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畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文)
蘋果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計及仿真
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蘋果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計及仿真
摘 要
蘋果采摘機(jī)器執(zhí)行器是采摘機(jī)器的重要部件，它的設(shè)計通常被認(rèn)為是機(jī)器人的核心技術(shù)。
本次設(shè)計首先，調(diào)查了采摘機(jī)及其末端執(zhí)行器的研究及發(fā)展現(xiàn)況；接著，通過現(xiàn)有蘋果采摘機(jī)末端執(zhí)行器及人工采摘蘋果時原理進(jìn)行分析，在此分析基礎(chǔ)上提出了總體結(jié)構(gòu)方案；其次，對各主要機(jī)構(gòu)及其零件進(jìn)行設(shè)計與選擇；然后，通過靜力學(xué)分析進(jìn)行了校核；最后，采用Pro/E三維設(shè)計軟件進(jìn)行了虛擬設(shè)計及仿真分析。
通過本次設(shè)計，鞏固了大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識，如：機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、材料力學(xué)、公差與互換性理論、機(jī)械制圖等；掌握了普通機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計方法并能夠熟練使用AutoCAD、Pro/E軟件，對今后的工作與生活具有極大意義。
關(guān)鍵詞：蘋果采摘，執(zhí)行器，手指，設(shè)計
Abstract
Apple picking machine is an important part of the picking machine. Its design is often considered as the core technology of the robot.
This design first, the research and development status of the picking machine and its end effector;Then, through the analysis of the principle of the end effector of the apple picking machine and picking apples, the overall structure scheme is put forward;Secondly, the design and selection of the main body and its parts are carried out;Finally, the virtual design and simulation analysis of Pro/E 3D design software are carried out.
Through this design, we have consolidated the professional knowledge of the University, such as: mechanical principle, mechanical design, material mechanics, tolerance and exchange theory, mechanical drawing, etc.;
Master the design method of common mechanical products and be able to skillfully use AutoCAD, Pro/E software, for the future work and life of great significance.
Key words: Apple picking, Actuator, Finger, Design
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第一章 緒論 1
1.1課題研究背景及意義 1
1.2 國內(nèi)外采摘機(jī)器發(fā)展現(xiàn)況 1
1.3 采摘機(jī)器末端執(zhí)行器研究現(xiàn)狀 2
1.3.1獲取方式 2
1.3.2分離方式 3
第二章 總體方案確定 5
2.1設(shè)計要求 5
2.2蘋果采摘特點(diǎn)分析 5
2.3總體方案設(shè)計 5
第三章 主要機(jī)構(gòu)的設(shè)計與選擇 7
3.1驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計 7
3.1.1驅(qū)動方案的選擇 7
3.1.2電動機(jī)的選擇 7
