《基于SW2016的具有柔性传感功能的机器人总体方案仿真设计》9000字

基于SW2016的具有柔性传感功能的机器人总体方案仿真设计摘要在此次研究中，主要阐述了柔性传感功能的机器人内部旋转关节的设计流程，先大致阐述了机器人的机械手构成，然后深入探究了机械手臂的设计过程，且初步介绍了国内外机械手臂的发展现状。此次研究的主要目的是实现具有柔性传感功能的机器人总体方案的设计，在传动上，选择的是电驱动方式，凭借对比分析，不但制定出了总方案，而且还给出了所涉及的主要技术参数，并进行了分析与计算，以验证参数的合理性与否，并进行调节，最后在装配时，借助SW2016来开展三维实体建模。关键词：柔性电极；机器人；SolidWorks；旋转关节目录TOC\o"1-3"\u摘要 柔性机器人总体方案设计方案比较分析此次所设计的柔性机器人手臂要求可以实现六个自由度的转动与移动，从而能够有效满足在工业上的物品移动与抓取要求。此次所设计的机械手臂适用于中型工业机器人，抓取的质量可以达到10kg的需要。在设计的开始阶段应基于任务要求，制定总体结构设计方案，接下来给出了两种方案，凭借对比分析各自的优劣点，从而确定最佳设计方案。方案一：见图2.1其基座为一个旋转副，确保机械手能够旋转达到最大化的控制范围，大臂和中臂之间存在一俯仰副，再结合旋转，从而组成了旋转俯仰叠加，使得结构变得更加紧凑，手臂运动更加灵活。俯仰与旋转相结合的结构设计，在机械手臂设计中十分常见，如果想实现机械手的左右移动，则既能凭借基座加以旋转，还能够凭借关节4旋转与关节5的俯仰相结合，达到想要的效果。然而此方案存在一定的瑕疵，具体表现在结构较单一等方面。图2.1方案一图2.2方案二方案二：见图2.2凭借图中内容大致能够获悉，此方案的基座能自由够旋转，从而使机械手呈360°的转动，进而能够实现最大化的控制范围。其中，大臂是在电动推杆的作用工作的，再结合导向机构，进而使电动推杆仅仅承受来自径向力，从而确保垂直运动不会发生偏斜，还能够提升刚度。大臂和中臂之间是借助一个俯仰副相连接，中臂为一个伸缩装置，可以进行伸长与缩短，进而能够有效确保机械的灵活性，有助于扩大控制范围，伸缩装置核心构件为滚珠丝杠，再结合滚动导轨，进而能够有效提升精度，降低转矩。与普通丝杠相比，当负载相同时，滚珠丝杠所需的转矩只是其三分之一，进而能够极大地提升机械装置的整体性能，延长装置的使用期限。中臂与小臂之间同样借助的一个俯仰副相连接，小臂能够上下转动，不但能够使手腕与地面更接近，同时还能够确保手爪旋转360°，更易抓取物体。凭借对上述两种方案进行全面对比与分析，再加上此次所设计的柔性机器人运用在工业环境，在机器人结构上应该占地面积小且收缩自如，因此最终确定选择了方案一的设计。设计参数要求本论文所设计的柔性机器人为中型工业机器人，以下表2.1为主要设计参数。在设计时，为了验证设计结构的合理性将会通过SolidWorks绘制出所设计的柔性机器人机械结构，接卸结构如图2.3及2.4所示。2.3三维装配图正视图图2.4三维装配图左视图柔性机器人工作原理总体结构为凭借九个直流伺服电动机，来依次带动手腕，小臂、与基座的运动，除此之外，还借助电动推杆，来带动大臂的上移和中臂的转动。其中，基座是依托于直流伺服电动机凭借行星轮减速器、联轴器等构件，与蜗轮蜗杆相连接，从而来带动基座主轴旋转，手腕亦是如此，也是凭借直流伺服电机，与行星轮减速器相连接，以此来带动部件旋转。小臂的俯仰角度区间为：60°~300°，也是借助电动机，凭借连接于行星轮减速器进行驱动。大臂行程能够达到300mm。其和中臂是凭借电动推杆相连接的，能够使中臂绕肘部上下旋转，范围为-45°~60°。柔性机器人基本计算及选型电机计算及选型本测设计将根据本次所设计的机械手臂的驱动电机，都选择的是上海瑞克公司所生产的直流伺服电机：手腕电机为50SYX03型额定转速、转矩、及功率分别是3000r/min、0.06N.m、及0.06KW。