截癱患者下肢仿生外骨骼機器人設(shè)計報告

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1、截癱患者下肢仿生外骨骼機器人滾珠絲杠設(shè)計報告書汽02程帥20100107531.1滾珠絲杠驅(qū)動裝置設(shè)計1.1.1驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計本設(shè)計的驅(qū)動機構(gòu)采用滾珠絲杠機構(gòu)，可將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為絲杠的直線運動，同時將電機的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為絲杠方向的力。滾珠絲杠機構(gòu)包括電動機、外殼、內(nèi)外螺母、絲杠、齒輪罩、圓柱齒輪及連接螺釘。圖3滾珠絲杠驅(qū)動裝置圖4滾珠絲杠驅(qū)動裝置裝配圖滾珠絲杠機構(gòu)的螺母設(shè)計為外螺母和內(nèi)螺母兩部分，二者之間布置滾珠，使內(nèi)螺母與外螺母實現(xiàn)軸向定位的同時可相對外螺母旋轉(zhuǎn)。內(nèi)螺母與絲杠嚙合，且在外表面安裝齒輪；外螺母通過螺釘與外殼（機架）固定。驅(qū)動裝置運動時電動機通過一級齒輪傳動帶動內(nèi)螺母相對外螺

2、母旋轉(zhuǎn)，內(nèi)螺母推動絲杠進行直線運動。絲杠一端通過圓柱銷與錢鏈零件連接，外殼尾端通過螺釘與錢鏈零件連接，整個驅(qū)動裝置通過上述兩端的錢鏈機構(gòu)分別與上下肢連接，通過絲杠的伸縮運動驅(qū)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動。由于傳動齒輪的轉(zhuǎn)速較高，為了防止高速齒輪對人體產(chǎn)生傷害，故利用非金屬齒輪罩將傳動齒輪封閉，整套驅(qū)動裝置只輸出絲杠的伸縮運動。1.1.2滾珠絲杠驅(qū)動裝置工作能力分析滾珠絲杠機構(gòu)的強度校核包括絲杠的彎曲強度校核、絲杠的屈服強度校核、螺母軸向載荷校核及壽命計算。根據(jù)設(shè)計要求，三處驅(qū)動裝置均選擇日本THK公司MDK1202-3磨制滾珠絲桿（螺母為獨立設(shè)計）。參數(shù)如下：表MDK1202-3磨制滾珠絲杠主要參數(shù)型號絲杠軸外

3、徑/mm導(dǎo)程/mm溝槽谷徑/mm基本額定負荷/kNMDK1202-3122111.7根據(jù)關(guān)節(jié)設(shè)計要求確定三處驅(qū)動機構(gòu)的最大力F及絲杠軸長度如下:絲杠方向取大載荷/kN絲杠軸最大長度/mm膝關(guān)節(jié)屈伸1.6290牌關(guān)節(jié)屈伸1.0400牌關(guān)節(jié)內(nèi)收外展1.1220依據(jù)以上數(shù)據(jù)進行滾珠絲杠機構(gòu)的強度校核:1.1.3絲杠彎曲強度校核絲杠的彎曲強度校核公式如下：c0.5PI=一12EJ2d4L2L2104其中：P1最大軸向允許載荷，N;E楊氏彈性模量（通常狀況下取L絲杠安裝間距，mm；dr絲杠溝槽最小直徑，mm；J絲杠斷面慣性矩，J64dr41、2與安裝方式有關(guān)的系數(shù),E=2.06X05N/mm2)見表絲杠

4、安裝方式12絲杠安裝方式12固定一固定420.0支撐一支撐15.0固定一支撐210.0固定一自由0.251.2表與安裝方式有關(guān)的系數(shù)1、2本方案中絲杠的支撐方式屬于固定一支撐，帶入數(shù)據(jù)計算，有:可以看出驅(qū)動裝置的絲杠軸軸向最大許用載荷均大于實際載荷，彎曲強度符合要求。1.1.4絲杠屈服強度校核絲杠在不發(fā)生屈服的前提下所允許的最大軸向載荷按下式計算:P2-dr2116d：24rr膝關(guān)節(jié)屈伸方向：P牌關(guān)節(jié)屈伸方向：P2d；2d；1041045114290251141048704.5N牌關(guān)節(jié)內(nèi)收外展方向:4002451041044575.3N114218210415403.8N其中：P2dr-最大軸

