第1章緒論近些年來(lái)，隨著生活條件的不斷改善我國(guó)中老年階層的人數(shù)在不斷增加隨之帶來(lái)了一系列的中老年人疾病問(wèn)題。其中最為嚴(yán)峻的是由于‘三高’癥狀等原因?qū)е碌男哪X血管疾病，而此類疾病往往多數(shù)伴有偏癱癥狀。且同時(shí)，交通事故的高發(fā)導(dǎo)致神經(jīng)受損與肢體損傷的人數(shù)也在不斷上升。這一特殊群體的遭受值得大家的關(guān)注。為了提高這類群眾的生活質(zhì)量，康復(fù)訓(xùn)練是必不可少的手段。僅2017上半年全球用于醫(yī)療，護(hù)理，康復(fù)訓(xùn)練的市場(chǎng)份額產(chǎn)值已達(dá)到2500萬(wàn)美元。其中康復(fù)機(jī)器人所占市場(chǎng)份額達(dá)到56%，并且呈現(xiàn)逐年上漲的趨勢(shì)，因此，服務(wù)于肢體康復(fù)的康復(fù)機(jī)器人的研發(fā)與應(yīng)用有著廣闊的發(fā)展前景。本課題的研究目的是設(shè)計(jì)一種用于腦損傷、中風(fēng)等病人的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，幫助病人更好地進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，減輕他人的幫助，挺高效果。1.1研究背景及意義老齡化的不斷上漲與各類事故引發(fā)的肢體活動(dòng)性障礙的病人在不斷增加，但是傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)治療已無(wú)法滿足現(xiàn)代患者的需求，而康復(fù)機(jī)器人是根據(jù)康復(fù)醫(yī)學(xué)與機(jī)械自動(dòng)化融合的新產(chǎn)物?？祻?fù)機(jī)器人的使用可以解決專業(yè)護(hù)理人員地區(qū)缺少與醫(yī)療器械費(fèi)用的昂貴的問(wèn)題。同時(shí)也可以避免由于簡(jiǎn)單醫(yī)療器械導(dǎo)致的錯(cuò)誤康復(fù)訓(xùn)練和專業(yè)護(hù)理人員個(gè)人疏忽等主觀因素導(dǎo)致隨病人造成二次傷害。目前世界上康復(fù)機(jī)器人的研究處于起步狀態(tài)，各種康復(fù)機(jī)器人的研發(fā)與應(yīng)用尚不完善，且在國(guó)內(nèi)的康復(fù)機(jī)器人鄰域尚處于空白狀態(tài)，研發(fā)與應(yīng)用任重而道遠(yuǎn)，因此對(duì)康復(fù)機(jī)器人的研究與臨床實(shí)踐有著重要的科學(xué)意義。課題所研究的下肢康復(fù)機(jī)器人通過(guò)計(jì)算機(jī)控制使患病患者跟隨走步狀態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練。使患者模仿正常人的走步規(guī)律活動(dòng)下肢肌肉與神經(jīng)系統(tǒng)從而達(dá)到恢復(fù)走步機(jī)能的目的。綜上所述，足底驅(qū)動(dòng)式下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是康復(fù)醫(yī)學(xué)與機(jī)械自動(dòng)化的新應(yīng)用，具有重要的科學(xué)意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀康復(fù)機(jī)器人是康復(fù)醫(yī)學(xué)和機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的完美結(jié)合，康復(fù)機(jī)器人技術(shù)在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家得到了研發(fā)人員和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的普遍重視，近年來(lái)取得了效果較大的成果。對(duì)于偏癱、下肢肢體神經(jīng)損傷等患者來(lái)說(shuō)，下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人有著不錯(cuò)的康復(fù)訓(xùn)練效果。下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)歷主要有以下幾個(gè)階段。由早期的簡(jiǎn)單步行訓(xùn)練機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在結(jié)構(gòu)完善合理，使用方便迅速的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人。早期發(fā)展是借助于跑步機(jī)、懸吊系統(tǒng)等幫助患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，此種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，但訓(xùn)練期間需要專業(yè)護(hù)理人員的關(guān)注，而且整個(gè)設(shè)備笨重不便于安裝護(hù)理，結(jié)構(gòu)不能完美匹配下肢肢體結(jié)構(gòu)。