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带机械爪的无人机设计与控制【全套含CAD图纸、说明书】,全套含CAD图纸、说明书,机械,无人机,设计,控制,全套,CAD,图纸,说明书

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编号： 毕业设计任务书题 目： 带机械抓的无人机 设计与控制 院 （系）： 机电工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 姓 名： 职 称： 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 年12月28日注：1、本任务书一式一份，院办留存，发给学生电子稿，任务完成后附在说明书内。2、任务书均要求打印，打印字体和字号按照本科生毕业设计（论文）统一格式的规定执行。3、以下标题为四号仿宋体、加粗，正文中文用小四宋体，英文用小四Times New Roman，日期采用阿拉伯数字。 4、“一、毕业设计（论文）的内容、要求”位于页面最顶端，“任务下达时间”位于新页面最顶端。5、请不要修改最后一页（即“任务下达时间”所在页的内容）一、毕业设计（论文）的内容内容：1、带机械抓的无人机是实现机器人在恶劣环境工作的一种新方法。它不仅能提高无人机的抓取能力，还能巧妙实现无人机的协同工作，充分利用无人机工作的原理和方法来实现复杂设计。学生需要查阅国内外相关文献并开展调研工作，需要了解无人机的基本设计方法和设计无人机需要的基本技术；需要在学校的图书馆电子数据库中查阅相关的中英数据库，对近5年这个研究领域的研究成果进行总结和分析，充分挖掘其中有待研究的新技术和新方法。可以采用综合与交叉组合的方法来实现创新设计的目标。2、从理论上带机械抓的无人机实现抓取物体的常用方法，运用计算机模拟建模的方法来论证基本理论方法的可行性。应当充分考虑当前环境的新特征开展分析、建模和方案论证；3、画出带机械爪的无人机的系统方案设计图、原理图、过程程序框图、电路图、装配图、零件图设计；主要包括在现有技术基础上的改良装置设计图和新设计方案的设计原理图等。4、对于新设计的带机械抓的无人机进行方案验证，并与传统的无人机做比较分析出各自的优缺点。探讨未来的可能改进方案。5、将设计方案撰写成发明专利，保护相关知识产权并为今后进一步开发和制造样机做准备。二、毕业设计（论文）的要求与数据要求：1、要求给出至少两种以上的带机械臂的无人机的设计方案并于传统方案做全面比较，特别关注带机械臂的无人机在成本、排放和能耗方面的表现；2、要求画出系统方案设计、原理图、程序框图、装配图、零件图；3、要求申请发明专利1项目。三、毕业设计（论文）应完成的工作指定整个毕业设计学生应该完成的所有工作，包括：1、完成二万字左右的毕业设计说明书（论文）；在毕业设计说明书（论文）中必须包括详细的300-500个单词的英文摘要；2、独立完成与课题相关，不少于四万字符的指定英文资料翻译（附英文原文）；3、完成系统方案设计、原理图、程序框图、电路图、装配图、零件图设计工作；必须完成绘图工作量折合A0图纸1张以上，其中必须包含两张A3以上的计算机绘图图纸；4、完成一项发明专利的申请工作。四、应收集的资料及主要参考文献1 H.J. Kim, D.H. Shim. A flight control system for aerial robots: Algorithms and experiments J. Control Engineering Practice, 2003, 11(2):1389-1400. 2 罗庆生,韩宝玲.现代仿生机器人设计M.北京:电子工业出版社,2008:4. 3 Wu X D, Ma S G. Neurally controlled steering for collision-free behavior of a snake robot J. IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2013, 21(6): 2443-2449.4 Yu Z,Huang Q et al. Design and development of the humanoid robot BHR-5J. Advances in Mechanical Engineering, 2014(6):1-11.5 吴宗泽. 机械设计实用手册M. 北京：机械工业出版社，2002.五、试验、测试、试制加工所需主要仪器设备及条件计算机一台CAD设计软件（CATIA）任务下达时间：2015年12月28日毕业设计开始与完成时间：2015年12月28日至 2016年05 月22日组织实施单位： 机械设计制造及其自动化系教研室主任意见：签字： 2015年12月30日院领导小组意见：签字： 2015年12月31日编号： 毕业设计开题报告题 目： 带机械抓的无人机 设计与控制 院 （系）： 机电工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化 学生姓名：学 号： 指导教师单位： 姓 名：职 称：题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 年3月1日1毕业设计的主要内容、重点和难点等主要内容： 无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。从技术角度定义可以分为：无人直升机、无人固定翼机、无人多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机等。 无人机按应用领域，可分为军用与民用。军用方面，无人机分为侦察机和靶机。无人机+行业应用，是无人机真正的刚需；目前在航拍、农业植保、测绘、运输等领域的应用，大大的拓展了无人机本身的用途。 本次设计主要针对无人机在抓取、运输领域的应用和扩展。 本课题设计的主要内容包括： 1.设计无人机的机械爪； 2.设计无人机与机械抓的连接部分结构； 3.给出带机械爪无人机的控制方法。 二、毕业设计（论文）的要求与数据: 1.要求设计的机械爪能够在无人机悬停过程中抓取地面或是水面的物体； 2.要求给出适当的控制方法保证无人机能顺利抓取物体后返回指定地点； 3.成果中设计的专用件结构、配合满足标准化要求，选购的电气件、通用件、标准件等皆符合相关国家标准、行业标准要求； 4.提交的所有图纸应表达方式简洁，尺寸标注完整、清晰、规范。 3、 本毕业设计重点和难点 重点： 1.制定机械手的抓取方式和连接部分结构总体设计方案； 2.制定旋翼无人机的框架和机械抓固定座的设计方案； 3.设计可收放的起落架，防止飞行时起落架阻碍机械抓的抓取； 4.设计无人机重心自动平衡校正系统、防抓取过载保护系统和无人机自动导航识别系统。 难点： 1.旋翼无人机机架结构、旋翼电机的支撑结构、起落架的收放结构及机械手结构强度可靠性及寿命的计算。 2.机械手的的抓取力计算，由于动力源由微型电机提供，机械手的机构必须有自锁机构，电机断电后可持续抓取。 3.无人机承载力、续航能力的权衡和推重比的确定。 4.无人机悬停平衡和抓取重物过程保持平衡的位姿控制系统设计。 2准备情况（查阅过的文献资料及调研情况、现有设备、实验条件等） （1）调研情况： 经查阅相关书籍资料并结合所学过的机械等相关知识，了解了带机械抓的无人机发展、设计方法及相关规定，为设计作好准备。在最近的一段视频中，研究团队展示了一种四旋翼式蜂鸟无人机俯冲向一个圆柱并且使用一个机械抓抓取它飞走的情景。研究人员从老鹰获得灵感，他们相信俯冲的无人机能够促使重量更轻、能耗更少的无人机出现，而且能够借助俯冲获得的速度快速恢复高度。这种无人机非常轻，机身和抓爪总重量不足1公斤。 研究人员认为飞扑式无人机能够促使无人机在秘密行动中实现即刻静默，并且通过减少盘旋时间来帮助提高执行任务的持久性。这种无人机也能够被用于速度和时间紧迫的救援行动。