康复机器人的设计（含三维UG图）[含11张CAD图纸+文档资料]

编号： 题 目： 康复机器人的设计 院 （系）： 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 题 目 类 型 ： 理 论 研 究 实 验 研 究 工 程 设 计 工 程 技 术 研 究 软 件 开 发第 2 页 共 40 页编号： 第 1 页 共 III 页摘 要康复机器人的相关技术是集机械学、医学、计算机科学以及机器人技术等诸多学科为一体的新型交叉科研领域，伴随着科学技术的发展，康复机器人技术得到了空前快速的发展，人们对康复医疗机械的技术要求也伴随着生活水平的提高而日益增加，其目的主要在于克服及治疗人类肢体功能障碍，使其最大极限地恢复原有的功能，实现最大程度的生活自理，提高生活质量。对于市面上现有的康复设备而言，产品功能过于单一，并且体积比较庞大，没能实现整个手臂和手指关节及下肢康复的集成产品。在这样的技术背景下，我国的康复器械正处于起步阶段，伴随着患者数量增加，医疗师资源的匮乏。就此现状，发展康复训练机器人的实际意义变得更加重大。不过随着康复机器人的研究和技术的发展，有望进一步化简医生和患者“一对一”的繁重医疗过程，推动患者享有最优质的康复服务的目标。所以本设计通过对国内外康复机器人的发展现状及应用等方面的总结，提出了一种新型综合的康复机器人康复训练机器人设计方案，主要针对上肢运动功能障碍患者的康复训练，在上肢康复的同时也可以进行下肢的锻炼，能够更好的帮助患者早日恢复健康，身体恢复原有的运动能力。具体工作如下:依据康复训练机器人的应用对象和应用场合的不同，首先分析了现有康复机器人的机械结构特点.通过对各种设计方案的比较，确定了机器人的总体设计方案，包括机械结构设计、机器人运动部件强度的分析、驱动方式的选择、传动结构的设计及选择等。关键词：医疗器械；康复机器人；机械手指第 1 页 共 III 页ABSTRACTRehabilitation robot technology mechanics, medicine, computer science and robotics technology, capacity and many other disciplines as one of the new cross-field of scientific research, along with the development of science and technology, rehabilitation robotics has been an unprecedented rapid development, people the technical requirements of the mechanical rehabilitation therapy along with the improvement of living standards and increasing its main purpose is to overcome and treatment of human dysfunction or disease, so that the maximum limit to replace or restore the original function, to achieve the greatest degree of self-care, improve quality of life.For todays social rehabilitation equipment, the product is relatively homogeneous and relatively large size, have not been able to achieve the integrated product of the entire arm and finger joints and lower limb rehabilitation. This technical background, the rehabilitation of machinery in China today is in its infancy, along with the increase in the number of patients, lack of resources for medical division. This stat us the development of training robot even more significant. But with the rehabilitation robot research and technology development is expected to further of Jane doctors and patients, “one to one“ heavy medical procedures, and promote the goal of patients