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哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文
XX學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)
口腔咀嚼模擬機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)及仿真
作 者:
學(xué) 號(hào)：
學(xué)院(系):
專 業(yè):
題 目:
2015 年6月
口腔咀嚼模擬機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)及仿真
摘 要
機(jī)械手是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，口腔咀嚼模擬機(jī)器人是機(jī)械手研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。研究口腔咀嚼模擬機(jī)器人需要結(jié)合機(jī)械、電子、信息論、人工智能、生物學(xué)以及計(jì)算機(jī)等諸多學(xué)科知識(shí)，同時(shí)其自身的發(fā)展也促進(jìn)了這些學(xué)科的發(fā)展。
本文對(duì)一種使用在口腔咀嚼模擬機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并完成總裝配圖和零件圖的繪制。要求對(duì)機(jī)械手模型進(jìn)行力學(xué)分析，估算各關(guān)節(jié)所需轉(zhuǎn)矩和功率，完成電機(jī)和減速器的選型。其次從電機(jī)和減速器的連接和固定出發(fā)，設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，并對(duì)機(jī)構(gòu)中的重要連接件進(jìn)行強(qiáng)度校核。
關(guān)鍵詞 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)器臂，結(jié)構(gòu)分析
Mechanical design and Simulation of the oral chew simulation robot
Abstract
The manipulator is a kind of typical mechatronic product, and the robot is the hot spot in the research field of robot manipulator.. Study on chewing simulated robots need combination of machinery, electronics, information theory, artificial intelligence, biology and computer knowledge of many disciplines, also its development also contributed to the development of these disciplines.
In this paper, the structure of a robot used in oral chewing is designed, and the assembly drawings and the drawing of the parts are finished.. The mechanical hand model is demanded to analyze the mechanical hand, and estimate the torque and power of each joint, and complete the selection of motor and reducer.. Secondly, from the connection and the fixed of the motor and the reducer, design the joint structure, and carry on the strength check to the important connector in the mechanism.
Keywords structure design, robot arm, structure analysis
- 27 -
目 錄
摘 要 II
Abstract III
1 緒論 1
1.1引言 1
1.2 口腔咀嚼模擬機(jī)器人研究概況 1
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 1
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 2
1.3 口腔咀嚼模擬機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu) 3
1.4 主要內(nèi)容 3
2 總體方案設(shè)計(jì) 4
2.1 機(jī)械手工程概述 4
2.2 工業(yè)機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案論述 4
2.3 機(jī)械手機(jī)械傳動(dòng)原理 5
2.4 機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì) 6
2.5 本章小結(jié) 6
3 四桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì) 8
3.1 各部件組成和功能描述 8
3.2軌跡角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 11
4 傳動(dòng)齒輪零件的設(shè)計(jì)計(jì)算(用于四桿偏心振動(dòng)) 13
4.1 電機(jī)的選擇 13
4.2 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算過程 14
5 減震機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 18
5.1 彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算 18
5.2 上牙移動(dòng)平臺(tái)（錐齒輪傳動(dòng)） 21
5.3 軸結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 24
5.4 軸的受力分析及計(jì)算 25
5.5 軸承的壽命校核 26
5.6 軸的強(qiáng)度校核 26
5.7 各軸鍵、鍵槽的選擇及其校核 27
6 整機(jī)虛擬裝配 28
總結(jié)與展望 29
致 謝 30
參考文獻(xiàn) 31
1 緒論
1.1 引言
機(jī)械手是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，口腔咀嚼模擬機(jī)器人是機(jī)械手研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。研究口腔咀嚼模擬機(jī)器人需要結(jié)合機(jī)械、電子、信息論、人工智能、生物學(xué)以及計(jì)算機(jī)等諸多學(xué)科知識(shí)，同時(shí)其自身的發(fā)展也促進(jìn)了這些學(xué)科的發(fā)展。機(jī)械手是口腔咀嚼模擬機(jī)器人的一種。
1959年，世界上誕生了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)械手，開創(chuàng)了機(jī)械手發(fā)展的新紀(jì)元。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，口腔咀嚼模擬機(jī)器人的研究與應(yīng)用迅猛發(fā)展。世界著名機(jī)械手專家、日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授說過：“機(jī)械手應(yīng)當(dāng)具有的最大特征之一是功能”。其中雙足是方式中自動(dòng)化程度最高、最為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。偉大的發(fā)明家愛迪生也曾說過這樣一句話：“上帝創(chuàng)造人類，兩條腿是最美妙的杰作”。系統(tǒng)具有非常豐富的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)的環(huán)境要求很低，既能在平地上，也能在非結(jié)構(gòu)性的復(fù)雜地面上，對(duì)環(huán)境有很好的適應(yīng)性。功能的具備為擴(kuò)大機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域開辟了無限廣闊的前景。
研究機(jī)械手的原因和目的，主要有以下幾個(gè)方面：希望研制出機(jī)構(gòu)，使它們能在許多結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)環(huán)境中，以代替人進(jìn)行作業(yè)或延伸和擴(kuò)大人類的活動(dòng)領(lǐng)域；希望更多得了解和掌握人類得特性，并利用這些特性為人類服務(wù)，例如：人造假肢。系統(tǒng)具有豐富的動(dòng)力學(xué)特性，在這方面的研究可以拓寬力學(xué)及機(jī)械手的研究方向；機(jī)械手可以作為一種智能機(jī)械手在人工智能中發(fā)揮重要的作用。
，口腔咀嚼模擬機(jī)器人的定義，世界各國尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國國際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)械手協(xié)會(huì)給口腔咀嚼模擬機(jī)器人下的定義：口腔咀嚼模擬機(jī)器人是一種可重復(fù)編程的多功能操作裝置，可以通過改變動(dòng)作程序，來完成各種工作，主要用于搬運(yùn)材料，傳遞工件。參考國外的定義，結(jié)合我國的習(xí)慣用語，對(duì)口腔咀嚼模擬機(jī)器人作如下定義：
