助力上肢外骨骼机器人的机构与碳纤维结构设计与计算

绪论1.1本课题的研究意义1.1.1研究背景外骨骼最初是用来庇护以及支撑生物的结构，如避免昆虫外壳受到破坏等。随着科技进步，目前外骨骼已经发展成为人类提供一种可穿戴的结构的综合技术，由此外骨骼技术包括了传感、控制、信息传递等多种技术。外骨骼本质便是一种能够固定在人体上的结构，它能够把人体做出的行为和机械系统的动能紧密联系起来，与此同时，可以为人提供需要的额外动力和运动能力，进而实现增强人体机能的效果。为了贯彻国家下定的可持续发展战略方针，并联上肢助力外骨骼机器人就是一大战术体现，在我国并联上肢助力外骨骼机器人技术对比国外先进技术依然有较大差距，以至于现在并联上肢助力外骨骼机器人主要是依赖于国外进口，主要原因是国内的技术跟不上，导致并联上肢助力外骨骼机器人的成本越来越高，因此本次设计主要是为了从根本上解决这一难题，让并联上肢助力外骨骼机器人的稳定性更好。社会的进步，科技的发展，都带动着经济的飞速发展，以及绿色环保意识的不断进步，针对其进行加工并联上肢助力外骨骼机器人应用而生。并联上肢助力外骨骼机器人是在国民经济中应用很广泛的一种设备，是各工业部门中机械化与自动化运输工作的主要机组。然而并联上肢助力外骨骼机器人是整个机器运作的第一步骤，对整个机械而言具有很重要的意义。我国加入世界贸易组织（WTO）已经20年了，这20年间的发展除了有旅游、宾馆餐饮、航空运输之外还有的进出口，目前并联上肢助力外骨骼机器人已经向国外输送了接近60万台，已经达到了任何一年都无法达到的高度。并联上肢助力外骨骼机器人的迅猛发展不仅带动了国内GDP的高速发展还对我国在国际地位上的提高都有卓越的表现。为了能够增大并联上肢助力外骨骼机器人的生产量以及提高他相应的质量，所以对并联上肢助力外骨骼机器人的机械化自动化的发展已经迫在眉睫。并联上肢助力外骨骼机器人的应用也需与时俱进，不管是对于他的接缝还是机械结构内部零件构造还是外形的设计上都要与实际相符。并联上肢助力外骨骼机器人与现代社会的关系属于密不可分的关系，除了能够促进国内GDP的快速增长之外还能够让国外看到我们中国在机械行业当中的崛起之路。为了与时俱进，国内外对并联上肢助力外骨骼机器人的发展与进步的期待更高了，所以对并联上肢助力外骨骼机器人的生产工艺以及应用设备性能的提高也要提上对并联上肢助力外骨骼机器人发展的日程。在并联上肢助力外骨骼机器人的制造领域当中，机械自动化的功能是必不可少的，主要原因是能够提升机械性能、缩短制造时间、加大自身强度以及增强使用寿命。因此，国内外对并联上肢助力外骨骼机器人研究的科研人员都青睐与机械自动化的普及应用。为了对并联上肢助力外骨骼机器人的设计均衡化与多元化，对他的内部零部件也要进行相应的受力分析，最后在考虑并联上肢助力外骨骼机器人的运动规律以及所处的工作环境，应该采取取长补短的方式来进行相应的设计，这也是机械科研学者们现在研究的主流方向。1.2研究现状1.2.1国外研究现状并联上肢助力外骨骼机器人的研究早在20世纪末就已经在美国开始研发了，世界上第一台并联上肢助力外骨骼机器人的生产地点就在美国的加利福尼亚。近几年随着科技及经济的发展，并联上肢助力外骨骼机器人逐渐发展起来，被人们所认知，这种装置得到了各方面的提升，其快速性、准确性、可靠性都已经可以满足人们的需求。但我国还处于发展中，还在使用中端、低端的并联上肢助力外骨骼机器人，所以我国还应该急需此装置的提升，对此装置进行深入的研究，我国还面临着巨大的挑战和对未来有着很多的机遇。因此本文对并联上肢助力外骨骼机器人进行研究，对此装置进行创新并优化。随着现代化的发展，我国各个工业部门的机械化水准和劳动生产水准日渐提高，在劳动生产率提高中，并联上肢助力外骨骼机器人将发挥更大的作用。但是其输送效率却比较低，现在对于并联上肢助力外骨骼机器人存在的破碎效率问题，也受到了多个国家的重视，因此对于并联上肢助力外骨骼机器人设计也是比较重要的。制造业是决定一个国家的生产力发展的关键的因素，制造业的发展会使国家的金融、军事等方面得到发展，美国、日本等发达国家其发展都特别领先。有先进的制造技术和先进的制造信息这两方面特点的机械装置，是发展制造业不可或缺的现代化生产设备，是决定制造业前进的重要因素。因为电子计算机技术的一直发展，机器的控制技术逐步与计算机技术相适应，从而提高了并联上肢助力外骨骼机器人的自动化水平，于是机械装置便就此产生。通过几十年的发展，因为数控技术的快速性、稳定性和可靠性不断提高，所以机械装置的自动化水平也在不断进步，并联上肢助力外骨骼机器人行业正处在一个信息化的工业时代。因为我国经济建立和社会发展的需求，在国家的鼎力帮助下，我国自己研究的，享有自主知识产权的自动化机械装置加工平台的数量逐步提高，而且已经形成了以精密机床工程研究中心和机械装置生产企业为主体的研发和销售体系。