人体下肢外骨骼康复机器人设计

人体下肢外骨骼康复机器人设计 人体下肢外骨骼康复机器人设计 I 摘 要 康复机器人技术则是近年来迅速发展的一门新兴机器人技术，是机器人技术在医学领域的新应用;目前康复机器人已成为国际社会研究的热点之一。本课题主要研究的下肢外骨骼康复机器人的设计。 本文介绍了下肢康复机器人国内外发展现状和应用情况，进行了下肢外骨骼康复机器人的总体设计、结构设计，和总体控制方案设计，并对重要零件进行校核。本设计下肢外骨骼康复机器人共有5个自由度，其中每一条机械腿上有2个关节(2个自由度)模仿人体腿上的膝关节、髋关节和一个用于减重的减重系统(包括1个自由度)。此系统能用于脑损伤、中风等病人的步态康复训练，帮助病人更好地进行康复训练，减轻他人的帮助，提高效果。 关键词:康复训练，机器人，下肢外骨骼 人体下肢外骨骼康复机器人设计 II ABSTRACT The rehabilitation robot technology is a new robot technology developed rapidly recently, which is a new application in medical fields of robot technology. Currently the research on rehabilitation robot has been one of the focuses in the International Society. The rehabilitation robot technology is a synthesis of many subjects, which covers mechanics, electronics, control and rehabilitative medicine and so on; it has been a typical representation of the mechatronics research. The main research of this paper is based on the attitude control gait rehabilitation training system design. In this paper, lower extremity rehabilitation and development of robot applications at home and abroad, lower extremity exoskeleton training robot's overall program design, structural design, design and overall control; gait training on the robot for three-dimensional modeling, and important parts to check. The robot gait training has a total of five degrees of freedom, each of which a mechanical leg joints have two (2 DOF) to imitate human knee, hip and a weight relief for weight relief system (including a degree of freedom). The system can be used for brain injury, stroke, and to help patients better rehabilitation training, and meets the needs of different groups of people. Key words:rehabilitation training, robot, lower extremity exoskeletons 人体下肢外骨骼康复机器人设计 III 目 录 1 绪论-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1 1.1 概述------------------------------------------------------------------------------------------------------------1 1.2 康复机器人的国内外研究现状----------------------------------------------------------------------1 1.3 本课题主要研究内容------------------------------------------------------------------------------------6 1.4 本章小结-----------------------------------------------------------------------------------------------------7 2 总体方案选择与论证---------------------------------------------------------------------------------------8 2.1 步态--------------------------------------------------------------------------8 2.2 方案的选择----------------------------------------------------------------------------------10 2.2.1 自由度的选择----------------------------------------------------------------------------------10 2.2.2 基本参数的选取-----------------------------------------------------------------------------------11 2.2.3 驱动器的选择----------------------------------------------------------------------------------11 2.2.4关节结构的选择----------------------------------------------------------------------------------11 2.2.5连杆结构的选择----------------------------------------------------------------------------------11 2.2.6腰部结构设计----------------------------------------------------------------------------------12 2.2.7减重机构设计----------------------------------------------------------------------------------12 2.2.8整体结构设计----------------------------------------------------------------------------------12 