腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)300【畢業(yè)論文+CAD圖紙全套】

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買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985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)號專業(yè)買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985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)動訓(xùn)練、脊椎運(yùn)動訓(xùn)練等。康復(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)動有困難的患者完成各種動作，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?？祻?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，近年來取得了一些有價(jià)值的成果。對于中風(fēng)、偏癱、下肢運(yùn)動機(jī)能損傷等患者來說，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。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，用一對大錐齒輪完成傳動，第二種方案，用一對直齒輪和一對小錐齒輪代替一對大的錐齒輪。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)買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985ABSTRACTThe 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 買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985目 錄第 1 章 緒論11.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.11.2 本課題研究的內(nèi)容及方法.11.2.1 主要的研究內(nèi)容.11.2.2 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)63.1 電機(jī)驅(qū)動和減速器的選擇63.1.1 踝關(guān)節(jié)運(yùn)動角度和擺動速度.63.1.2 電機(jī)、減速器的選擇.63.2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)尺寸93.2.1 確定腳踏板和框架尺寸.93.2.2 確定傳動方桿尺寸.103.2.3 確定系統(tǒng)的尺寸圖.103.3 齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算.113.4 軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算.203.4.1 輸入軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算203.4.2 中間軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算223.4.3 輸出軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算253.5 軸承的校核.273.5.1 輸入軸上軸承壽命計(jì)算273.5.2 中間軸上軸承壽命計(jì)算283.5.3 輸出軸上軸承壽命計(jì)算293.6 鍵的選擇和校核.313.6.1 鍵的選擇313.6.2 鍵的校核31第 4 章 機(jī)架的設(shè)計(jì)324.1 對機(jī)架結(jié)構(gòu)的基本要求324.2 機(jī)架的結(jié)構(gòu)334.3 橫梁設(shè)計(jì)344.4 機(jī)架的基本尺寸的確定344.5 主要梁的強(qiáng)度校核34買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 119709851結(jié)論37參考文獻(xiàn)38致 謝391.1.買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985第 1 章 緒論1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(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)動訓(xùn)練，此種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單、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)械對下肢病情比較輕的病人較合適?？祻?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)動訓(xùn)練、脊椎運(yùn)動訓(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)動有困難的患者完成各種動作，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?？祻?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，近年來取得了一些有價(jià)值的成果。對于中風(fēng)、偏癱、下肢運(yùn)動機(jī)能損傷等患者來說，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 主要的研究內(nèi)容在查閱了國內(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)自動化目的。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本文擬進(jìn)行的研究內(nèi)容如下:1 根據(jù)現(xiàn)場作業(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；買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 1197098512 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。