基于SW2016的具有柔性傳感功能的機器人總體方案仿真設計摘要在此次研究中，主要闡述了柔性傳感功能的機器人內部旋轉關節的設計流程，先大致闡述了機器人的機械手構成，然后深入探究了機械手臂的設計過程，且初步介紹了國內外機械手臂的發展現狀。此次研究的主要目的是實現具有柔性傳感功能的機器人總體方案的設計，在傳動上，選擇的是電驅動方式，憑借對比分析，不但制定出了總方案，而且還給出了所涉及的主要技術參數，并進行了分析與計算，以驗證參數的合理性與否，并進行調節，最后在裝配時，借助SW2016來開展三維實體建模。關鍵詞：柔性電極；機器人；SolidWorks；旋轉關節目錄TOC\o"1-3"\u摘要 柔性機器人總體方案設計方案比較分析此次所設計的柔性機器人手臂要求可以實現六個自由度的轉動與移動，從而能夠有效滿足在工業上的物品移動與抓取要求。此次所設計的機械手臂適用于中型工業機器人，抓取的質量可以達到10kg的需要。在設計的開始階段應基于任務要求，制定總體結構設計方案，接下來給出了兩種方案，憑借對比分析各自的優劣點，從而確定最佳設計方案。方案一：見圖2.1其基座為一個旋轉副，確保機械手能夠旋轉達到最大化的控制范圍，大臂和中臂之間存在一俯仰副，再結合旋轉，從而組成了旋轉俯仰疊加，使得結構變得更加緊湊，手臂運動更加靈活。俯仰與旋轉相結合的結構設計，在機械手臂設計中十分常見，如果想實現機械手的左右移動，則既能憑借基座加以旋轉，還能夠憑借關節4旋轉與關節5的俯仰相結合，達到想要的效果。然而此方案存在一定的瑕疵，具體表現在結構較單一等方面。圖2.1方案一圖2.2方案二方案二：見圖2.2憑借圖中內容大致能夠獲悉，此方案的基座能自由夠旋轉，從而使機械手呈360°的轉動，進而能夠實現最大化的控制范圍。其中，大臂是在電動推桿的作用工作的，再結合導向機構，進而使電動推桿僅僅承受來自徑向力，從而確保垂直運動不會發生偏斜，還能夠提升剛度。大臂和中臂之間是借助一個俯仰副相連接，中臂為一個伸縮裝置，可以進行伸長與縮短，進而能夠有效確保機械的靈活性，有助于擴大控制范圍，伸縮裝置核心構件為滾珠絲杠，再結合滾動導軌，進而能夠有效提升精度，降低轉矩。與普通絲杠相比，當負載相同時，滾珠絲杠所需的轉矩只是其三分之一，進而能夠極大地提升機械裝置的整體性能，延長裝置的使用期限。中臂與小臂之間同樣借助的一個俯仰副相連接，小臂能夠上下轉動，不但能夠使手腕與地面更接近，同時還能夠確保手爪旋轉360°，更易抓取物體。憑借對上述兩種方案進行全面對比與分析，再加上此次所設計的柔性機器人運用在工業環境，在機器人結構上應該占地面積小且收縮自如，因此最終確定選擇了方案一的設計。設計參數要求本論文所設計的柔性機器人為中型工業機器人，以下表2.1為主要設計參數。在設計時，為了驗證設計結構的合理性將會通過SolidWorks繪制出所設計的柔性機器人機械結構，接卸結構如圖2.3及2.4所示。2.3三維裝配圖正視圖圖2.4三維裝配圖左視圖柔性機器人工作原理總體結構為憑借九個直流伺服電動機，來依次帶動手腕，小臂、與基座的運動，除此之外，還借助電動推桿，來帶動大臂的上移和中臂的轉動。其中，基座是依托于直流伺服電動機憑借行星輪減速器、聯軸器等構件，與蝸輪蝸桿相連接，從而來帶動基座主軸旋轉，手腕亦是如此，也是憑借直流伺服電機，與行星輪減速器相連接，以此來帶動部件旋轉。小臂的俯仰角度區間為：60°~300°，也是借助電動機，憑借連接于行星輪減速器進行驅動。大臂行程能夠達到300mm。其和中臂是憑借電動推桿相連接的，能夠使中臂繞肘部上下旋轉，范圍為-45°~60°。柔性機器人基本計算及選型電機計算及選型本測設計將根據本次所設計的機械手臂的驅動電機，都選擇的是上海瑞克公司所生產的直流伺服電機：手腕電機為50SYX03型額定轉速、轉矩、及功率分別是3000r/min、0.06N.m、及0.06KW。