【《某管外爬行机器人的夹持器设计案例》2100字】

某管外爬行机器人的夹持器设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u24362某管外爬行机器人的夹持器设计案例 1310861.1夹持器设计要求 1256401.2夹持器设计方案 1186501.3设计流程 2306771.3.1夹紧力初算 3124471.3.2螺旋传动副的选型 4241341.3.3电机选型 545241.3.4蜗轮蜗杆设计 51.1夹持器设计要求机械人手部(夹持器)结构的设计是本设计课题的重点，其基本要求如下:(1)应具有适当的夹紧力和驱动力，手爪握力(夹紧力)大小要适宜，力量过大则动力消耗多，结构庞大，不经济;力量过小则会产生松动、脱落。在确定握力时，除考虑抓取物体重量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证夹持安全可靠。(2)手爪具有一定的开闭角度(手指从张开到闭合绕支点所转过的角度)，以便进出管道。(3)要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证自身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。1.2夹持器设计方案在参考了众多机械手手部(末端执行器)的结构后，结合自己的设计要求，设计出了一种新型的.夹紧机构。如图4-1所示，传动机构采用螺旋传动与蜗轮蜗杆传动，控制两个手爪的开合，同时通过弹簧提供持续的夹紧力。该设计的创新点在于将传统的杆机构加紧方式和弹簧式有机的结合起来。整个机构体积小、质量轻。图4-1夹持器的原理图几点说明:(1)两个手指通过铰链定位，可绕铰链转动，丝杠带动螺母座平动，螺母座两端凸起插入手爪的滑槽中，带动手爪绕铰链摆动。该设计既保留螺旋传动的传动精确的特点，又通过铰链点的设置保证了手爪夹紧的可靠性(铰链承担了大部分弹簧拉力)。而且，该设计最大的优点在于，当弹簧发生疲劳或失效时，通过丝杠螺母副的动力传递，依然可以保证两根手爪夹紧在管道外壁上。达到了双重保险的作用。(2)螺杆部分左右分别为左旋和右旋，保证当螺杆轴转动时，左右两个螺母座同时向外或向内运动，起到张开或收紧手爪的功能。(3)蜗轮蜗杆具有较大的传动比，起到了减速器的作用。(4)两个手指采用圆弧构造，按照管道外径120mm设计，圆弧设计可以适应较大的管径变化。本设计限定管径范围100-120mm1.3设计流程通过以上的几点说明,对前后爪夹持器的设计形成了基本的框图构架。(1)原理结构设计；(2)夹紧力初步计算；(3)选择弹簧；(4)选择电机；(5)设计传动环节；(6)手爪设计完成总所皆知，一般的机械设计都是遵循由输出需要从而确定输入的步骤，然而因为本设计夹紧器的特殊性，我们应根据夹紧力的大小来选出储能元件弹簧，然后再考虑空间结构尺寸以及载重等因素，最后选择合适的步进电机，通过蜗轮蜗杆传动来满足设计要求。1.3.1夹紧力初算由于当机器人爬行不同形状的管道时具有不同的夹紧力，所以为了保持任何情况下都具有足够的夹紧力能满足工作，必须以最大夹紧力来计算，当机器人爬竖直管时，下部的夹持器受到的压力和惯性力最大，因而也需要提供最大的摩擦力。图4-2手爪受力示意图其中：F——弹簧拉力N——正压力（当量夹紧力）F1——手爪受螺母座的力F2——螺母座轴向力由几何关系易得出弹簧弹力和夹紧力的关系:又摩擦力,所以只需估算出摩擦力即可确定夹紧力大小，进而进行弹簧的选型和丝杠螺母的设计。爬竖直管时，对整体而言，对于手爪内侧的橡胶垫，选择NBR(丁睛橡胶)，其与管壁(铁)的摩擦系数取则有以上各式得出:夹紧力N75弹簧拉力F进而通过文献[6]选出所需拉伸弹簧型号。1.3.2螺旋传动副的选型(1)由图4一2可知，在弹簧拉力作用下，螺母座所受轴向力(2)螺杆材料45钢，螺母材料ZCuSnlOZn2，整体式。(3)采用梯形螺纹，初算中径式中梯形螺纹系数尺寸系数许用压强所以得出由于考虑到惯量匹配和尺寸匹配问题，将中径放大，取这样，螺杆和螺母强度必然满足要求，此处不再校核。计算驱动力矩式中—螺杆传动力矩;一轴承摩擦力矩;由于轴承摩擦力矩很小，此处忽略不计，则容易得出得出所需要的驱动力矩为式中螺纹所受的轴向力，螺纹中经螺纹副的当量摩擦角由式(4-3)可以得出螺旋传动的驱动力矩为(NM)1.3.3电机选型由于在夹持器的设计中，对于手爪的动作控制主要为了克服弹簧拉力，从而控制手爪的开合，并没有直接赋予其提供夹紧力的任务。因此，对于电机的要求并不很高。电机的类型有步进电机,DC/AC伺服电机,直接驱动电机。综合各方面因素，选择成本低而精度高的步进电机，作为动力来源。在具体的选型中，考虑通过蜗轮蜗杆的一级减速，达到所需的力矩要求，即达到驱动螺旋传动副的目的，同时使尺寸和质量尽可能的小。所选电机型号为28BYG2801，是2相混合式步进电机，其步距角为1.8度。因此，电机每走一步，输出轴转动1.8度。而每次夹持器手爪开合，由螺母座的行程6.3mm，经过蜗轮蜗杆传动，折算到电机轴上，得出每次手爪动作电机的转动圈数为47.25圈，其转动角度为170100，折合成步数为9450步。1.3.4蜗轮蜗杆设计所选步进电机的静力矩为0.045NM，要通过蜗轮蜗杆的减速增力过程，从而力矩达到0.21NM。则大致设计过程如下(1)计算蜗轮转速要通过蜗轮蜗杆的减速曾力过程，由于已经设计完成的螺旋传动副的导程S=2mm，即螺杆每转一周，螺母沿轴向移动2mm，因为每次动作螺母座的行程约为6.3mm，所以每次动作螺杆转动3.15圈。因此，螺杆转速(即蜗轮转速)在1r/s即可。(2)计算输入功率对于蜗轮蜗杆传动（4-4）式中一蜗轮转速—蜗轮输出扭矩