帶機械爪的無人機設(shè)計與控制【全套含CAD圖紙、說明書】
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畢業(yè)論文（設(shè)計）用紙
編號：
畢業(yè)設(shè)計(論文)說明書
題 目： 帶機械抓的無人機
設(shè)計與控制
院（系）： 機電工程學(xué)院
專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué)生姓名：
學(xué) 號：
指導(dǎo)教師單位：
姓 名：
職 稱：
題目類型：¨理論研究 ¨實驗研究 t工程設(shè)計 ¨工程技術(shù)研究 ¨軟件開發(fā)
年6月3日
摘 要
從90年代第一架微型無人機問世以來，微型無人機經(jīng)歷了20幾年的快速發(fā)展，微型無人機在航拍、農(nóng)業(yè)植保、測繪、運輸、軍事偵查等領(lǐng)域的得到了廣泛的應(yīng)用，大大的拓展了無人機本身的用途。近年來無人機快遞更是在新聞媒體上屢屢現(xiàn)身，微型無人機的負載從開始的幾十克發(fā)展到現(xiàn)在的幾千克，其運輸能力獲得了幾十倍的增長。得益于無人機的快速發(fā)展，本文設(shè)計了一種帶機械爪的四旋翼無人機，其機械爪具有兩個自由度（張夾和擺動），通過無人機的偏航運動，實現(xiàn)機械爪的第三個自由度（旋轉(zhuǎn)）。本文設(shè)計的機械手爪由單電機驅(qū)動具有兩根手指和6個指節(jié)。該手爪由電機驅(qū)動一根拉桿支架，其端部分別連接第一指節(jié)的動力桿；每個手指有3個指節(jié)，第一指節(jié)與第二指節(jié)與平行四邊形連桿連接，確保第三指節(jié)做平移運動；每個手指第二指節(jié)具有延伸的圓弧滑槽，當?shù)谥腹?jié)支點隨第一指節(jié)運動時，經(jīng)過特別設(shè)計的圓弧滑槽在固定支點滑動，可使第三指節(jié)的運動速度與電機轉(zhuǎn)速程線性比例關(guān)系運動。該機械爪能夠?qū)σ后w和泥沙進行取樣，并且能抓取方形，圓柱形，球體及不規(guī)則形狀的物體。最大抓取重量為500g，抓取物體最大尺寸100mm左右。第三指節(jié)的夾緊力在夾緊過程中逐漸減小，有利于夾持易碎易變形的物體。機械爪通過減震柔性機構(gòu)與無人機連接，保證機械爪在夾持物體時無人機能夠自主懸停，穩(wěn)定的夾持重物。無人機配備導(dǎo)航模塊，可在夾持任務(wù)完成時自主返回，大大減少操控者的工作強度。本文設(shè)計的無人機可用于危險環(huán)境中的樣品采集、偵查和小件物品的遞送，大大擴展了無人機本身的用途。
關(guān)鍵詞：機械爪；無人機；自主懸停
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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 錄
引 言 1
1 機械爪的設(shè)計方案 2
1.1 機械爪的設(shè)計要求和功能 2
1.1.1設(shè)計要求 2
1.1.2功能 2
1.2 常見機械臂末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)： 2
1.3 方案對比分析和確定 3
1.3.1單電機驅(qū)動二指平動手爪方案 3
1.3.2單電機驅(qū)動多指關(guān)節(jié)機械手爪方案 4
1.3.3方案分析 4
2 機械爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 5
2.1 機械爪的結(jié)構(gòu)分析 5
2.2 機械爪的尺寸參數(shù)分析 6
2.2.1滑槽參數(shù)計算 8
2.3 機械爪的受力分析 9
2.3.1指節(jié)末端吸盤的受力分析 12
3 機械爪夾緊驅(qū)動機構(gòu)的選型 12
3.1 滾珠絲杠螺母副的選型 12
3.1.1滾珠絲杠副的型號參數(shù) 12
3.1.2滾珠絲杠副的質(zhì)量估算 13
3.2 電機扭矩和轉(zhuǎn)速的計算 13
3.2.1電機扭矩的計算 13
3.2.2電機轉(zhuǎn)速的計算 14
3.3 驅(qū)動電機的選型 14
3.3.1驅(qū)動電機的對比分析 14
3.3.2確定驅(qū)動電機型號 15
3.4 絲杠電機連接結(jié)構(gòu)的方式 16
3.5 驅(qū)動機構(gòu)的校核 16
4 機械爪的材料選型和強度計算 17
4.1 機械爪的材料選型 17
4.2 機械爪主要零件的強度校核 19
5 機械臂的設(shè)計 21
5.1 機械臂的設(shè)計方案 21
5.2 機械爪的重量計算 21
5.3 機械臂驅(qū)動電機的選型 22
5.4 機械臂的強度校核 23
5.5機械臂與無人機連接結(jié)構(gòu)設(shè)計 24
6 無人機的設(shè)計 24
6.1 無人機的設(shè)計方案與工作原理 24
6.2 無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計 26
6.3 無人機材料選型 26
6.4 四旋翼無人機驅(qū)動電機和螺旋槳選型 26
6.5 無人飛行參數(shù)計算 27
7 帶機械爪的無人機的控制設(shè)計 28
7.1 無人機和機械手控制方案設(shè)計 28
7.2 控制系統(tǒng)硬件選型 29
7.4 四旋翼無人機程序設(shè)計 31
