編號： 畢業(yè)設計( 論文)任務書題 目： 康復機器人的設計 學 院：專 業(yè)：學生姓名：學 號：指導教師單位：姓 名：職 稱：題 目 類 型 ： ?理 論 研 究 ?實 驗 研 究 ?工 程 設 計 ?工 程 技 術 研 究 ?軟 件 開 發(fā)一、畢業(yè)設計（論文）的內容隨著社會老齡化、疾病、事故造成的人體肢體運動功能障礙的增加以及人們對身體健康、康復質量的重視，可以有效提高患者康復效果和效率的康復機器人成為康復工程領域的重要研究內容。采用治療師為運動功能障礙患者進行一對一訓練時，訓練效果受治療師水平的影響，而且缺乏評價訓練參數和康復效果關系的客觀數據，難以對訓練參數進行優(yōu)化以獲得最佳治療方案。 因此，人們開始研制患者運動功能康復機器人。開展能夠實現人機交互、協(xié)調的踝關節(jié)康復機器人的設計研究具有重要現實意義。具體內容如下：1、了解上肢運動功能障礙的主要原因和所需康復的運動方法，進行調研；2、研究針對上肢功能障礙的康復機器人結構；3、設計康復機器人的機械結構，繪制零部件圖和裝配圖。二、畢業(yè)設計（論文）的要求與數據1、分析人體上肢的結構和運動學，結合人機系統(tǒng)的設計要求，機器人的設計為輔助人體上肢肩、肘、腕三個關節(jié)同時參與運動的外骨骼式機器人；2、康復機器人至少為 3 個以上自由度，具有良好的人機協(xié)調功能；3、結構合理，零部件設計要綜合考慮制造工藝的因素；4、用三維軟件建立康復機器人的模型；三、畢業(yè)設計（論文）應完成的工作整個畢業(yè)設計應該完成以下工作：1、完成二萬字左右的畢業(yè)設計說明書（論文） ；在畢業(yè)設計說明書（論文）中必須包括詳細的 300-500 個單詞的英文摘要；2、獨立完成與課題相關，不少于四萬字符的指定英文資料翻譯（附英文原文） ；3、設計裝配圖及零件圖。4、完成繪圖工作量折合 A0 圖紙 3 張以上，其中必須包含兩張 A3 以上的計算機繪圖圖紙；四、應收集的資料及主要參考文獻[1] 任仲貴. CAD/CAM 原理 [M]. 北京：清華大學出版社，1991.9.[2] 王明強. 計算機輔助設計技術[M]. 北京：科學出版社，2002.[3] [Hong-Chao Zhang and Enhao Lin. A hybrid-graph approach for automated setup planning in CAPP. Robotics and Computer Integrated Manufacturing [J], 1999, 15: 89?100.[4] Y. Zhang, W. Hu and Y. Rong et al. Graph-based set-up planning and tolerance decomposition for computer-aided fixture design. International Journal of Production Research [J], 2001, 39(14): 3109?3126.[5] 吳宗澤. 機械設計實用手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2002.五、試驗、測試、試制加工所需主要儀器設備及條件計算機一臺SolidWorks 軟件一套AutoCAD 軟件一套任務下達時間：2012 年 01 月 09 日畢業(yè)設計開始與完成時間：2012 年 01 月 09 日至 2012 年 06 月 03 日組織實施單位：教研室主任意見：簽字： 2011 年 12 月 30 日院領導小組意見：簽字： 2012 年 01 月 05 日編號： 畢業(yè)設計(論文)說明書題 目： 康復機器人的設計 院 （系）：專 業(yè)：學生姓名：學 號：指導教師：職 稱：題 目 類 型 ： ?理 論 研 究 ?實 驗 研 究 ?工 程 設 計 ?工 程 技 術 研 究 ?軟 件 開 發(fā)編號： 畢業(yè)設計(論文)開題報告題 目： 康復機器人的設計 院 （系）：專 業(yè)：學生姓名：學 號：指導教師單位：姓 名：職 稱：題 目 類 型 ： ?理 論 研 究 ?實 驗 研 究 ?工 程 設 計 ?工 程 技 術 研 究 ?軟 件 開 發(fā)- 1 -1．畢業(yè)設計的主要內容、重點和難點等主要任務：1、擬定傳動裝置的傳動方案； 2、電動機型號的選擇；3、傳動裝置的運動參數的選擇及計算； 4、繪制裝配圖、零件圖；5、康復機器人至少為 3 個以上自由度，具有良好的人機協(xié)調功能；6、結構合理，零部件設計要綜合考慮制造工藝的因素；7、本設計為輔助人體上肢肩、肘、腕三個關節(jié)同時參與運動的外骨骼式機器人；8、利用 UG 繪制設計好的零件并裝配仿真； 9、編寫設計計算說明書；重點：1、康復機器人的各傳動部件機械設計與計算、校核；2、運用 UG 軟件完成三維實體的建模，零件裝配；難點：1.康復機器人的各個零件機械設計計算與校核；2. UG 三維軟件的學習與應用；3. 設計方案的驗證與分析；2．準備情況（查閱過的文獻資料及調研情況、現有設備、實驗條件等）- 2 -查閱過的文獻資料：1. 任仲貴. CAD/CAM 原理[M]. 北京：清華大學出版社，1991.9.2. 王明強. 計算機輔助設計技術[M]. 北京：科學出版社，2002.3. Hong-Chao Zhang and Enhao Lin. A hybrid-graph approach for automated setup planning in CAPP. Robotics and Computer Integrated Manufacturing [J]4. Y. Zhang, W. Hu and Y. Rong et al. Graph-based set-up planning and tolerance decomposition computer-aided fixture design. International Journal of Production Research [J], 2001, 39(14): 3109?3126.5. Robert L.Mott. Machine Elements in Mechanical Design[M].Beijing:China6. 吳宗澤. 機械設計實用手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2002.7. 