5、向允許載荷,絲杠溝槽最小直徑，N；mm；一一絲杠材料的允許拉伸壓縮應(yīng)力(通常情況下(r=147N/mm2)。帶入數(shù)據(jù)計算，巳-d116d；116II4可以看出最大軸向許用載荷均大于各處實際載荷,求。11214036N拉伸/屈服強度符合要1.1.5螺母軸向載荷校核螺母實際允許的最大軸向載荷為FamaxC0afs其中,FamaxC0a一fs-滾珠螺母實際允許的最大軸向載荷,額定靜載荷，N靜安全系數(shù)，根據(jù)負載條件確定。本設(shè)計屬普通機械，無沖擊振動，故fs取1.3根據(jù)MDK1202-3的額定靜載荷數(shù)據(jù)，計算如下:FamaxG9000*6923.1Nfs1.3可以看出螺母所允許的最大軸向載荷均大于各處實

6、際最大載荷，強度符合要求。1.1.6滾珠絲杠機構(gòu)壽命校核滾珠絲杠的疲勞壽命可以分別由總轉(zhuǎn)速、實際運行時間表示，計算公式如下:)3106直線運動速度為0.2m/s,沖擊為微小，故fw取1.0。根據(jù)各處螺母轉(zhuǎn)速的不同，分別計算三個驅(qū)動機構(gòu)滾珠絲杠的壽命如下:膝關(guān)節(jié)：牌關(guān)節(jié)內(nèi)收外展:由于膝關(guān)節(jié)的軸向載荷僅在起立時的一瞬間出現(xiàn)，故行走時的滾珠絲杠壽命按牌關(guān)節(jié)屈伸方向的滾珠絲杠壽命計算。如果按每天利用外骨骼裝置作行走訓(xùn)練3小時，滾珠絲杠運動時間占步態(tài)周期的1/3,則整套驅(qū)動裝置的壽命約為2025天，即5年半，符合設(shè)計要求。1.8關(guān)節(jié)連接機構(gòu)設(shè)計外骨骼機械腿的關(guān)節(jié)應(yīng)事先低阻力相對轉(zhuǎn)動，同時希望上、下肢中心

7、軸線共棉以防止出現(xiàn)大、小腿錯位情況。為此做出如下設(shè)計：Lh-L-(豆)310660NfwFa，160N其中，LrLhFa-由總轉(zhuǎn)數(shù)表示的額定疲勞壽命，r；-由運行時間表示的疲勞壽命，h；T 由向載荷，N;螺母轉(zhuǎn)速，r/min;負荷系數(shù)，與運動速度及振動沖擊情況有關(guān)。本設(shè)計中絲杠最高L60N牌關(guān)節(jié)屈伸:33fwFa)106160N90003(11600)1061603000988.77h冬)3fwFa106160N(9000)31100010616060002025h魯)3106160N(9000)31110010616015006085.6h圖1-機械腿關(guān)節(jié)機構(gòu)為了降低轉(zhuǎn)動阻力，在關(guān)節(jié)機構(gòu)中加

