上肢康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【三維UG】【19張CAD圖紙+PDF圖】

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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 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 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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 2 1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 5 1.3 本課題主要研究?jī)?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 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 致 謝 37 VII 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(guó)和世界上其它國(guó)家一樣，正在向老年化結(jié)構(gòu)發(fā)展，伴隨而來(lái)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(zhǎng)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(guó)每年新發(fā)腦中風(fēng)病例120-150萬(wàn)人，死亡者80-100萬(wàn)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(lài)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(wèn)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(guò)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(kāi)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(guò)程進(jìn)行客觀的監(jiān)測(cè)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(kāi)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(guò)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。 1.2 康復(fù)機(jī)器人的國(guó)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。康復(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(guó)外研究現(xiàn)狀 在歐美等國(guó)家，上肢康復(fù)機(jī)器人在20世紀(jì)0年代就開(kāi)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(kāi)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(lèi)日常生活中對(duì)雙手協(xié)調(diào)性工作的需要出發(fā)，以簡(jiǎn)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(lái)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(jiǎn)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、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(guò)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(guò)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(cè)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(guò)的點(diǎn)來(lái)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(kāi)始研制一種被稱(chēng)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(jué)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(guò)程中運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，如軌跡、速度等等，通過(guò)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(guò)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(cè)得的位置、速度信息通過(guò)系統(tǒng)的機(jī)械模型來(lái)預(yù)測(cè)所需力與力矩的大小，并通過(guò)一個(gè)可調(diào)輔助因子來(lái)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(guò)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(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 國(guó)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(guò)國(guó)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(guó)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?，并由剛性參?shù)及測(cè)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(guó)家“863”計(jì)劃支持下，從2000年起即開(kāi)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。 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) 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?jī)?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)。 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(lái)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(zhǎng)（mm） 279 289 294 313 333 338 252 262 267 284 303 302 前臂長(zhǎng)（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(lèi)： （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)具有緩沖作用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chǎng)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(jiǎn)單，能在很大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)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(chǎng)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(guò)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(cè)。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(jiǎn)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 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(guò)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(jiǎn)圖如圖2.2所示。 圖2.2 前后擺動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)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)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(chēng)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(pán)，用螺栓通過(guò)擋圈與軸承外圈連接；內(nèi)套筒插裝在外套筒內(nèi)，通過(guò)螺母與絲杠連接，組成絲杠螺母副，其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2.3所示。 