上肢康复机器人的结构设计【三维UG】【19张PDF图纸+CAD制图+文档】
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I摘 要康复机器人是康复设备的一种类型，同时作为医疗机器人的一个重要分支，它的研究贯穿了康复医学、生物力学、机械学、机械力学、电子学、材料学、计算机科学以及机器人学等诸多领域，已经成为了国际机器人领域的一个研究热点。康复医学工程虽然在我国得到了普遍的重视，但由于康复机器人研究尚处于起步阶段，一些简单康复器械目前还远远不能满足市场对智能化、人机工程化康复机器人的需求，因此有待进一步的研究和发展。本文从使用角度分析了人体上肢运动原理，设计了一种坐式上肢康复训练机器人，用于心脑血管疾病或神经系统疾病造成的上肢体损伤患者的上肢康复训练。本设计中的上肢康复机器人主要由机身、运动机构和传动机构组成。机身包括放置于地面上的基座、两根可以伸缩的立柱以及上横梁；运动机构则由上肢前后摆动机构、上肢屈伸机构和上肢分合机构组成，它们分别装在机身的基座、立柱和横梁上，且分别由单独的电机和减速器驱动；传动机构主要包括传动轴、丝杠螺母副、同步齿形带等元件。该机器人在单片机的控制下，实现患者的上肢前后摆、屈伸、分合运动以及手腕转动的康复训练；也可启动部分电机，完成其中的部分康复训练。随着机器人技术的发展，小型化、轻量化而且更接近实用的人工智能机器人不断地被开发研制出来，人们对康复机器人的未来也充满了期待。II关键词：上肢；康复机器人；结构设计；运动机构；传动机构 IIIABSTRACTRehabilitation robot is a type of rehabilitation facilities, and as an important branch of medical robots at the same time, it comes from the rehabilitation medicine, biomechanics, mechanics, mechanics of machinery, electronics, material science, computer science and robotics, and many other areas, and it has become a research hotspot in the field of international robot. Medical Engineering in our country has been received widespread attention though, and because of rehabilitation robotics still in its infancy, some simple rehabilitation equipment is far from meeting intelligence, ergonomics of the rehabilitation robot needs, so we still need to do some further research and development. From the use of perspective, the upper limb movement principle of the human body is analyzed. And the seated upper extremity rehabilitation robot is designed for the cardiovascular diseases or diseases of the nervous system on the body damage in patients with upper limb rehabilitation training. The design of upper limb rehabilitation robot is mainly composed of the fuselage, the motion mechanism and the transmission mechanism. The fuselage includes the platform base, two scalable columns and a beam; The motion mechanism consists of the back and forth various agency, the flex movement agency, the lifting agency and the wrist rotation agency, respectively installed on the base of IVthe fuselage, the stand column and the beam, and the every movement is driven by the separate drive motor and reducer; The transmission mechanism is composed of the transmission shaft, screw nut pair and elements such as synchronous cog belt. The upper limbs pendulum, expand and the rotation of the wrist of patients