件4左右擺動并使前后擺動框在垂直組件4的外力作用下前后擺動，兩者復合運動便組成腳踝康復環(huán)繞運動。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC8匯交兩軸的腳踝康復機結構圖8.小球9.滑塊組件10.絲桿11.減速步進電機此機構的工作原理與球運動副仿腳踝運動腳踝康復機的工作原理相似，都是將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為滑塊的移動，再將移動轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機構的擺動，其動作原理為：減速步進電機11在驅(qū)動器的驅(qū)動下帶動絲桿10的旋轉(zhuǎn)，從而使滑塊組件9來回移動，安裝在組件上的小球8也隨之一起運動，帶動連桿1的前后左右擺動，以此實現(xiàn)匯交的兩軸在規(guī)定的角度內(nèi)擺動，來達到腳踝康復環(huán)繞運動的目的。匯交的兩軸中心正好位于腳踝踝關節(jié)中心，從而也滿足了設計的要求。與球運動副的機構對比，該機構具有質(zhì)量小、制造簡單、運動靈活、成本低、維護方便等諸多優(yōu)點。由于采用是3.0mm的304不銹鋼作為結構件，在受力過大的情況下，存在受力變形致使運動受阻的可能，結構剛度沒有上面球運動副結構大。3.3機構方案確定比對三種腳踝康復機方案：方案一符合設計要求，但存在較多問題，且有對腳踝產(chǎn)生二次傷害的風險，故排除該方案；方案二、三采用了相同的執(zhí)行機構，只是方案二多加了一個旋轉(zhuǎn)自由度，并將電機的旋轉(zhuǎn)直接轉(zhuǎn)換為擺動，機構運行流暢，慣性小，沖擊小，但采用多個減速箱，內(nèi)部的結構精度要求高，制造的難度相對較大。綜上所述，依據(jù)腳踝康復機的設計要求及設計成本，采用方案三——匯交兩軸的腳踝康復機方案來完成本次設計。3.4本章小結通過對目前市場常見腳踝康復機構的分析，提出了三種2R設計的腳踝康復機原型，依據(jù)腳踝康復機的設計要求及設計成本，提出合理的設計方案，為以后詳細的設計工作奠定了基礎。4.腳踝康復機的設計根據(jù)總體設計方案，為計算及選型方便，繪制其結構簡圖，如圖4-1所示。依據(jù)設計參數(shù)與要求，通過對腳踝肌肉群力矩分析，進行相關數(shù)據(jù)的計算，從而對步進電機進行選型、行星減速器的選型、絲桿滑臺的選型，通過三維軟件進行腳踝康復機整布局及輔助的機構設計，滿足醫(yī)學參數(shù)及設計要求。圖4.SEQ圖4.\*ARABIC1腳踝康復機的結構簡圖1.軸承2.支桿組件3.小球4.連桿5.絲桿螺母6.絲桿軸承7.絲桿8.聯(lián)軸器9.減速步進電機10.十字滑臺4.1腳踝康復機機構設計要求及醫(yī)學參數(shù)4.1.1腳踝康復機機構設計要求機械結構設計是腳踝康復機設計的基礎，機構的好壞將影響到整個系統(tǒng)的成敗，設計機械結構時有如下要求：腳踝康復機在實現(xiàn)基本功能的同時還應該具有穿戴的簡便性；腳踝康復機置于床上使用，小腿抬高的高度在20cm至30cm之間；整機寬度不超過30cm，整機長度不超過70cm，整機高度不超過70cm；使用患者的最大體重為90KG；傳感器、驅(qū)動原件和等輔助元器件的數(shù)量應盡可能的減少，結構簡潔緊湊設計中有必要的保護，尤其注意驅(qū)動的角度不能超過腳踝所能夠承受的最大角度，以免腳踝扭傷，甚至骨折；腳踝康復機應該具有結實耐用、操作簡便、便攜性好、維護方便等特點；降低系統(tǒng)成本。4.1.2腳踝康復機醫(yī)學參數(shù)明確腳踝康復醫(yī)學參數(shù)是完成設計任務的前提和保證。