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毕业设计（论文）脚踝康复机构的设计姓名学号专业摘要康复训练机器人的主要功能是帮助患者完成各种运动功能的恢复训练，该类产品有行走训练、手臂运动训练、脊椎运动训练等。康复机器人有两种辅助型康复机器人和康复训练机器人。辅助型康复机器人主要是帮助肢体运动有困难的患者完成各种动作，该类产品有机器人轮椅、机器人护士、机器人假肢、机械外骨骼等。康复机器人是康复医学和机器人技术的完美结合，康复机器人技术在欧美等国家得到了科研工作者和医疗机构的普遍重视，许多研究机构都开展了有关的研究工作，近年来取得了一些有价值的成果。对于中风、偏瘫、下肢运动机能损伤等患者来说，脚踝康复机构有着很好的治疗效果。从踝关节康复理论分析可知，踝关节共涉及伸屈、内外翻、内外旋三个自由度，最主要的是伸屈、内外翻两个自由度，也是决定患者是否康复的最主要的两种运动。而现存的踝关节康复机构，大多只能锻炼踝关节伸屈这一个自由度，不利于患者的全面康复。从图中可知，第一种方案，用一对大锥齿轮完成传动，第二种方案，用一对直齿轮和一对小锥齿轮代替一对大的锥齿轮。综合比较利弊，择优选择，最终决定选用第二种传动方案，以减小空间尺寸，减轻机构重量。关键词康复训练机器人，锥齿轮，脚踝康复机构ABSTRACTTHEMAINFUNCTIONOFREHABILITATIONTRAININGROBOTISTOHELPPATIENTSCOMPLETERECOVERYTRAININGVARIOUSMOTORFUNCTION,THESEPRODUCTSHAVEAWALKINGTRAINING,SPORTSTRAININGARM,SPINESPORTSTRAININGTHEREARETWOREHABILITATIONROBOTROBOTASSISTEDREHABILITATIONANDREHABILITATIONROBOTSROBOTASSISTEDREHABILITATIONISTOHELPPATIENTSWITHLIMBMOVEMENTDIFFICULTTOCOMPLETEAVARIETYOFACTIONS,SUCHPRODUCTSAREWHEELCHAIRROBOTS,ROBOTNURSES,PROSTHETICROBOT,MECHANICALEXOSKELETONLIKEREHABILITATIONROBOTISTHEPERFECTCOMBINATIONOFMEDICALREHABILITATIONANDROBOTICS,REHABILITATIONROBOTICSINEUROPEANDOTHERCOUNTRIESHAVERECEIVEDWIDESPREADATTENTIONRESEARCHERSANDMEDICALINSTITUTIONS,MANYRESEARCHINSTITUTIONSHAVECARRIEDOUTRELEVANTRESEARCHWORKINRECENTYEARSHASMADESOMEVALUABLERESULTSFORPATIENTSWITHSTROKE,PARALYSIS,LOWERLIMBMOTORFUNCTIONINJURY,THEANKLEREHABILITATIONAGENCIESHAVEAVERYGOODTHERAPEUTICEFFECTTHETWOMOSTIMPORTANTFROMANKLEREHABILITATIONTHEORYANALYSIS,INVOLVINGATOTALOFANKLEFLEXION,VARUS,INTERNALANDEXTERNALROTATIONTHREEDEGREESOFFREEDOM,THEMOSTIMPORTANTISFLEXION,VARUSTWODEGREESOFFREEDOM,INDETERMININGWHETHERTHEPATIENTREHABILITATIONMOVEMENTTHEEXISTINGANKLEREHABILITATIONINSTITUTIONS,MOSTOFTHEMONLYANKLEFLEXIONEXERCISEADEGREEOFFREEDOMTHATISNOTCONDUCIVETOACOMPREHENSIVEREHABILITATIONOFPATIENTSFROMTHEFIGURE,THEFIRSTOPTION,WITHAPAIROFBEVELGEARTRANSMISSIONISCOMPLETED,THESECONDSOLUTION,USINGAPAIROFSPURGEARANDAPAIROFSMALLBEVELGEARINSTEADOFAPAIROFBEVELGEARSCOMPREHENSIVECOMPARISONOFTHEPROSANDCONS,CHOOSETHEBEST,ANDULTIMATELYDECIDEDTOUSETHESECONDTRANSMISSIONSCHEMETOREDUCETHESIZEOFTHESPACE,REDUCEBODYWEIGHTKEYWORDSREHABILITATIONROBOTICS,BEVELGEAR,ANKLEREHABILITATIONAGENCIES目录第1章绪论111国内外研究现状112本课题研究的内容及方法1121主要的研究内容1122设计要求1第2章脚踝康复机构方案的设计3第3章踝关节康复机构的结构设计631电机驱动和减速器的选择6311踝关节运动角度和摆动速度6312电机、减速器的选择632设计系统尺寸9321确定脚踏板和框架尺寸9322确定传动方杆尺寸10323确定系统的尺寸图1033齿轮设计与计算1134轴的设计与计算20341输入轴的设计与计算20342中间轴的设计与计算22343输出轴的设计与计算2535轴承的校核27351输入轴上轴承寿命计算27352中间轴上轴承寿命计算28353输出轴上轴承寿命计算2936键的选择和校核31361键的选择31362键的校核31第4章机架的设计3241对机架结构的基本要求3242机架的结构3343横梁设计3444机架的基本尺寸的确定3445主要梁的强度校核342结论37参考文献38致谢39第1章绪论11国内外研究现状国内外许多研究机构都在这方面取得了不错的研究结果。脚踝康复机构发展主要经历了几个阶段。由早期的简单步行训练机发展到现在功能丰富、符合人体运动机理的脚踝康复机构。早期发展的下肢康复训练系统是借助于跑步机、悬吊系统等帮助患者进行运动训练，此种产品结构简单、价格便宜，但训练过程中必须有专业人员的帮助，而且并不符合人体运动机理，还不能称为康复训练机器人，只能是一种半自动的康复训练机械，它的功能单一、价格便宜，而且需要在专业护理人员的帮助下进行康复训练，这种机械对下肢病情比较轻的病人较合适。康复训练机器人的主要功能是帮助患者完成各种运动功能的恢复训练，该类产品有行走训练、手臂运动训练、脊椎运动训练等。康复机器人有两种辅助型康复机器人和康复训练机器人。辅助型康复机器人主要是帮助肢体运动有困难的患者完成各种动作，该类产品有机器人轮椅、机器人护士、机器人假肢、机械外骨骼等。康复机器人是康复医学和机器人技术的完美结合，康复机器人技术在欧美等国家得到了科研工作者和医疗机构的普遍重视，许多研究机构都开展了有关的研究工作，近年来取得了一些有价值的成果。对于中风、偏瘫、下肢运动机能损伤等患者来说，脚踝康复机构有着很好的治疗效果。12本课题研究的内容及方法121主要的研究内容在查阅了国内外大量的有关脚踝康复机构设计理论及相关知识的资料和文献基础上，综合考虑脚踝康复机构结构特点、具体作业任务特点以及脚踝康复机构的推广应用，分析确定使用脚踝康复机构实现自动化目的。为了实现上述目标，本文拟进行的研究内容如下1根据现场作业的环境要求本身的结构特点，确定康复机器人整体设计方案。2确定康复机器人的性能参数，对初步模型进行静力学分析，根据实际情况选择电机。3从所要功能的实现出发，完成康复机器人各零部件的结构设计；4完成主要零部件强度与刚度校核。122设计要求1根据所要实现的功能，提出康复机器人的整体设计方案；22完成康复机器人结构的详细设计；3通过相关设计计算，完成电机选型；4完成结构的设计总装配图、主要零件图。第2章脚踝康复机构方案的设计踝关节康复机构的结构既要满足踝关节康复训练模式的要求，又要满足机构本体设计的理论依据，上述分析为机构本体的设计打下基础。其技术路线如图21所示。踝关节结构及运动形式损伤机理中风偏瘫康复机理康复训练模式康复机本体要求机构设计理论康复理论机构本体设计理论依据各种机构方案机构本体虚拟样机图21踝关节康复机器人的技术路线从踝关节康复理论分析可知，踝关节共涉及伸屈、内外翻、内外旋三个自由度，最主要的是伸屈、内外翻两个自由度，也是决定患者是否康复的最主要的两种运动。而现存的踝关节康复机构，大多只能锻炼踝关节伸屈这一个自由度，不利于患者的全面康复。针对上述问题，论文设计了两种踝关节康复机构的方案，如图22和图23所示。从图中可知，第一种方案，用一对大锥齿轮完成传动，第二种方案，用一对直齿轮和一对小锥齿轮代替一对大的锥齿轮。综合比较利弊，择优选择，最终决定选用第二种传动方案，以减小空间尺寸，减轻机构重量。4图22第一方案简图图23第二方案简图图24是该方案的传动示意图，该机构能模拟踝关节真实运动，有利于患者治疗踝关节扭伤和正确矫形。其中第一路传动路线控制踝关节的内外翻运动，第二路传动路线控制踝关节的伸屈运动，通过接合不同的电磁离合器，控制脚踝不同的康复运动接合第一电磁离合器，则脚踝做内外翻运动；接合第二电磁离合器，则脚踝做伸屈运动。使用本机构的患者，可以针对自身实际情况，只进行某一种康复运动；也可以随5时改换离合器的接合按钮，进行两种不同的康复运动。踝关节内外翻踝关节两个自由度伺服电机踝关节内翻/外翻运动减速器第一路传动路线第二路传动路线第一电磁离合器第二电磁离合器脚踏板上下摆动踝关节伸屈支撑板一对直齿圆柱齿轮一对锥齿轮传动方杆脚踏板左右摆动踝关节背伸/跎屈运动图24机构的两路系统传动图第3章踝关节康复机构的结构设计31电机驱动和减速器的选择311踝关节运动角度和摆动速度该机构的运动范围应当由人类直线行走时的运动范围所决定。设计角度既要保证康复机构能够带动患者按正常步态运动，又不能误伤到患者，这就需要参考人类正常行走范围的同时对运动的角度范围加以限制，如表2所示。即踝关节设计角度要大于正常走动的角度而又小于人体极限的摆动角度，如此才能保证实现人体正确步行轨迹，又能保证安全。（1从表31可见，该康复机构的关节设计角度为背伸20，跖屈25，内翻20，外翻15。该角度在病人踝关节可以承受范围之内，并可模拟正常走路角度。表31康复机构踝关节运动范围运动名称人体极限摆动角度人体正常走动角度机构设计角度背伸301420跎屈452025内翻451420外翻301015按照理疗师的要求，在大于6S的时间内完成背伸、跖屈运动，背伸020，跎屈025，那么按照要求，减速器输出端的角速度为（31）SRAD/26018025（2同样，在大于6S时间内完成外翻、内翻运动，外翻020，内翻015，那么按照要求，减速器输出端的角速度速为（32）SRAD/20618052根据上述分析，我们按照较大角速度026RAD/S选择电机，即脚踏板转速为25R/MIN312电机、减速器的选择（1）理论分析踝关节康复运动机构的目的是对踝关节进行背伸、跖屈，外翻、内翻的康复训练，除了满足各个自由度运动角度之外，还需要提供一定的关节力矩。下面是针对一批正常人和一批脑卒中偏瘫患者分别进行背伸、跖屈，外翻、内翻两个自由度关节所需的力矩实验结果，而这批力矩数据为电机的选型提供了依据。7表32正常人背伸/跖屈、内翻/外翻所需力矩实验结果样本年龄身高体重性别背伸NM跖屈NM内翻NM外翻NM12717473男14406617444144122716564男14406617429444132617865男720361742744274442516355女1029617434339252317060男11319576219634362316252女10294939245313672515848女8232617439234382917670男148184116352858892517868男1070274093924116平均值261706211690657937824456表33偏瘫患者背伸/跖屈、内翻/外翻所需力矩实验结果样本年龄性别背伸NM跖屈NM内翻NM外翻NM146男10296174245294253男10296174196343350男82326174196294平均值509604617421233102参考这两组实验结果，背伸/跖屈关节力矩选择最大值ME116NM，内外翻关节力矩选择最大值ME26NM，作为电机选型的参考力矩。由于两个自由度运动使用的是一个电机，故按照较大值ME116NM作为依据来选择电机。又考虑到设计结构中脚踏板下安装了两个弹簧用于恢复脚踏板与地面平行状态，弹簧会损耗部分力矩MS9NM，因此驱动脚踏板所需力矩为MMEMS25NM驱动脚踏板所需功率为（34）WNP5469025考虑到运动过程中有功率损耗，故留15倍余量，背伸/跖屈时，电机所需为8146电机（2电机、减速器的选型计算电机是低扭矩、高转速的驱动部件，单独的电机转速太高、扭转矩太小，故电机8的输出轴要经过减速器进行减速，才能满足所需的转速和转矩的要求，所以伺服电机后加一个减速器。综合考虑各种减速器的特点，最终决定选用减速比高、体积小的电机直联型谐波减速器。故驱动元件选择交流伺服电机谐波减速器的方式，来提供输出力矩。谐波减速器的特点传动比大，承载能力强，传动精度高，传动平稳，效率高，体积小，质量轻。根据日本的HARMONICDRIVELLC产品样本手册，选择CSFSERIESRATINGS系列的型号为20的谐波减速器。该减速器的两端为孔式输出（输入），因此省去了联轴器，简化了结构，缩小了机构尺寸，降低了成本。具体参数如表5。表34谐波减速器参数谐波减速器名称HARMONICDRIVELLC型号CSFSERIESRATINGS20传动比160额定扭矩NM40电机所需输出扭矩为（35）NMIMT15602式中，T为电机输出扭矩，M为脚踏板所需扭矩，I为谐波减速器的减速比。电机输出转速（36）R/IN401652IN脚电机电机所需功率为98W。考虑到该踝关节康复机构需左、右转两个方向运动，来控制踝关节背屈/跖屈、外翻/内翻康复运动，所以电机须选用伺服电机。综合考虑康复机器人的工作条件和载荷特点（驱动病人踝关节做康复运动，启动不频繁，换向频繁），最终决定选用选择松下A5交流伺服电机，规格及参数如表35。表35伺服电机参数电机型号MSME5AZG1额定输出功率W50额定转矩NM016额定转速R/MIN3000电压VAC200V9图36电机扭矩特性图每个伺服电机都要有一个与之相匹配的伺服驱动器，没有伺服单元的驱动，电机将不能转动。和MSME5AZG1伺服电机相匹配的伺服驱动器为A5系列的MADHT1505，属于电机内置保持器。它可以实现速度和转矩的控制，具有电流、过负载、过电压、过速度、电机异常、编码器异常等保护功能，利用电机自带的编码器反馈信号能够构成半闭环控制系统。根据电机转矩特性曲线图36可知，在低于额定转速时，电机恒转矩输出，高于额定转速时，电机恒功率输出。因此400R/MIN时，电机输出扭矩为016NM，经过谐波减速器，关节输出力矩为NMM62510减在谐波减速器可承受的扭矩范围之内（40NM），满足设计要求。电机输出轴直径为。经过两对齿轮传动效率降低，最终驱动脚踏板的力矩为M25NM。M832设计系统尺寸321确定脚踏板和框架尺寸脚踏板尺寸是根据人足的实际尺寸来确定的。为适合所有人群，确定脚踏板的长度为280MM。根据人脚的长宽比例，脚踏板的宽初步定为150MM，考虑到脚踏板两侧需有绷带来固定足部，因此脚踏板左右两边分别留出长5MM的缺口，用于缠绕绷带，所以脚踏板最终宽度为160MM。根据结构需要，脚踏板需固定在一个凹形的支撑板上，该支撑板悬空，当脚踏板上下摆动时候，可以随着脚踏板一起摆动，当脚踏板左右摆动时，支撑凹板可以作为支撑不动，使脚踏板在支撑板内左右摆动。该支撑板的厚度定为5MM，与脚踏板联接的部分局部加厚到20MM并打孔，如图25所示。10图37脚踏板结构尺寸322确定传动方杆尺寸考虑加工的可实施性，传动杆均做成截面为方形、两端带凹槽或者带凸片的形状，且凸片或凹槽均在中间加工一通孔，各个传动杆通过凹槽或凸片用螺栓联接。传动方杆17的尺寸是252580；传动方杆18的尺寸是2020178；传动方杆19的尺寸是2020193。323确定系统的尺寸图减速器的输出转速即为脚踏板的转速，故传动系统的传动比。各圆柱齿轮、1传I锥齿轮传动比均为1。参照医院实地考察的类似的下肢康复机构，杆件尺寸均较小，一般位于1525MM之间，分析其原因是因为，踝关节康复机构多在病床上使用，患者处于平躺状态或者半躺状态，训练用时，脚踏板不必承受整个人体的重量，只需提供使踝关节扭动的力矩，因此该力矩很小，故杆或轴的直径不超过25MM。据上，设计框架如图26所示。从图中可知，传动系统由一对直齿圆柱齿轮、一对锥齿轮组成，这两对齿轮传动比均为111图38系统结构图33齿轮设计与计算高速级齿轮设计与计算（1）选定齿轮类型、精度等级、材料与齿数按已知条件，选用直齿圆柱齿轮传动。由资料14（下同）表101小齿轮材料选用45CR调质，表面硬度为280HBS,大齿轮材料选用45钢（调质），表面硬度为240HBS。选择7级精度，521Z（2）按齿面接触疲劳强度计算根据设计计算公式（109A）试算小齿轮分度圆直径，即（311）3212HEDTTZUTK载荷系数TK输入轴承受扭矩1T齿宽系数D重合度系数Z弹性影响系数E接触疲劳许用应力H确定上式中各参数12试选载荷系数13，TK小齿轮传递的扭矩为627NM1T查表107，选齿宽系数1；D查表106，得弹性影响系数1898，EZ12MPA查图1021D，查得小齿轮接触疲劳强度极限为MPA；大齿轮接触疲劳602LIMH强度极限为MPA。