畢業(yè)設(shè)計（論文）-搬運(yùn)病人機(jī)器人及其控制系統(tǒng)的設(shè)計

畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：搬運(yùn)病人機(jī)器人及其控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)習(xí)中心：年級專業(yè)：學(xué)生姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：職稱：導(dǎo)師單位：論文完成時間：2023年02月05日

摘要本文所設(shè)計搬運(yùn)病人機(jī)器人是在多功能病床的基礎(chǔ)上進(jìn)行完善、增加搬運(yùn)和自動行走功能。底部四個輪子，其中兩個為萬向輪、兩個齒輪副轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)動力輪，通過前方攝像頭和超聲避障裝置識別路線及判斷障礙物，可實(shí)現(xiàn)自助直線行走及轉(zhuǎn)彎。通過四組機(jī)械手臂可將病人從該病床移動到另一病床，整個過程無需醫(yī)務(wù)人員接觸。其中機(jī)械手臂可進(jìn)行俯仰、升降、折疊等動作，不使用時折疊臂歸位到側(cè)面、不影響病人休息。文中對行走機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、折疊臂等進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計，并對控制部分以及避障原理進(jìn)行了簡單闡述。關(guān)鍵詞：搬運(yùn)病人；機(jī)械手臂；行走機(jī)構(gòu)；控制全套圖紙加V信153893706或扣3346389411

目錄13676第1章緒論 第1章緒論 2019年10月，距離新冠肺炎只有幾個月大流行爆發(fā)，DiligentRobotics成功地300萬美元種子資金用于推出自主機(jī)器人協(xié)助運(yùn)送醫(yī)療用品和實(shí)驗室樣本（Muoio，2019）[1]。大流行幾個月后，用于醫(yī)院的機(jī)器人受到了更多的關(guān)注，隨后是1000萬美元的A輪融資（Demaitre，2020）[1]。截至2020年年中，醫(yī)用機(jī)器人開始在世界各地的醫(yī)院服務(wù)，收集患者信息來自可能接觸SARS-Cov-2的人群從而減少人類接觸（Chandrayan，2020）。同樣，盧旺達(dá)新冠肺炎疫情中也使用了醫(yī)用機(jī)器人，19家診所為患者量體溫并提供用品（博比恩，2020）[2]。機(jī)器人不僅在大流行期間幫助醫(yī)療保健，但它們也有助于噴灑消毒劑（Hayasaki，2020），清潔雜貨店的地板，整理回收中心（Howard和Borenstein，2020），以及幫助辦理非接觸式登機(jī)手續(xù)并支持機(jī)場（Hornyak，2020；Lo，2018）[3]。最近的檢查據(jù)報道，全球機(jī)器人的使用情況表明他們在管理的各個方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。機(jī)器人將幫助世界恢復(fù)“正?！北M管他們對失業(yè)率已經(jīng)很高（Glow，2020）。有一個關(guān)于新冠肺炎是否正在加速機(jī)器人用來代替人類工人（Thomas，2020）。機(jī)器人從興奮和同情轉(zhuǎn)向憤怒由于幾位企業(yè)家的警告不受控制的人工智能（AI）和增加的使用國防工業(yè)的機(jī)器人（Mattel，2015；Ozturkcan和梅爾丁·維吾爾人，2018）[4]。與這些發(fā)現(xiàn)一致，人們接觸了描述碰撞測試的視頻用假人或防御機(jī)器人對抗人類暴力（Darrow，2016）?？偠灾畬C(jī)器人部署的影響是前沿的研究領(lǐng)域，特別是醫(yī)療保健領(lǐng)域（GarmannJohnsen等人，2014）[5]。研究人員開始調(diào)查醫(yī)療機(jī)器人十年前的使用情況（Broadbent等人，2009年；Hansen等人，2010年）[6]。從那時起，機(jī)器人及其應(yīng)用發(fā)展到許多領(lǐng)域包括外科手術(shù)和修復(fù)術(shù)（Bogue，2011）與簡單的檢查任務(wù)血壓（Broadbent等人，2010）以及藥物管理中涉及的任務(wù)服務(wù)（Datta等人，2013年）或協(xié)助在家生活老年人和殘疾人（Harmo等人，2005年）[7]。技術(shù)接受的經(jīng)典理論（Davis，1989）試圖解釋和預(yù)測人類行為基于感知的有用性和感知的易用性。與此相關(guān)，醫(yī)用機(jī)器人的感知有用性和感知醫(yī)生和護(hù)士容易使用在他們被接受為一項新技術(shù)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用在他們的工作生活中[8]。對機(jī)器人的接受程度也與某些人口統(tǒng)計，如年齡、性別、性格和文化。血壓監(jiān)測被證明是最流行的引起研究人員注意的情況，其中研究結(jié)果表明，接受度在年齡和性別上存在差異朝向機(jī)器人（Kuo等人，2009）[9]。