靈巧手指結(jié)構(gòu)設(shè)計-仿生類含ProE三維及13張CAD圖,靈巧,手指,結(jié)構(gòu)設(shè)計,仿生,ProE,三維,13,CAD 靈巧手指結(jié)構(gòu)Pro/E設(shè)計 摘 要 靈巧手作為一種特殊的末端執(zhí)行器機構(gòu)，本文對它在國內(nèi)外的現(xiàn)狀以及發(fā)展狀況進行了簡單的分析，同時對于它在國內(nèi)的發(fā)展前景進行了一定的描述。其中提及它的外形部分應(yīng)該更加仿人化，從人手的一些數(shù)據(jù)信息，在從機械設(shè)計方面對這些數(shù)據(jù)進行合理的改變，得出既符合機械設(shè)計又與人類手指接近的尺寸大小。再進行了手指自由度的分析計算，在不影響手指正?；顒拥暮侠矸秶鷥?nèi)對自由度進行一定程度的減少，這樣對設(shè)計會有很大的幫助，然后，就不同的驅(qū)動進行了系統(tǒng)回路的探究并對各個傳動系統(tǒng)的優(yōu)缺點進行分析， 本次設(shè)計首先，通過對靈巧手結(jié)構(gòu)及原理進行分析，在此分析基礎(chǔ)上提出了其設(shè)計方案電動驅(qū)動架構(gòu)方案；接著，對主要技術(shù)參數(shù)進行了計算選擇；然后，對各主要零部件進行了設(shè)計與校核；最后，通過AutoCAD制圖軟件繪制了機械手裝配圖及主要零部件圖，并采用Pro/E軟件建立了三維模型。 關(guān)鍵字：仿人；靈巧手，電動；三維設(shè)計 Abstract As a special end effector mechanism, dexterous hand is analyzed in this paper. At the same time, its development prospect in China is described. It is mentioned that the shape part of it should be more humanoid. From some data information of human hand, we can make reasonable changes to these data from the aspect of mechanical design, and get the size that not only conforms to the mechanical design but also is close to the human finger. After that, the degree of freedom of the fingers is analyzed and calculated, and the degree of freedom is reduced to a certain extent within a reasonable range without affecting the normal activities of the fingers, which will be of great help to the design. Then, the system loop is explored for different drives and the advantages and disadvantages of each transmission system are analyzed, In this design, firstly, through the analysis of the structure and principle of the dexterous hand, on the basis of this analysis, the design scheme of the electric drive architecture is put forward; secondly, the main technical parameters are calculated and selected; secondly, the main parts are designed and checked; finally, the assembly drawing and main parts drawing of the manipulator are drawn by AutoCAD drawing software, and Pro is used /The 3D model is built by E software. Keywords: Humanoid; dexterous hand, electric; 3D design 