基于多传感器的空间机器人手爪结构设计【含CAD图纸、说明书】
收藏
资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共48页)
编号：19124106
类型：共享资源
大小：9.06MB
格式：ZIP
上传时间：2019-05-11
上传人：机****料
认证信息
个人认证
高**（实名认证）
河南
IP属地：河南
50
积分
- 关 键 词：
-
含CAD图纸、说明书
手结构的设计【含CAD图纸】
的机器人手爪
含CAD图纸
机器人结构设计
设计【含CAD图纸
CAD图纸
机器人的设计
的空间机器人
传感器的设计【
- 资源描述：
-
- 内容简介：
-
基于多传感器的空间机器人手爪结构设计摘要人类的空间活动己经由单纯的空间考察和研究时代进入开发利用空间资源的时代，独特的太空环境为人类提供了特定的科研场所和空间生产基地。空间机器人不仅可以取代人去完成某些特定工作，也可以完成某些人所不能够完成的工作。世界各空间大国均充分认识到空间机器人在未来空间活动的重要作用，都在加紧进行空间机器人的研制工作，并投以巨资加以支持，但是建造一种全自主式的智能机器人系统，而采用多传感器智能手爪系统赋予空间机器人局部自主能力的方案己得到专家们共识。将多种传感器集成在机器人手爪上构成多传感器集成手爪系统能最有效地反映外界环境及工作对象的状态，最直接的描述工作对象及其所在的外界环境、操作工具及其所操作的对象的关系，基于多种传感器信息通过信息融合技术将这些信息合并成统一的综合信息，从而准确、全面地描述和识别环境中物体的特征，供机器人进行识别、判断、决策和规划，进而在高层次上进行控制，因此研制空间多传感器智能手爪成为空间机器人关键技术之一空间机器人智能程度的高低很大程度上平决于先进的传感器技术、多传感器集成技术以及多传感器信息融合技术。空间机器人多传感器智能手爪的研究正式致力解决多传感器集成技术及其多传感器信息处理技术。同时，该项目的研究是在跟踪世界先进水平，掌握国际上空间机器人多传感器智能手爪最新技术，缩短同国外先进水平差距的背景下进行的，该项成果对加速我国空间机器人的发展发挥了积极作用，并将推动我国空间机器人技术的发展。关键词 空间机器人；传感器；结构设计；三指手爪 Structural Design of Space Robot with Three Refers to Gripper Based on SensersAbstract Mankinds space activities have been purely through the era of space exploration and research into the development and utilization of space resources of the times, the unique environment of space for human provide a specific place and space scientific research production base. Space robots can replace people to complete certain work and to be completed by some people not able to complete the work. The worlds space powers are fully aware of space robots in the future the important role of space activities, are stepping up the development of space robots, and voted to huge amounts of money to support it, but the construction of a fully autonomous intelligent robot system And the intelligent use of multi-sensor system gives space robot gripper partial autonomy of the programme has been the experts consensus. Will be integrated in a variety of sensors on a robot gripper Gripper integrated multi-sensor system can most effectively reflect the external environment and the objects of the state, the most direct description of the objects of their work and where the external environment, and its operational tool operated by the object of the Relations, based on a variety of sensor information through the integration of information technology will be merged into a unified comprehensive information to accurately and comprehensively identify and describe the characteristics of objects in the environment for robot recognition, judgement, decision-making and planning, then at the top On the control and therefore more room for development of smart sensors Gripper become one of the key technologies of space robots for space robots smart-level summary to a large extent the level in advanced sensor technology, multi-sensor integration technology and multi-sensor data fusion technology. Space Robot multi-sensor smart gripper of official efforts to solve the multi-sensor integration technology and its multi-sensor information processing technology. At the same time, the projects research office in tracking the worlds advanced level, grasp the international space robot gripper as intelligent multi-sensor technology to shorten the gap with foreign advanced level in the context of, the results of speeding up the development of Chinas space robot Play a positive role in promoting Chinas space and the development of robot technology.Keywords Space Robot ；Sensors；Structural Design；three refers to gripper不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- III -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2 国内外研究现状11.2.1 德国ROTEX计划中多传感器智能手爪系统概况11.2.2 日本ETS_VII计划中的多传感器智能手爪系统概况21.2.3 哈尔滨工业大学多传感器集成手爪系统41.3 本文选题的意义及主要内容51.3.1 选题的意义51.3.2 本文的主要内容6第2章 多传感器集成三指手爪的机械设计72.1 三指手爪系统的组成72.2 三指手爪本体机械模块组成72.3 手指部件的设计82.3.1 设计原则82.3.2 电机的选取92.3.3 齿轮的设计102.3.4 其他零件的设计102.4 Pro/engineer绘制手爪三维图11第3章 三指手爪传感器设计143.1 多传感器系统的配置143.2 三指手爪机器人多传感器系统的配置153.3 三指手爪多传感器系统的结构设计163.3.1 传感器系统设计的必要性163.3.2 六维刚性力/力矩传感器的结构设计163.3.3 六维柔性腕力传感器的结构设计183.3.4 阵列式触觉传感器的结构设计223.3.5 激光测距传感器的结构设计243.3.6 小型CCD摄像机27结论28致谢29参考文献30附录A31附录B34千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- V -第1章 绪论1.1 课题研究的背景和意义建造一种全自主、自身健全并具有近似人类智能水平和灵活操作能力的机器人系统，就目前技术而言还很不现实，如何满足现阶段空间任务要求能够完成空间操作和太空移动的机器人的需要，空间机器人界经过认真分析找出了新的出路，即利用先进的遥操作系统，建造具有一定自主能力的机器人，充分利用现阶段可行的技术并结合人的高智能，构成一种人机交互系统，即所谓的智能遥操作技术（intelligent teleoperation)，是当前的最佳选择1。