用于偏三瘫患者康复训练的原地步行系统结构论文.doc

河 北 工 业 大 学毕 业 论 文作 者： 潘一爽 学 号： 110476 学 院： 机械工程学院 系(专业)： 机械设计制造及其自动化 题 目：用于偏瘫患者患肢康复训练的康复机器人结构设计 指导者： 李军强 副教授 评阅者： 2015 年 06 月 2 日毕业设计（论文）中文摘要题 目 ：用于偏瘫患者患肢康复训练的康复机器人结构设计摘要：瘫痪主要起因为脑中风后遗症，由于机器人技术发展迅速，利用机器人来实现偏瘫康复训练成为最主要的方式。对于患者来说，若患肢康复训练是以其健肢的步态参数作为参考，更有助于完成康复训练。现今，大部分外骨骼式下肢步态康复训练机器人都要匹配相应的步行台进行训练，而步行台会束缚患者，使他们不能依自身的想法进行训练。本次设计了原地步行系统取代步行台，并用磁流变阻尼器提供可控阻力。传感器检测患者健肢的运功信息，为患者患肢运动提供参考数据。论文介绍了此机器人的研究过程，结合了仿生学及人机工程学技术，设计相似部件时相互比较，最终确定了偏瘫患者患肢康复训练的康复机器人的结构，保证部件经济耐用且结构简单。关键词： 下肢步态康复训练机器人 原地步行系统 检测患者健肢运功信息 四自由度 河北工业大学2015届本科毕业论文毕业设计（论文）外文摘要Title The structure design of rehabilitation robot for patients with hemiplegia limb rehabilitationAbstractThe main cause of paralysis is stroke sequelae, due to the rapid development of robot technology, use robots to achieve hemiplegia rehabilitation as the most important way. For patients, if the limb rehabilitation is based on the healthy limb gait parameters, but also help complete rehabilitation training.Nowadays, most of the exoskeletal lower limb gait rehabilitation training robot must match the corresponding the station on foot, while the patients will be bound when walking on the station , so that they can not be trained in accordance with their own ideas.The design of the in-situ walking system to replace the walking station, and with MR damper to provide controllable resistance. The sensor detects the movement of the patient's limb, and provides the reference data for the patients. This paper introduces the research process of the robot, combined with bionics and ergonomic technology, when designing similar components need to comparring with each other, and the structure of the rehabilitation of patients with hemiplegia limb rehabilitation robot can be determined ultimately, while ensure economical and durable components and a simple structure.Keywods: Lower limb gait rehabilitation robot, In-situ walking system, detection of patients with limb exercise information, four degrees of freedom目 录1. 