《一种下肢康复训练步态机器人的创新设计》8200字

一种下肢康复训练步态机器人的创新设计目录TOC\o"1-3"\h\u14563一、绪论 127166（一）研究意义及目的 122874（二）国内外发展现状及趋势 14366（三）本设计工作内容 428462二、总体设计方案 417608（一）本设计总体要求 413559（二）设计参数标准 53745（三）下肢康复训练步态机器人的总体设计方案 57773三、机器人动力的设计 65510（一）电机选型 631824（二）电机装置过载校核 720117（三）小结 816778四、机器人传动的设计 829260（一）锥齿轮传动机构设计及校核 8118591.设定锥齿轮参数 835282.以齿轮部件的齿面接触疲劳强度设计计算 9310993.依据齿轮部件齿根位置的弯曲疲劳强度设计计算 122583（二）小结 1418261五、标准件的设计 1417367（一）棘轮棘爪的设计 14279831.棘轮棘爪的工作原理 1484132.棘轮几何尺寸的确定 163973（二）圆柱螺旋弹簧设计 1771741.结构设计 17204252.弹簧的材料及许用应力 18165443.弹簧的参数计算 186671【参考文献】 21一、绪论（一）研究意义及目的研究下肢康复训练步态机器人，对于因疾病和发生事故要通过下肢康复训练实现正常行走、提高自主生活能力的人来说，下肢康复训练步态机器人可以通过控制使其模拟正常人的行走姿态、下肢各部位的协调运动，实现对下肢的康复训练，下肢康复训练步态机器人在模拟正常人的步伐规律时，起到一定锻炼下肢的肌肉的作用，恢复神经系统对行走能力的控制，达到恢复行走机能的目的。总的来看，下肢康复训练步态机器人的总体工作目的就是为了能够使下肢需要进行康复训练的人能够更加方便的，更轻松的达到训练的目的，对下肢的康复训练起到辅助的作用。本次毕业设计的选题来源于生活实际，针对本次设计新型下肢康复训练步态机器人的任务书设计一种或多种方案，完成本设备的动作流程。历经毕业设计整个过程的锻炼和学习，需要能够初步掌握机械设计的基本流程和设计所用的相关方法，需要能够使得知识贮备也迈上新台阶，需要能够结合实际情况综合运用各种不同的知识，能够更好的理论结合实践，将所学知识服务于生产实际，需要培养创新意识和提高设计能力。结合设备的实际工况设计完成本次设计新型下肢康复训练步态机器人，设计所得的新型下肢康复训练步态机器人需要基于现有的实际生产水平，能够实现量化生产，能够为生产设计切实的解决某项问题，实现某种价值。设计的过程是学习的过程，需要培养构思设计方案的能力，需要培养机械制图的能力，总结收获各种进行机械设计的有关方法，为今后的机械设计工作打下基础。（二）国内外发展现状及趋势下肢康复训练器的前身是外骨骼，最早是为了提升单兵作战能力而制造的，如美军SARCOS研究公司的WEAR完全战斗外骨骼机器人（下图1-1）。后来经过一段时间的发展才开始应用于医疗康复，如美国加州大学伯克利分校研制的BLEEX(下图1-2)。截止至今，其研究领域已经从原先的军事领域扩展到医疗的康复、消防、航空航天及工业运输等领域，例在2005年，英国Salford（索尔福德）大学的研究人员开发的康复助行器(下图1-3)。到如今，其在康复领域的研究应用已经并不只限于外骨骼的形式，开始出现上下肢或坐姿、站姿、卧姿等方面的研究，WalkingPowerAssistLegWPAL(下图1-4)。目前为止，在康复训练器的研究和应用方面以美国为首的欧美发达国家处于领先地位。图1—1战斗外骨骼机器人图1—2美国BLEEX机器人图1—3英国Salford康复助行器图1—4WalkingPowerAssistLegWPAL我国对康复训练器方面的研究起步较晚，现处于基础阶段，在该技术的探索和应用方面与欧美发达国家有很大差距。而随着我国社会老龄化情况日益加剧，残疾人数居高不下。就社会目前对下肢康复训练器的需求量越来越大；在我国现已有诸多学者、专家和相应机构对这一方面展开了研究。但目前国内关于这方面的研究，最主要还是集中在假肢的领域。目前就只有在哈尔滨工程大学的机电一体化研究所在这一方面取得了一定的成果；成功研制出了一种多功能手臂康复训练机器人，下肢康复训练步态机器人。并且浙江大学也成功的研制了一种采用了气动驱动方式的新型可穿戴式下肢外骨骼助行机器人；其中髋关节、膝关节处都采用了气缸进行驱动，并且结合自适应模糊神经网络控制理论，对下肢外骨骼助行机器人的控制策略进行了相关研究。在此基础上开发出了一整套外骨骼助行机器人的实验系统如图1—5所示。中科大和中科院共同研制了一种下肢助力外骨骼机器人（图1—6），其主要包含机械结构、传感器系统和控制系统。膝关节、踝关节和脚底可以与人腿协调运动，互不产生运动干涉。在走动过程中，通过足底力的传感器获取人体腿部和脚底的信息，再通过编码器获得相应的关节转角，采集得到的信息对外骨骼助行机器人的行走状态进行判别，从而达到对外骨骼助行机器人的运行进行控制。但是，这种驱动结构的缺点是是只能够提供小的驱动力，为人体提供有限的助力。