enjoy the highest quality rehabilitation services. This design is a summary of the domestic and international development and application of the rehabilitation robot, a new rehabilitation robotRehabilitation training robot design, mainly for the rehabilitation training of the upper limb motor function disorders, while the upper limb rehabilitation can also lower limb exercise, better able to help patients recover soon, the body to restore the original athletic ability.Specific activities include the following:According to the application objects and the different applications in rehabilitation training robot, first analyzes the characteristics of the mechanical structure of the existing rehabilitation robots through the comparison of various design options to determine the overall design of the robot, including the design of mechanical structures, intensity analysis of the robot moving parts, the choice of the drive mode, the transmission structure design and selection.Key words Medical equipment；Rehabilitation robot ；Mechanical finger mechanism 第 2 页 共 III 页目 录第一章 绪论 11.1 课题背景.11.2 研究的目的和意义.21.3 背景分析.3第二章 机械手指结构设计 52.1 产业化机械手指的结构.52.2 人手的生物学特性分析.62.3 传动系统的比较.72.4 外骨骼手指机械结构设计102.5 锥齿轮选择和强度校核122.6 电动机类别的选择15第三章 机械手臂的结构设计 .183.1 连杆及自由度的设计183.2 手臂的运动模式193.3 结构设计193.4 关节电机的选择19第四章 链轮机构设计 214.1 链传动的结构特点和应用214.2 链传动的受力分析224.3 滚子链传动的设计计算234.4 链的尺寸计算26第五章 轴的设计 275.1 轴的概述275.2 轴的结构设计275.3 轴的校核275.4 轴的材料选择 31第六章 下肢康复机构的设计 .326.1 飞轮设计326.2 调速机构设计33谢 辞 36参考文献 37第 0 页 共 37 页第一章 绪论1.1 课题背景第二次抽样调查统计的结果显示，我国各类残疾人总数已达到 8200 万之多，占据全国总人口的 6.34%。残疾人的总数与 1987 年中国进行第一次抽查时相比，已增加了3000 多万，其中肢体残疾人数超过 2412 万。此外，由中风引起的残疾人数近年来也呈现上升趋势，我国中风病患者每年增加 660 多万，其中 1/3 以上的患者最终会导致死亡，当下中风已成为导致死亡的第三大罪魁祸首，其致残率甚至高达 75%。在青壮年人群中，由于交通事故、工伤等原因，也会出现了许多的肢体残疾者。康复机器人技术研究是近 30 年来迅速发展起来的一门综合性较强的学科。它综合了机械设计学、力学、机构学人工智能、自动控制、计算机工程、传感技术、仿生学等学科，该项学科已经嫣然成为最新的技术研究成果，它充分的体现了机电一体化多学科互相渗透，结合的特点，代表了机电一体化的最高成就。康复训练机器人是近些年来才涌现的一种新型机器人。本文主要是研究外骨骼康复训练机器人，康复机器人正是机器人技术在医学领域中的应用。伴随着人民生活水平的提高和科技进步，我国和世界上的许多国家一样，正逐渐步入老龄化，而在老龄人群之中有大量的脑血管疾病和神经系统疾病患者，这类患者多数会伴有偏瘫症状。与此同时，由于交通运输工具的迅速增长，因为交通事故而导致神经性损伤或者是肢体损伤的人数也在呈现上升的趋势。医学理论和临床医学证实，这类患者除了必要的临床手术治疗和必要的药物治疗以外，科学、正确、有效的康复训练对于那些肢体运动功能有障碍的患者起到非常重要的恢复和提高的作用.