平地步行下肢康復(fù)外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說明書論文

PAGE\*ROMANPAGE\*ROMANII摘要限元仿真計(jì)算與校核。關(guān)鍵詞：下肢康復(fù)機(jī)器人 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng) 被動(dòng)行走康復(fù)訓(xùn)練AbstractNowadays,patientswithlowerextremitydysfunctionareincreasingdaybyandthedemandforlowerextremityrehabilitationtreatmentisgraduallyincreasing.Artificialassistedrehabilitationtreatmentislessefficient,costly,andthecurativeeffectcannotbeaccuratelyevaluated.Manyscholarsstudyinglowerextremityrehabilitationrobotshaveappearedathomeandabroad.Thisarticleinnovativelydesignsamultifunctionallowerlimbrehabilitationtrainingrobotusingpneumaticdrive.Theexoskeletonhasawiderangeofhumanbodyshapeadaptability,andhastwomodesofparkingtrainingandwalkingtraining,whichcanadapttopatientswithdifferentrehabilitationneeds..Themainworkincludesthecalculationofthebasicparametersofthelowerlimbrehabilitationrobotbasedontherelevanttheoriesofpostoperativerehabilitationtrainingforparaplegics,thedesignofexoskeletonandbench,thedesignofthepneumaticdrivejointoftheexoskeleton,thedesignoftheexoskeletondrivesystemandthedrivemechanism,andCarryoutmodelinganddrawingofengineeringdrawings;carryoutfiniteelementsimulationcalculationandverificationforsomeimportantpartswithheavierload.Keywords:Iowerlimbrehabilitationrobot;pneumaticdrive;passivewalkingrehabilitationtrainingIIIIII目錄摘要 ⅠAbstract Ⅱ第1章緒論 1課題背景及研究意義 1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 5本論文主要研究?jī)?nèi)容 4第2章下肢康復(fù)機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 5引言 5人體下肢參數(shù)以及運(yùn)動(dòng)特性 5人體下肢關(guān)節(jié)活動(dòng)角度 5人體下肢關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩 6人體軀干參數(shù) 7下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人總體方案 7設(shè)計(jì)要求 7外骨骼總體方案 8臺(tái)架總體方案 8驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體方案 8本章小結(jié) 9第3章下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 103.1.2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 10下肢外骨骼長(zhǎng)度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12腳板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14臺(tái)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15臺(tái)架總體框架設(shè)計(jì) 15外骨骼高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 16本章小結(jié) 23第4章下肢康復(fù)機(jī)器人氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24氣動(dòng)系統(tǒng)的工作要求 24氣動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行元件 24氣動(dòng)系統(tǒng)的輔助元件 24氣泵的選擇 24儲(chǔ)氣罐的選擇 25其他輔助元件 25控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 26本章小結(jié) 26第5章臺(tái)架結(jié)構(gòu)有限元分析優(yōu)化 27第6章工程定額概算 30制作過程成本預(yù)算 30下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人對(duì)環(huán)境影響及其可持續(xù)性 33總結(jié) 34參考文獻(xiàn) 35致謝 36PAGEPAGE9第1章緒論課題背景及研究意義2019602.54651.762025320555的創(chuàng)傷，同時(shí)也嚴(yán)重影響了患者的家庭，并且給社會(huì)造成了負(fù)擔(dān)。一位患者，這種方式有一些不足之處：康復(fù)治療師人數(shù)不足，并且治療的效率較低?？祻?fù)治療的療效受限于康復(fù)治療師的醫(yī)學(xué)水平。評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。訓(xùn)練機(jī)器人仍然無法滿足眾多患者的康復(fù)治療的需求。和柔性驅(qū)動(dòng)。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀本較低，康復(fù)訓(xùn)練靈活性較強(qiáng)，應(yīng)用前景較廣。根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同下下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人可以分為氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)蝸輪蝸桿、齒輪傳動(dòng)、繩索傳動(dòng)的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人。EXPOSPLLOandPOGO。