气动护理助力机械的设计毕业论文.doc

气动护理助力机械的设计Design of a pneumatic power assisting device for nursing use摘 要由于计划生育政策的影响,现在的社会年龄结构已呈现到三角形,中国进入老龄化社会将会是迟早的事,老年人的数量很多,而且还有上升趋势,而当今家庭结构小型化,这大大的加重了年轻人的负担,一对夫妻可能要抚养两对老人,这样在精力上将会有所不足,外加如果有了重病的病人,对护理人员的体力要求也是很高的,为了使老年人能够自主护理病人,家庭助力机械的发展成为必然.对卧病在床的病人和不能随意支配身体的老年人等,如果可以在护理他们的时候,为护理人员提供一些助力,这样,对于护理人员来说可以节省很多体力,减轻劳动强度,并且可以顺利的完成护理动作,本设计方案是基于该设计理念提出的.该机械将被穿戴在护理人员身体上,使用气缸在必要的关节提供助力,帮助护理人员完成既定动作.所用的材料多为米思米的型材与零件,另有设计所需的一些零件,详见图纸,通过proe三维造型并用manikin模块做动作演示以保证机械装置的实用性.本次设计使用的机构具有简单、轻便，造价不高等优点；使用的动力系统为气动系统，提供的助力柔和，较适合病人与老年人使用；护理动作为人主机辅模式，护理人员与病人或老人之间没有机械结构，会减低老年人对及其的恐惧并且增加护理人员的可操作性；操作简单，不需要专业训练和指导，需要通过设定好的程序驱动机构。很适合个人护理，整机械具有轻便，价格低廉，结构安全稳定，能够有效地减轻护理人员的负担。主要设计参数：床面高度600mm，提供的助力约为人体重量的一半约为500N，互利机械活动范围500mm-180mm，使用4.2大气压的便携式空压源。关键词：护理；助力机械；气动Design of a pneumatic power assisting device for nursing useAbstractAs a result of family planning of birth control , the age structure of the society has been abnormal ,China will be a old-age country sooner or later ,the number of the old is very big ,and it seems grow .Nowadays ,most of families are the small which are different from that before ,and this will greatly increase the burden of the youngs ,a couple may raise two pairs of elderly ,which will be result in the shortage of attentions ,in addition to the patients ,we need a strong nurse so that we can copy with those .In order the old can take good care of themselves ,we develop the a pneumatic power assisting device for nursing use .For those who lie in their bed because of illness and those who cannot copy their bodies very well ,we can design a machine that help the nurses ,in this way ,we can induce the labor intensity of the nurses ,and the nurses can fulfill the task smoothly .The machine will be wear by the nurses ;driven by cylinder in the right way .The material of the machine is almost from misumi ,and some other parts needed is design .We use the proe to make the shape of the machine ,and use the manikin to make sure that the machine is fit for the nurse.The design of the pneumatic machine has the advantages of simple, lightweight and low cost .The power system use the pneumatic system to provide soft power ,more suited to patients and elderly .Use human host and auxiliary mode ,there is no structure between the nurses and the old or the patients ,and this will be good for the old and the patients .The operation isnt difficult so that we dont need to train them how to use it ,but we need a set program to driven it .Key words: Caring; Pneumatic ;Assistant machine目 录摘 要IAbstractII引 言1绪论2毕业设计目的2国内外研究现状3设计的主要任务10毕业设计说明书11总体方案的提出11三单元设计14上肢方案对比选择与组成14腰部单元结构对比选择与组成18下肢单元20气缸的选型23气压传动的优点和缺点23气缸的类型与应用25气缸的选定26主要参数的确定28导轨的选择28LM 轨道构造与特长29整体成本估算31结论32参考文献34致谢35引 言社会老龄化问题日渐浮出水面，那么主要的问题就是老年人的照顾抚养，而现在家庭趋于小型化，经常会有一个家庭有两家老人要抚养，但是如果老人生病等导致不能自由行动，这就会导致年轻人们没有足够的精力来同时照顾，这就需要辅助助力机械来帮助老年人照顾老年人，为了能够让体弱的老年人照顾生病的老年人或者病人，就可以大大的解放劳动力，为社会做出更多的工作。本设计基于这样一种想法，设计一个气动护理助理机械来帮助体弱的老年人照顾病人或者不能自由动作的老年人。本设计最基础的想法来自人体本身的结构，由于仿生学的发展，可以看到生物在历史进化中展现的惊人潜力，仿照人体的结构针对人体的结构做出一套可以穿戴在人生上的助力机械，从而对人体进行辅助，相信效果会不错。另外还要注意在搬运病人过程中机械和人体之间最好没有其他的结构，可以使护理人员和病人之间有直接的交流，这样可以使病人得到更多的人文关怀，作为家用的小型装置，需要小巧，操作简单，价格低，结构安全稳定，能够有效地减轻护理人员的负担。根据人体结构，本设计的主要部分包括：手臂单元、腰部单元和腿部单元三个方面。针对以上的要求，本次设计主要做的工作包括：根据使用情况，做出设计的总体方案；做出实现护理动作的机构并进行强度校核；进行气缸的选型；对直线型导轨选型。在结构设计方面，对手臂单元、腰部单元和腿部单元都做了许多研究，可以进行弯腰，搬运，行走等动作。经过proe中的manikin模块对该装置进行了人体尺寸和动作的测试，理论上能够平稳，可靠地帮助护理人员完成护理动作。本设计目的为减少护理人员的劳动强度，安全帮助护理人员完成护理任务。期间阅读一些国内外的相关文献，进行分析学习研究，结合自己学习知识，在老师的帮助下，完成了本次气动护理助力机械的设计。绪论毕业设计目的20世纪90年代以来，中国的老龄化进程加快，随着20世纪中期出生高峰的人口陆续进入老年，可以预见，21世纪前期将是中国人口老龄化发展最快的时期，而且独生子女的增多，使得老年人到终老时候在身边全天伺候的人员减少。因此能够为老年人提供自立服务和方便对老人照料帮助的产品正成为社会上的急需。虽然老年人是人生的“夕阳红”阶段，可是为老年人提供服务的产业却是一项未来的“朝阳产业”，面临着越来越大的市场需求。尤其是，我们中华民族是一个有敬老传统的民族，无论是老年人的子女还是全社会都对关爱老年人的事业倾注了极大的热情，投入和很多的人力和物力。提起护理器械，就会想到病床、输液架等这些最基本、最简单的器械，从现代临床治疗与护理的关系来看，医疗护理所涉及的范围和领域已远远超出传统的概念。可以认为：凡是可以用来减轻护士的劳动强度、提高护理质量、增加临床疗效、减少院内交叉感染、促进病人康复自理，并主要由护士来操作使用或协助病人使用，或遵照医嘱使用的设备、器具和用品，都属于“医疗护理器械”。 近年来随着为电子技术和信息技术的发展，以及全球人口老年化，医疗器械尤其是护理器械出现了蓬勃发展的生机，世界各国都在积极研制和生产各种适合家庭护理、物理治疗和康复保健的护理器械。总的趋势是：体积越来越小、功能越来越强、自动化程度越来越高、使用越来越方便、为患者考虑越来越周到。但是针对老年人行动不便这一特点，为他们直接提供助力的机械，以及为给他们提供护理的人员提供助力机械还比较少见。对于卧床不起的老年人，或者是不能自由行走的病人，护理人员在将他们的身体从床上搬下搬上的时候，如果单纯的依靠护理人员本身的肢体力量，很耗费体力，长此以往，将会对护理人员的身体产生永久性的肌肉损伤；而另一方面，一旦护理人员在搬运老年人或者病人的过程中体力不支，那么将对被护理人员造成严重的危险。