多功能抓取机械手臂的设计毕业设计.docx
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多功能抓取机械手臂的设计毕业设计
多功能抓取机械手臂的设计毕业设计
北方民族大学
学士学位论文
论文题目:
多功能抓取机械手臂的设计
院（部）名称:
化学与化学工程学院
学生姓名:
李易丽
专业:
过程装备与控制工程学号:
20091216
指导教师姓名:
高阳
论文提交时间:
2013-5-11
论文答辩时间:
2013-5-12
学位授予时间:
北方民族大学教务处制
摘要
多功能机械手臂主要用于钥匙、手机、钱包、塑料瓶等物品落入马桶等狭小空间的夹取。
它集抓取物体、照明和图像采集的多重功能，能轻便，经济，高效实现掉落物体的抓取工作，特别适于直管道的掏取工作。
为了实现以上功能，本设计进行相应传动机构设计（螺纹传动），抓取机构设计计算（四杆机构），蓄电照明系统的设计，图像采集系统的设计等任务，完成三维建模及机构运动仿真，绘出多功能机械手臂的装配图，零部件图。
关键词：
机械手臂；螺纹传动；四杆机构；蓄电照明；图像采集
ABSTRACT
Multi-functionmechanicalhandismainlyusedtotheclipthekeys,
cellphone,wallet,plasticbottleandotheritemsfalledintonarrowspace,suchasthetoilet.Itcangrabobjects,lightandgetimageacquisitionandsoon.Itiseconomic,efficienttopickupthefallingobjects,especiallyforwhichfallintostraightpipe.
Inordertoachievetheabovefunctions,needtodesignthecorrespondingtransmissionmechanism（screwdrive）,graspingmechanism（fourbarlinkage）,storageelectriclightingsystemandimageacquisitionsystem,completethetaskssuchasthecomplete3dmodelingandmotionsimulation,anddrawmulti-functionmechanicalarmassemblydrawing,partsdrawing.
Keywords:
Mechanicalarm；Transmissionofthewhorl；Four-barmechanism；
Storageelectriclighting；Imageacquisition
第1章绪论2
1.1选题的目的和意义.2
1.1.1目的2
1.1.2意义2
1.2本课题的任务要求和设计内容.2
1.2.1任务要求2
1.2.2设计内容.3
1.3设计方案3
1.3.1设计参数3
1.3.2设计方案说明.3
1.3.3结构简图及简单运动分析4
第2章机械设计6
2.1夹持器的设计6
2.1.1计算自由度.6
2.1.2机构设计6
2.1.3基本位置确定.7
2.1.4机构的运动分析.7
2.1.5受力分析8
2.1.6结构尺寸的确定.11
2.1.7强度校核15
2.1.8连接用的销钉的选型和强度校核
16
2.2直管段的设计17
2.2.1选材17
2.2.2尺寸的确定.17
2.3传动机构的设计19
2.3.1方案比较19
2.3.2传动机构设计.21
2.3.3机构的尺寸设计21
第4章电路的选型设计25
4.1照明系统的选型设计.25
4.2图像采集系统的选型设计.25
第5章辅助件的选型设计26
5.1爪子橡胶套26
5.2手机固定夹26
5.3牵引绳选择27
总结30
致谢31
参考文献32
第1章绪论
1.1选题的目的和意义
1.1.1目的
在生活中，我们常常会遇到这样的问题：
手机、钥匙等掉落于厕所等狭小空间；窗台边掉落的衣服等，这时我们就希望有那么一个工具可以实现小空间、小物体的抓取功能。
本设计就以这个为目的，设计一台多功能抓取机械手臂。
实地调查学校的马桶、管道、狭小空间，确定有关设计参数。
同时配备相应的照明设备和图像采集设备，实现快速高效的抓取工作。
1.1.2意义
随着科技的发展，机器人技术和产品虽随着不断的发展，其也不再局限于传统的制造业和工业，而慢慢普及与生活。
机械手是机器人研究领域中的重要部分之一，对其进行研究与创新，能够促进机器人技术的发展和提高人们的生活质量和经济水平。
1.2本课题的任务要求和设计内容
1.2.1任务要求
实地调查学校的马桶、管道、狭小空间，设计一台多功能抓取机械手臂，其可以实现要是、手机、钱包、塑料瓶等物品的抓取功能。
同时配备相应的照明设备和图像采集设备，实现快速高效的抓去工作。
相应设计要进行传动机构设计计算、抓取机构设计计算、蓄电照明系统设计、图形采集系统的设计等任务，在此基础上完成机械手臂的三维建模及机构运动仿真，完成装配图和相应零部件图纸绘制工作。
1.2.2设计内容
本设计主要内容包括传动装置设计计算，抓取机构设计计算，照明系统设计，图像采集系统设计等。
实现多功能抓取机械手臂的三维建模和机构运动仿真，在此基础上完成整机的优化设计。
1.3设计方案
1.3.1设计参数
根据机械原理、机械设计、人机工程等原理，自行选取相应的设计参数进行设计产品.