EXPOS康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人采用氣囊驅(qū)動(dòng)方式，并通1.1所示： EXPOS andPOGO c)PLLO圖1.1氣動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人PLLOandPOGOPOGO控制系統(tǒng)，對(duì)關(guān)節(jié)阻抗有自適應(yīng)能力，對(duì)不同病情的患者有更強(qiáng)的適應(yīng)能力。Ekso是一種可穿戴便攜式小型康復(fù)外骨骼，患者需要依靠配套的拐杖輔助訓(xùn)練1.2所示。圖1.2Ekso康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人蘭特文特大學(xué)的LOPES、美國特拉華大學(xué)的ALEX、瑞士hocoma公司的Lokomat、法國洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的WalkTrainer、以色列的Rewalk以及我國北京大艾機(jī)器人的AILEGES、AIWALKER。a)ALLEGS b)Lokomat c)Rewalk d)WalkTrainer圖1.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人本論文主要研究?jī)?nèi)容通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)患者的下肢，實(shí)現(xiàn)步態(tài)的模擬。動(dòng)外骨骼的總體參數(shù)，再根據(jù)總體參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)。本文的設(shè)計(jì)思路：體參數(shù)。根據(jù)已知數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)各部件機(jī)械結(jié)構(gòu)，并建立整體模型。對(duì)負(fù)載較大的重要零部件進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，并優(yōu)化設(shè)計(jì)。完成工程圖繪制，進(jìn)行成本計(jì)算，并對(duì)整體設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)評(píng)估。第2章下肢康復(fù)機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)引言國內(nèi)外現(xiàn)有的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人都是通過驅(qū)動(dòng)患者下肢模擬正常步行運(yùn)人體下肢參數(shù)以及運(yùn)動(dòng)特性人體下肢關(guān)節(jié)活動(dòng)角度人體下肢主要運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)有髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)。其中髖關(guān)節(jié)有三個(gè)自由肢運(yùn)動(dòng)時(shí)能量消耗主要集中在矢狀面[18]2.1所示。圖2.1人體解剖學(xué)的軸和面2.2所示。圖2.2人體下肢棍棒圖??1~??4為相連兩個(gè)連桿之間的相對(duì)角度，為后腳髖關(guān)節(jié)的相對(duì)角度，??3為前腳髖關(guān)節(jié)的相對(duì)角度，??4為前腳膝關(guān)節(jié)的相對(duì)角度。??1~??5表節(jié)相對(duì)角度以及軀干絕對(duì)角度的數(shù)據(jù)如下：人體軀干絕對(duì)角度變化較小，范圍??2和??3具有相同的變化幅度同；前后腳膝關(guān)節(jié)相對(duì)角度??1和??4同樣具有不同的相位相同的變化幅度為?50°~0°[5]。動(dòng)角度的安全性要求，可以作為下肢康復(fù)外骨骼的驅(qū)動(dòng)行程角度極限。人體下肢關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩60%，4010%，40%2.3圖2.3行走步態(tài)周期棍棒圖[5]和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)150N·m；髖關(guān)節(jié)以及10N·m。人體軀干參數(shù)GB/T10000-1988《中國成年人人體尺寸》中給出了中國成年男性369mm，90%的成年338-403mm344mm，90%的成年女性小314-379mmm465mm，90%的成年男性大腿長(zhǎng)428-505mm之間，成年女性大腿均值438mm，90%的成年女性大腿長(zhǎng)度在402-476mmm306mm，90282-334mm317mm，90%290-346mmm64kg，55kg。下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)要求是功能性等要求。安全性要求安全性要求是下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人必須保證患者在使用康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練時(shí)下能夠保證人體不受傷害。功能性要求其他要求推廣。外骨骼總體方案動(dòng)機(jī)構(gòu)。定，以此驅(qū)動(dòng)患者下肢，以及幫助患者減輕體重負(fù)擔(dān)。本文研究的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人僅包括髖關(guān)節(jié)以及膝關(guān)節(jié)再矢狀面的功能確定外骨骼關(guān)節(jié)可活動(dòng)角度以及驅(qū)動(dòng)角度：髖關(guān)節(jié)可活動(dòng)角度?10°~20°，驅(qū)動(dòng)角度?10°~20°0°-1080N·m；0°-10°范圍內(nèi)，80N·m。度可調(diào)節(jié)范圍±50mm450mm，長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)范圍±60mm；外骨320mm，寬度可調(diào)節(jié)范圍為±40mm。臺(tái)架總體方案整體的穩(wěn)定性、功能性以及整體剛度和成本。1400mm850mm。根據(jù)臺(tái)架的成本性要求，臺(tái)架的整體結(jié)構(gòu)采用鋼管以及高強(qiáng)度接頭搭建?？烧{(diào)節(jié)范圍之和為±100mm2000N。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體方案普及推廣。根據(jù)下肢康復(fù)訓(xùn)練理論，確定外骨骼驅(qū)動(dòng)患者訓(xùn)練的最快步行速度為每3s一個(gè)步態(tài)周期。人體正常行走的峰值功率出現(xiàn)在單支撐相初期，此時(shí)支撐腿的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)力矩均為80N·m，擺動(dòng)腿的力矩髖關(guān)節(jié)以及膝關(guān)節(jié)均小于10N·m。外骨骼的驅(qū)動(dòng)功率可以估算：

