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1、 果實(shí)采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) The Design of Fruit Picking Manipulator’s structure 果實(shí)采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘 要 果實(shí)采摘機(jī)械手目前在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中占據(jù)著重要的位置，它不僅僅是衡量一個(gè)企業(yè)甚至是一個(gè)國家農(nóng)業(yè)發(fā)展水平先進(jìn)程度的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，而且它能夠提高工作效率，從而為人類帶來很高的經(jīng)濟(jì)效益。 本次果實(shí)采摘機(jī)械手是專門為草莓采摘而設(shè)計(jì)的，根據(jù)草莓種植的特點(diǎn)確定了機(jī)械手的結(jié)構(gòu)是五自由度，其中包括三個(gè)負(fù)責(zé)旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)和兩個(gè)負(fù)責(zé)移動(dòng)的關(guān)節(jié)，并且根據(jù)多渠道的資料參考最終確定了機(jī)械手的主要尺寸以及性能參數(shù)。其

2、中最為主要的是電機(jī)的選擇，因?yàn)殡姍C(jī)是整個(gè)機(jī)械手作業(yè)的動(dòng)力來源，只有根據(jù)機(jī)械手作業(yè)的實(shí)際情況、進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，才能夠選擇理想的電機(jī)，從而根據(jù)電機(jī)對(duì)機(jī)械手的尺寸進(jìn)行優(yōu)化和整改。在最終方案出來后，可以確定機(jī)械手的電機(jī)可以滿足作業(yè)需要。 本次設(shè)計(jì)通過Pro/E等制圖軟件對(duì)機(jī)械手進(jìn)行三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真，通過對(duì)機(jī)械手薄弱部分進(jìn)行相應(yīng)的校核計(jì)算以及機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡的模擬，對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)行程也進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化，從而可以確定機(jī)械手可以滿足作業(yè)需要。 關(guān)鍵詞：果實(shí)采摘；機(jī)械手；三維仿真；作業(yè)空間 全套圖紙加扣 3346389411或3012250582 I ABSTRACT

3、Fruit picking manipulator is playing a significant role in the field of agriculture at present. Because it is not only a important standard to show the agricultural level of companies or countries, but also could it improve the work efficiency so that the human will get more economic benefit. T

4、his fruit picking manipulator is designed for the strawberry. The manipulator has five degrees of freedom, which includes three rotary joints and two mobile joints. Besides, we also confirm the size of the manipulator in the end. What is the most important is that we have to choose the ideal electri

5、cal machines, which is playing a decisive role in the manipulator’s power, to optimize the manipulator’s size by count and the condition of the moving manipulator. Only in this way, can we improve the manipulator’s performance. Finally, we make sure that the electrical machines of the manipulator ca

6、n fit the bill. Pro/E is used to set up the models of the manipulator in this project. In addition to, what is the most important is that we have to optimize the route of the manipulator by simulating the movement of the manipulator and the strength of the manipulator. Finally, we make sure tha

7、t the manipulator can fit the bill. Key words: Fruit picking; Manipulator; Models; Space 果實(shí)采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 目 錄 第1章 緒論...............................................................1 1.1 課題背景...........................................................1 1.2 研究的目的和意義.............................

8、......................1 1.3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀.......................................................2 1.4 國外研究現(xiàn)狀.......................................................3 1.5 發(fā)展趨勢(shì)...........................................................4 1.6 課題研究內(nèi)容.......................................................5 第

9、2章 機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì).................................................7 2.1 對(duì)草莓特性的認(rèn)識(shí)...................................................7 2.1.1 草莓的種植方式...............................................7 2.1.2 草莓的外貌特征...............................................8 2.1.3 草莓的成熟周期...........................

10、....................8 2.2 機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì).................................................9 2.2.1 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)...........................................9 2.2.2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)..........................................11 2.2.3 機(jī)械手行程分析..............................................13 2.2.4 機(jī)械手工作空間分析........

11、..................................14 2.2.5 機(jī)械手采摘方式..............................................15 2.2.6 草莓識(shí)別方案................................................16 2.3 本章小結(jié)..........................................................17 第3章 電機(jī)選型與計(jì)算校核.................................................18

12、 3.1 電機(jī)選型參數(shù)指標(biāo)..................................................18 3.2 底座電機(jī)選型......................................................19 3.3 大臂俯仰電機(jī)選型..................................................20 3.4 腕部旋轉(zhuǎn)電機(jī)選型..................................................21 3.5 剪切部分電機(jī)選型.....................

13、.............................22 3.6 手臂升降、伸縮電機(jī)選型............................................23 3.7 校核..............................................................27 3.7.1 底部軸承校核................................................28 3.7.2 立柱旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)小齒輪校核......................................29 3.7.3 俯仰部

14、分大齒輪傳動(dòng)軸校核....................................30 3.8 本章小結(jié)..........................................................33 第4章 果實(shí)采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì).........................................34 4.1 底座機(jī)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)..................................................34 4.2 手臂升降機(jī)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì).......................................

15、.......35 4.3 手臂俯仰機(jī)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)..............................................38 4.4 手臂伸縮機(jī)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)..............................................39 4.5 手腕旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)..............................................41 4.6 細(xì)節(jié)部分詳細(xì)設(shè)計(jì)..................................................42 4.6.1 手部剪切裝置詳細(xì)設(shè)計(jì)...............

16、.........................42 4.6.2 采集裝置詳細(xì)設(shè)計(jì)............................................43 4.6.3 俯仰處鎖緊機(jī)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)......................................44 4.7 本章小結(jié)..........................................................45 結(jié)論.....................................................................46 參考文獻(xiàn).

17、................................................................47 攻讀學(xué)士學(xué)位期間發(fā)表的論文和取得的科研成果...............................48 致謝.....................................................................49 III 第1章 緒論 第1章 緒論 第1章 緒論 1.1 課題背景 在計(jì)算機(jī)技術(shù)以及電子控制技術(shù)迅猛發(fā)展的現(xiàn)代，每個(gè)人身邊的每一樣?xùn)|西都離不開它們，都與它們有著極其

18、密切的直接或者間接的聯(lián)系。與此同時(shí)，機(jī)器人技術(shù)也逐漸被人們所熟知、被人們所運(yùn)用，毫不夸張地說，機(jī)器人在制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域都被大量地使用著，原因很簡單，因?yàn)闄C(jī)器人的智能化、自動(dòng)化，能夠解決人們?cè)谏a(chǎn)生活中難以解決甚至是不能解決的困難，能夠在人們所不能存在的環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)，更難能可貴的是，機(jī)器人總能夠在與人們工作總量相同的條件下準(zhǔn)確無誤并且高效地完成任務(wù)[1]?？梢哉f，機(jī)器人是制造業(yè)等多個(gè)行業(yè)上的“萬金油”、“萬能鑰匙”。 然而，在相對(duì)工業(yè)較為落后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)器人的應(yīng)用并沒有像工業(yè)中那么普及、應(yīng)用那么廣泛，原因也很簡單，首先，農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益沒有工業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益高，而機(jī)器人帶來的高額的購買、維修和

19、保養(yǎng)費(fèi)用，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者來說無疑是一筆巨大的投資；其次，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)者的整體素質(zhì)沒有工業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)者的素質(zhì)高，這里的素質(zhì)并不是說的道德方面，這里的素質(zhì)主要是指受到的教育程度。對(duì)我國來說，農(nóng)民干了一輩子或許都是在自家的田地里夜以繼日地勞作，書本對(duì)他們來說就是難以觸及的一種東西，即便觸及了，他們也沒有大把時(shí)間去學(xué)習(xí)和研究，而工人卻不一樣，所以像機(jī)器人種高科技的東西，讓一個(gè)農(nóng)民去操作，顯然效果是不理想的。如果要培訓(xùn)農(nóng)民的話，投入的人力物力也是不小的投資。這樣一來，不難看出機(jī)器人在農(nóng)業(yè)上難以普及也是有它自己的原因的。因此，有人就針對(duì)這種情況，制造出越來越簡單，越來越容易被人接受和使用的機(jī)器人。 本次的課

20、題果實(shí)采摘機(jī)械手屬于農(nóng)業(yè)機(jī)器人中最為常見的一種類型，它主要是通過模仿人類整個(gè)手部的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)人們所需要的功能。它不僅僅能節(jié)省人力物力，并且能夠準(zhǔn)確高效地完成工作。最主要的是它結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，因此它在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的前景還是很被人所看好、所青睞的。 1.2 研究的目的和意義 針對(duì)前面提到的一些問題，本次果實(shí)采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)以機(jī)械手的結(jié)構(gòu)為對(duì)象，主要是應(yīng)用于草莓的采摘。草莓是一種營養(yǎng)價(jià)值很高的水果，平常在超市看到的草莓，總是令人垂涎欲滴。而作為一種綠色食品，草莓的采摘對(duì)于草莓的生產(chǎn)來說顯得尤為重要和突出。草莓的種植具有規(guī)律性，它們都是種植在大棚里面的架子上，或者是外邊田地的架子上，因此機(jī)械手的運(yùn)

21、動(dòng)也具有一定的規(guī)律性。然后，通過查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料，與此同時(shí)要進(jìn)行合理的計(jì)算，從而對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 首先，通過實(shí)踐不難知道，草莓的采摘在草莓的整個(gè)生長過程中是一項(xiàng)很重要的工程。然而，這些小小的紅撲撲的果實(shí)，需要人們一遍遍地在種植場里走來走去，不僅僅消耗人力，而且效率也不高。與此同時(shí)，人們采摘時(shí)有時(shí)因?yàn)榱α亢妥藙?shì)的不合理，容易對(duì)果實(shí)的枝葉造成傷害，從而影響草莓的二次生長。因此在采摘過程中如何防止草莓的枝葉甚至是果實(shí)收到傷害往往是人們所考慮得最多的因素。往小了說，草莓的汁水沾在人們的衣服上也不美觀，也不方便清理。因此，機(jī)械手可以解決這些問題，它只需要認(rèn)為為它設(shè)定好工作指令，然后便能在不需要消耗

22、大量人力的情況下完成草莓的采摘。這樣一來，對(duì)廣大的農(nóng)民，尤其是大批量種植草莓的農(nóng)場來說是福音。 其次，這不僅僅是專業(yè)的知識(shí)的整合以及運(yùn)用，同時(shí)也是為了使每一個(gè)接觸它的人更全面更直觀地接觸各類機(jī)械結(jié)構(gòu)，讓大家與機(jī)械拉近距離。本次研究致力于設(shè)計(jì)一個(gè)最簡單最易懂的機(jī)械手，從而使得不僅僅是工人，還有農(nóng)民都能夠更容易更具象地去接觸這類東西，而不是讓它成為拉開工農(nóng)差距的罪魁禍?zhǔn)?。換而言之，就是用“最簡單”的機(jī)構(gòu)去完成“最不簡單”的任務(wù)。 1.3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 緩慢、萌芽、有潛力，但是創(chuàng)新點(diǎn)不多，這是目前國內(nèi)研究情況的一個(gè)總的形勢(shì)以及概括。的確，國內(nèi)的機(jī)器人技術(shù)并不是很成熟，應(yīng)該說是屬于剛剛起步的狀態(tài)

23、，就像是一個(gè)嬰兒學(xué)走路一樣，看到其他人做什么、就跟著做什么，看到別人怎么做、就跟著怎么做。因此，大多數(shù)時(shí)候總是能在國產(chǎn)的一些農(nóng)業(yè)機(jī)器人身上看到國外的影子，當(dāng)然，好的技術(shù)是值得借鑒和學(xué)習(xí)，甚至可以照搬過來，但是事實(shí)沒有那么簡單，不會(huì)有哪個(gè)國家愿意把這些核心的技術(shù)全部交出來，如此一來，國內(nèi)研究者只能在他人技術(shù)的基礎(chǔ)上改造成適合自己的一門科技[2]。與此同時(shí)，由于國外機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r確實(shí)過于領(lǐng)先，以致很大程度上掩蓋了我國機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的成果，也就是說國內(nèi)機(jī)器人發(fā)展是很有潛力的，畢竟往往是落后的一方做出成就更能吸引他人的眼球。 就目前來說，國內(nèi)很多人也意識(shí)到了這門技術(shù)的重要性，因?yàn)樗粌H僅給人耳目一

24、新的感覺，而且它總能如人愿地完成我們的任務(wù)。其中國內(nèi)的先行者也不少，例如在視覺識(shí)別系統(tǒng)上有自己獨(dú)到思想和研究的中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，敢于突破自己的浙江大學(xué)也在不斷嘗試去增加機(jī)器人的自由度至七個(gè),從而進(jìn)行番茄采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)和研究，以及在機(jī)械領(lǐng)域不斷取得新成果的上海交大也開始了黃瓜采摘機(jī)器人的研究，他們的努力會(huì)給中國的機(jī)器人研究不斷注入新的動(dòng)力、新的能量，他們的不懈也會(huì)不斷地激勵(lì)其他研究人員參與其中，為中國的發(fā)展竭盡自己的所有。當(dāng)然，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)閲獾陌l(fā)展并不像暴發(fā)戶一樣一夜之間就崛起的，因此國內(nèi)的研究時(shí)間要很久，同時(shí)，研究者也不能急于求成，否則會(huì)受到負(fù)面的影響。 1.4 國外研究現(xiàn)狀 迅猛

25、、巔峰、遙遙領(lǐng)先，這是國外機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀。這里并沒有崇洋媚外的意思，因?yàn)閺臍v史的發(fā)展上看，自從第一臺(tái)西紅柿采摘機(jī)器人被美國展現(xiàn)在全世界人眼中以來，已經(jīng)過了二十多年[3]。而這幾十年里，不僅僅是美國，其它的工業(yè)大國，諸如日本、德國等，都不斷地提高、創(chuàng)新了屬于自己的機(jī)器人技術(shù)[4]。就像在學(xué)校的很多場合里，播放的大多數(shù)的機(jī)器人的錄像資料，幾乎都是美國和日本的，使用的機(jī)械手設(shè)計(jì)圖冊(cè)也幾乎是日本的。 造成這么大的差距并不是說國內(nèi)技術(shù)不如人，最主要的是歷史的沉淀造就的。從蒸汽機(jī)到計(jì)算機(jī)，在工業(yè)迅猛發(fā)展的年代里，我國當(dāng)時(shí)與這些技術(shù)并沒有接觸。其次國外參與該技術(shù)的研究人數(shù)也是遙遙領(lǐng)先于國內(nèi)，而發(fā)明

26、創(chuàng)造出來的東西也是數(shù)不勝數(shù)，例如愛爾蘭的七自由度的SCORBOT-ER工業(yè)機(jī)器人、出自日本Kondo-N等人之手的黃瓜采摘機(jī)器人、96年產(chǎn)于荷蘭的多功能黃瓜采摘機(jī)器人(如圖1.1所示)等等[5]。 圖1.1 黃瓜采摘機(jī)器人 另一個(gè)所不能忽視的根本上的原因就是國外極其激烈的競爭環(huán)境下，促進(jìn)了國外很多企業(yè)不斷地創(chuàng)新和發(fā)展，大家都深知適者生存的道理，所以按理來說只有更強(qiáng)而沒有最強(qiáng)。國外的發(fā)達(dá)國家在這項(xiàng)技術(shù)上可以說是先驅(qū)者，打個(gè)比方就是搶跑的博爾特，誰都追不上?？梢哉f國外的技術(shù)達(dá)到的高度不容小覷，但是，國內(nèi)的研究者不能悲觀，畢竟國外的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了巔峰，除非下一次的科技革命，否則，我國還是有機(jī)會(huì)迎

27、頭趕上，并能擠進(jìn)前列。 1.5發(fā)展趨勢(shì) 我國是一個(gè)農(nóng)林大國，而如何在最少的人力消耗的情況下最大程度地實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的采集和收獲是我們義不容辭的任務(wù)。而農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r也必將會(huì)根據(jù)我國的發(fā)展，一步一步進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。 首先，發(fā)展趨勢(shì)最為突出的是環(huán)境的適應(yīng)性會(huì)加強(qiáng)。眾所周知我國的國土面積很大，南北、東西跨度都是非常廣闊的。這樣一來就會(huì)導(dǎo)致各地的氣候是非常不一樣的，而機(jī)器人不可能說一個(gè)地方一種類型，一種天氣換一種類型，因?yàn)闄C(jī)器人的生產(chǎn)并不便宜。所以，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的加強(qiáng)肯定會(huì)使得機(jī)器人的生產(chǎn)和制造少了很多的麻煩。與此同時(shí)，都生產(chǎn)同一種類的機(jī)器人有利于維修和保養(yǎng)的集成性，零部件的生產(chǎn)也都更

28、為統(tǒng)一，并且都能有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，從而不會(huì)出現(xiàn)混亂的現(xiàn)象，提高了工作效率的同時(shí)也帶來了客觀的經(jīng)濟(jì)效益。 其次，農(nóng)業(yè)機(jī)器人會(huì)越來越簡單，越來越便宜，性價(jià)比越來越高。因?yàn)楦鶕?jù)實(shí)際情況不難知道，實(shí)際上操作機(jī)器人的是農(nóng)民，而不是科學(xué)家或者技術(shù)精英，假若研究者們把機(jī)器人弄得很復(fù)雜，那么農(nóng)民們就將會(huì)是操作半天都摸不著頭腦。當(dāng)它的結(jié)構(gòu)簡單后，農(nóng)民們可以自行拆裝，更換零部件，從而延長了機(jī)器人壽命的同時(shí)不會(huì)給農(nóng)民們?cè)黾宇~外的工作量。當(dāng)它的價(jià)格便宜后，對(duì)收入普遍較低的農(nóng)民來說，入手這樣一個(gè)省錢省力的“鐵怪物”也未嘗不是件好事，因?yàn)樗谧约旱慕?jīng)濟(jì)承受范圍之內(nèi)。因?yàn)閷?duì)于農(nóng)民來說，衡量利益是他們首要的事情，如果入手這一機(jī)器

29、人賺的錢得好幾十年才能抵上機(jī)器人本身的價(jià)格的話，那么他們是絕對(duì)不會(huì)考慮這一買賣的。 再次，農(nóng)業(yè)機(jī)器人會(huì)越來越智能，并且續(xù)航能力將會(huì)越來越持久。我們最為理想的狀態(tài)下的機(jī)器人肯定是完全脫離人們的操作，能夠自行完成農(nóng)作物的識(shí)別、分類、采摘以及收集，這樣一來的話能夠減少人們的參與程度，進(jìn)一步地減少勞動(dòng)力的輸出。當(dāng)然，要想完全脫離人們的操作，超強(qiáng)的續(xù)航能力也是不容忽略的，因?yàn)槲覀兛偛幌敫羧钗宓鼐突貋斫o它充電、換電池，這種工作量是很繁瑣的，然而超強(qiáng)的續(xù)航能力能夠有效避免這一情況的出現(xiàn)。在我看來，機(jī)器人能夠智能到自己回位然后自行充電，等到充電完成后又自行工作的話，這就是最為理想的超強(qiáng)續(xù)航能力。 然后，

30、農(nóng)業(yè)機(jī)器人的工作精度會(huì)越來越高。因?yàn)槲覀冎擂r(nóng)作物的采集方式很大程度上會(huì)影響到農(nóng)作物的生長方式。就拿草莓的采摘來說，定位精度不夠的話，在剪切枝條的時(shí)候會(huì)傷害到周邊的果實(shí)，從而造成不必要的損失。當(dāng)然，力量的控制上也會(huì)更為精確，因?yàn)檫^輕了農(nóng)作物無法采摘，過重了對(duì)枝條傷害加大，并且對(duì)于動(dòng)力源的消耗也會(huì)很大。所以，定位精度以及力量精度的提高，將會(huì)很大程度上防止意外的發(fā)生，減少不必要的損失，這都是不容小覷的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)我相信工作精度越高，這樣的機(jī)器人將會(huì)越受歡迎和更容易被人接受[6]。 最后，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的抗污能力會(huì)越來越強(qiáng)，而且功能會(huì)越來越齊全。我們都知道，農(nóng)林的環(huán)境是非常糟糕的，濕則泥污遍地、干則

31、塵土飛揚(yáng)，那么機(jī)器人的清理也是及其費(fèi)力的，有可能還要涉及到拆裝的過程，這不禁讓人想起小時(shí)候拆了東西后就沒裝上的。如果機(jī)器人的抗污能力很強(qiáng)的話，就能省下很多的時(shí)間。這就要求在機(jī)器人的材料上需要下功夫，盡量使用易清潔的材料，并且要在機(jī)器人的結(jié)構(gòu)上多琢磨，盡量避免有難以清理到的死角。與此同時(shí)，機(jī)器人的功能也將越來越豐富，不僅僅是針對(duì)一種農(nóng)作物的采摘，并且能適應(yīng)多重農(nóng)作物，而轉(zhuǎn)換也不需要做太大的改動(dòng)，或許僅僅是需要換個(gè)手爪而已。 1.6 課題研究內(nèi)容 課題的研究需要不斷地改進(jìn)和優(yōu)化，因此必須要有一定的計(jì)劃和方法，從而保證研究過程的流暢性。 首先，需要做的是文獻(xiàn)資料的檢索和參考。通過在學(xué)校圖書館以

32、及指導(dǎo)教師推薦的網(wǎng)站上查閱與研究課題有關(guān)的國內(nèi)外文獻(xiàn)資料，從而了解并且熟悉自己所做的結(jié)構(gòu)，為今后的設(shè)計(jì)鋪好道路。 其次，需要做的是總體方案的設(shè)計(jì)。通過建立機(jī)械手的功能樹，求解功能元，緊接著列出形態(tài)學(xué)矩陣，從而求得功能解并得出合適的方案。這樣一來設(shè)計(jì)的思路就能一目了然，方便之后的計(jì)算和整改。 再次，根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況對(duì)機(jī)械手的尺寸進(jìn)行選擇并且進(jìn)行三維建模，對(duì)機(jī)械手的電機(jī)進(jìn)行選擇，確定主要的零部件的尺寸，并通過Pro/E等相關(guān)的三維制圖軟件對(duì)機(jī)械手進(jìn)行三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真。這樣一來，機(jī)械手設(shè)計(jì)的合理性以及美觀性就能夠直觀地展現(xiàn)出來。 最后，校核關(guān)鍵部位并且繪制二維圖。每個(gè)機(jī)械體都有自己薄弱的部位

33、，我們只有保證最薄弱的部位不會(huì)出現(xiàn)問題，才能保證整個(gè)系統(tǒng)準(zhǔn)確無誤地工作。二維圖則是對(duì)機(jī)械手最直觀的表現(xiàn)，只有通過多張的二維圖紙才能真正把機(jī)械體的結(jié)構(gòu)表達(dá)清楚。 51 第2章 機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì) 第2章 機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì) 2.1 對(duì)草莓特性的認(rèn)識(shí) 2.1.1 草莓的種植方式 我們?cè)谠O(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械手，甚至一個(gè)機(jī)器人之前，我們必須清楚地知道它的用途，知道它是用來做什么的，知道它將會(huì)在怎么樣的一種環(huán)境和條件下工作，這都將有利于我們具有針對(duì)性地去做好研究和設(shè)計(jì)工作。這樣一來我們可以提高工作的效率和工作的積極性。 草莓，是一種市場上經(jīng)常見到

34、的水果，營養(yǎng)價(jià)值很高。人們經(jīng)常見到的是加工處理好后擺上貨架上的草莓，它們是沒有枝條的。但是，卻很少有人知道草莓是怎么一種種植方式的。對(duì)于我們的機(jī)械手來說，了解并且熟悉草莓的種植方式是設(shè)計(jì)的前提。草莓一般是在溫室大棚里進(jìn)行種植的（如圖2.1所示），它主要是生長在架子上，架子的高度一般來說在1m~1.8m之間,這樣的一種種植方式具有規(guī)律性，它的規(guī)律性不僅僅體現(xiàn)在它種植到收獲的時(shí)間上的規(guī)律性，它主要表現(xiàn)在草莓的種植區(qū)域基本上是一個(gè)橢圓或者長方形的生長區(qū)域，因此它的采摘也具有規(guī)律性，只需要圍繞草莓生長的橢圓區(qū)域外圈就能進(jìn)行采摘，人們也通常會(huì)在區(qū)域外邊設(shè)有通道。草莓的種植密度不會(huì)太大，一般來說理想的種植

35、空間應(yīng)該是株行距保持在10×20厘米，這樣一來，光合作用有了保障，其次草莓也沒必要為了養(yǎng)分而“打架”了。 圖2.1 草莓的種植方式 2.1.2 草莓的外貌特征 在了解草莓的種植方式后，我們還有一項(xiàng)需要了解的東西，那就是草莓它一般是長什么樣的(如圖2.2所示)。顏色是鮮紅色，這自然不需要我多講，而它的顏色也不會(huì)對(duì)研究造成實(shí)質(zhì)性上面的影響。對(duì)于外形，我覺得這就是一種常識(shí)性的東西了，這里草莓不是說像我們意識(shí)形態(tài)里認(rèn)為的那樣，都覺得它們像愛心一樣。那往往是人們對(duì)現(xiàn)實(shí)情況把握不夠后想出來的東西，但事實(shí)上，在大多數(shù)超市里面賣的草莓，如果是長得特別好的，外形一般近似于一頭圓一頭尖的橢圓形，甚至可以說是

36、肥胖的三角形，如果把它近似看成圓，直徑一般在2~4厘米左右，這都已經(jīng)算是大的了。而且草莓的外皮特別地薄，我們?cè)诔运鼈兊臅r(shí)候，不需要像吃橘子、橙子一樣剝皮，而是洗干凈后就能入口即吃了。當(dāng)我們把草莓頭的苗摘下來，這時(shí)候往往會(huì)連皮帶肉地一起扯下來，這都可以看出來草莓的質(zhì)地是非常柔軟的[7]。 圖2.2 草莓的外形 2.1.3 草莓的成熟周期 首先，對(duì)草莓成熟期的熟知非常有利于合理安排機(jī)械手的作業(yè)時(shí)間，其次，我們可以根據(jù)不同地區(qū)的不同天氣狀況，對(duì)機(jī)械手采取防護(hù)措施，例如雨天我們可以給機(jī)械手加上一塊帆布或者塑料布,霜凍天氣我們可以把散熱系統(tǒng)關(guān)閉，加上防凍的潤滑油等等。 草莓一般來說都是在每年的五

37、月下旬成熟，這是自然生長狀態(tài)下的成熟期，但是，在自然狀態(tài)下生長的草莓往往面臨更多的挑戰(zhàn)，諸如惡劣的天氣狀況、匱乏的養(yǎng)分等，因此，我們通常會(huì)在大棚里進(jìn)行栽培，這樣可以大幅度地縮短成熟周期，從而能夠提前上市，一般來說大棚的草莓成熟期都在1~2個(gè)月左右。并且果實(shí)要比自然生長的更大，甜度也是非常地高。我們通常吃的也都是大棚草莓。 2.2 機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì) 2.2.1 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 通過資料的采集發(fā)現(xiàn)，目前的機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及電氣驅(qū)動(dòng)[8]。剛開始對(duì)這些系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)自己都不是太熟悉，液壓系統(tǒng)的知識(shí)儲(chǔ)備不是太充足，原理和設(shè)計(jì)也只是知道個(gè)鳳毛麟角。電機(jī)更不用說，雖然平常

38、身邊存在不少電機(jī)，但是說實(shí)在的，對(duì)它也是一竅不通。電氣就更別提了，基本沒有接觸過，就在做一些實(shí)驗(yàn)的時(shí)候見到的氣動(dòng)導(dǎo)軌，即便是近在咫尺，大多數(shù)時(shí)候也是我們都會(huì)遠(yuǎn)離它。所以，電機(jī)的選擇主要是通過不斷查閱相關(guān)資料來選取理想的驅(qū)動(dòng)元件。 液壓驅(qū)動(dòng)，它能夠通過對(duì)液壓馬達(dá)以及油泵的控制，來使得液壓油提供動(dòng)力，從而達(dá)到驅(qū)動(dòng)的目的如圖2.3所示。 圖2.3 液壓機(jī)械手 與此同時(shí)，對(duì)于我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)械手來說，它能夠提供十分穩(wěn)定的動(dòng)力，因?yàn)樗旧淼母左w能夠抵抗足夠大的外力，其次液壓油的壓力比較穩(wěn)定，而且提供的動(dòng)力很大。與此同時(shí)，液壓缸是圓柱形的，即便不是圓柱形，它的形狀也是有規(guī)律對(duì)稱的，因此采用液壓缸的話，機(jī)

39、械手的外形將會(huì)十分美觀，在設(shè)計(jì)機(jī)械手的整體外殼時(shí)也能用很簡單的薄殼直接套上即可。然而，事與愿違，我們首先需要考慮到的是，我們的機(jī)械手是進(jìn)行草莓的采摘，本身作業(yè)空間就不是很大。其次，機(jī)械手本身的設(shè)計(jì)原則是小巧簡單，假如我們采用液壓驅(qū)動(dòng)的話，機(jī)械手還得“背著”一個(gè)液壓油缸來為系統(tǒng)提供液壓油，這個(gè)大家伙重且不說，還占據(jù)了很大的地方。然后，整個(gè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)還得有油路，油路的設(shè)計(jì)也是一門學(xué)問，因?yàn)橛吐飞盍思庸げ怀鰜?，而且太長的油路會(huì)削弱機(jī)械手結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，油路短了還到不了預(yù)定地點(diǎn)，因此這就無形地增加了加工的難度以及成本的消耗。最后，液壓系統(tǒng)本身的清潔性能非常不好，如果能長時(shí)間保持油路的暢通和封閉的話，那還

40、行，要是出現(xiàn)漏油、灰塵和油污相遇結(jié)塊的情況，對(duì)于從事食品采摘的機(jī)械手來說，是非常不好的，因?yàn)闆]有人會(huì)喜歡油膩膩、黑漆漆的草莓。因此我們排除了采用液壓系統(tǒng)來配備給機(jī)械手。 氣壓傳動(dòng)，對(duì)于設(shè)計(jì)的機(jī)械手來說，它能夠在短時(shí)間內(nèi)提供瞬時(shí)的非常巨大的動(dòng)力。我一開始就沒想過要?dú)鈮簜鲃?dòng)，不是因?yàn)椴皇煜さ木壒?，主要是因?yàn)槲覀兊臋C(jī)械手工作時(shí)根本就沒必要有這種瞬時(shí)動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)方式，因?yàn)槲覀兊牟烧獧C(jī)械手要的就是靈活以及穩(wěn)定，氣壓驅(qū)動(dòng)感覺上會(huì)讓我們的機(jī)械手一頓一頓的，類似于卡幀，這都是我們所不希望看到的。與此同時(shí)，氣壓傳動(dòng)時(shí)氣缸會(huì)發(fā)出很大的響聲，因?yàn)闅怏w的突然間釋放的能量是巨大的，這樣一來，也就是說無形之中這樣一種機(jī)構(gòu)

41、會(huì)產(chǎn)生大量的噪聲，這不僅僅是一種污染，并且對(duì)于每個(gè)工作者來說無疑是一種傷害。由此看來，氣壓系統(tǒng)也是在考慮范圍之外的。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)，主要是通過電機(jī)等元件，通過聯(lián)軸器或者其他元件的連接來帶動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)工作。由于我們的機(jī)械手屬于比較小型的系統(tǒng)，所以我們一般選用的電機(jī)也都比較小，其中像交流伺服電機(jī)（如圖2.4所示）、直流伺服電機(jī)（如圖2.5所示）以及步進(jìn)電機(jī)（如圖2.6所示），它們體積小，占用空間小，而且拆裝方便，更換的渠道和范圍都比較廣。 圖2.4 交流伺服電機(jī) 圖2.5 直流伺服電機(jī) 圖2.6 步進(jìn)電機(jī) 與此同時(shí)，作為

42、動(dòng)力源，電機(jī)能提供的動(dòng)力也是挺樂觀的，像直流力矩電機(jī)都是非常不錯(cuò)的能提供很大力矩的元件。在供電方式上，小型的電機(jī)一般來說用一個(gè)12V或者24V的蓄電池就能提供電源，假若是需要220V的電壓，那么我們其實(shí)可以根據(jù)網(wǎng)上的一些資料，在電機(jī)和蓄電池兩者之間假如一個(gè)逆變器，從而使蓄電池的輸出電壓能夠滿足需求，這種做法實(shí)質(zhì)上就是應(yīng)急電源的一種轉(zhuǎn)換。記得以前寢室沒電，有同學(xué)的電腦支持不了多久，于是也是用上面的方法給筆記本提供了足夠的電力。與此同時(shí)，一般來說電機(jī)尾端都會(huì)安裝一個(gè)反饋元件，從而對(duì)電機(jī)的速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，這都為機(jī)械手的作業(yè)提供了足夠的安全保障。由此看來，電機(jī)是我們所青睞的、所一直追求的較為理想的

43、驅(qū)動(dòng)元件。 那么我們就得在交流伺服電機(jī)、直流伺服電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)三者之間，針對(duì)不同的情況選擇合適的一種，當(dāng)然，整個(gè)機(jī)械手的系統(tǒng)當(dāng)中肯定用到不止一種電機(jī)，所以我們要做的是在這里點(diǎn)明它們之間的優(yōu)缺點(diǎn)，從而決定整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該以哪個(gè)電機(jī)為主。 對(duì)于交流伺服電機(jī)來說，放在整個(gè)機(jī)械手系統(tǒng)中可以提供非常穩(wěn)定的速度,可以實(shí)現(xiàn)平滑控制，在其調(diào)控范圍之內(nèi),傳動(dòng)效率可以達(dá)到90%。在其的運(yùn)行區(qū)域內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)恒等力矩的轉(zhuǎn)換，不會(huì)產(chǎn)生摩擦的損耗，這都可以減少經(jīng)濟(jì)上的消耗。但是，從幾本電機(jī)的參考資料上來看，交流伺服電機(jī)的體積相對(duì)比較大，供電一般來說要滿足機(jī)械手作業(yè)要求的都要220V電壓才行，最需要考慮的是它的重量也不小，

44、所以放在機(jī)械手手臂上的話無疑會(huì)增加力矩[9]。與此同時(shí)，交流伺服電機(jī)的接線較為復(fù)雜，參數(shù)的設(shè)定都要現(xiàn)場的調(diào)試才行，因此可操作性不是太強(qiáng)。 對(duì)于直流伺服電機(jī)來說，它的使用原理都是大家耳熟能詳?shù)?，操作特別簡單，維護(hù)和更換的渠道都特別廣泛。最難能可貴的是它的速度控制精度很好，轉(zhuǎn)矩速度特性也是非常理想的，現(xiàn)在也有直流力矩電機(jī)，都可以滿足各種力矩場合下的作業(yè)要求。但是，直流伺服電機(jī)本身的磨損消耗是比較嚴(yán)重的，而且相對(duì)容易進(jìn)灰，需要做好防塵的準(zhǔn)備。 對(duì)于步進(jìn)電機(jī)來說，它的控制精度是前面兩種電機(jī)所不能匹及的，其次，它的體積小，重量輕，能實(shí)現(xiàn)的力矩傳遞也十分可觀。只需要根據(jù)自己的需要給它相應(yīng)的脈沖，就能實(shí)

45、現(xiàn)速度上的精確控制。我最看好步進(jìn)電機(jī)的是它的自鎖能力，在斷電的情況下，它本身會(huì)對(duì)電機(jī)軸有一個(gè)鎖緊力矩，從而防止電機(jī)軸做無謂的轉(zhuǎn)動(dòng)。 根據(jù)三種電機(jī)的比較，我決定這次的機(jī)械手是以直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)為主。 2.2.2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 機(jī)械手的自由度決定了它的作業(yè)空間和范圍，這也是全世界的科學(xué)家們所絞盡腦汁要研究的一個(gè)問題，同時(shí)這也是我們?nèi)祟愒O(shè)計(jì)的機(jī)械手永遠(yuǎn)比不上人類自己的手靈活，這是因?yàn)槲覀內(nèi)祟愖约旱氖值年P(guān)節(jié)（同于機(jī)械手的自由度）非常多，而且各個(gè)關(guān)節(jié)之間的調(diào)控都是非常井井有條的。 通過查閱資料了解到草莓大棚以及草莓種植架的基本構(gòu)造后，考慮到能夠充分地覆蓋到草莓架上的每一個(gè)成熟的草莓，從而

46、基本確定了機(jī)械手是由5個(gè)自由度組成的，如表2.1所示。 表2.1 機(jī)械手的自由度的選擇 自由度1 自由度2 自由度3 自由度4 自由度5 底座的 旋轉(zhuǎn) 手臂的 升降 手臂的 俯仰 手臂的 伸縮 手腕的 旋轉(zhuǎn) 每個(gè)自由度的確定都有它的作用，確定了5個(gè)自由度也是考慮到了機(jī)械手在進(jìn)行草莓采摘時(shí)所能涉及到的工作需求。就在確定了自由度后，機(jī)械手的工作原理也就能夠隨之確定，與此同時(shí)我也繪制了機(jī)械手的原理圖如圖2.7所示。 圖2.7 機(jī)械手結(jié)構(gòu)原理圖 底座的旋轉(zhuǎn)主要是實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在平面上的一個(gè)面對(duì)草莓架的一個(gè)錐形空間上的作業(yè)范圍，因?yàn)槲覀儥C(jī)械手的基本的移動(dòng)靠的就是小車，我

47、們不能要摘哪片的草莓就把小車停在哪片草莓的面前，這樣是很麻煩，而且作業(yè)空間是很小的。如果底座能旋轉(zhuǎn)的話，機(jī)械手的作業(yè)范圍就不僅僅是面前的草莓，周圍一定范圍內(nèi)的草莓也都能采摘到；手臂的升降主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)不同生長高度的草莓都能夠進(jìn)行采摘，由于我們的機(jī)械手的水平工作空間是有限的，如果手臂能升降的話，對(duì)于架子上不同高度的草莓都能實(shí)現(xiàn)采摘；手臂的俯仰是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)不同生長高度的草莓的采摘進(jìn)行精確的定位，再一個(gè)就是為機(jī)械手的采摘提供一個(gè)垂直面上的錐形空間，從而避免手臂頻繁地做升降運(yùn)動(dòng)；手臂的伸縮是為了彌補(bǔ)手臂俯仰時(shí)造成的機(jī)械手與草莓之間距離的誤差，因?yàn)槭直鄹┭龅能壽E是一個(gè)圓形，當(dāng)它有一定的俯仰角度后，和草莓的

48、水平距離就會(huì)加大，這時(shí)候手臂的伸縮就能很好地進(jìn)行這個(gè)加大距離上的補(bǔ)償；手腕的旋轉(zhuǎn)是為了加強(qiáng)機(jī)械手的避障能力，因?yàn)椴葺l的位置是十分混亂且沒有規(guī)律的，為了避開不在工作要求內(nèi)的枝條，手腕的旋轉(zhuǎn)能夠甩開多余的枝條，從而能夠很好地解決這個(gè)問題。 2.2.3 機(jī)械手行程分析 機(jī)械手的采摘范圍是由機(jī)械手各個(gè)部分的行程來確定的，我們?cè)诖_定機(jī)械手各個(gè)部分行程的時(shí)候要根據(jù)具體的情況來選擇合理的行程，例如草莓架的高度，草莓生長的密度等等。假若行程小了，可能造成機(jī)械手采摘的范圍不能滿足作業(yè)的需求，并且還會(huì)增加沒有必要的運(yùn)動(dòng)。行程大了的話可能會(huì)造成材料的浪費(fèi)，因?yàn)椴牧系亩嗌俸托谐痰拇笮∈怯嘘P(guān)系的，如果你有10%

49、的行程是無用的，那么就說明你加工制造出來的這10%的材料是沒有用的，與此同時(shí)，行程大了會(huì)使得機(jī)構(gòu)不合理，例如手臂伸縮行程太大，伸出去太長可能就會(huì)使機(jī)械手有往前傾的力，以致影響了機(jī)械手的穩(wěn)定性。綜合以上的諸多因素，對(duì)機(jī)械手行程的選擇如表2.2所示。 表2.2 機(jī)械手的行程選擇 底座旋轉(zhuǎn) 手臂升降 手臂俯仰 手臂伸縮 手腕旋轉(zhuǎn) ±360° ±1m ±60° ±220mm ±360° 底座選擇±360°是為了能讓機(jī)械手在平面范圍內(nèi)有最廣的作業(yè)覆蓋范圍；手臂升降的范圍是考慮到草莓架的高度，一般是1m~1.4m之間，而我們的底座就有將近400mm的高度了，所以手臂升降的選擇是合

50、理的；手臂的俯仰考慮到了手臂降到最低處時(shí)，俯擺角度超過60°的時(shí)候會(huì)和底座有干涉，所以這個(gè)角度是合理的；手臂的伸縮主要是起到距離補(bǔ)償?shù)淖饔?，所?20mm也足夠了；手腕的旋轉(zhuǎn)能夠正反轉(zhuǎn)360°就是我們最理想的狀態(tài)了。 2.2.4 機(jī)械手工作空間分析 我們確定了機(jī)械手的工作行程后，就能對(duì)其工作空間，也就是工作范圍有了全面的認(rèn)識(shí)和了解。其中我們可以把它分為幾個(gè)部分，主要包括旋轉(zhuǎn)方向工作范圍（如圖2.8陰影所示）、豎直方向和伸縮方向工作范圍（如圖2.9陰影所示）、俯仰方向工作范圍（如圖2.10陰影所示）由于腕部的旋轉(zhuǎn)不能提供距離上的范圍，所以在這里忽略不計(jì)[10]。 圖2.8 旋轉(zhuǎn)空間

51、圖2.9 豎直、伸縮方向空間 圖2.10 俯仰空間 從三個(gè)坐標(biāo)圖中我們不難看出手臂的伸縮能做到的距離上的補(bǔ)償范圍也是不小的，并且能夠很好地為草莓的采摘增加了作業(yè)面積。 2.2.5 機(jī)械手采摘方式 機(jī)械手的采摘方式可以分為很多種，最常見的是吸附式（如圖2.11所示）、抓拉式（如圖2.12所示）以及剪切式（如圖2.13所示）。 圖2.11 吸附式 圖2.12 抓拉式 圖2.13 剪切式 我們從圖2.11中不難看出，吸附式的采摘機(jī)械手主要是依靠中間的一個(gè)吸附裝置，一般來說都是可以創(chuàng)造真空的裝置，這樣一來，裝置一啟動(dòng)就會(huì)把果實(shí)

52、吸過來，然后通過三個(gè)手爪對(duì)果實(shí)進(jìn)行抓緊，然后通過拉力、或者是在手爪的部分增加一個(gè)剪斷裝置，從而對(duì)果實(shí)進(jìn)行摘取。圖2.12中的抓拉式采摘手，實(shí)質(zhì)上就是少了真空吸附裝置的吸附式的采摘手，抓拉式的采摘手對(duì)三個(gè)手爪之間運(yùn)動(dòng)的配合性有較高的要求，與此同時(shí)，抓拉式的采摘手對(duì)果實(shí)的定位精度要求比較高，因?yàn)樗仨毜酶袘?yīng)到果實(shí)在什么地方了才能實(shí)施采摘。相對(duì)于前面兩種采摘手來說，圖2.13里面的剪切式采摘手要更為快捷，因?yàn)樗恍枰竭_(dá)果實(shí)所處的位置，把枝條剪斷，然后再設(shè)計(jì)一個(gè)采集裝置對(duì)剪斷后掉落下來的果實(shí)進(jìn)行收集。最為關(guān)鍵的是，剪切式的手爪對(duì)草莓枝條的傷害已經(jīng)是降到了最低，可以說是沒有傷害的，因?yàn)榧羟辛χ皇亲饔迷?/p>

53、采摘的那個(gè)草莓的枝條上，而對(duì)整個(gè)草莓的種植系統(tǒng)不會(huì)造成影響，不會(huì)說因?yàn)槔锰投沟貌葺軗u搖欲墜。因此，本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手采用的是剪切式的采摘方式，利用其類似于剪刀的原理，通過兩個(gè)剪切片對(duì)草莓枝條進(jìn)行剪切。 2.2.6 草莓識(shí)別方案 我們進(jìn)行草莓采摘的時(shí)候不可能對(duì)每個(gè)草莓都進(jìn)行采摘，即便是到草莓成熟的季節(jié)，也不可能做到整個(gè)棚里的草莓都成熟了，我們必須對(duì)草莓進(jìn)行識(shí)別，從而區(qū)別成熟和不成熟的草莓，從而使得采摘的正確率得到提升[11]。 我覺得在腕部的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處安裝一個(gè)可以進(jìn)行顏色識(shí)別的攝像頭。安裝在腕部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處是因?yàn)檫@樣安裝的攝像頭可以隨著腕部的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，從而能增大攝像頭的監(jiān)測(cè)范圍。用到

54、了顏色識(shí)別主要是根據(jù)成熟草莓與不成熟草莓的顏色上的差異，一般來說成熟草莓的顏色是鮮紅色的，而不成熟草莓是綠色然后還有點(diǎn)偏白色。這樣一來，在大范圍的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)就能通過顏色的不同對(duì)草莓進(jìn)行正確的采摘了[12]。由于草莓的識(shí)別不在本次的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，所以該處設(shè)計(jì)不會(huì)影響設(shè)計(jì)的內(nèi)容。 2.3 本章小結(jié) 本章主要是對(duì)機(jī)械手的方案有個(gè)初步的確定。首先是驅(qū)動(dòng)元件的確定，通過電機(jī)來驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)，并且系統(tǒng)是以直流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)為主。其次是確定了機(jī)械手的自由度，機(jī)械手總共有5個(gè)自由度，包括底座的旋轉(zhuǎn)、手臂的升降、手臂的俯仰、手臂的伸縮以及手腕的旋轉(zhuǎn)，基本上可以覆蓋任何范圍內(nèi)的草莓。再者是確定草莓采摘的

55、方式，采用了剪切的方式，利用其類似于剪刀的原理，對(duì)草莓進(jìn)行無傷害的采摘。最后就是確定了草莓的識(shí)別方式，主要是通過攝像頭的顏色識(shí)別功能，對(duì)成熟草莓和不成熟草莓進(jìn)行識(shí)別?？偟膩碚f，方案的初步設(shè)定有利于下一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為下一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鋪好了道路，指明了方向。 第3章 電機(jī)選型與計(jì)算校核 第3章 電機(jī)選型與計(jì)算校核 3.1 電機(jī)選型參數(shù)指標(biāo) 機(jī)械手對(duì)電機(jī)的選擇有嚴(yán)格的要求，其中主要有幾個(gè)重要的參數(shù)[13]。 1、 轉(zhuǎn)速 通過研究知道作為驅(qū)動(dòng)元件，是為了能夠帶動(dòng)系統(tǒng)工作，那么對(duì)于做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的物體，它都會(huì)有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，而這個(gè)速度主

56、要是依靠電機(jī)來給予的。所以當(dāng)我們確定了物體的最基本的轉(zhuǎn)速后，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)有相應(yīng)的要求，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速過大的我們都會(huì)在電機(jī)前面加一個(gè)減速箱，或者是在其傳動(dòng)鏈上增加一組用來減速的齒輪傳動(dòng)?，F(xiàn)在也有很多的電機(jī)生產(chǎn)廠家都有生產(chǎn)配套的電機(jī)和減速箱，我們一般稱這樣的配套的驅(qū)動(dòng)裝置為減速電機(jī)。 2、 扭矩 因?yàn)殡姍C(jī)基本上都是在有負(fù)載的情況下工作的，那么對(duì)于任何旋轉(zhuǎn)的物體，包括電機(jī)軸，都會(huì)有因?yàn)樾D(zhuǎn)而產(chǎn)生的扭矩。那么我們?cè)谶x擇電機(jī)的時(shí)候需要考慮到電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩是否能夠滿足系統(tǒng)的要求，過小了可能會(huì)造成電機(jī)無法帶動(dòng)負(fù)載工作，我們稱這種情況為過載。一般來說我們都會(huì)選擇輸出扭矩比負(fù)載扭矩要大的電機(jī)，這樣一來可以保

57、證扭矩的輸出以及應(yīng)對(duì)突然的超載的情況。在這方面交流伺服電機(jī)是比較優(yōu)秀的，因?yàn)樗倪^載能力十分突出，而且輸出扭矩都相對(duì)平穩(wěn)。 3、 功率 通過研究不難知道電機(jī)的輸出扭矩越大，它的輸出功率就越小，這樣一來，我們就不能單純地通過扭矩來選擇電機(jī)，因?yàn)橛锌赡芪覀兊霓D(zhuǎn)矩滿足要求了，但是功率卻不滿足要求，這樣一來將會(huì)出現(xiàn)電機(jī)空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。 4、 慣量 慣量的原理和扭矩是一樣的，都是因?yàn)槲矬w的旋轉(zhuǎn)會(huì)給電機(jī)軸產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，但是我們?cè)谶x擇電機(jī)的時(shí)候，一般來說著重考慮的都是扭矩和功率，只要這兩項(xiàng)滿足了，慣量也會(huì)滿足。 這次機(jī)械手的電機(jī)主要是交流伺服電機(jī)、直流伺服電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)，它們雖然都是電

58、機(jī)，但是在實(shí)際使用起來的差別還是相對(duì)較大的。所以我們需要根據(jù)不同的關(guān)節(jié)部分的具體情況來選擇合適的電機(jī)。 3.2 底座電機(jī)選型 已知條件：，，，，=4kg； ，，，=12kg。 預(yù)設(shè)條件：大齒輪的轉(zhuǎn)速：r/min，達(dá)到預(yù)定速度的響應(yīng)時(shí)間：t=0.1s。 首先，根據(jù)預(yù)設(shè)的大齒輪的轉(zhuǎn)速來確定減速箱的減速比，其中，需要先求出小齒輪的轉(zhuǎn)速，小齒輪的轉(zhuǎn)速可以通過傳動(dòng)比來求得，見式（3-1）。 （3-1） 式中 i——齒輪傳動(dòng)比； ——小齒輪齒數(shù)； ——大齒輪齒數(shù)； ——小齒輪轉(zhuǎn)速（r/min）； ——大齒輪轉(zhuǎn)速（r/min）。

59、 小齒輪的轉(zhuǎn)速為： 其次，需要計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩，通過負(fù)載轉(zhuǎn)矩可以通過電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩去選擇電機(jī)，與此同時(shí)還能算出電機(jī)所需的輸出功率。負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算如下： 由于齒輪和軸進(jìn)行組合后可以看成是圓盤狀，所以可以計(jì)算兩個(gè)齒輪的回轉(zhuǎn)慣量： （3-2） 式中 ——回轉(zhuǎn)慣量（）； ——物體重量（）； ——齒輪直徑（）。 由式（3-2），已知=10，=60，=0.116，=0.396，則： 由于底座是齒輪傳動(dòng)，則總的回轉(zhuǎn)慣量的計(jì)算見式（3-3）。

60、(3-3) 式中 ——齒輪傳動(dòng)比； 所以，在這里可以算出總的回轉(zhuǎn)慣量： 這樣一來就可以根據(jù)回轉(zhuǎn)慣量算出負(fù)載轉(zhuǎn)矩，見式（3-4）。 （3-4） 式中 ——負(fù)載轉(zhuǎn)矩（）； ——物體回轉(zhuǎn)慣量； ——物體轉(zhuǎn)動(dòng)速度； ——響應(yīng)時(shí)間（）； 其他符號(hào)同前。 再根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩便可以求出所需功率，見式（3-5）。 （3-5） 式中 ——功率（）； ——物體轉(zhuǎn)動(dòng)速度； ——負(fù)載轉(zhuǎn)矩； 其他符號(hào)同前。 所以，由式（

61、3-4）： 再由式（3-5），所需功率： 選擇安全系數(shù)，所以，。 這樣一來，由計(jì)算結(jié)果知道了電機(jī)的所需功率以及所需的輸出轉(zhuǎn)矩，在此為底座的電機(jī)初選為：常州市松崗電機(jī)有限公司生產(chǎn)的DC MOTOR系列電機(jī)，型號(hào)為Z2D15-24GN，基本參數(shù)為：電壓24V，功率15w，空載轉(zhuǎn)速3300r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)速3000r/min，重量0.9kg，電池壽命2000h；配套的減速箱：減速比1：60，輸出轉(zhuǎn)矩1.72N·m，輸出轉(zhuǎn)速55r/min，重量0.33kg；電機(jī)效率，所以電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，輸出功率14.25w，因此電機(jī)符合要求。 3.3 大臂俯仰電機(jī)選型 已知條件：，，，，；，

62、，，。 預(yù)設(shè)條件：俯仰的速度，達(dá)到預(yù)定速度的響應(yīng)時(shí)間：。 由式（3-1），傳動(dòng)比： 再由式（3-2），已知：，，，，則轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 再由式（3-3），物體總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 再由式（3-4），物體轉(zhuǎn)矩： 最后由式（3-5），所需功率： 選擇安全系數(shù)，所以，。 根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果，電機(jī)初選為：溫州泰河機(jī)電有限公司生產(chǎn)的交流同步電機(jī)型號(hào)為TY-TJZ60，基本參數(shù)為：電壓24V，功率14w，輸出轉(zhuǎn)速30r/min，輸出轉(zhuǎn)矩0.49N·m，重量1.1kg；電機(jī)效率，所以電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，輸出功率12.6w，因此電機(jī)符合要求。 3.4 腕部旋轉(zhuǎn)電機(jī)選型 已知條

63、件：帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的剪切部分的外形是一個(gè)立方體，其中長，寬，高，重量。 預(yù)設(shè)條件：旋轉(zhuǎn)的速度，達(dá)到預(yù)定速度的響應(yīng)時(shí)間。 對(duì)于立方體，它的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算是有所不同的，見式（3-6）。 （3-6） 式中 ——物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； ——物體質(zhì)量； ——立方體長（）； ——立方體寬（）； 其他符號(hào)同前。 因此，腕部帶動(dòng)的剪切部的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由式（3-6）： 再由式（3-4），物體的轉(zhuǎn)矩： 最后由式（3-5），所需功率： 選擇安全系數(shù)，故，。 根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果，電機(jī)初選為：溫州泰河機(jī)

64、電有限公司生產(chǎn)的交流同步電機(jī)型號(hào)為TY-TJZ60，基本參數(shù)為：電壓24V，功率14w，輸出轉(zhuǎn)速30r/min，輸出轉(zhuǎn)矩0.49N·m，重量1.1kg；電機(jī)效率，所以電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，輸出功率12.6w，因此電機(jī)符合要求。 3.5 剪切部分電機(jī)選型 首先，需要計(jì)算的是手爪的剪切力（如圖3.1所示），計(jì)算的過程和方法如下[14]。 圖3.1 剪切手爪結(jié)構(gòu)示意圖 在設(shè)計(jì)出剪切手爪之后，對(duì)手爪的各個(gè)參數(shù)也都能知道，其中，，，于草莓的枝條很細(xì)，所以剪切力不需要太大，只需要就可以了。計(jì)算的公式見式（3-7）。 （3-7） 由式（3-7），手部的驅(qū)

65、動(dòng)力： 求得手部的驅(qū)動(dòng)力后，就可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行選擇，已知的條件：對(duì)齒條來說：長度；對(duì)齒輪來說：，，，。 對(duì)于齒輪齒條的傳動(dòng)來說，計(jì)算方式與前面的兩個(gè)齒輪傳動(dòng)略有不同，齒輪的輸出轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算見式（3-8）。 （3-8） 根據(jù)式（3-8），便可以求出齒輪的輸出力矩： 接下來，需要計(jì)算的是電機(jī)的輸出功率，計(jì)算公式見式（3-9）。 （3-9） 式中 ——功率（）； ——負(fù)載力（）； ——速度（）； ——傳動(dòng)效率，這里取。

66、 由式（3-9），便可以求出電機(jī)的功率： 選擇安全系數(shù)，故，。 根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果，初選電機(jī)為奧悅達(dá)步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)AYD3402A45A，基本參數(shù)：電機(jī)靜力矩，步距角，電流，電壓，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，重量；電機(jī)效率，所以電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，輸出功率136w，因此電機(jī)符合要求。 3.6 手臂升降、伸縮電機(jī)選型 滾珠絲杠副的電機(jī)選擇過程十分復(fù)雜，因?yàn)樗紤]的因素要更多，所需要的相關(guān)的參數(shù)數(shù)據(jù)也更多。在這里首先計(jì)算的是負(fù)載力矩，主要包括切削負(fù)載力矩，摩擦負(fù)載力矩以及附加負(fù)載力矩，其中切削負(fù)載力矩是絲杠進(jìn)給時(shí)候所產(chǎn)生的，摩擦負(fù)載力矩則是由絲杠進(jìn)給過程中各部件之間的摩擦力造成的，附加負(fù)載力矩是由滾珠絲杠的預(yù)緊力造成的[15]。 對(duì)于切削負(fù)載力矩，見式（3-10）。 （3-10） 式中 ——進(jìn)給過程中產(chǎn)生的軸向力（）； ——絲杠轉(zhuǎn)一圈物體的移動(dòng)距離（）； ——傳動(dòng)效率，一般取0.90； ——傳動(dòng)比。 在上式中，有一個(gè)絲杠的傳動(dòng)比，計(jì)算見式（3-11）。