救援無(wú)人機(jī)機(jī)械系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

救援無(wú)人機(jī)機(jī)械系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要近年來(lái)，科技領(lǐng)域的各個(gè)方面都得到高速的發(fā)展，例如材料應(yīng)用技術(shù)、動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)、數(shù)字傳感技術(shù)等等，與此同時(shí)救援無(wú)人機(jī)以及相關(guān)設(shè)備也得到了全面而快速的發(fā)展，裝備了先進(jìn)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，使其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。其主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在其復(fù)雜和危險(xiǎn)的環(huán)境下也能進(jìn)行航空救援工作。對(duì)救援無(wú)人機(jī)的研究也將是科技創(chuàng)新的新時(shí)代。救援無(wú)人機(jī)主要是通過(guò)圖像識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)救援對(duì)象進(jìn)行識(shí)別，然后通過(guò)遙控器發(fā)射信號(hào)，飛行控制系統(tǒng)可以快速捕捉到信號(hào)，然后結(jié)合各個(gè)傳感器的反饋信號(hào)來(lái)控制電流的輸出，來(lái)使救援無(wú)人機(jī)完成上升、下降、置空等救援動(dòng)作，同時(shí)控制著救援無(wú)人機(jī)機(jī)械手的工作。首先對(duì)現(xiàn)有救援無(wú)人機(jī)與機(jī)械爪手展開(kāi)研究，構(gòu)建救援無(wú)人的大致框架。根據(jù)前人的設(shè)計(jì)進(jìn)行模仿創(chuàng)新，將各功能重新分開(kāi)研究，在基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，其中包括無(wú)人機(jī)的整體結(jié)構(gòu)、續(xù)航系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、各個(gè)控制系統(tǒng)及機(jī)械手，將其完美組合使得救援無(wú)人機(jī)整體協(xié)作起來(lái)，且能夠在經(jīng)濟(jì)高效的前提下達(dá)到畢業(yè)設(shè)計(jì)的的要求。關(guān)鍵詞：救援無(wú)人機(jī)；機(jī)械手；結(jié)構(gòu)優(yōu)化Rescuedronemechanicalsystemandstructuraldesign

AbstractWiththedevelopmentofmaterialstechnology,digitaltechnology,powersystemtechnology,andsensortechnology,inrecentyears,rescuedronesequippedwithautonomousdrivingequipmenthavealsodevelopedrapidly,andtheirapplicationfieldsarebecomingmoreandmoreextensive.Itsmainadvantagesarereflectedinitsabilitytoconductaerialreconnaissanceinitscomplexanddangerousenvironment.Researchonrescuedroneswillalsobeatrendoftechnologicalinnovation.Therescuedronemainlytransmitssignalsthroughtheremotecontrol,andthereceiverreceivesthesignalsandtransmitsthemtotheflightcontroller.Thesignalsfromtheflightcontroller'sintegratedsensorsandthesignalsreceivedbythereceivercontroltheoutputofthecurrent,soastocontrolthespeedofeachrotoroftheaircraftThecorrespondingflightattitude,whilecontrollingtheworkoftherescuedronemanipulator.First,researchtherescuedroneandsortouttheoveralldesignideas.Throughthemethodofimitationcreationandfunctionaldecomposition,therescuedroneisdecomposedintovariousmodules,includingracks,brushlessmotors,electronicgovernors,batteries,flightcontrollers,remotecontrollers,androbots.Themainfunctionsareanalyzed.,Andthendesignandanalyzethemanipulator,sothattherescuedroneasawholecooperatesandcanmeettherequirementsofgraduationdesignunderthepremiseofcost-effectiveness.Keywords:Rescuedrone;manipulator;structuraloptimization目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1前言 31.2國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況 3\o"CurrentDocument"1.3本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 4\o"CurrentDocument"2機(jī)械爪手設(shè)計(jì)方案 4\o"CurrentDocument"2.1機(jī)械爪手的設(shè)計(jì)要求和功能要求 4\o"CurrentDocument"2.1.1設(shè)計(jì)要求 4\o"CurrentDocument"2.1.2功能要求 5\o"CurrentDocument"2.2常見(jiàn)機(jī)械爪手 5\o"CurrentDocument"2.2.1夾鉗式機(jī)械爪手 