[機械畢業(yè)設(shè)計論文]上肢康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真運動設(shè)計說明書

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1、黑龍江工程學(xué)院學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 ABSTRACT 1 第1章　緒論 2 1.1 概述 2 1.2　康復(fù)機器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3 1.3 上肢康復(fù)機器人系統(tǒng)的發(fā)展前景 6 1.4　本課題主要研究內(nèi)容 7 第2章　總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 8 2.1 總體方案設(shè)計 8 2.2　康復(fù)機器人框架造型的設(shè)計 11 2.3　本章小結(jié) 12 第3章 伺服元件選擇 13 3.1　電機選擇 13 3.1.1　升降機構(gòu)電機選擇 13 3.1.2 前后擺機構(gòu)電機選擇 14 3.1.3 分合機構(gòu)電機選擇 15 3.1.4　手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)電機的選擇 16 3.2　聯(lián)軸器選擇 16 3.3

2、　蝸輪蝸桿減速器的選擇 17 3.4　本章小結(jié) 17 第4章 機械機構(gòu)設(shè)計與計算 18 4.1　絲杠設(shè)計 18 4.2　錐齒輪設(shè)計 19 4.3　同步齒形帶設(shè)計 21 4.4　軸設(shè)計與校核 23 4.5　軸承校核 26 4.6　鍵選擇及校核計算 27 4.7　本章小結(jié) 28 結(jié)　　論 29 參考文獻 30 致　　謝 32 如需要圖紙等資料，聯(lián)系QQ1961660126 研究成果的嚴(yán)肅態(tài)度以及向讀者提供有關(guān)信息的出處，正文之后一般應(yīng)列出參考文獻表引文應(yīng)以原始文獻和第一手資料為原則。所有引用別人的觀點或文字，無論曾否發(fā)表，無論是紙質(zhì)或電子版，都必須注明出處或加以注釋。凡

3、轉(zhuǎn)引文獻資料，應(yīng)如實說明。對已有學(xué)術(shù)成果的介紹、評論、引用和注釋，應(yīng)力求客觀、公允、準(zhǔn)確。偽注、偽造、篡改文獻和數(shù)據(jù)等，均屬學(xué)術(shù)不端行為致謝一項科研成果或技術(shù)創(chuàng)新,往往不是獨自一人可以完成的,還需要各方面的人力,財力,物力的支持和幫助.因此,在許多論文的末尾都列有"致謝　　1) 著錄參考文獻可以反映論文作者的科學(xué)態(tài)度和論文具有真實、廣泛的科學(xué)依據(jù)，也反映出該論文的起點和深度。 　　2) 著錄參考文獻能方便地把論文作者的成果與前人的成果區(qū)別開來。 　　3) 著錄參考文獻能起索引作用。 　　4) 著錄參考文獻有利于節(jié)省論文篇幅。 　　[01] Brown, H. D. Teaching b

4、y Principles: An Interactive Approach to Language Pedagogy[M]. Prentice Hall Regents, 1994. 　　[02] Brown, J Set al. Situated Cognition and the Culture of Learning[J]. Educational Reasercher, 1, 1989. 　　[03] Chris, Dede. The Evolution of Constructivist Learning Envi-ronments: Immersion in Distribut

5、ed Virtual Worlds[J]. Ed-ucational Technology, Sept-Oct, 1995. 　　學(xué)位申請者如果能通過規(guī)定的課程考試，而論文的審查和答辯合格，那么就給予學(xué)位。如果說學(xué)位申請者的課程考試通過了，但論文在答辯時被評為不合格，那么就不會授予他學(xué)位。 　　有資格申請學(xué)位并為申請學(xué)位所寫的那篇畢業(yè)論文就稱為學(xué)位論文，學(xué)士學(xué)位論文。學(xué)士學(xué)位論文既如需要圖紙等資料，聯(lián)系QQ1961660126 是學(xué)位論文又是畢業(yè)論文　 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)VDC 001.81、CB 7713-87號文件給學(xué)術(shù)論文的定義為： 　　學(xué)術(shù)論文是某一學(xué)術(shù)課題在實驗性、理論

6、性或觀測性上具有新的科學(xué)研究成果或創(chuàng)新見解的知識和科現(xiàn)象、制定新理論的一種手段，舊的科學(xué)理論就必然會不斷地為新理論推翻?！保ㄋ沟俜颐飞┮虼耍瑳]有創(chuàng)造性，學(xué)術(shù)論文就沒有科學(xué)價值。 三、創(chuàng)造性 學(xué)術(shù)論文在形式上是屬于議論文的，但它與一般議論文不同，它必須是有自己的理論系統(tǒng)的，不能只是材料的羅列，應(yīng)對大量的事實、材料進行分析、研究，使感性認識上升到理性認識。一般來說，學(xué)術(shù)論文具有論證色彩，或具有論辯色彩。論文的內(nèi)容必須符合歷史唯物主義和唯物辯證法，符合“實事求是”、“有的放矢”、“既分析又綜合” 的科學(xué)研究方法。 　　一般普通刊物（省級、國家級）審核時間為一周，高質(zhì)量的雜志，審核時間為14-

7、20天。 　　核心期刊審核時間一般為4個月，須經(jīng)過初審、復(fù)審、終審三道程序。 　　3.期刊的級別問題。 　　國家沒有對期刊進行級別劃分。但各單位一般根據(jù)期刊的主管單位的級別來對期刊劃為省級期刊和國家級期刊。省級期刊主管單位是省級單位。國家級期刊主管單位是國家部門或直屬部門。 如需要圖紙等資料，聯(lián)系QQ1961660126 摘 要 康復(fù)機器人是康復(fù)設(shè)備的一種類型，康復(fù)機器人技術(shù)早已廣受世界各國科研工作者和醫(yī)療機構(gòu)的普遍重視，其中以歐美和日本的成果最為顯著。在我國康復(fù)醫(yī)學(xué)工程雖然得到了普遍的重視，但是康復(fù)機器人研究仍處于起步階段，一些簡單康復(fù)器械遠遠不能滿足市場對智能

8、化、人機工程化康復(fù)機器人的需求，有待進一步的研究和發(fā)展。 本文從使用的角度對人體上肢的運動原理進行了分析，設(shè)計出了一種坐式上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人，用于心腦血管疾病致癱或者意外事故所造成上肢損傷的患者作上肢及其相關(guān)關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練。本設(shè)計的康復(fù)機器人機身是由放置于平臺上的機座，兩根可伸縮的立柱和上橫梁及其手柄組成，并在其各個組成部分上分別裝上上肢屈伸機構(gòu)、前后擺機構(gòu)、分合機構(gòu)和手腕旋轉(zhuǎn)機構(gòu)；各運動機構(gòu)由單獨的電機和減速器驅(qū)動，而傳動機構(gòu)的主件分別是傳動軸、絲杠螺母副、同步齒形帶傳動副。 康復(fù)機器人的立柱主要采用薄壁套筒，這樣既減輕了重量，也使得絲杠螺母副能構(gòu)得到套筒的固定和定位。整個設(shè)計主要要注意