1P=∑4Miωi≈150w （2-1）1300w。本章小結(jié)工作為后續(xù)的氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定了總體框架和要求。1010第3章下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)下肢康復(fù)外骨骼的活動(dòng)關(guān)節(jié)是下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人整體安全性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所示。圖3.1關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖位移，兩個(gè)圓錐滾子軸承保證了活動(dòng)關(guān)節(jié)的徑向承載力。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.2活動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。11PAGE9圖3.2關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖由圖可得關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖實(shí)際有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和一個(gè)滑動(dòng)副組成，則該機(jī)構(gòu)自由度：F=3n?(2pl+ph)=3×3?(2×4+0)=1 （3-1）θ角為關(guān)節(jié)活動(dòng)角，需要針對(duì)膝關(guān)節(jié)以及髖關(guān)節(jié)分別設(shè)計(jì)：θ角在°°??????=85????,??????=85????,??????=170????，??????=85????。則：??2???? ??2???? ????+??2?2×??????×??????×??????(108.4°?θ)可得??????163.1~255mm92mm。

（3-2）力的要求。氣缸驅(qū)動(dòng)力F=ML

（3-3）0°-1080N·m，當(dāng)θ0°時(shí)，將數(shù)據(jù)代入公式（3-3）得驅(qū)動(dòng)力80F=0.085

=941.2Nθ角在?10°~20°????????????=85????,??????=85????,??????=160????，??????=100????。則：??2???? ??2???? ????+??2?2×??????×??????×??????(103°?θ)可得??????211~260mm59mm。

（3-4）下肢驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)需要驅(qū)動(dòng)患者下肢完成步態(tài)模擬，因此驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)需要滿足驅(qū)動(dòng)力的要求。氣缸驅(qū)動(dòng)力

F=ML

（3-5）0°-1080N·m，當(dāng)θ0°時(shí)，將數(shù)據(jù)帶入公式（3-5）得驅(qū)動(dòng)力80F=0.085

=941.2N3.1.2下肢外骨骼長(zhǎng)度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.3圖3.3外骨骼長(zhǎng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以及承受彎矩。3000N，螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算如下：牙型、材料和許用應(yīng)力采用梯形螺紋，單線n=1。螺桿材料選用45號(hào)鋼，螺母材料選用ZCuSn5Pb5Zn5。由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表7.2-6，牙面滑動(dòng)速度vs為低速，潤(rùn)滑良好，許用比壓PP=18~25N?mm?2，取18N?mm?2螺桿的許用應(yīng)力：45號(hào)鋼屈服強(qiáng)度σs=340N/mm2，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表7.2-7得：pσ=σs=68~113.4N/mm2 （3-6）p3~5取σp=90N/mm2σbp=（1.0~1.2）σp=90~108N/mm2 取σbp=99N/mm2τP=0.6σp=0.6×90N/mm2=54N/mm2 螺母許用應(yīng)力：σbp=40~60N/mm2 （3-9）取σbp=50N/mm2τP=30?40N/mm2 （3-10）取τP=35N/mm2按耐磨性設(shè)計(jì)：采用整體式螺母，取計(jì)算螺桿中徑：d2

