剛?cè)岵⒙?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【說(shuō)明書+CAD+SOLIDWORKS】,說(shuō)明書+CAD+SOLIDWORKS,剛?cè)岵⒙?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【說(shuō)明書+CAD+SOLIDWORKS】,并聯(lián),下肢,康復(fù),痊愈,機(jī)器人,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),說(shuō)明書,仿單,cad,solidworks 穿戴式下肢康復(fù)裝置的設(shè)計(jì) 莫佳佳，邱毅瑞，陳達(dá)仁 1.機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，寧波大學(xué)，818號(hào)，順化路，寧波，315211，中國(guó)浙江省。 2.機(jī)械工程學(xué)院，臺(tái)灣大學(xué)，1號(hào)，第4羅斯福路，臺(tái)北，臺(tái)灣，10617,achiuyijui@nbu.edu.cn，bdzchen@ntu.edu.tw。 關(guān)鍵詞：下肢關(guān)節(jié)；康復(fù)；肌電圖 摘要：我們提出了一種下肢康復(fù)裝置來(lái)幫助受損的人恢復(fù)腿的能力。該裝置由鏈接和彈簧組成，它的特點(diǎn)如下：（1）它是半被動(dòng)和以家庭為基礎(chǔ)的，使腦卒中患者受自己的控制進(jìn)行下肢體運(yùn)動(dòng)；（2）它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，但它有類似的性質(zhì)用于其他治療機(jī)器人上；（3）動(dòng)態(tài)平衡訓(xùn)練器和肌電圖（EMG）進(jìn)行BIODEX分析。結(jié)果表明，股直肌，股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌的訓(xùn)練對(duì)恢復(fù)非常好。. 1.介紹 在中國(guó)，那些患有神經(jīng)損傷的人，像輕偏癱中風(fēng)和一百萬(wàn)一年以上的交通事故。老年人和病人可能發(fā)生的肌肉無(wú)力或癱瘓，這往往限制他們大量的運(yùn)動(dòng)并對(duì)他們的日常生活帶來(lái)不好的影響。這些設(shè)備出現(xiàn)，就是為了幫助他們恢復(fù)肌肉強(qiáng)度和康復(fù)步態(tài)。 第一個(gè)MIT-MAUNS?【1】康復(fù)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，2012年，許多類型的治療設(shè)備已被陳【2】等聰慧的研究者意識(shí)到。并設(shè)計(jì)出“半被動(dòng)”戴的康復(fù)設(shè)備，這設(shè)備的彈簧裝在腦卒中患者上，使他們進(jìn)行上肢控制運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。然而，矯形器的下肢是典型的動(dòng)力。在本文中，我們提出了一個(gè)“半被動(dòng)”穿戴式下肢康復(fù)裝置，該裝置可以用來(lái)協(xié)助腿受損的人恢復(fù)腿的能力。 在文獻(xiàn)中，已經(jīng)有很多的方法能計(jì)算出重力?？祻?fù)機(jī)，包括配重，彈簧和輔助平行四邊形【3-5】。彈簧附件的選擇已被證明能夠平衡重量的下肢康復(fù)裝置，這典型運(yùn)動(dòng)人體的關(guān)節(jié)力矩可以分解為重力轉(zhuǎn)矩，慣性力矩和肌肉依從轉(zhuǎn)矩【6】。亞當(dāng)斯仿真軟件的研究實(shí)驗(yàn)方法，并探討當(dāng)穿戴下，人體下肢肌肉康復(fù)裝置的影響。Biodex，Biopac和肌電圖都是用來(lái)獲取關(guān)節(jié)力矩和肌肉電活動(dòng)的設(shè)備。 2.下肢的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 2.1設(shè)計(jì) 可穿戴式下肢康復(fù)裝置，如下圖所示,它是由木板組件和復(fù)位彈簧裝置組成。復(fù)位彈簧裝置連接木板和木板組件，組件包括大腿和小腿木板。一個(gè)腰帶是用在大腿上的木板，其長(zhǎng)度可調(diào)，是為了防止軸向和縱向移動(dòng)。彈簧的恢復(fù)裝置還包括兩個(gè)滑塊，它們是第一滑塊和第二滑塊。大腿板第一導(dǎo)軌與第一滑塊與小腿板第二導(dǎo)軌與第二滑動(dòng)對(duì)比。有三個(gè)彈簧安裝裝置。第一彈簧套在腰帶和腿板之間，第二彈簧放置固定軸和小牛板之間。彈簧的作用是將滑塊間的引力勢(shì)能的彈性勢(shì)能彈簧做康復(fù)運(yùn)動(dòng)。第三個(gè)彈簧固定大腿和小腿之間的木板，可以連接大腿與小腿板。 圖1是可穿戴式下肢康復(fù)裝置 圖1 2.2。運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 一個(gè)右下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)和坐標(biāo)系統(tǒng)示意圖如下。下肢包括兩個(gè)環(huán)節(jié)，大腿和小腿，大腿是從臀部到膝蓋的區(qū)域HK，小膝踝A?K是半被動(dòng)式外骨骼部分，卸髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)在重力的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，大腿和小腿的中心被假定固定，始終位于機(jī)器MT和MC 之間，在任何瞬時(shí)。上下肢的運(yùn)動(dòng)可分為兩運(yùn)動(dòng)：臀部分量θ1，θ2，膝關(guān)節(jié)彎曲分量X1，X2。 圖2 圖2是一個(gè)右下肢的運(yùn)動(dòng)學(xué)和坐標(biāo)系統(tǒng)圖 髖關(guān)節(jié)相當(dāng)于一個(gè)三自由度球形關(guān)節(jié)，而膝關(guān)節(jié)建模只允許屈伸關(guān)節(jié)單自由度。在本文中，我們只需要考慮髖關(guān)節(jié)屈曲-伸展膝關(guān)節(jié)，因?yàn)樗麄兊慕Y(jié)合是最重要的運(yùn)動(dòng)下肢。一種康復(fù)裝置示意圖如下圖所示。下肢結(jié)合外骨骼可以建模為一二連接串行連接。根據(jù)前面所述，我們?cè)谠O(shè)備的適當(dāng)位置添加彈簧和滑塊，以使系統(tǒng)重力平衡。這用于下肢康復(fù)裝置的彈簧裝置是共面的。 圖3，相應(yīng)的勢(shì)能圖 系統(tǒng)的潛在能量，由重力勢(shì)能，彈性潛在能量和質(zhì)量潛在能量組成。與人腳的質(zhì)量比較時(shí)，大腿和小腿是相對(duì)小的重力勢(shì)能，這兩者是微不足道的。因此，較低的重力勢(shì)能的四肢是 在M?t與Mc之間，右大腿和右小腿數(shù)量最多，Rhm是距離髖關(guān)節(jié)Mt中心的質(zhì)量，rRmc是膝關(guān)節(jié)MC中心的質(zhì)量, 相應(yīng)的彈性勢(shì)能的V1,V2,V3,彈簧模量K1,K2,K3，可以推導(dǎo)出 K1，K2，K3是三個(gè)彈簧的彈性模量，Lhb，Lcd，Lce是三個(gè)彈簧的長(zhǎng)度，大腿木板潛在能量是Vm1，木板潛在能量是Vm2，第一滑塊潛在能量是Vm3和第二滑塊潛在能量是Vm4，可以推導(dǎo)出公式： 根據(jù)（2）到（8），我們獲得了總的潛在能量 因此，腿會(huì)加入這三個(gè)所提到的潛在能量，并在重力平衡以上。 3。數(shù)值結(jié)果 建立了隨著下肢外骨骼運(yùn)動(dòng)學(xué)模型下肢。在這本文，我們利用亞當(dāng)斯模擬Biodex獲得髖關(guān)節(jié)力矩。Biopac和肌電圖（EMG）是被用來(lái)獲得肌肉電活動(dòng)的設(shè)備。下肢肌肉有四個(gè)部分，股直肌，股中間肌，股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌。然而，由于股中間肌深度，信號(hào)就被可靠地通過(guò)，使用表面肌電圖記錄。因此，對(duì)于其他三個(gè)肌肉的肌電圖收集。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)健康的年輕成年人參與評(píng)測(cè)，其測(cè)量參數(shù)在表1中列出該裝置的數(shù)量，這種裝置的功能相當(dāng)于一個(gè)沙袋綁在大腿上，提出了用沙袋練習(xí)的方法。他的右下肢從初始狀態(tài)下，大腿和小腿是在垂直位置。我們稱這種運(yùn)動(dòng)為“抬腿”運(yùn)動(dòng)。范圍從0度擴(kuò)展到90度。 表1。對(duì)男性下肢人體測(cè)量學(xué)參數(shù) 主觀方面 人體測(cè)量學(xué) 參數(shù) 水分 70厘米 大腿長(zhǎng)度 48厘米 髖關(guān)節(jié)膝關(guān)節(jié)長(zhǎng)度 44厘米 大腿電路 63厘米 膝CIR 43厘米 大腿寬 22厘米 膝寬 10厘米 黑色的線顯示在圖4上，它顯示出髖關(guān)節(jié)的扭矩，從實(shí)驗(yàn)“抬腿”運(yùn)動(dòng)與B（1.81公斤）重沙袋，而當(dāng)B權(quán)電阻連接到下肢外骨骼時(shí)，紅色是關(guān)節(jié)力矩通過(guò)ADMAS仿真。圖4顯示時(shí) 大腿與地面平行，關(guān)節(jié)力矩達(dá)到峰值的15000?n-mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果大約在16000?n-mm，其超過(guò)模擬量。 圖4髖關(guān)節(jié)屈曲-伸展的男性受試者關(guān)節(jié)力矩 圖5顯示一個(gè)男性的肌肉的肌電圖（a）是股直肌；（b）是股外側(cè)??；（c）是股內(nèi)側(cè)肌。在“抬腿”運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，所有三個(gè)肌肉被訓(xùn)練時(shí)，股直肌是最活躍的。股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌相對(duì)溫和，但表現(xiàn)出有兩個(gè)明顯的峰高度的一致性現(xiàn)象。 所有的肌肉沒(méi)有活性，到達(dá)時(shí)間是8秒。圖5是一個(gè)男性的肌肉的肌電圖，（a）是股直??；（b）是股外側(cè)??；（c）是股內(nèi)側(cè) 4。結(jié)論 下肢矯形器的介紹，旨在幫助步行的人。當(dāng)穿戴該裝置，我們使用亞當(dāng)斯仿真軟件，人體下肢的肌肉和關(guān)節(jié)力矩實(shí)驗(yàn)限制方法來(lái)探討影響。它表明，股直肌，股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌下肢康復(fù)肌肉訓(xùn)練非常好，我們相信這種矯形器康復(fù)裝置可能非常適用于一個(gè)潛在的肌肉無(wú)力或癱瘓患者，所有的研究工作是在浙江省新興藝術(shù)家（新廟）基金會(huì)的撥款20128405025號(hào)的資助下進(jìn)行的，基礎(chǔ)教育部：第y201119372號(hào)；下批準(zhǔn)號(hào)：2012a610077。 工具書類 【1】H.I. Krebs, N. Hogan, M.L. Aisen, B.T. Volpe，機(jī)器人輔助神經(jīng)康復(fù)，IEEE跨康復(fù)工程，vo1.6（1），（1998）第75-87頁(yè)。 【2】 邱毅瑞，陳達(dá)仁?，可穿戴式上肢矯形器訓(xùn)練設(shè)計(jì)康復(fù)致動(dòng)器，力學(xué)和材料卷。201-202（2012）第864-870頁(yè)。 