绪论······························· - 4 - 1.1 偏瘫患者患肢康复训练的康复机器人设计目的和意义········ - 4- 1.2 国内外康复机器人研究现状··················· - 4- 1.2.1 仿生外骨骼式下肢康复机器人··············· - 4 - 1.2.2 活动踏板式下肢康复机器人················ - 5 - 1.2.3 驱动人体盆骨······················ - 6 - 1.3本课题主要研究内容······················ - 6 - 2. 总体方案的选定 ·························· - 7 - 2.1 初步设计构想 ························ - 7 - 2.2 工作安排 ·························· - 8 - 3. 偏瘫患者患肢康复训练机器人的结构设计 ··············· - 8 -3.1 健肢机构··························· - 9 -3.1.1外骨骼式关节运动参数检测装置 ·············· - 9 -3.1.2平行四边形结构的原地步行机构··············- 10 -3.1.3 力检测装置·······················- 11 -3.2人机工程学设计························- 11 -3.3 康复机器人各关节结构设计···················- 13 -3.3.1髋关节 ·························- 13 -3.3.2膝关节 ·························- 13 -3.3.3踝关节 ·························- 14 -4. 偏瘫患者患肢康复训练的康复机器人动力系统设计···········- 15 -4.1 步进电动机的基本类型·····················- 15 -4.2 步进电机的选型························- 15 -4.3 行星减速器··························- 17 -5. 传动系统设计···························- 18-5.1选择传动方案·························- 18 -5.2联轴器的选择··························- 18-5.3齿轮的设计···························- 19-5.4传动轴的设计··························-19-结论 ································- 24-参考文献 ·······························- 25- 致谢···································· - 27 -1 绪论1.1 偏瘫患者患肢康复训练的康复机器人设计目的和意义瘫痪是脑中风的常见后遗症，中国已经进入老龄化社会，中风的老年患者正逐步增加，轻者会行动不便，严重的则完全瘫痪，瘫痪给他们的生活以及工作带来严重障碍，康复问题已经成为社会亟待解决的一个问题。目前，对于神经系统损伤而导致的肢体的功能障碍的康复治疗，现今主要仍旧是依赖于医师的一对一的徒手训练，以达到集中、重复以及有目的性的康复训练需求，尤其在某些国家，人工的训练成本还是比较高的；除此之外，康复评价大多数是医师对此进行评价，不能达到实时跟踪治疗的良好效果。因各种不同因素而患有肢体运动障碍的人数不少，并且随生活质量的提高，人类对康复治疗的需求也随之增多，康复型机器人必定会有比较好的发展前景。康复机器人技术在欧美等国家得到很大重视，其成果的转化，极有可能带动一个新兴机器人产业的发展。