多功能康复椅虚拟样机设计含SW三维及6张CAD图
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目录摘要IIAbstractIII第一章 绪论11.1 康复机器人的简介11.2 下肢康复椅的研究现状21.2.1 康复机器人的发展21.2.2 国内外康复机器人的现状21.3 下肢康复机器人的设计及其意义31.4 本章小结4第二章 康复机器人的执行机构设计52.1 康复机器人的服务对象研究52.1.1 康复机器人的需求调查52.1.2 康复机器人适用对象的调查52.2 康复机器人的整体设计及其原理62.3 康复椅的六自由度平台的设计72.3.1 六自由度平台的简介72.3.2 液压六自由度平台的结构设计72.4 前肢运动的设计92.5 脚腕部分的设计11第三章 康复椅的主要控制机构的设计123.1 康复椅中六自由度平台的控制方案123.1.1 液压六自由度平台的控制原理123.1.2 主要参数元件的设计及选择143.1.3 六自由度液压油箱的设计及其计算183.2 驱动前肢的丝杠部分的控制方案223.3 本章小结23第四章 多功能康复椅的 Adams 仿真分析244.1 虚拟样机与 Adams 仿真分析简介244.2 康复椅中六自由度平台 Adams 中建模的过程254.2.1 adams 建模254.2.2 模型约束和驱动的添加264.3 六自由度平台空间位置的计算284.4 反解研究液压平台的运动规律294.4.1 由反解加载驱动控制294.4.2 不同情况下各个液压缸的运动规律304.5 正解液压平台的运动规律414.6 前肢部分的仿真模拟444.7 联合仿真454.8 本章小结48第五章 结论与展望49参考文献51致谢52摘要随着社会的发展,医疗辅助机器人日益出现在我们的视线里,现在应用在医疗领域,最为大家熟知的是使用的机器人来进行精密手术的控制。现在出现各种各样的康复机器人,它的研究贯穿了康复医学、生物力学、机械学、机械力学、电子学、材料学、计算机科学以及机器人学等诸多领域,已经成为了国际机器人领域的一个研究热点。目前,康复机器人已经广泛地应用到康复护理、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。现在由于各种原因造成肢体的残疾的患者在人工辅助运动的时候需要耗费很大的人力,在现在日益老龄化和快节奏的生活里,很难对需要帮助的人一个完善系统的康复训练,所以希望设计一款代替人工的康复椅,给予需要帮助的人一个系统的恢复。本文主要主要研究对下肢康复机器人的设计和虚拟样机的仿真,本文的主要重点是六自由度平台的建模和设计。通过对平台的控制来精确的控制来实现坐在椅子上人的腰背部的运动,通过控制丝杠的运动来控制人的腿部的运动,模拟人身体的运动,被动的使患者的肌肉得到运动,防止肌肉的萎缩。先在 solidworks中进行三维建模,根据人体工学,建立的模型符合人的身体比例。通过对六自由度平台的搜集资料,最后决定采用电液控制的摸设计,设计液压回路实现复杂的运动。在进行 adams 仿真时,六自由度平台的仿真时重点,对于多自由度的机器人的仿真,通过反求,求出液压缸的运动轨迹,然后在通过正求,加载每个液压缸的运动轨迹,从而完成仿真。多功能康复椅的应用前景广泛,需要进一步的完善。关键词:康复椅、并联机器人、六自由度平台、adams 仿真IVAbstractWith the development of society, medical assistant robot has appeared in my sight,is now used in the medical field, the most well known is the use of robots to controlprecision operation. There is now a wide variety of rehabilitation robot, it runsthrough the rehabilitation medicine, biomechanics, mechanics, mechanics, electronics,materials science, computer science and robotics and other fields, has become aresearch hotspot in the field of international robot. At present, the rehabilitation robothas been widely applied to the rehabilitation nursing, prosthesis and rehabilitationtherapy, which has not only promoted the development of rehabilitation medicine,also contributed to the development of new technology and new theory in the area of.Now, because of various reasons causing physical disability patients will need a lot