9、的主要問題是減重和減噪，避免整體結(jié)構(gòu)過于龐大笨重。 關(guān)鍵詞：康復(fù)；上肢；結(jié)構(gòu)設(shè)計；減重；噪音 32 ABSTRACT Rehabilitation robot is a type of rehabilitation facilities. Rehabilitation robotics have long been well received by the world scientists and the general importance of medical institutions, in which Europe and the United Stat

10、es and Japan, the results are the most significant. Medical Engineering in our country has been received widespread attention though, and rehabilitation robotics still in its infancy, some simple rehabilitation equipment is far from meeting intelligence, ergonomics of the rehabilitation robot needs

11、to be further research and development. This perspective on the human body from the use of upper limb movement principle is analyzed，the seated upper extremity rehabilitation robot is designed , for the paralysis caused by cardiovascular diseases or accidents. The design of the rehabilitation r

12、obot body is placed on the platform base, two scalable columns and beams of the handle on the composition and its components are installed on the upper limb flexion which include separate and close agency, before and after agency, lifting agency and the wrist rotation agency; the every movement is d

13、riven by the separate drive motor and reducer, and the main parts are the shaft, screw nut pairs, timing belt, deputy. Rehabilitation robot column mainly adopts the thin wall sleeve, so as to reduce weight, also makes the lead screw nut pair can be fixed and the positioning sleeve. The design of th

14、e main attention to the major problem is the weight loss and noise reduction, avoid the whole structure is too bulky. Key words：rehabilitation；upper limb；structural design；Weight loss; noise 第1章　緒論 1.1 概述 據(jù)報道，我國60歲以上的老年人已有1.43億，占全國人口的11％，到2050年將達到4.37億。在老齡人群眾中有大量的腦血管疾病或神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者，這類患者多

15、數(shù)伴有偏癱癥狀[1]。近年由于患心腦血管疾病使中老年患者出現(xiàn)偏癱的人數(shù)不斷增多，而且在年齡上呈現(xiàn)年輕化趨勢。與此同時，由于交通運輸工具的迅速增長，因交通事故而造成神經(jīng)心痛損傷或者肢體損傷的人數(shù)也越來越多。在我國數(shù)以百萬計的有神經(jīng)科疾病病史和受到過意外傷害的患者需要進行康復(fù)治療，僅以中風(fēng)為例，每年大約有600，000中風(fēng)幸存者，其中的二百萬病人在中風(fēng)后存在長期的運動障礙。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，這個特殊群體已得到了更多人的關(guān)注，為了提高他們的生活質(zhì)量，治療、康復(fù)和服務(wù)于他們的產(chǎn)品的技術(shù)和質(zhì)量也在相應(yīng)地提高。隨著機器人技術(shù)和康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，在歐洲、美國和日本等國家，醫(yī)療康復(fù)機器人的市場占有率呈逐年上升

16、的趨勢，僅預(yù)測日本未來機器人市場，2005年醫(yī)療、護理、康復(fù)機器人的市場份額約為250，000美元，而到2010年將上升到1，050，000美元，其增長率在機器人的所有應(yīng)用領(lǐng)域中占據(jù)首位。因此，服務(wù)于四肢的康復(fù)設(shè)備的研究和應(yīng)用有著廣闊的發(fā)展前景[2]。 康復(fù)機器人是康復(fù)設(shè)備的一種類型。康復(fù)機器人技術(shù)早已廣受世界各國科研工作者和醫(yī)療機構(gòu)的普遍重視，其中以歐美和日本的成果最為顯著。在我國康復(fù)醫(yī)學(xué)工程雖然得到了普遍的重視，而康復(fù)機器人研究仍處于起步階段，一些簡單康復(fù)器械遠遠不能滿足市場對智能化、人機工程化的康復(fù)機器人的需求，有待進一步的研究和發(fā)展。由于康復(fù)訓(xùn)練機器人要與人體直接相連，來帶動肢體

17、進行康復(fù)訓(xùn)練，所以對驅(qū)動器的安全性、柔性的要求較高。康復(fù)肢體運動功能用機械肢體組合系列機器人,是多種同類機器人屬于機器人領(lǐng)域,解決了本人發(fā)明的實用新型專利半身不遂患者康復(fù)學(xué)步機,只能帶動人的大小臂大小腿康復(fù)運動功能,而不能帶動手腳各關(guān)節(jié)運動的重大不足,主要技術(shù)特征是將半身不遂患者康復(fù)學(xué)步機略加改進后,在學(xué)步機的小臂絞鏈桿上安裝了可以帶動人手腕關(guān)節(jié)手指各個關(guān)節(jié)都能運動的機械手托板,在小腿鉸鏈桿上安裝了可以帶動人腳踝腳指各個關(guān)節(jié)都能運動的機械腳托板后實現(xiàn)的,用途是康復(fù)肢體運動功能,帶動患肢的各個關(guān)節(jié)、每塊骨骼、每塊肌肉、每個筋鍵、每條神經(jīng)都在作患者萬分渴望而大腦又支配不了的動作,通過較長時間的被動

18、運動鍛煉,最終使殘疾人患肢的主動運動功能得到康復(fù)。 本課題的研究目的是設(shè)計一種坐式上肢康復(fù)訓(xùn)練機，用于心腦血管疾病致癱或意外事故所造成的上肢體損傷的患者左上肢及相關(guān)關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練。 1.2　康復(fù)機器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 康復(fù)機器人是一種自動化醫(yī)療康復(fù)設(shè)備，它以醫(yī)學(xué)理論為依據(jù)，幫助患者進行科學(xué)而有效的康復(fù)訓(xùn)練，使患者的運動機能得到更快更好的恢復(fù)。目前，康復(fù)機器人已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到康復(fù)護理、假肢和康復(fù)治療等方面，這不僅促進了康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，也帶動了相關(guān)領(lǐng)域的新技術(shù)和新理論的發(fā)展。 康復(fù)機器人有兩種：輔助型康復(fù)機器人和康復(fù)訓(xùn)練機器人[3]。輔助型康復(fù)機器人主要是幫助肢體運動有困難的患者完成各種動作

19、，該類產(chǎn)品有機器人輪椅、機器人護士、機器人假肢、機械外骨骼等。康復(fù)訓(xùn)練機器人的主要功能是幫助患者完成各種運動功能的恢復(fù)訓(xùn)練，該類產(chǎn)品有行走訓(xùn)練、手臂運動訓(xùn)練、脊椎運動訓(xùn)練等。 康復(fù)機器人是康復(fù)醫(yī)學(xué)和機器人技術(shù)的完美結(jié)合，康復(fù)機器人技術(shù)在歐美等國家得到了科研工作者和醫(yī)療機構(gòu)的普遍重視，許多研究機構(gòu)都開展了有關(guān)的研究工作，近年來取得了一些有價值的成果。對于中風(fēng)、偏癱、上肢運動機能損傷等患者來說，上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人有著很好的治療效果。國內(nèi)外許多研究機構(gòu)都在這方面取得了不錯的研究結(jié)果。 目前，康復(fù)機器人的研究主要集中在康復(fù)機械手和康復(fù)治療機器人等幾個方面[16]。 1、康復(fù)機械手的研究現(xiàn)狀 設(shè)

