1、機械手-人體下肢外骨骼康復機器人設(shè)計-說明書 摘 要 康復機器人技術(shù)則是近年來迅速發(fā)展的一門新興機器人技術(shù),是機器人技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域的新應用;目前康復機器人已成為國際社會研究的熱點之一。本課題主要研究的下肢外骨骼康復機器人的設(shè)計。 本文介紹了下肢康復機器人國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和應用情況,進行了下肢外骨骼康復機器人的總體方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計,和總體控制方案設(shè)計,并對重要零件進行校核。本設(shè)計下肢外骨骼康復機器人共有5個自由度,其中每一條機械腿上有2個關(guān)節(jié)(2個自由度)模仿人體腿上的膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)和一個用于減重的減重系統(tǒng)(包括1個自由度)。此系統(tǒng)能用于腦損傷、中風等病人的步態(tài)康復訓練,幫助病人更好地進行康復訓

2、練,減輕他人的幫助,提高效果。關(guān)鍵詞:康復訓練,機器人,下肢外骨骼ABSTRACT The rehabilitation robot technology is a new robot technology developed rapidly recently, which is a new application in medical fields of robot technology. Currently the research on rehabilitation robot has been one of the focuses in the International Societ

3、y. The rehabilitation robot technology is a synthesis of many subjects, which covers mechanics, electronics, control and rehabilitative medicine and so on; it has been a typical representation of the mechatronics research. The main research of this paper is based on the attitude control gait rehabil

4、itation training system design. In this paper, lower extremity rehabilitation and development of robot applications at home and abroad, lower extremity exoskeleton training robot's overall program design, structural design, design and overall control; gait training on the robot for three-dimensi

5、onal modeling, and important parts to check. The robot gait training has a total of five degrees of freedom, each of which a mechanical leg joints have two 2 DOF to imitate human knee, hip and a weight relief for weight relief system including a degree of freedom. The system can be used for brain in

6、jury, stroke, and to help patients better rehabilitation training, and meets the needs of different groups of peopleKey words:rehabilitation training, robot, lower extremity exoskeletons 目 錄1 緒論1.1 概述1.2 康復機器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3 本課題主要研究內(nèi)容1.4 本章小結(jié)2 總體方案選擇與論證2.1 步態(tài)分析2.2 方案的選擇2.2.1 自由度的選擇2.2.2 基本參數(shù)的選取2.2.3 驅(qū)動器

7、的選擇2.2.4關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的選擇2.2.5連桿結(jié)構(gòu)的選擇2.2.6腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計2.2.7減重機構(gòu)設(shè)計2.2.8整體結(jié)構(gòu)設(shè)計2.3 本章小結(jié)3 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算3.1 人體參數(shù)3.2 各關(guān)節(jié)運動分析3.2.1 膝關(guān)節(jié)的運動分析3.2.2髖關(guān)節(jié)的運動分析3.3 關(guān)節(jié)力矩分析3.4 具體結(jié)構(gòu)設(shè)計3.4.1 關(guān)節(jié)機構(gòu)的選擇3.4.2 連桿機構(gòu)的選擇3.4.3 腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計3.4.4減重機構(gòu)3.4.5整體結(jié)構(gòu)設(shè)計3.5 部分重要零件的設(shè)計與校核3.5.1軸承的選擇及校核3.5.2連桿的計算及校核3.5.3雙頭螺柱的校核3.6 本章小結(jié)4 驅(qū)動部件的計算與選型4.1 滾珠絲杠螺母副的計算與選型4.1.1

8、髖關(guān)節(jié)滾珠絲杠副的計算與選型4.1.2膝關(guān)節(jié)滾珠絲杠副的計算與選型4.2 直流伺服電機的計算與選型4.2.1髖關(guān)節(jié)直流伺服電機的計算與選型4.2.2膝關(guān)節(jié)直流伺服電機的計算與選型4.3 同步帶的計算與選型4.3.1髖關(guān)節(jié)同步帶的計算與選型4.3.2膝關(guān)節(jié)同步帶的計算與選型4.4 本章小結(jié)5 控制系統(tǒng)的設(shè)計5.1 控制系統(tǒng)的方案選取5.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計5.2.1電源配置設(shè)計5.2.2常用存儲器及擴展電路設(shè)5.2.3數(shù)據(jù)存儲器的設(shè)計5.2.4 D/A轉(zhuǎn)換器接口電路設(shè)計5.2.5譯碼器的設(shè)計5.2.6上位機的連接設(shè)計5.3 控制流程的設(shè)計5.4 本章小結(jié)6 結(jié)論7 參考文獻8 致謝1 緒論 據(jù)報道

9、,我國60歲以上的老年人已有1.43億,占全國人口的11%,到2050年將達到4.37億。在老齡人群眾中有大量的腦血管疾病或神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者,這類患者多數(shù)伴有偏癱癥狀。近年由于患心腦血管疾病使中老年患者出現(xiàn)偏癱的人數(shù)不斷增多,而且在年齡上呈現(xiàn)年輕化趨勢。同時,由于交通運輸工具的迅速增長,因交通事故而造成神經(jīng)心痛損傷或者肢體損傷的人數(shù)也越來越多。在美國數(shù)以百萬計的有神經(jīng)科疾病病史和受到過意外傷害的患者需要進行康復治療,僅以中風為例,每年大約有600000中風幸存者,其中的二百萬病人在中風后存在長期的運動障礙。 隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展,這個特殊群體已得到了更多人的關(guān)注,為了提高他們的生活質(zhì)量,治療、康