買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985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。踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動形式損傷機(jī)理中風(fēng)偏癱康復(fù)機(jī)理康復(fù)訓(xùn)練模式康復(fù)機(jī)本體要求機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)理論 康復(fù)理論機(jī)構(gòu)本體設(shè)計(jì)理論依據(jù)各種機(jī)構(gòu)方案機(jī)構(gòu)本體虛擬樣機(jī)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。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，用一對大錐齒輪完成傳動，第二種方案，用一對直齒輪和一對小錐齒輪代替一對大的錐齒輪。綜合比較利弊，擇優(yōu)選擇，最終決定選用第二種傳動方案，以減小空間尺寸，減輕機(jī)構(gòu)重量。買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 119709853圖 2-2 第一方案簡圖圖 2-3 第二方案簡圖圖 2-4 是該方案的傳動示意圖，該機(jī)構(gòu)能模擬踝關(guān)節(jié)真實(shí)運(yùn)動，有利于患者治療踝關(guān)節(jié)扭傷和正確矯形。其中第一路傳動路線控制踝關(guān)節(jié)的內(nèi)外翻運(yùn)動，第二路傳動路線控制踝關(guān)節(jié)的伸屈運(yùn)動，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：接合第一電磁離合器，則腳踝做內(nèi)外翻運(yùn)動；接合第二電磁離合器，則腳踝做伸屈運(yùn)動。使用本機(jī)構(gòu)的患者，可以針對自身實(shí)際情況，只進(jìn)行某一種康復(fù)運(yùn)動；也可以隨買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 119709854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。踝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻踝關(guān)節(jié)兩個(gè)自由度伺服電機(jī)踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻 / 外翻運(yùn)動減速器第一路傳動路線 第二路傳動路線第一電磁離合器第二電磁離合器腳踏板上下擺動踝關(guān)節(jié)伸屈支撐板一對直齒圓柱齒輪一對錐齒輪傳動方桿腳踏板左右擺動踝關(guān)節(jié)背伸 / 跎屈運(yùn)動圖 2-4 機(jī)構(gòu)的兩路系統(tǒng)傳動圖買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985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)動和減速器的選擇3.1.1 踝關(guān)節(jié)運(yùn)動角度和擺動速度該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動范圍應(yīng)當(dāng)由人類直線行走時(shí)的運(yùn)動范圍所決定。設(shè)計(jì)角度既要保證康復(fù)機(jī)構(gòu)能夠帶動患者按正常步態(tài)運(yùn)動，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)對運(yùn)動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的角度而又小于人體極限的擺動角度，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)動范圍運(yùn)動名稱 人體極限擺動角度 人體正常走動角度 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，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）srad/26.018025???????（2) 同樣，在大于 6s 時(shí)間內(nèi)完成外翻、內(nèi)翻運(yùn)動，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）srad/2.0618052???????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/min3.1.2 電機(jī)、減速器的選擇（1） 理論分析踝關(guān)節(jié)康復(fù)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的目的是對踝關(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)動角度之外，還需要提供一定的關(guān)節(jié)力矩。下面是針對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)。買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 119709856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 4.412 27 165 64 男 14.406 6.174 2.94 4.413 26 178 65 男 7.203 6.174 2.744 2.7444 25 163 55 女 10.29 6.174 3.43 3.925 23 170 60 男 11.319 5.762 1.96 3.436 23 162 52 女 10.29 4.939 2.45 3.1367 25 158 48 女 8.232 6.174 3.92 3.438 29 176 70 男 14.818 4.116 3.528 5.889 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 2.942 53 男 10.29 6.174 1.96 3.433 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)動使用的是一個(gè)電機(jī)，故按照較大值 Me1=16Nm 作為依據(jù)來選擇電機(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)，彈簧會損耗部分力矩 Ms=9Nm，因此驅(qū)動腳踏板所需力矩為 M=Me+Ms= 25Nm驅(qū)動腳踏板所需功率為（3-4）wnP54.69025???