8 結(jié)論 32
謝 辭 33
參考文獻 34
第 33 頁 共 34 頁
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引言
無人駕駛飛機簡稱“無人機”，英文縮寫為“UAV”，是利用無線電遙控和無線通訊設(shè)備進行操控或自控飛行的無人駕駛飛行器。從無人機的結(jié)構(gòu)形式和飛行原理可分為：無人直升機、無人固定翼機、無人多旋翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機等。
無人機按使用領(lǐng)域，可分為軍用與民用。軍用方面，無人機分為偵察機和靶機。無人機在民用方面，目前主要應(yīng)用在在航拍、農(nóng)業(yè)植保、測繪、運輸?shù)阮I(lǐng)域的使用，大大的拓展了無人機本身的用途。
“2013年6月，美國Matternet公司在海地和多米加共和國測試了無人機網(wǎng)絡(luò)，無人機能夠攜載2公斤物體飛行9.7公里。[[] 無人機自動快遞[J]資訊銳科技．2013:(14)．32．
]”“2013年9月，順豐自主研發(fā)的用于派送快件的無人機完成了內(nèi)部測試，在局部地區(qū)試運行。[[] 熊元．無人機新玩法[J]科技．2014(7)．64-65．
]”“ 2014年10月，DHL宣布將在德國實現(xiàn)無人機送貨。該公司的四旋翼無人機可負載大約1.2公斤的貨物。[[] DHL“搶跑”無人機送貨[J]商業(yè)視窗.2010.(12).．8．
]”在最近的一段視頻中，某研究團隊研發(fā)了一種向老鷹一樣裝有機械爪的四旋翼無人機，該無人機從空中俯沖到與地面成一定距離的時候，快速抓取地面上的物體。研究人員從老鷹身上獲得靈感，他們相信通過改進無人機和機械手爪的材料和增強無人機的結(jié)構(gòu)強度，可使該無人機變得更輕巧更快速，而且能夠借助俯沖獲得的速度快速恢復(fù)高度。
隨著無人機的發(fā)展，無人機變的越來越智能化，重量輕負載大，可實現(xiàn)自動控制，由此引申出了各種功能的無人機。本文介紹了一種多功能帶機械爪的無人機的，實際上它相當于一個飛行器人，是一種能在惡劣環(huán)境中代替人類工作的一種新方法。它不僅能提高無人機的抓取能力，還能巧妙實現(xiàn)與無人機的協(xié)同工作，充分利用無人機工作的原理和方法來實現(xiàn)復(fù)雜設(shè)計。該無人機通過于機械手的相互協(xié)調(diào)工作，可完成各種物體的抓取任務(wù)，并自動返航。本文包括了機械爪的建模與工作原理，還包括力學(xué)分析和控制設(shè)計過程，以及無人機框架的設(shè)計和無人機控制系統(tǒng)的設(shè)計。
1 機械爪的設(shè)計方案
1.1 機械爪的設(shè)計要求和功能
1.1.1設(shè)計要求：
機械爪能巧妙的與無人機協(xié)同完成抓取工作，充分利用無人機飛行能力，在各種難以到達的環(huán)境中完成抓取任務(wù)，并能在無人機飛行時的不穩(wěn)定環(huán)境中牢牢抓住物體，順利返航。機械爪的結(jié)構(gòu)必須簡單輕型化，避免較大的質(zhì)量和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，減少機械爪慣性力對無人機的影響。機械爪控制電路簡單可靠，在不影響功能的情況下盡量減少驅(qū)動電機的數(shù)量，并在無動力的情況下能夠自鎖，做到到低功耗，高效率，為無人機的續(xù)航創(chuàng)造條件。
1.1.2功能：
能夠?qū)σ后w和泥沙進行取樣，并且能抓取方形，圓柱形，球體及不規(guī)則形狀的物體。最大抓取重量為500g，抓取物體最大尺寸100mm左右。
1.2 常見機械臂末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)：
1.鉗式機械手：
“ 夾鉗式手部與人手相似，是工業(yè)機器人廣為應(yīng)用的一種手部形式。它一般由手指、驅(qū)動機構(gòu)、傳動機構(gòu)及連接與支承原件組成，能通過手爪的開閉動作來實現(xiàn)對物體的夾持。[[] 《工業(yè)機械手》編寫組．工業(yè)機械手上下冊[M]上?？茖W(xué)技術(shù)出版社．1982．
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[15] 聞邦椿．機械設(shè)計手冊（第5版）[M]機械工業(yè)出版社．2010．
]”
“夾鉗式機械手又分為回轉(zhuǎn)型手部和平移型手部?；剞D(zhuǎn)型手部的手指實際上就是兩個杠桿，通過轉(zhuǎn)動機構(gòu)的帶動，手指繞指點回轉(zhuǎn)來實現(xiàn)手指的開閉動作。平移型手部是兩個手指在傳動機構(gòu)的帶動下，作相對的平行移動以實現(xiàn)開閉動作。[4]”
2.彈性力手爪：
彈性力手爪的特點是其夾持物體的爪力式由彈性原件提供的，不需要專門的驅(qū)動裝置，在抓取物體的時候需要一定的壓入力，而在卸料時，則需要一定的拉力，其抓取需要以一定的方向，抓取對象的形狀需要與機械手相匹配，且抓取對象重力需小于卸料拉力。
3.勾托式手部：
勾托式手部并不靠夾緊力來夾持物體，而是利用物體本身的重量和水平方向的手指產(chǎn)生的支持力來勾住或拖住物體來實現(xiàn)夾持的。由于勾托式手爪主要是靠手指的支持力來夾持物體的，因此不需要較大的夾緊力，所以對夾緊驅(qū)動裝置的驅(qū)動力要求較小。
1.3 方案對比分析和確定