【3】S.K.Agrawal, G. Gardner, S. Pledgie，重力平衡平面設(shè)計(jì)制作輔助的平行四邊形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，ASME，123卷（4）（2001），第525-528頁(yè)。 【4】G.J. Walsh, D.A. Streit, B. J. Gilmore，空間彈簧平衡理論，機(jī)械機(jī)器理論26 (2)（1991），第155-170頁(yè)。 【5】 D.A. STREIT，E. Shin，平衡機(jī)的平面連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)卷11（3）（1993），第604-610頁(yè)。 【6】Agrawal，banala，A. Fattah， Sangwan，Krishnamoorthy，J.P.?Scholz，W.L. Hsu，IEEE跨神經(jīng)系統(tǒng)與康復(fù)工程，第15（3）（2007），第410-420頁(yè)。 哈爾濱工程大學(xué) 2014 屆學(xué)士學(xué)位論文立題論證書 院（系） 機(jī)電工程學(xué)院 題目對(duì)應(yīng)專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 題目申報(bào)人 王克義 職 稱 講師 申報(bào)時(shí)間 2013.12.12 題目名稱 剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 題目來(lái)源 （劃√號(hào)，不可多選） 在研 科研項(xiàng)目 √ 生產(chǎn)實(shí)踐 自擬題目 題目類型 理工類 理論研究類（ ） 工程設(shè)計(jì)類（√） 軟件開發(fā)類（ ） 科學(xué)實(shí)驗(yàn)類（ ） 綜合類（ ） （劃√號(hào)，不可多選）? 文管類 理論型（） 應(yīng)用型（） 文獻(xiàn)綜述型（） （劃√號(hào)，不可多選） 課 題 簡(jiǎn) 述 隨著老齡化的到來(lái)以及自然災(zāi)害和交通事故等原因，接受康復(fù)訓(xùn)練的群體人數(shù)變得越來(lái)越大，研究康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人技術(shù)，研制康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人產(chǎn)品，對(duì)和諧社會(huì)建設(shè)具有重要意義。 剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人主要是針對(duì)下肢內(nèi)收外展/內(nèi)旋外旋運(yùn)動(dòng)而設(shè)計(jì)的，目的是同時(shí)實(shí)現(xiàn)下肢的上述運(yùn)動(dòng)模式。該機(jī)器人具有3個(gè)自由度，分別是平面2個(gè)移動(dòng)和腳踏板面的1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)。柔性機(jī)構(gòu)用于直接對(duì)腳踏板的牽引，而剛性支鏈?zhǔn)菫榱藢?shí)現(xiàn)繩索驅(qū)動(dòng)端位置的改變，實(shí)現(xiàn)不同的牽引形式。繩索和剛性支鏈構(gòu)成一種剛?cè)峄炻?lián)機(jī)器人的傳動(dòng)構(gòu)件。 本 課 題 預(yù) 期 目 標(biāo) 須填寫本課題應(yīng)完成的工作，課題預(yù)期目標(biāo)和成果形式 主要工作： 根據(jù)課題需要滿足的要求，查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，包括繩索牽引機(jī)構(gòu)和康復(fù)訓(xùn)練等方面，設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的總體方案，進(jìn)行機(jī)構(gòu)學(xué)分析，設(shè)計(jì)出該機(jī)器人各裝置的零部件，并分析部分裝置的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)；在三維機(jī)構(gòu)裝配圖基礎(chǔ)上進(jìn)行部分運(yùn)動(dòng)仿真。 課題預(yù)期目標(biāo)： 利用三維軟件完成機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，出CAD工程圖，并根據(jù)驅(qū)動(dòng)要求選擇驅(qū)動(dòng)元件；利用三維機(jī)構(gòu)裝配圖進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，以此驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。 成果形式： 工程圖0#圖紙3張，其中1張裝配圖，2張零部件圖； 畢業(yè)論文。 技術(shù)要求 上機(jī) 200 機(jī)時(shí) 圖紙 3 張 電路板 0 塊 閱讀文獻(xiàn) 25 篇 讀書筆記 2 萬(wàn)字 主 要 參 考 資 料 1.林龍震.pro/e 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，電子工業(yè)出版社，2004.4. 2.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，機(jī)械工業(yè)出版社，2004.8. 3.王克義,馬方超等.下肢內(nèi)收外展訓(xùn)練機(jī).中國(guó)發(fā)明專利.ZL201210173493.X. 4.Davis RB, Ounpuu S, et a1. A Comparision of two -dimensional and three -dimensional techniques for the determination of joint rotation angles [C]. Proceedings of the International Symposium on 3-D Analysis of Human Movement,Montreal, Canada, 1991: 67—70. 5.鄭文經(jīng)等.機(jī)械原理，高等教育出版社，2000.2. 6.機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)，機(jī)械工業(yè)出版社，1999.7. 上方要加支撐裝置，以分擔(dān)人體重量。右側(cè)添加導(dǎo)引裝置防止繩對(duì)絞盤造成損害，正視圖框架左右1.2m，側(cè)視圖框架間距離1m。 右側(cè)添加的導(dǎo)引裝置簡(jiǎn)圖 說(shuō)明書摘要 本發(fā)明提供的是一種下肢內(nèi)收外展訓(xùn)練機(jī)器人，該機(jī)器人由支撐框架、兩套繩索牽引支鏈、一套剛?cè)峄炻?lián)支鏈和腳踏板組成。支撐框架由型材搭建而成。兩套繩索牽引支鏈均由裝有編碼器的力矩電動(dòng)機(jī)、絞盤、繩索組成，固定在支撐框架上的力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絞盤轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)柔性繩索運(yùn)動(dòng)，兩套繩索牽引支鏈的繩索另一端共同連接到腳踏板上的一點(diǎn)處。剛?cè)峄炻?lián)支鏈由裝有編碼器的力矩電動(dòng)機(jī)、絞盤、繩索、裝有編碼器的直流電動(dòng)機(jī)、絲杠螺母、滑軌、過(guò)輪和力矩傳感器組成，固定在支撐框架上的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)由滑軌機(jī)構(gòu)約束的絲杠螺母機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)固定在螺母上的過(guò)輪平移運(yùn)動(dòng)；固定在支撐框架上的力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絞盤轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)柔性繩索運(yùn)動(dòng)，繩索的另一端通過(guò)力矩傳感器和過(guò)輪后連接到腳踏板上。本發(fā)明可用于下肢損傷患者進(jìn)行內(nèi)收外展康復(fù)訓(xùn)練，也可用于健康人的體育鍛煉。 6 摘要附圖 權(quán)利要求書 1、一種下肢內(nèi)收外展訓(xùn)練機(jī)器人，由支撐框架、兩套繩索牽引支鏈、一套剛?cè)峄炻?lián)支鏈和腳踏板組成。其特征是：支撐框架由型材搭建而成；兩套繩索牽引支鏈均由裝有編碼器的力矩電動(dòng)機(jī)、絞盤、繩索組成；剛?cè)峄炻?lián)支鏈由裝有編碼器的力矩電動(dòng)機(jī)、絞盤、繩索、裝有編碼器的直流電動(dòng)機(jī)、絲杠螺母、滑軌、過(guò)輪和力矩傳感器組成。 2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的下肢內(nèi)收外展訓(xùn)練機(jī)器人，其特征是：所述的兩套繩索牽引支鏈均是固定在支撐框架上的力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絞盤轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)柔性繩索運(yùn)動(dòng)。 3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的下肢內(nèi)收外展訓(xùn)練機(jī)器人，其特征是：所述的剛?cè)峄炻?lián)支鏈?zhǔn)枪潭ㄔ谥慰蚣苌系闹绷麟妱?dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)由滑軌機(jī)構(gòu)約束的絲杠螺母機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)固定在螺母上的過(guò)輪平移運(yùn)動(dòng)；而固定在支撐框架上的力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絞盤轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)柔性繩索運(yùn)動(dòng)，繩索的另一端通過(guò)力矩傳感器和過(guò)輪后連接到腳踏板上。 4、根據(jù)權(quán)利要求2所述的下肢內(nèi)收外展訓(xùn)練機(jī)器人，其特征是：所述的兩套繩索牽引支鏈的牽引繩索的一端共同連接到腳踏板上的一點(diǎn)處。 5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的下肢內(nèi)收外展訓(xùn)練機(jī)器人，其特征是：所述的剛?cè)峄炻?lián)支鏈的牽引繩索平分兩套繩索牽引支鏈的牽引繩索所夾角度。 6、根據(jù)權(quán)利要求3所述的下肢內(nèi)收外展訓(xùn)練機(jī)器人，其特征是：所述的剛?cè)峄炻?lián)支鏈的過(guò)輪平移方向不在三根牽引繩索所形成的平面上。 說(shuō)明書 下肢內(nèi)收外展訓(xùn)練機(jī)器人 （一）技術(shù)領(lǐng)域 本發(fā)明涉及一種康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，特別是涉及一種對(duì)下肢進(jìn)行內(nèi)收外展康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)器人，屬于康復(fù)訓(xùn)練器械。 （二）背景技術(shù) 醫(yī)學(xué)理論和實(shí)踐已經(jīng)證明，腦癱后遺癥或意外事故造成的肢體損傷患者需要進(jìn)行肢體訓(xùn)練，以便恢復(fù)肢體功能，防止肌肉“廢用性”萎縮和關(guān)節(jié)僵硬。