基于Creo的物料抓取机械手设计及运动仿真

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131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THEGRADUATIONDESIGNFORBACHELORSDEGREEDESIGNANDMOTIONSIMULATIONOFCREOBASEDMATERIALGRIPPINGMANIPULATORCANDIDATEYANJINGMINSPECIALTYLOGISTICSENGINEERINGCLASS131SUPERVISORLECTURERLIRONGHEILONGJIANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY201706HARBIN黑龙江工程学院本科生毕业设计I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；运动仿真黑龙江工程学院本科生毕业设计IIABSTRACTINORDERTOSOLVETHECONTRADICTIONBETWEENTHENUMBEROFMANIPULATORFREEDOM,THEFORMOFDRIVING,THEFLEXIBILITY,THEABILITYTOGRABANDTHERELIABILITY,ALARGENUMBEROFRESEARCHERSATHOMEANDABROADHAVECARRIEDONTHEDETAILEDRESEARCHTHEUNDERACTUATEDMECHANISMREFERSTOTHEMECHANISMOFTHENUMBEROFACTUATORSLESSTHANTHENUMBEROFDEGREESOFFREEDOMTHEMANIPULATORBASEDONTHEUNDERACTUATEDMECHANISMDESIGNISSIMPLEANDRELIABLE,THEOUTPUTFORCEISLARGE,THEOBJECTSCANBEBETTERADAPTEDTOTHEDIFFERENTSHAPESOFTHECAPTUREDOBJECTS,ENVELOPECRAWLING,BETTERSOLVETHEPROBLEMOFTHECURRENTROBOTTHEROBOTHASTHREEFINGERS,USINGTHREEDRIVEELEMENTSTODRIVETHEROBOT12DEGREESOFFREEDOM,THERELATIVEPOSITIONOFTHETHREEFINGERSCANBECHANGEDTOBESUITABLEFORALLSORTOFSHAPERANDSIZESWORKINTHISPAPER,THEPRINCIPLEANDDRIVINGMETHODOFTHEUNDERACTUATEDMANIPULATORARESTUDIEDTHEDESIGNANDOPTIMIZATIONOFTHEMANIPULATORARECARRIEDOUT,ANALYZINGTHEMACHANIZMFORTHEMANIPULATOR,COMPLETINGTHEMOTIONSIMULATIONFORTHEMANIPULATORSCATCHINGDIFFERENTKINDSOFMATIRIALSTHEDRIVINGOFTHEMANIPULATORISDRIVENBYELECTRICDRIVEUSINGTHECREOENGINEERINGSOFTWARE,THETHREEDIMENSIONALMODELOFTHECOMPONENTSOFTHEUNDERACTUATEDMANIPULATORISESTABLISHED,THERELATIVERELATIONSHIPBETWEENTHEMOVINGPARTSISANALYZED,THEASSEMBLYSEQUENCEISDEVELOPEDRATIONALLY,THESOLIDMODELOFTHEUNDERACTUATEDMANIPULATORISGENERATED,ANDTHEMOTIONOFTHESINGLEFINGEROFTHEMANIPULATORISSIMULATEDKEYWORDSLESSDRIVEMANIPULATORCREO3DMODELINGMOTIONSIMULATION黑龙江工程学院本科生毕业设计III目录摘要IABSTRACTII目录III第1章绪论111课题研究的目的和意义112课题研究现状及分析313主要研究内容及技术路线5131主要研究内容5132技术路线6第2章机械手的机构设计721欠驱动机构722机械手总体结构设计7221手指结构设计8222手掌结构设计9223转动机构设计10224底座结构设计11225驱动方式选择1123手指的静力学分析12231精确抓取静力分析12黑龙江工程学院本科生毕业设计IV232包络抓取静力分析1324本章小结16第3章机械手关键零部件选取及校核1731传动方式的选择1732转动机构关键参数的确定17321电机的选取18322齿轮的校核2033驱动机构的选择及校核21331驱动电机的选型21332轴承的选取及校核2334本章小结25第4章机械手的三维建模与运动仿真2641软件概述2642单个机械手手指建模与仿真26421三维实体模型的建立26422仿真分析的初步设置30423手指运动仿真3143机械手抓取作业建模与仿真38431抓取杆状物的建模与仿真39432抓取球状物的建模与仿真4144本章小结42结论43黑龙江工程学院本科生毕业设计V参考文献44致谢46黑龙江工程学院本科生毕业设计1第1章绪论11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。高中生黑龙江工程学院本科生毕业设计2BAUMGARTEN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11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12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113D打印机械手图12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，即能够通过改变构形来可靠抓取物体。课题所研究的机械手100MM，最大抓取重量为拣作业能力和可靠性。12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搬运等动作。迄今为止机械手已经被广泛应用在机械制造可以有效降低工人的劳动程度动化和智能化1。目前全球范围内主要研究两类机械手特定作业任务的夹持器2。20优秀的多指灵巧手，早期的（如图14、15所示）和HITACHI作用。图14UTAH/MIT灵巧手手指原型图黑龙江工程学院本科生毕业设计3，要求至少有3个手指05KG，该机械手的研制成功将极大地提高机器人的物流分，能够按照预设的程序执行抓取，医疗器械，冶金等各个行业，将工人从有害工作环境中解脱出来，促进工业生产的自，一类是仿人型的关节灵巧手世纪七十年代至今，全球范围内很多国家已经开发出众多OKADA手、STANFORD/JPL手（如图13所示手都对后续灵巧手的研究发展起到了极为重要的指导图13STANFORD/JPL灵巧手15UTAH/MIT灵巧手，最大开合度为、，另一类是针对）、UTAH/MIT手黑龙江工程学院本科生毕业设计4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，具有语音功能和自学能力等人工智能2。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手，随后在全国范围内开始研发和应用机械手1。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。黑龙江工程学院本科生毕业设计5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16HIT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162万部增加到428万部，而北美地区预计总使用量为292万部，欧洲最大的五个经济体总计为343万部。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16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，冲压行业中代替人工进行搬运物料的旋转冲压机械手1112。