“機械手爪是無人機夾持物體的最終執(zhí)行機構(gòu)，對提高機器人完成任務(wù)的效率和改進工作水平起到關(guān)鍵性的作用。夾持和操控的靈活性、精確性和適應(yīng)性是衡量機械手爪設(shè)計水平的一個重要標志。[5]”常用的工業(yè)機器人的手部多為結(jié)構(gòu)簡單的夾鉗式、托持式、彈性式等型式，其結(jié)構(gòu)和夾持對象的工作原理決定了其夾持功能的局限性。近年來隨著工業(yè)機器人的快速發(fā)展，工業(yè)機器人的手部結(jié)構(gòu)也越來越多元化，從單一的功能慢慢演變成具有擬人化的多指機械手。與夾鉗式機械爪相比，具有擬人化的機械手結(jié)構(gòu)形式和控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，但其手指更加靈活，更能適應(yīng)于不同形狀物體的抓取，其抓握更加穩(wěn)定可靠。
1.3.1方案一：單電機驅(qū)動二指平動手爪
“蘇子昊等人研發(fā)了一種步進電機驅(qū)動的多連桿機構(gòu)二指平動機械手爪，一種用于小型多自由度關(guān)節(jié)型機器人的機械手爪, 它采用二指平動的手爪設(shè)計方案。 以機構(gòu)為基礎(chǔ), 用電機驅(qū)動, 實現(xiàn)了機械手爪開合、擺動、 手腕轉(zhuǎn)動一體化的手部運。[7]”該機械手采用 圖1-2 二指平動機械手原理圖
步進電機驅(qū)動, 轉(zhuǎn)動位置精度高, 動作響應(yīng)速度快。 該機械手爪尺寸參數(shù)適中，方便更換和攜帶、 結(jié)構(gòu)緊湊體積小、 制造成本低, 可用于教學(xué)型機器人和科研機器人。手夾持物體時以物體為中心, 用手指末端夾持物體。 該機械手爪的工作方式有捏、拿、夾、握等，通過機械爪表面與夾持物表面的摩擦力來夾持物體。該機械爪,屬于夾持式手爪, 手指通過絲杠螺母帶動第一動力桿，動力桿將動作傳遞給平行四邊形機構(gòu)，保證手指末端實現(xiàn)平行移動。機械臂處于工作狀態(tài)時, 分別由機械臂上的各個關(guān)節(jié)調(diào)整好位姿，然后逐漸靠近待夾持物, 最后由手腕調(diào)節(jié)幾下抓與被夾持物的夾持方向，機械爪張開并夾持待夾持物體, 每個手指末端配有壓力傳感器，可根據(jù)手指的受力情況和待夾持物的表面硬度、剛度調(diào)節(jié)機械爪手指的夾緊力，防止待夾持物因受力過大發(fā)聲變形和損壞。
1.3.2方案二：單電機驅(qū)動多指關(guān)節(jié)機械手爪
羅志增，顧培民研究了一種步進電機驅(qū)動的多指關(guān)節(jié)機械手，為了使機械手靈活、可靠地抓取物體，設(shè)計了一種新型結(jié)構(gòu)的單電機驅(qū)動 4 指 12 關(guān)節(jié)機械手爪。如右圖，電機轉(zhuǎn)動，滾珠螺母移動，同時帶動與其連接的十字連桿，其端部分別與四根手指的第一指節(jié)連接；第一指節(jié)的動力桿AB繞B點轉(zhuǎn)動，同時C點繞B點轉(zhuǎn)動；這是C點推動帶有圓弧槽的第二指節(jié)，由于O點在圓弧槽內(nèi)滑動時產(chǎn)生支反力，通過計算圓弧槽 圖1-3 多指關(guān)節(jié)機械手原理圖
的參數(shù)，可使第三指節(jié)勻速運動。與第一指
節(jié)和第二指節(jié)連接的平行四邊形機構(gòu)使第三指節(jié)在水平方向移動。“該新型的單電機驅(qū)動手爪設(shè)計方案表現(xiàn)出了機械手控制簡單、抓握可靠的優(yōu)點和優(yōu)勢。[6]”
1.3.3方案分析
機械手爪的結(jié)構(gòu)一般根據(jù)實際使用情況來設(shè)計，當被夾持象確定時，手爪的夾持方式也基本確定了。手爪自由度數(shù)越多，手指的靈活性約高，其夾持對象的通用性也更強，但控制也會變得復(fù)雜、制造成本和控制系統(tǒng)硬件成本也會隨著其復(fù)雜度變高。
方案一：蘇子昊等人研究的步進電機驅(qū)動的多連桿機構(gòu)二指平動機械手爪，結(jié)構(gòu)簡單，但手指的夾緊速度與電機轉(zhuǎn)速并非線性比例關(guān)系[6]，在非勻速夾持的時候，對夾持物體產(chǎn)生沖擊，同時對無人機的飛行狀態(tài)產(chǎn)生較大的慣性力影響，無人機需要進行較大的姿態(tài)調(diào)整，造成無人機續(xù)航時間下降。且手指只能進行相對平移動作，動作單一，在夾持不同形狀的物體時，需要更換不同形狀的手指，工作適應(yīng)范圍較小，難以實現(xiàn)一手多用。
方案二：羅志增，顧培民研究的步進電機驅(qū)動的多指關(guān)節(jié)機械手結(jié)構(gòu)較前者復(fù)雜，但手指的夾緊速度與電機轉(zhuǎn)速呈線性比例關(guān)系，其特點是第三指節(jié)能平行張開合攏，且在電機勻速轉(zhuǎn)動時能保證手指末端勻速平動，以避免手指移動速度不均對夾持物體的沖擊，對無人機的飛行狀態(tài)影響較小，相比前者，能獲得較多的續(xù)航時間。該機械手具有3個指節(jié)，其中第二指節(jié)呈V型并攏，能夠?qū)A柱體實現(xiàn)抓取，而第三指節(jié)呈相對平動，實現(xiàn)對方形物體的抓取，在第3指節(jié)裝配一對吸盤，吸盤的弧面能夠抓取球體，吸盤具有一定的容腔，能夠抓取泥沙，其密封性能夠抓取液體，吸盤的柔性變形還能適應(yīng)形狀不規(guī)則的物體，實現(xiàn)一手多用的功能。
