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哈尔滨理工大学毕业设计（论文）任务书学生姓名：王颢然 学号：学 院：机械动力工程学院 专业：机械设计制造及其自动化任务起止时间：2015年3月2日至2015年6月19日毕业设计（论文）题目：口腔咀嚼模拟机器人机械设计及仿真毕业设计工作内容：1. 查阅资料，了解口腔咀嚼模拟机器人的原理和结构（2周）。2. 完成口腔咀嚼模拟机器人的总体方案设计。（2周）。3. 完成具体结构设计，选择电机、传感器、传动机构等关键的零部件（4周）。4. 用UG或者Pro/E等三维设计软件完成机器人的三维设计及仿真，完成主要结构的CAD图形设计（3周）。5. 完成必要的强度、刚度等校核计算（3周）。6. 资料整理和毕业论文的撰写（2周）。资料：1. 蔡自兴. 机器人学M. 北京: 清华大学出版社, 2009.2. 詹友刚. Pro/ENGINEER中文野火版5.0快速入门教程（修订版）M. 北京: 机械工业出版社, 2013.3. 张卫东. AutoCAD2014中文版从入门到精通M. 北京: 机械工业出版社, 2013.4. 邓末宏，龙星，李小丹. 正常人群下颌运动轨迹的研究J. Journal of Oral Science Research, 2005, 10(5)5. 丛明，刘同占，温海营等. 一种新型仿下颌运动机器人设计及运动性能分析J.机器人：2013,35（2）.6. 陈丽. Stewart 平台 6-DOF 并联机器人完整动力学模型的建立J. 燕京大学学报，2004,28（3）.兄弟麻烦尽快，谢谢了哈尔滨理工大学学士学位论文 XX学院毕业设计说明书(论文)口腔咀嚼模拟机器人机械设计及仿真作 者:学 号：学院(系):专 业:题 目: 2015 年6月口腔咀嚼模拟机器人机械设计及仿真摘 要机械手是一种典型的机电一体化产品，口腔咀嚼模拟机器人是机械手研究领域的热点。研究口腔咀嚼模拟机器人需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知识，同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。本文对一种使用在口腔咀嚼模拟机器人的结构进行设计，并完成总装配图和零件图的绘制。要求对机械手模型进行力学分析，估算各关节所需转矩和功率，完成电机和减速器的选型。其次从电机和减速器的连接和固定出发，设计关节结构，并对机构中的重要连接件进行强度校核。关键词结构设计，机器臂，结构分析Mechanical design and Simulation of the oral chew simulation robotAbstractThe 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 录摘 要IIAbstractIII1 绪论11.1引言11.2 口腔咀嚼模拟机器人研究概况11.2.1 国外研究现状11.2.2 国内研究现状21.3 口腔咀嚼模拟机器人的总体结构31.4 主要内容32 总体方案设计42.1 机械手工程概述42.2 工业机械手总体设计方案论述42.3 机械手机械传动原理52.4 机械手总体方案设计62.5 本章小结63 四杆机构结构分析与设计83.1 各部件组成和功能描述83.2轨迹角度调节机构114 传动齿轮零件的设计计算(用于四杆偏心振动)134.1 电机的选择134.2 齿轮的设计计算过程145 减震机构的设计185.1 弹簧的设计计算185.2 上牙移动平台（锥齿轮传动）215.3 轴结构尺寸设计245.4 轴的受力分析及计算255.5 轴承的寿命校核265.6 轴的强度校核265.7 各轴键、键槽的选择及其校核276 整机虚拟装配28总结与展望29致 谢30参考文献311 绪论1.1 引言机械手是一种典型的机电一体化产品，口腔咀嚼模拟机器人是机械手研究领域的热点。研究口腔咀嚼模拟机器人需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知识，同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。机械手是口腔咀嚼模拟机器人的一种。1959年，世界上诞生了第一台工业机械手，开创了机械手发展的新纪元。随着科学技术的发展，口腔咀嚼模拟机器人的研究与应用迅猛发展。世界著名机械手专家、日本早稻田大学的加藤一郎教授说过：“机械手应当具有的最大特征之一是功能”。其中双足是方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。伟大的发明家爱迪生也曾说过这样一句话：“上帝创造人类，两条腿是最美妙的杰作”。系统具有非常丰富的动力学特性，对的环境要求很低，既能在平地上，也能在非结构性的复杂地面上，对环境有很好的适应性。