第頁遼某骨盆復(fù)位機器人的末端執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計與分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u15446某骨盆復(fù)位機器人的末端執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計與分析案例 144281.1外固定架設(shè)計 1211261.2末端機械臂的校核計算 539591.3快速連接件的強度校核 10214991.4機器人底座連接件的強度校核 14機器人的末端的執(zhí)行機構(gòu)就是外固定架，外固定架在手術(shù)中起到一個橋梁的作用，一端連接患側(cè)位骨盆，另一側(cè)連接機器人。機器人所提供的復(fù)位力都是通過外固定架來傳動，來使骨盆進行復(fù)位操作。因此需要對外固定架結(jié)構(gòu)上一部分連接件進行強度校核，以保證外固定架的使用壽命。1.1外固定架設(shè)計由于骨盆是人體骨架結(jié)構(gòu)的中樞，還為人體許多重要臟器提供了一個安全穩(wěn)定的容納空間。因此骨盆一旦發(fā)生骨折，人體的正常活動就會受到極大的影響，嚴重者會危害其生活。綜合骨盆骨折的臨床表現(xiàn)，根據(jù)暴力來源不同，骨盆骨折的形式是多種復(fù)雜錯位的結(jié)果。骨盆骨折斷裂處的發(fā)生相對于健側(cè)是有平移錯位和旋轉(zhuǎn)錯位。平移錯位一般分為前移、后移、上移、下移、擠壓和分離。旋轉(zhuǎn)復(fù)位一般分為前傾、內(nèi)翻、擠壓扭轉(zhuǎn)和分離扭轉(zhuǎn)等運動。因此骨盆骨折的復(fù)位是一個多自由度的運動過程。由于骨盆的骨折的平移錯位和旋轉(zhuǎn)的種類有很多，而對于患側(cè)位的骨盆骨折固定情況都是通過使用外固定架與骨盆固定針之間的配合來進行固定的。因此本課題就是研究如何對這兩個骨盆固定針進行外固定。由于骨盆骨折的骨盆固定針的四個入針位置都是髂骨附近，因此在選擇好固定針的入針位置后，兩個骨盆固定針之間的相對位置就確定了。由于A線和B線的入針角度相對水平面來說比較大，C線和D線的入針角度相對水平面來說比較小。本課題通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，這兩種不同入針角度中骨盆固定針都具有一系列共同的法平面，在一個相同的法平面內(nèi)，兩個固定針分布比較基中。其中一根固定針對于不同類型的骨盆骨折中位移量相對來說比較少，大部分都集中于一個小平面上。而另外一個固定針在不同骨盆骨折情況中，其位置的大致變化也只在一個平面內(nèi)進行位移的變化?；谏鲜銮闆r分析本課題確定了一種骨盆外固定架設(shè)計方式。骨盆固定針固定在醫(yī)用外向節(jié)上，通過醫(yī)用萬向節(jié)來調(diào)節(jié)骨盆固定針的角度。通過醫(yī)用萬向節(jié)在水平滑軌上移動，來調(diào)節(jié)骨盆固定針的固定位置。目前，骨盆骨折復(fù)位手術(shù)過程中，醫(yī)師大部分使用外固定的方式來固定和復(fù)位骨折骨盆。使用外固定的方式固定和復(fù)位骨盆，可以在術(shù)前CT檢查中保證健側(cè)位與患側(cè)位的相對位姿，方便醫(yī)師在手術(shù)過程中對骨盆進行復(fù)位。外固定架還可以很好處理骨折復(fù)位過程中所需的各種平移錯位和旋轉(zhuǎn)錯位?；谕夤潭ǚ绞降膬?yōu)點，本課題設(shè)計了一款外固定骨盆的裝置，該裝置可以很好為機器人復(fù)位骨盆時，對骨盆進行固定作用。骨盆外固定架由如圖3-2所示。