本康復機適用于腳踝康復初期使用，通過模仿理療醫(yī)師對患者手動完成背屈、跖屈和腳踝康復環(huán)繞運動，促進患者腳部血液循環(huán)，減輕疼痛，防止組織壞死，并起到預防深靜脈血栓的作用。具體醫(yī)學參數(shù)如下：背屈的角度20°，跖屈的角度45°；內(nèi)旋的角度20°，外旋的角度10°；要求完成一次背屈和跖屈的時間在40秒，完成一次環(huán)繞運動的時間在2分鐘；腿部、小腿和護具使用彈力繃帶固定。4.2腳踝肌肉群力矩分析對于腳踝康復機的研究，在自由度的分析之后，需對腳踝肌肉群的力矩分析，為機械部件的選型提供依據(jù)。表4.1、表4.2為正常人和偏癱患者跖屈/背屈、內(nèi)旋/外旋所需力的實驗測量[20]。表4.SEQ表4.\*ARABIC1正常人背屈與跖屈、內(nèi)旋與外選所需力矩實驗結果單位Nm樣本年齡身高體重性別背屈跖屈內(nèi)旋外旋12717473男14.4066.1744.414.4122716564男14.4066.1742.944.4132617865男7.2036.1742.7442.74442517355女10.296.1743.433.9252317060男11.3195.7621.963.4362316252女10.296.1742.453.31672515848女8.2326.1743.923.4382917670男14.8184.1163.5285.8892517868男10.7027.4093.924.116102617060男15.2296.5864.94.9112917464男13.9947.4095.2926.076123916863男8.2326.1743.923.724平均11.59±2.76.10±0.93.61±0.94.18±0.01表4.SEQ表4.\*ARABIC2偏癱患者背屈與跖屈、內(nèi)旋與外選所需力矩實驗結果單位Nm樣本年齡身高體重性別背屈跖屈內(nèi)旋外旋146男10.276.1732.432.93253男10.286.1751.973.42350男8.2336.1721.982.95平均9.60±2.86.17±0.12.1±0.163.10±0.16表4.1中腳踝背屈時的力矩為11.59±2.7Nm，跖屈時的力矩為6.10±0.87Nm，內(nèi)旋時的力矩為3.6±0.9Nm，外旋時的力矩為4.2±0.01Nm；表4.2中腳踝背屈時的力矩為9.6±2.8Nm之間，跖屈時的力矩為6.17±0.1Nm之間，內(nèi)旋的力矩為2.1±0.16Nm，外翻時的力矩為3.10±0.16Nm之間。考慮到機械設計及實際應用時的可靠性，以跖屈運動最大力矩7.0Nm、背屈運動最大力矩14.3Nm、內(nèi)旋運動最大力矩4.6Nm、外旋運動最大力矩5.2Nm作為絲桿滑臺驅(qū)動力矩的依據(jù)。4.3絲桿滑臺的選型計算絲桿滑臺最要作用是將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成滑臺的往復直線運動。常見的絲桿主要分為普通絲桿和滾珠絲桿。滿足精度要求的同時，考慮制造成本，選擇廉價的普通絲桿來構建腳踝康復機。4.3.1絲桿有效行程的確定：1.跖屈、背屈跖屈：由圖4.2腳踝跖屈運動極限位置時的結構簡圖，可以將極限位置的連桿位置轉(zhuǎn)換為正三角形的最長邊AB，AC為連桿位于原點時的位置，此時AB與AC之間所夾的跖屈運動角為45°。假設AC的長度為7cm,由三角形的勾股定理，可以求得絲桿運行所需的長度BC的距離：AC即：BC=7cm×tan45°=7cm圖4.SEQ圖4.