截瘫患者下肢仿生外骨骼机器人设计报告

1、截瘫患者下肢仿生外骨骼机器人1=1滚珠丝杠设计报告书汽 02 程帅 20100107531.1滚珠丝杠驱动装置设计1.1.1驱动装置结构设计本设计的驱动机构采用滚珠丝杠机构，可将电机的旋转运动转化为丝杠的直 线运动，同时将电机的转矩转化为丝杠方向的力。滚珠丝杠机构包括电动机、外 壳、内外螺母、丝杠、齿轮罩、圆柱齿轮及连接螺钉。图3滚珠丝杠驱动装置图4滚珠丝杠驱动装置装配图滚珠丝杠机构的螺母设计为外螺母和内螺母两部分，二者之间布置滚珠，使 内螺母与外螺母实现轴向定位的同时可相对外螺母旋转。内螺母与丝杠啮合，且 在外表面安装齿轮；外螺母通过螺钉与外壳（机架）固定。驱动装置运动时电动 机通过一级齿轮

2、传动带动内螺母相对外螺母旋转，内螺母推动丝杠进行直线运 动。丝杠一端通过圆柱销与铰链零件连接，外壳尾端通过螺钉与铰链零件连接， 整个驱动装置通过上述两端的铰链机构分别与上下肢连接，通过丝杠的伸缩运动 驱动关节转动。由于传动齿轮的转速较高，为了防止高速齿轮对人体产生伤害，故利用非金 属齿轮罩将传动齿轮封闭，整套驱动装置只输出丝杠的伸缩运动。1.1.2滚珠丝杠驱动装置工作能力分析滚珠丝杠机构的强度校核包括丝杠的弯曲强度校核、丝杠的屈服强度校核、 螺母轴向载荷校核及寿命计算。根据设计要求，三处驱动装置均选择日本THK公司MDK1202-3磨制滚珠丝 杆（螺母为独立设计）。参数如下：表MDK1202-

3、3磨制滚珠丝杠主要参数型号丝杠轴外径/mm导程/mm沟槽谷径 /mm基本额定负荷/kNMDK1202-3122111.7根据关节设计要求确定三处驱动机构的最大力F及丝杠轴长度如下:丝杠方向最大载荷/kN丝杠轴最大长度/mm膝关节屈伸1.6290髋关节屈伸1.0400髋关节内收外展1.1220依据以上数据进行滚珠丝杠机构的强度校核:1.1.3丝杠弯曲强度校核丝杠的弯曲强度校核公式如下:p _ 0.5门兀 2EJ1L2叩d4=-r X 104L2其中:TP1最大轴向允许载荷，N；E杨氏弹性模量（通常状况下取E-2.06x 105N/mm2）L丝杠安装间距，mm；d r一丝杠沟槽最小直径，mm；J-

4、丝杠断面惯性矩，J = d4，mm464 rL、门2 与安装方式有关的系数，见表表与安装方式有关的系数门、门丝杠安装方式门 1门 2丝杠安装方式门 1门 2固定一固定420.0支撑一支撑15.0固定一支撑210.0固定一自由0.251.2本方案中丝杠的支撑方式属于固定一支撑，带入数据计算，有:膝关节屈伸方向：P =*x104= 5二；14x104= 8704.5N髋关节屈伸方向：P =*x104= 5二；14x104= 4575.3N髋关节内收外展方向：P = 牛i x 104 = 二；14 x 104 = 15403.8N可以看出驱动装置的丝杠轴轴向最大许用载荷均大于实际载荷，弯曲强 度符合

5、要求。1.1.4丝杠屈服强度校核丝杠在不发生屈服的前提下所允许的最大轴向载荷按下式计算：P = c d2 = 116d224 rr其中：P2最大轴向允许载荷，N;dr丝杠沟槽最小直径 ，mm；。丝杠材料的允许拉伸压缩应力(通常情况下。二147N/mm2)。一 一带入数据计算，P = c 4d2 = 116d2 = 116 x 112 = 14036N可以看出最大轴向许用载荷均大于各处实际载荷，拉伸/屈服强度符合要 求。1.1.5螺母轴向载荷校核 C螺母实际允许的最大轴向载荷为F =-a max fs其中，Famax滚珠螺母实际允许的最大轴向载荷，NC0a额定静载荷，Nfs静安全系数，根据负载条

