康复服务机的设计


    


    康复服务机设计
    ——颈部康复结构设计



    着社会智化时代程序员金融分析师等班族数增长长时间坐着办公患颈椎病群日益增长正常生活造成良影响目前医学床颈椎病患者疗法颈部局部牵引手法治疗需医护士辅助康复病理颈椎康复设备处缺失阶段病缺乏员顾效治疗颈椎病反复发作文旨研究种全动化颈部康复器帮助病解决身边缺乏医护士顾情况设备颈部进行康复治疗
    颈部康复器够颈椎病患者起治疗疗效文通查阅量体颈部结构颈椎康复文献深入研究体颈部肌肉结构康复动作颈部牵引颈部转动两康复动作展开机械结构设计设计机械结构进行相关三维模型建模强度校核计算重受力零件限元分析进步确定机构运行性颈部康复器进行三维动画仿真模拟患者颈部康复器时情况验证机构运行情况
    文名成年男子研究象通设计合理颈部康复方案利颈部牵引颈部转动两康复机构患者颈椎进行相应牵引拉伸复转动两动作围绕两方面开展结构设计机构进行合理验证完成设计工作

    关键词: 颈部牵引颈部转动结构设计限元分析













    Abstract
    With the advent of the era of social intelligence the number of working leaders such as programmers and financial analysts has increased More and more patients with cervical spondylosis At present the main treatment of cervical spondylosis in clinical medicine is local traction and manipulation Therefore the purpose of this paper is to study a fullautomatic cervical rehabilitation device for the rehabilitation of cervical patients
    Through consulting a large number of books related to human rehabilitation I designed the mechanical structure of two major rehabilitation actions neck traction and neck lateral flexion In addition the related threedimensional model strength check calculation and finite element analysis of cervical spine are carried out Finally the traction time and side bending angle of the neck are determined and the 3D animation simulation of the neck rehabilitation device is carried out to simulate the situation when the patient uses the neck rehabilitation device independently and verify the operation of each mechanism
    In this paper cervical spondylosis patients as the research object through the existing reasonable neck rehabilitation program the use of cervical traction to correct the physiological curvature of the cervical spine and lateral flexion of the neck to assist patients with cervical sternocleidomastoid muscle strengthening exercise around these two aspects of the structural design and the reasonable verification of the mechanism to complete the graduation design

    Key words Neck traction Neck rotation Structural designFinite element analysis

    目录

    ABSTRACT
    绪 7
    11 研究背景 7
    12 国外研究现状 7
    13 研究容意义 8
    二颈部康复器原理方案设计 9
    21 设计容 9
    22 总体方案确定 9
    221 牵引结构方案 9
    222 转动结构方案 12
    223技术参数设定 13
    23 机构度计算 15
    231 牵引结构度计算 15
    232 转动结构度计算 15
    三结构尺寸确定 17
    31 牵引结构尺寸确定 17
    311 固定板设计 17
    312支架长度确定 17
    313 电动推杆选 19
    314截面模量确定 20
    315支架强度校核 21
    316 横轴长度确定强度校核 26
    32 旋转结构尺寸确定 28
    321 曲柄连杆长度确定 28
    322 摇杆尺寸确定 29
    323 底座尺寸确定 31
    33 杆件受力分析 31
    34 杆件强度校核 34
    341 摇杆强度校核 34
    342 连杆抗压强度校核 35
    35 电机选 36
    四三维建模装配 39
    41 建模软件介绍 39
    42 升降结构建模 39
    421 剪叉支架建模 39
    422 电动推杆建模 40
    423 升降板建模 40
    424 整体建模装配 41
    43 旋转结构建模 42
    431 曲柄连杆固定板建模 42
    432 滑块建模 42
    433 底座建模 43
    434 摇杆拉杆建模 44
    435 整体结构建模装配 44
    444 颈部康复机构装配 45
    五限元分析 48
    51 限元分析软件 48
    52 材质定义 48
    53 应约束 48
    54 添加载荷 49
    55 生成网格 50
    56 查分析结果 51
    六总结 53
    参考文献 54



