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I 摘 要 康復(fù)機(jī)器人是康復(fù)設(shè)備的一種類型，同時(shí)作為醫(yī)療機(jī)器人的一 個(gè)重要分支，它的研究貫穿了康復(fù)醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)械學(xué)、機(jī)械 力學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及機(jī)器人學(xué)等諸多領(lǐng)域，已 經(jīng)成為了國際機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。康復(fù)醫(yī)學(xué)工程雖然在我 國得到了普遍的重視，但由于康復(fù)機(jī)器人研究尚處于起步階段，一 些簡單康復(fù)器械目前還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場對(duì)智能化、人機(jī)工程化康 復(fù)機(jī)器人的需求，因此有待進(jìn)一步的研究和發(fā)展。 本文從使用角度分析了人體上肢運(yùn)動(dòng)原理，設(shè)計(jì)了一種坐式上 肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，用于心腦血管疾病或神經(jīng)系統(tǒng)疾病造成的上肢 體損傷患者的上肢康復(fù)訓(xùn)練。本設(shè)計(jì)中的上肢康復(fù)機(jī)器人主要由機(jī) 身、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。機(jī)身包括放置于地面上的基座、兩 根可以伸縮的立柱以及上橫梁；運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)則由上肢前后擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、 上肢屈伸機(jī)構(gòu)和上肢分合機(jī)構(gòu)組成，它們分別裝在機(jī)身的基座、立 柱和橫梁上，且分別由單獨(dú)的電機(jī)和減速器驅(qū)動(dòng)；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包 括傳動(dòng)軸、絲杠螺母副、同步齒形帶等元件。該機(jī)器人在單片機(jī)的 控制下，實(shí)現(xiàn)患者的上肢前后擺、屈伸、分合運(yùn)動(dòng)以及手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的 康復(fù)訓(xùn)練；也可啟動(dòng)部分電機(jī)，完成其中的部分康復(fù)訓(xùn)練。 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，小型化、輕量化而且更接近實(shí)用的人 工智能機(jī)器人不斷地被開發(fā)研制出來，人們對(duì)康復(fù)機(jī)器人的未來也 充滿了期待。 II 關(guān)鍵詞：上肢；康復(fù)機(jī)器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；傳動(dòng)機(jī)構(gòu) III ABSTRACT Rehabilitation robot is a type of rehabilitation facilities, and as an important branch of medical robots at the same time, it comes from the rehabilitation medicine, biomechanics, mechanics, mechanics of machinery, electronics, material science, computer science and robotics, and many other areas, and it has become a research hotspot in the field of international robot. Medical Engineering in our country has been received widespread attention though, and because of rehabilitation robotics still in its infancy, some simple rehabilitation equipment is far from meeting intelligence, ergonomics of the rehabilitation robot needs, so we still need to do some further research and development. From the use of perspective, the upper limb movement principle of the human body is analyzed. And the seated upper extremity rehabilitation robot is designed for the cardiovascular diseases or diseases of the nervous system on the body damage in patients with upper limb rehabilitation training. The design of upper limb rehabilitation robot is mainly composed of the fuselage, the motion mechanism and the transmission mechanism. The fuselage includes the platform base, two scalable columns and a beam; The motion mechanism consists of the back and forth various agency, the flex movement agency, the lifting agency and the wrist rotation agency, respectively installed on the base of IV the fuselage, the stand column and the beam, and the every movement is driven by the separate drive motor and reducer; The transmission mechanism is composed of the transmission shaft, screw nut pair and elements such as synchronous cog belt. The upper limb’s pendulum, expand and the rotation of the wrist of patients are realized by the robot under the control of the MCU. Part of the rehabilitation training also can be started by motor. With the development of robot technology, miniaturization, lightweight and more close to practical robot of artificial intelligence are constantly developed, and people is full of expectation to the future of the rehabilitation robot. Key words：upper limb; rehabilitation robot; structural design; motion mechanism; transmission mechanism V 目 錄 第 1 章 緒論 ................................................................................................................1 1.1 本課題的目的與意義 .........................................................................................1 1.2 康復(fù)機(jī)器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ..........................................................................2 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 ..............................................................................................2 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 ..............................................................................................5 1.3 本課題主要研究內(nèi)容 ..........................................................................................7 第 2 章 上肢康復(fù)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)方案 ....................................................................8 2.1 總體方案設(shè)計(jì) ......................................................................................................8 2.1.1 機(jī)器人整體尺寸的選擇 ..............................................................................8 2.1.2 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置的選擇 ..............................................................................8 2.1.3 機(jī)器人的總體方案 ......................................................................................9 2.2 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì) ........................................................................................10 2.2.1 前后擺動(dòng)機(jī)構(gòu) ............................................................................................10 2.2.2 屈伸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) ............................................................................................10 2.2.3 分合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) ............................................................................................11 2.2.4 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu) ............................................................................................12 2.3 本章小結(jié) ............................................................................................................12 第 3 章 上肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ..................................................................13 3.1 前后擺動(dòng)機(jī)構(gòu) ....................................................................................................13 3.1.1 電機(jī)的選擇 ................................................................................................13 VI 3.1.2 減速器的選擇 ............................................................................................14 3.1.3 聯(lián)軸器的選擇 ............................................................................................15 3.1.4 軸的設(shè)計(jì)與校核 ........................................................................................16 3.1.5 鍵選擇及校核計(jì)算 ....................................................................................18 3.1.6 整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) ........................................................................................19 3.2 屈伸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) ....................................................................................................20 3.2.1 電機(jī)的選擇 ................................................................................................20 3.2.2 聯(lián)軸器的選擇 ............................................................................................21 3.2.3 絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 ........................................................................................21 3.2.4 錐齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 ....................................................................................23 3.2.5 軸承校核 ....................................................................................................25 3.2.6 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) ........................................................................................26 3.3 分合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) ....................................................................................................27 3.3.1 電機(jī)的選擇 ................................................................................................27 3.3.2 支撐座的設(shè)計(jì) ............................................................................................28 3.3.3 