【论文】基于proe的残疾人五指联动机械手建模与仿真

基于PRO/E的残疾人五指联动机械手建模与仿真摘要如今随着科技的进步和社会的发展，专为上肢缺失残疾人设计的机械手种类繁多，功能各异。本设计中的残疾人五指联动机械手能够专为手掌缺失的残疾人解决日常生活中基本拿放等操作的实际困难，采用纯机械式结构，原理简单，易维修，成本低，造型简洁新颖，重量轻巧，操作方便。本论文介绍了利用PRO/ENGINEER50采用自底向上的设计方法，实现残疾人用机械手的各个零部件建模过程与运动仿真。关键词PRO/E，五指联动，机械手，建模与仿真BASEDONPRO/EFIVEFINGERSLINKAGEMANIPULATORMODELINGANDSIMULATIONFORTHEDISABLEDABSTRACTNOWWITHTHEPROGRESSOFSCIENCEANDTECHNOLOGYANDTHEDEVELOPMENTOFTHESOCIETY,VARIOUSTYPESOFMANIPULATORDESIGNEDFORUPPERLIMBSMISSINGPERSONSWITHDISABILITIES,DIFFERENTFUNCTIONLINKAGEMANIPULATORCANBESPECIFICALLYDESIGNEDFORPEOPLEWITHDISABILITIESINTHEDESIGNOFTHEFIVEFINGERSPALMLACKOFDISABLEDPEOPLETOSOLVEDAILYLIFEBASICHANDLINGOFOPERATIONSSUCHASTHEPRACTICALDIFFICULTIES,ADOPTSPUREMECHANICALSTRUCTURE,THEPRINCIPLEOFSIMPLE,EASYMAINTENANCE,LOWCOSTANDCOMPACTMODELISNOVEL,LIGHTWEIGHT,EASYTOOPERATETHISPAPERINTRODUCESTHEUSEOFPRO/ENGINEER50USINGBOTTOMUPDESIGNMETHOD,REALIZATIONOFDISABLEDPEOPLEINVARIOUSPARTSOFTHEMANIPULATORMODELINGPROCESSANDMOVEMENTSIMULATIONKEYWORDSPRO/E，FIVEFINGERSLINKAGE，MANIPULATOR，THEMODELINGANDSIMULATION目录1绪论111PRO/ENGINEER50简介112本设计的应用及意义113论文主要工作22机械手建模221底座建模222手掌片建模523手指建模7231大拇指建模7232四指建模924接受腔建模1025连接杆建模1226推拉杆建模1327接头建模1528摆臂杆建模1629弹簧建模18210连接件建模182101螺栓建模192102螺母建模212103垫片建模233机械手装配254机械手运动仿真265总结与展望32参考文献33致谢341绪论绪论部分主要针对设计过程中所利用的PRO/E三维软件、本设计的应用和意义以及论文主要工作分别进行了介绍。11PRO/ENGINEER50简介PRO/ENGINEER（简称PRO/E）是由美国PTC公司推出的一套博大精深的三维CAD/CAM参数化软件系统，其内容涵盖了产品从概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿真、工程图输出，到生产加工成品的全过程，其中还包含了大量的电缆及管道布线、模具设计与分析等实用模块，应用范围涉及航空、汽车、机械、数控（NC）加工、电子等诸多领域。由于PRO/ENGINEER具有强大而完美的功能，作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。PRO/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。PRO/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。该软件具有参数化设计、基于特征建模、单一数据库（全相关）等诸多特点。12本设计的应用及意义如今随着科技的进步，专为残疾人设计的机械手种类繁多，功能各异。按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式等。