10、復和服務(wù)于他們的產(chǎn)品的技術(shù)和質(zhì)量也在相應地提高。隨著機器人技術(shù)和康復醫(yī)學的發(fā)展,在歐洲、美國和日本等國家,醫(yī)療康復機器人的市場占有率呈逐年上升的趨勢,僅預測日本未來機器人市場,2005年醫(yī)療、護理、康復機器人的市場份額約為250000美元,而到2010年將上升到1050000美元,其增長率在機器人的所有應用領(lǐng)域中占據(jù)首位。因此,服務(wù)于四肢的康復設(shè)備的研究和應用有著廣闊的發(fā)展前景。 1.1 概述 康復機器人是康復設(shè)備的一種類型。康復機器人技術(shù)早已廣受世界各國科研工作者和醫(yī)療機構(gòu)的普遍重視,其中以歐美和日本的成果最為顯著。在我國康復醫(yī)學工程雖然得到了普遍的重視,而康復機器人研究仍處于起步階段,一些

11、簡單康復器械遠遠不能滿足市場對智能化、人機工程化的康復機器人的需求,有待進一步的研究和發(fā)展。 由于康復訓練機器人要與人體直接相連,來帶動肢體進行康復訓練,所以對驅(qū)動器的安全性、柔性的要求較高。近年來,以氣動元件柔性驅(qū)動器逐漸引起人們的重視,在醫(yī)療康復器械領(lǐng)域中得到越來越多的應用。 本課題的研究目的是設(shè)計一種下肢外骨骼康復機器人,幫助病人更好地進行康復訓練,減輕他人的幫助,提高效果。 1.2 康復機器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在對有運動障礙的老人或殘疾人進行治療和康復的過程中,使用康復機器人可以解決好多問題:機器人的使用可以解決專業(yè)護理人員缺乏和醫(yī)療費用昂貴的問題,可以避免由于訓練方法不科學和專業(yè)護理

12、人員個人疏忽等主觀原因引起的對病人的傷害,可供病人在家或工作場所使用,使病人獲得更多的獨立生活能力,提高了病人的生活質(zhì)量等。康復機器人是一種自動化醫(yī)療康復設(shè)備,它以醫(yī)學理論為依據(jù),幫助患者進行科學而有效的康復訓練,使患者的運動機能得到更快更好的恢復。目前,康復機器人已經(jīng)廣泛地應用到康復護理、假肢和康復治療等方面,這不僅促進了康復醫(yī)學的發(fā)展,也帶動了相關(guān)領(lǐng)域的新技術(shù)和新理論的發(fā)展。 康復機器人有兩種:輔助型康復機器人和康復訓練機器人。輔助型康復機器人主要是幫助肢體運動有困難的患者完成各種動作,該類產(chǎn)品有機器人輪椅、機器人護士、機器人假肢、機械外骨骼等。康復訓練機器人的主要功能是幫助患者完成各種運

13、動功能的恢復訓練,該類產(chǎn)品有行走訓練、手臂運動訓練、脊椎運動訓練等。 康復機器人是康復醫(yī)學和機器人技術(shù)的完美結(jié)合,康復機器人技術(shù)在歐美等國家得到了科研工作者和醫(yī)療機構(gòu)的普遍重視,許多研究機構(gòu)都開展了有關(guān)的研究工作,近年來取得了一些有價值的成果。對于中風、偏癱、下肢運動機能損傷等患者來說,下肢康復訓練機器人有著很好的治療效果。國內(nèi)外許多研究機構(gòu)都在這方面取得了不錯的研究結(jié)果。下肢康復訓練機器人發(fā)展主要經(jīng)歷了幾個階段。由早期的簡單步行訓練機發(fā)展到現(xiàn)在功能豐富、符合人體運動機理的下肢康復訓練機器人。早期發(fā)展的下肢康復訓練系統(tǒng)是借助于跑步機、懸吊系統(tǒng)等幫助患者進行運動訓練,此種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜,

14、但訓練過程中必須有專業(yè)人員的幫助,而且并不符合人體運動機理,還不能稱為康復訓練機器人,只能是一種半自動的康復訓練機械,如圖1-1、圖1-2所示。圖1-1、圖1-2中的步行訓練機,它的功能單一、價格便宜,而且需要在專業(yè)護理人員的幫助下進行康復訓練,這種機械對下肢病情比較輕的病人較合適。 圖1-1 步行訓練機 圖1-2 懸掛式步行訓練機 隨著機器人技術(shù)和康復醫(yī)學的發(fā)展,人們對人的行走步態(tài)有了比較清楚的認識,開發(fā)出了一些符合人體康復需要的產(chǎn)品。 德國柏林自由大學Free University of Berlin開展了腿部康復機器人的研究,并研制了MGT型康復機器人樣機圖1-3。 瑞士蘇黎士聯(lián)邦工業(yè)大

15、學ETH在腿部康復機構(gòu)、走步狀態(tài)分析方面也取得了一些成果,在漢諾威2001年世界工業(yè)展覽會上展出了名為LOKOMAT圖1-4的康復機器人模型。LOKOMAT機器人主要由步態(tài)矯正器、先進的體重支持系統(tǒng)和跑臺組成。LOKOMAT機器人以使用者為根本,通過對機器人的行為、耐心、合作及運動功能進行評估,建立了一種更為有效的治療方式,即:機器人先偵測使用者的運動,并且跟隨使用者的運行軌跡而不是強制使用者按照預定的軌跡運動,通過機器人的自適應功能,來滿足使用者的不同需求,它可以調(diào)整訓練參數(shù)以適合不同患者的需要。圖1-3 MGT型康復機器人 圖1-4 LOKOMAT機器人 德國柏林的IPK研究所研制的Rob

16、otic Gait Rehabilitation,通過一個可編程控制的腳踏板來帶動患者實現(xiàn)步態(tài)的軌跡模擬,這個腳踏板由直線電機帶動實現(xiàn)往復直線運動,腳踏板支撐部分類似于二自由度機械臂,由兩個伺服電機驅(qū)動圖1-5)。圖1-5 robotic gait rehabilitation 系統(tǒng)在試驗中 美國加州大學伯克利分校的科學家研制出一種機器人稱為“伯克利下肢外骨骼”(BLEEX),BLEEX包括可以牢牢地固定在使用者腳上但又不會和使用者摩擦的金屬支架,以及用來承載重物的背包式外架和動力設(shè)備等,這種機器人除了可以幫助正常人增加負載能力外還可以幫助下肢殘疾的病人行走,一定程度上恢復下肢功能圖1-6)。

17、 圖1-6 BLEEX 日本筑波大學Cybernics實驗室的科學家和工程師們,研制出了世界上第一種商業(yè)外骨骼機器人Hybrid Assistive Leg,HAL圖1-7,準確地說,是自動化機器人腿:“混合輔助腿”。這種裝置能幫助殘疾人以每小時4公里的速度行走,毫不費力地爬樓梯。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器人。神奈川理工學院研制的“動力輔助服”Power Assist Suit圖1-8)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動狀況,通過復雜的氣壓傳動裝置增加人的力量。這種裝置最初是為護士研制的,用來幫助她們照料體重較大或根本無法行走的

18、病人。現(xiàn)在已經(jīng)有殘疾人在這種機器人的幫助下實現(xiàn)了登山運動。 美國NPH研究中心開創(chuàng)了機器人系統(tǒng)量化步行能力和步態(tài)失調(diào)的研究領(lǐng)域,根據(jù)活動依賴神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性,量化和評估模式肌電圖在步態(tài)等方面的作用,建立數(shù)學模型模擬的感覺運動障礙。圖1-9為NPH的機器人在實驗中。 圖1-7 HAL機器人圖1-8 Power Assist Suit 在我國,康復醫(yī)療工程已經(jīng)得到了普遍重視,康復訓練機器人廣闊的應用前景將推動康復機器人技術(shù)的進一步發(fā)展。我國對康復機器人的研究起步比較晚,輔助型康復機器人的研究成果相對較多,康復訓練機器人方面的研究成果則比較少。清華大學在國內(nèi)率先研制了臥式下肢康復訓練機器人樣機在這項

19、成果中他們采用了虛擬現(xiàn)實技術(shù)。哈爾濱工程大學在康復機器人方面也取得了不錯的成果。哈爾濱工程大學研制的下肢康復機器人可以模擬正常人行走的步態(tài)、踝關(guān)節(jié)的運動姿態(tài)以及重心的運動規(guī)律,帶動下肢做行走運動,實現(xiàn)對下肢各個關(guān)節(jié)的運動訓練、肌肉的鍛煉以及神經(jīng)功能的恢復訓練。通過獲取腳的受力狀態(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)的運動關(guān)系,使之與人體運動狀態(tài)相協(xié)調(diào),獲得最佳訓練效果。圖1-10 、圖1-11 所示分別為哈爾濱工程大學研制的臥式下肢康復機器人和基于步態(tài)姿態(tài)控制的下肢康復機器人系統(tǒng)。圖1-9 NPH的機器人在進行試驗 圖1-10 臥式下肢康復機器人 圖1-11

20、 下肢康復訓練機器人 1.3 本課題主要研究內(nèi)容 本文“下肢外骨骼康復機器人的設(shè)計”的研究目的是設(shè)計出一種可以輔助下肢有運動功能障礙的老人或殘疾人進行功能恢復訓練的下肢外骨骼康復機器人,工作重點是機器人機械本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計,要考慮安全性、可靠性、柔順性,同時進行了控制系統(tǒng)的設(shè)計。課題內(nèi)容主要包括: 1. 下肢外骨骼康復機器人的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計及運動學分析,包括人體行走的步態(tài)、自由度的設(shè)計、基本參數(shù)的選取、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計等。 2.機器人機械本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算。 3.機器人驅(qū)動器的控制系統(tǒng)的設(shè)計。 1.4 本章小結(jié) 本章對下肢外骨骼康復機器人在市場上的需求以及未來的發(fā)展趨勢進行了調(diào)查研究,并通過國內(nèi)外現(xiàn)

21、狀的分析與研究,確定了本設(shè)計的主要內(nèi)容和走向。2 總體方案設(shè)計與選擇的論證 2.1 步態(tài)分析 下肢康復機器人是對有腦損傷、中風等病人進行主動康復訓練的自動化機械裝置。它可以幫助患者進行運動機能恢復性訓練,進行主動式步態(tài)訓練。 正常人在行走時腳在一個步態(tài)周期內(nèi)的運動情況如圖2-1所示。 圖2-1 步態(tài)周期 1個步行周期分為兩個時期,支撐期和擺動期。支撐期是當腳和地面接觸的時間,它占了一個步行周期的62%。擺動期是腳在空中的時間,它占了一個步行周期的38%。足跟接地即進入支撐期,足趾離地進入擺動期。支撐期占步行周期62%其中單側(cè)肢體支撐期占37%,雙側(cè)肢體支撐期占25%,擺動期占步行周期的38%。

22、雙側(cè)肢體支撐期中包括預承重期和擺動前期,各占步行周期12%。各時期劃分及有關(guān)具體內(nèi)容如下: l雙側(cè)肢體支撐期。為雙足著地、由雙側(cè)肢體支撐體重的時期,又分為被測下肢在前的“前足著地雙足支撐期”預承重期和被測下肢在后的“后足蹬地雙足支撐期”擺動前期2個時期。預承重期是從被側(cè)足足跟著地至對側(cè)足趾離地的時期;擺動前期是從對側(cè)足足跟著地至被側(cè)足足趾離地的時期。一側(cè)足的預承重期即為對側(cè)足的擺動前期。 2單側(cè)肢體支撐期。僅由被測足承擔體重的時期,即從對側(cè)足足趾離地至對側(cè)足足跟著地的時期,也是對側(cè)肢體擺動期。 3擺動期。被測足不接觸地面的時期,即從被測足足趾離地至同側(cè)足跟著地的時期,也是對單側(cè)肢體支撐期。 步

