【内窥镜持镜机器人的详细方案设计分析案例4100字】

内窥镜持镜机器人的详细方案设计分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u12944内窥镜持镜机器人的详细方案设计分析案例 1162591.1主要零部件设计与校核 1168571.2主要外购件选型与校核 3198921.3控制系统简介 111.1主要零部件设计与校核为了保证同心度与结构强度，齿轮轴采用四边形花花键设计，材质为45号钢，保证强度，利用有限元分析可得安全系数大于5.6，如图1.1所示，校核通过，可以使用。图1.1主轴校核图Fig.1.1Spindlecheckdrawing 氮气弹簧的推杆要保证在500N的推力下能正常工作，因此厚度设计为4mm，材质采用6063铝减轻重量，仿真时固定花键的四边，给螺纹孔一面上的边线施加500N的力，方向延孔到轴心的垂直方向向上，结果如下图所示，安全系数大于10，校核通过。图1.2推杆校核图Fig.1.2Pushrodcheckdrawing 机械臂重力、钢丝绳拉力与内窥镜重量都集中在中心支撑方管上，因此需要重点校核支撑部分。由于其体积大，结构复杂，因此采用易于加工且密度较低的铝合金材质，仿真结果如下图1.3，安全系数在4以上，校核通过。图1.3主轴校核图Fig.1.3Spindlecheckdrawing被动臂要减少对内窥镜旋转的干扰，同时处于机械臂末端，因此质量要轻，因此采用铝合金材质，利用加强筋增大强度，最终校核结果如下图1.4所示，校核通过。图1.4自由端臂校核图Fig.1.4Checkdiagramoffreeendarm由于手术过程中齿轮的转速很低，为了减轻重量，增加精度，我采用了较小的齿厚与模数，齿轮厚度设计为5mm，模数为1，齿数60，具体参数如下图1.5所示，使用软件校核通过，接触强度安全系数为1.19，弯曲强度安全系数为5.43。图1.5齿轮校核图Fig.1.5Gearcheckchart1.2主要外购件选型与校核（1）底座轴承选型底座轴承选用机器人常用的RU型交叉滚子轴承，该轴承在外圈和内圈都预设有螺纹安装孔，安装时无需要固定法兰盘和支撑座。此外，由于外圈和内圈均为一体式结构，安装过程对轴承性能几乎没有影响，因此能够获得较为稳定的旋转精度和扭矩，适用于外圈与内圈旋转运动的场合。可以同时承载较大的径向载荷、轴向载荷和倾覆力矩载荷。交叉滚子轴承是一种高刚性、结构紧凑、易于安装的轴承，它结合了角接触轴承和双锥滚子轴承的优势，其内部结构为相邻的圆柱体滚子互相垂直的放置在V型槽内，彼此之间使用间隔保持器隔开，如图1.6所示，这种设计很好地实现了利用一个轴承承受所有方向的载荷的功能，包括径向、轴向载荷和倾覆力矩。由于交叉滚子轴承的尺寸相对较小，且内外环间且具有相对较高的刚度表现，现已广泛应用在精密转台、测量仪器、加工中心、工业机器人关节以及其他拥有旋转单元的高新工业技术领域。该机器人底座既要承受重力带来的轴向上的负载，也要承受手臂伸出所带来的倾覆力矩，因此该方案初步采用RU66交叉滚子轴承，其具体参数如下表1.1、图1.7所示。图1.6交叉滚子轴承结构图Fig.1.6Structurediagramofcrossedrollerbearing表1.1交叉滚子轴承具体参数Table1.1Specificparametersofcrossrollerbearings轴径公称型号主要尺寸肩部尺寸基本额定负载（径向）质量Kg内径d外径D滚柱节圆直径dp宽度B润滑孔d1rmindsDhCkNCokN35RU66359566151.10.6597417.522.30.62图1.7交叉滚子轴承参数图Fig.1.7Parameterdiagramofcrossedrollerbearing底座轴承采用型号RU66交叉滚子轴承，其所受载荷为机械臂结构整体和内窥镜负载等带来的。根据计算交叉滚子轴承负载质量约为m=8kg，由于术中机械臂运动带来的惯性力可以忽略不计。