\*ARABIC2跖屈運動界限位置簡圖背屈：由圖4.3腳踝運動極限位置時的結構簡圖，可以將極限位置的連桿位置轉(zhuǎn)換為正三角形的最長邊AB，AC為連桿位于原點時的位置，此時AB與AC之間所夾的背屈運動角為45°。假設AC的長度為7cm,由三角形的勾股定理，可以求得絲桿運行所需的長度BC的距離：BC即：BC=7cm×tan20°=2.55cm圖4.SEQ圖4.\*ARABIC3背屈運動界限位置簡圖絲桿的最小有效長度為：7cm+2.55cm=9.55cm≈10cm實際控制過程中要考慮絲桿運行的冗余量，比如超程、復位、以及安全距離，所以乘以系數(shù)1.5，即跖屈與背屈的絲桿最小有效長度為15cm。通過相關產(chǎn)品手冊的查閱，選擇STT系列絲桿滑臺，其主要參數(shù)為：滑臺的絲桿導程P為8mm，直徑D為8mm，滑臺水平最大承載為30Kg，豎直最大承載為10Kg，滑塊的寬度為6mm。如圖4.4所示：圖4.SEQ圖4.\*ARABIC4STT系列絲桿滑臺尺寸圖2.內(nèi)旋/外旋內(nèi)旋：如同跖屈與背屈運動一樣，也可以內(nèi)旋極限位置與原點位置看成正三角形。同理：BC即：BC=7cm×tan20°=2.55cm圖4.SEQ圖4.\*ARABIC5內(nèi)旋運動界限位置簡圖外旋：同上可得：BC即：BC=7cm×tan10°=1.24cm圖4.SEQ圖4.\*ARABIC6外旋運動界限位置簡圖絲桿的最小有效長度為：1.24cm+2.55cm=3.79cm≈4cm由于考慮到腳踝康復機要應滿足左腳和右腳的使用，所以在絲桿選型時應該考慮選擇較長的行程。即應該：2.55cm+2.55cm=5.1cm≈5.5cm由于實際控制過程中要考慮絲桿運行的冗余量，比如超程、復位、以及安全距離，所以乘以系數(shù)1.5，即內(nèi)旋和外旋的絲桿最小有效長度為8.5cm。同上選擇STT系列絲桿滑臺。外形尺寸如圖4.4所示。4.3.2絲桿滑臺受力情況：摩擦系數(shù)μ：絲桿的材質(zhì)為：碳素鋼（未淬火），絲桿螺母的材質(zhì)為：黃銅，查機械設計手冊可得，摩擦系數(shù)為0.08~1.0，取中間值0.09。摩擦角θ：由μ=tanθ→0.09=tanθ→θ=5.143°螺紋升角α：acttanα=啟動力Q:假設啟動加速的時間t為0.5秒，走完個周期的時間T為1min，負載的重量為10kg。平均速度:v=加速度:a=啟動力:Q=ma=1.跖屈/背屈圖4.SEQ圖4.\*ARABIC7跖屈運動受力分析圖圖4.SEQ圖4.\*ARABIC8背屈運動受力分析圖跖屈：如圖4.7跖屈運動受力分析圖，可得跖屈運動所需扭矩M17.0Nm，桿到達機械位置AB時的長度為：與AB垂直的驅(qū)動力為：F1絲桿需提供的推力為：F1=絲桿所需跖屈的扭矩為：T梯形絲桿傳動存在很大的摩擦損耗（滾珠絲桿傳動的損耗很小），一般取n=50%作為有效輸出，故最終絲桿所需要的跖屈運動扭矩為T1背屈：如圖4.8背屈運動受力分析圖，可得背屈運動所需扭矩M214.3Nm，桿到達機械位置AB時的長度為：與AB垂直的驅(qū)動力為：F2絲桿需提供的推力為：F2=絲桿所需背屈的扭矩為：T梯形絲桿傳動存在很大的摩擦損耗（滾珠絲桿傳動的損耗很?。话闳=50%作為有效輸出，故最終絲桿所需要的背屈運動扭矩為T綜上，T2>T1,故跖2.內(nèi)旋/外旋圖4.SEQ圖4.\*ARABIC9外旋運動受力分析圖圖4.SEQ圖4.\*ARABIC10內(nèi)旋運動受力分析圖外旋：如圖4.9外旋運動受力分析圖，可得外旋運動所需扭矩M3：5.2Nm，桿到達機械位置AB時的長度為：與AB垂直的驅(qū)動力為：F3絲桿需提供的推力為：F3=絲桿所需跖屈的扭矩為：T梯形絲桿傳動存在很大的摩擦損耗（滾珠絲桿傳動的損耗很?。