（机械制造及其自动化专业论文）残障人室内步行与康复训练系统研究.pdf

摘要 中国正在步入老龄化社会，因脑瘫、偏瘫、截瘫及脊椎损伤等丧失自主运动的患 者，以及老年性疾病等行走功能障碍者，不得不依靠床榻或轮椅生活。因此，急需研 制新型的、经济实用和安全可靠的残障人室内步行与康复训练系统，以解决残障人、 病人在日常生活中的难题，如室内移动、康复训练、高端取物、入浴、如厕等，提高 他们的生活质量。解决当前我国康复辅具领域急需的残障人功能补偿、生活自理器具 方面的短缺问题。 本文运用u g 对残障人室内步行与康复训练系统进行概念设计、实体建模、虚拟 装配，建立虚拟样机，并利用u g 仿真模块进行运动学仿真模拟，对装配后的机构进 行干涉检查。最后运用矢量方程解析法对胳膊提升机构、座椅回收机构、脚蹬收放机 构进行机构运动分析，为更好了解残障人室内步行与康复训练系统的运动情况提供重 要参考。 通过建立残障人室内步行与康复训练系统有限元模型，采用有限元方法对其静强 度和动强度进行分析，依据分析结果提出了修改方案，改进后的整体强度得到明显改 善。该有限元分析结果和提出改进方案为缩短产品开发周期与减少设计成本起到了重 要作用。 通过建立残障人室内步行与康复训练系统的优化有限元模型，根据实际优化问题 设定了设计变量、约束条件、目标函数等数值，建立了数学优化模型。之后利用优化 软件o p t i s t r u c t a l 求解，最终得到了最优尺寸值，使得残障人室内步行与康复训练系统 不仅满足强度要求而且它的质量最轻。 关键词：有限元法；康复训练系统：室内移动；结构设计；机构分析；优化设计数学 模型 a b s t r a c t c h i mi sm a r c h i n gi n t ot l l ea g i n gs o c i e t y 锄dm o r e 觚dm o r eh a n d i c a ph a dt or e l y o nb e do r 、v h e e l c h a i rt 0l i v e ，d u et oa l lk i n d so fd i s e 嬲es u c h 嬲c e r e b r a jp a l s y p 撇p l e g i a 锄ds p i n a l 埘u r i e s ，l o s so f 跏t o n o m ym o v i n g 锄ds 0o n t h e r e f o r e ，i ti s u r g e n tt 0d e v e l o pa 鹏wt ) r p e ，e c o n o m i c a l ， s a f ea 1 1 dr e l i a b l ei n d o o rm o v i n g r e h a b i l i t a t i s y s t e mf o r h 锄d i c 印，t 0s o l v et l l ep r o b l e m st h e ym e e ti nd a i l yl i f e 1 1 1 i s s y s t e mi m sm 锄yf u n c t i o n ss u c h嬲“v i n gm o t i o nm n c t i o n 、l o w e rl i m b s r c h a b i l i t a t i o nf i u n c t i o n 锄df e t c h i n gh i g ht h i n g se t c ，w h i c hc 觚 i m p r 0 v et l l e i r q u a l i t ) ，o fl i f e t h i st l l e s i sc a ng i v eas o l u t i o nt 0t h es h o n a g eo fr e h a b i l i t a t i o n e q u i p m e n t 锄ds e l f c a r ed e v i c e sf o r h 锄d i c a p p e dp e r s o n t i l i st l l e s i sd e s i g ni n d o o rm o v i n gr e h a b i l i t a t i o ns y s t e mb yu s eo fc o n c e p t u a l d e s i g l lm e t h o d ，s o l i dm o d e l i n g ，v i r t u a l 嬲s e m b l yi nv i n u a ld e s i g ns o n m 睇u g 觚d t l i e nc h e c k 嬲s e m b l yi n t e r f e r e n c ew i t ht h e h e l po fu gk i n e m a t i c ss i m u l a t i o n 凡n c t i o n f i n a l l yt l l i st 1 1 e s i s 锄a l y s e 嬲nl i 硒n gm e c h a n i s m ，a tr e c o v e 巧m e c h a l l i s m 锄df