IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Введение

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:

1. http://portal.tpu.ru/departments/institut/ink/archive/2016news/Tvorcheskiy_proekt.

2. https://www.obozrevatel.com/tech/science/06398-chelovek-s-rukoj-terminatora.-video/photo-7.htm.

3. 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:

Код для цитирования: Скопировать