【論文】基于proe的殘疾人五指聯(lián)動機械手建模與仿真

基于PRO/E的殘疾人五指聯(lián)動機械手建模與仿真摘要如今隨著科技的進步和社會的發(fā)展，專為上肢缺失殘疾人設(shè)計的機械手種類繁多，功能各異。本設(shè)計中的殘疾人五指聯(lián)動機械手能夠?qū)槭终迫笔У臍埣踩私鉀Q日常生活中基本拿放等操作的實際困難，采用純機械式結(jié)構(gòu)，原理簡單，易維修，成本低，造型簡潔新穎，重量輕巧，操作方便。本論文介紹了利用PRO/ENGINEER50采用自底向上的設(shè)計方法，實現(xiàn)殘疾人用機械手的各個零部件建模過程與運動仿真。關(guān)鍵詞PRO/E，五指聯(lián)動，機械手，建模與仿真BASEDONPRO/EFIVEFINGERSLINKAGEMANIPULATORMODELINGANDSIMULATIONFORTHEDISABLEDABSTRACTNOWWITHTHEPROGRESSOFSCIENCEANDTECHNOLOGYANDTHEDEVELOPMENTOFTHESOCIETY,VARIOUSTYPESOFMANIPULATORDESIGNEDFORUPPERLIMBSMISSINGPERSONSWITHDISABILITIES,DIFFERENTFUNCTIONLINKAGEMANIPULATORCANBESPECIFICALLYDESIGNEDFORPEOPLEWITHDISABILITIESINTHEDESIGNOFTHEFIVEFINGERSPALMLACKOFDISABLEDPEOPLETOSOLVEDAILYLIFEBASICHANDLINGOFOPERATIONSSUCHASTHEPRACTICALDIFFICULTIES,ADOPTSPUREMECHANICALSTRUCTURE,THEPRINCIPLEOFSIMPLE,EASYMAINTENANCE,LOWCOSTANDCOMPACTMODELISNOVEL,LIGHTWEIGHT,EASYTOOPERATETHISPAPERINTRODUCESTHEUSEOFPRO/ENGINEER50USINGBOTTOMUPDESIGNMETHOD,REALIZATIONOFDISABLEDPEOPLEINVARIOUSPARTSOFTHEMANIPULATORMODELINGPROCESSANDMOVEMENTSIMULATIONKEYWORDSPRO/E，F(xiàn)IVEFINGERSLINKAGE，MANIPULATOR，THEMODELINGANDSIMULATION目錄1緒論111PRO/ENGINEER50簡介112本設(shè)計的應(yīng)用及意義113論文主要工作22機械手建模221底座建模222手掌片建模523手指建模7231大拇指建模7232四指建模924接受腔建模1025連接桿建模1226推拉桿建模1327接頭建模1528擺臂桿建模1629彈簧建模18210連接件建模182101螺栓建模192102螺母建模212103墊片建模233機械手裝配254機械手運動仿真265總結(jié)與展望32參考文獻33致謝341緒論緒論部分主要針對設(shè)計過程中所利用的PRO/E三維軟件、本設(shè)計的應(yīng)用和意義以及論文主要工作分別進行了介紹。11PRO/ENGINEER50簡介PRO/ENGINEER（簡稱PRO/E）是由美國PTC公司推出的一套博大精深的三維CAD/CAM參數(shù)化軟件系統(tǒng)，其內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品從概念設(shè)計、工業(yè)造型設(shè)計、三維模型設(shè)計、分析計算、動態(tài)模擬與仿真、工程圖輸出，到生產(chǎn)加工成品的全過程，其中還包含了大量的電纜及管道布線、模具設(shè)計與分析等實用模塊，應(yīng)用范圍涉及航空、汽車、機械、數(shù)控（NC）加工、電子等諸多領(lǐng)域。由于PRO/ENGINEER具有強大而完美的功能，作為當(dāng)今世界機械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣。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。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進行選擇，而不必安裝所有模塊。PRO/E的基于特征方式，能夠?qū)⒃O(shè)計至生產(chǎn)全過程集成到一起，實現(xiàn)并行工程設(shè)計。該軟件具有參數(shù)化設(shè)計、基于特征建模、單一數(shù)據(jù)庫（全相關(guān)）等諸多特點。12本設(shè)計的應(yīng)用及意義如今隨著科技的進步，專為殘疾人設(shè)計的機械手種類繁多，功能各異。按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式等。但此類產(chǎn)品大多成本高昂，維修不便，普通用戶難以承受使用費用。針對現(xiàn)狀，本著“設(shè)計改變生活”的理念，以“關(guān)愛殘疾人”為目的，專為手掌缺失的殘疾人解決日常生活中基本拿放等操作的實際困難提供新的解決方案，設(shè)計了殘疾人五指聯(lián)動仿真機械手。機械手采用純機械式結(jié)構(gòu)，原理如下1由大臂沿肘部關(guān)節(jié)的彎曲來控制連接手指的推拉桿，配合彈簧等作用，從而實現(xiàn)機械手指抓握物體的開合運動，且握力可隨心控制。2手指各個關(guān)節(jié)采用螺栓連接，與人手基本一致，無需外加動力源。13論文主要工作本論文主要工作是對設(shè)計過程中采用的自底向上的設(shè)計過程進行簡介闡述，具體包括機械手各零件的建模、機械手裝配和機械手的運動仿真。2機械手建模打開PROENGINEER50中文版繪圖軟件，進入軟件基本窗口。點擊“文件”“設(shè)置工作目錄”，首先設(shè)置工作目錄在需要保存的文件夾下。利用PRO/E軟件創(chuàng)建零件的一般步驟草繪選取草繪平面參照草繪截面退出草繪選取特征操作進行特征設(shè)置特征生成完成。21軟件基本窗口21底座建模1點擊“新建”命令，選中“零件”命名“DIZUO”去掉“使用缺省模板”選項，然后點擊“確定”。選擇“MMNSPARTSOLID模板，點擊“確定”進入繪制零件環(huán)境。211新建零件窗口2點擊“草繪”命令，選取“TOP”面為草繪平面，在平面中畫截面如圖。點擊“”。212底座草繪界面3點擊“拉伸”命令，值為“60”，點擊“”。213底座拉伸界面4點擊“草繪”命令，選取拉伸后的上表面為草繪平面，在平面中畫截面如圖。點擊“”。214底座草繪界面5點擊“拉伸”命令，選擇“去除材料”，值為“25”，點擊“”。生成如下模型。215底座拉伸界面6繼續(xù)使用“拉伸”命令，選擇“去除材料”，分別在草繪平面上草繪各個截面，最終創(chuàng)建的底座模型如下。216底座模型22手掌片建模1點擊“新建”命令，選中“零件”命名“SHOUZHANG”,去掉“使用缺省模板”選項，然后點擊“確定”。選擇“MMNSPARTSOLID模板，點擊“確定”進入繪制零件環(huán)境。2點擊“草繪”命令，選取“RIGHT”面為草繪平面，在平面中畫截面。點擊“”。221手掌片草繪窗口3點擊“拉伸”命令，值為“10”，點擊“”。222手掌片拉伸界面4繼續(xù)使用“草繪”、“拉伸”命令，在各個草繪平面繪制截面，點擊“”。最終完成手掌片模型。223手掌片模型23手指建模機械手的四指和大拇指采用模塊化設(shè)計，一體成型，具有很好的互換性。建模過程為草繪選取草繪平面參照草繪截面退出草繪拉伸進行特征設(shè)置特征生成完成。231大拇指建模1點擊“新建”命令，選中“零件”命名“DAMUZHI”,去掉“使用缺省模板”選項，然后點擊“確定”。選擇“MMNSPARTSOLID模板，點擊“確定”進入繪制零件環(huán)境。2點擊“草繪”命令，選取“TOP”面為草繪平面，在平面中畫截面。點擊“”。231大拇指草繪截面3點擊“拉伸”命令，值為“10”，點擊“”。4點擊“草繪”命令，選取大拇指側(cè)面為草繪平面，在平面中畫2個直徑為8MM的圓截面。點擊“”。5點擊“拉伸”命令，值為“50”，選擇“去除材料”，點擊“”。最終完成大拇指模型。232大拇指模型232四指建模1點擊“新建”命令，選中“零件”命名“SIZHI”,去掉“使用缺省模板”選項，然后點擊“確定”。選擇“MMNSPARTSOLID模板，點擊“確定”進入繪制零件環(huán)境。2點擊“草繪”命令，選取“TOP”面為草繪平面，在平面中畫截面。點擊“”。233四指草繪截面3點擊“拉伸”命令，值為“10”，點擊“”。4點擊“草繪”命令，選取四指側(cè)面為草繪平面，在平面中畫3個直徑為8的圓截面。點擊“”。5點擊“拉伸”命令，值為“60”，選擇“去除材料”，點擊“”。最終完成四指模型。234四指模型24接受腔建模1點擊“新建”命令，選中“零件”命名“JIESHOUQIANG”,去掉“使用缺省模板”選項，然后點擊“確定”。選擇“MMNSPARTSOLID模板，點擊“確定”進入繪制零件環(huán)境。2點擊“草繪”命令，選取“RIGHT”面為草繪平面，在平面中畫一個直徑為30MM的圓截面。點擊“”。241接受腔草繪截面3點擊“拉伸”命令，值為“20”，點擊“”。242接受腔拉伸模型4選擇拉伸上表面為草繪平面，使用“草繪”，在草繪平面繪制直徑為48MM的圓截面，點擊“”。5點擊“拉伸”命令，值為“150”，點擊“”。6點擊“殼”命令，值為“1”，選擇拉伸后的上表面為移除面，點擊“”。最終完成接受腔模型。243接受腔模型25連接桿建模1點擊“新建”命令，選中“零件”命名“JIETOU”,去掉“使用缺省模板”選項，然后點擊“確定”。選擇“MMNSPARTSOLID模板，點擊“確定”進入繪制零件環(huán)境。2點擊“草繪”命令，選取“TOP”面為草繪平面，在平面中畫截面。點擊“”。251連接桿草繪界面3點擊“拉伸”命令，值為“4”，點擊“”。252連接桿拉伸模型4選擇拉伸上表面為草繪平面，使用“草繪”，在草繪平面繪制2個直徑為8MM的圓截面，點擊“”。5點擊“拉伸”命令，值為“19”，點擊“”。最終完成接頭模型。253連接桿模型26推拉桿建模1點擊“新建”命令，選中“零件”命名“TUILAGAN1”,去掉“使用缺省模板”選項，然后點擊“確定”。選擇“MMNSPARTSOLID模板，點擊“確定”進入繪制零件環(huán)境。2點擊“草繪”命令，選取“TOP”面為草繪平面，在平面中畫一個直徑為4MM的圓截面。點擊“”。3點擊“拉伸”命令，值為“250”，點擊“”。4繼續(xù)使用“草繪”、“拉伸”等命令，最終完成推拉桿1模型。5點擊“新建”命令，選中“零件”命名“TUILAGAN2”,去掉“使用缺省模板”選項，然后點擊“確定”。選擇“MMNSPARTSOLID模板，點擊“確定”進入繪制零件環(huán)境。6點擊“草繪”命令，選取“TOP”面為草繪平面，在平面中畫截面。點擊“”。261推拉桿2草繪界面7點擊“拉伸”命令，值為“6”，點擊“”。8繼續(xù)使用“草繪”、“拉伸”等命令，最終完成推拉桿2模型。262推拉桿1模型263推拉桿2模型27接頭建模1點擊“新建”命令，選中“零件”命名“JIETOU”,去掉“使用缺省模板”選項，然后點擊“確定”。選擇“MMNSPARTSOLID模板，點擊“確定”進入繪制零件環(huán)境。2點擊“草繪”命令，選取“RIGHT”面為草繪平面，在平面中畫截面。點擊“”。271接頭草繪界面3點擊“拉伸”命令，值為“20”，點擊“”。272接頭拉伸界面4繼續(xù)使用“草繪”、“拉伸”等命令，最終完成推接頭模型。273接頭模型28擺臂桿建模1點擊“新建”命令，選中“零件”命名“JIETOU”,去掉“使用缺省模板”選項，然后點擊“確定”。選擇“MMNSPARTSOLID模板，點擊“確定”進入繪制零件環(huán)境。2點擊“草繪”命令，選取“RIGHT”面為草繪平面，在平面中畫截面。點擊“”。3點擊“拉伸”命令，值為“6”，點擊“”。4繼續(xù)使用“草繪”、“拉伸”等命令，最終完成擺臂桿模型。281擺臂桿草繪界面282擺臂桿模型29彈簧建模1點擊“新建”命令，選中“零件”命名“TANHUANG”,去掉“使用缺省模板”選項，然后點擊“確定”。選擇“MMNSPARTSOLID模板，點擊“確定”進入繪制零件環(huán)境。2點擊“插入”，選擇“螺旋掃描”“伸出項”命令，定義屬性為“常數(shù)穿過軸右手定則完成”，選取“RIGHT”面為繪制掃引軌跡截面，在平面中畫一旋轉(zhuǎn)虛軸線，再畫一長度為60MM的直線作為掃描軌跡，偏離軸線距離為4。點擊“”。3輸入節(jié)距值，值為“3”，點擊“”。4繪制一個直徑為2MM的圓作為掃描截面，點擊“”。5使用“草繪”、“拉伸”等命令，創(chuàng)建彈簧兩端平面部分，最終完成彈簧模型。291彈簧模型210連接件建模機械手的各個關(guān)節(jié)連接采用螺紋連接，使用兩種型號的螺栓、螺母、墊片等標(biāo)準(zhǔn)件連接。連接件具體的建模參數(shù)由機械設(shè)計手冊查得。表1連接件零件列表型號1型號2螺栓GB/T5782M880GB/T5782M655螺母螺母GB/T6170M8螺母GB/T6170M6墊片墊圈GB/T8598墊圈GB/T8596下面以直徑D8MM的螺栓、螺母、墊片為例，進行連接件的建模。2101螺栓建模1點擊“新建”命令，選中“零件”命名“LUOSHAN08”,去掉“使用缺省模板”選項，然后點擊“確定”。選擇“MMNSPARTSOLID模板，點擊“確定”進入繪制零件環(huán)境。2點擊“草繪”命令，選取“RIGHT”面為草繪平面，草繪一個直徑為15MM的圓。點擊“”。2101螺栓草繪界面3點擊“拉伸”命令，值為“5”，點擊“”。4點擊“草繪”命令，選取拉伸面為草繪平面，草繪一個直徑為8MM的圓。點擊“”。5點擊“拉伸”命令，值為“80”，點擊“”。2102螺栓拉伸界面6點擊“插入”，選擇“螺旋掃描”“伸出項”命令，定義屬性為“常數(shù)穿過軸右手定則完成”，選取“RIGHT”面為繪制掃引軌跡截面，在平面中畫一旋轉(zhuǎn)虛軸線，再畫直線段作為掃描軌跡。點擊“”。7輸入節(jié)距值，值為“1225”，點擊“”。8繪制螺紋牙形作為掃描截面，點擊“”。2103螺旋掃描對話窗口9使用“草繪”“拉伸”“去除材料”，創(chuàng)建螺栓的六角形。10使用“倒角”命令，創(chuàng)建螺栓倒角，值為1MM。最終完成螺栓模型。2104螺栓模型2102螺母建模1點擊“新建”命令，選中“零件”命名“LUOMU08”,去掉“使用缺省模板”選項，然后點擊“確定”。選擇“MMNSPARTSOLID模板，點擊“確定”進入繪制零件環(huán)境。2點擊“草繪”命令，選取“RIGHT”面為草繪平面，在平面中畫2個直徑分別為8MM、15MM的同心圓截面。點擊“”。2105螺母草繪界面3點擊“拉伸”命令，值為“6”，點擊“”。2106螺母拉伸界面4使用“倒角”命令，選擇“角度D”，創(chuàng)建螺栓倒角，值為301MM。選擇模型兩個表面的外圓邊，點擊“”。2107螺母倒角界面5點擊“插入”，選擇“螺旋掃描”“伸出項”命令，定義屬性為“常數(shù)穿過軸右手定則完成”，選取“RIGHT”面為繪制掃引軌跡截面，在平面中畫一旋轉(zhuǎn)虛軸線，再畫直線段作為掃描軌跡。點擊“”。6輸入節(jié)距值，值為“1225”，點擊“”。7繪制螺紋牙形作為掃描截面，點擊“”。2108螺旋掃描對話窗口8使用“草繪”“拉伸”“去除材料”，創(chuàng)建螺栓的六角形。最終完成螺母模型。2109螺母模型2103墊片建模1點擊“新建”命令，選中“零件”命名“DIANPIAN08”,去掉“使用缺省模板”選項，然后點擊“確定”。選擇“MMNSPARTSOLID模板，點擊“確定”進入繪制零件環(huán)境。2點擊“草繪”命令，選取“RIGHT”面為草繪平面，在平面中畫2個直徑分別為8MM、13MM的同心圓截面。點擊“”。3點擊“拉伸”命令，值為“16”，點擊“”。21010墊片草繪界面21011墊片拉伸界面4繼續(xù)使用“草繪”、“拉伸”“去除材料”等命令，最終完成墊片模型。21012墊片模型3機械手裝配1點擊“新建”命令，選中“組件”，去掉“使用缺省模板”選項，然后點擊“確定”。選擇“MMNSAMSDESIGN”模板，點擊“確定”。進入裝配界面。31裝配界面2點擊“裝配”命令，選擇“DIZUO”零件，點擊“打開”。選擇“缺省”放置，然后打“”。32底座缺省裝配界面3依次裝配各零件，完成機械手的裝配。33機械手裝配模型界面4機械手運動仿真為實現(xiàn)裝配后機械手的運動仿真，采用擺動導(dǎo)桿機構(gòu)和曲柄滑塊機構(gòu)相結(jié)合的模型，其中搖臂桿作為擺動桿，接頭作為滑塊，連接機械手的推拉桿。1在裝配環(huán)境下定義機構(gòu)的連接方式后，點擊菜單欄菜單“應(yīng)用程序”“機構(gòu)”，系統(tǒng)進入機構(gòu)模塊環(huán)境。41機構(gòu)模塊界面2在模型樹中選擇擺動導(dǎo)桿機構(gòu)的導(dǎo)桿和固定板，進行隱藏。3點擊，定義彈簧設(shè)置。其中K10N/MM,U80MM。42定義彈簧對話窗口4點擊，彈簧定義完成。43定義彈簧后模型5點擊，定義伺服電動機。“類型”選擇運動軸，再點選導(dǎo)桿固定端軸線。44電動機設(shè)置對話窗口6點擊“輪廓”，選擇“速度”，模為“常數(shù)”，A60。最后“確定”。45電動機設(shè)置對話窗口7點擊，進行機構(gòu)分析。類型選擇“運動學(xué)”，圖形顯示選擇“長度和幀頻”，終止時間設(shè)為25，電動機選項為從開始至終止。最后“確定”。46機構(gòu)分析定義對話窗口8選擇機構(gòu)樹中的“分析”，然后“運行”，查看機械手運動過程。9點擊，進入動畫對話框動畫可以實現(xiàn)機構(gòu)的即時運動查看，可以實現(xiàn)快進、快退、循環(huán)播放。47動畫對話窗口10點擊動畫對話框中的“捕獲”圖標(biāo)，可以制作成可以播放的流媒體文件。文件類型選擇“MPEG”,勾選“鎖定長寬比”,圖像大小設(shè)為1280720，幀頻設(shè)為25幀/秒，這樣動畫播放時間為10秒。最后“確定”。48捕獲對話窗口最終機械手的運動仿真完成。5總結(jié)與展望這次畢業(yè)設(shè)計讓我收獲良多，體會很深。第一，學(xué)到了產(chǎn)品設(shè)計的方法。在設(shè)計過程中，我經(jīng)過多次改進，最終對機械手的零部件采用了模塊化設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)件配置。第二，提高了綜合應(yīng)用各門學(xué)科知識的能力。在設(shè)計過程中，必須對專業(yè)知識進行系統(tǒng)的整合，特別是機械原理、機械設(shè)計和軟件建模等方面的知識。第三，明確了設(shè)計必須與生產(chǎn)實際相結(jié)合，比如材料特性、加工工藝性、經(jīng)濟性等實際要求，只有這樣產(chǎn)品才有生命力。第四，提高了收集資料和查閱能力；鞏固了使用三維軟件進行產(chǎn)品設(shè)計的技能；培養(yǎng)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)，在設(shè)計過程中必須要有高度的責(zé)任心和嚴(yán)肅認(rèn)真的工作態(tài)度。當(dāng)然，在設(shè)計過程中，由于本人設(shè)計水平和知識有限，難免有諸多缺陷之處。如機械手采用單桿推拉，在實現(xiàn)抓握等功能的質(zhì)量上有待實踐的檢驗，包括工作的精確性、穩(wěn)定性、適應(yīng)性和擴展性等?？傊?，這次畢業(yè)設(shè)計