【某床床椅一体化机器人的自动行走功能及控制系统分析案例5500字】

24某床床椅一体化机器人的自动行走功能及控制系统分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u91451.1设计要求 1171201.2床椅一体化机器人的结构组成和工作原理 2296731.1.1机架的结构方案 22561.1.2平躺坐立转换机构的确定 3220351.1.3自动行走机构的确定 428172床椅一体化机器人的床椅转换结构设计计算 451722.1床椅一体化机器人机架的设计 4295252.2起背连杆和曲腿连杆校核 5198932.3起背和曲腿机构滚珠丝杆的设计计算 6244422.2.1导程确定 7284012.2.2确定丝杆的等效转速 7153362.2.3估计工作台质量及负重 7178862.2.4确定丝杆的等效负载 7278022.2.5确定丝杆所受的最大动载荷 894752.2.6精度的选择 8180822.2.7选择滚珠丝杆型号 8202602.4滚珠丝杠的校核 8173272.4.1临界压缩负荷验证 8310512.4.2临界转速验证 998372.4.3丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率 9240853床椅一体化机器人的自动行走功能及控制系统 10161593.1床椅一体化机器人电机的选择 10298063.2行星齿轮轴设计计算 12148283.3自动行走机构的控制 14115513.3.1单片机的简介 14278283.3.2单片机的选型 14301693.4控制系统方案 151.1设计要求本设计床椅一体化机器人它主要针对的是老年人，残疾人和行动不便的人使用的，床椅一体化他既能当床用，也可以当做电动轮椅使用。那么对于床椅一体化机器人的要求自然就明朗了，首先它的功能必须要满足上述的要求，其二它的操作必须要简便，因为针对的人群都是老年人残疾人这些弱势人群，如果操作过于复杂，这些弱势群体它是不能够完成操作的，所以必须要操作足够的简便[6]。另外机器的安全性必须要有所保障，本来使用床椅一体化机器人的人群就是身体存在残缺或者是身体素质比较低的人，如果再因为床椅一体化机器人本身给使用者造成了二次伤害，那么就与设计初衷背道而驰了，所以必须要保证使用者的安全。1.2床椅一体化机器人的结构组成和工作原理1.1.1机架的结构方案机架对于床椅一体化机器人来说就相当于是病床的床身，轮椅的支架。对于机架的要求大部分的机械都是相同的，这是因为不同的机械，它的机架担负的作用基本都是相同的，对此对他的要求也是差不多的。机架可以把它比喻成默默付出型，因为机架虽然不像机器的执行机构会进行相对的运动，但是机架他要默默的承受机器所有的重量和工作时产生的各种受力[7]。很多设计者对于机架的认识不够，把设计精力都放在了执行机构的设计上，对于机架这种固定不动的基础性零件不够重视。这其实是非常可怕的事，如果机架的设计不合理，其后果是灾难性的，因为机器的其他部件尤其是执行机构都是安装在机架上的，如果机架散架了，那么安装在他身上零件的下场可想而知。所以对机架的设计也要格外的重视，尤其是它的刚性和抗弯和抗扭的能力，要仔细计算保证他能满足使用要求，另外出于安全考虑还要留有一定的安全余量[8]。关于机架材料选择和结构设计要有几个注意事项，首先是上面说的满足使用要求，也就是机架的强度足够，这是最基础的。第二就是轻量化，也就是说机架不能因为追求刚性就做得过于笨拙，安全余量放得过大就等于浪费，也不符合现代轻量化的设计理念。另外机架的结构不宜复杂，越是简单越好，方便加工同时便于其他零部件的安装。