它通過兩個部分組成：一是移動導(dǎo)軌；二是本體結(jié)構(gòu)。圖3-1外固定架外固定架的設(shè)計要根據(jù)骨盆骨折復(fù)位過程中骨盆固定針的入針位置有關(guān)，由于骨盆骨折大部分都是骶髂關(guān)節(jié)和恥、坐骨連接處斷裂。因此對于一個骨盆固定針的位置是固定的，根據(jù)其骨盆大小和受傷情況進行小范圍內(nèi)的移動，這完全可以用醫(yī)用萬向節(jié)自身的旋轉(zhuǎn)和外固定架的移動來解決。另外一根骨盆固定針的入針位置則需要考慮病情嚴重情況來選擇入針位置，因此骨盆固定針需要大范圍的位移和選擇。直線導(dǎo)軌選擇的是RGH-CA╱RGH-HA滾柱式直線導(dǎo)軌型號，該型號如圖3-3所示的直線導(dǎo)軌的運動空間為0~350mm。由于成年人的骨盆在側(cè)臥狀態(tài)下，當(dāng)上腿伸直，下腿屈曲時，骨盆的恥骨聯(lián)合上中點至第5腰椎棘突下之間一定距離，可以準確的測出骨盆的前后徑的大小和長度，正常數(shù)據(jù)一般在18～20cm左右。圖3-2RGH-CA╱RGH-HA滾柱式直線導(dǎo)軌外固定架的長度就超過40cm，直線導(dǎo)軌的最常用的方式就是用來調(diào)節(jié)固定在外固定架上的醫(yī)用萬向節(jié)位置的。醫(yī)用萬向節(jié)，萬向節(jié)本身具備兩個轉(zhuǎn)動副，但是醫(yī)用萬向節(jié)需要在兩個導(dǎo)軌上移動，因此根據(jù)其運動規(guī)律和設(shè)計要求。設(shè)計了如下的醫(yī)用萬向節(jié)，如圖3-4所示。圖3-3醫(yī)用萬向節(jié)骨盆固定針是可以在醫(yī)用萬向節(jié)上進行調(diào)節(jié)的，其位置的固定也是通過鎖緊螺栓對固定針進行固定，防止其旋轉(zhuǎn)。骨盆復(fù)位架的水平運動是通過一個直線導(dǎo)軌的長度和滑塊大小來決定外固定架移動距離的。通過直線導(dǎo)軌的運動可以是外固定架來適應(yīng)不同年齡段和不同膚色下骨盆的大小。醫(yī)用萬向節(jié)在外固定架上固定的位置不同，方便了骨盆固定針和髂內(nèi)釘之間的空間位置關(guān)系，是其適合四種髂內(nèi)釘?shù)娜脶敺绞?，更加方便的去固定骨盆。骨盆固定針通過醫(yī)用萬向節(jié)與骨盆外固定架相連，通過鎖死螺栓分別使醫(yī)用萬向節(jié)與外固定架和骨盆固定針固定。醫(yī)用萬向節(jié)在骨盆外固定架上的旋轉(zhuǎn)角度并不是360度，這樣就可以有效的避免骨盆固定針與骨盆之間的有其他都連接位置。骨盆固定針可以在萬向節(jié)上調(diào)節(jié)長度和方向，方便骨盆固定針與骨盆相連。骨盆外固定架由四部分組成：直線導(dǎo)軌、快接裝置、醫(yī)用萬向節(jié)和固定架。如圖3-1所示。圖3-4外固定架由于對一側(cè)的骨盆需要兩個骨盆固定針進行連接，只有在確定一個骨盆固定針在骨盆上的固定位置，才方便和快捷的去尋找第二個骨盆固定區(qū)域。由于每個年齡段和膚色情況下骨盆的大小是不太一樣的，因此固定再外固定架上的醫(yī)用萬向節(jié)的調(diào)整是通過直線導(dǎo)軌來進行調(diào)節(jié)的。其入針角度則是通過鎖緊螺母與萬向節(jié)之間都相互配合來實現(xiàn)的。骨盆固定針是兩邊喂圓柱型，中間為方形，兩段進都行磨砂處理。磨砂表面可以增大手與骨盆固定針之間的接觸面積，使其在固定使更加牢固。中間方形設(shè)計，其本質(zhì)是就是為了使骨盆固定針在萬向節(jié)上的固定更加牢固安穩(wěn)。方形設(shè)計還可以避免骨盆固定針在固定完骨盆后固定針發(fā)生旋轉(zhuǎn)，避免造成骨盆復(fù)位過程中的二次傷害。