金春林，邱慧芳，張皆喜.AVR 系列單片機 C 語言編程與應用實例[M].清華大學出版社，2003.8. 孫桓、陳作模 葛文杰 機械原理 第七版 高等教育出版社 20079. 王昆、何小柏 機械設計課程設計 高等教育出版社 2006現有設備：計算機一臺 SolidWorks 和 AutoCAD 軟件各一套實驗條件：機械創(chuàng)新實驗室3、實施方案、進度實施計劃及預期提交的畢業(yè)設計資料2 月 23 日—2 月 29 日 收集資料和撰寫開題報告3 月 01 日—4 月 01 日 資料的整理及軟件的學習4 月 02 日—4 月 30 日 對相關零部件以及結構進行設計計算、校核5 月 01 日—5 月 11 日 繪制三維實體并進行仿真分析5 月 12 日—5 月 25 日 整理全部資料，初步形成報告，交與老師檢查5 月 26 日—5 月 31 日 提交全部畢業(yè)設計文件及進行答辯準備指導教師意見指導教師（簽字）：2012 年 2 月 日- 3 -開題小組意見開題小組組長（簽字）：2012 年 月 日院（系、部）意見主管院長（系、部主任）簽字：2012 年 3 月 日第 1 頁 共 2 頁進度計劃表學生姓名： 學號 序號 起止日期 計劃完成內容 實際完成內容 檢查日期檢查人簽名1 1.09-1.15 查找翻譯資料 在圖書館查看到 3 篇與本畢設相關英文文摘2 2.20-2.26 翻譯英文資料并排版 翻譯 3 篇英文文摘，并對其進行排版3 2.27-3.4 了解畢業(yè)設計任務，查閱 畢業(yè)設計相關資料 開始著手查找有關畢業(yè)設計的相關書籍及資料4 3.5-3.11 撰寫并提交開題報告 寫開題報告，查找相關康復機器人的結構資料5 3.12-3.18 收集與整理資料 對查找到的資料進行匯總以及相關軟件的學習掌握6 3.19-3.25 設計方案的評定與選擇 對相關資料進行篩選7 3.26-4.1 康復機器人整體框架 參考相關產品對康復機器人整體結構初步定型8 4.2-4.08 康復機器人的機械手指機構 UG 繪制機械手指的三維效果圖(本表同時作為指導教師對學生的 16 次考勤記錄)第 2 頁 共 2 頁畢業(yè)設計進度計劃表（續(xù)）學生姓名： 學號： 序號 起止日期 計劃完成內容 實際完成內容 檢查日期檢查人簽名9 4.09-4.15 康復機器人的上肢鍛煉模 塊 UG 繪制機械手臂并考慮所選擇的驅動形式10 4.16-4.22 下肢鍛煉模塊 動感單車突發(fā)靈感，對其結構進行改造 UG 繪制11 4.23-4.29 傳動裝置的傳動方案 各個模塊的傳動裝置的設計12 4.30-5.6 各部件的強度校核 各個部件的材料選擇以及強度校核13 5.7-5.13 繪制二維圖 通過 UG 導出二維圖，并對導出圖進行修改14 5.14-5.20 撰寫畢業(yè)設計說明書 參考查找的資料，撰寫說明書，并按要求排版15 5.21-5.26 完成畢業(yè)設計，提交論文 提交畢業(yè)設計的相關資料任務下達時間：2012 年 01 月 09 日 編號： 畢業(yè)設計(論文)說明書題 目： 康復機器人的設計 院 （系）：專 業(yè)：學生姓名：學 號：指導教師：職 稱：題 目 類 型 ： ?理 論 研 究 ?實 驗 研 究 ?工 程 設 計 ?工 程 技 術 研 究 ?軟 件 開 發(fā)編號： 摘 要康復機器人的相關技術是集機械學、醫(yī)學、計算機科學以及機器人技術等諸多學科為一體的新型交叉科研領域，伴隨著科學技術的發(fā)展，康復機器人技術得到了空前快速的發(fā)展，人們對康復醫(yī)療機械的技術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原有的功能，實現最大程度的生活自理，提高生活質量。對于市面上現有的康復設備而言，產品功能過于單一，并且體積比較龐大，沒能實現整個手臂和手指關節(jié)及下肢康復的集成產品。在這樣的技術背景下，我國的康復器械正處于起步階段，伴隨著患者數量增加，醫(yī)療師資源的匱乏。就此現狀，發(fā)展康復訓練機器人的實際意義變得更加重大。不過隨著康復機器人的研究和技術的發(fā)展，有望進一步化簡醫(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)質的康復服務的目標。所以本設計通過對國內外康復機器人的發(fā)展現狀及應用等方面的總結，提出了一種新型綜合的康復機器人康復訓練機器人設計方案，主要針對上肢運動功能障礙患者的康復訓練，在上肢康復的同時也可以進行下肢的鍛煉，能夠更好的幫助患者早日恢復健康，身體恢復原有的運動能力。具體工作如下:依據康復訓練機器人的應用對象和應用場合的不同，首先分析了現有康復機器人的機械結構特點.通過對各種設計方案的比較，確定了機器人的總體設計方案，包括機械結構設計、機器人運動部件強度的分析、驅動方式的選擇、傳動結構的設計及選擇等。關鍵詞：醫(yī)療器械；康復機器人；機械手指ABSTRACTRehabilitation 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 robotRehabilitation 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 11.1 課題背景.11.2 研究的目的和意義.21.3 背景分析.3第二章 機械手指結構設計 52.1 產業(yè)化機械手指的結構.52.2 人手的生物學特性分析.62.3 傳動系統(tǒng)的比較.72.4 外骨骼手指機械結構設計102.5 錐齒輪選擇和強度校核122.6 電動機類別的選擇15第三章 機械手臂的結構設計 .183.1 連桿及自由度的設計183.2 手臂的運動模式193.3 結構設計193.4 關節(jié)電機的選擇19第四章 鏈輪機構設計 214.1 鏈傳動的結構特點和應用214.2 鏈傳動的受力分析224.3 滾子鏈傳動的設計計算234.4 鏈的尺寸計算26第五章 軸的設計 275.1 軸的概述275.2 軸的結構設計275.3 軸的校核275.4 軸的材料選擇 31第六章 下肢康復機構的設計 .326.1 飛輪設計326.2 調速機構設計33謝 辭 36參考文獻 37第一章 緒論1.1 課題背景第二次抽樣調查統(tǒng)計的結果顯示，我國各類殘疾人總數已達到 8200 萬之多，占據全國總人口的 6.34%。殘疾人的總數與 1987 年中國進行第一次抽查時相比，已增加了3000 多萬，其中肢體殘疾人數超過 2412 萬。