【软体机械抓手手指的设计案例分析3900字】

软体机械抓手手指的设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u13143软体机械抓手手指的设计案例分析 1185361.1软体机械手指动作原理 1247261.2软体机械抓手手指设计指标确定 2132761.3软体机械抓手手指结构的设计 2165841.1.1真空吸吸盘的设计 5141401.1.2真空发生器选型计算 7102181.4小结 9软体机械抓手由于其特殊的材料特性，能够具有较好的弯曲特性，软体手指部分完全贴合被抓取物体的表面，实现抓取不同形状尺寸甚至不规则的物体。1.1软体机械手指动作原理由相关的机械知识我们知道运动机构的驱动方式有很多种，其中气动驱动是最常用的一种驱动方式。气动驱动得到了世界的广泛认可主要是因为气动驱动的反应时间短，根据相关指令能够实现运动机构的灵活运动，尤其在实现精密机械的运动控制上，气动驱动更是得到了大家的一致青睐。另外，在本次毕业设计的软体机械抓手，被抓取物体的重量都较小，不要很大的抓取力度，这就保证了气动驱动系统能够在较小的工作压力下实现对物体的抓取。表3-1四种典型驱动方式比较Tab.3-1Comparisonoffourtypicaldrivingmethods属性气动拉线SMAEAP输出力较大较大较小较小响应速度较快较快一般较快价格便宜较贵一般便宜人机交互性良好较差较好一般气动驱动的气动网格如下图3-1所示。其结构上主要是软性材料制成的空腔，空腔里面存有一定的压缩气体，机械抓手需要抓取物体时候，空腔内部会充入定量的气体，因此在气体的作用下腔体外壁形状会发生变形，，从而使得抓手部分的手指关节产生运动，抓取物体。图3-1软体手指动作原理Fig.3-1Softfingermovementprinciple1.2软体机械抓手手指设计指标确定由机械设计手册我们知道，机械结构的设计要综合考虑各种因素对机械结构的影响，例如材料的选择、运动部件的安装方式、驱动系统的选择等。在本次软体机械抓手手指的设计上，我们分别分析了手指的长度、机械抓手手指间的距离以及手指内部腔室与整体机械抓手抓取力的关系。在满足设计要求的条件下，我们得到如下表1.2所示的软体手指的指标。此外，我们学习了三维建模软件对软体机械抓手进行设计，并且将机械抓手的本体结构，手指关节结构，吸盘结构以及相关的驱动结构都以二位图纸的形式呈现出来。表3-2软体手指的要求和指标Tab.3-2Requirementsandindicatorsofsoftfingers性能参数长度80-150mm宽度15-30mm重量<250g末端接触力>0.5N1.3软体机械抓手手指结构的设计本次毕业设计的软体机械抓手手指内部为六边形形式，不同于现存较为普遍的四边形、圆形或椭圆形的腔室结构。本设计中的机械抓手手指的内腔的六边形设计，在满足抓手手指强度的要求下，更是一定程度上提高了手指运动的灵活性。六边形的边与边间的角度设计，对于抓手手指的强度和灵活性影响较大，在本次方案中应重点关注。图3-2软体手指单个腔室结构Fig.3-2Softfingerchamberstructure各种关于软体机械抓手设计的文献资料都有说明机械抓手手指内腔室与手指运动特性关系。接下来我们讨论手指内腔室角度设置的不同情况。我们首先设定变量条件：1）软体手指无径向膨胀；2）连接各腔室的通道不考虑；3）不可延伸底层长度不变，L＝123mm。极限弯曲半径为R。腔室的几何参数在表3-3中列出。通过计算单个腔室的弯曲角度，然后将它们进行累加。