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机械原理课程设计说明书
卧式下肢康复机的设计
2012年 06月16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。
次目
第1章正常人的步态分析以及运动障碍患者的康复机理………………………………04
§1-1人体比例及步态分析………………………………………………………………04
§1-2下肢运动障碍患者的康复机理……………………………………………………05
第2章下肢康复机机构方案设计…………………………………………………………07
§2-1分析各类机构优缺点,选定最终机构类型………………………………………07
第3章建立机构的数学模型并选定机构尺寸……………………………………………11
§3-1利用解析法构建机构的数学模型…………………………………………………11
§3-2运用MATLAB软件计算并绘制脚踏板点的运动轨迹………………………13
§3-3根据脚踏板点的运动轨迹,设计机构尺寸………………………………………13
第4章分析机构各杆尺寸变化对脚踏板点的轨迹影响…………………………………14
§4-1曲柄长度R对椭圆轨迹的影响……………………………………………………14
§4-2连杆长度L对椭圆轨迹的影响……………………………………………………15
§4-3基座高度H对椭圆轨迹的影响……………………………………………………17
§4-4最终参数的确定……………………………………………………………………18
第5章脚踏板处速度的运动仿真分析……………………………………………………20
§5-1水平方向的速度仿真………………………………………………………………20
§5-2垂直方向的速度仿真………………………………………………………………21
§5-3总速度的仿真………………………………………………………………………23
第6章脚踏板处加速度的运动仿真分析…………………………………………………25
§6-1水平方向的加速度仿真……………………………………………………………25
§6-2垂直方向的加速度仿真……………………………………………………………26
§6-3总加速度的仿真……………………………………………………………………27
第7章机构的动力特性分析………………………………………………………………28
§7-1机构的极位夹角分析………………………………………………………………28
§7-2机构的传动角分析及仿真…………………………………………………………29
总结………………………………………………………………………………………31
参考文献…………………………………………………………………………………32
正常人的步态分析及以运动障碍患者的康复机理
1、人体比例及步态分析
根据我国成年人人体的比例尺寸关系:;;;。
正常人的步态运动是由行走时双脚整体相对于地面、轨迹类似椭圆,根据大量实测与统计,我国健康人行走时步距大约为500~800mm,平均步距约为630mm(即运动轨迹类长轴),脚抬起高度大约为200~300mm,平均步高约为245mm(即运动轨迹类短轴),平均步频约为l S(即主运动周期),瞬态速度不超过2m/s,瞬态加速度不超过15mm/ ,如下图。
考虑到正常人直立行走时的运动幅度要大于仰卧时做曲伸腿运动的幅度,以及设备使用者的身体状况,我们将卧式下肢康复机脚踏板处的运动轨迹设计成