上肢義肢畢業(yè)設計說明書

1、目錄1摘要1ABSTRACT2第1章 緒論3機械義肢的研究背景3機械義肢的研究現(xiàn)狀3本文的主要內(nèi)容4第2章 仿生上肢結(jié)構(gòu)分析5仿生上肢的研究方向5人類上肢關節(jié)分析5第3章 上肢義肢的的結(jié)構(gòu)設計73.1相關技術參數(shù)73.2設計原則與要求73.3傳動方式和驅(qū)動源的選擇及總體方案設計9第4章 伺服元件的選取和結(jié)構(gòu)設計計算114.1伺服元件的選取114.1.1電機的選用114.2設計與計算13第5章 上肢義肢結(jié)構(gòu)設計與分析18小臂及手掌部分設計185.2大臂結(jié)構(gòu)設計20第6章 總結(jié)21參考文獻22摘要機械義肢（上肢）的結(jié)構(gòu)設計，根據(jù)上肢義肢對非規(guī)則物品拿取任務的要求，首先在分析人體機械原理的基礎上，經(jīng)

2、分析比較各種結(jié)構(gòu)設計，其次采用絲杠機構(gòu)和連桿機構(gòu)相結(jié)合并選取電機為驅(qū)動元件，設計了一種具有六個自由度的機械上肢義肢結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，重量較輕，成本較低，能夠基本實現(xiàn)對真人手臂動作的模仿。最后，設計上肢義肢結(jié)構(gòu)的零部件，完成驅(qū)動原件和標準件的選擇和校核，繪制上肢義肢結(jié)構(gòu)二維整體裝配圖及主要零部件圖。關鍵詞：機械義肢；結(jié)構(gòu)設計；手臂；校核ABSTRACT Machinery predefined limb (upper limb) of structure design， according to upper limb predefined limb on non-rules items

3、took take task of requirements，first in analysis human machinery principle of based Shang， by analysis comparison various structure design，last used screw institutions and linkage phase combined and select motor for drive components，design has a has six a freedom of machinery upper limb predefined l

4、imb structure，this structure compact，and simple，control features strong，weight more light， cost lower，to basic achieved on real arm action of imitation. Upper limb prostheses design structural components，complete drive selection of original and standard parts and checking,draw the arm limb structure

5、s of two-dimensional General Assembly and main parts diagram.Keywords：structure；design of mechanical ；prosthetic；arm；check第1章 緒論1.1 機械義肢的研究背景根據(jù)2006年第二次全國殘疾人抽樣調(diào)查和國家統(tǒng)計局發(fā)布的公告，我國目前約有2412萬的肢殘患者，其中29%為上肢殘疾患者與1987年第一次全國殘疾人抽樣調(diào)查的肢殘患者755萬人相比，同比增長60%，現(xiàn)在，每年都有數(shù)以萬計的健康人因自然災害、疾病、戰(zhàn)爭、交通事故等原因淪為了肢殘患者。2008年5月的漢川大地震和2010

6、年4月的玉樹地震給近3萬多人帶來了肢體殘疾，肢殘患者存在對肢體功能及美觀的需求，佩帶假肢是實現(xiàn)其需求的主要手段。因此，假肢的設計研發(fā)應用到了眾多肢殘患者的幸福生活中，同時也存在著巨大的市場潛力。1.2 機械義肢的研究現(xiàn)狀與國內(nèi)相比，歐美和日本等發(fā)達國家在假肢的研發(fā)方面已經(jīng)取得了很多驕人的成果，其材料由鋼鐵、鋁鎂合金發(fā)展到了現(xiàn)在的欽合金、乙酞、聚碳酸醋、碳纖維等質(zhì)量輕，其控制方式也在從傳統(tǒng)的機械索控向著智能和仿生的方向發(fā)展。神經(jīng)一機器接口技術是一種假肢智能化技術，目前，世界上己有多家假肢與機器人公司開發(fā)了多功能的機電一體化人工肢體或部件，日本東海大學教授曲谷一成新開發(fā)出一種高精度假肢控制系統(tǒng)，能

