探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì),探測(cè),機(jī)器人,系統(tǒng),設(shè)計(jì) 輕量級(jí)絲杠作動(dòng)器設(shè)計(jì)在便攜的機(jī)器人的應(yīng)用 機(jī)械設(shè)計(jì)報(bào) 凱文·W.霍蘭德·托馬斯G.唐 一個(gè)便攜機(jī)器人是直接與它的用戶(hù)聯(lián)系的一個(gè)受控和開(kāi)動(dòng)的設(shè)備。同樣，也要求這個(gè)設(shè)備必須也是便攜的，輕量級(jí)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(jì)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(jī)械效率和很大的重量。可是，使用文本中的設(shè)計(jì)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(wèn)題說(shuō)明一個(gè)可行性的絲杠設(shè)計(jì)應(yīng)該是277 的功率質(zhì)量比，接近驅(qū)動(dòng)它的馬達(dá)，即312W/kg，并且機(jī)械效率為0.74和最大動(dòng)能到11.3 kN/kg的絲杠設(shè)計(jì)。 1引言 在美國(guó)，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(jué)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(dú)立的受益于某種形式機(jī)器人的協(xié)助。一個(gè)便攜機(jī)器人是一個(gè)被計(jì)算機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)的裝置，是直接接觸用戶(hù)的。這種裝置的目的是增強(qiáng)用戶(hù)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(jī)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(chǎng)車(chē)間的機(jī)器人是沒(méi)有這些功能的，因此，要簡(jiǎn)單修改現(xiàn)有的技術(shù)是不可能實(shí)現(xiàn)的。設(shè)計(jì)便攜機(jī)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(jī)的低強(qiáng)度質(zhì)量比； 3重量和安全性的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。 這些工作的目的是審查絲杠驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)過(guò)程;結(jié)果顯示在局限性第三項(xiàng)方面有了重大改進(jìn)，即，重量和安全性的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。 2 背景 有趣的是，在便攜機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域的研究已經(jīng)超過(guò)了過(guò)去十年的增長(zhǎng)。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(wú)線(xiàn)技術(shù)擴(kuò)散的推進(jìn)。提高便攜計(jì)算機(jī)控制設(shè)備的能力的可行性是可以實(shí)現(xiàn)的。 然而，除便攜式的計(jì)算平臺(tái)的可及性之外，必須談及物理機(jī)制的問(wèn)題。在便攜機(jī)器人發(fā)展中，主要的問(wèn)題是強(qiáng)度質(zhì)量比、重量和安全。有多少可利用的動(dòng)力可完成機(jī)械功？機(jī)器人設(shè)備有多少額外的力給人？還有，如何轉(zhuǎn)移這些動(dòng)力和怎么一直維護(hù)安全等？用戶(hù)和開(kāi)動(dòng)的機(jī)器人之間的安全互作用在便攜機(jī)器人設(shè)計(jì)中是一個(gè)首要問(wèn)題。 一個(gè)便攜的機(jī)器人系統(tǒng)的目的是將操作員通過(guò)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(dòng)器的效率和整個(gè)系統(tǒng)的重量沉重影響分享在操作員和機(jī)器人之間的工作負(fù)擔(dān)。在很多情況下，機(jī)器人加給用戶(hù)的額外力量，能多完成一項(xiàng)測(cè)量任務(wù)。這意味著機(jī)器人不僅必須增添操作員的能力，也必須補(bǔ)嘗它自己另外的重量。 2.1 作動(dòng)器的比較。 很多機(jī)器人作動(dòng)器被比作成人的骨骼肌的標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)師了解他們好的功率強(qiáng)度比和優(yōu)秀的強(qiáng)制生產(chǎn)能力就是為了動(dòng)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(cè)量的肌肉參數(shù)是變化繁多的。雖然報(bào)告參數(shù)有一個(gè)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(jué)。