3344 柔性桿自動推進裝置設計

3344 柔性桿自動推進裝置設計,柔性,自動,推進,推動,裝置,設計 寧波大紅鷹學院畢 業(yè) 設 計 （論文） 任 務 書所在學院 機電學院 專業(yè) 機械制造及其自動化 班級 08 機自 4學生姓名 喬璐璐 學號 08141010417 指導教師 牛鳳蓮題 目 柔性桿自動推進裝置設計一、畢業(yè)設計（論文）工作內(nèi)容與基本要求：（目標、任務、途徑、方法，應掌握的原始資料（數(shù)據(jù)） 、參考資料（文獻）以及設計技術要求、注意事項等） （紙張不夠可加頁）1．設計（論文）擬解決的主要問題傳統(tǒng)柔性桿的介人方式主要依靠操作人員的外部推力介人到人體被檢腔道中。為提高柔性桿介入的智能化程度，研究一種柔性桿的自動介人技術。主要從自動介人機構的機械本體設計入手，設計一種利用摩擦輪機構實現(xiàn)內(nèi)窺鏡的連續(xù)介人的自動介人裝置。2．設計（論文）的主要內(nèi)容和基本要求（1）連續(xù)介入機構的原理分析；（2）機械手夾持力和位移分析；（3）旋轉機構的驅動力矩計算及電機的選型。（4）零件裝配圖及主要零件圖。3. 提交資料要求：查閱文獻資料不少于 12 篇，其中外文資料不少于 2 篇；文獻綜述不少于 3000 字；文獻翻譯不少于 2000 字；畢業(yè)論文 1 篇不少于 8000 字4. 推薦參考文獻[1] IKuta，et al.shape memory alloy servo actuator system with electric resistance feedback and application for active endoscope，Proc of IEEE Conference on Robotics and System，1988 [2] Robert H. Sturges Laowattana. Flexible Tendon-controlled device for endoscopy The International Journal of Robotics Research，1993，12(2):121 一 131.[3] 高立明，林良明，顏國正，等. 全方向蠕動機器人馭動內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的研究.中國生物醫(yī)學工程學報.1998，17(1):36~41.[4] 朱宏擎，林良明，高立明等.新型能動內(nèi)窺鏡數(shù)字圖像處理方法的探討.上海工程技術大學學報.1999，13(4): 267~272.[5]MarkN.Appleyard，MRCP，ChadesA.Mosse，el at. .The measurement of force exerted during colonoscopy Gastrointestinal Endoscopy.2000，52(2):237-240.二、畢業(yè)論文進度計劃1. 開題報告；2. 結構原理設計及計算；3. 畫機械裝配圖及主要零件圖；4. 寫畢業(yè)設計論文；5. 準備答辯。畢業(yè)設計（論文）時間：2011 年 6 月 20 日至 2011 年 11 月 30 日計 劃 答 辯 時 間： 2011 年 12 月 日三、專業(yè)（教研室）審批意見：審批人（簽字）：工作任務與工作量要求：原則上查閱文獻資料不少于 12 篇，其中外文資料不少于 2 篇；文獻綜述不少于 3000 字；文獻翻譯不少于 2000 字；畢業(yè)論文 1 篇不少于 8000 字，理工科類論文或設計說明書不少于 6000 字（同時提交有關圖紙和附件） ，外語類專業(yè)論文不少于相當 6000 漢字。 提交相關圖紙、實驗報告、調(diào)研報告、譯文等其它形式的成果。畢業(yè)設計（論文）撰寫規(guī)范及有關要求，請查閱《寧波大紅鷹學院畢業(yè)設計（論文）指導手冊》 。備注：學生一人一題，指導教師對每一名學生下達一份《畢業(yè)設計（論文）任務書》 。柔性桿自動推進裝置,設計標題:柔性桿自動推進裝置 班 級: 學 號: 設 計 人: 校內(nèi)指導老師: 校外指導老師:,第1章 緒論,隨著新型傳感技術、機械電子技術、生物醫(yī)學工程、智能材料和計算機圖形學等相關學科的發(fā)展、融合，臨床上新型智能醫(yī)療器械不斷出現(xiàn)，有效地拓展了傳統(tǒng)醫(yī)療器械的功能和診療領域。結腸內(nèi)窺鏡是結腸疾病診療的重要醫(yī)療器械，由于工作環(huán)境的復雜性和自身形狀不可視等不足，傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡在介入過程中會發(fā)生鏡體纏繞、非預期結襻等情況，給病人帶來痛苦和危險。,而如今，隨著機械行業(yè)的迅猛發(fā)展，自動化技術和傳感器技術的不斷改進，而且它們的價格也日益降低，可靠性也逐步提高，用自動化的方式把內(nèi)窺鏡推入腸胃當中不僅可以達到而且容易實現(xiàn)的，難度和危險性大大降低。,第2章 設計方案的選擇與分析,2.1 利用摩擦輪連續(xù)介入機構及工作原理 間隙送進機構利用電磁鐵的吸合，完成機械手的開合動作。利用步進電機、絲杠螺母和滑動導軌實現(xiàn)機械手的前進后退。利用步進電機和齒輪傳動，實現(xiàn)機械手的旋轉。共有兩個機械手，其中一個固定在外壁上，另外一個固定在導軌滑塊上，兩個機械手配合完成內(nèi)窺鏡的間隙式旋轉介人。圖2.3為整體結構圖，右旋轉體、左旋轉體和大齒輪，通過6根支桿、連接塊、緊定螺釘、彈簧墊圈和螺母等固接成一體。,圖 2.3 間歇送進機構整體結構圖,2.3 方案的選擇,經(jīng)過比較分析，我選擇利用摩擦輪連續(xù)介入機構的方案，該方案結構精密且機構原理簡單易懂，成本低，工作效率高。摩擦輪是借助于摩擦力來推進傳感器的。摩擦輪推進是直接接觸的,所占空間小,推進零件的結構簡單,易于制造,運動平穩(wěn),工作時噪音很小。,2.4 主要參數(shù)設計,醫(yī)學上作內(nèi)窺鏡使用的柔性桿.柔性光纖內(nèi)窺鏡利用光導纖維的傳光、傳像原理及其柔軟彎曲性能，可以對設備中肉眼不易直接觀察任何隱蔽部位(管道、腔體、復雜構件等)方便地進行直接快速的檢查，無需拆卸、破壞被測物就能進行檢查內(nèi)部微痕跡、毛刺、裂紋、焊縫等缺陷。,2.5 課題任務,（1）連續(xù)介入機構的原理分析； （2）機械手夾持力和位移分析； （3）旋轉機構的驅動力矩計算及電機的選型。 （4）零件裝配圖及主要零件圖。,第3章 系統(tǒng)設計,3.1 連續(xù)介入機構的原理分析 系統(tǒng)主要由3個部分組成:傳感器、推進裝置、控制系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)采集部分如圖1所示。介入裝置5、推進傳感柔性桿,以適當?shù)乃俣群土膬?nèi)窺鏡工作鉗道進入內(nèi)窺鏡,控制系統(tǒng)和信號采集和處理模塊控制傳感柔性桿在工作鉗道中等距離采樣數(shù)據(jù),同時反饋給PC。