刚柔混联下肢康复机器人结构设计（全套设计含CAD及三维建模图纸）
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购买后包含有 咨询 I 编号： 毕业设计 (论文 ) 题 目： 刚柔混联下肢康复机器人结构设计 购买后包含有 咨询 要 本次设计是对 刚柔混联下肢康复机器人 装置 的 设计 。 在这里 主要包括 :滚珠丝杠 传动系统的 设计 、这次毕业设计对设计工作的基本技能的训练，提高了分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造了一定条件 。 整机结构主要由电动机产生动力通过联轴器将需要的动力传递到丝杆上，丝杆带动丝杆螺母，从而带动整机运动，提高劳动生产率和生产自动化水平。更显示其优越性，有着广阔的发展前途。 本论文研究内容： (1) 刚柔混联下肢康复机器人 装置 总体结构设计。 (2) 刚柔混联下肢康复机器人 装置 工作性能分析。 (3)电动机的选择。 (4)刚柔混联下肢康复机器人 装置 的传动系统、执行部件及机架设计。 (5)对设计零件进行设计计算分析和校核。 (6)绘制整机装配图及重要部件装配图和设计零件的零件图。 关键词： 刚柔混联下肢康复机器人 装置 ， 联轴器 ， 滚珠丝杠 购买后包含有 咨询 is of of on of to a is by to to of of (1) (2) of (3) of (4) of (5) of (6) to 咨询 V 录 目 录 . 绪论 . 1 内外研究现状 . 1 柔混联下肢康复机器人原理及结构 . 1 课题研究的内容及方法 . 3 . 3 . 3 2 刚柔混联下肢康复机器人装置总体结构设计 . 4 计的要求与数据 . 4 体结构设计 . 4 复机器人结构设计草图（框架图） . 5 3 康复机器人结构及传动设计 . 8 珠丝杆副的选择 . 9 . 9 . 9 . 9 . 9 . 10 . 11 丝杆型号 . 11 核 . 12 界压缩负荷验证 . 12 . 13 . 13 机的选择 . 14 . 14 . 15 4 其它零部件的设计计算 . 17 机轴的设计校核 . 17 的校核 . 18 承的校核 . 18 矩电机的选取 . 19 5 机 架的设计 . 23 机架结构的基本要求 . 23 架的结构 . 24 梁设计 . 25 架的基本尺寸的确定 . 25 要梁的强度校核 . 25 结论 . 28 参考文献 . 29 致 谢 . 30 购买后包含有 咨询 1 1 绪论 内外研究现状 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，下肢康复训练机器人有着很好的治疗效果。国内外许多研究机构都在这方面取得了不错的研究结果。下肢康复训练机器人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下肢康复训练机器人。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。 理及结构 刚柔混联下肢康复机器人是一种下肢内收外展训练机器人，该机器人由支撑框架 、两套绳索牵引支链、一套刚柔混联支链和脚踏板 组成 。支撑框架由型材搭建而成。两套绳 索牵引支链均由装有编码器的力矩电动机、绞盘、绳索组成，固定在支撑框架上的力矩电动机驱动绞盘转动，从而带动柔性绳索运动，两套绳索牵引支链的绳索另一端共同连接到脚踏板上的一点处 。刚柔混联支链由 装有编码器的力矩电动机、绞盘、绳索、装有编码器的直流电动机、丝杠螺母、滑轨、过轮和力矩传感器 组成， 固定在支撑框架上的直流电动机驱动由滑轨机构约束的丝杠螺母机构，实现固定在螺母上的过轮平移运动；固定在支撑框架上的力矩电动机驱动绞盘转动，带动柔性绳索运动，绳索的另一端通过力矩传感器和过轮后连接到脚踏板上。 可用于下肢损伤患者进行 内收外展康复训练，也可用于健康人的体育锻炼。 2 本课题下肢内收外展训练机器人由支撑系统框架 、 两套绳索牵引支链、一套刚柔混联支链和一个脚踏板 组成 。