are realized by the robot under the control of the MCU. Part of the rehabilitation training also can be started by motor. With the development of robot technology, miniaturization, lightweight and more close to practical robot of artificial intelligence are constantly developed, and people is full of expectation to the future of the rehabilitation robot.Key words：upper limb; rehabilitation robot; structural design; motion mechanism; transmission mechanismV目 录第 1 章 绪论.11.1 本课题的目的与意义.11.2 康复机器人的国内外研究现状.21.2.1 国外研究现状.21.2.2 国内研究现状.51.3 本课题主要研究内容.7第 2 章上肢康复机器人总体结构方案.82.1 总体方案设计.82.1.1 机器人整体尺寸的选择.82.1.2 机器人驱动装置的选择.82.1.3 机器人的总体方案.92.2 运动机构的总体设计.102.2.1 前后摆动机构.102.2.2 屈伸运动机构.102.2.3 分合运动机构.112.2.4 手腕转动机构.122.3 本章小结 .12第 3 章 上肢康复机器人机械结构设计.133.1 前后摆动机构.133.1.1 电机的选择.13VI3.1.2 减速器的选择.143.1.3 联轴器的选择.153.1.4 轴的设计与校核.163.1.5 键选择及校核计算.183.1.6 整体结构的设计.193.2 屈伸运动机构.203.2.1 电机的选择.203.2.2 联轴器的选择.213.2.3 丝杠的设计计算.213.2.4 锥齿轮的设计计算.233.2.5 轴承校核.253.2.6 总体结构的设计.263.3 分合运动机构.273.3.1 电机的选择.273.3.2 支撑座的设计.283.3.3 横梁的设计.293.3.4 同步齿形带设计.293.3.5 总体结构的设计.313.4 手腕转动机构.313.4.1 电机的选择.313.4.2 总体结构的设计.323.5 本章小结.33第 4 章 总结.34参考文献.35VII致 谢.371第 1 章 绪论1.1 本课题的目的与意义随着科技进步与人民生活水平的提高，我国和世界上其它国家一样，正在向老年化结构发展，伴随而来的是心脑血管疾病或神经系统患者正呈现逐年增长的趋势。脑中风就是其中一种，这种疾病严重威胁了中老年人身体健康，我国每年新发脑中风病例 120-150 万人，死亡者 80-100 万人，死亡率高达 66.7%。这种疾病有偏瘫症状1，将引发患者肢体运动功能的丧失，尤其是上肢运动功能的丧失，极大地影响了患者日常生活。临床上对偏瘫患者的康复方法很大程度依赖于治疗医师对患者一对一的指导和训练，这种方法存在一些问题：首先，一位治疗医师只能对一位患者进行运动训练，效率低；其次，治疗效果大多数情况下取决于治疗医师的水平和经验；再次，不能控制和记录精确参数，不利于治疗方案的确定和改进，康复评价指标不客观。总之，这种方法是一种劳力集中的过程，不仅费时费力，也缺乏量化且客观的评价，不利于偏瘫患者康复规律的深入研究。为了减轻家庭和社会的经济负担，提高康复训练效率，同时随着机器人技术的迅速发展，研究者们开始将机器人技术应用到了康复领域，提出了康复机器人。与传统康复方法相比，康复机器人能满足患者对训练强度的不同要求，极大的减轻了治疗医师的体力劳动，也减少了临床医疗人员的负担和卫生保健的成本；另外康复机器人能对运动训练过程进行客观的监测与评价，可以详实地记录治疗数据及图形，从而提供了客观、准确的治疗和评价参数，能够帮助患者制定更好的康复方案，进一步提高康复的效率，同时也有助于康复机器人辅助治疗偏瘫研究的深入开展，具有改善康复效果和提高康复效率的潜力。本文真对心脑血管疾病或神经系统疾病造成的上肢体损伤患者，设计了一种坐式上肢康复机器人。该机器人通过机械手臂带动患者的患肢在水平或垂直面运动，利用计算机控制上肢康复运动，实现机器人与人的上肢协调运动，从而达到最佳康复效果。21.2 康复机器人的国内外研究现状康复机器人是康复医学与机器人学科结合的成果，属于医疗机器人范畴。康复机器人主要分为两种：功能辅助型康复机器人和康复训练机器人2。功能辅助型康复机器人的主要功能是帮助肢体运动有困难的患者完成各种动作，其产品主要有机器人轮椅、机械外骨骼、导盲手杖、机器人护士、机器人假肢等。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性训练，如上肢运动训练、下肢行走训练、颈部运动训练、脊椎运动训练等。1.2.1 国外研究现状在欧美等国家，上肢康复机器人在 20 世纪 0 年代就开始起步了。随着科技医疗技术的发展，更是得到了医疗机构和科研工作者的大力重视，继而开展了相关的研究工作。1993 年，加利福尼亚大学的 lum 设计了名为手-物体-手的康复装置3 (图 1.1a)。该装置从人类日常生活中对双手协调性工作的需要出发，以简单的双手移动和挤压物体训练双手协调性。