為克服專業(yè)醫(yī)護(hù)人員的不足以及提高康復(fù)訓(xùn)練效果，出現(xiàn)了各種各樣的康復(fù)訓(xùn)練器械，一般是主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練器械附著受訓(xùn)練者肢體上，通過(guò)運(yùn)動(dòng)期望軌跡帶動(dòng)肢體運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到康復(fù)訓(xùn)練作用。老人運(yùn)動(dòng)能力較弱，通過(guò)機(jī)器人輔助運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，能夠提高運(yùn)動(dòng)機(jī)能。設(shè)計(jì)一種剛?cè)峄炻?lián)下肢訓(xùn)練機(jī)器人，用以對(duì)訓(xùn)練者進(jìn)行下肢內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，同時(shí)繩索牽引不僅方便驅(qū)動(dòng)單元的布置，而且增強(qiáng)了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和系統(tǒng)柔順性，能夠更好地滿足康復(fù)訓(xùn)練的需要。 目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)主要有以下幾種： 河北工業(yè)大學(xué)碩士論文“仿生外骨骼式下肢康復(fù)機(jī)器人研究”中提到一種采用柔性連接解決下肢內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)，該內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)是被動(dòng)形式的。專利號(hào)為201010203502.6的專利名稱為“繩索牽引下肢步態(tài)康復(fù)機(jī)器人”的發(fā)明專利闡述了，通過(guò)繩索牽引實(shí)現(xiàn)下肢屈伸運(yùn)動(dòng)控制；專利號(hào)為201120144824.8的專利名稱為“側(cè)臥位下肢外展裝置”的實(shí)用新型闡述了，通過(guò)一套支撐板和框架體實(shí)現(xiàn)固定下肢，防止側(cè)臥時(shí)下肢的內(nèi)收、內(nèi)旋。專利號(hào)為CN20092234252U 20090803?的專利名稱為“髖關(guān)節(jié)訓(xùn)練裝置”的實(shí)用新型闡述了，通過(guò)滑輪組和擺動(dòng)桿裝置實(shí)現(xiàn)下肢髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制。 上述相關(guān)文獻(xiàn)所介紹的下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置均未采用繩索牽引實(shí)現(xiàn)下肢內(nèi)收外展訓(xùn)練。 （三）發(fā)明內(nèi)容 本發(fā)明的目的在于提供一種下肢內(nèi)收外展訓(xùn)練機(jī)器人，用于對(duì)下肢損傷患者或老人的肌肉和關(guān)節(jié)功能進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：由框架構(gòu)成支撐系統(tǒng)；兩套繩索牽引支鏈的裝有編碼器的力矩電動(dòng)機(jī)固定在框架上，其驅(qū)動(dòng)絞盤轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)繩索運(yùn)動(dòng)，兩套繩索牽引支鏈的兩根繩索一端連接到腳踏板上的一點(diǎn)處；剛?cè)峄炻?lián)支鏈的裝有編碼器的直流電動(dòng)機(jī)固定在框架上，其驅(qū)動(dòng)受滑軌約束的絲杠螺母機(jī)構(gòu)，控制固定在螺母上的過(guò)輪平移運(yùn)動(dòng)，而固定在支撐框架上的裝有編碼器的力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絞盤轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)繩索運(yùn)動(dòng)，該繩索的另一端通過(guò)力矩傳感器和過(guò)輪后連接到腳踏板上。該機(jī)器人屬于并聯(lián)機(jī)構(gòu)。 本發(fā)明還有這樣一些結(jié)構(gòu)特征： 1、連接到腳踏板上的三根繩索處于同一平面上。 2、剛?cè)峄炻?lián)支鏈的牽引繩索平分兩套繩索牽引支鏈的牽引繩索所夾角度。 3、剛?cè)峄炻?lián)支鏈的過(guò)輪平移方向不在三根牽引繩索所形成的平面上。 4、三個(gè)驅(qū)動(dòng)繩索的力矩電動(dòng)機(jī)和一個(gè)驅(qū)動(dòng)絲杠的直流電動(dòng)機(jī)都安裝有編碼器。 5、剛?cè)峄炻?lián)支鏈的繩索在連接到腳踏板上之前經(jīng)過(guò)固定在框架上的力傳感器。 本發(fā)明下肢內(nèi)收外展訓(xùn)練機(jī)器人由支撐系統(tǒng)框架、兩套繩索牽引支鏈、一套剛?cè)峄炻?lián)支鏈和一個(gè)腳踏板組成。支撐系統(tǒng)框架由型材搭建而成，可根據(jù)需要任意移動(dòng)；兩套繩索牽引支鏈均由裝有編碼器的力矩電動(dòng)機(jī)、絞盤、繩索組成，兩個(gè)力矩電動(dòng)機(jī)分別固定在框架前后位置上的同一高度處，其驅(qū)動(dòng)絞盤轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)繩索牽引，兩根牽引繩索均連接到腳踏板側(cè)面中點(diǎn)處；一套剛?cè)峄炻?lián)支鏈由裝有編碼器的力矩電動(dòng)機(jī)、絞盤、繩索、裝有編碼器的直流電動(dòng)機(jī)、絲杠螺母、滑軌、過(guò)輪和力矩傳感器組成，固定在框架中間位置的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)受滑軌約束的絲杠螺母機(jī)構(gòu)，固定在支撐框架上的力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絞盤轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)繩索運(yùn)動(dòng)，該繩索的另一端通過(guò)力矩傳感器和固定在螺母上的過(guò)輪后連接到腳踏板另一側(cè)中點(diǎn)處。結(jié)構(gòu)布置保證了連接到腳踏板上的三根繩索是處于同一平面的，且剛?cè)峄炻?lián)支鏈的牽引繩索平分兩套繩索牽引支鏈的牽引繩索所夾角度，剛?cè)峄炻?lián)支鏈的過(guò)輪平移方向不在三根牽引繩索所形成的平面上。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)布置形式能夠?qū)崿F(xiàn)下肢內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。 工作初，訓(xùn)練者一只腳站立在平臺(tái)上，另一只腳放置在腳踏板里并扣緊，根據(jù)需要可以配備減重裝置。工作時(shí)，由繩索牽引支鏈和剛?cè)峄炻?lián)支鏈共同控制腳踏板做規(guī)劃運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)下肢內(nèi)收外展康復(fù)訓(xùn)練。 （四）附圖說(shuō)明 圖1是本發(fā)明進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)的主視圖； 圖2是本發(fā)明的主視圖； 圖3是本發(fā)明的俯視圖； 圖4是本發(fā)明的左視圖。 （五）具體實(shí)施方式 下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述說(shuō)明： 結(jié)合圖1-4，本發(fā)明下肢內(nèi)收外展訓(xùn)練機(jī)器人由支撐系統(tǒng)框架1、兩套繩索牽引支鏈、一套剛?cè)峄炻?lián)支鏈和一個(gè)腳踏板13組成。支撐系統(tǒng)框架1由型材搭建而成，可根據(jù)需要任意移動(dòng)；兩套繩索牽引支鏈均由裝有編碼器的力矩電動(dòng)機(jī)（12、14）、絞盤（11、15）、繩索（10、16）組成，兩個(gè)力矩電動(dòng)機(jī)（12、14）分別固定在框架1前后位置上的同一高度處，其驅(qū)動(dòng)絞盤轉(zhuǎn)動(dòng)（11、15），實(shí)現(xiàn)繩索（10、16）牽引，兩根牽引繩索（10、16）均連接到腳踏板13側(cè)面中點(diǎn)處；一套剛?cè)峄炻?lián)支鏈由裝有編碼器的力矩電動(dòng)機(jī)2、絞盤3、繩索5、裝有編碼器的直流電動(dòng)機(jī)9、絲杠螺母7、滑軌8、過(guò)輪6和力矩傳感器4組成，固定在框架1中間位置的直流電動(dòng)機(jī)9驅(qū)動(dòng)受滑軌8約束的絲杠螺母7機(jī)構(gòu)，固定在支撐框架1上的力矩電動(dòng)機(jī)2驅(qū)動(dòng)絞盤3轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)繩索5運(yùn)動(dòng)，該繩索5的另一端通過(guò)力矩傳感器4和固定在螺母上的過(guò)輪6后連接到腳踏板13另一側(cè)中點(diǎn)處。結(jié)構(gòu)布置保證了連接到腳踏板13上的三根繩索（5、10、16）是處于同一平面的，且剛?cè)峄炻?lián)支鏈的牽引繩索5平分兩套繩索牽引支鏈的牽引繩索（10、16）所夾角度，剛?cè)峄炻?lián)支鏈的過(guò)輪6平移方向不在三根牽引繩索（5、10、16）所形成的平面上。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)布置形式能夠?qū)崿F(xiàn)下肢內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。 工作初，訓(xùn)練者一只腳站立在平臺(tái)上，另一只腳放置在腳踏板13里并扣緊，根據(jù)需要可以配備減重裝置。工作時(shí)，由繩索牽引支鏈和剛?cè)峄炻?lián)支鏈共同控制腳踏板13做規(guī)劃運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)下肢內(nèi)收外展康復(fù)訓(xùn)練。 編號(hào)： 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 題 目： 剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2014年5月25日 V 摘 要 本次設(shè)計(jì)是對(duì)剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人裝置的設(shè)計(jì)。在這里主要包括:滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、這次畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)工作的基本技能的訓(xùn)練，提高了分析和解決工程技術(shù)問(wèn)題的能力，并為進(jìn)行一般機(jī)械的設(shè)計(jì)創(chuàng)造了一定條件。 整機(jī)結(jié)構(gòu)主要由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力通過(guò)聯(lián)軸器將需要的動(dòng)力傳遞到絲桿上，絲桿帶動(dòng)絲桿螺母，從而帶動(dòng)整機(jī)運(yùn)動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和生產(chǎn)自動(dòng)化水平。