腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)【含CAD圖紙和說明書】
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腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
摘要
康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的主要功能是幫助患者完成各種運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)訓(xùn)練，該類產(chǎn)品有行走訓(xùn)練、手臂運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、脊椎運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練等?？祻?fù)機(jī)器人有兩種：輔助型康復(fù)機(jī)器人和康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人。輔助型康復(fù)機(jī)器人主要是幫助肢體運(yùn)動(dòng)有困難的患者完成各種動(dòng)作，該類產(chǎn)品有機(jī)器人輪椅、機(jī)器人護(hù)士、機(jī)器人假肢、機(jī)械外骨骼等。
康復(fù)機(jī)器人是康復(fù)醫(yī)學(xué)和機(jī)器人技術(shù)的完美結(jié)合，康復(fù)機(jī)器人技術(shù)在歐美等國(guó)家得到了科研工作者和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的普遍重視，許多研究機(jī)構(gòu)都開展了有關(guān)的研究工作，近年來(lái)取得了一些有價(jià)值的成果。對(duì)于中風(fēng)、偏癱、下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)能損傷等患者來(lái)說，腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)有著很好的治療效果。從踝關(guān)節(jié)康復(fù)理論分析可知，踝關(guān)節(jié)共涉及伸屈、內(nèi)外翻、內(nèi)外旋三個(gè)自由度，最主要的是伸屈、內(nèi)外翻兩個(gè)自由度，也是決定患者是否康復(fù)的最主要的兩種運(yùn)動(dòng)。而現(xiàn)存的踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)，大多只能鍛煉踝關(guān)節(jié)伸屈這一個(gè)自由度，不利于患者的全面康復(fù)。
從圖中可知，第一種方案，用一對(duì)大錐齒輪完成傳動(dòng)，第二種方案，用一對(duì)直齒輪和一對(duì)小錐齒輪代替一對(duì)大的錐齒輪。綜合比較利弊，擇優(yōu)選擇，最終決定選用第二種傳動(dòng)方案，以減小空間尺寸，減輕機(jī)構(gòu)重量。
關(guān)鍵詞：康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，錐齒輪，腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)
ABSTRACT
The main function of rehabilitation training robot is to help patients complete recovery training various motor function, these products have a walking training, sports training arm, spine sports training. There are two rehabilitation robot: robot-assisted rehabilitation and rehabilitation robots. Robot-assisted rehabilitation is to help patients with limb movement difficult to complete a variety of actions, such products are wheelchair robots, robot nurses, prosthetic robot, mechanical exoskeleton like.
Rehabilitation robot is the perfect combination of medical rehabilitation and robotics, rehabilitation robotics in Europe and other countries have received widespread attention researchers and medical institutions, many research institutions have carried out relevant research work in recent years has made some valuable results. For patients with stroke, paralysis, lower limb motor function injury, the ankle rehabilitation agencies have a very good therapeutic effect. The two most important from ankle rehabilitation theory analysis, involving a total of ankle flexion, varus, internal and external rotation three degrees of freedom, the most important is flexion, varus two degrees of freedom, in determining whether the patient rehabilitation movement. The existing ankle rehabilitation institutions, most of them only ankle flexion exercise a degree of freedom that is not conducive to a comprehensive rehabilitation of patients.
From the figure, the first option, with a pair of bevel gear transmission is completed, the second solution, using a pair of spur gear and a pair of small bevel gear instead of a pair of bevel gears. Comprehensive comparison of the pros and cons, choose the best, and ultimately decided to use the second transmission scheme to reduce the size of the space, reduce body weight.
Keywords: rehabilitation robotics, bevel gear, ankle rehabilitation agencies
目 錄
第1章 緒論 1
1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.2 本課題研究的內(nèi)容及方法 1
1.2.1主要的研究?jī)?nèi)容 1
1.2.2設(shè)計(jì)要求 1
第2章 腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)方案的設(shè)計(jì) 3
第3章 踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6
3.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)和減速器的選擇 6
3.1.1踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度和擺動(dòng)速度 6
3.1.2電機(jī)、減速器的選擇 6
3.2設(shè)計(jì)系統(tǒng)尺寸 9
3.2.1確定腳踏板和框架尺寸 9
3.2.2確定傳動(dòng)方桿尺寸 10
3.2.3確定系統(tǒng)的尺寸圖 10
3.3 齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算 11
3.4 軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 20
3.4.1 輸入軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 20
3.4.2 中間軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 22
3.4.3 輸出軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 25
3.5 軸承的校核 27
3.5.1 輸入軸上軸承壽命計(jì)算 27
3.5.2 中間軸上軸承壽命計(jì)算 28
3.5.3 輸出軸上軸承壽命計(jì)算 29
3.6 鍵的選擇和校核 31
3.6.1 鍵的選擇 31
3.6.2 鍵的校核 31
第4章 機(jī)架的設(shè)計(jì) 32
4.1對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)的基本要求 32
4.2機(jī)架的結(jié)構(gòu) 33
4.3橫梁設(shè)計(jì) 34
4.4機(jī)架的基本尺寸的確定 34
4.5主要梁的強(qiáng)度校核 34
結(jié)論 37
參考文獻(xiàn) 38
致 謝 39
3
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
姓名
學(xué)號(hào)
專業(yè)
41
摘要
康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的主要功能是幫助患者完成各種運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)訓(xùn)練，該類產(chǎn)品有行走訓(xùn)練、手臂運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、脊椎運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練等?？祻?fù)機(jī)器人有兩種：輔助型康復(fù)機(jī)器人和康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人。輔助型康復(fù)機(jī)器人主要是幫助肢體運(yùn)動(dòng)有困難的患者完成各種動(dòng)作，該類產(chǎn)品有機(jī)器人輪椅、機(jī)器人護(hù)士、機(jī)器人假肢、機(jī)械外骨骼等。
康復(fù)機(jī)器人是康復(fù)醫(yī)學(xué)和機(jī)器人技術(shù)的完美結(jié)合，康復(fù)機(jī)器人技術(shù)在歐美等國(guó)家得到了科研工作者和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的普遍重視，許多研究機(jī)構(gòu)都開展了有關(guān)的研究工作，近年來(lái)取得了一些有價(jià)值的成果。對(duì)于中風(fēng)、偏癱、下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)能損傷等患者來(lái)說，腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)有著很好的治療效果。從踝關(guān)節(jié)康復(fù)理論分析可知，踝關(guān)節(jié)共涉及伸屈、內(nèi)外翻、內(nèi)外旋三個(gè)自由度，最主要的是伸屈、內(nèi)外翻兩個(gè)自由度，也是決定患者是否康復(fù)的最主要的兩種運(yùn)動(dòng)。而現(xiàn)存的踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)，大多只能鍛煉踝關(guān)節(jié)伸屈這一個(gè)自由度，不利于患者的全面康復(fù)。
從圖中可知，第一種方案，用一對(duì)大錐齒輪完成傳動(dòng)，第二種方案，用一對(duì)直齒輪和一對(duì)小錐齒輪代替一對(duì)大的錐齒輪。綜合比較利弊，擇優(yōu)選擇，最終決定選用第二種傳動(dòng)方案，以減小空間尺寸，減輕機(jī)構(gòu)重量。
關(guān)鍵詞：康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，錐齒輪，腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)
ABSTRACT
The main function of rehabilitation training robot is to help patients complete recovery training various motor function, these products have a walking training, sports training arm, spine sports training. There are two rehabilitation robot: robot-assisted rehabilitation and rehabilitation robots. Robot-assisted rehabilitation is to help patients with limb movement difficult to complete a variety of actions, such products are wheelchair robots, robot nurses, prosthetic robot, mechanical exoskeleton like.