2.3 本章小结----------------------------------------------------------------------------------12 3 机械结构的设计与计算----------------------------------------------------------------------------------13 3.1 人体参数----------------------------------------------------------------------------------13 3.2 各关节运动分析---------------------------------------------------------------------------------13 3.2.1 膝关节的运动分析----------------------------------------------------------------------------13 3.2.2髋关节的运动分析-----------------------------------------------------------------------14 3.3 关节力矩分析----------------------------------------------------------------------------------14 3.4 具体结构设计----------------------------------------------------------------------------------15 3.4.1 关节机构的选择-------------------------------------------------------------------------------15 3.4.2 连杆机构的选择------------------------------------------------------------------------------15 3.4.3 腰部结构设计----------------------------------------------------------------------------------16 3.4.4减重机构----------------------------------------------------------------------------------16 3.4.5整体结构设计----------------------------------------------------------------------------------17 3.5 部分重要零件的设计与校核------------------------------------------------------------------------17 3.5.1轴承的选择及校核-----------------------------------------------------------------------------17 人体下肢外骨骼康复机器人设计 IV 3.5.2连杆的计算及校核-----------------------------------------------------------------------------17 3.5.3双头螺柱的校核-----------------------------------------------------------------------------18 3.6 本章小结---------------------------------------------------------------------------------18 4 驱动部件的计算与选型----------------------------------------------------------------------------------19 4.1 滚珠丝杠螺母副的计算与选型---------------------------------------------------------------------19 4.1.1髋关节滚珠丝杠副的计算与选型-----------------------------------------------------19 4.1.2膝关节滚珠丝杠副的计算与选型-----------------------------------------------------22 4.2 直流伺服电机的计算与选型------------------------------------------------------------------------23 4.2.1髋关节直流伺服电机的计算与选型------------------------------------------------24 4.2.2膝关节直流伺服电机的计算与选型------------------------------------------------24 4.3 同步带的计算与选型---------------------------------------------------------------------------------25 4.3.1髋关节同步带的计算与选型---------------------------------------------------------------26 4.3.2膝关节同步带的计算与选型---------------------------------------------------------------28 4.4 本章小结----------------------------------------------------------------------------------------------------31 5 控制系统的设计----------------------------------------------------------------------------------------------32 5.1 控制系统的方案选取-----------------------------------------------------------------------------------32 5.2 控制系统的设计------------------------------------------------------------------------------------------32 5.2.1电源配置设计----------------------------------------------------------------------32 5.2.2常用存储器及扩展电路设----------------------------------------------------------32 5.2.3数据存储器的设计--------------------------------------------------------------32 5.2.4 D/A转换器接口电路设计----------------------------------------------------------------32 