康复训练机器人作为一种机电结合的自动化康复医疗仪器，以医学理论为治疗的依据，帮助患者进行有效而又科学的康复运动，从而使患者的运动机能得到最大限度的恢复。康复机器人由计算机系统控制，康复训练在设定的程序下自动进行，根据病人的实际的情况，调节其运动的参数，实现最佳的康复训练效果。此外康复训练机器人还可以作为健康的老年人体育运动训练器械。康复机器人的研究贯穿了多个研究领域，俨然已经成为了国际机器人领域的一个研究热点、焦点。康复的含义是受创伤或者得了某些疾病后通过治疗，又恢复了患者肢体或器官的正常的功能或形状。通俗的来讲，康复工程主要是致力于为患者提供诸如此类辅助装置。从而把那些先进的工业机器人技术引入到医疗康复工程中来，最终在康复机器人的机构中得以很好的体现，形成了康复医学和机器人技术的完美结合。目前来说康复机器人已经广泛的应用到了康复护理、装配人体假肢、康复治疗、康复训练等各个方面，这不仅促进了康复机械在医学的发展，也带动了相关领域的理论和第 1 页 共 III 页新技术发第 2 页 共 37 页康复机器人是医用机器人和工业机器人的完美结合。人们第一次想要尝试把为残疾人服务的机器人产品化还要追溯到在上世界 60 年代到 70 年代。当时的一些实践证明那个时期人们的尝试都是以最后的失败而告终，其失败的原因主要有两方：第一个方面就是机械结构设计的不理想，不够人性化，尤其是没有良好的控制系统；第二个方面主要是技术的原因，单价太高导致了康复机器人最终想要实现产品化的目标失败。上世纪 80 年代是康复机器人研究的起步阶段，美国、英国和加拿大等一些发达国家在康复机器人研究方面已经处于世界的领先地位。在 1990 年以前全球的 56 个康复机器人研究中心分布在 5 个工业区内：英联邦，加拿大，斯堪的纳维亚半岛，欧洲大陆和北美及日本。在 1990 年以后一些发达国家在康复机器人方面的研究就进入到全面发展时期。1.2 研究的目的和意义为了能够帮助众多肢体残疾病人得到有效、及时的治疗，特别是提高肢体残疾人生活自理的能力，使更多残疾人的肢体功能得以恢复原有的运动能力，所以康复机器人便腾空出世，使那些失去部分人体机能的病人得到一部分肢体功能的补偿。可以看出机电结合的康复机器人对肢体功能有障碍的病人的康复起到了十分重要的作用。目前国内外研究表明，大脑的神经系统具有一定的可塑性，大脑运动神经功能的萎缩主要源于长期的不运动，然而数据表明通过行之有效的治疗，能够恢复受损运动神经的部分功能，而且 90%的中风患者可以恢复其独自步行的能力和生活自理的能力，有些人还能恢复其工作能力。医疗器械的康复机器人不同于普通的工业机器人，康复机器人需要与人体直接进行作用接触，因此，如何保证病人在康复训练过程中既安全又舒适，便成为康复机器人设计中需要解决的关键问题之一。为了更好的适应人体的运动模式，必须针对康复机器人的使用特点进行必要的设计，对其整体机械结构与驱动机构进行部位的特殊设计。在病人康复训练初期，康复机器人需要带动患者的肢体运动，以一定的运动力实现安全的主动运动;在患者肢体功能逐渐恢复以后，为了能够更好的增强康复训练效果，康复机器人可以实现给患肢施加一定的附加载荷，实现由肢体带动的被动运动。康复机器人在外骨骼辅助患者肢体运动的同时，其整体的机械结构也能够很好的主动顺应肢体的动作，从而实现康复训练安全性和舒适性的根本保证，同时这也是康复机器人机构区别于一般传统机器人机构的根本特征，而且这也是制约康复机器人应用的一个瓶颈问题。研究设计实用的符合病人康复理念的康复机器人，必须要先设计出安全可靠、符合人体工程学要求的康复机器人。整体结构及其各个关节的驱动模式。康复机器人的整体结构要同时具备外骨骼式的可穿戴，重量较轻等特质。康复运动的形式要第 3 页 共 37 页综合，康复训练过程中要有安全舒适等特点。要想更加全面的研究康复机器人必须要先解决其整体结构以及驱动机构的设计，使它的在可穿戴性及舒适性方面能够满足人体工程学的要求，否则将会严重影响到康复机器人的临床应用的效果，进而影响了康复机器人的产业化生产，鉴于当今社会的研制康复机器人市场需求的迫切性，本次毕业设计研究具有人体工程学特点康复机器人的整体结构及其驱动机构，势必具有较好的市场前景及应用的前景。而且对缓解康复医疗师的工作压力、降低康复机器人的生产成本，同时对促进康复机器人的产业化生产也起到了非常重要的作用。现根据我国的实际国情， 2010 年康复机器人的产量以达到 30000 台，开发设计具有自主知识产权的先进的康复机器人，势必将很大程度上提升我国在康复机器人领域的自主研发的能力，促进康复机器人在我们国家的产业化，从而使其在这一领域缩小与那些发达国家之间的技术差距。并且开发出成本较低的康复机器人，来迎合我国大多数家庭的需要。这对于振兴和发展民族高科技工业将起到决定性的作用，同时对提升民族工业的自信心也有着重要的意义。连锁反应，康复机器人的技术的发展在不断的创新、研究及产业化，这对构建和谐社会的大环境也起到了极大的促进作用，全社会将更多地形成帮助与关心残疾人这一特殊的社会群体氛围。综上所述，研发面向残疾人的机电结合的机器人产品，并实现康复机器人产品化，不仅对硬件的控制系统提供了验证的平台，还缓解康复医师工作的压力、降低了康复机器人的生产成本、促进了康复机器人的产业化具有重要的世纪意义。