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

救援無人機(jī)機(jī)械系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)設(shè)計摘要近年來，科技領(lǐng)域的各個方面都得到高速的發(fā)展，例如材料應(yīng)用技術(shù)、動力系統(tǒng)技術(shù)、數(shù)字傳感技術(shù)等等，與此同時救援無人機(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)的自動駕駛系統(tǒng)，使其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。其主要優(yōu)勢體現(xiàn)在其復(fù)雜和危險的環(huán)境下也能進(jìn)行航空救援工作。對救援無人機(jī)的研究也將是科技創(chuàng)新的新時代。救援無人機(jī)主要是通過圖像識別系統(tǒng)，對救援對象進(jìn)行識別，然后通過遙控器發(fā)射信號，飛行控制系統(tǒng)可以快速捕捉到信號，然后結(jié)合各個傳感器的反饋信號來控制電流的輸出，來使救援無人機(jī)完成上升、下降、置空等救援動作，同時控制著救援無人機(jī)機(jī)械手的工作。首先對現(xiàn)有救援無人機(jī)與機(jī)械爪手展開研究，構(gòu)建救援無人的大致框架。根據(jù)前人的設(shè)計進(jìn)行模仿創(chuàng)新，將各功能重新分開研究，在基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，其中包括無人機(jī)的整體結(jié)構(gòu)、續(xù)航系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、各個控制系統(tǒng)及機(jī)械手，將其完美組合使得救援無人機(jī)整體協(xié)作起來，且能夠在經(jīng)濟(jì)高效的前提下達(dá)到畢業(yè)設(shè)計的的要求。關(guān)鍵詞：救援無人機(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國內(nèi)外的發(fā)展概況 3\o"CurrentDocument"1.3本設(shè)計的主要內(nèi)容 4\o"CurrentDocument"2機(jī)械爪手設(shè)計方案 4\o"CurrentDocument"2.1機(jī)械爪手的設(shè)計要求和功能要求 4\o"CurrentDocument"2.1.1設(shè)計要求 4\o"CurrentDocument"2.1.2功能要求 5\o"CurrentDocument"2.2常見機(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方案對比分析和確定 5\o"CurrentDocument"2.3.1方案一二指平動手爪 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 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 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 9\o"CurrentDocument"3.4驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計 10\o"CurrentDocument"3.4.1驅(qū)動方案的設(shè)計和選擇 10\o"CurrentDocument"3.4.2電動機(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)計與分析 13\o"CurrentDocument"4.1軟件概述 134.1.1參數(shù)化設(shè)計 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 13\o"CurrentDocument"4.2三維設(shè)計與裝配 14\o"CurrentDocument"4.2.1零件三維設(shè)計 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 錯誤!未定義書簽。V、性―、亠1前言近年來，多旋翼無人飛行器得到了快速的發(fā)展，裝配無人駕駛系統(tǒng)。這些無人機(jī)也稱為空中無人機(jī)器人，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。無人機(jī)按用途分可以分為兩種，一種為軍用無人機(jī)，另一種則為民用無人機(jī)。在軍事無人機(jī)中發(fā)展較為完善，而在民用無人機(jī)的發(fā)展中還存在很多的空間。所以本研究重點研究民用的多翼無人機(jī)。多翼無人機(jī)它的好處在于無論地勢多復(fù)雜、氣候多惡劣都能優(yōu)秀的完成偵查救援任務(wù)。由其是將四翼無人機(jī)與救援系統(tǒng)相結(jié)合其升力大、成本低、升級空間大、靈活性強(qiáng)、飛行靈活、操作簡單等優(yōu)點。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，配備了一個夾緊機(jī)械手的設(shè)備援助無人機(jī)也獲得了快速發(fā)展，其主要的優(yōu)勢是拯救一個在復(fù)雜或危險環(huán)境中等待救援的人，并且可以通過救援無人機(jī)傳遞必要的救援信息。