1.2 国内外康复机器人研究现状1.2.1仿生外骨骼式下肢康复机器人 “外骨骼机器人” （Exoskeleton Robot）指的是一种安装在人体外面的机器人1。外骨骼具有支撑和保护的作用，它自身能够对生物的柔软的内部器官进行构型，建筑和保护，外骨骼是非常坚硬的。外骨骼的技术融合多种技术为一体，像是传感、控制、信息、运动计算，为患者提供一种可穿戴的机械机构的综合技术2。瑞士HOCOMA医疗器械公司与瑞士苏黎士医学康复中心合力设计推出了LOKOMAT3-5 下肢康复训练机器人，(如图 1.2.1)。LOKOMAT研制出后,且成功地推向市场，并在随后的一段时间中日趋完善，这个机器人称得上腿部驱动减重步行康复训练机器人的典型代表。其主要部分是步态矫正的矫正驱动装置、智能体重的支持系统以及医用跑台。两台伺服电机一起驱动LOKOMAT的一条腿，位于大腿的腿杆上和腰部的机架的滚珠丝杠由电机带动，能够把旋转运动转化为直线运动，实现推动机械腿的大腿和小腿的运动。与此同时,传感器将信息反馈到计算机。LOKOMAT康复机器人能够监测和评价患者的训练过程，并且LOKOMAT 全自动式机器人有基础型、专业型和儿童型三种配置类型，训练的过程和方法，可依据患者的自身实际的情况来进行相应的调整6。 图1.2.1 LOKOMAT步行康复 图1.2.2 混合助力肢体（HAL） 训练机器人 外骨骼机器人在开发研制机器人这个领域中，日本有很好的基础和特色。筑波大学的教授山海嘉之先生创立了Cyberdyne公司，并研制和推广了混合助力肢体（HAL）外骨骼机器人(如图 1.2.2)。HAL-5是一款可以穿戴在身上的机器人，也是常见的外骨骼式，最大的特色是重量由机器人本身的结构所支撑，患者没有负担。HAL-5能够帮助患者完成生活中的一系列的简单的动作。HAL安装了较多的敏感传感器，可快速地探测到患者的皮肤表面及其微弱的信号，动力装置可以依据接收到的信号和反馈的原理，对肌肉进行控制，使患者感到舒适，所以无须患者进行其他的操作。清华大学的精密仪器系的康复工程研究中心，正在进行着步行康复训练机器人(Gait Rehabilitation Training System，GRTS)的研究工作。GRTS机器人是电机直接进行驱动的，通过控制四个电机的协调转动，来完成步行运动。该机器人具有结构简单、紧凑，控制方便，屈曲角度大等优点，但此机器人的髋、膝关节处的驱动器的轴的径向尺寸较大7。2004年，中科院合肥智能机器研究所研制出了“可穿戴型助力机器人”，此机器人成功地采用了类人结构8，通过改变各关节的运动数值，来协调人体运动并为之提供助力。1.2.2活动踏板式下肢康复机器人使用活动踏板式的下肢康复训练机器人时,患者站立在踏板上,患者的脚底的活动踏板来带动脚踝进行运动,并使脚踝的运动曲线与正常的步态脚踝的运动轨迹一样，从而患者在平板步行机上，进行下肢步行的康复训练,患者在训练时，通过减重系统对其下肢的负重进行减重。早在很久前，德国的柏林自由大学 ( Freie Universität Berlin, FUB )早已经开展了有关康复训练机器人的研究工作，研制成果有很多，典型作品之一是在2000年研制成功的机械式康复训练器9-12 ( Mechanical Gait Training, MGT )。此康复训练器最大的特点是，可重复进行训练和矫正患者的步姿，最重要的是可以对受训者的重心进行控制，减少医生的工作。但是，由于康复机器人的机构中并没引进较为先进的伺服控制系统，所以，康复器只能按机械原理图（如图1.2.3）所设定的轨迹来动作，不能够模拟其他较为复杂的姿态。因此，该康复器很难满足临床康复对患者不同功能状态的训练要求，很快就被淘汰了。 图1.2.3 康复训练器原理图 图1.2.4 踝关节训练机器人美国的RUTGERS大学研制出了RUTGER踝部康复训练机器人样机13，(如图1.2.4）。台北科技大学研制了下肢移动式机器人14，此机器人通过利用开发的运动控制设计，可实现三种康复训练模式：CPM持续被动运动模式、CAM持续活跃的运动模式和HM混合运动模式。虽然这两种机器人体积较小，安装比较简单，但是不能对患者进行严格的步态康复训练。1.2.3驱动人体盆骨为更好地帮助偏瘫患者完成行走康复,助行训练机器人骨盆位姿控制机构大程度上被推广出去。在加州大学欧文分校，科研人员设计出了PAM骨盆辅助机械手，是用一对三自由度气缸作为驱动装置，对人体骨盆进行控制。