话闳=50%作為有效輸出，故最終絲桿所需要的外旋運動扭矩為T內(nèi)旋：如圖4.10內(nèi)旋運動受力分析圖，可得內(nèi)旋運動所需扭矩M4：4.6Nm，桿到達機械位置AB時的長度為：與AB垂直的驅(qū)動力為：F4絲桿需提供的推力為：F4=絲桿所需跖屈的扭矩為：T梯形絲桿傳動存在很大的摩擦損耗（滾珠絲桿傳動的損耗很小），一般取n=50%作為有效輸出，故最終絲桿所需要的內(nèi)旋運動扭矩為T綜上，T3>T4,故外旋與內(nèi)旋運動的絲桿所需提供的最小扭矩為所以絲桿需要提供的最小扭矩為：5.28Nm。4.4步進電機的參數(shù)與選型驅(qū)動元件在系統(tǒng)執(zhí)行中起到關鍵性做用，是運動精確與否的保證。為了精確控制腳踝康復機擺動的角度，驅(qū)動原件需具有轉(zhuǎn)角控制的功能。常用步進電機和伺服電機作為動力源。前者一般為開環(huán)電機后者為閉環(huán)電機，故步進電機的價格比較便宜。考慮到腳踝康復機所需的扭矩比較小，本課題選用的驅(qū)動電機為42步進電機。根據(jù)圖4.11步進電機型號參數(shù)表，選擇步進電機的型號為42HS4813A4。該款步進電機的靜扭矩為52N.cm即0.52N.m，其矩頻特性如圖4.12所示。通過在步進電機與絲桿聯(lián)軸器添加一個合理減速比的減速器，來提高電機的輸出扭矩，能夠滿足絲桿正常工作所需的扭矩。圖4.SEQ圖4.\*ARABIC1142步進電機型號參數(shù)表圖4.SEQ圖4.\*ARABIC1242HS4813A4混合步進電機矩頻特性圖4.5行星減速器選型計算步進電機提供的扭矩無法滿足工作要求，且腳踝康復機的運行速度比較慢，而42步進電機在高速段的運行特性比較好，噪聲比較小。可以通過扭矩來選擇減速比k，然后通過電機的轉(zhuǎn)速來校核，從而選擇具有合理減速比的減速器來獲得最佳運動平穩(wěn)性。減速比k計算：M即：5.28Nm取整：k查馬步崎減速器廠的產(chǎn)品規(guī)格，取k速度校核：VV即：ff→由圖4-1242HS4813A4混合步進電機矩頻特性圖，可知758Hz的扭矩下降在合理階段，故k=144.6腳踝康復機整機布局腳踝康復機的整機空間尺寸的合理分布，直接影響康復機的形狀大小、美觀程度、操作的簡便性、使用者的感受以及康復機內(nèi)部的散熱和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在完成基本結構的同時，有必要對整機的空間尺寸和分布做合理的規(guī)劃。應用三維建模軟件CREO2.0對腳踝康復機進行了整機建模，充分利用空間，使整機的尺寸盡可能的減小，但又保證了康復機內(nèi)部足夠的安裝間隙，保證了電器的散熱。腳踝康復機三維圖如圖4.13，圖4.14所示。圖4.14中，A區(qū)域是腳踝康復機的控制區(qū)域以認為是腳踝康復機的大腦，B區(qū)域為主要的機械結構部分，C區(qū)域是開關電源。圖4.SEQ圖4.\*ARABIC13腳踝康復機整機外觀三維圖圖4.SEQ圖4.\*ARABIC14腳踝康復機內(nèi)部空間分布三維圖A區(qū)域包括西門子PLC224xp、臺達觸摸屏、兩個步進電機的驅(qū)動器、以及繼電器等輔助電器元件，具有軌跡計算、速度控制、模式選擇、運行監(jiān)控、錯誤報警等諸多功能，但容易受到外界電磁干擾，需要隔離保護。該區(qū)域在排布元件時，應盡量保證兩個元件之間留有足夠的間距，使元件能夠正常散熱。同時，該區(qū)域位于腳踝康復機的前部，遠離腳踝受傷的患者，使機械結構盡量靠近患者，避免傳動鏈過長，效率低下。B區(qū)域包括腳踝康復機的動力元件、傳動元件、執(zhí)行元件以及位置、原點的檢測傳感器等。