基于Hyperworks的下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

劉 坤，趙建琛，李 超，閆鵬飛，韓 宣

（吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，長春130022）

0 引 言

傳統(tǒng)的下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備必須在理療師的輔助下才能進(jìn)行訓(xùn)練，耗時費(fèi)力，因此新型智能下肢運(yùn)動康復(fù)護(hù)理設(shè)備的開發(fā)與臨床應(yīng)用已備受關(guān)注。近年來，已經(jīng)有很多涉及機(jī)器人協(xié)助下肢功能障礙者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練［1－3］、使其重獲獨立步行能力方面的研究。文獻(xiàn)［4］中給出一種臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，雖然可以滿足重復(fù)穩(wěn)定地訓(xùn)練，但是訓(xùn)練者用力主動性不強(qiáng)，訓(xùn)練過程枯燥，并且其機(jī)械系統(tǒng)中的仿生機(jī)械腿結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴，不利于批量化生產(chǎn)。哈爾濱工程大學(xué)研究的采用AVR單片機(jī)的機(jī)器人訓(xùn)練控制系統(tǒng)成本低、易于產(chǎn)品化，但也存在重力平衡問題以及機(jī)器人與患者肢體功能干涉的問題［5］，雖然其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡易，僅由兩根繩索通過定滑輪懸吊訓(xùn)練者使其保持直立狀態(tài)，但是并不能提供從坐姿到站立的站起訓(xùn)練。該課題組設(shè)計了另一種用于站起訓(xùn)練的機(jī)械結(jié)構(gòu)［6］，雖然可以實現(xiàn)站起訓(xùn)練，但是不能按照正常人體重心軌跡變化進(jìn)行重復(fù)穩(wěn)定的訓(xùn)練，并且該結(jié)構(gòu)沒有保護(hù)裝置，當(dāng)下肢毫無支撐力的訓(xùn)練者處于站姿時，體重完全作用于上肢，反復(fù)訓(xùn)練會加重上肢疲勞，存在安全隱患。德國Fraunhofer研究所采用最新的機(jī)器人技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)了Haptic Walker 康復(fù)機(jī)器人［7］，雖然可模擬出任意步態(tài)運(yùn)動軌跡，但體積過大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拆裝運(yùn)輸不便。臨床經(jīng)驗表明［8］，下肢康復(fù)訓(xùn)練只有通過符合正常人體運(yùn)動模式的重復(fù)性特定訓(xùn)練任務(wù)，才能使重組中的大腦皮質(zhì)通過深刻的體驗來學(xué)習(xí)和存儲正確的運(yùn)動模式。

基于目前的社會背景與研究現(xiàn)狀，本文設(shè)計一種減重式康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使訓(xùn)練者可以在重復(fù)的站起訓(xùn)練過程中模擬健康人體站起時重心軌跡的變化，使下肢肌肉在健康模式下得到恢復(fù)訓(xùn)練。該結(jié)構(gòu)價格低廉、操作簡單、使用安全，承重受力合理，安裝拆卸、包裝運(yùn)輸方便，易于加工生產(chǎn)，適于家用和產(chǎn)品化推廣。

1 系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)臨床研究［9］，當(dāng)人體從坐姿狀態(tài)向上站起時，其重心軌跡是一條向前向上的運(yùn)動曲線。根據(jù)重心軌跡曲線，為了保證正常人體站起過程中有自由的站立空間，本文設(shè)計了減重式下肢智能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使其既能安裝電控裝置，又能穩(wěn)定承載足夠的負(fù)荷，在最大形變和許用應(yīng)力等力學(xué)參數(shù)方面滿足要求，當(dāng)訓(xùn)練對象的下肢不能提供足夠支撐力時，可通過系統(tǒng)懸吊裝置提供能夠抵消人體部分甚至全部重力的拉力，從而減輕患者腿部承受的負(fù)荷。當(dāng)訓(xùn)練者穿著專用承重背心處于坐姿時，該訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行工作，系統(tǒng)電控部分中的伺服電機(jī)會根據(jù)預(yù)置程序控制懸吊繩索，使訓(xùn)練者按照健康人體站起軌跡完成站起訓(xùn)練動作。

圖1 康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Mechanical structure of rehabilitation training system