1.2國內(nèi)外的發(fā)展概況2012年，日本注冊了約2.4萬架多旋翼無人機(jī)，這原因是用于農(nóng)藥噴灑的多旋翼無人機(jī)數(shù)量龐大。2011年以來，美國由于研究經(jīng)費(fèi)大大增加，使得多翼無人及的到空前的高速發(fā)展。相對來說，歐洲此時在無人機(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多架無人多旋翼無人機(jī)，其中最常見的是四旋翼和六旋翼。主動防御技術(shù)也被引入到無人機(jī)中。與此同時，很多民間小企業(yè)也十分重視無人行業(yè)的發(fā)展，向其引入了許多新型技術(shù)，使得多種多樣的無人機(jī)出現(xiàn)在人們視野中。有關(guān)六旋翼無人機(jī)攜帶用于執(zhí)法、視頻和檢查的攝像頭的新聞很常見。以深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司為例，自2012年以來，公司規(guī)模不斷壯大，現(xiàn)已成為世界領(lǐng)先的無人機(jī)控制系統(tǒng)及無人機(jī)解決方案研發(fā)和制造企業(yè)。該公司的客戶遍及100多個國家。早在上世紀(jì)90年代末，美國就開始使用無人機(jī)進(jìn)行災(zāi)害監(jiān)測和救援，但在中國，無人機(jī)還沒有用于地震災(zāi)害等應(yīng)急方面的應(yīng)用。在2008年汶川地震發(fā)生之前，中國科學(xué)院課題組是第一個嘗試將遙感無人機(jī)應(yīng)用于震中災(zāi)害航拍的課題組。之后，遙感無人機(jī)在玉樹、蘆山地震后的應(yīng)急救援中發(fā)揮了越來越重要的作用。許多緊急救援實踐證明,無人機(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)程實時實時回清晰的圖像;無人機(jī)具有成本低、操作方便和快速的反應(yīng)等優(yōu)勢，這是更加有效的調(diào)查在大面積地震破壞的災(zāi)難面前。無人機(jī)的出現(xiàn)，專家們可以利用無人機(jī)的優(yōu)勢對難情進(jìn)行分析以及評估傷害。目前的無人機(jī)技術(shù)除了可以對災(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”為移動通信基站，同時具備災(zāi)后運(yùn)輸、物資配送、宣傳等救援的潛力。因此，無人機(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)計的主要內(nèi)容本文介紹了一種救援無人機(jī)的機(jī)械爪的設(shè)計，這種無人機(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)勢與無人機(jī)的優(yōu)勢相結(jié)合，充分發(fā)揮救援無人機(jī)的作用。救援無人機(jī)通過與機(jī)械手相互配合，完成對各種物體的抓取任務(wù)，且自動返回。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)計和ansys靜力學(xué)分析。2機(jī)械爪手設(shè)計方案2.1機(jī)械爪手的設(shè)計要求和功能要求2.1.1設(shè)計要求機(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)簡單和輕量化，避免錯綜復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。爪手控電路應(yīng)該簡單可靠，在不影響功能的前提下，盡可能減少驅(qū)動電機(jī)的數(shù)量，并且可以在不通電的情況下自鎖，實現(xiàn)低功耗、高效率，為無人機(jī)的續(xù)航能力創(chuàng)造條件。2.1.2功能要求可以對目標(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、傳動系統(tǒng)及連接與支承原件組成，通過手指的上下移動來對目標(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杠桿通過轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)來帶動手指，然后手指會繞指定點旋轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)開閉運(yùn)動。而平動型機(jī)械爪手的工作原理是傳動機(jī)構(gòu)來帶動兩個手指作相對的平移運(yùn)動，從而實現(xiàn)開閉運(yùn)動。2.2.2彈性力機(jī)械爪手彈性力機(jī)械爪手的特點是通過彈性原件來夾緊物品，它在裝夾目標(biāo)物體時僅需要施加一定的壓力就可，可以省去特定的動力裝置。但是，在放下物體時需要施加一個拉力，且這個拉力要大于目標(biāo)物體的自重。對于目標(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夾緊力來抓住物體，而是利用物體的重量和水平手指產(chǎn)生的支持力來鉤住或拖動物體。由于鉤式手爪主要依靠手指的支持力來夾緊物體，不是特別依賴于驅(qū)動裝置的力矩大小，且不需要很大的夾緊力。2.3方案對比分析和確定機(jī)械手爪是救援無人機(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人機(jī)的工作效率和推進(jìn)工作水平為重點。