图1—5浙江外骨骼机器图1—6中科大外骨骼机器人在国外，早在上世纪八十年代就已经成功研制出了康复机器人系统，它就是目前世界上最成功的一种低价、市售的康复机器人系统——Handyl康复机器人样机，它是英国的MikeTopping公司研制出来的，Handy1机器人由5自由度机器人手臂和新型控制器组成，不仅具有话音识别、语音合成、传感器输入、手柄控制以及步进电机控制能力，Handyl还具备有很强的通话能力，可以为护理人员及用户在操作的过程中提供一些简单的操作指令或有益的指示等信息，能够以任何一种欧洲语言表达出来。这种装置不仅有助于突破语言的障碍，还可以大大提高Handyl方便用户与他人之间进行交流的能力。市场中还有另外一种康复机器人，它就是由荷兰ExactDynamics公司开发的MANUS，相比较机械人手臂比Handyl多出两个自由度，旋转自由度6个和机械手1个。虽然国外关于医学康复机器人的研究已经取得了不少成就，但是其离生物机器人还有相当的距离，因此在这一方面的研究还有着许许多多的挑战，还有很多工作要做。（三）本设计工作内容经过分析，本课题主要完成设计，要求采用20BYG250-33型号电机装置。主要内容有：本次设计的主要工作内容如下：1）结合实际情况，综合各项因素，确定总体本次设计新型下肢康复训练步态机器人的结构方案，初步设计确定它的驱动机构和传动机构，并对整套设备的工作原理以及基本构成进行详细介绍，绘制整套进行设备的结构草图，为后续机械设计流程做好铺垫。2）基于先前确定的整套新型下肢康复训练步态机器人结构方案，详细设计新型下肢康复训练步态机器人的动力机构，对设备所用电动机装置进行选型设计，并对驱动轴等主要部件的结构参数进行设计。3）校核计算新型下肢康复训练步态机器人的主要机构和主要零部件。4）借助计算机绘图软件绘制整套新型下肢康复训练步态机器人的零件图和装配图。5）完成设备设计的编写。二、总体设计方案（一）本设计总体要求总体机械设计要考虑其工艺，选择较好的设计方案，材料选择符合要求;设计时要考虑维修方便，结构简单优化成本。对于本设计的总体设计，要遵循的设计原则。首先满足功能要求，安装后可以灵活操作。充分利用国内外新技术，采用新原理、新结构、新工艺，设计合理、使用可靠、质优价廉、通用推广。尽量采用通用化的零件和零件标准化；设备结构简单、成本低、操作简单、容易维护、轻质量，良好的流动性。设计步骤如下：（1）选择与设计机具结构类型（2）确定本设计的传动方案（3）选择并确定主轴速度（4）确定重要部件的选用和计算（二）设计参数标准1）下肢康复训练步态机器人的加工工艺需要满足实际生产条件；2）下肢康复训练步态机器人的总体方案需要结合实际生产能力进行制定，同时需要考虑环保经济性，确保设计制造的下肢康复训练步态机器人具有较好的应用性。3）在设计下肢康复训练步态机器人的过程中，应该要多应用新型设计加工技术，选择较为先进的设计方法和加工工艺设计制造，确保设备能够可靠安全的运行作业，尽量以最低的生产制造成本设计制造整套下肢康复训练步态机器人；4）在设计下肢康复训练步态机器人各个零部件的过程中，尽可能选用标准件，使得设备的各个部件具有较高程度的互换性，如此能够使得后续的保养维护能力降至最低；5）需要保证整套下肢康复训练步态机器人具有相对较为简单的结构形式，设备的生产制造成本费用需要尽可能地低廉。在使用过程中，设备需要能够相对较为容易地进行操作，设备后期的维护保养工作也要易于进行。6）设计制造的下肢康复训练步态机器人要易于搬运。（三）下肢康复训练步态机器人的总体设计方案本次设计下肢康复训练步态机器人总要包括动力部分、传动部分、功能部分、机架部分四大部分组成，其中动力部分、传动部分、功能部分是本次设计的重点。要进行下肢康复训练步态机器人的研究，首要环节就是构型设计，也是极其重要的一步；构型设计如果没有设计好，将会直接影响到整个系统最终功能实现的好坏。本章将在人体下肢生物骨骼模型的基础上，进一步设计了出一种新型下肢康复训练步态机器人，下肢康复训练步态机器人的构型设计应要满足以下几点原则：1.首先构型设计要能够实现机器人的正常行走；2.构型设计必须要确保机器人行走的稳定性；3.在确保机器人强度和刚度的前提下，构型设计要尽可能地轻便化。应考虑的研发成本，开发周期，研发过程等情况，进行机器人的结构进行设计。机器人结构简图如2-1所示。1——电机2——电机支架3——主动锥齿轮4——从动锥齿轮5——止回棘爪I——棘轮凸轮组10——棘爪连接销，11——主动棘爪，13——滚子14——小腿15——压缩弹簧17——大腿1——电机2——电机支架3——主动锥齿轮4——从动锥齿轮5——止回棘爪I——棘轮凸轮组10——棘爪连接销，11——主动棘爪，13——滚子14——小腿15——压缩弹簧17——大腿18——脚图2-1机器人结构简图三、机器人动力的设计（一）电机选型通过查询的资料情况，再结合本次设计下肢康复训练步态机器人的实际使用情况，所用电机装置的载荷大小需要达到，设定它在旋转运动作业过程中的转速大小为。机械设备的有效功率是设备在满载情况下进行正常工作需要的功率大小，本次设计机械设备的有效功率大小为：P由于功率会在传动过程中发生损耗，故需测定各级传动中的传递效率，设由动力设备至工作设备之间的总效率大小是，η1和ηη=本次设计机械设备所用电动机装置的所需功率大小为：