FψFψpp

（3-11）將數(shù)據(jù)代入公式（3-11）得螺桿中徑：30002×18d230002×18按照梯形螺紋標(biāo)準(zhǔn)，取螺桿螺紋參數(shù)：

=7.3mmp=2mm，d=9mm，D4=9.5mm， D2=d2=8mm，d3=6.5mm,D1=7.0mm螺母高度：取H=15mm螺紋旋合圈數(shù)：

H=ψd2=1.8×8=14.4mm （3-12）z=H=15=7.5 （3-13）P 2螺紋工作高度：h=0.5P=0.5×2=1mm （3-14）螺桿自鎖性驗(yàn)算：導(dǎo)程角：γ=arctanSπd2

（3-15）將數(shù)據(jù)代入公式（3-15）得導(dǎo)程角：2γ=arctan

=4.55°π×87.2-5，摩擦因素μ=0.09，梯形螺紋牙形角當(dāng)量摩擦角：ρv=arctan

μαcos

（3-16）將數(shù)據(jù)代入公式（3-16）得當(dāng)量摩擦角：0.09ρv=arctan則：

cos

30°=18.9°2滿足自鎖要求。螺桿穩(wěn)定性驗(yàn)算螺桿柔度值：

γ=3.7679°<ρv=18.9°=λ μl=s i

（3-17）螺桿的支撐情況為一端固定，一端不完全固定，則取長(zhǎng)度系數(shù)μ=0.6。螺桿工作長(zhǎng)度l=100mm，螺桿危險(xiǎn)截面慣性半徑：i=d1=1.625mm （3-18）4將數(shù)據(jù)帶入公式（3-17）得螺桿柔度值：0.6×100λs=

=36.9≤1001.625則臨界載荷Fcr按照歐拉公式計(jì)算：F =（a?bλ）πd2 （3-19）cr s 4 145載荷：Fcr=（461?2.57×36.9）

π×6.52=10657.3N4則：Ssc

=Fcr=3.55>3.5 （3-20）F可得螺桿滿足穩(wěn)定性要求。綜上所述螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)滿足要求。3.1.3腳板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.4所示。圖3.4腳板結(jié)構(gòu)生形變，使得整個(gè)步態(tài)更加柔順，同時(shí)提高患者康復(fù)訓(xùn)練的舒適性。下肢外骨骼的總體結(jié)構(gòu)如圖3.5所示。圖3.5下肢外骨骼結(jié)構(gòu)臺(tái)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)臺(tái)架總體框架設(shè)計(jì)1400mm850mm所示。圖3.6外骨骼框架結(jié)構(gòu)外骨骼高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)由于外骨骼有下肢尺寸調(diào)節(jié)適應(yīng)機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)不同體型的患者，所以前板不800mm，且高度可調(diào)節(jié)范圍大于±110mm。外骨骼的3000N，蝸輪蝸桿升降臺(tái)計(jì)算過程如下：牙型、材料和許用應(yīng)力：n=1。螺桿材料選用45號(hào)鋼，螺母材料選用ZCuSn5Pb5Zn5。由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表7.2-6，牙面滑動(dòng)速度vs為低速，潤(rùn)滑良好，許用比壓PP=18~25N?mm?2，取18N?mm?2螺桿的許用應(yīng)力：45號(hào)鋼屈服強(qiáng)度σs=340N/mm2，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表7.2-7得：pσ=σs=68~113.4N/mm2 （3-21）p3~5取σp=90N/mm2σbp=（1.0~1.2）σp=90~108N/mm2 取σbp=99N/mm2τP=0.6σp=0.6×90N/mm2=54N/mm2 螺母許用應(yīng)力：σbp=40~60N/mm2 （3-24）取σbp=50N/mm2τP=30?40N/mm2 （3-25）取τP=35N/mm2按耐磨性設(shè)計(jì)：采用整體式螺母，取ψ=1.8螺桿中徑：

FψppFψpp

（3-26）將數(shù)據(jù)代入公式（3-26）得螺桿中徑30001.8×18d230001.8×18按照梯形螺紋標(biāo)準(zhǔn)，取螺桿螺紋參數(shù)：