501LIMH计算应力循环（312）HNJLN6输入轴转速N工作时间HL1377R/MIN1N10000HHL双向转动，取2J代入式（312）得165108次160HNNJL查图1019，得接触疲劳寿命系数115，126；1HNK2HN计算接触疲劳许用应力取安全系数S1，则690MPA，693MPA1H1LIMS2H2LIMHKS计算设计公式中代入中较小值，得2174MMH1TD计算小齿轮分度圆圆周速度V017M/S601NT计算齿宽B2174MM1DTB计算齿宽与齿高之比13B/H（313）模数091MM1TTDMZ齿高204MM25TH代入式（313）得1067/B计算载荷系数HAVK（314）查图108，由V017M/S，7级精度，得10VK查表104，得12HF查表102，得125AK查表103，得130H查图1013，得128FK以上代入式（314）得195AVH按实际载荷系数修正1TD2487MM31TTKD（315）14计算模数M104MM1ZDM按弯曲强度设计由公式（105）321FSADYZKTM（316）弯曲疲劳寿命系数FNK弯曲疲劳需用应力齿形系数FAY应力校正系数S由图1020C查得小齿轮弯曲疲劳强度极限500MPA；大齿轮弯曲强度极限1FE380MPA；2FE由图1018取弯曲疲劳寿命系数093，0971FNK2FN计算载荷系数K192FVA计算弯曲疲劳需用应力，取弯曲疲劳安全系数S14，得3321MPASKFENF112633MPA22查取齿形系数，由表105得265；22261FAY2FA查取应力校正系数，由表105查得158；17641YS2YS00131FSA00152SA15大齿轮对应数值大，将以上数值代入得086M对比计算结果，由于齿轮模数M的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度的承载能力仅与齿轮直径有关，所以取由弯曲疲劳强度算得的M086，并取圆整为标准值M3，几何尺寸计算分度圆直径ZMD（317将模数、齿数代入式（317）得156MM；156MMMZD1ZD2中心距（318）21A将，代入式（318）得1D2156MM齿轮宽度（319）1DB由式（319）得25MM；30MM2B1（3）设计锥齿轮传动根据的工作要求，将腕部最末端的传动设计成标准直齿圆锥齿轮传动，考虑到可能圆锥小齿轮齿根圆到键槽底部的距离，所以将圆锥小齿轮与轴设计成一体，TME61圆锥大齿轮单独设计，材料选用45钢。由于选用的是闭式硬齿面齿轮，齿轮齿面磨损和弯曲疲劳折断是主要的失效形式，因此设计这类齿轮传动时按弯曲疲劳强度进行设计计算，宜选取较小的齿数，可取172015。1Z（A）估算齿轮主要参数及尺寸齿数,1Z216齿数比，所以选择,则。121ZNU301Z3012UZ齿宽系数R，取。齿宽系数不宜取过大，避免引起小端齿顶过薄，齿根圆341R30角半径过小，应力集中过大。根据手册16，按齿面接触疲劳强度计算小齿轮大端分度圆直径和大端模数1DM（327）32LIM2115089HRVAKTD式中齿轮传递的扭矩；1T工况系数；AK动载系数；V齿宽系数；R试验齿轮的接触疲劳极限应力；LIMH查手册16得到，,MPA。1AKV50LIMH由于NM，,。371T30RI将数据代入得到小齿轮大端分度圆直径MM。31D大端模数，根据标准分度圆模数，取。65201ZDM52M圆锥齿轮主要尺寸计算16（328）MZD（329）U1ARCTN11290（330）1SINDR（331）17RMD501（332）COSZZV（333）RM501（334）式中大端分度圆直径；D、节锥角；12锥距；R中点分度圆直径；MD当量齿数；VZ平均模数。M齿宽，取MM。1089B将数据代入计算得MM5021MZDMM732451ARCTNRT1I09012MM384SINI1DRMM54201501RMMM76372D640COS11ZZV5322V125305101RM18锥齿轮传动中主动轮转速R/MIN。963510N中点分度圆上的圆周力N。36254721MTDTF（B）按齿面接触疲劳强度进行校核计算接触用单位齿宽上的载荷HTMPA（335）473121036KBFVATMHT查16手册，齿向载荷分布系数，12。HKF计算接触疲劳应力HMPA（336）034765142735154722IDWMT计算齿轮的接触疲劳极限应力LIMH（337）LI1LI2LIHNRLVWXZ式中寿命系数；NZ润滑剂系数；L齿面光洁度系数；R速度系数；VZ工作硬化系数；W尺寸系数。X查手册16得到，。1XWVNZZ950L4RZ所以，MPA。49052LIM/1LI/H计算接触安全系数S，安全系数较高。所以，接触疲劳强度满足，310476/1LIM21HHS参数合理。（C）按齿根弯曲疲劳强度的校核19计算弯曲用单位齿宽上的载荷FTMPA473121036KBFHVATMHTFT变位系数,SX取，则。12012SX应力集中校正系数AY由及可查表得，由及可查表得。1XVZ591S2XVZ6812SAY齿形系数FA由，据及可查表得，由及可查表得，5YC1XVZ601FAY2XVZ352FAY而，所以，。