圖3.1中,下位機控制系統(tǒng)采用AT89C51單片機系統(tǒng)。,1.控制系統(tǒng) 2.光纖關柵解調(diào)儀 3.光纖光柵傳感器 4.PC 5.推進裝置,圖3.1 推進系統(tǒng)系統(tǒng)圖,圖3.2 推進原理圖,3.2 機械手夾持力和位移分析,該機構介入力的調(diào)整，是依靠絲杠螺母傳動，調(diào)整兩個摩擦輪之間的距離來實現(xiàn)的。摩擦輪之數(shù)和介入力大小之間的確切關系，通過實驗測定了一組數(shù)據(jù)。實驗數(shù)據(jù)證明，螺栓旋緊圈數(shù)愈多，介入力愈大。,增量式光電碼盤作為反饋檢測元件,根據(jù)其輸出脈沖源和脈沖計數(shù)可以用來確定傳感器的介入方向和推進距離。,3.3旋轉機構的驅動力矩計算及電機的選型,圖3.3傳動原理圖,第4章 裝置零件設計及校核,裝配草圖設計包括計算、結構設計、制圖等內(nèi)容，而且計算與制圖常需交叉進行。其基本任務為： 1> 確定各零件的結構尺寸，以及它們在機器的相互位置關系 2> 得出校核零件強度（剛度）所需的尺寸及數(shù)據(jù)。,4.1 軸的結構設計,軸的設計程序是： （1）根據(jù)機械傳動方案的整體布局，擬定軸上零件的布置和裝配方案； （2）選擇軸的合適材料； （3）初步估計軸的直徑； （4）進行軸系零、部件的結構設計； （5）進行強度、剛度計算； （6）根據(jù)計算結果修改設計。,圖4.1 軸的結構圖,圖4.2 軸上零件的裝配方案,圖4.3 軸力學模型圖,4.3 軸承的選擇以及計算,軸承校核的方法均一致，在前面的軸校核中我們已經(jīng)得知，中間軸2的受力軸向力最大，故軸承也最危險，故選擇軸承組2為例來校核。高速軸和低速軸經(jīng)過校核，均符合要求。,I寧XX 大學畢 業(yè) 設 計 (論 文 )柔性桿自動推進裝置設計所 在 學 院 機電學院專 業(yè) 機械設計制造及其自動化班 級姓 名學 號指 導 老 師年 月 日II摘 要在機器人技術、計算機技術和自動化技術飛速發(fā)展的基礎上，改造傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡推進裝置或設計新型內(nèi)窺鏡推進裝置是醫(yī)學中的熱點問題，國內(nèi)外研究機構在智能化內(nèi)窺鏡技術方面的研究，主要集中在內(nèi)窺鏡介入機構學方面的探索等?；趩吸c光纖光柵傳感頭的內(nèi)窺鏡形狀感知系統(tǒng)是利用單點傳感頭沿著內(nèi)窺鏡工作鉗道前進時在內(nèi)窺鏡上等距離的一系列點處采集波長來進行形狀感知的。這就要求設計一種介入傳感器的機械裝置。傳感器介入到內(nèi)窺鏡內(nèi)的方式有兩種：主動引導和外力介入。由于內(nèi)窺鏡的鉗道直徑大小不超過 3 毫米，長度大約為 1000 毫米，所以光纖光柵傳感頭的介入方式不宜用主動引導方式。本文通過對柔性桿的研究,以及如何對柔性桿改進推進裝置進行了研究，利用摩擦輪作為傳動部件來推進細徑線狀傳感器的自動推進系統(tǒng)， 傳感器被夾持在兩摩擦輪凹槽之間，依靠摩擦輪和傳感器表面之間的摩擦力，利用摩擦和擠壓的方式介入光纖光柵傳感器。通過手柄上的彈簧調(diào)整兩摩擦輪之間的間隙，還可以靈活改變介入力大小。關鍵詞：柔性桿，推進裝置，摩擦輪，擠壓IIIAbstractIn robotics, computer technology and automation technology rapid development on the basis of the transformation of traditional endoscope propelling device, or design new endoscope propelling device is in the medicine hot issues, domestic and foreign research institutions in the intelligent endoscope technology research, mainly concentrated in the endoscope intervention mechanism of exploration. Based on the single point optical fiber grating sensing head of the endoscope shape sensing system is the use of a single point sensing head along the endoscope working channel in the endoscope forceps forward on a series of points equidistant from the collection wavelength to shape perception. This requires the design of a sensor in mechanical device. The sensor into the endoscope in two ways: active guidance and intervention of foreign powers. As the endoscope forceps channel diameter less than 3mm, length of about 1000 mm, so the optical fiber grating sensing head intervention should not use active guide way.Based on the study of flexible rod, as well as how to improve the flexible rod propulsion device was studied, using the friction wheel as a driving component to promote small diameter linear sensor automatic propulsion system, sensor is clamped between the two friction wheels between the recesses, rely on friction wheel and a sensor surface friction, friction and extrusion of intervention fiber Bragg grating sensor. Through the handle on the spring to adjust the gap between the two friction wheels, also can change intervention force.Key Words: Flexible rod, a propulsion device, a friction wheel, extrusion