截癱患者下肢仿生外骨骼機器人設計報告

1、截癱患者下肢仿生外骨骼機器人滾珠絲杠設計報告書汽02 程帥 1.1 滾珠絲杠驅動裝置設計1.1.1 驅動裝置結構設計本設計的驅動機構采用滾珠絲杠機構，可將電機的旋轉運動轉化為絲杠的直線運動，同時將電機的轉矩轉化為絲杠方向的力。滾珠絲杠機構包括電動機、外殼、內外螺母、絲杠、齒輪罩、圓柱齒輪及連接螺釘。圖3 滾珠絲杠驅動裝置圖4 滾珠絲杠驅動裝置裝配圖滾珠絲杠機構的螺母設計為外螺母和內螺母兩部分，二者之間布置滾珠，使內螺母與外螺母實現(xiàn)軸向定位的同時可相對外螺母旋轉。內螺母與絲杠嚙合，且在外表面安裝齒輪；外螺母通過螺釘與外殼（機架）固定。驅動裝置運動時電動機通過一級齒輪傳動帶動內螺母相對外螺母旋轉，

2、內螺母推動絲杠進行直線運動。絲杠一端通過圓柱銷與鉸鏈零件連接，外殼尾端通過螺釘與鉸鏈零件連接，整個驅動裝置通過上述兩端的鉸鏈機構分別與上下肢連接，通過絲杠的伸縮運動驅動關節(jié)轉動。由于傳動齒輪的轉速較高，為了防止高速齒輪對人體產生傷害，故利用非金屬齒輪罩將傳動齒輪封閉，整套驅動裝置只輸出絲杠的伸縮運動。1.1.2 滾珠絲杠驅動裝置工作能力分析滾珠絲杠機構的強度校核包括絲杠的彎曲強度校核、絲杠的屈服強度校核、螺母軸向載荷校核及壽命計算。根據(jù)設計要求，三處驅動裝置均選擇日本THK公司MDK1202-3磨制滾珠絲桿（螺母為獨立設計）。參數(shù)如下：表 MDK1202-3磨制滾珠絲杠主要參數(shù)型號絲杠軸外徑/

3、mm導程/mm溝槽谷徑/mm基本額定負荷/kNMDK1202-3122111.7根據(jù)關節(jié)設計要求確定三處驅動機構的最大力F及絲杠軸長度如下：絲杠方向最大載荷/kN絲杠軸最大長度/mm膝關節(jié)屈伸1.6290髖關節(jié)屈伸1.0400髖關節(jié)內收外展1.1220依據(jù)以上數(shù)據(jù)進行滾珠絲杠機構的強度校核：1.1.3 絲杠彎曲強度校核絲杠的彎曲強度校核公式如下：其中：P1最大軸向允許載荷，N；E楊氏彈性模量（通常狀況下取E=2.06105N/mm2）L絲杠安裝間距，mm；dr絲杠溝槽最小直徑，mm；J絲杠斷面慣性矩， ，mm4 與安裝方式有關的系數(shù)，見表表 與安裝方式有關的系數(shù)絲杠安裝方式絲杠安裝方式固定固定

4、420.0支撐支撐15.0固定支撐210.0固定自由0.251.2本方案中絲杠的支撐方式屬于固定支撐，帶入數(shù)據(jù)計算，有：膝關節(jié)屈伸方向：髖關節(jié)屈伸方向：髖關節(jié)內收外展方向：可以看出驅動裝置的絲杠軸軸向最大許用載荷均大于實際載荷，彎曲強度符合要求。1.1.4 絲杠屈服強度校核絲杠在不發(fā)生屈服的前提下所允許的最大軸向載荷按下式計算：其中：P2最大軸向允許載荷，N; dr 絲杠溝槽最小直徑，mm； 絲杠材料的允許拉伸壓縮應力（通常情況下=147N/mm2）。帶入數(shù)據(jù)計算，可以看出最大軸向許用載荷均大于各處實際載荷，拉伸/屈服強度符合要求。1.1.5 螺母軸向載荷校核螺母實際允許的最大軸向載荷為 其中

5、， Famax滾珠螺母實際允許的最大軸向載荷，NC0a 額定靜載荷，N fs 靜安全系數(shù)，根據(jù)負載條件確定。本設計屬普通機械，無沖擊振動，故fs取1.3根據(jù)MDK1202-3的額定靜載荷數(shù)據(jù)，計算如下：可以看出螺母所允許的最大軸向載荷均大于各處實際最大載荷，強度符合要求。1.1.6 滾珠絲杠機構壽命校核滾珠絲杠的疲勞壽命可以分別由總轉速、實際運行時間表示，計算公式如下：其中，Lr由總轉數(shù)表示的額定疲勞壽命，r； Lh 由運行時間表示的疲勞壽命，h； Fa軸向載荷，N； N螺母轉速，r/min; fw負荷系數(shù)，與運動速度及振動沖擊情況有關。本設計中絲杠最高直線運動速度為0.2m/s，沖擊為微小，