根据上面的分析，同时结合实际要求本设计的机架采用采用40X80mm，壁厚为2mm的方管铝合金型材焊接，里面的支撑杆采用20X30mm，壁厚为2mm的方管型材焊接。机架的结构如下图2-1所示。图2-1机架的结构1.1.2平躺坐立转换机构的确定床椅一体化机器人的平躺坐立转换机构是床椅一体化机器人的核心部分。经过分析平躺坐立转换决定采用起背与曲腿相结合的方式[9]。反之如果将靠背板从竖起的状态变成水平，将腿部的支撑板由弯折的状态变成水平，这样就从椅又变成床[10]。这个转换过程中的运动，我们采用在三折病床上已经成功应用的螺旋传动方式，只不过它是通过手摇的，而本设计则使用更为自动的电机带动，具体的转换过程示意图如下2-2所示。图A起背机构结构图曲腿的过程是通过滚珠丝杆运动，丝杆螺母拉动曲腿连杆，连杆拉动曲腿踏板连杆转动，这样就实现了腿部的支撑板从水平状态变成弯折的状态，具体曲腿的机构如下图所示。图B曲腿机构结构图图2-2平躺坐立转换机构1.1.3自动行走机构的确定床椅一体化机器人还要有自动行走的功能，这个功能类似于电动轮椅，是采用左右两个电机分别驱动左侧和右侧的地轮进行旋转。通过左右两个电机独立控制，这样可以通过左右两个电机之间转速差实现转向。到这里床椅一体化机器人的总体方案设计就完成了，下面对具体的结构进行计算设计。2床椅一体化机器人的床椅转换结构设计计算2.1床椅一体化机器人机架的设计底架长杆的长度为1440mm，假设床身的质量为400kg，人体的质量为150kg，总重为550kg：图3-1床机架受力示意图所以F2=F3=2750N，=1440mm，=1020mm,=70mm。根据力矩平衡公式：F1×=F2×+F3×（3-1）得：F1==2215.3N=F1+F4=F2+F3（3-2）得F4=3284.7N计算杆各段所受的剪力及弯矩：以A为原点，在AB端内：剪力F=F1=2215.3N，方向向下弯矩M=F1×x得：M=0～775.355N·M，方向为逆时针方向在BC段内：剪力F=F2-F1=534.7N，方向向上弯矩M=F1×x-F2×（x-0.35）得：M=229.9～775.355N·M，方向为逆时针方向在CD段内：剪力F=F4=3284.7N，方向向上弯矩M=F4×x得：M=0～229.9N·M，方向为逆时针方向所以，结果为B点的受力最大。图3-2床底架剪力及弯矩图经过分析，整体的强度和刚性均能满足要求。2.2起背连杆和曲腿连杆校核床椅一体化机器人在起背的时候对其的力学计算如下。图3-3起背杆受力示意图则圆整后的数据为F1=500N，方向向上。F3x=950N，F3y=2039N，=830mm，=680mm,=54mm。F2x=F3x=950N，F2y=F1+F3y=500+2039=2539N在AB段剪力F=F1=500N，方向向上弯矩M=F×x，得：M=0～340N·M，方向为顺时针方向在BC段剪力F=F3y=2039N，方向向下弯矩M=F2y×（x-0.68）-F1×x(0.68≤x≤0.734)得：M=229.9～340N·M，方向逆时针方向M=F2y×（x-0.68）+F2x×-F1×x（0.734≤x≤0.83）（3-3）得：M=-18.5～229.9N·M，方向逆时针方向得知B点的剪力最大，如图3-4所示。图3-4起背杆所受剪力及弯矩图根据剪力及弯矩图说明了起背杆是能够满足使用要求的。2.3起背和曲腿机构滚珠丝杆的设计计算经过分析对比，取滚珠丝杠最大行程为300mm,最快进给速度为18m/min,大概质量为200kg。2.2.1导程确定转速，则丝杠的导程为取Ph=12mm2.2.2确定丝杆的等效转速基本公式（3-4）最大转速最小转速等效转速（3-5）式中取故2.2.3估计工作台质量及负重重量（3-6）2.2.4确定丝杆的等效负载，则丝杆所受的力为其等效载荷按下式计算（式中取，）2.2.5确定丝杆所受的最大动载荷（3-7）取fw=1.2、取ft=1、取fh=1、取fa=1、取fk=1、工作寿命为15000h。