例如在健康護(hù)理活動中，外向的女性機(jī)器人是首選，內(nèi)向的男性機(jī)器人在保護(hù)方面更受青睞位置（Tay等人，2014）。醫(yī)療環(huán)境中也會遇到機(jī)器人，機(jī)器人只因協(xié)助而受到歡迎具有特定任務(wù)，如重型起重和后勤（Turja等人，2018）。日本醫(yī)療保健專業(yè)人士更受歡迎對護(hù)理機(jī)器人與芬蘭醫(yī)療保健專業(yè)人員（Coco等人，2018）也可能歸因于他們過去的經(jīng)歷不同領(lǐng)域的機(jī)器人[10]。類似地，“科技抵抗”在護(hù)理行業(yè)內(nèi)（薩爾茨曼-埃里克森和埃里克森，2016）和對將機(jī)器人納入醫(yī)療保?。℅?ransson等人，2008）在瑞典醫(yī)療保健樣本的研究中報告專業(yè)人士。另一方面，據(jù)估計，機(jī)器人可以在醫(yī)院和長期從事至少20%的護(hù)士工作老年護(hù)理。機(jī)器人的加入有助于抑制增長社會福利和醫(yī)療保健成本，改善醫(yī)療保健專業(yè)人員的工作內(nèi)容。另一方面，有人提出了一些擔(dān)憂關(guān)于機(jī)器人醫(yī)療的負(fù)面結(jié)果患者一側(cè)。特別是在老年人中關(guān)于非人化，增加身體護(hù)理者的社交孤立和忽視。新冠肺炎疫情加速了醫(yī)療保健中的醫(yī)用機(jī)器人。突然增加的醫(yī)療保健需求營造了一種氛圍人們接受了可能的幫助。此外減少或消除與患者的接觸保護(hù)寶貴醫(yī)護(hù)人員的機(jī)會防止感染病毒。在個人生活中觀察到的匱乏防護(hù)設(shè)備（PPE）也被最小化。當(dāng)醫(yī)院沒有探視時醫(yī)用機(jī)器人有助于連接患者及其家屬的士氣和支持。在印度，名為Mitra的醫(yī)用機(jī)器人協(xié)助新冠肺炎患者在醫(yī)院病床上與他們的親人通過安裝在胸前的平板電腦進(jìn)行溝通（SCMP，2020）[11]。Mitra的人類同事強(qiáng)調(diào)恢復(fù)期以及醫(yī)院探視禁令問題重重。此外，Mitra可以檢測溫度病人需要時向精神科醫(yī)生咨詢。米特拉包括面部識別技術(shù)它以前見過的人；因此，它可以識別患者獨(dú)立治療。此外，Mitra還協(xié)助遠(yuǎn)程咨詢，主要是在能夠保護(hù)風(fēng)險人群的情況下專家防止可能的感染。另一個醫(yī)用機(jī)器人還用于運(yùn)送重要的物資，如食品和為醫(yī)院不同地區(qū)的患者提供藥物（半島電視臺，2020年）。Mitra還受雇于班加羅爾（Fortis，2020）按以下方式篩選每個進(jìn)入醫(yī)院的個人適合通過面部和語音識別，Mitra篩選醫(yī)生、護(hù)士、醫(yī)務(wù)人員和非醫(yī)務(wù)人員針對新冠肺炎癥狀，如發(fā)燒或咳嗽，通過Mitra在識別和轉(zhuǎn)診方面的支持醫(yī)護(hù)人員可以與有癥狀的患者。作為聯(lián)合國開發(fā)計劃署的捐款程序，醫(yī)用機(jī)器人也在盧旺達(dá)使用了長達(dá)50%的技術(shù)工作，如測量生命體征（即檢查溫度、監(jiān)測患者）并記錄信息，以向人類醫(yī)療保健提供臨床判斷反饋工作人員（路透社，2020）[12]。部署的醫(yī)用機(jī)器人最大限度地減少患者與人類醫(yī)療保健之間的接觸因此減少了傳播。另一位醫(yī)用機(jī)器人，護(hù)士湯米，幫助意大利前線工作人員（半島電視臺，2020年；YahooNews，2020年）。湯米促成了醫(yī)生和沒有直接接觸的患者。因此，減少PPE這既節(jié)省了時間又節(jié)省了金錢。可能更重要的是，更少的醫(yī)生和護(hù)士病毒從患者身上傳播。信息的持續(xù)傳遞患者的即時情況也有助于所需醫(yī)療決策的及時性。同樣，隔離患者暴露的風(fēng)險通過在新加坡使用醫(yī)用機(jī)器人（CNA，2020)，醫(yī)用機(jī)器人被指派進(jìn)行巡邏在幾個允許醫(yī)護(hù)人員隔離的病房之間觸，因為他們可以遠(yuǎn)程檢查患者。而且甚至可以更經(jīng)常地與患者交談由于取消了穿戴和脫下PPE的規(guī)定在這種新穎的通信方法中。在比利時，一個多語言醫(yī)用機(jī)器人被分配給篩查患者的冠狀病毒癥狀確保他們在醫(yī)院就診時戴口罩（歐洲新聞，2020年）。Sophia自2016年以來一直是先鋒醫(yī)用機(jī)器人也被賦予了一個新的角色在新冠肺炎大流行期間（路透社，2021；SCMP，2021)，憑借她高度發(fā)達(dá)的面部表情，Sophia據(jù)信能夠促進(jìn)人與機(jī)器的通信，作為護(hù)士的角色包括測量患者的體溫。他們幫助減輕了壓力在一線醫(yī)療保健和預(yù)防感染傳播各醫(yī)院科室之間的溝通。其他人也在隔離病房使用機(jī)器人運(yùn)送食品、水和藥物（NewChina，2020)。