如何能够设计出一种护理搬运机械，能够帮助护理人员在搬运护理对象的时候，助上一臂之力，减轻其体力劳动强度，本设计方案就是在这样的构思上提出来的。通过助力机械给护理人员提供帮助，就能极大地减轻护理人员的体力劳动强度，使他们能够轻松地完成护理工作。尤其是对于女性或者年长的护理人员来说，这种助力机械将使他们完成本来不可能完成的工作，从而降低了对护理人员的体力要求，能使他们更好的为病人提供护理。同样的，有了这种机械的帮助，护理人员可以轻松地搬起老年人，护理人员可以同时对多位老人进行护理，而不会感到疲劳或厌倦，甚至可以实现由老年人来护理老年人，从而使一个家庭里的老两口可以互相照顾，这样不仅极大地节约社会劳动力资源，而且减轻老年人给社会或子女造成的负担，是老年人的心理压力减小，从而过上轻松幸福的晚年生活。国内外研究现状由于日本是全世界人口老龄化最严重的国家，因此格外重视帮助老年人的护理机械的研究。日本静冈县time公司制造的用于护理的可变换形状的新产品，他可以变换形状来实现病人的搬运以及躺卧，且可以提供助力给护理人员。其构造如图1.1所示。图1.1 time公司可变换形状装置卧式结构图从图1.1可以看出来，该机构可以变换形状，实现对病人的搬上搬下以及身体的转动，但是该机构很笨重，机构也很复杂，且造价很高，对于普通的家庭使用来说，其庞大的体积，笨重的机构，以及昂贵的价格都不太适合使用，所以该机构虽然功能较多，但是很难普遍使用。日本东京工业大学北川（土冢）越研究室的下肢助力装置助力装置安装效果图如下图1.2所示。本装置使用便携式的空气压力源作为动力装置，主要针对那些肌肉力量及骨骼有疾病的患者。患者可以借助该下肢助力装置抵消行走时的负荷，以减轻腿部关节的疼痛。不仅可以在平坦的地方使用，也可以在有坡度的地方使用。 图1.2 安装效果图 图1.2.1 助力装置结构图图1.2.1是该助力装置的结构简图。主要是利用气缸来支撑负重，再与一个鞍形坐垫连接。此机构中的自锁机制锁定时，可以支撑负载。自锁机制解除时，支撑杆可以活动，以实现行走的动作。东京工业大学开发的“零号搬运工”这是一种通过几条“腿”的交替伸缩，实现攀爬楼梯的载物机器人。其八个腿部支撑轮4个为驱动轮，4个为被动轮，滑动腿由电机控制伸出和缩回，下为机构动作方案。图1.3 图 1.3.1研究人员近期着力解决了伸缩“腿”既可以在支撑状态可以提供足够的支撑力，又可以在收回时动作较为迅速的问题。其内部通过使用一个行星轮变速器提供了高速、低速和锁定三个档位，为该机器人提供了支撑、收回和紧急锁定三个姿态。图 1.3.2此为变速器的档位变换机构模块图。 图1.3.3图1.3.3中（a）为结构模块，（b）是自动爬楼梯实验，（c）是承载使用者实验，（c）是与其他机器人结合作为室内检查机器人。负载限制60Kg腿动作的幅度400mm高速档最大速度220mm/s低速档最大速度80mm/s两档位的切换时间0.3s 表 1.1表中数据为“零号搬运工”的主要技术参数。该机构“腿”机构的设计简捷实用，可很好地完成搬运重物攀爬楼梯的功能，但其电控系统过于复杂，变速机构也过于细致。当搬运重物时需首先将重物置于该机构的平面上，不适于家庭使用。且通用性也不够强，当面对钢琴等跨度较大的物品时，安全性不够，甚至无法完成任务。日本筑波(Tsukuba)大学研制的HAL系列机器人日本筑波大学Cybemics实验室的科学家和工程师们，研制出了世界上第一种商业外骨骼机器人(HybridAssistiveLeg，HAL)，准确地说，是自动化机器人腿:混合辅助腿。这种装置能帮助人们以每小时4公里的速度行走，毫不费力地爬楼梯，HAL机器腿的运动完全由使用者通过自动控制器来控制，不需要任何操纵台或外部控制设备。HAL由背囊、内装计算机和电池的一组感应控制设备、4个电传装置(对应分布在骸关节和膝关节两侧)组成。这种帮助人行走的外骨骼动力辅助系统，配备较多的传感器，如角辨向器、肌电传感器、地面传感器等，所有动力驱动、测量系统、计算机、无线网络和动力供应设备都装在背包中，电池挂在腰部，是一个可佩戴的混合控制系统，根据生理反馈和前馈原理研制的动力辅助控制器可以调整人的姿态，使其感到舒适。HAL机器人骨架是一种“穿”在人身上的特殊构架，固定在皮带上的微型计算机根据皮肤电脉冲收集有关肌肉活动的信息，然后借助于伺服电动机加强动作，以此降低肌肉的负荷，从而帮助工人和体力活动受限制者。图1.4.1 筑波大学研制的HAL-3“混合辅助腿”2005年，经改良后代号为“HAL-5”在爱知世博会上首次亮相，其重量约15公斤，电池供电，一次充电可工作两个小时和更多时间(取决于负载大小)。同样通过电力信号在皮肤表面的变化中探测到肌肉的运动，然后将运动的力量放大。借助这种机器装置的帮助，一个弱不禁风的小女子也能提起几十公斤的重物。与HAL-3不同之外在于HAL-5增加了上肢支持系统。