该PAM有五个自由度，并且，该机器人采用了BWS悬挂式重力支撑系统，控制盆骨两端的位置达到预期实验效果的同时，便于被康复者完成最佳的训练效果。1.3本课题主要研究内容 对于偏瘫患者，以患者的健肢的步态参数作为患肢康复运动的参考数据是较理想的选择，目前外骨骼下肢步态机器人通常需要与步行台配合使用来完成训练，步行台会对患者的步态产生一定的影响，使患者难以按照自身的意向进行康复训练，所设计的原地步行系统可以代替步行台，应用磁流变阻尼器提供可控阻力，并具有重力补偿功能，同时能够检测患者健肢运功信息，作为患者运动的参考数据。主要技术要求：（1）髋关节最大运动范围：屈40°，伸30°（2）膝关节最大运动范围：屈70°，伸0°（3）踝关节最大运动范围：屈30°，伸20°（4）各关节最大运动速度：0.5rad/s（5）应用步进电机作为执行元件2 总体方案的选定2.1初步设计构想健肢运动检测装置，髋、膝、踝关节各有一个旋转自由度，并在每个关节上安装一个角位移传感器，测量运动参数，并设有大腿小腿固定装置。四连杆原地步行装置中，伺服电机与减速器相连，减速器与磁流变阻尼器相连，为机构的运动提供驱动力矩或阻尼力矩，并且脚部支撑始终与地面保持平行。为了监测关节运动参数机构与原地步行机构间相互作用力，在其间设置了力检测装置，（如图2.1.1）。图2.1.1 草图2.2工作安排第 12 周 搜集各种设计资料及论文文献，分类整理收集到的资料文献，完成文献的综述，并书写毕业设计的前期报告。第35 周 设计总体的设计方案，使用Proe绘制总体方案示意图。第610 周 具体设计，利用Proe绘制整体模型、零件模型，并且完成总装配图的设计。第1113 周 利用AuToCAD绘制二维零件图，并且手绘部分零件图，最终完成设计说明书的编写工作3 偏瘫患者患肢康复训练机器人的结构设计依偏瘫患者进行步态康复训练时的需要，设计出一种既能支撑患者的体重，又不需要步行台的下肢外骨骼式步态康复训练装置。该装置能够随时检测出患者健肢的运动参数，并且生成步态模型，患肢以此模型作为运动的参考16。这次涉及到的偏瘫患者患肢康复训练的机器人主要是健肢侧17。患者进行康复训练时，健肢侧机构能够检测患者健肢的各关节的步态参数，以此参数作为患肢运动的参考。健肢机构原地步行系统能够模拟地面，为运动提供足底反力。3.1健肢机构健肢侧机构包括三部分：外骨骼式的关节运动参数检测装置、应用平面四杆结构的原地步行系统，和力检测装置，（如图3.1.1）。图3.1.1 健肢侧机构3.1.1外骨骼式关节运动参数检测装置健肢运动检测装置，（如图3.1.2）具有三个自由度，在腿部的三个关节处各有一个旋转自由度，并在每个关节上安装一个传感器，测量运动参数。在大腿板和小腿板的相应合适位置设有大腿小腿固定装置，患者站立好后，使用绷带绑紧腿部，装置简单，使用方便（如图3.1.3）。图3.1.2 三自由度外骨骼式关节运动参数检测装置图3.1.3腿部固定装置3.1.2平行四边形结构的原地步行机构为了使患者训练时更加舒适，感觉更真实，偏瘫患者患肢康复训练的康复机器人设计了有平行四边形结构的原地步行系统18，（如图3.1.4），其运动简图如下面（如图3.1.5）。四连杆原地步行装置中，步进电机与减速器相连，减速器与磁流变阻尼器相连，为机构的运动提供驱动力矩或阻尼力矩，并且脚部支撑始终与地面保持平行。在摆动相时，步进电机带动四杆机构随着下肢的运动而运动，（草图可见）。在支撑相时，（如图3.1.6），四杆机构为健肢提供足底反力，有效的模拟地面，实现原地步行训练。图3.1.4原地步行机构 图3.1.5 原地步行机构运动简图 图3.1.6 支撑相运动简图 3.1.3 力检测装置力检测装置19可以监测关节运动参数机构与原地步行机构间相互作用力，主要部件有压力传感器、弹簧、导杆、外框和踝关节轴等。健肢在运动过程中带动外框动，此时弹簧受压，压力传感器产生信号，依据所采集到的信号进行电机驱动20，(如图3.2.7）。力检测装置中使用了两种直线轴承，保证了导杆前后移动时不会与外框摩擦。图3.2.7力检测装置3.2人机工程学设计对于偏瘫训练康复机器人康复板，其长度应该要符合不同高度病人，要考虑到不同身高的人与他们的大、小腿长度范围内兼容，以便允许下肢康复机器人和患者的下肢匹配。