帶機(jī)械爪的無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)與控制【全套含CAD圖紙、說(shuō)明書(shū)】
帶機(jī)械爪的無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)與控制【全套含CAD圖紙、說(shuō)明書(shū)】,全套含CAD圖紙、說(shuō)明書(shū),機(jī)械,無(wú)人機(jī),設(shè)計(jì),控制,全套,CAD,圖紙,說(shuō)明書(shū)
編號(hào)：
畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)
題 目： 帶機(jī)械抓的無(wú)人機(jī)
設(shè)計(jì)與控制
院 （系）： 機(jī)電工程學(xué)院
專(zhuān) 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)生姓名：
學(xué) 號(hào)：
指導(dǎo)教師單位：
姓 名：
職 稱(chēng)：
題目類(lèi)型：¨理論研究 ¨實(shí)驗(yàn)研究 t工程設(shè)計(jì) ¨工程技術(shù)研究 ¨軟件開(kāi)發(fā)
年12月28日
注：1、本任務(wù)書(shū)一式一份，院辦留存，發(fā)給學(xué)生電子稿，任務(wù)完成后附在
說(shuō)明書(shū)內(nèi)。
2、任務(wù)書(shū)均要求打印，打印字體和字號(hào)按照《本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）統(tǒng)一格式的規(guī)定》執(zhí)行。
3、以下標(biāo)題為四號(hào)仿宋體、加粗，正文中文用小四宋體，英文用小四Times New Roman，日期采用阿拉伯?dāng)?shù)字。
4、“一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容、要求”位于頁(yè)面最頂端，“任務(wù)下達(dá)時(shí)間”位于新頁(yè)面最頂端。
5、請(qǐng)不要修改最后一頁(yè)（即“任務(wù)下達(dá)時(shí)間”所在頁(yè)的內(nèi)容）
一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容
內(nèi)容：
1、帶機(jī)械抓的無(wú)人機(jī)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在惡劣環(huán)境工作的一種新方法。它不僅能提高無(wú)人機(jī)的抓取能力，還能巧妙實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的協(xié)同工作，充分利用無(wú)人機(jī)工作的原理和方法來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜設(shè)計(jì)。學(xué)生需要查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)并開(kāi)展調(diào)研工作，需要了解無(wú)人機(jī)的基本設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)需要的基本技術(shù)；需要在學(xué)校的圖書(shū)館電子數(shù)據(jù)庫(kù)中查閱相關(guān)的中英數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)近5年這個(gè)研究領(lǐng)域的研究成果進(jìn)行總結(jié)和分析，充分挖掘其中有待研究的新技術(shù)和新方法?？梢圆捎镁C合與交叉組合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的目標(biāo)。
2、從理論上帶機(jī)械抓的無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)抓取物體的常用方法，運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬建模的方法來(lái)論證基本理論方法的可行性。應(yīng)當(dāng)充分考慮當(dāng)前環(huán)境的新特征開(kāi)展分析、建模和方案論證；
3、畫(huà)出帶機(jī)械爪的無(wú)人機(jī)的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)圖、原理圖、過(guò)程程序框圖、電路圖、裝配圖、零件圖設(shè)計(jì)；主要包括在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上的改良裝置設(shè)計(jì)圖和新設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)原理圖等。
4、對(duì)于新設(shè)計(jì)的帶機(jī)械抓的無(wú)人機(jī)進(jìn)行方案驗(yàn)證，并與傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)做比較分析出各自的優(yōu)缺點(diǎn)。探討未來(lái)的可能改進(jìn)方案。
5、將設(shè)計(jì)方案撰寫(xiě)成發(fā)明專(zhuān)利，保護(hù)相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)并為今后進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和制造樣機(jī)做準(zhǔn)備。
二、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的要求與數(shù)據(jù)
要求：
1、要求給出至少兩種以上的帶機(jī)械臂的無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)方案并于傳統(tǒng)方案做全面比較，特別關(guān)注帶機(jī)械臂的無(wú)人機(jī)在成本、排放和能耗方面的表現(xiàn)；
2、要求畫(huà)出系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、原理圖、程序框圖、裝配圖、零件圖；
3、要求申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利1項(xiàng)目。
三、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)完成的工作
指定整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)生應(yīng)該完成的所有工作，包括：
1、完成二萬(wàn)字左右的畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）；在畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）中必須包括詳細(xì)的300-500個(gè)單詞的英文摘要；
2、獨(dú)立完成與課題相關(guān)，不少于四萬(wàn)字符的指定英文資料翻譯（附英文原文）；
3、完成系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、原理圖、程序框圖、電路圖、裝配圖、零件圖設(shè)計(jì)工作；必須完成繪圖工作量折合A0圖紙1張以上，其中必須包含兩張A3以上的計(jì)算機(jī)繪圖圖紙；
4、完成一項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利的申請(qǐng)工作。
四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)
[1] H.J. Kim, D.H. Shim. A flight control system for aerial robots: Algorithms and experiments [J]. Control Engineering Practice, 2003, 11(2):1389-1400.
[2] 羅慶生,韓寶玲.現(xiàn)代仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008:4.
[3] Wu X D, Ma S G. Neurally controlled steering for collision-free behavior of a snake robot [J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2013, 21(6): 2443-2449.
[4] Yu Z,Huang Q et al. Design and development of the humanoid robot BHR-5[J]. Advances in Mechanical Engineering, 2014(6):1-11.
[5] 吳宗澤. 機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.
五、試驗(yàn)、測(cè)試、試制加工所需主要儀器設(shè)備及條件
計(jì)算機(jī)一臺(tái)
CAD設(shè)計(jì)軟件（CATIA）
任務(wù)下達(dá)時(shí)間：
2015年12月28日
畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)始與完成時(shí)間：
2015年12月28日至 2016年05 月22日
組織實(shí)施單位：
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化系
教研室主任意見(jiàn)：
簽字： 2015年12月30日
院領(lǐng)導(dǎo)小組意見(jiàn)：
簽字： 2015年12月31日
編號(hào)：
畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告
題 目： 帶機(jī)械抓的無(wú)人機(jī)
設(shè)計(jì)與控制
院 （系）： 機(jī)電工程學(xué)院
專(zhuān) 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)生姓名：
學(xué) 號(hào)：
指導(dǎo)教師單位：
姓 名：
職 稱(chēng)：
題目類(lèi)型：¨理論研究 ¨實(shí)驗(yàn)研究 t工程設(shè)計(jì) ¨工程技術(shù)研究 ¨軟件開(kāi)發(fā)
年3月1日
1．畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容、重點(diǎn)和難點(diǎn)等
主要內(nèi)容：
無(wú)人駕駛飛機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)“無(wú)人機(jī)”，英文縮寫(xiě)為“UAV”，是利用無(wú)線(xiàn)電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)。從技術(shù)角度定義可以分為：無(wú)人直升機(jī)、無(wú)人固定翼機(jī)、無(wú)人多旋翼飛行器、無(wú)人飛艇、無(wú)人傘翼機(jī)等。
無(wú)人機(jī)按應(yīng)用領(lǐng)域，可分為軍用與民用。軍用方面，無(wú)人機(jī)分為偵察機(jī)和靶機(jī)。
無(wú)人機(jī)+行業(yè)應(yīng)用，是無(wú)人機(jī)真正的剛需；目前在航拍、農(nóng)業(yè)植保、測(cè)繪、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用，大大的拓展了無(wú)人機(jī)本身的用途。
本次設(shè)計(jì)主要針對(duì)無(wú)人機(jī)在抓取、運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用和擴(kuò)展。
本課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：
1.設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的機(jī)械爪；
2.設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)與機(jī)械抓的連接部分結(jié)構(gòu)；
3.給出帶機(jī)械爪無(wú)人機(jī)的控制方法。
二、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的要求與數(shù)據(jù):
1.要求設(shè)計(jì)的機(jī)械爪能夠在無(wú)人機(jī)懸停過(guò)程中抓取地面或是水面的物體；
2.要求給出適當(dāng)?shù)目刂品椒ūＷC無(wú)人機(jī)能順利抓取物體后返回指定地點(diǎn)；
3.成果中設(shè)計(jì)的專(zhuān)用件結(jié)構(gòu)、配合滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)化要求，選購(gòu)的電氣件、通用件、標(biāo)準(zhǔn)件等皆符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求；
4.提交的所有圖紙應(yīng)表達(dá)方式簡(jiǎn)潔，尺寸標(biāo)注完整、清晰、規(guī)范。
三、 本畢業(yè)設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)
重點(diǎn)：
1.制定機(jī)械手的抓取方式和連接部分結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案；
2.制定旋翼無(wú)人機(jī)的框架和機(jī)械抓固定座的設(shè)計(jì)方案；
3.設(shè)計(jì)可收放的起落架，防止飛行時(shí)起落架阻礙機(jī)械抓的抓?。?
4.設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)重心自動(dòng)平衡校正系統(tǒng)、防抓取過(guò)載保護(hù)系統(tǒng)和無(wú)人機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航識(shí)別系統(tǒng)。
難點(diǎn)：
1.旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)、旋翼電機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)、起落架的收放結(jié)構(gòu)及機(jī)械手結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性及壽命的計(jì)算。
2.機(jī)械手的的抓取力計(jì)算，由于動(dòng)力源由微型電機(jī)提供，機(jī)械手的機(jī)構(gòu)必須有自鎖機(jī)構(gòu)，電機(jī)斷電后可持續(xù)抓取。
3.無(wú)人機(jī)承載力、續(xù)航能力的權(quán)衡和推重比的確定。
4.無(wú)人機(jī)懸停平衡和抓取重物過(guò)程保持平衡的位姿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
2．準(zhǔn)備情況（查閱過(guò)的文獻(xiàn)資料及調(diào)研情況、現(xiàn)有設(shè)備、實(shí)驗(yàn)條件等）
（1）調(diào)研情況：
經(jīng)查閱相關(guān)書(shū)籍資料并結(jié)合所學(xué)過(guò)的機(jī)械等相關(guān)知識(shí)，了解了帶機(jī)械抓的無(wú)人機(jī)發(fā)展、設(shè)計(jì)方法及相關(guān)規(guī)定，為設(shè)計(jì)作好準(zhǔn)備。
在最近的一段視頻中，研究團(tuán)隊(duì)展示了一種四旋翼式蜂鳥(niǎo)無(wú)人機(jī)俯沖向一個(gè)圓柱并且使用一個(gè)機(jī)械抓抓取它飛走的情景。研究人員從老鷹獲得靈感，他們相信俯沖的無(wú)人機(jī)能夠促使重量更輕、能耗更少的無(wú)人機(jī)出現(xiàn)，而且能夠借助俯沖獲得的速度快速恢復(fù)高度。這種無(wú)人機(jī)非常輕，機(jī)身和抓爪總重量不足1公斤。
研究人員認(rèn)為飛撲式無(wú)人機(jī)能夠促使無(wú)人機(jī)在秘密行動(dòng)中實(shí)現(xiàn)即刻靜默，并且通過(guò)減少盤(pán)旋時(shí)間來(lái)幫助提高執(zhí)行任務(wù)的持久性。這種無(wú)人機(jī)也能夠被用于速度和時(shí)間緊迫的救援行動(dòng)。研究團(tuán)隊(duì)最初制作了一種雙叉形爪子，但是當(dāng)這種抓爪連接到無(wú)人機(jī)時(shí)的效果并不好，而且當(dāng)速度超過(guò)1米每秒時(shí)就無(wú)法抓起一個(gè)球。
因此研究團(tuán)隊(duì)重新設(shè)計(jì)了抓爪，他們使用熱塑性塑料創(chuàng)造了一個(gè)三指抓爪，外面包裹的橡膠殼能夠改善它的抓取能力。為了改善抓爪在更快速運(yùn)動(dòng)時(shí)抓取物體的能力，研究人員將它連接到一個(gè)回旋臂上，它能夠模擬老鷹在俯沖時(shí)收回爪子的動(dòng)作，來(lái)減少它與目標(biāo)之間的相對(duì)速度。雖然無(wú)人機(jī)并不能和老鷹一樣抓取，但是它已經(jīng)有所接近。通過(guò)進(jìn)行少許的變動(dòng)，研究人員能夠使抓爪在提高三倍速度的情況下抓取物體。
（2）可攜載物體的無(wú)人機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展：
2013年6月，美國(guó)Matternet公司在海地和多米加共和國(guó)測(cè)試了無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)，無(wú)人機(jī)能夠攜載2公斤物體飛行9.7公里。該公司希望建立一個(gè)龐大的國(guó)際無(wú)人機(jī)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)和無(wú)人機(jī)配件全球供應(yīng)系統(tǒng)，同時(shí)，還計(jì)劃建立充電基站，使無(wú)人機(jī)可以沿途降落進(jìn)行充電。[7]
2013年9月，順豐自主研發(fā)的用于派送快件的無(wú)人機(jī)完成了內(nèi)部測(cè)試，在局部地區(qū)試運(yùn)行。這種無(wú)人機(jī)采用八旋翼，下設(shè)載物區(qū)，飛行高度約100米，內(nèi)置導(dǎo)航系統(tǒng)，工作人員預(yù)先設(shè)置目的地和路線(xiàn)，無(wú)人機(jī)將自動(dòng)到達(dá)目的地，誤差在2米以?xún)?nèi)。[8]?
2013年12月，亞馬遜表示在測(cè)試一個(gè)叫作”P(pán)rime Air“的無(wú)人機(jī)快遞項(xiàng)目，通過(guò)使用8槳遙控?zé)o人機(jī)實(shí)現(xiàn)鞋盒包裝以下大小貨物的配送，所有訂單從發(fā)貨開(kāi)始預(yù)計(jì)會(huì)在30分鐘內(nèi)送達(dá)1.6公里范圍內(nèi)的客戶(hù)手中。與此同時(shí)，UPS也在試驗(yàn)類(lèi)似的無(wú)人機(jī)設(shè)備。[9]
2014年10月，DHL宣布將在德國(guó)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)送貨。該公司的四旋翼無(wú)人機(jī)可運(yùn)載1.2公斤的貨物，飛行時(shí)間可達(dá)45分鐘，時(shí)速最高可達(dá)65千米，但該無(wú)人機(jī)并非完全脫離人力，依然受到地面工作人員的控制。[10]?
2015年2月，淘寶聯(lián)合圓通速遞，在北京、上海、廣州部分區(qū)域開(kāi)展的無(wú)人機(jī)快遞實(shí)驗(yàn)。該螺旋槳驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)的型號(hào)為黑白機(jī)身，占地約0.25平方米。[11]
參考文獻(xiàn)?
[1]Rogelio Lozano著.陳自力.江濤等譯 .無(wú)人機(jī)——嵌入式控制[M].國(guó)防工業(yè)出版社.2014.
[2]Loannis A.Raptis. Kimon P.Valavanis著.肖陽(yáng).吳勇等譯.小型無(wú)人直升機(jī)線(xiàn)性與非線(xiàn)性控制[M]國(guó)防工業(yè)出版社.2014.
[3]《工業(yè)機(jī)械手》編寫(xiě)組.工業(yè)機(jī)械手上下冊(cè)[M]上海科學(xué)技術(shù)出版社.1982.
[4]王偉.宋延華.馬浩.旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)[J]控制工程.2015:（2）.205-212.
[5]代君蘭.基于CAN總線(xiàn)控制系統(tǒng)的抓物機(jī)械手設(shè)計(jì)[J]機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2011:（10）.91-93.
[6]張楠.何玉成.王南.操作機(jī)器人機(jī)械手爪的設(shè)計(jì)研究及應(yīng)用[J]機(jī)械設(shè)計(jì).2013:(03).27-30.
[7]無(wú)人機(jī)自動(dòng)快遞[J]資訊_銳科技.2013:(14).32.
[8]熊元.無(wú)人機(jī)新玩法[J]科技.2014:(7).64-65.
[9]亞馬遜5年內(nèi)使用無(wú)人機(jī)送快遞:30min送達(dá)[J]可靠性與環(huán)境適應(yīng)性標(biāo)準(zhǔn)信息與行業(yè)動(dòng)態(tài).2013:(S1).337.
[10]DHL“搶跑”無(wú)人機(jī)送貨[J]商業(yè)視窗.201:(12).18.
[11]黃澤滿(mǎn).劉勇.周星.陳天偉.梁毅東.民用無(wú)人機(jī)應(yīng)用發(fā)展概述[J]學(xué)技術(shù)與設(shè)計(jì).201:（24）.36-38.
[12]譚建豪.王耀南.王媛媛.張藝巍.王楚.陳謝沅澧.旋翼飛行機(jī)器人研究進(jìn)展[J]綜述與評(píng)論.2015:(10).24-26
[13]S. Salazar‐Cruz. J. Escare?o. D. Lara. R. Lozano.Embedded control system for a four‐rotor UAV[J]Int. J. Adapt.Control Signal Process.2007:(21).2‐3.
（5）試驗(yàn)、測(cè)試、試制加工所需主要儀器設(shè)備及條件
計(jì)算機(jī)一臺(tái)、CAD軟件以及相關(guān)三維繪圖軟件Solidworks2012等。
3、實(shí)施方案、進(jìn)度實(shí)施計(jì)劃及預(yù)期提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)資料
實(shí)施方案：
查閱資料，選擇最優(yōu)方案。確定機(jī)械爪的材料，抓取力，驅(qū)動(dòng)力矩，強(qiáng)度，大概尺寸等參數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)方案、原理開(kāi)始設(shè)計(jì)機(jī)械爪的機(jī)構(gòu)，固定方式，繪制草圖，校驗(yàn)后繪制正式圖紙。根據(jù)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的框架，其中包括：機(jī)械抓的固定座、旋翼電機(jī)固定座、起落架安裝結(jié)構(gòu)、傳感器和電路板的安裝座。確定無(wú)人機(jī)框架的材料，計(jì)算無(wú)人機(jī)框架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗摔力、壽命等參數(shù)，繪制草圖，校驗(yàn)后繪制正式圖紙。設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的收放起落架。根據(jù)要求，確定無(wú)人機(jī)的推重比，速度，升力，續(xù)航時(shí)間，選擇旋翼電機(jī)和電池。設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)重心自動(dòng)平衡校正系統(tǒng)、防抓取過(guò)載保護(hù)系統(tǒng)和無(wú)人機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航識(shí)別系統(tǒng)，繪制系統(tǒng)框圖和電路原理圖。繪制整機(jī)裝配圖，撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，核查相應(yīng)的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)論文格式。
進(jìn)度計(jì)劃：
(1）2015.12—2015.01所選擇的課題進(jìn)行調(diào)研、查閱資料、方案設(shè)計(jì)。
(2）2015。01—2016.02查閱資料，明確設(shè)計(jì)目的，完成開(kāi)題報(bào)告，收集與課題相關(guān)的資料及參考文獻(xiàn)，確定畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)大致方案。
(3）2016.03—2016.04完善并確定最初方案，制定無(wú)人機(jī)框架和機(jī)械抓總體設(shè)計(jì)方案。
(4）2016.04—2016.05根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)好旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)、旋翼電機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)、起落架的收放結(jié)構(gòu)及機(jī)械手結(jié)構(gòu)；完成各個(gè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校驗(yàn)和壽命計(jì)算；完成機(jī)械抓的抓取力計(jì)算，選擇機(jī)械抓的驅(qū)動(dòng)電機(jī)；估算整機(jī)重量，確定無(wú)人機(jī)的推重比，選擇無(wú)人機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)；根據(jù)續(xù)航要求，選擇無(wú)人機(jī)的配套電池。畫(huà)出其裝置的總裝配圖，及相關(guān)的零件，并表述裝置的工作原理過(guò)程。進(jìn)行畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）初稿。
(5）2016.05—2016.06確定無(wú)人機(jī)重心自動(dòng)平衡校正系統(tǒng)、防抓取載保護(hù)系統(tǒng)和無(wú)人機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航識(shí)別系統(tǒng)方案；根據(jù)設(shè)計(jì)方案，選擇控芯片，無(wú)線(xiàn)傳輸芯片，傳感器和導(dǎo)航芯片等；連接電路，編寫(xiě)控制程序，最后進(jìn)行調(diào)試和檢驗(yàn)。
(6）2016.06—2016.06根據(jù)指導(dǎo)教師意見(jiàn)進(jìn)行修改，并最后定稿，并且完成計(jì)算機(jī)繪制圖和外文翻譯。核查相應(yīng)的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)論文格式。
(7）2016.06—2016.07完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，提交論文。
預(yù)期提交：
1、帶機(jī)械抓的無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)；
2、英文資料翻譯（附英文原文）；
3、CAD繪制二維帶機(jī)械手的無(wú)人機(jī)裝配圖、零件圖及控制系統(tǒng)原理圖。
指導(dǎo)教師意見(jiàn)
指導(dǎo)教師（簽字）：
2016年3月1日
開(kāi)題小組意見(jiàn)
開(kāi)題小組組長(zhǎng)（簽字）：
2016年3月 1 日
院（系、部）意見(jiàn)
主管院長(zhǎng)（系、部主任）簽字：
2016年3月 1 日
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）用紙
編號(hào)：
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書(shū)
題 目： 帶機(jī)械抓的無(wú)人機(jī)
設(shè)計(jì)與控制
院（系）： 機(jī)電工程學(xué)院
專(zhuān) 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)生姓名：
學(xué) 號(hào)：
指導(dǎo)教師單位：
姓 名：
職 稱(chēng)：
題目類(lèi)型：¨理論研究 ¨實(shí)驗(yàn)研究 t工程設(shè)計(jì) ¨工程技術(shù)研究 ¨軟件開(kāi)發(fā)
年6月3日
摘 要
從90年代第一架微型無(wú)人機(jī)問(wèn)世以來(lái)，微型無(wú)人機(jī)經(jīng)歷了20幾年的快速發(fā)展，微型無(wú)人機(jī)在航拍、農(nóng)業(yè)植保、測(cè)繪、運(yùn)輸、軍事偵查等領(lǐng)域的得到了廣泛的應(yīng)用，大大的拓展了無(wú)人機(jī)本身的用途。近年來(lái)無(wú)人機(jī)快遞更是在新聞媒體上屢屢現(xiàn)身，微型無(wú)人機(jī)的負(fù)載從開(kāi)始的幾十克發(fā)展到現(xiàn)在的幾千克，其運(yùn)輸能力獲得了幾十倍的增長(zhǎng)。得益于無(wú)人機(jī)的快速發(fā)展，本文設(shè)計(jì)了一種帶機(jī)械爪的四旋翼無(wú)人機(jī)，其機(jī)械爪具有兩個(gè)自由度（張夾和擺動(dòng)），通過(guò)無(wú)人機(jī)的偏航運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪的第三個(gè)自由度（旋轉(zhuǎn)）。本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手爪由單電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有兩根手指和6個(gè)指節(jié)。該手爪由電機(jī)驅(qū)動(dòng)一根拉桿支架，其端部分別連接第一指節(jié)的動(dòng)力桿；每個(gè)手指有3個(gè)指節(jié)，第一指節(jié)與第二指節(jié)與平行四邊形連桿連接，確保第三指節(jié)做平移運(yùn)動(dòng)；每個(gè)手指第二指節(jié)具有延伸的圓弧滑槽，當(dāng)?shù)谥腹?jié)支點(diǎn)隨第一指節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì)的圓弧滑槽在固定支點(diǎn)滑動(dòng)，可使第三指節(jié)的運(yùn)動(dòng)速度與電機(jī)轉(zhuǎn)速程線(xiàn)性比例關(guān)系運(yùn)動(dòng)。該機(jī)械爪能夠?qū)σ后w和泥沙進(jìn)行取樣，并且能抓取方形，圓柱形，球體及不規(guī)則形狀的物體。最大抓取重量為500g，抓取物體最大尺寸100mm左右。第三指節(jié)的夾緊力在夾緊過(guò)程中逐漸減小，有利于夾持易碎易變形的物體。機(jī)械爪通過(guò)減震柔性機(jī)構(gòu)與無(wú)人機(jī)連接，保證機(jī)械爪在夾持物體時(shí)無(wú)人機(jī)能夠自主懸停，穩(wěn)定的夾持重物。無(wú)人機(jī)配備導(dǎo)航模塊，可在夾持任務(wù)完成時(shí)自主返回，大大減少操控者的工作強(qiáng)度。本文設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)可用于危險(xiǎn)環(huán)境中的樣品采集、偵查和小件物品的遞送，大大擴(kuò)展了無(wú)人機(jī)本身的用途。
關(guān)鍵詞：機(jī)械爪；無(wú)人機(jī)；自主懸停
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）用紙
Abstract
Since the 1990s, the advent of the first aircraft MAV, MAV has experienced 20 years of rapid development, MAV aerial, agricultural plant protection, mapping, transportation, military reconnaissance and other fields has been widely used greatly expanded the use of drone itself. In recent years, MAV Express is often appeared in the news media, MAV load of a few kilograms up to now, its transport capacity to obtain a few times increased from tens of grams development began. Thanks to the rapid development of MAVs, design one kind of quad-rotor UAV with a mechanical claw, mechanical claw having two degrees of freedom (open/clip and swing), via yaw movement UAV achieve the third degree of freedom mechanical claw (rotation). This design of the gripper driven by a single motor having two fingers and six knuckles. This gripper driven by a motor a rod holder, whose ends are respectively connected to the first knuckle of the power lever; each finger has three knuckles, knuckles and the first and second knuckle parallelogram linkage connected to ensure the third knuckle do translational motion; the second knuckle of each finger having a circular arc chute extending means savings when the first point with the first knuckle movement, through a specially designed arc chute slide in fixed fulcrum, can so that the moving speed of the third knuckle linearly proportional to the movement speed of the motor drive. The mechanical claw capable of liquid and sediment sampling, and can crawl square, cylindrical, spherical and irregular shaped objects.Crawl maximum weight of 500g, the maximum size of objects to crawl around 100mm. Third knuckle clamping force gradually decreases during clamping, gripping favor fragile and deformable objects. Mechanical claw connected by a flexible shock absorbing mechanism and MAV to ensure mechanical clamping jaws when the object hovering drone capable of autonomous, stable holding weights. UAV is equipped with navigation module, autonomously return when gripping task is completed, greatly reducing the intensity of the work of the manipulators. This design can be used in hazardous environments UAV sample collection, detection and delivery of small items, and greatly expanded the use of unmanned aircraft itself.
Key words：Manipulator;UVA;Autonomous hover
目 錄
引 言 1
1 機(jī)械爪的設(shè)計(jì)方案 2
1.1 機(jī)械爪的設(shè)計(jì)要求和功能 2
1.1.1設(shè)計(jì)要求 2
1.1.2功能 2
1.2 常見(jiàn)機(jī)械臂末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)： 2
1.3 方案對(duì)比分析和確定 3
1.3.1單電機(jī)驅(qū)動(dòng)二指平動(dòng)手爪方案 3
1.3.2單電機(jī)驅(qū)動(dòng)多指關(guān)節(jié)機(jī)械手爪方案 4
1.3.3方案分析 4
2 機(jī)械爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5
2.1 機(jī)械爪的結(jié)構(gòu)分析 5
2.2 機(jī)械爪的尺寸參數(shù)分析 6
2.2.1滑槽參數(shù)計(jì)算 8
2.3 機(jī)械爪的受力分析 9
2.3.1指節(jié)末端吸盤(pán)的受力分析 12
3 機(jī)械爪夾緊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選型 12
3.1 滾珠絲杠螺母副的選型 12
3.1.1滾珠絲杠副的型號(hào)參數(shù) 12
3.1.2滾珠絲杠副的質(zhì)量估算 13
3.2 電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速的計(jì)算 13
3.2.1電機(jī)扭矩的計(jì)算 13
3.2.2電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算 14
3.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型 14
3.3.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)的對(duì)比分析 14
3.3.2確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào) 15
3.4 絲杠電機(jī)連接結(jié)構(gòu)的方式 16
3.5 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的校核 16
4 機(jī)械爪的材料選型和強(qiáng)度計(jì)算 17
4.1 機(jī)械爪的材料選型 17
4.2 機(jī)械爪主要零件的強(qiáng)度校核 19
5 機(jī)械臂的設(shè)計(jì) 21
5.1 機(jī)械臂的設(shè)計(jì)方案 21
5.2 機(jī)械爪的重量計(jì)算 21
5.3 機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型 22
5.4 機(jī)械臂的強(qiáng)度校核 23
5.5機(jī)械臂與無(wú)人機(jī)連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24
6 無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì) 24
6.1 無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)方案與工作原理 24
6.2 無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 26
6.3 無(wú)人機(jī)材料選型 26
6.4 四旋翼無(wú)人機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和螺旋槳選型 26
6.5 無(wú)人飛行參數(shù)計(jì)算 27
7 帶機(jī)械爪的無(wú)人機(jī)的控制設(shè)計(jì) 28
7.1 無(wú)人機(jī)和機(jī)械手控制方案設(shè)計(jì) 28
7.2 控制系統(tǒng)硬件選型 29
7.4 四旋翼無(wú)人機(jī)程序設(shè)計(jì) 31
8 結(jié)論 32
謝 辭 33
參考文獻(xiàn) 34
第 33 頁(yè) 共 34 頁(yè)
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）用紙
引言
無(wú)人駕駛飛機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)“無(wú)人機(jī)”，英文縮寫(xiě)為“UAV”，是利用無(wú)線(xiàn)電遙控和無(wú)線(xiàn)通訊設(shè)備進(jìn)行操控或自控飛行的無(wú)人駕駛飛行器。從無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和飛行原理可分為：無(wú)人直升機(jī)、無(wú)人固定翼機(jī)、無(wú)人多旋翼飛行器、無(wú)人飛艇、無(wú)人傘翼機(jī)等。
無(wú)人機(jī)按使用領(lǐng)域，可分為軍用與民用。軍用方面，無(wú)人機(jī)分為偵察機(jī)和靶機(jī)。無(wú)人機(jī)在民用方面，目前主要應(yīng)用在在航拍、農(nóng)業(yè)植保、測(cè)繪、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的使用，大大的拓展了無(wú)人機(jī)本身的用途。
“2013年6月，美國(guó)Matternet公司在海地和多米加共和國(guó)測(cè)試了無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)，無(wú)人機(jī)能夠攜載2公斤物體飛行9.7公里。[[] 無(wú)人機(jī)自動(dòng)快遞[J]資訊銳科技．2013:(14)．32．
]”“2013年9月，順豐自主研發(fā)的用于派送快件的無(wú)人機(jī)完成了內(nèi)部測(cè)試，在局部地區(qū)試運(yùn)行。[[] 熊元．無(wú)人機(jī)新玩法[J]科技．2014(7)．64-65．
]”“ 2014年10月，DHL宣布將在德國(guó)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)送貨。該公司的四旋翼無(wú)人機(jī)可負(fù)載大約1.2公斤的貨物。[[] DHL“搶跑”無(wú)人機(jī)送貨[J]商業(yè)視窗.2010.(12).．8．
]”在最近的一段視頻中，某研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種向老鷹一樣裝有機(jī)械爪的四旋翼無(wú)人機(jī)，該無(wú)人機(jī)從空中俯沖到與地面成一定距離的時(shí)候，快速抓取地面上的物體。研究人員從老鷹身上獲得靈感，他們相信通過(guò)改進(jìn)無(wú)人機(jī)和機(jī)械手爪的材料和增強(qiáng)無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可使該無(wú)人機(jī)變得更輕巧更快速，而且能夠借助俯沖獲得的速度快速恢復(fù)高度。
隨著無(wú)人機(jī)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)變的越來(lái)越智能化，重量輕負(fù)載大，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，由此引申出了各種功能的無(wú)人機(jī)。本文介紹了一種多功能帶機(jī)械爪的無(wú)人機(jī)的，實(shí)際上它相當(dāng)于一個(gè)飛行器人，是一種能在惡劣環(huán)境中代替人類(lèi)工作的一種新方法。它不僅能提高無(wú)人機(jī)的抓取能力，還能巧妙實(shí)現(xiàn)與無(wú)人機(jī)的協(xié)同工作，充分利用無(wú)人機(jī)工作的原理和方法來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜設(shè)計(jì)。該無(wú)人機(jī)通過(guò)于機(jī)械手的相互協(xié)調(diào)工作，可完成各種物體的抓取任務(wù)，并自動(dòng)返航。本文包括了機(jī)械爪的建模與工作原理，還包括力學(xué)分析和控制設(shè)計(jì)過(guò)程，以及無(wú)人機(jī)框架的設(shè)計(jì)和無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
1 機(jī)械爪的設(shè)計(jì)方案
1.1 機(jī)械爪的設(shè)計(jì)要求和功能
1.1.1設(shè)計(jì)要求：
機(jī)械爪能巧妙的與無(wú)人機(jī)協(xié)同完成抓取工作，充分利用無(wú)人機(jī)飛行能力，在各種難以到達(dá)的環(huán)境中完成抓取任務(wù)，并能在無(wú)人機(jī)飛行時(shí)的不穩(wěn)定環(huán)境中牢牢抓住物體，順利返航。機(jī)械爪的結(jié)構(gòu)必須簡(jiǎn)單輕型化，避免較大的質(zhì)量和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，減少機(jī)械爪慣性力對(duì)無(wú)人機(jī)的影響。機(jī)械爪控制電路簡(jiǎn)單可靠，在不影響功能的情況下盡量減少驅(qū)動(dòng)電機(jī)的數(shù)量，并在無(wú)動(dòng)力的情況下能夠自鎖，做到到低功耗，高效率，為無(wú)人機(jī)的續(xù)航創(chuàng)造條件。
1.1.2功能：
能夠?qū)σ后w和泥沙進(jìn)行取樣，并且能抓取方形，圓柱形，球體及不規(guī)則形狀的物體。最大抓取重量為500g，抓取物體最大尺寸100mm左右。
1.2 常見(jiàn)機(jī)械臂末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)：
1.鉗式機(jī)械手：
“ 夾鉗式手部與人手相似，是工業(yè)機(jī)器人廣為應(yīng)用的一種手部形式。它一般由手指、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及連接與支承原件組成，能通過(guò)手爪的開(kāi)閉動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的夾持。[[] 《工業(yè)機(jī)械手》編寫(xiě)組．工業(yè)機(jī)械手上下冊(cè)[M]上?？茖W(xué)技術(shù)出版社．1982．
[5] 蘇子昊．孔慶忠．關(guān)節(jié)型機(jī)器人二指平動(dòng)手爪的設(shè)計(jì)[J]．機(jī)械工程與自動(dòng)化．2008(5)．
80-84．
[6] 羅志增．顧培民.一種單電機(jī)驅(qū)動(dòng)多指多關(guān)節(jié)機(jī)械手的設(shè)計(jì)[J]機(jī)器人．2009(31) ．620
-624．
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[11] Rogelio Lozano著．陳自力．江濤等譯．無(wú)人機(jī)嵌入式控制[M]國(guó)防工業(yè)出版社．2014．
[12] 李 杰．齊曉慧．小型四旋翼無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]中國(guó)測(cè)試．2014（40）
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[15] 聞邦椿．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第5版）[M]機(jī)械工業(yè)出版社．2010．
]”
“夾鉗式機(jī)械手又分為回轉(zhuǎn)型手部和平移型手部?；剞D(zhuǎn)型手部的手指實(shí)際上就是兩個(gè)杠桿，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)，手指繞指點(diǎn)回轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)手指的開(kāi)閉動(dòng)作。平移型手部是兩個(gè)手指在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，作相對(duì)的平行移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)開(kāi)閉動(dòng)作。[4]”
2.彈性力手爪：
彈性力手爪的特點(diǎn)是其夾持物體的爪力式由彈性原件提供的，不需要專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)裝置，在抓取物體的時(shí)候需要一定的壓入力，而在卸料時(shí)，則需要一定的拉力，其抓取需要以一定的方向，抓取對(duì)象的形狀需要與機(jī)械手相匹配，且抓取對(duì)象重力需小于卸料拉力。
3.勾托式手部：
勾托式手部并不靠夾緊力來(lái)夾持物體，而是利用物體本身的重量和水平方向的手指產(chǎn)生的支持力來(lái)勾住或拖住物體來(lái)實(shí)現(xiàn)夾持的。由于勾托式手爪主要是靠手指的支持力來(lái)夾持物體的，因此不需要較大的夾緊力，所以對(duì)夾緊驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)力要求較小。
1.3 方案對(duì)比分析和確定
“機(jī)械手爪是無(wú)人機(jī)夾持物體的最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)提高機(jī)器人完成任務(wù)的效率和改進(jìn)工作水平起到關(guān)鍵性的作用。夾持和操控的靈活性、精確性和適應(yīng)性是衡量機(jī)械手爪設(shè)計(jì)水平的一個(gè)重要標(biāo)志。[5]”常用的工業(yè)機(jī)器人的手部多為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的夾鉗式、托持式、彈性式等型式，其結(jié)構(gòu)和夾持對(duì)象的工作原理決定了其夾持功能的局限性。近年來(lái)隨著工業(yè)機(jī)器人的快速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的手部結(jié)構(gòu)也越來(lái)越多元化，從單一的功能慢慢演變成具有擬人化的多指機(jī)械手。與夾鉗式機(jī)械爪相比，具有擬人化的機(jī)械手結(jié)構(gòu)形式和控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，但其手指更加靈活，更能適應(yīng)于不同形狀物體的抓取，其抓握更加穩(wěn)定可靠。
1.3.1方案一：?jiǎn)坞姍C(jī)驅(qū)動(dòng)二指平動(dòng)手爪
“蘇子昊等人研發(fā)了一種步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多連桿機(jī)構(gòu)二指平動(dòng)機(jī)械手爪，一種用于小型多自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人的機(jī)械手爪, 它采用二指平動(dòng)的手爪設(shè)計(jì)方案。 以機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ), 用電機(jī)驅(qū)動(dòng), 實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手爪開(kāi)合、擺動(dòng)、 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)一體化的手部運(yùn)。[7]”該機(jī)械手采用 圖1-2 二指平動(dòng)機(jī)械手原理圖
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng), 轉(zhuǎn)動(dòng)位置精度高, 動(dòng)作響應(yīng)速度快。 該機(jī)械手爪尺寸參數(shù)適中，方便更換和攜帶、 結(jié)構(gòu)緊湊體積小、 制造成本低, 可用于教學(xué)型機(jī)器人和科研機(jī)器人。手夾持物體時(shí)以物體為中心, 用手指末端夾持物體。 該機(jī)械手爪的工作方式有捏、拿、夾、握等，通過(guò)機(jī)械爪表面與夾持物表面的摩擦力來(lái)夾持物體。該機(jī)械爪,屬于夾持式手爪, 手指通過(guò)絲杠螺母帶動(dòng)第一動(dòng)力桿，動(dòng)力桿將動(dòng)作傳遞給平行四邊形機(jī)構(gòu)，保證手指末端實(shí)現(xiàn)平行移動(dòng)。機(jī)械臂處于工作狀態(tài)時(shí), 分別由機(jī)械臂上的各個(gè)關(guān)節(jié)調(diào)整好位姿，然后逐漸靠近待夾持物, 最后由手腕調(diào)節(jié)幾下抓與被夾持物的夾持方向，機(jī)械爪張開(kāi)并夾持待夾持物體, 每個(gè)手指末端配有壓力傳感器，可根據(jù)手指的受力情況和待夾持物的表面硬度、剛度調(diào)節(jié)機(jī)械爪手指的夾緊力，防止待夾持物因受力過(guò)大發(fā)聲變形和損壞。
1.3.2方案二：?jiǎn)坞姍C(jī)驅(qū)動(dòng)多指關(guān)節(jié)機(jī)械手爪
羅志增，顧培民研究了一種步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多指關(guān)節(jié)機(jī)械手，為了使機(jī)械手靈活、可靠地抓取物體，設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的單電機(jī)驅(qū)動(dòng) 4 指 12 關(guān)節(jié)機(jī)械手爪。如右圖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，滾珠螺母移動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)與其連接的十字連桿，其端部分別與四根手指的第一指節(jié)連接；第一指節(jié)的動(dòng)力桿AB繞B點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)C點(diǎn)繞B點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)；這是C點(diǎn)推動(dòng)帶有圓弧槽的第二指節(jié)，由于O點(diǎn)在圓弧槽內(nèi)滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生支反力，通過(guò)計(jì)算圓弧槽 圖1-3 多指關(guān)節(jié)機(jī)械手原理圖
的參數(shù)，可使第三指節(jié)勻速運(yùn)動(dòng)。與第一指
節(jié)和第二指節(jié)連接的平行四邊形機(jī)構(gòu)使第三指節(jié)在水平方向移動(dòng)?！霸撔滦偷膯坞姍C(jī)驅(qū)動(dòng)手爪設(shè)計(jì)方案表現(xiàn)出了機(jī)械手控制簡(jiǎn)單、抓握可靠的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。[6]”
1.3.3方案分析
機(jī)械手爪的結(jié)構(gòu)一般根據(jù)實(shí)際使用情況來(lái)設(shè)計(jì)，當(dāng)被夾持象確定時(shí)，手爪的夾持方式也基本確定了。手爪自由度數(shù)越多，手指的靈活性約高，其夾持對(duì)象的通用性也更強(qiáng)，但控制也會(huì)變得復(fù)雜、制造成本和控制系統(tǒng)硬件成本也會(huì)隨著其復(fù)雜度變高。
方案一：蘇子昊等人研究的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多連桿機(jī)構(gòu)二指平動(dòng)機(jī)械手爪，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但手指的夾緊速度與電機(jī)轉(zhuǎn)速并非線(xiàn)性比例關(guān)系[6]，在非勻速夾持的時(shí)候，對(duì)夾持物體產(chǎn)生沖擊，同時(shí)對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)產(chǎn)生較大的慣性力影響，無(wú)人機(jī)需要進(jìn)行較大的姿態(tài)調(diào)整，造成無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間下降。且手指只能進(jìn)行相對(duì)平移動(dòng)作，動(dòng)作單一，在夾持不同形狀的物體時(shí)，需要更換不同形狀的手指，工作適應(yīng)范圍較小，難以實(shí)現(xiàn)一手多用。
方案二：羅志增，顧培民研究的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多指關(guān)節(jié)機(jī)械手結(jié)構(gòu)較前者復(fù)雜，但手指的夾緊速度與電機(jī)轉(zhuǎn)速呈線(xiàn)性比例關(guān)系，其特點(diǎn)是第三指節(jié)能平行張開(kāi)合攏，且在電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能保證手指末端勻速平動(dòng)，以避免手指移動(dòng)速度不均對(duì)夾持物體的沖擊，對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)影響較小，相比前者，能獲得較多的續(xù)航時(shí)間。該機(jī)械手具有3個(gè)指節(jié)，其中第二指節(jié)呈V型并攏，能夠?qū)A柱體實(shí)現(xiàn)抓取，而第三指節(jié)呈相對(duì)平動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)方形物體的抓取，在第3指節(jié)裝配一對(duì)吸盤(pán)，吸盤(pán)的弧面能夠抓取球體，吸盤(pán)具有一定的容腔，能夠抓取泥沙，其密封性能夠抓取液體，吸盤(pán)的柔性變形還能適應(yīng)形狀不規(guī)則的物體，實(shí)現(xiàn)一手多用的功能。
本文針對(duì)外形為中心對(duì)稱(chēng)、形狀不規(guī)則的待夾持物體和液體，設(shè)計(jì)一種單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手爪，其特點(diǎn)是第三指節(jié)能平行張開(kāi)合攏，且在電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能保持第三指節(jié)勻速平動(dòng)。方案一結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本低，手爪動(dòng)作單一，機(jī)械爪的動(dòng)作沖擊對(duì)無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間影響較大。方案二結(jié)構(gòu)較前者復(fù)雜，成本較高，但是手爪動(dòng)作比前者多了V形并攏的動(dòng)作，手爪的功能較為豐富，可實(shí)現(xiàn)一手多用，且手爪動(dòng)作沖擊較小，對(duì)無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間影響較小。根據(jù)性能>成本>續(xù)航的關(guān)系，確定以方案二為模板進(jìn)行改良設(shè)計(jì)。
2 機(jī)械爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)械爪的結(jié)構(gòu)分析
本文的設(shè)計(jì)參考了羅志增，顧培民研究了一種步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多指關(guān)節(jié)機(jī)械手的方案，本文采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)2指對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)，單根手指由3個(gè)指節(jié)通過(guò)螺栓連接，整個(gè)手爪由2根固定在支架上的手指組成。第三指節(jié)是與被夾持物體相接觸的元件，機(jī)械手爪夾緊和張開(kāi)時(shí)能保持相對(duì)平行移動(dòng)。每個(gè)手指各關(guān)節(jié)之間力的依靠各個(gè)指節(jié)的杠桿力傳遞。每根手指的第一指節(jié)和第二指節(jié)外側(cè)分別連接一根平行連桿，形成2個(gè)平行四邊形，平行四邊形在擺動(dòng)時(shí)，其末端是水平運(yùn)動(dòng)的，第三指節(jié)的水平運(yùn)動(dòng)保證了其抓取方形物體的功能。第 3 指節(jié)就是指尖，通過(guò)
a張開(kāi)狀態(tài) b中位狀態(tài) c夾緊狀態(tài)
圖2-1 單電機(jī)驅(qū)動(dòng)多指關(guān)節(jié)機(jī)械手原理圖
平動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的夾持。該手爪的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2- 1所示。該手爪由減速電機(jī)、支架連桿、拉桿支架、第一指節(jié)、第二指節(jié)及圓弧滑槽和指尖等組成，其中第1、第2指節(jié)與一個(gè)平行四邊形的連桿連接，以確保指尖在手爪張開(kāi)合攏時(shí)能夠平移運(yùn)動(dòng)。手爪的工作過(guò)程如下：
直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)滾珠螺母平平，滾珠螺母與拉桿支架連接。當(dāng)直流減速電機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)，可使絲杠帶動(dòng)的拉桿支架沿絲杠軸線(xiàn)上、下平動(dòng)，并帶動(dòng)2個(gè)手指的第一指節(jié)進(jìn)行開(kāi)合運(yùn)動(dòng)。第一指節(jié)將動(dòng)力傳遞給第二指節(jié)，第二指節(jié)的C點(diǎn)向手爪中心運(yùn)動(dòng)，第二指節(jié)的圓弧滑槽段隨C點(diǎn)向手爪中心運(yùn)動(dòng)，但由于圓弧滑槽受到O點(diǎn)的支反力，其受力點(diǎn)與C點(diǎn)間的力臂是變化的?；郾辉O(shè)計(jì)成圓弧槽，相當(dāng)于封閉的凸輪，通過(guò)計(jì)算圓弧槽的參數(shù)數(shù)，使直流減速電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，第三指節(jié)在上平方向的運(yùn)動(dòng)也是勻速的。手爪座開(kāi)合運(yùn)動(dòng)時(shí)，第二指節(jié)的圓弧槽繞著指點(diǎn)滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)閳A弧槽的形狀尺寸參數(shù)決定了第二指節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，因此圓弧槽的尺寸計(jì)算尤為重要。當(dāng)?shù)谝坏诙腹?jié)在驅(qū)動(dòng)力下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，同時(shí)帶動(dòng)與第一第二指節(jié)連接的平行連桿機(jī)構(gòu)，使第三指節(jié)沿著水平方向勻速運(yùn)動(dòng)。
2.2 機(jī)械爪的尺寸參數(shù)分析
（a）中位關(guān)系圖 （ b）夾緊關(guān)系圖
圖2-2 桿的連接關(guān)系圖
在設(shè)計(jì)中，首選確定待抓取物的最大尺寸，然后在進(jìn)行機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)；其次，根據(jù)確定的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；最后通過(guò)運(yùn)動(dòng)關(guān)系推導(dǎo)計(jì)算各個(gè)結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)，然后建立三維模型，裝配后觀(guān)察其運(yùn)動(dòng)方式是否符合設(shè)計(jì)要求。
如圖2-2所示，其中圖2-2（a) 是手爪運(yùn)動(dòng)到中位的關(guān)系原理圖，圖2-2(b)是最小夾緊位置。分析電機(jī)轉(zhuǎn)速與第三指節(jié)平動(dòng)速度的關(guān)系，設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)速為n r/min，絲杠導(dǎo)程為 δmm，則拉桿支架的移動(dòng)速度為：
（2-1）
式中，單位是 mm/s。
絲杠螺母帶動(dòng)拉桿支架，使第指節(jié)的A點(diǎn)繞固定支點(diǎn) B 轉(zhuǎn)動(dòng)， A 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的垂直方向距離與拉桿支架的移動(dòng)距離相等。如果初始狀態(tài) A、B 在同一水平上，桿AB的水平夾角θ = 0，經(jīng)過(guò)t時(shí)間點(diǎn)A在豎直方向的移動(dòng)距離 h = t。由于A在水平方向的移動(dòng)距離非常小，計(jì)算時(shí)忽略點(diǎn)A的擺動(dòng)距離，那么桿AB的角速度約為：
（2-2）
式中， 是第一指節(jié) AB 的長(zhǎng)度，單位為 mm， 的單位是 rad/s．t 時(shí)刻第 1 動(dòng)力桿 AB 的水平夾角：
（2-3）
如圖2-2，取第一指節(jié)上BC長(zhǎng)度是20mm，且BC與BA的連接夾角為90度，第二指節(jié)直線(xiàn)段CD的長(zhǎng)度是35，圓弧滑槽 CE上的支點(diǎn)O相對(duì)于 B 點(diǎn)的坐標(biāo)是 (a,b)， x0Cy0 是固定在第指節(jié)上的坐標(biāo)，那么，滑槽上的支點(diǎn) O 離 x0Cy0 坐標(biāo)原點(diǎn) C 的長(zhǎng)度 e 為：
（2-4）
如果被控手爪指尖的水平方向夾緊速度是 mm/s， t 時(shí)刻水平方向移動(dòng)了 w = t，第2 動(dòng)力桿轉(zhuǎn)角為：
（2-5）
在圖 3(b) 中， CD 與 e的夾角為OC的水平夾角與第二指節(jié)轉(zhuǎn)過(guò)的角度和第 2 之差，即：
（2-6）
式 (2-4)、 (2-6) 構(gòu)成了第 2 動(dòng)力桿滑槽曲線(xiàn)的極坐標(biāo)方程．
2.2.1滑槽參數(shù)計(jì)算
與平行四邊形機(jī)構(gòu)為背包連桿的電動(dòng)機(jī)械手爪 ，在電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，其指尖夾緊或張開(kāi)的速度是變化的，在平行四邊形機(jī)構(gòu)成直角時(shí)速度最大，大于或小于 90? 時(shí)速度減小[6]。所以，當(dāng)手爪張開(kāi)角度不同時(shí)，對(duì)應(yīng)的指節(jié)末端瞬時(shí)速度也不同。這樣，即使能夠通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)使指節(jié)末端保持勻速運(yùn)動(dòng)，但這會(huì)使控制系統(tǒng)更加復(fù)雜，控制難度也相應(yīng)增加。本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手爪最大的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)第二指節(jié)的圓弧滑槽來(lái)修正補(bǔ)償輸入速度與輸出速度的不對(duì)應(yīng)的關(guān)系。使電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，第三指節(jié)的運(yùn)動(dòng)也是勻速的。
通過(guò)帶入各個(gè)指節(jié)的尺寸參數(shù)，并約束輸入速度與輸出速度的關(guān)系來(lái)計(jì)算圓弧滑槽的尺寸參數(shù)，取= 20， = 40， = 35，圓弧滑槽上的支點(diǎn) O 相對(duì)于 B 點(diǎn)的坐標(biāo)是，a= 19， b= 21，單位為mm，手爪抓取物體的尺寸范圍徑為0～ 110mm。該手爪為是 2指對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，所以取單根手指進(jìn)行分析計(jì)算，那么單根手指的運(yùn)動(dòng)行程為55。取機(jī)械手的初始狀態(tài)為手爪中位，取中位狀態(tài)第三指節(jié)距離中心長(zhǎng)度為34mm，最大張開(kāi)狀態(tài)到中位狀態(tài)的行程為21mm，第三指節(jié)的運(yùn)動(dòng)行程 w 在 [?21,34] 內(nèi)變化。對(duì)單邊運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，設(shè) h 在 0 ～ 6 變化， w 在 0 ～ 34 變化，第一指節(jié)動(dòng)力桿水平夾角 θ 在 0 ～ 18? 之間變化，通過(guò)公式(2-4)、 (2-6)計(jì)算得得表 2-1 所示手爪運(yùn)動(dòng)各點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的圓弧滑槽曲線(xiàn)極坐標(biāo)參數(shù)。根據(jù)e-參數(shù)表，配合槽寬進(jìn)行計(jì)算，即可計(jì)算出圓弧滑槽的各項(xiàng)尺寸參數(shù)。
表2-1 手爪與滑槽對(duì)應(yīng)坐標(biāo)關(guān)系
序號(hào)
h/mm
/
w/mm
e/mm
/
1
0
0
0
26.870
45
2
0.9
2.605
5
25.586
42.53
3
1.8
5.216
10
24.306
40.32
4
2.7
7.837
15
23.031
38.15
5
3.6
10.476
20
21.763
36.07
6
4.5
13.137
25
20.506
34.07
7
5.4
15.827
30
19.265
32.11
8
6.18
18.004
34
18.288
30.54
圖2-3 5：e-極坐標(biāo)圖
根據(jù)e-極坐標(biāo)圖，作一條經(jīng)過(guò)e端點(diǎn)的圓弧，得圓弧圓心相對(duì)B點(diǎn)的坐標(biāo)為（-0.68,19.71），圓弧半徑為19.72mm。
2.3 機(jī)械爪的受力分析
圖2-4 單電機(jī)驅(qū)動(dòng)多指關(guān)節(jié)機(jī)械手受力分析圖
電機(jī)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，支架連桿在絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)向下運(yùn)動(dòng)，對(duì)A點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)豎直的力F，迫使連桿ABC繞B點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)矩，然后通過(guò)C點(diǎn)將對(duì)桿OCD產(chǎn)生一個(gè)垂直與BC的力,。如圖2-4，在O點(diǎn)形成
