探測機器人系統(tǒng)的設(shè)計

探測機器人系統(tǒng)的設(shè)計,探測,機器人,系統(tǒng),設(shè)計 輕量級絲杠作動器設(shè)計在便攜的機器人的應(yīng)用 機械設(shè)計報 凱文·W.霍蘭德·托馬斯G.唐 一個便攜機器人是直接與它的用戶聯(lián)系的一個受控和開動的設(shè)備。同樣，也要求這個設(shè)備必須也是便攜的，輕量級的，最重要的是安全的。為了達(dá)到這些目標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)絲杠的設(shè)計通常不能很好的按要求執(zhí)行這些。典型的絲杠有很低投球角度和大的半徑，從而產(chǎn)生很低的機械效率和很大的重量?？墒?，使用文本中的設(shè)計程序，效率和重量是被改進(jìn)的; 因而可以產(chǎn)生一種與人的肌肉相似的絲杠系統(tǒng)。例子中的問題說明一個可行性的絲杠設(shè)計應(yīng)該是277 的功率質(zhì)量比，接近驅(qū)動它的馬達(dá)，即312W/kg，并且機械效率為0.74和最大動能到11.3 kN/kg的絲杠設(shè)計。 1引言 在美國，有五分之一的人有不同形式的殘疾，這些人當(dāng)中，61％的人患有感覺或身體殘疾。在老年人中，8％到19 ％是步態(tài)失調(diào)。許多殘疾人可以獨立的受益于某種形式機器人的協(xié)助。一個便攜機器人是一個被計算機控制和驅(qū)動的裝置，是直接接觸用戶的。這種裝置的目的是增強用戶的行為能力。在病人治療期間，它可以用于訓(xùn)練，或是僅僅當(dāng)作一種協(xié)助病人完成日常生活的裝置。"便攜"的含義是指機器人必須攜帶方便，重量輕，而且安全是最重要的。相比之下，工廠車間的機器人是沒有這些功能的，因此，要簡單修改現(xiàn)有的技術(shù)是不可能實現(xiàn)的。設(shè)計便攜機器人的標(biāo)準(zhǔn)方法有三大局限性; 1低電池功率密度； 2電機的低強度質(zhì)量比； 3重量和安全性的機械傳動系統(tǒng)。 這些工作的目的是審查絲杠驅(qū)動器的設(shè)計過程;結(jié)果顯示在局限性第三項方面有了重大改進(jìn)，即，重量和安全性的機械傳動系統(tǒng)。 2 背景 有趣的是，在便攜機器人學(xué)領(lǐng)域的研究已經(jīng)超過了過去十年的增長。最近，浪涌的利益可以歸因于電子小型化、微處理器能力和無線技術(shù)擴散的推進(jìn)。提高便攜計算機控制設(shè)備的能力的可行性是可以實現(xiàn)的。 然而，除便攜式的計算平臺的可及性之外，必須談及物理機制的問題。在便攜機器人發(fā)展中，主要的問題是強度質(zhì)量比、重量和安全。有多少可利用的動力可完成機械功？機器人設(shè)備有多少額外的力給人？還有，如何轉(zhuǎn)移這些動力和怎么一直維護(hù)安全等？用戶和開動的機器人之間的安全互作用在便攜機器人設(shè)計中是一個首要問題。 一個便攜的機器人系統(tǒng)的目的是將操作員通過存貯設(shè)備獲得的努力和能量抵消，即，電池、燃料電池和空氣坦克。作動器的效率和整個系統(tǒng)的重量沉重影響分享在操作員和機器人之間的工作負(fù)擔(dān)。在很多情況下，機器人加給用戶的額外力量，能多完成一項測量任務(wù)。這意味著機器人不僅必須增添操作員的能力，也必須補嘗它自己另外的重量。 2.1 作動器的比較。 