23、態(tài)各重要階段動作: 1腳后跟受:一般的步態(tài)歷程,最開始的動作為右腳接觸到地面的瞬間,也就是后腳跟剛與地面接觸的動作; 2前腳完全承載:在腳后跟受力后,腳掌漸漸貼附地面,直到腳掌完全貼合地面,此刻即為前腳完全承載; 3支撐段中期:當右腳完全程載后,左腳開始擺動,擺動后右腳瞬間的動作即為支撐段中期; 4腳后跟離地:左腳擺動過右腳后,右腳后跟離開地面的動作成為腳后跟離地; 5腳指離地:右腳后跟離地后,緊接著腳尖離地,此時即為右腳離開地面的瞬簡,我們稱之為腳指離地,由于它是右腳擺動前的動作,所以也稱為預先擺動; 6擺動中期:右腿擺動過左腿的瞬間動作,此時的動作為支撐段中期。 在一個步態(tài)周期的各個時間點

24、,各個關(guān)節(jié)的角度和所受到的力矩不同。下面從圖2-2圖2-5顯示了一個75kg的人以1.3m/s的步行速度在平地上走時,髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、兩處關(guān)節(jié)在一個步行周期內(nèi)不同階段的轉(zhuǎn)角和力矩變化。圖2-2 膝關(guān)節(jié)的角度變化 圖2-3 膝關(guān)節(jié)的力矩變化圖2-4 髖關(guān)節(jié)角度變化 圖2-5 髖關(guān)節(jié)力矩變化 由圖2-2、2-3可知步行時膝關(guān)節(jié)處力矩的最大值為60N,角度范圍為-70°0°。 由圖2-4、2-5可知步行時髖關(guān)節(jié)處力矩的最大值為-80N,角度范圍為-20°30°。 為了模擬人體行走的正常步態(tài),更科學合理有效的進行下肢康復訓練,所設(shè)計的下肢外骨骼康復機器人下肢各關(guān)

25、節(jié)的運動(角度、力矩)和人體行走時關(guān)節(jié)的運動(角度、力矩)應該近似。為本設(shè)計就是根據(jù)這個原則進行設(shè)計的。 2.2 方案的選擇 本設(shè)計的主要工作是設(shè)計出一個下肢外骨骼的康復機器人及其相應的框架和減重機構(gòu),然后綁在人腰部和下肢上,分別帶動髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的運動,從而訓練相應部位的肌肉,幫助使用者恢復下肢的運動功能。 減重機構(gòu)可以承擔患者的一部分體重,減輕病腿的負荷,還可以調(diào)節(jié)人體的重心上下浮動。減重機構(gòu)在人體行走時提供的是一個恒力,它由一個鋼絲繩和滑輪組成。 姿態(tài)控制機構(gòu)主要模仿人體下肢關(guān)節(jié)的功能結(jié)構(gòu)。由電機驅(qū)動的仿人體下肢帶動人體下肢運動。關(guān)節(jié)是人體運動的樞紐,是傳遞載荷、保持能量、協(xié)助運動的重要

26、器官。關(guān)節(jié)長期制動,會使肌肉的破壞負最大載下降,能量儲存也會明顯減少,最終會導致肢體的完全癱瘓。用關(guān)節(jié)運動來帶動肌肉進行收縮運動,可以恢復和保持肌肉的收縮功能。髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)是人體下肢關(guān)節(jié)中的兩大重要關(guān)節(jié)。 關(guān)節(jié)的運動學特征主要包括兩部分:一是關(guān)節(jié)的活動幅度,二是如何達到這個活動范圍。本設(shè)計就是根據(jù)這個原則進行的。 2.2.1 自由度的設(shè)計 人體下肢的靈活度很高,關(guān)節(jié)比較復雜。下肢運動關(guān)節(jié)主要包括髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)3個部分。髖關(guān)節(jié)是球窩關(guān)節(jié),它的活動形式有3種,分別是向前伸展/向后伸展、側(cè)向內(nèi)轉(zhuǎn)/外展、和向內(nèi)外扭轉(zhuǎn)。膝關(guān)節(jié)有向前伸展/向后伸展和側(cè)向內(nèi)轉(zhuǎn)/外展兩種活動形式。下肢有4個自由度,

27、想要設(shè)計出一個能夠完成下肢各個關(guān)節(jié)的康復運動的機器人非常難。總體結(jié)構(gòu)有兩條腿和一個減重機構(gòu)共5個自由度。 2.2.2 基本參數(shù)的選取 下肢外骨骼康復機器人的運動學和人體的運動學相近,因此人體下肢關(guān)節(jié)的運動范圍決定了下肢外骨骼康復機器人的關(guān)節(jié)運動范圍。下肢外骨骼康復機器人的關(guān)節(jié)運動范圍至少要和人體行走時關(guān)節(jié)范圍一致。為了安全,機器人的關(guān)節(jié)運動范圍一般要小于人體關(guān)節(jié)運動范圍的最大值。 參考人體下肢各關(guān)節(jié)的運動角度,結(jié)合本設(shè)計的使用者是下肢需要康復的患者和各關(guān)節(jié)在行走狀態(tài)的最大值,具體數(shù)值見表2-1。 表 2-1 各關(guān)節(jié)的運動范圍(°)關(guān)節(jié)活動形式 人體行走最大值 機器人關(guān)節(jié)取值 人體關(guān)節(jié)