更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。 本論文研究?jī)?nèi)容： (1) 剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 (2) 剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人裝置工作性能分析。 (3)電動(dòng)機(jī)的選擇。 (4)剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人裝置的傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行部件及機(jī)架設(shè)計(jì)。 (5)對(duì)設(shè)計(jì)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算分析和校核。 (6)繪制整機(jī)裝配圖及重要部件裝配圖和設(shè)計(jì)零件的零件圖。 關(guān)鍵詞：剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人裝置，聯(lián)軸器，滾珠絲杠 Abstract This design is the design of the lower limb rehabilitation robot device mixed rigid flexible. Here mainly include: Design of ball screw drive system, the graduation design on the design of the basic skills training, enhancing the analysis and to solve engineering problems, and create a certain condition for general mechanical design. The structure is mainly produced by the motor power through the coupling will need to transfer the power to the screw rod, the screw rod drives the screw rod nut, thereby driving the movement, improve labor productivity and automation level of production. But also show its superiority, there are broad prospects for the development. The research of this thesis: (1) the rigid flexible hybrid lower limbs rehabilitative robot device structure design. (2) analysis of lower limbs rehabilitation robot device performance mixed rigid flexible. (3) the choice of motor. (4) transmission system, execution unit and frame design of rigid flexible hybrid lower limbs rehabilitative robot. (5) the design of components for the design calculation and check. (6) to draw the assembly drawing and parts assembly diagram and parts diagram design. Key words: rigid flexible hybrid lower limbs rehabilitative robot device, coupling, ball screw 目 錄 目 錄 IV 1 緒論 1 1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.2剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人原理及結(jié)構(gòu) 1 1.3 本課題研究的內(nèi)容及方法 3 1.3.1主要的研究?jī)?nèi)容 3 1.3.2設(shè)計(jì)要求 3 2 剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 2.1設(shè)計(jì)的要求與數(shù)據(jù) 4 2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 2.3 康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)草圖（框架圖） 5 3 康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì) 8 3.1 滾珠絲桿副的選擇 9 3.1.1導(dǎo)程確定 9 3.1.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 9 3.1.3估計(jì)工作臺(tái)質(zhì)量及負(fù)重 9 3.1.4確定絲桿的等效負(fù)載 9 3.1.5確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷 10 3.1.6精度的選擇 11 3.1.7選擇滾珠絲桿型號(hào) 11 3.2校核 12 3.2.1 臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證 12 3.2.2臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證 13 3.2.3絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率 13 3.3電機(jī)的選擇 14 3.3.1電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 14 3.3.2電機(jī)扭矩計(jì)算 15 4 其它零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算 17 4.1電機(jī)軸的設(shè)計(jì)校核 17 4.2鍵的校核 18 4.3軸承的校核 18 4.4力矩電機(jī)的選取 19 5 機(jī)架的設(shè)計(jì) 23 5.1對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)的基本要求 23 5.2機(jī)架的結(jié)構(gòu) 24 5.3橫梁設(shè)計(jì) 25 5.4機(jī)架的基本尺寸的確定 25 5.5主要梁的強(qiáng)度校核 25 結(jié)論 28 參考文獻(xiàn) 29 致 謝 30 1 緒論 1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的主要功能是幫助患者完成各種運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)訓(xùn)練，該類產(chǎn)品有行走訓(xùn)練、手臂運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、脊椎運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練等?？祻?fù)機(jī)器人有兩種：輔助型康復(fù)機(jī)器人和康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人。輔助型康復(fù)機(jī)器人主要是幫助肢體運(yùn)動(dòng)有困難的患者完成各種動(dòng)作，該類產(chǎn)品有機(jī)器人輪椅、機(jī)器人護(hù)士、機(jī)器人假肢、機(jī)械外骨骼等。 康復(fù)機(jī)器人是康復(fù)醫(yī)學(xué)和機(jī)器人技術(shù)的完美結(jié)合，康復(fù)機(jī)器人技術(shù)在歐美等國(guó)家得到了科研工作者和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的普遍重視，許多研究機(jī)構(gòu)都開展了有關(guān)的研究工作，近年來(lái)取得了一些有價(jià)值的成果。對(duì)于中風(fēng)、偏癱、下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)能損傷等患者來(lái)說(shuō)，下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人有著很好的治療效果。國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)都在這方面取得了不錯(cuò)的研究結(jié)果。下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人發(fā)展主要經(jīng)歷了幾個(gè)階段。由早期的簡(jiǎn)單步行訓(xùn)練機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在功能豐富、符合人體運(yùn)動(dòng)機(jī)理的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人。早期發(fā)展的下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)是借助于跑步機(jī)、懸吊系統(tǒng)等幫助患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，此種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，但訓(xùn)練過(guò)程中必須有專業(yè)人員的幫助，而且并不符合人體運(yùn)動(dòng)機(jī)理，還不能稱為康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，只能是一種半自動(dòng)的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)械，它的功能單一、價(jià)格便宜，而且需要在專業(yè)護(hù)理人員的幫助下進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，這種機(jī)械對(duì)下肢病情比較輕的病人較合適。 1.2剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人原理及結(jié)構(gòu) 剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人是一種下肢內(nèi)收外展訓(xùn)練機(jī)器人，該機(jī)器人由支撐框架、兩套繩索牽引支鏈、一套剛?cè)峄炻?lián)支鏈和腳踏板組成。支撐框架由型材搭建而成。兩套繩索牽引支鏈均由裝有編碼器的力矩電動(dòng)機(jī)、絞盤、繩索組成，固定在支撐框架上的力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絞盤轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)柔性繩索運(yùn)動(dòng)，兩套繩索牽引支鏈的繩索另一端共同連接到腳踏板上的一點(diǎn)處。