毕业设计（论文）-刚柔混联下肢康复机器人结构设计.docx

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1、编号：毕业设计（论文）题 目：刚柔混联下肢康复机器人结构设计2014年5月25日5摘要本次设计是对刚柔混联下肢康复机器人装置的设计。在这里主要包括:滚珠丝杠传动系统的设计、这次毕业设计对设计工作的基本技能的训练，提高了分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造了一定条件。整机结构主要由电动机产生动力通过联轴器将需要的动力传递到丝杆上，丝杆带动丝杆螺母，从而带动整机运动，提高劳动生产率和生产自动化水平。更显示其优越性，有着广阔的发展前途。本论文研究内容：(1)刚柔混联下肢康复机器人装置总体结构设计。(2)刚柔混联下肢康复机器人装置工作性能分析。(3)电动机的选择。(4)刚柔混联下肢

2、康复机器人装置的传动系统、执行部件及机架设计。(5)对设计零件进行设计计算分析和校核。(6)绘制整机装配图及重要部件装配图和设计零件的零件图。关键词：刚柔混联下肢康复机器人装置，联轴器，滚珠丝杠AbstractThis design is the design of the lower limb rehabilitation robot device mixed rigidflexible. Here mainly include: Design of ball screw drive system, the graduation design on thedesign of the basi

3、c skills training, enhancing the analysis and to solve engineering problems,and create a certain condition for general mechanical design.The structure is mainly produced by the motor power through the coupling will need totransfer the power to the screw rod, the screw rod drives the screw rod nut, t

4、hereby drivingthe movement, improve labor productivity and automation level of production. But also showits superiority, there are broad prospects for the development.The research of this thesis:(1) the rigid flexible hybrid lower limbs rehabilitative robot device structure design.(2) analysis of lo

5、wer limbs rehabilitation robot device performance mixed rigid flexible.(3) the choice of motor.(4) transmission system, execution unit and frame design of rigid flexible hybrid lowerlimbs rehabilitative robot.(5) the design of components for the design calculation and check.(6) to draw the assembly

6、drawing and parts assembly diagram and parts diagram design.Key words: rigid flexible hybrid lower limbs rehabilitative robot device, coupling, ball screw目录IV1绪论11.1 国内外研究现状11.2 刚柔混联下肢康复机器人原理及结构11.3 本课题研究的内容及方法31.3.1 主要的研究内容3132设计要求32刚柔混联下肢康复机器人装置总体结构设计42.1 设计的要求与数据42.2 总体结构设计42.3 康复机器人结构设计草图（框架图）53

7、康复机器人结构及传动设计83.1 滚珠丝杆副的选择93.1.1 导程确定93.1.2 确定丝杆的等效转速93.1.3 估计工作台质量及负重93.1.4 确定丝杆的等效负载93.1.5 确定丝杆所受的最大动载荷103.1.6 精度的选择113.1.7 选择滚珠丝杆型号113.2 校核123.2.1 临界压缩负荷脸证123.2.2 临界转速脸证133.2.3 丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率133.3 电机的选择143.3.1 电机轴的转动惯量143.3.2 电机扭矩计算154其它零部件的设计计算174.1 电机轴的设计校核174.2 键的校核184.3 轴承的校核184.4 力矩电机的选取195

8、机架的设计235.1 对机架结构的基本要求235.2 机架的结构245.3 横梁设计255.4 机架的基本尺寸的确定255.5 主要梁的强度校核25结论28参考文献29致谢301绪论1.1 国内外研究现状康复训练机器人的主要功能是帮助患者完成各种运动功能的恢复训练，该类产品有行走训练、手臂运动训练、脊椎运动训练等。康复机器人有两种：辅助型康复机器人和康复训练机器人。辅助型康复机器人主要是帮助肢体运动有困难的患者完成各种动作，该类产品有机器人轮椅、机器人护士、机器人假肢、机械外骨骼等。康复机器人是康复医学和机器人技术的完美结合，康复机器人技术在欧美等国家得到了科研工作者和医疗机构的普遍重视，许多

9、研究机构都开展了有关的研究工作，近年来取得了一些有价值的成果。对于中风、偏瘫、下肢运动机能损伤等患者来说，下肢康复训练机器人有着很好的治疗效果。国内外许多研究机构都在这方面取得了不错的研究结果。下肢康复训练机器人发展主要经历了几个阶段。由早期的简单步行训练机发展到现在功能丰富、符合人体运动机理的下肢康复训练机器人。早期发展的下肢康复训练系统是借助于跑步机、悬吊系统等帮助患者进行运动训练，此种产品结构简单、价格便宜,但训练过程中必须有专业人员的帮助，而且并不符合人体运动机理，还不能称为康复训练机器人，只能是一种半自动的康复训练机械，它的功能单一、价格便宜，而且需要在专业护理人员的帮助下进行康复训

