截瘫患者下肢仿生外骨骼机器人解析.doc

截瘫患者下肢仿生外骨骼机器人 汽02 程帅 2010010753 滚珠丝杠驱动装置设计 结构设计本设计的驱动机构采用滚珠丝杠机构，可将电机的运动转化为丝杠的直线运动同时将电机的转矩转化为丝杠方向的力。机构包括外壳、内外螺母丝杠齿轮罩、齿轮连接螺钉 图3 滚珠丝杠驱动装置 图4 滚珠丝杠驱动装置装配图丝杠机构的螺母为外螺母和内螺母两部分，二者布置滚珠，内螺母实现同时可相对外螺母旋转。丝杠啮合，在外表面安装齿轮通过螺钉与）固定运动时通过齿轮带动外螺母，内螺母丝杠进行直线运动。通过与铰链零件连接，通过螺钉与铰链零件连接，整个驱动装置通过两端的机构分别与上下肢连接，通过丝杠的伸缩运动驱动关节转动。 齿轮的转速较高为了防止高速齿轮对产生伤害，故利用齿轮罩将传动齿轮封闭，驱动装置只输出丝杠的伸缩运动。丝杠机构的强度校核包括丝杠的强度校核丝杠的强度校核、校核及寿命计算。 1202-3磨制滚珠丝杆为独立设计）如下：滚珠丝杠主要参数 径/mm额定负荷12 2 11 1.7 根据关节设计要求三处驱动机构力丝杠长度如下： 方向最大载荷最大长度屈伸屈伸内收外展以上数据进行滚珠丝杠机构的强度校核 丝杠弯曲强度校核 的强度校核公式如下： ： 轴向允许载荷 E——杨氏弹性模量（取=2.06×105N/mm2） 丝杠安装间距，mmdr——丝杠沟槽最小直径，mm J——丝杠断面惯性矩， mm4 ——与安装方式有关的系数表 安装方式有关的系数 安装方式 丝杠安装方式 固定—固定—支撑 1 5.0 固定—支撑 2 10.0 固定—自由 0.25 1.2 本方案中丝杠的支撑方式属于固定支撑带入数据计算，有：屈伸方向：屈伸： 内收外展方向： 的丝杠轴最大许用载荷均大于实际载荷，弯曲强度符合要求。 屈服强度校核 在不的前提下所允许的最大轴向载荷下式计算： ：——最大轴向允许载荷，; dr ——丝杠沟槽最小直径，mm σ——丝杠材料的允许拉伸压缩应力147N/mm2） 带入数据计算， 最大轴向载荷均大于各处实际载荷，屈服符合要求。 轴向载荷校核 实际允许的最大轴向载荷为 amax——滚珠螺母实际允许最大轴向载荷，0a ——额定， fs ——静安全系数确定普通机械，冲击故fs额定静载荷数据，计算如下： 看出螺母所轴向载荷均大于各处最大，强度符合要求。 机构寿命 滚珠丝杠的疲劳寿命可以分别由总转速、实际运行时间表示，计算公式如下： ，r——由总转数的额定疲劳寿命，r； h ——由运行表示的疲劳寿命，h； Fa——轴向载荷， N——螺母转速，r/min; fw——系数，与运动速度及振动冲击情况有关。本丝杠最高运动为m/s，冲击为微小，故fw 根据各处螺母转速的不同，分别计算三个机构的寿命如下： 髋关节屈伸：髋关节内收外展： 的轴向载荷在起立时的一瞬间出现，故行走的滚珠丝杠寿命按髋关节方向的滚珠丝杠寿命计算。按利用装置行走，运动占步态周期的整装置的寿命约为2025即半要求。 机构设计 关节应事先低阻力相对转动，希望上下肢中心轴线以防止出现大、小腿错位情况为此如下设计： - 机械腿关节机构 转动阻力，在关节机构中加入。内圈与轴配合，外圈与配合，两块关节压板与上肢螺栓连接，关节轴通过键、弹性挡圈与的轴孔配合，外侧通过端盖定位。整套可实现上下肢的低阻力转动。 -关节机构装配图外骨骼强度校核 机构驱动运动时，之间存在相对转动，故在连接处设置铰链机构机构的强度校核销轴孔的拉伸强度校核及的剪切强度校核连接机构 挤压强度校核 机构尺寸设计，工作面最小面积：工作面最小工作面面积： 驱动装置轴向载荷最大值为=1600N（膝关节处）数据计算拉伸应力及挤压应力如下：最大拉伸应力： 最大挤压应力 铰链材料为低碳钢，强度，强，可以看出，强度及挤压强度均符合要求。 剪切强度校核 固定端铰链处圆柱销主要受切应力，易发生剪切失效，。 mm，=2,剪切应力 三处驱动装置拉力=1600N，带入上式计算： 材料选用低碳钢，应力 剪切满足要求。 ——铰链连接强度校核 丝杠与铰链机构无法一体加工成型，因此丝杠与铰链机构需要利用实现轴向定位。销轴连接的强度校核销轴孔的拉伸强度校核及的剪切强度校核——铰链连接方式 挤压强度校核 尺寸设计，工作面最小面积：处）工作面最小工作面面积： 驱动装置轴向载荷最大值为=1600N（膝关节处）数据计算拉伸应力及挤压应力如下：最大拉伸应力： 最大挤压应力 铰链材料为低碳钢，强度丝杠的许用强，可以看出，强度及挤压强度均符合要求。 剪切强度校核圆柱销主要受切应力，易发生剪切失效，。 4mm，=2,剪切应力 三处驱动装置拉力=1600N，带入上式计算： 材料选用低碳钢，应力 剪切满足要求。 圆