搬運(yùn)病人機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計目前在醫(yī)院治療傳染病病人時，針對重癥病人更換床位需要護(hù)士人工幫助病人挪動，這樣就增加了護(hù)士被感染的風(fēng)險。如果能設(shè)計一種自動搬運(yùn)病人的機(jī)器人，幫助護(hù)士解決挪動病人位置的工作，就能很好解決護(hù)士被感染的風(fēng)險，本章針對這種機(jī)械手臂進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。該搬運(yùn)病人機(jī)器人是在多功能病床的基礎(chǔ)上進(jìn)行完善、增加搬運(yùn)和自動行走功能。底部四個輪子，其中兩個為萬向輪、兩個齒輪副轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)動力輪，通過前方攝像頭和超聲避障裝置識別路線及判斷障礙物，可實(shí)現(xiàn)自助直線行走及轉(zhuǎn)彎。通過四組機(jī)械手臂可將病人從該病床移動到另一病床，整個過程無需醫(yī)務(wù)人員接觸。其中機(jī)械手臂可進(jìn)行俯仰、升降、折疊等動作，不使用時折疊臂歸位到側(cè)面、不影響病人休息。床頭位置為控制面板，所有電氣元件均在床底、驅(qū)動采用蓄電池供電，具體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，結(jié)構(gòu)明細(xì)如表2-1所示。圖2-1搬運(yùn)病人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)

表2-1零部件明細(xì)表序號名稱數(shù)量材料1控制面板組件1電控組件2機(jī)械手4組合件3升降機(jī)構(gòu)4組合件4俯仰機(jī)構(gòu)4組合件5攝像頭1外購6病床1組合件7行走機(jī)構(gòu)1組合件

俯仰機(jī)構(gòu)的設(shè)計機(jī)械手臂是模仿人手操作，可以伸縮、升降、調(diào)節(jié)角度等各個維度的調(diào)整，其中調(diào)節(jié)角度通過俯仰機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，本章主要俯仰機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，該機(jī)構(gòu)也是機(jī)械手臂的重要組成部分。3.1機(jī)構(gòu)概述通過俯仰機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)前后±90°調(diào)節(jié)，俯仰機(jī)構(gòu)通過齒輪傳動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，通過電機(jī)抱閘能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖、能夠很好的固定位置。在±90°的位置通過接近開關(guān)實(shí)現(xiàn)限位，同時采用機(jī)械限位的方式雙重保護(hù)，防止過角度旋轉(zhuǎn)損傷元器件。3.2俯仰機(jī)構(gòu)的設(shè)計俯仰機(jī)構(gòu)采用齒輪傳動傳動方式，通過電機(jī)抱閘能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖，能夠很好的鎖定位置、保證精度。3.2.1齒輪選擇的材料結(jié)合使用情況選擇兩齒輪材料為：40Cr，加工工藝都為：調(diào)質(zhì)處理、表面淬火硬度為HRC46-55，為滿足使用需要加工等級定位六級。取其最低值保證滿足使用需要，的MQ級質(zhì)量指標(biāo)查得；查機(jī)械設(shè)計手冊圖8－3－9（d）中的MQ級質(zhì)量指標(biāo)查得；。3.2.2強(qiáng)度計算齒輪傳動的計算需要計算中心距、模數(shù)齒數(shù)等，具體步驟如下所示。中心距a的計算（3-1）式中：Cm＝1.2（配材料）Aa＝454載荷系數(shù)K＝1.5（3-2）結(jié)合實(shí)際負(fù)載要求，選擇東方馬達(dá)4kw伺服馬達(dá)，馬達(dá)額定轉(zhuǎn)速2500r/min，實(shí)際有效轉(zhuǎn)速可達(dá)到98%，電機(jī)前段直連行星減速機(jī)，減速比是3。所以減速馬達(dá)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速為：齒寬的補(bǔ)償參數(shù)＝0.5；齒數(shù)比u=i=2.5查閱國家標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力為所以為了安全起見這里取a＝80mm。(2)關(guān)于模數(shù)m的確定m=(0.007~0.02)a=0.56~1.6,取m=1.5mm(3)確定齒數(shù)z1,z2螺旋角度的初始確認(rèn)＝13（3-3）取整這里按照z=30z=μz=2.530=75，這里就按照z=75關(guān)于螺旋角的重新計算如下部分（3-4）實(shí)際中心距(4)其他主要幾何尺寸的計算（3-5）（3-6）齒頂圓直徑d=d+2h=45.7+21.6=48.9mmd=d+2h=114.3+21.6=117.5mm（3-7）壓力角（端面）（3-8）分度圓直徑d=dcos=cos20.292°=40.2mmd=dcos=348cos20.292°=107.2mm壓力角（齒頂圓）=arccos=34.365°=arccos=23.951°端面重合度=[z（tg-tg）+z(tg-tg)]=1.9（3-9）齒形寬度b=.a＝0.4*80＝32（3-10）取b＝32mm；b＝40mm齒寬系數(shù)===0.7（3-11）縱向重合度=1.2（3-12）當(dāng)量齒數(shù)＝31.45＝78.628（3-13）