《轻便型服务机器人设计》15000字（论文）

.4升降机构与轴承设计方案2.4.1推动驱动电机的计算与选型在对推动驱动电机选型需之前需要先对负载情况进行计算。首先对受力过程进行分析，升降机构运动过程中，提升轮被拉升至固定位置并产生压力进而摩擦轮产生支持力。因此升降机构采用减速电机带动履带传动进而带动滚珠丝杠运动[22]最终完成升降效果，此处机构原理图如图2-6所示。图2-6升降机构原理图根据以上计算已知滚珠丝杠副的所需输出力F为3200N，设定推动速度v为0.1m/s，则可计算出的输出功率P出为由于机构中同时存在滚珠丝杠副和带传动机构，因此系要考虑到驱动电机的输入功率到输出功率的效率关系，滚珠丝杠副的效率η1和带传动的效率η2均为0.95，则可计算出所需电机功率P入为运行速度v为0.1m/s，将滚珠丝杠副的导程Ph初始设定为5mm，则可计算出丝杠输出转速n出为故输出转矩为在本次设计中，带传动只需要传递运动效果而不需要减速，因此电机的输出速度也20r/min，则选择步进电机型号为BJ09[23]，额定电压为12~24V，步距角1.875°，实物图如图2-7所示。图2-7推动驱动电机2.4.2丝杠选型及校核丝杠两端支撑，根据其跨度L为240mm，可以确认支撑系数a=0.039，根据公式可粗略计算出允许的最大轴向形变量Qm为进而可粗略计算出丝杠底径dm为则初选丝杠公称直径为16mm，型号为1605，由此根据机械设计手册进行滚珠丝杠副校核。（1）Dn值核验式中Dpw是节圆的直径，nm为最高转速，DW是滚珠直径Dn值不大于要求值70000，Dn合格（2）稳定性Fc验算由公式计算可得压杆稳定性Fc为式中K1为安全系数，K2为支撑系数，LC为最大受压长度稳定性值大于轴向受力，稳定性合格。（3）强度验算丝杠拉应力σp为拉应力数值小于钢材许用应力，验算合格。2.4.3带传动选型及校核常见的带传动主要有平带、V带、同步带等类型[24]，由于同步带传动的传动精度较高，传动能力更强，与本次设计要求最为契合，从而根据机械设计手册对同步带传动进行设计。根据公式计算可得设计功率Pd为由于此传送带传动比为1，可以确定两个带轮的基准直径d相等，且等于40mm，根据功率传递范围选择选择梯形同步带，模数制为m2，节距6.283mm，带宽bs为16mm，带轮齿数z为10。（1）剪切应力验算啮合齿数zm为带速v为由公式计算出剪切应力ι为剪切应力验算合格。（2）压强P验算压强验算合格。2.4.5轴的校核对轴进行强度校核时，需要同时在两种滚轮机构中进行，包括滚轮机构和随动滚轮机构。轴的材料选用45优质碳素结构钢，热处理方式则选择调质处理。首先是要估算轴径：查阅机械设计手册，确认对于滚轮机构中的轴取C=112，转速为：代入数据v=0.1m/s，r=0.1m求得，n=9.6r/min。而P=0.1kW，带入数据求得d=25mm在滚轮轴中[25]，由于两端均被固定，因此两端均只有一个旋转自由度且中间部分载荷均匀分布，由材料力学知识可得，中间弯曲力矩最大，轴承相邻两面设计距离为53mm则最大力矩为，扭转力矩，则当量弯矩为查阅机械设计手册可以得到45号优质碳素钢的许用应力值为，，解得，判别条件，解得d>1.6mm，故d=25mm显然满足要求。对于随动滚轮机构的轴，轴上功率P=0，弯矩最大点同样在中间位置同样代入上式，解得d>1.4mm，故选择直径为10mm的轴强度合格2.4.6轴承选型及寿命计算轴承主要滑动轴承和滚动轴承两大类，滑动轴承构造相对简单，容易装拆且多数被用于重载场合，因为游隙不大，所以工作平衡且噪音小;但是滑动轴承在承担较大载荷时无法长时间保证润滑，因而导致磨损失效。对比滚动轴承，其主要特点体现在相对效率高、容易施加润滑，不能承受冲击力、噪声大、工作寿命短。