此外，由中風引起的殘疾人數近年來也呈現上升趨勢，我國中風病患者每年增加 660 多萬，其中 1/3 以上的患者最終會導致死亡，當下中風已成為導致死亡的第三大罪魁禍首，其致殘率甚至高達 75%。在青壯年人群中，由于交通事故、工傷等原因，也會出現了許多的肢體殘疾者?？祻蜋C器人技術研究是近 30 年來迅速發(fā)展起來的一門綜合性較強的學科。它綜合了機械設計學、力學、機構學人工智能、自動控制、計算機工程、傳感技術、仿生學等學科，該項學科已經嫣然成為最新的技術研究成果，它充分的體現了機電一體化多學科互相滲透，結合的特點，代表了機電一體化的最高成就?？祻陀柧殭C器人是近些年來才涌現的一種新型機器人。本文主要是研究外骨骼康復訓練機器人，康復機器人正是機器人技術在醫(yī)學領域中的應用。伴隨著人民生活水平的提高和科技進步，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系統(tǒng)疾病患者，這類患者多數會伴有偏癱癥狀。與此同時，由于交通運輸工具的迅速增長，因為交通事故而導致神經性損傷或者是肢體損傷的人數也在呈現上升的趨勢。醫(yī)學理論和臨床醫(yī)學證實，這類患者除了必要的臨床手術治療和必要的藥物治療以外，科學、正確、有效的康復訓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和提高的作用.康復訓練機器人作為一種機電結合的自動化康復醫(yī)療儀器，以醫(yī)學理論為治療的依據，幫助患者進行有效而又科學的康復運動，從而使患者的運動機能得到最大限度的恢復?？祻蜋C器人由計算機系統(tǒng)控制，康復訓練在設定的程序下自動進行，根據病人的實際的情況，調節(jié)其運動的參數，實現最佳的康復訓練效果。此外康復訓練機器人還可以作為健康的老年人體育運動訓練器械。康復機器人的研究貫穿了多個研究領域，儼然已經成為了國際機器人領域的一個研究熱點、焦點?？祻偷暮x是受創(chuàng)傷或者得了某些疾病后通過治療，又恢復了患者肢體或器官的正常的功能或形狀。通俗的來講，康復工程主要是致力于為患者提供諸如此類輔助裝置。從而把那些先進的工業(yè)機器人技術引入到醫(yī)療康復工程中來，最終在康復機器人的機構中得以很好的體現，形成了康復醫(yī)學和機器人技術的完美結合。目前來說康復機器人已經廣泛的應用到了康復護理、裝配人體假肢、康復治療、康復訓練等各個方面，這不僅促進了康復機械在醫(yī)學的發(fā)展，也帶動了相關領域的理論和新技術發(fā)康復機器人是醫(yī)用機器人和工業(yè)機器人的完美結合。人們第一次想要嘗試把為殘疾人服務的機器人產品化還要追溯到在上世界 60 年代到 70 年代。當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：第一個方面就是機械結構設計的不理想，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的原因，單價太高導致了康復機器人最終想要實現產品化的目標失敗。上世紀 80 年代是康復機器人研究的起步階段，美國、英國和加拿大等一些發(fā)達國家在康復機器人研究方面已經處于世界的領先地位。在 1990 年以前全球的 56 個康復機器人研究中心分布在 5 個工業(yè)區(qū)內：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)達國家在康復機器人方面的研究就進入到全面發(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原有的運動能力，所以康復機器人便騰空出世，使那些失去部分人體機能的病人得到一部分肢體功能的補償。可以看出機電結合的康復機器人對肢體功能有障礙的病人的康復起到了十分重要的作用。目前國內外研究表明，大腦的神經系統(tǒng)具有一定的可塑性，大腦運動神經功能的萎縮主要源于長期的不運動，然而數據表明通過行之有效的治療，能夠恢復受損運動神經的部分功能，而且 90%的中風患者可以恢復其獨自步行的能力和生活自理的能力，有些人還能恢復其工作能力。醫(yī)療器械的康復機器人不同于普通的工業(yè)機器人，康復機器人需要與人體直接進行作用接觸，因此，如何保證病人在康復訓練過程中既安全又舒適，便成為康復機器人設計中需要解決的關鍵問題之一。為了更好的適應人體的運動模式，必須針對康復機器人的使用特點進行必要的設計，對其整體機械結構與驅動機構進行部位的特殊設計。在病人康復訓練初期，康復機器人需要帶動患者的肢體運動，以一定的運動力實現安全的主動運動;在患者肢體功能逐漸恢復以后，為了能夠更好的增強康復訓練效果，康復機器人可以實現給患肢施加一定的附加載荷，實現由肢體帶動的被動運動?？祻蜋C器人在外骨骼輔助患者肢體運動的同時，其整體的機械結構也能夠很好的主動順應肢體的動作，從而實現康復訓練安全性和舒適性的根本保證，同時這也是康復機器人機構區(qū)別于一般傳統(tǒng)機器人機構的根本特征，而且這也是制約康復機器人應用的一個瓶頸問題。研究設計實用的符合病人康復理念的康復機器人，必須要先設計出安全可靠、符合人體工程學要求的康復機器人。整體結構及其各個關節(jié)的驅動模式?？祻蜋C器人的整體結構要同時具備外骨骼式的可穿戴，重量較輕等特質?？祻瓦\動的形式要綜合，康復訓練過程中要有安全舒適等特點。要想更加全面的研究康復機器人必須要先解決其整體結構以及驅動機構的設計，使它的在可穿戴性及舒適性方面能夠滿足人體工程學的要求，否則將會嚴重影響到康復機器人的臨床應用的效果，進而影響了康復機器人的產業(yè)化生產，鑒于當今社會的研制康復機器人市場需求的迫切性，本次畢業(yè)設計研究具有人體工程學特點康復機器人的整體結構及其驅動機構，勢必具有較好的市場前景及應用的前景。而且對緩解康復醫(yī)療師的工作壓力、降低康復機器人的生產成本，同時對促進康復機器人的產業(yè)化生產也起到了非常重要的作用?，F根據我國的實際國情， 2010 年康復機器人的產量以達到 30000 臺，開發(fā)設計具有自主知識產權的先進的康復機器人，勢必將很大程度上提升我國在康復機器人領域的自主研發(fā)的能力，促進康復機器人在我們國家的產業(yè)化，從而使其在這一領域縮小與那些發(fā)達國家之間的技術差距。并且開發(fā)出成本較低的康復機器人，來迎合我國大多數家庭的需要。