本文針對外形為中心對稱、形狀不規(guī)則的待夾持物體和液體，設(shè)計一種單電機驅(qū)動的機械手爪，其特點是第三指節(jié)能平行張開合攏，且在電機勻速轉(zhuǎn)動時能保持第三指節(jié)勻速平動。方案一結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，手爪動作單一，機械爪的動作沖擊對無人機的續(xù)航時間影響較大。方案二結(jié)構(gòu)較前者復(fù)雜，成本較高，但是手爪動作比前者多了V形并攏的動作，手爪的功能較為豐富，可實現(xiàn)一手多用，且手爪動作沖擊較小，對無人機的續(xù)航時間影響較小。根據(jù)性能>成本>續(xù)航的關(guān)系，確定以方案二為模板進行改良設(shè)計。
2 機械爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 機械爪的結(jié)構(gòu)分析
本文的設(shè)計參考了羅志增，顧培民研究了一種步進電機驅(qū)動的多指關(guān)節(jié)機械手的方案，本文采用單電機驅(qū)動2指對稱的結(jié)構(gòu)，單根手指由3個指節(jié)通過螺栓連接，整個手爪由2根固定在支架上的手指組成。第三指節(jié)是與被夾持物體相接觸的元件，機械手爪夾緊和張開時能保持相對平行移動。每個手指各關(guān)節(jié)之間力的依靠各個指節(jié)的杠桿力傳遞。每根手指的第一指節(jié)和第二指節(jié)外側(cè)分別連接一根平行連桿，形成2個平行四邊形，平行四邊形在擺動時，其末端是水平運動的，第三指節(jié)的水平運動保證了其抓取方形物體的功能。第 3 指節(jié)就是指尖，通過
a張開狀態(tài) b中位狀態(tài) c夾緊狀態(tài)
圖2-1 單電機驅(qū)動多指關(guān)節(jié)機械手原理圖
平動實現(xiàn)對物體的夾持。該手爪的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2- 1所示。該手爪由減速電機、支架連桿、拉桿支架、第一指節(jié)、第二指節(jié)及圓弧滑槽和指尖等組成，其中第1、第2指節(jié)與一個平行四邊形的連桿連接，以確保指尖在手爪張開合攏時能夠平移運動。手爪的工作過程如下：
直流減速電機驅(qū)動絲桿轉(zhuǎn)動，絲杠轉(zhuǎn)動滾珠螺母平平，滾珠螺母與拉桿支架連接。當直流減速電機正反轉(zhuǎn)時，可使絲杠帶動的拉桿支架沿絲杠軸線上、下平動，并帶動2個手指的第一指節(jié)進行開合運動。第一指節(jié)將動力傳遞給第二指節(jié)，第二指節(jié)的C點向手爪中心運動，第二指節(jié)的圓弧滑槽段隨C點向手爪中心運動，但由于圓弧滑槽受到O點的支反力，其受力點與C點間的力臂是變化的?；郾辉O(shè)計成圓弧槽，相當于封閉的凸輪，通過計算圓弧槽的參數(shù)數(shù)，使直流減速電機勻速轉(zhuǎn)動時，第三指節(jié)在上平方向的運動也是勻速的。手爪座開合運動時，第二指節(jié)的圓弧槽繞著指點滑動和轉(zhuǎn)動。因為圓弧槽的形狀尺寸參數(shù)決定了第二指節(jié)的運動參數(shù)，因此圓弧槽的尺寸計算尤為重要。當?shù)谝坏诙腹?jié)在驅(qū)動力下轉(zhuǎn)動時，同時帶動與第一第二指節(jié)連接的平行連桿機構(gòu)，使第三指節(jié)沿著水平方向勻速運動。
2.2 機械爪的尺寸參數(shù)分析
（a）中位關(guān)系圖 （ b）夾緊關(guān)系圖
圖2-2 桿的連接關(guān)系圖
在設(shè)計中，首選確定待抓取物的最大尺寸，然后在進行機構(gòu)尺寸設(shè)計；其次，根據(jù)確定的傳動機構(gòu)進行運動學(xué)分析；最后通過運動關(guān)系推導(dǎo)計算各個結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)，然后建立三維模型，裝配后觀察其運動方式是否符合設(shè)計要求。
如圖2-2所示，其中圖2-2（a) 是手爪運動到中位的關(guān)系原理圖，圖2-2(b)是最小夾緊位置。分析電機轉(zhuǎn)速與第三指節(jié)平動速度的關(guān)系，設(shè)電機轉(zhuǎn)速為n r/min，絲杠導(dǎo)程為 δmm，則拉桿支架的移動速度為：
（2-1）
式中，單位是 mm/s。
絲杠螺母帶動拉桿支架，使第指節(jié)的A點繞固定支點 B 轉(zhuǎn)動， A 點運動的垂直方向距離與拉桿支架的移動距離相等。如果初始狀態(tài) A、B 在同一水平上，桿AB的水平夾角θ = 0，經(jīng)過t時間點A在豎直方向的移動距離 h = t。由于A在水平方向的移動距離非常小，計算時忽略點A的擺動距離，那么桿AB的角速度約為：
（2-2）
式中， 是第一指節(jié) AB 的長度，單位為 mm， 的單位是 rad/s．t 時刻第 1 動力桿 AB 的水平夾角：
（2-3）
如圖2-2，取第一指節(jié)上BC長度是20mm，且BC與BA的連接夾角為90度，第二指節(jié)直線段CD的長度是35，圓弧滑槽 CE上的支點O相對于 B 點的坐標是 (a,b)， x0Cy0 是固定在第指節(jié)上的坐標，那么，滑槽上的支點 O 離 x0Cy0 坐標原點 C 的長度 e 為：
（2-4）
如果被控手爪指尖的水平方向夾緊速度是 mm/s， t 時刻水平方向移動了 w = t，第2 動力桿轉(zhuǎn)角為：
（2-5）