28、活動最大值 髖關(guān)節(jié)向前伸展 32.2 45 119 髖關(guān)節(jié)向后伸展 -22.5 -30 -70 膝關(guān)節(jié)向前伸展 0 0 0 膝關(guān)節(jié)向后伸展 -73.5 -80 -136 2.2.3 驅(qū)動器的選擇 下肢外骨骼康復機器人不同于工業(yè)機器人,因為它特殊的使用場合和使用對象,要求在能夠完成功能的前提下,整個康復要安全、柔順。 本設(shè)計中的驅(qū)動器選擇直流伺服電機。因為直流伺服電機效率高,電流小,發(fā)熱低,噪音低、低頻振動小等優(yōu)點。 2.2.4 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的選擇 各個關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。滾動軸承傳動有摩擦阻力小,功率消耗少,啟動容易等優(yōu)點,可以充分利用電機所作的功,減小機構(gòu)體積。 2.2.5 連桿結(jié)構(gòu)的選擇 作為下

29、肢大小腿的連桿機構(gòu)既是傳動裝置又是執(zhí)行裝置。連桿的長度精度要求較高,若大腿連桿或小腿連桿長度與使用者大腿或小腿長度不同,將會導致兩者髖關(guān)節(jié)軸線和膝關(guān)節(jié)軸線不同軸,這會直接導致兩者在運動狀態(tài)中出現(xiàn)運動干涉現(xiàn)象,兩者偏差較大時,整個人?機混合系統(tǒng)將無法正常工作。因此,在進行大、小腿機械連桿設(shè)計時,把連桿設(shè)計成長度可調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)體尤為重要。其優(yōu)點:1可避免出現(xiàn)實驗對象單一化,擴大使用對象;2.有利于關(guān)節(jié)同軸度的調(diào)整,避免運動干涉現(xiàn)象。 連桿設(shè)計時,要注意以下問題: 1承載能力。連桿不僅是傳動裝置,而且也是執(zhí)行裝置,要考慮連桿自身重量、驅(qū)動裝置和實驗對象人體下肢各段的重量。 2剛度。為防止連桿在運動過程

30、中產(chǎn)生過大的變形,從而影響到機器人的定位精度,因此,剛度必須滿足要求。 3重量輕、轉(zhuǎn)動慣量小。為提高機器人的反應速度、降低能耗和節(jié)省材料,要盡量減少其自身特別是運動部分重量。 本設(shè)計中連桿結(jié)構(gòu)采用內(nèi)外桿結(jié)構(gòu)通過調(diào)節(jié)內(nèi)外桿之間的固定位置調(diào)整連桿的長度(即大小腿的長度)。 2.2.6 腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計 腰部結(jié)構(gòu)主要為患者腰部提供支持和下肢與框架的鏈接。腰帶一方面可以對機械髖關(guān)節(jié)進行固定作用,另一方面在人行走過程中,當一支人機混合腿抬起時,即其處于擺動期時,其機械腿的部分重量可通過鋼制腰帶轉(zhuǎn)移到另一支處于支撐狀態(tài)的機械腿上,這樣可以部分分擔因一支腿抬起時,機械腿自重對使用者產(chǎn)生的負重效應。另外,由于腰帶

31、是鋼質(zhì)結(jié)構(gòu),其直接作用于人體的腰部會給人帶人不舒服感。因此,我們要在鋼質(zhì)腰帶與人體腰部之間加填了一軟制護腰帶,金屬帶與護腰帶之間通過自粘帶連接在一起要考慮到不同患者腰圍的不同,所以要有調(diào)整結(jié)構(gòu),可以考慮用鉸鏈結(jié)構(gòu)。 2.2.7 減重機構(gòu)設(shè)計 下肢殘疾病人的下肢力量往往不能給正常步行提供足夠的力,所以在設(shè)計康復系統(tǒng)時要考慮到減重機構(gòu),在康復訓練時減輕身體重力作用在腿上的力,使作用在腿上的力為身體重力大小的一部分。 2.2.8 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 設(shè)計總體結(jié)構(gòu)時,要考慮到裝配工藝過程和整體效果,如:桿件各零件的裝配順序,電機和桿件之間的干涉,軸承與軸承座裝配,關(guān)節(jié)間的連接方式,外部框架之間的安裝,減重結(jié)

32、構(gòu)與外部框架的鏈接,下肢與外部框架的連接。 具體裝配方式見總體裝配圖。 2.3 本章總結(jié) 本章在對康復機器人步態(tài)分析了解的基礎(chǔ)上,構(gòu)建用直流伺服電機作驅(qū)動器的下肢外骨骼康復機器人的結(jié)構(gòu)方案。包括自由度的選擇,基本參數(shù)的選取,驅(qū)動器的選擇,關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的選擇,連桿結(jié)構(gòu)的選擇,腰部結(jié)構(gòu)的選擇,減重結(jié)構(gòu)的選擇,整個機構(gòu)的裝配特性、工藝特性的考慮。在后面的章節(jié)中將具體進行具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計、標準件的選型、非標準件的設(shè)計、電機的選型計算等。3 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算 本章設(shè)計了下肢外骨骼康復機器人機械部分的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動元件的選型,對機械下肢的運動學部分進行分析。 3.1 人體參數(shù) 本設(shè)計的機械部分是要與人體下肢接觸

33、的,它的關(guān)節(jié)、腿長等的設(shè)計要借鑒人體下肢的一些參數(shù),在零件的選擇和校核計算過程中也要用到這些參數(shù),具體參數(shù)見表3-1。表3-1 中國青年幾何統(tǒng)計表數(shù)據(jù) 足小腿大腿質(zhì)量/kg 0.885 2.196 8.497長度/mm 249 376 502質(zhì)心長度/mm 38 224 254腿圍/mm 253 355 507 因為本設(shè)計是要帶動人的下肢進行關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運動的,所以機器人下肢的旋轉(zhuǎn)角度和運動靈活性也要和人行走時的下肢接近。考慮到本設(shè)計的使用對象是有運動功能障礙的患者,所以確定各旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)運動為: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。角度范圍的選擇是根據(jù)第2章中青年男子在行走