20、計康復(fù)機器人最初的一個目的就是在殘疾人和環(huán)境之間放置一個機械臂， 通過這個機械臂來部分或全部的實現(xiàn)操作功能，按機械臂的安裝位置劃分，康復(fù)機械手可分為3類： （1）基于桌面的機械手[4]。種機械手安裝在一個徹底結(jié)構(gòu)化的控制平臺上，在固定的空間內(nèi)操作，具有足夠自由度的串聯(lián)機器人再配上適合殘疾人使用的人機界面是這種機器人典型的設(shè)計模式。目前此類機器人已經(jīng)達到了實用化，如法國CEA公司開發(fā)的MASTER系統(tǒng)、美國的Tolfa Corportion開發(fā)的DEVAR系統(tǒng)，以及英國的Oxford Intelligent Machines Ltd.開發(fā)的RAID系統(tǒng)等。此種類型的機械手是早期的工業(yè)機器人在康

21、復(fù)系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)的一次成功應(yīng)用。1987年，英國人Mike Topping研制了Handy1康復(fù)機器人，使一個患有腦癱的11歲男孩第一次能夠進行獨立就餐。隨后他對樣機進行了改造，也使得Handy1成為歷史上最成功的康復(fù)機器人。圖1.1是Handy1康復(fù)機器人原型，圖1.2是康復(fù)機器人正在對患者進行康復(fù)訓(xùn)練。 （2）基于輪椅的機械手。這種機器人是安裝在輪椅上的，是因為輪椅的移動擴大了機械手的工作范圍，同時由于安裝基座的改變致使機械手的剛性下降和抓取精度的降低，這種機械手也只是用于用于輪椅的患者，這是一點不足。這種機械手已經(jīng)成為面向應(yīng)用的流行設(shè)計，KARES[5]系統(tǒng)，就是一種基于輪椅的機械手系統(tǒng)，

22、在電動輪椅上安裝了一個六自由度的機械手，能夠幫助行動不便的老人和殘疾人獨立的行動。隨著只能輪椅的研究發(fā)展，這種機械手也將會有很廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。 圖1.1　Handy1 圖1.2　工作中的Handy1 （3）基于移動機器人的機械手。這類機械手是目前最先進的康復(fù)機械手，這種機械手安裝在移動的機器人或者半自主的小車上從而適用于更多的患者使用，同時擴大了機械手的活動空間并提高了抓取的精度。S. Tachi等人在MIT日本實驗室研制了一種移動式康復(fù)機器人MELDOG[6] ，作為“倒盲狗”以幫助盲人完成操作和搬運

23、物體的任務(wù)。法國Evry大學(xué)研制了一種移動式康復(fù)機器人ARPH[7]，使用者可以從工作站實施遠程控制，使移動機器人實現(xiàn)定位和抓取工作。這種機械手系統(tǒng)都是需要由視覺、靈巧操作、運動、傳感、導(dǎo)航及系統(tǒng)控制等電子系統(tǒng)組成，要求比較高，價格也是相對的比較昂貴。 2、康復(fù)治療機器人研究現(xiàn)狀 康復(fù)治療機器人是康復(fù)醫(yī)學(xué)和機器人技術(shù)的完美結(jié)合，不再把機器人當(dāng)作輔助患者的工具，而是把機器人和計算機當(dāng)作提高臨床康復(fù)效率的新型治療工具?？祻?fù)治療機器人在醫(yī)療實踐上主要是用于恢復(fù)患者肢體運動系統(tǒng)的功能。按運動系統(tǒng)的問題可以劃分為2類：一類是生物力學(xué)或生物物理化學(xué)類型的應(yīng)用，另一類是運動學(xué)習(xí)[8]。當(dāng)人的肢體受外傷燒

24、傷或做手術(shù)后，由于受傷組織的皮膚、韌帶和肌肉失去彈性而導(dǎo)致肢體運動的速度和范圍受到限制[9]。生物力學(xué)或生物物理化學(xué)類型的應(yīng)用就是使用機器人系統(tǒng)來打破受傷肢體的運動范圍。運動技能的學(xué)習(xí)或再學(xué)習(xí)，這是一個囊括了競爭運動控制理論、訓(xùn)練技術(shù)和人機接口問題等諸多方面的復(fù)雜問題。 （1）CPM機[10]。CPM機時利用康復(fù)醫(yī)學(xué)中連續(xù)被動運動（Continuous Passive Motion\CPM）的基本原理對受傷肢體進行康復(fù)治療的機械裝置，是目前前為止唯一的一個機器人生物力學(xué)或生物物理化學(xué)類型的應(yīng)用的例證。早在20世紀(jì)60年代初期就有醫(yī)學(xué)團體運用CPM機進行術(shù)后康復(fù)治療的醫(yī)學(xué)實踐，此后也有用于膝、

25、肩、肘關(guān)節(jié)等康復(fù)的CPM機出現(xiàn)。單手刀技術(shù)水平限制，長期停留在“打關(guān)節(jié)”康復(fù)范圍。目前,市場上已經(jīng)有了用于腕關(guān)節(jié)和手指關(guān)節(jié)這樣的“小關(guān)節(jié)”康復(fù)的CPM機,但他們還不能像“大關(guān)節(jié)”CPM機那樣實現(xiàn)精確的控制。 （2）神經(jīng)運動康復(fù)治療機器人[11]。目前這一類機器人的研究比較活躍,用來康復(fù)治療與神經(jīng)運動有關(guān)的疾病, 包括中風(fēng)、帕金森氏病和大腦性麻痹(Cerebral Palsy) 。美國麻省理工學(xué)院研制了一種幫助中風(fēng)患者康復(fù)治療的機器人MIT-MANUS ,它有2 個自由度,可以實現(xiàn)病人的肩、肘和手在水平和豎直平面內(nèi)的運動。在治療過程中,把中風(fēng)病人的手臂固定在一個特制的手臂支撐套中,手臂支撐套固

26、定在機器人臂的末端。病人的手臂按計算機屏幕上規(guī)劃好的特定軌跡運動,屏幕上顯示出虛擬的機器人操作桿的運動軌跡,病人通過調(diào)整手臂的運動可以使兩條曲線盡量重合,從而達到康復(fù)治療的目的。如果病人的手臂不能主動運動,機器人臂可以像傳統(tǒng)康復(fù)醫(yī)療中臨床醫(yī)生的做法那樣帶動病人的手臂運動。圖1.3為MIT-MANUS [12]在治療中風(fēng)病人。 圖1.3　中風(fēng)病人在用MIT-MANUS 治療 （3）基于虛擬環(huán)境的康復(fù)醫(yī)療訓(xùn)練機器人系統(tǒng)[13]。為了鼓勵患者進行康復(fù)訓(xùn)練，提高康復(fù)訓(xùn)練的效果，在訓(xùn)練過程中吸引患者的興趣是一個主要方面。虛擬環(huán)境技術(shù)的發(fā)展使這種思想得以實現(xiàn)，研