通过实地调查和抓取对象（手机、钥匙、钱包、塑料瓶等）的分析确定其设计参数为：
最大工作长度：
1200~1500mm；
爪子最大张口：
100mm；
抓取重量：
500g；
电路要防水设计，机构选材要考虑腐蚀性；
选用微型摄像头，选用Led灯照明，可进行选型设计；
工作温度：
5—40o；
传动机构：
螺纹传动机构。
1.3.2设计方案说明
1）小型化：
所要设计的机械手臂的抓取对象是手机、钥匙、水瓶等重量不
是很重的对象，由此可以设计成小型的抓取手臂。
2）爪子结构：
结构简单，粘贴摩擦粗糙面或者塑料套增大摩擦系数。
3）爪子的工作原理：
利用螺纹机构，通过螺纹的移动牵引着绳子往上移动从而达到抓取的作用。
4）设计蓄电照明：
由于工作空间，常常为暗道，故设计蓄电照明很有必要。
照明可以选择led灯，其亮度可以通过选择数量来实现，蓄电池提供能
源，并要有一定的安装位置设计。
初步设计其安装于夹持器处。
5）设计图像采集系统：
实现可视控制。
主要用于弯道处或不能清晰观察的狭缝的图像采集，并实现可视控制抓取。
6）辅助设计：
目的是对各个机构的美学设计，及辅助零件的设计。
综上所述，本方案采用半自动化设计，既可以实现结构简单，又能可靠的实现抓取功能。
体现经济性和实用性。
1.3.3结构简图及简单运动分析
多功能机械手臂总体设计主要分为抓爪（夹持器）、直段臂和传动机构三大部件设计及二个系统：
图像采集电路系统、蓄电照明系统。
1、传动机构2、直段臂3、夹持器
图1多功能手臂机构简图
1、爪子2、连杆3、支撑片4、滑块
图2夹持器的结构简图
由图1、2可知，其主要工作原理是将多功能机械手臂放进管道——通过图像采集寻找到目标——调整抓取位置——旋转摇臂螺纹上升，夹取器夹紧，回复弹簧被压紧，同时螺纹自锁—-待移除完毕后，打开止回棘爪——夹取器受弹簧恢复力作用而松开——抓取完毕。
第2章机械设计
2.1夹持器的设计
夹持器是机械手臂的核心部分，其自由度决定了动力的数量。
下面是夹持器的结构简图：
图2-1夹持器工作简图
2.1.1计算自由度
F3n2plph35271（2-1）
故只用提供一个原动力就可以了实现抓取工作了。
2.1.2机构设计
连杆机构的设计方法有解析法，几何作图法和实验法，而本设计采用较直观的几何作图法。
这是因为本设计是机械控制而非程序控制，故不要求过高精度，为了方便设计采用几何作图法。
注：
几何作图法实现的个尺寸设计均由作图软件CAD辅助设计得出。
2.1.3基本位置确定
由于蹲便器的排污口的尺寸一般为62-98mm，以及也要求在其它狭小空间，故要求夹持器的尺寸尽量小一些。
故设圆管的直径为25mm壁厚取1mm为了是结构设计得可靠、合理，还应考虑几何条件和动力条件等。
取口子最大的张口是100mm爪子张开时，其深度为100x0.618=61.8mm。
假设爪子张开时，爪子处于最大张角状态。
如下图2-2：
图2-2爪子最大张角状态图
取摆杆和连杆的铰接位置在摆杆的1/3处，测得摆杆长63.2mm，又测得铰接点到管轴的距离为24.6mm,取为25mm保,证最大的传动角同时避开死点。
测得摇杆摆角为48o，初始位置与水平位置夹角为127o，连杆与摆杆的夹角为43o，在夹紧极限位置时，该夹角为30o。
连杆铰接点的竖直行程为15.6mm。
2.1.4机构的运动分析
该机构为曲柄滑块机构，利用瞬心法来分析摆杆、连杆、和滑块的速度,下
面图2-3是机构运动简图（由于结构对称有可以分开运动，故只取一半作为研究对象并对其做一定的简化）：