6、故fw取1.0。根據(jù)各處螺母轉速的不同，分別計算三個驅動機構滾珠絲杠的壽命如下：膝關節(jié)：髖關節(jié)屈伸：髖關節(jié)內收外展：由于膝關節(jié)的軸向載荷僅在起立時的一瞬間出現(xiàn)，故行走時的滾珠絲杠壽命按髖關節(jié)屈伸方向的滾珠絲杠壽命計算。如果按每天利用外骨骼裝置作行走訓練3小時，滾珠絲杠運動時間占步態(tài)周期的1/3，則整套驅動裝置的壽命約為2025天，即5年半，符合設計要求。1.2 關節(jié)連接機構設計外骨骼機械腿的關節(jié)應事先低阻力相對轉動，同時希望上、下肢中心軸線共棉以防止出現(xiàn)大、小腿錯位情況。為此做出如下設計：圖1- 機械腿關節(jié)機構為了降低轉動阻力，在關節(jié)機構中加入深溝球軸承一對。軸承內圈與關節(jié)軸配合，外圈與關節(jié)壓

7、板配合，兩塊關節(jié)壓板與上肢通過螺栓連接，關節(jié)軸通過鍵、彈性擋圈與下肢的軸孔配合，軸承外側通過端蓋定位。整套機構可實現(xiàn)上下肢的低阻力轉動。圖1-關節(jié)機構裝配圖1.3 滾珠絲杠外骨骼鉸鏈連接強度校核滾珠絲杠機構驅動外骨骼運動時，兩者之間存在相對轉動，故在連接處設置鉸鏈機構。鉸鏈機構的強度校核包括銷軸孔的拉伸/擠壓強度校核及銷軸的剪切強度校核。圖1 鉸鏈連接機構1.3.1 銷軸孔擠壓/拉伸強度校核根據(jù)鉸鏈機構尺寸設計，拉伸工作面最小面積：，擠壓工作面最小工作面面積：三個驅動裝置軸向載荷最大值為F=1600N（膝關節(jié)處）。依據(jù)以上數(shù)據(jù)計算拉伸應力及擠壓應力如下：最大拉伸應力：，最大擠壓應力：鉸鏈材料為

8、低碳鋼，擠壓強度，拉伸強度，可以看出，拉伸強度及擠壓強度均符合要求。1.3.2 圓柱銷剪切強度校核絲杠固定端鉸鏈處圓柱銷主要受切應力，易發(fā)生剪切失效，故應校核剪切強度。圓柱銷直徑8mm，工作面m=2,剪切應力 三處驅動裝置最大拉/壓力Fmax=1600N，帶入上式計算：圓柱銷材料選用低碳鋼，許用應力 ， 故剪切強度滿足要求。1.4 絲杠鉸鏈連接強度校核 由于絲杠與鉸鏈機構無法一體加工成型，因此絲杠與鉸鏈機構間需要利用圓柱銷實現(xiàn)軸向定位。此銷軸連接的強度校核同樣包括銷軸孔的拉伸/擠壓強度校核及銷軸的剪切強度校核。圖 絲杠鉸鏈連接方式1.4.1 銷軸孔擠壓/拉伸強度校核根據(jù)尺寸設計，拉伸工作面最小

9、面積：（絲杠處），擠壓工作面最小工作面面積：三個驅動裝置軸向載荷最大值為F=1600N（膝關節(jié)處）。依據(jù)以上數(shù)據(jù)計算拉伸應力及擠壓應力如下：最大拉伸應力：，最大擠壓應力：鉸鏈材料為低碳鋼，擠壓強度；絲杠的許用拉伸強度為，可以看出，拉伸強度及擠壓強度均符合要求。1.4.2 圓柱銷剪切強度校核圓柱銷主要受切應力，易發(fā)生剪切失效，故應校核剪切強度。圓柱銷直徑4mm，工作面m=2,剪切應力 三處驅動裝置最大拉/壓力Fmax=1600N，帶入上式計算：圓柱銷材料選用低碳鋼，許用應力 ， 故剪切強度滿足要求。1.5 踝關節(jié)圓柱銷強度校核踝關節(jié)內收外展自由度通過圓柱銷連接實現(xiàn)腳部零件與小腿的連接。鉸鏈連接主