5\o"CurrentDocument"2.2.2彈性力機(jī)械爪手 5\o"CurrentDocument"2.2.3勾托式機(jī)械爪手 5\o"CurrentDocument"2.3方案對(duì)比分析和確定 5\o"CurrentDocument"2.3.1方案一二指平動(dòng)手爪 6\o"CurrentDocument"2.3.2方案二三指關(guān)節(jié)機(jī)械手爪 6\o"CurrentDocument"2.3.3方案分析 63機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7\o"CurrentDocument"3.1機(jī)械手的結(jié)構(gòu)分析 7\o"CurrentDocument"3.2手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8\o"CurrentDocument"3.2.1手指數(shù)量 9\o"CurrentDocument"3.2.2手指的材料 9\o"CurrentDocument"3.3底座的設(shè)計(jì) 9\o"CurrentDocument"3.4驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 10\o"CurrentDocument"3.4.1驅(qū)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)和選擇 10\o"CurrentDocument"3.4.2電動(dòng)機(jī)的選擇 11\o"CurrentDocument"3.5螺栓連接的選擇與校核 12\o"CurrentDocument"3.5.1螺栓選擇 12\o"CurrentDocument"3.5.2螺栓校核 13\o"CurrentDocument"4三維設(shè)計(jì)與分析 13\o"CurrentDocument"4.1軟件概述 134.1.1參數(shù)化設(shè)計(jì) 13\o"CurrentDocument"4.1.2基于特征建模 13\o"CurrentDocument"4.1.3單一數(shù)據(jù)庫(kù) 13\o"CurrentDocument"4.2三維設(shè)計(jì)與裝配 14\o"CurrentDocument"4.2.1零件三維設(shè)計(jì) 14\o"CurrentDocument"4.2.2虛擬裝配 15\o"CurrentDocument"5基于ANSYS的有限元分析 17\o"CurrentDocument"5.1本設(shè)計(jì)的目的、意義 17\o"CurrentDocument"5.2ANSYS軟件的概述 17\o"CurrentDocument"5.3ANSYS抓手有限元靜力分析 18\o"CurrentDocument"5.3.1材料設(shè)置 18\o"CurrentDocument"5.3.2模型創(chuàng)建 19\o"CurrentDocument"5.3.3網(wǎng)格劃分 20\o"CurrentDocument"5.3.4邊界條件的設(shè)置 22\o"CurrentDocument"5.3.5約束的設(shè)置 22\o"CurrentDocument"5.3.6載荷加載 22\o"CurrentDocument"5.3.7求解計(jì)算 225.3.8結(jié)果分析 23\o"CurrentDocument"5.4結(jié)論 24\o"CurrentDocument"6總結(jié) 24參考文獻(xiàn) 24謝辭 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。V、性―、亠1前言近年來(lái)，多旋翼無(wú)人飛行器得到了快速的發(fā)展，裝配無(wú)人駕駛系統(tǒng)。這些無(wú)人機(jī)也稱為空中無(wú)人機(jī)器人，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。無(wú)人機(jī)按用途分可以分為兩種，一種為軍用無(wú)人機(jī)，另一種則為民用無(wú)人機(jī)。在軍事無(wú)人機(jī)中發(fā)展較為完善，而在民用無(wú)人機(jī)的發(fā)展中還存在很多的空間。所以本研究重點(diǎn)研究民用的多翼無(wú)人機(jī)。多翼無(wú)人機(jī)它的好處在于無(wú)論地勢(shì)多復(fù)雜、氣候多惡劣都能優(yōu)秀的完成偵查救援任務(wù)。由其是將四翼無(wú)人機(jī)與救援系統(tǒng)相結(jié)合其升力大、成本低、升級(jí)空間大、靈活性強(qiáng)、飛行靈活、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。隨著材料技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)、電力系統(tǒng)技術(shù)和傳感器技術(shù)的高速發(fā)展，配備了一個(gè)夾緊機(jī)械手的設(shè)備援助無(wú)人機(jī)也獲得了快速發(fā)展，其主要的優(yōu)勢(shì)是拯救一個(gè)在復(fù)雜或危險(xiǎn)環(huán)境中等待救援的人，并且可以通過(guò)救援無(wú)人機(jī)傳遞必要的救援信息。1.2國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況2012年，日本注冊(cè)了約2.4萬(wàn)架多旋翼無(wú)人機(jī)，這原因是用于農(nóng)藥噴灑的多旋翼無(wú)人機(jī)數(shù)量龐大。2011年以來(lái)，美國(guó)由于研究經(jīng)費(fèi)大大增加，使得多翼無(wú)人及的到空前的高速發(fā)展。相對(duì)來(lái)說(shuō)，歐洲此時(shí)在無(wú)人機(jī)方面的發(fā)展較為緩慢。目前，許多公司已經(jīng)研發(fā)生產(chǎn)了100多架無(wú)人多旋翼無(wú)人機(jī)，其中最常見(jiàn)的是四旋翼和六旋翼。主動(dòng)防御技術(shù)也被引入到無(wú)人機(jī)中。與此同時(shí)，很多民間小企業(yè)也十分重視無(wú)人行業(yè)的發(fā)展，向其引入了許多新型技術(shù)，使得多種多樣的無(wú)人機(jī)出現(xiàn)在人們視野中。有關(guān)六旋翼無(wú)人機(jī)攜帶用于執(zhí)法、視頻和檢查的攝像頭的新聞很常見(jiàn)。以深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司為例，自2012年以來(lái)，公司規(guī)模不斷壯大，現(xiàn)已成為世界領(lǐng)先的無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)及無(wú)人機(jī)解決方案研發(fā)和制造企業(yè)。