帶機械爪的無人機設(shè)計與控制【全套含CAD圖紙、說明書】,全套含CAD圖紙、說明書,機械,無人機,設(shè)計,控制,全套,CAD,圖紙,說明書 編號： 　畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 題 目： 帶機械抓的無人機 設(shè)計與控制 院 （系）： 機電工程學(xué)院 專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師單位： 姓 名： 職 稱： 題目類型：¨理論研究 ¨實驗研究 t工程設(shè)計 ¨工程技術(shù)研究 ¨軟件開發(fā) 年12月28日 注：1、本任務(wù)書一式一份，院辦留存，發(fā)給學(xué)生電子稿，任務(wù)完成后附在 說明書內(nèi)。 2、任務(wù)書均要求打印，打印字體和字號按照《本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）統(tǒng)一格式的規(guī)定》執(zhí)行。 3、以下標(biāo)題為四號仿宋體、加粗，正文中文用小四宋體，英文用小四Times New Roman，日期采用阿拉伯?dāng)?shù)字。 4、“一、畢業(yè)設(shè)計（論文）的內(nèi)容、要求”位于頁面最頂端，“任務(wù)下達時間”位于新頁面最頂端。 　　5、請不要修改最后一頁（即“任務(wù)下達時間”所在頁的內(nèi)容） 一、畢業(yè)設(shè)計（論文）的內(nèi)容 內(nèi)容： 1、帶機械抓的無人機是實現(xiàn)機器人在惡劣環(huán)境工作的一種新方法。它不僅能提高無人機的抓取能力，還能巧妙實現(xiàn)無人機的協(xié)同工作，充分利用無人機工作的原理和方法來實現(xiàn)復(fù)雜設(shè)計。學(xué)生需要查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻并開展調(diào)研工作，需要了解無人機的基本設(shè)計方法和設(shè)計無人機需要的基本技術(shù)；需要在學(xué)校的圖書館電子數(shù)據(jù)庫中查閱相關(guān)的中英數(shù)據(jù)庫，對近5年這個研究領(lǐng)域的研究成果進行總結(jié)和分析，充分挖掘其中有待研究的新技術(shù)和新方法?？梢圆捎镁C合與交叉組合的方法來實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計的目標(biāo)。 2、從理論上帶機械抓的無人機實現(xiàn)抓取物體的常用方法，運用計算機模擬建模的方法來論證基本理論方法的可行性。應(yīng)當(dāng)充分考慮當(dāng)前環(huán)境的新特征開展分析、建模和方案論證； 3、畫出帶機械爪的無人機的系統(tǒng)方案設(shè)計圖、原理圖、過程程序框圖、電路圖、裝配圖、零件圖設(shè)計；主要包括在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上的改良裝置設(shè)計圖和新設(shè)計方案的設(shè)計原理圖等。 4、對于新設(shè)計的帶機械抓的無人機進行方案驗證，并與傳統(tǒng)的無人機做比較分析出各自的優(yōu)缺點。探討未來的可能改進方案。 5、將設(shè)計方案撰寫成發(fā)明專利，保護相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)并為今后進一步開發(fā)和制造樣機做準(zhǔn)備。 二、畢業(yè)設(shè)計（論文）的要求與數(shù)據(jù) 要求： 1、要求給出至少兩種以上的帶機械臂的無人機的設(shè)計方案并于傳統(tǒng)方案做全面比較，特別關(guān)注帶機械臂的無人機在成本、排放和能耗方面的表現(xiàn)； 2、要求畫出系統(tǒng)方案設(shè)計、原理圖、程序框圖、裝配圖、零件圖； 3、要求申請發(fā)明專利1項目。 三、畢業(yè)設(shè)計（論文）應(yīng)完成的工作 指定整個畢業(yè)設(shè)計學(xué)生應(yīng)該完成的所有工作，包括： 1、完成二萬字左右的畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）；在畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中必須包括詳細的300-500個單詞的英文摘要； 2、獨立完成與課題相關(guān)，不少于四萬字符的指定英文資料翻譯（附英文原文）； 3、完成系統(tǒng)方案設(shè)計、原理圖、程序框圖、電路圖、裝配圖、零件圖設(shè)計工作；必須完成繪圖工作量折合A0圖紙1張以上，其中必須包含兩張A3以上的計算機繪圖圖紙； 4、完成一項發(fā)明專利的申請工作。 四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻 [1] H.J. 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[5] 吳宗澤. 機械設(shè)計實用手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2002. 五、試驗、測試、試制加工所需主要儀器設(shè)備及條件 計算機一臺 CAD設(shè)計軟件（CATIA） 任務(wù)下達時間： 2015年12月28日 畢業(yè)設(shè)計開始與完成時間： 2015年12月28日至 2016年05 月22日 組織實施單位： 機械設(shè)計制造及其自動化系 教研室主任意見： 簽字： 2015年12月30日 院領(lǐng)導(dǎo)小組意見： 簽字： 2015年12月31日 編號： 　畢業(yè)設(shè)計開題報告 題 目： 帶機械抓的無人機 設(shè)計與控制 院 （系）： 機電工程學(xué)院 專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師單位： 姓 名： 職 稱： 題目類型：¨理論研究 ¨實驗研究 t工程設(shè)計 ¨工程技術(shù)研究 ¨軟件開發(fā) 年3月1日 1．畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容、重點和難點等 主要內(nèi)容： 無人駕駛飛機簡稱“無人機”，英文縮寫為“UAV”，是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。從技術(shù)角度定義可以分為：無人直升機、無人固定翼機、無人多旋翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機等。 無人機按應(yīng)用領(lǐng)域，可分為軍用與民用。軍用方面，無人機分為偵察機和靶機。 無人機+行業(yè)應(yīng)用，是無人機真正的剛需；目前在航拍、農(nóng)業(yè)植保、測繪、運輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用，大大的拓展了無人機本身的用途。 本次設(shè)計主要針對無人機在抓取、運輸領(lǐng)域的應(yīng)用和擴展。 本課題設(shè)計的主要內(nèi)容包括： 1.設(shè)計無人機的機械爪； 2.設(shè)計無人機與機械抓的連接部分結(jié)構(gòu)； 3.給出帶機械爪無人機的控制方法。 二、畢業(yè)設(shè)計（論文）的要求與數(shù)據(jù): 1.要求設(shè)計的機械爪能夠在無人機懸停過程中抓取地面或是水面的物體； 2.要求給出適當(dāng)?shù)目刂品椒ūＷC無人機能順利抓取物體后返回指定地點； 3.成果中設(shè)計的專用件結(jié)構(gòu)、配合滿足標(biāo)準(zhǔn)化要求，選購的電氣件、通用件、標(biāo)準(zhǔn)件等皆符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求； 4.提交的所有圖紙應(yīng)表達方式簡潔，尺寸標(biāo)注完整、清晰、規(guī)范。 三、 本畢業(yè)設(shè)計重點和難點 重點： 1.制定機械手的抓取方式和連接部分結(jié)構(gòu)總體設(shè)計方案； 2.制定旋翼無人機的框架和機械抓固定座的設(shè)計方案； 3.設(shè)計可收放的起落架，防止飛行時起落架阻礙機械抓的抓?。? 4.設(shè)計無人機重心自動平衡校正系統(tǒng)、防抓取過載保護系統(tǒng)和無人機自動導(dǎo)航識別系統(tǒng)。 