圖1 為本文初步設(shè)計的可以使訓(xùn)練者實現(xiàn)減重式站起智能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖。為適合通常身高體型范圍內(nèi)的訓(xùn)練者實現(xiàn)站起康復(fù)訓(xùn)練，整個機(jī)械結(jié)構(gòu)高度和寬度分別設(shè)計為2 m和0.75m。為了滿足安裝提拉繩索和轉(zhuǎn)向滑輪要求，并且滿足最大形變和許用應(yīng)力要求，機(jī)械結(jié)構(gòu)頂部設(shè)計為圓角矩形梁形式。為了使機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)承重分布更加合理，雙側(cè)豎直梁設(shè)計成雙管分跨支撐形式。為了分析該結(jié)構(gòu)動態(tài)承載負(fù)荷時的穩(wěn)定狀態(tài)，首先給出兩個邊界參考位置：訓(xùn)練者處于坐姿，調(diào)整落座點，使其重心處于頂部圓角矩形面幾何中心點正下方，稱為位置1（圖1（a）所示）；訓(xùn)練者按健康人體站起軌跡被繩索提拉到站姿，重心位于頂部矩形面幾何中心下方前側(cè)，稱為位置2（圖1（b）所示）。假設(shè)訓(xùn)練者下肢毫無支撐能力，身體完全由繩索提拉，則在位置2時機(jī)械結(jié)構(gòu)處于最大負(fù)荷狀態(tài)，機(jī)械結(jié)構(gòu)與人體的整體重心比在位置1 時靠前，根據(jù)穩(wěn)定性零力矩原理（ZMP）［10］，雙側(cè)豎直支撐梁中前梁設(shè)計成向前彎曲后再豎直向下與底座方管梁連接的承力狀態(tài)，如圖1所示。為了防止兩側(cè)支撐梁在動態(tài)承重情況下發(fā)生側(cè)向失穩(wěn)，在底座兩條方管梁之間加方管橫梁緊固。

2 有限元模型建立及靜力學(xué)分析

該系統(tǒng)在運(yùn)行過程中主要通過伺服電機(jī)帶動繩索，經(jīng)過雙側(cè)豎直支撐梁和頂部前后圓角直梁上的6個滑輪改變方向后對訓(xùn)練者施力，因此在該機(jī)械結(jié)構(gòu)各梁的合適位置通過螺栓固定滑輪，并作為力學(xué)分析時力的加載點。為了節(jié)省有限元分析和優(yōu)化設(shè)計的運(yùn)算時間，并提高計算精度，把該機(jī)械結(jié)構(gòu)簡化為薄殼結(jié)構(gòu)，并在Catia軟件中用二維面結(jié)構(gòu)建立模型，采用殼單元類型將其以10mm 邊長的單元格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在螺栓孔之間用rbe2單元進(jìn)行剛性連接，同時用hypermesh中bolt（washer）功能在螺孔周圍進(jìn)行局部剛化模擬螺栓墊片效果，對其進(jìn)行力學(xué)分析，計算中所用材料參數(shù)如下：彈性模量為210GPa，材料密度為7850kg／m3，泊松比為0.3。

為保證動態(tài)加載人體實驗時整個機(jī)械結(jié)構(gòu)在受力允許范圍內(nèi)滿足力學(xué)要求，對其進(jìn)行最大受力狀態(tài)的靜力學(xué)分析。圖2給出了機(jī)械結(jié)構(gòu)中各受力點所加載力的計算示意圖。本文以最大可滿足體重為100kg，身高為190cm 的訓(xùn)練者（定為系統(tǒng)額定對象）進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練為標(biāo)準(zhǔn)，對其加載豎直向下G＝980N（m＝100kg，g＝9.8 m／s2）的載荷進(jìn)行受力分析。因為機(jī)械結(jié)構(gòu)左右對稱，所以由頂部前后圓角橫梁上A、B、G、H 四點滑輪引出的左右兩組牽引繩索受力情況相同，本文只分析單側(cè)一組繩索張力FAE、FGE即可，在圓角矩形梁坐標(biāo)系O－XYZ 內(nèi)A、B、G、H 四處加載力。當(dāng)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練初始時刻，訓(xùn)練者坐在位置1。當(dāng)訓(xùn)練系統(tǒng)開始工作后，前繩和后繩相互配合提拉訓(xùn)練者站起到站姿的位置2，整個機(jī)械結(jié)構(gòu)處于最大負(fù)荷狀態(tài)，繩索在訓(xùn)練者肩上的兩個施力點（E、F點）在Y 方向上與前梁和后梁的距離比均為1∶5（以系統(tǒng)額定對象為參考），如果此額定情況下能夠滿足力學(xué)要求，則其他情況下也能滿足力學(xué)要求。參考圖2 機(jī)械結(jié)構(gòu)中各點的幾何關(guān)系，可以得出：

