毕业设计(论文)-搬运病人机器人及其控制系统的设计.docx
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1、毕业设计(论文)目:运病人机器人及其控制系统设计学习中心:年级专业:学生姓名:学号:指导教师:职称:导师单位:论文完成时间:一里四一年巫月3-H本文所设计搬运病人机涔人是在多功能病床的基础上进行完善、增加搬运和自动行走功能。底部四个轮子,其中两个为万向轮、两个齿轮副转向机构动力轮,通过前方摄像头和超声避障装置识别路线及判断障碍物,可实现自助直线行走及转弯。通过四组机械手臂可将病人从该病床移动到另一病床,整个过程无需医务人员接触,其中机械手臂可进行俯仰、升降、折福等动作,不使用时折费寓归位到侧面、不影响病人休息“文中对行走机构、俯仰机构、折登臂等进行了详细设计,并对控制部分以及避障原理进行了简单
2、阐述。关健询:搬运病人:机械手鹘:行走机构:控制第1章绪论1第2章搬运病人机器人的总体结构设计4第3章仰仰机构的设计63.1 机构概述63.2 俯仰机构的设计63.2.1 齿轮选择的材料63.2.2 强度计算63.2.3 于齿面强度的详细计算校核93.2.4 校核齿根的强度IO第4章行走机构的设计124.1 电机的选择124.2 驱动电机的校核134.3 蜗轮蜗杆传动比的确定16431各轴功率计算161.1 .2各轴转速的计算164.33 各轴输入扭矩的计算174.4 蜗轮蜗杆的设计174.4.1 关于蜗轮蜗杆齿数的确定174.4.2 验算丝杆的速度174.4.3 减速机构传动中心距计算184
3、.5 蜗轮轴的设计204.5.1 轴的材料选择204.5.2 轴径的初步计算204.6 滚动轴承的校核214.7 键联接的强度校核214.8 蜗杆轴输入端联轴器的选择22第5章折叠者分析和结构设计235.1 折叠普机构分析235.2 折叠部减速机构设计245.2.1 选定齿轮类型、精度等级.材料及齿数245.2.2 按齿面接触疲劳强度计算245.3 升降丝杆的设计26第6章控制系统的设计336.1 可编程控制器(P1.C)的简介及选择336.2 变频器的介绍及选量336.3 控制电路设计336.4 蓄电池的选用346.5 行走避障原理346.6 防撞电路35第7章结论37参考文献38致谢39第
4、1章绪论2019年IO月,距离新冠肺炎只有几个月大流行爆发,DiIigCntRObo1.iCS成功地300万美元种子资金用于推出自主机器人协助运送医疗用品和实验室样木(Muoio,2019)大流行几个月后,用于医院的机器人受到了更多的关注,随后是1000万美元的A轮融资(Demaitre.2020)I1.截至2020年年中,医用机器人开始在世界各地的医院服务,收集患者信息来自可能接触SARSCov2的人群从而减少人类接触(Chandmyan,2020)o同样,卢旺达新冠肺炎疫情中也使用了医用机器人,19家诊所为患齐显体温并提供用品(博比恩.2020)口.机器人不仅在大流行期间帮助医疗保健,但它
5、们也有助于喷洒消毒剂(HayaSaki,2020),清洁杂货店的地板,整理回收中心(HoWard和Borenstein.2020),以及帮助办理非接触式登机手续并支持机场(Homyak,2020;1.o,2018)M(I最近的检查据报道,全球机器人的使用情况表明他们在管理的各个方面发挥着至关重要的作用。机器人将帮助世界恢笈“正常”尽管他们对失业率已经很高(G1.ow,2020)o有个关F新冠肺炎是否正在加速机器人用来代替人类工人(Thomas,2020)机器人从兴奋和同情转向愤怒由于几位企业家的警告不受控制的人工智能(AD和增加的使用国防工业的机器人(Matte1.,2015;OZtUrkCa
6、n和梅尔丁维吾尔人,2018)叫与这些发现致,人们接触/描述碰撞测减的视频用假人或防御机罂人对抗人类暴力(Darrow,2016).总而言之对机器人部署的影响是前沿的研究领域,特别是医疗保健领域(GaE1.annJohnSCn等人,2014)。研究人员开始调查医疗机器人十年前的使用情况(Bmadben1.等人,2009年:Hansen等人,2010F)。从那时起,机器人及其应用发展到许多领域包括外科手术和修豆术(Bogue,2011)与简单的检直任务血压(BroadbCnt等人,2010)以及药物管理中涉及的任务服务(Daua等人,2013年)或协助在家生活老年人和残疾人(Harmo等人,20
7、05年W.技术接受的经典理论(Davis,1989)试图解择和预测人类行为基于感知的有用性和感知的易用性。与此相关,医用机潜人的感知有用性和感知医生和护士容易使用在他们被接受为项新技术方面发挥关键作用在他们的工作生活中网。对机器人的接受程度也与某些人口统计,如年龄、性别、性格和文化.血压监测被证明是最流行的引起研究人员注意的情况,其中研究结果表明,接受度在年龄和性别上存在差异朝向机器人(KUO等人,2009)1.91o例如在健康护理活动中,外向的女性机器人是首选,内向的男性机器人在保护方面更受青睐位置(Tay等人,2014).医疗环境中也会遇到机器人,机器人只因协助而受到欢迎具有特定任芬,如重
8、型起选和后勤(TUrja等人,2018)。H本医疗保健专业人士更受欢迎对护理机器人与芬兰医疗保健专业人员(CoCo等人,2018)也可能归因于他们过去的经历不同领域的机器人I叫类似地,“科技抵抗在护理行业内(萨尔茨曼-埃里克森和埃里克森.2016)和对将机器人纳入医疗保健(GeransSon等人,2008)在鼎典医疗保健样本的研究中报告专业人士.另一方面,据估计,机器人可以在医院和长期从事至少20%的护士工作老年护理。机器人的加入有助于抑制增长社会福利和医疗保健成本,改善医疗保健专业人员的工作内容。另一方面,有人提出一些担忧关于机器人医疗的负面结果患者一侧。特别是在老年人中关于非人化,增加身体
9、护理者的社交孤立和忽视。新冠肺炎疫情加速了医疗保健中的医用机器人。突然增加的医疗保健需求营造了一种氛围人们接受了可能的帮助.此外减少或消除与患者的接触保护宝贵医护人员的机会防止感染病毒。在个人生活中观察到的院乏防护设备(PPE)也被最小化。当医院没有探视时医用机器人有助于连接患者及其家属的士气和支持。在印度,名为Mitra的医用机器人协助新冠肺炎患者在医院病床上与他们的亲人通过安装在胸前的平板电脑进行沟通(SCMP,2020)U1.MiIra的人类同事强调恢复期以及医院探视禁令问题武重:。此外,Mitra可以检测温度病人需要时向精神科医生咨询。米特拉包括面部识别技术它以前见过的人:因此,它可以
10、识别患者独立治疗。此外,Mitra还协助远程咨询,主要是在能够保护风险人群的情况下专家防止可能的感染。另一个医用机器人还用于运送虫要的物资,如食品和为医院不同地区的患者提供药物(半岛电视台,2020年)。Miira还受雇于班加罗尔(Fortis,2020)按以下方式筛选每个进入医院的个人适合通过面部和语音识别,Mitra筛选医生、护士、医务人员和非医务人员针对新冠肺炎症状,如发烧或咳嗽,通过Mi1.ra在识别和转诊方面的支持医护人员可以与仃症状的患者。作为联合国开发计划署的捐款程序,医用机器人也在卢旺达使用J长达50%的技术工作,如测量生命体征(即检查温度、监测患者)并记录信息,以向人类医疗保
11、健提供临床判断反馈工作人员(路透社,2020)U部署的医用机器人最大限度地减少患者与人类医疗保健之间的接触因此减少了传播。另位医用机器人,护士汤米,帮助意大利前线工作人员(半岛电视台,2020年:YahwNews,2020年O汤米促成了医生和没有直接接触的患者。因此,减少PPE这既节省了时间又节省了金钱。可能更成要的是,更少的医生和护士病毒从患者身上传播。信息的持续传递患者的即时情况也有助于所需医疗决策的及时性。同样,隔离患者暴露的风险通过在新加坡使用医用机胧人(CNA2020),医用机器人被指派进行巡逻在几个允许医护人员隔离的病房之间触,因为他们可以远程检杳患者。而且甚至可以更经常地与患者交
12、谈由于取消了穿戴和脱FPPE的规定在这种新颖的通信方法中。在比利时,一个多语言医用机器人被分配给筛查患者的冠状病毒症状确保他们在医院就诊时戴口罩(欧洲新闻,202()年)。Sophia自2016年以来一直是先锋医用机器人也被赋予一个新的角色在新冠肺炎大流行期间(路透社,2021:SCMP,2021),凭借她高度发达的面部表情,SoPhia据信能够促进人与机器的通信,作为护士的角色包括测员患衣的体温。他们帮助减轻了压力在线医疗保健和预防感染传播各医院科室之间的沟通其他人也在隔离病房使用机器人运送食品、水和药物(NcwChina,2020).第2章搬运病人机器人的总体结构设计目前在医院治疗传染病病
13、人时,针对亚症病人更换床位需要护士人工帮助病人挪动,这样就增加了护士被感染的风险。如果能设计种自动搬运病人的机器人,帮助护士解决挪动病人位置的工作,就能很好解决护士被感染的风险,本章针时这种机械手再进行整体结构设计。该搬运病人机器人是在多功能病床的基础上进行完善、增加搬运和自动行走功能。底部四个轮子,其中两个为万向轮、两个齿轮副转向机构动力轮,通过前方摄像头和超声避障装设识别路线及判断障物,可实现自助直线行走及转弯。通过四组机械手惜可将病人从该病床移动到另一病床,整个过程无需医务人员接触.其中机械手可进行的仰、升降、折叠等动作,不使用时折接臂归位到侧面、不影响病人休息。床头位置为控制面板,所有
14、电气元件均在床底、驱动采用蓄电池供电,具体结构如图2-1所示,结构明细如表2-1所示.图2-1搬运病人机械臂给构2-1零部件明细表序号名称数量材料1控制面板组件1电控组件2机械手4组合件3升降机构4批合件4他仰机构4组合件5摄像头I外购6病床I加合件7行走机构I组合件第3章俯仰机构的设计机械手皆是模仿人手操作,可以伸缩,升降、调节角度等各个维度的调整,其中调节角度通过俯仰机构实现,本章主要俯仰机构进行详细设计,该机构也是机械手瞥的重要组成部分。3.1 机构概述通过俯仰机构可以实现前后90调节.,俯仰机构通过齿轮传动机构实现,通过电机抱闸能够实现自锁、能够很好的固定位置.在90。的位置通过接近开
15、关实现限位,同时采用机械限位的方式双重保护,防止过角度旋转损伤元器件。3.2 俯仰机构的设计俯仰机构采用齿轮传动传动方式,通过电机推闸能够实现自锁,能够很好的锁定位置、保证精度。3.2.1 齿轮选择的材料结合使用情况选择两齿轮材料为:40Cr,加工工艺都为:调质处理、表面淬火硬度为HRC46-55,为满足使用需要加工等级定位六级。取其最低值保证满足使用需要,的MQ级质量指标查得。“g=%um2=m,WPa;查机械设计手册图839(d)中的MQ级质量指标查得f=aFE1=T(X)MPu:rfm1.=fta,2=35()MPa.3.2.2 强度计算齿轮传动的计算需要计算中心距、模数齿数等,具体步骤
16、如卜.所示。(I)中心距a的计算(3-1)aCmAu(u+-7V1Mw式中:Ciw=1.2(配材料)A=454载荷系数K=1.5T.=9549-=9549-=46.7(NM)(3-2),n817结合实际负载要求,选择东方马达4kw伺服马达,马达额定转速2500rmin,实际有效转速可达到98%,电机前段直连行星减速机,减速比是3。所以减速马达实际输出转速为:n=250OX98%+3=817rnin齿宽的补偿参数以一05齿数比u=i=2.5查阅国家标准应力为b1.9b.g=O.91I2()=KXB1WPw所以1.2x454x(2.5+1)臣=72.6为了安全起见这里取a=80mm.V0.5X2.
17、51.008(2)关于模数m的确定m=(0.0070.02)a=0.561.6.取m=1.5mm确定齿数z,z2螺旋角度的初始确认”=13(3-3)28sf_280XCoS1.3m(+1)1.5(2.5+1)取整这里按照Z尸30z,=z1=2.53O=75.这里就按照z?=75关于螺旋角的重新计算如下部分=arccos-平+3=arccos5x(3075)=K)J42o28(),.(Z1.+Z,)/n(3()+75)1.5On实际中心距a=y=80IM2cosp2cos10.142(4)其他主要几何尺寸的计算d=wr1./cos=1.53()/cos?=45.7un(35)d,=n,/cos/
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