IV目 錄摘 要 .........................................................................................................................................IAbstract ......................................................................................................................................II目 錄 .......................................................................................................................................III第 1 章 緒論 ...............................................................................................................................1第 2 章 設計方案的選擇與分析 ...............................................................................................32.1 利用摩擦輪連續(xù)介入機構及工作原理 ..........................................................................32.1.1 連續(xù)介入結構工作原理 ...........................................................................................32.1.2 推進裝置設計 ...........................................................................................................42.2 間歇送進機構及其工作原理 ..........................................................................................52.2.1 機構原理 ...................................................................................................................52.3 方案的選擇 ......................................................................................................................62.4 主要參數(shù)設計 ..................................................................................................................62.5 課題任務 ..........................................................................................................................6第 3 章 系統(tǒng)設計 .......................................................................................................................73.1 連續(xù)介入機構的原理分析 ..............................................................................................73.1.1 推進裝置的設計 .......................................................................................................73.2 機械手夾持力和位移分析 ..............................................................................................83.2.1 機械手夾持力分析 ...................................................................................................83.2.2 位移分析 ...................................................................................................................83.3 旋轉機構的驅動力矩計算及電機的選型 .......................................................................9第 4 章 裝置零件設計及校核 .................................................................................................114.1 軸的結構設計 ................................................................................................................114.1.1 軸的設計 .................................................................................................................114.1.2 軸的結構設計 .........................................................................................................124.1.3 軸的校核 .................................................................................................................12V4.2 