6、件确定。本设计属普通机械，无冲 击振动，故fs取1.3根据MDK1202-3的额定静载荷数据，计算如下：Fa max=6923.1NC9000=0a =f1.3s可以看出螺母所允许的最大轴向载荷均大于各处实际最大载荷，强度符合要 求。1.1.6滚珠丝杠机构寿命校核滚珠丝杠的疲劳寿命可以分别由总转速、实际运行时间表示，计算公式如下:L = (-)3 x 106r f FT L/C 、小 1L =()3 x 106 X h 60Nf F60N其中，Lr一由总转数表示的额定疲劳寿命:LLh由运行时间表示的疲劳寿命，h；Fa轴向载荷，N；N螺母转速，r/min;fw负荷系数，与运动速度及振动冲击情况有

7、关。本设计中丝杠最高 直线运动速度为0.2m/s，冲击为微小，故fw取1.0。根据各处螺母转速的不同，分别计算三个驱动机构滚珠丝杠的寿命如下： 膝关节：L = 土 =(堂)3 X 106 X 上=(9000 )3 X 106 X 1=988.77h h60Nf F60N1 x 160060 x 3000w a髋关节屈伸：L = = ( )3 x 106 x - = ()3 x 106 x = 2025hh60Nf F60N1 x 100060 x 6000wa髋关节内收外展：L =上一=(孚)3 X 106 X = ( 9000 )3 X 106 X 1=6085.6h h60Nf F60N1

8、 x 110060 x 1500w a由于膝关节的轴向载荷仅在起立时的一瞬间出现，故行走时的滚珠丝杠 寿命按髋关节屈伸方向的滚珠丝杠寿命计算。如果按每天利用外骨骼装置作 行走训练3小时，滚珠丝杠运动时间占步态周期的1/3，则整套驱动装置的 寿命约为2025天，即5年半，符合设计要求。1.2关节连接机构设计外骨骼机械腿的关节应事先低阻力相对转动，同时希望上、下肢中心轴线共 棉以防止出现大、小腿错位情况。为此做出如下设计：图1-机械腿关节机构为了降低转动阻力，在关节机构中加入深沟球轴承一对。轴承内圈与关节轴配合，外圈与关节压板配合，两块关节压板与上肢通过螺栓连接，关节轴通过键、弹性挡圈与下肢的轴孔

9、配合，轴承外侧通过端盖定位。整套机构可实现上下肢的 低阻力转动。图1-关节机构装配图1.3滚珠丝杠外骨骼铰链连接强度校核滚珠丝杠机构驱动外骨骼运动时，两者之间存在相对转动，故在连接处 设置铰链机构。铰链机构的强度校核包括销轴孔的拉伸/挤压强度校核及销轴的剪切强度校核。图1铰链连接机构1.3.1销轴孔挤压/拉伸强度校核根据铰链机构尺寸设计，拉伸工作面最小面积：S =（25-16）x 5=45mm2， 挤压工作面最小工作面面积：S = 16 x 5=80mm2三个驱动装置轴向载荷最大值为F=1600N （膝关节处）。依据以上数据计算 拉伸应力及挤压应力如下：最大拉伸应力：b1最大挤压应力：b2铰链

10、材料为低碳钢以看出，拉伸强度及挤压强度均符合要求。F:-一 =35.56MPa，S1minF-=20.00MPaS2min挤压强度心=150MPa，拉伸强度。=100MPa，可、p1.3.2圆柱销剪切强度校核丝杠固定端铰链处圆柱销主要受切应力，易发生剪切失效，故应校核剪切强 度。圆柱销直径8mm，工作面m=2,剪切应力T m d 2 4 0三处驱动装置最大拉/压力Fmax=1600N，带入上式计算：1600 t = = 15.9MPa2 x x 824圆柱销材料选用低碳钢，许用应力T = 120 MPa T，故剪切强度满足 要求。p1.4丝杠一一铰链连接强度校核|由于丝杠与铰链机构无法一体加工

11、成型，因此丝杠与铰链机构间需要利用圆 柱销实现轴向定位。此销轴连接的强度校核同样包括销轴孔的拉伸/挤压强度校 核及销轴的剪切强度校核。1.4.1销轴孔挤压/拉伸强度校核根据尺寸设计，拉伸工作面最小面积：S =（12-5）x 12=84mm2 （丝杠处）， 挤压工作面最小工作面面积：S = （18 - 12） x 4=24mm22min三个驱动装置轴向载荷最大值为F=1600N （膝关节处）。依据以上数据计算 拉伸应力及挤压应力如下：F:S1minF2min最大拉伸应力：b1最大挤压应力：b2=19.05MPa,=66,67MPa挤压强度b = 150MPa；丝杠的许用拉伸强度为铰链材料为低碳钢

