救援机机械系统结构设计
救援机机械系统结构设计
摘
年科技领域方面高速发展例材料应技术动力系统技术数字传感技术等等时救援机相关设备全面快速发展装备先进动驾驶系统应领域越越广泛优势体现复杂危险环境进行航空救援工作救援机研究科技创新新时代救援机通图识系统救援象进行识然通遥控器发射信号飞行控制系统快速捕捉信号然结合传感器反馈信号控制电流输出救援机完成升降置空等救援动作时控制着救援机机械手工作首先现救援机机械爪手展开研究构建救援致框架根前设计进行模仿创新功重新分开研究基础进行改进创新中包括机整体结构续航系统动力系统控制系统机械手完美组合救援机整体协作起够济高效前提达毕业设计求
关键词：救援机机械手结构优化
Rescue drone mechanical system and structural design
Abstract
With the development of materials technology digital technology power system technology and sensor technology in recent years rescue drones equipped with autonomous driving equipment have also developed rapidly and their application fields are becoming more and more extensive Its main advantages are reflected in its ability to conduct aerial reconnaissance in its complex and dangerous environment Research on rescue drones will also be a trend of technological innovation The rescue drone mainly transmits signals through the remote control and the receiver receives the signals and transmits them to the flight controller The signals from the flight controller＇s integrated sensors and the signals received by the receiver control the output of the current so as to control the speed of each rotor of the aircraft The corresponding flight attitude while controlling the work of the rescue drone manipulator First research the rescue drone and sort out the overall design ideas Through the method of imitation creation and functional decomposition the rescue drone is decomposed into various modules including racks brushless motors electronic governors batteries flight controllers remote controllers and robots The main functions are analyzed And then design and analyze the manipulator so that the rescue drone as a whole cooperates and can meet the requirements of graduation design under the premise of costeffectiveness
Keywords Rescue drone manipulator structural optimization
目 录
1 前言 1
12国外发展概况 1
13设计容 1
2机械爪手设计方案 3
21机械爪手设计求功求 3
211 设计求 3
212 功求 3
22常见机械爪手 3
221夹钳式机械爪手 3
222弹性力机械爪手 3
223勾托式机械爪手 3
23方案分析确定 4
231方案 二指动手爪 4
232方案二 三指关节机械手爪 4
233方案分析 5
3机械手结构设计 6
31机械手结构分析 6
32手指结构设计 7
321手指数量 7
322手指材料 7
33底座设计 7
34驱动机构设计 8
341驱动方案设计选择 8
342电动机选择 9
35螺栓连接选择校核 10
