上肢義肢畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書

1、目錄1摘要1ABSTRACT2第1章 緒論3機(jī)械義肢的研究背景3機(jī)械義肢的研究現(xiàn)狀3本文的主要內(nèi)容4第2章 仿生上肢結(jié)構(gòu)分析5仿生上肢的研究方向5人類上肢關(guān)節(jié)分析5第3章 上肢義肢的的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)73.1相關(guān)技術(shù)參數(shù)73.2設(shè)計(jì)原則與要求73.3傳動(dòng)方式和驅(qū)動(dòng)源的選擇及總體方案設(shè)計(jì)9第4章 伺服元件的選取和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算114.1伺服元件的選取114.1.1電機(jī)的選用114.2設(shè)計(jì)與計(jì)算13第5章 上肢義肢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析18小臂及手掌部分設(shè)計(jì)185.2大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)20第6章 總結(jié)21參考文獻(xiàn)22摘要機(jī)械義肢（上肢）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)上肢義肢對(duì)非規(guī)則物品拿取任務(wù)的要求，首先在分析人體機(jī)械原理的基礎(chǔ)上，經(jīng)

2、分析比較各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其次采用絲杠機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)相結(jié)合并選取電機(jī)為驅(qū)動(dòng)元件，設(shè)計(jì)了一種具有六個(gè)自由度的機(jī)械上肢義肢結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單，重量較輕，成本較低，能夠基本實(shí)現(xiàn)對(duì)真人手臂動(dòng)作的模仿。最后，設(shè)計(jì)上肢義肢結(jié)構(gòu)的零部件，完成驅(qū)動(dòng)原件和標(biāo)準(zhǔn)件的選擇和校核，繪制上肢義肢結(jié)構(gòu)二維整體裝配圖及主要零部件圖。關(guān)鍵詞：機(jī)械義肢；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；手臂；校核ABSTRACT Machinery predefined limb (upper limb) of structure design， according to upper limb predefined limb on non-rules items

3、took take task of requirements，first in analysis human machinery principle of based Shang， by analysis comparison various structure design，last used screw institutions and linkage phase combined and select motor for drive components，design has a has six a freedom of machinery upper limb predefined l

4、imb structure，this structure compact，and simple，control features strong，weight more light， cost lower，to basic achieved on real arm action of imitation. Upper limb prostheses design structural components，complete drive selection of original and standard parts and checking,draw the arm limb structure

5、s of two-dimensional General Assembly and main parts diagram.Keywords：structure；design of mechanical ；prosthetic；arm；check第1章 緒論1.1 機(jī)械義肢的研究背景根據(jù)2006年第二次全國(guó)殘疾人抽樣調(diào)查和國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的公告，我國(guó)目前約有2412萬(wàn)的肢殘患者，其中29%為上肢殘疾患者與1987年第一次全國(guó)殘疾人抽樣調(diào)查的肢殘患者755萬(wàn)人相比，同比增長(zhǎng)60%，現(xiàn)在，每年都有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的健康人因自然災(zāi)害、疾病、戰(zhàn)爭(zhēng)、交通事故等原因淪為了肢殘患者。2008年5月的漢川大地震和2010

6、年4月的玉樹地震給近3萬(wàn)多人帶來了肢體殘疾，肢殘患者存在對(duì)肢體功能及美觀的需求，佩帶假肢是實(shí)現(xiàn)其需求的主要手段。因此，假肢的設(shè)計(jì)研發(fā)應(yīng)用到了眾多肢殘患者的幸福生活中，同時(shí)也存在著巨大的市場(chǎng)潛力。1.2 機(jī)械義肢的研究現(xiàn)狀與國(guó)內(nèi)相比，歐美和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在假肢的研發(fā)方面已經(jīng)取得了很多驕人的成果，其材料由鋼鐵、鋁鎂合金發(fā)展到了現(xiàn)在的欽合金、乙酞、聚碳酸醋、碳纖維等質(zhì)量輕，其控制方式也在從傳統(tǒng)的機(jī)械索控向著智能和仿生的方向發(fā)展。神經(jīng)一機(jī)器接口技術(shù)是一種假肢智能化技術(shù)，目前，世界上己有多家假肢與機(jī)器人公司開發(fā)了多功能的機(jī)電一體化人工肢體或部件，日本東海大學(xué)教授曲谷一成新開發(fā)出一種高精度假肢控制系統(tǒng)，能

7、讓假手變活，肢殘患者在失去殘肢的前幾個(gè)月中仍可能產(chǎn)生被稱為幻肢現(xiàn)象的幻覺，能感覺肢體似乎仍然存在并能依據(jù)本人的意志活動(dòng)，在此期間，如果對(duì)患者進(jìn)行康復(fù)治療，同時(shí)安裝肌肉電勢(shì)假手，就不會(huì)給患者的日常生活造成障礙，雖然不同人肌肉發(fā)達(dá)程度和收縮力存在差異，加上測(cè)量方法的局限，但是此肌肉電勢(shì)假手動(dòng)作準(zhǔn)確率己能達(dá)到90%左右，英國(guó)TouchBionicS公司制造出商用化的人造機(jī)器手臂，五根手指可以獨(dú)立運(yùn)作，與正常手指一樣能操作極為細(xì)膩的動(dòng)作，例如用鑰匙、拿名片等。機(jī)器人公司的Shadowrobot可以做24個(gè)不同的動(dòng)作。哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉教授研制的“五指仿人型假手”具有力度和位置雙重感應(yīng)功能，整個(gè)假手有三個(gè)

8、電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能輕松實(shí)現(xiàn)抓、握等工作，可幫助肢殘者實(shí)現(xiàn)部分生活自理。目前，2個(gè)自由度以下的義肢，其功能不強(qiáng)，主要用來滿足患者對(duì)美觀的需求，多數(shù)高端的多自由度肌電和腦電仿生假肢主要應(yīng)用于肘部以下殘肢，并沒有應(yīng)用于肩離斷假肢的研究，并且其高昂的價(jià)格往往使一般的肢殘患者望而卻步。因此，低成本、高性能的機(jī)械義肢的研究具有一定的科研價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)潛力。1.3 本文的主要內(nèi)容在查閱大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，在老師的指導(dǎo)下，本設(shè)計(jì)主要進(jìn)行了如下研究工作：1、首先對(duì)人體上肢機(jī)械原理進(jìn)行分析。2、總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)選擇與比較，確定合適的上肢義肢結(jié)構(gòu)。3、設(shè)計(jì)上肢義肢結(jié)構(gòu)的零部件，完成驅(qū)動(dòng)原件和標(biāo)準(zhǔn)件的選擇和校核，主要包

9、括絲桿、齒輪等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。4、繪制上肢義肢結(jié)構(gòu)整體裝配圖及主要零部件圖。第2章 仿生上肢結(jié)構(gòu)分析2.1 仿生上肢的研究方向在仿生機(jī)構(gòu)學(xué)中，特別重視對(duì)人體上肢和下肢的結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)機(jī)能的分析與研究，以便模擬制造出高水平的人造手足。根據(jù)用途的不同，機(jī)械臂一般可分為兩類：一類是從適應(yīng)作業(yè)的形態(tài)來設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)械手，其動(dòng)作簡(jiǎn)單、工作效率高，與人手幾乎毫無共同之處。另一類則是仿生機(jī)械臂、它借鑒人類手足的機(jī)構(gòu)組成特點(diǎn)，靈巧地模擬人類手足的動(dòng)作。由于仿生機(jī)械手臂是多關(guān)節(jié)型的，因而，研究其機(jī)構(gòu)的組成方法、關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、動(dòng)力及抓握力乃至控制方法等均是仿生手臂的重要研究方向。2.2 人類上肢關(guān)節(jié)分析2手部為了

10、抓握物體，手必須改變其形狀，這是由掌骨和指骨、指骨與指骨間的特定關(guān)節(jié)形式?jīng)Q定的。掌指關(guān)節(jié)有繞兩個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的白由度，而指間關(guān)節(jié)則是屈戍關(guān)節(jié)，只有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，由于拇指掌骨基部鞍狀面的作用，使得拇指可與其他四指相對(duì)，為于抓取物體和做細(xì)巧的動(dòng)作提供，手指的關(guān)節(jié)都是3個(gè):掌指關(guān)節(jié)、近位指節(jié)關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)位指節(jié)關(guān)節(jié)，如圖所示，從工程的觀點(diǎn)，人手是由許多連桿構(gòu)件，通過特定關(guān)節(jié)聯(lián)接組成的空間機(jī)構(gòu)，肌肉群的收縮經(jīng)由肌胞帶動(dòng)這些桿件來完成非常復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。圖2.1 手指上的關(guān)節(jié)2腕部腕關(guān)節(jié)的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由1及其運(yùn)動(dòng)范圍如圖所示。當(dāng)環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)至最大限度時(shí)，手的縱軸在空間形成一錐面，稱為環(huán)轉(zhuǎn)錐。由于尺骨與腕骨不接觸，因而腕關(guān)節(jié)

11、實(shí)際上是撓腕關(guān)節(jié)和腕中關(guān)節(jié)二者的復(fù)合關(guān)節(jié)，其作用類似兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸不在一個(gè)平面上的二個(gè)橢球面。圖2.2 手腕部2小臂部人類手臂是尺骨和撓骨之間構(gòu)成的尺撓機(jī)構(gòu)，它具有了整體扭轉(zhuǎn)的功能。為分析尺撓機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，先假定尺骨相對(duì)撓骨保持不動(dòng)。在這種情況下，小臂的旋轉(zhuǎn)軸行經(jīng)小指及尺骨的內(nèi)側(cè)緣。當(dāng)我們迫使前臂與桌面接觸并作旋轉(zhuǎn)全過程時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)這種情況，此時(shí)主要表現(xiàn)出撓骨下端圍繞尺骨的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。然而，在日?；顒?dòng)中，小臂的旋轉(zhuǎn)軸常與手的縱軸相吻合，即通過中指及其掌骨。當(dāng)撓骨圍繞著尺骨轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，尺骨也繞著撓骨轉(zhuǎn)動(dòng)，因而撓骨的旋轉(zhuǎn)移位立刻就被尺骨頭的繼發(fā)運(yùn)動(dòng)復(fù)合，只是尺骨頭所劃過的弧較撓骨莖突所劃的弧要短些。尺

12、骨與撓骨之間的這種特殊運(yùn)動(dòng)，是由其兩端的環(huán)狀關(guān)節(jié)面提供的。2.2.4 上臂部人類上臂僅由一根膿骨構(gòu)成。膿骨的上端是球面肩關(guān)節(jié)，其下端主要是放骨滑車與尺骨組成的轉(zhuǎn)動(dòng)肘關(guān)節(jié)。為適應(yīng)小臂僥骨的運(yùn)動(dòng)，與撓骨相接的膿骨小頭呈半球形。第3章 上肢義肢的的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1相關(guān)技術(shù)參數(shù)上肢義肢的技術(shù)參數(shù)反映了義肢可勝任的工作、具有的最高操作性能等情況，是選擇、設(shè)計(jì)、應(yīng)用義肢所必須考慮的問題。上肢義肢的主要技術(shù)參數(shù)一般有自由度、工作范圍、承載能力及最大速度等。1、自由度：是指上肢義肢所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，不包括手爪(末端執(zhí)行器)的開合自由度。2、精度：上肢的精度主要依存于機(jī)械誤差、控制算法誤差與分辨率系統(tǒng)

13、誤差。機(jī)械誤差主要產(chǎn)生于傳動(dòng)誤差、關(guān)節(jié)間隙與連桿機(jī)構(gòu)的撓性。傳動(dòng)誤差是由輪齒誤差、螺距誤差等所引起的。3、工作范圍：是指義肢手臂末端或手腕中心所能到達(dá)的所有點(diǎn)的集合，也叫做工作區(qū)域。4、承載能力：是指義肢在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量。3.2 設(shè)計(jì)原則與要求3.2.1 設(shè)計(jì)原則1、最小運(yùn)動(dòng)慣量原則：由于操作機(jī)運(yùn)動(dòng)部件多，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)經(jīng)常改變，必然產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)，采用最小運(yùn)動(dòng)慣量原則，可增加操作機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，提高操作機(jī)動(dòng)力學(xué)特性。為此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下，盡量減小運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量，并注意運(yùn)動(dòng)部件對(duì)轉(zhuǎn)軸的質(zhì)心配置。2、尺度規(guī)劃優(yōu)化原則：當(dāng)設(shè)計(jì)要求滿足一定工作空間要求時(shí)，通

14、過尺寸優(yōu)化以選定最小的臂桿尺寸，這將有利于操作機(jī)剛度的提高，使運(yùn)動(dòng)慣量進(jìn)一步降低。3、高強(qiáng)度材料選用原則：由于操作機(jī)從手腕、小臂、大臂到機(jī)座是依次作為負(fù)載起作用的，選用高強(qiáng)度材料以減輕零部件的質(zhì)量是十分必要的。4、剛度設(shè)計(jì)的原則：操作設(shè)計(jì)中，剛度是比強(qiáng)度更重要的問題，要使剛度最大，必須恰當(dāng)?shù)剡x擇桿件剖面形狀和尺寸，提高支承剛度和接觸剛度，合理地安排作用在臂桿上的力和力矩，盡量減少桿件的彎曲變形。5、可靠性原則：義肢操作機(jī)因機(jī)構(gòu)復(fù)雜環(huán)節(jié)較多，可靠性問題顯得尤為重要。一般來說，零件的可靠性應(yīng)高于部件的可靠性，而部件的可靠性應(yīng)高于整機(jī)的可靠性?？梢酝ㄟ^概率設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出可靠度滿足要求的零件或結(jié)構(gòu)，也

15、可以通過系統(tǒng)可靠性綜合方法評(píng)定操作機(jī)系統(tǒng)的可靠性。6、工藝性原則：義肢是一種高精度、高集成度的機(jī)械系統(tǒng)，良好的加工和裝配工藝性是設(shè)計(jì)時(shí)要體現(xiàn)的重要原則之一。僅有合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而無良好的工藝性，必然導(dǎo)致操作機(jī)性能的降低和成本的提高。3.2.2 上肢義肢的設(shè)計(jì)要求根據(jù)人體手臂的特點(diǎn)，以及整體機(jī)械手臂的功能，對(duì)機(jī)械義肢提出以下幾點(diǎn)要求：1、根據(jù)人體形體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，上肢與身高的比值約為0.452，肱骨與尺骨的長(zhǎng)度和與上肢的比值約為0.75，肱骨長(zhǎng)與尺骨長(zhǎng)的和與上肢的比值約為1.19，上臂、前臂、手掌的比值約為1.42:1.2:0.38。那么身高1.4m的人，大臂長(zhǎng)度為250mm，小臂長(zhǎng)205mm，手掌

16、長(zhǎng)度為68mm，大臂圍的平均值為75mm，小臂圍的平均值為63mm。設(shè)計(jì)機(jī)械義肢的尺寸應(yīng)當(dāng)以此數(shù)據(jù)為參考值。2、安全、柔順性能良好，能與人有良好的交互運(yùn)動(dòng)；良好的柔順性也可以有效地提高手臂的動(dòng)作精度。3、，整個(gè)臂重(不含手)為2.229kg。所設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂應(yīng)當(dāng)以統(tǒng)計(jì)表數(shù)據(jù)為參考值。4、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)靈活性與人體手臂接近。人體手臂完成日常生活運(yùn)動(dòng)涉及各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)為：肩關(guān)節(jié)的屈/伸、外展/內(nèi)收，肘關(guān)節(jié)的屈/伸、腕關(guān)節(jié)的屈/伸、外展/內(nèi)收等6個(gè)自由度。3.2.3 機(jī)械上肢義肢造型設(shè)計(jì)及任務(wù)要求1、 機(jī)械上肢義肢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要相關(guān)參數(shù)如下表3-1。部件名稱長(zhǎng)度（mm）直徑（mm）質(zhì)量（kg）大臂25075

17、1小臂20563手117731表3-1 義肢相關(guān)參數(shù)2、任務(wù)要求上肢義肢能做一些簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)，比如抓取東西，可抓取0.5kg左右的重物，并可以上下左右的移動(dòng)。3.3 傳動(dòng)方式和驅(qū)動(dòng)源的選擇及總體方案設(shè)計(jì)3.3.1傳動(dòng)方式的選擇指選擇驅(qū)動(dòng)源及傳動(dòng)裝置與關(guān)節(jié)部件的連接形式和驅(qū)動(dòng)方式。基本的連接形式和驅(qū)動(dòng)方式有如下幾種：直接連接傳動(dòng)：驅(qū)動(dòng)源或帶有機(jī)械傳動(dòng)裝置直接與關(guān)節(jié)相連。遠(yuǎn)距離連接傳動(dòng)：驅(qū)動(dòng)源通過遠(yuǎn)距離機(jī)械傳動(dòng)后與關(guān)節(jié)相連。間接驅(qū)動(dòng)：驅(qū)動(dòng)源經(jīng)一個(gè)速比遠(yuǎn)大于1的機(jī)械傳動(dòng)裝置與關(guān)節(jié)相連。直接驅(qū)動(dòng)：驅(qū)動(dòng)源不經(jīng)過中間環(huán)節(jié)或經(jīng)過一個(gè)速比等于1的機(jī)械傳動(dòng)這樣的中間環(huán)節(jié)與關(guān)節(jié)相連。3.3.2驅(qū)動(dòng)源的選擇常用的方式

18、主要有：液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種基本類型。1、電機(jī)驅(qū)動(dòng)：它是是技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種驅(qū)動(dòng)方式，為大多數(shù)智能機(jī)械手所采用。從電機(jī)的靜態(tài)剛、動(dòng)態(tài)剛度、加速度、線性度、維護(hù)性、噪音等技術(shù)指標(biāo)來看，是綜合性能最好的一種。2、液壓驅(qū)動(dòng); 它具有很好的穩(wěn)定性和可靠性、很高的力矩體積比、很強(qiáng)的阻轉(zhuǎn)能力，驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且價(jià)格便宜等。但是，在智能機(jī)械手中采用液壓驅(qū)動(dòng)方式有很大的難度和弊端，如:存在較大的泄漏流量，微型閥對(duì)污染物十分敏感等。3、氣壓驅(qū)動(dòng)：能量存儲(chǔ)方便，傳動(dòng)介質(zhì)空氣來源于大氣，獲取很方便，氣壓傳動(dòng)具有抗燃、防爆及不污染環(huán)境。且具有柔性，但是驅(qū)動(dòng)器的剛度和空氣的可壓縮性有關(guān)，通常是很

19、低的，并且驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)性能較差。3.3.3 總體方案設(shè)計(jì)經(jīng)分析比較并考慮系統(tǒng)的整體平衡性，本機(jī)械義肢擬采用遠(yuǎn)距離連接傳動(dòng)間接驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)裝置采用齒輪傳動(dòng)和絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，大臂的屈伸和外擺、肘部屈伸、手腕屈伸和旋轉(zhuǎn)，手部開合共六個(gè)自由度。其示意圖如圖3.1所示。1.假手構(gòu)件2.小臂轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件3.小臂轉(zhuǎn)動(dòng)支撐4.大臂構(gòu)件5.肩部旋轉(zhuǎn)構(gòu)件圖上肢義肢示意圖1、各關(guān)節(jié)所采用的傳動(dòng)方式分別為：（1）大臂俯仰的肩關(guān)節(jié)：由步進(jìn)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母，將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)從而推動(dòng)大臂繞肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生俯仰運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)中由限位開關(guān)進(jìn)行行程保護(hù)。（2）小臂俯仰和肘關(guān)節(jié)：采用齒輪傳動(dòng)方式。（3）手腕轉(zhuǎn)動(dòng)：采用減速電機(jī)進(jìn)行驅(qū)

20、動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)手腕向內(nèi)向外90度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。（4）手腕俯仰運(yùn)動(dòng)：關(guān)節(jié)采用減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)一級(jí)傘齒輪變后實(shí)現(xiàn)手腕向上向下各45度的俯仰運(yùn)動(dòng)。（5）手掌的開合：采用步進(jìn)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手掌的開合運(yùn)動(dòng)。第4章 伺服元件的選取和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算4.1伺服元件的選取4.1.1電機(jī)的選用1、大臂前擺和手部開合的電機(jī)選用大臂前擺選用步進(jìn)直線電機(jī)，一般先從轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等因素來考慮，下面以轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算。（1）轉(zhuǎn)速擬定關(guān)節(jié)最大的角度為12°/s，則估算最大線速度為lOmm/s，根據(jù)絲杠導(dǎo)程計(jì)算最大轉(zhuǎn)速為3r/s，如傳動(dòng)效率為90%，則所選步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速100rmin 即能滿足要求。（2）轉(zhuǎn)矩以肩關(guān)

21、節(jié)旋轉(zhuǎn)為例計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩。已知絲杠轉(zhuǎn)矩T=0.104Nm，如按傳動(dòng)效率90% 換算到電機(jī)軸上，則負(fù)載轉(zhuǎn)矩。為使步進(jìn)電機(jī)具有良好的起動(dòng)及較快的響應(yīng)速度，通常推薦：(1)式中：為換算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。為步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩。將代入（1）得：綜上分析，初步根據(jù)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩兩大要素選用步進(jìn)直線電機(jī)。選擇品牌為東莞市斯泰普機(jī)電科技有限公司42系列直線步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)42HBGL3770。其主要參數(shù)為:相電流1.7A、驅(qū)動(dòng)電壓DC24V、步距角度1.8度、最大轉(zhuǎn)矩0.35Nm、最大空載起動(dòng)轉(zhuǎn)速112r/min、重量0.24kg。實(shí)物圖如下圖4.1所示：圖4.1 大臂外擺步進(jìn)直線電機(jī)同樣的方法可以確定手部開合所

22、選用的步進(jìn)直線電機(jī)，其中手部開合所選用的步進(jìn)直線電機(jī)型號(hào)：MB04005A，主要參數(shù)：相電流1.7A、驅(qū)動(dòng)電壓DC24V、步距角度1.5度，最大轉(zhuǎn)矩0.35Nm、最大空載起動(dòng)轉(zhuǎn)速100r/min、重量0.2kg。實(shí)物圖如下圖4.2所示： 圖手部開合步進(jìn)直線電機(jī) 2、肘部和手腕擺動(dòng)手部、小臂和提起物品的質(zhì)量2kg，轉(zhuǎn)動(dòng)角度30度，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：式中：；旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；系統(tǒng)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，得電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，功率P=40w，轉(zhuǎn)速n=30rpm，綜合考慮之后，選擇的是臺(tái)灣聚盛VGM經(jīng)濟(jì)型行星減速

23、機(jī)PG系列，實(shí)物圖如下圖：圖4.3 肘部擺動(dòng)電機(jī)表4.1 肘部電機(jī)參數(shù)型號(hào)輸出轉(zhuǎn)速（r/min)功率(W)電壓(V)直徑(mm)長(zhǎng)度(mm)VGM-PG6040100123640由于肘部擺動(dòng)的電機(jī)承載率大于手腕電機(jī)的承載率，故手腕擺動(dòng)電機(jī)型號(hào)可以與肘部擺動(dòng)電機(jī)相同。3、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)選擇估算手掌的重量m=lkg，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，角速度w =0.5rad/s，因此最大功率出即為90度處，故所需電機(jī)的最大功率。綜合各方面因素考慮，選擇功率為2W的直流伺服減速電機(jī)，其廠家為寧波市鄞州易順減速器廠，型號(hào)MF40HMF，主要參數(shù)：減速比1：37-1：388、輸出轉(zhuǎn)速5-500r/min、功率2W、輸出轉(zhuǎn)矩5K

24、g.cm、電壓6V。4.2設(shè)計(jì)與計(jì)算4.2.1絲杠的設(shè)計(jì)絲杠沿著軸向的負(fù)載最大，下面以大臂傳動(dòng)絲杠為例進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。計(jì)算時(shí)視各臂及其內(nèi)部絲杠、電機(jī)等為一均勻質(zhì)體。估算可得：大臂臂總質(zhì)lkg、小臂總質(zhì)量1kg、手總質(zhì)量在0.5kg、抓物質(zhì)量0.5kg。在不計(jì)各關(guān)節(jié)摩擦力時(shí)，據(jù)受力力矩平衡估算可得絲杠軸向最大載荷F = 150N。（1）耐磨性計(jì)算磨損是絲杠的一種失效形式，多發(fā)生在螺母，它會(huì)引起傳動(dòng)精度下降，并使強(qiáng)度降低耐磨性的計(jì)算在于限制螺紋副的壓強(qiáng)，其校核公式為： （1）式中：F為軸向載荷；p為螺距；為螺紋中直徑；、為相互旋合長(zhǎng)度；P為許用壓強(qiáng)，查機(jī)械手冊(cè)得鋼對(duì)銅材料低速P為1825MPa。為了

25、設(shè)計(jì)計(jì)算，令，則由式(1)可得： （2）當(dāng)螺母為整體式、磨損后間隙不能調(diào)整時(shí)，宜取，傳動(dòng)精度較高，要 求壽命較長(zhǎng)時(shí)，允許取，設(shè)計(jì)時(shí)，選用單線梯形螺紋，取螺距p=2mm，則h=lmm，取直徑1.2，P=18。將各值代入式(2)可得：據(jù)GB57962005取=9mm，則螺紋公稱直徑d=10mm、mm，mm，D1=8mm。(2)螺桿強(qiáng)度計(jì)算由于絲杠螺桿承受壓力（或拉力）F和扭矩T，適合應(yīng)用第四強(qiáng)度理論，則根據(jù)第四強(qiáng)度理論，其強(qiáng)度條件為: （3） 式中：為螺紋小徑； T為螺紋扭矩；為螺桿材料許用應(yīng)力，查設(shè)計(jì)手冊(cè)表6.6，鋼材料=。 （4） 將F=150N、=4.73、=9mm代入公式（4）得： 則將T

26、=104Nm、=7.5mm、F=150N代入式（3）得：所以，滿足強(qiáng)度條件。(3)絲杠穩(wěn)定性計(jì)算臨界載荷由上述分析可知，所選用絲杠滿足大臂傳動(dòng)要求，而大臂的軸向載荷最大， 則所選絲杠必定滿足手部開合傳動(dòng)要求。同理手可以校核部開合電機(jī)絲杠。4.2.2錐齒輪1、選擇材料、熱處理方式，精度等級(jí)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Q235A，調(diào)質(zhì)處理，硬度190240HBS，精度8級(jí)，取兩齒輪的齒數(shù)相同，。2、 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)（1） 確定參數(shù)值 根據(jù)所選電機(jī)參數(shù)、查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表（2-11），選取載荷系數(shù)，彈性系數(shù)，齒輪寬系數(shù)為1，節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，接觸疲勞極限為，安全系數(shù)，接

27、觸疲勞壽命系數(shù)，得需接觸應(yīng)力為：(2) 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表6-11，得齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù)，確定參數(shù)數(shù)值： 查得彎曲疲勞極限，取s=1.2，得：，4.2.3軸承校核固定絲杠軸承6004的校核，其受徑向力，軸向力。(1) 計(jì)算內(nèi)部軸向力查表得知：6004型號(hào)軸承，代入以上數(shù)據(jù)得：(2) 計(jì)算單個(gè)軸承軸向載荷因此單個(gè)軸承1放松，軸承2壓緊，（2）當(dāng)量載荷由于，所以因此，（3） 軸承壽命校核 基本額定壽命為：。式中：為基本額定動(dòng)載荷；軸承轉(zhuǎn)速；壽命指數(shù)。軸承，代入數(shù)據(jù)驗(yàn)算得到軸承壽命為，因此軸承壽命足夠大，滿足要求。4.2.4鍵的選擇及校核計(jì)算機(jī)械義肢用到的鍵連接，所受扭矩非常

28、大，所以鍵的選擇要達(dá)到一定的程度，防止因鍵連接的強(qiáng)度不夠?qū)е骆I斷裂，影響義肢整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行。鍵的規(guī)格：平鍵，工作長(zhǎng)度6mm，扭矩：125Nm，極限應(yīng)力100MPa平鍵強(qiáng)度條件為式中：T傳遞的轉(zhuǎn)矩，Nm；K鍵槽與輪廓槽的接觸高度，k=0.5h，此處h為鍵的高度，mm鍵的工作長(zhǎng)度，平頭平鍵l=L，這里L(fēng)為鍵的公稱長(zhǎng)度，mm；b鍵的寬度，mm；鍵、軸、輪廓三者中最弱材料的需用擠壓應(yīng)力。一般45鋼的為100-120mpa。所以曲軸上的鍵的校核計(jì)算為經(jīng)過校核，滿足條件。第5章 上肢義肢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析機(jī)械義肢結(jié)構(gòu)由機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置及傳動(dòng)裝置組成。根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，考慮自由度數(shù)，以及各自由度在臂部

29、、腕部和整個(gè)義肢的配置。5.1 小臂及手掌部分設(shè)計(jì)義肢的小臂部分包括手腕轉(zhuǎn)動(dòng)、手腕擺動(dòng)和手掌開合三個(gè)關(guān)節(jié)，小臂結(jié)構(gòu)和尺寸，小臂及手掌部分距離肩部轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)較遠(yuǎn)，重力矩較大，因此小臂的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能的減輕重量，方便大臂設(shè)計(jì)時(shí)能選用更小的驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及更輕巧的結(jié)構(gòu)方案小臂及手掌部分的設(shè)計(jì)首先運(yùn)用AutoCAD的二維設(shè)計(jì)方法，按照由整體裝配到零件設(shè)計(jì)的正向設(shè)計(jì)，綜合考慮功能，成本，使用方便性等問題，大部分零件選用了優(yōu)質(zhì)國(guó)產(chǎn)零件，大部分材料選用鎂鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料，如圖為前臂與手掌部分的二維裝配圖：1.手指 2.連桿 3.手掌開合驅(qū)動(dòng) 4.傘齒輪變相機(jī)構(gòu) 5.手腕擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī) 6.手腕轉(zhuǎn)功套 7.于腕轉(zhuǎn)