功能的具备为扩大机械手的应用领域开辟了无限广阔的前景。研究机械手的原因和目的，主要有以下几个方面：希望研制出机构，使它们能在许多结构和非结构环境中，以代替人进行作业或延伸和扩大人类的活动领域；希望更多得了解和掌握人类得特性，并利用这些特性为人类服务，例如：人造假肢。系统具有丰富的动力学特性，在这方面的研究可以拓宽力学及机械手的研究方向；机械手可以作为一种智能机械手在人工智能中发挥重要的作用。，口腔咀嚼模拟机器人的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机械手协会给口腔咀嚼模拟机器人下的定义：口腔咀嚼模拟机器人是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对口腔咀嚼模拟机器人作如下定义：口腔咀嚼模拟机器人是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。是可进行自动喷漆或关节其他涂料的工业机械手。口腔咀嚼模拟机器人以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。口腔咀嚼模拟机器人是在计算机控制下可编程的自动机器。采用口腔咀嚼模拟机器人是提高产品质量与劳动生产率，实现生产过程自动化，改善劳动条件，减轻劳动强度的一种有效手段。机械手的诞生和发展虽只有30多年的历史，但它已应用到国民经济，民事技术等众多的领域，具有广阔的应用和发展前景，显示出强大的生命力1-2。1.2 口腔咀嚼模拟机器人研究概况1.2.1 国外研究现状最早系统地研究人类和动物运动原理的是Muybridge，他发明了电影用的独特摄像机，即一组电动式触发照相机，并在1877年成功地拍摄了许多四足动物和奔跑的连续照片。后来这种采用摄像机的方法又被Demeny用来研究人类的运动。从本世纪30年代到50年代，苏联的Bernstein从生物动力学的角度也对人类和动物的机理进行深入的研究，并就运动作了非常形象化的描述。真正全面、系统地开展机械手的研究是始于本世纪60年代迄今，不仅形成了机械手一整套较为完善的理论体系，而且在一些国家，如日本、美国和苏联等都已研制成功了能静态或动态的机械手样机。这一部分，我们主要介绍队60年代到1985年这一时期，在机械手领域所取得的最重要进展。在60年代和70年代，对机械手控制理论的研究产生了3种非常重要的控制方法，即有限状态控制、模型参考控制和算法控制。这3种控制方法对各种类型的机械手都是适用的。有限状态控制是由南斯拉夫的Tomovic在1961年提出来的 ，模型参考控制是由美国的Farnsworth在1975年提出来的，而算法控制则是由南斯拉夫米哈依罗鲍宾研究所著名的机械手学专家Vukobratovic博士在1969年至1972年问提出来的。这3种控制方法之间有一定的内在联系。有限状态控制实质上是一种采样化的模型参考控制，而算法控制则是一种居中的情况1。在步态研究方面，苏联的Bessonov和Umnov定义了“最优步态”，Kugushev和Jaro-shevskij定义了自由步态。这两种步态不仅适应于而且也适应于多足机械手。其中，自由步态是相对于规则步态而言的。如果地面非常粗糙不平，那么机械手在时，下一步脚应放在什么地方，就不能根据固定的步序来考虑，而是应该象登山运动员那样走一步看一步，通过某一优化准则来确定，这就是所谓的自由步态。在机械手的稳定性研究方面，美国的Hemami等人曾提出将系统的稳定性和控制的简化模型看作是一个倒立振子(倒摆)，从而可以将的前进运动解释为使振子直立的问题。此外，从减小控制的复杂性考虑，Hemami等人还曾就机械手的“降阶模型”问题进行了研究。前面我们曾指出Vukobratovic也对类人型系统进行了能量分析，但他仅限于导出各关节及整个系统的功率随时间的变化关系，并没有过多地涉及能耗最优这个问题但在他的研究中，Vukobratovic得出了一个有用的结论，即姿态越平滑，类人型系统所消耗的功率就越少。1.2.2 国内研究现状国内机械手的研制工作起步较晚，我国是从20世纪80年代开始机械手领域的研究和应用的。1986年，我国开展了“七五”机械手攻关计划，1987年，我国的“863”高技术计划将机械手方面的研究开发列入其中。目前我国从事机械手研究与应用开发的单位主要是高校和有关科研院所等。最初我国进行机械手技术研究的主要目的是跟踪国际先进的机械手技术，随后取得了一定的成就。哈尔滨工业大学自1986年开始研究机械手，先研制成功静态双足机械手HIT-I，高 110cm，重70kg，有10个自由度，实现平地上的前进、左右侧行以及上下楼梯的运动，步幅45cm，步速为10秒/步，后来又相继研制成功了HIT-II和HIT-III，重42kg，高 103cm，有12个自由度，实现了步长24cm，步速2.3步每秒的。目前正在研制的HI下IV机械手，全身可有52个自由度，其在运动速度和平衡性方面都优于前三型机械手37。国防科技大学在1988年春成功地研制了一台平面型6自由度的双足机械手KDW-1，它能前进、后退和上下楼梯，最大步幅为40cm，步速为4步每秒，1989年又研制出空间型 KDW-II，有10个自由度，高69cm，重13kg实现进退、上下台阶的静态稳定以及左右的准动态。1990年在KDW-II的平台上增加两个垂直关节，发展成KDW-III，有12个自由度，具备了转弯功能，实现了实验室环境的全方位。1995年实现动态，步速0.8步每秒，步长为20cm22cm，最大斜坡角度达13度。2000年底在KDW-III的基础上研制成功我国首台仿人形机械手“先行者”，动态，可在小偏差、不确定的环境，周期达每秒两步，高1.4m，重20kg，有头、眼、脖、身躯、双臂、双足，且具备一定的语言功能813。此外，清华大学正在研制仿人形机械手THBIP-I，高1.7m，重130kg，32个自由度，在清华大学985计划的支持下，项目也在不断取得进展。南京航空航天大学曾研制了一台8自由度空间型机械手，实现静态功能13,14。本课题源于“第一届全国大学生机械创新设计大赛”中机械手。目前，机械手大多以轮子的形式实现功能阶段。真正模仿人类用腿走路的机械手还不多，虽有一些六足、四足机械手涌现，但是机械手还是凤毛麟角。我们这个课题，探索设计仅靠巧妙的机械装置和简单的控制系统就能实现模拟人类的机械手。其分功能有：交替迈腿、摇头、摆大臂、摆小臂。1.3 口腔咀嚼模拟机器人的总体结构口腔咀嚼模拟机器人的组成及各部分关系概述：它主要由机械系统(执行系统、驱动系统)、控制检测系统及智能系统组成。(1) 执行系统：执行系统是口腔咀嚼模拟机器人完成关节工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。(a) 末端执行器：机械手为了进行作业而配置的操作机构，直接喷漆工件。(b) 腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变末端执行器的工作方位。(c) 臂部：联接机座和手部的部分，是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理管理荷重，改变手部的空间位置，满足机械手的作业空间，将各种载荷传递到机座。(d) 机身：机械手的基础部分，起支撑作用，是支撑手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。(2) 驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的有机械传动、机电传动、气压传动和电传动。(3) 控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。(4) 检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需 要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。 实践证明，口腔咀嚼模拟机器人可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机械手是有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途4-8。1.4 主要内容第1章 绪论 主要介绍机械手的相关知识和本课题研究的任务和要求.第2章 总体方案设计,介绍该机械手各部分的相关知识和总体设计.第3章 机械手各部分设计的介绍第4章 机械手结构设计2 总体方案设计2.1 机械手工程概述机械手工程是一门跨学科的综合性技术，它涉及到力学、机构学、机械设计、气动液压技术、传感技术、计算机技术和自动控制技术等学科领域。人们将已有学科分支中的知识有效地组合起来用以解决综合性的工程问题的技术称之为“系统工程学”。以机械手设计为例，系统工程学认为，应当将其作为一个系统来研究、开发和运用，从机械手的整体出发来研究其系统内部各组成部分之间的有机联系和系统外部环境的相互关系的一种综合性的设计方法。从系统功能的观点来看，将一部复杂的机器看成是一个系统，它由若干个子系统按一定规律有机地联系在一起，是一个不可分的整体。如果将系统拆开、则将失去作为一个整体的特定功能。因此，在设计一部较复杂的机器时，从机器系统的概念出发，这个系统应具有如下特性：（1） 整体性 由若干个不同性能的子系统构成的一个总的机械系统应具有作为一个整体的特定功能。（2） 相关性 系统内各子系统之间有机联系、有机作用，具有某种相互关联的特性。（3） 目的性 每个系统都应有明确的目的和功能，系统的结构、系统内各子系统的组合方式决定于系统的目的和功能。（4） 环境适应性 任何一个系统都存在于一定的环境中，必须能适应外部环境的变化。