总的来看在本次设计中的几对轴承均不承受冲击载荷，而且考虑到设备的成本维护问题滑动轴承无疑更具有优势，故选择滑动轴承。在升降机构中有三个轴承，分别为支撑轮轴承、驱动轮轴承和丝杠轴承其受力情况也不尽相同，前两组组轴承均只受径向载荷，故按承载方向来看选择径向接触轴承。对于第三组先求其轴向力再求其径向力：电机转矩为167Nm，而带轮直径为39mm，且1:1传动，故径向力计算方法为由此可见，其主要承受径向力，按承载方向来看第三组应选择选择向心角接触轴承。对于轴承的选型，本次设计主要考虑到的类型有深沟球轴承，圆柱滚子轴承，角接触球轴承几种，结合它们各自的特性进行分析与选型。首先，深沟球轴承适用于径向、双向轴向载荷，且多用于高速旋转和低噪声低震动场合。其次，角接触球轴承能承受径向载荷和双向轴向载荷，且多用于高速度高精度场合。由此可见，支撑轮轴承和驱动轮轴承选择深沟球轴承，丝杠轴承选择角接触球轴承就能满足要求。故根据轴径及空间大小分别选择型号为61300,61302，71300下面对于三组轴承的寿命进行计算轴承寿命公式为：需要得到转速，基本额定动载荷，寿命指数，当量动载荷。当量动载荷通过下式计算通过查表可以计算得结合前面的计算并查机械设计手册可得另外三个量如下表n（r/min）C（kN）ε轴承19.61.83轴承27.24.33轴承3204.923计算得三组轴承的寿命为考虑到机器作业类型，这三对轴承的寿命均符合要求

2.5伸缩机构设计计算2.5.1皮带皮带轮设计计算(1)设计功率（kw）=P（5-23）—工况系数，载荷变动小，每天工作小于16小时，轻载启动，取=1.2;P—传递的功率，P=0.3KW=P=1.2=0.36KW(2)根据和转速选取普通V带通过查阅机械设计(孙志礼主编)，可以选择选A型V带。(3)传动比i由于采用变频器控制转速，且考虑到立轴尺寸，传动比可定为i=1。(4)带轮基准直径查机械设计（孙志礼主编）后,确定取=20mm，20mm。 (5)带速（m/s）（5-24）代入数据，得=1.374m/s<(6)初定轴间距,取=380mm。(7)所需带的基准长度(mm)=2+（5-25）此时，最后代入数据,计算得=383mm查机械设计（孙志礼主编）,取标准值=385mm。(8)实际轴间距aa≈+,代入数据,得a=385.4mm,取整得a=388mm。(9)带轮包角(°)=180°(10)1根V带的根本额定功率(kw)由传动设计手册查得：带轮基准直径=20mm,带轮转速=300r/min=36.652rad/s时,A型V带单根基本额定功率为:=0.107kw(11)1根V带的基础额定功率变化量单根V带的基础额定功率变化量=kW（5-26）Kw—弯曲影响系数，A型V带：Kw=1.03×10-3Ki—传动比系数，i=1.00~1.04时，Ki=1.00带入如上数据，计算得：=0kw(12)V带的根数（5-27）小带轮包角修正系数=1，查阅设计手册得带长修正系数=0.96代入数据，得=1(13)1根V带的预紧力(N)=（5-28）q—V带每米长的质量（kg/m）,查表机械设计手册得，对于A型V带q=0.10kg/m，代入数据，得=6.801N。(14)作用在轴上的力（5-29）代入数据得,=54.408N。(15)带轮的结构和尺寸(查机械设计手册)A型槽型；基准宽度=1.10mm；槽深h=1.15mm基准线上槽深=0.28mm；基准线下槽深=0.87mm；槽间距=1.5mm；槽边距=0.9mm,取=1.15mm；最小轮缘厚=0.6mm,取=1.5mm；带轮宽，代入数据，得=6.8mm。带轮外径，代入数据，得=20mm≤40.5mm,所以取轮槽角=34±0.5°机器人的机械结构设计机器人的总体设计机器人的技术参数(1)

