毕业设计（论文）-搬运病人机器人及其控制系统的设计

毕业设计（论文）题目：搬运病人机器人及其控制系统设计学习中心：年级专业：学生姓名：学号：指导教师：职称：导师单位：论文完成时间：2023年02月05日

摘要本文所设计搬运病人机器人是在多功能病床的基础上进行完善、增加搬运和自动行走功能。底部四个轮子，其中两个为万向轮、两个齿轮副转向机构动力轮，通过前方摄像头和超声避障装置识别路线及判断障碍物，可实现自助直线行走及转弯。通过四组机械手臂可将病人从该病床移动到另一病床，整个过程无需医务人员接触。其中机械手臂可进行俯仰、升降、折叠等动作，不使用时折叠臂归位到侧面、不影响病人休息。文中对行走机构、俯仰机构、折叠臂等进行了详细设计，并对控制部分以及避障原理进行了简单阐述。关键词：搬运病人；机械手臂；行走机构；控制全套图纸加V信153893706或扣3346389411

目录13676第1章绪论 第1章绪论 2019年10月，距离新冠肺炎只有几个月大流行爆发，DiligentRobotics成功地300万美元种子资金用于推出自主机器人协助运送医疗用品和实验室样本（Muoio，2019）[1]。大流行几个月后，用于医院的机器人受到了更多的关注，随后是1000万美元的A轮融资（Demaitre，2020）[1]。截至2020年年中，医用机器人开始在世界各地的医院服务，收集患者信息来自可能接触SARS-Cov-2的人群从而减少人类接触（Chandrayan，2020）。同样，卢旺达新冠肺炎疫情中也使用了医用机器人，19家诊所为患者量体温并提供用品（博比恩，2020）[2]。机器人不仅在大流行期间帮助医疗保健，但它们也有助于喷洒消毒剂（Hayasaki，2020），清洁杂货店的地板，整理回收中心（Howard和Borenstein，2020），以及帮助办理非接触式登机手续并支持机场（Hornyak，2020；Lo，2018）[3]。最近的检查据报道，全球机器人的使用情况表明他们在管理的各个方面发挥着至关重要的作用。机器人将帮助世界恢复“正常”尽管他们对失业率已经很高（Glow，2020）。有一个关于新冠肺炎是否正在加速机器人用来代替人类工人（Thomas，2020）。机器人从兴奋和同情转向愤怒由于几位企业家的警告不受控制的人工智能（AI）和增加的使用国防工业的机器人（Mattel，2015；Ozturkcan和梅尔丁·维吾尔人，2018）[4]。与这些发现一致，人们接触了描述碰撞测试的视频用假人或防御机器人对抗人类暴力（Darrow，2016）。总而言之对机器人部署的影响是前沿的研究领域，特别是医疗保健领域（GarmannJohnsen等人，2014）[5]。研究人员开始调查医疗机器人十年前的使用情况（Broadbent等人，2009年；Hansen等人，2010年）[6]。从那时起，机器人及其应用发展到许多领域包括外科手术和修复术（Bogue，2011）与简单的检查任务血压（Broadbent等人，2010）以及药物管理中涉及的任务服务（Datta等人，2013年）或协助在家生活老年人和残疾人（Harmo等人，2005年）[7]。技术接受的经典理论（Davis，1989）试图解释和预测人类行为基于感知的有用性和感知的易用性。与此相关，医用机器人的感知有用性和感知医生和护士容易使用在他们被接受为一项新技术方面发挥关键作用在他们的工作生活中[8]。对机器人的接受程度也与某些人口统计，如年龄、性别、性格和文化。血压监测被证明是最流行的引起研究人员注意的情况，其中研究结果表明，接受度在年龄和性别上存在差异朝向机器人（Kuo等人，2009）[9]。