尽管很多方面现在已经有巨大的突破，但是我国的现在主要集中在中端、低端的机械装置上，比较其他发达国家我国现在还需要进一步的发展，所以应该对这方面进行深入的研究与发展。在1970年代早期，世界各地的并联上肢助力外骨骼机器人设备的发展的关注,一些相对发达国家开始使用板栗生产和运输过程中板栗机械发展，其理论研究和实际生产，集电子、光学、磁性、气为一体的高科技板栗机械发展不断新兴市场的新产品。国外并联上肢助力外骨骼机器人先进的制造技术依旧是我国目前无法觊觎的，主要体现在以下几点：（1）机器做工的精密程度。想要制造的并联上肢助力外骨骼机器人更为精密，就要从它的切削、磨削以及研磨等加工中体现出来，这样所制造出来的机器除了机械结构更为紧密之外，它的实用性以及使用寿命也会更高。（2）自动一体化的程度。目前国外的一体化的技术已经非常的成熟了，这一技术除了能够增强工作效率之外，还能让制造出来的并联上肢助力外骨骼机器人质量更好。除此以外，有了自动一体化技术的驻足，能够代替人工在比较危险的工作环境工作，并且不会产生任何的影响。（3）信息技术的植入以及产出。信息技术的提取需要花费大量的财力物力以及时间成本，为了能够得到对于并联上肢助力外骨骼机器人研究的有用信息，国外对并联上肢助力外骨骼机器人的研究已经长达十年之久。通过这几年的发展，欧美等发达国家对并联上肢助力外骨骼机器人的发展以及达到了新的高度，制造并联上肢助力外骨骼机器人的技术以及实现了全面的机械化生产，并且它的生产体系也稳定了下来，不会再受到其他行业发展的影响。通过了解对1970年初期的德国制造并联上肢助力外骨骼机器人的历史之后，我们得知在那个时候德国就已经制造出了并联上肢助力外骨骼机器人，并且根据当时国情的体现来说，这已经超越了当时90%的发达国家。对于美国而言，一个建国仅有245年的国家来说，它的迅速崛起是有目共睹的，直到今天我们也不得不承认它是世界第一的超级大国。美国地广人稀，因此机械自动化应用的进程不得不迅速发展，这样能够有效缓解人口少带来的劳动力不足的现象。早在20世纪初期，并联上肢助力外骨骼机器人的应用就在美国普及开来[6]，但是目前为止为了让并联上肢助力外骨骼机器人向更加多元化的方向发展。在2010年之后，一些发达国家为了促进并联上肢助力外骨骼机器人的智能化发展，在并联上肢助力外骨骼机器人的制造上不断的创新，引用新的技术来让并联上肢助力外骨骼机器人改新换代，让并联上肢助力外骨骼机器人的发展更上一层台阶，在这上面他们这些国家也是不惜血本的加大投入，当然付出必有回报，如今并联上肢助力外骨骼机器人在这些国家当中的性能已经不是其他国家能够媲美的了。1.2.2国内研究现状在2016年，中国民族民间机械装置研究人员刘晓茹，陈彬沁，李立坤等人对国内新型并联上肢助力外骨骼机器人进行了研究。2013年，长治机械设备应用工程院，发表了论文对《新型并联上肢助力外骨骼机器人的设计与实现》。国内外及国内外的研究主要集中在并联上肢助力外骨骼机器人原料的选择和研究上，没有开发出一套自动化设备应用在此类机械装置之上。目前，国内外市场在选材方面有了很大的发展，但并联上肢助力外骨骼机器人工作过程仍然是手工操作。因此，研制全自动的并联上肢助力外骨骼机器人具有十分重要的实用价值和经济效益。我国通过近半个世纪的研究发展与进步，我们对并联上肢助力外骨骼机器人研究的成果也卓有成效，并且在机械行业当中发展的天地也越来越广阔。在“十五”期间，我国在机械行业的取得的成就也是空前绝后的，不仅提升了在国内的认知度，也提升了在国际并联上肢助力外骨骼机器人领域发展上的地位。20世纪90年代时期，浙大流体控制与传动国家重点实验室对人机一体化展开了研究，并且成功开发了拥有六个转动自由度的上肢外骨骼助力系统［14］，此外骨骼的反馈来自气动力，如图1-1所示。哈尔滨工程大学研制了一款上肢外骨骼，通过采集肌电信号，使用滤波算法来预测人体的运动趋势，并实现外骨骼的助力跟随，如图1-2所示。华中科技大学研制了两套不同驱动类型气动驱动及电机驱动的上肢外骨骼机器人，如图1-3所示。我国目前以及成为了机械制造大国，但是离机械制造强国的称号还是遥不可及，主要体现在并联上肢助力外骨骼机器人产品的技术、质量以及生产相对不集中，生产不集中所带来的困扰就是企业的经营效率仍然赶不上时代进步的标准。目前虽然我国投入大量的人力物力以及财力来对并联上肢助力外骨骼机器人进行自主研发，可是相对于国外发展了百余年的大品牌来说丝毫没有与其竞争的优势。为了能够与国际接轨，我国大力引进国外的先进技术，开设合资公司共同对并联上肢助力外骨骼机器人进行制造生产，相对于以往来说产品质量以及技术水平都有所提高，但是仍然与国外许多发达国家有一定的差距。