5.2.5译码器的设计----------------------------------------------------------------------33 5.2.6上位机的连接设计----------------------------------------------------------------------33 5.3 控制流程的设计---------------------------------------------------------------------------------34 5.4 本章小结---------------------------------------------------------------------------------34 6 结论------------------------------------------------------------------------------------------------------------------35 7 参考文献-------------------------------------------------------------------------------------------36 8 致谢---------------------------------------------------------------------------------------------38 人体下肢外骨骼康复机器人设计 1 1 绪论 据报道，我国60岁以上的老年人已有1.43亿，占全国人口的11,，到2050年将达到4.37亿。在老龄人群众中有大量的脑血管疾病或神经系统疾病患者，这类患者多数伴有偏瘫症状。近年由于患心脑血管疾病使中老年患者出现偏瘫的人数不断增多，而且在年龄上呈现年轻化趋势。同时，由于交通运输工具的迅速增长，因交通事故而造成神经心痛损伤或者肢体损伤的人数也越来越多。在美国数以百万计的有神经科疾病病史和受到过意外伤害的患者需要进行康复治疗，仅以中风为例，每年大约有600000中风幸存者，其中的二百万病人在中风后存在长期的运动障碍。 随着国民经济的发展，这个特殊群体已得到了更多人的关注，为了提高他们的生活质量，治疗、康复和服务于他们的产品的技术和质量也在相应地提高。随着机器人技术和康复医学的发展，在欧洲、美国和日本等国家，医疗康复机器人的市场占有率呈逐年上升的趋势，仅预测日本未来机器人市场，2005年医疗、护理、康复机器人的市场份额约为250000美元，而到2010年将上升到1050000美元，其增长率在机器人的所有应用领域中占据首位。因此，服务于四肢的康复设备的研究和应用有着广阔的发展前景。 1.1 概述 康复机器人是康复设备的一种类型。康复机器人技术早已广受世界各国科研工作者和医疗机构的普遍重视，其中以欧美和日本的成果最为显著。在我国康复医学工程虽然得到了普遍的重视，而康复机器人研究仍处于起步阶段，一些简单康复器械远远不能满足市场对智能化、人机工程化的康复机器人的需求，有待进一步的研究和发展。 由于康复训练机器人要与人体直接相连，来带动肢体进行康复训练，所以对驱动器的安全性、柔性的要求较高。近年来，以气动元件柔性驱动器逐渐引起人们的重视，在医疗康复器械领域中得到越来越多的应用。 本课题的研究目的是设计一种下肢外骨骼康复机器人，帮助病人更好地进行康复训练，减轻他人的帮助，提高效果。 1.2 康复机器人的国内外研究现状 在对有运动障碍的老人或残疾人进行治疗和康复的过程中，使用康复机器人可以解决好多问题:机器人的使用可以解决专业护理人员缺乏和医疗费用昂贵的问题，可以避免由于训练方法不科学和专业护理人员个人疏忽等主观原因引起的对病人的伤害，可供病人在家或工作场所使用，使病人获得更多的独立生活能力，提高了病人的生活质量等。康复机器人是一种自动化医疗康复设备，它以医学理论为依据，帮助患者进行科学而有效的康复训练，使患者的运动机能得到更快更好的恢复。目前，康复机器人已经广泛地 人体下肢外骨骼康复机器人设计 2 应用到康复护理、假肢和康复治疗等方面，这不仅促进了康复医学的发展，也带动了相关领域的新技术和新理论的发展。 康复机器人有两种:辅助型康复机器人和康复训练机器人。辅助型康复机器人主要是帮助肢体运动有困难的患者完成各种动作，该类产品有机器人轮椅、机器人护士、机器人假肢、机械外骨骼等。康复训练机器人的主要功能是帮助患者完成各种运动功能的恢复训练，该类产品有行走训练、手臂运动训练、脊椎运动训练等。 康复机器人是康复医学和机器人技术的完美结合，康复机器人技术在欧美等国家得到了科研工作者和医疗机构的普遍重视，许多研究机构都开展了有关的研究工作，近年来取得了一些有价值的成果。对于中风、偏瘫、下肢运动机能损伤等患者来说，下肢康复训练机器人有着很好的治疗效果。国内外许多研究机构都在这方面取得了不错的研究结果。下肢康复训练机器人发展主要经历了几个阶段。由早期的简单步行训练机发展到现在功能丰富、符合人体运动机理的下肢康复训练机器人。早期发展的下肢康复训练系统是借助于跑步机、悬吊系统等帮助患者进行运动训练，此种产品结构简单、价格便宜，但训练过程中必须有专业人员的帮助，而且并不符合人体运动机理，还不能称为康复训练机器人，只能是一种半自动的康复训练机械，如图1-1、图1-2所示。图1-1、图1-2中的步行训练机，它的功能单一、价格便宜，而且需要在专业护理人员的帮助下进行康复训练，这种机械对下肢病情比较轻的病人较合适。 图1-1 步行训练机 图1-2 悬挂式步行训练机 随着机器人技术和康复医学的发展，人们对人的行走步态有了比较清楚的认识，开发出了一些符合人体康复需要的产品。 德国柏林自由大学(Free University of Berlin)开展了腿部康复机器人的研究，并研制了MGT型康复机器人样机(图1-3)。 人体下肢外骨骼康复机器人设计 3 瑞士苏黎士联邦工业大学(ETH)在腿部康复机构、走步状态分析方面也取得了一些成果，在汉诺威2001年世界工业展览会上展出了名为LOKOMAT(图1-4)的康复机器人模型。LOKOMAT机器人主要由步态矫正器、先进的体重支持系统和跑台组成。LOKOMAT机器人以使用者为根本，通过对机器人的行为、耐心、合作及运动功能进行评估,建立了一种更为有效的治疗方式，即:机器人先侦测使用者的运动，并且跟随使用者的运行轨迹而不是强制使用者按照预定的轨迹运动，通过机器人的自适应功能，来满足使用者的不同需求，它可以调整训练参数以适合不同患者的需要。 图1-3 MGT型康复机器人 图1-4 LOKOMAT机器人 德国柏林的IPK研究所研制的Robotic Gait Rehabilitation，通过一个可编程控制的脚踏板来带动患者实现步态的轨迹模拟，这个脚踏板由直线电机带动实现往复直线运动，脚踏板支撑部分类似于二自由度机械臂，由两个伺服电机驱动(图1-5)。 图1-5 robotic gait rehabilitation 系统在试验中 人体下肢外骨骼康复机器人设计 4 美国加州大学伯克利分校的科学家研制出一种机器人称为―伯克利下肢外骨骼‖(BLEEX)，BLEEX包括可以牢牢地固定在使用者脚上但又不会和使用者摩擦的金属支架，以及用来承载重物的背包式外架和动力设备等，这种机器人除了可以帮助正常人增加负载能力外还可以帮助下肢残疾的病人行走，一定程度上恢复下肢功能(图1-6)。 图1-6 BLEEX 日本筑波大学Cybernics实验室的科学家和工程师们，研制出了世界上第一种商业外骨骼机器人Hybrid Assistive Leg，HAL(图1-7)，准确地说，是自动化机器人腿:―混合辅助腿‖。