目前，国外一些技术先进的国家已研制出多种手爪系统，而采用多传感器智能手爪系统赋予空间机器人局部自主能力的尤以德国 ROTEX 计划，日本 ETS-VII为代表，下面就德国、日本空间机器人计划中多传感器智能手爪进行简要介绍，从中可以了解国外空间机器人多传感器智能手爪的发展状况和发展趋势2。1.2 国内外研究现状1.2.1 德国ROTEX计划中多传感器智能手爪系统概况德国参加欧洲宇航局空间实验的主要项目为“人参与的自由飞行” ( MTFF Man Tended Free Flyer )，该项目的主导思想是宇航员只须每隔半年去照看空间机器人室，而其余的时间，通过监控自主方式进行工作。就整个欧洲来说，1985 年以前，并没有任何有关空间机器人方面的研究经验，所以1985年德国宇航院提出了一项研究计划ROTEX(Robot Technology ExPeriment)，对空间机器人作探索性实验3。这是自动化领域在空间进行的首次实验，并于1993 年搭载美国哥伦比亚航天飞机成功地完成了一系列空间作业。ROTEX 计划的主要技术之一是成功地采用了多传感器智能手爪系统实现机器人的局部自主。ROTEX 计划的主体特征：一个工作范围为 l的六自由度机器人安装在空间舱某处，其末端装有多传感器集成的智能手爪；作业任务：包括机械结构件装配，电子插头的联接和分开以及浮游物体的捕捉；操作模式：主要包括自动地面预编程和再编程，利用立体电视监控器的宇航员太空摇操作，利用预测计算机图形的地面遥操作以及遥远传感器编程4。ROTEX 计划的主要目标：在机器人的加速运动规划的关节控制模式；检验 DLR 的基于传感器六维控制球在零重力情形下的应用；检验一个复杂的具有强大人机接口能力的多传感器机器人系统的功能。ROTEX 计划中多传感器智能手爪的重要特征是多传感器集成。手爪配置的传感器属于新一代的DLR 机器人传感器，这些传感器是基于所有模拟处理和数字运算操作均在各个传感器至少在手爪腕部完成的概念下研制的，这意味着传感器的电子部件SMD化，传感器的预处理、预放大、数字补偿等都集成在手爪本体内，它是一个高度集成化、智能化的传感器系统，可以说是目前世界上最复杂的一个手爪。ROTEX计划中的智能机器人手爪为单自由度、平行双指型手爪，其上的传感器配置如下：9 个激光测距传感器，其中一个中距离扫描测距传感器，其测距范围为 335cm ，其余8个短距离测距传感器的测距范围为03cm，它们均等地安装在两个手指指尖部位；2个为个感应单元的二进制触觉阵列传感器；一个基于应变片测量的刚性六自由度力/力矩传感器；一个微型CCD摄像机；手指驱动器，即驱动手爪开合的步进电机，尽管它不是传感器，但在整个系统数据传输中，它也被作为传感器处理。该手爪采用先进的通讯结构，从整个手爪引出的线只有4条，其中两条为电源线，两条为各种传感器的信息输出线，采用375K波特率的串行通讯总线完成这种通讯，最终将提高到10M波特率的通讯频率，该手爪安装在一个工作空间为l的六自由度机器人上，全部实验在航天飞机的空间实验舱进行。1.2.2 日本ETS_VII计划中的多传感器智能手爪系统概况ETS-VII(The Engineering Test Satellite）计划由日本宇宙开发事业团(NASDA)承担，主要研制一种自由飞行服务系统技术实验卫星VII型机器人，预计在太空完成燃料加注，更换电池等卫星服务工作，也要完成目标星的捕捉和固定等任务5。为了能使空间机器人在轨道上完成精密复杂的作业，MITI(Ministry of International Robotic Trade and Industry) 正在研制一种多传感器智能手爪ARH(Advanced Robotic Hand）参与ETS-VII空间机器人飞行实验。该智能手爪的研制基于以下两个出发点：一为通用性和遥控末端能力是空间使用单一机器人完成多项任务的前提，下一代空间机器人要求具有多自由度，灵活的手爪；二为基于传感器控制的局部自主能够克服从地面到空间的时间延迟和通讯能力缺乏造成的遥操作的困难，手爪的感知功能和智能是提高自主的关键6。1. ARH空间实验简述ARH空间实验的目标为：I)验证多自由度多传感器智能手爪对于灵活轨道服务的潜力；II）开发和测试空间机器人关键的机电部件；III）精密装配；VI）材料样本的采集；V）浮游物体的捕捉；VI)ARH与ERA之间的物料传递。ARH的操作模式：I)借助数据通讯卫星COMET从地面遥控操作；II)自主操作；III）遥控与自主混合操作。2. ARH系统多传感器智能手爪安装在长约40cm的5自由微型手臂的末端，手爪具有更换功能，即手爪在轨道上通过编程控制即可以与微型手臂脱开，又可以与手臂联接。实验目标物体如插头、螺栓、装配物体等安装在工作台上。工作台上有手爪锁紧装置，用以发射时固定手臂和手爪，该装置还用于手爪的更换平台。见图1-17 所示。3多传感器智能手爪日本学者认为多自由度多指手爪缺乏机械的可靠性和实用性，并且存在着抓取稳固性和控制复杂性的问题，在空间手爪必须可靠地抓取和作业，不能出差错，在微处理器防辐射能力有限的情况下，很难可靠地控制多自由度。多手指手爪。从这点出发，研制了一种使用简单、可靠的机械机构称为半灵活性（Semi-dexterous）三指手爪，见图1-2所示。图1-1 ARH系统 图1-2 ETS_VII多传感器智能手爪该手爪共配置五种传感器，具体如下：3个测距传感器，安装在手爪的外壳上，主要用于接近工作台控制，也用于始终面对工作台的姿态控制；一个CCD眼在手上（Hand-in-eye)摄像机，主要用于目标物体的测定、微细定位及监视；握力传感器，通过握力反馈控制执行三指抓取目标物体。一方面通过监视握力传感器为地面操纵者确定抓取状态提供帮助，另一方面可以准确地确定三个手指抓取物体接触点的位置；一个六自由度力力矩传感器，主要用于微型手臂的力控制，也用于基于任务知识库通过模型匹配技术（Pattern-matching technique）监视空间任务的执行情况；一个柔顺力力矩传感器，该传感器比六自由度力力矩传感器更敏感，用于监视微细作业的执行。该手爪包含了用于空间遥控机器人微细作业所需的传感器、机构和控制等多项技术，单使用传感器融合技术，为空间机器人在空间完成多种任务奠定了基础8。1.2.3 哈尔滨工业大学多传感器集成手爪系统该手爪系统由手爪机械模块和电路模块组成。共集成了14个传感器，该系统同空间机器人克服了实验综合平台中气浮机械臂作用空间的限制。其它作业如自动抓取、物体捕捉、电路板拔插等由多传感器集成手爪与PUMA562机器人组成的实验系统完成。手爪本体外观如图1-3所示。1. 多传感器系统集成及控制技术，包括机器人传感器、多传感器集成及信息融合技术等研究；2. 基于Internet网络机器人遥操作技术，研究多操作者多机器人遥操作，包括人机交互界面、机器人协调作业、系统稳定性、安全性等方面的研究；3. Haptic interface及临场感技术，研究信息感知设备、临场感、虚拟人机交互以及虚拟传感器信息融合技术；4. 自重构模块化机器人技术，研究机构、控制及自重构算法。具体如下：图1-3 多传感器集成手爪本体的外观图及各模块的位置9个测距传感器组成测距传感器组，其中1个为长距离扫描测距传感器，8个指尖短距离传感器。2个触觉传感器，位于两个手指内指面。1个六自由度力力矩传感器。2个滑觉传感器。1个带有过载保护功能及自动锁紧机构的柔顺RCC装置。1.3 本文选题的意义及主要内容1.3.1 选题的意义人类的空间活动己经由单纯的空间考察和研究时代进入开发利用空间资源的时代，独特的太空环境为人类提供了特定的科研场所和空间生产基地。空间机器人不仅可以取代人去完成某些特定工作，也可以完成某些人所不能够完成的工作。世界各空间大国均充分认识到空间机器人在未来空间活动的重要作用，都在加紧进行空间机器人的研制工作，并投以巨资加以支持，但是建造一种全自主式的智能机器人系统，而采用多传感器智能手爪系统赋予空间机器人局部自主能力的方案己得到专家们共识9。将多种传感器集成在机器人手爪上构成多传感器集成手爪系统能最有效地反映外界环境及工作对象的状态，最直接的描述工作对象及其所在的外界环境、操作工具及其所操作的对象的关系，基于多种传感器信息通过信息融合技术将这些信息合并成统一的综合信息，从而准确、全面地描述和识别环境中物体的特征，供机器人进行识别、判断、决策和规划，进而在高层次上进行控制，因此研制空间多传感器智能手爪成为空间机器人关键技术之一，空间机器人智能程度的高低很大程度上取决于先进的传感器技术、多传感器集成技术以及多传感器信息融合技术。空间机器人多传感器智能手爪的研究正是致力解决多传感器集成技术及其多传感器信息处理技术。同时，该项目的研究是在跟踪世界先进水平，掌握国际上空间机器人多传感器智能手爪最新技术，缩短同国外先进水平差距的背景下进行的，该项成果对加速我国空间机器人的发展发挥了积极作用，并将推动我国空间机器人技术的发展10。1.3.2 本文的主要内容空间智能机器人多传感器集成手爪系统是一项工程实际意义很强的基础研究课题，研究内容主要包括：在兼顾体积小、重量轻、操作灵活、并能集成多种传感器的基础上选取手爪执行机构。结合多传感器集成技术中传感器选择原则，基于具体任务合理选择传感器配置。传感器的配置包括：传感器种类的选择；传感器数量的确定；各传感器的安装位置。机器人手爪所需传感器的结构设计。第2章 多传感器集成三指手爪的机械设计2.1 三指手爪系统的组成多传感器手爪系统是基于模块化思想设计的，由手爪机械模块（包括传感器模块）和电路模块组成。本设计仅对机械部分和传感器部分进行研究，本章和下一章将分述这两部分的研制过程。2.2 三指手爪本体机械模块组成手爪本体高250mm，最大外径为176mm，重量小于2.5公斤。多传感器集成手爪系统的机械模块主要由以下部分构成：1三指末端执行器模块2六维柔性力力矩传感器模块六维柔性腕力传感器与刚性腕力传感器都是利用测量弹性体在力力矩的作用下产生的变形量来计算力力矩的，它们之间的根本区别就在于弹性体变形量的大小，由此决定了其他诸如传感装置、结构等方面的差别。刚性腕力传感器由于起步早，弹性体的变形很微小，因此其设计大同小异，己经比较成熟。柔性腕力传感器弹性体变形大，加之应用环境往往各不相同，因而设计往往比较复杂。3短距离激光测距传感器模块4长距离激光测距（含扫描）传感器模块5阵列式触觉传感器模块6六维刚性力力矩传感器模块六维刚性力力矩传感器有多种形式，如简式结构、马尔提斯十字梁(Maltess Cross）结构、径向三横梁结构、八角环等，本项目中考虑到空间的要求，即在该传感器的可利用空间中要安装一些处理电路，因此选取马尔提斯十字梁结构。7摄像机模块图2-1给出了多传感器集成手爪本体的外观图及各模块的位置。图2-1多传感器集成手爪本体的外观图多传感器手爪本体包含了七个模块，而阵列式触觉传感器模块，短距离激光测距传感器模块各由两个子模块构成，安装在平移手指末端执行器上；感应触觉传感器模块由一个子模块组成，安装在旋转手指末端执行器上；长距离激光测距传感器和摄像机模块安装在三指手爪的中环上。由于采用了模块化设计原则，各模块间易于拆装。多传感器集成手爪本体各模块间装配关系见图2-1所示。同时多传感器集成手爪中大部分传感器是基于模拟及数字信号处理操作在每个传感器或至少在手爪本体内部完成的思想研制的，因此其机械上的装配还包含了传感器信号处理电路板的安装。2.3 手指部件的设计2.3.1 设计原则手指部分的设计是指三指手爪区别于两指手爪和多指手爪的最重要之处，本文所设计的三指手爪采用一指平动，两指转动的形式，是为了保证在手爪的动作易于控制的前提下，尽量增加手爪的灵活性。手爪将应用在空间站的工作中，因此手爪的设计必须小而轻。2.3.2 电机的选取根据设计意图，三个手指中一个为平动，两个为转动，设计采用三组电机和减速器的配合完成此项工作。其中两个电机对称的放在手爪模块的两侧，通过减速器直接带动两个手爪转动；另一个电机通过减速器带动丝杠转动，由丝杠螺母副的运动实现手指的平动。电机的选用不仅要满足设计任务中抓取力的要求，还要符合手爪外形尺寸的要求，本文选用德国Maxon11公司生产的A2522系列936型直流电机，与步进电机相比，直流电机有如下优点：1调速范围广，且易于平滑调节；2过载起动、制动转矩大；3易于控制，控制装置的可靠性高；4调速时的能量损耗较小。936型直流电机的外观如图2-2所示，它的主要参数如下：图2-2 电机外观简图几何尺寸：电机本体：输出轴：性能参数：额定电压：15V 额定功率：5W 最大转速：13600r/m 额定转矩：4Nm减速器选用与之配套的Maxon公司生产的GP系列134188型减速器，它的外观图如2-3所示，它的主要参数如下： 图2-3 减速器的外观简图几何尺寸：减速器本体：性能参数：减速比：1014：1手指的转矩=电机转矩减速比=41014=4056mN/m=4.056Nm，而设计要求的最大抓取力为50牛，转矩=力力臂=500.07=3.5Nm，因而满足设计要求。2.3.3 齿轮的设计本设计中的齿轮不担任加速或减速的作用，而只起到传递运动的作用，故选用了两个齿数一样的齿轮，因为传递的力很小，齿轮的大小与电机的大小相似即可。选取的齿轮参数如下：分度圆直径=27mm模数m=1.5齿数z=18齿顶圆直径齿根圆直径2.3.4 其他零件的设计各零件的摆放要考虑空间安排合理且方案可行，见图2-4所示。本文采用一个“几”字形的电机支架来固定与旋转手指相连的减速器、电机。电机的支架两侧与外壳底部的接触部分凹进去是为了节省空间。该手爪工作力较小，因而可以使用减速器输出轴直接带动手指旋转。与丝杠相连的减速器、电机的固定采用一块竖起来的钢板。三个减速器、电机与齿轮的连接使用了紧定螺钉，因为该装置承受的力较小，用此种形式可以减轻重量并节省空间。平动的手指由丝杠提供运动的动力，同时加两根钢棒起到图2-4 三指部件剖视图导向作用。钢棒和丝杠两端用两个支架固定，以增加刚度。连接手指部件各个部分的支撑体选用4-5mm的钢板，并在不必要存在的部分采用镂空的形式，尽量减小系统的重量。三指部件中底板与侧板的联接使用了四个小的突起，同时具有联接和定心的作用。三指部件与柔性传感器相连的部分做出一个圆筒形，以增加手指与柔性传感器的接触面积，提高柔性传感器的灵敏度12。整个三指部件为不对称结构，为使之表达的更清楚，没有从中间剖开，而是采用了如装配图所示的剖视方法，并增加了许多局部剖。2.4 Pro/engineer绘制手爪三维图随着计算机辅助设计CAD（Computer Aided Sesign）的飞速发展和日益普及，越来多的工程设计人员开始利用计算机进行残品的设计和开发，Pro/E作为一种流行的高端三维CAD软件，功能强大，应用广泛，越来越受到工程技术人员的青睐。除了完成毕业设计要求的AutoCAD绘制平面图外，我还学习了利用pro/e绘制三指手爪的立体图。见图2-5所示。图2-5三指手爪外观图Pro/engineer是美国PTC(Parametric Technology Corporation）公司推出的工程设计软件。它功能非常强大，其中最显著的特征就是使用参数化的特征造型。与AutoCAD相比，它的技术特点就是参数化管理，所有的算法都是矢量化的，三维与二维图形元素间具有关联性，是一种非常好的计算机辅助设计软件，它在国内的研究所、大专院校和一些工厂研究部门得到了越来越广泛的应用。绘制三维图可以把三指手爪的结构说明的更加清楚，使读者有一个清晰直观的概念，对三指手爪的整体外观，各部分的空间位置有更加明确的了解。手爪的绘制主要分为五大部分，即本体的绘制、摄像机模块的绘制、长距离激光测距传感器的绘制、旋转手指和平移手指的绘制。Pro/e与我们平时使用的AutoCAD区别很大，不仅界面不同，绘制方式和指导思想也大相径庭，它的界面不直观，命令繁杂，开始学习时确实感到很不容易，但在熟悉了一段时间后，就会发现Pro/e的功能之强大，使我们完全可以在学会几个常用命令之后就能完成大多数绘图任务。因为Pro/e图主要起到示意和辅助理解的作用，所以绘制的线条比较简单，出图时也没有按照1: 1的比例，零件的各部分的详细尺寸请参照二维平面图。第3章 三指手爪传感器设计3.1 多传感器系统的配置智能机器人应具备的最主要功能是系统在限定的条件下，理解周围环境的变化，并作出正确的反应和决策。多传感器集成系统中各种传感器性能上的差异提示我们在多传感器系统中，即使某个传感器提供的信息有一定的误差和不确定性，通过综合分析来自各个传感器的信息以及有效的融合可以获取比任何单一传感器获取的信息更可靠、更完整的信息。本章基于任务对多传感器系统中传感器的种类、数量及安装位置进行了配置。传感器的选择是传感器集成技术的一个重要组成，它使多传感器系统从适合于系统的传感器中选择最合适的传感器结构。目前选择传感器的类型和数量有两种不同的方法：基于环境的优化原则选择法和基于任务选择法。基于环境的优化原则选择方法，以设计阶段的预选择以及适合环境和系统状态变化的实时选择为代表，前者给出了恰当的传感器数量和操作速度之间的关系，该关系可决定多传感器系统中传感器单元的优排列，后者通过贝叶斯方法利用任何先验的物体信息决定传感器的定位，使传感器对目标假设的不确定性最小。基于任务的选择法主要思想是基于任务将完成任务的过程按时间及感召范围划分为若干段，即将任务分解，根据每个阶段所需的传感器信息合理地选择传感器的种类和数量。两种方法各有其优缺点，无法断言哪种方法更具有优势，然而对于智能机器人系统而言，所完成的任务千差万别，但任务的操作过程存在着一定的共性，故本文选用了基于任务选择法。通过对一个通用智能机器人系统一般任务的分析，将完成任务的过程按时间及感知范围大致分为四个阶段，即“远距”、“接近”、“接触”、“操作”阶段，见图3-1所示。每个阶段是以感知范围、所需的典型传感器，更重要的是通过所获取信息的种类加以区分的。在“远距”阶段，所关心的只是环境的全局信息，该阶段典型的传感器信息如物体在整个视场中的大致位置及特征后，机器人手爪移向物体以获得更加详细的信息，进入“接近”阶段，通常该阶段所关心的并不是全局，而是局部范围内更详尽的信息，该阶段的信息将“远距”阶段中有用的信息进行细化，剔除“远距”阶段中无用的信息，因此采用非接触式传感器，如安装在手爪上的“接近”阶段获得的信息比“远距”阶段更详实、精确，但并不能获得物体的整个特征，如物体的硬度、弹性、磨擦特性等，这些信息是无法通过非接触式传感器获得的，只有通过“接触”阶段才能获得，在“接触”阶段所采用的传感器为接触式传感器，如触觉传感器，该阶段的传感器本身具有很强的敏感能力，可以直接测量目标物体的各种性质和特征。“操作”阶段反映了机器人与物体及环境相互作用的关系，体现出的传感器信息诸如力力距、滑动及重量等，故采用力力距传感器，滑觉传感器13。图3-1 基于任务的传感器选择框图上述每个阶段选择的传感器种类不同，其工作范围也有差别，但每个阶段所获得的传感器信息均包含两种，即所有阶段共有的信息（如物体的位置、姿态等和某一阶段所特有的信息。3.2 三指手爪机器人多传感器系统的配置依据上述多传感器系统配置策略，考虑到多传感器集成手爪系统解决的只是空间机器人局部自主问题，故“远距”阶段不是其所涉及的范畴。它只涉及“接近”、“接触”、“操作”三个阶段。多传感器集成手爪集成了9个传感器，具体如下：5个测距传感器组成测距传感器组，其中2个为指尖短距离测距传感器，3个长距离测距传感器；1个整列式触觉传感器，位于平移手指内指面；1个刚性六自由度力力矩传感器；1个柔性六自由度力力矩传感器；1个微型CCD摄像机。3.3 三指手爪多传感器系统的结构设计3.3.1 传感器系统设计的必要性空间智能机器人多传感器集成手爪要求集成传感器体积小、重量轻、集成化程度高，并且适合空间环境。目前多数产品化的传感器不能满足其要求，为提高系统的集成度，基于模拟处理和数字运算操作应尽可能在各个传感器至少在腕部完成的思想，来设计传感器系统，包括传感器模拟信号的放大处理、数据采集、传感器的标定以及传感器信息的传输均在手爪体内部完成。因此，开发设计手爪所需传感器成为多传感器集成手爪系统的关键。上一节中对手爪传感器系统进行了配置，本章将对使用的各种传感器的设计加以介绍。3.3.2 六维刚性力/力矩传感器的结构设计1六维刚性力力矩传感器工作原理六维刚性力力矩传感器有多种形式，如简式结构、马尔提斯十字梁(Maltess Cross）结构、径向三横梁结构、八角环等，本项目中考虑到空间的要求，即在该传感器的可利用空间中要安装一些处理电路，因此选取马尔提斯十字梁结构，其工作原理如图3-2所示14。传感器采用电阻式应变片原理，整个传感器共有八个应变全桥，即14，58，912，1316，1720，2124，2528，2932。