目錄目錄[26]。拓?fù)鋬?yōu)化的目的是尋找最佳材料分布，其過程是將區(qū)域劃分成很小的子區(qū)域，從子區(qū)域中移除一些，保留的部分表示結(jié)構(gòu)最優(yōu)解。拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)優(yōu)于尺寸和形狀優(yōu)化。所以，本節(jié)將采用拓?fù)鋬?yōu)化的方式對(duì)并聯(lián)動(dòng)平臺(tái)機(jī)構(gòu)的支鏈零件進(jìn)行優(yōu)化，尋找最優(yōu)材料分布，去除不必要部分，從而減輕康復(fù)機(jī)器人質(zhì)量，達(dá)到輕量化的要求。4.2.2支鏈零件1拓?fù)鋬?yōu)化下肢康復(fù)機(jī)器人既要承受結(jié)構(gòu)本身重量又要承受患者重量，所以對(duì)下肢康復(fù)機(jī)器人支鏈零件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)十分重要，主要目的是在支鏈承受固定載荷條件下，減輕重量的同時(shí)保證其結(jié)構(gòu)剛度最而得到的拓?fù)湫螤睢?1)從soildworks中建立三維模型，生成（.x_t）格式文件，直接導(dǎo)入ANSYS中，直接建立要優(yōu)化的三維模型。之后，編輯材料屬性“EnginneeringDate”,在上文中確定下肢康復(fù)機(jī)器人非標(biāo)準(zhǔn)件采用7075鋁合金，在材料窗口輸入彈性模量71.7Gpa與泊松比0.33.(2)采用ANSYS自帶的單元對(duì)零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單位定位5mm。 (3)在零件一端固定孔處施加固定約束，另一孔施加集中載荷“Force”,大小為500N. (4)在求解工具欄中添加應(yīng)力及應(yīng)變選項(xiàng)“EquivalentStress”和“TotalDeformation”點(diǎn)擊“Solve”進(jìn)行求解，得到零件應(yīng)力圖4-11和應(yīng)變圖4-12圖4-11優(yōu)化前應(yīng)力圖圖4-12優(yōu)化前應(yīng)變圖 （5）在上述應(yīng)力應(yīng)變分析基礎(chǔ)上添加拓?fù)鋬?yōu)化，將“TopologyOptimization”拖入靜力分析系統(tǒng)“StaticStructural”中“Setup”中，與靜力分析系統(tǒng)共用幾何模型、約束及載荷數(shù)據(jù)，無需重復(fù)添加模型和材料屬性。（6）設(shè)置“Percenttoretain”為30％。在工作樹中進(jìn)行“TopologyDensity”求解，點(diǎn)擊“Solve”,得到拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，如圖4-13所示。（7）按照拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，在Soildworks中對(duì)零件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，去除不必要的材料，將重新設(shè)計(jì)的零件保存（.x_t）格式直接導(dǎo)入ANSYSWorkbench中，重新建立晶粒分析系統(tǒng)，求解優(yōu)化后的模型。（8）添加材料、網(wǎng)格、約束以及載荷等，與前文保持一致，在求解工具欄中添加應(yīng)力及應(yīng)變選項(xiàng)“EquivalentStress”和“TotalDeformation”點(diǎn)擊“Solve”進(jìn)行求解，得到零件應(yīng)力圖4-14和應(yīng)變圖4-15.圖4-13拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果圖4-14優(yōu)化后應(yīng)力圖圖4-15優(yōu)化后應(yīng)變圖 整個(gè)拓?fù)鋬?yōu)化過程如圖4-16所示。根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化前后結(jié)構(gòu)對(duì)比，優(yōu)化后零件質(zhì)量減少70％。對(duì)優(yōu)化后重建的零件進(jìn)行靜力分析，最大應(yīng)力為2.6373Mpa,沒有超過所選材料7075鋁合金的強(qiáng)度屈服極限和許用應(yīng)力：最大變形為0.0010657mm,在允許可變范圍之內(nèi)，因此對(duì)零件的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)合理。圖4-16拓?fù)鋬?yōu)化過程圖4.2.3支鏈零件2拓?fù)鋬?yōu)化方法與4.2.2小節(jié)一致，優(yōu)化前零件應(yīng)力圖4-17和應(yīng)變圖4-18.在上述應(yīng)力應(yīng)變分析基礎(chǔ)上添加拓?fù)鋬?yōu)化，將“TopologyOptimization”拖入靜力分析系統(tǒng)“StaticStructural”中“Setup”中，與靜力分析系統(tǒng)共用幾何模型、約束及載荷數(shù)據(jù)，無需重復(fù)添加模型和材料屬性。