因此，在进行机械手设计时，不仅要重视组成机械手系统的各个部件、零件的设计，更应该按照系统工程学的观点，根据机械手的功能要求，将组成机械手系统的各个子系统部件、零件合理地组合，设计出性能优良适于工作需要的机械手产品。在比较复杂的工业机械手系统中大致包括如下:操作机，它是完成机械手工作任务的主体，包括机座、手臂、手腕、末端执行器和机构等。驱动系统，它包括作为动力源的驱动器，驱动单元，伺服驱动系统由各种传动零、部件组成的传动系统。控制系统，它主要包括具有运算、存储功能的电子控制装置（计算机或其他可编程编辑控制装置），人机接口装置（键盘、示教盒等），各种传感器的信息放大、传输和处理装置，传感器、离线编程、设备的输入/输出通讯接口，内部和外部传感器以及其他通用或专用的外围设备14。工业机械手的特点在于它在功能上的通用性和重新调整的柔性，因而工业机械手能有效地应用于柔性制造系统中来完成传送零件或材料，进行装配或其他操作。在柔性制造系统中，基本工艺设备（如数控机床、锻压、焊接、装配等生产设备）、辅助生产设备、控制装置和工业机械手等一起形成了各种不同形式地工业机械手技术综合体地工业机械手系统。在其他非制造业地生产部门，如建筑、采矿、交通运输等生产领域引用机械手系统亦是如此。2.2 工业机械手总体设计方案论述（一） 确定负载目前，国内外使用的工业机械手中，负载能力的范围很大，最小的额定负载在5N以下，最大可达9000N。负载大小的确定主要是考虑沿机械手各运动方向作用于机械接口处的力和扭矩。其中应包括机械手末端执行器的重量、关节工件或作业对象的重量和规定速度和加速度条件下，产生的惯性力等。由本次设计给的设计参数可初估本次设计属于小负载。（二） 驱动方式由于伺服电机具有控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，对环境没有影响，体积小，效率高，适用于运动控制要求严格的中、小型机械手等特点，故本次设计采用了伺服电机驱动（三）传动系统设计机械手传动装置中应尽可能做到结构紧凑、重量轻、转动惯量和体积小，在传动链中要考虑采用消除间隙措施，以提高机械手的运动和位置控制精度。在机械手中常采用的机械传动机构有齿轮传动、蜗杆传动、滚珠丝杠传动、同步齿形带传动、链传动、行星齿轮传动、谐波齿轮传动和钢带传动等，由于齿轮传动具有效率高，传动比准确，结构紧凑、工作可靠、使用寿命长等优点，且大学学习掌握的比较扎实，故本次设计选用齿轮传动。（四）工作范围工业机械手的工作范围是根据工业机械手作业过程中操作范围和运动轨迹来确定，用工作空间来表示的。工作空间的形状和尺寸则影响机械手的机械结构坐标形式、自由度数和操作机各手臂关节轴线的长度和各关节轴转角的大小及变动范围的选择（五） 运动速度机械手操作机手臂的各个动作的最大行程确定后，按照循环时间安排确定每个动作的时间，就能进一步确定各动作的运动速度，用m/s或（）/s表示，各动作的时间分配要考虑多方面的因素，例如总的循环时间的长短，各动作之间顺序是依序进行还是同时进行等。应试做各动作时间的分配方案表，进行比较，分配动作时间除考虑工艺动作的要求外，还应考虑惯性和行程的大小，驱动和控制方式、定位方式和精度等要求。2.3 机械手机械传动原理该方案结构设计与分析该口腔咀嚼模拟机器人的本体结构组成如图 口腔咀嚼模拟机器人本体组成 本文设计的基于四杆机构的咀嚼模拟机器人用来模拟人类第一颗切牙的咀嚼运轨迹。通过分析人类咀嚼运动过程，人体的头部在咀嚼过程中是作为刚体保持不动的，而下颌通过上下往复运动完成咀嚼过程。考虑到设计的方便性和机器运转的稳定性，采用上下牙齿倒置的方式进行设计，即将带动下牙运动的四杆机构安装在机器的顶部，将运动过程中保持不动的上牙安装在四杆机构的下方。如图 所示为咀嚼模拟机器人机构简图。2.4 机械手总体方案设计工业机械手的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下3。(1) 直角坐标机械手结构 直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-1(a)由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机械手有可能达到很高的位置精度（m级）。但是，这种直角坐标机械手的运动空间相对机械手的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机械手的结构尺寸要比其他类型的机械手的结构尺寸大得多。直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体。直角坐标机械手主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机械手有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。