2 年后，lum 又设计出另一套训练双手上举协调性的装置4 (图 1.1b) ，并在装置上绑上装满咖啡的杯子，依靠装置为患手提供力辅助而成功完成上举的实验来证明了该装置的可行性。这两个装置结构功能都比较简单，由于实验是由正常人完成的，因此未作出对肌肉运动功能的评价。 (a)(b)图 1.1 lum 研制的上肢康复装置1999 年，Cozens JA Lastair 设计了一套肘部康复装置5 (如图 1.2 所示)，该装置跟随支撑臂前方的闪烁灯执行 1080的肘部屈/伸运动。系统获取电子量角器、3加速度计的反馈，根据控制法则对支撑臂上的患肢运动进行外力辅助或干扰，最后依据试验结果，给出训练方式的效果比较。图 1.2 肘部运动康复装置2000 年芝加哥大学研制了一种 ARM Guide 训练装置6,7，如图 1.3 所示。该装置具有 3 个自由度，通过手动调节其中 2 个自由度 Yaw 和 Pitch 使患者完成不同直线轨迹的 Reach 训练。训练过程中患者手臂绑在夹板上，沿直线轨道练习 5 个目标点的 Reach 运动,并利用传感器测量患者前臂施力大小。训练疗程完成后，使患者完成日常生活动作，对比所记录的轨迹范围、直线度、平滑度，并利用未训练过的点来检验未训练区域的运动恢复，该训练装置的设计思路与机构决定了其训练方式的单一性，因此很难进行训练方式的扩展及深入研究。图 1.3 ARM Guide 训练装置麻省理工学院从 1995 年开始研制一种被称为 MIT-Manus 的康复机器人8 (如图 1.4)。该机器人采用连杆机构，患者握住机构末端的手柄完成平面内的运动训练。计算机为患者提供视觉反馈。该装置的主要特点是具有反向可驱动性，也就是采用阻抗控制技术实现末端点平滑和柔顺，遵从患者运动产生平滑快速运动。患者进行4圆或直线路径的平面运动训练后，利用临床评价方法及采集到的运动学参数进行评价，发现机器人训练对肌肉群的恢复有十分有效。另一方面，在研究人员记录下，患者训练前后的动作完成过程中运动学参数，如轨迹、速度等等，通过实验发现，传统的方法在实验前后的评价值不变，而实际上患者肌肉功能已经有了比较明显的改善，由此证明了医学临床评价的粗糙。图 1.4MIT-MANUS图 1.5 ARMin 康复机器人瑞士苏黎世大学研究出了 ARMin 康复机器人9 (图 1.5)，它具有低惯量、低摩擦、可反向驱动的特性。该装置具有 6 个自由度(4 个主动、2 个被动)及 4 种运动模式,其中预定轨迹模式为医生指导患者手臂运动，并记录下轨迹，其后由机器人以不同速度对该轨迹进行重复；预定义治疗模式是在预定的几种标准治疗练习中进行选择训练；在点到达模式中，预定到达点通过图像显示给患者，由机器人对患者肢体进行支撑和引导完成训练；患者引导力支持模式中，运动轨迹由患者确定，利用测得的位置、速度信息通过系统的机械模型来预测所需力与力矩的大小，并通过5一个可调辅助因子来提供一部分力和力矩。该装置目前仍然在研究中，利用健康人作了一些机构的可行性实验,还未提出任何评价方法。意大利的 Roberto Colombo 等人研制了自由度腕关节（图 1.6）和自由度肩肘关节康复机器人（图 1.7）10。腕关节康复机器人提供的工作范围是90，最大阻抗扭矩为9Nm，其控制系统包括两个控制环；肩肘关节康复机器人的功能原则是二位空间的自然伸缩。在康复过程中评定康复的仪器可以记录患者的运动参数并作出评价。 图 1.6 自由度腕关节机器人 图 1.7 自由度肩肘关节康复机器人1.2.2 国内研究现状国内关于上肢康复机器人的研究起步较晚，但经过国内研究者们努力的探讨，在这一领域也有了一定的成果。台湾国立成功大学设计了一种应用于平面上肘关节屈/伸运动的康复机器人11，利用模糊控制器完成精确的位置与力的控制，对一定数量的正常人和偏瘫患者进行圆形轨迹运动的临床试验中，在运动方向上给予适当的阻力，并由刚性参数及测得的肱二头肌和肱三头肌机电信号分别对运动控制能力与运动协调性进行量化评估。清华大学在国家“863”计划支持下，从 2000 年起即开展了机器人辅助神经康复的研究，研制了一种上肢康复设备 UECM12-14，可以在平面内进行两个自由度的运行训练，如图 1.8 所示。6图 1.8 上肢复合运动康复训练机（清华大学研制）哈尔滨工程大学研制了多功能手臂康复训练器15，如图 1.9 所示，该训练器的两个训练把手在单片机控制下可以带动被训练者的左右手臂以不同的工作模式进行训练，气可工作在主动训练模式、主从训练模式和阻尼方式。图 1.9 多功能手臂康复训练器东南大学设计了一套上肢康复训练机器人系统16，机械结构如图 1.10 所示。此系统可以实现被动、主动和带阻尼主动三种锻炼模式和一对多的训练模式。图 1.10 单自由度上肢康复训练机械臂系统结构7上海交通大学的康复工程研究所和 CAD 模具研究中心联合研制了适用于上肢康复的 FES 附件外骨骼康复机器人，如图 1.11 所示。 图 1.11 FES 附件外骨骼康复机器人1.3 本课题主要研究内容本文中设计的上肢康复机器人主要由机身、运动机构和传动机构组成。机身包括放置于地面上的基座、两根可以伸缩的立柱以及上横梁；运动机构则由上肢前后摆动机构、上肢屈伸机构和上肢分合机构组成，它们分别装在机身的基座、立柱和横梁上，且分别由单独的电机和减速器驱动；传动机构主要包括传动轴、丝杠螺母副、同步齿形带等元件。该机器人在单片机的控制下，实现患者的上肢前后摆、屈伸、分合运动以及手腕的转动康复训练；也可启动部分电机，完成其中的部分康复训练17。具体内容如下：第 2 章首先对上肢康复训练机器人进行了原理分析，然后选择合理的设计方案，最出总体结构设计；第 3 章对上肢康复机器人中前后摆动机构、屈伸运动机构、分合运动机构和手腕转动机构中主要运动元件进行了选择与计算，如电机、联轴器和减速器的选择，传动轴、丝杠、同步齿形带以及锥齿轮等的设计校核计算。同时用 UG 这款三维软件绘制了上肢康复机器人的三维结构图。第 4 章对本次设计的上肢康复机器人进行了总结。8第 2 章上肢康复机器人总体结构方案本设计的主要工作是设计一个用于上肢康复的机器人，能够实现对上肢的上下、屈伸、分合以及手腕转动的康复训练17。就本设计而言，设计的主体是两根可升降的立柱，放于地面与立柱相连的机座、横梁，以及与机座相连的立柱座、同步齿型带和带轮等等。本章将确定上肢康复机器人的总体结构设计方案。2.1 总体方案设计2.1.1 机器人整体尺寸的选择本文设计是坐式上肢康复机器人，其主体结构采用金属材料。受到外来力量主要是患者的上肢，受力相对较小，因此机器人各个零部件的大小尺寸也应相对较小，从而减轻机器人的整体重量。表 2.1 是人体主要尺寸表18，根据其对人群中 1860 岁成年男子和 1855岁成年女子各个主要尺寸的统计，本次上肢康复机器人的宽度大约 1.5m，整体高度 1.4m1.7m。表2.1 人体主要尺寸表男（18-60 岁）女（18-55 岁）身高（mm）1583 1604 1678 1754 1775 18141449 1484 1503 1570 1640 1659体重（kg）44 48 50 59 70 7539 42 44 52 63 66上臂长（mm）279 289 294 313 333 338252 262 267 284 303 302前臂长（mm）206 216 220 237 253 258185 193 198 213 229 234百分位数1 5 10 50 90 951 5 10 50 90 952.1.2 机器人驱动装置的选择驱动装置对上肢康复机器人而言是至关重要的。按驱动方式可以分为三类：（1）气压驱动，其使用压力通常在 0.40.6MPa，最高可达 1MPa。气压驱动的气源一般是由压缩空气站提供的压缩空气，因此方便快捷。另外，气压驱动系统9具有缓冲作用，结构简单，成本低，可以在高温、粉尘等恶劣环境中工作。但是其功率质量比小，装置体积大，同时由于空气的压缩性使得机器人在任意定位时，位置精度不高。因此只适合于易燃、易爆和灰尘大的场合。（2）液压驱动，一般用 25MPa 的油液驱动机器人。与气压驱动相比，其优点是体积较小，功率质量比大，驱动平稳，且固有效率高，快速性好。此外，液压驱动调速较为简单，能在很大范围内实现无极调速。缺点是易漏油，从而影响了工作稳定性和定位精度，再者也对环境造成了污染。因此其多用于要求输出力较大，运动速度较低的场合。（3）电气驱动，一般是利用各种电机产生的力或转矩直接或经过减速机构去驱动载荷，从而减少了电能转为压力能的中间环节，可以直接获得要求的机器人运动。其优点是易于控制，运动精度高，响应快，使用方便，信号检测。传递和处理方便，成本低廉，驱驱动效率高，不污染环境等。因而电气驱动得到了研究者的青睐，在机器人上获得了广泛应用。本文中的上肢康复机器人承受的驱动负载较小，且要求驱动系统结构简单、易于控制，因此选择电气驱动作为其驱动方式。具体的驱动装置则选用直流伺服电动机，它具有体积小、重量轻和良好的控制性等优点，使得整个驱动系统结构紧凑，成本低廉，操作方便。2.1.3 机器人的总体方案综合考虑了上肢康复机器人所要实现的运动之后，其总体方案为：机身、运动机构和传动机构以及电机驱动系统。图 2.1 上肢康复机器人10机身包括放置于地面上的基座、两根可以伸缩的立柱以及上横梁；运动机构则由上肢前后摆动机构、上肢屈伸机构和上肢分合机构以及手腕转动机构组成，它们分别装在机身的基座、立柱和横梁上，且分别由单独的电机和减速器驱动；传动机构主要包括传动轴、丝杠螺母副、同步齿形带等元件。上肢康复机器人的整体结构如图 2.1 所示。2.2 运动机构的总体设计2.2.1 前后摆动机构上肢康复机器人前后摆机构需要实现对患者的上肢进行前后摆康复训练的功能。而前后摆运动需满足两个要求：1、摆动的角度要足够大，从而使患者上肢的肩关节和肘关节得到充分的康复训练；2、要保证整个前后摆机构的稳定性和安全性，即患者在康复训练时，上肢在任何位置在能安全地停止。从而，本设计中将前后摆动机构安装在基座上，由直流减速电机、减速器、传动轴、轴承座等组成。其中直流减速电机固定在底座上，通过联轴器与减速器连接；减速器的另一端则与传动轴连接在一起。由单片机控制电机，带动传动轴转动，实现对上肢前后摆动的康复训练，其运动简图如图 2.2 所示。图 2.2 前后摆动机构运动简图2.2.2 屈伸运动机构上肢康复机器人的屈伸运动机构的主要目的是对患者上肢进行屈伸康复训练，以患者肩的关节肘和肘关节得到康复。为了使患者的上肢有足够的空间进行屈伸训11练，本文中的屈伸运动机构设计了两根左右对称布置的可伸缩立柱。可伸缩立柱包括外套筒、内套筒、立柱座（箱体）。而由直流电机、锥齿轮副、丝杠螺母副组成的机构则能使立柱进行伸缩运动。其中丝杠螺母副由一对角接触球轴承固定；立柱座（箱体）和外套筒则借助法兰盘，用螺栓通过挡圈与轴承外圈连接；内套筒插装在外套筒内，通过螺母与丝杠连接，组成丝杠螺母副，其运动简图如图 2.3 所示。在直流电机作用下，穿过侧壁的传动轴带动锥齿轮转动，将运动传给丝杠，从而带动内套筒在立柱内同步的向上下滑动，实现上肢的屈伸康复运动。同时，为了使立柱内套筒能够安全的停止在任何一位置，设计丝杠时需让丝杠具有自锁的功能，让患者可以在任何一位置进行其他的康复训练。图 2.3屈伸运动机构运动简图2.2.3 分合运动机构上肢康复机器人中设计分合运动机构的目的实现患者上肢分合康复训练。设计分合机构时，空间要足够大，从而能使患者上肢得到相应强度的分合康复训练，且要主要减少噪音。图 2.4 分合运动机构运动简图本文中分合运动机构包括直流减速电机、同步齿形带传动副、光感滑轨以及把手。其中直流减速电机带有传感器并借助法兰盘安装在横梁上；横梁与立柱内套筒12连接；同步齿形带轮一端通过挡板和螺钉固定在电机轴上，另一端通过轴和轴承固定在横梁的中部，其运动简图如图 2.4 所示。2.2.4 手腕转动机构上肢康复机器人手腕转动机构主要考虑的是患者上肢的固定，从而把手很重要，本文中把手包括小臂护套、把手支、架手柄。把手支架法兰盘面上装有直流减速电机，小臂护套则由吊环将其固定在把手支架上面，其运动简图如图 2.5 所示。图 2.5 手腕康复结构运动简图工作时，启动电机，在单片机的控制下，带动手柄绕电机轴旋转，从而带动手腕的转动，实现手腕的康复训练19。2.3 本章小结本章针对上肢康复机器人的设计要求，确定了机器人的总体结构方案，构建了机器人的运动形式及外形框架。包括机器人整体尺寸的确定、驱动方式的选则和各传动机构的设计。本章基本确定了康复机器人的运动方案，在接下来的章节中，将对所需的电机、联轴器、减速器进行选择，并对部分主要零件进行设计校核计算。13第 3 章 上肢康复机器人机械结构设计本章的主要内容是通过估算上肢康复机器人的各个运动参数，对机器人运动机构中的主要元件进行结构设计计算与校核，并对所需直流电机、联轴器以及减速器等进行选择。3.1 前后摆动机构3.1.1 电机的选择本设计中，康复机器人的总体高度大约为m，质量kg，转动角速1.5h 50m 度=0.05rad/s，转动角度=30。w对于旋转运动，当系统匀速转动时，机械的负载功率为 / (3-1)ggLPT w其中，（N. m）表示负载转矩，（rad/s）表示旋转角速度，表示系统gTLw的传动效率。 当=30时，最大，且=250Nm，折算到电机上的转矩gTgT=/（） (3-2)LTgTi得到电机的输出转矩=75Nm，功率 P=40w，转速 n=30rpm；LT综合考虑之后，选择的是淄博床架电机有限公司的产品，其结构如图 3.1 所示，各参数如表 3.1 所示。图 3.1 110SZ55 减速电机14表 3.1 前后摆动机构电机参数型号输出转矩（N. mm）输出转速（r/min）功率（W）电压（V）110SZ558359040100243.1.2 减速器的选择减速器有很多种类，常用的齿轮及蜗杆减速器按其传动及结构特点，可分为三类：(1)齿轮减速器：主要有圆锥齿轮减速器、圆柱齿轮减速器和圆锥圆柱齿轮减速器。它们的优点是效率高、寿命长、维护简便。(2)蜗杆减速器：主要有圆弧齿蜗杆减速器、圆柱蜗杆减速器、蜗杆齿轮减速器和锥蜗杆减速器。它们的优点是在外廓尺寸不大的情况下可以获得很大的传动比，且工作平稳、噪声较小，但其传动效率比较低。(3)行星减速器：主要有摆线针轮减速器、渐开线行星齿轮减速器和谐波齿轮减速器。它们的特点是结构紧凑、精度较高、回程间隙小且使用寿命很长，但价格相对其它减速器来说略贵。上肢肢康复机器人在前后摆动过程中，需要使患者上肢能够平稳地停在任一位置。因此本文使用了蜗轮蜗杆减速器来实现机械自锁功能。蜗轮蜗杆具有良好的特性：零件数目少，结构紧凑；在蜗杆传动中，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它和蜗轮齿是逐渐进入及逐渐推出啮合的，同时啮合的齿对又比较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声小；当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动变具有自锁性。图 3.2 WD60 涡轮蜗杆减速器15在本文中选择的涡轮蜗杆减速器型号是 WD60，如图 3.2 所示，其厂家是河北桥兴减速机制造有限公司。3.1.3 联轴器的选择前后摆动机构中减速器和传动轴，减速器与电机是通过联轴器连接起来的，因此要对联轴器进行选择。联轴器种类繁多，按照被连接两轴的相对位置和位置的变动情况，可以分为：固定式联轴器。主要用于两轴要求严格对中并在工作中不发生相对位移的地方，结构一般较简单，容易制造，且两轴瞬时转速相同，主要有凸缘联轴器、套筒联轴器、夹壳联轴器等。可移式联轴器。主要用于两轴有偏斜或在工作中有相对位移的地方，根据补偿位移的方法又可分为刚性可移式联轴器和弹性可移式联轴器。根据上肢康复机器人机构的特点，本文选用了十字滑块性顶丝式弹性联轴器。这种联轴器的优点是：结构简单，容易安装；电器绝缘性能好；高扭矩、偏心反作用力小、震动吸收性优；轴套与滑块的移动作用、可容许大的偏心与偏角；顺时针与逆时针回转特性完全相同。前后摆动机构中减速器与电机连接的传动轴选用了广州钜人自动化设备有限公司生产的十字滑块性顶丝式弹性联轴器，其型号为 G4-25T，具体各参数见表 3.2。表 3.2 前后摆动机构联轴器参数表 3.3 HL1 联轴器参数型号最大孔径mm容许扭矩N m容许偏角（）容许偏心 mm惯性力矩2kg.m质量g经弹性系数Nm/rad最高回转系数rpmG4-63T253333.842.6 1031812002500型号公称扭矩TnN .m 许用转速 n r/min轴孔直径d1 d2 dz轴孔配合长度DS转动惯量 Kg.m2重量KgHL11603316 1842902.50.0064216而传动轴与减速器连接时，由于其传动转矩非常大，故其连接时选用的联轴器是上海联轴器车墩业务部生产的 HL 型柱销弹性联轴器，型号是 HL1，其参数如表 3.3所示。3.1.4 轴的设计与校核 在前后摆动机构中，传动轴的设计至关重要。根据轴向定位的要求，本文中传动轴（其结构如图3.5所示）共分为四段：（1）第段是与轴承相配合的 ，其直径定为18mm，长度22mm；（2）第段是与立柱座相连接的，其直径定为20mm，长度58mm；（3）第段直径定为18mm，长度550mm；（4）第段是通过联轴器与涡轮蜗杆连接，其直径为17mm，长度为30mm。图3.3前后摆动机构传动轴在整个上肢康复机器人的结构当中，前后摆运动机构的传动轴承受的力是最大，因此，要对该轴进行强度校核：（1）判断危险轴段由于只有第段轴受到载荷与扭矩，因此只需要对此段轴进行强度校核。该段轴上截面的应力为： （3-1）WMmb其中，Mm表示弯矩，单位为Nm；W表示抗弯截面模量。将数据代入式3-1得=3.125Mpa。b截面上的转切应力为：1917 （3-2）2TTTW其中，T2表示转矩，单位为Nm；WT表示抗扭截面模量。将数据代入式3-2得=156.25MPa。从而有：TMPa78225.1562Tmb轴的材料为40Cr且调质处理，因此有MPa，MPa，MPa735B38612601轴所受到力、弯矩、扭矩、当量弯矩如图3.4所示。图3.4 前后摆传动轴受力示意图该轴段直径为：3min116mm0.1ebMdd（2）综合系数的计算该轴段的材料敏感系数为，因轴肩而形成的理论应力集85. 0q87. 0q中系数为，。23. 281. 1经直线插入可得其有效应力集中系数为： 05. 2) 1(1qk70. 1) 1(1qk18查得尺寸系数为，扭转尺寸系数为，轴采用磨削加工，表72. 076. 0面质量系数为，轴表面未经强化处理，即，则综合系数值为：92. 01q 93. 211kK11. 211kK（3）碳钢系数的确定碳钢的特性系数取为，。1 . 005. 0（4）安全系数的计算：轴的疲劳安全系数为 （3-3）maKS1 （3-4）1amSK （3-522caS SSSS）其中，表示只考虑弯矩时的安全系数，表示只考虑转矩时的安全系数；SS表示材料对称循环的弯曲疲劳极限；表示材料对称循环的扭转疲劳极限；11表示弯曲时轴的有效应力集中系数；表示扭转时轴的有效应力集中系数；KK( MPa)表示扭转剪应力的应力幅；( MPa)表示扭转剪应力的平均应力；( amaMPa)表示弯曲应力的应力幅；( MPa)表示弯曲应力的平均应力；表示计算疲mcaS劳强度的安全系数；表示疲劳强度的安全系数。S代入数据计算得=5，=10，=41.5=S，所以该传动轴是安全的20。SScaS3.1.5 键选择及校核计算19上肢康复机器人结构中立柱座与轴通过键进行连接，所受到的扭矩非常大。本设计中键起到了传递力和运动的作用，为防止因键连接强度不够导致键断裂，影响整个上肢康复机器人的正常运行，甚至发生事故，要选择达到一定强度的键。本设计中键的参数如表 3.4 所示。表 3.4 键的规格名称规格直径（mm）工作长度（mm）工作高度（mm）转矩（Nm）极限应力（MPa）平键665020443125100平键强度条件为 = （3-6）pkldT3102 p其中，T 表示传递的转矩，单位为 N m；k 表示键与轮毂键槽的接触高度，k=0.5h， h 为键的高度，单位为 mm；l 表示键的工作长度，圆头平键 l=L-b，平头平键 l=L，这里 L 为键的公称长度，单位为 mm；b 表示为键的宽度，单位为mm；d 表示轴的直径，单位为 mm；表示键、轴、轮毂三者中最弱材料的许p用挤压应力，一般 45#钢的为 100120MPa。p所以轴上键的挤压应力为：=95MPa120MPap204431250002满足条件21。3.1.6 整体结构的设计本文中的上肢康复机器人将前后摆动机构安装在基座上，前后摆动机构除了直流减速电机、减速器、联轴器和传动轴等元件外，还包括固定传动轴的轴承以及轴承座等元件。其中直流减速电机固定在底座上，通过联轴器与减速器连接；减速器的另一端则与传动轴连接在一起。前后摆动机构的整体三维结构如图 3.5 所示。20图 3.5 前后摆动机构3.2 屈伸运动机构3.2.1 电机的选择患者进行上肢屈伸康复训练的过程中，考虑到患者的承受能力，设定立柱的移动速度为m/s ，立柱以上整体的质量 m=50kg，则其功率为：0.1v （3-7）1PFv 将数据代入式 3-7，得=50W。1P 在立柱的传动链中，选择丝杠的效率=0.375，滚动轴承的效率=0.99，齿轮12的传动效率为=0.95，电机的功率为3 （3-8）1123PP 将数据代入式 3-8，得 P=150W。 当立柱升降时，所受到的垂直方向的阻力。折算到电0.1m/sv 9.55vLcMFTn动机轴上的负载转矩应满足折算前后功率不变原则，考虑传动机构的传动损耗，LT则有： （3-9）9.55LcMF vTn其中，(Nm)表示折算到电机轴上的负载转矩，F(Nm)表示工作机构直线LT运动时运动所受到的阻力，v(m/s)表示工作机构的线速度，( r/min)表示电动机Mn的转速，表示总的传动效率。c将数据代入式 3-9 有： N. m500 0.19.550.910.35 1500LT21综合考虑之后，选择的是淄博床架电机有限公司的产品，其结构如图 3.6 所示，各参数见表 3.5。表 3.5 电机参数 型号输出转矩（N mm）输出转速（r/min）功率（W）电压（V）110SZ611043150015012图 3.6110SZ61 电机3.2.2 联轴器的选择屈伸运动机构中，在直流电机作用下，穿过侧壁的传动轴带动锥齿轮转动，将运动传给丝杠，从而带动内套筒在立柱内同步的向上下滑动，实现上肢的屈伸康复运动。直流电机与传动轴也是通过联轴器连接，根据其运动特点，选择的依然是广州钜人自动化设备有限公司的产品，其型号为 G4-25T，具体参数见表 3.6。表 3.6 屈伸运动机构联轴器参数型号最大孔径 mm容许扭矩N m容许偏角（）容许偏心 mm惯性力矩2kg.m质量g经弹性系数Nm/rad最高回转系数rpmG4-25T10331.962.8 102412560003.2.3 丝杠的设计计算（1）自锁性校核螺纹工作表面上的耐磨性条件为：22 （3-10） phHdPFhudFAFpaaa22其中，（N）为作用于螺杆的轴向力，A（）为螺纹的面积，aF2mm（mm）为螺纹中径，h（mm）为螺纹工作高度，H（mm）为螺母高度，2d螺纹工作圈数，为材料的许用压力。HuP p令则，对于梯形螺纹 h=0.5P，带入式 3-9 有：2Hd2Hd （3-11） 2aF PdhP则有，取=25kg 10N/kg=250N, 经查表取=2，螺杆材料选 20.8aF PdPaF为钢-铸铁，其运动速度 =612m/s，=47MPa，取=6MPa ，则有v p pmmd7 . 3622508 . 02根据实际情况，查表选取丝杠公称直径=16mm，=14mm，P=4mm。d2d螺纹升角 =5.224arctanarctan3.14 14Pd取摩察系数 =0.14f当量摩擦角 = 0.14arctanarctan8.2coscos30f因为，从而丝杠能实现自锁性能。（2）螺杆强度计算由于螺杆所受到的轴向力不是很大，因此可以忽略不计（3）螺母螺纹牙强度计算 螺纹牙危险截面的剪切强度条件为MPa= 40MPa2500.273.14 16 0.65 4 7aFDbu 23 螺纹高度，工作圈数22 1428Hd 2874HuP从而可得其弯曲强度为MPa=4555MPa226 25016 14 / 260.633.14 160.65 47abF lDb ub（4）螺母外径凸缘强度计算由于螺母所受到的轴向力不是很大，因此可以忽略不计。（5）螺杆稳定性计算 螺杆受到的临界载荷为： 2422223.1411.53.14564117508N0.6 1cEIFul 满足要求22。（6）丝杠效率 tantan5.237.5%tan 5.28.4tano螺杆的三维结构如图 3.7 所示：图 3.7 螺杆3.2.4 锥齿轮的设计计算根据常用的齿轮材料及力学性能表，选取两齿轮的材料为，调质处35roZGC M理，硬度为 190240HBS，精度 8 级，取两齿轮的齿数相同，=31。1z2z 1、按齿面接触疲劳强度设计（1）确定参数数值24根据所选电机的参数，其输出转矩 T=843mN/m，P=150w，查表，选取载荷系数，弹性系数MPa，齿宽系数 =1，节点区域系数，接1.4tK 188.9EZ 2.5HZ触疲劳极限=560MPa，安全系数=1，接触疲劳寿命系数=1.13，得接触应HNSNZ力为：MPa560 1.13632.181HNHNZS（2）确定传动尺寸锥齿轮的节圆直径为：=13.82233212 1.4 843 1 1188.9 2.511632.18tEHtdHK TZ Zudu取动载荷系数=1.1，是用系数=1.25，假设100N/mm,齿间分vKAKAtKFb配系数=1.2，齿向载荷分配系数=1.07，则载荷系数为：KK1.77AvKK K K K对进行修正有：td331.78151.4ttKddK确定模数mm，查表，取=1mm，则mm，取齿150.531dmzmdmz31宽系数=0.3，则，R=22mm，R1 0.5311 0.5 0.329.45mmmRdd5.5mmRbR2、校核齿根弯曲疲劳强度（1）确定参数数值查机械设计手册 ，取齿形系数及应力校正系数分别为：=2.72 =1.57 =2.22 =1.771FY1SY2FY2SY查得弯曲疲劳极限为：=480MPa。lim1lim2FF取疲劳强度安全系数=1.25，得许用弯曲应力分别为：FS25=345.6MPalim111480 0.901.25FNFFYS =353.28MPalim222480 0.921.25FNFFYS（2）验算齿根弯曲疲劳强度 =78.7MPa111111122 1.77 8432.72 1.575.5 1 29.45tFFSFSKFKTY YY Ybmbmd 1F=31.5MPa2mm 时，62m nzmnz而此时，=4，满足要求。nz101682nz(9) 圆周力 P （，KW） （3-18）102jNPvjN （3-19）123jNN KKK其中，表示张紧轮影响系数，查表，取=1；表示工作情况系数，查表，1K1K2K取=1；表示增速传动系数，经查表，取=1 。2K3K3K将数据代入式 3-18 和 3-19 中，得102 0.0055.1kg0.10P(10) 确定齿带宽 b 9.5mmPbPT其中，T 为齿形带单位宽度离心力，从而有：=kg2q vTg4235 100.19.863.6 10(11) 齿形带前切应力 =0.008 Kg /=0.050.08 Kg/ 41.44nPKmbz5.1 11.44 3 9.5 16 2mm 2mm其中小轮啮合齿数系数，取=14K4K(12) 齿压比 P =0.01860.12 45.1 10.60.6 0.3 9.5 16nPKPmbz323.3.5 总体结构的设计本文中分合运动机构主要由上述直流减速电机、同步齿形带传动副和轴承支撑座组成，另外还有光感滑轨、传感器、把手以及轴承等元件。其中直流减速电机带有传感器并借助法兰盘安装在横梁上，横梁与立柱内套筒连接；同步齿形带轮一端通过挡板和螺钉固定在电机轴上，另一端通过轴和轴承固定在横梁的中部。分合运动机构的整体三维结构如图 3.14 所示。图 3.14 分合运动机构3.4 手腕转动机构3.4.1 电机的选择估算手掌的重量 m=1kg，转动的角度，角速度=0.5rad/s，回转半径90owr=0.1m。最大功率在处，故所需电机的最大功率1W23。90oPMw综合各方面因素考虑，选择宁波市鄞州易顺减速器厂功率为 2w 的直流伺服减速电机，其结构如图 3.15 所示，具体参数见表 3.8。图 3.15 手柄处电机表 3.8 手腕转动机构电机参数33减速比输出转矩（Kg. cm）输出转速（r/min）功率（W）电压（V）1:371:38855500263.4.2 总体结构的设计手腕转动机构主要考虑的是患者上肢的固定，从而把手很重要，本文中把手包括小臂护套、把手支、架手柄。把手支架法兰盘面上装有直流减速电机，小臂护套则由吊环将其固定在把手支架上面。手腕转动机构的整体三维结构如图 3.16 所示。图 3.16 手腕转动机构3.5 本章小结本章的主要内容是对上肢康复机器人中前后摆动机构、屈伸运动机构、分合运动机构和手腕转动机构中主要运动元件进行了选择与计算，如电机、联轴器和减速器的选择，传动轴、丝杠、同步齿形带以及锥齿轮等的设计校核计算。同时用 UG这款三维软件绘制了上肢康复机器人中主要结构的三维图。34第 4 章 总结本设计通过对人体上肢运动原理进行分析，结合各种上肢康复机器人的结构特点，设计出了一款坐式上肢康复训练机器人，该机器人采用了电机驱动，并用单片机进行控制。本设计综合考虑各种因素，通过设计校核计算，得到了最终的上肢康复机器人结构，该机器人结构紧凑、重量较轻、运动平稳灵活、噪声小，能够实现对患者上肢的康复训练。本文主要完成了以下工作：1、对康复机器人的国内外发展现状进行了了解。分析了上肢康复机器人的工作原理，并结合实际情况，选择了合理的机器人设计方案，比如总体尺寸大小和驱动方式，完成了对上肢康复机器人总体结构设计；2、对上肢康复机器人的各组成机构进行了具体设计，完成了前后摆动机构、屈伸运动机构、分合运动机构和手腕转动机构中主要运动元件的选择与计算，如电机、联轴器和减速器的选择，传动轴、丝杠、同步齿形带以及锥齿轮等的设计校核计算。3、运用 UG 这款三维软件，绘制上肢康复机器人整体及主要零部件的三维结构以及二维工程图；本文中的上肢康复机器人能够帮助患者安全、灵活地实现上肢康复训练。然而，该康复机器人仍不够完美，还有待完善：（1）改善手臂的固定方法，患者感觉更加舒适；（2）改善整体框架结构，进一步减小整体重量。35参考文献1 杜志江，孙立宁.外科机器人技术发展现状及关键技术分析J.哈尔滨工业大学学报，2003，35(7)2 Song W K, Lee, Bien Z, Kares. Intelligent wheel-chair-mounted robotic arm system using vision and force senorJRobotics and Autonomous System, 1999,(28).3 Lum P S, Reinkensm eyer D J. Robotic assist devices for bimanuall physical therapy: Preliminary experimentsJ. IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering, 1993, 1(3):185-191.4 Lum P S, Lehm an S L. The bimanual lifting rehabilitator an adaptive machine for therapy of stroke patients J. IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering, 1995,3(2):166-174.5 Cozens J A. Robotic assistance of an active upper limb exercise in neuro logically impaired patientsJ. IEEET ransactions on Rehabilitation Engineering, 1999,7(2):254-256.6 Reinkensm eyer D J, Kahn L E, AverbuchM, eta.l Understanding and treating arm movement impairment after chronicbrain injury: progress with the ARM guideJ. Journal of rehabilitation research and development, 2000,37(6):653-662.7 Kahn L E, ZygmanM L, RymerWZ,eta.l Effect of robot-assisted and unassisted exercise on functional reaching in chronichem iparesisC.In Proceedings of the 23rd Internationa lConference of the IEEE En
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