基于creo的物料抓取机械手设计及运动仿真-物流工程毕业论文

基于creo的物料抓取机械手设计及运动仿真-物流工程毕业论文

本科学生毕业设计基于Creo的物料抓取机械手设计及运动仿真院系名称：汽车与交通工程学院专业班级：物流工程13-1班学生姓名：闫敬民指导教师：李荣职称：讲师黑龙江工程学院二○一七年六月\nTheGraduationDesignforBachelor'sDegreeDesignandMotionSimulationofCreo-basedMaterialGrippingManipulatorCandidate：YanJingminSpecialty：LogisticsEngineeringClass：13-1Supervisor：Lecturer.LiRongHeilongjiangInstituteofTechnology2017-06·Harbin\n黑龙江工程学院本科生毕业设计摘要为了解决机械手灵活性、抓取能力以及可靠性之间的矛盾，国内外都进行了大量的的研究。本文设计的物料抓取机械手以欠驱动机构为基础，结构简单，性能可靠、输出力大，能主动适应被抓取物的形状，手指可进行平行及包络抓取，能够较好地解决目前机械手存在的问题。该机械手拥有三个手指，由3个电机驱动机械手的12个自由度，三个手指的相对位置可以改变，从而适用于不同形状物料的抓取作业。通过对本文设计的机械抓手的原理和驱动方式进行分析，对其机构进行了设计和优化，对机械手进行机构分析，完成机械手抓取不同物料(如细杆、圆球)时的运动仿真。使用Creo三维设计软件，建立了机械抓手各个零件的三维实体，分析了各个指节之间的相对关系，通过正确的的装配顺序创建了物料抓取机械手的装配体，对机械手进行了运动仿真。关键词：欠驱动；机械手；Creo；三维建模；运动仿真I\n黑龙江工程学院本科生毕业设计ABSTRACTInordertosolvethecontradictionbetweenthenumberofmanipulatorfreedom,theformofdriving,theflexibility,theabilitytograbandthereliability,alargenumberofresearchersathomeandabroadhavecarriedonthedetailedresearch.Theunderactuatedmechanismreferstothemechanismofthenumberofactuatorslessthanthenumberofdegreesoffreedom.Themanipulatorbasedontheunderactuatedmechanismdesignissimpleandreliable,theoutputforceislarge,theobjectscanbebetteradaptedtothedifferentshapesofthecapturedobjects,Envelopecrawling,bettersolvetheproblemofthecurrentrobot.Therobothasthreefingers,usingthreedriveelementstodrivetherobot12degreesoffreedom,therelativepositionofthethreefingerscanbechangedtobesuitableforallsortofshaperandsizeswork.Inthispaper,theprincipleanddrivingmethodoftheunderactuatedmanipulatorarestudied.Thedesignandoptimizationofthemanipulatorarecarriedout,analyzingthemachanizmforthemanipulator,completingthemotionsimulationforthemanipulator’scatchingdifferentkindsofmatirials.Thedrivingofthemanipulatorisdrivenbyelectricdrive.UsingtheCreoengineeringsoftware,thethree-dimensionalmodelofthecomponentsoftheunderactuatedmanipulatorisestablished,therelativerelationshipbetweenthemovingpartsisanalyzed,theassemblysequenceisdevelopedrationally,thesolidmodeloftheunderactuatedmanipulatorisgenerated,andthemotionofthesinglefingerofthemanipulatorissimulated.Keywords:Lessdrive;manipulator;Creo;3Dmodeling;MotionSimulationII\n黑龙江工程学院本科生毕业设计目录摘要..........................................................................................................IABSTRACT.............................................................................................II目录........................................................................................................III第1章绪论..............................................................................................11.1课题研究的目的和意义...................................................................................11.2课题研究现状及分析.......................................................................................31.3主要研究内容及技术路线................................................................................51.3.1主要研究内容.......................................................................................51.3.2技术路线..............................................................................................6第2章机械手的机构设计.........................................................................72.1欠驱动机构.....................................................................................................72.2机械手总体结构设计.......................................................................................72.2.1手指结构设计........................................................................................82.2.2手掌结构设计........................................................................................92.2.3转动机构设计......................................................................