机械手作品设计说明书

机械创新设计大赛 参赛作品设计说明书

作品名称： 和谐救援机械手 设 计 者：潘军 朱承文 魏泽强 王康 余刚 指导老师：参赛单位： 贵州师范大学机电工程学院

和谐救援机械手设计说明书

设计者 ：潘军 朱成文 魏泽强 王康 余刚

指导老师：任珍刚

（贵州师范大学 机电工程学院，贵阳550059）

摘要

在当今社会机械手是很常见的，但极大多数机械手都广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等，以实现生产的机械化和自动化，但用于救生很少。我们自行设计并制作的救援机械手用于高楼、井下、地震、塌方、泥石流等灾害的救援。主要采用液电混合传动控制，并安装了安全装置、生命探测仪、摄像头、力传感器等设备，能快速、灵活、准确进行救援，并保证被困人员安全。

关键词： 机械手 自动化 灾害 液电混合传动 救援

一、设计背景

由于自然或人为等原因，地震、塌方、泥石流、海啸、台风、洪涝、火灾等灾害频频发生，而这些灾害给人类带来的危害往往是触目惊心的。据统计，2008年仅自然灾害就造成了全球23.5万人死亡，经济损失达1810亿美元，平均每年造成6.6万多人死亡，经济损失达810亿美元。而非自然灾害如火灾、矿难、车祸等造成的人员伤亡和经济损失还要远远大于自然灾害。

（地震） （火灾） （深井）

在这些灾难中，往往很多地方人都无法触及或非常危险。在电视上经常看到，深井、悬崖、高楼、地震等地方救人的场面，尤其是深井中，常常是掉下儿童或老人。中央台就报道过种实例，在救援前期落井儿童有回声、有哭声，可挖土几小时，救出孩子后，因窒息时间太长，抢救无效死亡，显然时间就是生命！这样还容易造成塌方，不担给井下遇难者造成新得伤害，挖土救助者也非常危险。遇到这种情况一般采取的两种方法：一是找身体瘦小的人，绑住双脚，倒提放入井内救人。这种方法，不但救人难，下井救人者也是非常危险的。假如井口过细，此方法也无法救助；二是用人力、机械在四周挖土，这样不仅时间长，会延误救人时机，很容易发生二次事故，不仅对被救人会造成再次伤害，有时还会把救援人员也生吞其中，使得救与被救的人员的生命同时受到威胁，给搜救工作带来了很大的不便。

（方法一） （方法二）

为此我们设计救生机械手解决这些问题，它能够快速、灵活、准确进行救援，并能保证被困人员安全。为被困人员的生命带来了希望。

二、设计方案

本作品充分利用先进的液压技术及PLC自动控制技术，将机械设计与自动控制紧密结合，实现在特殊情况下的人员搜救。

2.1本设计采用液压和电机传动使机械手按所控制方位运动，由于液压传动可控性好、传动精确、灵敏，提高了机械手的救生能力。通过用PLC自动控制技术能较简单地控制其运动。

2.2机械抓部是由可自由展开或闭合的大钳和一个小型的液压缸组成，并在关节处按装有旋转电机，可以全方位的运动，以增强机械手的搜救能力；机械抓上还配备有探照灯和红外摄像头，搜救人可以根据显示器上的显示信息控制机械手的运动，以达到有效地救援和探测。通过压力传感器可以控制所抱的力度，手抓上粘有弹性很好的羊毛粘片以保护被救人不受划伤。

（和谐救援机械手实物图）

三、工作原理

和谐救援机械手结构简图如下：

（和谐救援机械手结构简图）

机械手主要由机械抓、液压连杆机构、底座、PLC控制系统四大部分组成。

3.1机械抓：由可自由展开或闭合的手抓和一个小型的手指缸组成，并在关节处按装有旋转电机，可以全方位的运动，以增强机械手的搜救能力；同时机械抓上还配备有探照灯、摄像头及生命探测仪，以达到有效地救援和探测。

3.2液压连杆机构：主要由机械臂、液压缸及联接构件等构成，实现机械手的升降、收缩等运动。 （1）手指缸：起支撑腕部和手部的作用，并带动手部在空间作运动；

（2）机械臂：主要由支撑臂、手臂缸1和手臂缸2组成，其中手臂缸1是用来控制机械手的升降动作，手臂缸2用以实现机械手的收缩和伸长。

3.3底座：由旋转圆盘、旋转电机2、固定底座等组成，主要用在救人时起固定机械手的作用，通过控制电机以实现机械手的旋转。

（1）旋转圆盘：用来控制机械手整体的旋转，具体由旋转电机2来控制；

（2）固定底座：主要是用在救人时固定机械手，让其在一定的范围内活动；底盘主要固定于救生车上，也可以因环境的不同而固定于不同方位。

3.4 PLC控制：安装在控制箱里，用于所有电机及液压缸的控制，使机械手能够较方便快捷的实施救援。

四、设计计算

4.1机械手零件设计尺寸图（本模型按5:1的比例设计）：

4.2液压设计选择：

液压元件包括执行元件、动力元件、控制元件、辅助元件、工作介质。 （1）手指缸设计计算

手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证能够抓紧而不伤到人，而且手爪部分还采用液压自锁安全装置以保证夹持稳定可靠。（以人的体重为100千克计算，模型按5:1的比例设计，预设手指刚缸压力位1MP）。

（手指油缸示意图）

因为手爪抓取的重量为100/5=20(千克) 手指夹紧缸受力分析： ∵∑Y=0 ∴2fN—G=0 又fN=N ∴N=

G2

∴N×2a—F2×

'

'

22

a=0 ∴D=

4F

P

=

4266

1

∴F2=2 N=2×100=200N

=100N

又=

V2V1

=18.4mm

=

20021

=

F1F2

=1.33

∵∑M(o)=0

∴F1=266N

根据液压行业技术标准，圆整为18mm查《机械设计手册》P17286选HSG型液压缸， 手指油腔流量（手臂的伸缩速度为4mm/s）。

由公式得：

Q=sv=4×π×18²=4.1ml/s

（2）手腕缸设计计算

手腕是机械手的主要执行部件，其作用是支撑腕部和手部，并带动手部在空间运动。

腕部运动的目的是把手部送达空间运动范围内的任意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。

（手腕受力图）

手腕的伸缩速度为5mm/s，行程L=35mm

a、手腕缸油腔流量，公式得： Q=sv=5×π×40²=25120mm³/s=25ml/s b、手腕缸油腔工作压力，公式得： P=F/S 式中：F——取工件重和手臂活动部件总重，估算： F=0.5+1+20=21.5kg

F=mg x l=21.5x10xl1/l2=931.6N Fp=F/coso=931.6x174.92/150=1086N

所以代入公式（2.12）得：

P=（Fp+F摩）/S=1586/(π×20²)=1.26Mpa （F摩为500N机械手册）

（3）手臂缸2设计计算

手臂也是机械手的主要执行部件，作用是支撑臂部和手部，并带动作前后伸缩运动。手臂的摆动油缸的速度为5mm/s，行程L=150mm，当手臂处于水平状态且手臂伸出达到最大行程时，液压缸所需推力最大。

（手臂受力分析图）

a、手臂缸2油腔流量，由公式得：

Q=sv=5×π×40²=25120mm³/s=25ml/s

b、手臂缸2油腔工作压力，由公式得：

P=F/S

式中：F——取工件重和手臂活动部件总重，估算: F=0.5+1+2+20=23.5kg

F=mg ×l=23.5x10xl1/l2=2291.25N

Fp=F/coso=2291.25×341.76/120=6525.48N

所以代入公式（2.12）得：

P=（Fp+F摩）/S=7025.48/(π×40²)=1.39Mp （F摩为500N机械手册）

（4）手臂缸1设计计算

手臂的伸缩速度为5mm/s，行程L=150mm，当手臂缸1处于垂直状态时，液压缸所需推力最大 a、手臂缸1油腔流量，由公式得：

Q=sv=5×π×40²=25120mm³/s=25ml/s

b、手臂缸1油腔工作压力，由公式得：

P=F/S

式中：F——取工件重和手臂活动部件总重，估算 F=0.5+1+2+20=23.5kg

F=mg x l=23.5x10xl1/l2=2291.25N

Fp=F/coso=2291.25x341.76/120=6525.48N

所以代入公式得：

P=（Fp+F摩）/S=7525.48/(π×40²)=1.49Mpa （F摩为1000N机械手册）

液压缸计算结果如下表：

4.3 动力元件——液压泵设计计算

由于液压泵是标准件，其选择依据是额定压力和流量。当手臂摆动、手腕摆动、手指松紧及手臂伸缩缸工作时：

（1）手臂摆动时，液压缸的工作压力为1.49MPa，流量为

232

D×Vmax=×0.04×3×1.49=12.4L/min qt= A1Vmax=

4

4

（2）手伸缩时，液压缸的工作压力为1.39MPa,流量为 232

D×Vmax=×0.04×3×1.39=10.12L/min qt= A1Vmax=

4

4

（3）手腕摆动时, 液压缸的工作压力为1.26 MPa，流量为

qt= A1Vmax=



4

D×Vmax=

2



4

×0.022×3×1.26=7.53L/min

3

（4）手指松紧时，液压缸的工作压力为1MPa，流量为

223

qt= A1Vmax=D×Vmax=×0.018×3×1=0.76L/min

4

4

实际流量：qp=K1×qmax=1.1×12.4=13.64L/min 实际压力：pp=K2×pmax=1.1×1.49=1.639 MPa 查《机械设计手册》p17130选CB-30型液压泵。 工作时液压泵所需的最大功率为：

pw=

pq

p



=

111013.6410

0.860

63

=1.1KW

查《机械设计手册》p17130选CB-10型液压泵， 查《机械零件手册》p274选Y90L-4型电机。 泵的计算结果：

电机的计算结果：

五、功能特点

5.1确定对液压系统的工作要求

根据机械手是模仿人的手部动作，按预定路线、轨迹和要求实现升降、伸缩、旋转、抓

取和收回等操作救援装置的要求，执行机构要具有手臂升降、手臂伸缩、手腕上下摆动和手指伸张夹紧及手指旋转五个自由度。执行机构相应由手臂升降机构、手臂伸缩机构、手腕摆动机构、手指伸张夹紧机构和手指旋转机构等组成，每一部分均由液压缸及电机驱动以控制其完成动作。 5.2（1）液压系统控制原理图：

（液压系统控制原理图）

（2）液压系统电磁铁动作顺序表：

5.3液压系统特点分析：

（1）系统采用单泵供油，四个电磁换向阀分别控制手臂上下摆动、手臂的伸缩、手腕的上下摆动、手指的张开和合拢。由于手指缸所需压力较低，在手指缸支路上串联有减压阀31，使之获得较小且稳定的压力。

（2）手指的张开和合拢采用双杆双作用液压缸驱动，手臂的摆动和伸缩、手腕的摆动和手指张合的速度分别由调速节流阀14、15、16、17、18、19、20和21实现回油节流调速；液控单向阀5、6、7、 8、9、10、11和12可以确保各个液压缸在定位后位置的精确度而不受系统压力波动的影响，保证牢固地夹紧救援目标和机械手的可靠性，采用了液控单向阀的锁紧回路。

六、主要创新

6.1此机械手的创新点与实用价值在于从分采用了先进的红外成像装置、生命探测仪与多关节的机械手控制理论，与目前已有的救生机械相比是机械手应用于救援设备中的一大突破；

6.2.可以实现窄道、弯曲、黑暗中和浑浊中快速找到目标，并及时救出被困人员； 6.3.此机械手还可以做成无线红外遥控，用来排除危险物品（如排爆），使人们的生命不受威； 6.4.在救援过程中能可靠保障被救者的生命安全，使被救人员能在第一时间获得救援。

七、应用前景

此和谐救援机械手是由“液压传动-传感器-红外探测-可编程序控制器”组成的典型的控制系统，由于液压传动的平稳性、易控性、结构简单等优点，加之PLC的运用，使得此机械手更加灵活、快速、准确地进行各种救援，当然由于其优点，它不仅运用于救援、排爆方面，还将会广泛运用于社会生活与生产当中，在为保障人们生命安全的同时，给社会经济发展带来更大的促进作用。

参考文献：

【1】 申永胜，机械原理.北京：清华大学出版社，2005.12 【2】 龙振宇，机械设计. 北京：机械工业出版社，2002.7 【3】 刘鸿文，材料力学. 北京：高等教育出版社，2004.1

【4】 许福玲，陈尧明，液压与气压传动.北京：机械工业出版社，2007.5 【5】 廖常初，S7-200 PLC编程及应用. 北京：机械工业出版社，2007.8 【6】 王先逵，机械制造工艺学.北京：机械工业出版社，2006.1

【7】 王建华，毕万全，机械制图与计算机绘图. 北京：国防工业出版社，2006.5 【8】 乔建军，Pro/ENGINEER.动力学与有限元分析. 北京：机械工业出版社，2010.1