上肢康復機器人的結構設計【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 康復機器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 2 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 5 1.3 本課題主要研究內(nèi)容 7 第2章　上肢康復機器人總體結構方案 8 2.1 總體方案設計 8 2.1.1 機器人整體尺寸的選擇 8 2.1.2 機器人驅(qū)動裝置的選擇 8 2.1.3 機器人的總體方案 9 2.2 運動機構的總體設計 10 2.2.1 前后擺動機構 10 2.2.2 屈伸運動機構 10 2.2.3 分合運動機構 11 2.2.4 手腕轉動機構 12 2.3本章小結 12 第3章 上肢康復機器人機械結構設計 13 3.1 前后擺動機構 13 3.1.1 電機的選擇 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 軸的設計與校核 16 3.1.5 鍵選擇及校核計算 18 3.1.6 整體結構的設計 19 3.2 屈伸運動機構 20 3.2.1 電機的選擇 20 3.2.2 聯(lián)軸器的選擇 21 3.2.3 絲杠的設計計算 21 3.2.4 錐齒輪的設計計算 23 3.2.5 軸承校核 25 3.2.6 總體結構的設計 26 3.3 分合運動機構 27 3.3.1 電機的選擇 27 3.3.2 支撐座的設計 28 3.3.3 橫梁的設計 29 3.3.4 同步齒形帶設計 29 3.3.5 總體結構的設計 31 3.4 手腕轉動機構 31 3.4.1 電機的選擇 31 3.4.2 總體結構的設計 32 3.5 本章小結 33 第4章 總結 34 參考文獻 35 致 謝 37 VII 第1章 緒論 1.1 本課題的目的與意義 隨著科技進步與人民生活水平的提高，我國和世界上其它國家一樣，正在向老年化結構發(fā)展，伴隨而來的是心腦血管疾病或神經(jīng)系統(tǒng)患者正呈現(xiàn)逐年增長的趨勢。腦中風就是其中一種，這種疾病嚴重威脅了中老年人身體健康，我國每年新發(fā)腦中風病例120-150萬人，死亡者80-100萬人，死亡率高達66.7%。這種疾病有偏癱癥狀[1]，將引發(fā)患者肢體運動功能的喪失，尤其是上肢運動功能的喪失，極大地影響了患者日常生活。臨床上對偏癱患者的康復方法很大程度依賴于治療醫(yī)師對患者一對一的指導和訓練，這種方法存在一些問題：首先，一位治療醫(yī)師只能對一位患者進行運動訓練，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；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，康復評價指標不客觀?？傊?，這種方法是一種勞力集中的過程，不僅費時費力，也缺乏量化且客觀的評價，不利于偏癱患者康復規(guī)律的深入研究。 為了減輕家庭和社會的經(jīng)濟負擔，提高康復訓練效率，同時隨著機器人技術的迅速發(fā)展，研究者們開始將機器人技術應用到了康復領域，提出了康復機器人。與傳統(tǒng)康復方法相比，康復機器人能滿足患者對訓練強度的不同要求，極大的減輕了治療醫(yī)師的體力勞動，也減少了臨床醫(yī)療人員的負擔和衛(wèi)生保健的成本；另外康復機器人能對運動訓練過程進行客觀的監(jiān)測與評價，可以詳實地記錄治療數(shù)據(jù)及圖形，從而提供了客觀、準確的治療和評價參數(shù)，能夠幫助患者制定更好的康復方案，進一步提高康復的效率，同時也有助于康復機器人輔助治療偏癱研究的深入開展，具有改善康復效果和提高康復效率的潛力。 本文真對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，設計了一種坐式上肢康復機器人。該機器人通過機械手臂帶動患者的患肢在水平或垂直面運動，利用計算機控制上肢康復運動，實現(xiàn)機器人與人的上肢協(xié)調(diào)運動，從而達到最佳康復效果。 1.2 康復機器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 康復機器人是康復醫(yī)學與機器人學科結合的成果，屬于醫(yī)療機器人范疇。康復機器人主要分為兩種：功能輔助型康復機器人和康復訓練機器人[2]。功能輔助型康復機器人的主要功能是幫助肢體運動有困難的患者完成各種動作，其產(chǎn)品主要有機器人輪椅、機械外骨骼、導盲手杖、機器人護士、機器人假肢等?？祻陀柧殭C器人的主要功能是幫助患者完成各種運動功能的恢復性訓練，如上肢運動訓練、下肢行走訓練、頸部運動訓練、脊椎運動訓練等。 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 在歐美等國家，上肢康復機器人在20世紀0年代就開始起步了。