機(jī)械手-人體下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)-說(shuō)明書

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1、機(jī)械手-人體下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)-說(shuō)明書 摘 要 康復(fù)機(jī)器人技術(shù)則是近年來(lái)迅速發(fā)展的一門新興機(jī)器人技術(shù),是機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的新應(yīng)用;目前康復(fù)機(jī)器人已成為國(guó)際社會(huì)研究的熱點(diǎn)之一。本課題主要研究的下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)。 本文介紹了下肢康復(fù)機(jī)器人國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用情況,進(jìn)行了下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),和總體控制方案設(shè)計(jì),并對(duì)重要零件進(jìn)行校核。本設(shè)計(jì)下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人共有5個(gè)自由度,其中每一條機(jī)械腿上有2個(gè)關(guān)節(jié)(2個(gè)自由度)模仿人體腿上的膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)和一個(gè)用于減重的減重系統(tǒng)(包括1個(gè)自由

2、度)。此系統(tǒng)能用于腦損傷、中風(fēng)等病人的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練,幫助病人更好地進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,減輕他人的幫助,提高效果。 關(guān)鍵詞:康復(fù)訓(xùn)練,機(jī)器人,下肢外骨骼 ABSTRACT The rehabilitation robot technology is a new robot technology developed rapidly recently, which is a new application in medical fields of robot technology. Currently the research on rehabilitation robot has been

3、one of the focuses in the International Society. The rehabilitation robot technology is a synthesis of many subjects, which covers mechanics, electronics, control and rehabilitative medicine and so on; it has been a typical representation of the mechatronics research. The main research of this paper

4、 is based on the attitude control gait rehabilitation training system design. In this paper, lower extremity rehabilitation and development of robot applications at home and abroad, lower extremity exoskeleton training robot's overall program design, structural design, design and overall control

5、; gait training on the robot for three-dimensional modeling, and important parts to check. The robot gait training has a total of five degrees of freedom, each of which a mechanical leg joints have two 2 DOF to imitate human knee, hip and a weight relief for weight relief system including a degree o

6、f freedom. The system can be used for brain injury, stroke, and to help patients better rehabilitation training, and meets the needs of different groups of peopleKey words:rehabilitation training, robot, lower extremity exoskeletons 目 錄 1 緒論 1.1 概述 1.2 康復(fù)機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.3 本課題主要研究?jī)?nèi)容 1.4 本章小

7、結(jié) 2 總體方案選擇與論證 2.1 步態(tài)分析 2.2 方案的選擇2.2.1 自由度的選擇2.2.2 基本參數(shù)的選取2.2.3 驅(qū)動(dòng)器的選擇2.2.4關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的選擇2.2.5連桿結(jié)構(gòu)的選擇2.2.6腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.2.7減重機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)2.2.8整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.3 本章小結(jié) 3 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.1 人體參數(shù) 3.2 各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分析3.2.1 膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)分析3.2.2髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)分析 3.3 關(guān)節(jié)力矩分析 3.4 具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.4.1 關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的選擇3.4.2 連桿機(jī)構(gòu)的選擇3.4.3 腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.4.4減重機(jī)構(gòu)3.4.5整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.5 部分重要零件的設(shè)計(jì)

8、與校核3.5.1軸承的選擇及校核3.5.2連桿的計(jì)算及校核3.5.3雙頭螺柱的校核 3.6 本章小結(jié) 4 驅(qū)動(dòng)部件的計(jì)算與選型 4.1 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型4.1.1髖關(guān)節(jié)滾珠絲杠副的計(jì)算與選型4.1.2膝關(guān)節(jié)滾珠絲杠副的計(jì)算與選型 4.2 直流伺服電機(jī)的計(jì)算與選型4.2.1髖關(guān)節(jié)直流伺服電機(jī)的計(jì)算與選型4.2.2膝關(guān)節(jié)直流伺服電機(jī)的計(jì)算與選型 4.3 同步帶的計(jì)算與選型4.3.1髖關(guān)節(jié)同步帶的計(jì)算與選型4.3.2膝關(guān)節(jié)同步帶的計(jì)算與選型 4.4 本章小結(jié) 5 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5.1 控制系統(tǒng)的方案選取 5.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5.2.1電源配置設(shè)計(jì)5.2.2常用存儲(chǔ)器及

9、擴(kuò)展電路設(shè)5.2.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)5.2.4 D/A轉(zhuǎn)換器接口電路設(shè)計(jì)5.2.5譯碼器的設(shè)計(jì)5.2.6上位機(jī)的連接設(shè)計(jì) 5.3 控制流程的設(shè)計(jì) 5.4 本章小結(jié) 6 結(jié)論 7 參考文獻(xiàn) 8 致謝 1 緒論 據(jù)報(bào)道,我國(guó)60歲以上的老年人已有1.43億,占全國(guó)人口的11%,到2050年將達(dá)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,這類患者多數(shù)伴有偏癱癥狀。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(shì)。同時(shí),由于交通運(yùn)輸工具的迅速增長(zhǎng),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(lái)越多。在美國(guó)數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的有

10、神經(jīng)科疾病病史和受到過(guò)意外傷害的患者需要進(jìn)行康復(fù)治療,僅以中風(fēng)為例,每年大約有600000中風(fēng)幸存者,其中的二百萬(wàn)病人在中風(fēng)后存在長(zhǎng)期的運(yùn)動(dòng)障礙。 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,這個(gè)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(jī)器人技術(shù)和康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展,在歐洲、美國(guó)和日本等國(guó)家,醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人的市場(chǎng)占有率呈逐年上升的趨勢(shì),僅預(yù)測(cè)日本未來(lái)機(jī)器人市場(chǎng),2005年醫(yī)療、護(hù)理、康復(fù)機(jī)器人的市場(chǎng)份額約為250000美元,而到2010年將上升到1050000美元,其增長(zhǎng)率在機(jī)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

11、應(yīng)用有著廣闊的發(fā)展前景。 1.1 概述 康復(fù)機(jī)器人是康復(fù)設(shè)備的一種類型?？祻?fù)機(jī)器人技術(shù)早已廣受世界各國(guó)科研工作者和醫(yī)療機(jī)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(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)工程雖然得到了普遍的重視,而康復(fù)機(jī)器人研究仍處于起步階段,一些簡(jiǎn)單康復(fù)器械遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)對(duì)智能化、人機(jī)工程化的康復(fù)機(jī)器人的需求,有待進(jìn)一步的研究和發(fā)展。 由于康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人要與人體直接相連,來(lái)帶動(dòng)肢體進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,所以對(duì)驅(qū)動(dòng)器的安全性、柔性的要求較高。近年來(lái),以氣動(dòng)元件柔性驅(qū)動(dòng)器逐漸引起人們的重視,在醫(yī)療康復(fù)器械領(lǐng)域中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。 本課題的研究目的是設(shè)計(jì)一種下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器

