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附件 1：外文资料翻译译文 具有动态特性约束的高速灵活的机械手优化设计 摘要：本文提出了一种强调时间独立和位移约束的机器手优化设计理论，该理论用数学编程的方法给予了实现。将各元件用灵活的连杆连接起来。设计变量即为零件横截面尺寸。另用最关键的约束等量替换时间约束。结果表明，此方法产生的设计结果比运用 数，且利用等量约束所产生的设计方案更好。建立了序列二次方程基础上的优化设计方案，且设计灵敏度通过总体有限偏差来评定。动态非线性方程组包含了有效运动和实际运动的自由 度。为了举例说明程序，设计了一款平面机器人，其中利用某一特定的方案并且运用了不同的等量约束进行了设计。 版权属于 1997 年埃尔塞维尔科技有限公司 1 导论 目前对高速机器人的设计要求越来越高，元件质量的最小化是必不可少的要求。传统机器手的设计取决于静态体系中运动方式的多样化，但这并不适合于高速系统即应力和绕度均受动力效应控制的系统。为了防止失败，在设计的时候必须考虑到有效轨迹和实际运动轨迹之间的相互影响。 在暂态负载下对结构系统进行设计已经开始展开研究，该研究是基于下面几个不同的等量约束条件下进行的，分别为对 临界点的选择上 1 ， 反约束的时间限制2 ，和 数 3,4的基础上进行研究。在选择临界点时，假定临界点的位置的时间是固定的，然而这种假设不适合高速系统。第二个办法的缺点是等量约束在可行域内几乎为 0，因此现在还没有迹象表明这些约束是否重要。使用 数在可行域中产生了非零的等量约束，但它定义了一个保守的约束，从而产生了一个过于安全的设计方法。 在设计机器手的时候，常规方法是考虑多静态姿态 5而不是考虑时间上的约束。这种方法并不适合高速系统，原因是一些姿态不能代表整个系统的运动，此外，位移和应力的计算也是不准确的，这是因为在计算的时候省略了刚性和弹性运动之间的联系。事实上，这种联系是灵活多体分析中最基本的 8。 在这项研究中，开发了一种设计高速机械手的方法，这种方法考虑了系统刚性弹性运动之间的联系及时间独立等约束。把最关键的约束作为等量约束。 最关键的约束的时间点可能随着设计变量值的变化而变化。反应灵敏度由整体偏移所决定，设计的最优化取决于序列二次方程式。为了说明 程序， 对双杆平面机器手的强度和刚度进行了优化。设计结果与那些采用了 数的机器手进行对比。 2、设计理念 在这一节中，机器手的优化设计方法使用用于计算强度和刚性的非线性数学编程方法。机器手由 N 个活动连杆组成，每一个连杆由 有限零件柱组成。其目的是尽可能的减小机械手的质量。与强度关联的约束主要是应力元素和刚性约束。这些约束将使得有效运动的位移产生偏移。设计变量就是连杆和零件的截面特性。 从数学上来说，目标函数11k i k 应满足这样的约束 : ( , ) 0jg x t 1, ., （ 1）其中 和 别是第 k 个机构的第 i 个零件的密度和体积， x 是设计变量总数。在验证位移和应力的时候，参考文献 10中的递推公式可用来计算机器手有效轨迹与实际轨迹。 将连杆k 联系起来，其中样通过缩小模型就可以减少每个连杆的实际自由度数了。 系统的广义坐标系是由连杆变量i和模块变量i组成的。微粒 P 的运动速度 可表式为 k i k i k (2) 其中 和 是相互制约的系数。 凯恩（ 等人的方程式 12 曾被用来测定一些运动方程式如 F F (3) 其中 , T T 是整体速度向量， F 是合成外力向量， M、 Q 还有 别为总质量、柯氏力、地心引力和弹力，计算公式如下： 11k i k i k i k ir r r f k i k d Vs y m M s y m （ 4） 11()r k i k i k d （ 5） 0 (6) 其中上标 r 和 f 分别代表有效自由度和实际自由度。 K 为对角矩阵，其对角线上的子矩阵是减少了的有效矩阵了验证子矩阵在方程（ 4， 5）中是否正确， 和 可表示如下： i k k i k ip q p q r s r s p, r=1,2,3; q=1, ,s=1, ,12 (7a) pq k k ik i k ip q p q r s p, r=1,2,3; q=1, ,m; s=1, 12 (7b) 其中 是元件形状函数， 连杆变量数， m 是模块变量数。方程式中的标注即多次出现的下标指数是以概括的形式出现的，这些下标只不过是公式的一部分，并不表示某一含义除非特定指明。这些子矩阵可 表示成： p q p q p t z s p t p q z s p q z s p t u ( ) k k k k i k k i k i k if f k i k i k t z s z u s m P R p q p q p t z s p t p q z s p q z s p t u ( ) k k k k i k k i k i k ir f k i k i k t z s z u s m P R 其中i k i k iu v u d V 和i k i k i k iz u s v z s u d V ； z,u=1,2,3； s,v=1, ,12 是时间变量， 第 k 个机构的第 i 个元件的质量。