1292560FAY701532弯曲计算应力根据公式（338）11FTASVMY（339）221ASFF将数据代入计算得MPA59719215473FMPA82602取安全系数41FS查16手册，得弯曲疲劳寿命系数，。901FNK902FN查16手册，得弯曲疲劳极限为MPA，MPA。4E45E许用应力（340）FENFS11（341）K2220将数据代入计算得MPA1289410911FENFSKMPA73522因此、，弯曲疲劳强度满足，参数合理17。11FF34轴的设计与计算341输入轴的设计与计算（1）求输入轴上的功率、转速、扭矩0456KW231电机输入P627NM0T（2）初估轴直径（320）30MINPAD选取轴的材料为45钢，调质处理，查表113，取，并将数据代入式012A（320）得17MMMIND（3）轴的结构设计输入轴的最小直径与先前计算齿轮直径相差很少，所以做成齿轮轴。（4）求轴上支反力与弯矩水平方向；06303821TNHTFF038211TNHTF（321）垂直方向；063038221RNVR03068211RNVR（322）对锥齿轮,（323）DTFTCOSTANR对直齿轮21，（324）DTFT2TANRF将输入轴参数代入式（324）得5382N,1385N1T1R5016N,1826N2TF2代入得4086N,8672N1NH2NH5148N,5589NVF1VF作出输入轴水平方向及垂直方向的弯矩图36图36输入轴的受力分析图从输入轴的结构图和受力情况分析得到截面II是输入轴的危险截面，计算结果如表34。表34截面处的弯矩载荷水平面H垂直面V支反力F4086N1NF5148N1NF228672N2NHF5589N1NVF弯矩M448NM07NMM总弯矩1448NM2VH扭矩T627NM15按弯扭合成应力校核轴的强度（325）WTMCA22式中轴的计算应力CA轴受得弯矩M轴所受的扭矩T轴的抗弯截面系数W310DW（326）校核轴上承受最大计算弯矩的截面处的强度，取1，将各数值代入式（325）、（326）得766MPAWTMCA22轴的材料为45钢，查表111，。因此，故安全。160BPA1CAB342中间轴的设计与计算（1）求输入轴上的功率、转速、扭矩0429KW32输入中间P459R/MINN177NM2T（2）初估轴直径选取轴的材料为45钢，调质处理，查表113，取，得012A25MM30MINPAD23（3）轴的结构设计中间轴的直径与小齿轮分度圆直径相差很少，所以做成锥齿轮轴。轴的结构尺寸如图37。图37中间轴结构尺寸简图（4）求轴上支反力与弯矩水平方向；0165793221NHTTFF02569165TTNHFF（327）垂直方向；065793221NVRR02569165RRNV（328）对直齿轮，DTFTTANRF将输入轴参数代入得472N,1718N1T1R944N,3436N2TF2代入得358N,4362N1NH2NH13N,1587NVF1V作出中间轴水平方向及垂直方向的弯矩图24图38中间轴的受力分析图从轴的结构图和受力情况分析得到截面II是轴的危险截面，计算结果如表35。表35截面处的弯矩载荷水平面H垂直面V支反力F358N1NF4362N2H13N1NF1587NV弯矩M317NM1151NMM总弯矩1337NM2VH扭矩T177NM1（5）按弯扭合成应力校核轴的强度校核轴上承受最大计算弯矩的截面处的强度201MPAWTMCA22轴的材料为45钢，查表111，60MPA。因此，故安全。B11CAB25343输出轴的设计与计算（1）求输出轴上的功率、转速、扭矩0404KW432中间输出P153R/MIN3N4985NM0T（2）初估轴直径选取轴的材料为45钢，调质处理，查表113，取，得012A33MM30MINPD（3）轴的结构设计轴的结构尺寸如图39，输出轴的直径与齿轮直径相差很少，所以做成锥齿轮轴。图39输出轴结构尺寸简图（4）求轴上支反力与弯矩水平方向；07532NHTF07511NHTF（329）垂直方向；07532NVR07511NVR（330）对直齿轮26，DTFT2TANRF将输入轴参数代入得8862N,3226NTR代入得13644N,4781N1NHF2NHF4966N,174NVV作出输出轴水平方向及垂直方向的弯矩图310图310输出轴的受力分析图从轴的结构图和受力情况分析得到轴的危险截面，计算结果如表37。表37截面处的弯矩载荷水平面H垂直面V支反力F13644N1NF4781N2H49668N1NF174N2V弯矩M335NM122NMM总弯矩1357NM2VH27扭矩T4985NM1（5）按弯扭合成应力校核轴的强度校核轴上承受最大计算弯矩的截面处的强度35MPAWTMCA22轴的材料为45钢，查表111，60MPA。