例如在健康护理活动中，外向的女性机器人是首选，内向的男性机器人在保护方面更受青睐位置（Tay等人，2014）。医疗环境中也会遇到机器人，机器人只因协助而受到欢迎具有特定任务，如重型起重和后勤（Turja等人，2018）。日本医疗保健专业人士更受欢迎对护理机器人与芬兰医疗保健专业人员（Coco等人，2018）也可能归因于他们过去的经历不同领域的机器人[10]。类似地，“科技抵抗”在护理行业内（萨尔茨曼-埃里克森和埃里克森，2016）和对将机器人纳入医疗保健（Göransson等人，2008）在瑞典医疗保健样本的研究中报告专业人士。另一方面，据估计，机器人可以在医院和长期从事至少20%的护士工作老年护理。机器人的加入有助于抑制增长社会福利和医疗保健成本，改善医疗保健专业人员的工作内容。另一方面，有人提出了一些担忧关于机器人医疗的负面结果患者一侧。特别是在老年人中关于非人化，增加身体护理者的社交孤立和忽视。新冠肺炎疫情加速了医疗保健中的医用机器人。突然增加的医疗保健需求营造了一种氛围人们接受了可能的帮助。此外减少或消除与患者的接触保护宝贵医护人员的机会防止感染病毒。在个人生活中观察到的匮乏防护设备（PPE）也被最小化。当医院没有探视时医用机器人有助于连接患者及其家属的士气和支持。在印度，名为Mitra的医用机器人协助新冠肺炎患者在医院病床上与他们的亲人通过安装在胸前的平板电脑进行沟通（SCMP，2020）[11]。Mitra的人类同事强调恢复期以及医院探视禁令问题重重。此外，Mitra可以检测温度病人需要时向精神科医生咨询。米特拉包括面部识别技术它以前见过的人；因此，它可以识别患者独立治疗。此外，Mitra还协助远程咨询，主要是在能够保护风险人群的情况下专家防止可能的感染。另一个医用机器人还用于运送重要的物资，如食品和为医院不同地区的患者提供药物（半岛电视台，2020年）。Mitra还受雇于班加罗尔（Fortis，2020）按以下方式筛选每个进入医院的个人适合通过面部和语音识别，Mitra筛选医生、护士、医务人员和非医务人员针对新冠肺炎症状，如发烧或咳嗽，通过Mitra在识别和转诊方面的支持医护人员可以与有症状的患者。作为联合国开发计划署的捐款程序，医用机器人也在卢旺达使用了长达50%的技术工作，如测量生命体征（即检查温度、监测患者）并记录信息，以向人类医疗保健提供临床判断反馈工作人员（路透社，2020）[12]。部署的医用机器人最大限度地减少患者与人类医疗保健之间的接触因此减少了传播。另一位医用机器人，护士汤米，帮助意大利前线工作人员（半岛电视台，2020年；YahooNews，2020年）。汤米促成了医生和没有直接接触的患者。因此，减少PPE这既节省了时间又节省了金钱。可能更重要的是，更少的医生和护士病毒从患者身上传播。信息的持续传递患者的即时情况也有助于所需医疗决策的及时性。同样，隔离患者暴露的风险通过在新加坡使用医用机器人（CNA，2020)，医用机器人被指派进行巡逻在几个允许医护人员隔离的病房之间触，因为他们可以远程检查患者。而且甚至可以更经常地与患者交谈由于取消了穿戴和脱下PPE的规定在这种新颖的通信方法中。在比利时，一个多语言医用机器人被分配给筛查患者的冠状病毒症状确保他们在医院就诊时戴口罩（欧洲新闻，2020年）。Sophia自2016年以来一直是先锋医用机器人也被赋予了一个新的角色在新冠肺炎大流行期间（路透社，2021；SCMP，2021)，凭借她高度发达的面部表情，Sophia据信能够促进人与机器的通信，作为护士的角色包括测量患者的体温。他们帮助减轻了压力在一线医疗保健和预防感染传播各医院科室之间的沟通。其他人也在隔离病房使用机器人运送食品、水和药物（NewChina，2020)。

搬运病人机器人的总体结构设计目前在医院治疗传染病病人时，针对重症病人更换床位需要护士人工帮助病人挪动，这样就增加了护士被感染的风险。如果能设计一种自动搬运病人的机器人，帮助护士解决挪动病人位置的工作，就能很好解决护士被感染的风险，本章针对这种机械手臂进行整体结构设计。该搬运病人机器人是在多功能病床的基础上进行完善、增加搬运和自动行走功能。底部四个轮子，其中两个为万向轮、两个齿轮副转向机构动力轮，通过前方摄像头和超声避障装置识别路线及判断障碍物，可实现自助直线行走及转弯。通过四组机械手臂可将病人从该病床移动到另一病床，整个过程无需医务人员接触。其中机械手臂可进行俯仰、升降、折叠等动作，不使用时折叠臂归位到侧面、不影响病人休息。床头位置为控制面板，所有电气元件均在床底、驱动采用蓄电池供电，具体结构如图2-1所示，结构明细如表2-1所示。图2-1搬运病人机械臂结构

表2-1零部件明细表序号名称数量材料1控制面板组件1电控组件2机械手4组合件3升降机构4组合件4俯仰机构4组合件5摄像头1外购6病床1组合件7行走机构1组合件

俯仰机构的设计机械手臂是模仿人手操作，可以伸缩、升降、调节角度等各个维度的调整，其中调节角度通过俯仰机构实现，本章主要俯仰机构进行详细设计，该机构也是机械手臂的重要组成部分。3.1机构概述通过俯仰机构可以实现前后±90°调节，俯仰机构通过齿轮传动机构实现，通过电机抱闸能够实现自锁、能够很好的固定位置。在±90°的位置通过接近开关实现限位，同时采用机械限位的方式双重保护，防止过角度旋转损伤元器件。3.2俯仰机构的设计俯仰机构采用齿轮传动传动方式，通过电机抱闸能够实现自锁，能够很好的锁定位置、保证精度。3.2.1齿轮选择的材料结合使用情况选择两齿轮材料为：40Cr，加工工艺都为：调质处理、表面淬火硬度为HRC46-55，为满足使用需要加工等级定位六级。取其最低值保证满足使用需要，的MQ级质量指标查得；查机械设计手册图8－3－9（d）中的MQ级质量指标查得；。3.2.2强度计算齿轮传动的计算需要计算中心距、模数齿数等，具体步骤如下所示。中心距a的计算（3-1）式中：Cm＝1.2（配材料）Aa＝454载荷系数K＝1.5（3-2）结合实际负载要求，选择东方马达4kw伺服马达，马达额定转速2500r/min，实际有效转速可达到98%，电机前段直连行星减速机，减速比是3。所以减速马达实际输出转速为：齿宽的补偿参数＝0.5；齿数比u=i=2.5查阅国家标准应力为所以为了安全起见这里取a＝80mm。(2)关于模数m的确定m=(0.007~0.02)a=0.56~1.6,取m=1.5mm(3)确定齿数z1,z2螺旋角度的初始确认＝13（3-3）取整这里按照z=30z=μz=2.530=75，这里就按照z=75关于螺旋角的重新计算如下部分（3-4）实际中心距(4)其他主要几何尺寸的计算（3-5）（3-6）齿顶圆直径d=d+2h=45.7+21.6=48.9mmd=d+2h=114.3+21.6=117.5mm（3-7）压力角（端面）（3-8）分度圆直径d=dcos=cos20.292°=40.2mmd=dcos=348cos20.292°=107.2mm压力角（齿顶圆）=arccos=34.365°=arccos=23.951°端面重合度=[z（tg-tg）+z(tg-tg)]=1.9（3-9）齿形宽度b=.a＝0.4*80＝32（3-10）取b＝32mm；b＝40mm齿宽系数===0.7（3-11）纵向重合度=1.2（3-12）当量齿数＝31.45＝78.628（3-13）3.2.3关于齿面强度的详细计算校核齿面的强度校核非常重要，基于强度条