在定义.q m p 和.k i k q r u m p r u pm r 时，柯氏力和地心引力可由下列算式计算出来： p q p q p q z s p q z sp z s p p u ( ) k k k i k ir k i k k i k k i k i k iq p z s z u s m a b a P b R p q p q p q z s p q z sp z s p p u ( ) k k k i k if k i k k i k k i k i k iq p z s z u s m a b a P b R 这个运动方程式综合了变量步长和变量预测校正的算法，以获取坐标系i和i中的时间记录。于是，有关物体参考系的节点位移可由模块转换公式i获得。由应力与位移关系式计算出零件受到的压应力。整个 参考系中各点的位移可用i和机架的各节点位移算出。点的偏移可由那个点在实际运动和有效运动的位移差精确的求出。 应当指出的是，在运动方程式中，设计变量函数的形式有矩阵，零件的质量和初始矢量中的 列。因此在对灵敏度进行分析的时候，这些都应与设计变量区分开来。然而，分析并且验证灵敏度在这次研究中是个非常困难的项目。不全面的分析或是允许极小误差的方式来研究这 一问题也未尝不是个好方法。 对机器手进行动态分析的方法就是计算 独立点在同一时间内的运动。因此，约束数目最好满足 且这么多的约束在优化设计时也是不切实际的。不过有一个很有效的办法可以使约束数控制在 围内又可以使约束数满足 t 的所有值，这就是用 数 3 等量替换单个时间约束，此函数表示如下： 11( ) l n e x p ( )j x c 其中 ( ) ( , )j n j g x t和 C 是正数并由这可以说 明 数限定了一个保守的值域 4比如重要，而且 c 的值越大 间 的 差 就 越 小 。 这 就 是 所 谓 用 最 关 键 的 约 束 等 量 替 换 了 诸 如( ) m i n ( ) j x g X （ 11） 之类的约束。在这一方法中，用等量约束这一值域里尽管左右突出的构件在过渡点有差异，但他们具有相同的标识和梯度，因此可在过渡点自然结合。随着时间逐步的趋近零点，等量约束也变得逐渐光滑。 上述所提到的非线性约束优化问题可以由 1来解决，即运用序列二次方程的方法。这 种优化需要初始信息/ g m=1, , 双杆平面机器人如图 1 所示。运动原理是被动块 E 沿直线从初始位置（1=120， 2=运动到终点位置（ 1=60， 2=。 E 的运动轨迹表示如下： 0 . 5 2( s i n )2 整个运动过程的时间 T= 每一个连杆的长度为 并由两个等长的零件连接着。其零件的外径为本设计的变量， k=1,2； i=1,2。零件的厚度为 体的压强和密度分别是 E=72 =2700Kg/块变量缩小了形状尺寸。最先结合的两个模块和最先有着固定自由的约束条件的轴也都被考虑到了。位于连接点 B 处的杆 2 质量为 2动物块和有效载荷的总质量为 1计的约束条件如下： i 75i=1, , 0,001m 其中应力约束由节点顶部或底部的 点来验证。是 E 的实际运动轨迹与有效运动轨迹的偏离量（即 x 和 y 方向的最大偏移值）。初始设计变量 0 图 1 平面机器手操作器 在这个例子里，等量约束是由最关键的约束组成的并且其结果与数 的结果进行了比较。后者函数中适用了 c 的不同值，可以发现 c 的值越小其产生的设计就越死板。 c=50 时的设计是最理想的。应当指出的是编译器的限制可能会超过 c 的最大值，这完全取决于指数函数也就是只要设计变量的低限足够的小。另一方面，最关键的约束会产生极小质量的设计并且精确的迎合偏移位移量。最小的质量，恰当的直径和反复运动的次数在表 1 中列出。设计轨迹见表 2。表 明了由 数产生的结果，然而 见应力远远小于允许值，因此应力约束受到了限制。连杆 2 中间的应力最大（见）图 3。被动物块的偏移量的最佳解决方案见图 4 图 2 设计参数 表 1 平面机器人控制器最佳方法 图 3 顶部连接两个的平均压力的最佳设计 图 4 最终效应器偏差的最佳设计 在研究中，高速遥控操纵器的最佳设计方案取决于动态特性。操纵器的固定轨迹与实际轨迹运动也必须考虑到。把最关键的约束用作等量约束。 最关键的约束的时间点可能随着设计变量的改变而变化。这表明分段的等量约束并不会使设计过程产生缺陷。序列二次方程用于解决设计问题，其是运用整体偏差进行灵敏度计算。 高速 平面遥控操纵器已被优化设计成在应力和偏差限制下的最小质量。基于 数产生的保守设计下使用等量约束，最好的设计理念就是用最关键的约束。 