12、人,幫助病人更好地進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,減輕他人的幫助,提高效果。 1.2 康復(fù)機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在對(duì)有運(yùn)動(dòng)障礙的老人或殘疾人進(jìn)行治療和康復(fù)的過(guò)程中,使用康復(fù)機(jī)器人可以解決好多問(wèn)題:機(jī)器人的使用可以解決專業(yè)護(hù)理人員缺乏和醫(yī)療費(fèi)用昂貴的問(wèn)題,可以避免由于訓(xùn)練方法不科學(xué)和專業(yè)護(hù)理人員個(gè)人疏忽等主觀原因引起的對(duì)病人的傷害,可供病人在家或工作場(chǎng)所使用,使病人獲得更多的獨(dú)立生活能力,提高了病人的生活質(zhì)量等。康復(fù)機(jī)器人是一種自動(dòng)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(jìn)行科學(xué)而有效的康復(fù)訓(xùn)練,使患者的運(yùn)動(dòng)機(jī)能得到更快更好的恢復(fù)。目前,康復(fù)機(jī)器人已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到康復(fù)護(hù)理、假肢和康復(fù)治療等方

13、面,這不僅促進(jìn)了康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展,也帶動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域的新技術(shù)和新理論的發(fā)展。 康復(fù)機(jī)器人有兩種:輔助型康復(fù)機(jī)器人和康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人。輔助型康復(fù)機(jī)器人主要是幫助肢體運(yùn)動(dòng)有困難的患者完成各種動(dòng)作,該類產(chǎn)品有機(jī)器人輪椅、機(jī)器人護(hù)士、機(jī)器人假肢、機(jī)械外骨骼等?？祻?fù)訓(xùn)練機(jī)器人的主要功能是幫助患者完成各種運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)訓(xùn)練,該類產(chǎn)品有行走訓(xùn)練、手臂運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、脊椎運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練等。 康復(fù)機(jī)器人是康復(fù)醫(yī)學(xué)和機(jī)器人技術(shù)的完美結(jié)合,康復(fù)機(jī)器人技術(shù)在歐美等國(guó)家得到了科研工作者和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的普遍重視,許多研究機(jī)構(gòu)都開展了有關(guān)的研究工作,近年來(lái)取得了一些有價(jià)值的成果。對(duì)于中風(fēng)、偏癱、下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)能損傷等患者來(lái)說(shuō),下肢康

14、復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人有著很好的治療效果。國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)都在這方面取得了不錯(cuò)的研究結(jié)果。下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人發(fā)展主要經(jīng)歷了幾個(gè)階段。由早期的簡(jiǎn)單步行訓(xùn)練機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在功能豐富、符合人體運(yùn)動(dòng)機(jī)理的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人。早期發(fā)展的下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)是借助于跑步機(jī)、懸吊系統(tǒng)等幫助患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練,此種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜,但訓(xùn)練過(guò)程中必須有專業(yè)人員的幫助,而且并不符合人體運(yùn)動(dòng)機(jī)理,還不能稱為康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人,只能是一種半自動(dòng)的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)械,如圖1-1、圖1-2所示。圖1-1、圖1-2中的步行訓(xùn)練機(jī),它的功能單一、價(jià)格便宜,而且需要在專業(yè)護(hù)理人員的幫助下進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,這種機(jī)械對(duì)下肢病情比較輕的病人較合適。 圖1-1

15、 步行訓(xùn)練機(jī) 圖1-2 懸掛式步行訓(xùn)練機(jī) 隨著機(jī)器人技術(shù)和康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展,人們對(duì)人的行走步態(tài)有了比較清楚的認(rèn)識(shí),開發(fā)出了一些符合人體康復(fù)需要的產(chǎn)品。 德國(guó)柏林自由大學(xué)Free University of Berlin開展了腿部康復(fù)機(jī)器人的研究,并研制了MGT型康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)圖1-3。 瑞士蘇黎士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)ETH在腿部康復(fù)機(jī)構(gòu)、走步狀態(tài)分析方面也取得了一些成果,在漢諾威2001年世界工業(yè)展覽會(huì)上展出了名為L(zhǎng)OKOMAT圖1-4的康復(fù)機(jī)器人模型。LOKOMAT機(jī)器人主要由步態(tài)矯正器、先進(jìn)的體重支持系統(tǒng)和跑臺(tái)組成。LOKOMAT機(jī)器人以使用者為根本,通過(guò)對(duì)機(jī)器人的行為、耐心

16、、合作及運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行評(píng)估,建立了一種更為有效的治療方式,即:機(jī)器人先偵測(cè)使用者的運(yùn)動(dòng),并且跟隨使用者的運(yùn)行軌跡而不是強(qiáng)制使用者按照預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng),通過(guò)機(jī)器人的自適應(yīng)功能,來(lái)滿足使用者的不同需求,它可以調(diào)整訓(xùn)練參數(shù)以適合不同患者的需要。圖1-3 MGT型康復(fù)機(jī)器人 圖1-4 LOKOMAT機(jī)器人 德國(guó)柏林的IPK研究所研制的Robotic Gait Rehabilitation,通過(guò)一個(gè)可編程控制的腳踏板來(lái)帶動(dòng)患者實(shí)現(xiàn)步態(tài)的軌跡模擬,這個(gè)腳踏板由直線電機(jī)帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),腳踏板支撐部分類似于二自由度機(jī)械臂,由兩個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)圖1-5)。 圖1-5 robotic gait re

17、habilitation 系統(tǒng)在試驗(yàn)中 美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家研制出一種機(jī)器人稱為“伯克利下肢外骨骼”(BLEEX),BLEEX包括可以牢牢地固定在使用者腳上但又不會(huì)和使用者摩擦的金屬支架,以及用來(lái)承載重物的背包式外架和動(dòng)力設(shè)備等,這種機(jī)器人除了可以幫助正常人增加負(fù)載能力外還可以幫助下肢殘疾的病人行走,一定程度上恢復(fù)下肢功能圖1-6)。 圖1-6 BLEEX 日本筑波大學(xué)Cybernics實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家和工程師們,研制出了世界上第一種商業(yè)外骨骼機(jī)器人Hybrid Assistive Leg,HAL圖1-7,準(zhǔn)確地說(shuō),是自動(dòng)化機(jī)器人腿:“混合輔助腿”。這種

18、裝置能幫助殘疾人以每小時(shí)4公里的速度行走,毫不費(fèi)力地爬樓梯。除HAL“混合輔助腿”外,日本還研制成功了一種全身性外骨骼機(jī)器人。神奈川理工學(xué)院研制的“動(dòng)力輔助服”Power Assist Suit圖1-8)可使人的力量增加0.5-1倍,使用肌肉壓力傳感器分析佩戴者的運(yùn)動(dòng)狀況,通過(guò)復(fù)雜的氣壓傳動(dòng)裝置增加人的力量。這種裝置最初是為護(hù)士研制的,用來(lái)幫助她們照料體重較大或根本無(wú)法行走的病人?，F(xiàn)在已經(jīng)有殘疾人在這種機(jī)器人的幫助下實(shí)現(xiàn)了登山運(yùn)動(dòng)。 美國(guó)NPH研究中心開創(chuàng)了機(jī)器人系統(tǒng)量化步行能力和步態(tài)失調(diào)的研究領(lǐng)域,根據(jù)活動(dòng)依賴神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性,量化和評(píng)估模式肌電圖在步態(tài)等方面的作用,建立數(shù)學(xué)模型模擬