这种装置能帮助残疾人以每小时4公里的速度行走，毫不费力地爬楼梯。除HAL―混合辅助腿‖外，日本还研制成功了一种全身性外骨骼机器人。神奈川理工学院研制的―动力辅助服‖(Power Assist Suit)(图1-8)可使人的力量增加0.5-1倍，使用肌肉压力传感器分析佩戴者的运动状况，通过复杂的气压传动装置增加人的力量。这种装置最初是为护士研制的，用来帮助她们照料体重较大或根本无法行走的病人。现在已经有残疾人在这种机器人的帮助下实现了登山运动。 美国NPH研究中心开创了机器人系统量化步行能力和步态失调的研究领域，根据活动依赖神经系统的可塑性，量化和评估模式肌电图在步态等方面的作用，建立数学模型模拟的感觉运动障碍。图1-9为NPH的机器人在实验中。 人体下肢外骨骼康复机器人设计 5 图1-7 HAL机器人 图1-8 Power Assist Suit 在我国，康复医疗工程已经得到了普遍重视，康复训练机器人广阔的应用前景将推动康复机器人技术的进一步发展。我国对康复机器人的研究起步比较晚，辅助型康复机器人的研究成果相对较多，康复训练机器人方面的研究成果则比较少。清华大学在国内率先研制了卧式下肢康复训练机器人样机在这项成果中他们采用了虚拟现实技术。哈尔滨工程大学在康复机器人方面也取得了不错的成果。哈尔滨工程大学研制的下肢康复机器人可以模拟正常人行走的步态、踝关节的运动姿态以及重心的运动规律，带动下肢做行走运动，实现对下肢各个关节的运动训练、肌肉的锻炼以及神经功能的恢复训练。通过获取脚的受力状态、腿部肌肉状态和下肢关节状态等人体的生物信息，协调重心控制系统和步态系统的运动关系，使之与人体运动状态相协调，获得最佳训练效果。图1-10 、 人体下肢外骨骼康复机器人设计 6 图1-11 所示分别为哈尔滨工程大学研制的卧式下肢康复机器人和基于步态姿态控制的下肢康复机器人系统。 图1-9 NPH的机器人在进行试验 图1-10 卧式下肢康复机器人 图1-11 下肢康复训练机器人 1.3 本课题主要研究内容 本文“下肢外骨骼康复机器人的设计”的研究目的是设计出一种可以辅助下肢有运动功能障碍的老人或残疾人进行功能恢复训练的下肢外骨骼康复机器人，工作重点是机器人机械本体的结构设计，要考虑安全性、可靠性、柔顺性，同时进行了控制系统的设 人体下肢外骨骼康复机器人设计 7 计。课题内容主要包括: 1. 下肢外骨骼康复机器人的结构方案设计及运动学分析，包括人体行走的步态、自由度的设计、基本参数的选取、整体结构设计等。 2.机器人机械本体结构的设计与计算。 3.机器人驱动器的控制系统的设计。 1.4 本章小结 本章对下肢外骨骼康复机器人在市场上的需求以及未来的发展趋势进行了调查研究，并通过国内外现状的分析与研究，确定了本设计的主要内容和走向。 人体下肢外骨骼康复机器人设计 8 2 总体方案设计与选择的论证 2.1 步态分析 下肢康复机器人是对有脑损伤、中风等病人进行主动康复训练的自动化机械装置。它可以帮助患者进行运动机能恢复性训练，进行主动式步态训练。 正常人在行走时脚在一个步态周期内的运动情况如图2-1所示。 图2-1 步态周期 1个步行周期分为两个时期，支撑期和摆动期。支撑期是当脚和地面接触的时间，它占了一个步行周期的62%。摆动期是脚在空中的时间，它占了一个步行周期的38%。足跟接地即进入支撑期，足趾离地进入摆动期。支撑期占步行周期62%(其中单侧肢体支撑期占37%，双侧肢体支撑期占25%)，摆动期占步行周期的38%。双侧肢体支撑期中包括预承重期和摆动前期，各占步行周期12%。各时期划分及有关具体内容如下: (l)双侧肢体支撑期。为双足着地、由双侧肢体支撑体重的时期，又分为被测下肢在前的―前足着地双足支撑期‖(预承重期)和被测下肢在后的―后足蹬地双足支撑期‖(摆动前期)2个时期。预承重期是从被侧足足跟着地至对侧足趾离地的时期;摆动前期是从对侧足 人体下肢外骨骼康复机器人设计 9 足跟着地至被侧足足趾离地的时期。一侧足的预承重期即为对侧足的摆动前期。 (2)单侧肢体支撑期。仅由被测足承担体重的时期，即从对侧足足趾离地至对侧足足跟着地的时期，也是对侧肢体摆动期。 (3)摆动期。被测足不接触地面的时期，即从被测足足趾离地至同侧足跟着地的时期，也是对单侧肢体支撑期。 步态各重要阶段动作: (1)脚后跟受:一般的步态历程，最开始的动作为右脚接触到地面的瞬间，也就是后脚跟刚与地面接触的动作; (2)前脚完全承载:在脚后跟受力后，脚掌渐渐贴附地面，直到脚掌完全贴合地面，此刻即为前脚完全承载; (3)支撑段中期:当右脚完全程载后，左脚开始摆动，摆动后右脚瞬间的动作即为支撑段中期; (4)脚后跟离地:左脚摆动过右脚后，右脚后跟离开地面的动作成为脚后跟离地; (5)脚指离地:右脚后跟离地后，紧接着脚尖离地，此时即为右脚离开地面的瞬简，我们称之为脚指离地，由于它是右脚摆动前的动作，所以也称为预先摆动; (6)摆动中期:右腿摆动过左腿的瞬间动作，此时的动作为支撑段中期。 在一个步态周期的各个时间点，各个关节的角度和所受到的力矩不同。下面从图2-2,图2-5显示了一个75kg的人以1.3m/s的步行速度在平地上走时，髋关节、膝关节、两处关节在一个步行周期内不同阶段的转角和力矩变化。 图2-2 膝关节的角度变化 图2-3 膝关节的力矩变化 人体下肢外骨骼康复机器人设计 10 图2-4 髋关节角度变化 图2-5 髋关节力矩变化 由图2-2、2-3可知步行时膝关节处力矩的最大值为60N，角度范围为-70?,0?。 由图2-4、2-5可知步行时髋关节处力矩的最大值为-80N，角度范围为-20?,30?。 为了模拟人体行走的正常步态，更科学合理有效的进行下肢康复训练，所设计的下肢外骨骼康复机器人下肢各关节的运动(角度、力矩)和人体行走时关节的运动(角度、力矩)应该近似。为本设计就是根据这个原则进行设计的。 2.2 方案的选择 本设计的主要工作是设计出一个下肢外骨骼的康复机器人及其相应的框架和减重机构，然后绑在人腰部和下肢上，分别带动髋关节和膝关节的运动，从而训练相应部位的肌肉，帮助使用者恢复下肢的运动功能。 减重机构可以承担患者的一部分体重，减轻病腿的负荷，还可以调节人体的重心上下浮动。减重机构在人体行走时提供的是一个恒力，它由一个钢丝绳和滑轮组成。 姿态控制机构主要模仿人体下肢关节的功能结构。由电机驱动的仿人体下肢带动人体下肢运动。关节是人体运动的枢纽，是传递载荷、保持能量、协助运动的重要器官。关节长期制动，会使肌肉的破坏负最大载下降，能量储存也会明显减少，最终会导致肢体的完全瘫痪。用关节运动来带动肌肉进行收缩运动，可以恢复和保持肌肉的收缩功能。髋关节、膝关节是人体下肢关节中的两大重要关节。 关节的运动学特征主要包括两部分:一是关节的活动幅度，二是如何达到这个活动范围。本设计就是根据这个原则进行的。 2.2.1 自由度的设计 人体下肢的灵活度很高，关节比较复杂。下肢运动关节主要包括髋关节、膝关节、踝关节3个部分。髋关节是球窝关节，它的活动形式有3种，分别是向前伸展/向后伸展、侧向内转/外展、和向内外扭转。膝关节有向前伸展/向后伸展和侧向内转/外展两种活动形式。下肢有4个自由度，想要设计出一个能够完成下肢各个关节的康复运动的机 人体下肢外骨骼康复机器人设计 11 器人非常难。总体结构有两条腿和一个减重机构共5个自由度。 2.2.2 基本参数的选取 下肢外骨骼康复机器人的运动学和人体的运动学相近，因此人体下肢关节的运动范围决定了下肢外骨骼康复机器人的关节运动范围。下肢外骨骼康复机器人的关节运动范围至少要和人体行走时关节范围一致。为了安全，机器人的关节运动范围一般要小于人体关节运动范围的最大值。 