剛?cè)峄炻?lián)支鏈由裝有編碼器的力矩電動(dòng)機(jī)、絞盤、繩索、裝有編碼器的直流電動(dòng)機(jī)、絲杠螺母、滑軌、過(guò)輪和力矩傳感器組成，固定在支撐框架上的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)由滑軌機(jī)構(gòu)約束的絲杠螺母機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)固定在螺母上的過(guò)輪平移運(yùn)動(dòng)；固定在支撐框架上的力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絞盤轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)柔性繩索運(yùn)動(dòng)，繩索的另一端通過(guò)力矩傳感器和過(guò)輪后連接到腳踏板上?？捎糜谙轮珦p傷患者進(jìn)行內(nèi)收外展康復(fù)訓(xùn)練，也可用于健康人的體育鍛煉。 本課題下肢內(nèi)收外展訓(xùn)練機(jī)器人由支撐系統(tǒng)框架、兩套繩索牽引支鏈、一套剛?cè)峄炻?lián)支鏈和一個(gè)腳踏板組成。支撐系統(tǒng)框架由型材搭建而成，可根據(jù)需要任意移動(dòng)；兩套繩索牽引支鏈均由裝有編碼器的力矩電動(dòng)機(jī)、絞盤、繩索組成，兩個(gè)力矩電動(dòng)機(jī)分別固定在框架前后位置上的同一高度處，其驅(qū)動(dòng)絞盤轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)繩索牽引，兩根牽引繩索均連接到腳踏板側(cè)面中點(diǎn)處；一套剛?cè)峄炻?lián)支鏈由裝有編碼器的力矩電動(dòng)機(jī)、絞盤、繩索、裝有編碼器的直流電動(dòng)機(jī)、絲杠螺母、滑軌、過(guò)輪和力矩傳感器組成，固定在框架中間位置的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)受滑軌約束的絲杠螺母機(jī)構(gòu)，固定在支撐框架上的力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絞盤轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)繩索運(yùn)動(dòng)，該繩索的另一端通過(guò)力矩傳感器和固定在螺母上的過(guò)輪后連接到腳踏板另一側(cè)中點(diǎn)處。結(jié)構(gòu)布置保證了連接到腳踏板上的三根繩索是處于同一平面的，且剛?cè)峄炻?lián)支鏈的牽引繩索平分兩套繩索牽引支鏈的牽引繩索所夾角度，剛?cè)峄炻?lián)支鏈的過(guò)輪平移方向不在三根牽引繩索所形成的平面上。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)布置形式能夠?qū)崿F(xiàn)下肢內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。 1.3 本課題研究的內(nèi)容及方法 1.3.1主要的研究?jī)?nèi)容 在查閱了國(guó)內(nèi)外大量的有關(guān)剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)理論及相關(guān)知識(shí)的資料和文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，綜合考慮剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、具體作業(yè)任務(wù)特點(diǎn)以及剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人的推廣應(yīng)用，分析確定使用剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化目的。 為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本文擬進(jìn)行的研究?jī)?nèi)容如下: 1 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的環(huán)境要求本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定康復(fù)機(jī)器人整體設(shè)計(jì)方案。 2 確定康復(fù)機(jī)器人的性能參數(shù)，對(duì)初步模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，根據(jù)實(shí)際情況選擇電機(jī)。 3 從所要功能的實(shí)現(xiàn)出發(fā)，完成康復(fù)機(jī)器人各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 4 完成主要零部件強(qiáng)度與剛度校核。 1.3.2設(shè)計(jì)要求 1 根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能，提出康復(fù)機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)方案； 2 完成康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)； 3 通過(guò)相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算，完成電機(jī)選型； 4 完成結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)總裝配圖、主要零件圖。 32 2 剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1設(shè)計(jì)的要求與數(shù)據(jù) 隨著老齡化的到來(lái)以及自然災(zāi)害和交通事故等原因，接受康復(fù)訓(xùn)練的群體人數(shù)變得越來(lái)越大，研究康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人技術(shù)，研制康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人產(chǎn)品，對(duì)和諧社會(huì)建設(shè)具有重要意義。 剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人主要是針對(duì)下肢內(nèi)收外展/內(nèi)旋外旋運(yùn)動(dòng)而設(shè)計(jì)的，目的是同時(shí)實(shí)現(xiàn)下肢的上述運(yùn)動(dòng)模式。該機(jī)器人具有3個(gè)自由度，分別是平面2個(gè)移動(dòng)和腳踏板面的1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)。柔性機(jī)構(gòu)用于直接對(duì)腳踏板的牽引，而剛性支鏈?zhǔn)菫榱藢?shí)現(xiàn)繩索驅(qū)動(dòng)端位置的改變，實(shí)現(xiàn)不同的牽引形式。繩索和剛性支鏈構(gòu)成一種剛?cè)峄炻?lián)機(jī)器人的傳動(dòng)構(gòu)件。 2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 一般來(lái)講，主要有兩部分，一是設(shè)計(jì)一套康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，固定在康復(fù)機(jī)器人的機(jī)架上。本設(shè)計(jì)只對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。取康復(fù)機(jī)器人步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量可選為0.01mm/脈沖，步進(jìn)電機(jī)的步距角0.9°。 方案 1、系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定 系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)，點(diǎn)位直線系統(tǒng)，連續(xù)控制系統(tǒng)?？祻?fù)機(jī)器人在工作臺(tái)移動(dòng)過(guò)程中頭并不進(jìn)行孔加工，因此裝置可采用點(diǎn)位控制方式。對(duì)點(diǎn)位系統(tǒng)的要求是快速定位，保證定位精度。 2、伺服系統(tǒng)的選擇 伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置伺服控制有開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)3種控制方式。開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)存在著控制精度不能達(dá)到較高水平的基本問(wèn)題，但是步進(jìn)電機(jī)具有角位移與輸入脈沖的嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系，使步距誤差不會(huì)積累；轉(zhuǎn)速和輸入脈沖頻率嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而且在負(fù)載能力范圍內(nèi)不受電流、電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化的特點(diǎn)。并且步進(jìn)電機(jī)控制的開環(huán)系統(tǒng)由于不存在位置檢測(cè)與反饋控制的問(wèn)題，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，易于控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與調(diào)試。并且隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，在改善步進(jìn)電機(jī)控制性能方面也取得了可喜的發(fā)展。因此，在一定范圍內(nèi)，這種采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的開環(huán)伺服系統(tǒng)可以滿足加工要求，適宜于在精度要求不很高的一般系統(tǒng)中應(yīng)用。雖然閉環(huán)、半閉環(huán)控制為實(shí)現(xiàn)高精度的位置伺服控制提供了可能，然而由于在具體的系統(tǒng)中，增加了位置檢測(cè)、反饋比較及伺服放大等環(huán)節(jié)，除了在安裝調(diào)試增加工作量和復(fù)雜性外，從控制理論的角度看，要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的良好穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，其難度也將大為提高。為此，考慮到在康復(fù)機(jī)器人上進(jìn)行設(shè)計(jì)，精度要求不是很高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)。 3、執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定 為確保系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝配時(shí)，通常提出低摩擦、低慣量、高剛度、無(wú)間隙、高諧振以及有適宜阻尼比的要求。 縮短傳動(dòng)鏈。縮短傳動(dòng)鏈可以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度，減小傳動(dòng)鏈誤差?？刹捎妙A(yù)緊以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度。