外文翻译--轻量级丝杠作动器设计在便携的机器人的应用

轻量级丝杠作动器设计 在 便携的机器人 的 应用 机械设计报 凯文 托马斯 一个便携机器人是直接与它的用户联系的一个受控和开动的设备。 同样 ， 也 要求 这个设备 必须 也 是便携 的 ，轻量级 的， 最重要的是安全的 。 为 了 达到这些目标 。 标准丝杠的设计 通常 不能很好的 按要求 执行这些 。 典型的丝杠有 很 低投球角度和大 的 半径，从而产生 很 低 的 机械效率和 很 大的重量 。 可是 ，使用 文本中 的设计程序 ， 效率和重量 是被 改进 的 ; 因而 可以 产生 一种与人 的 肌肉 相似 的丝杠系统。例子 中 的 问题 说明 一个可行性的丝杠设计应该是 277 的功率质量比 ，接近 驱动它的马达，即 312W/且机械效率 为 动能 到 11.3 kN/杠设计。 1引言 在美国 ， 有 五分之一的人有不同形式的残疾 ， 这些人当中， 61的人患有感觉或身体残疾。 在老年人 中 ， 8 到 19 是 步态失调 。许多残疾人 可以 独立的 受益于某种形式 机器人 的 协助 。 一个 便携 机器人是一个 被 计算机控制和驱动 的 装置，是直接接触 用户 的 。 这种装置 的目的是 增强 用户 的 行 为 能力 。 在 病人 治疗 期间 ， 它可以用于训练， 或 是 仅仅当作一 种 协助 病人完成日常生活 的装置 。 便携 的含义是 指 机器人必须携带方便，重量轻，而且 安全 是最 重要的 。相比之下， 工厂车间 的 机器人是没有这些 功能 的 ，因此，要简单修改现有的技术是不可能 实现的 。 设计便携机器人的标准方法 有三大局限性 ; 1低电池功率密度 ； 2电机 的 低 强度质量比； 3重量和安全 性 的 机械传动系统。 这些 工作 的目的 是审查 丝杠驱动器 的设计过程 ;结 果显示 在 局限性 第三项方面有了重大改进， 即，重量和安全性的机械传动系统。 2 背景 有 趣 的是 ， 在 便携机器人学 领域 的研究已经超过了 过去十年 的 增长。 最近 ，浪涌 的 利益可以归因于 电子小型化、微处理器能力和无线技术扩散的推进 。 提高 便 携计算机控制 设备 的能力 的可行性 是可以实 现的 。 然而，除便携式的计算平台的可及性之外，必须 谈 及物理机制的问题。 在便携 机器人发展 中， 主 要 的问题 是 强度质量比 、重量和安全。 有 多少 可利用的 动力 可 完成 机械功？ 机器人设备 有 多少 额 外的 力 给 人？ 还有 ， 如何 转移这 些动 力和怎么 一直 维护安全 等 ？ 用户和开动的机器 人 之间的安全互作用 在便携机器人 设计 中 是一个首要问题 。 一个便携的机器人系统的目的 是 将 操作员 通过 存贮设备 获得的努力和 能量 抵消 ，即，电池、燃料电池和空气坦克。作动器 的 效率和整个系统 的 重量沉重影响分享在操作员和机器人之间的工作负担。 在很多情况下，机器人加给用户的 额外力量 ， 能多完成 一项 测量 任务。 这意味着机器人 不仅 必须增添操作员的能力， 也必须 补尝它自己另外的重量。 动器 的 比较 。 很 多机器人作动器 被比作 成 人的骨骼肌 的 标准。 设计师 了 解 他们 好 的 功率强度比 和 优秀的 强制生产能力 就是为了 动作器 与 骨骼肌 相比拟 。为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 ， 生物文学中的普遍 性 是 :被测 量的肌肉 参数 是 变化繁多 的 。虽然报告 参数 有一个宽 的 变化，这些 参数 一直能 给生物材料 行为 标度的感觉。 制成表的数据和 几个原始 估计 数据 被用于描述人的肌肉表现 属性和结果 如表 1所示 。 表 1： 作动器比较： 通过 机械效率 ，势能，和校正动能对 各种各样的作动器类型 进行比较： 允许 与 有效能的运用 直接进行比较 。然而，在便携机器人作动器的发展 中这两个参量需要得到审查 。考虑 到 所有作动器在 100%效率 中运行 ，然后整个小组能直接地由他们各自的功率强度比 进行比较 。 可是 ，如果 势能中的动力 被提供给每台作动器，由于他们 各自 的 效率 仅仅是 输出 一小部分 动 力。所以，适当地比较上面被描述的作动器，他们校正的 势能 必须计算 ,即： (1) 机械效率和 率质量比 。 对各种动作器演算的 结果如 表 1所示 表 1的内容 是 从文献或基于那些文献的估计中获得的 。 数 是 : 传动箱组合 的参数 在 004编目 中 能够 找到。