【下肢外骨骼机器人结构设计计算案例2600字】

髋关节扭矩T1 (1.1)式中， 大腿预设最大长度，525mm 小腿预设最大长度，450mm髋关节运动时的关节力矩值定为140Nm，根据临床康复要求，其后伸运动范围为0°~30°，前屈运动范围为0°~45°，则减速器输出的最大转速为1.15rad/s，因此输出的功率为441W。考虑到控制裕度，在Maxon官网上搜索对应电机，选择EC90盘式600W无刷电机（597974），该电机额定输出扭矩为1560mNm，额定转速为2110rpm[14],具体参数如图1.2所示图1.2MaxonEC90600W（597974）盘式电机参数图如果选择减速比为160的谐波减速器（HCSG40）[15]，则电机转速： (1.2)式中，  电机转速，rpm 传动轴转速，rpm 谐波减速器传动比，rpm根据EC90盘式600W无刷电机的特性曲线图（图1.3）可知，电机的输出转矩在4812.83rpm时，电机的输出扭矩可为1200mNm。此时经过谐波减速器，关节的输出力矩为192N∙m。HCSG40谐波减速器可承受扭矩为295Nm，大于髋关节所需驱动扭矩，满足设计要求。图1.3MaxonEC90600W（597974）盘式电机特性曲线图1.1.2膝关节电机及减速器选型膝关节扭矩T (1.3)膝关节屈伸的关节力矩值定为23Nm，转动运动范围为0°~64°，根据临床康复训练要求，经分析减速器输出的最大转速是为1.86rad/s，所以输出端的基本功率为96.5W。确定电机参数时，控制1.5倍裕度，则电机所需功率应为131.47W。在Maxon官网上搜索对应电机，选择EC60盘式150W无刷电机，型号为647693，此款电机额定输出扭矩为378mNm，额定转速为2990rpm[14]，具体参数如图1.4所示。图1.4MaxonEC60150W（647693）盘式电机特性曲线图如果选择减速比为80的谐波减速器（HCSG25）[15]，则电机转速： (1.4)图1.5MaxonEC60150W（647693）盘式电机特性曲线图根据电机特性曲线（图1.5），电机转速接近额定转速，按照额定扭矩来计算。此时经过谐波减速器，关节的输出力矩为30Nm。HCSG25谐波减速器可承受扭矩为65Nm，大于膝关节所需驱动扭矩，可有效驱动膝关节产生康复训练要求的转动，满足设计要求。1.1.3踝关节电机及减速器选型踝关节部分结构比较简单，则踝关节背屈、跖屈的关节扭矩设定为15Nm，由医学临床康复训练要求得知，踝关节转动康复运动在6秒以上完成。踝关节背屈转动范围为0°~20°，跖屈转动范围为0°~30°，则减速器的输出速度应该为16.67°/s，即0.29rad/s。。因此，输出端的基本功率应为4.36W。确定电机参数时，控制2倍裕度，电机功率应为8.72W。在Maxon官网上搜索对应电机，选择EC32盘式15W无刷电机（353399），此款电机额定输出扭矩为18.6mNm，额定转速为6000rpm[14]，其具体参数如图1.6所示。图1.6MaxonEC3215W（353399）电机参数图如果选择减速比为120的谐波减速器（HCSG17）[15]，则电机转速： (1.5)从EC32盘式15W无刷电机的特性曲线（图1.4）可以看出，当该电机转速为332.25rpm时，其输出扭矩约可在0-20mNm中选择，控制扭矩为10mNm。此时经过谐波减速器，关节的输出力矩为16Nm，大于踝关节所需驱动扭矩，可有效驱动踝关节产生康复训练所要求的转动，同时，HCSG17谐波减速器可承受25Nm，满足设计要求。图1.7MaxonEC3215W（353399）电机运行特性曲线1.1.4选型总结综上所述，3个关节的电机及减速器型号已全部选好，具体数据如下：①髋关节：MaxonEC90600w（597974）盘式无刷电机配合HCSG40谐波减速器。电机参数：直径∅90mm,厚度39.9mm，质量0.98kg，额定输出扭矩为1560mNm，额定转速为2110rpm；谐波减速器参数：减速比160，直径∅160mm，厚度79.5mm，质量1.7kg。②膝关节：MaxonEC60150w（647693）盘式无刷电机配合HCSG25谐波减速器。电机参数：直径∅60mm,厚度38mm，质量0.36kg，额定输出扭矩为378mNm，额定转速为2990rpm；谐波减速器参数：减速比80，直径∅107mm，厚度52mm，质量0.42kg。③踝关节：MaxonEC3215w（353399）盘式无刷电机配合HCSG17谐波减速器。电机参数：直径∅32mm,厚度38mm，质量0.091kg，额定输出扭矩为18.6mNm，额定转速为6000rpm；谐波减速器参数：减速比120，直径∅79mm，厚度45mm，质量0.015kg。1.2传动轴及零件设计与校核1.2.1传动轴的设计校核考虑到3个传动关节（髋、膝、踝）的传动原理基本相同，故本文只对髋关节进行轴的设计校核。选取轴的材料为40Cr，确定轴的最小直径来对轴进行简单校核。 (1.6)式中， 轴的功率，kW 轴的转速，从髋关节传动图1.1可以看出，盘式电机与谐波减速器通过键连接，谐波减速器输出端通过法兰与传动轴连接，传动轴再带通过动大腿杆件旋转。由于初设的轴的直径为35mm，所以连接轴满足强度要求。对膝关节轴和踝关节轴也进行直径的校核。 (1.7) (1.8)膝关节轴径为，踝关节轴径为，经过校核，三关节传动轴都满足强度要求。1.2.2电机及减速器端盖连接件的校核电机端盖通过两个螺钉与髋关节相连接，下面计算所需螺钉最小直径。图中，盘式电机的质量为0.98kg，谐波减速器的质量为1.7kg,设电机端盖及套筒质量为2.3kg，则总质量约为5kg，令g=10N/kg螺钉数目z=2，则单个螺钉受力 (1.9)拟选取螺钉直径，螺钉危险面积 (1.10)则螺钉危险截面剪切应力 (1.11)螺栓杆剪切强度条件为 (1.12)许用剪切应力 (1.13)取安全系数=12，8.8级螺钉屈服极限=640MPa，则 (1.14)则有 (1.15)经过计算发现，螺钉的强度远远超过负载，故本文不再对在其它位置上的螺钉及螺栓进行选型。1.2.3轴承的选择及强度校核在下肢外骨骼康复机器人中，轴承主要运用在髋、膝、踝关节连接件和传动轴配合的地方，本设计主要用到了12个轴承。下面对轴承进行选型。对轴承种类的选择主要从速度、受力情况（径向力和轴向力）、经济性等方面进行考虑。本设计中轴的速度是按照临床医学标准确定的，转速都不快。轴承主要承受径向力，也可能会承受微弱的轴向力。圆锥滚子、深沟球、角接触球轴承都满足上述要求。又考虑到深沟球轴承是所有轴承里最便宜的，故从经济方面考虑，最终选择深沟球轴承。单列深沟球轴承的示意图如图1.8所示。图1.8单列深沟球轴承轴承的内外径主要在配合传动轴直径的原则上进行选择。下面，对髋关节传动图中的轴承进行校核计算，简化图如图1.9所示。图1.9轴承受力简化图计算轴所受的径向力 (1.16)式中， 电机在髋关节