1）寿命计算根据产品说明书中的计算公式： L=(fr∗式中L为额定寿命(r)，C为基本额定动负荷(kN)，Pc为等效动径向负荷，fr为温度系数，如图1.8，fw为负荷系数，如表1.2所示。图1.8交叉滚子轴承温度系数Fig.1.8Temperaturecoefficientofcrossrollerbearings表1.2交叉滚子轴承负荷系数Table1.2Crossrollerbearingloadfactor使用条件fw无冲击平滑运动的情况1~2普通运行的情况1.2~1.5剧烈冲击的情况1.5~3其中，C在参数表中，fr和fw由产品资料获得。所以需要通过计算求解Pc，如下式所示： Pc=式中，Fr代表径向载荷，Fa代表轴向载荷，主要指机身本体的重力，M代表轴承的倾覆力矩，主要指持镜臂向外延伸引起的力矩，X代表动径向系数，Y代表动轴向系数，X和Y计算后查表获知，dp为圆柱滚子的节圆直径，由型号参数确定。使用寿命的计算是在如图1.9所示的受力条件下。图1.9交叉滚子轴承受力情况图Fig.1.9Crossrollerbearingforcediagram型号RU42，根据产品说明书,见表1，其C=17.5kN，C0=22.3kN，dp=66mm，fr=1，fw=1.2。Fr=0，取Fa=mg=80N，力矩M取手臂完全伸直的情况为： M=mgL=1×10×200+1×10×600+2×10×800=24000N.mm （3-3）系数选择的分类条件计算公式为： FaFr由表1.3可得X=1，Y=0.45表1.3动态径向系数与动态轴向系数Table1.3Dynamicradialcoefficientanddynamicaxialcoefficient分类XYF10.45F0.670.67求得： Pc=X∗=763.27进而可以求出 L=(假设最大转速为30°/s，可以求出轴承寿命的时间值为2.2∗1011s约为6.2×102）静强度安全计算当安全系数大于3时，满足在额定载荷和冲击载荷两种情况下的工作要求。计算过程，首先要求出等效径向静负荷P0，根据说明书取值X0=1，Y0=0.44，则可求出： P0==1∗=763.27N因此轴承静强度安全系数： fs=C因为29.2＞3，所以静强度安全系数达标，符合工作条件要求。3）许用静载荷和许用力矩计算最后，确定工作环境中载荷和力矩是否处于轴承工作范围之内。首先进行静载荷分析。根据底座自转机构的轴承受力情况，主要考虑轴向静载荷。其许用轴向载荷为： Fa0=C式中C0和Y0均为型号说明书具体参数值。许用力矩值为：M0=综合上述情况，选用UR66型号完全满足方位框及负载对轴承的需求。（2）第一主动臂轴承选型选用深沟球轴承尺寸10*30*10，参数如下表1.4，图1.10。表1.4动态径向系数与动态轴向系数Table1.4DynamicradialcoefficientanddynamicaxialcoefficientdDBd1d2D2r1,2daDaraCkNCokN12321018.518.527.95≥0.616~18≤28.5≤0.65.723图1.10深沟球轴承参数图Fig.1.10Parameterdiagramofdeepgrooveballbearing1）寿命计算手臂伸直时，总力矩M=24000N.mm，固丝轮半径20mm，钢丝绳上的总拉力Fl=1200N，合成后约为1700N，由于轴向力远远小于径向力，当量动载荷： P=1700/2=850N （3-11）转动速度取n=0.2r/s。温度在120度以下时ft=1，工作过程中无冲击fp根据寿命公式: L=ft==2.54∗10满足使用要求。（3）驱动电机选型在这里，考虑到手术安全性，为了在氮气弹簧失效后也能完成手术，我们假设没有消力氮气弹簧，完全由电动机提供转矩。在选择驱动电机过程中，需要进行校核计算，一方面，驱动负载的转矩最大值要小于电机的峰值堵转，另一方面，电机工作状态不能长期处于极限边界值状态，电机的最大理论输出力矩与实际需求输出力矩应有一定差距，这样可以实现电机在相应工作力矩区间的持续稳定运行。