P结合本次设计机械设备的实际使用情况，并综合各种因素，最终选用额定功率大小为1.5kw的步进电机20BYG250-33型号电机。（二）电机装置过载校核对本次设计机械设备所用电机装置的过载能力进行校验：Pjk──；Pj──；Zm──，Zλ──电动机转矩允许的过载，取λ=2H——考虑电压降及其转矩允差以及静载试验超载的系数，取H=2.1；本次设计机械设备所用电机装置的静功率大小为：P──FQ=2KN；──；──=0.7015；得：PP通过上述计算可知，本次设计采用混步进电机20BYG250-33型电动机设备能够满足实际使用需求。由于本次设计机械设备的使用频率相对较低，电机装置的发热情况相对较少，故无需校核计算装置发热情况。（三）小结为了下肢康复机器人能过满足整体传动的动力要求，通过电机装置的载荷大小和转动的速度，将电机所需要的功率大小运用公式计算出来，再进行电机过载的校核，保证电机的传动效率能达到实际使用要求。最终通过本次设计的实际情况，最终确定采用的电机型号。为下肢康复训练步态机器人能够进行行走提供保障。四、机器人传动的设计（一）锥齿轮传动机构设计及校核1.设定锥齿轮参数（1）结合本次设计机械设备的实际工作情况可知，它作为常用一般工作设备，无须过高的工作运转速度，综合各种影响，最终确定以8级精度进行设计制造。设定本次设计锥齿轮组机构的锥角大小为α=20°，选定本次设计锥齿轮组机构的齿顶高系数为ℎ（2）锥齿轮部件选材设计在生产实际中，综合各种因素，一般选用20CrMnTi钢材料生产加工小齿轮部件，然后对其进行调质加工处理，使其硬度能够达到280HBS；选用40Cr材料生产加工大齿轮部件，然后对其进行调质加工处理，使其硬度能够达到240HBS。2.以齿轮部件的齿面接触疲劳强度设计计算已知

d（1）选定锥齿轮部件的基本参数；（2）ZE=189.8MPa，。（3）结合本次设计机械设备的实际使用情况，综合各种因素，本次设计小齿轮部件、大齿轮部件接触疲劳强度极限分别为，。（4）载荷系数选定；（5）设计确定应力循环次数锥齿轮部件齿面位置接触疲劳寿命系数大小是：