小臂电机为70SYX03型额定转速、转矩、及功率分别是3000r/min、0.67N.m、及0.2KW基座电机为82SYX03型额定转速、转矩、及功率分别是1500r/min、1.7N.m、及0.25KW。关于电机型号与技术参数，见下图3.1与图3.2：腕部零部件的选型和尺寸确定、相关的计算和必要的校核确定腕部的回转力矩当手腕进行回转操作时，需克服以下三种力矩：即腕部所受的摩擦阻力矩，因为工作重心偏置所导致的力矩、和腕部在启动时的惯性阻力矩。关于各种力矩的计算公式与流程，分别见下述：1.摩擦阻力距，通常可借助下述公式进行求取：就上式而言，f——表示的含义为轴承摩擦系数，取,——表示的含义为轴承的支承反力——表示的含义为轴承直径2.因为工件重心偏置所导致的偏执力矩，通常可借助下述公式进行求取：就上式而言，——表示的含义为工件重量（N）e——表示的含义为偏心距，当工作中心重合于手腕回转中心线时，3.腕部启动时的惯性阻力距，通常可借助下述公式进行求取：就上式而言，——表示的含义为电机刚启动时腕关节的旋转角度（rad）——表示的含义为手腕关节的回转角速度经分析，，取所以能够求得，所以手腕处的回转力M为：电机的选用关于手腕电机的确定此次所选择的是50SYX03型手腕电机，其额定转速、转矩、及功率分别是3000r/min、0.06N.m、及0.06KW。因为手腕回转速度为，所以能够求得：所以减速器选择LeenAnson行星减速机LAELAE42。2.输出轴的功率P，转速n,及转矩T假定各级齿轮的传动效率为3.关于轴最小直径的大致确定取所以轴的最小直径大致确定为12mm凭借查手册，转矩，取=1.3进而能够得到：凭借查手册，选择GY1,其公称转矩是2500N*mm基于弯矩合成应力，来对轴强进行校核度在校核时，通常只对危险截面进行校核，所用公式如下：轴材质是45钢，需进行调制处理，由由于，进而可知满足相应要求轴承的校核取=400N取X=0.4，Y=1.6取X=0.4，Y=1.6进而能够求得：N又因为，所以轴承1、2分别呈压紧与放松状态所以校核轴承：求取轴承使用期限，由于，选择值进而能够得出，此轴承满足相应要求键的校核1.采用平键（圆头）因为直径d=12mm，则取键B5x5GB/T1096基于轮毂宽度，并结合键的标准长度系列，取L=18mm2.校核键在连接时的强度是否达到相应要求轮毂，轴与键的材质均为钢，许用挤压应力为键的工作长度，轮毂槽和键接触的高度是k=0.5h=0.5x5mm=2.5mm基于下式：进而可知，键满足相应要求。小臂零部件的选型和尺寸确定、相关的计算和必要的校核电机的选择电机所需转矩转速n=，取选择70SYX03型电机，其额定转速、转矩、及功率分别是3000r/min、0.67N.m、及0.2KW。两锥齿轮的设计与计算1.锥齿轮设计小齿轮的传动转矩与转速分别为，与，大齿轮转速为，i=1.875，其中，小轮采用悬臂的形式进行支撑，而大轮采用两端的形式进行支承，材质选择渗碳，淬火，齿面硬度为，齿面粗糙度为。2.初步设计公式如下：载荷系数，齿数比初步计算齿轮的许用接触应力就上式而言，表示的含义为齿轮表面的极限接触疲劳强度，安全系数，取1.1最终求得估算结果为3.几何计算取，真实齿数比大端模数，取齿宽取b=15mm大端分度圆直径为4.校核齿根的抗弯疲劳强度基于公式，，，，，，，齿根许用强度为齿根弯曲疲劳基本值为，寿命系数取1.2，相对齿根弯曲敏感系数与表面状况系数分别是、与尺寸系数，最小安全系数为许用弯曲应力为进而可知满足相应要求轴的设计计算1.求取小锥齿轮轴功率转速转矩计算作用于小锥齿轮上的力（1）.大致计算轴的直径，取选择GY1型联轴器,其公称转矩是25000Nmm，毂孔长度是L=35mm（2）.