這對于振興和發(fā)展民族高科技工業(yè)將起到決定性的作用，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，康復機器人的技術的發(fā)展在不斷的創(chuàng)新、研究及產業(yè)化，這對構建和諧社會的大環(huán)境也起到了極大的促進作用，全社會將更多地形成幫助與關心殘疾人這一特殊的社會群體氛圍。綜上所述，研發(fā)面向殘疾人的機電結合的機器人產品，并實現康復機器人產品化，不僅對硬件的控制系統(tǒng)提供了驗證的平臺，還緩解康復醫(yī)師工作的壓力、降低了康復機器人的生產成本、促進了康復機器人的產業(yè)化具有重要的世紀意義。1.3 背景分析康復機器人國內外發(fā)展現狀康復醫(yī)療機器人應屬于醫(yī)療機器人范疇之內的，康復機器人如果說從功能上分的話，可分為外骨骼輔助型康復機器人和實用性康復訓練機器人，是機器人技術在醫(yī)療領域新的應用?？祻陀柧殭C器人的主要功能應該是幫助患者完成各種機體損傷功能的恢復訓練，如行走訓練、手臂運動訓練、脊椎運動訓練等。本論文主要是針對手指關節(jié)，肘關節(jié)，肩關節(jié)以及下肢康復訓練的儀器。而對該康復機器人的主要研究方面包括康復機器人的機械機構、動力學、運動學等。數據顯示，當今社會康復醫(yī)療機器人主要是用于中風病患者、神經功能損傷患者、肢體運動功能損傷患者的康復治療。而我國的中風病可以說是世界高發(fā)病地區(qū)之一，據不完全統(tǒng)計，中風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，針對他偏袒部位進行及早的治療及康復訓練是十分重要和關鍵的醫(yī)療技術手段，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，那么進一步開發(fā)研究康復醫(yī)療機器人的必要性就不言而喻了。醫(yī)療康復訓練機器人經過了幾十年的發(fā)展，其實從整體的系統(tǒng)結構上分，主要包括三個階段:本地的康復醫(yī)療機器人系統(tǒng)、遠程控制的康復醫(yī)療機器人系統(tǒng)以及基于虛擬環(huán)境的康復醫(yī)療訓練機器人系統(tǒng)。其中有兩種主要工作模式:關節(jié)運動訓練模式和肢體肌力訓練模式。我國發(fā)展肢體康復醫(yī)療機器的技術經驗和一些發(fā)達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有關人士的重視，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訓練器械，智能化程度非常低，國外發(fā)展較早，相關的技術都已經比較成熟。所以綜上所述我們不難看出，在醫(yī)療器械康復機器人的這一領域我們的發(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計的新型康復機器人。下面為大家介紹一下本人在這次畢設中所設計的康復機器人，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構特點，通過這樣一個康復訓練器材，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 康復機器人三維效果圖第二章 機械手指結構設計2.1 產業(yè)化機械手指的結構目前，對于康復機器人的研究主要集中在醫(yī)院機器人系統(tǒng)、康復機械手、智能輪椅、轉配智能假肢和康復治療機器人等幾個使用性領域。隨著外骨骼康復機器人康復理論研究和外骨骼機械裝置臨床實踐的不斷發(fā)展，外骨骼機械康復裝置的發(fā)展呈現幾個小方面發(fā)展。①康復鍛煉小關節(jié)以及多關節(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)復合更有效的結構形式；④開發(fā)和應用新的動力源和傳動方式； 國內的哈爾濱工程大學和哈爾濱工業(yè)大學等學校都已經進行了康復機器人的相關研究，并對現有的康復機構進行了必要的機械結構改進，而且集成了多種傳感器如角度、力等微型傳感器等。通過簡單的機械配合與執(zhí)行機構巧妙的結合在一起，雖然機構整體的重量變輕了，但是對那些肢體功能有損傷的患者治療康復效果卻變得越來越好。就目前市場上出現了適合手指關節(jié)康復的外骨骼機械儀器來看，如下圖所示，需要的價格非常昂貴，并且多個手指通過較復雜的傳動機構采用一個電機控制驅動，雖然實現所謂的康復運動，但運動不夠精確，機械結構較復雜，實現的康復功能較為單一，而且不能對康復過程實時監(jiān)控，缺乏感知信息。圖 2-1 機械手指產品綜合以上實例分析得出以下結論，現有的手部外骨骼康復儀器大多存在下列的缺點以及不足：1、康復儀器的結構比較復雜；2、不能很好的使五個手指同時得到康復訓練目的；3、康復儀器體積較大，攜帶不便；4、運動不夠精確；5、安全性能較差2.2 人手的生物學特性分析人類的手部具有非常復雜的結構，手部是由作為動力機構的肌肉、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以及血液系統(tǒng)）組成。手指的骨骼是在關節(jié)處相連，其大小尺寸沒有變化。肌肉產生了力矩，手部通過肌膜控制關節(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)的主導作用，所以對于手部運動的研究也勢必需要以其骨骼的構造為主要對象。在事實上，不同部位的功能與關節(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節(jié)之間的骨骼不會自身產生變化，所以這種連接可以認為屬于剛體性質的鏈接。因而各個部位的運動完全取決于關節(jié)的轉動本體。一般來說，手部的關節(jié)至多是內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節(jié)和腕部關節(jié)來完成。除了能夠完成相應需求運動之外，手背及手掌與手指連接的關節(jié)，還能進行內外伸展運動。應當在之前說明的是，這類關節(jié)的彎曲運動與內收外展運動間有著非常特定的約束關系，即彎曲運動完成以后，一般不會再有內收外展軸向的轉動。