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。13主要研究内容及技术路线131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。黑龙江工程学院本科生毕业设计6132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17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完善图纸及校核计算编写说明书说明书及图纸评阅校核、打印、装订，准备答辩不合格合格合格不合格图17技术路线黑龙江工程学院本科生毕业设计7第2章机械手的机构设计21欠驱动机构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2、1114。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、体积不大、而且能最大可能地减少驱动器数目的优势2、15。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21机械手三维装配22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21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。伺服电机负责黑龙江工程学院本科生毕业设计8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。221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2、16。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22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黑龙江工程学院本科生毕业设计9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22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现象2、1517。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23手指简易模型如图23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，L150MM，L240MM，L330MM，更重要的是AI，BI，CI和I数值的选取，查询资料可得手指的抓取动作取决于比例KIAI/BI2，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23中所示的各项尺寸为A1A215MM；K1K22；则B130MM，B230MM；C150MM，C249MM；1124，252。222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，黑龙江工程学院本科生毕业设计10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24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24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。223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25所示为转动机构的结构示意图。黑龙江工程学院本科生毕业设计11图25转动机构模型224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26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26底座模型225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1516。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，但是工作速度的黑龙江工程学院本科生毕业设计12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，还需要大量实验来进行训练2、18。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。23手指的静力学分析231精确抓取静力分析精确抓取的结构简图及受力情况如图27所示。图27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黑龙江工程学院本科生毕业设计13COSSIN（21）由公式（21）变形可得COSSIN（22）式中F1表示之尖压力，、L、M、D、A表示杆长，FS为电机输出力，、为推杆与连杆之间夹角。由公式（22）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。232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28所示。图28包络抓取的静力分析根据虚功原理可得W0（23）式中W为总功，FI为I处的力，IR为I点的虚位移，在直角坐标系中，公式（23）可写成W（24）黑龙江工程学院本科生毕业设计14在不考虑摩擦力和弹簧力的情况下，由公式（24）可得方程1312223256313237153356COSCOSCOS0SSDFDFLFDFMFLFF（25）如图28B所示，S表示虚位移，SF表示推力，1、2、3、4、5和6表示各连杆的虚转角，其中56，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1413SINSINSA（26OS/2COS/2COS/2BAL（27）2/COS2/COS2/COS752871226752MAB（28）由公式（25）、26及（27）可得ADCBS321（29）式中SINSINSIN,SINSINSIN,SINSINSIN,SINSINSIN2674231273643118764312126734121LABDMAACAAABBBA所以方程（24）可以表示为0COSCOS36532112517322133ADFFFLFDACFMFFDABFFDSSS（210）因为12和3线性彼此独立且不相关，因此有0333ABFFD（211）0COS517322ACFMFFDS（212）黑龙江工程学院本科生毕业设计150COS653211ADFFFLFDS（213）联合方程（211）、（212）、（213）求得接触点的正压力为COSCOS65321157213111ADDDMBFADDCFADDBFLADDFFSSSS（214）ADDMBFADCFFSS3215722COS（215）ADBFFS33（216）式中SINSINSIN,SINSINSIN,SINSINSIN,SINSINSIN2674231273643118764312126734121LABDMAACAAABBBA图29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黑龙江工程学院本科生毕业设计16标，假设手指处于抓取的圆柱直径为最大抓取直径100MM。如图210所示，利用图解法测出角度800，695，180，700，1045，145，109，558，25，20，15。将L50，M40，N30，A115，A215，B130，B230，C149，C217，124，52，代入公式（214）、（215）、（216）求出039；02076021；030；当驱动力157时，F16123N、F23297N、F3471N。24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。黑龙江工程学院本科生毕业设计17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。31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31所示。表31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，重量大转转近链传动无间隙，重量大转转转移移转远滚珠丝杠大传动比，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。