件：[]关于应力的校核：=ZZZZZ（3-14）=（3-15）式中：切向力F===2034N（3-16）使用系数KA=1动载系数=（）式中V=A=83.6B=0.4C=6.57=1.2齿间载荷分配系数节点区域系数=1.5重合度的系数螺旋角系数弹性系数单对齿齿合系数ZB=1=＝＝245.5MPa许用应力：[]=（3-17）式中：极限应力=1120MPa最小安全系数=1.1寿命系数=0.92润滑剂系数=1.05（按油粘度等于350）速度系数=0.96（按）粗糙度系数=0.9齿面工作硬化系数=1.03（按齿面硬度45HRC）尺寸系数=1则：[]==826MPa满足[]3.2.4校核齿根的强度强度条件：[]许用应力：=（3-18）（3-19）式中：齿形系数=2.61，=2.2应力修正系数，重合度系数=1.9螺旋角系数=1.0齿向载荷分布系数=1.3（其中N=0.94）齿间载荷分配系数=1.0则=94.8MPa==88.3MPa许用应力：[]=（按较小齿轮值检验）式中：极限应力=350MPa安全系数=1.25应力修正系数=2寿命系数=0.9齿根圆角敏感系数=0.97齿根表面状况系数=1尺寸系数=1则[]=满足，〈〈[]通过计算是符合要求的，合格。

行走机构的设计行走机构可实现自助直线行驶及转弯，通过对角线上两组蜗轮蜗杆减速装置、以及齿轮副转向装置构成整个行走系统，本章针对电机的选择、减速机设计、轴承校核等部分进行设计。4.1电机的选择选择型号为东方马达AZ系列DC电源输入内藏定位型AZM46MK-HP9+AZD-KD+CC020VZFB2电机，电机的具体型号和参数如表4-1所示，负载扭矩特性如图4-1所示。表4-1AZM46MK-HP9+AZD-KD+CC020VZFB2电机参数参数具体情况参数具体情况安装尺寸40mm容许转矩2.5N・m轴型单轴电源输入电压DC24V/DC48V电磁制动有电源输入电压容许范围±5%电缆线2m（标准电缆线）电源输入电流1.8A驱动器型内藏定位型CE标志是的励磁最大静止转矩2.5N・mPC设定程序MEXE02转子转动惯量J71×10^-7kg・m^2电动机部质量0.88kg齿隙3arcmin(0.05°)电路部质量0.15kg速度范围0～600r/min减速比5分辨率000P/R设定时0.04°/脉冲图4-1负载扭矩特性图4.2驱动电机的校核（1）转动惯量的详细计算电机中转子的转动惯量旋转轴的计算转动惯量旋转轴轴上下移动的惯量上：（4-1）式中：——步进距离，cm；——工作台的质量，kg。将已知条件，代入到公式（4-1）中可得联轴器转动惯量系统等效转动惯量（2）计算转矩特性电机的最大静转矩Mmq为电机的名义启动转矩，Mmq与Mjmax具有线性关系，表达为公式（4-2）（4-2）在资料中查得。将数据代入到公式中得电机空载启动扭矩的计算如公式（4-3）（4-3）式中Mkq——空载启动时的力矩，N·m；Mka——空载启动情况下，可移动部件的速度由零升速到最大时，折算到电机轴上的加速力矩，N·m；（4-4）其中机构运动最大速度时电机的输出转速值的计算如公式（4-5）（4-5）式中：Jε——机械结构中等效的转动惯量值；带入公式（4-5）可得再将结果带入公式（4-4）可得空载摩擦力矩Mkf的计算如公式（4-6）（4-6）式中：M——运动部件的总重量；μ——导轨摩擦系数；η——传动系统总效率，（）；L——旋转轴的最大行程。所以带入公式（4-6）可得附加摩擦力矩M0的计算如公式（4-7）（4-7）式中：FYJ——使用的旋转轴的预紧压力值（为最大轴向负载的1/3）；η0——旋转轴未预紧时的传动效率，这里取。