19、的感覺(jué)運(yùn)動(dòng)障礙。圖1-9為NPH的機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)中。 圖1-7 HAL機(jī)器人 圖1-8 Power Assist Suit 在我國(guó),康復(fù)醫(yī)療工程已經(jīng)得到了普遍重視,康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人廣闊的應(yīng)用前景將推動(dòng)康復(fù)機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。我國(guó)對(duì)康復(fù)機(jī)器人的研究起步比較晚,輔助型康復(fù)機(jī)器人的研究成果相對(duì)較多,康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人方面的研究成果則比較少。清華大學(xué)在國(guó)內(nèi)率先研制了臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人樣機(jī)在這項(xiàng)成果中他們采用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。哈爾濱工程大學(xué)在康復(fù)機(jī)器人方面也取得了不錯(cuò)的成果。哈爾濱工程大學(xué)研制的下肢康復(fù)機(jī)器人可以模擬正常人行走的步態(tài)、踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)以及重心的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,帶動(dòng)下肢做行走

20、運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)下肢各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、肌肉的鍛煉以及神經(jīng)功能的恢復(fù)訓(xùn)練。通過(guò)獲取腳的受力狀態(tài)、腿部肌肉狀態(tài)和下肢關(guān)節(jié)狀態(tài)等人體的生物信息,協(xié)調(diào)重心控制系統(tǒng)和步態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系,使之與人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相協(xié)調(diào),獲得最佳訓(xùn)練效果。圖1-10 、圖1-11 所示分別為哈爾濱工程大學(xué)研制的臥式下肢康復(fù)機(jī)器人和基于步態(tài)姿態(tài)控制的下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)。 圖1-9 NPH的機(jī)器人在進(jìn)行試驗(yàn) 圖1-10 臥式下肢康復(fù)機(jī)器人 圖1-11 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人 1.3 本課題主要研究?jī)?nèi)容 本文“下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)”的研究目的是設(shè)計(jì)出一種可以輔助下肢有運(yùn)動(dòng)功能障礙的老人或殘疾人進(jìn)行功能恢復(fù)訓(xùn)練的下

21、肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人,工作重點(diǎn)是機(jī)器人機(jī)械本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),要考慮安全性、可靠性、柔順性,同時(shí)進(jìn)行了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。課題內(nèi)容主要包括: 1. 下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,包括人體行走的步態(tài)、自由度的設(shè)計(jì)、基本參數(shù)的選取、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。 2.機(jī)器人機(jī)械本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算。 3.機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 1.4 本章小結(jié) 本章對(duì)下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人在市場(chǎng)上的需求以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了調(diào)查研究,并通過(guò)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀的分析與研究,確定了本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和走向。 2 總體方案設(shè)計(jì)與選擇的論證 2.1 步態(tài)分析 下肢康復(fù)機(jī)器

22、人是對(duì)有腦損傷、中風(fēng)等病人進(jìn)行主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的自動(dòng)化機(jī)械裝置。它可以幫助患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)機(jī)能恢復(fù)性訓(xùn)練,進(jìn)行主動(dòng)式步態(tài)訓(xùn)練。 正常人在行走時(shí)腳在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況如圖2-1所示。 圖2-1 步態(tài)周期 1個(gè)步行周期分為兩個(gè)時(shí)期,支撐期和擺動(dòng)期。支撐期是當(dāng)腳和地面接觸的時(shí)間,它占了一個(gè)步行周期的62%。擺動(dòng)期是腳在空中的時(shí)間,它占了一個(gè)步行周期的38%。足跟接地即進(jìn)入支撐期,足趾離地進(jìn)入擺動(dòng)期。支撐期占步行周期62%其中單側(cè)肢體支撐期占37%,雙側(cè)肢體支撐期占25%,擺動(dòng)期占步行周期的38%。雙側(cè)肢體支撐期中包括預(yù)承重期和擺動(dòng)前期,各占步行周期12%。各時(shí)期劃分及有關(guān)具體內(nèi)

23、容如下: l雙側(cè)肢體支撐期。為雙足著地、由雙側(cè)肢體支撐體重的時(shí)期,又分為被測(cè)下肢在前的“前足著地雙足支撐期”預(yù)承重期和被測(cè)下肢在后的“后足蹬地雙足支撐期”擺動(dòng)前期2個(gè)時(shí)期。預(yù)承重期是從被側(cè)足足跟著地至對(duì)側(cè)足趾離地的時(shí)期;擺動(dòng)前期是從對(duì)側(cè)足足跟著地至被側(cè)足足趾離地的時(shí)期。一側(cè)足的預(yù)承重期即為對(duì)側(cè)足的擺動(dòng)前期。 2單側(cè)肢體支撐期。僅由被測(cè)足承擔(dān)體重的時(shí)期,即從對(duì)側(cè)足足趾離地至對(duì)側(cè)足足跟著地的時(shí)期,也是對(duì)側(cè)肢體擺動(dòng)期。 3擺動(dòng)期。被測(cè)足不接觸地面的時(shí)期,即從被測(cè)足足趾離地至同側(cè)足跟著地的時(shí)期,也是對(duì)單側(cè)肢體支撐期。 步態(tài)各重要階段動(dòng)作: 1腳后跟受:一般的步態(tài)

24、歷程,最開始的動(dòng)作為右腳接觸到地面的瞬間,也就是后腳跟剛與地面接觸的動(dòng)作; 2前腳完全承載:在腳后跟受力后,腳掌漸漸貼附地面,直到腳掌完全貼合地面,此刻即為前腳完全承載; 3支撐段中期:當(dāng)右腳完全程載后,左腳開始擺動(dòng),擺動(dòng)后右腳瞬間的動(dòng)作即為支撐段中期; 4腳后跟離地:左腳擺動(dòng)過(guò)右腳后,右腳后跟離開地面的動(dòng)作成為腳后跟離地; 5腳指離地:右腳后跟離地后,緊接著腳尖離地,此時(shí)即為右腳離開地面的瞬簡(jiǎn),我們稱之為腳指離地,由于它是右腳擺動(dòng)前的動(dòng)作,所以也稱為預(yù)先擺動(dòng); 6擺動(dòng)中期:右腿擺動(dòng)過(guò)左腿的瞬間動(dòng)作,此時(shí)的動(dòng)作為支撐段中期。 在一個(gè)步態(tài)周期的各個(gè)

25、時(shí)間點(diǎn),各個(gè)關(guān)節(jié)的角度和所受到的力矩不同。下面從圖2-2~圖2-5顯示了一個(gè)75kg的人以1.3m/s的步行速度在平地上走時(shí),髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、兩處關(guān)節(jié)在一個(gè)步行周期內(nèi)不同階段的轉(zhuǎn)角和力矩變化。圖2-2 膝關(guān)節(jié)的角度變化 圖2-3 膝關(guān)節(jié)的力矩變化圖2-4 髖關(guān)節(jié)角度變化 圖2-5 髖關(guān)節(jié)力矩變化 由圖2-2、2-3可知步行時(shí)膝關(guān)節(jié)處力矩的最大值為60N,角度范圍為-70°~0°。 由圖2-4、2-5可知步行時(shí)髖關(guān)節(jié)處力矩的最大值為-80N,角度范圍為-20°~30°。 為了模擬人體行走的正常步態(tài),更科學(xué)合理有效的進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練,所設(shè)計(jì)的下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人下肢各關(guān)節(jié)