難點： 1.旋翼無人機機架結(jié)構(gòu)、旋翼電機的支撐結(jié)構(gòu)、起落架的收放結(jié)構(gòu)及機械手結(jié)構(gòu)強度可靠性及壽命的計算。 2.機械手的的抓取力計算，由于動力源由微型電機提供，機械手的機構(gòu)必須有自鎖機構(gòu)，電機斷電后可持續(xù)抓取。 3.無人機承載力、續(xù)航能力的權(quán)衡和推重比的確定。 4.無人機懸停平衡和抓取重物過程保持平衡的位姿控制系統(tǒng)設(shè)計。 2．準(zhǔn)備情況（查閱過的文獻資料及調(diào)研情況、現(xiàn)有設(shè)備、實驗條件等） （1）調(diào)研情況： 經(jīng)查閱相關(guān)書籍資料并結(jié)合所學(xué)過的機械等相關(guān)知識，了解了帶機械抓的無人機發(fā)展、設(shè)計方法及相關(guān)規(guī)定，為設(shè)計作好準(zhǔn)備。 在最近的一段視頻中，研究團隊展示了一種四旋翼式蜂鳥無人機俯沖向一個圓柱并且使用一個機械抓抓取它飛走的情景。研究人員從老鷹獲得靈感，他們相信俯沖的無人機能夠促使重量更輕、能耗更少的無人機出現(xiàn)，而且能夠借助俯沖獲得的速度快速恢復(fù)高度。這種無人機非常輕，機身和抓爪總重量不足1公斤。 研究人員認為飛撲式無人機能夠促使無人機在秘密行動中實現(xiàn)即刻靜默，并且通過減少盤旋時間來幫助提高執(zhí)行任務(wù)的持久性。這種無人機也能夠被用于速度和時間緊迫的救援行動。研究團隊最初制作了一種雙叉形爪子，但是當(dāng)這種抓爪連接到無人機時的效果并不好，而且當(dāng)速度超過1米每秒時就無法抓起一個球。 因此研究團隊重新設(shè)計了抓爪，他們使用熱塑性塑料創(chuàng)造了一個三指抓爪，外面包裹的橡膠殼能夠改善它的抓取能力。為了改善抓爪在更快速運動時抓取物體的能力，研究人員將它連接到一個回旋臂上，它能夠模擬老鷹在俯沖時收回爪子的動作，來減少它與目標(biāo)之間的相對速度。雖然無人機并不能和老鷹一樣抓取，但是它已經(jīng)有所接近。通過進行少許的變動，研究人員能夠使抓爪在提高三倍速度的情況下抓取物體。 （2）可攜載物體的無人機的現(xiàn)狀與發(fā)展： 2013年6月，美國Matternet公司在海地和多米加共和國測試了無人機網(wǎng)絡(luò)，無人機能夠攜載2公斤物體飛行9.7公里。該公司希望建立一個龐大的國際無人機運輸網(wǎng)絡(luò)和無人機配件全球供應(yīng)系統(tǒng)，同時，還計劃建立充電基站，使無人機可以沿途降落進行充電。[7] 2013年9月，順豐自主研發(fā)的用于派送快件的無人機完成了內(nèi)部測試，在局部地區(qū)試運行。這種無人機采用八旋翼，下設(shè)載物區(qū)，飛行高度約100米，內(nèi)置導(dǎo)航系統(tǒng)，工作人員預(yù)先設(shè)置目的地和路線，無人機將自動到達目的地，誤差在2米以內(nèi)。[8]? 2013年12月，亞馬遜表示在測試一個叫作”Prime Air“的無人機快遞項目，通過使用8槳遙控?zé)o人機實現(xiàn)鞋盒包裝以下大小貨物的配送，所有訂單從發(fā)貨開始預(yù)計會在30分鐘內(nèi)送達1.6公里范圍內(nèi)的客戶手中。與此同時，UPS也在試驗類似的無人機設(shè)備。[9] 2014年10月，DHL宣布將在德國實現(xiàn)無人機送貨。該公司的四旋翼無人機可運載1.2公斤的貨物，飛行時間可達45分鐘，時速最高可達65千米，但該無人機并非完全脫離人力，依然受到地面工作人員的控制。[10]? 2015年2月，淘寶聯(lián)合圓通速遞，在北京、上海、廣州部分區(qū)域開展的無人機快遞實驗。該螺旋槳驅(qū)動無人機的型號為黑白機身，占地約0.25平方米。[11] 參考文獻? [1]Rogelio Lozano著.陳自力.江濤等譯 .無人機——嵌入式控制[M].國防工業(yè)出版社.2014. [2]Loannis A.Raptis. Kimon P.Valavanis著.肖陽.吳勇等譯.小型無人直升機線性與非線性控制[M]國防工業(yè)出版社.2014. [3]《工業(yè)機械手》編寫組.工業(yè)機械手上下冊[M]上?？茖W(xué)技術(shù)出版社.1982. [4]王偉.宋延華.馬浩.旋翼無人機系統(tǒng)[J]控制工程.2015:（2）.205-212. [5]代君蘭.基于CAN總線控制系統(tǒng)的抓物機械手設(shè)計[J]機械設(shè)計與制造.2011:（10）.91-93. [6]張楠.何玉成.王南.操作機器人機械手爪的設(shè)計研究及應(yīng)用[J]機械設(shè)計.2013:(03).27-30. [7]無人機自動快遞[J]資訊_銳科技.2013:(14).32. [8]熊元.無人機新玩法[J]科技.2014:(7).64-65. [9]亞馬遜5年內(nèi)使用無人機送快遞:30min送達[J]可靠性與環(huán)境適應(yīng)性標(biāo)準(zhǔn)信息與行業(yè)動態(tài).2013:(S1).337. [10]DHL“搶跑”無人機送貨[J]商業(yè)視窗.201:(12).18. [11]黃澤滿.劉勇.周星.陳天偉.梁毅東.民用無人機應(yīng)用發(fā)展概述[J]學(xué)技術(shù)與設(shè)計.201:（24）.36-38. [12]譚建豪.王耀南.王媛媛.張藝巍.王楚.陳謝沅澧.旋翼飛行機器人研究進展[J]綜述與評論.2015:(10).24-26 [13]S. Salazar‐Cruz. J. Escare?o. D. Lara. R. Lozano.Embedded control system for a four‐rotor UAV[J]Int. J. Adapt.Control Signal Process.2007:(21).2‐3. （5）試驗、測試、試制加工所需主要儀器設(shè)備及條件 計算機一臺、CAD軟件以及相關(guān)三維繪圖軟件Solidworks2012等。 3、實施方案、進度實施計劃及預(yù)期提交的畢業(yè)設(shè)計資料 實施方案： 查閱資料，選擇最優(yōu)方案。確定機械爪的材料，抓取力，驅(qū)動力矩，強度，大概尺寸等參數(shù)，根據(jù)設(shè)計方案、原理開始設(shè)計機械爪的機構(gòu)，固定方式，繪制草圖，校驗后繪制正式圖紙。根據(jù)設(shè)計方案設(shè)計無人機的框架，其中包括：機械抓的固定座、旋翼電機固定座、起落架安裝結(jié)構(gòu)、傳感器和電路板的安裝座。確定無人機框架的材料，計算無人機框架的結(jié)構(gòu)強度、抗摔力、壽命等參數(shù)，繪制草圖，校驗后繪制正式圖紙。設(shè)計無人機的收放起落架。根據(jù)要求，確定無人機的推重比，速度，升力，續(xù)航時間，選擇旋翼電機和電池。設(shè)計無人機重心自動平衡校正系統(tǒng)、防抓取過載保護系統(tǒng)和無人機自動導(dǎo)航識別系統(tǒng)，繪制系統(tǒng)框圖和電路原理圖。繪制整機裝配圖，撰寫設(shè)計說明書，核查相應(yīng)的圖紙設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計論文格式。 進度計劃： (1）2015.12—2015.01所選擇的課題進行調(diào)研、查閱資料、方案設(shè)計。 (2）2015。01—2016.02查閱資料，明確設(shè)計目的，完成開題報告，收集與課題相關(guān)的資料及參考文獻，確定畢業(yè)設(shè)計的設(shè)計大致方案。 (3）2016.03—2016.04完善并確定最初方案，制定無人機框架和機械抓總體設(shè)計方案。 (4）2016.04—2016.05根據(jù)設(shè)計要求，設(shè)計好旋翼無人機機架結(jié)構(gòu)、旋翼電機的支撐結(jié)構(gòu)、起落架的收放結(jié)構(gòu)及機械手結(jié)構(gòu)；完成各個結(jié)構(gòu)的強度校驗和壽命計算；完成機械抓的抓取力計算，選擇機械抓的驅(qū)動電機；估算整機重量，確定無人機的推重比，選擇無人機的驅(qū)動電機；根據(jù)續(xù)航要求，選擇無人機的配套電池。畫出其裝置的總裝配圖，及相關(guān)的零件，并表述裝置的工作原理過程。進行畢業(yè)論文（設(shè)計）初稿。 (5）2016.05—2016.06確定無人機重心自動平衡校正系統(tǒng)、防抓取載保護系統(tǒng)和無人機自動導(dǎo)航識別系統(tǒng)方案；根據(jù)設(shè)計方案，選擇控芯片，無線傳輸芯片，傳感器和導(dǎo)航芯片等；連接電路，編寫控制程序，最后進行調(diào)試和檢驗。 (6）2016.06—2016.06根據(jù)指導(dǎo)教師意見進行修改，并最后定稿，并且完成計算機繪制圖和外文翻譯。核查相應(yīng)的圖紙設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計論文格式。 (7）2016.06—2016.07完成畢業(yè)設(shè)計，提交論文。 預(yù)期提交： 1、帶機械抓的無人機設(shè)計說明書； 2、英文資料翻譯（附英文原文）； 3、CAD繪制二維帶機械手的無人機裝配圖、零件圖及控制系統(tǒng)原理圖。 指導(dǎo)教師意見 指導(dǎo)教師（簽字）： 2016年3月1日 開題小組意見 開題小組組長（簽字）： 2016年3月 1 日 院（系、部）意見 主管院長（系、部主任）簽字： 2016年3月 1 日 畢業(yè)論文（設(shè)計）用紙 編號： 　畢業(yè)設(shè)計(論文)說明書 題 目： 帶機械抓的無人機 設(shè)計與控制 院（系）： 機電工程學(xué)院 專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師單位： 姓 名： 職 稱： 題目類型：¨理論研究 ¨實驗研究 t工程設(shè)計 ¨工程技術(shù)研究 ¨軟件開發(fā) 年6月3日 摘 要 從90年代第一架微型無人機問世以來，微型無人機經(jīng)歷了20幾年的快速發(fā)展，微型無人機在航拍、農(nóng)業(yè)植保、測繪、運輸、軍事偵查等領(lǐng)域的得到了廣泛的應(yīng)用，大大的拓展了無人機本身的用途。近年來無人機快遞更是在新聞媒體上屢屢現(xiàn)身，微型無人機的負載從開始的幾十克發(fā)展到現(xiàn)在的幾千克，其運輸能力獲得了幾十倍的增長。得益于無人機的快速發(fā)展，本文設(shè)計了一種帶機械爪的四旋翼無人機，其機械爪具有兩個自由度（張夾和擺動），通過無人機的偏航運動，實現(xiàn)機械爪的第三個自由度（旋轉(zhuǎn)）。本文設(shè)計的機械手爪由單電機驅(qū)動具有兩根手指和6個指節(jié)。該手爪由電機驅(qū)動一根拉桿支架，其端部分別連接第一指節(jié)的動力桿；每個手指有3個指節(jié)，第一指節(jié)與第二指節(jié)與平行四邊形連桿連接，確保第三指節(jié)做平移運動；每個手指第二指節(jié)具有延伸的圓弧滑槽，當(dāng)?shù)谥腹?jié)支點隨第一指節(jié)運動時，經(jīng)過特別設(shè)計的圓弧滑槽在固定支點滑動，可使第三指節(jié)的運動速度與電機轉(zhuǎn)速程線性比例關(guān)系運動。該機械爪能夠?qū)σ后w和泥沙進行取樣，并且能抓取方形，圓柱形，球體及不規(guī)則形狀的物體。最大抓取重量為500g，抓取物體最大尺寸100mm左右。第三指節(jié)的夾緊力在夾緊過程中逐漸減小，有利于夾持易碎易變形的物體。機械爪通過減震柔性機構(gòu)與無人機連接，保證機械爪在夾持物體時無人機能夠自主懸停，穩(wěn)定的夾持重物。無人機配備導(dǎo)航模塊，可在夾持任務(wù)完成時自主返回，大大減少操控者的工作強度。本文設(shè)計的無人機可用于危險環(huán)境中的樣品采集、偵查和小件物品的遞送，大大擴展了無人機本身的用途。 關(guān)鍵詞：機械爪；無人機；自主懸停 畢業(yè)論文（設(shè)計）用紙 Abstract Since the 1990s, the advent of the first aircraft MAV, MAV has experienced 20 years of rapid development, MAV aerial, agricultural plant protection, mapping, transportation, military reconnaissance and other fields has been widely used greatly expanded the use of drone itself. In recent years, MAV Express is often appeared in the news media, MAV load of a few kilograms up to now, its transport capacity to obtain a few times increased from tens of grams development began. Thanks to the rapid development of MAVs, design one kind of quad-rotor UAV with a mechanical claw, mechanical claw having two degrees of freedom (open/clip and swing), via yaw movement UAV achieve the third degree of freedom mechanical claw (rotation). This design of the gripper driven by a single motor having two fingers and six knuckles. This gripper driven by a motor a rod holder, whose ends are respectively connected to the first knuckle of the power lever; each finger has three knuckles, knuckles and the first and second knuckle parallelogram linkage connected to ensure the third knuckle do translational motion; the second knuckle of each finger having a circular arc chute extending means savings when the first point with the first knuckle movement, through a specially designed arc chute slide in fixed fulcrum, can so that the moving speed of the third knuckle linearly proportional to the movement speed of the motor drive. The mechanical claw capable of liquid and sediment sampling, and can crawl square, cylindrical, spherical and irregular shaped objects.Crawl maximum weight of 500g, the maximum size of objects to crawl around 100mm. Third knuckle clamping force gradually decreases during clamping, gripping favor fragile and deformable objects. Mechanical claw connected by a flexible shock absorbing mechanism and MAV to ensure mechanical clamping jaws when the object hovering drone capable of autonomous, stable holding weights. UAV is equipped with navigation module, autonomously return when gripping task is completed, greatly reducing the intensity of the work of the manipulators. This design can be used in hazardous environments UAV sample collection, detection and delivery of small items, and greatly expanded the use of unmanned