《一种新型下肢康复训练步态机器人的设计》9700字【论文】

一种新型下肢康复训练步态机器人的设计随着社会经济和医学的高速发展，人们生活水平的不断提高以及出生率的逐渐降低，社会老龄化情况的日益加剧，下肢完全瘫痪的人对正常行走和提高其自理生活能力的需求逐渐增加。同时，因交通运输工具在越来越多，交通事故情况的发生机率也在不断增长。每年因发生事故而造成神经和四肢损伤的人数在不断地上涨。而随着现代机器人技术在医学方面的发展，下肢康复训练步态机器人的研究正在面临巨大的发展与挑战，同时也是发展现代机器人技术的重大机会。针对应疾病、事故和年龄大而需要进行下肢康复训练的人设计出一款新型下肢康复训练步态机器人。本次设计的下肢康复训练步态机器人总要包括动力部分、传动部分、功能部分、机架部分四大部分组成，其中动力部分、传动部分、功能部分是本说明书设计的重点。基于步行机器人的相关参数，对其结构方案进行了总体设计，并进行了实际实施阐述了所设计机器人的基本工作原理，介绍了该设备的工作过程。介绍了驱动机构和传动机构保证所设计的步态机器人有足够的刚度和强度满足实际生产并借助计算机软件绘制地图。最终设计出的下肢康复训练步态机器人能起到辅助要进行下肢康复训练的作用，并使其恢复下肢的身体机能，达到康复的目的。关键词：康复训练机器人；结构方案；驱动机构目录TOC\o"1-3"\h\u3222摘要 绪论1.1研究的意义与目的研究用于下肢康复训练的步态机器人，对于因疾病和意外事故需要进行下肢康复训练的人来说，具有重要的意义下肢康复训练步态机器人通过控制可以模拟正常人的行走姿势和下肢各部位的协调运动，从而实现下肢的康复训练，提高下肢的运动性能康复训练步态机器人能够锻炼下肢肌肉，使神经系统恢复对步行能力的控制，达到康复训练的目的恢复步行功能的目的[26]。一般来说，步态机器人用于下肢康复训练的总体目的是使需要下肢康复训练的人更加舒适方便、更轻松地达到训练的目的，对下肢康复训练起辅助作用。这个设计的立意来自于生活中。根据设计一种新型下肢康复步态机器人的任务书，设计了一种或多种方案来完成本课题系统的动作流程设备。通过对毕业设计全过程的培训和学习，我们需要能够初步掌握机械设计的基本过程和设计中所采用的相关方法，要使知识储备提高到一个新的水平，就需要能够结合实际，综合运用各种知识，更好地理论联系实际，为所学知识服务生产实践需要培养创新意识，提高设计能力。结合机器人的实际工作情况，成功设计出一种新型下肢康复训练步态机器人，能够基于现有的实际生产水平可以实现定量生产的新型下肢康复训练步态机器人，为现下医学领域对下肢康复解决一些问题，实现其价值。在设计的过程中也是学习的过程要培养设计方案构思能力，培养机械制图能力，总结和收获机械设计的各种相关方法，为今后的机械设计工作提供参考打基础。1.2国内外发展现状及趋势外骨骼是下肢康复训练器的前身，最初是为了提高单兵的作战能力而制造的，如美军SARCOS研究公司的WEAR完全战斗外骨骼机器人（下图1-1）[1]。后来随着社会经济和科学技术的发展才逐渐开始应用于医疗康复，比如美国加州大学伯克利分校研制的BLEEX(下图1-2)[2]。到现在为止，其研究领域已经从原先的军事领域扩展到医疗的康复、消防、航空航天及工业运输等领域，例在2005年，英国Salford（索尔福德）大学的研究人员开发的康复助行器(下图1-3)[3]。随着社会的进步，到如今，下肢康复训练器在康复领域的研究应用已经并不只限于外骨骼的形式，渐渐开始出现上下肢或坐姿、站姿、卧姿等方面的研究，WalkingPowerAssistLegWPAL(下图1-4)[4]。目前为止，在康复训练器的研究和应用方面以美国为首的欧美发达国家处于领先地位。图1—1战斗外骨骼机器人图1—2美国BLEEX机器人图1—3英国Salford康复助行器图1—4WalkingPowerAssistLegWPAL对于康复训练器方面的研究，我国的起步较晚，现处于基础阶段，在该技术的探索和应用方面与欧美发达国家有很大差距。在社会的高速发展下，我国社会老龄化情况不断加剧，因各种原因而残疾得人数居高不下。就社会目前对于下肢康复训练器的需求量越来越大；在我国现已有诸多专家学者和相应机构对这一方面展开了研究。但目前国内关于这方面的研究，最主要还是集中在假肢的领域。目前就只有在哈尔滨工程大学的机电一体化研究所在这一方面取得了一定的成果，成功研制出了一种多功能手臂康复训练机器人，下肢康复训练步态机器人[24]。并且浙江大学也成功的研制了一种采用了气动驱动方式的新型可穿戴式下肢外骨骼助行机器人，其中髋关节、膝关节处都采用了气缸进行驱动，并且结合自适应模糊神经网络控制理论，对下肢外骨骼助行机器人的控制策略进行了相关研究，在此基础上开发出了一整套外骨骼助行机器人的实验系统如图1—5所示[24]。中科大和中科院共同研制了一种下肢助力外骨骼机器人（图1—6），其主要包含机械结构、传感器系统和控制系统。膝关节、踝关节和脚底可以与人腿协调运动，互不产生运动干涉。在走动过程中，通过足底力的传感器获取人体腿部和脚底的信息，再通过编码器获得相应的关节转角，采集得到的信息对外骨骼助行机器人的行走状态进行判别，从而达到对外骨骼助行机器人的运行进行控制[24]。但是，对于气动驱动结构来说，只能够提供有限的驱动力，为人体提供小部分的助力。图1—5浙江外骨骼机器图1—6中科大外骨骼机器人在国外，早在上世纪八十年代就已经成功研制出了康复机器人系统，它就是目前世界上最成功的一种低价、市售的康复机器人系统——Handyl康复机器人样机，它是英国的MikeTopping公司研制出来的，Handy1机器人由5自由度机器人手臂和新型控制器组成，不仅具有话音识别、语音合成、传感器输入、手柄控制以及步进电机控制能力，Handyl还具备有很强的通话能力，可以为护理人员及用户在操作的过程中提供一些简单的操作指令或有益的指示等信息，能够以任何一种欧洲语言表达出来[25]。这种装置不仅有助于突破语言的障碍，还可以大大提高Handyl方便用户与他人之间进行交流的能力。市场中还有另外一种康复机器人，它就是由荷兰Exact