但此类产品大多成本高昂，维修不便，普通用户难以承受使用费用。针对现状，本着“设计改变生活”的理念，以“关爱残疾人”为目的，专为手掌缺失的残疾人解决日常生活中基本拿放等操作的实际困难提供新的解决方案，设计了残疾人五指联动仿真机械手。机械手采用纯机械式结构，原理如下1由大臂沿肘部关节的弯曲来控制连接手指的推拉杆，配合弹簧等作用，从而实现机械手指抓握物体的开合运动，且握力可随心控制。2手指各个关节采用螺栓连接，与人手基本一致，无需外加动力源。13论文主要工作本论文主要工作是对设计过程中采用的自底向上的设计过程进行简介阐述，具体包括机械手各零件的建模、机械手装配和机械手的运动仿真。2机械手建模打开PROENGINEER50中文版绘图软件，进入软件基本窗口。点击“文件”“设置工作目录”，首先设置工作目录在需要保存的文件夹下。利用PRO/E软件创建零件的一般步骤草绘选取草绘平面参照草绘截面退出草绘选取特征操作进行特征设置特征生成完成。21软件基本窗口21底座建模1点击“新建”命令，选中“零件”命名“DIZUO”去掉“使用缺省模板”选项，然后点击“确定”。选择“MMNSPARTSOLID模板，点击“确定”进入绘制零件环境。211新建零件窗口2点击“草绘”命令，选取“TOP”面为草绘平面，在平面中画截面如图。点击“”。212底座草绘界面3点击“拉伸”命令，值为“60”，点击“”。213底座拉伸界面4点击“草绘”命令，选取拉伸后的上表面为草绘平面，在平面中画截面如图。点击“”。214底座草绘界面5点击“拉伸”命令，选择“去除材料”，值为“25”，点击“”。生成如下模型。215底座拉伸界面6继续使用“拉伸”命令，选择“去除材料”，分别在草绘平面上草绘各个截面，最终创建的底座模型如下。216底座模型22手掌片建模1点击“新建”命令，选中“零件”命名“SHOUZHANG”,去掉“使用缺省模板”选项，然后点击“确定”。选择“MMNSPARTSOLID模板，点击“确定”进入绘制零件环境。2点击“草绘”命令，选取“RIGHT”面为草绘平面，在平面中画截面。点击“”。221手掌片草绘窗口3点击“拉伸”命令，值为“10”，点击“”。222手掌片拉伸界面4继续使用“草绘”、“拉伸”命令，在各个草绘平面绘制截面，点击“”。最终完成手掌片模型。223手掌片模型23手指建模机械手的四指和大拇指采用模块化设计，一体成型，具有很好的互换性。建模过程为草绘选取草绘平面参照草绘截面退出草绘拉伸进行特征设置特征生成完成。231大拇指建模1点击“新建”命令，选中“零件”命名“DAMUZHI”,去掉“使用缺省模板”选项，然后点击“确定”。选择“MMNSPARTSOLID模板，点击“确定”进入绘制零件环境。2点击“草绘”命令，选取“TOP”面为草绘平面，在平面中画截面。点击“”。231大拇指草绘截面3点击“拉伸”命令，值为“10”，点击“”。4点击“草绘”命令，选取大拇指侧面为草绘平面，在平面中画2个直径为8MM的圆截面。点击“”。5点击“拉伸”命令，值为“50”，选择“去除材料”，点击“”。最终完成大拇指模型。232大拇指模型232四指建模1点击“新建”命令，选中“零件”命名“SIZHI”,去掉“使用缺省模板”选项，然后点击“确定”。选择“MMNSPARTSOLID模板，点击“确定”进入绘制零件环境。2点击“草绘”命令，选取“TOP”面为草绘平面，在平面中画截面。点击“”。233四指草绘截面3点击“拉伸”命令，值为“10”，点击“”。4点击“草绘”命令，选取四指侧面为草绘平面，在平面中画3个直径为8的圆截面。点击“”。5点击“拉伸”命令，值为“60”，选择“去除材料”，点击“”。最终完成四指模型。234四指模型24接受腔建模1点击“新建”命令，选中“零件”命名“JIESHOUQIANG”,去掉“使用缺省模板”选项，然后点击“确定”。选择“MMNSPARTSOLID模板，点击“确定”进入绘制零件环境。2点击“草绘”命令，选取“RIGHT”面为草绘平面，在平面中画一个直径为30MM的圆截面。点击“”。241接受腔草绘截面3点击“拉伸”命令，值为“20”，点击“”。242接受腔拉伸模型4选择拉伸上表面为草绘平面，使用“草绘”，在草绘平面绘制直径为48MM的圆截面，点击“”。5点击“拉伸”命令，值为“150”，点击“”。6点击“壳”命令，值为“1”，选择拉伸后的上表面为移除面，点击“”。最终完成接受腔模型。