Так как учебно-исследовательская работа студентов предполагает получение практических навыков и углубленное изучение отдельной дисциплины (или нескольких дисциплин) в рамках выполнения выбранного проекта, а также возможность творчески реализовать свой инженерный потенциал, я решил заняться продолжением тех проектов которыми занимался на дисциплине “Творческий проект” в прошлых семестрах - созданием человекоподобной робо-руки.
Было решено что нужно проанализировать и кардинально улучшить конструкции прошлых проектов. Начать я решил с проектирования пальца.
Цель проекта: спроектировать палец робо-руки
Задачи:
Проанализировать конструкции прошлых работ и выявить их недостатки.
Более детально изучить конструкции уже существующих робо-рук.
На основе полученной информации разработать более удачную конструкцию.
Провести расчет передач и выбор двигателя.
Создать трехмерную модель и смоделировать ее работу.
Анализ существующих робо-рук
При эксплуатации прошлых проектов [1] (рис. 1) были выявлены довольно серьезные недостатки в их конструкциях. Начнем с самого раннего проекта.
Рис. 1. Скриншоты моделей проектов за прошлый семестр.
У первой модели самым большим недостатком было то, что в виду ее конструктивных особенностей, а именно в виду того, что движение от двигателей к исполнительным элементам передавалось через капроновые нити, которые испытывали большое трение о прилегающие детали. В следствии чего практически вся мощность двигателей терялась на преодоление сил трения.
Вторая модель руки была лишена этого недостатка, так как вся мощность от двигателей к исполнительным органам передавалась напрямую. Но и она не была лишена недостатков, а именно в виду того, что двигатели размещались непосредственно пальцах, они обладали довольно маленькой мощностью поскольку не предназначались для подобного устройства. Также сама конструкция в виду малых сроков на реализацию была довольно «сырой» и хрупкой.
Изучив устройство существующих протезов [2] (пример рис.2), я пришел к что, практически все конструкции имеют общие черты, это то, что пальцы приводятся в движение один двигателем, и как правило двигатель стараются не устанавливать непосредственно в палец. Это все те же тросики, либо механические передачи.
Рис. 2. Пример конструкции протеза
Проанализировав вышеизложенное, я решил, что следует подойти к делу более продуманно. Спроектировать конструкцию пальца таким образом, что бы сгибание всего пальца происходило посредством усилий одного двигателя. Подобрать двигатель и спроектировать редуктор «с нуля» и пересмотреть конструкцию пальца.
Проектирование
Проектирование я начал с эскизирования (рис. 3).
Рис. 3. Эскиз пальца
На нем упрощенно показано то, как будет устроен палец, также видно, что двигатель приводящий палец в движение установлен в самой большой фаланге. И двигатель установлен соосно пальцу. Крутящий момент от двигателя передается всем фалангам.
Дальнейшее проектирование заключалось в выборе типа передачи для редуктора. Основной момент заключался в том, что ось двигателя и выходная ось были скрещивающимися. Для решения проблемы передачи момента при скрещивающихся осях подходит два типа передачи, это зубчатая коническая, и червячная. Изучив плюсы и минусы обеих, понял, что для моего проекта предпочтительнее будет использование червячной передачи в виду возможности создания большого передаточного числа при небольших размерах, также плюсом являлось то, что червячные передачи обладают самоторможением, которое бы решило проблему фиксации пальца в одном положение без работы двигателя и сопротивление внешним воздействиям.
В дальнейшем в редуктор было решено добавить еще одну ступень с сохранением общего передаточного числа конечного устройства. Требовалось это для того, чтобы ось вращения червяка и выходного вала лежали в одной плоскости. Выбранная передача была зубчатой, цилиндрической.
Была разработана кинематическая схема редуктора (рис. 4)
Рис. 4. Кинематическая схема редуктора пальца
М- двигатель, ИО – исполнительный орган (фаланга пальца)
Далее были проведены подбор двигателя и расчеты механической передачи.
Выбор двигателя зависит от таких параметров как: тип источника питания, необходимая мощность, КПД двигателя, надежность работы, требований по ограничению генерирования радиопомех и т.д.
Прежде всего, обуславливается требованиями необходимой мощности для преодоления сопротивления заданной нагрузки на валу.
Был выбран двигатель 10GP-M10-06230-15.1, как наиболее подходящий по мощности, создаваемому моменту, габаритным размерам, а также удовлетворяющий условию задания – напряжению питания 5 В. Данный двигатель предназначен для работы при обоих направлениях напряжения питания [3]. Характеристики двигателя приведены в таблице1.
Таблица 1. Характеристики двигателя 10GP-M10-06230-15.1.
10GP-M10-06230-15.1 |
|
Напряжение питания |
5V |
Скорость вращения |
80 об/мин |
Мощность |
0,3 Вт |
КПД |
60% |
Ток холостого хода |
60mA |
Рис. 5. Чертеж двигателя 10GP-M10-06230-15.1
Все расчеты приведены в приложении.
После проведения расчетов передаточных отношений и геометрических расчетов зубчатых колес, начался процесс создания трехмерной модели редуктора (рис. 6)
Рис. 6. Трехмерная модель редуктора
После создания модели редуктора, последовало проектирование всего пальца (рис. 7).
