一種家用助餐服務(wù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元分析

張曉瑩，李俊穎

（1.鄭州科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450064；2 河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450008）

0 引言

在科技快速進(jìn)步與創(chuàng)新的21 世紀(jì)，越來越多的工業(yè)制造設(shè)備走向智能化、人性化、便捷化。在這個(gè)背景下，有諸多如：智能代步椅、殘疾人升降機(jī)、殘疾人洗漱設(shè)備等生活輔助設(shè)備被發(fā)明與設(shè)計(jì)出來，在衣食住行上給他們的生活創(chuàng)造了生活便捷條件。為幫助殘障人士和老年人解決用餐困難的問題，設(shè)計(jì)一種家用助餐服務(wù)機(jī)器人。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

英國人Mike Topping 研制的Handyl 機(jī)器人，最主要的功能是為使用者喂食，采用5 自由度的機(jī)械臂和3 種可拆卸的托盤來滿足不同的使用需求。它是目前世界上最成功的一種低價(jià)的康復(fù)機(jī)器人，使一個(gè)11 歲患有腦癱的男孩能夠獨(dú)立就餐[1]。在東京舉行的第28 屆國際福利設(shè)備展H.C.R2001 上，日本SECOM公司展示了幫助手腳不方便者就餐的6 軸機(jī)器人“MY SPOON”。該機(jī)器人具備夾住飯菜并且送到殘障人士嘴邊的功能[2]。澳大利亞推出了一款喂飯服務(wù)機(jī)器人，人們將它系在腰上，機(jī)械手可以上下移動，用餐時(shí)人們稍微挪動頭部實(shí)現(xiàn)進(jìn)食[3]。

海軍工程大學(xué)研發(fā)的服務(wù)老年機(jī)器人，它的外觀比較小巧美觀，沒有大的的突起；采用一個(gè)驅(qū)動電機(jī)，通過連桿機(jī)構(gòu)來驅(qū)動整個(gè)機(jī)械臂，結(jié)構(gòu)簡單、輕便。餐桌設(shè)計(jì)比較有新意，餐盤和圓桌可以同時(shí)旋轉(zhuǎn)，從而彌補(bǔ)手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺陷。但是機(jī)械手的自由度不足，不能算作一個(gè)多關(guān)節(jié)的機(jī)械臂，活動空間受限[4]。哈爾濱工程大學(xué)研發(fā)的MY TABLE 系列助餐機(jī)器人通過腳踏實(shí)現(xiàn)對餐盤中的食物進(jìn)行選餐和進(jìn)食。

2 機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)

2.1 助餐機(jī)器人設(shè)計(jì)要求

助餐服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)的目的就是幫助殘障人士和老年人解決日常吃飯不便的困難。通過機(jī)械臂來部分完成或者全部的實(shí)現(xiàn)吃飯吃菜的動作功能。這種機(jī)器人需要輕便、可移動、體積小，并且由于與人類直接親密接觸，故需要安全性與控制性極高。

機(jī)械臂放在餐桌上，飯和菜以及湯盛在機(jī)械臂的底座儲物盤上，這個(gè)儲物盤可以進(jìn)行簡單移動，方便更快進(jìn)行喂飯。機(jī)械臂擁有足夠的自由度以及合適的臂長，能將飯盤上的物品盛起，并且順利將食物放置適當(dāng)?shù)奈恢茫却环?wù)人員食取。要求機(jī)械臂重量輕，體積小，安全性好，具備穩(wěn)定記憶功能，對機(jī)械臂提出如下機(jī)械設(shè)計(jì)：

（1）作業(yè)臂最大重量不超過5 kg；

（2）能夠取食最大負(fù)載為600 g；

（3）臂長最大伸長45 cm。

2.2 自由度分配和結(jié)構(gòu)構(gòu)型

助餐機(jī)器人完成喂飯的動作，需要到達(dá)有效工作空間，這個(gè)范圍可以通過具有三個(gè)自由度的臂身來實(shí)現(xiàn)，確定末端執(zhí)行器勺子在空間中所處的位置，實(shí)現(xiàn)水平、上下移動的要求。另外，通過三個(gè)自由度的腕部結(jié)構(gòu)來確定勺子在空間的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)的姿態(tài)為水平還是豎直或傾斜具體角度。

總體機(jī)械傳動方式確定下來后，對機(jī)械臂的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要根據(jù)實(shí)際的機(jī)械臂應(yīng)用場合分析其基本的功率、受力、扭矩等性質(zhì)，從而確定下來具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸與材料選型以及最終的機(jī)械運(yùn)動及其控制方向，最終得出了如下的設(shè)計(jì)方案，如圖1 所示。

圖1 機(jī)器人總體方案

助餐機(jī)器人由底座、大臂、小臂、腕部、末端執(zhí)行器組成，通過底座回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰、小臂回轉(zhuǎn)、腕部俯仰及腕部回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)喂餐動作，共有6 個(gè)自由度，工作空間比較大。

3 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械臂及底座結(jié)構(gòu)

3.1.1 餐盤底座設(shè)計(jì)

餐盤的尺寸為254 mm × 454 mm × 80 mm，采用內(nèi)部掏空的設(shè)計(jì)，減輕重量。較大的面積可以很好的支撐上部的機(jī)械臂，承受機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)帶來的扭矩，保證機(jī)械裝置的穩(wěn)定性；同時(shí)面積較大，可以裝下足夠的飯與菜。餐盤棱角采用圓角設(shè)計(jì)，可以增加美感與觸感，不會割手。整個(gè)餐盤底座為不銹鋼材質(zhì)，采用沖壓的工藝制作而成。整個(gè)沖壓的工藝為：設(shè)計(jì)樣式圖紙-不銹鋼下料-拋光-清洗-干燥-置于模具上-落模成型-脫包裝-入庫，由于本篇文章側(cè)重于機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，故對此處的沖壓工藝不再詳細(xì)分析。