橫梁的設(shè)計(jì) ................................................................................................29 3.3.4 同步齒形帶設(shè)計(jì) ........................................................................................29 3.3.5 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) ........................................................................................31 3.4 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu) ....................................................................................................31 3.4.1 電機(jī)的選擇 ................................................................................................31 3.4.2 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) ........................................................................................32 3.5 本章小結(jié) ............................................................................................................33 第 4 章 總結(jié) ..............................................................................................................34 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................35 VII 致 謝 ............................................................................................................................37 1 第 1 章 緒論 1.1 本課題的目的與意義 隨著科技進(jìn)步與人民生活水平的提高，我國和世界上其它國家一樣，正在向老 年化結(jié)構(gòu)發(fā)展，伴隨而來的是心腦血管疾病或神經(jīng)系統(tǒng)患者正呈現(xiàn)逐年增長的趨勢(shì)。 腦中風(fēng)就是其中一種，這種疾病嚴(yán)重威脅了中老年人身體健康，我國每年新發(fā)腦中 風(fēng)病例 120-150 萬人，死亡者 80-100 萬人，死亡率高達(dá) 66.7%。這種疾病有偏癱癥 狀 [1]，將引發(fā)患者肢體運(yùn)動(dòng)功能的喪失，尤其是上肢運(yùn)動(dòng)功能的喪失，極大地影響 了患者日常生活。臨床上對(duì)偏癱患者的康復(fù)方法很大程度依賴于治療醫(yī)師對(duì)患者一 對(duì)一的指導(dǎo)和訓(xùn)練，這種方法存在一些問題：首先，一位治療醫(yī)師只能對(duì)一位患者 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，效率低；其次，治療效果大多數(shù)情況下取決于治療醫(yī)師的水平和經(jīng) 驗(yàn)；再次，不能控制和記錄精確參數(shù)，不利于治療方案的確定和改進(jìn)，康復(fù)評(píng)價(jià)指 標(biāo)不客觀?？傊?，這種方法是一種勞力集中的過程，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，也缺乏量化且 客觀的評(píng)價(jià)，不利于偏癱患者康復(fù)規(guī)律的深入研究。 為了減輕家庭和社會(huì)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，提高康復(fù)訓(xùn)練效率，同時(shí)隨著機(jī)器人技術(shù)的 迅速發(fā)展，研究者們開始將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到了康復(fù)領(lǐng)域，提出了康復(fù)機(jī)器人。與 傳統(tǒng)康復(fù)方法相比，康復(fù)機(jī)器人能滿足患者對(duì)訓(xùn)練強(qiáng)度的不同要求，極大的減輕了 治療醫(yī)師的體力勞動(dòng)，也減少了臨床醫(yī)療人員的負(fù)擔(dān)和衛(wèi)生保健的成本；另外康復(fù) 機(jī)器人能對(duì)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過程進(jìn)行客觀的監(jiān)測與評(píng)價(jià)，可以詳實(shí)地記錄治療數(shù)據(jù)及圖形， 從而提供了客觀、準(zhǔn)確的治療和評(píng)價(jià)參數(shù)，能夠幫助患者制定更好的康復(fù)方案，進(jìn) 一步提高康復(fù)的效率，同時(shí)也有助于康復(fù)機(jī)器人輔助治療偏癱研究的深入開展，具 有改善康復(fù)效果和提高康復(fù)效率的潛力。 本文真對(duì)心腦血管疾病或神經(jīng)系統(tǒng)疾病造成的上肢體損傷患者，設(shè)計(jì)了一種坐 式上肢康復(fù)機(jī)器人。該機(jī)器人通過機(jī)械手臂帶動(dòng)患者的患肢在水平或垂直面運(yùn)動(dòng)， 利用計(jì)算機(jī)控制上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與人的上肢協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到最佳康 復(fù)效果。 2 1.2 康復(fù)機(jī)器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 康復(fù)機(jī)器人是康復(fù)醫(yī)學(xué)與機(jī)器人學(xué)科結(jié)合的成果，屬于醫(yī)療機(jī)器人范疇?？祻?fù) 機(jī)器人主要分為兩種：功能輔助型康復(fù)機(jī)器人和康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人 [2]。功能輔助型康 復(fù)機(jī)器人的主要功能是幫助肢體運(yùn)動(dòng)有困難的患者完成各種動(dòng)作，其產(chǎn)品主要有機(jī) 器人輪椅、機(jī)械外骨骼、導(dǎo)盲手杖、機(jī)器人護(hù)士、機(jī)器人假肢等?？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)性訓(xùn)練，如上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、下肢行 走訓(xùn)練、頸部運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、脊椎運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練等。 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 在歐美等國家，上肢康復(fù)機(jī)器人在 20 世紀(jì) 0 年代就開始起步了。隨著科技醫(yī) 療技術(shù)的發(fā)展，更是得到了醫(yī)療機(jī)構(gòu)和科研工作者的大力重視，繼而開展了相關(guān)的 研究工作。 1993 年，加利福尼亞大學(xué)的 lum 設(shè)計(jì)了名為手-物體-手的康復(fù)裝置 [3] (圖 1.1a)。 該裝置從人類日常生活中對(duì)雙手協(xié)調(diào)性工作的需要出發(fā)，以簡單的雙手移動(dòng)和擠壓 物體訓(xùn)練雙手協(xié)調(diào)性。2 年后，lum 又設(shè)計(jì)出另一套訓(xùn)練雙手上舉協(xié)調(diào)性的裝置 [4] (圖 1.1b) ，并在裝置上綁上裝滿咖啡的杯子，依靠裝置為患手提供力輔助而成功 完成上舉的實(shí)驗(yàn)來證明了該裝置的可行性。這兩個(gè)裝置結(jié)構(gòu)功能都比較簡單，由于 實(shí)驗(yàn)是由正常人完成的，因此未作出對(duì)肌肉運(yùn)動(dòng)功能的評(píng)價(jià)。 (a) (b) 圖 1.1 lum 研制的上肢康復(fù)裝置 1999 年，Cozens JA Lastair 設(shè)計(jì)了一套肘部康復(fù)裝置 [5] (如圖 1.2 所示)，該裝 置跟隨支撐臂前方的閃爍燈執(zhí)行 10°~80°的肘部屈/ 伸運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)獲取電子量角器、 3 加速度計(jì)的反饋，根據(jù)控制法則對(duì)支撐臂上的患肢運(yùn)動(dòng)進(jìn)行外力輔助或干擾，最后 依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，給出訓(xùn)練方式的效果比較。 圖 1.2 肘部運(yùn)動(dòng)康復(fù)裝置 2000 年芝加哥大學(xué)研制了一種 ARM Guide 訓(xùn)練裝置 [6,7]，如圖 1.3 所示。該裝 置具有 3 個(gè)自由度，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)其中 2 個(gè)自由度 Yaw 和 Pitch 使患者完成不同直 線軌跡的 Reach 訓(xùn)練。訓(xùn)練過程中患者手臂綁在夾板上，沿直線軌道練習(xí) 5 個(gè)目標(biāo) 點(diǎn)的 Reach 運(yùn)動(dòng) ,并利用傳感器測量患者前臂施力大小。訓(xùn)練療程完成后，使患者 完成日常生活動(dòng)作，對(duì)比所記錄的軌跡范圍、直線度、平滑度，并利用未訓(xùn)練過的 點(diǎn)來檢驗(yàn)未訓(xùn)練區(qū)域的運(yùn)動(dòng)恢復(fù)，該訓(xùn)練裝置的設(shè)計(jì)思路與機(jī)構(gòu)決定了其訓(xùn)練方式 的單一性，因此很難進(jìn)行訓(xùn)練方式的擴(kuò)展及深入研究。 圖 1.3 ARM Guide 訓(xùn)練裝置 麻省理工學(xué)院從 1995 年開始研制一種被稱為 MIT-Manus 的康復(fù)機(jī)器人[8] (如 圖 1.4)。該機(jī)器人采用連桿機(jī)構(gòu)，患者握住機(jī)構(gòu)末端的手柄完成平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。 計(jì)算機(jī)為患者提供視覺反饋。該裝置的主要特點(diǎn)是具有反向可驅(qū)動(dòng)性，也就是采用 阻抗控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)末端點(diǎn)平滑和柔順，遵從患者運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生平滑快速運(yùn)動(dòng)?；颊哌M(jìn)行 4 圓或直線路徑的平面運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練后，利用臨床評(píng)價(jià)方法及采集到的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行評(píng) 價(jià)，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人訓(xùn)練對(duì)肌肉群的恢復(fù)有十分有效。另一方面，在研究人員記錄下， 患者訓(xùn)練前后的動(dòng)作完成過程中運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，如軌跡、速度等等，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 傳統(tǒng)的方法在實(shí)驗(yàn)前后的評(píng)價(jià)值不變，而實(shí)際上患者肌肉功能已經(jīng)有了比較明顯的 改善，由此證明了醫(yī)學(xué)臨床評(píng)價(jià)的粗糙。 圖 1.4 MIT-MANUS 圖 1.5 ARMin 康復(fù)機(jī)器人 瑞士蘇黎世大學(xué)研究出了 ARMin 康復(fù)機(jī)器人 [9] (圖 1.5)，它具有低慣量、低摩 擦、可反向驅(qū)動(dòng)的特性。該裝置具有 6 個(gè)自由度(4 個(gè)主動(dòng)、2 個(gè)被動(dòng))及 4 種運(yùn)動(dòng) 模式,其中預(yù)定軌跡模式為醫(yī)生指導(dǎo)患者手臂運(yùn)動(dòng)，并記錄下軌跡，其后由機(jī)器人 以不同速度對(duì)該軌跡進(jìn)行重復(fù)；預(yù)定義治療模式是在預(yù)定的幾種標(biāo)準(zhǔn)治療練習(xí)中進(jìn) 行選擇訓(xùn)練；在點(diǎn)到達(dá)模式中，預(yù)定到達(dá)點(diǎn)通過圖像顯示給患者，由機(jī)器人對(duì)患者 肢體進(jìn)行支撐和引導(dǎo)完成訓(xùn)練；患者引導(dǎo)力支持模式中，運(yùn)動(dòng)軌跡由患者確定，利 用測得的位置、速度信息通過系統(tǒng)的機(jī)械模型來預(yù)測所需力與力矩的大小，并通過 5 一個(gè)可調(diào)輔助因子來提供一部分力和力矩。該裝置目前仍然在研究中，利用健康人 作了一些機(jī)構(gòu)的可行性實(shí)驗(yàn),還未提出任何評(píng)價(jià)方法。 意大利的 Roberto Colombo 等人研制了自由度腕關(guān)節(jié)（圖 1.6）和自由度肩肘 關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人（圖 1.7） [10]。腕關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人提供的工作范圍是±90°，最大 阻抗扭矩為±9Nm，其控制系統(tǒng)包括兩個(gè)控制環(huán)；肩肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的功能原則 是二位空間的自然伸縮。在康復(fù)過程中評(píng)定康復(fù)的儀器可以記錄患者的運(yùn)動(dòng)參數(shù)并 作出評(píng)價(jià)。 圖 1.6 自由度腕關(guān)節(jié)機(jī)器人 圖 1.7 自由度肩肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)關(guān)于上肢康復(fù)機(jī)器人的研究起步較晚，但經(jīng)過國內(nèi)研究者們努力的探討， 在這一領(lǐng)域也有了一定的成果。 臺(tái)灣國立成功大學(xué)設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于平面上肘關(guān)節(jié)屈/伸運(yùn)動(dòng)的康復(fù)機(jī)器人 [11]， 利用模糊控制器完成精確的位置與力的控制，對(duì)一定數(shù)量的正常人和偏癱患者進(jìn)行 圓形軌跡運(yùn)動(dòng)的臨床試驗(yàn)中，在運(yùn)動(dòng)方向上給予適當(dāng)?shù)淖枇Γ⒂蓜傂詤?shù)及測得 的肱二頭肌和肱三頭肌機(jī)電信號(hào)分別對(duì)運(yùn)動(dòng)控制能力與運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性進(jìn)行量化評(píng)估。 清華大學(xué)在國家“863”計(jì)劃支持下，從 2000 年起即開展了機(jī)器人輔助神經(jīng)康 復(fù)的研究，研制了一種上肢康復(fù)設(shè)備 UECM[12-14]，可以在平面內(nèi)進(jìn)行兩個(gè)自由度 的運(yùn)行訓(xùn)練，如圖 1.8 所示。 6 圖 1.8 上肢復(fù)合運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)（清華大學(xué)研制） 哈爾濱工程大學(xué)研制了多功能手臂康復(fù)訓(xùn)練器 [15]，如圖 1.9 所示，該訓(xùn)練器的 兩個(gè)訓(xùn)練把手在單片機(jī)控制下可以帶動(dòng)被訓(xùn)練者的左右手臂以不同的工作模式進(jìn)行 訓(xùn)練，氣可工作在主動(dòng)訓(xùn)練模式、主從訓(xùn)練模式和阻尼方式。 圖 1.9 多功能手臂康復(fù)訓(xùn)練器 東南大學(xué)設(shè)計(jì)了一套上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng) [16]，機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖 1.10 所示。 此系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)、主動(dòng)和帶阻尼主動(dòng)三種鍛煉模式和一對(duì)多的訓(xùn)練模式。 圖 1.10 單自由度上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 7 上海交通大學(xué)的康復(fù)工程研究所和 CAD 模具研究中心聯(lián)合研制了適用于上肢 康復(fù)的 FES 附件外骨骼康復(fù)機(jī)器人，如圖 1.11 所示。 圖 1.11 FES 附件外骨骼康復(fù)機(jī)器人 1.3 本課題主要研究內(nèi)容 本文中設(shè)計(jì)的上肢康復(fù)機(jī)器人主要由機(jī)身、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。