因此其只能是一種半自動(dòng)的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)械，它的功能單一、價(jià)格便宜，而且需要在專業(yè)護(hù)理人員的幫助下進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，這種機(jī)械對(duì)下肢病情比較輕的病人較合適。1.2.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀在我國(guó)，康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)得到了普遍重視，我國(guó)對(duì)康復(fù)機(jī)器人的研究起步比國(guó)外較晚，康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人方面的研究成果較少。清華大學(xué)在國(guó)內(nèi)率先研制了臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人樣機(jī)在這項(xiàng)成果中他們采用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[10]。哈爾濱工程大學(xué)在康復(fù)機(jī)器人方面也取得了不錯(cuò)的成果。哈爾濱工程大學(xué)研制的下肢康復(fù)機(jī)器人可以模擬正常人行走的步態(tài)、踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)以及重心的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，帶動(dòng)下肢做行走運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)下肢各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、肌肉的鍛煉以及神經(jīng)功能的恢復(fù)訓(xùn)練。通過(guò)獲取腳的受力狀態(tài)、腿部肌肉狀態(tài)和下肢關(guān)節(jié)狀態(tài)等人體的生物信息，協(xié)調(diào)重心控制系統(tǒng)和步態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，使之與人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相協(xié)調(diào)，獲得最佳訓(xùn)練效果[11]。1.2.2國(guó)外研究現(xiàn)狀隨著下肢康復(fù)機(jī)器人與康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)人的行走步態(tài)有了比較清楚的認(rèn)識(shí)，開(kāi)發(fā)出了一些符合人體康復(fù)需要的產(chǎn)品。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家研制出一種機(jī)器人稱為“伯克利末端外骨骼”（BLEEX）[8]，BLEEX包括可以牢牢地固定在使用者腳上但又不會(huì)和使用者摩擦的金屬支架，以及用來(lái)承載重物的背包式外架和動(dòng)力設(shè)備等，這種機(jī)器人除了可以幫助正常人增加負(fù)載能力外還可以幫助下肢殘疾的病人行走，一定程度上恢復(fù)下肢功能。日本筑波大學(xué)Cybernics實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家和工程師們，研制出了世界上第一種商業(yè)外骨骼機(jī)器人(HybridAssistiveLeg，HAL)[9]，準(zhǔn)確地說(shuō)，是自動(dòng)化機(jī)器人腿：“混合輔助腿”。這種裝置能幫助殘疾人以每小時(shí)4公里的速度行走，毫不費(fèi)力地爬樓梯。除HAL“混合輔助腿”外，日本還研制成功了一種全身性外骨骼機(jī)器人。神奈川理工學(xué)院研制的“動(dòng)力輔助服”[9]可使人的力量增加0.5-1倍，使用肌肉壓力傳感器分析佩戴者的運(yùn)動(dòng)狀況，通過(guò)復(fù)雜的氣壓傳動(dòng)裝置增加人的力量。這種裝置最初是為護(hù)士研制的，用來(lái)幫助她們照料體重較大或根本無(wú)法行走的病人?，F(xiàn)在已經(jīng)有殘疾人在這種機(jī)器人的幫助下實(shí)現(xiàn)了登山運(yùn)動(dòng)。美國(guó)NPH研究中心開(kāi)創(chuàng)了機(jī)器人系統(tǒng)量化步行能力和步態(tài)失調(diào)的研究領(lǐng)域，根據(jù)活動(dòng)依賴神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性，量化和評(píng)估模式肌電圖在步態(tài)等方面的作用，建立數(shù)學(xué)模型模擬的感覺(jué)運(yùn)動(dòng)障礙。