8、入深溝球軸承一對。軸承內(nèi)圈與關(guān)節(jié)軸配合，外圈與關(guān)節(jié)壓板配合，兩塊關(guān)節(jié)壓板與上肢通過螺栓連接，關(guān)節(jié)軸通過鍵、彈性擋圈與下肢的軸孔配合，軸承外側(cè)通過端蓋定位。整套機構(gòu)可實現(xiàn)上下肢的低阻力轉(zhuǎn)動。圖1-關(guān)節(jié)機構(gòu)裝配圖1.9滾珠絲杠一一外骨骼較鏈連接強度校核滾珠絲杠機構(gòu)驅(qū)動外骨骼運動時，兩者之間存在相對轉(zhuǎn)動，故在連接處設(shè)置錢鏈機構(gòu)。較鏈機構(gòu)的強度校核包括銷軸孔的拉伸/擠壓強度校核及銷軸的剪切強度校核。圖1校鏈連接機構(gòu)1.9.1銷軸孔擠壓/拉伸強度校核根據(jù)錢鏈機構(gòu)尺寸設(shè)計，拉伸工作面最小面積：S1min(25-16)5=45mfri,擠壓工作面最小工作面面積：S2min165=80mrri三個驅(qū)動裝置軸向

9、載荷最大值為F=1600N(膝關(guān)節(jié)處)。依據(jù)以上數(shù)據(jù)計算拉伸應(yīng)力及擠壓應(yīng)力如下：1.4.1銷軸孔擠壓/拉伸強度校核最大拉伸應(yīng)力：1最大擠壓應(yīng)力：2FS1minFS2min35.56MPq20.00MPa銀鏈材料為低碳鋼，擠壓強度D150MPa,拉伸強度100MPa,可p以看出，拉伸強度及擠壓強度均符合要求。1.3.2圓柱銷剪切強度校核絲杠固定端較鏈處圓柱銷主要受切應(yīng)力，易發(fā)生剪切失效，故應(yīng)校核剪切強度。圓柱銷直徑8mm,工作面m=2,剪切應(yīng)力二處驅(qū)動裝置最大拉/壓力Fmax=1600N,1600mid02帶入上式計算:15.9MPa2-824圓柱銷材料選用低碳鋼，許用應(yīng)力p要求。120MPa,

10、故剪切強度滿足1.4絲杠錢鏈連接強度校核|由于絲杠與錢鏈機構(gòu)無法一體加工成型，因此絲杠與錢鏈機構(gòu)間需要利用圓柱銷實現(xiàn)軸向定位。此銷軸連接的強度校核同樣包括銷軸孔的拉伸/擠壓強度校核及銷軸的剪切強度校核。根據(jù)尺寸設(shè)計，拉伸工作面最小面積：81min(12-5)12=84mi2n(絲杠處)，擠壓工作面最小工作面面積：S2min(1812)4=24mm三個驅(qū)動裝置軸向載荷最大值為F=1600N（膝關(guān)節(jié)處）。依據(jù)以上數(shù)據(jù)計算拉伸應(yīng)力及擠壓應(yīng)力如下:圖1-踝關(guān)節(jié)圓柱銷連接最大拉伸應(yīng)力：1最大擠壓應(yīng)力：2FS1minFS2min19.05MPa66,67MPa銀鏈材料為低碳鋼，擠壓強度p150MPq絲杠的

11、許用拉伸強度為147MPa,可以看出，拉伸強度及擠壓強度均符合要求。1.4.2圓柱銷剪切強度校核圓柱銷主要受切應(yīng)力，易發(fā)生剪切失效，故應(yīng)校核剪切強度。圓柱銷直徑4mm,工作面m=2,剪切應(yīng)力二處驅(qū)動裝置最大拉/壓力Fmax=1600N,16002m4d0帶入上式計算:63.6MPa2424圓柱銷材料選用低碳鋼，許用應(yīng)力pp要求。120MPa,故剪切強度滿足1.5踝關(guān)節(jié)圓柱銷強度校核踝關(guān)節(jié)內(nèi)收外展自由度通過圓柱銷連接實現(xiàn)腳部零件與小腿的連接接主要承受壓應(yīng)力，在單腿支撐時達到最大工作載荷（按人體重量機構(gòu)40kg計算）。錢鏈連60kg+外骨骼1.5.1圓柱銷剪切強度校核圓柱銷直徑d=16mm,工作面