表3-3腔室的几何参数表Tab.3-43GeometryTableoftheChamberB(mm)h1(mm)h2(mm)w(mm)s1(mm)6136.5212软体手指单个腔室所受轴向应力σx为：σx=pwh2+pcos(θ2)w(h1−h2)式中：P——施加在腔室内壁上的压力，kPa；W——腔室宽度，mm；hi——腔室总高度，mm；h2——腔室下部矩形的高度，mm。则单个腔室沿轴向的变形为：Dx=bεx(σx)(2-9)式中：b——腔室两壁之间的初始距离，mm；εx——应变，是应力σx的非线性函数；通过相关资料可知道，获得不同气压下腔室壁的膨胀距离，然后对数据点进行二次多项式拟合，结果见2-8。εx和σx之间的关系可以描述为：εx（σx）=1×10-8σx2+6.9×10-3σ由于不可延伸底层限制了顶层的膨胀，所以软体机械抓手产生弯曲变形，单个腔室的弯曲角度为：β=tan-1DX通过整合单个腔室的弯曲角度，得到软体机械抓手总的弯曲角度γ：γ=2nβ(2-12)式中：n——腔室的数量，n=9；图3-3应力应变的拟合函数Fig.3-3Fitfunctionofstressandstrain软体机械抓手的弯曲半径R为：R=Lγ通过计算可以得出，当输入气压为40kPa时，腔室顶角θ分别为0°、30°、45°、60°时的弯曲半径，如表3-4所示。表3-4软体机械抓手弯曲半径Tab.3-4Softfingerbendingradius腔室顶角θ/°弯曲半径R/mm047.83022.64521.46028.1由以上分析我们知道，腔室顶角与手指弯曲半径有一定的关系，腔室顶角越大，手指的弯曲半径越大。为了使得我们所设计的软体机械抓手有较好的弯曲能力，我们这里选取30°作为我们的手指关节的腔室顶角。手指结构示意图如下图3-4所示。为了使得软体手指运动灵活且满足强度要求，我们在每个手指上都设置有九个驱动节和带定位孔的实心节，抓取手指工作时候，通过往手指节的腔室内充入压缩气体，特殊材料制成的手指关节发生弯曲变形，从未实现对物体的抓取。软体手指总长131mm，其中进气口部分长8mm；高度19mm。图3-4软体机械抓手手指结构示意图Fig.3-4Schematicdiagramofthesoftfingerstructure1.1.1真空吸吸盘的设计（1）真空吸盘类型的选择真空吸盘的类型各种各种，不同的结构的真空吸盘分别对应不同的机械设备的工况条件。根据真空吸盘的外形结构，我们把真空吸盘的结构整理成如下的几种类型：ａ）扁平吸盘，构成材料较为常见，材料的变形特性好，可适用于对光滑表面物体的吸附；ｂ）短波纹管型吸盘，材料的变形特性好，能够牢固的吸附在物体表面，但是其运动行程短，只能吸附较小行程的物体，一般不用于垂直吸附；ｃ）长波纹管型吸盘，可用于具有更大高度差的场合的吸附，能够实现较远行程的物体吸附。较大速度时能够对水平力具有很强的抵抗能力，适应不平整表面。本文设计的软体机械手是用来分拣商品，物品表面复杂，且具有一定的高度差，所以选用长波纹管型吸盘。a)扁平吸盘b)短波纹管型吸盘c)长波纹管型吸盘图3-5常见的三种普通型吸盘结构[83]Fig.3-5Commonthreetypesofcommonsuctioncupstructures[83](2)材料的选择查阅相关资料我们知道，真空吸盘的吸附力与其相应的组成材料密切相关，现存的比较常用的一些易于变形的材料主要由以下几种构成，材料材质与相应的吸附物如下表3-5所示。表3-5各种材料吸盘适用范围Fig.3-5Applicationrangerofvariousmaterials材质相应吸附物丁腈橡胶一般物体硅橡胶半导体、薄型物体、食品、成型品聚氨酯橡胶铁板、薄型板、纸箱氟橡胶药品导电性丁腈橡胶半导体导电性硅橡胶半导体(3)吸盘尺寸计算吸附材料的特性是影响吸盘吸附物体的关键因素，根据软体机械抓手的运用场景选择合适的吸盘材料是必要的。此外，吸盘尺寸是影响吸盘吸附效果的另一重要因素，这主要是因为吸盘的尺寸大小会影响吸盘吸力，会影响吸盘与被抓取物体的粘和特性。众所周知，材质光滑的物体表面更易被吸取，而表面粗糙的物体由于在吸盘吸附过程中容易泄压，导致吸取不牢固。这时就需要尽可能的增大吸盘的直径，保证吸盘的有效吸附面积。真空吸盘直径估算公式：D=2M×9.8×S×1000π×n×P(2-14)

式中：DM吸附物的重量，Kg；S安全系数，水平起吊S=4，垂直起吊S=8；n吸盘个数；P真空压力，kPa。因为是水平起吊，所以安全系数S=4；吸附物的重量M=1Kg，吸盘个数n=1，真空压力为70kpa，则真空吸盘直径为：D=21×9.8×4×1000π×1×70由于吸附时吸盘会发生形变，所以其外径应相应的增加10%。所以吸盘直径取D=26.7×(1+10%)=29.37mm，取整约等于30mm。1.1.2真空发生器选型计算1-拉伐尔喷管；2-负压腔；3-接收管图3-6真空发生器的典型结构Fig.3-6Typicalstructureofthevacuumgenerator真空压力一般都由真空发生器产生，其主要的动力源是真空泵。如图3-6所示为一种最为常见的真空发生器，真空发生器由三部分组成，即：拉伐尔喷管1、负压腔2和接收管3。吸着响应时间T是吸盘完全实现真空度的时间。最终的真空度由Pv表示。设吸盘中的压力从大气压下降到63%Pv，到达时间为T1，下降到95%Pv，到达时间为T2，则T1=60VqvT2=3T1(2-17)式中：T1(或T2)吸着响应时间，s；V配管容积，L；qvqv1和qv2中比较小的一个，L/min；qv1真空发生器的平均吸入流量，L/min；qv1=Cqqveqv2配管的平均吸入流量，L/min；qv2=Cq×11.1Sqve真空发生器的最大吸入流量，L/min；Cq系数，Cq=1/2~1/3，一般取Cq=1/2，若真空管路中流动阻力偏大，可取Cq=1/3；S配管的有效截面积，mm2V=π4000d2l=π4000×6式中：d配管的内径，mm；l配管的长度，m；图3-7真空影响时间曲线Fig.3-7VacuumeffecttimecurveP/Pv=0.7，由图2-12查得到达时间T=1.2T1，根据工件的移动速度，吸盘的相应时间T小于1s，得到T1=0.833s。我们知道吸盘在吸入气体的过程中会受到很多外界条件的影响，例如被抓取物体的表面不够光滑时候，吸盘无法与被抓取物体间形成密封腔，因此被吸取的物体容易脱落。所以我们在设计吸盘的时候必须将这种情况考虑进去。同样真空发生器的选型也要有类似的考量。因此我们考虑当工件吸附有泄漏时，其最大吸入流量为：qvmax=(2~3)qv=(2~3)(60VqvL=11.1×SL=11.1×0.5=5.5（L/min）(2-20)式中：qVl工件吸附着时的泄漏量，L/min；SL吸着漏气工件的有效截面积，mm2；最大吸入流量为qvmax=2×(60×0.04240.833+5.5)=17.11（L/min），因此，选择最大吸入流量大于1.4本章小结我们从软体机械抓手手指的设计和真空吸附部分的设计以及真空吸发生器的选型来进行本章的安排。(1)我们在查阅了国内外大量文献的基础上，分析了现有机械抓手的一些设计方案，并在此基础上，提出了一种新型软体机械抓手的设计。主要完成了对机械抓手整体结构的设计，运动部件设计，并分析了影响机