很多機器人作動器被比作成人的骨骼肌的標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計師了解他們好的功率強度比和優(yōu)秀的強制生產(chǎn)能力就是為了動作器與骨骼肌相比擬。為了匹配骨骼肌的性能，重要的是知道其中一些措施。不幸地是，生物文學(xué)中的普遍性是:被測量的肌肉參數(shù)是變化繁多的。雖然報告參數(shù)有一個寬的變化，這些參數(shù)一直能給生物材料行為標(biāo)度的感覺。制成表的數(shù)據(jù)和幾個原始估計數(shù)據(jù)被用于描述人的肌肉表現(xiàn)屬性和結(jié)果如表1所示。 表1：作動器比較：通過機械效率，勢能，和校正動能對各種各樣的作動器類型進(jìn)行比較： 允許與有效能的運用直接進(jìn)行比較。然而，在便攜機器人作動器的發(fā)展中這兩個參量需要得到審查?？紤]到所有作動器在100%效率中運行，然后整個小組能直接地由他們各自的功率強度比進(jìn)行比較?？墒?，如果勢能中的動力被提供給每臺作動器，由于他們各自的效率僅僅是輸出一小部分動力。所以，適當(dāng)?shù)乇容^上面被描述的作動器，他們校正的勢能必須計算,即： (1) 機械效率和Pwt是原始的功率質(zhì)量比。對各種動作器演算的結(jié)果如表1所示 表1的內(nèi)容是從文獻(xiàn)或基于那些文獻(xiàn)的估計中獲得的。dc馬達(dá)的參數(shù)是:Maxon RE40馬達(dá)。 傳動箱組合的參數(shù)在Maxon 2004編目中能夠找到。一臺電系列有彈性作動器的參數(shù)用于估計這些參數(shù)。然而，一個一般大小的絲杠系統(tǒng)可能有更好的強度質(zhì)量比，因為它有很高的負(fù)載能力，并且有很低的重量。對于McKibben樣式的空氣肌肉，從各種各樣文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)了描述它的相關(guān)方法。 比較中顯然顯示的是校正功率質(zhì)量比，cP，dc馬達(dá)的參數(shù)，空氣肌肉和人的骨骼肌是都是簡單匹配的。然而，馬達(dá)上一旦加上額外的硬件，它的執(zhí)行力會極大減小?；趧幼髌鞯闹亓?，如果能修改一個不是很大的dc馬達(dá)重量的機械傳動系統(tǒng)，則它接近于人的骨骼肌的功能可能會實現(xiàn)。 3絲杠設(shè)計 如上所見，當(dāng)一個典型絲杠系統(tǒng)與其他便攜機器人作動器在概念上進(jìn)行比較時，它的性能是有限的。產(chǎn)生這種低性能的主要原因是它的機械效率很低。如果在一個標(biāo)準(zhǔn)絲杠系統(tǒng)中使用大約是=0.36的摩擦系數(shù)，會有更好的潤滑效果。 相反，典型的球螺絲系統(tǒng)有非常好機械效率。 滾珠軸承的滾動接觸對這個系統(tǒng)的摩擦作用會保持很低。然而，效率雖然有了改進(jìn)，球螺絲作動器的cPt參數(shù)仍然低于那骨骼肌，這是因為球螺絲系統(tǒng)的重量很大。如果改進(jìn)球螺絲的cP性能，那么重量的減少就可以實現(xiàn)了。 機械設(shè)計學(xué)報 圖1 絲杠外形; 主角l…在一個單一螺旋螺絲中是等效的 用于設(shè)計圍攏絲杠的基本數(shù)學(xué)也適用于球螺絲系統(tǒng)。這兩個機械傳輸之間的主要差別是他們的摩擦系數(shù)。在以下部分會考慮影響絲杠重量和機械效率的設(shè)計參數(shù)，并且對它的cP進(jìn)行改進(jìn)。 3.1絲杠外形 在圖1顯示的是普通絲杠的基本外形。絲杠的關(guān)鍵參量是主角l，螺絲半徑r和前置角。主角l是螺絲每次改進(jìn)達(dá)到的位移數(shù)量，一個高精度螺絲有非常小或非常好的主角。在圖1的正三角形顯示的螺絲的唯一一次改進(jìn)被剝開的構(gòu)造。前置角代表螺紋的斜面或傾斜度。 三角的基礎(chǔ)是螺絲軸的圓周，三角形的右腿是它的主角，螺線螺紋的弦代表路徑長度。 并且在正三角形中看出使螺母舉起負(fù)載的強大的力。負(fù)載的力量顯示為F，螺絲的扭矩強度是F,在螺絲螺紋上的正常反作用力是N，并且摩擦力是N。從這張圖中，舉起的扭矩的等式就可以是： (2) 3.2 對R。 還考慮，絲杠的外形在圖1可以顯示主角 l是由螺絲半徑r和前置角描述的。這些可改變量之間的關(guān)系是： (3) (4) 公式4的意思是r、螺絲半徑和，前置角，都是需要螺絲主角l的。這意味著在r和之間存在一個連續(xù)的關(guān)系。雖然存在這個連續(xù)的關(guān)系，多數(shù)螺絲系統(tǒng)還是被設(shè)計成非常小的前置角。從首選螺絲大小的經(jīng)驗來看，雖然各自的直徑都在變化，但前置角都小于3°。 在公式4種顯示對所有螺絲主角的需求，各種各樣的半徑都可以使用。這個意義在于螺絲半徑 r的變小，螺絲的重量是通過r2減小的。因此，要補嘗小螺絲半徑，必須考慮前置角這個參數(shù)。 前角， 圖2絲杠系統(tǒng)機械效率：遮蔽一部分的圖表多數(shù)是絲杠的典型設(shè)計區(qū)域。是小的，半徑大，重量大，并且效率是較低的。在圖表的未遮住的區(qū)域設(shè)計，是大的，暗示更小的半徑、更低的重量和更高的效率。 3.3效率對阿爾法。 對于一個便攜機器人的設(shè)計，不僅絲杠作動器的重量是一個重要問題，而且作動器的效率也是非常關(guān)鍵的。如上所述，螺絲半徑的減小可以使動作器的重量大大減小。然而，要減小螺絲半徑，必須增加前置角 ，以保持恒定的主角。當(dāng)看公式2時，可以看出要求承受負(fù)載的力矩Fw，取決于兩前置角和摩擦系數(shù). 影響螺絲效率的是前置角和摩擦系數(shù)，圖2顯示對摩擦系數(shù)_和前置角_的沖擊在于絲杠系統(tǒng)的效率 (5) 在圖2的每條線是基于摩擦系數(shù)不同的參數(shù)。幾份普通的工程材料作為例子給讀者一個在絲杠系統(tǒng)中能有不同物質(zhì)或涂層的作用的感覺。這個圖表示，當(dāng)前置角增加，機械效率就增加; 或者至少到達(dá)一個峰值。 理論上，選擇最大效率采摘角度是有利的。一個絲杠系統(tǒng)在高效率運行時需要使負(fù)載力矩達(dá)到最小Fw。在高峰值效率發(fā)生的角度可以取決于與角度效率有關(guān)的參數(shù)，結(jié)果是可以看到的。 (6) 雖然一個高前置角可能提高效率，但它也可能導(dǎo)致反驅(qū)動系統(tǒng)。一個反驅(qū)動系統(tǒng)是一種負(fù)載力矩，沒有力矩協(xié)助的情況下，螺絲可能自轉(zhuǎn)，因而允許負(fù)載自我降低。反驅(qū)動絲杠不適合應(yīng)用于汽車起重器，但是可以應(yīng)用于便攜機器人當(dāng)中。因此反驅(qū)動的前置角是： (7) 不管產(chǎn)生多么高的負(fù)載力量，多么低的摩擦系數(shù)系統(tǒng)，前置角和摩擦系數(shù)總是影響這些條件的，例如球螺絲，反驅(qū)動是一個必然結(jié)果。 