機(jī)身包 括放置于地面上的基座、兩根可以伸縮的立柱以及上橫梁；運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)則由上肢前后 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、上肢屈伸機(jī)構(gòu)和上肢分合機(jī)構(gòu)組成，它們分別裝在機(jī)身的基座、立柱和 橫梁上，且分別由單獨(dú)的電機(jī)和減速器驅(qū)動(dòng)；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括傳動(dòng)軸、絲杠螺母 副、同步齒形帶等元件。該機(jī)器人在單片機(jī)的控制下，實(shí)現(xiàn)患者的上肢前后擺、屈 伸、分合運(yùn)動(dòng)以及手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練；也可啟動(dòng)部分電機(jī)，完成其中的部分康復(fù) 訓(xùn)練 [17]。具體內(nèi)容如下： 第 2 章首先對(duì)上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人進(jìn)行了原理分析，然后選擇合理的設(shè)計(jì)方案， 最出總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 第 3 章對(duì)上肢康復(fù)機(jī)器人中前后擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、屈伸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、分合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和手 腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中主要運(yùn)動(dòng)元件進(jìn)行了選擇與計(jì)算，如電機(jī)、聯(lián)軸器和減速器的選擇， 傳動(dòng)軸、絲杠、同步齒形帶以及錐齒輪等的設(shè)計(jì)校核計(jì)算。同時(shí)用 UG 這款三維軟 件繪制了上肢康復(fù)機(jī)器人的三維結(jié)構(gòu)圖。 第 4 章對(duì)本次設(shè)計(jì)的上肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行了總結(jié)。 8 第 2 章 上肢康復(fù)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)方案 本設(shè)計(jì)的主要工作是設(shè)計(jì)一個(gè)用于上肢康復(fù)的機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)上肢的上下、 屈伸、分合以及手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的康復(fù)訓(xùn)練 [17]。就本設(shè)計(jì)而言，設(shè)計(jì)的主體是兩根可升降 的立柱，放于地面與立柱相連的機(jī)座、橫梁，以及與機(jī)座相連的立柱座、同步齒型 帶和帶輪等等。本章將確定上肢康復(fù)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。 2.1 總體方案設(shè)計(jì) 2.1.1 機(jī)器人整體尺寸的選擇 本文設(shè)計(jì)是坐式上肢康復(fù)機(jī)器人，其主體結(jié)構(gòu)采用金屬材料。受到外來力量主 要是患者的上肢，受力相對(duì)較小，因此機(jī)器人各個(gè)零部件的大小尺寸也應(yīng)相對(duì)較小， 從而減輕機(jī)器人的整體重量。 表 2.1 是《人體主要尺寸表》 [18]，根據(jù)其對(duì)人群中 18~60 歲成年男子和 18~55 歲成年女子各個(gè)主要尺寸的統(tǒng)計(jì)，本次上肢康復(fù)機(jī)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 1659 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 2.1.2 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置的選擇 驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)上肢康復(fù)機(jī)器人而言是至關(guān)重要的。按驅(qū)動(dòng)方式可以分為三類： （1）氣壓驅(qū)動(dòng)，其使用壓力通常在 0.4～0.6MPa，最高可達(dá) 1MPa。氣壓驅(qū)動(dòng) 的氣源一般是由壓縮空氣站提供的壓縮空氣，因此方便快捷。另外，氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 9 具有緩沖作用，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可以在高溫、粉塵等惡劣環(huán)境中工作。但是其 功率質(zhì)量比小，裝置體積大，同時(shí)由于空氣的壓縮性使得機(jī)器人在任意定位時(shí)，位 置精度不高。因此只適合于易燃、易爆和灰塵大的場合。 （2）液壓驅(qū)動(dòng)，一般用 2～5MPa 的油液驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。與氣壓驅(qū)動(dòng)相比，其優(yōu) 點(diǎn)是體積較小，功率質(zhì)量比大，驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)，且固有效率高，快速性好。此外，液壓 驅(qū)動(dòng)調(diào)速較為簡單，能在很大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速。缺點(diǎn)是易漏油，從而影響了工 作穩(wěn)定性和定位精度，再者也對(duì)環(huán)境造成了污染。因此其多用于要求輸出力較大， 運(yùn)動(dòng)速度較低的場合。 （3）電氣驅(qū)動(dòng)，一般是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩直接或經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)去 驅(qū)動(dòng)載荷，從而減少了電能轉(zhuǎn)為壓力能的中間環(huán)節(jié)，可以直接獲得要求的機(jī)器人運(yùn) 動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)是易于控制，運(yùn)動(dòng)精度高，響應(yīng)快，使用方便，信號(hào)檢測。傳遞和處理 方便，成本低廉，驅(qū)驅(qū)動(dòng)效率高，不污染環(huán)境等。因而電氣驅(qū)動(dòng)得到了研究者的青 睞，在機(jī)器人上獲得了廣泛應(yīng)用。 本文中的上肢康復(fù)機(jī)器人承受的驅(qū)動(dòng)負(fù)載較小，且要求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易 于控制，因此選擇電氣驅(qū)動(dòng)作為其驅(qū)動(dòng)方式。具體的驅(qū)動(dòng)裝置則選用直流伺服電動(dòng) 機(jī)，它具有體積小、重量輕和良好的控制性等優(yōu)點(diǎn)，使得整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊， 成本低廉，操作方便。 2.1.3 機(jī)器人的總體方案 綜合考慮了上肢康復(fù)機(jī)器人所要實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)之后，其總體方案為：機(jī)身、運(yùn)動(dòng) 機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 圖 2.1 上肢康復(fù)機(jī)器人 10 機(jī)身包括放置于地面上的基座、兩根可以伸縮的立柱以及上橫梁；運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)則 由上肢前后擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、上肢屈伸機(jī)構(gòu)和上肢分合機(jī)構(gòu)以及手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，它們 分別裝在機(jī)身的基座、立柱和橫梁上，且分別由單獨(dú)的電機(jī)和減速器驅(qū)動(dòng)；傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)主要包括傳動(dòng)軸、絲杠螺母副、同步齒形帶等元件。