(2) 圆柱坐标机械手结构圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1(b)。这种机械手构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。(3) 球坐标机械手结构球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-1(c)。这种机械手结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。(4) 关节型机械手结构关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1(d)。关节型机械手动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机械手本体尺寸，其工作空间比较大。此种机械手在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机械手。关节型机械手结构，有水平关节型和垂直关节型两种。(a) 直角坐标型 (b) 圆柱坐标型 (c) 球坐标型 (d) 关节型图2-1 四种机械手坐标形式根据任务书要求和具体实际我们选择的是(d) 关节型。具体到本设计考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。2.5 本章小结本章主要完成对机械手系统设计,通过多种方案的选择来确定最终要确定的方案. 确定了机械手的总体设计方案后，就要针对机械手的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个部分进行详细设计。3 四杆机构结构分析与设计3.1 各部件组成和功能描述四杆机构 1 与机器的顶部成一定角度的固定，该角度的取值是根据四杆机构形成的运动轨迹与咀嚼试验轨迹相差的角度决定的，在下文中做具体的介绍。当曲柄转动时，减震器机构 3 做咀嚼运动，上牙移动平台 4 在运行过程中是保持不动的，当曲柄与连杆的最长边成一条直线时，减震器机构 3 运动到最低点，与上牙咬合，此时减震器 3 的弹簧处于压缩状态，弹簧的压缩力即为设定的咬合力。咀嚼不同食物和在咀嚼过程中的不同阶段，人类的咀嚼轨迹是不断变化的。这里咀嚼模拟机器人通过调节四杆机构 1 中的地杆尺寸和上牙平台的位置，实现咀嚼运动咬合点位置的变化，通过轨迹角度调节机构 2 实现轨迹倾角的变化。考虑到地杆尺寸的可变性，采用导螺杆形式。上牙位置主要通过锥齿轮机构 5 的传动，使上牙平台在螺纹杆件上上下移动，实现上牙位置的调节。为了保证上牙平台移动的稳定性，在机器两侧分别设计了相同的螺纹杆件，通过链轮结构将锥齿轮的力等效的传给平台两端。咀嚼模拟机器人主要靠四杆机构的运动来实现人类的咀嚼轨迹。在前期工作中，通过试验分析得出咀嚼轨迹类似水滴形状，近似于六段圆弧拟合而成的曲线，六段圆弧分别为最高点处、最低点处、左侧曲线、右侧两段及向外突出点处。如图 2.2 所示。咀嚼轨迹的参数包括：开口角、闭口角、轨迹夹角、垂直开口距离、水平运动幅度等。开口角是水平线与最高点处圆弧和左侧圆弧切点的切线夹角，闭口角是右侧上段圆弧和最高点处圆弧切点处切线与垂直线的夹角，轨迹夹角为开口角与闭口角的差值，垂直开口距离为最高点与最低点之间的距离，水平运动幅度为水平位置最左点与最右点之间的距离。四杆机构包括曲柄，连杆，摇杆和地杆四个部分。为了实现多种咀嚼轨迹，四杆机构中的地杆取值是一个范围值，与一般四杆机构设计不同，本文需要设计一个地杆尺寸能够随时进行调节的四杆机构。下面对主要零部件进行分析和设计。（1） 曲柄座的设计由于咀嚼装置考虑到喂料的方便性，采用上下牙齿倒置的结构形式，下牙安装在机器的上部，即整个四杆机构在机器的上部，上牙安装在机器的下部，运行中保持不动，为食品的喂入过程提供了方便。如图 2.6 所示为牙齿正常咬合时的轨迹曲线。图 2.7 所示为咀嚼轨迹旋转 180后的曲线，如果将上下牙齿倒置安装，则机器产生的轨迹应该是牙齿咬合轨迹的倒置形式，本文要让四杆机构实现的轨迹如图 2.7 所示。为了实现如图 2.10 所示的四杆机构安装位置，曲柄座的设计如图 2.11 所示，曲柄座是将四杆机构固定在机器上平板的唯一部件，考虑到安装的稳定性，曲柄座的厚度设计为 52mm，曲柄座和机器上平面通过两个螺栓和两个销钉分别成对角线形式紧固，曲柄座的侧面与导螺杆方向平行，与水平面的夹角为 65。（2） 曲柄设计考虑到机器的紧凑性、轻巧型、轴承的最小尺寸、各零件不发生干涉等诸多因素，本文将曲柄的实际尺寸初步定义为 10mm。由于曲柄的尺寸很小，不宜采用杆件的形式，这里采用圆盘的形式，如图 2.12 所示，圆盘中心轴与驱动轴是同轴心，在距离圆盘中心10mm 的位置作孔，通过横杆连接曲柄和连杆。