7、讓假手變活，肢殘患者在失去殘肢的前幾個月中仍可能產(chǎn)生被稱為幻肢現(xiàn)象的幻覺，能感覺肢體似乎仍然存在并能依據(jù)本人的意志活動，在此期間，如果對患者進行康復治療，同時安裝肌肉電勢假手，就不會給患者的日常生活造成障礙，雖然不同人肌肉發(fā)達程度和收縮力存在差異，加上測量方法的局限，但是此肌肉電勢假手動作準確率己能達到90%左右，英國TouchBionicS公司制造出商用化的人造機器手臂，五根手指可以獨立運作，與正常手指一樣能操作極為細膩的動作，例如用鑰匙、拿名片等。機器人公司的Shadowrobot可以做24個不同的動作。哈爾濱工業(yè)大學劉教授研制的“五指仿人型假手”具有力度和位置雙重感應功能，整個假手有三個

8、電機驅(qū)動，能輕松實現(xiàn)抓、握等工作，可幫助肢殘者實現(xiàn)部分生活自理。目前，2個自由度以下的義肢，其功能不強，主要用來滿足患者對美觀的需求，多數(shù)高端的多自由度肌電和腦電仿生假肢主要應用于肘部以下殘肢，并沒有應用于肩離斷假肢的研究，并且其高昂的價格往往使一般的肢殘患者望而卻步。因此，低成本、高性能的機械義肢的研究具有一定的科研價值和廣闊的市場潛力。1.3 本文的主要內(nèi)容在查閱大量文獻資料的基礎上，在老師的指導下，本設計主要進行了如下研究工作：1、首先對人體上肢機械原理進行分析。2、總體結(jié)構(gòu)方案設計選擇與比較，確定合適的上肢義肢結(jié)構(gòu)。3、設計上肢義肢結(jié)構(gòu)的零部件，完成驅(qū)動原件和標準件的選擇和校核，主要包

9、括絲桿、齒輪等結(jié)構(gòu)設計計算。4、繪制上肢義肢結(jié)構(gòu)整體裝配圖及主要零部件圖。第2章 仿生上肢結(jié)構(gòu)分析2.1 仿生上肢的研究方向在仿生機構(gòu)學中，特別重視對人體上肢和下肢的結(jié)構(gòu)及其相應機能的分析與研究，以便模擬制造出高水平的人造手足。根據(jù)用途的不同，機械臂一般可分為兩類：一類是從適應作業(yè)的形態(tài)來設計的工業(yè)機械手，其動作簡單、工作效率高，與人手幾乎毫無共同之處。另一類則是仿生機械臂、它借鑒人類手足的機構(gòu)組成特點，靈巧地模擬人類手足的動作。由于仿生機械手臂是多關節(jié)型的，因而，研究其機構(gòu)的組成方法、關節(jié)結(jié)構(gòu)、運動姿態(tài)、動力及抓握力乃至控制方法等均是仿生手臂的重要研究方向。2.2 人類上肢關節(jié)分析2手部為了

10、抓握物體，手必須改變其形狀，這是由掌骨和指骨、指骨與指骨間的特定關節(jié)形式?jīng)Q定的。掌指關節(jié)有繞兩個軸轉(zhuǎn)動的白由度，而指間關節(jié)則是屈戍關節(jié)，只有一個轉(zhuǎn)動自由度，由于拇指掌骨基部鞍狀面的作用，使得拇指可與其他四指相對，為于抓取物體和做細巧的動作提供，手指的關節(jié)都是3個:掌指關節(jié)、近位指節(jié)關節(jié)和遠位指節(jié)關節(jié)，如圖所示，從工程的觀點，人手是由許多連桿構(gòu)件，通過特定關節(jié)聯(lián)接組成的空間機構(gòu)，肌肉群的收縮經(jīng)由肌胞帶動這些桿件來完成非常復雜的運動。圖2.1 手指上的關節(jié)2腕部腕關節(jié)的兩個轉(zhuǎn)動自由1及其運動范圍如圖所示。當環(huán)轉(zhuǎn)運動至最大限度時，手的縱軸在空間形成一錐面，稱為環(huán)轉(zhuǎn)錐。由于尺骨與腕骨不接觸，因而腕關節(jié)

