毕业论文1(下肢康复)

1、第1章绪论1.1概述康复机器人是近年出现的一种新型机器人，它的主耍作用有两方面，一 是帮助曲于疾病而造成偏瘫，或者因意外伤害造成肢体运动障碍的人恢复提 高运动能力，称为康复训练机器人是作为一种辅助装置代替失去运动能力的 肢体完成一部分动作，称为机器人假肢。康复机器人作一种自动化设备，可 以帮助患者进行科学而乂有效的康复训练，使患者的运动机能得到更好的恢 复。康复机器人由计算机控制，并配有和应的传感器和安全系统，可以自动 廉价康复训练效果，根据病人的实际情况口动调节运动参数，实现最佳训练。 康复机器人在原理上和工业机器有很人的区别，它也不限于一般的体育运动 训练器材。它直接作用于人体，与人在同一

2、个作业空间工作，人与机器人作 为一个整体而协调运动。康复机器人成果包括以卜三方血技术：手部康复训练机器人：手及腕部 康复训练。手臂康复训练机器人：手臂康复训练。下肢康复训练机器人：行 走功康复训练。康复机器人技术得以传化为产晶对于提高患者烘复质量，减少患者的病 痛，减轻社会负担具有重要的实际意义。出于各种原因而患有一侧肢体运动 障碍的患者人数很多，随着生活水平的提高对康复治疗的需求也会越来很人, 康复机器人将有很好的市场前景。这项技术在欧美等国家自得到普遍重视， 康复机器人成果的转化可能会带动一个新兴的机器人产业的发展，这将对国 民经济的发展发挥重要作用。1.2下肢康复机器人研究现状1.2.1

3、康复机器人的生产发展康复机器人是帮助残疾人解决生活中活动困难的一种工具，它可以在家 里或在工作场所使用，使残疾人获得更强的生活能力，并相当大地提高他们 的生活质量。康复机器人现在已经由科学幻想走进了现实生活z屮过去儿年, 康复机器人在欧洲已经有所发展，一些欧洲企业在技术开发及投资方面给予 了支持目前己有两种康复机器人打人了市场，即hmdvl及manus,它们都是 欧洲生产的handy 1有5个自由度，残疾人可利用它在桌面高度吃饭；manus 是一种装在轮椅上的仿人形的手臂，它有6（或7）个自由度，其工作范围可由 地面到人站立时达到的地方，不过，康复机器人进人市场的过程却非常缓慢, 许多人仍然把

4、它看作是一项未来的技术显然，要想在实际生活中很好地利用 康复机器人。除了技术因素之外，还受到一些其他因素的影响。下肢康复训练机器人是根据康复医学理论和人机合作机器人原理，通过 一套计算机控制下的走步状态控制系统，使患者模拟正常人的步伐规律作康 复训练运动，锻炼下肢的肌肉，恢复神经系统对行走功能的控制能力，达到 恢复走路机能的目的。根据机器人技术的发展水平，一般具有以下三种结构.第一种是彻底结 构化的控制平台，类似于桌面工作站，将机械手安装在固定的控制平台上， 完成在固定工作空间内的操作；第二种结构是将机械手安装在轮椅上，这样 就可以在任何地域使用，但这导致了机械手刚性下降，抓収的精度往往达不

5、到要求，而且这种方法只适合于那些可以用轮椅的人。第三种机构是将机械 手安装在主或半自主车俩上。卜肢康复机器人属于运动训练机器人，下肢康复训练机器人的主要工作 任务就是能够模拟真人的步态姿态，来实现对病人下肢的康复训练。在整个 机器人的工作过程屮，主要是通过机器人的运动來带动病人瘫痪的下肢，使 其在牵引力的作用下能够完成对正常人的步态的模拟，从而达到对下肢的肌 肉锻炼忖的，进而达到能够恢复神经系统对行走功能的控制能力，进一步的 达到恢复整个行走机能，最终能够是病人进早的在病痛屮脱离出来。已有研 究表明，儿童能通过操作电动轮椅适当提高视觉、空间的技能和运动能力， 同样可以用类似的器械来提高老年人甚

6、至成年人的运动能力。如对运动员运动损伤的康复治疗、针对性辅助训练，以及像宇航员这种特殊职业的模拟训 练等。国外在这一领域已经有了较广泛的研究与应用，国内尚处于起步阶段。 随着体育和职业教育两大产业的发展，机器人在这一领域的应用前景将十分 广阔。1.2.2国内外发展现状1987年，英国mike topping公司研制成功了handy 1康复机器人样机，它 是目前ttt界上最成功的一种低价、市售的康复机器人系统，目前正在生产的 handy 1机器人由5自由度机器人手臂和新型控制器组成，具有话音识别、语 音合成、传感器输人、手柄控制以及步进电机控制能力。handyl具有很强的 通话能力，它可以在操作

7、过程中为护理人员及用户提供有用的信息，所提供 的信息可以是简单的操作指令或有益的指示，可以用任何一种欧洲语言表达 出来。这种装置可以大大提高handyl方便用户的能力，而且有助于突破语言 的障碍。manus是另外一种进人市场的康复机器人，由荷兰exact dynamics公司开 发，该手臂具有7个口由度，包括6个旋转自由度和1个机械手。图1所示是 瑞士苏黎iii：联邦工业人学（eth）的名为lokomat的康复机器人。图1.2是 美国rutgers大学踝关节康复训练机器人13o图1.2美国rutgers踝关节康复训练 机器人国外关于医学机器人的研究虽然已 取得了不少成就，但离生物机器人还有 相

