机械毕业设计1006康复机器人的系统设计 - 图文

2.2.8 整体结构设计

设计总体结构时，要考虑到装配工艺过程和整体效果，如：杆件各零件的装配顺序，气缸和杆件之间的干涉，轴承与轴承座装配，关节间的连接方式，外部框架之间的安装，减重结构与外部框架的链接，下肢与外部框架的连接。

具体装配方式见总体装配图。

2.3 本章总结

本章在对康复机器人步态分析了解的基础上，构建用气缸作驱动器的下肢康复机器人的结构方案。包括自由度的选择，基本参数的选取，驱动器的选择，关节结构的选择，连杆结构的选择，腰部结构的选择，减重结构的选择，整个机构的装配特性、工艺特性的考虑。在后面的章节中将具体进行具体结构的设计、标准件的选型、非标准件的设计、气缸的选型计算等。

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第3章 机械结构的设计与计算及驱动元件选型

本章设计了康复机器人机械部分的结构和驱动元件的选型，对机械下肢的运动学部分进行分析。

3.1 人体参数

本设计的机械部分是要与人体下肢接触的，它的关节、腿长等的设计要借鉴人体下肢的一些参数，在零件的选择和校核计算过程中也要用到这些参数，具体参数见表3.1。

表3.1 中国青年几何统计表数据

质量/kg 长度/mm 质心长度/mm 腿围/mm 足 0.885 249 38 253 小腿 2.196 376 224 355 大腿 8.497 502 254 507 因为本设计是要带动人的下肢进行关节旋转运动的，所以机器人下肢的旋转角度和运动灵活性也要和人行走时的下肢接近。考虑到本设计的使用对象是有运动功能障碍的患者，所以确定各旋转关节运动为：髋关节向前伸展范围为45?，向后伸展为30?；膝关节屈伸范围为80?；踝关节向上折屈范围为30?，向下伸展为30?。角度范围的选择是根据第2章中青年男子在行走时关节活动角度数据而定的。

3.2 各关节运动学分析

本设计中的关节均为旋转关节，它由上下杆件和两块关节连接板，轴承及轴承盖和传感器组成。具体结构见装配图。

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3.2.1踝关节的运动学分析

图3.1 所示为下肢踝关节的运动学模型示意图。Ｌ2是小腿杆的一部分的长度，Ｌ1是气缸端部安装孔距小腿杆中心线的距离，L3是关节中心到气缸活塞杆接头关节轴承中心的距离，L为气缸的长度（包括附件接头的长度），R为关节中心O点到L的距离，θ为关节转过的角度。

图3.1 踝关节运动学模型

其中L1=110，L2=313，L3=178，单位为毫米，α=100°，θ的范围为－30°—+30°。气缸的长度（包括附件接头的长度）Ｌ由下面公式

?L1?2222??L?L1?L2?L?2LL?L?cos????arctan23312?L2??? （3.1） 计算出的L范围为310——450，行程为140。R的最小值为110。 3.2.2 膝关节的运动学分析

图3.2 所示为下肢膝关节的运动学模型示意图。Ｌ2是大腿杆的一部分的长度，Ｌ1是气缸端部安装孔距关节中心水平方向上的的距离，L3是关节中

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心到气缸活塞杆接头关节轴承中心的距离，L为气缸的长度（包括附件接头的长度），R为关节中心到L的距离，θ为关节转过的角度。

图3.2 膝关节机构运动学模型

其中L1=110，L2=402，L3=171，α=120°，气缸L的长度可由公式(3.1)算出。计算出的L的范围为350——500，行程为150。R的最小值为110。 3.2.3 髋关节的运动学分析

图3.3 所示为下肢髋关节的运动学模型示意图。Ｌ2是大腿杆的一部分的长度，Ｌ1是气缸端部安装孔距关节中心水平方向上的的距离，L3是关节中心到气缸活塞杆接头关节轴承中心的距离，L为气缸的长度（包括附件接头的长度），R为关节中心到L的距离，θ为关节转过的角度。

其中Ｌ1=60，L2=340，L3=135，α=120°，θ的范围为－30°— +45°。气缸L的长度可由公式(3.1)算出。计算出的L的范围为350-450，行程为100。R的最小值为74。

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