一台电系列有弹性作动器 的 参数 用于估计这些参 数 。然而，一个 一般 大小的丝杠系统可能有更好的 强度质量比 ， 因为 它 有很高的 负 载 能力 ，并且 有很 低的重量。对于 空气肌肉， 从 各种各样 文 献中发现了 描述它 的 相关 方法 。 比较中显然显示的 是校正 功率质量比 ， ， 空气肌肉 和 人的骨骼肌是 都是简单 匹配 的 。 然而， 马达上一旦加上额外的硬件 ，它的 执行力 会 极大减 小 。 基于动作器的重量， 如果 能 修改 一个 不是很大的 量的机械传动系统，则 它接近于 人的骨骼肌的功能可 能 会实现 。 3丝杠设计 如上所见 ， 当一个典型丝杠系统 与其他便携 机器人作动器 在 概念 上进行 比较 时 ，它的性能 是有限的 。 产生这种 低性能的主要原因是 它的 机械效率 很低 。 如果 在一个标准丝杠系统 中使用 大约是 =会有更好的润滑效果 。 相反，典型的球螺丝系统有非常好机械效率。 滚 珠轴承的滚动接触对这个系统的摩擦作用 会保持 很 低。 然而， 效率 虽然 有了改进 ，球螺丝作动器的 然低于那骨骼肌， 这 是因为 球螺丝系统 的重量 很大 。 如果 改进球螺丝的 性能 ， 那么 重量的减少就 可以 实现 了 。 机械设计学报 图 1 丝杠 外形 ; 主角 l 在 一个 单 一螺旋螺丝 中是等效的 用于设计 围拢丝杠的基本数学 也适用于球螺 丝系统。 这两 个 机械传输之间的 主要 差别是他们的摩擦系数。在以下部分 会 考虑 影响 丝杠 重量和 机械效率 的 设计参数 ，并且对 它 的 进行改进 。 形 在图 1显示 的 是普通 丝杠 的 基本 外形 。 丝杠的关键参量是主角 l， 螺丝半径 。主角 进达到的位移数量， 一个高精度螺丝有非常 小 或 非常好 的 主角 。在图 1的正三角形显示 的 螺丝 的 唯一 一次改进被剥开的构造 。前置角 代表螺纹的斜面或倾斜 度 。 三角 的基础 是螺丝轴的圆周，三角 形 的右 腿 是它的主角 ， 螺线螺纹的弦 代表 路径长度。 并且在正三角形 中 看 出 使螺母 举 起 负 载 的强大的力 。 负 载的力量显示 为 F ，螺丝的扭矩 强度 是 F ,在螺丝 螺纹 上 的正常反作用力是 N，并且摩擦力是 N。从这张图 中 ， 举起 的扭矩的 等式就可以是： (2) 对 R。 还 考虑 ，丝杠的 外形 在图 1可以显示 主角 描述的。这些可 改变 量 之间的关系 是： (3) (4) 公式 4的 意思 是 r、螺丝半径和 ，前置角， 都 是 需 要 螺丝 主角 这意味着 在 之间 存 在 一个连续的关系。虽然 存在 这个连续的关系，多数螺丝系统 还是 被 设计 成 非常小 的 前置角。 从 首 选 螺丝大小的 经验来看 ，虽然各自的直径 都在 变化， 但 前置角 都小于 3。 在 公式 4种显 示 对所 有螺丝主角 的需求 ，各种各样的半径 都 可 以 使用。 这个意义在于 螺丝半径 螺丝的重量 是 通过 的 。因此， 要 补尝小螺丝半径， 必须考虑前置角 这个参数。 前角， 图 2丝杠系统机械效率： 遮蔽一部分的图表多数 是丝杠 的典型设计区域 。 是小的，半径大，重量大，并且效率是 较 低的。在图表的未遮住的区域设计， 是大 的 ，暗示更小的半径、更低的重量和 更 高 的 效率。 对于一个便携 机器人 的 设计，不仅 丝杠作动器的重量 是一个重 要问题， 而且 作动器的效率也是 非常 关键的。 如上所述，螺丝半径的减 小可以使动作器的重量大大减小 。 然而， 要 减小 螺丝半 径，必须增加前置角 ， 以保持 恒定的 主角 。当看 公式 2时 ，可以 看 出 要求 承受负载的 力 矩 决于两前置角 和 摩擦系数 . 影响 螺丝效率 的是 前置角和摩擦系数，图 2显示对 摩擦系数 _和前置角 _的冲击 在 于 丝杠系统的效率 (5) 在图 2的每条线 是基于 摩擦系数不同的 参 数 。 几份 普通 的工程材料 作为 例子给读者 一个在丝杠系统中能有不同物质或涂层的作用 的感觉 。这个图表示，当前置角增加，机械效率 就增加 ; 或者至 少 到达一个峰值。 理论上， 选择 最大效率采摘角度是有利的。 一个丝杠系统在高效率运行时需要使负载力矩达到最小 在高峰值 效率发生的角度可以取决于 与 角度 效率 有关 的 参数 ，结果 是可以看到的。 (6) 虽然一个高前置角可能 提高 效率， 但 它 也 可能导致 反驱动 系统。一个 反驱动 系统是 一种负 载 力矩 ， 没有 力 矩 协助 的 情况下，螺丝可能 自转 ，因而允许 负 载 自我降低 。 