某護(hù)理抱人機(jī)器人結(jié)構(gòu)的主要部件詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u1496某護(hù)理抱人機(jī)器人結(jié)構(gòu)的主要部件詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算案例 1311731.1仿人背抱式移乘護(hù)理機(jī)器人抱人機(jī)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì) 122231.1.1工作空間及自由度確定 188431.1.2動(dòng)臂驅(qū)動(dòng)方式的選擇： 3115441.1.3電動(dòng)缸的選型及各動(dòng)臂尺寸的確定： 4167021.1.4電動(dòng)缸負(fù)載校核 6299131.1.5電動(dòng)缸電機(jī)的選型與校核： 10101311.2移動(dòng)底盤(pán)詳細(xì)設(shè)計(jì)與其電機(jī)的選用 1435021.2.1移動(dòng)底盤(pán)機(jī)構(gòu)分析與相關(guān)計(jì)算 14275701.2.2伺服電機(jī)的預(yù)選 15161521.2.3移動(dòng)底盤(pán)電機(jī)速度校核 15248991.2.4移動(dòng)底盤(pán)電機(jī)扭矩校核 15142381.2.5蝸輪蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算及校核過(guò)程 1620861.2.6蝸輪蝸桿傳動(dòng)軸的計(jì)算 191.1仿人背抱式移乘護(hù)理機(jī)器人抱人機(jī)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)1.1.1工作空間及自由度確定如下圖2-1所示，根據(jù)GB10000-1988《中國(guó)成年人人體尺寸》[11]中位數(shù)，確定人體模型的基本尺寸,如下圖3-1及表3-1所示，并為計(jì)算簡(jiǎn)便，進(jìn)行歸整。圖3-1中國(guó)成年人人體尺寸可得到人體模型參數(shù)數(shù)據(jù)如下：表3-1人體模型各項(xiàng)參數(shù)身高（mm）1700mm體重（kg）40~100（校核電動(dòng)缸強(qiáng)度時(shí)，按100kg校核）肚臍以下（mm）1000上半身（mm）700大臂（mm）320（約等于胸靠寬度尺寸）小臂（mm）240小腿（mm）380大腿（mm）480腳高（mm）100腳長(zhǎng)（mm）200門(mén)寬（mm）100（機(jī)構(gòu)總體寬度小于80mm）門(mén)高（mm）200（機(jī)構(gòu)整體高度小于150mm）機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度無(wú)要求，但出于經(jīng)濟(jì)原因考慮及占地面積考慮，機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度應(yīng)越小越好，初步確定為120mm。根據(jù)文獻(xiàn)[4]中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如下圖3-2所示，可將其胸靠工作空間及人背人最小空間的軌跡在保證其關(guān)鍵極限位置點(diǎn)的前提下擬合為直線，結(jié)果如下圖3-3所示：圖3-2機(jī)器人胸靠工作空間圖3-3機(jī)器人胸靠工作擬合空間可知，本設(shè)計(jì)最終成品機(jī)器人的工作空間必須自由達(dá)到最小背人空間內(nèi)的任意位置點(diǎn)。因此，該機(jī)器人需要具有X,Y軸兩個(gè)方向的移動(dòng)自由度，出于對(duì)被護(hù)理人的身體舒適度的考慮，還需要要求該機(jī)器人具有XOY平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)自由度。綜上考慮，該移乘護(hù)理機(jī)器人需要具有X,Y軸兩個(gè)方向的移動(dòng)自由度及XOY平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)自由度共三個(gè)自由度。