o o tp e d a lm e c h 锄i s mi nv e c t o re q u “o nm e t h o d t h e s er e s u l t sc 锄p r o v i d e 锄 i m p o n 锄tr e f e r e n c ef o rab e t t e ru n d e r s t a n d i n go ft h i ss y s t e m b ye s t a b l i s h i n gf i n i t ee l e m e n tm o d e lo fi n d o o rm o v i n gr e h a b i l i t a t i o ns y s t e m 锄d a d o p t i n gt l l e f i n i t ee l e m e n tm e t h o dt h ea r t i c l ea n a i y s i st h es t m c t u r a ls t r e n g m 锄d p r e s e n ts o m eo p t i m i z a t i o n ，w h i c hc a nr e d u c et h ec o s to fd e v e l o p m e n t 锄ds h o n e n t h ed e v e l o p m e n tc y c l e b ye s t a b “s h i n go p t i m i z e df i n i t ee l e m e n tm o d e lo fi n d o o rm o v i n gr e h a b i l i t a t i o n s y s t e m 锄ds e t t i n gd e s i g nv a r i a b l e ，c o n s t r a i n tc o n d i t i o n ，o b j e c t i v ef h n c t i o n ，t 1 1 e t h e s i sh a se s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c s o p t i m i z a t i o n m o d e li n o p t i m i z e dm e t h o d c o r d i n gt 0t l l ea c t u a io p t i m i z e dq u e s t i o n f i n a l l yt h i s 州i c l eo b t a i n e dt h em o s t s u p e r i o rs i z ev a l u eu s i n go p t i m i z e ds o r w a r eo p t i s t r u c t a l ，w h i c hm a k et h ei n d o o r m 0 v i n g r e h a b i l i t a t i o ns y s t e mn o t0 n l ys a t i s f i e st h ei n t e n s i t yr e q u e s tb u ta l s 0m a k e i t sq u a l i t yt ob el i g h t e s t k e yw o r d s ：f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，r e h a b i l i t a t i o ns y s t e m ，i n d o o rm o v i n g ，s t m c t u r e d e s i g n ，m e c h a n i s m 锄l y s i s ，m a t h e m a t i c so p t i m i z a t i o nm o d e l 天津科技人学硕i ：学位论文 1绪论 1 1 课题的背景及意义 随着科技进步和人民生活水平的提高，我国和世界上许多国家一样，正在步入老龄 化社会。目前我国6 0 岁以上老年人已达到1 5 3 亿；残疾人6 0 0 0 多万，6 0 岁以上老 年人中有腿脚不便情况的人已接近2 8 0 0 万。因脑瘫、偏瘫、截瘫及脊椎损伤等丧失 自主运动的患者，以及老年性疾病等行走功能障碍者，不得不依靠床榻或轮椅生活。 在老龄人群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。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。这些人群越来越渴望能够重新站立、行走，恢复生活和工作 能力，以减轻家人的负担。 医学理论和临床医学证明，这类患者除了早期的手术治疗和必要的药物治疗外， 正确的、科学的康复训练对于肢体运动功能的恢复和提高起到非常重要的作用。但这 类患者由于存在一定的运动障碍，康复训练需要医护人员帮助才能进行，另外由于专 业护理人员的缺乏和医疗费用等问题，多数患者选择了在家里自行训练。训练方法不 够科学和训练量的不足，很多患者错过了最佳恢复时间，许多人因得不到有效的康复 训练而逐渐丧失了下肢的活动能力。