考慮到運(yùn)動過程中有功率損耗，故留 1.5 倍余量，背伸/跖屈時(shí)，電機(jī)所需為 8.14.6電 機(jī)（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)動部件，單獨(dú)的電機(jī)轉(zhuǎn)速太高、扭轉(zhuǎn)矩太小，故電機(jī)買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 119709857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)動元件選擇交流伺服電機(jī)+諧波減速器的方式，來提供輸出力矩。諧波減速器的特點(diǎn)：傳動比大，承載能力強(qiáng)，傳動精度高，傳動平穩(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，選擇 CSF Series Ratings 系列的型號為 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 CSF Series Ratings 20傳動比 160額定扭矩(Nm) 40電機(jī)所需輸出扭矩為（3-5）NmiMT156.02??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）r/in40165.2???in腳電 機(jī)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，來控制踝關(guān)節(jié)背屈/跖屈、外翻/內(nèi)翻康復(fù)運(yùn)動，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)動病人踝關(guān)節(jié)做康復(fù)運(yùn)動，啟動不頻繁，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 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買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 119709858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)動器，沒有伺服單元的驅(qū)動，電機(jī)將不能轉(zhuǎn)動。和 MSME 5AZG1 伺服電機(jī)相匹配的伺服驅(qū)動器為 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 NmM6.2510.??減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)過兩對齒輪傳動效率降低，最終驅(qū)動腳踏板的力矩為 M=25Nm。m8?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)際尺寸來確定的。為適合所有人群，確定腳踏板的長度為 280mm。根據(jù)人腳的長寬比例，腳踏板的寬初步定為 150mm，考慮到腳踏板兩側(cè)需有繃帶來固定足部，因此腳踏板左右兩邊分別留出長 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)腳踏板上下擺動時(shí)候，可以隨著腳踏板一起擺動，當(dāng)腳踏板左右擺動時(shí)，支撐凹板可以作為支撐不動，使腳踏板在支撐板內(nèi)左右擺動。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。買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 119709859圖 3-7 腳踏板結(jié)構(gòu)尺寸3.2.2 確定傳動方桿尺寸考慮加工的可實(shí)施性，傳動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)傳動桿通過凹槽或凸片用螺栓聯(lián)接。傳動方桿 17 的尺寸是 25×25×80；傳動方桿 18 的尺寸是 20×20×178；傳動方桿 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，故傳動系統(tǒng)的傳動比 。各圓柱齒輪、1?傳i錐齒輪傳動比均為 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，傳動系統(tǒng)由一對直齒圓柱齒輪、一對錐齒輪組成，這兩對齒輪傳動比均為 1.買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 1197098510圖 3-8 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.3 齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算高速級齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算（1） 選定齒輪類型、精度等級、材料與齒數(shù)按已知條件，選用直齒圓柱齒輪傳動。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 級精度， ，521?z（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）??3212. ?????????HEdtt ZuTK???——載荷系數(shù)tK——輸入軸承受扭矩1T——齒寬系數(shù)d?——重合度系數(shù)Z?——彈性影響系數(shù)E——接觸疲勞許用應(yīng)力??H?確定上式中各參數(shù)：買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 1197098511試選載荷系數(shù) =1.3，tK小齒輪傳遞的扭矩為 =6.27N m1T?查表 10-7，選齒寬系數(shù) =1；d?查表 10-6，得彈性影響系數(shù) =189.8 ，EZ12MPa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602lim?H?強(qiáng)度極限為 MPa。501lim?H?計(jì)算應(yīng)力循環(huán):（3.12）hnjLN6——輸入軸轉(zhuǎn)速n——工作時(shí)間hL137.7r/min?1n=10000hhL雙向轉(zhuǎn)動，取 =2j代入式（3.12）得：=1.65×108次160hNnjL?查圖 10-19，得接觸疲勞壽命系數(shù)1.15， 1.26；1HNK2HN?計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力：取安全系數(shù) S=1，則=690MPa， =693MPa??1H??1limS??2H?2limHKS計(jì)算設(shè)計(jì)公式中代入 中較小值，得 21.74mmH1td?