機(jī)械手抓的設(shè)計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。他們都有一個缺陷就是其工作原理過于簡單導(dǎo)致裝夾對象單一。近些年以來隨著機(jī)械的各個方面的發(fā)展，出現(xiàn)了許多各種各樣的爪手的結(jié)構(gòu)，從簡單變復(fù)雜，從單一到普遍，他們的功能也越來越多樣化。從自然界尋找靈感，爪手也趨于仿生化。實踐證明，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方案一二指平動手爪方案一是一種多連桿的二指平動機(jī)械爪，它是由很多個可以自由活動的小關(guān)節(jié)組成的。然后使用電機(jī)作為驅(qū)動，使得機(jī)械爪完成裝夾的動作。圖2.1二指平動機(jī)械手原理圖該類型機(jī)械爪手以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動源，具有傳動靈敏和傳動精度高的特點。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)帶動第一動力桿，再通過連桿傳給平行四邊形結(jié)構(gòu)，帶動手指的張合。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物體的硬度大小來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)計了一種新型結(jié)構(gòu)的單電機(jī)驅(qū)動的三指機(jī)械手爪。其工作方式為電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動與其連接的圓盤，再通過曲型連接件傳動，與其端部分別通過連桿與三根手指連接；電機(jī)帶動圓盤和曲形連桿轉(zhuǎn)動，通過連桿控制手爪開合。三根手指呈正三角形排布，抓握時被抓取物受力均勻。該新型的三指手爪設(shè)計方案表現(xiàn)出機(jī)械爪手具有控制簡單、抓握可靠的優(yōu)點。2.3.3方案分析應(yīng)根據(jù)機(jī)械爪的具體使用情況來設(shè)計機(jī)械爪結(jié)構(gòu)，它的功能確定時，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，夾持的對象就越來越多樣化，與此同時控制也會變得越復(fù)雜、制造成本也會隨著其復(fù)雜程度而變高。方案一：夾鉗式的機(jī)械爪，機(jī)構(gòu)簡單，制造成本底，但是電機(jī)的轉(zhuǎn)速與手指工作時的速度成非線性的關(guān)系，造成機(jī)械爪在夾取物體時產(chǎn)生較大的沖擊力，沖擊力接觸物體產(chǎn)生慣性力，同時慣性力對無人機(jī)的飛行狀態(tài)就會產(chǎn)生較大影響，為了能使夾持更可靠，無人機(jī)需要消耗大量的電量來維持平衡，使得無人機(jī)的續(xù)航能力大大縮減。與此同時此機(jī)械爪只能上下平動，夾取物體有一定的難度，難以實現(xiàn)一手多用。方案二：三指關(guān)節(jié)機(jī)械爪，相對于二指的來說機(jī)構(gòu)復(fù)雜，但是電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動時可以保證手指也是勻速運(yùn)動，在夾取物體時不會產(chǎn)生沖擊力。故不會拉低無人機(jī)的續(xù)航時間。該機(jī)械爪手具有三個指節(jié)，能夠?qū)Υ笮∠嗨?，但形狀不一的物體實現(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)，真正實現(xiàn)一手多用的功能。3機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1機(jī)械手的結(jié)構(gòu)分析考慮到被抓取物的多樣性，以及其裝載在無人機(jī)上的行程限制，這對機(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。有三個手指的手爪，圓周對稱的三個手指。在電機(jī)的控制下，通過曲形連桿與電機(jī)相連的三個手指可以實現(xiàn)同時開合，并對不同形狀物體的夾緊。下圖為由Pro/E軟件設(shè)計的救援無人機(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)無人機(jī)的機(jī)械手位于被抓取物附近時，機(jī)械手上的傳感器檢測到物體，機(jī)械手的位置的相對位置與被抓取物的的中心位置對齊，在機(jī)械手的控制信號，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能保證檢測到的壓力的實時性，以及確定是壓力是否達(dá)到閾值，閾值由實驗得出并在無人機(jī)單片機(jī)程序中設(shè)定好。如果達(dá)到這個閾值，則停止機(jī)械手的運(yùn)動并反饋給單片機(jī)抓取完成的信號。3.2手指結(jié)構(gòu)設(shè)計本設(shè)計為了使機(jī)械爪手有良好的通用性，在減少驅(qū)動源的基礎(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)更加的簡單，容易控制。機(jī)械手手指的運(yùn)動和動力傳遞模式主要用在通過曲形連桿及關(guān)節(jié)開合手爪。