既给患者带来了许多痛苦，又给家人和社会造成 了很大的负担。为他们生产综合化、细致化、服务化、亲情化、人性化的产品逐渐成 为体现我国社会文明程度的标志，也体现我国政府对这些弱势群体的关怀与重视。因 此，开发满足老年人、残疾人、伤、病人需求的康复辅具，从而让老人、伤、病人等 功能障碍群体能够充分享受现代高新技术带来的便利【l 】。 本论文针对脑瘫、偏瘫、截瘫及脊椎损伤等丧失自主运动的患者，以及行走功能 障碍者，研究新型的、经济实用和安全可靠的智能化残障人步行康复训练与定位系统， 解决那些全身合并症多、体弱，或者肌力差、平衡协调能力差、不具备扶拐步行能力 残障人的早期步行康复训练问题，加快他们步行能力的恢复。同时，本论文研究的系 统还可以实现不同运动方向的动力驱动和定位，以解决残障人日常生活难题，如解决 残障人、病人在同常生活中的移动、高端取物、入浴、如厕等问题，从而提高他们的 生活质量。目前市场上针对残障患者的辅助器械有很多，如电动轮椅、下肢康复训练 器械、室内移动辅具等。但大多数产品是针对患者的某一需求进行设计的，其实现的 功能比较单一。患者为了满足不同功能需求往往要购买多种辅助器械，这样增加了患 者的经济负担。康复训练器械、室内移动辅具等辅助器械大都需要医护人员的帮助才 能正常使用，仅凭患者自己很难实现，这样给医护人员增加了劳动负担。为此急需一 种功能全面、适用范围广泛的多功能室内辅具，无需外人协助便可实现上述多种功能， 从而减轻医护人员的劳动强度，提高残障患者的生活质量。 l 绪论 1 2 相关领域国内外技术现状、发展趋势 康复训练系统在原理上和工业机器人有很大的区别，也不同于一般的体育运动训 练器材。它直接作用于人体，与人在同一个作业空间工作，人与康复训练系统作为一 个整体协调运动；而工业机器人在工作是通常是不允许人进入作业空间的。普通体育 器材都是阻力型的，通过对受训者施加运动阻力使肌肉得到锻炼，它只能用于健康人， 不能用于有运动障碍的患者。康复训练系统是帮助残疾人解决生活中活动困难的一种 工具，它可以在家里或在工作场所使用，使残疾人获得更强的独立生活能力，并极大 地提高他们的生活质量1 2 j 。 康复训练系统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。如美国科学家 在2 0 0 0 年研制了名为m i f m a u s 的手臂康复训练系统样机；斯坦福大学 ( s t a n f o r du n i v e r s i t y ) 对手臂康复训练系统开展了研究工作，在2 0 0 0 年推出 了t h ea l 己mg u i d e 和m i m e 型手臂康复训练系统样机。在下肢康复训练系统方 面，图1 1 、图1 2 和图1 3 分别为借助于跑步机、悬吊系统等帮助患者进行运动训 练。训练过程必须有专业人员帮助才能进行，还不能称为康复训练，它们只是一种半 自动的康复训练器械。 图1 1康复训练系统 f i g1 一l r e h a b i l i t a t i o ns y s t e m 图1 2 康复训练系统 f i g1 2r e h a b i l i t a t i o ns y s t e m 天津科技大学硕l ：学位论义 图1 3康复训练系统图1 4m g t 康复训练系统 f i g1 - 3r e h a b i l i t a t i o ns y s t e mf j gl - 4m g tr e h a b i l i t a t i o ns y s t e m 欧美等国家不仅在实验室取得了大量的研究成果，而且目前已有康复训练系统产 品打入了市场。图1 4 是德国柏林自由大学( f r e eu n i v e r s i t yb e r l i n ) 开展了腿 部康复训练系统的研究，并研制了m g t 型康复训练系统样机，它是利用悬吊系统来 帮助患者进行康复训练。美国的r u t g e r s 大学丌展了脚部康复训练系统的研究， 并研制了r u t g e r 躁部康复训练系统样机。瑞士苏黎士联邦工业大学( e t h ) 在腿 部康复机构、走步状态分析方面也取得了一些成果，图1 5 是在汉诺威2 0 0 1 年世 界工业展览会上展出了名为l o k o m a t 的康复训练系统模型，目前已有商业化产品， 它驱动系统能够模拟人正常行走时的姿势，患者下肢在它的辅助下进行被动康复训 练。图1 6 是德国弗朗霍费尔研究所( f r a n h o f e ri n s t i t u ti p k ) 研制的绳驱动式 康复训练系统，在步态分析、绳驱动并联机器人技术方面取得了一些研究成果。 图1 5l o k o m a t 康复训练系统 f i gl - 5l o k o m a t r e h a b i i i t a t i o ns y s t e m 图1 6 康复训练系统 f i gl - 6 r e h a b i l i t a t i o ns y s t e m l 绪论 图1 7 和图1 8 是美国芝加哥大学康复研究机构的一个康复训练设备，但它只是 一个样机，还没有商品化。