图1.4.2 HAL-5卧床病人护理机械臂下图1.5是国内某医院的医师申请的卧床病人护理机械臂，在该装置中，其结构是由底座、万向轮、升降机械臂、蜗轮减速机、手轮、滑套和立柱构成，万向轮设置在底座的下方，表面设置有齿条的立柱固定在底座上，滑套与立柱套接在一起，升降机械臂与滑套固定在一起，设置有手轮的蜗轮减速机与滑套连接在一起。通过手轮的摇动来达到升降目的，通过涡轮减速机达到助力的目的。该护理机械结构简单、易于加工、使用方便。该装置的升降机械臂没有调节功能，只能像叉车一样将护理对象搬起，另一方面，利用手轮和涡轮减速机进行升降运动也不是很方便，护理人员需要站在该装置的后面才能操作，在升降过程中，缺少了对护理对象的保护。所以虽然申请了专利，但是没有在国内得到很好的推广。图1.5 卧床病人护理机械臂日本电气通信大学的小山猛等人，研制了可为护士提供助力的护理助力机器人。如图1.6所示。通过电动助力系统，为站在机器人前面的护理人员提供助力。从而使护理人员能够更轻松的完成护理工作。图1.6护理助力机器人实用图在这个研究中，在设计中特别强调了使用机械式助力设备时，充分利用护理人员的能力。比如，让护理人员直接与老年人相接触，这样可以减轻老年人对机器的恐惧感，增强他们的安全感和舒适度。护理人员还能够在护理时，与老年人一边进行语言和情感的交流，一边观察老年人的细微状态变化和身体反应，一边进行护理工作。从而获得比单纯使用机器更好的、和更人性化的护理效果。但是，这个研究也有结构和控制系统过于复杂的弊病。独立可穿戴式动力助力衣服有脚踝部、膝盖部、腰部、肩部、肘部等多个关节。驱动这些关节需要大量的气动作动器。控制这些作动器还需要复杂的自动控制回路。同时该装置也消耗大量的压缩空气气体能源。护理助力机器人，使用电动系统，力的控制的实现比较复杂，需要依赖安装在上肢处传感器来实现。该传感器根据肌肉发出的电信号来测量肌肉发生的力量。由于上述研究过于复杂，装置过于昂贵，不能面向以护理对象为老年人的一般家庭用户，因此本毕业设计拟开发一种新型的气动护理助力机械，以满足实际需要，填补这一方面的空白。设计的主要任务在本毕业设计中，我们设计了针对帮助护理人员的气动护理助力机械。有了这种机械的帮助，护理人员可以轻松地从床上搬起老年人，并搬运到需要移动的地方。为了实现给护理人员提供助力的目的，我们设计了气动护理助力机械。它具有以下的特点：结构简单轻便，造价便宜，便于穿戴，适用于家庭医院等场合。使用气动系统，提供的助力轻柔、使老年人感到舒适。护理所需的抬起和放下老年人的动作，均由气动系统和护理人员共同来完成，从而降低老年人对机器的恐惧感，增加护理工作的安全感。操作简单，直观。不需要特殊的学习和训练。本装置采用便携式空气压力源作为主动力装置，无污染、无液体泄漏，动作迅速且可提供一定的缓冲。并且自锁机制的运用，可以很好地将负载传递给地面，利用大地这个天然的支撑架来进行支撑，从而省去大部分的人力。通过本助力机械的帮助，人们轻松地完成搬运病人任务，变繁重体力劳动为轻量的体力劳动，从而达到减轻负担的目的。本助力机械设计的主要任务包含以下内容：第一，面向家庭使用，从护理人员实际使用的需要出发，提出了总体设计方案。综合考虑实际需要情况，从可穿戴以及助力两个关键点出发，提出了总体设计方案。第二，对机构进行细化，对关键零部件进行设计。第三，设计了带有有锁定与解锁机制的导轨支架机构的下肢。第四，设计可以完成搬运病人的上肢单元和腰部单元。第五，对气缸进行选型。第六，进行直线导轨的滑台选型。第七，使用Proe及manikin库建立人机三维模型，并且用Autocad编辑绘制装配体的二维工程图。主要设计参数确定：本设计中以搬运病人为目的，病人的体重约为50Kg。在实际设计中，以50Kg作为最大负载模型来进行设计以及计算。便携式空气压力源压力为4.2bar。主要设计参数：最大助力50Kg；便携式空压源压力4.2bar。毕业设计说明书总体方案的提出在对研究背景及现状有了大致了解后，总结已有成果的经验，发现一般的便携式以及可穿戴式助力装置设计中，是通过所设计的机构来抵消或转移部分重物的重量，使得真正由人体承担的负载减小或更加易于承担。这也是助力机械的基本原理和思想。可是，有时助力机构虽然可以抵消负重，但其借力点，也就是作用力的另一端依旧是人体，有些装置只不过是利用肩部的力量比较大而且比手臂要易于负重的原理，将负载通过机构转移到肩部。这种机构实现了助力，使得重物易于搬运，但穿戴在身上，肩部仍然会受到力的作用，不便于长时间的搬运。本次设计包括了如何将负荷传递到地面。针对所需要模拟的实际情况及设计的具体要求，同时考虑到整个助力装置尽量体积小，重量轻，便于穿戴，使用方便，动力源使用空气压力源等。设计最初的想法是将这个机械做成小车型，类似与工厂用的叉车，将病人放在搬运臂上，再利用动力装置，提起病人，借助车轮就可以搬运病人了。小车型的助力机械具有很多优点，比如：使用起来方便，结构简单，搬运过程中的阻力会很小，搬运过程流畅等。往届的学长们设计的也是车型的，这在一定程度上也影响着我的本次设计计划。但是，车型的结构也有其致命的缺点，比如：在搬运过程中，护理人员与病人之间有着机械结构，导致护理人员不能与病人接触，这样的话，如果在搬运过程中，病人失去平衡等，护理人员鞭长莫及，不能及时的做出处理动作在安全方面和病人的心里方面都有许多问题；另外，车型的机构在搬运过程中很方便，但是在搬运的时候由于滚轮的存在，会导致再转身的时候不能够很方便，很快捷的转身；而且，车型的机构在结构上比较大，在进出家里的房门的时候，多有不便，护理人员在操作的时候也不能够得心应手。在这个方案中，最主要的问题就是提出的第一个缺点，不能和病人有足够的接触和交流，限制了这种结构的发展。为了克服以上缺点，达到护理人员与病人之间的契合，使护理人员在护理时候能够随心的操作机构，动作较灵活，我们致力于设计一个能够完美解决这些问题的机械。接着，受到了工程机械中平衡吊的启发，我想到了是不是可以设计一个类似与平衡吊类似的机械，这样，护理人员可以腾出双手即时的护理与搬运病人，能够实现搬运与护理的任务。但是这样的机械也有其致命的缺点，使用限制很大，只能够在平衡吊安置位置使用，这样的话就不能够完成将病人换病房等需要大范围移动的任务，而且，这样也会使病人感觉到不适，好像自己想机器一样被来回摆弄。至此，否定了前面的些许方案，我们开始寻找新的方案。接触了仿生学后，觉得是不是可以使用仿生学做一个可以穿戴在人身上的助力机械，这一想法得到了老师的赞同，并且给了我许多相关的材料，于是，我开始研究这种机械的结构，怎样设计才能使这个机械更适合人体的穿戴呢。最初，依然是想做个与人体相似的机构，把基本的骨架画了出来，之后在各个机构之间增加原动件，经过层层筛选与组合，最终定下了如下的方案。设计方案1如下图：整体装置由上肢单元、腰部单元和下肢单元组成。使用演示如图：本方案以腰部单元为固定单元，腰部框架与人体腰部固定，胸部与靠背固定，腿部与腿部单元固定，脚踏在踏板上。该方案所用的五个气缸都是分别驱动，使用时，腰部单元的气缸放松，人体弯腰；腿部单元气缸放松可以曲腿；手部单元气缸伸出手臂伸直；抱起病人之后，腿部单元气缸发力，可以站起；腰部单元气缸发力，可以直腰；手部单元气缸收缩，可以把病人抱紧。手臂的弯曲与伸直活动范围约0-300mm，腰部单元的弯曲活动范围是0-45度，下肢单元气缸行程200mm，导轨的滑动范围300mm，可以完成下蹲动作，综合各个运动于一身，可以完成下蹲弯腰伸展手臂抱取病人的动作，站起直腰收缩手臂抱紧病人动作。整体作用范围垂直方向约在50mm-180mm之间，能够完成抱起并且放下病人的任务。2三单元设计上肢方案对比选择与组成手部单元在设计初，提出了许多方案，从中选了两种作对比说明。3如图： 方案：1 方案：2方案一所表达的机构上肢部分由靠背、气缸、手部杆组组成。使用两个气缸完成所需动作，机构动作轨迹确定，方案较简单，通过气缸作用平行四边形机构，从而达到改变手臂方位和角度的目的，完成上肢运动。两个气缸在靠背的两侧固定。此方案在设计初，是希望气缸能够在连接气缸座两个杆之间，这样有两个好处，第一，气缸工作动力会比现在的大，因为现在的结构会使气缸在工作时是小面积方向作用力；第二个好处就是可以节省空间，气缸座不需要延伸到腰部。但是在实际设计时，发现如果想实现要求的行程位置，气缸放在两杆之间会导致手臂机构不能完成固定行程，从而影响到了机构的应用性，也考虑错开气缸的位置，但是这样就会导致产生扭矩，对于滑动机构的结构稳定性造成了影响，所以，最终决定将气缸摆在如上图的位置。方案二所表达的机构上肢部分由靠背、气缸、手部杆组组成。这个机构由于自由度比较大，需要的气缸数量较多，在大臂和靠背之间，大臂和小臂之间都需要气缸支持，所以需要四个气缸，这样，在空间上，手臂下面的空间安排两个气缸是很紧张的，而且，导致结构不科学，可靠性不高。但是，用于驱动的气缸可以换成动力气囊，来完成手部单元的驱动，有相关文献讲述气囊驱动的例子，但是由于没有找到更多的相关资料，没有研究的资料，没有在此方案多下功夫。综合各方面因素，选择方案一为手部单元的结构，人体将小臂放在该机构的小臂处，大臂和四边形机构固定，胸部和靠背固定，这样，就可以使上肢部位发挥作用。方案一所示机构主要由靠背架和支架组成的靠背部、气缸座和滑块导轨组成的气缸部和由铰座和手臂杆组组成的手臂部三部分组成。靠背部由misumi铝型材中30mm*60mm铝合金型材和支架组装成。型材之间使用快速链接滑块连接，使用支架固定。可以将人体躯干部分固定在靠背部分，从而借助腰部单元的气缸实现提供动力的目的。样式如下图8： 气缸部由misumi4直线导轨中滑块加宽加长型微预压型导轨、气缸座和带导杆型气缸组成。导杆可以带动滑块运动。导轨滑块用M3.5的螺栓固定在气缸座上，气缸用M3的螺栓固定在气缸座上，滑块和气缸推杆连接起来。如下图： 手臂部由三个杆和一个小臂组成。