口腔咀嚼模擬機(jī)器人是一種機(jī)體獨(dú)立，動(dòng)作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動(dòng)化程度高的自動(dòng)操作機(jī)械。是可進(jìn)行自動(dòng)噴漆或關(guān)節(jié)其他涂料的工業(yè)機(jī)械手。
口腔咀嚼模擬機(jī)器人以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運(yùn)動(dòng)速度，可以搬運(yùn)更重的東西，而且定位精度相當(dāng)高，它可以根據(jù)外部來的信號(hào)，自動(dòng)進(jìn)行各種操作。
口腔咀嚼模擬機(jī)器人是在計(jì)算機(jī)控制下可編程的自動(dòng)機(jī)器。采用口腔咀嚼模擬機(jī)器人是提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動(dòng)生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化，改善勞動(dòng)條件，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度的一種有效手段。機(jī)械手的誕生和發(fā)展雖只有30多年的歷史，但它已應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)，民事技術(shù)等眾多的領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景，顯示出強(qiáng)大的生命力[1-2]。
1.2 口腔咀嚼模擬機(jī)器人研究概況
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀
最早系統(tǒng)地研究人類和動(dòng)物運(yùn)動(dòng)原理的是Muybridge，他發(fā)明了電影用的獨(dú)特?cái)z像機(jī)，即一組電動(dòng)式觸發(fā)照相機(jī)，并在1877年成功地拍攝了許多四足動(dòng)物和奔跑的連續(xù)照片。后來這種采用攝像機(jī)的方法又被Demeny用來研究人類的運(yùn)動(dòng)。從本世紀(jì)30年代到50年代，蘇聯(lián)的Bernstein從生物動(dòng)力學(xué)的角度也對(duì)人類和動(dòng)物的機(jī)理進(jìn)行深入的研究，并就運(yùn)動(dòng)作了非常形象化的描述。
真正全面、系統(tǒng)地開展機(jī)械手的研究是始于本世紀(jì)60年代．迄今，不僅形成了機(jī)械手一整套較為完善的理論體系，而且在一些國家，如日本、美國和蘇聯(lián)等都已研制成功了能靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的機(jī)械手樣機(jī)。這一部分，我們主要介紹隊(duì)60年代到1985年這一時(shí)期，在機(jī)械手領(lǐng)域所取得的最重要進(jìn)展。
在60年代和70年代，對(duì)機(jī)械手控制理論的研究產(chǎn)生了3種非常重要的控制方法，即有限狀態(tài)控制、模型參考控制和算法控制。這3種控制方法對(duì)各種類型的機(jī)械手都是適用的。有限狀態(tài)控制是由南斯拉夫的Tomovic在1961年提出來的 ，模型參考控制是由美國的Farnsworth在1975年提出來的，而算法控制則是由南斯拉夫米哈依羅·鮑賓研究所著名的機(jī)械手學(xué)專家Vukobratovic博士在1969年至1972年問提出來的。這3種控制方法之間有一定的內(nèi)在聯(lián)系。有限狀態(tài)控制實(shí)質(zhì)上是一種采樣化的模型參考控制，而算法控制則是一種居中的情況[1]。
在步態(tài)研究方面，蘇聯(lián)的Bessonov和Umnov定義了“最優(yōu)步態(tài)”，Kugushev和Jaro-
shevskij定義了自由步態(tài)。這兩種步態(tài)不僅適應(yīng)于而且也適應(yīng)于多足機(jī)械手。其中，自由步態(tài)是相對(duì)于規(guī)則步態(tài)而言的。如果地面非常粗糙不平，那么機(jī)械手在時(shí)，下一步腳應(yīng)放在什么地方，就不能根據(jù)固定的步序來考慮，而是應(yīng)該象登山運(yùn)動(dòng)員那樣走一步看一步，通過某一優(yōu)化準(zhǔn)則來確定，這就是所謂的自由步態(tài)。
在機(jī)械手的穩(wěn)定性研究方面，美國的Hemami等人曾提出將系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的簡化模型看作是一個(gè)倒立振子(倒擺)，從而可以將的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)解釋為使振子直立的問題。此外，從減小控制的復(fù)雜性考慮，Hemami等人還曾就機(jī)械手的“降階模型”問題進(jìn)行了研究。
前面我們?cè)赋鯲ukobratovic也對(duì)類人型系統(tǒng)進(jìn)行了能量分析，但他僅限于導(dǎo)出各關(guān)節(jié)及整個(gè)系統(tǒng)的功率隨時(shí)間的變化關(guān)系，并沒有過多地涉及能耗最優(yōu)這個(gè)問題．但在他的研究中，Vukobratovic得出了一個(gè)有用的結(jié)論，即姿態(tài)越平滑，類人型系統(tǒng)所消耗的功率就越少。
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
國內(nèi)機(jī)械手的研制工作起步較晚，我國是從20世紀(jì)80年代開始機(jī)械手領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的。1986年，我國開展了“七五”機(jī)械手攻關(guān)計(jì)劃，1987年，我國的“863”高技術(shù)計(jì)劃將機(jī)械手方面的研究開發(fā)列入其中。目前我國從事機(jī)械手研究與應(yīng)用開發(fā)的單位主要是高校和有關(guān)科研院所等。最初我國進(jìn)行機(jī)械手技術(shù)研究的主要目的是跟蹤國際先進(jìn)的機(jī)械手技術(shù)，隨后取得了一定的成就。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)自1986年開始研究機(jī)械手，先研制成功靜態(tài)雙足機(jī)械手HIT-I，高 110cm，重70kg，有10個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)平地上的前進(jìn)、左右側(cè)行以及上下樓梯的運(yùn)動(dòng)，步幅45cm，步速為10秒/步，后來又相繼研制成功了HIT-II和HIT-III，重42kg，高 103cm，有12個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)了步長24cm，步速2.3步每秒的。目前正在研制的HI下IV機(jī)械手，全身可有52個(gè)自由度，其在運(yùn)動(dòng)速度和平衡性方面都優(yōu)于前三型機(jī)械手[3～7]。
國防科技大學(xué)在1988年春成功地研制了一臺(tái)平面型6自由度的雙足機(jī)械手KDW-1，它能前進(jìn)、后退和上下樓梯，最大步幅為40cm，步速為4步每秒，1989年又研制出空間型 KDW-II，有10個(gè)自由度，高69cm，重13kg實(shí)現(xiàn)進(jìn)退、上下臺(tái)階的靜態(tài)穩(wěn)定以及左右的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)。1990年在KDW-II的平臺(tái)上增加兩個(gè)垂直關(guān)節(jié)，發(fā)展成KDW-III，有12個(gè)自由度，具備了轉(zhuǎn)彎功能，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的全方位。1995年實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)，步速0.8步每秒，步長為20cm～22cm，最大斜坡角度達(dá)13度。2000年底在KDW-III的基礎(chǔ)上研制成功我國首臺(tái)仿人形機(jī)械手“先行者”，動(dòng)態(tài)，可在小偏差、不確定的環(huán)境，周期達(dá)每秒兩步，高1.4m，重20kg，有頭、眼、脖、身軀、雙臂、雙足，且具備一定的語言功能[8～13]。
此外，清華大學(xué)正在研制仿人形機(jī)械手THBIP-I，高1.7m，重130kg，32個(gè)自由度，在清華大學(xué)985計(jì)劃的支持下，項(xiàng)目也在不斷取得進(jìn)展。南京航空航天大學(xué)曾研制了一臺(tái)8自由度空間型機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)功能[13,14]。
本課題源于“第一屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”中機(jī)械手。目前，機(jī)械手大多以輪子的形式實(shí)現(xiàn)功能階段。真正模仿人類用腿走路的機(jī)械手還不多，雖有一些六足、四足機(jī)械手涌現(xiàn)，但是機(jī)械手還是鳳毛麟角。我們這個(gè)課題，探索設(shè)計(jì)僅靠巧妙的機(jī)械裝置和簡單的控制系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)模擬人類的機(jī)械手。其分功能有：交替邁腿、搖頭、擺大臂、擺小臂。
1.3 口腔咀嚼模擬機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)
口腔咀嚼模擬機(jī)器人的組成及各部分關(guān)系概述：
它主要由機(jī)械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng))、控制檢測系統(tǒng)及智能系統(tǒng)組成。
