水果采摘裝置設(shè)計(jì)
水果采摘裝置設(shè)計(jì),水果,采摘,裝置,設(shè)計(jì)
畢業(yè)答辯水果采摘裝置設(shè)計(jì)水果采摘裝置設(shè)計(jì) 主要設(shè)計(jì)過(guò)程主要設(shè)計(jì)過(guò)程一一.研究和確定設(shè)計(jì)方案研究和確定設(shè)計(jì)方案二二.三維建模三維建模三三.重要零件的有限元分析和模型加工重要零件的有限元分析和模型加工四四.說(shuō)明書的攥寫說(shuō)明書的攥寫一一.研究和確定設(shè)計(jì)方案研究和確定設(shè)計(jì)方案1.采摘方式的選擇采摘方式的選擇A.直接切斷式b.吸入式c.夾持類夾持類2.分離方式的選擇分離方式的選擇a.扭斷扭斷、折斷、折斷、拉斷拉斷b.剪切剪切c.熱切割熱切割初步方案確定初步方案確定夾持類夾持類扭斷扭斷、拉斷拉斷仿生機(jī)械手仿生機(jī)械手其他設(shè)計(jì)內(nèi)容其他設(shè)計(jì)內(nèi)容手指數(shù)量：手指數(shù)量：3個(gè)個(gè)關(guān)節(jié)數(shù)量：關(guān)節(jié)數(shù)量：6節(jié)節(jié)選用選用材料材料：尼龍尼龍二二.三維建模三維建模1.部分零件圖部分零件圖三三.重要零件有限元分析重要零件有限元分析 和模型的加工和模型的加工1.有限元分析有限元分析2.利用利用3D打印技術(shù)進(jìn)行模型加工打印技術(shù)進(jìn)行模型加工四四.說(shuō)明書的撰寫說(shuō)明書的撰寫1.字?jǐn)?shù)字?jǐn)?shù)12000字字2.重復(fù)率重復(fù)率低于低于303.外文翻譯一篇外文翻譯一篇4.二維圖紙二維圖紙13張張致謝感謝答辯老師提問(wèn)指導(dǎo)感謝答辯老師提問(wèn)指導(dǎo)
本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）
題 目
水果采摘裝置設(shè)計(jì)
本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書
題 目
水果采摘裝置設(shè)計(jì)
題目來(lái)源
自擬
學(xué)生姓名
王晗晨
學(xué) 號(hào)
0802140123
專業(yè)班級(jí)
14級(jí)機(jī)械1班
指導(dǎo)教師
何斌鋒
職 稱
講師
教 研 室
機(jī)械
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)與要求
為了減輕果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高采摘效率，避免爬高造成意外傷害事故，設(shè)計(jì)一款采摘設(shè)備，要求能滿足各種高度的采摘作業(yè)，不損傷水果，水果類型可自定。要求完成該裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相關(guān)的校核，完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書撰寫，并完成裝配圖（包括三維裝配）以及相關(guān)零件圖，二維圖紙量至少保證1.5張A0圖紙。
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）工作進(jìn)程
起止時(shí)間
工作內(nèi)容
2017.12.5-2017.12.28
2017.12.29-2018.2.28
2018.3.1-2018.3.31
2018.4.1-2018.4.30
2018.5.1-2018.5.11
2018.5.12
查（借）閱資料，了解本課題設(shè)計(jì)重點(diǎn)，注意事項(xiàng)，撰寫開(kāi)題報(bào)告。
繼續(xù)閱讀文獻(xiàn)，制定采摘裝置設(shè)計(jì)方案。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算及校核。
繪制裝配圖及零件圖，撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)。
指導(dǎo)老師、評(píng)閱老師評(píng)閱，整理資料準(zhǔn)備答辯。
答辯。
指導(dǎo)教師（簽字） 畢業(yè)論文工作組組長(zhǎng)（簽字）
任務(wù)接受人（簽字） 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）起止時(shí)間： 2017年12月5日 至2018年5月12日
注：本表于每學(xué)年第1學(xué)期18周，經(jīng)畢業(yè)論文工作組審批，隨畢業(yè)論文裝訂由學(xué)院存檔。
本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開(kāi)題報(bào)告
論文（設(shè)計(jì)）題目
水果采摘裝置設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名
王晗晨
學(xué)號(hào)
0802140123
指導(dǎo)教師
何斌峰
1、 研究目的及意義
我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，水果產(chǎn)業(yè)是我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)中的重要組成部分。水果種植產(chǎn)業(yè)最重要的操作環(huán)節(jié)便是果實(shí)成熟時(shí)的采摘作業(yè)，其勞動(dòng)強(qiáng)度大、消耗時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)由于樹(shù)高的限制，高處的果實(shí)很難采摘，也具有一定的危險(xiǎn)性。所以需要設(shè)計(jì)一款簡(jiǎn)單易于操作，但又效率高，易于生產(chǎn)，可以大面積推廣的設(shè)備，有來(lái)輔助生產(chǎn)過(guò)程中采摘的環(huán)節(jié)。以保證生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全，將更多的勞動(dòng)力解放出來(lái)。
二、國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r
（1）國(guó)外
在德國(guó)，美國(guó)，法國(guó)，韓國(guó)，日本等發(fā)達(dá)的國(guó)家，隨著產(chǎn)業(yè)多樣化，國(guó)際化，以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作性質(zhì)等原因，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)勞動(dòng)力不足遠(yuǎn)比其它行業(yè)來(lái)的嚴(yán)重。為了解決勞動(dòng)力分散不均勻，保障生產(chǎn)，提高人們的生活質(zhì)量，各個(gè)國(guó)家都不斷研發(fā)出了一些農(nóng)業(yè)機(jī)械手。例如美國(guó)在1883年成功研制了世界上第一臺(tái)西紅柿采摘機(jī)械手；1987年研制出了對(duì)于樹(shù)冠外的果實(shí)分辨率很高于的柑橘采摘的機(jī)械手。韓國(guó)在1998年也開(kāi)發(fā)研制了一種利用傳感器的識(shí)別專門用來(lái)采摘成熟果實(shí)的蘋果采摘機(jī)械手。而且該裝置還可以比較輕松的在果園里自由移動(dòng)，工作空間范圍較廣。 而作為新興的發(fā)達(dá)國(guó)家的代表，日本在農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究方面更是全面且多方位。例如為了噴灑農(nóng)藥專門設(shè)計(jì)出來(lái)的噴農(nóng)藥機(jī)器人，傳感器的加入使它能自動(dòng)的噴灑農(nóng)藥。還有為了嫁接特意設(shè)計(jì)的機(jī)器人，極速的嫁接成倍的提高了生產(chǎn)效率。施肥機(jī)器人利用橡皮做成的四個(gè)超窄輪子可以做到在在狹窄的作物間行走。人機(jī)協(xié)作型機(jī)器人則是通過(guò)人與機(jī)械手的共同協(xié)調(diào)作用來(lái)完成水果采摘的。在采摘過(guò)程中，通過(guò)用人來(lái)完成定位與機(jī)器的導(dǎo)航的任務(wù)，而其它的工作（例如：關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）則是由機(jī)器人精準(zhǔn)控制來(lái)協(xié)調(diào)完成。 除此之外，日本還研究了西紅柿，葡萄，草莓，黃瓜等一系列的水果采摘機(jī)器人。
（2）國(guó)內(nèi)
作為一個(gè)果蔬生產(chǎn)大國(guó)，中國(guó)雖然在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化方面晚起步于其他發(fā)達(dá)國(guó)家，但是先天的不足不能扼住奮發(fā)的國(guó)人。1997年，東北林業(yè)大學(xué)教授陸懷民以液壓為驅(qū)動(dòng)，配合以單片機(jī)控制系統(tǒng)，成功的研制出了松木球果實(shí)采摘機(jī)器人。果實(shí)采摘作業(yè)時(shí)，由底部的行走機(jī)構(gòu)帶動(dòng)五自由度的機(jī)械手靠近果樹(shù)，然后由控制系統(tǒng)控制液壓缸實(shí)現(xiàn)大小臂的俯仰從而實(shí)現(xiàn)果實(shí)的精確采摘。2001年，針對(duì)番茄采摘采摘過(guò)程中定位不精準(zhǔn)的問(wèn)題，張瑞合等人巧妙地運(yùn)用雙目立體視覺(jué)的辦法成功的解決了這一大難題。2005年，梁喜鳳 苗香雯 等人針對(duì)番茄機(jī)械手的機(jī)械運(yùn)動(dòng)特性問(wèn)題成功的進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化的運(yùn)動(dòng)的仿真。而近年來(lái),隨著國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)的重視和資源投入加大,作為農(nóng)用機(jī)械的一大熱 點(diǎn),機(jī)械手更是有了質(zhì)的優(yōu)化和跨越,不過(guò)面對(duì)復(fù)雜多變的工作環(huán)境,機(jī)械手的研究依 舊任重而道遠(yuǎn)。
三、研究?jī)?nèi)容
1） 、設(shè)計(jì)方案的確定。
二）、初步做出整個(gè)裝置的零件圖和裝配圖。
三）、使用相關(guān)軟件做出三維圖，并對(duì)裝置進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)和力學(xué)分析。并且對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。
四）、對(duì)裝置進(jìn)行加工和裝配。
五）、使用裝置進(jìn)行實(shí)地實(shí)驗(yàn)和調(diào)試并且分析優(yōu)缺點(diǎn)以便后期改進(jìn)。
六）、撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文
在教師指導(dǎo)作用下，獨(dú)立完成設(shè)計(jì)任務(wù)書，培養(yǎng)一定的創(chuàng)新意識(shí)和較強(qiáng)的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)能力，完成裝置的整個(gè)設(shè)計(jì)說(shuō)明，并附加相關(guān)的圖紙和計(jì)算，計(jì)算步驟清晰明了，計(jì)算結(jié)果正確，設(shè)計(jì)繪圖等符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書時(shí)要語(yǔ)言通順，文字簡(jiǎn)練，圖示清晰。
四、研究方案以及步驟
本課題設(shè)計(jì)劃分為以下三個(gè)階段：
第一階段：1）認(rèn)真閱讀任務(wù)要求，明確設(shè)計(jì)目的
2）查閱資料，了解本課題設(shè)計(jì)重點(diǎn)，注意事項(xiàng)
3）設(shè)計(jì)初期方案。
第二階段：1）做出零件圖和裝配圖。
2）做出三維圖并且進(jìn)行軟件模擬和力學(xué)分析。
第三階段：1）對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和加工實(shí)物。
2）教師評(píng)閱、 學(xué)生修改
3）制作畢業(yè)答辯的PPT
五、論文提綱
第一章 緒論
1.1.課題背景及目的
1.2水果采摘裝置國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
第2章 裝置的設(shè)計(jì)原理和初步設(shè)計(jì)
2.1裝置的構(gòu)想和原理
2.2零件圖和裝配圖
第三章 三維圖的繪制裝配
3.1各個(gè)零件三維圖的繪制
3.2裝配
第四章 應(yīng)力分析壽命計(jì)算及其優(yōu)化
4.1零件應(yīng)力分析
4.2零件的壽命計(jì)算
4.3分析結(jié)果和優(yōu)化
第5章 實(shí)物的加工
5.1材料的選擇準(zhǔn)備及加工余量的計(jì)算
5.2加工代碼的生成和轉(zhuǎn)換
5.3機(jī)加過(guò)程
5.4零件的修整和裝配
第6章 實(shí)物實(shí)地實(shí)驗(yàn)
第七章 實(shí)物優(yōu)缺點(diǎn)的分析和優(yōu)化
致謝
六、工作量的估計(jì)、工作條件
1.工作量的估計(jì)
1 撰寫設(shè)計(jì)論文及設(shè)計(jì)說(shuō)明書（不少于8000字）；
2 完成零件圖裝配圖和三維圖；
3 手工繪圖一張；
4 制作畢業(yè)答辯的PPT；
5 翻譯一篇外文論文。
2.工作條件
1.圖書館，圖書期刊資料和電子文獻(xiàn)資料
2.裝有制圖軟件的電腦，繪制二維圖、三維圖
3.制圖室，繪制圖紙
3.工作進(jìn)程
2017.12.5-2017.12.28 查（借）閱資料，了解本課題設(shè)計(jì)重點(diǎn)，注意事項(xiàng)，撰寫開(kāi)題報(bào)告。
2017.12.29-2018.2.28 繼續(xù)閱讀文獻(xiàn)，制定采摘裝置設(shè)計(jì)方案。
2018.3.1-2018.3.31 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算及校核
2018.4.1-2018.4.30 繪制裝配圖及零件圖，撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)。
2018.5.1-2018.5.11 指導(dǎo)老師、評(píng)閱老師評(píng)閱，整理資料準(zhǔn)備答辯
2018.5.12 答辯。
七、存在的問(wèn)題及擬解決采取的措施
1.前期設(shè)計(jì)思路和裝置原理的欠缺所以需要不停地查閱相關(guān)資料來(lái)確定初步方案。
2.在零件的各種計(jì)算和繪圖中可能會(huì)因?yàn)閷I(yè)知識(shí)的不足進(jìn)度較慢，要多和指導(dǎo)老師聯(lián)系，和學(xué)習(xí)。
3.在論文的撰寫過(guò)程中可能會(huì)因?yàn)槿鄙俳?jīng)驗(yàn)導(dǎo)致撰寫的不夠嚴(yán)謹(jǐn)，要多請(qǐng)教指導(dǎo)老師，不斷地查驗(yàn)修改。
參考文獻(xiàn)
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[9] 吳光峰.鑄造工藝裝備設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999
[10] 樊自田.先進(jìn)材料成形技術(shù)與理論.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006
[11] Characterizations of temperature effects on sintered ceramics manufactured with waste foundry sand and clay Form Deng-Fong Lin. Huan-Lin Luo.Jyung-Dong Lin Mei-Ling Zhuang
指導(dǎo)教師意見(jiàn)及建議（從選題、理論與實(shí)證準(zhǔn)備、研究（設(shè)計(jì)）方法、工作安排等方面給出評(píng)價(jià)，并提出指導(dǎo)意見(jiàn)）：
該生通過(guò)查閱大量資料了解水果采摘設(shè)備的基本要求，制定了合理可行的設(shè)計(jì)方案，選題符合機(jī)械專業(yè)要求，同意開(kāi)題。
指導(dǎo)教師簽名：
年 月 日
畢業(yè)論文工作組意見(jiàn)及建議
準(zhǔn)予開(kāi)題
畢業(yè)論文工作組組長(zhǎng)簽字：
年 月 日
注：1.此表由學(xué)生填寫后，交指導(dǎo)教師簽署意見(jiàn)，經(jīng)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）工作組審批后，才能開(kāi)題。
水果采摘裝置設(shè)計(jì)
水果采摘裝置設(shè)計(jì)
摘要：本文主要對(duì)一種水果采摘裝置進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)。這個(gè)裝置是一個(gè)仿生的采摘機(jī)器人的機(jī)械手。該裝置必須依附于新型的蘋果采摘機(jī)器人，仿生機(jī)械手主要使用合適的鋼絲作為傳動(dòng)鏈將裝置的驅(qū)動(dòng)部位和執(zhí)行部位分開(kāi)，將驅(qū)動(dòng)部分放于機(jī)械手臂的尾部，目的在于減輕機(jī)械臂的質(zhì)量，也大大增加了所需要用到的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的可選擇的范圍。
首先，對(duì)仿生采摘機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行了查閱資料和確定設(shè)計(jì)方案。在確定方案的過(guò)程中修改優(yōu)化了兩次，最終確定為仿生機(jī)械手裝置；其次，設(shè)計(jì)計(jì)算并對(duì)裝置進(jìn)行三維建模，繪制出零件圖然后裝配。最后利用有限元分析軟件進(jìn)行力學(xué)分析，采用3D打印技術(shù)對(duì)零件進(jìn)行了加工，人工裝配，制造出了設(shè)計(jì)的實(shí)物。
此次的采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)方案經(jīng)研究合理有效，符合任務(wù)要求，它的整體性能可以滿足新型機(jī)器人采摘蘋果的所需采摘裝置。
關(guān)鍵詞：蘋果采摘機(jī)器人；仿生機(jī)械手；機(jī)械設(shè)計(jì)
Design of Fruit Picking Device
Abstract：In this paper, a kind of fruit picking device is designed. The device is a biomimetic hand for picking a robot. The device must be attached to a new type of Apple picking robot. It mainly uses steel wire as a transmission chain to separate the drive part from the execution part, and the drive part is placed on the tail part, reducing the quality of the robot arm. The range of options for the required drive motor has also been increased.
Firstly, the overall design of the Bionic picking manipulator is reviewed and the design scheme is determined. Secondly, the device is modeled in three dimensions, the parts are mapped and assembled. Finally, using software for mechanical analysis and then using 3D printing technology, the parts were processed, manually assembled, and the designed physical objects were produced.
This picking scheme is reasonable and effective, and its overall performance can meet the requirements of the new robot to pick apples.
Key words: Apple picking robot; Bionic manipulator; Mechanical design
目錄
摘要 I
Abstract II
1.緒論 1
1.1 課題背景及目的 1
1.2國(guó)內(nèi)外采摘機(jī)器人研究進(jìn)展 1
1.3主要內(nèi)容和研究方法 2
1.3.1 主要研究?jī)?nèi)容 2
1.3.2主要研究方法 2
1.4本章小結(jié) 2
2.采摘裝置仿生機(jī)械手的設(shè)計(jì) 3
2.1新型農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的特點(diǎn) 3
2.2水果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題和解決方案 3
2.3采摘方式和分離方式的選擇 4
2.3.1采摘方式的選擇 4
2.3.2分離方式的選擇 6
2.4仿生機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7
2.4.1蘋果采摘方式分析 7
2.4.2總體設(shè)計(jì) 7
2.5手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8
2.5.1手指數(shù)量 8
2.5.2手指關(guān)節(jié)數(shù)量 9
2.5.3手指的材料選擇 9
2.6機(jī)架的設(shè)計(jì) 10
2.7驅(qū)動(dòng)方案的選擇 10
2.8本章小結(jié) 11
3.仿生機(jī)械手靜力學(xué)分析 12
3.1 手指的工作原理 12
3.2 抓取時(shí)的靜態(tài)力學(xué)模型 12
3.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 15
3.4手部的夾持誤差計(jì)算 15
3.5本章小結(jié) 18
4.仿生機(jī)械手3D建模及重要零件的有限元分析 19
4.1 軟件概述 19
4.2機(jī)械手的虛擬設(shè)計(jì)與裝配 19
4.2.1模型的建立 19
4.2.2裝配 22
4.3 重要零件的有限元分析 23
總結(jié) 24
參考文獻(xiàn) 25
致謝 27
V
本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）
1.緒論
1.1 課題背景及目的
我國(guó)是世界農(nóng)業(yè)大國(guó)，而水果業(yè)恰恰是我國(guó)農(nóng)業(yè)的重要一個(gè)組成部分。 果實(shí)成熟時(shí)最重要的操作環(huán)節(jié)是采摘作業(yè)。 勞動(dòng)強(qiáng)度高，消耗時(shí)間長(zhǎng)。 同時(shí)，由于樹(shù)高的限制，高處位置的果實(shí)難以采摘，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。所以需要設(shè)計(jì)一款簡(jiǎn)單易于操作，但又效率高，易于生產(chǎn)，可以大面積推廣的設(shè)備，有來(lái)輔助生產(chǎn)過(guò)程中采摘的環(huán)節(jié)。以保證生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全，將更多的勞動(dòng)力解放出來(lái)。隨著新型農(nóng)業(yè)技術(shù)，機(jī)械技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人已經(jīng)進(jìn)入我們的視線，使得生產(chǎn)向智能化發(fā)展。所以本次設(shè)計(jì)偏向機(jī)器人采摘裝置，主要會(huì)設(shè)計(jì)采摘部分所需要的仿生機(jī)械手。主要達(dá)到用來(lái)提高生產(chǎn)效率改善生產(chǎn)狀況，保證生產(chǎn)安全等目的。
1.2國(guó)內(nèi)外采摘機(jī)器人研究進(jìn)展
果蔬采摘機(jī)器人的發(fā)明始于20世紀(jì)60年代，在美國(guó)二十世紀(jì)，采摘的主要方法是機(jī)械和氣動(dòng)搖動(dòng)。果實(shí)的脆弱性是果實(shí)的脆弱性、低效率、特定的采收率、有限的采摘、新鮮果蔬的存在。但從那時(shí)起，隨著電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是工業(yè)機(jī)器人和日益復(fù)雜的計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，拾取機(jī)器人的研究和技術(shù)發(fā)展迅速發(fā)展。目前，日本、荷蘭、法國(guó)、英國(guó)、意大利、美國(guó)、以色列、西班牙等國(guó)家對(duì)果蔬采摘機(jī)器人進(jìn)行了研究，包括柑桔、蘋果、西紅柿、櫻桃番茄、蘆筍、黃瓜、黃瓜、葡萄、卷材、菊花。草莓、蘑菇等。這些好處并沒(méi)有真正使機(jī)器人商業(yè)化。在中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域起步較晚。但這不可能難住奮斗者，近年來(lái)，已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。東北林業(yè)大學(xué)教授盧懷敏成功研制了一種液壓驅(qū)動(dòng)的松果采摘機(jī)器人和單片機(jī)控制系統(tǒng)。梁希鳳，苗向文等?成功模擬了番茄機(jī)器人機(jī)械特性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化運(yùn)動(dòng)。?鑒于番茄采摘選番時(shí)定位不準(zhǔn)確的問(wèn)題，張瑞鶴等人巧妙地利用雙目立體視覺(jué)成功解決了這個(gè)大問(wèn)題。?張劍鋒，董健，張志勇等自適應(yīng)棒跟蹤控制算法的采摘機(jī)器人設(shè)計(jì);?機(jī)器人視覺(jué)傳感器三維立體設(shè)計(jì)中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)劉召祥，劉剛等人摘取了江蘇大學(xué)蘋果蔡建榮的三維信息。?近年來(lái)，隨著國(guó)家重視農(nóng)業(yè)，加大對(duì)資源的投入，作為農(nóng)業(yè)機(jī)械的重點(diǎn)，機(jī)器人得到了質(zhì)的優(yōu)化和跨越，但面對(duì)復(fù)雜多變的工作環(huán)境，對(duì)機(jī)器人的研究依然存在?一樣。?還有很長(zhǎng)的路要走。
1.3主要內(nèi)容和研究方法
1.3.1 主要研究?jī)?nèi)容
(1)采摘裝置設(shè)計(jì)方案的確定。
(2)初步做出整個(gè)裝置的零件圖和裝配圖。
(3)使用相關(guān)軟件做出三維圖，并對(duì)裝置進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)和力學(xué)分析。并且對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。
(4)對(duì)裝置進(jìn)行加工和裝配。
(5)撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文
1.3.2主要研究方法
（1）查閱和瀏覽資料
利用課本和圖書館等現(xiàn)有圖書對(duì)研究課題進(jìn)行深入理解和設(shè)計(jì)不斷地改進(jìn)和優(yōu)化，利用網(wǎng)絡(luò)資源瀏覽并學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，查看相關(guān)文章圖片和視頻對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容有深切的認(rèn)識(shí)。
（2）軟件建模和力學(xué)分析
利用軟件進(jìn)行三維建模把設(shè)計(jì)內(nèi)容玩真的體現(xiàn)于三維圖中，使得設(shè)計(jì)過(guò)程和優(yōu)化過(guò)程方便快捷，利用軟件所有的力學(xué)分析功能對(duì)零件進(jìn)行力學(xué)分析保證設(shè)計(jì)零件的壽命和合理性。
（3）3D打印技術(shù)進(jìn)行加工
利用學(xué)校現(xiàn)有的3D打印設(shè)備對(duì)零件進(jìn)行加工和后期人工的裝配，以便于直觀的將設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明和展現(xiàn)。
1.4本章小結(jié)
本章節(jié)主要對(duì)課題研究的背景和目的進(jìn)行闡述，對(duì)國(guó)內(nèi)外研究的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了陳述，對(duì)研究的內(nèi)容和方法進(jìn)行了討論和確定，為接下來(lái)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了總領(lǐng)的作用。
2.采摘裝置仿生機(jī)械手的設(shè)計(jì)
2.1新型農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的特點(diǎn)
在目前的工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)有大量的工業(yè)機(jī)器人投入生產(chǎn)加工的流水線中，但是在農(nóng)業(yè)中機(jī)器人的應(yīng)用并不是十分的凸顯，原因有很多，最直接的原因就是農(nóng)業(yè)機(jī)器人所要面對(duì)的工作對(duì)象和工作環(huán)境和工業(yè)機(jī)器人大有不同，技術(shù)難度比較高很難實(shí)現(xiàn)智能化的生產(chǎn)工作，所以對(duì)新型農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人討論得出它具體有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
（1）非結(jié)構(gòu)性的操作環(huán)境。由于作物隨時(shí)間和空間的變化，工作環(huán)境是不可預(yù)知的。而且形式多變的。除了地形條件的限制外，它還直接受作物生長(zhǎng)環(huán)境的季節(jié)、氣候和其他自然條件的影響。這不單單要考慮到裝置的靈活性還要有很大的智能性，并能適應(yīng)多變的自然環(huán)境，在視覺(jué)、觸覺(jué)、多傳感器融合、知識(shí)推理和判斷等方面具有相當(dāng)?shù)闹悄堋?
（2）被采摘水果的易損性和位置不可預(yù)測(cè)性。眾所周知，新鮮的水果較為嬌嫩若采摘不當(dāng)定會(huì)造成采摘的損傷和經(jīng)濟(jì)的損失，而其水果在樹(shù)體上所處的位置高低及被樹(shù)葉的遮擋程度。這些都將是水果機(jī)械采摘所要面臨的問(wèn)題。都需要被合理的解決。??
（3）運(yùn)動(dòng)軌跡的復(fù)雜性。機(jī)器人一般要一邊移動(dòng)一邊進(jìn)行
拾取操作，這一問(wèn)題是比較復(fù)雜的，此時(shí)不像工業(yè)機(jī)器人那樣具有固定的軌道和可以判斷的距離，動(dòng)作的同步要求就比較高了，在后期的控制中就比較要求高了。?
（4）操作對(duì)象和市場(chǎng)價(jià)格的特殊性。由于水果采摘裝置主要為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者來(lái)使用所以一定要便于操作和保養(yǎng)維護(hù)之類，而其要是和不同的性別和年齡段的勞動(dòng)者。并且價(jià)格不能過(guò)于昂貴，以至于果農(nóng)成本太高不愿意使用采摘裝置。
2.2水果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題和解決方案
采摘機(jī)器人機(jī)械手設(shè)計(jì)是水果采摘機(jī)器人的一個(gè)核心設(shè)計(jì)。因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在一般水果的表皮都比較脆弱容易損傷，而且水果的形狀以及生長(zhǎng)在果樹(shù)上的位置通常比較復(fù)雜。所以在采摘機(jī)器人實(shí)地采摘的過(guò)程中較為容易發(fā)生損傷的原因主要有以下兩點(diǎn)：?
（1）水果位置判斷的不準(zhǔn)確和執(zhí)行動(dòng)作時(shí)存在的軌跡誤差，一般水果均被樹(shù)葉遮擋，而且樹(shù)枝的生長(zhǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜，所以在水果位置的判斷中存在較大的難度，而且就算判斷正確后采摘軌跡極易可能受到樹(shù)枝的影響，導(dǎo)致動(dòng)作的中斷或偏移。
（2）水果的表皮較為嬌嫩在采摘過(guò)程中機(jī)械手的力度和方向一旦控制不好就會(huì)對(duì)水果造成損傷，從而影響水果品質(zhì)造成直接的經(jīng)濟(jì)損失。
所以對(duì)采摘機(jī)器人的采摘裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)是，應(yīng)要根據(jù)不同水果的生物特性和機(jī)械特性以及栽培方式，采用不同的專用特有的裝置以提高采摘的成功率并減小對(duì)水的損傷為主要目標(biāo)。一般集成兩項(xiàng)功能：?
（1）準(zhǔn)確的測(cè)量果實(shí)的位置，為機(jī)械手采摘時(shí)提供準(zhǔn)確的導(dǎo)航信息；?
（2）對(duì)采摘的力度進(jìn)行精確的控制，壓力傳感器必須高度精準(zhǔn)，以保證在抓取水果的時(shí)候?qū)λ谋砥び幸粋€(gè)很好的保護(hù)，不至于損壞水果造成損失。
2.3采摘方式和分離方式的選擇
2.3.1采摘方式的選擇
經(jīng)過(guò)查閱書籍和瀏覽網(wǎng)絡(luò)資料發(fā)現(xiàn)目前國(guó)內(nèi)外采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)方案中可以借鑒和使用的的有以下幾種采摘方式：
（1）直接切斷式?：
這種方式最為原始和簡(jiǎn)單，但是缺點(diǎn)也很多，比如說(shuō)自動(dòng)化程度的不高采摘效率低下，采摘環(huán)境要求高，不能滿足多種地形和水果的采摘，操作難度高不便于采摘人員的操作和使用等，如圖2-1/2-2/2-3所示。
圖2-1 甜椒采摘機(jī)器人機(jī)械手
圖2-2 茄子采摘機(jī)器人機(jī)械手
圖2-3 番茄采摘機(jī)器人機(jī)械手
（2）吸入式?：
這種方式是先使用真空將果實(shí)吸入操作位置后然后再進(jìn)行采摘切柄的過(guò)程，下面的兩種裝置均為吸入式，只是在切柄的部分有所不同，一個(gè)是切一個(gè)是旋轉(zhuǎn)扭斷。這種吸入式采摘較為合理可以應(yīng)用在很多采摘裝置中。
圖2-4 柑橘采摘機(jī)器人機(jī)械手
圖2-5 蘋果采摘機(jī)器人機(jī)械手
（3）夾持類?：
這種方式模仿了人手采摘水果的運(yùn)動(dòng)方式，運(yùn)用了仿生學(xué)的知識(shí)，在抓取過(guò)程中較為快捷準(zhǔn)確和靈活，所以不管在工業(yè)機(jī)器人還是農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人中仿生的機(jī)械手得到了大量的應(yīng)用。而且國(guó)內(nèi)外對(duì)此方面的研究也較為頻繁，所以此次研究采用了仿生機(jī)械手進(jìn)行采摘。
1.手指 2.內(nèi)螺紋管 3.絲杠 4.電機(jī)
圖2-6 機(jī)械手機(jī)構(gòu)示意圖
最后經(jīng)過(guò)大量的查閱資料并且指導(dǎo)老師進(jìn)行多次的指導(dǎo)和建議，最終我們?cè)谶@里選擇夾持類的采摘方式，此種方式較為簡(jiǎn)單直接在采摘過(guò)程中能快速高效的完成采摘而且不是以損傷過(guò)時(shí)的表面，所以此種方式較為符合蘋果采摘機(jī)器人所需要的特性，能較好的完成采摘的需求。
2.3.2分離方式的選擇
（1）扭斷、折斷、拉斷
扭斷式分離方式是利用機(jī)器人手腕的旋轉(zhuǎn)和仿生周轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在機(jī)械手抓牢果實(shí)后擰斷果柄，需要多次往復(fù)扭轉(zhuǎn)才能斷開(kāi)果梗，采摘機(jī)器人機(jī)械手需要較大的工作空間，這樣就難于避免碰撞到樹(shù)枝的障礙物。同時(shí)，這里就需要根據(jù)采摘對(duì)象的果柄的力學(xué)特性進(jìn)行不同方式的選擇和實(shí)際性的實(shí)驗(yàn)，否則很難達(dá)到預(yù)期判斷的效果。
（2）剪切
在很多設(shè)計(jì)中采摘機(jī)器人機(jī)械手安裝了剪刀或切刀，采摘方式為剪斷果柄或者切斷果柄。這種方法最為簡(jiǎn)單和直接，但是對(duì)位置精度的要求最高，而且剪切裝置不太穩(wěn)定最容易在剪切中發(fā)生故障。
（3）熱切割
在荷蘭有一種利用電阻絲將果柄切斷的技術(shù)，曾經(jīng)應(yīng)用在黃瓜的采摘裝置上，此種裝置優(yōu)點(diǎn)為可以閉合果樹(shù)因果柄斷落所導(dǎo)致的病菌感染，而且在水果保存水分的方面有著獨(dú)特的作用，但是此種裝置在使用的時(shí)候所需時(shí)間較長(zhǎng)而且電阻絲易于損壞，并不是特別符合高效率和低成本的要求。
所以我們?cè)诖舜蔚脑O(shè)計(jì)中最終選擇拉斷式，此種分離方式最為適合蘋果的采摘，蘋果的果柄較脆，易于拉斷，這種方式的選擇不僅滿足機(jī)械手的特性而且在實(shí)際的操作過(guò)程中大大的節(jié)約了時(shí)間，簡(jiǎn)單快捷，是最為合適的分離方式。
2.4仿生機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.4.1蘋果采摘方式分析
根據(jù)上文的分析和討論我們最終選擇采摘方式為夾持類，分離方式為拉斷式主要的原因如下：夾持類采摘方式較為簡(jiǎn)單直接在采摘過(guò)程中能快速高效的完成采摘而且不是以損傷過(guò)時(shí)的表面，所以此種方式較為符合蘋果采摘機(jī)器人所需要的特性，能較好的完成采摘的需求。拉斷式，此種分離方式最為適合蘋果的采摘，蘋果的果柄較脆，易于拉斷，這種方式的選擇不僅滿足機(jī)械手的特性而且在實(shí)際的操作過(guò)程中大大的節(jié)約了時(shí)間，簡(jiǎn)單快捷，是最為合適的分離方式。
設(shè)計(jì)要求：
本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)械手應(yīng)該為了減輕果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高采摘效率，避免爬高造成意外傷害事故，要求能滿足各種高度的采摘作業(yè)，不損傷水果，水果類型可自定。要求完成該裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相關(guān)的校核，完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書撰寫，并完成裝配圖（包括三維裝配）以及相關(guān)零件圖，二維圖紙量至少保證1.5張A0圖紙。所以制定以下幾個(gè)方面：
（1） 采摘果實(shí)為蘋果其直徑范圍：60毫米～100毫米；
（2）裝置還要滿足體積外觀小巧、操作使用簡(jiǎn)單、安全性能可靠、場(chǎng)地適應(yīng)性強(qiáng)、加工制造成本低廉；
（3）在加工制造的過(guò)程中生產(chǎn)流程簡(jiǎn)單，零件加工的工藝性好。
2.4.2總體設(shè)計(jì)
機(jī)器人手臂的驅(qū)動(dòng)部分的末端安裝在手臂的最前端，以便拾取水果和蔬菜，以便采摘水果和蔬菜以實(shí)現(xiàn)設(shè)備和附加功能。水果和蔬菜收割機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了一鍵操作所需的移動(dòng)直接接觸。手指與果實(shí)體直接接觸。手指運(yùn)動(dòng)的常見(jiàn)形式是旋轉(zhuǎn)和平移。旋轉(zhuǎn)式手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，被廣泛使用。應(yīng)用是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但手指的平移抓住了圓形物體，而物體直徑的變化并不影響其軸線的位置，所以大直徑范圍適合于抱工。
根據(jù)蘋果采摘的具體要求，提出了蘋果采摘機(jī)器人機(jī)械手。其結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。致動(dòng)器由手指，手掌，機(jī)架等組成。手上有三個(gè)手指，三個(gè)手指圍繞著圓周對(duì)稱排列，即每側(cè)有一個(gè)手指。每個(gè)手指有6個(gè)關(guān)節(jié)。在電機(jī)的控制下，三根手指的連接通過(guò)拉動(dòng)手指下部的杠桿通過(guò)電線來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖2.7顯示了一個(gè)使用Solid Works軟件設(shè)計(jì)的仿生拾取機(jī)器人的三維實(shí)體模型。
機(jī)械臂以合適的速度運(yùn)動(dòng)到果實(shí)附近，然后通過(guò)位置傳感器檢測(cè)到蘋果的位置在進(jìn)行程序化的分析，機(jī)械手開(kāi)始工作夾緊果實(shí)，由壓力傳感器決定機(jī)械手的夾緊程度，然后模擬人類采摘時(shí)所用的下拉動(dòng)作，進(jìn)行采摘，最后將水果放到事前安排好的地方再松開(kāi)手指，完成一個(gè)水果的采摘。
圖2-7 機(jī)械手機(jī)構(gòu)圖
2.5手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在這里我們選擇的手指設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
（1）手指握力大，能夠牢牢的抓住水果，保證在采摘過(guò)程中可以有效地防止水果掉落。（2）承載能力較高，通用性良好，具有可以隨意抓取任意形狀的能力保證可以采摘各種大小形狀的蘋果。
（3）可以應(yīng)用范圍廣獨(dú)特的仿生設(shè)計(jì)同時(shí)減少了驅(qū)動(dòng)源的數(shù)量，使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單易與控置。選取驅(qū)動(dòng)裝置的時(shí)候只需考慮和討論一次，不必有過(guò)多的驅(qū)動(dòng)。
2.5.1手指數(shù)量
此次設(shè)計(jì)中選擇三根手指的設(shè)計(jì)，此種設(shè)計(jì)用意在于以最少的結(jié)構(gòu)就可以完成采摘所需要的抓取作用，三根手指足以對(duì)蘋果進(jìn)行完全包絡(luò)不會(huì)掉落，而且不會(huì)造成浪費(fèi)，在三根手指可以完成的情況下完全不必要設(shè)計(jì)成三根以上，而且在采摘的時(shí)候有利于蘋果表皮的保護(hù)不會(huì)損傷蘋果的表皮造成經(jīng)濟(jì)的損失，從而使設(shè)計(jì)更加合理。
2.5.2手指關(guān)節(jié)數(shù)量
在采摘機(jī)器人仿生機(jī)機(jī)械手的關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)中，手指的關(guān)節(jié)數(shù)量越多手指的靈活性越大，抓取的動(dòng)作將更為準(zhǔn)確和完整，所以我們?cè)诖_定關(guān)節(jié)數(shù)目的時(shí)候選擇了六根手指，以最大限度的保證了手指的靈活性，和抓取所需要的自由度，每節(jié)關(guān)節(jié)之間的傳動(dòng)合理有效符合設(shè)計(jì)要求。
我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)械手指是一個(gè)四連桿的機(jī)構(gòu)，由最底部的一根長(zhǎng)關(guān)節(jié)來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)手指，而且手指的外部配有用來(lái)測(cè)量壓力所需要的壓力傳感器保證手指在收攏到合適的大小的時(shí)候可以及時(shí)的停下來(lái)，不會(huì)損傷到蘋果的本身。
根據(jù)中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)資料，最小級(jí)別的三級(jí)蘋果以外，蘋果果實(shí)的最大橫截面的直徑必須要大于或等于70毫米。我們所要設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器人仿生機(jī)械手，機(jī)械手所抓取的蘋果直徑在60毫米～100毫米之間，故取蘋果半徑為30毫米≤R≤50毫米。
2.5.3手指的材料選擇
采摘機(jī)器人仿生機(jī)械手手指選擇必須要選擇合適的材料，因?yàn)檫@對(duì)于機(jī)器人工作狀態(tài)和加工生產(chǎn)都會(huì)產(chǎn)生巨大的影響和決定性的作用。
在查閱了大量資料和進(jìn)行多次分析之后，我們首先要通過(guò)遵循手的結(jié)構(gòu)尺寸和手指，然后同時(shí)保持足夠的光強(qiáng)度和質(zhì)量，我們最終確定了手指所需材料為尼龍材料的選擇。 尼龍材料本身就具有很多特性的優(yōu)點(diǎn)，比如說(shuō)較高的機(jī)械所需強(qiáng)度，良好的耐熱性，比較低摩擦系數(shù)，耐磨性好，而且具有自潤(rùn)滑性，減震性還具有弱酸性等特點(diǎn)。對(duì)于手指材料的確定是一個(gè)較為優(yōu)秀的材料。所以我們對(duì)采摘機(jī)器人仿生機(jī)械手手指材料選為尼龍材料。
圖2-8手指結(jié)構(gòu)
2.6機(jī)架的設(shè)計(jì)
我們所要設(shè)計(jì)的機(jī)架主要作用是用來(lái)安裝整個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和手掌部分，所以必須符合機(jī)身小巧，體積小易于使用，重量輕不影響手臂的平衡的設(shè)計(jì)要求。我們此次的設(shè)計(jì)是一個(gè)以圓柱形為主體框架的零件，將手指安裝于機(jī)構(gòu)架的上方零件軸心角度為平均的120度，下方可與手臂連接中間部位為鏤空結(jié)構(gòu)可以安裝傳動(dòng)所需要的鉸鏈和鉸鏈架等核心動(dòng)力裝置。機(jī)架結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)外觀如圖2.9所示。
圖2-9 機(jī)架結(jié)構(gòu)
2.7驅(qū)動(dòng)方案的選擇
目前的我們對(duì)于手爪設(shè)計(jì)所可以使用的驅(qū)動(dòng)源主要有三種形式：氣壓驅(qū)動(dòng)、電驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)，這三種目前的技術(shù)均已經(jīng)比較成熟所以使用的時(shí)候可以大膽的選擇只要可以滿足我們采摘機(jī)器人仿生機(jī)械手所需要的動(dòng)力大小和運(yùn)動(dòng)特性即可。我們對(duì)這三種方式進(jìn)行了對(duì)比和選擇。
（1）氣壓驅(qū)動(dòng)是利用氣動(dòng)壓力對(duì)空氣進(jìn)行壓縮壓來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)來(lái)驅(qū)，通常情況下空氣壓縮機(jī)通常被用作動(dòng)力源。它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器過(guò)載安全，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，污染少幾乎不計(jì)，成本較為低廉，還可以通過(guò)調(diào)節(jié)空氣流量，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的無(wú)級(jí)變速，但是尺寸設(shè)備的運(yùn)行速度不穩(wěn)定，定位精度不高，抓舉力較為小。
（2）液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)流體壓力致動(dòng)器的輸出力來(lái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定，固有的高效率，響應(yīng)速度快，速度很簡(jiǎn)單，可以在很寬的范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)速，便于適應(yīng)不同的工作要求，順利實(shí)現(xiàn)傳輸，可以吸收沖擊力可以實(shí)現(xiàn)更加頻繁和換向平穩(wěn)，但容易漏油，污染，高成本，高定位精度比空氣，但比電機(jī)低，流體溫度和粘度變化影響傳輸性能。
（3）電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，本設(shè)計(jì)中將采用57HS09型步進(jìn)電機(jī)?？梢猿浞掷?7HS09型步進(jìn)電機(jī)的體積小、重量輕、輸出力大、響應(yīng)速度快、精確度高等良好特性
2.8本章小結(jié)
（1） 根據(jù)任務(wù)書所提出的設(shè)計(jì)要求，對(duì)機(jī)械手的功能進(jìn)行分析并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行確定。
（2）對(duì)采摘機(jī)器人仿生機(jī)械手采摘方式，分離方式，手指數(shù)量，關(guān)節(jié)數(shù)量，機(jī)構(gòu)架形狀，以及手指材料進(jìn)行選擇，而且對(duì)以上方面進(jìn)行研究確定初步計(jì)劃。
3.仿生機(jī)械手靜力學(xué)分析
3.1 手指的工作原理
(a)是手指的初始結(jié)構(gòu),手指無(wú)接觸外力，整個(gè)手指以單一剛體繞支點(diǎn)運(yùn)動(dòng)
(b)表示指節(jié)1接觸物體
(c) 表示指節(jié)2相對(duì)指節(jié)1的轉(zhuǎn)動(dòng)，指節(jié)2向物體方向彎曲，這時(shí)驅(qū)動(dòng)力需克服彈簧作用力
(d)兩指節(jié)接觸物體，手指完成形適合階級(jí),驅(qū)動(dòng)件的驅(qū)動(dòng)力傳遞到兩指節(jié)上。
圖3.1 手指工作原理
3.2 抓取時(shí)的靜態(tài)力學(xué)模型
抓取的靜力學(xué)模型如圖3.2所示。
圖3.2 手指靜力學(xué)模型
圖3.2中為輸入轉(zhuǎn)矩，、分別為關(guān)節(jié)1、2所受的力，、為接觸點(diǎn)、到、的距離。為關(guān)節(jié)2相對(duì)于關(guān)節(jié)1轉(zhuǎn)過(guò)的角度，水平軸的夾角。為摩擦約束力矩。三角構(gòu)件邊的夾角，h桿與桿c的反向延長(zhǎng)線交點(diǎn)到的距離。、為關(guān)節(jié)1、2的長(zhǎng)度。為桿與水平軸的夾角。為摩擦約束力矩。
根據(jù)虛功原理可得
公式 (3.1)
T為手指機(jī)構(gòu)的輸入轉(zhuǎn)矩向量，由驅(qū)動(dòng)力矩以及摩擦力矩組成；為手指機(jī)構(gòu)各關(guān)節(jié)與力矩相關(guān)的連桿的虛擬角速度向量，由驅(qū)動(dòng)連桿的角速度以及末關(guān)節(jié)加速度構(gòu)成；F為作用在手指上的抓取接觸力組成的向量，由接觸力、構(gòu)成；V為外力作用點(diǎn)在外力作用方向上的虛擬速度向量，由各接觸點(diǎn)的y方向的速度分量構(gòu)成，即：
公式（3.2）
由機(jī)構(gòu)學(xué)理論，可知各關(guān)節(jié)的接觸點(diǎn)速度可以通過(guò)雅可比矩陣用各關(guān)節(jié)的角速度來(lái)表示，即： 公式(3.3)
又 公式(3.4)
為傳遞矩陣
將式(3.2)、(3.3)、(3.4)帶入(3.1)約去得：
(3.5)
公式(3.6)
將上式與式(3.3)對(duì)比可知
公式(3.7)
公式(3.8)
公式(3.9)
公式(3.10)
公式(3.11)
手指以直指方式抓取物體時(shí),僅有短關(guān)節(jié)觸及物體,這時(shí),只要令F1=0、T1=0 ，則手指受力為：
公式(3.12)
3.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
機(jī)械手的每個(gè)手指都是由兩套四連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成的。圖3.3所示為一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)。
圖 3.3四連桿機(jī)構(gòu)原理
各桿構(gòu)成的矢量封閉方程為[6]，寫成坐標(biāo)軸上分量形式有：
公式(3.13)
化簡(jiǎn)上式，消去b得：
公式(3.14)
對(duì)式3.14兩邊求導(dǎo)并化簡(jiǎn)，可得4桿機(jī)構(gòu)L1與L3角速度之間的關(guān)系：
(3.15)
3.4手部的夾持誤差計(jì)算
旋轉(zhuǎn)夾緊手指時(shí)的不同直徑的工件會(huì)產(chǎn)生變化的軸向位置，使得鉗位誤差。欠驅(qū)動(dòng)手指的抓地力和雙支點(diǎn)原理轉(zhuǎn)換回一個(gè)類似的原則手指夾住，如此就可以按照雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指祝福誤差計(jì)算。
圖3.4 雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指簡(jiǎn)圖
圖中：l－手指長(zhǎng)度;
－V型槽的夾角；
－偏轉(zhuǎn)角；
2 s－兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)間距離;
根據(jù)幾何關(guān)系，可得
公式(3.16)
公式(3.17)
該方程亦為雙曲線方程，另；
圖3.5 x與半徑R的關(guān)系曲線
根據(jù)雙曲線特點(diǎn),對(duì)應(yīng)附近的曲線變化率較小,故在處附近對(duì)應(yīng)的夾持誤差最小。
當(dāng)時(shí)，手指夾持誤差計(jì)算如下:
公式(3.18)
公式(3.19)
最佳偏角的計(jì)算
取V型槽的夾角=，根據(jù)式（3-9）求得最佳偏轉(zhuǎn)角為 故
夾持誤差的計(jì)算
因?yàn)楹完P(guān)于對(duì)稱，所以=，故
經(jīng)過(guò)計(jì)算手指的夾持誤差為0.88mm。
3.5本章小結(jié)
本章研究機(jī)械手的工作原理，通過(guò)建立了機(jī)械手的靜力學(xué)模型的方式，對(duì)手指進(jìn)行了靜力分析。
4.仿生機(jī)械手3D建模及重要零件的有限元分析
4.1 軟件概述
Solid works是我國(guó)現(xiàn)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域運(yùn)用比較廣泛的3D建模軟件之一，其操作比較簡(jiǎn)單，功能也較為全面，所繪制出的圖紙直觀而且較為準(zhǔn)確真實(shí)，總結(jié)來(lái)說(shuō)Solid Works軟件的主要特點(diǎn)是:
（1） 全參數(shù)化
（2） 基于特征的實(shí)體建模
（3）相關(guān)性
4.2機(jī)械手的虛擬設(shè)計(jì)與裝配
4.2.1模型的建立
（1）Solid Works建模的一般過(guò)程如下
建立模型空間定位的基準(zhǔn):1基準(zhǔn)面2基準(zhǔn)軸3基準(zhǔn)坐標(biāo)系。每個(gè)實(shí)體特征都要利用基準(zhǔn)特征作為參照。
建立基礎(chǔ)實(shí)體特征:拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、混合等。
建立工程特征:孔、倒角、肋、拔模等。
特征的修改:特征陣列、特征復(fù)制等編輯操作。
（2）機(jī)械手的主要零件建模
機(jī)械手主要包括：長(zhǎng)關(guān)節(jié)、短關(guān)節(jié)，傳動(dòng)桿件、四連桿，機(jī)架等。各關(guān)節(jié)，連桿的尺寸已經(jīng)確定，然后在Solid Works中建立模型。
圖4-1長(zhǎng)關(guān)節(jié)零件圖
圖4-2長(zhǎng)連桿的正反面
圖4-3傳動(dòng)桿件
圖4-5短連桿的零件圖
圖4-6指尖部分的零件圖
圖4-7手指底座的零件圖
圖4-8 傳動(dòng)部分零件圖
4.2.2裝配
圖4-9采摘機(jī)器人仿生機(jī)械手
4.3 重要零件的有限元分析
這里我們?nèi)匀皇褂美L圖軟件，以其自帶的有限元分析功能對(duì)指尖和長(zhǎng)關(guān)節(jié)兩個(gè)重要零件進(jìn)行了有限元分析，分析結(jié)果以圖片的形式呈現(xiàn)。
圖4-10長(zhǎng)關(guān)節(jié)的有限元分析結(jié)果
圖4-11指尖的有限元分析結(jié)果
56
總結(jié)
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，在此次設(shè)計(jì)中經(jīng)歷了以下幾個(gè)步驟，首先是查閱了大量的資料并且在老師的指導(dǎo)下對(duì)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行了大致的確定，填寫了開(kāi)題報(bào)告。然后再對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了繪制二維圖紙和3D建模，用圖紙對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步的表達(dá)，通過(guò)了中期答辯。然后對(duì)設(shè)計(jì)中所需計(jì)算的部分進(jìn)行了計(jì)算并且以文字的格式進(jìn)行了編輯和保存。然后再利用3D打印技術(shù)加工出了實(shí)物模型，并對(duì)其進(jìn)行了裝配和調(diào)試。最后對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了撰寫說(shuō)明書，并把所需要的內(nèi)容進(jìn)行添加和修改，不斷地完善和精進(jìn)，并且把之前翻譯的外文進(jìn)行了整理，把圖紙進(jìn)行了歸類和添加。
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致謝
從論文題目的選取到系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) ，再到論文最后的完成，經(jīng)過(guò)了兩個(gè)多月的努力。在這里很感謝每一位幫助過(guò)我的老師和同學(xué)，是你們讓我的四年大學(xué)時(shí)光變得有意義，在此，我要感謝機(jī)械與材料工程學(xué)院的所有老師，我深深被你們的專業(yè)知識(shí)和治學(xué)態(tài)度所影響，沒(méi)有你們的細(xì)致的指導(dǎo)和提出的寶貴意見(jiàn)，我沒(méi)有信心完成這篇論文。
大學(xué)四年時(shí)光一晃而過(guò)，大學(xué)校園生活也即將結(jié)束，心中難免會(huì)有不舍，友誼情深，情同手足，四年的時(shí)光正是因?yàn)橛信笥淹瑢W(xué)的支持和老師的諄諄教誨，才能如此的充實(shí)，長(zhǎng)風(fēng)破浪會(huì)有時(shí)，直掛云帆濟(jì)滄海。
附錄A外文翻譯
工程設(shè)計(jì)中機(jī)械分析模型的使用與重用的信息構(gòu)造
如今，在工業(yè)背景下，成本和的效率的提高，以及質(zhì)量的提高。對(duì)工程設(shè)計(jì)有重大的影響。因此，為了盡早做出最終方案。根據(jù)產(chǎn)品的具體情況，在工程過(guò)程中越來(lái)越多地使用機(jī)械分析。然后,眾多的力學(xué)模型闡述了在工程設(shè)計(jì)與工程更改或規(guī)則的革新。此外，當(dāng)設(shè)計(jì)人員面臨設(shè)計(jì)或建模選項(xiàng)時(shí)，先前的分析可以幫助決策的選擇。然后，必須設(shè)想對(duì)以前的分析的重用。論文發(fā)表的交易目的和不同體現(xiàn)設(shè)計(jì)中使用的機(jī)械分析。后來(lái)不同水平的模型由設(shè)計(jì)師在工程過(guò)程中提出。一種特殊類型的分析，即“教學(xué)”在進(jìn)一步的步驟中被標(biāo)識(shí)出來(lái)，并且強(qiáng)調(diào)它對(duì)重用上下文的興趣。最后，提出了在工程設(shè)計(jì)中允許機(jī)械分析重用的信息結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞:機(jī)械分析、力學(xué)模型、信息構(gòu)建、重用、工程設(shè)計(jì)
1. 導(dǎo)言
在工業(yè)環(huán)境下, 降低成本和提高質(zhì)量是非常重要的。為了在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中盡快做出最佳決策, 經(jīng)常采用分析方法。一方面, 在工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中, 設(shè)計(jì)產(chǎn)品成本的80% 是不確定的, 所以設(shè)計(jì)流程中的每個(gè)決策都必須符合產(chǎn)品要求。另一方面, 隨著時(shí)間的推移, 市場(chǎng)是一個(gè) 產(chǎn)品的成功的主要因素之一, 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的不同階段的時(shí)間長(zhǎng)短, 特別是工程設(shè)計(jì), 必須減少。良好的設(shè)計(jì)選擇必須在最早的階段按照所要求的規(guī)格完成。
然而, 當(dāng)工程發(fā)生變化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)必須控制, 以限制損失的時(shí)間。這種控制取決于對(duì)不同產(chǎn)品之間存在的聯(lián)系，另一種節(jié)省時(shí)間的方法是系統(tǒng)地使用可重用的分析庫(kù)。這種分析依賴于分析的軌道和這些軌道的可訪問(wèn)性。面對(duì)這一問(wèn)題的一種方法是在設(shè)計(jì)和分析過(guò)程中對(duì)信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理, 以方便多個(gè)模型的控制和重用。
首先, 對(duì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (CAD) 集成的實(shí)際研究進(jìn)行了簡(jiǎn)要回顧, 給出了支持實(shí)例的描述。在此之后, 根據(jù)分析的目的和背景, 對(duì)三種類型的機(jī)械分析進(jìn)行了區(qū)分。然后, 本文的主要部分論述了設(shè)計(jì)者處理的不同層次的產(chǎn)品模型, 強(qiáng)調(diào)了 "教學(xué)案例" 在重用語(yǔ)境中的重要性。最后, 提出了信息構(gòu)造, 使可重用分析在繪制了工程設(shè)計(jì)過(guò)程和一些結(jié)論。
2. 體現(xiàn)設(shè)計(jì)中的機(jī)械分析
工程設(shè)計(jì)是一種將需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的創(chuàng)造過(guò)程。它的特點(diǎn)是它的復(fù)雜性和它背后所存在的許多工作和行為者。結(jié)構(gòu)的構(gòu)造可以分為兩個(gè)步驟:首先，初步布局和形式設(shè)計(jì), 第二, 詳細(xì)的布局和形式設(shè)計(jì)。對(duì)于實(shí)施方案設(shè)計(jì), 必須選擇最佳布局。然后和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與技術(shù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。因此, 為了選擇和評(píng)估解決方案, 在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要機(jī)械分析。機(jī)械分析可以用來(lái)驗(yàn)證, 標(biāo)注或模擬產(chǎn)品行為。對(duì)分析與機(jī)械設(shè)計(jì)之間聯(lián)系的研究大多涉及分析與CAD 有關(guān)。主要的問(wèn)題是數(shù)據(jù)傳遞。在設(shè)計(jì)過(guò)程中, 提出了將分析模型與設(shè)計(jì)模型 (幾何表示和技術(shù)邏輯參數(shù)) 聯(lián)系起來(lái)的數(shù)據(jù)建模方法。然而, 在工程設(shè)計(jì)中, 機(jī)械分析活動(dòng)是由多種可能的模型、現(xiàn)有的多種方法和多種可用工具。在工業(yè)環(huán)境中挑戰(zhàn)是項(xiàng)目動(dòng)態(tài)中產(chǎn)生的眾多分析模型的管理。工程設(shè)計(jì)中的這種分析管理不僅涉及項(xiàng)目中不同模型的使用而且還與現(xiàn)有項(xiàng)目中其他項(xiàng)目的舊分
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