从对市场调研的长远发展来看以及对并联上肢助力外骨骼机器人的实用性而言，并联上肢助力外骨骼机器人依旧存在一些致命的问题，例如并联上肢助力外骨骼机器人的可靠性以及使用寿命都不高，外观形象存在一些欠缺，无法满足现代人们的审美，因此导致并联上肢助力外骨骼机器人的销量一而再再而三的打破历史低谷。通过对以往的调查研究表明，目前我国制造并联上肢助力外骨骼机器人的能力还较为薄弱，技术跟不上，创新又无法找到合适的突破点，所以加大科研的投入以及快速找到技术创新的突破点才是目前的重中之重，争取早日缩短与国外的差距。与此同时，并联上肢助力外骨骼机器人的制造行业组织结构的分配也具有很大的不合理性，因为是规模没有达到预期的要求，所以带来的经济效益也非常的低下。为此合理的安排并联上肢助力外骨骼机器人制造行业组织结构的合理性也是目前大力发展并联上肢助力外骨骼机器人的重要指标，主要体现在整改规模较小的企业，提高行业内部从创造水平，为发展并联上肢助力外骨骼机器人铺出一条正确的道路。为了解决这些致命的问题，我国又耗费大量的人力前往并联上肢助力外骨骼机器人发展比较好的国家进行调研［12］，并且花费大量的财力从相应的国家引进较为先进的技术，自从我国加入WTO之后，全球一体化经济依然将我国纳入其中，这样更加有利于我国发展并联上肢助力外骨骼机器人技术的同时能够与国际接轨［2］。起初，我国对并联上肢助力外骨骼机器人的机械零部件是采用国外进口采购的形式，由于这样做的成本较高，不能够符合我国目前基本的国情，因此为了减少制造并联上肢助力外骨骼机器人的成本，我国重金聘请国外专家进行指导，经过两方的精准磨合，并联上肢助力外骨骼机器人的零部件也就再也不用从国外进口了。在“十五”的优质条件下，我国机械行业的发展已经步入一个新的高峰，与此同时对机械行业的产业调整也顺势而为。1.2.3发展趋势在经济发展推动的时代，中国改革开放政策从上世纪80年代已经尽显初步成效，不仅引进了西方国家先进的技术，并且还招商引资，让西方国家的厂家到我国来投资建厂。不管是设备方面还是管理方面，有了西方国家的大力支持，厂家也慢慢的变多了，生产出来的产品种类也多如繁星，能够满足社会消费者的各种需求。随着计算机技术、电子技术和先进制造技术的飞速发展，这些前沿技术被广泛应用于制造业的各个领域，加速制造业的发展和结构转型。国民经济的高速发展与制造业是不可分割的，制造业是它的顶梁柱也是科技进步的一大产业支撑。它能够把科技的力量转化为产业的经济效益，它们之间是相辅相成的。目前国家将以装备制造业为主要内容，促进产业结构优化升级。不遗余力建立自主创新支撑体系，在实现科技产业由大变强过程中，推动重大产业技术装备自主研发，中国将全面提高自主创新能力和国际竞争力，调整经济结构，转变经济增长方式，建立小康社会基础的目标，并为实现这一目标奠定了坚实的基础。机械设备行业让电子设备更加的先进、稳定以及可靠。随着并联上肢助力外骨骼机器人需求的增加，它促进了生产，丰富了市场。目前，消费者的需求越来越多样化。并联上肢助力外骨骼机器人器械相关协会正在创新性地适应市场。各种形式的并联上肢助力外骨骼机器人越来越多，并联上肢助力外骨骼机器人市场也越来越更新式，更多元化，这给机械装置市场带来了挑战。并联上肢助力外骨骼机器人要适应应用市场的变化和增长速度，并联上肢助力外骨骼机器人的作用不容忽视。自动化技术的发展为并联上肢助力外骨骼机器人的自动化和智能化奠定了坚实的基础。通过对相关数据的查询与研究得出，在去年上半年我国社会零售品总额增速为往年的8.1%，其中并联上肢助力外骨骼机器人器械总额的增速高达了10.3%，相比去年同一时候有增加了1.4%,这是质的飞跃。不仅如此国内并联上肢助力外骨骼机器人的进步离不开科技的迅猛发展，不仅是它的技术还是设备水平都有了很明显的提高，国内并联上肢助力外骨骼机器人行业也得到了较快的发展。但从客观角度看，我国并联上肢助力外骨骼机器人的发展相对较晚。目前为止，国内并联上肢助力外骨骼机器人机械企业主要是引进国外设备进行消化吸收，然后模仿新产品。虽然总体产品水平提高很快，但与发达国家相比，在产品类型、技术水平、产品质量等方面都存在一定的差异。发达国家已将微机控制、激光技术、人工智能、光纤、图像传感器、工业机械等先进技术应用到机械装置上，并已成熟应用。而我国才刚刚开始在机械设备行业使用这些尖端高新技术。因此，面对这些不利因素，保持机械装置发展的最佳途径就是不断创新，提高产品质量，提高性能稳定性。同时，要强化市场意识，随着市场的变化改变机械设备的变化，要推动国内机械行业的发展，不断开发新型并联上肢助力外骨骼机器人，打造具有机械化和中国特色的自动并联上肢助力外骨骼机器人。早在中国上个世纪50年代左右，美国、日本、德国、瑞士、荷兰等国家，就已经研究起了并联上肢助力外骨骼机器人。在多个国家的研究人员的共同努力和奋斗下，经过几年的时间，终于在并联上肢助力外骨骼机器人的研究方面取得了一系列良好的研究成果。