351螺栓选择 10
352螺栓校核 11
4三维设计分析 12
41软件概述 12
411参数化设计 12
412基特征建模 12
413单数库 12
42三维设计装配 12
421零件三维设计 12
422虚拟装配 14
5基ANSYS限元分析 16
51设计目意义 16
52ANSYS软件概述 16
53ANSYS抓手限元静力分析 16
531材料设置 17
532模型创建 18
533网格划分 18
534边界条件设置 20
535约束设置 20
536载荷加载 20
537求解计算 20
538结果分析 21
54结 22
6 总结 23
参考文献 24
谢 辞 25
1 前言
年旋翼飞行器快速发展装配驾驶系统机称空中机器广泛应领域机途分分两种种军机种民机军事机中发展较完善民机发展中存空间研究重点研究民翼机翼机处势复杂气候恶劣优秀完成侦查救援务四翼机救援系统相结合升力成低升级空间灵活性强飞行灵活操作简单等优点
着材料技术导航技术电力系统技术传感器技术高速发展配备夹紧机械手设备援助机获快速发展优势拯救复杂危险环境中等救援通救援机传递必救援信息
12国外发展概况
2012年日注册约24万架旋翼机原农药喷洒旋翼机数量庞2011年美国研究费增加翼空前高速发展相说欧洲时机方面发展较缓慢目前许公司已研发生产100架旋翼机中常见四旋翼六旋翼动防御技术引入机中时民间企业十分重视行业发展引入许新型技术种样机出现视野中关六旋翼机携带执法视频检查摄头新闻常见深圳疆创新科技限公司例2012年公司规模断壮现已成世界领先机控制系统机解决方案研发制造企业该公司客户遍100国家
早世纪90年代末美国开始机进行灾害监测救援中国机没震灾害等应急方面应2008年汶川震发生前中国科学院课题组第尝试遥感机应震中灾害航拍课题组遥感机玉树芦山震应急救援中发挥越越重作许紧急救援实践证明机迅速进入灾区震航拍片现直接远程实时实时回清晰图机具成低操作方便快速反应等优势更加效调查面积震破坏灾难面前机出现专家利机优势难情进行分析评估伤害目前机技术灾害进行航拍外装载种效载荷模块转化移动通信基站时具备灾运输物资配送宣传等救援潜力机成应急救援中缺甚代航空力量
13设计容
文介绍种救援机机械爪设计种机机械爪手组合种恶劣环境中帮助救援员展开救援工作新方法仅身抓取力优势机优势相结合充分发挥救援机作救援机通机械手相互配合完成种物体抓取务动返回文包括机械爪建模工作原理包括结构设计ansys静力学分析
2机械爪手设计方案
21机械爪手设计求功求
211 设计求
机械爪手首先抓物体十分牢身定强度然四翼机相结合利准确快速飞行力完成许救援工作安全返回机械爪手应结构简单轻量化避免错综复杂结构爪手控电路应该简单影响功前提减少驱动电机数量通电情况锁实现低功耗高效率机续航力创造条件
212 功求
目标物体进假设抓取方形圆柱形球体规形状物体理想状态抓取尺寸100mm重1000g物体
22常见机械爪手
221夹钳式机械爪手
夹钳式机械爪手般手指驱动传动系统连接支承原件组成通手指移动目标物体进行夹取手部结构螃蟹钳子相似广泛应工业机器种手部结构
夹钳式机械爪手分两种结构种回转型结构种移型结构回转型工作原理两杠杆通转动机构带动手指然手指会绕指定点旋转实现开闭运动动型机械爪手工作原理传动机构带动两手指作相移运动实现开闭运动
222弹性力机械爪手
弹性力机械爪手特点通弹性原件夹紧物品装夹目标物体时仅需施加定压力省特定动力装置放物体时需施加拉力拉力目标物体重目标物体形状必须手指形状相似抓取方方进行抓取
223勾托式机械爪手
钩爪通夹紧力抓住物体利物体重量水手指产生支持力钩住拖动物体钩式手爪手指支持力夹紧物体特赖驱动装置力矩需夹紧力
23方案分析确定
机械手爪救援机关键执行机构否精确稳定加持物体提高救援机工作效率推进工作水重点机械手抓设计坏取决装夹否牢固定位否精确否具普遍性目前常机械爪手数三种结构简单爪手种夹钳式种弹性力式种勾托式缺陷工作原理简单导致装夹象单年着机械方面发展出现许种样爪手结构简单变复杂单普遍功越越样化然界寻找灵感爪手趋仿生化实践证明手指越抓取物品更加稳定抓取种形状物品手指结构复杂余三指机械爪手结构佳选择
231方案 二指动手爪
方案种连杆二指动机械爪活动关节组成然电机作驱动机械爪完成装夹动作
图21 二指动机械手原理图
该类型机械爪手步进电机驱动源具传动灵敏传动精度高特点该类型机械爪般结构适中生产成高般科研机器教学机器工作原理电机带动第动力杆通连杆传行四边形结构带动手指张合手指表面粗糙目增加装夹物体间摩擦系数抓更加牢固手指装夹物体间压力传感器通物体硬度判断需夹紧力防止物体夹坏
232方案二 三指关节机械手爪
方案二步进电机驱动三指关节结构机械手机械爪手更灵活更稳定抓取目标物体设计种新型结构单电机驱动三指机械手爪
工作方式电机转动带动连接圆盘通曲型连接件传动端部分通连杆三根手指连接电机带动圆盘曲形连杆转动通连杆控制手爪开合三根手指呈正三角形排布抓握时抓取物受力均匀该新型三指手爪设计方案表现出机械爪手具控制简单抓握优点
233方案分析