aircraft itself. Key words：Manipulator;UVA;Autonomous hover 目 錄 引 言 1 1 機械爪的設(shè)計方案 2 1.1 機械爪的設(shè)計要求和功能 2 1.1.1設(shè)計要求 2 1.1.2功能 2 1.2 常見機械臂末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)： 2 1.3 方案對比分析和確定 3 1.3.1單電機驅(qū)動二指平動手爪方案 3 1.3.2單電機驅(qū)動多指關(guān)節(jié)機械手爪方案 4 1.3.3方案分析 4 2 機械爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 5 2.1 機械爪的結(jié)構(gòu)分析 5 2.2 機械爪的尺寸參數(shù)分析 6 2.2.1滑槽參數(shù)計算 8 2.3 機械爪的受力分析 9 2.3.1指節(jié)末端吸盤的受力分析 12 3 機械爪夾緊驅(qū)動機構(gòu)的選型 12 3.1 滾珠絲杠螺母副的選型 12 3.1.1滾珠絲杠副的型號參數(shù) 12 3.1.2滾珠絲杠副的質(zhì)量估算 13 3.2 電機扭矩和轉(zhuǎn)速的計算 13 3.2.1電機扭矩的計算 13 3.2.2電機轉(zhuǎn)速的計算 14 3.3 驅(qū)動電機的選型 14 3.3.1驅(qū)動電機的對比分析 14 3.3.2確定驅(qū)動電機型號 15 3.4 絲杠電機連接結(jié)構(gòu)的方式 16 3.5 驅(qū)動機構(gòu)的校核 16 4 機械爪的材料選型和強度計算 17 4.1 機械爪的材料選型 17 4.2 機械爪主要零件的強度校核 19 5 機械臂的設(shè)計 21 5.1 機械臂的設(shè)計方案 21 5.2 機械爪的重量計算 21 5.3 機械臂驅(qū)動電機的選型 22 5.4 機械臂的強度校核 23 5.5機械臂與無人機連接結(jié)構(gòu)設(shè)計 24 6 無人機的設(shè)計 24 6.1 無人機的設(shè)計方案與工作原理 24 6.2 無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計 26 6.3 無人機材料選型 26 6.4 四旋翼無人機驅(qū)動電機和螺旋槳選型 26 6.5 無人飛行參數(shù)計算 27 7 帶機械爪的無人機的控制設(shè)計 28 7.1 無人機和機械手控制方案設(shè)計 28 7.2 控制系統(tǒng)硬件選型 29 7.4 四旋翼無人機程序設(shè)計 31 8 結(jié)論 32 謝 辭 33 參考文獻 34 第 33 頁 共 34 頁 畢業(yè)論文（設(shè)計）用紙 引言 無人駕駛飛機簡稱“無人機”，英文縮寫為“UAV”，是利用無線電遙控和無線通訊設(shè)備進行操控或自控飛行的無人駕駛飛行器。從無人機的結(jié)構(gòu)形式和飛行原理可分為：無人直升機、無人固定翼機、無人多旋翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機等。 無人機按使用領(lǐng)域，可分為軍用與民用。軍用方面，無人機分為偵察機和靶機。無人機在民用方面，目前主要應(yīng)用在在航拍、農(nóng)業(yè)植保、測繪、運輸?shù)阮I(lǐng)域的使用，大大的拓展了無人機本身的用途。 “2013年6月，美國Matternet公司在海地和多米加共和國測試了無人機網(wǎng)絡(luò)，無人機能夠攜載2公斤物體飛行9.7公里。[[] 無人機自動快遞[J]資訊銳科技．2013:(14)．32． ]”“2013年9月，順豐自主研發(fā)的用于派送快件的無人機完成了內(nèi)部測試，在局部地區(qū)試運行。[[] 熊元．無人機新玩法[J]科技．2014(7)．64-65． ]”“ 2014年10月，DHL宣布將在德國實現(xiàn)無人機送貨。該公司的四旋翼無人機可負載大約1.2公斤的貨物。[[] DHL“搶跑”無人機送貨[J]商業(yè)視窗.2010.(12).．8． ]”在最近的一段視頻中，某研究團隊研發(fā)了一種向老鷹一樣裝有機械爪的四旋翼無人機，該無人機從空中俯沖到與地面成一定距離的時候，快速抓取地面上的物體。研究人員從老鷹身上獲得靈感，他們相信通過改進無人機和機械手爪的材料和增強無人機的結(jié)構(gòu)強度，可使該無人機變得更輕巧更快速，而且能夠借助俯沖獲得的速度快速恢復(fù)高度。 隨著無人機的發(fā)展，無人機變的越來越智能化，重量輕負載大，可實現(xiàn)自動控制，由此引申出了各種功能的無人機。本文介紹了一種多功能帶機械爪的無人機的，實際上它相當(dāng)于一個飛行器人，是一種能在惡劣環(huán)境中代替人類工作的一種新方法。它不僅能提高無人機的抓取能力，還能巧妙實現(xiàn)與無人機的協(xié)同工作，充分利用無人機工作的原理和方法來實現(xiàn)復(fù)雜設(shè)計。該無人機通過于機械手的相互協(xié)調(diào)工作，可完成各種物體的抓取任務(wù)，并自動返航。本文包括了機械爪的建模與工作原理，還包括力學(xué)分析和控制設(shè)計過程，以及無人機框架的設(shè)計和無人機控制系統(tǒng)的設(shè)計。 1 機械爪的設(shè)計方案 1.1 機械爪的設(shè)計要求和功能 1.1.1設(shè)計要求： 機械爪能巧妙的與無人機協(xié)同完成抓取工作，充分利用無人機飛行能力，在各種難以到達的環(huán)境中完成抓取任務(wù)，并能在無人機飛行時的不穩(wěn)定環(huán)境中牢牢抓住物體，順利返航。機械爪的結(jié)構(gòu)必須簡單輕型化，避免較大的質(zhì)量和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，減少機械爪慣性力對無人機的影響。機械爪控制電路簡單可靠，在不影響功能的情況下盡量減少驅(qū)動電機的數(shù)量，并在無動力的情況下能夠自鎖，做到到低功耗，高效率，為無人機的續(xù)航創(chuàng)造條件。 1.1.2功能： 能夠?qū)σ后w和泥沙進行取樣，并且能抓取方形，圓柱形，球體及不規(guī)則形狀的物體。最大抓取重量為500g，抓取物體最大尺寸100mm左右。 1.2 常見機械臂末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)： 1.鉗式機械手： “ 夾鉗式手部與人手相似，是工業(yè)機器人廣為應(yīng)用的一種手部形式。它一般由手指、驅(qū)動機構(gòu)、傳動機構(gòu)及連接與支承原件組成，能通過手爪的開閉動作來實現(xiàn)對物體的夾持。[[] 《工業(yè)機械手》編寫組．工業(yè)機械手上下冊[M]上?？茖W(xué)技術(shù)出版社．1982． [5] 蘇子昊．孔慶忠．關(guān)節(jié)型機器人二指平動手爪的設(shè)計[J]．機械工程與自動化．2008(5)． 80-84． [6] 羅志增．顧培民.一種單電機驅(qū)動多指多關(guān)節(jié)機械手的設(shè)計[J]機器人．2009(31) ．620 -624． [7] 丹尼斯克拉克．邁克爾歐文斯．機器人設(shè)計與控制[M]科學(xué)出版社．2004． [8] 俞芙芳．塑料成型與模具設(shè)計[M]?華中科技大學(xué)出版社．2007． [9] Atheer L.．Salih,．M.．Moghavvemi．Modelling and PID Controller Design for a Quadrotor Unmanned Air Vehicle[J]Applied Electronics (CRAE) University of Malaya． [10] 丁德全．金屬工藝學(xué)[M]機械工業(yè)出版社．2011． [11] Rogelio Lozano著．陳自力．江濤等譯．無人機嵌入式控制[M]國防工業(yè)出版社．2014． [12] 李 杰．齊曉慧．小型四旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]中國測試．2014（40） ．90-93． [13] Guozhi Li．Cong Fu.．Fuhai Zhang．A Reconfigurable Three-Finger Robotic Gripper[J] State Key　Laboratory of Robotics and System Harbin Institute of Technology Harbin． 