(1) 執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是口腔咀嚼模擬機(jī)器人完成關(guān)節(jié)工件，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)所必需
的機(jī)械部件，它包括手部、腕部、機(jī)身等。
(a) 末端執(zhí)行器：機(jī)械手為了進(jìn)行作業(yè)而配置的操作機(jī)構(gòu)，直接噴漆工件。
(b) 腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調(diào)整或改變末端執(zhí)行器的工作方位。
(c) 臂部：聯(lián)接機(jī)座和手部的部分，是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理管理荷重，改變手部的空間位置，滿足機(jī)械手的作業(yè)空間，將各種載荷傳遞到機(jī)座。
(d) 機(jī)身：機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，起支撐作用，是支撐手臂的部件，其作用是帶動(dòng)臂部自轉(zhuǎn)、升降或俯仰運(yùn)動(dòng)。
(2) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力，并驅(qū)動(dòng)其動(dòng)力的裝置。常用的有
機(jī)械傳動(dòng)、機(jī)電傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和電傳動(dòng)。
(3) 控制系統(tǒng)：通過對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤或故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
(4) 檢測系統(tǒng)：作用是通過各種檢測裝置、傳感裝置檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)需 要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定進(jìn)行比較，以保證運(yùn)動(dòng)符合要求。 實(shí)踐證明，口腔咀嚼模擬機(jī)器人可以代替人手的繁重勞動(dòng)，顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和自動(dòng)化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運(yùn)和長期頻繁、單調(diào)的操作，采用機(jī)械手是有效的。此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染環(huán)境條件下進(jìn)行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途[4-8]。
1.4 主要內(nèi)容
第1章 緒論 主要介紹機(jī)械手的相關(guān)知識(shí)和本課題研究的任務(wù)和要求.
第2章 總體方案設(shè)計(jì),介紹該機(jī)械手各部分的相關(guān)知識(shí)和總體設(shè)計(jì).
第3章 機(jī)械手各部分設(shè)計(jì)的介紹
第4章 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2 總體方案設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)械手工程概述
機(jī)械手工程是一門跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，它涉及到力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、氣動(dòng)液壓技術(shù)、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域。人們將已有學(xué)科分支中的知識(shí)有效地組合起來用以解決綜合性的工程問題的技術(shù)稱之為“系統(tǒng)工程學(xué)”。以機(jī)械手設(shè)計(jì)為例，系統(tǒng)工程學(xué)認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)將其作為一個(gè)系統(tǒng)來研究、開發(fā)和運(yùn)用，從機(jī)械手的整體出發(fā)來研究其系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分之間的有機(jī)聯(lián)系和系統(tǒng)外部環(huán)境的相互關(guān)系的一種綜合性的設(shè)計(jì)方法。
從系統(tǒng)功能的觀點(diǎn)來看，將一部復(fù)雜的機(jī)器看成是一個(gè)系統(tǒng)，它由若干個(gè)子系統(tǒng)按一定規(guī)律有機(jī)地聯(lián)系在一起，是一個(gè)不可分的整體。如果將系統(tǒng)拆開、則將失去作為一個(gè)整體的特定功能。因此，在設(shè)計(jì)一部較復(fù)雜的機(jī)器時(shí)，從機(jī)器系統(tǒng)的概念出發(fā)，這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)具有如下特性：
（1） 整體性 由若干個(gè)不同性能的子系統(tǒng)構(gòu)成的一個(gè)總的機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)具有作為一個(gè)整體的特定功能。
（2） 相關(guān)性 系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)之間有機(jī)聯(lián)系、有機(jī)作用，具有某種相互關(guān)聯(lián)的特性。
（3） 目的性 每個(gè)系統(tǒng)都應(yīng)有明確的目的和功能，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)的組合方式?jīng)Q定于系統(tǒng)的目的和功能。
（4） 環(huán)境適應(yīng)性 任何一個(gè)系統(tǒng)都存在于一定的環(huán)境中，必須能適應(yīng)外部環(huán)境的變化。
因此，在進(jìn)行機(jī)械手設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要重視組成機(jī)械手系統(tǒng)的各個(gè)部件、零件的設(shè)計(jì)，更應(yīng)該按照系統(tǒng)工程學(xué)的觀點(diǎn)，根據(jù)機(jī)械手的功能要求，將組成機(jī)械手系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)部件、零件合理地組合，設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良適于工作需要的機(jī)械手產(chǎn)品。在比較復(fù)雜的工業(yè)機(jī)械手系統(tǒng)中大致包括如下:操作機(jī)，它是完成機(jī)械手工作任務(wù)的主體，包括機(jī)座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器和機(jī)構(gòu)等。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它包括作為動(dòng)力源的驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)單元，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由各種傳動(dòng)零、部件組成的傳動(dòng)系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)，它主要包括具有運(yùn)算、存儲(chǔ)功能的電子控制裝置（計(jì)算機(jī)或其他可編程編輯控制裝置），人——機(jī)接口裝置（鍵盤、示教盒等），各種傳感器的信息放大、傳輸和處理裝置，傳感器、離線編程、設(shè)備的輸入/輸出通訊接口，內(nèi)部和外部傳感器以及其他通用或?qū)Ｓ玫耐鈬O(shè)備［14］。
工業(yè)機(jī)械手的特點(diǎn)在于它在功能上的通用性和重新調(diào)整的柔性，因而工業(yè)機(jī)械手能有效地應(yīng)用于柔性制造系統(tǒng)中來完成傳送零件或材料，進(jìn)行裝配或其他操作。在柔性制造系統(tǒng)中，基本工藝設(shè)備（如數(shù)控機(jī)床、鍛壓、焊接、裝配等生產(chǎn)設(shè)備）、輔助生產(chǎn)設(shè)備、控制裝置和工業(yè)機(jī)械手等一起形成了各種不同形式地工業(yè)機(jī)械手技術(shù)綜合體地工業(yè)機(jī)械手系統(tǒng)。在其他非制造業(yè)地生產(chǎn)部門，如建筑、采礦、交通運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)領(lǐng)域引用機(jī)械手系統(tǒng)亦是如此。
2.2 工業(yè)機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案論述
（一） 確定負(fù)載
目前，國內(nèi)外使用的工業(yè)機(jī)械手中，負(fù)載能力的范圍很大，最小的額定負(fù)載在5N以下，最大可達(dá)9000N。負(fù)載大小的確定主要是考慮沿機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)方向作用于機(jī)械接口處的力和扭矩。其中應(yīng)包括機(jī)械手末端執(zhí)行器的重量、關(guān)節(jié)工件或作業(yè)對(duì)象的重量和規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力等。由本次設(shè)計(jì)給的設(shè)計(jì)參數(shù)可初估本次設(shè)計(jì)屬于小負(fù)載。