带入公式（4-7）可得马达启动的空载转矩为：初步确定电机型号时，电机空载时的启动转矩应不高于电机铭牌上的启动转矩，即。根据上述计算可知，电机初步满足要求。（3）校核电机的启动矩频特性图4-2为电机的启动力矩与频率特性之间的关系曲线。图4-2矩频特性图根据上述计算可知空载启动力矩。在图4-2中可以查得对应的允许启动频率。而其相应的启动频率，符合设计的要求，可以选用。（4）运行矩频特性校核电机的最高快进运行频率fkz的计算需满足公式（4-8）（4-8）式中：Vmax——机构运动的最大速度柱；δp——脉冲当量。带入公式（4-8）可得快进力矩MKJ的计算如公式（4-9）（4-9）带入公式（4-9）可得由图4-2可知对应的允许快进频率；所以电机满足快速进给运行矩频特性要求，可以使用。4.3蜗轮蜗杆传动比的确定蜗杆一般头数选择一个头的，蜗轮可以初选50个齿的，一般减速机减速比40~60时性能较为稳定，强度较好。选定转速比为：i＝50/1 所以丝杆转速 从而，轮子直径：（4-10）圆整为170mm4.3.1各轴功率计算（4-11）（4-12）4.3.2各轴转速的计算4.3.3各轴输入扭矩的计算（4-13）结合上述计算，对蜗轮蜗杆减速机的各轴参数进行汇总如下表4-2所示。表4-2蜗轮蜗杆减速机各轴参数计算汇总名称功率Kw转速扭矩N.m蜗杆轴1.4794014.93蜗轮轴0.9718.8492.744.4蜗轮蜗杆的设计蜗轮材料的许用接触应力[]=190N/mm蜗轮弯曲应力[]=44N/mm4.4.1关于蜗轮蜗杆齿数的确定选取Z＝1，则Z＝Z·i＝1×50＝50（4-14）故取Z＝504.4.2验算丝杆的速度实际传动比i＝50/1工作机转速n＝940/50=18.8行走速度（4-15）速度误差（4-16）4.4.3减速机构传动中心距计算关于蜗杆的功率的详细计算公式如下：（4-17）式中K——关于应用场合参数，由于该提升机构属于小型的K＝0.7；K——加工等级参数，蜗杆的加工精度等级为IT7，所以K＝0.9；K——速度参数，机构运行速度为10米/分钟，K＝0.85。以上参数带入公式＝KW（4-18）蜗杆传动几何参数汇总如下表4-3所示。表4-3蜗轮蜗杆几何尺寸汇总表序号名称代号或公式数值1中心距a100mm2齿数比u=z2/z1503蜗轮齿数z2504蜗杆头数z115蜗杆齿顶圆直径45mm6蜗杆齿宽53mm7蜗杆螺纹部分长度L59mm8蜗杆齿顶圆弧半径Ra182mm9蜗杆齿顶圆最大直径de153.8mm10蜗轮端面模数m＝3.18mm11径向间隙0.51mm12齿顶高h=0.75m2.23mm13齿根高h=h+C2.74mm14全齿高h=h+h4.97mm15蜗杆分度圆直径＝（0.624＋）a40.53mm续表4-3蜗轮蜗杆几何尺寸汇总表序号名称代号或公式数值16蜗轮分度圆直径＝2a－159.47mm17蜗轮齿根圆直径d＝－2h153.98mm18蜗杆齿根圆直径d＝－2h35.05mm19蜗轮齿根圆弧半径82.48mm20分度圆压力角（2.15）24°21蜗杆分度圆齿厚（2.15）4.298mm22蜗杆分度圆法向齿厚（2.15）4.29mm23蜗轮分度圆法向齿厚（2.15）5.49mm通过计算校核，蜗轮的详细尺寸如下图4-3所示。图4-3蜗轮二维图4.5蜗轮轴的设计4.5.1轴的材料选择材料选用40Cr,=6504.5.2轴径的初步计算（4-19）其中——转速单位r/min—传递功率单位kw——危险截面直径，单位mmmm蜗轮轴固定联轴器处的直径是，根据公式，转距变化很小，故取Ka=1.3，则，选用YL11型凸缘联轴器。蜗轮轴的详细尺寸如下图4-4所示。