150001．1556-1561． [14] 單祖輝．材料力學(xué)[M]高等教育出版社．2009． [15] 聞邦椿．機械設(shè)計手冊（第5版）[M]機械工業(yè)出版社．2010． ]” “夾鉗式機械手又分為回轉(zhuǎn)型手部和平移型手部?；剞D(zhuǎn)型手部的手指實際上就是兩個杠桿，通過轉(zhuǎn)動機構(gòu)的帶動，手指繞指點回轉(zhuǎn)來實現(xiàn)手指的開閉動作。平移型手部是兩個手指在傳動機構(gòu)的帶動下，作相對的平行移動以實現(xiàn)開閉動作。[4]” 2.彈性力手爪： 彈性力手爪的特點是其夾持物體的爪力式由彈性原件提供的，不需要專門的驅(qū)動裝置，在抓取物體的時候需要一定的壓入力，而在卸料時，則需要一定的拉力，其抓取需要以一定的方向，抓取對象的形狀需要與機械手相匹配，且抓取對象重力需小于卸料拉力。 3.勾托式手部： 勾托式手部并不靠夾緊力來夾持物體，而是利用物體本身的重量和水平方向的手指產(chǎn)生的支持力來勾住或拖住物體來實現(xiàn)夾持的。由于勾托式手爪主要是靠手指的支持力來夾持物體的，因此不需要較大的夾緊力，所以對夾緊驅(qū)動裝置的驅(qū)動力要求較小。 1.3 方案對比分析和確定 “機械手爪是無人機夾持物體的最終執(zhí)行機構(gòu)，對提高機器人完成任務(wù)的效率和改進工作水平起到關(guān)鍵性的作用。夾持和操控的靈活性、精確性和適應(yīng)性是衡量機械手爪設(shè)計水平的一個重要標(biāo)志。[5]”常用的工業(yè)機器人的手部多為結(jié)構(gòu)簡單的夾鉗式、托持式、彈性式等型式，其結(jié)構(gòu)和夾持對象的工作原理決定了其夾持功能的局限性。近年來隨著工業(yè)機器人的快速發(fā)展，工業(yè)機器人的手部結(jié)構(gòu)也越來越多元化，從單一的功能慢慢演變成具有擬人化的多指機械手。與夾鉗式機械爪相比，具有擬人化的機械手結(jié)構(gòu)形式和控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，但其手指更加靈活，更能適應(yīng)于不同形狀物體的抓取，其抓握更加穩(wěn)定可靠。 1.3.1方案一：單電機驅(qū)動二指平動手爪 “蘇子昊等人研發(fā)了一種步進電機驅(qū)動的多連桿機構(gòu)二指平動機械手爪，一種用于小型多自由度關(guān)節(jié)型機器人的機械手爪, 它采用二指平動的手爪設(shè)計方案。 以機構(gòu)為基礎(chǔ), 用電機驅(qū)動, 實現(xiàn)了機械手爪開合、擺動、 手腕轉(zhuǎn)動一體化的手部運。[7]”該機械手采用 圖1-2 二指平動機械手原理圖 步進電機驅(qū)動, 轉(zhuǎn)動位置精度高, 動作響應(yīng)速度快。 該機械手爪尺寸參數(shù)適中，方便更換和攜帶、 結(jié)構(gòu)緊湊體積小、 制造成本低, 可用于教學(xué)型機器人和科研機器人。手夾持物體時以物體為中心, 用手指末端夾持物體。 該機械手爪的工作方式有捏、拿、夾、握等，通過機械爪表面與夾持物表面的摩擦力來夾持物體。該機械爪,屬于夾持式手爪, 手指通過絲杠螺母帶動第一動力桿，動力桿將動作傳遞給平行四邊形機構(gòu)，保證手指末端實現(xiàn)平行移動。機械臂處于工作狀態(tài)時, 分別由機械臂上的各個關(guān)節(jié)調(diào)整好位姿，然后逐漸靠近待夾持物, 最后由手腕調(diào)節(jié)幾下抓與被夾持物的夾持方向，機械爪張開并夾持待夾持物體, 每個手指末端配有壓力傳感器，可根據(jù)手指的受力情況和待夾持物的表面硬度、剛度調(diào)節(jié)機械爪手指的夾緊力，防止待夾持物因受力過大發(fā)聲變形和損壞。 1.3.2方案二：單電機驅(qū)動多指關(guān)節(jié)機械手爪 羅志增，顧培民研究了一種步進電機驅(qū)動的多指關(guān)節(jié)機械手，為了使機械手靈活、可靠地抓取物體，設(shè)計了一種新型結(jié)構(gòu)的單電機驅(qū)動 4 指 12 關(guān)節(jié)機械手爪。如右圖，電機轉(zhuǎn)動，滾珠螺母移動，同時帶動與其連接的十字連桿，其端部分別與四根手指的第一指節(jié)連接；第一指節(jié)的動力桿AB繞B點轉(zhuǎn)動，同時C點繞B點轉(zhuǎn)動；這是C點推動帶有圓弧槽的第二指節(jié)，由于O點在圓弧槽內(nèi)滑動時產(chǎn)生支反力，通過計算圓弧槽 圖1-3 多指關(guān)節(jié)機械手原理圖 的參數(shù)，可使第三指節(jié)勻速運動。與第一指 節(jié)和第二指節(jié)連接的平行四邊形機構(gòu)使第三指節(jié)在水平方向移動?！霸撔滦偷膯坞姍C驅(qū)動手爪設(shè)計方案表現(xiàn)出了機械手控制簡單、抓握可靠的優(yōu)點和優(yōu)勢。[6]” 1.3.3方案分析 機械手爪的結(jié)構(gòu)一般根據(jù)實際使用情況來設(shè)計，當(dāng)被夾持象確定時，手爪的夾持方式也基本確定了。手爪自由度數(shù)越多，手指的靈活性約高，其夾持對象的通用性也更強，但控制也會變得復(fù)雜、制造成本和控制系統(tǒng)硬件成本也會隨著其復(fù)雜度變高。 方案一：蘇子昊等人研究的步進電機驅(qū)動的多連桿機構(gòu)二指平動機械手爪，結(jié)構(gòu)簡單，但手指的夾緊速度與電機轉(zhuǎn)速并非線性比例關(guān)系[6]，在非勻速夾持的時候，對夾持物體產(chǎn)生沖擊，同時對無人機的飛行狀態(tài)產(chǎn)生較大的慣性力影響，無人機需要進行較大的姿態(tài)調(diào)整，造成無人機續(xù)航時間下降。且手指只能進行相對平移動作，動作單一，在夾持不同形狀的物體時，需要更換不同形狀的手指，工作適應(yīng)范圍較小，難以實現(xiàn)一手多用。 方案二：羅志增，顧培民研究的步進電機驅(qū)動的多指關(guān)節(jié)機械手結(jié)構(gòu)較前者復(fù)雜，但手指的夾緊速度與電機轉(zhuǎn)速呈線性比例關(guān)系，其特點是第三指節(jié)能平行張開合攏，且在電機勻速轉(zhuǎn)動時能保證手指末端勻速平動，以避免手指移動速度不均對夾持物體的沖擊，對無人機的飛行狀態(tài)影響較小，相比前者，能獲得較多的續(xù)航時間。該機械手具有3個指節(jié)，其中第二指節(jié)呈V型并攏，能夠?qū)A柱體實現(xiàn)抓取，而第三指節(jié)呈相對平動，實現(xiàn)對方形物體的抓取，在第3指節(jié)裝配一對吸盤，吸盤的弧面能夠抓取球體，吸盤具有一定的容腔，能夠抓取泥沙，其密封性能夠抓取液體，吸盤的柔性變形還能適應(yīng)形狀不規(guī)則的物體，實現(xiàn)一手多用的功能。 本文針對外形為中心對稱、形狀不規(guī)則的待夾持物體和液體，設(shè)計一種單電機驅(qū)動的機械手爪，其特點是第三指節(jié)能平行張開合攏，且在電機勻速轉(zhuǎn)動時能保持第三指節(jié)勻速平動。方案一結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，手爪動作單一，機械爪的動作沖擊對無人機的續(xù)航時間影響較大。方案二結(jié)構(gòu)較前者復(fù)雜，成本較高，但是手爪動作比前者多了V形并攏的動作，手爪的功能較為豐富，可實現(xiàn)一手多用，且手爪動作沖擊較小，對無人機的續(xù)航時間影響較小。根據(jù)性能>成本>續(xù)航的關(guān)系，確定以方案二為模板進行改良設(shè)計。 2 機械爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 機械爪的結(jié)構(gòu)分析 本文的設(shè)計參考了羅志增，顧培民研究了一種步進電機驅(qū)動的多指關(guān)節(jié)機械手的方案，本文采用單電機驅(qū)動2指對稱的結(jié)構(gòu)，單根手指由3個指節(jié)通過螺栓連接，整個手爪由2根固定在支架上的手指組成。第三指節(jié)是與被夾持物體相接觸的元件，機械手爪夾緊和張開時能保持相對平行移動。每個手指各關(guān)節(jié)之間力的依靠各個指節(jié)的杠桿力傳遞。每根手指的第一指節(jié)和第二指節(jié)外側(cè)分別連接一根平行連桿，形成2個平行四邊形，平行四邊形在擺動時，其末端是水平運動的，第三指節(jié)的水平運動保證了其抓取方形物體的功能。第 3 指節(jié)就是指尖，通過 a張開狀態(tài) b中位狀態(tài) c夾緊狀態(tài) 圖2-1 單電機驅(qū)動多指關(guān)節(jié)機械手原理圖 平動實現(xiàn)對物體的夾持。