《一種下肢康復訓練步態(tài)機器人的創(chuàng)新設計》8200字

一種下肢康復訓練步態(tài)機器人的創(chuàng)新設計目錄TOC\o"1-3"\h\u14563一、緒論 127166（一）研究意義及目的 122874（二）國內外發(fā)展現狀及趨勢 14366（三）本設計工作內容 428462二、總體設計方案 417608（一）本設計總體要求 413559（二）設計參數標準 53745（三）下肢康復訓練步態(tài)機器人的總體設計方案 57773三、機器人動力的設計 65510（一）電機選型 631824（二）電機裝置過載校核 720117（三）小結 816778四、機器人傳動的設計 829260（一）錐齒輪傳動機構設計及校核 8118591.設定錐齒輪參數 835282.以齒輪部件的齒面接觸疲勞強度設計計算 9310993.依據齒輪部件齒根位置的彎曲疲勞強度設計計算 122583（二）小結 1418261五、標準件的設計 1417367（一）棘輪棘爪的設計 14279831.棘輪棘爪的工作原理 1484132.棘輪幾何尺寸的確定 163973（二）圓柱螺旋彈簧設計 1771741.結構設計 17204252.彈簧的材料及許用應力 18165443.彈簧的參數計算 186671【參考文獻】 21一、緒論（一）研究意義及目的研究下肢康復訓練步態(tài)機器人，對于因疾病和發(fā)生事故要通過下肢康復訓練實現正常行走、提高自主生活能力的人來說，下肢康復訓練步態(tài)機器人可以通過控制使其模擬正常人的行走姿態(tài)、下肢各部位的協(xié)調運動，實現對下肢的康復訓練，下肢康復訓練步態(tài)機器人在模擬正常人的步伐規(guī)律時，起到一定鍛煉下肢的肌肉的作用，恢復神經系統(tǒng)對行走能力的控制，達到恢復行走機能的目的?？偟膩砜?，下肢康復訓練步態(tài)機器人的總體工作目的就是為了能夠使下肢需要進行康復訓練的人能夠更加方便的，更輕松的達到訓練的目的，對下肢的康復訓練起到輔助的作用。本次畢業(yè)設計的選題來源于生活實際，針對本次設計新型下肢康復訓練步態(tài)機器人的任務書設計一種或多種方案，完成本設備的動作流程。歷經畢業(yè)設計整個過程的鍛煉和學習，需要能夠初步掌握機械設計的基本流程和設計所用的相關方法，需要能夠使得知識貯備也邁上新臺階，需要能夠結合實際情況綜合運用各種不同的知識，能夠更好的理論結合實踐，將所學知識服務于生產實際，需要培養(yǎng)創(chuàng)新意識和提高設計能力。結合設備的實際工況設計完成本次設計新型下肢康復訓練步態(tài)機器人，設計所得的新型下肢康復訓練步態(tài)機器人需要基于現有的實際生產水平，能夠實現量化生產，能夠為生產設計切實的解決某項問題，實現某種價值。設計的過程是學習的過程，需要培養(yǎng)構思設計方案的能力，需要培養(yǎng)機械制圖的能力，總結收獲各種進行機械設計的有關方法，為今后的機械設計工作打下基礎。（二）國內外發(fā)展現狀及趨勢下肢康復訓練器的前身是外骨骼，最早是為了提升單兵作戰(zhàn)能力而制造的，如美軍SARCOS研究公司的WEAR完全戰(zhàn)斗外骨骼機器人（下圖1-1）。后來經過一段時間的發(fā)展才開始應用于醫(yī)療康復，如美國加州大學伯克利分校研制的BLEEX(下圖1-2)。截止至今，其研究領域已經從原先的軍事領域擴展到醫(yī)療的康復、消防、航空航天及工業(yè)運輸等領域，例在2005年，英國Salford（索爾福德）大學的研究人員開發(fā)的康復助行器(下圖1-3)。到如今，其在康復領域的研究應用已經并不只限于外骨骼的形式，開始出現上下肢或坐姿、站姿、臥姿等方面的研究，WalkingPowerAssistLegWPAL(下圖1-4)。目前為止，在康復訓練器的研究和應用方面以美國為首的歐美發(fā)達國家處于領先地位。圖1—1戰(zhàn)斗外骨骼機器人圖1—2美國BLEEX機器人圖1—3英國Salford康復助行器圖1—4WalkingPowerAssistLegWPAL我國對康復訓練器方面的研究起步較晚，現處于基礎階段，在該技術的探索和應用方面與歐美發(fā)達國家有很大差距。而隨著我國社會老齡化情況日益加劇，殘疾人數居高不下。就社會目前對下肢康復訓練器的需求量越來越大；在我國現已有諸多學者、專家和相應機構對這一方面展開了研究。但目前國內關于這方面的研究，最主要還是集中在假肢的領域。目前就只有在哈爾濱工程大學的機電一體化研究所在這一方面取得了一定的成果；成功研制出了一種多功能手臂康復訓練機器人，下肢康復訓練步態(tài)機器人。并且浙江大學也成功的研制了一種采用了氣動驅動方式的新型可穿戴式下肢外骨骼助行機器人；其中髖關節(jié)、膝關節(jié)處都采用了氣缸進行驅動，并且結合自適應模糊神經網絡控制理論，對下肢外骨骼助行機器人的控制策略進行了相關研究。在此基礎上開發(fā)出了一整套外骨骼助行機器人的實驗系統(tǒng)如圖1—5所示。中科大和中科院共同研制了一種下肢助力外骨骼機器人（圖1—6），其主要包含機械結構、傳感器系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。膝關節(jié)、踝關節(jié)和腳底可以與人腿協(xié)調運動，互不產生運動干涉。在走動過程中，通過足底力的傳感器獲取人體腿部和腳底的信息，再通過編碼器獲得相應的關節(jié)轉角，采集得到的信息對外骨骼助行機器人的行走狀態(tài)進行判別，從而達到對外骨骼助行機器人的運行進行控制。但是，這種驅動結構的缺點是是只能夠提供小的驅動力，為人體提供有限的助力。圖1—5浙江外骨骼機器圖1—6中科大外骨骼機器人在國外，早在上世紀八十年代就已經成功研制出了康復機器人系統(tǒng)，它就是目前世界上最成功的一種低價、市售的康復機器人系統(tǒng)——Handyl康復機器人樣機，它是英國的MikeTopping公司研制出來的，Handy1機器人由5自由度機器人手臂和新型控制器組成，不僅具有話音識別、語音合成、傳感器輸入、手柄控制以及步進電機控制能力，Handyl還具備有很強的通話能力，可以為護理人員及用戶在操作的過程中提供一些簡單的操作指令或有益的指示等信息，能夠以任何一種歐洲語言表達出來。這種裝置不僅有助于突破語言的障礙，還可以大大提高Handyl方便用戶與他人之間進行交流的能力。市場中還有另外一種康復機器人，它就是由荷蘭ExactDynamics公司開發(fā)的MANUS，相比較機械人手臂比Handyl多出兩個自由度，旋轉自由度6個和機械手1個。雖然國外關于醫(yī)學康復機器人的研究已經取得了不少成就，但是其離生物機器人還有相當的距離，因此在這一方面的研究還有著許許多多的挑戰(zhàn)，還有很多工作要做。（三）本設計工作內容經過分析，本課題主要完成設計，要求采用20BYG250-33型號電機裝置。主要內容有：本次設計的主要工作內容如下：1）結合實際情況，綜合各項因素，確定總體本次設計新型下肢康復訓練步態(tài)機器人的結構方案，初步設計確定它的驅動機構和傳動機構，并對整套設備的工作原理以及基本構成進行詳細介紹，繪制整套進行設備的結構草圖，為后續(xù)機械設計流程做好鋪墊。2）基于先前確定的整套新型下肢康復訓練步態(tài)機器人結構方案，詳細設計新型下肢康復訓練步態(tài)機器人的動力機構，對設備所用電動機裝置進行選型設計，并對驅動軸等主要部件的結構參數進行設計。3）校核計算新型下肢康復訓練步態(tài)機器人的主要機構和主要零部件。4）借助計算機繪圖軟件繪制整套新型下肢康復訓練步態(tài)機器人的零件圖和裝配圖。5）完成設備設計的編寫。二、總體設計方案（一）本設計總體要求總體機械設計要考慮其工藝，選擇較好的設計方案，材料選擇符合要求;設計時要考慮維修方便，結構簡單優(yōu)化成本。對于本設計的總體設計，要遵循的設計原則。首先滿足功能要求，安裝后可以靈活操作。充分利用國內外新技術，采用新原理、新結構、新工藝，設計合理、使用可靠、質優(yōu)價廉、通用推廣。盡量采用通用化的零件和零件標準化；設備結構簡單、成本低、操作簡單、容易維護、輕質量，良好的流動性。設計步驟如下：（1）選擇與設計機具結構類型（2）確定本設計的傳動方案（3）選擇并確定主軸速度（4）確定重要部件的選用和計算（二）設計參數標準1）下肢康復訓練步態(tài)機器人的加工工藝需要滿足實際生產條件；2）下肢康復訓練步態(tài)機器人的總體方案需要結合實際生產能力進行制定，同時需要考慮環(huán)保經濟性，確保設計制造的下肢康復訓練步態(tài)機器人具有較好的應用性。3）在設計下肢康復訓練步態(tài)機器人的過程中，應該要多應用新型設計加工技術，選擇較為先進的設計方法和加工工藝設計制造，確保設備能夠可靠安全的運行作業(yè)，盡量以最低的生產制造成本設計制造整套下肢康復訓練步態(tài)機器人；4）在設計下肢康復訓練步態(tài)機器人各個零部件的過程中，盡可能選用標準件，使得設備的各個部件具有較高程度的互換性，如此能夠使得后續(xù)的保養(yǎng)維護能力降至最低；5）需要保證整套下肢康復訓練步態(tài)機器人具有相對較為簡單的結構形式，設備的生產制造成本費用需要盡可能地低廉。在使用過程中，設備需要能夠相對較為容易地進行操作，設備后期的維護保養(yǎng)工作也要易于進行。6）設計制造的下肢康復訓練步態(tài)機器人要易于搬運。（三）下肢康復訓練步態(tài)機器人的總體設計方案本次設計下肢康復訓練步態(tài)機器人總要包括動力部分、傳動部分、功能部分、機架部分四大部分組成，其中動力部分、傳動部分、功能部分是本次設計的重點。要進行下肢康復訓練步態(tài)機器人的研究，首要環(huán)節(jié)就是構型設計，也是極其重要的一步；構型設計如果沒有設計好，將會直接影響到整個系統(tǒng)最終功能實現的好壞。本章將在人體下肢生物骨骼模型的基礎上，進一步設計了出一種新型下肢康復訓練步態(tài)機器人，下肢康復訓練步態(tài)機器人的構型設計應要滿足以下幾點原則：1.首先構型設計要能夠實現機器人的正常行走；2.構型設計必須要確保機器人行走的穩(wěn)定性；3.在確保機器人強度和剛度的前提下，構型設計要盡可能地輕便化。應考慮的研發(fā)成本，開發(fā)周期，研發(fā)過程等情況，進行機器人的結構進行設計。機器人結構簡圖如2-1所示。1——電機2——電機支架3——主動錐齒輪4——從動錐齒輪5——止回棘爪I——棘輪凸輪組10——棘爪連接銷，11——主動棘爪，13——滾子14——小腿15——壓縮彈簧17——大腿1——電機2——電機支架3——主動錐齒輪4——從動錐齒輪5——止回棘爪I——棘輪凸輪組10——棘爪連接銷，11——主動棘爪，13——滾子14——小腿15——壓縮彈簧17——大腿18——腳圖2-1機器人結構簡圖三、機器人動力的設計（一）電機選型通過查詢的資料情況，再結合本次設計下肢康復訓練步態(tài)機器人的實際使用情況，所用電機裝置的載荷大小需要達到，設定它在旋轉運動作業(yè)過程中的轉速大小為。機械設備的有效功率是設備在滿載情況下進行正常工作需要的功率大小，本次設計機械設備的有效功率大小為：P由于功率會在傳動過程中發(fā)生損耗，故需測定各級傳動中的傳遞效率，設由動力設備至工作設備之間的總效率大小是，η1和ηη=本次設計機械設備所用電動機裝置的所需功率大小為：

