截癱患者下肢仿生外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)報(bào)告

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1、截癱患者下肢仿生外骨骼機(jī)器人滾珠絲杠設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)汽02程帥20100107531.1滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)1.1.1驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用滾珠絲杠機(jī)構(gòu),可將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為絲杠的直線運(yùn)動(dòng),同時(shí)將電機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為絲杠方向的力。滾珠絲杠機(jī)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)、外殼、內(nèi)外螺母、絲杠、齒輪罩、圓柱齒輪及連接螺釘。圖3滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)裝置圖4滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)裝置裝配圖滾珠絲杠機(jī)構(gòu)的螺母設(shè)計(jì)為外螺母和內(nèi)螺母兩部分,二者之間布置滾珠,使內(nèi)螺母與外螺母實(shí)現(xiàn)軸向定位的同時(shí)可相對(duì)外螺母旋轉(zhuǎn)。內(nèi)螺母與絲杠嚙合,且在外表面安裝齒輪;外螺母通過(guò)螺釘與外殼(機(jī)架)固定。驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)通過(guò)一級(jí)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)內(nèi)螺母相對(duì)外螺

2、母旋轉(zhuǎn),內(nèi)螺母推動(dòng)絲杠進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。絲杠一端通過(guò)圓柱銷與錢鏈零件連接,外殼尾端通過(guò)螺釘與錢鏈零件連接,整個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)上述兩端的錢鏈機(jī)構(gòu)分別與上下肢連接,通過(guò)絲杠的伸縮運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。由于傳動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速較高,為了防止高速齒輪對(duì)人體產(chǎn)生傷害,故利用非金屬齒輪罩將傳動(dòng)齒輪封閉,整套驅(qū)動(dòng)裝置只輸出絲杠的伸縮運(yùn)動(dòng)。1.1.2滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)裝置工作能力分析滾珠絲杠機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度校核包括絲杠的彎曲強(qiáng)度校核、絲杠的屈服強(qiáng)度校核、螺母軸向載荷校核及壽命計(jì)算。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,三處驅(qū)動(dòng)裝置均選擇日本THK公司MDK1202-3磨制滾珠絲桿(螺母為獨(dú)立設(shè)計(jì))。參數(shù)如下:表MDK1202-3磨制滾珠絲杠主要參數(shù)型號(hào)絲杠軸外

3、徑/mm導(dǎo)程/mm溝槽谷徑/mm基本額定負(fù)荷/kNMDK1202-3122111.7根據(jù)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)要求確定三處驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的最大力F及絲杠軸長(zhǎng)度如下:絲杠方向取大載荷/kN絲杠軸最大長(zhǎng)度/mm膝關(guān)節(jié)屈伸1.6290牌關(guān)節(jié)屈伸1.0400牌關(guān)節(jié)內(nèi)收外展1.1220依據(jù)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行滾珠絲杠機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度校核:1.1.3絲杠彎曲強(qiáng)度校核絲杠的彎曲強(qiáng)度校核公式如下:c0.5PI=一12EJ2d4L2L2104其中:P1最大軸向允許載荷,N;E楊氏彈性模量(通常狀況下取L絲杠安裝間距,mm;dr絲杠溝槽最小直徑,mm;J絲杠斷面慣性矩,J64dr41、2與安裝方式有關(guān)的系數(shù),E=2.06X05N/mm2)見(jiàn)表絲杠

4、安裝方式12絲杠安裝方式12固定一固定420.0支撐一支撐15.0固定一支撐210.0固定一自由0.251.2表與安裝方式有關(guān)的系數(shù)1、2本方案中絲杠的支撐方式屬于固定一支撐,帶入數(shù)據(jù)計(jì)算,有:可以看出驅(qū)動(dòng)裝置的絲杠軸軸向最大許用載荷均大于實(shí)際載荷,彎曲強(qiáng)度符合要求。1.1.4絲杠屈服強(qiáng)度校核絲杠在不發(fā)生屈服的前提下所允許的最大軸向載荷按下式計(jì)算:P2-dr2116d:24rr膝關(guān)節(jié)屈伸方向:P牌關(guān)節(jié)屈伸方向:P2d;2d;1041045114290251141048704.5N牌關(guān)節(jié)內(nèi)收外展方向:4002451041044575.3N114218210415403.8N其中:P2dr-最大軸