8、当的距离，因此还有很多工作要做。 国内关于这方面的研究较少，主要是集 中在假肢领域。国内只有哈尔滨t程大 学机点一体化研究所在这领域取得了一 定的成果。成功研制出了多功能手臂康 复训练机器人，下肢康复训练机器人复训练机器人，下肢康复训练机器人，卧式下肢康复训练器等，并获得 了专利。1.3下肢康复机器人的主要目的及现实意义研究下肢康复训练机器人，主要是对于要进行下肢康复训练的人來说， 下肢康复训练机器人可以控制使其模拟正常人的行走姿态、膝关节和踝关节 的协调运动，实现对下肢的康复训练，下肢康复训练机器人可以模拟正常人 的步伐规律、锻炼下肢的肌肉，恢复神经系统对行走能力的控制，达到恢复 走路机能的

9、忖的。从总体上来看，下肢康复训练机器人的总体工作h的就是 为了能够使下肢需耍讲行康隽训练的人能够甫加方便的，更轻松的达到训练 的目的，对下笊图1eth的lokoma从总体上来看，研究卜肢康复训练机器人的最人的受益者就是下肢康复 训练有难度的病人，他可以帮助病人进早的从病痛中摆脱出來，及早的恢复 健康的身体，这些是研究的直接原因和动力。从另一方面来看，对于下肢康 复训练机器人的研究在对以后研究其他的类似康复机器人的时候，他有很多 的研究成果都是可以直接被后续的工作所应用的。为其他的研究工作打下了 一个很好的基础，为以后的工作的延续提供了一个基础平台。站在医院的角 度來看，康复机人的研究给他带來了

10、实在的好处。一方面可以减少工作护理 人员的负担，同时还可以是病人能够运动的更加的方便。1.4关于下肢康复训练机器人踝关节驱动系统设计的分析141下肢康复训练机器人基本结构下肢康复训练机器人外观结构如图1.3,它由机座、左脚走步状态控制系 统、右脚走步状态控制系统、左脚姿态控制系统、右脚姿态控制系统、框架、 导轨、重心平衡系统、活动扶手等组成。受训练者的双脚站在走步状态控制 系统的脚踏板上，穿好承重背心，背心通过吊缆和机座内的重力平衡机构相 连，以平衡受训练者的部分体 重，吊缆的长度通过缆长调整机 构和缆绳来调整。当机器人开始 工作后，走步状态控制系统在计 算机的控制下带动受训练者的 双腿做走步

11、运动，垂心控制系统 根据受训者的走步状态，自动计 算重心的高低变化，通过吊缆实 时调节重心的高低并具有防止摔倒的功能。脚踏板由左右两块图1.3下肢康复训练机器人外观结构图踏板组成，它在步态控制装置的控制下，与重心平衡机构协调工作帮助患者进行走步运动练。步态控制装置 主要由主动川【柄、脚踏板（连杆）和滑轮组成。主动曲柄由直流伺服屯机控制, 脚跟随踏板一起被动运动，形成一个椭圆轨迹，产生与正常人行走轨迹相近 的运动轨迹，同时由于脚跟随踏板运动，患者的小腿和大腿处于相应的运动 状态。由两套步态装置分别控制两条腿的走步状态，两者之间成180。相位关 系，走步的速度通过控制电机的转速来调整，步幅则通过改

12、变主动曲柄的工 作半径来调节。脚的姿态控制系统是由直线伺服机构实现的，通过控制脚踏 板绕踏板轴冋转运动的角度，來模拟正常人走路时踝关节的姿态变化。1.4.2踝关节驱动系统设计的整体思路踝关节驱动系统的结构方案是由圆柱凸轮加一从动杆组成的机构来实现 的，这个机构可以把直流伺服电动机的回转运动转化为踝关节的往复倾斜运 动，并能够保证驱动的脚踏板俯仰角度与踝关节俯仰的角度互相一致，在 25。3(t之间。通过圆柱凸轮的转动就可以带动脚踏板的运动，从而迫使踝 关节运动，实现驱动。凸轮的运转则与直流伺服电机相连。直流伺服电机在 单片机的控制下进行速度、位置和角度的协调控制，以适应不同状态的康复 训练.控制

13、单片机与执行机构之间经过调速器、pwm放大器以及光电耦合隔 离，减少干扰，并设计专门的i/o接口电路板对信号进行放大整形等处理。1.4.3本设计的主要任务和要求本课题的任务就是设计卜肢康复训练机器人踝关节的驱动系统。包括完 成整体机械部分的机构设计和完成整个设计的三维实体仿真。用pro/e软件 绘制三维造型，通过动态模拟以检验能否实现预定功能。通过整体的结构设 计，掌握下肢康复训练机器人的研究的基木方法。第2章机构总体设计2.1引言下肢康复机器人踝关节驱动系统，是对下肢具有运动障碍的患者进行主 动康复训练的口动化机械装置，此时患者是被动运动，它可以帮助腿部运动 有障碍的患者进行运动机能恢复性训

14、练。通过计算机自动控制患者的重心和 走步状态，模拟正常人的走路状态，使病腿的运动功能得到训练。本课题研 究的主要任务是完成下肢康复机器人的脚踝的机械木体设计，它是整个下肢 康复训练机器人的一部分，安装在下肢康复训练机器人的连杆上，以便协调 地训练整个下肢來达到康复训练的目的。作为帮助有下肢运动障碍的病人进 行康复训练的机器人，首先，应该具有合理的结构，能够模拟正常人的行走 运动，尽量仿真人体的运动规律，尽量与人体各个关节的速度变化曲线相吻 合，为病人进行卜肢机能恢复训练提供帮助，使病人在康复训练过程中感到 舒适。其次，考虑到机器人的工作对象是行动不便的病人，需要提高机器人 的可靠性和安全性，尽