27、究者們采用基于虛擬環(huán)境的用戶界面，通過一些小游戲鼓勵患者進行主動訓(xùn)練?；谔摂M環(huán)境的康復(fù)訓(xùn)練通常與網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，因此，不僅具有遠程康復(fù)機器人系統(tǒng)的優(yōu)點，還提高了患者進行康復(fù)訓(xùn)練的能動性。 圖1.4　遠程康復(fù)醫(yī)療訓(xùn)練機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1.3 上肢康復(fù)機器人系統(tǒng)的發(fā)展前景 目前的康復(fù)機器人都能夠在一定程度上向患者提供簡單的訓(xùn)練方案，研究結(jié)果表明機器人輔助治療確有一定療效。從現(xiàn)有文獻及臨床需要來看，今后上肢康復(fù)機器人系統(tǒng)的研究可能集中在以下幾個方面： 1. 康復(fù)醫(yī)療機器人系統(tǒng)設(shè)計：機械設(shè)計是康復(fù)訓(xùn)練機器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)，應(yīng)盡量簡潔輕巧，具有一定的靈活性，提高訓(xùn)練動作的種類，增大動作幅度，

28、在三維空間內(nèi)對患肢各個關(guān)節(jié)進行訓(xùn)練；同時發(fā)展“多路復(fù)用”的網(wǎng)絡(luò)康復(fù)醫(yī)療機器人系統(tǒng)，提高資源利用率。 2. 控制策略與運動模式的設(shè)計由于患者的病情千差萬別，因此，機器人要感知患肢狀態(tài)(力量和位置)并采取相應(yīng)的訓(xùn)練模式和控制策略，在控制系統(tǒng)適應(yīng)性和穩(wěn)定性、傳感器技術(shù)應(yīng)用、系統(tǒng)辨識和控制算法設(shè)計等方面需要作更深入的研究。 3. 力反饋：機器人應(yīng)該能夠?qū)崟r檢測患者與機器人之間的相互作用力，在患者主動能力不足時提供更大的輔助，而在患者有能力完成動作時，適當(dāng)減小輔助甚至施加阻力，以便充分發(fā)揮患者殘存的功能。 4. 安全機制：安全問題是康復(fù)機器人設(shè)計過程中的一個重要方面，康復(fù)訓(xùn)練機器人必須根據(jù)臨床康復(fù)

29、訓(xùn)練的基本動作和安全性的要求，在設(shè)計中除了考慮機器人的功能實現(xiàn)外，還要防止患肢二次損傷，必須從機構(gòu)設(shè)計(硬件)和控制系統(tǒng)(軟件)兩個方面保證康復(fù)機器人系統(tǒng)的安全性。 5. 康復(fù)效果的評價機制：與肌電信號檢測相結(jié)合，探索訓(xùn)練參數(shù)與康復(fù)效果之間的關(guān)系，提高訓(xùn)練效果。大量實驗的基礎(chǔ)上，探索臨床康復(fù)的初步規(guī)律，并建立新的康復(fù)評估方法，從而對運動功能的康復(fù)機制重新評估和理解。 機器人具備許多人類所無法比擬的優(yōu)點，例如：長期、穩(wěn)定地重復(fù)訓(xùn)練，精確、客觀地測定訓(xùn)練與運動參數(shù)，提供實時反饋、遠程訓(xùn)練等。但是，目前康復(fù)訓(xùn)練機器人的研究仍然處于起步階段。從近年的發(fā)展看，美國的著名大學(xué)如MIT，Stanford，

30、Northwestern等對這一領(lǐng)域的研究都十分重視，處于世界領(lǐng)先。國內(nèi)的研究基礎(chǔ)和對這一領(lǐng)域的了解和把握與上述領(lǐng)先單位的差距并不很大，但在經(jīng)費投入方面嚴(yán)重不足。由于我國的康復(fù)醫(yī)學(xué)事業(yè)仍然處于起步階段，但患者數(shù)量多、治療師資源缺乏，據(jù)此現(xiàn)狀，發(fā)展康復(fù)訓(xùn)練醫(yī)療機器人系統(tǒng)更具實際意義。隨著康復(fù)醫(yī)療機器人的研究和使用，有望簡化醫(yī)師與患者“一對一”的繁重治療過程，推動殘疾人“人人享有康復(fù)服務(wù)”這一目標(biāo)的實現(xiàn)，提高殘疾人的生活質(zhì)量。同時，通過臨床上使用積累的大量數(shù)據(jù)，將有助于認識訓(xùn)練參數(shù)與康復(fù)效果之間的關(guān)系，從而能夠在機器人輔助腦神經(jīng)康復(fù)治療上取得更大的突破。因此，康復(fù)醫(yī)療訓(xùn)練機器人技術(shù)在現(xiàn)代康復(fù)醫(yī)學(xué)和

31、神經(jīng)反饋訓(xùn)練有廣泛的應(yīng)用前景。 1.4　本課題主要研究內(nèi)容 本實用“上肢康復(fù)機器人”的機身是由放置于地面上的基座、兩根可以伸縮的立柱和上橫梁組成，并在其各組成部分上分別裝配上肢前后擺動機構(gòu)上肢屈伸機構(gòu)和上肢分合機構(gòu)；各運動機構(gòu)由單獨的電機和減速器驅(qū)動，而傳動機構(gòu)的主件分別是傳動軸、絲杠螺母副、同步齒形帶。在單片機的控制下，實現(xiàn)患者的上肢前后擺、屈伸、分合運動以及手腕的轉(zhuǎn)動康復(fù)訓(xùn)練；也可啟動部分電機，完成其中的部分康復(fù)訓(xùn)練[14]。具體內(nèi)容如下： 1、 首先對上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人進行原理分析，然后選擇合理的設(shè)計方案，進行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計； 2、 康復(fù)機器人上肢前后擺結(jié)構(gòu)設(shè)計及康復(fù)機器人屈伸機構(gòu)

32、設(shè)計 3、 分合機構(gòu)設(shè)計及手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)設(shè)計 4、設(shè)計出系統(tǒng)的零部件，完成驅(qū)動原件和標(biāo)準(zhǔn)件的選擇和校核，主要包括絲杠、齒輪等機構(gòu)的設(shè)計計算。確定結(jié)構(gòu)尺寸，形狀，材料，動力等參數(shù)，對齒輪、主軸、軸承進行必要的校核、驗算； 5、手繪和計算機繪制相結(jié)合，繪制整體裝配圖及主要零部件的零件圖； 第2章　總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 本設(shè)計的主要工作是設(shè)計一個用于上肢康復(fù)的機器人，能夠?qū)崿F(xiàn)對上肢的上下、屈伸、分合以及手腕轉(zhuǎn)動的康復(fù)訓(xùn)練[14]。就本設(shè)計而言，設(shè)計的主體是兩根可升降的立柱，放于地面與立柱相連的機座、橫梁、與機座相連的立柱座、同步齒型

33、帶及帶輪等等。本章將對“上肢康復(fù)機器人”的結(jié)構(gòu)設(shè)計及機械結(jié)構(gòu)作出詳細的分析和設(shè)計。 2.1 總體方案設(shè)計 該康復(fù)機器人將采用電力驅(qū)動，用電機驅(qū)動來實現(xiàn)各個功能，對上肢進行康復(fù)訓(xùn)練?？傮w方案為： 機身由平臺上面的機座、兩根可伸縮的立柱、橫梁以及手柄組成，并在其各組成部分上分別裝上上肢前后擺機構(gòu)、上肢屈伸機構(gòu)、上肢分合機構(gòu)和手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)；各運動機構(gòu)有單獨的電機和減速器驅(qū)動；傳動機構(gòu)的主件分別是傳動軸、絲杠螺母副以及同步帶傳動副。在康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計中，立柱主要由三部分組成，內(nèi)套筒、外套筒和絲杠螺母副，此外還有用于固定絲杠螺母副用的軸承套等附屬結(jié)構(gòu)。 立柱的外套筒通過螺栓與立柱軸承套和立柱座