1.3 背景分析康复机器人国内外发展现状康复医疗机器人应属于医疗机器人范畴之内的，康复机器人如果说从功能上分的话，可分为外骨骼辅助型康复机器人和实用性康复训练机器人，是机器人技术在医疗领域新的应用。康复训练机器人的主要功能应该是帮助患者完成各种机体损伤功能的恢复训练，如行走训练、手臂运动训练、脊椎运动训练等。本论文主要是针对手指关节，肘关节，肩关节以及下肢康复训练的仪器。而对该康复机器人的主要研究方面包括康复机器人的机械机构、动力学、运动学等。数据显示，当今社会康复医疗机器人主要是用于中风病患者、神经功能损伤患者、肢体运动功能损伤患者的康复治疗。而我国的中风病可以说是世界高发病地区之一，据不完全统计，中风患者的幸存者中约有 70%-80%的患者会有不同程度的残疾。对与这些病人来说，针对他偏袒部位进行及早的治疗及康复训练是十分重要和关键的医疗技术手段，可以很大程度上减少残疾的可能性。为了克服传统医疗手段的弊端，那么进第 4 页 共 37 页一步开发研究康复医疗机器人的必要性就不言而喻了。医疗康复训练机器人经过了几十年的发展，其实从整体的系统结构上分，主要包括三个阶段:本地的康复医疗机器人系统、远程控制的康复医疗机器人系统以及基于虚拟环境的康复医疗训练机器人系统。其中有两种主要工作模式:关节运动训练模式和肢体肌力训练模式。我国发展肢体康复医疗机器的技术经验和一些发达的国家相比较还处于起步阶段，近些年来，这一问题也引起了国内有关人士的重视，但较国外的发展水平还有一定的距离，大多为一些简易型康复训练器械，智能化程度非常低，国外发展较早，相关的技术都已经比较成熟。所以综上所述我们不难看出，在医疗器械康复机器人的这一领域我们的发展前景还是非常可观的，下面就让我来为大家简单的介绍一种由自己设计的新型康复机器人。下面为大家介绍一下本人在这次毕设中所设计的康复机器人，以下就是一个 UG 渲染的三维效果图，从这个图中我们可以看到他的整体框架以及结构特点，通过这样一个康复训练器材，病人可以锻炼自己的手臂、手指、下肢等功能有障碍的部位。第 5 页 共 37 页下载文档就免费送 CAD 图纸全套资料，加扣 414951605第 6 页 共 37 页机械手指结构设计第 7 页 共 37 页2.1 产业化机械手指的结构目前，对于康复机器人的研究主要集中在医院机器人系统、康复机械手、智能轮椅、转配智能假肢和康复治疗机器人等几个使用性领域。随着外骨骼康复机器人康复理论研究和外骨骼机械装置临床实践的不断发展，外骨骼机械康复装置的发展呈现几个小方面发展。康复锻炼小关节以及多关节的方向发展；向嵌入式、小型化、便携的形式发展；开发复合更有效的结构形式；开发和应用新的动力源和传动方式； 国内的哈尔滨工程大学和哈尔滨工业大学等学校都已经进行了康复机器人的相关研究，并对现有的康复机构进行了必要的机械结构改进，而且集成了多种传感器如角度、力等微型传感器等。通过简单的机械配合与执行机构巧妙的结合在一起，虽然机构整体的重量变轻了，但是对那些肢体功能有损伤的患者治疗康复效果却变得越来越好。就目前市场上出现了适合手指关节康复的外骨骼机械仪器来看，如下图所示，需要的价格非常昂贵，并且多个手指通过较复杂的传动机构采用一个电机控制驱动，虽然实现所谓的康复运动，但运动不够精确，机械结构较复杂，实现的康复功能较为单一，而且不能对康复过程实时监控，缺乏感知信息。图 2-1 机械手指产品综合以上实例分析得出以下结论，现有的手部外骨骼康复仪器大多存在下列的缺点以及不足：1、康复仪器的结构比较复杂；2、不能很好的使五个手指同时得到康复训练目的；3、康复仪器体积较大，携带不便；4、运动不够精确；5、安全性能较差2.2 人手的生物学特性分析人类的手部具有非常复杂的结构，手部是由作为动力机构的肌肉、连接骨骼的韧带、骨骼、和把肌肉与骨骼连在一起的肌腱以及手上的皮肤和软组织等（在这里我们第 8 页 共 37 页忽略神经以及血液系统）组成。手指的骨骼是在关节处相连，其大小尺寸没有变化。肌肉产生了力矩，手部通过肌膜控制关节的运动，对与每一条肌肉都会有一条或者多条与其力矩相反的肌肉相互作用。由于骨骼在整体运动中发挥着支撑以及各种姿态的主导作用，所以对于手部运动的研究也势必需要以其骨骼的构造为主要对象。在事实上，不同部位的功能与关节的形状的不同，则决定手部各部位的最终姿态。其中主要的原因就是处于各个关节之间的骨骼不会自身产生变化，所以这种连接可以认为属于刚体性质的链接。因而各个部位的运动完全取决于关节的转动本体。一般来说，手部的关节至多是内收外运动和伸展弯曲运动。弯曲运动是指在手掌自然平面相纵向垂直的平面上的运动。这主要是通过手背的指间关节和腕部关节来完成。除了能够完成相应需求运动之外，手背及手掌与手指连接的关节，还能进行内外伸展运动。应当在之前说明的是，这类关节的弯曲运动与内收外展运动间有着非常特定的约束关系，即弯曲运动完成以后，一般不会再有内收外展轴向的转动。