設(shè)置“Percenttoretain”為30％。在工作樹中進(jìn)行“TopologyDensity”求解，點(diǎn)擊“Solve”,得到拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，如圖4-19所示。圖4-17優(yōu)化前應(yīng)力圖圖4-18優(yōu)化后應(yīng)變圖圖4-19拓?fù)鋬?yōu)化圖之后對(duì)零件進(jìn)行重新建模，去除多余的材料，重復(fù)上述步驟后得到優(yōu)化后零件應(yīng)力圖4-20和應(yīng)變圖4-21。圖4-20優(yōu)化后應(yīng)力圖圖4-21優(yōu)化后應(yīng)變圖根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化前后結(jié)構(gòu)對(duì)比，優(yōu)化后零件質(zhì)量減少70％。對(duì)優(yōu)化后重建的零件進(jìn)行靜力分析，最大應(yīng)力為2.1393Mpa,沒有超過所選材料7075鋁合金的強(qiáng)度屈服極限和許用應(yīng)力：最大變形為0.0011901mm,在允許可變范圍之內(nèi)，因此對(duì)零件的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)合理。4.3本章小結(jié)本章選擇下肢康復(fù)機(jī)器人關(guān)鍵零部件進(jìn)行強(qiáng)度校核以及拓?fù)鋬?yōu)化，介紹了ANSYS中apdl與workbench兩個(gè)模塊進(jìn)行強(qiáng)度分析、模態(tài)分析以及拓?fù)鋬?yōu)化的基本步驟。采用ANSYS對(duì)支鏈零件和踏板進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。按照建立模型、添加材料、網(wǎng)格劃分、設(shè)置約束和載荷、應(yīng)力應(yīng)變求解、設(shè)置拓?fù)鋬?yōu)化、求解的過程達(dá)到零件減重50％的結(jié)果，之后重新建模，再進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，得到的結(jié)果滿足上文所選材料7075鋁合金的材料特性，拓?fù)浣Y(jié)果合理。致謝第5章足部并聯(lián)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)仿真5.1足部平臺(tái)運(yùn)動(dòng)仿真在soildworks中，給滾珠絲杠施加螺旋配合，滾珠絲杠導(dǎo)程，故選擇距離/圈數(shù)選項(xiàng)，輸入12mm。如圖5-1所示。圖5-1螺旋配合 在已經(jīng)裝配好的裝配圖中，零件的位置都已經(jīng)配合好，可以直接打開足部平臺(tái)裝配圖，進(jìn)入運(yùn)動(dòng)算例中的Motion分析板塊。如圖5-2足部平臺(tái)圖，在滾珠絲杠上添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，因?yàn)闆]有進(jìn)行試驗(yàn)，沒有人體康復(fù)訓(xùn)練時(shí)實(shí)際足部運(yùn)動(dòng)軌跡圖，在此仿真中僅展示機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)馬達(dá)選擇運(yùn)動(dòng)為等速，三個(gè)滾珠絲杠轉(zhuǎn)速分別設(shè)為1000、800、1200rpm，如圖5-3所示。圖5-2足部平臺(tái)圖圖5-3添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)添加重力場方向?yàn)槟Ｐ椭胸Q直向下即Y軸反方向，大小取9.8如圖5-4所示，在足部踏板上施加向下的壓力，大小為500N，如圖5-5所示。設(shè)置好要計(jì)算的時(shí)間鍵碼，設(shè)置速率點(diǎn)擊計(jì)算，如圖5-6所示，軟件會(huì)自動(dòng)進(jìn)行分析得到仿真動(dòng)畫，以及所需要的圖表等仿真結(jié)果。在滾珠絲杠上添加合理轉(zhuǎn)速就可以模擬出平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)抬腳、跖屈、背屈等運(yùn)動(dòng)。前后兩滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反時(shí)，即可模擬跖屈/背屈運(yùn)動(dòng)，三根滾珠絲杠轉(zhuǎn)速相同時(shí)即可模擬平臺(tái)上升/下降運(yùn)動(dòng)，側(cè)位滾珠絲杠高于或低于另外兩根滾珠絲杠是為內(nèi)翻/外翻運(yùn)動(dòng)。選擇合理轉(zhuǎn)速即能模擬足部運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)下肢康復(fù)訓(xùn)練。圖5-4添加引力圖5-5添加下壓力圖5-6進(jìn)行計(jì)算從運(yùn)算結(jié)果中導(dǎo)出表格，查看角速度、位移量等仿真曲線。