拟中医手法整骨机械手的设计

旋转机构包括导轨小车。

半圆形导轨机构的结构设计导轨外形结构设计为了便于实现手掌在水平方向得左右摆动，摆动角度为左右，机械手绕轴的旋转机构设计成半圆形导轨状，如下图。

图导轨外形图导轨尺寸设计考虑到平板的长度，以及平板绕旋转中心旋转时所需要的空间大小，初取半圆形导轨尺寸内径，外径，厚。

导轨相关数据计算导轨材料取钢，钢的密度为，则导轨的体积约为导轨的质量约为导轨的重力约为导轨齿形部分设计半圆形导轨外道，设计有齿条。

小车与导轨间采用齿轮传动。

初取，导轨齿轮尺寸分度圆直径，模数，则齿数。

在导轨上运动的小车的设计小车作为导轨与末端操作器平板与平板轴的连接机构，由它在导轨的运动带动平板轴绕平板旋转中心转动，最终实现平板上人的手掌的复位运动。

小车的结构设计是本次机械手结构设计的核心部分，机械手末端操作器的各项运动都要依靠其协助完成。

综合考虑小车需要实现在半圆形导轨上的运动以及与平板轴的连接等因素，特别设计小车结构如图所示。

其好处为可以实现沿导轨的往复运动而不与导轨发生碰撞，小车上的平板可以放置电机等其他必须部件，等等。

图小车结构翻转示意图小车主板的设计在小车的顶面设计平板与小车相连，用于放置驱动电机等其他零部件。

主板相关尺寸参看零件图。

小车车身的设计结构设计。

小车的车身由前后两块弧形板组成，弧形结构的设计主要依据办圆形导轨而来。

由两块弧形板组成的小车齿轮和支撑轮的辅助下可以自由的在半圆形导轨上来回运动。

同时实现平板绕轴的转动。

尺寸设计。

设计小车后板尺寸弧形半径，高，弧长。

设计小车前板尺寸弧形半径，高，弧长。

具体尺寸以设计零件图为准。

小车主动齿轮的设计计算材料的选择及齿数的确定。

齿轮材料选号钢，调质处理，齿面硬度为。

由于小车齿轮的安装需要与半圆形导轨实现正确啮合，因此，小车齿轮尺寸的确定依据导轨齿形部分相关参数。

取齿宽为导轨高度，齿轮模数。

由安装方式确定两轮的中心距。

相关尺寸的计算。

由安装方式确定两轮的中心距，则小齿轮的分度圆直径，齿数取，压力角。

小车齿轮与导轨外部齿形参数如表所示。

表大小齿轮的各参数参数小车齿轮导轨齿轮齿数分度圆直径齿厚模数中心距小车从动齿轮的设计计算齿轮材料选号钢，调质处理，齿面硬度为。

从动齿轮相关尺寸与主动齿轮相同。

略有不同的是从动齿轮孔内径开有安装轴承的槽，具体设计参看设计图纸。

锥齿轮轴的设计拟定轴上零件的装配方案。

锥齿轮轴联接小车主动齿轮，通过电机的级减速驱动带动小车主动齿轮的转动，从而实现小车在导轨上的运动。

选取轴的材料为号钢，调质处理。

拟定轴上零件的装配方案如下图。

图锥齿轮轴零件布置简图图锥齿轮轴整体结构简图根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度。

依据零件整体装配要求，初步确定轴的最小直径为号轴段直径，号段轴的长度，由于安装需要，在号轴段设置轴肩，直径应大于号段轴直径，取，长度，依次号段轴的尺寸分别为，。

轴的第段为锥齿轮，其设计将在下节做具体分析。

轴承的选取。

号段轴为安装轴承段，为了使所选取滚动轴承的孔相适应，故需同时选取滚动轴承型号。

根据号段轴直径尺寸，可选用深沟球轴承其尺寸为。

由于号段轴承需同时承载轴向和径向的力，所以选用圆锥滚子轴承作为轴的支承原件。

圆锥滚子轴承具有可承受径向力轴向力和倾覆力矩装置方便等特点。

该种轴承主要承受以径向为主的径轴向联合载荷。

轴承承载能力取决于外圈的滚道角度，角度越大承载能力越大。

该类轴承属分离型轴承，根据轴承中滚动体的列数分为单列双列和四列圆锥滚子轴承。

依据号段轴的直径，轴承的结构及参数，如图及表。

图圆锥滚子轴承表轴承参数轴承代号尺寸机械手实现绕轴旋转驱动电机的选择本次设计，骨折手腕在水平面的左右复位依靠小车在导轨上的往复运动实现，即要求机械手绕轴做旋转运动。