12、m=2。工作時主要受切應(yīng)力，應(yīng)校核剪切強度。最大工作載荷F(6040)9.8980N最大切應(yīng)力一9802.44MPa21624圓柱銷材料選用低碳鋼，許用應(yīng)力p120MPa,故剪切強度滿足要求。1.5.2銷軸孔擠壓強度校核此處銷軸連接主要受擠壓應(yīng)力，應(yīng)校核擠壓強度。由設(shè)計尺寸，工作面最小面積S|min1016=160mirio最大擠壓應(yīng)力：6.125MPaS1min銀鏈材料為低碳鋼，擠壓強度p150MP絲杠的許用拉伸強度為p147MPa可以看出，擠壓強度均符合要求。方頭平鍵設(shè)計根據(jù)設(shè)計需求，三個關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置的內(nèi)螺母外徑為24mm,通過方頭平鍵與齒輪實現(xiàn)周向定位。驅(qū)動裝置運動時，齒輪通過方頭平鍵驅(qū)

13、動內(nèi)螺母旋轉(zhuǎn)，內(nèi)螺母推動滾珠絲杠作伸縮運動。根據(jù)內(nèi)螺母齒輪安裝處外徑及齒輪輪轂寬度及普通平鍵的長度系列，確定三處平鍵參數(shù)如下：表3-1三個驅(qū)動裝置的運動參數(shù)內(nèi)螺母外徑/mm傳遞轉(zhuǎn)矩T/Nmb/mmh/mmL/mm膝關(guān)節(jié)屈伸240.5668712牌關(guān)節(jié)屈伸240.3858714牌關(guān)節(jié)內(nèi)收外展240.424878根據(jù)方頭平鍵強度計算公式:2Tpdlk其中，k為平鍵工作高度，對于平鍵k0.5h；l為平鍵的工作長度，對方頭平鍵lL。根據(jù)平鍵工作條件，確定許用擠壓應(yīng)力p100MPa。按照上式計算結(jié)果如下：/MPapp/MPa膝關(guān)節(jié)屈伸1.123100牌關(guān)節(jié)屈伸0.655100牌關(guān)節(jié)內(nèi)收外展1.26210

14、0可以看出三處方頭平鍵的強度均符合要求。關(guān)鍵部位螺栓連接強度校核在滾珠絲杠驅(qū)動裝置中以及驅(qū)動裝置一一機械腿連接零件中， 一些螺栓/螺釘工作載荷較大，需要進行強度校核。驅(qū)動裝置外殼螺釘連接件強度校核滾珠絲杠驅(qū)動裝置的外殼（機架）由三部分裝配組成，如圖1-兩個外殼零件由6個十字槽盤頭螺釘連接（規(guī)格：M2.5X12）;如圖1-外殼零件與尾部較鏈三套驅(qū)動裝置中，膝關(guān)節(jié)處外殼承受的軸向載荷最大，F(xiàn)max=1600N，依據(jù)此數(shù)據(jù)進行校核。對于兩外殼連接，工作螺釘數(shù)m6,d12.01mm根據(jù)螺栓所受拉伸應(yīng)力公式計算如下：160084.04Mpa零件通過3個開槽沉頭螺釘連接（規(guī)格:M3X8）。圖1-外殼零件連

15、接方式圖1-外殼零件與錢鏈零件連接方式2.012*4螺釘性能等級6.8。按照使用條件以及螺釘材料，確定許用拉伸應(yīng)力為p160MPa,p，螺釘抗拉強度滿足設(shè)計要求。滾珠絲杠外螺母外殼連接螺釘?shù)囊?guī)格與數(shù)目與外殼外殼連接處一致，故不再進行校核。1.7.2驅(qū)動裝置擺臂一一機械腿螺栓連接螺栓強度校核牌關(guān)節(jié)動力裝置的擺臂通過一組按如下排列的四組螺栓（規(guī)格：M10X55）力的作用點距四組螺栓組中心距離l=113mm,F0=1000NO當絲杠與擺臂垂直時螺栓組受力最大。按圖1-中模型計算。螺釘性能等級5.8。按照使用條件以及螺釘材料，確定許用拉伸應(yīng)力為p100MPa,p，螺釘抗拉強度滿足設(shè)計要求。對于外殼一一

16、錢接零件連接處螺釘， 工作螺釘數(shù)m3,儲2.5mm計算所受最大拉伸應(yīng)力如下：F2md1411600108.65Mpa2.52與機械腿實現(xiàn)連接圖1-擺臂一一機械腿螺栓連接圖1-螺栓組強度計算模型螺栓中心距a=15mm,由F0產(chǎn)生的力矩TFl10000.113113Nm=由F及T產(chǎn)生的分力FI、F2分別如下：F1-250N14F2-Th1331N4.2aF1、F2夾角45。根據(jù)三角形余弦定理，工作載荷由此計算螺栓收到的最大拉應(yīng)力如下:48521.7.3關(guān)節(jié)部件螺栓連接強度校核關(guān)節(jié)部件采用3個并排螺栓組實現(xiàn)與下肢的連接。螺栓組主要承受人體的重60kg+外骨骼機器人重量40kg進行FF0326.67N

17、。3所需預(yù)緊力為FpKFU_32667598.9N。pCm0.32F/F：由此計算所需預(yù)緊力如下：Fp空pCmC：2F1F2cos45o=1518.8N1.11518.80.3r5568.9N1.3F1.35568.9127.58MPa螺栓性能等級6.8。按照使用條件以及螺栓材料,確定許用拉伸應(yīng)力為p160MPa,p,螺釘抗拉強度滿足設(shè)計要求。量，在單腿支撐時達到最大。按照人體體重圖1-關(guān)節(jié)部件螺栓布置最大載荷F。(6040)9.8980N,每個螺栓所需的最大工作載荷為CM8螺栓小徑d1=6.647mm。由此計算螺栓收到的最大拉應(yīng)力如下：_d；6.6472414按照使用條件以及螺栓材料，確定許

18、用拉伸應(yīng)力為p,螺釘抗拉強度滿足設(shè)計要求。齒輪傳動設(shè)計由于電動機輸出轉(zhuǎn)速與螺母所需轉(zhuǎn)速并不相等，因此在二者之間需要增加一級齒輪傳動實現(xiàn)變速。電機輸入軸的齒輪軸向通過套筒與軸端擋板s實現(xiàn)定位，周向通過鍵連接定位（由于牌關(guān)節(jié)內(nèi)收外展方向電機輸出軸過膝，因此采用過盈連接）；輸出端齒輪與內(nèi)螺母間通過臺肩與鎖緊擋圈實現(xiàn)軸向定位，周向定位則通過鍵連接實現(xiàn)。根據(jù)電動機輸出轉(zhuǎn)速與螺母所需轉(zhuǎn)速的關(guān)系，確定三組齒輪傳動的傳動比如下：表1-三組齒輪傳動傳動比傳動比膝關(guān)節(jié)屈伸1.89牌關(guān)節(jié)屈伸0.557牌關(guān)節(jié)內(nèi)收外展5.4下面借助機械設(shè)計輔助軟件進行圓柱齒輪的設(shè)計。牌關(guān)節(jié)屈伸齒輪傳動設(shè)計牌關(guān)節(jié)齒輪傳動的名義傳動比為0

19、.557,傳遞極限功率為250W,根據(jù)外殼設(shè)計尺寸確定的輸入、 輸出軸軸距為58.5mm。 借助機械設(shè)計輔助軟件進行設(shè)計， 得到的符合要求的齒輪組如下：大四中匕小齒輪齒數(shù)5028模數(shù)1.51.5齒范（mm）1616材料及熱處理結(jié)構(gòu)鋼正火結(jié)構(gòu)鋼正火計算接觸應(yīng)力（MPa）123.08123.08接觸疲勞詐用應(yīng)力（MPa）445.16429.71計算彎曲應(yīng)力（MPa）4.424.5彎曲疲勞許用應(yīng)力（MPa）284.94281.051.3F1.3598.922.44MPa螺栓性能等級4.8p41.3MPa,實際傳動比0.560.56可以看出齒輪傳動的強度符合要求，且傳動比在允許誤差范圍內(nèi)牌關(guān)節(jié)內(nèi)收外展