测量男 性女 性身高15431583160416781754177518141449148415031570164016591697体重4 44 85 05 97 07 5 833 94 24 45 26 36 67 1大腿413428436465496505523387402410438467476494小腿324338344369396403419300313319344370375390表1 人体下肢主要尺寸 根据表1的数据，可以得出中国成年人的下肢尺寸为：大腿板的尺寸为390-520mm，小腿板的尺寸是340-420mm，为了方便不同身高的患者进行康复训练，大腿板的长度设计成可以调节的，（如图3.3.1），长度的调节简单方便。小腿板设计也是如此，此处重复省略介绍。图3.3.1大腿调节板 设计腿板时要注意：一是承受载荷能力，腿部连杆载荷承受能力不仅要考虑其自身的重量，患者的下肢运动的重量，还要考虑工作中的机器人系统；二是转动惯量较小、质量较轻，提高系统的反应速度、减少能耗；三是模块化的设计便于安装和加工。3.3 康复机器人各关节结构设计3.3.1髋关节偏瘫患者患肢康复训练机器人的健肢机构，腿是主动地，靠患者自身运动，髋关节的连接件升级成类似于一个轴承座的构件4，（如图3.4.1），连接件内放置轴承，并固定在大锥齿轮轴上，转动时连接件自行转动不受其他部件的影响。下图中，1为髋关节传感器固定件，因为传感器固定部分需要固定在不转的地方，所以用螺钉把1固定在5上。2就是传感器。3是联轴器，连接了传感器轴与髋关节转动轴，便于测量运动参数。髋关节与大腿板的连接件，（如图3.4.2）使用螺钉把轴承端盖固定在连接件上，其螺纹孔的轴线与螺纹孔2对齐。连接了大腿板与连接件的螺钉的轴线与螺纹孔1对齐。 图3.4.1髋关节 图3.4.2髋关节连接件3.3.2膝关节膝关节的连接需要连接大腿调节板和小腿连接板，并且要保证膝关节的自由度的实现，（如图3.3.2）。大腿调节板是用螺栓1与膝关节连接板固定在一起，小腿调节板与膝关节连接板的固定也是一样，使用螺栓2进行固定。连接件3内部都装有轴承，保证关节转动时候不互相摩擦。连接件4是采用键槽与膝关节周相连。6是联轴器，连接了膝关节轴（如图3.3.3）与传感器轴，固定在连接件5上，并且5固定在3上，与大腿板同步转动。图3.3.2 膝关节的连接件图3.3.3 膝关节轴3.3.3踝关节踝关节的连接方式与膝关节类似，（如图3.3.3），1是与小腿调节板相连的，并用螺钉紧固，2与脚部支撑相连。3与力检测装置的外框4相连，保证了踝关节运动时，力检测装置能够与其一起动，与此同时压力传感器检测数据。5为联轴器，连接传感器6与踝关节轴，（如图如图3.3.4），能准确测量踝关节的运动参数。图3.3.3 踝关节图3.3.4 踝关节轴4. 偏瘫患者患肢康复训练的康复机器人动力系统设计电机驱动、液压驱动和气压驱动是机器人系统经常使用的三种驱动方式。电机驱动可以把电能转换为机械能。现在绝大多数机器人都是采用电机驱动的。电机驱动有很多优点，信号传递快、控制方法成熟、能量传递方便、标准化程度高、可控性强等。所以，本次的设计使用步进电机21。4.1步进电动机的基本类型22分为三种：机电式、磁电式和直线式。（1） 机电式步进电动机机电式步进电动机是由铁心、线圈、齿轮机构等部分组成。通电时，螺线管的线圈产生磁力，使铁心的心子运动，通过齿轮的机构使输出轴转动一定的角度，抗旋转齿轮会使输出转轴重新停止在新的位置。（2）磁电式步进电动机磁电式的步进电动机不仅结构非常简单，而且可靠性高，价格低廉， 应用范围很广。主要有永磁式、磁阻式和混合式。永磁式步进电机特点是功耗小，效率高，但起动和运行的频率较低。磁阻式步进电动机的结构形式有很多，特点是步距角可以做得很小，精度能达到很高的水平，起动与运行频率也较高，但功耗大，效率低。混合式的步进电动机综合有以上两种电机的优点，电动机精度高，步距角小，工作频率高，且功耗小，效率高。（3 直线式步进电动机有索耶式和反应式两类。索耶式由反应板（静止部分）和动子(移动部分)两部分组成。4.2步进电机的选型： （1）为了保证整体的重量相对较轻，康复机器人将使用铝作为其生产的主要材料，铝的密度是2.7×10* 3千克/立方米。（2）步过电机转矩的选择步进电机的保持转矩23，相当于传统电机的“功率”。