由上式计算得Car=17300N。2.2.6精度的选择本设计床椅一体化机器人，对滚珠丝杠精度的要求并不是太高，所以选用一般的精度4级即可。2.2.7选择滚珠丝杆型号计算得出Ca=Car=17.3KN,则Coa=(2～3)Fm=（34.6～51.9）KN公称直径Ph=12mm丝杆的型号为FFZD4010—3。公称直径d0=40mm丝杆外径d1=39.5mm钢球直径dw=7.144mm丝杆底径d2=34.3mm圈数=3圈Ca=30KNCoa=66.3KN刚度kc=973N/μm2.4滚珠丝杠的校核2.4.1临界压缩负荷验证 （3-8）式中EE钢=2.1X1011（N/m2）；K1取K1=1.3；f1=15.1I=丝杆最小截面惯性距（m4） （3-9）Lu=300+148+20X2=488mm支撑距离LO应该大于丝杆螺纹部分长度Lu，选取LO=620mm出Fca=5.8X108N可见Fca＞Fmax，临界压缩负荷满足要求。2.4.2临界转速验证滚珠丝杠副高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杠的最高转速：（3-10）式中：A丝杆最小截面：A=π4d22=3.14434.32×10-6=9.2×10-4材料密度p=7.85×103(Kg/m)=148/2+300+(620-488)/2=440mm=0.8；fZ取18.9经过计算，得出=6.3×104，满足要求。2.4.3丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率刚度Ke：（3-11）式中A——丝杠最小横截面，；螺母座刚度KH=1000N/μm。当导轨运动到两极位置时，其中，L植分别为750mm和100mm。经计算得： （3-12） （3-13）经计算得丝杠的扭转振动的固有频率远大于1500r/min，能满足要求。设计完成的丝杠结构如下图3-5所示。图3-5本设计的丝杠上面对于床椅一体化机器人的床椅转换机械结构进行了设计计算，尤其是滚珠丝杠传动系统进行了仔细的设计，到这里床椅一体化机器人的床椅转换设计计算内容就完成了，下面对于创新一体化装置的控制，尤其是自动行走装置的控制进行分析。3床椅一体化机器人的自动行走功能及控制系统3.1床椅一体化机器人电机的选择较早以前的人们选择电动机的过程比较随意，不够严谨，往往只考虑电动机功率是否足够，电动机的用电是否方便，在满足这两个要求的前提下找最便宜的电动机来使用。这种选型的办法纯粹依赖于个人经验，如果放在几十年前还勉强能用，但是在当下电动机种类繁多，对于机械要求越来越严谨的背景下，肯定不能再使用这套办法[11]。而是从应用设备本身需求、电动机供电类型、启动方式、电动机本身的各项指标等多个方面去全面的考虑，最终才能确定所需要的电机类型[12]。这里说的电机本身的各项指标，绝不是简简单单指的电机功率，而是包括功率在内的绝缘性、耐热性、使用寿命、过载能力等等各方面的参数。一般情况下选择一台电动机需要按照下列的流程：首先要考虑的是设备的使用需求，也就是使用电动机作为该机器的动力是否最合适，这也是选择电机最先要考虑的问题[13]。比如在野外作业且无法用电的农用机械，显而易见对于这样的机器使用内燃机显然比使用电机更为合适。如果这一最基本的要求都不能满足的前提下，再去确定电机的功率，再去做其他的工作显然是画蛇添足的。如果满足了第一条，那么才能进行后续供电类型启动方式的考虑。