=7.7mmP=2mm，d=9mm，D4=9.5mm，D2=d2=8mm，d3=6.5mm,D1=7.0mm螺母高度：取H=15mm螺紋旋合圈數(shù)：

H=ψd2=1.8×8=14.4mm （3-27）z=H=15=7.5 （3-28）P 2螺紋工作高度：h=0.5P=0.5×2=1mm （3-29）機(jī)構(gòu)的自鎖性不需要驗(yàn)證。螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中螺桿受拉，故穩(wěn)定性同樣不需要驗(yàn)證。螺旋運(yùn)動(dòng)所需驅(qū)動(dòng)力矩：T=Fd2tan(γ+ρ) （3-30）導(dǎo)程角：

γ=arctanSπd2

2=arctan2π×8

v=4.55° （3-31）（3-31）得導(dǎo)程角γ=arctan

2π×

=4.55°7.2-5，摩擦因素μ=0.09，梯形螺紋牙形角當(dāng)量摩擦角：ρv=arctan

μαcos

（3-32）將數(shù)據(jù)代入公式（3-32）得當(dāng)量摩擦角0.09ρv=arctan

cos

30°=18.9°2將數(shù)據(jù)代入公式（3-30）得驅(qū)動(dòng)力矩：8T1=3000×2tan(4.55°+18.9°)=5205.3N?mm蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)計(jì)算：按照蝸輪蝸桿齒面解除疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)：HT150，45n=1。3KT2ZE3KT2ZEZρσHa≥

（3-33）蝸輪所受轉(zhuǎn)矩：

T2=T1=5205.3N·mmK=KAKVKβ，KA25KA1.1；KV為動(dòng)載系數(shù)，高度調(diào)節(jié)蝸輪蝸桿為低速傳動(dòng)，KV1.1；Kβ為齒向載荷分布系數(shù)，高度調(diào)節(jié)蝸輪蝸桿傳動(dòng)平穩(wěn)，磨合后載荷分布均勻，Kβ取1。則：K=1.1×1.1×1=1.21ZE為彈性系數(shù)，蝸輪材料為灰鑄鐵，蝸桿為碳鋼，取ZE=160MPa。Zp為接觸系數(shù)，Zp可從圖3.7中查得。圖3.7蝸桿接觸系數(shù)表0.3，可得Zp3.05。σH3.1查得，單位為MPa。2020表3.1齒面需用接觸應(yīng)力表材料 滑動(dòng)速度Vs（m/s）蝸桿渦輪0.250.512320或20Cr滲碳，45灰鑄鐵HT15020616615012795號(hào)鋼淬火，齒面硬度灰鑄鐵HT200250202182154115大于45HRC鑄鋁鐵青銅250230210180160ZCuAl10Fe345號(hào)鋼或Q275灰鑄鐵HT15017213912510679灰鑄鐵HT20020816815212896蝸輪蝸桿升降臺(tái)為手動(dòng)調(diào)節(jié)齒面滑動(dòng)速度小于0.25m/s故σ 取172MPa。H將數(shù)據(jù)代入公式（3-33）得最終蝸輪蝸桿理論中心矩：3160×3.051.21×5205.3172a≥ 3160×3.051.21×5205.3172根據(jù)普通圓柱蝸桿基本尺寸和參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)選用模數(shù)為1.6mm，中心矩為38mm的蝸輪蝸桿傳動(dòng)。蝸輪蝸桿幾何尺寸如表3.2所示。22PAGE9表3.2蝸輪蝸桿傳動(dòng)的幾何尺寸參數(shù)名稱代號(hào)計(jì)算關(guān)系式取值中心距aa=(??參數(shù)名稱代號(hào)計(jì)算關(guān)系式取值中心距aa=(??1+??2+2??2m)/240mm蝸桿頭數(shù)??11壓力角α20°模數(shù)m1.6mm渦輪變位系數(shù)???? ??1+??2??= ?-0.25蝸桿軸向齒距????????=????5mm蝸桿分度圓直徑??1??1=????1/tanγ20mm蝸桿齒頂圓直徑????1????1=??1+2??????23.2mm蝸桿直徑系數(shù)q12.5