15、可能地保证患者的安全。最后，该机器人属于康复机 器人，应该保证无污染和清洁，以利于病人的康复。2.2机构的性能指标和总体方案2.2.1机构的性能指标下肢康复机器人是对下肢具有运动障碍的患者进行主动康复训练的口动 化机械装置，它可以帮助因屮风等疾病或因外伤引起的腿部运动障碍进行运 动机能恢复性训练。由于患考的步态跟正常人的步态是一致的，所以必须按 照正常人的步态周期來设计脚踏板的俯仰角度，速度变化规律等参数。而由 于患者的行走速度肯定会比正常人的速度要慢很多，所以不能够按照正常人 的步速去设计机构。下肢康复机器人姿态机构的性能应达到如下主要技术指 标：1. 自由度：绕踏板转轴的转动，整个机构往复

16、运动；2. 承载能力：加上设备80kg左右，应不低于此数；3行走速度：每分钟走25步（可以根据具体情况调整）；4. 俯仰角度：30。，模仿正常人脚踝姿态自动控制。2.2.2机构总体方案下肢康复机器人机构由很多不同功能的部分构成，木文仅对踝关节驱动 系统结构进行讨论：机器人本体：脚踝驱动机构；控制器：本设计控制部分 的设计冃的是控制机构实现踝关节的运动规律。控制部分主要由单片机来实现的。该装置采用单片机控制，通过行程指 令、速度指令和力矩指令给定控制信号，经过pwm放大器进行放大后，驱 动伺服电机转动，并通过传感器及电流传感器对电机输出轴的位置、速度及 力矩进行测量反馈，与整个下肢康复训练机器人

17、各部分协调运动，从而构成 闭环控制系统。木文的研究内容主要就是踝关节驱动系统，机械木体机构来实现脚踏板 的俯仰摆动，帮助患者在烘复运动中时实现脚踝的运动。2.3机械本体部分设计231总体设计机械设计时应满足的基本要求：根据生产及生活的需要不同，设计的机械种类也不尽相同，但设计时应 满足的基木耍求是相同的，这些基本要求是：1. 使用功能要求：就是要求所设计的机械应具有预定的使用功能，即能 够保证执行机构实现所需的运动，又能保证组成机械的零，部件工作可靠， 有适当的寿命，而且使用，维修方便。这是机械设计的基本要求。2. 工艺性要求：所设计的机械无论总体方案还是各部分的结构方案，在 满足使用要求的情

18、况下应尽量简单，实用，在毛坯制造，机械加工，装配， 维修等方面都具有良好的工艺性，合理的选用材料，尽可能地选用标准件。3. 经济性要求：经济性要求是一个综合指标，他体现于机械的设计，制 造及使用的过程中，因此，设计机械时应全面综合地考虑。此外还有便于拆装和运输的要求及k期保持工作精度的要求等。木设计机构部分的重要内容是传动部分的设计。主要是实现踏板的轴的 传动方式，冃前常用的传动方式有以下儿种：齿轮传动、蜗杆传动、带传动、 链传动等。以下分别比较各种方案优缺点后决定选用哪一种传动方案。1. 齿轮传动的主要特点有：效率高；在常用的机械传动中，以齿轮传动的效率为最高。节构紧凑， 在同样的使用条件下

19、，齿轮传动所需的空间尺寸一般比较小。工作可靠、寿 命长；设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动，工作十分可靠，寿命 可达一、二十年，这是其他机构所不能比拟的。传动比稳定 传动比稳定往 往是对传动性能的基本要求。齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵, 且不适宜传动距离较人的场合bl。由于木设计的轴向转动并不能实现整周转动，而且还需要往复运动，如 果选用齿轮传动的话，就必须对驱动电机的调速性要求非常之高，而且电机 的正反转转换非常频繁，对电机和控制要求非常高，控制不容易实现。2. 蜗杆传动的特点：能实现大的传动比；由于传动比大，零件数日少。结构很紧凑。冲击载 荷小，传动平稳，噪声低；当蜗杆的

20、螺旋升角小于啮合面的当量摩擦角时， 蜗杆传动便具有了自锁性；在啮合处有相对滑动。当滑动速度很大、工作条 件不够良好时，会发生严重的摩擦及磨损，从而引起过渡发热，是润滑状况 恶化。因此，摩擦损耗较大，效率低。蜗轮蜗杆传动也不适合木设计的预定h标，因为自锁性太好而不能往复 控制，无法实现。而且踏板下面没有放置蜗轮的空间（蜗轮蜗杆的体积相差 太大）,不采用。3. 带传动的特点:结构简单，传动平稳，造价低廉及能够缓冲吸振；带传动出于存在弹性 滑动和打滑现彖，不能保持稳定的平均传动比。带传动如果是采用同步带的 话就可以保持稳定的传动比，可以用于本机构中，但是如果采用的话，空间 比较大，感觉很不简便，不首