................102.2.4底座结构设计.....................................................................................112.2.5驱动方式选择......................................................................................112.3手指的静力学分析.........................................................................................122.3.1精确抓取静力分析..............................................................................12III\n黑龙江工程学院本科生毕业设计2.3.2包络抓取静力分析...............................................................................132.4本章小结.......................................................................................................16第3章机械手关键零部件选取及校核.....................................................173.1传动方式的选择............................................................................................173.2转动机构关键参数的确定..............................................................................173.2.1电机的选取.........................................................................................183.2.2齿轮的校核.........................................................................................203.3驱动机构的选择及校核..................................................................................213.3.1驱动电机的选型..................................................................................213.3.2轴承的选取及校核...............................................................................233.4本章小结.......................................................................................................25第4章机械手的三维建模与运动仿真.....................................................264.1软件概述.......................................................................................................264.2单个机械手手指建模与仿真...........................................................................264.2.1三维实体模型的建立...........................................................................264.2.2仿真分析的初步设置..........................................................................304.2.3手指运动仿真......................................................................................314.3机械手抓取作业建模与仿真...........................................................................384.3.1抓取杆状物的建模与仿真....................................................................394.3.2抓取球状物的建模与仿真....................................................................414.4本章小结.......................................................................................................42结论.......................................................................................................43IV\n黑龙江工程学院本科生毕业设计参考文献...............................................................................................44致谢.......................................................................................................46V\n黑龙江工程学院本科生毕业设计第1章绪论1.1课题研究的目的和意义迅猛发展的现代工业和持续推进的机器人技术研究，使得机械手即末端执行器被越来越广泛的应用到了国民经济的各个领域。不仅在开发海洋、探测宇宙及航空航天等尖端领域，还被广泛地应用到汽车制造、机械加工、轻工生产等工业和民用生产领域。机械手可以胜任许多重复性高、单调乏味的工作，也能在容易威胁到生命安危或者造成人身伤害的危险环境中取代人类进行工作，因此机械手的诞生和应用使得人类的生产水平大幅提高，工作环境大幅改善。时至今日，越来越多的国家和地区开始重视研究与探索机器人技术，并且取得了各种有效成果，创造出众多实用新颖的机器人或者机械手装置。应用场合主要有以下几种：（1）艰苦危险的工作环境。工业机械手可以在环境艰苦或者容易危害人身安全的工作情况下，取代工人进行作业。譬如核电站一旦发生事故，在面临核泄露造成的强烈辐射的情况下，用于紧急救灾的机器人，能有效避免将救援人员置于恶劣危险的工作环境中。（2）非常规的工作场合。有些工作环境单靠人类本身暂时不能进入。机器人与机械手便能发挥重要的作用，比如需要潜入到较深水中进行长期作业的水下机器人；航空航天领域中的空间机器人。（3）工业自动化。在工业自动化生产中，工业机器人与机械手的普遍应用有效提高了工业生产的自动化水平。我国制造业的可持续发展很大意义上受到飞速发展的装备制造业和逐年上升的人力成本之间矛盾的影响。伴随逐步推进的产业转型升级，“中国制造2025”提出以及“一带一路”的实施，为了降低成本以及提高效率，国内制造企业对以工业机器人为代表的智能装备产生了极大的热情，抛开价格昂贵、结构复杂的高端机器人，广大中小型企业更愿意选择性价比高、结构简单、生产制造方便的机械手。综上所述，研制适用于中小企业、结构简单、低成本高精度的机械抓手具有巨大的市场需求。研究表明，一个国家的创新体系决定了国家的发展，而青年学生对当地的创新体系产生重要影响。因此，世界各国都在不断加强学生创新能力的培养与支持。高中生1\n黑龙江工程学院本科生毕业设计Baumgarten和Hughes利用用SolidWorks软件来为机械手的手指设计CAD模型，然后将其3D打印出来并与电子部件组装在一起。