抓重：≤10kg(2)

自由度：3(3)

运动参数：

大臂：回转角度±100，角速度≤1.6rad/s

小臂：回转角度±50，角速度≤1.6rad/s

手腕回转：回转角度±100，角速度≤1.6rad。/s机器人的总体传动方案现在，机人的传动系统多数采用VR减速器或谐波减速器减速器。作为近些年的新研究成果，VR减速机通过采用全封闭摆线针轮的方式来实现减速效果，其内部主要构件是两级减速机和中心圆盘支架。相比他减速方式，VR减速器体积更大，传动精度高，刚度大，结构更加紧凑，在工业生产中多备用于重负载，高速度，高精度的情况而。谐波减速器与之相比则有相对较小的体积和更轻的质量等优点。与VR减速器相比，其制造成本更低，因此本设计采用谐波减速器。在本次设计中，当机器人执行抓取任务时其大小臂要承受轴向的和倾覆力矩的载荷，为了使伸缩臂具备足够的承重能力，机械臂采用更轻便的谐波减速机的同时配合轴承刚度高且能承受相应方向载荷的推力向心十字短圆柱滚子轴承就显得尤为重要，这样的结构在保证了一定强度载荷下机械臂的刚度的同时尽可能的减轻了自身重量带来的额外负载满足了轻量化的设计初衷。在此说明推力径向十字短圆柱滚子轴承刚度高，能承受径向扭矩和径向扭矩，与谐波减速器配合时，机器人大小臂就可以实现高刚度，高抗冲击的设计目标，此外，这还有利于缩短传动链，简化结构设计，便于投入生产。当主轴位于小臂末端时，由于其线速度较大，轴端对于抓取物体的重量和自身的惯性有较高的要求，因此结构紧凑与轻量化是对机构的主要要求。此外设计要求传动在z轴做上下运动，因此选择同步齿形带配合丝杠实现竖直方向的升降运动。大臂回转时，1号步进电机带动谐波减速器进而带动大臂；小臂回转时，2号步进电机带动谐波减速器进而带动小臂；机械爪回转时，3号步进电机带动谐波减速器进而带动机械爪。机器人个别零部件设计计算减速机的设计计算在本次设计中，基础臂的回转角速度≤1.6rad/s，在初选电机时选用步进电机，两相混合式86BYG250B一0402。当电机工作转速为1500RPM时，初选谐波减速器为北京中级科美谢博传动有限责任公司的XB3-60扁平型谐波减速器，其传动比i满足上式验算(XB3一60系列组件的规格和额定数值见下表)表2一2XB3一60一100的额定数值和规格机型速比最高输入转速rpm输入转速3000rpm半流体润滑脂油润滑输入功率Kg输出功率kg输出扭矩N.m6010030000500000.1453030电机的设计计算Z1轴(机座旋转轴)的等效转动惯量为：Jz1=M1Rc22+M2RC32+M3RC32+J0+JB=1.8KgM2Pd=K1(1+K2)(1+K3)=200W×1.4=280W设定机座的D外为150mm，D内为100mm，D带轮60mm，宽40mm.设谐波减速器转动惯量86BYG250B一0402电机的转动惯量为15409kgcm2因此电机轴Z1上的等效惯量为计算电机轴扭矩TT=因为所选材料的摩擦系数f=0.002取响应时间△T=o.045，则所选两相混合式步进电机86BYG25OBN一0402电机在转速为1500rpm时扭矩为0.1N.m，满足要求，同理，第二自由度选择86BYG25OAN，第三和第四自由度是均为56BYG25OB。表2一3步进电机技术数据序号型号相数步距角（。）静态相流（A）相电电阻相电感(mH)保持转矩(Nm)定位转矩(Nm)重量(Kg)186BYG250BN20.9/1.841.1115.00.082.6286BYG250BN20.9/81.5356BYG250B20.9/2.40.650.030.48物件表面摩擦特性为保证物体能够被夹持住，需要对物件表面的摩擦特性进行研究，确定夹持力，另外，为了增大摩擦，减小夹持所需的力，以往研究者设计的的末端执行器夹持部分增加了一块柔性材料的缓冲垫，根据实践经验和相关实验，确定选用橡胶材料作为缓冲垫，橡胶材料本身具有弹性，且质量轻，其与物件之间的摩擦系数也比较大，在抓取过程中可以用最小的夹持力夹住物体。