根据计算出的转矩大小（即要带动物体的扭力大小），来选择使用具体型号的电机。扭力比较小时，可选择20、28、35、39、42(电机的机身直径或方度，单位：mm)；扭力大小为1N.m左右时，选择57的较合适。扭力更大时，要选择86、110、130等型号的电机。   Tf 力矩负载：Tf = G·rG 重物重量 r 半径 （如图4.2.1） TJ 惯性负载：J = M（R12+R22）/ 32 （Kg·cm）M：质量R1:外径R2：内径 TJ = J·dw/dt dw/dt 为角加速度 （如图4.2.2） 图 4.2.1 图 4.2.2力矩曲线图能够表现电机的输出特性，（如图4.2.3）。图4.2.3 力矩曲线图（3）步过电机转速的选择 转速与电机的输出转矩成反比，所以也需要考虑。（4）步进电机空载起动频率的选择 步进电机空载起动频率，通常称为“空起频率”。（5） 步进电机的相数选择24 相数不同的电机，其工作效果是不一样的。相数越多，步距角越小，电机工作时的振动就相对小，同时，电机工作频率应该避开振动区，不在此范围中。为选择合适的尺寸驱动马达，可估计机器人每个关节的扭矩和功率。偏瘫康复机器人用铝作为材料进行制作，现对健肢侧机构，包括参数监测装置、平行四边形原地步行系统和力检测装置进行质量估算，大约10KG，负载转矩粗略计算为35 N*m。传动元件选用锥齿轮，初步确定锥齿轮传动比为3，减速器的传动比为16，最大静转矩约为6.6 N*m，初步选用的电机型号为1103HB125-433，（如图4.2.4）。步进电机的额定电流是4.3A，保持转矩为8 N*m，重量为5KG，具体参数见图（如图4.2.5）。 图4.2.4 1103HB125-433 步进电机图4.2.5 步进电机的技术参数 4.3行星减速器下图为与1103HB125-433步进电机相配的行星减速箱，电机的保持转矩为8 N*m，故选择速比为6的减速器，即为110HJ-6，(如图4.3.1)。 图4.3.1 110HJ系列普通行星减速箱技术参数5. 传动系统设计5.1选择传动方案工程设计中，机械传动的方案的形式有很多种。大致可以分为两种：一是摩擦传动，像是绳传动，带传动，以及摩擦轮的传动。这种传动形式能用于大多数轴间的距离比较大的传动场合，优点很多，像是能保护传动系统，有过载保护，还能起到缓冲的作用，缺点是不能确保传动比的准确性，也不能由于功率大的地方；二是主动与从动件的啮合传动，例如链传动，齿轮传动，和螺旋传动等。与摩擦传动不同，啮合传动能确保传动比的准确性，并且可用在功率较大的地方。结合本次设计的偏瘫康复机器人的性能，为了更好地实现机器人的功能，传动方案选用了齿轮传动 常用的传动方案有齿轮传动、带传动、链传动等等。为了减小体积，我们选用了齿轮传动的方案，同时齿轮传动也较为平稳。5.2联轴器的选择联轴器的种类很多，包括了固定式刚性，可移动式刚性，金属弹性元件以及非金属弹性元件联轴器。根据实际要求和功能的实现，我们选择了固定式刚性联轴器。固定式刚性也分为很多种，像是套筒联轴器，凸缘联轴器，夹壳联轴器和紧箍夹壳联轴器。凸缘联轴器的结构简单，制造相对容易，工作可靠，刚性好，拆装方便。所以，我们选择凸缘联轴器，（如图5.2.1）。根据所需联轴器所传递的转矩不同来选择不同的联轴器，选择的型号是 GB/T 58432003 。图5.2.1 联轴器5.3齿轮的设计传动机构中，使用最广泛的是齿轮传动。齿轮传动优点很多，具有高效率，传动较准确等优点，齿轮传动的使用寿命较长，且工作时较可靠，结构紧凑。所以，本次设计选择齿轮传动。根据设计的整体内容，需要选择锥齿轮，（如图5.3.1）。图5.3.1 锥齿轮传动5.4传动轴的设计轴25是放置在齿轮中，轴承中，或者车轮中的圆柱形构件，但是也存在少部分方形的轴。也就是说，所有的需要做回转运动的机械零件，都需要按装在轴上，才能够完成功率，弯矩，转矩，运动的传递。轴大多数是金属的圆杆状，各部分的所需轴的直径可以有所不同。按轴线的形状分类，轴可以分为曲轴和直轴，使用曲轴的地方不是很多，大多数使用的是直轴。按轴所承受的载荷种类不一样，轴可以分成三类：一是心轴，它不能传递扭矩，只能承受弯矩；二是传动轴，这种类型的轴只能传递机械扭矩，但是不能承受弯矩；三是转轴，转轴综合了上面两种的优点，既可以承受弯矩，又可以传递扭矩。我们现在要计算的是小锥齿轮轴，就是上面所说的传动轴。 