每组桥路应变片在各种受力下的工作情况见表3-1。表3-1中列出的均为正向承受载荷的情况，对负向承受载荷，每组桥路应变片应变情况正好相反。图3-2 六维刚性腕力传感器工作原理表3-1 每组桥路应变片在各种受力下的工作情况每 组 桥 路 应 变 片 在 各 种 受 力 下 的 工 作 情 况1 2 3 45 6 7 89 10 11 1213 14 15 1617 18 19 2021 22 23 2425 26 27 2829 30 31 32X受正向力X X X XX X X XX X X XX X X X- -+ +X X X X- -+ +X X X XY受正向力X X X XX X X XX X X XX X X XX X X X+ +- -X X X X+ +- -Z受正向力+ +- -+ +- -+ +- -+ +- -X X X XX X X XX X X XX X X XX受正向转矩+ +- -X X X X- -+ +X X X XX X X XX X X XX X X XX X X XY受正向转矩X X X X+ +- -X X X X- -+ +X X X XX X X XX X X XX X X XZ受正向转矩X X X XX X X XX X X XX X X X+ +- - -+ +- -+ +- -+ +注：表中表示应变片正向应变；一表示应变片负向应变；X表示应变片无应变，但实际情况下，由于加工、传感器工作原理等原因各应变桥间存在一定的耦合，故这些应变片存在一定的应变，不过其相对于工作应变片而言应变较小。2六维刚性力力矩传感器弹性体六维刚性腕力传感器弹性体采用超硬铝材料，整体加工成图3-3所示。图3-3 刚性腕力传感器应变片采用精密丝绕式应变片，其工作原理是：以电阻应变片（简称应变片）作为传感元件，将其牢固地粘贴在构件的测点上，构件受力后，由于测点发生应变，应变片也随之变形而使应变片的电阻发生变化，再用专用仪器测得应变片的电阻变化的大小，并转换为测点的应变值。它的主要优点是灵敏度高，能测出10-6的微小变化；应变片的标距较小，目前己能制造标距为0.2mm的应变片，因而所测应变可近似认为是一点的应变；电阻应变法的适应性强，不仅可测量静态应变，也可测量动态应变和旋转构件的应变；还可以测量高温或低温下工作的构件应变；高压容器内壁的应变；并可进行远距离测量和无线电遥测等。在这里，应变片的材料选用镍铬丝，并采用热胶粘结工艺，电桥平衡采用匹配电阻式的硬件平衡方式，并采取适当的温度补偿措施，来提高刚性腕力传感器的测量感应精度。3.3.3 六维柔性腕力传感器的结构设计1 柔性腕力传感器的工作原理六维柔性腕力传感器与刚性腕力传感器都是利用测量弹性体在力力矩的作用下产生的变形量来计算力力矩的，它们之间的根本区别就在于弹性体变形量的大小，由此决定了其他诸如传感装置、结构等方面的差别。刚性腕力传感器由于起步早，弹性体的变形很微小，因此其设计大同小异，己经比较成熟。柔性腕力传感器弹性体变形大，加之应用环境往往各不相同，因而设计往往比较复杂15。传感器在受到外力力矩作用时，其弹性体产生弹性变形，变形的大小同所受的外力力矩存在一定的关系。一旦建立起这种关系，便可以反过来利用这种关系得到传感器所受的外力力矩。可见，在得到力力矩信息之前必须知道传感器的变形量。图3-4 柔性腕力传感器工作原理图本文设计的柔性腕力传感器采用图3-4所示的原理检测传感器的位姿信息，传感器基本的传感单元包括一个红外发光二极管、一个狭缝和与之相垂直的线型位置敏感元件PSD。移动体上的红外发光二极管的光经过狭缝后形成一个扇形的光平面，这个平面垂直地照在固定体的PSD上，PSD能够检测到光点（光平面和线型PSD的交点）的位置，六个这样的系统（互相间隔60度）安装在一个平面上，狭缝间隔地平行、垂直于这个平面而形成六个光点。这六个光点提供了确定移动体位置姿态的充分必要的信息。位置检测元件选用PSD， PSD器件通过输出模拟电流信号来反映照射在其敏感面上光点的位置，具有分辨率高，信号检测处理电路简单，响应速度快等优点。其断面结构及等效电路见图3-5所示。 (a) ( b) 图3-5 PSD的断面结构图及等效电路光束射到PSD表面的位置可以通过下式获得：根据柔性腕力传感器的运动范围和测量精度选择PSD型号为S3931，根据PSD的敏感波长，本文选择了镓铝砷半导体红外发光二极管1915作为光源。2 柔性腕力传感器的机械本体设计如图3-6所示柔性腕力传感器由内环、外环及连接它们的弹簧组成，弹簧一端固定于内环，另一端与外环为轴向连接，可根据需要调节弹簧为受拉弹簧，同时可以保证内环与外环同心，三个限位销保证内环沿各方向的运动范围不超过2mm，以免损伤弹簧并把柔性腕力传感器的运动范围限制在光平面宽度和PSD的测量范围之内。柔性腕力传感器的设计关键在于弹性体设计，弹性体设计的好坏，直接关系到腕力传感器柔顺性和测力力矩精度。作者在柔性腕力传感器的设计中使用了矩形截面的线性弹簧，设计的弹簧参数如表3-2所示。与一般弹簧相比，这种弹簧具有如下优点：1弹簧特性的线性关系较普通圆形截面弹簧更为正确；2当螺旋外径受到空间限制时，它能采用较圆形截面积为大的材料，能存贮比圆形截面弹簧更大的能量。3矩形截面弹簧的径向轴向的弹性比可以通过不改变弹簧个数的情况下来选择传感器的轴向和径向刚度。图3-6 柔性腕力传感器组成 表3-2 弹簧参数b(mm)D(mm)n0.451.2658000200003.482.11表3-3 柔性腕力传感器的各向刚度6.7716.7712.639140.529140.5218281.04应该注意到，被动柔顺姿态并不是在任何工作情况都需要的，有时被动柔顺甚至影响机器人的作业效果。在这些情况下，自动锁定装置对柔性腕力传感器进行锁定，变为刚性状态。所以六维柔性腕力传感器的状态选择对于手爪的影响是很大的，应该根据实际情况选择实际的状态。图3-7为自动锁定装置结构图。图3-7 柔性腕力传感器锁紧装置该装置采用直径为25的步进电机通过两级齿轮减速后带动一个具有滚动支撑的凸轮运动。凸轮推动杠杆使另一端的锥形销与带有锥形槽的螺栓配合。锥形槽的导向作用使得锁定可以在一定的载荷下进行，调整螺栓的位置可以保证锁定后内外环同心。锁定凸轮的末段升角很小，可以使杠杆靠摩擦力自锁。当凸轮反向旋转时，杠杆靠弹簧力带动锥形销离开锥形槽。传感器的锁定和自由状态都可以由机构本身保持，电机在这两种状态下可以断电，减小系统功耗。3.3.4 阵列式触觉传感器的结构设计1阵列式触觉传感器的工作原理目前还没有一种合适的敏感材料既具有高的分辨力，又具有高的位置敏感度。本文根据空间智能机器人多传感器集成手爪系统的作业要求，设计了磁敏Z元件阵列式触觉传感器。磁敏Z元件能输出随磁场强度成比例变化的开关信号、模拟信号或频率脉冲信号。模拟输出时，磁场对电压的灵敏度可达3mV/mT；频率脉冲输出时，磁场对频率的灵敏度可达20Hz/mT，我们选用模拟输出方式。模拟电压输出应用时，可输出与磁场强度成比例的模拟电压信号，特点是磁敏Z元件的伏安特性随磁场增强而向右偏移；磁场减弱又向左偏移。伏安特性如图3-8所示。其工作电路图如图3-9所示。图3-8 磁敏Z元件模拟输出伏安特性 图3-9 Z元件的工作电路伏安特性随磁场强度变化曲线，如图3-10所示；和灵敏度曲线如图3-11所示，由图3-10和图3-11可知，随着磁场强度的增加，伏安特性曲线向右移动，和都增大，且其灵敏度有增大的趋势。图3-10 伏安特性随磁场强度变化 图3-11 和灵敏度曲线磁敏Z元件能输出随磁场强度成比例变化的模拟信号，且其灵敏度很高，因此只要提供有磁场变化的磁场，Z元件即可工作。触觉传感器的工作原理是检测接触面力的大小，因此，用磁敏Z元件检测力值的大小采用的是间接测量法，即通过位移把磁场强度的变化转化成力值，图3-12为其原理示意图。图3-12 触觉传感器工作原理示意图采用平板磁铁在空气中的磁场强度衰减作为Z元件的敏感源，通过测头弹性装置把力转换为Z元件与磁铁之间的距离，而Z元件与磁铁之间的距离与磁场强度的变化是对应的，这样，就通过把磁场强度参数转换为位移参数，再转换为力参数，从而达到测力的目的。该传感器必须经过标定才可以检测力值。图3-13为触觉传感器的结构设计图。图3-13 触觉传感器的结构图该阵列式触觉传感器由46个阵列点组成，行分辨率为6.6mm，列分辨率为6.4mm，整个传感器外形尺寸为27.83918mm。每一阵列点即是一个弹性检测机构，该传感器由三部分组成，即磁铁、24个弹性检测机构和屏蔽外壳。磁铁提供磁场，与屏蔽外壳采用绝缘胶粘接；弹性检测机构由测头、弹簧、锁紧杆、Z元件和引线电路板组成；测头所受抓取力通过弹簧变形转换为测头位移，由于Z元件用绝缘胶粘在测头开槽里面，因此测头将带动Z元件移动，从而实现测量；锁紧杆用来固定测头；Z元件的引线由粘在屏蔽外壳里侧的引线板完成。屏蔽外壳用来屏蔽磁铁产生的磁场，同时用来作为弹性检测机构的支撑体。设计选用3mm厚的磁铁，材料为钦铁硼，磁铁中心处表面磁场强度为80mT，四边磁场强度可达240mT，通过弹簧设计，每一触点须具有8N左右的抓取力。3.3.5 激光测距传感器的结构设计1. 三角法激光测距传感器原理测距传感器原则上可分为三角法和非三角法两种测量原理。三角法通过三角几何关系计算而得出被测物体的距离，这种方法适用范围广，因而得到普遍的应用。三角法测距传感器基本上可以分为斜射光三角法和直射光三角法两种。斜射光三角法原理如图3-14所示，直射光三角法测量原理如图3-15所示。 图3-14 斜三角法原理图 图3-15 直射光三角法测量原理激光光束I照射在被测物体表面上，经漫反射或部分漫反射后，通过透镜L将光点成像在检测元件的敏感表面N上，成像光点位置可以检测得到，最后经过计算就可以得出被测物体的距离。当时，选取入射光束与透镜光轴成直角时为参考平面位置。距离计算公式为： (3-1) (3-2)直射光三角法是指入射光束I垂直于被测物体表面。检测元件的敏感表面可以垂直于光轴，也可以不垂直于光轴。相对距离可以通过三角几何关系计算得到。如图3-15所示，当检测元件的敏感表面垂直于光轴（图中T1方式）时，d的计算公式为式3-3，当检测元件的敏感表面不垂直于光轴（图中T2方式）时，d的计算公式为式3-4。 (3-3) (3-4)2. 