20、齒輪傳動設(shè)計牌關(guān)節(jié)齒輪傳動的名義傳動比為5.4,傳遞極限功率為60W,根據(jù)外殼設(shè)計尺寸確定的輸入、輸出軸軸距為43.6mm。借助機械設(shè)計輔助軟件進行設(shè)計，得到的符合要求的齒輪組如下：大四中匕小齒輪齒數(shù)9217模數(shù)0.80.8齒范（mm）1010材料及熱處理結(jié)構(gòu)鋼正火結(jié)構(gòu)鋼正火計算接觸應(yīng)力（MPa）363.13363.13接觸疲勞詐用應(yīng)力（MPa）432.22387.9計算彎曲應(yīng)力（MPa）28.8831.18彎曲疲勞詐用應(yīng)力（MPa）288.74277.48實際傳動比5.415.41可以看出齒輪傳動的強度符合要求，且傳動比在允許誤差范圍內(nèi)，設(shè)計符合要求。膝關(guān)節(jié)屈伸齒輪傳動設(shè)計牌關(guān)節(jié)齒輪傳動的名

21、義傳動比為1.89,傳遞極Bg功率為200W,根據(jù)外殼設(shè)計尺寸確定的輸入、輸出軸軸距為53mm。借助機械設(shè)計輔助軟件進行設(shè)計，得到的符合要求的齒輪組如下：大四中匕小齒輪齒數(shù)4021模數(shù)1.751.75齒范（mm）1414材料及熱處理結(jié)構(gòu)鋼正火結(jié)構(gòu)鋼正火計算接觸應(yīng)力（MPa）388.31388.31接觸疲勞詐用應(yīng)力（MPa）408.35391.25計算彎曲應(yīng)力（MPa）34.3836.10彎曲疲勞詐用應(yīng)力（MPa）288.46279.04實際傳動比1.901.90可以看出齒輪傳動的強度符合要求，且傳動比在允許誤差范圍內(nèi)，設(shè)計符合要求。踝關(guān)節(jié)設(shè)計踝關(guān)節(jié)通過低阻力關(guān)節(jié)部件和錢鏈連接實現(xiàn)兩個自由度，但

22、兩個自由度上均未配置驅(qū)動裝置，因此設(shè)計一個彈性機構(gòu)，實現(xiàn)足部姿態(tài)的自動回正。行走時為了保證腳底時刻與地面完全接觸，在屈伸方向安放一對螺旋彈簧。同時彈簧的中心軸線與小腿的中心線有一定偏移，使得在內(nèi)收外展方向彈簧也可以提供一定的彈性力，使得內(nèi)收外展方向也有回正彈性力存在。圖1-踝關(guān)節(jié)設(shè)計螺旋彈簧設(shè)計螺旋彈簧中心線距小腿中心線距離為12cm,螺旋彈簧的剛度應(yīng)保證能夠克服人體重心偏離身體中心線時產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)力矩。查找資料得知，人體重心高度約為身高的55%,以身高170cm計算，重心高度h093.5cm。偏轉(zhuǎn)力矩Tmghosin,其中為身體豎直軸線偏離鉛垂線角度。圖1-彈簧剛度計算模型由身體軸線偏轉(zhuǎn)引起的彈簧長度變化量l1。sin按照以上參數(shù)，利用機械設(shè)計輔助設(shè)計軟件進行設(shè)計，得到彈簧參數(shù)如下:有效圈數(shù)n自由高度H/mm彈簧剛度F/(N/mm)彈簧絲直徑d/mm彈簧中徑D/mm彈簧絲材料載荷類型端部結(jié)構(gòu):12.5:150:6.6222:I:碳素彈簧鋼絲SL型:靜載荷:兩端圈并緊磨平2m-d141故Tmghsin帶入數(shù)值計算，有:Fmghsin210sin2F10sin,其中F為彈簧最大載荷。609.893.52122290.75N/m按踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動極限為30設(shè)計，則彈簧最大變形量為7.5cm。