参考人体下肢各关节的运动角度，结合本设计的使用者是下肢需要康复的患者和各关节在行走状态的最大值，具体数值见表2-1。 表 2-1 各关节的运动范围(?) 关节活动形式 人体行走最机器人关节取人体关节 大值 值 活动最大值 32.2 45 119 髋关节向前伸展 -22.5 -30 -70 髋关节向后伸展 0 0 0 膝关节向前伸展 -73.5 -80 -136 膝关节向后伸展 2.2.3 驱动器的选择 下肢外骨骼康复机器人不同于工业机器人，因为它特殊的使用场合和使用对象，要求在能够完成功能的前提下，整个康复要安全、柔顺。 本设计中的驱动器选择直流伺服电机。因为直流伺服电机效率高，电流小，发热低，噪音低、低频振动小等优点。 2.2.4 关节结构的选择 各个关节均为旋转关节。滚动轴承传动有摩擦阻力小，功率消耗少，启动容易等优点，可以充分利用电机所作的功，减小机构体积。 2.2.5 连杆结构的选择 作为下肢大小腿的连杆机构既是传动装置又是执行装置。连杆的长度精度要求较高，若大腿连杆或小腿连杆长度与使用者大腿或小腿长度不同，将会导致两者髋关节轴线和膝关节轴线不同轴，这会直接导致两者在运动状态中出现运动干涉现象，两者偏差较大时，整个人——机混合系统将无法正常工作。因此，在进行大、小腿机械连杆设计时，把连杆设计成长度可调节的结构体尤为重要。其优点: 1可避免出现实验对象单一化，扩大使用对象; 2.有利于关节同轴度的调整，避免运动干涉现象。 人体下肢外骨骼康复机器人设计 12 连杆设计时，要注意以下问题: 1)承载能力。连杆不仅是传动装置，而且也是执行装置，要考虑连杆自身重量、驱动装置和实验对象(人体下肢各段)的重量。 2)刚度。为防止连杆在运动过程中产生过大的变形，从而影响到机器人的定位精度，因此，刚度必须满足要求。 3)重量轻、转动惯量小。为提高机器人的反应速度、降低能耗和节省材料，要尽量减少其自身特别是运动部分重量。 本设计中连杆结构采用内外杆结构通过调节内外杆之间的固定位置调整连杆的长度(即大小腿的长度)。 2.2.6 腰部结构设计 腰部结构主要为患者腰部提供支持和下肢与框架的链接。腰带一方面可以对机械髋关节进行固定作用，另一方面在人行走过程中，当一支人机混合腿抬起时，即其处于摆动期时，其机械腿的部分重量可通过钢制腰带转移到另一支处于支撑状态的机械腿上，这样可以部分分担因一支腿抬起时，机械腿自重对使用者产生的负重效应。另外，由于腰带是钢质结构，其直接作用于人体的腰部会给人带人不舒服感。因此，我们要在钢质腰带与人体腰部之间加填了一软制护腰带，金属带与护腰带之间通过自粘带连接在一起要考虑到不同患者腰围的不同，所以要有调整结构，可以考虑用铰链结构。 2.2.7 减重机构设计 下肢残疾病人的下肢力量往往不能给正常步行提供足够的力，所以在设计康复系统时要考虑到减重机构，在康复训练时减轻身体重力作用在腿上的力，使作用在腿上的力为身体重力大小的一部分。 2.2.8 整体结构设计 设计总体结构时，要考虑到装配工艺过程和整体效果，如:杆件各零件的装配顺序，电机和杆件之间的干涉，轴承与轴承座装配，关节间的连接方式，外部框架之间的安装，减重结构与外部框架的链接，下肢与外部框架的连接。 具体装配方式见总体装配图。 2.3 本章总结 本章在对康复机器人步态分析了解的基础上，构建用直流伺服电机作驱动器的下肢外骨骼康复机器人的结构方案。包括自由度的选择，基本参数的选取，驱动器的选择，关节结构的选择，连杆结构的选择，腰部结构的选择，减重结构的选择，整个机构的装配特性、工艺特性的考虑。在后面的章节中将具体进行具体结构的设计、标准件的选型、非标准件的设计、电机的选型计算等。 人体下肢外骨骼康复机器人设计 13 3 机械结构的设计与计算 本章设计了下肢外骨骼康复机器人机械部分的结构和驱动元件的选型，对机械下肢的运动学部分进行分析。 3.1 人体参数 本设计的机械部分是要与人体下肢接触的，它的关节、腿长等的设计要借鉴人体下肢的一些参数，在零件的选择和校核计算过程中也要用到这些参数，具体参数见表3-1。 表3-1 中国青年几何统计表数据 足 小腿 大腿 0.885 2.196 8.497 质量/kg 249 376 502 长度/mm 38 224 254 质心长度/mm 253 355 507 腿围/mm 因为本设计是要带动人的下肢进行关节旋转运动的，所以机器人下肢的旋转角度和运动灵活性也要和人行走时的下肢接近。考虑到本设计的使用对象是有运动功能障碍的患者，所以确定各旋转关节运动为:髋关节向前伸展范围为45，向后伸展为30;膝::关节屈伸范围为80。角度范围的选择是根据第2章中青年男子在行走时关节活动角度数: 据而定的。 3.2 各关节运动学分析 本设计中的关节均为旋转关节，它由上下杆件和两块关节连接板，轴承及轴承盖组成。具体结构见装配图。 3.2.1 膝关节的运动学分析 图3-1所示为下肢膝关节的运动学模型示意图。,是大腿杆的一部分的长度，,21是丝杠端部安装孔距关节中心水平方向上的的距离，L是关节中心到丝杠中心的距离，3 L为丝杠的长度，θ为关节转过的角度。 人体下肢外骨骼康复机器人设计 14 图3-1 膝关节机构运动学模型 图中L=110，L=402，L=171，α=120?，丝杠L的长度可由公式 123 ,,L222221 (3-1) LLLLLLL2cosarctan,,,，，,，，,,,,123312L2,, 算出。计算出的L的范围为350—500，行程为150。 3.2.2 髋关节的运动学分析 图3-2所示为下肢髋关节的运动学模型示意图。,是大腿杆的一部分的长度，,21是丝杠端部安装孔距关节中心水平方向上的的距离，L是关节中心到丝杠中心的距离，3 L为丝杠的长度，θ为关节转过的角度。 其中,=60，L=340，L=135，α=120?，θ的范围为,30?— +45?。丝杠L的长度可123 由公式(3-1)算出。计算出的L的范围为350-450，行程为100。 图3-2 髋关节机构运动学模型 3.3 关节力矩分析 由于本设计的机械结构部分的作的是低速运动，所以零件的选择从静力学角度分析和计算。 人体下肢外骨骼康复机器人设计 15 图3-3 力矩分析示意图 图中: ,,,x、、,分别为髋关节、膝关节和踝关节的旋转角度，以轴正方向为初始位123 置，图中所示角度的转向为正向 ''l、,分别为大腿和小腿的长度 l21 cc、分别为大腿、小腿的质心 12 ll、分别是大腿、小腿质心到相应关节的距离。 12 根据力矩方程 (3-2) TFl,， 得到各关节的力矩方程分别为 'Tmglmgll,，，cos(coscos),,,(3-3) 111121122 Tmgl,cos, (3-4) 2222 式中:m,m分别是各质心处的质量，包括人体和机械结构总质量。 12 在下面的计算过程中，力矩的计算式均是按式(3-3)、(3-4)的原理计算的，T 所不同的是，下面的计算均取的是极限位置，即各关节受到最大力矩的位置。 3.4具体结构设计 3.4.1 关节结构的选择 各个关节均为旋转关节，滚动轴承传动有摩擦阻力小，功率消耗少，启动容易等优点，可以充分利用电机所作的功，减小机构体积。通过关节连接板将关节的两个杆件连接在一起，而且整个机构零件分散，零件个体小，可以使整个关节结构轻便小巧、安全。 3.4.2 连杆结构的选择 人体下肢外骨骼康复机器人设计 16 作为下肢大小腿的连杆机构既是传动装置又是执行装置。连杆的长度精度要求较高，本设计中连杆结构采用内外杆结构通过调节内外杆之间固定位置调整连杆的长度(即大小腿的长度)。 如图3-4为小腿的结构，图3-5为大腿的结构。 图3-4 小腿的结构 图3-5 大腿的结构 3.4.3 腰部结构设计 腰部结构主要为患者腰部提供支持和下肢与框架的链接。