11、實際上是撓腕關節(jié)和腕中關節(jié)二者的復合關節(jié)，其作用類似兩個轉(zhuǎn)動軸不在一個平面上的二個橢球面。圖2.2 手腕部2小臂部人類手臂是尺骨和撓骨之間構(gòu)成的尺撓機構(gòu)，它具有了整體扭轉(zhuǎn)的功能。為分析尺撓機構(gòu)的運動特點，先假定尺骨相對撓骨保持不動。在這種情況下，小臂的旋轉(zhuǎn)軸行經(jīng)小指及尺骨的內(nèi)側(cè)緣。當我們迫使前臂與桌面接觸并作旋轉(zhuǎn)全過程時，便會出現(xiàn)這種情況，此時主要表現(xiàn)出撓骨下端圍繞尺骨的旋轉(zhuǎn)運動。然而，在日?；顒又?，小臂的旋轉(zhuǎn)軸常與手的縱軸相吻合，即通過中指及其掌骨。當撓骨圍繞著尺骨轉(zhuǎn)動的同時，尺骨也繞著撓骨轉(zhuǎn)動，因而撓骨的旋轉(zhuǎn)移位立刻就被尺骨頭的繼發(fā)運動復合，只是尺骨頭所劃過的弧較撓骨莖突所劃的弧要短些。尺

12、骨與撓骨之間的這種特殊運動，是由其兩端的環(huán)狀關節(jié)面提供的。2.2.4 上臂部人類上臂僅由一根膿骨構(gòu)成。膿骨的上端是球面肩關節(jié)，其下端主要是放骨滑車與尺骨組成的轉(zhuǎn)動肘關節(jié)。為適應小臂僥骨的運動，與撓骨相接的膿骨小頭呈半球形。第3章 上肢義肢的的結(jié)構(gòu)設計3.1相關技術參數(shù)上肢義肢的技術參數(shù)反映了義肢可勝任的工作、具有的最高操作性能等情況，是選擇、設計、應用義肢所必須考慮的問題。上肢義肢的主要技術參數(shù)一般有自由度、工作范圍、承載能力及最大速度等。1、自由度：是指上肢義肢所具有的獨立坐標軸運動的數(shù)目，不包括手爪(末端執(zhí)行器)的開合自由度。2、精度：上肢的精度主要依存于機械誤差、控制算法誤差與分辨率系統(tǒng)

13、誤差。機械誤差主要產(chǎn)生于傳動誤差、關節(jié)間隙與連桿機構(gòu)的撓性。傳動誤差是由輪齒誤差、螺距誤差等所引起的。3、工作范圍：是指義肢手臂末端或手腕中心所能到達的所有點的集合，也叫做工作區(qū)域。4、承載能力：是指義肢在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量。3.2 設計原則與要求3.2.1 設計原則1、最小運動慣量原則：由于操作機運動部件多，運動狀態(tài)經(jīng)常改變，必然產(chǎn)生沖擊和振動，采用最小運動慣量原則，可增加操作機運動平穩(wěn)性，提高操作機動力學特性。為此，在設計時應注意在滿足強度和剛度的前提下，盡量減小運動部件的質(zhì)量，并注意運動部件對轉(zhuǎn)軸的質(zhì)心配置。2、尺度規(guī)劃優(yōu)化原則：當設計要求滿足一定工作空間要求時，通