34、連接在一起，絲杠通過裝在軸承套中的兩個角接觸球軸承定位和固定。在立柱套筒的定位中，通過止口來實現(xiàn)精確定位。為了保證整個康復(fù)機器人的結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，各個零部件的垂直度，表面粗糙度都一定要達到設(shè)計的要求[15]，這樣才能使真?zhèn)€結(jié)構(gòu)在運動的過程總不會出項卡死之類的現(xiàn)象，同時也減小了噪聲。 此外，立柱的電機通過加腹板的電機支承架固定，支架通過螺釘固定在立柱座上 圖2.1　前后擺機構(gòu)運動簡圖 面，這樣，電機和立柱就連接在一起，在前后擺的過程當(dāng)中，整個立柱就能隨著電機的轉(zhuǎn)動而一起運動。同時，支承架的垂直度也要達到精度要求，這樣才能使電機軸與傳動軸的同軸度達到所需的要求。 1、前后擺機構(gòu)設(shè)（如圖2.1所

35、示：） 康復(fù)機器人前后擺機構(gòu)主要的功能是對患者的上肢進行前后擺康復(fù)訓(xùn)練。在設(shè)計的中，前后擺要滿足一下兩個要求：一是擺動的角度要足夠大，能夠?qū)颊呱现募珀P(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)進行充分的康復(fù)訓(xùn)練；二是整個機構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性要好，在對患者進行康復(fù)訓(xùn)練的過程中，能夠在任何位置實現(xiàn)安全的停止。 因此，上肢前后擺機構(gòu)裝在基座上，由直流電機、減速器、渦輪蝸桿、傳動軸、軸承座等組成。其中直流減速電機固定在底座平天上，通過聯(lián)軸器將其與渦輪蝸桿連接在一起，再通過聯(lián)軸器將渦輪蝸桿與傳動軸連接在一起；兩根可伸縮的立柱通過鍵與軸而將其固定于軸承座上。這樣通過單片機控制電機，電機的帶動傳動軸，就可實現(xiàn)對上肢前后擺的康復(fù)訓(xùn)練

36、。在實現(xiàn)前后擺動的過程當(dāng)中，渦輪蝸桿能夠?qū)C構(gòu)實現(xiàn)自鎖，使整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性大大的增加。前后擺電機通過滑塊型彈性聯(lián)軸器與蝸桿減速器相連，蝸桿減速器通過HL型柱銷彈性聯(lián)軸器與傳動軸相連。前后擺傳動軸通過鍵與立柱座連接，其中立柱座與機座之間用套筒隔開，留有5mm的間隙。整體結(jié)構(gòu)較大，但是重量不大，此外軸承處要注意潤滑。 2、屈伸機構(gòu)設(shè)計 圖2.2　屈伸機構(gòu)運動簡圖 康復(fù)機器人的屈伸機構(gòu)是實現(xiàn)對患者上肢進行屈伸康復(fù)訓(xùn)練，以達到對患者肩關(guān)節(jié)肘和肘關(guān)節(jié)的康復(fù)目的。設(shè)計時，要使患者的上肢能夠得到足夠充分的空間進行屈伸訓(xùn)練，因此，上肢屈伸機構(gòu)借助左右對稱布置的兩根可伸縮的立柱來實現(xiàn)這個目的。

37、可伸縮立柱由立柱座（箱體）、外套筒、內(nèi)套筒組成；而使之伸縮的機構(gòu)包括直流電機、錐齒輪副、絲杠螺母副。其中絲杠螺母副通過一對角接觸球軸承固定，軸承外圈通過擋圈與立柱座（箱體）和外套筒，借助法蘭盤，用螺栓連接；內(nèi)套筒插裝在外套筒內(nèi)，通過螺母與絲杠連接在一起，組成絲杠螺母副。在絲杠的帶動下，在立柱套筒內(nèi)沿軸向滑動。穿過側(cè)壁的傳動軸帶動左右的齒輪副，帶動絲杠同步的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)內(nèi)套筒在立柱內(nèi)同步的向上下滑動，實現(xiàn)上肢的屈伸屈伸康復(fù)運動。同時，為了使立柱內(nèi)套筒能夠安全的停止在任何一位置，設(shè)計絲杠時需讓絲杠具有自鎖的功能，讓患者可以在任何一位置進行其他的康復(fù)訓(xùn)練。在前后擺的機構(gòu)中，主要有兩個零部件，一個是

38、與立柱連接的立柱座，另一個就是康復(fù)機器人的機座。立柱座是將前后擺機構(gòu)和升降機構(gòu)連接在一起的關(guān)鍵部件，在里面安裝有錐齒輪運動副，其目的是改變傳動鏈的傳動方向，使立柱實現(xiàn)上升下降，實現(xiàn)患者的上肢屈伸康復(fù)訓(xùn)練。與此同時， 箱體的下端，通過鍵將其與一根傳動軸相連，在前后擺減速電機的帶動下，通過能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖的蝸桿減速器，使整個結(jié)構(gòu)能夠發(fā)生前后擺運動，用以實現(xiàn)患者上肢的前后擺康復(fù)訓(xùn)練。 3、分合機構(gòu)設(shè)計 圖2.3　分合機構(gòu)運動簡圖 分合機構(gòu)是用來對患者進行上肢分合康復(fù)訓(xùn)練而設(shè)計的。在設(shè)計的過程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)注意減噪的設(shè)計，并且要留有足夠大的空對患者的上肢進

39、行分合康復(fù)訓(xùn)練。由于整個康復(fù)機器人的結(jié)構(gòu)尺寸比較大，所以分合機構(gòu)衡梁也需要注意盡量減小重量，所以，衡梁的材料采用硬質(zhì)鋁合金。 經(jīng)過充分的考慮，上肢分合運動的機構(gòu)借助安裝在橫梁上帶傳感器的直流減速電機、同步齒形帶傳動副、光感滑軌和把手來實現(xiàn)。其中橫梁分別與立柱內(nèi)套筒上端通過螺栓連接在一起，直流減速電機借助法蘭盤分別固定在橫梁的左右兩端。通過擋板和螺釘，將同步齒形帶帶輪固定在電機軸上，另一端通過軸和軸承將帶輪固定在橫梁的中部。這樣就將左右?guī)鲃痈惫潭ㄔ诹藱M梁上。同時，一根光桿滑軌固定于橫梁的左右段機構(gòu)中。把手貫穿于光桿滑軌，并與同步帶連接在一起，啟動電機，就能夠?qū)崿F(xiàn)上肢的分合康復(fù)訓(xùn)練。

