多功能抓取机械手臂的设计毕业设计北方民族大学学士学位论文论文题目:多功能抓取机械手臂的设计院(部)名称:化学与化学工程学院学生姓名:李易丽专业:过程装备与控制工程学号: 20091216 指导教师姓名:高阳论文提交时间: 2013-5-11 论文答辩时间: 2013-5-12 学位授予时间:北方民族大学教务处制摘要多功能机械手臂主要用于钥匙、手机、钱包、塑料瓶等物品落入马桶等狭小空间的夹取。
它集抓取物体、照明和图像采集的多重功能，能轻便，经济，高效实现掉落物体的抓取工作，特别适于直管道的掏取工作。
为了实现以上功能，本设计进行相应传动机构设计（螺纹传动），抓取机构设计计算（四杆机构），蓄电照明系统的设计，图像采集系统的设计等任务，完成三维建模及机构运动仿真，绘出多功能机械手臂的装配图，零部件图。
关键词：机械手臂；螺纹传动；四杆机构；蓄电照明；图像采集ABSTRACTMulti-function mechanical hand is mainly used to the clip the keys, cell phone, wallet, plastic bottle and other items falled into narrow space, such as the toilet. It can grab objects, light and get image acquisition and so on. It is economic, efficient to pick up the falling objects, especially for which fall into straight pipe.In order to achieve the above functions, need to design the corresponding transmission mechanism (screw drive), grasping mechanism (four bar linkage) , storage electric lighting system and image acquisition system ,complete the tasks such as the complete 3 d modeling and motion simulation, and draw multi-function mechanical arm assembly drawing, parts drawing.Keywords: Mechanical arm ；Transmission of the whorl；Four-bar mechanism；Storage electric lighting；Image acquisition目录第1章绪论 (2)1.1选题的目的和意义 (2)1.1.1 目的 (2)1.1.2 意义 (2)1.2本课题的任务要求和设计内容 (2)1.2.1任务要求 (2)1.2.2设计内容 (3)1.3 设计方案 (3)1.3.1设计参数 (3)1.3.2设计方案说明 (3)1.3.3结构简图及简单运动分析 (4)第2章机械设计 (6)2.1 夹持器的设计 (6)2.1.1计算自由度 (6)2.1.2机构设计 (6)2.1.3基本位置确定 (7)2.1.4机构的运动分析 (7)2.1.5受力分析 (8)2.1.6结构尺寸的确定 (11)2.1.7强度校核 (15)2.1.8连接用的销钉的选型和强度校核 (16)2.2 直管段的设计 (17)2.2.1选材 (17)2.2.2尺寸的确定 (17)2.3传动机构的设计 (19)2.3.1方案比较 (19)2.3.2传动机构设计 (21)2.3.3 机构的尺寸设计 (21)第4章电路的选型设计 (25)4.1照明系统的选型设计 (25)4.2图像采集系统的选型设计 (25)第5章辅助件的选型设计 (26)5.1爪子橡胶套 (26)5.2 手机固定夹 (26)5.3 牵引绳选择 (27)总结 (30)致谢 (31)参考文献 (32)第1章绪论1.1选题的目的和意义1.1.1 目的在生活中，我们常常会遇到这样的问题：手机、钥匙等掉落于厕所等狭小空间；窗台边掉落的衣服等，这时我们就希望有那么一个工具可以实现小空间、小物体的抓取功能。
本设计就以这个为目的，设计一台多功能抓取机械手臂。
实地调查学校的马桶、管道、狭小空间，确定有关设计参数。
同时配备相应的照明设备和图像采集设备，实现快速高效的抓取工作。
1.1.2 意义随着科技的发展，机器人技术和产品虽随着不断的发展，其也不再局限于传统的制造业和工业，而慢慢普及与生活。
机械手是机器人研究领域中的重要部分之一，对其进行研究与创新，能够促进机器人技术的发展和提高人们的生活质量和经济水平。
1.2本课题的任务要求和设计内容1.2.1任务要求实地调查学校的马桶、管道、狭小空间，设计一台多功能抓取机械手臂，其可以实现要是、手机、钱包、塑料瓶等物品的抓取功能。
同时配备相应的照明设备和图像采集设备，实现快速高效的抓去工作。
相应设计要进行传动机构设计计算、抓取机构设计计算、蓄电照明系统设计、图形采集系统的设计等任务，在此基础上完成机械手臂的三维建模及机构运动仿真，完成装配图和相应零部件图纸绘制工作。
1.2.2设计内容本设计主要内容包括传动装置设计计算，抓取机构设计计算，照明系统设计，图像采集系统设计等。
实现多功能抓取机械手臂的三维建模和机构运动仿真，在此基础上完成整机的优化设计。
1.3 设计方案1.3.1设计参数根据机械原理、机械设计、人机工程等原理，自行选取相应的设计参数进行设计产品.通过实地调查和抓取对象（手机、钥匙、钱包、塑料瓶等）的分析确定其设计参数为：最大工作长度：1200~1500mm；爪子最大张口：≤100mm；抓取重量：≤500g；电路要防水设计，机构选材要考虑腐蚀性；选用微型摄像头，选用Led灯照明，可进行选型设计；工作温度：5—40º；传动机构：螺纹传动机构。
1.3.2设计方案说明1)小型化：所要设计的机械手臂的抓取对象是手机、钥匙、水瓶等重量不是很重的对象，由此可以设计成小型的抓取手臂。
2)爪子结构：结构简单，粘贴摩擦粗糙面或者塑料套增大摩擦系数。
3)爪子的工作原理：利用螺纹机构，通过螺纹的移动牵引着绳子往上移动从而达到抓取的作用。
4)设计蓄电照明：由于工作空间，常常为暗道，故设计蓄电照明很有必要。
照明可以选择led灯，其亮度可以通过选择数量来实现，蓄电池提供能源，并要有一定的安装位置设计。
初步设计其安装于夹持器处。
5)设计图像采集系统：实现可视控制。
主要用于弯道处或不能清晰观察的狭缝的图像采集，并实现可视控制抓取。
6)辅助设计：目的是对各个机构的美学设计，及辅助零件的设计。
综上所述，本方案采用半自动化设计，既可以实现结构简单，又能可靠的实现抓取功能。
体现经济性和实用性。
1.3.3结构简图及简单运动分析多功能机械手臂总体设计主要分为抓爪（夹持器）、直段臂和传动机构三大部件设计及二个系统：图像采集电路系统、蓄电照明系统。
1、传动机构2、直段臂3、夹持器图1 多功能手臂机构简图1、爪子2、连杆3、支撑片4、滑块图2 夹持器的结构简图由图1、2可知，其主要工作原理是将多功能机械手臂放进管道——通过图像采集寻找到目标——调整抓取位置——旋转摇臂螺纹上升，夹取器夹紧，回复弹簧被压紧，同时螺纹自锁—-待移除完毕后，打开止回棘爪——夹取器受弹簧恢复力作用而松开——抓取完毕。
第2章机械设计2.1 夹持器的设计夹持器是机械手臂的核心部分，其自由度决定了动力的数量。
下面是夹持器的结构简图：图2-1 夹持器工作简图2.1.1计算自由度--=F (2-1)⨯npl=ph⨯2-1573=23故只用提供一个原动力就可以了实现抓取工作了。
2.1.2机构设计连杆机构的设计方法有解析法，几何作图法和实验法，而本设计采用较直观的几何作图法。
这是因为本设计是机械控制而非程序控制，故不要求过高精度，为了方便设计采用几何作图法。
注：几何作图法实现的个尺寸设计均由作图软件CAD辅助设计得出。
2.1.3基本位置确定由于蹲便器的排污口的尺寸一般为62-98mm，以及也要求在其它狭小空间，故要求夹持器的尺寸尽量小一些。
故设圆管的直径为25mm壁厚取1mm为了是结构设计得可靠、合理，还应考虑几何条件和动力条件等。
取口子最大的张口是100mm爪子张开时，其深度为100x0.618=61.8mm。
假设爪子张开时，爪子处于最大张角状态。
如下图2-2：图2-2爪子最大张角状态图取摆杆和连杆的铰接位置在摆杆的1/3处，测得摆杆长63.2mm，又测得铰接点到管轴的距离为24.6mm,取为25mm,保证最大的传动角同时避开死点。
测得摇杆摆角为48º，初始位置与水平位置夹角为127º，连杆与摆杆的夹角为43º，在夹紧极限位置时，该夹角为30º。
连杆铰接点的竖直行程为15.6mm。
2.1.4机构的运动分析该机构为曲柄滑块机构，利用瞬心法来分析摆杆、连杆、和滑块的速度,下面图2-3是机构运动简图（由于结构对称有可以分开运动，故只取一半作为研究对象并对其做一定的简化）：图2-3机构运动简图 此机构共有122)14(4=-⨯=K 个瞬心，由观察知P14、P12、P23、P34（曲柄滑块机构在无穷远处）为瞬心。
由三心定理知P24必然在P12、P14和P23、P34的交点处，同时也可以找出P13。
求得：2324223p p w v v p c == （2-2）121411224212p p w p p w v v p B === （2-3）1224121412/p p p p w w = （2-4）2.1.5受力分析（1）夹持器夹紧力计算夹紧力是设计夹持器的重要依据，故必须对其大小、方向、作用点进行分析和计算。
一般地，夹紧力必须克服工件本身的重力所产生的惯性力和惯性力矩来使工件保持稳定状态。
夹紧力计算公式：G K K K F N 321= （2-5） 1K ——安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定，一般取1.2~2.0，本设计取1K =1.5。
2K ——工件情况系数，主要惯性力影响，一般取1.1~2.5，本设计取2K =1.5。
3K ——方位系数，可根据手指与工件位置及工件的形状不同而进行选定，本设计采用二指夹持，夹指尖，使受力面积小有四个接处点，粗略估算并暂取3K =3。
G ——工件重量，本设计抓取对象重量最大为500g.故得：N G K K K F N 07.338.95.035.15.1321=⨯⨯⨯⨯== （2-6）取N F =34N.(2)驱动力的分析此处所说的驱动力是指爪子的牵引力。