设计轴的结构主要是确定轴的所有结构尺寸及其外形，这两个方面是设计轴的重要之处。结构设计应该遵循一定的原则：一是节约使用材料，减少轴的重量，最好使用截面系数相对较大的截面形状的轴；二是设计出的轴，要使按装在上面的零、部件更容易拆装，修理，轴上的零件有精确的安装位置；三是其结构应该能提高其强度，减小出现应力集中的现象；四是所设计的轴应该易于制造加工，并且能保证其精度。此外，轴的强度是衡量其工作能力的主要因素。常用的轴的使用材料材料，包括合金钢，碳素钢。优质碳素结构钢应用较多，具有很高的综合力学性能，45钢使用最为广泛。为了改善碳素钢力学性能，要进行正火或调质处理。合金钢具有较高的力学性能，经渗碳淬火后可提高轴颈耐磨性。综合考虑选用45号钢。图5.4.1 小齿轮装配小齿轮轴的装配方案，（如图5.4.1），1是联轴器，2是轴承支座，内部有一对深沟球轴承，3为小齿轮简图，4就是我们需要设计的小齿轮轴，（如图5.4.2），5是两个固定轴承外圈的端盖，使轴承得以定位。小齿轮轴中，1键槽与联轴器配合，3键槽与齿轮配合，2为轴间，深沟球定位在此轴间上，保证了轴向定位。图5.4.2 小齿轮轴小齿轮轴只承受扭矩，所以应该设计、校核其扭转强度。计算小齿轮轴传递的功率和转矩。从图3.2.1中可以看到，从步进电机行星减速箱出来，分别连接了联轴器，滑环，磁流变阻尼器，联轴器，最后连接到了该齿轮轴，所以，小齿轮轴的转矩即为步进电机行星减速箱的输出转矩与中间所连零件的传递效率的乘积。其中，联轴器的效率为0.99，轴承效率为0.99，其他动作部分的效率为0.9.在选择步进电机和减速箱时，我们已经确定了电机型号为1103HB125-433，其额定电流是4.3 A，保持转矩为8 N*m ，重量为5KG ，工作时电压为36V，发送功率是 154.8 W ，选择的减速箱型号是 110HJ-6，这种减速箱的最大输出转矩为180 N*M 。根据轴的扭转强度条件计算如下：轴的扭转强度条件13为式中： - 扭转的切应力 T - 轴所受扭矩，N*mm WT - 轴抗扭截面系数，mm3 n - 轴转速，r/min P - 轴的传递功率，Kw d - 计算截面处的轴直径，mm - 许用的扭转切应力，MPa由上式得到轴的直径为： 其中A0=该齿轮轴的选用45钢，其=25-45MPa,A0=126-103,所以将数据带入公式算出：dt=23.078mm，选用轴的直径为30mm，这样设计的齿轮轴满足轴的强度条件。图5.4.3 大齿轮装配图大齿轮的装配方案，（如图5.4.3），1是髋关节的连接件同时也担任了轴承座的职责。2是小套筒，1是的轴承，其内圈是以此套筒来定位的，外圈是以靠轴承端盖得以定位。3是平行四边形机构的加强版结构，提高了机构的刚度。4是轴承座，内部有一对深沟球轴承，轴承的内圈是靠轴间定位，外圈是靠轴承端盖定位。5为大锥齿轮的简化图。6是套筒，有利于大齿轮的定位，并且右侧的深沟球的内圈的定位是依靠套筒6，其外圈的定位依靠轴承端盖。7和4是相对应的轴承座。8是平行四边形机构的一部分。图5.4.4 大齿轮轴大齿轮轴，（如图5.4.4），校核大齿轮轴的方法和小齿轮类似，通过计算可以得出，大齿轮轴上安装齿轮的轴的最小轴径可以取值为40mm。最后，还有一点需要我们注意的是，当轴14有一个键槽时，并且轴的直径d<=100mm的时候，轴径应增大5%7%；当轴上分布着两个键槽时，应增大10%15%。然后将轴径圆整为标准直径。结 论依照本课题的内容，我查找了关于机器人的多方面的资料，了解到此类型的机器人的发展现状和技术水平。在吸收了多种知识后，我设计完成了偏瘫康复机器人的各个部分的零件和部分的内部结构和外形尺寸，并且使用Pro-e完成了机器人三维基本模型制作，绘制总装配图和零件图，最终设计出具有平行四边形系统的偏瘫康复训练机器人。此机器人最具特色的就是取代了步行台，训练时更人性化。最后，使用autocad绘制了二维装配图，结束了本此课题的设计。参 考 文 献1 王惠源,赵鑫,张鹏军,李会营,李传才. 外骨骼机器人发展趋势研究J. 机械工程师. 2011(08) 2 柯显信,唐文彬,陈玉亮. 人体下肢外骨骼机器人的发展及关键技术分析J. 机器人技术与应用. 2009(06) 3 Hocoma. 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