激光测距传感器原理及基本结构尺寸的确定本文所设计的激光测距传感器，其基本原理与直射三角法中T2方式相同，只是被测物体表面并不是总能够与激光光束垂直。如图3-16所示，半导体激光器所发出的光束经发射透镜变成近似平行的光束，照射在被测物体表面上并被反射，部分反射光经接收透镜将照射光疏漏成像在PSD敏感表面上，光点的位置经PSD检测电路可以得到,根据此位置经过计算就可以求出被测物体与传感器的距离。图3-16 激光测距传感器原理图 图3-17 传感器结构尺寸的确定如图3-17所示，CA为光束的传播方向，CO为PSD敏感表面所在的直线中心，由透镜成像公式及相应的集合关系可以得到： (3-5) (3-6)令d=1，考虑到透镜的两主平面的距离为B。则设计相关尺寸对应的计算公式为： (3-7) (3-8) (3-9) 3. 激光测距传感器结构设计由于在手爪中所需的激光测距传感器的数量较多，若要提高多传感器集成手爪系统的集成度，保证手爪在要求的外形尺寸上，必须在激光测距传感器的结构设计和选择元器件上进行优化，以保证其体积最小，因此，选择美国产的红光半导体激光器，该激光器外形尺寸为，其上直接集成一组准透镜和一组聚焦透镜，该激光器输出的经过准直红色激光；考虑到国内对非球面透镜，特别是小型的非球面透镜的加工工艺原因，选用美国产的S3931，该器件为线阵，敏感区长度为l0mm16。由于选用成品透镜，在激光测距传感器的设计上要按照设计要求并充分结合透镜参数为前提进行设计。短距离激光测距传感器的结构简图如图3-18所示。该传感器测距范围为30mm，测距精度为1%。长距离激光测距传感器的结构简图如图3-19所示。该传感器测距范围为140mm，测距精度在5090mm时为1%，90180时为3%。图3-18短距离激光测距传感器 图3-19长距离激光测距传感器3.3.6 小型CCD摄像机CCD摄像机安装在手爪上形成手-眼系统，用于提供更丰富的信息，该摄像机选用日本产单板摄像机，摄像机分辨率为320 X 240。考虑到传输速度的原因，视频信号通过同轴缆直接同机器人控制器相连，而不是通过串行总线同机器人控制器相连。千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。“结论”以前的所有正文内容都要编写在此行之前。- 43 -结论本次毕业设计的内容是研究空间机器人多传感器集成三指手爪的结构，设计的完成参阅大量的国外资料，主要是德国的ROTEX计划，和日本的ETS-VII计划。在本论文撰写之前，国内并没有任何关于多传感器三指手爪机器人的信息，而三指手爪机器人的好处是显而易见的：与多指手爪相比，它更加可靠和实用，因为在空间手爪必须可靠的抓取和作业，不能出差错，而在微处理器防辐射能力有限的情况下，可靠的控制多自由度多手指手爪是不现实的；与现有的二指手爪相比，它具有更加灵活的特性，可夹持多种形状的物体，实现在不同坟置的定位。三指手爪采用了两指转动，一指平动的形式，而没有采用类似三爪夹盘的装置，使它可以用在不要求定心的机构中。手爪的工作方式采用了双重控制从地面到空间的远距离遥操作控制与本地智能控制相结合，以克服从地面到空间的时间延迟和通讯能力缺乏时造成的遥操作的困难。多自由度多传感器的ARH将提供一个具有柔性和自主性功能的机器人手臂，并将扩展空间机器人的应用范围。空间机器人三指手爪在体积上是一个很小的系统，但它包含着先进空间遥操作机器人执行精确任务所需要的传感器、机械、控制方面的关键性技术。致谢为期一学期的课程设计即将结束，此设计的选题、课题研究及撰写绘制工作都是在马薇老师的悉心指导下完成的。在与马老师合作的时间里，马老师那严谨的工作作风，渊博的学术知识，负责的教学态度以及对学生严格高标准的要求，使我受益匪浅。此外，马老师在工作、学习、思想及生活方面给予极大的帮助，使我难以忘怀。在此向马老师表示深深的感谢和崇高的敬意。在课题的研究和设计中，还得到了各位图书馆的老师和各位同学的帮助，在此表示诚挚的谢意及良好的祝福。参考文献1 候国章,赵学增.测试与传感技术.哈尔滨工业大学出版社，1998年12月：P23-P1662 陈铁鸣,王连明.机械设计.1998年8月第二版哈尔滨工业大学出版社，1998年8月：P31-70 P156-P1693 王连明.机械设计课程设计.哈尔滨工业大学出版社，1998年2月：P79-P125 P169-P2024 王丽洁,吴佩年.画法几何及机械制图.哈尔滨工业大学出版社，1998年4月：P212-P3425 贾耀柳.机械零件手册.中国标准出版社，1995年9月：P238-2456 机械工业部洛阳轴承研究所.最新国内外轴承代号对照手册.机械工业出版社，1998年1月：P17 余梦生,吴宗泽.机械零部件手册.机械工业出版社，1998年11月8 黄继昌等.传感器工作及应用实例.人民邮电出版社，1998年12月9 李为真,伍北成，高国宏.最新Pro/Engineer 2000i应用实例教程.冶金工业出版社，2000年7月：P25-P2610 龚瑞昆.机器人用传感器材料的进展.传感器世界.2001年7卷6期：P12-P1711 李嘉,刘文江等.机器人触觉传感器力学建模与仿真.传感技术学.2002年5卷第1期：P5-P912 龚秉国.等臂长度机械手的几何解祸原理.机器人技术与应用.2001年第5期：P14-P1513 闰军.国外机器人研制动态.自动化博览，2001年第8卷第1期14 干方建,刘正士.六维腕力传感器惯性参数在线识别.传感器技术.2001年20卷11期：P8-P1015 GHirzinger, Brunner, J.Dietrich. Sensor Based Space Robotics -ROTEX and Internet .Telerobotic , Features, Internet Transactions on the Robotics and Automation.1993,9(5):64966316 M.Oda, Y. Wakabayashi. ETS_VII, The World First Telerobotic , Satallite (Mission and its Design Concept).I-I-SAIRAS92.1992:198209附录DimensioningThe design of a machine includes many factors other than those of determining the loads and stresses and selecting the proper materials. Before construction or manufacture can begin, it is necessary to have complete assembly and detail drawings to convey all necessary information to the shop men. The designer frequently is called upon to check the drawings before they are sent to the shop. Much experience and familiarity with manufacturing processes are needed before one can become conversant with all phases of production drawings.Drawings should be carefully checked to see that the dimensioning is done in a manner that will be most convenient and understandable to the production departments. It is obvious that a drawing should be made in such a way that it has one and only one interpretation. In particular, shop personnel should not be required to make trigonometric or other involved calculations before the production machines can be ser up.Dimensioning is an involved subject and long experience is required for its mastery.Tolerances must be placed on the dimensions of a drawing to limit the permissible variations in size because it is impossible to manufacture a part exactly to a given dimension. Although small tolerances give higher quality work and a better operating mechanism, the cost of manufacture increases rapidly as the tolerances are reduced, as indicated by the typical curve of Fig.1.6. It is therefore important that the tolerances be specified at the largest values that the operating or functional considerations permit.Tolerances may be either unilateral of bilateral. In unilateral dimensioning, one tolerance is zero, and all the variations are given by the other tolerance. In bilateral dimensioning, a mean dimension is used which extends to the midpoint of the tolerance zone with equal plus and minus variations extending each way from this dimension.The development of production processes for large-volume manufacture at low cost has been largely dependent upon interchangeability of component parts. Thus the designer must determine both the proper tolerances for the individual parts, and the correct amount of clearance or interference to permit assembly with the mating parts. The manner of placing tolerances on drawings depends somewhat on the kind of product or manufacturing process. If the tolerance on a dimension is not specifically stated, the drawing should contain a blanket note which gives the value of the tolerance for such dimensions. However, some companies do not use blanket notes, on the supposition that if each dimension is considered individually, wider tolerances than those called for in the note could probable be specified. In any event it is very important that a drawing be free from ambiguities and be subject only to a single interpretation.标注尺寸设计一台机器包括很多要素，而不是仅仅确定载荷、应力以及选择适当的材料。在构建和加工开始之前，必须有装配图和零件图来给工人传达所有有用的信息。在送到工厂只前设计者经常被要求检查图纸。我们必须具有丰富的经验并熟悉各种加工方法，才能懂得生产图纸的各个方面。图纸必须仔细检查使得尺寸标注对制造部门来说最方便最易理解。显然图纸必须只有一种解释，尤其不应应该要求工人进行三角或其它复杂的计算才能去调整机床。尺寸标注是一个复杂的问题，需要有长期的经验才能掌握。由于不可能精确到安给定的尺寸来加工出一个零件，图纸上必须有公差来限定允许的变动范围。虽然小公差能高精度和更好的机构操纵性，但随着公差的减小加工成本迅速增加，如图1.6典型曲线所示。因此，被设定在操纵或功能所允许的最大值上，这点很要。公差可能是单向的或双向的。在单向尺寸标注中，一方的公差是零，偏差由另一方给定。在双向尺寸标注中以公差的中点为平均尺寸，在这一尺寸的上下两方为相等的正负偏差。低成本大批量生产过程的发展很大程度上取决于部件的互换性。因此，设计人员既要确定耽搁零件有适当的公差，又要注意两个配合件有适当的间隙或过盈来保证装配。图纸上公差的选择某种程度上取决于产品的种类和加工方法。如果一个尺寸上的公差没有特别注明，图纸上将有一个综合说明给出这种尺寸的公差值。然而，一些公司不使用综合说明，假定每个尺寸应该单独考虑，宽松的公差应详细说明。在任何情况下，每张图纸不应该有模棱两可的地方，而只能有一种解释，这是很重要的。附录 Mechanical DesignOVERVIEW While discussing the differences among engineers, scientists, and mathematicians in Chapter 1, we saw that the word engineering is related to both ingenious and devise .Creative design lies at the center of the mechanical engineering profession, and an engineers ultimate goal is to produce new hardware that solves one of societys technical problems. Beginning either from a blank sheet of paper or from existing hardware that is being modified, the product development process often forms the focus of an engineers activities. In keeping with their professions title, many engineers truly are ingenious, and they possess the vision and skill to make such lasting contributions as those described in the top ten list of Section 1.3Formal education in engineering is not a prerequisite to having a good for a new or improved product. Your interest in studying mechanical engineering, in fact, may have been sparked by your own ideas for building hardware. The elements of mechanical engineering that we have examined up to this point-machine components and tools, forces in structures and fluids, materials and stresses, thermal and energy systems, and the motion of machinery-are intended to have set a foundation that will enable you to approach mechanical design in a more effective and systematic manner .IN that respect, approach the taken in this textbook is a condensed analog of the traditional engineering curriculum: Approximation, mathematics, and science are applied to design problems in order to increase performance and reduce trial and error. By applying the resources of Chapter2-7, you can select certain machine components and perform back-of-the-envelope calculation to guide design decisions. Such analyses are not made for their sake alone; rather, they enable you to design better and fast.Effective mechanical design is a broad area, and the creative and technical processes behind it cannot be set forth fully in one chapter-or even one textbook for that matter. Indeed, with this material as a starting point, you should continue to develop hands-on experience and design skills throughout your entire professional career. Even the most seasoned grapples with the procedure for transforming an idea into manufactured hardware that can be sold at a reasonable cost.After first discussing the hierarchy of steps that engineers take when they transform a new idea into reality, we explore the subject of mechanical design through three case studies in the fields of conceptual design, computer-aided design, and detailed machine design. We will also discuss mechanical design from a business perspective and describe