ofmanpower in the artificial auxiliary movement, in the now aging and the fast pace oflife, it is difficult to help people in need of a perfect training system, so we hope todesign a substitute for manual rehabilitation chair back, who need help the people of asystem.This paper mainly studies the simulation design of the lower limbs rehabilitative robotand virtual prototype, the main focus of this paper is the modeling and design of sixdegree of freedom platform. Controlled by control of the platform to precisely to siton the chair of human lumbar motion, to control by controlling the screw motion ofthe leg movement, simulation of human body movement, passive patients muscleexercise, prevent muscle atrophy. The first 3D modeling in SolidWorks, according tohuman body engineering, the model accord with human body proportion. By sixdegrees of freedom platform to collect data, finally decided to adopt a touch design ofelectro-hydraulic control, hydraulic circuit design to realize the complex motion. Inthe ADAMS simulation, simulation of six degrees of freedom platform with emphasis,simulation for robots with many degrees of freedom, the reverse, the trajectory of thehydraulic cylinder, and then through to beg, trajectory loading of each cylinder, thuscompleting the simulation. Application of multifunctional rehabilitation chair widely,needs further improvement.Keywords: chair, recovery of 6-dof parallel robot, Adams,simulation platform第一章 绪论1.1 康复机器人的简介康复机器人是工业机器人和医用机器人的结合。20 世纪 80 年代是康复机器人研究的起步阶段,美国、英国和加拿大在康复机器人方面的研究处于世界的领先地位。1990 年以前全球的 56 个研究中心分布在 5 个工业区内:北美、英联邦、加拿大、欧洲大陆和斯堪的纳维亚半岛及日本。1990 年以后康复机器人的研究进入到全面发展时期。目前,康复机器人的研究主要集中在康复机械手、医院机器人系统、智能轮椅、假肢和康复治疗机器人等几个方面。康复机器人的主要作用体现在两个方面,第一就是帮助由于疾病造成的瘫痪,或者是因意外伤害造成的肢体运动障碍的人提高运动能力,这部分作用的机器人称作康复训练机器人;第二就是辅助肢体运动,完成肢体的某个运动,这部分机器人成为机器人假肢。康复机器人由计算机进行精确的控制,并配有相应的传感器和安全系统,可以根据病人的实际情况调节参数,从而实现最佳的锻炼效果。康复机器人的目前主要的成果包括以下几个方向:手部康复机器人,手臂康复机器人,下肢康复机器人,及其行走机器人。目前康复机器人更加人性化设计,通过对人体的生物机能和传感器技术相结合,主动调节,实现人的肢体的运动,做到更加的精确,效果更明显。康复机器人技术的发展对于提高患者的康复质量,减少患者的病痛,减轻社会负担具有重大的意义。由于各种原因造成运动障碍的患者越来越多,人们对康复机械的需求越来越多,需求的形式也是多种多样的,针对不同的病人会出现不同的康复机械,其发展的方向更加的人性化,更加的专业化。在西方国家,康复机械发展的很全面,趋于更加的高端,我国的康复机械需要更多的投入,需要更加专业的人开发。在这个方面未来会有更广的发展,会带动国民经济的发展。521.2 下肢康复椅的研究现状1.2.1 康复机器人的发展20 世纪 80 年代是康复机器人研究的起步阶段,美国、英国和加拿大在康复机器人方面的研究处于世界的领先地位。