5、向允許載荷,絲杠溝槽最小直徑,N;mm;一一絲杠材料的允許拉伸壓縮應(yīng)力(通常情況下(r=147N/mm2)。帶入數(shù)據(jù)計(jì)算,巳-d116d;116II4可以看出最大軸向許用載荷均大于各處實(shí)際載荷,求。11214036N拉伸/屈服強(qiáng)度符合要1.1.5螺母軸向載荷校核螺母實(shí)際允許的最大軸向載荷為FamaxC0afs其中,FamaxC0a一fs-滾珠螺母實(shí)際允許的最大軸向載荷,額定靜載荷,N靜安全系數(shù),根據(jù)負(fù)載條件確定。本設(shè)計(jì)屬普通機(jī)械,無(wú)沖擊振動(dòng),故fs取1.3根據(jù)MDK1202-3的額定靜載荷數(shù)據(jù),計(jì)算如下:FamaxG9000*6923.1Nfs1.3可以看出螺母所允許的最大軸向載荷均大于各處實(shí)

6、際最大載荷,強(qiáng)度符合要求。1.1.6滾珠絲杠機(jī)構(gòu)壽命校核滾珠絲杠的疲勞壽命可以分別由總轉(zhuǎn)速、實(shí)際運(yùn)行時(shí)間表示,計(jì)算公式如下:)3106直線運(yùn)動(dòng)速度為0.2m/s,沖擊為微小,故fw取1.0。根據(jù)各處螺母轉(zhuǎn)速的不同,分別計(jì)算三個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)滾珠絲杠的壽命如下:膝關(guān)節(jié):牌關(guān)節(jié)內(nèi)收外展:由于膝關(guān)節(jié)的軸向載荷僅在起立時(shí)的一瞬間出現(xiàn),故行走時(shí)的滾珠絲杠壽命按牌關(guān)節(jié)屈伸方向的滾珠絲杠壽命計(jì)算。如果按每天利用外骨骼裝置作行走訓(xùn)練3小時(shí),滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)時(shí)間占步態(tài)周期的1/3,則整套驅(qū)動(dòng)裝置的壽命約為2025天,即5年半,符合設(shè)計(jì)要求。1.8關(guān)節(jié)連接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)外骨骼機(jī)械腿的關(guān)節(jié)應(yīng)事先低阻力相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)希望上、下肢中心

7、軸線共棉以防止出現(xiàn)大、小腿錯(cuò)位情況。為此做出如下設(shè)計(jì):Lh-L-(豆)310660NfwFa,160N其中,LrLhFa-由總轉(zhuǎn)數(shù)表示的額定疲勞壽命,r;-由運(yùn)行時(shí)間表示的疲勞壽命,h;T 由向載荷,N;螺母轉(zhuǎn)速,r/min;負(fù)荷系數(shù),與運(yùn)動(dòng)速度及振動(dòng)沖擊情況有關(guān)。本設(shè)計(jì)中絲杠最高L60N牌關(guān)節(jié)屈伸:33fwFa)106160N90003(11600)1061603000988.77h冬)3fwFa106160N(9000)31100010616060002025h魯)3106160N(9000)31110010616015006085.6h圖1-機(jī)械腿關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)為了降低轉(zhuǎn)動(dòng)阻力,在關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中加

8、入深溝球軸承一對(duì)。軸承內(nèi)圈與關(guān)節(jié)軸配合,外圈與關(guān)節(jié)壓板配合,兩塊關(guān)節(jié)壓板與上肢通過(guò)螺栓連接,關(guān)節(jié)軸通過(guò)鍵、彈性擋圈與下肢的軸孔配合,軸承外側(cè)通過(guò)端蓋定位。整套機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)上下肢的低阻力轉(zhuǎn)動(dòng)。圖1-關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)裝配圖1.9滾珠絲杠一一外骨骼較鏈連接強(qiáng)度校核滾珠絲杠機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)外骨骼運(yùn)動(dòng)時(shí),兩者之間存在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),故在連接處設(shè)置錢鏈機(jī)構(gòu)。較鏈機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度校核包括銷軸孔的拉伸/擠壓強(qiáng)度校核及銷軸的剪切強(qiáng)度校核。圖1校鏈連接機(jī)構(gòu)1.9.1銷軸孔擠壓/拉伸強(qiáng)度校核根據(jù)錢鏈機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì),拉伸工作面最小面積:S1min(25-16)5=45mfri,擠壓工作面最小工作面面積:S2min165=80mrri三個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置軸向