Dynamics公司开发的MANUS，相比较机械人手臂比Handyl多出两个自由度，旋转自由度6个和机械手1个[25]。关于医学康复机器人的研究，虽然国外已经取得了不少成果，但是其离生物机器人还有相当的距离，因此在这一方面的研究还有着许许多多的挑战，还有很多工作要做。1.3本设计工作内容经过分析，本课题主要完成设计，采用20BYG250-33型号电机装置。主要内容有：本次设计的主要工作内容如下：1）根据实际情况中的各种因素，确定新下肢康复训练步态机器人总体设计结构方案，初步确定可行性，对设备总体工作原理和基本组成进行详细介绍，绘制设备总体结构示意图，为后续机械设计过程提供参考。2）根据新型下肢康复训练步态机器人的结构方案，详细设计了新型下肢康复训练步态机器人的主要机构，并进行了设备中使用的电机装置的选型和设计。传动机构等主要部件的结构参数设计。3）针对新型下肢康复训练步态机器人的主要传动机构的零部件进行验证和计算。4）利用计算机绘图软件，绘制了新型下肢康复步态机器人的零件图和装配图。5）完成设备设计准备工作。2总体设计方案2.1本设计总体要求在设计机械整体应考虑其工艺，选择更好的设计方案，材料选择以满足条件。设计应考虑维护方便、结构简单、成本优化。本设计的总体设计应遵循设计原则。首先要满足其功能要求，安装后易于操作。充分利用国内外新技术，采用新原则、新结构、新技术、设计合理，使用可靠、质量好、价格便宜。设计出结构简单、成本低、操作简单，维护方便，重量轻，稳定性好的机械结构。本设计步骤如下：机械结构的简图设计。确认本次设计的传动机构。确定传动需要的转速。（4）确认主要部件的选择和计算。2.2设计参数标准1）下肢康复训练步态机械人的生产加工需要满足实际生产标准；2）下肢康复训练步态机器人应根据实际生产能力制定总体规划，考虑环保和经济性，确保下肢康复步态机器人具有良好的适用性。3）在下肢康复行走机器人设计过程中，应采用新的设计加工工艺，选择更加先进的设计方法和工艺技术进行设计制造，确保设备的操作过程能安全可靠的运行。设计和制造下肢康复步态机器人，制造成本尽可能最低。4）在下肢康复步态机器人的设计过程中，各零部件尽量选择标准部件，使设备各部件的兼容性高，从而尽量降低后续维护的能力。5）为了确保下肢康复步态机器人的整体结构相对简单，设备的生产成本尽可能低。在作业过程中，设备不仅要能够更好的进行操作，后期的维护也要应尽量的方便。6）下肢康复锻炼步态机械人的设计和制作应尽可能轻便，易于搬运。2.3下肢康复训练步态机器人的总体设计方案下肢康复锻炼步态机械人的设计包括四个部分：动力部分，传动部分，作用部分和框架部分。其中，动力部分，传送部分和作用部分是本设计的重点。为研究用于下肢康复训练的步态机器人，首先要进行结构设计，这是非常重要的一步。总体结构设计的好不好，将影响到整个系统实现的最终功能。基于人体下肢生物骨架模型上，设计了一种新型下肢康复训练步态机器人，下肢康复训练步态机器人的构造设计应满足以下原则：1.首先，结构设计应能实现机器人的正常走路。2.结构设计必须保证机器人操作过程的稳定性。3.在保证机器人强度和刚度的前提下，结构设计应尽量轻量化。机器人的结构设计应综合考虑研发成本，开发周期，制造过程等因素[25]。下肢康复训练步态机器人的结构简图如2-1所示。1——电机1——电机2——电机支架3——主动锥齿轮4——从动锥齿轮5——止回棘爪I——棘轮凸轮组10——棘爪连接销，11——主动棘爪，13——滚子14——小腿15——压缩弹簧17——大腿18——脚图2-1机器人结构简图