在直流電機(jī)作用下，穿過(guò)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(jiǎn)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(jiǎn)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(pán)安裝在橫梁上；橫梁與立柱內(nèi)套筒連接；同步齒形帶輪一端通過(guò)擋板和螺釘固定在電機(jī)軸上，另一端通過(guò)軸和軸承固定在橫梁的中部，其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)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(pán)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(jiǎn)圖如圖2.5所示。 圖2.5 手腕康復(fù)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)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(lái)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。 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(guò)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)角速度=0.05rad/s，轉(zhuǎn)動(dòng)角度=30°。 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) 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)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 =/（） (3-2) 得到電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=75Nm，功率P=40w，轉(zhuǎn)速n=30rpm； 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) 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(lèi)，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(lèi)： (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(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)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(kāi)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(zhǎng)，但價(jià)格相對(duì)其它減速器來(lái)說(shuō)略貴。 上肢肢康復(fù)機(jī)器人在前后擺動(dòng)過(guò)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(lái)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 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(guò)聯(lián)軸器連接起來(lái)的，因此要對(duì)聯(lián)軸器進(jìn)行選擇。聯(lián)軸器種類(lèi)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(jiǎn)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(jiǎn)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?xún)?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(jiàn)表3.2。 表3.2 前后擺動(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 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 3.8 318 1200 2500 表3.3 HL1聯(lián)軸器參數(shù) 型號(hào) 公稱(chēng)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(zhǎng)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 19 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(chē)墩業(yè)務(wù)部生產(chǎn)的HL型柱銷(xiāo)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(zhǎng)度22mm； （2）第Ⅱ段是與立柱座相連接的，其直徑定為20mm，長(zhǎng)度58mm； （3）第Ⅲ段直徑定為18mm，長(zhǎng)度550mm； （4）第Ⅳ段是通過(guò)聯(lián)軸器與渦輪蝸桿連接，其直徑為17mm，長(zhǎng)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） 其中，Mm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。 截面上的轉(zhuǎn)切應(yīng)力為： （3-2） 其中，T2表示轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；WT表示抗扭截面模量。 將數(shù)據(jù)代入式3-2得=156.25MPa。從而有： MPa 軸的材料為40Cr且調(diào)質(zhì)處理，因此有 MPa，MPa，MPa 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： （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)力集中系數(shù)為，。 經(jīng)直線插入可得其有效應(yīng)力集中系數(shù)為： 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： （3）碳鋼系數(shù)的確定 碳鋼的特性系數(shù)取為，。 （4）安全系數(shù)的計(jì)算： 軸的疲勞安全系數(shù)為 （3-3） （3-4） （3-5） 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)；表示材料對(duì)稱(chēng)循環(huán)的彎曲疲勞極限；表示材料對(duì)稱(chēng)循環(huán)的扭轉(zhuǎn)疲勞極限；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)；( 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；( 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)算疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)；表示疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)。 代入數(shù)據(jù)計(jì)算得=5，=10，=41.5=S，所以該傳動(dòng)軸是安全的[20]。 3.1.5 鍵選擇及校核計(jì)算 上肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)中立柱座與軸通過(guò)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(chēng) 規(guī)格 直徑 （mm） 工作長(zhǎng)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） 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(zhǎng)度，圓頭平鍵l=L-b，平頭平鍵l=L，這里L(fēng)為鍵的公稱(chēng)長(zhǎng)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用擠壓應(yīng)力，一般45#鋼的[]為100~120MPa。 所以軸上鍵的擠壓應(yīng)力為： ==95MPa≤120MPa 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(guò)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。 