2??蝸桿齒根圓直徑

df1

d d2h*ac

16.16mmf1 f1

0.06Z225

47mm蝸輪齒數(shù) ??2 38蝸輪喉圓直徑

dadf

d2mZ2a2 d d2h*a2 f2 d d2(h*af2

60.8mm64mm57mmm蝸輪寬度 B??2??2??1

B0.75da1

19mm106.3°θ θ=2arcsin蝸輪齒寬 ??2 16mm蝸輪頂圓直徑

de2

de2da21.5m

66.4mm齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核：蝸輪輪齒因彎曲強(qiáng)度較低而失效多發(fā)生在蝸輪齒數(shù)角度或開式傳動(dòng)的蝸輪FFSβσ=667T2KYYFFSβd1d2m

（3-34）蝸輪齒形系數(shù)YFS

可根據(jù)蝸輪當(dāng)量齒數(shù)Zv2

=Z2=38.4查表可得Y =,3 ,3 1.61。螺旋角影響系數(shù)：其中:

Y=1?γβ120°β

（3-35）將數(shù)據(jù)代入公式

γ=arctan(Z1/q)=4.6° （3-36）將數(shù)據(jù)代入公式

Y =1?1.6°0.96。β120°β許用應(yīng)力:

σF=

667×5205.3×1.2120×60.8×1.6 1.61×0.96=0.33Mpa9???? ?? ?? =??’??9???? ?? 其中KFN為壽命系數(shù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)

??????=

（3-38）將數(shù)據(jù)代入公式

N=60jn2Lh （3-39）N=60×1×38×0.1=228’ ’則KFN=2.53，σF根據(jù)蝸輪選用材料為HT150，且單側(cè)工作查得σF=40MPa，將數(shù)據(jù)帶入公式（3-37）得σ =40×2.53=101.56MPaF則σF=0.33MPa≤???? （3-40）故齒根彎曲疲勞強(qiáng)度符合要求。蝸輪蝸桿升降臺(tái)仿真模型如圖3.7所示。圖3.7蝸輪蝸桿升降臺(tái)1000N，180mm，滑軌軸為心軸，250mm25mm453.8所示。圖3.8滑軌軸計(jì)算簡(jiǎn)圖由圖可知，彎矩作用作用在桿得中點(diǎn)，大小為180N·m。求A、B處支座反力：∑????=0，??=??????×??????=0 （3-41）∑????=0，??=??????×??????=0 解得??????=720??，方向向上；??????=720??，方向向下。剪力彎矩分析在AC段上（0≤x≤0.125m）：????(??)=??????=??????=720?? （3-43）??(??)=??????×??=720????·?? CB段上（125≤x≤0.25m）：????(??)=??????=??????=720?? （3-45）??(??)=??????×（???0.25）=（720??180）??·?? 繪制剪力圖：圖3.9滑軌軸剪力圖繪制彎矩圖圖3.10滑軌軸彎矩圖鋼管抗彎截面系數(shù)將數(shù)據(jù)帶入公式（3-47）

W=????3yy

（3-47）滑軌軸最大彎曲

Wy=

??×0.025332

=1.53×10?6????????=

????????