換言之，需要三個(gè)驅(qū)動(dòng)力；三個(gè)驅(qū)動(dòng)力分別負(fù)責(zé)三個(gè)方向的自由度。1.1.2動(dòng)臂驅(qū)動(dòng)方式的選擇：市面上常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)方式有電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)三種驅(qū)動(dòng)方式。三種驅(qū)動(dòng)方式優(yōu)缺點(diǎn)如下：一、電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)：1.精確位置控制、精確速度控制，可以實(shí)現(xiàn)高精度控制的直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。容易和plc等控制系統(tǒng)連接。2.低成本維護(hù)，維護(hù)只需要用定期潤(rùn)滑、無(wú)易損件，相比液壓和氣壓傳動(dòng)維護(hù)簡(jiǎn)單。1.噪音低，節(jié)能，干凈，高剛性，抗沖擊力，超長(zhǎng)壽命。電缸可以在惡劣環(huán)境下無(wú)故障，長(zhǎng)期工作4.配置靈活，安裝位置、形式樣式多。二、液壓驅(qū)動(dòng)：1.總效率較低，存在壓力損失、容積損失和機(jī)械摩擦損失。2.傳動(dòng)系統(tǒng)的工作性能和效率受溫度的影響較大，在高溫或低溫環(huán)境下工作，存在一定困難。1.配合表面不可避免地會(huì)有泄漏存在，且無(wú)法保證嚴(yán)格的傳動(dòng)比。4.維修困難，液壓系統(tǒng)的故障比較難查找，對(duì)操作、維修人員的技術(shù)水平有較高要求。5.成本較高，液壓元件的制造精度、表面粗糙度以及材料的材質(zhì)和熱處理要求都比較高。三、氣壓驅(qū)動(dòng)：1.運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性較差。因空氣可壓縮性較大，其工作速度受外負(fù)載變化影響大。2.工作壓力較低（0.3～1MPa），輸出力或轉(zhuǎn)矩較小。1.空氣黏度小，潤(rùn)滑性差，需設(shè)置單獨(dú)的潤(rùn)滑裝置。4.有較大的排氣噪聲。經(jīng)比較可知，液壓驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)不滿足本機(jī)器人的要求，而電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)滿足該護(hù)理機(jī)器人對(duì)精度、強(qiáng)度、速度、平穩(wěn)性等各方面的要求。綜合考慮，選用電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)作為本護(hù)理機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式。1.1.3電動(dòng)缸的選型及各動(dòng)臂尺寸的確定：明確機(jī)構(gòu)工作空間由圖3-3胸靠最小工作空間可知，要保證末端執(zhí)行器（胸靠）的水平位移大于650mm，豎直位移大于500mm，為保證被護(hù)理人的舒適性，由文獻(xiàn)[4]可確定，胸靠的旋轉(zhuǎn)角度保證大于5°~90°這一范圍。因圖3-2中零位置點(diǎn)取在被護(hù)理人的背部，機(jī)器人工作時(shí)要離被護(hù)理人一定距離（大于大腿長(zhǎng)度），由上文確定的被護(hù)理人基本尺寸可初步確定，機(jī)器人在橫坐標(biāo)為500mm之外的空間工作。初選電動(dòng)缸1型號(hào)及動(dòng)臂1位置及尺寸的確定初選電動(dòng)缸1型號(hào)為美國(guó)Parker公司的ET080B04型號(hào)電動(dòng)缸，行程初選為300mm，與機(jī)架連接鉸接點(diǎn)位置初選為距離地面高200mm，查表可知電動(dòng)缸尺寸范圍為：672.5mm至972.5mm。