Rehabilitation robot is the perfect combination of medical rehabilitation and robotics, rehabilitation robotics in Europe and other countries have received widespread attention researchers and medical institutions, many research institutions have carried out relevant research work in recent years has made some valuable results. For patients with stroke, paralysis, lower limb motor function injury, the ankle rehabilitation agencies have a very good therapeutic effect. The two most important from ankle rehabilitation theory analysis, involving a total of ankle flexion, varus, internal and external rotation three degrees of freedom, the most important is flexion, varus two degrees of freedom, in determining whether the patient rehabilitation movement. The existing ankle rehabilitation institutions, most of them only ankle flexion exercise a degree of freedom that is not conducive to a comprehensive rehabilitation of patients.
From the figure, the first option, with a pair of bevel gear transmission is completed, the second solution, using a pair of spur gear and a pair of small bevel gear instead of a pair of bevel gears. Comprehensive comparison of the pros and cons, choose the best, and ultimately decided to use the second transmission scheme to reduce the size of the space, reduce body weight.
Keywords: rehabilitation robotics, bevel gear, ankle rehabilitation agencies
目 錄
第1章 緒論 1
1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.2 本課題研究的內(nèi)容及方法 1
1.2.1主要的研究?jī)?nèi)容 1
1.2.2設(shè)計(jì)要求 1
第2章 腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)方案的設(shè)計(jì) 3
第3章 踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6
3.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)和減速器的選擇 6
3.1.1踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度和擺動(dòng)速度 6
3.1.2電機(jī)、減速器的選擇 6
3.2設(shè)計(jì)系統(tǒng)尺寸 9
3.2.1確定腳踏板和框架尺寸 9
3.2.2確定傳動(dòng)方桿尺寸 10
3.2.3確定系統(tǒng)的尺寸圖 10
3.3 齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算 11
3.4 軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 20
3.4.1 輸入軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 20
3.4.2 中間軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 22
3.4.3 輸出軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 25
3.5 軸承的校核 27
3.5.1 輸入軸上軸承壽命計(jì)算 27
3.5.2 中間軸上軸承壽命計(jì)算 28
3.5.3 輸出軸上軸承壽命計(jì)算 29
3.6 鍵的選擇和校核 31
3.6.1 鍵的選擇 31
3.6.2 鍵的校核 31
第4章 機(jī)架的設(shè)計(jì) 32
4.1對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)的基本要求 32
4.2機(jī)架的結(jié)構(gòu) 33
4.3橫梁設(shè)計(jì) 34
4.4機(jī)架的基本尺寸的確定 34
4.5主要梁的強(qiáng)度校核 34
結(jié)論 37
參考文獻(xiàn) 38
致 謝 39
第1章 緒論
1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)都在這方面取得了不錯(cuò)的研究結(jié)果。腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)發(fā)展主要經(jīng)歷了幾個(gè)階段。由早期的簡(jiǎn)單步行訓(xùn)練機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在功能豐富、符合人體運(yùn)動(dòng)機(jī)理的腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)。早期發(fā)展的下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)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)練過程中必須有專業(yè)人員的幫助，而且并不符合人體運(yùn)動(dòng)機(jī)理，還不能稱為康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，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。
康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的主要功能是幫助患者完成各種運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)訓(xùn)練，該類產(chǎn)品有行走訓(xùn)練、手臂運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、脊椎運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練等?？祻?fù)機(jī)器人有兩種：輔助型康復(fù)機(jī)器人和康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人。輔助型康復(fù)機(jī)器人主要是幫助肢體運(yùn)動(dòng)有困難的患者完成各種動(dòng)作，該類產(chǎn)品有機(jī)器人輪椅、機(jī)器人護(hù)士、機(jī)器人假肢、機(jī)械外骨骼等。
康復(fù)機(jī)器人是康復(fù)醫(yī)學(xué)和機(jī)器人技術(shù)的完美結(jié)合，康復(fù)機(jī)器人技術(shù)在歐美等國(guó)家得到了科研工作者和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的普遍重視，許多研究機(jī)構(gòu)都開展了有關(guān)的研究工作，近年來(lái)取得了一些有價(jià)值的成果。對(duì)于中風(fēng)、偏癱、下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)能損傷等患者來(lái)說，腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)有著很好的治療效果。
1.2 本課題研究的內(nèi)容及方法
1.2.1主要的研究?jī)?nèi)容