轴校核关于轴的受力情况，见下表3.1：载荷水平面H垂直面V弯矩M总弯矩M扭矩T基于弯矩合成应力原理，对锥齿轮轴强度进行校核在校核时，通常只对危险截面a，也就是轴上承担最大的扭矩与弯矩的截面进行校核，（取d=40mm）轴材质为45钢，需进行调制处理，由，由于，进而可知，强度满足相关要求（3）.小锥齿轴承校核取X=1，Y=0取X=1，Y=0所以N又因为，所以轴承1、2分别处于放松、与压紧状态所以校核轴承：求取轴承使用期限，由于，选择值进而可知，轴承满足相应要求（4）.键校核采用平键（圆头），因为直径d=14mm，则取键B5x5GB/T1096基于轮毂宽度，并结合键的标准长度系列，取L=16mm校核键在连接时的强度是否相应要求，基于下式进而可知，键满足相应要求。2.大锥齿轮轴校核大锥齿轮轴的功率P，转速n，转矩T，分别为：（1）.计算作用于大锥齿轮上的3个力：（2）.大致计算大锥齿轮轴的最小直径，取则取最小直径为25mm（3）.关于轴的受力情况，见下表3.2：载荷水平面H垂直面V弯矩M总弯矩M扭矩T基于弯矩合成应力原理，对锥齿轮轴强度进行校核在校核时，通常只对危险截面a，也就是轴上承担最大的扭矩与弯矩的截面进行校核，（取d=40mm）由于，，进而可知，满足相关要求（4）.轴承校核取X=0.4，Y=1.6取X=1，Y=0所以N又因为，所以轴承1、2分别处于压紧、与放松状态所以轴承校核：求取轴承使用期限，由于，选择值进而可知，轴承满足相应要求（5）.键的校核采用平键（圆头），由直径d=30mm，取键B8x7GB/T1096由轮毂的宽度并参照键的标准长度系列，查取L=16mm对键连接强度进行校核轮毂，轴、及键材质均为钢，其许用挤压应力是键的工作长度，求得轮毂槽和键的理论接触高度为k=0.5h=0.5x7mm=3.5mm基于式进而可知，按键满足相应要求。中臂伸缩机构的滚珠丝杠设计水平铸件工作台与安装工件质量：行程长度:最大运动速度：加、减速行程时间分别为：、与定位精度：轴向游隙：0.15mm预期寿命：30000h伺服电机额定转速：n=1500r/min电机转动惯量：导轨和工作台间的摩擦系数：导向面阻力：大致设定滚珠丝杠的传动效率：选取确定滚珠丝杠的精度换算成3000mm的允许误差是所以，为满足要求的定位精度，需采用误差不超过0.090mm300mm的导程精度。在经过综合考虑之后，最终选择了轧制滚珠丝杠选定导程已知电机的额定转速是n=1500rmin，电机和丝杠之间选择直接相连的方式，所以减速比是i=1基于所以选择不短于4mm的导程选定支撑方式工作行程为500mm，速度为0.1m/s，选择一端固定，另一端支撑的方式选定丝杠外径为确保轴向游隙不超过0.15mm，务必采用轴向游隙不超过0.15mm的滚珠丝杠副。进而选择外径不超过32mm的轧制滚珠丝杠，且确保导程超过2mm。选择：规格（外径16mm+5mm）轴向容许载荷的计算和校核加速度：最大轴向载荷：凭借查表，丝杠沟槽13.2mm，系数f=15.1，进而能够求得临界转速为直径规格由DN决定的临界转速为由导轨和最高速度所求得的实际转速是进而可知，满足相应要求。选定螺母类型1.校核螺母所能承受的最大轴向载荷凭借查表，轧制滚珠丝杠的规格如下：丝杠外径为16mm，导程为5mm采用THKBNT1605-216取普通机械存在冲击振动，取最小规格的螺母所能承受的最大轴向载荷为，进而可知，满足相应要求2.额定寿命的计算和校核求取轴向载荷先将运动过程划分成以下阶段：加速、等速、及减速等。返回亦是如此，各阶段的行走距离依次是。