由作圖法可得，在滿足水平位移大于700mm的前提下，可選與機(jī)架連接鉸接點(diǎn)位置為距離地面高200mm處，電動(dòng)缸1與機(jī)架鉸接點(diǎn)處右側(cè)300mm處，動(dòng)臂長(zhǎng)800mm。水平位移為822.5mm>700mm滿足工作空間要求。動(dòng)臂1長(zhǎng)度及鉸接位置的確定圖如下圖3-4所示：圖3-4動(dòng)臂1長(zhǎng)度及鉸接位置的確定動(dòng)臂2尺寸和位置的確定及電動(dòng)缸2的選型由上圖可知，動(dòng)臂2末端軌跡要保證大于最小背人空間的范圍，且滿足豎直位移大于500mm，由作圖法可確定動(dòng)臂2長(zhǎng)度尺寸為700mm。選電動(dòng)缸2型號(hào)為美國(guó)Parker公司的ET080B04型號(hào)電動(dòng)缸，行程為370mm，長(zhǎng)度區(qū)間為742.5mm至1112.5mm，電動(dòng)缸2與機(jī)架鉸接點(diǎn)出于對(duì)其懸臂梁的力臂考慮，選擇放在距離地面高200mm處，電動(dòng)缸2與機(jī)架鉸接點(diǎn)處右側(cè)300mm處；電動(dòng)缸2與動(dòng)臂2鉸接點(diǎn)放在動(dòng)臂2的中點(diǎn)處。由下圖可知其豎直位移為711.17mm>500mm，滿足工作空間要求。畫(huà)圖結(jié)果如下圖2-5所示：圖3-5電動(dòng)缸2型號(hào)、動(dòng)臂2長(zhǎng)度及鉸接位置的確定動(dòng)臂3尺寸和位置的確定及電動(dòng)缸3的選型電動(dòng)缸3和動(dòng)臂3的配合主要要滿足末端執(zhí)行器轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的要求，為了使胸靠再各個(gè)位置達(dá)到5°到90°的旋轉(zhuǎn)空間，使動(dòng)臂3最小與動(dòng)臂2最小夾角為5°，選用電動(dòng)缸3型號(hào)為美國(guó)Parker公司的ET050B05型號(hào)電動(dòng)缸，行程為230mm，長(zhǎng)度區(qū)間為516mm至746mm，因滿足5°旋轉(zhuǎn)位置的力臂過(guò)小，所以采用間接方式推動(dòng)動(dòng)臂3，電動(dòng)缸3與動(dòng)臂2鉸接點(diǎn)及簡(jiǎn)圖如下圖3-6所示：圖3-6電動(dòng)缸3選型及動(dòng)臂3尺寸和位置的確定由上述作圖過(guò)程，可確定3個(gè)動(dòng)臂尺寸如下表3-2所示：表3-2動(dòng)臂尺寸構(gòu)件尺寸(mm)動(dòng)臂1800動(dòng)臂2700動(dòng)臂3140可確定3個(gè)電動(dòng)缸型號(hào)及部分?jǐn)?shù)據(jù)如下表3-3所示：表3-3電動(dòng)缸型號(hào)及部分?jǐn)?shù)據(jù)型號(hào)可承受最大力（N）初始尺寸(mm)行程(mm)長(zhǎng)度區(qū)間(mm)電動(dòng)缸1ET080B047120372.5（388）300688~988電動(dòng)缸2ET080B047120372.5（388）370758~1128電動(dòng)缸3ET050B053200286（293）230523~7531.1.4電動(dòng)缸負(fù)載校核由上述設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程作圖，機(jī)構(gòu)電動(dòng)缸及動(dòng)臂分布圖是如下圖3-7所示：圖3-7電動(dòng)缸及動(dòng)臂分布圖根據(jù)力矩分布情況各個(gè)鉸接點(diǎn)列平衡條件方程：M力矩由電缸對(duì)桿的驅(qū)動(dòng)力矩和被護(hù)理人重力力矩構(gòu)成（忽略機(jī)架、機(jī)構(gòu)質(zhì)量影響）：電缸對(duì)桿的驅(qū)動(dòng)力矩M被護(hù)理人重力力矩M電動(dòng)缸1負(fù)載校核由幾何作圖法得電動(dòng)缸1及電動(dòng)缸2得動(dòng)臂最大處如下圖3-8所示：圖3-8電動(dòng)缸及動(dòng)臂初始位置分布圖(電動(dòng)缸1力臂最大處)對(duì)于動(dòng)臂1與機(jī)架連接鉸接點(diǎn)列力矩平衡方程：MM分別代入M順及MM可得F可求得電動(dòng)缸1受力最大值FF電動(dòng)缸1負(fù)載校核成功。