1990 年以前全球的 56 个研究中心分布在 5 个工业区内:北美、英联邦、加拿大、欧洲大陆和斯堪的纳维亚半岛及日本。1990 年以后康复机器人的研究进入到全面发展时期。目前,康复机器人的研究主要集中在康复机械手、医院机器人系统、智能轮椅、假肢和康复治疗机器人等几个方面。目前最新的产品是 Handy1,Handy1 康复机器人是目前世界上最成功的一种低价的康复机器人系统,现在有 100 多名严重残疾的人经常在使用它。在许多发达国家都有人采用了这种机器人。根据现在机器人技术的发展水平,一般具有以下三种结构第一种是彻底结构化的控制平台,类似于桌面工作站,将机械手安装在固定的控制平台上,完成在固定工作空间内的操作;第二种结构是将机械手安装在轮椅上,这样就可以在任何地域使用,但这导致了机械手刚性下降,抓取的精度往往达不到要求,而且这种方法只适合于那些可以用轮椅的人。第三种机构是将机械手安装在自主或半自主车辆上,通过传感器控制,完成复杂的运动,完成辅助的任务。1.2.2 国内外康复机器人的现状国外的机器人做的最具代表的是上文提到的Handy1 康复机器人,它是目前世界上最成功的一种低价、市售的康复机器人系统。目前正在生产的 Handy1 机器人由 5 自由度机器人手臂和新型控制器组成,它具有话音识别、语音合成、传感器输人、手柄控制以及步进电机控制能力。Handy1 具有很强的通话能力,它可以在操作过程中为护理人员及用户提供有用的信息,所提供的信息可以是简单的操作指令或有益的指示,可以用任何一种欧洲语言表达出来。这种装置可以大大提高 Handyl 方便用户的能力,而且有助于突破语言的障碍。国内的康复机器人的研究主要集中在假肢上,只有部分的科研机关开始关注康复机器人,至今国内的成果也是可观的,出现了下肢康复训练机器人等各种康复机器人的专利。目前,国内在该领域进行研究的主要有清华大学、上海交通大学、复旦大学、哈尔滨工业大学等。其中,上海交通大学和复旦大学合作展开了“神经的运动控制与控制信息源的研究”。其研究目的是提取神经信息,利用神经信息来控制电子假手。七个自由度假手模拟装置已设计完成,神经信息的提取正在进行动物试验,信息的整合与控制电路的设计进展顺利。我国医疗设备自动化程度较高的大多数为进口设备,成本较高因此,随着科学技术的发展,该领域技术研究的深入,康复设备的国产化具有必然性及可行性。1.3 下肢康复机器人的设计及其意义研究下肢康复训练机器人,主要是对于要进行下肢康复训练的人来说,下肢康复主要是以活动腿部的肌肉为主要的目的,模拟人在运动过程中腿部肌肉的活动规律,锻炼下肢肌肉,防止肌肉的萎缩。同时,研究人的腰背部的运动,通过控制元件,带动坐在机器上的人的运动。本文的设计主要是通过患者固定在康复椅上,通过控制六自由度平台,来实现患者腰背部的运动,这样减少了病人长期卧床而不能得到锻炼的痛苦,这也那也减少护理人员的工作强度,通过控制丝杠的运动,来控制腿部的运动,对腿部肌肉运动具有很大帮助,通过控制脚踏板的运动,实现脚腕的运动。从总体上来看,下肢康复训练机器人的总体工作目的就是为了能够使下肢需要进行康复训练的人能够更加方便的,更轻松的达到训练的目的,对下肢的康复训练起到辅助的作用。 研究下肢康复训练机器人的最大的受益者就是下肢康复训练有难度的病人,他可以帮助病人进早的从病痛中摆脱出来,及早的恢复健康的身体,这些是研究的直接原因和动力。从另一方面来看,对于下肢康复训练机器人的研究在对以后研究其他的类似康复机器人的时候,他有很多的研究成果都是可以直接被后续的工作所应用的。为其他的研究工作打下了一个很好的基础,为以后的工作的延续提供了一个基础平台。站在医院的角度来看,康复机人的研究给他带来了实在的好处。一方面可以减少工作护理人员的负担,同时还可以是病人能够运动的更加的方便。1.4 本章小结本章主要阐述了康复机器人的背景,发展及其未来的发展前景,对康复机器人有了更加全面的了解和细致的把握,接着通过查阅资料和分析毕设任务,明确了多功能康复椅的设计方向和特色之处,明确了设计和应用康复机器人的必要性。最后自学了与康复机器人有关的课程,同时学习了关于控制六自由度平台的有关知识,对如何控制平台有了更深的了解,为下一步的进行设计有了更深的了解,并做了充分的准备。第二章 康复机器人的执行机构设计2.1 康复机器人的服务对象研究2.1.1 康复机器人的需求调查根据第二次全国残疾人抽样调查,目前,我国各类残疾人总数万人,残疾人占全国总人口的比例为,肢体残疾万人,占,随着现在社会的发展,这个数字在不断上涨,其中下肢残疾的人数上涨速度比较快。由于各种原因造成的下肢残疾的数量不断增加,与之相对应的是,社会上的康复设施资源比较少,有很多的患者难以获得更加合适的治疗方案。替代人力的康复方法逐渐走进了我们的视线,所以康复机器人的设计尤为重要,目前市场上的机器人主要是辅助训练的机器人,让患者能够逐渐的恢复运动能力,缺少治疗性或者是缺少预防性机器人。对于那些下肢很难运动的人来说,辅助训练的机器人很难起到作用,所以本文设计的机器人适用于下肢很难运动的人和很难起来运动的人,所以这个需求是比较大的。2.1.2 康复机器人适用对象的调查本文主要是针对下肢运动的虚拟样机的设计,主要针对特定的人群,包括长期卧床的病人,或者是腿部受到较严重的伤害很难进行普通的康复训练。所以就需要一个平台将患者固定在上面,然后通过控制平台的运动实现康复运动,其中康复运动包括腿部的抬升运动,这个运动是不负压力的运动,也就是说这个运动不是简单的康复训练机器人,而是一个恢复肌肉功能的运动,主要是让长期无法运动的肌肉得到运动,避免肌肉的萎缩。