3.1.2 機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)底座設(shè)計(jì)——第一軸

機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)底座采用的是內(nèi)嚙合直齒輪設(shè)計(jì)，由于空間有限，以及機(jī)械大臂的尺寸大的機(jī)構(gòu)特征，為了充分利用空間，故選擇內(nèi)嚙合機(jī)械齒輪結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)傳動穩(wěn)定，精度高，便于動力元件-伺服電機(jī)的控制。具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)底座傳動設(shè)計(jì)圖

機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)：驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動一定角度，由主動齒輪與從動齒輪內(nèi)嚙合，從動齒輪為一個(gè)內(nèi)齒圈，其余轉(zhuǎn)盤底座通過螺紋頂絲安裝固定，當(dāng)從動輪被帶動時(shí)，轉(zhuǎn)盤底座同樣進(jìn)行轉(zhuǎn)動，進(jìn)而使得整個(gè)機(jī)械臂上部分和末端執(zhí)行部分都進(jìn)行轉(zhuǎn)動，從而可以控制末端執(zhí)行部位的停留位置。

3.1.3 機(jī)械臂大臂關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)——第二軸

機(jī)械臂的大臂起到支撐整個(gè)機(jī)械臂的作用，對其臂身的剛度有著較為重要的要求，同時(shí)其關(guān)節(jié)處的受力情況又是整個(gè)機(jī)械臂受力最大處，故在設(shè)計(jì)的時(shí)候，對其參數(shù)性能要求很高。本設(shè)計(jì)方案采用的是利用外嚙合斜齒輪進(jìn)行傳動，具有一定的減速比。具體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 機(jī)械臂大臂關(guān)節(jié)傳動設(shè)計(jì)圖

3.1.4 機(jī)械臂小關(guān)節(jié)傳動設(shè)計(jì)——第三軸

機(jī)械臂的大臂與小臂的聯(lián)合運(yùn)動，基本上控制了整個(gè)機(jī)械手的工作范圍，由于空間的限制，機(jī)械臂小臂的傳動采用同步帶的控制方式進(jìn)行傳動。由于傳動的動力件電機(jī)軸與被輸出的7 軸在空間上承90°角，故采用錐齒輪進(jìn)行傳動來改變傳動方向，如圖4 所示。

圖4 機(jī)械臂小臂關(guān)節(jié)傳動設(shè)計(jì)圖

3.2 手腕關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)

3.2.1 大手腕關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)——第四軸

第四軸是對第三軸在豎直方向上的方位補(bǔ)充修正，使其運(yùn)動的結(jié)構(gòu)更加靈活。第四軸與第三軸的結(jié)構(gòu)類似，如圖5 所示。都是先通過錐齒輪傳動，將電機(jī)的傳動方向轉(zhuǎn)成90°的方向，再通過同步帶傳動，使得驅(qū)動電機(jī)可以控制從動軸旋轉(zhuǎn)指定的角度，而從動軸又與手腕機(jī)架成鎖定狀態(tài)，意味著手腕機(jī)架旋轉(zhuǎn)的角度跟從動軸的角度一樣，從而達(dá)到控制手腕旋轉(zhuǎn)的目的。

圖5 機(jī)械臂大手腕關(guān)節(jié)傳動設(shè)計(jì)圖

3.2.2 小手腕關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)——第五軸

小手腕關(guān)節(jié)傳動主要就是采用錐齒輪進(jìn)行傳動控制，將驅(qū)動電機(jī)軸的方向更改90°，當(dāng)驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過錐齒輪傳動，使得小手腕部分進(jìn)行圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手腕平面上的轉(zhuǎn)動，調(diào)整位置，當(dāng)對人進(jìn)行喂飯的時(shí)候，可以方便的調(diào)整位置，如圖6 所示。

圖6 機(jī)械臂小手腕關(guān)節(jié)傳動設(shè)計(jì)圖

3.2.3 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)——第六軸

該軸位于整個(gè)機(jī)械臂的最末端，為最后的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，對湯勺進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，完成盛飯盛菜的功用。湯勺由驅(qū)動電機(jī)直接驅(qū)動，對其角度進(jìn)行控制，通過減速電機(jī)的直接驅(qū)動，控制更加便捷，如圖7 所示。

圖7 機(jī)械臂末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動設(shè)計(jì)圖

4 大臂關(guān)節(jié)軸的有限元分析

通過有限元對大臂關(guān)節(jié)軸進(jìn)行分析，最小安全系數(shù)分布情況如圖8 所示，最小安全系數(shù)為4.5，大于1.3，設(shè)計(jì)符合要求[5]。

圖8 最小安全系數(shù)分布情況

5 機(jī)器人喂餐功能仿真分析

利用SolidWorks 自帶的插件Motion 進(jìn)行簡單的運(yùn)動學(xué)仿真，完成取餐喂餐的動作，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 喂餐功能仿真分析

用于助殘助老的服務(wù)老年機(jī)器人具有質(zhì)量輕，體積小，操作空間大的特點(diǎn)[6]，在為人服務(wù)特別是助老助殘方面有良好的應(yīng)用前景，因此該服務(wù)老年助餐機(jī)器人的設(shè)計(jì)具有重要的研究意義和實(shí)際價(jià)值。本文對助餐機(jī)器人進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對關(guān)鍵零件進(jìn)行了有限元分析，并進(jìn)行了喂餐功能仿真，設(shè)計(jì)可靠便捷。