因此，故安全。B11CAB35轴承的校核351输入轴上轴承寿命计算查阅资料14表133得到轴承的预期寿命为20H30HL由图35可知轴上安装轴承处直径为17MM，考虑其承受齿轮轴和联轴器的重量，所以选择圆锥滚子轴承30203，E035，17，1，CR208KN、COR218KN。Y0求出各力即可算出强度。轴上所受的支反力6572N211HVNRF10315N（331）2221933N，3032N（332）1SY2RSY式中径向支反力R轴向支反力S1933N，3032NAFS12S1A1933N，3032NAA12A，查表135得ERA370104，1X71Y，查表135得E2901281，02X2Y查表136载荷系数12，将以上代入式（333）、（334），轴承当量动载荷PF为7505N（333）111AYRXFPP12378N（334）222由公式（1315）（335）610THFCLHNP式中轴承所在轴的转速N温度系数TF额定动载荷C轴承所在轴的传动功率P计算轴承寿命。1377R/MINN25000NC10/3查表137，温度系数1TF代入式（335）得H，满足使用要求。61072HL352中间轴上轴承寿命计算（1）由图37可知轴上安装轴承处直径为25MM，考虑其承受齿轮轴和联轴器的重量，所以选择圆锥滚子轴承3007105，E037，16，09，Y0CR32KN，COR37KN。求出各力即可算出强度。轴上所受的支反力381N，4642N211HVNRF222HVNRF119N，1451N，SYSY考虑其轴上零件重量得到，50N；A29619N，1451N；AFS12S1A619N，1451NAA12A，查表135得04，16ERA621X1Y，查表135得1，0222查表136载荷系数12，轴承当量动载荷为PF1371N111AYRXFPP557N222计算轴承寿命。459R/MIN2NC28000N10/3查表137，温度系数1TF代入得H，满足使用要求。710HL353输出轴上轴承寿命计算轴承受力如图311所示，轴安装出直径为35MM，由于轴向要承受大小臂的重力，所以选择圆锥滚子轴承2007907E，CR542KN，COR635KN，E037，16，Y09，求出各力大小，即可算出强度。0Y图311轴轴承受力结构简图图中R有两部分组成，第一部分为轴上所受的支反力1452N，5088N211HVNF2221HVNF工作时产生的偏心力，如图312所示。30图312工作时产生偏心力简图大小臂重力分别为300N,200N1G2RLL1经计算得2400N3852N，29088N12R212038N，909N，YS1YS50NAF17539N，909NAF1217539N，909NASA，查表135得04，16ERA11X1Y，查表135得1，0222查表136载荷系数12，轴承当量动载荷为PF51082N111AYRXFPP29496N222由公式1310A，因为，所以带入进行校核1160THFCLHNP31计算轴承寿命。153R/MINN73200NC10/3查表137，温度系数1TF代入得H，满足使用要求。7310HL36键的选择和校核361键的选择根据齿轮和轴的参数，参考机械设计选择设计键。电机输出轴键；254B中间轴的键；180输出轴的键。9362键的校核键的材料为45钢，由资料表62查得许用挤压应力MPA10P根据公式（325）LDTTP1302得到键工作长度MM，接触高度33MM，177NM14L1TT255MPA，安全。DTTP1302键工作长度MM，接触高度38MM，4985NM251T239MPA，安全。LDTP1302第4章踝关节康复机构的三维建模41零件的造型411简单零件的造型一，电机1、首先，运行PROE软件，选择拉伸工具，选择TOP平面为草绘平面，进入草绘界面，选择圆命令绘制圆，选择圆弧命令绘制圆弧，选择直线命令通过圆弧端点绘制直线，打开约束编辑器，选择相等命令，约束直线相等、圆弧相等，打开标注工具，对图形进行尺寸标注，选择草绘的三条直线和圆，单击鼠标右键，选择构建，将草绘的直线和圆转换成构建线，完成草绘返回拉伸界面，指定拉伸深度为26MM，完成实体的拉伸操作，如下图41所示图41电机2、再次选择拉伸工具，选择拉伸实体的表面为草绘平面，进入草绘界面，选择圆工具绘制图形，标注圆的直径为70MM，完成图形的绘制，返回拉伸界面，设置拉伸为拉伸深度完成实体的拉伸去除操作二，齿轮1、首先，运行PROE软件，选择拉伸工具，选择TOP平面为草绘平面，进入草绘界面，选择圆命令绘制圆，选择圆弧命令绘制圆