3.1.3絲桿副的選型與校核 9
3.1.4軸承的選擇與校核 12
3.1.5鍵的選擇與校核 12
3.2手指結(jié)構(gòu)設(shè)計 13
3.2.1手指數(shù)量 13
3.2.2手指關(guān)節(jié)數(shù)量 13
3.2.3手指的材料 13
3.3機(jī)架的設(shè)計 14
第四章 力學(xué)分析與校核 15
4.1手指的工作原理 15
4.2抓取時的靜態(tài)力學(xué)模型 15
4.3運(yùn)動學(xué)分析 17
4.4夾持誤差計算 18
第五章 三維設(shè)計與仿真分析 21
5.1 軟件概述 21
5.2三維設(shè)計與裝配 22
5.2.1零件三維設(shè)計 22
5.2.2虛擬裝配 23
5.3仿真分析 24
5.3.1仿真的簡單介紹 24
5.4.2仿真過程 25
總 結(jié) 28
參考文獻(xiàn) 29
致 謝 30
30
蘋果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計及仿真
第一章 緒論
1.1課題研究背景及意義
在中國蘋果是一個主要的水果，2010年蘋果總產(chǎn)量占32.73三大水果，水果（蘋果，桔子，梨頭。此外，蘋果在中國的領(lǐng)土面積2848畝，產(chǎn)量26萬噸，占世界的35%，蘋果面積、產(chǎn)量、規(guī)模最大的世界蘋果采摘機(jī)器人采摘過程。在很大程度上可以大大提高效率，節(jié)約成本，但可摘摘果過程中的機(jī)械損傷，機(jī)械性損傷是一種入侵的病原微生物，是錯誤的主要原因為操作負(fù)荷的瘀傷，打破，從而使變質(zhì)腐爛的水果，每年達(dá)30 40%的損失高達(dá)10億人民幣。直接接觸臂部分果實，所以開發(fā)一個容易損壞的水果和小型機(jī)械手是特別重要的。
“采摘機(jī)器的末端執(zhí)行器是一個安裝在移動設(shè)備或者采摘機(jī)器手臂上，使其能夠拿起一個對象，并且具有處理、傳輸、夾持、放置和釋放對象到一個準(zhǔn)確的離散位置等功能的機(jī)構(gòu)?！边@是末端執(zhí)行器的一個定義。
采摘機(jī)器的抓取作業(yè)方式在工業(yè)生產(chǎn)中是一個重要的運(yùn)用，機(jī)器是一個全面的強(qiáng)大的自動化設(shè)備，裝置的執(zhí)行器是直接導(dǎo)致了大多數(shù)的任務(wù)，完成任務(wù)后的結(jié)構(gòu)和尺寸的設(shè)計，多種結(jié)構(gòu)。通常，根據(jù)使用和機(jī)械手爪的結(jié)構(gòu)的變化，吸附出口和專用工具三類。在大多數(shù)情況下，執(zhí)行器是為特定用途而專門設(shè)計的，也可以是一個大型的多功能性的執(zhí)行者。
現(xiàn)有的末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)的性能并從國情出但有些技術(shù)還不成熟，因此，如何在現(xiàn)有的條件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能可以滿足不同的功能要求，研制結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高，采摘機(jī)端是我們最重要的任務(wù)。
1.2 國內(nèi)外采摘機(jī)器發(fā)展現(xiàn)況
水果和蔬菜在采摘機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)60年代，在美國，主要用于氣動機(jī)械清洗方法和非定常的風(fēng)格。缺點(diǎn)是，水果的脆弱性，效率不高，不存在很大的局限性，特別是選擇性的收獲，揀軟的，新鮮的水果和蔬菜。但此后，隨著電子技術(shù)的發(fā)展和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是在工業(yè)機(jī)器人，更成熟的技術(shù)和計算機(jī)圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，采摘機(jī)器人的研究得到了迅速的發(fā)展。目前，日本，荷蘭，法國、英國、意大利、美國、以色列、西班牙和其他國家的成功推出了水果和蔬菜采摘機(jī)器人的研究相關(guān)方面的研究主要的橘子，蘋果，西紅柿，黃瓜，番茄，蘆筍，花椰菜，葡萄、甜瓜、草莓、菊花、蘑菇，但這些好處還真的不的商業(yè)操作的機(jī)器人。
農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究起步相對較晚，但在過去幾年的快速發(fā)展，也已經(jīng)有了大量的研究。張劍峰董劍，張志勇，自適應(yīng)控制算法的設(shè)計，如采摘機(jī)器人的機(jī)器人魯棒跟蹤設(shè)計的立體視覺傳感器；中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，劉兆祥，劉崗，誰發(fā)現(xiàn)了蘋果方面蔡健榮江蘇大學(xué)的三維信息，如恢復(fù)的障礙，柑橘采摘機(jī)器人障礙識別技術(shù)的研究；南京農(nóng)業(yè)大學(xué)和政府接管的水果和蔬菜的控制技術(shù)的研究王學(xué)林與外環(huán)的長影。