隨著科技醫(yī)療技術的發(fā)展，更是得到了醫(yī)療機構和科研工作者的大力重視，繼而開展了相關的研究工作。 1993年，加利福尼亞大學的lum設計了名為手-物體-手的康復裝置[3] (圖1.1a)。該裝置從人類日常生活中對雙手協(xié)調(diào)性工作的需要出發(fā)，以簡單的雙手移動和擠壓物體訓練雙手協(xié)調(diào)性。2年后，lum又設計出另一套訓練雙手上舉協(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驗來證明了該裝置的可行性。這兩個裝置結構功能都比較簡單，由于實驗是由正常人完成的，因此未作出對肌肉運動功能的評價。 (a) (b) 圖1.1 lum研制的上肢康復裝置 1999年，Cozens JA Lastair設計了一套肘部康復裝置[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/伸運動。系統(tǒng)獲取電子量角器、加速度計的反饋，根據(jù)控制法則對支撐臂上的患肢運動進行外力輔助或干擾，最后依據(jù)試驗結果，給出訓練方式的效果比較。 圖1.2 肘部運動康復裝置 2000年芝加哥大學研制了一種ARM Guide訓練裝置[6,7]，如圖1.3所示。該裝置具有3個自由度，通過手動調(diào)節(jié)其中2個自由度Yaw和Pitch使患者完成不同直線軌跡的Reach訓練。訓練過程中患者手臂綁在夾板上，沿直線軌道練習5個目標點的Reach運動,并利用傳感器測量患者前臂施力大小。訓練療程完成后，使患者完成日常生活動作，對比所記錄的軌跡范圍、直線度、平滑度，并利用未訓練過的點來檢驗未訓練區(qū)域的運動恢復，該訓練裝置的設計思路與機構決定了其訓練方式的單一性，因此很難進行訓練方式的擴展及深入研究。 圖1.3 ARM Guide訓練裝置 麻省理工學院從1995年開始研制一種被稱為MIT-Manus的康復機器人[8] (如圖1.4)。該機器人采用連桿機構，患者握住機構末端的手柄完成平面內(nèi)的運動訓練。計算機為患者提供視覺反饋。該裝置的主要特點是具有反向可驅(qū)動性，也就是采用阻抗控制技術實現(xiàn)末端點平滑和柔順，遵從患者運動產(chǎn)生平滑快速運動?；颊哌M行圓或直線路徑的平面運動訓練后，利用臨床評價方法及采集到的運動學參數(shù)進行評價，發(fā)現(xiàn)機器人訓練對肌肉群的恢復有十分有效。另一方面，在研究人員記錄下，患者訓練前后的動作完成過程中運動學參數(shù)，如軌跡、速度等等，通過實驗發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的方法在實驗前后的評價值不變，而實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)學臨床評價的粗糙。 圖1.4　MIT-MANUS 圖1.5 ARMin康復機器人 瑞士蘇黎世大學研究出了ARMin康復機器人[9] (圖1.5)，它具有低慣量、低摩擦、可反向驅(qū)動的特性。該裝置具有6個自由度(4個主動、2個被動)及4種運動模式,其中預定軌跡模式為醫(yī)生指導患者手臂運動，并記錄下軌跡，其后由機器人以不同速度對該軌跡進行重復；預定義治療模式是在預定的幾種標準治療練習中進行選擇訓練；在點到達模式中，預定到達點通過圖像顯示給患者，由機器人對患者肢體進行支撐和引導完成訓練；患者引導力支持模式中，運動軌跡由患者確定，利用測得的位置、速度信息通過系統(tǒng)的機械模型來預測所需力與力矩的大小，并通過一個可調(diào)輔助因子來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構的可行性實驗,還未提出任何評價方法。 意大利的Roberto Colombo 等人研制了自由度腕關節(jié)（圖1.6）和自由度肩肘關節(jié)康復機器人（圖1.7）[10]。腕關節(jié)康復機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)包括兩個控制環(huán)；肩肘關節(jié)康復機器人的功能原則是二位空間的自然伸縮。在康復過程中評定康復的儀器可以記錄患者的運動參數(shù)并作出評價。 圖1.6 自由度腕關節(jié)機器人 圖1.7 自由度肩肘關節(jié)康復機器人 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)關于上肢康復機器人的研究起步較晚，但經(jīng)過國內(nèi)研究者們努力的探討，在這一領域也有了一定的成果。 臺灣國立成功大學設計了一種應用于平面上肘關節(jié)屈/伸運動的康復機器人[11]，利用模糊控制器完成精確的位置與力的控制，對一定數(shù)量的正常人和偏癱患者進行圓形軌跡運動的臨床試驗中，在運動方向上給予適當?shù)淖枇?