在圖 3(b) 中， CD 與 e的夾角為OC的水平夾角與第二指節(jié)轉(zhuǎn)過的角度和第 2 之差，即：
（2-6）
式 (2-4)、 (2-6) 構(gòu)成了第 2 動力桿滑槽曲線的極坐標方程．
2.2.1滑槽參數(shù)計算
與平行四邊形機構(gòu)為背包連桿的電動機械手爪 ，在電機勻速轉(zhuǎn)動的情況下，其指尖夾緊或張開的速度是變化的，在平行四邊形機構(gòu)成直角時速度最大，大于或小于 90? 時速度減小[6]。所以，當手爪張開角度不同時，對應(yīng)的指節(jié)末端瞬時速度也不同。這樣，即使能夠通過改變電機轉(zhuǎn)速來使指節(jié)末端保持勻速運動，但這會使控制系統(tǒng)更加復(fù)雜，控制難度也相應(yīng)增加。本文設(shè)計的機械手爪最大的優(yōu)點是通過第二指節(jié)的圓弧滑槽來修正補償輸入速度與輸出速度的不對應(yīng)的關(guān)系。使電機勻速轉(zhuǎn)動的同時，第三指節(jié)的運動也是勻速的。
通過帶入各個指節(jié)的尺寸參數(shù)，并約束輸入速度與輸出速度的關(guān)系來計算圓弧滑槽的尺寸參數(shù)，取= 20， = 40， = 35，圓弧滑槽上的支點 O 相對于 B 點的坐標是，a= 19， b= 21，單位為mm，手爪抓取物體的尺寸范圍徑為0～ 110mm。該手爪為是 2指對稱結(jié)構(gòu)，所以取單根手指進行分析計算，那么單根手指的運動行程為55。取機械手的初始狀態(tài)為手爪中位，取中位狀態(tài)第三指節(jié)距離中心長度為34mm，最大張開狀態(tài)到中位狀態(tài)的行程為21mm，第三指節(jié)的運動行程 w 在 [?21,34] 內(nèi)變化。對單邊運動進行分析，設(shè) h 在 0 ～ 6 變化， w 在 0 ～ 34 變化，第一指節(jié)動力桿水平夾角 θ 在 0 ～ 18? 之間變化，通過公式(2-4)、 (2-6)計算得得表 2-1 所示手爪運動各點與對應(yīng)的圓弧滑槽曲線極坐標參數(shù)。根據(jù)e-參數(shù)表，配合槽寬進行計算，即可計算出圓弧滑槽的各項尺寸參數(shù)。
表2-1 手爪與滑槽對應(yīng)坐標關(guān)系
序號
h/mm
/
w/mm
e/mm
/
1
0
0
0
26.870
45
2
0.9
2.605
5
25.586
42.53
3
1.8
5.216
10
24.306
40.32
4
2.7
7.837
15
23.031
38.15
5
3.6
10.476
20
21.763
36.07
6
4.5
13.137
25
20.506
34.07
7
5.4
15.827
30
19.265
32.11
8
6.18
18.004
34
18.288
30.54
圖2-3 5：e-極坐標圖
根據(jù)e-極坐標圖，作一條經(jīng)過e端點的圓弧，得圓弧圓心相對B點的坐標為（-0.68,19.71），圓弧半徑為19.72mm。
2.3 機械爪的受力分析
圖2-4 單電機驅(qū)動多指關(guān)節(jié)機械手受力分析圖
電機帶動絲桿轉(zhuǎn)動，支架連桿在絲桿的轉(zhuǎn)動時向下運動，對A點產(chǎn)生一個豎直的力F，迫使連桿ABC繞B點轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)矩，然后通過C點將對桿OCD產(chǎn)生一個垂直與BC的力,。如圖2-4，在O點形成
支反力的2個分力和，其中與e垂直，與e平行，和兩個力的夾角等于90-，其中為e與力的夾角。
桿BC和桿CD的轉(zhuǎn)角差為：
（2-7）
則為：
（2-8）
則為：
(2-9)
綜合公式（2-5）（2-6）（2-7）（2-8）（2-9）得：
（2-10）
式中與h成正比，，設(shè)，根據(jù)表一求得
則：
（2-11）
將公式（2-11）帶入公式（2-10）得：
（2-12）
設(shè)F=1N將表一參數(shù)帶入上式計算得表二:
表2-2 與的關(guān)系
序號
/
/
/
/
/
/N
/N
1
0
45
0
45
0
0.354
0.500
2
2.605
42.53
5.22
45.145
2.615
0.354
0.499
3
5.216
40.32
10.47
45.574
5.254
0.356
0.498
4
7.837
38.15
15.83
46.143
7.993
0.358
0.496
5
10.476
36.07
21.32
46.914
10.844
0.359
0.492
6
13.137
34.07
27.04
47.973
13.903
0.362
0.487
7
15.827
32.11
33.06
49.343
17.233
0.365
0.481
8
18.004
30.54
38.18
50.716
20.176
0.368
0.476
確定了的參數(shù)之后，和的水平分力很快就能計算出來。
（2-13）
（2-14）
根據(jù)公式（2-12）（2-13）表一和表二計算和得表三各參數(shù)如下:
表2-3 桿的受力參數(shù)
序號
F
1
1
0.500
0.354
0.292
0.292
2
1
0.499
0.354
0.259
0.258
3
1
0.498
0.356
0.247
0.243
4
1
0.496
0.358
0.223
0.224
5
1
0.492
0.359
0.21
0.196
6
1
0.487
0.362
0.212
0.189