30、動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)圖前臂裝配圖如圖所示，手掌開合結(jié)構(gòu)中手指為拇指在下，其他手指在上部，拇指和食指徑向重合來完成手指抓取動(dòng)作。有減速電機(jī)提供動(dòng)力，帶動(dòng)螺母呈直線運(yùn)動(dòng)，通過上下兩組連桿機(jī)構(gòu)來帶動(dòng)上下兩排手指動(dòng)作。零件的材料選用質(zhì)輕的鎂鋁合金制作。圖手部開合結(jié)構(gòu)如圖5.3所示，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由減速電機(jī)提供動(dòng)力，電機(jī)固定在內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)套上，電機(jī)輸出軸與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)連接套相連，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)連接套與外轉(zhuǎn)動(dòng)套固連在一起，這樣就能使手腕內(nèi)外轉(zhuǎn)動(dòng)套之間產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，為確保假肢在使用過程中不因結(jié)構(gòu)質(zhì)心的擺動(dòng)產(chǎn)生微振動(dòng)，使假肢使用者產(chǎn)生不適感，電機(jī)連接盤和與其相連的小臂轉(zhuǎn)動(dòng)臂筒這兩個(gè)零件在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了質(zhì)量平衡，降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，減少摩擦磨

31、損。而固定臂筒和轉(zhuǎn)動(dòng)臂筒之問的配合設(shè)計(jì)則保證滑動(dòng)的流暢性，其采取的主要措施是幾何設(shè)計(jì)上質(zhì)量均布、恰當(dāng)?shù)呐浜祥L(zhǎng)度和配合精度設(shè)計(jì)，合理適當(dāng)?shù)牟牧线x擇。1.外轉(zhuǎn)動(dòng)套 2.手腕轉(zhuǎn)動(dòng)連接套 3.手腕轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī) 4.內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)套圖手腕轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)5.2大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1、臂部的設(shè)計(jì)要求：根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理選擇手臂截面形狀和高強(qiáng)度輕質(zhì)材料；盡量減小手臂重量和相對(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和力矩，以減少驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)荷；減少運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)載荷與沖擊，提高運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度；設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差，提高運(yùn)動(dòng)精度和剛度，提高定位精度。2、大臂結(jié)構(gòu)形式確定大臂大臂擺動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖所示，電機(jī)及其螺桿徑向固定，螺桿的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)螺母

32、生直線運(yùn)動(dòng)并與支撐桿共同完成大臂外擺動(dòng)作大臂外擺及前擺，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選取受到了整個(gè)假肢手臂重量以及電機(jī)尺寸的局限，選擇小尺寸電機(jī)，同時(shí)還能降低電能損耗，可延長(zhǎng)適用者使用假肢的時(shí)間。1.步進(jìn)直線電機(jī) 2.大臂圖大5.4 臂擺動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖第6章 總結(jié)本設(shè)計(jì)結(jié)合設(shè)計(jì)題目和教學(xué)工作實(shí)情，從基礎(chǔ)入手逐步深入，設(shè)計(jì)了六個(gè)自由度的結(jié)構(gòu)上肢義肢，這種結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單，控制功能較強(qiáng)，重量較輕，成本較低，能夠基本實(shí)現(xiàn)對(duì)真人手臂動(dòng)作的模仿，具體內(nèi)容包含以下幾個(gè)方面: (l) 對(duì)人體上肢機(jī)械原理進(jìn)行分析。(2) 根據(jù)機(jī)械上肢義肢初定技術(shù)參數(shù)，利用AutoCAD圖解分析了義肢平面運(yùn)動(dòng)工作空間，取得到了各關(guān)節(jié)間距。并對(duì)手腕、手臂和大臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較分析，確定了各零件結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，繪制了整體結(jié)構(gòu)示意圖。(3) 設(shè)計(jì)上肢義肢結(jié)構(gòu)的零部件，繪制上肢義肢結(jié)構(gòu)整體裝配圖及主要零部件圖。但是限于人力、物力、時(shí)間等因素，本設(shè)計(jì)還有許多地方做得不到位，需要繼續(xù)進(jìn)行深入的研究，具體有以下兒個(gè)方面: (l)上肢義肢材料多數(shù)采用鎂侶合金，但可以采用硬質(zhì)塑料來進(jìn)行替代，這樣能大大減假義肢的重量，另外，電機(jī)的重量一直為此次設(shè)計(jì)的瓶頸，改進(jìn)設(shè)計(jì)中如果采