3机器人动力的设计3.1电机选型根据查阅的相关资料，并对步态机器人下肢康复训练的实际使用情况进行结合设计，电机装置的负载需要达到2000N，并将电机装置在旋转运动操作过程中的转速设定为0.5m/s。机械设备的有效功率是设备满负荷正常运行所需的功率。本设计中机器设备的有效功率为：P由于功率在传动过程中会有损失，因此需要对各级传动的传动效率进行测定。从动力设备到工作设备的总效率η，电动机效率η1为0．99，齿轮效率η=在本设计中，机器设备中用的电动机装置所需的功率是：

P综合考虑本次设计中机器设备的实际用状况和各项因素，最终选用额定功率为1．5KW的20BYG250-33型步进电动机。3.2电机装置过载的校核对选用的电机装置的过载能力进行验证：（3-4）式子中：PjkPjZm──电机的台数，取Zλ──电机转矩允许的过载，取λ=2；H——考虑电压降及其转矩允差以及静载试验超载的系数，取H=2.1；设计机械设备所选电机装置的静功率大小为：P──最大起升载荷，取FQ=2KN──最大转速，取V=；──机构的传动效率，取=0.7015；将其带入到式（3-5）得：PP根据以上公式计算得出，本设计采用的20BYG250-33型电机设备能满足实际需要。由于本次设计中机器设备每次使用时间不长，因此电动机装置的发热情况就相对较少，不用对电机装置的发热情况进行验算。3.3小结为了下肢康复机器人能过满足整体传动的动力要求，通过电机装置的载荷大小和转动的速度，将电机所需要的功率大小运用公式计算出来，再进行电机过载的校核，保证电机的传动效率能达到实际使用要求。最终通过本次设计的实际情况，最终确定采用的电机型号。为下肢康复训练步态机器人能够进行行走提供保障。4机器人传动机构的设计4.1锥齿轮传动机构设计及校验4.1.1锥齿轮参数的设定（1）根据下肢康复训练器的实际工作情况来看，作为一种常用的工作设备，它在工作时速度不用太高的。综合各种影响因素，最终确认设计制造精度为8级。本次设计锥齿轮组锥角取为α=20°，锥齿轮组机构的顶隙系数为c∗（2）锥齿轮部件材料的选择与设计在实际生产中，综合考虑到各种因素，小齿轮零部件的生产加工一般采用20CrMnTi钢，然后进行调质加工处理，使其硬度达到280HBS。大型齿轮零部件则采用40Cr材料生产加工，经调质后硬度达到240HBS。4.1.2锥齿轮部件的齿面接触疲劳强度设计计算由以下公式可知：

d1、锥齿轮部件基本参数的选择；2、材料的弹性强度系数取ZE=189.8MPa，节点区域系数取3、结合本次设计中机器设备的实际用状况，考虑各种因素，小齿轮零部件和大齿轮零部件的接触疲劳强度极限分别为σ4、选定载荷系数；5、应力循环次数设计与确定；锥齿轮零件齿面部位的接触疲劳寿命系数大小是：

N=60njn——齿轮的转速；J——齿轮旋转一周同一齿面啮合的次数；L——齿轮工作的寿命（h）；小齿轮：

N大齿轮：

N2=N锥齿轮传动机构的齿宽系数大小是：

ψ8、安全系数；9、锥齿轮零件的接触疲劳许用应力大小，运用公式进行计算：

σHP2=小锥齿轮零部件的分度圆直径尺寸d的设计与计算：由（4-6）得知σHd2）设计计算齿轮部件圆周速度v的大小：

v大锥齿轮零部件的齿数大小为：

Zd2=由Z2=C5i26d由Z1=Z22.512锥齿轮传动机构的齿数比大小通过下列公式计算可得：

u=经过核验可知，锥齿轮传动机构能够满足实际上的使用需求。锥齿轮模数m的设定m=

根据锥齿轮传动机构的实际情况以及标准模数，圆整处理锥齿轮的模数得出m=3mm。5）锥齿轮零部件大端分度圆直径尺寸大小的计算：（4-12）（4-13）6）锥齿轮零部件锥顶距尺寸大小的计算：（4-14）7）锥齿轮零部件节圆锥角角度大小的计算：

δδ2锥齿轮部件齿顶圆直径大小：小齿轮：(4-16)大齿轮：(4-17)9）锥齿轮部件齿宽尺寸大小：b1=生产实际中，需要综合其他相关因素，所以取b110）锥齿轮零部件强度的校核计算(4-19)通过检验计算，可知锥齿轮传动机构可以满足实际使用需求。4.1.3依据锥齿轮部件齿根位置进行弯曲疲劳强度设计计算有下列公式可知：

m≥式中：YFa——Ysa——Yβ——已知：σ对于锥齿轮零部件的齿形系数大小设定为：YFa1将锥齿轮零部件的应力校正系数大小设定为：Ysa1=1.6043）锥齿轮部件弯曲疲劳许用应力大小的计算已知弯曲疲劳系数S=1.4，代入公式（4-21）可得：(4-21)6)计算大小两个锥齿轮部件的σ(4-22)通过对两齿轮数值的对比，小齿轮的数值比较大。并结合锥齿轮传动机构在实际上的情况，应选用0．01025。7）齿轮零件的载荷系数K已知KA=1.35，V=2.88；本次设计对锥齿轮传动机构的齿轮零部件以8级精度进行设计和制作。结合锥齿轮传动机构的实际情况和各种原因，最后动载荷系数的大小选定为：根据式子计算可得：

m≥3由计算结果可知，本设计满足锥齿轮传动机构的实际的使用需求。锥齿组的基本参数表如下表3-1所示：名称符号公式直齿圆锥小齿轮直齿圆锥大齿轮齿数ZZ2357模数mm3传动比ii2.517分度圆锥度，分度圆直径齿顶高齿根高3.6齿全高齿顶圆直径齿根圆直径当量齿数齿宽4.2小结齿轮的设计要保障整体结构的传动效率。通过运用相应公式计算出各锥齿轮的几何尺寸，并确保其能够啮合，并对各锥齿轮进行疲劳强度计算，确保各个锥齿轮之间的传动能够使下肢康复训练步态机器人正常运行；之后根据各锥齿轮的几何尺寸，将锥齿轮用绘图软件建模，画出理想的图。5标准件的设计5.1棘轮棘爪的设计5.1.1棘轮棘爪的工作原理棘轮机构由油缸，棘轮，棘爪，凸轮，和销组成，如图5-1所示。棘轮通过键连接方式固定在主轴上，凸轮是可以绕主轴转动的，凸轮上通过销钉与棘爪连接，当凸轮转动时棘爪也同时绕着主轴转动；在通过锥齿轮的传动下，主轴通过键链接的作用下，棘轮随着主轴进行转动，当棘轮顺时针转动时，棘轮的转动通过卡住棘爪将推动凸轮转动起来。反之，当在锥齿轮的传动下，主轴通过键链接的作用下，棘轮随着主轴进行转动，当棘轮逆时针转动时，棘轮的转动卡住推动棘爪将凸轮推动，凸轮静止，下一级传动将会停止。通过凸轮的凹凸的相对差来实现主轴的单向精密旋转。图5-1棘轮机构图5-2棘轮图5-3棘爪5.1.2棘轮几何尺寸的确定棘轮棘爪装置一般结构简单、制作方便、运动可靠、转角可调；但是在其工作时会有比较大的冲击和噪音，运动精度也相对较差。适用于低速、低负荷的场合。棘爪工作时，要求棘爪在正压和摩擦F的作用下能自动滑入棘轮槽内。1、齿数：选择棘轮齿数162、模数：模数43、顶圆直径：根据计算式：d代入数据得：d4、齿间距：根据计算式：p=代入数据得:p=8.65、齿顶高：根据计算式:h=0.75m得:h=36、齿顶弦长：根据计算式:a=m得:a=47、棘爪工作面长度：根据计算式:a1=0.6a得:a1=2.48、齿偏角：α9、棘轮宽：根据计算式:b=4m得:b=1010、棘爪斜高、齿斜高：根据计算式:h代入数据得:h11、棘轮齿根圆角半径：r12、棘爪尖端圆角半径：r13、棘爪长度:根据计算式:L=2p代入数据得:L=17.25.2圆柱螺旋弹簧设计5.2.1结构设计本设计采用圆柱螺旋弹簧。在螺旋弹簧的设计中，要保证螺旋弹簧的两端能更好的接触，螺杆弹簧的两端间无间隙，需要两端是平整的，使螺旋弹簧与压盘和离合器盖的接触面积达到最大值。从而能够保证弹簧在工作时各圈的所受到的压力是平衡，并且避免了弹簧在作业的过程中出现倾斜现象。螺旋弹簧是周布在压板上的，弹簧的圈数应在6个以上，一般不会低于6圈。而且随着摩擦片外径的增长，螺旋弹簧的圈数也必须要随之进行增加，圈数还要严格保持是分离杆的整数倍。具体关系如表5．1所示，使离合器摩擦片上的压力分布均匀。表5.1周置圆柱弹簧的数目摩擦片外径/mm螺旋弹簧数目<2006200~2809~12280~38012~18380~45018~30根据摩擦片外径，可以取螺旋弹簧数。5.2.2弹簧的材料及许用应力周布弹簧离合器的弹簧钢丝直径一般选择在4mm左右，因本次设计的弹簧的工作环境温度通常是处于一般室温下，所以材料一般采用65Mn钢，碳素弹簧钢等材质。弹簧材质许用应力为碳素钢和硅锰钢，建议许用应力在（0.3~0.4）σb这个范围内，也就是。通过冷盘管方法制造具有小离合器直径的压缩弹簧。一般不进行淬火力，采用低温回火消除内应力。所以设计选择了65Mn钢。5.2.3弹簧的参数计算（1）每一个弹簧的工作压力P=式子中，为单位压力，=0.2526Mpa；D、d为压盘的外、内径。