制成表的數(shù)據(jù)和幾個(gè)原始估計(jì)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(dòng)器比較：通過(guò)機(jī)械效率，勢(shì)能，和校正動(dòng)能對(duì)各種各樣的作動(dòng)器類(lèi)型進(jìn)行比較： 允許與有效能的運(yùn)用直接進(jìn)行比較。然而，在便攜機(jī)器人作動(dòng)器的發(fā)展中這兩個(gè)參量需要得到審查。考慮到所有作動(dòng)器在100%效率中運(yùn)行，然后整個(gè)小組能直接地由他們各自的功率強(qiáng)度比進(jìn)行比較?？墒?，如果勢(shì)能中的動(dòng)力被提供給每臺(tái)作動(dòng)器，由于他們各自的效率僅僅是輸出一小部分動(dòng)力。所以，適當(dāng)?shù)乇容^上面被描述的作動(dòng)器，他們校正的勢(shì)能必須計(jì)算,即： (1) 機(jī)械效率和Pwt是原始的功率質(zhì)量比。對(duì)各種動(dòng)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(jì)中獲得的。dc馬達(dá)的參數(shù)是:Maxon RE40馬達(dá)。 傳動(dòng)箱組合的參數(shù)在Maxon 2004編目中能夠找到。一臺(tái)電系列有彈性作動(dòng)器的參數(shù)用于估計(jì)這些參數(shù)。然而，一個(gè)一般大小的絲杠系統(tǒng)可能有更好的強(qiáng)度質(zhì)量比，因?yàn)樗泻芨叩呢?fù)載能力，并且有很低的重量。對(duì)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(jiǎn)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(huì)極大減小?；趧?dòng)作器的重量，如果能修改一個(gè)不是很大的dc馬達(dá)重量的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，則它接近于人的骨骼肌的功能可能會(huì)實(shí)現(xiàn)。 3絲杠設(shè)計(jì) 如上所見(jiàn)，當(dāng)一個(gè)典型絲杠系統(tǒng)與其他便攜機(jī)器人作動(dòng)器在概念上進(jìn)行比較時(shí)，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(jī)械效率很低。如果在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)絲杠系統(tǒng)中使用大約是=0.36的摩擦系數(shù)，會(huì)有更好的潤(rùn)滑效果。 相反，典型的球螺絲系統(tǒng)有非常好機(jī)械效率。 滾珠軸承的滾動(dòng)接觸對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的摩擦作用會(huì)保持很低。然而，效率雖然有了改進(jìn)，球螺絲作動(dòng)器的cPt參數(shù)仍然低于那骨骼肌，這是因?yàn)榍蚵萁z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(shí)現(xiàn)了。 機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)報(bào) 圖1 絲杠外形; 主角l…在一個(gè)單一螺旋螺絲中是等效的 用于設(shè)計(jì)圍攏絲杠的基本數(shù)學(xué)也適用于球螺絲系統(tǒng)。這兩個(gè)機(jī)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(huì)考慮影響絲杠重量和機(jī)械效率的設(shè)計(jì)參數(shù)，并且對(duì)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(gè)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(kāi)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(xiàn)螺紋的弦代表路徑長(zhǎng)度。 并且在正三角形中看出使螺母舉起負(fù)載的強(qiáng)大的力。負(fù)載的力量顯示為F，螺絲的扭矩強(qiáng)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(duì)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(gè)連續(xù)的關(guān)系。雖然存在這個(gè)連續(xù)的關(guān)系，多數(shù)螺絲系統(tǒng)還是被設(shè)計(jì)成非常小的前置角。從首選螺絲大小的經(jīng)驗(yàn)來(lái)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(duì)所有螺絲主角的需求，各種各樣的半徑都可以使用。這個(gè)意義在于螺絲半徑 r的變小，螺絲的重量是通過(guò)r2減小的。因此，要補(bǔ)嘗小螺絲半徑，必須考慮前置角這個(gè)參數(shù)。 前角， 圖2絲杠系統(tǒng)機(jī)械效率：遮蔽一部分的圖表多數(shù)是絲杠的典型設(shè)計(jì)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(jì)，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(duì)阿爾法。 