how patents protect newly developed technology. After completing this chapter, you should be able to: Outline the major steps and iteration in points in the high-level mechanical design procedure. Give an example of the processes for brainstorming and for identifying the advantages and disadvantages of various design options Understand the role played by computer-aided engineering tools in mechanical design, and describe how such tools can be seamlessly integrated with one another. By using a sketch as a guide, describe the operation of an automobile automatic transmission, a complex machine design that incorporates mechanical, electronic, computer, and hydraulic components. Explain what patents are, and discuss their importance to engineerings business environmentHIGH-LEVEL DESIGN PEOCEDUREIn this section, we outline the steps that engineers take when they develop new products and hardware. From the broadest viewpoint, design is defined as the systematic process for devising a mechanical system to meet one of societys technical needs. The specific motivation could lie in the areas of transportation, communication, or security, for instance. The prospective product is expected to solve a particular problem so well, or offer such a new capability, that other will pay for it. Early on, a companys marketing department will collaborate with engineers and managers to identify, in a general sense, new opportunities for products. Together, they define the new products concept by drawing upon feedback from potential customers and from user of related product. Designers will subsequently develop those concepts, work out the details, and bring the functioning hardware to realization. Many approximations, trade-offs, and choices are made along the way, and mechanical engineers are mindful that the level of precision that is need will naturally and gradually grow as the design matures. For instance, it does not make sense for an engineer to resolve specific details (should a grade 1020 or 1045 steel alloy be used? Are ball or roller bearings most appropriate? What must be the viscosity of the oil?) until the designs overall concept has taken firm shape. After all, at an early stage of the design cycle, the specifications for the products size, weight, power, or performance could still change. Design engineers are comfortable with such ambiguity, and they are able to develop product even in the presence of requirements and constraints that can change.The formal procedure by which a marketing concept evolves into manufactured hardware is based upon many principles and attributes. Most engineers would probably agree that creativity, simplicity, and iteration are key factors in any successful endeavor. Innovation begins with a good idea, but also implies starting from a blank sheet of paper. Nevertheless, engineers must still take the first, perhaps uncertain, step for transforming that formative idea into concrete reality. Early design decisions are made by drawing upon a variety of source: personal experience, knowledge of mathematics and science, laboratory and field testing, and trial and error guided by good judgment. Generally speaking, simpler design concepts are better than complex ones, and the adage “keep it simple, stupid” has a well-deserved reputation among engineers for guiding decisions. Iteration is also important for improving a design and for refining hardware that works into hardware that works well. The first idea that you have, just like the first prototype that you construct, will probably not be the best ones that can be realized. With the gradual improvement of each iteration, however, the design will perform better, more efficiently, and more elegantly.From a macroscopic perspective, the mechanical design procedure can be broken down into four major steps, which are outlined with greater detail in Figure 8.1.1. Define and research objectives. Initially, a designer describes the new products requirements in terms of its function, weight, strength, cost, safety, reliability, and so forth. At this first stage, constraints that the design must satisfy are also established. Those constraints might be of a technical nature-say, a restriction on size or power consumption. Alternatively, the constraints could be related to business or marketing concerns, such as the products appearance, cost, or ease