【《某骨盆复位机器人的末端执行机构设计与分析案例》4800字】

第页辽某骨盆复位机器人的末端执行机构设计与分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u15446某骨盆复位机器人的末端执行机构设计与分析案例 144281.1外固定架设计 1211261.2末端机械臂的校核计算 539591.3快速连接件的强度校核 10214991.4机器人底座连接件的强度校核 14机器人的末端的执行机构就是外固定架，外固定架在手术中起到一个桥梁的作用，一端连接患侧位骨盆，另一侧连接机器人。机器人所提供的复位力都是通过外固定架来传动，来使骨盆进行复位操作。因此需要对外固定架结构上一部分连接件进行强度校核，以保证外固定架的使用寿命。1.1外固定架设计由于骨盆是人体骨架结构的中枢，还为人体许多重要脏器提供了一个安全稳定的容纳空间。因此骨盆一旦发生骨折，人体的正常活动就会受到极大的影响，严重者会危害其生活。综合骨盆骨折的临床表现，根据暴力来源不同，骨盆骨折的形式是多种复杂错位的结果。骨盆骨折断裂处的发生相对于健侧是有平移错位和旋转错位。平移错位一般分为前移、后移、上移、下移、挤压和分离。旋转复位一般分为前倾、内翻、挤压扭转和分离扭转等运动。因此骨盆骨折的复位是一个多自由度的运动过程。由于骨盆的骨折的平移错位和旋转的种类有很多，而对于患侧位的骨盆骨折固定情况都是通过使用外固定架与骨盆固定针之间的配合来进行固定的。因此本课题就是研究如何对这两个骨盆固定针进行外固定。由于骨盆骨折的骨盆固定针的四个入针位置都是髂骨附近，因此在选择好固定针的入针位置后，两个骨盆固定针之间的相对位置就确定了。由于A线和B线的入针角度相对水平面来说比较大，C线和D线的入针角度相对水平面来说比较小。本课题通过调研发现，这两种不同入针角度中骨盆固定针都具有一系列共同的法平面，在一个相同的法平面内，两个固定针分布比较基中。其中一根固定针对于不同类型的骨盆骨折中位移量相对来说比较少，大部分都集中于一个小平面上。而另外一个固定针在不同骨盆骨折情况中，其位置的大致变化也只在一个平面内进行位移的变化。基于上述情况分析本课题确定了一种骨盆外固定架设计方式。骨盆固定针固定在医用外向节上，通过医用万向节来调节骨盆固定针的角度。通过医用万向节在水平滑轨上移动，来调节骨盆固定针的固定位置。目前，骨盆骨折复位手术过程中，医师大部分使用外固定的方式来固定和复位骨折骨盆。使用外固定的方式固定和复位骨盆，可以在术前CT检查中保证健侧位与患侧位的相对位姿，方便医师在手术过程中对骨盆进行复位。外固定架还可以很好处理骨折复位过程中所需的各种平移错位和旋转错位。基于外固定方式的优点，本课题设计了一款外固定骨盆的装置，该装置可以很好为机器人复位骨盆时，对骨盆进行固定作用。骨盆外固定架由如图3-2所示。它通过两个部分组成：一是移动导轨；二是本体结构。图3-1外固定架外固定架的设计要根据骨盆骨折复位过程中骨盆固定针的入针位置有关，由于骨盆骨折大部分都是骶髂关节和耻、坐骨连接处断裂。因此对于一个骨盆固定针的位置是固定的，根据其骨盆大小和受伤情况进行小范围内的移动，这完全可以用医用万向节自身的旋转和外固定架的移动来解决。另外一根骨盆固定针的入针位置则需要考虑病情严重情况来选择入针位置，因此骨盆固定针需要大范围的位移和选择。直线导轨选择的是RGH-CA╱RGH-HA滚柱式直线导轨型号，该型号如图3-3所示的直线导轨的运动空间为0~350mm。由于成年人的骨盆在侧卧状态下，当上腿伸直，下腿屈曲时，骨盆的耻骨联合上中点至第5腰椎棘突下之间一定距离，可以准确的测出骨盆的前后径的大小和长度，正常数据一般在18～20cm左右。图3-2RGH-CA╱RGH-HA滚柱式直线导轨外固定架的长度就超过40cm，直线导轨的最常用的方式就是用来调节固定在外固定架上的医用万向节位置的。医用万向节，万向节本身具备两个转动副，但是医用万向节需要在两个导轨上移动，因此根据其运动规律和设计要求。设计了如下的医用万向节，如图3-4所示。图3-3医用万向节骨盆固定针是可以在医用万向节上进行调节的，其位置的固定也是通过锁紧螺栓对固定针进行固定，防止其旋转。