图2-3机构运动简图
4（41）
此机构共有K212个瞬心，由观察知P14、P12、P23、P34（曲柄
滑块机构在无穷远处）为瞬心。
由三心定理知P24必然在P12、P14和P23、P34的交点处，同时也可以找出P13。
求得：
vcvp23w2p24p23
（2-2）
vBvp12w2p24p12w1p14p12
（2-3）
w2w1p14p12/p24p12
（2-4）
2.1.5受力分析
（1）夹持器夹紧力计算夹紧力是设计夹持器的重要依据，故必须对其大小、方向、作用点进行分析和计算。
一般地，夹紧力必须克服工件本身的重力所产生的惯性力和惯性力矩来使工件保持稳定状态。
夹紧力计算公式：
2-5）
FNK1K2K3G
K1——安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定，一般取1.2~2.0，
本设计取K1=1.5
K2——工件情况系数，主要惯性力影响，一般取1.1~2.5，本设计取
K2=1.5。
K3——方位系数，可根据手指与工件位置及工件的形状不同而进行选定，本设计采用二指夹持，夹指尖，使受力面积小有四个接处点，粗略估算并暂取K3=3。
G——工件重量，本设计抓取对象重量最大为500g.
故得：
FNK1K2K3G1.51.530.59.833.07N（2-6）
取FN=34N.
（2）驱动力的分析
此处所说的驱动力是指爪子的牵引力。
因为在其紧闭于轴线一点时传动角
最小，故假设夹持器抓取500g的物体，并且处于最小传动角状态，受力情况如下图2-4（摆杆为为研究对象）：
图2-4爪子受力情况图
2-7）
由平衡条件知F1、F2到支点的力矩平衡，故有：
F1FN
F1L14F2xL24
2-8）
F2xFNL14/L24343102N（2-9）
F2F2x204N（2-10）
cos60
对于连杆若不考虑自重，可视为二力杆，则滑块受力如下：
图2-5滑块受力图
其中，Fa为驱动牵引力，F2'为连杆对滑块的作用力，大小为0.5倍的F2.
Ff为复位弹簧的恢复力由下面弹簧设计可知Ff=60.606N,故得
FaFf2F2'y60.606204cos19253.49N
（2-11）
（3）恢复弹簧的设计因为各杆的安装位置和引动已知，故可知当爪子长得最大到闭得最小时，滑块沿着圆管的位置移动S=15.6mm.在考虑安装误差的情况下，可取S=16mm。
此处选择圆柱螺旋压缩弹簧。
选材：
由于使用环境是含有酸碱腐蚀的，而且是小弹簧。
选择不锈钢丝1Cr18Ni9.直径规格d=0.6-6.0mm。
计算：
由于弹簧作用仅用于回复,不需要产生过大的反弹力，从而要在满足反弹作用时,反弹力尽量小一些,从而减少牵引力的的大小，减少驱动负担。
选择d=1.6mm,D=18mm型.号，其单圈刚度是Pd'=11.1N/mm.
螺旋角a,一般a=5o-9o.取a=8o则：
t
aarctan
D
节距tDtan83.1418tan87.49mm
a=8o
弹簧并紧磨平，两端支撑圈各一圈。
一般压缩量为30%-80%，取总压缩量为65%，而预紧量为10%，则：
行程S=（65%-10%）（t-d）n=16mm（n为有效圈数）
s16
n4.59
55%（td）55%（7.491.6）,查表取n=5圈，则：
总圈数n1n27圈
s16
t7.82mm实际55%（nd）55%（51.6）
p'pd'11.12.22N/mm
刚度n5
自由高度HOnt1.5d57.941.51.642.1mm,查取HO=42mm.