243接受腔模型25连接杆建模1点击“新建”命令，选中“零件”命名“JIETOU”,去掉“使用缺省模板”选项，然后点击“确定”。选择“MMNSPARTSOLID模板，点击“确定”进入绘制零件环境。2点击“草绘”命令，选取“TOP”面为草绘平面，在平面中画截面。点击“”。251连接杆草绘界面3点击“拉伸”命令，值为“4”，点击“”。252连接杆拉伸模型4选择拉伸上表面为草绘平面，使用“草绘”，在草绘平面绘制2个直径为8MM的圆截面，点击“”。5点击“拉伸”命令，值为“19”，点击“”。最终完成接头模型。253连接杆模型26推拉杆建模1点击“新建”命令，选中“零件”命名“TUILAGAN1”,去掉“使用缺省模板”选项，然后点击“确定”。选择“MMNSPARTSOLID模板，点击“确定”进入绘制零件环境。2点击“草绘”命令，选取“TOP”面为草绘平面，在平面中画一个直径为4MM的圆截面。点击“”。3点击“拉伸”命令，值为“250”，点击“”。4继续使用“草绘”、“拉伸”等命令，最终完成推拉杆1模型。5点击“新建”命令，选中“零件”命名“TUILAGAN2”,去掉“使用缺省模板”选项，然后点击“确定”。选择“MMNSPARTSOLID模板，点击“确定”进入绘制零件环境。6点击“草绘”命令，选取“TOP”面为草绘平面，在平面中画截面。点击“”。261推拉杆2草绘界面7点击“拉伸”命令，值为“6”，点击“”。8继续使用“草绘”、“拉伸”等命令，最终完成推拉杆2模型。262推拉杆1模型263推拉杆2模型27接头建模1点击“新建”命令，选中“零件”命名“JIETOU”,去掉“使用缺省模板”选项，然后点击“确定”。选择“MMNSPARTSOLID模板，点击“确定”进入绘制零件环境。2点击“草绘”命令，选取“RIGHT”面为草绘平面，在平面中画截面。点击“”。271接头草绘界面3点击“拉伸”命令，值为“20”，点击“”。272接头拉伸界面4继续使用“草绘”、“拉伸”等命令，最终完成推接头模型。273接头模型28摆臂杆建模1点击“新建”命令，选中“零件”命名“JIETOU”,去掉“使用缺省模板”选项，然后点击“确定”。选择“MMNSPARTSOLID模板，点击“确定”进入绘制零件环境。2点击“草绘”命令，选取“RIGHT”面为草绘平面，在平面中画截面。点击“”。3点击“拉伸”命令，值为“6”，点击“”。4继续使用“草绘”、“拉伸”等命令，最终完成摆臂杆模型。281摆臂杆草绘界面282摆臂杆模型29弹簧建模1点击“新建”命令，选中“零件”命名“TANHUANG”,去掉“使用缺省模板”选项，然后点击“确定”。选择“MMNSPARTSOLID模板，点击“确定”进入绘制零件环境。2点击“插入”，选择“螺旋扫描”“伸出项”命令，定义属性为“常数穿过轴右手定则完成”，选取“RIGHT”面为绘制扫引轨迹截面，在平面中画一旋转虚轴线，再画一长度为60MM的直线作为扫描轨迹，偏离轴线距离为4。点击“”。3输入节距值，值为“3”，点击“”。4绘制一个直径为2MM的圆作为扫描截面，点击“”。5使用“草绘”、“拉伸”等命令，创建弹簧两端平面部分，最终完成弹簧模型。291弹簧模型210连接件建模机械手的各个关节连接采用螺纹连接，使用两种型号的螺栓、螺母、垫片等标准件连接。连接件具体的建模参数由机械设计手册查得。表1连接件零件列表型号1型号2螺栓GB/T5782M880GB/T5782M655螺母螺母GB/T6170M8螺母GB/T6170M6垫片垫圈GB/T8598垫圈GB/T8596下面以直径D8MM的螺栓、螺母、垫片为例，进行连接件的建模。2101螺栓建模1点击“新建”命令，选中“零件”命名“LUOSHAN08”,去掉“使用缺省模板”选项，然后点击“确定”。选择“MMNSPARTSOLID模板，点击“确定”进入绘制零件环境。2点击“草绘”命令，选取“RIGHT”面为草绘平面，草绘一个直径为15MM的圆。点击“”。2101螺栓草绘界面3点击“拉伸”命令，值为“5”，点击“”。4点击“草绘”命令，选取拉伸面为草绘平面，草绘一个直径为8MM的圆。点击“”。5点击“拉伸”命令，值为“80”，点击“”。2102螺栓拉伸界面6点击“插入”，选择“螺旋扫描”“伸出项”命令，定义属性为“常数穿过轴右手定则完成”，选取“RIGHT”面为绘制扫引轨迹截面，在平面中画一旋转虚轴线，再画直线段作为扫描轨迹。点击“”。7输入节距值，值为“1225”，点击“”。8绘制螺纹牙形作为扫描截面，点击“”。2103螺旋扫描对话窗口9使用“草绘”“拉伸”“去除材料”，创建螺栓的六角形。10使用“倒角”命令，创建螺栓倒角，值为1MM。最终完成螺栓模型。2104螺栓模型2102螺母建模1点击“新建”命令，选中“零件”命名“LUOMU08”,去掉“使用缺省模板”选项，然后点击“确定”。选择“MMNSPARTSOLID模板，点击“确定”进入绘制零件环境。2点击“草绘”命令，选取“RIGHT”面为草绘平面，在平面中画2个直径分别为8MM、15MM的同心圆截面。点击“”。2105螺母草绘界面3点击“拉伸”命令，值为“6”，点击“”。2106螺母拉伸界面4使用“倒角”命令，选择“角度D”，创建螺栓倒角，值为301MM。选择模型两个表面的外圆边，点击“”。2107螺母倒角界面5点击“插入”，选择“螺旋扫描”“伸出项”命令，定义属性为“常数穿过轴右手定则完成”，选取“RIGHT”面为绘制扫引轨迹截面，在平面中画一旋转虚轴线，再画直线段作为扫描轨迹。点击“”。6输入节距值，值为“1225”，点击“”。7绘制螺纹牙形作为扫描截面，点击“”。2108螺旋扫描对话窗口8使用“草绘”“拉伸”“去除材料”，创建螺栓的六角形。最终完成螺母模型。2109螺母模型2103垫片建模1点击“新建”命令，选中“零件”命名“DIANPIAN08”,去掉“使用缺省模板”选项，然后点击“确定”。选择“MMNSPARTSOLID模板，点击“确定”进入绘制零件环境。2点击“草绘”命令，选取“RIGHT”面为草绘平面，在平面中画2个直径分别为8MM、13MM的同心圆截面。点击“”。3点击“拉伸”命令，值为“16”，点击“”。21010垫片草绘界面21011垫片拉伸界面4继续使用“草绘”、“拉伸”“去除材料”等命令，最终完成垫片模型。21012垫片模型3机械手装配1点击“新建”命令，选中“组件”，去掉“使用缺省模板”选项，然后点击“确定”。选择“MMNSAMSDESIGN”模板，点击“确定”。进入装配界面。31装配界面2点击“装配”命令，选择“DIZUO”零件，点击“打开”。选择“缺省”放置，然后打“”。32底座缺省装配界面3依次装配各零件，完成机械手的装配。33机械手装配模型界面4机械手运动仿真为实现装配后机械手的运动仿真，采用摆动导杆机构和曲柄滑块机构相结合的模型，其中摇臂杆作为摆动杆，接头作为滑块，连接机械手的推拉杆。1在装配环境下定义机构的连接方式后，点击菜单栏菜单“应用程序”“机构”，系统进入机构模块环境。41机构模块界面2在模型树中选择摆动导杆机构的导杆和固定板，进行隐藏。3点击，定义弹簧设置。其中K10N/MM,U80MM。42定义弹簧对话窗口4点击，弹簧定义完成。43定义弹簧后模型5点击，定义伺服电动机。“类型”选择运动轴，再点选导杆固定端轴线。44电动机设置对话窗口6点击“轮廓”，选择“速度”，模为“常数”，A60。最后“确定”。45电动机设置对话窗口7点击，进行机构分析。类型选择“运动学”，图形显示选择“长度和帧频”，终止时间设为25，电动机选项为从开始至终止。最后“确定”。46机构分析定义对话窗口8选择机构树中的“分析”，然后“运行”，查看机械手运动过程。9点击，进入动画对话框动画可以实现机构的即时运动查看，可以实现快进、快退、循环播放。47动画对话窗口10点击动画对话框中的“捕获”图标，可以制作成可以播放的流媒体文件。文件类型选择“MPEG”,勾选“锁定长宽比”,图像大小设为1280720，帧频设为25帧/秒，这样动画播放时间为10秒。最后“确定”。48捕获对话窗口最终机械手的运动仿真完成。5总结与展望这次毕业设计让我收获良多，体会很深。第一，学到了产品设计的方法。在设计过程中，我经过多次改进，最终对机械手的零部件采用了模块化设计和标准件配置。第二，提高了综合应用各门学科知识的能力。在设计过程中，必须对专业知识进行系统的整合，特别是机械原理、机械设计和软件建模等方面的知识。第三，明确了设计必须与生产实际相结合，比如材料特性、加工工艺性、经济性等实际要求，只有这样产品才有生命力。第四，提高了收集资料和查阅能力；巩固了使用三维软件进行产品设计的技能；培养了严谨的科学作风，在设计过程中必须要有高度的责任心和严肃认真的工作态度。当然，在设计过程中，由于本人设计水平和知识有限，难免有诸多缺陷之处。如机械手采用单杆推拉，在实现抓握等功能的质量上有待实践的检验，包括工作的精确性、稳定性、适应性和扩展性等。总之，这次毕业设计