1.3研究的主要內(nèi)容本文“足底驅(qū)動(dòng)式下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)”的研究目的是設(shè)計(jì)出一種可以治療由于心腦血栓導(dǎo)致偏癱的老人或下肢肢體神經(jīng)損傷的殘疾人進(jìn)行功能恢復(fù)訓(xùn)練的康復(fù)機(jī)器人，工作重點(diǎn)是機(jī)器人機(jī)械本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要考慮安全性、可靠性、嚴(yán)謹(jǐn)性，同時(shí)進(jìn)行了動(dòng)力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。課題內(nèi)容主要包括：（1）工作重點(diǎn)是機(jī)器人機(jī)械本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要考慮安全性、可靠性、嚴(yán)謹(jǐn)性；（2）步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，包括人體行走的步態(tài)、自由度的設(shè)計(jì)、基本參數(shù)的選取、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等；（3）機(jī)器人機(jī)械本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算，包括走步姿態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和減重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。第2章總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)確定2.1設(shè)計(jì)要求針對(duì)腦癱患者的步行康復(fù)訓(xùn)練，設(shè)計(jì)足底驅(qū)動(dòng)式下肢康復(fù)機(jī)器人足部驅(qū)動(dòng)裝置，要求：（1）能夠在減重50%的情況下帶動(dòng)患者腿部運(yùn)動(dòng)；（2）單個(gè)踏板包含3個(gè)自由度：足的前后、上下平動(dòng)，以及足的背屈、跖屈運(yùn)動(dòng)；（3）動(dòng)作范圍能夠滿足正常步態(tài)遠(yuǎn)動(dòng)范圍。2.2分析下肢康復(fù)機(jī)器人是對(duì)偏癱，下肢肢體神經(jīng)受損等病人進(jìn)行主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的自動(dòng)化機(jī)械裝置。它可以幫助患者進(jìn)行下肢肢體機(jī)能恢復(fù)性訓(xùn)練。而其訓(xùn)練時(shí)期分為以下三個(gè)時(shí)期：雙側(cè)下肢肢體支撐期，單側(cè)下肢肢體支撐期，擺動(dòng)期。2.3方案的選擇本設(shè)計(jì)的主要工作是設(shè)計(jì)出一個(gè)每條腿具有3個(gè)自由度的下肢康復(fù)機(jī)器人及其相應(yīng)的機(jī)構(gòu)框架和只具有一個(gè)自由度的減重機(jī)構(gòu)，然后綁在人的腰部和足底，分別帶動(dòng)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，從而訓(xùn)練相應(yīng)下肢肢體的肌肉，幫助使用者恢復(fù)的下肢運(yùn)動(dòng)功能，機(jī)構(gòu)模型如圖2.8。它由減重機(jī)構(gòu)、姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)平板等組成。圖2.1總體方案簡(jiǎn)圖2.3.1驅(qū)動(dòng)方案選擇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分為氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械式，本次考考慮要求精度高且要求靈活輕便，因此選用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。2.3.2關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的選擇每個(gè)關(guān)節(jié)都為旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)。而滾動(dòng)軸承傳動(dòng)具有摩擦阻力小，耗損功率少，啟動(dòng)容易等優(yōu)點(diǎn)，并且可以減小機(jī)構(gòu)體積。2.3.3減重機(jī)構(gòu)減重機(jī)構(gòu)由滑車內(nèi)的氣缸帶動(dòng)安全帶上下運(yùn)動(dòng)，安全帶上的力傳感器檢測(cè)安全帶上的力的變化，并根據(jù)力的變化調(diào)整減重氣缸的供氣壓力，使得氣缸提供一定數(shù)值的向上拉力，從而減重機(jī)構(gòu)也就起到了減重作用。2.4減重系統(tǒng)分析及相關(guān)計(jì)算（1）減重系統(tǒng)分析減重機(jī)構(gòu)可以承擔(dān)患者的一部分體重，減輕病腿的負(fù)荷，還可以調(diào)節(jié)人體的重心上下浮動(dòng)。減重機(jī)構(gòu)在人體行走時(shí)提供的是一個(gè)恒力，它由一個(gè)氣缸通過(guò)滑輪驅(qū)動(dòng)。如圖3.14所示，人體重量為m，氣缸提供的拉力為F0，R為作用在人體的剩余重力，。圖3.14減重示意圖設(shè)S為減重比例，則。人體行走時(shí)重心在豎直平面內(nèi)上下移動(dòng)，人體在豎直平面內(nèi)存在加速度。若F0不為恒力，則人體肌肉提供重心加速度的功不是最小。所以要使減重氣缸提供的力F0為恒力。（2）減重系統(tǒng)氣缸的選擇本設(shè)計(jì)中，S最小為0，則減重氣缸提供的最大拉力為。取氣缸的負(fù)載率，氣缸理論輸出力。由公式（3.6）、（3.7）及氣體壓力，取活塞桿徑，D為氣缸活塞直徑，計(jì)算出。選擇的氣缸參數(shù)為缸徑50mm，行程50mm。氣缸型號(hào)為DNG-50-50-PPV-A。2.5機(jī)架的設(shè)計(jì)機(jī)器中的各個(gè)機(jī)構(gòu)與部分零件都需要機(jī)架的支撐與外界隔開(kāi)，以免設(shè)備發(fā)生損傷或造成人身或設(shè)備安全事故‘鋼材焊接性能的優(yōu)劣決定于鋼中的含碳量，一般是含碳量低的鋼，其焊接性能優(yōu)于含碳量高的鋼。因?yàn)闄C(jī)架的粗糙度要求不高，支架比較側(cè)重于牢固程度上，所以支架一般都是用焊接的方法進(jìn)行加工的。常用鋼有16Mn，19Mn，20號(hào)鋼，20Cr等。又因?yàn)樗O(shè)計(jì)機(jī)架不好鑄造，所以選用焊接，50號(hào)鋼。2.6人體參數(shù)本設(shè)計(jì)的機(jī)械部分是要與人體接觸的，它的角度、長(zhǎng)度等的設(shè)計(jì)要借鑒人體的一些幾何參數(shù)，在零件的選擇和校核計(jì)算過(guò)程中也要用到這些參數(shù)，具體參數(shù)見(jiàn)表3.1。表2.1中國(guó)人員幾何統(tǒng)計(jì)表數(shù)據(jù)足小腿大腿質(zhì)量/kg0.8852.1968.497長(zhǎng)度/mm249376502質(zhì)心長(zhǎng)度/mm38224254腿圍/mm253355507考慮到本設(shè)計(jì)課題的參照對(duì)象是患有偏癱或下肢肢體神經(jīng)損傷的患者，所以確定各旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)為：髖關(guān)節(jié)向前伸展范圍為45，向后伸展為30；膝關(guān)節(jié)屈伸范圍為80；踝關(guān)節(jié)向上折屈范圍為30，向下伸展為30。角度范圍的選擇是根據(jù)第2章中青年男子在行走時(shí)關(guān)節(jié)活動(dòng)角度數(shù)據(jù)而定的。第3章足的背屈及跖屈機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1布置形式的確定足背屈及拓屈機(jī)構(gòu)部分是設(shè)計(jì)課題的重要組成部分，而其中的減速機(jī)更是該部件的關(guān)鍵一環(huán)。目前常用的減速機(jī)有多種結(jié)構(gòu)形式，主要分為蝸輪蝸桿式、行星齒輪式等2種。而我選用了蝸輪蝸桿式減速機(jī)。采用蝸輪蝸桿減速機(jī)，見(jiàn)圖3.1，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有如下兩大優(yōu)點(diǎn)：（1）實(shí)現(xiàn)大的傳動(dòng)比。在動(dòng)力傳動(dòng)中，一般傳動(dòng)比;在手動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)中，傳動(dòng)比可以達(dá)300；若只傳遞運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)比可以達(dá)1000由于傳動(dòng)比大，零件數(shù)目又少，因而結(jié)構(gòu)非常緊湊。（2）在蝸桿傳動(dòng)中，由于蝸桿齒是連續(xù)的螺旋齒，故它的蝸輪是逐漸進(jìn)入嚙合逐漸退出嚙合的，同時(shí)嚙合的齒數(shù)較多，故沖擊載荷小，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪音低。圖3.1減速機(jī)3.2蝸輪蝸桿材料的選擇由相關(guān)設(shè)計(jì)可得，蝸桿用45號(hào)鋼，渦輪用鑄錫青銅。為節(jié)省材料，齒圈材料為青銅，輪芯為HT150。且對(duì)渦輪進(jìn)行時(shí)效處理。3.3蝸輪蝸桿主要參數(shù)計(jì)算3.3.1設(shè)計(jì)要求普通圓柱蝸桿閉式傳動(dòng)，蝸桿轉(zhuǎn)速，扭矩，傳動(dòng)比.兩側(cè)工作，工作載荷平穩(wěn)無(wú)較大波動(dòng)，沖擊不大。要求工作壽命為5年，則使用壽命3.3.2選擇蝸桿傳動(dòng)類型根據(jù)GB10085-88的推薦，采用漸開(kāi)線蝸桿。傳動(dòng)比i介于之間，由表3.1可以確定蝸桿頭數(shù)。表3.1蝸桿頭數(shù)蝸輪齒數(shù)推薦值傳動(dòng)比i=z1/z25~87~1615~3230~83蝸桿頭數(shù)z16421渦輪齒數(shù)z230~4828~6430~6430~83蝸輪的齒數(shù)。當(dāng)傳遞動(dòng)力的時(shí)候，為保證傳動(dòng)平穩(wěn)性，應(yīng)不少于28。但過(guò)過(guò)大將使蝸輪尺寸增大，蝸桿跨距隨之增大，降低蝸桿的剛度，影響嚙合精度。通常取，一般不大于100。故取3.3.3蝸桿模數(shù)及分度圓直徑的確定蝸桿頭數(shù)=1蝸輪=30因載荷平穩(wěn)載荷系數(shù)K=1.1—1.3之間取故K=1.2表3.2錫青銅蝸輪許用接觸應(yīng)力[]蝸輪材料鑄造方法適用的滑動(dòng)速度V/(m.s)蝸桿齒面硬度45HRC>45HRCZCuSn10Pb1砂型金屬型1225150220180268ZCuSn5Pb5Zn5砂型金屬型1012113128135140（3.1）經(jīng)查表3.3可以知m=2.5q=11.2=28表3.3普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的基本尺寸和參數(shù)模數(shù)m/mm分度圓直徑d/mm直徑系數(shù)q蝸桿頭數(shù)Md/mm模數(shù)m/mm分度圓直徑d/mm直徑系數(shù)q蝸桿頭數(shù)Md/mm11818.0001186.3(80)12.6981,2,431751.252016.000131.2511217.7781444522.417.9201358(63)7.8751,2,440321.62012.5001,2,451.28010.0001,2,4,653762817.500171.68(100)12.5001,2,464002(18)9.0001,2,47214017.5001896022.411.2001,2,4,689.610(71)7.1001,2,47100(28)14.0001,2,4112909.0001,2,4,6900035.517.7501142(112)11.2001,2,4112002.5(22.4)8.9601,2,414016016.0001160002811.2001,2,4,617512.5(90)7.2001,2,414062(35.5)14.0001,2,4221.91128.9601,2,4175004518.0001281(140)11.2001,2,4218753.15(28)8.8891,2,427820016.00013125035.511.2701,2,4,635216(112)7.0001,2,4286724514.2861,2,4447.51408.7501,2,4358405617.7781556(180)11.2501,2,4460804(31.5)7.8751,2,450425015.6251560004010.0001,2,4,664020(140)7.0001,2,456000(50)12.5001,2,48001608.0001,2,4640007117.74011136(224)11.2001,2,4896005(40)8.0001,2,4100031515.75011260005010.0001,2,4,6125025(180)7.2001,2,4112500(63)12.6001,2,415752008.0001,2,41250009018.00012250(280)11.2001,2,41750006.3(50)7.9361,2,4198540016.00012500006310.0001,2,4,625003.3.4蝸輪及蝸桿幾何尺寸的確定（1）蝸桿蝸桿分度圓直徑齒頂圓直徑齒頂高齒根高頂隙蝸輪分度圓柱的導(dǎo)程角中心距蝸桿齒寬（2）蝸輪蝸輪分度圓直徑齒頂圓直徑齒根圓直徑齒頂高齒根高蝸輪齒寬的時(shí)候3.4蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核=YY[]（3.2）Y——螺旋角影響系數(shù),Y=1-；Y——蝸輪齒形系數(shù)，按當(dāng)量齒數(shù)z=z/cos查?。籟]——蝸輪的許用彎曲應(yīng)力，單位為。Y=1-=1-=0.94z==30.35914403經(jīng)查表3-4可以知，Y=2.52表3.4齒形系數(shù)及應(yīng)力修正系數(shù)z17181920212223242526272829Y2.972.912.852.82.762.722.692.652.622.62.572.552.53Y1.521.531.541.551.561.571.5751.581.591.5951.61.611.62z303540455060708090100150200Y2.522.452.42.352.322.282.242.222.22.182.142.122.06Y1.6251.651.671.681.71.731.751.771.781.791.831.8651.97應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N==60114600=35332000壽命系數(shù)K==0.85由表3.5查得[]=40MPa[]=[]K=0.8540=34表3.5蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力[]蝸輪材料鑄錫磷青銅ZCu5nlOP1鑄錫鉛鋅青銅ZCuSn5Pb5Zn5鑄造鋁鐵青銅ZCuAlloFe3灰鑄鐵HT150HT200鑄造方法砂模鑄造金屬模制造砂模鑄造金屬模鑄造砂模鑄造金屬模鑄造砂模鑄造單側(cè)工作4056263280904048雙側(cè)工作2940222657642834=YY（3.3）=2.520.964=31.39<[]3.5軸的設(shè)計(jì)及軸承選擇3.5.1軸的概述軸類主要分為3類：心軸，轉(zhuǎn)軸，傳動(dòng)軸。且心軸細(xì)分為固定心軸與轉(zhuǎn)動(dòng)心軸。3.5.2轉(zhuǎn)動(dòng)軸的設(shè)計(jì)由材料力學(xué)可以知，實(shí)心圓軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為==[]（3.4）由此得軸的基本直徑的估算式=（3.5）式中d——軸的估算基本直徑（mm）——軸的扭矩切應(yīng)力（）T——軸傳遞的轉(zhuǎn)矩（N.mm）P——軸傳遞的功率（KW）n——軸的轉(zhuǎn)速（r/min）W——軸的抗扭截面系數(shù)（mm）。對(duì)實(shí)心圓軸，W=d/160.2d[]——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力（）C——計(jì)算常數(shù)，取決于軸的材料及受載情況，見(jiàn)表3.6。表3.6軸常用材料的C值軸的材料Q235.20Q275.354540Cr.35SiMnC126-149112-135103-12697-112i==30=n=40r/minP===0.155KW轉(zhuǎn)向軸選用45鋼，正火處理，估計(jì)直徑d<100mm,由表4.2查的=600MPa，查表3.6，取C=118。dC=118=18.53mm表3.7軸的常用材料及主要力學(xué)材料及熱處理毛坯直徑/mm硬度（HBS）抗拉強(qiáng)度屈服點(diǎn)彎曲疲勞極限應(yīng)用說(shuō)明Q235-A430235175用于不重要或載荷不大的軸35正火100143-187520270250有好的塑性和適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，可以做一般曲軸.轉(zhuǎn)軸等35調(diào)質(zhì)100163-20756030026545正火100170-217600355260用于較重要的軸，應(yīng)用最廣泛45調(diào)質(zhì)200217-22565036027040Cr調(diào)質(zhì)25241-286980785480用于載荷較大而無(wú)非常大沖擊的重要的軸100735540350>100-30068049032040MnB調(diào)質(zhì)25207980785480性能接近于40Cr，用于重要的軸200241-28675050033535CrMo調(diào)質(zhì)100207-269735540350用于重載荷的軸20Cr滲碳淬火回火15表面50-60HRC835540370用于要求強(qiáng)度.韌性及耐磨性均較高的軸60635390280第一軸段軸徑為20，軸長(zhǎng)為38第二軸段放軸承軸徑為25，軸長(zhǎng)為16第三軸段軸徑為25，軸長(zhǎng)為12第四軸段軸徑為26，軸長(zhǎng)為38第五軸段軸徑為25，軸長(zhǎng)為12第六軸段放軸承軸徑為25，軸長(zhǎng)為183.5.3轉(zhuǎn)動(dòng)軸的校核(1)繪制軸承受力簡(jiǎn)圖（圖a）(2)繪制垂直面彎矩圖（圖b）軸承支反力：F===118.142F=F+F=-358.729+118.142=-240.587截面C右側(cè)彎矩M=F.=240.587=9262.5995截面C左側(cè)彎矩M=F.=118.142=4548.467（3）繪制水平彎矩圖（圖C）軸承支反力：F=F===492.8截面C處的彎矩：M=F=492.8=18972.8(4)繪制合成彎矩圖（圖d）M===21113.09758M===19510.39958(5)繪制轉(zhuǎn)矩圖（圖e）(6)繪制當(dāng)量彎矩圖（圖f）轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的扭剪應(yīng)力按脈動(dòng)循環(huán)變化，取a=0.16截面C處的當(dāng)量彎矩力M===30619.24012校核危險(xiǎn)截面C的強(qiáng)度===9.34<55MPa強(qiáng)度足夠圖3.2轉(zhuǎn)向軸的受力圖和彎矩圖3.5.4蝸桿軸的設(shè)計(jì)蝸桿用45號(hào)鋼，正火處理硬度為170-217HBS。