N小齿轮：

N大齿轮：

N锥齿轮传动组的齿宽系数大小是：

ψ（6）安全系数；（7）设计计算本次设计锥齿轮部件接触疲劳许用应力大小，具体计算如下：

σ

σ1）设计计算小齿轮部件分度圆直径尺寸d已知，计算可得：d2）设计计算齿轮部件圆周速度v的大小：（4—8）3）设计计算大齿轮部件的齿数大小为：

Zd2=由Z2结合设计锥齿轮传动机构的实际情况，将其圆整处理得Z2由Z1=Z计算可得本次设计锥齿轮传动机构的齿数比大小是：

u经过检验可知，本次设计的锥齿轮传动机构满足实际使用需求。设定齿轮模数mm=根据本次设计锥齿轮传动机构的实际情况，再结合标准模数将锥齿轮的模数圆整处理得。5）设定齿轮部件大端分度圆直径尺寸大小（4-12）（4-13）6）设定齿轮部件节锥顶距尺寸大小（4-14）7）设定齿轮部件节圆锥角角度大小

δδ2设定齿轮部件大端位置齿顶圆直径大小小齿轮：(4-16)大齿轮：(4-17)9）设定齿轮部件齿宽尺寸大小：(4-18)在生产实际中，综合各种相关因素，常取10）校核计算齿轮部件的强度(4-19)经过检验计算可知，本次设计制造的锥齿轮传动机构满足实际使用需求。3.依据齿轮部件齿根位置的弯曲疲劳强度设计计算已知：