轴向载荷依次是，那么能够计算出各阶段行走的距离是：加速阶段的行走距离减速阶段的行走距离等速阶段的行走距离各阶段轴向载荷依次是：两方向的平均轴向载荷为：正向均载为：负向均载为：平均轴向载荷为求取额定寿命计算驱动转矩等速运动状态下的电机转矩其轴向负载为取0加速状态下的电机转矩凭借查表，得出丝杠单位长度的转动惯量是再与丝杠长度610mm相乘，即为滚珠丝杠的转动惯量工作台和工件的转动惯量为输出轴的总转动惯量是：电机运行时的最快转速是角加速度是进而求得加速度扭矩是：就上式而言，表示的含义是电动机转子的转动惯量进而求得电机最大驱动扭矩是：选择电机型号基于上述计算，计算出了电机最大负载扭矩为0.9472，进而求得总传动惯量为进而可知，采用82SYX03电动机完全满足相应要求大臂升降电动推杆选型因为只做垂直运动，且行程是200mm，进而采用收缩长度为311mm，有效行程为200mmL的AM3型电动推杆，其外型、具体及各型号相关结构尺寸，见下图3.7、图3.8、及图3.9.基座零部件的选型和尺寸确定、相关的计算和必要的校核基座电机为82SYX03型额定转速、转矩、及功率分别是1500r/min、1.7N.m、及0.25KW。在此次设计中，选择渐开线蜗轮（ZI），其表面需实施淬火处理，确保硬度达到45～55HRC。蜗轮外缘借助铸锡磷青铜（ZCuSn10P1），选择金属模进行铸造，而齿芯材质为铸铁HT100。1.按齿面的接触疲劳强度原理进行设计计算基于公式：传动中心距为进而能够求出作用于蜗轮上的转矩蜗杆轴基于=1，=0.4，那么=N·mm=83758N·mm计算载荷系数取=1，=1.5，=1.05那么弹性系数，接触系数＝2.9，许用接触应力=258应力循环次数寿命系数继而求取中心距取中心距a=80mm，凭借查表，模数取m=2mm，蜗轮蜗杆分度圆直径=35.5mm，此时，。2..蜗杆和蜗轮的几何尺寸和相关参数蜗杆参数a.轴向齿距b.直径系数c.分度圆导程角d.蜗杆轴向齿厚蜗轮参数a.蜗轮齿数b.蜗轮分度圆直径3.校核齿根弯曲疲劳强度当齿数齿形系数螺旋角系数蜗轮的基本许用弯曲应力=56寿命系数0.749进而那么进而可知，弯曲强度满足相应要求。柔性传感器设计原理和方法在人体中运动神经元控制着体内的肌肉纤维。运动神经元主要存在与人体的脊髓当中。神经元分为细胞体和突起两部分。其中突起分成树突和轴突两种，轴突长而分支少，其作用是接受外刺激，再由细胞传出从而肌肉做出反应。人体基础的运动就是由一束肌肉纤维和神经元组成的。在细胞中由于K+的外流和Na+的内流会产生细胞膜内外呈现出“内负外正”和“内正外负”两种不同的情况，从而产生了电位信号，这种信号传递到肌肉纤维时，便可产生肌肉纤维的计划反应。这种反应是由中间向两端同时传递的，其速度也在6m/s左右，我们称肌电纤维产生动作电位在时间和空间产生的图像记录叫做肌电信号。我们的手臂上有着许多的肌肉，在皮肤表面测得的信号叫做表面肌电信号（sEMG）。这些信号可以用作信号传递的研究。例如让断臂可以控制假肢、隔空传感、及机器人的动作控制等。由于胳膊在做屈伸动作时，主要靠手臂的肌肉来进行收缩和舒张。我们可以通过采集手臂的肌电信号来作为机器人手臂的输入信号，从而完成人手臂到机械手臂的映射。图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s11肌电信号的采集信号采集我们在信号采集的过程中，由于设备问题可能会导致采集的信号有很大的误差，所以我们应选择性能优良的设备来进行信号的检测和收集。我们所检测的信号来源于手臂，对与与手臂皮肤直接接触的端口设计显得非常关键，首先考虑的是要贴合皮肤且不会让人体有压迫感，其次是能准确的采集肌电信号。这时“贴合”与“舒适”便显现在我们的脑海。这类电子系统在采集表面肌电信号和表达时，其精准度主要取决取决于传感器材料和结构的设计。通过优化电极的结构设计和选用合适的制作材料就可大大提高的信号的采集的能力。表皮电子系统（EES）的几何形状、材料和机械设计对表面肌电信号（sEMG）的生物/非生物的测量有着不同方面的影响。目前电极的设计主要采用的形式有两种:圆盘形（REF_Ref2785\h图STYLEREF1\s4-2）和条形（REF_Ref2726\h图STYLEREF1\s4-3）。这两种布局的共同点是都包含了金属电极和细长弯曲的导线，金属电极采用网状结构来进行测量、接地和参考信号。