圖2 載荷計算示意圖Fig.2 Schematic of load calculation

該設(shè)計方案機(jī)械結(jié)構(gòu)中雙側(cè)豎直支撐梁選用外徑?＝50mm、壁厚d＝2.5mm 的45#鋼管材進(jìn)行加工，底座采用45#鋼2.5mm 厚的50mm四方管加工，各接觸管件之間選用焊接關(guān)系，其屈服強(qiáng)度為355 MPa，安全系數(shù)為n＝1.4，則整個機(jī)械結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力為253.5 MPa，設(shè)計要求管件最大形變位移不超過20 mm。根據(jù)對前述模型受力情況的分析，在軟件中對機(jī)械結(jié)構(gòu)中各受力點加載上述方法計算出的載荷做受力分析，分析其剛度、強(qiáng)度情況。圖3（a）為機(jī)械結(jié)構(gòu)在上述受力情況下的位移云圖，可見最大位移發(fā)生在頂部前橫梁位置，最大值為10.4 mm，所以剛度滿足本文設(shè)定的最大形變位移不超過20 mm 的設(shè)計要求，并且實際設(shè)計的整個機(jī)械結(jié)構(gòu)高度為2 m，最大形變值也遠(yuǎn)小于該結(jié)構(gòu)的整體尺寸，不會對訓(xùn)練者造成影響。圖3（b）為機(jī)械結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力狀況，最大應(yīng)力發(fā)生在雙側(cè)豎直支撐梁頂部的前彎曲處，最大值為233.4MPa，實際最大應(yīng)力值小于許用應(yīng)力，所以該設(shè)計在強(qiáng)度方面也滿足要求。但是該設(shè)計下整個機(jī)械結(jié)構(gòu)所用管材壁厚達(dá)2.5mm，使得總質(zhì)量為46.6kg，耗材較多。因此在滿足設(shè)計要求的前提下，需要對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

圖3 焊接關(guān)系的機(jī)械結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析結(jié)果Fig.3 Analysis of the structure with welding relationship

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

前述機(jī)械結(jié)構(gòu)各接觸管件采用了焊接關(guān)系，但是本著開發(fā)可實際應(yīng)用產(chǎn)品以方便運(yùn)輸與安裝的目的，在不改變設(shè)計結(jié)構(gòu)的情況下將各管件焊接關(guān)系改進(jìn)為可拆裝的螺栓栓接關(guān)系，各點受力（6個滑輪處）與所用管材（? ＝50 mm、d＝2.5 mm、45#）保持不變，其靜力學(xué)分析結(jié)果如圖4（a）（b）所示。其中機(jī)械結(jié)構(gòu)的最大形變位移減至7.56mm，最大應(yīng)力減至151.1 MPa，仍滿足設(shè)計要求，即小于本文設(shè)定的最大形變位移20 mm，小于許用應(yīng)力253 MPa，因此本改進(jìn)方案可行。

圖4 栓接關(guān)系的機(jī)械結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析結(jié)果Fig.4 Analysis of the structure with bolted relationship

在改進(jìn)了管件連接關(guān)系后，本著開發(fā)可實際應(yīng)用產(chǎn)品時少用材料以降低成本的目的，在不改變設(shè)計結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對管件厚度做尺寸優(yōu)化設(shè)計，以減小整體質(zhì)量。將管壁厚度作為設(shè)計變量，將整體質(zhì)量作為優(yōu)化目標(biāo)，將最大許用應(yīng)力（253 MPa）和最大允許形變位移（20 mm）作為約束條件。其數(shù)學(xué)形式如下：

式中：m（xi）為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；xi為管壁厚度；i為迭代次數(shù)；f 為最大形變位移；σmax為最大應(yīng)力。

對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行3次迭代優(yōu)化計算后，圓管管壁厚度為1.842mm，整體質(zhì)量由46.6kg減為37.9kg，比原設(shè)計減少18.67%，說明優(yōu)化后能夠最大限度地減少用料，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。

以上優(yōu)化都是在不改變結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，盡管管件連接結(jié)構(gòu)由焊接關(guān)系改為栓接關(guān)系，方便了拆裝與運(yùn)輸，在設(shè)計要求的力學(xué)性能允許范圍內(nèi)所做管壁厚度尺寸優(yōu)化減薄了管壁，但是由于材料剛度和強(qiáng)度的限制，此結(jié)構(gòu)下的管件連接關(guān)系的改進(jìn)僅使用料質(zhì)量減少了18.67%，可見在該結(jié)構(gòu)下只通過改進(jìn)為栓接關(guān)系并優(yōu)化管壁厚度減少用料量還是有限的。因此，為了進(jìn)一步減少材料用量并進(jìn)一步減小單個管件尺寸以提高拆裝和包裝運(yùn)輸?shù)姆奖阈?，本文從幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計上對以上設(shè)計進(jìn)行再次優(yōu)化。通過圖4（b）看出：最大應(yīng)力發(fā)生在雙側(cè)豎直支撐梁的前彎曲處，那么考慮在側(cè)梁頂部加直梁固定，應(yīng)該會減少彎曲處的應(yīng)力并降低頂部前后橫梁的最大位移。根據(jù)前述力學(xué)分析的經(jīng)驗，保持原有管材選型（?＝50mm、d＝2.5mm、45#）不變并對機(jī)械結(jié)構(gòu)做改進(jìn)設(shè)計，如圖5所示。將雙側(cè)豎直支撐梁的前后梁去掉，使雙側(cè)豎直支撐梁主要起支撐作用，再在其上安裝圓角矩形梁，之前設(shè)計結(jié)構(gòu)中頂部4個滑輪改安裝在圓角矩形梁的前后梁上。在該改進(jìn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)上相同位置施加相同載荷后，其力學(xué)分析結(jié)果如圖6所示。通過觀察可以看出，整個機(jī)械結(jié)構(gòu)的最大形變位移減為4.807 mm，最大應(yīng)力減為138.8MPa，完全滿足設(shè)計要求，在保持該設(shè)計結(jié)構(gòu)和設(shè)計要求力學(xué)性能范圍內(nèi)，應(yīng)用式（3）再次對管壁做尺寸優(yōu)化，管壁厚度減小到1.275mm，整體質(zhì)量降低為33.2kg。通過與圖4中的計算結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)：改進(jìn)設(shè)計結(jié)構(gòu)之后用料進(jìn)一步減少，其總質(zhì)量比前一次設(shè)計再次減少12.4%，并且該設(shè)計各管件都通過螺栓栓接，拆卸后每一個管件尺寸更小，更利于安裝前的包裝和運(yùn)輸。

圖5 改進(jìn)設(shè)計后系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Improved mechanical mechanism

圖6 改進(jìn)設(shè)計后的機(jī)械結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析結(jié)果Fig.6 Analysis of the improved structure

盡管以上設(shè)計在滿足設(shè)計要求的前提下已經(jīng)最大限度地降低了整體質(zhì)量，并且兼顧了方便包裝運(yùn)輸和安裝拆卸，但是在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計上并未有質(zhì)的變化，各管件形狀仍然存在彎曲，不便于加工生產(chǎn)，而且拆卸后單個管件尺寸仍然較大，所以，仍希望通過結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化來進(jìn)一步降低質(zhì)量，并減小拆卸后各管件尺寸。因此，依據(jù)對前述機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的經(jīng)驗和三角形結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性原理，重新設(shè)計了另外一種可實現(xiàn)減重式訓(xùn)練系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖7中左圖所示。該結(jié)構(gòu)可為使用者提供的活動空間與之前的設(shè)計結(jié)構(gòu)相同，上下采用50mm 方管梁（厚度1.5mm，45#鋼），左右兩側(cè)各兩根交叉栓接的支撐圓管梁（外徑為40 mm，厚度4.5 mm，45#鋼），與上下方管梁交接部分直接通過打孔插入并用螺栓固定，更加利于拼裝拆卸，各管件均為支線型，尺寸更小。