蝸桿軸的基本直徑估計(jì)<100mm由表3.7查得=600mm查表4.1取C=118D=C=118=6.714mmP===0.221KW因蝸桿齒根圓直徑d大于軸徑d故選用車制蝸桿軸徑所求d為最小軸徑，因?yàn)樵撎庨_(kāi)一鍵槽應(yīng)將該軸段直接增大3%—7%即d=6.7141.19=8mm放軸承位置的軸徑定為20，退刀槽徑為20，退刀槽長(zhǎng)度為12，蝸桿齒寬為32。選取A型鍵公稱尺寸bh=44[]=120MPa=[]（3.6）l==1.833式中T——傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位N.mmd——軸的直徑，單位mml——鍵的接觸長(zhǎng)度，單位mmK——鍵及輪轂接觸高度，Kh/2,單位mm——許用擠壓應(yīng)力，單位為MPa故l=6,L=103.5.5蝸桿軸的校核F===125.71F===985.6F=Ftan=985.6tan20=358.729(1)繪制軸受力簡(jiǎn)圖（圖a）(2)繪制垂面彎矩圖（圖b）軸承支反力F===-11.09F=F-F=358.729-11.09=347.639計(jì)算彎矩：截面C右側(cè)彎矩M=F=247.639=1453.199M=F=11.09=454.69(3)繪制水平面彎矩圖（圖c）軸承支反力：F=F===62.855截面C處的彎矩M=F=62.855=2577.005(4)繪制合成彎矩圖（圖d）M===14484.29819N.mmM===2616.8598(5)繪制轉(zhuǎn)矩圖（圖e）(6)繪制當(dāng)量彎矩圖（圖f）轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的扭剪應(yīng)力按脈動(dòng)循環(huán)變化，取=0.6，截面C處的當(dāng)量彎矩為M====14522.74182（7）校核危險(xiǎn)截面C的強(qiáng)度===4.04<55MPa強(qiáng)度足夠圖3.3蝸桿軸的受力圖和彎矩圖3.5.6軸承的選取球軸承的抗沖擊能力弱，極限轉(zhuǎn)速較高，價(jià)格便宜，且當(dāng)徑向載荷比軸向載荷大非常多或要求軸向變形小的時(shí)候，可以先用軸向接觸軸承和徑向接觸軸承組合形式，分別承受軸向和徑向載荷較為合理。故選軸承為7204AC對(duì)稱布置。3.5.7軸承的校核軸傳送的轉(zhuǎn)矩T=1.761000=1760N.mm求軸上力F===125.71429F===985.6F=Ftan=985.6tan20=358.7290629根據(jù)豎直方向力的平衡公式以及合力矩為0，可以知F=F+F-42F+84F=0F=179.36F=179.36表3.8角接觸軸承的內(nèi)部軸向力F軸承類型角接觸球軸承圓錐滾子軸承70000C(=15)70000AC(=25)70000B(=40)7000F0.63F1.14FF/(2Y)由表3.8可以得：70000AC軸承的內(nèi)部軸向力F=0.63FF=0.63F=0.63179.36=112.9968F=0.63F=0.63179.36=112.9968計(jì)算軸向載荷F和F因F+F=112.9968+985.6=1098.5968>F故可以判定軸承2為壓緊端，軸承1為放松端。兩端軸承的軸向載荷F=F=112.9968F=F+F=1098.5968求系數(shù)X和YF/F==0.63F/F==6.125F/Fe的時(shí)候X=1，Y=0而F/F>e的時(shí)候X=0.41，Y=0.87由表3.9可以知載荷系數(shù)f=1.3表3.9載荷系數(shù)f載荷性質(zhì)及其舉例f無(wú)沖擊或輕微沖擊電機(jī)，汽輪機(jī)，水泵，通風(fēng)機(jī)1.0—1.2中等沖擊振動(dòng)車輛，機(jī)床，傳動(dòng)裝置，起重機(jī)，內(nèi)燃機(jī)，減速器1.2—1.8強(qiáng)大沖擊振動(dòng)破碎機(jī)，軋鋼機(jī)，石油鉆機(jī)，振動(dòng)篩1.8—3.0因p>P取p=p=1338.11N.球軸承=3軸承C=14000NL=（）=（）=15778.22h>14600h故該對(duì)軸承滿足預(yù)期壽命要求。第4章足的前后及上下平動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1前后平動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1.1受力分析P驅(qū)=P慣+P摩+P密在此估算所有參與臂部前后運(yùn)動(dòng)零件的總質(zhì)量為=20Kg（1）P慣-手臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的慣性力因演示系統(tǒng)對(duì)速度沒(méi)有嚴(yán)格的要求,故可設(shè)正常運(yùn)動(dòng)速度V=0.005m/s,設(shè)0.1秒加速到正常運(yùn)動(dòng)速度則啟動(dòng)加速度a=0.