21、先使用。4. 链传动属于带有中间挠性件的啮合传动，与属于摩擦传动的带传动相 比，带传动无弹性滑动和打滑现象，因而能保证准确的平均传动比，传动效 率高，作用在轴上的径向压力小；在同样使用条件下，链传动结构较为紧凑。 同时链传动能在高温及速度较低的情况下工作。与齿轮传动相比，链传动的 安装和制造精度要求较低，成本低廉。链传动的主要缺点是：在两根平行轴 之间只能用于同向回转的传动；运动是不能保证恒定的瞬时传动比；磨损后 容易发生跳齿；工作是有噪音。链传动与同步带想似，缺点比同步带还多， 不适用于近距离传动。5. 螺旋传动结构简单，便于制造，易于自锁，但其主要缺点是摩擦阻力 大，传动效率低（一般30%

22、40%）,磨损快，传动精度低等。如果不考虑效 率及磨损的话，螺旋传动是个非常适合本设计的方案，因为它占用的空间很 小，结构紧凑，虽然需要电机换向转动，但比齿轮传动控制简单得多。如果 选用滚动螺旋的话上述问题便得到了解决，但结构复杂，只有在高精度、高 效率的重要传动屮才适宜选用，如数控，精密机床、测试装置或自动控制系 统屮的螺旋传动等。所以本设计还是不予优先考虑。6. 圆柱凸轮传动，其实凸轮机构算不上传动，只能叫机构，但有一种圆 柱凸轮不但可以实现往复转动而不用改变驱动电机的转向，而且结构简单， 可以根据需要而设计轮廓来保证踏板的俯仰角度。在充分比较了各种方案之后，决定选用类似摆动从动件的圆柱凸

23、轮机构 来实现踏板的摆动，用电机来驱动圆柱凸轮带动从动件。2.3.2机构的结构形式机构的机械图如图2所示，驱动电机经过减速之后（减速器需与驱动电机配套）通过联轴器驱动凸轮轴转动，凸轮轴一口转动后，就会带动连杆 套摆动，礒子在圆柱凸轮的槽内滚动以减少摩擦。踏板此时固定在连杆上的 套筒上，跟随连杆一同摆动。病人的脚由踏板上的布带固定住，这样就达到 了对脚踝的驱动，只要模拟正常人的运动规律就能很好地对病人做康复训练 了。1踏板 2框架3 中心轴4礒子5驱动电机 6联轴器7凸轮轴8轴承座9轮子图2.1机构示意图通过电机的转速可以控制踏板俯仰的角速度，而踏板的俯仰角度人小则 由凸轮的行程來保证，由于凸轮

24、的行程一旦确定是不能够改变的，每个圆柱 凸轮只有一个固定的行程。这就是说踏板俯仰的角度人小也是不可更改的。 这是凸轮机构应用在踝关节驱动系统机构的一个不足之处。但正常人的脚踝 在走路时踝关节角度在25。到30°之间不等，奔跑时的角度就比较大了，可达 90所以在设计凸轮时应该尽量保证30°的俯仰。这样对于做康复训练的病 人是非常合适的。30°的角度对于走路训练足够了，而人的踝关节所能承受的 角度远大于30°,所以不会伤到病人。2.3.3机构的驱动在设计之初想过几种驱动方式，作过一翻比较。也总结了各种方式的不 同特点以及运用场合。一般的驱动元件包括各种交流直

25、流伺服电机，步进电机、液压、气压、 电气伺服阀等等。他们共同的特点是都可以输岀一定的运动和力。但工作的 特性差异很大，应用范围也不相同。一般对驱动元件有以下几个方面的要求:1. 功率密度大，即指驱动元件的单位重量的输出功率；2. 快速性好，即加减速时扭矩大，频率特性特别好；3. 位置控制精度高，调速范围宽，低速平稳；4. 震动小，噪声小；5. 可靠性高，寿命长；6. 高效率，节约能源。机器人的驱动方式可分为以下儿类：1. 气压驱动 使用压力通常在0.4-0.6mpa,最高可达impao气压驱动主 要是气源方便（一般工厂都由压缩空气站供应压缩空气），驱动系统具有缓冲 作用，结构简单，成本低，可以

26、在高温、粉尘、恶劣的环境小工作。气压驱 动的缺点是功率质量比小，装置体积大，同时曲于空气的可压缩性使得机器 人在任意定位时，位置精度不高。适用于易燃、易爆和灰尘人的场合。2. 液压驱动 液压驱动系统用2-15mpa的油液驱动机器人，体积较气压 驱动小，功率质量比大，驱动平稳，且系统的固有效率高，快速性好，同时, 液压驱动调速比较简单，能在很大范围内实现无级调速。用电液伺服控制液 体流量和运动方向时，可以使机器人的轨迹重复性提高。液压驱动的缺点是 易漏油，这不仅影响工作稳定性和定位精度，而且污染环境。液压驱动多用 于要求输出力较人，运动速度较低的场合。3. 电气驱动 电气驱动是利用各种电机产生的

27、力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，减少了曲电能变成压力能的中间环节，直接获得要求的 机器人运动。驱动元件包括各种交流直流伺服电机，步进电机。由于电气驱 动具有易于控制，运动精度高，响应快，使用方便，信号检测、传递和处理 方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境等诸多优点，电气驱动已经成为 最普遍、应用最多的驱动方式，90年代后生产的机器人大多数采用这种驱动 方式。介绍完各种驱动方式后，通过比较得出电气驱动应用最多，最为方便。 木设计的空间较小，电气驱动直接就是转动，所以选择电气驱动。电气驱动方式需要选择-个合适的电动机。电机仃直流电机和交流电机 两类。常用的交流电机有三相异步电机和同步电机

