【正文】 此要求轉(zhuǎn)速較慢，采用兩級減速。通過帶減速的電動機(jī)與諧波減速配合的方式實(shí)現(xiàn)兩級減速。為保證 系統(tǒng)的安全性在傳動結(jié)構(gòu)中需要添加制動器和編碼器，因此最終腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的傳動結(jié)構(gòu)為： 伺服電機(jī) 一級減速器 傳動軸 二級減速器 輸出軸 腰轉(zhuǎn) 大臂、小臂的關(guān)節(jié)承受的轉(zhuǎn)矩很大，如果采用與腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相同的傳動結(jié)構(gòu)所占用的空間較大，外觀上不夠美觀，而且在失電情況下不能夠保持原位。采用渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)就解決了失電狀 態(tài)下的自鎖問題，但是必須經(jīng)過機(jī)構(gòu)綜合和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。另外，同腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)一樣為保證伺服系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)和傳動的安全性 仍需要添加編碼器。傳動結(jié)構(gòu)為： 伺服電機(jī) 一級減速器 傳動絲杠 滑塊 連桿 大臂旋轉(zhuǎn) 伺服電機(jī) 一級減速器 傳動絲杠 滑塊 連桿 小臂旋轉(zhuǎn) 腕部關(guān)節(jié)承受的載荷小，同時(shí)為減輕自重在結(jié)構(gòu)上要盡量簡單。因此采用一級減速。最終傳動結(jié)構(gòu)為： 伺服電機(jī) 一級減速器 輸出軸 腕部擺動 伺服 電機(jī) 一級減速器 輸出軸 腕部旋轉(zhuǎn) 電機(jī)容量的計(jì)算與選擇 婉轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電機(jī)選擇 婉轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動是實(shí)現(xiàn)負(fù)載繞軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，根據(jù)手術(shù)的特殊要求，設(shè)定其運(yùn)動范圍為 45176。 到 45176。 ，負(fù)載運(yùn)動簡圖如圖 所示： 圖 婉轉(zhuǎn) 關(guān)節(jié)負(fù)載簡圖 濟(jì)南大學(xué) 泉城學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 設(shè)負(fù)載為 F=20N,負(fù)載到軸的距離為 H=100mm，由腕轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍可知，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)角為 45176。時(shí)，力矩最大 T1： ）NmHFT ()4/s i n (201 ????? ? () 負(fù)載最高角速度為： w=設(shè)負(fù)載的慣性半徑為 r=,負(fù)載慣性 J為： ????? rmJ () 設(shè)轉(zhuǎn)速達(dá)到 5176。/s 的時(shí)間為 ，則角加速度為 10rad/s。 )( NmJT ???? ? () ）（ NTTT ????? () 婉轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)功率要求： )( WTP ????? ? () 設(shè)系統(tǒng)的效率為 ，則實(shí)際所需功率為： )(??? ? () 根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，為滿足要求輸出軸轉(zhuǎn)矩為 ，功率為 。由 MAXON手冊可知， RE25 型電機(jī)的額定功率為 20W，額定轉(zhuǎn)矩為 ?m。堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為 257mN?m，GP32A 減速器減速比 86:1，輸出轉(zhuǎn)矩 ， RE25 型電機(jī)與 GP32A 減速器組合，可以滿 足婉轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的要求。 腕擺關(guān)節(jié)電機(jī)選型 對腕擺關(guān)節(jié)的受力情況進(jìn)行分析，分析其極限位置電機(jī)所要克服的力矩。極限位置如圖 所示： 圖 腕擺關(guān)節(jié)負(fù)載運(yùn)動圖 末端負(fù)載為 G=20N,五關(guān)節(jié)自重為 10N,在水平位置時(shí)，末端中心到回轉(zhuǎn)軸的距離為 H=120mm，腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍 φ 為 20176。 到 40176。 ，腕轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍 θ 為 45176。到 45176。 。 則所需要的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為： 1 c os( ) si n( )T G H ??? ? ? ? 