WJ041-脚踝康复机构的设计【三维】原创设计
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本科毕业设计 外文文献及译文 院 （部）： 专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 1 外文文献 : 2011) 16:86 89 011 . H. Y. K. . of a is he a a s 25 it an to A is of of a is a To of of we an of is a is to in In an we in up a at we in on on 2 of a we a no or on of a a 1). a of is or of is on on of As 2, is on on is by a DC a of a is an of of s of an to We in on 2 on he of is of in of a in a is a of a is of of a 5 5, 2011 S. *) 271. K. . o. . in at 67 29, 2011 87 of a of is of of be by be it up an 2a, of = 0.3 m = m, is is of of as 3. is m, if it is .1 is a is a is to a is by a I A a is By nd rd is 文文献及译文 3 in nd rd is a AN a of an to of a rd 3 to rd st to nd to on rd to a a of m. of is of a To of of by a 3-D by a 3-D 1. 2. 3rd of a b of is by C on 9 of of of 3. 3D fi of a on a a b 8 to s of by .2 m/.2 m/s m of 4, 5, . of of of to .2 m/s. a of .5 s to a 3D” by a 3D by on 5, we of in D () () ( ( ) ( We fi in of by m of of 文文献及译文 4 of an by on on of a 9 of in to be as of at ni is of of i. be in We of on in by 9 on is on on o it be on an be by of of a a to of on on a BS a of by a .2 m/s2 .2 m/s m of of 7, of (2b). in of of is a in on in in no of to a of n to rd a An by a DC a 24-V at a m/s. of m. 4. 5. 6. of 7. in a b c d 8. he is 8. In 文文献及译文 5 a m, 4 he of a on on an a rd a of on an on rd a a we to in a to . , et 2009) of 009, 1. , et 2006) of of to of of 006 . , et 2006) of on of 267 1268 4. , , , et 2006) of of 006 . , , , et 2005) on a of of 005 . , , , et 2008) of of 008, 60 163 8. , , , et 2010) of a of 010, 55 463 9. , , , et 2010) of a of 文文献及译文 6 中文译文 : 人工生命的机器人（ 2011） 16:8689011 . H. Y. K. . 个新的修剪机器人的实验研究进展 在 日本只有一个商业产品。 