如應(yīng)用預(yù)加負(fù)載的滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲杠傳動(dòng)副，絲杠支承設(shè)計(jì)成兩端軸向固定，并加預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)等提高傳動(dòng)剛度。采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副和滾動(dòng)導(dǎo)軌。 2.3 康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)草圖（框架圖） 人體的主要尺寸:國(guó)標(biāo)GB10000-1988給出身高、體重、上臂長(zhǎng)、前臂長(zhǎng)、大腿長(zhǎng)、小腿長(zhǎng)共六項(xiàng)主要尺寸數(shù)據(jù)。 下表是我國(guó)成年人人體主要尺寸和坐姿人人體尺寸(摘自GB10000-1988《中國(guó)成年人人體尺寸》): 主要尺寸 男(18～60歲) 女(15～55歲) 百分位數(shù) 5 50 95 5 50 95 身高 1583 1678 1775 1484 1570 1659 體重∕kg 48 59 75 42 52 66 上臂長(zhǎng) 289 313 338 262 284 308 前臂長(zhǎng) 216 237 258 193 213 234 大腿長(zhǎng) 428 465 505 402 438 476 小腿長(zhǎng) 338 369 403 313 344 376 根據(jù)參數(shù)擬定如下草圖，具體見下圖表示： 上方要加支撐裝置，以分擔(dān)人體重量。右側(cè)添加導(dǎo)引裝置防止繩對(duì)絞盤造成損害，正視圖框架左右1.2m，側(cè)視圖框架間距離1m。 右側(cè)添加的導(dǎo)引裝置簡(jiǎn)圖 3 康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì) 表 3-1滾珠絲桿副支承 支承方式 簡(jiǎn)圖 特點(diǎn) 一端固定一端自由 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，絲桿的壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速都較低設(shè)計(jì)時(shí)盡量使絲桿受拉伸。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度底，僅僅適用于短絲桿。 一端固定一端游動(dòng) 需保證螺母與兩端支承同軸，故結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工藝較困難，絲桿的軸向剛度與兩端相同，壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速比同長(zhǎng)度的較高，絲桿有膨脹余地，這種安裝方式一般用在絲桿較長(zhǎng)，轉(zhuǎn)速較高的場(chǎng)合，在受力較大時(shí)還得增加角接觸球軸承的數(shù)量，轉(zhuǎn)速不高時(shí)多用更經(jīng)濟(jì)的推力球軸承代替角接觸球軸承。 兩端固定 只有軸承無(wú)間隙，絲桿的軸向剛度為一端固定的四倍。一般情況下，絲桿不會(huì)受壓，不存在壓桿穩(wěn)定問(wèn)題，固有頻率比一端固定要高。可以預(yù)拉伸，預(yù)拉伸后可減少絲桿自重的下垂和熱膨脹的問(wèn)題，結(jié)構(gòu)和工藝都比較困難，這種裝置適用于對(duì)剛度和位移精度要求較高的場(chǎng)合。 3.1 滾珠絲桿副的選擇 滾珠絲桿副就是由絲桿、螺母和滾珠組成的一個(gè)機(jī)構(gòu)。作用就是把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動(dòng)體，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)滾珠滾動(dòng)。 3.1.1導(dǎo)程確定 電機(jī)與絲桿通過(guò)聯(lián)軸器連接，故其傳動(dòng)比i=1, 選擇電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，則絲杠的導(dǎo)程為 取Ph=12mm 3.1.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 基本公式 最大進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 最小進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 絲桿的等效轉(zhuǎn)速 式中取故 3.1.3估計(jì)工作臺(tái)質(zhì)量及負(fù)重 估算測(cè)量物重量 工作臺(tái)重量 移動(dòng)部件重量 3.1.4確定絲桿的等效負(fù)載 工作負(fù)載是指工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力，數(shù)值用進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算。取摩擦系數(shù)為0.03，K為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取1.1~1.5，本課題中取1.3，則絲桿所受的力為 其等效載荷按下式計(jì)算（式中取，） 3.1.5確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷 fw-------負(fù)載性質(zhì)系數(shù)，（查表：取fw=1.2） ft--------溫度系數(shù)（查表：取ft=1） fh-------硬度系數(shù)（查表：取fh =1） fa-------精度系數(shù)（查表：取fa =1） fk-------可靠性系數(shù)（（查表：取fk =1） Fm------等效負(fù)載 nz-------等效轉(zhuǎn)速 Th ----------工作壽命，取絲桿的工作壽命為15000h 由上式計(jì)算得Car=17300N 表3-1-1各類機(jī)械預(yù)期工作時(shí)間Lh 表3-1-2精度系數(shù)fa 表3-1-3可靠性系數(shù)fk 表3-1-4負(fù)載性質(zhì)系數(shù)fw 3.1.6精度的選擇 滾珠絲杠副的精度對(duì)電氣機(jī)床的定位精度會(huì)有影響，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，導(dǎo)程誤差對(duì)機(jī)床定位精度是最明顯的。一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定絲杠的任意300行程變動(dòng)量應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗(yàn)算中確定。，選用滾珠絲杠的精度等級(jí)X軸為1～3級(jí)（1級(jí)精度最高），Z軸為2～5級(jí)，考慮到本設(shè)計(jì)的定位精度要求及其經(jīng)濟(jì)性，選擇X軸Y軸精度等級(jí)為3級(jí)，Z軸為4級(jí)。 3.1.7選擇滾珠絲桿型號(hào) 預(yù)選滾珠絲杠參數(shù)能滿足工作要求，公稱直徑mm，螺旋升角，螺紋旋向?yàn)橛倚?，?fù)荷鋼球圈數(shù)為3圈，定位滾珠絲杠，返向器固定式內(nèi)循環(huán)，雙螺母墊片預(yù)緊，導(dǎo)珠管埋入式，精度等級(jí)為5級(jí) 。標(biāo)注為D-CZM2520-1.5-P5。在絲杠安裝前和日常維護(hù)中要涂油脂潤(rùn)滑，在生產(chǎn)作業(yè)中要套上防護(hù)套防止灰塵和噴霧的污染腐蝕。 3.2校核 滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓震動(dòng)固有頻率，其扭轉(zhuǎn)剛度影響扭轉(zhuǎn)固有頻率。承受軸向負(fù)荷的滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度KO有絲桿本身的拉壓剛度KS，絲桿副內(nèi)滾道的接觸剛度KC，軸承的接觸剛度Ka，螺母座的剛度Kn，按不同支撐組合方式計(jì)算而定。 3.2.1 臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證 絲桿的支撐方式對(duì)絲桿的剛度影響很大，采用一端固定一端支撐的方式。臨界壓縮負(fù)荷按下列計(jì)算： 式中E------材料的彈性模量E鋼=2.1X1011（N/m2） LO-------最大受壓長(zhǎng)度（m） K1-------安全系數(shù)，取K1=1.3 Fmax-------最大軸向工作負(fù)荷（N） f1-------絲桿支撐方式系數(shù)：f1=15.1 I=絲桿最小截面慣性距（m4） 式中do--------是絲桿公稱直徑（mm） dw------------滾珠直徑（mm）， 絲桿螺紋不封閉長(zhǎng)度Lu=工作臺(tái)最大行程+螺母長(zhǎng)度+兩端余量 Lu=300+148+20X2=488mm 支撐距離LO應(yīng)該大于絲桿螺紋部分長(zhǎng)度Lu，選取LO=620mm 代入上式計(jì)算得出Fca=5.8X108N 可見Fca＞Fmax，臨界壓縮負(fù)荷滿足要求。 3.2.2臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證 滾珠絲杠副高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需驗(yàn)算其是否會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠的最高轉(zhuǎn)速： 式中：A------絲桿最小截面：A= -------絲杠內(nèi)徑，單位； P--------材料密度p=7.85*103(Kg/m) --------臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度，單位為 ----------安全系數(shù)，可取=0.8 fZ----------絲杠支承系數(shù)，雙推-簡(jiǎn)支方式時(shí)取18.9 經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出= 6.3*104，該值大于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。 3.2.3絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率 絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度Ke的計(jì)算公式 式中 A——絲杠最小橫截面，； 螺母座剛度KH=1000N/μm。 當(dāng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)到兩極位置時(shí)，有最大和最小拉壓剛度，其中，L植分別為750mm和100mm。 經(jīng)計(jì)算得： 式中 Ke ——滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度(N/μm)； KH——螺母座的剛度(N/μm)；KH=1000 N/μm Kc——絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度(N/μm)； KS——絲杠本身的拉壓剛度(N/μm)； KB——軸承的接觸剛度(N/μm)。 經(jīng)計(jì)算得絲杠的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)大于1500r/min，能滿足要求。 3.3電機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖的頻率。