它通过外力辅助病人直立行走，在康复过程中，能启到很 好安全保护作用。在病人康复初期减少病人下肢的负荷，依据病人的身体实际要求， 调整辅助力大小，以帮助病人慢慢康复。 图1 7 康复训练系统 f i g1 - 7r e h a b i l i t a t i 伽s y s t e m 口 图1 8 康复训练系统 f i gl 一8r e h a b i i i t a t i o ns y s t e m 图1 9 是同本大分大学工程学院力学专业研究小组研制的一种康复训练的设备， 该研究机构是主要研究人行走、移动时的姿势和力量，以及如何才能使病人进行合理 的康复训练i j j 。 从图中可以看出，它通过一个吊带来辅助病人进行康复训练，改变提升力的大小 减小病人康复训练时的下肢支撑负荷。在地面有块重量检测传感器板，时刻检测病 人行走时施加在地面力的大小，之后把数据传送给电脑，电脑通过分析计算后，发出 控制命令，改变提升力的数值，帮助病人进行康复训练。但它的体积比较大，且康复 行走的路线比较单一，设备搬运不方便，只能在室内小范围的进行康复训练。 图l 一9 康复训练系统 f i gl 一9r e h a b i l i t a t i o ns y s t e m 4 天津科技人学硕l 学位论文 我国对康复训练系统的研究起步比较晚，康复训练方面的研究成果比很少。清华 大学在国内率先研制了卧式下肢康复训练系统样机【3 1 ，在这项成果中他们采用了虚拟 现实技术。此外，上海交通大学、西安交通大学、哈尔滨工程大掣引、广东工业大学 1 5 】等高校也开展了相关的研究。参照国际和国内标准，我国现有的残障人辅助器具产 品可分为l o 类1 6 】：用于治疗和训练的辅助器具。矫形器和包括假肢在内的各种假 体。生活自理和防护辅助器具。个人移动辅助器具。家务管理辅助器具。家 庭和其他场所使用的家具及配件。通信、信息和信号辅助器具。产品和物品管理 辅助器具。环境改善辅助器具。休闲娱乐辅助器具。这1 0 类产品涉及到残疾人 生存和发展的各个方面。我国在残障人康复工程技术方面的工作起步较晚，虽在各个 方面都有部分产品生产供应，但品种与规格尚不齐全，没有形成自己的生产体系【 。 企业缺乏应有的基础研究、原始创新和自主开发能力。高技术产品的核心技术多为外 国企业所垄断和控制，国内企业大多只处在模仿的水平上。产品结构失衡，低技术产 品过剩，高端产品缺乏。康复医学工程虽然得到了普遍的重视，但我国康复训练系统 的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 的康复训练设备的需求。 1 3 主要研究的内容 本论文主要完成康复训练与定位系统整体的结构设计，使其满足各功能要求：残 障人的l j 、后、左、右移动功能，残障人的升降定位功能，残障人位置及姿态( 坐、 站) 变换功能等。通过建立康复训练与定位系统有限元模型对整体结构进行强度分析， 提出改进方案，最终满足经济性、稳定性、安全性要求。 本论文的主要工作如下。 ( 1 ) 设计康复训练与定位系统整体结构，使其满足病人在同常生活中的移动、 升降、室内的定位，康复训练等诸多功能，同时要保证系统工作稳定、安全。 ( 2 ) 设计主要连接部位的结构，康复训练与定位系统的各个主要部件是通过不 同的连接结构来实现工作和运动的，由于系统的主要部件都有各自的不同特点和要 求，所以针对不同的部件要设计不同连接结构。 ( 3 ) 确定特殊标准件的选购方案，康复训练与定位系统的一些标准件是很好购 买的，比如轴承、螺栓、螺母等，但一些标准件( 比如轮椅电机、电动推杆等) 的产 品较多，即便是同类产品也有不同的型号和各自的结构特点，以及品牌差异等。所以 在设计初期要详细分析并确定产品的性能参数( 比如功率、安装尺寸等) ，为后续的 结构设计阶段提供必要设计参数( 尺寸等) 。 ( 4 ) 康复训练与定位系统主要针对的是残障人或老年人，他们较正常人而占自 我保护的能力相对较小，所以必须采取一定措施来提高康复训练与定位系统的稳定 性、安全性等。另一方面对于关键零件的强度必须进行校核，使其满足强度要求。步 行康复训练与定位系统是由上百个零部件组成的，它的结构复杂，零件数目众多，加 l 绪论 上考虑电子控制系统的成本，所有这些因素都会增加它的制造成本。如果制造成本太 高，势必会影响它的市场销售情况，所以在设计阶段必须把成本因素考虑进去，在不 影响整个系统各个性能的情况下，采取各种措施尽可能的减少成本。 ( 5 ) 利用u g 初步确定步行康复训练与定位系统的结构和关键连接部件的结构、 初步确定尺寸参数等，在此基础上对系统进行仿真，找出不合理地方，提出改进方案， 修改尺寸，最终得到康复训练与定位系统的三维模型。 ( 7 ) 在康复训练与定位系统三维模型基础上，利用计算机辅助分析( c a e ) 主流软 件对关键零件进行网格划分，建立关键零件的三维有限元模型，利用计算机辅助分析 ( c a e ) 对其强度进行分析，得到整体应力分布情况。 ( 8 ) 对康复训练与定位系统的总体进行结构优化分析，确定系统的设计变量、 约束条件、目标函数等，最后通过结构优化软件得到最优零件尺寸值，使得该系统既 满足强度要求，质量又最小。 