北方民族大學學士學位論文論文題目多功能抓取機械手臂的設計院部名稱化學與化學工程學院學生姓名李易麗專業過程裝備與控制工程學號20091216指導教師姓名高陽論文提交時間2013511論文答辯時間2013512學位授予時間北方民族大學教務處制摘要多功能機械手臂主要用于鑰匙、手機、錢包、塑料瓶等物品落入馬桶等狹小空間的夾取。它集抓取物體、照明和圖像采集的多重功能，能輕便，經濟，高效實現掉落物體的抓取工作，特別適于直管道的掏取工作。為了實現以上功能，本設計進行相應傳動機構設計（螺紋傳動），抓取機構設計計算（四桿機構），蓄電照明系統的設計，圖像采集系統的設計等任務，完成三維建模及機構運動仿真，繪出多功能機械手臂的裝配圖，零部件圖。關鍵詞機械手臂；螺紋傳動；四桿機構；蓄電照明；圖像采集ABSTRACTMULTIFUNCTIONMECHANICALHANDISMAINLYUSEDTOTHECLIPTHEKEYS,CELLPHONE,WALLET,PLASTICBOTTLEANDOTHERITEMSFALLEDINTONARROWSPACE,SUCHASTHETOILETITCANGRABOBJECTS,LIGHTANDGETIMAGEACQUISITIONANDSOONITISECONOMIC,EFFICIENTTOPICKUPTHEFALLINGOBJECTS,ESPECIALLYFORWHICHFALLINTOSTRAIGHTPIPEINORDERTOACHIEVETHEABOVEFUNCTIONS,NEEDTODESIGNTHECORRESPONDINGTRANSMISSIONMECHANISMSCREWDRIVE,GRASPINGMECHANISMFOURBARLINKAGE,STORAGEELECTRICLIGHTINGSYSTEMANDIMAGEACQUISITIONSYSTEM,COMPLETETHETASKSSUCHASTHECOMPLETE3DMODELINGANDMOTIONSIMULATION,ANDDRAWMULTIFUNCTIONMECHANICALARMASSEMBLYDRAWING,PARTSDRAWINGKEYWORDSMECHANICALARM；TRANSMISSIONOFTHEWHORL；FOURBARMECHANISM；STORAGEELECTRICLIGHTING；IMAGEACQUISITION北方民族大學2013屆本科生畢業論文0目錄第1章緒論211選題的目的和意義2111目的2112意義212本課題的任務要求和設計內容2121任務要求2122設計內容313設計方案3131設計參數3132設計方案說明3133結構簡圖及簡單運動分析4第2章機械設計621夾持器的設計6211計算自由度6212機構設計6213基本位置確定6214機構的運動分析7215受力分析8216結構尺寸的確定11217強度校核15218連接用的銷釘的選型和強度校核1622直管段的設計17221選材17222尺寸的確定1723傳動機構的設計19231方案比較19232傳動機構設計19233機構的尺寸設計20第4章電路的選型設計2441照明系統的選型設計2442圖像采集系統的選型設計24第5章輔助件的選型設計2551爪子橡膠套2552手機固定夾2553牽引繩選擇26總結28致謝29參考文獻30北方民族大學2013屆本科生畢業論文1第1章緒論11選題的目的和意義111目的在生活中，我們常常會遇到這樣的問題手機、鑰匙等掉落于廁所等狹小空間；窗臺邊掉落的衣服等，這時我們就希望有那么一個工具可以實現小空間、小物體的抓取功能。本設計就以這個為目的，設計一臺多功能抓取機械手臂。