電動(dòng)缸2負(fù)載校核對(duì)于動(dòng)臂1與動(dòng)臂2連接鉸接點(diǎn)列力矩平衡方程：MM分別代入M順及MM可得F可求得電動(dòng)缸2受力最大值FF校核該機(jī)構(gòu)最高位置，此位置電動(dòng)缸2對(duì)動(dòng)臂1、2鉸接點(diǎn)處的動(dòng)臂最小，此時(shí)機(jī)構(gòu)各位置及計(jì)算尺寸如下圖3-9所示：圖3-9電動(dòng)缸及動(dòng)臂初始位置分布圖(電動(dòng)缸1力臂最大處)對(duì)于動(dòng)臂1與動(dòng)臂2連接鉸接點(diǎn)列力矩平衡方程：MM分別代入M順及MM可得F可求得電動(dòng)缸2受力最大值FF電動(dòng)缸2負(fù)載校核成功。電動(dòng)缸3負(fù)載校核圖3-10電動(dòng)缸及動(dòng)臂分布圖(電動(dòng)缸3動(dòng)臂最大受力處)對(duì)于動(dòng)臂3（胸靠結(jié)構(gòu)，下文用動(dòng)臂3代替）與動(dòng)臂2連接鉸接點(diǎn)列力矩平衡方程：MM分別代入M順及MM可得F可求得電動(dòng)缸2受力最大值FF電動(dòng)缸3負(fù)載校核成功。1.1.5電動(dòng)缸電機(jī)的選型與校核：電動(dòng)缸電機(jī)型號(hào)的預(yù)選：預(yù)選電動(dòng)機(jī)型號(hào)為：臺(tái)達(dá)A2系列ECMA-C10401HS型號(hào)伺服電機(jī)，配套型號(hào)為利茗經(jīng)濟(jì)型?星減速機(jī)PB系列單段型PB44-10-ECMA-C10401減速箱。伺服電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)如下表3-4所示：表3-4伺服電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)表額定輸出功率(W)100角形法蘭尺?A(mm)40電壓規(guī)格AC220電磁制動(dòng)器有額定扭矩(N·m)0.32額定電流(A)0.9重量0.8kg分辨率20bit減速箱關(guān)鍵參數(shù)如下表3-5所示：表3-5減速箱關(guān)鍵參數(shù)表安裝類型法蘭減速?10輸?軸軸徑(φ)13法蘭尺寸(mm)44適用伺服電機(jī)品牌臺(tái)達(dá)額定輸出扭矩(N·12效率(%)≥97%額定輸?轉(zhuǎn)速(rpm)3000所選電動(dòng)缸各項(xiàng)參數(shù)如下圖3-10所示：圖3-10電動(dòng)缸各項(xiàng)參數(shù)校核電動(dòng)缸電機(jī)的工作速度因電動(dòng)缸傳動(dòng)元件為滾珠絲杠，可根據(jù)滾珠絲杠相關(guān)公式計(jì)算電動(dòng)缸直線運(yùn)動(dòng)的線速度v=S?n其中S為絲杠導(dǎo)程，n為驅(qū)動(dòng)元件轉(zhuǎn)速。由上述數(shù)據(jù)可知，減速后電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為n=絲杠導(dǎo)程S=其中線數(shù)n線SS電推桿直線運(yùn)動(dòng)的線速度vvv結(jié)合所選電機(jī)參數(shù)電動(dòng)缸1、2、3走完全程需要時(shí)間分別為：ttt滿足機(jī)構(gòu)緩慢運(yùn)動(dòng)的要求。電動(dòng)缸電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩的校核計(jì)算電機(jī)所產(chǎn)生的力矩來(lái)自于電動(dòng)缸的加速度、負(fù)荷及摩擦力矩。必須對(duì)應(yīng)的所有部分計(jì)算出其驅(qū)動(dòng)力矩。