3.2.3關(guān)于齒面強(qiáng)度的詳細(xì)計算校核齒面的強(qiáng)度校核非常重要，基于強(qiáng)度條件：[]關(guān)于應(yīng)力的校核：=ZZZZZ（3-14）=（3-15）式中：切向力F===2034N（3-16）使用系數(shù)KA=1動載系數(shù)=（）式中V=A=83.6B=0.4C=6.57=1.2齒間載荷分配系數(shù)節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)=1.5重合度的系數(shù)螺旋角系數(shù)彈性系數(shù)單對齒齒合系數(shù)ZB=1=＝＝245.5MPa許用應(yīng)力：[]=（3-17）式中：極限應(yīng)力=1120MPa最小安全系數(shù)=1.1壽命系數(shù)=0.92潤滑劑系數(shù)=1.05（按油粘度等于350）速度系數(shù)=0.96（按）粗糙度系數(shù)=0.9齒面工作硬化系數(shù)=1.03（按齒面硬度45HRC）尺寸系數(shù)=1則：[]==826MPa滿足[]3.2.4校核齒根的強(qiáng)度強(qiáng)度條件：[]許用應(yīng)力：=（3-18）（3-19）式中：齒形系數(shù)=2.61，=2.2應(yīng)力修正系數(shù)，重合度系數(shù)=1.9螺旋角系數(shù)=1.0齒向載荷分布系數(shù)=1.3（其中N=0.94）齒間載荷分配系數(shù)=1.0則=94.8MPa==88.3MPa許用應(yīng)力：[]=（按較小齒輪值檢驗）式中：極限應(yīng)力=350MPa安全系數(shù)=1.25應(yīng)力修正系數(shù)=2壽命系數(shù)=0.9齒根圓角敏感系數(shù)=0.97齒根表面狀況系數(shù)=1尺寸系數(shù)=1則[]=滿足，〈〈[]通過計算是符合要求的，合格。

行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計行走機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)自助直線行駛及轉(zhuǎn)彎，通過對角線上兩組蝸輪蝸桿減速裝置、以及齒輪副轉(zhuǎn)向裝置構(gòu)成整個行走系統(tǒng)，本章針對電機(jī)的選擇、減速機(jī)設(shè)計、軸承校核等部分進(jìn)行設(shè)計。4.1電機(jī)的選擇選擇型號為東方馬達(dá)AZ系列DC電源輸入內(nèi)藏定位型AZM46MK-HP9+AZD-KD+CC020VZFB2電機(jī)，電機(jī)的具體型號和參數(shù)如表4-1所示，負(fù)載扭矩特性如圖4-1所示。表4-1AZM46MK-HP9+AZD-KD+CC020VZFB2電機(jī)參數(shù)參數(shù)具體情況參數(shù)具體情況安裝尺寸40mm容許轉(zhuǎn)矩2.5N?m軸型單軸電源輸入電壓DC24V/DC48V電磁制動有電源輸入電壓容許范圍±5%電纜線2m（標(biāo)準(zhǔn)電纜線）電源輸入電流1.8A驅(qū)動器型內(nèi)藏定位型CE標(biāo)志是的勵磁最大靜止轉(zhuǎn)矩2.5N?mPC設(shè)定程序MEXE02轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量J71×10^-7kg?m^2電動機(jī)部質(zhì)量0.88kg齒隙3arcmin(0.05°)電路部質(zhì)量0.15kg速度范圍0～600r/min減速比5分辨率000P/R設(shè)定時0.04°/脈沖圖4-1負(fù)載扭矩特性圖4.2驅(qū)動電機(jī)的校核（1）轉(zhuǎn)動慣量的詳細(xì)計算電機(jī)中轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量旋轉(zhuǎn)軸的計算轉(zhuǎn)動慣量旋轉(zhuǎn)軸軸上下移動的慣量上：（4-1）式中：——步進(jìn)距離，cm；——工作臺的質(zhì)量，kg。將已知條件，代入到公式（4-1）中可得聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣量系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量（2）計算轉(zhuǎn)矩特性電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩Mmq為電機(jī)的名義啟動轉(zhuǎn)矩，Mmq與Mjmax具有線性關(guān)系，表達(dá)為公式（4-2）（4-2）在資料中查得。將數(shù)據(jù)代入到公式中得電機(jī)空載啟動扭矩的計算如公式（4-3）（4-3）式中Mkq——空載啟動時的力矩，N·m；Mka——空載啟動情況下，可移動部件的速度由零升速到最大時，折算到電機(jī)軸上的加速力矩，N·m；（4-4）其中機(jī)構(gòu)運(yùn)動最大速度時電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速值的計算如公式（4-5）（4-5）式中：Jε——機(jī)械結(jié)構(gòu)中等效的轉(zhuǎn)動慣量值；帶入公式（4-5）可得再將結(jié)果帶入公式（4-4）可得空載摩擦力矩Mkf的計算如公式（4-6）（4-6）式中：M——運(yùn)動部件的總重量；μ——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；η——傳動系統(tǒng)總效率，（）；L——旋轉(zhuǎn)軸的最大行程。