，并由剛性參?shù)及測得的肱二頭肌和肱三頭肌機電信號分別對運動控制能力與運動協(xié)調(diào)性進行量化評估。 清華大學在國家“863”計劃支持下，從2000年起即開展了機器人輔助神經(jīng)康復的研究，研制了一種上肢康復設備UECM[12-14]，可以在平面內(nèi)進行兩個自由度的運行訓練，如圖1.8所示。 圖1.8 上肢復合運動康復訓練機（清華大學研制） 哈爾濱工程大學研制了多功能手臂康復訓練器[15]，如圖1.9所示，該訓練器的兩個訓練把手在單片機控制下可以帶動被訓練者的左右手臂以不同的工作模式進行訓練，氣可工作在主動訓練模式、主從訓練模式和阻尼方式。 圖1.9 多功能手臂康復訓練器 東南大學設計了一套上肢康復訓練機器人系統(tǒng)[16]，機械結構如圖1.10所示。此系統(tǒng)可以實現(xiàn)被動、主動和帶阻尼主動三種鍛煉模式和一對多的訓練模式。 圖1.10 單自由度上肢康復訓練機械臂系統(tǒng)結構 上海交通大學的康復工程研究所和CAD模具研究中心聯(lián)合研制了適用于上肢康復的FES附件外骨骼康復機器人，如圖1.11所示。 圖1.11 FES附件外骨骼康復機器人 1.3 本課題主要研究內(nèi)容 本文中設計的上肢康復機器人主要由機身、運動機構和傳動機構組成。機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；運動機構則由上肢前后擺動機構、上肢屈伸機構和上肢分合機構組成，它們分別裝在機身的基座、立柱和橫梁上，且分別由單獨的電機和減速器驅(qū)動；傳動機構主要包括傳動軸、絲杠螺母副、同步齒形帶等元件。該機器人在單片機的控制下，實現(xiàn)患者的上肢前后擺、屈伸、分合運動以及手腕的轉動康復訓練；也可啟動部分電機，完成其中的部分康復訓練[17]。具體內(nèi)容如下： 第2章首先對上肢康復訓練機器人進行了原理分析，然后選擇合理的設計方案，最出總體結構設計； 第3章對上肢康復機器人中前后擺動機構、屈伸運動機構、分合運動機構和手腕轉動機構中主要運動元件進行了選擇與計算，如電機、聯(lián)軸器和減速器的選擇，傳動軸、絲杠、同步齒形帶以及錐齒輪等的設計校核計算。同時用UG這款三維軟件繪制了上肢康復機器人的三維結構圖。 第4章對本次設計的上肢康復機器人進行了總結。 第2章　上肢康復機器人總體結構方案 本設計的主要工作是設計一個用于上肢康復的機器人，能夠?qū)崿F(xiàn)對上肢的上下、屈伸、分合以及手腕轉動的康復訓練[17]。就本設計而言，設計的主體是兩根可升降的立柱，放于地面與立柱相連的機座、橫梁，以及與機座相連的立柱座、同步齒型帶和帶輪等等。本章將確定上肢康復機器人的總體結構設計方案。 2.1 總體方案設計 2.1.1 機器人整體尺寸的選擇 本文設計是坐式上肢康復機器人，其主體結構采用金屬材料。受到外來力量主要是患者的上肢，受力相對較小，因此機器人各個零部件的大小尺寸也應相對較小，從而減輕機器人的整體重量。 表2.1是《人體主要尺寸表》[18]，根據(jù)其對人群中18~60歲成年男子和18~55歲成年女子各個主要尺寸的統(tǒng)計，本次上肢康復機器人的寬度大約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（mm） 279 289 294 313 333 338 252 262 267 284 303 302 前臂長（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 機器人驅(qū)動裝置的選擇 驅(qū)動裝置對上肢康復機器人而言是至關重要的。按驅(qū)動方式可以分為三類： （1）氣壓驅(qū)動，其使用壓力通常在0.4～0.6MPa，最高可達1MPa。氣壓驅(qū)動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)動系統(tǒng)具有緩沖作用，結構簡單，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，同時由于空氣的壓縮性使得機器人在任意定位時，位置精度不高。因此只適合于易燃、易爆和灰塵大的場合。 （2）液壓驅(qū)動，一般用2～5MPa的油液驅(qū)動機器人。與氣壓驅(qū)動相比，其優(yōu)點是體積較小，功率質(zhì)量比大，驅(qū)動平穩(wěn)，且固有效率高，快速性好。此外，液壓驅(qū)動調(diào)速較為簡單，能在很大范圍內(nèi)實現(xiàn)無極調(diào)速。缺點是易漏油，從而影響了工作穩(wěn)定性和定位精度，再者也對環(huán)境造成了污染。因此其多用于要求輸出力較大，運動速度較低的場合。 （3）電氣驅(qū)動，一般是利用各種電機產(chǎn)生的力或轉矩直接或經(jīng)過減速機構去驅(qū)動載荷，從而減少了電能轉為壓力能的中間環(huán)節(jié)，可以直接獲得要求的機器人運動。