12、pb = 147MPa，可以看出，拉伸强度及挤压强度均符合要求。1.4.2圆柱销剪切强度校核圆柱销主要受切应力，易发生剪切失效，故应校核剪切强度。F 圆柱销直径4mm，工作面m=2, 剪切应力Tm d 24 0三处驱动装置最大拉/压力Fma=1600N，带入上式计算：1600 t = = 63.6MPa2 x x 424圆柱销材料选用低碳钢，许用应力T = 120 MPa T，故剪切强度满足 要求。P1.5踝关节圆柱销强度校核图1-踝关节圆柱销连接踝关节内收外展自由度通过圆柱销连接实现脚部零件与小腿的连接。铰链连 接主要承受压应力，在单腿支撑时达到最大工作载荷（按人体重量60kg+外骨骼 机构

13、40kg计算）。1.5.1圆柱销剪切强度校核圆柱销直径d=16mm,工作面m=2。工作时主要受切应力，应校核剪切强度。最大工作载荷F = (60 + 40) x 9.8 = 980N一 .、.980一最大切应力 t = = 2.44MPa兀2 x - x 1624圆柱销材料选用低碳钢，许用应力t = 120 MPa t，故剪切强度满足 要求。P1.5.2销轴孔挤压强度校核此处销轴连接主要受挤压应力，应校核挤压强度。由设计尺寸，工作面最小面积S . = 10 x 16=160mm2。最大挤压应力：b = 一 = 6.125MPaS1min铰链材料为低碳钢，挤压强度b = 150MPa；丝杠的许用

14、拉伸强度为b = 147MPa，可以看出，挤压强度均符合要求。1.6方头平键设计根据设计需求，三个关节驱动装置的内螺母外径为24mm，通过方头平键与 齿轮实现周向定位。驱动装置运动时，齿轮通过方头平键驱动内螺母旋转，内螺 母推动滚珠丝杠作伸缩运动。根据内螺母齿轮安装处外径及齿轮轮毂宽度及普通平键的长度系列，确定三 处平键参数如下：表3-1三个驱动装置的运动参数内螺母外 径/mm传递转矩T/Nmb/mmh/mmL/mm膝关节屈伸240.5668712髋关节屈伸240.3858714髋关节内收外展240.424878根据方头平键强度计算公式：2Tb =p dlk其中，k为平键工作高度，对于平键k

15、a 0.5h ； l为平键的工作长度，对方 头平键l a L。根据平键工作条件，确定许用挤压应力O = 100MPa。按照上式计算结果 如下：b /MPab / MPa膝关节屈伸p1.123p100髋关节屈伸0.655100髋关节内收外展1.262100可以看出三处方头平键的强度均符合要求。1.7关键部位螺栓连接强度校核在滚珠丝杠驱动装置中以及驱动装置一一机械腿连接零件中，一些螺栓/螺钉 工作载荷较大，需要进行强度校核。1.7.1驱动装置外壳螺钉连接件强度校核图1-外壳零件与铰链零件连接方式滚珠丝杠驱动装置的外壳（机架）由三部分装配组成，如图1-两个外壳零 件由6个十字槽盘头螺钉连接（规格：M

16、2.5X12）；如图1-外壳零件与尾部铰链 零件通过3个开槽沉头螺钉连接（规格：M3X8）。图1-外壳零件连接方式三套驱动装置中，膝关节处外壳承受的轴向载荷最大，卜购；1600 N，依据此数据进行校核。对于两外壳连接，工作螺钉数m = 6，d = 2.01mm。根据螺栓所受拉伸应力公式计算如下：1F1600m 彳 d26 x x 2.01284.04Mpa螺钉性能等级5.8。按照使用条件以及螺钉材料，确定许用拉伸应力为。=100 MPa，b 。，螺钉抗拉强度满足设计要求。1600=108.65MpaD 兀 9 r-o3 x x 2.52对于外壳铰接零件连接处螺钉，工作螺钉数m = 3，di =

17、 2.5mm。 计算所受最大拉伸应力如下：1F b =兀只 m _ d2螺钉性能等级6.8。按照使用条件以及螺钉材料，确定许用拉伸应力为b = 160 MPa，b b ，螺钉抗拉强度满足设计要求。滚珠丝杠外螺母外壳连接螺钉的规格与数目与外壳外壳连接处一 致，故不再进行校核。1.7.2驱动装置摆臂一一机械腿螺栓连接螺栓强度校核髋关节动力装置的摆臂通过一组按如下排列的四组螺栓（规格：M10X55） 与机械腿实现连接。图1-摆臂一一机械腿螺栓连接力的作用点距四组螺栓组中心距离l=113mm，FO=1000NO当丝杠与摆臂垂直由F及T产生的分力F、F2分别如下: TOC o 1-5 h z LFzF