反驱动 丝杠 不适合应用于 汽车起重器，但是 可以应用于 便携 机器人 当中 。 因此 反驱动 的前置角 是 ： (7) 不管 产生多么 高 的 负 载力量 ，多么 低 的 摩擦系数系统 ， 前置角和摩擦系数 总 是影响这 些条件 的 ，例如球螺丝， 反驱动 是一个必然结果。 4 实用考虑 理论上，如 先前的文献 所显示 ，是希望 螺丝半径 甚至 到一个几乎微观 尺度 。然而，从设计和制造业方面 来讲， 这不是一种实用 的 解 决方案 。虽然 从重量和效率的角度 来讲 小螺丝 的 直径和高前置角 是极其重要的 ， 但 他们可能不允许设计师适应物理系统的力量需要。 例如轴向产生，压缩折和机制困境 都 需要被考虑。 考虑 到 单 一 的 超薄的螺丝也许是轻量级 的 ， 它 可 能没有 一个 系统 所 需要 足够的负 载 能力 。 但 可以 使用 单 一 的， 或几个螺丝， 就会有足够大 的负载能力 。 用几个小螺丝 承受 大 载 荷 是没有重量优势的 ， 作为 因 计算 一个螺丝断面产生的重量和压强 。 然而，使用几个小螺丝 承受 载 荷 可能允许对高前置角的持续 使用 和 在高效率 中运行 ，甚 至 在 很高负载 。 通过推挤丝杠原材料物产极限， 可以达到 轴向 很高的 负载 。这种 工作 方法 的 好处在于 一个紧张系统比它压缩轴承更好运作 的 系统。 当考虑到减小 一个 既长 又细的 螺丝 的负载时 ， 类似 于 （ 丝杠作动器能被设计负担仅紧张装载 ） ，因而消 除 共折的考虑 。 在一个便携 机器人 中 创建紧张 驱动系统 不一定意味着需要一个对抗性。 实际上， 与 一个 协助机器人 相比 ， 残疾人 在 做单一的直接动作时，肌肉存在 弱点，因此， 这些人是非常需要动作器帮助的。 对于 那些 推挤螺丝半 径 和因 此导致 前置角 的极限超过 最大 效率 的设计师，摩擦 极 限角度多 少 是 可以 倾斜的。 所有这些 的物理解释是系 统捆绑 或锁 ， 由 导出的 公式 2可以 看见。 一 个由 公式（ 2） 导出 ， 可以 产生以下 关系 (8) 除被列出的实用考虑之外 ， 还 可能 存在着 许多其他问题。包括扭转力僵硬或 屈服力 甚至热扩散 等 。这些因素中的每一个 都 是重要的并且 都需要我们考虑 。可是 ， 这个练习 的目的 是展示 选择一个 设计或选择螺丝系统 的 典型方法。 这个 选择方法的好处是 可 直接适用 于一个便携 机器人系统的设计 。 5 例子 中的 问题 展示一 份 粗 糙 设计 报告 ，考虑高峰距小腿关节扭矩在 到一个有能力装载 80 且 是 步频率 期间的连接扭矩 。 在步态期间的 脚腕扭矩 峰值 大约 是 100毫微米。 这个峰 值 大致 发生在 45%的 步态周期 。步态周期 是指 一只脚 跟 的停止到这支脚跟下一次停止的时间 。 脚趾 是承受 另一只 腿重力和开始摇摆的点 。 摇摆阶段 的判断是 步态再 次 安置脚回到脚跟 停止 位置 时，然后 下 一 个 步态周期 开始。 例如，让我们考虑修造 一个 脚腕步态协助丝杠作动器。我们假设 协助水平在 30%左右和到小腿关节是 12厘米的 力矩臂。 表 2作动器 问题 比较 ： 丝杠设计 的肌肉 的 效率 比较 ， 对势能的比较 ，校正 势能和动能的 措施的 比较。 这些 参数都可以根据自己的个人经验并且在合理的范围内进行修改和变化。参数 和 可用的 参量 接近于 即 这个例子中， 主角长度的范围 已经确定了 ;它的范围可以 是 解 决设计两 个丝杠 的 问题 :第一个设计 问题是 解决最大效率 。假设 是 2 =丝 在 =半径是 地方 产生的效率是 90%。 这样 小的 一条半径， 需要多个螺丝承受负载 。即使如此， 估计 作动器 的势能 是 280 W/ 通过马达重量和预测的传输系统， 划分需要的 功率 峰值就可以得出势能的 大小 。我们 从 以前的工作 知道了 ，辅助组分的重量成比例 可以减小螺丝和螺钉的重量 。 第 二个设计，丝杠 商业供营商 得到可利用的维度 。 螺丝 的 = 更 大一些 的维度 也可行 ， 动作器的势能 最好是 277 W/为了达到比较的目的， 这个例子出现的 问题结果 制成了表格 。表 2显示两个 丝杠设计 方案 的数字结果。 这些 参数 与 先前的 数 和人的骨骼肌的估计 值进行 比较。 通过例子，动能大小是基于力的峰值进行计算的 。 6 讨论 在 分析解决最大效率的方案上 ，丝杠设计 一个 单 一小半径螺丝永远不会处理 所要求的 负 载 。 可是 ， 多个 螺丝 同时 平行执行那项任务 会有 同样高 的 效率。 虽然 使用典型的技术 不容易制造出 一个 的 螺丝， 但用 这种方法 是 可以实现的（即 ，使用多个 螺丝产生高效率） 。 要设计一个特殊的丝杠， 效率 是没有 极限的 。 丝杠设计 有 一种可行的解 决方案 可以解决脚腕的问题 ， 校正 功率质量比 参数使其 非常接近 于 人的肌肉。使用一种相似的方法，球 形 螺丝机制能有益于 它的 表现 ，一般方法是 创建 一个驱动的背面 ， 低重量和高效率 的 螺丝系统 可以使基于 机器人应用 有 一种 有力 解答。 图 3 原型作动器，高效率丝杠 前面提到，一台便携机器人作动器 不仅 要 有好 的执行 能力， 而且还要对它的用户有一定的 安全 性 。 在考虑安全方面 时 ， （ 驾驶 ）是 便携 丝杠作动器 所需要的 。 （ 驾驶 ） 允许 操作者任意安装没有动力的螺钉，因而使 它的 阻碍减到最小。 另 一方面 ， 在螺丝的末端设计一块闲置的部分以防止马达和用户受 到损坏 。对人的损伤 可以 通过安置螺丝的末端范围在 用户 的生理 安全 极限内 来 避免 ，即一旦遇到危险强度，可以得到短期的脱离 。所有这些方法 都 需要 得到 重 点 考虑，并且应该 在 设计过程中 早期解决 。安置机械部件必须包括特别 的 防备措施。 防备措施必须超出软件或控制器范围 ; 因此，在机械设计 中 应该包括他们。保证 用户 的安全是在 设计 所有协助机器人 时应该是 最优先考虑的事 ， 我们的 实验室也调查了便携作动器的其他类型。看图 3。 这些技术 帮助 我们 保持 设备的 整体大小和重量 打 到最低。 7 结论 一台便携机器人作动器必须有好 的 功率势能比 ，好 的 机械效率， 好的 强度质量比 ，并且一定是安全的。对于一个 具有好的 功率 的 改进它 力量 的唯一方法是 增加传动系统。传统上，这 种方法 导致了 率质量比 的增加以至于它的执行力 笔直下降 。 可是，我们的方法可以用于设计丝杠和球形丝杠的力， 例如一个便携的协助机器人 。 . . is a is in As of it be To of in of in a of an a a to 77 W/of dc 12 W/as as a a to 1.3 kN/ 1 ne in in of 1% of a or an % 9% by of A is a is in of a is of It be in in or as a to in of be In a is of so of is to 1 2 to 3 of a of is to of a of in , of 2 in of of be to in of a is to of of be in is to do to be to be in a of a is to or of by of a of is by to in of to a to s is by to is to In to of it is to of is a of a a of in to of of be . by to “to to to be of of to be in of a if to 00% be by to if in to to of a of be as to to ） be (1) is wt is to of of be . by or dc in 004 an to a a to to to is of a of in is to , of dc is to dc If a of dc of be 3 of a is to is of in a is = on if is In of on to an is of to of To of a a of be 1 as p l in a he of a to a is of In an of of a be to cbe 1 is of a of a is l, is on r, . l, is of of A a or 1 of a of a , or of of is of of is of on on a is a of is w, on , on of N, N. a be (2) . of a 1, it be is by . is 3) （ 4） q（ 4） is r, , to a l. a r . 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