該公司的客戶遍及100多個(gè)國(guó)家。早在上世紀(jì)90年代末，美國(guó)就開(kāi)始使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行災(zāi)害監(jiān)測(cè)和救援，但在中國(guó)，無(wú)人機(jī)還沒(méi)有用于地震災(zāi)害等應(yīng)急方面的應(yīng)用。在2008年汶川地震發(fā)生之前，中國(guó)科學(xué)院課題組是第一個(gè)嘗試將遙感無(wú)人機(jī)應(yīng)用于震中災(zāi)害航拍的課題組。之后，遙感無(wú)人機(jī)在玉樹(shù)、蘆山地震后的應(yīng)急救援中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。許多緊急救援實(shí)踐證明,無(wú)人機(jī)可以迅速進(jìn)入災(zāi)區(qū)地震后的航拍照片,現(xiàn)在也可以直接遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)實(shí)時(shí)回清晰的圖像;無(wú)人機(jī)具有成本低、操作方便和快速的反應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，這是更加有效的調(diào)查在大面積地震破壞的災(zāi)難面前。無(wú)人機(jī)的出現(xiàn)，專家們可以利用無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)對(duì)難情進(jìn)行分析以及評(píng)估傷害。目前的無(wú)人機(jī)技術(shù)除了可以對(duì)災(zāi)害進(jìn)行航拍外，還可以裝載多種有效載荷模塊，若將其“轉(zhuǎn)化”為移動(dòng)通信基站，同時(shí)具備災(zāi)后運(yùn)輸、物資配送、宣傳等救援的潛力。因此，無(wú)人機(jī)將成為應(yīng)急救援中不可或缺甚至不可替代的航空力量。1.3本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容本文介紹了一種救援無(wú)人機(jī)的機(jī)械爪的設(shè)計(jì)，這種無(wú)人機(jī)與機(jī)械爪手的組合是一種能在惡劣環(huán)境中幫助救援人員展開(kāi)救援工作的新方法。它不僅自身有很好的抓取能力，將其優(yōu)勢(shì)與無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，充分發(fā)揮救援無(wú)人機(jī)的作用。救援無(wú)人機(jī)通過(guò)與機(jī)械手相互配合，完成對(duì)各種物體的抓取任務(wù)，且自動(dòng)返回。本文包括了機(jī)械爪的建模與工作原理，還包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和ansys靜力學(xué)分析。2機(jī)械爪手設(shè)計(jì)方案2.1機(jī)械爪手的設(shè)計(jì)要求和功能要求2.1.1設(shè)計(jì)要求機(jī)械爪手首先抓物體十分牢靠，自身要有一定的強(qiáng)度，然后再與四翼無(wú)人機(jī)相結(jié)合，利用其準(zhǔn)確快速的飛行能力完成許多救援工作，并最后安全返回。機(jī)械爪手應(yīng)當(dāng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和輕量化，避免錯(cuò)綜復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。爪手控電路應(yīng)該簡(jiǎn)單可靠，在不影響功能的前提下，盡可能減少驅(qū)動(dòng)電機(jī)的數(shù)量，并且可以在不通電的情況下自鎖，實(shí)現(xiàn)低功耗、高效率，為無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力創(chuàng)造條件。2.1.2功能要求可以對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)假設(shè)，能抓取方形或圓柱形，球體及不規(guī)則形狀的物體。在理想狀態(tài)下，可抓取最大尺寸為100mm、重lOOOg的物體。2.2常見(jiàn)機(jī)械爪手2.2.1夾鉗式機(jī)械爪手夾鉗式的機(jī)械爪手，它一般由手指、驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)系統(tǒng)及連接與支承原件組成，通過(guò)手指的上下移動(dòng)來(lái)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行夾取。其手部結(jié)構(gòu)與螃蟹鉗子相似，廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人的一種手部結(jié)構(gòu)。夾鉗式機(jī)械爪手又可以分為兩種結(jié)構(gòu)，一種為回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)，另一種為平移型結(jié)構(gòu)?；剞D(zhuǎn)型的工作原理是兩個(gè)杠桿通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)帶動(dòng)手指，然后手指會(huì)繞指定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)閉運(yùn)動(dòng)。而平動(dòng)型機(jī)械爪手的工作原理是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)帶動(dòng)兩個(gè)手指作相對(duì)的平移運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)閉運(yùn)動(dòng)。2.2.2彈性力機(jī)械爪手彈性力機(jī)械爪手的特點(diǎn)是通過(guò)彈性原件來(lái)夾緊物品，它在裝夾目標(biāo)物體時(shí)僅需要施加一定的壓力就可，可以省去特定的動(dòng)力裝置。但是，在放下物體時(shí)需要施加一個(gè)拉力，且這個(gè)拉力要大于目標(biāo)物體的自重。對(duì)于目標(biāo)物體的形狀也有要去，其必須與手指的形狀相似，而且抓取的方向要同一方向進(jìn)行抓取。2.2.3勾托式機(jī)械爪手鉤爪不是通過(guò)夾緊力來(lái)抓住物體，而是利用物體的重量和水平手指產(chǎn)生的支持力來(lái)鉤住或拖動(dòng)物體。