康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計含NX三維及11張CAD圖,康復(fù),痊愈,機(jī)器人,設(shè)計,nx,三維,11,十一,cad 康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計 摘 要 康復(fù)機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)是集機(jī)械學(xué)、醫(yī)學(xué)、計算機(jī)科學(xué)以及機(jī)器人技術(shù)等諸多學(xué)科為一體的新型交叉科研領(lǐng)域，伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，康復(fù)機(jī)器人技術(shù)得到了空前快速的發(fā)展，人們對康復(fù)醫(yī)療機(jī)械的技術(shù)要求也伴隨著生活水平的提高而日益增加，其目的主要在于克服及治療人類肢體功能障礙，使其最大極限地恢復(fù)原有的功能，實現(xiàn)最大程度的生活自理，提高生活質(zhì)量。 對于市面上現(xiàn)有的康復(fù)設(shè)備而言，產(chǎn)品功能過于單一，并且體積比較龐大，沒能實現(xiàn)整個手臂和手指關(guān)節(jié)及下肢康復(fù)的集成產(chǎn)品。在這樣的技術(shù)背景下，我國的康復(fù)器械正處于起步階段，伴隨著患者數(shù)量增加，醫(yī)療師資源的匱乏。就此現(xiàn)狀，發(fā)展康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的實際意義變得更加重大。不過隨著康復(fù)機(jī)器人的研究和技術(shù)的發(fā)展，有望進(jìn)一步化簡醫(yī)生和患者“一對一”的繁重醫(yī)療過程，推動患者享有最優(yōu)質(zhì)的康復(fù)服務(wù)的目標(biāo)。所以本設(shè)計通過對國內(nèi)外康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用等方面的總結(jié)，提出了一種新型綜合的康復(fù)機(jī)器人 康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人設(shè)計方案，主要針對上肢運動功能障礙患者的康復(fù)訓(xùn)練，在上肢康復(fù)的同時也可以進(jìn)行下肢的鍛煉，能夠更好的幫助患者早日恢復(fù)健康，身體恢復(fù)原有的運動能力。 具體工作如下: 依據(jù)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的應(yīng)用對象和應(yīng)用場合的不同，首先分析了現(xiàn)有康復(fù)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點.通過對各種設(shè)計方案的比較，確定了機(jī)器人的總體設(shè)計方案，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、機(jī)器人運動部件強(qiáng)度的分析、驅(qū)動方式的選擇、傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計及選擇等。 關(guān)鍵詞：醫(yī)療器械；康復(fù)機(jī)器人；機(jī)械手指 ABSTRACT Rehabilitation robot technology mechanics, medicine, computer science and robotics technology, capacity and many other disciplines as one of the new cross-field of scientific research, along with the development of science and technology, rehabilitation robotics has been an unprecedented rapid development, people the technical requirements of the mechanical rehabilitation therapy along with the improvement of living standards and increasing its main purpose is to overcome and treatment of human dysfunction or disease, so that the maximum limit to replace or restore the original function, to achieve the greatest degree of self-care, improve quality of life. For today's social rehabilitation equipment, the product is relatively homogeneous and relatively large size, have not been able to achieve the integrated product of the entire arm and finger joints and lower limb rehabilitation. This technical background, the rehabilitation of machinery in China today is in its infancy, along with the increase in the number of patients, lack of resources for medical division. This stat us the development of training robot even more significant. But with the rehabilitation robot research and technology development is expected to further of Jane doctors and patients, "one to one" heavy medical procedures, and promote the goal of patients enjoy the highest quality rehabilitation services. This design is a summary of the domestic and international development and application of the rehabilitation robot, a new rehabilitation robot Rehabilitation training robot design, mainly for the rehabilitation training of the upper limb motor function disorders, while the upper limb rehabilitation can also lower limb exercise, better able to help patients recover soon, the body to restore the original athletic ability. Specific activities include the following: According to the application objects and the different applications in rehabilitation training robot, first analyzes the characteristics of the mechanical structure of the existing rehabilitation robots through the comparison of various design options to determine the overall design of the robot, including the design of mechanical structures, intensity analysis of the