除大拇指以外，其他四个手指相对于手掌的运动由指掌关节 MP、指间关节 PIP、指端关节 DIP 决定手指具有 4 个自由度，其中 MP 处有 2 个自由度；PIP 和 DIP 处各有1 个自由度；大拇指有 2 个自由度，整个手部的手指共有 18 个自由度，如下图所示。图 2-2 人手机构模型第 9 页 共 37 页手指运动的特点主要包括：手指关节弯曲伸展的范围和内收外展的范围有限，如 MP 关节的最大弯曲角度一般不大于 90 度；各段手指骨可以在同一个平面内运动；大拇指外伸的两段指骨可以在同一平面内运动；手指骨 MP 处弯曲的轴线以及内收外展的轴线几乎垂直；手指骨的 PIP 和 DIP 关节之间的运动相互约束，即使没有外力的作用下，当弯曲 PIP 关节的同时，DIP 关节也必然会随之弯曲；反之也是一样的。根据正常成年男女手指功能模型，手指运动角度我们给出了下面这个手部的尺寸图供参考。图 2-3 手指的尺寸如上图所示，我们可以很清楚看出大部分人在各个年龄段手部的各个关节相关尺寸长度，根据对上面的数据进行简单的分析，从而机械手指的结构设计按照图表尺寸一步一步的完善，最终可以达到满足不同病人使用的需要。2.3 传动系统的比较外骨骼机械手指康复仪器的传动系统，根据其动力源的不同，可以把它大体分为五种形式，即电动、液压、气压、气液联合和电液联合传动等多种方式。目前采用的第 10 页 共 37 页主要是前三种。（1）液压传动液压传动是目前用得非常多的一种传动方式，压力为5140公斤厘米 2，臂力最大可以达到100公斤以上。液压传动的优点： 压力高(一般在2040公斤厘米 2，有的可以高达140公斤厘米 2)。可以实现较大的驱动力，用其设计的机构可做得比较轻小、紧凑。定位精度高、无级变速，可以实现任意中间位置的停止。系统的固有振动频率较高，容量、压力调节容易。 重量小、惯性较小，可以做到多次及快速且无冲击的变速、换向。比较容易操控，功作平稳，迟滞小。 有良好润滑性能、寿命较长。 可以采用伺服型定位控制方式，达到连续的控制。 可以把直线油缸以及回转油缸直接做成手臂的一部分，结构简单，刚性较好。液压传动缺点： 需配备压力源，管路系统复杂，成本较高。 油温变化影响液压系统的性能，不适用于高温或低温的环境。 对于中型高速动作的外骨骼康复的机械手指，如果需要实现联动，那么油泵、电机和油箱都要需要较大，增加了系统压力，密封困难。 油液容易泄漏，这不仅影响工作的稳定性和定位精度，而且会污染环境。 油液中容易混入水分、气泡，使系统刚度下降，快速响应特性及定位精度变坏。 容易燃烧，工作的噪声较大。（2）气压传动气压传动在工业机械于中用得也是比较多。它的压力一般在46公斤厘米 2，个别的可以达到810公斤厘米 2。臂力一般是在30公斤以下。高速机械手采用气压传动机构的较多。执行的元件主要包括气缸、气马达、气阀等。第 11 页 共 37 页气压传动的优点： 该机构不需要增速机构就可以获得较高的运动速度，这个其实正是简易型机械手的一项主要的性能，使其可以适应各种速度非常快的自动搬运工作； 气源比较方便，一般工厂都会有压缩空气站； 空气的泄漏基本是无害，因此对管路要求比较低； 适应易燃、易爆等恶劣环境下工作； 结构、保养都很简单，成本较低；可以将直线风缸和摆动风缸做成手臂的一部分，结构比较简单，刚性较好。气压传动的缺点： 压力较低，出力较小，体积较大。 空气可以压缩性较大，粘滞性比油要低，阻尼效果较差，对于定位控制和低速运动不利，实现中间位置的停止很难。而且需要付出很高代价才能够在一个循环系统中得到不同的速度，因此该系统不能用于控制连续轨迹，只合适于点位控制。 可以采用简易型“开一关”控制。 润滑性能较差，压缩空气中含有水分，气动系统的元件易锈蚀，低温时水分结冰，并且起动困难。 使用后的压缩空气可以直接排入大气会引起噪声污染。（3）电动传动电动传动系统是利用各种电机产生的力矩，通过直接或间接的机械传动装置来实现驱动执行机构的功能。像这类驱动系统不需要能量转换，因此效率比气动和液压驱动较高，而且具有使用方便、噪声低和控制灵活等诸多优点，在各类工业机器人中得到了广泛应用。电机传动的优点： 动力源非常简单，维护及使用也是极其方便； 控制系统和驱动系统可以同时采用一种型式的动力； 动作准确性可靠，工作速度可以选用的种类较多，成本也较低。电机传动的缺点：第 12 页 共 37 页该机构需要具有减速装置和把电机的回转运动变成直线运动的机构，结构庞大，速度不容易控制。 如果需要变换程序时，要改变连杆尺寸和凸轮形状。因此，如果结构较为复杂的话，调整不够灵活，通用性较差。 当机构惯性力大时，元件容易磨损，而影响定位精度。综上所述，考虑到需要输出较大的力矩，便于检测，容易控制，维修方便，体积小以及成本低等方面考虑，最终选用电动作为动力源。2.4 外骨骼手指机械结构设计图 2-4 机械手指三维效果图1 伺服电机 2 手指固定架 3 电机座 4 齿轮架 5 锥齿轮 6 连杆旋转板 7 长套筒8 螺钉 9 中套筒 10 弯连杆 11 手指套 12 手指垫板 13 轴承 1 4 手指套固定板第 13 页 共 37 页15 旋转固定板 16 短套筒 17 直连杆 18 拇指固定板 19 机械手指底板如上图所示，由于机械结构的旋转驱动力是伺服电机提供的，所以比较容易得到，不需要附加其他形式驱动力。