该机械手（如图1.1所示）的每根手指都设计了两个关节，但是只用一个伺服电机驱动，当手指的下部接触到抓握的对象时上部的手指也会随之向下弯曲。俄罗斯托木斯克理工大学的学生开发出了与用于国际空间站（ISS）维修的拟人机械手类似的成果，与其长度不同，这些学生开发出来的机械臂与人类手臂大小长短相近（如图1.2所示）。这个3D打印机械手受控于无线传感式手套，宇航员在空间站外也可以对其进行操作。图1.13D打印机械手图1.2俄罗斯托木斯克理工大学的学生研制机械手而在物流活动中，物料分拣是典型的单调乏味的工作，其中分拣员的工作内容就是在物流分拨中心按照客户订单，快速、精准地将货物从其储存位置拣取出来，并按规定的操作要求进行处理。其主要职责包含：负责物流仓库的收发货、入库、分拣、复核、二次包装等业务内容；负责物流仓库日常货物的拣选、复核、装车及发运；负责货物盘点、分拣、整理等内容。分拣员的工作内容单调乏味、强度大、时间长、环境差，虽然薪资水平较高但前景不明朗；对于物流企业来说，巨大的用人成本、较低的工作效率与精度同样不很乐观，因此研究物料抓取机器人对于物流自动化、智能化的发展具有重大的现实意义。于传统人工拣取方式相比较，采用机械手代替传统人工作业的优点有以下几个方面：（1）机械手自动拣选装置动作灵活敏捷、运动惯性小、通用性强、定位精度高，可长时间连续作业；（2）采用机械手拣选作业可有效提高工业生产的自动化水平和工作效率，可减轻工人的劳动强度、改善其劳动条件，同时降低生产成本、保证拣选质量、提高生产力；（3）机械手不惧疲劳、不怕危险、抓举质量大，能有效降低生产安全事故的发生概率。本课题将研制一种结构简单、驱动元件少、适用范围宽的抓取机构，即能够通过改2\n黑龙江工程学院本科生毕业设计变构形来可靠抓取物体。课题所研究的机械手，要求至少有3个手指，最大开合度为100mm，最大抓取重量为0.5kg，该机械手的研制成功将极大地提高机器人的物流分拣作业能力和可靠性。1.2课题研究现状及分析机械手作为能够模仿人手动作的自动化机械设备，能够按照预设的程序执行抓取、搬运等动作。迄今为止机械手已经被广泛应用在机械制造，医疗器械，冶金等各个行业，可以有效降低工人的劳动程度，将工人从有害工作环境中解脱出来，促进工业生产的自[1]动化和智能化。目前全球范围内主要研究两类机械手，一类是仿人型的关节灵巧手，另一类是针对[2]特定作业任务的夹持器。20世纪七十年代至今，全球范围内很多国家已经开发出众多优秀的多指灵巧手，早期的Okada手、Stanford/JPL手（如图1.3所示）、Utah/MIT手（如图1.4、1.5所示）和Hitachi手都对后续灵巧手的研究发展起到了极为重要的指导作用。图1.3Stanford/JPL灵巧手图1.4Utah/MIT灵巧手手指原型图1.5Utah/MIT灵巧手3\n黑龙江工程学院本科生毕业设计自上世纪六十年代初问世以来，经过五十多年的持续发展，机械抓手在工业生产中占据了愈加关键的地位，其发展大体上可分为三代：第一代机械手是程序控制机械手，采用点位控制系统，无法针对外界环境做出反应，目前应用的机械手大多属于一代机械手；第二代机械手拥有感觉器官，在第一代机械手的基础上添加适应性算法，并加入接触传感器等装置，从而使其能够根据外界环境信息对控制程序进行改进；第三代机械手更加趋于智能化，是由第一、二代机械手发展完善而来，不但弥补了前两代机械手的缺憾，能够对外界的影响因素做出相应的反馈处理，而且既能识别所处环境中的实物，又拥有类人的多种感觉，拥有搜索、追踪、辨色识图等多种仿生动作，具有语音功能和自[2]学能力等人工智能。机械手技术发展至今，涌现出了众多耀眼的成果，例如：仿人型机械手、微型机械手和微操作系统、智能型机械手（不仅可以执行预先设定的动作，还可以按照实际工作状况进行相应地自我调整，如躲避障碍物，规划作业顺序，有效的动态学习等）。除此之外，非制造业和服务业也开始应用拥有各种功能的机械手。得益于其在各行各业中的广泛应用，机械手将往以下几个方向发展：提质降价；机械结构组成逐步模块化、可重构化；控制系统机电一体化；控制器微小化、开放化；普及传感器的应用；虚拟现实技术应用到过程控制中。我国对机器人的研究起步相对其他国家来说较晚，1972年我国研制出了第一台机械[1]手，随后在全国范围内开始研发和应用机械手。从开始到现在拥有45年的发展历程，大致可以分为以下三个阶段：（1）上个世纪70年代，随着不断发展与提高的科技水平，以美日为首的国外机器人研制强国在机器人领域遥遥领先。面对国际环境带来的巨大压力，我国相关部门也开始在工业机器人领域发力，在1972年开始着手，开发出了组合式、液压伺服等通用机器人，并开始机器人相关科学的研究。（2）20世纪80年代，受到世界尖端技术和机器人发展环境的推动和影响，为了支持机器人和机械手领域的进步，国家投入了大量的人才与财物，成功研制出了喷漆、点焊、弧焊等专用机器人。在准备实施高新技术研究发展计划的大背景下，机器人领域的研发被列入国家的“863”计划，经过时间的检验，取得了累累硕果，成功研制出一批特种机器人。（3）20世纪90年代初期，得益于国内突飞猛进的经济水平和持续进步的科技水平，国内的机器人技术再次得到迅猛的发展，研制出广泛应用于各行各业的机械手与机器人。在此期间，一批工业机器人应用工程也开始实施，直接促进了国内机器人产业化与规模化应用的普及。这个时期的研究内容为我国后来的机器人事业的转型升级打下了牢固的基础。4\n黑龙江工程学院本科生毕业设计国内也涌现出以新松机器人首钢莫托曼机器人等为代表的著名的机器人制造公司。2015年在北京举行了世界机器人大会，在大会期间我国相关部门公布了机器人技术创新与产业推进计划，我国逐年降低的人口优势以及“中国制造2025”的国家战略计划的逐步实施，极大地促进了国内机器人产业的发展。面对机器人行业与世界领先国家的巨大差距，我国的相关人才仍需努力奋斗。图1.6HIT灵巧手自2013年以来，中国已成为全球最大的机器人消费国。2017年，预计生产使用的机器人总量将由现有的16．2万部增加到42．8万部，而北美地区预计总使用量为29．2万部，欧洲最大的五个经济体总计为34．3万部。目前本土机器人品牌少，进口机器人占9成，其核心问题是缺乏关键技术。中国机器人研究起步较晚，上世纪80年代，哈尔滨工业大学研制出我国第一台弧焊机器人，此后哈工大成立的机器人研究所致力于机器人研究，且取得了大量研究成果。所研制的灵巧手属于国际前沿课题，也是我国正在发展的智能太空机器人的关键技术，该机器人具有多感知、集成化、模块化、数字化及实施控制等特点，如图1.6所示。与此同时，机器人与机械手的应用范围也不在单单局限于工业生产领域，开始延伸向其它各个领域。例如核电行业中代替工人进入高辐射区域内工作的高性能机械手，冲[11-12]压行业中代替人工进行搬运物料的旋转冲压机械手。如今，随着对机械手在不同领域的广泛应用，具有各式各样特定功能的机械手或机器人被研制出来，成为中国装备制造业的崭新名片。1.3主要研究内容及技术路线1.3.1主要研究内容通过查阅相关资料，根据所给参数，确定机械手的结构方案、驱动方式等；之后进行机械手的机构、结构设计、材料选取等，并对机械手重要部分进行计算及校核；通过Creo绘制三维模型以及进行运动仿真，确认无误后绘制机械手CAD图，包括进行各零部件的零件图及装配图。5\n黑龙江工程学院本科生毕业设计1.3.2技术路线本文拟通过对欠驱动机械手结构的研究，根据要求设计出一款基于欠驱动机构的物料抓取机械手，用Creo软件对机械手抓取不同物料和单个手指的运动过程进行动态仿真,对创建机械手三维模型并进行运动仿真方法进行系统深入地学习与研究。技术路线如图1.7所示。查阅文献，完成开题报告选定机械手结构方案，驱动方案完成零部件设计及运动仿真不合格完善图纸及校核计算合格编写说明书不合格说明书及图纸评阅合格校核、打印、装订，准备答辩图1.7技术路线6\n黑龙江工程学院本科生毕业设计第2章机械手的机构设计2.1欠驱动机构[2、11-14]驱动器数量少于机械机构的自由度数目时，这种机构称为欠驱动机。在欠驱动机械手指中，通过设计出如四连杆、齿轮等正确有效的机构可以把驱动元件的扭矩传送到手指的各个关节处。弹性元件与机械限位装置所取代了如电动机、气缸、液压油缸等传统的关节驱动器，可被认为是可控的被动型驱动器，其拥有结构简洁、体[2、15]积不大、而且能最大可能地减少驱动器数目的优势。当该机构被运用到机械抓手上时，会使机械手具有主动适应被抓取物料外形的能力。欠驱动机构性能的好坏，会直接影响机械手的整体性能，而欠驱动机械抓手本体的机械部分是所有指令实施的最后环节，它的性能直接关系到控制系统的规划策略。