截瘫患者下肢仿生外骨骼机器人滚珠丝杠设计报告书.doc

截瘫患者下肢仿生外骨骼机器人
滚珠丝杠设计报告书
汽02 程帅 2010010753

滚珠丝杠驱动装置设计
驱动装置结构设计
本设计的驱动机构采用滚珠丝杠机构,可将电机的旋转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。滚珠丝杠机构包括电动机、外壳、内外螺母、丝杠、齿轮罩、圆柱齿轮及连接螺钉。
图3 滚珠丝杠驱动装置
图4 滚珠丝杠驱动装置装配图
滚珠丝杠机构的螺母设计为外螺母和内螺母两部分,二者之间布置滚珠,使内螺母与外螺母实现轴向定位的同时可相对外螺母旋转。内螺母与丝杠啮合,且在外表面安装齿轮;外螺母通过螺钉与外壳(机架)固定。驱动装置运动时电动机通过一级齿轮传动带动内螺母相对外螺母旋转,内螺母推动丝杠进行直线运动。丝杠一端通过圆柱销与铰链零件连接,外壳尾端通过螺钉与铰链零件连接,整个驱动装置通过上述两端的铰链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。
由于传动齿轮的转速较高,为了防止高速齿轮对人体产生伤害,故利用非金属齿轮罩将传动齿轮封闭,整套驱动装置只输出丝杠的伸缩运动。
滚珠丝杠驱动装置工作能力分析
滚珠丝杠机构的强度校核包括丝杠的弯曲强度校核、丝杠的屈服强度校核、螺母轴向载荷校核及寿命计算。
根据设计要求,三处驱动装置均选择日本THK公司MDK1202-3磨制滚珠丝杆(螺母为独立设计)。参数如下:
表 MDK1202-3磨制滚珠丝杠主要参数
型号
丝杠轴外径/mm
导程/mm
沟槽谷径/mm
基本额定负荷/kN
MDK1202-3
12
2
11

根据关节设计要求确定三处驱动机构的最大力F及丝杠轴长度如下:
丝杠方向最大载荷/kN
丝杠轴最大长度/mm
膝关节屈伸

290
髋关节屈伸

400
髋关节内收外展

220
依据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
丝杠的弯曲强度校核公式如下:
其中:
P1——最大轴向允许载荷,N;
E——杨氏弹性模量(通常状况下取E=×105N/mm2)
L——丝杠安装间距,mm;
dr——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,见表
表与安装方式有关的系数
丝杠安装方式
丝杠安装方式
固定—固定
4

支撑—支撑
1

固定—支撑
2

固定—自由


本方案中丝杠的支撑方式属于固定—支撑,带入数据计算,有:
膝关节屈伸方向:
髋关节屈伸方向:
髋关节内收外展方向:
可以看出驱动装置的丝杠轴轴向最大许用载荷均大于实际载荷,弯曲强度符合要求。
丝杠屈服强度校核
丝杠在不发生屈服的前提下所允许的最大轴向载荷按下式计算:
其中:P2——最大轴向允许载荷,N;
dr ——丝杠沟槽最小直径,mm;
σ——丝杠材料的允许拉伸压缩应力(通常情况下σ=147N/mm2)。
带入数据计算,
可以看出最大轴向许用载荷均大于各处实际载荷,拉伸/屈服强度符合要求。
螺母轴向载荷校核
螺母实际允许的最大轴向载荷为
其中, Famax——滚珠螺母实际允许的最大轴向载荷,N
C0a ——额定静载荷,N
fs ——静安全系数,根据负载条件确定。本设计属普通机械,无冲击振动,故fs
根据MDK1202-3的额定静载荷数据,计算如下:
可以看出螺母所允许的最大轴向载荷均大于各处实际最大载荷,强度符合要求。
滚珠丝杠机构寿命校核
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:
其中,Lr——由总转数表示的额定疲劳寿命,r;
Lh ——由运行时间表示的疲劳寿命,h;
Fa——轴向载荷,N;
N——螺母转速,r/min;
fw——负荷系数,与运动速度及振动冲击情况有关。,,冲击为微小,。
根据各处螺母转速的不同,分别计算三个驱动机构滚珠丝杠的寿命如下:
膝关节:髋关节屈伸:
髋关节内收外展:

由于膝关节的轴向载荷仅在起立时的一瞬间出现,故行走时的滚珠丝杠寿命按髋关节屈伸方向的滚珠丝杠寿命计算。如果按每天利用外骨骼装置作行走训练3小时,滚珠丝杠运动时间占步态周期的1/3,则整套驱动装置的寿命约为2025天,即5年半,符合设计要求。
关节连接机构设计
外骨骼机械腿的关节应事先低阻力相对转动,同时希望上、下肢中心轴线共棉以防止出现大、小腿错位情况。为此做出如下设计:
图1- 机械腿关节机构
为了降低转动阻力,在关节机构中加入深沟球轴承一对。轴承内圈与关节轴