該手爪的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2- 1所示。該手爪由減速電機、支架連桿、拉桿支架、第一指節(jié)、第二指節(jié)及圓弧滑槽和指尖等組成，其中第1、第2指節(jié)與一個平行四邊形的連桿連接，以確保指尖在手爪張開合攏時能夠平移運動。手爪的工作過程如下： 直流減速電機驅(qū)動絲桿轉(zhuǎn)動，絲杠轉(zhuǎn)動滾珠螺母平平，滾珠螺母與拉桿支架連接。當(dāng)直流減速電機正反轉(zhuǎn)時，可使絲杠帶動的拉桿支架沿絲杠軸線上、下平動，并帶動2個手指的第一指節(jié)進行開合運動。第一指節(jié)將動力傳遞給第二指節(jié)，第二指節(jié)的C點向手爪中心運動，第二指節(jié)的圓弧滑槽段隨C點向手爪中心運動，但由于圓弧滑槽受到O點的支反力，其受力點與C點間的力臂是變化的?；郾辉O(shè)計成圓弧槽，相當(dāng)于封閉的凸輪，通過計算圓弧槽的參數(shù)數(shù)，使直流減速電機勻速轉(zhuǎn)動時，第三指節(jié)在上平方向的運動也是勻速的。手爪座開合運動時，第二指節(jié)的圓弧槽繞著指點滑動和轉(zhuǎn)動。因為圓弧槽的形狀尺寸參數(shù)決定了第二指節(jié)的運動參數(shù)，因此圓弧槽的尺寸計算尤為重要。當(dāng)?shù)谝坏诙腹?jié)在驅(qū)動力下轉(zhuǎn)動時，同時帶動與第一第二指節(jié)連接的平行連桿機構(gòu)，使第三指節(jié)沿著水平方向勻速運動。 2.2 機械爪的尺寸參數(shù)分析 （a）中位關(guān)系圖 （ b）夾緊關(guān)系圖 圖2-2 桿的連接關(guān)系圖 在設(shè)計中，首選確定待抓取物的最大尺寸，然后在進行機構(gòu)尺寸設(shè)計；其次，根據(jù)確定的傳動機構(gòu)進行運動學(xué)分析；最后通過運動關(guān)系推導(dǎo)計算各個結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)，然后建立三維模型，裝配后觀察其運動方式是否符合設(shè)計要求。 如圖2-2所示，其中圖2-2（a) 是手爪運動到中位的關(guān)系原理圖，圖2-2(b)是最小夾緊位置。分析電機轉(zhuǎn)速與第三指節(jié)平動速度的關(guān)系，設(shè)電機轉(zhuǎn)速為n r/min，絲杠導(dǎo)程為 δmm，則拉桿支架的移動速度為： （2-1） 式中，單位是 mm/s。 絲杠螺母帶動拉桿支架，使第指節(jié)的A點繞固定支點 B 轉(zhuǎn)動， A 點運動的垂直方向距離與拉桿支架的移動距離相等。如果初始狀態(tài) A、B 在同一水平上，桿AB的水平夾角θ = 0，經(jīng)過t時間點A在豎直方向的移動距離 h = t。由于A在水平方向的移動距離非常小，計算時忽略點A的擺動距離，那么桿AB的角速度約為： （2-2） 式中， 是第一指節(jié) AB 的長度，單位為 mm， 的單位是 rad/s．t 時刻第 1 動力桿 AB 的水平夾角： （2-3） 如圖2-2，取第一指節(jié)上BC長度是20mm，且BC與BA的連接夾角為90度，第二指節(jié)直線段CD的長度是35，圓弧滑槽 CE上的支點O相對于 B 點的坐標(biāo)是 (a,b)， x0Cy0 是固定在第指節(jié)上的坐標(biāo)，那么，滑槽上的支點 O 離 x0Cy0 坐標(biāo)原點 C 的長度 e 為： （2-4） 如果被控手爪指尖的水平方向夾緊速度是 mm/s， t 時刻水平方向移動了 w = t，第2 動力桿轉(zhuǎn)角為： （2-5） 在圖 3(b) 中， CD 與 e的夾角為OC的水平夾角與第二指節(jié)轉(zhuǎn)過的角度和第 2 之差，即： （2-6） 式 (2-4)、 (2-6) 構(gòu)成了第 2 動力桿滑槽曲線的極坐標(biāo)方程． 2.2.1滑槽參數(shù)計算 與平行四邊形機構(gòu)為背包連桿的電動機械手爪 ，在電機勻速轉(zhuǎn)動的情況下，其指尖夾緊或張開的速度是變化的，在平行四邊形機構(gòu)成直角時速度最大，大于或小于 90? 時速度減小[6]。所以，當(dāng)手爪張開角度不同時，對應(yīng)的指節(jié)末端瞬時速度也不同。這樣，即使能夠通過改變電機轉(zhuǎn)速來使指節(jié)末端保持勻速運動，但這會使控制系統(tǒng)更加復(fù)雜，控制難度也相應(yīng)增加。本文設(shè)計的機械手爪最大的優(yōu)點是通過第二指節(jié)的圓弧滑槽來修正補償輸入速度與輸出速度的不對應(yīng)的關(guān)系。使電機勻速轉(zhuǎn)動的同時，第三指節(jié)的運動也是勻速的。 通過帶入各個指節(jié)的尺寸參數(shù)，并約束輸入速度與輸出速度的關(guān)系來計算圓弧滑槽的尺寸參數(shù)，取= 20， = 40， = 35，圓弧滑槽上的支點 O 相對于 B 點的坐標(biāo)是，a= 19， b= 21，單位為mm，手爪抓取物體的尺寸范圍徑為0～ 110mm。該手爪為是 2指對稱結(jié)構(gòu)，所以取單根手指進行分析計算，那么單根手指的運動行程為55。取機械手的初始狀態(tài)為手爪中位，取中位狀態(tài)第三指節(jié)距離中心長度為34mm，最大張開狀態(tài)到中位狀態(tài)的行程為21mm，第三指節(jié)的運動行程 w 在 [?21,34] 內(nèi)變化。對單邊運動進行分析，設(shè) h 在 0 ～ 6 變化， w 在 0 ～ 34 變化，第一指節(jié)動力桿水平夾角 θ 在 0 ～ 18? 之間變化，通過公式(2-4)、 (2-6)計算得得表 2-1 所示手爪運動各點與對應(yīng)的圓弧滑槽曲線極坐標(biāo)參數(shù)。根據(jù)e-參數(shù)表，配合槽寬進行計算，即可計算出圓弧滑槽的各項尺寸參數(shù)。 表2-1 手爪與滑槽對應(yīng)坐標(biāo)關(guān)系 序號 h/mm / w/mm e/mm / 1 0 0 0 26.870 45 2 0.9 2.605 5 25.586 42.53 3 1.8 5.216 10 24.306 40.32 4 2.7 7.837 15 23.031 38.15 5 3.6 10.476 20 21.763 36.07 6 4.5 13.137 25 20.506 34.07 7 5.4 15.827 30 19.265 32.11 8 6.18 18.004 34 18.288 30.54 圖2-3 5：e-極坐標(biāo)圖 根據(jù)e-極坐標(biāo)圖，作一條經(jīng)過e端點的圓弧，得圓弧圓心相對B點的坐標(biāo)為（-0.68,19.71），圓弧半徑為19.72mm。 2.3 機械爪的受力分析 圖2-4 單電機驅(qū)動多指關(guān)節(jié)機械手受力分析圖 電機帶動絲桿轉(zhuǎn)動，支架連桿在絲桿的轉(zhuǎn)動時向下運動，對A點產(chǎn)生一個豎直的力F，迫使連桿ABC繞B點轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)矩，然后通過C點將對桿OCD產(chǎn)生一個垂直與BC的力,。如圖2-4，在O點形成 支反力的2個分力和，其中與e垂直，與e平行，和兩個力的夾角等于90-，其中為e與力的夾角。 桿BC和桿CD的轉(zhuǎn)角差為： （2-7） 則為： （2-8） 則為： (2-9) 綜合公式（2-5）（2-6）（2-7）（2-8）（2-9）得： （2-10） 式中與h成正比，，設(shè)，根據(jù)表一求得 則： （2-11） 將公式（2-11）帶入公式（2-10）得： （2-12） 設(shè)F=1N將表一參數(shù)帶入上式計算得表二: 表2-2 與的關(guān)系 序號 / / / / / /N /N 1 0 45 0 45 0 0.354 0.500 2 2.605 42.53 5.22 45.145 2.615 0.354 0.499 3 5.216 40.32 10.47 45.574 5.254 0.356 0.498 4 7.837 38.15 15.83 46.143 7.993 0.358 0.496 5 10.476 36.07 21.32 46.914 10.844 0.359 0.492 6 13.137 34.07 27.04 47.973 13.903 0.362 0.487 7 15.827 32.11 33.06 49.343 17.233 0.365 0.481 8 18.004 30.54 38.18 50.716 20.176 0.368 0.476 確定了的參數(shù)之后，和的水平分力很快就能計算出來。 （2-13） （2-14） 根據(jù)公式（2-12）（2-13）表一和表二計算和得表三各參數(shù)如下: 表2-3 桿的受力參數(shù) 序號 F 1 1 0.500 0.354 0.292 0.292 2 1 0.499 0.354 0.259 0.258 3 1 0.498 0.356 0.247 0.243 4 1 0.496 0.358 0.223 0.224 5 1 0.492 0.359 0.21 0.196 6 1 0.487 0.362 0.212 0.189 7 1 0.481 0.365 0.201 0.168 8 1 0.476 0.368 0.192 0.151 9 1 0.484 0.348 0.338 0.305 表2-3序號9為機械爪最大張開時的受力分析數(shù)據(jù)，由表3可知，機械爪從最大張開到完全夾緊，第二指節(jié)末端的水平夾緊力逐漸減小，從0.305N到0.151N。由數(shù)據(jù)可知，該機械爪在夾持小件易碎的物體時，能夠保護夾持物體，不至于夾持物因為夾緊力變大而破碎，但是在夾持小件重物時可能會導(dǎo)致物體因夾緊力不夠而脫落。 2.3.1指節(jié)末端吸盤的受力分析 吸盤的受力分析如圖2-5，圖中為機械爪的夾緊力為吸盤的的吸附力，N為物體的重力。取N為5N，取吸盤直徑25mm，取大氣壓強為101300Pa1取吸盤摩擦系數(shù)為0.5~1.5，取吸盤的安全系數(shù)S=8取最小0.5，則為 （2-15） 為： (2-16) 式中為吸盤的彈性力，取=1N，則 = 4.8N。 圖2-5 吸盤受力分析圖 通過上面計算可知，在夾持較為光滑的平面物體時，至少為4.8N，則當(dāng)夾持500g的物體時，機械爪處于最小夾緊狀態(tài)，取夾緊安全系數(shù)=2時，螺母的輸入力至少為為64N。 3 機械爪夾緊驅(qū)動機構(gòu)的選型 3.1 滾珠絲杠螺母副的選型 3.1.1滾珠絲杠副的型號參數(shù) 目前大多數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)滾珠絲桿螺母都為金屬材質(zhì)，其最小型號的絲桿螺母的動載荷可達到500N，遠超在本設(shè)計中所需的載荷，本文將采用TBI公司生產(chǎn)的微型滾珠絲杠。 表3-1 滾珠絲杠副基本參數(shù)表 型號 d I Da D A B L W H X n Ca Coa K SFK00401 4 1 0.8 10 20 3 12 15 14 2.9 2 40 51 2.8 表4中Ca（動載荷）、Coa（靜載荷）的單位為Kgf，n為滾珠圈數(shù)，K為強度，Da為珠徑，I為導(dǎo)程，其余參數(shù)單位為mm。 圖3-1 滾珠絲杠參數(shù)對照圖 3.1.2滾珠絲杠副的質(zhì)量估算 h的長度為11mm，螺母的長度L為12mm，則絲杠的長度為23mm，直徑為23mm，取絲杠和螺母的謎底。 絲杠的質(zhì)量為： （3-1） 螺母的質(zhì)量約為： （3-2） 計算得=0.002157Kg=2.157g，=0.011682Kg=11.682g。 總質(zhì)量m=13.839g。 3.2 電機扭矩和轉(zhuǎn)速的計算 3.2.1電機扭矩的計算 已知當(dāng)機械爪在最小夾緊狀態(tài)夾持500g的物體時，支架連桿需要輸入32N的力，則滾珠絲杠的軸向力=32N，因為摩擦力遠小于，忽略不計。滾珠絲杠的輸入力矩為： （3-3） 式中： I：為絲杠螺距 ：為絲桿的傳動效率取0.94 計算得=1.08Ncm 即電機輸出最大轉(zhuǎn)矩為1.08Ncm。 3.2.2電機轉(zhuǎn)速的計算 機械爪的最大開合長度為110mm，單邊最大張開長度為55mm，設(shè)機械爪的最大開合速度=20mm/s，則支架連桿的移動速度為： （3-4） 求得=3.64mm/s。 支架連桿的速度等于滾珠螺母的速度，根據(jù)公式（2-1）計算得電機轉(zhuǎn)速為218r/min。 3.3 驅(qū)動電機的選型 3.3.1驅(qū)動電機的對比分析 “常用的微型驅(qū)動電機有直流電機、舵機、步進電機，其中直流電機是機器人平臺的標(biāo)準(zhǔn)電機，有著極寬的功率調(diào)節(jié)范圍，適用性好，具有很高的性價比，是一種最為通用的電機。[7]”舵機主要由一個直流電機、一個內(nèi)置減速器和一個內(nèi)置的位置反饋器組成，舵機通常無法連續(xù)轉(zhuǎn)動，一般用于一些行程較短、需要扭矩中等的機構(gòu)。步進電機本質(zhì)上是一種無刷電機，被設(shè)計用來精確運動，步進電機的轉(zhuǎn)速相對較低，一般為50—100r/min。在同等功率下，步進電機相比直流電機和舵機重量要重的多，步進電機的轉(zhuǎn)矩通常也不是十分強勁，一般用于低轉(zhuǎn)速、低扭矩和高精度的機構(gòu)上。 根據(jù)表4進行分析，因為舵機無法連續(xù)轉(zhuǎn)動，不考慮選用。分別從成本，扭矩，重量來對比分析步進電機和直流電機。其中直流電機價格價格較貴，扭矩和功率自重比較步進電機大，因為機械爪用于無人機上，因此選用功率自重比較好的直流電機，同等功率的直流電機重量比步進電機小，選用直流電機，無人機的續(xù)航將得到保證。 表3-2 電機類型的對比 電機類型 優(yōu)點 缺點 應(yīng)用場合 直流電機 1.型號多 2.功率大 3.接口簡單 4.適合適合大型機器人 1.需要齒輪減速器 2.電流較大 3.較難裝配 4.控制復(fù)雜 5.成本高 需要較大扭矩的機構(gòu) 舵機 1. 內(nèi)部帶減速器 2. 型號多 3. 速度適中 4. 成本低功率適合 5. 易于安裝 6. 接口簡單 7. 功率中等 1. 負載能力較低 2. 速度調(diào)節(jié)范圍較小 3. 無法連續(xù)轉(zhuǎn)動 不需要連續(xù)轉(zhuǎn)動，行程較短的機構(gòu) 步進電機 1. 精確的速度控制 2. 型號多 3. 接口簡單 4. 成本低 1. 功率與自重比小 2. 電流較大 3. 安裝困難 4. 負載能力低 5. 功率小 6. 控制復(fù)雜 需要精確運動，扭矩較小的機構(gòu) 3.3.2確定驅(qū)動電機型號 根據(jù)計算得電機的轉(zhuǎn)速為200r/min，最大轉(zhuǎn)矩為1.25Kgcm。選用深圳市金順來特電機有限公司生產(chǎn)的JGA20-130微型直流減速馬達。其參數(shù)如下： 圖3-2 直流電機尺寸參數(shù)對照圖 表3-3 直流電機參數(shù)表 電壓/v 空載 負載轉(zhuǎn)矩 堵轉(zhuǎn)矩 L 減速器 重量 范圍 額定 轉(zhuǎn)速 電流 轉(zhuǎn)速 電流 扭矩 功率 扭矩 電流 尺寸 減速比 3~9 6 288 60 211 200 0.25 1.1 1.25 930 16 25 80 表中扭矩單位為Kgcm，轉(zhuǎn)速單位為r/min，電流單位為mA，尺寸單位為mm，重量單位為g，功率單位為W。 3.4 絲杠電機連接結(jié)構(gòu)的方式 滾珠絲杠內(nèi)徑d為3mm，直流電機軸徑為4mm，因此選用內(nèi)徑為4mm，的鋁合金聯(lián)軸器，其適用型號有凌正自動化公司生產(chǎn)的Z1016-03-04聯(lián)軸器，其具體參數(shù)如下： 圖3-3 聯(lián)軸器尺寸參數(shù)對照表 表3-5 聯(lián)軸器技術(shù)參數(shù)表 型號 額定扭矩 最大扭矩 最高轉(zhuǎn)速 慣性力矩 表面處理 重量 LZ1014-03-04 0.3 0.6 22000 陽 13 表中扭矩單位為Nm，轉(zhuǎn)速單位為r/min，慣性力矩單位為，重量單位為g。 3.5 驅(qū)動機構(gòu)的校核 由于所選電機參數(shù)與初選計算參數(shù)有一定的誤差，通過本小節(jié)的計算，將修正機械爪各個運動參數(shù)的實際數(shù)值，其中包括夾持力、開合速度、夾持物質(zhì)量范圍。 已知電機空載轉(zhuǎn)速為288r/min，則機械爪的開合速度為： （3-5） 式中： n：為空載轉(zhuǎn)速 ：為導(dǎo)程 q：為w/h 計算得機械爪最大開合速度為26.4mm/s。 已知電機堵轉(zhuǎn)矩（啟動轉(zhuǎn)矩）為1.25Kgcm，則螺母的輸出力F為： (3-6) 式中： ：為導(dǎo)程 ：為絲杠的傳動效率=0.94 機算得螺母的輸出力F=70.38N 通過公式（2-12）（2-13）（2-14）計算得機械爪的最小夾緊力=10.11N，機械爪最大夾緊力=20.25N。 