【正文】 少的零件。這些對(duì)降低零件成本均有顯著的作用。 采用廉價(jià)而供應(yīng)而充足的材料以代替貴重金屬；對(duì)于大型零件采用組合結(jié)構(gòu)以代替整體結(jié)構(gòu)，都可以在降低材料費(fèi)用方面起到積極的作用。 機(jī)械零件設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)零件的過程 中，本論文主要采用了 Pro/E 軟件。 凸輪 軸的設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)凸輪軸時(shí)，首先應(yīng) 該對(duì)凸輪的輪廓進(jìn)行設(shè)計(jì) 。根據(jù)踝關(guān)節(jié)運(yùn) 動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)。 如圖 ，已知 圓柱 凸輪 半徑 ，從動(dòng)件長度 ，滾子半徑 4mm， V 是 凸輪回轉(zhuǎn)方向，其展開輪廓曲線可近似繪制如下： 1. 作 OA 線垂直于凸輪回轉(zhuǎn)軸線，作 ∠ OAB0= 30 /2，從而得出從動(dòng)件的初始位置 AB0。 圖 圓柱凸輪輪廓展開圖 開封大學(xué) 畢業(yè)論文 19 2. 取線段 B0B0 之長為 即圓柱的周長 。 3. 自 B1 作 平 行 OA 直 線交過 C1 的圓弧于點(diǎn) D1，自 B2 作 平行 OA直 線交過 C2 的圓弧于點(diǎn) D2， …… 。 4. 以理論輪廓曲線上諸點(diǎn)為圓心畫一系列滾子，而后作兩條 包絡(luò)線，即 可 得 凸輪展開圖的實(shí)際輪廓曲線 。由于上述設(shè)計(jì)過程未考慮滾子與凸輪之間在從動(dòng)件擺動(dòng)軸線方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由此所得凸輪機(jī)構(gòu)，其從動(dòng)件實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律與預(yù)期運(yùn)動(dòng)規(guī)律在理論上即存在偏差，所以是一種近似設(shè)計(jì)方法。 在輪廓設(shè)計(jì)好之后，應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)矩的大小及凸輪的直徑設(shè)計(jì)凸輪軸的形狀及其尺寸。根據(jù)表 ，取 A0=103， 則 表 軸常用的幾種材料的 [T]及 A0 值 軸的材料 Q235A、20 Q27 35 （ 1Cr18Ni9Ti） 45 40Cr、 35SiMn 38SiMnMo [τ]/MPa 15~25 20~35 25~45 35~55 A0 149~126 135~112 126~103 112~97 凸 輪軸的最小直徑顯然是安裝平鍵出的直徑 dF G 。 4．軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ，如圖 是凸輪軸的結(jié)構(gòu)簡圖，下面詳細(xì)說明各尺寸的確定過程。 （ 2）初步選擇滾動(dòng)軸承。參照工作要求，并根據(jù) 直徑 dEF=40mm。 兩 端滾動(dòng)軸 承采用軸肩進(jìn)行軸向定位。 （ 3）取 凸輪輪廓所在 的 CD 段 的直徑 dCD=60mm； （ 4）凸輪軸根據(jù)軸承 寬度 取 AB 段 長 度 lAB=20mm，并加工 l~2mm的退刀槽。 （ 6）凸輪主體， 考慮到 凸輪主體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這一軸段的長度 應(yīng)足夠長， 取 lCD=140mm。 至此，已初步確定了周的各段直徑和長度。 由手冊(cè)查得平鍵截面 bh=6mm6mm（ GB/T10951079），鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為 15mm（標(biāo)準(zhǔn)鍵長見 GB/T 10961979）；同時(shí)為了保證套筒聯(lián)軸器與軸配合有良好的對(duì)中性，故選擇套筒 與軸的配合為 H7/r6。 6. 確定軸上的圓角和倒角尺寸 參考表 ，軸端倒角 245176。 開封大學(xué) 畢業(yè)論文 22 表 零件倒角 C 與圓角半角 R 的推薦值 7．求軸上載荷 首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖做出軸的計(jì)算簡圖。對(duì)于30212 型圓錐滾子軸 承，由手冊(cè)中查得 a=22mm?，F(xiàn)將計(jì)算出的截面 B 處 MH， MV 及 M 的值列于 表 。因此 1[]ca???? ，故安全。 圖 中心軸示意圖 開封大學(xué) 畢業(yè)論文 25 中心軸穿過軸承擋環(huán)，軸承，連桿套，框架。只承受 剪 切應(yīng)力，很小的壓應(yīng)力。其它零件問題都不大，因?yàn)槿说捏w重有 可能 都作用在中心軸上。 下面校核一下擠壓強(qiáng)度： 式中 P 為作用力， B 為擠壓截面面積，p?為擠壓應(yīng)力， [ p? ]為許用擠壓應(yīng)力，查手冊(cè)知 [ p? ]= 62320 10 N / m? 。實(shí)際上 康復(fù)機(jī)器人還有重心控制機(jī)構(gòu)，人本身的自重不會(huì)全部加載到踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上。 踏板的設(shè)計(jì) 踏板是人體與機(jī)器人接觸的部件，它 通過螺釘 固定在連桿套筒上 。人腳固定在踏板上是通過 有的 彈性帶子 固定 ， 如 圖 是 踏板的俯視圖 。 圖 中心軸示意圖 622 3 28 0 0 N 1 .2 9 1 0 N / m( 1 4 1 0 )44PPdA? ?? ?? ? ? ? ???626800 N2 10 N / m11 14 10p PB? ?? ? ? ???