40、 在康復(fù)訓(xùn)練中，兩根立柱在升降的過程中，難免會出現(xiàn)細微的傳動誤差，致使左右兩根立柱的升降不同步，從而對整個機構(gòu)造成破壞，因此，在橫梁的一端，通過圓柱銷的鉸連接，用以消除這種危害。在分合機構(gòu)的設(shè)計中，最主要的就是橫梁的設(shè)計以及橫梁支承座的設(shè)計，橫梁支承座有兩個作用，一個是支撐橫梁，另一個是固定電機。同時考慮到消除因絲杠傳動不精確帶來的誤差，兩端支承座的設(shè)計稍有不同，其中一端采用了鉸接連接。另外，由于分合機構(gòu)采用的是同步齒形帶傳動，因此需要考慮相應(yīng)的帶的張緊措施。于是在橫梁的中部開槽，用螺釘對中部軸承套的定位來實現(xiàn)帶的張緊。 其中，橫梁支承座由兩部分焊接而成，上部分是一個C型槽，下部分是一個圓形

41、的開孔法蘭盤，用螺栓將其與立柱內(nèi)套筒連接在一起，這樣，整個橫梁就與立柱連為一體了。 4、手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)設(shè)計 圖2.4　手腕康復(fù)結(jié)構(gòu)運動簡圖 手腕康復(fù)機構(gòu)中，主要應(yīng)當(dāng)考慮對患者上肢的固定，重點在把手的設(shè)計。經(jīng)過查閱文獻充分思考之后，決定把手由手柄、把手支架、小臂護套組成，最后在把手上裝上直流減速電機，組成手腕的康復(fù)訓(xùn)練機構(gòu)。直流減速電機通過螺釘將其固定于把手支架法蘭盤面上。小臂護套，通過吊環(huán)將其固定在把手支架上面。工作時，啟動電機，在單片機的控制下，帶動手柄繞電機軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動手腕的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)手腕的康復(fù)訓(xùn)練[16]。 2.2　康復(fù)機器人框架造型的設(shè)計 本次設(shè)計的坐式上肢康復(fù)機器人，主體

42、結(jié)構(gòu)采用金屬材料，其承受外在的力量主要是患者的上肢，受力相對較小，所以，其各個零部件的大小尺寸應(yīng)相對較小，用以減輕整體的重量。在綜合考慮了康復(fù)機器人運動空間受力之后，立柱套筒的壁厚設(shè)計為5mm。 表2.1是《人體主要尺寸表》[17]，根據(jù)其對人群中18~60歲成年男子和18~55歲成年女子各個主要不為尺寸的統(tǒng)計，本次設(shè)計康復(fù)機器人的寬度大約1.5m，整體高度1.4m~1.7m 表2.1 人體主要尺寸表 男 （18-60歲） 女 （18-55歲） 身高（mm） 1583 1604 1678 1754 1775 1814 1449 1484 1503 1570 1640 16

43、59 體重（kg） 44 48 50 59 70 75 39 42 44 52 63 66 上臂長（mm） 279 289 294 313 333 338 252 262 267 284 303 302 前臂長（mm） 206 216 220 237 253 258 185 193 198 213 229 234 百分位數(shù) 1 5 10 50 90 95 1 5 10 50 90 95 2.3　本章小結(jié) 本章針對康復(fù)機器人的設(shè)計要求，對其總體結(jié)構(gòu)進行了分析，構(gòu)建了機器

44、人的運動形式及外形框架。包括驅(qū)動方式的選取、驅(qū)動系和傳動系的設(shè)計，康復(fù)機器人整體尺寸及外形的設(shè)計。本章基本確定了康復(fù)機器人的運動方案，在接下來的章節(jié)中，將對所需的電機、聯(lián)軸器以及蝸桿的選擇。 第3章 伺服元件選擇 本章的主要內(nèi)容是通過估算康復(fù)機器人的各個運動參數(shù)，計算出所需直流電機的功率和轉(zhuǎn)矩大小，并對其進行產(chǎn)品選擇，接著對聯(lián)軸器以及蝸輪蝸桿的選擇。 3.1　電機選擇 3.1.1　升降機構(gòu)電機選擇 在立柱升降對患者進行上肢屈伸康復(fù)訓(xùn)練的過程中，考慮到患者的承受能力，設(shè)定其移動速度為m/s

45、，立柱以上整體的質(zhì)量m=50kg，因此，得到功率 （3.1） 代入數(shù)據(jù)，得=50W 在立柱的傳動鏈中，選擇絲杠的效率=0.375，滾動軸承的效率=0.99，齒輪的傳動效率為=0.95，因此估算得到電機的功率 （3.2） 代入數(shù)據(jù)得到P=150W 當(dāng)立柱升降時，所受到的垂直方向的阻力。折算到電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足折算前后前后的功率不變原則，考慮傳動機構(gòu)的傳動損耗，則有

46、 （3.3） 式中 ——折算到電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩，N m F——工作機構(gòu)直線運動時運動所受到的阻力，N v——工作機構(gòu)的線速度，m/s ——電動機的轉(zhuǎn)速，r/min ——總的傳動效率 代入數(shù)據(jù)得 N. m 綜合考慮之后，選擇的是淄博床架電機有限公司的產(chǎn)品，其各參數(shù)見表3.1。 表3.1 電機參數(shù) 型號 輸出轉(zhuǎn)矩 （N mm） 輸出轉(zhuǎn)速（r/min） 功率 （W） 電壓 （V） 110SZ61 1043 1500 150 12

47、圖3.1　110SZ61電機 3.1.2 前后擺機構(gòu)電機選擇 本設(shè)計中，康復(fù)機器人的總體高度大約為m，質(zhì)量kg，轉(zhuǎn)動角速度=0.05rad/s，轉(zhuǎn)動角度=30。 對于旋轉(zhuǎn)運動，當(dāng)系統(tǒng)勻速轉(zhuǎn)動時，機械的負載功率為 / (3.4) 式中 ——負載轉(zhuǎn)矩，N. m ——旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s —— 系統(tǒng)的傳動效率 當(dāng)=30時，最大，且=250Nm，折算到電機上的轉(zhuǎn)矩 =/（） 得到電機的輸出轉(zhuǎn)矩=75Nm，功率P=40w，轉(zhuǎn)速n=30rpm； 綜合考慮之后，選擇的是淄博床架電機有限公司的產(chǎn)品，其

48、各參數(shù)見表3.2。 表3.2 電機參數(shù) 型號 輸出轉(zhuǎn)矩 （N. mm） 輸出轉(zhuǎn)速（r/min） 功率 （W） 電壓 （V） 110SZ55 83590 40 100 24 圖3.2　110SZ55減速電機 3.1.3 分合機構(gòu)電機選擇 在分合運動的過程中，設(shè)計速度v=0.10m/s,單只手臂的質(zhì)量kg，把手與光桿滑軌的動摩擦因素，得到運動所受到的阻力 （3.5） 式中 ——摩擦系數(shù) ——正壓力，N 代入數(shù)據(jù)得F=15N 因此，分和運動過程當(dāng)中，所需要的功率