齒輪設計 ........................................................................................................................164.3 軸承的選擇以及計算 ....................................................................................................184.4 鍵連接的選擇以及校核計算 ........................................................................................20總結與展望 ...............................................................................................................................21參考文獻 ...................................................................................................................................23致 謝 .........................................................................................................................................24附錄：零件圖與裝配圖 ...........................................................................................................251. 齒輪軸零件圖 1...................................................................................................252. 齒輪軸零件圖 2...................................................................................................253 齒輪軸零件圖 3..................................................................................................254 傳動圖 .................................................................................................................255 殼體 1..................................................................................................................256 殼體 2..................................................................................................................257 殼體 3..................................................................................................................258 裝配圖 .................................................................................................................25第 1 章 緒論1第 1 章 緒論隨著新型傳感技術、機械電子技術、生物醫(yī)學工程、智能材料和計算機圖形學等相關學科的發(fā)展、融合，臨床上新型智能醫(yī)療器械不斷出現(xiàn)，有效地拓展了傳統(tǒng)醫(yī)療器械的功能和診療領域。結腸內(nèi)窺鏡是結腸疾病診療的重要醫(yī)療器械，由于工作環(huán)境的復雜性和自身形狀不可視等不足，傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡在介入過程中會發(fā)生鏡體纏繞、非預期結襻等情況，給病人帶來痛苦和危險?；谄惹械腎臨床需求和良好的市場前景，用智能傳感器技術、自動化技術及可視化技術對傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)進行改進和創(chuàng)新研究已經(jīng)在世界范圍內(nèi)展開。其中，新型的內(nèi)窺鏡形狀感知系統(tǒng)是該領域的一個研究熱點。現(xiàn)有內(nèi)窺纖維鏡是利用操作人員的外部推力介入到人體被檢腔道中的, 是一種被動方式, 帶有一定柔性的裝置在腔道組織上滑行時, 對腔道壁面產(chǎn)生壓力, 有可能對人體內(nèi)部軟組織造成擦傷和拉傷, 一旦這個壓力超過一定的閾值, 還可造成組織破損(穿孔)。同時人體腔道結構比較復雜, 以結腸為例, 存在多處彎道, 僅憑手感要把內(nèi)窺纖維鏡順利插入到深處并非易事, 據(jù)統(tǒng)計, 經(jīng)過專業(yè)訓練、 有經(jīng)驗的醫(yī)務人員把纖維鏡插到結腸遠端( 盲腸部 )的概率僅為 85～ 90%。鑒于這種情況 , 內(nèi)窺鏡檢查和手術基本上在技術水平較高的大醫(yī)院中進行, 而且對操作醫(yī)師要求很高。 經(jīng)常需要多個醫(yī)師配合, 一般一例檢查為 40～ 60 分鐘。大大增加了難度和危險性。在這種情況下，人們對如何改進推進裝置進行了研究，利用摩擦輪作為傳動部件來推進細徑線狀傳感器的自動推進系統(tǒng)， 傳感器被夾持在兩摩擦輪凹槽之間，依靠摩擦輪和傳感器表面之間的摩擦力，利用摩擦和擠壓的方式介入光纖光柵傳感器。通過手柄上的彈簧調(diào)整兩摩擦輪之間的間隙，還可以靈活改變介入力大小。在介紹了相應的安裝了光電碼盤的推進機構和工作原理之后給出了系統(tǒng)的電路設計和軟件設計。并給出了推進實驗結果。該自動推進系統(tǒng)具有結構簡單、實現(xiàn)容易等特點，可以滿足智能化漸進式內(nèi)窺鏡形狀感知和重建的要求。傳統(tǒng)的介入方式將會造成的危害是難以想象的，將來的發(fā)展趨勢是利用自動來代替手動，利用摩擦輪，借助于摩擦力來推進傳感器的。摩擦輪推進是直接接觸的，所占空間小，推進零件的結構簡單，易于制造，運動平穩(wěn)，工作時噪音很小?