14、過尺寸優(yōu)化以選定最小的臂桿尺寸，這將有利于操作機剛度的提高，使運動慣量進一步降低。3、高強度材料選用原則：由于操作機從手腕、小臂、大臂到機座是依次作為負載起作用的，選用高強度材料以減輕零部件的質(zhì)量是十分必要的。4、剛度設計的原則：操作設計中，剛度是比強度更重要的問題，要使剛度最大，必須恰當?shù)剡x擇桿件剖面形狀和尺寸，提高支承剛度和接觸剛度，合理地安排作用在臂桿上的力和力矩，盡量減少桿件的彎曲變形。5、可靠性原則：義肢操作機因機構(gòu)復雜環(huán)節(jié)較多，可靠性問題顯得尤為重要。一般來說，零件的可靠性應高于部件的可靠性，而部件的可靠性應高于整機的可靠性?？梢酝ㄟ^概率設計方法設計出可靠度滿足要求的零件或結(jié)構(gòu)，也

15、可以通過系統(tǒng)可靠性綜合方法評定操作機系統(tǒng)的可靠性。6、工藝性原則：義肢是一種高精度、高集成度的機械系統(tǒng)，良好的加工和裝配工藝性是設計時要體現(xiàn)的重要原則之一。僅有合理的結(jié)構(gòu)設計而無良好的工藝性，必然導致操作機性能的降低和成本的提高。3.2.2 上肢義肢的設計要求根據(jù)人體手臂的特點，以及整體機械手臂的功能，對機械義肢提出以下幾點要求：1、根據(jù)人體形體結(jié)構(gòu)的特點，上肢與身高的比值約為0.452，肱骨與尺骨的長度和與上肢的比值約為0.75，肱骨長與尺骨長的和與上肢的比值約為1.19，上臂、前臂、手掌的比值約為1.42:1.2:0.38。那么身高1.4m的人，大臂長度為250mm，小臂長205mm，手掌

16、長度為68mm，大臂圍的平均值為75mm，小臂圍的平均值為63mm。設計機械義肢的尺寸應當以此數(shù)據(jù)為參考值。2、安全、柔順性能良好，能與人有良好的交互運動；良好的柔順性也可以有效地提高手臂的動作精度。3、，整個臂重(不含手)為2.229kg。所設計的機械手臂應當以統(tǒng)計表數(shù)據(jù)為參考值。4、關節(jié)運動靈活性與人體手臂接近。人體手臂完成日常生活運動涉及各個關節(jié)的運動為：肩關節(jié)的屈/伸、外展/內(nèi)收，肘關節(jié)的屈/伸、腕關節(jié)的屈/伸、外展/內(nèi)收等6個自由度。3.2.3 機械上肢義肢造型設計及任務要求1、 機械上肢義肢結(jié)構(gòu)設計主要相關參數(shù)如下表3-1。部件名稱長度（mm）直徑（mm）質(zhì)量（kg）大臂25075

17、1小臂20563手117731表3-1 義肢相關參數(shù)2、任務要求上肢義肢能做一些簡單的運動，比如抓取東西，可抓取0.5kg左右的重物，并可以上下左右的移動。3.3 傳動方式和驅(qū)動源的選擇及總體方案設計3.3.1傳動方式的選擇指選擇驅(qū)動源及傳動裝置與關節(jié)部件的連接形式和驅(qū)動方式?；镜倪B接形式和驅(qū)動方式有如下幾種：直接連接傳動：驅(qū)動源或帶有機械傳動裝置直接與關節(jié)相連。遠距離連接傳動：驅(qū)動源通過遠距離機械傳動后與關節(jié)相連。間接驅(qū)動：驅(qū)動源經(jīng)一個速比遠大于1的機械傳動裝置與關節(jié)相連。直接驅(qū)動：驅(qū)動源不經(jīng)過中間環(huán)節(jié)或經(jīng)過一個速比等于1的機械傳動這樣的中間環(huán)節(jié)與關節(jié)相連。3.3.2驅(qū)動源的選擇常用的方式