P結合本次設計機械設備的實際使用情況，并綜合各種因素，最終選用額定功率大小為1.5kw的步進電機20BYG250-33型號電機。（二）電機裝置過載校核對本次設計機械設備所用電機裝置的過載能力進行校驗：Pjk──；Pj──；Zm──，Zλ──電動機轉矩允許的過載，取λ=2H——考慮電壓降及其轉矩允差以及靜載試驗超載的系數，取H=2.1；本次設計機械設備所用電機裝置的靜功率大小為：P──FQ=2KN；──；──=0.7015；得：PP通過上述計算可知，本次設計采用混步進電機20BYG250-33型電動機設備能夠滿足實際使用需求。由于本次設計機械設備的使用頻率相對較低，電機裝置的發(fā)熱情況相對較少，故無需校核計算裝置發(fā)熱情況。（三）小結為了下肢康復機器人能過滿足整體傳動的動力要求，通過電機裝置的載荷大小和轉動的速度，將電機所需要的功率大小運用公式計算出來，再進行電機過載的校核，保證電機的傳動效率能達到實際使用要求。最終通過本次設計的實際情況，最終確定采用的電機型號。為下肢康復訓練步態(tài)機器人能夠進行行走提供保障。四、機器人傳動的設計（一）錐齒輪傳動機構設計及校核1.設定錐齒輪參數（1）結合本次設計機械設備的實際工作情況可知，它作為常用一般工作設備，無須過高的工作運轉速度，綜合各種影響，最終確定以8級精度進行設計制造。設定本次設計錐齒輪組機構的錐角大小為α=20°，選定本次設計錐齒輪組機構的齒頂高系數為?（2）錐齒輪部件選材設計在生產實際中，綜合各種因素，一般選用20CrMnTi鋼材料生產加工小齒輪部件，然后對其進行調質加工處理，使其硬度能夠達到280HBS；選用40Cr材料生產加工大齒輪部件，然后對其進行調質加工處理，使其硬度能夠達到240HBS。2.以齒輪部件的齒面接觸疲勞強度設計計算已知

d（1）選定錐齒輪部件的基本參數；（2）ZE=189.8MPa，。（3）結合本次設計機械設備的實際使用情況，綜合各種因素，本次設計小齒輪部件、大齒輪部件接觸疲勞強度極限分別為，。（4）載荷系數選定；（5）設計確定應力循環(huán)次數錐齒輪部件齒面位置接觸疲勞壽命系數大小是：

N小齒輪：

N大齒輪：

N錐齒輪傳動組的齒寬系數大小是：

ψ（6）安全系數；（7）設計計算本次設計錐齒輪部件接觸疲勞許用應力大小，具體計算如下：

σ

σ1）設計計算小齒輪部件分度圓直徑尺寸d已知，計算可得：d2）設計計算齒輪部件圓周速度v的大?。海?—8）3）設計計算大齒輪部件的齒數大小為：

Zd2=由Z2結合設計錐齒輪傳動機構的實際情況，將其圓整處理得Z2由Z1=Z計算可得本次設計錐齒輪傳動機構的齒數比大小是：

u經過檢驗可知，本次設計的錐齒輪傳動機構滿足實際使用需求。設定齒輪模數mm=根據本次設計錐齒輪傳動機構的實際情況，再結合標準模數將錐齒輪的模數圓整處理得。5）設定齒輪部件大端分度圓直徑尺寸大?。?-12）（4-13）6）設定齒輪部件節(jié)錐頂距尺寸大?。?-14）7）設定齒輪部件節(jié)圓錐角角度大小