（3-48）45號(hào)鋼許用彎曲應(yīng)力??=60MPa，將數(shù)據(jù)帶入公式（3-48）得90????????=7.85×10?7=58.7??????<??綜上所述滑軌心軸滿足強(qiáng)度要求。3.3本章小結(jié)本章完成了下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人外骨骼和臺(tái)架的計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖3.11所示。圖3.11下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人外骨骼采用綁縛機(jī)構(gòu)將患者下肢固定，通過啟動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)外骨骼運(yùn)動(dòng)，第4章下肢康復(fù)機(jī)器人氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)氣動(dòng)系統(tǒng)的工作要求氣動(dòng)系統(tǒng)是外骨骼的驅(qū)動(dòng)部件，需要驅(qū)動(dòng)外骨骼的四個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行步態(tài)模擬，Nm并能滿足驅(qū)動(dòng)角度要求。氣動(dòng)系統(tǒng)的的控制采用電-氣控制，工作環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境。氣動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行元件MA50×80.4.1所示。表4.1氣缸主要技術(shù)參數(shù)名稱尺寸內(nèi)徑50mm行程40~100mm動(dòng)作形式雙作用工作壓力范圍0.15~1.0MPa最高承受壓力1.5MPa使用速度范圍300~800mm/s接管口徑PT1/4氣動(dòng)系統(tǒng)的輔助元件氣泵的選擇根據(jù)下肢康復(fù)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)功率要求選用BST300/7DC作為氣源，功率≤315w,額定工作壓力0.7Mpa,額定容積流量20L/min。主要技術(shù)參數(shù)如表3.4所示。表4.2氣泵主要技術(shù)參數(shù)名稱參數(shù)額定電壓DC24V輸入功率≤350W額定工作壓力0.7MPa最大瞬間工作壓力0.8MPa額定容積流量20L/min凈重4.5kg進(jìn)排氣螺紋孔PT1/4氣泵流量校核：下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人最快康復(fù)訓(xùn)練速度為每個(gè)步態(tài)周期3s，每個(gè)步態(tài)周期每個(gè)氣缸的運(yùn)動(dòng)均包括一個(gè)推程和一個(gè)回程。氣缸耗氣量V=2∑4πd2S

（4-1）1 4S59mm92mm將數(shù)據(jù)代入公式（4-1）得單步態(tài)周期耗氣量：4πd2SV=2Σ 1

=16.6L/min<20L/min綜上所述氣泵流量滿足外骨骼驅(qū)動(dòng)要求。儲(chǔ)氣罐的選擇V4-2：V=NQs/(p0+1) （4-2）其中Qs1~3，p0V=2×20/（10+1）=3.63L由V=3.63L選擇儲(chǔ)氣罐容量5L。其他輔助元件閥。所以氣泵壓縮后的空氣需要經(jīng)過氣動(dòng)二聯(lián)件減壓閥和過濾器的處理。4.1所示。圖4.1氣動(dòng)系統(tǒng)回路圖4.1程的驅(qū)動(dòng)力?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)PLCPLC控制，每個(gè)氣缸都有一個(gè)位移傳感器，可以實(shí)時(shí)PLCPWM信號(hào)控制高速電磁閥電磁閥的通斷控制氣缸運(yùn)動(dòng)速度。本章小結(jié)第5章臺(tái)架結(jié)構(gòu)有限元分析優(yōu)化臺(tái)架結(jié)構(gòu)分析外骨骼臺(tái)架結(jié)構(gòu)的分析優(yōu)化主要目的是使得臺(tái)架框架整體穩(wěn)定性和剛度滿AnsysWorkbench4540Cr，有限元計(jì)算結(jié)果如下所示。圖5.1臺(tái)架整體Von-mises應(yīng)力圖圖5.2臺(tái)架Von-mises應(yīng)力集中局部圖圖5.3臺(tái)架背板應(yīng)變圖3030圖5.4臺(tái)架背板形變圖5.15.2von-mises868MPa。Von-mises2（σ1?σ2）

+（σ?σ）2+（σ?σ）2=2σ2=6k2

（5-1）2 3 3 1 σs2 3 3 1 355MPa，40Cr屈服強(qiáng)度σs2785MPa。有限元分析計(jì)算應(yīng)力值最大為868MPa5.417mm出現(xiàn)在前板上端。臺(tái)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化針對(duì)外骨骼臺(tái)架應(yīng)力集中和變形量較大問題提出以下幾點(diǎn)優(yōu)化方法：1）5.55.6圖5.5臺(tái)架整體Von-mises應(yīng)力圖33PAGE8圖5.6臺(tái)架整體形變圖5.5von-mises128MPa，5%，可忽略數(shù)值計(jì)算誤差。外骨骼臺(tái)架在最大von-mises4540Cr7mm，符合剛度要求。本章小結(jié)加強(qiáng)部件剛度的設(shè)計(jì)，使得外骨骼臺(tái)架整體滿足強(qiáng)度和剛度要求。第6章工程定額概算制作過程成本預(yù)算常用計(jì)算公式為：五金成本核算標(biāo)準(zhǔn)單價(jià)={材料費(fèi)+[加工費(fèi)*(1+稅17%)]}*[1+損耗費(fèi)(4%)+管銷費(fèi)(5%)+利潤(rùn)(10%)][11]常用材料特性常用材料的各項(xiàng)特性如表6.1所示。表6.1材料屬性價(jià)格表材料名稱45號(hào)鋼40CrZCuSn5Pb5Zn5工程塑料HT150橡膠密度g/cm3(t/m3)7.857.858.961.137.211.31材料購買價(jià)格（/Kg）