所以帶入公式（4-6）可得附加摩擦力矩M0的計算如公式（4-7）（4-7）式中：FYJ——使用的旋轉(zhuǎn)軸的預(yù)緊壓力值（為最大軸向負(fù)載的1/3）；η0——旋轉(zhuǎn)軸未預(yù)緊時的傳動效率，這里取。帶入公式（4-7）可得馬達(dá)啟動的空載轉(zhuǎn)矩為：初步確定電機(jī)型號時，電機(jī)空載時的啟動轉(zhuǎn)矩應(yīng)不高于電機(jī)銘牌上的啟動轉(zhuǎn)矩，即。根據(jù)上述計算可知，電機(jī)初步滿足要求。（3）校核電機(jī)的啟動矩頻特性圖4-2為電機(jī)的啟動力矩與頻率特性之間的關(guān)系曲線。圖4-2矩頻特性圖根據(jù)上述計算可知空載啟動力矩。在圖4-2中可以查得對應(yīng)的允許啟動頻率。而其相應(yīng)的啟動頻率，符合設(shè)計的要求，可以選用。（4）運(yùn)行矩頻特性校核電機(jī)的最高快進(jìn)運(yùn)行頻率fkz的計算需滿足公式（4-8）（4-8）式中：Vmax——機(jī)構(gòu)運(yùn)動的最大速度柱；δp——脈沖當(dāng)量。帶入公式（4-8）可得快進(jìn)力矩MKJ的計算如公式（4-9）（4-9）帶入公式（4-9）可得由圖4-2可知對應(yīng)的允許快進(jìn)頻率；所以電機(jī)滿足快速進(jìn)給運(yùn)行矩頻特性要求，可以使用。4.3蝸輪蝸桿傳動比的確定蝸桿一般頭數(shù)選擇一個頭的，蝸輪可以初選50個齒的，一般減速機(jī)減速比40~60時性能較為穩(wěn)定，強(qiáng)度較好。選定轉(zhuǎn)速比為：i＝50/1 所以絲桿轉(zhuǎn)速 從而，輪子直徑：（4-10）圓整為170mm4.3.1各軸功率計算（4-11）（4-12）4.3.2各軸轉(zhuǎn)速的計算4.3.3各軸輸入扭矩的計算（4-13）結(jié)合上述計算，對蝸輪蝸桿減速機(jī)的各軸參數(shù)進(jìn)行匯總?cè)缦卤?-2所示。表4-2蝸輪蝸桿減速機(jī)各軸參數(shù)計算匯總名稱功率Kw轉(zhuǎn)速扭矩N.m蝸桿軸1.4794014.93蝸輪軸0.9718.8492.744.4蝸輪蝸桿的設(shè)計蝸輪材料的許用接觸應(yīng)力[]=190N/mm蝸輪彎曲應(yīng)力[]=44N/mm4.4.1關(guān)于蝸輪蝸桿齒數(shù)的確定選取Z＝1，則Z＝Z·i＝1×50＝50（4-14）故取Z＝504.4.2驗算絲桿的速度實(shí)際傳動比i＝50/1工作機(jī)轉(zhuǎn)速n＝940/50=18.8行走速度（4-15）速度誤差（4-16）4.4.3減速機(jī)構(gòu)傳動中心距計算關(guān)于蝸桿的功率的詳細(xì)計算公式如下：（4-17）式中K——關(guān)于應(yīng)用場合參數(shù)，由于該提升機(jī)構(gòu)屬于小型的K＝0.7；K——加工等級參數(shù)，蝸桿的加工精度等級為IT7，所以K＝0.9；K——速度參數(shù)，機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度為10米/分鐘，K＝0.85。以上參數(shù)帶入公式＝KW（4-18）蝸桿傳動幾何參數(shù)匯總?cè)缦卤?-3所示。表4-3蝸輪蝸桿幾何尺寸匯總表序號名稱代號或公式數(shù)值1中心距a100mm2齒數(shù)比u=z2/z1503蝸輪齒數(shù)z2504蝸桿頭數(shù)z115蝸桿齒頂圓直徑45mm6蝸桿齒寬53mm7蝸桿螺紋部分長度L59mm8蝸桿齒頂圓弧半徑Ra182mm9蝸桿齒頂圓最大直徑de153.8mm10蝸輪端面模數(shù)m＝3.18mm11徑向間隙0.51mm12齒頂高h(yuǎn)=0.75m2.23mm13齒根高h(yuǎn)=h+C2.74mm14全齒高h(yuǎn)=h+h4.97mm15蝸桿分度圓直徑＝（0.624＋）a40.53mm續(xù)表4-3蝸輪蝸桿幾何尺寸匯總表序號名稱代號或公式數(shù)值16蝸輪分度圓直徑＝2a－159.47mm17蝸輪齒根圓直徑d＝－2h153.98mm18蝸桿齒根圓直徑d＝－2h35.05mm19蝸輪齒根圓弧半徑82.48mm20分度圓壓力角（2.15）24°21蝸桿分度圓齒厚（2.15）4.298mm22蝸桿分度圓法向齒厚（2.15）4.29mm23蝸輪分度圓法向齒厚（2.15）5.49mm通過計算校核，蝸輪的詳細(xì)尺寸如下圖4-3所示。圖4-3蝸輪二維圖4.5蝸輪軸的設(shè)計4.5.1軸的材料選擇材料選用40Cr,=6504.5.2軸徑的初步計算（4-19）其中——轉(zhuǎn)速單位r/min—傳遞功率單位kw——危險截面直徑，單位mmmm蝸輪軸固定聯(lián)軸器處的直徑是，根據(jù)公式，轉(zhuǎn)距變化很小，故取Ka=1.3，則，選用YL11型凸緣聯(lián)軸器。蝸輪軸的詳細(xì)尺寸如下圖4-4所示。圖4-4蝸輪軸二維圖4.6滾動軸承的校核已經(jīng)初選圓錐滾子軸承7306E，其中：C＝52.5KNC＝60.5KNe＝0.83Y=0.7==1.62833>e=0.83考慮到載荷系數(shù)f=1.21.2（0.4×2655.5367+0.7×5952.4）=6274.673616軸承壽命L=（4-20）==21778.8311h該提升機(jī)平均每天使用半小時，故所選軸承壽命為＝＝120.9935y所選軸承合適。