步進(jìn)電機(jī)具有慣量低、定位精度高、無(wú)累計(jì)誤差、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中。選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率，再者還要考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和工作環(huán)境等因素。 3.3.1電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 a、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 上式中：d—直徑,絲桿外徑d=19.5mm L—長(zhǎng)度=1m P—鋼的密度=7800 經(jīng)計(jì)算得 b、直線運(yùn)動(dòng)件向絲桿折算的慣量 上式中：M—質(zhì)量 P—絲桿螺距（m）P=0.001m 經(jīng)計(jì)算得 c、聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 查表得 因此 3.3.2電機(jī)扭矩計(jì)算 a、折算至電機(jī)軸上的最大加速力矩 上式中： J=0.0028kg/m2 ta—加速時(shí)間 KS—系統(tǒng)增量，取15s-1,則ta=0.2s 經(jīng)計(jì)算得 b、折算至電機(jī)軸上的摩擦力矩 上式中：F0—導(dǎo)軌摩擦力，F(xiàn)0=Mf，而f=摩擦系數(shù)為0.02，F(xiàn)0=Mgf=32N P—絲桿螺距（m）P=0.001m η—傳動(dòng)效率，η=0.90 I—傳動(dòng)比，I=1 經(jīng)計(jì)算得 c、折算至電機(jī)軸上的由絲桿預(yù)緊引起的附加摩擦力矩 上式中P0—滾珠絲桿預(yù)加載荷≈1500N η0—滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率為0.9 經(jīng)計(jì)算的T0=0.05N·M 則快速空載啟動(dòng)時(shí)所需的最大扭矩 根據(jù)以上計(jì)算的扭矩及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，選擇電機(jī)型號(hào)為SIEMENS的IFT5066，其額定轉(zhuǎn)矩為6.7。 4 其它零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算 4.1電機(jī)軸的設(shè)計(jì)校核 可選軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。 電機(jī)軸的直徑為14, 由于軸的直徑小于100mm，且由1個(gè)鍵槽，故將軸徑增加5%，即 將軸徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑，取d=14mm 需要驗(yàn)算傳動(dòng)軸薄弱環(huán)節(jié)處的傾角荷撓度。驗(yàn)算傾角時(shí)，若支撐類型相同則只需驗(yàn)算支反力最大支撐處傾角；當(dāng)此傾角小于安裝齒輪處規(guī)定的許用值時(shí)，則齒輪處傾角不必驗(yàn)算。驗(yàn)算撓度時(shí)，要求驗(yàn)算受力最大的齒輪處，但通?？沈?yàn)算傳動(dòng)軸中點(diǎn)處撓度（誤差<%3）. 當(dāng)軸的各段直徑相差不大，計(jì)算精度要求不高時(shí)，可看做等直徑，采用平均直徑進(jìn)行計(jì)算，彎曲剛度驗(yàn)算；的剛度時(shí)可采用平均直徑或當(dāng)量直徑。一般將軸化為集中載荷下的簡(jiǎn)支梁，其撓度和傾角計(jì)算公式見【5】表7-15.分別求出各載荷作用下所產(chǎn)生的撓度和傾角，然后疊加，注意方向符號(hào)，在同一平面上進(jìn)行代數(shù)疊加，不在同一平面上進(jìn)行向量疊加。 通過(guò)受力分析， 最大撓度： 查【1】表3-12許用撓度； 。 4.2鍵的校核 鍵和軸的材料都是鋼，由【4】表6-2查的許用擠壓應(yīng)力,取其中間值，。鍵的工作長(zhǎng)度，鍵與輪榖鍵槽的接觸高度。由【4】式（6-1）可得 可見連接的擠壓強(qiáng)度足夠了，鍵的標(biāo)記為： 4.3軸承的校核 ⑴、軸軸承的校核 Ⅰ軸選用的是深溝球軸承6206，其基本額定負(fù)荷為19.5KN, 由于該軸的轉(zhuǎn)速是定值，所以齒輪越小越靠近軸承，對(duì)軸承的要求越高。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)該對(duì)Ⅰ軸未端的滾子軸承進(jìn)行校核。 ②軸傳遞的轉(zhuǎn)矩 ∴ 受力 根據(jù)受力分析和受力圖可以得出軸承的徑向力為: 在水平面： 在水平面： ∴ ④因軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中有中等沖擊載荷，又由于不受軸向力，【4】表13-6查得載荷系數(shù)，取，則有： ⑤軸承的壽命計(jì)算:所以按軸承的受力大小計(jì)算壽命 故該軸承6206能滿足要求。 ⑵、其他軸的軸承校核同上，均符合要求。 4.4力矩電機(jī)的選取 （1）粗略計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率 已知重量為m=100kg g=10N/kg 總重力G1=mg=1000N 查表3-1得摩擦系數(shù)為0.035 表3.1 摩擦系數(shù)表 作用在的載荷（包括自重） N 物品與接觸的底面材料 金屬 木材 硬底板 0～110 0.04 0.045 0.05 110～450 0.035 0.035 0.05 450～900 0.025 0.03 0.045 ≥900 0.02 0.025 0.05 1）驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算 則工件受到的摩擦力為： 則移行電機(jī)所需牽引力為： 假設(shè)直徑R=125mm 假設(shè)轉(zhuǎn)速na=61rpm 速度vω=πRna=π×0.125×61=24m/min 設(shè)功率安全系數(shù)為1.2，驅(qū)動(dòng)裝置的效率為0.8，則需要的驅(qū)動(dòng)功率為： 2）電動(dòng)機(jī)至的總效率η ηc—聯(lián)軸器效率，ηc=0.99 ηb—對(duì)滾動(dòng)軸承效率，ηb=0.99 ηv—帶效率，ηv=0.94 ηcy—效率，ηcy=0。96 估算傳動(dòng)系統(tǒng)總效率 η=ηvηbηcηcy=0.94×0.99×0.99×0.96=0.88 3） 所需電動(dòng)機(jī)的功率Pd（kw） Pd=Pw/η=0.05/0.88=0.06kw （1） 基于電動(dòng)機(jī)的以上特點(diǎn)，本文選用作為北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司部分110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)輸送機(jī)床的驅(qū)動(dòng)裝置。 圖3.4是北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司部分110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)。 圖3.4 110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù) 所以根據(jù)計(jì)算所得數(shù)據(jù)選擇110BYG350DH-SAKRMA型號(hào)的電機(jī)，圖3.5是110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)說(shuō)明。 圖3.5 110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)說(shuō)明 110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)的外形尺寸，如圖3.6所示。 圖3.6 110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)的外形尺寸 110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線，如圖3.7所示。 圖3.7 110BYG350DH型電機(jī)矩頻特性曲線 5 機(jī)架的設(shè)計(jì) 5.1對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)的基本要求 機(jī)架是整個(gè)機(jī)床的基礎(chǔ)支持件，一般用來(lái)放置重要部件。為了滿足機(jī)床高速度、高精度、高生產(chǎn)率、高可靠性和高自動(dòng)化程度的要求，與普通機(jī)床相比，機(jī)床應(yīng)有高的靜、動(dòng)剛度，更好的抗振性。 一、對(duì)機(jī)床的機(jī)架主要在以下三個(gè)方面提出了更高的要求： 1．很高的精度和精度保持性 在機(jī)架上有很多安裝零部件的加工面和運(yùn)動(dòng)部件的導(dǎo)軌面，這些面本身的精度和相互位置精度要求都很高，而且要長(zhǎng)時(shí)間保持。另外，機(jī)床在切削加工時(shí)，所有的靜、動(dòng)載荷最后往往都傳到機(jī)架上，所以，機(jī)架受力很復(fù)雜。為此，為保證零部件之間的相互位置或相對(duì)運(yùn)動(dòng)精度，除了滿足幾何尺寸位置等精度要求外，還需要滿足靜、動(dòng)剛度和抗振性、熱穩(wěn)定性、工藝性等方面的技術(shù)要求。 2．應(yīng)具有足夠的靜、動(dòng)剛度 靜剛度包括：機(jī)架的自身結(jié)構(gòu)剛度、局部剛度和接觸剛度，都應(yīng)該采取相應(yīng)的措施，最后達(dá)到有較高的剛度-質(zhì)量比。動(dòng)剛度直接反映機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能，為了保證機(jī)床在交變載荷作用下具有較高的抵抗變形的能力和抵抗受迫振動(dòng)及自激振動(dòng)的能力，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)脑黾幼枘?、提高固有頻率等措施避免共振及因薄壁振動(dòng)而產(chǎn)生噪音。 3．較好的熱穩(wěn)定性 對(duì)機(jī)床來(lái)說(shuō)，熱穩(wěn)定性已經(jīng)成了一個(gè)突出問(wèn)題，必須在設(shè)計(jì)上要做到使整機(jī)的熱變形小，或使熱變形對(duì)加工精度的影響小。熱變形將直接影響機(jī)架的原有的精度，從而是產(chǎn)品精度下降，如立軸矩臺(tái)平面磨床，立柱前臂的溫度高于后臂，是立柱后傾，其結(jié)果磨出的零件工作表面與安裝基面不平行；有導(dǎo)軌的機(jī)架，由于導(dǎo)軌面與底面存在溫差，在垂直平面內(nèi)導(dǎo)軌將產(chǎn)生中凸或中凹熱變形。因此，機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使熱變形盡量小。 二、機(jī)架設(shè)計(jì)的一般要求 ： 1） 在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下，機(jī)架的重量應(yīng)要求輕、成本低； 2） 抗振性好。把受迫振動(dòng)振幅限制在允許范圍內(nèi)； 3） 躁聲??； 4） 溫度場(chǎng)分布合理，熱變形對(duì)精度的影響??； 5） 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，工藝性良好，便于鑄造、焊接和機(jī)械加工； 6） 結(jié)構(gòu)力求便于安裝與調(diào)整，方便修理和更換零部件； 7） 有導(dǎo)軌的機(jī)架要求導(dǎo)軌面受力合理、耐磨性良好； 8） 造型好。