机器人三自由度灵巧手爪设计_中期报告 (2)

河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告

毕业设计题目：反恐机器人三自由度灵巧手爪设计 专业：机械设计制造及其自动化

学生信息：姓名：王浩宇 学号：105509 班级：机设C105 指导教师信息：教师号 20014 姓名 丁承君 职称 教授 报告提交日期：

1.灵巧机械手总体方案的确定

机械手需要满足的动作要求为，以实现其具有开门、取物等相对灵巧的能力，手指开度不小于50mm，总体重量不超过2kg，要求抓取物体质量3kg。

方案一：

图1.1机械手结构方案一

方案二：

1

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图1.2机械手结构方案二

方案一与方案二比较：方案一中结构紧凑且运用动力种类单一，有更为广阔的应用型，

但是由于手爪需要抓取3kg的物体，如果在机械运动中超过一倍的加速度，电机将不能满足手爪的设计要求或是机械结构更为繁琐致使机械手超出预定的质量；方案二中机械结构更为简单，动力源有气缸与电机，机械对环境的要求比方案一要高，但是在实际的操作中方案二有较高的稳定性与安全性。 2.主要机构的详细设计

经过多方资料，与结构优缺点比较，因此选择方案二作为本次设计的方案。机械手由三部分组成，手指部分、翻转结构以及旋转结构，通过气缸推动齿轮轴带动手指的齿轮实现手指的张和，翻转结构电机经齿轮变速与固定在手腕的齿轮啮合，实现手部的翻转；电机带动行齿轮轴系实现手部的旋转。 2.1手指结构设计

灵巧机械手设计要求为整体重量不超过2kg，而且手指开度为50mm，因此手指的长度设计为80mm，考虑其工作状态，加速度为一倍重力加速度，因此在手指的选材上选择非金属材料，而且要求具有稳定的工作特性和防腐防老化的性能，综合各个方面要求选择聚丙烯材料，其密度低，工作特性稳定，且具有较高强度。

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图3.1手指 结构

30.91g/cm手指选材：聚丙烯pp，密度为，在-10---100摄氏度一下可稳定工作。

校核：

手指所承受的径向力F

F3kg(gg)32060N 3.1

重力g10Nm 已知条件：

手指总长 l = 0.08m 集中载荷 P = 60N 弹性模量 E = 5GPa 截面的轴惯性矩 I110m 纵向作用力 Q = 60 N 剪切面积 A0.810m

许用剪切应力 [τ] = 33MPa

4454 3

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材料弹性模量 E = 5GPa 波松比 μ = 1

计算结果：

悬臂梁一的危险截面B处的: 支座反力

Frb60N

反力矩

Mb4.8N 最大剪力

Qb60N

最大挠度

fa0.2048104m 最大转角

a0.384105

剪应力 τ = 0.75MPa

剪应变

0.264104m 0手指一端齿轮模数为1压力角20，齿轮宽12mm。[2]2.2气缸的选择。

由气缸所提供的力为

Fn

Fn2b/rF160/9.5601010N 3.2

安全系数K=1.2

FnFK10101.21212N 3.3

气缸选择

根据机械手质量的要求，尽量选择尺寸较小的气缸。 初定气压0.8mpa 气缸内径20mm

A1021063.14104mm2 3.4 FAP3.140.8106251.2N 3.5

选定气压1mpa 气缸内径25mm

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A25241064.91104mm2 3.6 FAP4.91104106491N 3.7

选取气压1mpa 气缸内径35mm

A40241256N 3.8

1256>1212

因此选用气缸CM2YG40-25

图3.2 CM2YG40-25 质量0.176kg

工作环境-10—60摄氏度

90气体压力1mp,用节流阀控制气缸前进速度，使手指达到每秒张开不大于。

2.3.1选择电动机容的量

电机分为直流电机与交流电机，根究反恐机器人的工作要求于各个国家的所用交流电之间的差异，因此选用直流电动机。直流电机，额定电流有12V、24v、42v等。

2.3．2确定电动机转速 翻转时力矩

TFgl30N0.060.18Nm 有效功率为

3.9

PwT0.181.08wn1.67 3.10

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手腕的翻转速度：

nw0.164r/s

η1 、η2、分别为轴承、齿轮传动传动效率。由《机械设计手册》表9.1取η1 =0.98，η2=0.97，则

滚珠轴承的的摩擦系数为u=0.0010—0.0015 直齿轮齿轮的机械效率 10.97 轴承的机械效率 20.98 从电动机到翻转轴输送总效率

120.980.970.95 3.11

所以电动机所需工作功率为

初选电机SM40-00130LFB，转速3000r/min,转矩0.1N·m，质量0.23kg。

PdPW1.18w 3.12

i3000nw30006013006 3.13

电机转速的选择因手抓的动作要求平缓，且转速不能过高，考虑齿轮减速比i<4因此电机的转速不宜过大因此手腕的转速控制在60度每秒左右，因此选用电机SM40-00130LFB需要做5级减速装置，这样会大大加大机械手的重量与机械复杂程度，因此此电机不符合设计要求。

2.4手腕旋转电机选择

选择电机GMP-2855TD720为转速13r/min，额定功率44w，转矩2N·m。

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图3.3电动机安装尺寸

L=25mm

i1360减速比

11.36 3.14

计算传动装置各轴的运动和动力参数 I轴 n113r/min II轴n210r/min 各轴的输入功率 I轴

p1pd1.18w

p2p1.180.951.12w 3.15

II轴

各轴的输入转矩

PTd9550d95501.18130.086Nmnw 3.16

T1Td0.086Nm

T2T10.0860.950.081Nm 3.17 轴名 功率P/w 转矩T/(N·m) 0.086 0.081 转速传动比 n/(r/min) 13 1.3 10 效率 0.95 I轴 1.18 II轴 1.12 表3.1轴的运动参数

电机选择GMP-2855TD720无刷直流电机，额定电流24v。

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质量0.12kg

工作环境-10—70摄氏度

2.4.1选择电动机容的量

按工作要求和工作条件选用无刷直流伺服电机，额定电流24v。 翻转时力矩

1 TFgl60N0.050.3Nm 3.18 有效功率为

PwT0.31.80wn0.167 3.19

式中，1、2分别为轴承、齿轮传动传动效率。由《机械设计手册》成大先版表9.1取10.98，20.97，则

滚珠轴承的的摩擦系数为u=0.0010—0.0015 轴承的机械效率 10.98 直齿轮齿轮的机械效率

20.97

从电动机到翻转轴输送总效率

120.980.970.95 3.20

所以电动机所需工作功率为

PdPW1.800.951.89w 3.21

2.4．2确定电动机转速

电机转速的选择因手抓的动作要求平缓，且转速不能过高，考虑齿轮减速比i<4因此电机的转速不宜过大因此手腕的转速控制在60度每秒左右，选用电机为转速13r/min，减速比i=1.3。

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图3.4电机安装尺寸

计算传动装置各轴的运动和动力参数 I轴 n113r/min II轴n210r/min 各轴的输入功率 I轴

p1pd1.89w

p2p1.890.951.80w 3.22

II轴

各轴的输入转矩

PTd9550d95501.89130.138Nmnw 3.23

T1Td0.138Nm

T2T10.1380.950.131Nm 3.24 轴名 功率P/w 转矩T/(N·m) 0.138 0.131 转速传动比 n/(r/min) 13 1.3 10 效率 0.95 I轴 1.89 II轴 1.80 表3.1轴的运动参数 电机选择GMP-2855TD720无刷直流电机，额定电流24v。 质量0.12kg

工作环境-10—70摄氏度

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直流无刷电机是用电子换向来代替传统的机械换向，性能可靠、永无磨损、故障率低，寿命比有刷电机提高了10-30倍。 外置驱动的直流无刷属静态电机，空载电流小；输出效率高；外置驱动的无刷电机可以做到体积很小。 内置驱动器的无刷电机，由于散热问题， 在电机运行一段时间后，就出现发热情况。

缺点：无霍尔的无刷电机在起动时有轻微振动，速度正常后就感觉不到振动现象了；空心杯结构的无刷电机价格高，控制器要求高；外置驱动器的无刷电机，使用不方便，需要外配控制器，在尺寸、成本方面不易控制 三．参考文献

【1】 成大先.机械设计手册.第1版.北京：化学工业出版社，2002 1-5卷

【3】 工业机器人技术 郭洪红主编：西安电子科技大学出版社 【3】机械原理 高中庸主编 华中科技大学出版社 【4】 材料力学 章梓茂主编 高等教育出版社 【5】 工业机器人的操作设计 马香峰 冶金工业出版 1996 【6】 工业机械手设计 李允文 机械工业出版社 1996 【7】 工业机械手设计基础 天津大学《工业机械手设计基础》编写组 1980 【8】 工业机械手图册 机械工业出版社 1978 【9】 机械手 作者（苏联）A.N.别洛夫 原子能出版社

【10】 机械设计手册（软件版）R2.0 数字化手册系列（软件版）编写委员会 机械工业

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