28、。异步电机结构简单、维 护容易、运行可靠、价格便宜，具有较好的稳态和动态特性，因此，它是工 业屮使用最为广泛的一种电机。直流屯机虽不及交流电机结构简单、制造容 易、维护方便、运行可靠，但由于长期以来交流电机的调速问题未能得到满 意的解决，在此之前，直流电机具有交流电机不能比拟的良好的启动性能。目前为止，虽然交流电机的调速问题得到一定程度解决，但是在速度调 节要求较高，正、反转和启、制动频繁或多单元同步调速运转的生产的机械 ±,仍采用直流电机驱动。木设计由于体积比较小（放在脚底下），最好选用体积小巧的电机，需要 的转矩也不大，选用直流伺服电机比较合适。电机型号选择如下：1. 运动速度：

29、最高行走速度25步/分（病人不宜太快），机构的运动周期 t=4.8s, 5 = 1.309nid/s.步态机构行进一个周期，姿态机构的踏板完成30°往 返的运动，运动规律为余弦函数。设姿态机构的角速度为co2=acosto由运 动学规律可知，步态机构运动1/2周期，姿态机构也运动1/2周期，即兀/3。积分可得a=1.37rad/so2. 转矩：人的体重为80kg,按80%的体重作用在一只承重脚上计算。 脚掌作用具连杆末端作用点的距离为0.1m,垂直于凸轮时转矩最大，连杆末 端作用力f与脚掌作用于心轴力臂相等，故片=80kgxl0n/kg = 800nt =800nx0.1m = 80

30、nmf2=800nxv2 = 1131.1nt. = 113 in x 0.03m = 34n.mm 11ici«3. 功率：”31= 34x25/niin=o089kw(2.1)955095504. 电机扭矩：减速器减速比43,总效率为7/ = 90% ,有：t -n = ?j -t2 -n2得到电机转矩 t2 = 0.343n m = 343n mmp 0 02q5. 电机功率：r =上竺 = 0.1kw = 100w-n o.9在比较了各种厂商生产的直流伺服电机后，发现了瑞士 maxon公司生产 的一系列直流电机，其性能如表2所示。其+re系列电机性能非常好，用 户的反馈也比较

31、好。根据以上计算选择re40中的148877 (定货号)。maxon的re40屯机额定功率150w。并配有专门的行星轮减速箱，减速 比从小到大非常齐全，我们选用gp42c的减速比为43： 1的减速箱，这样就 能够很方便地调速了，控制时将很简单。表2.1 maxon re40的主要性能指标额定功率(w)额定转矩(n.mm)瞬时最人扭矩(n.mm)额定转速(r/min)额定电流(a)电枢电阻(0)额定电压(v)电枢电感(mh)转动惯量(kg.m2)150200289010003.331.1648330.134xl04maxon的直流伺服电机都配有专用的控制卡，这样控制电机的转速等就 变的十分简便。

32、2.4本章小结本章介绍了下肢康复机器人踝关节驱动系统机构的总体构成和系统的性 能指标，详细研究和设计了下肢康复机器人的踝关节驱动机构，凸轮轴的转 动最终实现调节脚踏板与地面的角度变化，辅助患者的踝关节进行康复训练, 帮助下肢有运动障碍的患者恢复下肢的运动机能。第3章机械零件设计在机械产品的有关设计屮，其机械木体的设计是最主要的。在这一章屮, 将对下肢康复机器人姿态机构机械本体中一些重要和特殊的零件设计进行重 点说明，并对其一些零件进行强度校核。3.1机械零件设计的一些基本原则1、避免在预定寿命期内失效的要求：(1) 强度零件在工作中发生断裂或不允许的残余变形统属于强度不足。上述失效 形式，除了

33、用于安全装置中预定适时破坏的零件外，对于任何零件都是可以 避免的。因此，具有适当的强度是设计零件时必须满足的基木要求。为了提高零件的强度，在设计原则上可以采用以下的措施：采用强度高 的材料；使零件具有足够的截面尺寸；合理的设计零件的截面形状，以增大 截面的惯性矩；采用热处理和化学处理的方法，以提高材料的力学性能；提 高运动零件的制造精度，以降低运动时的动载荷；合理的配置机器中各零件 的相对位置，以降低作用于零件上的载荷等。(2) 刚度零件在工作时所产生的弹性变形不超过允许的限度，这就叫做满足了刚 度要求。显然，只有当弹性变形过大就要影响工作性能的零件，才需要满足 这样的要求。对于这类零件，设计

34、时除了要做强度计算外，还必须做刚度计 算。零件的刚度分为整体变形刚度和表面接触刚度两种。前者是指零件整体 在载荷作用下发生的伸长、缩短、扭曲、旋转等弹性变形的程度；后者是指 因两零件接触表面上的微观凸峰在载荷作用下发生变形所致的两零件变化的 程度。原则上说，为了提高零件的整体刚度，可采取增人零件的截面尺寸或 增大截面的惯性矩；缩短支撑跨矩或采用多支点结构，以缩小挠曲变形等。为了提高接触刚度，可釆取增大精加工以降低表面不平度等。(3) 寿命有的零件在工作初期虽然可以满足各种要求，但在工作一定时间后，却 可能由于某种(或某些)原因而失效。这个零件正常工作延续的时间就叫零 件的寿命。影响零件寿命的主