除大拇指以外，其他四個手指相對于手掌的運動由指掌關節(jié) MP、指間關節(jié) PIP、指端關節(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 人手機構模型手指運動的特點主要包括：①手指關節(jié)彎曲伸展的范圍和內收外展的范圍有限，如 MP 關節(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運動；③大拇指外伸的兩段指骨可以在同一平面內運動；④手指骨 MP 處彎曲的軸線以及內收外展的軸線幾乎垂直；⑤手指骨的 PIP 和 DIP 關節(jié)之間的運動相互約束，即使沒有外力的作用下，當彎曲 PIP 關節(jié)的同時，DIP 關節(jié)也必然會隨之彎曲；⑥反之也是一樣的。根據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節(jié)相關尺寸長度，根據對上面的數據進行簡單的分析，從而機械手指的結構設計按照圖表尺寸一步一步的完善，最終可以達到滿足不同病人使用的需要。2.3 傳動系統(tǒng)的比較外骨骼機械手指康復儀器的傳動系統(tǒng)，根據其動力源的不同，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140公斤／厘米 2)?？梢詫崿F較大的驅動力，用其設計的機構可做得比較輕小、緊湊。②定位精度高、無級變速，可以實現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，達到連續(xù)的控制。⑥ 可以把直線油缸以及回轉油缸直接做成手臂的一部分，結構簡單，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的機械手指，如果需要實現聯(lián)動，那么油泵、電機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，個別的可以達到8～10公斤／厘米 2。臂力一般是在30公斤以下。高速機械手采用氣壓傳動機構的較多。執(zhí)行的元件主要包括氣缸、氣馬達、氣閥等。氣壓傳動的優(yōu)點：① 該機構不需要增速機構就可以獲得較高的運動速度，這個其實正是簡易型機械手的一項主要的性能，使其可以適應各種速度非?？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 適應易燃、易爆等惡劣環(huán)境下工作；⑤ 結構、保養(yǎng)都很簡單，成本較低；⑥可以將直線風缸和擺動風缸做成手臂的一部分，結構比較簡單，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”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)是利用各種電機產生的力矩，通過直接或間接的機械傳動裝置來實現驅動執(zhí)行機構的功能。像這類驅動系統(tǒng)不需要能量轉換，因此效率比氣動和液壓驅動較高，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)機器人中得到了廣泛應用。電機傳動的優(yōu)點：① 動力源非常簡單，維護及使用也是極其方便；② 控制系統(tǒng)和驅動系統(tǒng)可以同時采用一種型式的動力；③ 動作準確性可靠，工作速度可以選用的種類較多，成本也較低。電機傳動的缺點：①該機構需要具有減速裝置和把電機的回轉運動變成直線運動的機構，結構龐大，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，如果結構較為復雜的話，調整不夠靈活，通用性較差。③ 當機構慣性力大時，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 外骨骼手指機械結構設計圖 2-4 機械手指三維效果圖1 伺服電機 2 手指固定架 3 電機座 4 齒輪架 5 錐齒輪 6 連桿旋轉板 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 旋轉固定板 16 短套筒 17 直連桿 18 拇指固定板 19 機械手指底板如上圖所示，由于機械結構的旋轉驅動力是伺服電機提供的，所以比較容易得到，不需要附加其他形式驅動力。本課題選擇了由一對傳動比為 1 的錐齒輪作為傳動機構，將伺服電機的轉動形式轉化為整個手指上下擺動的運動形式，結構由 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：當伺服電機 ECMA C-206 按照所編寫的程序有規(guī)律轉動時，通過錐齒輪的傳動，從而帶動了平行于固定架的錐齒輪轉動，與該錐齒輪通過鍵配合的平行連桿一隨著錐齒輪的轉動，這樣手指的整體機構按一定規(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，進而帶動手指的上下擺動 從而實現鍛煉手指關節(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，經擠出造粒，最終得到 ABS 樹脂產品。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 錐齒輪選擇和強度校核2.5.1 齒輪材料的選擇考慮到設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度，對齒面采用滲碳、表面淬火等熱處理，硬度可以達到 200HBS。2.5.2 按齒面接觸強度設計 ≥2.921d??3 212u)5.0(RRHETKZφφσ ????????（1）確定公式內的各計算數值①試選 K＝1.3②齒輪(1)傳遞的轉矩。 mN??6.0T1③選取尺寬系數 φ R＝1/3④查機械設計手冊到材料的彈性影響系數 ZE＝189.8Mpa⑤通過機械設計手冊查得按齒面硬度查得.齒輪的接觸疲勞強度極限 MPa（碳鋼調質曲線） ；601lim?H?⑥計算應力循環(huán)次數＝60n1jLh＝60 25 1 （2 8 365 10）＝3.41N???910992 04.30.?⑦查得接觸疲勞壽命系數由手冊查得接觸疲勞壽命系數: ＝0.92； =0.921HNK2HN⑧計算接觸疲勞許用應力取失效概率為 1％，安全系數 S＝1，由公式得＝0.92×600MPa ＝552MPa1][H?＝0.92×600MPa＝552MPa2（2）計算①試算齒輪分度圓直徑 d1t，代入 中較小的值。][H?