图2.1机械手三维装配2.2机械手总体结构设计本文设计的机械抓手由手指结构、手掌结构、转动机构、底座结构几个部分组成。如图2.1所示，能执行不同形状尺寸物料的抓取，共有12个自由度。机械手通过3个传动连和滚珠丝杠与驱动器相连，通过手指转动机构与两个伺服电机相连。伺服电机负责7\n黑龙江工程学院本科生毕业设计手指相对位置的调整，驱动器负责手指的抓放。该机械手有两种抓取方式，分别是精准抓取和包络抓取，前者是通过手指指面夹取，后者通过欠驱动机构进行抓取。该机械手驱动方式采用电气驱动，机构简洁高效，结构紧凑，维护方便。2.2.1手指结构设计查阅相关资料，对比常见的欠驱动机构，可以发现：滑轮绳索、凸轮和键机构功率损耗大、机械效率低、抓取质量轻，；而连杆传动的功率损耗小、机械效率较高、抓取[2、16]质量大。因此采用连杆传动作为本文设计的物料抓取机械手的欠驱动机构。总结分析人手抓取物料的动作后，可以发现人手主要有以下几种抓取方式：手指向心握取；手指侧面夹取；手指指面捏取；多种方式混合抓取等。实际上多指手抓取物料的动作是通过转换不同抓取方式来实现。实际情况中大多数的抓取动作都可以在只用3个手指的情况下实现，所以在满足物体可实现抓取和微细操作的前提下，从机械手的结构尺寸，控制的简易性出发，设计该机械手拥有3根手指。目前市场上的大多数机械手都拥有3个指节，而在实际的生产生活过程中，不涉及冗余关节，3个指节就可以确保手指能顺利可靠地抓取到设计工作范围内任一位置地物料。考虑到机械结构的简洁化，设计该机械手的每个手指拥有3个指节。图2.2手指模型本文所设计的欠驱动机械手有3根手指，3个手指只有指座部分有所差异，每一根手指有3个指节，从下往上依次为指节1、2和指尖，相邻2个指节之间使用销钉进行8\n黑龙江工程学院本科生毕业设计连接，根据需要抓取物料的尺寸范围，设计手指各个指节的长度依次为50mm、40mm和30mm，手指的具体结构如图2.2所示，含有两组串联的四连杆机构和平行精确抓取机构，通过手指关节处的机械限位来限制手指各个指节运动角度的范围区间。在平行机构与手指指尖连接处装设了弹簧，其目的在于规避手指弯曲伸直过程中可能出现的无序[2、15-17]现象。该手指具有一定的形状自适应性，抓持力大。手指零件选用镍铬合金材料，强度高，刚度大，转动的销轴选用45号钢材料。图2.3手指简易模型如图2.3所示，机械手目标抓取物料的外形尺寸决定了手指指节长度(即L1，L2，L3)的取值，由上文可知，L1=50mm，L2=40mm，L3=30mm，更重要的是ai，bi，ci和θi[2]数值的选取，查询资料可得手指的抓取动作取决于比例Ki=ai/bi，为了最大程度地降低机械手的外形尺寸，在不影响机构运动的情况下需要尽量取最小的aii值在。当K和ai的数值都确定以后，就可以计算求得bi数值。由于手指的运动过程是否平滑稳定会直接影响到机械手的抓取性能，因此取图2.3中所示的各项尺寸为：a1=a2=15mm；K1=K2=2；则：b1=30mm，b2=30mm；c1=50mm，c2=49mm；α1=124°，α2=52°。2.2.2手掌结构设计是否具有手掌结构并不会影响物料抓取机械手的抓取功能的实现，不过会对被抓取物料的尺寸和形状会有一定的要求。由于针对目标物料的部分约束可以来源于手掌挡板，9\n黑龙江工程学院本科生毕业设计因此有手掌结构的机械抓手会有更普遍的实用性和更高效的工作能力。除了可以在手掌内部安装驱动器和转动机构外，其挡板之间的相互配合还可以帮助手指进行转动，并且还能起到连接手指与底座的作用。考虑到上述优势，本文设计机械抓手含有手掌结构。图2.4手掌模型手掌结构需要根据手指结构的不同而随机调整。其设计需要顾及到手指指座的支撑定位、旋转机构及其动力来源的传动方式和安装定位、与底座的连接空间。如图2.4所示为手掌结构的三维示意图，由两侧都带有凸起的中间挡板与分布在其两侧的平板组成，该手掌含有以下特点：(1)上、中、下三块挡板共同形成了上、下两个空腔，便于手指旋转机构和手指指座的安装以及和底座的连接；(2)手掌的掌心为一平板，能与手指进行有效的配合来抓取目标；(3)上、中挡板相对的面上分别含有凹槽与不同形状的凸起，能对三根手指起到定位的作用；(4)采用镍铬合金，刚度大、强度高、质量轻。2.2.3转动机构设计在本文设计的机械抓手的三个手指中，一个手指始终固定不动，另外两个手指在相向或相背转动60°后，可使得机械手在三根向心的状态与固定手指和可转动手指指面相对且平行的状态之间相互转换。转动机构由两个齿轮副组成，每一个齿轮副由一个直齿圆柱齿轮和固定在可转动指座上的齿块组合而成，安装在手掌结构的上空腔内，通过安装在下空腔内的两个伺服电机驱动，从而改变两个可动手指的位置。如图2.5所示为转动机构的结构示意图。10\n黑龙江工程学院本科生毕业设计图2.5转动机构模型2.2.4底座结构设计底座主要用起到连接手掌结构、提供支撑、安放驱动器的作用，要求其结构紧凑、体积小、质量轻。如图2.6所示为机械手底座结构，由固定底板，支撑板，3个滑杆组合而成，分为上、中、下三个部分，中间空腔部分主要安装联轴器，并且能够与上部的滚珠丝杠与和下部的步进电机连接。图2.6底座模型2.2.5驱动方式选择目前的灵巧手大部分采用电气、气压和液压等传统的驱动方式，少部分的灵巧手采[15-16]用了形状记忆合金(SMA)、压电陶瓷或可伸缩性聚合体等新型驱动形式。气压驱动系统是通过压缩空气产生压力来驱动执行机构进行运动，动力源一般采用空气压缩机。气压驱动结构简单、过载安全性大、污染小、成本低廉，但是工作速度的11\n黑龙江工程学院本科生毕业设计稳定性不好、装置的整体体积大、定位精度低、抓持力小。基于此，气压驱动一般用于易燃易爆和灰尘大的环境中。形状记忆合金是一种新型功能材料，产生于20世纪50年代，该驱动形式体积小、质量轻、精度高、动作柔性好、不易受周围环境影响；另一方面响应速度慢，还需要大[2、18]量实验来进行训练。压电陶瓷驱动响应速度快、精度高、作用力大、动作范围广，但是能量利用率低、能耗大。液压驱动系统用油液的压力来驱动执行机构，拥有输出力大、驱动平稳、系统固有效率高、速度反应快，调速简单，能在大范围内实现无级调速的优点，但同时又含有易漏油、污染环境、成本高等显著缺点。电气驱动是利用电机产生的力或力矩，直接或经过减速器来驱动执行机构进行运动，易控制、精度高、操作简便、驱动效率高、无环境污染，另外电机的体积小、质量轻，对于多手指灵巧手来说，采用电气驱动比采用其它的驱动方式具有更多好处。但若将其用于需要较大驱动力或恶劣工作环境下，就会使得系统的结构复杂，体积和重量都加大。结合本文设计的机械手的应用场景，故选用电机作为驱动源。2.3手指的静力学分析2.3.1精确抓取静力分析精确抓取的结构简图及受力情况如图2.7所示。图2.7精确抓取的静力分析在不考虑摩擦的情况下，根据力矩平衡的原理可得：12\n黑龙江工程学院本科生毕业设计=(cossin)（2-1）由公式（2-1）变形可得：cossin=（2-2）++式中F1表示之尖压力，、l、m、d、a表示杆长，Fs为电机输出力，α、β为推杆与连杆之间夹角。由公式（2-2）我们可以看出，机械手在精确抓取时，每个手指的输入和输出之间存在着一定的关系，可完成对物体准确的力的控制，因此依拖两个手指协作的接触点之间的摩擦力作用下能够达到力封闭，实现稳定的抓取。2.3.2包络抓取静力分析在包络抓取时，每一个关节指面依照顺序一次被约束后，各个关节指面的接触力取决于外部约束和手指的结构形式，如图2.8所示。