基于Solidworks的抓物機器車機構設計及運動仿真【說明書+CAD+SOLIDWORKS+仿真】

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主角l…在一個單一螺旋螺絲中是等效的 用于設計圍攏絲杠的基本數學也適用于球螺絲系統(tǒng)。這兩個機械傳輸之間的主要差別是他們的摩擦系數。在以下部分會考慮影響絲杠重量和機械效率的設計參數，并且對它的cP進行改進。 3.1絲杠外形 在圖1顯示的是普通絲杠的基本外形。絲杠的關鍵參量是主角l，螺絲半徑r和前置角。主角l是螺絲每次改進達到的位移數量，一個高精度螺絲有非常小或非常好的主角。在圖1的正三角形顯示的螺絲的唯一一次改進被剝開的構造。前置角代表螺紋的斜面或傾斜度。 三角的基礎是螺絲軸的圓周，三角形的右腿是它的主角，螺線螺紋的弦代表路徑長度。 并且在正三角形中看出使螺母舉起負載的強大的力。負載的力量顯示為F，螺絲的扭矩強度是F,在螺絲螺紋上的正常反作用力是N，并且摩擦力是N。從這張圖中，舉起的扭矩的等式就可以是： (2) 3.2 對R。 還考慮，絲杠的外形在圖1可以顯示主角 l是由螺絲半徑r和前置角描述的。這些可改變量之間的關系是： (3) (4) 公式4的意思是r、螺絲半徑和，前置角，都是需要螺絲主角l的。這意味著在r和之間存在一個連續(xù)的關系。雖然存在這個連續(xù)的關系，多數螺絲系統(tǒng)還是被設計成非常小的前置角。從首選螺絲大小的經驗來看，雖然各自的直徑都在變化，但前置角都小于3°。 在公式4種顯示對所有螺絲主角的需求，各種各樣的半徑都可以使用。這個意義在于螺絲半徑 r的變小，螺絲的重量是通過r2減小的。因此，要補嘗小螺絲半徑，必須考慮前置角這個參數。 前角， 圖2絲杠系統(tǒng)機械效率：遮蔽一部分的圖表多數是絲杠的典型設計區(qū)域。是小的，半徑大，重量大，并且效率是較低的。在圖表的未遮住的區(qū)域設計，是大的，暗示更小的半徑、更低的重量和更高的效率。 3.3效率對阿爾法。 對于一個便攜機器人的設計，不僅絲杠作動器的重量是一個重要問題，而且作動器的效率也是非常關鍵的。如上所述，螺絲半徑的減小可以使動作器的重量大大減小。然而，要減小螺絲半徑，必須增加前置角 ，以保持恒定的主角。當看公式2時，可以看出要求承受負載的力矩Fw，取決于兩前置角和摩擦系數. 影響螺絲效率的是前置角和摩擦系數，圖2顯示對摩擦系數_和前置角_的沖擊在于絲杠系統(tǒng)的效率 (5) 在圖2的每條線是基于摩擦系數不同的參數。幾份普通的工程材料作為例子給讀者一個在絲杠系統(tǒng)中能有不同物質或涂層的作用的感覺。這個圖表示，當前置角增加，機械效率就增加; 或者至少到達一個峰值。 理論上，選擇最大效率采摘角度是有利的。一個絲杠系統(tǒng)在高效率運行時需要使負載力矩達到最小Fw。在高峰值效率發(fā)生的角度可以取決于與角度效率有關的參數，結果是可以看到的。 (6) 雖然一個高前置角可能提高效率，但它也可能導致反驅動系統(tǒng)。一個反驅動系統(tǒng)是一種負載力矩，沒有力矩協(xié)助的情況下，螺絲可能自轉，因而允許負載自我降低。反驅動絲杠不適合應用于汽車起重器，但是可以應用于便攜機器人當中。因此反驅動的前置角是： (7) 不管產生多么高的負載力量，多么低的摩擦系數系統(tǒng)，前置角和摩擦系數總是影響這些條件的，例如球螺絲，反驅動是一個必然結果。 4 實用考慮 理論上，如先前的文獻所顯示，是希望螺絲半徑 r減小的，甚至到一個幾乎微觀尺度。然而，從設計和制造業(yè)方面來講，這不是一種實用的解決方案。雖然從重量和效率的角度來講小螺絲的直徑和高前置角是極其重要的，但他們可能不允許設計師適應物理系統(tǒng)的力量需要。例如軸向產生，壓縮折和機制困境都需要被考慮?？紤]到單一的超薄的螺絲也許是輕量級的，它可能沒有一個系統(tǒng)所需要足夠的負載能力。但可以使用單一的，或幾個螺絲，就會有足夠大的負載能力。用幾個小螺絲承受大載荷是沒有重量優(yōu)勢的，作為因計算一個螺絲斷面產生的重量和壓強。然而，使用幾個小螺絲承受載荷可能允許對高前置角的持續(xù)使用和在高效率中運行，甚至在很高負載。通過推擠絲杠原材料物產極限，可以達到軸向很高的負載。這種工作方法的好處在于一個緊張系統(tǒng)比它壓縮軸承更好運作的系統(tǒng)。當考慮到減小一個既長又細的螺絲的負載時，類似于McKibben作動器甚至人的肌肉，（絲杠作動器能被設計負擔僅緊張裝載），因而消除共折的考慮。在一個便攜機器人中創(chuàng)建緊張驅動系統(tǒng)不一定意味著需要一個對抗性。