≥2.921d??3 212u)5.0(RRHETKZφφσ ????????= =10.5mm328.19·6./5092. ??????②計算圓周速度v= = =0.014m/s106?ndπ 025.?π③計算齒寬 bR= =10.5× =5.99mm211?ud21?b=φ RR= ×5.99mm=1.99mm3④計算齒寬與齒高之比分度圓錐角 =arctan =4501???21/?平均分度圓直徑 dm1=d1(1-0.5φ R)=8.715mmmT= =0.618，則：1z75.0?齒高 h=2.25m T=2.25×0.618mm=1.4mmb/h=10.5/1.4=7.5mm⑤計算載荷系數根據 v=0.014m/s,7 級精度，由機械手冊可以查得動載系數 =1vK（工作機器屬于伺服電機） ；機械手冊查得 =1.2 屬于經表面硬化 查得使用系數由于速度計較小所以?FHK?KA=1 故載荷系數 =1.198 K′ = =1.725?k??HVA⑥按實際的載荷系數校正所得的分度圓直徑得= = mm=11.54mm1d3/t‘3.1/72501?⑦計算模數 m m= 68./54.1?z2.5.3 按齒根彎曲強度設計m≥ ??321·)5.0(4FSaRRYuzKTσφφ ??（1）確定公式內的計算數值①由機械手冊查得齒輪 1 的彎曲疲勞強度極限 =540Mpa；齒輪 2 德爾彎曲疲勞1FE?極限強度 =540MPa2FE?②查得彎曲壽命系數 =0.86 =0.861FNK2FN③計算彎曲疲勞許用應力 取安全系數 S=1.4 =（ ）/S= =331.7Mpa1][FE?1FEN??4.5086?= （ ）/S= =331.7Mpa2][FE2FENK.1④計算載荷系數K= =1.25*1.15*1.1*1.08=1.708??FVAK⑤查取應力校正系數由機械手冊查得 =2.97； =2.971SaY2Sa⑥查取齒形系數同時可以查得 =1.525.1?Fa2Fa⑦計算齒輪的并 ??FSaYσ= =0.0136??1FSaYσ 3.752*9(2)設計計算m≥ ??321·)5.0(4FSaRRYuzKTσφφ ??即： m≥ =0.538mm0.1367)6(38.22?對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數 m 大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數，由于齒輪模數 m 的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數與齒數的乘積）有關，可取由彎曲強度算得的模數 0.538，并就近圓整為標準值 m=0.6mm。 2.6 電動機類別的選擇本次畢業(yè)設計所使用的電機都為伺服電機，主要是考慮到伺服電機比較容易控制，可以通過脈沖來確定位置，所以定位比較準確，伺服電機接收到 1 個脈沖，就會旋轉1 個脈沖對應的角度，從而實現相對位移的變化，因為，伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉一個角度，都會發(fā)出對應數量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應，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，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉動，從而實現精確的定位，伺服電機的定位精度可以達到 0.001mm。直流伺服電機分為有刷和無刷電機。有刷電機成本低，結構簡單，啟動轉矩大，調速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護不方便（換碳刷） ，產生電磁干擾，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、無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉動平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝碗s，容易實現智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護，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、交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和異步電機，目前運動控制中一般都用同步電機，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運行的應用。 3、伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的 U/V/W 三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數） 。選擇電動機，首先要確定電機工作點的力矩有多大，及在這個力矩下需要的電機轉速（即額定轉速）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能滿足這個要求。根據工作環(huán)境及條件，本次設計是選用伺服電機，它不僅體積小，重量輕，力矩比較大而且平穩(wěn)，速度高相應快，可以通過硬件電路的設計以及程序的設計來控制脈沖數，從而控制電機的轉動角度及轉動方向。確定電動機功率和型號①工作機所需功率：P w =FV=52W②電動機輸出功率： ?dP?電動機所需的功率為： w5497.02?由題意知，選擇電動機額定功率 Ped=100w。③電動機轉速的選擇選擇電動機轉速 25r/min由公式 可以算出它的扭矩 通過改變nPT950?T=0.6 mN?選定伺服電機型號,參數如下圖：電動機型號 額定功率（W）電動機質量（kg）額定轉矩（NM）ECMA C-206 100 0.3 0.7下面簡單的介紹一下，機械手指機構在整個康復機器人中的位置情況以及工作的性質。圖 2-7 康復機器人整體框架圖通過圖 2-7 康復機器人整體二維圖的框架,可以清晰的看到機械手指是通過螺栓安裝固定在機械手臂的前端，機械手臂的前端有一個可以旋轉的構件也是通過螺栓與機械手臂鉸接在一起，機械手指的整體機構采用 4 個螺栓緊固在這個旋轉機構上，這樣機械手指機構可以根據不同人的手腕的角度需求，自己進行必要的調整，最終實現了機械手指的旋轉功能。