（ ） （ ） 開封大學(xué) 畢業(yè)論文 26 連桿套的設(shè)計(jì) 連桿套 如圖 ， 是連桿與套筒的和體， 連桿是凸輪的從動(dòng)件，套筒是軸 圖 踏板簡圖 圖 連桿套簡圖 開封大學(xué) 畢業(yè)論文 27 套，內(nèi)部放有軸承 ， 與心軸 配合 。實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)動(dòng)的功能。如果連桿與套筒平面垂直 的話，平面的俯仰角度就會(huì)變成正負(fù)十五度了，與預(yù)期要求相背。 其它主要零件的設(shè)計(jì)還有軸承座，軸承端蓋，框架等。其它零件設(shè)計(jì)過程都根據(jù)他們?cè)O(shè)計(jì) 。 軸承的校核 凸 輪軸上滾動(dòng)軸承的校核 ： 凸 輪軸上使用軸承的 型號(hào)為 32020 型圓錐滾 子軸承，查 手冊(cè)可知 32020軸承的 067500 , 52500C N C N?? 1．求兩軸承受到的徑向載荷 1rF 和 2rF ， 如 圖 所示 圖 軸承受力圖 開封大學(xué) 畢業(yè)論文 28 在軸的設(shè)計(jì)與校核中，已經(jīng)得到兩軸承的支反力分別為 11225 4 0 N , 2 6 0 N1 0 4 0 N , 2 4 0 NN H N VN H N VFF??? ? ? 則 2 2 2 21 1 12 2 2 22 2 25 4 0 2 6 0 5 9 9 . 3 3 N1 0 4 0 2 4 0 1 0 6 7 . 3 3 Nr N H N Vr N H N VF F FF F F? ? ? ? ?? ? ? ? ? 2．求兩軸承的計(jì)算軸向力 1aF 和 2aF 對(duì)于圓錐滾子軸承，按表 ，軸承派生軸向力 /(2 )drF F Y? ，其中， Y 是對(duì)應(yīng) /arF F e? 的 Y 值。對(duì)于 32020 型圓錐滾子軸承，由軸承設(shè)計(jì)手冊(cè)，可得 當(dāng) arF eF? 時(shí)， 1, 0XY?? 當(dāng) arF eF? 時(shí)， , ?? 其中， ? 。則 66 1 0 / 3 6h 11 0 1 0 1 . 0 0 9 7 8 0 0( ) ( ) h 2 1 7 . 4 1 0 h6 0n 6 0 2 5 2 1 7 1 . 0 4tfCL P ? ?? ? ? ?? 故所選擇軸承可滿足壽命要求。這要求軸承承受徑向力的同時(shí)也能夠承受軸向力。 按最大載荷 400N計(jì)算壽命： 開封大學(xué) 畢業(yè)論文 31 溫度不會(huì)太高，查 表 ，取 tf? ， 已知轉(zhuǎn)速 25r/ minn ? 。 （ 3）鍵的校核 32 1 0 []PPTkl d????? （ ） 式中： T —— 傳遞的扭矩，單位為 Nmm? k—— 鍵與輪轂鍵槽的接觸高度 ，單位為 mm l—— 鍵的工作長度，單位為 mm d—— 軸的直徑，單位為 mm []P? —— 鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，單位為 MPa 。 對(duì)于下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)完成。 開封大學(xué) 畢業(yè)論文 33 第 4 章 機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 選擇控制系統(tǒng)方案需要考慮的因素 對(duì)于單 個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)，可能有多種控制方案來實(shí)現(xiàn)同一個(gè) 控制功能。這些因素包括如下幾點(diǎn)： 1. 產(chǎn)品是單件小批量生產(chǎn)還是大批量生產(chǎn)。 3. 產(chǎn)品是屬于產(chǎn)品開發(fā)還是科研樣機(jī)。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要作用是實(shí)現(xiàn)一定的控制策略和完成一定的信息處理。由于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)有多種類型，每種類 型又包 含許多產(chǎn)品，往往有多種控制方案可以用來實(shí)現(xiàn)同一目的。這些控制方案都可以滿足機(jī)器人的控制要求，但是，不同的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，成本，研發(fā)周期，可維護(hù)性等都是不同的。這樣有利于提高計(jì)算機(jī)資源的利用率，降低生產(chǎn)成本，提高系統(tǒng)的可靠性。 開封大學(xué) 畢業(yè)論文 34 2. 一般工業(yè)產(chǎn)品還是需滿足特殊要求的產(chǎn)品：對(duì)一般的工業(yè)產(chǎn)品，成本和生產(chǎn)周期應(yīng)作為主要指標(biāo)來考慮；對(duì)軍事，航天，水下等有特殊要求的場合，主要考慮的因素不再是成本和研發(fā)周期，更重要的是可靠性，環(huán)境適應(yīng)性。例如，當(dāng)既 可 以 采用集中控制又可采用集散控制是，應(yīng)盡可能采用集散控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；對(duì)科研樣機(jī)的研制主要是要研究裝置的工作原理，獲取必要的數(shù)據(jù)，這時(shí)應(yīng)該選擇硬件借口、接口資源比較豐富，軟件開發(fā)方便的集中式，速度比較快的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這 種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是硬件資源豐富，軟件開發(fā)速度快，兼容性好，對(duì)不同的樣機(jī)進(jìn)行控制只要改變少量的引線和編制不同的軟件即可。