49、 （3.6） 代入數(shù)據(jù)得到P=1.5W 綜合各方面的因素，所選擇的電機的功率為P=5W 根據(jù)公式（3.3），可得到轉(zhuǎn)換在電機軸上的轉(zhuǎn)矩=0.6Nm 根據(jù)以上所算出的數(shù)據(jù)，選擇的是寧波儀表電機廠的直流減速伺服電機電機，具體各參數(shù)見表3.3。 表3.3 電機參數(shù) 型號 輸出轉(zhuǎn)矩 （N. m） 輸出轉(zhuǎn)速（r/min） 功率 （W） 電壓 （V） ZYT20-JB60 2.3 250 5 12 圖3.3　ZYT20-JB60減速電機 3.1.4　手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)電機的選擇 估算手掌的重量m=1kg，轉(zhuǎn)動的角度，角速

50、度=0.5rad/s,回轉(zhuǎn)半徑r=0.1m,因此最大功率出即為處，故所需電機的最大功率1W[18] 綜合各方面因素考慮，選擇功率為2w的直流伺服減速電機，其廠家為寧波市鄞州易順減速器廠，具體個參數(shù)見表3.4。 表3.4 電機參數(shù) 減速比 輸出轉(zhuǎn)矩 （Kg. cm） 輸出轉(zhuǎn)速（r/min） 功率 （W） 電壓 （V） 1:37~1:388 5 5~500 2 6 圖3.4　手柄處電機 3.2　聯(lián)軸器選擇 在升降與前后擺機構(gòu)的聯(lián)軸器選擇中，選擇的是十字滑塊性頂絲式彈性聯(lián)軸器。這種聯(lián)軸器有著許多的優(yōu)點①結(jié)構(gòu)簡單，容易安裝②電器絕緣性能好③高扭矩、偏心反作用力小、震

51、動吸收性優(yōu)④軸套與滑塊的移動作用、可容許大的偏心與偏角⑤順時針與逆時針回轉(zhuǎn)特性完全相同。 升降機構(gòu)中，聯(lián)軸器為G4-25T；前后擺動機構(gòu)總電機與渦輪蝸桿連接的減速器是G4-63T，都是廣州鉅人自動化設(shè)備有限公司的產(chǎn)品，具體各參數(shù)見表3.5。 在蝸輪蝸桿與前后擺傳動的聯(lián)軸器選擇中，由于其傳動的轉(zhuǎn)矩非常大，故選擇的是HL型柱銷彈性聯(lián)軸器，型號是HL1，其廠家是上海聯(lián)軸器車墩業(yè)務(wù)部。 表3.5 聯(lián)軸器規(guī)格 型號 最大孔徑mm 容許扭矩 N m 容許偏角（） 容許偏心mm 慣性力矩 質(zhì)量g 經(jīng)彈性系數(shù)Nm/rad 最高回轉(zhuǎn)系數(shù)rpm G4-25T 10 3 3 1.

52、9 24 125 6000 G4-63T 25 33 3 3.8 318 1200 2500 3.3　蝸輪蝸桿減速器的選擇 在實現(xiàn)康復(fù)機器人前后擺運動的過程當(dāng)中，為了使患者上肢停在任一位置，本次設(shè)計選擇了用蝸輪蝸桿減速器實現(xiàn)機械自鎖。蝸輪蝸桿具有良好的特性： ①零件數(shù)目少，結(jié)構(gòu)緊湊； ②在蝸桿傳動中，由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，它和蝸輪齒是逐漸進入及逐漸推出嚙合的，同時嚙合的齒對又比較多，故沖擊載荷小，傳動平穩(wěn)，噪聲小； ③當(dāng)蝸桿的螺旋線升角小于嚙合面的當(dāng)量摩擦角時，蝸桿傳動變具有自鎖性。 在本次設(shè)計中選擇的蝸桿減速器型號是WD60，廠家是河北橋

53、興減速機制造有限公司。 3.4　本章小結(jié) 本章的主要內(nèi)容是對伺服元件進行選擇。在選擇之前，對所需電機的功率、輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)進行了計算，并根據(jù)其結(jié)果進行了相應(yīng)的產(chǎn)品選擇，為下一步的零件設(shè)計奠定了堅實的基礎(chǔ)。 第4章 　機械機構(gòu)設(shè)計與計算 本章對康復(fù)機器人屈伸機構(gòu)中絲杠螺母副、錐齒輪副以及分合運動中同步齒形帶進行了設(shè)計計，并對關(guān)鍵的、受力受扭矩較大的結(jié)構(gòu)進行了相應(yīng)的校核計算。 4.1　絲杠設(shè)計 （1）耐磨性計算 假定作用于螺桿的軸向力=250N,螺紋的程艷面積為A（單位），螺紋中徑（單位為mm），螺紋工作高度h（單位mm），螺母高度H（單位mm），螺紋工作圈數(shù)，

54、則螺紋工作表面上的耐磨性條件為 （4.1） 令則，對于梯形螺紋h=0.5P，帶入得 （4.2） 則，取=25kg10N/kg=250N, 經(jīng)查表取=2，材料為鋼-鑄鐵，速度=6~12m/s,=4~7MPa，取=6MPa mm 根據(jù)實際情況，查表選取絲杠公稱直徑=16mm,=14mm，P=4mm 螺紋升角 ==5.2 取摩察系數(shù) =0.14 當(dāng)量摩擦角 = <絲杠能實現(xiàn)自鎖性能。 （2）螺桿強度計算 由于螺桿所受到的軸向力不

55、是很大，故略 （3）螺母螺紋牙強度計算 剪切強度條件 MPa<[]= 40MPa 螺紋高度，工作圈數(shù) 彎曲強度 MPa<［］=45~55MPa （4）螺母外徑凸緣強度計算 由于螺母所受到的軸向力不是很大，故略 （5）螺桿穩(wěn)定性計算 臨界載荷 ， 滿足要求[21] （6）絲杠效率 4.2　錐齒輪設(shè)計 1、選擇材料、熱處理方式，精度等級及齒數(shù) 根據(jù)常用的齒輪材料及力學(xué)性能表，選取兩齒輪的材料為，調(diào)質(zhì)處理，硬度190~240HBS，精度8級，取兩齒輪

56、的齒數(shù)相同，==31。 2、按齒面接觸疲勞強度設(shè)計 （1）確定參數(shù)數(shù)值 根據(jù)所選電機的參數(shù)，其輸出轉(zhuǎn)矩T=843mN/m，P=150w，查表，選取載荷系數(shù)，彈性系數(shù)MPa，齒寬系數(shù)=1，節(jié)點區(qū)域系數(shù)，接觸疲勞極限=560MPa，安全系數(shù)=1，接觸疲勞壽命系數(shù)=1.13，得需用接觸應(yīng)力 MPa （2）確定傳動尺寸 取動載荷系數(shù)=1.1，是用系數(shù)=1.25，假設(shè)<100N/mm,齒間分配系數(shù)=1.2，齒向載荷分配系數(shù)=1.07，則 =13.8 對進行修正 確定模數(shù)mm，查表，取=1mm，則mm，取齒寬系數(shù)=0.3，則，R=22mm，5.5mm 3、校核