到本世纪的时候，动态并联上肢助力外骨骼机器人技术已经慢慢的变得完善起来。所以，对于各国学者来说，提高动态并联上肢助力外骨骼机器人的精确度，已经成为目前研究的热点和研究的方向。美国是世界上对并联上肢助力外骨骼机器人设计开始发展进行分析研究最先的国家，并不断取得良好的成果，在这之后世界上许多的国家，也都慢慢的对称重控制系统进行探讨研究，研究精度更高的称重控制系统[9]。动态并联上肢助力外骨骼机器人用于研究需要追根溯源到一九七四年，由美国研究人员第一次使用。美国在一九八三年九月提议研究耗资低的动态并联上肢助力外骨骼机器人，并于一九八四年在全国30多个州中大量的使用了这种动态并联上肢助力外骨骼机器人。一九九零年西德的PAT公司向大家展示出了他们最新成果，其最新的研究成果就是由许多种低成本的动态并联上肢助力外骨骼机器人组成的最新并联上肢助力外骨骼机器人，例如压电技术、电感技术以及电容技术等。但是相比之下各方面的性能最为完善的是平板式传感器[14]。美国、瑞士、英国等国家他们生产的动态并联上肢助力外骨骼机器人产品的性能稳定性和系统稳定性都在一个十分高的水平线上。动态并联上肢助力外骨骼机器人的种类多种多样，但就综合因素来考虑的话，现在的单轴称重误差被控制在土5.0%±30%左右的范围内，相应的置信度为90%以上，但是花费相较于其他类型来说比较高，而且最重要的因素是，它仅仅只在低速作业场合可以去使用，在高速作业场合基本上是不适用的。就目前而言，国外的许多发达国家现在的主要研究方向都是在研究成本更加低、精度更加高的动态并联上肢助力外骨骼机器人。中国研究探索并联上肢助力外骨骼机器人的时间，相较于国外许多的发达国家，还是比较晚的，同时在推广使用方面没有得到系统的落实，也是比较落后的，一九八七年，中国开始吸收国外一些有关并联上肢助力外骨骼机器人设计的先进技术和产品，同时也进行了自己的并联上肢助力外骨骼机器人研究，经过分析研究工作人员的不懈努力，在这方面也取得了很多良好的成果。在一九九一年到一九九五年期间，在重庆市科学研究所研究人员的不懈努力下，经历各种困难终于顺利研发出了国内首台固定式动态并联上肢助力外骨骼机器人。就现在而言，各国主要是研究更加智能化、功能更加齐全的并联上肢助力外骨骼机器人，同时具备超高精度的并联上肢助力外骨骼机器人，其能够在不同的环境中同样使用，不会因为环境的改变而影响其精度要求。1.3本课题的基本内容简介1.3.1本课题研究内容通过对目前上肢康复机器人研究发展状况的分析，设计出了一种新型的上肢外骨骼式的机器人，该机器人既能满足上肢运动的要求，又能通过换装手臂装置实现上肢的运动。本设计为并联上肢助力外骨骼机器人，其机构简图如图1-4所示。连接基座与运动部分的关节Jv对应着人体肩关节的外摆/内收自由度，为一个被动关节，仅用于适应人体运动而不提供助力。Jv之后连接着上肢外骨骼的主要运动部分，为一个闭合的平面五连杆机构，具有两个自由度，与之相对应的需要有两个驱动关节来保证装置运动的确定性，即图中的关节J1、J4关节。这两个位于矢状面内的主动自由度的运动与人体肩关节、肘关节在矢状面内的前屈/后伸运动相对应，通过末端运动协同的方式对人体进行助力。所设计的外骨骼机器人结构图如图1-5、图1-6所示。1.3.2技术路线及实施方案（1）上肢康复机器人方案确定根据人体康复的需求，结合现有上肢康复机器人特点，确定了一种新的上肢机器人方案。（2）上肢助力机器人整体结构设计根据结构设计的方案，利用Creo三维建模软件，对外骨骼式上肢康复机器人进行结构设计，人体上肢运动的特点，提出了一种能实现运动的上肢助力机器人设计方案。（3）关键零部件的计算与选型在结构设计的过程中，为了保证所设计的机器人的可靠性和安全性，对结构中重要的零部件、伺服电机等进行选型及。1.3.3预期成果（1）工程图纸，含装配图及非标准件工程图纸；（2）三维虚拟装配；（3）本科毕业设计论文，含外文翻译。2并联上肢助力外骨骼分析2.1引言与传统的人机合作机器人设计思路不同外骨骼机器人需要通过穿戴在操作者身上达到辅助的目的，因此在进行构型设计时要充分考虑人机之间的各种因素，例如人体关节的实际运动规律等，以保证机器人与操作者运动的相容性针对外骨骼需要能够承担重负载的设计要求，在进行构型设计与参数选择时应当重点关注机器人末端的输出能力，同时也要在各个不同的驱动性能中进行取舍，必要时需要采用优化方法得到性能最均衡的参数。2.2人体上肢关节运动分析考虑到本次设计重点关注出力较大的关节，因此将关节全部自由度都予以忽略,此时人体上肢模型变为四自由度二杆模型，其运动自由度如图2-3所示设计中需要保证外骨骼在这些自由度方向上的运动范围不超过人体的关节运动极限，防止出现意外情况时对操作者造成伤害。表2-1中给出了人体各个关节的极限运动角度和日常工作时的运动角度.角度零点在图2-1中以蓝色虚线表示。查书机械设计及其使用［M］第35页得出从该标准中得到了成年男性（18至60岁）以及成年女性（18至55岁）的上肢基本尺寸，如表2-2所示。