研究团队最初制作了一种双叉形爪子，但是当这种抓爪连接到无人机时的效果并不好，而且当速度超过1米每秒时就无法抓起一个球。 因此研究团队重新设计了抓爪，他们使用热塑性塑料创造了一个三指抓爪，外面包裹的橡胶壳能够改善它的抓取能力。为了改善抓爪在更快速运动时抓取物体的能力，研究人员将它连接到一个回旋臂上，它能够模拟老鹰在俯冲时收回爪子的动作，来减少它与目标之间的相对速度。虽然无人机并不能和老鹰一样抓取，但是它已经有所接近。通过进行少许的变动，研究人员能够使抓爪在提高三倍速度的情况下抓取物体。 （2）可携载物体的无人机的现状与发展： 2013年6月，美国Matternet公司在海地和多米加共和国测试了无人机网络，无人机能够携载2公斤物体飞行9.7公里。该公司希望建立一个庞大的国际无人机运输网络和无人机配件全球供应系统，同时，还计划建立充电基站，使无人机可以沿途降落进行充电。7 2013年9月，顺丰自主研发的用于派送快件的无人机完成了内部测试，在局部地区试运行。这种无人机采用八旋翼，下设载物区，飞行高度约100米，内置导航系统，工作人员预先设置目的地和路线，无人机将自动到达目的地，误差在2米以内。8 2013年12月，亚马逊表示在测试一个叫作”Prime Air“的无人机快递项目，通过使用8桨遥控无人机实现鞋盒包装以下大小货物的配送，所有订单从发货开始预计会在30分钟内送达1.6公里范围内的客户手中。与此同时，UPS也在试验类似的无人机设备。9 2014年10月，DHL宣布将在德国实现无人机送货。该公司的四旋翼无人机可运载1.2公斤的货物，飞行时间可达45分钟，时速最高可达65千米，但该无人机并非完全脱离人力，依然受到地面工作人员的控制。10 2015年2月，淘宝联合圆通速递，在北京、上海、广州部分区域开展的无人机快递实验。该螺旋桨驱动无人机的型号为黑白机身，占地约0.25平方米。11 参考文献 1Rogelio Lozano著.陈自力.江涛等译 .无人机嵌入式控制M.国防工业出版社.2014. 2Loannis A.Raptis. Kimon P.Valavanis著.肖阳.吴勇等译.小型无人直升机线性与非线性控制M国防工业出版社.2014. 3工业机械手编写组.工业机械手上下册M上海科学技术出版社.1982. 4王伟.宋延华.马浩.旋翼无人机系统J控制工程.2015:（2）.205-212.5代君兰.基于CAN总线控制系统的抓物机械手设计J机械设计与制造.2011:（10）.91-93.6张楠.何玉成.王南.操作机器人机械手爪的设计研究及应用J机械设计.2013:(03).27-30. 7无人机自动快递J资讯_锐科技.2013:(14).32. 8熊元.无人机新玩法J科技.2014:(7).64-65.9亚马逊5年内使用无人机送快递:30min送达J可靠性与环境适应性标准信息与行业动态.2013:(S1).337. 10DHL“抢跑”无人机送货J商业视窗.201:(12).18.11黄泽满.刘勇.周星.陈天伟.梁毅东.民用无人机应用发展概述J学技术与设计.201:（24）.36-38.12谭建豪.王耀南.王媛媛.张艺巍.王楚.陈谢沅澧.旋翼飞行机器人研究进展J综述与评论.2015:(10).24-26 13S. SalazarCruz. J. Escareo. D. Lara. R. Lozano.Embedded control system for a fourrotor UAVJInt. J. Adapt.Control Signal Process.2007:(21).23. （5）试验、测试、试制加工所需主要仪器设备及条件计算机一台、CAD软件以及相关三维绘图软件Solidworks2012等。3、实施方案、进度实施计划及预期提交的毕业设计资料 实施方案： 查阅资料，选择最优方案。确定机械爪的材料，抓取力，驱动力矩，强度，大概尺寸等参数，根据设计方案、原理开始设计机械爪的机构，固定方式，绘制草图，校验后绘制正式图纸。根据设计方案设计无人机的框架，其中包括：机械抓的固定座、旋翼电机固定座、起落架安装结构、传感器和电路板的安装座。确定无人机框架的材料，计算无人机框架的结构强度、抗摔力、寿命等参数，绘制草图，校验后绘制正式图纸。设计无人机的收放起落架。根据要求，确定无人机的推重比，速度，升力，续航时间，选择旋翼电机和电池。设计无人机重心自动平衡校正系统、防抓取过载保护系统和无人机自动导航识别系统，绘制系统框图和电路原理图。绘制整机装配图，撰写设计说明书，核查相应的图纸设计、毕业设计论文格式。 进度计划： (1）2015.122015.01所选择的课题进行调研、查阅资料、方案设计。 (2）2015。012016.02查阅资料，明确设计目的，完成开题报告，收集与课题相关的资料及参考文献，确定毕业设计的设计大致方案。 (3）2016.032016.04完善并确定最初方案，制定无人机框架和机械抓总体设计方案。 (4）2016.042016.05根据设计要求，设计好旋翼无人机机架结构、旋翼电机的支撑结构、起落架的收放结构及机械手结构；完成各个结构的强度校验和寿命计算；完成机械抓的抓取力计算，选择机械抓的驱动电机；估算整机重量，确定无人机的推重比，选择无人机的驱动电机；根据续航要求，选择无人机的配套电池。画出其装置的总装配图，及相关的零件，并表述装置的工作原理过程。进行毕业论文（设计）初稿。 (5）2016.052016.06确定无人机重心自动平衡校正系统、防抓取载保护系统和无人机自动导航识别系统方案；根据设计方案，选择控芯片，无线传输芯片，传感器和导航芯片等；连接电路，编写控制程序，最后进行调试和检验。 (6）2016.062016.06根据指导教师意见进行修改，并最后定稿，并且完成计算机绘制图和外文翻译。核查相应的图纸设计、毕业设计论文格式。(7）2016.062016.07完成毕业设计，提交论文。 预期提交： 1、带机械抓的无人机设计说明书； 2、英文资料翻译（附英文原文）；3、CAD绘制二维带机械手的无人机装配图、零件图及控制系统原理图。指导教师意见 指导教师（签字）： 2016年3月1日开题小组意见 开题小组组长（签字）： 2016年3月 1 日 院（系、部）意见 主管院长（系、部主任）签字： 2016年3月 1 日 毕业论文（设计）用纸 编号： 毕业设计(论文)说明书题 目： 带机械抓的无人机 设计与控制 院（系）： 机电工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化 学生姓名：学 号： 指导教师单位： 姓 名：职 称：题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 年6月3日摘 要从90年代第一架微型无人机问世以来，微型无人机经历了20几年的快速发展，微型无人机在航拍、农业植保、测绘、运输、军事侦查等领域的得到了广泛的应用，大大的拓展了无人机本身的用途。近年来无人机快递更是在新闻媒体上屡屡现身，微型无人机的负载从开始的几十克发展到现在的几千克，其运输能力获得了几十倍的增长。得益于无人机的快速发展，本文设计了一种带机械爪的四旋翼无人机，其机械爪具有两个自由度（张夹和摆动），通过无人机的偏航运动，实现机械爪的第三个自由度（旋转）。本文设计的机械手爪由单电机驱动具有两根手指和6个指节。该手爪由电机驱动一根拉杆支架，其端部分别连接第一指节的动力杆；每个手指有3个指节，第一指节与第二指节与平行四边形连杆连接，确保第三指节做平移运动；每个手指第二指节具有延伸的圆弧滑槽，当第指节支点随第一指节运动时，经过特别设计的圆弧滑槽在固定支点滑动，可使第三指节的运动速度与电机转速程线性比例关系运动。该机械爪能够对液体和泥沙进行取样，并且能抓取方形，圆柱形，球体及不规则形状的物体。最大抓取重量为500g，抓取物体最大尺寸100mm左右。第三指节的夹紧力在夹紧过程中逐渐减小，有利于夹持易碎易变形的物体。机械爪通过减震柔性机构与无人机连接，保证机械爪在夹持物体时无人机能够自主悬停，稳定的夹持重物。无人机配备导航模块，可在夹持任务完成时自主返回，大大减少操控者的工作强度。