δδ2設定齒輪部件大端位置齒頂圓直徑大小小齒輪：(4-16)大齒輪：(4-17)9）設定齒輪部件齒寬尺寸大?。?4-18)在生產實際中，綜合各種相關因素，常取10）校核計算齒輪部件的強度(4-19)經過檢驗計算可知，本次設計制造的錐齒輪傳動機構滿足實際使用需求。3.依據齒輪部件齒根位置的彎曲疲勞強度設計計算已知：

m≥ 已知：，。設定齒輪部件的齒形系數大小是：，；設定齒輪部件的應力校正系數大小是：Ysa1=1.6043）設計計算齒輪部件的彎曲疲勞許用應力大小已知：彎曲疲勞系數S=1.4，計算可得：(4-21)6)設計計算大小齒輪部件的(4-22)分析比較可知，小齒輪部件的數值較大，結合設計錐齒輪傳動機構的實際情況，最終選定0.01025；7）設定齒輪部件的載荷系數K已知KA=1.35，V=2.88；本次設計以7級精度設計制造錐齒輪傳動機構的齒輪部件，結合本次設計錐齒輪傳動機構的實際情況，綜合各種因素，最終選定動載荷系數大小是計算可得：m≥34.0KT1YFa如下表3-1所示的是本次設計制造的錐齒組基本參數表表3-1本次設計制造的錐齒組基本參數表名稱23，3（二）小結齒輪的設計要保障整體結構的傳動效率。通過運用相應公式計算出各錐齒輪的幾何尺寸，并確保其能夠嚙合，并對各錐齒輪進行疲勞強度計算，確保各個錐齒輪之間的傳動能夠使下肢康復訓練步態(tài)機器人正常運行；之后根據各錐齒輪的幾何尺寸，將錐齒輪用繪圖軟件建模，畫出理想的圖。五、標準件的設計（一）棘輪棘爪的設計1.棘輪棘爪的工作原理棘輪機構是由油缸、棘輪、棘爪、連接板、擺桿、油缸頭部連接件、油缸尾部連接件、銷釘等組成，如圖5-1所示。在油缸的頭部和尾部都有連接件與銷釘配合形成鉸鏈連接。棘輪、棘爪通過軸向固定在鉆桿庫軸上，與棘輪通過鍵連接與鉆桿庫軸軸向固定不同的是，棘爪是它可以繞著鉆桿庫軸轉動。在鉆桿庫底板上固定著尾部的鉸鏈，而頭部的鉸鏈則固定在棘輪機構的擺桿上，當油缸受到壓力油的作用時活塞桿伸出，活塞桿推動油缸頭部的連接件，進而驅動擺桿繞著鉆桿庫軸進行轉動，根據設計，當擺桿朝逆時針方向轉動時，棘爪被連接安裝在擺桿上的連接板卡住，因此棘爪會跟隨著擺桿一起轉動，推動棘輪轉動，在鍵連接的作用下鉆桿庫軸也會跟著棘輪一起轉動。可以通過油缸活塞桿伸出的長短來進行控制鉆桿庫軸轉動的角度。反之在當油缸受到壓力油的作用下收縮活塞桿時，擺桿油缸頭部連接件的作用下繞鉆桿庫軸順時針旋轉，而此時，棘爪不會被連接板卡住，因此，棘爪會跟著擺桿一起復位，而棘輪則保持不動。實現鉆桿庫軸的單向精確角度轉動。圖5-1棘輪機構1-銷釘2-油缸尾部連接件3-油缸4-油缸頭部連接件5-銷釘6-棘爪7-連接板8-擺桿9-棘輪10-鉆桿庫圖5-2棘輪圖5-3棘爪2.棘輪幾何尺寸的確定棘輪棘爪裝置一般結構簡單、制作方便、運動可靠、轉角可調；但是在其工作時會有比較大的沖擊和噪音，運動精度也相對較差。比較適用于在速度較低和載荷都不是很大的場合。在工作時，要求棘爪在正壓力Pn（1）齒數：選擇棘輪齒數16（2）模數：模數4（3）頂圓直徑：根據計算式：d代入數據得：d（4）齒間距：根據計算式：p=代入數據得:p=8.6（5）齒頂高：根據計算式:h=0.75m得:h=3（6）齒頂弦長：根據計算式:a=m得:a=4（7）棘爪工作面長度：根據計算式:a1=0.6a得:a1=2.4（8）齒偏角：α（9）棘輪寬：根據計算式:b=4m得:b=10（10）棘爪斜高、齒斜高：根據計算式:h代入數據得:h（11）棘輪齒根圓角半徑：r（12）棘爪尖端圓角半徑：r（1）棘爪長度:根據計算式:L=2p代入數據得:L=17.2（二）圓柱螺旋彈簧設計1.結構設計本次設計采用的壓緊彈簧是圓柱螺旋彈簧。在進行螺旋彈簧的設計時，必須保證螺旋彈簧兩端的平整，螺旋彈簧兩端的一二圈之間沒有間隙，每一端都需要保證是齊平的，這樣能夠增加螺旋彈簧與壓盤和離合器蓋之間的接觸面積。并且能夠保證彈簧在工作時每一圈的受力是均衡的，避免在工作時發(fā)生傾斜現象。螺旋彈簧是周布在壓盤上的，而且彈簧數目通常都不少于6個。而隨著摩擦片的外徑增大，螺旋彈簧的數目就必須增加，而且嚴格保持是分離桿的整數倍。具體的關系見表5.1，這樣離合器摩擦片上的壓緊力才能均勻分布。表5-1周置圓柱彈簧的數目摩擦片外徑/mm螺旋彈簧數目<2006200~2809~12280~38012~18380~45018~30在本設計中根據摩擦片外徑，取螺旋彈簧數。2.彈簧的材料及許用應力周布彈簧離合器的彈簧鋼絲直徑一般是在4mm左右，工作環(huán)境的溫度通常在正常狀態(tài)下，所以一般會選用65Mn鋼、碳素彈簧鋼等材料。彈簧材料的許用應力對于碳素和硅錳鋼，其推薦的許用應力一般在這個范圍，也就是。用冷卷法制成直徑較小的離合器的壓緊彈簧。一般不會做淬火處理，但是要用低溫回火來消除內應力就行了。因此本設計選用65Mn鋼。3.彈簧的參數計算（1）每一個彈簧的工作壓力 （5-1）式子中，為單位壓力，=0.2526Mpa；D、d為壓盤的外、內徑。（2）彈簧絲直徑 （5-2）根據規(guī)范鋼絲直徑，取式子中，為每個彈簧的工作壓力；C為彈簧指數，一般C取5～8，初選彈簧指數C=6.2，為曲度系數，初取，除選。（3）根據規(guī)范彈簧中徑選取彈簧的外徑（4）彈簧中徑（5-3）（5）彈簧指數（5-4）（6）曲度系數（5-5）（7）實際的彈簧工作應力（5-6）（8）彈簧工作圈數（5-7）可取，式中，G為材料剪切彈性模數，碳鋼?。?；K需盡量小，一般取，初選。（9）彈簧實際剛度（5-8）（10）彈簧的總圈數（5.9）（11）彈簧工作變形（5.10）（12）彈簧的附加變形量對于單片離合器；對于雙片離合器。本設計取。（13）彈簧自由高度（5.11）其中，彈簧在最大負荷時的間隙，本設計取。（14）彈簧工作高度（5.12）（15）彈簧最大負荷（5.13）為離合器徹底分離時的彈簧最大負荷，一般經過計算，滿足設計要求。（三）小結理解棘輪與棘爪的工作原理，適用的場合；并對棘輪與棘爪進行幾何尺寸的確定，彈簧的設計要保證彈簧在工作時各圈的受力是均衡的，而不會發(fā)生傾斜現象，選擇合適的螺旋彈簧數，在進行各個參數的計算，確定好各個幾何尺寸，最后根據得到的幾何尺寸進行運用繪圖軟件將其畫出，與前面得到的各個零件的模型進行最終的裝配?！緟⒖嘉墨I】[1]康復機器人對腦卒中偏癱患者上肢運動功能影響及機制研究[D].孫鑫芳.昆明醫(yī)科大學2020[2]臥式下肢康復機器人的研究[D].錢振美.哈爾濱工程大學2006[3]上