9、載荷最大值為F=1600N(膝關(guān)節(jié)處)。依據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算拉伸應(yīng)力及擠壓應(yīng)力如下:1.4.1銷軸孔擠壓/拉伸強(qiáng)度校核最大拉伸應(yīng)力:1最大擠壓應(yīng)力:2FS1minFS2min35.56MPq20.00MPa銀鏈材料為低碳鋼,擠壓強(qiáng)度D150MPa,拉伸強(qiáng)度100MPa,可p以看出,拉伸強(qiáng)度及擠壓強(qiáng)度均符合要求。1.3.2圓柱銷剪切強(qiáng)度校核絲杠固定端較鏈處圓柱銷主要受切應(yīng)力,易發(fā)生剪切失效,故應(yīng)校核剪切強(qiáng)度。圓柱銷直徑8mm,工作面m=2,剪切應(yīng)力二處驅(qū)動(dòng)裝置最大拉/壓力Fmax=1600N,1600mid02帶入上式計(jì)算:15.9MPa2-824圓柱銷材料選用低碳鋼,許用應(yīng)力p要求。120MPa,

10、故剪切強(qiáng)度滿足1.4絲杠錢鏈連接強(qiáng)度校核|由于絲杠與錢鏈機(jī)構(gòu)無(wú)法一體加工成型,因此絲杠與錢鏈機(jī)構(gòu)間需要利用圓柱銷實(shí)現(xiàn)軸向定位。此銷軸連接的強(qiáng)度校核同樣包括銷軸孔的拉伸/擠壓強(qiáng)度校核及銷軸的剪切強(qiáng)度校核。根據(jù)尺寸設(shè)計(jì),拉伸工作面最小面積:81min(12-5)12=84mi2n(絲杠處),擠壓工作面最小工作面面積:S2min(1812)4=24mm三個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置軸向載荷最大值為F=1600N(膝關(guān)節(jié)處)。依據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算拉伸應(yīng)力及擠壓應(yīng)力如下:圖1-踝關(guān)節(jié)圓柱銷連接最大拉伸應(yīng)力:1最大擠壓應(yīng)力:2FS1minFS2min19.05MPa66,67MPa銀鏈材料為低碳鋼,擠壓強(qiáng)度p150MPq絲杠的

11、許用拉伸強(qiáng)度為147MPa,可以看出,拉伸強(qiáng)度及擠壓強(qiáng)度均符合要求。1.4.2圓柱銷剪切強(qiáng)度校核圓柱銷主要受切應(yīng)力,易發(fā)生剪切失效,故應(yīng)校核剪切強(qiáng)度。圓柱銷直徑4mm,工作面m=2,剪切應(yīng)力二處驅(qū)動(dòng)裝置最大拉/壓力Fmax=1600N,16002m4d0帶入上式計(jì)算:63.6MPa2424圓柱銷材料選用低碳鋼,許用應(yīng)力pp要求。120MPa,故剪切強(qiáng)度滿足1.5踝關(guān)節(jié)圓柱銷強(qiáng)度校核踝關(guān)節(jié)內(nèi)收外展自由度通過(guò)圓柱銷連接實(shí)現(xiàn)腳部零件與小腿的連接接主要承受壓應(yīng)力,在單腿支撐時(shí)達(dá)到最大工作載荷(按人體重量機(jī)構(gòu)40kg計(jì)算)。錢鏈連60kg+外骨骼1.5.1圓柱銷剪切強(qiáng)度校核圓柱銷直徑d=16mm,工作面