本课题选择了由一对传动比为 1 的锥齿轮作为传动机构，将伺服电机的转动形式转化为整个手指上下摆动的运动形式，结构由 7 个可以变化的连杆组成，可以迎合不同尺寸的手指，不仅可以实时改变手指的长度还可以改变手指的角度。可以最大限度的满足人们的需要，工作过程如下：当伺服电机 ECMA C-206 按照所编写的程序有规律转动时，通过锥齿轮的传动，从而带动了平行于固定架的锥齿轮转动，与该锥齿轮通过键配合的平行连杆一随着锥齿轮的转动，这样手指的整体机构按一定规律上下摆动，连杆一将这一运动形式最终传递到了与病人的手指固定在一起的手指套上面，进而带动手指的上下摆动 从而实现锻炼手指关节的目的。-图 2-5 ABS 树脂材料性能连杆及套筒所用的材料为 ABS 树脂材料， ABS 树脂是以丁二烯、苯乙烯、丙烯腈为原料。采用乳液聚合法制成聚丁二烯胶乳，再用此胶乳与苯乙烯和丙烯腈进行乳液接枝共聚，就制得 ABS 粉料。采用悬浮聚合法制成 AS（SAN）乳料。然后将 ABS 粉料、SAN 乳料和各种添加剂按一定配比掺混，经挤出造粒，最终得到 ABS 树脂产品。ABS 树脂是丙烯腈丁二烯苯乙烯的三元共聚物。ABS 树脂外观微黄不透明，相对密度1.04。它具有良好尺寸稳定性，突出的耐冲击性、耐热性、介电性、耐磨性，表面光第 14 页 共 37 页泽性好，易涂装和着色等优点。2.5 锥齿轮选择和强度校核2.5.1 齿轮材料的选择考虑到设计的齿轮传递的功率不大，速度不高，采用含碳量在 0.15%0.6%的碳钢制造齿轮，为提高齿轮耐磨性和轮齿强度，对齿面采用渗碳、表面淬火等热处理，硬度可以达到 200HBS。2.5.2 按齿面接触强度设计 2.921d3 212u)5.0(RRHETKZ （1）确定公式内的各计算数值试选 K1.3齿轮(1)传递的转矩。 mN6.0T1选取尺宽系数 R1/3查机械设计手册到材料的弹性影响系数 ZE189.8Mpa通过机械设计手册查得按齿面硬度查得.齿轮的接触疲劳强度极限 MPa（碳钢调质曲线） ；601limH计算应力循环次数60n1jLh 60 25 1 （2 8 365 10）3.41N910992 04.30.查得接触疲劳寿命系数由手册查得接触疲劳寿命系数: 0.92； =0.921HNK2HN计算接触疲劳许用应力第 15 页 共 37 页取失效概率为 1，安全系数 S1，由公式得0.92600MPa552MPa1H0.92600MPa552MPa2（2）计算试算齿轮分度圆直径 d1t，代入 中较小的值。H2.921d3 212u)5.0(RRHETKZ = =10.5mm328.196./5092. 计算圆周速度v= = =0.014m/s106nd 025.计算齿宽 bR= =10.5 =5.99mm211ud21b= RR= 5.99mm=1.99mm3计算齿宽与齿高之比分度圆锥角 =arctan =450121/平均分度圆直径 dm1=d1(1-0.5 R)=8.715mmmT= =0.618，则：1z75.0第 16 页 共 37 页齿高 h=2.25m T=2.250.618mm=1.4mmb/h=10.5/1.4=7.5mm计算载荷系数根据 v=0.014m/s,7 级精度，由机械手册可以查得动载系数 =1vK（工作机器属于伺服电机） ；机械手册查得 =1.2 属于经表面硬化 查得使用系数由于速度计较小所以FHKKA=1 故载荷系数 =1.198 K = =1.725kHVA按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径得= = mm=11.54mm1d3/t3.1/72501计算模数 m m= 68./54.1z2.5.3 按齿根弯曲强度设计m 321)5.0(4FSaRRYuzKT （1）确定公式内的计算数值由机械手册查得齿轮 1 的弯曲疲劳强度极限 =540Mpa；齿轮 2 德尔弯曲疲劳1FE极限强度 =540MPa2FE查得弯曲寿命系数 =0.86 =0.861FNK2FN计算弯曲疲劳许用应力 取安全系数 S=1.4 =（ ）/S= =331.7Mpa1FE1FEN4.5086= （ ） /S= =331.7Mpa2FE2FENK.1第 17 页 共 37 页计算载荷系数K= =1.25*1.15*1.1*1.08=1.708FVAK查取应力校正系数由机械手册查得 =2.97； =2.971SaY2Sa查取齿形系数同时可以查得 =1.525.1Fa2Fa计算齿轮的并 FSaY= =0.01361FSaY 3.752*9(2)设计计算m 321)5.0(4FSaRRYuzKT 即： m =0.538mm0.1367)6(38.22对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数 m 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数 0.538，并就近圆整为标准值 m=0.6mm。 