4.7鍵聯(lián)接的強(qiáng)度校核蝸桿軸上安裝聯(lián)軸器處的鍵聯(lián)接選用普通平鍵6×6、鍵的工作長度l＝28。鍵的工作高度k＝＝3查得鍵聯(lián)接的許用比壓[p]=50～60N/（4-21）=9.276N/<[p]式中：—傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位為；—鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，，為鍵的高度，單位為；—鍵的工作長度，單位為；d—軸的直徑，單位為；—鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，單位為。通過計算，所選平鍵合格。4.8蝸桿軸輸入端聯(lián)軸器的選擇選用凸緣聯(lián)軸器，查得K＝1.3，（4-22）＝1.3×11428.5165＝14857.07145N·㎜選用YL3型聯(lián)軸器。

折疊臂分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計5.1折疊臂機(jī)構(gòu)分析關(guān)于空間的工作分析，機(jī)械手的設(shè)計相對是比較繁瑣的，這里只針對主要部分進(jìn)行設(shè)計，機(jī)械手臂位置示意圖如下圖5-1所示。圖5-1機(jī)械手臂位置示意圖L1為機(jī)械主體部分臂部的長度按照665mm取值；L2為小臂的長度根據(jù)使用要求小臂的長度按照630mm取值；θ1為大臂的旋轉(zhuǎn)角度，根據(jù)實(shí)際使用要求-150o~150o就可以滿足使用要求；θ2為小臂的旋轉(zhuǎn)角度根據(jù)使用要求，這里按照±65°；根據(jù)上圖4.1所示A點(diǎn)：長機(jī)械臂的最小值按照符號θ1min、小機(jī)械臂的最小值按照符號θ2min。B點(diǎn)是大臂極限位置用θ1max表示。C點(diǎn)大臂轉(zhuǎn)動到最大極限時的值用θ1max表示，小臂達(dá)到正極限值為θ2max。D點(diǎn)為大臂達(dá)到負(fù)極限時θ1min表示，小臂達(dá)到正極限值，由θ2max表示。E點(diǎn)：F點(diǎn)：對以上個點(diǎn)計算匯總?cè)缦卤硭尽１?-1坐標(biāo)點(diǎn)位置匯總坐標(biāo)點(diǎn)X坐標(biāo)Y坐標(biāo)Z坐標(biāo)A-11745470B31.7547.30C-5.81180D-336.58520E-602.72810F602.728105.2折疊部減速機(jī)構(gòu)設(shè)計5.2.1選定齒輪類型﹑精度等級﹑材料及齒數(shù)選用直齒圓柱齒輪傳動。選用7級精度。選擇小齒輪材料為40Gr，調(diào)質(zhì)處理，硬度250HBS，大齒輪材料為45號鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為230HBS。小齒輪齒數(shù)18，初步確定傳動比為則大齒輪齒數(shù)此時傳動比。5.2.2按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算（1）確定各參數(shù)的值（5-1）因大小齒輪為鋼制，由《機(jī)械設(shè)計》表12.12查得彈性影響系數(shù)（5-2）設(shè)，求得;應(yīng)力循環(huán)次數(shù)使用期：8×350×16=44800h按齒面硬度查得齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為：小齒輪：；大齒輪：接觸疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù)查教材得接觸疲勞壽命系數(shù)，取失效概率為1，安全系數(shù)S=1（2）參數(shù)計算1）試算小齒輪分度圓直徑，由計算公式得（5-3）2）計算平均圓周速度3）計算載荷系數(shù)K已知使用系數(shù)，根據(jù)v=4.4m/s，8級精度，查得動載系數(shù)；查得K=1.42；得K=1.35；得。故載荷系數(shù)（5-4）4）按實(shí)際載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑（5-5）5）計算齒寬b和模數(shù)b=m=6）齒輪部分相關(guān)參數(shù)查手冊得齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限。查手冊得彎曲疲勞壽命系數(shù)。取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，則7）校核（5-6）滿足要求。（5-7）所以安全。5.3升降絲桿的設(shè)計計算螺母螺紋表面的壓力p，該壓力p小于材料的允許壓力[p]。（5-8）按照絲桿壓強(qiáng)粗選內(nèi)徑：在參考文獻(xiàn)中可以知道它的計算公式為：（5-9）所以（5-10）確定絲桿：（1）螺母高度：（5-11），取31mm（5-12）（2）螺母的螺紋工作圈數(shù)在參考文獻(xiàn)中可以知道它的計算公式是：（5-13）把已知數(shù)據(jù)代入得：（5-14）所以z取7圈。螺紋牙的工作高度：h=0.5P把已知數(shù)據(jù)代入得：（5-15）（5-16）（5-17）滿足條件。（5-18）（5-19）（5-20）滿足強(qiáng)度要求。穩(wěn)定性的計算：(1)絲桿危險剖面的慣性半徑：（5-21）把已知條件代入得：（5-22）(2)絲桿的工作長度：（5-23）把已知條件代入得：（5-24）(3)絲桿的柔度：（5-25）把已知條件代入得：（5-26）(4)絲桿的臨界載荷Fcr為：在經(jīng)過上面的計算后可以推導(dǎo)出：（5-27）把已知條件代入得：（5-28）滿足條件。通過上述詳細(xì)計算，升降絲桿的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖所示。圖5-2升降絲桿機(jī)械臂通過三維建模，然后轉(zhuǎn)化成二維圖紙，機(jī)械臂結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，是本次設(shè)計的核心內(nèi)容，具體關(guān)于機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)如下圖5-3和5-4所示，其中關(guān)于圖紙所對應(yīng)的各部位零部件明細(xì)如表5-2所示。圖5-3機(jī)械手臂主視圖圖5-4機(jī)械手臂左視圖表5-2機(jī)械手零部件明細(xì)表序號零件號數(shù)量材料1連接板21Q2352松下電機(jī)750W1組件3漲緊輪22Q2354HK120前板1Q2355電機(jī)3安裝板1Q2356傳感器檢測61組件7OMRON-EESX6723PF8HK120主軸承座1Q2359連接軸14510絲桿螺母SFS16101銅11電機(jī)21組件12底座21Q23513HK120感應(yīng)片1組件14減速機(jī)11組件15HK120（16絲桿）滑塊1組件16支撐板21Q23517HK120型材-S3001606118連桿1Q23519支撐板32Q23520手臂板2Q23521電機(jī)41組件22HK120蓋板-S3001Q23523手臂板316061合金24手臂支撐板41Q23525同步帶51丁腈橡膠26傳感器檢測81組件2716mm阻尼圈3Q23528HK120后板1Q23529旋轉(zhuǎn)架1Q23530HK120副軸承座1Q23531俯仰機(jī)構(gòu)-蝸桿軸固定座1Q23532俯仰機(jī)構(gòu)-軸承座1Q23533俯仰機(jī)構(gòu)-伺服電機(jī)1組件

續(xù)表5-2機(jī)械手零部件明細(xì)表序號零件號數(shù)量材料34俯仰驅(qū)動馬達(dá)固定板1Q23535同步帶輪_從51606136支撐板11Q23537支撐板41Q23538連接板16061合金39手臂板216061合金40手臂支撐板31Q23541軸承壓環(huán)2Q23542EGH15導(dǎo)軌-S30024543HK120-S300-SFS1610-1605絲桿14544φ12襯套2Q23545M12鎖緊螺母1Q23546C30-35-14-10聯(lián)軸器1組件471GH15-滑塊4組件48俯仰機(jī)構(gòu)-俯仰旋轉(zhuǎn)軸14549俯仰機(jī)構(gòu)-軸承2組件50俯仰機(jī)構(gòu)-大齒輪140Cr51俯仰機(jī)構(gòu)-小齒輪140Cr52俯仰機(jī)構(gòu)-小齒輪連接鍵14553俯仰機(jī)構(gòu)-M4頂絲44554俯仰機(jī)構(gòu)-齒輪連接鍵14555俯仰機(jī)構(gòu)-軸承68052組件56俯仰機(jī)構(gòu)-左立板1Q23557俯仰機(jī)構(gòu)-右立板1Q23558俯仰機(jī)構(gòu)-旋轉(zhuǎn)軸145

控制系統(tǒng)的設(shè)計6.1可編程控制器(PLC)的簡介及選擇可編程控制器也就是PLC，這是一種在工業(yè)控制行業(yè)應(yīng)用非常廣泛的一種裝置。在機(jī)械設(shè)備中使用PLC對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行控制，一方面是因為其穩(wěn)定性非常好，可以使得機(jī)械設(shè)備按照編寫好的程序自動運(yùn)行。另一方面也是最重要的就是PLC的可變性及適應(yīng)性非常強(qiáng)，用戶可以根據(jù)自己的使用需要，編寫不同的控制程序輸入到PLC中，來滿足不同的操作需求。使用PLC對產(chǎn)品進(jìn)行控制，使得相關(guān)的設(shè)備具有可擴(kuò)展的功能，可以使相關(guān)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動加工，可以增強(qiáng)設(shè)備和企業(yè)的競爭力。為了使企業(yè)可以得到更好的發(fā)展，在相關(guān)領(lǐng)域使用PLC已經(jīng)是一個非常必要的選擇。6.2變頻器的介紹及選型交流變頻器也是在工業(yè)控制領(lǐng)域使用非常廣泛的一種裝置，這是將工業(yè)電源轉(zhuǎn)變?yōu)樽冾l功率的一種裝置。交流變頻器是通過關(guān)閉功率半導(dǎo)體元件的方式來對頻率進(jìn)行變化控制的。在工業(yè)當(dāng)中最常使用的變頻器的控制方式是將交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?