图4-4蜗轮轴二维图4.6滚动轴承的校核已经初选圆锥滚子轴承7306E，其中：C＝52.5KNC＝60.5KNe＝0.83Y=0.7==1.62833>e=0.83考虑到载荷系数f=1.21.2（0.4×2655.5367+0.7×5952.4）=6274.673616轴承寿命L=（4-20）==21778.8311h该提升机平均每天使用半小时，故所选轴承寿命为＝＝120.9935y所选轴承合适。4.7键联接的强度校核蜗杆轴上安装联轴器处的键联接选用普通平键6×6、键的工作长度l＝28。键的工作高度k＝＝3查得键联接的许用比压[p]=50～60N/（4-21）=9.276N/<[p]式中：—传递的转矩，单位为；—键与轮毂键槽的接触高度，，为键的高度，单位为；—键的工作长度，单位为；d—轴的直径，单位为；—键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，单位为。通过计算，所选平键合格。4.8蜗杆轴输入端联轴器的选择选用凸缘联轴器，查得K＝1.3，（4-22）＝1.3×11428.5165＝14857.07145N·㎜选用YL3型联轴器。

折叠臂分析和结构设计5.1折叠臂机构分析关于空间的工作分析，机械手的设计相对是比较繁琐的，这里只针对主要部分进行设计，机械手臂位置示意图如下图5-1所示。图5-1机械手臂位置示意图L1为机械主体部分臂部的长度按照665mm取值；L2为小臂的长度根据使用要求小臂的长度按照630mm取值；θ1为大臂的旋转角度，根据实际使用要求-150º~150º就可以满足使用要求；θ2为小臂的旋转角度根据使用要求，这里按照±65°；根据上图4.1所示A点：长机械臂的最小值按照符号θ1min、小机械臂的最小值按照符号θ2min。B点是大臂极限位置用θ1max表示。C点大臂转动到最大极限时的值用θ1max表示，小臂达到正极限值为θ2max。D点为大臂达到负极限时θ1min表示，小臂达到正极限值，由θ2max表示。E点：F点：对以上个点计算汇总如下表所示。表5-1坐标点位置汇总坐标点X坐标Y坐标Z坐标A-11745470B31.7547.30C-5.81180D-336.58520E-602.72810F602.728105.2折叠部减速机构设计5.2.1选定齿轮类型﹑精度等级﹑材料及齿数选用直齿圆柱齿轮传动。选用7级精度。选择小齿轮材料为40Gr，调质处理，硬度250HBS，大齿轮材料为45号钢，调质处理，硬度为230HBS。小齿轮齿数18，初步确定传动比为则大齿轮齿数此时传动比。5.2.2按齿面接触疲劳强度计算（1）确定各参数的值（5-1）因大小齿轮为钢制，由《机械设计》表12.12查得弹性影响系数（5-2）设，求得;应力循环次数使用期：8×350×16=44800h按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限为：小齿轮：；大齿轮：接触疲劳强度寿命系数查教材得接触疲劳寿命系数，取失效概率为1，安全系数S=1（2）参数计算1）试算小齿轮分度圆直径，由计算公式得（5-3）2）计算平均圆周速度3）计算载荷系数K已知使用系数，根据v=4.4m/s，8级精度，查得动载系数；查得K=1.42；得K=1.35；得。故载荷系数（5-4）4）按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径（5-5）5）计算齿宽b和模数b=m=6）齿轮部分相关参数查手册得齿轮弯曲疲劳强度极限。查手册得弯曲疲劳寿命系数。取弯曲疲劳安全系数S=1.4，则7）校核（5-6）满足要求。（5-7）所以安全。5.3升降丝杆的设计计算螺母螺纹表面的压力p，该压力p小于材料的允许压力[p]。（5-8）按照丝杆压强粗选内径：在参考文献中可以知道它的计算公式为：（5-9）所以（5-10）确定丝杆：（1）螺母高度：（5-11），取31mm（5-12）（2）螺母的螺纹工作圈数在参考文献中可以知道它的计算公式是：（5-13）把已知数据代入得：（5-14）所以z取7圈。螺纹牙的工作高度：h=0.5P把已知数据代入得：（5-15）（5-16）（5-17）满足条件。（5-18）（5-19）（5-20）满足强度要求。稳定性的计算：(1)丝杆危险剖面的惯性半径：（5-21）把已知条件代入得：（5-22）(2)丝杆的工作长度：（5-23）把已知条件代入得：（5-24）(3)丝杆的柔度：（5-25）把已知条件代入得：（5-26）(4)丝杆的临界载荷Fcr为：在经过上面的计算后可以推导出：（5-27）把已知条件代入得：（5-28）满足条件。通过上述详细计算，升降丝杆的详细结构如图所示。图5-2升降丝杆机械臂通过三维建模，然后转化成二维图纸，机械臂结构相对复杂，是本次设计的核心内容，具体关于机械臂的结构如下图5-3和5-4所示，其中关于图纸所对应的各部位零部件明细如表5-2所示。图5-3机械手臂主视图图5-4机械手臂左视图表5-2机械手零部件明细表序号零件号数量材料1连接板21Q2352松下电机750W1组件3涨紧轮22Q2354HK120前板1Q2355电机3安装板1Q2356传感器检测61组件7OMRON-EESX6723PF8HK120主轴承座1Q2359连接轴14510丝杆螺母SFS16101铜11电机21组件12底座21Q23513HK120感应片1组件14减速机11组件15HK120（16丝杆）滑块1组件16支撑板21Q23517HK120型材-S3001606118连杆1Q23519支撑板32Q23520手臂板2Q23521电机41组件22HK120盖板-S3001Q23523手臂板316061合金24手臂支撑板41Q23525同步带51丁腈橡胶26传感器检测81组件2716mm阻尼圈3Q23528HK120后板1Q23529旋转架1Q23530HK120副轴承座1Q23531俯仰机构-蜗杆轴固定座1Q23532俯仰机构-轴承座1Q23533俯仰机构-伺服电机1组件

续表5-2机械手零部件明细表序号零件号数量材料34俯仰驱动马达固定板1Q23535同步带轮_从51606136支撑板11Q23537支撑板41Q23538连接板16061合金39手臂板216061合金40手臂支撑板31Q23541轴承压环2Q23542EGH15导轨-S30024543HK120-S300-SFS1610-1605丝杆14544φ12衬套2Q23545M12锁紧螺母1Q23546C30-35-14-10联轴器1组件471GH15-滑块4组件48俯仰机构-俯仰旋转轴14549俯仰机构-轴承2组件50俯仰机构-大齿轮140Cr51俯仰机构-小齿轮140Cr52俯仰机构-小齿轮连接键14553俯仰机构-M4顶丝44554俯仰机构-齿轮连接键14555俯仰机构-轴承68052组件56俯仰机构-左立板1Q23557俯仰机构-右立板1Q23558俯仰机构-旋转轴145