robot moving parts, the choice of the drive mode, the transmission structure design and selection. Key words Medical equipment；Rehabilitation robot；Mechanical finger mechanism 目 錄 第一章 緒論 1 1.1 課題背景 1 1.2 研究的目的和意義 2 1.3 背景分析 3 第二章 機(jī)械手指結(jié)構(gòu)設(shè)計 5 2.1 產(chǎn)業(yè)化機(jī)械手指的結(jié)構(gòu) 5 2.2 人手的生物學(xué)特性分析 6 2.3 傳動系統(tǒng)的比較 7 2.4 外骨骼手指機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 10 2.5 錐齒輪選擇和強(qiáng)度校核 12 2.6 電動機(jī)類別的選擇 15 第三章 機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 18 3.1 連桿及自由度的設(shè)計 18 3.2 手臂的運動模式 19 3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計 19 3.4 關(guān)節(jié)電機(jī)的選擇 19 第四章 鏈輪機(jī)構(gòu)設(shè)計 21 4.1 鏈傳動的結(jié)構(gòu)特點和應(yīng)用 21 4.2 鏈傳動的受力分析 22 4.3 滾子鏈傳動的設(shè)計計算 23 4.4 鏈的尺寸計算 26 第五章 軸的設(shè)計 27 5.1 軸的概述 27 5.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 27 5.3 軸的校核 27 5.4軸的材料選擇 31 第六章 下肢康復(fù)機(jī)構(gòu)的設(shè)計 32 6.1 飛輪設(shè)計 32 6.2 調(diào)速機(jī)構(gòu)設(shè)計 33 謝 辭 36 參考文獻(xiàn) 37 第一章 緒論 1.1 課題背景 第二次抽樣調(diào)查統(tǒng)計的結(jié)果顯示，我國各類殘疾人總數(shù)已達(dá)到8200萬之多，占據(jù)全國總?cè)丝诘?.34%。殘疾人的總數(shù)與1987年中國進(jìn)行第一次抽查時相比，已增加了3000多萬，其中肢體殘疾人數(shù)超過2412萬。此外，由中風(fēng)引起的殘疾人數(shù)近年來也呈現(xiàn)上升趨勢，我國中風(fēng)病患者每年增加660多萬，其中1/3以上的患者最終會導(dǎo)致死亡，當(dāng)下中風(fēng)已成為導(dǎo)致死亡的第三大罪魁禍?zhǔn)?，其致殘率甚至高達(dá)75%。在青壯年人群中，由于交通事故、工傷等原因，也會出現(xiàn)了許多的肢體殘疾者。 康復(fù)機(jī)器人技術(shù)研究是近30年來迅速發(fā)展起來的一門綜合性較強(qiáng)的學(xué)科。它綜合了機(jī)械設(shè)計學(xué)、力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)人工智能、自動控制、計算機(jī)工程、傳感技術(shù)、仿生學(xué)等學(xué)科，該項學(xué)科已經(jīng)嫣然成為最新的技術(shù)研究成果，它充分的體現(xiàn)了機(jī)電一體化多學(xué)科互相滲透，結(jié)合的特點，代表了機(jī)電一體化的最高成就?？祻?fù)訓(xùn)練機(jī)器人是近些年來才涌現(xiàn)的一種新型機(jī)器人。本文主要是研究外骨骼康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，康復(fù)機(jī)器人正是機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。伴隨著人民生活水平的提高和科技進(jìn)步，我國和世界上的許多國家一樣，正逐漸步入老齡化，而在老齡人群之中有大量的腦血管疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者，這類患者多數(shù)會伴有偏癱癥狀。與此同時，由于交通運輸工具的迅速增長，因為交通事故而導(dǎo)致神經(jīng)性損傷或者是肢體損傷的人數(shù)也在呈現(xiàn)上升的趨勢。醫(yī)學(xué)理論和臨床醫(yī)學(xué)證實，這類患者除了必要的臨床手術(shù)治療和必要的藥物治療以外，科學(xué)、正確、有效的康復(fù)訓(xùn)練對于那些肢體運動功能有障礙的患者起到非常重要的恢復(fù)和提高的作用.康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人作為一種機(jī)電結(jié)合的自動化康復(fù)醫(yī)療儀器，以醫(yī)學(xué)理論為治療的依據(jù)，幫助患者進(jìn)行有效而又科學(xué)的康復(fù)運動，從而使患者的運動機(jī)能得到最大限度的恢復(fù)。康復(fù)機(jī)器人由計算機(jī)系統(tǒng)控制，康復(fù)訓(xùn)練在設(shè)定的程序下自動進(jìn)行，根據(jù)病人的實際的情況，調(diào)節(jié)其運動的參數(shù)，實現(xiàn)最佳的康復(fù)訓(xùn)練效果。此外康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人還可以作為健康的老年人體育運動訓(xùn)練器械。 康復(fù)機(jī)器人的研究貫穿了多個研究領(lǐng)域，儼然已經(jīng)成為了國際機(jī)器人領(lǐng)域的一個研究熱點、焦點?？祻?fù)的含義是受創(chuàng)傷或者得了某些疾病后通過治療，又恢復(fù)了患者肢體或器官的正常的功能或形狀。通俗的來講，康復(fù)工程主要是致力于為患者提供諸如此類輔助裝置。從而把那些先進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)引入到醫(yī)療康復(fù)工程中來，最終在康復(fù)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)中得以很好的體現(xiàn)，形成了康復(fù)醫(yī)學(xué)和機(jī)器人技術(shù)的完美結(jié)合。目前來說康復(fù)機(jī)器人已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到了康復(fù)護(hù)理、裝配人體假肢、康復(fù)治療、康復(fù)訓(xùn)練等各個方面，這不僅促進(jìn)了康復(fù)機(jī)械在醫(yī)學(xué)的發(fā)展，也帶動了相關(guān)領(lǐng)域的理論和新技術(shù)發(fā) 康復(fù)機(jī)器人是醫(yī)用機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人的完美結(jié)合。人們第一次想要嘗試把為殘疾人服務(wù)的機(jī)器人產(chǎn)品化還要追溯到在上世界60年代到70年代。當(dāng)時的一些實踐證明那個時期人們的嘗試都是以最后的失敗而告終，其失敗的原因主要有兩方：第一個方面就是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的不理想，不夠人性化，尤其是沒有良好的控制系統(tǒng)；第二個方面主要是技術(shù)的原因，單價太高導(dǎo)致了康復(fù)機(jī)器人最終想要實現(xiàn)產(chǎn)品化的目標(biāo)失敗。上世紀(jì)80年代是康復(fù)機(jī)器人研究的起步階段，美國、英國和加拿大等一些發(fā)達(dá)國家在康復(fù)機(jī)器人研究方面已經(jīng)處于世界的領(lǐng)先地位。在1990年以前全球的56個康復(fù)機(jī)器人研究中心分布在5個工業(yè)區(qū)內(nèi)：英聯(lián)邦，加拿大，斯堪的納維亞半島，歐洲大陸和北美及日本。在1990年以后一些發(fā)達(dá)國家在康復(fù)機(jī)器人方面的研究就進(jìn)入到全面發(fā)展時期。 1.2 研究的目的和意義 為了能夠幫助眾多肢體殘疾病人得到有效、及時的治療，特別是提高肢體殘疾人生活自理的能力，使更多殘疾人的肢體功能得以恢復(fù)原有的運動能力，所以康復(fù)機(jī)器人便騰空出世，使那些失去部分人體機(jī)能的病人得到一部分肢體功能的補(bǔ)償?？