7
1
0.481
0.365
0.201
0.168
8
1
0.476
0.368
0.192
0.151
9
1
0.484
0.348
0.338
0.305
表2-3序號9為機械爪最大張開時的受力分析數(shù)據(jù)，由表3可知，機械爪從最大張開到完全夾緊，第二指節(jié)末端的水平夾緊力逐漸減小，從0.305N到0.151N。由數(shù)據(jù)可知，該機械爪在夾持小件易碎的物體時，能夠保護夾持物體，不至于夾持物因為夾緊力變大而破碎，但是在夾持小件重物時可能會導(dǎo)致物體因夾緊力不夠而脫落。
2.3.1指節(jié)末端吸盤的受力分析
吸盤的受力分析如圖2-5，圖中為機械爪的夾緊力為吸盤的的吸附力，N為物體的重力。取N為5N，取吸盤直徑25mm，取大氣壓強為101300Pa1取吸盤摩擦系數(shù)為0.5~1.5，取吸盤的安全系數(shù)S=8取最小0.5，則為
（2-15）
為：
(2-16)
式中為吸盤的彈性力，取=1N，則 = 4.8N。 圖2-5 吸盤受力分析圖
通過上面計算可知，在夾持較為光滑的平面物體時，至少為4.8N，則當夾持500g的物體時，機械爪處于最小夾緊狀態(tài)，取夾緊安全系數(shù)=2時，螺母的輸入力至少為為64N。
3 機械爪夾緊驅(qū)動機構(gòu)的選型
3.1 滾珠絲杠螺母副的選型
3.1.1滾珠絲杠副的型號參數(shù)
目前大多數(shù)的標準滾珠絲桿螺母都為金屬材質(zhì)，其最小型號的絲桿螺母的動載荷可達到500N，遠超在本設(shè)計中所需的載荷，本文將采用TBI公司生產(chǎn)的微型滾珠絲杠。
表3-1 滾珠絲杠副基本參數(shù)表
型號
d
I
Da
D
A
B
L
W
H
X
n
Ca
Coa
K
SFK00401
4
1
0.8
10
20
3
12
15
14
2.9
2
40
51
2.8
表4中Ca（動載荷）、Coa（靜載荷）的單位為Kgf，n為滾珠圈數(shù)，K為強度，Da為珠徑，I為導(dǎo)程，其余參數(shù)單位為mm。
圖3-1 滾珠絲杠參數(shù)對照圖
3.1.2滾珠絲杠副的質(zhì)量估算
h的長度為11mm，螺母的長度L為12mm，則絲杠的長度為23mm，直徑為23mm，取絲杠和螺母的謎底。
絲杠的質(zhì)量為：
（3-1）
螺母的質(zhì)量約為：
（3-2）
計算得=0.002157Kg=2.157g，=0.011682Kg=11.682g。
總質(zhì)量m=13.839g。
3.2 電機扭矩和轉(zhuǎn)速的計算
3.2.1電機扭矩的計算
已知當機械爪在最小夾緊狀態(tài)夾持500g的物體時，支架連桿需要輸入32N的力，則滾珠絲杠的軸向力=32N，因為摩擦力遠小于，忽略不計。滾珠絲杠的輸入力矩為：
（3-3）
式中：
I：為絲杠螺距
：為絲桿的傳動效率取0.94
計算得=1.08Ncm
即電機輸出最大轉(zhuǎn)矩為1.08Ncm。
3.2.2電機轉(zhuǎn)速的計算
機械爪的最大開合長度為110mm，單邊最大張開長度為55mm，設(shè)機械爪的最大開合速度=20mm/s，則支架連桿的移動速度為：
（3-4）
求得=3.64mm/s。
支架連桿的速度等于滾珠螺母的速度，根據(jù)公式（2-1）計算得電機轉(zhuǎn)速為218r/min。
3.3 驅(qū)動電機的選型
3.3.1驅(qū)動電機的對比分析
“常用的微型驅(qū)動電機有直流電機、舵機、步進電機，其中直流電機是機器人平臺的標準電機，有著極寬的功率調(diào)節(jié)范圍，適用性好，具有很高的性價比，是一種最為通用的電機。[7]”舵機主要由一個直流電機、一個內(nèi)置減速器和一個內(nèi)置的位置反饋器組成，舵機通常無法連續(xù)轉(zhuǎn)動，一般用于一些行程較短、需要扭矩中等的機構(gòu)。步進電機本質(zhì)上是一種無刷電機，被設(shè)計用來精確運動，步進電機的轉(zhuǎn)速相對較低，一般為50—100r/min。在同等功率下，步進電機相比直流電機和舵機重量要重的多，步進電機的轉(zhuǎn)矩通常也不是十分強勁，一般用于低轉(zhuǎn)速、低扭矩和高精度的機構(gòu)上。
根據(jù)表4進行分析，因為舵機無法連續(xù)轉(zhuǎn)動，不考慮選用。分別從成本，扭矩，重量來對比分析步進電機和直流電機。其中直流電機價格價格較貴，扭矩和功率自重比較步進電機大，因為機械爪用于無人機上，因此選用功率自重比較好的直流電機，同等功率的直流電機重量比步進電機小，選用直流電機，無人機的續(xù)航將得到保證。
表3-2 電機類型的對比
電機類型
優(yōu)點
缺點
應(yīng)用場合
直流電機
1.型號多
2.功率大
3.接口簡單
4.適合適合大型機器人
1.需要齒輪減速器
2.電流較大
3.較難裝配
4.控制復(fù)雜
5.成本高
需要較大扭矩的機構(gòu)
舵機
1. 內(nèi)部帶減速器
2. 型號多
3. 速度適中
4. 成本低功率適合
5. 易于安裝
6. 接口簡單
7. 功率中等
1. 負載能力較低
2. 速度調(diào)節(jié)范圍較小
3. 無法連續(xù)轉(zhuǎn)動
不需要連續(xù)轉(zhuǎn)動，行程較短的機構(gòu)
步進電機
1. 精確的速度控制
2. 型號多
3. 接口簡單
4. 成本低
1. 功率與自重比小
2. 電流較大
3. 安裝困難
4. 負載能力低
5. 功率小
6. 控制復(fù)雜
需要精確運動，扭矩較小的機構(gòu)
3.3.2確定驅(qū)動電機型號