上肢康復(fù)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu) 如圖 2.1 所示。 2.2 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì) 2.2.1 前后擺動(dòng)機(jī)構(gòu) 上肢康復(fù)機(jī)器人前后擺機(jī)構(gòu)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)患者的上肢進(jìn)行前后擺康復(fù)訓(xùn)練的功能。 而前后擺運(yùn)動(dòng)需滿足兩個(gè)要求： 1、擺動(dòng)的角度要足夠大，從而使患者上肢的肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)得到充分的康復(fù) 訓(xùn)練； 2、要保證整個(gè)前后擺機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，即患者在康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，上肢在 任何位置在能安全地停止。 從而，本設(shè)計(jì)中將前后擺動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在基座上，由直流減速電機(jī)、減速器、傳 動(dòng)軸、軸承座等組成。其中直流減速電機(jī)固定在底座上，通過聯(lián)軸器與減速器連接； 減速器的另一端則與傳動(dòng)軸連接在一起。由單片機(jī)控制電機(jī)，帶動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí) 現(xiàn)對(duì)上肢前后擺動(dòng)的康復(fù)訓(xùn)練，其運(yùn)動(dòng)簡圖如圖 2.2 所示。 圖 2.2 前后擺動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖 2.2.2 屈伸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 上肢康復(fù)機(jī)器人的屈伸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要目的是對(duì)患者上肢進(jìn)行屈伸康復(fù)訓(xùn)練， 以患者肩的關(guān)節(jié)肘和肘關(guān)節(jié)得到康復(fù)。為了使患者的上肢有足夠的空間進(jìn)行屈伸訓(xùn) 11 練，本文中的屈伸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了兩根左右對(duì)稱布置的可伸縮立柱。 可伸縮立柱包括外套筒、內(nèi)套筒、立柱座（箱體）。而由直流電機(jī)、錐齒輪副、 絲杠螺母副組成的機(jī)構(gòu)則能使立柱進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)。其中絲杠螺母副由一對(duì)角接觸球 軸承固定；立柱座（箱體）和外套筒則借助法蘭盤，用螺栓通過擋圈與軸承外圈連 接；內(nèi)套筒插裝在外套筒內(nèi)，通過螺母與絲杠連接，組成絲杠螺母副，其運(yùn)動(dòng)簡圖 如圖 2.3 所示。 在直流電機(jī)作用下，穿過側(cè)壁的傳動(dòng)軸帶動(dòng)錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將運(yùn)動(dòng)傳給絲杠，從 而帶動(dòng)內(nèi)套筒在立柱內(nèi)同步的向上下滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上肢的屈伸康復(fù)運(yùn)動(dòng)。 同時(shí)，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(jì)絲杠時(shí)需讓絲杠 具有自鎖的功能，讓患者可以在任何一位置進(jìn)行其他的康復(fù)訓(xùn)練。 圖 2.3 屈伸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖 2.2.3 分合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 上肢康復(fù)機(jī)器人中設(shè)計(jì)分合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的目的實(shí)現(xiàn)患者上肢分合康復(fù)訓(xùn)練。設(shè)計(jì) 分合機(jī)構(gòu)時(shí)，空間要足夠大，從而能使患者上肢得到相應(yīng)強(qiáng)度的分合康復(fù)訓(xùn)練，且 要主要減少噪音。 圖 2.4 分合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖 本文中分合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括直流減速電機(jī)、同步齒形帶傳動(dòng)副、光感滑軌以及把 手。其中直流減速電機(jī)帶有傳感器并借助法蘭盤安裝在橫梁上；橫梁與立柱內(nèi)套筒 12 連接；同步齒形帶輪一端通過擋板和螺釘固定在電機(jī)軸上，另一端通過軸和軸承固 定在橫梁的中部，其運(yùn)動(dòng)簡圖如圖 2.4 所示。 2.2.4 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 上肢康復(fù)機(jī)器人手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要考慮的是患者上肢的固定，從而把手很重要， 本文中把手包括小臂護(hù)套、把手支、架手柄。把手支架法蘭盤面上裝有直流減速電 機(jī)，小臂護(hù)套則由吊環(huán)將其固定在把手支架上面，其運(yùn)動(dòng)簡圖如圖 2.5 所示。 圖 2.5 手腕康復(fù)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖 工作時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)，在單片機(jī)的控制下，帶動(dòng)手柄繞電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)手 腕的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手腕的康復(fù)訓(xùn)練 [19]。 2.3 本章小結(jié) 本章針對(duì)上肢康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，確定了機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)方案，構(gòu)建了 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式及外形框架。包括機(jī)器人整體尺寸的確定、驅(qū)動(dòng)方式的選則和各 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。本章基本確定了康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方案，在接下來的章節(jié)中，將 對(duì)所需的電機(jī)、聯(lián)軸器、減速器進(jìn)行選擇，并對(duì)部分主要零件進(jìn)行設(shè)計(jì)校核計(jì)算。 13 第 3 章 上肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本章的主要內(nèi)容是通過估算上肢康復(fù)機(jī)器人的各個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī) 構(gòu)中的主要元件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算與校核，并對(duì)所需直流電機(jī)、聯(lián)軸器以及減速器 等進(jìn)行選擇。 3.1 前后擺動(dòng)機(jī)構(gòu) 3.1.1 電機(jī)的選擇 本設(shè)計(jì)中，康復(fù)機(jī)器人的總體高度大約為 m，質(zhì)量 kg，轉(zhuǎn)動(dòng)角速1.5h?50? 度 =0.05rad/s，轉(zhuǎn)動(dòng)角度 =30°。w? 對(duì)于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)系統(tǒng)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，機(jī)械的負(fù)載功率為 / (3-1)gLPTw?? 其中， （N. m）表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩， （rad/s ）表示旋轉(zhuǎn)角速度， 表示系統(tǒng)gT ? 