實地調查學校的馬桶、管道、狹小空間，確定有關設計參數。同時配備相應的照明設備和圖像采集設備，實現快速高效的抓取工作。112意義隨著科技的發展，機器人技術和產品雖隨著不斷的發展，其也不再局限于傳統的制造業和工業，而慢慢普及與生活。機械手是機器人研究領域中的重要部分之一，對其進行研究與創新，能夠促進機器人技術的發展和提高人們的生活質量和經濟水平。12本課題的任務要求和設計內容121任務要求實地調查學校的馬桶、管道、狹小空間，設計一臺多功能抓取機械手臂，其可以實現要是、手機、錢包、塑料瓶等物品的抓取功能。同時配備相應的照明設備和圖像采集設備，實現快速高效的抓去工作。相應設計要進行傳動機構設計計算、抓取機構設計計算、蓄電照明系統設計、圖形采集系統的設計等任務，在此基礎上完成機械手臂的三維建模及機構運動仿真，完成裝配圖和相應零部件圖紙繪制工作。北方民族大學2013屆本科生畢業論文2122設計內容本設計主要內容包括傳動裝置設計計算，抓取機構設計計算，照明系統設計，圖像采集系統設計等。實現多功能抓取機械手臂的三維建模和機構運動仿真，在此基礎上完成整機的優化設計。13設計方案131設計參數根據機械原理、機械設計、人機工程等原理，自行選取相應的設計參數進行設計產品通過實地調查和抓取對象（手機、鑰匙、錢包、塑料瓶等）的分析確定其設計參數為最大工作長度12001500MM；爪子最大張口100MM；抓取重量500G；電路要防水設計，機構選材要考慮腐蝕性；選用微型攝像頭，選用LED燈照明，可進行選型設計；工作溫度540；傳動機構螺紋傳動機構。132設計方案說明1小型化所要設計的機械手臂的抓取對象是手機、鑰匙、水瓶等重量不是很重的對象，由此可以設計成小型的抓取手臂。2爪子結構結構簡單，粘貼摩擦粗糙面或者塑料套增大摩擦系數。3爪子的工作原理利用螺紋機構，通過螺紋的移動牽引著繩子往上移動從而達到抓取的作用。4設計蓄電照明由于工作空間，常常為暗道，故設計蓄電照明很有必要。照明可以選擇LED燈，其亮度可以通過選擇數量來實現，蓄電池北方民族大學2013屆本科生畢業論文3提供能源，并要有一定的安裝位置設計。初步設計其安裝于夾持器處。5設計圖像采集系統實現可視控制。主要用于彎道處或不能清晰觀察的狹縫的圖像采集，并實現可視控制抓取。6輔助設計目的是對各個機構的美學設計，及輔助零件的設計。綜上所述，本方案采用半自動化設計，既可以實現結構簡單，又能可靠的實現抓取功能。體現經濟性和實用性。133結構簡圖及簡單運動分析多功能機械手臂總體設計主要分為抓爪（夾持器）、直段臂和傳動機構三大部件設計及二個系統圖像采集電路系統、蓄電照明系統。1、傳動機構2、直段臂3、夾持器圖1多功能手臂機構簡圖北方民族大學2013屆本科生畢業論文41、爪子2、連桿3、支撐片4、滑塊圖2夾持器的結構簡圖由圖1、2可知，其主要工作原理是將多功能機械手臂放進管道通過圖像采集尋找到目標調整抓取位置旋轉搖臂螺紋上升，夾取器夾緊，回復彈簧被壓緊，同時螺紋自鎖待移除完畢后，打開止回棘爪夾取器受彈簧恢復力作用而松開抓取完畢。北方民族大學2013屆本科生畢業論文5第2章機械設計21夾持器的設計夾持器是機械手臂的核心部分，其自由度決定了動力的數量。下面是夾持器的結構簡圖圖21夾持器工作簡圖211計算自由度211725323PHLNF故只用提供一個原動力就可以了實現抓取工作了。212機構設計連桿機構的設計方法有解析法，幾何作圖法和實驗法，而本設計采用較直觀的幾何作圖法。這是因為本設計是機械控制而非程序控制，故不要求過高精度，為了方便設計采用幾何作圖法。注幾何作圖法實現的個尺寸設計均由作圖軟件CAD輔助設計得出。