应根机械爪具体情况设计机械爪结构功确定时爪手结构工作致确定爪手度数越高手指灵活性越高夹持象越越样化时控制会变越复杂制造成会着复杂程度变高
方案：夹钳式机械爪机构简单制造成底电机转速手指工作时速度成非线性关系造成机械爪夹取物体时产生较击力击力接触物体产生惯性力时惯性力机飞行状态会产生较影响夹持更机需消耗量电量维持衡机续航力缩减时机械爪动夹取物体定难度难实现手
方案二：三指关节机械爪相二指说机构复杂电机匀速转动时保证手指匀速运动夹取物体时会产生击力会拉低机续航时间该机械爪手具三指节够相似形状物体实现抓取受力均匀手爪末端弯曲仅摩擦力抓取方形物体形状物体抓取着俗表现真正实现手功
3机械手结构设计
31机械手结构分析
考虑抓取物样性装载机行程限制机械手选择提出具体求结构图31示三手指手爪圆周称三手指电机控制通曲形连杆电机相连三手指实现时开合形状物体夹紧图ProE软件设计救援机抓取端执行器三维模型
图31 机械手结构图
工作原理：机机械手位抓取物附时机械手传感器检测物体机械手位置相位置抓取物中心位置齐机械手控制信号触发单片机步进电机位置传感器控制手爪相连电机工作继机械手合起抓住货物手指端压力传感器检测保证检测压力实时性确定压力否达阈值阈值实验出机单片机程序中设定果达阈值停止机械手运动反馈单片机抓取完成信号
32手指结构设计
设计机械爪手良通性减少驱动源基础够抓住意形状适更广应范围系统结构更加简单容易控制机械手手指运动动力传递模式通曲形连杆关节开合手爪样设计适机驱动行程短载重力较低情况
321手指数量
相两手指三手指更抓取种形状物体稳定性更配合传感器稳定实现物体抓取载运工作
322手指材料
手指选择适材料救援机作着影响手指需着足够强度质量符合机械手基结构尺寸设计选材料尼龙610尼龙具高机械强度质量轻非常韧性吸震性耐油耐弱酸等特点
图31 单节手指机构运动简图
33底座设计
机架安装驱动机构手爪手指着机身巧体积重量轻设计求考虑安装三根手指称结构体正六边形固定支撑手爪驱动电机手爪机架结构图32示
图32 底座结构
34驱动机构设计
341驱动方案设计选择
目前常见机械手驱动三种种气动驱动种电气驱动种液压驱动：
（1）气动驱动般空气压缩机作动力源种压力驱动制动器气动压缩空气驱动系统气动驱动保证操作者安全结构简单成低污染少通调节空气流量调节速度尺寸设备运动速度稳定定位精度高抓取力
（2）液压驱动系统输出力驱动流体压力驱动传动系统稳定效应速度快简单满足非常广泛范围级调速求应十分广泛会产生额外附加力转变方十分柔容易泄漏污染成高传输特性受液体粘度变化影响
（3）电气传动模型电脉信号控制开环控制元件线性位移成步进电机角位移优点简单快速反应累积误差等伺服电机转动惯量转子具良动态特性精度高便调速速度快运行稳易控制等特点
基步进电机优点设计中采步进电机驱动方式
342电动机选择
步进电机种信号转换电脉脉数成正角位移线位移执行元件优势：（1）脉频率线速度线性关系（2）受环境条件变化电压波动负载变化变化（3）反应灵敏快速启动制动反转速度调控（4）定位精度高步启动特性
救援机机械手手爪适环境求电机应响应迅速具普遍适性受环境影响额定功率开环系统根条件设计选择90BF004型步进电机该机功率60W选择步骤：
（1）根静转矩脉量初选电机型号
(a)步距角
首先初选步进电机型号手册中查步距角
（31）
综合考虑初选满足公式
(b)距频特性
步进电机静转矩Mjmax电机定位转矩步进电机名义启动转矩Mmq静转矩Mjmax关系式：
Mmq （32）
电机没外加工作负载启动称步进电机空载启动步进电机需空载启动力矩式计算：
（33）
式中：丝杆预紧折算电机轴附加摩擦力矩Mkq空载启动力矩Mka空载启动时运动部件静止升速快进速度折算电机轴加速力矩Mkf空载时折算电机轴摩擦力矩
初选电机型号时符合步进电动机必空载启动力矩步进电机名义启动转矩：
MkqMmqλMjmax （34）
计算Mkq项力矩：
①加速力矩
②空载摩擦力矩
③附加摩擦力矩
（2）启动矩频特性校核
步进电机分三种工作状态：种启动第二种快速进运行第三种工进运行
前面提出避免电机启动时出现丢步现象静转矩满足初选电机检查电机求面步启动矩频特性进行进步校核
步进电机启动升速启动突跳启动
突跳启动时加速力矩启动时避免丢步少升速启动程中保证升速时间足够长启动程缓慢空载启动力矩中加速力矩会般会发生丢步现象满足求
35螺栓连接选择校核
351螺栓选择
轴承受定横工作载荷作选铰制孔螺栓
机械设计基础中表101中查螺栓：M3×05D13mmP05mm
352螺栓校核
①根机械设计基础中表106选取螺栓材料性48级公称屈服极限σs320Mpa装配时求严格控制预紧力表108取安全系数S3
螺栓许应力：
螺栓拉应力：满足求
②铰制孔螺栓受横载荷螺栓受剪切进行强度计算查机械设计基础中表107取螺栓剪切应力：
螺栓剪切应力：满足求
4三维设计分析
41软件概述
ProEngineer简称ProE款十分常三维建模软件美国参数技术公司开发集中CADCAMCAE体行业中发挥着重作现机械领域新标准业界高度认社会十分流行三维建模软件
411参数化设计
建模时复杂三维模型分解构成素构成具特点限参数限制参数化设计
412基特征建模
操作软件时ProE固系统模型构成切三维模型基础根三维模型特点画草图然通拉伸扫描阵列等操作想三维模型操作简单通俗易懂
413单数库
ProE独数库建立系统数库建立部门般统数库项目数库产品户独立模拟工作
42三维设计装配
421零件三维设计
ProE零件设计模块零件进行三维建模零件建模结果：
（1）第关节
图41 第关节
（2）第二关节
图42 第二关节
（3）手指末端
图43 指尖
（4）曲形连杆
图44曲形连杆
（5）支架
图45 支架
422虚拟装配
虚拟装配先前面设计零件分组装起首先先手指连接件装配起然装配手指底座间接起装配机中
（1）手指装配
图46 手指虚拟装配
（2） 总成装配
图47总成虚拟装配
（3） 装配入机
图48装配入机
5基ANSYS限元分析
51设计目意义
目前机已广泛应农药喷洒播种电缆检测婚礼摄影电影摄影等领域机装配种负载例摄头雷达红外摄头通信设备等完成摄影探测救援等工作救援机应必成社会发展趋势救援机研究必成科技创新趋势救援机快速发展必会生活带巨便利项研究具巨现实意义
发生火灾震等然灾难时难第时间快速准确达案发现场果利救援机话克服缺陷救援机优势充分利起挽救更生命财产安全装配机械爪手救援机具丰富种类救援机根情况搭建需模块救援环境气候救援象等需具体情况具体分析救援机优势例需运输空投物资时机携带便携式救设备食物饮水
52ANSYS软件概述
ANSYS软件款进行静力学分析动力学分析结构分析流体分析磁场分析限元软件许建模软件进行数接例CADProESolidworks等方便教研项目进行较简单静力学分析进行复杂动力学分析基工业制造领域广泛应硬件求高基台运行
53ANSYS抓手限元静力分析
章针抓手进行ANSYS限元静力分析通分析确认抓手应力情况应变情况通分析抓手应力确认否超屈服极限进步验证设计否合理
图示ANSYS里分析流程图包括材料设置模型创建网格划分边界条件设置求解计算结果分析次分析图流程进行分析
图51分析流程图
531材料设置
里材料尼龙610设置图示泊松密度弹性模量屈服强度等参数ANSYS材料库里进行相应设置图示
图52材料库里进行相应设置
532模型创建
里采三维软件Proe创建三维模型然转成STP格式导入ANSYS进行限元分析图示次分析模型
图53分析模型
533网格划分
材料定义定义零件材料选中材料定义40Cr图示
图54材料定义
网格划分选加密网格划分设置
图55网格划分
图划分完成模型网格
图56完成模型网格
534边界条件设置
边界条件设置包括约束设置载荷加载
535约束设置
抓手圆柱面设置圆柱约束图示
图57约束设置示意图
536载荷加载
根抓手工作状态抓手底部加载5N力图示
图57加载示意图
537求解计算
插入应力应变求解器图示进行计算
图58求解示意图
538结果分析
图位移分布图应力图中出抓手应力分布位移位抓手底部02341mm
图59结果分析
图应力分布图应力图中出抓手应力分布应力21994Mpa抗拉强度139Mpa符合设计求
图59结果分析二
54结
通ANSYS软件抓手受力进行分析抓手应力图位移图应变图出位移位抓手左右两侧02341mm应力图出抓手应力21994Mpa抗拉强度139Mpa符合设计求综设计结构符合强度刚度求
6 总结
学毕业设计非常容易理实践相结合学机会通次救援机机械系统结构设计中综合利理知识实践结合实现专业知识应解决实际问题操作力时提高文献搜索指南设计力样确定装配方案解机机械爪手基结构提高独立完成项设计力计算力绘图力三维建模力软件学力文字撰写力锻炼需控制方选择细节力锻炼获工作验获丰富意志品质抗压力力量耐力程度提高
正次毕业设计意义正追求程提高毕业设计质量设计全面全面性时间限专心致志正次毕业设计积累量实践验脑知识重新武装起思维更加活跃行动更迅速相信工作生活中回想起学工作中鱼水更专业知识时极强沟通力应变力
时间表完成该毕业设计信心知道专业知识专业发展未信心发现许缺点足留点遗憾幸没足够完美细节击会更激励前进会第时间未更新技术新设备新技术出现时力争快学掌握先进新设备新工艺巧妙运工作中争取快掌握先进知识更祖国四化服务
参考文献
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[2] 邓星钟编机电传动控制[M]第三版华中科技学出版社 2012
[3] 严霖元编机械制造基础[M]中国农业学 2013
[4] 郑文纬吴克坚编机械原理[M]高等教育出版社 2013
[5] 范思画法机械制图 北京：机械工业出版社1995：3―12
[6] 永泗齐民编机械工程材料[M]连：连理工学出版社2007
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[10] 徐丽明张铁中救援机器研究现状关键问题策[J]机械工业出版社201620(5)38
[11] 孙建设国机救援模式革思考[J]专家视点201722224
[12] 姜丽萍陈树果实采摘机器研究综述[J]农业装备技术2015232(1)810
[13] 崔玉洁张祖立白晓虎农业机器研究进展现状分析[J]农机化研究2017(2)45
[14] Ling P Ehsani R Ting K C et alSensing and endeffector for a robotic tomato harvester[C]ASAE Paper 0430882004
[15] SJacobsen J Wood K Bigger The UtahMIT hand Works in progress [J]International Journal of Robotics Research19864(3)221250
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救援机机械系统结构设计
救援机机械系统结构设计
摘
年科技领域方面高速发展例材料应技术动力系统技术数字传感技术等等时救援机相关设备全面快速发展装备先进动驾驶系统应领域越越广泛优势体现复杂危险环境进行航空救援工作救援机研究科技创新新时代救援机通图识系统救援象进行识然通遥控器发射信号飞行控制系统快速捕捉信号然结合传感器反馈信号控制电流输出救援机完成升降置空等救援动作时控制着救援机机械手工作首先现救援机机械爪手展开研究构建救援致框架根前设计进行模仿创新功重新分开研究基础进行改进创新中包括机整体结构续航系统动力系统控制系统机械手完美组合救援机整体协作起够济高效前提达毕业设计求
关键词：救援机机械手结构优化
Rescue drone mechanical system and structural design
Abstract
With the development of materials technology digital technology power system technology and sensor technology in recent years rescue drones equipped with autonomous driving equipment have also developed rapidly and their application fields are becoming more and more extensive Its main advantages are reflected in its ability to conduct aerial reconnaissance in its complex and dangerous environment Research on rescue drones will also be a trend of technological innovation The rescue drone mainly transmits signals through the remote control and the receiver receives the signals and transmits them to the flight controller The signals from the flight controller＇s integrated sensors and the signals received by the receiver control the output of the current so as to control the speed of each rotor of the aircraft The corresponding flight attitude while controlling the work of the rescue drone manipulator First research the rescue drone and sort out the overall design ideas Through the method of imitation creation and functional decomposition the rescue drone is decomposed into various modules including racks brushless motors electronic governors batteries flight controllers remote controllers and robots The main functions are analyzed And then design and analyze the manipulator so that the rescue drone as a whole cooperates and can meet the requirements of graduation design under the premise of costeffectiveness
Keywords Rescue drone manipulator structural optimization
目 录
1 前言 1
12国外发展概况 1
13设计容 1
2机械爪手设计方案 3
21机械爪手设计求功求 3
211 设计求 3
212 功求 3
22常见机械爪手 3
221夹钳式机械爪手 3
222弹性力机械爪手 3
223勾托式机械爪手 3
23方案分析确定 4
231方案 二指动手爪 4
232方案二 三指关节机械手爪 4
233方案分析 5
3机械手结构设计 6
31机械手结构分析 6
32手指结构设计 7
321手指数量 7
322手指材料 7
33底座设计 7
34驱动机构设计 8
341驱动方案设计选择 8
342电动机选择 9
35螺栓连接选择校核 10
351螺栓选择 10
352螺栓校核 11
4三维设计分析 12
41软件概述 12
411参数化设计 12
412基特征建模 12
413单数库 12
42三维设计装配 12
421零件三维设计 12
422虚拟装配 14
5基ANSYS限元分析 16
51设计目意义 16
52ANSYS软件概述 16
53ANSYS抓手限元静力分析 16
531材料设置 17
532模型创建 18
533网格划分 18
534边界条件设置 20
535约束设置 20
536载荷加载 20
537求解计算 20
538结果分析 21
54结 22
6 总结 23
参考文献 24
谢 辞 25
1 前言
年旋翼飞行器快速发展装配驾驶系统机称空中机器广泛应领域机途分分两种种军机种民机军事机中发展较完善民机发展中存空间研究重点研究民翼机翼机处势复杂气候恶劣优秀完成侦查救援务四翼机救援系统相结合升力成低升级空间灵活性强飞行灵活操作简单等优点
着材料技术导航技术电力系统技术传感器技术高速发展配备夹紧机械手设备援助机获快速发展优势拯救复杂危险环境中等救援通救援机传递必救援信息
12国外发展概况
2012年日注册约24万架旋翼机原农药喷洒旋翼机数量庞2011年美国研究费增加翼空前高速发展相说欧洲时机方面发展较缓慢目前许公司已研发生产100架旋翼机中常见四旋翼六旋翼动防御技术引入机中时民间企业十分重视行业发展引入许新型技术种样机出现视野中关六旋翼机携带执法视频检查摄头新闻常见深圳疆创新科技限公司例2012年公司规模断壮现已成世界领先机控制系统机解决方案研发制造企业该公司客户遍100国家
早世纪90年代末美国开始机进行灾害监测救援中国机没震灾害等应急方面应2008年汶川震发生前中国科学院课题组第尝试遥感机应震中灾害航拍课题组遥感机玉树芦山震应急救援中发挥越越重作许紧急救援实践证明机迅速进入灾区震航拍片现直接远程实时实时回清晰图机具成低操作方便快速反应等优势更加效调查面积震破坏灾难面前机出现专家利机优势难情进行分析评估伤害目前机技术灾害进行航拍外装载种效载荷模块转化移动通信基站时具备灾运输物资配送宣传等救援潜力机成应急救援中缺甚代航空力量
13设计容
文介绍种救援机机械爪设计种机机械爪手组合种恶劣环境中帮助救援员展开救援工作新方法仅身抓取力优势机优势相结合充分发挥救援机作救援机通机械手相互配合完成种物体抓取务动返回文包括机械爪建模工作原理包括结构设计ansys静力学分析
2机械爪手设计方案
21机械爪手设计求功求
211 设计求
机械爪手首先抓物体十分牢身定强度然四翼机相结合利准确快速飞行力完成许救援工作安全返回机械爪手应结构简单轻量化避免错综复杂结构爪手控电路应该简单影响功前提减少驱动电机数量通电情况锁实现低功耗高效率机续航力创造条件
212 功求
目标物体进假设抓取方形圆柱形球体规形状物体理想状态抓取尺寸100mm重1000g物体
22常见机械爪手
221夹钳式机械爪手
夹钳式机械爪手般手指驱动传动系统连接支承原件组成通手指移动目标物体进行夹取手部结构螃蟹钳子相似广泛应工业机器种手部结构
夹钳式机械爪手分两种结构种回转型结构种移型结构回转型工作原理两杠杆通转动机构带动手指然手指会绕指定点旋转实现开闭运动动型机械爪手工作原理传动机构带动两手指作相移运动实现开闭运动
222弹性力机械爪手
弹性力机械爪手特点通弹性原件夹紧物品装夹目标物体时仅需施加定压力省特定动力装置放物体时需施加拉力拉力目标物体重目标物体形状必须手指形状相似抓取方方进行抓取
223勾托式机械爪手
钩爪通夹紧力抓住物体利物体重量水手指产生支持力钩住拖动物体钩式手爪手指支持力夹紧物体特赖驱动装置力矩需夹紧力
23方案分析确定
机械手爪救援机关键执行机构否精确稳定加持物体提高救援机工作效率推进工作水重点机械手抓设计坏取决装夹否牢固定位否精确否具普遍性目前常机械爪手数三种结构简单爪手种夹钳式种弹性力式种勾托式缺陷工作原理简单导致装夹象单年着机械方面发展出现许种样爪手结构简单变复杂单普遍功越越样化然界寻找灵感爪手趋仿生化实践证明手指越抓取物品更加稳定抓取种形状物品手指结构复杂余三指机械爪手结构佳选择
231方案 二指动手爪
方案种连杆二指动机械爪活动关节组成然电机作驱动机械爪完成装夹动作
图21 二指动机械手原理图