由于鉤式手爪主要依靠手指的支持力來(lái)夾緊物體，不是特別依賴于驅(qū)動(dòng)裝置的力矩大小，且不需要很大的夾緊力。2.3方案對(duì)比分析和確定機(jī)械手爪是救援無(wú)人機(jī)最關(guān)鍵的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是否能精確穩(wěn)定的加持物體是提高救援無(wú)人機(jī)的工作效率和推進(jìn)工作水平為重點(diǎn)。機(jī)械手抓的設(shè)計(jì)好壞主要取決于裝夾是否牢固、定位是否精確、是否具有普遍性。目前常用的機(jī)械爪手多數(shù)為三種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的爪手，一種為夾鉗式，另一種是彈性力式，還有一種是勾托式。他們都有一個(gè)缺陷就是其工作原理過(guò)于簡(jiǎn)單導(dǎo)致裝夾對(duì)象單一。近些年以來(lái)隨著機(jī)械的各個(gè)方面的發(fā)展，出現(xiàn)了許多各種各樣的爪手的結(jié)構(gòu)，從簡(jiǎn)單變復(fù)雜，從單一到普遍，他們的功能也越來(lái)越多樣化。從自然界尋找靈感，爪手也趨于仿生化。實(shí)踐證明，手指越多抓取物品更加穩(wěn)定，可以抓取各種形狀不一的物品，但手指過(guò)多使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜多余，所以三指機(jī)械爪手的結(jié)構(gòu)是最佳選擇。2?3?1方案一二指平動(dòng)手爪方案一是一種多連桿的二指平動(dòng)機(jī)械爪，它是由很多個(gè)可以自由活動(dòng)的小關(guān)節(jié)組成的。然后使用電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，使得機(jī)械爪完成裝夾的動(dòng)作。圖2.1二指平動(dòng)機(jī)械手原理圖該類型機(jī)械爪手以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)源，具有傳動(dòng)靈敏和傳動(dòng)精度高的特點(diǎn)。該類型的機(jī)械爪一般結(jié)構(gòu)大小適中，生產(chǎn)成本不高，一般用于科研機(jī)器人和教學(xué)機(jī)器人。其工作原理是電機(jī)帶動(dòng)第一動(dòng)力桿，再通過(guò)連桿傳給平行四邊形結(jié)構(gòu)，帶動(dòng)手指的張合。手指的表面是粗糙的，目的是為了增加與裝夾物體間的摩擦系數(shù)，使得抓的更加的牢固。手指與裝夾物體之間還有壓力傳感器通過(guò)物體的硬度大小來(lái)判斷需要多大的夾緊力，防止物體被夾壞。2.3.2方案二三指關(guān)節(jié)機(jī)械手爪方案二是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的三指關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)機(jī)械手，使得機(jī)械爪手更靈活、更穩(wěn)定的抓取目標(biāo)物體。從而設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的三指機(jī)械手爪。其工作方式為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)與其連接的圓盤，再通過(guò)曲型連接件傳動(dòng)，與其端部分別通過(guò)連桿與三根手指連接；電機(jī)帶動(dòng)圓盤和曲形連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)連桿控制手爪開(kāi)合。三根手指呈正三角形排布，抓握時(shí)被抓取物受力均勻。該新型的三指手爪設(shè)計(jì)方案表現(xiàn)出機(jī)械爪手具有控制簡(jiǎn)單、抓握可靠的優(yōu)點(diǎn)。2.3.3方案分析應(yīng)根據(jù)機(jī)械爪的具體使用情況來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)械爪結(jié)構(gòu)，它的功能確定時(shí)，爪手的結(jié)構(gòu)及工作也就大致確定。當(dāng)爪手的自由度數(shù)越高，手指的靈活性就越高，夾持的對(duì)象就越來(lái)越多樣化，與此同時(shí)控制也會(huì)變得越復(fù)雜、制造成本也會(huì)隨著其復(fù)雜程度而變高。方案一：夾鉗式的機(jī)械爪，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本底，但是電機(jī)的轉(zhuǎn)速與手指工作時(shí)的速度成非線性的關(guān)系，造成機(jī)械爪在夾取物體時(shí)產(chǎn)生較大的沖擊力，沖擊力接觸物體產(chǎn)生慣性力，同時(shí)慣性力對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)就會(huì)產(chǎn)生較大影響，為了能使夾持更可靠，無(wú)人機(jī)需要消耗大量的電量來(lái)維持平衡，使得無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力大大縮減。與此同時(shí)此機(jī)械爪只能上下平動(dòng)，夾取物體有一定的難度，難以實(shí)現(xiàn)一手多用。方案二：三指關(guān)節(jié)機(jī)械爪，相對(duì)于二指的來(lái)說(shuō)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，但是電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可以保證手指也是勻速運(yùn)動(dòng)，在夾取物體時(shí)不會(huì)產(chǎn)生沖擊力。故不會(huì)拉低無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間。該機(jī)械爪手具有三個(gè)指節(jié)，能夠?qū)Υ笮∠嗨?，但形狀不一的物體實(shí)現(xiàn)抓取，并且受力均勻，而在手爪末端的彎曲，使其不僅依靠摩擦力抓取，在對(duì)方形物體以及其他不同形狀物體的抓取，也有著不俗的表現(xiàn)，真正實(shí)現(xiàn)一手多用的功能。3機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1機(jī)械手的結(jié)構(gòu)分析考慮到被抓取物的多樣性，以及其裝載在無(wú)人機(jī)上的行程限制，這對(duì)機(jī)械手的選擇提出了具體的要求，其結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。