表中出现的百分位数是一个统计学术语。人体身高分布也满足正态分布规律,50百分位数就相当于对称轴位置对应的数值，在人群中出现的概率最高由于该标准于1989年实行距今时间较长，考虑到这一段时间经济水平增长，平均身高应有所提高，因此设计中采用90百分位数的尺寸作为基本设计尺寸，同时保证装置能够包容50至99百分位数的身体尺寸。2.3上肢助力机器人结构描述基于通过改变构型实现驱动力矩均匀分布的设计思路，确定了本次设计的上肢外骨骼采取并联型的结构设计方案，以此设计的上肢外骨骼的结构简图如图2-2所示：图中黑色线条代表连接各关节的结构件。灰色平行四边形代表外骨骼上与人体相连的基座部分。连接基座与运动部分的关节J对应着人体肩关节的外摆/内收自由度,在此次设计中这个关节被设计成一个被动关节，仅用于适应人体运动而不提供助力。J之后连接着上肢外骨骼的主要运动部分，从图中可以看出，运动部分的结构件形成了一个闭合的五边形，这种机构称作平面五连杆机构。由于装置采用了与人体运动学异构的机构设计，机构各个杆件运动模式与人的肢体并不重合。因此，不能够像传统的上肢外骨骼那样在人体大臂、小臂。处设置捆绑环节。操作者与外骨骼之间只能在运动末端也就是手部和关节J处相连接。此外，考虑到人体肩关节的内旋/外旋由度也需要保证不被外骨骼所约束,操作者手部与五连杆机构末端的连接被设置成把手这样使于脱离的形式，也在一定程度上提高了工作的安全性。在本次设计中将五连杆机构的两条支链的连杆长度与比例设置为完全相同的状态，这样的设计是为了保证外骨骼在肩膀上部与下部都有比较大的工作空间，提高装置的实用性。2.4几何参数参数所对应的结构长度值如图2-3中所示由于此次设计的优化函数并非解析式,且无法给出接近的适合采用随机方法进行优化计算。最终使得的参数向量q=[282,441，180]。可以看到峪与峪的取值都在搜索范围中间，因此取值范围较为合适。然而L的值却是在取值范围下边界上，但是由于结构设计零件尺寸的等限制丄的最小值只能取到180mm因此，参数向量合理。2.5本章小结本章主要介绍外骨骼的构型选择与参数设计，明确了设计的思路可以使接下来的设计更加快捷,最终确定了并联型异构设计方案。随后通过建立外骨骼性能量化方法，最后得到了外骨骼驱动性能的外骨骼臂部结构参数。通过这些计算分析，会使得外骨骼在设计要求的性能上能够更进一步。3并联上肢助力外骨骼机器人设计3.1引言在确定了上肢外骨骼设计构型与结构参数之后，其结构本体的设计就需要在满足理论构型参数的同时提高结构的承载能力，同时还要减轻自重。顺利完成上肢外骨骼本体的全部设计。3.2上肢外骨骼机械结构设计根据上一章的分析，确定了以五连杆并联机构为主的上肢外骨骼结构设计思路以及具体的关节参数。可以以这些结论为依据，设计了上肢外骨骼机器人的具体结构，机器人样机的整体结构如图3-1所示。外骨骼整体上可分为背部连接结构、驱动关节、传动连杆以及手部模块这四个大部分。3.3齿轮的设计3.3.1齿轮材料及热处理（1）材料查书机械设计及其使用［M］第73页得出选用45#钢调质，查书机械设计及其使用［M］第46页得出小齿齿数Z］=8,查书机械设计及其使用［M］第37页得出Z2=10。（2）齿轮精度查书机械设计及其使用［M］第73页得出选择7级，齿根喷丸强化。3.3.2设计齿轮传动的主要尺寸按齿面接触强度设计：d1t>3网二应学、y（3-1）S礼卩I品］丿确定各参数的值，查书机械设计及其使用［M］第46页得出Kt=1.6，查书机械设计及其使用［M］第73页得出区域系数ZH=2.433，则Sa=Sa1+Sa2=L6（3-2）查书机械设计及其使用［M］第73页得出计算应力值环数：N=60niLh=14425X109h（3-3）N=4.45x108h（3-4）得：Knh1=0.93Knh2=0.96（3-5）查书机械设计及其使用［M］第78页得出齿轮的疲劳强度极限，查书机械设计及其使用［M］第26页得出失效概率为1%,安全系数S=1，应用P202公式10-12得：扁]=EM刖讯=0.93x55=51.15（3-6）[b]=Ji°Him=0.96x45=43.2LH2J(^i（3-7）查书机械设计及其使用［M］第37页得出许用接触应力：Z^=18.98PaE（3-8）T=95.5xPln=4.86N-m（3-9）3.3.3设计计算（1）查书机械设计及其使用［M］第46页得出小齿轮的分度圆直径d/dit>32K、卩土1（ZAY顿礼卩［［%］J（3-10）（2）查书机械设计及其使用［M］第78页得出圆周速度卩。