考虑到机械手绕轴转动的实现与机械手绕轴转动的实现使用相同的电机，而机械手实现绕轴转动的电机转矩要求更大，所以，本次电机的计算选择将在说明书节做具体分析。

圆锥齿轮的设计为了减少由于电机外形的大小而增加的尺寸，采用轴交角的标准锥齿轮传动。

小齿轮材料为调质处理，齿面硬度为。

大齿轮材料为号钢，调质处理，齿面硬度为。

取，减速比，则，取。

根据式得弯曲疲劳强度的设计计算公式为确定公式内的各计算数值由图查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限大齿轮的弯曲疲劳强度极限由图查得小齿轮弯曲疲劳寿命系数，大齿轮的弯曲疲劳寿命系数，计算弯曲疲劳许用应力。

取弯曲疲劳安全系数根据公式计算弯曲疲劳许用应力计算载荷系数根据低速运动，级精度，由图查得动载系数由表查得使用系数齿间载荷分配系数取齿向载荷分布系数可按下式计算式中是轴承系数，从表中查的。

故载荷系数查表得齿形系数。

。

查取应力校正系数。

由表得，计算大小齿轮的，并加以比较小齿轮大齿轮，结果是大齿轮的数值要大。

锥齿轮齿宽系数般取为。

设计计算将数值代入式得。

取模数标准值为，压力角，由表可计算得圆锥齿轮的几何尺寸如表所示。

表标准直齿圆锥齿轮机构几何尺寸名称符号小齿轮大齿轮分度圆锥角齿顶高齿根高齿全高顶隙分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径锥距齿顶角齿根角齿顶圆锥角齿根圆锥角分度圆齿厚当量齿数齿宽齿轮轴的设计补充由上节圆锥齿轮的设计，即可得齿轮轴号段的相关尺寸参数。

至此，齿轮轴的设计全部完成。

机械手支撑架绕轴旋转的设计设计要求本设计中要求机械手支撑架绕轴回转，以辅助机械手末端平板带动手掌实现绕轴的转动，即实现对人的手腕的俯仰的复位。

设计方案机械手机架通过主轴与底座实现连接，电机驱动主轴转动，从而主轴带动支撑架实现绕轴的转动。

该设计的主要部件为主轴及支撑架。

表机械手支撑架绕轴旋转数据旋转角度轴的转动速度加速时间支撑架的设计结构设计支撑架起到支撑机械手机身的作用，同时又是机座与导轨的连接部件，所以支撑架是机械手结构设计中的重要部件。

为了实现与半圆型导轨的配合及考虑到节省材料的因素，支撑架的尺寸如下内径外径厚。

相关参数的计算支撑架材料取碳素钢，其密度为，则支撑架的体积约为架支撑架的质量约为架支撑架的重力约为架架实现转动的驱动电机的选择参数计算机械手绕轴的转动依靠步进电机驱动机械手主轴实现。

主要需要克服机械手机身的转动惯量。

将机械手整体机身除底座外等价成个长方体，长方体长取支撑架的直径，长方体的宽取支撑架的半径，长方体的高，取支撑架的厚度，则，长方体的体积，长方体的质量，由于，根据式长方体薄板的转动惯量，取机械手被驱动后等速转动角速度。

则，机械手回转时支承处的摩擦力矩磨摩克服启动惯性所需的力矩惯惯手腕回转过程的角加速度，机构等角速度转动时的角速度，启动过程中所需的时间，取。

启动过程近似等加速运动，按式计算得转动惯量惯机构回转时必须克服力矩，考虑驱动摩擦损失等因素，般为惯摩取级齿轮减速比，则驱动电机型号的选择依据前面计算所得，选择步进电动机型号为，其技术参数如表所示。

其最大静转矩为由此可得，符号要求。

表步进电机的技术参数型号相数步距角电压电流最大静转