26、的運(yùn)動(dòng)(角度、力矩)和人體行走時(shí)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)(角度、力矩)應(yīng)該近似。為本設(shè)計(jì)就是根據(jù)這個(gè)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)的。 2.2 方案的選擇 本設(shè)計(jì)的主要工作是設(shè)計(jì)出一個(gè)下肢外骨骼的康復(fù)機(jī)器人及其相應(yīng)的框架和減重機(jī)構(gòu),然后綁在人腰部和下肢上,分別帶動(dòng)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng),從而訓(xùn)練相應(yīng)部位的肌肉,幫助使用者恢復(fù)下肢的運(yùn)動(dòng)功能。 減重機(jī)構(gòu)可以承擔(dān)患者的一部分體重,減輕病腿的負(fù)荷,還可以調(diào)節(jié)人體的重心上下浮動(dòng)。減重機(jī)構(gòu)在人體行走時(shí)提供的是一個(gè)恒力,它由一個(gè)鋼絲繩和滑輪組成。 姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)主要模仿人體下肢關(guān)節(jié)的功能結(jié)構(gòu)。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的仿人體下肢帶動(dòng)人體下肢運(yùn)動(dòng)。關(guān)節(jié)是人體運(yùn)動(dòng)的樞紐,是傳遞

27、載荷、保持能量、協(xié)助運(yùn)動(dòng)的重要器官。關(guān)節(jié)長(zhǎng)期制動(dòng),會(huì)使肌肉的破壞負(fù)最大載下降,能量?jī)?chǔ)存也會(huì)明顯減少,最終會(huì)導(dǎo)致肢體的完全癱瘓。用關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)肌肉進(jìn)行收縮運(yùn)動(dòng),可以恢復(fù)和保持肌肉的收縮功能。髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)是人體下肢關(guān)節(jié)中的兩大重要關(guān)節(jié)。 關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征主要包括兩部分:一是關(guān)節(jié)的活動(dòng)幅度,二是如何達(dá)到這個(gè)活動(dòng)范圍。本設(shè)計(jì)就是根據(jù)這個(gè)原則進(jìn)行的。 2.2.1 自由度的設(shè)計(jì) 人體下肢的靈活度很高,關(guān)節(jié)比較復(fù)雜。下肢運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)主要包括髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)3個(gè)部分。髖關(guān)節(jié)是球窩關(guān)節(jié),它的活動(dòng)形式有3種,分別是向前伸展/向后伸展、側(cè)向內(nèi)轉(zhuǎn)/外展、和向內(nèi)外扭轉(zhuǎn)。膝關(guān)節(jié)有向前伸展/向

28、后伸展和側(cè)向內(nèi)轉(zhuǎn)/外展兩種活動(dòng)形式。下肢有4個(gè)自由度,想要設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠完成下肢各個(gè)關(guān)節(jié)的康復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人非常難?？傮w結(jié)構(gòu)有兩條腿和一個(gè)減重機(jī)構(gòu)共5個(gè)自由度。 2.2.2 基本參數(shù)的選取 下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和人體的運(yùn)動(dòng)學(xué)相近,因此人體下肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍決定了下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍。下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍至少要和人體行走時(shí)關(guān)節(jié)范圍一致。為了安全,機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍一般要小于人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍的最大值。 參考人體下肢各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度,結(jié)合本設(shè)計(jì)的使用者是下肢需要康復(fù)的患者和各關(guān)節(jié)在行走狀態(tài)的最大值,具體數(shù)值見表2-1。

29、 表 2-1 各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍(°) 關(guān)節(jié)活動(dòng)形式 人體行走最大值 機(jī)器人關(guān)節(jié)取值 人體關(guān)節(jié)活動(dòng)最大值 髖關(guān)節(jié)向前伸展 32.2 45 119 髖關(guān)節(jié)向后伸展 -22.5 -30 -70 膝關(guān)節(jié)向前伸展 0 0 0 膝關(guān)節(jié)向后伸展 -73.5 -80 -136 2.2.3 驅(qū)動(dòng)器的選擇 下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人不同于工業(yè)機(jī)器人,因?yàn)樗厥獾氖褂脠?chǎng)合和使用對(duì)象,要求在能夠完成功能的前提下,整個(gè)康復(fù)要安全、柔順。 本設(shè)計(jì)中的驅(qū)動(dòng)器選擇直流伺服電機(jī)。因?yàn)橹绷魉欧姍C(jī)效率高,電流小,發(fā)熱低,噪音低、低頻振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)。

30、2.2.4 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的選擇 各個(gè)關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。滾動(dòng)軸承傳動(dòng)有摩擦阻力小,功率消耗少,啟動(dòng)容易等優(yōu)點(diǎn),可以充分利用電機(jī)所作的功,減小機(jī)構(gòu)體積。 2.2.5 連桿結(jié)構(gòu)的選擇 作為下肢大小腿的連桿機(jī)構(gòu)既是傳動(dòng)裝置又是執(zhí)行裝置。連桿的長(zhǎng)度精度要求較高,若大腿連桿或小腿連桿長(zhǎng)度與使用者大腿或小腿長(zhǎng)度不同,將會(huì)導(dǎo)致兩者髖關(guān)節(jié)軸線和膝關(guān)節(jié)軸線不同軸,這會(huì)直接導(dǎo)致兩者在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干涉現(xiàn)象,兩者偏差較大時(shí),整個(gè)人??機(jī)混合系統(tǒng)將無(wú)法正常工作。因此,在進(jìn)行大、小腿機(jī)械連桿設(shè)計(jì)時(shí),把連桿設(shè)計(jì)成長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)體尤為重要。其優(yōu)點(diǎn): 1可避免出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)對(duì)象單一化,擴(kuò)大使用對(duì)象; 2

31、.有利于關(guān)節(jié)同軸度的調(diào)整,避免運(yùn)動(dòng)干涉現(xiàn)象。 連桿設(shè)計(jì)時(shí),要注意以下問(wèn)題: 1承載能力。連桿不僅是傳動(dòng)裝置,而且也是執(zhí)行裝置,要考慮連桿自身重量、驅(qū)動(dòng)裝置和實(shí)驗(yàn)對(duì)象人體下肢各段的重量。 2剛度。為防止連桿在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的變形,從而影響到機(jī)器人的定位精度,因此,剛度必須滿足要求。 3重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。為提高機(jī)器人的反應(yīng)速度、降低能耗和節(jié)省材料,要盡量減少其自身特別是運(yùn)動(dòng)部分重量。 本設(shè)計(jì)中連桿結(jié)構(gòu)采用內(nèi)外桿結(jié)構(gòu)通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)外桿之間的固定位置調(diào)整連桿的長(zhǎng)度(即大小腿的長(zhǎng)度)。 2.2.6 腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 腰部結(jié)構(gòu)主要為患者腰部提供支持和下肢