在查閱了國(guó)內(nèi)外大量的有關(guān)腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)理論及相關(guān)知識(shí)的資料和文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，綜合考慮腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、具體作業(yè)任務(wù)特點(diǎn)以及腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)的推廣應(yīng)用，分析確定使用腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化目的。
為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本文擬進(jìn)行的研究?jī)?nèi)容如下:
1 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的環(huán)境要求本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定康復(fù)機(jī)器人整體設(shè)計(jì)方案。
2 確定康復(fù)機(jī)器人的性能參數(shù)，對(duì)初步模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，根據(jù)實(shí)際情況選擇電機(jī)。
3 從所要功能的實(shí)現(xiàn)出發(fā)，完成康復(fù)機(jī)器人各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
4 完成主要零部件強(qiáng)度與剛度校核。
1.2.2設(shè)計(jì)要求
1 根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能，提出康復(fù)機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)方案；
2 完成康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)；
3 通過相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算，完成電機(jī)選型；
4 完成結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)總裝配圖、主要零件圖。
第2章 腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)
踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)既要滿足踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練模式的要求，又要滿足機(jī)構(gòu)本體設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，上述分析為機(jī)構(gòu)本體的設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。其技術(shù)路線如圖2-1所示。
圖2-1 踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的技術(shù)路線
從踝關(guān)節(jié)康復(fù)理論分析可知，踝關(guān)節(jié)共涉及伸屈、內(nèi)外翻、內(nèi)外旋三個(gè)自由度，最主要的是伸屈、內(nèi)外翻兩個(gè)自由度，也是決定患者是否康復(fù)的最主要的兩種運(yùn)動(dòng)。而現(xiàn)存的踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)，大多只能鍛煉踝關(guān)節(jié)伸屈這一個(gè)自由度，不利于患者的全面康復(fù)。針對(duì)上述問題，論文設(shè)計(jì)了兩種踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的方案，如圖2-2和圖2-3所示。
從圖中可知，第一種方案，用一對(duì)大錐齒輪完成傳動(dòng)，第二種方案，用一對(duì)直齒輪和一對(duì)小錐齒輪代替一對(duì)大的錐齒輪。綜合比較利弊，擇優(yōu)選擇，最終決定選用第二種傳動(dòng)方案，以減小空間尺寸，減輕機(jī)構(gòu)重量。
圖2-2 第一方案簡(jiǎn)圖
圖2-3 第二方案簡(jiǎn)圖
圖2-4是該方案的傳動(dòng)示意圖，該機(jī)構(gòu)能模擬踝關(guān)節(jié)真實(shí)運(yùn)動(dòng)，有利于患者治療踝關(guān)節(jié)扭傷和正確矯形。其中第一路傳動(dòng)路線控制踝關(guān)節(jié)的內(nèi)外翻運(yùn)動(dòng)，第二路傳動(dòng)路線控制踝關(guān)節(jié)的伸屈運(yùn)動(dòng)，通過接合不同的電磁離合器，控制腳踝不同的康復(fù)運(yùn)動(dòng)：接合第一電磁離合器，則腳踝做內(nèi)外翻運(yùn)動(dòng)；接合第二電磁離合器，則腳踝做伸屈運(yùn)動(dòng)。使用本機(jī)構(gòu)的患者，可以針對(duì)自身實(shí)際情況，只進(jìn)行某一種康復(fù)運(yùn)動(dòng)；也可以隨時(shí)改換離合器的接合按鈕，進(jìn)行兩種不同的康復(fù)運(yùn)動(dòng)。
圖2-4 機(jī)構(gòu)的兩路系統(tǒng)傳動(dòng)圖
第3章 踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)和減速器的選擇
3.1.1踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度和擺動(dòng)速度
該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)范圍應(yīng)當(dāng)由人類直線行走時(shí)的運(yùn)動(dòng)范圍所決定。設(shè)計(jì)角度既要保證康復(fù)機(jī)構(gòu)能夠帶動(dòng)患者按正常步態(tài)運(yùn)動(dòng)，又不能誤傷到患者，這就需要參考人類正常行走范圍的同時(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)的角度范圍加以限制，如表2所示。即踝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)角度要大于正常走動(dòng)的角度而又小于人體極限的擺動(dòng)角度，如此才能保證實(shí)現(xiàn)人體正確步行軌跡，又能保證安全。
（1) 從表3-1可見，該康復(fù)機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)角度為：背伸20o，跖屈25o，內(nèi)翻20o，外翻15o。該角度在病人踝關(guān)節(jié)可以承受范圍之內(nèi)，并可模擬正常走路角度。
表3-1 康復(fù)機(jī)構(gòu)踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍
運(yùn)動(dòng)名稱
人體極限擺動(dòng)角度
人體正常走動(dòng)角度
機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)角度
背伸
30o
14o
20o
跎屈
45o
20o
25o
內(nèi)翻
45o
14o
20o
外翻
30o
10o
15o
按照理療師的要求，在大于6s的時(shí)間內(nèi)完成背伸、跖屈運(yùn)動(dòng)，背伸0~20o，跎屈0~25o，那么按照要求，減速器輸出端的角速度為
（3-1）
（2) 同樣，在大于6s時(shí)間內(nèi)完成外翻、內(nèi)翻運(yùn)動(dòng)，外翻0~20o，內(nèi)翻0~15o，那么按照要求，減速器輸出端的角速度速為
（3-2）
根據(jù)上述分析，我們按照較大角速度0.26rad/s選擇電機(jī)，即腳踏板轉(zhuǎn)速為2.5r/min
3.1.2電機(jī)、減速器的選擇
（1） 理論分析
踝關(guān)節(jié)康復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的目的是對(duì)踝關(guān)節(jié)進(jìn)行背伸、跖屈，外翻、內(nèi)翻的康復(fù)訓(xùn)練，除了滿足各個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)角度之外，還需要提供一定的關(guān)節(jié)力矩。下面是針對(duì)一批正常人和一批腦卒中偏癱患者分別進(jìn)行背伸、跖屈，外翻、內(nèi)翻兩個(gè)自由度關(guān)節(jié)所需的力矩實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而這批力矩?cái)?shù)據(jù)為電機(jī)的選型提供了依據(jù)。
表3-2 正常人背伸/跖屈、內(nèi)翻/外翻所需力矩實(shí)驗(yàn)結(jié)果
樣本
年齡
身高
體重
性別
背伸(Nm)
跖屈(Nm)
內(nèi)翻(Nm)
外翻(Nm)
1
27
174
73
男
14.406
6.174
4.41
4.41
2
27
165
64
男
14.406
6.174
2.94
4.41
3
26
178
65
男
7.203
6.174
2.744
2.744
4
25
163
55
女
10.29