图 2.12 曲柄二维草图（3） 地杆设计地杆的尺寸虽然是可以调节的，但在四杆机构整个运动过程中，要保持地杆尺寸是固定不变的。在机器运转之前，对地杆尺寸进行调节，实现不同的运动轨迹。螺旋传动可以实现上述要求，在螺旋传动中，导螺杆主要实现运动的传递。本文采用导螺杆作为地杆，采用梯形螺纹，梯形螺纹有自锁功能，可以保证地杆尺寸在机器运行过程中保持不变。如图 2.13 所示为导螺杆二维草图，导螺杆上轴径最大的部分全部切削梯形螺纹。（4） 连杆设计为了避免在四杆机构运动过程中，各杆件会产生干涉，对四杆机构进行虚拟装配，在“布局”中选择“干涉检查”，通过不断的设计改进，最终确定连杆的形式如图 2.14 所示。由于连杆内部要安装滚动轴承，根据选择轴承的尺寸，设计连杆的厚度为 12mm。如图 2.15 所示为四杆机构装配简图，该图给出了四杆机构在咀嚼模拟机器人中的安装形式，此时的四杆机构运动轨迹恰能满足上图 2.7 要求实现的运动轨迹。圆盘式曲柄 5在驱动轴的带动下运动，支撑杆 11 使摇杆座 8 在横向移动过程中保持方向不变，挡板 9在四杆机构中起到固定导螺杆和支撑杆的作用。3.2轨迹角度调节机构根据前期工作中对咀嚼试验轨迹的分析和总结，人类在咀嚼过程的开始阶段是垂直咬合，也被称为切碎阶段，用来将大块的食物破碎成小块的食物，当食品颗粒的大小满足在臼齿上进行咀嚼时，咀嚼运动进入到研磨阶段，在研磨阶段，臼齿通过边缘锋利的齿尖切碎食物。在切碎阶段，矢状面上轨迹与垂直面的夹角为 26.5636.52，在研磨阶段，矢状面上轨迹与垂直面的夹角为 32.7435.75，Xu WL 等人获得的咀嚼轨迹在矢状面上与垂直咬合轨迹的夹角近似 30，且在矢状面上轨迹近似于一条直线。 目前，设计的平面四杆机构实现的轨迹是垂直方向的。要想满足与垂直面成 30的要求，需要设计一个轨迹角度调节机构。轨迹角度调节机构的工作原理是改变四杆机构产生的轨迹运动平面，如图 2.16 所示是轨迹角度调节机构的二维装配简图，该机构通过固定小块焊接在顶板上，销轴起到销钉的作用，导向杆 4 可以以销轴为原点转动，达到角度控制的作用，当机构的角度调节到合适位置时，通过固定杆 7 将该机构固定在机器的竖板上，滑块 5 内部有整体轴套，使其可以在导向杆上上下移动，底端固定块和底端固定横轴起到稳定机构的作用。牙齿导向杆 9 与减震器机构通过整体轴套连接，当角度调节机构与垂直面夹角为 30时，牙齿导向杆 9 带动减震器机构实现运动轨迹倾角的改变。4 传动齿轮零件的设计计算(用于四杆偏心振动)4.1 电机的选择考虑到该工况条件下，电机的要求不高，选择北京和利时电机电器厂的86BYG250CN型步进电机。北京和利时电机电器有限公司的一些步进电机技术参如表3.1。表3.1 步进电机产品系列及技术参数型号相数步距角(DEG.)电压(V)电流(A)静转矩(N.m)空载运行频率(KHZ)转动惯量(Kg.cm2)备注86BYG250AN20.9/1.81103.62.4150.5686BYG250BN20.9/1.811045.0151.286BYG250CN20.9/1.811057.0154.28北京和利时电机电器有限公司86BYG250CN型步进电机的运行矩频特性曲线如图3.3。图3.3 运行矩频特性由计算得到所需：=6.86Nm，137.7r/min该电机可以满足要求。 北京和利时电机电器有限公司86BYG250CN型步进电机的外型简图如图3.4。图3.4 步进电机外形简图根据前面计算，选择北京和利时电机电器厂的86BYG250CN型步进电机。由电机输出轴尺寸选择TL2型弹性套柱销联轴器，主从动端均选用型轴孔16。4.2 齿轮的设计计算过程 按设计计算公式1 选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数。 1）根据传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。 2）运输机为一般工作机器，速度不高，选用7级精度（GB10095-88） 3）材料选择 由表(10-1)选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280 HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240 HBS，二者硬度差为40 HBS。 4）初选小齿轮的齿数，选2 按齿面接触强度设计 由设计公式（注:脚标t表示试选或试 算值,下同.）