32、與框架的鏈接。腰帶一方面可以對(duì)機(jī)械髖關(guān)節(jié)進(jìn)行固定作用,另一方面在人行走過(guò)程中,當(dāng)一支人機(jī)混合腿抬起時(shí),即其處于擺動(dòng)期時(shí),其機(jī)械腿的部分重量可通過(guò)鋼制腰帶轉(zhuǎn)移到另一支處于支撐狀態(tài)的機(jī)械腿上,這樣可以部分分擔(dān)因一支腿抬起時(shí),機(jī)械腿自重對(duì)使用者產(chǎn)生的負(fù)重效應(yīng)。另外,由于腰帶是鋼質(zhì)結(jié)構(gòu),其直接作用于人體的腰部會(huì)給人帶人不舒服感。因此,我們要在鋼質(zhì)腰帶與人體腰部之間加填了一軟制護(hù)腰帶,金屬帶與護(hù)腰帶之間通過(guò)自粘帶連接在一起要考慮到不同患者腰圍的不同,所以要有調(diào)整結(jié)構(gòu),可以考慮用鉸鏈結(jié)構(gòu)。 2.2.7 減重機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 下肢殘疾病人的下肢力量往往不能給正常步行提供足夠的力,所以在設(shè)計(jì)康復(fù)系統(tǒng)時(shí)要考慮

33、到減重機(jī)構(gòu),在康復(fù)訓(xùn)練時(shí)減輕身體重力作用在腿上的力,使作用在腿上的力為身體重力大小的一部分。 2.2.8 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)時(shí),要考慮到裝配工藝過(guò)程和整體效果,如:桿件各零件的裝配順序,電機(jī)和桿件之間的干涉,軸承與軸承座裝配,關(guān)節(jié)間的連接方式,外部框架之間的安裝,減重結(jié)構(gòu)與外部框架的鏈接,下肢與外部框架的連接。 具體裝配方式見總體裝配圖。 2.3 本章總結(jié) 本章在對(duì)康復(fù)機(jī)器人步態(tài)分析了解的基礎(chǔ)上,構(gòu)建用直流伺服電機(jī)作驅(qū)動(dòng)器的下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案。包括自由度的選擇,基本參數(shù)的選取,驅(qū)動(dòng)器的選擇,關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的選擇,連桿結(jié)構(gòu)的選擇,腰部結(jié)構(gòu)的選擇,減

34、重結(jié)構(gòu)的選擇,整個(gè)機(jī)構(gòu)的裝配特性、工藝特性的考慮。在后面的章節(jié)中將具體進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)件的選型、非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)、電機(jī)的選型計(jì)算等。 3 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 本章設(shè)計(jì)了下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)元件的選型,對(duì)機(jī)械下肢的運(yùn)動(dòng)學(xué)部分進(jìn)行分析。 3.1 人體參數(shù) 本設(shè)計(jì)的機(jī)械部分是要與人體下肢接觸的,它的關(guān)節(jié)、腿長(zhǎng)等的設(shè)計(jì)要借鑒人體下肢的一些參數(shù),在零件的選擇和校核計(jì)算過(guò)程中也要用到這些參數(shù),具體參數(shù)見表3-1。 表3-1 中國(guó)青年幾何統(tǒng)計(jì)表數(shù)據(jù) 足 小腿大腿 質(zhì)量/kg 0.885 2.196 8.497 長(zhǎng)度/mm 249 376 5

35、02 質(zhì)心長(zhǎng)度/mm 38 224 254 腿圍/mm 253 355 507 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)是要帶動(dòng)人的下肢進(jìn)行關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的,所以機(jī)器人下肢的旋轉(zhuǎn)角度和運(yùn)動(dòng)靈活性也要和人行走時(shí)的下肢接近?？紤]到本設(shè)計(jì)的使用對(duì)象是有運(yùn)動(dòng)功能障礙的患者,所以確定各旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)為:髖關(guān)節(jié)向前伸展范圍為45,向后伸展為30;膝關(guān)節(jié)屈伸范圍為80。角度范圍的選擇是根據(jù)第2章中青年男子在行走時(shí)關(guān)節(jié)活動(dòng)角度數(shù)據(jù)而定的。 3.2 各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 本設(shè)計(jì)中的關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),它由上下桿件和兩塊關(guān)節(jié)連接板,軸承及軸承蓋組成。具體結(jié)構(gòu)見裝配圖。 3.2.1 膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

36、 圖3-1所示為下肢膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型示意圖。L2是大腿桿的一部分的長(zhǎng)度,L1是絲杠端部安裝孔距關(guān)節(jié)中心水平方向上的的距離,L3是關(guān)節(jié)中心到絲杠中心的距離,L為絲杠的長(zhǎng)度,θ為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)過(guò)的角度。 圖3-1 膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 圖中L1110,L2402,L3171,α120°,絲杠L的長(zhǎng)度可由公式 3-1 算出。計(jì)算出的L的范圍為350?500,行程為150。 3.2.2 髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 圖3-2所示為下肢髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型示意圖。L2是大腿桿的一部分的長(zhǎng)度,L1是絲杠端部安裝孔距關(guān)節(jié)中心水平方向上的的距離,L3是關(guān)節(jié)中心到絲杠中心的距離,L為絲杠的長(zhǎng)度,θ為關(guān)

37、節(jié)轉(zhuǎn)過(guò)的角度。 其中L160,L2340,L3135,α120°,θ的范圍為-30°? +45°。絲杠L的長(zhǎng)度可由公式3-1算出。計(jì)算出的L的范圍為350-450,行程為100。 圖3-2 髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 3.3 關(guān)節(jié)力矩分析 由于本設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的作的是低速運(yùn)動(dòng),所以零件的選擇從靜力學(xué)角度分析和計(jì)算。 圖3-3 力矩分析示意圖 圖中: 、、―分別為髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度,以軸正方向?yàn)槌跏嘉恢?圖中所示角度的轉(zhuǎn)向?yàn)檎? 、―分別為大腿和小腿的長(zhǎng)度 、分別為大腿、小腿的質(zhì)心 、分別是大腿

38、、小腿質(zhì)心到相應(yīng)關(guān)節(jié)的距離。 根據(jù)力矩方程 3-2 得到各關(guān)節(jié)的力矩方程分別為 3-3 3-4 式中:m1,m2分別是各質(zhì)心處的質(zhì)量,包括人體和機(jī)械結(jié)構(gòu)總質(zhì)量。 在下面的計(jì)算過(guò)程中,力矩的計(jì)算式均是按式(3-3)、(3-4)的原理計(jì)算的,所不同的是,下面的計(jì)算均取的是極限位置,即各關(guān)節(jié)受到最大力矩的位置。 3.4具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.4.1 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的選擇 各個(gè)關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),滾動(dòng)軸承傳動(dòng)有摩擦阻力小,功率消耗少,啟動(dòng)容易等優(yōu)點(diǎn),可以充分利用電機(jī)所作的功,減小機(jī)構(gòu)體積。通過(guò)關(guān)節(jié)連接板將關(guān)節(jié)的兩個(gè)桿件連接在一起,而且整個(gè)機(jī)構(gòu)零件分

39、散,零件個(gè)體小,可以使整個(gè)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)輕便小巧、安全。 3.4.2 連桿結(jié)構(gòu)的選擇 作為下肢大小腿的連桿機(jī)構(gòu)既是傳動(dòng)裝置又是執(zhí)行裝置。連桿的長(zhǎng)度精度要求較高,本設(shè)計(jì)中連桿結(jié)構(gòu)采用內(nèi)外桿結(jié)構(gòu)通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)外桿之間固定位置調(diào)整連桿的長(zhǎng)度(即大小腿的長(zhǎng)度)。 如圖3-4為小腿的結(jié)構(gòu),圖3-5為大腿的結(jié)構(gòu)。圖3-4 小腿的結(jié)構(gòu) 圖3-5 大腿的結(jié)構(gòu) 3.4.3 腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 腰部結(jié)構(gòu)主要為患者腰部提供支持和下肢與框架的鏈接。為適應(yīng)不同腰圍患者的需求,腰部結(jié)構(gòu)中有鉸鏈調(diào)整結(jié)構(gòu),可以調(diào)整腰圍大小。同時(shí)為了適應(yīng)人體行走時(shí)骨盆上下運(yùn)動(dòng),腰部結(jié)構(gòu)中有可以轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。如圖3-6是

40、實(shí)體效果圖。 圖3-6腰部實(shí)體效果圖 3.4.4 減重機(jī)構(gòu) 減重機(jī)構(gòu)由鋼絲繩帶動(dòng)安全帶上下運(yùn)動(dòng),減重機(jī)構(gòu)起到恒力減重作用。 3.4.5 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)時(shí),要考慮到裝配工藝過(guò)程和整體效果。具體裝配方式見總體裝配圖。 3.5 部分重要零件的設(shè)計(jì)與校核 3.5.1 軸承的選擇及校核 本設(shè)計(jì)中的軸承主要承受徑向力,所以選用深溝球軸承6000,它的徑向基本額定動(dòng)載荷C13.2kN,預(yù)期壽命L15000小時(shí)。最大當(dāng)量動(dòng)載荷P600N,壽命指數(shù)ε3,轉(zhuǎn)速n60r/min,軸承基本額定壽命(單位為小時(shí)為 (3-5) 所選軸承600

41、0符合要求 3.5.2 連桿的計(jì)算與校核 大小腿內(nèi)外桿主要受到拉伸或壓縮作用。有材料力學(xué)可知,拉壓桿件,其強(qiáng)度條件為: (3-6)(3-7) 式中 ---材料許用應(yīng)力; A---最小截面積; N---所受載荷; ---材料強(qiáng)度應(yīng)力; nb---安全系數(shù); 鋁合金ZAlCu5MnZL201的抗拉強(qiáng)度:295~335MPa,nb2,N≤600N。 由公式(3-6)、(3-7)可得A4,所設(shè)計(jì)的連桿的最小截面積都大于4,強(qiáng)度條件符合。 3.5.3 雙頭螺柱的校核 腰部

42、可調(diào)結(jié)構(gòu)中的雙頭螺柱是腰部與外部框架鏈接的受力部分,主要受到軸向工作載荷F600N,其拉伸強(qiáng)度條件為:(3-8) 其中28,250MPa,由公式(3-12)可得: 螺柱合格。 3.6 本章小結(jié) 本章是在前幾章對(duì)總體方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,主要設(shè)計(jì)計(jì)算了各個(gè)關(guān)節(jié)中的零件、各個(gè)具體結(jié)構(gòu)。主要的設(shè)計(jì)計(jì)算有:連桿、軸承、螺柱計(jì)算校核,以及減重系統(tǒng)的計(jì)算校核。 4驅(qū)動(dòng)部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算 4.1滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)首先要選擇結(jié)構(gòu)類型,確定滾珠循環(huán)方式,滾珠絲杠副的預(yù)緊方式。結(jié)構(gòu)類型確定以后,再計(jì)算和確定其他技術(shù)參數(shù),包括:公稱直徑d0,導(dǎo)程,滾珠絲

43、杠的工作圈數(shù),列數(shù),精度等級(jí)等。 滾珠的循環(huán)方式可分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類,外循環(huán)又分為螺旋槽式和插管式。 滾珠絲杠副的預(yù)緊方法有:雙螺母墊片式預(yù)緊,雙螺母螺紋式預(yù)緊,雙螺母齒差式預(yù)緊,單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊,以及過(guò)盈預(yù)緊等。 滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機(jī)械元件,其作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),它是傳統(tǒng)滑動(dòng)絲杠的進(jìn)一步延伸發(fā)展。這一發(fā)展的深刻意義如同滾動(dòng)軸承對(duì)滑動(dòng)軸承所帶來(lái)得改變一樣。滾珠絲杠副因優(yōu)良的摩擦特性使其廣泛的運(yùn)用于各種工業(yè)設(shè)備、精密儀器、精密數(shù)控機(jī)床。尤其是近年來(lái),滾珠絲杠副作為數(shù)控機(jī)床直線驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元,在機(jī)床行業(yè)得到廣

44、泛運(yùn)用,極大的推動(dòng)了機(jī)床行業(yè)的數(shù)控化發(fā)展。這些都取決于其具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)良特性: 由于滾珠絲杠副運(yùn)轉(zhuǎn)順滑、消除軸向間隙以及制造的一致性,采用多套滾珠絲杠副方案驅(qū)動(dòng)同一裝置或多個(gè)相同部件時(shí),可獲得很好的同步工作。 傳動(dòng)效率高、定位精度高、傳動(dòng)可逆性、使用壽命長(zhǎng)、同步性能好。 4.1.1 髖關(guān)節(jié)滾珠絲杠副的計(jì)算與選型 1)工作載荷的計(jì)算 根據(jù)公式 (4-1) 查《機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-29,取K1.1,0.15, 代入得工作載荷 2)最大動(dòng)載荷的計(jì)算 根據(jù)速度仿真得推桿的最快移動(dòng)速度為,初選絲杠基本導(dǎo)程, 則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速 (4-2) 取滾珠

45、絲杠的使用壽命T15000h 代入式 (4-3) 得絲杠壽命系數(shù) (單位為: r) 查《機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-30, 取載荷系數(shù) 硬度系數(shù) 代入式 (4-4) 求得最大動(dòng)載荷3)初選型號(hào) 根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷,查《機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-31選擇型號(hào)為2005-3型滾珠絲杠副。其公稱直徑為20mm,基本導(dǎo)程為5mm,額定動(dòng)載荷為9309 N,滿足要求。 4)傳動(dòng)效率η的計(jì)算 將公稱直徑,基本導(dǎo)程,代入式 (4-5) 得:絲杠螺旋升角 將 摩擦角代入式 (4-6)

46、得:傳動(dòng)效率 5)剛度驗(yàn)算 先畫出髖關(guān)節(jié)絲杠支承方式草圖如圖4-1所示。最大牽引力為640N,支承間距為,絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊,預(yù)緊力為最大軸向負(fù)載的。 圖4-1髖關(guān)節(jié)系統(tǒng)計(jì)算簡(jiǎn)圖查《數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》圖4-6,根據(jù),查出,可算出:(4-7) 由于兩端均采用角接觸球軸承,且絲杠又進(jìn)行了預(yù)拉伸,故其拉壓剛度可以提高4倍,其實(shí)際變形量()為: (4-8) 查《數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》圖4-7,滾珠和螺紋滾道接觸變形量: 因進(jìn)行了預(yù)緊 (4-9)采用7204C角接觸球軸承,滾動(dòng)體直徑 3.175,滾動(dòng)體數(shù)量z 12,,(4-10) 上

47、式中軸承所受軸向載荷 軸承滾動(dòng)體數(shù)目 軸承滾動(dòng)體直徑 因施加預(yù)緊力,故 (4-11) 根據(jù)以上計(jì)算 (4-12) 小于定位精度。 4.1.2 膝關(guān)節(jié)滾珠絲杠副的計(jì)算與選型 1)工作載荷的計(jì)算 根據(jù)公式 查《機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-29,取k1.1,μ 0.15 代入得工作載荷 2)最大動(dòng)載荷的計(jì)算 根據(jù)速度仿真得推桿的最快移動(dòng)速度為 ,初選絲杠基本導(dǎo)程, 則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速 取滾珠絲杠的使用壽命T15000h 代入式 得絲杠壽命系數(shù)(單位為: r) 查《機(jī)電一體化課程設(shè)

48、計(jì)指導(dǎo)書》表3-30 取載荷系數(shù) 硬度系數(shù) 代入式 求得最大動(dòng)載荷 3)初選型號(hào) 根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷,查《機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-31選擇型號(hào)為2004-3型滾珠絲杠副。其公稱直徑為20mm,基本導(dǎo)程為4mm,額定動(dòng)載荷為5243 N,滿足要求。 4)傳動(dòng)效率的計(jì)算 將公稱直徑,基本導(dǎo)程,代入式 得:絲杠螺旋升角 摩擦角 代入式 得:傳動(dòng)效率 5)剛度驗(yàn)算 先畫出膝關(guān)節(jié)絲杠支承方式草圖如圖4-2所示 4-2膝關(guān)節(jié)絲杠計(jì)算草圖 最大牽引力為480N,支承間距為,絲杠螺母及軸

49、承均進(jìn)行預(yù)緊,預(yù)緊力為最大軸向負(fù)載的。驗(yàn)算方法與髖關(guān)節(jié)相同,經(jīng)過(guò)計(jì)算,絲杠定位精度合格。 4.2直流伺服電機(jī)的計(jì)算與選型 直流伺服電機(jī),它包括定子、轉(zhuǎn)子鐵芯、電機(jī)轉(zhuǎn)軸、伺服電機(jī)繞組換向器、伺服電機(jī)繞組、測(cè)速電機(jī)繞組、測(cè)速電機(jī)換向器,所述的轉(zhuǎn)子鐵芯由矽鋼沖片疊壓固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上構(gòu)成。 直流伺服電機(jī)的基本特性 : (1)機(jī)械特性 在輸入的電樞電壓Ua保持不變時(shí),電機(jī)的轉(zhuǎn)速n隨電磁轉(zhuǎn)矩M變化而變化的規(guī)律,稱直流電機(jī)的機(jī)械特性。 (2)調(diào)節(jié)特性 直流電機(jī)在一定的電磁轉(zhuǎn)矩M(或負(fù)載轉(zhuǎn)矩)下電機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速n隨電樞的控制電壓Ua變化而變化的規(guī)律,被稱為直流電機(jī)的

50、調(diào)節(jié)特性。 (3)動(dòng)態(tài)特性 從原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)到新的穩(wěn)定狀態(tài),存在一個(gè)過(guò)渡過(guò)程,這就是直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。 4.2.1 髖關(guān)節(jié)電機(jī)的計(jì)算與選型 直流伺服電機(jī)的選取 本機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)為直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),電機(jī)的詳細(xì)計(jì)算過(guò)程如下: 絲杠螺母受力F640N 人的步態(tài)行走周期定位2.3秒,即2.3秒內(nèi)髖關(guān)節(jié)完成一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)角度總計(jì)為75°,根據(jù)仿真得到絲杠的速度為 絲杠螺距 同步帶傳動(dòng)比 總效率 電機(jī)轉(zhuǎn)速 (4-13) 又由 (4-14) 推得 功率 經(jīng)過(guò)對(duì)比,驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用90SZ53直流伺服電機(jī) 4.2.2 膝關(guān)節(jié)電機(jī)的計(jì)算與選型

51、 直流伺服電機(jī)的選取 本機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)為直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),電機(jī)的詳細(xì)計(jì)算過(guò)程如下: 絲杠螺母受力F480N 人的步態(tài)行走周期定位2.3秒,即2.3秒內(nèi)膝關(guān)節(jié)完成一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)角度總計(jì)為80°,根據(jù)仿真得到絲杠的速度為 絲杠螺距同步帶傳動(dòng)比 總效率 電機(jī)轉(zhuǎn)速 又由 推得 功率 經(jīng)過(guò)對(duì)比,驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用70SZ65直流伺服電機(jī)。 4.3同步帶的計(jì)算與選型 同步帶是以鋼絲繩或玻璃纖維為強(qiáng)力層,外覆以聚氨酯或氯丁橡膠的環(huán)形帶,帶的內(nèi)周制成齒狀,使其與齒形帶輪嚙合。同步帶傳動(dòng)是由一根內(nèi)周表面設(shè)有等間距齒形的環(huán)行帶及具有相應(yīng)吻合的輪所組成。它綜

52、合了帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)各自的優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),通過(guò)帶齒與輪的齒槽相嚙合來(lái)傳遞動(dòng)力。 同步帶的特點(diǎn): (1)傳動(dòng)準(zhǔn)確,工作時(shí)無(wú)滑動(dòng),具有恒定的傳動(dòng)比; (2)傳動(dòng)平穩(wěn),具有緩沖、減振能力,噪聲低; (3)傳動(dòng)效率高,可達(dá)0.98,節(jié)能效果明顯; (4)維護(hù)保養(yǎng)方便,不需潤(rùn)滑,維護(hù)費(fèi)用低; (5)速比范圍大,一般可達(dá)10,線速度可達(dá)50m/s,具有較大的功率傳遞范圍,可達(dá)幾瓦到幾百千瓦; (6)可用于長(zhǎng)距離傳動(dòng),中心距可達(dá)10m以上。 同步帶傳動(dòng)的主要失效形式: (1)帶體疲勞斷裂; (2)帶齒剪斷和壓潰; (3)帶側(cè)、帶齒磨損、包布剝離; (4

53、)承載層伸長(zhǎng)、節(jié)距增大、形成齒的干涉、爬齒; (5)沖擊、過(guò)載使帶體斷裂。 4.3.1 髖關(guān)節(jié)同步帶的計(jì)算與選型 1 確定帶的設(shè)計(jì)功率 設(shè)計(jì)功率: (4-15) KA為工況系數(shù),因?yàn)檩d荷性質(zhì)平穩(wěn),每天工作小于10小時(shí)。所以KA取1 所以2選定帶型、節(jié)距 根據(jù)設(shè)計(jì)功率和小帶輪轉(zhuǎn)速,即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速n,查《新編機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》圖7-9 選取L型同步帶。 查《新編機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表7-42 節(jié)距 3小帶輪齒數(shù)確定 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)袖珍版》表15-8 ,查得 選取 4)小帶輪的節(jié)圓直徑(4-16) 5)大帶輪齒數(shù)的確定