m≥ 已知：，。设定齿轮部件的齿形系数大小是：，；设定齿轮部件的应力校正系数大小是：Ysa1=1.6043）设计计算齿轮部件的弯曲疲劳许用应力大小已知：弯曲疲劳系数S=1.4，计算可得：(4-21)6)设计计算大小齿轮部件的(4-22)分析比较可知，小齿轮部件的数值较大，结合设计锥齿轮传动机构的实际情况，最终选定0.01025；7）设定齿轮部件的载荷系数K已知KA=1.35，V=2.88；本次设计以7级精度设计制造锥齿轮传动机构的齿轮部件，结合本次设计锥齿轮传动机构的实际情况，综合各种因素，最终选定动载荷系数大小是计算可得：m≥34.0KT1YFa如下表3-1所示的是本次设计制造的锥齿组基本参数表表3-1本次设计制造的锥齿组基本参数表名称23，3（二）小结齿轮的设计要保障整体结构的传动效率。通过运用相应公式计算出各锥齿轮的几何尺寸，并确保其能够啮合，并对各锥齿轮进行疲劳强度计算，确保各个锥齿轮之间的传动能够使下肢康复训练步态机器人正常运行；之后根据各锥齿轮的几何尺寸，将锥齿轮用绘图软件建模，画出理想的图。五、标准件的设计（一）棘轮棘爪的设计1.棘轮棘爪的工作原理棘轮机构是由油缸、棘轮、棘爪、连接板、摆杆、油缸头部连接件、油缸尾部连接件、销钉等组成，如图5-1所示。在油缸的头部和尾部都有连接件与销钉配合形成铰链连接。棘轮、棘爪通过轴向固定在钻杆库轴上，与棘轮通过键连接与钻杆库轴轴向固定不同的是，棘爪是它可以绕着钻杆库轴转动。在钻杆库底板上固定着尾部的铰链，而头部的铰链则固定在棘轮机构的摆杆上，当油缸受到压力油的作用时活塞杆伸出，活塞杆推动油缸头部的连接件，进而驱动摆杆绕着钻杆库轴进行转动，根据设计，当摆杆朝逆时针方向转动时，棘爪被连接安装在摆杆上的连接板卡住，因此棘爪会跟随着摆杆一起转动，推动棘轮转动，在键连接的作用下钻杆库轴也会跟着棘轮一起转动。可以通过油缸活塞杆伸出的长短来进行控制钻杆库轴转动的角度。反之在当油缸受到压力油的作用下收缩活塞杆时，摆杆油缸头部连接件的作用下绕钻杆库轴顺时针旋转，而此时，棘爪不会被连接板卡住，因此，棘爪会跟着摆杆一起复位，而棘轮则保持不动。实现钻杆库轴的单向精确角度转动。图5-1棘轮机构1-销钉2-油缸尾部连接件3-油缸4-油缸头部连接件5-销钉6-棘爪7-连接板8-摆杆9-棘轮10-钻杆库图5-2棘轮图5-3棘爪2.棘轮几何尺寸的确定棘轮棘爪装置一般结构简单、制作方便、运动可靠、转角可调；但是在其工作时会有比较大的冲击和噪音，运动精度也相对较差。比较适用于在速度较低和载荷都不是很大的场合。在工作时，要求棘爪在正压力Pn（1）齿数：选择棘轮齿数16（2）模数：模数4（3）顶圆直径：根据计算式：d代入数据得：d（4）齿间距：根据计算式：p=代入数据得:p=8.6（5）齿顶高：根据计算式:h=0.75m得:h=3（6）齿顶弦长：根据计算式:a=m得:a=4（7）棘爪工作面长度：根据计算式:a1=0.6a得:a1=2.4（8）齿偏角：α（9）棘轮宽：根据计算式:b=4m得:b=10（10）棘爪斜高、齿斜高：根据计算式:h代入数据得:h（11）棘轮齿根圆角半径：r（12）棘爪尖端圆角半径：r（1）棘爪长度:根据计算式:L=2p代入数据得:L=17.2（二）圆柱螺旋弹簧设计1.结构设计本次设计采用的压紧弹簧是圆柱螺旋弹簧。在进行螺旋弹簧的设计时，必须保证螺旋弹簧两端的平整，螺旋弹簧两端的一二圈之间没有间隙，每一端都需要保证是齐平的，这样能够增加螺旋弹簧与压盘和离合器盖之间的接触面积。并且能够保证弹簧在工作时每一圈的受力是均衡的，避免在工作时发生倾斜现象。螺旋弹簧是周布在压盘上的，而且弹簧数目通常都不少于6个。而随着摩擦片的外径增大，螺旋弹簧的数目就必须增加，而且严格保持是分离杆的整数倍。具体的关系见表5.1，这样离合器摩擦片上的压紧力才能均匀分布。表5-1周置圆柱弹簧的数目摩擦片外径/mm螺旋弹簧数目<2006200~2809~12280~38012~18380~45018~30在本设计中根据摩擦片外径，取螺旋弹簧数。2.弹簧的材料及许用应力周布弹簧离合器的弹簧钢丝直径一般是在4mm左右，工作环境的温度通常在正常状态下，所以一般会选用65Mn钢、碳素弹簧钢等材料。弹簧材料的许用应力对于碳素和硅锰钢，其推荐的许用应力一般在这个范围，也就是。用冷卷法制成直径较小的离合器的压紧弹簧。一般不会做淬火处理，但是要用低温回火来消除内应力就行了。因此本设计选用65Mn钢。3.弹簧的参数计算（1）每一个弹簧的工作压力 （5-1）式子中，为单位压力，=0.2526Mpa；D、d为压盘的外、内径。（2）弹簧丝直径 （5-2）根据规范钢丝直径，取式子中，为每个弹簧的工作压力；C为弹簧指数，一般C取5～8，初选弹簧指数C=6.2，为曲度系数，初取，除选。（3）根据规范弹簧中径选取弹簧的外径（4）弹簧中径（5-3）（5）弹簧指数（5-4）（6）曲度系数（5-5）（7）实际的弹簧工作应力（5-6）（8）弹簧工作圈数（5-7）可取，式中，G为材料剪切弹性模数，碳钢取：；K需尽量小，一般取，初选。（9）弹簧实际刚度（5-8）（10）弹簧的总圈数（5.9）（11）弹簧工作变形（5.10）（12）弹簧的附加变形量对于单片离合器；对于双片离合器。本设计取。（13）弹簧自由高度（5.11）其中，弹簧在最大负荷时的间隙，本设计取。（14）弹簧工作高度（5.12）（15）弹簧最大负荷（5.13）为离合器彻底分离时的弹簧最大负荷，一般经过计算，满足设计要求。（三）小结理解棘轮与棘爪的工作原理，适用的场合；并对棘轮与棘爪进行几何尺寸的确定，弹簧的设计要保证弹簧在工作时各圈的受力是均衡的，而不会发生倾斜现象，选择合适的螺旋弹簧数，在进行各个参数的计算，确定好各个几何尺寸，最后根据得到的几何尺寸进行运用绘图软件将其画出，与前面得到的各个零件的模型进行最终的装配。【参考文献】[1]康复机器人对脑卒中偏瘫患者上肢运动功能影响及机制研究[D].孙鑫芳.昆明医科大学2020[2]卧式下肢康复机器人的研究[D].钱振美.哈尔滨工程大学2006[3]上