5.13 5.34 45 15 12 12表6.2機(jī)械加工價(jià)格表加工機(jī)床種類價(jià)格（元/小時(shí)）傳統(tǒng)機(jī)床(車,銑,平面磨,內(nèi)外園磨等)30快走絲線切割40CNC加工60慢走絲線切割(日立)100零部件詳細(xì)清單表6.3零部件清單編號(hào)名稱數(shù)量單價(jià)總計(jì)1下腳板43.4213.682腳板轉(zhuǎn)軸40.592.353上腳板234.7269.454右踝關(guān)節(jié)外骨骼115.1615.165小腿調(diào)節(jié)螺桿21.983.966下肢尺寸調(diào)節(jié)螺母42.429.69編號(hào)名稱數(shù)量單價(jià)總計(jì)7右膝關(guān)節(jié)小腿外骨骼1251.87251.878關(guān)節(jié)軸承保護(hù)罩40.321.279圓錐滾子軸承3020483.4027.2010右膝關(guān)節(jié)大腿外骨骼124.5124.5111大腿調(diào)節(jié)螺桿23.647.2812右髖關(guān)節(jié)大腿外骨骼129.5829.5813右髖關(guān)節(jié)腰部外骨骼113.9213.9214外骨骼背板130.3730.3715腰托12.022.0216左髖關(guān)節(jié)腰部外骨骼113.9213.9217左髖關(guān)節(jié)大腿外骨骼129.5829.5818左膝關(guān)節(jié)大腿外骨骼124.5124.5119左膝關(guān)節(jié)小腿外骨骼125.5425.5420左踝關(guān)節(jié)外骨骼134.1234.1221氣缸接頭41.807.1922氣缸MA504126.00504.0023大腿調(diào)節(jié)導(dǎo)桿41.285.1324膝關(guān)節(jié)氣缸底座22.164.3225髖關(guān)節(jié)氣缸底座24.158.2926氣缸底座轉(zhuǎn)軸40.220.9027氣缸接頭軸套40.431.7428氣缸底座軸套41.787.1329綁縛把手160.081.2630橡膠輪81.7714.1531輪軸43.9915.9432萬向輪軸承下端蓋40.110.4633萬向輪固定架42.399.5534深溝球軸承620182.0016.0035萬向輪軸承上端蓋40.351.3836二分接頭1410.4041.6237二分接頭248.4333.7138無縫鋼管30023.827.6439彎管接頭20.721.4440無縫鋼管740210.8521.70編號(hào)名稱數(shù)量單價(jià)總計(jì)41彎管三分接頭21.362.7242把手20.851.7143無縫鋼管900624.04144.2444三分接頭225.7311.4545三分接頭1212.7525.5046鋼板夾套83.9631.7047支撐接頭63.2719.6248深溝球軸承6001162.0032.0049后板1203.49203.4950前板1369.31369.3151無縫鋼管800221.3742.7452氣動(dòng)二聯(lián)件1140.00140.0053溢流閥112.0012.0054減壓閥116.0016.0055氣壓表120.0020.0056五通兩位電磁閥440.00160.0057電磁閥座120.4920.4958消聲器23.006.0059出氣接頭80.050.3660進(jìn)氣接頭40.070.2661滑軌2150.00300.0062螺母座13.083.0863外骨骼高度調(diào)節(jié)螺母12.972.9764外骨骼高度調(diào)節(jié)螺桿14.254.2565螺桿軸套10.060.0666螺桿底座12.832.8367蝸輪蝸桿箱體142.7442.7468圓錐滾子軸承3020324.008.0069蝸輪下軸套10.450.4570渦輪箱蓋15.305.3071蝸桿端蓋110.440.4472手輪17.777.7773角接觸球軸承7000A23.006.0074蝸桿15.665.66編號(hào)名稱