同时,康复椅还带动腰部的运动,活动长期无法得到锻炼的腰背部,这主要通过设计患者固定的椅面的运动,根据患者的身体能力,和人体工学以及医学的要求,合理设计运动,从而对肌肉的机能进行恢复,防止器萎缩。还有附加的功能就是脚腕的运动,这部分配合腿部的运动,可以适当调整,并设计了合理余量,调整脚踏板的运动幅度。2.2 康复机器人的整体设计及其原理图 2- 1 康复机械椅的简图多功能康复椅分为三个部分,第一部分是椅面,包括六自由度平台,这是康复椅的核心部分,也是设计仿真的主要部分。第二部分是前肢的腿部运动的部分,这部分主要是电机带动丝杠的运动,实现前肢的摆动辅助运动。第三部分是脚腕部分的运动主要是电机带动皮带轮的运动,从而带动脚踏板的运动。这个平台主要部分是控制方面,在 solidworks 中无法体现出,因此只能应用到adams 进行仿真,对于液压仿真方面,会在下文中进行详细的介绍。2.3 康复椅的六自由度平台的设计2.3.1 六自由度平台的简介六自由度运动平台是由六支作动筒,上、下各六只万向铰链和上、下两个平台组成,下平台固定在基础上,借助六支作动筒的伸缩运动,完成上平台在空间六个自由度(X,Y,Z,)的运动,从而可以模拟出各种空间运动姿态。可广泛应用到各种训练模拟器以及动感电影、娱乐设备等领域,甚至可用到空间宇宙飞船的对接,空中加油机的加油对接中。在加工业可制成六轴联动机床、灵巧机器人等。由于六自由度运动平台的研制,涉及机械、液压、电气、控制、计算机、传感器,空间运动数学模型、实时信号传输处理、图形显示、动态仿真等等一系列高科技领域,因而六自由度运动平台的研制变成了高等院校、研究院所在液压和控制领域水平的标志性象征。六自由度运动平台是传动及控制技术领域的皇冠级产品,掌握了它,在传动和控制领域基本上就没有了难题。2.3.2 液压六自由度平台的结构设计液压六自由度运动平台本体结构包括上、下平台, 变长杆系统, 链接上、下平台和变长杆的铰接元件, 力传感元件, 位移传感元件等。下平台为固定的平台,上平台是可动的平台,采用六根变长机构驱动,驱动部分为液压缸,通过液压控制系统,控制杆的收缩,从而控制平台的运动。根据资料,位移检测元件位移传感器选用直流差动变压器式位移传感器。它把振荡器、相敏解调器与差动变压器封装在一起,只需提供稳定的直流电源,就能获得与位移量成线性关系的直流电压输出。铰接元件采用万向节铰接设计。这样,在之路上,上、下各有转动的自由度,液压缸伸缩有一个移动自由度,缺少的一个转动自由度由液压缸和液压活塞杆的相对转动实现,上下铰接元件分布的圆半径为上下平台的半径r =300mm,液压缸a的行程为 125mm,上下平台的初始位置的高度为 h=600mm图 2- 2 液压缸的简易视图在 solidworks 中建模,其中液压缸的采用连个轴心重合的连杆代替,铰接出画出一个球铰,以此来完成铰接 。 上 下 平 板 的 距 离l=500mm,上下平板的半径为 300mm。球铰均匀的分布在平板上,上下板的球铰错开放置。如下图:图 2- 3 六自由度平台的示意图2.4 前肢运动的设计在 solidworks 中 建 模 设 计 前 肢 的 连 接 方 式 如 下 图 所 示 :图 2- 4 前肢驱动的设计图其中设计前肢的支架的摆角为=60 ,其中前肢支架中的球铰到顶部的距离为 150mm。设置最初始的位置是支架垂直地面的时候,这个时候丝杠位于初始的位置,当支架位于最大的摆角的位置时,丝杠螺母向前运动的距离为s=150mm。图 2- 5 前肢运动的设计运动计算其中丝杠通过联轴器与电机直接相连,丝杠一段固定,另一端随着前肢的运动而摆动,可以通过调整连杆的位置调整最大的摆角,以及丝杠的导程来调整前肢的摆动角度。在这个设计的过程中使用滚珠丝杠,滚珠丝杆由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动,滚珠丝杠的特点:第一是高精度的保证,第二是微进给可能,滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给,第三是无侧隙、刚性高,滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。电机的选择:选择伺服电机为输入因为伺服电机转子转速受输入信号控制,并能快速反应,在自动控制系统中,用作执行元件,且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性,可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。图 2- 6 松下伺服电机的类型根据需要的扭矩,选择的电机为 MADHT1107NA1,其额定的功率为 100w。通过以上的选择可以使控制比较的精确,这样前肢的运动的较为精确保证了患者的安全性。2.5 脚腕部分的设计在 solidworks 中建模脚腕部分的设计即如下图:图 2- 7 脚腕部分示意图 脚腕部分主要是通过伺服电机带动皮带轮 1 转动,通过皮带带动脚踏板的带轮 2 转动,带轮 2 与脚踏板的轴通过键连接,从而实现脚踏板的摆动。在设计过程中,选择皮带轮的原因是允许打滑,在一定程度上起到保护的作用,在过载或者其他原因造成脚踏板运动畸变时,可以保护患者的脚腕。 