本文设计的无人机可用于危险环境中的样品采集、侦查和小件物品的递送，大大扩展了无人机本身的用途。关键词：机械爪；无人机；自主悬停 毕业论文（设计）用纸Abstract Since the 1990s, the advent of the first aircraft MAV, MAV has experienced 20 years of rapid development, MAV aerial, agricultural plant protection, mapping, transportation, military reconnaissance and other fields has been widely used greatly expanded the use of drone itself. In recent years, MAV Express is often appeared in the news media, MAV load of a few kilograms up to now, its transport capacity to obtain a few times increased from tens of grams development began. Thanks to the rapid development of MAVs, design one kind of quad-rotor UAV with a mechanical claw, mechanical claw having two degrees of freedom (open/clip and swing), via yaw movement UAV achieve the third degree of freedom mechanical claw (rotation). This design of the gripper driven by a single motor having two fingers and six knuckles. This gripper driven by a motor a rod holder, whose ends are respectively connected to the first knuckle of the power lever; each finger has three knuckles, knuckles and the first and second knuckle parallelogram linkage connected to ensure the third knuckle do translational motion; the second knuckle of each finger having a circular arc chute extending means savings when the first point with the first knuckle movement, through a specially designed arc chute slide in fixed fulcrum, can so that the moving speed of the third knuckle linearly proportional to the movement speed of the motor drive. The mechanical claw capable of liquid and sediment sampling, and can crawl square, cylindrical, spherical and irregular shaped objects.Crawl maximum weight of 500g, the maximum size of objects to crawl around 100mm. Third knuckle clamping force gradually decreases during clamping, gripping favor fragile and deformable objects. Mechanical claw connected by a flexible shock absorbing mechanism and MAV to ensure mechanical clamping jaws when the object hovering drone capable of autonomous, stable holding weights. UAV is equipped with navigation module, autonomously return when gripping task is completed, greatly reducing the intensity of the work of the manipulators. This design can be used in hazardous environments UAV sample collection, detection and delivery of small items, and greatly expanded the use of unmanned aircraft itself.Key words：Manipulator;UVA;Autonomous hover目 录引 言11 机械爪的设计方案21.1 机械爪的设计要求和功能21.1.1设计要求21.1.2功能21.2 常见机械臂末端执行器结构：21.3 方案对比分析和确定31.3.1单电机驱动二指平动手爪方案31.3.2单电机驱动多指关节机械手爪方案41.3.3方案分析42 机械爪的结构设计52.1 机械爪的结构分析52.2 机械爪的尺寸参数分析62.2.1滑槽参数计算82.3 机械爪的受力分析92.3.1指节末端吸盘的受力分析123 机械爪夹紧驱动机构的选型123.1 滚珠丝杠螺母副的选型123.1.1滚珠丝杠副的型号参数123.1.2滚珠丝杠副的质量估算133.2 电机扭矩和转速的计算133.2.1电机扭矩的计算133.2.2电机转速的计算143.3 驱动电机的选型143.3.1驱动电机的对比分析143.3.2确定驱动电机型号153.4 丝杠电机连接结构的方式163.5 驱动机构的校核164 机械爪的材料选型和强度计算174.1 机械爪的材料选型174.2 机械爪主要零件的强度校核195 机械臂的设计215.1 机械臂的设计方案215.2 机械爪的重量计算215.3 机械臂驱动电机的选型225.4 机械臂的强度校核235.5机械臂与无人机连接结构设计246 无人机的设计246.1 无人机的设计方案与工作原理246.2 无人机结构设计266.3 无人机材料选型266.4 四旋翼无人机驱动电机和螺旋桨选型266.5 无人飞行参数计算277 带机械爪的无人机的控制设计287.1 无人机和机械手控制方案设计287.2 控制系统硬件选型297.4 四旋翼无人机程序设计318 结论32谢 辞33参考文献34第 35 页 共 34 页毕业论文（设计）用纸引言 无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控和无线通讯设备进行操控或自控飞行的无人驾驶飞行器。从无人机的结构形式和飞行原理可分为：无人直升机、无人固定翼机、无人多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机等。 无人机按使用领域，可分为军用与民用。军用方面，无人机分为侦察机和靶机。无人机在民用方面，目前主要应用在在航拍、农业植保、测绘、运输等领域的使用，大大的拓展了无人机本身的用途。“2013年6月，美国Matternet公司在海地和多米加共和国测试了无人机网络，无人机能够携载2公斤物体飞行9.7公里。 