213基本位置確定由于蹲便器的排污口的尺寸一般為6298MM，以及也要求在其它狹小空間，故要求夾持器的尺寸盡量小一些。故設圓管的直徑為25MM壁厚取1MM為了是結構設計得可靠、合理，還應考慮幾何條件和動力條件等。取口子最大的張口是100MM爪子張開時，其深度為100X0618618MM。假設爪子張開時，爪子處于最大張角狀態。如下圖22北方民族大學2013屆本科生畢業論文6圖22爪子最大張角狀態圖取擺桿和連桿的鉸接位置在擺桿的1/3處，測得擺桿長632MM，又測得鉸接點到管軸的距離為246MM,取為25MM,保證最大的傳動角同時避開死點。測得搖桿擺角為48，初始位置與水平位置夾角為127，連桿與擺桿的夾角為43，在夾緊極限位置時，該夾角為30。連桿鉸接點的豎直行程為156MM。214機構的運動分析該機構為曲柄滑塊機構，利用瞬心法來分析擺桿、連桿、和滑塊的速度,下面圖23是機構運動簡圖（由于結構對稱有可以分開運動，故只取一半作為研究對象并對其做一定的簡化）圖23機構運動簡圖北方民族大學2013屆本科生畢業論文7此機構共有個瞬心，由觀察知P14、P12、P23、P34（曲柄124K滑塊機構在無窮遠處）為瞬心。由三心定理知P24必然在P12、P14和P23、P34的交點處，同時也可以找出P13。求得（22）23423PWVPC（23）12411B（24）24242/215受力分析（1）夾持器夾緊力計算夾緊力是設計夾持器的重要依據，故必須對其大小、方向、作用點進行分析和計算。一般地，夾緊力必須克服工件本身的重力所產生的慣性力和慣性力矩來使工件保持穩定狀態。夾緊力計算公式（2GKFN3215）安全系數，由機械手的工藝及設計要求確定，一般取1220，1K本設計取15。工件情況系數，主要慣性力影響，一般取1125，本設計取215。K方位系數，可根據手指與工件位置及工件的形狀不同而進行選定，3本設計采用二指夾持，夾指尖，使受力面積小有四個接處點，粗略估算并暫取3。3KG工件重量，本設計抓取對象重量最大為500G故得（2NGKFN07389513216）北方民族大學2013屆本科生畢業論文8取34NNF2驅動力的分析此處所說的驅動力是指爪子的牽引力。因為在其緊閉于軸線一點時傳動角最小，故假設夾持器抓取500G的物體，并且處于最小傳動角狀態，受力情況如下圖24（擺桿為為研究對象）圖24爪子受力情況圖由平衡條件知F1、F2到支點的力矩平衡，故有（27）2414LFX（28）N（29）N/X10232412（210）FX06COS2對于連桿若不考慮自重，可視為二力桿，則滑塊受力如下北方民族大學2013屆本科生畢業論文9圖25滑塊受力圖其中，FA為驅動牽引力，為連桿對滑塊的作用力，大小為05倍的F22F為復位彈簧的恢復力由下面彈簧設計可知60606N,故得FFF（22A604COS19534NFY11）（3）恢復彈簧的設計因為各桿的安裝位置和引動已知，故可知當爪子長得最大到閉得最小時，滑塊沿著圓管的位置移動S156MM在考慮安裝誤差的情況下，可取S16MM。此處選擇圓柱螺旋壓縮彈簧。選材由于使用環境是含有酸堿腐蝕的，而且是小彈簧。選擇不銹鋼絲1CR18NI9直徑規格D0660MM。計算由于彈簧作用僅用于回復,不需要產生過大的反彈力，從而要在滿足反彈作用時,反彈力盡量小一些,從而減少牽引力的的大小，減少驅動負擔。選擇D16MM,D18MM型號，其單圈剛度是111N/MMDP螺旋角A,一般A59取A8則ARCTND北方民族大學2013屆本科生畢業論文10節距TAN8314TAN8749DMA8彈簧并緊磨平，兩端支撐圈各一圈。