34、時關(guān)節(jié)活動角度數(shù)據(jù)而定的。 3.2 各關(guān)節(jié)運動學分析 本設(shè)計中的關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),它由上下桿件和兩塊關(guān)節(jié)連接板,軸承及軸承蓋組成。具體結(jié)構(gòu)見裝配圖。 3.2.1 膝關(guān)節(jié)的運動學分析 圖3-1所示為下肢膝關(guān)節(jié)的運動學模型示意圖。L2是大腿桿的一部分的長度,L1是絲杠端部安裝孔距關(guān)節(jié)中心水平方向上的的距離,L3是關(guān)節(jié)中心到絲杠中心的距離,L為絲杠的長度,為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)過的角度。 圖3-1 膝關(guān)節(jié)機構(gòu)運動學模型圖中L1110,L2402,L3171,120°,絲杠L的長度可由公式 3-1算出。計算出的L的范圍為350?500,行程為150。 3.2.2 髖關(guān)節(jié)的運動學分析 圖3-2所示為下肢髖關(guān)

35、節(jié)的運動學模型示意圖。L2是大腿桿的一部分的長度,L1是絲杠端部安裝孔距關(guān)節(jié)中心水平方向上的的距離,L3是關(guān)節(jié)中心到絲杠中心的距離,L為絲杠的長度,為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)過的角度。 其中L160,L2340,L3135,120°,的范圍為-30°? +45°。絲杠L的長度可由公式3-1算出。計算出的L的范圍為350-450,行程為100。圖3-2 髖關(guān)節(jié)機構(gòu)運動學模型 3.3 關(guān)節(jié)力矩分析 由于本設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)部分的作的是低速運動,所以零件的選擇從靜力學角度分析和計算。 圖3-3 力矩分析示意圖圖中: 、分別為髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度,以軸正方向為初始位置,圖中所示角度

36、的轉(zhuǎn)向為正向 、分別為大腿和小腿的長度 、分別為大腿、小腿的質(zhì)心 、分別是大腿、小腿質(zhì)心到相應關(guān)節(jié)的距離。 根據(jù)力矩方程 3-2得到各關(guān)節(jié)的力矩方程分別為 3-3 3-4式中:m1,m2分別是各質(zhì)心處的質(zhì)量,包括人體和機械結(jié)構(gòu)總質(zhì)量。 在下面的計算過程中,力矩的計算式均是按式(3-3)、(3-4)的原理計算的,所不同的是,下面的計算均取的是極限位置,即各關(guān)節(jié)受到最大力矩的位置。 3.4具體結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.4.1 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的選擇 各個關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),滾動軸承傳動有摩擦阻力小,功率消耗少,啟動容易等優(yōu)點,可以充分利用電機所作的功,減小機構(gòu)體積。通過關(guān)節(jié)連接板將關(guān)節(jié)的兩個桿件連接在一起,而且整個機構(gòu)

37、零件分散,零件個體小,可以使整個關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)輕便小巧、安全。 3.4.2 連桿結(jié)構(gòu)的選擇 作為下肢大小腿的連桿機構(gòu)既是傳動裝置又是執(zhí)行裝置。連桿的長度精度要求較高,本設(shè)計中連桿結(jié)構(gòu)采用內(nèi)外桿結(jié)構(gòu)通過調(diào)節(jié)內(nèi)外桿之間固定位置調(diào)整連桿的長度(即大小腿的長度)。 如圖3-4為小腿的結(jié)構(gòu),圖3-5為大腿的結(jié)構(gòu)。圖3-4 小腿的結(jié)構(gòu) 圖3-5 大腿的結(jié)構(gòu) 3.4.3 腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計 腰部結(jié)構(gòu)主要為患者腰部提供支持和下肢與框架的鏈接。為適應不同腰圍患者的需求,腰部結(jié)構(gòu)中有鉸鏈調(diào)整結(jié)構(gòu),可以調(diào)整腰圍大小。同時為了適應人體行走時骨盆上下運動,腰部結(jié)構(gòu)中有可以轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。如圖3-6是實體效果圖。圖3-6腰部實體效果

38、圖 3.4.4 減重機構(gòu) 減重機構(gòu)由鋼絲繩帶動安全帶上下運動,減重機構(gòu)起到恒力減重作用。 3.4.5 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計總體結(jié)構(gòu)時,要考慮到裝配工藝過程和整體效果。具體裝配方式見總體裝配圖。 3.5 部分重要零件的設(shè)計與校核 3.5.1 軸承的選擇及校核 本設(shè)計中的軸承主要承受徑向力,所以選用深溝球軸承6000,它的徑向基本額定動載荷C13.2kN,預期壽命L15000小時。最大當量動載荷P600N,壽命指數(shù)3,轉(zhuǎn)速n60r/min,軸承基本額定壽命(單位為小時為 (3-5) 所選軸承6000符合要求 3.5.2 連桿的計算與校核 大小腿內(nèi)外桿主要受到拉伸或壓縮作用。有材料力學可知,拉壓桿件,其

39、強度條件為: (3-6)(3-7)式中 -材料許用應力; A-最小截面積; N-所受載荷; -材料強度應力; nb-安全系數(shù); 鋁合金ZAlCu5MnZL201的抗拉強度:295335MPa,nb2,N600N。 由公式(3-6)、(3-7)可得A4,所設(shè)計的連桿的最小截面積都大于4,強度條件符合。 3.5.3 雙頭螺柱的校核 腰部可調(diào)結(jié)構(gòu)中的雙頭螺柱是腰部與外部框架鏈接的受力部分,主要受到軸向工作載荷F600N,其拉伸強度條件為:(3-8)其中28,250MPa,由公式(3-12)可得:螺柱合格。 3.6 本章小結(jié) 本章是在前幾章對總體方案設(shè)計的基礎(chǔ)上,主要設(shè)計計算了各個關(guān)節(jié)中的零件、各個具