該區(qū)域需要留足機構運動的空間，體積最大，腳踝康復機整體的外形尺寸都由該區(qū)域決定。布置該區(qū)域時，將其排布在靠近使用患者的一側，符合人體工程學的設計。C區(qū)域主要用來將市電220V交流電轉(zhuǎn)換為24V直流電，提供給PLC、步進電機等元件。由于開關電源屬于變壓器，該區(qū)域存在較大的電磁干擾，在滿足空間尺寸的同時，盡可能遠離控制元件，尤其是步進電機驅(qū)動器等容易收到干擾的元件，因此，將其布置在腳踝康復機的最后部分。最終，通過三維軟件建模后得到的外形尺寸為600mm*300mm*240mm，該尺寸基本滿足設計要求。4.7其他輔助的機構設計優(yōu)秀的機構設計往往體現(xiàn)在它的細節(jié)和一些輔助的機構件上。優(yōu)秀的設計者，往往能在問題發(fā)生之前就能預測問題的可能性，并及時提出問題的解決方法，以減少不必要的麻煩。腳踝康復機主要考慮到結構的安全隱患以及結構的局部加強等細節(jié)。1.機械結構限位機械機構的限位起到了防止運行超程而使腳踝二次受傷的目的，是運行安全最直接也最有效的保障。如圖4.15所示，通過連桿在限位槽內(nèi)滑動，來限制內(nèi)旋和外旋的最大角度。如果沒有該圖所示的結構，當傳感器檢測失靈的時候，PLC不能接受到傳感器的超程信號，將仍然控制步進電機與絲桿旋轉(zhuǎn)，造成連桿的擺角過大超過正常腳踝所能承受的最大角度，輕則損壞機器，重則對腳踝產(chǎn)生更大的二次損傷。同理，圖4.16所示的結構是通過套在球內(nèi)的連桿與球槽邊緣來限制背屈與跖屈的最大角度，避免機器失靈時帶來的危害，保護腳踝。圖4.SEQ圖4.\*ARABIC15內(nèi)旋和外旋機械結構限位圖4.SEQ圖4.\*ARABIC16內(nèi)旋和外旋機械結構限位2.局部加強圖4.SEQ圖4.\*ARABIC17腳踝康復機局部加強的三維圖圖4.17所示，在患者支撐腿的位置使用承載能力比較強的外角馬設計，而不是使用嵌在鋁型材槽內(nèi)的內(nèi)角馬，保證腳踝康復機的外框穩(wěn)定，長時間使用不會輕易松動脫落，提高腳踝康復機的使用壽命。3.耐磨損設計圖4.16所示的三維結構圖內(nèi)，紅色圓圈部分內(nèi)藍色的結構零件為黃銅管，黃色的結構零件是表面硬化處理的鋼棒。鋼棒表面硬度比黃銅管的硬度高得多，所以磨損發(fā)生在黃銅管內(nèi)閉。這里的黃銅管是通過膠與球連接的，拆卸時只需要去除膠，就能很輕松的更換黃銅管。4.8本章小結本章在明確醫(yī)學參數(shù)與設計要求的基礎上，通過對腳踝肌肉群力矩分析，進行絲桿滑臺的計算選型、步進電機的參數(shù)與選型、行星減速器選型、腳踝康復機整機空間尺寸的分布以及輔助機構設計這幾個部分來詳細講解了腳踝康復機的設計。為腳踝康復機的制造建立了理論依據(jù)，也為后期的整機調(diào)試和結構改進提供了有力的數(shù)據(jù)支持。5.機構受力及運動分析Creo2.0軟件中Simulate模塊可以對機構進行簡單的靜態(tài)和模態(tài)分析。運用改模塊對腳踝康復機的執(zhí)行結構的零件進行分析，觀察應力的分布情況和結構受力下的變形，通過運動圖表來分析執(zhí)行機構在運行過程中的力矩、角度變化過程，從而更好驗證第四章的計算準確性。一個90公斤的成年男性一只腿的重量約為總體重的30%，即大概有27公斤的重量支撐在腳踝康復機上，假設其中35%的重量直接作用在了腳踝康復機的執(zhí)行機構上面，即腳踝康復機的執(zhí)行機構要支撐9.45公斤外部負載。為了便于分析，假設腳踝康復機支撐腳部的分力為100N。5.1執(zhí)行機構應力與變形的簡單有限元分析圖5.SEQ圖5.