最终将物件与橡胶之间的最小摩擦系数μ设定为0.5。在对物件夹持时要可靠，既不能夹持力过小，使物体滑落，又不能夹持力过大，夹坏物件，因此，当手指水平夹持物件时，对物件进行受力分析。可得式（3.1）。 （3.1）式中：F—物件受到的加持力，N；f—物件与夹持手指之间的摩擦力，N；μ—夹持手指与物件之间的摩擦因数；m—物体本身的质量，kg。根据表不同智能的重量，取物体最大质量m=400g，代入公式（3.1）求得最小夹持力，取整：所需最小夹持力F=4N。末端执行器的设计在机器人执行抓取任务的过程中，要注意对目标物体特性进行研究，除此之外还需要分解抓取动作逐步研究。根据机械设计手册中气爪的分类和应用，结合台亚德客自动化公司气爪的选用手册，末端执行器所采用的夹紧和剪切装置均为标准气爪。根据抓取动作的实际要求，夹紧部分选用标准的双作用平行开闭气动手指，其结构如图3-1所示，当a口排气，B口吸气时，汽缸的活塞杆6在压力作用下伸出。操纵杆3绕轴5转动，带动两个手指1，通过一组钢球4，两个手指在轨道2上直线向外移动，相反，两个手指移近。通过开闭手指实现切割和夹持物体的功能。图3-1平行开闭型气动手指结构原理图1-手指；2-轨道；3-杠杆；4-钢珠；5-杠杆轴；6-活塞杆最大夹持重量M，0．4KG，最小夹持力F，4N。根据上述参数选择产品。不堕落的条件是，两手的总夹紧力2F产生的摩擦力2F必须大于物体的重力g。还应考虑抓取过程中产生的加速度和冲击力，并应设置安全系数，因此应满足方程式 (3.2)即 （3.3）取安全系数α=4，将各参数代入式（3.3），得夹持力F>15.68N，从表3-2中选取合适的气动手爪型号：HFZ16。表3-2标准型气动手爪的夹持力与行程参数表动作方式型号单个气动手指夹持力有效值/N开闭行程（两侧）/mm重量/g闭合夹持力张开夹持力复动型HFZ63.36.1425HFZ101117456HFZ1634456124HFZ20456810236HFZ256910214428HFZ3216019522729HFZ40255320321268第4章结论与展望4.1结论4.1.1机器人外形尺寸与工作空间机器人底盘部分三维展示底盘采用一体式无刷减速电机驱动四个麦克纳木轮，电机型号为3510，减速比为1：27。底盘框架长450mm宽440mm，采用厚度为15mm的铝管，强度大且质量轻。双侧采用24V电池组。图4-1给出了底盘机构三维模型。图4-1底盘机构三维模型机器人升降机构三维展示上下滑动装置高1100mm，其中滑动框架采用用厚度为15mm的铝管，保证强度的同时满足整体轻量化的设计要求，框架三维构图如图4-2所示。升降机构采用无刷减速电机配合丝杆的方式以达到机械臂在运动到相应位置后实现自锁的效果，图4-3给出了生姜机构的整体三维模型。图4-2滑动框架三维图图4-3升降机构三维图机器人伸缩机构三维展示机器人伸缩机构同样采用全铝框架，同时特殊网状结构可以进一步加强机械臂的强度。机械臂伸缩滑轨位于基础臂以及2级臂内测的4个角（如图4-4所示），机器人执行伸缩任务时，采用8nm直线减速电机（配备编码器）带动皮带轮，由皮带传递运动，带动2,3级臂实现伸缩功能。在3级臂末端安装触碰开关，可以及时接收反馈信号，以免损坏电机。伸缩机构三维图如图4-5所示。图4-4伸缩机构滑轨图4-5伸缩机构三维图机器人抓取机构三维展示如图3-2所示，给出了末端执行器夹紧装置的三维模型。