（二） 驅(qū)動(dòng)方式
由于伺服電機(jī)具有控制性能好，控制靈活性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)速度、位置的精確控制，對(duì)環(huán)境沒有影響，體積小，效率高，適用于運(yùn)動(dòng)控制要求嚴(yán)格的中、小型機(jī)械手等特點(diǎn)，故本次設(shè)計(jì)采用了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)
（三）傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
機(jī)械手傳動(dòng)裝置中應(yīng)盡可能做到結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和體積小，在傳動(dòng)鏈中要考慮采用消除間隙措施，以提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)和位置控制精度。在機(jī)械手中常采用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)、滾珠絲杠傳動(dòng)、同步齒形帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、行星齒輪傳動(dòng)、諧波齒輪傳動(dòng)和鋼帶傳動(dòng)等，由于齒輪傳動(dòng)具有效率高，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，且大學(xué)學(xué)習(xí)掌握的比較扎實(shí)，故本次設(shè)計(jì)選用齒輪傳動(dòng)。
（四）工作范圍
工業(yè)機(jī)械手的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機(jī)械手作業(yè)過程中操作范圍和運(yùn)動(dòng)軌跡來確定，用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)形式、自由度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線的長度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動(dòng)范圍的選擇
（五） 運(yùn)動(dòng)速度
機(jī)械手操作機(jī)手臂的各個(gè)動(dòng)作的最大行程確定后，按照循環(huán)時(shí)間安排確定每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間，就能進(jìn)一步確定各動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)速度，用m/s或（°）/s表示，各動(dòng)作的時(shí)間分配要考慮多方面的因素，例如總的循環(huán)時(shí)間的長短，各動(dòng)作之間順序是依序進(jìn)行還是同時(shí)進(jìn)行等。應(yīng)試做各動(dòng)作時(shí)間的分配方案表，進(jìn)行比較，分配動(dòng)作時(shí)間除考慮工藝動(dòng)作的要求外，還應(yīng)考慮慣性和行程的大小，驅(qū)動(dòng)和控制方式、定位方式和精度等要求。
2.3 機(jī)械手機(jī)械傳動(dòng)原理
該方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析
該口腔咀嚼模擬機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)組成如圖
口腔咀嚼模擬機(jī)器人本體組成
本文設(shè)計(jì)的基于四桿機(jī)構(gòu)的咀嚼模擬機(jī)器人用來模擬人類第一顆切牙的咀嚼運(yùn)軌跡。通過分析人類咀嚼運(yùn)動(dòng)過程，人體的頭部在咀嚼過程中是作為剛體保持不動(dòng)的，而下頜通過上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)完成咀嚼過程?？紤]到設(shè)計(jì)的方便性和機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，采用上下牙齒倒置的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，即將帶動(dòng)下牙運(yùn)動(dòng)的四桿機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)器的頂部，將運(yùn)動(dòng)過程中保持不動(dòng)的上牙安裝在四桿機(jī)構(gòu)的下方。如圖 所示為咀嚼模擬機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡圖。
2.4 機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì)
工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下[3]。
(1) 直角坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)
直角坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(a)由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)械手有可能達(dá)到很高的位置精度（μm級(jí)）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。
直角坐標(biāo)機(jī)械手的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機(jī)械手主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)械手有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。
(2) 圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)
圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(b)。這種機(jī)械手構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。
(3) 球坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)
球坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(c)。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。
(4) 關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)
關(guān)節(jié)型機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(d)。關(guān)節(jié)型機(jī)械手動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對(duì)機(jī)械手本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)械手在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)械手。
關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。
(a) 直角坐標(biāo)型 (b) 圓柱坐標(biāo)型 (c) 球坐標(biāo)型 (d) 關(guān)節(jié)型
圖2-1 四種機(jī)械手坐標(biāo)形式
根據(jù)任務(wù)書要求和具體實(shí)際我們選擇的是(d) 關(guān)節(jié)型。
具體到本設(shè)計(jì)考慮在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡化結(jié)構(gòu)，以減小成本、提高可靠度。
2.5 本章小結(jié)
本章主要完成對(duì)機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì),通過多種方案的選擇來確定最終要確定的方案. 確定了機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案后，就要針對(duì)機(jī)械手的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器等各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。
3 四桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)
3.1 各部件組成和功能描述
四桿機(jī)構(gòu) 1 與機(jī)器的頂部成一定角度的固定，該角度的取值是根據(jù)四桿機(jī)構(gòu)形成的運(yùn)動(dòng)軌跡與咀嚼試驗(yàn)軌跡相差的角度決定的，在下文中做具體的介紹。當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，減震器機(jī)構(gòu) 3 做咀嚼運(yùn)動(dòng)，上牙移動(dòng)平臺(tái) 4 在運(yùn)行過程中是保持不動(dòng)的，當(dāng)曲柄與連桿的最長邊成一條直線時(shí)，減震器機(jī)構(gòu) 3 運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)，與上牙咬合，此時(shí)減震器 3 的彈簧處于壓縮狀態(tài)，彈簧的壓縮力即為設(shè)定的咬合力。咀嚼不同食物和在咀嚼過程中的不同階段，人類的咀嚼軌跡是不斷變化的。這里咀嚼模擬機(jī)器人通過調(diào)節(jié)四桿機(jī)構(gòu) 1 中的地桿尺寸和上牙平臺(tái)的位置，實(shí)現(xiàn)咀嚼運(yùn)動(dòng)咬合點(diǎn)位置的變化，通過軌跡角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 2 實(shí)現(xiàn)軌跡傾角的變化?？紤]到地桿尺寸的可變性，采用導(dǎo)螺桿形式。上牙位置主要通過錐齒輪機(jī)構(gòu) 5 的傳動(dòng)，使上牙平臺(tái)在螺紋桿件上上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上牙位置的調(diào)節(jié)。為了保證上牙平臺(tái)移動(dòng)的穩(wěn)定性，在機(jī)器兩側(cè)分別設(shè)計(jì)了相同的螺紋桿件，通過鏈輪結(jié)構(gòu)將錐齒輪的力等效的傳給平臺(tái)兩端。