of use. When faced with a new technical challenge, engineers will conduct research and gather background information that is expected to be useful when concepts and details are later evaluated. Engineers read patents that have been issued for related technologies, consult with vendors of components or subsystems that might be used in the product, attend expositions and trade shows, and meet with potential customers to better understand the application. Early in the design process, engineers define the problem, set the objective, and gather pertinent information for the foundation of a good design.2. Generate concepts. In this stage, designers generally work in teams with the goal of devising a wide range of potential solutions to the problem at hand. This creative effort involves conceiving new ideas and combining previous ones to be greater than the sum of their parts. Hardware solutions are conceptualized and composed, and both good and not-so-good ideas are tossed about. Results from the brainstorming sessions are systematically recorded, the advantages and disadvantages of various solutions are identified, and trade-offs among the differing approaches are made. To document the suite of ideas that emerges from this synthesis stage, engineers sketch concepts, make notes, and prepare lists of “pros and cons” in their design notebooks. No particular idea is evaluated in depth, nor is any idea viewed with too critical an eye. Instead, you should focus on cataloging multiple approaches and devising a wide rang of design concepts, not necessarily all conventional ones. Even though a particular solution might not seem feasible at this early stage, should the products requirements or constraints change in the future (which is likely), the idea might in fact resurface as a leading contender.3. Narrow down the options. The design team further evaluates the concepts with a view toward reducing them to a promising few. For instance, engineers make preliminary calculations to compare strength, safety, cost, and reliability, and they will begin to discard the less feasible concepts. Sample hardware could also be produced at this stage. Just as a picture is worth a thousand words, a physical prototype is often useful for engineers to visualize complex machine components and to explain their assembly to others. The prototype can also be tested so that trade-off decisions are made based on the results of both measurements and analyses. One method for producing such components is called rapid prototyping, and its key capability is that complex, three-dimensional can be fabricated directly from a computer-generated drawing often in a matter of hours. One such technology is called fused deposition modeling, and it enables durables durable and fully functional prototypes to be fabricated from plastics and polycarbonates. As an example, Figure 8.2 depicts a computer-aided design drawing of an engine block and a physical prototype developed with the system show in Figure 8.34. Develop a detailed design. To reach this point of the high-level procedure, the design team will have brainstormed, tested, analyzed, and converged its way to what it perceives as the best concept. The implementation of the design, construction of a final prototype, and development of the manufacturing process each remain. Detailed technical issues are solved by applying mathematical, scientific, laboratory, and computer-aided engineering tools. Completed drawings and parts lists are prepared. The designers conduct engineering analysis and experiments to verify performance over a range of operating conditions. If necessary, changes to shape, dimensions, materials, and components will be made until all requirements and constraints are met. The design is documented through engineering drawings and written reports so that able to understand the reasons behind each of the many decisions that the designers made. Such documentation is also useful for future design teams to teams to learn from and build upon the present teams experiences.At the most fundamental level, the final design must all of its requirements and constraints. You might thing that an engineers tasks are completed once the working prototype has been delivered or after the finishing touches have been applied to the drawings. Howev
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号