踝泵运动控制器的设计
分析踝泵运动形式，制定了脚踝康复机的机械结构设计和控制系统设计。机械设计部分保证了运动的合理性和可靠性，同时做到了结构简单成本低，通过将电机的运动转化为了丝杆滑台滑块的移动，最后变成执行机构运动。PLC设计部分实现了脚踝康复机对患者的康复训练。同时完成了梯形图设计和PLC的选型和相关电器元件的选型。关键词 脚踝康复，运动和控制的分析，PLC的设计
目 录
1绪论 2
1.1研究背景 2
1.2踝泵运动的定义 2
1.3目前实现踝泵运动的康复器 2
1.4研究内容 4
2运动分析 4
3机械设计 5
3.1方案设计 5
3.2医学参数 9
3.3执行元件设计 10
3.4丝杆滑台的选型 14
3.5减速器和步进电机的选型 18
3.6校核 21
4控制设计 22
4.1需求分析 22
4.2方案设计 23
5触摸屏的设计 25
5.1触摸屏的选型 25
5.2画面设计 25
6控制系统硬件设计 27
6.1PLC的I/O分配 27
6.2 PLC的选型 28
6.3电路图 29
7 PLC软件设计 31
8系统的安装与调试 33
结 论 35
致 谢 36
1绪论
1.1研究背景
随着经济的发展，人们对各类交通工具的过分依赖，安逸的生活使人们愈加懈怠，使得社会上的各类交通事故频发，下肢受损和残障的几率越来越高。而其中，踝关节更是重中之重，他是人体的主要承重关节，与人类的日常活动息息相关，但也因为这样，他及其容易受损。踝关节在日常生活中极其容易受损，对人们的生活造成不便。而且，受损后不能及时恢复将会导致肌肉萎缩，引发一系列并发症。因此，保护踝关节的健康和在踝关节受损后的及时康复显得尤为重要。
踝关节的康复主要是以训练为主，在自己主动或他人的引导下完成一系列踝泵屈伸及环绕运动。通过运动使踝关节组织加速愈合，增加肌肉力量，为 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
早日康复打下基础。在平时，也可以预防由长时间不运动引起的肌肉萎缩，增强踝关节强度的作用，对人体十分有益。
如果对踝关节的康复采用一对一的人为引导康复训练，虽然十分安全可靠，效果显著，但是其中的人力成本十分之高，往往不是一般群众能够负担的。如果采用机械辅助康复，市面上的辅助机器良莠不齐。许多只能完成单一的方向运动，不能全面的锻炼到踝关节，效果十分有限。
因此本设计希望能够设计出一款全面的能够辅助人们完成踝泵运动的机器。
1.2踝泵运动的定义
踝泵，即Ankle pump。简而言之，就是通过踝关节的运动，起到促进下肢的血液循环和淋巴回流作用。通过踝泵运动可以使踝关节受损和手术后及时康复，恢复正常的机能。
1.3目前实现踝泵运动的康复器
如今，市场上充斥着各式各样的通过踝泵运动实现康复训练的机器。种类繁多，不胜枚举。下面列举一些从网络上搜索到的可以购买的通过踝泵运动进行康复训练的脚踝康复机。
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图1脚踝康复机
这是一款常见的脚踝康复机器，它实现了通过踝泵运动可以预防膝过伸，帮助改善长期卧床者由于被子的重力作用于膝关节和踝关节，导致的膝关节过伸和足下垂，同时可以矫正内外翻。不过，很显然这台机器只能进行单一的跖屈和背屈运动，并不能实现环绕运动。
另外很多高校都开始了对踝关节运动康复的研究，如气动肌肉驱动的康复训练器试验装置等，已经可以实现脚踝大部分运动的康复训练，取得了不俗的成果。
面对如何利用踝泵运动，使踝关节尽快恢复机能这个重大的课题，国外许多学者也提出并设计出了很多有伺服电机控制的脚踝康复机。美国麻省理工大学学者研究出了把柔性机构安装在脚踝康复机的转动轴上的柔性机器人，通过脚踝的运动使柔性机构变形，通过变形量可以计算出扭矩的大小和转动的角度等，来为医师提供具体的数据，作为康复医疗的依据。这种康复机不需要动力输入，需要由患者的主动运动。
/
图2柔性机构的踝泵运动机器人
1.4研究内容
本文需要在了解踝关节结构及运动基础上，依据脚踝康复医用数据，结合自己所学，设计康复器的运动机构及其他机构，其次再构型设计的基础上进行运动建模和仿真分析，最后完成康复器的电控系统的设计。
2运动分析
踝关节的三种运动形式如下图示：
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图3从左至右依次为背屈和跖屈、外翻和内翻、外旋和内旋
目前所有的针对脚踝的康复疗程，都离不开对踝关节进行牵引使之进行跖屈，背屈，外翻，内翻，外展，内收运动。通过对踝关节运动和人体脚踝的分析，我们将踝关节的运动简化为绕 xyz轴的转动和沿轴线方向的移动，如下图所示：
//
图4xyz轴示意图
背屈和跖屈：脚部在yz平面内以x轴为轴上下移动。
内旋和外旋：脚部在xy平面内以z轴为轴左右移动。
环绕运动：脚部以y轴为旋转轴，进行圆周运动。
3机械设计
3.1方案设计
3.1.1需求分析
通过分析，本机器的机械结构设计要求如下：
（1）穿戴简单；
（2）体积不能过大，要便于使用，因此，整个机器的宽度应当小于30厘米，长度小于30厘米，高度小于70厘米；