小臂電機為70SYX03型額定轉速、轉矩、及功率分別是3000r/min、0.67N.m、及0.2KW基座電機為82SYX03型額定轉速、轉矩、及功率分別是1500r/min、1.7N.m、及0.25KW。關于電機型號與技術參數，見下圖3.1與圖3.2：腕部零部件的選型和尺寸確定、相關的計算和必要的校核確定腕部的回轉力矩當手腕進行回轉操作時，需克服以下三種力矩：即腕部所受的摩擦阻力矩，因為工作重心偏置所導致的力矩、和腕部在啟動時的慣性阻力矩。關于各種力矩的計算公式與流程，分別見下述：1.摩擦阻力距，通常可借助下述公式進行求取：就上式而言，f——表示的含義為軸承摩擦系數，取,——表示的含義為軸承的支承反力——表示的含義為軸承直徑2.因為工件重心偏置所導致的偏執力矩，通常可借助下述公式進行求取：就上式而言，——表示的含義為工件重量（N）e——表示的含義為偏心距，當工作中心重合于手腕回轉中心線時，3.腕部啟動時的慣性阻力距，通常可借助下述公式進行求取：就上式而言，——表示的含義為電機剛啟動時腕關節的旋轉角度（rad）——表示的含義為手腕關節的回轉角速度經分析，，取所以能夠求得，所以手腕處的回轉力M為：電機的選用關于手腕電機的確定此次所選擇的是50SYX03型手腕電機，其額定轉速、轉矩、及功率分別是3000r/min、0.06N.m、及0.06KW。因為手腕回轉速度為，所以能夠求得：所以減速器選擇LeenAnson行星減速機LAELAE42。2.輸出軸的功率P，轉速n,及轉矩T假定各級齒輪的傳動效率為3.關于軸最小直徑的大致確定取所以軸的最小直徑大致確定為12mm憑借查手冊，轉矩，取=1.3進而能夠得到：憑借查手冊，選擇GY1,其公稱轉矩是2500N*mm基于彎矩合成應力，來對軸強進行校核度在校核時，通常只對危險截面進行校核，所用公式如下：軸材質是45鋼，需進行調制處理，由由于，進而可知滿足相應要求軸承的校核取=400N取X=0.4，Y=1.6取X=0.4，Y=1.6進而能夠求得：N又因為，所以軸承1、2分別呈壓緊與放松狀態所以校核軸承：求取軸承使用期限，由于，選擇值進而能夠得出，此軸承滿足相應要求鍵的校核1.采用平鍵（圓頭）因為直徑d=12mm，則取鍵B5x5GB/T1096基于輪轂寬度，并結合鍵的標準長度系列，取L=18mm2.校核鍵在連接時的強度是否達到相應要求輪轂，軸與鍵的材質均為鋼，許用擠壓應力為鍵的工作長度，輪轂槽和鍵接觸的高度是k=0.5h=0.5x5mm=2.5mm基于下式：進而可知，鍵滿足相應要求。小臂零部件的選型和尺寸確定、相關的計算和必要的校核電機的選擇電機所需轉矩轉速n=，取選擇70SYX03型電機，其額定轉速、轉矩、及功率分別是3000r/min、0.67N.m、及0.2KW。兩錐齒輪的設計與計算1.錐齒輪設計小齒輪的傳動轉矩與轉速分別為，與，大齒輪轉速為，i=1.875，其中，小輪采用懸臂的形式進行支撐，而大輪采用兩端的形式進行支承，材質選擇滲碳，淬火，齒面硬度為，齒面粗糙度為。2.初步設計公式如下：載荷系數，齒數比初步計算齒輪的許用接觸應力就上式而言，表示的含義為齒輪表面的極限接觸疲勞強度，安全系數，取1.1最終求得估算結果為3.幾何計算取，真實齒數比大端模數，取齒寬取b=15mm大端分度圓直徑為4.校核齒根的抗彎疲勞強度基于公式，，，，，，，齒根許用強度為齒根彎曲疲勞基本值為，壽命系數取1.2，相對齒根彎曲敏感系數與表面狀況系數分別是、與尺寸系數，最小安全系數為許用彎曲應力為進而可知滿足相應要求軸的設計計算1.求取小錐齒輪軸功率轉速轉矩計算作用于小錐齒輪上的力（1）.大致計算軸的直徑，取選擇GY1型聯軸器,其公稱轉矩是25000Nmm，轂孔長度是L=35mm（2）.軸校核關于軸的受力情況，見下表3.1：載荷水平面H垂直面V彎矩M總彎矩M扭矩T基于彎矩合成應力原理，對錐齒輪軸強度進行校核在校核時，通常只對危險截面a，也就是軸上承擔最大的扭矩與彎矩的截面進行校核，（取d=40mm）軸材質為45鋼，需進行調制處理，由，由于，進而可知，強度滿足相關要求（3）.