T=切*-60X1000=1.62m/s（b：b=（pdxdt1（3-11）（3-12）查书机械设计及其使用［M］第35页得出初选螺旋角P=14°。计算摸数mnt:mnt=1.0（3-13）（4）查书机械设计及其使用［M］第46页得出齿宽与高之比b/h。齿高h=1.25：mt1.25x1.00=1.25mm（3-14）（5）查书机械设计及其使用［M］第63页得出纵向重合度。气0.318^Ztanp=1.903（3-15）（6）查书机械设计及其使用［M］第46页得出载荷系数K。使用系数Ka=1，根据v=1.62m/s,7级精度，得动载系数Kv=1.07,K砂的计算公式:K邵=1.12+0.18（1+0.6©；）x矶+0.23x10-3xb=1.42（3-16）得：K邱=1.35KHa=KPa=1.2（3-17）故载荷系数：K=匕匕匕占邱=1.82（3-18）（7）查书机械设计及其使用［M］第46页得出实际载荷系数校正所算得的分度圆直径。=d"3K/K=5.173mm（3-19）（8）计算模数mn:（3-20）dcospcEm=———==2.09mmZ13.3.4齿根弯曲疲劳强度设计由弯曲强度的设计公式:mn%3V(PdZ；&a(3-21)（1）确定公式内各计算数值①小齿轮传递的转矩T1=48.6切-m确定齿数z，因为是硬齿面，故取z1=24,z2=iz1z1=3.24x24=77.76，传动比误差i=u=zjz、=3.25、Ai=0.032%<5%，允许。②计算当量齿数=zjcos36=26.27（3-22）z,2=zjcos36=85.43（3-23）③初选齿宽系数奖查书机械设计及其使用［M］第73页得出孔=1。④初选螺旋角查书机械设计及其使用［M］第44页得出初定螺旋角P=14。。⑤载荷系数KK=KAKvKHaKhp=1.73（3-24）⑥查取齿形系数匕.和应力校正系数Y.查书机械设计及其使用［M］第73页得出齿形系数YFa1=2.592,YFa2=2.211。查书机械设计及其使用［M］第35页得出应力校正系数Ya1=1.596，Ya2=1.774。⑦重合度系数匕端面重合度近似为：靖=：88-3.2〈1+H_cos6=1.655(3-25)%=arctg(tgan/cos6)=20.64690。(3-26)/=arctg(tg/cosa)=14.07609。(3-27)标=eJcos26b(3-28)Y=0.25+0.75cos26j&a=0.673（3-29）因为脇=^Jcos26b，则重合度系数为匕=0.25+0.75cos2/3jsa=0.673o⑧螺旋角系数七查书机械设计及其使用［M］第73页得出轴向重合度:服=bsinPlnmn==1.825（3-30）Y=0.25+0.75cos2"a=0.673（3-31）=1-8顎/120°=0.78（3-32）⑨计算大小齿轮的备-查书机械设计及其使用［M］第73页得出Sf=1.25，查书机械设计及其使用［M］第315页得出小齿轮应力循环次数，则N=60nkth=6.255x108大齿轮应力循环次数N2=NJu=1.9305x108查书机械设计及其使用［M］第46页得出弯曲疲劳强度极限；小齿轮50pa大齿轮38pa查书机械设计及其使用［M］第34页得出弯曲疲劳寿命系数；Knh1=0.8652=0.93查书机械设计及其使用［M］第46页得出弯曲疲劳安全系数S=1.4；房J=Kfn；FF1=307.14（3-33）（3-34）（3-35）房2]=K"f2=252.43FFSa1=0.01347["F1]YFF2Ssa2=0.01554["F2]（3-36）（3-37）（3-38）大齿轮的数值选用。（2）设计计算计算模数：m.'n2x1.73x4.86x104x0.78xcos214x0.01554,“；=1.26mm1x242x1.655（3-39）查书机械设计及其使用［M］第465页得出mn=2mm，分度圆直径d1=51.73mm来计算应有的齿数:z1=51.73xcos14。—8.025(3-40)mn取z1—8，那么z2—9.6,取10。②几何尺寸计算按圆整后的中心距修正螺旋角:"—arccos■Z+^-14.01(3-41)查书机械设计及其使用［M］第74页得出0值改变不多,故参数8”郊，zh等参数不必修正。3.4轴的设计3.4.1传动轴的设计（1）查书机械设计及其使用［M］第62页得出输出轴上的功率P3，转速上，转矩T3P=2.83Wn=8.48r/minT=5.5N-m（2）求作用在齿轮上的力Ft=2T3=4348.16N（3-42）d3=Fttanan=1630.06N（3-43）cospFa—Fjan/J=1072.84N（3-44）查书机械设计及其使用［M］第36页得出圆周力Ft，径向力F及轴向力尸‘的方向。