35、要因素有：材料的疲劳，材料的腐蚀以及相对运动零 件接触表面的磨损等三方面。人部分机械零件均在变应力条件卞工作，因此疲劳破坏是引起零件失效 的主要原因。影响零件材料疲劳强度的主要因索是：应力集屮、零件尺寸大 小、零件表而品质及环境状况。在设计零件时，应努力从这儿个方而采取措 施，以提高零件抵抗疲劳破坏的能力。2. 结构工艺要求零件耍有良好的结构工艺性，是指在既定的条件下，能够方便而经济的 生产出来，并便于装配成机器这一特性。所以，零件的结构工艺性应从毛坯 制造、机械加工过程及装配等几个生产环节加以综合考虑。工艺性是和机器 生产批量大小及具体的生产条件相关的。为了改善零件的工艺性，就应当熟 悉当前

36、的生产水平及条件。对零件的结构工艺性具有决定性影响的零件结构 设计，在整个设计t作屮占有很大的比重，因此必须予以足够的重视。3. 经济性要求零件的经济性首先表现在零件本身的生产成木上。设计零件时，应力求 设计出耗费最少的零件。要降低零件的成木，首先要采用轻型的零件结构，以降低材料消耗；采 用少余量或无余量的毛坯或简化零件结构，以减少加工工时。这些对降低零 件成本均有显著的作用。工艺性良好的结构就意味着加工及装配费用低，所 以工艺性对经济性有着直接的影响。采用廉价而供应而充足的材料以代替贵重金属；对于大型零件采用组合 结构以代替整体结构，都可以在降低材料费用方而起到积极的作用。另外，尽可能采用标

37、准化的零件、部件以取代特殊加工的零、部件，就 可在经济方而取得很大的效益。3.2机械零件设计在设计零件的过程中，本论文主要采用了 pro/e软件。而在绘制 零件图时则使用了 auto cad软件。3.2.1凸轮轴的设计在设计凸轮轴时，首先应该对凸轮的轮廓进行设计。设计圆柱凸轮 的轮廓曲线，应该将英展开成平面后变成移动凸轮。根据踝关节运动规律设 计。凸轮轮廓曲线展设计过程如匚根据具体尺寸设计行程b()b4为 62mm,轮轴直径60mm如图3.1,已知圆柱凸轮半径0.06m,从动件长度0lm,滚了半 径4mm, v是凸轮冋转方向，其展开轮廓曲线可近似绘制如下：vy图3圆柱凸轮轮廓展开图1. 作oa

38、线垂直于凸轮冋转轴线，作zoabo=3o'72,从而得出从 动件的初始位置ab()o把从动件的运动周期8等分，根据踝关节运动 规律可以得到从动件的各个位置ab。、ab】、ab?、ab3、ab4o2. 取线段b（）bo之长为188.4m m即圆柱的周长。将b（）bo分为与从 动件位移线图横轴对应的八等分，得点c|、c2、c3、，过这些点画 一系列中心在oa线上、半径等于ab。的圆弧。3. 自bi作平行oa直线交过c1的圆弧于点d,自b2作平行oa 直线交过c2的圆弧于点d2, o将bo、di、d2> .连成光滑曲线， 便得到展开图的理论轮廓曲线。4. 以理论轮廓曲线上诸点为圆心画一

39、系列滚子，而后作两条包络 线，即可得凸轮展开图的实际轮嘲曲线。因圆柱凸轮轮廓凹槽位于圆柱面上，当与凹槽接触的圆柱滚子随从动件 作平面圆弧运动时，滚子将以不同深度插入凸轮槽屮。由于上述设计过程未 考虑滚子与凸轮之间在从动件摆动轴线方向的相对运动，由此所得凸轮机构, 其从动件实际运动规律与预期运动规律在理论上即存在偏差，所以是一种近 似设计方法。欲消除设计偏差，必须对理论轮廓曲线进行修正，或者根据滚 子与凸轮间的和对空间运动关系，采用解析法对凸轮轮丿郭曲面进行精确设计。在轮丿郭设计好之后，应根据转矩的大小及凸轮的直径设计凸轮轴的形状 及其尺寸。轴的设计和校核：1. 求凸轮轴上的转矩门在z前的设计屮

40、，己求出7 = 34000n mm2. 求作用在凸轮上的力在凸轮设计屮，从动杆对凸轮的力是变化的，我们对轴的设计应 取最大时刻的力，凸轮轮廓直径为60mm,因此ft = 800n,fr = soon3. 初步确定轴的最小直径估算轴的最小直径公式3"min = a)pnp = 0.09kw n = 25r/min选取轴的材料为45钢，调质处理。根据表3.1,取a0二103,表3.1轴常用的几种材料的t及a0值轴的材料q235a、20q275、 35(lcrl8ni9ti)4540cr> 35simn38simnmoi/mpa152520-35254535 55a014912613

41、5112126-10311297凸轮轴的最小直径显然是安装平键出的直径cifg。综合考虑选取dfg=20mm。4. 轴的结构设计，如图3.2是凸轮轴的结构简图，下面详细说明 各尺寸的确定过程。3lj<_、iab20103e1401£so45图3.2轴的结构与装配简图(1) 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度：凸轮轴fg段需要与联轴器通过平键连接，取fg=45mmo(2) 初步选择滚动轴承。因轴承同时受有径向力和轴向力的作用， 故选用单列圆锥滚子轴承。参照工作要求，并根据直径def=40mmo 由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组，标准精度的单列圆锥滚子 轴承 71107e