2.6 电动机类别的选择本次毕业设计所使用的电机都为伺服电机，主要是考虑到伺服电机比较容易控制，可以通过脉冲来确定位置，所以定位比较准确，伺服电机接收到 1 个脉冲，就会旋转1 个脉冲对应的角度，从而实现相对位移的变化，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机第 18 页 共 37 页接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，伺服电机的定位精度可以达到 0.001mm。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换碳刷） ，产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。 1、无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。 2、交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。 3、伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的 U/V/W 三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数） 。选择电动机，首先要确定电机工作点的力矩有多大，及在这个力矩下需要的电机转速（即额定转速）是多少。依此可以确定需要什么型号以及什么类型的的电机能满足这个要求。根据工作环境及条件，本次设计是选用伺服电机，它不仅体积小，重量轻，力矩比较大而且平稳，速度高相应快，可以通过硬件电路的设计以及程序的设计来控制脉冲数，从而控制电机的转动角度及转动方向。确定电动机功率和型号工作机所需功率：P w =FV=52W电动机输出功率： dP电动机所需的功率为： w5497.02由题意知，选择电动机额定功率 Ped=100w。电动机转速的选择选择电动机转速 25r/min由公式 可以算出它的扭矩 通过改变nPT950第 19 页 共 37 页T=0.6 mN选定伺服电机型号,参数如下图：电动机型号 额定功率（W）电动机质量（kg）额定转矩（NM）ECMA C-206 100 0.3 0.7下面简单的介绍一下，机械手指机构在整个康复机器人中的位置情况以及工作的性质。图 2-7 康复机器人整体框架图通过图 2-7 康复机器人整体二维图的框架,可以清晰的看到机械手指是通过螺栓安装固定在机械手臂的前端，机械手臂的前端有一个可以旋转的构件也是通过螺栓与机械手臂铰接在一起，机械手指的整体机构采用 4 个螺栓紧固在这个旋转机构上，这样机械手指机构可以根据不同人的手腕的角度需求，自己进行必要的调整，最终实现了机械手指的旋转功能。第 20 页 共 37 页第 21 页 共 37 页第三章 机械手臂的结构设计3.1 连杆及自由度的设计 图 3-1 三维效果图手臂承受载荷的能力大、自重轻。手臂的运动性能直接影响到动作的平稳性、运动的速度和定位精度。如刚性差则会引起手臂在垂直平面内的弯曲变形和水平面内的侧向扭转变形，手臂就要产生振动，或动作时工件卡死无法工作。手臂的运动速度要适当，惯性要小。机械手的运动速度要适当尤其是在外骨骼手臂更是如此，如果转动过快就会导致病人在康复运动过程中手臂受伤，所以不宜盲目地追求高速度。手臂自重轻，其启动和停止的平稳性就好。位置精度要高。机械手臂要获得较高的位置精度，除采用脉冲来控制伺服电机的转动方法以外，在机械结构上机械手臂也要有刚度、偏重力矩、惯性力及缓冲效果都直接影响手臂的位置精度。行程检测机构。机械手臂是机械手的主要部分，它不仅支撑手腕，机械手指机构还可以使他们在一定范围内有规律的运动，机械手臂的连杆结构可以通过调整变位条在轨道中的位置 改变螺栓位置从而改变连杆的长度尺寸，来适应不同长度的手臂。自由度是机械手设计的关键参数，自由度越多，机械手臂的灵活性就越大，对病人的治疗也就非常有帮助。不仅能够使患者手臂的各个关节都能参与到运动过程中，而且对损伤部位的康复治疗也起到及其重要的作用，所以本次设计的整个机械手臂的自由度为 3。整个机械手臂的连杆材料为钛合金 TA6，密度为 4.4g/cm ，选择该材料的主要原因是密度较小，3在相同体积的情况下，质量小并且硬度非常大，它的 Rm 要大于 685N/mm ,所以使用这2种钛合金材料足够支撑整个上肢机构运动。第 22 页 共 37 页3.2 手臂的运动模式 机械手臂的结构决定了手臂的运动模式，在肩部和肘部各安置有一个型号是 MPF-B330P-SJ22AA，MPF-A330P-MJ22AA 伺服电机，康复机器人通过控制系统来控制电机的脉冲，从而控制伺服电机的转动方向以及转动的角度，在后期制作中可以在这里安装一个力传感器 型号 K1-GMC250 通过该力传感器实时的测量转动的部位受力情况，当该传感器测到的数值达到一定极限时，证明现在病人的手臂已经达到了转动极限，那么将该信号回馈到控制系统，这样通过程序控制使相应关节的伺服电机反向转动，从而实现外骨骼手臂的摆动的效果，最终达到康复手臂功能的作用。