1、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 W.霍兰德 托马斯 G.唐 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
2、是 277 的功率质量比 ，接近 驱动它的马达，即 312W/kg，并且机械效率 为 0.74和最 大动能 到 11.3 kN/kg的 丝杠设计。 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
3、。 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
4、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。
5、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。 2.1 作动器 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
6、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
7、正的 势能 必须计算 ,即： (1) 机械效率和 Pwt是原始的 功率质量比 。 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 。 dc马达的 参数 是 :Maxon RE40马达 。 传动箱组合 的参数 在 Maxon 2004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 McKibben样式 的 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
8、正 功率质量比 ， cP ， dc马达的参数 ，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 dc马达 重量的机械传动系统，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 =0.36的摩擦系数， 会有更好的润滑效果 。 相反，典型的球螺丝系统有
9、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 cP t参数 仍然低于那骨骼肌， 这 是因为 球螺丝系统 的重量 很大 。 如果 改进球螺丝的 cP 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cP 进行改进 。 3.1丝杠 外形 在图 1
10、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 r和前置角 。主角 l是螺丝每次 改进达到的位移数量， 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
11、扭矩的 等式就可以是： (2) 3.2 对 R。 还 考虑 ，丝杠的 外形 在图 1可以显示 主角 l是由螺丝半径 r和前置角 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 l的 。 这意味着 在 r和 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 r的变小 ，螺丝的重量 是 通过 r2减 小的 。因此， 要 补尝小螺丝半径， 必须考虑前置角 这个参数。