骨盆复位架的水平运动是通过一个直线导轨的长度和滑块大小来决定外固定架移动距离的。通过直线导轨的运动可以是外固定架来适应不同年龄段和不同肤色下骨盆的大小。医用万向节在外固定架上固定的位置不同，方便了骨盆固定针和髂内钉之间的空间位置关系，是其适合四种髂内钉的入钉方式，更加方便的去固定骨盆。骨盆固定针通过医用万向节与骨盆外固定架相连，通过锁死螺栓分别使医用万向节与外固定架和骨盆固定针固定。医用万向节在骨盆外固定架上的旋转角度并不是360度，这样就可以有效的避免骨盆固定针与骨盆之间的有其他都连接位置。骨盆固定针可以在万向节上调节长度和方向，方便骨盆固定针与骨盆相连。骨盆外固定架由四部分组成：直线导轨、快接装置、医用万向节和固定架。如图3-1所示。图3-4外固定架由于对一侧的骨盆需要两个骨盆固定针进行连接，只有在确定一个骨盆固定针在骨盆上的固定位置，才方便和快捷的去寻找第二个骨盆固定区域。由于每个年龄段和肤色情况下骨盆的大小是不太一样的，因此固定再外固定架上的医用万向节的调整是通过直线导轨来进行调节的。其入针角度则是通过锁紧螺母与万向节之间都相互配合来实现的。骨盆固定针是两边喂圆柱型，中间为方形，两段进都行磨砂处理。磨砂表面可以增大手与骨盆固定针之间的接触面积，使其在固定使更加牢固。中间方形设计，其本质是就是为了使骨盆固定针在万向节上的固定更加牢固安稳。方形设计还可以避免骨盆固定针在固定完骨盆后固定针发生旋转，避免造成骨盆复位过程中的二次伤害。1.2末端机械臂的校核计算机器人与末端机械臂连接时，是通过螺栓连接的。因此螺栓的大小和强度影响到末端机械臂的使用寿命。因此需要对该地方的螺栓进行校核，验证螺钉的强度是否满足其使用要求。此处的螺栓是使用了4个M5和一个M6的螺栓，由于五个螺栓的位置不是均匀分布的，按照普通的理论计算不好计算。因此，我通过测试使用了在solidworks中基于Simulation的一种静力学仿真功能对该连接件的整体结构进行有限元分析。得到了应力、位移、应变图像,如图3-5、6、7所示。图3-5快插设备应力分析表3-1应力表最小最大2.367e+02N/m^2节:28916.060e+06N/m^2节:13386图3-6快插设备位移分析表3-2位移表最小最大0.000e+00mm节:14.820e-04mm节:46091图3-7快插设备应变分析表3-3应变表最小最大1.236e-09单元:111511.602e-05单元:23375螺栓的受力情况如下表所示M5的螺栓的受力情况与安装位置：螺栓安装过程中给定的预紧力为0.05N.m：泊松比为：0.28。其受力情况如下表所示。由于这五个螺栓的安装位置不是均匀分布，因此每个螺栓之间的受力情况是不一样的。分析每个螺栓的受力情况，才能得出是否满足其设计要求。这两个M5的螺栓位置为M6螺栓的对侧，其安装情况如图3-8和3-9所示，在工作过程中受到的轴向力和挤压力应该是整个工作件中受力情况最明显的。其受力情况如表3-4和表3-5所示。图3-8一号螺栓的安装位置图3-9二号螺栓的安装位置表3-4一号螺栓的受力情况类型X-分量Y-分量Z-分量合力轴心力(N)00-41.31241.312抗剪力(N)0.0018708-0.002134300.0028382折弯动量(N.m)2.2445e-056.7029e-0602.3424e-05表3-5二号螺栓的受力情况类型X-分量Y-分量Z-分量合力轴心力(N)00-42.01242.012抗剪力(N)0.002550.002853800.0038271折弯动量(N.m)-2.8276e-051.3035e-0501.1136e-05这两个M5的螺栓安装位置是与M6螺栓安装在同侧，其安装位置如图3-10和3-11所示。由于一侧有三个螺栓，三个螺栓的型号不太一样，因此在研究其受力情况的时候比较复杂。其主要的轴向力和剪切力都不太一样。这两个螺栓的主要受力情况如表3-6和表3-7所示。