（3）初步确定轴的最小直径查书机械设计及其使用［M］第74页得出选取轴的材料为45钢，调质处理，取A0—112。dmin=厶0^|3=1.86mm（3-45）3.4.2从动轴的设计查书机械设计及其使用［M］第74页得出齿轮的宽度为7.5mm，为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取I聞—7.2mm齿轮的左端采用轴肩定位,轴肩高3.5，取l顷—6.5mm轴环宽度b>1.4h,取b—8mm。查书机械设计及其使用［M］第47页得出轴承端盖的总宽度为2mm，查书机械设计及其使用［M］第48页得出端盖的外端面与半联轴器右端面间的距离l=3mm，故取lIim—5mmo查书机械设计及其使用［M］第38页得出齿轮距箱体内壁之距离a=1.6mm，两圆柱齿轮间的距离c=2.0mm.查书机械设计及其使用［M］第6页得出s=8.0mm，已知滚动轴承宽度T=1.6mm，高速齿轮轮毂长L=5.0mm，则1皿-四=T+s+a+（75-72）=43mm（3-46）l^—y=L+s+c+u—Iin-iv—l矿—刃=17mm（3-47）3.5选择电机电机选择的原则（1）对类型进行相应的选择机器的生产效率以及它自身的相关特性都取决于电动机的相关类型，如果在相关设计当中没有对启动以及速度有相关要求的话，那么就选择使用三相异步笼型电机就比较合适了。（2）对功率进行相应的选择机器生产产品的效率取决于电机功率的大小，对电机功率的选择要严格把控，主要的目的是为了时刻了解电动机的工作效率是否符合生产实际。（3）对电压进行相应的选择我国目前使用的电压为110v或者220v，对于较为特殊的电动机来说，它的电压能够达到600v—1000v，因此在选择电机电压的同时，要与相关实际的供应电压相匹配。（4）对转速进行相应的选择电动机的传动方式以及效率也会受到转速的影响，电机越大或者越重也会对它的转速产生一定的影响，因此想要确定电机的转速，首先要把电动机的整体大小以及实际质量测量出来。（5）对工作制的电机进行相应的选择实际状态当中运行电动机与预想的肯定是不一样的，因此要选择较为经济的才能够更好的长远发展。（6）对电机的型号进行相应的选择首先要与相关厂家联系是否有相关尺寸大小的电机，并且电压以及功率能否满足产生的需要在进行选择。步进电动机的旋转方式，步进电机是指通过把传感器接受到的电脉信号转化成相应旋转位移或相应旋转的角度，属于一种开环控制单元步进电机。在正常状况下，通过对脉冲信号频率和脉冲次数的控制来实现对步进电机旋转的速度与停止，在不超载的条件下，步进电机的运行也不会受到由于负载发生变化等原因影响。步进电机需要旋转特定的角度时，可以用一个步进电机驱动器向它接收的一个脉冲信号,经过处理后驱动步进电机就已经可以对它进行旋转特定的角度，一般我们统称为“步距角”，它通过脉冲信号以以固定的角度逐步地旋转。步进电机作为驱动执行结构，是作为机电驱动结构的选择之一，在控制系统中选择步进电机是一个很好的选择。步进电机的类型有繁多，分类可以以广义、相数来进行。相数分为单相、双相和多个同性质的相。广义上我们可以将其划分为三种类型:机械驱动、电磁驱动和组合驱动。从中电磁式可以根据其结构的特征，我们将它分成三大类:反应(vr)、永磁(pm)及混合式(HB);电磁式分类如下：反应式：它主要用途是用软磁性材料制作做成的一种磁性转子,优点主要是没有磁性绕组、结构简单、步距和旋转角很小。缺点多但是问题在于其它的动态处理性能非常差。可以划分为多段和单一段两种基本类型。永磁式：它的每个转子运动原理也就是一种新的磁源，因为其中的每个永磁转子都可以是由各种磁力相互作用而成所制成。转子的角度极值与两个定子的角度极值相同,而这样造成步的转子旋转方向角度相差也比较大。优点在于输出转矩大、动态稳定控制性能好、功率小和消耗少，缺点主要是启动时的电路运行脉冲频率比较低,需要分别采用正负两种启动脉冲供电方式组合来进行供电。混合式：它主要目的是将有以上两者共同点的优点充分结合在一起来进行制造。与我们目前传统的各种转子激磁结构系统相比，它拥有永磁体又有反应是与永磁式的优点。3.6螺栓校核计算(1)已知条件查书机械设计及其使用［M］第235页得出螺栓的s=730MPa，查书机械设计及其使用［M］第343页得出螺栓的拧紧力矩T=49N-m。(2)拧紧力矩通过对以往的学习以及相关经验来说一定要确保螺纹之间的连接方式不会出现松动以及滑动的现象，因此在装配时相关的操作也要实施到位。查书机械设计及其使用［M］第15页得出通过下列的公式来计算预紧是否到位：公式：T=T1+T=KF0d，拧紧扳手力矩T=49N-m，其中K在其中设计所示的为拧紧力矩系数，Fo在其中设计所示的为预紧力，使用的单位是N，d在其中设计所示的为螺纹公称直径，使用的单位是mm。