为适应不同腰围患者的需求，腰部结构中有铰链调整结构，可以调整腰围大小。同时为了适应人体行走时骨盆上下运动，腰部结构中有可以转动的关节结构。如图3-6是实体效果图。 图3-6腰部实体效果图 3.4.4 减重机构 人体下肢外骨骼康复机器人设计 17 减重机构由钢丝绳带动安全带上下运动，减重机构起到恒力减重作用。 3.4.5 整体结构设计 设计总体结构时，要考虑到装配工艺过程和整体效果。具体装配方式见总体装配图。 3.5 部分重要零件的设计与校核 3.5.1 轴承的选择及校核 本设计中的轴承主要承受径向力，所以选用深沟球轴承6000,它的径向基本额定动载荷C=13.2kN，预期寿命L=15000小时。最大当量动载荷P=600N，寿命指数ε=3，转速 Ln=60r/min,轴承基本额定寿命(单位为小时)为 h ,610C,,6(3-5),,，,LL2.9510 h,,60nP,, 所选轴承6000符合要求 3.5.2 连杆的计算与校核 大小腿内外杆主要受到拉伸或压缩作用。有材料力学可知，拉压杆件，其强度条件为: N (3-6) ,,,,,,maxA ,b, (3-7) ,,,nb 式中 ,,,---材料许用应力; A---最小截面积; N---所受载荷; , ---材料强度应力; b n---安全系数; b 铝合金ZAlCu5Mn(ZL201)的抗拉强度:295~335MPa，n=2，N?600N。 b 22mmmm 由公式(3-6)、(3-7)可得A4，所设计的连杆的最小截面积都大于4，, 强度条件符合。 人体下肢外骨骼康复机器人设计 18 3.5.3 双头螺柱的校核 腰部可调结构中的双头螺柱是腰部与外部框架链接的受力部分，主要受到轴向工作载荷F=600N，其拉伸强度条件为: 4F (3-8) ,,,,,,2d,1 其中d=28，=250MPa，由公式(3-12)可得: ,,,1 ,,,,1MPa,, 螺柱合格。 3.6 本章小结 本章是在前几章对总体方案设计的基础上，主要设计计算了各个关节中的零件、各个具体结构。主要的设计计算有:连杆、轴承、螺柱计算校核，以及减重系统的计算校核。 人体下肢外骨骼康复机器人设计 19 4驱动部件的设计与计算 4.1滚珠丝杠螺母副的计算与选型 滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型，确定滚珠循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定以后，再计算和确定其他技术参数，包括:公称直径d0,导程，滚珠丝杠的工作圈数，列数，精度等级等。 滚珠的循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。 滚珠丝杠副的预紧方法有:双螺母垫片式预紧，双螺母螺纹式预紧，双螺母齿差式预紧，单螺母变导程预紧，以及过盈预紧等。 滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。尤其是近年来，滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛运用，极大的推动了机床行业的数控化发展。这些都取决于其具有以下几个方面的优良特性: 由于滚珠丝杠副运转顺滑、消除轴向间隙以及制造的一致性，采用多套滚珠丝杠副方案驱动同一装置或多个相同部件时，可获得很好的同步工作。 传动效率高、定位精度高、传动可逆性、使用寿命长、同步性能好。 4.1.1 髋关节滚珠丝杠副的计算与选型 F1)工作载荷的计算 m 根据公式 F,KF，,F (4-1) mab 查《机电一体化课程设计指导书》表3-29，取K=1.1,=0.15, , F,570.76N 代入得工作载荷 m 2)最大动载荷的计算 FQ P,5mm 根据速度仿真得推杆的最快移动速度为,初选丝杠基本导程， vms,0.2/h 则此时丝杠转速 1000vn,,2400r/min (4-2) Ph 取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h 人体下肢外骨骼康复机器人设计 20 代入式 60nT (4-3) L,0610 6L,2160 得丝杠寿命系数 (单位为: r) 100 查《机电一体化课程设计指导书》表3-30， f,1.2 取载荷系数 W f,1 硬度系数 H 代入式 3 (4-4) F,LffFQWHm0 F,8842N 求得最大动载荷 Q 3)初选型号 根据计算出的最大动载荷，查《机电一体化课程设计指导书》表3-31选择型号为2005-3型滚珠丝杠副。其公称直径为20mm，基本导程为5mm，额定动载荷为9309 N，满足要求。 4)传动效率η的计算 d,20mmP,5mm将公称直径，基本导程，代入式 0h ，，,,atctan,,P/,d (4-5) h0 ,'得:丝杠螺旋升角 ,,433 ',,10将 摩擦角代入式 ，，,,tan,/tan,，, (4-6) 得:传动效率 ,,96.5% 5)刚度验算 先画出髋关节丝杠支承方式草图如图4-1所示。最大牵引力为640N，支承间距为 1，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载的。 Lmm,6003 人体下肢外骨骼康复机器人设计 21 图4-1髋关节系统计算简图 / 查《数控机床课程设计指导书》图4-6，根据，查出FN,570.76Dmm,20m0,,5L,，1.310，可算出: L ,,,53L (4-7) ,，,，，,，Lmm1.3106007.810,1L 由于两端均采用角接触球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4 /倍，其实际变形量,()为: mm1 1/3,,,,，,，1.9510 (4-8) 114 ,查《数控机床课程设计指导书》图4-7，滚珠和螺纹滚道接触变形量: Q ,,,3.7mQ 因进行了预紧 11,,,,,,，,mm (4-9) 3.71.852Q22 d 采用7204C角接触球轴承，滚动体直径 =3.175,滚动体数量z =12，mmQ ， dmm,151 22F570.76m3,,,,30.00240.00240.0037 (4-10) C22，，dZ4.76312Q 上式中F,轴承所受轴向载荷 m 轴承滚动体数目 z, ()mm d,轴承滚动体直径 Q 人体下肢外骨骼康复机器人设计 22 因施加预紧力，故 11 (4-11) ,,,,，,0.00370.001853C22 根据以上计算 ,,,,,，，,，，,0.001950.001850.001850.00565 (4-12) 123 小于定位精度。 4.1.2 膝关节滚珠丝杠副的计算与选型 F1)工作载荷的计算 m 根据公式 F,KF，,F mab查《机电一体化课程设计指导书》表3-29，取k=1.1，μ =0.15 F,428.07N代入得工作载荷 m 2)最大动载荷的计算 FQ Pmm,4根据速度仿真得推杆的最快移动速度为 ,初选丝杠基本导程， Vms,0.1/h 则此时丝杠转速 1000vn,,1500r/min Ph 取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h 代入式 60nTL, 0610 6L,1350得丝杠寿命系数(单位为: r) 100 查《机电一体化课程设计指导书》表3-30 f,1.1取载荷系数 W f,1.1硬度系数 H 代入式 3 F,LffFQWHm0 F,5197N求得最大动载荷 Q 3)初选型号 人体下肢外骨骼康复机器人设计 23 根据计算出的最大动载荷，查《机电一体化课程设计指导书》表3-31选择型号为2004-3型滚珠丝杠副。