18、= - = 250NTzF = = = 1331N 24(2a+ F2 + 2FF cos 45o=1518.8N21 2F1、F2夹角45。根据三角形余弦定理，工作载荷21 由此计算所需预紧力如下：F KFpF1.1 x 1518.8 =5568.9N 0.3 x 1由此计算螺栓收到的最大拉应力如下：。=1，3F = L 3 x 5568.9 = 127.58MPa村 4 x 8.52螺栓性能等级6.8。按照使用条件以及螺栓材料，确定许用拉伸应力为 b p = 160 MPa，b bp，螺钉抗拉强度满足设计要求。1.7.3关节部件螺栓连接强度校核关节部件采用3个并排螺栓组实现与下肢的连接。螺

19、栓组主要承受人体的重 量，在单腿支撑时达到最大。按照人体体重60kg+外骨骼机器人重量40kg进行 设计。图1-关节部件螺栓布置最大载荷F0 = (60 + 40) x 9.8 = 980 N，每个螺栓所需的最大工作载荷为 F = K = 326.67N。3所需预紧力为F = 土 = -1 x 326.67 = 598.9N。p r m 0.3 x 2M8螺栓小径d1=6.647mm。由此计算螺栓收到的最大拉应力如下：1.3F1.3 x 598.9b =-=22.44MPa4 di24 x 6,6472螺栓性能等级4.8。 b = 41.3 MPa , b p按照使用条件以及螺栓材料，确定许用

20、拉伸应力为 bp，螺钉抗拉强度满足设计要求。1.8齿轮传动设计由于电动机输出转速与螺母所需转速并不相等，因此在二者之间需要增加一 级齿轮传动实现变速。电机输入轴的齿轮轴向通过套筒与轴端挡板s实现定位，周向通过键连接定 位（由于髋关节内收外展方向电机输出轴过膝，因此采用过盈连接）；输出端齿 轮与内螺母间通过台肩与锁紧挡圈实现轴向定位，周向定位则通过键连接实现。根据电动机输出转速与螺母所需转速的关系，确定三组齿轮传动的传动比如 下：表1-三组齿轮传动传动比传动比膝关节屈伸1.89髋关节屈伸0.557髋关节内收外展5.4下面借助机械设计辅助软件进行圆柱齿轮的设计。1.8.1髋关节屈伸齿轮传动设计髋关

21、节齿轮传动的名义传动比为0.557,传递极限功率为250W，根据外壳设 计尺寸确定的输入、输出轴轴距为58.5mm。借助机械设计辅助软件进行设计， 得到的符合要求的齿轮组如下：大齿轮小齿轮齿数5028模数1.51.5齿宽（mm）1616材料及热处理结构钢正火结构钢正火计算接触应力（MPa）123.08123.08接触疲劳许用应力（MPa）445.16429.71计算弯曲应力（MPa）4.424.5弯曲疲劳许用应力（MPa）284.94281.05实际传动比0.560.56可以看出齿轮传动的强度符合要求，且传动比在允许误差范围内。1.8.2髋关节内收外展齿轮传动设计髋关节齿轮传动的名义传动比为5

22、.4，传递极限功率为60W，根据外壳设计 尺寸确定的输入、输出轴轴距为43.6mm。借助机械设计辅助软件进行设计，得 到的符合要求的齿轮组如下：大齿轮小齿轮齿数9217模数0.80.8齿宽（mm）1010材料及热处理结构钢正火结构钢正火计算接触应力（MPa）363.13363.13接触疲劳许用应力（MPa）432.22387.9计算弯曲应力（MPa）28.8831.18弯曲疲劳许用应力（MPa）288.74277.48实际传动比5.415.41可以看出齿轮传动的强度符合要求，且传动比在允许误差范围内，设计符合 要求。1.8.3膝关节屈伸齿轮传动设计髋关节齿轮传动的名义传动比为1.89，传递极限功率为200W，根据外壳设 计尺寸确定的输入、输出轴轴距为53mm。借助机械设计辅助软件进行设计，得 到的符合要求的齿轮组如下：大齿轮小齿轮齿数4021模数1.751.75齿宽（mm）1414材料及热处理结构钢正火结构钢正火计算接触应力（