1.2末端機械臂的校核計算機器人與末端機械臂連接時，是通過螺栓連接的。因此螺栓的大小和強度影響到末端機械臂的使用壽命。因此需要對該地方的螺栓進行校核，驗證螺釘?shù)膹姸仁欠駶M足其使用要求。此處的螺栓是使用了4個M5和一個M6的螺栓，由于五個螺栓的位置不是均勻分布的，按照普通的理論計算不好計算。因此，我通過測試使用了在solidworks中基于Simulation的一種靜力學(xué)仿真功能對該連接件的整體結(jié)構(gòu)進行有限元分析。得到了應(yīng)力、位移、應(yīng)變圖像,如圖3-5、6、7所示。圖3-5快插設(shè)備應(yīng)力分析表3-1應(yīng)力表最小最大2.367e+02N/m^2節(jié):28916.060e+06N/m^2節(jié):13386圖3-6快插設(shè)備位移分析表3-2位移表最小最大0.000e+00mm節(jié):14.820e-04mm節(jié):46091圖3-7快插設(shè)備應(yīng)變分析表3-3應(yīng)變表最小最大1.236e-09單元:111511.602e-05單元:23375螺栓的受力情況如下表所示M5的螺栓的受力情況與安裝位置：螺栓安裝過程中給定的預(yù)緊力為0.05N.m：泊松比為：0.28。其受力情況如下表所示。由于這五個螺栓的安裝位置不是均勻分布，因此每個螺栓之間的受力情況是不一樣的。分析每個螺栓的受力情況，才能得出是否滿足其設(shè)計要求。這兩個M5的螺栓位置為M6螺栓的對側(cè)，其安裝情況如圖3-8和3-9所示，在工作過程中受到的軸向力和擠壓力應(yīng)該是整個工作件中受力情況最明顯的。其受力情況如表3-4和表3-5所示。圖3-8一號螺栓的安裝位置圖3-9二號螺栓的安裝位置表3-4一號螺栓的受力情況類型X-分量Y-分量Z-分量合力軸心力(N)00-41.31241.312抗剪力(N)0.0018708-0.002134300.0028382折彎動量(N.m)2.2445e-056.7029e-0602.3424e-05表3-5二號螺栓的受力情況類型X-分量Y-分量Z-分量合力軸心力(N)00-42.01242.012抗剪力(N)0.002550.002853800.0038271折彎動量(N.m)-2.8276e-051.3035e-0501.1136e-05這兩個M5的螺栓安裝位置是與M6螺栓安裝在同側(cè)，其安裝位置如圖3-10和3-11所示。由于一側(cè)有三個螺栓，三個螺栓的型號不太一樣，因此在研究其受力情況的時候比較復(fù)雜。其主要的軸向力和剪切力都不太一樣。這兩個螺栓的主要受力情況如表3-6和表3-7所示。圖3-10三號螺栓的安裝位置圖3-11四號螺栓的安裝位置表3-6三號螺栓的受力情況類型X-分量Y-分量Z-分量合力軸心力(N)00-5.04465.0446抗剪力(N)0.0034436-0.001569300.0037843折彎動量(N.m)1.7215e-052.1134e-0502.7258e-05表3-7四號螺栓的受力情況類型X-分量Y-分量Z-分量合力軸心力(N)00-1.40551.4055抗剪力(N)-0.0022915-7.496e-0500.0022927折彎動量(N.m)5.454e-07-1.5919e-0501.5923e-05M6的螺栓安裝位置和其受力情況M6的螺栓安裝在兩個M5螺栓之間，其安裝如圖3-12所示。其主要的主要的作用就是防止工作件在受到軸向力和剪切力的同時，能夠保證零件能夠平穩(wěn)的貼合在其表面，因此其受力情況如表3-8所示。