計(jì)算小齒輪分度圓圓周速度 v0.17m/s?60π1nt計(jì)算齒寬 b=21.74mm1dtb?計(jì)算齒寬與齒高之比：買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 1197098512b/h （3.13）模數(shù)0.91mm1ttdmz?齒高=2.04mm2.5th代入式（3.13）得：=10.67/b計(jì)算載荷系數(shù)??HAVK?（3.14）查圖 10-8，由 v=0.17m/s，7 級精度，得：=1.0vK查表 10-4，得：1.2HF??查表 10-2，得：=1.25AK查表 10-3，得：=1.30H?查圖 10-13，得：=1.28FK?以上代入式（3.14）得：1.95 AvH????按實(shí)際載荷系數(shù)修正 1td24.87mm 31ttKd（3.15）買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 1197098513計(jì)算模數(shù) m：1.04mm?1zdm按彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)由公式（10-5 ）321???????FSadYzKTm??（3.16）——彎曲疲勞壽命系數(shù)FNK——彎曲疲勞需用應(yīng)力???——齒形系數(shù)FaY——應(yīng)力校正系數(shù)s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1FE?=380MPa；2FE?由圖 10-18 取彎曲疲勞壽命系數(shù) =0.93， =0.971FNK2FN計(jì)算載荷系數(shù) K= =1.92??FVA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??SKFENF11??=263.3MPa22查取齒形系數(shù)，由表 10-5 得：=2.65； =2.2261FaY2Fa查取應(yīng)力校正系數(shù)，由表 10-5 查得：=1.58； =1.7641Ys2Ys=0.013??1FSa?=0.0152Sa買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 1197098514大齒輪對應(yīng)數(shù)值大，將以上數(shù)值代入得：0.86?m對比計(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zmd?（3.17)將模數(shù)、齒數(shù)代入式（3.17）得：156mm； 156mm?mzd1?zd2中心距（3.18）21a?將 ， 代入式（3.18）得：1d2156mm?齒輪寬度（3.19）1db?由式（3.19）得：=25mm； =30mm2B1（3）設(shè)計(jì)錐齒輪傳動根據(jù)的工作要求，將腕部最末端的傳動設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)直齒圓錐齒輪傳動，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，tme6.1?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] 。1z（a）估算齒輪主要參數(shù)及尺寸齒數(shù) , ：1Z2買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 1197098515齒數(shù)比 ，所以選擇 ,則 。121?Znu301?Z3012?uZ齒寬系數(shù) ：R?，取 。齒寬系數(shù)不宜取過大，避免引起小端齒頂過薄，齒根圓3~41?R3.0?角半徑過小，應(yīng)力集中過大。根據(jù)手冊[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) ：1dm（3.27） ??32lim2115.08.9HRVAKTd????式中：—齒輪傳遞的扭矩；1T—工況系數(shù)；AK—動載系數(shù)；V—齒寬系數(shù)；R?—試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力；limH?查手冊[16]得到， , , MPa。1?AKV50lim?H?由于 N·m， , 。3.71?T3.0R?.i將數(shù)據(jù)代入得到小齒輪大端分度圓直徑 mm。31d大端模數(shù) ，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)分度圓模數(shù)，取 。65.201?Zdm5.2?m圓錐齒輪主要尺寸計(jì)算[16]：（3.28）mzd（3.29） u1arctn1??1290???（3.30）1sin?dR?（3.31）買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 1197098516??Rmd?5.01??（3.32） ?coszZV（3.33） ??Rm?5.01??（3.34） 式中：—大端分度圓直徑； d、 —節(jié)錐角； 1?2—錐距； R—中點(diǎn)分度圓直徑； md—當(dāng)量齒數(shù)； VZ—平均模數(shù)。 m齒寬 ，取 mm。108.9?b?將數(shù)據(jù)代入計(jì)算得： mm502.1??mzdmm732?45.1arctnrt1i?????09012mm.384sini1?dRmm????5.42.015.01 ?Rm?mm76372 ?????d640cos11??zZV5322??v????125.305.101????Rm?買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 1197098517錐齒輪傳動中主動輪轉(zhuǎn)速 r/min。9635.10?n中點(diǎn)分度圓上的圓周力 N。3.625.4721??mtdTF（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 Ht?MPa （3.35） 47.312.103.6???????KbFvAtmHt查[16]手冊， ， —齒向載荷分布系數(shù)， = =1.2。? HK?F計(jì)算接觸疲勞應(yīng)力 H?MPa （3.36） 03.4765.1.42735.15.47 22 ??????idwmt計(jì)算齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力'limH?（3.37）''li1li2liHNRLvWXZ?式中： —壽命系數(shù)；NZ—潤滑劑系數(shù)；L—齒面光潔度系數(shù)；R—速度系數(shù)；vZ—工作硬化系數(shù)；W—尺寸系數(shù)。X查手冊[16]得到 ， ， 。1??XWvNZZ95.0L4.?RZ所以， MPa。4.9052lim/1li/ ?H?計(jì)算接觸安全系數(shù) S，安全系數(shù)較高。所以，接觸疲勞強(qiáng)度滿足，3.10.476/1lim21 ??HHS參數(shù)合理。（c）按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 1197098518計(jì)算彎曲用單位齒寬上的載荷 Ft?MPa47.312.103.6???????KbFHvAtmHtFt變位系數(shù) ,sx取 ，則 。12012sx應(yīng)力集中校正系數(shù) aY由 及 可查表得 ，由 及 可查表得 。1xvz59.1?S2xvz68.12?SaY齒形系數(shù) Fa由 ，據(jù) 及 可查表得 ，由 及 可查表得 ，.5YC?1xvz60.1?FaY2xvz35.2?FaY而 ，所以： ， 。12 9.25.60??FaY 70.15.32??彎曲計(jì)算應(yīng)力 ?根據(jù)公式：（3.38）11FtasvmY???（3.39）221asFF?將數(shù)據(jù)代入計(jì)算得： MPa5.971.9215.473???FMPa8.2.602?取安全系數(shù) 4.1?FS查[16]手冊，得彎曲疲勞壽命系數(shù) ， 。9.01?FNK9.02?FN查[16]手冊，得彎曲疲勞極限為 MPa， MPa。4E?45E?許用應(yīng)力：（3.40）??FENFS11?（3.41）K22?買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 1197098519將數(shù)據(jù)代入計(jì)算得： MPa??1.2894.10911 ???FENFSK?MPa.73.522因此 、 ，彎曲疲勞強(qiáng)度滿足，參數(shù)合理 [17]。??11F????F?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????231?電 機(jī)輸 入 P6.27N m0T（2） 初估軸直徑（3.20）30minPAd?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012A?（3.20）得： =17mm mind（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：； 06303821???tNHt FF 038211??tNHt F（3.21）垂直方向： ； 063038221?rNVr 03068211rNVr（3.22） 對錐齒輪：, （3.23） dTFt???costanr對直齒輪：買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 1197098520， （3.24） dTFt2??tanrF將輸入軸參數(shù)代入式（3.24）得：538.2N, 138.5N1t ?1r501.6N, 182.6N2tF2代入得：408.6N, 867.2N?1NH?2NH514.8N , 558.9NVF1VF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F408.6N?1NF514.8N?1NF買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 1197098521867.2N?2NHF558.9N?1NVF彎矩 M44.8N m ? 0.7N m M?總彎矩1 44.8N m ??2VH?扭矩 T6.27N m?1?5) 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度（3.25）WTMca22)(???式中： ——軸的計(jì)算應(yīng)力ca?——軸受得彎矩M——軸所受的扭矩T——軸的抗彎截面系數(shù)W31.0dW?（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???WTMca22)(?軸的材料為 45 鋼，查表 11-1， 。因此 ，故安全。??160bPa? ??1cab???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??32?輸 入中 間P45.9r/minn17.7N m2T?（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：012A?25mm?30minPAd買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 1197098522（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)尺寸簡圖（4） 求軸上支反力與彎矩水平方向：； 01657.93221????NHtt FF 025.69165????ttNHFF（3.27）垂直方向： ； 0657.93221NVrr 025.69165rrNV（3.28） 對直齒輪：，dTFt??tanrF將輸入軸參數(shù)代入得：472N, 171.8N1t1r944N, 343.6N?2tF2代入得：35.8N, 436.2N1NH2NH13N, 158.7N?VF1V作出中間軸水平方向及垂直方向的彎矩圖： 買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 1197098523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F35.8N?1NF436.2N2H13N?1NF158.7NV彎矩 M31.7N m? 11.51N mM?總彎矩1 33.7N m??2VH?扭矩 T17.7N m?1?（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???WTMca22)(??軸的材料為 45 鋼，查表 11-1， 60MPa。因此 ，故安全。???b1 ??1cab???買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985243.4.3 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??432?中 間輸 出 P15.3r/min3n49.85N m0T?（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：012A?33mm?30minPd（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)尺寸簡圖（4） 求軸上支反力與彎矩水平方向：； 075.32??NHtF075.11??NHtF（3.29）垂直方向： ； 075.32NVr 075.11NVr（3.30） 對直齒輪：