第三章 機械手臂的結構設計3.1 連桿及自由度的設計 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的彎曲變形和水平面內的側向扭轉變形，手臂就要產生振動，或動作時工件卡死無法工作。手臂的運動速度要適當，慣性要小。機械手的運動速度要適當尤其是在外骨骼手臂更是如此，如果轉動過快就會導致病人在康復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的轉動方法以外，在機械結構上機械手臂也要有剛度、偏重力矩、慣性力及緩沖效果都直接影響手臂的位置精度。行程檢測機構。機械手臂是機械手的主要部分，它不僅支撐手腕，機械手指機構還可以使他們在一定范圍內有規(guī)律的運動，機械手臂的連桿結構可以通過調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，來適應不同長度的手臂。自由度是機械手設計的關鍵參數，自由度越多，機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節(jié)都能參與到運動過程中，而且對損傷部位的康復治療也起到及其重要的作用，所以本次設計的整個機械手臂的自由度為 3。整個機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，3在相同體積的情況下，質量小并且硬度非常大，它的 Rm 要大于 685N/mm ,所以使用這2種鈦合金材料足夠支撐整個上肢機構運動。3.2 手臂的運動模式 機械手臂的結構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，康復機器人通過控制系統(tǒng)來控制電機的脈沖，從而控制伺服電機的轉動方向以及轉動的角度，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動的部位受力情況，當該傳感器測到的數值達到一定極限時，證明現在病人的手臂已經達到了轉動極限，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關節(jié)的伺服電機反向轉動，從而實現外骨骼手臂的擺動的效果，最終達到康復手臂功能的作用。型號為 MPF-B330P-SJ24AA 的伺服電機的底部與座椅的靠背通過螺栓緊固在一起，各個關節(jié)的驅動方式均屬于直接驅動方式，所謂直接驅動就是電機與其所驅動的負載直接耦合在一起，直接驅動的方式不存在其他的復雜機構，這種設計理念消除了繁瑣的間接的傳動機構部件，如齒輪變速箱、皮帶、滑輪等。直接驅動轉動系統(tǒng)為設計者和試用者帶來許多好處，其實直接驅動旋轉電機技術不僅從根本上提高了機器的可靠性，而且減少了維護時間和不必要的麻煩。通過消除機械傳動帶來的柔性，直接驅動的設計模式避免了對電機和負載進行慣性匹配的麻煩，同時電機的定位和速度精度也可以提高 50 倍。直接驅動電機還帶來另外一個好處，聽覺噪聲降低高達 20dB。3.3 結構設計 機械手臂主要由與主伺服電機旋轉固定座，小臂連桿和大臂連桿等運動構件組成，動力源來自不同型號的伺服電機，這樣的驅動形式屬于直接驅動。機械手臂能夠實現3 個自由度運動（由于機構運動確定，因此機構的自由度等于機構的運動構件數目）中間的關節(jié)部分分別由型號是 MPF-B330P-SJ22AA 伺服電機、MPF-A330P-MJ22AA 伺服電機直接驅動，根據控制系統(tǒng)的程序的有效控制，最終實現機械手臂與人體手臂的和諧統(tǒng)一。在機械手臂各個關節(jié)電機設計中，整個機械手臂有 3 個自由度，相當于 3 個獨立的關節(jié)。每個關節(jié)的驅動原理都屬于直接驅動形式，所以省去了一些傳動機構，這樣不僅使整個機構簡單，而且便于操控及設計。 3.4 關節(jié)電機的選擇 3.4.1 肘關節(jié)電機選擇電動機類型選擇：根據工作環(huán)境以及工作條件選擇，本次畢業(yè)設計是選用瑞士 ABB伺服電機，它具有國際互換性，工作能力可以滿足設計要求。整個機械手指的質量估算為 2.5Kg 前手臂重量為 2.4Kg 共計 5Kg 前段質心到關節(jié)電機的距離約為 280mm 通過公式 T=FL=8*9.8*0.28=21.952Nm。后半段質心到關節(jié)電機的距離約為 300mm，通過公式 T=FL=20*9.8*03=58.8Nm伺服電機的選擇型號，如下表所示1-電動機型號 輸出功率 電動機質量（kg） 轉矩（NM）MPF-B330P-SJ22AA 7KW 4.8 302-電動機型號 輸出功率 電動機質量（kg） 轉矩 （NM）MPF-A330P-MJ22AA 12KW 8.6 803.4.2 肩關節(jié)電動機選擇電動機類型選擇：根據工作電機的工作條件及環(huán)境，選用瑞士 ABB 伺服電機品牌，它具有國際互換性，工作能力可以滿足技術要求。而且結構相對簡單 在控制速度方面可以很容易的實現控制伺服電機的轉動速度以及轉動的角度，并且伺服電機的內部可以向系統(tǒng)發(fā)送脈沖，這樣系統(tǒng)也可以實時的檢測電機的工作情況，有利于康復訓練的安全進行。電動機轉速的選擇 需要的力矩 T=FL/2 T=FL=30*9.8*0.4=117.6Nm選定伺服電機,參數如下表所示： 電動機型號輸出功率 力矩（NM）電動機質量（kg）MPF-B330P-SJ24AA 15.7KW 150 15.8第四章 鏈輪機構設計4.1 鏈傳動的結構特點和應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，鏈傳動在機械制造中應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象，因而能保持準確的平均傳動比，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??；鏈條采用金屬材料制造，在同樣的使用條件下 鏈傳動的整體尺寸較小 ，結構較為緊湊；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，在遠距離傳動時，其結構比齒輪傳動就、輕便很多。鏈傳動的主要缺點是：只能實現平行軸間鏈輪的同向傳動；運轉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，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。