咀嚼模擬機(jī)器人主要靠四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)人類的咀嚼軌跡。在前期工作中，通過試驗(yàn)分析得出咀嚼軌跡類似水滴形狀，近似于六段圓弧擬合而成的曲線，六段圓弧分別為最高點(diǎn)處、最低點(diǎn)處、左側(cè)曲線、右側(cè)兩段及向外突出點(diǎn)處。如圖 2.2 所示。咀嚼軌跡的參數(shù)包括：開口角、閉口角、軌跡夾角、垂直開口距離、水平運(yùn)動(dòng)幅度等。開口角是水平線與最高點(diǎn)處圓弧和左側(cè)圓弧切點(diǎn)的切線夾角，閉口角是右側(cè)上段圓弧和最高點(diǎn)處圓弧切點(diǎn)處切線與垂直線的夾角，軌跡夾角為開口角與閉口角的差值，垂直開口距離為最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之間的距離，水平運(yùn)動(dòng)幅度為水平位置最左點(diǎn)與最右點(diǎn)之間的距離。
四桿機(jī)構(gòu)包括曲柄，連桿，搖桿和地桿四個(gè)部分。為了實(shí)現(xiàn)多種咀嚼軌跡，四桿機(jī)構(gòu)中的地桿取值是一個(gè)范圍值，與一般四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，本文需要設(shè)計(jì)一個(gè)地桿尺寸能夠隨時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)的四桿機(jī)構(gòu)。下面對(duì)主要零部件進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。
（1） 曲柄座的設(shè)計(jì)
由于咀嚼裝置考慮到喂料的方便性，采用上下牙齒倒置的結(jié)構(gòu)形式，下牙安裝在機(jī)器的上部，即整個(gè)四桿機(jī)構(gòu)在機(jī)器的上部，上牙安裝在機(jī)器的下部，運(yùn)行中保持不動(dòng)，為食品的喂入過程提供了方便。如圖 2.6 所示為牙齒正常咬合時(shí)的軌跡曲線。圖 2.7 所示為咀嚼軌跡旋轉(zhuǎn) 180°后的曲線，如果將上下牙齒倒置安裝，則機(jī)器產(chǎn)生的軌跡應(yīng)該是牙齒咬合軌跡的倒置形式，本文要讓四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的軌跡如圖 2.7 所示。
為了實(shí)現(xiàn)如圖 2.10 所示的四桿機(jī)構(gòu)安裝位置，曲柄座的設(shè)計(jì)如圖 2.11 所示，曲柄座是將四桿機(jī)構(gòu)固定在機(jī)器上平板的唯一部件，考慮到安裝的穩(wěn)定性，曲柄座的厚度設(shè)計(jì)為 52mm，曲柄座和機(jī)器上平面通過兩個(gè)螺栓和兩個(gè)銷釘分別成對(duì)角線形式緊固，曲柄座的側(cè)面與導(dǎo)螺桿方向平行，與水平面的夾角為 65°。
（2） 曲柄設(shè)計(jì)
考慮到機(jī)器的緊湊性、輕巧型、軸承的最小尺寸、各零件不發(fā)生干涉等諸多因素，本文將曲柄的實(shí)際尺寸初步定義為 10mm。由于曲柄的尺寸很小，不宜采用桿件的形式，這里采用圓盤的形式，如圖 2.12 所示，圓盤中心軸與驅(qū)動(dòng)軸是同軸心，在距離圓盤中心10mm 的位置作孔，通過橫桿連接曲柄和連桿。
圖 2.12 曲柄二維草圖
（3） 地桿設(shè)計(jì)
地桿的尺寸雖然是可以調(diào)節(jié)的，但在四桿機(jī)構(gòu)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，要保持地桿尺寸是固定不變的。在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)之前，對(duì)地桿尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)軌跡。螺旋傳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)上述要求，在螺旋傳動(dòng)中，導(dǎo)螺桿主要實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的傳遞。本文采用導(dǎo)螺桿作為地桿，采用梯形螺紋，梯形螺紋有自鎖功能，可以保證地桿尺寸在機(jī)器運(yùn)行過程中保持不變。如圖 2.13 所示為導(dǎo)螺桿二維草圖，導(dǎo)螺桿上軸徑最大的部分全部切削梯形螺紋。
（4） 連桿設(shè)計(jì)
為了避免在四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中，各桿件會(huì)產(chǎn)生干涉，對(duì)四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬裝配，在“布局”中選擇“干涉檢查”，通過不斷的設(shè)計(jì)改進(jìn)，最終確定連桿的形式如圖 2.14 所示。由于連桿內(nèi)部要安裝滾動(dòng)軸承，根據(jù)選擇軸承的尺寸，設(shè)計(jì)連桿的厚度為 12mm。
如圖 2.15 所示為四桿機(jī)構(gòu)裝配簡圖，該圖給出了四桿機(jī)構(gòu)在咀嚼模擬機(jī)器人中的安裝形式，此時(shí)的四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡恰能滿足上圖 2.7 要求實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。圓盤式曲柄 5在驅(qū)動(dòng)軸的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，支撐桿 11 使搖桿座 8 在橫向移動(dòng)過程中保持方向不變，擋板 9在四桿機(jī)構(gòu)中起到固定導(dǎo)螺桿和支撐桿的作用。
3.2軌跡角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)
根據(jù)前期工作中對(duì)咀嚼試驗(yàn)軌跡的分析和總結(jié)，人類在咀嚼過程的開始階段是垂直咬合，也被稱為切碎階段，用來將大塊的食物破碎成小塊的食物，當(dāng)食品顆粒的大小滿足在臼齒上進(jìn)行咀嚼時(shí)，咀嚼運(yùn)動(dòng)進(jìn)入到研磨階段，在研磨階段，臼齒通過邊緣鋒利的齒尖切碎食物。在切碎階段，矢狀面上軌跡與垂直面的夾角為 26.56°～36.52°，在研磨階段，矢狀面上軌跡與垂直面的夾角為 32.74°～35.75°，Xu WL 等人獲得的咀嚼軌跡在矢狀面上與垂直咬合軌跡的夾角近似 30°，且在矢狀面上軌跡近似于一條直線。
目前，設(shè)計(jì)的平面四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的軌跡是垂直方向的。要想滿足與垂直面成 30°的要求，需要設(shè)計(jì)一個(gè)軌跡角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。軌跡角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的工作原理是改變四桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的軌跡運(yùn)動(dòng)平面，如圖 2.16 所示是軌跡角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的二維裝配簡圖，該機(jī)構(gòu)通過固定小塊焊接在頂板上，銷軸起到銷釘?shù)淖饔?，?dǎo)向桿 4 可以以銷軸為原點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到角度控制的作用，當(dāng)機(jī)構(gòu)的角度調(diào)節(jié)到合適位置時(shí)，通過固定桿 7 將該機(jī)構(gòu)固定在機(jī)器的豎板上，滑塊 5 內(nèi)部有整體軸套，使其可以在導(dǎo)向桿上上下移動(dòng)，底端固定塊和底端固定橫軸起到穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的作用。牙齒導(dǎo)向桿 9 與減震器機(jī)構(gòu)通過整體軸套連接，當(dāng)角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與垂直面夾角為 30°時(shí)，牙齒導(dǎo)向桿 9 帶動(dòng)減震器機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡傾角的改變。
4 傳動(dòng)齒輪零件的設(shè)計(jì)計(jì)算(用于四桿偏心振動(dòng))
4.1 電機(jī)的選擇
考慮到該工況條件下，電機(jī)的要求不高，選擇北京和利時(shí)電機(jī)電器廠的86BYG250CN型步進(jìn)電機(jī)。
北京和利時(shí)電機(jī)電器有限公司的一些步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參如表3.1。
表3.1 步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品系列及技術(shù)參數(shù)
型號(hào)
相數(shù)
步距角
(DEG.)