梢钥闯鰴C(jī)電結(jié)合的康復(fù)機(jī)器人對肢體功能有障礙的病人的康復(fù)起到了十分重要的作用。目前國內(nèi)外研究表明，大腦的神經(jīng)系統(tǒng)具有一定的可塑性，大腦運動神經(jīng)功能的萎縮主要源于長期的不運動，然而數(shù)據(jù)表明通過行之有效的治療，能夠恢復(fù)受損運動神經(jīng)的部分功能，而且90%的中風(fēng)患者可以恢復(fù)其獨自步行的能力和生活自理的能力，有些人還能恢復(fù)其工作能力。 醫(yī)療器械的康復(fù)機(jī)器人不同于普通的工業(yè)機(jī)器人，康復(fù)機(jī)器人需要與人體直接進(jìn)行作用接觸，因此，如何保證病人在康復(fù)訓(xùn)練過程中既安全又舒適，便成為康復(fù)機(jī)器人設(shè)計中需要解決的關(guān)鍵問題之一。為了更好的適應(yīng)人體的運動模式，必須針對康復(fù)機(jī)器人的使用特點進(jìn)行必要的設(shè)計，對其整體機(jī)械結(jié)構(gòu)與驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行部位的特殊設(shè)計。在病人康復(fù)訓(xùn)練初期，康復(fù)機(jī)器人需要帶動患者的肢體運動，以一定的運動力實現(xiàn)安全的主動運動;在患者肢體功能逐漸恢復(fù)以后，為了能夠更好的增強(qiáng)康復(fù)訓(xùn)練效果，康復(fù)機(jī)器人可以實現(xiàn)給患肢施加一定的附加載荷，實現(xiàn)由肢體帶動的被動運動?？祻?fù)機(jī)器人在外骨骼輔助患者肢體運動的同時，其整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)也能夠很好的主動順應(yīng)肢體的動作，從而實現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練安全性和舒適性的根本保證，同時這也是康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)區(qū)別于一般傳統(tǒng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的根本特征，而且這也是制約康復(fù)機(jī)器人應(yīng)用的一個瓶頸問題。研究設(shè)計實用的符合病人康復(fù)理念的康復(fù)機(jī)器人，必須要先設(shè)計出安全可靠、符合人體工程學(xué)要求的康復(fù)機(jī)器人。整體結(jié)構(gòu)及其各個關(guān)節(jié)的驅(qū)動模式?？祻?fù)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)要同時具備外骨骼式的可穿戴，重量較輕等特質(zhì)。康復(fù)運動的形式要綜合，康復(fù)訓(xùn)練過程中要有安全舒適等特點。 要想更加全面的研究康復(fù)機(jī)器人必須要先解決其整體結(jié)構(gòu)以及驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計，使它的在可穿戴性及舒適性方面能夠滿足人體工程學(xué)的要求，否則將會嚴(yán)重影響到康復(fù)機(jī)器人的臨床應(yīng)用的效果，進(jìn)而影響了康復(fù)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，鑒于當(dāng)今社會的研制康復(fù)機(jī)器人市場需求的迫切性，本次畢業(yè)設(shè)計研究具有人體工程學(xué)特點康復(fù)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動機(jī)構(gòu)，勢必具有較好的市場前景及應(yīng)用的前景。而且對緩解康復(fù)醫(yī)療師的工作壓力、降低康復(fù)機(jī)器人的生產(chǎn)成本，同時對促進(jìn)康復(fù)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)也起到了非常重要的作用?，F(xiàn)根據(jù)我國的實際國情， 2010年康復(fù)機(jī)器人的產(chǎn)量以達(dá)到30000臺，開發(fā)設(shè)計具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)的康復(fù)機(jī)器人，勢必將很大程度上提升我國在康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域的自主研發(fā)的能力，促進(jìn)康復(fù)機(jī)器人在我們國家的產(chǎn)業(yè)化，從而使其在這一領(lǐng)域縮小與那些發(fā)達(dá)國家之間的技術(shù)差距。并且開發(fā)出成本較低的康復(fù)機(jī)器人，來迎合我國大多數(shù)家庭的需要。這對于振興和發(fā)展民族高科技工業(yè)將起到?jīng)Q定性的作用，同時對提升民族工業(yè)的自信心也有著重要的意義。連鎖反應(yīng)，康復(fù)機(jī)器人的技術(shù)的發(fā)展在不斷的創(chuàng)新、研究及產(chǎn)業(yè)化，這對構(gòu)建和諧社會的大環(huán)境也起到了極大的促進(jìn)作用，全社會將更多地形成幫助與關(guān)心殘疾人這一特殊的社會群體氛圍。綜上所述，研發(fā)面向殘疾人的機(jī)電結(jié)合的機(jī)器人產(chǎn)品，并實現(xiàn)康復(fù)機(jī)器人產(chǎn)品化，不僅對硬件的控制系統(tǒng)提供了驗證的平臺，還緩解康復(fù)醫(yī)師工作的壓力、降低了康復(fù)機(jī)器人的生產(chǎn)成本、促進(jìn)了康復(fù)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化具有重要的世紀(jì)意義。 1.3 背景分析 康復(fù)機(jī)器人國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人應(yīng)屬于醫(yī)療機(jī)器人范疇之內(nèi)的，康復(fù)機(jī)器人如果說從功能上分的話，可分為外骨骼輔助型康復(fù)機(jī)器人和實用性康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，是機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域新的應(yīng)用?？祻?fù)訓(xùn)練機(jī)器人的主要功能應(yīng)該是幫助患者完成各種機(jī)體損傷功能的恢復(fù)訓(xùn)練，如行走訓(xùn)練、手臂運動訓(xùn)練、脊椎運動訓(xùn)練等。本論文主要是針對手指關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)，肩關(guān)節(jié)以及下肢康復(fù)訓(xùn)練的儀器。而對該康復(fù)機(jī)器人的主要研究方面包括康復(fù)機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)、動力學(xué)、運動學(xué)等。 數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)今社會康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人主要是用于中風(fēng)病患者、神經(jīng)功能損傷患者、肢體運動功能損傷患者的康復(fù)治療。而我國的中風(fēng)病可以說是世界高發(fā)病地區(qū)之一，據(jù)不完全統(tǒng)計，中風(fēng)患者的幸存者中約有70%-80%的患者會有不同程度的殘疾。對與這些病人來說，針對他偏袒部位進(jìn)行及早的治療及康復(fù)訓(xùn)練是十分重要和關(guān)鍵的醫(yī)療技術(shù)手段，可以很大程度上減少殘疾的可能性。為了克服傳統(tǒng)醫(yī)療手段的弊端，那么進(jìn)一步開發(fā)研究康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人的必要性就不言而喻了。 醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，其實從整體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上分，主要包括三個階段:本地的康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制的康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)以及基于虛擬環(huán)境的康復(fù)醫(yī)療訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)。其中有兩種主要工作模式:關(guān)節(jié)運動訓(xùn)練模式和肢體肌力訓(xùn)練模式。我國發(fā)展肢體康復(fù)醫(yī)療機(jī)器的技術(shù)經(jīng)驗和一些發(fā)達(dá)的國家相比較還處于起步階段，近些年來，這一問題也引起了國內(nèi)有關(guān)人士的重視，但較國外的發(fā)展水平還有一定的距離，大多為一些簡易型康復(fù)訓(xùn)練器械，智能化程度非常低，國外發(fā)展較早，相關(guān)的技術(shù)都已經(jīng)比較成熟。所以綜上所述我們不難看出，在醫(yī)療器械康復(fù)機(jī)器人的這一領(lǐng)域我們的發(fā)展前景還是非?？捎^的，下面就讓我來為大家簡單的介紹一種由自己設(shè)計的新型康復(fù)機(jī)器人。 下面為大家介紹一下本人在這次畢設(shè)中所設(shè)計的康復(fù)機(jī)器人，以下就是一個UG渲染的三維效果圖，從這個圖中我們可以看到他的整體框架以及結(jié)構(gòu)特點，通過這樣一個康復(fù)訓(xùn)練器材，病人可以鍛煉自己的手臂、手指、下肢等功能有障礙的部位。 圖1-1 康復(fù)機(jī)器人三維效果圖 第二章 機(jī)械手指結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 產(chǎn)業(yè)化機(jī)械手指的結(jié)構(gòu) 目前，對于康復(fù)機(jī)器人的研究主要集中在醫(yī)院機(jī)器人系統(tǒng)、康復(fù)機(jī)械手、智能輪椅、轉(zhuǎn)配智能假肢和康復(fù)治療機(jī)器人等幾個使用性領(lǐng)域。 隨著外骨骼康復(fù)機(jī)器人康復(fù)理論研究和外骨骼機(jī)械裝置臨床實踐的不斷發(fā)展，外骨骼機(jī)械康復(fù)裝置的發(fā)展呈現(xiàn)幾個小方面發(fā)展。①康復(fù)鍛煉小關(guān)節(jié)以及多關(guān)節(jié)的方向發(fā)展；②向嵌入式、小型化、便攜的形式發(fā)展；③開發(fā)復(fù)合更有效的結(jié)構(gòu)形式；④開發(fā)和應(yīng)用新的動力源和傳動方式； 國內(nèi)的哈爾濱工程大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等學(xué)校都已經(jīng)進(jìn)行了康復(fù)機(jī)器人的相關(guān)研究，并對現(xiàn)有的康復(fù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了必要的機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)，而且集成了多種傳感器如角度、力等微型傳感器等。通過簡單的機(jī)械配合與執(zhí)行機(jī)構(gòu)巧妙的結(jié)合在一起，雖然機(jī)構(gòu)整體的重量變輕了，但是對那些肢體功能有損傷的患者治療康復(fù)效果卻變得越來越好。 就目前市場上出現(xiàn)了適合手指關(guān)節(jié)康復(fù)的外骨骼機(jī)械儀器來看，如下圖所示，需要的價格非常昂貴，并且多個手指通過較復(fù)雜的傳動機(jī)構(gòu)采用一個電機(jī)控制驅(qū)動，雖然實現(xiàn)所謂的康復(fù)運動，但運動不夠精確，機(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，實現(xiàn)的康復(fù)功能較為單一，而且不能對康復(fù)過程實時監(jiān)控，缺乏感知信息。 圖2-1 機(jī)械手指產(chǎn)品 綜合以上實例分析得出以下結(jié)論，現(xiàn)有的手部外骨骼康復(fù)儀器大多存在下列的缺點以及不足：1、康復(fù)儀器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜；2、不能很好的使五個手指同時得到康復(fù)訓(xùn)練目的；3、康復(fù)儀器體積較大，攜帶不便；4、運動不夠精確；5、安全性能較差 2.2 人手的生物學(xué)特性分析 人類的手部具有非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，手部是由作為動力機(jī)構(gòu)的肌肉、連接骨骼的韌帶、骨骼、和把肌肉與骨骼連在一起的肌腱以及手上的皮膚和軟組織等（在這里我們忽略神經(jīng)以及血液系統(tǒng)）組成。手指的骨骼是在關(guān)節(jié)處相連，其大小尺寸沒有變化。肌肉產(chǎn)生了力矩，手部通過肌膜控制關(guān)節(jié)的運動，對與每一條肌肉都會有一條或者多條與其力矩相反的肌肉相互作用。由于骨骼在整體運動中發(fā)揮著支撐以及各種姿態(tài)的主導(dǎo)作用，所以對于手部運動的研究也勢必需要以其骨骼的構(gòu)造為主要對象。在事實上，不同部位的功能與關(guān)節(jié)的形狀的不同，則決定手部各部位的最終姿態(tài)。其中主要的原因就是處于各個關(guān)節(jié)之間的骨骼不會自身產(chǎn)生變化，所以這種連接可以認(rèn)為屬于剛體性質(zhì)的鏈接。因而各個部位的運動完全取決于關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動本體。 一般來說，手部的關(guān)節(jié)至多是內(nèi)收外運動和伸展彎曲運動。彎曲運動是指在手掌自然平面相縱向垂直的平面上的運動。這主要是通過手背的指間關(guān)節(jié)和腕部關(guān)節(jié)來完成。除了能夠完成相應(yīng)需求運動之外，手背及手掌與手指連接的關(guān)節(jié)，還能進(jìn)行內(nèi)外伸展運動。應(yīng)當(dāng)在之前說明的是，這類關(guān)節(jié)的彎曲運動與內(nèi)收外展運動間有著非常特定的約束關(guān)系，即彎曲運動完成以后，一般不會再有內(nèi)收外展軸向的轉(zhuǎn)動。 除大拇指以外，其他四個手指相對于手掌的運動由指掌關(guān)節(jié)MP、指間關(guān)節(jié)PIP、指端關(guān)節(jié)DIP決定手指具有4個自由度，其中MP處有2個自由度；PIP和DIP處各有1個自由度；大拇指有2個自由度，整個手部的手指共有18個自由度，如下圖所示。 圖2-2 人手機(jī)構(gòu)模型 手指運動的特點主要包括：①手指關(guān)節(jié)彎曲伸展的范圍和內(nèi)收外展的范圍有限，如MP關(guān)節(jié)的最大彎曲角度一般不大于90度；②各段手指骨可以在同一個平面內(nèi)運動；③大拇指外伸的兩段指骨可以在同一平面內(nèi)運動；④手指骨MP處彎曲的軸線以及內(nèi)收外展的軸線幾乎垂直；⑤手指骨的PIP和DIP關(guān)節(jié)之間的運動相互約束，即使沒有外力的作用下，當(dāng)彎曲PIP關(guān)節(jié)的同時，DIP關(guān)節(jié)也必然會隨之彎曲；⑥反之也是一樣的。根據(jù)正常成年男女手指功能模型，手指運動角度我們給出了下面這個手部的尺寸圖供參考。 圖2-3 手指的尺寸 如上圖所示，我們可以很清楚看出大部分人在各個年齡段手部的各個關(guān)節(jié)相關(guān)尺寸長度，根據(jù)對上面的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的分析，從而機(jī)械手指的結(jié)構(gòu)設(shè)計按照圖表尺寸一步一步的完善，最終可以達(dá)到滿足不同病人使用的需要。 2.3 傳動系統(tǒng)的比較 外骨骼機(jī)械手指康復(fù)儀器的傳動系統(tǒng)，根據(jù)其動力源的不同，可以把它大體分為五種形式，即電動、液壓、氣壓、氣液聯(lián)合和電液聯(lián)合傳動等多種方式。目前采用的主要是前三種。 （1）液壓傳動 液壓傳動是目前用得非常多的一種傳動方式，壓力為5～140公斤／厘米2，臂力最大可以達(dá)到100公斤以上。 