例如在摩托車上應用了鏈傳動，結構上大為簡化，而且使用方便可靠；掘土機的運動機構就采用了鏈傳動，他居然經常受到土塊、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械中。在一般機械傳動中，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.齒形鏈應用較少⑴滾子鏈滾子鏈是由滾子 1、套筒 2、銷軸 3、內鏈板 4 和外鏈板 5 組成。內鏈板和套筒之間、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。當內、外鏈板相對撓曲時，套筒可繞銷軸自由轉動。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、外鏈板間應留少許間隙，以便潤滑油滲入銷軸和套筒的摩擦面間。內、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度，也可減輕鏈的質量和運動時的慣性力。傳動鏈使用時首尾相連成環(huán)形，當鏈節(jié)數為偶數時，接頭處可用內、外鏈板搭接，插入開口銷或彈簧夾鎖住。若鏈節(jié)為奇數，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，所以應盡量采用偶數鏈節(jié)的鏈條。滾子鏈與鏈輪嚙合的基本參數是節(jié)距 p、滾子外徑 d1 和內鏈節(jié)內寬 b1。其中，節(jié)距是滾子鏈的主要參數。節(jié)距增大時，鏈條中各零件的尺寸也要相應增大，可傳遞的功率也隨之增大。但當鏈輪齒數一定時，節(jié)距越大，鏈輪直徑 D 也越大，為使 D 不致過大，當載荷較大時，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成正比，列數越多，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，列數越多，不均勻性越嚴重，故排數不宜過多，一般不超過四列。考慮到我國鏈條生產的歷史和現狀，以及國際上幾乎所有國家的鏈節(jié)距均用英制單位，我國鏈條標準 GB1243.1-83 中規(guī)定節(jié)距用英制折算成米制的單位。鏈號與相應的國際標準鏈號一致，鏈號數乘以 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。滾子鏈標記：鏈號---排數*鏈節(jié)數 標準編號 例：10A—1*88 GB1243.1--83⑵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。每個齒的兩個側面為工作面，齒形為直線，工作時鏈齒外側邊與鏈輪輪齒相嚙合來實現傳動。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 0.98~0.99。但價格較高，重量較大，對安裝、維護要求較高。應用：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，應使鏈條受一定的張緊力，其張緊力是通過使鏈保持適當的垂度所產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生振動、跳齒或脫鏈現象，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。fceF??1鏈的松邊所受的拉力 F2 由 Fc 及 Ff 兩部分組成。fc2有效圓周力 N 式中：P---鏈傳動所傳遞的功率，kW； v---鏈速，m/s。vPFe10?離心力引起的拉力 N2qvFc?式中：q---單位長度鏈條的質量，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，在 F’f 和 F”f 中選大者。式中：a---鏈傳動的中心距，mm。 q---單位長度鏈條的質量，kg/m。 Kf—垂度系數。4.3 滾子鏈傳動的設計計算已知；傳動用途、工作情況、原動機種類、傳遞的功率 P、鏈輪轉速 n1、n2（或i） ，結構尺寸要求等。設計內容：鏈條節(jié)距 p、列數、鏈條鏈節(jié)數 Lp、傳動中心距 a；大、小鏈輪齒數z1 、z2；軸向壓力 Q；潤滑方式。設計步驟：① 鏈輪齒數 z1 、z2 和傳動比 i小鏈輪齒數 z1 對鏈傳動的平穩(wěn)性和使用壽命有較大影響。齒數少，外廓尺寸小，但齒數過少，運動不均勻性加劇，動載荷和沖擊加大；鏈條進入和退出嚙合時，鏈節(jié)間的相對轉角增大，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。2“2' 10*)sin(????qaKFffff ?齒數過多，將增大傳動尺寸和質量，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。齒數的選取原則：（1）鏈傳動速度高時，齒數多些；（2）為考慮磨損均勻，鏈輪齒數應取與鏈節(jié)數互為質數的奇數，并優(yōu)先選用以下數列：17、19、21、23、25、38、57、76、95、114。（取整） ，且 。由表 9-8，試選 v—選取 z1，z 1盡量用奇數。12min1,7izz?120?z，推薦=2~3.5。當 v2m/s 且載荷平穩(wěn)時，可達 10。過大時，鏈條在小鏈輪上6?i的包角過小，將減少嚙合齒數，因而易出現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是根據傳遞的功率 P，并考慮到載荷性質和原動機的種類而確定，即kWKAca?③ 初選中心距 a0a 小，傳動結構緊湊，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） ，中心距不可調時， 。??p80,5~30max?? pa30mx?④ 鏈節(jié)數 Lp （ 取整，最好取偶數）⑤ 節(jié)距和排數的確定一定條件下，節(jié)距越大，鏈傳動承載能力越強，但節(jié)距越大，鏈傳動的多邊形效應越嚴重，動載荷、沖擊、振動越嚴重。所以，為使鏈傳動結構緊湊、壽命長，盡量取小節(jié)距的單排鏈。021210.apzzp ?????????