12、m=2。工作時(shí)主要受切應(yīng)力,應(yīng)校核剪切強(qiáng)度。最大工作載荷F(6040)9.8980N最大切應(yīng)力一9802.44MPa21624圓柱銷材料選用低碳鋼,許用應(yīng)力p120MPa,故剪切強(qiáng)度滿足要求。1.5.2銷軸孔擠壓強(qiáng)度校核此處銷軸連接主要受擠壓應(yīng)力,應(yīng)校核擠壓強(qiáng)度。由設(shè)計(jì)尺寸,工作面最小面積S|min1016=160mirio最大擠壓應(yīng)力:6.125MPaS1min銀鏈材料為低碳鋼,擠壓強(qiáng)度p150MP絲杠的許用拉伸強(qiáng)度為p147MPa可以看出,擠壓強(qiáng)度均符合要求。方頭平鍵設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)需求,三個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置的內(nèi)螺母外徑為24mm,通過(guò)方頭平鍵與齒輪實(shí)現(xiàn)周向定位。驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)時(shí),齒輪通過(guò)方頭平鍵驅(qū)

13、動(dòng)內(nèi)螺母旋轉(zhuǎn),內(nèi)螺母推動(dòng)滾珠絲杠作伸縮運(yùn)動(dòng)。根據(jù)內(nèi)螺母齒輪安裝處外徑及齒輪輪轂寬度及普通平鍵的長(zhǎng)度系列,確定三處平鍵參數(shù)如下:表3-1三個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)參數(shù)內(nèi)螺母外徑/mm傳遞轉(zhuǎn)矩T/Nmb/mmh/mmL/mm膝關(guān)節(jié)屈伸240.5668712牌關(guān)節(jié)屈伸240.3858714牌關(guān)節(jié)內(nèi)收外展240.424878根據(jù)方頭平鍵強(qiáng)度計(jì)算公式:2Tpdlk其中,k為平鍵工作高度,對(duì)于平鍵k0.5h;l為平鍵的工作長(zhǎng)度,對(duì)方頭平鍵lL。根據(jù)平鍵工作條件,確定許用擠壓應(yīng)力p100MPa。按照上式計(jì)算結(jié)果如下:/MPapp/MPa膝關(guān)節(jié)屈伸1.123100牌關(guān)節(jié)屈伸0.655100牌關(guān)節(jié)內(nèi)收外展1.26210

14、0可以看出三處方頭平鍵的強(qiáng)度均符合要求。關(guān)鍵部位螺栓連接強(qiáng)度校核在滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)裝置中以及驅(qū)動(dòng)裝置一一機(jī)械腿連接零件中, 一些螺栓/螺釘工作載荷較大,需要進(jìn)行強(qiáng)度校核。驅(qū)動(dòng)裝置外殼螺釘連接件強(qiáng)度校核滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)裝置的外殼(機(jī)架)由三部分裝配組成,如圖1-兩個(gè)外殼零件由6個(gè)十字槽盤頭螺釘連接(規(guī)格:M2.5X12);如圖1-外殼零件與尾部較鏈三套驅(qū)動(dòng)裝置中,膝關(guān)節(jié)處外殼承受的軸向載荷最大,F(xiàn)max=1600N,依據(jù)此數(shù)據(jù)進(jìn)行校核。對(duì)于兩外殼連接,工作螺釘數(shù)m6,d12.01mm根據(jù)螺栓所受拉伸應(yīng)力公式計(jì)算如下:160084.04Mpa零件通過(guò)3個(gè)開(kāi)槽沉頭螺釘連接(規(guī)格:M3X8)。圖1-外殼零件連

15、接方式圖1-外殼零件與錢鏈零件連接方式2.012*4螺釘性能等級(jí)6.8。按照使用條件以及螺釘材料,確定許用拉伸應(yīng)力為p160MPa,p,螺釘抗拉強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。滾珠絲杠外螺母外殼連接螺釘?shù)囊?guī)格與數(shù)目與外殼外殼連接處一致,故不再進(jìn)行校核。1.7.2驅(qū)動(dòng)裝置擺臂一一機(jī)械腿螺栓連接螺栓強(qiáng)度校核牌關(guān)節(jié)動(dòng)力裝置的擺臂通過(guò)一組按如下排列的四組螺栓(規(guī)格:M10X55)力的作用點(diǎn)距四組螺栓組中心距離l=113mm,F0=1000NO當(dāng)絲杠與擺臂垂直時(shí)螺栓組受力最大。按圖1-中模型計(jì)算。螺釘性能等級(jí)5.8。按照使用條件以及螺釘材料,確定許用拉伸應(yīng)力為p100MPa,p,螺釘抗拉強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)于外殼一一