的傳動(dòng)效率。 當(dāng) =30°時(shí)， 最大，且 =250Nm，折算到電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩?ggT = /（ ） (3-2)LgT?i 得到電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 =75Nm，功率 P=40w，轉(zhuǎn)速 n=30rpm；L 綜合考慮之后，選擇的是淄博床架電機(jī)有限公司的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)如圖 3.1 所示， 各參數(shù)如表 3.1 所示。 圖 3.1 110SZ55 減速電機(jī) 14 表 3.1 前后擺動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)參數(shù) 型號(hào) 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 3.1.2 減速器的選擇 減速器有很多種類，常用的齒輪及蝸桿減速器按其傳動(dòng)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為三 類： (1)齒輪減速器：主要有圓錐齒輪減速器、圓柱齒輪減速器和圓錐—圓柱齒輪減 速器。它們的優(yōu)點(diǎn)是效率高、壽命長、維護(hù)簡便。 (2)蝸桿減速器：主要有圓弧齒蝸桿減速器、圓柱蝸桿減速器、蝸桿—齒輪減速 器和錐蝸桿減速器。它們的優(yōu)點(diǎn)是在外廓尺寸不大的情況下可以獲得很大的傳動(dòng)比， 且工作平穩(wěn)、噪聲較小，但其傳動(dòng)效率比較低。 (3)行星減速器：主要有擺線針輪減速器、漸開線行星齒輪減速器和諧波齒輪減 速器。它們的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、精度較高、回程間隙小且使用壽命很長，但價(jià)格相 對(duì)其它減速器來說略貴。 上肢肢康復(fù)機(jī)器人在前后擺動(dòng)過程中，需要使患者上肢能夠平穩(wěn)地停在任一位 置。因此本文使用了蝸輪蝸桿減速器來實(shí)現(xiàn)機(jī)械自鎖功能。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(dòng)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(jìn)入及 逐漸推出嚙合的，同時(shí)嚙合的齒對(duì)又比較多，故沖擊載荷小，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲??； ③當(dāng)蝸桿的螺旋線升角小于嚙合面的當(dāng)量摩擦角時(shí)，蝸桿傳動(dòng)變具有自鎖性。 圖 3.2 WD60 渦輪蝸桿減速器 15 在本文中選擇的渦輪蝸桿減速器型號(hào)是 WD60，如圖 3.2 所示，其廠家是河北 橋興減速機(jī)制造有限公司。 3.1.3 聯(lián)軸器的選擇 前后擺動(dòng)機(jī)構(gòu)中減速器和傳動(dòng)軸，減速器與電機(jī)是通過聯(lián)軸器連接起來的，因 此要對(duì)聯(lián)軸器進(jìn)行選擇。聯(lián)軸器種類繁多，按照被連接兩軸的相對(duì)位置和位置的變 動(dòng)情況，可以分為：①固定式聯(lián)軸器。主要用于兩軸要求嚴(yán)格對(duì)中并在工作中不發(fā) 生相對(duì)位移的地方，結(jié)構(gòu)一般較簡單，容易制造，且兩軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速相同，主要有凸 緣聯(lián)軸器、套筒聯(lián)軸器、夾殼聯(lián)軸器等。②可移式聯(lián)軸器。主要用于兩軸有偏斜或 在工作中有相對(duì)位移的地方，根據(jù)補(bǔ)償位移的方法又可分為剛性可移式聯(lián)軸器和彈 性可移式聯(lián)軸器。根據(jù)上肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，本文選用了十字滑塊性頂絲式 彈性聯(lián)軸器。這種聯(lián)軸器的優(yōu)點(diǎn)是： 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、震動(dòng)吸收性優(yōu)； ④軸套與滑塊的移動(dòng)作用、可容許大的偏心與偏角； ⑤順時(shí)針與逆時(shí)針回轉(zhuǎn)特性完全相同。 前后擺動(dòng)機(jī)構(gòu)中減速器與電機(jī)連接的傳動(dòng)軸選用了廣州鉅人自動(dòng)化設(shè)備有限公 司生產(chǎn)的十字滑塊性頂絲式彈性聯(lián)軸器，其型號(hào)為 G4-25T，具體各參數(shù)見表 3.2。 表 3.2 前后擺動(dòng)機(jī)構(gòu)聯(lián)軸器參數(shù) 表 3.3 HL1 聯(lián)軸器參數(shù) 型號(hào) 最大 孔徑 mm 容許 扭矩 N m 容許 偏角 （°） 容許偏 心 mm 慣性力矩 2kg.m質(zhì)量 g 經(jīng)彈性 系數(shù) Nm/rad 最高回轉(zhuǎn) 系數(shù) rpm G4-63T 25 33 3 3.8 4.610??318 1200 2500 型號(hào) 公稱扭矩 Tn N .m 許用轉(zhuǎn) 速 n r/min 軸孔直徑 d1 d2 dz 軸孔 配合 長度 D S 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Kg.m2 重量 Kg HL1 160 33 16 18 42 90 2.5 0.0064 2 16 而傳動(dòng)軸與減速器連接時(shí)，由于其傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩非常大，故其連接時(shí)選用的聯(lián)軸器 是上海聯(lián)軸器車墩業(yè)務(wù)部生產(chǎn)的 HL 型柱銷彈性聯(lián)軸器，型號(hào)是 HL1，其參數(shù)如表 3.3 所示。 3.1.4 軸的設(shè)計(jì)與校核 在前后擺動(dòng)機(jī)構(gòu)中，傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。根據(jù)軸向定位的要求，本文中 傳動(dòng)軸（其結(jié)構(gòu)如圖3.5所示）共分為四段： （1）第Ⅰ段是與軸承相配合的 ，其直徑定為18mm，長度22mm； （2）第Ⅱ段是與立柱座相連接的，其直徑定為20mm，長度58mm； （3）第Ⅲ段直徑定為18mm，長度550mm； （4）第Ⅳ段是通過聯(lián)軸器與渦輪蝸桿連接，其直徑為17mm，長度為30mm。 圖3.3 前后擺動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)軸 在整個(gè)上肢康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，前后擺運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)軸承受的力是最大， 因此，要對(duì)該軸進(jìn)行強(qiáng)度校核： （1）判斷危險(xiǎn)軸段 由于只有第Ⅱ段軸受到載荷與扭矩，因此只需要對(duì)此段軸進(jìn)行強(qiáng)度校核。 該段軸上截面的應(yīng)力為： （3-1）WMmb?? 其中，M m表示彎矩，單位為N·m；W表示抗彎截面模量。 將數(shù)據(jù)代入式3-1得 =3.125Mpa。b? 截面上的轉(zhuǎn)切應(yīng)力為： 19 17 （3-2）2TW?? 其中，T 2表示轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；W T表示抗扭截面模量。 將數(shù)據(jù)代入式3-2得 =156.25MPa。從而有：T? MPa7825.16??Tmb? 軸的材料為40Cr且調(diào)質(zhì)處理，因此有 MPa， MPa， MPa735B?361??2601?? 軸所受到力、彎矩、扭矩、當(dāng)量彎矩如圖3.4所示。 圖3.4 前后擺傳動(dòng)軸受力示意圖 該軸段直徑為： ??3min16<0.ebMdd??? （2）綜合系數(shù)的計(jì)算 該軸段的材料敏感系數(shù)為 ， ，因軸肩而形成的理論應(yīng)力集85.?q7.0?? 中系數(shù)為 ， 。3.???1.? 經(jīng)直線插入可得其有效應(yīng)力集中系數(shù)為： 05.2)1(???????qk7?? 18 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72.0??? 76.0??? 面質(zhì)量系數(shù)為 ，軸表面未經(jīng)強(qiáng)化處理，即 ，則綜合系數(shù)值為：9?? 1q? 93.21????????kK.?? （3）碳鋼系數(shù)的確定 碳鋼的特性系數(shù)取為 ， 。