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1、北方民族大学学士学位论文 论文题目: 多功能抓取机械手臂的设计 院(部)名 称: 化学与化学工程学院 学 生 姓 名: 李易丽 专 业: 过程装备与控制工程 学 号: 20091216 指导教师姓名: 高阳 论文提交时间: 2013-5-11 论文答辩时间: 2013-5-12 学位授予时间: 北方民族大学教务处制摘 要多功能机械手臂主要用于钥匙、手机、钱包、塑料瓶等物品落入马桶等狭小空间的夹取。它集抓取物体、照明和图像采集的多重功能，能轻便，经济，高效实现掉落物体的抓取工作，特别适于直管道的掏取工作。为了实现以上功能，本设计进行相应传动机构设计（螺纹传动），抓取机构设计计算（四杆机构），蓄电
2、照明系统的设计，图像采集系统的设计等任务，完成三维建模及机构运动仿真，绘出多功能机械手臂的装配图，零部件图。关键词：机械手臂； 螺纹传动 ； 四杆机构 ；蓄电照明 ； 图像采集ABSTRACTMulti-function mechanical hand is mainly used to the clip the keys, cell phone, wallet, plastic bottle and other items falled into narrow space, such as the toilet. It can grab objects, light and get imag
3、e acquisition and so on. It is economic, efficient to pick up the falling objects, especially for which fall into straight pipe.In order to achieve the above functions, need to design the corresponding transmission mechanism (screw drive), grasping mechanism (four bar linkage) , storage electric lig
4、hting system and image acquisition system ,complete the tasks such as the complete 3 d modeling and motion simulation, and draw multi-function mechanical arm assembly drawing, parts drawing.Keywords: Mechanical arm ；Transmission of the whorl；Four-bar mechanism；Storage electric lighting；Image acquisi
5、tion目 录第1章绪论21.1选题的目的和意义21.1.1 目的21.1.2 意义21.2本课题的任务要求和设计内容21.2.1任务要求21.2.2设计内容31.3 设计方案31.3.1设计参数31.3.2设计方案说明31.3.3结构简图及简单运动分析4第2章 机械设计62.1 夹持器的设计62.1.1计算自由度62.1.2机构设计62.1.3基本位置确定62.1.4机构的运动分析72.1.5受力分析82.1.6结构尺寸的确定112.1.7强度校核152.1.8连接用的销钉的选型和强度校核162.2 直管段的设计172.2.1选材172.2.2尺寸的确定172.3传动机构的设计192.3.1