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒 論 1 1.1研究背景及意義 1 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)況 1 第2章 總體方案設(shè)計 3 2.1設(shè)計要求 3 2.2靈巧手功能分析 3 2.2.1仿人手分析 3 2.2.2自由度分析 3 2.3各類架構(gòu)方案分析 3 2.3.1液壓關(guān)節(jié)架構(gòu)方案 3 2.3.2氣動關(guān)節(jié)架構(gòu)方案 6 2.3.3電動關(guān)節(jié)架構(gòu)方案 6 2.3.4驅(qū)動方案的選擇 8 第3章 設(shè)計計算 10 3.1 電動機的選擇 10 3.1.1根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機型號 10 3.1.2啟動矩頻特性校核 11 3.2絲桿螺母副的選型與校核 12 3.2.1型號選擇 12 3.2.2校核計算 13 3.3齒輪傳動的設(shè)計 13 3.3.1齒輪尺寸計算 13 3.3.2 輪齒強度計算 14 3.4其他參數(shù)設(shè)計 16 第4章基于Pro/E的三維設(shè)計 17 4.1 Pro/E三維設(shè)計軟件簡介 17 4.2三維設(shè)計 17 4.2.1絲杠設(shè)計 17 4.2.2齒輪 17 4.2.3推桿、推桿筒體 18 4.2.4支座 18 4.2.5手指指節(jié)、指頭 19 4.2.6手掌前蓋、后蓋 19 4.2.7三維裝配 19 總 結(jié) 20 參考文獻 21 致 謝 22 IV 靈巧手指結(jié)構(gòu)Pro/E設(shè)計 第1章 緒 論 1.1研究背景及意義 機器人是近年來迅速發(fā)展起來的高新技術(shù)密集的機電一體化產(chǎn)品。目前，對多指靈巧手的智能抓持，位置協(xié)調(diào)控制的研究是機器人學(xué)研究的熱點之一。應(yīng)用仿人機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應(yīng)用仿人機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以仿人機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。應(yīng)用仿人機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用仿人機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn)。綜上所述，有效的應(yīng)用仿人機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。 靈巧手發(fā)展的進步，人們就對它越來越重視，使得靈巧手在各個方面都有影響。技術(shù)的進步和理論的完善使得，靈巧手的應(yīng)用也深入到各個行業(yè)。而對于多指靈巧手本身的機構(gòu)的探索從一開始到現(xiàn)今日就從未停止，發(fā)展方向也越來越多樣化，功能越來越智能化。到如今多指靈巧手探索依舊要面臨許許多多的挑戰(zhàn)吧，包括了基礎(chǔ)知識還有技術(shù)層面的難題。在面對國內(nèi)外多重挑戰(zhàn)和機會的時刻，是靈巧手設(shè)計發(fā)展的重要時刻，因為他可以代替人類完成很多不能完成的任務(wù)，比如在高溫、高壓等人手所不能承受的危險的環(huán)境。 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)況 像人一樣，機器人需要用它的手與環(huán)境發(fā)生作用。機器人發(fā)展初期，面向的需求首先來自制造領(lǐng)域，早期工業(yè)機器人主要執(zhí)行上下料這樣的簡單任務(wù)，功能單一的兩指夾持器便能滿足任務(wù)要求。隨著技術(shù)的進步，工業(yè)機器人開始向更多的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展，上百種專門用途的“手”，統(tǒng)稱為末端執(zhí)行器，使機器人能夠應(yīng)對豐富多彩的任務(wù)對象，從輪胎、玻璃到布料，從大型金屬熱軋件到微小電子器件。盡管如此，末端執(zhí)行器仍然是制約機器人應(yīng)用的一個主要因素。于是，開發(fā)多用途機器手成為早期靈巧手研究的緣由和動機。 