（1）确定公式内各计算数值1）试选载荷系数 2）计算小齿轮转矩=6.86Nm，137.7r/min3）由表10-7选取齿宽系数（非对称布置）4）由表10-6查取材料弹性影响系数5）由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度6）由式10-13计算应力循环次数（j为齿轮转一圈，同一齿面啮合次数；为工作寿命）7）由图10-19取接触疲劳寿命系数8）计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1%，安全系数为S=1，由式10-12得 （2）计算1）试算小齿轮分度圆直径，代入较小值 由计算式得， mm2）计算圆周速度3）计算齿轮b 4)计算齿宽与齿高比模数齿轮高齿高比5）计算载荷系数K 根据，7级精度，由图10-8查得动载系数 由表10-2查得 由表10-4用插值法，7级精度,小齿轮相对轴承为非对称布置 查得 由 查图10-13得 故载荷系数 =1.5626）按实际的载荷系数校正所算分度圆直径，由式（10-10a）得 7）计算模数 3 按齿根弯曲强度设计由式（10-5） （1）确定计算参数1)图10-20C查得小齿轮弯曲疲劳强度极限，大齿轮弯曲疲劳 强度极限为（a） 由图10-18取弯曲疲劳寿命系数 3)算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数由公式(10-12)得4)算载荷系数 =5)取齿形系数，应力校正系数 由表10-5查得 6)比较大小齿轮的大小大齿轮的数值大（2）设计计算 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，终合考虑，满足两方面，对模数就近取整，则m=3 4 几何尺寸计算计算得齿轮的参数为： 齿轮参数表名 称计 算 公 式结 果 /mm模数m3齿数Z140Z240压力角n分度圆直径d1120d2120齿顶圆直径齿根圆直径中心距120齿 宽5 减震机构的设计咀嚼模拟机器人要实现对食品特性的测量，咀嚼力的控制是尤其重要的一个环节，在人类咀嚼系统中，下颌骨在咀嚼肌的带动下进行咀嚼运动。牙齿咬碎食物时的力来源于咀嚼肌收缩产生的力，而牙床在上下牙齿咬合的过程中，起到了一定的缓冲作用。为了实现咀嚼力的要求，本章通过设计减震器达到模拟咀嚼力的目的。 减震器的工作原理是通过弹簧实现减震的作用，和对力的控制。如图 2.18 所示为减震器机构装配图，减震器共包括以下几部分：硬停杆件，引导销钉，压缩弹簧，铝套管。由于咬合力的上限值为 150N，为了保证弹簧产生的压缩力不超过 150N，在减震器机构中设计了硬停杆件 1，保证弹簧压缩力不会超过上限值。硬停杆件 1 上设计的狭槽起到了高阻尼的作用。引导销钉 2 在狭槽内上下运动，大大减少了弹簧 4 的振动，弹簧 4 的振动会影响咬合力的执行，为了保证弹簧在运动过程中的稳定性，本文将弹簧安装在铝制套管 3 中。狭槽的设计尺寸是根据弹簧的压缩长度来设计的，在下面的设计中，弹簧压缩 10mm 时能够使工作载荷达到 150N，所以狭槽的设计保证引导销钉可以在狭槽内向上移动 10mm 的距离。另外，在弹簧和硬停杆件之间可以添加薄片来增加弹簧的安装载荷，以提供可变的咀嚼力。5.1 弹簧的设计计算弹簧是整体设计不可或缺的部分，以下为弹簧的设计计算步骤17。（1）现选用碳素弹簧钢丝（GB4357-89C级）第类弹簧。设钢丝直径d=4mm。取G=82000MPa，查表得MPa。MPa（2）确定钢丝直径 取旋绕比 曲度系数 丝杠直径计算公式： （4.2）其中弹簧的工作拉力，这里取N。各数据代入公式（4.3）得： mm取d=4mm。 弹簧中径: mm查表取D=25mm,K=1.24mm。 mm与原值相近。取d=4mm。此时D=25mm是标准值。 弹簧内径: mm 弹簧外径: mm（3）计算弹簧刚度 （4.3）式中： 弹簧的工作拉力，这里取N； 与对应的弹簧长度，mm； 与对应的弹簧长度，mm（见图4.5）。代入公式得： N/mm（4）计算弹簧圈数 （4.4） 代入各数据得： 圈 取n=95圈（6）弹簧初拉力 N （7） 极限工作应力 取 则MPa（8） 极限工作载荷 N（9）计算弹簧的变形 （4.5） 式中： 变形量； 与形变对应的拉力。将分别代入公式（4.5）得：mmmm（10）特性校核 基本满足要求。（11）计算其他结构参数 （4.6） （4.7）式中： 自由长度； 螺旋角； 弹簧节距，mm。代入数据得：自由长度： mm 弹簧变形后长度： mm mm根据以上计算，选定的有关参数为：材料为碳素弹簧钢丝，钢丝直径为4mm，旋绕比为6.25，弹簧中径25mm，弹簧右旋，螺旋角为，自由长度为434mm。5.2 上牙移动平台（锥齿轮传动） 在四杆机构咀嚼装置中，采用上下牙齿倒置的安装方式，方便了食品的喂入和食品颗粒的采集。附带仿真下牙的四杆机构位于机器的上部，用来实现咀嚼轨迹。上牙在四杆机构的下方，负责收集食品颗粒。在机器运转之前，对四杆机构中的地杆尺寸进行调节，同时调节上牙的位置，保证上下牙齿准确咬合。因此，在设计上牙的过程中，要保证上牙是随时可以进行调节的。本文采用锥齿轮啮合传动的方式实现上牙移动平台的调节，如图 2.22 所示。在上牙调节机构中安装四个整体轴套，与机器的四个支撑杆件配合实现可以上下滑动的功能。