电机的选择,由于这部分的扭矩比较小可以使用 50w 的电机,根据上图的电机类型,选择松下伺服电机 MADHT1105NA1.其额定的功率为 50w。2.6 本章小结本章主要介绍了多功能康复椅的设计原则,其中包括结构采用的执行元件,以及部分零件的设计原则,这为以后的仿真奠定基础。在以上的介绍中,可知其中六自由度平台的仿真时康复椅的重点,这包括了椅面的运动轨迹,以及各个液压缸的相对运动长度。还介绍了其他两个部分的控制方式,前肢主要是通过滚珠丝杠来实现,由旋转运动变为直线运动。脚腕主要是通过电机带动带轮,从而控制其运动。第三章 康复椅的主要控制机构的设计3.1 康复椅中六自由度平台的控制方案3.1.1 液压六自由度平台的控制原理六.自由度模拟.平台能够实现空间 6 个自由度的.独立及耦合运动.,主要由液压控制系统 1、控制及监控系统 2、机.架 3 等主要几个部分组成。液压控制系统包括模拟驱动系统和动力泵站系统,模拟驱动系统由六.套液压作动筒驱动,具有 6 个.独立控制.通道既可联动又可成对或单独动作,以便使该平台模拟缸体在空间的运动状态; 控制及监控系统主要功能是在子系统内修正液压作动筒活塞行程与指.令的偏差,按给定.台体质心的空间姿态计算目标控制参量; 动力泵站是整个系统的动力源,在控制及监控系统的控制下为模拟驱动系统提供动力; 机架主要用于试验设备的安装,它受 6 套液压作动筒控制,在液压作动筒的驱动下实现六自由度运动。图 3- 1 系统组成结构液压伺服控制系统主要包含模拟驱动系统和泵站系统,液压缸的位置指令和准确动作均通过控制及监控系统实现,采用系统集成技术将各种元件集中安装在一起,减少了空间,使其体积小、重量轻。其中,每个液压缸的运动各由一电液伺服阀控制。当 6 组缸各自取一定伸缩长度时,可唯一确定运动平台的位置姿态。通过 6 个液压缸的协调运动来实现平台沿 x、y、z 向的平移或绕 x、y、z 轴的旋转运动以及这 6 个自由度的复合运动,其灵活性相当大。与常见的串联运动机构不同,由于该种结构的平台机构有六个自由度,其 6 个液压缸的协调动作显得尤其重要。因为这里每个液压缸也能单独由伸缩,但这些伸缩给平台造成的是复杂的运动,不能得到纯单方向的运动。动力系统为模拟平台的运动提供能源,由于液压伺服系统具有结构简洁、空间占用面积小、驱动力大、控制精度高、反应速度快等优点,因此平台的运动通过液压控制来实现。液压泵站是动力系统的主要部件,主要作用是给系统提供压力油,是整个系统的主要动力源,同时兼具控制调解功能,它主要由各种控制阀、恒压变量泵、电机、蓄能器、冷却装置和油箱等组成,结构方面采用块式集成布置方式,将油路直接做在辅助连接件上或液压阀的阀体上,借助连接件及其油路孔道实现液压控制阀及其它元件和管路的集成连接和油路连接,具有管件少、结构紧凑、组装方便、外观整齐美观、油路通路短,不易泄漏、维修方便等优点。图 3- 2 液压系统原理图液压系统的工作原理是:控制及监控系统分别向六组模拟驱动系统的伺服阀对应的发出横摇、纵摇和纵荡等六组信号,与各自的传感器反馈回来的信号比较后,其差值经伺服放大器放大,驱动相应的伺服阀产生与之对应的压力流量( 液压放大) ,使伺服缸的输出与输入信号成比例; 同时伺服缸的传感器将输出反馈到输入端,构成闭环控制,6 组液压伺服系统同时推动模拟平台做各种摇摆,模拟实际环境。该系统采用分布式计算机控制,用单出杆的电液伺服阀控缸作为动力机构,通过计算机由软件进行解耦运算,实现台体 6 个自由度的独立和联合运动。3- 4 六自由度平台的控制电气-液压框图3.1.2 主要参数元件的设计及选择1)液压缸的选择:液压缸输出力 F= D2 P4则:D=4*F P=4*300 200=30cm 考虑到经济及维护保养型,选用标准系列的液压缸活塞缸,活塞杆的直径为 40mm,可满足性能要求。最大的推力:F= 3.22 200=15kN 最大拉力为:8.5kN43- 4 液压缸的二维示意图液压油缸的选择方法:a、确定系统参数:需要移动的重量和所需要的力;公称工作压力和范围;需要行进此距离的时间;油液介质b、安装方式:为具体的应用场合选择适当的方式c、缸内径和工作压力:确定缸内径和提供必要的力所需要的系统压力d、活塞杆:确定承受纵弯力所需要的最小活塞杆直径,选择适当的活塞杆端和活塞杆端螺纹e、活塞:密封件类型是否适应应用场合f、缓冲:酌情选择缓冲要求2) 液压泵的流量计算及液压泵的选型:设计条件: 按系统六缸同时动作时,其平均速度 vp,按 20mm/s 进行计算,故所需泵的流量为:q = 6A*Vpj = 6 /4 64 0.2 60 = 36 L /min液压泵的选择原则:选择液压泵的主要原则是满足系统的工况要求,并以此为根据,确定泵的输出量、工作压力和结构型式。a、确定泵的额定流量泵的流量应满足执行元件最高速度要求,所以泵的输出流量 qp 应根据系统所需的最大流量和泄漏量来确定b、确定泵的额定压力泵的工作压力应根据液压缸的最高工作压力来确定c、选择液压泵的具体结构型式当液压泵的输出流量和工作压力确定后,就可以选择泵的具体结构型式了d、确定液压泵的转速当液压泵的类型和规格确定后,液压泵的转速应按产品样本中所规定的转速选用。3) 压力控制阀的选型:根据变量泵的流量,系统的工作压力按 p 为 21 MPa,调节压力 21 MPa,最高压力 32 MPa 能满足使用要求。