6.174
3.43
3.92
5
23
170
60
男
11.319
5.762
1.96
3.43
6
23
162
52
女
10.29
4.939
2.45
3.136
7
25
158
48
女
8.232
6.174
3.92
3.43
8
29
176
70
男
14.818
4.116
3.528
5.88
9
25
178
68
男
10.702
7.409
3.92
4.116
平均值
26
170
62
11.690
6.579
3.782
4.456
表3-3 偏癱患者背伸/跖屈、內(nèi)翻/外翻所需力矩實(shí)驗(yàn)結(jié)果
樣本
年齡
性別
背伸(Nm)
跖屈(Nm)
內(nèi)翻(Nm)
外翻(Nm)
1
46
男
10.29
6.174
2.45
2.94
2
53
男
10.29
6.174
1.96
3.43
3
50
男
8.232
6.174
1.96
2.94
平均值
50
9.604
6.174
2.123
3.102
參考這兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，背伸/跖屈關(guān)節(jié)力矩選擇最大值Me1=16Nm，內(nèi)外翻關(guān)節(jié)力矩選擇最大值Me2=6Nm，作為電機(jī)選型的參考力矩。由于兩個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)使用的是一個(gè)電機(jī)，故按照較大值Me1=16Nm作為依據(jù)來(lái)選擇電機(jī)。又考慮到設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中腳踏板下安裝了兩個(gè)彈簧用于恢復(fù)腳踏板與地面平行狀態(tài)，彈簧會(huì)損耗部分力矩Ms=9Nm，因此驅(qū)動(dòng)腳踏板所需力矩為M=Me+Ms= 25Nm
驅(qū)動(dòng)腳踏板所需功率為
（3-4）
考慮到運(yùn)動(dòng)過程中有功率損耗，故留1.5倍余量，背伸/跖屈時(shí)，電機(jī)所需為
（2) 電機(jī)、減速器的選型計(jì)算
電機(jī)是低扭矩、高轉(zhuǎn)速的驅(qū)動(dòng)部件，單獨(dú)的電機(jī)轉(zhuǎn)速太高、扭轉(zhuǎn)矩太小，故電機(jī)的輸出軸要經(jīng)過減速器進(jìn)行減速，才能滿足所需的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的要求，所以伺服電機(jī)后加一個(gè)減速器。綜合考慮各種減速器的特點(diǎn)，最終決定選用減速比高、體積小的電機(jī)直聯(lián)型諧波減速器。故驅(qū)動(dòng)元件選擇交流伺服電機(jī)+諧波減速器的方式，來(lái)提供輸出力矩。
諧波減速器的特點(diǎn)：傳動(dòng)比大，承載能力強(qiáng)，傳動(dòng)精度高，傳動(dòng)平穩(wěn)，效率高，體積小，質(zhì)量輕。
根據(jù)日本的Harmonic Drive LLC產(chǎn)品樣本手冊(cè)，選擇CSF Series Ratings系列的型號(hào)為20的諧波減速器。該減速器的兩端為孔式輸出（輸入），因此省去了聯(lián)軸器，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，縮小了機(jī)構(gòu)尺寸，降低了成本。具體參數(shù)如表5。
表3-4 諧波減速器參數(shù)
諧波減速器名稱
Harmonic Drive LLC
型號(hào)
CSF Series Ratings 20
傳動(dòng)比
160
額定扭矩(Nm)
40
電機(jī)所需輸出扭矩為
（3-5）
式中，T為電機(jī)輸出扭矩，M為腳踏板所需扭矩，i為諧波減速器的減速比。
電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速
（3-6）
電機(jī)所需功率為9.8w。
考慮到該踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)需左、右轉(zhuǎn)兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，來(lái)控制踝關(guān)節(jié)背屈/跖屈、外翻/內(nèi)翻康復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以電機(jī)須選用伺服電機(jī)。綜合考慮康復(fù)機(jī)器人的工作條件和載荷特點(diǎn)（驅(qū)動(dòng)病人踝關(guān)節(jié)做康復(fù)運(yùn)動(dòng)，啟動(dòng)不頻繁，換向頻繁），最終決定選用選擇松下A5交流伺服電機(jī)，規(guī)格及參數(shù)如表3-5。
表3-5 伺服電機(jī)參數(shù)
電機(jī)型號(hào)
MSME 5AZG1
額定輸出功率(w)
50
額定轉(zhuǎn)矩(Nm)
0.16
額定轉(zhuǎn)速(r/min)
3000
電壓(V)
AC200v
圖3-6 電機(jī)扭矩特性圖
每個(gè)伺服電機(jī)都要有一個(gè)與之相匹配的伺服驅(qū)動(dòng)器，沒有伺服單元的驅(qū)動(dòng)，電機(jī)將不能轉(zhuǎn)動(dòng)。和MSME 5AZG1伺服電機(jī)相匹配的伺服驅(qū)動(dòng)器為A5系列的MADHT 1505，屬于電機(jī)內(nèi)置保持器。它可以實(shí)現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)矩的控制，具有電流、過負(fù)載、過電壓、過速度、電機(jī)異常、編碼器異常等保護(hù)功能，利用電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)能夠構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。
根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性曲線圖3-6可知，在低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩輸出，高于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)恒功率輸出。因此400r/min時(shí)，電機(jī)輸出扭矩為0.16Nm，經(jīng)過諧波減速器，關(guān)節(jié)輸出力矩為
在諧波減速器可承受的扭矩范圍之內(nèi)（40Nm），滿足設(shè)計(jì)要求。電機(jī)輸出軸直徑為。經(jīng)過兩對(duì)齒輪傳動(dòng)效率降低，最終驅(qū)動(dòng)腳踏板的力矩為M=25Nm。
3.2設(shè)計(jì)系統(tǒng)尺寸
3.2.1確定腳踏板和框架尺寸
腳踏板尺寸是根據(jù)人足的實(shí)際尺寸來(lái)確定的。為適合所有人群，確定腳踏板的長(zhǎng)度為280mm。根據(jù)人腳的長(zhǎng)寬比例，腳踏板的寬初步定為150mm，考慮到腳踏板兩側(cè)需有繃帶來(lái)固定足部，因此腳踏板左右兩邊分別留出長(zhǎng)5mm的缺口，用于纏繞繃帶，所以腳踏板最終寬度為160mm。
根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，腳踏板需固定在一個(gè)凹形的支撐板上，該支撐板懸空，當(dāng)腳踏板上下擺動(dòng)時(shí)候，可以隨著腳踏板一起擺動(dòng)，當(dāng)腳踏板左右擺動(dòng)時(shí)，支撐凹板可以作為支撐不動(dòng)，使腳踏板在支撐板內(nèi)左右擺動(dòng)。該支撐板的厚度定為5mm，與腳踏板聯(lián)接的部分局部加厚到20mm并打孔，如圖25所示。
圖3-7 腳踏板結(jié)構(gòu)尺寸
3.2.2確定傳動(dòng)方桿尺寸
考慮加工的可實(shí)施性，傳動(dòng)桿均做成截面為方形、兩端帶凹槽或者帶凸片的形狀，且凸片或凹槽均在中間加工一通孔，各個(gè)傳動(dòng)桿通過凹槽或凸片用螺栓聯(lián)接。傳動(dòng)方桿17的尺寸是25×25×80；傳動(dòng)方桿18的尺寸是20×20×178；傳動(dòng)方桿19的尺寸是20×20×193。
3.2.3確定系統(tǒng)的尺寸圖
減速器的輸出轉(zhuǎn)速即為腳踏板的轉(zhuǎn)速，故傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比。各圓柱齒輪、錐齒輪傳動(dòng)比均為1。參照醫(yī)院實(shí)地考察的類似的下肢康復(fù)機(jī)構(gòu)，桿件尺寸均較小，一般位于15-25mm之間，分析其原因是因?yàn)?，踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)多在病床上使用，患者處于平躺狀態(tài)或者半躺狀態(tài)，訓(xùn)練用時(shí)，腳踏板不必承受整個(gè)人體的重量，只需提供使踝關(guān)節(jié)扭動(dòng)的力矩，因此該力矩很小，故桿或軸的直徑不超過25mm。
據(jù)上，設(shè)計(jì)框架如圖26所示。從圖中可知，傳動(dòng)系統(tǒng)由一對(duì)直齒圓柱齒輪、一對(duì)錐齒輪組成，這兩對(duì)齒輪傳動(dòng)比均為1.