一般壓縮量為3080，取總壓縮量為65，而預緊量為10，則行程S6510TDN16MMN為有效圈數,查表取N5圈，則16459557SNTD總圈數圈12N實際1678255STMD剛度2/PNN自由高度THD查取42MM故最小工作載荷,此10142932PN4210OHM最大工作載荷06560NH故FFN216結構尺寸的確定本設計用作圖法來確定機構尺寸，初步確定尺寸后，通過強度校核來驗證所設尺寸的正確性和合理性。（1）支撐片的設計因為管壁比較薄，不宜直接在閉上開孔支撐爪子，故此設計需焊接兩個支撐片于壁上。安裝位置如下圖26北方民族大學2013屆本科生畢業論文11圖26爪子安裝位置圖考慮到支撐片的穩定性，采用一半焊接在壁上。支撐片的尺寸初步如下所示圖27支撐片的尺寸圖（2）爪子的結構尺寸設計為了減輕質量，而且體積小，爪子厚度不要過厚，各尺寸暫時設計如下圖所示北方民族大學2013屆本科生畢業論文12圖28爪子的結構尺寸圖此該結構設計的理念是節約材料、滿足不同形狀物體的抓取，不破壞抓去對象，同時方便制造。爪子的底端焊接一塊薄片，增大摩擦面，在這焊片上內表面粘上摩擦棉，可大大提高它的摩擦系數。（3）連桿的尺寸設計連桿是連接爪子和滑塊的那部分，結構比較簡單為等厚體,為2MM，各尺寸如下所示圖29連桿結構尺寸（4）滑塊的設計滑塊主要用來壓縮復位彈簧和牽引連桿沿著圓管滑動。其的尺寸如下圖2北方民族大學2013屆本科生畢業論文1310所示由于支撐片的作用之一是支撐滑塊，為了達到支撐的目的，滑塊的直徑選擇D21MM為了方便安裝，滑塊要切掉一些，故各尺寸如下所示圖210滑塊結構圖滑塊其實是有三部分組成導向塊、穿線口、支撐連桿片。各尺寸都是有作圖法獲得。（5）圓筒的設計圓筒的總長度由連接螺紋段、滑塊行程和恢復彈簧的長度決定，設螺紋段為20,MM,則總長度約為65MM螺紋段選擇普通螺紋，螺紋段是增設的螺紋圈，選擇公稱直徑為16MM螺紋，經過校核計算可以得機構尺寸如下其結構示意圖所示北方民族大學2013屆本科生畢業論文14圖211圓筒結構尺寸圖螺紋套和圓套管是過盈配合。217強度校核（1）選材為了結構輕便，經濟，同時又能達到防腐蝕的作用，選擇5052鋁合金，其力學性能抗拉強度MPA173244條件屈服強度MPA70B20為了輕遍，有能耐腐蝕，故選擇此材料。（2）夾持器的強度校核下面是爪子的簡單裝配示意圖北方民族大學2013屆本科生畢業論文15圖212爪子裝配示意圖通過此圖可以知道，危險的截點為B點（切應力校核）和C截點（正應力校核）。B點102N,最小截面積6MM,故/2F32BAFBA102/617MPA/2865122MPABC截點F25349N,截面積為AC2X36MM,故/AC25349/64225MPA173244MPAB結論以上結構設計合理有效。218連接用的銷釘的選型和強度校核（1）選型由GB/T11912000,選擇圓柱銷為連接件，D0650MM,L1200MM,由前面所設計的結構的尺寸，可以初步選取圓柱銷的型號尺寸為B處2MM,8MM，即GB/T881BDBL183AC處2MM,8MM,即GB/T11912MCC6D處2MM，8MM即GB/T11912MDDL2強度校核由于三處的直徑都一樣的，所以只要選取最大受力處即可。最大受力處顯然是C處，故25349/8072MPA865122MPA2143250北方民族大學2013屆本科生畢業論文16結論此設計可行,所選型號可用。22直管段的設計直管段主要作用是用來連接夾持器和傳動機構和支撐的。結構要求不高。下面我們通過選材、尺寸選取和連接方式這三方面來說明這些作用。221選材由于可能在含酸堿的環境中工作，故要求材料要防腐蝕。一般作為桿件所用的材料有不銹鋼、鋁合金等，本設計選取5052鋁合金。