根據(jù)計算得電機的轉(zhuǎn)速為200r/min，最大轉(zhuǎn)矩為1.25Kgcm。選用深圳市金順來特電機有限公司生產(chǎn)的JGA20-130微型直流減速馬達。其參數(shù)如下：
圖3-2 直流電機尺寸參數(shù)對照圖
表3-3 直流電機參數(shù)表
電壓/v
空載
負載轉(zhuǎn)矩
堵轉(zhuǎn)矩
L
減速器
重量
范圍
額定
轉(zhuǎn)速
電流
轉(zhuǎn)速
電流
扭矩
功率
扭矩
電流
尺寸
減速比
3~9
6
288
60
211
200
0.25
1.1
1.25
930
16
25
80
表中扭矩單位為Kgcm，轉(zhuǎn)速單位為r/min，電流單位為mA，尺寸單位為mm，重量單位為g，功率單位為W。
3.4 絲杠電機連接結(jié)構(gòu)的方式
滾珠絲杠內(nèi)徑d為3mm，直流電機軸徑為4mm，因此選用內(nèi)徑為4mm，的鋁合金聯(lián)軸器，其適用型號有凌正自動化公司生產(chǎn)的Z1016-03-04聯(lián)軸器，其具體參數(shù)如下：
圖3-3 聯(lián)軸器尺寸參數(shù)對照表
表3-5 聯(lián)軸器技術(shù)參數(shù)表
型號
額定扭矩
最大扭矩
最高轉(zhuǎn)速
慣性力矩
表面處理
重量
LZ1014-03-04
0.3
0.6
22000
陽
13
表中扭矩單位為Nm，轉(zhuǎn)速單位為r/min，慣性力矩單位為，重量單位為g。
3.5 驅(qū)動機構(gòu)的校核
由于所選電機參數(shù)與初選計算參數(shù)有一定的誤差，通過本小節(jié)的計算，將修正機械爪各個運動參數(shù)的實際數(shù)值，其中包括夾持力、開合速度、夾持物質(zhì)量范圍。
已知電機空載轉(zhuǎn)速為288r/min，則機械爪的開合速度為：
（3-5）
式中：
n：為空載轉(zhuǎn)速
：為導(dǎo)程
q：為w/h
計算得機械爪最大開合速度為26.4mm/s。
已知電機堵轉(zhuǎn)矩（啟動轉(zhuǎn)矩）為1.25Kgcm，則螺母的輸出力F為：
(3-6)
式中：
：為導(dǎo)程
：為絲杠的傳動效率=0.94
機算得螺母的輸出力F=70.38N
通過公式（2-12）（2-13）（2-14）計算得機械爪的最小夾緊力=10.11N，機械爪最大夾緊力=20.25N。
通通過公式（2-15）（2-16）計算的機械爪最大張開夾緊重量為963g。
所以機械爪實際開合速度為26.4mm/s，最小夾緊力=10.11N，最大夾緊力=20.25N。
4 機械爪的材料選型和強度計算
4.1 機械爪的材料選型
可用于機械爪的材料有鋁合金和塑料，兩種材料的密度都比較小，滿足于無人機對重量的要求。鋁合金的強度和剛性都強于塑料，但韌性比塑料差，塑料機械爪的韌性可以減少機械爪的震動沖擊，這是鋁合金所沒有的。2種材料的加工性能好，但是鋁合金造價更貴，機械爪的最大負載為500g，使用造價更便宜的塑料材質(zhì)機械爪便可滿足使用要求。因此，機械爪主要采用塑料材質(zhì)，部分承受載荷較大的零件采用鋁合金制造，這樣便能在滿足功能的情況下，減少機械爪的制造成本。
用于機械結(jié)構(gòu)的常用塑料有聚碳酸酯（PC）、聚甲醛（POM）、聚丙烯（PP）和尼龍（PA）。其中PC塑料主要用于制造齒輪、齒條、傳動件、機殼等。POM塑料主要用于制造減摩零件、傳動件、管件、骨架和外殼等。PP塑料主要用于制造機械零件、耐腐蝕零件、絕緣件等。尼龍塑料主要用于制造減摩耐磨零件。傳動零件和化工電器儀表零件。常用塑料的性能如下表：
表4-1 常用塑料性能
代號
名稱
性能
PC
聚碳酸酯
“沖擊強度高，彈性模量高，尺寸穩(wěn)定性好。耐熱性比尼龍，聚甲醛高，抗蠕變和絕緣性能良好，耐蝕性，但耐磨性能不足，自潤性差，不耐堿，酮，胺，芳香烴，有應(yīng)力開裂傾向，高溫易水解，與其他樹脂相溶性差，耐疲勞強度底較易產(chǎn)生應(yīng)力開裂。[8]”
POM
聚甲醛
有良好的機械性能，尤其是彈性模量很高，剛性和表面硬度都很高，其他塑料所不能比擬的。沖擊強度及耐疲勞強度都十分突出，為所有塑料之冠。具有卓越的耐磨性和自潤滑性，僅次于尼龍。耐有機溶劑。
PP
聚丙烯
“密度小，強度、鋼度、耐熱性好，可在100度左右使用，具有優(yōu)良的耐腐性，良好的高頻絕緣性，不受濕度影響，表面硬度和耐熱性較好，但成型收縮率大，低溫易變脆，不耐磨。易老化。[8]”
PA
尼龍
堅硬、耐磨、耐疲勞、耐油、耐水、結(jié)晶性能很高，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，剛度尚遜于金屬，但強度高于金屬，可代替金屬使用，沖擊強度良好[8]，但熱穩(wěn)定性差，制品一般只能在80-100度下使用。PA6彈性好，沖擊強度高，吸水性較大。PA66強度高，耐磨性好。PA610與PA66相似，但吸水和剛性都較小。PA1010半透明，吸水性小，耐寒性能好。
四種工程塑料中，POM和PA和力學(xué)性能最好，耐磨性和自潤性高，用于機械爪的連桿機構(gòu)可減小指節(jié)之間的摩擦力。PA的吸水性較高，容易吸水而導(dǎo)致零件尺寸變化，但機械爪零部件較小，吸水導(dǎo)致尺寸變化在可接受范圍內(nèi)。POM的吸水性很小，幾乎可以忽略不計。PA的比重為1.15，小于POM的1.43。由于PA的熔點較高，所以PA的制造成本和材料成本都高于POM塑料。在使用壽命上，因為POM塑料熱氧化性較低，易于氧化，因此壽命比PA塑料低。綜合兩種材料在強度、比重、成本、壽命上的優(yōu)缺點，本文選用PA塑料最為機械爪的材料。其中PA66尼龍塑料的力學(xué)性能參數(shù)如下：