小錐齒軸承校核取X=1，Y=0取X=1，Y=0所以N又因為，所以軸承1、2分別處于放松、與壓緊狀態所以校核軸承：求取軸承使用期限，由于，選擇值進而可知，軸承滿足相應要求（4）.鍵校核采用平鍵（圓頭），因為直徑d=14mm，則取鍵B5x5GB/T1096基于輪轂寬度，并結合鍵的標準長度系列，取L=16mm校核鍵在連接時的強度是否相應要求，基于下式進而可知，鍵滿足相應要求。2.大錐齒輪軸校核大錐齒輪軸的功率P，轉速n，轉矩T，分別為：（1）.計算作用于大錐齒輪上的3個力：（2）.大致計算大錐齒輪軸的最小直徑，取則取最小直徑為25mm（3）.關于軸的受力情況，見下表3.2：載荷水平面H垂直面V彎矩M總彎矩M扭矩T基于彎矩合成應力原理，對錐齒輪軸強度進行校核在校核時，通常只對危險截面a，也就是軸上承擔最大的扭矩與彎矩的截面進行校核，（取d=40mm）由于，，進而可知，滿足相關要求（4）.軸承校核取X=0.4，Y=1.6取X=1，Y=0所以N又因為，所以軸承1、2分別處于壓緊、與放松狀態所以軸承校核：求取軸承使用期限，由于，選擇值進而可知，軸承滿足相應要求（5）.鍵的校核采用平鍵（圓頭），由直徑d=30mm，取鍵B8x7GB/T1096由輪轂的寬度并參照鍵的標準長度系列，查取L=16mm對鍵連接強度進行校核輪轂，軸、及鍵材質均為鋼，其許用擠壓應力是鍵的工作長度，求得輪轂槽和鍵的理論接觸高度為k=0.5h=0.5x7mm=3.5mm基于式進而可知，按鍵滿足相應要求。中臂伸縮機構的滾珠絲杠設計水平鑄件工作臺與安裝工件質量：行程長度:最大運動速度：加、減速行程時間分別為：、與定位精度：軸向游隙：0.15mm預期壽命：30000h伺服電機額定轉速：n=1500r/min電機轉動慣量：導軌和工作臺間的摩擦系數：導向面阻力：大致設定滾珠絲杠的傳動效率：選取確定滾珠絲杠的精度換算成3000mm的允許誤差是所以，為滿足要求的定位精度，需采用誤差不超過0.090mm300mm的導程精度。在經過綜合考慮之后，最終選擇了軋制滾珠絲杠選定導程已知電機的額定轉速是n=1500rmin，電機和絲杠之間選擇直接相連的方式，所以減速比是i=1基于所以選擇不短于4mm的導程選定支撐方式工作行程為500mm，速度為0.1m/s，選擇一端固定，另一端支撐的方式選定絲杠外徑為確保軸向游隙不超過0.15mm，務必采用軸向游隙不超過0.15mm的滾珠絲杠副。進而選擇外徑不超過32mm的軋制滾珠絲杠，且確保導程超過2mm。選擇：規格（外徑16mm+5mm）軸向容許載荷的計算和校核加速度：最大軸向載荷：憑借查表，絲杠溝槽13.2mm，系數f=15.1，進而能夠求得臨界轉速為直徑規格由DN決定的臨界轉速為由導軌和最高速度所求得的實際轉速是進而可知，滿足相應要求。選定螺母類型1.校核螺母所能承受的最大軸向載荷憑借查表，軋制滾珠絲杠的規格如下：絲杠外徑為16mm，導程為5mm采用THKBNT1605-216取普通機械存在沖擊振動，取最小規格的螺母所能承受的最大軸向載荷為，進而可知，滿足相應要求2.額定壽命的計算和校核求取軸向載荷先將運動過程劃分成以下階段：加速、等速、及減速等。返回亦是如此，各階段的行走距離依次是。軸向載荷依次是，那么能夠計算出各階段行走的距離是：加速階段的行走距離減速階段的行走距離等速階段的行走距離各階段軸向載荷依次是：兩方向的平均軸向載荷為：正向均載為：負向均載為：平均軸向載荷為求取額定壽命計算驅動轉矩等速運動狀態下的電機轉矩其軸向負載為取0加速狀態下的電機轉矩憑借查表，得出絲杠單位長度的轉動慣量是再與絲杠長度610mm相乘，即為滾珠絲杠的轉動慣量工作臺和工件的轉動慣量為輸出軸的總轉動慣量是：電機運行時的最快轉速是角加速度是進而求得加速度扭矩是：就上式而言，表示的含義是電動機轉子的轉動慣量進而求得電機最大驅動扭矩是：選擇電機型號基于上述計算，計算出了電機最大負載扭矩為0.9472，進而求得總傳動慣量為進而可知，采用82SYX03電動機完全滿足相應要求大臂升降電動推桿選型因為只做垂直運動，且行程是200mm，進而采用收縮長度為311mm，有效行程為200mmL的AM3型電動推桿，其外型、具體及各型號相關結構尺寸，見下圖3.7、圖3.8、及圖3.9.基座零部件的選型和尺寸確定、相關的計算和必要的校核基座電機為82SYX03型額定轉速、轉矩、及功率分別是1500r/min、1.7N.m、及0.25KW。在此次設計中，選擇漸開線蝸輪（ZI），其表面需實施淬火處理，確保硬度達到45～55HRC。蝸輪外緣借助鑄錫磷青銅（ZCuSn10P1），選擇金屬模進行鑄造，而齒芯材質為鑄鐵HT100。1.按齒面的接觸疲勞強度原理進行設計計算基于公式：傳動中心距為進而能夠求出作用于蝸輪上的轉矩蝸桿軸基于=1，=0.4，那么=N·mm=83758N·mm計算載荷系數取=1，=1.5，=1.05那么彈性系數，接觸系數＝2.9，許用接觸應力=258應力循環次數壽命系數繼而求取中心距取中心距a=80mm，憑借查表，模數取m=2mm，蝸輪蝸桿分度圓直徑=35.5mm，此時，。2..蝸桿和蝸輪的幾何尺寸和相關參數蝸桿參數a.軸向齒距b.直徑系數c.分度圓導程角d.蝸桿軸向齒厚蝸輪參數a.蝸輪齒數b.蝸輪分度圓直徑3.校核齒根彎曲疲勞強度當齒數齒形系數螺旋角系數蝸輪的基本許用彎曲應力=56壽命系數0.749進而那么進而可知，彎曲強度滿足相應要求。柔性傳感器設計原理和方法在人體中運動神經元控制著體內的肌肉纖維。運動神經元主要存在與人體的脊髓當中。神經元分為細胞體和突起兩部分。其中突起分成樹突和軸突兩種，軸突長而分支少，其作用是接受外刺激，再由細胞傳出從而肌肉做出反應。人體基礎的運動就是由一束肌肉纖維和神經元組成的。在細胞中由于K+的外流和Na+的內流會產生細胞膜內外呈現出“內負外正”和“內正外負”兩種不同的情況，從而產生了電位信號，這種信號傳遞到肌肉纖維時，便可產生肌肉纖維的計劃反應。這種反應是由中間向兩端同時傳遞的，其速度也在6m/s左右，我們稱肌電纖維產生動作電位在時間和空間產生的圖像記錄叫做肌電信號。我們的手臂上有著許多的肌肉，在皮膚表面測得的信號叫做表面肌電信號（sEMG）。這些信號可以用作信號傳遞的研究。例如讓斷臂可以控制假肢、隔空傳感、及機器人的動作控制等。由于胳膊在做屈伸動作時，主要靠手臂的肌肉來進行收縮和舒張。我們可以通過采集手臂的肌電信號來作為機器人手臂的輸入信號，從而完成人手臂到機械手臂的映射。圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s11肌電信號的采集信號采集我們在信號采集的過程中，由于設備問題可能會導致采集的信號有很大的誤差，所以我們應選擇性能優良的設備來進行信號的檢測和收集。我們所檢測的信號來源于手臂，對與與手臂皮膚直接接觸的端口設計顯得非常關鍵，首先考慮的是要貼合皮膚且不會讓人體有壓迫感，其次是能準確的采集肌電信號。這時“貼合”與“舒適”便顯現在我們的腦海。這類電子系統在采集表面肌電信號和表達時，其精準度主要取決取決于傳感器材料和結構的設計。通過優化電極的結構設計和選用合適的制作材料就可大大提高的信號的采集的能力。表皮電子系統（EES）的幾何形狀、材料和機械設計對表面肌電信號（sEMG）的生物/非生物的測量有著不同方面的影響。目前電極的設計主要采用的形式有兩種:圓盤形（REF_Ref2785\h圖STYLEREF1\s4-2）和條形（REF_Ref2726\h圖STYLEREF1\s4-3）。這兩種布局的共同點是都包含了金屬電極和細長彎曲的導線，金屬電極采用網狀結構來進行測量、接地和參考信號。圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s12圓盤形電極圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s13條形電極柔性電極的設計柔性電極由上層、中層、底層三部分構成。各層有著類似的組成結構，其中底層和頂層采用了聚酰亞胺（PI）材料。目的是為了減輕金屬中的彎曲應力。此外聚酰亞胺具有良好的耐熱性、優異的電絕緣性、耐腐蝕等。其中很好的介電性能。電常數為3.4左右，引入氟或把空氣分散于聚酰亞胺中，介電常數調節至約2.5，介電損耗達10.3,介電強度是100~300kV/mm,體積電阻為1.0E+9cm。

正因為如此，能夠確保其在溫度與頻率均波動較大的范圍內依舊具備高水平。滿足了使用要求。首先對中層進行設計，中層設計采用了條形布局分布三塊電極，板使用了金屬Cr/Au合金，中間由金屬導線連接，內部采用了蜿蜒分布。電極片成矩形，考慮到人攜帶方便且舒適，將長度定制為16mm，寬度為1.5mm（REF_Ref3066\h圖STYLEREF1\s4-5）。然后確定三塊電極片的排布，兩兩距離相等從左到右依次平行排布在同一直線上，從左邊電極片的最左端開始到右邊電極片的最右端共長25.5mm。為了保證電極的耐磨性延伸性，內部采用了蜿蜒分布（REF_Ref2968\h圖STYLEREF1\s4-4），大大提高電極片的性能。電極的頂層整體結構與中層相似，為了起到良好的保護效果，采用了PI材料，這種材料有著聚酰亞胺具有良好的耐熱性、優異的電絕緣性、耐腐蝕等。能更好的保護電極層。電極的第三層采用不同的形狀如（REF_Ref3170\h圖STYLEREF1\s4-6）所示圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s14圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s15中底層電極結構圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s16頂層電極結構柔性應變片共有三層，三層的結構相同如（REF_Ref3268\h圖STYLEREF1\s4-7）所示，首先對應變片的中間進行設計。一層中主要包括三個部分：應變片、導線和金屬片，應變片采集應變信號通過導線將信號傳遞到金屬片并輸出。金屬片分為大小兩塊平行排布,小的一塊的尺寸為長7mm、寬1mm，大的一塊為長11mm、寬1mm，在金屬片的一端連上導線為了保持在發生柔性變形時導線的長度足夠呈蜿蜒狀分布，導線的另一端接在應變片上。應變片形狀為長方形，為了滿足使用要求應變片的長度為7.6mm、寬為6.0mm,導線在應變片內部呈回旋狀排布，回旋半徑為0.1mm如（REF_Ref3369\h圖STYLEREF1\s4-8）所示。圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s17應變片圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s18傳遞信號對機械手臂的控制首先是對機械人手臂的運動方向建立數學模型，其次是手機的信號轉換成數字信號。最后是達到預期的效果。控制機器人數字信號信號處理采集信號柔性傳感柔性電極ESS

結論與展望控制機器人數字信號信號處理采集信號柔性電極ESS結論通過進行多種方案的分析比較，以及參考國內外以設計出的具有柔性傳感功能的機器人結構，在此次研究中，深入剖析了機器人的設計流程，并指出了各方案的優缺點，基于排爆機器人機械手臂的特性與功能，確定了機械手臂的功能實現方式與性能評估指標，并實施了三維建模，最大程度地確保了方案設計的合理性。此次設計實現了下述工作：基于課題要求，收集整理了一系列相關資料