（2）弹簧丝直径/mmP=1.6PK'C进行规范钢丝直径，取式中，每个弹簧的工作压力为P；弹簧指数C一般取5～8，初选弹簧指数C=6.2，曲度系数为K‘，初取K‘=1.24，（3）规范弹簧中径选取弹簧的外径（4）弹簧中径（5-3）（5）弹簧指数C=（6）曲度系数（5-5）（7）实际的弹簧工作应力（5-6）（8）弹簧工作圈数（5-7）式中，弹簧工作圈数进行处理取，材料的剪切弹性模数为G，碳钢取：；K的选择要尽量小，一般取，故K的初选值可以取K=20N/mm。（9）弹簧的实际刚度K（5.8）（10）弹簧的总圈数n（5.9）（11）弹簧工作变形（5.10）（12）弹簧的附加变形量对于单片离合器；对于双片离合器。本设计取。（13）弹簧自由高度（5.11）其中，弹簧最大负荷时的间隙在，取。（14）弹簧工作高度（5.12）（15）弹簧最大负荷（5.13）为离合器彻底分离时的弹簧最大负荷，一般经过计算，满足设计要求。5.4小结理解棘轮与棘爪的工作原理，适用的场合；并对棘轮与棘爪进行几何尺寸的确定，弹簧的设计要保证弹簧在工作时各圈的受力是均衡的，而不会发生倾斜现象，选择合适的螺旋弹簧数，在进行各个参数的计算，确定好各个几何尺寸，最后根据得到的几何尺寸进行运用绘图软件将其画出，与前面得到的各个零件的模型进行最终的装配。总结毕设历经几个月的时间，终于完成了，在设计过程中，综合复习了大学期间所学的知识，并结合实际设计小结了各学科的相应知识；通过查阅多个相关文献，对其有用的信息进行总结归纳，为设计和撰写毕设做好准备工作。一开始，对于下肢康复训练步态机器人的原理不是怎么清楚，还是通过老师进行指导，才对原理有了比较清楚的理解；之后在考虑到加工工艺和材料的要求，进行设计方案的确定，并设计好参数的标准，整理出机构的简图。对于机器人的动力要求，选择符合实际使用情况的电机型号，并通过运用所查阅的公式进行电机的过载校核，保证所选的电机能满足要求。机器人的齿轮传动的设计过程中，一开始设计出来的锥齿轮选取的参数不合理，导致无法进行啮合，最后通过重新选取，进行计算才成功啮合，并进行疲劳强度的计算。对于棘轮棘爪的设计，通过一些计算出棘轮的几何尺寸，并根据棘轮的几何尺寸设计出棘爪；弹簧选择了圆柱螺旋弹簧，根据摩擦片的外径，选取弹簧的数目，通过选取的弹簧材料对弹簧所承受的工作、弹簧丝的直径、刚度和最大的负荷进行一定的计算，满足设计的要求。在设计的过程中遇到了很多的问题，经过对毕设全过程的学习和小结，使自己具备了机械设计能力。通过此次设计下肢康复训练步态机器人，更好的掌握了机械画图的相关绘图要领，加深了机械设计的理论知识；将整个设计过程应用到计算机辅助设计中，让我对机械设计有了新的认识，机械设计过程借助计算机软件，在一定程度上简化了机械设计的难度。此外，我对各种常见的机械运动机理也有了更深的了解，可以从中学习，根据不同的实际需要，通过合理的机构选择，设计制造出能很好地实现其功能的机械装置。在运用计算机软件进行主要机构和主要零件的绘图，使我的计算机绘图能力得到了一定提升，对于一些简单设计也得到了提高，为今后的研究和机械设计制造工作奠定了坚实的基础。经过对整个毕业设计过程的学习和总结，我得到了新的锻炼和提升。我能更好地利用计算机绘图软件来进行机械设计；机械设计与制造的相关知识也了解到了更多，为我今后的机械设计工作打下了坚实的基础，这也是原因所在，毕业设计的初衷。

参考文献[1]康复机器人对脑卒中偏瘫患者上肢运动功能影响及机制研究[D].孙鑫芳.昆明医科大学2020[2]卧式下肢康复机器人的研究[D].钱振美.哈尔滨工程大学2006[3]上肢康复训练机器人路径规划与控制[D].周文迪.长春大学2020[4]卧式下肢康复机器人设计与动力学研究[D].赵闯.华北理工大学2020[5]下肢康复训练步态机器人手持控制器的研究[D].王璟.太原理工大学2012[6]站起运动康复机器人