圖3-8 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3.3 齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算
高速級(jí)齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算
（1） 選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料與齒數(shù)
按已知條件，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。
由資料[14]（下同）表10-1小齒輪材料選用45Cr(調(diào)質(zhì))，表面硬度為280HBS,大齒輪材料選用45鋼（調(diào)質(zhì)），表面硬度為240HBS。
選擇7級(jí)精度，，
（2） 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算公式（10-9a）試算小齒輪分度圓直徑，即：
（3.11）
——載荷系數(shù)
——輸入軸承受扭矩
——齒寬系數(shù)
——重合度系數(shù)
——彈性影響系數(shù)
——接觸疲勞許用應(yīng)力
確定上式中各參數(shù)：
試選載荷系數(shù)=1.3，
小齒輪傳遞的扭矩為 =6.27Nm
查表10-7，選齒寬系數(shù)=1；
查表10-6，得彈性影響系數(shù)=189.8，
查圖10-21d，查得小齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限為MPa；大齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限為MPa。
計(jì)算應(yīng)力循環(huán):
（3.12）
——輸入軸轉(zhuǎn)速
——工作時(shí)間
137.7r/min
=10000h
雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，取=2
代入式（3.12）得：
=1.65×108次
查圖10-19，得接觸疲勞壽命系數(shù)
1.15，1.26；
計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力：取安全系數(shù)S=1，則
=690MPa， =693MPa
計(jì)算
設(shè)計(jì)公式中代入中較小值，得21.74mm
計(jì)算小齒輪分度圓圓周速度
0.17m/s
計(jì)算齒寬b
=21.74mm
計(jì)算齒寬與齒高之比：
b/h （3.13）
模數(shù)
0.91mm
齒高
=2.04mm
代入式（3.13）得：
=10.67
計(jì)算載荷系數(shù)
（3.14）
查圖10-8，由v=0.17m/s，7級(jí)精度，得：
=1.0
查表10-4，得：
1.2
查表10-2，得：
=1.25
查表10-3，得：
=1.30
查圖10-13，得：
=1.28
以上代入式（3.14）得：
1.95
按實(shí)際載荷系數(shù)修正
24.87mm （3.15）
計(jì)算模數(shù)m：
1.04mm
按彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由公式（10-5 ）
（3.16）
——彎曲疲勞壽命系數(shù)
——彎曲疲勞需用應(yīng)力
——齒形系數(shù)
——應(yīng)力校正系數(shù)
由圖10-20c查得小齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限=500MPa；大齒輪彎曲強(qiáng)度極限=380MPa；
由圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.93，=0.97
計(jì)算載荷系數(shù)
==1.92
計(jì)算彎曲疲勞需用應(yīng)力，取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，得：
=332.1MPa
=263.3MPa
查取齒形系數(shù)，由表10-5得：
=2.65；=2.226
查取應(yīng)力校正系數(shù)，由表10-5查得：
=1.58；=1.764
=0.013
=0.015
大齒輪對(duì)應(yīng)數(shù)值大，將以上數(shù)值代入得：
0.86
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度的承載能力僅與齒輪直徑有關(guān)，所以取由彎曲疲勞強(qiáng)度算得的m=0.86，并取圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=3，
幾何尺寸計(jì)算：
分度圓直徑
（3.17)
將模數(shù)、齒數(shù)代入式（3.17）得：
156mm；156mm
中心距
（3.18）
將，代入式（3.18）得：
156mm
齒輪寬度
（3.19）
由式（3.19）得：
=25mm；=30mm
（3）設(shè)計(jì)錐齒輪傳動(dòng)
根據(jù)的工作要求，將腕部最末端的傳動(dòng)設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)直齒圓錐齒輪傳動(dòng)，考慮到可能圓錐小齒輪齒根圓到鍵槽底部的距離，所以將圓錐小齒輪與軸設(shè)計(jì)成一體，圓錐大齒輪單獨(dú)設(shè)計(jì)，材料選用45鋼。由于選用的是閉式硬齒面齒輪，齒輪齒面磨損和彎曲疲勞折斷是主要的失效形式，因此設(shè)計(jì)這類齒輪傳動(dòng)時(shí)按彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，宜選取較小的齒數(shù)，可取17～20[15]。
（a）估算齒輪主要參數(shù)及尺寸
齒數(shù),：
齒數(shù)比，所以選擇,則。
齒寬系數(shù)：
，取。齒寬系數(shù)不宜取過大，避免引起小端齒頂過薄，齒根圓角半徑過小，應(yīng)力集中過大。
根據(jù)手冊(cè)[16]，按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算小齒輪大端分度圓直徑和大端模數(shù)：
（3.27）
式中：
—齒輪傳遞的扭矩；
—工況系數(shù)；
—?jiǎng)虞d系數(shù)；
—齒寬系數(shù)；
—試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力；
查手冊(cè)[16]得到，,,MPa。
由于 N·m，,。
將數(shù)據(jù)代入得到小齒輪大端分度圓直徑mm。
大端模數(shù)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)分度圓模數(shù)，取。
圓錐齒輪主要尺寸計(jì)算[16]：
（3.28）
（3.29）
（3.30）
（3.31）