6、方案比较192.3.2传动机构设计192.3.3 机构的尺寸设计20第4章 电路的选型设计244.1照明系统的选型设计244.2图像采集系统的选型设计24第5章辅助件的选型设计255.1爪子橡胶套255.2 手机固定夹255.3 牵引绳选择26总 结28致 谢29参考文献30第1章绪论1.1选题的目的和意义1.1.1 目的在生活中，我们常常会遇到这样的问题：手机、钥匙等掉落于厕所等狭小空间；窗台边掉落的衣服等，这时我们就希望有那么一个工具可以实现小空间、小物体的抓取功能。本设计就以这个为目的，设计一台多功能抓取机械手臂。实地调查学校的马桶、管道、狭小空间，确定有关设计参数。同时配备相应的照明设
7、备和图像采集设备，实现快速高效的抓取工作。1.1.2 意义随着科技的发展，机器人技术和产品虽随着不断的发展，其也不再局限于传统的制造业和工业，而慢慢普及与生活。机械手是机器人研究领域中的重要部分之一，对其进行研究与创新，能够促进机器人技术的发展和提高人们的生活质量和经济水平。1.2本课题的任务要求和设计内容1.2.1任务要求实地调查学校的马桶、管道、狭小空间，设计一台多功能抓取机械手臂，其可以实现要是、手机、钱包、塑料瓶等物品的抓取功能。同时配备相应的照明设备和图像采集设备，实现快速高效的抓去工作。相应设计要进行传动机构设计计算、抓取机构设计计算、蓄电照明系统设计、图形采集系统的设计等任务，在
8、此基础上完成机械手臂的三维建模及机构运动仿真，完成装配图和相应零部件图纸绘制工作。1.2.2设计内容本设计主要内容包括传动装置设计计算，抓取机构设计计算，照明系统设计，图像采集系统设计等。实现多功能抓取机械手臂的三维建模和机构运动仿真，在此基础上完成整机的优化设计。1.3 设计方案1.3.1设计参数 根据机械原理、机械设计、人机工程等原理，自行选取相应的设计参数进行设计产品.通过实地调查和抓取对象（手机、钥匙、钱包、塑料瓶等）的分析确定其设计参数为：最大工作长度：12001500mm；爪子最大张口：100mm；抓取重量：500g；电路要防水设计，机构选材要考虑腐蚀性；选用微型摄像头，选用Led
9、灯照明，可进行选型设计；工作温度：540；传动机构：螺纹传动机构。1.3.2设计方案说明1) 小型化：所要设计的机械手臂的抓取对象是手机、钥匙、水瓶等重量不是很重的对象，由此可以设计成小型的抓取手臂。2) 爪子结构：结构简单，粘贴摩擦粗糙面或者塑料套增大摩擦系数。3) 爪子的工作原理：利用螺纹机构，通过螺纹的移动牵引着绳子往上移动从而达到抓取的作用。4) 设计蓄电照明：由于工作空间，常常为暗道，故设计蓄电照明很有必要。照明可以选择led灯，其亮度可以通过选择数量来实现，蓄电池提供能源，并要有一定的安装位置设计。初步设计其安装于夹持器处。5) 设计图像采集系统：实现可视控制。主要用于弯道处或不能
10、清晰观察的狭缝的图像采集，并实现可视控制抓取。6) 辅助设计：目的是对各个机构的美学设计，及辅助零件的设计。综上所述，本方案采用半自动化设计，既可以实现结构简单，又能可靠的实现抓取功能。体现经济性和实用性。1.3.3结构简图及简单运动分析多功能机械手臂总体设计主要分为抓爪（夹持器）、直段臂和传动机构三大部件设计及二个系统：图像采集电路系统、蓄电照明系统。1、传动机构 2、直段臂 3、夹持器图1 多功能手臂机构简图1、爪子 2、连杆 3、支撑片 4、滑块图2 夹持器的结构简图由图1、2可知，其主要工作原理是将多功能机械手臂放进管道通过图像采集寻找到目标调整抓取位置旋转摇臂螺纹上升，夹取器夹紧，回
11、复弹簧被压紧，同时螺纹自锁-待移除完毕后，打开止回棘爪夹取器受弹簧恢复力作用而松开抓取完毕。 第2章 机械设计2.1 夹持器的设计夹持器是机械手臂的核心部分，其自由度决定了动力的数量。下面是夹持器的结构简图：图2-1 夹持器工作简图2.1.1计算自由度 (2-1)故只用提供一个原动力就可以了实现抓取工作了。2.1.2机构设计连杆机构的设计方法有解析法，几何作图法和实验法，而本设计采用较直观的几何作图法。这是因为本设计是机械控制而非程序控制，故不要求过高精度，为了方便设计采用几何作图法。注：几何作图法实现的个尺寸设计均由作图软件CAD辅助设计得出。2.1.3基本位置确定由于蹲便器的排污口的尺寸一