图3-10三号螺栓的安装位置图3-11四号螺栓的安装位置表3-6三号螺栓的受力情况类型X-分量Y-分量Z-分量合力轴心力(N)00-5.04465.0446抗剪力(N)0.0034436-0.001569300.0037843折弯动量(N.m)1.7215e-052.1134e-0502.7258e-05表3-7四号螺栓的受力情况类型X-分量Y-分量Z-分量合力轴心力(N)00-1.40551.4055抗剪力(N)-0.0022915-7.496e-0500.0022927折弯动量(N.m)5.454e-07-1.5919e-0501.5923e-05M6的螺栓安装位置和其受力情况M6的螺栓安装在两个M5螺栓之间，其安装如图3-12所示。其主要的主要的作用就是防止工作件在受到轴向力和剪切力的同时，能够保证零件能够平稳的贴合在其表面，因此其受力情况如表3-8所示。图3-12五号螺栓的安装位置表3-8五号螺栓的受力情况类型X-分量Y-分量Z-分量合力轴心力(N)00-41.32241.322抗剪力(N)0.00333570.001155100.0035301折弯动量(N.m)-1.4109e-051.9685e-0502.4219e-05由五个螺栓的轴向力和抗剪力可以得出，螺栓的大小和型号满足设计要求。1.3快速连接件的强度校核快速连接件是连接外固定架与机器人的之间的桥梁，它通过螺钉进行固定。由于连接件需要一定的承受横向工作载荷。接合面上的连接预紧力所产生的摩擦力可以用来均匀地平衡外部载荷。其横向载荷F由于该螺栓使用的是一般螺栓进行连接，在这种情况下，螺栓连接时主要是通过接合面的摩擦力来平衡外载荷，因此该螺钉只受预紧力。根据相应的力平衡关系得：(3-1)每个螺栓所需的预紧力为：(3-2)式3-2中f——接合面的摩擦因数,见表3-9m——接合面数z——螺栓数Kf——可靠性系数，一般K表3-9连接接合面间的摩擦因数f被连接件接合面的表面状态f钢或铸铁零件干燥的机加工表面0.10～0.16有油的机加工表面0.06～0.10钢结构件经喷砂处理0.45～0.55涂锌漆0.35～0.40轧制、经钢丝刷清理浮锈0.30～0.35铸铁对砖、混凝土、木材干燥表面0.40～0.45查表3-9得f=0.13，m=1,z=4,Kf=1.2。由于，连接部件预紧后，不管是否有无外部载荷FR,螺栓在工作时所受的力都保持不变，始终为F即：F螺栓只有在工作时才承受横向载荷F'(3-3)即：此外，在拧紧螺栓时，螺栓还受到摩擦力矩的作用。螺栓受剪切面的抗剪剖面模量影响。因此，螺杆截面上的扭转切应力为：(3-4)其中：(3-5)(3-6)即：(3-7)对于常用的钢制普通螺栓，d2≈1.1d1、𝐸𝑀𝐵𝐸𝐷𝐸𝑞𝑢𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛.𝐷𝑆𝑀𝑇4𝐸𝑀𝐵𝐸𝐷𝐸𝑞𝑢𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛.𝐷𝑆𝑀𝑇4表3-10普通螺栓紧连接的许用应力和安全系数载荷情况许用应力不控制预紧力时S控制预紧力时直径材料M6～M16M16～M30不分直径静载荷碳钢5～44～2.51.2～1.5合金钢5.7～55～1.4变载荷按最大应力碳钢12.5～8.58.5合金钢10～6.86.8按循环应力幅=2.5～4=1.5～2.5查表3-10可得：σ其中[σ]为紧连接螺栓材料的许用拉应力。即：表3-11螺栓许用切应力及许用挤压应力螺栓的许用切应力[τ]静载荷变载荷螺栓或连接件的许用挤压应力[τ]静载荷钢铸铁静载荷较静载荷时减少20%～30%查表3-11可得：[τ]=其中[τ]为紧连接螺栓材料的许用挤压应力。即：满足螺栓的使用要求。1.4机器人底座连接件的强度校核由于机器人的底座整个机器人的受力最大的地方,受到的倾覆载荷也是整个机器系统中最大。因此，需要对此的连接处的连接件进行强度校核，看是否满足其强度要求。由于末端机器臂的位置相对于底座构成了一个三角形。以底座为坐标原点，可以得到末端机械手的二维坐标（500，400）,构成的角度∅=arctan(400/500)=38.66°。已知末端机械的负载为Fp=300N由于底座与机器人是采用的普通螺栓连接，螺栓数目z=4。分析螺栓组连接两个整体部件之间的工作载荷，其中外力FP方向是倾斜的，可以外力F横向载荷：