外文翻譯--輕量級絲杠作動器設(shè)計在便攜的機(jī)器人的應(yīng)用.doc

輕量級絲杠作動器設(shè)計在便攜的機(jī)器人的應(yīng)用機(jī)械設(shè)計報凱文W.霍蘭德托馬斯G.唐一個便攜機(jī)器人是直接與它的用戶聯(lián)系的一個受控和開動的設(shè)備。同樣，也要求這個設(shè)備必須也是便攜的，輕量級的，最重要的是安全的。為了達(dá)到這些目標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)絲杠的設(shè)計通常不能很好的按要求執(zhí)行這些。典型的絲杠有很低投球角度和大的半徑，從而產(chǎn)生很低的機(jī)械效率和很大的重量。可是，使用文本中的設(shè)計程序，效率和重量是被改進(jìn)的；因而可以產(chǎn)生一種與人的肌肉相似的絲杠系統(tǒng)。例子中的問題說明一個可行性的絲杠設(shè)計應(yīng)該是277的功率質(zhì)量比，接近驅(qū)動它的馬達(dá)，即312W/kg，并且機(jī)械效率為0.74和最大動能到11.3kN/kg的絲杠設(shè)計。1引言在美國，有五分之一的人有不同形式的殘疾，這些人當(dāng)中，61的人患有感覺或身體殘疾。在老年人中，8到19是步態(tài)失調(diào)。許多殘疾人可以獨立的受益于某種形式機(jī)器人的協(xié)助。一個便攜機(jī)器人是一個被計算機(jī)控制和驅(qū)動的裝置，是直接接觸用戶的。這種裝置的目的是增強(qiáng)用戶的行為能力。在病人治療期間，它可以用于訓(xùn)練，或是僅僅當(dāng)作一種協(xié)助病人完成日常生活的裝置。便攜的含義是指機(jī)器人必須攜帶方便，重量輕，而且安全是最重要的。相比之下，工廠車間的機(jī)器人是沒有這些功能的，因此，要簡單修改現(xiàn)有的技術(shù)是不可能實現(xiàn)的。設(shè)計便攜機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)方法有三大局限性；1低電池功率密度；2電機(jī)的低強(qiáng)度質(zhì)量比；3重量和安全性的機(jī)械傳動系統(tǒng)。這些工作的目的是審查絲杠驅(qū)動器的設(shè)計過程；結(jié)果顯示在局限性第三項方面有了重大改進(jìn)，即，重量和安全性的機(jī)械傳動系統(tǒng)。2背景有趣的是，在便攜機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域的研究已經(jīng)超過了過去十年的增長。最近，浪涌的利益可以歸因于電子小型化、微處理器能力和無線技術(shù)擴(kuò)散的推進(jìn)。提高便攜計算機(jī)控制設(shè)備的能力的可行性是可以實現(xiàn)的。然而，除便攜式的計算平臺的可及性之外，必須談及物理機(jī)制的問題。在便攜機(jī)器人發(fā)展中，主要的問題是強(qiáng)度質(zhì)量比、重量和安全。有多少可利用的動力可完成機(jī)械功？機(jī)器人設(shè)備有多少額外的力給人？還有，如何轉(zhuǎn)移這些動力和怎么一直維護(hù)安全等？用戶和開動的機(jī)器人之間的安全互作用在便攜機(jī)器人設(shè)計中是一個首要問題。一個便攜的機(jī)器人系統(tǒng)的目的是將操作員通過存貯設(shè)備獲得的努力和能量抵消，即，電池、燃料電池和空氣坦克。作動器的效率和整個系統(tǒng)的重量沉重影響分享在操作員和機(jī)器人之間的工作負(fù)擔(dān)。在很多情況下，機(jī)器人加給用戶的額外力量，能多完成一項測量任務(wù)。這意味著機(jī)器人不僅必須增添操作員的能力，也必須補(bǔ)嘗它自己另外的重量。2.1作動器的比較。很多機(jī)器人作動器被比作成人的骨骼肌的標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計師了解他們好的功率強(qiáng)度比和優(yōu)秀的強(qiáng)制生產(chǎn)能力就是為了動作器與骨骼肌相比擬。為了匹配骨骼肌的性能，重要的是知道其中一些措施。不幸地是，生物文學(xué)中的普遍性是:被測量的肌肉參數(shù)是變化繁多的。雖然報告參數(shù)有一個寬的變化，這些參數(shù)一直能給生物材料行為標(biāo)度的感覺。制成表的數(shù)據(jù)和幾個原始估計數(shù)據(jù)被用于描述人的肌肉表現(xiàn)屬性和結(jié)果如表1所示。表1：作動器比較：通過機(jī)械效率，勢能，和校正動能對各種各樣的作動器類型進(jìn)行比較：允許與有效能的運(yùn)用直接進(jìn)行比較。然而，在便攜機(jī)器人作動器的發(fā)展中這兩個參量需要得到審查?？紤]到所有作動器在100%效率中運(yùn)行，然后整個小組能直接地由他們各自的功率強(qiáng)度比進(jìn)行比較?？墒牵绻麆菽苤械膭恿Ρ惶峁┙o每臺作動器，由于他們各自的效率僅僅是輸出一小部分動力。所以，適當(dāng)?shù)乇容^上面被描述的作動器，他們校正的勢能必須計算,即：(1)機(jī)械效率和Pwt是原始的功率質(zhì)量比。對各種動作器演算的結(jié)果如表1所示表1的內(nèi)容是從文獻(xiàn)或基于那些文獻(xiàn)的估計中獲得的。dc馬達(dá)的參數(shù)是:MaxonRE40馬達(dá)。傳動箱組合的參數(shù)在Maxon2004編目中能夠找到。一臺電系列有彈性作動器的參數(shù)用于估計這些參數(shù)。然而，一個一般大小的絲杠系統(tǒng)可能有更好的強(qiáng)度質(zhì)量比，因為它有很高的負(fù)載能力，并且有很低的重量。