型号为 MPF-B330P-SJ24AA 的伺服电机的底部与座椅的靠背通过螺栓紧固在一起，各个关节的驱动方式均属于直接驱动方式，所谓直接驱动就是电机与其所驱动的负载直接耦合在一起，直接驱动的方式不存在其他的复杂机构，这种设计理念消除了繁琐的间接的传动机构部件，如齿轮变速箱、皮带、滑轮等。直接驱动转动系统为设计者和试用者带来许多好处，其实直接驱动旋转电机技术不仅从根本上提高了机器的可靠性，而且减少了维护时间和不必要的麻烦。通过消除机械传动带来的柔性，直接驱动的设计模式避免了对电机和负载进行惯性匹配的麻烦，同时电机的定位和速度精度也可以提高 50 倍。直接驱动电机还带来另外一个好处，听觉噪声降低高达 20dB。3.3 结构设计 机械手臂主要由与主伺服电机旋转固定座，小臂连杆和大臂连杆等运动构件组成，动力源来自不同型号的伺服电机，这样的驱动形式属于直接驱动。机械手臂能够实现3 个自由度运动（由于机构运动确定，因此机构的自由度等于机构的运动构件数目）中间的关节部分分别由型号是 MPF-B330P-SJ22AA 伺服电机、MPF-A330P-MJ22AA 伺服电机直接驱动，根据控制系统的程序的有效控制，最终实现机械手臂与人体手臂的和谐统一。在机械手臂各个关节电机设计中，整个机械手臂有 3 个自由度，相当于 3 个独立的关节。每个关节的驱动原理都属于直接驱动形式，所以省去了一些传动机构，这样不仅使整个机构简单，而且便于操控及设计。 3.4 关节电机的选择 3.4.1 肘关节电机选择第 23 页 共 37 页电动机类型选择：根据工作环境以及工作条件选择，本次毕业设计是选用瑞士 ABB伺服电机，它具有国际互换性，工作能力可以满足设计要求。整个机械手指的质量估算为 2.5Kg 前手臂重量为 2.4Kg 共计 5Kg 前段质心到关节电机的距离约为 280mm 通过公式 T=FL=8*9.8*0.28=21.952Nm。后半段质心到关节电机的距离约为 300mm，通过公式 T=FL=20*9.8*03=58.8Nm伺服电机的选择型号，如下表所示1-电动机型号 输出功率 电动机质量（kg） 转矩（NM）MPF-B330P-SJ22AA 7KW 4.8 302-电动机型号 输出功率 电动机质量（kg） 转矩 （NM）MPF-A330P-MJ22AA 12KW 8.6 803.4.2 肩关节电动机选择电动机类型选择：根据工作电机的工作条件及环境，选用瑞士 ABB 伺服电机品牌，它具有国际互换性，工作能力可以满足技术要求。而且结构相对简单 在控制速度方面可以很容易的实现控制伺服电机的转动速度以及转动的角度，并且伺服电机的内部可以向系统发送脉冲，这样系统也可以实时的检测电机的工作情况，有利于康复训练的安全进行。电动机转速的选择 需要的力矩 T=FL/2 T=FL=30*9.8*0.4=117.6Nm选定伺服电机,参数如下表所示： 电动机型号输出功率 力矩（NM）电动机质量（kg）MPF-B330P-SJ24AA 15.7KW 150 15.8第 24 页 共 37 页第四章 链轮机构设计4.1 链传动的结构特点和应用链传动是一种柔性传动，它由链条和链轮（大链轮和小链轮）组成 通过链轮轮齿与链条链节的啮合来传递运动和动力，链传动在机械制造中应用广泛与摩擦型带传动比，链传动无弹性滑动和整体打滑现象，因而能保持准确的平均传动比，传动效率较高；又因链条不需要像带那样张得很紧，所以作用于轴上的景象压力较小；链条采用金属材料制造，在同样的使用条件下 链传动的整体尺寸较小 ，结构较为紧凑；同时看，链传动能在高温和超市的环境中工作。与齿轮传动相比，链传动的制造与安装精度要求较低，成本也低，在远距离传动时，其结构比齿轮传动就、轻便很多。链传动的主要缺点是：只能实现平行轴间链轮的同向传动；运转时不能保持恒定的瞬时传动比；磨损后容易发生跳齿；工作时有噪声；不宜用在载荷变化很大、高速和急速反响的传动中。链传动主要用在要求工作可靠，两轴相距较远，低速重载，工作环境恶劣，以及其他不宜采用齿轮传动的场合。例如在摩托车上应用了链传动，结构上大为简化，而且使用方便可靠；掘土机的运动机构就采用了链传动，他居然经常受到土块、泥浆和瞬时过载等的影响，依然能很好地工作链条按用途不同可以分为传动链、输送链和起重链。输送链和起重链主要用在运输和起重机械中。在一般机械传动中，常用的是传动链传动又可以分为短节距滚子链（简称滚子链） 、齿形链等类型。起重滚子链常用在传动系统的低速级，一般传递的功率在 100Kw 以下，链速不超过 15m/s，推荐使用的最大传动比为 8.齿形链应用较少滚子链滚子链是由滚子 1、套筒 2、销轴 3、内链板 4 和外链板 5 组成。内链板和套筒之间、外链板与销轴之间分别用过盈联接固联。滚子与套筒之间、套筒与销轴之间均为间隙配合。当内、外链板相对挠曲时，套筒可绕销轴自由转动。滚子活套在套筒上，工作时，滚子沿链轮齿廓滚动，减轻了齿廓的磨损。链的磨损主要发生在销轴与套筒的接触面上。因此，内、外链板间应留少许间隙，以便润滑油渗入销轴和套筒的摩擦面间。内、外链板制成 8 字形，是为了使链的各剖面具有相近的抗拉强度，也可减轻