在中國，蘋果沒有手工收集采集器完成，效率低，勞動強(qiáng)度大，環(huán)境惡劣的工作。目前，采摘機(jī)對蘋果最近也報道較少，國內(nèi)一些收集機(jī)的專利，如堅果提取掛鉤，這些專利可以在一定程度上降低勞動強(qiáng)度采集器的工作人員的工作條件，改變選擇；但是，基本上，結(jié)構(gòu)簡單，所以沒有選擇從根本上解決困難，效率低。本研究以設(shè)計為蘋果采摘機(jī)的實際目標(biāo)，工作環(huán)境特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，深入分析了蘋果不使用軟件來和蘋果，Pro / E收集機(jī)三維設(shè)計、虛擬裝配設(shè)計蘋果機(jī)端，收集的表演者?；窘鉀Q了選擇大，勞動效率低，具有一定的發(fā)展前景。
1.3 采摘機(jī)器末端執(zhí)行器研究現(xiàn)狀
水果和蔬菜的采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器，是另一個重要組成部分，它的設(shè)計通常被認(rèn)為是機(jī)器人的核心技術(shù)之一?？偟膩碚f，水果和蔬菜，看起來很脆弱，它的形狀和生長的情況通常是復(fù)雜的。
1.3.1獲取方式
果實采集和分離是獲取機(jī)器人末端的兩個關(guān)鍵的行動必須達(dá)到的，首先，通過捕獲、吸入、安裝等。的方法，取得了一定的成果，然后折疊，剪切不同的方法，如完成果實和果梗的分離。從已發(fā)表的文獻(xiàn)，主要?dú)w為兩類獲得的果實不夾夾緊和類。果實和果梗的分離方法有傳統(tǒng)的皺縮，破碎和通過剪刀或切刀，有了一個新的熱切割方法等。
（1）直接切斷式
這類末端執(zhí)行器通常是直接剪斷。例如，日本的發(fā)展，甜椒，番茄采摘機(jī)器人的端到端的表演者收割結(jié)束美國的柑橘，表演者是這樣的結(jié)構(gòu)，如圖1-1、1-2所示。
圖1-1 甜椒采摘末端執(zhí)行器 圖1-2 番茄采摘末端執(zhí)行器
這類末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)更簡單，植物冠層、葉片和果實，具有一定的抗沖擊的水果和蔬菜。
（2）吸入式
這類非夾持類末端執(zhí)行器主要通過吸入真空系統(tǒng)的內(nèi)端將表演者的果實，然后切斷，折疊，如分離果實和果梗。
如圖1-3所示比利時發(fā)展蘋果不的機(jī)器人末端的漏斗，漏斗內(nèi)安置室的設(shè)計形式，在夾持范圍時，吃水果時，將再次打開吸入真空吸果梗，將基于旋轉(zhuǎn)折疊水果采摘下來。
圖1-3 蘋果采摘末端執(zhí)行器
吸入式末端執(zhí)行器的工作原理，硬件設(shè)計簡單，類似的果實梗柔弱的細(xì)長的，溫柔的，草莓和其他水果相比，接受吸入途徑獲得更多的安裝，夾上的端部執(zhí)行器是可行的，但這樣的個體差異的適應(yīng)能力較差的果實大小的動作慢，穩(wěn)定性不高。
（3）夾緊類
這類末端執(zhí)行器，他的持有人通常由真空吸和數(shù)目不等的手指。根據(jù)夾持器可分為兩個手指的數(shù)量和大量的指型。
中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張凱良等人設(shè)計的原理，草莓產(chǎn)量，他們的機(jī)器，如圖1所示。1 - 4，此端的表演者在爪的夾緊機(jī)構(gòu)的主要機(jī)及其附屬部件。
1.手指 2.內(nèi)螺紋管 3.絲杠 4.電機(jī)
圖1-4 機(jī)械爪機(jī)構(gòu)示意圖
1.3.2分離方式
現(xiàn)有的研究收集機(jī)器人端，使用折疊，斷裂或剪切，分離模式，減少一些原則上的端部執(zhí)行器進(jìn)行新的嘗試。
（1）扭斷、折斷、拉斷
折疊是腕關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)致動器的使用和周轉(zhuǎn)需要折疊后在果實進(jìn)行多次往復(fù)扭轉(zhuǎn)的菌柄，可以禁用表演者的花梗，端的工作需要更多的空間，很難避免的障礙。因此，水果和蔬菜，水果柄易故障更實用，如番茄的選擇，但對水果和蔬菜的菌柄的靈活性，選擇了較低的成功率。
（2）剪切
很大一部分的收獲機(jī)器人端切刀切斷裝置或安裝剪刀，花序梗，實現(xiàn)水果，花序梗的分離。
（3）熱切割
荷蘭黃瓜采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行瓦寧根大學(xué)發(fā)展中的根、莖的變化使用兩個相反的電極分離的傳統(tǒng)方法，熱的時候，兩個電極之間的接觸和高頻電流的莖，莖高水分含量的快速建立，以阻止將高溫“腰斬”。這種方法避免了相互的病原體感染和流失的問題，但該方法需要兩個電極和莖的長度相同的必須是可靠的，傳統(tǒng)方法的限制的接觸和植物的莖和冠空間栽培番茄品種用剪刀，所以所有的方法很難達(dá)到滿意的結(jié)果。
第二章 總體方案確定
2.1設(shè)計要求
本課題所設(shè)計的機(jī)械手應(yīng)該具有制造成本低、控制簡單、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、通用性好等特點(diǎn)同時機(jī)械手的整機(jī)設(shè)計，要遵循以下的設(shè)計原則：
（1）執(zhí)行器有三到四個手指，每個手指有三節(jié)
（2）夾持蘋果直徑5-15cm，高度5-15cm
2.2蘋果采摘特點(diǎn)分析
目前，實現(xiàn)采摘的主要徑選擇了以下類型：
（1）通過吸盤緊緊抓住水果，然后用工具，如剪刀剪莖這個方法需要一個很好的位置的檢測和準(zhǔn)確的調(diào)整端執(zhí)行者的姿態(tài)，從而增加了控制系統(tǒng)的機(jī)理的復(fù)雜性和困難。
（2）用剪刀腳，腳這個方法需要很好的位置，以識別和精確地調(diào)節(jié)傳動的末端位置，提高了系統(tǒng)的控制機(jī)制的復(fù)雜性和困難。
（3）對激光切割機(jī)，該方法還具有良好的檢測要求高的秸稈在視覺系統(tǒng)中的位置。
（4）手動選擇蘋果的食指，輕輕地把水果，秸稈，然后向上，使果柄和果枝斷開從脫落，果實整齊的刪除。
蘋果莖脆弱，容易分離，因此，通過垂直轉(zhuǎn)動手腕，手柄的運(yùn)動仿真和實現(xiàn)分離的人克服菌柄摘蘋果或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的模擬人工方式的設(shè)計。該方法不需要很高的簡單的，視覺系統(tǒng)
2.3總體方案設(shè)計
根據(jù)蘋果的選擇提出了具體的要求，蘋果沒有結(jié)束的表演者，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。2.1。從手指和手掌的驅(qū)動，框架等。有三個手指的手，圓周對稱的三個手指，一個手指的每一側(cè)。每個手指6關(guān)節(jié)。在牽引電機(jī)的控制下，通過螺桿的手指，手指實現(xiàn)3桿底部的聯(lián)系，并對不同形狀物體的夾緊。圖2.1是Pro/E軟件設(shè)計的蘋果采摘機(jī)端執(zhí)行器的三維模型。
圖2-1 機(jī)械手機(jī)構(gòu)圖
工作原理：將機(jī)械手的機(jī)械手送達(dá)到果實附近的傳感器檢測機(jī)械手，機(jī)械手的位置的相對位置時與蘋果果實的中心位置，在機(jī)械手的控制信號，觸發(fā)單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的位置傳感器，開始向前旋轉(zhuǎn)，使機(jī)械手開始加緊的水果，水果的手指的壓力傳感器檢測的壓力加大的實時性和確定是否有壓力的勘探隊，達(dá)到閾值，閾值由實驗得出。如果達(dá)到這個閾值，則停止運(yùn)動的機(jī)械手，機(jī)械手運(yùn)動的模擬人工采摘果實和果柄的分離，完成。將指定位置的機(jī)械手后的水果，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，手指放松，恢復(fù)原來的位置，完成果實采摘。
第三章 主要機(jī)構(gòu)的設(shè)計與選擇
3.1驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計
3.1.1驅(qū)動方案的選擇
目前機(jī)械手驅(qū)動源主要采用氣動驅(qū)動，電氣，液壓驅(qū)動這三種：
（1）是氣動壓縮空氣的壓力驅(qū)動致動器的運(yùn)動的驅(qū)動系統(tǒng)，空氣壓縮機(jī)，通常用來作為能量的來源。氣動過載駕駛員的安全，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，污染少，可通過調(diào)節(jié)空氣流量，調(diào)節(jié)速度，但大尺寸設(shè)備的不穩(wěn)定性的運(yùn)動速度，定位精度高，不舉行，抓住小小的力量。
（2）液壓傳動系統(tǒng)的輸出力驅(qū)動流體壓力驅(qū)動傳動系統(tǒng)固有的穩(wěn)定，有效，反應(yīng)速度快，很簡單，可以在很寬的范圍內(nèi)無級調(diào)速的要求，容易適應(yīng)不同的工作，成功地實現(xiàn)了傳輸可以吸收沖擊力，可以實現(xiàn)更頻繁和換向平穩(wěn)，但容易漏油，污染，成本高，定位精度高，比電機(jī)，但比空氣低溫液體的粘度的變化和影響，傳輸特性。
（3）電氣傳動模型，包括步進(jìn)電機(jī)交流伺服電機(jī)，伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)和發(fā)動機(jī)的扭矩和驅(qū)動器類型。步進(jìn)電機(jī)的角位移或是電脈沖信號控制的開環(huán)控制元件的線性位移，簡單，快速的反應(yīng)，可靠，無累積誤差等。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量的轉(zhuǎn)子，具有良好的動態(tài)特性，機(jī)器人由一個伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的構(gòu)成與運(yùn)行精度高，調(diào)速范圍廣，速度快，運(yùn)行平穩(wěn)，可靠性高，易于控制等特點(diǎn)。
基于步進(jìn)電機(jī)的這些優(yōu)點(diǎn)本設(shè)計中采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。
3.1.2電動機(jī)的選擇
步進(jìn)電機(jī)，也被稱為脈沖電動機(jī)，是一種信號轉(zhuǎn)換為電脈沖和脈沖數(shù)成正比的角位移或線位移的執(zhí)行元件。具有以下四個特點(diǎn)：（1）或線速度和脈沖頻率成正比的速度；（2）在負(fù)載能力范圍內(nèi)，不是因為電壓波動和負(fù)載，環(huán)境條件的變化；（3）速度可調(diào)，能快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)；（4）定位精度高，同步啟動特性好。
機(jī)臂升降機(jī)構(gòu)的電機(jī)調(diào)速精度要求高潛力的快速、方便、受環(huán)境影響小，額定功率小，并可用于開環(huán)系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)為BF系列反應(yīng)，所有這些條件，我們選擇了90BF004主運(yùn)動模型反應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)作為動力源，該機(jī)功率為60W。在選擇主要有以下步驟：
（1）根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機(jī)型號
(a)步距角
初選步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax是指電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)的名義啟動轉(zhuǎn)矩Mmq與最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax的關(guān)系是：
Mmq=
步進(jìn)電機(jī)空載啟動是指電機(jī)在沒有外加工作負(fù)載下的啟動。步進(jìn)電機(jī)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(yùn)動部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度折算到電機(jī)軸上的加速力矩；Mkf為空載時折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；為由于絲桿預(yù)緊折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩。
而且初選電機(jī)型號時應(yīng)滿足步進(jìn)電動機(jī)所需空載啟動力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動轉(zhuǎn)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(jìn)電機(jī)有三種工況：啟動，快速進(jìn)給運(yùn)行，工進(jìn)運(yùn)行。
前面提出的，僅僅是指初選電機(jī)后檢查電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，但是不能保證電機(jī)啟動時不丟步。因此，還要對啟動矩頻特性進(jìn)行校核。
步進(jìn)電機(jī)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。
3.1.3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(shè)計制造，只要根據(jù)使用工況選擇某種類型的結(jié)構(gòu)，再根據(jù)載荷、轉(zhuǎn)速等條件選定合適的尺寸型號并向有關(guān)廠家訂購。滾珠絲桿設(shè)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(yīng)的轉(zhuǎn)速(r/min);
第i個載荷對應(yīng)的工作時間 (h) ;
絲桿副最大移動速度(mm/min);
絲桿預(yù)期壽命。
（1）型號選擇
（a）根據(jù)使用和結(jié)構(gòu)要求
選擇滾道截面形狀，滾珠螺母的循環(huán)方式和預(yù)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(dāng)量轉(zhuǎn)速
③計算當(dāng)量載荷
④初步確定導(dǎo)程
，取4mm
⑤計算絲桿預(yù)期工作轉(zhuǎn)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(dǎo)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(dǎo)程
滾珠直徑
（2）校核計算
（a）臨界轉(zhuǎn)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(yù)緊
預(yù)緊力一般取當(dāng)量載荷的三分之一或額定動載荷的十分之一。即：
其相應(yīng)的預(yù)緊轉(zhuǎn)矩
（d）穩(wěn)定性驗算
絲杠采用軸向螺釘固定的一端和雙向滾珠軸承，滾珠軸承，分別可承受徑向和軸向負(fù)荷。另一端游動，需要采用滾珠軸承徑向的限制，不限，環(huán)以確保去散步，在結(jié)束后的熱變形的自由伸縮，如下圖所示。
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(shè)計時應(yīng)驗算其安全系數(shù)S，其值應(yīng)大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速——臨街轉(zhuǎn)速。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速。
臨街轉(zhuǎn)速按下式計算：
式中：為臨界轉(zhuǎn)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
3.1.4軸承的選擇與校核
（1）軸承選擇
因為軸承受一定的軸向力的作用，所以選用角接觸軸承。
軸左側(cè)：從《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計》中表15-3中查得軸承的型號為：6201。外形尺寸為：d1=12mm，D1=32mm，B1=9mm。
（2）軸承校核
1）按承載較大的滾動軸承選擇其型號，因支承跨距不大，故采用兩端固定式軸承組合方式。軸承類型選為深溝球軸承，軸承的預(yù)期壽命取為：L'h＝29200h
由上面的計算結(jié)果有軸承受的徑向力為Fr1=340.43N，
軸向力為Fa1=159.90N，
基本額定靜載荷為C0r=63.8KN。
2）徑向當(dāng)量動載荷
動載荷為，查得，則有
，滿足要求。
3.1.5鍵的選擇與校核
（1）鍵的選擇
鍵的類型有平鍵、半圓鍵、切向鍵等，是一種實現(xiàn)軸與輪轂間周向固定、用以傳遞轉(zhuǎn)矩的標(biāo)準(zhǔn)件，應(yīng)用非常地廣泛。[3]聯(lián)軸器所在軸徑為12mm，從《機(jī)械設(shè)計》中表14-1中查得鍵寬為：b=4mm，鍵高為：h=4mm，從鍵的長度系列可選擇L=14mm。
（2）鍵的強(qiáng)度校核
鍵、軸材料都是鋼，由機(jī)械設(shè)計查得鍵聯(lián)接的許用擠壓力為
鍵的工作長度
，合適
3.2手指結(jié)構(gòu)設(shè)計
手指夾持力和大容量，高負(fù)荷，普遍性，可以利用任何形式的目的，適用范圍更廣的驅(qū)動源的數(shù)量，同時也減少了，從而使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得簡單，易于控制。
3.2.1手指數(shù)量
果實的定期和不定期的形式。小水果采摘機(jī)器人的規(guī)則，使用兩個手指直接搶水果吸收最線性驅(qū)動器。三個手指相對的兩個指紋，一些研究也不意味著一個穩(wěn)定的機(jī)器人，機(jī)器人3搶水果最好。
3.2.2手指關(guān)節(jié)數(shù)量
關(guān)節(jié)執(zhí)行器的端部效應(yīng)密切相關(guān)的爬行，更多更多的自由端的接頭的數(shù)量，數(shù)量，更靈活的捕捉行動，更好的提升的程度。因此，接頭數(shù)量增加的同時增加的數(shù)量的設(shè)備驅(qū)動程序，驅(qū)動程序?qū)⒖刂齐y度增大，并導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，因此，產(chǎn)生消極的影響。
本文選擇在采摘機(jī)器人四連桿機(jī)構(gòu)作為傳動機(jī)構(gòu)的使用在許多欠的手指，手指關(guān)節(jié)，和一個力傳感器的測量和橡膠，增加了夾緊力和摩擦。
根據(jù)《中華人民共和國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，除了標(biāo)準(zhǔn)的三級”，蘋果，果實橫切面的最大直徑大于或等于生產(chǎn)[ 9 ]。在這里，在設(shè)計機(jī)器人爬行在50～150毫米直徑的半徑之間的蘋果，蘋果，所以獲得25毫米≤R≤75毫米。
3.2.3手指的材料
手指選擇適當(dāng)?shù)牟牧系氖褂?，對機(jī)器人的重要的影響作用。結(jié)構(gòu)尺寸符合手，手指，同時保持足夠的強(qiáng)度和質(zhì)量，系統(tǒng)將手中的尼龍材料的選擇。尼龍具有很高的機(jī)械強(qiáng)度、耐熱、低摩擦系數(shù)、耐磨性、自潤滑、吸收振動，耐油，耐弱酸性等。
圖3-2 手指結(jié)構(gòu)
3.3機(jī)架的設(shè)計
機(jī)架主要用于安裝驅(qū)動機(jī)構(gòu)和手掌，緊湊的機(jī)身，體積小，重量輕的要求。這樣的設(shè)計是圓柱形的基本框架，其中底板固定在中間板的下部，主傳動電機(jī)，由柱支撐的安裝位置。基本塊將手指在上半部分?？蚣芙Y(jié)構(gòu)，如圖3.4所示。
機(jī)器人可以分為棕櫚基和棕櫚的基類。關(guān)于Palm可以增加這個問題的限制，有棕櫚機(jī)器人具有廣泛的適用性，使用方便。無機(jī)械手可以利用的對象，但對象，通常的規(guī)則，祝福的形式，它的形狀和大小的物體的要求高的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械手的手掌，沒有特殊的保護(hù)機(jī)制。
圖3-4 機(jī)架結(jié)構(gòu)
第四章 力學(xué)分析與校核
4.1手指的工作原理
(a)的初始結(jié)構(gòu)是非接觸式的手指，手指的外力，整個的手指運(yùn)動的剛體繞支點(diǎn)，統(tǒng)一；（b）說，關(guān)節(jié)1接觸對象；（c）說，在2 1 2相對關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)方向，關(guān)節(jié)彎曲的對象時，必須克服彈簧力的驅(qū)動力的兩個節(jié)；（d）完成的手指接觸的對象的形狀，階級，驅(qū)動的驅(qū)動力傳遞兩個節(jié)。
圖4.1 采摘手指工作原理
4.2抓取時的靜態(tài)力學(xué)模型
由于驅(qū)動機(jī)構(gòu)是一個獨(dú)立的自由度的數(shù)目，比數(shù)的傳導(dǎo)機(jī)制。采摘機(jī)器人可以做任何搶劫的信封，你可以使用選擇關(guān)節(jié)面端意味著精確路徑爬行。依靠被動的選擇對象捕捉的，具有自適應(yīng)能力的手指的形狀。
在第一次包絡(luò)提取的手指關(guān)節(jié)1與第一對象和該對象的反對，因為接觸的第一關(guān)節(jié)，運(yùn)動強(qiáng)度，將限制在手指關(guān)節(jié)，和第二，因為沒有被限制的對象幾乎連續(xù)傳輸機(jī)制下的司機(jī)的行為，最后兩個關(guān)節(jié)和表面接觸。
機(jī)械操作的實現(xiàn)、彈簧、限位和平行四邊形機(jī)構(gòu)的作用下，精確的爬行。食指和中端聯(lián)合在一個架在相反的方向上的力，以限制的對象，對象，來實現(xiàn)爬行的運(yùn)動的作用。
包絡(luò)抓取靜力學(xué)模型，如圖所示4.2。
圖4.2 手指靜力學(xué)模型
圖4.2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相對于關(guān)節(jié)1轉(zhuǎn)過的角度，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的反向延長線交點(diǎn)到的距離。、為關(guān)節(jié)1、2的長度。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[3,4,5]
(4.1)
T為手指機(jī)構(gòu)的輸入轉(zhuǎn)矩向量，由驅(qū)動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：
(4.2)
由機(jī)構(gòu)學(xué)理論，可知各關(guān)節(jié)的接觸點(diǎn)速度可以通過雅可比矩陣用各關(guān)節(jié)的角速度來表示，即： (4.3)
又 (4.4)
為傳遞矩陣
將式(3.2)、(3.3)、(3.4)帶入(3.1)約去得：
(4.5)
(4.6)
將上式與式(3.3)對比可知
(4.7)
(4.8)
(4.9)
(4.10)
(4.11)
當(dāng)手指以直指方式抓取物體時,僅有短關(guān)節(jié)觸及物體,這時,只要令F1=0、T1=0 ，則手指受力為：
(4.12)
4.3運(yùn)動學(xué)分析
采摘機(jī)械手的每個手指都是由兩套四連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成的。圖4.3所示為一個四連桿機(jī)構(gòu)。
圖4.3四連桿機(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：
(4.13)
化簡上式，消去b得：
(4.14)
對式3.14兩邊求導(dǎo)并化簡，可得4桿機(jī)構(gòu)L1與L3角速度之間的關(guān)系：
(4.15)
4.4夾持誤差計算
旋轉(zhuǎn)夾緊手指的直徑變化時，會產(chǎn)生不同的軸向位置誤差的工件，夾具。收集的手指的抓地力和雙支點(diǎn)的回指轉(zhuǎn)換原理類似的原則，因此，可以根據(jù)雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指祝福誤差的計算。
圖4.4 雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指簡圖
圖中：l－手指長度;