濟(jì)南大學(xué) 泉城學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 因?yàn)橥箨P(guān)節(jié)的運(yùn)動 范圍 φ 為 20176。 到 40176。 ，腕轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍θ為 45176。到45176。，故最大轉(zhuǎn)矩為： )()s i n ()c o s (1 NmHGT ????? ?? () 負(fù)載的實(shí)際最高角速度為： w=設(shè)負(fù)載的慣性半徑為 r=,負(fù)載慣性 J 為： 22 ?????J () 設(shè)轉(zhuǎn)速達(dá)到 5176。 /s的時(shí)間為 ,則角加速度為 10rad/s ）（ 3 NJT ???? ? () )m( NTTT ????? () 四關(guān)節(jié)功率要求為： )( WTP ????? ? () 設(shè)系統(tǒng)的效率為 ，則實(shí)際所需功率為： )(??? ? () 由計(jì)算結(jié)果分析腕擺關(guān)節(jié)的傳動結(jié)構(gòu)，要求輸出軸轉(zhuǎn)矩 ，電機(jī)功率。由 MAXON 電機(jī)手冊知 RE25 型電機(jī)的額定功率為 20W，額定轉(zhuǎn)矩為 ?m,堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為 257mN?m， GP32A 型減速器減速比為 86： 1，可連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩 ,瞬時(shí)容許輸出轉(zhuǎn)矩為 。 RE25 型電機(jī)與 GP32A 減速器組合，可滿足要求。 大小臂關(guān)節(jié)電機(jī)選型 在大小臂的設(shè)計(jì)中，大小臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動是靠絲杠的直線運(yùn)動完成的。關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍是 +20176。 到 40176。 ，那么由大小臂的結(jié)構(gòu)可以算出絲杠的移動距離要達(dá)到 150mm。關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)速度為 5176。/s 時(shí)，絲杠的運(yùn)動速度為 。不考慮實(shí)際運(yùn)動中峰值帶來的增量問題，設(shè)計(jì)參數(shù)取 5176。/s 。 設(shè)負(fù)載為 80N，則最大轉(zhuǎn)矩為 80Nm，大臂的平均角 速度 w=，則驅(qū)動功率為： )( 8 WTW ????? ? () 設(shè) 傳動 系統(tǒng)的總效率為 ，則實(shí)際 驅(qū)動功率為： )(.??? ? () 當(dāng)大臂位于最外傾的位置時(shí)，負(fù)載最大此時(shí)的受力分析如圖 ： 濟(jì)南大學(xué) 泉城學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 370305142102F = 7 5 0 NM = 1 0 0 N m連 桿大 臂底 座 圖 大臂受力分析圖 螺母的軸向力為 750N,設(shè)絲杠的增力比為 5，絲杠中經(jīng)為 ，由此可知力矩為： 2 750 / 5 N m? ? ? ? () 由傳動結(jié)構(gòu)和以上計(jì)算結(jié)果可知，輸出軸轉(zhuǎn)矩要大于 ， 功率大于 29W。因?yàn)榇笮”劢Y(jié)構(gòu)相同。因此選用與大臂相同的電機(jī)及配件即可。由 FAULHAB 電機(jī)手冊可知， 2657CR 型電機(jī)的額定功率為 ，額定轉(zhuǎn)矩為 44mN?m,堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 286mN?m， 26/1型減速器減速比為 43： 1，連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩 ?m,瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩 。 2657CR 型電機(jī)與26/1 型減速器，可滿足功能要求。 腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電機(jī)選型 因?yàn)檠D(zhuǎn)關(guān)節(jié)負(fù)載小，且要求速度很低。因此，選用相同類型的電機(jī)便能滿足要求。選用 RE25 直流伺服電機(jī)、 GP32A 減速比為 86 的減速器、數(shù)字型 HEDL 型 500 線編碼器、 AB28 型制動器。 由于腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的傳動比較復(fù)雜，要使用諧波減速器?？紤]到機(jī)械臂結(jié)構(gòu)盡量緊湊的要求選用扁平式諧波傳動機(jī)構(gòu)。 因此選用 XB350 型諧波減速器 ,減速比為 120： 1，其輸出轉(zhuǎn)矩可達(dá) 20Nm，堵轉(zhuǎn)輸出轉(zhuǎn)矩可達(dá) 25Nm。 