57、齒根彎曲疲勞強度 （1）確定參數(shù)數(shù)值 查機《械設(shè)計手冊》，取齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù) =2.72 =1.57 =2.22 =1.77 查得彎曲疲勞極限 =480MPa 取=1.25，得許用彎曲應(yīng)力 =345.6MPa =353.28MPa （2）驗算齒根彎曲疲勞強度 =78.7MPa< =31.5MPa< 滿足要求。 4.3　同步齒形帶設(shè)計 (1)模數(shù)m的選擇 根據(jù)所傳遞的功率，查表，確定模數(shù)mm (2)確定帶輪齒數(shù) z 根據(jù)實際情況，經(jīng)查表，確定帶輪的齒數(shù)z=16 (3)帶輪節(jié)圓直徑D

58、 mm (4)驗算線速度 m/s (5)中心距 根據(jù)實際設(shè)計情況，設(shè)定帶輪的中心距=600mm (6)齒形帶的計算長度和齒數(shù)z 1350.72mm 通過查表《同步齒形帶接線長度》后，取=1319.5，同時得到同步帶的齒數(shù)z=140 (7)確定中心距A , （4.3） 式中 , 帶入數(shù)據(jù)，計算得 mm (8)驗算嚙合齒數(shù)

59、 （4.4） 當(dāng)mm時，4；當(dāng)>2mm時，6 此時，=4，滿足要求 （9）圓周力P （，千瓦） （4.5） （4.6） 式中 ——張緊輪影響系數(shù)，查表，取=1 ——工作情況系數(shù)，查表，取=1 ——增速傳動系數(shù)，經(jīng)查表，取=1 代入數(shù)據(jù)得 （10）確定齒帶寬b 式中 T為齒形帶單位寬度離心力 ==kg （11）齒形帶前切應(yīng)力 ==0.008 Kg /<=0.05~0.08 Kg/ ,其中

60、小輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，取=1 （12）齒壓比P =0.0186<0.12 4.4　軸設(shè)計與校核 在整個結(jié)構(gòu)當(dāng)中，受力最大的是前后擺運動機構(gòu)當(dāng)中的傳動軸，因此，對此軸進行相應(yīng)的校核計算 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 圖4.1　前后擺傳動軸 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 Ⅰ段與軸承相連接 ，直徑為18mm，長度為22mm Ⅱ段與立柱下端連接，直徑為20mm，長度為58mm Ⅲ段直徑為18mm，長度為550mm Ⅳ段通過聯(lián)軸器與渦輪蝸桿連接，其直徑為17mm，長度為30mm

61、 （1）判斷危險截面 由于只有Ⅱ截面處受的載荷，且受扭矩，所以對此進行校核。 截面的應(yīng)力 （4.7） 式中 Mm——彎矩，Nm W——抗彎截面模量 代入數(shù)據(jù)計算得到=3.125Mpa。 截面上的轉(zhuǎn)切應(yīng)力為 （4.8） 式中 T2——轉(zhuǎn)矩，Nm WT——抗扭截面模量 代入數(shù)據(jù)計算的截面上的轉(zhuǎn)切應(yīng)力為156.25MPa。 MPa 由于軸選用40cr，調(diào)質(zhì)處理，所以 MPa，MPa，MPa 受力如圖4.2

62、所示。 軸徑 （2）綜合系數(shù)的計算 由經(jīng)直線插入，知道因軸肩而形成的理論應(yīng)力集中為，， 軸的材料敏感系數(shù)為，， 故有效應(yīng)力集中系數(shù)為： 查得尺寸系數(shù)為，扭轉(zhuǎn)尺寸系數(shù)為，軸采用磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)為，軸表面未經(jīng)強化處理，即，則綜合系數(shù)值為 圖4.2 前后擺傳動軸受力示意圖 （3）碳鋼系數(shù)的確定 碳鋼的特性系數(shù)取為，。 安全系數(shù)的計算： 軸的疲勞安全系數(shù)為 （4.9） （4.10）

63、 （4.11） 式中 ——只考慮彎矩時的安全系數(shù) ——只考慮轉(zhuǎn)矩時的安全系數(shù) ——材料對稱循環(huán)的彎曲疲勞極限 ——材料對稱循環(huán)的扭轉(zhuǎn)疲勞極限 ——彎曲時軸的有效應(yīng)力集中系數(shù) ——扭轉(zhuǎn)時軸的有效應(yīng)力集中系數(shù) ——扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的應(yīng)力幅，MPa ——扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的平均應(yīng)力，MPa ——彎曲應(yīng)力的應(yīng)力幅，MPa ——彎曲應(yīng)力的平均應(yīng)力，MPa ——計算疲勞強度的安全系數(shù) ——疲勞強度的安全系數(shù) 代入數(shù)據(jù)計算得=5，=10，=41.5=S，所以該軸的選用安全[20]。 4.5　軸承校核 固定絲杠軸軸承7202

64、AC的校核。其所受徑向力=65N,軸向力=250N （1）計算內(nèi)部軸向力 查表得知：7202AC型軸承（） （4.12） 代入數(shù)據(jù)得 ==44N （2）計算單個軸承軸向載荷 因此軸承1放松，軸承2壓緊 = =44 =+=44+250=294N （3）當(dāng)量載荷 由于，， 所以，，，。 因此 （4）軸承壽命的校核 基本額定壽命為： 　 　 （4.13） 式中 ——基本額定動載荷 ——軸

65、承轉(zhuǎn)速，r/min ——壽命指數(shù)，對于球軸承 代入數(shù)據(jù)計算得到軸承壽命為=h，因此軸承壽命足夠大，滿足要求[20]。 4.6　鍵選擇及校核計算 康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)中立柱座與軸兩部分連接用到鍵連接，并且所受到的扭矩非常大。在本設(shè)計中鍵起到了傳遞力和運動的作用，因此鍵的選擇要達到一定的強度，防止因鍵連接的強度不夠?qū)е碌逆I斷裂，影響康復(fù)機器人整個結(jié)構(gòu)的正常運行，甚至發(fā)生事故。 表4.1 鍵的規(guī)格 名稱 規(guī)格 直徑 （mm） 工作長度 （mm） 工作高度 （mm） 轉(zhuǎn)矩 （Nm） 極限應(yīng)力 （MPa） 平鍵 6650 20 44 3 125 100 平鍵強

66、度條件為 =≤[] （4.14） 式中 T——傳遞的轉(zhuǎn)矩，N.m k——鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，k=0.5h，此處h為鍵的高度，mm l——鍵的工作長度，圓頭平鍵l=L-b，平頭平鍵l=L，這里L(fēng)為鍵的公稱長度，mm b——為鍵的寬度，mm d——軸的直徑，mm []——鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力。一般45#鋼的[]為100~120MPa 所以曲軸上的鍵的校核計算為 ==95MPa≤120MPa 經(jīng)過校核，滿足條件[22]。 4.7　本章小結(jié) 本章是在前一章對結(jié)構(gòu)伺服元件的計算選擇基礎(chǔ)上，根據(jù)第2章總體結(jié)構(gòu)方案，主要設(shè)計和校核了各個部分的零件以及連接件。主要設(shè)計校核的零件有：絲杠、錐齒輪、同步齒型帶、軸、鍵、支撐連接件等。 結(jié)　　論 本論文綜合了各種上肢康復(fù)機器人的結(jié)構(gòu)特點，根據(jù)實際應(yīng)用的基礎(chǔ)上，通過對上肢的各種運動原理的分析之后，設(shè)計