這樣的設(shè)計可以很好的適用于無人機(jī)上驅(qū)動行程短，載重能力較低的情況3.2.1手指數(shù)量相對于兩個手指，三個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)定實現(xiàn)對物體的抓取及載運(yùn)工作。3.2.2手指的材料手指選擇適當(dāng)?shù)牟牧希瑢仍疅o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)計選用的材料是尼龍6/10。因為尼龍具有很高的機(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。圖3.1單節(jié)手指機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖3.3底座的設(shè)計機(jī)架主要是用來安裝驅(qū)動機(jī)構(gòu)和各手爪手指，對其有著機(jī)身小巧，體積小，重量輕的設(shè)計要求?？紤]到安裝三根手指的對稱結(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)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計3.4.1驅(qū)動方案的設(shè)計和選擇目前常見的機(jī)械手驅(qū)動主要有三種，一種是氣動驅(qū)動，一種是電氣驅(qū)動，最后一種是液壓驅(qū)動：（1） 氣動驅(qū)動一般是用空氣壓縮機(jī)來作為動力的來源，是一種用壓力驅(qū)動制動器來氣動壓縮空氣的驅(qū)動系統(tǒng)。氣動驅(qū)動能保證操作者的安全，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，污染少，可通過調(diào)節(jié)空氣流量，調(diào)節(jié)速度，但大尺寸設(shè)備的運(yùn)動速度不穩(wěn)定，定位精度不高，抓取力小。（2） 液壓驅(qū)動系統(tǒng)輸出力的內(nèi)在驅(qū)動流體壓力驅(qū)動傳動系統(tǒng)是穩(wěn)定的，有效的，應(yīng)速度快，簡單，可以滿足一個非常廣泛范圍內(nèi)的無級調(diào)速要求，應(yīng)用十分的廣泛，不會產(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） 電氣傳動模型，電脈沖信號控制的開環(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)點在于簡單，快速的反應(yīng)，無累積誤差等。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量的轉(zhuǎn)子，具有良好的動態(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。基于步進(jìn)電機(jī)的這些優(yōu)點本設(shè)計中采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方式。3.4.2電動機(jī)的選擇步進(jìn)電機(jī)，是將一種信號轉(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、電壓波動和負(fù)載的變化而變化；（3）反應(yīng)靈敏能快速的啟動、制動和反轉(zhuǎn)，且速度可以調(diào)控；（4）定位精度高，同步啟動特性好。救援無人機(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，并可用于開環(huán)系統(tǒng)。根據(jù)所有這些條件，本設(shè)計選擇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)量來初選電機(jī)型號（a） 步距角首先初選步進(jìn)電機(jī)型號，從手冊中查到步距角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)在沒有外加工作負(fù)載下的啟動稱為步進(jìn)電機(jī)空載啟動。步進(jìn)電機(jī)所需要空載啟動力矩按下式計算：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為空載啟動力矩；Mka為空載啟動時運(yùn)動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為空載時折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩。而且初選電機(jī)的型號時要符合步進(jìn)電動機(jī)必要的空載啟動力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動轉(zhuǎn)矩，即：Mkq<Mmq=2Mjmax （3-4）計算Mkq的各項力矩如下：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，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)啟動時出現(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啟動矩頻特性進(jìn)行進(jìn)一步校核。步進(jìn)電機(jī)啟動有升速啟動和突跳啟動。突跳啟動時加速力矩很大，啟動時不可避免丟步，因此很少用。