05(m/s2)所以（2）P摩-摩擦阻力矩（3）P密-本系統(tǒng)對(duì)密封并無(wú)嚴(yán)格要求,故忽略不計(jì)所以P驅(qū)=P慣+P摩+P密=1+47.02=48.024.1.2電機(jī)及絲杠選擇在根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),知螺旋副公稱值為T(mén)26×4即中徑d=26mm螺距t=4mm牙形角α=30°所以中徑d2=d-0.5t=26-0.5×4=24mm，螺紋頭數(shù)n=1所以，當(dāng)量摩擦角摩擦角由此可知摩擦力和慣性立力共同產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為現(xiàn)在考慮絲杠及其附帶零件所產(chǎn)生的慣性矩現(xiàn)在考慮絲杠及其附帶零件可以看作是半徑24mm質(zhì)量1.5千克的光軸,起轉(zhuǎn)動(dòng)慣量絲杠角速度啟動(dòng)時(shí)間為0.1秒則絲杠產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩所以電機(jī)驅(qū)動(dòng)最小力矩為根據(jù)實(shí)際需要和整體布局,要選大點(diǎn)的電機(jī)使臂部平衡,綜合選擇90BF003型步進(jìn)電機(jī)。4.2上下平動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2.1受力分析由臂部結(jié)構(gòu)的重量，人體的重量將在A、B兩點(diǎn)形成壓力N1、N2，從而形成摩擦力F1和F2,而電機(jī)提供的力矩應(yīng)能克服F1\F2臂部所有結(jié)構(gòu)的重量。由力矩平衡得：估算所以,)所以加在螺母上的全部軸向力考慮啟動(dòng)時(shí)的慣性力、震動(dòng)和機(jī)構(gòu)效率的影響，其實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力其中K1——安全系數(shù)，取K1=1.2V～1.6K2——工作情況系數(shù)，取K2=1+a/ga:機(jī)構(gòu)的加速度η——機(jī)械效率取η=0.85所以驅(qū)動(dòng)力矩為4.2.2升降電機(jī)及絲杠選擇（1）根據(jù)上述驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算結(jié)果，查閱資料，選用55BF003型步進(jìn)電機(jī)可滿足要求。（2）校核螺旋副的自鎖性。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，公稱尺寸,梯形螺紋牙型角,螺距,中徑螺旋副為鋼——青銅，取摩擦系數(shù)所以，當(dāng)量摩擦角摩擦角，滿足自鎖條件?？偨Y(jié)通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我學(xué)到了非常多東西，首先在軟件方面使我對(duì)CAD當(dāng)中的二維繪圖，圖層管理，文本輸入，圖形標(biāo)注，這些命令有了更深一步的認(rèn)識(shí)，同的時(shí)候還使我學(xué)會(huì)了許多快捷方式。其次，使我對(duì)蝸輪蝸桿減速器當(dāng)中的一些部件有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，使我對(duì)減速器設(shè)計(jì)的思路變的更加清晰。再次，再對(duì)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)當(dāng)中使我學(xué)會(huì)如何變位來(lái)防止根切，同的時(shí)候?qū)X輪轉(zhuǎn)向器工作原理有了進(jìn)一步的了解。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是車輛不可以或缺的一部分，其技術(shù)已經(jīng)成熟，但對(duì)于我們還沒(méi)有踏出校門(mén)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，其中的設(shè)計(jì)理念還是非常值得我們?nèi)ヌ接?，學(xué)習(xí)的。參考文獻(xiàn)【1】張付祥，付宜利，王樹(shù)國(guó)．康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀[J]．河北工業(yè)科技，2005，22（2）：100-105．【2】杜志江，孫傳杰，陳艷寧．康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀[J]．中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志，2003，18（5）：293-294．【3】黃靖遠(yuǎn)，劉宏增等，“虛擬現(xiàn)實(shí)”康復(fù)工程前景初探.生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志