其公称直径为20mm，基本导程为4mm，额定动载荷为5243 N，满足要求。 )传动效率的计算 4, d,20mmP,4mm将公称直径，基本导程，代入式 0h ,,，，,,arctanP/,d h0 0'得:丝杠螺旋升角 ,,338 ',,10摩擦角 代入式 ，，,,tan,/tan,，, 得:传动效率 ,,95.2% )刚度验算 5 先画出膝关节丝杠支承方式草图如图4-2所示 G JM 4-2膝关节丝杠计算草图 最大牵引力为480N，支承间距为，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧Lmm,460 1力为最大轴向负载的。验算方法与髋关节相同，经过计算，丝杠定位精度合格。 3 4.2直流伺服电机的计算与选型 直流伺服电机,它包括定子、转子铁芯、电机转轴、伺服电机绕组换向器、伺服电机绕组、测速电机绕组、测速电机换向器,所述的转子铁芯由矽钢冲片叠压固定在电机转轴上构成。 直流伺服电机的基本特性 : (1)机械特性 在输入的电枢电压Ua保持不变时，电机的转速n随电磁转矩M变 人体下肢外骨骼康复机器人设计 24 化而变化的规律，称直流电机的机械特性。 (2)调节特性 直流电机在一定的电磁转矩M(或负载转矩)下电机的稳态转速n随电枢的控制电压Ua变化而变化的规律，被称为直流电机的调节特性。 (3)动态特性 从原来的稳定状态到新的稳定状态，存在一个过渡过程，这就是直流电机的动态特性。 4.2.1 髋关节电机的计算与选型 直流伺服电机的选取 本机构的驱动为直流伺服电机驱动，电机的详细计算过程如下: 丝杠螺母受力=640 FN 人的步态行走周期定位2.3秒，即2.3秒内髋关节完成一个周期的运动，运动角度总计为75?,根据仿真得到丝杠的速度为 Vms,0.2/ 丝杠螺距 Pm,0.005 同步带传动比 i,1 总效率 ,,90% V 电机转速 (4-13) nir,，，,602400/minP 又由 (4-14) F，V,,，n，T 推得 TNm,,3.56 功率 PW,，,,6400.20.9142 经过对比，驱动电机选用90SZ53直流伺服电机 4.2.2 膝关节电机的计算与选型 直流伺服电机的选取 本机构的驱动为直流伺服电机驱动，电机的详细计算过程如下: 丝杠螺母受力F=480N 人的步态行走周期定位2.3秒，即2.3秒内膝关节完成一个周期的运动，运动角度总计为80?,根据仿真得到丝杠的速度为 Vms,0.1/ 丝杠螺距 Pm,0.004 同步带传动比 i,1 ,,90% 总效率 电机转速 人体下肢外骨骼康复机器人设计 25 Vnir,，，,601500/min P 又由 F，V,,，n，T 推得 TNm,,2.13 功率 PW,，,,4800.10.953.3 经过对比，驱动电机选用70SZ65直流伺服电机。 4.3同步带的计算与选型 同步带是以钢丝绳或玻璃纤维为强力层，外覆以聚氨酯或氯丁橡胶的环形带，带的内周制成齿状，使其与齿形带轮啮合。同步带传动是由一根内周表面设有等间距齿形的环行带及具有相应吻合的轮所组成。它综合了带传动、链传动和齿轮传动各自的优点。转动时，通过带齿与轮的齿槽相啮合来传递动力。 同步带的特点: (1)传动准确，工作时无滑动，具有恒定的传动比; (2)传动平稳，具有缓冲、减振能力，噪声低; (3)传动效率高，可达0.98，节能效果明显; (4)维护保养方便，不需润滑，维护费用低; (5)速比范围大，一般可达10，线速度可达50m/s，具有较大的功率传递范围，可达几瓦到几百千瓦; (6)可用于长距离传动，中心距可达10m以上。 同步带传动的主要失效形式: (1)带体疲劳断裂; (2)带齿剪断和压溃; (3)带侧、带齿磨损、包布剥离; (4)承载层伸长、节距增大、形成齿的干涉、爬齿; (5)冲击、过载使带体断裂。 4.3.1 髋关节同步带的计算与选型 P1) 确定带的设计功率 d 设计功率: P,K，P (4-15) dA K为工况系数，因为载荷性质平稳，每天工作小于10小时。所以K取1 AA 人体下肢外骨骼康复机器人设计 26 PW,142所以 d 2)选定带型、节距 P和小带轮转速，即电机额定转速n，查《新编机械设计手册》图 根据设计功率d 7-9 选取L型同步带。 P,9.525mm查《新编机械设计手册》表7-42 节距 b3)小带轮齿数确定 Z,16Z,30根据《机械设计师手册袖珍版》表15-8 ，查得 选取 min1 4)小带轮的节圆直径 d,ZP/,,90.96mm (4-16) 11b 5)大带轮齿数的确定 Z,iZ (4-17) 1 Z,1，30,30算得: 2 6)大带轮的节圆直径 d,ZP/,,90.96mm (4-18) 22b 7)带速 V dn,11V,,11.6m/s (4-19) 60，1000 a8)初定中心距 0 ，，，，0.7d，d,a,2d，d (4-20) 12012 人体下肢外骨骼康复机器人设计 27 a,360mm初定中心距 0 9)初定带的节线长度及齿数 2d,d,，，12 (4-21) L,2a，d，d，，，001224a0 L,1006mm算得: 0 由《机械设计实用手册》表8-1-43选带长代号为390L型同步带其节线长度 L,990.6mm P 10)实际中心距a的确定 L,Lp0a,a，,352mm (4-22) 02 11)小带轮的啮合齿数 根据公式 PZZ，，b11，，Z,ent,Z,Z,7 (4-23) m212,,,22a，， P12)基本额定功率 0 基本额定功率是各带型基准宽度的额定功率 2，，,TmvaP,v (4-24) 01000 Tb—宽度为的带的许用工作拉力，N as0 bm—宽度为的带的单位长度的质量，kg/m s0 查《新编机械设计手册》表7-45 得 人体下肢外骨骼康复机器人设计 28 T,245NL型带 ， m,0.096kg/ma P,2.75kw算得 0 b13)带宽的确定 s pd11.4 (4-25) bb,ss0KPZ0 b,25.4查《新编机械设计手册》表7-45 得L型带 s0 Z,7K,1由，查《机械设计实用手册》表8-1-63得， mZ b,23.88mm求得: s 4.3.2 膝关节同步带的计算与选型 P1) 确定带的设计功率 d P,K，P设计功率: dA KK为工况系数，因为载荷性质平稳，每天工作小于10小时。所以取1 AA PW,53.3所以 d 2)选定带型、节距 P 根据设计功率和小带轮转速，即电机额定转速n，查《新编机械设计手册》图d 7-9 选取L型同步带。 P,9.525mm 查《新编机械设计手册》表7-42 节距 b 3)小带轮齿数确定 Z,16Z,30根据《机械设计师手册袖珍版》表15-8 ，查得 选取 min14)小带轮的节圆直径 人体下肢外骨骼康复机器人设计 29 d,ZP/,,90.96mm 11b 5)大带轮齿数的确定 Z,iZ 21算得: Z,1，30,30 2 6)大带轮的节圆直径 d,ZP/,,90.96mm 22b 7)带速V dn,11 V,,7.14m/s 60，1000 a8)初定中心距 0 ，，，，0.7d，d,a,2d，d 12012 a,360mm初定中心距 0 9)初定带的节线长度及齿数 2d，d,，，12 L,2a，d，d，，，001224a0 L,1006mm 算得: 0 根据《机械设计实用手册》表8-1-43选取带长代号为390L型同步带其节线长度 L,990.6mm p 10)实际中心距a的确定 人体下肢外骨骼康复机器人设计 30 L,Lp0 a,a，,352mm02 11)小带轮的啮合齿数 根据公式 PZZ，，b11，，Z,ent,Z,Z,7 m122,,,22a，， P12)基本额定功率 0 基本额定功率是各带型基准宽度的额定功率。 2，，,TmvaPv, 01000Tb—宽度为的带的许用工作拉力，N as0 bm—宽度为的带的单位长度的质量，kg/m s0 查《新编机械设计手册》表7-45 得 T,245NL型带 ，m,0.096kg/m a P,1.71kw算得 0 b13)带宽的确定 s Pd11.4 b,bss0KPZ0 b,25.4查《新编机械设计手册》表7-45 得L型带 sZ,7K,1由，查《机械设计实用手册》表8-1-63得， mZ 人体下肢外骨骼康复机器人设计 31 b,22.6mm求得: s 4.4 本章小结 本章是在前几章的基础上，对驱动部分进行了设计计算。主要的设计计算有:滚珠 丝杠螺母副，直流伺服电机，同步带的计算校核。 人体下肢外骨骼康复机器人设计 32 5 控制部分设计 5.1控制系统的方案选取 本设计的控制采用微机控制，因为使用微机控制的成本相对于PLC要低廉很多,而且它体积小，便于安装和使用。 本设计决定采用MCS51系列单片机。MCS51系列单片机硬件结构合理，指令系统规范，生产历史悠久，是目前全球用量最大的系列微机控制器之一。MCS51系列单片机提高了速度，降低时钟频率，加宽了电压范围，降低了产品价格。 5.2控制系统的方案选取 5.2.1 电源配置设计 本设计的电源配置系统为三端固定电压，220V的交流市电经过隔离变压后，输出四组低压交流进行桥式整流，电容滤波和稳定处理，电压稳定采用分别MC7805,MC7812, MC7912三端固定电压稳压器。最终输出的电压用来驱动直流电机和供给CPU及其扩展芯片使用，其中12V不共地，其余+5V，+12V,-12V均共地。 5.2.2 常用存储器及扩展电路设计 本设计程序存储器采用电擦除的EEPROM芯片，W27C512(64K×8位)。CPU选取自带ROM型微控计算机AT89S52型单片机，片内含有4KB的EEPROM，为电擦除型。构成系统时，4KB的ROM空间不够用，需要外扩。常用存储器的A0到A7不能直接接到AT89S52型单片机的P0口，必须经过地址锁存器74LS373,AT89S52型单片机地址锁存允许信号ALE接到74LS373的LE端，用以传递锁存命令。ALE信号的下降沿把P0口输出的低八位A0到A7锁入74LS373中。W27C512的输出允许信号OE时接地的，始终有效，故锁存器与其输出Q0到Q7是直通的，没有缓冲。 5.2.3 数据存储器的设计 本设计的数据存储器采用6264芯片。 5.2.4 D/A转换器接口电路设计 将模拟量转换为数字量的过程称为模/数(A/D)转换，完成这一转换的器件称为模数转换器(简称ADC);将数字量转换为模拟量的过程称为数/模(D/A)转换，完成这一转换的器件称为数模转换器(简称DAC)。 (1) D/A转换器接口电路设计 选择D/A转换器时主要考虑以下参数: 1)分辨力 是指D/A转换器所能生产的最小模拟量增量，即数字量最低有效位(LSB)所对应的模拟值;也可以将数字量最低位增1所引起的模拟量增量和最大输入 n量的比值成为分辨力，即分辨力=1/2(n为二进制数的位数)。 人体下肢外骨骼康复机器人设计 33 2)转换精度 用来衡量D/A转换器在将数字量转换为模拟量时，所得模拟量的精确程度，它表明实际的输出模拟值与理论值之间的偏差。 3)线形度 是指D/A转换器实际转换特性(各数字输入值所对应的各模拟输出值之间的连线)与理想的转换特性(起点与重点的连线)之间的误差。 4)建立时间 是指从数字量输入到建立稳定的模拟量输出所需要的时间。 5)数据输入缓冲能力 当D/A转换器本身不具有数据锁存功能时，应考虑是否需要在D/A的外部设置数据缓冲器或锁存器。 6)输入数字量 包括码制、数据的格式和宽度等。多数D/A转换器只能接受二进制码或BCD码，输入数据的格式大多为并行码(也有串行码，如MAX517等)。 7)输出模拟量 有电压和电流两种形式。多数D/A输出电流，需要输出电压时，在电流型DAC的输出端加一个运算放大器和一个反馈电阻即可实现。 (2) DAC0832应用电路设计 目前市场上D/A转换器的种类很多，功能、特性各异，下面介绍典型的8位并行D/A转换芯片DAC0832的软硬件设计，其他芯片的设计方法与此类似。 DAC0832是一种具有两个输入数据寄存器的8位DAC，它能直接与单片机相连，其主要特性如下:分辨力为8位;电流稳定时间1us; 可单缓冲、双缓冲或直接数字输入;只需在满量程下调整其线形度;单一电源供电(+5- +15V);内部没有参考电压源，需要外接;为电流输出型D/A转换器，要获得模拟电压输出时，需要外加转换电路。 DAC0832与CPU有三种基本的接口方法:直通方式、单缓冲方式和双缓冲同步方式。本设计采用单缓冲接口方式。 (1)直通方式 当ILE接高电平，CS、WR1、WR2和XFER都接数字地时，DAC处于直通方式。8位数字量一旦到达D17- D10输入端，就立即加到8位D/A转换器，被转换成模拟量。有些场合可能用到这种工作方式，比如在构成函数波形发生器时，可把基本波形的数据放在EPROM中，需要的时候连续地驱除这些数据，送到DAC去转换成电压信号，不需要任何外部控制信号，这时就可以采用直通方式。 (2)单缓冲方式 若应用系统中只有一路D/A转换或虽然是多路转换，但并不要求同步输出时，采用单缓冲方式接口。 由于DAC0832具有数字量的输入锁存功能，故数字量可以直接从单片机的P0口送出。 5.2.5 译码器的设计 本设计选用“三进八出”的74LS138译码器，有三根高位地址线，可选择8个外围芯片，本设计暂时只需要2个出口，其余出口作为以后扩展用。 5.2.6 与上位机的连接 人体下肢外骨骼康复机器人设计 34 与上位机的连接选用MAX232，具体设计。参考控制接线图 5.3控制流程设计 5.4本章小结 本章是在前几章的基础上，对控制部分进行了计算。本设计主要采用单片机进行控 制，主要的设计有:电源配置，常用存储器及扩展电路，数据存储器， D/A转换器， 译码器，流程图的设计。 人体下肢外骨骼康复机器人设计 35 6 结论 本论文是在综述了目前国内外康复机器人的研究和应用的基础上，结合发展方向，针对康复训练的功能，具体阐述了一个基于步态控制的下肢外骨骼康复机器人的设计。本设计的主要工作是设计出一个下肢有四个自由度的下肢外骨骼康复机器人及其相应的框架和减重机构(一个自由度)，然后绑在人腰部和下肢上，分别带动髋关节、膝关节的运动，从而训练相应部位的肌肉，帮助使用者恢复下肢的运动功能，它由减重机构、姿态控制机构组成。本文主要完成了以下工作: 1.根据康复训练机器人的应用对象、使用环境及技术指标的要求，结合人体工程学的基本知识和康复医学的基本理论，确定系统的总体方案，采用两个自由度分别实现单边髋关节、膝关节的运动训练，总共采用5个自由度。 2.结合康复器械的运动特点，比较多种驱动器的利弊，选用直流伺服电机作为下肢外骨骼康复机器人的驱动器。选择电机的型号，进行所需行程的计算。 3.进行了结构设计计算。根据机械设计的基本理论和方法，选择能完成机械运动的合适的零件，设计计算零件的型号和尺寸。考虑制作工艺性和装配工艺性，设计连接件的结构，如关节，用于关节间连接的支架，下肢的伸缩杆等零件。 4.针对机器人的驱动方式和应用场合，对控制系统进行了设计，采用单片机控制。 人体下肢外骨骼康复机器人设计 36 7 参考文献 [1] 张付祥,付宜利,王树国.康复机器人研究现状[J]. 河北工业科技, 2005，22(2): 100-105. 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