40、體結(jié)構(gòu)。主要的設(shè)計計算有:連桿、軸承、螺柱計算校核,以及減重系統(tǒng)的計算校核。4驅(qū)動部件的設(shè)計與計算 4.1滾珠絲杠螺母副的計算與選型 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計首先要選擇結(jié)構(gòu)類型,確定滾珠循環(huán)方式,滾珠絲杠副的預緊方式。結(jié)構(gòu)類型確定以后,再計算和確定其他技術(shù)參數(shù),包括:公稱直徑d0,導程,滾珠絲杠的工作圈數(shù),列數(shù),精度等級等。 滾珠的循環(huán)方式可分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類,外循環(huán)又分為螺旋槽式和插管式。 滾珠絲杠副的預緊方法有:雙螺母墊片式預緊,雙螺母螺紋式預緊,雙螺母齒差式預緊,單螺母變導程預緊,以及過盈預緊等。 滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機械元件,其作用是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動或?qū)?/p>

41、直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動,它是傳統(tǒng)滑動絲杠的進一步延伸發(fā)展。這一發(fā)展的深刻意義如同滾動軸承對滑動軸承所帶來得改變一樣。滾珠絲杠副因優(yōu)良的摩擦特性使其廣泛的運用于各種工業(yè)設(shè)備、精密儀器、精密數(shù)控機床。尤其是近年來,滾珠絲杠副作為數(shù)控機床直線驅(qū)動執(zhí)行單元,在機床行業(yè)得到廣泛運用,極大的推動了機床行業(yè)的數(shù)控化發(fā)展。這些都取決于其具有以下幾個方面的優(yōu)良特性: 由于滾珠絲杠副運轉(zhuǎn)順滑、消除軸向間隙以及制造的一致性,采用多套滾珠絲杠副方案驅(qū)動同一裝置或多個相同部件時,可獲得很好的同步工作。 傳動效率高、定位精度高、傳動可逆性、使用壽命長、同步性能好。 4.1.1 髖關(guān)節(jié)滾珠絲杠副的計算與選型1)工作載荷的計

42、算 根據(jù)公式 (4-1) 查機電一體化課程設(shè)計指導書表3-29,取K1.1,0.15, 代入得工作載荷 2)最大動載荷的計算 根據(jù)速度仿真得推桿的最快移動速度為,初選絲杠基本導程, 則此時絲杠轉(zhuǎn)速 (4-2) 取滾珠絲杠的使用壽命T15000h 代入式 (4-3) 得絲杠壽命系數(shù) (單位為: r) 查機電一體化課程設(shè)計指導書表3-30, 取載荷系數(shù) 硬度系數(shù) 代入式 (4-4) 求得最大動載荷3)初選型號 根據(jù)計算出的最大動載荷,查機電一體化課程設(shè)計指導書表3-31選擇型號為2005-3型滾珠絲杠副。其公稱直徑為20mm,基本導程為5mm,額定動載荷為9309 N,滿足要求。4)傳動效率的計算

43、 將公稱直徑,基本導程,代入式 (4-5) 得:絲杠螺旋升角 將 摩擦角代入式 (4-6) 得:傳動效率 5)剛度驗算 先畫出髖關(guān)節(jié)絲杠支承方式草圖如圖4-1所示。最大牽引力為640N,支承間距為,絲杠螺母及軸承均進行預緊,預緊力為最大軸向負載的。圖4-1髖關(guān)節(jié)系統(tǒng)計算簡圖查數(shù)控機床課程設(shè)計指導書圖4-6,根據(jù),查出,可算出:(4-7) 由于兩端均采用角接觸球軸承,且絲杠又進行了預拉伸,故其拉壓剛度可以提高4倍,其實際變形量()為: (4-8) 查數(shù)控機床課程設(shè)計指導書圖4-7,滾珠和螺紋滾道接觸變形量: 因進行了預緊 (4-9)采用7204C角接觸球軸承,滾動體直徑 3.175,滾動體數(shù)量z

44、 12,(4-10) 上式中軸承所受軸向載荷 軸承滾動體數(shù)目 軸承滾動體直徑 因施加預緊力,故 (4-11) 根據(jù)以上計算 (4-12) 小于定位精度。 4.1.2 膝關(guān)節(jié)滾珠絲杠副的計算與選型1)工作載荷的計算 根據(jù)公式 查機電一體化課程設(shè)計指導書表3-29,取k1.1, 0.15 代入得工作載荷2)最大動載荷的計算 根據(jù)速度仿真得推桿的最快移動速度為 ,初選絲杠基本導程,則此時絲杠轉(zhuǎn)速 取滾珠絲杠的使用壽命T15000h 代入式 得絲杠壽命系數(shù)(單位為: r) 查機電一體化課程設(shè)計指導書表3-30 取載荷系數(shù) 硬度系數(shù) 代入式 求得最大動載荷 3)初選型號 根據(jù)計算出的最大動載荷,查機電一

45、體化課程設(shè)計指導書表3-31選擇型號為2004-3型滾珠絲杠副。其公稱直徑為20mm,基本導程為4mm,額定動載荷為5243 N,滿足要求。4)傳動效率的計算 將公稱直徑,基本導程,代入式 得:絲杠螺旋升角 摩擦角 代入式 得:傳動效率 5)剛度驗算 先畫出膝關(guān)節(jié)絲杠支承方式草圖如圖4-2所示4-2膝關(guān)節(jié)絲杠計算草圖 最大牽引力為480N,支承間距為,絲杠螺母及軸承均進行預緊,預緊力為最大軸向負載的。驗算方法與髖關(guān)節(jié)相同,經(jīng)過計算,絲杠定位精度合格。 4.2直流伺服電機的計算與選型 直流伺服電機,它包括定子、轉(zhuǎn)子鐵芯、電機轉(zhuǎn)軸、伺服電機繞組換向器、伺服電機繞組、測速電機繞組、測速電機換向器,所

