上肢义肢毕业设计说明书.docx

目录目录 1摘要 1ABSTRACT 2第1章绪论 31.1机械义肢的研究背景 31.2机械义肢的研究现状 31.3本文的主要内容 4第2章仿生上肢结构分析 52.1仿生上肢的研究方向 52.2人类上肢关节分析 5第3章 上肢义肢的的结构设计 73.1相关技术参数 73.2设计原则与要求 73.3传动方式和驱动源的选择及总体方案设计 9第4章伺服元件的选取和结构设计计算 114.1伺服元件的选取 114.1.1电机的选用 114.2设计与计算 13第5章上肢义肢结构设计与分析 185.1小臂及手掌部分设计 185.2大臂结构设计 20第6章总结 21参考文献 22摘要机械义肢（上肢）的结构设计，根据上肢义肢对非规则物品拿取任务的要求，首 先在分析人体机械原理的基础上，经分析比较各种结构设计，其次采用丝杠机构和连 杆机构相结合并选取电机为驱动元件，设计了一种具有六个自由度的机械上肢义肢结 构，这种结构紧凑、简单，重量较轻，成本较低，能够基本实现对真人手臂动作的模 仿最后，设计上肢义肢结构的零部件，完成驱动原件和标准件的选择和校核，绘制 上肢义肢结构二维整体装配图及主要零部件图关键词：机械义肢；结构设计；手臂；校核ABSTRACTMachinery predefined limb (upper limb) of structure design, according to upper limb predefined limb on non-rules items took take task of requirements， first in analysis human machinery principle of based Shang， by analysis comparison various structure design， last used screw institutions and linkage phase combined and select motor for drive components， design has a has six a freedom of machinery upper limb predefined limb structure this structure compact，and simple，control features strong，weight more light， cost lower， to basic achieved on real arm action of imitation. Upper limb prostheses design structural components，complete drive selection of original and standard parts and checking,draw the arm limb structures of two-dimensional General Assembly and main parts diagram.Keywords: structure； design of mechanical ； prosthetic ； arm ； check第1章绪论1.1机械义肢的研究背景根据2006年第二次全国残疾人抽样调查和国家统计局发布的公告，我国目前约有 2412万的肢残患者，其中29%为上肢残疾患者与1987年第一次全国残疾人抽样调查的 肢残患者755万人相比，同比增长60%，现在，每年都有数以万计的健康人因自然灾害、 疾病、战争、交通事故等原因沦为了肢残患者。

2008年5月的汉川大地震和2010年4 月的玉树地震给近3万多人带来了肢体残疾，肢残患者存在对肢体功能及美观的需求， 佩带假肢是实现其需求的主要手段因此，假肢的设计研发应用到了众多肢残患者的 幸福生活中，同时也存在着巨大的市场潜力1.2机械义肢的研究现状与国内相比，欧美和日本等发达国家在假肢的研发方面已经取得了很多骄人的成 果，其材料由钢铁、铝镁合金发展到了现在的钦合金、乙酞、聚碳酸醋、碳纤维等质 量轻，其控制方式也在从传统的机械索控向着智能和仿生的方向发展神经一机器接口技术是一种假肢智能化技术，，目前，世界上己有多家假肢与 机器人公司开发了多功能的机电一体化人工肢体或部件，日本东海大学教授曲谷一成 新开发出一种高精度假肢控制系统，能让假手变活，肢残患者在失去残肢的前几个月 中仍可能产生被称为幻肢现象的幻觉，能感觉肢体似乎仍然存在并能依据本人的意志 活动，在此期间，如果对患者进行康复治疗，同时安装肌肉电势假手，就不会给患者 的日常生活造成障碍，虽然不同人肌肉发达程度和收缩力存在差异，加上测量方法的 局限，但是此肌肉电势假手动作准确率己能达到90%左右，英国TouchBionicS公司制 造出商用化的人造机器手臂，五根手指可以独立运作，与正常手指一样能操作极为细 腻的动作，例如用钥匙、拿名片等。

机器人公司的Shadowrobot可以做24个不同的动 作哈尔滨工业大学刘教授研制的“五指仿人型假手”具有力度和位置双重感应功能， 整个假手有三个电机驱动，能轻松实现抓、握等工作，可帮助肢残者实现部分生活自 理目前，2个自由度以下的义肢，其功能不强，主要用来满足患者对美观的需求， 多数高端的多自由度肌电和脑电仿生假肢主要应用于肘部以下残肢，并没有应用于肩 离断假肢的研究，并且其高昂的价格往往使一般的肢残患者望而却步因此，低成本、 高性能的机械义肢的研究具有一定的科研价值和广阔的市场潜力1.3本文的主要内容在查阅大量文献资料的基础上，在老师的指导下，本设计主要进行了如下研究工 作：1、 首先对人体上肢机械原理进行分析2、 总体结构方案设计选择与比较，确定合适的上肢义肢结构3、 设计上肢义肢结构的零部件，完成驱动原件和标准件的选择和校核，主要包 括丝杆、齿轮等结构设计计算4、 绘制上肢义肢结构整体装配图及主要零部件图第2章仿生上肢结构分析2.1仿生上肢的研究方向在仿生机构学中，特别重视对人体上肢和下肢的结构及其相应机能的分析与研 究，以便模拟制造出高水平的人造手足根据用途的不同，机械臂一般可分为两类： 一类是从适应作业的形态来设计的工业机械手，其动作简单、工作效率高，与人手几 乎毫无共同之处。

另一类则是仿生机械臂、它借鉴人类手足的机构组成特点，灵巧地 模拟人类手足的动作由于仿生机械手臂是多关节型的，因而，研究其机构的组成方 法、关节结构、运动姿态、动力及抓握力乃至控制方法等均是仿生手臂的重要研究方 向2.2人类上肢关节分析2.2.1手部为了抓握物体，手必须改变其形状，这是由掌骨和指骨、指骨与指骨间的特定关 节形式决定的掌指关节有绕两个轴转动的白由度，而指间关节则是屈戍关节，只有 一个转动自由度，由于拇指掌骨基部鞍状面的作用，使得拇指可与其他四指相对，为 于抓取物体和做细巧的动作提供了方便.除拇指外，手指的关节都是3个:掌指关节、 近位指节关节和远位指节关节，如图2.1所示，从工程的观点，人手是由许多连杆构 件，通过特定关节联接组成的空间机构，肌肉群的收缩经由肌胞带动这些杆件来完成 非常复杂的运动掌指关节图2.1手指上的关节2.2.2腕部腕关节的两个转动自由1及其运动范围如图2.2所示当环转运动至最大限度时， 手的纵轴在空间形成一锥面，称为环转锥由于尺骨与腕骨不接触，因而腕关节实际 上是挠腕关节和腕中关节二者的复合关节，其作用类似两个转动轴不在一个平面上的 二个椭球面图2.2手腕部2.2.3小臂部人类手臂是尺骨和挠骨之间构成的尺挠机构，它具有了整体扭转的功能。

为分 析尺挠机构的运动特点，先假定尺骨相对挠骨保持不动在这种情况下，小臂的旋转 轴行经小指及尺骨的内侧缘当我们迫使前臂与桌面接触并作旋转全过程时，便会出 现这种情况，此时主要表现出挠骨下端围绕尺骨的旋转运动然而，在日常活动中， 小臂的旋转轴常与手的纵轴相吻合，即通过中指及其掌骨当挠骨围绕着尺骨转动的 同时，尺骨也绕着挠骨转动，因而挠骨的旋转移位立刻就被尺骨头的继发运动复合， 只是尺骨头所划过的孤较挠骨茎突所划的孤要短些尺骨与挠骨之间的这种特殊运 动，是由其两端的环状关节面提供的2.2.4上臂部人类上臂仅由一根脓骨构成脓骨的上端是球面肩关节，其下端主要是放骨滑车 与尺骨组成的转动肘关节为适应小臂侥骨的运动，与挠骨相接的脓骨小头呈半球形第3章上肢义肢的的结构设计3.1相关技术参数上肢义肢的技术参数反映了义肢可胜任的工作、具有的最高操作性能等情况，是 选择、设计、应用义肢所必须考虑的问题上肢义肢的主要技术参数一般有自由度、 工作范围、承载能力及最大速度等1、 自由度：是指上肢义肢所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括手爪（末端 执行器）的开合自由度2、 精度：上肢的精度主要依存于机械误差、控制算法误差与分辨率系统误差。

机械误差主要产生于传动误差、关节间隙与连杆机构的挠性传动误差是由轮 齿误差、螺距误差等所引起的3、 工作范围：是指义肢手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫做 工作区域4、 承载能力：是指义肢在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量3.2设计原则与要求3.2.1设计原则1、 最小运动惯量原则：由于操作机运动部件多，运动状态经常改变，必然产生 冲击和振动，采用最小运动惯量原则，可增加操作机运动平稳性，提高操作机动力 学特性为此，在设计时应注意在满足强度和刚度的前提下，尽量减小运动部件的 质量，并注意运动部件对转轴的质心配置2、 尺度规划优化原则：当设计要求满足一定工作空间要求时，通过尺寸优化以 选定最小的臂杆尺寸，这将有利于操作机刚度的提高，使运动惯量进一步降低3、 高强度材料选用原则：由于操作机从手腕、小臂、大臂到机座是依次作为负 载起作用的，选用高强度材料以减轻零部件的质量是十分必要的4、 刚度设计的原则：操作设计中，刚度是比强度更重要的问题，要使刚度最大， 必须恰当地选择杆件剖面形状和尺寸，提高支承刚度和接触刚度，合理地安排作用 在臂杆上的力和力矩，尽量减少杆件的弯曲变形。

5、 可靠性原则：义肢操作机因机构复杂环节较多，可靠性问题显得尤为重要一般来说，零件的可靠性应高于部件的可靠性，而部件的可靠性应高于整机的可靠 性可以通过概率设计方法设计出可靠度满足要求的零件或结构，也可以通过系统6 / 28可靠性综合方法评定操作机系统的可靠性6、工艺性原则：义肢是一种高精度、高集成度的机械系统，良好的加工和装配 工艺性是设计时要体现的重要原则之一仅有合理的结构设计而无良好的工艺性， 必然导致操作机性能的降低和成本的提高3.2.2上肢义肢的设计要求根据人体手臂的特点，以及整体机械手臂的功能，对机械义肢提出以下几点要 求：1、 根据人体形体结构的特点，上肢与身高的比值约为0.452,肱骨与尺骨的长度 和与上肢的比值约为0.75,肱骨长与尺骨长的和与上肢的比值约为1.19,上臂、前臂、 手掌的比值约为1.42:1.2:0.38那么身高1.4m的人，大臂长度为250mm，小臂长205mm， 手掌长度为68mm，大臂围的平均值为75mm，小臂围的平均值为63mm设计机械义肢的 尺寸应当以此数据为参考值2、 安全、柔顺性能良好，能与人有良好的交互运动；良好的柔顺性也可以有效 地提高手臂的动作精度。

3、 结构简单、紧凑，运动方便灵活根据中国男性青年几何尺寸及质量统计表， 上臂重为1.474kg，前臂重0.755kg，整个臂重（不含手）为2.22。