圖7 采用側(cè)向交叉梁的改進(jìn)設(shè)計方案示意圖Fig.7 Lateral cross－beam structure with or without top beam

對此改進(jìn)結(jié)構(gòu)再次做有限元分析。因為該設(shè)計除了結(jié)構(gòu)有所變化外，安裝滑輪數(shù)量和空間位置與之前的設(shè)計結(jié)構(gòu)完全相同，因此仍按前述計算的施力關(guān)系進(jìn)行靜力學(xué)分析，兩組交叉圓管處螺栓孔用剛性單元進(jìn)行連接并釋放其軸向的旋轉(zhuǎn)自由度實現(xiàn)栓接效果，計算結(jié)果如圖8所示。整個機(jī)械結(jié)構(gòu)的最大形變位移為18.25 mm，發(fā)生在受力較大的后梁；最大應(yīng)力為131.2MPa，發(fā)生在底部四方管的螺栓孔處。從計算結(jié)果來看，此機(jī)械結(jié)構(gòu)的最大變形位移小于所規(guī)定的20mm，最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力253 MPa，所以該設(shè)計方案同樣滿足設(shè)計要求。但是從產(chǎn)品角度考慮，雖然該設(shè)計結(jié)構(gòu)下具備了各部件更加適合拆卸、組合、包裝、運(yùn)輸?shù)膬?yōu)點，但是用料質(zhì)量陡增為54.6 kg，成為本設(shè)計的最大缺點。為了進(jìn)一步保持本設(shè)計結(jié)構(gòu)的優(yōu)點并降低用料質(zhì)量，通過分析其應(yīng)力云圖和位移云圖（見圖8）可知，結(jié)構(gòu)中較大位移都發(fā)生在頂部前后梁位置，致使應(yīng)力大部分集中在側(cè)向支撐梁栓接部位。因此在此設(shè)計基礎(chǔ)上，在頂部前后梁之間再加一根圓管拉梁，如圖7中右圖所示，從而限制頂部前后梁位移，改善側(cè)梁栓接位置的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在承受與前述結(jié)構(gòu)同樣載荷下的受力分析如圖9所示，可見在應(yīng)力滿足要求的情況下最大位移得到了極大改善，最后整個機(jī)械結(jié)構(gòu)的質(zhì)量從54.6kg降為27.6kg。通過分析該結(jié)構(gòu)的最大位移和最大應(yīng)力可知，在滿足最大設(shè)計要求條件下管壁厚度還可進(jìn)一步優(yōu)化，經(jīng)過4次迭代計算，得到優(yōu)化結(jié)果：頂部兩個方管厚度為1.5mm，底座方管厚度為0.8 mm，側(cè)向4根圓管厚度為1.1 mm，所添加的頂部拉梁圓管厚度為1.35 mm，最后，整個機(jī)械結(jié)構(gòu)的質(zhì)量優(yōu)化為19.2kg。

圖8 頂部無拉梁的側(cè)梁交叉式機(jī)械結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析結(jié)果Fig.8 Analysis of the structure with lateral crossbeam and without top－beam

圖9 頂部添加拉梁的側(cè)梁交叉式機(jī)械結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析結(jié)果Fig.9 Analysis of the structure with lateral cross－beam and top－beam