電壓
(V)
電流
(A)
靜轉(zhuǎn)矩
(N.m)
空載運(yùn)行頻率
(KHZ)
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
(Kg.cm2)
備注
86BYG250AN
2
0.9°/1.8°
110
3.6
2.4
≥15
0.56
86BYG250BN
2
0.9°/1.8°
110
4
5.0
≥15
1.2
86BYG250CN
2
0.9°/1.8°
110
5
7.0
≥15
4.28
北京和利時(shí)電機(jī)電器有限公司86BYG250CN型步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線如圖3.3。
圖3.3 運(yùn)行矩頻特性
由計(jì)算得到所需：
=6.86Nm，137.7r/min
該電機(jī)可以滿足要求。
北京和利時(shí)電機(jī)電器有限公司86BYG250CN型步進(jìn)電機(jī)的外型簡圖如圖3.4。
圖3.4 步進(jìn)電機(jī)外形簡圖
根據(jù)前面計(jì)算，選擇北京和利時(shí)電機(jī)電器廠的86BYG250CN型步進(jìn)電機(jī)。
由電機(jī)輸出軸尺寸選擇TL2型彈性套柱銷聯(lián)軸器，主從動(dòng)端均選用型軸孔[16]。
4.2 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算過程
按設(shè)計(jì)計(jì)算公式1 選擇齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)。
1）根據(jù)傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。
2）運(yùn)輸機(jī)為一般工作機(jī)器，速度不高，選用7級(jí)精度（GB10095-88）
3）材料選擇 由表(10-1)選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280 HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240 HBS，二者硬度差為40 HBS。
4）初選小齒輪的齒數(shù)，選
2 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)公式（注:腳標(biāo)t表示試選或試 算值,下同.）
（1）確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值
1）試選載荷系數(shù)
2）計(jì)算小齒輪轉(zhuǎn)矩
=6.86Nm，137.7r/min
3）由表10-7選取齒寬系數(shù)（非對(duì)稱布置）
4）由表10-6查取材料彈性影響系數(shù)
5）由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度
6）由式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
（j為齒輪轉(zhuǎn)一圈，同一齒面嚙合次數(shù)；為工作壽命）
7）由圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù)
8）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)為S=1，由式10-12得
（2）計(jì)算
1）試算小齒輪分度圓直徑，代入較小值
由計(jì)算式得，
mm
2）計(jì)算圓周速度
3）計(jì)算齒輪b
4)計(jì)算齒寬與齒高比
模數(shù)
齒輪高
齒高比
5）計(jì)算載荷系數(shù)K
根據(jù)，7級(jí)精度，由圖10-8查得動(dòng)載系數(shù)
由表10-2查得
由表10-4用插值法，7級(jí)精度,小齒輪相對(duì)軸承為非對(duì)稱布置
查得
由 查圖10-13得
故載荷系數(shù)
=1.562
6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算分度圓直徑，由式（10-10a）得
7）計(jì)算模數(shù)
3 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由式（10-5）
（1）確定計(jì)算參數(shù)
1)圖10-20C查得小齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限，大齒輪彎曲疲勞
強(qiáng)度極限為
（a） 由圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)
3)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)由公式(10-12)得
4)算載荷系數(shù) =
5)取齒形系數(shù)，應(yīng)力校正系數(shù)
由表10-5查得
6)比較大小齒輪的大小
大齒輪的數(shù)值大
（2）設(shè)計(jì)計(jì)算
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，終合考慮，滿足兩方面，對(duì)模數(shù)就近取整，則
m=3
4 幾何尺寸計(jì)算
計(jì)算得齒輪的參數(shù)為：
齒輪參數(shù)表
名 稱
計(jì) 算 公 式
結(jié) 果 /mm
模數(shù)
m
3
齒數(shù)
Z1
40
Z2
40
壓力角
n
分度圓直徑
d1
120
d2
120
齒頂圓直徑`
齒根圓直徑
中心距
120
齒 寬
5 減震機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
咀嚼模擬機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)對(duì)食品特性的測量，咀嚼力的控制是尤其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，在人類咀嚼系統(tǒng)中，下頜骨在咀嚼肌的帶動(dòng)下進(jìn)行咀嚼運(yùn)動(dòng)。牙齒咬碎食物時(shí)的力來源于咀嚼肌收縮產(chǎn)生的力，而牙床在上下牙齒咬合的過程中，起到了一定的緩沖作用。為了實(shí)現(xiàn)咀嚼力的要求，本章通過設(shè)計(jì)減震器達(dá)到模擬咀嚼力的目的。
減震器的工作原理是通過彈簧實(shí)現(xiàn)減震的作用，和對(duì)力的控制。如圖 2.18 所示為減震器機(jī)構(gòu)裝配圖，減震器共包括以下幾部分：硬停桿件，引導(dǎo)銷釘，壓縮彈簧，鋁套管。
由于咬合力的上限值為 150N，為了保證彈簧產(chǎn)生的壓縮力不超過 150N，在減震器機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)了硬停桿件 1，保證彈簧壓縮力不會(huì)超過上限值。硬停桿件 1 上設(shè)計(jì)的狹槽起到了高阻尼的作用。引導(dǎo)銷釘 2 在狹槽內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)，大大減少了彈簧 4 的振動(dòng)，彈簧 4 的振動(dòng)會(huì)影響咬合力的執(zhí)行，為了保證彈簧在運(yùn)動(dòng)過程中的穩(wěn)定性，本文將彈簧安裝在鋁制套管 3 中。狹槽的設(shè)計(jì)尺寸是根據(jù)彈簧的壓縮長度來設(shè)計(jì)的，在下面的設(shè)計(jì)中，彈簧壓縮 10mm 時(shí)能夠使工作載荷達(dá)到 150N，所以狹槽的設(shè)計(jì)保證引導(dǎo)銷釘可以在狹槽內(nèi)向上移動(dòng) 10mm 的距離。另外，在彈簧和硬停桿件之間可以添加薄片來增加彈簧的安裝載荷，以提供可變的咀嚼力。
5.1 彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算
彈簧是整體設(shè)計(jì)不可或缺的部分，以下為彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算步驟[17]。