實際上，與一個協(xié)助機器人相比，殘疾人在做單一的直接動作時，肌肉存在弱點，因此，這些人是非常需要動作器幫助的。 對于那些推擠螺絲半徑和因此導致前置角的極限超過最大效率的設計師，摩擦極限角度多少是可以傾斜的。所有這些的物理解釋是系統(tǒng)捆綁或鎖，由導出的公式2可以看見。一個由公式（2）導出，可以產生以下關系 (8) 除被列出的實用考慮之外，還可能存在著許多其他問題。包括扭轉力僵硬或屈服力甚至熱擴散等。這些因素中的每一個都是重要的并且都需要我們考慮。可是，這個練習的目的是展示選擇一個設計或選擇螺絲系統(tǒng)的典型方法。這個選擇方法的好處是可直接適用于一個便攜機器人系統(tǒng)的設計。 5 例子中的問題 展示一份粗糙設計報告，考慮高峰距小腿關節(jié)扭矩在到一個有能力裝載80 kg的個體并且是0.8 Hz的跨步頻率期間的連接扭矩。在步態(tài)期間的腳腕扭矩峰值大約是100毫微米。這個峰值大致發(fā)生在45%的步態(tài)周期。步態(tài)周期是指一只腳跟的停止到這支腳跟下一次停止的時間。腳趾是承受另一只腿重力和開始搖擺的點。 搖擺階段的判斷是步態(tài)再次安置腳回到腳跟停止位置時，然后下一個步態(tài)周期開始。 例如，讓我們考慮修造一個腳腕步態(tài)協(xié)助絲杠作動器。我們假設協(xié)助水平在30%左右和到小腿關節(jié)是12厘米的力矩臂。 表2作動器問題比較：絲杠設計I和II與人的肌肉的效率比較，對勢能的比較，校正勢能和動能的措施的比較。 這些參數都可以根據自己的個人經驗并且在合理的范圍內進行修改和變化。參數和可用的參量接近于Maxon馬達，即RE40，這個例子中，主角長度的范圍已經確定了;它的范圍可以是 解決設計兩個絲杠的問題:第一個設計問題是解決最大效率。假設是2 mm和=0.05，螺絲在=43.5°、半徑是0.34mm 的地方產生的效率是90%。這樣小的一條半徑，需要多個螺絲承受負載。即使如此，估計作動器的勢能是280 W/kg 。通過馬達重量和預測的傳輸系統(tǒng)，劃分需要的功率峰值就可以得出勢能的大小。我們從以前的工作知道了，輔助組分的重量成比例可以減小螺絲和螺釘的重量。 第二個設計，絲杠II，從商業(yè)供營商得到可利用的維度。 螺絲的=13.6°和0.82的效率。 更大一些的維度也可行，動作器的勢能最好是277 W/kg。為了達到比較的目的，這個例子出現(xiàn)的問題結果制成了表格。表2顯示兩個絲杠設計方案的數字結果。這些參數與先前的dc馬達參數和人的骨骼肌的估計值進行比較。通過例子，動能大小是基于力的峰值進行計算的。 6 討論 在分析解決最大效率的方案上，絲杠設計I顯示了一個單一小半徑螺絲永遠不會處理所要求的負載?？墒?，多個螺絲同時平行執(zhí)行那項任務會有同樣高的效率。雖然使用典型的技術不容易制造出一個0.34 mm半徑的螺絲，但用這種方法是可以實現(xiàn)的（即，使用多個螺絲產生高效率）。要設計一個特殊的絲杠，效率是沒有極限的。絲杠設計II顯示，有一種可行的解決方案可以解決腳腕的問題，校正功率質量比參數使其非常接近于人的肌肉。使用一種相似的方法，球形螺絲機制能有益于它的表現(xiàn)，一般方法是創(chuàng)建一個驅動的背面，低重量和高效率的螺絲系統(tǒng)可以使基于dc馬達的動作器的便攜機器人應用有一種有力解答。 圖3 原型作動器，高效率絲杠 前面提到，一臺便攜機器人作動器不僅要有好的執(zhí)行能力，而且還要對它的用戶有一定的安全性。在考慮安全方面時，（駕駛）是便攜絲杠作動器所需要的。（ 駕駛）允許操作者任意安裝沒有動力的螺釘，因而使它的阻礙減到最小。另一方面，在螺絲的末端設計一塊閑置的部分以防止馬達和用戶受到損壞。對人的損傷可以通過安置螺絲的末端范圍在用戶的生理安全極限內來避免，即一旦遇到危險強度，可以得到短期的脫離。所有這些方法都需要得到重點考慮，并且應該在設計過程中早期解決。安置機械部件必須包括特別的防備措施。 防備措施必須超出軟件或控制器范圍; 因此，在機械設計中應該包括他們。保證用戶的安全是在設計所有協(xié)助機器人時應該是最優(yōu)先考慮的事，我們的實驗室也調查了便攜作動器的其他類型。看圖3。這些技術幫助我們保持設備的整體大小和重量打到最低。 7 結論 一臺便攜機器人作動器必須有好的功率勢能比，好的機械效率，好的強度質量比，并且一定是安全的。對于一個具有好的功率的dc馬達，改進它力量的唯一方法是增加傳動系統(tǒng)。傳統(tǒng)上，這種方法導致了dc馬達作動器功率質量比的增加以至于它的執(zhí)行力筆直下降?？墒牵覀兊姆椒梢杂糜谠O計絲杠和球形絲杠的力，例如一個便攜的協(xié)助機器人。