图2.8包络抓取的静力分析根据虚功原理可得：δW==0（2-3）式中δW为总功，Fi为i处的力，r为i点的虚位移，在直角坐标系中，公式（2-3）i可写成：δW=++（2-4）13\n黑龙江工程学院本科生毕业设计在不考虑摩擦力和弹簧力的情况下，由公式（2-4）可得方程：dFdFlFcos()dF1312223256313（2-5）mFcos()lFcos()F0237153356ss如图2.8(b)所示，s表示虚位移，Fs表示推力，1、2、3、4、5和6表示各连杆的虚转角，其中5=6，i表示各连杆的水平转角，根据手指的几何结构，所有的虚位移之间满足约束条件：sinasin()（2-6）s1413bcos(/2)1443（2-7）acos(/2)lcos(/2)1646324bcos(/2)25762（2-8）acos(/2)mcos(/2)2178257由公式（2-5）、(2-6)及（2-7）可得：BCD123（2-9）sAAbbsinsin()sin(),12143762Baaasin()sin()sin(),12134678式中：Caamsin()sin()sin(),1134637Dablsin()sin()sin().21324762所以方程（2-4）可以表示为：BFCFss(dF)[dFmFcos()]3312237152AA（2-10）DFs[dFl(FF)cos()]01123563A因为和3线性彼此独立且不相关，因此有：12BF3dF0（2-11）33ACFsdFmFcos()0（2-12）223715A14\n黑龙江工程学院本科生毕业设计DFsdFl(FF)cos()0（2-13）112356A联合方程（2-11）、（2-12）、（2-13）求得接触点的正压力为：DFBFCFmBFcos()ssss751（2-14）Fl[]cos()156dAddAddAdddA11312123CFmBFcos()ss751F（2-15）2dAddA223BFsF（2-16）3dA3Abbsinsin()sin(),12143762Baaasin()sin()sin(),12134678式中：Caamsin()sin()sin(),1134637Dablsin()sin()sin().21324762图2.9手指抓取最大直径物体受力图从三个接触点处的正压力F1、F2、F3的表达式可以看出：由于机构存在着太多的参数，使得接触力的计算非常复杂。为了降低计算的复杂性，根据实际情况所要设计的目15\n黑龙江工程学院本科生毕业设计标，假设手指处于抓取的圆柱直径为最大抓取直径100mm。如图2.10所示，利用图解法测出角度：=80.0°，=69.5°，=−18.0°，=70.0°，=104.5°，=−14.5°，=109°，=55.8°，=25，=20，=15。将l=50，m=40，n=30，a1=15，a2=15，b1=30，b2=30，c1=49，c2=17，=124°，=52°，代入公式（2-14）、（2-15）、（2-16）求出：=0.39；=0.2076≈0.21；=0.30；当驱动力=157时，F1=61.23N、F2=32.97N、F3=47.1N。2.4本章小结本章从设计要求出发，考虑机械手实际的工作环境，进行了机械手总体结构设计和各零部件结构设计，选择了电器驱动作为机械手的驱动方式。对手指精确抓取以及包络抓取分别进行了静力学分析。16\n黑龙江工程学院本科生毕业设计第3章机械手关键零部件选取及校核在完成机械手总体结构设计的基础上，本章进行转动机构与驱动机构传动方式的选择以及其中涉及到的关键部件的参数计算与选型设计。3.1传动方式的选择传动系统在工业机器人系统中的作用不容小觑，原动机产生的机械能通过传动系统传到各关节处，进而实现机器人的各种运动。与常规机械设备的传动系统相比，机械手的传动方式有其自身的显著特点：传动系统要求结构紧凑、转动惯量小、质量轻，运动精度和位置精度高。机械手常用的传动方式有带传动、齿轮传动、滚珠丝杠传动、谐波齿轮、传动、同步齿形带传动、链传动、以及螺旋传动几种方式。常见传动方式的性能如表3.1所示。表3.1常用传动方式性能表传动方式特点运动形式传动距离圆柱齿轮提供扭矩大转—转近锥齿轮转动轴方向垂直相交转—转近蜗轮蜗杆大传动比，重量大，有发热问题转—转近行星传动大传动比，价格高，重量大转—转近转—转链传动无间隙，重量大转—移远移—转滚珠丝杠大传动比，精度高转—移远比较主要常用的传动方式，基于本文设计机械手的实际工况特点，选取圆柱齿轮传动作为转动机构的传动方式，选取滚珠丝杠作为驱动机构的传动方式。3.2转动机构关键参数的确定本文设计的机械手转动机构由两个采用电机驱动的齿轮副组成，根据搬运机械手的工作特点、精度要求，本文采用永磁同步电机作为机械手转动结构伺服控制系统的驱动装置。17\n黑龙江工程学院本科生毕业设计在进行伺服电机选型时需要考虑电机转速。电机正常工作时的转速绝对不可以超出其额定转速，同时，为了使电机功率得到有效利用，应使电机在接近额定转速的范围内工作。额定转速、最大转速以及允许瞬间转速之间的关系应为：额定转速小于最大转速，最大转速小于允许瞬间转速。伺服电机的额定转矩需少量超出实际需求，使其产生一定余量。在电机选型时务必满足：伺服电机的额定转矩不低于连续工作的负载转矩，机械系统所需要的最大转矩不超出伺服电机输出的最大转矩。3.2.1电机的选取本文设计的转动机构由伺服电机驱动齿轮副进行运动，实现可动手指指座相对于固定手指制作的转动。手指指座连接的齿块的最大旋转速度为0.71°每秒，从静止加速到最高速度的时间为0.1秒，根据相关手册，指座相对与手掌中板的摩擦系数μ为0.12。机械手的手指部分近似估计质量为273.46g（各零件体积与质量见表3.2）。选取的齿轮模数M为1，齿数Z为56。表3.2手指各零件体积与质量3密度ρ=7.93g/cm零件指尖指节2指节1连杆11连杆12连杆133体积mm6678.196154.428339.091076.241484.351927.75质量g52.9648.8066.138.5311.7715.29零件连杆14连杆21连杆22连杆23连杆24连杆253体积mm1445.631890.321744.512175.06944.51624.51质量g11.4614.9913.8317.257.494.95得到负载转动惯量公式：111∙J===（3-1）22222式中r为等效半径，D为分度圆直径，则有：11×56×10J=×273.46×10×=1.07×10Kg∙22为了增大扭矩，降低转速并且能够降低对应机械系统的负载/电机惯量比，本文所设计的欠驱动机械手转动机构采用一对齿轮副进行减速，其传动比i为4。18\n黑龙江工程学院本科生毕业设计图3.1Nidec伺服电机本文所选用的用于转动机构的伺服电机的型号为Nidec尼德科内转子型无刷直流电机（图3.1），其具体型号与参数见表3.3。表3.3电机型号与参数型号电源类型工作电压（V）工作电流（A）输出功率（W）CMC13H-24DC240.2419额定转矩额定转速瞬时最大转矩瞬时允许最大转速(mN•m)(r/min)(mN•m)(r/min)3620088700伺服电机正常运行时克服摩擦力所需的转矩：1=∙∙∙∙（3-2）2式中m为主体质量，μ为摩擦系数，D为直径，i为传动比，取g=9.8N/Kg，可得：56×101=273.46×10×0.12××=2.25×10∙24电机由静止达到最高速度所需的加速扭矩：1=∙∙∙（3-3）2式中m为质量，α为角加速度，D为直径，i为传动比，代入数据计算可得：−3−21−3=273.46×10×0.2×28×10×=0.38×10∙419\n黑龙江工程学院本科生毕业设计由以上计算结果可得Tf=2.25mN•m小于伺服电机额定扭矩，Ta+Tf=2.63mN•m小于伺服电机最大扭矩，符合要求。3.2.2齿轮的校核齿轮常见的失效形式有齿轮的轮齿折断，齿面点蚀，齿轮磨损等，因而要对齿轮进行强度校核。本着节约成本和便于加工的原则，选则齿轮材料为45，钢正火处理硬度为200HBS。不考虑齿面的摩擦力的影响，法向作用力分解为圆周力Ft、径向分力Fr，由于螺旋角为零，所以轴向力Fa=0。以下内容为齿根面弯曲疲劳强度的校核：分度圆上的圆周力：2000=（3-4）式中：扭矩T的单位为N•m，分度圆直径d的单位为mm，Ft、Fr的单位为N。我们以转动机构主动齿轮为例进行齿轮弯曲疲劳强度进行校核，由于主动与电机轴相连，所以将扭矩T=0.003N∙m，分度圆直径d=mz=14mm，代入（式3-4）可得：2000×0.003==0.4314齿根危险刨面处的弯曲应力为：=（3-5）式中：M—载荷系数；（M=1.1～1.8）B—齿宽；m—模数；YFa—齿形系数（与齿数z有关）；YSa—修正系数；m=1，z=14，查得：当Z1=14时，YFa1=2.97，Ysa1=1.52。与主动齿轮相啮合的安装在指座上的从动齿块，Z2=56，查得：YFa2=2.28，Ysa2=1.73。代入（式3-5）得：1×0.43=×2.97×1.52=0.972×11×0.43=×2.28×1.73=0.852×1许用应力：20\n黑龙江工程学院本科生毕业设计[]=（3-6）式中KFN为弯曲疲劳寿命系数，σFE为弯曲疲劳极限。预设齿轮的工作寿命为5年，（每年按300天计算），每天工作12小时，则齿轮的应力循环次数：N=60nj（3-7）式中n为齿轮转速（r/min），j为齿轮每转一周时同一齿面啮合的次数，Lh为齿轮的工作寿命（h）。代入公式（3-7）得：5N1=60njLh=60×0.12×1×（5×300×12）=1.296×105N2=60njLh=60×0.12×2×(5×300×12)=2.592×10查询机械设计手册，由应力循环次数得弯曲疲劳寿命系数KFN1=15、KFN2=12；弯曲疲劳极限分别为=450MPa、=450MPa。