两个气动手的内侧有两个夹持板，夹板上装了橡胶垫圈，以增强摩擦，更好地夹住物质。图3-2末端执行器夹持装置的三维模型夹紧装置由气爪和两个刀片构成。从表3-2能看出来，夹持大多数物体所需的夹持力在13N，所以气爪也选用HFZ-16型。图3-3显示了末端执行器的整体三维模型，其中上部是夹紧装置。图3-3末端执行器整体三维模型4.2展望现如今的服务机器人在几代科研人的共同努力下，已经在产品的外形和灵活程度上远超从前，包括各种仿生机器人的应用。除此之外，进步最为显著的是对机器人控制方面的研究。各种强大的算法不断更新以及硬件方面的加持，使得现如今的服务机器人在人类有所建树的各个领域都俨然已经成为了人类的好帮手。而在今后的发展中，我相信人类对服务机器人的研究不会就此结束，这只是一个新的开始。在查阅各类文献时，我发现众多学者都一致认为，服务型机器人在未来有着无穷的发展潜力。我认为，今后的服务型机器人不在局限于仿生、仿人等方面，而是把智能化，微型化作为主要目标。不难想象，未来服务型机器人的功能也许远远超过我们的想象，它们获取可疑具备情感和远超人类的智商。我相信，在众多科研人的共同努力下，在未来服务机器人一定可以成为人类的得力助手。参考文献[1]沈昭阳.浅谈服务机器人的应用现状和发展前景[J].传播力研究,2018,2(27):247.[2]张森,周磊,刘梦,胡郑希,赵英利,刘景泰.一种面向狭小、拥挤情景的服务机器人运动规划方法[J/OL].机器人[3]郭艳.服务机器人技能教育市场巨大[J].中国对外贸易,2021(04):79-80.[4]张瑞秋,陈亮.《服务机器人及人机共融技术》专题主编、序言介绍[J].包装工程,2021,42(08):10+9.[5]吴磊,李娟.老龄服务机器人包容性设计及设计伦理研究综述[J].包装工程,2021,42(08):20-29.[6]张续冲,杨朋.仿人型服务机器人双臂动作示教及评估研究[J].包装工程,2021,42(08):30-35.[7].浅谈服务机器人的应用现状和发展前景.机电工程技[8][9]EXPO21XX.comonlineexhibitions.Automationonlineexhibition.\h/automation21xx[10]Anonymous.Robotsontherise:3millioninglobalmanufacturingby2020.2017,71(8)[11]NationalScienceLibrary,ChineseAcademyofSciences.Robotpatentanalysisreport,2010[中国科学院国家科学图书馆.机器人专利分析报告,2010][12]OfficeoftheUnderSecretaryofDefenseforAcquisition,andLogistics.UMSintegratedroadmap2009.\h/psa/docs/UMSIntegratedRoadmap2009.pdf[13]YeXie,BinLou,AnhuanXieandDanZhang.Areview:RobustLocomtionforBipedHumanoidRobot:/publication/340532155_A_Review_Robust_Locomotion_for_Biped_Humanoid_Robots[14]LiYB,LiB,RuanJH,etal.Researchofmammalbionicquadrupedrobots:Areview.In:ProceedingsoftheIEEEConferenceonRobotics,AutomationandMechatronics(RAM),Qingdao,2011.166–171[15