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(guò)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： （3-7） 將數(shù)據(jù)代入式3-7，得=50W。 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，齒輪的傳動(dòng)效率為=0.95，電機(jī)的功率為 （3-8） 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，則有： （3-9） 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)的轉(zhuǎn)速，表示總的傳動(dòng)效率。 將數(shù)據(jù)代入式3-9有： N. m 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(jiàn)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(guò)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(guò)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(jiàn)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 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 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： （3-10） 其中，（N）為作用于螺桿的軸向力，A（）為螺紋的面積，（mm）為螺紋中徑，h（mm）為螺紋工作高度，H（mm）為螺母高度，螺紋工作圈數(shù)，為材料的許用壓力。 令則，對(duì)于梯形螺紋h=0.5P，帶入式3-9有： （3-11） 則有，取=25kg10N/kg=250N, 經(jīng)查表取=2，螺桿材料選為鋼-鑄鐵，其運(yùn)動(dòng)速度=6~12m/s，=4~7MPa，取=6MPa ，則有 根據(jù)實(shí)際情況，查表選取絲杠公稱(chēng)直徑=16mm，=14mm，P=4mm。 螺紋升角 ==5.2° 取摩察系數(shù) =0.14 當(dāng)量摩擦角 = 因?yàn)?，從而絲杠能實(shí)現(xiàn)自鎖性能。 （2）螺桿強(qiáng)度計(jì)算 由于螺桿所受到的軸向力不是很大，因此可以忽略不計(jì) （3）螺母螺紋牙強(qiáng)度計(jì)算 螺紋牙危險(xiǎn)截面的剪切強(qiáng)度條件為 MPa<[]= 40MPa 螺紋高度，工作圈數(shù) 從而可得其彎曲強(qiáng)度為 MPa<［］=45~55MPa （4）螺母外徑凸緣強(qiáng)度計(jì)算 由于螺母所受到的軸向力不是很大，因此可以忽略不計(jì)。 （5）螺桿穩(wěn)定性計(jì)算 螺桿受到的臨界載荷為： 滿足要求[22]。 （6）絲杠效率 螺桿的三維結(jié)構(gòu)如圖3.7所示： 圖3.7 螺桿 3.2.4 錐齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 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，調(diào)質(zhì)處理，硬度為190~240HBS，精度8級(jí)，取兩齒輪的齒數(shù)相同，==31。 1、按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) （1）確定參數(shù)數(shù)值 根據(jù)所選電機(jī)的參數(shù)，其輸出轉(zhuǎn)矩T=843mN/m，P=150w，查表，選取載荷系數(shù)，彈性系數(shù)MPa，齒寬系數(shù)=1，節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，接觸疲勞極限=560MPa，安全系數(shù)=1，接觸疲勞壽命系數(shù)=1.13，得接觸應(yīng)力為： MPa （2）確定傳動(dòng)尺寸 錐齒輪的節(jié)圓直徑為： =13.8 取動(dòng)載荷系數(shù)=1.1，是用系數(shù)=1.25，假設(shè)<100N/mm,齒間分配系數(shù)=1.2，齒向載荷分配系數(shù)=1.07，則載荷系數(shù)為： 對(duì)進(jìn)行修正有： 確定模數(shù)mm，查表，取=1mm，則mm，取齒寬系數(shù)=0.3，則，R=22mm，5.5mm 2、校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 （1）確定參數(shù)數(shù)值 查機(jī)《械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，取齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù)分別為： =2.72 =1.57 =2.22 =1.77 查得彎曲疲勞極限為：=480MPa。 取疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)=1.25，得許用彎曲應(yīng)力分別為： =345.6MPa =353.28MPa （2）驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 =78.7MPa< =31.5MPa< 滿足要求。 3.2.5 軸承校核 固定絲杠軸的軸承選用的是角接觸球軸承7202AC，其結(jié)構(gòu)如圖3.8所示。其所受徑向力=65N，軸向力=250N。 圖3.8 角接觸球軸承 （1）計(jì)算內(nèi)部軸向力 查表得知：7202AC型軸承（） （3-12） 將數(shù)據(jù)帶入式3-12得 ==44N。 （2）計(jì)算單個(gè)軸承軸向載荷 因此軸承1放松，軸承2壓緊，則有： = =44 =+=44+250=294N （3）當(dāng)量載荷 由于，，則有 ，，， 從而有 （4）軸承壽命的校核 基本額定壽命為： 　 　 （3-13） 其中表示基本額定動(dòng)載荷；表示軸承轉(zhuǎn)速，單位為r/min；表示壽命指數(shù)，對(duì)于球軸承而言。 將數(shù)據(jù)代入式3-13，計(jì)算得到軸承壽命為=h，軸承壽命足夠大，滿足要求[20]。 3.2.6 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 圖3.9 屈伸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 在屈伸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，除了上述直流電機(jī)、錐齒輪副、絲杠螺母副組成的機(jī)構(gòu)外，還包括兩根左右對(duì)稱(chēng)布置的可伸縮立柱，這兩根立柱包括外套筒、內(nèi)套筒、立柱座（箱體）。在屈伸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)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(pán)，用螺栓通過(guò)擋圈與軸承外圈連接；內(nèi)套筒插裝在外套筒內(nèi)，通過(guò)螺母與絲杠連接，組成絲杠螺母副。屈伸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的整體三維結(jié)構(gòu)如圖3.9所示。 3.3 分合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 3.3.1 電機(jī)的選擇 在分合運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，速度v=0.10m/s，單只手臂的質(zhì)量kg，把手與光桿滑軌的動(dòng)摩擦因素，從而運(yùn)動(dòng)所受到的阻力為： （3-14） 其中，為摩擦系數(shù)，為正壓力，單位是N。 將數(shù)據(jù)代入式3-14中，得F=15N。 從而，分合運(yùn)動(dòng)過(guò)程當(dāng)中，所需要的功率為： （3-15） 將數(shù)據(jù)代入式3-15中，得P=1.5W。 綜合各方面的因素，所選擇的電機(jī)的功率為P=5W。 根據(jù)公式3-9，轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩=0.6Nm。 根據(jù)以上所算所得的數(shù)據(jù)，選擇的是寧波儀表電機(jī)廠的直流減速伺服電機(jī)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖3.10所示，具體參數(shù)見(jiàn)表3.7。 圖3.10　ZYT20-JB60減速電機(jī) 表3.7 分合運(yùn)動(dòng)電機(jī)參數(shù) 型號(hào) 輸出轉(zhuǎn)矩 （N. m） 輸出轉(zhuǎn)速（r/min） 功率 （W） 電壓 （V） ZYT20-JB60 2.3 250 5 12 3.3.2 支撐座的設(shè)計(jì) 在分合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，最主要的就是橫梁支承座的設(shè)計(jì)，橫梁支承座有兩個(gè)作用，一個(gè)是支撐橫梁，另一個(gè)是固定電機(jī)。