取疲劳强度安全系数S=1.4，代入公式（3-6）可得：1.15×450[]==369.641.41.12×450[]==3601.4以上计算结果<[]，<[]因此齿根的弯曲疲劳强度满足强度要求。3.3驱动机构的选择及校核本文所设计的驱动系统由步进电机，联轴器，滚珠丝杠，连杆等部件组成。当电机正转时，其通过联轴器驱动滚珠丝杠转动，进而由连杆推动手指实现抓取的动作；当电机反转时，由滚珠丝杠带动连杆向下运动，从而使得手指实现放松的动作。3.3.1驱动电机的选型通过分析机械手的运动过程，当其进行抓取动作时，需要的电机转矩最大。由于设计的指尖最大输出质量为0.5Kg，则3个手指施加到滚珠丝杠上总的负载约为470N。驱动机构的各零件的总质量约为155.74g（各个零件的体积与质量属性见表3.4）。滑板的最大速度为6mm/s，达到最大速度所需要的时间为3s。通过查阅手册，滑板与滑杆见得摩擦系数μ2为0.12，滚珠丝杠的摩擦系数μ3为0.05，其中丝杠的行程为60mm，导程为2mm。21\n黑龙江工程学院本科生毕业设计表3.4驱动机构各零件属性3密度ρ=7.93g/cm名称丝杠螺母滑板动力连杆连杆支座3体积（mm）1660.02465.56116721667.82279.35数量11133质量（g）13.163.6992.5639.686.65该机械手采用AKDSFK-32C（如图3.2）膜片式夹紧型联轴器来连接丝杠与电机轴，其具有以下优点;（1）扭转刚性高，能准确控制轴的旋转，可进行高精度控制；（2）采用摩擦结结合进行传递，没有间隙，适合超精密控制；（3）不锈钢膜片能补偿径向，轴向，角向偏差；（4）顺时针与逆时针回转特性完全相同；（5）夹紧方式固定。图3.2SFK-C联轴器图3.3步进电机本文选用了上海正吉电机有限公司生产的混合式步进电机（如图3.3）作为动力源，该电机综合了永磁式和反应式得优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步进精度。该电机有输出力矩大、动态性能好、步距角小、精度高的优点，其具体参数见表3.5。表3.5步进电机参数保持转矩额定电流相电阻型号（N•M）（A）（Ω）J-4218HB24010.461.72.1相电感转动惯量重量厚度引线数3（mH）（g•cm）（Kg）（mm）44550.2839.522\n黑龙江工程学院本科生毕业设计丝杠的转动惯量：1Js=（3-8）2其中m为丝杠质量=13.16g，r为丝杠半径=3mm，代入公式（3-8）则有：1Js=×13.16×10×(3×10)=5.92×10∙2负载和机架重量所引起的摩擦力：=(+)(+)（3-9）-3其中WL为负载重量=470N，WT为机台重量=142.57x10x9.8=1.40N，代入公式（3-9）则有：=(0.12+0.05)×(470+1.4)=80.14由负载重量，机架重量与负载和机架重量引起的摩擦力可得滚珠丝杠所需小寒生的最大推力P=551.28N，又有：2×0.95P=（3-10）由公式（3-10）可得：T=（3-11）2×0.95将P=551.28N，导程L=2mm代入公式（3-11）得：551.28×2×10T==0.184∙2×0.95×3.14折合到电机轴转矩为：→==（3-12）将TS=0.184N•m，e=0.95代入公式（3-12）得：0.184==0.204∙0.95×0.95查表3.4，TM=0.204N•m小于电机额定转矩，符合设计要求。3.3.2轴承的选取及校核根据设计要求，已知：轴承受径向载荷Fr1=0.068N，轴向载荷Fa1=0.026N，滚珠丝23\n黑龙江工程学院本科生毕业设计杠的转速n=180r/min，丝杠直径d=4mm，载荷平稳，工作温度低于120°，要求轴承预期寿命为h=25000h，选择一对604型深沟球轴承作为滚珠丝杠的支撑，查询设计手册可得：=0.96=0.35表3.6径向动载荷系数X和轴向动载荷系数Y/>/<轴承类型相对轴向载荷/eXYXY0.0140.192.300.0280.221.990.0560.261.710.0840.281.55深沟球轴承0.110.300.561.45100.170.341.310.280.381.150.420.421.040.560.441.00计算当量动载荷：.因为==0.074，查表3.6可得e=0.27，..因为==0.38>，查询设计手册可得：.X=0.56Y=0.63由表，取fp=1.0，可得当量计算载荷为：P=(+)=1.0×(0.56×0.068+0.63×0.026)=0.054表3.7载荷系数fP载荷性质举例无冲击或轻微冲击1.0~1.2电动机、汽轮机、通风机等中等冲击1.2~1.8车辆、动力机械、起重机、传动装置、机床等强大冲击1.8~3.0破碎机、轧钢机、钻探机等24\n黑龙江工程学院本科生毕业设计校核轴承寿命：由表，取=1.0可得：10101.0×0.96===52.02×10ℎ6060×1800.054由于L10h>25000h，满足寿命要求，故选用604轴承合适。表3.8温度系数ft工作温度/℃≤120125150200250300350温度系数ft10.950.90.80.70.60.53.4本章小结本章首先通过对比机械设计中常用传动方式的特点，运动形式与传动距离，结合设计要求，选定圆柱齿轮传动作为转动机构的传动方式，滚珠丝杠作为驱动机构的传动方式。之后根据传动方式的不同，结合齿轮副的传动比以及联轴器的型号，通过计算证明了选择的Nidec伺服电机与正吉步进电机满足机械手工作要求，设计的齿轮和选取的轴承满足使用寿命要求。25\n黑龙江工程学院本科生毕业设计第4章机械手的三维建模与运动仿真4.1软件概述Creo是一款综合了PTC公司Pro/E的参数化技术、CoCreate的直接建模技术和ProductView的三维可视化技术的三维设计软件，由PTC公司于2010年10月推出，它采用子应用的方式来应对不同的任务，使设计工作简单化，同时每个子应用统文件格式都是统一的。Creo的面世让CAD系统操作复杂和多CAD系统数据文件格式不同等问题得到解决。作为PTC闪电计划中的成员，Creo具有可互操作、开放易用三大优势。在其生命周期中，每一个客户都拥有自己独特的需求。有别于其他处理措施，Creo的最终目的是消除行业中多年来都没有解决措施的难题：(1)解决机械设计行业中涉及到基本的易上手、互操作和装配管理等显著难题；(2)在PTC的特有技术和资源的基础上，采取全新的解决措施；(3)开发一款可拓展、可互操作、开放的机械设计应用程序；(4)为使用中的每一名客户及时提供合理有效的解决方案。4.2单个机械手手指建模与仿真运动仿真可分4个步骤：第一步前期处理，创建装配模型；第二布设置驱动属性，包括伺服电机、驱动力或力矩等；第三步进行动态仿真，运行并生成分析结果，保存分[19]析结果；第四步后期处理，将分析结果转换成动画、图表或报表文件。机构的静力学(staticAnalysis)、运动学和动力学分析都可以通过运动仿真实现，机构的运动过程可以另存为生成视频文件，机构分析的数据能够保存为电子表格或图表的格式。机构分析模块还能检测机构与零件之间是否存在干涉，追踪零件的运动轨迹，测量机构中零件的速度、加速度、位置、反作用力和力矩等各项参数。运动仿真的结果有助于改善零件结构设计和调整材料，之后根据改进结果判断是否需要再次设计分析以及结构优化。4.2.1三维实体模型的建立利用Creo软件绘制欠驱动机械手的三维模型。(1)根据设计要求在Creo的零件模式下软件中，通过拉伸、旋转、扫描、倒角等功能绘制机械手各个零件的三维实体。可以把相邻的零件渲染为不同的颜色，从而更直观的区分每一个零件。以指尖的建模为例，有以下具体操作：26\n黑龙江工程学院本科生毕业设计Step1打开CreoParametic3.0软件，如图4.1所示，单击“新建”命令，选择新建类型为“零件”，设置名称为“zhijian”，点击“确定”，进入零件绘制页面。图4.1Creo新建页面Step2在零件绘制页面选择“模型树”中的“RIGHT”平面并点击“拉伸”选项，进入拉伸草绘页面，绘制截面如图4.2所示,确定并进入拉伸设置页面。图4.2Step2草绘截面Step3在拉伸页面中，选中“拉伸为实体”，输入拉伸长度为“20”，如图4.3所示，可以预览到实体，确认无误后点击“确定”推出拉伸页面。27\n黑龙江工程学院本科生毕业设计图4.3拉伸页面Step4选择“TOP”平面并点击“拉伸”选项，进入草绘页面，绘制截面如图4.4所示，确定并退出草绘页面。图4.4Step4草绘截面Step5重复Step3操作，拉伸长度设置为“50”，并选中“移除材料”，确定后得到如图4.5所示实体。图4.5Step5拉伸结果28\n黑龙江工程学院本科生毕业设计Step6选择“FRONT”平面并点击“拉伸”选项，进入草绘页面，绘制截面如图4.6所示，确定并退出草绘页面。图4.6Step6草绘截面Step7重复Step3操作，拉伸长度设置为“50”，并选中“移除材料”，确定后得到如图4.5所示实体。图4.7Step7拉伸结果Step8于零件编辑页面选择“倒圆角”，设置圆角半径分别为1mm、5mm，得到如图4.8所示实体，即为指尖的三维实体模型。图4.8指尖三维实体29\n黑龙江工程学院本科生毕业设计(2)绘制完成各个零件的三维实体之后，新建一个“装配”，通过“刚性”、“圆柱”、“滑块”等不同的“连接”方式把各个零件按设计预期的约束关系装配起来。在进行运动仿真时，机械的运动关系需要通过必要的连接来约束，进一步得到设计预期的自由度。但若因为过度约束机构造成约束冗余，这将可能导致在动态分析中产生仿真结果出现较大的误差甚至是结果错误。因此，在进行动态分析时，为了保证运动仿真的准确合理，应从模型中剔除冗余。4.2.2仿真分析的初步设置与现实环境中的产品设计过程相比，通过计算机软件创建三维模型并进行运动仿真的过程基本相同，都是循序渐进的，在建立总体装配前，首先建立各个子系统的装配，通过简易的运动仿真，验证装配体的正确性，之后再建立更为复杂完善的总体装配，对系统整体进行仿真，优化，最终达到预期的设计目标。在运动仿真的过程中，只有在计算机中建立了正确合理的机构力学模型等价和仿真环境，输出的仿真结果才真实有效。为了保证模型与设计情况的一致性，所有零件皆采用Creo三维实体。在Creo中创建完成机械抓手的装配后，点击菜单栏“应用程序”中的“机构”选项进入机构分析环境，当进入机构模块以后，工具栏中将会出现机构分析、回放、测量等常用的仿真分析工具。图4.9完成连接定义的手指在成功导入手指的装配模型后，首先在“质量属性”中为各个零件设定参数，来确保能够在Creo中成功运行动态和静态分析。在机构分析程序运行时，质量属性将影响各个零件速度和位置等属性的改变。密度、体积、重心和惯量等参数共同组成了机构的30\n黑龙江工程学院本科生毕业设计质量属性。各个零件实体的质量、重心和惯量都可按照实际需求自由设置，如果零件的[20-21]体为非零值，则只需指定其密度，然后系统会自动计算其余量；对装配完成的多个零件，则只能设置其质量和密度两个参数。同时在设置质量属性的过程中一定要注意每个属性的单位。每个零件的连接类型在装配时己经完成设定，本文设计机械手的连接类型主要有刚性连接、圆柱连接和销连接，这样可以有效消除机构整体的冗余自由度。通过“弹簧”设置方式在指尖与连杆25间设置1根弹簧，并定义弹簧的属性，通过“插入力/扭矩”设置输入力的大小。如图4.9所示为设定好的单个手指模型。4.2.3手指运动仿真通过对单个手指进行运动仿真，可以得到手指中各个指节的相对与坐标系的位置、角速度、角加速度、受到的连接反作用力等参数的确切值和变化趋势，还能判断手指的运动过程是否与设计预期相同，运动中各个零件间是否出现干涉。出于简化模型的目的，由阻尼器取代各个关节中需要的销钉，这并不会影响手指指节运动时各指节的角速度和角加速度。本次仿真过程中，手指不会以任一方式接触任何实物，仿真时有多种分析方式可供选取，如：位置、动态、静态、力平衡等。为了确保欠驱动关节的运动有序合理，需要充分考虑弹簧和限位机构的有效配合，之后再对欠驱动机械手进行运动仿真，在“机构分析”中建立“动态”分析并设定分析时间和外部载荷后，点击“运行“开始分析。为了能直观地观察到模型的运动过程，需要对各零件进行着色处理。仿真分析的参数设置如图4.10所示：图4.10(a)中设定驱动力为157N，方向指向Y2轴正方向；图4.10(b)中设重力加速度为9.8m/s，方向指向Y轴负方向；图4.10(c)定义初始条件；图4.10(d)设定时间为0.03，帧数为15，仿真方式为动态，在“外部负荷”中起用重力加速度，不起用阻尼。(a)定义驱动力(b)定义重力加速度31\n黑龙江工程学院本科生毕业设计(c)定义初始条件(d)定义分析类型图4.10仿真参数的设置参数设置完成后，开始运行机构分析程序，图4.11所示为手指只受一个竖直向上的驱动力作用下，在不抓取任何物体时的运动过程。当动态分析完成后，点选“回放”选项检验设计的机构在运行过程中各个零件之间是否存在相互间的干涉的情况。之后点选“测量”选项，设置需要测量的物理量和所测关节位置，然后选中之前的动态仿真结果，绘制每个物理量的图表。(a)手指在初始位置(b)指节1到达极限位置(c)指节2到达极限位置(d)指尖到达极限位置图4.11手指的运动分解图32\n黑龙江工程学院本科生毕业设计综合以上的分析结果可知，在给定的驱动力作用下，各零件之间不存在运动干涉，手指的运动状态达到了设计预期。图4.12驱动力图4.12所示为驱动力随时间变化图，可以发现驱动力为一恒定值157N。图4.13-4.15分别展示了手指指尖、指节2、指节2的位置变化曲线，指节1和指尖随时间非线性变化，指节2随时间线性变化。从图中可以看到指节1首先开始运动，在t=0.023s时，指节1到达极限位置，转过33°，同时指节2带动指尖开始运动，当t=0.028s时，指节2到达极限位置，同时指尖克服弹簧拉力继续运动，几乎与指节2同时到达极限位置。在四连杆的机械限位以及弹簧的双重作用下，指节2和指尖会发生轻微的震颤，但不影响手指的整体性能。图4.13指尖位置变化曲线33\n黑龙江工程学院本科生毕业设计图4.14指节1位置变化曲线图4.15指节2位置变化曲线图4.16-4.18所示分别为指尖、指节1、指节2的角加速度变化曲线，随时间变化成非线性变化，趋势平缓。从图中可观察到在初始状态下，指节1最先开始运动，其角加速度在-12000处上下浮动，当t=0.024s时，指节1的角加速度急速增大并达到最大值，同时指节2的角加速度开始增大，t=0.027s时，指节2的角加速度达到峰值，几乎在同一时间指尖的角加速度也达到峰值。由于在四连杆的机械限位以及弹簧的双重作用下产生的震颤，反馈到指节1和指节2上，使得指节1与指节2的角加速度在极短暂的时间内产生了巨大的变化，而后又迅速恢复，由于时间短暂，对手指指节的位置变化影响微小，可忽略不计。34\n黑龙江工程学院本科生毕业设计图4.16指尖角加速度变化曲线图4.17指节1角加速度变化曲线图4.18指节2角加速度变化曲线35\n黑龙江工程学院本科生毕业设计图4.19指尖角速度变化曲线图4.20指节1角速度变化曲线图4.21指节2角速度变化曲线36\n黑龙江工程学院本科生毕业设计图4.19-4.21分别展示了手指指尖、指节1、指节2的角速度变化曲线，指节1呈线性变化，指节2和指尖都成非线性变化。从图中显示出指节1的角速度在t=0.024s达到峰值马上降为0，同时指节2的角速度首先伴随着指节1的运动停止迅速增大到峰值，之后就开始平缓下降，在t=0.028s时降为0，这是由弹簧及四连杆机构产生的震颤现象造成的；指尖的角速度几乎与指节2同时开始变化t=0.028时达到峰值。综上所述，手指各指节角速度达到了预期目标。图4.22-4.24分别展示了手指指尖、指节1、指节2受到的的连接反作用力变化曲线，均呈非线性变化。指节1和指尖受到的反作用力都明显小于指节2，且三个指节所受到的反作用力曲线都较为平滑，符合设计目标。图4.22指尖连接反作用力变化曲线图4.23指节1连接反作用力变化曲线37\n黑龙江工程学院本科生毕业设计图4.24指节2连接反作用力变化曲线4.3机械手抓取作业建模与仿真从单个手指的运动仿真结果可知，手指运动过程符合设计要求，手指各零件之间不存在相互干涉，手指结构符合设计要求，因此，可以进一步对机械手抓取不同形状物体的性能进行运动仿真。利用之前建立的手指装配，建立三个手指根部结构不相同，其余部分完全相同的手指装配，并作为三个部件，分别安装在手掌的相应位置，然后再把手指转动机构零件实体装配到手掌上、下两个空腔内，并将齿轮副分别安装到两根可转动手指的指座和作为动力源的伺服电机上。因为手指转动机构和驱动方式都采用电气驱动，所以在建模时可以用三个外加载荷来替代这三个电机所提供的扭矩来简化模型。把手掌当作基准，手爪装配创建完成后，还需要制作几个被抓取物料；球、细杆等用于机械手的抓取测试。在对机械手抓取物料进行仿真分析前，首先要设定一些凸轮约束，避免手指在碰到特征模型后会直接穿过物料的场景出现，从而确保机械抓手抓取物料时所需的手指各指节连接反作用力的分析结果正确有效。在设置凸轮约束时，需要在特征模型上创建几个圆特征，用于凸轮设置。在凸轮属性设置中，需要设定凸轮分离系数来模拟手指指面和物体接触时受到的冲击力，典型的分离系数可查询工程书籍得到。分离系数取决于材料属性、主体几何以及碰撞速度等因素，在机械设计中应用分离系数，是在计算机中仿真非硬性属性的一种简单有效的方法。例如，完全弹性碰撞的分离系数是1，完全非弹性碰撞的分离系数是0，橡皮球的分离系数较高，而湿土的分离系数就非常接近0。分析过程是仿真机械手抓取目标物，为了使结果接近实际情况，所以把分离系数尽量取小一[2、22]些；摩擦系数取决于接触材料的类型及实验条件，一般可以在物理或工程书籍中寻38\n黑龙江工程学院本科生毕业设计找各种典型的摩擦系数表，两个表面的静摩擦系数大于同样两个表面的动摩擦系数。设定完凸轮约束后，就可以进行机构仿真。4.3.1抓取杆状物的建模与仿真图4.12是机械手平行抓取细杆的抓取过程,仿真分析中驱动力F=157N，每个手指指尖弹簧的系数K为2N/mm，分析时间t=30s，帧频为10，凸轮分离系数取0.01。因为最后成型的手指指面会附着一层橡皮层，所以取静摩擦系数为0.9，取动摩擦系数为0.6。先把细杆固定在手指相对居中的位置，分析的目的是看机械手的运动过程是否符合设计要求。(a)手指在初始位置(b)手指开始运动(c)指尖接触细杆(d)手指抓紧细杆图4.25抓取细杆运动过程39\n黑龙江工程学院本科生毕业设计图4.26指尖受到连接反作用力变化曲线图4.27指节1受到连接反作用力变化曲线图4.28指节2受到连接反作用力变化曲线40\n黑龙江工程学院本科生毕业设计手指各个关节在抓取细杆时受到的的连接反作用力曲线如图4.17所示，Measure1表示的是指尖受到的的连接反作用力曲线，Measure2表示的是指节1受到的的连接反作用力曲线，Measure3表示的是指节2受到的的连接反作用力曲线。从图中可看到指尖受到的连接反作用力为一平滑曲线，逐渐增大直到达到最大值，即当t=0.0216s时，指尖受到最大连接反作用力为23.0046N；指节1与指节2受到的反作用力也都是平滑曲线，并且它们都是首先快速下降再平缓上升，指节2受到的反作用力比指节1先到达峰值，在之后又出现细微下滑。综上所述，机械手在抓取细杆状物体时，手指的三个指节受到的反作用力符合设计预期。4.3.2抓取球状物的建模与仿真图4.13是机械手对心抓取圆球的抓取过程仿真。驱动力F为157N，每个手指指尖弹簧对的系数K为2N/mm，分析时间拼30s，帧频为10，凸轮分离系数取0.01，因为这个抓取过程是包络抓取，抓持力不再主要是摩擦力，所以可不设定摩擦系数，圆球直径为100mm，先把圆球放在手掌上，分析的目的是手爪包络抓取的运动过程是否符合设计要求。(a)初始状态(b)指节1接触球体(c)指节2接触球体(d)指尖接触球体图4.29抓取球体运动过程41\n黑龙江工程学院本科生毕业设计4.4本章小结本章基于Creo软件，将各零部件按照装配顺序，通过一定的连接方式，建立了相应部件间的约束关系，完成了欠驱动机械手的整体装配模型。欠驱动机械手装配实体的建立，为机械手的运动学和动力学仿真分析奠定了基础。在欠驱动机械手装配模型的基础上，在Creo中完成该机械手模型的运动仿真，对抓取不同形状物体的过程进行了仿真分析。42\n黑龙江工程学院本科生毕业设计结论本文通过对欠驱动机械手结构的研究，根据要求设计出一款基于欠驱动机构的物料抓取机械手，用Creo软件对机械手抓取不同物料和单个手指的运动过程进行了动态仿真,对创建机械手三维模型并进行运动仿真方法进行了系统深入地学习与研究，主要的研究内容和取得的成果有以下几个方面：(1)采用模块化的设计理念，利用Creo软件设计出12个自由度的欠驱动机械手，对欠驱动机械手进行参数化设计，建立了三维实体模型，有助于标准化设计和组织专业化生产，有利于提高机械手的质量和降低造价，缩短设计周期。机械手结构具有模块式特点，可以通过更换或调整电机、连接杆等零部件，可改变机械手的抓取范围、效率、质量及精度。(2)对基于四连杆结构的欠驱动机构进行了研究和设计，设计出由两套四连杆机构和平行限位机构组成的欠驱动机械手指。(3)运用Creo软件对单个手指运动过程进行了仿真分析，对欠驱动机械手抓取不同形状的物体的运动过程进行了动态分析，并且测量出机械手关键零件的重要参数。由于时间和条件的限制，在仿真分析中用相应的驱动力取代欠驱动机械手的驱动部分的电动机和连杆，没有对所有零部件进行强度分析。部分零件和子装配的连接还需要优化和改进。另外，对于欠驱动机械手抓取的控制策略和机械手的控制系统将在以后的工作生活中进行深入的分析和研究。43\n黑龙江工程学院本科生毕业设计参考文献[1]张露.多孔板抓取机械手的研究与开发[D].长沙:长沙理工大学，2012.[2]何艳涛.一种绳驱式欠驱动三指灵巧手的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.[3]章熠超.基于电气与气压混合驱动的搬运机械手设计[D].杭州:浙江理工大学，2016.[4]乔锋华.基于欠驱动机构的机械手的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2007.[5]丁戌辰.欠驱动可变形桁架机构控制方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.[6]李桂莉.物料抓取机械手结构与控制系统研究[D].济南：山东科技大学，2005.[7]李建维.3R-P多关节机械手的动力学分析与开发研究[D].沈阳:沈阳工业大学，2014.[8]HongJunWang,GuoGangHuang,JiaXinChen,XiangJunZou.StructureDesignandModelingforaPickingBananasManipulator[J].TransTechPublications,2013:204-209.[9]BinZhang.TheAutomaticUp-DownMaterialManipulatorWrist3dDesign[J].TransTechPublications,2013:697-701.[10]LuoLei,WeiZhenchun,JinAimin,WangJinbo,ZhangLi.Thedesignofautomaticloading-and-unloadingmaterialmanipulatorfortelescopicpunch[J].ComputerAidedDrafting,DesignandManufacturing,2016(02):58-62.[11]魏晓霞,冯常,蒲小琼.水下双功能机器人的机械手设计与分析[J].机械,2015,06:50-55.[12]魏晓霞,冯常,蒲小琼.基于水下爬行机器人的机械手结构设计[J].机械,2015,04:77-80.[13]牛瑞利.基于西门子的小型搬运机械手控制系统设计[D].南京：南京理工大学，2013.[14]彭磊.欠驱动苹果采摘末端执行器研究和设计[D].南京:京农业大学,2010.[15]王嘉研.欠驱动机械手的设计与实验研究[D].沈阳:东北大学,2009.[16]何川骄.变掌式欠驱动机械手的研究与设计[D].沈阳:东北大学,2008.[17]谭定忠,王启明,宋瑞晗,姚昕,顾义华.水下作业机械手运动学分析与仿真[J].中国造船,2009,01:122-127.[18]张勤,杜启亮,吴志斌,青山尚之.面向显微操作的混合驱动式微小型机器人的开发与应用[J].机器人,2012,06:737-744.[19]刘伟.间歇分度凸轮机构的研究[D].无锡:江南大学,2009.44\n黑龙江工程学院本科生毕业设计[20]刘成.WWD-0.8/10空压机运动机构运动仿真与模态分析[D].鞍山:辽宁科技大学,2014.[21]孙乐乐.变胞机构的变胞方式与变胞过程研究[D].沈阳:东北大学,2010.[22]丁斌.基于虚拟样机技术的胶印机新型串墨机构分析优化[D].西安:西安理工大学,2009.45\n黑龙江工程学院本科生毕业设计致谢时间飞逝，岁月如梭。转眼间我们就度过了大学四年，在这四年中我与同学和老师们相处愉快，每个瞬间我都会永记心间。我们在一起生活，一起学习，一起成长进步；我们有欢笑，有泪水，更有说不完的友情与师生情。毕业设计使我们大学中最后一次作业，虽然压力颇大且困难重重，但是有我尊敬的李荣老师帮助，在我们迷茫中为我们指明方向，在我们懈怠时她激励我们，鼓舞我们，让我们更好地完成我们在大学里最后的作业。在我们走出校门前，给予我们最后的营养。长亭外古道边，芳草碧连天，晚风扶柳笛声残，夕阳山外山。天下无不散的宴席，离别的钟声已然敲响。虽说相见时难别亦难，但海内存知己，天涯若比邻，我们虽人将离开，但我们的心永远都在，我们永远是工程学院人。46