222尺寸的確定（1）長度選取直管段的設計理念是具有伸縮功能，在本設計的機械手臂可能要在深H1200MM的環境中工作，故取總長要大于等于1500MM為了拆裝方便，可以分為二段，長段為L1900MM,短的那段為L2600MM夾持器的部分至少也有120MM。（2）直徑選取最大直徑選取與夾持器圓管的直徑相同，即DZ118MM,壁厚1MM,故可以推出DZ216MM,厚度為2MM為了開螺紋。（3）連接方式A直管段之間的連接本設計參考拖把伸縮功能，適用塑膠材質的伸縮鎖套。如下圖213北方民族大學2013屆本科生畢業論文17圖213直管段連接圖數量一個，型號選擇直徑為16/18MM的。B與頂端傳動機構的連接焊接方式，直接焊接一段螺紋配合C直管與夾持器的連接螺紋連接，由前面設計可以知道，取其配合的螺紋段，公稱直徑是16MM螺紋長度是20MM。（4）強度校核分析直管結構及聯接可知，其縱向受到最大工作壓力為25349N,橫向ZF壓力15G73NZF89501所以/AZ25349/Z143220336MPA173244MPAB/AZ01MPA/2865122MPAZTFB北方民族大學2013屆本科生畢業論文18結論上面對直管設計是可行的合理的的。23傳動機構的設計231方案比較傳動方式有很多種，比如螺紋傳動，軸承傳動等，傳動結構也有很多種。在自己看課題要求的設計基礎上選出三種進行比較軸承傳動、切向受力螺紋傳動，軸向受力螺紋傳動。如下表21表21傳動方式比較軸承傳動（棘輪止回）切向受力螺紋傳軸向受力螺紋傳動工作原理軸承軸線與直管段軸線垂直，通過搖臂的旋轉，繩子繞著系著繩子的軸纏繞，從而提供牽引力繩子切向纏繞于螺紋段上，繩子繞著系著繩子的軸纏繞，從而提供牽引力在螺紋段軸向開一個通孔，繩子通過通孔并緊固于一端，當旋轉螺紋時，螺紋段上升，則牽著繩子往上移動，從而停提供牽引力特點搖臂旋轉式比較輕便，棘輪止回，但是結構復雜，體積大，在小行程的情況下，朱慧作用不明顯，易受損件是軸和棘輪，制造維修成本高軸受到的切力大在行進時繩子跟著螺紋走，降低穩定性，止回作用實現難度大，要求高。已受損件是螺紋工作件。螺紋段收到軸向的壓力，承受力大，而且傳動精確，有自鎖的功能，在輔助件的作用線下也能實現繩子的給進量的大小，結構簡單，體積小，繩子，更換方便便宜結論通過比較他們各自的特點，可以知道選擇軸向受力螺紋傳動是最好的，在滿足性能要求的前提下，結構簡單，體積小，經濟，使用的作用。232傳動機構設計本設計本著的創新的理念，大膽的巧用螺紋傳動，實現爪子的抓取工作。結構示意簡圖如下214北方民族大學2013屆本科生畢業論文191324圖214傳動機構圖1牽繩棒2鎖套3搖臂螺紋棒4螺紋支撐套工作原理解析4結構和3結構以螺紋連接，2結構與3結構以螺釘連接。2結構是1河溝的套鎖，可以套住1結構，防止牽引力的作用而旋轉。首先先通過牽繩棒調節繩子的長度，然后由鎖套鎖住，轉動3結構，搖臂螺紋棒上升，繩子發生位移，爪子收緊抓取物體，同事螺紋自鎖，讓手自由。233機構的尺寸設計（1）牽繩棒的設計其主要用于掛繩和調節繩的長短。其結構件圖如下圖215圖215牽繩棒結構件圖由前面的計算已知，牽引力25349N,故由強度校核公式計算得1FMAX/A25349/314/865MPA1F4LD北方民族大學2013屆本科生畢業論文2019MM取5MM。MINLDLD因為R和R不是工作主要部位，所以滿足工藝尺寸就可以了。暫時取R7MM,R5MM而長度L1由搖臂螺紋棒尺寸決定。在該結構的一端開有一小口，用于插銷的，來防止轉動和滑脫的。不是主要工作件不做詳細設計。（2）套鎖設計鎖套的作用是用于鎖住牽繩棒，防止在牽引力的作用下發生旋轉并起到支撐的作用。其如下圖216圖216套索結構圖在支撐牽繩棒的口的附近，焊接一個小圓柱體，用來當擋板。（3）搖臂螺紋棒和螺紋套的設計搖臂螺紋棒的作用是旋轉的時候，螺紋棒會發生位移，從而牽引著繩子移動，從而達到抓取的作用。而螺紋套是焊接在直管段上的，與搖臂螺紋棒相配合下面圖217是螺紋套和棒簡單的配合圖DL3D“S4DW圖217是螺紋套和棒的配合圖1螺紋的選型因為已知最大行程是16MM，牽繩棒的直徑是5MM周長約為19MM,故為了提北方民族大學2013屆本科生畢業論文21高穩定性。選擇螺紋套的長L416X232MM，所以搖臂棒的L316163264MM因為該螺紋棒受單向軸向力作用，所以可以選擇鋸齒形（3、30）螺紋GB/2螺紋的尺寸由于工作時，螺紋棒有可能伸到直管段去故取D12MM，取螺距P2MM的，基本牙型高度最高為15MM,所以本設計取15MM,查找機械手冊可知，此時1H螺紋的各參數為D內D外P2MM15MM1HAC0236MM而1736MM3HR0249MM牙底寬牙頂寬0528MM中經1215105MM12HDD小徑1229MM15另外一個牙型12217368528MM。33H3）螺紋套的尺寸取其壁厚為10MM外徑DW92029MM內徑D12MM長度32MM4L4搖臂螺紋棒的尺寸直徑D12MM64MM3L”L3815648157279MM,取”75MM3L510D35101260120MM,取100MM3北方民族大學2013屆本科生畢業論文22而D12MM3D由套索的設計可知5MM3S為了節約材料，打孔的孔徑D4MM其余尺寸按工藝要求選取即可。4強度校核螺桿強度計算受軸向力Q和扭矩T的作用，簡化為13Q計算,4/132DMPA1736/952故強度是滿足的，該設計有效。北方民族大學2013屆本科生畢業論文23第4章電路的選型設計41照明系統的選型設計由于本設計的體積微小，而且適用的場合一般不連續，在設計照明系統的時候就要考慮到它的電源的方式，和照明燈的類型。在此基礎上，我們優先定位在電子產品，可以從電子微型照明器下手。下面是我選型的圖片圖41選型圖該型號體積小照明足，電子產品。42圖像采集系統的選型設計圖像采集是該手臂的一個功能，但是也受到空間的局限，所以選擇微型攝像頭，可以借鑒手機攝像頭，體積小，可以用手機作為接收器。具體電路不做設計。北方民族大學2013屆本科生畢業論文24第5章輔助件的選型設計51爪子橡膠套為了增大的抓取效率，提高爪子的摩擦系數很有必要，所以在這，選擇一個能包緊爪子前端的橡膠套增大摩擦。尺寸由爪子決定，材料要細軟。52手機固定夾這是方便圖像采集的時候，固定圖像采集屏用的如下圖北方民族大學2013屆本科生畢業論文2553牽引繩選擇繩子是提供牽引力的中間件，必不可少，為了能承受得住我們設計的拉力，而且體積小，我們可以選取我們俗稱的魚絲。北方民族大學2013屆本科生畢業論文26我們可以選擇直徑為0506MM的大力馬魚線，長度3M。北方民族大學2013屆本科生畢業論文27總結本次多功能機械手臂的設計主要是夾持器，傳動機構的設計過程。內容主要有本設計主要內容包括傳動裝置設計計算，抓取機構設計計算，照明系統設計，圖像采集系統設計等。實現多功能抓取機械手臂的三維建模和機構運動仿真，在此基礎上完成整機的優化設計。題目需要綜合能力，涉及知識面廣，尤其是確定方案的時候，需要各種考慮計算，才能確定。不過培養了我工程思想及意識，理論聯系實際，提高初步設計能力。設計要求在保證其原有性能的前提下，盡可能地提高其特色即性能價格比。并且要求該機械手具有較小的體積，簡單的結構和低廉的價格，以及造型美觀的外形，各調整環節的設計要方便人體接近方便工具的使用。其難點在于結合實際，進行結構設計在設計過程中，本人綜合運用了四年來所學到的專業知識，感覺到