表4-2 PA66塑料力學(xué)性能參數(shù)
抗拉強度MPa
75.45~83.3
剪切強度MPa
25.15~27.77
屈服強度MPa
54.88
壓縮強度MPa
103.88
彎曲強度MPa
177.6
彎曲模量GPa
2.98
密度g/
1.13
4.2 機械爪主要零件的強度校核
由表2-3可知，當機械爪處于最大張開狀態(tài)夾持500g的物體時，各個指節(jié)的受力達到最大值，因此，機械爪強度滿足最大張開狀態(tài)的工作條件，即可滿足所有工作狀態(tài)的強度要求。
（1）第一指節(jié)的強度校核
如右圖，F(xiàn)為滾珠螺母輸入的力F最大值為70.38N，桿ABC結(jié)構(gòu)如圖4-2，A孔受到一個擠壓應(yīng)力，取A結(jié)構(gòu)的孔徑d=3mm，外圓直徑D=8mm，孔的壁厚為1.25mm，將表4-2
中的參數(shù)帶入公式（4-1）計算 圖4-1 機械手最大張開狀態(tài)受力圖
得=36.18MPa小于許用應(yīng)力75.45MPa。
孔的擠壓應(yīng)力公式：
（4-1）
式中：
：為許用應(yīng)力；
L：A結(jié)構(gòu)的兩側(cè)壁厚和；
S：安全系數(shù)取4；
d：孔徑；
孔的剪切應(yīng)力公式：
（4-2）
式中： 圖4-2 第一指節(jié)結(jié)構(gòu)圖
：為許用剪切應(yīng)力；
L：A結(jié)構(gòu)的兩側(cè)壁厚和；
S：安全系數(shù)取4；
D：外圓直徑；
計算得=13.63MPa小于許用切應(yīng)力25.15，因 此孔A滿足強度要求。
（2）第二指節(jié)的強度校核
孔B則受到一個向上的支反力，因為孔B的壁厚大于孔A，因此，孔B的強度也能夠滿足要求?？證受到的支反力為>F，孔C的壁厚和為6mm，大于孔B的壁厚，因此孔C的強度也滿足要求 。
O點的位置是圓弧槽的末端，桿OCD的結(jié)構(gòu)如右圖4-2，整個結(jié)構(gòu)中圓弧槽的強度最小，槽寬為3mm，槽外寬度為8mm，槽壁所受到的力=24.49N。
根據(jù)公式（4-3）計算得擠壓應(yīng)力=4.16MPa，小于許用應(yīng)力75.45MPa。
（4-3）
同時圓弧槽還受到剪切應(yīng)力，根據(jù)公式（4-4）計算 圖4-2 第二指節(jié)結(jié)構(gòu)圖
得圓弧槽的剪切應(yīng)力=3.27MPa小于許用切應(yīng)力25.15。
（4-4）
式中：
A：圓弧槽的最小截面積
圖4-2中的D孔受到重物的重力N和垂直與桿的力，其合力=21.96N
根據(jù)公式（4-3）計算得擠壓應(yīng)力=1.24MPa，小于許用應(yīng)力75.45MPa。
根據(jù)公式（4-4）計算得剪切應(yīng)力=2.93MPa小于許用切應(yīng)力25.15。
所以該桿的強度滿足工作要求。
（3）拉桿支架強度校核
如圖4-3為拉桿結(jié)構(gòu)三維圖，拉桿是連接滾珠螺母和第一指節(jié)的結(jié)構(gòu)，在所有結(jié)構(gòu)中受力最大，當滾珠螺母輸入力F最大值為70.38N，拉桿的豎直方向受到一個剪切應(yīng)力，拉桿與A孔的連接 圖4-3 拉桿支架三維結(jié)構(gòu)圖
點受到一個擠壓應(yīng)力，將F=70.38N帶如公式（4-3）（4-4）計算得剪切應(yīng)力=18.768MPa小于許用切應(yīng)力25.15。擠壓應(yīng)力=11.95MPa，小于許用應(yīng)力75.45MPa。因此該桿的結(jié)構(gòu)強度滿足工作要求。
5 機械臂的設(shè)計
5.1 機械臂的設(shè)計方案
當機械爪在夾持物體時，機械爪為了能以最佳方位進行夾持，需要對其夾持方位進行調(diào)整。雖然無人機的滾轉(zhuǎn)運動和俯仰運動能夠改變機械爪的方位，但通過無人機進行調(diào)整機械爪夾持方位是非常困難的，因為無人機進行滾轉(zhuǎn)運動和俯仰運動時，無人機便無法實現(xiàn)懸停，因此機械爪的需要用機械臂對其夾持方位進行調(diào)整。本文的設(shè)計方案如圖5-1（機械爪上端），通過增加一個腕關(guān)節(jié)，舵機轉(zhuǎn)動直流電機機殼，使機械爪能夠前后擺動，而通過無人機的偏航運動使機械 圖5-1 機械臂三維結(jié)構(gòu)圖
爪繞中心軸旋轉(zhuǎn)，這樣不僅簡化了機械爪的機械結(jié)構(gòu)，還能實現(xiàn)兩個腕關(guān)節(jié)所能實現(xiàn)的功能。
5.2 機械爪的重量計算
機械爪材料密度為，通過Solidworks三維軟件計算得各個零件體積質(zhì)量如下表：
表5-1 機械爪塑料件體積質(zhì)量參數(shù)
名稱
數(shù)量
體積mm
質(zhì)量g
指節(jié)1
2
3090.33
3.49
指節(jié)2
2
3991.25
4.51
指節(jié)3
2
5232.16
5.91
平行連桿1
2
2612.44
2.61
平行連桿2
2
2852.75
3.22
連桿支架
1
12051.07
13.61
拉桿支架
1
1010.73
1.14
電機架
1
5345.56
6.04
機械臂1
1
12205.48
13.79
機械臂2
1
12238.28
13.82
圓弧槽支點
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