有三個(gè)手指的手爪，圓周對(duì)稱的三個(gè)手指。在電機(jī)的控制下，通過(guò)曲形連桿與電機(jī)相連的三個(gè)手指可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)開(kāi)合，并對(duì)不同形狀物體的夾緊。下圖為由Pro/E軟件設(shè)計(jì)的救援無(wú)人機(jī)抓取端執(zhí)行器的三維模型。LO6LO6圖3.1機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖工作原理：將當(dāng)無(wú)人機(jī)的機(jī)械手位于被抓取物附近時(shí)，機(jī)械手上的傳感器檢測(cè)到物體，機(jī)械手的位置的相對(duì)位置與被抓取物的的中心位置對(duì)齊，在機(jī)械手的控制信號(hào)，觸發(fā)單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的位置傳感器，控制與手爪相連的電機(jī)工作，繼而機(jī)械手合起抓住貨物，手指端壓力傳感器檢測(cè)能保證檢測(cè)到的壓力的實(shí)時(shí)性，以及確定是壓力是否達(dá)到閾值，閾值由實(shí)驗(yàn)得出并在無(wú)人機(jī)單片機(jī)程序中設(shè)定好。如果達(dá)到這個(gè)閾值，則停止機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)并反饋給單片機(jī)抓取完成的信號(hào)。3.2手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)為了使機(jī)械爪手有良好的通用性，在減少驅(qū)動(dòng)源的基礎(chǔ)上，使之能夠抓住任意形狀，能適用于更廣的應(yīng)用范圍，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加的簡(jiǎn)單，容易控制。機(jī)械手手指的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞模式主要用在通過(guò)曲形連桿及關(guān)節(jié)開(kāi)合手爪。這樣的設(shè)計(jì)可以很好的適用于無(wú)人機(jī)上驅(qū)動(dòng)行程短，載重能力較低的情況3.2.1手指數(shù)量相對(duì)于兩個(gè)手指，三個(gè)手指能更好的抓取各種形狀的物體，且穩(wěn)定性更好。配合傳感器，可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的抓取及載運(yùn)工作。3.2.2手指的材料手指選擇適當(dāng)?shù)牟牧希瑢?duì)救援無(wú)人機(jī)的作用有著很大的影響。為了使手指需要有著足夠的強(qiáng)度和質(zhì)量且符合機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)尺寸，本設(shè)計(jì)選用的材料是尼龍6/10。因?yàn)槟猃埦哂泻芨叩臋C(jī)械強(qiáng)度，質(zhì)量輕，非常有韌性吸震性，耐油，耐弱酸等特點(diǎn)。圖3.1單節(jié)手指機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖3.3底座的設(shè)計(jì)機(jī)架主要是用來(lái)安裝驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各手爪手指，對(duì)其有著機(jī)身小巧，體積小，重量輕的設(shè)計(jì)要求。考慮到安裝三根手指的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其主體為正六邊形，用以固定和支撐手爪驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及手爪。機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。

血I⑹【花血I⑹【花40圖3.2底座結(jié)構(gòu)3.4驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.4.1驅(qū)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)和選擇目前常見(jiàn)的機(jī)械手驅(qū)動(dòng)主要有三種，一種是氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，一種是電氣驅(qū)動(dòng)，最后一種是液壓驅(qū)動(dòng)：（1） 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)一般是用空氣壓縮機(jī)來(lái)作為動(dòng)力的來(lái)源，是一種用壓力驅(qū)動(dòng)制動(dòng)器來(lái)氣動(dòng)壓縮空氣的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)能保證操作者的安全，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，污染少，可通過(guò)調(diào)節(jié)空氣流量，調(diào)節(jié)速度，但大尺寸設(shè)備的運(yùn)動(dòng)速度不穩(wěn)定，定位精度不高，抓取力小。（2） 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出力的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)流體壓力驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，有效的，應(yīng)速度快，簡(jiǎn)單，可以滿足一個(gè)非常廣泛范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速要求，應(yīng)用十分的廣泛，不會(huì)產(chǎn)生額外的附加力，轉(zhuǎn)變方向也十分的柔和，但容易泄漏，污染和成本很高，傳輸特性受液體粘度變化的影響。（3） 電氣傳動(dòng)模型，電脈沖信號(hào)控制的開(kāi)環(huán)控制元件的線性位移成為步進(jìn)電機(jī)的角位移，其優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)單，快速的反應(yīng)，無(wú)累積誤差等。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的轉(zhuǎn)子，具有良好的動(dòng)態(tài)特性，精度咼，便于調(diào)速，速度快，運(yùn)行平穩(wěn)，易于控制等特點(diǎn)?；诓竭M(jìn)電機(jī)的這些優(yōu)點(diǎn)本設(shè)計(jì)中采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。3.4.2電動(dòng)機(jī)的選擇步進(jìn)電機(jī)，是將一種信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖和脈沖數(shù)成正比的角位移或線位移的執(zhí)行元件。它的優(yōu)勢(shì)在于以下：（1）脈沖頻率和線速度為線性關(guān)系；（2）不受環(huán)境條件的變化、電壓波動(dòng)和負(fù)載的變化而變化；（3）反應(yīng)靈敏能快速的啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，且速度可以調(diào)控；（4）定位精度高，同步啟動(dòng)特性好。救援無(wú)人機(jī)機(jī)械手手爪的適用環(huán)境，要求電機(jī)應(yīng)有響應(yīng)迅速、具有普遍適用性、受環(huán)境影響小，額定功率小，并可用于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。根據(jù)所有這些條件，本設(shè)計(jì)選擇90BF004型的步進(jìn)電機(jī)，該機(jī)功率為60W。以下為選擇主要有步驟：（1）根據(jù)最大靜轉(zhuǎn)矩和脈沖當(dāng)量來(lái)初選電機(jī)型號(hào)（a） 步距角首先初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)，從手冊(cè)中查到步距角b，由于b9L Q z—<8 （3-1）ix360p綜合考慮，我初選了9二1.5o,i=4，滿足以上公式。b（b） 距頻特性步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax為電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)的名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mmq與最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax的關(guān)系式為：Mmq=九Mjmax （3-2）電機(jī)在沒(méi)有外加工作負(fù)載下的啟動(dòng)稱為步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)所需要空載啟動(dòng)力矩按下式計(jì)算：Mkq=Mka+Mkf+M° （3-3）式中：Mo為絲桿預(yù)緊折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩；Mkq為空載啟動(dòng)力矩；Mka為空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度折算到電機(jī)軸上的加速力矩；Mkf為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩。而且初選電機(jī)的型號(hào)時(shí)要符合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)必要的空載啟動(dòng)力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即：Mkq<Mmq=2Mjmax （3-4）計(jì)算Mkq的各項(xiàng)力矩如下：加速力矩J=J+J=1.8x10-5+MR2/i2=1.8x10-5+8.8x10-5=10.6x10-5Kg?m2工 1 2

nmaxv6 4800X1.5nmax=maxb= =4000r/m8X360 0.005X360pMka=J，X10-2=(10-6X10-1+?8X10-1)X2^X400°X10-2=0^9N?m空載摩擦力矩MkfGf‘MkfGf‘L02兀r|i13.96x0.27x42x兀x0.8x4=0.6N?m附加摩擦力矩FL 40X4M=—yj0（1-耳2）= — x（1-0.922）=1.222N?m0 2兀qi 0 2x兀x0.8x4M=M+M+M=0.519+0.6+1.222二2.341N?mkqkakf0M二九M 二0.951x25二23.775N?mmq jmaxM<Mkqmq（2）啟動(dòng)矩頻特性校核步進(jìn)電機(jī)分可以為三種工作狀態(tài)：一種是啟動(dòng)，第二種是快速進(jìn)給運(yùn)行，第三種是工進(jìn)運(yùn)行。前面提出的M<M二九M ，不能避免電機(jī)啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)不丟步的現(xiàn)象，只是為kqmq jmax了最大靜轉(zhuǎn)矩滿足初選電機(jī)后，最后在檢查電機(jī)的要求。因此，后面還要多一步就是對(duì)啟動(dòng)矩頻特性進(jìn)行進(jìn)一步校核。步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)有升速啟動(dòng)和突跳啟動(dòng)。突跳啟動(dòng)時(shí)加速力矩很大，啟動(dòng)時(shí)不可避免丟步，因此很少用。而升速啟動(dòng)過(guò)程中只要保證升速時(shí)間足夠長(zhǎng)，且啟動(dòng)過(guò)程緩慢，空載啟動(dòng)力矩皿0中的加速力矩Mk不會(huì)kq ka很大。一般不會(huì)發(fā)生丟步現(xiàn)象，滿足要求。3.5螺栓連接的選擇與校核3.5.1螺栓選擇因?yàn)檩S承受一定橫向工作載荷的作用，所以選用鉸制孔用螺栓。從《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》中表10-1中查得螺栓為：M3X0.5,D1=3mm，P=0.5mmo

3.5.2螺栓校核①根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》中表10-6選取螺栓材料性能為4.8級(jí)，公稱屈服極限。s=320Mpa，由于裝配時(shí)不要求嚴(yán)格控制預(yù)緊力，按表10-8取安全系數(shù)S=3。螺栓的許用應(yīng)力：cb」=芒=107Mpa螺栓的拉應(yīng)力：1.3Fab=螺栓的拉應(yīng)力：1.3Fab=—兀d2/41.3x5x43.14x32=0.92Mpa<b」'滿足要求。②因?yàn)殂q制孔用螺栓受橫向載荷，所以螺栓按受剪切進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。查《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》中表10-7取螺栓的剪切應(yīng)力為：匸」=和=125Mpa螺栓的剪切應(yīng)力：滿足要求。2.5螺栓的剪切應(yīng)力：滿足要求。F 5x4t= = - =0.35Mpa<b」m兀d2/4 2x3.14x904三維設(shè)計(jì)與分析4.1軟件概述Pro/Engineer簡(jiǎn)稱Pro/E是一款十分常用的三維建模軟件。它是由美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司開(kāi)發(fā)的，集中了CAD、CAM、CAE為一體。在各行各業(yè)中都發(fā)揮著重要的作用，由于他是現(xiàn)在機(jī)械領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)，得到業(yè)界的高度認(rèn)同，所以是當(dāng)今社會(huì)十分流行的三維建模軟件之一。4.1.1參數(shù)化設(shè)計(jì)當(dāng)建模時(shí)，可以將一個(gè)復(fù)雜的三維模型分解為多個(gè)構(gòu)成要素，每一個(gè)構(gòu)成都具有它各自的特點(diǎn)，而且它是被有限個(gè)參數(shù)所限制的，這就是參數(shù)化設(shè)計(jì)。4.1.2基于特征建模當(dāng)我們操作軟件時(shí)，Pro/E固有的系統(tǒng)模型是構(gòu)成一切三維模型的基礎(chǔ)，可以根據(jù)三維模型的特點(diǎn)畫(huà)草圖，然后通過(guò)拉伸、掃描、陣列等操作得到自己想要的三維模型。操作簡(jiǎn)單通俗易懂。4.1.3單一數(shù)據(jù)庫(kù)Pro/E在一個(gè)獨(dú)有的數(shù)據(jù)庫(kù)上建立的，和其他系統(tǒng)不同，是在多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)上建立的。不管它的部門，一般統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)項(xiàng)目都是從一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，以每一個(gè)產(chǎn)品的用戶在獨(dú)立的模擬和工作。

4.2三維設(shè)計(jì)與裝配4.2.1零件三維設(shè)計(jì)在Pro/E零件設(shè)計(jì)模塊對(duì)各零件進(jìn)行三維建模，主要零件的建模結(jié)果如下:(1)第一關(guān)節(jié)圖4.1第一關(guān)節(jié)(2)第二關(guān)節(jié)圖4.2第二關(guān)節(jié)手指末端

圖4.3指尖曲形連桿(5)支架圖4.5支架4.2.2虛擬裝配虛擬裝配就是先將前面所設(shè)計(jì)好的零件分別組裝在一起，即首先先將手指與各連接件裝配到一起，然后將裝配好的手指與底座間接在一起，最后裝配到無(wú)人機(jī)中。(1)手指裝配(2)總成裝配(3)裝配入無(wú)人機(jī)圖4.7總成虛擬裝配圖4.8裝配入無(wú)人機(jī)5基于ANSYS的有限元分析5.1本設(shè)計(jì)的目的、意義目前，無(wú)人機(jī)已廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥噴灑、播種、電纜檢測(cè)、婚禮攝影、電影攝影等多個(gè)領(lǐng)域。無(wú)人機(jī)還可以裝配各種負(fù)載，例如攝像頭、雷達(dá)、紅外攝像頭和通信設(shè)備等，完成攝影、探測(cè)以及救援等工作。救援無(wú)人機(jī)的應(yīng)用必將成為當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展趨勢(shì)，救援無(wú)人機(jī)的研究也必將成為科技創(chuàng)新的趨勢(shì)。救援無(wú)人機(jī)的快速發(fā)展必將會(huì)為人們的生活帶來(lái)巨大便利，所以這項(xiàng)研究具有巨大的現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)、地震等自然災(zāi)難時(shí)，人很難第一時(shí)間快速準(zhǔn)確的到達(dá)案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)，但是如果利用好救援無(wú)人機(jī)的話，則可以很好地克服這些缺陷。將救援無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)充分利用起來(lái)，來(lái)挽救更多人的生命及財(cái)產(chǎn)安全。裝配機(jī)械爪手的救援無(wú)人機(jī)具有豐富種類。救援無(wú)人機(jī)要根據(jù)不同的情況來(lái)搭建所需要的模塊，這是因?yàn)榫仍h(huán)境不同、氣候不同及救援的對(duì)象也不同等，所以需要具體情況具體分析。這就是救援無(wú)人機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)所在。例如，每當(dāng)需要運(yùn)輸或空投物資時(shí)，無(wú)人機(jī)可以攜帶便攜式自救設(shè)備或食物和飲用水。5.2ANSYS軟件的概述ANSYS軟件是一款進(jìn)行靜力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)分析、流體分析、以及磁場(chǎng)分析的有限元軟件，可以與許多建模軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接，例如CAD、Pro/E、Solidworks等。大大方便了教研項(xiàng)目的進(jìn)行，無(wú)論是較為簡(jiǎn)單的靜力學(xué)分析，還可以進(jìn)行復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)分析，基本在所有工業(yè)制造領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。由于它對(duì)硬件的要求不高，所以基本可以在所有平臺(tái)運(yùn)行。5.3ANSYS抓手有限元靜力分析本章針對(duì)抓手進(jìn)行ANSYS有限元靜力分析，通過(guò)分析確認(rèn)抓手的應(yīng)力情況及應(yīng)變情況，通過(guò)分析得到抓手的最大應(yīng)力的大小，確認(rèn)是否超過(guò)屈服極限，進(jìn)一步來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否合理。如圖所示為ANSYS里的分析流程圖，包括材料設(shè)置，模型創(chuàng)建、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置、求解計(jì)算、結(jié)果分析，本次分析我們就按照下圖流程進(jìn)行分析。41SSisticSiruc±jral234日670EngineeringDiatm 』曲Gecnetry 會(huì)丄彫Model 言餐Setup 耆j喝Solution 耆j&Results 耆jStaticStnctural圖5.1分析流程圖5.3.1材料設(shè)置我們這里使用的材料為尼龍6/10，設(shè)置如圖所示泊松比，密度，彈性模量，屈服強(qiáng)度等參數(shù)，在ANSYS材料庫(kù)里進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，如圖所示。OutlineDfSchematic:血去EngineeringDate-ContentsofEngneeringDeihiMaterial￡tru匚tu「mlStedDSourceContentsofEngneeringDeihiMaterial￡tru匚tu「mlStedDSource-110.1FatigueDataat2eromeanstresscamesfrom1998ASHEEPVCodexS亡ctian9rDiv2rTable5Fatigu±DataaLzeromeanstress匚口mssfrom1393A5MEepvcode』5ecuon0rDivTable5-110.1Descr口tQnFYepertiesofOutlineRew4:尼^￡6-10A9CDE1Property'/dueUnit2叼MaieralFieldVarsbles冒TaHe3使］Density1即0kgntiA-3 二|040 Isotropic:SecantCoeffidentofThermalExpansion6日使］Isoircpic0asticity7DerivefromYoLng'isModulu...工BVoung'sModulus8.3E409Pa rJ廠9Passon'sRatio0.23r10BulkModulis6.2379E+D9Par11ShesrMcdulua3.2422E+D9Par12H憧］AfcernatngStressMeanStressHITabularc16E閔Sirain-LifeParsmeters24西TensileViedStrength1.39CXIE+D8p3 斗匸匚25也CampressiveYieldStr亡noth1.39CME+D8Pa 彳廠n26冏TensileUltindtEStrength1.4256E+D8Pa 二］廠廠27苗ConipreESiveUlbmateStrength0Pa J［L匚圖5.2材料庫(kù)里進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置5.3.2模型創(chuàng)建這里我們采用三維軟件Proe創(chuàng)建了三維模型，然后轉(zhuǎn)成STP格式導(dǎo)入到ANSYS進(jìn)行有限元分析，如圖所示為本次分析的模型。D.flO9D.DD(mm)225067.50圖5.3分析的模型5.3.3網(wǎng)格劃分材料定義我們定義零件使用的材料，選中材料定義為40Cr，如圖所示。8|Project宜Model(A4}白Geometry:“…萃OZHAOCoordinateSystEmsSMeshStaticStructural(A5JSMeshStaticStructural(A5JDetailsof"ZHAO? ￥+GraphicsProperties-DefinitionSuppressedNoID(Beta)17StiffnessBehaviorFlexibleCoordinateSystemDefaultCoordinateSystemReferenceTemperatureByEnvironmentBehaviorNone-MaterialAssignment尼城-10NonlinearEffectsYesThermalStrainEffectsVes+BoundirirgBox+Properties+Statistics圖5.4材料定義網(wǎng)格劃分，我們選用加密的網(wǎng)格劃分，設(shè)置如下。

圖5.5網(wǎng)格劃分如圖為劃分完成的模型網(wǎng)格。圖5.6完成的模型網(wǎng)格ANSYSR18.22Z5QJDrmiril67-5CA：^.rudunilForteTime:1.sANSYSR18.22Z5QJDrmiril67-5CA：^.rudunilForteTime:1.sForce:-久NCamporiEhTts:0S-O-1519G.4-J562N6750ANSYSR18J5.3.4邊界條件的設(shè)置邊界條件設(shè)置包括有約束設(shè)置和載荷加載。5.3.5約束的設(shè)置將抓手上下圓柱面設(shè)置為圓柱約束，如圖所示。A：Sl^tkSlTuctwiralStaticStrjcturdlTiim肚1-.5[TCyiindri匚』ISupport;CLmm[BC^iindricjlSupport2:ILmm匾Fag-5.N圖5.7約束設(shè)置示意圖5.3.6載荷加載根據(jù)抓手工作狀態(tài)，抓手底部加載5N的力，如圖所示。圖5.7加載后示意圖5.3.7求解計(jì)算插入應(yīng)力和應(yīng)變求解器，如圖所示進(jìn)行計(jì)算。AN5YSR18J□JO45X)09DD0(mm)AN5YSR18J□JO45X)09DD0(mm)□?????』團(tuán)Solution(A6}[……?劇~T|SoluticinInformatjon…TotalDeformation…?護(hù)零EquivalentStr皂&s圖5.8求解示意圖5?3?8結(jié)果分析如圖為位移分布圖，從應(yīng)力圖中可以看出抓手的應(yīng)力分布，最大位移位于抓手底部為0.2341mm。A: StmctUirailTotalDHorEtftioriType:Tat*IDeformitissnUnit;rnmTime!1也蛙也蛙MlMeik0203080.10207D.156D5D.1DJ04DiDJD79Da2DJQ52021DJQ26Q11?Min67502Z.5Q6750圖5.9結(jié)果分析

如圖為應(yīng)力分布圖，從應(yīng)力圖中可以看出抓手的應(yīng)力分布，最大應(yīng)力為2.1994Mpa小于抗拉強(qiáng)度139Mpa，符合設(shè)計(jì)要求。AtSEaik醍血就口tallEquii/alBnl:StrnssT]pe:Equi^Alent^Dn-Mists^^Ife-ssUnitWPfiTirriE：11.9551.7107AtSEaik醍血就口tallEquii/alBnl:StrnssT]pe:Equi^Alent^Dn-Mists^^Ife-ssUnitWPfiTirriE：11.9551.7107146E31.22190.977550.739170XS680.24