附件 2：外文原文 （复印件） 65. 2, 2551997 0 1997 6)002697 F . . 6531, 1 995) is of by in of of of is of on It is a by An on is by To a is a by 0 1997 1. he it to be of on in is by To be in of by on 11, of 2, 3,4. In it is of to be in is he is in is no is in an is in it a In of is to 5of is a to In is of a 8 In a of is of of as of as of is by is by 111. To a is by 2. n of a is as a of of k of is to of to of of of 255 2% S. . is as in of 5 2 To in 4, 5), 7” I” in 1=I ,=I to g,(x, t) 0 P, r = 1, 2, 3 j = 1, . , Y:; = $, + $;,& (1) q=l,., n, s=l,., 12 (7a) of of x is 8&+&,4!: p,r= 1,2,3 V of , is of In q= l,., m s= l,., 12, (7b) is ” is n, is to of m is of of in a of a be in a to a ” of k in a do of be as of is by f 2 mk of k=,=, i q, of a , be (7 7i,j$ j$,j$, 84 M; = f 2 m&, k=,i=l ?“I et s 12 to of +F”+F, (3) + &a + !;,Y;X: + &L.8) y = d is of is of , Q as UI s p”& d V :L$,. = s pkc#&$:; v!- F”=- O I Q!, = ,$, 4 6) + (/?&b;:, + u;&) &,b;:,. (9b) r f to he of by K is a a _ to of z,u= 1,2,3; s,v= l,., 12 is of of By = $?A& + & = $!&,& + $&,&, be 51 i to by of by of of in by , in of a is as of in It be in of of k k in in be to of is a in of A or is 3. he of is , of in of to be C x N, a of is in an An to of C to of of t is to by 3 as g,(x) = - i (10) .=I x) = gj(x, t”) c is a g, g,“). It be a 4 gj is g,n), of c, g,). as j(X) = x)l. (11) In gj a as it to In at of at by In as is by l I is on df/, M = 1, . . . , by in 4. is 1. A is in is to an 0, = 120”, 19 = - 150) to a 0, = 60”, - 30”) a is x =g T 2 E T t - x of T, is to .5 s. is of .6 m is by &, k = 1, 2; i = 1,2 of as of is to = 72 p = 2700 kg is by 1. A 2.0 t t 18.0 f 5 10 15 20 25 30 35 of 2. 258 S. . . 12 22 N) (4 9 9 8 of is at a kg of is 5i=l,.,n, 6 m, at n, of at 6 is of of in x y of 0 mm In by by In of c It of c in as A of c = 50 a It be be of c to if on On in of . 2. by CC of It is .5 t w 3. at of at in 0.6 s P $ 4. in 59 at of at 3. is 4. 5. n a of to of of by on as It of a in is in of by A of in . W. H. . T. . 3. 4. 5. 6. I. a. 9. 11. 12. of in 32, 4331989). E. J. . S. of 5, 3562 (1978). G. . by a 1137 (1979). R. T. 2. . P. 1990). D. A. . S. of 36, 1191990). M. H. . of 2, 2531994). J. H. . of . 