目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺仿人機械手。第二代仿人機械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺觸覺能力，甚至聽想的能力。研究安裝各種傳感器，能把感覺到的信息反饋，使仿人機械手具有感覺機能。 國外也出現(xiàn)了第三代仿人機械手，它能獨立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)對于搬運物體類的機械手的基本要求是能快速、準確地拾——放并且能搬運物件，這就要求具有較高的精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設(shè)計氣動機械手的原則是：充分分析作業(yè)對象和環(huán)境，明確工作的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求，盡量選用定型的標準組件，簡化設(shè)計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制。 在靈巧手的這個方面的研究歐洲一直領(lǐng)先，帶領(lǐng)著世界一起在這個領(lǐng)域里探索，歐洲這些國家中，作為領(lǐng)導(dǎo)羊便是英、德和意大利。除了歐洲這些國家以外美國也早早的對這個行業(yè)靈巧手進行了研究。多指的機械手最先是運用于人體假肢上的，而靈巧手的系統(tǒng)性研究就要追溯到上世紀的70年代。之后的十年里，靈巧手這一行業(yè)的研究就進入了一個發(fā)展快速時段。這就使得有不少的多指靈巧手相繼問世，這里就包括美國麻省理工學(xué)院研制的Utah/MIT手，它與人的手就挺相似的，但是它只有有四個手指，不過人手能完成的動作它基本上也可完成。另外還有意大利研究出來的DIST手，除此之外德國研究的DLR手也很有代表性。這幾中靈巧手可以說都很先進，它們都具有不低的智能水平同時還具備挺高的集成化，這是靈巧手領(lǐng)域的一個里程碑，這個行業(yè)也越來越趨緊于成熟。 而在國內(nèi)，幾乎同一時間北京航空大學(xué)開始對靈巧手盡享研究和開發(fā)，這就彌補了當(dāng)時國內(nèi)的空白。之后哈工大也研究了一款多指的靈巧手，稱之為HIT手，這種靈巧手它一共有四根手指，而且每個手指還擁有四個關(guān)節(jié)，一只手達到了12個自由度，這款多指靈巧手的大小就和人類的手及其相似了。 第2章 總體方案設(shè)計 2.1設(shè)計要求 通過對比電機驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動的靈巧手進行設(shè)計分析和對比，完成靈巧手Pro/E設(shè)計。 2.2靈巧手功能分析 2.2.1仿人手分析 靈巧手的仿生參照于人手，參考人體解剖學(xué)人類的手包括肌肉、神經(jīng)以及手骨，可以說從機械方面來說相當(dāng)于自由度和驅(qū)動方面。 人類的手指中的四指都有三個指節(jié)和三個關(guān)節(jié)，只有大拇指有兩個。 關(guān)節(jié)可以作為一個繞軸旋轉(zhuǎn)的單軸關(guān)節(jié)，相當(dāng)于一個自由度。指骨上有肌腱，在肌腱的牽涉下手指各個指骨就有了聯(lián)系。人類的手可以做出的動作有抓握和捏取，指骨關(guān)節(jié)通常都會參與。最為特殊的就是大拇指了，拇指處的關(guān)節(jié)為雙軸鞍狀關(guān)節(jié)，它實現(xiàn)了大拇指的彎曲和轉(zhuǎn)動，可以說這個關(guān)節(jié)對于手完成各類動作都有著至關(guān)重要的作用，雖然其余的四根手指和手掌之間的關(guān)節(jié)也是雙軸鞍狀關(guān)節(jié)，但是由于它們只是完成了小幅度擺動，所以為了機械設(shè)計的方便這里將它們看成單軸關(guān)節(jié)。在機械設(shè)計中，大拇指關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)要重點關(guān)照，而其余的四根手指關(guān)節(jié)就將看成簡單的單軸轉(zhuǎn)動使得。 2.2.2自由度分析 人類的手在日常生活中有著非常重要的作用，能做很多非常精細的工作而且非常靈活，只是因為手指的自由度非常高。因為手指的自由度是與手指靈巧操作有關(guān)的。 拇指設(shè)計成和其他四指一樣的4個自由度，兩個單自由度的樞紐關(guān)節(jié)和一個雙自由度橢球關(guān)節(jié)，這樣就是20個自由度。除此之外還有一個自由度是來自大拇指，另外還有在手腕上有三個自由度，這樣一只手一共有24個自由度。