最后，确定电机型号后，要根据型号的尺寸大小和重量，结合已有框架结构限定空间和承载能力，完成电机的位置设计和装配工作。下面先以第一主动臂选型为例作说明：主动臂一臂电机通过谐波减速器、齿轮箱和钢丝绳传动驱动方位框转动，谐波减速器传动比为100，齿轮箱减速比为5，钢丝绳传动传动比为1，由于机械臂自重及内窥镜镜体重量造成的力矩负载为：M=mgH=1×10×200+1×10×600+2×10×800=24000N.mm （2-13）经计算第一主动臂电机所需驱动力矩约为48mNm。综合电机的尺寸、重量、安装、价格等情况，方位框选择的驱动电机型号为MaxonEC-imotor496652，如图1.11所示，其特性参数如下表1.5所示。图1.11MaxonEC-imotor496652无刷电机Fig.1.11MaxonEC-Imotor496652brushlessmotor表1.5MaxonEC-imotor496652无刷电机参数Table1.5MaxonEC-Imotor496652brushlessmotorparameters额定电压空载转速空载电流额定转速额定转矩（最大连续转矩）额定电流（最大连续负载电流）堵转转矩堵转电流最大效率36V7350rpm131mA6080rpm78.2mNm1.61A1150mNm25A86%通过表1.5可以得出，选用电机EC-imotor496652的峰值堵转转矩1150mNm远大于一臂电机所需转矩48mNm，因此，电机输出转矩具有的余量很好地保证了机械臂运动机构的启动和制动性能；其次，根据表1.5可以看出，一臂电机所需转矩小于选用电机EC-imotor496652的连续堵转转矩78.2，即方位电机所需转矩处于电机的连续工作区数值范围内，因此，选用的电机型号完全可以长期使用，实现可靠性和经济性的统一。最后，根据选用电机型号的图纸，确定其尺寸、质量、结构形式和安装特点等，结合已有框架结构限定空间和承载能力，确保电机可以顺利完成装配使用。同理，二号主动臂所需驱动力矩约为：M=mgH=1×10×200+2×10×400=10000N.mm （3-14）选用电机EC-imotor496652峰值堵转转矩与连续堵转转矩均满足二号主动臂的要求。综上所述，EC-imotor496652电机满足使用要求。（4）驱动电机谐波减速器选型选取日本哈默纳科（Harmonic）的CSF系列谐波减速器，其技术参数如下表1.6所示。由电机选型可知最大负载力矩为：M=mgH=1×10×200+1×10×400+2×10×400=14000N.mm （3-15）由于有氮气弹簧抵消大部分力矩，这里只需考虑弹簧失效瞬间的最大转矩即可。因此谐波减速器所需瞬间安全驱动力矩为14N.m，减速器选择的型号为CSF-11-100，其瞬间最大允许值为25N.m，满足条件。同理，第二关节的电机的减速器选择的型号为CSF-11-100，其具体参数如下表1.6所示。表1.6HarmonicCSF-11-100参数Table1.6HarmonicCSF-11-100parameters型号减速比2000r/min输入时的额定转矩启动停止使得容许峰值转矩平均负载转矩的最大容许值瞬间容许最大转矩容许最高输入转速111005.0Nm11Nm8.9Nm25Nm8500r/min1.3控制系统简介控制系统使用DeltaTau的powerPMAC控制器如图1.12，PMAC是一系列控制卡的简称，常用的有PMAC1、PMAC2、TurboPMAC1、TurboPMAC2、UMAC、Clipper等，基本功能和使用方法是一样的。在复杂条件下将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，实现机械运动精确的位置控制、速度控制、加速度(转矩)的控制。PMAC是一系列控制卡的简称，常用的有PMAC1、PMAC2、TurboPMAC、PowerPMAC、UMAC、Clipper等，基本功能