液壓傳動的優(yōu)點： ① 壓力高(一般在20～40公斤／厘米2，有的可以高達(dá)140公斤／厘米2)。可以實現(xiàn)較大的驅(qū)動力，用其設(shè)計的機(jī)構(gòu)可做得比較輕小、緊湊。 ②定位精度高、無級變速，可以實現(xiàn)任意中間位置的停止。系統(tǒng)的固有振動頻率較高，容量、壓力調(diào)節(jié)容易。 ③ 重量小、慣性較小，可以做到多次及快速且無沖擊的變速、換向。比較容易操控，功作平穩(wěn)，遲滯小。 ④ 有良好潤滑性能、壽命較長。 ⑤ 可以采用伺服型定位控制方式，達(dá)到連續(xù)的控制。 ⑥ 可以把直線油缸以及回轉(zhuǎn)油缸直接做成手臂的一部分，結(jié)構(gòu)簡單，剛性較好。 液壓傳動缺點： ① 需配備壓力源，管路系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。 ② 油溫變化影響液壓系統(tǒng)的性能，不適用于高溫或低溫的環(huán)境。 ③ 對于中型高速動作的外骨骼康復(fù)的機(jī)械手指，如果需要實現(xiàn)聯(lián)動，那么油泵、電機(jī)和油箱都要需要較大，增加了系統(tǒng)壓力，密封困難。 ④ 油液容易泄漏，這不僅影響工作的穩(wěn)定性和定位精度，而且會污染環(huán)境。 ⑤ 油液中容易混入水分、氣泡，使系統(tǒng)剛度下降，快速響應(yīng)特性及定位精度變壞。 ⑥ 容易燃燒，工作的噪聲較大。 （2）氣壓傳動 氣壓傳動在工業(yè)機(jī)械于中用得也是比較多。它的壓力一般在4～6公斤／厘米2，個別的可以達(dá)到8～10公斤／厘米2。臂力一般是在30公斤以下。高速機(jī)械手采用氣壓傳動機(jī)構(gòu)的較多。執(zhí)行的元件主要包括氣缸、氣馬達(dá)、氣閥等。 氣壓傳動的優(yōu)點： ① 該機(jī)構(gòu)不需要增速機(jī)構(gòu)就可以獲得較高的運動速度，這個其實正是簡易型機(jī)械手的一項主要的性能，使其可以適應(yīng)各種速度非?？斓淖詣影徇\工作； ② 氣源比較方便，一般工廠都會有壓縮空氣站； ③ 空氣的泄漏基本是無害，因此對管路要求比較低； ④ 適應(yīng)易燃、易爆等惡劣環(huán)境下工作； ⑤ 結(jié)構(gòu)、保養(yǎng)都很簡單，成本較低； ⑥可以將直線風(fēng)缸和擺動風(fēng)缸做成手臂的一部分，結(jié)構(gòu)比較簡單，剛性較好。 氣壓傳動的缺點： ① 壓力較低，出力較小，體積較大。 ② 空氣可以壓縮性較大，粘滯性比油要低，阻尼效果較差，對于定位控制和低速運動不利，實現(xiàn)中間位置的停止很難。而且需要付出很高代價才能夠在一個循環(huán)系統(tǒng)中得到不同的速度，因此該系統(tǒng)不能用于控制連續(xù)軌跡，只合適于點位控制。 ③ 可以采用簡易型“開一關(guān)”控制。 ④ 潤滑性能較差，壓縮空氣中含有水分，氣動系統(tǒng)的元件易銹蝕，低溫時水分結(jié)冰，并且起動困難。 ⑤ 使用后的壓縮空氣可以直接排入大氣．會引起噪聲污染。 （3）電動傳動 電動傳動系統(tǒng)是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力矩，通過直接或間接的機(jī)械傳動裝置來實現(xiàn)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能。像這類驅(qū)動系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，因此效率比氣動和液壓驅(qū)動較高，而且具有使用方便、噪聲低和控制靈活等諸多優(yōu)點，在各類工業(yè)機(jī)器人中得到了廣泛應(yīng)用。 電機(jī)傳動的優(yōu)點： ① 動力源非常簡單，維護(hù)及使用也是極其方便； ② 控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)可以同時采用一種型式的動力； ③ 動作準(zhǔn)確性可靠，工作速度可以選用的種類較多，成本也較低。 電機(jī)傳動的缺點： ①該機(jī)構(gòu)需要具有減速裝置和把電機(jī)的回轉(zhuǎn)運動變成直線運動的機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)龐大，速度不容易控制。 ② 如果需要變換程序時，要改變連桿尺寸和凸輪形狀。因此，如果結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的話，調(diào)整不夠靈活，通用性較差。 ③ 當(dāng)機(jī)構(gòu)慣性力大時，元件容易磨損，而影響定位精度。 綜上所述，考慮到需要輸出較大的力矩，便于檢測，容易控制，維修方便，體積小以及成本低等方面考慮，最終選用電動作為動力源。 2.4 外骨骼手指機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖2-4 機(jī)械手指三維效果圖 1 伺服電機(jī) 2手指固定架 3電機(jī)座 4齒輪架 5錐齒輪 6連桿旋轉(zhuǎn)板 7長套筒 8 螺釘 9中套筒 10彎連桿 11手指套 12手指墊板 13軸承1 4手指套固定板 15旋轉(zhuǎn)固定板 16短套筒 17直連桿 18拇指固定板 19機(jī)械手指底板 如上圖所示，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力是伺服電機(jī)提供的，所以比較容易得到，不需要附加其他形式驅(qū)動力。本課題選擇了由一對傳動比為1的錐齒輪作為傳動機(jī)構(gòu)，將伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動形式轉(zhuǎn)化為整個手指上下擺動的運動形式，結(jié)構(gòu)由7個可以變化的連桿組成，可以迎合不同尺寸的手指，不僅可以實時改變手指的長度還可以改變手指的角度?？梢宰畲笙薅鹊臐M足人們的需要，工作過程如下：當(dāng)伺服電機(jī)ECMA C-206按照所編寫的程序有規(guī)律轉(zhuǎn)動時，通過錐齒輪的傳動，從而帶動了平行于固定架的錐齒輪轉(zhuǎn)動，與該錐齒輪通過鍵配合的平行連桿一隨著錐齒輪的轉(zhuǎn)動，這樣手指的整體機(jī)構(gòu)按一定規(guī)律上下擺動，連桿一將這一運動形式最終傳遞到了與病人的手指固定在一起的手指套上面，進(jìn)而帶動手指的上下擺動 從而實現(xiàn)鍛煉手指關(guān)節(jié)的目的。- 圖2-5 ABS樹脂材料性能 連桿及套筒所用的材料為ABS樹脂材料， ABS樹脂是以丁二烯、苯乙烯、丙烯腈為原料。采用乳液聚合法制成聚丁二烯膠乳，再用此膠乳與苯乙烯和丙烯腈進(jìn)行乳液接枝共聚，就制得ABS粉料。采用懸浮聚合法制成AS（SAN）乳料。然后將ABS粉料、SAN乳料和各種添加劑按一定配比摻混，經(jīng)擠出造粒，最終得到ABS樹脂產(chǎn)品。ABS樹脂是丙烯腈—丁二烯—苯乙烯的三元共聚物。ABS樹脂外觀微黃不透明，相對密度1.04。它具有良好尺寸穩(wěn)定性，突出的耐沖擊性、耐熱性、介電性、耐磨性，表面光澤性好，易涂裝和著色等優(yōu)點。 2.5 錐齒輪選擇和強(qiáng)度校核 2.5.1齒輪材料的選擇 考慮到設(shè)計的齒輪傳遞的功率不大，速度不高，采用含碳量在0.15%～0.6%的碳鋼制造齒輪，為提高齒輪耐磨性和輪齒強(qiáng)度，對齒面采用滲碳、表面淬火等熱處理，硬度可以達(dá)到200HBS。 2.5.2按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計 ≥2.92 （1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 ①試選K＝1.3 ②齒輪(1)傳遞的轉(zhuǎn)矩。 ③選取尺寬系數(shù)φR＝1/3 ④查機(jī)械設(shè)計手冊到材料的彈性影響系數(shù)ZE＝189.8Mpa ⑤通過機(jī)械設(shè)計手冊查得按齒面硬度查得. 齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限MPa（碳鋼調(diào)質(zhì)曲線）； ⑥計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) ＝60n1jLh＝60251（2836510）＝3.4 ⑦查得接觸疲勞壽命系數(shù)由手冊查得接觸疲勞壽命系數(shù):＝0.92；=0.92 ⑧計算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為1％，安全系數(shù)S＝1，由公式得 ＝0.92×600MPa＝552MPa ＝0.92×600MPa＝552MPa （2）計算 ①試算齒輪分度圓直徑d1t，代入中較小的值。 ≥2.92 ==10.5mm ②計算圓周速度 v===0.014m/s ③計算齒寬b R==10.5×=5.99mm b=φRR=×5.99mm=1.99mm ④計算齒寬與齒高之比 分度圓錐角=arctan=450 平均分度圓直徑dm1=d1(1-0.5φR)=8.715mm mT==0.618，則： 齒高 h=2.25mT=2.25×0.618mm=1.4mm b/h=10.5/1.4=7.5mm ⑤計算載荷系數(shù) 根據(jù)v=0.014m/s,7級精度，由機(jī)械手冊可以查得動載系數(shù)=1 （工作機(jī)器屬于伺服電機(jī)）； 機(jī)械手冊查得=1.2屬于經(jīng)表面硬化 查得使用系數(shù)由于速度計較小所以KA=1 故載荷系數(shù) =1.198 K′==1.725 ⑥按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑得 ==mm=11.54mm ⑦計算模數(shù)m m= 2.5.3 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計 m≥ （1）確定公式內(nèi)的計算數(shù)值 ①由機(jī)械手冊查得齒輪1的彎曲疲勞強(qiáng)度極限=540Mpa；齒輪2德爾彎曲疲勞極限強(qiáng)度=540MPa ②查得彎曲壽命系數(shù)=0.86 =0.86 ③計算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取安全系數(shù)S=1.4 =（）/S==331.7Mpa = （）/S==331.7Mpa ④計算載荷系數(shù) K==1.25*1.15*1.1*1.08=1.708 ⑤查取應(yīng)力校正系數(shù) 由機(jī)械手冊查得 =2.97；=2.97 ⑥查取齒形系數(shù) 同時可以查得 =1.52 ⑦計算齒輪的并 ==0.0136 (2)設(shè)計計算 m≥ 即： m≥=0.538mm 對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)0.538，并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=0.6mm。 2.6 電動機(jī)類別的選擇 本次畢業(yè)設(shè)計所使用的電機(jī)都為伺服電機(jī)，主要是考慮到伺服電機(jī)比較容易控制，可以通過脈沖來確定位置，所以定位比較準(zhǔn)確，伺服電機(jī)接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度，從而實現(xiàn)相對位移的變化，因為，伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確的定位，伺服電機(jī)的定位精度可以達(dá)到0.001mm。直流伺服電機(jī)分為有刷和無刷電機(jī)。有刷電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)不方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。 　　1、無刷電機(jī)體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝?fù)雜，容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機(jī)免維護(hù)，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。 　　2、交流伺服電機(jī)也是無刷電機(jī)，分為同步和異步電機(jī)，目前運動控制中一般都用同步電機(jī)，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運行的應(yīng)用。 　　3、伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機(jī)自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。 選擇電動機(jī)，首先要確定電機(jī)工作點的力矩有多大，及在這個力矩下需要的電機(jī)轉(zhuǎn)速（即額定轉(zhuǎn)速）是多少。依此可以確定需要什么型號以及什么類型的的電機(jī)能滿足這個要求。根據(jù)工作環(huán)境及條件，本次設(shè)計是選用伺服電機(jī)，它不僅體積小，重量輕，力矩比較大而且平穩(wěn)，速度高相應(yīng)快，可以通過硬件電路的設(shè)計以及程序的設(shè)計來控制脈沖數(shù)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度及轉(zhuǎn)動方向。 確定電動機(jī)功率和型號 ①工作機(jī)所需功率：Pw =FV=52W ②電動機(jī)輸出功率： 電動機(jī)所需的功率為： 由題意知，選擇電動機(jī)額定功率Ped=100w。 ③電動機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇 選擇電動機(jī)轉(zhuǎn)速25r/min 由公式 可以算出它的扭矩 通過改變 T=0.6 選定伺服電機(jī)型號,參數(shù)如下圖： 電動機(jī)型號 額定功率 （W） 電動機(jī)質(zhì)量 （kg） 額定轉(zhuǎn)矩（NM） ECMA C-206 100 0.3 0.7 下面簡單的介紹一下，機(jī)械手指機(jī)構(gòu)在整個康復(fù)機(jī)器人中的位置情況以及工作的性質(zhì)。 圖2-7 康復(fù)機(jī)器人整體框架圖 通過圖2-7康復(fù)機(jī)器人整體二維圖的框架,可以清晰的看到機(jī)械手指是通過螺栓安裝固定在機(jī)械手臂的前端，機(jī)械手臂的前端有一個可以旋轉(zhuǎn)的構(gòu)件也是通過螺栓與機(jī)械手臂鉸接在一起，機(jī)械手指的整體機(jī)構(gòu)采用4個螺栓緊固在這個旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，這樣機(jī)械手指機(jī)構(gòu)可以根據(jù)不同人的手腕的角度需求，自己進(jìn)行必要的調(diào)整，最終實現(xiàn)了機(jī)械手指的旋轉(zhuǎn)功能。 第三章 機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1 連桿及自由度的設(shè)計 圖3-1 三維效果圖 手臂承受載荷的能力大、自重輕。手臂的運動性能直接影響到動作的平穩(wěn)性、運動的速度和定位精度。如剛性差則會引起手臂在垂直平面內(nèi)的彎曲變形和水平面內(nèi)的側(cè)向扭轉(zhuǎn)變形，手臂就要產(chǎn)生振動，或動作時工件卡死無法工作。 手臂的運動速度要適當(dāng)，慣性要小。機(jī)械手的運動速度要適當(dāng)尤其是在外骨骼手臂更是如此，如果轉(zhuǎn)動過快就會導(dǎo)致病人在康復(fù)運動過程中手臂受傷，所以不宜盲目地追求高速度。手臂自重輕，其啟動和停止的平穩(wěn)性就好。 位置精度要高。機(jī)械手臂要獲得較高的位置精度，除采用脈沖來控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動方法以外，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上機(jī)械手臂也要有剛度、偏重力矩、慣性力及緩沖效果都直接影響手臂的位置精度。行程檢測機(jī)構(gòu)。 機(jī)械手臂是機(jī)械手的主要部分，它不僅支撐手腕，機(jī)械手指機(jī)構(gòu)還可以使他們在一定范圍內(nèi)有規(guī)律的運動，機(jī)械手臂的連桿結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)整變位條在軌道中的位置 改變螺栓位置從而改變連桿的長度尺寸，來適應(yīng)不同長度的手臂。自由度是機(jī)械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，自由度越多，機(jī)械手臂的靈活性就越大，對病人的治療也就非常有幫助。