而升速啟動過程中只要保證升速時間足夠長，且啟動過程緩慢，空載啟動力矩皿0中的加速力矩Mk不會kq ka很大。一般不會發(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螺栓選擇因為軸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)計基礎(chǔ)》中表10-6選取螺栓材料性能為4.8級，公稱屈服極限。s=320Mpa，由于裝配時不要求嚴(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因為鉸制孔用螺栓受橫向載荷，所以螺栓按受剪切進(jìn)行強(qiáng)度計算。查《機(jī)械設(shè)計基礎(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)計與分析4.1軟件概述Pro/Engineer簡稱Pro/E是一款十分常用的三維建模軟件。它是由美國參數(shù)技術(shù)公司開發(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)今社會十分流行的三維建模軟件之一。4.1.1參數(shù)化設(shè)計當(dāng)建模時，可以將一個復(fù)雜的三維模型分解為多個構(gòu)成要素，每一個構(gòu)成都具有它各自的特點，而且它是被有限個參數(shù)所限制的，這就是參數(shù)化設(shè)計。4.1.2基于特征建模當(dāng)我們操作軟件時，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)三維模型的特點畫草圖，然后通過拉伸、掃描、陣列等操作得到自己想要的三維模型。操作簡單通俗易懂。4.1.3單一數(shù)據(jù)庫Pro/E在一個獨(dú)有的數(shù)據(jù)庫上建立的，和其他系統(tǒng)不同，是在多個數(shù)據(jù)庫上建立的。不管它的部門，一般統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫項目都是從一個數(shù)據(jù)庫，以每一個產(chǎn)品的用戶在獨(dú)立的模擬和工作。

4.2三維設(shè)計與裝配4.2.1零件三維設(shè)計在Pro/E零件設(shè)計模塊對各零件進(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，最后裝配到無人機(jī)中。(1)手指裝配(2)總成裝配(3)裝配入無人機(jī)圖4.7總成虛擬裝配圖4.8裝配入無人機(jī)5基于ANSYS的有限元分析5.1本設(shè)計的目的、意義目前，無人機(jī)已廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥噴灑、播種、電纜檢測、婚禮攝影、電影攝影等多個領(lǐng)域。無人機(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、探測以及救援等工作。救援無人機(jī)的應(yīng)用必將成為當(dāng)今社會的發(fā)展趨勢，救援無人機(jī)的研究也必將成為科技創(chuàng)新的趨勢。救援無人機(jī)的快速發(fā)展必將會為人們的生活帶來巨大便利，所以這項研究具有巨大的現(xiàn)實意義。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)、地震等自然災(zāi)難時，人很難第一時間快速準(zhǔn)確的到達(dá)案發(fā)現(xiàn)場，但是如果利用好救援無人機(jī)的話，則可以很好地克服這些缺陷。將救援無人機(jī)的優(yōu)勢充分利用起來，來挽救更多人的生命及財產(chǎn)安全。裝配機(jī)械爪手的救援無人機(jī)具有豐富種類。救援無人機(jī)要根據(jù)不同的情況來搭建所需要的模塊，這是因為救援環(huán)境不同、氣候不同及救援的對象也不同等，所以需要具體情況具體分析。這就是救援無人機(jī)的主要優(yōu)勢所在。例如，每當(dāng)需要運(yùn)輸或空投物資時，無人機(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、動力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)分析、流體分析、以及磁場分析的有限元軟件，可以與許多建模軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)對接，例如CAD、Pro/E、Solidworks等。大大方便了教研項目的進(jìn)行，無論是較為簡單的靜力學(xué)分析，還可以進(jìn)行復(fù)雜的動力學(xué)分析，基本在所有工業(yè)制造領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。由于它對硬件的要求不高，所以基本可以在所有平臺運(yùn)行。5.3ANSYS抓手有限元靜力分析本章針對抓手進(jìn)行ANSYS有限元靜力分析，通過分析確認(rèn)抓手的應(yīng)力情況及應(yīng)變情況，通過分析得到抓手的最大應(yīng)力的大小，確認(rèn)是否超過屈服極限，進(jìn)一步來驗證設(shè)計是否合理。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求解計算插入應(yīng)力和應(yīng)變求解器，如圖所示進(jìn)行計算。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