    11 研究背景
    颈椎病现代常见疾病种颈椎病指体颈椎发生退行性病理改变引起颈部神椎动脉压迫产生系列功障碍床综合症状年着智手机等便携性穿戴设备普颈椎病发生伴年轻化趋势中长期良工作姿势导颈椎病发素颈椎病变形式慢性劳损
    关份调查关职业素颈椎病影响报告结果显示慢性劳损现代颈椎病发病素研究员430名需长期低头工作会计记者等需长期坐立劳动者308名站立营业员调查颈椎病患病率统计发现前者患病率204者患病率仅139证明良工作姿势会增加患颈椎病风险
    国颈椎病病患者正呈现逐年增加趋势研究设计种颈部康复器具十分重意义
    12 国外研究现状
    目前国外颈部康复治疗具领先位颈部康复器械康复运动康复两领域简单康复器械悬挂式颈椎牵引器通安装固定门墙体实现牵引治疗结构复杂功先进器械外骨骼康复设备目前日外骨骼康复机器领域中处世界领先位种康复设备运动传动力控制更灵敏够实现移动速度级调节图11外骨骼康复设备
    颈椎康复设备国发展处较缓慢阶段目前国中城市医院非手术型颈椎病患者常疗法集中简单器械牵引手法摩专业医师相关护士病实施颈部相关穴位肌肉摩定期颈椎牵引椅患者颈部做牵拉拉伸等动作加强颈部周边组织血液循环进达康复目年国高校开始研制新型颈椎康复设备图12郑州学研发款非手术型颈椎半动康复设备


    图11 外骨骼康复设备 图12 非手术颈椎康复设备

    13 研究容意义
    颈部康复结构设计研究容意义三点:
    (1)颈部牵引结构设计颈部牵引颈椎病康复重治疗环节颈部牵引颈部通某种升降机构原生理位置牵拉固定定高度通放松椎间神压迫减缓椎间组织囊肿恢复正常体颈椎生理曲度牵拉颈部程中保证患者颈部舒适度次保证颈部周围肌肉受均衡牵拉力保证牵引程中头部正确位置
    (2)颈部转动结构设计颈部牵引康复训练外颈部需左右两方转动通锻炼颈部左右两侧胸锁乳突肌加强颈部肌肉血液循环缓解患者颈部僵硬疼痛症状颈部转动程头部始终肩部保持水通机构复摆动带动头部左右做定范围复转动运动头部转动程中需采取定够实现复循环摆动机构次摆动幅度电机扭矩需合理控制
    (3)通相关运动学分析力学计算建立机构受力零件限元分析算例验证计算数提供重设计中SolidWorks 2020 软件颈部康复器三维建模运动仿真先完成零部件建模零部件整体组装导出零件整体机构二维图完成结构设计工作

    二颈部康复器原理方案设计
    21 设计容
    课题设计容颈部康复结构设计康复机构包含两机构实现颈部牵引结构设计二实现颈部左右固定幅度复转动颈部转动结构设计课题围绕两康复结构展开方案设计相关尺寸计算终完成总体结构设计图21颈部康复结构设计示意图

    图21 颈部康复结构设计示意图
    22 总体方案确定
    221 牵引结构方案
    方案滑轮式牵引结构结构图22示方案通电机滑轮组合完成颈部牵引设计L型支架固定座椅滑轮安装支架通电机转轴缓缓收缩滑绳滑绳通滑轮组改变作力方佩戴体头部吊架缓慢升起完成整牵引程升降程中牵引架容易发生转动造成颈部受力均稳定性较差时容易发生颈椎扭伤危险该机构适宜作牵引方案









    图22 滑轮牵引

    方案二珑抬头式牵引结构结构图23示组成部分升降拉杆枕托调节螺栓等该设备时通两边肩托机构固定体肩部枕托两边拉杆相连调节拉杆升降旋钮调节颈部牵引高度时横梁调节螺栓通调节螺栓调节肩托固定位置该机构需体肩部作支撑牵拉颈部时会肩部较反作力体型较弱患者适合长时间佩戴该方案合适

    图23 珑抬头颈部牵引器

    方案三剪叉升降机构机构结构图图24该结构剪叉升降机相似利剪叉支架变形特点实现伸缩运动该机构固定板通螺栓固定定高度悬架叉臂端连接固定铰链端横轴相连滑槽直线移动通电动推杆驱动横轴滑槽作直线运动活动叉臂横轴运动改变固定铰链端距离实现升降板伸缩运动升降板方安装拉杆颈托相连设备时先患者佩戴颈托坐位悬架方座椅根者身高调整升降板高度终维持定牵引高度实现患者颈部牵引治疗时升降板足够空间安装转动机构实现颈部左右两侧转动治疗该方案融合颈部牵引机构颈部转动机构结构较紧凑机械原理较简单运行采取该方案作牵引机构设计
    图24 剪叉机构