4 實用考慮 理論上，如先前的文獻(xiàn)所顯示，是希望螺絲半徑 r減小的，甚至到一個幾乎微觀尺度。然而，從設(shè)計和制造業(yè)方面來講，這不是一種實用的解決方案。雖然從重量和效率的角度來講小螺絲的直徑和高前置角是極其重要的，但他們可能不允許設(shè)計師適應(yīng)物理系統(tǒng)的力量需要。例如軸向產(chǎn)生，壓縮折和機制困境都需要被考慮?？紤]到單一的超薄的螺絲也許是輕量級的，它可能沒有一個系統(tǒng)所需要足夠的負(fù)載能力。但可以使用單一的，或幾個螺絲，就會有足夠大的負(fù)載能力。用幾個小螺絲承受大載荷是沒有重量優(yōu)勢的，作為因計算一個螺絲斷面產(chǎn)生的重量和壓強。然而，使用幾個小螺絲承受載荷可能允許對高前置角的持續(xù)使用和在高效率中運行，甚至在很高負(fù)載。通過推擠絲杠原材料物產(chǎn)極限，可以達(dá)到軸向很高的負(fù)載。這種工作方法的好處在于一個緊張系統(tǒng)比它壓縮軸承更好運作的系統(tǒng)。當(dāng)考慮到減小一個既長又細(xì)的螺絲的負(fù)載時，類似于McKibben作動器甚至人的肌肉，（絲杠作動器能被設(shè)計負(fù)擔(dān)僅緊張裝載），因而消除共折的考慮。在一個便攜機器人中創(chuàng)建緊張驅(qū)動系統(tǒng)不一定意味著需要一個對抗性。實際上，與一個協(xié)助機器人相比，殘疾人在做單一的直接動作時，肌肉存在弱點，因此，這些人是非常需要動作器幫助的。 對于那些推擠螺絲半徑和因此導(dǎo)致前置角的極限超過最大效率的設(shè)計師，摩擦極限角度多少是可以傾斜的。所有這些的物理解釋是系統(tǒng)捆綁或鎖，由導(dǎo)出的公式2可以看見。一個由公式（2）導(dǎo)出，可以產(chǎn)生以下關(guān)系 (8) 除被列出的實用考慮之外，還可能存在著許多其他問題。包括扭轉(zhuǎn)力僵硬或屈服力甚至熱擴散等。這些因素中的每一個都是重要的并且都需要我們考慮?？墒牵@個練習(xí)的目的是展示選擇一個設(shè)計或選擇螺絲系統(tǒng)的典型方法。這個選擇方法的好處是可直接適用于一個便攜機器人系統(tǒng)的設(shè)計。 5 例子中的問題 展示一份粗糙設(shè)計報告，考慮高峰距小腿關(guān)節(jié)扭矩在到一個有能力裝載80 kg的個體并且是0.8 Hz的跨步頻率期間的連接扭矩。在步態(tài)期間的腳腕扭矩峰值大約是100毫微米。這個峰值大致發(fā)生在45%的步態(tài)周期。步態(tài)周期是指一只腳跟的停止到這支腳跟下一次停止的時間。腳趾是承受另一只腿重力和開始搖擺的點。 搖擺階段的判斷是步態(tài)再次安置腳回到腳跟停止位置時，然后下一個步態(tài)周期開始。 例如，讓我們考慮修造一個腳腕步態(tài)協(xié)助絲杠作動器。我們假設(shè)協(xié)助水平在30%左右和到小腿關(guān)節(jié)是12厘米的力矩臂。 表2作動器問題比較：絲杠設(shè)計I和II與人的肌肉的效率比較，對勢能的比較，校正勢能和動能的措施的比較。 這些參數(shù)都可以根據(jù)自己的個人經(jīng)驗并且在合理的范圍內(nèi)進(jìn)行修改和變化。參數(shù)和可用的參量接近于Maxon馬達(dá)，即RE40，這個例子中，主角長度的范圍已經(jīng)確定了;它的范圍可以是 解決設(shè)計兩個絲杠的問題:第一個設(shè)計問題是解決最大效率。