42、,其尺寸为 dxdxt=35mmx62mmxl9mm,故 lab=20mm, lef=35mmo两端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位。由手册上查得71107e型 轴承的定位轴肩高h=7.5mm,在此取直径dbc=dde=50mmo（3）取凸轮轮廓所在的cd段的直径dcd=60mm；（4）凸轮轴根据轴承宽度取ab段长度lab=20mm,并加工12mm 的退刀槽。（5）根据轴承端盖的装卸及便于对轴承添加润滑脂的要求，取右 轴承盖的外端面与fg段左端面保持一定的距离，取lef=30mmo（6）凸轮主体，考虑到凸轮主体的运动规律，这一轴段的长度应 足够长，取lcd=140mmo（7）bc段与de段是轴的过

43、渡段，取长lbc=10mm, lde=10mmo 至此，已初步确定了周的各段直径和长度。5. 轴上零件的周向定位凸轮轴于一个套筒联轴器采用平键联接，此处轴径为20mm。由 手册查得平键截面bxh=6mmx6mm （ gb/t1095-1079）,键槽用键槽铳 刀加工，长为15mm （标准键长见gb/t 1096-1979）；同时为了保证套 筒联轴器与轴配合有良好的对屮性，故选择套筒与轴的配合为h7/r6。 同样，联轴器与减速器轴选用的平键为6mmx6mmxl5mm,配合也为 h7/r6,滚动轴承的周向定位是借过渡配合来保证的，此处选轴的直径 尺寸公差为m6。6. 确定轴上的圆角和倒角尺寸参考表

44、3.2,轴端倒角2x45°,各轴肩角半径2mm。表3.2 零件倒角c与圆角半角r的推荐值直径d>6-10>10-18>18-30>3050>50-80>80-120>120-180c或r0.50.60.81.01.21.62.02.53.07.求轴上载荷首先根据轴的结构图做出轴的计算简图。在确定轴承的支点位置 时，应从手册中查取a值（支反力作用点至轴承外圈宽边距离）。对于 30212型圆锥滚子轴承，由手册屮查得a=22mmo因此，作为简支梁的 轴的支撑跨距144 + 15 + 20 + 15 + 20-11-11 = 192mm根据轴的计算简

45、图做出轴的弯矩图和扭矩图（图3.3）b)fnmc)mhd)mu=fad/2j fajfnv)fnv2e)/miakm2mvmig)ma）受力图b）水平而受力图 c）水平而弯矩图d）垂直而受力图e）垂直面弯矩图f）总弯矩图g）扭矩图图3.3轴的载荷分析图从轴的结构图以及弯矩和扭矩图中可以看出截面b是轴的危险截面。现将计算出的截面b处mh, mv及m的值列于表3.3。表3.3危险截面处弯矩扭矩载荷水平面h垂直面v支反力ff1=540n,f；/y2 =260nf/vv1=1040n,fw2 =-240n弯矩mm h =31320nmmmvl = 60320n - mmmv2 = 28800n mm总

46、弯矩m=j313202 + 603202 = 67966n mma/2=a/313202+288002 =42533nmm扭矩tt = 34000n mm&按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面，根据公式(3.1)mpa = 28.7mpaj67966?+(0.6x34000)2前已选定轴的材料为45钢,w _0.1x 203调质处理，查机械设计手册得<7_1 = 60mpao因此vb_j,故安全。3.2.2中心轴的设计屮心轴是一根同定心轴,它的外观结构设计如图3.4所示。图3.4中心轴示意图屮心轴穿过轴承挡环，轴承，连杆套，框架。一端由六角

47、型凹槽周向固 定，另一端由螺母固定，这样就成为一根固定心轴，它只承受弯矩，没有扭 矩。只承受剪切应力，很小的压应力。由于中心轴是机构中比较重要和比较 危险的零件，只要它能够满足强度要求的话。其它零件问题都不大，因为人 的体重有可能都作用在中心轴上。这就需要对具进行剪切强度校核：= 1.29xlo6n/m2_p_ _p_ _800nt a 7rcl2 -(14x10 3)2式屮p为作用力，a为危险截而而积，为剪切应力，珀为许用剪切应力， 查手册知r=130xl06n/m2,远人于此值，剪切强度满足要求。卜面校核一下挤压强度：800nb = =2=2.6xlo6n/m2（3.3）卩 b 11x14

48、x10"式中p为作用力，b为挤压截面面积，勺为挤压应力，勺为许用挤压应力， 查手册知ap= 320xl06n/m2o由此可见，无论是剪切还是挤压，材料的许用强度都远远高于所承受的 应力，这是由于人的体重有限，况且还是按照最保守的计算。实际上康复机 器人还有重心控制机构，人本身的自重不会全部加载到踝关节驱动系统上。 这更说明零件符合要求。3.2.3踏板的设计踏板是人体与机器人接触的部件，它通过螺钉固定在连杆套筒上。踏板 的主要作用是：承担使用者脚部的踩踏，并且通过绕轴的转动实现模拟踝关 节的运动。人脚固定在踏板上是通过有的弹性带子固定，如图3.5是踏板的 俯视图。进一步设计可以完善这一

49、结构。o套，内部放有轴承，与心轴配合。这样就把连杆的摆动转化为轴套绕固定的 心轴转动。实现了转动的功能。连杆与套筒上平面的角度保证了套筒转动的 角度范围，即30。，这个区间内平面俯仰的角度与地平面的角度保证在零到三 十度z间变化。如果连杆与套筒平面垂直的话，平面的俯仰角度就会变成正 负十五度了，与预期要求相背。套筒的平面上开有四个螺纹孔，与踏板上的 螺纹孔互相对应，装配时由四个内六角螺钉固定住。其它主要零件的设计还有轴承座，轴承端盖，框架等。用零件图就可以 加工表达，主要的零件设计就是以上这些了。其它零件设计过程都根据他们 设计。3.3校核计算在卜肢康复训练机器人踝关节驱动机构中，一些主要的零