控制系统的设计6.1可编程控制器(PLC)的简介及选择可编程控制器也就是PLC，这是一种在工业控制行业应用非常广泛的一种装置。在机械设备中使用PLC对机械设备进行控制，一方面是因为其稳定性非常好，可以使得机械设备按照编写好的程序自动运行。另一方面也是最重要的就是PLC的可变性及适应性非常强，用户可以根据自己的使用需要，编写不同的控制程序输入到PLC中，来满足不同的操作需求。使用PLC对产品进行控制，使得相关的设备具有可扩展的功能，可以使相关的设备实现自动加工，可以增强设备和企业的竞争力。为了使企业可以得到更好的发展，在相关领域使用PLC已经是一个非常必要的选择。6.2变频器的介绍及选型交流变频器也是在工业控制领域使用非常广泛的一种装置，这是将工业电源转变为变频功率的一种装置。交流变频器是通过关闭功率半导体元件的方式来对频率进行变化控制的。在工业当中最常使用的变频器的控制方式是将交流转变为直流，然后再转变为交流的方式进行控制。在对电流进行转换的过程当中，需要通过相关的指令将直流电源的相关电信号进行调节，使得输出的是电压和频率是可以被改变和进行调节的交流电。通过输出的交流电，实现对电机运转的控制。电动机转速可以通过如下的公式进行计算:（6-1）在如上的公式：n——代表的是电动机的转动速度，其单位为m/s;f——代表电源的输出频率,单位是HZ；s——代表异步电动机的转差率；p——代表异步电动机的极对数通过以上的公式可以看出电动机的转速n与频率f之间的关系是正比例关系。这也就是说当频率f变大时，电动机的转速也会变大。当频率f变小时,电动机的转速会变小。在实际应用过程当中可以根据需要将输出的频率控制在一定的范围之内，这样就可以使电动机的转速在一定范围之内变化。6.3控制电路设计搬运病人的机器人的控制系统主要是通过可编程控制器及交流变频器来实现的。它的原理是将设备的控制电路连接到可编程控制器上，通过可编程控制器来控制交流变频器，通过交流变频器的动作来实现整个装置的运动和启动的状态，通过交流变频器来控制电机的正转，反转及电动机的正常运转。在机器人的运转过程当中，通过外部的传感器将位置信息监测并传达给可编程控制器，可编程控制器通过相关的信息来。控制交流器的运行使得电机能够完成停止和启动等操作。搬运病人的机器人的可编程控制器的输入主要是通过继电器的信号输入以及输入按钮的相关信息输入。在机器人装置中，传感器的信号以及变频器故障代码等相关信息。都是通过输入按钮进行信息传达的。同时对变频器进行操作使其启动和停止的按钮，也是在输入按钮中。6.4蓄电池的选用该搬运病人的机器人采用蓄电池供电，使用更便捷不用考虑现场电源的问题。为满足装置在医院随时移动的使用要求，需要实现自主供电，通过在机器人上安装电池的方式来完成。在对电池进行选择的时候，需要考虑到电池的经济性，使用寿命，以及对环境的影响，通过分析比较决定在本设计中选择可充电电池对机器人提供电能。在对机器人的充电电池进行选择时，需要从现有的多种电池中进行选择，其中包括铅酸蓄电池、金属氧化物镍蓄电池、锂离子蓄电池等等。通过对不同种蓄电池的比较发现铅酸蓄电池在成本上面更有优势，但是也有一些弊端，铅酸蓄电池质量和体积都相对较大，安装在机器人上对机器人的空间，其重量都有的影响。与其他种类蓄电池相比，铅酸蓄电池的使用寿命更短，而且充电所耗费的时间较长。搬运病人的机器人是一种急救装置，对时间更敏感。同时铅元素对环境也并不友好，作为重金属对环境有污染作用。因此不建议选择铅酸蓄电池。锂电池在成本上看起来不是首选，但是在寿命，环境，及充电时长，容量等方面很有优势，且锂电池的质量和体积都更小。从长远看，锂电池更适合。在这款设计中选择锂电池为机器人的运行进行供电。6.5行走避障原理为了使搬运病人机器人在对病人进行搬运的过程当中可以稳定的运行，防止碰撞的设计是非常有必要非常重要的。如果机器人在运行过程当中遇到障碍物不能避开，不但可能会造成机器人本身的损坏，还会有很大的风险会给病人带来伤害。在对搬运病人机器人的躲避障碍的功能进行设计时，通过使用超声波距离感应器来对机器人行进的道路上的情况进行检测，当遇到有障碍物时，安装在机器人上的超声波会通过其发出声波及接收到声