弧，选择直线命令通过圆弧端点绘制直线，打开约束编辑器，选择相等命令，约束直线相等、圆弧相等，打开标注工具，对图形进行尺寸标注，选择草绘的三条直线和圆，单击鼠标右键，选择构建，将草绘的33直线和圆转换成构建线，完成草绘返回拉伸界面，指定拉伸深度为26MM，完成实体的拉伸操作，如下图42所示图42齿轮2、再次选择拉伸工具，选择拉伸实体的表面为草绘平面，进入草绘界面，选择圆工具绘制图形，标注圆的直径为70MM，完成图形的绘制，返回拉伸界面，设置拉伸为拉伸深度完成实体的拉伸去除操作三，脚踏板1、首先，运行PROE软件，选择拉伸工具，选择TOP平面为草绘平面，进入草绘界面，选择圆命令绘制圆，选择圆弧命令绘制圆弧，选择直线命令通过圆弧端点绘制直线，打开约束编辑器，选择相等命令，约束直线相等、圆弧相等，打开标注工具，对图形进行尺寸标注，选择草绘的三条直线和圆，单击鼠标右键，选择构建，将草绘的直线和圆转换成构建线，完成草绘返回拉伸界面，指定拉伸深度为26MM，完成实体的拉伸操作，如下图43所示34图43脚踏板2、再次选择拉伸工具，选择拉伸实体的表面为草绘平面，进入草绘界面，选择圆工具绘制图形，标注圆的直径为70MM，完成图形的绘制，返回拉伸界面，设置拉伸为拉伸深度完成实体的拉伸去除操作。三，脚踏板支架1、首先，运行PROE软件，选择拉伸工具，选择TOP平面为草绘平面，进入草绘界面，选择圆命令绘制圆，选择圆弧命令绘制圆弧，选择直线命令通过圆弧端点绘制直线，打开约束编辑器，选择相等命令，约束直线相等、圆弧相等，打开标注工具，对图形进行尺寸标注，选择草绘的三条直线和圆，单击鼠标右键，选择构建，将草绘的直线和圆转换成构建线，完成草绘返回拉伸界面，指定拉伸深度为26MM，完成实体的拉伸操作，如下图44所示35图44脚踏板支架2、再次选择拉伸工具，选择拉伸实体的表面为草绘平面，进入草绘界面，选择圆工具绘制图形，标注圆的直径为70MM，完成图形的绘制，返回拉伸界面，设置拉伸为拉伸深度完成实体的拉伸去除操作，412复杂零件的造型1、首先，运行PROE软件，选择拉伸工具，选择TOP平面为草绘平面，进入草绘界面，选择圆命令绘制圆，选择圆弧命令绘制圆弧，选择直线命令通过圆弧端点绘制直线，打开约束编辑器，选择相等命令，约束直线相等、圆弧相等，打开标注工具，对36图形进行尺寸标注，选择草绘的三条直线和圆，单击鼠标右键，选择构建，将草绘的直线和圆转换成构建线，完成草绘返回拉伸界面，指定拉伸深度为26MM，完成实体的拉伸操作，如下图45所示和图46所示1锥齿轮图45锥齿轮2箱体图46箱体372、再次选择拉伸工具，选择拉伸实体的表面为草绘平面，进入草绘界面，选择圆工具绘制图形，标注圆的直径为70MM，完成图形的绘制，返回拉伸界面，设置拉伸为拉伸深度完成实体的拉伸去除操作42踝关节康复机构的虚拟样机的装配421装配的顺序装配思路在进行装配的时候，注意几个问题1一定要根据你装配的三维图形，适当把握其先后顺序，正确的装配顺序会减少许多操作2根据零件之间的关系，选择合适的连接方式。422装配的过程首先要知道用PRO/E进行装配时，装配的第一个件通常是不动的。先将齿轮与齿轮轴装配，然后再建立一个装配，装配顺序是下箱体轴承座处的轴承装配齿轮装配轴承装配齿轮副组建的装配箱体装配423踝关节康复机构的虚拟样机经过逐级装配，得到如下图所表示的三维图47A,47B图47A虚拟装配图38图47B虚拟装配图43生成工程图1轴图48轴392锥齿轮轴图49锥齿轮轴3轴承透盖40图410轴承透盖4联轴器装配图图411联轴器装配图415总装配图图412总装配图结论本课题结合目前国脚踝康复机构装置的研究现状和发展方向，具体阐述了一种脚踝康复机构装置开发过程。本文主要完成的工作如下1、脚踝康复机构装置结构方案的确定。分析了脚踝康复机构装置的特点，确定了脚踝康复机构装置基本结构，并确定其基本尺寸。2、确定了脚踝康复机构装置技术指标及参数。对该脚踝康复机构装置进行了计算。3、零件的刚度和寿命计算与校核。对各个已设计零件进行刚度和寿命计算，确保满足使用要求，使该脚踝康复机构装置有足够的可靠性。通过本次毕业设计，不仅把大学所学到的理论知识很好的运用到毕业设计中，而且培养了自己认真思考的能力，在处理问题时有了新的认识和方法，并加强了和同学之间进行探讨和解决问题的能力。通过对专业知识的接触和深入学习，以及对相关信息的获取，我深切地认识到，就目前的发展而言，我国的工业还比较落后，与发达国家相比还存在很大的差距。尽管我们不断地在努力，但想在很短的时间内改变这种现状
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