无人机自动快递J资讯锐科技2013:(14)32”“2013年9月，顺丰自主研发的用于派送快件的无人机完成了内部测试，在局部地区试运行。 熊元无人机新玩法J科技2014(7)64-65”“ 2014年10月，DHL宣布将在德国实现无人机送货。该公司的四旋翼无人机可负载大约1.2公斤的货物。 DHL“抢跑”无人机送货J商业视窗.2010.(12).8”在最近的一段视频中，某研究团队研发了一种向老鹰一样装有机械爪的四旋翼无人机，该无人机从空中俯冲到与地面成一定距离的时候，快速抓取地面上的物体。研究人员从老鹰身上获得灵感，他们相信通过改进无人机和机械手爪的材料和增强无人机的结构强度，可使该无人机变得更轻巧更快速，而且能够借助俯冲获得的速度快速恢复高度。 随着无人机的发展，无人机变的越来越智能化，重量轻负载大，可实现自动控制，由此引申出了各种功能的无人机。本文介绍了一种多功能带机械爪的无人机的，实际上它相当于一个飞行器人，是一种能在恶劣环境中代替人类工作的一种新方法。它不仅能提高无人机的抓取能力，还能巧妙实现与无人机的协同工作，充分利用无人机工作的原理和方法来实现复杂设计。该无人机通过于机械手的相互协调工作，可完成各种物体的抓取任务，并自动返航。本文包括了机械爪的建模与工作原理，还包括力学分析和控制设计过程，以及无人机框架的设计和无人机控制系统的设计。 1 机械爪的设计方案1.1 机械爪的设计要求和功能1.1.1设计要求： 机械爪能巧妙的与无人机协同完成抓取工作，充分利用无人机飞行能力，在各种难以到达的环境中完成抓取任务，并能在无人机飞行时的不稳定环境中牢牢抓住物体，顺利返航。机械爪的结构必须简单轻型化，避免较大的质量和复杂的结构，减少机械爪惯性力对无人机的影响。机械爪控制电路简单可靠，在不影响功能的情况下尽量减少驱动电机的数量，并在无动力的情况下能够自锁，做到到低功耗，高效率，为无人机的续航创造条件。1.1.2功能： 能够对液体和泥沙进行取样，并且能抓取方形，圆柱形，球体及不规则形状的物体。最大抓取重量为500g，抓取物体最大尺寸100mm左右。1.2 常见机械臂末端执行器结构：1.钳式机械手： “ 夹钳式手部与人手相似，是工业机器人广为应用的一种手部形式。它一般由手指、驱动机构、传动机构及连接与支承原件组成，能通过手爪的开闭动作来实现对物体的夹持。 工业机械手编写组工业机械手上下册M上海科学技术出版社19825 苏子昊孔庆忠关节型机器人二指平动手爪的设计J机械工程与自动化2008(5) 80-846 罗志增顾培民.一种单电机驱动多指多关节机械手的设计J机器人2009(31) 620 -624 7 丹尼斯克拉克迈克尔欧文斯机器人设计与控制M科学出版社20048 俞芙芳塑料成型与模具设计M华中科技大学出版社20079 Atheer L.Salih,M.MoghavvemiModelling and PID Controller Design for a Quadrotor Unmanned Air VehicleJApplied Electronics (CRAE) University of Malaya10 丁德全金属工艺学M机械工业出版社201111 Rogelio Lozano著陈自力江涛等译无人机嵌入式控制M国防工业出版社201412 李 杰齐晓慧小型四旋翼无人机飞行控制系统设计与实现J中国测试2014（40） 90-9313 Guozhi LiCong Fu.Fuhai ZhangA Reconfigurable Three-Finger Robotic GripperJ State KeyLaboratory of Robotics and System Harbin Institute of Technology Harbin 1500011556-156114 单祖辉材料力学M高等教育出版社200915 闻邦椿机械设计手册（第5版）M机械工业出版社2010” “夹钳式机械手又分为回转型手部和平移型手部。回转型手部的手指实际上就是两个杠杆，通过转动机构的带动，手指绕指点回转来实现手指的开闭动作。平移型手部是两个手指在传动机构的带动下，作相对的平行移动以实现开闭动作。4”2.弹性力手爪： 弹性力手爪的特点是其夹持物体的爪力式由弹性原件提供的，不需要专门的驱动装置，在抓取物体的时候需要一定的压入力，而在卸料时，则需要一定的拉力，其抓取需要以一定的方向，抓取对象的形状需要与机械手相匹配，且抓取对象重力需小于卸料拉力。 3.勾托式手部：勾托式手部并不靠夹紧力来夹持物体，而是利用物体本身的重量和水平方向的手指产生的支持力来勾住或拖住物体来实现夹持的。由于勾托式手爪主要是靠手指的支持力来夹持物体的，因此不需要较大的夹紧力，所以对夹紧驱动装置的驱动力要求较小。1.3 方案对比分析和确定“机械手爪是无人机夹持物体的最终执行机构，对提高机器人完成任务的效率和改进工作水平起到关键性的作用。夹持和操控的灵活性、精确性和适应性是衡量机械手爪设计水平的一个重要标志。5”常用的工业机器人的手部多为结构简单的夹钳式、托持式、弹性式等型式，其结构和夹持对象的工作原理决定了其夹持功能的局限性。近年来随着工业机器人的快速发展，工业机器人的手部结构也越来越多元化，从单一的功能慢慢演变成具有拟人化的多指机械手。与夹钳式机械爪相比，具有拟人化的机械手结构形式和控制系统较为复杂，但其手指更加灵活，更能适应于不同形状物体的抓取，其抓握更加稳定可靠。1.3.1方案一：单电机驱动二指平动手爪 “苏子昊等人研发了一种步进电机驱动的多连杆机构二指平动机械手爪，一种用于小型多自由度关节型机器人的机械手爪, 它采用二指平动的手爪设计方案。 以机构为基础, 用电机驱动, 实现了机械手爪开合、摆动、 手腕转动一体化的手部运。7”该机械手采用 图1-2 二指平动机械手原理图步进电机驱动, 转动位置精度高, 动作响应速度快。 该机械手爪尺寸参数适中，方便更换和携带、 结构紧凑体积小、 制造成本低, 可用于教学型机器人和科研机器人。手夹持物体时以物体为中心, 用手指末端夹持物体。 该机械手爪的工作方式有捏、拿、夹、握等，通过机械爪表面与夹持物表面的摩擦力来夹持物体。该机械爪,属于夹持式手爪, 手指通过丝杠螺母带动第一动力杆，动力杆将动作传递给平行四边形机构，保证手指末端实现平行移动。机械臂处于工作状态时, 分别由机械臂上的各个关节调整好位姿，然后逐渐靠近待夹持物, 最后由手腕调节几下抓与被夹持物的夹持方向，机械爪张开并夹持待夹持物体, 每个手指末端配有压力传感器，可根据手指的受力情况和待夹持物的表面硬度、刚度调节机械爪手指的夹紧力，防止待夹持物因受力过大发声变形和损坏。1.3.2方案二：单电机驱动多指关节机械手爪罗志增，顾培民研究了一种步进电机驱动的多指关节机械手，为了使机械手灵活、可靠地抓取物体，设计了一种新型结构的单电机驱动 4 指 12 关节机械手爪。如右图，电机转动，滚珠螺母移动，同时带动与其连接的十字连杆，其端部分别与四根手指的第一指节连接；第一指节的动力杆AB绕B点转动，同时C点绕B点转动；这是C点推动带有圆弧槽的第二指节，由于O点在圆弧槽内滑动时产生支反力，通过计算圆弧槽 图1-3 多指关节机械手原理图的参数，可使第三指节匀速运动。与第一指节和第二指节连接的平行四边形机构使第三指节在水平方向移动。“该新型的单电机驱动手爪设计方案表现出了机械手控制简单、抓握可靠的优点和优势。6”1.3.3方案分析 机械手爪的结构一般根据实际使用情况来设计，当被夹持象确定时，手爪的夹持方式也基本确定了。手爪自由度数越多，手指的灵活性约高，其夹持对象的通用性也更强，但控制也会变得复杂、制造成本和控制系统硬件成本也会随着其复杂度变高。 方案一：苏子昊等人研究的步进电机驱动的多连杆机构二指平动机械手爪，结构简单，但手指的夹紧速度与电机转速并非线性比例关系6，在非匀速夹持的时候，对夹持物体产生冲击，同时对无人机的飞行状态产生较大的惯性力影响，无人机需要进行较大的姿态调整，造成无人机续航时间下降。且手指只能进行相对平移动作，动作单一，在夹持不同形状的物体时，需要更换不同形状的手指，工作适应范围较小，难以实现一手多用。 