；谝陨峡紤]，本系統(tǒng)使用兩個大小相等的帶有凹槽的摩擦輪，傳感器被夾持在兩摩擦輪凹槽之間，依靠摩擦輪和傳感器表面之間的摩擦力，利用摩擦和擠壓的方式介入光纖光柵第 1 章 緒論2傳感器。而如今，隨著機械行業(yè)的迅猛發(fā)展，自動化技術和傳感器技術的不斷改進，而且它們的價格也日益降低，可靠性也逐步提高，用自動化的方式把內(nèi)窺鏡推入腸胃當中不僅可以達到而且容易實現(xiàn)的，難度和危險性大大降低。它的發(fā)展趨勢可以放在以下幾個方面：1> 提高內(nèi)窺檢查效率；2> 減少醫(yī)療事故發(fā)生；3> 減少對腔道組織損害程度、使用可靠、安全；4> 操作簡便、減輕醫(yī)務人員工作強度；用高新技術來解決相關問題，將智能儀器代替勞動力為已成為我們機械行業(yè)的任務，以此來加強機械智能化,工業(yè)化建設，提高人民的生活水平。第 2 章 設計方案的選擇與分析3第 2 章 設計方案的選擇與分析2.1 利用摩擦輪連續(xù)介入機構及工作原理2.1.1 連續(xù)介入結構工作原理利用兩個或兩個以上互相壓緊的輪子間的摩擦力傳遞動力和運動的機械傳動。摩擦輪傳動可分為定傳動比傳動和變傳動比傳動兩類。傳動比基本固定的定傳動比摩擦輪傳動圓柱平摩擦輪傳動 圓柱槽摩擦輪傳動 圓錐摩擦輪傳動圖 2.1摩擦輪傳動， 又分為圓柱平摩擦輪傳動、圓柱槽摩擦輪傳動和圓錐摩擦輪傳動 3種型式如圖 2.1 所示。前兩種型式用于兩平行軸之間的傳動，后一種型式用于兩交叉軸之間的傳動。工作時，摩擦輪之間必須有足夠的壓緊力，以免產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，損 壞摩擦輪，影響正常傳動。在相同徑向壓力的條件下，槽摩擦輪傳動可以產(chǎn)生較大的摩擦力,比平摩擦輪具有較高的傳動能力,但槽輪易于磨損。變傳動比摩擦輪傳動易實現(xiàn)無級變速， 并具有較大的調(diào)速幅度。機械無級變速器如圖 2.2 所示多采用這種傳動。在圖2 中,主動輪按箭頭方向移動時，從動輪的轉速便連續(xù)地變化，當主動輪移過從動輪軸線時 從動輪就反向回轉。摩擦輪傳動結構簡單、傳動平穩(wěn)、傳動比調(diào)節(jié)方便、過載時尚能產(chǎn)生打滑而避免損壞裝置，但傳動比不準確、效率低、磨損大，而且通常軸上受 力大，所以主要用于傳遞動力不大或需要無級調(diào)速的情況。對摩擦材料的主要要求是：耐磨性好、摩擦系數(shù)大和接觸疲勞強度高。在高速、高效率和要求尺寸緊湊的傳動中，常采用淬火鋼對淬火鋼，并在油中工作。干式摩擦傳動常采用鑄鐵對鑄鐵、鋼鐵對木材或布質酚醛層壓板，或在從動輪面覆蓋一層皮革、石棉基材料或橡膠等。摩擦輪傳第 2 章 設計方案的選擇與分析4動的設計主要是根據(jù)所需傳遞的圓周力計算壓緊力。用金摩擦輪傳動作為摩擦材料時應限制工作面的接觸應力；用非金屬時則限制單位接觸線上的壓力。圖 2.2 無極變速器　　優(yōu)點：（1）制造簡單、運行平穩(wěn)、噪聲很小。（2）過載時發(fā)生打滑，故能防止機器中重要的零件損壞。 （3）能無極的改變傳動比。 缺點：（1）效率低。（2）當傳遞同樣大的功率時， ；輪廓尺寸和作用在軸與軸承上的荷載都比齒輪傳動大。 （3）不宜傳遞很大功率。（4）不能保持準確的傳動比。（5）干摩擦時磨損快、壽命低。（6）必須采用壓緊裝置。2.1.2 推進裝置設計推進裝置根據(jù)應用的設備不同，按其傳動方式分為不同的幾個類型。具體為：空氣送料裝置：利用氣動裝置進行送料；自動送料裝置：通過機械手臂進行送料；滾輪送料裝置：通過滾輪進行送料；電磁送料裝置：通過電磁原理進行送料；摩擦輪是借助于摩擦力來推進傳感器的。摩擦輪推進是直接接觸的,所占空間小,推進零件的結構簡單,易于制造,運動平穩(wěn),工作時噪音很小?；谝陨峡紤],本系統(tǒng)使用兩第 2 章 設計方案的選擇與分析5個大小相等的帶有凹槽的摩擦輪,傳感器被夾持在兩摩擦輪凹槽之間,依靠摩擦輪和傳感器表面之間的摩擦力,利用摩擦和擠壓的方式介入光纖光柵傳感器。在電機座上,與主動摩擦輪同軸安裝步進電機。在碼盤座上,從動摩擦輪與光電碼盤通過聯(lián)軸節(jié)同軸安裝。旋動手柄,使碼盤座沿著導軌 8 靠近主動摩擦輪方向滑動,通過手柄上的彈簧調(diào)整兩摩擦輪之間的間隙,從而可以靈活改變介入力大小。增量式光電碼盤作為反饋檢測元件,根據(jù)其輸出脈沖源和脈沖計數(shù)可以用來確定傳感器的介入方向和推進距離。2.2 間歇送進機構及其工作原理 2.2.1 機構原理間隙送進機構利用電磁鐵的吸合，完成機械手的開合動作。利用步進電機、絲杠螺母和滑動導軌實現(xiàn)機械手的前進后退。利用步進電機和齒輪傳動，實現(xiàn)機械手的旋轉。共有兩個機械手，其中一個固定在外壁上，另外一個固定在導軌滑塊上，兩個機械手配合完成內(nèi)窺鏡的間隙式旋轉介人。圖 2.3 為整體結構圖，右旋轉體、左旋轉體和大齒輪，通過 6 根支桿、連接塊、緊定螺釘、彈簧墊圈和螺母等固接成一體?；瑒訉к壨ㄟ^導軌支板安放在兩根支撐連接桿上。一只機械手固定在軸承支板上，另外一只機械手固定在導軌滑塊上，通過步進電機帶動一對傳動齒輪、利用絲杠螺母，實現(xiàn)抓手在導軌上的前進后退。步進電機帶動齒輪傳動，使大齒輪、左右旋轉體、連接桿、導軌和機械手整體繞機械手中心旋轉，實現(xiàn)機械手的旋轉介人。 第 2 章 設計方案的選擇與分析6圖 2.3 間歇送進機構整體結構圖2.3 方案的選擇經(jīng)過比較分析，我選擇利用摩擦輪連續(xù)介入機構的方案，該方案結構精密且機構原理簡單易懂，成本低，工作效率高。摩擦輪是借助于摩擦力來推進傳感器的。摩擦輪推進是直接接觸的,所占空間小,推進零件的結構簡單,易于制造,運動平穩(wěn),工作時噪音很小。最為關鍵的是該機構通過光電碼盤可以與電腦相連，這樣可以通過電腦軟件來控制推進裝置，實現(xiàn)內(nèi)窺鏡的前進、后退，并可以控制內(nèi)窺鏡的推進速度。簡單方便，可靠高效。因此，我選擇用這個設計方案。2.4 主要參數(shù)設計醫(yī)學上作內(nèi)窺鏡使用的柔性桿.柔性光纖內(nèi)窺鏡利用光導纖維的傳光、傳像原理及其柔軟彎曲性能，可以對設備中肉眼不易直接觀察任何隱蔽部位(管道、腔體、復雜構件等)方便地進行直接快速的檢查，無需拆卸、破壞被測物就能進行檢查內(nèi)部微痕跡、毛刺、裂紋、焊縫等缺陷。設定參數(shù)如下:（1）內(nèi)窺鏡直徑:10mm（2）內(nèi)窺鏡推進速度 0-30mm/s（3）自由度數(shù):1 個自由度，水平移動（4）定位精度 :±0. 5mm（5）傳動方式:齒輪傳動（6）控制方式:步進電機控制.2.5 課題任務（1）連續(xù)介入機構的原理分析；（2）機械手夾持力和位移分析；（3）旋轉機構的驅動力矩計算及電機的選型。（4）零件裝配圖及主要零件圖。第 3 章 系統(tǒng)設計7第 3 章 系統(tǒng)設計3.1 連續(xù)介入機構的原理分析系統(tǒng)主要由 3 個部分組成:傳感器、推進裝置、控制系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)采集部分如圖 1所示。