，然后再轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鞯姆绞竭M(jìn)行控制。在對電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過程當(dāng)中，需要通過相關(guān)的指令將直流電源的相關(guān)電信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得輸出的是電壓和頻率是可以被改變和進(jìn)行調(diào)節(jié)的交流電。通過輸出的交流電，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的控制。電動機(jī)轉(zhuǎn)速可以通過如下的公式進(jìn)行計算:（6-1）在如上的公式：n——代表的是電動機(jī)的轉(zhuǎn)動速度，其單位為m/s;f——代表電源的輸出頻率,單位是HZ；s——代表異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率；p——代表異步電動機(jī)的極對數(shù)通過以上的公式可以看出電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n與頻率f之間的關(guān)系是正比例關(guān)系。這也就是說當(dāng)頻率f變大時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速也會變大。當(dāng)頻率f變小時,電動機(jī)的轉(zhuǎn)速會變小。在實(shí)際應(yīng)用過程當(dāng)中可以根據(jù)需要將輸出的頻率控制在一定的范圍之內(nèi)，這樣就可以使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速在一定范圍之內(nèi)變化。6.3控制電路設(shè)計搬運(yùn)病人的機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要是通過可編程控制器及交流變頻器來實(shí)現(xiàn)的。它的原理是將設(shè)備的控制電路連接到可編程控制器上，通過可編程控制器來控制交流變頻器，通過交流變頻器的動作來實(shí)現(xiàn)整個裝置的運(yùn)動和啟動的狀態(tài)，通過交流變頻器來控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)及電動機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在機(jī)器人的運(yùn)轉(zhuǎn)過程當(dāng)中，通過外部的傳感器將位置信息監(jiān)測并傳達(dá)給可編程控制器，可編程控制器通過相關(guān)的信息來?？刂平涣髌鞯倪\(yùn)行使得電機(jī)能夠完成停止和啟動等操作。搬運(yùn)病人的機(jī)器人的可編程控制器的輸入主要是通過繼電器的信號輸入以及輸入按鈕的相關(guān)信息輸入。在機(jī)器人裝置中，傳感器的信號以及變頻器故障代碼等相關(guān)信息。都是通過輸入按鈕進(jìn)行信息傳達(dá)的。同時對變頻器進(jìn)行操作使其啟動和停止的按鈕，也是在輸入按鈕中。6.4蓄電池的選用該搬運(yùn)病人的機(jī)器人采用蓄電池供電，使用更便捷不用考慮現(xiàn)場電源的問題。為滿足裝置在醫(yī)院隨時移動的使用要求，需要實(shí)現(xiàn)自主供電，通過在機(jī)器人上安裝電池的方式來完成。在對電池進(jìn)行選擇的時候，需要考慮到電池的經(jīng)濟(jì)性，使用壽命，以及對環(huán)境的影響，通過分析比較決定在本設(shè)計中選擇可充電電池對機(jī)器人提供電能。在對機(jī)器人的充電電池進(jìn)行選擇時，需要從現(xiàn)有的多種電池中進(jìn)行選擇，其中包括鉛酸蓄電池、金屬氧化物鎳蓄電池、鋰離子蓄電池等等。通過對不同種蓄電池的比較發(fā)現(xiàn)鉛酸蓄電池在成本上面更有優(yōu)勢，但是也有一些弊端，鉛酸蓄電池質(zhì)量和體積都相對較大，安裝在機(jī)器人上對機(jī)器人的空間，其重量都有的影響。與其他種類蓄電池相比，鉛酸蓄電池的使用壽命更短，而且充電所耗費(fèi)的時間較長。搬運(yùn)病人的機(jī)器人是一種急救裝置，對時間更敏感。同時鉛元素對環(huán)境也并不友好，作為重金屬對環(huán)境有污染作用。因此不建議選擇鉛酸蓄電池。鋰電池在成本上看起來不是首選，但是在壽命，環(huán)境，及充電時長，容量等方面很有優(yōu)勢，且鋰電池的質(zhì)量和體積都更小。從長遠(yuǎn)看，鋰電池更適合。在這款設(shè)計中選擇鋰電池為機(jī)器人的運(yùn)行進(jìn)行供電。6.5行走避障原理為了使搬運(yùn)病人機(jī)器人在對病人進(jìn)行搬運(yùn)的過程當(dāng)中可以穩(wěn)定的運(yùn)行，防止碰撞的設(shè)計是非常有必要非常重要的。如果機(jī)器人在運(yùn)行過程當(dāng)中遇到障礙物不能避開，不但可能會造成機(jī)器人本身的損壞，還會有很大的風(fēng)險會給病人帶來傷害。在對搬運(yùn)病人機(jī)器人的躲避障礙的功能進(jìn)行設(shè)計時，通過使用超聲波距離感應(yīng)器來對機(jī)器人行進(jìn)的道路上的情況進(jìn)行檢測，當(dāng)遇到有障礙物時，安裝在機(jī)器人上的超聲波會通過其發(fā)出聲波及接收到聲