图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s12圆盘形电极图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s13条形电极柔性电极的设计柔性电极由上层、中层、底层三部分构成。各层有着类似的组成结构，其中底层和顶层采用了聚酰亚胺（PI）材料。目的是为了减轻金属中的弯曲应力。此外聚酰亚胺具有良好的耐热性、优异的电绝缘性、耐腐蚀等。其中很好的介电性能。电常数为3.4左右，引入氟或把空气分散于聚酰亚胺中，介电常数调节至约2.5，介电损耗达10.3,介电强度是100~300kV/mm,体积电阻为1.0E+9cm。

正因为如此，能够确保其在温度与频率均波动较大的范围内依旧具备高水平。满足了使用要求。首先对中层进行设计，中层设计采用了条形布局分布三块电极，板使用了金属Cr/Au合金，中间由金属导线连接，内部采用了蜿蜒分布。电极片成矩形，考虑到人携带方便且舒适，将长度定制为16mm，宽度为1.5mm（REF_Ref3066\h图STYLEREF1\s4-5）。然后确定三块电极片的排布，两两距离相等从左到右依次平行排布在同一直线上，从左边电极片的最左端开始到右边电极片的最右端共长25.5mm。为了保证电极的耐磨性延伸性，内部采用了蜿蜒分布（REF_Ref2968\h图STYLEREF1\s4-4），大大提高电极片的性能。电极的顶层整体结构与中层相似，为了起到良好的保护效果，采用了PI材料，这种材料有着聚酰亚胺具有良好的耐热性、优异的电绝缘性、耐腐蚀等。能更好的保护电极层。电极的第三层采用不同的形状如（REF_Ref3170\h图STYLEREF1\s4-6）所示图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s14图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s15中底层电极结构图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s16顶层电极结构柔性应变片共有三层，三层的结构相同如（REF_Ref3268\h图STYLEREF1\s4-7）所示，首先对应变片的中间进行设计。一层中主要包括三个部分：应变片、导线和金属片，应变片采集应变信号通过导线将信号传递到金属片并输出。金属片分为大小两块平行排布,小的一块的尺寸为长7mm、宽1mm，大的一块为长11mm、宽1mm，在金属片的一端连上导线为了保持在发生柔性变形时导线的长度足够呈蜿蜒状分布，导线的另一端接在应变片上。应变片形状为长方形，为了满足使用要求应变片的长度为7.6mm、宽为6.0mm,导线在应变片内部呈回旋状排布，回旋半径为0.1mm如（REF_Ref3369\h图STYLEREF1\s4-8）所示。图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s17应变片图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s18传递信号对机械手臂的控制首先是对机械人手臂的运动方向建立数学模型，其次是手机的信号转换成数字信号。最后是达到预期的效果。控制机器人数字信号信号处理采集信号柔性传感柔性电极ESS

结论与展望控制机器人数字信号信号处理采集信号柔性电极ESS结论通过进行多种方案的分析比较，以及参考国内外以设计出的具有柔性传感功能的机器人结构，在此次研究中，深入剖析了机器人的设计流程，并指出了各方案的优缺点，基于排爆机器人机械手臂的特性与功能，确定了机械手臂的功能实现方式与性能评估指标，并实施了三维建模，最大程度地确保了方案设计的合理性。此次设计实现了下述工作：基于课题要求，收集整理了一系列相关资料