不僅能夠使患者手臂的各個關(guān)節(jié)都能參與到運動過程中，而且對損傷部位的康復(fù)治療也起到及其重要的作用，所以本次設(shè)計的整個機(jī)械手臂的自由度為3。整個機(jī)械手臂的連桿材料為鈦合金TA6，密度為4.4g/cm，選擇該材料的主要原因是密度較小，在相同體積的情況下，質(zhì)量小并且硬度非常大，它的Rm要大于685N/mm,所以使用這種鈦合金材料足夠支撐整個上肢機(jī)構(gòu)運動。 3.2 手臂的運動模式 機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)決定了手臂的運動模式，在肩部和肘部各安置有一個型號是MPF-B330P-SJ22AA，MPF-A330P-MJ22AA伺服電機(jī)，康復(fù)機(jī)器人通過控制系統(tǒng)來控制電機(jī)的脈沖，從而控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向以及轉(zhuǎn)動的角度，在后期制作中可以在這里安裝一個力傳感器 型號K1-GMC250 通過該力傳感器實時的測量轉(zhuǎn)動的部位受力情況，當(dāng)該傳感器測到的數(shù)值達(dá)到一定極限時，證明現(xiàn)在病人的手臂已經(jīng)達(dá)到了轉(zhuǎn)動極限，那么將該信號回饋到控制系統(tǒng)，這樣通過程序控制使相應(yīng)關(guān)節(jié)的伺服電機(jī)反向轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)外骨骼手臂的擺動的效果，最終達(dá)到康復(fù)手臂功能的作用。型號為MPF-B330P-SJ24AA的伺服電機(jī)的底部與座椅的靠背通過螺栓緊固在一起，各個關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式均屬于直接驅(qū)動方式，所謂直接驅(qū)動就是電機(jī)與其所驅(qū)動的負(fù)載直接耦合在一起，直接驅(qū)動的方式不存在其他的復(fù)雜機(jī)構(gòu)，這種設(shè)計理念消除了繁瑣的間接的傳動機(jī)構(gòu)部件，如齒輪變速箱、皮帶、滑輪等。直接驅(qū)動轉(zhuǎn)動系統(tǒng)為設(shè)計者和試用者帶來許多好處，其實直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機(jī)技術(shù)不僅從根本上提高了機(jī)器的可靠性，而且減少了維護(hù)時間和不必要的麻煩。通過消除機(jī)械傳動帶來的柔性，直接驅(qū)動的設(shè)計模式避免了對電機(jī)和負(fù)載進(jìn)行慣性匹配的麻煩，同時電機(jī)的定位和速度精度也可以提高50倍。直接驅(qū)動電機(jī)還帶來另外一個好處，聽覺噪聲降低高達(dá)20dB。 3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計 機(jī)械手臂主要由與主伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)固定座，小臂連桿和大臂連桿等運動構(gòu)件組成，動力源來自不同型號的伺服電機(jī)，這樣的驅(qū)動形式屬于直接驅(qū)動。機(jī)械手臂能夠?qū)崿F(xiàn)3個自由度運動（由于機(jī)構(gòu)運動確定，因此機(jī)構(gòu)的自由度等于機(jī)構(gòu)的運動構(gòu)件數(shù)目）中間的關(guān)節(jié)部分分別由型號是MPF-B330P-SJ22AA伺服電機(jī)、MPF-A330P-MJ22AA伺服電機(jī)直接驅(qū)動，根據(jù)控制系統(tǒng)的程序的有效控制，最終實現(xiàn)機(jī)械手臂與人體手臂的和諧統(tǒng)一。 在機(jī)械手臂各個關(guān)節(jié)電機(jī)設(shè)計中，整個機(jī)械手臂有3個自由度，相當(dāng)于3個獨立的關(guān)節(jié)。每個關(guān)節(jié)的驅(qū)動原理都屬于直接驅(qū)動形式，所以省去了一些傳動機(jī)構(gòu)，這樣不僅使整個機(jī)構(gòu)簡單，而且便于操控及設(shè)計。 3.4 關(guān)節(jié)電機(jī)的選擇 3.4.1肘關(guān)節(jié)電機(jī)選擇 電動機(jī)類型選擇：根據(jù)工作環(huán)境以及工作條件選擇，本次畢業(yè)設(shè)計是選用瑞士ABB伺服電機(jī)，它具有國際互換性，工作能力可以滿足設(shè)計要求。 整個機(jī)械手指的質(zhì)量估算為2.5Kg 前手臂重量為2.4Kg 共計5Kg前段質(zhì)心到關(guān)節(jié)電機(jī)的距離約為280mm 通過公式T=FL=8*9.8*0.28=21.952Nm。后半段質(zhì)心到關(guān)節(jié)電機(jī)的距離約為300mm，通過公式T=FL=20*9.8*0..3=58.8Nm 伺服電機(jī)的選擇型號，如下表所示 1-電動機(jī)型號 輸出功率 電動機(jī)質(zhì)量（kg） 轉(zhuǎn)矩（NM） MPF-B330P-SJ22AA 7KW 4.8 30 2-電動機(jī)型號 輸出功率 電動機(jī)質(zhì)量（kg） 轉(zhuǎn)矩 （NM） MPF-A330P-MJ22AA 12KW 8.6 80 3.4.2肩關(guān)節(jié)電動機(jī)選擇 電動機(jī)類型選擇：根據(jù)工作電機(jī)的工作條件及環(huán)境，選用瑞士ABB伺服電機(jī)品牌，它具有國際互換性，工作能力可以滿足技術(shù)要求。而且結(jié)構(gòu)相對簡單 在控制速度方面可以很容易的實現(xiàn)控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度以及轉(zhuǎn)動的角度，并且伺服電機(jī)的內(nèi)部可以向系統(tǒng)發(fā)送脈沖，這樣系統(tǒng)也可以實時的檢測電機(jī)的工作情況，有利于康復(fù)訓(xùn)練的安全進(jìn)行。電動機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇 需要的力矩T=FL/2 T=FL=30*9.8*0.4=117.6Nm 選定伺服電機(jī),參數(shù)如下表所示： 電動機(jī)型號 輸出功率 力矩（NM） 電動機(jī)質(zhì)量（kg） MPF-B330P-SJ24AA 15.7KW 150 15.8 第四章 鏈輪機(jī)構(gòu)設(shè)計 4.1 鏈傳動的結(jié)構(gòu)特點和應(yīng)用 鏈傳動是一種柔性傳動，它由鏈條和鏈輪（大鏈輪和小鏈輪）組成 通過鏈輪輪齒與鏈條鏈節(jié)的嚙合來傳遞運動和動力，鏈傳動在機(jī)械制造中應(yīng)用廣泛 與摩擦型帶傳動比，鏈傳動無彈性滑動和整體打滑現(xiàn)象，因而能保持準(zhǔn)確的平均傳動比，傳動效率較高；又因鏈條不需要像帶那樣張得很緊，所以作用于軸上的景象壓力較?。绘湕l采用金屬材料制造，在同樣的使用條件下 鏈傳動的整體尺寸較小 ，結(jié)構(gòu)較為緊湊；同時看，鏈傳動能在高溫和超市的環(huán)境中工作。 與齒輪傳動相比，鏈傳動的制造與安裝精度要求較低，成本也低，在遠(yuǎn)距離傳動時，其結(jié)構(gòu)比齒輪傳動就、輕便很多。 鏈傳動的主要缺點是：只能實現(xiàn)平行軸間鏈輪的同向傳動；運轉(zhuǎn)時不能保持恒定的瞬時傳動比；磨損后容易發(fā)生跳齒；工作時有噪聲；不宜用在載荷變化很大、高速和急速反響的傳動中。 鏈傳動主要用在要求工作可靠，兩軸相距較遠(yuǎn)，低速重載，工作環(huán)境惡劣，以及其他不宜采用齒輪傳動的場合。例如在摩托車上應(yīng)用了鏈傳動，結(jié)構(gòu)上大為簡化，而且使用方便可靠；掘土機(jī)的運動機(jī)構(gòu)就采用了鏈傳動，他居然經(jīng)常受到土塊、泥漿和瞬時過載等的影響，依然能很好地工作 鏈條按用途不同可以分為傳動鏈、輸送鏈和起重鏈。輸送鏈和起重鏈主要用在運輸和起重機(jī)械中。在一般機(jī)械傳動中，常用的是傳動鏈 傳動又可以分為短節(jié)距滾子鏈（簡稱滾子鏈）、齒形鏈等類型。起重滾子鏈常用在傳動系統(tǒng)的低速級，一般傳遞的功率在100Kw以下，鏈速不超過15m/s，推薦使用的最大傳動比為8.齒形鏈應(yīng)用較少 ⑴滾子鏈 滾子鏈?zhǔn)怯蓾L子1、套筒2、銷軸3、內(nèi)鏈板4和外鏈板5組成。