32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。黑龙江工程学院本科生毕业设计18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。321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071每秒，从静止加速到最高速度的时间为01秒，根据相关手册，指座相对与手掌中板的摩擦系数为012。机械手的手指部分近似估计质量为27346G（各零件体积与质量见表32）。选取的齿轮模数M为1，齿数Z为56。表32手指各零件体积与质量密度793G/CM3零件指尖指节2指节1连杆11连杆12连杆13体积MM3667819615442833909107624148435192775质量G52964880661385311771529零件连杆14连杆21连杆22连杆23连杆24连杆25体积MM31445631890321744512175069445162451质量G1146149913831725749495得到负载转动惯量公式J12122122（31）式中R为等效半径，D为分度圆直径，则有J12273461015610210710KG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。黑龙江工程学院本科生毕业设计19图31NIDEC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31），其具体型号与参数见表33。表33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）CMC13H24DC2402419额定转矩MNM额定转速R/MIN瞬时最大转矩MNM瞬时允许最大转速R/MIN3620088700伺服电机正常运行时克服摩擦力所需的转矩21（32）式中M为主体质量，为摩擦系数，D为直径，I为传动比，取G98N/KG，可得2734610012561021422510电机由静止达到最高速度所需的加速扭矩21（33）式中M为质量，为角加速度，D为直径，I为传动比，代入数据计算可得27346103022810214038103黑龙江工程学院本科生毕业设计20由以上计算结果可得TF225MNM小于伺服电机额定扭矩，TATF263MNM小于伺服电机最大扭矩，符合要求。322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FA0。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（34）式中扭矩T的单位为NM，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T0003NM，分度圆直径DMZ14MM，代入（式34）可得2000000314043齿根危险刨面处的弯曲应力为（35）式中M载荷系数；（M1118）B齿宽；M模数；YFA齿形系数（与齿数Z有关）；YSA修正系数；M1，Z14，查得当Z114时，YFA1297，YSA1152。与主动齿轮相啮合的安装在指座上的从动齿块，Z256，查得YFA2228，YSA2173。代入（式35）得104321297152097104321228173085许用应力黑龙江工程学院本科生毕业设计21（36）式中KFN为弯曲疲劳寿命系数，FE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N60NJ（37）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（37）得N160NJLH600121（530012）1296105N260NJLH6001225300122592105查询机械设计手册，由应力循环次数得弯曲疲劳寿命系数KFN115、KFN212；弯曲疲劳极限分别为450MPA、450MPA。取疲劳强度安全系数S14，代入公式（36）可得115450143696411245014360以上计算结果/，查询设计手册可得X056Y063由表，取FP10，可得当量计算载荷为P10056006806300260054表37载荷系数FP载荷性质举例无冲击或轻微冲击1012电动机、汽轮机、通风机等中等冲击1218车辆、动力机械、起重机、传动装置、机床等强大冲击1830破碎机、轧钢机、钻探机等黑龙江工程学院本科生毕业设计25校核轴承寿命由表，取10可得10601060180100960054520210由于L10H25000H，满足寿命要求，故选用604轴承合适。表38温度系数FT工作温度/120125150200250300350温度系数FT1095090807060534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。黑龙江工程学院本科生毕业设计26第4章机械手的三维建模与运动仿真41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。42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19。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。421三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，有以下具体操作黑龙江工程学院本科生毕业设计27STEP1打开CREOPARAMETIC30软件，如图41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41CREO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42所示,确定并进入拉伸设置页面。图42STEP2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43所示，可以预览到实体，确认无误后点击“确定”推出拉伸页面。黑龙江工程学院本科生毕业设计28图43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44所示，确定并退出草绘页面。图44STEP4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45所示实体。图45STEP5拉伸结果黑龙江工程学院本科生毕业设计29STEP6选择“FRONT”平面并点击“拉伸”选项，进入草绘页面，绘制截面如图46所示，确定并退出草绘页面。图46STEP6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45所示实体。图47STEP7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48所示实体，即为指尖的三维实体模型。图48指尖三维实体黑龙江工程学院本科生毕业设计302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。422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49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黑龙江工程学院本科生毕业设计31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2021；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49所示为设定好的单个手指模型。423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410所示图410A中设定驱动力为157N，方向指向Y轴正方向；图410B中设重力加速度为98M/S2，方向指向Y轴负方向；图410C定义初始条件；图410D设定时间为003，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定义重力加速度黑龙江工程学院本科生毕业设计32C定义初始条件D定义分析类型图410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411所示为手指只受一个竖直向上的驱动力作用下，在不抓取