10、要承受壓應力，在單腿支撐時達到最大工作載荷（按人體重量60kg+外骨骼機構40kg計算）。圖1- 踝關節(jié)圓柱銷連接1.5.1 圓柱銷剪切強度校核圓柱銷直徑d=16mm，工作面m=2。工作時主要受切應力，應校核剪切強度。最大工作載荷 最大切應力 圓柱銷材料選用低碳鋼，許用應力 ， 故剪切強度滿足要求。1.5.2 銷軸孔擠壓強度校核此處銷軸連接主要受擠壓應力，應校核擠壓強度。由設計尺寸，工作面最小面積。最大擠壓應力：鉸鏈材料為低碳鋼，擠壓強度；絲杠的許用拉伸強度為，可以看出，擠壓強度均符合要求。1.6 方頭平鍵設計根據(jù)設計需求，三個關節(jié)驅動裝置的內螺母外徑為24mm，通過方頭平鍵與齒輪實現(xiàn)周向定位

11、。驅動裝置運動時，齒輪通過方頭平鍵驅動內螺母旋轉，內螺母推動滾珠絲杠作伸縮運動。根據(jù)內螺母齒輪安裝處外徑及齒輪輪轂寬度及普通平鍵的長度系列，確定三處平鍵參數(shù)如下：表3-1 三個驅動裝置的運動參數(shù)內螺母外徑/mm傳遞轉矩T/Nmb/mmh/mmL/mm膝關節(jié)屈伸240.5668712髖關節(jié)屈伸240.3858714髖關節(jié)內收外展240.424878根據(jù)方頭平鍵強度計算公式：其中，k為平鍵工作高度，對于平鍵 ；l為平鍵的工作長度，對方頭平鍵 。根據(jù)平鍵工作條件，確定許用擠壓應力 。按照上式計算結果如下：/MPa膝關節(jié)屈伸1.123100髖關節(jié)屈伸0.655100髖關節(jié)內收外展1.262100可以看

12、出三處方頭平鍵的強度均符合要求。1.7 關鍵部位螺栓連接強度校核在滾珠絲杠驅動裝置中以及驅動裝置機械腿連接零件中，一些螺栓/螺釘工作載荷較大，需要進行強度校核。1.7.1 驅動裝置外殼螺釘連接件強度校核滾珠絲杠驅動裝置的外殼（機架）由三部分裝配組成，如圖1- 兩個外殼零件由6個十字槽盤頭螺釘連接（規(guī)格：M2.512）；如圖1- 外殼零件與尾部鉸鏈零件通過3個開槽沉頭螺釘連接（規(guī)格：M38）。圖1- 外殼零件連接方式 圖1- 外殼零件與鉸鏈零件連接方式三套驅動裝置中，膝關節(jié)處外殼承受的軸向載荷最大， ,依據(jù)此數(shù)據(jù)進行校核。對于兩外殼連接，工作螺釘數(shù) ， 。根據(jù)螺栓所受拉伸應力公式計算如下：螺釘性

13、能等級5.8。按照使用條件以及螺釘材料，確定許用拉伸應力為 ， ，螺釘抗拉強度滿足設計要求。對于外殼鉸接零件連接處螺釘，工作螺釘數(shù)，。計算所受最大拉伸應力如下：螺釘性能等級6.8。按照使用條件以及螺釘材料，確定許用拉伸應力為 ， ，螺釘抗拉強度滿足設計要求。滾珠絲杠外螺母外殼連接螺釘?shù)囊?guī)格與數(shù)目與外殼外殼連接處一致，故不再進行校核。1.7.2 驅動裝置擺臂機械腿螺栓連接螺栓強度校核髖關節(jié)動力裝置的擺臂通過一組按如下排列的四組螺栓（規(guī)格：M1055）與機械腿實現(xiàn)連接。圖1- 擺臂機械腿螺栓連接力的作用點距四組螺栓組中心距離l=113mm，F(xiàn)0=1000N。當絲杠與擺臂垂直時螺栓組受力最大。按圖1

14、- 中模型計算。圖1- 螺栓組強度計算模型螺栓中心距a=15mm，由F0產生的力矩。由F及T產生的分力F1、F2分別如下：F1、F2夾角45。根據(jù)三角形余弦定理，工作載荷由此計算所需預緊力如下：由此計算螺栓收到的最大拉應力如下：螺栓性能等級6.8。按照使用條件以及螺栓材料，確定許用拉伸應力為 ， ，螺釘抗拉強度滿足設計要求。1.7.3 關節(jié)部件螺栓連接強度校核關節(jié)部件采用3個并排螺栓組實現(xiàn)與下肢的連接。螺栓組主要承受人體的重量，在單腿支撐時達到最大。按照人體體重60kg+外骨骼機器人重量40kg進行設計。圖1- 關節(jié)部件螺栓布置最大載荷，每個螺栓所需的最大工作載荷為。所需預緊力為。M8螺栓小徑