（3）患者的体重不超过100千克；
目 录
1绪论 2
1.1研究背景 2
1.2踝泵运动的定义 2
1.3目前实现踝泵运动的康复器 2
1.4研究内容 4
2运动分析 4
3机械设计 5
3.1方案设计 5
3.2医学参数 9
3.3执行元件设计 10
3.4丝杆滑台的选型 14
3.5减速器和步进电机的选型 18
3.6校核 21
4控制设计 22
4.1需求分析 22
4.2方案设计 23
5触摸屏的设计 25
5.1触摸屏的选型 25
5.2画面设计 25
6控制系统硬件设计 27
6.1PLC的I/O分配 27
6.2 PLC的选型 28
6.3电路图 29
7 PLC软件设计 31
8系统的安装与调试 33
结 论 35
致 谢 36
1绪论
1.1研究背景
随着经济的发展，人们对各类交通工具的过分依赖，安逸的生活使人们愈加懈怠，使得社会上的各类交通事故频发，下肢受损和残障的几率越来越高。而其中，踝关节更是重中之重，他是人体的主要承重关节，与人类的日常活动息息相关，但也因为这样，他及其容易受损。踝关节在日常生活中极其容易受损，对人们的生活造成不便。而且，受损后不能及时恢复将会导致肌肉萎缩，引发一系列并发症。因此，保护踝关节的健康和在踝关节受损后的及时康复显得尤为重要。
踝关节的康复主要是以训练为主，在自己主动或他人的引导下完成一系列踝泵屈伸及环绕运动。通过运动使踝关节组织加速愈合，增加肌肉力量，为 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
早日康复打下基础。在平时，也可以预防由长时间不运动引起的肌肉萎缩，增强踝关节强度的作用，对人体十分有益。
如果对踝关节的康复采用一对一的人为引导康复训练，虽然十分安全可靠，效果显著，但是其中的人力成本十分之高，往往不是一般群众能够负担的。如果采用机械辅助康复，市面上的辅助机器良莠不齐。许多只能完成单一的方向运动，不能全面的锻炼到踝关节，效果十分有限。
因此本设计希望能够设计出一款全面的能够辅助人们完成踝泵运动的机器。
1.2踝泵运动的定义
踝泵，即Ankle pump。简而言之，就是通过踝关节的运动，起到促进下肢的血液循环和淋巴回流作用。通过踝泵运动可以使踝关节受损和手术后及时康复，恢复正常的机能。
1.3目前实现踝泵运动的康复器
如今，市场上充斥着各式各样的通过踝泵运动实现康复训练的机器。种类繁多，不胜枚举。下面列举一些从网络上搜索到的可以购买的通过踝泵运动进行康复训练的脚踝康复机。
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图1脚踝康复机
这是一款常见的脚踝康复机器，它实现了通过踝泵运动可以预防膝过伸，帮助改善长期卧床者由于被子的重力作用于膝关节和踝关节，导致的膝关节过伸和足下垂，同时可以矫正内外翻。不过，很显然这台机器只能进行单一的跖屈和背屈运动，并不能实现环绕运动。
另外很多高校都开始了对踝关节运动康复的研究，如气动肌肉驱动的康复训练器试验装置等，已经可以实现脚踝大部分运动的康复训练，取得了不俗的成果。
面对如何利用踝泵运动，使踝关节尽快恢复机能这个重大的课题，国外许多学者也提出并设计出了很多有伺服电机控制的脚踝康复机。美国麻省理工大学学者研究出了把柔性机构安装在脚踝康复机的转动轴上的柔性机器人，通过脚踝的运动使柔性机构变形，通过变形量可以计算出扭矩的大小和转动的角度等，来为医师提供具体的数据，作为康复医疗的依据。这种康复机不需要动力输入，需要由患者的主动运动。
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图2柔性机构的踝泵运动机器人
1.4研究内容
本文需要在了解踝关节结构及运动基础上，依据脚踝康复医用数据，结合自己所学，设计康复器的运动机构及其他机构，其次再构型设计的基础上进行运动建模和仿真分析，最后完成康复器的电控系统的设计。
2运动分析
踝关节的三种运动形式如下图示：
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图3从左至右依次为背屈和跖屈、外翻和内翻、外旋和内旋
目前所有的针对脚踝的康复疗程，都离不开对踝关节进行牵引使之进行跖屈，背屈，外翻，内翻，外展，内收运动。通过对踝关节运动和人体脚踝的分析，我们将踝关节的运动简化为绕 xyz轴的转动和沿轴线方向的移动，如下图所示：
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图4xyz轴示意图
背屈和跖屈：脚部在yz平面内以x轴为轴上下移动。
内旋和外旋：脚部在xy平面内以z轴为轴左右移动。
环绕运动：脚部以y轴为旋转轴，进行圆周运动。
3机械设计
3.1方案设计
3.1.1需求分析
通过分析，本机器的机械结构设计要求如下：
（1）穿戴简单；
（2）体积不能过大，要便于使用，因此，整个机器的宽度应当小于30厘米，长度小于30厘米，高度小于70厘米；
（3）患者的体重不超过100千克；
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