（1）現(xiàn)選用碳素彈簧鋼絲（GB4357-89C級(jí)）第Ⅲ類彈簧。設(shè)鋼絲直徑d=4mm。
取G=82000MPa，查表得MPa。
MPa
（2）確定鋼絲直徑
取旋繞比
曲度系數(shù)
絲杠直徑計(jì)算公式：
（4.2）
其中——彈簧的工作拉力，這里取N。
各數(shù)據(jù)代入公式（4.3）得：
mm
取d=4mm。
彈簧中徑: mm
查表取D=25mm,,K=1.24mm。
mm
與原值相近。取d=4mm。此時(shí)D=25mm是標(biāo)準(zhǔn)值。
彈簧內(nèi)徑: mm
彈簧外徑: mm
（3）計(jì)算彈簧剛度
（4.3）
式中：
——彈簧的工作拉力，這里取N；
——與對(duì)應(yīng)的彈簧長度，mm；
——與對(duì)應(yīng)的彈簧長度，mm（見圖4.5）。
代入公式得：
N/mm
（4）計(jì)算彈簧圈數(shù)
（4.4）
代入各數(shù)據(jù)得：
圈
取n=95圈
（6）彈簧初拉力
N
（7） 極限工作應(yīng)力
取
則MPa
（8） 極限工作載荷
N
（9）計(jì)算彈簧的變形
（4.5）
式中：
——變形量；
——與形變對(duì)應(yīng)的拉力。
將分別代入公式（4.5）得：
mm
mm
（10）特性校核
基本滿足要求。
（11）計(jì)算其他結(jié)構(gòu)參數(shù)
（4.6）
（4.7）
式中：
——自由長度；
——螺旋角；
——彈簧節(jié)距，mm。
代入數(shù)據(jù)得：
自由長度：
mm
彈簧變形后長度：
mm
mm
根據(jù)以上計(jì)算，選定的有關(guān)參數(shù)為：
材料為碳素彈簧鋼絲，鋼絲直徑為4mm，旋繞比為6.25，彈簧中徑25mm，彈簧右旋，螺旋角為，自由長度為434mm。
5.2 上牙移動(dòng)平臺(tái)（錐齒輪傳動(dòng)）
在四桿機(jī)構(gòu)咀嚼裝置中，采用上下牙齒倒置的安裝方式，方便了食品的喂入和食品顆粒的采集。附帶仿真下牙的四桿機(jī)構(gòu)位于機(jī)器的上部，用來實(shí)現(xiàn)咀嚼軌跡。上牙在四
桿機(jī)構(gòu)的下方，負(fù)責(zé)收集食品顆粒。在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)之前，對(duì)四桿機(jī)構(gòu)中的地桿尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)調(diào)節(jié)上牙的位置，保證上下牙齒準(zhǔn)確咬合。因此，在設(shè)計(jì)上牙的過程中，要保證上牙是隨時(shí)可以進(jìn)行調(diào)節(jié)的。
本文采用錐齒輪嚙合傳動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)上牙移動(dòng)平臺(tái)的調(diào)節(jié)，如圖 2.22 所示。在上牙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中安裝四個(gè)整體軸套，與機(jī)器的四個(gè)支撐桿件配合實(shí)現(xiàn)可以上下滑動(dòng)的功能。在機(jī)器兩側(cè)設(shè)計(jì)兩個(gè)螺紋桿件，用來控制上牙移動(dòng)平臺(tái)的位置，并起到鎖定的作用。由
于上牙附著板板面較大，錐齒輪設(shè)計(jì)在一側(cè)，調(diào)節(jié)上牙附著板時(shí)穩(wěn)定性會(huì)受到影響。為了保證板面的平行上調(diào)，設(shè)計(jì)了鏈傳動(dòng)，用來實(shí)現(xiàn)平板的平穩(wěn)上調(diào)。
根據(jù)工作要求，將最末端的傳動(dòng)設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)直齒圓錐齒輪傳動(dòng)，考慮到可能圓錐小齒輪齒根圓到鍵槽底部的距離，所以將圓錐小齒輪與軸設(shè)計(jì)成一體，圓錐大齒輪單獨(dú)設(shè)計(jì)，材料選用45鋼。由于選用的是閉式硬齒面齒輪，齒輪齒面磨損和彎曲疲勞折斷是主要的失效形式，因此設(shè)計(jì)這類齒輪傳動(dòng)時(shí)按彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，宜選取較小的齒數(shù)，可取17～20[15]。
（a）估算齒輪主要參數(shù)及尺寸
齒數(shù),：
齒數(shù)比，所以選擇,則。
齒寬系數(shù)：
，取。齒寬系數(shù)不宜取過大，避免引起小端齒頂過薄，齒根圓角半徑過小，應(yīng)力集中過大。
根據(jù)手冊(cè)[16]，按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算小齒輪大端分度圓直徑和大端模數(shù)：
（3.27）
式中：
—齒輪傳遞的扭矩；
—工況系數(shù)；
—?jiǎng)虞d系數(shù)；
—齒寬系數(shù)；
—試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力；
查手冊(cè)[16]得到，,,MPa。
由于 N·m，,。
將數(shù)據(jù)代入得到小齒輪大端分度圓直徑mm。
大端模數(shù)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)分度圓模數(shù)，取。
圓錐齒輪主要尺寸計(jì)算[16]：
（3.28）
（3.29）
（3.30）
（3.31）
（3.32）
（3.33）
（3.34）
式中：
—大端分度圓直徑；
、—節(jié)錐角；
—錐距；
—中點(diǎn)分度圓直徑；
—當(dāng)量齒數(shù)；
—平均模數(shù)。
齒寬，取mm。
將數(shù)據(jù)代入計(jì)算得：mm
mm
mm
mm
mm
中點(diǎn)分度圓上的圓周力N。
（b）按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核
計(jì)算接觸用單位齒寬上的載荷
MPa （3.35）
查[16]手冊(cè)，，—齒向載荷分布系數(shù)，==1.2。
計(jì)算接觸疲勞應(yīng)力
MPa （3.36）
計(jì)算齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力
（3.37）
式中：
—壽命系數(shù)；
—潤滑劑系數(shù)；
—齒面光潔度系數(shù)；
—速度系數(shù)；
—工作硬化系數(shù)；
—尺寸系數(shù)。
查手冊(cè)[16]得到，，。
所以，MPa。
計(jì)算接觸安全系數(shù)
，安全系數(shù)較高。所以，接觸疲勞強(qiáng)度滿足，參數(shù)合理。
（c）按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核
計(jì)算彎曲用單位齒寬上的載荷
MPa
變位系數(shù)
取，則。
應(yīng)力集中校正系數(shù)
由及可查表得，由及可查表得。
齒形系數(shù)
由，據(jù)及可查表得，由及可查表得，而，所以：，。
彎曲計(jì)算應(yīng)力
根據(jù)公式：
（3.38） （3.39）
將數(shù)據(jù)代入計(jì)算得：MPa
MPa
取安全系數(shù)
查[16]手冊(cè)，得彎曲疲勞壽命系數(shù)，。
查[16]手冊(cè)，得彎曲疲勞極限為MPa，MPa。
許用應(yīng)力：
（3.40）
（3.41）
將數(shù)據(jù)代入計(jì)算得：MPa
Mpa
因此、，彎曲疲勞強(qiáng)度滿足，參數(shù)合理[17]。
5.3 軸結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)
考慮到軸的載荷較大，材料選用45,熱處理調(diào)質(zhì)處理,取材料系數(shù)
所以,有該軸的最小軸徑為:
考慮到鍵槽的影響，所以dmin取值為17MM,具體結(jié)構(gòu)如下：
5.4 軸的受力分析及計(jì)算
軸的受力模型簡化(見圖7)及受力計(jì)算
圖 軸的受力分析知：
5.5 軸承的壽命校核
鑒于調(diào)整間隙的方便,軸承均采用正裝.預(yù)設(shè)軸承壽命為3年即12480h.