1.0???05.? （4）安全系數(shù)的計(jì)算： 軸的疲勞安全系數(shù)為 （3-3）maKS??????1 （3-4）1a??? （3-52cS???? ） 其中， 表示只考慮彎矩時(shí)的安全系數(shù)， 表示只考慮轉(zhuǎn)矩時(shí)的安全系數(shù)；?SS? 表示材料對(duì)稱循環(huán)的彎曲疲勞極限； 表示材料對(duì)稱循環(huán)的扭轉(zhuǎn)疲勞極限；1? 1? 表示彎曲時(shí)軸的有效應(yīng)力集中系數(shù)； 表示扭轉(zhuǎn)時(shí)軸的有效應(yīng)力集中系數(shù)；?KK? ( MPa)表示扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的應(yīng)力幅； ( MPa)表示扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的平均應(yīng)力； ( a? m a? MPa)表示彎曲應(yīng)力的應(yīng)力幅； ( MPa)表示彎曲應(yīng)力的平均應(yīng)力； 表示計(jì)算疲?caS 勞強(qiáng)度的安全系數(shù)； 表示疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)。S 代入數(shù)據(jù)計(jì)算得 =5， =10， =4 1.5=S，所以該傳動(dòng)軸是安全的 [20]。??ca? 3.1.5 鍵選擇及校核計(jì)算 19 上肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)中立柱座與軸通過鍵進(jìn)行連接，所受到的扭矩非常大。本 設(shè)計(jì)中鍵起到了傳遞力和運(yùn)動(dòng)的作用，為防止因鍵連接強(qiáng)度不夠?qū)е骆I斷裂，影響 整個(gè)上肢康復(fù)機(jī)器人的正常運(yùn)行，甚至發(fā)生事故，要選擇達(dá)到一定強(qiáng)度的鍵。本設(shè) 計(jì)中鍵的參數(shù)如表 3.4 所示。 表 3.4 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 6×6×50 20 44 3 125 100 平鍵強(qiáng)度條件為 = ≤[ ] （3-6）p?kldT 3102?p? 其中，T 表示傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位為 N· m；k 表示鍵與輪轂鍵槽的接觸高度， k=0.5h， h 為鍵的高度，單位為 mm；l 表示鍵的工作長度，圓頭平鍵 l=L-b，平頭 平鍵 l=L，這里 L 為鍵的公稱長度，單位為 mm；b 表示為鍵的寬度，單位為 mm；d 表示軸的直徑，單位為 mm；[ ]表示鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許p? 用擠壓應(yīng)力，一般 45#鋼的[ ]為 100~120MPa。p 所以軸上鍵的擠壓應(yīng)力為： = =95MPa≤120MPap?204315? 滿足條件 [21]。 3.1.6 整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 本文中的上肢康復(fù)機(jī)器人將前后擺動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在基座上，前后擺動(dòng)機(jī)構(gòu)除了直 流減速電機(jī)、減速器、聯(lián)軸器和傳動(dòng)軸等元件外，還包括固定傳動(dòng)軸的軸承以及軸 承座等元件。其中直流減速電機(jī)固定在底座上，通過聯(lián)軸器與減速器連接；減速器 的另一端則與傳動(dòng)軸連接在一起。前后擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的整體三維結(jié)構(gòu)如圖 3.5 所示。 20 圖 3.5 前后擺動(dòng)機(jī)構(gòu) 3.2 屈伸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 3.2.1 電機(jī)的選擇 患者進(jìn)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)定立柱的移 動(dòng)速度為 m/s ，立柱以上整體的質(zhì)量 m=50kg，則其功率為：0.1v? （3-7）1PFv? 將數(shù)據(jù)代入式 3-7，得 =50W。1P 在立柱的傳動(dòng)鏈中，選擇絲杠的效率 =0.375，滾動(dòng)軸承的效率 =0.99，齒輪1?2? 的傳動(dòng)效率為 =0.95，電機(jī)的功率為3? （3-8）123P?? 將數(shù)據(jù)代入式 3-8，得 P=150W。 當(dāng)立柱升降時(shí) ，所受到的垂直方向的阻力 。折算到電0.1m/sv?9.5vLcMFTn?? 動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 應(yīng)滿足折算前后功率不變?cè)瓌t，考慮傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)損耗，LT 則有： （3-9 ）9.5LcMFvTn?? 其中， (N·m)表示折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，F(xiàn) (N·m)表示工作機(jī)構(gòu)直線LT 運(yùn)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)所受到的阻力，v(m/s)表示工作機(jī)構(gòu)的線速度， ( r/min)表示電動(dòng)機(jī)M 的轉(zhuǎn)速， 表示總的傳動(dòng)效率。c? 將數(shù)據(jù)代入式 3-9 有： N. m50.19..93LT??? 21 綜合考慮之后，選擇的是淄博床架電機(jī)有限公司的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)如圖 3.6 所示， 各參數(shù)見表 3.5。 表 3.5 電機(jī)參數(shù) 型號(hào) 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 圖 3.6 110SZ61 電機(jī) 3.2.2 聯(lián)軸器的選擇 屈伸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，在直流電機(jī)作用下，穿過側(cè)壁的傳動(dòng)軸帶動(dòng)錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將 運(yùn)動(dòng)傳給絲杠，從而帶動(dòng)內(nèi)套筒在立柱內(nèi)同步的向上下滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上肢的屈伸康復(fù) 運(yùn)動(dòng)。直流電機(jī)與傳動(dòng)軸也是通過聯(lián)軸器連接，根據(jù)其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，選擇的依然是廣 州鉅人自動(dòng)化設(shè)備有限公司的產(chǎn)品，其型號(hào)為 G4-25T，具體參數(shù)見表 3.6。 表 3.6 屈伸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)聯(lián)軸器參數(shù) 型號(hào) 最大孔徑 mm 容許扭 矩 N m 容許偏 角 （°） 容許偏 心 mm 慣性力矩 2kg.m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 1.9 6.810??24 125 6000 3.2.3 絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 （1）自鎖性校核 螺紋工作表面上的耐磨性條件為： 22 （3-10）??phHdPFuApaa??22? 其中， （N）為作用于螺桿的軸向力， A（ ）為螺紋的面積，aFm （mm）為螺紋中徑，h（mm）為螺紋工作高度，H （mm）為螺母高度，2d 螺紋工作圈數(shù)， 為材料的許用壓力。uP???p 令 則 ，對(duì)于梯形螺紋 h=0.5P，帶入式 3-9 有：2d?2?? （3-11 ） ??2aFd??? 則有 ，取 =25kg 10N/kg=250N, 經(jīng)查表取 =2，螺桿材料選??20.8aFPd??a?? 為鋼- 鑄鐵，其運(yùn)動(dòng)速度 =6~12m/s， =4~7MPa，取 =6MPa ，則有v??p??pmd7.362508.??? 根據(jù)實(shí)際情況，查表選取絲杠公稱直徑 =16mm， =14mm，P =4mm。d2 螺紋升角 = =5.2°?24arctnarct3.1P??? 取摩察系數(shù) =0.14f 當(dāng)量摩擦角 = ?? 0.4arctnarctn8.2osos3????? 因?yàn)?< ，從而絲杠能實(shí)現(xiàn)自鎖性能。?? （2）螺桿