支撑系统框架由型材搭建而成，可根据需要任 意移动；两套绳索牵引支链均由装有编码器的力矩电动机、绞盘、绳索组成，两个力矩电动机分别固定在框架前后位置上的同一高度处，其驱动绞盘转动，实现绳索牵引，两根牵引绳索均连接到脚踏板侧面中点处；一套刚柔混联支链由装有编码器的力矩电动机、绞盘、绳索、装有编码器的直流电动机、丝杠螺母、滑轨、过轮和力矩传 感器组成，固定在框架中间位置的直流电动机驱动受滑轨约束的丝杠螺母机构，固定在支撑框架上的力矩电动机驱动绞盘转动，带动绳索运动，该绳索的另一端通过力矩传感器和固定在螺母上的过轮后连接到脚踏板另一侧中点处。结构布置保证了连接到脚踏板上的三根绳索是处于同一平面的，且刚柔混联支链的牵引绳索平分两套绳索牵引支链的牵引绳索所夹角度，刚柔混联支链的过轮平移方向不在三根牵引绳索所形成的平面上。这种机器人结构布置形式能够实现下肢内收外展运动训练。 3 课题研究的内容及方法 在查阅了国内外大量 的有关 刚柔混联下肢康复机器人 设计理论及相关知识的资料和文献基础上，综合考虑 刚柔混联下肢康复机器人 结构特点、具体作业任务特点以及 刚柔混联下肢康复机器人 的推广应用，分析确定使用 刚柔混联下肢康复机器人 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 。 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 ； 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 。 购买后包含有 咨询 4 2 刚柔混联下肢康复机器人 装置 总体结构设计 随着老龄化的到来以及自然灾害和交通事故等原因，接受康复训练的群体人数变得越来越大，研究康复训练机器人技术，研制康复训练机器人产品，对和谐社会建设具有重要意义。 刚柔混联下肢康复机器人主要是针对下肢内收外展 /内旋外旋运动而设计的，目的是同时 实现下肢的上述运动模式。该机器人具有 3个自由度，分别是平面 2个移动和脚踏板面的 1个转动。柔性机构用于直接对脚踏板的牵引，而刚性支链是为了实现绳索驱动端位置的改变，实现不同的牵引形式。绳索和刚性支链构成一种刚柔混联机器人的传动构件。 体结构设计 一般来讲，主要有两部分，一是设计一套 康复机器人结构设计 ，固定在 康复机器人的机架上 。本设计只对 结构 进行设计。取 康复机器人 步进电机的脉冲当量可选为 冲，步进电机的步距角 方案 1、 系统运动方式的确定 系统按运动方式可分为点位控制系统，点位 直线系统，连续控制系统。 康复机器人在工作台移动过程中头并不进行孔加工，因此装置可采用点位控制方式。对点位系统的要求是快速定位，保证定位精度。 2、 伺服系统的选择 伺服系统实现位置伺服控制有开环、闭环、半闭环 3 种控制方式。开环控制的伺服系统存在着控制精度不能达到较高水平的基本问题，但是步进电机具有角位移与输入脉冲的严格对应关系，使步距误差不会积累；转速和输入脉冲频率严格的对应关系，而且在负载能力范围内不受电流、电压、负载大小、环境条件的波动而变化的特点。并且步进电机控制的开环系统由于不存在位置检测与反馈控制的 问题，结构比较简单，易于控制系统的实现与调试。并且随着电子技术和计算机控制技术的发展，在改善步进电机控制性能方面也取得了可喜的发展。因此，在一定范围内，这种采用步进电机作为驱动执行元件的开环伺服系统可以满足加工要求，适宜于在精度要求不很高的一般系统中应用。虽然闭环、半闭环控制为实现高精度的位置伺服控制提供了可能，然而由于在具体的系统中，增加了位置检测、反馈比较及伺服放大等环节，除了在安装调试增加工作量 5 和复杂性外，从控制理论的角度看，要实现闭环系统的良好稳态和动态性能，其难度也将大为提高。为此，考虑到在 康复机 器人 上进行 设计 ，精度要求不是很高，为了简化结构，降低成本，本设计采用步进电机开环伺服系统。 3、 执行机构传动方式的确定 为确保系统的传动精度和工作平稳性，在设计机构传动装配时，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。 缩短传动链。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采用预紧以提高系统的传动刚度。如应用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠传动副，丝杠支承设计成两端轴向固定，并加预拉伸的结构等提高传动刚度。采用滚珠丝杠螺母传动副和滚动导轨。 复机器人 结构设计 草图（ 框架图） 人体的主要尺寸 :国标 重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长共六项主要尺寸数据。 下表是我国成年人人体主要尺寸和坐姿人人体尺寸 (摘自 国成年人人体尺寸 ): 主要尺寸 男 (18 60岁 ) 女 (15 55岁 ) 百分位数 5 50 95 5 50 95 身高 1583 1678 1775 1484 1570 1659 体重 8 59 75 42 52 66 上臂长 289 313 338 262 284 308 前臂长 216 237 258 193 213 234 大腿长 428 465 505 402 438 476 小腿长 338 369 403 313 344 376 根据参数拟定如下草图，具体见下图表示： 6 上方要加支撑装置，以分担人体重量。右侧添加导引装置防止绳对绞盘造成损害，正视图框架左右 视图框架间距离 1m。 7 右侧添加的导引装置简图 购买后包含有 咨询 8 3 康复机器人 结构及传动设计 表 3支承方式 简图 特点 一端固定一端自由 结构简单，丝杆的压杆的稳定性和临界转速都较低设计时尽量使丝杆受拉伸。这种安装方式的承载能力小，轴向刚度底，仅仅适用于短丝杆。 一端固定一端游动 需保证螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难，丝杆的轴向刚度与两端相同，压杆稳定性和临界转速比同长度的较高，丝杆有膨胀余地，这种安装方式一般用在丝杆较长，转速较高的场合，在受力较大时还得增加角接触球轴承的数量，转速不高时多用更经济的推力球轴承代替角接触球轴承。 两端固定 只有轴承无间隙，丝杆的轴向刚度为一端固定的四倍。一般情况下，丝杆不会受压，不存在压杆稳定问题，固有频率比一端固定要高。可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杆自重的下垂和热膨胀的问题，结构和工艺都比较困难，这种装置适用于对刚度和位移精度要求较高的场合。 9 珠丝杆副的选择 滚珠丝杆副就是由丝杆、螺母和滚珠组成的一个机构。作用就是把旋转运动转和直线运动进行相互转换。丝杆和螺母之间用滚珠做滚动体，丝杠转动时带动滚珠滚动。 电机与丝杆通过联轴器连接，故其传动比 i=1, 选择 电动机的最高转速g 最大转矩，则丝杠的导程为 121500/18000/ m a xm a x 取 2确定丝杆的等效转速 基本公式 (/ h 最大进给速度是丝杆的转速 m (150012/18000/m a xm a x h 最小进给速度是丝杆的转速 m (丝杆的等效转速 m )(/()( 212m i a x m 式中取 21 2 故 m ()( 212m i a x m 估算测量物 重量 工作台重量 移动部件重量 工作负载是指 工作时，实际作用在滚珠丝杆上的轴向压力， 数值用进给牵引力的实验公式计算。取摩擦系数为 K 为颠覆力矩影响系数，一般取 课题中 10 取 丝杆所受的力为 x 2 1 5 52 2-)2 2(-)2 2( 3a x ）（）（）（0F 其等效载荷按下式计算（式中取 21 ， 12 2n n ） m 1494)( 312211223m i a x 316 060 )nT(查表：取 表：取 ） 表：取 1） 查表：取 1） 查表：取 1） 丝杆的工作寿命为 15000h 由上式计算得 7300N 表 3h 11 表 3 3 3精度的选择 滚珠丝杠副的精度对电气机床的定位精度会有影响，在滚珠丝杠精度参数中，导程误差 对机床定位精度是最明显的。一般在初步设计时设定丝杠的任意 300程变动量 300V 应小于目标设定定位精度值的 1/3 1/2,在最后精度验算中确定。，选用滚珠丝杠的精度等级 3级（ 1级精度最高）， Z 轴为 2 5级，考虑到本设计的定位精度要求及其经济性，选择 轴精度等级为 3 级， 级。 