该类型机械爪手步进电机驱动源具传动灵敏传动精度高特点该类型机械爪般结构适中生产成高般科研机器教学机器工作原理电机带动第动力杆通连杆传行四边形结构带动手指张合手指表面粗糙目增加装夹物体间摩擦系数抓更加牢固手指装夹物体间压力传感器通物体硬度判断需夹紧力防止物体夹坏
232方案二 三指关节机械手爪
方案二步进电机驱动三指关节结构机械手机械爪手更灵活更稳定抓取目标物体设计种新型结构单电机驱动三指机械手爪
工作方式电机转动带动连接圆盘通曲型连接件传动端部分通连杆三根手指连接电机带动圆盘曲形连杆转动通连杆控制手爪开合三根手指呈正三角形排布抓握时抓取物受力均匀该新型三指手爪设计方案表现出机械爪手具控制简单抓握优点
233方案分析
应根机械爪具体情况设计机械爪结构功确定时爪手结构工作致确定爪手度数越高手指灵活性越高夹持象越越样化时控制会变越复杂制造成会着复杂程度变高
方案：夹钳式机械爪机构简单制造成底电机转速手指工作时速度成非线性关系造成机械爪夹取物体时产生较击力击力接触物体产生惯性力时惯性力机飞行状态会产生较影响夹持更机需消耗量电量维持衡机续航力缩减时机械爪动夹取物体定难度难实现手
方案二：三指关节机械爪相二指说机构复杂电机匀速转动时保证手指匀速运动夹取物体时会产生击力会拉低机续航时间该机械爪手具三指节够相似形状物体实现抓取受力均匀手爪末端弯曲仅摩擦力抓取方形物体形状物体抓取着俗表现真正实现手功
3机械手结构设计
31机械手结构分析
考虑抓取物样性装载机行程限制机械手选择提出具体求结构图31示三手指手爪圆周称三手指电机控制通曲形连杆电机相连三手指实现时开合形状物体夹紧图ProE软件设计救援机抓取端执行器三维模型
图31 机械手结构图
工作原理：机机械手位抓取物附时机械手传感器检测物体机械手位置相位置抓取物中心位置齐机械手控制信号触发单片机步进电机位置传感器控制手爪相连电机工作继机械手合起抓住货物手指端压力传感器检测保证检测压力实时性确定压力否达阈值阈值实验出机单片机程序中设定果达阈值停止机械手运动反馈单片机抓取完成信号
32手指结构设计
设计机械爪手良通性减少驱动源基础够抓住意形状适更广应范围系统结构更加简单容易控制机械手手指运动动力传递模式通曲形连杆关节开合手爪样设计适机驱动行程短载重力较低情况
321手指数量
相两手指三手指更抓取种形状物体稳定性更配合传感器稳定实现物体抓取载运工作
322手指材料
手指选择适材料救援机作着影响手指需着足够强度质量符合机械手基结构尺寸设计选材料尼龙610尼龙具高机械强度质量轻非常韧性吸震性耐油耐弱酸等特点
图31 单节手指机构运动简图
33底座设计
机架安装驱动机构手爪手指着机身巧体积重量轻设计求考虑安装三根手指称结构体正六边形固定支撑手爪驱动电机手爪机架结构图32示
图32 底座结构
34驱动机构设计
341驱动方案设计选择
目前常见机械手驱动三种种气动驱动种电气驱动种液压驱动：
（1）气动驱动般空气压缩机作动力源种压力驱动制动器气动压缩空气驱动系统气动驱动保证操作者安全结构简单成低污染少通调节空气流量调节速度尺寸设备运动速度稳定定位精度高抓取力
（2）液压驱动系统输出力驱动流体压力驱动传动系统稳定效应速度快简单满足非常广泛范围级调速求应十分广泛会产生额外附加力转变方十分柔容易泄漏污染成高传输特性受液体粘度变化影响
（3）电气传动模型电脉信号控制开环控制元件线性位移成步进电机角位移优点简单快速反应累积误差等伺服电机转动惯量转子具良动态特性精度高便调速速度快运行稳易控制等特点
基步进电机优点设计中采步进电机驱动方式
342电动机选择
步进电机种信号转换电脉脉数成正角位移线位移执行元件优势：（1）脉频率线速度线性关系（2）受环境条件变化电压波动负载变化变化（3）反应灵敏快速启动制动反转速度调控（4）定位精度高步启动特性
救援机机械手手爪适环境求电机应响应迅速具普遍适性受环境影响额定功率开环系统根条件设计选择90BF004型步进电机该机功率60W选择步骤：
（1）根静转矩脉量初选电机型号
(a)步距角
首先初选步进电机型号手册中查步距角
（31）
综合考虑初选满足公式
(b)距频特性
步进电机静转矩Mjmax电机定位转矩步进电机名义启动转矩Mmq静转矩Mjmax关系式：
Mmq （32）
电机没外加工作负载启动称步进电机空载启动步进电机需空载启动力矩式计算：
（33）
式中：丝杆预紧折算电机轴附加摩擦力矩Mkq空载启动力矩Mka空载启动时运动部件静止升速快进速度折算电机轴加速力矩Mkf空载时折算电机轴摩擦力矩
初选电机型号时符合步进电动机必空载启动力矩步进电机名义启动转矩：
MkqMmqλMjmax （34）
计算Mkq项力矩：
①加速力矩
②空载摩擦力矩
③附加摩擦力矩
（2）启动矩频特性校核
步进电机分三种工作状态：种启动第二种快速进运行第三种工进运行
前面提出避免电机启动时出现丢步现象静转矩满足初选电机检查电机求面步启动矩频特性进行进步校核
步进电机启动升速启动突跳启动
突跳启动时加速力矩启动时避免丢步少升速启动程中保证升速时间足够长启动程缓慢空载启动力矩中加速力矩会般会发生丢步现象满足求
35螺栓连接选择校核
351螺栓选择
轴承受定横工作载荷作选铰制孔螺栓
机械设计基础中表101中查螺栓：M3×05D13mmP05mm
352螺栓校核
①根机械设计基础中表106选取螺栓材料性48级公称屈服极限σs320Mpa装配时求严格控制预紧力表108取安全系数S3
螺栓许应力：
螺栓拉应力：满足求
②铰制孔螺栓受横载荷螺栓受剪切进行强度计算查机械设计基础中表107取螺栓剪切应力：
螺栓剪切应力：满足求
4三维设计分析
41软件概述
ProEngineer简称ProE款十分常三维建模软件美国参数技术公司开发集中CADCAMCAE体行业中发挥着重作现机械领域新标准业界高度认社会十分流行三维建模软件
411参数化设计
建模时复杂三维模型分解构成素构成具特点限参数限制参数化设计
412基特征建模
操作软件时ProE固系统模型构成切三维模型基础根三维模型特点画草图然通拉伸扫描阵列等操作想三维模型操作简单通俗易懂
413单数库
ProE独数库建立系统数库建立部门般统数库项目数库产品户独立模拟工作
42三维设计装配
421零件三维设计
ProE零件设计模块零件进行三维建模零件建模结果：
（1）第关节
图41 第关节
（2）第二关节
图42 第二关节
（3）手指末端
图43 指尖
（4）曲形连杆
图44曲形连杆
（5）支架
图45 支架
422虚拟装配
虚拟装配先前面设计零件分组装起首先先手指连接件装配起然装配手指底座间接起装配机中
（1）手指装配
图46 手指虚拟装配
（2） 总成装配
图47总成虚拟装配
（3） 装配入机
图48装配入机
5基ANSYS限元分析
51设计目意义
目前机已广泛应农药喷洒播种电缆检测婚礼摄影电影摄影等领域机装配种负载例摄头雷达红外摄头通信设备等完成摄影探测救援等工作救援机应必成社会发展趋势救援机研究必成科技创新趋势救援机快速发展必会生活带巨便利项研究具巨现实意义
发生火灾震等然灾难时难第时间快速准确达案发现场果利救援机话克服缺陷救援机优势充分利起挽救更生命财产安全装配机械爪手救援机具丰富种类救援机根情况搭建需模块救援环境气候救援象等需具体情况具体分析救援机优势例需运输空投物资时机携带便携式救设备食物饮水
52ANSYS软件概述
ANSYS软件款进行静力学分析动力学分析结构分析流体分析磁场分析限元软件许建模软件进行数接例CADProESolidworks等方便教研项目进行较简单静力学分析进行复杂动力学分析基工业制造领域广泛应硬件求高基台运行
53ANSYS抓手限元静力分析
章针抓手进行ANSYS限元静力分析通分析确认抓手应力情况应变情况通分析抓手应力确认否超屈服极限进步验证设计否合理
图示ANSYS里分析流程图包括材料设置模型创建网格划分边界条件设置求解计算结果分析次分析图流程进行分析
图51分析流程图
531材料设置
里材料尼龙610设置图示泊松密度弹性模量屈服强度等参数ANSYS材料库里进行相应设置图示
图52材料库里进行相应设置
532模型创建
里采三维软件Proe创建三维模型然转成STP格式导入ANSYS进行限元分析图示次分析模型
图53分析模型
533网格划分
材料定义定义零件材料选中材料定义40Cr图示
图54材料定义
网格划分选加密网格划分设置
图55网格划分
图划分完成模型网格
图56完成模型网格
534边界条件设置
边界条件设置包括约束设置载荷加载
535约束设置
抓手圆柱面设置圆柱约束图示
图57约束设置示意图
536载荷加载
根抓手工作状态抓手底部加载5N力图示
图57加载示意图
537求解计算
插入应力应变求解器图示进行计算
图58求解示意图
538结果分析
图位移分布图应力图中出抓手应力分布位移位抓手底部02341mm
图59结果分析
图应力分布图应力图中出抓手应力分布应力21994Mpa抗拉强度139Mpa符合设计求
图59结果分析二
54结
通ANSYS软件抓手受力进行分析抓手应力图位移图应变图出位移位抓手左右两侧02341mm应力图出抓手应力21994Mpa抗拉强度139Mpa符合设计求综设计结构符合强度刚度求
6 总结
学毕业设计非常容易理实践相结合学机会通次救援机机械系统结构设计中综合利理知识实践结合实现专业知识应解决实际问题操作力时提高文献搜索指南设计力样确定装配方案解机机械爪手基结构提高独立完成项设计力计算力绘图力三维建模力软件学力文字撰写力锻炼需控制方选择细节力锻炼获工作验获丰富意志品质抗压力力量耐力程度提高
正次毕业设计意义正追求程提高毕业设计质量设计全面全面性时间限专心致志正次毕业设计积累量实践验脑知识重新武装起思维更加活跃行动更迅速相信工作生活中回想起学工作中鱼水更专业知识时极强沟通力应变力
时间表完成该毕业设计信心知道专业知识专业发展未信心发现许缺点足留点遗憾幸没足够完美细节击会更激励前进会第时间未更新技术新设备新技术出现时力争快学掌握先进新设备新工艺巧妙运工作中争取快掌握先进知识更祖国四化服务
参考文献
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