2
3
4
1
Рис. 7. Трехмерная модель пальца
Описание устройства и принципа работы
Редуктор заключен в пластиковый корпус 1 (рис.7), защищающим его от механических повреждений и в то же время являющийся несущей частью конструкции. На выходном валу редуктора закреплена последующая фаланга 2, к которой в свою очередь крепится указатель пальца 3. По изображению видно, что выходной вал редуктора передает крутящий момент средней фаланге 2, напрямую, но он также косвенно приводит в движение и кончик пальца 3. Это обусловлено тем, что кончик 3, соединен с большой фалангой 1, подвижной балкой 4.
На рис. 8 показано выпрямленное и согнутое состояние пальца.
Рис. 8. Модель пальца в согнутом и разогнутом состоянии.
Работа пальца также была имитирована, путем моделирования движения и взаимодействия всех элементов устройства.
Заключение
При работе над данным проектом, мне удалось добиться поставленной цели, а именно разработать улучшенную версию пальца робо-руки. Также были получены полезные навыки моделирования движения трехмерных объектов, что существенно упрощает процесс проектирования. В дальнейшем требуется завершить руку полностью.
Список литературы:
http://portal.tpu.ru/departments/institut/ink/archive/2016news/Tvorcheskiy_proekt.
https://www.obozrevatel.com/tech/science/06398-chelovek-s-rukoj-terminatora.-video/photo-7.htm.
https://www.elpro.org/gb/miniature-motors-with-gear-drive-/107572-10gp-m10-06230-151.html.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Определим минимальное значение мощности, которым должен удовлетворять двигатель:
Где - мощность на выходном валу привода;
– общий КПД привода;
– КПД червячной передачи;
– КПД зубчатой передачи.
Выбираем двигатель 10GP-M10-06230-15.1, как наиболее подходящий по мощности, создаваемому моменту, габаритным размерам, а также удовлетворяющий условию задания – напряжению питания 5 В. Данный двигатель предназначен для работы при обоих направлениях напряжения питания. Характеристики двигателя приведены в таблице 2.
Таблица. 2 Характеристики двигателя 10GP-M10-06230-15.1
10GP-M10-06230-15.1 |
|
Напряжение питания |
5V |
Скорость вращения |
80 об/мин |
Мощность |
0,3 Вт |
КПД |
60% |
Ток холостого хода |
60mA |
Рис.1 Чертеж двигателя 10GP-M10-06230-15.1
Определение общего передаточного отношения механизма
Где =80об/мин=8,37 рад/сек – скорость вращения вала двигателя;
=4об/мин=0,418 рад/сек – скорость вращения выходного вала.
Так как в редукторе присутствует две ступени, то общее передаточное число должно быть разделено между ними.
где – передаточное число червячной передачи;
– передаточное отношение зубчатой передачи.
Определение мощностей и передаваемых крутящих моментов валов
Определение мощностей на валах:
Так как вал двигателя является и валом червяка, то мощность, развиваемая на червяке равна мощности двигателя.
Мощность на колесе червячной передачи, шестерне зубчатой передачи:
=0,216 Вт
Мощность на колесе зубчатой передачи:
Определение вращающих моментов на валах по формуле:
.
.
.
Расчет червячной передачи
Исходные данные:
Таблица 3. Исходные данные для расчета червячной передачи
Параметр |
Значение |
10 |
|
0,216 Вт |
|
0,258 Н/м |
|
8 об/мин |
|
0,837 |
Выбор материала червячного колеса и червяка
Материал и его марка зависят от скорости скольжения червяка о колесо.
В виду малой скорости скольжения, в качестве материала выберем типичный для данного типа устройств – латунь ЛС59-1.
Найдем допускаемое контактное напряжение по следующей формуле:
где – коэффициент учитывающий износ материала, для скорости скольжения меньше чем 1 м/c он равен 1,33
– предел прочности при растяжении. Для латуни ЛС59-1 предел прочности равен 700мПа.
– коэффициент долговечности
где =573*0,837*1000=479601
- срок службы привода (1000ч)
Расчет геометрических параметров передачи
Число заходов червяка подбираем в зависимости от передаточного числа и загруженности передачи, так как передача мало нагружена примем:
.
Число зубьев червячного колеса:
Принимаем предварительно коэффициент диаметра червяка q=10, коэффициент нагрузки К=1,2.
Определяем межосевое расстояние по формуле:
Вычислим модуль зацепления:
мм
примем мм
Пересчет межосевого расстояния:
мм
Делительный диаметр червяка:
мм
Диаметры вершин, и впадин витков червяка:
мм
мм
Длина нарезной части шлифованного червяка:
=4,64мм
Принимаем мм
Находим фактическое контактное напряжение:
Расчет геометрических параметров червячного колеса:
Делительный диаметр колеса:
Диаметры вершин и впадин зубьев червячного колеса:
Ширина венца червячного колеса:
Для упрощения конструкции и уменьшения, комплектующих редуктора, было решено, что червячное колесо также будет служить в качестве шестерни для последующей прямозубой передачи.
Следовательно, имея передаточное отношение прямозубой передачи, и геометрические параметры шестерни, мы можем найти остальные параметры передачи.
Находим число зубьев колеса прямозубой передачи.
Межосевое расстояние находим по формуле:
Находим делительный диаметр зубчатого колеса:
Диаметр вершин зубьев:
Диаметр впадин зубьев: