壓縮包內(nèi)含CAD圖紙和三維建模及說明書,咨詢Q 197216396 或 11970985  畢業(yè)設計說明書 題 目： 學 院： 專 業(yè)： 學 號： 姓 名： 指導教師： 完成日期： 目 錄 摘 要 IV Abstract V 第1章 緒論 1 1.1研究背景及意義 1 1.2國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀 1 第2章 總體方案設計 2 2.1設計參數(shù) 2 2.1.1設計技術參數(shù) 2 2.2方案選定 2 2.2.1車體方案設計 2 2.2.2手臂方案設計 2 2.2.3手抓方案設計 3 2.3.4驅動方案的選擇 3 2.3工作原理分析 4 2.3.1傳動機構工作原理 4 2.3.2手臂工作原理 4 2.3.3手抓工作原理 5 第3章 零部件的設計與選擇 6 3.1行駛小車設計 6 3.1.1主電機的選擇 6 3.1.2履帶部分設計 8 3.1.3副履帶部分設計 18 3.2手臂部分設計 21 3.2.1電機的選擇 21 3.2.2大、小臂設計 23 3.3手抓設計 24 3.3.1電動機的選擇 24 3.3.2絲桿螺母副的選型與校核 26 3.3.3手指結構設計 29 3.3.4手抓支架的設計 30 第4章 基于Pro/E的三維設計 31 4.1 Pro/E三維設計軟件概述 31 4.2三維設計 31 4.2.1車體 31 4.2.2主履帶 32 4.2.3副履帶 32 4.2.4手臂、手抓 32 4.2.5三維裝配 33 4.3仿真分析 33 4.3.1 Pro/E仿真介紹 33 4.3.2仿真 34 總 結 37 參考文獻 38 致 謝 39 摘 要 果園種植業(yè)的發(fā)展提高了果園機械市場的需求，為了節(jié)約人力物力，提高果農(nóng)的經(jīng)濟效益，開展采摘器械的研究有重要的意義。水果采摘機是一種極具研究價值和應用前景的農(nóng)用地面移動機器人，本論文對具有移動功能的采摘機進行了總體技術的研究，并主要對其車體結構部分、手臂部分、手抓部分進行了詳細的設計。 本文首先，通過功能和設計任務的分析，確立了水果采摘機總體功能構架；接著，對本采摘機車體結構部分、手臂部分、手抓部分進行了詳細設計與校核并采用Pro/E三維設計；然后，進行仿真分析，確保水果采摘機結構最優(yōu)，效率最高，性能最優(yōu)；最后采用AtuoCAD軟件繪制了采摘機的裝配圖及主要零件圖。 通過本次設計，對大學所學專業(yè)知識在理論結合實際的鍛煉下加深了知識的理解，對今后的工作必定帶來很大幫助。 關鍵詞：水果采摘機；手臂；手抓；履帶 Abstract The development of orchard planting industry has raised the demand of the orchard machinery market. In order to save manpower and material resources and improve the economic benefit of the fruit farmers, it is of great significance to carry out the research of the picking instruments. The fruit picking machine is a kind of agricultural ground mobile robot which has great research value and application prospect. This paper studies the overall technology of the picking machine with mobile function, and designs the part of the body structure, arm and hand grip in detail. Firstly, through the analysis of function and design task, the overall functional framework of fruit picking machine is established. Then, the body structure part, arm part, hand grab part of this picking locomotive are designed and checked in detail and Pro/E 3D design is used. Then, simulation analysis is carried out to ensure the optimal structure and efficiency of the fruit picking machine. Finally, the assembly drawing and main parts drawing of the picking machine were plotted by AtuoCAD software. Through this design, the knowledge of the professional knowledge of the university has been deepened under the practice of combining theory with practice, and it will surely bring great help to the future work. Key words: Fruit picking machine; Arm; Hand grasping; Crawler 40 第1章 緒論 1.1研究背景及意義 果園種植業(yè)的發(fā)展提高了果園機械市場的需求。在整個生產(chǎn)中，由采摘果實所耗費的勞動力占據(jù)整個生產(chǎn)過程的50％～70％㈣。采摘作業(yè)季節(jié)性相對強，傳統(tǒng)人工采摘的方式不僅僅易造成果實損傷。同時，采摘不及時將會導致經(jīng)濟上的損失。農(nóng)業(yè)勞動力向其他行業(yè)轉移，人員缺乏，隨著老齡化的增長，生產(chǎn)成本不斷提高，降低了人們的種植積極性，果園種植業(yè)的發(fā)展受到了制約。為了節(jié)約人力物力，提高果農(nóng)的經(jīng)濟效益，開展采摘器械的研究有重要的意義。 1.2國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀 機器人是二十世紀人類最偉大的發(fā)明之一。人類對于機器入的研究由來已久，但直到上世紀50、60年代，隨著機構理論和數(shù)控伺服技術的發(fā)展才真正進入實用化。上世紀70年代后，計算機技術、控靠q技術、傳感技術和人工智能技術迅速發(fā)展，機器人技術也隨之進入高速發(fā)展階段，并發(fā)展成為集機械、電子、控制和計算機技術的一項綜合技術。 水果和蔬菜的采摘機器人的研究始于20世紀60年代，在20世紀的美國，用于收割方法主要是機械和氣動搖晃搖晃風格。缺點是水果的脆弱性，效率不高，是不是特別有選擇性的收獲，存在很大的局限性采摘柔軟，新鮮水果和蔬菜方面。但此后，隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展，特別是在工業(yè)機器人，日益成熟的計算機圖像處理技術和人工智能技術，采摘機器人的研究和技術開發(fā)得到了快速發(fā)展。目前，日本，荷蘭，法國，英國，意大利，美國，以色列，西班牙等國相繼推出的水果和蔬菜采摘機器人方面的研究相關的研究主要橘子，蘋果，西紅柿，櫻桃西紅柿，蘆筍，黃瓜，甜瓜，葡萄，甘藍，菊花，草莓，蘑菇等，但這些收益還沒有真正商業(yè)化經(jīng)營的機器人。 研究農(nóng)業(yè)機器人領域起步相對較晚，但近幾年的快速發(fā)展，也已經(jīng)有很多的研究。張劍峰，董劍，張志勇，如自適應魯棒跟蹤控制算法采摘機器人設計;機器人視覺傳感器設計立體的中國農(nóng)業(yè)大學，劉兆祥，劉剛，誰撿到了蘋果方面江蘇大學蔡健榮三維信息，例如恢復的障礙，為柑橘采摘機器人障礙識別技術的研究;南京農(nóng)業(yè)大學工學院和奪權的水果和蔬菜研究技術姬長英王學林外環(huán)控制。 在國內(nèi)，蘋果采摘由人工來完成，采摘效率低、采摘人員勞動強度大、工作環(huán)境差。目前對蘋果采摘機的報道比較少，最近國內(nèi)也有一些采摘機具的專利，如堅果采摘機，這些專利能在一定程度上減輕采摘人員的勞動強度，改變采摘人員的工作環(huán)境；但大多結構簡單，所以未從根本上解決采摘難度，效率低等問題。 第2章 總體方案設計 2.1設計參數(shù) 2.1.1設計技術參數(shù) 本課題對小型水果摘採機的結構進行設計及分析，主要技術指標包括： （1）采摘機構能夠實現(xiàn)上下高度范圍為1.0-1.5m，工作空間2m3； （2）機構要求效率高，運轉速度快； （3）對結構進行靜力負載分析，確保滿足使用要求。 2.2方案選定 2.2.1車體方案設計 本次設計的水果采摘機車體結構采用的是履腿式復合結構，總體設計方案如圖2-1所示。機器人的車體的履帶作為移動移動機構，與前臂和后臂轉動相協(xié)調，增加了機器人運動靈活性。 機器人后輪有一個伺服電機驅動，通過控制系統(tǒng)協(xié)調配合，實現(xiàn)后輪的靈活轉動，在機器人爬坡和越障時發(fā)揮更大作用。 機器人車體左右兩邊履帶各有永磁式直流電機驅動，通過控制系統(tǒng)協(xié)調配合，控制前軸和后軸的速度、力矩，可實現(xiàn)原地360°轉向，前進時的自由轉向，隨時調解爬坡時的力矩大小。在車體主履帶前端是慣性軸，與主動軸配合，保證機器人運動的平穩(wěn)。 圖2-1 水果采摘機車體結構組成 2.2.2手臂方案設計 本次設計的機械手要求：機械手臂可實現(xiàn)回轉、上下移動，機械手爪可實現(xiàn)夾持 ，并且采用關節(jié)式結構，因此選定的設計方案如下：其由兩個電機驅動關節(jié)轉動實現(xiàn)機械手臂上下移動，手臂整體回轉有底部回轉電機實現(xiàn)；機械手爪具有2個自由度，分別是手爪回轉，手爪夾持；手爪回轉有電機驅動，手爪夾持由電磁鐵的正反接實現(xiàn)。 2.2.3手抓方案設計 目前，實現(xiàn)采摘的主要途徑有以下幾種： （1）采用吸盤牢牢地吸住了水果，然后用剪刀等工具切割莖稈這種方法需要一個很好的位置來檢測和準確的調整端部執(zhí)行器的姿態(tài)，從而增大控制系統(tǒng)和機制的復雜性的困難。 （2）使用剪刀剪開莖，稈這個方法需要一個好的位置，以檢測并精確地調節(jié)到致動器的姿勢的末端，從而增加了系統(tǒng)的復雜性和控制機構的難度。 （3）用激光切割，該方法還要求具有良好的檢測稈制成的高要求的視覺系統(tǒng)中的位置。 （4）人工采摘蘋果，輕輕握住果實，食指按住稈，然后向上提起，使果柄與果枝部位從離層斷開，輕輕取出果實。 蘋果莖脆弱，容易分離，因此通過垂直旋轉在手腕上，以模擬人的運動打破手柄實現(xiàn)分離和果柄采摘蘋果或旋轉運動的模擬人工的方式設計。這種方法簡單，視覺系統(tǒng)要求不高。 根據(jù)采摘蘋果的具體要求，提出了一種蘋果采摘手抓。該執(zhí)行器由手指、手掌、機架等組成。手抓有3個手指，3個手指圓周對稱布置，即每側一個手指。每個手指有6個關節(jié)。在電機控制下，通過絲桿拉動手指下部的拉桿實現(xiàn)3個手指的聯(lián)動，以及對不同形狀物體的夾持。 2.3.4驅動方案的選擇 目前這類機械手的驅動源主要是采用氣壓驅動、電驅動、液壓驅動這三種[10]。 （1）氣動壓力是一個壓縮空氣驅動系統(tǒng)來驅動致動器的運動，空氣壓縮機通常被用作動力源。氣動驅動器過載安全，結構簡單，污染少，成本低，通過調節(jié)空氣流量，可以實現(xiàn)無級變速，但大尺寸設備的運行速度不穩(wěn)定，定位精度不高，抓小舉行力。 （2）液壓驅動系統(tǒng)來驅動流體壓力致動器的輸出力來驅動系統(tǒng)的穩(wěn)定，固有的高效率，響應速度快，速度很簡單，可以在很寬的范圍內(nèi)無級調速，便于適應不同的工作要求，順利實現(xiàn)傳輸，可以吸收沖擊力可以實現(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，但比電機低，流體溫度和粘度變化影響傳輸性能。 （3）電動驅動模式包括步進電機，直流伺服電機，交流伺服電機和步進電機和力矩電機等驅動器類型。步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蜷_環(huán)控制元件的線性位移，具有控制簡單，響應速度快，可靠，無累積誤差等。伺服電機轉子慣量，良好的動態(tài)特性，機器人由一個伺服電機驅動系統(tǒng)的構成與運行精度高，調速范圍廣，速度快，運行平穩(wěn)，可靠性高，易于控制等特點。 基于步進電機的這些優(yōu)點本設計中采用步進電機驅動。 圖2-2 水果采摘機總體結構圖 2.3工作原理分析 2.3.1傳動機構工作原理 減速傳動機構是電動機通過行星輪減速器的降速，來實現(xiàn)增大轉矩、調速，通過直齒輪改變軸的方向，輸出后軸轉矩，為機器人提供主要動力。后軸驅動機構驅動后軸位于傳動系的末端。其基本功用是增扭、降速和改變轉矩的傳遞方向。 轉向機構機器人在行駛過程中，經(jīng)常需要改變行駛方向，本機構是通過兩個電機的差速比來實現(xiàn)的。 動力部分采用電機，通過齒輪副降速后帶動低速軸的轉動，軸與履帶驅動機構通過導桿滑塊機構連接，使履帶驅動機構各自繞前后軸的中心線轉動，實現(xiàn)機器人不同角度的爬坡和越障能力。 2.3.2手臂工作原理 其由兩個電機驅動關節(jié)轉動實現(xiàn)機械手臂上下移動，手臂整體回轉有底部回轉電機實現(xiàn)；機械手爪具有2個自由度，分別是手爪回轉，手爪夾持；手爪回轉有電機驅動，手爪夾持由電磁鐵的正反接實現(xiàn)。 2.3.3手抓工作原理 機械臂將機械手送達到果實附近，機械手上的位置傳感器檢測機械手與蘋果的相對位置，當果實進入機械手中心位置時，位置傳感器觸發(fā)單片機控制信號，步進電機開始正向轉動使機械手開始加緊果實，壓力傳感器檢測手指加緊果實時的壓力并判斷是否達到壓閾值，閾值有實驗所得出。若達到此閾值則機械手停止運動，機械臂模擬人工采摘運動，完成果實與果柄的分離。機械臂將果實送到指定位置后，步進電機反轉，手指松開，恢復到初始位置，完成果實的采摘。 第3章 零部件的設計與選擇 3.1行駛小車設計 3.1.1主電機的選擇 （1）機器人在平直的路上行駛 水果采摘機在跨越平面的溝槽或在平面移動，假設其速度最大，且勻速前進，則取 水果采摘機共有兩個輸出軸，每個輸出軸前端都有一個電機，對機器人其中一個輸出軸分析: 圖3-1 平直路線分析 又 則 在最大的行駛速度下，驅動電機經(jīng)過減速箱減速后需要提供的極限轉速為 （2）機器人在30°坡上勻速行駛 機器人在最大行駛坡度上勻速行駛，設定行駛速度為,,在行駛過程中輪子作純滾動，不考慮空氣阻力的影響，機器人爬坡受力情況如圖 圖3-2 30°坡度分析 又，則 則在最大坡度下需提供極限轉矩為 （3）機器人的多姿態(tài)越階 對這幾種姿態(tài)分析，機器人在跨越臺階時直流電機只驅動主履帶，機器人在實際跨越臺階過程中速率不大，那么機器人所需提供的輸出功率也不大。 由以上分析可知，機器人平地直線運動時要求的驅動電機輸出轉速較大，而爬坡時需要驅動電機的輸出轉矩較大。因此，在選電機時，應根據(jù)平地直線運動所求的最大轉速和爬坡運動所求的轉矩進行選擇。 根據(jù)機器人爬坡情況的分析， , 機器在平面狀況下， 因而選取P=80W作為機器人的最大輸出功率。 根據(jù)計算的水果采摘機的最大輸出功率為80W,輸出轉矩為22.1N.M,輸出轉速為56.2r/min。 因為直流電機啟動性能好，過載性能強，可承受頻繁沖擊、制動和反轉，允許沖擊電流可達額定電流的3到5倍。另外在使用過程中可攜帶或可移動的蓄電池，干電池作為供電電源，操作輕巧與方便。根據(jù)直流電機這些性能，滿足主履帶頻繁受沖擊，制動和反轉的要求，滿足機器人要攜帶移動電池的要求，因而則選擇90ZY54型號的直流永磁電機，其參數(shù)如下： 額定功率 92 額定轉矩 0.6 額定轉速 1500 電流 7 電壓 12 允許正反轉速差 150 因為 則 因為, 則 又 則選取 3.1.2履帶部分設計 1、履帶的選擇 對于履帶基于標準化的思考，我們選擇了梯形雙面齒履帶作為設計履帶，其具有帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的優(yōu)點。由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運動和動力，故帶與帶輪間無相對滑動，能保證準確的傳動比。履帶通常以氯丁橡膠為材料，這種帶薄而且輕，故可用于較高速度。傳動時的線速度可達50m/s，傳動比可達10，效率可達98％。傳動噪音比帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動小，耐磨性好，不需油潤滑，壽命比摩擦帶長。 因為履帶傳動具有準確的傳動比，無滑差，可獲得恒定的速比，傳動平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動比范圍大等優(yōu)點，所以傳遞功率可以從幾瓦到百千瓦。傳動效率高，結構緊湊，適宜于多軸傳動，無污染，因此可在工作環(huán)境較為惡劣的場所下正常工作。 從以上對履帶性能的分析中可以得出結論，選用梯形雙面齒履帶作為移動裝置設計履帶能夠滿足設計性能及工作的環(huán)境條件要求。 由已知后軸輸出功率為(即）； 由已知設計裝置移動速度，根據(jù)公式，可得主動輪轉速，預先設計履帶主動輪直徑=169mm，履帶從動輪直徑=169mm，由公式，可得=59.71r/min.。故可以得到設計的已知條件如下： 傳遞名義功率. 主動輪轉速r/min 從動輪轉速 中心距. （1）功率的計算 式中K--載荷修正系數(shù)（有工作機性能和運轉時間查表3-1可以得到） 表3-1修正載荷系數(shù)K 工作機 運行時間（小時/日） 3~5 8~10 16~24 計算機，醫(yī)療機 1.0 1.2 1.4 縫紉機，辦公機械 1.2 1.4 1.6 輕傳送機，包裝機 1.3 1.5 1.7 攪拌機，造紙機 1.4 1.6 1.8 印刷機，圓形帶鋸 1.4 1.6 1.8 （2）確定帶的型號和節(jié)距 由設計功率=0.1377kw和=59.71r/min，考慮到可以用雙面交錯梯狀齒形履帶作為履帶使用，由圖8-1查得型號選用XH型，對應節(jié)距=22.225mm，圖3-3為雙面交錯梯狀齒形履帶的結構圖，雙面齒履帶的節(jié)距和齒形等同與單面齒履帶的齒形和節(jié)距，圖A為DA型雙面齒履帶，其兩面帶齒呈對稱排列，圖B為DB型雙面齒履帶，其兩面帶齒呈交錯位置排列，本裝置設計履帶選擇DB型XH履帶： =2.794mm，=15.49 圖3-3梯形齒履帶，輪選型圖 圖3-4梯形齒形狀圖 本裝置選擇的梯形BD型XH履帶的具體參數(shù)如下表3-2 表3-2 梯形齒標準履帶型號以及齒尺寸 2、確定主從動輪直徑 對于梯形標準履帶來說小帶輪的齒數(shù)是有要求的，能夠保證履帶運轉是最為基本的，履帶選用的XH形履帶一樣有齒數(shù)最小要求，由表3-3查的 表3-3小帶輪的最小齒數(shù) 小帶輪轉速 XL L H XH XHH <900 10 12 14 22 22 900-1200 10 12 16 24 24 1200-1800 12 14 18 20 26 1800-3600 12 16 20 22 30 由上面得到 可以代入公式 為了增大摩擦力，應考慮增大履帶與接觸地面的有效接觸面積，所以履帶離地面的高度不易過大，故取履帶主動輪直徑=169mm，履帶從動輪直徑=169mm。 查表3-4，選擇履帶主動輪型號為24XH，履帶從動輪型號為24XH，就近圓整帶輪直徑，查得履帶主動輪直徑=169.79mm，履帶從動輪直徑=169.79mm。 表3-4XH型同步輪尺寸表（節(jié)距=22.225mm） 規(guī)格 齒數(shù) 節(jié)徑d 外徑do 檔邊直徑df 檔邊內(nèi)徑db 檔邊厚度h 22XH 22 155.64 152.84 167 138 4.5 23XH 23 162.71 159.92 174 145 4.5 24XH 24 169.79 166.99 181 152 4.5 25XH 25 176.86 174.07 188 159 4.5 26XH 26 183.94 181.14 195 166 4.5 27XH 27 191.01 188.22 202 173 4.5 28XH 28 198.08 195.29 209 180 4.5 履帶都有自己的極限速度，如果速度過大會使皮帶輪機構的不穩(wěn)定性增強，有較大的波動現(xiàn)象，并且在單位時間的轉動次數(shù)會增加，不利于帶的壽命的提高，所以有履帶的速度校核如下 查表3-5得 表3-5梯形齒履帶極限速度 型號 MXL,XXL,XL,T2.5，T5，3M L,H,T10，8M,14M XH,XXH, T20，20M 模數(shù) 1,1.5, 2,2.5 3,4， 5 7,10 40-50 35-40 25-30 3、確定節(jié)線長度 確定中心距，增大中心距，可以增加帶輪的包角，減少單位時間內(nèi)帶的循環(huán)次數(shù)，有利于提高帶的壽命，但是中心距過大，則會加劇帶的波動，降低帶的傳動平穩(wěn)性，同時增大帶傳動的整體尺寸，中心距過小，則有相反的利弊，取帶傳動的中心距為 由=169.79mm，=169.79mm.代入上式有 由于水果采摘機工作的環(huán)境限制，所設計的尺寸不宜過大，選擇中心距的尺寸偏小，初選取=380mm。 根據(jù)帶傳動總體尺寸和中心距的要求，帶的節(jié)線長度可由帶圍繞兩帶輪的周長來計算，根據(jù)下式求得： 代入=400mm，=169.79mm，=169.79mm有 1350.79mm， 根據(jù)表3-6就近圓整=1422.40mm型號為560XH，履帶齒數(shù)為64。 表3-6 XH型履帶節(jié)線型號 XH型（節(jié)距=22.225mm） 規(guī)格 節(jié)線長mm 齒數(shù) 463XH 1177.93 53 508XH 1289.05 58 560XH 1422.40 64 570XH 1444.63 65 580XH 1466.85 66 630XH 1600.20 72 700XH 1778.00 80 735XH 1866.90 84 752XH 1911.35 86 770XH 1955.80 88 785XH 2008.70 90 4、確定最大功率時帶寬 （1）計算履帶的基準額定功率 kw 式中許用工作拉力，查表3-4得=4048.90N 單位長度質量，查表3-7得=1.484Kg/m 線速度m/s 表3-7七種履帶型號的主要參數(shù) 帶型號 節(jié)距 基準寬 拉力 質量G 帶寬 MXL 2.03 6.4 3.0，4.8，6.4 XXL 3.175 6.4 31 0.010 3.0，4.8，6.4 XL 5.080 9.5 50.17 0.022 6.4，7.9，9.5 L 9.525 25.4 244.46 0.095 12.7，19.1，25.4 H 12.70 76.2 2100.85 0.448 25.4，38.1，50.8 XH 22.225 101.6 4048.90 1.484 50.8，76.2，101.6 XXH 31.75 127.0 6398.03 2.473 76.2，101.6，127.0 帶入上式得 （2）計算主動輪嚙合齒數(shù) 小帶輪的嚙合齒數(shù)為 （3）確定實際所需帶寬 其中為嚙合系數(shù)由表3-8查的 =1 表3-8嚙合數(shù)系數(shù) 5 4 1 0.8 0.6 式中帶所傳遞的功率=2.024kw 本履帶選用為XH帶，可以由表3-9查的基準帶寬 如下 表3-9周節(jié)制梯形齒履帶的寬度 型號 MXL XXL XL L H XH XXH 基準寬度mm 6.4 6.4 9.5 25.4 76.2 101.6 127 許用拉力T 27 31 50.17 244.46 2100.85 4048.90 6398.03 帶的質量m 0.007 0.01 0.022 0.095 0.448 1.484 2.473 所以 以上公式算得帶寬為72.44mm，所以以此選取標準帶寬，表3-10查的 將其取為標準值 3-10周節(jié)制梯形履帶的寬度與高度 型號 公稱高度 標準寬度 mm in mm in 代號 H 4.3 0.17 50.8 2 200 76.2 3 300 XH 11.2 0.44 76.2 3 300 101.6 4 400 XXH 15.7 0.62 101.6 4 400 127 5 500 XXL 1.52 __ 4.8 -- 4.8 6.4 -- 6.4 5、功率驗算 ,額定功率大于設計功率，則帶的傳動能力已足夠，所選參數(shù)合理。 同時得到作用在軸上的力 6、履帶的物理機械性能 本水果采摘機選用XH帶，其物理機械如下 表3-11履帶的物理機械性能 項目 梯形齒 XH L H XH XXH 拉伸強度 80 120 270 380 450 參考力 伸長率 參考力N 60 90 220 300 360 伸長 40 硬度 755 包布粘合強度 5 6.5 8 10 12 芯繩粘合強度 200 380 600 800 1500 齒體剪切強度 50 60 70 75 90 7、履帶主從動輪設計 （1）帶輪材料選擇 為了減輕履帶驅動裝置的重量，我們選擇硬鋁合金作為履帶主、從動輪的材料，硬鋁合金具有密度小，質量低，強度高，硬度高，耐熱性好的優(yōu)點，能夠滿足設計性能要求。 （2）帶輪形狀及主要尺寸的確定 履帶和帶輪的嚙合方式見圖3-3所示，圖中為履帶輪節(jié)圓或履帶節(jié)線上測得相鄰兩齒的距離即節(jié)距。XH型節(jié)距=22.225mm，為履帶輪的節(jié)圓直徑，主動輪節(jié)圓型號為24XH，=169.79mm，從動輪節(jié)圓型號為24XH，=169.79mm.為履帶輪實際外圓直徑，主動輪=166.99mm，從動輪=166.99mm。 圖3-3履帶輪外徑徑節(jié)示意圖 履帶分為AS型，BS型，AF型，BF型，WS型，其中AF型和BF型為雙邊檔邊，由于本設計采用的是電動機、減速器動力總成放在搖臂內(nèi)，直接通過錐齒輪傳遞用后驅動輪輪軸。所以，主動輪選擇兩個單邊單圈，從動輪選擇一個無擋圈，選WS型履帶輪。 主動輪24XH，齒數(shù)24，徑節(jié)=169.79mm，外徑=166.99mm 主動輪初選兩個雙邊擋圈的帶輪，用于設計中將其組合。 （3）履帶輪齒形及齒面寬度的選擇 根據(jù)圖3-4可以查得XH型梯形雙面齒履帶輪齒形尺寸如下 圖3-4齒形尺寸 節(jié)距=22.225mm，齒槽=mm，齒深=7.14mm，槽角=，倒角=，=，=3.048mm，根據(jù)表8-12可以查出以上數(shù)據(jù)。 表3-12梯形雙面齒同步輪齒形尺寸 型號 節(jié)距 MXL 2.032 0.840.05 0.69 20 0.35 0.13 0.508 XL 5.080 1.320.05 1.65 25 0.41 0.64 0.508 L 9.525 3.050.10 2.67 20 1.19 1.17 0.762 H 12.7 4.190.13 3.05 20 1.60 1.6 1.372 XH 22.225 7.900.15 7.14 20 1.98 2.39 2.794 XXH 31.750 12.170.18 10.31 20 3.96 3.18 3.048 根據(jù)前面確定的寬度為76.2，及所選擇的無檔邊帶輪查表8-13可得到梯形雙面齒履帶輪齒面寬度=83.8。 表3-13履帶輪齒面寬度尺寸參考表 型號 履帶寬度 齒輪面寬度 代號 帶寬 雙面檔邊帶輪 單面檔邊帶輪 無檔邊帶輪 XH 200 50.8 56.6 62.2 59.6 300 76.2 83.8 89.8 86.9 400 101.6 110.7 116.7 113.7 （4）履帶輪所允許的公差 兩輪所允許的公差如表3-14所示 表3-14允許公差表 項目 小輪 大輪 外徑偏差 +0.15 0 +0.15 0 任意兩相鄰點 節(jié)距 偏差 90度弧內(nèi)的累積 0.03 0.15 0.03 0.15 外圓徑向圓跳動 0.13 0.15 外圓端面圓跳動 0.19 0.26 輪齒與軸線平行度 齒頂圓柱面的圓柱度 0.09 0.11 軸孔直徑偏差 H7或H8 H7或H8 外圓及兩齒側表面粗糙度 3.2 3.2 3.1.3副履帶部分設計 因為履帶傳動具有準確的傳動比，無滑差，傳動平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動比范圍大等優(yōu)點，所以傳遞功率可以從幾瓦到百千瓦。傳動效率高，結構緊湊，適宜于多軸傳動，無污染，因此可在不允許有污染和工作環(huán)境較為惡劣的場所下正常工作。 從以上對履帶性能的分析看出其性能的優(yōu)越性，因此選用梯形雙面齒履帶作為移動裝置副履帶能夠滿足設計性能及工作的環(huán)境條件要求。副履帶的設計是依照主履帶的設計進行的，具有異曲同工之妙。 而副履帶相對了主履帶來說，它是輔助作用，幫助移動平臺具有更出色的越野性能，更擅長于攀爬和越溝。自然它的環(huán)境不如主履帶惡劣，并且所承受的載荷也比較輕一些，所以我給予選擇H帶。其設計方法參照主履帶如下: 介于副履帶的主動輪的直徑選擇應與主履帶的從動輪的相當，則參照表3-15選擇副履帶主動輪直徑。 根據(jù)任務推出 副履帶從動輪直徑 副履帶主動輪齒數(shù) 副履帶從動輪齒數(shù) 表3-15標準履帶的直徑 （1）計算履帶的帶寬 根據(jù)前面的表3-7查得到： H帶 選擇標準帶由表3-9差查得 H帶 （2）計算H帶的基準額定功率 計算所選用型號履帶的基準額定功率 其中 得出 而由 反推得到設計功率為 （3）中心距的選擇 則確定中心距 （4）計算履帶節(jié)線長度 根據(jù)帶傳動總體尺寸和中心距的要求，帶的節(jié)線長度可由帶圍繞兩帶輪的周長來計算，根據(jù)下式求得： 代入數(shù)據(jù) 根據(jù)表3-16可選帶長為 3-16周節(jié)制梯形齒履帶節(jié)線長度及齒數(shù) 長度代號 基本尺寸 極限偏差 L H XH XXH 345 876.30 0.66 92 -- -- -- 360 914.40 -- 72 -- -- 367 933.45 98 -- -- --- 390 990.60 104 78 -- -- 420 1066.80 0.76 112 84 -- -- （5）車體副履帶搖臂設計 車體副履帶搖臂如下圖示： 3.2手臂部分設計 3.2.1電機的選擇 本機械手臂有四個電機，分別是手臂回轉電機，大小臂關節(jié)電機、手抓回轉電機，此處以手臂回轉電機為例進行選擇計算，其他電機的選擇類似。 現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機(vR)、永磁式步進電機(PM)等。永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.50或150；反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為0.750或1.50，但有一定的噪聲和振動。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產(chǎn)生轉矩。 綜合考慮技術難度、精度和資金等因素，結合所改造機床的負載較小，負載變化不大又是經(jīng)濟簡易型的自動控制設備，故采用反應式步進電機作為砂輪座磨削進給的驅動源。 (1)旋轉力的計算 旋臂式機械手夾持工件時，很明顯承受著一定的旋臂力矩。由文獻1查得旋轉力的計算公式為： 一旋轉阻抗力(N)，根據(jù)相關經(jīng)驗數(shù)據(jù)，取其值為1989.9。 由文獻1查得： 取，則 (N) ，則 (N) (2)步進電機的選用 步進電機總的位移量是嚴格等于輸入的指令脈沖數(shù)，或其平均轉速嚴格正比于輸入指令脈沖的頻率，因此能實現(xiàn)精確定位、精確位移。而且同時可在其工作頻段內(nèi)，從一種運動狀態(tài)穩(wěn)定地轉換到另一種運動狀態(tài)。步進電機有下列工作特點： ①變扭矩傳動，扭矩受脈沖頻率的限制。頻率高，扭矩則小。能雙向轉動，有適量的阻尼。 ②只要避開步進電機本身的低頻振蕩區(qū)，就可能獲得平穩(wěn)的低速進給。 ③改變指令脈沖頻率就能使步進電機變速，從而改變進給速度，可省去一部分機械變速機構，機械結構簡單，壽命長。 ④進給速度變化范圍寬，從每秒幾個脈沖到幾千個脈沖。即能使進給系統(tǒng)正調整時實現(xiàn)快速運動，又能保證由粗加工到精加工的各項要求。 ⑤快速響應性很強，只要有脈沖輸入或停止輸入，步進電機就立即轉動或停轉。 ⑥不通電時無定位力矩，轉子能自由轉動，每步有振蕩和過沖，但在使用中失步和過沖完全在零件的尺寸誤差之內(nèi)，對加工精度影響甚小。 (3)脈沖當量和步距角 脈沖當量小可提高加工精度，但使系統(tǒng)復雜。一般加工精度的自動控制機床，脈沖當量可選為0.01mm／step，初步確定步距角=0.75／step。 (4)步進電機轉軸上啟動力矩的計算 由文獻9查得啟動力矩的計算公式為： 式中： 一電機啟動力矩 ——旋轉進給抗力(N)，= =1989.9(N) 一垂直分力，==795.9(N) ——導軌摩擦系數(shù)，選用淬火鋼滾動導軌，取=0.01 G-機器重量(N)，按圖紙粗估G=480N ——總機械效率，取=0.85 則 (5)確定步進電機最大靜轉矩和最高工作頻率 為滿足最小步距要求，電機選用三相六拍工作方式，由文獻9查得： =0．866 (3—6) 則步進電機最大靜轉矩為： =180／0.866=207.8(Ncm) 最高工作頻率為： (7)步進電機的選擇 查表選用110BF003型步進電機，其參數(shù)如下：步距角，選用三相六拍工作時取，最大靜轉距800N.cm，最高空載啟動頻率1500Step／s，運行頻率7000 Step／s，相數(shù)3，電壓80V，相電流6A，滿足需要。 3.2.2大、小臂設計 （1）負載分析 負載R是指工作機構在滿負荷情況下，即： 式中：-工作機構的荷重及自重對手臂產(chǎn)生的作用力； -工作機構在滿載啟動時的靜摩擦力； -工作機構滿載啟動時的慣性力。 (1)的確定 ① 工件的質量m =5.9 (kg) ②夾持器的質量 15kg(已知) ③伸縮臂的質量 50kg(估計) ④其他部件的質量 15kg(估計) 工作機構荷重： Ri=(5.9+15+50+15)*10=859(N) 取Ri=860N (2) 的確定 Rm= (N) (3) 的確定 Rg=(N) 式中：為啟動時間，其加速時間約為0.1～0.5s =0.1s , =0.2s 總負載 R=Ri+Rg+Rm=860+172+172=1204(N) 取實際負載為 =1200 根據(jù)負載分析計算得到大小臂結構尺寸如下圖示： 3.3手抓設計 3.3.1電動機的選擇 步進電動機又稱為脈沖電動機，是一種把電脈沖信號轉換成與脈沖數(shù)成正比的角位移或直線位移的執(zhí)行元件。具有以下四個特點：①轉速（或線速度）與脈沖頻率成正比；②在負載能力允許的范圍內(nèi)，不因電源電壓、負載、環(huán)境條件的波動而變化；③速度可調，能夠快速起動、制動和反轉；④定位精度高、同步運行特性好。 擺盤機臂部升降機構要求電動機電位精度高，速度調節(jié)方便快速，受環(huán)境影響小，且額定功率小，并且可用于開環(huán)系統(tǒng)。而BF系列步進電動機為反應式步進電動機，具備以上的所有條件，我們選用了型號90BF004的反應式步進電動機作為主運動的動力源，該機功率為60W。選用時主要有以下幾個步驟： （1）根據(jù)脈沖當量和最大靜轉矩初選電機型號 (a)步距角 初選步進電機型號，并從手冊中查到步距角,由于 綜合考慮，我初選了，可滿足以上公式。 (b)距頻特性 步進電機最大靜轉矩Mjmax是指電機的定位轉矩。步進電機的名義啟動轉矩Mmq與最大靜轉矩Mjmax的關系是： Mmq= 步進電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動。步進電機所需空載啟動力矩按下式計算： 式中：Mkq為空載啟動力矩；Mka為空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進速度折算到電機軸上的加速力矩；Mkf為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩；為由于絲桿預緊折算到電機軸上的附加摩擦力矩。 而且初選電機型號時應滿足步進電動機所需空載啟動力矩小于步進電機名義啟動轉矩，即： MkqMmq=λMjmax 計算Mkq的各項力矩如下： ①加速力矩 ②空載摩擦力矩 ③附加摩擦力矩 （2）啟動矩頻特性校核 步進電機有三種工況：啟動，快速進給運行，工進運行。 前面提出的，僅僅是指初選電機后檢查電機最大靜轉矩是否滿足要求，但是不能保證電機啟動時不丟步。因此，還要對啟動矩頻特性進行校核。 步進電機啟動有突跳啟動和升速啟動。 突跳啟動時加速力矩很大，啟動時丟步是不可避免的。因此很少用。而升速啟動過程中只要升速時間足夠長，啟動過程緩慢，空載啟動力矩中的加速力矩不會很大。一般不會發(fā)生丟步現(xiàn)象。 3.3.2絲桿螺母副的選型與校核 滾珠絲桿已由專門工廠制造，因此，不用我們自己設計制造，只要根據(jù)使用工況選擇某種類型的結構，再根據(jù)載荷、轉速等條件選定合適的尺寸型號并向有關廠家訂購。滾珠絲桿設計和校核，其步驟如下： 首先對于一些參數(shù)說明如下： 軸向變載荷，其中i表示第i個工作載荷，i=1、2、3…n ； 第i個載荷對應的轉速(r/min); 第i個載荷對應的工作時間 (h) ; 絲桿副最大移動速度(mm/min); 絲桿預期壽命。 （1）型號選擇 （a）根據(jù)使用和結構要求 選擇滾道截面形狀，滾珠螺母的循環(huán)方式和預緊方式； （b）計算滾珠絲桿副的主要參數(shù) ①根據(jù)使用工作條件，查得載荷系數(shù)=1.0系數(shù)=1.5； ②計算當量轉速 ③計算當量載荷 ④初步確定導程 ，取4mm ⑤計算絲桿預期工作轉速 ⑥計算絲桿所需的額定載荷 （c）選擇絲桿型號 根據(jù)初定的和計算的，選取導程為4mm，額定載荷大于的絲桿。查滾珠絲杠型號表知，本次選定的滾珠絲杠螺母副型號為：GD1604-3 由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)： 公稱直徑 導程 滾珠直徑 （2）校核計算 （a）臨界轉速校核 校核合格。 （b）由于此絲桿是豎直放置，且其受力較小，溫度變化較小。所以其穩(wěn)定性、溫度變形等在此也沒必要校核。 （c）滾珠絲桿的預緊 預緊力一般取當量載荷的三分之一或額定動載荷的十分之一。即： 其相應的預緊轉矩 （d）穩(wěn)定性驗算 絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負荷。另一端游動，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動端自由伸縮，如下圖。 ① 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設計時應驗算其安全系數(shù)S，其值應大于絲杠副傳動結構允許安全系數(shù)[S] 絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 式中，E為絲杠材料的彈性模量，對于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長度（m）；為絲杠危險截面的軸慣性矩（）；為長度系數(shù)，取。 安全系數(shù) 查表2-10，[S]=2.5～3.3，S>[S]，絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。 ② 高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉速——臨街轉速。要求絲杠的最大轉速。 臨街轉速按下式計算： 式中：為臨界轉速系數(shù)，見表2-10，本題取， 即：，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。 ③ 此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求 3.3.3手指結構設計 手指握持力與一個大的，高負載能力，良好的通用性，能夠抓住任意形狀，更寬的應用范圍的目的，同時減少驅動源的數(shù)量，從而使系統(tǒng)結構變得簡單，容易控制。 （1）手指數(shù)量 果實形狀規(guī)則和不規(guī)則的。規(guī)則小果，采摘機器人使用了兩個有直接吸搶果的指尖最線性驅動器。相對的兩個手指，三個手指也有一些研究采摘機器人，3指的是機器人搶水果的穩(wěn)定性更好。 （2）手指關節(jié)數(shù)量 關節(jié)執(zhí)行器抓取密切相關的端部效應數(shù)量越多關節(jié)的數(shù)量越多，端自由，更靈活的抓動作，更好的爬的程度。從而增加接頭的數(shù)量同時增加的驅動裝置的數(shù)量，驅動器將增加增大控制的數(shù)量的難度，同時導致系統(tǒng)結構復雜，可靠性差，從而產(chǎn)生負面影響。 本文所設計的采摘機器人采摘的使用四連桿機構作為傳動機構，所欠的手指驅動的多手指關節(jié)，并配有一個力傳感器和橡膠材料，測量夾緊力和摩擦力增大。 按《中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準》，除三級蘋果外，果實橫切面最大直徑要大于或等于70mm[9]。這里設計機械手所抓取的蘋果直徑在50mm～150mm之間，故取蘋果半徑為25mm≤R≤75mm。 （3）手指的材料 手指選擇適當?shù)牟牧?，使用在機器人很大的影響作用。遵從手的結構尺寸，手指，同時保持足夠的光強度和質量，系統(tǒng)將雙手尼龍材料的選擇。尼龍具有很高的機械強度，耐熱，磨擦系數(shù)低，耐磨損，自潤滑性，吸震性，耐油，耐弱酸等特點。 圖3-9 手指結構 3.3.4手抓支架的設計 支架主要是用來安裝驅動機構和手掌，小巧的機身，體積小，重量輕的設計要求。這樣的設計是一個圓柱形主體框架，所述固定底板，中間板，下部主傳動馬達構成的支撐柱的安裝位置。將主手指擋塊的上部。機架結構如圖3.4所示。 機器人可分為棕櫚基和棕櫚基類。手掌可以增加關于這個問題的制約，有棕櫚機器人具有廣泛的適用性，操作方便的特點。無機械手可以抓住的對象，但對象通常祝福規(guī)則的形狀，它的形狀和要求高的對象的大小特征的，無機械手的手掌被廣泛應用于特殊的保持機構。 圖3-10 機架結構 第4章 基于Pro/E的三維設計 4.1 Pro/E三維設計軟件概述 Pro/Engineer操作軟件是美國參數(shù)技術公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術的最早應用者，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位。Pro/Engineer作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣，是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設計領域占據(jù)重要位置。 Pro/E第一個提出了參數(shù)化設計的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征的相關性問題。Pro/E采用了模塊方式，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設計、鈑金設計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用。功能如下： （1）特征驅動（例如：凸臺、槽、倒角、腔、殼等）； （2）參數(shù)化（參數(shù)=尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等）； （3）通過零件的特征值之間，載荷/邊界條件與特征參數(shù)之間（如表面積等）的關系來進行設計； （4）支持大型、復雜組合件的設計（規(guī)則排列的系列組件，交替排列，Pro/PROGRAM的各種能用零件設計的程序化方法等）。 （5）貫穿所有應用的完全相關性。 4.2三維設計 4.2.1車體 車體如下圖示： 圖4-1車體 4.2.2主履帶 通過對各組成零件進行三維設計后裝配得到主履帶設計結果如下圖示： 圖4-2主履帶 4.2.3副履帶 通過對各組成零件進行三維設計后裝配得到副履帶設計結果如下圖示： 圖4-3副履帶 4.2.4手臂、手抓 通過對各組成零件進行三維設計后裝配得到手臂、手抓設計結果如下圖示： 圖4-4 手臂、手抓 4.2.5三維裝配 圖4-5 水果采摘機裝配 4.3仿真分析 4.3.1 Pro/E仿真介紹 在傳統(tǒng)的設計與制造過程中，首先是概念設計和方案論證，然后進行產(chǎn)品設計,為了驗證設計的合理性，通常要制造樣機進行性能試驗，有時這些試驗是破壞性的。當通過試驗發(fā)現(xiàn)設計缺陷時，又要重新修改設計，并用樣機重新驗證。只有通過周而復始的“設計－試驗—設計”過程，產(chǎn)品才能達到要求的性能。這一過程是冗長的，尤其對于結構復雜的系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的設計開發(fā)思路其設計周期無法縮短，更談不上市場競爭力。 在計算機仿真技術高速發(fā)展的今天，Pro/ENGINEER（以下簡稱Pro/E）為之提供了一套行之有效的運動仿真解決方案，即Pro/E的運動仿真技術是利用Pro/E建立模擬系統(tǒng)的三維實體模型和力學模型，在計算機上建造出產(chǎn)品的整體模型，并針對該產(chǎn)品在投入使用后的各種情況進行仿真分析，預測產(chǎn)品的整體性能，進而改進產(chǎn)品設計、提高產(chǎn)品性能的先進技術，其目的是為物理機樣的設計和制造提供依據(jù)。 運動仿真技術是從分析解決產(chǎn)品整體性能及其相關問題的角度出發(fā)，解決傳統(tǒng)的設計與制造過程弊端的高新技術。工程設計人員可以直接利用Pro/E系統(tǒng)所提供的各零部件的物理信息及幾何信息，在運動仿真內(nèi)定義零部件間的連接關系并進行虛擬裝配，從而獲得機械設計系統(tǒng)的虛擬樣機，在各種虛擬環(huán)境中真實地模擬系統(tǒng)的運動，并對其在各種工況下的運動和受力情況進行仿真分析，仿真試驗不同的設計方案，對整個系統(tǒng)進行不斷改進，直至獲得最優(yōu)設計方案，再做物理樣機。這樣做的意義在于減少了甚至免除了制作物理樣機的經(jīng)費，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，提高了市場競爭力。 4.3.2仿真 （1）典型機構運動仿真詳細過程 本次運動仿真以運動過程較復雜的手抓為例進行說明： (a)打開裝配圖，點擊“機構”命令 圖4-6點擊“機構” (b)建立伺服電動 圖4-7建立電動機 (c)點擊“機構分析”，彈出界面 圖4-8機構分析 (d)點擊運行 （2）仿真動畫獲取 (a)點擊“回放”-右鍵選擇“播放” 圖4-9啟動動畫 (b)點擊 “動畫”中“捕獲”命令 圖4-10動畫 (c)設置“捕獲”命令參數(shù) 設置“捕獲”中動畫放置目錄、圖像大小等參數(shù)后，點擊“確定”等待計算機運行捕獲即可得到仿真動畫。 圖4-11捕獲 （2）總體運動仿真 總成運動仿真過程與手抓部分類似，仿真參數(shù)設置完成后效果如下圖，隨后運行仿真并“捕獲”仿真動畫即可。 圖4-12 總成仿真設置 總 結 水果采摘機是一種極具研究價值和應用前景的農(nóng)用地面移動機器人，本論文對具有移動功能的采摘機進行了總體技術的研究，并主要對其車體結構部分、手臂部分、手抓部分進行了詳細的設計和論證，本論文完成的主要工作如下： （1）通過功能和設計任務的分析，確立了水果采摘機總體功能構架，初步制定了小型水果采摘機的總體組成和性能指標。 （2）在非結構環(huán)境下，移動平臺是小型水果采摘機實現(xiàn)復雜地形運動的功能載體，本文采用了后輪驅動的履帶式移動機構，并具有可獨立控制的前擺，具有較