其優(yōu)點是易于控制，運動精度高，響應快，使用方便，信號檢測。傳遞和處理方便，成本低廉，驅(qū)驅(qū)動效率高，不污染環(huán)境等。因而電氣驅(qū)動得到了研究者的青睞，在機器人上獲得了廣泛應用。 本文中的上肢康復機器人承受的驅(qū)動負載較小，且要求驅(qū)動系統(tǒng)結構簡單、易于控制，因此選擇電氣驅(qū)動作為其驅(qū)動方式。具體的驅(qū)動裝置則選用直流伺服電動機，它具有體積小、重量輕和良好的控制性等優(yōu)點，使得整個驅(qū)動系統(tǒng)結構緊湊，成本低廉，操作方便。 2.1.3 機器人的總體方案 綜合考慮了上肢康復機器人所要實現(xiàn)的運動之后，其總體方案為：機身、運動機構和傳動機構以及電機驅(qū)動系統(tǒng)。 圖2.1 上肢康復機器人 機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；運動機構則由上肢前后擺動機構、上肢屈伸機構和上肢分合機構以及手腕轉動機構組成，它們分別裝在機身的基座、立柱和橫梁上，且分別由單獨的電機和減速器驅(qū)動；傳動機構主要包括傳動軸、絲杠螺母副、同步齒形帶等元件。上肢康復機器人的整體結構如圖2.1所示。 2.2 運動機構的總體設計 2.2.1 前后擺動機構 上肢康復機器人前后擺機構需要實現(xiàn)對患者的上肢進行前后擺康復訓練的功能。而前后擺運動需滿足兩個要求： 1、擺動的角度要足夠大，從而使患者上肢的肩關節(jié)和肘關節(jié)得到充分的康復訓練； 2、要保證整個前后擺機構的穩(wěn)定性和安全性，即患者在康復訓練時，上肢在任何位置在能安全地停止。 從而，本設計中將前后擺動機構安裝在基座上，由直流減速電機、減速器、傳動軸、軸承座等組成。其中直流減速電機固定在底座上，通過聯(lián)軸器與減速器連接；減速器的另一端則與傳動軸連接在一起。由單片機控制電機，帶動傳動軸轉動，實現(xiàn)對上肢前后擺動的康復訓練，其運動簡圖如圖2.2所示。 圖2.2 前后擺動機構運動簡圖 2.2.2 屈伸運動機構 上肢康復機器人的屈伸運動機構的主要目的是對患者上肢進行屈伸康復訓練，以患者肩的關節(jié)肘和肘關節(jié)得到康復。為了使患者的上肢有足夠的空間進行屈伸訓練，本文中的屈伸運動機構設計了兩根左右對稱布置的可伸縮立柱。 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、錐齒輪副、絲杠螺母副組成的機構則能使立柱進行伸縮運動。其中絲杠螺母副由一對角接觸球軸承固定；立柱座（箱體）和外套筒則借助法蘭盤，用螺栓通過擋圈與軸承外圈連接；內(nèi)套筒插裝在外套筒內(nèi)，通過螺母與絲杠連接，組成絲杠螺母副，其運動簡圖如圖2.3所示。 在直流電機作用下，穿過側壁的傳動軸帶動錐齒輪轉動，將運動傳給絲杠，從而帶動內(nèi)套筒在立柱內(nèi)同步的向上下滑動，實現(xiàn)上肢的屈伸康復運動。 同時，為了使立柱內(nèi)套筒能夠安全的停止在任何一位置，設計絲杠時需讓絲杠具有自鎖的功能，讓患者可以在任何一位置進行其他的康復訓練。 圖2.3　屈伸運動機構運動簡圖 2.2.3 分合運動機構 上肢康復機器人中設計分合運動機構的目的實現(xiàn)患者上肢分合康復訓練。設計分合機構時，空間要足夠大，從而能使患者上肢得到相應強度的分合康復訓練，且要主要減少噪音。 圖2.4 分合運動機構運動簡圖 本文中分合運動機構包括直流減速電機、同步齒形帶傳動副、光感滑軌以及把手。其中直流減速電機帶有傳感器并借助法蘭盤安裝在橫梁上；橫梁與立柱內(nèi)套筒連接；同步齒形帶輪一端通過擋板和螺釘固定在電機軸上，另一端通過軸和軸承固定在橫梁的中部，其運動簡圖如圖2.4所示。 2.2.4 手腕轉動機構 上肢康復機器人手腕轉動機構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套、把手支、架手柄。把手支架法蘭盤面上裝有直流減速電機，小臂護套則由吊環(huán)將其固定在把手支架上面，其運動簡圖如圖2.5所示。 圖2.5 手腕康復結構運動簡圖 工作時，啟動電機，在單片機的控制下，帶動手柄繞電機軸旋轉，從而帶動手腕的轉動，實現(xiàn)手腕的康復訓練[19]。 2.3 本章小結 本章針對上肢康復機器人的設計要求，確定了機器人的總體結構方案，構建了機器人的運動形式及外形框架。包括機器人整體尺寸的確定、驅(qū)動方式的選則和各傳動機構的設計。本章基本確定了康復機器人的運動方案，在接下來的章節(jié)中，將對所需的電機、聯(lián)軸器、減速器進行選擇，并對部分主要零件進行設計校核計算。 第3章 上肢康復機器人機械結構設計 本章的主要內(nèi)容是通過估算上肢康復機器人的各個運動參數(shù)，對機器人運動機構中的主要元件進行結構設計計算與校核，并對所需直流電機、聯(lián)軸器以及減速器等進行選擇。 