50、件也是可能的 危险零件在设计时就校核过了，本节只是对其它没有校核的零件进行校核， 如平键，轴承等。3.3.1轴承的校核凸轮轴上滚动轴承的校核：凸轮轴上使用轴承的型号为32007型圆锥滚子轴承，杏手册可知32007轴承的 c = 675oo2v,co = 52500n1. 求两轴承受到的径向载荷你和件2，如图3.7所示faifd2fr2frl图3.7轴承受力图在轴的设计与校核屮，已经得到两轴承的支反力分别为f附=540n,你刃=260n 2 =1040,2 =-240则frl= j略 + 爲=75402+2602 = 599.33n fr2 = jfh2 + f為 2 = a/10402+240

51、2 = 1067.33n2. 求两轴承的计算轴向力耳和巧2对于圆锥滚子轴承，按表3.4,轴承派生轴向力fd = fr /(2k),其中，y是 对应fjfr>e的y值。表3.4约有半数滚动体接触式派生轴向力耳的计算公式圆锥滚子轴承角接触球轴承70000c(a = 15°)10000ac (a = 25°)70000b(a = 40°)fd= fr /(2y)fd =efrfd = 0.68 巴巧=114f如图3.7所示，现在轴承轴向力未知，故先假设fa/fr>e,因此可估算f r di 2y599.33 xt .心=n = 199.77n2x1.5f _

52、fj .d22y二 1067.33 心 355 78n2x1.5fa+fd2 = 800n + 355.78n = 1155.78nfz1 =199.77n由于fa + fdl>fdx,所以轴承1被压紧，故巧严乙+巧2=115578n 巧2 二耳2=355.78n(3.4)3. 求轴承当量动载荷片和鬥p"p(xf+ yf式中，x、丫分别为径向动载荷系数和轴向动载荷系数。对于32007型圆锥 滚子轴承，由轴承设计手册，可得当乙“时,x =i,y=of_x =0.4,y = 1.5其中，e = 0.4o对于左侧轴承1故对于右侧轴承2x =0.4必=1.5巧355.781067.33

53、=033 < e假设轴承运转中有轻微冲击载荷，按表3.5,収几=1.1表3.5载荷系数fp载荷性质fp举例无冲击或轻微冲击1.0-1.2电机、汽轮机、通风机、水泵等中等冲击或中等惯性力1.2-1.8车辆、动力机械、起重机、造纸机、 冶金机械、选矿机、卷扬机、机床等强大冲击1.8 3.0破碎机、轧钢机、钻探机、振动筛等则p、=办(x| 你 +乙巧|) = 1.1 x (0.4 x 599.33 + 1.5x1155.78)n = 2171.04n=/p(x27；2+2) = 1.1x(1x355.78 + 0x1067.33)n = 39l36n4. 验算轴承寿命式中：lh轴承寿命（单位为

54、h）n轴承转速（单位为r/min ）ft温度系数,参考表3.6c基本额定动载荷（单位为n）p当量动载荷（单位为n）温度不会太高，查表3.6,取ft =1.1表3.6温度系数龙轴承温度系 数/°c<120125150175200225250300350温度系数£1.000.950.900.850.800.750.700.60.5因为ppp-所以按左侧轴承的受力大小验算已知转速m =25r/mino则吃（医）。=止严0x97800山詡了处叽60n 片 60x252171.04故所选择轴承可满足寿命要求。中心轴上滚动轴承的校核中心轴上的两个轴承之所以选择圆锥蘇子轴承，并不是

55、因为它总要承受 轴向力，只是在发生意外情况时（如病人不小心滑倒），脚对踏板会产生一个 轴向力。这要求轴承承受径向力的同时也能够承受轴向力。中心轴上两个轴承共同承担人作用在一只脚上的力。按最大载荷400n 计算寿命：温度不会太高，查表3.6,取ft = l0,已知转速 =2517 min。则按公式3.5將會船（常杠叽可见轴承理论寿命足够大。（3）键的校核(3.6)2txlo3kid式中：t传递的扭矩，单位为n mmk键与轮毂键槽的接触高度，单位为mm/键的工作长度，单位为mmd轴的直径，单位为mm0键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，单位 为 mpa。在轴的设计与校核屮，已得到键的尺寸为：

56、bxhxl = 6mmx6mmx 15mm传递的扭矩为t=34n-m凸轮的材料是钢材，由机械设计手册查得许用挤压应力<rj = 130mpa键的工作长度厶=厶-/?（ = 15mm -6mm = 9mm ,键与轮毂键槽的接触高 度 k = 0.5/? = 0.5 x 6mm = 3mm ,可得27x102x34x 10?bp =卩kid= 9x2。g.38mpasg3.4本章小结木章对下肢康复机器人踝关节驱动系统机构的机械木体零件进行了设 计，并对一些重要零件进行了强度校核。对于下肢康复训练机器人踝关节驱 动系统的结构设计已经完成。本章是论文的重要的一章，包括各种机械零件 的设计，计算尺寸，刚度强度校核等内容都是对驱动系统设计重要部分。第4章机构控制系统设计4.1选择控制系统方案需要考虑的因素对于单个机电一体化系统，可能有多种控制方案來实现同一个控制功能。 在选择控制计算机时，除了要保证实现系统的基本控制功能，满足性能指标 要求，还要综合考虑一些其他因索，应该综合多种因索做岀