介入裝置 5、推進傳感柔性桿,以適當?shù)乃俣群土膬?nèi)窺鏡工作鉗道進入內(nèi)窺鏡,控制系統(tǒng)和信號采集和處理模塊控制傳感柔性桿在工作鉗道中等距離采樣數(shù)據(jù),同時反饋給 PC。圖 3.1 中,下位機控制系統(tǒng)采用 AT89C51 單片機系統(tǒng)。它占傳感器的數(shù)據(jù)采樣檢查儀器 2 共同完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理部分的功能。PC 機可以作為系統(tǒng)上位機控制系統(tǒng),設計友好的人機界面,用串行通信方式和下位機通信,用于控制介入裝置的工作和控制信號采集和處理器的工作。1.控制系統(tǒng) 2.光纖關柵解調(diào)儀 3.光纖光柵傳感器 4.PC 5.推進裝置 圖 3.1 推進系統(tǒng)系統(tǒng)圖3.1.1 推進裝置的設計 摩擦輪是借助于摩擦力來推進傳感器的。摩擦輪推進是直接接觸的,所占空間小,推進零件的結構簡單,易于制造,運動平穩(wěn),工作時噪音很小。基于以上考慮,本系統(tǒng)使用兩個大小相等的帶有凹槽的摩擦輪,傳感器被夾持在兩摩擦輪凹槽之間,依靠摩擦輪和傳感器表面之間的摩擦力,利用摩擦和擠壓的方式介入光纖光柵傳感器。在電機座 2上,與主動摩擦輪 4 同軸安裝步進電機 6。在碼盤座 9 上,從動摩擦輪 7 與光電碼盤 1 通過聯(lián)軸節(jié)同軸安裝。旋動手柄 3,使碼盤座沿著導軌 8 靠近主動摩擦輪方向滑動,通過手柄上的彈簧調(diào)整兩摩擦輪之間的間隙,從而可以靈活改變介入力大小,推進原理圖如圖 3.2所示。增量式光電碼盤[5]作為反饋檢測元件,根據(jù)其輸出脈沖源和脈沖計數(shù)可以用來第 3 章 系統(tǒng)設計8確定傳感器的介入方向和推進距離。1.光電碼盤 2.電機座 3.手柄 4.主動摩擦輪5.電機罩 6.步進電機 7.從動摩擦輪 8.導軌9.碼盤座 圖 3.2 推進原理圖3.2 機械手夾持力和位移分析3.2.1 機械手夾持力分析 該機構介入力的調(diào)整，是依靠絲杠螺母傳動，調(diào)整兩個摩擦輪之間的距離來實現(xiàn)的。摩擦輪之數(shù)和介入力大小之間的確切關系，通過實驗測定了一組數(shù)據(jù)。實驗數(shù)據(jù)證明，螺栓旋緊圈數(shù)愈多，介入力愈大。3.2.2 位移分析 增量式光電碼盤作為反饋檢測元件,根據(jù)其輸出脈沖源和脈沖計數(shù)可以用來確定傳感器的介入方向和推進距離。系統(tǒng)的光電碼盤為增量式光電編碼器,型號為 E6A2-CWZ3C,精度為 500P/R;步進電機型號為 35HS27DF05-02,細分驅動器工作在 40 細分狀態(tài)。即控制系統(tǒng)每發(fā)出一個步進脈沖,電機只轉動 0.045°,摩擦輪有效周長 51mm,可以推算出每一個步距角推進傳感頭的位移為:0.045°×51/360°=0.0064mm。在系統(tǒng)復位以及加載完設定參數(shù)后,推進裝置將帶有光纖光柵傳感頭的傳感器沿內(nèi)窺鏡的工作鉗道漸進式推進。第 3 章 系統(tǒng)設計93.3 旋轉機構的驅動力矩計算及電機的選型 該機構介入力的調(diào)整，是依靠絲杠螺母傳動，調(diào)整兩個摩擦輪之間的距離來實現(xiàn)的。摩擦輪之數(shù)和介入力大小之間的確切關系。下圖 3.3 是機構的傳動原理圖。圖 3.3 傳動原理圖該機構通過連接在步進電機軸上的小齒輪吧動力傳給與之嚙合的一個雙聯(lián)齒輪。這個雙聯(lián)齒輪固定在軸 1 上，而這個雙聯(lián)齒輪的小齒輪與軸 2 上的一個同齒數(shù)齒輪嚙合，把動力傳給軸,軸 2 和軸 1 下端同時安裝有皮帶輪，皮帶輪夾緊之間的內(nèi)窺鏡，帶動內(nèi)窺鏡推進，實現(xiàn)前進或后退。步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉換成旋轉或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉軸步進一個步距角增量。電機總的回轉角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應的轉速取決于輸入脈沖頻率。 步進電機是機電一體化產(chǎn)品中關鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進電機慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。廣泛應用于機電一體化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機床、包裝機械、計算機外圍設備、復印機、傳真機等。 步進電機的選擇有一下幾個步驟：第 3 章 系統(tǒng)設計10圖 3.4 電機傳動圖（1）速度曲線的確定： svltl 01.65.1270 ????加 速 時 間(3.1)（2）電機轉速(3.2)（3）負載力矩(3.3)（4）負載慣量(3.4)（5）加速力矩 MSLm JTfgJT 40178.318031.2??????????(3.5)S 是安全系數(shù)，一般為 2（6）電機選擇根據(jù)上面的計算，步進電機選擇 42BYG250A-0151)(10.24mkgJM????轉 子 慣 量.(38.)(MNTLa??必 須 轉 矩第 4 章 裝置零件設計及校核11第 4 章 裝置零件設計及校核機器（部件）的裝配圖是表達設計者設計機器總體結構意圖的圖樣，也是制造、裝配機器及繪制零件工作圖的技術依據(jù)。因此，繪制裝配圖是機器設計過程中的重要環(huán)節(jié)，必須綜合考慮強度、剛度、加工、裝拆、調(diào)整和密封等多方面的要求。機器（部件）的裝配圖的設計及繪制過程比較復雜，因此必須先作裝配草圖設計，然后再經(jīng)過討論修改，最后加深或重新繪成正式的裝配圖。裝配草圖設計包括計算、結構設計、制圖等內(nèi)容，而且計算與制圖常需交叉進行。其基本任務為：1> 確定各零件的結構尺寸，以及它們在機器的相互位置關系2> 得出校核零件強度（剛度）所需的尺寸及數(shù)據(jù)。4.1 軸的結構設計軸設計的特點是：在軸系零、部件的具體結構未確定之前，軸上力的作用點和支點之間的跨距無法精確確定，故彎矩大小和分布情況不能得出，因此，在軸的設計中，必須把軸的強度計算和軸系零、部件的結構設計交錯進行，邊畫圖、邊計算、邊修改。軸的設計程序是：（1）根據(jù)機械傳動方案的整體布局，擬定軸上零件的布置和裝配方案；（2）選擇軸的合適材料；（3）初步估計軸的直徑；（4）進行軸系零、部件的結構設計；（5）進行強度、剛度計算；（6）根據(jù)計算結果修改設計。4.1.1 軸的設計1）軸的材料選擇和最小直徑的估算 根據(jù)工作條件，初選軸的材料為 40 rC，調(diào)質處理。按扭轉強度法進行最小直徑估算，即：3nAd0minP?。除去算軸徑時，若最小直徑軸段開有鍵槽，還要考慮鍵槽對軸第 4 章 裝置零件設計及校核12的強弱的影響。當該軸段截面上有一個鍵槽時，d 要增大 5%——7%， 兩個鍵槽 增大10%——15%。 0A由查機械設計手冊得知，對于 40 rC， 0A的范圍為 112-97。 確定 ：高軸 1 1? 從動軸 1 02? mmNPAd 8311011 ??高速軸：同理可得 中間軸為 8mm4.1.2 軸的結構設計圖 4.1 軸的結構圖4.1.3 軸的校核本文對各軸進行了校核計算，均滿足強度要求，受篇幅所限，下面僅以高速軸為例進行校核計算過程。 1）軸的力學模型的建立 1．軸上力的作用點位置和支點跨距的確定 齒輪對軸的作用點按簡化原則應在齒輪寬度的中點，因此可決定中間軸上兩齒輪力的作用點的位置。軸上安裝的軸承是 6002，可知它的負荷作用中心到軸承外斷面的距離 a=3.5mm。故可以算出支點跨距和軸上各力作用點相互位置尺寸。高速級齒輪作用點到靠近它的斷面的距離 L1=25mm，兩齒輪作用點之間的距離 L2=68mm第 4 章 裝置零件設計及校核13圖 4.2 軸上零件的裝配方案由于整個結構的設計，主軸要從一側裝入，所以軸要從右到左直徑遞減，而且在兩個軸承之間軸的直徑要相同。兩端軸承用同一個尺寸，以便于購買、加工、安裝和維修。軸肩：定位簡單可靠，不需附加零件，能承受較大軸向力，廣泛應用于軸上零件的固定。圓螺母：定位可靠，能實現(xiàn)軸上零件的間隙調(diào)整。常用于軸上零件之間，也可以用于軸端。平鍵：結構簡單，在軸上加工鍵槽，則齒輪輪可以靠平鍵在軸上定位2）軸上零件的周向定位帶輪與軸的周向定位采用過盈配合。根據(jù)設計手冊，并考慮便于加工，取鍵槽適用的鍵的規(guī)格為剖面尺寸 b?h=6 6 12。配合選用 H7/k6。滾動軸承內(nèi)圈與軸的配合采用基孔制，主軸與軸承的配合為 H7/k6。為了保證零件與定位面靠緊，軸上過渡圓角不應過大，軸肩處的過渡圓角應小于軸承的圓角，最后決定取 R1。3）考慮軸的結構工藝性1．考慮軸的結構工藝性，在軸的左端與右端均制成 1?45 倒角。2．為了保證軸向定位零件壓緊于軸上的零件，裝零件的軸段長度應較軸承套圈寬度短 2--3mm。4）繪制軸力學模型圖 如下圖 4.3 所示第 4 章 裝置零件設計及校核14圖 4.3 軸力學模型圖1. 計算軸上的作用力 大齒輪： (4.1).355d12T1FF t2t1 ???(4.2)N6.131costanFF nt1r2 ??? ??(4.3)N7.353d2TF22t3 ??小齒輪： (4.4)NF 5.183tanFt12 ??? ??(4.5)NF 4.192tanFt13 ??? ??(4.6)N8.324costanFF nt1r3 ??? ??皮帶輪： (4.7)N5.234d12T1FF t2t1 ???(4.8)N6.201costanFF nt1r2 ??? ??(4.9)N7.353d2TF22t3 ??N第 4 章 裝置零件設計及校核15圖 4.4 垂直面內(nèi)支反力5）計算支反力 1．垂直面內(nèi)支反力 如上圖 4.4由于繞支點 B 的力矩和 0??BVM,得： NFRAV108?, FRCV127? 方向如圖 .2．水平面內(nèi)支反力圖 4.5 水平面內(nèi)支反力示意圖由于繞支點 B 的力矩和 0??BHM 得： NFRAH357?方向如圖 4.5 NFRCH374?方向與圖中相反6）計算總支反力 A 點總支反力帶入已算得數(shù)值得: NFRA372C 點總支反力帶入已算得數(shù)值得: C94?7）計算彎矩 1．垂直面內(nèi)彎矩 B 處彎矩： LFMRAVB231??左 (4.10)NV4右 (4.11)2．水平面內(nèi)彎矩 B 處： RAVC51?? (4.12)第 4 章 裝置零件設計及校核16合成彎矩 M=6152N8）校核 進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和轉矩的截面（即危險截面 D）的強度。 MPadWca67.231.0???(4.13)根據(jù)選定的軸的材料 40 rC，調(diào)制處理，查閱機械設計手冊得： ??a70 1-MP??因為： ??1-ca? 故強度足夠。 4.2 齒輪設計選定高速級齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) (1) 選定高速級齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) (2) 材料選擇及熱處理。查閱機械零件設計手冊，選擇大、小齒輪的材料均為 40Cr，并經(jīng)調(diào)制處理及表面淬火，齒面硬度為 48~55HRC。 (3) 柔性桿推進裝置為一般機械，故選用 8 級精度。(GB 10095-88) (4) 選小齒輪齒數(shù) ?1z24 則根據(jù)傳動要求，大齒輪齒數(shù)則為：6.9512??Zi(4.14)(5) 選取螺旋角。初選螺旋角 ?14?。 按齒面接觸疲勞強度計算 ??32d1tt1u2??????????HEZT????(4.15)1) 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 1．查閱機械設計手冊，查的材料的彈性影響系數(shù) a8.19EMP??2．計算小齒輪傳遞的轉矩。 已經(jīng)算出 m3.71??NT；u=3.2 3．試選載荷系數(shù) 1.3t??。 4．查設計手冊選取區(qū)域系數(shù) 4.2Zh。 5．因大、小齒輪均為硬齒面，故宜選取稍小的齒寬系數(shù)，先取 1d??。 6．查設計手冊得 0.9HN1， 0.95HN2?, a601PLIM?, a502PLIM?.7．計算接觸疲勞許用應力（失效概率 1%，安全系數(shù) S=1） ?? a46.1HN1 PSLIM????(4.16)5.2509.22LI ?(4.17)第 4 章 裝置零件設計及校核172）計算 1．試算小齒輪分度圓直徑 mm.315.5222.318.1892.410203.73.132.2d 3224t1 ?????????2．計算齒寬 b 及模數(shù) ntm。 dt14???(4.18)m=2.45 5..h(4.19)3．計算載荷系數(shù) K。 根據(jù) 8 級精度，查閱機械設計手冊得動載荷系數(shù) 1.2kv?；繼續(xù)查閱資料得1.4k fah?；繼續(xù)查閱，由于小齒輪相對支撐對稱布置，8 級精度，故取 1.23kh??，故載荷系數(shù)為： 07.23.14.khavA???? (4.20)另得： 2.?F4．按實際的載荷系數(shù)校正所算的的分度圓直徑。 7.36.1031???tttkd(4.21)5．計算模數(shù)。 2m1zdt(4.22)(6) 按齒根彎曲強度設計 ??3a2da31nzFSYCOT??????(4.23)1) 確定計算參數(shù) 1．計算載荷系數(shù)。 07.23.142.khavA????2．根據(jù)縱向重合度 52.1??，查閱機械設計手冊查得螺旋角影響系數(shù) 0.8a?FY。 3．計算當量齒數(shù)。8.64cosz331v1??(4.24).9.53322?v(4.25)4．查閱機械設計手冊得齒輪的彎曲疲勞強度彎曲疲勞壽命系數(shù) a6201MPFE??，8.0K,.FN2FN1?。 5．計算彎曲疲勞許用應力。 取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，則得：第 4 章 裝置零件設計及校核18?? a7.389.162022 MPSKLIMHNF????(4.26)4..511I(4.27)6．查取齒形系數(shù)。 查閱資料得： 26.6.2aa1?FFY，7．查取應力校正系數(shù)。 查閱資料得： 74.1,58.2a1aSS8．計算大、小齒輪的 ??1F?并加以比較。 ??07..389621a??FSY?14..2a小齒輪的數(shù)值較大。 2) 設計計算 m4.165.12407.cos8073.m3 2nt ????）（ ?對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的法面模數(shù) n與由齒根彎曲疲勞強度計算的法面模數(shù)相差不大，故取 nm=2.5mm ，取分度圓的直徑 dt321?。 2.3cos1?ndz?(4.28)z1 取 24，z2=24x3.78=94.6 z2 取 96同理可得這個雙聯(lián)齒輪的另一個齒輪齒數(shù)為 724.3 軸承的選擇以及計算軸承校核的方法均一致，在前面的軸校核中我們已經(jīng)得知，中間軸 2 的受力軸向力最大，故軸承也最危險，故選擇軸承組 2 為例來校核。高速軸和低速軸經(jīng)過校核，均符合要求。 (1) 軸承選擇。 軸承類型 ：深溝球軸承，軸承代號：6002軸承參數(shù) ：軸承內(nèi)徑：15軸承外徑：32 軸承寬度：9 第 4 章 裝置零件設計及校核19(2) 設計校驗 1) 徑向載荷 Fr A 點支反力: NRA3721? C 點支反力: Cr942 外部軸向力 .-a23ae，從最不利受力情況考慮， aeF指向 A 處 1 軸承（方向向左） ； 2) 軸承派生軸向力： （方向向右） NYFF 7.2562 1t1d ??（方向向左） NYFF 9.2762 2t2d ??因為： 1d2ae?? , 故 A 處 1 軸承壓緊，C 處 2 軸承放松。故：Fda491?， da5242當量動載荷：（載荷系數(shù) .fp?）e?.025.r1a：軸 承 NYFfPaRp36)4.(1???故(4.29)era??29.0.22： 因軸 承(4.30)N376YFF0.4fp a2r2p2 ???? ??????(3) 驗算軸承壽命 因 12?，故只需驗算 1 軸承。軸承預期壽命與整機壽命相同，為：8(年） X300（天）X8（小時）=19200h 。 h920783fn6021th ?????????PCL（其中溫度系數(shù) 1ft?） (4.31)故軸承具有足夠壽命。 4.4 鍵連接的選擇以及校核計算以中間軸外伸裝配齒輪軸段鍵為例： 因為 d=12mm，l=30mm所以選擇普通平鍵 A 型 ml30?44hb ???校核：鍵的工作長度 l=L-b=15mm；鍵的接觸高度 K=0.5h=2mm；第 4 章 裝置零件設計及校核20mNT.5432?轉 矩 ： 材料為 45 鋼調(diào)質，所以 ??a120pMP??， ??ppa98.67ld10 ?????MP故強度合格。 其他各軸鍵的選擇和校核均以此例，不再贅述。 總結與展望21總結與展望一、總結內(nèi)窺檢查機器人在運動時, 通過充入氣體的膨脹橡膠囊與腔道壁接觸, 具有較好的柔軟性。 壓覺傳感器檢測機器人與腔道壁之間作用力的大小和方位, 為機器人提供避障、 彎曲等信息, 以調(diào)整內(nèi)窺檢查機器人的運動速度和方向, 使其適應腔道的變化, 避免穿孔等醫(yī)療事故的發(fā)生。傳感與主動介入技術對腔道組織損害程度極小, 具有較高的安全性, 還可減輕醫(yī)務人員的工作強度, 提高內(nèi)窺檢查的效率。醫(yī)用內(nèi)窺鏡在不同的時期都促進了醫(yī)學事業(yè)的不斷發(fā)展。今后隨著電子技術及其他科學技術的不斷進步，相信其技術會有更廣更深的發(fā)展。 它非但能完成當今所完成的任何一項工作，還會加用特殊光譜的 CCD 提供新的診療圖像信息，還可用圖像處理技術獲得病變組織的特殊圖像，并能用圖像分析技術實現(xiàn)對病變的定量分析和定量診斷，還可通過電訊手段進行遠程會診。 多功能的電子內(nèi)窺鏡已經(jīng)問世，它不但能獲得組織器官形態(tài)學的診斷信息，而且也能對組織器官各種生理機能進行測定。 醫(yī)用內(nèi)窺鏡技術發(fā)展到今天，已經(jīng)顯示出它的強大生命力，相信明天會做出更輝煌的貢獻。通過這次設計，我對柔性桿自動推進裝置有了一個全面地了解，了解了柔性桿技術在現(xiàn)在以及以后機械工業(yè)中所起的作用，明白了柔性桿的在以后工業(yè)的發(fā)展中所扮演的角色,為自己今后更好的學習柔性桿指明了方向。通過這次畢業(yè)設計，使我對大學期間所學的知識，進行了融會貫通，有了一個全新的認識，對以前許多不太清楚的地方，通過問老師和查資料的方法，已經(jīng)明白了很多，知道了自己以前學習的不足，所以以后應該更加努力。此次設計，我認為最重要的就是使我明白了，無論做什么事情，要想做好，必須態(tài)度端正；要善于學習，時刻學習；做事要嚴謹、認真，細致、不怕吃苦，還要有創(chuàng)新精神。二、今后研究方向傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡在介入過程中會發(fā)生鏡體纏繞、非預期結襻等情況，給病人帶來痛苦和危險?；谄惹械呐R床需求和良好的市場前景，用智能傳感器技術、自動化技術及可視化技術對傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)進行改進和創(chuàng)新研究已經(jīng)在世界范圍內(nèi)展開。其中，新型的內(nèi)窺鏡形狀感知系統(tǒng)是該領域的一個研究熱點。 利用主摩擦輪和從摩擦輪來推進傳總結與展望22感柔性桿，這將是推進裝置的發(fā)展趨勢。參考文獻23參考文獻[1] IKuta，et al.shape memory alloy servo actuator system with electric resistance feedback and application for active endoscope，Proc of IEEE Conference on Robotics and System，1988 [2] Robert H. Sturges Laowattana. 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