预选滚珠丝杠参数能满足工作要求，公称直径 250 旋升角 3111 ，螺纹旋向为右旋，负荷钢球圈数为 3圈，定位滚珠丝杠，返向器固定式内循环，双螺母垫片预紧，导珠管埋入式，精度等级为 5 级 。标注为 丝杠安装前和日常维护中要涂油脂润滑，在生产作业中要套上防护套防止灰尘和喷雾的污染腐蚀。 12 滚珠丝杆副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压震动固有频率，其扭转刚度影响扭转固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杆副的拉压系统刚度 S，丝杆副内滚道的接触刚度 承的接触刚度 母座的刚度 不同支撑组合方式计算而定。 界压缩负荷验证 丝杆的支撑方式对丝杆的刚度影响很大，采用一端固定一端支撑的方式。临界压缩负荷按下列计算： cr m a 式中 钢 =N/ m） N） =丝杆最小截面惯性距（ 442 )464 wo 式中 丝杆螺纹不封闭长度 作台最大行程 +螺母长度 +两端余量 13 00+148+2088撑距离 u，选取 20入上式计算得出 见 临界压缩负荷满足要求。 滚珠丝杠副高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速要求丝杠的最高转速： 22230 式中： A= 24 . 210*d2d 位 p=03(Kg/m) 位为 2K 取 2K =0.8 推 过计算，得出 04 r ，该值大于丝杠临界转速，所以满足要求。 丝杠系统的轴向拉压系统刚度 式中 A 丝杠最小横截面， 222 ()4A d m m； 14 螺母座刚度 000N/ m。 当导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中， L 植分别为 750100 经计算得： m i n/1/12/1/1 k 式中 滚珠丝杠副的拉压系统刚度 (N/ m)； 螺母座的刚度 (N/ m)； 000 N/ m 丝杠副内滚道的接触刚度 (N/ m)； 丝杠本身的拉压刚 度 (N/ m)； 轴承的接触刚度 (N/ m)。 经计算得丝杠的扭转振动的固有频率远大于 1500r/满足要求。 步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲的频率。步进电机具有惯量低、定位精度高、无累计误差、控制简单等优点，所以广泛用于机电一体化产品中。选择步进电动机时首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率，再者还要考虑转动惯量、负载转矩和工 作环境等因素。 a、回转运动件的转动惯量 328 15 上式中： d 直径 ,丝杆外径 d= 长度 =1m P 钢的密度 =7800 2kg/m 经计算得 b、直线运动件向丝杆折算的惯量 22 上式中： M 质量 P 丝杆螺距（ m） P=计算得 2 c、联轴器的转 动惯量 查表得 200040 因此 28- 0 0 2 8 k 0 a、折算至电机轴上的最大加速力矩 上式中： 500 16 J=m2 加速时间 系统增量，取 15 计算得 算至电机轴上的摩擦力矩 20f 上式中： 导轨摩擦力， f，而 f=摩擦系数为 2N P 丝杆螺距（ m） P= 传动效率， = 传动比， I=1 经计算得 算至电机轴上的由丝杆预紧引起的附加摩擦力矩 1( 2000 上式中 滚珠丝杆预加载荷 1500N 0 滚珠丝杆未预紧时的传动效率为 计算的 M 则快速空载启动时所需的最大扭矩 f a x 根据以上计算的扭矩及转动惯量，选择电机型号为 额定转矩为 购买后包含有 咨询 17 4 其它零部件的设计计算 可选轴的材料为 45 钢，调质处理。 电机轴的直径为 14, 由于轴的直径小于 100由 1个键槽，故将轴径增加 5%，即 将轴径圆整为标准直径，取 d=14要验算传动轴薄弱环节处的倾角荷挠度。验算倾角时，若支撑类型相同则只需验算支反力最大支撑处倾角；当 此倾角小于安装齿轮处规定的许用值时，则齿轮处倾角不必验算。验算挠度时，要求验算受力最大的齿轮处，但通常可验算传动轴中点处挠度（误差 %3） . 当轴的各段直径相差不大，计算精度要求不高时，可看做等直径，采用平均直径 1曲刚度验算；的刚度时可采用平均直径 1d 或当量直径 2d 。