在机器两侧设计两个螺纹杆件，用来控制上牙移动平台的位置，并起到锁定的作用。由于上牙附着板板面较大，锥齿轮设计在一侧，调节上牙附着板时稳定性会受到影响。为了保证板面的平行上调，设计了链传动，用来实现平板的平稳上调。根据工作要求，将最末端的传动设计成标准直齿圆锥齿轮传动，考虑到可能圆锥小齿轮齿根圆到键槽底部的距离，所以将圆锥小齿轮与轴设计成一体，圆锥大齿轮单独设计，材料选用45钢。由于选用的是闭式硬齿面齿轮，齿轮齿面磨损和弯曲疲劳折断是主要的失效形式，因此设计这类齿轮传动时按弯曲疲劳强度进行设计计算，宜选取较小的齿数，可取172015。（a）估算齿轮主要参数及尺寸齿数,：齿数比，所以选择,则。齿宽系数：，取。齿宽系数不宜取过大，避免引起小端齿顶过薄，齿根圆角半径过小，应力集中过大。根据手册16，按齿面接触疲劳强度计算小齿轮大端分度圆直径和大端模数： （3.27） 式中： 齿轮传递的扭矩； 工况系数；动载系数； 齿宽系数； 试验齿轮的接触疲劳极限应力；查手册16得到，,MPa。由于 Nm，,。将数据代入得到小齿轮大端分度圆直径mm。大端模数，根据标准分度圆模数，取。圆锥齿轮主要尺寸计算16： （3.28） （3.29） （3.30） （3.31） （3.32） （3.33） （3.34） 式中：大端分度圆直径； 、节锥角； 锥距； 中点分度圆直径； 当量齿数； 平均模数。 齿宽，取mm。将数据代入计算得：mm mm mm mm mm 中点分度圆上的圆周力N。（b）按齿面接触疲劳强度进行校核计算接触用单位齿宽上的载荷 MPa （3.35） 查16手册，齿向载荷分布系数，=1.2。计算接触疲劳应力 MPa （3.36） 计算齿轮的接触疲劳极限应力 （3.37）式中： 寿命系数；润滑剂系数；齿面光洁度系数；速度系数；工作硬化系数；尺寸系数。查手册16得到，。所以，MPa。计算接触安全系数，安全系数较高。所以，接触疲劳强度满足，参数合理。（c）按齿根弯曲疲劳强度的校核计算弯曲用单位齿宽上的载荷MPa变位系数取，则。应力集中校正系数由及可查表得，由及可查表得。齿形系数由，据及可查表得，由及可查表得，而，所以：，。弯曲计算应力根据公式： （3.38） （3.39） 将数据代入计算得：MPa MPa取安全系数查16手册，得弯曲疲劳寿命系数，。查16手册，得弯曲疲劳极限为MPa，MPa。许用应力： （3.40） （3.41）将数据代入计算得：MPa Mpa因此、，弯曲疲劳强度满足，参数合理17。5.3 轴结构尺寸设计考虑到轴的载荷较大，材料选用45,热处理调质处理,取材料系数 所以,有该轴的最小轴径为: 考虑到键槽的影响，所以dmin取值为17MM,具体结构如下：5.4 轴的受力分析及计算轴的受力模型简化(见图7)及受力计算图 轴的受力分析知： 5.5 轴承的寿命校核鉴于调整间隙的方便,轴承均采用正装.预设轴承寿命为3年即12480h.校核步骤及计算结果见下表:表1 轴承寿命校核步骤及计算结果计算步骤及内容计算结果6014A端B端由手册查出Cr、C0r及e、Y值Cr=98.5kNC0r=86.0kNe=0.68计算比值Fa/FrFaA /FrA e确定X、Y值XA=1 YA =0 查载荷系数fP1.2计算当量载荷P=Fp(XFr+YFa)PA=5796.24 PB=6759.14计算轴承寿命763399h大于12480h由计算结果可见轴承6014AC、6007均合格，最终选用轴承6014。5.6 轴的强度校核经分析知C、D两处为可能的危险截面， 现来校核这两处的强度：（1）、合成弯矩（2）、扭矩T图（3）、当量弯矩（4）、校核由手册查材料45的强度参数C截面当量弯曲应力：由计算结果可见C截面安全。5.7 各轴键、键槽的选择及其校核因减速器中的键联结均为静联结,因此只需进行挤压应力的校核.一、 电机键的选择及校核:带轮处键:按照带轮处的轴径及轴长选 键B8X7,键长50,GB/T1096联结处的材料分别为: 45钢(键) 、40Cr(轴) (1) 刚轮处键: 按照轮毂处的轴径及轴长选 键B14X9GB/T1096联结处的材料分别为: 20Cr (轮毂) 、45钢(键) 、20Cr(轴)此时, 键联结合格.(2)输出轴处键: 按照联轴器处的轴径及轴长选 键16X10,键长100,GB/T1096联结处的材料分别为: 45钢 (联轴器) 、45钢(键) 、45(轴)其中键的强度最低,因此按其许用应力进行校核,查手册其该键联结合格.6 整机虚拟装配与四杆机构共同构成整个咀嚼装置的其他机构包括动力传递齿轮机构、角度调节机构、减震器机构、上牙移动平台、运动传递锥齿轮机构等。如图 2.42 所示为咀嚼模拟机器人虚拟样机装配图。整机在装配过程中采用自上而下的装配方法，对部分零件采用了简易模型，如带传动等。直齿圆柱齿轮和锥齿轮均采用机械配合中的“齿轮传动”，以保证虚拟样机仿真运动的真实性。电机接通电源后将动力通过齿轮传递给四杆机构的