15、d1=6.647mm。由此計算螺栓收到的最大拉應力如下：螺栓性能等級4.8。按照使用條件以及螺栓材料，確定許用拉伸應力為 ， ，螺釘抗拉強度滿足設計要求。1.8 齒輪傳動設計由于電動機輸出轉速與螺母所需轉速并不相等，因此在二者之間需要增加一級齒輪傳動實現(xiàn)變速。電機輸入軸的齒輪軸向通過套筒與軸端擋板s實現(xiàn)定位，周向通過鍵連接定位（由于髖關節(jié)內收外展方向電機輸出軸過膝，因此采用過盈連接）；輸出端齒輪與內螺母間通過臺肩與鎖緊擋圈實現(xiàn)軸向定位，周向定位則通過鍵連接實現(xiàn)。根據(jù)電動機輸出轉速與螺母所需轉速的關系，確定三組齒輪傳動的傳動比如下：表1- 三組齒輪傳動傳動比傳動比膝關節(jié)屈伸1.89髖關節(jié)屈伸0.

16、557髖關節(jié)內收外展5.4下面借助機械設計輔助軟件進行圓柱齒輪的設計。1.8.1 髖關節(jié)屈伸齒輪傳動設計髖關節(jié)齒輪傳動的名義傳動比為0.557，傳遞極限功率為250W，根據(jù)外殼設計尺寸確定的輸入、輸出軸軸距為58.5mm。借助機械設計輔助軟件進行設計，得到的符合要求的齒輪組如下：大齒輪小齒輪齒數(shù)5028模數(shù)1.51.5齒寬（mm）1616材料及熱處理結構鋼正火結構鋼正火計算接觸應力（MPa）123.08123.08接觸疲勞許用應力（MPa）445.16429.71計算彎曲應力（MPa）4.424.5彎曲疲勞許用應力（MPa）284.94281.05實際傳動比0.560.56可以看出齒輪傳動的強

17、度符合要求，且傳動比在允許誤差范圍內。1.8.2 髖關節(jié)內收外展齒輪傳動設計髖關節(jié)齒輪傳動的名義傳動比為5.4，傳遞極限功率為60W，根據(jù)外殼設計尺寸確定的輸入、輸出軸軸距為43.6mm。借助機械設計輔助軟件進行設計，得到的符合要求的齒輪組如下：大齒輪小齒輪齒數(shù)9217模數(shù)0.80.8齒寬（mm）1010材料及熱處理結構鋼正火結構鋼正火計算接觸應力（MPa）363.13363.13接觸疲勞許用應力（MPa）432.22387.9計算彎曲應力（MPa）28.8831.18彎曲疲勞許用應力（MPa）288.74277.48實際傳動比5.415.41可以看出齒輪傳動的強度符合要求，且傳動比在允許誤差

18、范圍內，設計符合要求。1.8.3 膝關節(jié)屈伸齒輪傳動設計髖關節(jié)齒輪傳動的名義傳動比為1.89，傳遞極限功率為200W，根據(jù)外殼設計尺寸確定的輸入、輸出軸軸距為53mm。借助機械設計輔助軟件進行設計，得到的符合要求的齒輪組如下：大齒輪小齒輪齒數(shù)4021模數(shù)1.751.75齒寬（mm）1414材料及熱處理結構鋼正火結構鋼正火計算接觸應力（MPa）388.31388. 31接觸疲勞許用應力（MPa）408.35391.25計算彎曲應力（MPa）34.3836.10彎曲疲勞許用應力（MPa）288.46279.04實際傳動比1.901.90可以看出齒輪傳動的強度符合要求，且傳動比在允許誤差范圍內，設計符合要求。1.9 踝關節(jié)設計踝關節(jié)通過低阻力關節(jié)部件和鉸鏈連接實現(xiàn)兩個自由度，但兩個自由度上均未配置驅動裝置，因此設計一個彈性機構，實現(xiàn)足部姿態(tài)的自動回正。行走時為了保證腳底時刻與地面完全接觸，在屈伸方向安放一對螺旋彈簧。同時彈簧的中心軸線與小腿的中心線有一定偏移，使得在內收外展方向彈簧也可以提供一定的彈性力，使得內收外展方向也有回正彈性力存在。圖1- 踝關節(jié)設計1.9.1 螺旋彈簧設計螺旋彈簧中心線距小腿中心線距離為12cm，螺旋彈簧的剛度應保證能夠克服人體重心偏離身體中心線時產生的偏轉