使之既適用經(jīng)濟(jì)，有美觀大方。 5.2機(jī)架的結(jié)構(gòu) 1．機(jī)架結(jié)構(gòu) 根據(jù)機(jī)床的類型不同，機(jī)架的結(jié)構(gòu)形式有各種各樣的形式。例如車床機(jī)架的結(jié)構(gòu)形式有平機(jī)架、斜機(jī)架、平機(jī)架斜導(dǎo)軌和直立機(jī)架等四種類型。 另外，斜機(jī)架結(jié)構(gòu)還能設(shè)計(jì)成封閉式斷面，這樣大大提高了機(jī)架的剛度。鉆高精度立式萬(wàn)能磨床、加工中心等這一類機(jī)床的機(jī)架結(jié)構(gòu)與車床有所不同。例如加工中心的機(jī)架有固定立柱式和移動(dòng)立柱式兩種。前者一般使用于中小型立式和臥式加工中心，而后者又分為整體T形機(jī)架和前后機(jī)架分開組裝的T形機(jī)架。所謂T形機(jī)架是指機(jī)架是由橫置的前機(jī)架和與它垂直的后機(jī)架組成。整體式機(jī)架，剛性和精度保持性都比較好，但是卻給鑄造和加工帶來(lái)很大不便，尤其是大中型機(jī)床的整體機(jī)架，制造時(shí)需要大型設(shè)備。而分離式T形機(jī)架，鑄造工藝性和加工工藝性都大大改善。前后機(jī)架聯(lián)接處要刮研，聯(lián)接時(shí)用定位鍵和專用定位銷定位，然后再沿截面四周， 用大螺栓固緊。這樣聯(lián)接成的機(jī)架，再剛度和精度保持性方面，基本能滿足使用要求。這種分離式T形機(jī)架適用于大中型臥式加工中心。 由于機(jī)架導(dǎo)軌的跨距比較窄，致使工作臺(tái)在橫溜板上移動(dòng)到達(dá)行程的兩端時(shí)容易出現(xiàn)翹曲，將會(huì)影響加工精度，為了避免工作臺(tái)翹曲，有的立式加工中心增設(shè)了輔助導(dǎo)軌。 2．機(jī)架的截面形狀 機(jī)床的機(jī)架通常為箱體結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計(jì)機(jī)架的截面形狀及尺寸，采用合理布置的肋板結(jié)構(gòu)可以在較小質(zhì)量下獲得較高的靜剛度和適當(dāng)?shù)墓逃蓄l率。機(jī)架肋板一般根據(jù)機(jī)架結(jié)構(gòu)和載荷分布情況，驚醒設(shè)計(jì)，滿足機(jī)架剛度和抗振性要求，V形肋板有利于加強(qiáng)導(dǎo)軌支承部分的剛度；斜方肋和對(duì)角肋結(jié)構(gòu)可明顯增強(qiáng)機(jī)架的扭轉(zhuǎn)剛度，并且便于設(shè)計(jì)成全封閉的箱形結(jié)構(gòu)。 此外，還有縱向肋板和橫向肋板，分別對(duì)抗彎剛度和抗扭剛度有明顯效果；米字形肋板和井字形肋板的抗彎剛度也較高，尤其是米字形肋板更高。 3．機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免薄壁結(jié)構(gòu)并簡(jiǎn)化表面形狀。根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體情況及要求，機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)如下： 4.機(jī)架的設(shè)計(jì)步驟 ⑴根據(jù)機(jī)架上的零件、部件情況和設(shè)計(jì)要求初步確定機(jī)架及機(jī)架的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，以保證機(jī)架內(nèi)外的零件能正常運(yùn)動(dòng) ⑵根據(jù)產(chǎn)品批量和結(jié)構(gòu)形式初步確定制造方法，合理選擇材料，單件小批量的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備機(jī)架可以采用焊接結(jié)合的機(jī)架 ⑶分析承載情況，根據(jù)承載情況合理的選擇截面形式，確定主要設(shè)計(jì)參數(shù) ⑷畫出結(jié)構(gòu)草圖，進(jìn)行必要的強(qiáng)度和剛度計(jì)算和尺寸修改 ⑸對(duì)重要設(shè)備的機(jī)架，還應(yīng)該進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和模擬實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。 5.3橫梁設(shè)計(jì) 梁設(shè)計(jì)的要求與軸心受壓相仿，鋼梁設(shè)計(jì)應(yīng)考慮強(qiáng)度、剛度、整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定各個(gè)方面滿足要求。 (1)梁的強(qiáng)度計(jì)算主要包括抗彎、抗剪和折算應(yīng)力等強(qiáng)度應(yīng)足夠。 (2)剛度主要是控制最大撓度不超過(guò)按受力和使用要求規(guī)定的容許值。 (3)整體穩(wěn)定指梁不會(huì)在剛度較差的側(cè)向發(fā)生彎扭失穩(wěn)，主要通過(guò)對(duì)梁的受壓翼緣設(shè)足夠的側(cè)向支承，或適當(dāng)加大梁截面以降低彎曲壓應(yīng)力至臨界應(yīng)力以下。 (4)局部穩(wěn)定指梁的翼緣和腹板等板件不會(huì)發(fā)生局部凸曲失穩(wěn)，在梁中主要通過(guò)限制受壓翼緣和腹板的寬厚比不超過(guò)規(guī)定，對(duì)組合梁的腹板則常設(shè)置加勁肋以提高其局部穩(wěn)定性。 5.4機(jī)架的基本尺寸的確定 機(jī)架是支撐及其所有附件的可移動(dòng)機(jī)構(gòu)。要保證拆裝方便、安全；重量要輕，便于移動(dòng)；架子要有足夠的空間安裝。而且每個(gè)總成之間要考慮它們之間的協(xié)調(diào)關(guān)系?？紤]到這些方面的因素后要確定的一些尺寸根據(jù)這些數(shù)據(jù)，大概確定架子的長(zhǎng)高。這樣架子的地面的結(jié)構(gòu)就確定了。 5.5主要梁的強(qiáng)度校核 考慮到一些外在壓力，按照重量為1000N進(jìn)行校核。查機(jī)械工程材料 P105頁(yè)表5-2得，Q235鋼材的屈服強(qiáng)度σ b =375～460MPa，取σ b=375 MP a 解：和軸一樣建立如圖所示的坐標(biāo)系。 以軸心為x軸，垂直上平面的直線為y軸，一端點(diǎn)為圓點(diǎn)建立如圖6.1所示的平面直角坐標(biāo)系。 因?yàn)椋篎RD =1000N ，把RDE從D點(diǎn)移到E后的受力情況如圖6.1所示。 圖6.1 得到一個(gè)F和一個(gè)力矩M=Fab×Lbe=600×0.300N·M=180 N·m 計(jì)算軸的集慣性矩Ip和抗彎截面系數(shù)Wz，因?yàn)椴牧虾洼S的是一樣的， 所以σ b=375 MP a , Ip=∫y2dA =10.16cm4; W= Ip/y max=6773.6884×10--6m3 所以 σ max= M max / W=180/（6773.69×10--6）P a=0.26MP a 也設(shè)安全系數(shù)：K=5 故：K×σ max=5×0.26MP a=1.5 MP a﹤σ b=375 MP a 因此：也可以做出結(jié)論轉(zhuǎn)架在安全系數(shù)為5的情況下也是安全的。 得到一個(gè)F和一個(gè)力矩M=F×Lbe=600×0.3N·M=180 N·m 因?yàn)椋篎ba+Fde=2F=1200N 由于軸的受力完全對(duì)稱，故Fba=Fde=F=600N B點(diǎn)和F點(diǎn)的彎矩為：MB=WF=Fba×Lde+M=600×0.01+180 N·m=601.8N·m 計(jì)算軸的極慣性矩Ip 和抗彎截面系數(shù)Wz因?yàn)椴牧虾洼S的是一樣的，所以σ b=375 MP a , Ip=∫y2dA =10.16cm4; W= Ip/y max=6773.6884×10--6m3 所以 σ max= M max / W=305/（6773.69×10--6）P a=0.45MP a 也設(shè)安全系數(shù)：K=5 故：K×σ max=5×0.45 MP a=2.25 MP a﹤σ b=375 MP a 因此：也可以做出結(jié)論轉(zhuǎn)架在安全系數(shù)為5的情況下也是安全的。 所以可以進(jìn)行制作。 結(jié)論 本課題結(jié)合目前國(guó)剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人裝置的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，具體闡述了一種剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人裝置開發(fā)過(guò)程。本文主要完成的工作如下： 1、剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人裝置結(jié)構(gòu)方案的確定。分析了剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人裝置的特點(diǎn)，確定了剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人裝置基本結(jié)構(gòu)，并確定其基本尺寸。 2、確定了剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人裝置技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)。對(duì)該剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人裝置進(jìn)行了計(jì)算。 3、零件的剛度和壽命計(jì)算與校核。對(duì)各個(gè)已設(shè)計(jì)零件進(jìn)行剛度和壽命計(jì)算，確保滿足使用要求，使該剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人裝置有足夠的可靠性。 通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，不僅把大學(xué)所學(xué)到的理論知識(shí)很好的運(yùn)用到畢業(yè)設(shè)計(jì)中，而且培養(yǎng)了自己認(rèn)真思考的能力，在處理問(wèn)題時(shí)有了新的認(rèn)識(shí)和方法，并加強(qiáng)了和同學(xué)之間進(jìn)行探討和解決問(wèn)題的能力。 通過(guò)對(duì)專業(yè)知識(shí)的接觸和深入學(xué)習(xí)，以及對(duì)相關(guān)信息的獲取，我深切地認(rèn)識(shí)到，就目前的發(fā)展而言，我國(guó)的工業(yè)還比較落后，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在很大的差距。盡管我們不斷地在努力，但想在很短的時(shí)間內(nèi)改變這種現(xiàn)狀是很難的，尤其是對(duì)于我們這樣一個(gè)國(guó)情的大國(guó)。所以，我們應(yīng)該擁有的是一種民族意識(shí)，不斷的追求創(chuàng)新。 希望能將這套設(shè)計(jì)應(yīng)用到具體實(shí)踐當(dāng)中,通過(guò)實(shí)踐來(lái)驗(yàn)證理論的正確性。通過(guò)理論知識(shí)與具體實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，才能真正把一門知識(shí)應(yīng)用起來(lái)。 參考文獻(xiàn) [1] 張建民.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].高等教育出版社，2001（2）：45～49. 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