这台 机螺旋 地 爬上一棵树使用电锯 修剪树枝 。然而，机器的重量（ 25 公斤）和 缓 慢 的 速度阻碍它 成为解决森林危机的 最佳解决方案。一个轻量级的平台是必需的，因为在日本，大部分山脉有陡峭的山坡，一个修剪机器人运输是一项艰巨的任务。以提前修剪机器人的艺术状态，我们 提出 一 个创新的修剪机器人 对于外面大多数的树都能高效工作 。 它的 轮 系 机构的设计 是为了适应于 混合爬山，即，机器人能够开关之间的直线和螺旋 爬 升。该方法保证了 机器人的 轻量化和高爬的速度特征在早期的出版物，我们介绍了基本的设计概念和描述的原型实验机器人了。此外，混合爬山法已经证明，该修剪机器人可以 高速的 爬上 爬 下 大 树。在这里，我们报告我们开发机器人的进展，专注于直爬， 善于 不平坦的表面上的 工作 ，和修剪。 2 先进的 修剪机器人随着建设轻修剪的终极目标机器人，我们已经开发了一种新型的爬山法，采用无压或抓机制，而是依靠机器人本身的重量，像 日本传统的伐木工不会爬树的时候（图 1）。该用的一套杆和绳子，这是所谓的 不握不住或抓住树 干 ，而他的质量中心位于树。是的，该可以用自己的重量停留在树上。基于这一新的林业产业的设计概念和要求，修剪机器人 有了很大的发展 。如图 2 所示，该机器人配备了四主动轮。轮 1 和 2 位于上侧 ， 轮 3 和 4 位于下侧。每个轮由直流伺服电机、蜗轮驱动 。 摘要 本文介绍了一个伐木工的发展 像修剪机器人。攀登主要是模仿在日本的登方法。机器人的主要功能包括 对 外面的树 进行修剪工作 ，和一个创新的爬山策略融合 直线和螺旋式攀升 的方式 。这种新颖的设计带来了轻量化和高爬升速度特征的修剪机器人。我们报告我们在发展机器人进展，针对直爬，不平坦的表面上的 工作、 修剪。 关键词 修剪机器人 爬壁机器人 1 引言 日本木材工业已经进入下降的原因 ， 木材价格下降和林业工人老龄化迅速。这导致了森林的破 坏 ，导致在暴雨和山体滑坡的 破坏 山村 地区 。然而，在一个适当的配平状态修剪树 是 值得在上面投资的， 因为其 形成 一个美丽的表面形成年轮。 一个修剪机器人的发展 对 可持续森林管理的创新是很重要的。研究开发 的 修剪机器人 15已经很少见了 。 2011 年 2 月 25 日 机械工程系，丰田民族院校丰田 471知县，日本 电子邮件： 崎 . K. 人与信息系统工程系，岐阜大学，岐阜县，日本 限公司，日本 外文文献及译文 7 雪蛤 业有限公司，岐阜县，日本 这部分工作是在第十六届国际研讨会在人工生命与机器人 项目展现的 ，日本，一月 27日 29日 ， 2011 年。 87 电池 ， 质量中心位于一个错误 的边缘 ，由于摩擦系数不明确、质量中心的位置可能被干扰。 例如，机 器人会倾斜，当它爬上一个不均匀的表面。在图 2a，质心定位参数 H = 和W = ，其中 H 为上轮和下侧面之间的距离轮，和 W 的表面之间的距离躯干和质量中心，如图 3 所示。分析表明机器人当 D 为 ，即使它倾斜约 德。控制器使用一个 构成 ， 配备了无线局域网。该控制器能够通信数据 /命令与个人电脑通过无线局域网。每一轮由速度 制。通过一个高通滤波器的速度反馈输入附加。通过与第二个原型比较，第三原型重量轻，除控制器和电池。同时，控制器和电源分布在外部的第二个原型。第三原型也配备一个无 线局域网和电锯。虽然的电锯细节在这里省略了，实验表明一个分支使用第三切削原型。 3 实验 三实验进行评估的第三个原型。第一个实验是对其基本性能。第二个实验是评价其在不平坦的表面 的 性 能。 第三实验表明机器人是否可以修剪树枝。所有的实验使用替代树在室内进行。替代树直径的是 的摩擦系数 有效的替代树大约是 是小于这一自然的树。收集实验数据 包括 ，该电机电流，机器人的位置和方向，机器人的测定 ， 测量电机电流 。 使用分流电阻。测定位置 的 一个三维位置测量装置（ 数字）。用三维定位测量定位传感 器（ 外文文献及译文 8 图 1。爬树方法使用 图 2。第三修剪机器人原型。照片图像。 B 像 还原机制具有非回驾驶性能。