假設(shè)是2 mm和=0.05，螺絲在=43.5°、半徑是0.34mm 的地方產(chǎn)生的效率是90%。這樣小的一條半徑，需要多個螺絲承受負(fù)載。即使如此，估計作動器的勢能是280 W/kg 。通過馬達(dá)重量和預(yù)測的傳輸系統(tǒng)，劃分需要的功率峰值就可以得出勢能的大小。我們從以前的工作知道了，輔助組分的重量成比例可以減小螺絲和螺釘?shù)闹亓俊? 第二個設(shè)計，絲杠II，從商業(yè)供營商得到可利用的維度。 螺絲的=13.6°和0.82的效率。 更大一些的維度也可行，動作器的勢能最好是277 W/kg。為了達(dá)到比較的目的，這個例子出現(xiàn)的問題結(jié)果制成了表格。表2顯示兩個絲杠設(shè)計方案的數(shù)字結(jié)果。這些參數(shù)與先前的dc馬達(dá)參數(shù)和人的骨骼肌的估計值進(jìn)行比較。通過例子，動能大小是基于力的峰值進(jìn)行計算的。 6 討論 在分析解決最大效率的方案上，絲杠設(shè)計I顯示了一個單一小半徑螺絲永遠(yuǎn)不會處理所要求的負(fù)載?？墒牵鄠€螺絲同時平行執(zhí)行那項任務(wù)會有同樣高的效率。雖然使用典型的技術(shù)不容易制造出一個0.34 mm半徑的螺絲，但用這種方法是可以實現(xiàn)的（即，使用多個螺絲產(chǎn)生高效率）。要設(shè)計一個特殊的絲杠，效率是沒有極限的。絲杠設(shè)計II顯示，有一種可行的解決方案可以解決腳腕的問題，校正功率質(zhì)量比參數(shù)使其非常接近于人的肌肉。使用一種相似的方法，球形螺絲機制能有益于它的表現(xiàn)，一般方法是創(chuàng)建一個驅(qū)動的背面，低重量和高效率的螺絲系統(tǒng)可以使基于dc馬達(dá)的動作器的便攜機器人應(yīng)用有一種有力解答。 圖3 原型作動器，高效率絲杠 前面提到，一臺便攜機器人作動器不僅要有好的執(zhí)行能力，而且還要對它的用戶有一定的安全性。在考慮安全方面時，（駕駛）是便攜絲杠作動器所需要的。（ 駕駛）允許操作者任意安裝沒有動力的螺釘，因而使它的阻礙減到最小。另一方面，在螺絲的末端設(shè)計一塊閑置的部分以防止馬達(dá)和用戶受到損壞。對人的損傷可以通過安置螺絲的末端范圍在用戶的生理安全極限內(nèi)來避免，即一旦遇到危險強度，可以得到短期的脫離。所有這些方法都需要得到重點考慮，并且應(yīng)該在設(shè)計過程中早期解決。安置機械部件必須包括特別的防備措施。 防備措施必須超出軟件或控制器范圍; 因此，在機械設(shè)計中應(yīng)該包括他們。保證用戶的安全是在設(shè)計所有協(xié)助機器人時應(yīng)該是最優(yōu)先考慮的事，我們的實驗室也調(diào)查了便攜作動器的其他類型?？磮D3。這些技術(shù)幫助我們保持設(shè)備的整體大小和重量打到最低。 7 結(jié)論 一臺便攜機器人作動器必須有好的功率勢能比，好的機械效率，好的強度質(zhì)量比，并且一定是安全的。對于一個具有好的功率的dc馬達(dá)，改進(jìn)它力量的唯一方法是增加傳動系統(tǒng)。傳統(tǒng)上，這種方法導(dǎo)致了dc馬達(dá)作動器功率質(zhì)量比的增加以至于它的執(zhí)行力筆直下降?？墒?，我們的方法可以用于設(shè)計絲杠和球形絲杠的力，例如一個便攜的協(xié)助機器人。