确定好供电和启动方式以后再来考虑电机本身的各项指标，走到这一步，就已经把相当一部分的电机种类给排除了，大致的电机类型也基本能框定，选择范围就小很多了。在电机参数这一方面，往往人们只注重电机的功率，单额定功率并不代表电机的全部性能，即使功力能满足要求，也要考虑到电机的绝缘性能、耐热性能和使用的寿命。因为有的电机它的工作场合要求具有高的绝缘性，而有的电机在比较密封的环境下长时间工作发热量大，所以必须要具有强的耐热性，而有的设备具有不可维修性，所以就要求电机使用寿命必须要足够长[14]。所以科学严谨的选用电机，不能够单单只看电机功率大小，而是要全方位的去评估。经过上述的分析，同时结合床椅一体化进行实际工作要求，决定采用小型直流电机，为了尽可能的方便，床椅一体化机器人的制造同时节约制造成本，选用了电动轮椅上使用的直流电机。电机型号是(参数如下表所示），它的额定功率为144瓦，额定转速120转每分。另外为了尽可能的让电动机输出大的转速，还为电机配备了减速器。经过分析所以决定选用行星轮减速器。行星轮减速器要深究起来其本质上仍然属于齿轮减速器的一种，但人们之所以习惯把它单独拎出来说，是因为它跟大部分的齿轮减速器都不一样，比较另类所以习惯把它单独作为一类。普通的齿轮减速器，它不管你是二级三级还是多少级，它各个传动轴的轴线都分布在同一平面上，且轴线之间不是垂直的关系就是平行的关系。而行星轮减速它就不是这样，它的各传动轴线的排列与宇宙中行星的运行类似，中心齿轮好比是太阳，而一周的行星齿轮就好比是各大行星围绕着太阳旋转，正因为这样得名行星轮减速。它的特点与蜗轮蜗杆类似也是单级传动比大，而且体积能做的比较小。那么有人要问了，既然它的特点与蜗轮蜗杆类似，为什么还要有行星轮减速，直接用蜗轮蜗杆减速不就行了[15]。凡事存在必有它的道理，同样的行星轮减速器，他也有蜗轮蜗杆减速器所不能企及的地方，行星轮减速器的箱体不像蜗轮蜗杆减速器是较规则的方形箱体，它的箱体是套筒装，且与输入输出轴在同一轴线上，根据减速器的级数不同，单级的它的箱体是单一的圆柱装，多级的箱体是台阶轴状。正因为行星轮减速器有着如此特殊的箱体结构，它才能够用在风力发电机、家用洗衣机等特殊的场合[16]。而作为床椅一体化机器人来说，使用行星轮对电动机输出的转速进行减速也是非常合适的，因为床椅一体化机器人他要求减速器结构要小巧同时传动比要大。减速传动比为10:1，这样可以进一步增强床椅一体化机器人的动力。3.2行星齿轮轴设计计算本设计的行星轮轴采用45钢锻造毛坯，并进行调制处理。下图3.1展示了轴的受力状况，由齿轮箱体的受力平衡得出：N3-N4=500N28N4=35×500得中心齿轮对轴的作用力为得图4-1轴受力分析作出弯矩转矩图，可以得出危险点D处E处该轴材料选用45钢调制，其中。取相应取整得C和E处轴承校核中等冲击，取则PC=ƒP×Fr3=1.4×1×1125=1620NPE=ƒP×Fr4=1.4×1×625=875N轴承所需寿命：转速n=15i=15×22/50=6.6r/min轴承所需基本额定动载荷C处E处选用轴承，其，，，，符合设计要求。中心齿轮键连接设计是轮毂长度，大小为，选用圆头平键,,强度符合设计要求。3.3自动行走机构的控制床椅一体化机器人他的行走机构实际上就相当于是电动轮椅的控制系统，电动轮椅一般采用单片机与plc两种方式，这两者都可以对电动轮椅进行控制，不过后者成本比较高，所以我们选用单片机控制[16]。3.3.1单片机的简介单片机在工业领域和机电产业应用非常广泛，单片机的质量很轻、价格也便宜，为控制领域的深入研发和控制系统发展做出了非常大的贡献。在人们的生活中，小到像一些电子产品，例如电子手表、玩具、家电等等，大到工业生产线等，这些领域都有单片机的应用。最开始人们研发出来的是4位单片机，单片