通通過公式（2-15）（2-16）計算的機械爪最大張開夾緊重量為963g。 所以機械爪實際開合速度為26.4mm/s，最小夾緊力=10.11N，最大夾緊力=20.25N。 4 機械爪的材料選型和強度計算 4.1 機械爪的材料選型 可用于機械爪的材料有鋁合金和塑料，兩種材料的密度都比較小，滿足于無人機對重量的要求。鋁合金的強度和剛性都強于塑料，但韌性比塑料差，塑料機械爪的韌性可以減少機械爪的震動沖擊，這是鋁合金所沒有的。2種材料的加工性能好，但是鋁合金造價更貴，機械爪的最大負載為500g，使用造價更便宜的塑料材質(zhì)機械爪便可滿足使用要求。因此，機械爪主要采用塑料材質(zhì)，部分承受載荷較大的零件采用鋁合金制造，這樣便能在滿足功能的情況下，減少機械爪的制造成本。 用于機械結(jié)構(gòu)的常用塑料有聚碳酸酯（PC）、聚甲醛（POM）、聚丙烯（PP）和尼龍（PA）。其中PC塑料主要用于制造齒輪、齒條、傳動件、機殼等。POM塑料主要用于制造減摩零件、傳動件、管件、骨架和外殼等。PP塑料主要用于制造機械零件、耐腐蝕零件、絕緣件等。尼龍塑料主要用于制造減摩耐磨零件。傳動零件和化工電器儀表零件。常用塑料的性能如下表： 表4-1 常用塑料性能 代號 名稱 性能 PC 聚碳酸酯 “沖擊強度高，彈性模量高，尺寸穩(wěn)定性好。耐熱性比尼龍，聚甲醛高，抗蠕變和絕緣性能良好，耐蝕性，但耐磨性能不足，自潤性差，不耐堿，酮，胺，芳香烴，有應(yīng)力開裂傾向，高溫易水解，與其他樹脂相溶性差，耐疲勞強度底較易產(chǎn)生應(yīng)力開裂。[8]” POM 聚甲醛 有良好的機械性能，尤其是彈性模量很高，剛性和表面硬度都很高，其他塑料所不能比擬的。沖擊強度及耐疲勞強度都十分突出，為所有塑料之冠。具有卓越的耐磨性和自潤滑性，僅次于尼龍。耐有機溶劑。 PP 聚丙烯 “密度小，強度、鋼度、耐熱性好，可在100度左右使用，具有優(yōu)良的耐腐性，良好的高頻絕緣性，不受濕度影響，表面硬度和耐熱性較好，但成型收縮率大，低溫易變脆，不耐磨。易老化。[8]” PA 尼龍 堅硬、耐磨、耐疲勞、耐油、耐水、結(jié)晶性能很高，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，剛度尚遜于金屬，但強度高于金屬，可代替金屬使用，沖擊強度良好[8]，但熱穩(wěn)定性差，制品一般只能在80-100度下使用。PA6彈性好，沖擊強度高，吸水性較大。PA66強度高，耐磨性好。PA610與PA66相似，但吸水和剛性都較小。PA1010半透明，吸水性小，耐寒性能好。 四種工程塑料中，POM和PA和力學(xué)性能最好，耐磨性和自潤性高，用于機械爪的連桿機構(gòu)可減小指節(jié)之間的摩擦力。PA的吸水性較高，容易吸水而導(dǎo)致零件尺寸變化，但機械爪零部件較小，吸水導(dǎo)致尺寸變化在可接受范圍內(nèi)。POM的吸水性很小，幾乎可以忽略不計。PA的比重為1.15，小于POM的1.43。由于PA的熔點較高，所以PA的制造成本和材料成本都高于POM塑料。在使用壽命上，因為POM塑料熱氧化性較低，易于氧化，因此壽命比PA塑料低。綜合兩種材料在強度、比重、成本、壽命上的優(yōu)缺點，本文選用PA塑料最為機械爪的材料。其中PA66尼龍塑料的力學(xué)性能參數(shù)如下： 表4-2 PA66塑料力學(xué)性能參數(shù) 抗拉強度MPa 75.45~83.3 剪切強度MPa 25.15~27.77 屈服強度MPa 54.88 壓縮強度MPa 103.88 彎曲強度MPa 177.6 彎曲模量GPa 2.98 密度g/ 1.13 4.2 機械爪主要零件的強度校核 由表2-3可知，當(dāng)機械爪處于最大張開狀態(tài)夾持500g的物體時，各個指節(jié)的受力達到最大值，因此，機械爪強度滿足最大張開狀態(tài)的工作條件，即可滿足所有工作狀態(tài)的強度要求。 （1）第一指節(jié)的強度校核 如右圖，F(xiàn)為滾珠螺母輸入的力F最大值為70.38N，桿ABC結(jié)構(gòu)如圖4-2，A孔受到一個擠壓應(yīng)力，取A結(jié)構(gòu)的孔徑d=3mm，外圓直徑D=8mm，孔的壁厚為1.25mm，將表4-2 中的參數(shù)帶入公式（4-1）計算 圖4-1 機械手最大張開狀態(tài)受力圖 得=36.18MPa小于許用應(yīng)力75.45MPa。 孔的擠壓應(yīng)力公式： （4-1） 式中： ：為許用應(yīng)力； L：A結(jié)構(gòu)的兩側(cè)壁厚和； S：安全系數(shù)取4； d：孔徑； 孔的剪切應(yīng)力公式： （4-2） 式中： 圖4-2 第一指節(jié)結(jié)構(gòu)圖 ：為許用剪切應(yīng)力； L：A結(jié)構(gòu)的兩側(cè)壁厚和； S：安全系數(shù)取4； D：外圓直徑； 計算得=13.63MPa小于許用切應(yīng)力25.15，因 此孔A滿足強度要求。 （2）第二指節(jié)的強度校核 孔B則受到一個向上的支反力，因為孔B的壁厚大于孔A，因此，孔B的強度也能夠滿足要求?？證受到的支反力為>F，孔C的壁厚和為6mm，大于孔B的壁厚，因此孔C的強度也滿足要求 。 O點的位置是圓弧槽的末端，桿OCD的結(jié)構(gòu)如右圖4-2，整個結(jié)構(gòu)中圓弧槽的強度最小，槽寬為3mm，槽外寬度為8mm，槽壁所受到的力=24.49N。 根據(jù)公式（4-3）計算得擠壓應(yīng)力=4.16MPa，小于許用應(yīng)力75.45MPa。 （4-3） 同時圓弧槽還受到剪切應(yīng)力，根據(jù)公式（4-4）計算 圖4-2 第二指節(jié)結(jié)構(gòu)圖 得圓弧槽的剪切應(yīng)力=3.27MPa小于許用切應(yīng)力25.15。 （4-4） 式中： A：圓弧槽的最小截面積 圖4-2中的D孔受到重物的重力N和垂直與桿的力，其合力=21.96N 根據(jù)公式（4-3）計算得擠壓應(yīng)力=1.24MPa，小于許用應(yīng)力75.45MPa。 根據(jù)公式（4-4）計算得剪切應(yīng)力=2.93MPa小于許用切應(yīng)力25.15。 所以該桿的強度滿足工作要求。 （3）拉桿支架強度校核 如圖4-3為拉桿結(jié)構(gòu)三維圖，拉桿是連接滾珠螺母和第一指節(jié)的結(jié)構(gòu)，在所有結(jié)構(gòu)中受力最大，當(dāng)滾珠螺母輸入力F最大值為70.38N，拉桿的豎直方向受到一個剪切應(yīng)力，拉桿與A孔的連接　　　　　　圖4-3 拉桿支架三維結(jié)構(gòu)圖 點受到一個擠壓應(yīng)力，將F=70.38N帶如公式（4-3）（4-4）計算得剪切應(yīng)力=18.768MPa小于許用切應(yīng)力25.15。擠壓應(yīng)力=11.95MPa，小于許用應(yīng)力75.45MPa。因此該桿的結(jié)構(gòu)強度滿足工作要求。 5 機械臂的設(shè)計 5.1 機械臂的設(shè)計方案 當(dāng)機械爪在夾持物體時，機械爪為了能以最佳方位進行夾持，需要對其夾持方位進行調(diào)整。雖然無人機的滾轉(zhuǎn)運動和俯仰運動能夠改變機械爪的方位，但通過無人機進行調(diào)整機械爪夾持方位是非常困難的，因為無人機進行滾轉(zhuǎn)運動和俯仰運動時，無人機便無法實現(xiàn)懸停，因此機械爪的需要用機械臂對其夾持方位進行調(diào)整。本文的設(shè)計方案如圖5-1（機械爪上端），通過增加一個腕關(guān)節(jié)，舵機轉(zhuǎn)動直流電機機殼，使機械爪能夠前后擺動，而通過無人機的偏航運動使機械 圖5-1 機械臂三維結(jié)構(gòu)圖 爪繞中心軸旋轉(zhuǎn)，這樣不僅簡化了機械爪的機械結(jié)構(gòu)，還能實現(xiàn)兩個腕關(guān)節(jié)所能實現(xiàn)的功能。 5.2 機械爪的重量計算 機械爪材料密度為，通過Solidworks三維軟件計算得各個零件體積質(zhì)量如下表： 表5-1 機械爪塑料件體積質(zhì)量參數(shù) 名稱 數(shù)量 體積mm 質(zhì)量g 指節(jié)1 2 3090.33 3.49 指節(jié)2 2 3991.25 4.51 指節(jié)3 2 5232.16 5.91 平行連桿1 2 2612.44 2.61 平行連桿2 2 2852.75 3.22 連桿支架 1 12051.07 13.61 拉桿支架 1 1010.73 1.14 電機架 1 5345.56 6.04 機械臂1 1 12205.48 13.79 機械臂2 1 12238.28 13.82 圓弧槽支點