對(duì)于一般的工業(yè)產(chǎn)品，可靠性應(yīng)作為主要考慮因素。踝關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)是以 AT90S8535 控制單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心建立的控制系統(tǒng)。兩個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都是直流伺服電機(jī)控制卡，用來實(shí)現(xiàn)姿態(tài)電機(jī)的速度閉環(huán)控制。直流伺服電機(jī)控制器與直流伺服電機(jī)以及編碼器組成了一個(gè)速度閉環(huán)，所以姿態(tài)控制系統(tǒng)是一個(gè)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。姿態(tài)控制系統(tǒng)中腳踏板的位置需要進(jìn)行標(biāo)定，行程開關(guān)所處的位置作為腳踏板的初始置，也就是腳踏板的位置零點(diǎn)。 仿真概述 利用 Pro/ENGINEER Wildfire 的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真功能可以使原來在二維圖紙上的難于表達(dá)和設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)變得非常直觀和易于修改，并且能夠大大簡化機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，縮短其開發(fā)周期，減少開發(fā)費(fèi)用，同時(shí)提高產(chǎn)品質(zhì)量。此外完成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真后，運(yùn)用機(jī)構(gòu)中的后續(xù)處理功能可以查看當(dāng)前機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，并且可以對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡、位移、運(yùn)動(dòng)干涉情況的分析，以便研究機(jī)構(gòu)的模型。 機(jī)構(gòu)是由構(gòu)件組合而成的，其中每一個(gè)構(gòu)件都以一定的方式至少與另一個(gè)構(gòu)件相連接，這種聯(lián)接既使兩個(gè)構(gòu)件直接接觸，又使兩構(gòu)件能產(chǎn)生一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。其中創(chuàng)建機(jī)構(gòu)的過程與零件的裝配過程極為相似。之所以不同，是由于單位不同，還有仿真時(shí)給予伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速與圖 中人的步速是不相同的。而我們 的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的步速是按照病人設(shè)計(jì)的，給定的速度比較慢，所以兩條曲線看上去不盡相同，但是它們的變化規(guī)律是大致相同的。 圖 仿真角度變化規(guī)律曲線 圖 一個(gè)步態(tài)周期踝關(guān)節(jié)角度變化規(guī)律曲線 時(shí)間 (s) 角度（ o） 時(shí)間 (s) 角度（ o） 開封大學(xué) 畢業(yè)論文 38 結(jié) 論 本文結(jié)合目前國內(nèi)外康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，具體闡述了一種下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。 踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 是整個(gè) 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人 設(shè)計(jì) 的一部分。在設(shè) 計(jì)初期，廣泛查詢國內(nèi)外在康復(fù)領(lǐng)域的發(fā)展和最新成果。 然后 進(jìn)行 的是驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。為 后 面 的機(jī)械零件設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)確定了大的方向。 第三階段的工作對(duì)姿態(tài)系統(tǒng)機(jī)械本體進(jìn)行詳細(xì)地分析與設(shè)計(jì)。 第四 ， 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人是整體聯(lián)動(dòng)，控制時(shí)踝關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)是一個(gè)子系統(tǒng)。得出系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)預(yù) 期 運(yùn)動(dòng)規(guī)律 。因此還可以進(jìn)一步詳細(xì)地設(shè)計(jì)一套下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的控制方案。我不僅從李老師那里學(xué)到了寶貴的理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也 學(xué)到了實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的工作作風(fēng)和科研態(tài)度，使我受益匪淺。我的幾位同學(xué)也給了我很大的幫助，在此也向他們表示感謝 。