16, 3441994). A. A. 1989). S. S. . J. A : I, 2931988). S. K. . M. L. of to . 56, 444451 (1989). K. 5, 485500 (1985): - _ T. R. P. W. . A. 1983): 512-E 1 哈尔滨工程大学 2014 届学士学位论文立题论证书 院（系） 机电工程学院 题目对应专业 机械设计制造及其自动化 题目申报人 王克义 职 称 讲师 申报时间 目名称 刚柔混联下肢康复机器人结构设计 题目来源 （划号，不可多选） 在研 科研项目 生产实践 自拟题目 题目类型 理工类 理论研究类（ ） 工程设计类（ ） 软件开发类（ ） 科学实验类（ ） 综合类（ ） （划 号，不可多选） 文管类 理论型（） 应用型（） 文献综述型（） （ 划号，不可多选） 课 题 简 述 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。 本 课 题 预 期 目 标 须填写本课题应完成的工作，课题预期目标和成果形式 主要工作： 根据课题需要满足的要求，查阅国内外相关资料，包括绳索牵引机构和康复训练等方面，设计机构的总体方案，进行机构学分析，设计出该机器人各装置的零部件，并分析部分装置的运动性质；在 三维机构装配图 基础上进行部分运动仿真。 课题预期目标： 利用三维软件完成机器人的机构设计，出 程图，并根据驱动要求选择驱动元件；利用三维机构装 配图进行运动仿真，以此验证设计结果。 成果形式： 工程图 0#图纸 3 张， 其中 1 张装配图， 2 张零部件图 ； 毕业论文。 2 技术要求 上机 200 机时 图纸 3 张 电路板 0 块 阅读文献 25 篇 读书笔记 2 万字 主 要 参 考 资 料 e 基础设计，电子工业出版社， 机械设计手册，机械工业出版社， 马方超等 中国发明专利 . B, , et A of of C. of 1991: 67 70. 机 械原理，高等教育出版社， 机电一体化技术手册，机械工业出版社， 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 侧 视 图 框 架 间 距 离 1m 。 3 右侧添加的导引装置简图 4 说明书摘要 本发明提供的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。本发明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。 1 摘要 附图 权利要求书 1、一种下肢内收外展训练机器人，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 。其特征是：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； 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 。 2 2、根据权利要求 1 所述的下肢内收外展训练机器人，其特征是：所述的两套绳索牵引支链均是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。 3、根据权利要求 1 所述的下肢内 收外展训练机器人，其特征是：所述的刚柔混联支链是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；而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。 4、根据权利要求 2 所述的下肢内收外展训练机器人，其特征是：所述的两套绳索牵引支链的牵引绳索的一端共同连接到脚踏板上的一点处。 5、根据权利要求 1 所述的下肢内收外展训练机器人，其特征是：所述的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。 6、根据权利要求 3 所述的 下肢内收外展训练机器人 ，其特征是：所述的 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 。 说明书 下肢内收外展训练机器人 （一）技术领域 本发明涉及一种康复训练机器人，特别是涉及一种对下肢进行内收外展康复训练的机器人，属于康复训练器械。 3 （二）背景技术 医学理论和实践已经证明，脑瘫后遗症或意外事故造成的肢体损伤患者需要进行肢体训练，以便恢复肢体功能，防止肌肉“废用性”萎缩和关节僵硬。为克服专业医护人员的不足以及提高康复训练效果，出现了各种各样的康复训练器械 ，一般是主动康复训练器械附着受训练者肢体上，通过运动期望轨迹带动肢体运动，以达到康复训练作用。老人运动能力较弱，通过机器人辅助运动训练，能够提高运动机能。设计一种刚柔混联下肢训练机器人，用以对训练者进行下肢内收外展运动康复训练，同时绳索牵引不仅方便驱动单元的布置，而且增强了系统动态性能和系统柔顺性，能够更好地满足康复训练的需要。 目前，国内外相关 文献 主要有以下几种： 河北工业大学 硕士论文“仿生外骨骼式下肢康复机器人研究”中提到一种采用柔性连接解决下肢内收外展运动，该内收外展运动是被动形式的。专利号 专利 名称为 “ 绳索牵引下肢步态康复机器人 ”的发明专利阐述了 ， 通过绳索牵引实现下肢屈伸运动控制；专利号 为 专利名称为 “ 侧卧位下肢外展装置 ” 的 实用新型阐述了， 通过一套 支撑板 和 框架体实现固定下肢，防止侧卧时下肢的内收、内旋。专利号 为 0090803 的 专利名称为 “髋关节训练 装置 ” 的 实用新型阐述了，通过滑轮组和摆动杆装置实现下肢髋关节运动控制。 上述相关文献所介绍的下肢康复训练装置均未采用绳索牵引实现下肢内收外展训练。 （三）发明内容 本发明的目的 在于提供一种下肢内收外展训练机器人，用于对下肢损伤患者或老人的肌肉和关节功能进行康复训练。 本发明的目的是这样实现的：由框架构成支撑系统；两套绳索牵引支链的装有编码器的力矩电动机固定在框架上，其驱动绞盘转动，带动绳索运动，两套绳索牵引支链的两根绳索一端连接到脚踏板上的一点处；刚柔混联支链的装有编码器的直流电动机固定在框架上，其驱动受滑轨约束的丝杠螺母机构，控制固定在螺母上的过轮平移运动，而固定在支撑框架上的装有编码器的力矩电动机驱动绞 4 盘转动，带动绳索运动，该绳索的另一端通过力矩传感器和过轮后连接到脚踏板上。 该机器人属于并联机构。 本发明还有这样一些结构特征： 1、连接到脚踏板上的三根绳索处于同一平面上。 2、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。 3、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。 4、 三个驱动绳索的力矩电动机和一个驱动丝杠的直流电动机都安装有编码器。 5、刚柔混联支链的绳索在连接到脚踏板上之前经过固定在框架上的力传感器。 本发明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。 工作初，训练者一只脚站立在平台上，另一只脚放置在脚踏板里并扣紧，根据需要可以配备减重装置。工作时，由绳索牵引支链和刚柔混联支链共同控制脚踏板做规划运动，实现下肢内收外展康复训练。 （四）附图说明 图 1 是 本发明进行训练时的主视图 ； 图 2 是 本发明的主视图 ； 5 图 3 是 本发明 的俯视图 ； 图 4 是 本发明的左 视 图 。 （五）具体实施方式 下面结合附图举例对本发明做更详细地描述说明： 结合图 1本发明下肢内收外展训练机器人由支撑系统框架 1、 两套绳索牵引支链、一套刚柔混联支链和一个脚踏板 13 组成 。支撑系统框架 1 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（ 12、 14）、绞盘（ 11、 15）、绳索（ 10、 16）组成，两个力矩电动机（ 12、 14）分别固定在框架 1 前后位置上的同一高度处，其驱动绞盘转动（ 11、 15），实现绳索（ 10、 16）牵引，两根牵引绳索（ 10、 16）均连接到脚踏 板 13 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 2、绞盘 3、绳索 5、装有编码器的直流电动机 9、丝杠螺母 7、滑轨 8、过轮 6 和力矩传感器 4 组成，固定在框架 1 中间位置的直流电动机 9 驱动受滑轨 8 约束的丝杠螺母 7 机构，固定在支撑框架 1 上的力矩电动机 2 驱动绞盘 3 转动，带动绳索 5 运动，该绳索 5 的另一端通过力矩传感器 4 和固定在螺母上的过轮 6 后连接到脚踏板 13 另一侧中点处。结构布置保证了连接到脚踏板 13 上的三根绳索（ 5、 10、 16）是处于同一平面的，且刚柔混联支链的牵引绳索 5 平分两套绳索牵引支链的牵引绳索（ 10、 16）所夹角度，刚柔混联支链的过轮 6 平移方向不在三根牵引绳索（ 5、 10、 16）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。 工作初，训练者一只脚站立在平台上，另一只脚放置在脚踏板 13 里并扣紧，根据需要可以配备减重装置。工作时，由绳索牵引支链和刚柔混联支链共同控制脚踏板 13 做规划运动，实现下肢内收外展康复训练。 6 7 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