18、主要有：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電機驅(qū)動三種基本類型。1、電機驅(qū)動：它是是技術最成熟、應用最廣泛的一種驅(qū)動方式，為大多數(shù)智能機械手所采用。從電機的靜態(tài)剛、動態(tài)剛度、加速度、線性度、維護性、噪音等技術指標來看，是綜合性能最好的一種。2、液壓驅(qū)動; 它具有很好的穩(wěn)定性和可靠性、很高的力矩體積比、很強的阻轉(zhuǎn)能力，驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)簡單并且價格便宜等。但是，在智能機械手中采用液壓驅(qū)動方式有很大的難度和弊端，如:存在較大的泄漏流量，微型閥對污染物十分敏感等。3、氣壓驅(qū)動：能量存儲方便，傳動介質(zhì)空氣來源于大氣，獲取很方便，氣壓傳動具有抗燃、防爆及不污染環(huán)境。且具有柔性，但是驅(qū)動器的剛度和空氣的可壓縮性有關，通常是很

19、低的，并且驅(qū)動器的動態(tài)性能較差。3.3.3 總體方案設計經(jīng)分析比較并考慮系統(tǒng)的整體平衡性，本機械義肢擬采用遠距離連接傳動間接驅(qū)動，傳動裝置采用齒輪傳動和絲杠螺母傳動，大臂的屈伸和外擺、肘部屈伸、手腕屈伸和旋轉(zhuǎn)，手部開合共六個自由度。其示意圖如圖3.1所示。1.假手構(gòu)件2.小臂轉(zhuǎn)動構(gòu)件3.小臂轉(zhuǎn)動支撐4.大臂構(gòu)件5.肩部旋轉(zhuǎn)構(gòu)件圖上肢義肢示意圖1、各關節(jié)所采用的傳動方式分別為：（1）大臂俯仰的肩關節(jié)：由步進直線電機驅(qū)動絲杠螺母，將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動從而推動大臂繞肩關節(jié)轉(zhuǎn)動產(chǎn)生俯仰運動，在運動中由限位開關進行行程保護。（2）小臂俯仰和肘關節(jié)：采用齒輪傳動方式。（3）手腕轉(zhuǎn)動：采用減速電機進行驅(qū)

20、動，可實現(xiàn)手腕向內(nèi)向外90度旋轉(zhuǎn)運動。（4）手腕俯仰運動：關節(jié)采用減速電機驅(qū)動，經(jīng)一級傘齒輪變后實現(xiàn)手腕向上向下各45度的俯仰運動。（5）手掌的開合：采用步進直線電機驅(qū)動，通過連桿機構(gòu)實現(xiàn)手掌的開合運動。第4章 伺服元件的選取和結(jié)構(gòu)設計計算4.1伺服元件的選取4.1.1電機的選用1、大臂前擺和手部開合的電機選用大臂前擺選用步進直線電機，一般先從轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等因素來考慮，下面以轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進行計算。（1）轉(zhuǎn)速擬定關節(jié)最大的角度為12°/s，則估算最大線速度為lOmm/s，根據(jù)絲杠導程計算最大轉(zhuǎn)速為3r/s，如傳動效率為90%，則所選步進電機轉(zhuǎn)速100rmin 即能滿足要求。（2）轉(zhuǎn)矩以肩關

21、節(jié)旋轉(zhuǎn)為例計算負載轉(zhuǎn)矩。已知絲杠轉(zhuǎn)矩T=0.104Nm，如按傳動效率90% 換算到電機軸上，則負載轉(zhuǎn)矩。為使步進電機具有良好的起動及較快的響應速度，通常推薦：(1)式中：為換算到電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩。為步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩。將代入（1）得：綜上分析，初步根據(jù)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩兩大要素選用步進直線電機。選擇品牌為東莞市斯泰普機電科技有限公司42系列直線步進電機，型號42HBGL3770。其主要參數(shù)為:相電流1.7A、驅(qū)動電壓DC24V、步距角度1.8度、最大轉(zhuǎn)矩0.35Nm、最大空載起動轉(zhuǎn)速112r/min、重量0.24kg。實物圖如下圖4.1所示：圖4.1 大臂外擺步進直線電機同樣的方法可以確定手部開合所

22、選用的步進直線電機，其中手部開合所選用的步進直線電機型號：MB04005A，主要參數(shù)：相電流1.7A、驅(qū)動電壓DC24V、步距角度1.5度，最大轉(zhuǎn)矩0.35Nm、最大空載起動轉(zhuǎn)速100r/min、重量0.2kg。實物圖如下圖4.2所示： 圖手部開合步進直線電機 2、肘部和手腕擺動手部、小臂和提起物品的質(zhì)量2kg，轉(zhuǎn)動角度30度，對于旋轉(zhuǎn)運動，當系統(tǒng)勻速轉(zhuǎn)動時，機械的負載功率為：式中：；旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；系統(tǒng)的傳動效率。 當=30°時，最大，且=250Nm，折算到電機上的轉(zhuǎn)矩，得電機的輸出轉(zhuǎn)矩，功率P=40w，轉(zhuǎn)速n=30rpm，綜合考慮之后，選擇的是臺灣聚盛VGM經(jīng)濟型行星減速

23、機PG系列，實物圖如下圖：圖4.3 肘部擺動電機表4.1 肘部電機參數(shù)型號輸出轉(zhuǎn)速（r/min)功率(W)電壓(V)直徑(mm)長度(mm)VGM-PG6040100123640由于肘部擺動的電機承載率大于手腕電機的承載率，故手腕擺動電機型號可以與肘部擺動電機相同。3、手腕轉(zhuǎn)動電機選擇估算手掌的重量m=lkg，轉(zhuǎn)動的角度，角速度w =0.5rad/s，因此最大功率出即為90度處，故所需電機的最大功率。綜合各方面因素考慮，選擇功率為2W的直流伺服減速電機，其廠家為寧波市鄞州易順減速器廠，型號MF40HMF，主要參數(shù)：減速比1：37-1：388、輸出轉(zhuǎn)速5-500r/min、功率2W、輸出轉(zhuǎn)矩5K

24、g.cm、電壓6V。4.2設計與計算4.2.1絲杠的設計絲杠沿著軸向的負載最大，下面以大臂傳動絲杠為例進行設計計算。計算時視各臂及其內(nèi)部絲杠、電機等為一均勻質(zhì)體。估算可得：大臂臂總質(zhì)lkg、小臂總質(zhì)量1kg、手總質(zhì)量在0.5kg、抓物質(zhì)量0.5kg。在不計各關節(jié)摩擦力時，據(jù)受力力矩平衡估算可得絲杠軸向最大載荷F = 150N。（1）耐磨性計算磨損是絲杠的一種失效形式，多發(fā)生在螺母，它會引起傳動精度下降，并使強度降低耐磨性的計算在于限制螺紋副的壓強，其校核公式為： （1）式中：F為軸向載荷；p為螺距；為螺紋中直徑；、為相互旋合長度；P為許用壓強，查機械手冊得鋼對銅材料低速P為1825MPa。為了

25、設計計算，令，則由式(1)可得： （2）當螺母為整體式、磨損后間隙不能調(diào)整時，宜取，傳動精度較高，要 求壽命較長時，允許取，設計時，選用單線梯形螺紋，取螺距p=2mm，則h=lmm，取直徑1.2，P=18。將各值代入式(2)可得：據(jù)GB57962005取=9mm，則螺紋公稱直徑d=10mm、mm，mm，D1=8mm。(2)螺桿強度計算由于絲杠螺桿承受壓力（或拉力）F和扭矩T，適合應用第四強度理論，則根據(jù)第四強度理論，其強度條件為: （3） 式中：為螺紋小徑； T為螺紋扭矩；為螺桿材料許用應力，查設計手冊表6.6，鋼材料=。 （4） 將F=150N、=4.73、=9mm代入公式（4）得： 則將T

26、=104Nm、=7.5mm、F=150N代入式（3）得：所以，滿足強度條件。(3)絲杠穩(wěn)定性計算臨界載荷由上述分析可知，所選用絲杠滿足大臂傳動要求，而大臂的軸向載荷最大， 則所選絲杠必定滿足手部開合傳動要求。同理手可以校核部開合電機絲杠。4.2.2錐齒輪1、選擇材料、熱處理方式，精度等級及齒數(shù)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Q235A，調(diào)質(zhì)處理，硬度190240HBS，精度8級，取兩齒輪的齒數(shù)相同，。2、 按齒面接觸疲勞強度設計（1） 確定參數(shù)值 根據(jù)所選電機參數(shù)、查機械設計手冊表（2-11），選取載荷系數(shù)，彈性系數(shù)，齒輪寬系數(shù)為1，節(jié)點區(qū)域系數(shù)，接觸疲勞極限為，安全系數(shù)，接

27、觸疲勞壽命系數(shù)，得需接觸應力為：(2) 校核齒根彎曲疲勞強度 查機械設計手冊表6-11，得齒形系數(shù)及應力校正系數(shù)，確定參數(shù)數(shù)值： 查得彎曲疲勞極限，取s=1.2，得：，4.2.3軸承校核固定絲杠軸承6004的校核，其受徑向力，軸向力。(1) 計算內(nèi)部軸向力查表得知：6004型號軸承，代入以上數(shù)據(jù)得：(2) 計算單個軸承軸向載荷因此單個軸承1放松，軸承2壓緊，（2）當量載荷由于，所以因此，（3） 軸承壽命校核 基本額定壽命為：。式中：為基本額定動載荷；軸承轉(zhuǎn)速；壽命指數(shù)。軸承，代入數(shù)據(jù)驗算得到軸承壽命為，因此軸承壽命足夠大，滿足要求。4.2.4鍵的選擇及校核計算機械義肢用到的鍵連接，所受扭矩非常

28、大，所以鍵的選擇要達到一定的程度，防止因鍵連接的強度不夠?qū)е骆I斷裂，影響義肢整個結(jié)構(gòu)進行。鍵的規(guī)格：平鍵，工作長度6mm，扭矩：125Nm，極限應力100MPa平鍵強度條件為式中：T傳遞的轉(zhuǎn)矩，Nm；K鍵槽與輪廓槽的接觸高度，k=0.5h，此處h為鍵的高度，mm鍵的工作長度，平頭平鍵l=L，這里L為鍵的公稱長度，mm；b鍵的寬度，mm；鍵、軸、輪廓三者中最弱材料的需用擠壓應力。一般45鋼的為100-120mpa。所以曲軸上的鍵的校核計算為經(jīng)過校核，滿足條件。第5章 上肢義肢結(jié)構(gòu)設計與分析機械義肢結(jié)構(gòu)由機械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動裝置及傳動裝置組成。根據(jù)設計要求采用多關節(jié)結(jié)構(gòu)，考慮自由度數(shù)，以及各自由度在臂部

29、、腕部和整個義肢的配置。5.1 小臂及手掌部分設計義肢的小臂部分包括手腕轉(zhuǎn)動、手腕擺動和手掌開合三個關節(jié)，小臂結(jié)構(gòu)和尺寸，小臂及手掌部分距離肩部轉(zhuǎn)動關節(jié)較遠，重力矩較大，因此小臂的設計應盡可能的減輕重量，方便大臂設計時能選用更小的驅(qū)動電機以及更輕巧的結(jié)構(gòu)方案小臂及手掌部分的設計首先運用AutoCAD的二維設計方法，按照由整體裝配到零件設計的正向設計，綜合考慮功能，成本，使用方便性等問題，大部分零件選用了優(yōu)質(zhì)國產(chǎn)零件，大部分材料選用鎂鋁合金等輕質(zhì)高強度材料，如圖為前臂與手掌部分的二維裝配圖：1.手指 2.連桿 3.手掌開合驅(qū)動 4.傘齒輪變相機構(gòu) 5.手腕擺動驅(qū)動電機 6.手腕轉(zhuǎn)功套 7.于腕轉(zhuǎn)