具体设计如下图：杆1为了使各杆之间没有运动干涉，使用了平行四边形机构，并且其中杆1的设计使用了叉状，避开了各杆重心不在同一表面导致有扭矩存在的尴尬，长杆的长度与人体大臂的长度一致，小臂部分为了让个使用者能够舒服，特意设计了一个符合人体结构的外部设备。杆之间使用直径为6的平头铰连接。两个手臂可以分别动作，分别动作的好处：1）可以调整被抱起老年人的姿势。使被护理人员能感到最大程度的舒适度。2）可以使护理人员直接面对被护理的老年人，直接与老年人相接触，减少老年人对器械的恐惧感。增强安全感，由于有了护理人员的参与，使得老年人在心理上又一个更安全的感觉。3）增强人性化设计，由于加入了人员的直接参与，使得器械的一些不足，比如：不能自己调节，不能根据老人的直接感官反应改变出适当的动作，来做出调节反应。这样使得护理人员在使用护理助力机器的同时，又不降低护理的品质，达到和人护理一样的护理效果。上肢的运动机理，气缸导杆带动滑块滑动，转化成杆1的空间运动，进而借助于平行四边形机构转化成手臂杆组的联合伸缩运动，实现抱紧病人的目的。腰部单元结构对比选择与组成在设计腰部单元时候，提出了两种方案。第一种方案是将腰部支架固定，将上肢单元与腰部单元用铰连接后，使用气缸驱动，腰部单元是固定在人身体上的，所以上肢单元通过气缸作用，得到力，从而实现腰部单元与上肢单元的角度变化完成弯腰的动作。第二种方案是将上肢单元与下肢单元连接，实现跨关节的连接，通过气缸作用，实现腿部和上肢单元之间的角度变化。以上两种方案对比来看，第一种方案优点是结构简单，没有跨关节，动作曲线单一，相对稳定，缺点是活动范围相对较小，腰部单元的气缸作用的力可能需要大一些；方案二优点是活动范围大，腰部单元的气缸的作用力可以小很多，缺点是在行走过程中，在上肢单元与腿部单元之间会有小范围的干涉。综合以上因素，选择方案一来实现腰部单元。腰部单元由misumi中型材拼接成的腰部框架、固定型铰和腰部气缸固定装置组成，之间用M4内六角固定螺丝连接。腰部单元示意图如下：气缸连接在上图右端的固定型铰上，与上肢单元的靠背的下端连接，组成腰部供力机构。具体组装见下图：下肢单元由于在完成护理动作的时候，有时候会需要进行曲腿动作，这样在下肢单元设计最初定的方案也是仿造人体骨骼来进行仿生，在大腿与小腿之间增加气缸做助力气缸，这样的优点在于人体穿戴起来会比较舒服，因为与人体结构相似，发力等都会比较合适，但是由于这样的结构会导致行走不便，在行走过程中，对气缸的排气与进气的功率要求比较高，并且在行走过程中人体腿部对腿部气缸的依赖并没有想象中的那么大，所以接受了老师的意见，将腿部单元的结构改成了直线导轨型，在导轨之间安置气缸以作动力驱动，这样的结构的优点在于，机构在动作的时候不需要弯曲，这样对结构的稳定性就有了保证，而且在人体弯曲腿的时候，可以根据设计的自锁机构来实现腿部直线结构的长度变化，完成曲腿前进的动作，在需要发力时，气缸动作便可以直接驱动，其结构如下图：下肢单元6由球铰、接头、内外导轨滑块、气缸、连接件、自锁装置、方轴、套筒和踏板组成。下肢单元通过上部的球铰与腰部单元连接，内外导轨用于抬腿或者气缸伸缩调整位置用，也用于承受重量。气缸的连接通过直径6的平头铰连接。自锁装置的设计与应用设计自锁机构的工作原理自锁的实质是作用在构建上的驱动力的有效分力总是小于由所引起的同方向上的最大摩擦力。判定有四方面：（1）对于移动副，当驱动力作用在移动副的摩擦角之内时，将发生自锁；对于转动幅，当驱动力为单一力，并作用在摩擦圆之内时，将发生自锁；对于螺旋副，当螺纹导程角 将发生自锁。（2）若计算所得到的机械的生产阻力，在驱动力任意增大时均足够大，则该机械发生自锁。因为这说明当驱动力任意增大时，机械都不能运动，要生产阻力反向变为驱动力才能促使机械运动。（3）当驱动力任意增大时机械的效率小于等于0，则机械发生自锁。（4）若作用在构件上的有效驱动力始终小于或等于其所引起的同方向的最大摩擦力，则机械发生自锁。由以上原理则知，本设计中所用到的自锁机构产生自锁的原理如（2）。在F拉力的作用下，方轴与销轴之间有摩擦力f产生，并且在弹性钢丝的作用下，带动链板有被张开的趋势，即在方轴和销轴结合的地方将会压紧 ,产生更大的压力和摩擦力f，在一定范围内，F增大，f也增大，但是始终Ff，则此时，机构发生自锁。图5.1即为自锁机构的原理图。图5.1 滑动自锁机构原理图自锁机构的校核计算本设计中的自锁机构，方轴的材料为40Cr，截面为正方形，边长为5mm；销轴和链板的材料也为40Cr，其中链板的中心距为10mm，销轴的直径为3mm，根据设计原理图的几何关系，可知当自锁机构工作时，原理图中所标夹角的值为：又查机械设计手册可知，钢钢的静摩擦系数为0.15，动摩擦系数为0.113，而钢丝绳拉力在正压力N的方向上的有效分力为：由力的平衡关系可得：其中n为产生有效摩擦力的销轴数目，为保险起见，公式中采用，为钢钢的静摩擦系数。现取n=8，所以计算得：根据计算结果，查阅机械设计手册11，选择结构为，公称直径为1.0mm的不锈钢丝绳。