毕业设计（论文）-带机械抓的无人机设计与控制（全套图纸）(35页).doc

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1、-毕业设计（论文）-带机械抓的无人机设计与控制（全套图纸）-第 30 页摘 要从90年代第一架微型无人机问世以来，微型无人机经历了20几年的快速发展，微型无人机在航拍、农业植保、测绘、运输、军事侦查等领域的得到了广泛的应用，大大的拓展了无人机本身的用途。近年来无人机快递更是在新闻媒体上屡屡现身，微型无人机的负载从开始的几十克发展到现在的几千克，其运输能力获得了几十倍的增长。得益于无人机的快速发展，本文设计了一种带机械爪的四旋翼无人机，其机械爪具有两个自由度（张夹和摆动），通过无人机的偏航运动，实现机械爪的第三个自由度（旋转）。本文设计的机械手爪由单电机驱动具有两根手指和6个指节。该手爪由电机驱

2、动一根拉杆支架，其端部分别连接第一指节的动力杆；每个手指有3个指节，第一指节与第二指节与平行四边形连杆连接，确保第三指节做平移运动；每个手指第二指节具有延伸的圆弧滑槽，当第指节支点随第一指节运动时，经过特别设计的圆弧滑槽在固定支点滑动，可使第三指节的运动速度与电机转速程线性比例关系运动。该机械爪能够对液体和泥沙进行取样，并且能抓取方形，圆柱形，球体及不规则形状的物体。最大抓取重量为500g，抓取物体最大尺寸100mm左右。第三指节的夹紧力在夹紧过程中逐渐减小，有利于夹持易碎易变形的物体。机械爪通过减震柔性机构与无人机连接，保证机械爪在夹持物体时无人机能够自主悬停，稳定的夹持重物。无人机配备导航

3、模块，可在夹持任务完成时自主返回，大大减少操控者的工作强度。本文设计的无人机可用于危险环境中的样品采集、侦查和小件物品的递送，大大扩展了无人机本身的用途。关键词：机械爪；无人机；自主悬停全套图纸加153893706Abstract 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 r

4、econnaissance 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 t

5、o 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 hav

6、ing 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 trans

7、lational 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 m

8、ovement 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 d

9、uring 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, autonomous

10、ly 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;UV

11、A;Autonomous hover目 录引 言11 机械爪的设计方案21.1 机械爪的设计要求和功能21.1.1设计要求21.1.2功能21.2 常见机械臂末端执行器结构：21.3 方案对比分析和确定31.3.1单电机驱动二指平动手爪方案31.3.2单电机驱动多指关节机械手爪方案41.3.3方案分析42 机械爪的结构设计52.1 机械爪的结构分析52.2 机械爪的尺寸参数分析62.2.1滑槽参数计算82.3 机械爪的受力分析92.3.1指节末端吸盘的受力分析123 机械爪夹紧驱动机构的选型123.1 滚珠丝杠螺母副的选型123.1.1滚珠丝杠副的型号参数123.1.2滚珠丝杠副的质量估算13

12、3.2 电机扭矩和转速的计算133.2.1电机扭矩的计算133.2.2电机转速的计算143.3 驱动电机的选型143.3.1驱动电机的对比分析143.3.2确定驱动电机型号153.4 丝杠电机连接结构的方式163.5 驱动机构的校核164 机械爪的材料选型和强度计算174.1 机械爪的材料选型174.2 机械爪主要零件的强度校核195 机械臂的设计215.1 机械臂的设计方案215.2 机械爪的重量计算215.3 机械臂驱动电机的选型225.4 机械臂的强度校核235.5机械臂与无人机连接结构设计246 无人机的设计246.1 无人机的设计方案与工作原理246.2 无人机结构设计266.3 无