支反力的2個(gè)分力和，其中與e垂直，與e平行，和兩個(gè)力的夾角等于90-，其中為e與力的夾角。
桿BC和桿CD的轉(zhuǎn)角差為：
（2-7）
則為：
（2-8）
則為：
(2-9)
綜合公式（2-5）（2-6）（2-7）（2-8）（2-9）得：
（2-10）
式中與h成正比，，設(shè)，根據(jù)表一求得
則：
（2-11）
將公式（2-11）帶入公式（2-10）得：
（2-12）
設(shè)F=1N將表一參數(shù)帶入上式計(jì)算得表二:
表2-2 與的關(guān)系
序號(hào)
/
/
/
/
/
/N
/N
1
0
45
0
45
0
0.354
0.500
2
2.605
42.53
5.22
45.145
2.615
0.354
0.499
3
5.216
40.32
10.47
45.574
5.254
0.356
0.498
4
7.837
38.15
15.83
46.143
7.993
0.358
0.496
5
10.476
36.07
21.32
46.914
10.844
0.359
0.492
6
13.137
34.07
27.04
47.973
13.903
0.362
0.487
7
15.827
32.11
33.06
49.343
17.233
0.365
0.481
8
18.004
30.54
38.18
50.716
20.176
0.368
0.476
確定了的參數(shù)之后，和的水平分力很快就能計(jì)算出來(lái)。
（2-13）
（2-14）
根據(jù)公式（2-12）（2-13）表一和表二計(jì)算和得表三各參數(shù)如下:
表2-3 桿的受力參數(shù)
序號(hào)
F
1
1
0.500
0.354
0.292
0.292
2
1
0.499
0.354
0.259
0.258
3
1
0.498
0.356
0.247
0.243
4
1
0.496
0.358
0.223
0.224
5
1
0.492
0.359
0.21
0.196
6
1
0.487
0.362
0.212
0.189
7
1
0.481
0.365
0.201
0.168
8
1
0.476
0.368
0.192
0.151
9
1
0.484
0.348
0.338
0.305
表2-3序號(hào)9為機(jī)械爪最大張開(kāi)時(shí)的受力分析數(shù)據(jù)，由表3可知，機(jī)械爪從最大張開(kāi)到完全夾緊，第二指節(jié)末端的水平夾緊力逐漸減小，從0.305N到0.151N。由數(shù)據(jù)可知，該機(jī)械爪在夾持小件易碎的物體時(shí)，能夠保護(hù)夾持物體，不至于夾持物因?yàn)閵A緊力變大而破碎，但是在夾持小件重物時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致物體因夾緊力不夠而脫落。
2.3.1指節(jié)末端吸盤(pán)的受力分析
吸盤(pán)的受力分析如圖2-5，圖中為機(jī)械爪的夾緊力為吸盤(pán)的的吸附力，N為物體的重力。取N為5N，取吸盤(pán)直徑25mm，取大氣壓強(qiáng)為101300Pa1取吸盤(pán)摩擦系數(shù)為0.5~1.5，取吸盤(pán)的安全系數(shù)S=8取最小0.5，則為
（2-15）
為：
(2-16)
式中為吸盤(pán)的彈性力，取=1N，則 = 4.8N。 圖2-5 吸盤(pán)受力分析圖
通過(guò)上面計(jì)算可知，在夾持較為光滑的平面物體時(shí)，至少為4.8N，則當(dāng)夾持500g的物體時(shí)，機(jī)械爪處于最小夾緊狀態(tài)，取夾緊安全系數(shù)=2時(shí)，螺母的輸入力至少為為64N。
3 機(jī)械爪夾緊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選型
3.1 滾珠絲杠螺母副的選型
3.1.1滾珠絲杠副的型號(hào)參數(shù)
目前大多數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)滾珠絲桿螺母都為金屬材質(zhì)，其最小型號(hào)的絲桿螺母的動(dòng)載荷可達(dá)到500N，遠(yuǎn)超在本設(shè)計(jì)中所需的載荷，本文將采用TBI公司生產(chǎn)的微型滾珠絲杠。
表3-1 滾珠絲杠副基本參數(shù)表
型號(hào)
d
I
Da
D
A
B
L
W
H
X
n
Ca
Coa
K
SFK00401
4
1
0.8
10
20
3
12
15
14
2.9
2
40
51
2.8
表4中Ca（動(dòng)載荷）、Coa（靜載荷）的單位為Kgf，n為滾珠圈數(shù)，K為強(qiáng)度，Da為珠徑，I為導(dǎo)程，其余參數(shù)單位為mm。
圖3-1 滾珠絲杠參數(shù)對(duì)照?qǐng)D
3.1.2滾珠絲杠副的質(zhì)量估算
h的長(zhǎng)度為11mm，螺母的長(zhǎng)度L為12mm，則絲杠的長(zhǎng)度為23mm，直徑為23mm，取絲杠和螺母的謎底。
絲杠的質(zhì)量為：
（3-1）
螺母的質(zhì)量約為：
（3-2）
計(jì)算得=0.002157Kg=2.157g，=0.011682Kg=11.682g。
總質(zhì)量m=13.839g。
3.2 電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速的計(jì)算
3.2.1電機(jī)扭矩的計(jì)算
已知當(dāng)機(jī)械爪在最小夾緊狀態(tài)夾持500g的物體時(shí)，支架連桿需要輸入32N的力，則滾珠絲杠的軸向力=32N，因?yàn)槟Σ亮h(yuǎn)小于，忽略不計(jì)。滾珠絲杠的輸入力矩為：
（3-3）
式中：
I：為絲杠螺距
：為絲桿的傳動(dòng)效率取0.94
計(jì)算得=1.08Ncm
即電機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩為1.08Ncm。
3.2.2電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算
機(jī)械爪的最大開(kāi)合長(zhǎng)度為110mm，單邊最大張開(kāi)長(zhǎng)度為55mm，設(shè)機(jī)械爪的最大開(kāi)合速度=20mm/s，則支架連桿的移動(dòng)速度為：
（3-4）
求得=3.64mm/s。
支架連桿的速度等于滾珠螺母的速度，根據(jù)公式（2-1）計(jì)算得電機(jī)轉(zhuǎn)速為218r/min。
3.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型
3.3.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)的對(duì)比分析
“常用的微型驅(qū)動(dòng)電機(jī)有直流電機(jī)、舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)，其中直流電機(jī)是機(jī)器人平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，有著極寬的功率調(diào)節(jié)范圍，適用性好，具有很高的性?xún)r(jià)比，是一種最為通用的電機(jī)。[7]”舵機(jī)主要由一個(gè)直流電機(jī)、一個(gè)內(nèi)置減速器和一個(gè)內(nèi)置的位置反饋器組成，舵機(jī)通常無(wú)法連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，一般用于一些行程較短、需要扭矩中等的機(jī)構(gòu)。步進(jìn)電機(jī)本質(zhì)上是一種無(wú)刷電機(jī)，被設(shè)計(jì)用來(lái)精確運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，一般為50—100r/min。在同等功率下，步進(jìn)電機(jī)相比直流電機(jī)和舵機(jī)重量要重的多，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩通常也不是十分強(qiáng)勁，一般用于低轉(zhuǎn)速、低扭矩和高精度的機(jī)構(gòu)上。
根據(jù)表4進(jìn)行分析，因?yàn)槎鏅C(jī)無(wú)法連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，不考慮選用。分別從成本，扭矩，重量來(lái)對(duì)比分析步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)。其中直流電機(jī)價(jià)格價(jià)格較貴，扭矩和功率自重比較步進(jìn)電機(jī)大，因?yàn)闄C(jī)械爪用于無(wú)人機(jī)上，因此選用功率自重比較好的直流電機(jī)，同等功率的直流電機(jī)重量比步進(jìn)電機(jī)小，選用直流電機(jī)，無(wú)人機(jī)的續(xù)航將得到保證。
表3-2 電機(jī)類(lèi)型的對(duì)比
電機(jī)類(lèi)型
優(yōu)點(diǎn)
缺點(diǎn)
應(yīng)用場(chǎng)合
直流電機(jī)
1.型號(hào)多
2.功率大
3.接口簡(jiǎn)單
4.適合適合大型機(jī)器人
1.需要齒輪減速器
2.電流較大
3.較難裝配
4.控制復(fù)雜
5.成本高
需要較大扭矩的機(jī)構(gòu)
舵機(jī)
1. 內(nèi)部帶減速器
2. 型號(hào)多
3. 速度適中
4. 成本低功率適合
5. 易于安裝
6. 接口簡(jiǎn)單
7. 功率中等
1. 負(fù)載能力較低
2. 速度調(diào)節(jié)范圍較小
3. 無(wú)法連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)
不需要連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，行程較短的機(jī)構(gòu)
步進(jìn)電機(jī)
1. 精確的速度控制
2. 型號(hào)多
3. 接口簡(jiǎn)單
4. 成本低
1. 功率與自重比小
2. 電流較大
3. 安裝困難
4. 負(fù)載能力低
5. 功率小
6. 控制復(fù)雜
需要精確運(yùn)動(dòng)，扭矩較小的機(jī)構(gòu)
3.3.2確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)
根據(jù)計(jì)算得電機(jī)的轉(zhuǎn)速為200r/min，最大轉(zhuǎn)矩為1.25Kgcm。選用深圳市金順來(lái)特電機(jī)有限公司生產(chǎn)的JGA20-130微型直流減速馬達(dá)。其參數(shù)如下：
圖3-2 直流電機(jī)尺寸參數(shù)對(duì)照?qǐng)D
表3-3 直流電機(jī)參數(shù)表
電壓/v
空載
負(fù)載轉(zhuǎn)矩
堵轉(zhuǎn)矩
L
減速器
重量
范圍
額定
轉(zhuǎn)速
電流
轉(zhuǎn)速
電流
扭矩
功率
扭矩
電流
尺寸
減速比
3~9
6
288
60
211
200
0.25
1.1
1.25
930
16
25
80
表中扭矩單位為Kgcm，轉(zhuǎn)速單位為r/min，電流單位為mA，尺寸單位為mm，重量單位為g，功率單位為W。
3.4 絲杠電機(jī)連接結(jié)構(gòu)的方式
滾珠絲杠內(nèi)徑d為3mm，直流電機(jī)軸徑為4mm，因此選用內(nèi)徑為4mm，的鋁合金聯(lián)軸器，其適用型號(hào)有凌正自動(dòng)化公司生產(chǎn)的Z1016-03-04聯(lián)軸器，其具體參數(shù)如下：
圖3-3 聯(lián)軸器尺寸參數(shù)對(duì)照表
表3-5 聯(lián)軸器技術(shù)參數(shù)表
型號(hào)
額定扭矩
最大扭矩
最高轉(zhuǎn)速
慣性力矩
表面處理
重量
LZ1014-03-04
0.3
0.6
22000
陽(yáng)
13
表中扭矩單位為Nm，轉(zhuǎn)速單位為r/min，慣性力矩單位為，重量單位為g。
3.5 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的校核
由于所選電機(jī)參數(shù)與初選計(jì)算參數(shù)有一定的誤差，通過(guò)本小節(jié)的計(jì)算，將修正機(jī)械爪各個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的實(shí)際數(shù)值，其中包括夾持力、開(kāi)合速度、夾持物質(zhì)量范圍。
已知電機(jī)空載轉(zhuǎn)速為288r/min，則機(jī)械爪的開(kāi)合速度為：
（3-5）
式中：
n：為空載轉(zhuǎn)速
：為導(dǎo)程
q：為w/h
計(jì)算得機(jī)械爪最大開(kāi)合速度為26.4mm/s。
已知電機(jī)堵轉(zhuǎn)矩（啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩）為1.25Kgcm，則螺母的輸出力F為：
(3-6)
式中：
：為導(dǎo)程
：為絲杠的傳動(dòng)效率=0.94
機(jī)算得螺母的輸出力F=70.38N
通過(guò)公式（2-12）（2-13）（2-14）計(jì)算得機(jī)械爪的最小夾緊力=10.11N，機(jī)械爪最大夾緊力=20.25N。
通通過(guò)公式（2-15）（2-16）計(jì)算的機(jī)械爪最大張開(kāi)夾緊重量為963g。
所以機(jī)械爪實(shí)際開(kāi)合速度為26.4mm/s，最小夾緊力=10.11N，最大夾緊力=20.25N。
4 機(jī)械爪的材料選型和強(qiáng)度計(jì)算
4.1 機(jī)械爪的材料選型
可用于機(jī)械爪的材料有鋁合金和塑料，兩種材料的密度都比較小，滿(mǎn)足于無(wú)人機(jī)對(duì)重量的要求。鋁合金的強(qiáng)度和剛性都強(qiáng)于塑料，但韌性比塑料差，塑料機(jī)械爪的韌性可以減少機(jī)械爪的震動(dòng)沖擊，這是鋁合金所沒(méi)有的。2種材料的加工性能好，但是鋁合金造價(jià)更貴，機(jī)械爪的最大負(fù)載為500g，使用造價(jià)更便宜的塑料材質(zhì)機(jī)械爪便可滿(mǎn)足使用要求。因此，機(jī)械爪主要采用塑料材質(zhì)，部分承受載荷較大的零件采用鋁合金制造，這樣便能在滿(mǎn)足功能的情況下，減少機(jī)械爪的制造成本。
用于機(jī)械結(jié)構(gòu)的常用塑料有聚碳酸酯（PC）、聚甲醛（POM）、聚丙烯（PP）和尼龍（PA）。其中PC塑料主要用于制造齒輪、齒條、傳動(dòng)件、機(jī)殼等。POM塑料主要用于制造減摩零件、傳動(dòng)件、管件、骨架和外殼等。PP塑料主要用于制造機(jī)械零件、耐腐蝕零件、絕緣件等。尼龍塑料主要用于制造減摩耐磨零件。傳動(dòng)零件和化工電器儀表零件。常用塑料的性能如下表：
表4-1 常用塑料性能
代號(hào)
名稱(chēng)
性能
PC
聚碳酸酯
“沖擊強(qiáng)度高，彈性模量高，尺寸穩(wěn)定性好。耐熱性比尼龍，聚甲醛高，抗蠕變和絕緣性能良好，耐蝕性，但耐磨性能不足，自潤(rùn)性差，不耐堿，酮，胺，芳香烴，有應(yīng)力開(kāi)裂傾向，高溫易水解，與其他樹(shù)脂相溶性差，耐疲勞強(qiáng)度底較易產(chǎn)生應(yīng)力開(kāi)裂。[8]”
POM
聚甲醛
有良好的機(jī)械性能，尤其是彈性模量很高，剛性和表面硬度都很高，其他塑料所不能比擬的。沖擊強(qiáng)度及耐疲勞強(qiáng)度都十分突出，為所有塑料之冠。具有卓越的耐磨性和自潤(rùn)滑性，僅次于尼龍。耐有機(jī)溶劑。
PP
聚丙烯
“密度小，強(qiáng)度、鋼度、耐熱性好，可在100度左右使用，具有優(yōu)良的耐腐性，良好的高頻絕緣性，不受濕度影響，表面硬度和耐熱性較好，但成型收縮率大，低溫易變脆，不耐磨。易老化。[8]”
PA
尼龍
堅(jiān)硬、耐磨、耐疲勞、耐油、耐水、結(jié)晶性能很高，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，剛度尚遜于金屬，但強(qiáng)度高于金屬，可代替金屬使用，沖擊強(qiáng)度良好[8]，但熱穩(wěn)定性差，制品一般只能在80-100度下使用。PA6彈性好，沖擊強(qiáng)度高，吸水性較大。PA66強(qiáng)度高，耐磨性好。PA610與PA66相似，但吸水和剛性都較小。PA1010半透明，吸水性小，耐寒性能好。
四種工程塑料中，POM和PA和力學(xué)性能最好，耐磨性和自潤(rùn)性高，用于機(jī)械爪的連桿機(jī)構(gòu)可減小指節(jié)之間的摩擦力。PA的吸水性較高，容易吸水而導(dǎo)致零件尺寸變化，但機(jī)械爪零部件較小，吸水導(dǎo)致尺寸變化在可接受范圍內(nèi)。POM的吸水性很小，幾乎可以忽略不計(jì)。PA的比重為1.15，小于POM的1.43。由于PA的熔點(diǎn)較高，所以PA的制造成本和材料成本都高于POM塑料。在使用壽命上，因?yàn)镻OM塑料熱氧化性較低，易于氧化，因此壽命比PA塑料低。綜合兩種材料在強(qiáng)度、比重、成本、壽命上的優(yōu)缺點(diǎn)，本文選用PA塑料最為機(jī)械爪的材料。其中PA66尼龍塑料的力學(xué)性能參數(shù)如下：
表4-2 PA66塑料力學(xué)性能參數(shù)
抗拉強(qiáng)度MPa
75.45~83.3
剪切強(qiáng)度MPa
25.15~27.77
屈服強(qiáng)度MPa
54.88
壓縮強(qiáng)度MPa
103.88
彎曲強(qiáng)度MPa
177.6
彎曲模量GPa
2.98
密度g/
1.13
4.2 機(jī)械爪主要零件的強(qiáng)度校核
由表2-3可知，當(dāng)機(jī)械爪處于最大張開(kāi)狀態(tài)夾持500g的物體時(shí)，各個(gè)指節(jié)的受力達(dá)到最大值，因此，機(jī)械爪強(qiáng)度滿(mǎn)足最大張開(kāi)狀態(tài)的工作條件，即可滿(mǎn)足所有工作狀態(tài)的強(qiáng)度要求。
（1）第一指節(jié)的強(qiáng)度校核
如右圖，F(xiàn)為滾珠螺母輸入的力F最大值為70.38N，桿ABC結(jié)構(gòu)如圖4-2，A孔受到一個(gè)擠壓應(yīng)力，取A結(jié)構(gòu)的孔徑d=3mm，外圓直徑D=8mm，孔的壁厚為1.25mm，將表4-2
中的參數(shù)帶入公式（4-1）計(jì)算 圖4-1 機(jī)械手最大張開(kāi)狀態(tài)受力圖
得=36.18MPa小于許用應(yīng)力75.45MPa。
孔的擠壓應(yīng)力公式：
（4-1）
式中：
：為許用應(yīng)力；
L：A結(jié)構(gòu)的兩側(cè)壁厚和；
S：安全系數(shù)取4；
d：孔徑；
孔的剪切應(yīng)力公式：
（4-2）
式中： 圖4-2 第一指節(jié)結(jié)構(gòu)圖
：為許用剪切應(yīng)力；
L：A結(jié)構(gòu)的兩側(cè)壁厚和；
S：安全系數(shù)取4；
D：外圓直徑；
計(jì)算得=13.63MPa小于許用切應(yīng)力25.15，因 此孔A滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。
（2）第二指節(jié)的強(qiáng)度校核
孔B則受到一個(gè)向上的支反力，因?yàn)榭譈的壁厚大于孔A，因此，孔B的強(qiáng)度也能夠滿(mǎn)足要求?？證受到的支反力為>F，孔C的壁厚和為6mm，大于孔B的壁厚，因此孔C的強(qiáng)度也滿(mǎn)足要求 。
O點(diǎn)的位置是圓弧槽的末端，桿OCD的結(jié)構(gòu)如右圖4-2，整個(gè)結(jié)構(gòu)中圓弧槽的強(qiáng)度最小，槽寬為3mm，槽外寬度為8mm，槽壁所受到的力=24.49N。
根據(jù)公式（4-3）計(jì)算得擠壓應(yīng)力=4.16MPa，小于許用應(yīng)力75.45MPa。
（4-3）
同時(shí)圓弧槽還受到剪切應(yīng)力，根據(jù)公式（4-4）計(jì)算 圖4-2 第二指節(jié)結(jié)構(gòu)圖
得圓弧槽的剪切應(yīng)力=3.27MPa小于許用切應(yīng)力25.15。
（4-4）
式中：
A：圓弧槽的最小截面積
圖4-2中的D孔受到重物的重力N和垂直與桿的力，其合力=21.96N
根據(jù)公式（4-3）計(jì)算得擠壓應(yīng)力=1.24MPa，小于許用應(yīng)力75.45MPa。
根據(jù)公式（4-4）計(jì)算得剪切應(yīng)力=2.93MPa小于許用切應(yīng)力25.15。
所以該桿的強(qiáng)度滿(mǎn)足工作要求。
（3）拉桿支架強(qiáng)度校核
如圖4-3為拉桿結(jié)構(gòu)三維圖，拉桿是連接滾珠螺母和第一指節(jié)的結(jié)構(gòu)，在所有結(jié)構(gòu)中受力最大，當(dāng)滾珠螺母輸入力F最大值為70.38N，拉桿的豎直方向受到一個(gè)剪切應(yīng)力，拉桿與A孔的連接 圖4-3 拉桿支架三維結(jié)構(gòu)圖
點(diǎn)受到一個(gè)擠壓應(yīng)力，將F=70.38N帶如公式（4-3）（4-4）計(jì)算得剪切應(yīng)力=18.768MPa小于許用切應(yīng)力25.15。擠壓應(yīng)力=11.95MPa，小于許用應(yīng)力75.45MPa。因此該桿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足工作要求。
5 機(jī)械臂的設(shè)計(jì)
5.1 機(jī)械臂的設(shè)計(jì)方案
當(dāng)機(jī)械爪在夾持物體時(shí)，機(jī)械爪為了能以最佳方位進(jìn)行夾持，需要對(duì)其夾持方位進(jìn)行調(diào)整。雖然無(wú)人機(jī)的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和俯仰運(yùn)動(dòng)能夠改變機(jī)械爪的方位，但通過(guò)無(wú)人機(jī)進(jìn)行調(diào)整機(jī)械爪夾持方位是非常困難的，因?yàn)闊o(wú)人機(jī)進(jìn)行滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)，無(wú)人機(jī)便無(wú)法實(shí)現(xiàn)懸停，因此機(jī)械爪的需要用機(jī)械臂對(duì)其夾持方位進(jìn)行調(diào)整。本文的設(shè)計(jì)方案如圖5-1（機(jī)械爪上端），通過(guò)增加一個(gè)腕關(guān)節(jié)，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)直流電機(jī)機(jī)殼，使機(jī)械爪能夠前后擺動(dòng)，而通過(guò)無(wú)人機(jī)的偏航運(yùn)動(dòng)使機(jī)械 圖5-1 機(jī)械臂三維結(jié)構(gòu)圖
爪繞中心軸旋轉(zhuǎn)，這樣不僅簡(jiǎn)化了機(jī)械爪的機(jī)械結(jié)構(gòu)，還能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)腕關(guān)節(jié)所能實(shí)現(xiàn)的功能。
5.2 機(jī)械爪的重量計(jì)算
機(jī)械爪材料密度為，通過(guò)Solidworks三維軟件計(jì)算得各個(gè)零件體積質(zhì)量如下表：
表5-1 機(jī)械爪塑料件體積質(zhì)量參數(shù)
名稱(chēng)
數(shù)量
體積mm
質(zhì)量g
指節(jié)1
2
3090.33
3.49
指節(jié)2
2
3991.25
4.51
指節(jié)3
2
5232.16
5.91
平行連桿1
2
2612.44
2.61
平行連桿2
2
2852.75
3.22
連桿支架
1
12051.07
13.61
拉桿支架
1
1010.73
1.14
電機(jī)架
1
5345.56
6.04
機(jī)械臂1
1
12205.48
13.79
機(jī)械臂2
1
12238.28
13.82
圓弧槽支點(diǎn)
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