每个车轮的转向角度也由直流驱动 ,伺服电机和蜗轮减速机构。 在分析的基础上， 79 质量中心位于外树与控制器的重量 。 图 3。对一棵树的修剪机器人三维图。侧视图 。 俯视图 本性能 直爬实验进行评估 ， 机器人的基本性能。这四个预期的速度轮子是由梯形的简介。加速度 / 速度为 /秒 ， 车轮半径 ， 。 实验结 果显示在图。 4， 5，和 6。图 4 显示了机器人的速度。各自的速度从旋转编码器的值计算出轮。机器人能爬在 /秒。虽然有一个约 于控制法启动延迟，这是一个问题。图 5 显示移动的距离。 它 的 实现 是由一个三维位置测量设备，和移动的距离每轮计算 从价值上的旋转编码器。在图 5 中，我们发现三种类型的错误：在距离误差的感动每一轮的三维位置测量之间装置（ 间的误差；轮 1（或 3）和 2（或轮 4）（ 轮 1 和轮3 之间的误差（误差之间的 2 和 4 轮轮）（ 我们考虑了两这些错误的可能原因。第一个是差异在每一轮的变形。移 动的距离按 的半径为每个车轮 的每一圈 。车轮是由聚氨酯 合成的 管 ， 它是作用在它变形的力。 它的 变形量的大小取决于力。从理论上分析， 79级在第三原型的力量往往是如下。的正常力近质心变得大于在对面的力。因此，填充扶手椅外文文献及译文 9 形 = 认为是，在法国是正常的力的大小第一轮（ （ 以这样解释。我们认为原因是滑移（ 干上的车轮。图 6 显示了电流在轮毂电机，这是由并联测量电阻。理论分析也表明，在下侧切向力大于上面。图 6 倾向于理论分析 ， 不平坦的表面上安全使用的机器人 正常工作 ，它 必须在不平的树是强大的树干。总是会有由增长引起的颠簸一个修剪枝的遗迹。因此，直爬坡实验进行评估颠簸在树干修剪机器人的性 能 。这个实验在一个替代的凹凸进行。采用 料，和大于天然凹凸。在四轮所需的速度是由一个梯形了简介。加速度为 / 速度为 /秒，每 半径的车轮。 实验结果如图 7 所示，其中显示角度 1 的轨迹和 2（参见图 2B）。 2 角旋转对所有病例加方向，指示这个控制箱上升。这意味着，大众走向树中心。质量中心也走向了树当 1 角方向旋转正方向。这意味着减少摩擦力使机器人在树上。然而，在 2 个 轮子的电流和 4 均大于在实验中连续电流。因此，有没有危险的机器人跌倒。此外，这些角度回到原来的方向，即使角度 1 和 2 发生了当一轮了凹凸。这些结果显示了良好 的 性 能。 剪试验 进行实验，发现无论是第三原型可以修剪树枝。一个附加的电锯是由一个 24V 蓄电池直流电机驱动。机器人爬上螺旋的速度在 /秒的直径的树该目标分为 。 图 7。在每一种情况下滚角和俯仰角。一轮 1 过去的凹凸， B 轮 2 通过凹凸， C 轮 3 通过凹凸， D 轮 4 通过凹凸图 8。机器人与修剪修剪试验 ， 实验的场景如图 8 所示。在这个实验中， 树枝被切 断，只留下一个短暂的残这是小于 ，与树干没有受伤。 4 结论 一个伐木工像修剪的发育进程 ， 机器人已经被描述，针对直爬，其在不平坦的表面行为，修剪树枝。的实验表明，直爬第三原型给了一个很好的基本性能。攀爬的结果在不平坦的路面上试验中表现出良好的鲁棒性颠簸，因为真正的树最凸起的小比实验碰撞。此外，修剪试验 还表明第三的原型可以修剪树枝从一棵树。在今后的工作中，我们希望在实际环境中的机器人测试，试着做一些进一步的改进。 外文文献及译文 10 工具书类 1。张军军， 等人 2009 年开发 行道树爬壁机器人 木本 。 2009 促进了 程序， 107 的发展。 2。 ， 等人 2006 年发展了 结构测量 抓树 力 修剪 树，攀爬修剪机器人 木本 （日本）。2006 年开展 程序 与 机器人与机电一体化 会议。 3。 ， 等人 2006 年开发 攀树和修剪机器人木本。执行器布置在臂端 为了 旋转运动（日本）。 促进了 268 4。 , , ， 等人 （ 2006）评 估了 树枝修剪机器人地图构建系统 的绩效 （日本 ） 。 在 2006 年 开展了 程序和机器人机电一体化 会议。 5。 , , ， et 2005） 研究用于机器人的 修剪系统： 发展了 机器人样机 单元 （日本）。 