13、人机材料选型266.4 四旋翼无人机驱动电机和螺旋桨选型266.5 无人飞行参数计算277 带机械爪的无人机的控制设计287.1 无人机和机械手控制方案设计287.2 控制系统硬件选型297.4 四旋翼无人机程序设计318 结论32谢 辞33参考文献34引言 无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控和无线通讯设备进行操控或自控飞行的无人驾驶飞行器。从无人机的结构形式和飞行原理可分为：无人直升机、无人固定翼机、无人多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机等。 无人机按使用领域，可分为军用与民用。军用方面，无人机分为侦察机和靶机。无人机在民用方面，目前主要应用在在航拍、农业植保

14、、测绘、运输等领域的使用，大大的拓展了无人机本身的用途。“2013年6月，美国Matternet公司在海地和多米加共和国测试了无人机网络，无人机能够携载2公斤物体飞行9.7公里。 无人机自动快递J资讯锐科技2013:(14)32”“2013年9月，顺丰自主研发的用于派送快件的无人机完成了内部测试，在局部地区试运行。 熊元无人机新玩法J科技2014(7)64-65”“ 2014年10月，DHL宣布将在德国实现无人机送货。该公司的四旋翼无人机可负载大约1.2公斤的货物。 DHL“抢跑”无人机送货J商业视窗.2010.(12).8”在最近的一段视频中，某研究团队研发了一种向老鹰一样装有机械爪的四旋翼

15、无人机，该无人机从空中俯冲到与地面成一定距离的时候，快速抓取地面上的物体。研究人员从老鹰身上获得灵感，他们相信通过改进无人机和机械手爪的材料和增强无人机的结构强度，可使该无人机变得更轻巧更快速，而且能够借助俯冲获得的速度快速恢复高度。 随着无人机的发展，无人机变的越来越智能化，重量轻负载大，可实现自动控制，由此引申出了各种功能的无人机。本文介绍了一种多功能带机械爪的无人机的，实际上它相当于一个飞行器人，是一种能在恶劣环境中代替人类工作的一种新方法。它不仅能提高无人机的抓取能力，还能巧妙实现与无人机的协同工作，充分利用无人机工作的原理和方法来实现复杂设计。该无人机通过于机械手的相互协调工作，可完

16、成各种物体的抓取任务，并自动返航。本文包括了机械爪的建模与工作原理，还包括力学分析和控制设计过程，以及无人机框架的设计和无人机控制系统的设计。1 机械爪的设计方案1.1 机械爪的设计要求和功能1.1.1设计要求： 机械爪能巧妙的与无人机协同完成抓取工作，充分利用无人机飞行能力，在各种难以到达的环境中完成抓取任务，并能在无人机飞行时的不稳定环境中牢牢抓住物体，顺利返航。机械爪的结构必须简单轻型化，避免较大的质量和复杂的结构，减少机械爪惯性力对无人机的影响。机械爪控制电路简单可靠，在不影响功能的情况下尽量减少驱动电机的数量，并在无动力的情况下能够自锁，做到到低功耗，高效率，为无人机的续航创造条件。

17、1.1.2功能： 能够对液体和泥沙进行取样，并且能抓取方形，圆柱形，球体及不规则形状的物体。最大抓取重量为500g，抓取物体最大尺寸100mm左右。1.2 常见机械臂末端执行器结构：1.钳式机械手： “ 夹钳式手部与人手相似，是工业机器人广为应用的一种手部形式。它一般由手指、驱动机构、传动机构及连接与支承原件组成，能通过手爪的开闭动作来实现对物体的夹持。 工业机械手编写组工业机械手上下册M上海科学技术出版社19825 苏子昊孔庆忠关节型机器人二指平动手爪的设计J机械工程与自动化2008(5) 80-846 罗志增顾培民.一种单电机驱动多指多关节机械手的设计J机器人2009(31) 620 -6

18、24 7 丹尼斯克拉克迈克尔欧文斯机器人设计与控制M科学出版社20048 俞芙芳塑料成型与模具设计M华中科技大学出版社20079 Atheer L.Salih,M.MoghavvemiModelling and PID Controller Design for a Quadrotor Unmanned Air VehicleJApplied Electronics (CRAE) University of Malaya10 丁德全金属工艺学M机械工业出版社201111 Rogelio Lozano著陈自力江涛等译无人机嵌入式控制M国防工业出版社201412 李 杰齐晓慧小型四旋翼无人机飞行控

19、制系统设计与实现J中国测试2014（40） 90-9313 Guozhi LiCong Fu.Fuhai ZhangA Reconfigurable Three-Finger Robotic GripperJ State KeyLaboratory of Robotics and System Harbin Institute of Technology Harbin 1500011556-156114 单祖辉材料力学M高等教育出版社200915 闻邦椿机械设计手册（第5版）M机械工业出版社2010” “夹钳式机械手又分为回转型手部和平移型手部。回转型手部的手指实际上就是两个杠杆，通过转动机构

20、的带动，手指绕指点回转来实现手指的开闭动作。平移型手部是两个手指在传动机构的带动下，作相对的平行移动以实现开闭动作。4”2.弹性力手爪： 弹性力手爪的特点是其夹持物体的爪力式由弹性原件提供的，不需要专门的驱动装置，在抓取物体的时候需要一定的压入力，而在卸料时，则需要一定的拉力，其抓取需要以一定的方向，抓取对象的形状需要与机械手相匹配，且抓取对象重力需小于卸料拉力。 3.勾托式手部：勾托式手部并不靠夹紧力来夹持物体，而是利用物体本身的重量和水平方向的手指产生的支持力来勾住或拖住物体来实现夹持的。由于勾托式手爪主要是靠手指的支持力来夹持物体的，因此不需要较大的夹紧力，所以对夹紧驱动装置的驱动力要求

21、较小。1.3 方案对比分析和确定“机械手爪是无人机夹持物体的最终执行机构，对提高机器人完成任务的效率和改进工作水平起到关键性的作用。夹持和操控的灵活性、精确性和适应性是衡量机械手爪设计水平的一个重要标志。5”常用的工业机器人的手部多为结构简单的夹钳式、托持式、弹性式等型式，其结构和夹持对象的工作原理决定了其夹持功能的局限性。近年来随着工业机器人的快速发展，工业机器人的手部结构也越来越多元化，从单一的功能慢慢演变成具有拟人化的多指机械手。与夹钳式机械爪相比，具有拟人化的机械手结构形式和控制系统较为复杂，但其手指更加灵活，更能适应于不同形状物体的抓取，其抓握更加稳定可靠。1.3.1方案一：单电机驱

22、动二指平动手爪 “苏子昊等人研发了一种步进电机驱动的多连杆机构二指平动机械手爪，一种用于小型多自由度关节型机器人的机械手爪, 它采用二指平动的手爪设计方案。 以机构为基础, 用电机驱动, 实现了机械手爪开合、摆动、 手腕转动一体化的手部运。7”该机械手采用 图1-2 二指平动机械手原理图步进电机驱动, 转动位置精度高, 动作响应速度快。 该机械手爪尺寸参数适中，方便更换和携带、 结构紧凑体积小、 制造成本低, 可用于教学型机器人和科研机器人。手夹持物体时以物体为中心, 用手指末端夹持物体。 该机械手爪的工作方式有捏、拿、夹、握等，通过机械爪表面与夹持物表面的摩擦力来夹持物体。该机械爪,属于夹持

23、式手爪, 手指通过丝杠螺母带动第一动力杆，动力杆将动作传递给平行四边形机构，保证手指末端实现平行移动。机械臂处于工作状态时, 分别由机械臂上的各个关节调整好位姿，然后逐渐靠近待夹持物, 最后由手腕调节几下抓与被夹持物的夹持方向，机械爪张开并夹持待夹持物体, 每个手指末端配有压力传感器，可根据手指的受力情况和待夹持物的表面硬度、刚度调节机械爪手指的夹紧力，防止待夹持物因受力过大发声变形和损坏。1.3.2方案二：单电机驱动多指关节机械手爪罗志增，顾培民研究了一种步进电机驱动的多指关节机械手，为了使机械手灵活、可靠地抓取物体，设计了一种新型结构的单电机驱动 4 指 12 关节机械手爪。如右图，电机转

24、动，滚珠螺母移动，同时带动与其连接的十字连杆，其端部分别与四根手指的第一指节连接；第一指节的动力杆AB绕B点转动，同时C点绕B点转动；这是C点推动带有圆弧槽的第二指节，由于O点在圆弧槽内滑动时产生支反力，通过计算圆弧槽 图1-3 多指关节机械手原理图的参数，可使第三指节匀速运动。与第一指节和第二指节连接的平行四边形机构使第三指节在水平方向移动。“该新型的单电机驱动手爪设计方案表现出了机械手控制简单、抓握可靠的优点和优势。6”1.3.3方案分析 机械手爪的结构一般根据实际使用情况来设计，当被夹持象确定时，手爪的夹持方式也基本确定了。手爪自由度数越多，手指的灵活性约高，其夹持对象的通用性也更强，但

25、控制也会变得复杂、制造成本和控制系统硬件成本也会随着其复杂度变高。 方案一：苏子昊等人研究的步进电机驱动的多连杆机构二指平动机械手爪，结构简单，但手指的夹紧速度与电机转速并非线性比例关系6，在非匀速夹持的时候，对夹持物体产生冲击，同时对无人机的飞行状态产生较大的惯性力影响，无人机需要进行较大的姿态调整，造成无人机续航时间下降。且手指只能进行相对平移动作，动作单一，在夹持不同形状的物体时，需要更换不同形状的手指，工作适应范围较小，难以实现一手多用。 方案二：罗志增，顾培民研究的步进电机驱动的多指关节机械手结构较前者复杂，但手指的夹紧速度与电机转速呈线性比例关系，其特点是第三指节能平行张开合拢，且

26、在电机匀速转动时能保证手指末端匀速平动，以避免手指移动速度不均对夹持物体的冲击，对无人机的飞行状态影响较小，相比前者，能获得较多的续航时间。该机械手具有3个指节，其中第二指节呈V型并拢，能够对圆柱体实现抓取，而第三指节呈相对平动，实现对方形物体的抓取，在第3指节装配一对吸盘，吸盘的弧面能够抓取球体，吸盘具有一定的容腔，能够抓取泥沙，其密封性能够抓取液体，吸盘的柔性变形还能适应形状不规则的物体，实现一手多用的功能。本文针对外形为中心对称、形状不规则的待夹持物体和液体，设计一种单电机驱动的机械手爪，其特点是第三指节能平行张开合拢，且在电机匀速转动时能保持第三指节匀速平动。方案一结构简单，制作成本低

27、，手爪动作单一，机械爪的动作冲击对无人机的续航时间影响较大。方案二结构较前者复杂，成本较高，但是手爪动作比前者多了V形并拢的动作，手爪的功能较为丰富，可实现一手多用，且手爪动作冲击较小，对无人机的续航时间影响较小。根据性能成本续航的关系，确定以方案二为模板进行改良设计。2 机械爪的结构设计2.1 机械爪的结构分析本文的设计参考了罗志增，顾培民研究了一种步进电机驱动的多指关节机械手的方案，本文采用单电机驱动2指对称的结构，单根手指由3个指节通过螺栓连接，整个手爪由2根固定在支架上的手指组成。第三指节是与被夹持物体相接触的元件，机械手爪夹紧和张开时能保持相对平行移动。每个手指各关节之间力的依靠各个

28、指节的杠杆力传递。每根手指的第一指节和第二指节外侧分别连接一根平行连杆，形成2个平行四边形，平行四边形在摆动时，其末端是水平运动的，第三指节的水平运动保证了其抓取方形物体的功能。第 3 指节就是指尖，通过 a张开状态 b中位状态 c夹紧状态 图2-1 单电机驱动多指关节机械手原理图平动实现对物体的夹持。该手爪的结构示意图如图2- 1所示。该手爪由减速电机、支架连杆、拉杆支架、第一指节、第二指节及圆弧滑槽和指尖等组成，其中第1、第2指节与一个平行四边形的连杆连接，以确保指尖在手爪张开合拢时能够平移运动。手爪的工作过程如下： 直流减速电机驱动丝杆转动，丝杠转动滚珠螺母平平，滚珠螺母与拉杆支架连接。

29、当直流减速电机正反转时，可使丝杠带动的拉杆支架沿丝杠轴线上、下平动，并带动2个手指的第一指节进行开合运动。第一指节将动力传递给第二指节，第二指节的C点向手爪中心运动，第二指节的圆弧滑槽段随C点向手爪中心运动，但由于圆弧滑槽受到O点的支反力，其受力点与C点间的力臂是变化的。滑槽被设计成圆弧槽，相当于封闭的凸轮，通过计算圆弧槽的参数数，使直流减速电机匀速转动时，第三指节在上平方向的运动也是匀速的。手爪座开合运动时，第二指节的圆弧槽绕着指点滑动和转动。因为圆弧槽的形状尺寸参数决定了第二指节的运动参数，因此圆弧槽的尺寸计算尤为重要。当第一第二指节在驱动力下转动时，同时带动与第一第二指节连接的平行连杆机

30、构，使第三指节沿着水平方向匀速运动。2.2 机械爪的尺寸参数分析 （a）中位关系图 （ b）夹紧关系图 图2-2 杆的连接关系图 在设计中，首选确定待抓取物的最大尺寸，然后在进行机构尺寸设计；其次，根据确定的传动机构进行运动学分析；最后通过运动关系推导计算各个结构的尺寸参数，然后建立三维模型，装配后观察其运动方式是否符合设计要求。 如图2-2所示，其中图2-2（a) 是手爪运动到中位的关系原理图，图2-2(b)是最小夹紧位置。分析电机转速与第三指节平动速度的关系，设电机转速为n r/min，丝杠导程为 mm，则拉杆支架的移动速度为： （2-1） 式中，单位是 mm/s。 丝杠螺母带动拉杆支架，

31、使第指节的A点绕固定支点 B 转动， A 点运动的垂直方向距离与拉杆支架的移动距离相等。如果初始状态 A、B 在同一水平上，杆AB的水平夹角 = 0，经过t时间点A在竖直方向的移动距离 h = t。由于A在水平方向的移动距离非常小，计算时忽略点A的摆动距离，那么杆AB的角速度约为： （2-2）式中， 是第一指节 AB 的长度，单位为 mm， 的单位是 rad/st 时刻第 1 动力杆 AB 的水平夹角： （2-3） 如图2-2，取第一指节上BC长度是20mm，且BC与BA的连接夹角为90度，第二指节直线段CD的长度是35，圆弧滑槽 CE上的支点O相对于 B 点的坐标是 (a,b)， x0Cy0

32、 是固定在第指节上的坐标，那么，滑槽上的支点 O 离 x0Cy0 坐标原点 C 的长度 e 为： （2-4） 如果被控手爪指尖的水平方向夹紧速度是 mm/s， t 时刻水平方向移动了 w = t，第2 动力杆转角为： （2-5）在图 3(b) 中， CD 与 e的夹角为OC的水平夹角与第二指节转过的角度和第 2 之差，即： （2-6）式 (2-4)、 (2-6) 构成了第 2 动力杆滑槽曲线的极坐标方程2.2.1滑槽参数计算 与平行四边形机构为背包连杆的电动机械手爪 ，在电机匀速转动的情况下，其指尖夹紧或张开的速度是变化的，在平行四边形机构成直角时速度最大，大于或小于 90 时速度减小6。所以

33、，当手爪张开角度不同时，对应的指节末端瞬时速度也不同。这样，即使能够通过改变电机转速来使指节末端保持匀速运动，但这会使控制系统更加复杂，控制难度也相应增加。本文设计的机械手爪最大的优点是通过第二指节的圆弧滑槽来修正补偿输入速度与输出速度的不对应的关系。使电机匀速转动的同时，第三指节的运动也是匀速的。通过带入各个指节的尺寸参数，并约束输入速度与输出速度的关系来计算圆弧滑槽的尺寸参数，取= 20， = 40， = 35，圆弧滑槽上的支点 O 相对于 B 点的坐标是，a= 19， b= 21，单位为mm，手爪抓取物体的尺寸范围径为0 110mm。该手爪为是 2指对称结构，所以取单根手指进行分析计算，

34、那么单根手指的运动行程为55。取机械手的初始状态为手爪中位，取中位状态第三指节距离中心长度为34mm，最大张开状态到中位状态的行程为21mm，第三指节的运动行程 w 在 21,34 内变化。对单边运动进行分析，设 h 在 0 6 变化， w 在 0 34 变化，第一指节动力杆水平夹角 在 0 18 之间变化，通过公式(2-4)、 (2-6)计算得得表 2-1 所示手爪运动各点与对应的圆弧滑槽曲线极坐标参数。根据e-参数表，配合槽宽进行计算，即可计算出圆弧滑槽的各项尺寸参数。表2-1 手爪与滑槽对应坐标关系序号h/mm/w/mme/mm/100026.8704520.92.605525.5864

35、2.5331.85.2161024.30640.3242.77.8371523.03138.1553.610.4762021.76336.0764.513.1372520.50634.0775.415.8273019.26532.1186.1818.0043418.28830.54图2-3 5：e-极坐标图根据e-极坐标图，作一条经过e端点的圆弧，得圆弧圆心相对B点的坐标为（-0.68,19.71），圆弧半径为19.72mm。2.3 机械爪的受力分析 图2-4 单电机驱动多指关节机械手受力分析图电机带动丝杆转动，支架连杆在丝杆的转动时向下运动，对A点产生一个竖直的力F，迫使连杆ABC绕B点转动

36、，转矩，然后通过C点将对杆OCD产生一个垂直与BC的力,。如图2-4，在O点形成支反力的2个分力和，其中与e垂直，与e平行，和两个力的夹角等于90-，其中为e与力的夹角。杆BC和杆CD的转角差为： （2-7）则为： （2-8）则为： (2-9)综合公式（2-5）（2-6）（2-7）（2-8）（2-9）得： （2-10）式中与h成正比，设，根据表一求得则： （2-11）将公式（2-11）带入公式（2-10）得： （2-12）设F=1N将表一参数带入上式计算得表二:表2-2 与的关系序号/N/N104504500.3540.50022.60542.535.2245.1452.6150.3540.4

37、9935.21640.3210.4745.5745.2540.3560.49847.83738.1515.8346.1437.9930.3580.496510.47636.0721.3246.91410.8440.3590.492613.13734.0727.0447.97313.9030.3620.487715.82732.1133.0649.34317.2330.3650.481818.00430.5438.1850.71620.1760.3680.476确定了的参数之后，和的水平分力很快就能计算出来。 （2-13） （2-14）根据公式（2-12）（2-13）表一和表二计算和得表三各参数

38、如下:表2-3 杆的受力参数序号F110.5000.3540.2920.292210.4990.3540.2590.258310.4980.3560.2470.243410.4960.3580.2230.224510.4920.3590.210.196610.4870.3620.2120.189710.4810.3650.2010.168810.4760.3680.1920.151910.4840.3480.3380.305表2-3序号9为机械爪最大张开时的受力分析数据，由表3可知，机械爪从最大张开到完全夹紧，第二指节末端的水平夹紧力逐渐减小，从0.305N到0.151N。由数据可知，该机械爪

39、在夹持小件易碎的物体时，能够保护夹持物体，不至于夹持物因为夹紧力变大而破碎，但是在夹持小件重物时可能会导致物体因夹紧力不够而脱落。2.3.1指节末端吸盘的受力分析吸盘的受力分析如图2-5，图中为机械爪的夹紧力为吸盘的的吸附力，N为物体的重力。取N为5N，取吸盘直径25mm，取大气压强为101300Pa1取吸盘摩擦系数为0.51.5，取吸盘的安全系数S=8取最小0.5，则为 （2-15）为： (2-16)式中为吸盘的弹性力，取=1N，则 = 4.8N。 图2-5 吸盘受力分析图通过上面计算可知，在夹持较为光滑的平面物体时，至少为4.8N，则当夹持500g的物体时，机械爪处于最小夹紧状态，取夹紧安

40、全系数=2时，螺母的输入力至少为为64N。3 机械爪夹紧驱动机构的选型3.1 滚珠丝杠螺母副的选型3.1.1滚珠丝杠副的型号参数目前大多数的标准滚珠丝杆螺母都为金属材质，其最小型号的丝杆螺母的动载荷可达到500N，远超在本设计中所需的载荷，本文将采用TBI公司生产的微型滚珠丝杠。表3-1 滚珠丝杠副基本参数表型号dIDaDABLWHXnCaCoaKSFK00401410.8102031215142.9240512.8 表4中Ca（动载荷）、Coa（静载荷）的单位为Kgf，n为滚珠圈数，K为强度，Da为珠径，I为导程，其余参数单位为mm。图3-1 滚珠丝杠参数对照图3.1.2滚珠丝杠副的质量估算

41、h的长度为11mm，螺母的长度L为12mm，则丝杠的长度为23mm，直径为23mm，取丝杠和螺母的谜底。丝杠的质量为： （3-1）螺母的质量约为： （3-2）计算得=0.002157Kg=2.157g，=0.011682Kg=11.682g。总质量m=13.839g。3.2 电机扭矩和转速的计算3.2.1电机扭矩的计算已知当机械爪在最小夹紧状态夹持500g的物体时，支架连杆需要输入32N的力，则滚珠丝杠的轴向力=32N，因为摩擦力远小于，忽略不计。滚珠丝杠的输入力矩为： （3-3）式中：I：为丝杠螺距：为丝杆的传动效率取0.94计算得=1.08Ncm即电机输出最大转矩为1.08Ncm。3.2.

42、2电机转速的计算机械爪的最大开合长度为110mm，单边最大张开长度为55mm，设机械爪的最大开合速度=20mm/s，则支架连杆的移动速度为： （3-4）求得=3.64mm/s。支架连杆的速度等于滚珠螺母的速度，根据公式（2-1）计算得电机转速为218r/min。3.3 驱动电机的选型3.3.1驱动电机的对比分析“常用的微型驱动电机有直流电机、舵机、步进电机，其中直流电机是机器人平台的标准电机，有着极宽的功率调节范围，适用性好，具有很高的性价比，是一种最为通用的电机。7”舵机主要由一个直流电机、一个内置减速器和一个内置的位置反馈器组成，舵机通常无法连续转动，一般用于一些行程较短、需要扭矩中等的机

43、构。步进电机本质上是一种无刷电机，被设计用来精确运动，步进电机的转速相对较低，一般为50100r/min。在同等功率下，步进电机相比直流电机和舵机重量要重的多，步进电机的转矩通常也不是十分强劲，一般用于低转速、低扭矩和高精度的机构上。 根据表4进行分析，因为舵机无法连续转动，不考虑选用。分别从成本，扭矩，重量来对比分析步进电机和直流电机。其中直流电机价格价格较贵，扭矩和功率自重比较步进电机大，因为机械爪用于无人机上，因此选用功率自重比较好的直流电机，同等功率的直流电机重量比步进电机小，选用直流电机，无人机的续航将得到保证。表3-2 电机类型的对比电机类型优点缺点应用场合直流电机1.型号多2.功率大3.接口简单4.适合适合大型机器人1.需要齿轮减速器2.电流较大3.较难装配4.控制复杂5.成本高需要较大扭矩的机构舵机1. 内部带减速器2. 型号多3. 速度适中4. 成本低功率适合5. 易于安装6. 接口简单7. 功率中等1. 负载能力较低2. 速度调节范围较小3. 无法连续转动不需要连续转动，行程较短的机构步进电机1. 精确的速度控制2. 型号多3. 接口简单4. 成本低1. 功率与自重比小