一般将轴化为集中载荷下的简支梁，其挠度和倾角计算公式见【 5】表 倾角，然后叠加，注意方向符号，在同一平面上进行代数叠加，不在同一平面上进行向量叠加。 通过受力分析， 0112/(862/286800/ 最大挠度： a ; 轴的；材料弹性模量；式中； 18 查【 1】表 3 ； 所以合格, 。 键和轴的材料都是钢，由【 4】表 6的许用挤压应力 M 20100 ,取其中间 值， 10 。键的工作长度 6822 ，键与轮榖键槽的接触高度 。由【 4】式（ 6得 M ak 100862102 33 式中： ；】表键【，弱材料的许用挤压应力键、轴、轮毂三者中最；键的直径，；为键的宽度，为键的公称长度，圆头平键键的工作长度，为键的高度此处度键与轮毂键槽的接触高传递的转矩264,p M P 见连接的挤压强度足够了，键的标记为： 20 0310 96810 、轴轴承的校核 轴选用的是深沟球轴承 6206，其基本额 定负荷为 由于该轴的转速是定值 ，所以齿轮越小越靠近轴承，对轴承的要求越高。根据设计要求，应该对轴未端的滚子轴承进行校核。 轴传递的转矩 550 868 0 0 5 0受力 r 622 3 根据受力分析和受力图可以得出轴承的径向力为 : 19 在水平面： 41042638 在水平面： V 323210 141 0 2222 因轴承在运转中有中等冲击载荷，又由于不受轴向力，【 4】表 13 2.1有： p 轴承的寿命计算 :所以按轴承的受力大小计算寿命 h 006010)(6010 3616 故该轴承 6206能满足要求。 、其他轴的轴承校核同上，均符合要求。 机的选取 （ 1）粗略计算驱动电机的功率 已知重量为 m=100kg g=10N/重力 G1=000N 查表 320 表 擦系数表 1）驱动功率计算 则工件受到的摩擦力为： 1 0 0 0 0 . 0 3 5 3 5f m g N 则移行电机所需牵引力为： 35F f N 假设直径 R=125设转速 1 速度 61=24m/ 设功率安全系数为 动装置的效率为 需要的驱动功率为： 2）电动机至的总效率 c 联轴器效率 ， c= b 对滚动轴承效率， b= v 带效率， v= 效率， 。 96 估算传动系统总效率 = v b c ） 所需电动机的功率 w/ = 1） 基于电动机的以上特点，本文选用作为 北京和利时电机技术有限公司部分 110括自重） N 物品与接触的底面材料 金属 木材 硬底板 0 110 10 450 50 900 900 21 系列混合式步进电机 输送机床的驱动装置。 图 10列混合式步进电机的技术数据。 图 110所以根据计算所得数据选择 110 10 图 110110图 图 110110图 22 图 110电机矩频特性曲线 购买后包含有 咨询 23 5 机架的设计 机架是整个机床的基础支持件，一般用来放置重要部件。为了满足机床高速度、高精度、高生产率、高可靠性和高自动化程度的要求，与普通机床相比，机床应有高的静、动刚度，更好的抗振性。 一、对机床的机架主要在以下 三 个方面提出了更高的要求： 1很高的精度和精度保持性 在机架上有很多安装零部件的加工面和运动部件的导轨面，这些面本身的精度和相互位置精度要求都很高，而且要长时间保持。另外，机床在切削加工时，所有的静、动载荷最后往往都传到机架上，所以，机架受力很复杂。为此，为保证零部件之间的相互位置或相对运动精度，除 了满足几何尺寸位置等精度要求外，还需要满足静、动刚度和抗振性、热稳定性、工艺性等方面的技术要求。 2应具有足够的静、动刚度 静刚度包括：机架的自身结构刚度、局部刚度和接触刚度，都应该采取相应的措施，最后达到有较高的刚度 刚度直接反映机床的动态性能，为了保证机床在交变载荷作用下具有较高的抵抗变形的能力和抵抗受迫振动及自激振动的能力，可以通过适当的增加阻尼、提高固有频率等措施避免共振及因薄壁振动而产生噪音。 3较好的热稳定性 对机床来说，热稳定性已经成了一个突出问题，必须在设计上要做到使整 机的热变形小，或使热变形对加工精度的影响小。热变形将直接影响机架的原有的精度，
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