故：
最小工作载荷
p110%H0p'0.1422.229.32N,此HO4210%4.2mm最大工作载荷
pn65%H00.65422.2260.606N
故Ff60.606N
2.1.6结构尺寸的确定
本设计用作图法来确定机构尺寸，初步确定尺寸后，通过强度校核来验证所设尺寸的正确性和合理性。
1）支撑片的设计
因为管壁比较薄，不宜直接在闭上开孔支撑爪子，故此设计需焊接两个支撑片于壁上。
安装位置如下图2-6：
图2-6爪子安装位置图
考虑到支撑片的稳定性，采用一半焊接在壁上。
支撑片的尺寸初步如下所示：
图2-7支撑片的尺寸图
2）爪子的结构尺寸设计
为了减轻质量，而且体积小，爪子厚度不要过厚，各尺寸暂时设计如下图所示：
图2-8爪子的结构尺寸图
此该结构设计的理念是节约材料、满足不同形状物体的抓取，不破坏抓去
对象，同时方便制造。
爪子的底端焊接一块薄片，增大摩擦面，在这焊片上内表面粘上摩擦棉，可大大提高它的摩擦系数。
（3）连杆的尺寸设计
连杆是连接爪子和滑块的那部分，结构比较简单为等厚体,为2mm，各尺寸如下所示：
图2-9连杆结构尺寸
（4）滑块的设计滑块主要用来压缩复位弹簧和牵引连杆沿着圆管滑动。
其的尺寸如下图
2-10所示：
由于支撑片的作用之一是支撑滑块，为了达到支撑的目的，滑块的直径选
择d=21mm为.了方便安装，滑块要切掉一些，故各尺寸如下所示：
图2-10滑块结构图滑块其实是有三部分组成：
导向块、穿线口、支撑连杆片。
各尺寸都是有作图法获得。
选择
（5）圆筒的设计圆筒的总长度由连接螺纹段、滑块行程和恢复弹簧的长度决定，设螺纹段为20,mm,则总长度约为65mm螺.纹段选择普通螺纹，螺纹段是增设的螺纹圈，
公称直径为16mm螺纹，经过校核计算可以得机构尺寸如下其结构示意图所示：
图2-11圆筒结构尺寸图
螺纹套和圆套管是过盈配合。
2.1.7强度校核
（1）选材
为了结构轻便，经济，同时又能达到防腐蚀的作用，选择5052铝合金，其力学性能：
抗拉强度b（MPa）173～244条件屈服强度0.2（MPa）≥70
为了轻遍，有能耐腐蚀，故选择此材料。
（2）夹持器的强度校核
下面是爪子的简单装配示意图：
图2-12爪子装配示意图通过此图可以知道，危险的截点为B点（切应力校核）和C截点（正应力校核）。
B点：
FF2=102N,最小截面积Ab236mm故,τ=F/Ab=102/6=17Mpa
C截点:
F=253.49N,截面积为Ac=2x3=6mm,故σ=F/Ac=253.49/6=42.25Mpa结论：
以上结构设计合理有效。
2.1.8连接用的销钉的选型和强度校核
（1）选型
由GB/T119.1-2000,选择圆柱销为连接件，d=0.6-50mm,l=1-200mm,由前面所设计的结构的尺寸，可以初步选取圆柱销的型号尺寸为：
B处:
db=2mm,lb=8mm，即GB/T88138-A1
C处：
dc=2mm,lc=8mm,即GB/T119.12m68A1
D处：
dd=2mm，ld=8mm.即GB/T119.12m68A1
（2）强度校核由于三处的直径都一样的，所以只要选取最大受力处即可。
最大受力处显然
是C处，故τ=253.49/（0.253.1422）=80.72Mpa<86.5-122Mpa
结论：
此设计可行,所选型号可用。
2.2直管段的设计
直管段主要作用是用来连接夹持器和传动机构和支撑的。
结构要求不高。
下面我们通过选材、尺寸选取和连接方式这三方面来说明这些作用。
2.2.1选材
由于可能在含酸碱的环境中工作，故要求材料要防腐蚀。
一般作为杆件所用的材料有不锈钢、铝合金等，本设计选取5052铝合金。
2.2.2尺寸的确定
（1）长度选取
直管段的设计理念是具有伸缩功能，在本设计的机械手臂可能要在深h=1200mm的环境中工作，故取总长要大于等于1500mm为了拆装方便，可以分为二段，长段为L1=900mm短,的那段为L2=600mm夹.持器的部分至少也有120mm。
（2）直径选取
最大直径选取与夹持器圆管的直径相同，即dz1=18mm壁,厚1mm故,可以推出dz2=16mm厚,度为2mm为（了开螺纹）。
（3）连接方式
a）直管段之间的连接
本设计参考拖把伸缩功能，适用塑胶材质的伸缩锁套。
如下图2-13：
图2-13直管段连接图
数量一个，型号选择直径为16/18mm的。
b）与顶端传动机构的连接焊接方式，直接焊接一段螺纹配合
c）直管与夹持器的连接螺纹连接，由前面设计可以知道，取其配合的螺纹段，公称直径是16mm螺.