10、练，这种机械对下肢病情比较轻的病人较合适。1.2 刚柔混联下肢康复机器人原理及结构刚柔混联下肢康复机器人是一种下肢内收外展训练机器人，该机器人由支撑框架、两套绳索牵引支链、一套刚柔混联支链和脚踏板组成。支撑框架由型材搭建而成。两套绳索牵引支链均由装有编码器的力矩电动机、绞盘、绳索组成，固定在支撑框架上的力矩电动机驱动绞盘转动，从而带动柔性绳索运动，两套绳索牵引支链的绳索另一端共同连接到脚踏板上的一点处。刚柔混联支链由装有编码器的力矩电动机、绞盘、绳索、装有编码器的直流电动机、丝杠螺母、滑轨、过轮和力矩传感器组成，固定在支撑框架上的直流电动机驱动由滑轨机构约束的丝杠螺母机构，实现固定在螺母上的过

11、轮平移运动；固定在支撑框架上的力矩电动机驱动绞盘转动，带动柔性绳索运动，绳索的另一端通过力矩传感器和过轮后连接到脚踏板上。可用于下肢损伤患者进行内收外展康复训练，也可用于健康人的体育锻炼。rL本课题下肢内收外展训练机器人由支撑系统框架、两套绳索牵引支链、一套刚柔混联支链和一个脚踏板组成。支撑系统框架由型材搭建而成，可根据需要任意移动；两套绳索牵引支链均由装有编码器的力矩电动机、绞盘、绳索组成，两个力矩电动机分别固定在框架前后位置上的同一高度处，其驱动绞盘转动，实现绳索牵引，两根牵引绳索均连接到脚踏板侧面中点处；一套刚柔混联支链由装有编码器的力矩电动机、绞盘、绳索、装有编码器的直流电动机、丝杠螺

12、母、滑轨、过轮和力矩传感器组成，固定在框架中间位置的直流电动机驱动受滑轨约束的丝杠螺母机构，固定在支撑框架上的力矩电动机驱动绞盘转动，带动绳索运动，该绳索的另一端通过力矩传感器和固定在螺母上的过轮后连接到脚踏板另一侧中点处。结构布置保证了连接到脚踏板上的三根绳索是处于同一平面的，且刚柔混联支链的牵引绳索平分两套绳索牵引支链的牵引绳索所夹角度，刚柔混联支链的过轮平移方向不在三根牵引绳索所形成的平面上。这种机器人结构布置形式能够实现下肢内收外展运动训练。1.3 本课题研究的内容及方法1.3.1 主要的研究内容在查阅了国内外大量的有关刚柔混联下肢康复机器人设计理论及相关知识的资料和文献基础上，综合考

13、虑刚柔混联下肢康复机器人结构特点、具体作业任务特点以及刚柔混联下肢康复机器人的推广应用，分析确定使用刚柔混联下肢康复机器人实现自动化目的。为了实现上述目标，本文拟进行的研究内容如下：1根据现场作业的环境要求本身的结构特点，确定康复机器人整体设计方案。2确定康复机器人的性能参数，对初步模型进行静力学分析，根据实际情况选择电机。3从所要功能的实现出发，完成康复机器人各零部件的结构设计；4完成主要零部件强度与刚度校核。1.3.2 设计要求1根据所要实现的功能，提出康复机器人的整体设计方案；2完成康复机器人结构的详细设计；3通过相关设计计算，完成电机选型；4完成结构的设计总装配图、主要零件图。462刚

14、柔混联下肢康复机器人装置总体结构设计2.1 设计的要求与数据随着老龄化的到来以及自然灾害和交通事故等原因，接受康复训练的群体人数变得越来越大，研究康复训练机器人技术，研制康复训练机器人产品，对和谐社会建设具有重要意义。刚柔混联下肢康复机器人主要是针对下肢内收外展/内旋外旋运动而设计的，目的是同时实现下肢的上述运动模式。该机器人具有3个自由度，分别是平面2个移动和脚踏板面的1个转动。柔性机构用于直接对脚踏板的牵引，而刚性支链是为了实现绳索驱动端位置的改变，实现不同的牵引形式。绳索和刚性支链构成一种刚柔混联机器人的传动构件。2.2 总体结构设计一般来讲，主要有两部分，一是设计一套康复机器人结构设计

15、，固定在康复机器人的机架上。本设计只对结构进行设计。取康复机器人步进电机的脉冲当量可选为0.01mm/脉冲，步进电机的步距角0.9。方案1、系统运动方式的确定系统按运动方式可分为点位控制系统，点位直线系统，连续控制系统。康复机器人在工作台移动过程中头并不进行孔加工，因此装置可采用点位控制方式。对点位系统的要求是快速定位，保证定位精度。2、伺服系统的选择伺服系统实现位置伺服控制有开环、闭环、半闭环3种控制方式。开环控制的伺服系统存在着控制精度不能达到较高水平的基本问题，但是步进电机具有角位移与输入脉冲的严格对应关系，使步距误差不会积累；转速和输入脉冲频率严格的对应关系，而且在负载能力范围内不受电流、电压、负载大小、环境条件的波动而变化的特点。并且步进电机控制的开环系统由于不存在位置检测与反馈控制的问题，结构比较简单，易于控制系统的实现与调试。并且随着电子技术和计算机控制技术的发展，在改善步进电机控制性能方面也取得了可喜的发展。因