對(duì)于一個(gè)便攜機(jī)器人的設(shè)計(jì)，不僅絲杠作動(dòng)器的重量是一個(gè)重要問(wèn)題，而且作動(dòng)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(dòng)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(shí)，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(duì)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(xiàn)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(gè)在絲杠系統(tǒng)中能有不同物質(zhì)或涂層的作用的感覺(jué)。這個(gè)圖表示，當(dāng)前置角增加，機(jī)械效率就增加; 或者至少到達(dá)一個(gè)峰值。 理論上，選擇最大效率采摘角度是有利的。一個(gè)絲杠系統(tǒng)在高效率運(yùn)行時(shí)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(gè)高前置角可能提高效率，但它也可能導(dǎo)致反驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。一個(gè)反驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一種負(fù)載力矩，沒(méi)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(dòng)絲杠不適合應(yīng)用于汽車(chē)起重器，但是可以應(yīng)用于便攜機(jī)器人當(dāng)中。因此反驅(qū)動(dòng)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(dòng)是一個(gè)必然結(jié)果。 4 實(shí)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(gè)幾乎微觀(guān)尺度。然而，從設(shè)計(jì)和制造業(yè)方面來(lái)講，這不是一種實(shí)用的解決方案。雖然從重量和效率的角度來(lái)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(jì)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(jī)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(jí)的，它可能沒(méi)有一個(gè)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(gè)螺絲，就會(huì)有足夠大的負(fù)載能力。用幾個(gè)小螺絲承受大載荷是沒(méi)有重量?jī)?yōu)勢(shì)的，作為因計(jì)算一個(gè)螺絲斷面產(chǎn)生的重量和壓強(qiáng)。然而，使用幾個(gè)小螺絲承受載荷可能允許對(duì)高前置角的持續(xù)使用和在高效率中運(yùn)行，甚至在很高負(fù)載。通過(guò)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(gè)緊張系統(tǒng)比它壓縮軸承更好運(yùn)作的系統(tǒng)。當(dāng)考慮到減小一個(gè)既長(zhǎng)又細(xì)的螺絲的負(fù)載時(shí)，類(lèi)似于McKibben作動(dòng)器甚至人的肌肉，（絲杠作動(dòng)器能被設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)僅緊張裝載），因而消除共折的考慮。在一個(gè)便攜機(jī)器人中創(chuàng)建緊張驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不一定意味著需要一個(gè)對(duì)抗性。實(shí)際上，與一個(gè)協(xié)助機(jī)器人相比，殘疾人在做單一的直接動(dòng)作時(shí)，肌肉存在弱點(diǎn)，因此，這些人是非常需要?jiǎng)幼髌鲙椭摹? 對(duì)于那些推擠螺絲半徑和因此導(dǎo)致前置角的極限超過(guò)最大效率的設(shè)計(jì)師，摩擦極限角度多少是可以?xún)A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(jiàn)。一個(gè)由公式（2）導(dǎo)出，可以產(chǎn)生以下關(guān)系 (8) 除被列出的實(shí)用考慮之外，還可能存在著許多其他問(wèn)題。包括扭轉(zhuǎn)力僵硬或屈服力甚至熱擴(kuò)散等。這些因素中的每一個(gè)都是重要的并且都需要我們考慮。可是，這個(gè)練習(xí)的目的是展示選擇一個(gè)設(shè)計(jì)或選擇螺絲系統(tǒng)的典型方法。這個(gè)選擇方法的好處是可直接適用于一個(gè)便攜機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 5 例子中的問(wèn)題 展示一份粗糙設(shè)計(jì)報(bào)告，考慮高峰距小腿關(guān)節(jié)扭矩在到一個(gè)有能力裝載80 kg的個(gè)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(gè)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(shí)間。腳趾是承受另一只腿重力和開(kāi)始搖擺的點(diǎn)。 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(shí)，然后下一個(gè)步態(tài)周期開(kāi)始。 例如，讓我們考慮修造一個(gè)腳腕步態(tài)協(xié)助絲杠作動(dòng)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(dòng)器問(wèn)題比較：絲杠設(shè)計(jì)I和II與人的肌肉的效率比較，對(duì)勢(shì)能的比較，校正勢(shì)能和動(dòng)能的措施的比較。 這些參數(shù)都可以根據(jù)自己的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)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(gè)例子中，主角長(zhǎng)度的范圍已經(jīng)確定了;它的范圍可以是 解決設(shè)計(jì)兩個(gè)絲杠的問(wèn)題:第一個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)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(gè)螺絲承受負(fù)載。即使如此，估計(jì)作動(dòng)器的勢(shì)能是280 W/kg 。通過(guò)馬達(dá)重量和預(yù)測(cè)的傳輸系統(tǒng)，劃分需要的功率峰值就可以得出勢(shì)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(gè)設(shè)計(jì)，絲杠II，從商業(yè)供營(yíng)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(dòng)作器的勢(shì)能最好是277 W/kg。為了達(dá)到比較的目的，這個(gè)例子出現(xiàn)的問(wèn)題結(jié)果制成了表格。表2顯示兩個(gè)絲杠設(shè)計(jì)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(jì)值進(jìn)行比較。通過(guò)例子，動(dòng)能大小是基于力的峰值進(jìn)行計(jì)算的。 6 討論 在分析解決最大效率的方案上，絲杠設(shè)計(jì)I顯示了一個(gè)單一小半徑螺絲永遠(yuǎn)不會(huì)處理所要求的負(fù)載?？墒?，多個(gè)螺絲同時(shí)平行執(zhí)行那項(xiàng)任務(wù)會(huì)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(gè)0.34 mm半徑的螺絲，但用這種方法是可以實(shí)現(xiàn)的（即，使用多個(gè)螺絲產(chǎn)生高效率）。要設(shè)計(jì)一個(gè)特殊的絲杠，效率是沒(méi)有極限的。絲杠設(shè)計(jì)II顯示，有一種可行的解決方案可以解決腳腕的問(wèn)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(jī)制能有益于它的表現(xiàn)，一般方法是創(chuàng)建一個(gè)驅(qū)動(dòng)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(dòng)作器的便攜機(jī)器人應(yīng)用有一種有力解答。 圖3 原型作動(dòng)器，高效率絲杠 前面提到，一臺(tái)便攜機(jī)器人作動(dòng)器不僅要有好的執(zhí)行能力，而且還要對(duì)它的用戶(hù)有一定的安全性。在考慮安全方面時(shí)，（駕駛）是便攜絲杠作動(dòng)器所需要的。（ 駕駛）允許操作者任意安裝沒(méi)有動(dòng)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(jì)一塊閑置的部分以防止馬達(dá)和用戶(hù)受到損壞。對(duì)人的損傷可以通過(guò)安置螺絲的末端范圍在用戶(hù)的生理安全極限內(nèi)來(lái)避免，即一旦遇到危險(xiǎn)強(qiáng)度，可以得到短期的脫離。所有這些方法都需要得到重點(diǎn)考慮，并且應(yīng)該在設(shè)計(jì)過(guò)程中早期解決。安置機(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)該包括他們。保證用戶(hù)的安全是在設(shè)計(jì)所有協(xié)助機(jī)器人時(shí)應(yīng)該是最優(yōu)先考慮的事，我們的實(shí)驗(yàn)室也調(diào)查了便攜作動(dòng)器的其他類(lèi)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(tái)便攜機(jī)器人作動(dòng)器必須有好的功率勢(shì)能比，好的機(jī)械效率，好的強(qiáng)度質(zhì)量比，并且一定是安全的。對(duì)于一個(gè)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(dòng)系統(tǒng)。傳統(tǒng)上，這種方法導(dǎo)致了dc馬達(dá)作動(dòng)器功率質(zhì)量比的增加以至于它的執(zhí)行力筆直下降?？墒牵覀兊姆椒梢杂糜谠O(shè)計(jì)絲杠和球形絲杠的力，例如一個(gè)便攜的協(xié)助機(jī)器人。