16、錢接零件連接處螺釘, 工作螺釘數(shù)m3,儲(chǔ)2.5mm計(jì)算所受最大拉伸應(yīng)力如下:F2md1411600108.65Mpa2.52與機(jī)械腿實(shí)現(xiàn)連接圖1-擺臂一一機(jī)械腿螺栓連接圖1-螺栓組強(qiáng)度計(jì)算模型螺栓中心距a=15mm,由F0產(chǎn)生的力矩TFl10000.113113Nm=由F及T產(chǎn)生的分力FI、F2分別如下:F1-250N14F2-Th1331N4.2aF1、F2夾角45。根據(jù)三角形余弦定理,工作載荷由此計(jì)算螺栓收到的最大拉應(yīng)力如下:48521.7.3關(guān)節(jié)部件螺栓連接強(qiáng)度校核關(guān)節(jié)部件采用3個(gè)并排螺栓組實(shí)現(xiàn)與下肢的連接。螺栓組主要承受人體的重60kg+外骨骼機(jī)器人重量40kg進(jìn)行FF0326.67N

17、。3所需預(yù)緊力為FpKFU_32667598.9N。pCm0.32F/F:由此計(jì)算所需預(yù)緊力如下:Fp空pCmC:2F1F2cos45o=1518.8N1.11518.80.3r5568.9N1.3F1.35568.9127.58MPa螺栓性能等級(jí)6.8。按照使用條件以及螺栓材料,確定許用拉伸應(yīng)力為p160MPa,p,螺釘抗拉強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。量,在單腿支撐時(shí)達(dá)到最大。按照人體體重圖1-關(guān)節(jié)部件螺栓布置最大載荷F。(6040)9.8980N,每個(gè)螺栓所需的最大工作載荷為CM8螺栓小徑d1=6.647mm。由此計(jì)算螺栓收到的最大拉應(yīng)力如下:_d;6.6472414按照使用條件以及螺栓材料,確定許

18、用拉伸應(yīng)力為p,螺釘抗拉強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)由于電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速與螺母所需轉(zhuǎn)速并不相等,因此在二者之間需要增加一級(jí)齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)變速。電機(jī)輸入軸的齒輪軸向通過(guò)套筒與軸端擋板s實(shí)現(xiàn)定位,周向通過(guò)鍵連接定位(由于牌關(guān)節(jié)內(nèi)收外展方向電機(jī)輸出軸過(guò)膝,因此采用過(guò)盈連接);輸出端齒輪與內(nèi)螺母間通過(guò)臺(tái)肩與鎖緊擋圈實(shí)現(xiàn)軸向定位,周向定位則通過(guò)鍵連接實(shí)現(xiàn)。根據(jù)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速與螺母所需轉(zhuǎn)速的關(guān)系,確定三組齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比如下:表1-三組齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)比傳動(dòng)比膝關(guān)節(jié)屈伸1.89牌關(guān)節(jié)屈伸0.557牌關(guān)節(jié)內(nèi)收外展5.4下面借助機(jī)械設(shè)計(jì)輔助軟件進(jìn)行圓柱齒輪的設(shè)計(jì)。牌關(guān)節(jié)屈伸齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)牌關(guān)節(jié)齒輪傳動(dòng)的名義傳動(dòng)比為0

19、.557,傳遞極限功率為250W,根據(jù)外殼設(shè)計(jì)尺寸確定的輸入、 輸出軸軸距為58.5mm。 借助機(jī)械設(shè)計(jì)輔助軟件進(jìn)行設(shè)計(jì), 得到的符合要求的齒輪組如下:大四中匕小齒輪齒數(shù)5028模數(shù)1.51.5齒范(mm)1616材料及熱處理結(jié)構(gòu)鋼正火結(jié)構(gòu)鋼正火計(jì)算接觸應(yīng)力(MPa)123.08123.08接觸疲勞詐用應(yīng)力(MPa)445.16429.71計(jì)算彎曲應(yīng)力(MPa)4.424.5彎曲疲勞許用應(yīng)力(MPa)284.94281.051.3F1.3598.922.44MPa螺栓性能等級(jí)4.8p41.3MPa,實(shí)際傳動(dòng)比0.560.56可以看出齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度符合要求,且傳動(dòng)比在允許誤差范圍內(nèi)牌關(guān)節(jié)內(nèi)收外展