54、 (4-17) 算得:6)大帶輪的節(jié)圓直徑 (4-18) 7)帶速 (4-19)8)初定中心距 (4-20) 初定中心距 9)初定帶的節(jié)線長(zhǎng)度及齒數(shù) (4-21) 算得: 由《機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)》表8-1-43選帶長(zhǎng)代號(hào)為390L型同步帶其節(jié)線長(zhǎng)度 10)實(shí)際中心距a的確定 4-22 11)小帶輪的嚙合齒數(shù) 根據(jù)公式 (4-23) 12)基本額定功率 基本額定功率是各帶型基準(zhǔn)寬度的額定

55、功率 (4-24) ?寬度為的帶的許用工作拉力,N m?寬度為的帶的單位長(zhǎng)度的質(zhì)量,kg/m 查《新編機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表7-45 得 L型帶 , 算得13)帶寬的確定 (4-25) 查《新編機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表7-45 得L型帶 由,查《機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)》表8-1-63得, 求得: 4.3.2 膝關(guān)節(jié)同步帶的計(jì)算與選型 1 確定帶的設(shè)計(jì)功率 設(shè)計(jì)功率: 為工況系數(shù),因?yàn)檩d荷性質(zhì)平穩(wěn),每天工作小于10小時(shí)。所以取1 所以2選定帶型、節(jié)距 根據(jù)設(shè)計(jì)功率和小帶輪轉(zhuǎn)速,即電機(jī)

56、額定轉(zhuǎn)速n,查《新編機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》圖7-9 選取L型同步帶。 查《新編機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表7-42 節(jié)距 3小帶輪齒數(shù)確定 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)袖珍版》表15-8 ,查得 選取 4)小帶輪的節(jié)圓直徑 5)大帶輪齒數(shù)的確定 算得:6)大帶輪的節(jié)圓直徑 7)帶速V 8)初定中心距 初定中心距 9)初定帶的節(jié)線長(zhǎng)度及齒數(shù) 算得: 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)》表8-1-43選取帶長(zhǎng)代號(hào)為390L型同步帶其節(jié)線長(zhǎng)度 10)實(shí)際中心距a的確定 11)小帶輪的嚙合齒數(shù) 根據(jù)公式 12)基本額定功率 基本

57、額定功率是各帶型基準(zhǔn)寬度的額定功率。 ?寬度為的帶的許用工作拉力,N m?寬度為的帶的單位長(zhǎng)度的質(zhì)量,kg/m 查《新編機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表7-45 得 L型帶, 算得 13)帶寬的確定 查《新編機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表7-45 得L型帶 由,查《機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)》表8-1-63得, 求得: 4.4 本章小結(jié) 本章是在前幾章的基礎(chǔ)上,對(duì)驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。主要的設(shè)計(jì)計(jì)算有:滾珠絲杠螺母副,直流伺服電機(jī),同步帶的計(jì)算校核。 5 控制部分設(shè)計(jì) 5.1控制系統(tǒng)的方案選取 本設(shè)計(jì)

58、的控制采用微機(jī)控制,因?yàn)槭褂梦C(jī)控制的成本相對(duì)于PLC要低廉很多,而且它體積小,便于安裝和使用。 本設(shè)計(jì)決定采用MCS51系列單片機(jī)。MCS51系列單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)合理,指令系統(tǒng)規(guī)范,生產(chǎn)歷史悠久,是目前全球用量最大的系列微機(jī)控制器之一。MCS51系列單片機(jī)提高了速度,降低時(shí)鐘頻率,加寬了電壓范圍,降低了產(chǎn)品價(jià)格。 5.2控制系統(tǒng)的方案選取 5.2.1 電源配置設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的電源配置系統(tǒng)為三端固定電壓,220V的交流市電經(jīng)過(guò)隔離變壓后,輸出四組低壓交流進(jìn)行橋式整流,電容濾波和穩(wěn)定處理,電壓穩(wěn)定采用分別MC7805,MC7812, MC7912三端固定電壓穩(wěn)壓器。最終輸

59、出的電壓用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和供給CPU及其擴(kuò)展芯片使用,其中12V不共地,其余+5V,+12V,-12V均共地。 5.2.2 常用存儲(chǔ)器及擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)程序存儲(chǔ)器采用電擦除的EEPROM芯片,W27C512(64K×8位)。CPU選取自帶ROM型微控計(jì)算機(jī)AT89S52型單片機(jī),片內(nèi)含有4KB的EEPROM,為電擦除型。構(gòu)成系統(tǒng)時(shí),4KB的ROM空間不夠用,需要外擴(kuò)。常用存儲(chǔ)器的A0到A7不能直接接到AT89S52型單片機(jī)的P0口,必須經(jīng)過(guò)地址鎖存器74LS373,AT89S52型單片機(jī)地址鎖存允許信號(hào)ALE接到74LS373的LE端,用以傳遞鎖存命令。ALE信號(hào)的下降沿把P0口

60、輸出的低八位A0到A7鎖入74LS373中。W27C512的輸出允許信號(hào)OE時(shí)接地的,始終有效,故鎖存器與其輸出Q0到Q7是直通的,沒(méi)有緩沖。 5.2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用6264芯片。 5.2.4 D/A轉(zhuǎn)換器接口電路設(shè)計(jì) 將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的過(guò)程稱為模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換,完成這一轉(zhuǎn)換的器件稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(簡(jiǎn)稱ADC);將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的過(guò)程稱為數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換,完成這一轉(zhuǎn)換的器件稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器(簡(jiǎn)稱DAC)。 (1) D/A轉(zhuǎn)換器接口電路設(shè)計(jì) 選擇D/A轉(zhuǎn)換器時(shí)主要考慮以下參數(shù): 1)分辨力 是指D/A轉(zhuǎn)換器所能生產(chǎn)

61、的最小模擬量增量,即數(shù)字量最低有效位(LSB)所對(duì)應(yīng)的模擬值;也可以將數(shù)字量最低位增1所引起的模擬量增量和最大輸入量的比值成為分辨力,即分辨力1/2n(n為二進(jìn)制數(shù)的位數(shù))。 2)轉(zhuǎn)換精度 用來(lái)衡量D/A轉(zhuǎn)換器在將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量時(shí),所得模擬量的精確程度,它表明實(shí)際的輸出模擬值與理論值之間的偏差。 3)線形度 是指D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際轉(zhuǎn)換特性(各數(shù)字輸入值所對(duì)應(yīng)的各模擬輸出值之間的連線)與理想的轉(zhuǎn)換特性(起點(diǎn)與重點(diǎn)的連線)之間的誤差。 4)建立時(shí)間 是指從數(shù)字量輸入到建立穩(wěn)定的模擬量輸出所需要的時(shí)間。 5)數(shù)據(jù)輸入緩沖能力 當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器本身不具有數(shù)據(jù)鎖存功能時(shí),應(yīng)考慮是否需要在D/A的外部設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖器或鎖存器。 6)輸入數(shù)字量 包括碼制、數(shù)據(jù)的格式和寬度等。多數(shù)D/A轉(zhuǎn)換器只能接受二進(jìn)制碼或BCD碼,輸入數(shù)據(jù)的格式大多為并行碼(也有串行碼,如517等)。 7)輸出模擬量 有電壓和電流兩種形式。多數(shù)D/