圖5-7、圖5-8分別為動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量中心點(diǎn)在各個(gè)方向隨時(shí)間變化的位置和動(dòng)平臺(tái)角速度隨時(shí)間變化的曲線。圖5-7質(zhì)點(diǎn)中心位置變化曲線圖5-8動(dòng)平臺(tái)角速度變化曲線5.2本章小結(jié) 通過soildworks軟件，進(jìn)行平臺(tái)運(yùn)動(dòng)仿真，介紹了利用soildworks進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真的一般步驟。通過施加合理的驅(qū)動(dòng)即旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向就可以模擬出足部平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，演示了平臺(tái)進(jìn)行跖屈、背屈等運(yùn)動(dòng)。求解動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量中心位置隨時(shí)間變化曲線以及動(dòng)平臺(tái)在各個(gè)方向角速度隨時(shí)間變化曲線。第6章結(jié)論與展望6.1全文總結(jié) 本課題基于并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)際上是對(duì)市面上下肢康復(fù)機(jī)器人的一種優(yōu)化設(shè)計(jì)，也是對(duì)專業(yè)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的一個(gè)案列。 在設(shè)計(jì)一開始，由于市面上缺少同類型設(shè)備的介紹，以及對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)和下肢康復(fù)機(jī)器人不夠了解，難以確定康復(fù)機(jī)器人尺寸以及驅(qū)動(dòng)方式，在設(shè)計(jì)初期就遇到很大困難。后來受到研究生學(xué)長的影響，最終確定采用滾珠絲杠作為驅(qū)動(dòng)方式，最后在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并完成了以下內(nèi)容：（1）通過比較現(xiàn)有的下肢康復(fù)機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)下肢康復(fù)機(jī)器人提出需要解決的問題。之后針對(duì)提出的問題進(jìn)行資料查詢、整合分析，并且應(yīng)用到后續(xù)設(shè)計(jì)中。（2）對(duì)下肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行拆分，分為并聯(lián)平臺(tái)、直線驅(qū)動(dòng)裝置、減重裝置三個(gè)部分，對(duì)三個(gè)部分分開來設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)過程條理更加清晰，便利了設(shè)計(jì)過程。（3）根據(jù)實(shí)際工作過程中對(duì)下肢康復(fù)機(jī)器人的實(shí)際要求，對(duì)所需電機(jī)種類進(jìn)行了計(jì)算與選型，并給出了電機(jī)安裝方式。在電機(jī)選型后對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)件以及重要零件進(jìn)行了有限元分析，校核其強(qiáng)度，確保了下肢康復(fù)機(jī)器人在使用過程中的安全性。6.2不足之處及未來展望此次設(shè)計(jì)方案雖然對(duì)下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并順利完成預(yù)期內(nèi)容，但仍然不夠完善。個(gè)人覺得仍存在一下幾點(diǎn)需要改進(jìn)的地方：（1）本文只是對(duì)下肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并沒有對(duì)運(yùn)動(dòng)部件測試其康復(fù)訓(xùn)練效果，在實(shí)際使用中仍要重視運(yùn)動(dòng)部件的訓(xùn)練效果。（2）下肢康復(fù)機(jī)器人的控制系統(tǒng)沒有做出設(shè)計(jì)，控制方式只是討論了個(gè)大概。在后續(xù)的拓展中可以針對(duì)控制做進(jìn)一步的研究。（3）本文只是選取了應(yīng)用比較廣泛的材料進(jìn)行應(yīng)用，沒有對(duì)不同材料進(jìn)行比較，沒有考慮到材料價(jià)格的問題，可能會(huì)造成成本過高的問題。（4）減重裝置與患者結(jié)合部分沒有進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用傳統(tǒng)背帶式減重是否會(huì)對(duì)混著產(chǎn)生影響尚不明確。此次設(shè)計(jì)雖然遇到很多困難，但總算順利完成，完成了下肢康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)自身能力有了更好的認(rèn)識(shí)。