但是手腕處的自由度是來源與一堆手掌底部的碎骨間的相對運動，所以考慮到設(shè)計難度和實際必要性，就不會考慮到手腕處的自由度，自由度進行模擬如圖所示。 2.3各類架構(gòu)方案分析 2.3.1液壓關(guān)節(jié)架構(gòu)方案 （1）手掌、手背設(shè)計 手掌和手背在方便設(shè)計的基礎(chǔ)上盡量按照人手的尺寸和參數(shù)來進行設(shè)計，這里為了后面近指節(jié)的固定，在手背上設(shè)計一個固定孔。 圖2.1 圖2.2 （2）遠指節(jié)、中指節(jié)的設(shè)計 手的五個手指中除了大拇指都有三個指節(jié)，但是其余四指中遠節(jié)指骨和中節(jié)指骨的關(guān)節(jié)連接的關(guān)節(jié)并不是非常靈活。為了簡化設(shè)計步驟，這里將遠指節(jié)和中指節(jié)設(shè)計成一個整體，兩者之間呈現(xiàn)一個角度。根據(jù)人手自然狀態(tài)下，手指自然垂落大約30°，這樣將這個角度設(shè)計成150°。而大拇指只有兩個指節(jié)，所以這里根據(jù)拇指的遠指節(jié)的尺寸設(shè)計一個遠指節(jié)即可。如下圖所示。 圖2.3 圖2.4 （3）近指節(jié)的設(shè)計 這里為了設(shè)計簡便，四指剩下的兩個關(guān)節(jié)設(shè)計成一個液壓缸來驅(qū)動，將手指關(guān)節(jié)設(shè)計成液壓缸往回收縮，先將遠指節(jié)繞固定點旋轉(zhuǎn)，到達極限位置后繼續(xù)拉扯中指節(jié)和遠指節(jié)。 圖2.5 圖2.6 如圖所示液壓缸連接近指節(jié)部分為如圖黃色部分，這里由于在液壓缸收縮過程中對近指節(jié)的力會隨著近指節(jié)旋轉(zhuǎn)而變化，所以黃色的連接部分采取3部分組成。而手背與中指節(jié)和遠指節(jié)連接的部分為灰色的連桿，使中指節(jié)和遠指節(jié)也能跟隨近指節(jié)繞著手背的固定孔旋轉(zhuǎn)。 圖2.7 圖2.8 以上為彎曲部分，而伸直部分由于黃色的連接部分力的方向變化會使的指節(jié)伸直困難，于是在近節(jié)指骨和中節(jié)、遠節(jié)指骨連接處加一個可以使恢復(fù)的彈簧，使手指伸直更加方便。 圖2.9 （4）液壓缸的設(shè)計 參照人手掌骨，將液壓缸設(shè)計在手掌骨的位置，所以手掌和手背設(shè)計成空心的，同時為了液壓缸的液體輸入將手掌和手背連接的腕處設(shè)計一個孔，方便液體的輸入。 圖2.10 圖2.11 2.3.2氣動關(guān)節(jié)架構(gòu)方案 （1）設(shè)計靈感來源 手指基礎(chǔ)動作為抓取，這就需要手指彎曲，而這里要求彎曲的角度最大為90°，故參考手風(fēng)琴的形狀將關(guān)節(jié)處設(shè)計成類似手風(fēng)琴的樣子。下端固定上端可變大這樣就能實現(xiàn)手指的90°彎曲。 （2）手指、手掌的設(shè)計 手指關(guān)節(jié)設(shè)計成手風(fēng)琴風(fēng)箱樣式，使上側(cè)可以實現(xiàn)充氣膨脹，下端限制他膨脹，這樣就實現(xiàn)了手指關(guān)節(jié)處的彎曲。而指節(jié)設(shè)計成中空，內(nèi)部設(shè)置氣體管，手掌與近指節(jié)處的連接同樣為這種設(shè)計。而手掌與手背的設(shè)計依舊參照液壓處的設(shè)計，有一孔，方便氣動設(shè)備的連接。 圖2.12 圖2.13 2.3.3電動關(guān)節(jié)架構(gòu)方案 （1）設(shè)計靈感來源 從解刨學(xué)方面了解到手掌面的結(jié)構(gòu)主要有屈指肌腱和腱滑液鞘、手機以及它們的血管、神經(jīng)。而實現(xiàn)手指彎曲、伸直便來自于肌腱的收縮。于是結(jié)合肌腱便想出了電機驅(qū)動渦輪、蝸桿傳動的設(shè)計方案。而在每個指關(guān)節(jié)處采用軸關(guān)節(jié)連接模式。這里為保證足夠的電機輸出的力足夠，選用直流無刷伺服電機。 （2）手掌的設(shè)計 由于人的手的拇指近指節(jié)與掌骨之間的連接處有兩個自由度，不僅可以彎曲還可以轉(zhuǎn)動，其他四指由于不影響動作同時為了方便設(shè)計，所以四指近指節(jié)與掌骨的連接指算一個自由度，而拇指這里在手掌處設(shè)計一個軸的固定處，這里采用齒輪連接，使拇指可以進行橫向轉(zhuǎn)動。 圖2.14 圖2.15 （3）手指的設(shè)計 五個手指中四指皆與液壓的一致，改變的是驅(qū)動，這里采用電機帶動齒輪，傳遞到蝸輪蝸桿，使蝸桿伸縮實現(xiàn)與液壓缸一樣的效果。 圖2.16 圖2.17 這里的蝸桿區(qū)別于液壓缸，需要一個電機的固定位置，于是設(shè)計一個固定架使得蝸桿和電機固定在一起，固定架固定在手背上。 圖2.18 圖2.19 2.3.4驅(qū)動方案的選擇 機械手的驅(qū)動系統(tǒng)，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據(jù)需要也可這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點如下： （1）液壓驅(qū)動 由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等特點。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機器人。但是，液壓系統(tǒng)需要進行能量轉(zhuǎn)換（電能轉(zhuǎn)換液氣壓能），速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動驅(qū)動系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會對環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。 （2）氣動驅(qū)動 具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方便、價格低等特點。適用于中、小負荷的機器人中采用。但是因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機器人中，如在上、下料和沖壓機器人中應(yīng)用較多。 （3）電動驅(qū)動 由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機及其配套的伺服驅(qū)動器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）的廣泛采用，這類驅(qū)動系統(tǒng)在機器人中被大量采用。這類驅(qū)動系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。大多數(shù)電機后面需安裝精密的傳動機構(gòu)。直流有刷電機不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中，成本上也較其他兩種驅(qū)動系統(tǒng)高。但因為這類驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)點比較突出，因此在機器人中被廣泛的使用。 表2.1 各種控制方式的比較 項目 氣壓傳動 液壓傳動 電氣傳動 機械傳動 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 簡單 復(fù)雜 復(fù)雜 較復(fù)雜 安裝自由度 大 大 中 小 輸出力 稍大 大 小 不太大 定位精度 一般 一般 很高 高 動作速度 大 稍大 大 小 響應(yīng)速度 慢 快 快 中 清潔度 清潔 可能污染 清潔 較清潔 維護 簡單 比液動復(fù)雜 需要專門技術(shù) 簡單 價格 一般 稍高 高 一般 技術(shù)要求 較低 較高 最高 較低 控制自由度 大 大 中 小 危險性 幾乎沒問題 注意火 一般無問題 無特殊問題 液壓驅(qū)動的顯著優(yōu)點就是能傳遞很大的力，除此之外它力的傳遞平穩(wěn)，傳輸距離遠，但是傳輸速度很慢，所以它實用于力大速度慢。缺點就顯而易見了工作液油難免會發(fā)生泄露，這樣的話液體的污染對系統(tǒng)有很大的影響，同時油管也有膨脹泄露的可能，油管一旦密封性不好，就會造成壓力損失，使得傳動比不準確。 氣動能在高溫高壓下工作都，比液壓和電動要更能適應(yīng)環(huán)境。 但是空氣的壓縮有不確定性，速度易受影響。氣缸在低速運動時候，速度穩(wěn)定性會很差，這是因為低速時受摩擦力的影響。除此之外氣缸的輸出力要比液壓小的多，而且會有很大的噪音。 電機驅(qū)動的優(yōu)點首先它的精確度高電力作為動力源，帶動齒輪轉(zhuǎn)動實現(xiàn)力 的傳遞和轉(zhuǎn)向。其次它節(jié)省能源電力是現(xiàn)在能源來源最廣也是使用最頻繁的能源，人們對于電的使用過程中損耗很小。再者電機驅(qū)動可以實現(xiàn)精密控制，由于是電機驅(qū)動可以快速到達指定位置，這樣就能很好的實現(xiàn)執(zhí)行元件的啟動停止，而且有效的停在指定位置。電能的使用還有很多優(yōu)點，污染小，可以不使用冷卻液，噪音低等。 通過上述對比可知，本次采用電動關(guān)節(jié)架構(gòu)方案。 第3章 設(shè)計計算 3.1 電動機的選擇 仿人靈巧手的驅(qū)動不但要求電機驅(qū)動系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比、寬調(diào)速范圍、高可靠性，而且電機的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性受電源功率的影響，這就要求驅(qū)動要具有盡可能寬的高效率區(qū)舊J?？v觀機器人大賽、創(chuàng)新實驗室、科研機構(gòu)等制作使用的電機無非是步進電機、直流電機、直流伺服電機3種。步進電機接收的是矩形波信號，所以它傳遞的轉(zhuǎn)速／轉(zhuǎn)矩都非常精準，其缺點是功率不能做大；直流電機具有響應(yīng)快速，較大的起動轉(zhuǎn)矩，從0轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，但直流電機的優(yōu)點也正是它的缺點，因為直流電機要產(chǎn)生額定負載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能，則電樞磁場與轉(zhuǎn)子磁場須恒維持90°，這就使碳刷及整流子在電機轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生火花，碳粉除了會造成組件損壞之外，使用場合也受到限制；伺服電機的功率可大可小，它接收波形電信號，轉(zhuǎn)動誤差大，一般要加校正回路彌補其誤差。綜上所述，步進電機不容易實現(xiàn)控制，直流電機的慣性大，而舵機可以克服以上缺點，因此文中選用舵機。 舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，適用于那些角度需要不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。舵機是一個典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)。跟其他電機一樣，它的選型也要考慮到力矩、工作電壓等，綜上所述，市場的舵機大都能滿足以上要求，結(jié)合舵機的價格和質(zhì)量，最終設(shè)計選用了Futaba$3003， 選用時主要有以下幾個步驟： 3.1.1根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機型號 (1)步距角 初選步進電機型號，并從手冊中查到步距角,由于 綜合考慮，我初選了，可滿足以上公式。 (2)距頻特性 步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax是指電機的定位轉(zhuǎn)矩。步進電機的名義啟動轉(zhuǎn)矩Mmq與最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax的關(guān)系是： Mmq= 步進電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動。步進電機所需空載啟動力矩按下式計算： 式中：Mkq為空載啟動力矩；Mka為空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進速度折算到電機軸上的加速力矩；Mkf為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩；為由于絲桿預(yù)緊折算到電機軸上的附加摩擦力矩。 而且初選電機型號時應(yīng)滿足步進電動機所需空載啟動力矩小于步進電機名義啟動轉(zhuǎn)矩，即： MkqMmq=λMjmax 計算Mkq的各項力矩如下： ①加速力矩 ②空載摩擦力矩 ③附加摩擦力矩 3.1.2啟動矩頻特性校核 步進電機有三種工況：啟動，快速進給運行，工進運行。 前面提出的，僅僅是指初選電機后檢查電機最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，但是不能保證電機啟動時不丟步。因此，還要對啟動矩頻特性進行校核。 步進電機啟動有突跳啟動和升速啟動。 突跳啟動時加速力矩很大，啟動時丟步是不可避免的。因此很少用。而升速啟動過程中只要升速時間足夠長，啟動過程緩慢，空載啟動力矩中的加速力矩不會很大。一般不會發(fā)生丟步現(xiàn)象。 3.2絲桿螺母副的選型與校核 絲杠已由專門工廠制造，因此，不用我們自己設(shè)計制造，只要根據(jù)使用工況選擇某種類型的結(jié)構(gòu)，再根據(jù)載荷、轉(zhuǎn)速等條件選定合適的尺寸型號并向有關(guān)廠家訂購。此次設(shè)計中絲杠被三次選用，故本人只選取其中最重要的主軸傳動中的絲杠加于設(shè)計和校核。其步驟如下： 首先對于一些參數(shù)說明如下： 軸向變載荷，其中i表示第i個工作載荷，i=1、2、3…n ； 第i個載荷對應(yīng)的轉(zhuǎn)速(r/min); 第i個載荷對應(yīng)的工作時間 (h) ; 絲桿副最大移動速度(mm/min); 絲桿預(yù)期壽命。 3.2.1型號選擇 （1）計算絲杠副的主要參數(shù) ①根據(jù)使用工作條件，查得載荷系數(shù)=1.0系數(shù)=1.5； ②計算當(dāng)量轉(zhuǎn)速 ③計算當(dāng)量載荷 ④初步確定導(dǎo)程 取4mm ⑤計算絲桿預(yù)期工作轉(zhuǎn)速 ⑥計算絲桿所需的額定載荷 （2）選擇絲桿型號 根據(jù)初定的和計算的，選取導(dǎo)程為4mm，額定載荷大于的絲桿。所選絲桿型號為CDM2004-2.5。其為外循環(huán)雙管式、雙螺母墊片預(yù)緊、導(dǎo)珠管埋入式系列絲杠。 3.2.2校核計算 （1）臨界轉(zhuǎn)速校核 校核合格。 （2）由于此絲桿是豎直放置，且其受力較小，溫度變化較小。所以其穩(wěn)定性、溫度變形等在此也沒必要校核。 （3）絲杠的預(yù)緊 預(yù)緊力一般取當(dāng)量載荷的三分之一或額定動載荷的十分之一。即： 其相應(yīng)的預(yù)緊轉(zhuǎn)矩 3.3齒輪傳動的設(shè)計 3.3.1齒輪尺寸計算 為了傳動平穩(wěn)采用斜齒輪傳動，取=14 =19 1）對中心距進行修正 因為計算齒輪和后，經(jīng)過取整數(shù)使中心距有了變化，所以應(yīng)根據(jù)取定的重新計算中心距A作為齒輪齒數(shù)分配的依據(jù)。 修正中心距： （3.3） 經(jīng)計算取中心距A=15mm 2）對螺旋角進行修正 修正螺旋角： （3.4） 經(jīng)計算取 齒輪參數(shù)如表3.1所示。 表3.1齒輪基本參數(shù) 序號 計算項目 計算公式 1 齒數(shù) 2 分度圓直徑/mm 3 齒頂高/mm 4 齒寬/mm 3.3.2 輪齒強度計算 （1）輪齒彎曲強度計算 斜齒輪彎曲應(yīng)力: （3.5） 式中 ——計算載荷（N·mm）； ——斜齒輪螺旋角； ——應(yīng)力集中系數(shù)，可近似取=1.50； Z——齒數(shù)； ——法向模數(shù)（mm）； y——齒形系數(shù)，可按當(dāng)量齒數(shù)在圖中查得； ——齒寬系數(shù)； ——重合度影響系數(shù)，=2.0。 齒輪1，查齒形系數(shù)圖得y=0.132，代入得=342.25Mpa； 齒輪2，查齒形系數(shù)圖得y=0.158，代入得=121.52Mpa； 當(dāng)計算載荷取作用到最大轉(zhuǎn)矩時，許用應(yīng)力在180~350Mpa范圍，所有斜齒輪滿足＜[]，故彎曲強度足夠。 （2）輪齒接觸應(yīng)力計算 （3.6） 式中 ——輪齒的接觸應(yīng)力,Mpa； F——齒面上的法向力， ,N； ——圓周力（N），； ——計算載荷,N·mm； d——節(jié)圓直徑,mm； ——節(jié)點處壓力角； ——齒輪螺旋角； E——齒輪材料的彈性模量，合金鋼取E=2.1Mpa； b——齒輪接觸的實際寬度,mm； 、——主、從動齒輪節(jié)點處的曲率半徑（mm），直齒輪，斜齒輪；、為主、從動齒輪的節(jié)圓半徑（mm）。 將上述有關(guān)參數(shù)代入式（3.6），并將作用在載荷/2作為計算載荷時，得出： 故所有齒輪滿足＜[]，接觸強度足夠。 3.4其他參數(shù)設(shè)計 結(jié)合日常手的操作，可將手指的運動簡化，手指的各關(guān)節(jié)圍繞軸進行90°以內(nèi)的旋轉(zhuǎn)。手指的橫向張并這里可以將其簡化忽略不記。為了將手指在不影響驅(qū)動力矩的前提下做到結(jié)構(gòu)尺寸要和人的手指接近一致，也就是比例接近1：1。結(jié)合人的手指得到以下數(shù)據(jù)：遠節(jié)指骨中食指、中指、無名指的尺寸近似25mm，小指的尺寸大約為20mm而大拇指的尺寸大約為30mm；中節(jié)指骨中前三指的尺寸大約為30mm，小指的尺寸為15mm而大拇指沒有中節(jié)指骨；遠節(jié)指骨中前三指的尺寸近似為25mm，小指的尺寸為20mm而大拇指的尺寸為30mm；近節(jié)指骨中食指、無名指近似30mm，中指為33mm，小指20mm而大拇指為30mm。這里將食指無名指和食指近似一樣。各指骨的直徑為18mm而指節(jié)的轉(zhuǎn)動角度最大為90° 第4章基于Pro/E的三維設(shè)計 4.1 Pro/E三維設(shè)計軟件簡介 Pro/Engineer操作軟件是美國參數(shù)技術(shù)公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位。Pro/Engineer作為當(dāng)今世界機械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣，是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域占據(jù)重要位置。 Pro/E第一個提出了參數(shù)化設(shè)計的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征的相關(guān)性問題。Pro/E采用了模塊方式，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計、鈑金設(shè)計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用。功能如下： （1）特征驅(qū)動（例如：凸臺、槽、倒角、腔、殼等）； （2）參數(shù)化（參數(shù)=尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等）； （3）通過零件的特征值之間，載荷/邊界條件與特征參數(shù)之間（如表面積等）的關(guān)系來進行設(shè)計； （4）支持大型、復(fù)雜組合件的設(shè)計（規(guī)則排列的系列組件，交替排列，Pro/PROGRAM的各種能用零件設(shè)計的程序化方法等）。 （5）貫穿所有應(yīng)用的完全相關(guān)性。 4.2三維設(shè)計 4.2.1絲杠設(shè)計 絲杠如下圖示： 圖4-1絲杠 4.2.2齒輪 各齒輪設(shè)計結(jié)果如下圖示： 圖4-2齒輪 4.2.3推桿、推桿筒體 推桿、推桿筒體設(shè)計結(jié)果如下圖示： 圖4-3推桿、推桿筒體 4.2.4支座 支座如下： 圖4-4 支座 4.2.5手指指節(jié)、指頭 手指指節(jié)、指頭如下： 圖4-5 手指指節(jié)、指頭 4.2.6手掌前蓋、后蓋 手掌前蓋、后蓋如下： 圖4-6 手掌前蓋、后蓋 4.2.7三維裝配 圖4-7 三維裝配 總 結(jié) 靈巧手作為一種特殊的末端執(zhí)行器機構(gòu)，本文對它在國內(nèi)外的現(xiàn)狀以及發(fā)展狀況進行了簡單的分析，同時對于它在國內(nèi)的發(fā)展前景進行了一定的描述。其中提及它的外形部分應(yīng)該更加仿人化，從人手的一些數(shù)據(jù)信息，在從機械設(shè)計方面對這些數(shù)據(jù)進行合理的改變，得出既符合機械設(shè)計又與人類手指接近的尺寸大小。再進行了手指自由度的分析計算，在不影響手指正常活動的合理范圍內(nèi)對自由度進行一定程度的減少，這樣對設(shè)計會有很大的幫助，然后，就不同的驅(qū)動進行了系統(tǒng)回路的探究并對各個傳動系統(tǒng)的優(yōu)缺點進行分析。 畢業(yè)設(shè)計是大學(xué)學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實際相結(jié)合的學(xué)習(xí)機會，通過這次對靈巧手指結(jié)構(gòu)設(shè)計理論知識和實際設(shè)計的相結(jié)合，鍛煉了我的綜合運用所學(xué)專業(yè)知識，解決實際工程問題的能力，同時也提高了我查閱文獻資料、設(shè)計手冊、設(shè)計規(guī)范能力以及其他專業(yè)知識水平，而且通過對整體的掌控，對局部的取舍，以及對細節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗得到了豐富，并且意志品質(zhì)力，抗壓能力以及耐力也都得到了不同程度的提升。 這是我們都希望看到的也正是我們進行畢業(yè)設(shè)計的目的所在，提高是有限的但卻是全面的，正是這一次畢業(yè)設(shè)計讓我積累了許多實際經(jīng)驗，使我的頭腦更好的被知識武裝起來，也必然讓我在未來的工作學(xué)習(xí)中表現(xiàn)出更高的應(yīng)變能力，更強的溝通力和理解力。 參考文獻 [1] 海向軍,何燁.人體解刨學(xué).北京：科學(xué)出版社，2013,9. 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