\*ARABIC1豎桿應力靜態(tài)分析圖5.1所示的是腳踝康復機執(zhí)行機構的豎桿在位于原點時的應力分布情況。從圖中可以看出應力相對集中的安裝孔邊緣的應力值為250Mpa左右，遠小于304不銹鋼的抗拉強度σb：520Mpa，所以設計的結構安全。圖5.SEQ圖5.\*ARABIC2豎桿變形靜態(tài)分析圖5.2表示腳踝康復機執(zhí)行機構豎桿在原點時的受力變形情況。從圖中可知最大的變形量為3.69mm，說明剛度不是特別理想。但是經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)豎桿與底部前后旋轉(zhuǎn)框架的距離余量比較大，所以該變形不會對腳踝康復機的運行造成影響。在后期結構改進和優(yōu)化中可以提出對該零件的剛度進行加強。圖5.SEQ圖5.\*ARABIC3前后旋轉(zhuǎn)框架應力靜態(tài)分析圖5.3表示前后旋轉(zhuǎn)框架在原點時候的應力分布情況。從圖中可知，應力相對集中的點主要出現(xiàn)在上側橫桿中部以及與橫桿焊接處，而中間的短豎桿幾乎不受力。該結構的所受應力較小，結構安全。圖5.SEQ圖5.\*ARABIC4前后旋轉(zhuǎn)框架受力變形靜態(tài)分析圖5.4中所示的是前后旋轉(zhuǎn)框架在原點時的受力變形圖。從圖中可知到紅色區(qū)域的最大變形量為0.018mm，變形的量比較小，說明該機構的剛度比較好，設計比較合理。綜上所述，腳踝康復機執(zhí)行機構設計基本滿足使用要求，腿的大部分重力都由腳踝康復機的外框架承擔，所以執(zhí)行機構上的受力較小，變形與應力集中相對比較小，個別零件存在剛度不足的現(xiàn)象，可在后續(xù)結構優(yōu)化中改進，整體機構設計合理。5.2運行過程中的力矩、角度變化圖5.SEQ圖5.\*ARABIC5x軸內(nèi)旋與外旋力矩變化圖圖5.SEQ圖5.\*ARABIC6y軸背屈與跖屈運動力矩圖圖5.SEQ圖5.\*ARABIC7背屈與跖屈運動角度變化圖圖5.SEQ圖5.\*ARABIC8外旋與內(nèi)旋運動角度變化圖圖5.5X軸內(nèi)旋與外旋力矩變化圖中，腳踝內(nèi)旋與外旋的力矩在腳踝運動的極點位置達到最大，大致分布在外旋6.0Nm內(nèi)旋5.8Nm的范圍內(nèi)。圖5.6Y軸背屈與跖屈運動力矩圖中，同樣在腳踝運動的極點處背屈與跖屈的力矩達到最大，分布的范圍大致是背屈16Nm跖屈10Nm之間。從這兩張圖中能清楚的看到力矩的變化規(guī)律，內(nèi)旋與外旋的變化比較均勻，主要原因是內(nèi)旋外旋的角度相差較小，且運動規(guī)矩對稱。圖5.7背屈與跖屈運動角度變化圖與圖5.8外旋與內(nèi)旋運動角度變化圖中，表示角度與運行時間的關系，由圖線的斜率可以得出角速度在運行中期基本接近勻速，而在極點附近出現(xiàn)斜率的緩慢變化，表示加減速的過程。速度的這一變化規(guī)律比較符合實際運行時速度的變化，運行比較平緩，用戶感受良好。5.3本章小結本章進行了腳踝康復機執(zhí)行結構的靜力學分析與運行分析，清楚直觀表達了各個機構的應力分布、變形大小、力矩規(guī)律及角度變化。分析這些圖表驗證了腳踝康復機執(zhí)行結構的設計合理，同時也為以后的優(yōu)化設計提供了依據(jù)和方向。結論課題結合了當今國內(nèi)外腳踝康復機的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，主要闡述了腳踝康復機結構設計的思維理念、發(fā)展方向和具體的設計過程，設計并制造出腳踝康復原型機。目前，該腳踝康復機已經(jīng)通過淮安市某醫(yī)院的初步鑒定，滿足醫(yī)學要求，