校核步驟及計(jì)算結(jié)果見下表:
表1 軸承壽命校核步驟及計(jì)算結(jié)果
計(jì)算步驟及內(nèi)容
計(jì)算結(jié)果
6014
A端
B端
由手冊(cè)查出Cr、C0r及e、Y值
Cr=98.5kN
C0r=86.0kN
e=0.68
計(jì)算比值Fa/Fr
FaA /FrA
e
確定X、Y值
XA=1 YA =0
查載荷系數(shù)fP
1.2
計(jì)算當(dāng)量載荷
P=Fp(XFr+YFa)
PA=5796.24 PB=6759.14
計(jì)算軸承壽命
763399h
大于
12480h
由計(jì)算結(jié)果可見軸承6014AC、6007均合格，最終選用軸承6014。
5.6 軸的強(qiáng)度校核
經(jīng)分析知C、D兩處為可能的危險(xiǎn)截面，
現(xiàn)來校核這兩處的強(qiáng)度：
（1）、合成彎矩
（2）、扭矩T圖
（3）、當(dāng)量彎矩
（4）、校核
由手冊(cè)查材料45的強(qiáng)度參數(shù)
C截面當(dāng)量彎曲應(yīng)力：
由計(jì)算結(jié)果可見C截面安全。
5.7 各軸鍵、鍵槽的選擇及其校核
因減速器中的鍵聯(lián)結(jié)均為靜聯(lián)結(jié),因此只需進(jìn)行擠壓應(yīng)力的校核.
一、 電機(jī)鍵的選擇及校核:
帶輪處鍵:按照帶輪處的軸徑及軸長選 鍵B8X7,鍵長50,GB/T1096
聯(lián)結(jié)處的材料分別為: 45鋼(鍵) 、40Cr(軸)
(1) 剛輪處鍵: 按照輪轂處的軸徑及軸長選 鍵B14X9GB/T1096
聯(lián)結(jié)處的材料分別為: 20Cr (輪轂) 、45鋼(鍵) 、20Cr(軸)
此時(shí), 鍵聯(lián)結(jié)合格.
(2)輸出軸處鍵: 按照聯(lián)軸器處的軸徑及軸長選 鍵16X10,鍵長100,GB/T1096
聯(lián)結(jié)處的材料分別為: 45鋼 (聯(lián)軸器) 、45鋼(鍵) 、45(軸)
其中鍵的強(qiáng)度最低,因此按其許用應(yīng)力進(jìn)行校核,查手冊(cè)其
該鍵聯(lián)結(jié)合格.
6 整機(jī)虛擬裝配
與四桿機(jī)構(gòu)共同構(gòu)成整個(gè)咀嚼裝置的其他機(jī)構(gòu)包括動(dòng)力傳遞齒輪機(jī)構(gòu)、角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、減震器機(jī)構(gòu)、上牙移動(dòng)平臺(tái)、運(yùn)動(dòng)傳遞錐齒輪機(jī)構(gòu)等。如圖 2.42 所示為咀嚼模擬機(jī)器人虛擬樣機(jī)裝配圖。整機(jī)在裝配過程中采用自上而下的裝配方法，對(duì)部分零件采用了簡易模型，如帶傳動(dòng)等。直齒圓柱齒輪和錐齒輪均采用機(jī)械配合中的“齒輪傳動(dòng)”，以保證虛擬樣機(jī)仿真運(yùn)動(dòng)的真實(shí)性。電機(jī)接通電源后將動(dòng)力通過齒輪傳遞給四桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)軸，在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，軌跡角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 6 被固定在側(cè)面的平板上，保持不動(dòng)。
當(dāng)裝置需要咀嚼不同食物時(shí)，咀嚼軌跡會(huì)發(fā)生變化，由于四桿機(jī)構(gòu)的位置是固定不變的，為了保證上下牙齒能準(zhǔn)確咬合，通過調(diào)節(jié)錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 5 使上牙移動(dòng)平臺(tái)上移或下降。在錐齒輪下方設(shè)計(jì)帶傳動(dòng)的目的是提高上牙移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)過程中的穩(wěn)定性。
總結(jié)與展望
總結(jié)本文對(duì)機(jī)械手的口腔咀嚼模擬機(jī)器人結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)口腔咀嚼模擬機(jī)器人進(jìn)行了性能分析。
由于作者的水平有限，而且對(duì)有些相關(guān)學(xué)科，如傳感器技術(shù)、控制技術(shù)等并不是很了解，仍有許多問題需要解決，還有許多問題值得進(jìn)一步討論和更加深入的研究與展望：
(1)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題
在機(jī)械手設(shè)計(jì)過程中，包括口腔咀嚼模擬機(jī)器人，采用模塊化設(shè)計(jì)，不同功能結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，各模塊之間連接采用最優(yōu)方式。但是在模塊各零件設(shè)計(jì)過程中，各參數(shù)計(jì)算選擇主要從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度要求出發(fā)，很多零件為了匹配，比實(shí)際需求尺寸大很多。包括一些非關(guān)鍵零件設(shè)計(jì)，均是根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，選擇尺寸。這種設(shè)計(jì)不僅增加了整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量，同時(shí)增加了電機(jī)負(fù)載，造成了資源浪費(fèi)。
（2）計(jì)算機(jī)的有限元的分析沒有做。通過對(duì)計(jì)算機(jī)有限元軟件的更深層次挖掘，對(duì)零件的強(qiáng)度和剛度和臂部的力學(xué)分析，會(huì)得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)。這個(gè)以后可以作為后續(xù)學(xué)習(xí)的方向。
(3) 口腔咀嚼模擬機(jī)器人自主控制系統(tǒng)的建立有待于進(jìn)一步研究，以及它的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，路徑規(guī)劃技術(shù)，實(shí)時(shí)視覺技術(shù)，定位和導(dǎo)航技術(shù)，多傳感集成和數(shù)據(jù)融合技術(shù)，高性能計(jì)算技術(shù)，無線通信與因特網(wǎng)技術(shù)問題也是多個(gè)有待研究的方面。
機(jī)械手在未來生活中應(yīng)用將會(huì)越來越廣。包括在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用將是發(fā)展的必然趨勢，也是我國國防科技行業(yè)重點(diǎn)支持的方向之一。通過對(duì)機(jī)械手口腔咀嚼模擬機(jī)器