应用站立时，由于人体重力等作用，使方轴与链条之间产生相对运动，自锁链条工作，防止方轴与链条产生运动，腿部单元长度不变；当人体要抬腿时，下肢单元的自锁装置中的套筒会由于弹簧的作用弹起，顶起自锁链条，自锁装置解锁，方轴和链条之间产生相对运动，腿部长度减少，人体可以完成曲腿的动作。气缸的选型气压传动的优点和缺点气压传动简称气动，是指以压缩空气为工作介质来传递动力和控制信号，控制和驱动各种机械和设备，以实现生产过程机械化、自动化的一门技术。它是流体传动及控制学科的一个重要分支。因为以压缩空气为工作介质具有防火、防爆、防电磁干扰，抗振动、冲击、辐射，无污染，结构简单，工作可靠等特点，所以气动技术与液压、机械、电气和电子技术一起，互相补充，已发展成为实现生产过程自动化的一个重要手段，在机械工业、冶金工业、轻纺食品工业、化工、交通运输、航空航天、国防建设等各个部门已得到广泛的应用。（1）气压传动的优点：空气随处可取，取之不尽，节省了购买、贮存、运输介质的费用和麻烦；用后的空气直接排入大气，对环境无污染，处理方便。不必设置回收管路，因而也不存在介质变质、补充相更换等问题。因空气粘度小(约为液压油的万分之一)，在管内流动阻力小。压力损失小，便于集中供气和远距离输送。即使有泄漏，也不会像液压油一样污染环境。与液压相比，气动反应快，动作迅速，维护简单，管路不易堵塞。 气动元件结构简单、制造容易，适于标准化、系列化、通用化。气动系统对工作环境适应性好，特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣工作环境中工作时，安全可靠性优于液压、电子和电气系统。空气具有可压缩性，使气动系统能够实现过载自动保护，也便于贮气罐贮存能量，以备急需。排气时气体因膨胀而温度降低，因而气动设备可以自动降温，长期运行也不会发生过热现象。（2）气压传动的缺点：由于空气具有可压缩性，因此工作速度稳定性稍差。但采用气液联动装置会得到较满意的效果。因工作压力低（一般为0.31.0MPa），又因结构尺寸不宜过大，总输出力不宜大于1040kN。噪声较大，在高速排气时要加消声器。气动装置中的气信号传递速度在声速以内，比电子及光速慢，因此，气动控制系统不宜用于元件级数过多的复杂回路。对于本助力装置而言，所要实现的搬运重物功能，使用气动可以方便控制支撑力的大小，同时可以增加整个装置的安全性能，在换脚迈步过度时还可以有效地起到一定的缓冲的作用。鉴于气压传动的种种优点，采用气压传动作为步行助力装置的传动方式是合适也是合理的。气缸的类型与应用气缸是将气体的压力能变为机械能的能量转换装置。在气压传动系统中，他是执行元件。用来带动夹紧机构。定位机构，分度装置等。气缸的类型按活塞机构可分为活塞式气缸与膜片式气缸：按安装方式可以分为固定式气缸，摆动式气缸与回转式气缸：按气体作用力方向可分为单向作用气缸与双向作用气缸：按气路连接方式可分为管式连接气缸与板式连接气缸。活塞式气缸与膜片式气缸的比较：在气动装置中，活塞式气缸与膜片式气缸均有应用。两者各有优缺点。为了更形象的说明选用结果，我们将这两种气缸的比较列在 表2.1 表2.1 活塞式 膜片式同直径时的作用力较大 较小活塞行程 不受结构限制 受结构限制同作用力时的体积 大 小同作用力时的重量 重 略小寿命 1万次往复左右 无要求维修 较难 不难，一般不漏本毕业设计采用自行开发的便携式空压源：Dry Ice Power Cell（干冰空压源）作为动力源。该空压源具有恒定压力为4.2个大气压，小型轻量，无噪音，放出的二氧化碳气体无毒、无臭等特点。关于该便携式空压源的详细资料。气缸的选用原则（1）根据工作情况确定气缸的类型，安装方式，联结形式及大致结构。（2）根据载荷确定气缸需要输出的轴向力F。（3）根据输出力F和气缸工作压力确定活塞的直径D。根据F和材料许用应力确定活塞杆直径d。根据经验数据（查表）确定缸筒壁厚t，必要时进行强度验算。（4）确定密封与防尘结构，进而确定活塞厚度b。（5）根据需要的行程长度和活塞厚度b确定气缸长度L，L=S+b+(1020) mm。必要时，计算气缸的耗气量。（6）根据气缸详细参数及密封风防尘形式进行结构设计画装配图，零件图（如选用通用气缸，则可按产品样本或有关手册进行选取）。（7）根据气缸的工作要求，确定技术条件，包括确定零件的材料，热处理，精度，表面粗糙度等方面的要求。气缸的选定根据我们的设计要求，及需要的气缸的工作要求。我们应该选择活塞式气缸。主要原因如下：（1）根据设计需要，行程为200mm。算是比较大的行程。膜片式气缸的小行程再此受到很大的限制约束。而活塞式气缸则能满足要求。（2）作用力方面，机体采用铝合金加上被起重物重量等问题（设计起重重量为100kg）总体重量比较大。所以要求气缸能提供较大的作用力。（3）因本毕业设计主要进行搬运助力工作，所以对气缸运动速度无太大要求。根据上述材料，再结合本次设计的相关参数，手部单元的两个气缸选择MISUMI产品中的带导杆气缸，型号MGCLF。