3.1 前后擺動機構 3.1.1 電機的選擇 本設計中，康復機器人的總體高度大約為m，質(zhì)量kg，轉動角速度=0.05rad/s，轉動角度=30°。 對于旋轉運動，當系統(tǒng)勻速轉動時，機械的負載功率為 / (3-1) 其中，（N. m）表示負載轉矩，（rad/s）表示旋轉角速度，表示系統(tǒng)的傳動效率。 當=30°時，最大，且=250Nm，折算到電機上的轉矩 =/（） (3-2) 得到電機的輸出轉矩=75Nm，功率P=40w，轉速n=30rpm； 綜合考慮之后，選擇的是淄博床架電機有限公司的產(chǎn)品，其結構如圖3.1所示，各參數(shù)如表3.1所示。 圖3.1 110SZ55減速電機 表3.1 前后擺動機構電機參數(shù) 型號 輸出轉矩 （N. mm） 輸出轉速（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，常用的齒輪及蝸桿減速器按其傳動及結構特點，可分為三類： (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)點是效率高、壽命長、維護簡便。 (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)點是在外廓尺寸不大的情況下可以獲得很大的傳動比，且工作平穩(wěn)、噪聲較小，但其傳動效率比較低。 (3)行星減速器：主要有擺線針輪減速器、漸開線行星齒輪減速器和諧波齒輪減速器。它們的特點是結構緊湊、精度較高、回程間隙小且使用壽命很長，但價格相對其它減速器來說略貴。 上肢肢康復機器人在前后擺動過程中，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實現(xiàn)機械自鎖功能。蝸輪蝸桿具有良好的特性： ①零件數(shù)目少，結構緊湊； ②在蝸桿傳動中，由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，它和蝸輪齒是逐漸進入及逐漸推出嚙合的，同時嚙合的齒對又比較多，故沖擊載荷小，傳動平穩(wěn)，噪聲??； ③當蝸桿的螺旋線升角小于嚙合面的當量摩擦角時，蝸桿傳動變具有自鎖性。 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是WD60，如圖3.2所示，其廠家是河北橋興減速機制造有限公司。 3.1.3 聯(lián)軸器的選擇 前后擺動機構中減速器和傳動軸，減速器與電機是通過聯(lián)軸器連接起來的，因此要對聯(lián)軸器進行選擇。聯(lián)軸器種類繁多，按照被連接兩軸的相對位置和位置的變動情況，可以分為：①固定式聯(lián)軸器。主要用于兩軸要求嚴格對中并在工作中不發(fā)生相對位移的地方，結構一般較簡單，容易制造，且兩軸瞬時轉速相同，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位移的地方，根據(jù)補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)上肢康復機器人機構的特點，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)點是： ①結構簡單，容易安裝； ②電器絕緣性能好； ③高扭矩、偏心反作用力小、震動吸收性優(yōu)； ④軸套與滑塊的移動作用、可容許大的偏心與偏角； ⑤順時針與逆時針回轉特性完全相同。 前后擺動機構中減速器與電機連接的傳動軸選用了廣州鉅人自動化設備有限公司生產(chǎn)的十字滑塊性頂絲式彈性聯(lián)軸器，其型號為G4-25T，具體各參數(shù)見表3.2。 表3.2 前后擺動機構聯(lián)軸器參數(shù) 型號 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 公稱扭矩Tn N .m 許用轉速n r/min 軸孔直徑d1 d2 dz 軸孔配合長度 D S 轉動慣量Kg.m2 重量Kg HL1 160 33 16 18 42 90 2.5 0.0064 2 19 而傳動軸與減速器連接時，由于其傳動轉矩非常大，故其連接時選用的聯(lián)軸器是上海聯(lián)軸器車墩業(yè)務部生產(chǎn)的HL型柱銷彈性聯(lián)軸器，型號是HL1，其參數(shù)如表3.3所示。 3.1.4 軸的設計與校核 在前后擺動機構中，傳動軸的設計至關重要。根據(jù)軸向定位的要求，本文中傳動軸（其結構如圖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，長度22mm； （2）第Ⅱ段是與立柱座相連接的，其直徑定為20mm，長度58mm； （3）第Ⅲ段直徑定為18mm，長度550mm； （4）第Ⅳ段是通過聯(lián)軸器與渦輪蝸桿連接，其直徑為17mm，長度為30mm。 