4 結(jié)果分析與討論

基于前述對各機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)分析與優(yōu)化設(shè)計，得出表1中的結(jié)果。第一種設(shè)計方案在滿足設(shè)計要求的情況下，管件采用焊接關(guān)系的力學(xué)性能和栓接關(guān)系的力學(xué)性能是接近的，但是從方便拆卸運(yùn)輸?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，采用栓接關(guān)系較為合理，并在設(shè)計要求內(nèi)對管件進(jìn)行尺寸優(yōu)化，其質(zhì)量從46.6kg降到了37.9kg。進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計（方案二）后，繼續(xù)在設(shè)計要求范圍內(nèi)對其優(yōu)化，對比發(fā)現(xiàn)，方案二中單個管件的幾何尺寸不僅比方案一中小，滿足管件拆卸后更加方便包裝、運(yùn)輸?shù)哪康?，而且在滿足設(shè)計要求的力學(xué)性能下，質(zhì)量也進(jìn)一步減小到33.2kg。為了進(jìn)一步改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)中單個管件的幾何尺寸，使其更加方便加工、組裝和包裝運(yùn)輸，試探性地給出了方案三，通過力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)要滿足設(shè)計要求的力學(xué)性能，需要增大側(cè)向支撐管件的厚度，主要是因為側(cè)向管件交叉栓接后，只有下半部分與底部橫梁形成穩(wěn)定的三角結(jié)構(gòu)，但是上半部分卻處于開放狀態(tài)，而且頂部前后橫梁又是主要的承力梁，這就使得同樣受力條件下，各側(cè)梁的頂部發(fā)生較大形變位移，而栓接點處承受較大力矩作用，出現(xiàn)應(yīng)力比較集中的問題，因此為了滿足力學(xué)要求，需要盡量增大管壁厚度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的總體質(zhì)量陡增，使得該設(shè)計方案不夠理想。但該機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析結(jié)果卻給改進(jìn)設(shè)計帶來啟發(fā)，在頂部加入拉梁，使得側(cè)梁上半部分也構(gòu)成三角穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，給出方案四并做優(yōu)化分析。從結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，頂部拉梁的加入極大地改善了該結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，在滿足設(shè)計要求的前提下，整個機(jī)械結(jié)構(gòu)的質(zhì)量得到極大的降低，變?yōu)?9.2kg。參考圖10中給出的各種設(shè)計方案下的質(zhì)量變化曲線可以看出，在各結(jié)構(gòu)滿足文中制定的設(shè)計要求的前提下，最后一種設(shè)計方案用料質(zhì)量是最少的，并且其機(jī)械結(jié)構(gòu)較之前的設(shè)計又是最為簡單的，從產(chǎn)品角度考慮，不僅單個管件方便加工，而且都是直線型管件，非常方便包裝運(yùn)輸，管件間又是栓接固定，非常便于安裝拆卸。

表1 各機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計下的分析結(jié)果Table 1 Results of each design

圖10 各設(shè)計方案下機(jī)械結(jié)構(gòu)質(zhì)量變化曲線圖Fig.10 Graph of qualities of each mechanical structure

5 結(jié)束語

為開發(fā)一套智能人體站起運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，實現(xiàn)減重式站起訓(xùn)練，減輕訓(xùn)練者腿部承受的負(fù)荷，并使其能按照正常人體站起的重心軌跡進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，本文設(shè)計并分析了幾種機(jī)械結(jié)構(gòu)，不僅可以在幾何結(jié)構(gòu)上為訓(xùn)練系統(tǒng)預(yù)留恰當(dāng)位置安裝電氣控制設(shè)備，又能在力學(xué)結(jié)構(gòu)上滿足額定載荷設(shè)計要求下使訓(xùn)練者完成穩(wěn)定的訓(xùn)練。通過對幾種設(shè)計結(jié)構(gòu)的分析、改進(jìn)與優(yōu)化，可以看出每種設(shè)計結(jié)構(gòu)都有很好的力學(xué)性能，但是從開發(fā)可實際應(yīng)用產(chǎn)品的角度出發(fā)，參照表1中的各設(shè)計方案下的數(shù)據(jù)說明及之前給出的設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖可以看出：在滿足力學(xué)要求的前提下，每次對設(shè)計方案的改進(jìn)都會使其各部件更加適合加工、拆卸、組合、包裝、運(yùn)輸。在4種設(shè)計方案下，機(jī)械結(jié)構(gòu)在滿足力學(xué)要求的前提下，質(zhì)量逐步減小。雖然對比之前的設(shè)計方案三質(zhì)量有所增加，但恰恰為方案四提供了直接的參考依據(jù)，在其頂部前后梁間安裝了拉梁，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能得到極大改善，材料的使用量減少，降低了設(shè)備的重量和制造成本，采用直線型管件進(jìn)行簡單栓接安裝，便可滿足整個系統(tǒng)的承力要求。本文最后給出的設(shè)計方案與之前設(shè)計相比較，不涉及到管材的焊接成型，只需對所選型號管材進(jìn)行切割打孔、栓接拼裝即可，也使其更利于產(chǎn)品化加工、推廣和家庭化應(yīng)用。

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