纹长度是20mm。
（4）强度校核
分析直管结构及联接可知，其纵向受到最大工作压力为FZ=253.49N,横向压
力FZ=1.5G=1.50.59.8=7.3N
所以
Z=FZ/Az=253.49/（0.253.14）/（21212020）=3.36MpaTZ=FZ/Az=0.1MPa
结论：
上面对直管设计是可行的合理的的。
2.3传动机构的设计
2.3.1方案比较
传动方式有很多种，比如螺纹传动，轴承传动等，传动结构也有很多种。
在自己看课题要求的设计基础上选出三种进行比较：
轴承传动、切向受力螺纹传动，轴向受力螺纹传动。
如下表2-1：
表2-1传动方式比较
轴承传动（棘轮止回）
切向受力螺纹传
轴向受力螺纹传动
工作原理
轴承轴线与直管段轴线垂直，
通过摇臂的旋转，绳
子绕着系着绳子的轴缠绕，从
而提供牵引力
绳子切向缠绕于螺纹段上，绳
子绕着系着绳子的轴缠绕，从
而提供牵引力
在螺纹段轴向开一个通孔，绳
子通过通孔并紧固于一端，当
旋转螺纹时，螺纹段上升，则牵
着绳子往上移动，从
而停提供
牵引力
特点
摇臂旋转式比较轻便，棘轮止回，但是结构复杂，体积大，在小
行程的情况下，朱慧
作用不明显，易受损
件是轴和棘轮，制造
维修成本高
轴受到的切力大在行进时绳子跟着螺纹走，降低稳定性，止回作用实现难度大，要求高。
已受损件是螺纹工作件。
螺纹段收到轴向的压力，承受力大，而且传动精确，有自锁的功能，在辅助件的作用线下也能实现绳子的给进量的大小，结构简单，体积小，绳子，更换方便便宜
结论
通过比较他们各自的特点，可以知道选择轴向受力螺纹传动是最好的，在满足性能要求的前提下，结构简单，体积小，经济，使用的作用。
2.3.2传动机构设计
本设计本着的创新的理念，大胆的巧用螺纹传动，实现爪子的抓取工作。
结构示意简图如下2-14：
13
2
图2-14传动机构图
1——牵绳棒2——锁套3——摇臂螺纹棒
4——螺纹支撑套
工作原理解析：
4结构和3结构以螺纹连接，2结构与3结构以螺钉连接。
2结构是1河沟的套锁，可以套住1结构，防止牵引力的作用而旋转。
首先先通过牵绳棒调节绳子的长度，然后由锁套锁住，转动3结构，摇臂螺纹棒上升，绳子发生位移，爪子收紧抓取物体，同事螺纹自锁，让手自由。
2.3.3机构的尺寸设计
（1）牵绳棒的设计
其主要用于挂绳和调节绳的长短。
其结构件图如下图2-15：
图2-15牵绳棒结构件图
由前面的计算已知，牵引力F1=253.49N,故由强度校核公式计算得：
max=F1/A=253.494/3.14/dl=<[]=86.5Mpa
dlmin=1.9mm取dl=5mm。
因为R和r不是工作主要部位，所以满足工艺尺寸就可以了。
暂时取R=7mm,r=5mm而.长度L1由摇臂螺纹棒尺寸决定。
在该结构的一端开有一小口，用于插销的，来防止转动和滑脱的。
不是主要工作件不做详细设计。
（2）套锁设计锁套的作用是用于锁住牵绳棒，防止在牵引力的作用下发生旋转并起到支撑的作用。
其如下图2-16：
图2-16套索结构图
在支撑牵绳棒的口的附近，焊接一个小圆柱体，用来当挡板。
3）摇臂螺纹棒和螺纹套的设计
摇臂螺纹棒的作用是旋转的时候，螺纹棒会发生位移，从而牵引着绳子移动，从而达到抓取的作用。
而螺纹套是焊接在直管段上的，与摇臂螺纹棒相配合下面图2-17是螺纹套和棒简单的配合图：
3SL3''3d
d
Dw
图2-17是螺纹套和棒的配合图
1）螺纹的选型
因为已知最大行程是16mm，牵绳棒的直径是5mm周（长约为19mm）,故为了提高稳定性。
选择螺纹套的长L4=16x2=32mm，所以摇臂棒的L3=16+16+32=64mm..
因为该螺纹棒受单向轴向力作用，所以可以选择锯齿形（3°、30°）螺纹
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