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1、成都大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 番茄收獲機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 摘要 農(nóng)業(yè)機(jī)器人現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的結(jié)果，是農(nóng)業(yè)邁向機(jī)械化和現(xiàn)代化的標(biāo)志。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)明和應(yīng)用，改變了人們傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，同時促進(jìn)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最重要的過程就是果實(shí)收獲，在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中果實(shí)收獲依靠人工來完成，由于溫室大棚中的環(huán)境特殊，并不適合人長時間工作，所以開發(fā)出能代替人類進(jìn)行采摘作業(yè)的機(jī)器人就非常必要了，利用農(nóng)業(yè)機(jī)器人工作，不僅能夠提高生產(chǎn)效率改善環(huán)境，還能降低人工支出。目前，日本、美國、荷蘭等國家已研制了多種收獲機(jī)器人，主要用于收獲番茄、西瓜、桃子、葡萄、苦瓜、蘋果等蔬菜和水果。 本文首先根據(jù)番茄收獲機(jī)器人的工作

2、環(huán)境和工作對象的特點(diǎn)，確定了機(jī)器人采用七個自由度的機(jī)械手，并根據(jù)實(shí)際作業(yè)方式對機(jī)械手的機(jī)構(gòu)部分進(jìn)行了設(shè)計，為機(jī)械手選擇合適的驅(qū)動方式，為了減少番茄損傷，選擇吸盤式末端執(zhí)行器作為機(jī)械手抓取果實(shí)的部分，本課題理論研究與實(shí)際參數(shù)有機(jī)結(jié)合，研究結(jié)果也可應(yīng)用于其它類型果實(shí)的采摘。 關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)器人；機(jī)械化；機(jī)械手；末端執(zhí)行器。 I Structure design of tomato harvesting robot Abstract： Agricultural robot the result of the d

3、evelopment of modern agricultural machinery is the mark of agricultural mechanization and modernization.The invention and application of agricultural robot have changed people's traditional agricultural production mode and promoted the development of modern agriculture. Fruit

4、 harvest in agriculture, is one of the most important process in the traditional agricultural fruit harvest rely on artificial to complete, as the special environment in the greenhouse, is not suitable for people to work long hours, so developed robots can take the place of humans picking operations

5、 is very necessary, use of agricultural robots work, not only can improve production efficiency to improve the environment, can reduce labor costs.At present, Japan, the United States, the Netherlands and other countries have developed a variety of harvesting robots, mainly used to harvest tomatoes,

6、 watermelon, peaches, grapes, bitter melon, apples and other vegetables and fruits. This paper based on the tomato harvesting robot working environment and the characteristics of the work object, identified by seven degrees of freedom robot manipulator, and according to the actual practices part ha

7、s carried on the design of manipulator mechanism, for the manipulator to choose the right means of drive, in order to reduce the injury of tomato, choose a suction-cup end actuators as part as the manipulator hand claw, this topic the organic combination of theoretical research and practical paramet

8、ers, the results can also be applied to other types of fruit picking. Keywords: gricultural robots; Mechanization; Manipulator; End-effector. 目 錄 緒 論 1 1 研究背景 2 1.1 研究的目的和意義 2 1.2 國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究 2 1.2.1 國外相關(guān)領(lǐng)域研究 2 1.2.2 國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究 3 1.2.3 目前存在的問題 5 1.3 本課題的主要工作內(nèi)容 5 2 基本技術(shù)參數(shù)的

9、選定 7 2.1 機(jī)器人工作的動作要求 7 2.1.1 機(jī)器人工作空間分析 7 2.2 機(jī)器人采摘機(jī)構(gòu)的技術(shù)要求 8 2.3 驅(qū)動方式選型 8 3 番茄收獲機(jī)器人機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 10 3.1 番茄生物學(xué)特性與栽培技術(shù) 10 3.2 采摘臂機(jī)構(gòu)選型 10 3.2.1 手臂的基本型式 10 3.2.2 自由度選擇 12 3.2.3 確定機(jī)器人手臂型式 12 3.3 番茄收獲機(jī)械臂關(guān)節(jié)尺寸的設(shè)計 12 4 番茄收獲機(jī)器人傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計 14 4.1 機(jī)械臂傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計 14 4.1.1 臂關(guān)節(jié)傳動方案設(shè)計 14 4.2 機(jī)械臂傳動關(guān)節(jié)參數(shù)設(shè)計 15 4.2.1 旋轉(zhuǎn)基

10、座傳動設(shè)計 15 4.2.2 升降動作的傳動設(shè)計 17 4.2.3 支撐臂與大臂間傳動機(jī)構(gòu) 18 4.2.4 大臂與小臂之間的傳動機(jī)構(gòu) 20 4.3 軸的設(shè)計 21 4.3.1 軸徑的計算 21 4.3.2 軸上零件周向固定方法的選擇 22 4.4 軸的校核 22 4.5 定位機(jī)構(gòu)選擇 25 4.6 聯(lián)軸器的選擇 26 5機(jī)器人其余部分的設(shè)計 27 5.1 小臂與腕部傳動方案的設(shè)計 27 5.2 腕部的設(shè)計 28 5.3 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)的設(shè)計 29 總 結(jié) 30 參考文獻(xiàn) 31 致 謝 32 IV 緒

11、 論 機(jī)器人技術(shù)是一種新興的高科技技術(shù)，它包含了機(jī)構(gòu)設(shè)計、仿生學(xué)、自動控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等多個學(xué)科。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織將機(jī)器人定義為一種自動的、位置可控的、具有編程能力的的多功能機(jī)械手?，F(xiàn)如今機(jī)器人技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，隨著技術(shù)的發(fā)展與革新，未來機(jī)器人將會更加智能化、人性化、可靠性更高、壽命更長。農(nóng)業(yè)機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的運(yùn)用，可代替人類進(jìn)行耕地、播種、灌溉、果實(shí)收獲等各種勞動作業(yè)。目前，國內(nèi)外均致力于農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究和開發(fā)，并且已取得顯著成就。 1 研究背景 1.1 研究的目的和意義 番茄是一種備受歡迎的果蔬作物，它含

12、有的營養(yǎng)價值高于其他果蔬，番茄中的維生素A可治療夜盲癥，維生素C可用于治療敗血癥等。一個人每天1-2個番茄就可以實(shí)現(xiàn)人體對多種維生素的需要[1]。 目前我國的番茄采摘機(jī)械化水平還比較低，番茄的采摘主要依靠人工完成，隨著我國與機(jī)器人相關(guān)的高新技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究也變得更加迫切，用機(jī)器人代替人工采摘番茄不僅能提高番茄的收獲效率，同時也能減少人工成本，農(nóng)戶的收入也能增加。 我國雖屬于番茄種植大國,但無架番茄的種植并不普遍，很多地方都還是溫室大棚或高架種植，而無架番茄種植的番茄植株長勢沒有規(guī)則，在采摘過程中移動莖干容易造成莖干折斷，從而導(dǎo)致番茄的產(chǎn)量降低，由于很多果實(shí)與地面接觸，果實(shí)容易被

13、昆蟲咬食和微生物感染而發(fā)生腐爛變質(zhì)，無架番茄的收獲采用收獲機(jī)收獲，而溫室大棚中的番茄由于設(shè)施密集，用收獲機(jī)無法收獲，所以研究番茄收獲機(jī)器人就變得尤為重要。同時番茄收獲機(jī)器人的智能化自動化研究也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程的重要課題[2-4]。 1.2 國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究 農(nóng)業(yè)機(jī)器人是對農(nóng)作物、家禽家畜等生物體進(jìn)行操作的智能機(jī)器人。是農(nóng)業(yè)邁向機(jī)械自動化、智能化的重要標(biāo)志。 1.2.1 國外相關(guān)領(lǐng)域研究 國外對農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究相對較早，1983年美國研制出了世界上第一臺番茄收獲機(jī)器人，之后多國也相繼致力于番茄收獲機(jī)器人的研究，并且研制出了多款果實(shí)采摘機(jī)器人[5-7]。 圖1.1 美國的番茄采摘機(jī)

14、器人 日本對農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究開始較早，成果也較為顯著[8]。經(jīng)過多年的研究，日本的果蔬收獲機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，其研究出的果蔬采摘機(jī)器人如：番茄收獲機(jī)器人、草莓收獲機(jī)器人、黃瓜采摘機(jī)器人、多功能葡萄采摘機(jī)器人等。如圖1.2為Kondo團(tuán)隊研制的番茄采摘機(jī)器人。圖1.3為日本研究員研制的3自由度草莓采摘機(jī)器人[9-11]。 圖1.2 番茄采摘機(jī)器人 圖1.3 草莓采摘機(jī)器人 新西蘭的Robotics Plus將在2020年推出與懷卡托（Waikato）和奧克蘭大學(xué)合作研發(fā)的獼猴桃采摘機(jī)器人，這款機(jī)器人每年將幫助新西蘭的農(nóng)戶收獲30多億獼猴桃(新西蘭生產(chǎn)世界上25

15、%的獼猴桃)。這款機(jī)器人可以沿著藤蔓移動，并隨著果實(shí)的生長緩慢地進(jìn)行采摘。一系列攝像頭是機(jī)器的核心，它使用一系列學(xué)習(xí)算法在三個維度上繪制上面的機(jī)蓋[12]。如圖1.4為新西蘭獼猴桃采摘機(jī)器人。 圖1.4 獼猴桃采摘機(jī)器人 以色列新型番茄收獲機(jī)器人GRoW預(yù)計2019年上市，該機(jī)器人配有3D視覺系統(tǒng)，可以用來檢測成熟的番茄，并定位它們的位置。此外該系統(tǒng)還可以定位莖干，能夠一次完成捕捉和切割的工作，還能跨越障礙，不會損害植物和果實(shí)[12]。 1.2.2 國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究 國內(nèi)對農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究相對國外較晚，2019年福建首款人工智能農(nóng)業(yè)機(jī)器人正式在中國以色列示范農(nóng)場智能蔬果

16、大棚開始全天候生產(chǎn)巡檢，這款機(jī)器人的上崗，標(biāo)志著我國人工智能農(nóng)業(yè)機(jī)器人從研發(fā)階段正式進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用階段[12]。圖1-5為該生產(chǎn)巡檢機(jī)器人。 圖1-5 生產(chǎn)巡檢機(jī)器人 圖1-6 蘋果采摘機(jī)器人 圖1-6為我國自行研發(fā)的蘋果采摘機(jī)器人，該機(jī)器人主要由兩自由度的移動載體和五自由度的機(jī)械手組成，采用履帶移動，加裝了控制計算機(jī)和多種傳感器，自帶電源箱能長時間戶外工作，更加環(huán)保，機(jī)械手由各自的關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置進(jìn)行驅(qū)動[12]。 雖然隨著我國人工智能技術(shù)的提高和新材料、現(xiàn)代裝備制造業(yè)等技術(shù)的迅猛發(fā)展，并且我國投入了大量的資源在農(nóng)業(yè)機(jī)器人方面的研究，但相比國外，我國果蔬的機(jī)械采摘水平依然很

17、低，大部分的果蔬采摘依然由人工采摘，近年來，我國人口老齡化愈加嚴(yán)重，勞動力供應(yīng)不足，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本也隨之增加，因此研究開發(fā)功能強(qiáng)大的果蔬采摘機(jī)器人顯得尤為迫切[13-15]。 1.2.3 目前存在的問題 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的研究依舊存在不少需要解決的問題： 1.定位和識別不夠精準(zhǔn)；由于果蔬采摘環(huán)境復(fù)雜，對于枝葉繁茂的植物，機(jī)械手在采摘果實(shí)的過程中容易受到枝葉的干擾；環(huán)境中的其他干擾信息也會降低機(jī)器人識別和定位目標(biāo)果實(shí)的準(zhǔn)確率。因此，采摘對象的智能化識別與定位問題有待進(jìn)一步研究。 2.目前市場上的果蔬采摘機(jī)器人的工作效率較低；由于機(jī)器人的采摘包括視覺識別、圖像處理、自動控制等步驟，所以一個

18、采摘周期常常需要幾十秒甚至更久，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人工采摘所用的時間，要提高果蔬采摘機(jī)器人的實(shí)用性就必須提高機(jī)械手的響應(yīng)和識別定位的速度。 3.采摘成本高，與工業(yè)機(jī)器人相比，果蔬采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)更加復(fù)雜，對工作的精度要求更高，而且生產(chǎn)周期短、設(shè)備利用率低，因此，其制造、使用和維護(hù)成本均比工業(yè)機(jī)器人高。 4.通用性差。一種機(jī)器人只能一種特定的作物作業(yè)，各類機(jī)器人之間幾乎沒有通用性。這也直接導(dǎo)致了采摘機(jī)器人的采摘成本高。 1.3 本課題的主要工作內(nèi)容 番茄收獲機(jī)器人需要能夠精確識別和定位目標(biāo)果實(shí)，并且處理信息及執(zhí)行命令的速度也將提升，番茄采摘機(jī)器人(圖1.7)的結(jié)構(gòu)需要具備機(jī)構(gòu)部分、視覺識

19、別系統(tǒng)（圖1.8）、控制系統(tǒng)及信息處理部分等。 本文機(jī)器人的采摘系統(tǒng)主要由機(jī)械臂、末端執(zhí)行器、行走系統(tǒng)、視覺傳感器以及計算機(jī)處理控制系統(tǒng)構(gòu)成。本課題主要研究采摘機(jī)器人的手臂與基座及傳動機(jī)構(gòu)。本課題的工作內(nèi)容如下： (1)設(shè)計機(jī)器人的基本參數(shù)：為了便于設(shè)計，首先根據(jù)一些相關(guān)理論及應(yīng)用目標(biāo)，包括：工作機(jī)制、額定功率、工作方向、額定速度、驅(qū)動模式等； (2)機(jī)械臂的機(jī)構(gòu)綜合：根據(jù)植物生長的條件，對機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)及其尺寸設(shè)計，滿足采摘等條件； (3)手臂與機(jī)座的設(shè)計研究：通過綜合測試得到其性能，并研究其參數(shù)，分析其性能 圖1.7番茄收獲機(jī)器人示意圖 圖1.8視覺識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

20、示意圖  2 基本技術(shù)參數(shù)的選定 2.1 機(jī)器人工作的動作要求 番茄收獲機(jī)器人工作流程如下框圖： 圖2.1 機(jī)器人工作流程框圖 2.1.1 機(jī)器人工作空間分析 如圖2.2兩個視圖為手臂觸及范圍。圖示機(jī)械手是未經(jīng)過型綜合的機(jī)器人，作為機(jī)器人設(shè)計過程中一個很重要的方面。 a） b) 圖2.2 機(jī)械手工作空間與工作環(huán)境的幾何關(guān)系 a)俯視圖 b) 正視圖 2.2 機(jī)器人采摘機(jī)構(gòu)的技術(shù)要求 在確定了機(jī)械手的各采摘動作的最大行程后，分配每個動作所需的時間，用m／s表示。 （1） 機(jī)器人采摘一個周期不超過10s，從識別成熟的番茄完成采摘并到達(dá)

21、下一個采摘位置為一個周期。 （2） 果實(shí)的損傷率應(yīng)低于百分之五，這樣可以保證番茄能夠儲藏更久。 （3） 采摘機(jī)構(gòu)運(yùn)動平穩(wěn)沒有抖動，能夠輕松避障，降低機(jī)器維修成本； （4） 機(jī)器人小車向前移動的平均速度為1.2m/s； （5） 若按標(biāo)準(zhǔn)大棚種植的植株間距，每隔30cm停止前進(jìn)并進(jìn)行該位置植株番茄的采摘與收集。 （6） 機(jī)器人能夠適應(yīng)大棚內(nèi)的工作環(huán)境 2.3 驅(qū)動方式選型 驅(qū)動系統(tǒng)是機(jī)器人機(jī)構(gòu)部分必不可少的一部分，為機(jī)器人的運(yùn)動提供動力。最普遍的驅(qū)動方式有電機(jī)、液壓、氣壓三種驅(qū)動方式，這三種驅(qū)動方式也被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，其特點(diǎn)對比如表2.1。 表2.1

22、驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點(diǎn) 電機(jī) 液壓 氣壓 適用負(fù)載 中 大 小 控制精度 高 較高 低 靈敏度 高 較高 低 體積 小 較小 較小 安全性 好 較好 好 環(huán)保 無 易漏油 噪聲污染 成本 低 較高 高 (1) 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積小，與其他關(guān)節(jié)相比其運(yùn)動位置精度要求較低，故選用步進(jìn)電機(jī)作為手部運(yùn)動的驅(qū)動器。 (2) 機(jī)械臂各個關(guān)節(jié)都有相應(yīng)的扭矩，從腰部到腕部逐漸減小，所以各個關(guān)節(jié)需要較大的動力。故選擇直流伺服電機(jī)驅(qū)動。 (3) 此設(shè)計中機(jī)械臂屬于開鏈機(jī)械結(jié)構(gòu)，果實(shí)的重力和上一級關(guān)節(jié)重力均作用在靠下方關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)停止運(yùn)動

23、時需要切斷電源 。為了降低成本及各方面考慮，番茄收獲機(jī)器人的相關(guān)零部件的設(shè)計和制造精度選用6級精度。  3 番茄收獲機(jī)器人機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 機(jī)器人機(jī)構(gòu)部分的設(shè)計，其參數(shù)指標(biāo)要依據(jù)各構(gòu)件的功能來選取，還要參照機(jī)械設(shè)計準(zhǔn)則和綜合執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作環(huán)境等要求[16-18]。 3.1 番茄生物學(xué)特性與栽培技術(shù) 番茄為多年生草本植物，最適宜的生長溫度為20－25℃，當(dāng)環(huán)境溫度過低時，番茄將會授粉受精不良，當(dāng)番茄植株長時間處于低溫環(huán)境中將會因受凍而死亡，而當(dāng)環(huán)境溫度高于35攝氏度時，生殖生長也不能正常完成；番茄喜光而耐陰，光照不足會使其無法正常生長，而在花芽分化期間則要求短日照。

24、 番茄在幼苗期和開花前期，不需要大量灌溉，否則幼苗將因水分過足徒長，影響結(jié)果。在結(jié)果期則需要大量水分，土壤含水量維持在60%—80%為宜。番茄對空氣濕度也有要求，一般要求相對濕度在50%左右最好。 番茄適應(yīng)性強(qiáng)，對土壤要求不嚴(yán)，但為了提高產(chǎn)量，選擇耕層深厚，排水良好，富含有機(jī)質(zhì)，透氣肥沃的土壤，因此一般選擇砂壤土栽培番茄。 為了提高陽光利用率，番茄應(yīng)該合理變化密植，根據(jù)溫室內(nèi)光照條件較弱又不均勻的特點(diǎn)，種植時要注意調(diào)整群體結(jié)構(gòu)。 根據(jù)番茄的生長要求，壟高一般為0.35m。番茄植株生長在0.5m左右，果實(shí)分布在0.15左右，番茄行距設(shè)置為0.5，株距0.25，以上可作為選擇采摘機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

25、依據(jù) 以番茄橫向直徑為劃分指標(biāo)，番茄依次有大(L)、中(M)、小(S)和櫻桃番茄四個等級，番茄規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)見表3.1。通過統(tǒng)計分析得到，大多數(shù)初熟期和半熟期的番茄橫軸直徑在55—85mm，縱軸直徑在48～75mm范圍內(nèi)，果實(shí)重量在150g左右。 表3.1 番茄規(guī)格 3.2 采摘臂機(jī)構(gòu)選型 3.2.1 手臂的基本型式 一般情況下，機(jī)械臂的常見型式有直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、極坐標(biāo)式、多關(guān)節(jié)式。4種結(jié)構(gòu)型式特點(diǎn)歸納如表3.2所示： 番茄機(jī)器人由于工作環(huán)境特殊，機(jī)械臂需要具有良好的避障能力、柔性好、反應(yīng)快速、控制容易、能到達(dá)任意工作要求的位置、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，綜上所述，多關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)

26、械臂是最佳選擇。 表3.2 機(jī)械臂的四種基本型式 11 3.2.2 自由度選擇 番茄收獲機(jī)器人的工作環(huán)境是溫室大棚，存在許多復(fù)雜性和不確定性，因此機(jī)械手臂需要具備良好的避障能力，理論來說，機(jī)械手的自由度越多，機(jī)構(gòu)的避障能力越強(qiáng)，但控制難度也會隨之增加，因此自由度數(shù)目不能過多。 六自由度的機(jī)械手能到達(dá)空間的任意位置，但由于奇異位性的存在，某些關(guān)節(jié)到達(dá)特殊位置時將會消耗一個或幾個自由度，為了消除奇異位性，需要選擇多于六自由度的機(jī)器人，即擁有七個自由度的冗余度機(jī)器人。 3.2.3 確定機(jī)器人手臂型式 番茄采摘機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計要依據(jù)各構(gòu)件的功能來選取其參數(shù)指標(biāo)，既要

27、參照機(jī)械設(shè)計準(zhǔn)則，還應(yīng)綜合執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作環(huán)境等要求[19]。結(jié)合圖3.1幾種機(jī)械臂的分析，選取類型4為番茄采摘機(jī)械臂，即7DOF 冗余度機(jī)械手，本文將對機(jī)械臂的四個自由度進(jìn)行設(shè)計，這四個自由度的實(shí)現(xiàn)分別為基座的旋轉(zhuǎn)、腰部的升降、支撐臂與大臂的相對轉(zhuǎn)動、大臂與小臂的相對轉(zhuǎn)動。 圖3.1 手臂型式 3.3 番茄收獲機(jī)械臂關(guān)節(jié)尺寸的設(shè)計 本采摘臂在進(jìn)行尺寸設(shè)計時還應(yīng)考慮小臂與腕部的相對轉(zhuǎn)動及腕部繞自身軸心旋轉(zhuǎn)的自由度，所以機(jī)械臂擁有的自由度超過3個，不適合用解析法和圖解法求解。因此采用優(yōu)化法，優(yōu)化法既省去了復(fù)雜的方程求解，又能容許其它的設(shè)計指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)，從機(jī)械手的工作空間和桿件結(jié)構(gòu)

28、尺寸兩方面進(jìn)行番茄收獲機(jī)械手機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計與優(yōu)化。 優(yōu)化方法進(jìn)行機(jī)器人機(jī)構(gòu)尺寸綜合的數(shù)學(xué)模型為： 受約束于 4 番茄收獲機(jī)器人傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計 圖4.1番茄收獲機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡圖 引用資料里關(guān)于番茄采摘機(jī)器人已優(yōu)化好的運(yùn)動參數(shù)其具體參數(shù)如下： 4.1 機(jī)械臂傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計 4.1.1 臂關(guān)節(jié)傳動方案設(shè)計 圖4.2為一級圓錐齒輪傳動，是該機(jī)器人的手臂關(guān)節(jié)處（即大臂與小臂之間）的傳動原理示意圖；圖4.3為機(jī)械手的手臂關(guān)節(jié)（即支撐臂與大臂之間）的傳動原理示意圖，該位置承載的轉(zhuǎn)矩較大，故選擇兩級齒輪傳動。為了減輕關(guān)節(jié)的重量，同時降低安裝難度和成本

29、，設(shè)計出圖4.4所示的內(nèi)部骨架。 圖4.2 關(guān)節(jié)的傳動原理 圖4.3 關(guān)節(jié)的傳動原理 圖4.4 手臂內(nèi)部的骨架 4.2 機(jī)械臂傳動關(guān)節(jié)參數(shù)設(shè)計 4.2.1 旋轉(zhuǎn)基座傳動設(shè)計 根據(jù)傳動要求查機(jī)械手冊選電動機(jī)選電動機(jī)直流伺服電機(jī)。 基座的旋轉(zhuǎn)速度定為，所以傳動比，取i=6，接觸強(qiáng)度確定兩齒輪的中心距，由表4.2可得，小齒輪的扭矩為T=4.998N·m (1) 按接觸強(qiáng)度確定中心距： (4-1) 取中心距α=105mm,齒輪為硬齒面齒輪，硬度值取HBS＞350 (2) 估算模數(shù)： 取模數(shù)為m=2 (3) 小齒輪大齒輪齒數(shù)計算：

30、(4-2) 兩個齒輪的齒數(shù)分別?。篫1=15 ， Z2= 86 (4) 小齒輪大齒輪分度圓直徑： (4-3) (5) 齒輪齒頂圓直徑： (4-4) (6) 齒輪基圓直徑： (4-5) 注1：基座是整個機(jī)械臂的支撐部件，基座在平面上旋轉(zhuǎn)可以擴(kuò)大機(jī)械手在水平方向上的工作空間。圖4.5為基座及升降機(jī)構(gòu)圖。 圖4.5基座及升降機(jī)構(gòu)圖 1.二級變速齒輪結(jié)構(gòu) 2.電磁制動器 3.大臂關(guān)節(jié)罩 4.升降結(jié)構(gòu) 5.軸承 6.防塵罩 7.電機(jī)外殼 圖4.6基座內(nèi)力柱示意圖 如圖4.6所示，該柱體內(nèi)部為空心，能夠作為驅(qū)動機(jī)械臂在水平方向上轉(zhuǎn)動的動力軸

31、，在軸的頂端鉆一個螺母孔，使該內(nèi)立柱能夠承擔(dān)軸向力，腰部及以上傳動機(jī)構(gòu)所有的重量都通過絲杠作用于該內(nèi)立柱。 4.2.2 升降動作的傳動設(shè)計 機(jī)器人的腰部為升降機(jī)構(gòu)，采用螺紋絲杠傳動。其負(fù)載約為198N。機(jī)械臂上升時間約為。絲杠導(dǎo)程為0-20cm,為了保證機(jī)械臂運(yùn)動的穩(wěn)定性及采摘效率，上升速度初步定為。傳動功率,查相關(guān)手冊后選用型直流伺服電機(jī)。絲杠參數(shù) 外螺紋中徑 ： (4-6) 軸向載荷（N） P-螺紋副許用壓強(qiáng)（N/mm）取1.5 -取1.5 由上式可算出取 ②旋合圈數(shù)，可按

32、下式計算： 取 ③螺母高度，可按下式計算： (4-7) 取H=60mm ④確定螺距P=5mm，基本牙型高： (4-8) 校核工作壓強(qiáng)： (4-9) 安全 （2）齒輪傳動參數(shù)：確定其傳動比，通過查機(jī)械手冊確定齒頂高系數(shù)齒形角： (4-10) ①齒輪中心距，可按下式計算： (4-11) 取α=80 初步估計模數(shù)，選取模數(shù)m=2 ②小齒輪大齒輪齒數(shù)分別按下式計算： (4-12) 取 ③齒輪分度圓直徑，可按下式計算： (4-13) ④齒

33、輪的齒頂圓直徑，由下式得： (4-14) ⑤齒輪基圓直徑，可按下式計算： (4-15) 4.2.3 支撐臂與大臂間傳動機(jī)構(gòu) 根據(jù)優(yōu)化出來的函數(shù)可知，此處轉(zhuǎn)動角度范圍為，轉(zhuǎn)速約為，轉(zhuǎn)距約為，電機(jī)型號選用電機(jī)，其轉(zhuǎn)速為，根據(jù)轉(zhuǎn)速確定傳動比為錐齒輪傳動比為，圓柱齒輪傳動比為。 (1)減速器的圓柱齒輪設(shè)計參數(shù)計算 ①如下的中心距，可按下式計算： (4-16) 取α=35mm ②估算模數(shù)： 取m=1 ③小齒輪大齒輪齒數(shù)分別可按下式計算： (4-17) 取 則 ④齒輪分度廁直徑，可按下式計算： (4-18) ⑤齒輪齒頂圓直徑，可

34、按下式計算： (4-19) ⑥齒輪基圓直徑，可按下式計算： (4-20) （2)減速器的圓錐齒輪設(shè)計參數(shù)計算 已知齒輪傳動比，選用直齒錐齒輪 ①小齒輪最小齒數(shù)，可按下式計算： (4-21) 得小齒輪最小齒數(shù)， ②大齒輪齒數(shù)，可按下式計算： 節(jié)錐角 ③分度圓直徑，可按下式計算： 根據(jù)機(jī)構(gòu)要求查表，確定 (4-22) 注2：大臂相關(guān)結(jié)構(gòu)分析 圖4.7大臂罩 如圖4.7所示為大臂外罩。鋁合金（2A12）被作為首選材質(zhì)，三角形結(jié)構(gòu)有利于提升穩(wěn)定性，手臂能夠承受的里被擴(kuò)大，手臂能夠到達(dá)更遠(yuǎn)的位置。 4.2.4 大臂與小

35、臂之間的傳動機(jī)構(gòu) 角度轉(zhuǎn)動范圍為。轉(zhuǎn)速約為，此處轉(zhuǎn)距約為，根據(jù)上述條件確定電機(jī)型號為，其轉(zhuǎn)速為，則傳動比為。選用直齒錐齒輪則 (1)小齒輪最小齒數(shù)，可按下式計算： (4-23) 可得小齒輪最小齒數(shù) (2)小齒輪最小齒數(shù)，可按下式計算： 大齒輪節(jié)錐角 取， 則。 (3)分度圓直徑，可按下式計算： 根據(jù)機(jī)構(gòu)要求查表，確定 (4-24) 4.3 軸的設(shè)計 軸的尺寸是根據(jù)工況環(huán)境要求的數(shù)據(jù)確定的，不能通用，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計時，必須針對不同情況進(jìn)行具體分析。但 是，不論何種具體條件，軸在結(jié)構(gòu)上都應(yīng)滿足：

36、 ①滿足制造安裝要求，軸應(yīng)便于加工，軸上零件要方便裝拆；②滿足零件定位要求，軸和軸上零件有準(zhǔn)確的工作位置，各 零件要牢固而可靠地相對固定；③滿足結(jié)構(gòu)工藝性要求，使加工方便和節(jié)省材料；④滿足強(qiáng)度要求，盡量減少應(yīng)力集中等。 4.3.1 軸徑的計算 表4.1 按軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度及剛度計算軸徑的公式 注：當(dāng)截面上有鍵槽時，應(yīng)將求得的軸徑增大 （1）計算基座傳動軸的直徑： (4-25) 取整數(shù)d=20mm （2）升降傳動機(jī)構(gòu)軸的直徑： (4-26) 取整數(shù)d=10mm （3）支柱與大臂傳動軸的直徑： (4-27) 取整數(shù)d=16mm （4）大臂與小臂傳

37、動軸的直徑： (4-28) 取整數(shù)d=10mm。 4.3.2 軸上零件周向固定方法的選擇 軸上零件周向固定的目的是為了傳遞轉(zhuǎn)矩及防止零件與軸產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動。在設(shè)計中，常采用鍵和過盈配合等方法來進(jìn)行軸向固定。 （1）鍵的選擇要求 固定軸的關(guān)鍵零部件的選擇原則一般為：在不同場合應(yīng)考慮使用不同的鍵。花鍵聯(lián)接作周向固定時，能承受較高的載荷，對中性與導(dǎo)向性均好，缺點(diǎn)是成本高；平鍵式連接一般應(yīng)用于轉(zhuǎn)速高、精度高、沖擊載荷快、變化不大的場合； 楔鍵用作周向固定時，不僅傳遞轉(zhuǎn)矩，還可以承受單向軸向力，其缺點(diǎn)是對中性較差。 （2）過盈配合的選用 它的工作原理是使用孔尺寸公差小于軸的

38、尺寸和公差之間的摩擦力之間的傳遞扭矩產(chǎn)生的組件壓力，由壓力產(chǎn)生。 該方法結(jié)構(gòu)簡單，對軸的削弱小，對中性好，負(fù)載大，抗沖擊性能好。其傳遞的扭矩決定過盈量的大小，除此之外，配合配合表面的加工質(zhì)量，常常用于對中性要求高、振動和沖擊載荷較大的周向固定場合。在實(shí)際機(jī)械裝配中為了充分發(fā)揮鍵聯(lián)接與過盈配合的各自優(yōu)點(diǎn)，可考慮將二者組合起來使用讓周向固定更加牢固。 4.4 軸的校核 以軸的的結(jié)構(gòu)圖為依據(jù)作出軸的載荷分析圖（圖4.8）。從手冊中查找軸承的受力點(diǎn)，從而確定軸承的支承點(diǎn)。 對于6180型深溝球軸承，可以取其中心點(diǎn)。因此作為簡支梁的軸的支承跨距為，根據(jù)軸的載荷分析圖做出彎矩圖和扭矩圖。 軸承反

39、力計算 支柱與基座之間傳遞的力為： (4-29) 則兩軸承的支反力為： (4-30) (4-31) 圖4.8 軸的載荷分析圖 制矩 由于軸承只承受徑向力，所以只有水平面上有彎距。 水平面彎距圖（圖4.9） 截面b： (4-32) 垂直面不受力，故垂直面彎距為0。 制扭矩 由力矩電機(jī)所傳遞的最大扭矩可知 又根據(jù)，查手冊得和和，故， 其中為考慮彎曲應(yīng)力與扭剪應(yīng)力的循環(huán)特性不同而引入的應(yīng)力修正系數(shù)。由于軸的彎曲應(yīng)力幾乎是對稱循環(huán)變化的，而軸的扭剪應(yīng)力則不然，故引入系數(shù)；由于此轉(zhuǎn)矩是脈動變化的，以滿足不同工況下載荷的需求，故取，和分

40、別為對稱循環(huán)變應(yīng)力和脈動循環(huán)變應(yīng)力時軸的許用彎曲應(yīng)力，單位為。 制量矩 對于截面b： (4-33) 對于截面a和I、II： (4-34) (4-35) 分別算截面a和b的值： (4-36) 兩截面雖有鍵槽的削弱，但結(jié)構(gòu)所確定的直徑分別達(dá)到10mm和20mm。所以，強(qiáng)度足夠。 絲杠強(qiáng)度校核 截面上的彎矩為： (4-37) 查表得抗截面系數(shù) (4-38) 許用切應(yīng)力 (4-40) 絲杠的最大工作應(yīng)力： (4-41) 故安全。 圖4.9 絲杠所受剪力彎矩圖 圖中所示最大剪切力為196N，最大彎矩為9.

41、8N.m 4.5 定位機(jī)構(gòu)選擇 制動器的選擇應(yīng)該根據(jù)使用要求與工作條件確定，選擇時一般應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)： （1）合理的制動轉(zhuǎn)矩考慮安裝現(xiàn)場空間大小，當(dāng)安裝地點(diǎn)有足夠的空間，可以用外鎖剎車，空間有限的地方，使用內(nèi)蹄式，帶式。 （2）本機(jī)構(gòu)選用的是電機(jī)驅(qū)動，為了節(jié)省空間，選擇電磁制動器，體積小能夠?qū)崿F(xiàn)連接、切斷、移位、扭轉(zhuǎn)等高頻率操作，還具有移動定位等用途： （3）在設(shè)計過程中，計算扭矩是工作載荷的慣性和運(yùn)動載荷的慣性之和，用T表示計算扭矩，可用下式求出： 式中　 Wr—旋轉(zhuǎn)組件的重量kg K—旋轉(zhuǎn)組件的回轉(zhuǎn)半徑m N—回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)　rpm S—工作安全系數(shù) W—直線運(yùn)動組

42、件的重量kg V —線性速度 R—變旋轉(zhuǎn)運(yùn)動為直線運(yùn)動皮帶輪的半徑m g —9.8m/s t —機(jī)器啟動所需時間s t—電磁離合器吸合時間s 在實(shí)際工作中，很多設(shè)備的精確載荷難以計算，一般是根據(jù)輸入動力確定所需扭矩。 T= 式中　P —輸入功率 S —工作安全系數(shù) N —回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)　rpm 從上式可以知道，安裝離合器軸的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)是對扭矩影響最大的因素。在一定動力下，高速對于的是低轉(zhuǎn)矩，所以離合器需要安裝在傳動鏈中高轉(zhuǎn)速的場合， 在機(jī)械臂中兩個制動器都是與電機(jī)同軸的。 4.6 聯(lián)軸器的選擇 聯(lián)軸器作為機(jī)構(gòu)傳動中常用的部件，它的作用主要是實(shí)現(xiàn)軸與回轉(zhuǎn)零件之間的連接，從

43、而傳遞轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動，也可代替其它安全裝置使用。聯(lián)軸器大都已標(biāo)準(zhǔn)化或規(guī)格化，其選取需要參照機(jī)械設(shè)計手冊。 聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，徑向尺寸小，為機(jī)器人內(nèi)部節(jié)省了空間。 在傳動系統(tǒng)中正反轉(zhuǎn)動頻繁，而且考慮到成本等綜合因素選用套筒聯(lián)軸器。 5機(jī)器人其余部分的設(shè)計 前文對番茄收獲機(jī)器人的機(jī)械臂的四個自由度的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計和計算，但是完整機(jī)器人（圖5.1所示）需要包括行走機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂、腕部和末端執(zhí)行器等部分，本章將對番茄收獲機(jī)器人的其余部分進(jìn)行介紹。 圖5.1 番茄收獲機(jī)器人主要組成 5.1 小臂與腕部傳動方案的設(shè)計 基于番茄收獲機(jī)器人工作特點(diǎn)，小臂與腕部的傳動方案選擇如圖

44、5.2所示 a) b) 圖5.2 小臂與腕部的傳動方案 a) 小臂與腕部傳動機(jī)構(gòu)三維示意圖 b) 小臂與腕部傳動機(jī)構(gòu)簡圖 5.2 腕部的設(shè)計 末端執(zhí)行器與一個回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（手腕）連接共同完成番茄的采摘，手腕是連接手臂和末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)部件，它決定末端執(zhí)行器的工作方向?；诜律鷮W(xué)的原理，番茄收獲機(jī)械手進(jìn)行采摘作業(yè)時，模擬人手動作，首先抓住果實(shí)，然后完成果實(shí)的摘取，此過程需要手腕繞其自身軸心（i軸）和小臂關(guān)節(jié)軸心（j軸）兩個回轉(zhuǎn)動作來實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)該動作的手腕有兩種，如圖5.3所示。本文選擇類型2作為機(jī)械手的手腕。 圖5.3 手腕結(jié)構(gòu)形式 末端執(zhí)行器由手指、電機(jī)、壓

45、力傳感器等部件組成，在末端執(zhí)行器抓取穩(wěn)定時，手腕繞自身軸心并帶動末端執(zhí)行器做回轉(zhuǎn)運(yùn)動擰斷過果梗實(shí)現(xiàn)番茄的采摘，計算機(jī)控制機(jī)械臂將番茄送到收獲容器中。綜上所述，本論文選擇圖5.4所示手腕模型 圖5.4 番茄收獲機(jī)械手手腕模型 5.3 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)的設(shè)計 番茄皮質(zhì)軟，機(jī)械手的抓取力不能過大，否則將會破壞果實(shí)，夾持器的抓取力要可調(diào)。 傳統(tǒng)的水果采摘依靠人力，不僅費(fèi)時，而且勞動強(qiáng)度大。本論文采用的是一個柔性水果采摘機(jī)械手，在睡蓮的開放、閉合中得到靈感，采用等五邊形板材拼合成五只機(jī)械手指，在電機(jī)的驅(qū)動下，五只機(jī)械手指可以實(shí)現(xiàn)像花朵一樣的張開與閉合。在五只機(jī)械手圍成的內(nèi)腔中設(shè)置不同厚度的

46、海綿，可以適應(yīng)采摘不同大小的球形水果，具有高度的柔性。圖5.5為該柔性水果采摘機(jī)械手模型。 圖5.5 柔性水果采摘機(jī)械手模型 總 結(jié) 本文在研究國內(nèi)外多款采摘機(jī)器人的基礎(chǔ)上，總結(jié)出現(xiàn)在番茄收收獲機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)、存在的問題及解決思路，分析番茄的生物學(xué)特性和栽培方式，設(shè)計出滿足采摘要求的采摘機(jī)械手，主要工作包括：1.估算各個動作所用的速度；2.設(shè)計一套滿足采摘要求的動作要求；3.為機(jī)構(gòu)選擇合適的驅(qū)動方式；4.對機(jī)械臂的傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計；5.小臂與腕部的傳動方案設(shè)計及腕部機(jī)構(gòu)的設(shè)計；6.末端執(zhí)行器的選擇；7.使用CAD2018畫出機(jī)械臂的裝配圖及相關(guān)零件圖。 1. 本文

47、番茄收獲機(jī)器人機(jī)械手結(jié)構(gòu)的合理性和實(shí)用性仍需進(jìn)一步的驗(yàn)證。另外還有如下工作需要進(jìn)行深入的研究： 2.本文主要內(nèi)容是對機(jī)械臂的四個自由度的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行設(shè)計，并未對整個機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計，只是對相關(guān)部分做了簡單介紹和選型。 3.本文內(nèi)容描述的是番茄的靜態(tài)抓持，但關(guān)于番茄如何在動態(tài)情況下實(shí)現(xiàn)采摘需要進(jìn)一步地研究。 4．末端執(zhí)行器需要更加輕量化、智能化，以便適應(yīng)溫室大棚采摘機(jī)械化。 5．文中關(guān)于控制及智能識別部分內(nèi)容較少，后期將繼續(xù)深入研究。 參考文獻(xiàn) [1] html [2] 趙勻，武傳宇，胡旭東，等．農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究進(jìn)展及存在的問題[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2003

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