    222 转动结构方案
    方案凸轮结构图25示面凸轮机构通凸轮旋转中心设置电机转动带动摆杆实现定角度复摆动摆杆方连接拉杆拉杆连接颈托便带动体头部定角度转动该机构优点结构简单缺点杆件摆动幅度需凸轮决定体头部摆动幅度较采取该方案需设计较凸轮导致整体结构偏占机构空间成增加该方案合理


    图25 面凸轮机构

    方案二摆动摇杆双滑块结构机构图26示结构曲柄连杆摇杆滑块组成中底座6通螺栓联接剪叉升降机升降板固定板1安装电机电机驱动曲柄2转动曲柄2连杆3连接扭矩传递连杆连杆3驱动滑块8滑槽7作复直线运动摇杆5滑块8带动绕底座中心复摆动摇杆两端均安装拉杆拉杆颈托连接拉杆4伴摇杆摆动体头部左右定幅度转动实现颈部完成转动康复运动原理通双滑块复直线运动转化摇杆复摆动该机构够牵引机构升降板连接成体实现颈部牵引颈部转动两功牵引旋转康复治疗时进行机构间独立工作互影响整体结构设计成较低通综合考虑该方案行方案确定颈部转动机构设计

    图26 摆动摇杆双滑块机构

    223技术参数设定
    首先先确定牵引机构技术参数牵引机构电动推杆剪叉支架升降台横轴等组成台实现升降程中需悬架安装高度升降台运行速度支架伸缩范围进步确定牵引结构设计中需先确定机构额定载荷机构伸缩范围等基技术参数保证机构达佳牵引效果里通查阅相关资料选取2000年组某医学研究者牵引前X线片试验实验数实验室数表明佳牵引力患者体重 15〜20次设计中选取研究象体重70kg男子次实验设计中颈部牵引力设定100N升降台额定载荷100N牵引角度会影响颈部牵引效果床医学治疗结果显示颈椎轴心牵引方保持致时患者坐姿颈部面垂直关系时时牵引角度佳支架伸缩范围设定根医院康复治疗部调查结果医颈椎牵引机设定高度范围0〜600mm参考医颈椎牵引器数支架伸缩距离设定600mm考虑支架收缩空间限制收起高度需应控制270mm较合适悬架高度设定考虑坐姿高度机构伸缩范围悬架高度设1600mm
    次确定颈部旋转机构技术参数体颈部左右转动具定活动幅度范围根查阅机工程学文献提供相应形体参数正常成年男子颈部单方水转动幅度60度旋转机构中设定摆角60度辅助颈部转动速度快慢快会导致颈部肌肉扭伤患者造成危险慢会影响康复治疗效果取颈部转动角速度需进步确定初步设定转动周期15s
    总体结构技术参数表21示:
    机构
    目标参数
    数值
    颈部牵引降机构
    额定载荷
    100N
    伸缩范围
    270mm~600mm
    台尺寸
    500x200mm
    悬架高度
    1600mm
    颈部转动机构
    摆动角度
    60
    转动周期
    15s
    表21 总体结构技术参数



















    23 机构度计算
    231 牵引结构度计算
    颈部牵引结构简图图27:









    图27 颈部牵引结构简图
    构件分析:中1该机构升降台2横轴(升降板1固定板5分安装滑槽横轴电动推杆驱动滑槽移动)3固定铰座4剪式支架5固定板O剪式支架间中心铰接处
    运动副分析:该机构机架外5活动构件中横轴2支架4形成转动副横轴2滑槽形成移动副支架4固定铰座形成转动副机构关O中心称边构件样运动副关系该机构7低副根面机构度计算公式该机构度F:

    牵引结构具1度该机构运动确定
    232 转动结构度计算
    颈部转动结构简图图28示
    构件分析:杆件1曲柄电机驱动绕点O旋转2连杆连接曲柄1摇杆3起传递扭矩作35横轴图中简化滑块表示杆件4摇杆滑块驱动作返摆动运动
    运动副分析:简图构件连接关系知机构中运动副均低副没高副首先第低副机架铰座曲柄间转动副第二低副曲柄连杆间转动副连杆滑块间形成两低副分转动副移动副样滑块摇杆连接转动副移动副滑块运动机理相滑块摇杆连接起虚约束作综合分析颈部旋转机构4低副计算度时需解虚约束5活动构件需减两虚约束n3
    根面机构度计算公式该机构度F:

    该旋转机构具1活动度该机构运动确定














    图28 颈部转动结构简图


















    三结构尺寸确定
    31 牵引结构尺寸确定
    311 固定板设计
    固定板作整牵引机构支撑元件体积宜设计根技术参数知长度500mm初步设计固定铰座固定板右侧距离15mm滑槽左端固定板左侧边距离15mm滑槽中心高度机架距离20mm








    图31 机架部分尺寸

    312支架长度确定
    图32固定板剪叉支架部分结构简图通支架高高度低高度两位置状况关系设计支架长度











    图32 支架极限位置
    升降台处低高度时横轴电动推杆推距离横轴滑槽终点位置根技术参数知时高度270mm高度支架升起高度加升降板厚度固定板厚度升降板固定板滑槽中心高度20mm支架升起高度



    设支架长度单边支架升起高度总高度半设固定铰链滑槽起点位置距离滑槽长度高度剪叉支架水方夹角关系:


    支架长度横轴处滑槽起点位置时升降板达设计高高度技术参数知时高度600mm理知支架升起半高度:

    支架长度支架竖直投影长度关系:

    时支架水方夹角固定铰座滑槽起点位置距离t:

    滑槽长度:


    综合计算结果知支架长度滑槽设计长度:

    313 电动推杆选
    电动推杆选需先计算推杆推力
    牵引机构运动形式升降板伸缩运动通电动推杆驱动横轴开始滑槽运动着剪叉支架水夹角减升降板开始运动达定高度时保持动完成伸缩程文献查剪叉机构需推力负载关系表达式:

    式中F电动推杆推力单位N
    Q升降板受负载单位N
    θ 剪叉支架水方夹角

    机构处低收缩高度时剪叉臂水夹角根设计技术参数求机构牵拉高度时应时电动推杆输出推力级数剪叉数等1时公式级数剪数设计双级单剪叉结构

    电动推杆整机构运行程中输出推力F553N

    电动推杆电机丝杆体化设计模块化机构原理电机旋转运动通联轴器转化成丝杆直线运动结构丝杆联轴器步带电机
    升降结构设计中通电动推杆作横轴复直线运动带动剪叉支架完成升降运动设计中负载Q100N横轴滑槽移动行程l135mm电动推杆推力F553N相应根电动推杆工作负载推力丝杆行程选电动推杆型号
    设计中拟伺服电动推杆型号DDA40具体技术参数表31示电动推杆结构类型直线式行式垂直式电动推杆缸体机架通法兰盘相连推杆活塞杆头通Y型接头横轴相连驱动横轴滑槽滑动出空间利率结构紧凑方面考虑设计中电动推杆采直线式侧面法兰安装形式






    表31 DDA110伺服电动推杆

    DDA40
    参数值


    丝杆导程
    mm
    1
    推力
    KN
    06
    速度
    mms
    50
    行程
    mm
    200
    缸体尺寸
    mm
    44x44

    规格
    参数
    电动推杆类型
    BC直连式
    安装方式
    LB侧面法兰
    活塞杆头形式
    Y型接头
    电机品牌
    MT:三菱


    314截面模量确定
    该升降机机构设计中采支架矩形支架截面形状图33示计算截面模量时符合矩形截面模量计算模型









    图33 矩形梁截面
    矩形支架截面模量:
    初步设计支架截面宽度b15mm截面厚度h18mm根机械设计手册计算公式支架截面模量:

    315支架强度校核
    分析机构载荷变化程机构运行状态达牵引高度时剪叉支架水线成角支架收载荷状态机构工作极限状态需分析该高度构件受力情况构件进行强度校核确保机构整运行程安全性机构结构简图图34示:











    图34 支架结构简图

    升降板受载荷额定负载Q根技术参数知Q100N升降板进行受力分析受力简图图35示







    图35 升降板受力简图

    升降板方受额定载荷Q100N作2副剪叉支架副支架受力件支架05Q衡方程:
    水方:

    解:

    杆件3研究象水方受力衡忽略铰接处摩擦力杆件3受力分析图36示:








    图36 杆3受力简图

    设x方水右正y方竖直正列衡方程:
    水方:
    (1)
    竖直方:
    (2)
    A点中心列力偶衡方程
    (3)
    剪叉支架水夹角时时升降板处高位置联立(1)(2)(3) 式代入式解:

    杆件3受作力中间铰链处方竖直50N
    根杆件3受力杆件3剪力图弯矩图图37示:



















    图37 杆3剪力图弯矩图

    根弯矩图知杆件3中心铰接处危险截面杆件3受弯矩中央截面取支架铰接处OB截面研究力矩衡原理:

    解:
    杆3弯矩:
    根弯曲强度理:


    梁弯曲应力应许弯曲应力
    式中: ——抗弯截面系数单位
    ——钢屈服极限
    ——安全系数
    代入数 :

    杆3符合强度求
    取杆件1研究象分析受力情况受力简图图38示








    图38 杆1受力简图

    杆1列衡方程:
    水方:
    (1)
    竖直方
    (2)
    D点中心列力偶衡方程
    (3)
    联立(1)(2)(3) 式代入解:

    杆1OC段意取截面EE计算剪力弯矩根受力情况剪力图弯矩图图39示























    图39 杆1剪力弯矩图

    图知弯矩点CD杆弯矩O点计算时值拥弯矩

    代入式解
    杆1受弯矩 :
    根弯曲强度理:

    梁弯曲应力应许弯曲应力
    式中: 抗弯截面系数单位
    Q235抗弯屈服极限
    安全系数
    代入数:

    知强度符合求

    计算杆1轴力轴力图图310示:







    图310 杆1轴力图

    根轴力图分段计算杆1轴力:
    DO段:

    OC段:

    计算知DO段受轴力

    校核横轴抗压强度:

    式中: 抗弯截面系数单位
    Q235抗拉屈服极限
    安全系数
    代入数解:
    杆1符合抗压强度求
    316 横轴长度确定强度校核
    横轴安装滑槽电动推杆驱动回滑动剪叉机构完成伸展收缩动作横轴两端支架铰连横轴长度等机架两侧滑槽距离两倍支架厚度横轴长度

    分析横轴受力情况电动推杆推力作横轴认均布载荷图311示:





    图311 横轴受力简图

    根均布载荷定义计算横轴载荷密度q单位:

    横轴剪力弯矩图312示:











    图312 横轴剪力弯矩图
    弯矩图出横轴收弯矩出现横轴中位处横轴收弯矩:

    根弯曲强度理:

    式中: 抗弯截面系数单位
    钢屈服极限
    安全系数
    根机械设计手册第卷141页圆形抗弯截面系数计算公式:

    代入数:

    横轴设计符合弯曲强度求
    32 旋转结构尺寸确定
    321 曲柄连杆长度确定
    曲柄连杆较合理尺寸通设置定偏心距行程速图解法解出曲柄连杆尺寸中滑块行程速系数15固定铰支座滑块导路偏心距通设计两固定参数求曲柄连杆长度滑块行程速计算公式:

    滑块C点D点分曲柄连杆两次连线极限位置根行程速计算结果出BDBC形成极位夹角滑块行程面通图解法利角度位置关系曲柄长度
    (1)绘制水线段
    绘制水线段固定铰链端距离导路方处画行线线段垂直距离图313
    示:








    图313 绘制水线段

    (2)确定铰链A圆
    根极位夹角确定固定铰支座A曲线形成夹角点作线段呈射线延长线交点直径画圆该圆意取点该点点连线夹角必

    (3)确定曲柄连杆尺寸
    固定铰支座点A点直线点正反延长线段分交圆点点点固定铰支座A位置分连接线段线段图314示








    图314确定曲柄连杆尺寸

    分测量线段线段长度推知曲柄连杆长度:

    曲柄长度连杆长度
    322 摇杆尺寸确定
    摇杆左右方作复摆动运动摇杆摆角体颈部转角度滑块达行程右边极限位置时曲柄连杆线时摇杆底座铰支座中心直线成夹角底座铰支座位置滑块行程半处构件位置关系图315示

    图315 摇杆滑块位置关系

    设计中滑块长度宽度底座铰链端滑块部分摇杆长度C根关系:

    滑块行程代入解四舍五入:
    滑块滑块部分摇杆长度摇杆两端需安装横杆颈托连接作牵引旋转力矩传动件摇杆长度需结合体颈围决定根中国成年标准身材部分尺寸选取表格中部分组数作参考值表32示
    表32 中国成年标准身材部分尺寸表


    中国成年男子均身高考虑设计中选取参考象身身高数值摇杆长度选取身高应肩宽摇杆长度

    323 底座尺寸确定
    底座需牵引结构板连接底座面积应牵引结构板面积底座长度滑块行程相等底座长度400mm底座宽度根固定铰支座滑槽距离确定根勾股定理:

    底座两边滑槽间距离滑块宽度底座宽度考虑加工底座宽度适加底座宽度底座材料选Q235钢

    33 杆件受力分析
    计算机构杆件强度时需考虑杆件受力情况结合曲柄滑块机构运动分析曲柄运动连杆位置垂直时时曲柄扭矩设计时应曲柄扭矩进行计算
    图316构件运动简图根位置关系求出时机构压力角:










    图316曲柄压力角
    曲柄压力角:

    取滑块研究象设滑块运动方正方滑块受滑槽阻力连杆推力受滑槽支持力滑块重滑块受力图317示

    图317 滑块受力图

    建立二力衡方程:

    设计中滑块受阻力滑块质量取解连杆推力滑槽滑块支持力
    取连杆研究象连杆二力杆电机驱动曲柄作圆周运动曲柄带动连杆运动连杆推动滑块直线运动连杆两端受曲柄滑块轴力发生压缩变形连杆受力图图318示











    图318轴压缩

    曲柄研究象曲柄进行受力分析曲柄受连杆反作力受固定铰支座x方支座反力y方支座反力外曲柄受力矩M作曲柄受力简图图319示


    图319曲柄受力简图

    X方受力衡:

    解:
    Y方受力衡:

    解:

    解:

    34 杆件强度校核
    341 摇杆强度校核
    摇杆运动程中受剪切力作摇杆破坏形式剪切变形结合摇杆运动中剪切力变化连杆运动摇杆位置垂直时时摇杆受剪切力根剪切强度校核公式:

    中 剪切应力单位
    构件截面面积单位
    许剪切应力单位
    摇杆部分结构图320示:
    图320 摇杆部分尺寸

    剪切面积圆柱端摇杆接触面积:

    中h摇杆厚度d摇杆镂空部分圆柱端直径
    摇杆剪切强度:

    摇杆材料低碳钢低碳钢许剪切应力<摇杆设计符合剪切强度求
    342 连杆抗压强度校核
    连杆运动中受挤压作连杆运动中破坏形式拉压变形连杆部分尺寸图321示

    图321 连杆部分尺寸

    中d圆柱连接件直径d8mm该圆柱连接件高度连杆剪切面积

    连杆受力轴力图图322示:
    图322 连杆轴力图

    连杆挤压强度:

    低碳钢材料许应力计算出工作应力<连杆设计符合强度求

    35 电机选
    曲柄滑块系统转动惯量需建立等效运动惯量求出处计算较复杂次设计中曲柄转动惯量粗略计算根计算曲柄连杆扭矩选合适电机作曲柄驱动元件图323曲柄连杆结构简图根模型计算曲柄转动惯量









    图323 曲柄转动惯量

    根转动惯量计算公式定义:

    中m曲柄质量连杆质量
    曲柄长度192mm截面矩形厚度b15mm宽度d18mm曲柄材料Q235曲柄理重量:

    曲柄质量m:

    连杆长度270mm材料截面参数连杆相连杆质量:

    代入转动惯量计算公式里:

    扭矩计算公式:

    中角加速度单位
    根技术求机构单转动周期15sT15s曲柄角速度:

    曲柄转速:

    根曲柄滑块角加速度方程:

    代入式解
    曲柄扭矩:

    综合计算记分析曲柄转速曲柄扭矩非常低适合常规步进电机作曲柄驱动元件根计算参数次设计中拟采微型直流电机作驱动元件
    微型直流电机相般直流电机具体积较电机安装空间限机构具体积优势次微型直流电机特点电机根负载动调整转速扭矩外具吸收负载突变优势动适应负载变化
    综合种考虑颈部转动机构驱动元件采台微型直流电机型号ZWBPD0160164具体技术参数表33示:
    表33 直流微型电机技术参数
    型号
    ZWBPD0160164
    参数值
    典型

    参数
    额定值
    电压
    VDC
    50
    空载数
    转速
    rpm
    4
    电流
    mA
    105
    负载数
    转速
    rpm
    3
    电流
    mA(MAX)
    170
    转矩
    gf·cm
    2050
    mN·m
    201
    总长L
    Mm
    487
    齿轮箱额定容许力矩
    gf·cm
    4000
    齿轮箱瞬间容许力矩
    gf·cm
    5000
    减速
    1296
    减速箱长L1
    mm
    22

















    四三维建模装配
    41 建模软件介绍
    SolidWorks达索公司旗产品款基Windows系统开发三维设计软件专门工程建模机械设计视窗产品SolidWorks软件功强界面采视化功模块操作简单时软件提供资源丰富零件库涵盖国标欧标美标等常基机械标准零件简化户操作难度提升企业工作效率
    SolidWorks支持Web目录户设计数保存互联网方便异查编辑文件时装配体运动关系零部件配合关系软件干涉检查间隙检测等功进行动态查
    42 升降结构建模
    421 剪叉支架建模
    剪叉支架建木图41示剪叉臂四副装配时支架横轴间通轴心称配合支架间绕轴心转动侧支架通根短横轴连接均长横轴成连接支架四根长横轴机架固定连接
    图41 剪叉支架
    422 电动推杆建模
    电动推杆牵引机构驱动元件电机联轴器丝杆组成电动推杆建模图图42示建模时先联轴器丝杠等部分零件逐建模保存零件格式装配图里零件定装配序配合关系组装完整

    图42 直动型电动推杆
    423 升降板建模
    升降板牵引结构执行元件具体结构图43示通横轴直线移动转化升降板伸缩运动升降板安装固定铰支座滑槽两者根横轴贯穿中固定铰支座横轴限制全部度法位移滑槽横轴支架作复直线运动








    图43 升降板

    424 整体建模装配
    牵引机构整体装配图图44示
    图44 牵引整体结构
    43 旋转结构建模
    431 曲柄连杆固定板建模
    曲柄连杆固定板建模图45示中固定板通螺栓连接固定牵引结构升降板步进电机安装固定固定板电机转轴曲柄连接驱动曲柄转动三维装配中通轴心配合曲柄固定板曲柄连杆相互连接

    图45 固定板曲柄连杆
    432 滑块建模
    滑块建模图46示机构运作程中滑块滑槽复移动带动摇杆摆动滑槽截面呈工字型结构拉伸切命令实现通种结构设计滑块更加牢固卡滑槽中防止松动产生位移








    图46 滑块

    433 底座建模
    底座建模图47示底座两侧均留滑槽滑块摇杆连杆零件运动均底座面底座中心处固定铰支座摇杆完成轴心配合通铰支座连接滑块实现步运动时底座通螺栓牵引结构升降板连接底座建模通实体拉伸拉伸切等命令实现

    图47 底座
    434 摇杆拉杆建模
    摇杆拉杆建模图48示中摇杆两端分安装连接支座通支座拉杆端固定摇杆滑块摇杆复合运动实现需占摇杆部分空间摇杆部分实体切呈镂空设计
    图48 摇杆拉杆
    435 整体结构建模装配
    颈部转动结构整体装配图49示
    图49 颈部转动机构
    444 颈部康复机构装配
    颈部康复机构颈部牵引机构颈部转动结构组成装配三维图图410示总体机构通悬架安装椅子背患者坐椅子进行相应颈部牵引转动康复运动
    图410 颈部康复机构
    445 康复程示意图

    图411康复程示意图

    图412康复程示意图

    图413康复程示意图

    图414康复程示意图

















    五限元分析
    51 限元分析软件
    限元分析软件SolidWorks 2020限元分析中运SolidWorks 2020Simulation Xpress模块原理利数学似方法真实物理系统例载荷工况模型进行模拟仿真限元分析步骤定义材质应约束添加载荷查分析结果
    52 材质定义
    剪叉升降机构支架作限元分析象首先开支架模型选择Simulation Xpress模块支架材料进行定设计中支架材料Q235材料库中选碳素钢屈服强度极限220MPa图51示:

    图51材料力学属性定义
    53 应约束
    步支架添加夹具静态分析时算例模型添加合理约束法移动选择Simulation载荷—夹具系统弹出夹具话框选择夹具类型固定体然选择支架模型需固定面根升降运行中支架运动情况3铰接孔分添加约束分析铰接孔A约束机构运行程中x方移动绕轴转动铰接孔Bx方y方位移绕轴转动铰接孔Cy方位移绕轴转动需3铰接孔分添加固定约束具体情况图52示
    图52 添加固定约束
    54 添加载荷
    支架3铰接孔添加夹具固定支架添加外部载荷Simulation菜单选项选择载荷弹出力扭矩话框中选择力分析支架受力情况载荷面支架方选择该面载荷面赋予力参数输入力100N点击确定钮完成支架载荷添加图53示













    图53 添加外部载荷

    55 生成网格
    支架采等密度网格划分网格公差系统计算网格密度会直接影响分析结果精度单元越离散误差越低Simulation菜单选项选择生成网格命令系统动支架进行网格划分图54示














    图54 生成网格
    56 查分析结果
    支架网格划分运行算例系统便行计算出结果应力仿真结果图55示例出支架受应力发生支架中间铰接孔处应力远材料屈服极限
    图56支架变形量计算结果根仿真结果显示支架发生变形区域铰接孔铰接孔间梁计算数显示支架变形量变形量非常忽略支架变形量然安全范围
    综合仿真计算数支架受应力材料许应力范围没出现应力变形支架设计符合强度求








    图55 应力计算结果

    图56 位移计算结果

    六总结
    通期三月文撰写开始文题目开题报告文答辩路需搜集文献资料学东西太次毕业设计容康复结构设计设计程中重新回顾前二学机械设计原理材料力学方面知识机构设计等方面更深认识毕业设计前期通查阅相关文献尝试解现颈部康复设方案设备绝数文献颈部康复结构设计容然存巨空白区域便相关发明实现颈部牵引康复功颈部牵引结构较类设计众全新结构构思久终剪叉升降机找灵感参考叉架变形伸缩原理通合理设计作颈部牵引结构颈部转动设计参考熟悉曲柄滑块机构曲柄摇杆结构通慎重分析确定该机构行性
    次结构设计中遇困难机构运动学力学分析特剪叉机构运动学分析相关知识学理深难确定运动学方程机构运动学力学分析存阻碍外机构三维建模存少困难建模软件缺乏常导致计算错误法生成相关实体花费量时间边学建模边操作软件通加强学弥补方面力缺失务进行中亮华老师次宝贵修改意见次反复修改终完成定稿设计表示衷感谢
    设计程中难学程通发现问题→学需解决问题相关知识工具→解决问题路线断提升解决问题力未工作提供解决问题方式算缺乏老师学帮助通学解决问题力发展站稳脚次颈部康复结构设计中取研究成果:
    1 通医院康复治疗部实调查解现床医学颈部康复治疗相关仪器治疗方式
    2 颈部牵引机构颈部转动机构速度瞬心法建立相关运动轨迹方程零件进行相关结构设计剪力弯矩计算强度校核
    3 限元分析方法机构零件进行受力模拟仿真出零件失效形式相关综合力学计算数机构性提供证
    4 完成颈部康复整体结构三维建模零件图基尺寸技术指标公差等标注


    参考文献
    [1] 机械设计实机构装置(第五版)Neil Sclater机械工业出版社
    [2] 体运动学第3版黄晓娟敖丽娟民卫生出版社
    [3] 机械设计实机构运动第3版朱金生电子工业出版社
    [4] 现代颈椎外科学[M]贾连海远东出版社
    [5] 骨科康复学[M]刘廷仁北京:民卫生出版社2007
    [6] 功锻炼防治神根型颈椎病床研究[J]刘伯昊涂生陈锐坚中国代医药2011
    [7] 脊柱脊髓损伤现代康复治疗[M]周天健李建军北京民卫生出版社2006
    [8] 步进电机驱动控制系统刘宝廷哈尔滨工业学出版社1998
    [9] 现代颈椎外科学[M]贾连海远东出版社1993
    [10] 颈椎病外科治疗[M]申勇北京 民卫生出版社2012
    [11] 运动疗法应研究进展[M]胡永北京 民卫生出版社2010
    [12] 运动疗法技术学[M]纪树荣北京华夏出版社2004
    [13] 试生物力学角度探讨颈椎病发病牵引治疗机理[J]黄会保中医正骨1991
    [14] 项背肌功锻炼颈椎康复器床应杜良杰李建中国康复理实践2006
    [15] 颈椎病诊治康复指南 2010 版[S]中国康复医学会北京中国康复医学会颈椎病专业委员会2010

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    文档贡献者

    平***苏

    贡献于2021-08-26

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