希望在未來的生活和學(xué)習(xí)中能一直保持著謙虛額定態(tài)度，腳踏實(shí)地、實(shí)事求是。希望之后能解決目前仍然存在的問題，對(duì)已經(jīng)完成的部分做出更好的優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)侯小麗,馬明所.醫(yī)療機(jī)器人的研究與進(jìn)展[J].中國醫(yī)療器械信息,2013,19(01):48-50.張立勛.下肢步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].河南科技大學(xué),2009.李峰.下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人主動(dòng)控制的研究[D].上海大學(xué),2014.江偉豪,陳霄云,樊留博,朱建君.下肢康復(fù)機(jī)器人輔助康復(fù)訓(xùn)練對(duì)腦卒中后偏癱患者下肢功能的影響[J].中國現(xiàn)代醫(yī)生,2021,59(05):20-23.方濤濤,韓建海,王會(huì)良,尤愛民.新型臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志,2013,28(03):246-250.彭亮,侯增廣,王晨,羅林聰,王衛(wèi)群.康復(fù)輔助機(jī)器人及其物理人機(jī)交互方法[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào),2018,44(11):2000-2010.SeddikiL,GueltonK,ZaytoonJ.DesignofaTrajectoryGeneratorforaLower-LimbsRehabilitationDevice[C].8thIFACSymposiumonBiologicalandMedicalSystems,2012,45(18):201-206.Akdo?anaE,AdlibcMA.TheDesignandControlofaTerapeuticExerciseRobotforLowerLimbRehabilitation:Physiotherabot[J].Mechatronics,2011,21(3):509-522.MohantaaKJ,MohanaS,DeepasundarbP,etal.DevelopmentandControlofaNewSitting-TypeLowerLimbRehabilitationRobot[J].ComputersandElectricalEngineering,2018,67:330-347.Guzmán-ValdiviaCH,Blanco-OrtegaA,Oliver-SalazarMA.HipBot–TheDesign,DevelopmentandControlofaTherapeuticRobotforHipRehabilitation[J].Mechatronics,2015,30:55-64.李丹.踝關(guān)節(jié)融合康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制[D].燕山大學(xué),2008:20-21.王衛(wèi)東.基于繩索驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)康復(fù)機(jī)器人研究[D].南京航空航天大學(xué),2012:20-24.范澤峰.床式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人結(jié)構(gòu)研究[D].蘇州大學(xué),2015.何元飛.腳踏式下肢康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究[D].華中科技大學(xué),2011.DarioP,GuglielmelliE,AllottaB.Roboticsformedicalapplications[J].IEEERobotics&AutomationMagazine,2002,3(3):44-56.劉久琳,梁元強(qiáng).下肢骨牽引臨床護(hù)理總結(jié)[J].實(shí)用中醫(yī)藥雜志,2017.劉陽名,李兵.3D-Body人體解剖學(xué)虛擬軟件在解剖學(xué)教學(xué)中的實(shí)踐[J/OL].中國組織化學(xué)與細(xì)胞化學(xué)雜志,2018,2(4):401-404.丁敏,吳慶文,王瑩.應(yīng)用步態(tài)康復(fù)機(jī)器人對(duì)正常人步態(tài)的研究[J].臨床薈萃,2013,2(2):212-213.張超.運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中人體踝關(guān)節(jié)安全角度優(yōu)化控制系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2018,512(9):108-112.海里希威爾姆斯.滾珠絲杠在重型機(jī)械中的應(yīng)用[J].金屬加工(冷加工),2011(19):49.MiaoMingda,GaoXueshan,ZhuWei.A