方案二：罗志增，顾培民研究的步进电机驱动的多指关节机械手结构较前者复杂，但手指的夹紧速度与电机转速呈线性比例关系，其特点是第三指节能平行张开合拢，且在电机匀速转动时能保证手指末端匀速平动，以避免手指移动速度不均对夹持物体的冲击，对无人机的飞行状态影响较小，相比前者，能获得较多的续航时间。该机械手具有3个指节，其中第二指节呈V型并拢，能够对圆柱体实现抓取，而第三指节呈相对平动，实现对方形物体的抓取，在第3指节装配一对吸盘，吸盘的弧面能够抓取球体，吸盘具有一定的容腔，能够抓取泥沙，其密封性能够抓取液体，吸盘的柔性变形还能适应形状不规则的物体，实现一手多用的功能。本文针对外形为中心对称、形状不规则的待夹持物体和液体，设计一种单电机驱动的机械手爪，其特点是第三指节能平行张开合拢，且在电机匀速转动时能保持第三指节匀速平动。方案一结构简单，制作成本低，手爪动作单一，机械爪的动作冲击对无人机的续航时间影响较大。方案二结构较前者复杂，成本较高，但是手爪动作比前者多了V形并拢的动作，手爪的功能较为丰富，可实现一手多用，且手爪动作冲击较小，对无人机的续航时间影响较小。根据性能成本续航的关系，确定以方案二为模板进行改良设计。2 机械爪的结构设计2.1 机械爪的结构分析本文的设计参考了罗志增，顾培民研究了一种步进电机驱动的多指关节机械手的方案，本文采用单电机驱动2指对称的结构，单根手指由3个指节通过螺栓连接，整个手爪由2根固定在支架上的手指组成。第三指节是与被夹持物体相接触的元件，机械手爪夹紧和张开时能保持相对平行移动。每个手指各关节之间力的依靠各个指节的杠杆力传递。每根手指的第一指节和第二指节外侧分别连接一根平行连杆，形成2个平行四边形，平行四边形在摆动时，其末端是水平运动的，第三指节的水平运动保证了其抓取方形物体的功能。第 3 指节就是指尖，通过 a张开状态 b中位状态 c夹紧状态 图2-1 单电机驱动多指关节机械手原理图平动实现对物体的夹持。该手爪的结构示意图如图2- 1所示。该手爪由减速电机、支架连杆、拉杆支架、第一指节、第二指节及圆弧滑槽和指尖等组成，其中第1、第2指节与一个平行四边形的连杆连接，以确保指尖在手爪张开合拢时能够平移运动。手爪的工作过程如下： 直流减速电机驱动丝杆转动，丝杠转动滚珠螺母平平，滚珠螺母与拉杆支架连接。当直流减速电机正反转时，可使丝杠带动的拉杆支架沿丝杠轴线上、下平动，并带动2个手指的第一指节进行开合运动。第一指节将动力传递给第二指节，第二指节的C点向手爪中心运动，第二指节的圆弧滑槽段随C点向手爪中心运动，但由于圆弧滑槽受到O点的支反力，其受力点与C点间的力臂是变化的。滑槽被设计成圆弧槽，相当于封闭的凸轮，通过计算圆弧槽的参数数，使直流减速电机匀速转动时，第三指节在上平方向的运动也是匀速的。手爪座开合运动时，第二指节的圆弧槽绕着指点滑动和转动。因为圆弧槽的形状尺寸参数决定了第二指节的运动参数，因此圆弧槽的尺寸计算尤为重要。当第一第二指节在驱动力下转动时，同时带动与第一第二指节连接的平行连杆机构，使第三指节沿着水平方向匀速运动。 2.2 机械爪的尺寸参数分析 （a）中位关系图 （ b）夹紧关系图 图2-2 杆的连接关系图 在设计中，首选确定待抓取物的最大尺寸，然后在进行机构尺寸设计；其次，根据确定的传动机构进行运动学分析；最后通过运动关系推导计算各个结构的尺寸参数，然后建立三维模型，装配后观察其运动方式是否符合设计要求。 如图2-2所示，其中图2-2（a) 是手爪运动到中位的关系原理图，图2-2(b)是最小夹紧位置。分析电机转速与第三指节平动速度的关系，设电机转速为n r/min，丝杠导程为 mm，则拉杆支架的移动速度为： （2-1） 式中，单位是 mm/s。 丝杠螺母带动拉杆支架，使第指节的A点绕固定支点 B 转动， A 点运动的垂直方向距离与拉杆支架的移动距离相等。如果初始状态 A、B 在同一水平上，杆AB的水平夹角 = 0，经过t时间点A在竖直方向的移动距离 h = t。由于A在水平方向的移动距离非常小，计算时忽略点A的摆动距离，那么杆AB的角速度约为： （2-2）式中， 是第一指节 AB 的长度，单位为 mm， 的单位是 rad/st 时刻第 1 动力杆 AB 的水平夹角： （2-3） 如图2-2，取第一指节上BC长度是20mm，且BC与BA的连接夹角为90度，第二指节直线段CD的长度是35，圆弧滑槽 CE上的支点O相对于 B 点的坐标是 (a,b)， x0Cy0 是固定在第指节上的坐标，那么，滑槽上的支点 O 离 x0Cy0 坐标原点 C 的长度 e 为： （2-4） 如果被控手爪指尖的水平方向夹紧速度是 mm/s， t 时刻水平方向移动了 w = t，第2 动力杆转角为： （2-5）在图 3(b) 中， CD 与 e的夹角为OC的水平夹角与第二指节转过的角度和第 2 之差，即： （2-6）式 (2-4)、 (2-6) 构成了第 2 动力杆滑槽曲线的极坐标方程2.2.1滑槽参数计算 与平行四边形机构为背包连杆的电动机械手爪 ，在电机匀速转动的情况下，其指尖夹紧或张开的速度是变化的，在平行四边形机构成直角时速度最大，大于或小于 90 时速度减小6。所以，当手爪张开角度不同时，对应的指节末端瞬时速度也不同。这样，即使能够通过改变电机转速来使指节末端保持匀速运动，但这会使控制系统更加复杂，控制难度也相应增加。本文设计的机械手爪最大的优点是通过第二指节的圆弧滑槽来修正补偿输入速度与输出速度的不对应的关系。使电机匀速转动的同时，第三指节的运动也是匀速的。通过带入各个指节的尺寸参数，并约束输入速度与输出速度的关系来计算圆弧滑槽的尺寸参数，取= 20， = 40， = 35，圆弧滑槽上的支点 O 相对于 B 点的坐标是，a= 19， b= 21，单位为mm，手爪抓取物体的尺寸范围径为0 110mm。该手爪为是 2指对称结构，所以取单根手指进行分析计算，那么单根手指的运动行程为55。取机械手的初始状态为手爪中位，取中位状态第三指节距离中心长度为34mm，最大张开状态到中位状态的行程为21mm，第三指节的运动行程 w 在 21,34 内变化。对单边运动进行分析，设 h 在 0 6 变化， w 在 0 34 变化，第一指节动力杆水平夹角 在 0 18 之间变化，通过公式(2-4)、 (2-6)计算得得表 2-1 所示手爪运动各点与对应的圆弧滑槽曲线极坐标参数。根据e-参数表，配合槽宽进行计算，即可计算出圆弧滑槽的各项尺寸参数。表2-1 手爪与滑槽对应坐标关系序号h/mm/w/mme/mm/100026.8704520.92.605525.58642.5331.85.2161024.30640.3242.77.8371523.03138.1553.610.4762021.76336.0764.513.1372520.50634.0775.415.8273019.26532.1186.1818.0043418.28830.54图2-3 5：e-极坐标图根据e-极坐标图，作一条经过e端点的圆弧，得圆弧圆心相对B点的坐标为（-0.68,19.71），圆弧半径为19.72mm。2.3 机械爪的受力分析 图2-4 单电机驱动多指关节机械手受力分析图电机带动丝杆转动，支架连杆在丝杆的转动时向下运动，对A点产生一个竖直的力F，迫使连杆ABC绕B点转动，转矩，然后通过C点将对杆OCD产生一个垂直与BC的力,。如图2-4，在O点形成支反力的2个分力和，其中与e垂直，与e平行，和两个力的夹角等于90-，其中为e与力的夹角。杆BC和杆CD的转角差为： （2-7）则为： （2-8）则为： (2-9)综合公式（2-5）（2-6）（2-7）（2-8）（2-9）得： （2-10）式中与h成正比，设，根据表一求得则： （2-11）将公式（2-11）带入公式（2-10）得： （2-12）设F=1N将表一参数带入上式计算得表二:表2-2 与的关系序号/N/N104504500.3540.50022.60542.535.2245.1452.6150.3540.49935.21640.3210.4745.5745.2540.3560.49847.83738.1515.8346.1437.9930.3580.496510.47636.0721.3246.91410.8440.3590.492613.13734.0727.0447.97313.9030.3620.487715.82732.1133.0649.34317.2330.3650.481818.00430.5438.1850.71620.1760.3680.476确定了的参数之后，和的水平分力很快就能计算出来。 （2-13） （2-14）根据公式（2-12）（2-13）表一和表二计算和得表三各参数如下:表2-3 杆的受力参数序号F110.5000.3540.2920.292210.4990.3540.2590.258310.4980.3560.2470.243410.4960.3580.2230.224510.4920.3590.210.196610.4870.3620.2120.189710.4810.3650.2010.168810.4760.3680.1920.151910.4840.3480.3380.305表2-3序号9为机械爪最大张开时的受力分析数据，由表3可知，机械爪从最大张开到完全夹紧，第二指节末端的水平夹紧力逐渐减小，从0.305N到0.151N。由数据可知，该机械爪在夹持小件易碎的物体时，能够保护夹持物体，不至于夹持物因为夹紧力变大而破碎，但是在夹持小件重物时可能会导致物体因夹紧力不够而脱落。2.3.1指节末端吸盘的受力分析吸盘的受力分析如图2-5，图中为机械爪的夹紧力为吸盘的的吸附力，N为物体的重力。取N为5N，取吸盘直径25mm，取大气压强为101300Pa1取吸盘摩擦系数为0.51.5，取吸盘的安全系数S=8取最小0.5，则为 （2-15）为： (2-16)式中为吸盘的弹性力，取=1N，则 = 4.8N。 图2-5 吸盘受力分析图通过上面计算可知，在夹持较为光滑的平面物体时，至少为4.8N，则当夹持500g的物体时，机械爪处于最小夹紧状态，取夹紧安全系数=2时，螺母的输入力至少为为64N。3 机械爪夹紧驱动机构的选型3.1 滚珠丝杠螺母副的选型3.1.1滚珠丝杠副的型号参数目前大多数的标准滚珠丝杆螺母都为金属材质，其最小型号的丝杆螺母的动载荷可达到500N，远超在本设计中所需的载荷，本文将采用TBI公司生产的微型滚珠丝杠。表3-1 滚珠丝杠副基本参数表型号dIDaDABLWHXnCaCoaKSFK00401410.8102031215142.9240512.8 表4中Ca（动载荷）、Coa（静载荷）的单位为Kgf，n为滚珠圈数，K为强度，Da为珠径，I为导程，其余参数单位为mm。图3-1 滚珠丝杠参数对照图3.1.2滚珠丝杠副的质量估算h的长度为11mm，螺母的长度L为12mm，则丝杠的长度为23mm，直径为23mm，取丝杠和螺母的谜底。丝杠的质量为： （3-1）螺母的质量约为： （3-2）计算得=0.002157Kg=2.157g，=0.011682Kg=11.682g。总质量m=13.839g。3.2 电机扭矩和转速的计算3.2.1电机扭矩的计算已知当机械爪在最小夹紧状态夹持500g的物体时，支架连杆需要输入32N的力，则滚珠丝杠的轴向力=32N，因为摩擦力远小于，忽略不计。滚珠丝杠的输入力矩为： （3-3）式中：I：为丝杠螺距：为丝杆的传动效率取0.94计算得=1.08Ncm即电机输出最大转矩为1.08Ncm。3.2.2电机转速的计算机械爪的最大开合长度为110mm，单边最大张开长度为55mm，设机械爪的最大开合速度=20mm/s，则支架连杆的移动速度为： （3-4）求得=3.64mm/s。支架连杆的速度等于滚珠螺母的速度，根据公式（2-1）计算得电机转速为218r/min。3.3 驱动电机的选型3.3.1驱动电机的对比分析“常用的微型驱动电机有直流电机、舵机、步进电机，其中直流电机是机器人平台的标准电机，有着极宽的功率调节范围，适用性好，具有很高的性价比，是一种最为通用的电机。7”舵机主要由一个直流电机、一个内置减速器和一个内置的位置反馈器组成，舵机通常无法连续转动，一般用于一些行程较短、需要扭矩中等的机构。步进电机本质上是一种无刷电机，被设计用来精确运动，步进电机的转速相对较低，一般为50100r/min。在同等功率下，步进电机相比直流电机和舵机重量要重的多，步进电机的转矩通常也不是十分强劲，一般用于低转速、低扭矩和高精度的机构上。 根据表4进行分析，因为舵机无法连续转动，不考虑选用。分别从成本，扭矩，重量来对比分析步进电机和直流电机。其中直流电机价格价格较贵，扭矩和功率自重比较步进电机大，因为机械爪用于无人机上，因此选用功率自重比较好的直流电机，同等功率的直流电机重量比步进电机小，选用直流电机，无人机的续航将得到保证。表3-2 电机类型的对比电机类型优点缺点应用场合直流电机1.型号多2.功率大3.接口简单4.适合适合大型机器人1.需要齿轮减速器2.电流较大3.较难装配4.控制复杂5.成本高需要较大扭矩的机构舵机1. 内部带减速器2. 型号多3. 速度适中4. 成本低功率适合5. 易于安装6. 接口简单7. 功率中等1. 负载能力较低2. 速度调节范围较小3. 无法连续转动不需要连续转动，行程较短的机构步进电机1. 精确的速度控制2. 型号多3. 接口简单4. 成本低1. 功率与自重比小2. 电流较大3. 安装困难4. 负载能力低5. 功率小6. 控制复杂需要精确运动，扭矩较小的机构3.3.2确定驱动电机型号 根据计算得电机的转速为200r/min，最大转矩为1.25Kgcm。选用深圳市金顺来特电机有限公司生产的JGA20-130微型直流减速马达。其参数如下：图3-2 直流电机尺寸参数对照图表3-3 直流电机参数表电压/v空载负载转矩堵转矩L减速器重量范围额定转速电流转速电流扭矩功率扭矩电流尺寸减速比396288602112005930162580 表中扭矩单位为Kgcm，转速单位为r/min，电流单位为mA，尺寸单位为mm，重量单位为g，功率单位为W。3.4 丝杠电机连接结构的方式滚珠丝杠内径d为3mm，直流电机轴径为4mm，因此选用内径为4mm，的铝合金联轴器，其适用型号有凌正自动化公司生产的Z1016-03-04联轴器，其具体参数如下：图3-3 联轴器尺寸参数对照表表3-5 联轴器技术参数表型号额定扭矩最大扭矩最高转速惯性力矩表面处理重量LZ1014-03-040.30.622000阳13 表中扭矩单位为Nm，转速单位为r/min，惯性力矩单位为，重量单位为g。3.5 驱动机构的校核由于所选电机参数与初选计算参数有一定的误差，通过本小节的计算，将修正机械爪各个运动参数的实际数值，其中包括夹持力、开合速度、夹持物质量范围。已知电机空载转速为288r/min，则机械爪的开合速度为： （3-5）式中：n：为空载转速：为导程q：为w/h计算得机械爪最大开合速度为26.4mm/s。已知电机堵转矩（启动转矩）为1.25Kgcm，则螺母的输出力F为： (3-6)式中：为导程：为丝杠的传动效率=0.94机算得螺母的输出力F=70.38N通过公式（2-12）（2-13）（2-14）计算得机械爪的最小夹紧力=10.11N，机械爪最大夹紧力=20.25N。通通过公式（2-15）（2-16）计算的机械爪最大张开夹紧重量为963g。 所以机械爪实际开合速度为26.4mm/s，最小夹紧力=10.11N，最大夹紧力=20.25N。4 机械爪的材料选型和强度计算4.1 机械爪的材料选型 可用于机械爪的材料有铝合金和塑料，两种材料的密度都比较小，满足于无人机对重量的要求。铝合金的强度和刚性都强于塑料，但韧性比塑料差，塑料机械爪的韧性可以减少机械爪的震动冲击，这是铝合金所没有的。2种材料的加工性能好，但是铝合金造价更贵，机械爪的最大负载为500g，使用造价更便宜的塑料材质机械爪便可满足使用要求。因此，机械爪主要采用塑料材质，部分承受载荷较大的零件采用铝合金制造，这样便能在满足功能的情况下，减少机械爪的制造成本。用于机械结构的常用塑料有聚碳酸酯（PC）、聚甲醛（POM）、聚丙烯（PP）和尼龙（PA）。其中PC塑料主要用于制造齿轮、齿条、传动件、机壳等。