綜合各關(guān)節(jié)電機(jī)選型及減速器選型情況如表 表 所示： 濟(jì)南大學(xué) 泉城學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 表 關(guān)節(jié)電機(jī)選型表 關(guān)節(jié) 腰轉(zhuǎn) 大臂 小臂 臂轉(zhuǎn) 腕擺 電機(jī)型號 RE25 2657CR 2657CR RE25 RE25 功率 20W 20W 20W 連續(xù)轉(zhuǎn)矩 mN?m 44 mN?m 44 mN?m mN?m mN?m 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 257mN?m 286mN?m 286 mN?m 257 mN?m 257 mN?m 表 關(guān)節(jié)減速器選型表 關(guān)節(jié) 腰轉(zhuǎn) 大臂 小臂 臂轉(zhuǎn) 腕擺 型號 GP32A 26/1 26/1 GP32A GP32A 減速比 86： 1 43： 1 43： 1 86： 1 86： 1 連續(xù)轉(zhuǎn)矩 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 濟(jì)南大學(xué) 泉城學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 3 機(jī)械臂的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 結(jié)構(gòu)圖如圖 所示： 圖 腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 如圖所示： ， ， ， ， ， 承外圈擋圈， ， ， ， 深溝球軸承， ， ， 深溝球軸承， ，16 內(nèi)六角螺釘， ， 其中，深溝球軸承、軸承壓座、電機(jī)固定座等安裝在底座臂上。在底座臂的還有用于固定的螺紋孔。 電機(jī)減速器輸出軸與諧波輸入軸通過螺釘 15聯(lián)接。諧波輸出軸通過鍵 11與諧波減速器相連。諧波輸入軸設(shè)計(jì)成波紋狀是為了在同軸度較低的情況下，電機(jī)可以正常的運(yùn)轉(zhuǎn)。諧波輸出軸通過內(nèi)六角螺釘與減速器輸出鋼 輪相連。 電動機(jī)帶動自帶的減速器，諧波輸入軸帶動諧波減速器從而帶動諧波輸出軸。諧波輸出軸與二三關(guān)節(jié)連接。 濟(jì)南大學(xué) 泉城學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 大小臂關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 大小臂的結(jié)構(gòu)圖如圖 所示： 圖 大臂小臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖 ， ， ， 深溝球軸承 深溝球軸承， ， ， ， ， 深溝球軸承， ， ， ， ， 16.圓柱頭螺釘， ， 深溝球軸承， ， 螺母， ， ， ， ， 沉頭螺釘， ， ， ， ， 連桿， 32 大臂連桿， ， ， ， 螺釘， ， 。 大小臂通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和四邊形機(jī)構(gòu)完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。底座通過鍵槽與關(guān)節(jié) 1相連 。大臂與底座通過深溝球軸承和鉸銷相連。組成大臂 的機(jī)構(gòu)主要有花套、大臂長鉸座、大臂連接件組成。 大臂可以繞銷轉(zhuǎn)動，長鉸座與大臂基座通過銷和深溝球軸承相連。大臂上有中間連接套筒其作用是對電機(jī)進(jìn)行安裝和定位。大臂上安裝傳動絲杠，絲杠上有傳動螺母，傳動螺母依靠開槽套筒實(shí)現(xiàn)運(yùn)動。套筒的另一端與 大臂短鉸座連接。在電機(jī)減速器輸濟(jì)南大學(xué) 泉城學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 出軸與絲杠無法保證對中的情況下，為保證傳動的可靠性將絲杠與電機(jī)的連接段做成波紋管結(jié)構(gòu)。 兩大臂的結(jié)構(gòu)相同，只是安裝位置相反構(gòu)成四邊形結(jié)構(gòu)，并且在小臂的末端設(shè)計(jì)了方便與腕關(guān)節(jié)相連的安裝孔。 腕部關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 腕部關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示： 圖 腕部關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖 ， ， 驅(qū)動側(cè)， ， ， 軸 尾部， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 21 腕轉(zhuǎn)電機(jī)組件。 因?yàn)槟┒酥亓勘容^重所以用螺桿與螺母配合的方式代替螺釘。電 機(jī)支座 2與手部連接件 1 通過螺釘連接。 電機(jī)組件輸出端通過緊定套 壓緊螺塞 5 與半軸 驅(qū)動側(cè)零件連接，以此來完成腕擺關(guān)節(jié)的驅(qū)動。 腕轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)末端座 7與半軸 驅(qū)動側(cè)和半軸 尾部通過螺栓、螺母連接，另一端通過軸承安裝末端套筒 8，電機(jī)組件通過螺釘與末端座 7 連接。末端套筒與末端壓蓋 11連接，以實(shí)現(xiàn)緊定套、壓緊螺帽 12 與電機(jī)組件輸出軸的連接， 以此來完成腕部的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動。 濟(jì)南大學(xué) 泉城學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 便捷拆裝接口設(shè)計(jì) 便捷接口的結(jié)構(gòu)圖如圖 所示： 圖 便捷接口結(jié)構(gòu)圖 在機(jī)械臂的設(shè) 計(jì)