30、動驅(qū)動電機圖前臂裝配圖如圖所示，手掌開合結(jié)構(gòu)中手指為拇指在下，其他手指在上部，拇指和食指徑向重合來完成手指抓取動作。有減速電機提供動力，帶動螺母呈直線運動，通過上下兩組連桿機構(gòu)來帶動上下兩排手指動作。零件的材料選用質(zhì)輕的鎂鋁合金制作。圖手部開合結(jié)構(gòu)如圖5.3所示，手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)由減速電機提供動力，電機固定在內(nèi)轉(zhuǎn)動套上，電機輸出軸與手腕轉(zhuǎn)動連接套相連，手腕轉(zhuǎn)動連接套與外轉(zhuǎn)動套固連在一起，這樣就能使手腕內(nèi)外轉(zhuǎn)動套之間產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，為確保假肢在使用過程中不因結(jié)構(gòu)質(zhì)心的擺動產(chǎn)生微振動，使假肢使用者產(chǎn)生不適感，電機連接盤和與其相連的小臂轉(zhuǎn)動臂筒這兩個零件在設計時充分考慮了質(zhì)量平衡，降低轉(zhuǎn)動慣量，減少摩擦磨

31、損。而固定臂筒和轉(zhuǎn)動臂筒之問的配合設計則保證滑動的流暢性，其采取的主要措施是幾何設計上質(zhì)量均布、恰當?shù)呐浜祥L度和配合精度設計，合理適當?shù)牟牧线x擇。1.外轉(zhuǎn)動套 2.手腕轉(zhuǎn)動連接套 3.手腕轉(zhuǎn)動電機 4.內(nèi)轉(zhuǎn)動套圖手腕轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)5.2大臂結(jié)構(gòu)設計1、臂部的設計要求：根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點，合理選擇手臂截面形狀和高強度輕質(zhì)材料；盡量減小手臂重量和相對其關節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量和力矩，以減少驅(qū)動裝置的負荷；減少運轉(zhuǎn)的動載荷與沖擊，提高運動的響應速度；設法減小機械間隙引起的運動誤差，提高運動精度和剛度，提高定位精度。2、大臂結(jié)構(gòu)形式確定大臂大臂擺動結(jié)構(gòu)如圖所示，電機及其螺桿徑向固定，螺桿的旋轉(zhuǎn)帶動螺母

32、生直線運動并與支撐桿共同完成大臂外擺動作大臂外擺及前擺，驅(qū)動電機的選取受到了整個假肢手臂重量以及電機尺寸的局限，選擇小尺寸電機，同時還能降低電能損耗，可延長適用者使用假肢的時間。1.步進直線電機 2.大臂圖大5.4 臂擺動結(jié)構(gòu)示意圖第6章 總結(jié)本設計結(jié)合設計題目和教學工作實情，從基礎入手逐步深入，設計了六個自由度的結(jié)構(gòu)上肢義肢，這種結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，控制功能較強，重量較輕，成本較低，能夠基本實現(xiàn)對真人手臂動作的模仿，具體內(nèi)容包含以下幾個方面: (l) 對人體上肢機械原理進行分析。(2) 根據(jù)機械上肢義肢初定技術參數(shù)，利用AutoCAD圖解分析了義肢平面運動工作空間，取得到了各關節(jié)間距。并對手腕、手臂和大臂的結(jié)構(gòu)進行比較分析，確定了各零件結(jié)構(gòu)和傳動驅(qū)動方式，繪制了整體結(jié)構(gòu)示意圖。(3) 設計上肢義肢結(jié)構(gòu)的零部件，繪制上肢義肢結(jié)構(gòu)整體裝配圖及主要零部件圖。但是限于人力、物力、時間等因素，本設計還有許多地方做得不到位，需要繼續(xù)進行深入的研究，具體有以下兒個方面: (l)上肢義肢材料多數(shù)采用鎂侶合金，但可以采用硬質(zhì)塑料來進行替代，這樣能大大減假義肢的重量，另外，電機的重量一直為此次設計的瓶頸，改進設計中如果采