WJ041-脚踝康复机构的设计【三维】原创设计
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脚踝
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北京交通大学海滨学院 毕业设计（论文） 脚踝康复机构的设计和建模 姓名 苏迪 学号 12151230 专业 机械工程及自动化 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 he of is to a is to to a of is of in a a of of is of in of a of is to a of a of is a of a of of a of of to to of 目 录 第 1 章 绪论 . 1 内外研究现状 . 1 课题研究的内容及方法 . 1 要的 研究内容 . 1 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 . 6 机驱动和减速器的选择 . 6 关节运动角度和摆动速度 . 6 机、减速器的选择 . 6 计系统尺寸 . 9 定脚踏板和框架尺寸 . 9 定传动方杆尺寸 . 10 定系统的尺寸图 . 10 轮设计与计算 . 11 的设计与计算 . 20 入轴的设计与计算 . 20 间轴的设计与计算 . 22 出轴的设计与计算 . 25 承的校核 . 27 入轴上轴承寿命计算 . 27 间轴上轴承寿命计算 . 28 出轴上轴承寿命计算 . 29 的选择和校核 . 31 的选择 . 31 的校核 . 31 第 4 章 机架的设计 . 32 机架结构的基本要求 . 32 架的结构 . 33 梁设计 . 34 架的基本尺寸的确定 . 34 要梁的强度校核 . 34 2 结论 . 37 参考文献 . 38 致 谢 . 39 第 1 章 绪论 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。 课题研究的内容及方法 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。 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 ； 2 完成 康复机器人结构的详细设计 ； 2 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 2 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 2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 2图 2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 2一方案简图 图 2第二方案简图 图 2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；也可以随时改换离 5 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 2构的两路系统传动图 第 3 章 踝关节康复机 构的结构设计 机驱动和减速器的选择 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 3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 3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 30 14 20 跎屈 45 20 25 内翻 45 14 20 外翻 30 10 15 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 d /5201 （ 3 （ 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 d /0 15202 （ 3 根据上述分析，我们按照较大角速度 s 选择电机，即脚踏板转速为 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 3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(跖 屈(内翻(外翻(1 27 174 73 男 27 165 64 男 26 178 65 男 25 163 55 女 23 170 60 男 23 162 52 女 25 158 48 女 29 176 70 男 25 178 68 男 均值 26 170 62 3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 (跖 屈 (内翻 (外翻 (1 46 男 53 男 50 男 均值 50 考这两组实验结果，背伸 /跖屈关节力矩选择最大值 6内外翻关节力矩选择最大值 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 6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 此驱动脚踏板所需力矩为 M=s= 25动脚踏板所需功率为 （ 3 考虑到运动过程中有功率损耗，故留 余量，背伸 /跖屈时，电机所需为 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 ，故电机的 8 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 品样本手册，选择 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 3谐波减速器参数 谐波减速器名称 号 0 传动比 160 额定扭矩 (40 电机所需输出扭矩为 5 025 （ 3 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 r / m 01 6 电机 （ 3 电 机所需功率为 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流伺服电机，规格及参数如表 3 表 3服电机参数 电机型号 5定输出功率 (w) 50 额定转矩 (定转速 (r/3000 电压 (V) 9 图 3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 服电机相匹配的伺服驱动器为 列的 505，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 3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/，电机输出扭矩为 过谐波减速器，关节输出力矩为 减 在谐波减速器可承受的扭矩范围之内 （ 40，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 M=25 计系统尺寸 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 280据人脚的长宽比例，脚踏板的宽初步定为 150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 5缺口，用于缠绕绷带，所以脚 踏板最终宽度为 160 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 5脚踏板联接的部分局部加厚到 20打孔，如图 25 所示。 10 图 3踏板结构尺寸 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 。 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 1传i。各圆柱齿轮、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 15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 25 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 1. 11 图 3统结构图 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 10齿轮材料选用 45质 )，表面硬度为 280齿轮材料选用 45 钢（调质），表面硬度为 240 选择 7级精度， 521 z ， 522 z （ 2） 按齿面接触疲劳强度计算 根据设计计算公式（ 10算小齿轮分度圆直径，即： （ 载荷系数 1T 输入轴承受扭矩 d 齿宽系数 Z 重合度系数 弹性影响系数 H 接触疲劳许用应力 确定上式中各参数： 12 试选载荷系数 小齿轮传递的扭矩为 1T=m 查表 10齿宽系数d=1； 查表 10弹性影响系数2 查图 10得小齿轮接触疲劳强度极限为 6002H 齿轮接触疲劳强度极限为 5501H 计算应 力循环 : 0（ n 输入轴转速 工作时间 1n 0000h 双向转动，取 j =2 代入式（ ： 1160 hN n =108次 查图 10接触疲劳寿命系数 1 计算接触疲劳许用应力：取安全系数 S=1，则 1H 1 =690 2H 2 =693算 设计公式中代入 H中较小值，得1算小齿轮分度圆圆周速度 v 60000 11 t s 计算齿宽 b 1=算齿宽与齿高之比： b/h 13 （ 模数 11tt dm z齿高 =入式（ ： /算载荷系数 （ 查图 10 v=s， 7级精度，得： 表 10： 表 10： 表 10： 图 10： 上代入式（ ： A v H K K K 按实际载荷系数修正1 （ 计算模数 m： 14 弯曲强度设计 由 公 式（ 10 3 212 （ 弯曲疲劳寿命系数 F 弯曲疲劳需用应力 齿形系数 应力校正系数 由图 10=500齿轮弯曲强度极限2=380 由图 10算载荷系数 K K = 算弯曲疲劳需用应力，取弯曲疲劳安全系数 S=： 11 = 22 =取齿形系数，由表 10 1取应力校正系数，由表 10 12 111 2 22F Y=齿轮对应数值大，将以上数值代入得： 15 m 比计算结果，由于齿轮模数 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m=取圆整为标准值 m=3， 几何尺寸计算： 分度圆直径 （ 将模数、齿数代入式（ ： 1 156 2 156心距 2 21 （ 将 1d ， 2d 代入式（ ： a 156轮宽度 1db d（ 由式（ ： 2B =251B =30 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，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 1z ， 1z 可取 17 2015。 （ a）估算齿轮主要参数及尺寸 齿数 1Z , 2Z ： 齿数比 11221 以选择 301 Z ,则 3012 16 齿宽系数 R ： 3141R ，取 。齿宽系数不宜取过大，避免引起小端齿顶过薄，齿根圆角半径过小，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 1d 和大端模数 m ： 3 2l i （ 式中： 1T 齿轮传递的扭矩； 工况系数； 动载系数； R 齿宽系数； 试验齿轮的接触疲劳极限应力； 查手册 16得到， 1 1 550H 由于 T N m， , 5.1i 。 将数据代入得到小齿轮大端分度圆直径 531 d 大端模数 根据标准分度圆模数，取5.2m 。 圆锥齿轮主要尺寸计算 16： （ （ 12 90 （ 11（ Rm 17 （ （ Rm （ 式中： d 大端分度圆直径； 1 、 2 节锥角； R 锥距； 中点分度圆直径； 当量齿数； 平均模数。 齿宽 b ，取 10b 将数据代入计算得： a r c t a r c t a n1 i 50409090 12 1 Rm Rm 640co s 111 4650co s 222 Rm 18 锥齿轮传动中主动轮转速 n r/ 中点分度圆上的圆周力 0 02 0 0 011 （ 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 （ 查 16手册， ， 齿向载荷分布系数， = = 计算接触疲劳应力 H 4 221 （ 计算齿轮的接触疲劳极限应力 l i m 1 l i m 2 l i H N R L v W Z Z Z Z （ 式中： 寿命系数； 润滑剂 系数； 齿面光洁度系数； 速度系数； 工作硬化系数； 尺寸系数。 查手册 16得到 1 Z ， Z 。 所以， i m/1l i m/ 计算接触安全系数 l i S ，安全系数较高。所以，接触疲劳强度满足，参数合理。 19 （ c）按齿根弯曲疲劳强度的校核 计算弯曲用单位齿宽上的载荷 位系数 , 120，则 120。 应力集中校正系数 由 1x 及 1查表得 由 2x 及 2查表得 齿形系数 由 1 Y ，据 1x 及 1查表得 由 2x 及 2查表得 而 121，所以： 弯曲计算应力 F 根据公式： 1 1 1 a sa Y （ 2221 11F a a （ 将数据代入计算得： F F 安全系数 S 查 16手册，得弯曲疲劳寿命系数 查 16手册，得弯曲疲劳极限为 4401 4252 许用应力： F K 111 （ 20 F K 222 （ 将数据代入计算得： K 5222 K 此 11 、 22 ，弯曲疲劳强度满足，参数合理 17。 的设计与计算 入轴的设计与计算 （ 1） 求输入轴上的功率、转速、扭矩 2321 电机输入 0T m （ 2） 初估轴直径 30（ 选取轴的材料为 45 钢，调质处理，查表 110 112A ，并将数据代入式（ ： 17 （ 3） 轴的结构
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