對于McKibben樣式的空氣肌肉，從各種各樣文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)了描述它的相關(guān)方法。比較中顯然顯示的是校正功率質(zhì)量比，cP，dc馬達(dá)的參數(shù)，空氣肌肉和人的骨骼肌是都是簡單匹配的。然而，馬達(dá)上一旦加上額外的硬件，它的執(zhí)行力會極大減小。基于動作器的重量，如果能修改一個不是很大的dc馬達(dá)重量的機(jī)械傳動系統(tǒng)，則它接近于人的骨骼肌的功能可能會實現(xiàn)。3絲杠設(shè)計如上所見，當(dāng)一個典型絲杠系統(tǒng)與其他便攜機(jī)器人作動器在概念上進(jìn)行比較時，它的性能是有限的。產(chǎn)生這種低性能的主要原因是它的機(jī)械效率很低。如果在一個標(biāo)準(zhǔn)絲杠系統(tǒng)中使用大約是=0.36的摩擦系數(shù)，會有更好的潤滑效果。相反，典型的球螺絲系統(tǒng)有非常好機(jī)械效率。滾珠軸承的滾動接觸對這個系統(tǒng)的摩擦作用會保持很低。然而，效率雖然有了改進(jìn)，球螺絲作動器的cPt參數(shù)仍然低于那骨骼肌，這是因為球螺絲系統(tǒng)的重量很大。如果改進(jìn)球螺絲的cP性能，那么重量的減少就可以實現(xiàn)了。機(jī)械設(shè)計學(xué)報圖1絲杠外形；主角l在一個單一螺旋螺絲中是等效的用于設(shè)計圍攏絲杠的基本數(shù)學(xué)也適用于球螺絲系統(tǒng)。這兩個機(jī)械傳輸之間的主要差別是他們的摩擦系數(shù)。在以下部分會考慮影響絲杠重量和機(jī)械效率的設(shè)計參數(shù)，并且對它的cP進(jìn)行改進(jìn)。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(guān)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(jìn)達(dá)到的位移數(shù)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(jìn)被剝開的構(gòu)造。前置角代表螺紋的斜面或傾斜度。三角的基礎(chǔ)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(fù)載的強(qiáng)大的力。負(fù)載的力量顯示為F，螺絲的扭矩強(qiáng)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(guān)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(guān)系。雖然存在這個連續(xù)的關(guān)系，多數(shù)螺絲系統(tǒng)還是被設(shè)計成非常小的前置角。從首選螺絲大小的經(jīng)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(bǔ)嘗小螺絲半徑，必須考慮前置角這個參數(shù)。前角，圖2絲杠系統(tǒng)機(jī)械效率：遮蔽一部分的圖表多數(shù)是絲杠的典型設(shè)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(shè)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(jī)器人的設(shè)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(guān)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(dāng)看公式2時，可以看出要求承受負(fù)載的力矩Fw，取決于兩前置角和摩擦系數(shù).影響螺絲效率的是前置角和摩擦系數(shù)，圖2顯示對摩擦系數(shù)_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(shù)不同的參數(shù)。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(zhì)或涂層的作用的感覺。這個圖表示，當(dāng)前置角增加，機(jī)械效率就增加；或者至少到達(dá)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(yùn)行時需要使負(fù)載力矩達(dá)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(guān)的參數(shù)，結(jié)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(dǎo)致反驅(qū)動系統(tǒng)。一個反驅(qū)動系統(tǒng)是一種負(fù)載力矩，沒有力矩協(xié)助的情況下，螺絲可能自轉(zhuǎn)，因而允許負(fù)載自我降低。反驅(qū)動絲杠不適合應(yīng)用于汽車起重器，但是可以應(yīng)用于便攜機(jī)器人當(dāng)中。因此反驅(qū)動的前置角是：(7)不管產(chǎn)生多么高的負(fù)載力量，多么低的摩擦系數(shù)系統(tǒng)，前置角和摩擦系數(shù)總是影響這些條件的，例如球螺絲，反驅(qū)動是一個必然結(jié)果。4實用考慮理論上，如先前的文獻(xiàn)所顯示，是希望螺絲半徑r減小的