【《某辅助康复机械手的结构设计案例》2000字】

某辅助康复机械手的结构设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u2286某辅助康复机械手的结构设计案例 111671.1康复机械手结构选型 122181.1.1手指运动副选择 1112821.1.2手指材料 2134761.1.3机械手驱动方式 3319391.2机械手建模 375591.3机械手SolidWorks模型建立 4151541.3.1手指SolidWorks模型建立 4316251.3.2手掌SolidWorks模型建立 5294241.3.3机械手SolidWorks模型搭建 556701.4小结 61.1康复机械手结构选型1.1.1手指运动副选择人手拥有众多关节，包括滑车关节、椭圆关节、车轴关节、鞍状关节、球窝关节等。如果将这些关节根据运动轴数目来划分，车轴和滑车关节属于单轴关节，椭圆和鞍状关节属于双轴关节，球窝关节则属于三轴关节。这些关节分别负责人手进行不同的运动，如屈伸、内外翻转、旋转环绕等。正是因为拥有这么多的关节，人手才拥有一般机械手不可比拟的灵活性，可以完成许多复杂运动。图1.图1.1人手关节图从工程角度对人手进行结构分析。五根手指可以视为由连杆组成，其中一般选取转动副作为手指关节之间的运动副连接形式。通过查阅相关资料得知，当手指的运动副只包含转动副时，相较于移动副，手指的运动会更加灵活。而且根据人体仿生学的观点，球窝和鞍状关节均可以用多个转动副来替代。综上所述，可将机械手的每根手指等效为三自由度连杆结构，如下图所示：图图1.2机械手指等效连杆结构图1.1.2手指材料本文拟设计的康复机械手是用来辅助患者的日常生活的，日常生活中进行抓握的物体一般质量不会太大。在比较了众多合金材料后，为了同时兼顾结构轻量化和高硬度的要求，本文选取铝合金来制作该康复装置。如果有不同的结构要求，也可以采用其他合成材料作为机械手的材料。此外，为了保证机械手实现动作时的性能，可以采用在原手指材料外再添加一层橡胶的方法来增大与抓握物体接触时的摩擦力。1.1.3机械手驱动方式在机械手的结构设计中，驱动方式的选取影响到机械手能否精确稳定的完成工作任务。工业机械手主流驱动方式有三种：液压驱动方式、气压驱动方式和电机驱动方式。（1）液压驱动方式液压驱动方式使用于系统需要大负载的情况，该驱动方式抓举能力强，结构紧凑，耐冲击，故过载情况发生时的系统安全性较好，可以实现精确的位置和速度控制。但是液压驱动装置需要比较良好的密封性能和较高的制造精度，否则液压装置漏油将造成对周围环境的严重污染。（2）气压驱动方式气压驱动方式的优点是维修方便，造价低。而且当系统发生过载时安全性大。但是气压驱动方式很难保证对速度和位置能进行实时控制，同时由于驱动气压不能过高，所能支持的驱动负载和操作力也较小。（3）电驱动方式电驱动方式下，驱动电机的主要驱动方式通常为伺服电机。性能良好的伺服电机一般驱动力较大，响应较快。电源方便且制造成本不高，控制精度高。但是电驱动方式不能承受过大负载，可能会因为过载情况的出现而导致系统故障。1.2机械手建模1.1.1SolidWorks三维建模软件简介SolidWorks能够为设计师提供非常丰富的设计元素、帮助设计师在设计过程中进行纠错以及提高最后的设计作品完成度。SolidWorks操作简单，容易上手，界面清爽简洁，功能模块齐全。不管对于新人设计师，工程师还是老手设计师来说，SolidWorks都能起到非常大的帮助[22,23]。下面简单介绍SolidWorks的三个基本模块。（1）零件建模SolidWorks软件拥有非常全面的的三维建模功能。其绘制功能的强大保证了软件能够对市面上几乎大部分零件进行建模，还可以自己开发零件。如果在零件建模过程中发现问题，SolidWorks能够实时地反馈出现的问题并且根据检测出的问题为用户提供解决方案[24]。（2）装配设计SolidWorks不仅可以将建模完成的零部件集合起来组装成装配体，还可以对装配完成的装配体的运动过程中进行实时检查。SolidWorks软件拥有非常智能的装配方案和装配预测，可以自行推算装配步骤并且为用户实时提供装配建议[25]，这使得SolidWorks的装配性能遥遥领先了其他建模软件。（3）SolidWorksSimulationSolidWorksSimulation主要负责对装配体进行分析与仿真[26]。它能通过力学分析，对零件和装配体的性能进行评估，其强大的仿真功能得到了众多设计师的认可[27,28]。1.3机械手SolidWorks模型建立1.3.1手指SolidWorks模型建立根据前文中的要求，使用SolidWorks建立手指零件如下图所示，每根手指由三个连杆和两个关节轴构成，具有三个自由度，符合人手特征。机械手指俯视图与前视图如下所示：图图1.3机械手指俯视图图图1.4机械手指前视图1.3.2手掌SolidWorks模型建立如下图所示，为了模拟手掌末端的椭圆关节，本文采用两个零件拼接的方式对手掌进行建模，因为本文设计的机械手抓握动作中手掌不需要运动，故没有设置自由度。手掌俯视图与前视图如下所示：图1.图1.6机械手掌前视图图1.5机械手掌俯视图1.3.3机械手SolidWorks模型搭建将五根手指模型零件与手掌零件进行装配，该机械手尺寸与人手相仿，调整五根手指的角度至实现抓握功能时不会互相碰撞，得到机械手模型如下图所示：图图1.7机械手俯视图图图1.8机械手前视图1.4小结本章主要针对康复机械手的结构进行了设计，根据机械手所要实现的功能，从手指运动副、手指材料、机械手驱动方式几个方面进行研究。介绍了SolidWorks软件的基本功能，并使用SolidWorks软件对机械手进行了建模，设计了一种康复仿人机械手，每根手指可等效为三自由度连杆结构，用来实现抓握功能，辅助中风或者是手部残疾患者