（3.32）
（3.33）
（3.34）
式中：
—大端分度圓直徑；
、—節(jié)錐角；
—錐距；
—中點(diǎn)分度圓直徑；
—當(dāng)量齒數(shù)；
—平均模數(shù)。
齒寬，取mm。
將數(shù)據(jù)代入計(jì)算得：mm
mm
mm
mm
mm
錐齒輪傳動(dòng)中主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速r/min。
中點(diǎn)分度圓上的圓周力N。
（b）按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核
計(jì)算接觸用單位齒寬上的載荷
MPa （3.35）
查[16]手冊(cè)，，—齒向載荷分布系數(shù)，==1.2。
計(jì)算接觸疲勞應(yīng)力
MPa （3.36）
計(jì)算齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力
（3.37）
式中：
—壽命系數(shù)；
—潤(rùn)滑劑系數(shù)；
—齒面光潔度系數(shù)；
—速度系數(shù)；
—工作硬化系數(shù)；
—尺寸系數(shù)。
查手冊(cè)[16]得到，，。
所以，MPa。
計(jì)算接觸安全系數(shù)
，安全系數(shù)較高。所以，接觸疲勞強(qiáng)度滿足，參數(shù)合理。
（c）按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核
計(jì)算彎曲用單位齒寬上的載荷
MPa
變位系數(shù)
取，則。
應(yīng)力集中校正系數(shù)
由及可查表得，由及可查表得。
齒形系數(shù)
由，據(jù)及可查表得，由及可查表得，而，所以：，。
彎曲計(jì)算應(yīng)力
根據(jù)公式：
（3.38） （3.39）
將數(shù)據(jù)代入計(jì)算得：MPa
MPa
取安全系數(shù)
查[16]手冊(cè)，得彎曲疲勞壽命系數(shù)，。
查[16]手冊(cè)，得彎曲疲勞極限為MPa，MPa。
許用應(yīng)力：
（3.40）
（3.41）
將數(shù)據(jù)代入計(jì)算得：MPa
MPa
因此、，彎曲疲勞強(qiáng)度滿足，參數(shù)合理[17]。
3.4 軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算
3.4.1 輸入軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算
（1） 求輸入軸上的功率、轉(zhuǎn)速、扭矩
0.456kW
6.27Nm
（2） 初估軸直徑
（3.20）
選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表11-3，取，并將數(shù)據(jù)代入式（3.20）得：
=17mm
（3） 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
輸入軸的最小直徑與先前計(jì)算齒輪直徑相差很少，所以做成齒輪軸。
（4） 求軸上支反力與彎矩
水平方向：
； （3.21）
垂直方向：
； （3.22）
對(duì)錐齒輪：
, （3.23）
對(duì)直齒輪：
， （3.24）
將輸入軸參數(shù)代入式（3.24）得：
538.2N,138.5N
501.6N,182.6N
代入得：
408.6N,867.2N
514.8N ,558.9N
作出輸入軸水平方向及垂直方向的彎矩圖3.6：
圖3.6 輸入軸的受力分析圖
從輸入軸的結(jié)構(gòu)圖和受力情況分析得到截面II是輸入軸的危險(xiǎn)截面，計(jì)算結(jié)果如
表3.4。
表3.4 截面Ⅱ處的彎矩
載荷
水平面H
垂直面V
支反力
408.6N
867.2N
514.8N
558.9N
彎矩
44.8Nm
0.7Nm
總彎矩
44.8Nm
扭矩
6.27Nm
5) 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
（3.25）
式中：——軸的計(jì)算應(yīng)力
——軸受得彎矩
——軸所受的扭矩
——軸的抗彎截面系數(shù)
（3.26）
校核軸上承受最大計(jì)算彎矩的截面Ⅱ處的強(qiáng)度，取1，將各數(shù)值代入式（3.25）、（3.26）得：
7.66MPa
軸的材料為45鋼，查表11-1，。因此，故安全。
3.4.2 中間軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算
（1） 求輸入軸上的功率、轉(zhuǎn)速、扭矩
0.429kW
45.9r/min
17.7Nm
（2） 初估軸直徑
選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表11-3，取，得：
25mm
（3） 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
中間軸的直徑與小齒輪分度圓直徑相差很少，所以做成錐齒輪軸。軸的結(jié)構(gòu)尺寸如圖3.7。
圖3.7 中間軸結(jié)構(gòu)尺寸簡(jiǎn)圖
（4） 求軸上支反力與彎矩
水平方向：
； （3.27）
垂直方向：
； （3.28）
對(duì)直齒輪：
，
將輸入軸參數(shù)代入得：
472N,171.8N
944N,343.6N
代入得：
35.8N,436.2N
13N,158.7N
作出中間軸水平方向及垂直方向的彎矩圖：
圖3.8 中間軸的受力分析圖
從軸的結(jié)構(gòu)圖和受力情況分析得到截面II是軸的危險(xiǎn)截面，計(jì)算結(jié)果如表3.5。
表3.5 截面Ⅱ處的彎矩
載荷
水平面H
垂直面V
支反力
35.8N
436.2N
13N
158.7N
彎矩
31.7Nm
11.51Nm
總彎矩
33.7Nm
扭矩
17.7Nm
（5） 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
校核軸上承受最大計(jì)算彎矩的截面Ⅱ處的強(qiáng)度
2.01MPa
軸的材料為45鋼，查表11-1，60MPa。因此，故安全。
3.4.3 輸出軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算
（1） 求輸出軸上的功率、轉(zhuǎn)速、扭矩
0.404kW
15.3r/min
49.85Nm
（2） 初估軸直徑
選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表11-3，取，得：
33mm
（3） 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
軸的結(jié)構(gòu)尺寸如圖3.9，輸出軸的直徑與齒輪直徑相差很少，所以做成錐齒輪軸。
圖3.9 輸出軸結(jié)構(gòu)尺寸簡(jiǎn)圖
（4） 求軸上支反力與彎矩
水平方向：
； （3.29）
垂直方向：
； （3.30）
對(duì)直齒輪：
，
將輸入軸參數(shù)代入得：
886.2N,322.6N
代入得：
1364.4N,478.1N
496.6N,174N
作出輸出軸水平方向及垂直方向的彎矩圖3.10：
圖3.10 輸出軸的受力分析圖
從軸的結(jié)構(gòu)圖和受力情況分析得到軸的危險(xiǎn)截面，計(jì)算結(jié)果如表3.7。
表3.7 截面處的彎矩
載荷
水平面H
垂直面V
支反力
1364.4N
478.1N
496.68N
174N
彎矩
33.5Nm
12.2Nm
總彎矩
35.7Nm
扭矩
49.85Nm
（5） 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
校核軸上承受最大計(jì)算彎矩的截面Ⅱ處的強(qiáng)度
35MPa
軸的材料為45鋼，查表11-1，60MPa。因此，故安全。
3.5 軸承的校核
3.5.1 輸入軸上軸承壽命計(jì)算
查閱資料[14]表13-3得到軸承的預(yù)期壽命為
由圖3.5可知軸上安裝軸承處直徑為17mm，考慮其承受齒輪軸和聯(lián)軸器的重量，所以選擇圓錐滾子軸承30203，e=0.35，=1.7， 1， Cr=20.8kN、Cor=21.8kN。求出各力即可算出強(qiáng)度。
軸上所受的支反力：
657.2N
1031.5N （3.31）
193.3N， 303.2N （3.32）
式中：
——徑向支反力
——軸向支反力
193.3N，303.2N
193.3N，303.2N
，查表13-5得：
0.4，
，查表13-5得：
1，0
查表13-6載荷系數(shù)=1.2，將以上代入式（3.33）、（3.34），軸承當(dāng)量動(dòng)載荷為
750.5N （3.33）
1237.8N （3.34）
由公式（13-15）
（3.35）
式中：
——軸承所在軸的轉(zhuǎn)速
——溫度系數(shù)
——額定動(dòng)載荷
——軸承所在軸的傳動(dòng)功率
計(jì)算軸承壽命。
137.7r/min
=25000N
10/3
查表13-7，溫度系數(shù)=1
代入式（3.35）得：h，滿足使用要求。
3.5.2 中間軸上軸承壽命計(jì)算
（1） 由圖3.7可知軸上安裝軸承處直徑為25mm，考慮其承受齒輪軸和聯(lián)軸器的重量，所以選擇圓錐滾子軸承3007105，e=0.37，=1.6， 0.9， Cr=32kN，Cor=37kN。求出各力即可算出強(qiáng)度。
軸上所受的支反力：
38.1N，464.2N
11.9N，145.1N，
考慮其軸上零件重量得到，50 N；
61.9N，145.1N；
61.9N，=145.1N
，查表13-5得0.4，1.6
，查表13-5得1，0
查表13-6載荷系數(shù)=1.2，軸承當(dāng)量動(dòng)載荷為
137.1N
557N
計(jì)算軸承壽命。
45.9r/min
C=28000N
10/3
查表13-7，溫度系數(shù)=1
代入得h，滿足使用要求。
3.5.3 輸出軸上軸承壽命計(jì)算
軸承受力如圖3.11所示，軸安裝出直徑為35mm，由于軸向要承受大小臂的重力，所以選擇圓錐滾子軸承2007907E，Cr=54.2kN，Cor=63.5kN，e=0.37，1.6，0.9，求出各力大小，即可算出強(qiáng)度。
圖3.11 軸Ⅲ軸承受力結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
圖中R有兩部分組成，第一部分為軸上所受的支反力：
1452N， 508.8N
工作時(shí)產(chǎn)生的偏心力，如圖3.12所示。
圖3.12 工作時(shí)產(chǎn)生偏心力簡(jiǎn)圖
大小臂重力分別為：
300N,200N
經(jīng)計(jì)算得：
2400N
3852N，2908.8N
1203.8N，909N，
1753.9N，909N
1753.9N，=909N
，查表13-5得0.4，1.6
，查表13-5得1，0
查表13-6載荷系數(shù)=1.2，軸承當(dāng)量動(dòng)載荷為
5108.2N
2949.6N
由公式13-10a，因?yàn)?，所以帶入進(jìn)行校核
計(jì)算軸承壽命。
15.3r/min
=73200N
10/3
查表13-7，溫度系數(shù)=1
代入得h，滿足使用要求。
3.6 鍵的選擇和校核
3.6.1 鍵的選擇
根據(jù)齒輪和軸的參數(shù)，參考《機(jī)械設(shè)計(jì)》選擇設(shè)計(jì)鍵。
電機(jī)輸出軸鍵：；
中間軸的鍵Ⅰ：；
輸出軸的鍵Ⅱ：。
3.6.2 鍵的校核
鍵的材料為45鋼，由資料表6-2查得許用擠壓應(yīng)力MPa
根據(jù)公式
（3.25）
得到：
鍵Ⅰ：工作長(zhǎng)度mm，接觸高度3.3mm，17.7Nm
25.5MPa，安全。
鍵Ⅱ：工作長(zhǎng)度mm，接觸高度3.8mm，49.85Nm
23.9MPa，安全。
第4章 踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的三維建模
4.1 零件的造型
4.1.1簡(jiǎn)單零件的造型
一，電機(jī)
1、首先，運(yùn)行proe軟件，選擇拉伸工具，選擇top平面為草繪平面，進(jìn)入草繪界面，選擇圓命令繪制圓，選擇圓弧命令繪制圓弧，選擇直線命令通過圓弧端點(diǎn)繪制直線，打開約束編輯器，選擇相等命令，約束直線相等、圓弧相等，打開標(biāo)注工具，對(duì)圖形進(jìn)行尺寸標(biāo)注，選擇草繪的三條直線和圓，單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇構(gòu)建，將草繪的直線和圓轉(zhuǎn)換成構(gòu)建線，完成草繪返回拉伸界面，指定拉伸深度為26mm，完成實(shí)體的拉伸操作，如下圖4.1所示:
圖4.1 電機(jī)
2、再次選擇拉伸工具，選擇拉伸實(shí)體的表面為草繪平面，進(jìn)入草繪界面，選擇圓工具繪制圖形，標(biāo)注圓的直徑為70mm，完成圖形的繪制，返回拉伸界面，設(shè)置拉伸為拉伸深度完成實(shí)體的拉伸去除操作.
二，齒輪
1、首先，運(yùn)行proe軟件，選擇拉伸工具，選擇top平面為草繪平面，進(jìn)入草繪界面，選擇圓命令繪制圓，選擇圓弧命令繪制圓弧，選擇直線命令通過圓弧端點(diǎn)繪制直線，打開約束編輯器，選擇相等命令，約束直線相等、圓弧相等，打開標(biāo)注工具，對(duì)圖形進(jìn)行尺寸標(biāo)注，選擇草繪的三條直線和圓，單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇構(gòu)建，將草繪的直線和圓轉(zhuǎn)換成構(gòu)建線，完成草繪返回拉伸界面，指定拉伸深度為26mm，完成實(shí)體的拉伸操作，如下圖4.2所示：
圖4.2 齒輪
2、再次選擇拉伸工具，選擇拉伸實(shí)體的表面為草繪平面，進(jìn)入草繪界面，選擇圓工具繪制圖形，標(biāo)注圓的直徑為70mm，完成圖形的繪制，返回拉伸界面，設(shè)置拉伸為拉伸深度完成實(shí)體的拉伸去除操作.
三，腳踏板
1、首先，運(yùn)行proe軟件，選擇拉伸工具，選擇top平面為草繪平面，進(jìn)入草繪界面，選擇圓命令繪制圓，選擇圓弧命令繪制圓弧，選擇直線命令通過圓弧端點(diǎn)繪制直線，打開約束編輯器，選擇相等命令，約束直線相等、圓弧相等，打開標(biāo)注工具，對(duì)圖形進(jìn)行尺寸標(biāo)注，選擇草繪的三條直線和圓，單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇構(gòu)建，將草繪的直線和圓轉(zhuǎn)換成構(gòu)建線，完成草繪返回拉伸界面，指定拉伸深度為26mm，完成實(shí)體的拉伸操作，如下圖4.3所示：
圖4.3 腳踏板
2、再次選擇拉伸工具，選擇拉伸實(shí)體的表面為草繪平面，進(jìn)入草繪界面，選擇圓工具繪制圖形，標(biāo)注圓的直徑為70mm，完成圖形的繪制，返回拉伸界面，設(shè)置拉伸為拉伸深度完成實(shí)體的拉伸去除操作。
三，腳踏板支架
1、首先，運(yùn)行proe軟件，選擇拉伸工具，選擇top平面為草繪平面，進(jìn)入草繪界面，選擇圓命令繪制圓，選擇圓弧命令繪制圓弧，選擇直線命令通過圓弧端點(diǎn)繪制直線，打開約束編輯器，選擇相等命令，約束直線相等、圓弧相等，打開標(biāo)注工具，對(duì)圖形進(jìn)行尺寸標(biāo)注，選擇草繪的三條直線和圓，單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇構(gòu)建，將草繪的直線和圓轉(zhuǎn)換成構(gòu)建線，完成草繪返回拉伸界面，指定拉伸深度為26mm，完成實(shí)體的拉伸操作，如下圖4.4所示:
圖4.4 腳踏板支架
2、再次選擇拉伸工具，選擇拉伸實(shí)體的表面為草繪平面，進(jìn)入草繪界面，選擇圓工具繪制圖形，標(biāo)注圓的直徑為70mm，完成圖形的繪制，返回拉伸界面，設(shè)置拉伸為拉伸深度完成實(shí)體的拉伸去除操作，
4.1.2復(fù)雜零件的造型
1、首先，運(yùn)行proe軟件，選擇拉伸工具，選擇top平面為草繪平面，進(jìn)入草繪界面，選擇圓命令繪制圓，選擇圓弧命令繪制圓弧，選擇直線命令通過圓弧端點(diǎn)繪制直線，打開約束編輯器，選擇相等命令，約束直線相等、圓弧相等，打開標(biāo)注工具，對(duì)圖形進(jìn)行尺寸標(biāo)注，選擇草繪的三條直線和圓，單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇構(gòu)建，將草繪的直線和圓轉(zhuǎn)換成構(gòu)建線，完成草繪返回拉伸界面，指定拉伸深度為26mm，完成實(shí)體的拉伸操作，如下圖4.5所示和圖4.6所示:
1. 錐齒輪
圖4.5 錐齒輪
2.箱體
圖4.6 箱體
2、再次選擇拉伸工具，選擇拉伸實(shí)體的表面為草繪平面，進(jìn)入草繪界面，選擇圓工具繪制圖形，標(biāo)注圓的直徑為70mm，完成圖形的繪制，返回拉伸界面，設(shè)置拉伸為拉伸深度完成實(shí)體的拉伸去除操作.
4.2踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)的裝配
4.2.1裝配的順序
裝配思路：在進(jìn)行裝配的時(shí)候，注意幾個(gè)問題：1.一定要根據(jù)你裝配的三維圖形，適當(dāng)把握其先后順序，正確的裝配順序會(huì)減少許多操作2.根據(jù)零件之間的關(guān)系，選擇合適的連接方式。
4.2.2裝配的過程
首先要知道用pro/e進(jìn)行裝配時(shí)，裝配的第一個(gè)件通常是不動(dòng)的。先將齒輪與齒輪軸裝配，然后再建立一個(gè)裝配，裝配順序是：下箱體——軸承座處的軸承裝配——齒輪裝配——軸承裝配——齒輪副組建的裝配——箱體裝配
4.2.3踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)
經(jīng)過逐級(jí)裝配，得到如下圖所表示的三維圖4.7a,4.7b:
圖4.7a 虛擬裝配圖
圖4.7b 虛擬裝配圖
4.3生成工程圖
1. 軸
圖4.8 軸
2.錐齒輪軸
圖4.9 錐齒輪軸
3.軸承透蓋
圖4.10 軸承透蓋
4.聯(lián)軸器裝配圖
圖4.11聯(lián)軸器裝配圖
5.總裝配圖
圖4.12 總裝配圖
結(jié)論
本課題結(jié)合目前國(guó)腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)裝置的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，具體闡述了一種腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)裝置開發(fā)過程。本文主要完成的工作如下：
1、腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)裝置結(jié)構(gòu)方案的確定。分析了腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)裝置的特點(diǎn)，確定了腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)裝置基本結(jié)構(gòu)，并確定其基本尺寸。
2、確定了腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)裝置技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)。對(duì)該腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)裝置進(jìn)行了計(jì)算。
3、零件的剛度和壽命計(jì)算與校核。對(duì)各個(gè)已設(shè)計(jì)零件進(jìn)行剛度和壽命計(jì)算，確保滿足使用要求，使該腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)裝置有足夠的可靠性。
通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，不僅把大學(xué)所學(xué)到的理論知識(shí)很好的運(yùn)用到畢業(yè)設(shè)計(jì)中，而且培養(yǎng)了自己認(rèn)真思考的能力，在處理問題時(shí)有了新的認(rèn)識(shí)和方法，并加強(qiáng)了和同學(xué)之間進(jìn)行探討和解決問題的能力。
通過對(duì)專業(yè)知識(shí)的接觸和深入學(xué)習(xí)，以及對(duì)相關(guān)信息的獲取，我深切地認(rèn)識(shí)到，就目前的發(fā)展而言，我國(guó)的工業(yè)還比較落后，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在很大的差距。盡管我們不斷地在努力，但想在很短的時(shí)間內(nèi)改變這種現(xiàn)狀是很難的，尤其是對(duì)于我們這樣一個(gè)國(guó)情的大國(guó)。所以，我們應(yīng)該擁有的是一種民族意識(shí)，不斷的追求創(chuàng)新。
希望能將這套設(shè)計(jì)應(yīng)用到具體實(shí)踐當(dāng)中,通過實(shí)踐來(lái)驗(yàn)證理論的正確性。通過理論知識(shí)與具體實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，才能真正把一門知識(shí)應(yīng)用起來(lái)。
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