圖3-12五號螺栓的安裝位置表3-8五號螺栓的受力情況類型X-分量Y-分量Z-分量合力軸心力(N)00-41.32241.322抗剪力(N)0.00333570.001155100.0035301折彎動量(N.m)-1.4109e-051.9685e-0502.4219e-05由五個螺栓的軸向力和抗剪力可以得出，螺栓的大小和型號滿足設(shè)計要求。1.3快速連接件的強度校核快速連接件是連接外固定架與機器人的之間的橋梁，它通過螺釘進行固定。由于連接件需要一定的承受橫向工作載荷。接合面上的連接預(yù)緊力所產(chǎn)生的摩擦力可以用來均勻地平衡外部載荷。其橫向載荷F由于該螺栓使用的是一般螺栓進行連接，在這種情況下，螺栓連接時主要是通過接合面的摩擦力來平衡外載荷，因此該螺釘只受預(yù)緊力。根據(jù)相應(yīng)的力平衡關(guān)系得：(3-1)每個螺栓所需的預(yù)緊力為：(3-2)式3-2中f——接合面的摩擦因數(shù),見表3-9m——接合面數(shù)z——螺栓數(shù)Kf——可靠性系數(shù)，一般K表3-9連接接合面間的摩擦因數(shù)f被連接件接合面的表面狀態(tài)f鋼或鑄鐵零件干燥的機加工表面0.10～0.16有油的機加工表面0.06～0.10鋼結(jié)構(gòu)件經(jīng)噴砂處理0.45～0.55涂鋅漆0.35～0.40軋制、經(jīng)鋼絲刷清理浮銹0.30～0.35鑄鐵對磚、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，連接部件預(yù)緊后，不管是否有無外部載荷FR,螺栓在工作時所受的力都保持不變，始終為F即：F螺栓只有在工作時才承受橫向載荷F'(3-3)即：此外，在擰緊螺栓時，螺栓還受到摩擦力矩的作用。螺栓受剪切面的抗剪剖面模量影響。因此，螺桿截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為：(3-4)其中：(3-5)(3-6)即：(3-7)對于常用的鋼制普通螺栓，d2≈1.1d1、??????????????????????????.????????4??????????????????????????.????????4表3-10普通螺栓緊連接的許用應(yīng)力和安全系數(shù)載荷情況許用應(yīng)力不控制預(yù)緊力時S控制預(yù)緊力時直徑材料M6～M16M16～M30不分直徑靜載荷碳鋼5～44～2.51.2～1.5合金鋼5.7～55～1.4變載荷按最大應(yīng)力碳鋼12.5～8.58.5合金鋼10～6.86.8按循環(huán)應(yīng)力幅=2.5～4=1.5～2.5查表3-10可得：σ其中[σ]為緊連接螺栓材料的許用拉應(yīng)力。即：表3-11螺栓許用切應(yīng)力及許用擠壓應(yīng)力螺栓的許用切應(yīng)力[τ]靜載荷變載荷螺栓或連接件的許用擠壓應(yīng)力[τ]靜載荷鋼鑄鐵靜載荷較靜載荷時減少20%～30%查表3-11可得：[τ]=其中[τ]為緊連接螺栓材料的許用擠壓應(yīng)力。即：滿足螺栓的使用要求。1.4機器人底座連接件的強度校核由于機器人的底座整個機器人的受力最大的地方,受到的傾覆載荷也是整個機器系統(tǒng)中最大。因此，需要對此的連接處的連接件進行強度校核，看是否滿足其強度要求。由于末端機器臂的位置相對于底座構(gòu)成了一個三角形。以底座為坐標(biāo)原點，可以得到末端機械手的二維坐標(biāo)（500，400）,構(gòu)成的角度?=arctan(400/500)=38.66°。已知末端機械的負載為Fp=300N由于底座與機器人是采用的普通螺栓連接，螺栓數(shù)目z=4。分析螺栓組連接兩個整體部件之間的工作載荷，其中外力FP方向是傾斜的，可以外力F橫向載荷：