POM塑料主要用于制造减摩零件、传动件、管件、骨架和外壳等。PP塑料主要用于制造机械零件、耐腐蚀零件、绝缘件等。尼龙塑料主要用于制造减摩耐磨零件。传动零件和化工电器仪表零件。常用塑料的性能如下表：表4-1 常用塑料性能代号名称性能PC聚碳酸酯“冲击强度高，弹性模量高，尺寸稳定性好。耐热性比尼龙，聚甲醛高，抗蠕变和绝缘性能良好，耐蚀性，但耐磨性能不足，自润性差，不耐碱，酮，胺，芳香烃，有应力开裂倾向，高温易水解，与其他树脂相溶性差，耐疲劳强度底较易产生应力开裂。8”POM聚甲醛有良好的机械性能，尤其是弹性模量很高，刚性和表面硬度都很高，其他塑料所不能比拟的。冲击强度及耐疲劳强度都十分突出，为所有塑料之冠。具有卓越的耐磨性和自润滑性，仅次于尼龙。耐有机溶剂。PP聚丙烯“密度小，强度、钢度、耐热性好，可在100度左右使用，具有优良的耐腐性，良好的高频绝缘性，不受湿度影响，表面硬度和耐热性较好，但成型收缩率大，低温易变脆，不耐磨。易老化。8” PA尼龙坚硬、耐磨、耐疲劳、耐油、耐水、结晶性能很高，具有优良的力学性能，刚度尚逊于金属，但强度高于金属，可代替金属使用，冲击强度良好8，但热稳定性差，制品一般只能在80-100度下使用。PA6弹性好，冲击强度高，吸水性较大。PA66强度高，耐磨性好。PA610与PA66相似，但吸水和刚性都较小。PA1010半透明，吸水性小，耐寒性能好。四种工程塑料中，POM和PA和力学性能最好，耐磨性和自润性高，用于机械爪的连杆机构可减小指节之间的摩擦力。PA的吸水性较高，容易吸水而导致零件尺寸变化，但机械爪零部件较小，吸水导致尺寸变化在可接受范围内。POM的吸水性很小，几乎可以忽略不计。PA的比重为1.15，小于POM的1.43。由于PA的熔点较高，所以PA的制造成本和材料成本都高于POM塑料。在使用寿命上，因为POM塑料热氧化性较低，易于氧化，因此寿命比PA塑料低。综合两种材料在强度、比重、成本、寿命上的优缺点，本文选用PA塑料最为机械爪的材料。其中PA66尼龙塑料的力学性能参数如下：表4-2 PA66塑料力学性能参数抗拉强度MPa75.4583.3剪切强度MPa25.1527.77屈服强度MPa54.88压缩强度MPa103.88弯曲强度MPa177.6弯曲模量GPa2.98密度g/1.134.2 机械爪主要零件的强度校核 由表2-3可知，当机械爪处于最大张开状态夹持500g的物体时，各个指节的受力达到最大值，因此，机械爪强度满足最大张开状态的工作条件，即可满足所有工作状态的强度要求。（1）第一指节的强度校核如右图，F为滚珠螺母输入的力F最大值为70.38N，杆ABC结构如图4-2，A孔受到一个挤压应力，取A结构的孔径d=3mm，外圆直径D=8mm，孔的壁厚为1.25mm，将表4-2中的参数带入公式（4-1）计算 图4-1 机械手最大张开状态受力图 得=36.18MPa小于许用应力75.45MPa。 孔的挤压应力公式： （4-1）式中：为许用应力；L：A结构的两侧壁厚和；S：安全系数取4；d：孔径；孔的剪切应力公式： （4-2）式中： 图4-2 第一指节结构图：为许用剪切应力；L：A结构的两侧壁厚和；S：安全系数取4；D：外圆直径；计算得=13.63MPa小于许用切应力25.15，因 此孔A满足强度要求。（2）第二指节的强度校核 孔B则受到一个向上的支反力，因为孔B的壁厚大于孔A，因此，孔B的强度也能够满足要求。孔C受到的支反力为F，孔C的壁厚和为6mm，大于孔B的壁厚，因此孔C的强度也满足要求 。 O点的位置是圆弧槽的末端，杆OCD的结构如右图4-2，整个结构中圆弧槽的强度最小，槽宽为3mm，槽外宽度为8mm，槽壁所受到的力=24.49N。根据公式（4-3）计算得挤压应力=4.16MPa，小于许用应力75.45MPa。 （4-3）同时圆弧槽还受到剪切应力，根据公式（4-4）计算 图4-2 第二指节结构图得圆弧槽的剪切应力=3.27MPa小于许用切应力25.15。 （4-4）式中： A：圆弧槽的最小截面积 图4-2中的D孔受到重物的重力N和垂直与杆的力，其合力=21.96N根据公式（4-3）计算得挤压应力=1.24MPa，小于许用应力75.45MPa。根据公式（4-4）计算得剪切应力=2.93MPa小于许用切应力25.15。所以该杆的强度满足工作要求。（3）拉杆支架强度校核如图4-3为拉杆结构三维图，拉杆是连接滚珠螺母和第一指节的结构，在所有结构中受力最大，当滚珠螺母输入力F最大值为70.38N，拉杆的竖直方向受到一个剪切应力，拉杆与A孔的连接图4-3 拉杆支架三维结构图点受到一个挤压应力，将F=70.38N带如公式（4-3）（4-4）计算得剪切应力=18.768MPa小于许用切应力25.15。挤压应力=11.95MPa，小于许用应力75.45MPa。因此该杆的结构强度满足工作要求。5 机械臂的设计5.1 机械臂的设计方案当机械爪在夹持物体时，机械爪为了能以最佳方位进行夹持，需要对其夹持方位进行调整。虽然无人机的滚转运动和俯仰运动能够改变机械爪的方位，但通过无人机进行调整机械爪夹持方位是非常困难的，因为无人机进行滚转运动和俯仰运动时，无人机便无法实现悬停，因此机械爪的需要用机械臂对其夹持方位进行调整。本文的设计方案如图5-1（机械爪上端），通过增加一个腕关节，舵机转动直流电机机壳，使机械爪能够前后摆动，而通过无人机的偏航运动使机械 图5-1 机械臂三维结构图爪绕中心轴旋转，这样不仅简化了机械爪的机械结构，还能实现两个腕关节所能实现的功能。5.2 机械爪的重量计算机械爪材料密度为，通过Solidworks三维软件计算得各个零件体积质量如下表：表5-1 机械爪塑料件体积质量参数名称数量体积mm质量g指节123090.333.49指节223991.254.51指节325232.165.91平行连杆122612.442.61平行连杆222852.753.22连杆支架112051.0713.61拉杆支架11010.731.14电机架15345.566.04机械臂1112205.4813.79机械臂2112238.2813.82圆弧槽支点零件21201.381.36其中电机质量为80g，滚珠丝杠螺母质量为25.52，联轴器质量为13g，机械爪相对与机械臂转动部分的总质量为207.76g，其重心在滚珠丝杠上。因为机械爪为对称结构，其重心简化图如下：图5-2 机械爪重心简化图 重心范围距离机械臂转轴的长度为范围取4253mm，机械爪中处于中位夹紧时，其第三指节中心点距离机械臂转轴长度为141mm，那么当机械爪夹持500g重物时，对机械臂转轴产生的扭矩为，重心产生的扭矩最大值为。机械臂转轴的总力矩M=81.5Ncm。5.3 机械臂驱动电机的选型因为机械臂的运动无需较大速度，且机械臂的运动角度范围为180，属于不连续运动机构，因此选用微型舵机作为驱动电机。其控制简单，价格便宜，低速扭矩大，体积重量小。舵机主要是由外壳、控制器、直流马达、减速齿轮所构成。通过PWM脉冲信号进行控制，由控制器接收信号并驱动直流马达开始转动，同过减速齿轮将动力扭矩增大输出，同时控制器检测电机旋转位置，并对其校正。舵机旋转精度高，反应灵敏，低转速扭矩大，可很好的完成机械手运动要求。已知机械臂转轴所受的最大力矩M=81.5Ncm，因此 图5-3 舵机尺寸参数图选用JX Servo公司生产的PDI-5513MG型金属齿轮数字标准舵机，其尺寸参数如图5-3。电机技术参数如下表： 表5-2 舵机技术参数表型号工作电压v速度sec/60扭矩KgN重量gPDI-5513MG4.80.2011.7555.65.4 机械臂的强度校核图5-4 机械臂剪力弯矩图 图5-5 电机座结构三维图 图5-6 机械臂1结构三维图 如图5-4，机械臂重心前的连接部件受到一个5N的剪力，在上一章机械手指的强度已经通过校核，现在主要校核连接机械手和机械臂的主要部件，其中在5N剪力范围内的部件有直流电机座，其结构三维图如图5-5，电机座的最小截面积为连接孔的截面A=。根据公式（4-4）计算得剪切应力=0.56MPa小于许用切应力25.15。因此电机座的连接孔满足工作要求。 如图5-6，为机械臂与电机座的连接结构，其最小截面为为连接孔截面A=根据公式（4-4）计算得剪切应力=0.56MPa小于许用切应力25.15。因此机械臂1强度满足工作要求。如图5-6机械臂1与舵机连接盘受到的转矩M=70.5Ncm，则每个孔受到的挤压力为10N根据公式（4-3）计算得挤压应力=1.7MPa，小于许用应力75.45MPa。因此机械臂1的连接结构强度满足工作要求。5.5机械臂与无人机连接结构设计 机械爪在夹持过程中，与夹持物体产生轻微碰撞晃动，造成无人机飞行姿态变化，无人机悬停姿态被打破，无人机将会产生更多的能耗来调整飞行姿态的稳定性，同时机械爪将偏离原有的夹持方位，造成夹持失败或夹持物体掉落。当机械臂进行摆动调整时，由于机械臂的惯性力，同样也会对无人机的悬停姿态产生影响。因此机械臂与无人机的连接结构需要有减震，减小惯性力的机构，所以本设计采用四个减震橡胶元件分别连接机械臂的4个点和无人机的底部。当机械臂进行夹持和方位调整时产生的冲击和惯性力能量将被减震橡胶元件的阻尼运动所消耗，一定程度上减小了机械臂对无人机飞行姿态的影响，使夹持效率得到一定程度的提高，无人机的续航时间也得到了优化。6 无人机的设计6.1 无人机的设计方案与工作原理“在小型无人机中，四旋翼无人机被认为是一种最简单和最稳定控制形式。但由于这种形式需要同时协调控制四个旋翼的姿态参数，这对驾驶员的操纵来说是一件非常不容易的事情，所以该方案始终没有真正在大型直升机设计中被采用。9”因为随着 图6-1 无人机结构示意图现代技术和控制芯片性能的提高，四旋翼无人机在飞行稳定上也得到了提高。另外，四旋翼无人机的飞行的效率比其他多旋翼无人机的的飞行效率高，因为每个电机的效率都无法达到百分百，增加电机反而会使无人机的总效率降低。且增加电机意味着增加控制参数，这无疑增加了控制难度和设计成本。对于单旋翼或二三旋翼无人机，因为其负载较低，这里就不详细说明了。四旋翼无人机通过四个电机带动四个螺旋桨转动而产生升力，四个电机对称呈90度分布在机架上，且四个电机的结构尺寸参数相同，但旋转方向不相同。其中电机1电机3逆时针旋转，电机2和电机4顺时针旋转，使4个电机的水平力矩两两抵消，旋翼臂中间的空间用来安装飞行控制器、传感器和其他外部设备。图6-2 无人机垂直运动图 6-3 无人机俯仰运动图（1）垂直运动：在图6-2中，当四个旋翼电机转速相同时，因有两对电机转向相反，螺旋桨的水平力矩互相抵消，无人机在xy方向无运动。当同时增大四个旋翼电机的转速时，且旋翼电机的总推力大于无人机的重量时，无人机上升飞行，反之无人机将下降飞行。在理想无干扰状态下，四个旋翼电机的总推力等于无人机的重量时，无人机将保持悬停状态。 （2）俯仰运动：在图6-2中，电机1的转速增加，电机3的转速减小，同时保持电机2和电机4的转速保持不变。由于旋翼1的升力增加，旋翼3的升力减小，这使电机1对旋翼臂的力矩大于电机3对旋翼臂的力矩，无人机将沿着电机2和电机4的旋翼臂轴心旋转一定角度，此时将产生一个向前的水平分力，无人机将向前运动。同理，当电机1的转速减小，电机3的转速增加，无人机将向后运动。 （3）滚转运动是实现无人机左右移动的运动方式，其运动原理与俯仰运动相同，这里就不在详细说明了 （4）偏航运动：该运动是实现无人机沿着旋翼臂中心旋转的动作。4个旋翼在旋转时，因为空气阻力，每个电机都会沿着电机轴心产生一个与电机转向相反的力矩，为了克服反扭矩影响，通过电机1和电机3正传，电机2和电机4反转，使每个电机的反力矩两两抵消。因此在理想无干扰状态下，无人机将保持悬停状态。当电机1和电机3转速增加，电机2和电机4转速减小，这时无人机的总推力不变，但反力矩将不能互相抵消，于是无人机将沿着机体中心旋转，旋转方向与电机1和电机3的转向相反，即无人机沿着机体中心顺时针旋转。无人机逆时针旋转运动，原理同上。6.2 无人机的结构设计四旋翼无人机结构如图6-4所示，无人机中心为电路板和电池仓和各种传感器的安装空间。四根独立的旋翼臂分别通过螺钉固定在机体中心的四个角上。旋翼臂由一根标准空心铝合金圆形管、一个固定座和1个电机座组成，各零件之间通过螺钉进行固定。无人机机体由2块经冲压成型的方形标准铝合金板组成，其四个角上分别为旋翼臂固定座的安装位置。相比旋翼臂与机体中心一体式的个结构，该结构在制造和更换零部件上更加方便灵活，且可根据需 图6-4 无人机结构三维图求调节旋翼臂的长度或对其进行改装优化。 6.3 无人机材料选型四旋翼无人机是整个设计中结构尺寸最大的部件，且是整个机械臂的受力点，因此无人机的主要结构如旋翼臂和机体将采用强度高，重量轻的铝合金为主要材料，而电机座采用PA66型塑料制造。其中旋翼臂和机体由5083铝合金制造，含镁量在3-5%之间，又可以称为铝镁合金。“主要特点为密度低，抗拉强度高，延伸率高。在相同面积下铝镁合金的重量低于其他系列.故常用在航空方面，比如飞机油箱等。10”其力学性能如下表：表6-1 5083铝合金力学性能参数表抗拉强度MPa110136剪切强度MPa36.6745.33伸长率20%屈服强度MPa110密度Kg/m27056.4 四旋翼无人机驱动电机和螺旋桨选型（1） 四旋翼无人机的重量计算铝合金铝合金旋翼臂总质量约为305.2g，铝合金机体总质量约为208.62g，设电路板和传感器总质量为200g，电池重量300g，那么无人机和机械臂的负载重量为1777.18g。平均每个电机所需的拉力为444.3g。选用银燕公司生产的XA2212KV820无刷直流电机和配套11*4.7型螺旋桨，其主要技术参数如下：表6-2 XA2212KV820型直流无刷电机性能参数表型号电压V桨尺寸cm电流A推力g功率w效率g/w重量gXA2212KV82012APC11*4.7128301445.8 478APC11*4.77.350058.48.6图6-5 XA2212KV820型直流无刷电机尺寸参数图 根据XA2212KV820型直流无刷电机性能参数表可知，无人机最小推力为2000g，最大推力为3320g。6.5 无人飞行参数计算 在地面直角坐标系(x，y，z)与无人机坐标系（x1，y1，z)1下，电1所在的方向为正前方，电机2和电机4分别为左方向和右方向；为无人机的偏航角，为无人机的滚动角，无人机的俯仰角。在图6-2中、分别为四个旋翼旋转推力矢量，(i=1，2，3，4)为第i个旋翼电机转动与空气产生的产生的反作用水平力矩，mg为无人机受到的重力矢量，L是电机旋转轴中心到无人机机体重心的水平距离，则四旋翼飞行器总合力矢量u、偏航力矩、滚动力矩和俯仰力矩为： (6-1) 由式(26)可知，如果四旋翼旋转产生的合推力与飞行器自身重力相等，即u=0时，飞行器在空中悬停；当总推力u大于无人机的重量时，无人机将脱离地面上升；总推力小于无人机重量时时，无人机开始下降。“在保持拉力与不变条件下，通过控制合力-差的大小，飞行器可进行俯仰飞行(前进与后退)控制。当保持拉力与不变条件下，通过控制合力-差的大小，飞行器可进行滚转(左右)飞行；而通过控制偏航力矩大小，飞行器可进行偏航飞行控制。11”7 带机械爪的无人机的控制设计7.1 无人机和机械手控制方案设计 无人机控制系统主要包括包电机控制模块、中心处理器、 传感器模块、 遥控接收机模块、导航模块、 无线通信模块和电源模块等部分。 （1）直流减速电机控制模块即为有刷电机电调，是控制机械爪进行夹持动作的模块，该模块通过接收遥控接收机来自地面的信息，进行夹持和张开的动作，该模块通过地面信号，改变直流减速电机的转速和转矩，来根据不同情况进行夹持动作。 (2)中心处理器，是整个控制系统的核心部分。主要负责采各个传感其的信息，通过软件算法对收集的参数信息进行实时计算，并将计算的参数信息结果输出到执行器上;对于无人机来说，处理器需要收集遥控接收机的信息或导航信息，然后结合位姿传感器的实时数据，通过处理器计算后，控制电机转速，实时调整无人机的姿态；同时中心处理器通过无线通信模块与地面接收器进行数据交换。 (3)传感器模块主要包括九轴姿态传感器和高度传感器，为中心处理器提供机体的状态参数线如加速度、 角加速度、 高度和机体倾角等位姿