腰部和腿部单元的气缸型号SMC公司的CM2C40-50S单作用弹簧压回汽缸。 CM2单作用弹簧压回气缸10SMC公司CM2系列气缸其主要是由缸筒、端盖、活塞、活塞杆和密封件组成，内部结构如上图所示：1）缸筒缸筒的内径大小代表了气缸输出力的大小。活塞要在缸筒内做平稳的往复滑动，缸筒内表面的表面粗糙度应达到Ra0.8um。对钢管缸筒，内表面还应镀硬铬，以减小摩擦阻力和磨损，并能防止锈蚀。缸筒材质除使用高碳钢管外，还是用高强度铝合金和黄铜。小型气缸有使用不锈钢管的。带磁性开关的气缸或在耐腐蚀环境中使用的气缸，缸筒应使用不锈钢、铝合金或黄铜等材质。SMC CM2气缸活塞上采用组合密封圈实现双向密封，活塞与活塞杆用压铆链接，不用螺母。2）端盖端盖上设有进排气通口，有的还在端盖内设有缓冲机构。杆侧端盖上设有密封圈和防尘圈，以防止从活塞杆处向外漏气和防止外部灰尘混入缸内。杆侧端盖上设有导向套，以提高气缸的导向精度，承受活塞杆上少量的横向负载，减小活塞杆伸出时的下弯量，延长气缸使用寿命。导向套通常使用烧结含油合金、前倾铜铸件。端盖过去常用可锻铸铁，现在为减轻重量并防锈，常使用铝合金压铸，微型缸有使用黄铜材料的。3）活塞活塞是气缸中的受压力零件。为防止活塞左右两腔相互窜气，设有活塞密封圈。活塞上的耐磨环可提高气缸的导向性，减少活塞密封圈的磨耗，减少摩擦阻力。耐磨环长使用聚氨酯、聚四氟乙烯、夹布合成树脂等材料。活塞的宽度由密封圈尺寸和必要的滑动部分长度来决定。滑动部分太短，易引起早期磨损和卡死。活塞的材质常用铝合金和铸铁，小型缸的活塞有黄铜制成的。4）活塞杆活塞杆是气缸中最重要的受力零件。通常使用高碳钢，表面经镀硬铬处理，或使用不锈钢，以防腐蚀，并提高密封圈的耐磨性。5）密封圈回转或往复运动处的部件密封称为动密封，静止件部分的密封称为静密封。缸筒与端盖的连接方法主要有以下几种：整体型、铆接型、螺纹联接型、法兰型、拉杆型。6）气缸工作时要靠压缩空气中的油雾对活塞进行润滑。也有小部分免润滑气缸。主要参数的确定（1）气缸承受的轴向力大小估算：在此设计中，极限时刻为双手伸直抱住病人的时候，其中 G为最大的设计助力，也就是重物的大小。计算得G=mg=50*10N/kg=500N 手臂处有两个气缸，分摊这部分重力，所以每个气缸承受250N的力量，根据手部分的结构看，手部需承受250N的力，由于是辅助机械，不需要完全承受，提供一半以上的助力即可，所以两个气缸只需分别提供125N的力即可；腿部两个气缸同时承受250N的力。腰部作用力杠杆比例约为1:1，可提供250N左右的力。也就是气缸活塞需要输出的对外的支撑力。在气缸选型上我们选择选用通用气缸的方法来减少成本，提高设计器械的通用性。在此腿部我们选用SMC公司的气缸来满足我们的设计要求，在其公司的产品内选择我们所需要的产品类型；手部的气缸选择misumi的带导杆气缸。（1）首先选择缸筒内径。有三个使用条件来决定缸筒内经的选择，一。确定负载重量。二，选定使用的空气压力。在本毕业设计中，我们选用4.2个标准大气压的空压源。三，动作方向，在这里我们选用单作用气缸。单作用气缸具体输出参数见SMC产品目录。大致计算得缸径为37mm，因此我们选择为40mm的单作用气缸。弹簧的作用方式，根据方案中的设定，我们选择为弹簧压回。（2）选择行程。腿部行程选200mm，腰部单元行程选100mm，手部单元行程100mm。（3）选择安装形式。我们选用上采用耳环一体型。因为气缸上部要固定在腿部支架上，若采用法兰式不便于安装。导轨的选择导轨的选择设计中，在实现其功能的同时，我们本着精简，实用，经济，美观的理念来进行设计。同时为了提升气缸的安全性，我们为气缸添加了一个帮助承受侧向载荷的导轨。我们选择了由THK公司生产的SSR型，装有滚珠保持器德LM导轨和LM滑块组成的滑台机构。这样，在实现支撑功能的同时，又能满足为气缸分担侧向载荷的要求。另外手部单元的导轨选择misumi滑块加宽加长型微预压型型号SELBM。9图 2.14 LM滑台LM 轨道构造与特长 在与LM 滑块被精密研磨加工过的4 列滚动沟槽上球进行滚动，再通过球保持器与装在LM 滑块上的端盖板，使各列球进行循环运动。由于装有球保持器，使球与球之间相互摩擦所引起的球的磨损消失，并且延长润滑脂的寿命，从而实现了长期无需维修保养，而且噪音低，音质好，寿命长，同时提高了高速性能。噪音低、音质好：通过球保持器使球均匀地排列，球与球之间的冲突而产生的金属音消失，所以噪音低，音质好。长期无需维修保养：因通过球保持器使球与球之间的相互摩擦消失，球的摩损消失，并且增强了润滑脂的保持性，实现了长期无需维修保养。卓越的高速性，寿命长：因通过球保持器使球与球之间的相互摩擦消失，相对摩擦速度成为1/2，面压变低，发热减少，既能延长寿命又具有卓越的高速性。滚动摩擦变动是旧产品的1/10因球与球之间的相互摩擦消失，故金属冲突音消失，球被均匀地排列进行循环，滚动摩擦阻力变动小，使运动变得平滑稳定。FBW的构造与特长:图2.15 FB