20、齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)牌關(guān)節(jié)齒輪傳動(dòng)的名義傳動(dòng)比為5.4,傳遞極限功率為60W,根據(jù)外殼設(shè)計(jì)尺寸確定的輸入、輸出軸軸距為43.6mm。借助機(jī)械設(shè)計(jì)輔助軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),得到的符合要求的齒輪組如下:大四中匕小齒輪齒數(shù)9217模數(shù)0.80.8齒范(mm)1010材料及熱處理結(jié)構(gòu)鋼正火結(jié)構(gòu)鋼正火計(jì)算接觸應(yīng)力(MPa)363.13363.13接觸疲勞詐用應(yīng)力(MPa)432.22387.9計(jì)算彎曲應(yīng)力(MPa)28.8831.18彎曲疲勞詐用應(yīng)力(MPa)288.74277.48實(shí)際傳動(dòng)比5.415.41可以看出齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度符合要求,且傳動(dòng)比在允許誤差范圍內(nèi),設(shè)計(jì)符合要求。膝關(guān)節(jié)屈伸齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)牌關(guān)節(jié)齒輪傳動(dòng)的名

21、義傳動(dòng)比為1.89,傳遞極Bg功率為200W,根據(jù)外殼設(shè)計(jì)尺寸確定的輸入、輸出軸軸距為53mm。借助機(jī)械設(shè)計(jì)輔助軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),得到的符合要求的齒輪組如下:大四中匕小齒輪齒數(shù)4021模數(shù)1.751.75齒范(mm)1414材料及熱處理結(jié)構(gòu)鋼正火結(jié)構(gòu)鋼正火計(jì)算接觸應(yīng)力(MPa)388.31388.31接觸疲勞詐用應(yīng)力(MPa)408.35391.25計(jì)算彎曲應(yīng)力(MPa)34.3836.10彎曲疲勞詐用應(yīng)力(MPa)288.46279.04實(shí)際傳動(dòng)比1.901.90可以看出齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度符合要求,且傳動(dòng)比在允許誤差范圍內(nèi),設(shè)計(jì)符合要求。踝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)踝關(guān)節(jié)通過(guò)低阻力關(guān)節(jié)部件和錢鏈連接實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度,但

22、兩個(gè)自由度上均未配置驅(qū)動(dòng)裝置,因此設(shè)計(jì)一個(gè)彈性機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)足部姿態(tài)的自動(dòng)回正。行走時(shí)為了保證腳底時(shí)刻與地面完全接觸,在屈伸方向安放一對(duì)螺旋彈簧。同時(shí)彈簧的中心軸線與小腿的中心線有一定偏移,使得在內(nèi)收外展方向彈簧也可以提供一定的彈性力,使得內(nèi)收外展方向也有回正彈性力存在。圖1-踝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)螺旋彈簧設(shè)計(jì)螺旋彈簧中心線距小腿中心線距離為12cm,螺旋彈簧的剛度應(yīng)保證能夠克服人體重心偏離身體中心線時(shí)產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)力矩。查找資料得知,人體重心高度約為身高的55%,以身高170cm計(jì)算,重心高度h093.5cm。偏轉(zhuǎn)力矩Tmghosin,其中為身體豎直軸線偏離鉛垂線角度。圖1-彈簧剛度計(jì)算模型由身體軸線偏轉(zhuǎn)引起的彈簧長(zhǎng)度變化量l1。sin按照以上參數(shù),利用機(jī)械設(shè)計(jì)輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),得到彈簧參數(shù)如下:有效圈數(shù)n自由高度H/mm彈簧剛度F/(N/mm)彈簧絲直徑d/mm彈簧中徑D/mm彈簧絲材料載荷類型端部結(jié)構(gòu):12.5:150:6.6222:I:碳素彈簧鋼絲SL型:靜載荷:兩端圈并緊磨平2m-d141故Tmghsin帶入數(shù)值計(jì)算,有:Fmghsin210sin2F10sin,其中F為彈簧最大載荷。609.893.52122290.75N/m按踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)極限為30設(shè)計(jì),則彈簧最大變形量為7.5cm。

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