為消除因絲杠傳動(dòng)不精確帶來(lái)的誤差，兩端支承的設(shè)計(jì)稍有不同：左端支撐設(shè)計(jì)為一個(gè)整體支撐座，其結(jié)構(gòu)如圖3.11所示；右端支撐座由有支撐座和光桿兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖3.12組成，光桿為焊接件，其上部分是一個(gè)C型槽，下部分是一個(gè)圓形的開(kāi)孔法蘭盤(pán)。橫梁支撐座通過(guò)螺栓與內(nèi)套筒連接在一起，從而整個(gè)橫梁就與立柱連為一體了。 圖3.11 橫梁左端支撐座 圖3.12 橫梁右端支撐座 3.3.3 橫梁的設(shè)計(jì) 在分合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，另一主要的就是橫梁設(shè)計(jì)。在分合康復(fù)訓(xùn)練中，兩根立柱在升降的過(guò)程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)細(xì)微的傳動(dòng)誤差，致使左右兩根立柱的升降不同步，從而對(duì)整個(gè)運(yùn)動(dòng)造成破壞。本設(shè)計(jì)在橫梁的一端設(shè)計(jì)了圓柱銷(xiāo)的鉸連接，達(dá)到消除這種危害的目的。此外，由于分合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用的是同步齒形帶傳動(dòng)，因此需要考慮相應(yīng)帶的張緊措施。從而在橫梁的中部開(kāi)有U形槽，通過(guò)螺釘對(duì)中部軸承套的定位來(lái)實(shí)現(xiàn)帶的張緊。 由于整個(gè)上肢康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸比較大，所以衡梁也應(yīng)盡量減小重量，從而衡梁的材料采用硬質(zhì)鋁合金。其結(jié)構(gòu)如圖3.13所示。 圖3.13 橫梁 3.3.4 同步齒形帶設(shè)計(jì) 本次上肢康復(fù)機(jī)器人中選用的是同步齒形帶，即兩帶輪直徑相等。其參數(shù)設(shè)計(jì)為： (1) 模數(shù)m的選擇 根據(jù)所傳遞的功率，查表，確定模數(shù)mm (2) 確定帶輪齒數(shù)z 根據(jù)實(shí)際情況，經(jīng)查表，確定帶輪的齒數(shù)z=16 (3) 帶輪節(jié)圓直徑D mm (4) 驗(yàn)算線速度 m/s (5) 中心距 根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)情況，設(shè)定帶輪的中心距=600mm (6) 齒形帶的計(jì)算長(zhǎng)度和齒數(shù)z 1350.72mm 通過(guò)查表《同步齒形帶接線長(zhǎng)度》后，取=1319.5，同時(shí)得到同步帶的齒數(shù)z=140。 (7) 確定中心距A , （3-16） 式中, 將數(shù)據(jù)帶入式3-16，計(jì)算得： mm (8) 驗(yàn)算嚙合齒數(shù) （3-167） 當(dāng)mm時(shí)，4；當(dāng)>2mm時(shí)，6 而此時(shí)，=4，滿足要求。 (9) 圓周力P （，KW） （3-18） （3-19） 其中，表示張緊輪影響系數(shù)，查表，取=1；表示工作情況系數(shù)，查表，取=1；表示增速傳動(dòng)系數(shù)，經(jīng)查表，取=1 。 將數(shù)據(jù)代入式3-18和3-19中，得 (10) 確定齒帶寬b 其中，T為齒形帶單位寬度離心力，從而有： ==kg (11) 齒形帶前切應(yīng)力 ==0.008 Kg /<=0.05~0.08 Kg/ 其中小輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，取=1 (12) 齒壓比P =0.0186<0.12 3.3.5 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 本文中分合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由上述直流減速電機(jī)、同步齒形帶傳動(dòng)副和軸承支撐座組成，另外還有光感滑軌、傳感器、把手以及軸承等元件。其中直流減速電機(jī)帶有傳感器并借助法蘭盤(pán)安裝在橫梁上，橫梁與立柱內(nèi)套筒連接；同步齒形帶輪一端通過(guò)擋板和螺釘固定在電機(jī)軸上，另一端通過(guò)軸和軸承固定在橫梁的中部。分合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的整體三維結(jié)構(gòu)如圖3.14所示。 圖3.14 分合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 3.4 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 3.4.1 電機(jī)的選擇 估算手掌的重量m=1kg，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，角速度=0.5rad/s，回轉(zhuǎn)半徑r=0.1m。最大功率在處，故所需電機(jī)的最大功率1W[23]。 綜合各方面因素考慮，選擇寧波市鄞州易順減速器廠功率為2w的直流伺服減速電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖3.15所示，具體參數(shù)見(jiàn)表3.8。 圖3.15 手柄處電機(jī) 表3.8 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)參數(shù) 減速比 輸出轉(zhuǎn)矩 （Kg. cm） 輸出轉(zhuǎn)速（r/min） 功率 （W） 電壓 （V） 1:37~1:388 5 5~500 2 6 3.4.2 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 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(pán)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。手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的整體三維結(jié)構(gòu)如圖3.16所示。 圖3.16 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 3.5 本章小結(jié) 本章的主要內(nèi)容是對(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)器人中主要結(jié)構(gòu)的三維圖。 第4章 總結(jié) 本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)人體上肢運(yùn)動(dòng)原理進(jìn)行分析，結(jié)合各種上肢康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了一款坐式上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，該機(jī)器人采用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并用單片機(jī)進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)綜合考慮各種因素，通過(guò)設(shè)計(jì)校核計(jì)算，得到了最終的上肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)，該機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊、重量較輕、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)靈活、噪聲小，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)患者上肢的康復(fù)訓(xùn)練。本文主要完成了以下工作： 1、對(duì)康復(fù)機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了了解。分析了上肢康復(fù)機(jī)器人的工作原理，并結(jié)合實(shí)際情況，選擇了合理的機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，比如總體尺寸大小和驅(qū)動(dòng)方式，完成了對(duì)上肢康復(fù)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 2、對(duì)上肢康復(fù)機(jī)器人的各組成機(jī)構(gòu)進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)，完成了前后擺動(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)元件的選擇與計(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。 3