圖3.3　前后擺動機構傳動軸 在整個上肢康復機器人的結構當中，前后擺運動機構的傳動軸承受的力是最大，因此，要對該軸進行強度校核： （1）判斷危險軸段 由于只有第Ⅱ段軸受到載荷與扭矩，因此只需要對此段軸進行強度校核。 該段軸上截面的應力為： （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。 截面上的轉切應力為： （3-2） 其中，T2表示轉矩，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、當量彎矩如圖3.4所示。 圖3.4 前后擺傳動軸受力示意圖 該軸段直徑為： （2）綜合系數(shù)的計算 該軸段的材料敏感系數(shù)為，，因軸肩而形成的理論應力集中系數(shù)為，。 經(jīng)直線插入可得其有效應力集中系數(shù)為： 查得尺寸系數(shù)為，扭轉尺寸系數(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，表示只考慮彎矩時的安全系數(shù)，表示只考慮轉矩時的安全系數(shù)；表示材料對稱循環(huán)的彎曲疲勞極限；表示材料對稱循環(huán)的扭轉疲勞極限；表示彎曲時軸的有效應力集中系數(shù)；表示扭轉時軸的有效應力集中系數(shù)；( MPa)表示扭轉剪應力的應力幅；( MPa)表示扭轉剪應力的平均應力；( MPa)表示彎曲應力的應力幅；( MPa)表示彎曲應力的平均應力；表示計算疲勞強度的安全系數(shù)；表示疲勞強度的安全系數(shù)。 代入數(shù)據(jù)計算得=5，=10，=41.5=S，所以該傳動軸是安全的[20]。 3.1.5 鍵選擇及校核計算 上肢康復機器人結構中立柱座與軸通過鍵進行連接，所受到的扭矩非常大。本設計中鍵起到了傳遞力和運動的作用，為防止因鍵連接強度不夠?qū)е骆I斷裂，影響整個上肢康復機器人的正常運行，甚至發(fā)生事故，要選擇達到一定強度的鍵。本設計中鍵的參數(shù)如表3.4所示。 表3.4 鍵的規(guī)格 名稱 規(guī)格 直徑 （mm） 工作長度 （mm） 工作高度 （mm） 轉矩 （Nm） 極限應力 （MPa） 平鍵 6×6×50 20 44 3 125 100 平鍵強度條件為 =≤[] （3-6） 其中，T表示傳遞的轉矩，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表示鍵的工作長度，圓頭平鍵l=L-b，平頭平鍵l=L，這里L為鍵的公稱長度，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力，一般45#鋼的[]為100~120MPa。 所以軸上鍵的擠壓應力為： ==95MPa≤120MPa 滿足條件[21]。 3.1.6 整體結構的設計 本文中的上肢康復機器人將前后擺動機構安裝在基座上，前后擺動機構除了直流減速電機、減速器、聯(lián)軸器和傳動軸等元件外，還包括固定傳動軸的軸承以及軸承座等元件。其中直流減速電機固定在底座上，通過聯(lián)軸器與減速器連接；減速器的另一端則與傳動軸連接在一起。前后擺動機構的整體三維結構如圖3.5所示。 圖3.5 前后擺動機構 3.2 屈伸運動機構 3.2.1 電機的選擇 患者進行上肢屈伸康復訓練的過程中，考慮到患者的承受能力，設定立柱的移動速度為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。 在立柱的傳動鏈中，選擇絲杠的效率=0.375，滾動軸承的效率=0.99，齒輪的傳動效率為=0.95，電機的功率為 （3-8） 將數(shù)據(jù)代入式3-8，得P=150W。 當立柱升降時，所受到的垂直方向的阻力。折算到電動機軸上的負載轉矩應滿足折算前后功率不變原則，考慮傳動機構的傳動損耗，則有： （3-9） 其中，(N·m)表示折算到電機軸上的負載轉矩，F(xiàn)(N·m)表示工作機構直線運動時運動所受到的阻力，v(m/s)表示工作機構的線速度，( r/min)表示電動機的轉速，表示總的傳動效率。 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有限公司的產(chǎn)品，其結構如圖3.6所示，各參數(shù)見表3.5。 表3.5 電機參數(shù) 型號 輸出轉矩 （N mm） 輸出轉速（r/min） 功率 （W） 電壓 （V） 110SZ61 1043 1500 150 12 圖3.6　110SZ61電機 3.2.2 聯(lián)軸器的選擇 屈伸運動機構中，在直流電機作用下，穿過側壁的傳動軸帶動錐齒輪轉動，將運動傳給絲杠，從而帶動內(nèi)套筒在立柱內(nèi)同步的向上下滑動，實現(xiàn)上肢的屈伸康復運動。直流電機與傳動軸也是通過聯(lián)軸器連接，根據(jù)其運動特點，選擇的依然是廣州鉅人自動化設備有限公司的產(chǎn)品，其型號為G4-25T，具體參數(shù)見表3.6。 表3.6 屈伸運動機構聯(lián)軸器參數(shù) 型號 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 最高回轉系數(shù)rpm G4-25T 10 3 3 1.9 24 125 6000 3.2.3 絲杠的設計計算 （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，其運動速度=6~12m/s，=4~7MPa，取=6MPa ，則有 根據(jù)實際情況，查表選取絲杠公稱直徑=16mm，=14mm，P=4mm。 螺紋升角 ==5.2° 取摩察系數(shù) =0.14 當量摩擦角 = 因為<，從而絲杠能實現(xiàn)自鎖性能。 （2）螺桿強度計算 由于螺桿所受到的軸向力不是很大，因此可以忽略不計 （3）螺母螺紋牙強度計算 螺紋牙危險截面的剪切強度條件為 MPa<[]= 40MPa 螺紋高度，工作圈數(shù) 從而可得其彎曲強度為 MPa<［］=45~55MPa （4）螺母外徑凸緣強度計算 由于螺母所受到的軸向力不是很大，因此可以忽略不計。 （5）螺桿穩(wěn)定性計算 螺桿受到的臨界載荷為： 滿足要求[22]。 （6）絲杠效率 螺桿的三維結構如圖3.7所示： 圖3.7 螺桿 3.2.4 錐齒輪的設計計算 根據(jù)常用的齒輪材料及力學性能表，選取兩齒輪的材料為，調(diào)質(zhì)處理，硬度為190~240HBS，精度8級，取兩齒輪的齒數(shù)相同，==31。 1、按齒面接觸疲勞強度設計 （1）確定參數(shù)數(shù)值 根據(jù)所選電機的參數(shù)，其輸出轉矩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，得接觸應力為： MPa （2）確定傳動尺寸 錐齒輪的節(jié)圓直徑為： =13.8 取動載荷系數(shù)=1.1，是用系數(shù)=1.25，假設<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： 對進行修正有： 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度 （1）確定參數(shù)數(shù)值 查機《械設計手冊》，取齒形系數(shù)及應力校正系數(shù)分別為： =2.72 =1.57 =2.22 =1.77 查得彎曲疲勞極限為：=480MPa。 取疲勞強度安全系數(shù)=1.25，得許用彎曲應力分別為： =345.6MPa =353.28MPa （2）驗算齒根彎曲疲勞強度 =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，其結構如圖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）計算單個軸承軸向載荷 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載荷；表示軸承轉速，單位為r/min；表示壽命指數(shù)，對于球軸承而言。 將數(shù)據(jù)代入式3-13，計算得到軸承壽命為=h，軸承壽命足夠大，滿足要求[20]。 3.2.6 總體結構的設計 圖3.9 屈伸運動機構 在屈伸運動機構中，除了上述直流電機、錐齒輪副、絲杠螺母副組成的機構外，還包括兩根左右對稱布置的可伸縮立柱，這兩根立柱包括外套筒、內(nèi)套筒、立柱座（箱體）。在屈伸運動機構中絲杠螺母副由一對角接觸球軸承固定；立柱座（箱體）和外套筒則借助法蘭盤，用螺栓通過擋圈與軸承外圈連接；內(nèi)套筒插裝在外套筒內(nèi)，通過螺母與絲杠連接，組成絲杠螺母副。屈伸運動機構的整體三維結構如圖3.9所示。 3.3 分合運動機構 3.3.1 電機的選擇 在分合運動過程中，速度v=0.10m/s，單只手臂的質(zhì)量kg，把手與光桿滑軌的動摩擦因素，從而運動所受到的阻力為： （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，分合運動過程當中，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，所選擇的電機的功率為P=5W。 根據(jù)公式3-9，轉換到電機軸上的轉矩=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廠的直流減速伺服電機電機，其結構如圖3.10所示，具體參數(shù)見表3.7。 圖3.10　ZYT20-JB60減速電機 表3.7 分合運動電機參數(shù) 型號 輸出轉矩 （N. m） 輸出轉速（r/min） 功率 （W） 電壓 （V） ZYT20-JB60 2.3 250 5 12 3.3.2 支撐座的設計 在分合運動機構設計中，最主要的就是橫梁支承座的設計，橫梁支承座有兩個作用，一個是支撐橫梁，另一個是固定電機。