46、述的轉(zhuǎn)子鐵芯由矽鋼沖片疊壓固定在電機轉(zhuǎn)軸上構(gòu)成。 直流伺服電機的基本特性 : (1)機械特性 在輸入的電樞電壓Ua保持不變時,電機的轉(zhuǎn)速n隨電磁轉(zhuǎn)矩M變化而變化的規(guī)律,稱直流電機的機械特性。 (2)調(diào)節(jié)特性 直流電機在一定的電磁轉(zhuǎn)矩M(或負載轉(zhuǎn)矩)下電機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速n隨電樞的控制電壓Ua變化而變化的規(guī)律,被稱為直流電機的調(diào)節(jié)特性。 (3)動態(tài)特性 從原來的穩(wěn)定狀態(tài)到新的穩(wěn)定狀態(tài),存在一個過渡過程,這就是直流電機的動態(tài)特性。 4.2.1 髖關(guān)節(jié)電機的計算與選型 直流伺服電機的選取 本機構(gòu)的驅(qū)動為直流伺服電機驅(qū)動,電機的詳細計算過程如下: 絲杠螺母受力F640N人的步態(tài)行走周期定位2.3秒,即2.3

47、秒內(nèi)髖關(guān)節(jié)完成一個周期的運動,運動角度總計為75°,根據(jù)仿真得到絲杠的速度為 絲杠螺距 同步帶傳動比 總效率 電機轉(zhuǎn)速 (4-13) 又由 (4-14) 推得 功率 經(jīng)過對比,驅(qū)動電機選用90SZ53直流伺服電機 4.2.2 膝關(guān)節(jié)電機的計算與選型 直流伺服電機的選取 本機構(gòu)的驅(qū)動為直流伺服電機驅(qū)動,電機的詳細計算過程如下: 絲杠螺母受力F480N 人的步態(tài)行走周期定位2.3秒,即2.3秒內(nèi)膝關(guān)節(jié)完成一個周期的運動,運動角度總計為80°,根據(jù)仿真得到絲杠的速度為 絲杠螺距同步帶傳動比 總效率 電機轉(zhuǎn)速 又由 推得 功率 經(jīng)過對比,驅(qū)動電機選用70SZ65直流伺服電機。 4.

48、3同步帶的計算與選型 同步帶是以鋼絲繩或玻璃纖維為強力層,外覆以聚氨酯或氯丁橡膠的環(huán)形帶,帶的內(nèi)周制成齒狀,使其與齒形帶輪嚙合。同步帶傳動是由一根內(nèi)周表面設(shè)有等間距齒形的環(huán)行帶及具有相應吻合的輪所組成。它綜合了帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動各自的優(yōu)點。轉(zhuǎn)動時,通過帶齒與輪的齒槽相嚙合來傳遞動力。 同步帶的特點: (1)傳動準確,工作時無滑動,具有恒定的傳動比; (2)傳動平穩(wěn),具有緩沖、減振能力,噪聲低; (3)傳動效率高,可達0.98,節(jié)能效果明顯; (4)維護保養(yǎng)方便,不需潤滑,維護費用低; (5)速比范圍大,一般可達10,線速度可達50m/s,具有較大的功率傳遞范圍,可達幾瓦到幾百千瓦; (6

49、)可用于長距離傳動,中心距可達10m以上。 同步帶傳動的主要失效形式: (1)帶體疲勞斷裂; (2)帶齒剪斷和壓潰; (3)帶側(cè)、帶齒磨損、包布剝離; (4)承載層伸長、節(jié)距增大、形成齒的干涉、爬齒; (5)沖擊、過載使帶體斷裂。 4.3.1 髖關(guān)節(jié)同步帶的計算與選型1 確定帶的設(shè)計功率 設(shè)計功率: (4-15) KA為工況系數(shù),因為載荷性質(zhì)平穩(wěn),每天工作小于10小時。所以KA取1 所以2選定帶型、節(jié)距 根據(jù)設(shè)計功率和小帶輪轉(zhuǎn)速,即電機額定轉(zhuǎn)速n,查新編機械設(shè)計手冊圖7-9 選取L型同步帶。 查新編機械設(shè)計手冊表7-42 節(jié)距3小帶輪齒數(shù)確定 根據(jù)機械設(shè)計師手冊袖珍版表15-8 ,查得 選取4

50、)小帶輪的節(jié)圓直徑(4-16)5)大帶輪齒數(shù)的確定 (4-17) 算得:6)大帶輪的節(jié)圓直徑 (4-18)7)帶速 (4-19)8)初定中心距 (4-20) 初定中心距9)初定帶的節(jié)線長度及齒數(shù) (4-21)算得: 由機械設(shè)計實用手冊表8-1-43選帶長代號為390L型同步帶其節(jié)線長度10)實際中心距a的確定 4-2211)小帶輪的嚙合齒數(shù) 根據(jù)公式 (4-23)12)基本額定功率 基本額定功率是各帶型基準寬度的額定功率 (4-24) ?寬度為的帶的許用工作拉力,N m?寬度為的帶的單位長度的質(zhì)量,kg/m 查新編機械設(shè)計手冊表7-45 得 L型帶 , 算得13)帶寬的確定 (4-25) 查新編機械設(shè)計手冊表7-45 得L型帶 由,查機械設(shè)計實用手冊表8-1-63得, 求得: 4.3.2 膝關(guān)節(jié)同步帶的計算與選型1 確定帶的設(shè)計功率 設(shè)計功率: 為工況系數(shù),因為載荷性質(zhì)平穩(wěn),每天工作小于10小時。所以取1 所以2選定帶型、節(jié)距 根據(jù)設(shè)計功率和小帶輪轉(zhuǎn)速,即電機額定轉(zhuǎn)速n,查新編機械設(shè)計手冊圖7-9 選取L型同步帶。 查新編機械設(shè)計手冊表7-4