1 4 本章小节 本章首先介绍了论文课题背景和意义，接着综述了与课题相关领域的国内外现状 和发展趋势，最后介绍了本课题主要研究的内容。 6 天津科技人学硕j 二学位论文 2 残障人室内步行与康复训练系统结构设计 2 1 残障人室内步行与康复训练系统结构设计 2 1 1 总体设计准则 ( 1 ) 功能要求 任何设计只有具有一定功能并能满足一定的需求才有意义，所以残障人室内步行 与康复训练系统设计首先必须各项功能要求：移动行驶、下肢康复训练、移动辅具、 高处取物等多种功能。 ( 2 )强度要求 在满足功能要求条件下，还要求残障人室内步行与康复训练系统必须满足刚度要 求。其准则是在系统可能发生的最大载荷情况下，残障人室内步行与康复训练系统上 任何点的应力都不得大于允许应力。 ( 3 ) 刚度要求 对于残障人室内步行与康复训练系统不仅要满足强度要求，同时对于重要的零件 还必须满足刚度要求，以使其工作稳定。例如升降组件中，c 型轨道的刚度决定座椅 能否平稳上升。 ( 4 ) 稳定性、安全性要求 康复训练与定位系统主要针对的是残障人或老年人，他们较正常人而言自我保护 的能力相对较小，所以必须采取一定措施来提高康复训练与定位系统的稳定性、安全 性等。 ( 5 ) 美观性 对于残障人室内步行与康复训练系统的要求不仅要能完成特定的工作，还要求外 形美观。 ( 6 ) 其它 在满足上述设计准则的前提下，必须满足其他要求：重量轻，耐腐蚀，成本低， 便于制造，零部件安装、调整、修理和更换方便等h 1 。 2 1 2 残障人室内步行与康复训练系统设计步骤 传统的设计方法是设计人员根据经验和判断提出设计方案，随后用力学理论对给 定的方案进行分析、校核。若方案不满足约束限制，人工调整设计变量，重新进行分 析、校核，直到找到一个可行方案。这个设计过程周期长、费用高、效率低，并且得 到的结果仅是可行方案，多数不是最优设计。传统的设计方法无论是分析还是设计都 存在大量的简化和经验，其准确性差。随着工程结构越来越复杂，对要求也变得更高。 传统的设计方法己不能满足需要，人们希望有一个准确性好、设计效率高的新方法来 代替传统的设计方法。计算机的出现，使这种要求成为可能，各种计算机辅助分析、 计算机辅助设计技术相继出现，其中有限元分析、优化设计是同益成熟的设计方法。 7 2 残障人室内步行与康复训练系统结构设计 在残障人室内步行与康复训练系统设计过程中，本论文充分利用了有限元分析、优化 分析方法，大大提高了设计效率，缩短了设计周期。 残障人室内步行与康复训练系统设计步骤是一个不断反复设计、修改、再设计的 过程，当不满足要求时，退回到上一步骤重新设计，如图2 1 所示，整个设计可分为 以下几个步骤。 ( 1 ) 初步确定残障人室内步行与康复训练系统所具有的功能，明确该系统的主 要功能、必需功能、附属功能等。 ( 2 ) 为满足上述功能，设计出残障人室内步行与康复训练系统的各个主要机构， 并对其进行机构分析，使得初步设计的机构能够工作正常。 ( 3 ) 根据功能要求和设计准则，进行详细结构设计，确定各主要结构的形式和 最终主要参数( 高、宽、板厚与材料等) ，初定制造工艺，以保证该系统既满足各项设 计要求又使得成本最低。 ( 4 ) 对残障人室内步行与康复训练系统结构进行网格划分，根据实际情况对其 进行结构有限元分析，找出整体应力分布情况。对于强度不满足设计要求的零件，通 过增加其厚度值或重新进行结构设计，最终满足强度要求。 ( 5 ) 对残障人室内步行与康复训练系统结构进行优化分析，在满足强度要求的 情况对整个系统减重优化分析。 功 降 抟 复 爱 修丌 椅踏 旦成 安 1 二 动降 收 板 计 本 全 工 i 于机 放 收 推要 性 艺 驶构 j ： 1 1 l 接 训 撵 机 机 ，蓬 蛐求 要 驶 能 l h j 1能 练 能 功 能 构 构 求 一。、l 一足必趴是一。i 以u 蚴八是 t 一i 7 y 能要求机构设计广_ _ 满竺? ：压 结构设计 i 否y 。 。 1 7 岭 否 i ， 。 _ 否 人 1 最终设计卜析k 茎霎 结构有限元分析 l 约 v 喇材边 载 照 格科界 ：j 元 划疆条确类 设 目 件 分性 件定型 计 标 变 函 量 数 图2 1残障人室内步行与康复训练系统设计步骤 f i g2 - lt h ed e s i g np m c e s so fi n d rm o v i n g 佗h a b i l i t a t i o ns y s t e mr e h a b i l i t a l j o ns y s t e m 8 天津科技大学硕- i ：学位论文 2 2 功能设计 为了满足残障人的多方面需求，残障人室内步行与康复训练系统主要有以下几个 功能。 ( 1 ) 移动行驶功能：下肢残障患者大多行动不便，所以残障人室内步行与康复 训练系统必须具有移动行驶功能，解决残障人移动不便问题。 ( 2 ) 高处取物功能：下肢残障患者，由于无法站立，所以在日常生活中，很难 取到高处的物品，如拿起书架上的书，所以所以残障人室内步行与康复训练系统必须 具有高处取物功能。 ( 3 ) 康复训练功能：对于需要下肢康复训练功能残障患者下，室内移动与康复 训练系统可以在不需要医护人员的陪护下帮助患者进行下肢康复训练。 ( 4 ) 转接功能：在室内移动与康复训练系统帮助下，残障患者可以独自完成入 浴、入厕、转接到其它地方如座椅等。 ( 5 ) 脚踏板收放功能：残障患者可以把腿部放在脚踏板，这样患者腿部可以得 到休息，另外，脚踏板要能收回，方便残障患者康复训练或转接时，能提供系统最大 使用空间。 2 3 机构设计 残障人室内步行与康复训练系统主要由四大基本机构组成：升降机构、脚踏板收 放机构、康复训练机构、转接机构等。各个机构协同工作，最终实现残障人步行康复 训练与定位系统的多种功能，它的总体机构简如图2 2 所示。 9 l 升降组件2c 型轨道3 底盘4 座椅架体5 座椅板电动推杆6 肩部支撑臂7 支撑臂电动推 杆8 翻转座板9 升降电动推杆 图2 - 2 残障人室内步行与康复训练系统机构简图 f i g2 2t h em e c h a n i s m0 fi n d o o rm o v i n gr e h a b i l i t a t i o ns y s t e mr e h a b i l i t a t i o ns y s t e m 9 2 残障人室内步行与康复训练系统结构设计 2 3 1 升降机构设计 升降机构主要由升降组件、c 型轨道、升降电动推杆等组成。升降组件可以在c 型轨道内进行滚动，轮椅车底盘与升降组件间安装有升降电动推杆，通过控制电动推 杆的伸缩来实现座椅的升降功能，下肢残障患者坐在座椅上可以很容易取到高处的物 体。 2 3 2 脚踏板收放机构设计 残障人室内步行与康复训练系统采用一种具有打开及收回功能的脚踏板，患者在 乘坐时可以放置脚，减少患者乘坐时下肢的疲劳感，同时当脚踏板收放机构回收后， 可以实现比如康复训练、转接等其它的功能。脚踏板收放机构放置在座椅板下边，这 样可以减少空间。它是利用平行四边形原理来进行工作，电动推杆伸缩可以带动脚蹬 的收放，通过具体机构如图2 3 所示。 图2 - 3 脚踏板收放机构 f i g 2 3t h em e c h 锄i s mo ff o o tp e d a l 2 3 3 康复训练机构设计 康复训练机构中的肩部支撑臂通过销轴与座椅架体连接，支撑臂电动推杆两端通 过销轴分别与座椅架体和肩部支撑臂连接，通过支撑臂电动推杆的伸缩实现肩部支撑 臂的转动。翻转座板与座椅架体使用销轴进行连接，翻转座板可以绕其旋转，通过座 椅板电动推杆的收缩实现翻转座板回收，以便患者站立。进行下肢康复训练时，各部 件的运行过程为：脚蹬折叠回收，翻转座板翻转回收至竖直位置，肩部支撑臂升高将 患者上身抬起，减少忠者下肢支撑负荷，座椅架体整体抬升一定高度，使患者处于辅 助站立下实现行走等康复训练。残障人室内步行与康复训练系统的控制盒内可储存预 设程序，它按照程序可以有不同的行驶速度及行驶路线。程序可以依据不同的下肢残 障患者具体情况和训练目的柬编写的，这样就可以满足不同患者的康复训练要求。 2 3 4 转接机构设计 转接功能可以辅助患者实现如厕、入浴、入座等功能，患者从病床转接至室内移 l o 天津科技人学硕一i ：学位论文 动与康复训练系统时，其各个部件的动作过程为：回收翻转座板，旋转座椅架体9 0 度，调整升降组件高度至与病床相同高度，使患者被“包围”在座椅架体内，此时患 者背部靠在座椅架体上。抬高肩部支撑臂，把患者提升一定高度，臀部脱离病床，打 开翻转座板，然后放低肩部支撑臂，使患者坐于残障人室内步行与康复训练系统上。 当行驶至目的地后，可以把患者转接至马桶、座椅等地方，这时转接的工作原理和上 述类似。 2 4 主要零部件结构设计 2 4 1 升降组件 升降组件两侧对称安装有两组滚动轴承组件，该滚动轴承滚动嵌装于c 型轨道的 导槽内。升降组件可以在c 型轨道内进行滚动，底盘与升降组件间安装有升降电动推 杆，通过控制电动推杆的伸缩来实现座椅的升降功能，结构如图2 4 所示。 图2 4 升降功能详细结构 f i g2 4t h ed e t a 1s t r u c t u r eo fli r i n g 2 4 2 车架组件 车架组件后端装有左右电动轮椅电机，前端装有力向轮，电动轮椅电机内部自带 有减速齿轮，根据车轮差速原理，通过控制左右轮椅电机车轮的不同转速来实现移动 行驶功能，具体结构如图2 5 所示。 2 残障人室内步行与康复训练系统结构设计 重 回 邑 7 1 固定板2c 型导轨3 主动车轮4 轮椅电机5 电源6 底盘7 乃向轮 图2 5 移动行驶结构详细结构 f i g2 5t h ed e t a i ls t n j c t u r eo fm o v i n g 2 4 3 脚踏板收放组件 脚踏板收放机构是利用平行四边形原理来进行工作，各个杆件之间通过铰链进行 连接。电动推杆提供功力，当电动推杆伸长时，脚踏板被推开，当电动推杆收缩时脚 踏板被收回，为实现康复训练、转接功能时提供更多的空间，结构如图2 6 所示。 图2 6 脚踏板收放结构 f i g2 6t h ed e t a 1s t r u c t u r eo ff b o tp e d a i 天津科技人学硕i ：学位论文 2 4 4 座椅架体 为了让患者有舒适的坐姿和站姿，在设计座椅架体结构和空间尺寸时参考了人体 生物力学有限元模拟分析的结果，并考虑了人机工程学原理，使得大多数患者在使用 时既有足够的使用空间又有很好的舒适性，从而减少患者乘坐和康复训练时的疲劳 感。翻转座板通过两侧所固装的架板铰接于座椅架体上，翻转座板后端与电动推杆铰 接安装，同时电动推杆纵向固装于座椅架体上部。翻转座板可根据患者的不同动作需 要，翻转到水平位置或收回至座椅架体背部的竖直位置。在座椅架体中部对称铰装有 肩部支撑臂，该肩部支撑臂的前端通过铰链与电动推杆相连，通过电动推杆的伸长实 现支撑臂抬高与，这样患者上身被托起，减少患者下肢支撑负荷，以便患者进行康复 训练，具体结构如图2 7 所示。 图2 7 座椅架体结构图 f i g2 7t h es t r u c t u r eo fs e a tf l - a m e 经过详细结构设计阶段后，最终得到了残障人室内步行与康复训练系统整体结构 如图2 8 所示。 2 残障人室内步行与康复训练系统结构设计 图2 8 残障人室内步行与康复训练系统详细结构 f i g2 - 8t h ed e t a i ls t r u c t u 陀o fi n d o o rm o v i n gr e h a b i i i t a t i o ns y s t e mr e h a b i ii t a t i o ns y s t e m 2 5 机构运动分析 为了更好的了解残障人室内步行与康复训练系统工作情况，对其进行机构分析， 整体机构可以分成三个独立部分：胳膊提升机构、座椅回收机构、脚蹬收放机构，如 图2 9 所示。 痧 胳膊提升机构 c 】叠至= = 座椅收放机构 逄 脚蹬收放机构 图2 9 机构简图 f i g 2 9t h em e c h 卸i s m 2 5 1 胳膊提升机构分析 胳膊提升机构图2 1 0 中的a b 表示胳膊提升支撑臂，b c 表示电动推杆。利用矢 1 4 天津科技人学硕：卜学位论文 量方程解析法1 2 们，由封闭形a b c a 可得： 厶+ 厶? = l 图2 1 0 胳膊提升机构 f i g2 1 0t h em e c h a n i s mo f 咖l i r i n g 对( 2 1 ) 式用i 点积得到： 厶c o s ( 7 ) + kc o s ( ) = 彳c o s ( 万) 对( 2 - 1 ) 式用j 点积得到： 三口s i n ( 7 ) + ks i n ( ) = 彳s i n ( 万) 由( 2 3 ) 推导得到： 跏( 万) ：尘唑掣逊塑 l _ 由( 2 4 ) 推导得到： c o s ( 耻也型掣垫墅盟 把( 2 5 ) 代入( 2 2 ) 得到 詹c o s ( y ) + 厶c o s ( ) = 上j2 一( 一s i n ( y ) + ( s i n ( ) ) 2 最终得到胳膊支撑位置角度为： ；a s ( 也尘坐拦坐塑生坐型) 1 5 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 2 残障人室内步行与康复训练系统结构设计 根据胳膊提升机构初始位置和推杆型号得到已知条件： ll 爿= 乇+ x = 2 5 7 + x ( x l o o ) k - 1 3 4 ikc o s ( 厂) = 5 7 i l 厶s n ( 厂) = 2 ” ( j i d 是推杆收缩时尺寸，x 为推杆工作行程) 最 终得到胳膊机构的运动位置线： y ：胳膊支撑位置角度 x ：推杆伸长量 图2 1 l 胳膊机构的运动位置 f i g 2 1 1t h em o v i n gp o s i t i o no f 硼胁i n g 2 5 2 座椅收放机构分析 座椅收放机构图2 1 2 中的b c 表示电动推杆，a c 表示回座椅翻板的两个铰接处 的距离。利用矢量方程解析法，由封闭形a b c a 可得： 厶+ 丘= l 1 6 ( 2 7 ) 天津科技人学硕j ：学位论文 图2 1 2 座椅收放机构 f i g2 l2 t l h em e c h 鲫i s mo fs e a t 门e c o v e 叫 对( 2 7 ) 式用i 点积得到： 三占c o s ( 万) + kc o s ( ) = lc o s ( y ) 对( 2 8 ) 式用j 点积得到： 厶s i n ( 万) + ks i n ( ) = l s i n ( 7 ) 由( 2 9 ) 推导得到： 咖= 地学 由( 2 1 0 ) 推导得到： c o s ：正巫乒巫 把( 2 1 1 ) 代入( 2 8 ) 得到 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 11 ) 厶c 。s ( 万) + 和。s ( 历：厄f 瓦面不i 面万 ( 2 一1 2 ) 最终得到座椅板位置角度艿为： 汹s c 巫巫萼孕塑， 亿 根据座椅初始位置和推杆型号得到已知条件： 1 7 2 残障人室内步行与康复训练系统结构设计 f 之毛+ x = 6 0 0 + x ( x 4 0 0 ) = 2 翌1 ( 。 ( 厶是推杆收缩时尺寸，x 为推杆工作行程) l 口c o s ( 万) = 7 6 5 、疋耻11 忧习叫u “川耻1 。上”1 土7 【厶s i i l ( 万) = 3 0 8 型 趔 ：畔 y ：座椅板位置角度万x ：推杆伸长量 图2 1 3 座椅回收机构的运动位置 f i g 2 l3t h em o v i n gp o s i t i o ns e a t 陀c o v e 叫 2 5 3 脚蹬收放机构分析 脚蹬收放机构图2 1 4 中的b c 表示电动推杆，a c 表示平行四边形机构的两个铰 接处的距离。利用矢量方程解析法，由封闭形a b c a 可得 l 8 + l c = l a 1 8 ( 2 1 4 ) 天津科技大学硕- ：学位论文 图2 1 4 脚蹬收放机构 f i g2 l4t h em e c h a n i s mo ff b o tp e d a l 对( 2 1 4 ) 式用i 点积得到： 厶c o s ( ) + k = lc o s ( 7 ) 对( 2 1 5 ) 式用j 点积得到： 口s i n ( ) = 爿s i n ( 7 ) 由( 2 1 6 ) 推导得到： 咖= 半 由( 2 1 7 ) 推导得到： c o s = 一 把( 2 1 8 ) 代入( 2 1 5 ) 得到 k c 。s ( ) + c = 厄c 瓦面万 最终得到脚蹬位置角度为： 阳s c 巫孕， 根据脚蹬初始位置和推杆型号得到已知条件： 1 9 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 1 9 ) 2 残障人室内步行与康复训练系统结构设计 f 三= 乇+ x = 2 0 0 + x ( x l o o ) k = 2 5 0 ( 厶是推杆收缩时尺寸，x 为推杆工作行程) 【k = 6 0 y ：脚蹬位置角度 x ：推杆伸长量 图2 15 座椅回收机构的运动位置 f i g2 l5m o v i n gp o s i t i o no f 蠡耐p e d a l 2 6 本章小节 本章研究了残障人室内步行与康复训练系统整体机构设计和详细结构设计，以满 足移动行驶、下肢康复训练、移动辅具、高处取物等多种功能。同时为了更好的了解 其工作情况，对整体机构的三个主要机构：胳膊提升机构、座椅回收机构、脚蹬收放 机构进行机构运动分析，最后得到了相应机构的位置线图，为更好了解残障人室内步 行与康复训练系统的运动情况提供了重要参考。 天津科技大学硕： ：学位论文 3 残障人室内步行与康复训练系统结构有限元分析 由于设计初期没有实物进行强度试验，无法得到相对准确的数据来指导合理结构 设计。另外该残障人室内步行与康复训练系统零件数目较多，很难用传统分析方法得 到整体力学性能和应力分布情况。通过建立其有限元模型，利用有限元分析软件对其 静强度和动强度进行分析，得到总体应力分布情况，为残障人室内步行与康复训练系 统结构设计提供参考，从而减少设计成本和缩短产品开发周期。 3 1 有限元法基本理论 3 1 1 有限元法概述 目前工程技术领域内常用数值方法有：边界元法、有限元法、有限差分法，其中 有限元法最具有实用性和广泛性。有限元法的基本原理是以位移法为基础，把复杂的 连续体或结构看成有限个单元的组合，各单元彼此在结点处联结而构成整体。把连续 体分为有限个单元过程，称之为离散化。首先对单元特性进行分析，之后根据各单元 在结点处的平衡条件建立方程，综合后作出整体分析。这样先离散再综合的过程，可 以把连续体的计算问题转化为简单的分析。 有限元分析过程可以分为以下三个阶段。 ( 1 ) 建模阶段建模阶段主要任务是根据实际工况条件和结构实际形状建立有限 元模型，为数值计算提供必要的数据。有限元建模的主要任务是结构离散，即划分网 格。但是还是要处理许多相关的工作：如单元特性定义、结构形式简化、单元质量检 查、编号顺序以及模型边界条件的定义等。 ( 2 ) 计算阶段任务是完成有限元方法的数值计算，由于这一步运算量非常大， 所以这部分工作由分析软件控制在计算机上自动计算完成。 ( 3 ) 后处理阶段它的主要任务是对计算结果的输出，并按一定方式显示出来， 以便对设计的合理性或结构性能的好坏进行评估，并作为相应的优化或改进，这是结 构有限元分析的目的所在。 在上述三个阶段中，有限元模型是整个有限分析过程的关键。有限元模型为计算 提供所以原始数据，这些输入数据的误差将直接决定计算结果精度。合理的模型既能 保证计算结构的精度，又不致使计算量太大和对计算机存储容量的要求太高，有限元 模型的形式将对计算过程产生很大的影响。由于工况条件和结构形状复杂性，要建立 一个符合实际的有限元模型是不现实的，它要考虑的综合因素很多，对分析人员提出 了较高的要求。有限元的建模所花赞的时问占整个分析过程中当大的比重，约占整个 分析时间的7 0 。 2 i 3残障人室内步行与康复训练系统结构有限元分析 3 1 2 有限元法的分析过程 3 1 2 1 结构的离散化 结构离散化就是将分析结构体划分为有限个单元体，并在单元体指定点设置节 点，使相邻单元的有关参数具有一定连续性，并构成一个单元的集合体，以它代替原 来结构。通过离散，一个连续体便分割为由有限数量单元组成的组合体。单元节点的 数目、设置、性质等应看问题的性质、变形形态需要和计算精度而定。 3 1 2 2 选择位移模式 在完成结构离散化之后，就可以