為消除因絲杠傳動不精確帶來的誤差，兩端支承的設計稍有不同：左端支撐設計為一個整體支撐座，其結構如圖3.11所示；右端支撐座由有支撐座和光桿兩部分組成，其結構如圖3.12組成，光桿為焊接件，其上部分是一個C型槽，下部分是一個圓形的開孔法蘭盤。橫梁支撐座通過螺栓與內(nèi)套筒連接在一起，從而整個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 橫梁的設計 在分合運動機構設計中，另一主要的就是橫梁設計。在分合康復訓練中，兩根立柱在升降的過程中，不可避免地會出現(xiàn)細微的傳動誤差，致使左右兩根立柱的升降不同步，從而對整個運動造成破壞。本設計在橫梁的一端設計了圓柱銷的鉸連接，達到消除這種危害的目的。此外，由于分合運動機構采用的是同步齒形帶傳動，因此需要考慮相應帶的張緊措施。從而在橫梁的中部開有U形槽，通過螺釘對中部軸承套的定位來實現(xiàn)帶的張緊。 由于整個上肢康復機器人的結構尺寸比較大，所以衡梁也應盡量減小重量，從而衡梁的材料采用硬質(zhì)鋁合金。其結構如圖3.13所示。 圖3.13 橫梁 3.3.4 同步齒形帶設計 本次上肢康復機器人中選用的是同步齒形帶，即兩帶輪直徑相等。其參數(shù)設計為： (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) 驗算線速度 m/s (5) 中心距 根據(jù)實際設計情況，設定帶輪的中心距=600mm (6) 齒形帶的計算長度和齒數(shù)z 1350.72mm 通過查表《同步齒形帶接線長度》后，取=1319.5，同時得到同步帶的齒數(shù)z=140。 (7) 確定中心距A , （3-16） 式中, 將數(shù)據(jù)帶入式3-16，計算得： mm (8) 驗算嚙合齒數(shù) （3-167） 當mm時，4；當>2mm時，6 而此時，=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 總體結構的設計 本文中分合運動機構主要由上述直流減速電機、同步齒形帶傳動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。其中直流減速電機帶有傳感器并借助法蘭盤安裝在橫梁上，橫梁與立柱內(nèi)套筒連接；同步齒形帶輪一端通過擋板和螺釘固定在電機軸上，另一端通過軸和軸承固定在橫梁的中部。分合運動機構的整體三維結構如圖3.14所示。 圖3.14 分合運動機構 3.4 手腕轉動機構 3.4.1 電機的選擇 估算手掌的重量m=1kg，轉動的角度，角速度=0.5rad/s，回轉半徑r=0.1m。最大功率在處，故所需電機的最大功率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，其結構如圖3.15所示，具體參數(shù)見表3.8。 圖3.15 手柄處電機 表3.8 手腕轉動機構電機參數(shù) 減速比 輸出轉矩 （Kg. cm） 輸出轉速（r/min） 功率 （W） 電壓 （V） 1:37~1:388 5 5~500 2 6 3.4.2 總體結構的設計 手腕轉動機構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套、把手支、架手柄。把手支架法蘭盤面上裝有直流減速電機，小臂護套則由吊環(huán)將其固定在把手支架上面。手腕轉動機構的整體三維結構如圖3.16所示。 圖3.16 手腕轉動機構 3.5 本章小結 本章的主要內(nèi)容是對上肢康復機器人中前后擺動機構、屈伸運動機構、分合運動機構和手腕轉動機構中主要運動元件進行了選擇與計算，如電機、聯(lián)軸器和減速器的選擇，傳動軸、絲杠、同步齒形帶以及錐齒輪等的設計校核計算。同時用UG這款三維軟件繪制了上肢康復機器人中主要結構的三維圖。 第4章 總結 本設計通過對人體上肢運動原理進行分析，結合各種上肢康復機器人的結構特點，設計出了一款坐式上肢康復訓練機器人，該機器人采用了電機驅(qū)動，并用單片機進行控制。本設計綜合考慮各種因素，通過設計校核計算，得到了最終的上肢康復機器人結構，該機器人結構緊湊、重量較輕、運動平穩(wěn)靈活、噪聲小，能夠?qū)崿F(xiàn)對患者上肢的康復訓練。本文主要完成了以下工作： 1、對康復機器人的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進行了了解。分析了上肢康復機器人的工作原理，并結合實際情況，選擇了合理的機器人設計方案，比如總體尺寸大小和驅(qū)動方式，完成了對上肢康復機器人總體結構設計； 2、對上肢康復機器人的各組成機構進行了具體設計，完成了前后擺動機構、屈伸運動機構、分合運動機構和手腕轉動機構中主要運動元件的選擇與計算，如電機、聯(lián)軸器和減速器的選擇，傳動軸、絲杠、同步齒形帶以及錐齒輪等的設計校核計算。 3