12、般为62-98mm，以及也要求在其它狭小空间，故要求夹持器的尺寸尽量小一些。故设圆管的直径为25mm壁厚取1mm为了是结构设计得可靠、合理，还应考虑几何条件和动力条件等。取口子最大的张口是100mm爪子张开时，其深度为100x0.618=61.8mm。假设爪子张开时，爪子处于最大张角状态。如下图2-2：图2-2爪子最大张角状态图取摆杆和连杆的铰接位置在摆杆的1/3处，测得摆杆长63.2mm，又测得铰接点到管轴的距离为24.6mm,取为25mm,保证最大的传动角同时避开死点。测得摇杆摆角为48，初始位置与水平位置夹角为127，连杆与摆杆的夹角为43，在夹紧极限位置时，该夹角为30。连杆铰接点的竖
13、直行程为15.6mm。2.1.4机构的运动分析 该机构为曲柄滑块机构，利用瞬心法来分析摆杆、连杆、和滑块的速度,下面图2-3是机构运动简图（由于结构对称有可以分开运动，故只取一半作为研究对象并对其做一定的简化）：图2-3机构运动简图此机构共有个瞬心，由观察知P14、P12、P23、P34（曲柄滑块机构在无穷远处）为瞬心。由三心定理知P24必然在P12、P14和P23、P34的交点处，同时也可以找出P13。求得： （2-2） （2-3） （2-4）2.1.5受力分析（1）夹持器夹紧力计算夹紧力是设计夹持器的重要依据，故必须对其大小、方向、作用点进行分析和计算。一般地，夹紧力必须克服工件本身的重力
14、所产生的惯性力和惯性力矩来使工件保持稳定状态。夹紧力计算公式： （2-5） 安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定，一般取1.22.0，本设计取=1.5。 工件情况系数，主要惯性力影响，一般取1.12.5，本设计取=1.5。方位系数，可根据手指与工件位置及工件的形状不同而进行选定，本设计采用二指夹持，夹指尖，使受力面积小有四个接处点，粗略估算并暂取=3。G工件重量，本设计抓取对象重量最大为500g.故得： （2-6）取=34N.(2)驱动力的分析此处所说的驱动力是指爪子的牵引力。因为在其紧闭于轴线一点时传动角最小，故假设夹持器抓取500g的物体，并且处于最小传动角状态，受力情况如下图2-4（摆
15、杆为为研究对象）：图2-4爪子受力情况图由平衡条件知F1、F2到支点的力矩平衡，故有： （2-7） （2-8） （2-9） （2-10）对于连杆若不考虑自重，可视为二力杆，则滑块受力如下：图2-5滑块受力图其中，Fa为驱动牵引力，为连杆对滑块的作用力，大小为0.5倍的F2.为复位弹簧的恢复力由下面弹簧设计可知=60.606N,故得 （2-11）（3）恢复弹簧的设计因为各杆的安装位置和引动已知，故可知当爪子长得最大到闭得最小时，滑块沿着圆管的位置移动S=15.6mm.在考虑安装误差的情况下，可取S=16mm。此处选择圆柱螺旋压缩弹簧。选材：由于使用环境是含有酸碱腐蚀的，而且是小弹簧。选择不锈钢丝
16、1Cr18Ni9.直径规格d=0.6-6.0mm。计算：由于弹簧作用仅用于回复,不需要产生过大的反弹力，从而要在满足反弹作用时,反弹力尽量小一些,从而减少牵引力的的大小，减少驱动负担。选择d=1.6mm, D=18mm.型号，其单圈刚度是=11.1N/mm. 螺旋角a,一般a=5-9.取a=8则： 节距 a=8弹簧并紧磨平，两端支撑圈各一圈。一般压缩量为30%-80%，取总压缩量为65%，而预紧量为10%，则：行程S=(65%-10%)(t-d)n=16mm (n为有效圈数) , 查表取n=5圈，则：总圈数圈 实际刚度自由高度,查取=42mm. 故：最小工作载荷,此最大工作载荷故.2.1.6结
17、构尺寸的确定本设计用作图法来确定机构尺寸，初步确定尺寸后，通过强度校核来验证所设尺寸的正确性和合理性。（1）支撑片的设计因为管壁比较薄，不宜直接在闭上开孔支撑爪子，故此设计需焊接两个支撑片于壁上。安装位置如下图2-6：图2-6爪子安装位置图考虑到支撑片的稳定性，采用一半焊接在壁上。支撑片的尺寸初步如下所示：图2-7支撑片的尺寸图（2）爪子的结构尺寸设计为了减轻质量，而且体积小，爪子厚度不要过厚，各尺寸暂时设计如下图所示：图2-8爪子的结构尺寸图此该结构设计的理念是节约材料、满足不同形状物体的抓取，不破坏抓去对象，同时方便制造。爪子的底端焊接一块薄片，增大摩擦面，在这焊片上内表面粘上摩擦棉，可大
18、大提高它的摩擦系数。（3）连杆的尺寸设计连杆是连接爪子和滑块的那部分，结构比较简单为等厚体,为2mm，各尺寸如下所示：图2-9连杆结构尺寸 （4）滑块的设计滑块主要用来压缩复位弹簧和牵引连杆沿着圆管滑动。其的尺寸如下图2-10所示：由于支撑片的作用之一是支撑滑块，为了达到支撑的目的，滑块的直径选择d=21mm.为了方便安装，滑块要切掉一些，故各尺寸如下所示：图2-10滑块结构图滑块其实是有三部分组成：导向块、穿线口、支撑连杆片。各尺寸都是有作图法获得。（5）圆筒的设计圆筒的总长度由连接螺纹段、滑块行程和恢复弹簧的长度决定，设螺纹段为20,mm,则总长度约为65mm.螺纹段选择普通螺纹，螺纹段是
19、增设的螺纹圈，选择公称直径为16mm螺纹，经过校核计算可以得机构尺寸如下其结构示意图所示：图2-11圆筒结构尺寸图螺纹套和圆套管是过盈配合。2.1.7强度校核（1）选材为了结构轻便，经济，同时又能达到防腐蚀的作用，选择5052铝合金，其力学性能：抗拉强度 (MPa)173244 条件屈服强度(MPa)70 为了轻遍，有能耐腐蚀，故选择此材料。（2）夹持器的强度校核下面是爪子的简单装配示意图：图2-12爪子装配示意图通过此图可以知道，危险的截点为B点（切应力校核）和C截点（正应力校核）。B点：=102N,最小截面积6mm,故= / =102/6=17Mpa /2=86.5-122Mpa C截点:
20、F=253.49N,截面积为Ac=2x3=6mm,故= / Ac=253.49/6=42.25Mpa =173244MPa结论：以上结构设计合理有效。2.1.8连接用的销钉的选型和强度校核（1）选型由GB/T119.1-2000,选择圆柱销为连接件，d=0.6-50mm,l=1-200mm,由前面所设计的结构的尺寸，可以初步选取圆柱销的型号尺寸为：B处:=2mm, =8mm，即GB/T 881 C处：=2mm,=8mm, 即GB/T119.1 2mD处：=2mm， =8mm. 即GB/T119.1 2m(2)强度校核由于三处的直径都一样的，所以只要选取最大受力处即可。最大受力处显然是C处，故=
21、253.49/()=80.72Mpa86.5-122Mpa结论：此设计可行,所选型号可用。2.2 直管段的设计直管段主要作用是用来连接夹持器和传动机构和支撑的。结构要求不高。下面我们通过选材、尺寸选取和连接方式这三方面来说明这些作用。2.2.1选材由于可能在含酸碱的环境中工作，故要求材料要防腐蚀。一般作为杆件所用的材料有不锈钢、铝合金 等，本设计选取5052铝合金。2.2.2尺寸的确定（1）长度选取直管段的设计理念是具有伸缩功能，在本设计的机械手臂可能要在深h=1200mm的环境中工作，故取总长要大于等于1500mm为了拆装方便，可以分为二段，长段为L1=900mm,短的那段为L2=600mm
22、.夹持器的部分至少也有120mm。（2）直径选取最大直径选取与夹持器圆管的直径相同，即dz1=18mm,壁厚1mm,故可以推出dz2=16mm,厚度为2mm(为了开螺纹)。（3）连接方式a) 直管段之间的连接本设计参考拖把伸缩功能，适用塑胶材质的伸缩锁套。如下图2-13：图2-13直管段连接图数量一个，型号选择直径为16/18mm的。b) 与顶端传动机构的连接焊接方式，直接焊接一段螺纹配合c) 直管与夹持器的连接螺纹连接，由前面设计可以知道，取其配合的螺纹段，公称直径是16mm.螺纹长度是20mm。（4）强度校核分析直管结构及联接可知，其纵向受到最大工作压力为=253.49N,横向压力=1.5
23、G=7.3N所以=/Az=253.49/()/()=3.36Mpa=173244MPa=/Az=0.1MPa/2=86.5122MPa结论：上面对直管设计是可行的合理的的。2.3传动机构的设计2.3.1方案比较传动方式有很多种，比如螺纹传动，轴承传动等，传动结构也有很多种。在自己看课题要求的设计基础上选出三种进行比较：轴承传动、切向受力螺纹传动，轴向受力螺纹传动。如下表2-1：表2-1传动方式比较轴承传动（棘轮止回）切向受力螺纹传轴向受力螺纹传动工作原理轴承轴线与直管段轴线垂直，通过摇臂的旋转，绳子绕着系着绳子的轴缠绕，从而提供牵引力绳子切向缠绕于螺纹段上，绳子绕着系着绳子的轴缠绕，从而提供牵
24、引力在螺纹段轴向开一个通孔，绳子通过通孔并紧固于一端，当旋转螺纹时，螺纹段上升，则牵着绳子往上移动，从而停提供牵引力特点摇臂旋转式比较轻便，棘轮止回，但是结构复杂，体积大，在小行程的情况下，朱慧作用不明显，易受损件是轴和棘轮，制造维修成本高轴受到的切力大在行进时绳子跟着螺纹走，降低稳定性，止回作用实现难度大，要求高。已受损件是螺纹工作件。螺纹段收到轴向的压力，承受力大，而且传动精确，有自锁的功能，在辅助件的作用线下也能实现绳子的给进量的大小，结构简单，体积小，绳子，更换方便便宜结论通过比较他们各自的特点，可以知道选择轴向受力螺纹传动是最好的，在满足性能要求的前提下，结构简单，体积小，经济，使用
25、的作用。2.3.2传动机构设计本设计本着的创新的理念，大胆的巧用螺纹传动，实现爪子的抓取工作。结构示意简图如下2-14：图2-14 传动机构图1牵绳棒 2锁套 3摇臂螺纹棒 4螺纹支撑套工作原理解析：4结构和3结构以螺纹连接，2结构与3结构以螺钉连接。2结构是1河沟的套锁，可以套住1结构，防止牵引力的作用而旋转。首先先通过牵绳棒调节绳子的长度，然后由锁套锁住，转动3结构，摇臂螺纹棒上升，绳子发生位移，爪子收紧抓取物体，同事螺纹自锁，让手自由。2.3.3 机构的尺寸设计（1）牵绳棒的设计其主要用于挂绳和调节绳的长短。其结构件图如下图2-15：图2-15牵绳棒结构件图由前面的计算已知，牵引力=25
26、3.49N,故由强度校核公式计算得：max=/A=253.49/3.14/=86.5Mpa=1.9mm取=5mm。因为R和r不是工作主要部位，所以满足工艺尺寸就可以了。暂时取R=7mm,r=5mm.而长度L1由摇臂螺纹棒尺寸决定。在该结构的一端开有一小口，用于插销的，来防止转动和滑脱的。不是主要工作件不做详细设计。（2）套锁设计锁套的作用是用于锁住牵绳棒，防止在牵引力的作用下发生旋转并起到支撑的作用。其如下图2-16：图2-16套索结构图在支撑牵绳棒的口的附近，焊接一个小圆柱体，用来当挡板。（3）摇臂螺纹棒和螺纹套的设计摇臂螺纹棒的作用是旋转的时候，螺纹棒会发生位移，从而牵引着绳子移动，从而达
27、到抓取的作用。而螺纹套是焊接在直管段上的，与摇臂螺纹棒相配合下面图2-17是螺纹套和棒简单的配合图：图2-17是螺纹套和棒的配合图1)螺纹的选型因为已知最大行程是16mm，牵绳棒的直径是5mm(周长约为19mm),故为了提高稳定性。选择螺纹套的长L4=16x2=32mm，所以摇臂棒的L3=16+16+32=64mm.因为该螺纹棒受单向轴向力作用，所以可以选择锯齿形（3、30）螺纹GB/T13576.14-1992。2)螺纹的尺寸由于工作时，螺纹棒有可能伸到直管段去故取d=12mm，取螺距P=2mm的，基本牙型高度最高为1.5mm,所以本设计取=1.5mm,查找机械手册可知，此时螺纹的各参数为：
28、(D内d外)P=2mm =1.5mmAc=0.236mm而 =1.736mmR=0.249mm牙底宽=牙顶宽=0.528mm中经=12-1.5=10.5mm小径=12-2=9mm另外一个牙型=12-21.736=8.528mm。3）螺纹套的尺寸取其壁厚为10mm外径Dw=9+20=29mm内径D=12mm 长度=32mm4)摇臂螺纹棒的尺寸直径 d=12mm=64mm”=L3+(8-15)=64+(8-15 )=72-79 mm,取”=75mm=(5-10)d3=(5-10) 12=60-120mm,取=100mm而=d=12mm 由套索的设计可知=5mm 为了节约材料，打孔的孔径d=4mm.
29、其余尺寸按工艺要求选取即可。(4)强度校核螺杆强度计算：受轴向力Q和扭矩T的作用，简化为1.3Q计算,故强度是满足的，该设计有效。第4章 电路的选型设计4.1照明系统的选型设计 由于本设计的体积微小，而且适用的场合一般不连续，在设计照明系统的时候就要考虑到它的电源的方式，和照明灯的类型。在此基础上，我们优先定位在电子产品，可以从电子微型照明器下手。下面是我选型的图片： 图4-1选型图该型号体积小照明足，电子产品。4.2图像采集系统的选型设计 图像采集是该手臂的一个功能，但是也受到空间的局限，所以选择微型摄像头，可以借鉴手机摄像头，体积小，可以用手机作为接收器。具体电路不做设计。第5章辅助件的选
30、型设计5.1爪子橡胶套 为了增大的抓取效率，提高爪子的摩擦系数很有必要，所以在这，选择一个能包紧爪子前端的橡胶套增大摩擦。尺寸由爪子决定，材料要细软。5.2 手机固定夹这是方便图像采集的时候，固定图像采集屏用的如下图：5.3 牵引绳选择绳子是提供牵引力的中间件，必不可少，为了能承受得住我们设计的拉力，而且体积小，我们可以选取我们俗称的鱼丝。我们可以选择直径为0.5-0.6mm的大力马鱼线，长度3m。总 结本次多功能机械手臂的设计主要是夹持器，传动机构的设计过程。内容主要有：本设计主要内容包括传动装置设计计算，抓取机构设计计算，照明系统设计，图像采集系统设计等。实现多功能抓取机械手臂的三维建模和
31、机构运动仿真，在此基础上完成整机的优化设计。题目需要综合能力，涉及知识面广，尤其是确定方案的时候，需要各种考虑计算，才能确定。不过培养了我工程思想及意识，理论联系实际，提高初步设计能力。设计要求在保证其原有性能的前提下，尽可能地提高其特色即性能价格比。并且要求该机械手具有较小的体积，简单的结构和低廉的价格，以及造型美观的外形，各调整环节的设计要方便人体接近方便工具的使用。其难点在于结合实际，进行结构设计. 在设计过程中，本人综合运用了四年来所学到的专业知识，感觉到自己专业知识中某方面的欠缺，通过了再次的复习，明显感觉到了知识的增长，我们从中学到了很多的知识，也体会到了毕业设计的综合性，结合辅导
32、老师的指导与自己的专业知识和生产实践，才能较为完整地完成此次设计任务。致 谢本毕业论文是在我的导师教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。半年来，老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在此我还要感谢研究生，正是由于她的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了
33、我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!同时感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们！最后感谢我的母校大学四年来对我的栽培。参考文献1 王丰、李明颖、赵永成. 机电传动控制M.清华大学出版社，2011， 2 杨可桢、程光蕴、李仲生等 . 机械设计基础M. 高等教育出版社， 2006， 3 成大先. 机械设计手册M全册. 化学工业出版社， 2011， 4 成大先. 机械设计图册M. 化学工业出版社， 2002年 5 日本机器人学会 . 机器人技术手册M（第二版）. 中国科学院科学出版社，1996， 6 田宇 .伺服与运动控制系统设计M）.人民邮电出版社，2010.05， 7 张春林. 机械创新设计
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