本移乘護(hù)理機(jī)器人動(dòng)作處于舒適性及安全性影響，速度十分緩慢，相對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)慣性力矩的加速力矩:M其中：Jp,j,0=并聯(lián)電機(jī)在零行程下的旋轉(zhuǎn)慣量（kg?Jp,j,Hub=并聯(lián)電機(jī)每毫米行程的旋轉(zhuǎn)慣量（kg?Hub=選擇的行程（mm）ηetiGηGJG=變速箱的慣量（kg?JM=電動(dòng)機(jī)的慣量（kg?ak,j=活塞桿的加速度（m/P?,j=導(dǎo)程（mm根據(jù)廠家提供數(shù)據(jù)，可知三個(gè)電動(dòng)缸配套的各項(xiàng)數(shù)據(jù)如下表3-6所示：表3-6所需的三個(gè)電動(dòng)缸配套各項(xiàng)數(shù)據(jù)電動(dòng)缸1電動(dòng)缸2電動(dòng)缸3J151.64189.5114.3Jp,j0.21940.21940.0308Hub（mm）300370230η90%90%90%i101010η97%97%97%JG（kg444JM（kg444ak,jP?,j6.486.485.18Fi（N4762.982131.153054.00根據(jù)已選電機(jī)、減速箱、電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，帶入公式可得3個(gè)電動(dòng)缸配套電機(jī)所需相對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)慣性力矩的加速力矩：M=0.09986N?mM=0.10543N?mM=0.09796N?m其軸向力所導(dǎo)致的負(fù)載力矩M其中：Fx,a/e,jFi因其軸向載荷為其他動(dòng)臂施加，則可近似可使F根據(jù)上述數(shù)據(jù)帶入可得三個(gè)電動(dòng)缸配套電機(jī)其軸向力因所導(dǎo)致的負(fù)載力矩分別為：MMM其電機(jī)必須生成的驅(qū)動(dòng)力矩M其三個(gè)電動(dòng)缸配套電機(jī)減速后最小力矩分別為：MMM查電機(jī)參數(shù)表可得，減速箱額定輸出扭矩為M綜上可得，所選電機(jī)滿足扭矩要求。1.2移動(dòng)底盤(pán)詳細(xì)設(shè)計(jì)與其電機(jī)的選用1.2.1移動(dòng)底盤(pán)機(jī)構(gòu)分析與相關(guān)計(jì)算移動(dòng)底盤(pán)的設(shè)計(jì)由文獻(xiàn)[12]可知，人的正常行走速度大概分布在0.8m/s~1.2m/s之間，如下圖3-11所示，為保證本移乘護(hù)理機(jī)器人移動(dòng)速度盡量緩慢，并使被護(hù)理人具有人背人的心里感覺(jué)，將機(jī)器人移動(dòng)速度設(shè)置為v=0.8m/s圖3-11人行走速度圖初選移動(dòng)用輪直徑?輪ω經(jīng)計(jì)算輪連軸的速度最大為76.39r1.2.2伺服電機(jī)的預(yù)選電機(jī)選用和電缸驅(qū)動(dòng)電機(jī)相同型號(hào)。其數(shù)據(jù)如上圖所示，在此不再列舉。1.2.3移動(dòng)底盤(pán)電機(jī)速度校核由上述計(jì)算可知電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速機(jī)構(gòu)減速后速度n=滿足速度要求。1.2.4移動(dòng)底盤(pán)電機(jī)扭矩校核由經(jīng)驗(yàn)可知輪胎與地面靜摩擦系數(shù)取f=0.3，機(jī)器人移乘過(guò)程中總體重量最大值mmax可求得最大輪胎驅(qū)動(dòng)力F所需最大驅(qū)動(dòng)力矩M由表2-5得減速機(jī)輸出額定扭矩為12N?m>8.085N?m力矩校核成功。綜上可知，所選電機(jī)滿足要求。1.2.5蝸輪蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算及校核過(guò)程注：本節(jié)內(nèi)容參考表格參考文獻(xiàn)[13]中內(nèi)容。1.選擇材料由表19-5與表19-6，蝸桿選用45鋼表面淬火，表面硬度45~55HRC；蝸輪選用ZCuSn10Pb1,型砂鑄造，σb2.確定z由表19-3確定蝸桿頭數(shù)zzn1.計(jì)算蝸輪工作轉(zhuǎn)矩T由表19-13估計(jì)蝸桿傳動(dòng)的效率ηT4.確定載荷系數(shù)K由表19-7查取工作情況系數(shù)K初涉蝸輪圓周速度v2≤3m/s，取動(dòng)載荷系數(shù)K故K=5.確定蝸輪許用接觸應(yīng)力σ由表19-10，蝸輪材料Z