开展了 机器人 2005 日本机械学会与机电一体化 会议。 6。圣隶 工 业。 。 2011 年 5 月可以访问 7。 , , ， 等人 （ 2008）分析与实验新型爬山法。 开展了 2008， 60163 的 议 。 8。 , , ， 等人 （ 2010） 开发 一个用其自身的重量 的 修剪机器人。 促进 455010， 63 行业的发展 9。 , , ，等人（ 2010）开发的一个 利用 自身的重量 的 修剪机器人（日本）。 促进着 古屋 的发展。 北京交通大学海滨学院毕业设计（论文）任务书 姓名 苏迪 学号 12151230 专业 机械工程及自动化 设计（论文）题目 脚踝 康复 机构 的设计 和建模 题目 性质 设计； 论文 题目 来源 教学； 科研； 生产； 其他 指导教师 职 称 工作单位 备注 侯娅品 助教 北京交通大学海滨学院 毕业设计 (论文 )的内容和要求 ： 研究一套 脚踝 康复机构，帮助脑瘫、中风等下肢瘫痪患者恢复腿部和踝部的运动功能。 1、收集国内外踝关节康复机的各 方面资料，分析其结构形式、康复原理及其 各种机构的 优缺点； 2、完成 脚踝 康复机构的方案设计。包括：康复模式的确定，机构方案的设计，绘制传动系统原理图； 3、完成康复机传动系统的设计。包括：具体设计计算，绘制零件图； 4、完成 脚踝 康复机构的整体设计，包括：标准件的选择，用 制机构装配图 ，并用 进行建立虚拟样机 。 毕业设计 (论文 )主要参考资料： 1 金德文 , 张济川 . 康复工程学的研究与发展 J. 现代康复 . 2000, 4(5). 2 钱振美 , 张立勋 . 卧式下肢康复机器人的研究 D. 哈尔滨工程大学 , 2006: 20 3 牛彬 . 可穿戴式的下肢步行外骨骼控制机理研究与实现 D. 浙江大学 , 2006: 40 4 高明宏 , 白忠铭 . 在踝关节损伤康复中的应用 J. 中华实用医学 . 2001, 3(2): 415 余伟正 , 钱晋武 . 步行康复用踝关节系统的研究 D. 上海大学 . 2009: 20 6 于海波 , 赵铁石 , 李仕华 . 并联式踝关节康复机器人系统设计 D. 燕山大学工学 . 2006: 29 7 刘更谦 . 基于 3 结构踝关节康复并联机器人系统研究 D. 河北工业大学 . 2007: 19 8 王文斌 . 机械设计手册第三卷 M. 机械工业出版社 . 2009: 6569 张煜 , 陈鹰 , 杨灿军 . 踝关节康复医疗外骨骼系统开发研究 D. 浙江大学 . 2010: 3010 周大伟 , 杨建坤 . 固定式踝足矫形器对下肢的影响 J. 中国康复医学杂志 . 2006, 21(9)： 829 11 张杰 , 杨灿军 , 脑卒中瘫痪下肢外骨骼康复 机器人的研究 D. 浙江大学 . 2007: 712 李丹 . 踝关节融合康复机器人系统的轨迹规划和运动控制 D. 燕山大学 . 2008: 1313 赵桂林 . 踝关节跖屈、背屈运动的研究 J. 中外健康文摘 . 2007, 4(2): 11毕业设计 (论文 )应完成的工作： 说明书 1 份，不少于一万字 装配图 1 张 零件（部件）图若干张 总量不得少于 纸 进度安排： 第 1（ 搜集、整理、分析资料，完成毕业设计论文开题报 告，准备开题； 第 13（ 完成 脚踝 康复机构的总体结构设计；对机构进行设计计算，确定所有参数；绘制传动原理图；完成中期报告，准备中期检查； 第 20（ ： 绘制各零部件图、装配图； 第 22 （ 编写设计说明书，论文定稿，准备答辩。 指导教师签字： 日期： 年 月 日 注：表中所填内容采用 5 号字，中文采用宋体、 英文采用 体， 表中段落采用 行距，首行缩进 2 个字符。每一页的外框四周均采用双线条，当底部出现单线条时，应该修正为双线条。 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
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