摩擦表面状态有润滑无润滑查书机械设计及其使用［M］第65页得出k=0.28，那以此类推预紧力。F=T/0.28x10x10-3=17500N（3-48）查书机械设计及其使用［M］第456页得出需要对承受预紧力螺栓的强度进行相应的计算，查书机械设计及其使用［M］第115页得出螺栓公称应力截面面积As=58mm，查书机械设计及其使用［M］第354页得出外螺纹小径di=8.38mm，查书机械设计及其使用［M］第354页得出外螺纹中径d2=9.03mm，查书机械设计及其使用［M］第354页得出计算直径d3=8.16mm，查书机械设计及其使用［M］第122页得出螺纹原始三角形高度h=1.29mm，查书机械设计及其使用［M］第122页得出螺纹原始三角形根部厚度h=1.12mm，查书机械设计及其使用［M］第301页得出栓的最大拉伸应力’（MPa）。田=勺=17500N58x10—6m=302MPa（3-49）查书机械设计及其使用［M］第33页得出说剪切应力：TfOtan（0+pp）^2t=—=-―^32=。.5。1=151MPa（3-50）W，我d31查书机械设计及其使用［M］第121页得出需要对螺栓在预紧状态下的应力进行相应的计算：oca=J危+3/缶1.3q=392.6MPa（3-51）强度条件：aca=1^<［a］<730x0.8=584MPa（3-52）-d241通过对以往的学习以及相关经验来说在把预紧力的原则确定下来之后的得出，在拧紧之后，通过螺纹连接件的预紧力一定不能够大于它自身材质屈服极限Os的百分之八十。3.7本章小结本章中，确定了并联上肢助力外骨骼机器人设计，明确了外骨骼整体上可分为背部第22页连接结构、驱动关节、传动连杆以及手部模块这四个部分组成。基于机器人构型以及结构参数，设计了外骨骼结构件的具体结构，设计了能够满足驱动要求且结构紧凑的外骨骼驱动关节,并对其结构进行了计算校核，并完成了齿轮、电机、螺栓的选择计算。结论通过对本次设计的过程而言，我对并联上肢助力外骨骼机器人的理解也是更加的深入了，我坚信毕业设计仅仅只是我机械装置设计当中的一个崭新的起点。设计并联上肢助力外骨骼机器人本体结构设计。本文的并联上肢助力外骨骼机器人，为一个闭合的平面五连杆机构，共具有两个自由度。通过三个章节对并联上肢助力外骨骼机器人结构过程详细介绍，主要的章节为二到三章，分别为并联上肢助力外骨骼分析和并联上肢助力外骨骼机器人设计。本文并联上肢助力外骨骼机器人本体结构的主要设计设计过程如下：（1）并联上肢助力外骨骼分析。首先对人体上肢关节运动分析，了解不同性别和不同升高的上臂、前臂、肩宽的数值，以便于下一步的设计。通过查阅各种资料并联上肢助力机器人结构有了大概的了解，部分的结构件形成了一个闭合的五边形,这种机构称作平面五连杆机构。明确了设计的思路可以使接下来的设计更加快捷，最终确定了并联型结构设计方案。（2）并联上肢助力外骨骼机器人设计。确定了以五连杆并联机构为主的上肢外骨骼结构设计思路以及具体的关节参数。明确了外骨骼整体上可分为背部连接结构、驱动关节、传动连杆以及手部模块这四个部分组成。并对其结构进行了计算校核，并完成了齿轮、电机、螺栓的选择计算。参考文献[1]倉矩子，手⑴力以有手刀^^'¥医歯薬出版，1989.[2]CHENB,MAH,QINLY,ETALRECENTDEVELOPMENTSANDCHALLENGESOFLOWEREXTREMITYEXOSKELETONS[J].JOURNALOFORTHOPAEDICTRANSLATION,2016,5:26-37.[3]RobertA,RobinHemphill,BenjaminS,etal.2010AmericanHeartAssociationGuidelinesforCardiopulmonaryResuscitationandEmergencyCardiovascularCare[J].Circulation.2010,122:S685-S705.[4]邓明君.一种液压驱动上肢外骨骼机器人设计[D].[5]ChenB,MaH,QinLY,etal.Recentdevelopmentsandchallengesofloextremityexoskeletons[J].JournalofOrthopaedicTranslation,2016,5:26-37.[6]YanT,CempiniM,OddoM,etal.Reviewofassistivestrategiesinpoweredlowerlimborthosesandexoskeletons[J].RoboticsandAutonomousSystems,2015.64.120-136.[7]赵京东，姜力，蔡鹤皋，刘宏.基于DSP的三自由度肌电助力外骨骼实时控制方法[J].航空学报,2007年第28卷第5期: