馬蹄足智能矯正裝置的開發

吳為臻 喬 勛 施叢國

（西京學院，陜西 西安710123）

1 設計背景

目前先天性馬蹄內翻足是屬于幼兒里面比較常見的四肢畸形之一，但是其發病率并不是很高。畸形的癥狀主要有如前足內收斂以及踝關節畸變，以及跟骨內翻等等。智能矯正的最終目的還是使其能夠恢復正常狀態，消除畸形，從而達到和正常人一樣。本設計秉著針對傳統馬蹄足矯正裝置需要手動調節以及不利于行走兩大缺陷進行結構功能上的改進，從而研制出一款集智能化，數字化于一體基于互聯網遠程控制的智能矯形器。

2 整體設計

2.1 基本原理設計

該項目主要源于對傳統馬蹄足治療的一種改進方案，如下圖1所示，融入了目前主流技術- 自動化遠程控制和超新網絡通信信息技術，從而改進設計出一款新型智能自動遠程控制的矯形器。

圖1

主要的功能模塊有：矯形器本體、通訊控制模塊、醫患手機APP。系統原理如下圖2 所示：

圖2 系統原理框圖

2.2 機構設計

本設計有以下幾個基本結構：a.蝸輪蝸桿機構;b.絲桿螺母機構;c.智能藍牙控制終端;d.矯形器本體等。智能藍牙控制這是利用現在應用廣泛的數控技術，從而精準調節各參數。該裝置的工作流程為： 矯形器本體接收到來自通訊模塊的信號，然后推動電機工作，進而推動蝸輪蝸桿傳動，傳力至絲桿螺母，推動調節螺母轉動。同時，矯形器本體擁有多個壓力以及信號傳感器，它能夠將矯形過程的一些信號進行反饋，從而能夠讓醫生清楚的了解治療效果，做進一步治療。矯形架支撐系統主要由外固定架以及整個動力箱組成（動力箱結構如下圖所示）而執行工作部分由裝置外的調節螺母，以及給調節螺母提供動力的裝置組成。機械傳動系統的主要部分還是蝸輪蝸桿以及絲桿螺母副等。電機帶動蝸桿傳遞驅動力，帶動絲桿螺母副運轉，傳遞動力至裝置外殼的調節螺母上，使其轉動，帶動矯正，完成矯形作用。

圖3 動力箱結構示意圖

2.3 主控制系統的安裝

2.3.1 將安裝調試好的單片機、藍牙模塊與步進電機驅動器控制面板接線端分別與PUL+、PUL- 和DIR+、DIR- 正確連接；

2.3.2 安裝好電源并與電機驅動器控制面板的電源接線端U+和GND 相連，形成通路；

2.3.3 將電機與其驅動器的控制面板接線端A+、A-、B+、B-正確連接。

圖4 控制原理圖

3 零件的型號選擇和校核計算

3.1 電機的確定

根據馬蹄足裝置對其運動過程中的動力要求，從而決定選用兩相異步電機作為該裝置的驅動電機。初步對電機參數進行確定和計算。根據查找得知，兩相異步電機的速度范圍一般處于600-1200，而交流伺服電機速度范圍則位于3000-5000，處于較大速度范圍，所以，結合本設計考慮，選用最大速度為1000 的步進電機作為主驅動電機。進電機的力矩分為動態力矩和靜態力矩，動態力矩難確定，所以先確定靜態力矩。靜態力矩又是根據電機工作中所承受的負載來確定，步進電機負載通常分為摩擦和慣性兩種負載。如果是直接啟動我們應將兩種都考慮進去，但如果只加速啟動則需要考慮的是兩者當中的慣性負載，當知道負載大小，靜態力矩也就能確定，確定了靜態力矩的大小就能確定電機的其他尺寸。電機的靜態力矩初步選為0.6Nm。根據

3.2 蝸輪蝸桿機構設計

查閱GB/T 10085-1988，確定選用漸開線蝸桿。蝸輪采用錫青銅材料，蝸桿采用45 鋼，并對蝸桿進行表面淬火處理，使其齒面硬度大于45HRC，蝸輪輪心用鑄鐵材料來增大其剛度，同時蝸輪蝸桿采用齒圈配合式結構。依照蝸輪蝸桿機械零件的設計準則，按照齒面接觸疲勞強度進行計算，再按齒根彎曲疲勞強度進行校核。公式如下所示

3.2.1 先求出蝸桿上面的轉矩T2。

3.2.2 再算出工作載荷系數K。

3.2.3 然后可以得到蝸輪的齒數Z2。

3.2.4 最后確定蝸輪的許用應力。查閱《機械設計》251 頁表11-7 得

整理計算可得蝸輪材料的許用應力

再根據蝸輪蝸桿的齒根彎曲疲勞強度校核

根據上述計算結果可知蝸輪蝸桿的齒根彎曲強度滿足要求。

3.3 校核絲杠螺母副

4 結論

此次設計的馬蹄足智能矯正裝置，結構簡單，布局合理，在傳統矯形器基礎上改良而來的，利用帶有螺紋孔的蝸輪蝸桿來代替傳統矯形器的手動調節螺母，通過調節步進電機驅動蝸輪蝸桿傳動，從而達到矯形功能。但該技術研究還沒有完全成熟，還需要在不斷改進過程中探索與完善。