4) 伺服阀流量确定:如果设定每个缸的最大速度为 0 3 m/s 则通过阀的流量为q = 32 30 60 = 54 L /min3.1.3 六自由度液压油箱的设计及其计算3- 5 液压油箱的示意图1,设计油箱的注意事项在设计油箱时,油箱必须有足够大的容量,以保证系统工作时能够保持一定的液位高度;为满足散热要求,对于管路比较长的系统,还应考虑停车维修时能容纳油液自由流回油箱时的容量;在油箱容积不能增大而又不能满足散热要求时,需要设冷却装置。A、设置过滤器。油箱的回油口一般都设置系统所要求的过滤精度的回油过滤器,以保持返回油箱的油液具有允许的污染等级,油箱的排油口(即泵的吸油口)为了防止意外落入油箱中的污染物,有时也装设吸油网式过滤器。犹豫这中过滤器侵入油箱的深处,不好清理,因此,即使设置过滤网目也是很低的,一般为 60 目一下。B、设置油箱主要有口。油箱的排油口与回油口之间的距离应尽可能远些,管口都应插入最低油面之下,以免发生吸空和回油冲溅产生气泡。管口制成的斜角,以增大吸油及出油的截面,使油液流动时速变化不致过大。管口应面向箱壁。吸油管离箱底距离(D 为管径),距箱边不小于 3D。回油管距箱底距离 。C、设置隔板将吸、回油管隔开,使液流循环,油流中的气泡与杂质分离和沉淀。隔板结构有溢流式标准型、回油式及溢流式等几种。另外还可根据需要在隔板上安置滤网。D、在开式油箱上部的通气孔上必须配置空气滤清器。兼作注油口用。油箱的注油口一般不从油桶中将油液直接注入油箱,而是经过滤车从注油口注入,这样可以保证注入油箱中的油液具有一定的污染等级。E、放油孔要设置在油箱底部最低位置,使换油时油液和污物能顺利地从放油孔流出。在设计油箱时,从结构上应考虑清洗换油方便,设置清洗孔,以便于油箱内沉淀物的定期清理。F、当液压泵和电动机安装在油箱盖板上时,必须设置安装板。安装板在油箱盖板上通过螺栓加以固定。G、为了能够观察向油箱注入的油液上升情况和在系统工作过程中看见液位高度,必须设置液位计。按 GB/T 3766-1983 中 5、2、3a 规定:油箱的底部应离地面 150mm 以上,以便于搬移、放油和散热。为了防止油液可能落在地面上,可在油箱下部或上盖附近四周设置油盘。油盘必须有排油口,以便于油盘的清洁。、油箱的结构设计压油箱的结构型式,基本上是由矩形板折边压形成四棱柱,再用封板堵住两侧而构成。端部封板及中间隔板由冲压成形,箱体是经四次压圆角,接头外焊接而成的。这种结构的液压油箱制造工艺较差,主要表现在箱体钢板下料时要求的精度较高;压形的反弹量因每次供货钢板的机械性能不同有所不同,导致箱体的圆角与衬板的半径吻合不良;不同机型上的液压油箱必须使用自己专用的一套压型模具。每套模具的体积大、造价高、利用率低。所示的液压油箱完全不用压形模,而是利用折边机折边成形。箱底面及端部,以及箱底面和侧面分别折成形断面;再焊好加油口和中间隔板等附件后,扣合拼焊而成。这种结构的液压油箱具有以下优点:下料精度要求不高;对原材料机械性能适应力强;折边部位可随意调整,适合多品种小批量生产;不用模具,大大节省了费用,缩短了生产周期等等。这种结构的液压油箱,近年来被我们广泛应用在工程机械、建筑机械等行走机械上。3、油箱的容量设计油箱容量包括油液容量和空气容量。油液容量是指油箱中的油液最多时,即液面在液位计的上刻度线时的油液体积。在最高液面以上要留出等于油液容量的空气容量。)根据经验初步确定按经验,固定设备用油箱的油液容量应是系统液压泵流量的倍,行走设备为 倍的泵流量。据有些国外资料介绍,油箱容量也可以用公式估算:()式中:油箱总容量()(包括的空气容量)开式回路部分液压泵流量的总和(L / min)单作用液压缸的总容积()如果系统中采用了冷却器,则油箱容量可以减小。) 根据热平衡条件验算()已知单位时间内系统的总发热量1(J / h);()单位时间内冷却器的散热量(如果有的话)(J / h);式中:风扇风量(m3 / h)空气密度(取1.29kg/m3)空气比热容(取1008J/kgK)散热温差(取)()单位时间内液压系统本身由于温升所吸收的热量() (J / h)式中:油箱材料的比热容(取502J/kgK)油液的比热容(取J/kgK),油箱和油的质量() 每小时系统温度与环境温度之差()单位时间内油箱的散热量 (/)式中: 油箱散热系数(/),其大小与环境有关(参见有关设计手册)油箱散热面积()系统温度与环境温度之差(一般取)()验算是否稍大于,如果相差甚远,一方面可重新确定油箱容量,另一方面,可考虑增大或减小冷却器,直到合适为止。(为简单起见未计管路及元件表面的散热。)此外,还要验算机器上所有液压缸全伸状态下,油箱的油位不低于最低允许油位;所有液压缸全缩时,油箱的油位不高于最高油位。3.2 驱动前肢的丝杠部分的控制方案3- 6 滚珠丝杠的装配图这部分的控制主要是控制伺服电机的运转,从而使丝杠的运动,推动连杆的运动。伺服电机的控制方式有三种控制方式:速度控制方式,转矩控制方式,位置控制方式 。可以根据要求选择合理的控制方式。滚珠丝杠的导程设计原则为:VL max ,根据 Adams 的仿真结论设计滚珠丝Nmax杠的导程为 5mm。滚珠丝杠的参数如下所示:3- 7 滚珠丝杠的参数联轴器选用弹性套柱销联轴器LT-Y-14,其利用一端套有弹性套(橡胶材料)的柱销,装在两半联轴器凸缘缘孔以实现两半联轴器的联接。具有良好的补偿轴向,径向和角向轴线偏移性能,减振性能好,结构简单,工作平稳可靠,无噪音,不用润滑,维护方便,装拆简单,工艺性好,成本低,通用性好。3.3 本章小结本章主要讲述了六自由度平台的控制方式,这为下一部分的仿真做了准备,对于六自由度平台有了更深的了解,六自由度平台可以根据需要设计成各种需要的运动形式,可以给定各种运动,从而为后来的康复训练奠定基础。六自由度平台主要是采用液压控制,因为液压控制更加精确,没有噪音,精度更高,更加节省能量。在对前肢部分的控制方面,主要是应用伺服控制系统,伺服控制系统的好处是给定电压脉冲信号,控制电机转动,可以实现随意的控制。第四章 多功能康复椅的 Adams 仿真分析4- 1 adams 仿真软件4.1 虚拟样机与 Adams 仿真分析简介机械系统的虚拟样机技术(Virtual Prototyping)即机械系统动态仿真技术,是一项伴随计算机技术发展起来的新技术。借助于这项技术, 可以在计算机上建机械系统的模型, 伴之以三维可视化处理, 模拟在现实环境下系统的运动学和动力学特性, 并根据仿真结果精化和优化系统的设计。这样可以提前预测产品的性能, 大大缩短产品的开发时间, 节省开发费用。虚拟样机技术在发达国家, 如美国、德国、日本等都已得到广泛的应用, 其应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等诸多方面。ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) 最初由美国MDI 公司(Mechanical DynamicsInc.) 开发, 目前已被美国 MSC 公司收购成为MSC/ADAMS,是最著名的虚拟样机分析软件。和其它 CAD 、CAE 软件比,ADAMS 具有十分强大的运动学和力学分析功能。而喷涂机器人工作装置运动正可以利用ADAMS 提供的这些功能进行分析, 并可以方便、快捷地得到可视化结果。4.2 康复椅中六自由度平台 Adams 中建模的过程4.2.1 adams 建模ADAMS 作为强大的动力学分析软件其造型功能与专业的 CAD 软件相比要弱些。Solidworks 功能强大,并且支持 Iges、Parasolid、Step、Dxf、Dwf 等数据传输标准, 鉴于客观条件 solidWorks 的诸多优点,此次毕业计采用了SolidWorks 来进行喷涂机器人工作装置的实体建模。先在 soldworks 中建立六自由度平台的模型,然后再将模型保存为“x_t”的格式,以便于 adams 的打开。则打开图如下图所示:4- 2 六自由度平台的示意图4.2.2 模型约束和驱动的添加图 4- 3 约束添加完成图Joint:Fixed 固接符号:在导入模型之后我们首先用一个 Joint:Fixed 将下板固接至 Ground 上面,作 为 整 个 机 构 的 机 架 功 能 使 用 。图 4- 4 固定副示意图移动副限制空间5 个自由度,只保留1 个直线的自由度。六自由度平台的液压缸和活塞之间需要相对的滑动,因此需要移动副作为约束方式,从而保证两者相互滑动。图4-5 移动副的添加完成示意图Spherical Joint:球铰 在下板与液压杆的连接中,由于液压缸需要自由的摆动,所以需要球铰作为连接,同理上板与活塞杆的连接需要球铰连接。图 4- 6 球铰示意图为机构添加完所有约束之后,我们利用 Adams/View 的检测功能对整个机构进行分析,得出结论:六自由度平台机构只剩下6 个自由度,结论正确。机构实现确定运动的条件是其自由度数目与原动件数目相等。根据前面的计算,我们对其添加驱动。图4- 7 校验示意图4.3 六自由度平台空间位置的计算六自由度控制的空间位置和姿态有 2 种解析方法。1)反解即知道平台的空问位置和姿态,求解 6 只液压缸的长度。可采用空间坐标变换的方法,代人 6 个未知数,分别求解出 6 只液压缸的长度,进而计算速度以及加速度。2)正解。即知道 6 只液压缸的位移,求解平台姿态。目前还没有正解问题的解析解,但可以采用迭代方法以及利用计算机快速运算的特点和铰链的结构条件约束,求解平台姿态。利用 adams 进行仿真分析计算,就可获得各个构件的运动特性。在仿真分析中,给定平台的姿态变化规律,adams 就会自动输出各液压缸和上平台的位移、速度、加速度以及其他计算机自定义的各种值,如受力、扭矩等。这些仿真结果在 adams中可以根据需要调用,也可根据实际要求进行数据处理,输出所需要的动画和数据曲线,从而能够清晰地看出它们在仿真过程中的变化规律本文主要采用反解的方式,对液压平台的运动规律进行计算。4.4 反解研究液压平台的运动规律4.4.1 由反解加载驱动控制由上文可知,我们研究椅面的运动的话需要通过反解,先给定椅面的运动方式,然后再分别求出各个液压缸的运动方式。在 adams 中,点驱动 可以做到这一点,给定点的运动,然后椅面随之运动,这样就可以反求出各个液压缸的运动规律包括位移,速度,加速度等,同时各个移动副的运动规律也会被调用出来。然后我们再通过反求出的各个液压缸的运动规律加载到各个移动副上,正求出椅面的运动规律图 4- 8 加载点驱动示意图4.4.2 不同情况下各个液压缸的运动规律为了研究不同的情况下椅面的运动规律我们将分为控制平台的自由度的方式来研究,首先给定上平面一个方向的自由度一次类推,研究各个不同情况下平台中液压缸的运动规律。(1)沿 Z 轴的旋转运动这个运动时必须的,我们在平时活动腰部的时候会左右旋转,这个转动符合人体的工学。给定运动规律:如图所示:图 4- 9 Z 轴的旋转运动方程其中:Rot Z disp(time)=-45d*sin(0.4*pi*time)其中上椅面的运动的位置曲线为:位置不发生变化。图 4- 10 各个液压缸上移动副的标记图Joint_R1/R2/R3/R4/R5/R6 相对于初始位置的相对位移图表变化:图 4- 11 各个移动副相对位移变化图在这个给定的方程的情况下,各个移动副的运动规律比较对称,其中两两相对时运动规律是相等。(2)沿 X 轴的旋转运动在研究沿着 x 轴的旋转运动,主要是因为在平时锻炼的时,我们会前后摆动我们的臀部实现,腰部的运动。设计方程:RX=-25d*sin(0.4*pi*time)图 4- 12 沿 x 轴旋转的方程图各个移动副相对于标记点的位置变化:图 4- 13 沿 x 轴旋转各个移动副的位移变化规律由图中的规律可知,这些变化时相对比较对称的,在各个移动副的变化时,不会有大幅度的变化。符合设计的要求。(3)沿 Z 轴的平动和沿 X 轴的转动图 4- 14 控制两个自由度的方程示意图其中:Tz=0.15*sin(0.4*pi*time) Rx=-25d*sin(0.4*pi*time)图 4-15 上板的运动规律各个运动副的相对初始位置运动规律:图 4- 16 各个运动副的运动规律图(4)沿 Z 轴的转动和平动,同时绕 Y 轴的平动。给定椅面的运动规律:图 4- 16 椅面的运动规律图根据给定的运动,我们可以获得上板的质心的运动规律,如下图所示:图 4- 17 椅面的运动轨迹由此可得各个液压缸的运动副的运动规律:图 4- 18 各个运动副的运动规律(5)任意给定四个方向的运动:沿 X,Y 的平动,和 X,Y 的转动则:给定运动方程,则是:图 4- 19 给定四个自由度方程示意图则椅面的运动规律为:如下图所示图 4-20 椅面的运动规律则液压缸的运动规律如下图示:图 4- 21 各个移动副之间的运动规律(6)任意给定五个方向的运动:给定的方程,如下图所示图 4- 22 方程示意图则椅面的运动规律为:图 4- 23 椅面的运动规律则各个液压缸的运动规律如下图所示:图 4- 24 各个液压缸的运动规律同理任意给定六个方向的运动时:则如下图所示:给定的方程如下图所示:图 4- 25 控制方程示意图获得的各个液压缸的运动规律如下图:图 4-26 各个液压缸的运动规律由上面的给定不同的方程可知道,六自由度平台的运动各种各样,通过给定不同的方程总能获得我们需要的运动轨迹,因此六自由度平台的应用范围较广,在本文中,主要针对患者使用,因此在设计运动时必须符合人体工学,必须安全可靠。4.5 正解液压平台的运动规律在上一节中,我们给定“沿 Z 轴的转动和平动,同时绕 Y 轴的平动”最后获得的曲线作为样条曲线加载到各个移动副的驱动中,从而从正面求得椅面的运动规律。(1)首先获得 R1 的运动曲线,如下图所示。图 4- 27 获得曲线示意图(2)将曲线 R1 设为样条曲线:图 4- 28 样条曲线设置图(3)检查获得的样条曲线图 4-29 检验获得样条曲线这样获得的样条曲线可以被函数调用,此外,我们也可以自己设置曲线的坐标,输入到 adams 自动生成样条曲线,加载到其中,从而控制运动;(4)样条曲线的函数调用:首先删除点驱动,将获得曲线作为驱动函数,在 R1 处加载直线驱动,使用 AKISPL函数调用曲线。图 4- 10 正解加载运动规律图依次类推将其他五个曲线规律分别加载到各个移动副中,即可获得与之相对应的椅面运动规律。4.6 前肢部分的仿真模拟首先是建模,由于这是一个简单的机构,所以直接在 adams 按照比例形状建立简易的仿前肢运动。图 4- 111 前肢建模示意图可以在在进行仿真,画出标记点的轨迹,如图:图 4- 12 前肢运动示意图前肢部分相对比较简单的进行仿真运动,比较容易控制,给定螺母运动规律可得标记点的运动规律。4.7 联合仿真将六自由度平台和前肢部分以及脚腕部分一起建立仿真模型:图 4- 13 联合仿真示意图分别给定给个驱动的函数:脚腕部分的函数式: =30d*sin(0.4*pi*time)丝杠部分的驱动函数是:l =0.08*sin(0.4*pi*time)椅面点驱动的函数:最后得到的椅面质心的运动轨迹如下图:图 4- 34 质心的运动规律图由以上的运动规律可得,在仿真中可以同时控制各个方向的自由度,实现最后的目的。4.8 本章小结本章节进行了喷涂机器人的 ADAMS 运动分析,首先先对 ADAMS 软件进行了一定的了解,接着确定了 ADAMS 运动仿真的步骤,因康复椅机构的复杂性,先利用 Solidworks 进行三维建模装配,之后保存成 Parasolid 格式导入至 ADAMS客户端。在 ADAMS 客户端里实现模型约束、驱动的添加,最后进行运动仿真生成关键件的运动曲线。在仿真的过程中以六自由度平台的仿真为仿真的重点,然后在联合仿真。第五章 结论与展望康复机器人主要作用于帮助由于疾病而造成偏瘫,或者因意外伤害造成肢体运动障碍的人恢复提高运动能力。脑血栓患者除了早期的手术治疗和必要的药物治疗外,康复训练对于患者肢体运动功能的恢复和提高起到非常重要的作用。康复机器人作为一种自动化设备,可以帮患者进行科学而又有效的康复训练,使
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