內(nèi)鏈板和套筒之間、外鏈板與銷軸之間分別用過盈聯(lián)接固聯(lián)。滾子與套筒之間、套筒與銷軸之間均為間隙配合。當(dāng)內(nèi)、外鏈板相對撓曲時，套筒可繞銷軸自由轉(zhuǎn)動。滾子活套在套筒上，工作時，滾子沿鏈輪齒廓滾動，減輕了齒廓的磨損。鏈的磨損主要發(fā)生在銷軸與套筒的接觸面上。因此，內(nèi)、外鏈板間應(yīng)留少許間隙，以便潤滑油滲入銷軸和套筒的摩擦面間。內(nèi)、外鏈板制成8字形，是為了使鏈的各剖面具有相近的抗拉強(qiáng)度，也可減輕鏈的質(zhì)量和運動時的慣性力。 傳動鏈?zhǔn)褂脮r首尾相連成環(huán)形，當(dāng)鏈節(jié)數(shù)為偶數(shù)時，接頭處可用內(nèi)、外鏈板搭接，插入開口銷或彈簧夾鎖住。若鏈節(jié)為奇數(shù)，需采用一個過渡鏈節(jié)才能首尾相連，鏈條受拉時，過渡鏈節(jié)將受附加彎矩，所以應(yīng)盡量采用偶數(shù)鏈節(jié)的鏈條。 滾子鏈與鏈輪嚙合的基本參數(shù)是節(jié)距p、滾子外徑d1和內(nèi)鏈節(jié)內(nèi)寬b1。其中，節(jié)距是滾子鏈的主要參數(shù)。節(jié)距增大時，鏈條中各零件的尺寸也要相應(yīng)增大，可傳遞的功率也隨之增大。但當(dāng)鏈輪齒數(shù)一定時，節(jié)距越大，鏈輪直徑D也越大，為使D不致過大，當(dāng)載荷較大時，可用小節(jié)距的雙排鏈或多排鏈。多排鏈的承載能力與排數(shù)成正比，列數(shù)越多，承載能力越高。但由于制造、安裝誤差，很難使各排的載荷均勻，列數(shù)越多，不均勻性越嚴(yán)重，故排數(shù)不宜過多，一般不超過四列。 考慮到我國鏈條生產(chǎn)的歷史和現(xiàn)狀，以及國際上幾乎所有國家的鏈節(jié)距均用英制單位，我國鏈條標(biāo)準(zhǔn)GB1243.1-83中規(guī)定節(jié)距用英制折算成米制的單位。鏈號與相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)鏈號一致，鏈號數(shù)乘以25.4/16mm即為節(jié)距值。后綴A或B分別表示A或B系列。A系列用于重載、重要、較高速的傳動，B系列用于一般的傳動中。 滾子鏈標(biāo)記：鏈號---排數(shù)*鏈節(jié)數(shù) 標(biāo)準(zhǔn)編號 例：10A—1*88 GB1243.1--83 ⑵齒形鏈 齒形鏈又稱無聲鏈。由一組帶有兩個齒的鏈板左右交錯并列鉸接而成。每個齒的兩個側(cè)面為工作面，齒形為直線，工作時鏈齒外側(cè)邊與鏈輪輪齒相嚙合來實現(xiàn)傳動。 特點：工作平穩(wěn)，噪音小，允許的鏈速高，承受沖擊能力好，傳動效率一般為0.95~0.98，潤滑良好的傳動可達(dá)0.98~0.99。但價格較高，重量較大，對安裝、維護(hù)要求較高。 應(yīng)用：適宜于高速傳動；又實用于傳動比大和中心距較小的場合，多用于高速或運動精度要求較高的傳動裝置中。 本設(shè)計用滾子鏈傳動。 4.2 鏈傳動的受力分析 鏈傳動在安裝時，應(yīng)使鏈條受一定的張緊力，其張緊力是通過使鏈保持適當(dāng)?shù)拇苟人a(chǎn)生的懸垂拉力獲得的。鏈傳動張緊的目的主要是使松邊不致太松，以免影響鏈條正常退出嚙合和產(chǎn)生振動、跳齒或脫鏈現(xiàn)象，因而所需的張緊力比帶傳動小得多。 鏈在工作過程中，緊邊和松邊的拉力不等。若不計傳動中的動載荷，鏈的緊邊受到的拉力F1是由鏈傳遞的有效圓周力Fe、鏈的離心力Fc及鏈條松邊垂度引起的懸垂拉力Ff三部分組成。 鏈的松邊所受的拉力F2由Fc及Ff兩部分組成。 有效圓周力 N 式中：P---鏈傳動所傳遞的功率，kW； v---鏈速，m/s。 離心力引起的拉力 N 式中：q---單位長度鏈條的質(zhì)量，kg/m。 v---鏈速，m/s。 懸垂拉力Ff的大小與鏈條松邊垂度及傳動的布置方式有關(guān)，在F’f和F”f中選大者。 式中：a---鏈傳動的中心距，mm。 q---單位長度鏈條的質(zhì)量，kg/m。 Kf—垂度系數(shù)。 4.3 滾子鏈傳動的設(shè)計計算 已知；傳動用途、工作情況、原動機(jī)種類、傳遞的功率P、鏈輪轉(zhuǎn)速n1、n2（或i），結(jié)構(gòu)尺寸要求等。 設(shè)計內(nèi)容：鏈條節(jié)距p、列數(shù)、鏈條鏈節(jié)數(shù)Lp、傳動中心距a；大、小鏈輪齒數(shù)z1 、z2；軸向壓力Q；潤滑方式。 設(shè)計步驟： ① 鏈輪齒數(shù)z1 、z2和傳動比i 小鏈輪齒數(shù)z1對鏈傳動的平穩(wěn)性和使用壽命有較大影響。齒數(shù)少，外廓尺寸小，但齒數(shù)過少，運動不均勻性加劇，動載荷和沖擊加大；鏈條進(jìn)入和退出嚙合時，鏈節(jié)間的相對轉(zhuǎn)角增大，鉸鏈的磨損加?。绘渹鬟f的圓周力增大，加速了鏈條和鏈輪的損壞。 齒數(shù)過多，將增大傳動尺寸和質(zhì)量，鏈條磨損后節(jié)距的伸長容易發(fā)生跳齒和脫鏈，同樣會縮短鏈條的使用壽命。 齒數(shù)的選取原則：（1）鏈傳動速度高時，齒數(shù)多些；（2）為考慮磨損均勻，鏈輪齒數(shù)應(yīng)取與鏈節(jié)數(shù)互為質(zhì)數(shù)的奇數(shù)，并優(yōu)先選用以下數(shù)列：17、19、21、23、25、38、57、76、95、114。 （取整），且。由表9-8，試選v—選取z1，z1盡量用奇數(shù)。 ，推薦=2~3.5。當(dāng)v<2m/s且載荷平穩(wěn)時，可達(dá)10。過大時，鏈條在小鏈輪上的包角過小，將減少嚙合齒數(shù)，因而易出現(xiàn)跳齒或加速輪齒的磨損，故可用二級或二級以上的傳動。 ② 確定計算功率Pca 計算功率Pca是根據(jù)傳遞的功率P，并考慮到載荷性質(zhì)和原動機(jī)的種類而確定，即 kW ③ 初選中心距a0 a小，傳動結(jié)構(gòu)緊湊，但a太小，鏈條總長太短，單位時間里每一鏈節(jié)參與嚙合次數(shù)過多，加劇鏈的磨損和疲勞。a過大，承載好，但鏈條長，橫向振動大。一般 （張緊或托板），中心距不可調(diào)時，。 ④ 鏈節(jié)數(shù)Lp （取整，最好取偶數(shù)） ⑤ 節(jié)距和排數(shù)的確定 一定條件下，節(jié)距越大，鏈傳動承載能力越強(qiáng)，但節(jié)距越大，鏈傳動的多邊形效應(yīng)越嚴(yán)重，動載荷、沖擊、振動越嚴(yán)重。所以，為使鏈傳動結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長，盡量取小節(jié)距的單排鏈。 若傳動速度高，傳遞的功率大；或傳動中心距小，傳動比大，取小節(jié)距的多排鏈。若傳動中心距大而傳動比小，取大節(jié)距的單排鏈。 設(shè)計時，先定傳動的列數(shù)查機(jī)械手冊得Kp—由上式計算得P0 查得鏈號 ⑥驗算鏈速 判斷是否與假設(shè)符。 ⑦確定實際中心距 為保證松邊有合適的垂度 若傳動中心距可調(diào)，△a取大值；若中心距不可調(diào)，△a取小值。 ⑧ 小鏈輪轂孔最大直徑 當(dāng)確定了鏈條節(jié)距和小鏈輪齒數(shù)后，鏈輪的結(jié)構(gòu)和各部分尺寸已可定出（表9-3），轂孔的最大直徑dkmax也可定出，但dkmax不小于安裝鏈輪處的軸徑；若不能滿足要求時，可采用特殊結(jié)構(gòu)的鏈輪（如鏈輪軸）或重新選擇鏈傳動參數(shù)（增大z1或p）。 ⑨ 計算壓軸力Q 式中：Fe---鏈傳遞的有效圓周力，N； KQ---壓軸力系數(shù)，對于水平傳動，KQ=1.15；對于垂直傳動KQ=1.05。 ⑩ 鏈輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計，材料和尺寸。 低速鏈傳動的靜力強(qiáng)度計算 對于鏈速的低速鏈傳動，因抗拉靜力強(qiáng)度不夠而破壞的幾率很大，故常按下式進(jìn)行抗拉靜力強(qiáng)度計算式中： Sca ---鏈的抗拉靜力強(qiáng)度的計算安全系數(shù)； Q---單排鏈的極限拉伸載荷，kN； n---排數(shù)； KA---工作情況系數(shù)，查表9-9； F1 ---鏈的緊邊工作拉力，kN。 4.4 鏈的尺寸計算 本設(shè)計用滾子鏈傳動 傳動比i=2 n=80r/min， 根據(jù)傳動比小鏈輪的齒數(shù)Z1=19 大鏈輪的齒數(shù)為Z2=38 實際傳動比i=38/19=2， 初定中心距