－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
(4.16)
(4.17)
該方程亦為雙曲線方程，另；
圖4.5 x與半徑R的關(guān)系曲線
根據(jù)雙曲線特點(diǎn),對應(yīng)附近的曲線變化率較小,故在處附近對應(yīng)的夾持誤差最小。
當(dāng)時，手指夾持誤差計算如下:
(4.18)
(4.19)
最佳偏角的計算
取V型槽的夾角=，根據(jù)式（4-9）求得最佳偏轉(zhuǎn)角為 故
夾持誤差的計算
因為和關(guān)于對稱，所以=，故
經(jīng)過計算手指的夾持誤差為0.88mm。
第五章 三維設(shè)計與仿真分析
5.1軟件概述
Pro/Engineer操作軟件是美國參數(shù)技術(shù)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(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位。Pro/Engineer作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)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(shè)計領(lǐng)域占據(jù)重要位置。
Pro / E參數(shù)化的概念，首次提出了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，用于解決問題的特點(diǎn)和相互關(guān)系?；赑ro / E模式的整個生產(chǎn)過程的特點(diǎn)，設(shè)計了可以在一起，實現(xiàn)并行工程設(shè)計。Pro / E的應(yīng)用模塊，可分別的身影，部分生產(chǎn)、裝配、鈑金加工、設(shè)計、設(shè)計等。保證用戶可以選擇，根據(jù)他們的需要使用。
（1）參數(shù)化設(shè)計
相對于產(chǎn)品的話，我們可以把它看作是幾何模型，無論多么復(fù)雜的幾何模型，構(gòu)成要素可以分解為有限數(shù)量的，每一種的特點(diǎn)，完全可以利用有限的參數(shù)的參數(shù)的限制，這是基本的概念。
（2）基于特征建模
Pro / E -固體系統(tǒng)模型的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計人員具有智能特征模型的建立基于特征的功能，例如腔，殼、倒角和圓角，你可以自由地畫一個草圖，容易改變的模型。
（3）單一數(shù)據(jù)庫
Pro/Engineer是建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫在基層，不像一些傳統(tǒng)的CAD / CAM系統(tǒng)是基于多個數(shù)據(jù)庫。所謂的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫項目，都是從一個數(shù)據(jù)庫，以每一個產(chǎn)品的用戶在獨(dú)立的模擬和工作，不管它的部門。換句話說，在整個設(shè)計過程中，發(fā)生了變化的地方，也可以是反應(yīng)之前和之后對整個設(shè)計過程的相關(guān)環(huán)節(jié)。這種獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計的完整組合的設(shè)計，使產(chǎn)品，在一起。這一優(yōu)勢，使成品更優(yōu)化設(shè)計，更高質(zhì)量的產(chǎn)品在市場上，更好，更便宜。
Pro/Engineer功能如下：
（1）特征操作（例如：拉伸、槽、倒角、腔、殼等）；
（2）參數(shù)化設(shè)計（參數(shù)=尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等）；
（3）通過零件特征值之間，載荷、邊界條件、特征參數(shù)之間的關(guān)系來進(jìn)行設(shè)計；
（4）支持大型、復(fù)雜組合件的設(shè)計（系列組件， Pro/PROGRAM的各種能用零件設(shè)計的程序化方法等）。
（5）有應(yīng)用的完全相關(guān)性（任何一個地方的變動都將引起與之有關(guān)的每個地方變動）。
5.2三維設(shè)計與裝配
5.2.1零件三維設(shè)計
在Pro/E零件設(shè)計模塊對各零件進(jìn)行三維建模，主要零件的建模結(jié)果如下：
（1）第一關(guān)節(jié)
圖5-1 第一關(guān)節(jié)
（2）第二關(guān)節(jié)
圖5-2 第二關(guān)節(jié)
（3）指尖
圖5-3 指尖
（4）手指底座
圖5-4 手指底座
（5）絲杠螺母副
圖5-5（a）螺母滑塊 圖5-5（b）絲杠
（6）支架
圖5-6 支架
5.2.2虛擬裝配
虛擬裝配時采用模塊化裝配模式，即先對手指、手腕進(jìn)行裝配，再把手指與手腕進(jìn)行裝配得到最終的總成。
（1）手指裝配
圖5-7 手指虛擬裝配
（2）手腕裝配
圖5-8 手碗虛擬裝配
（3）總成裝配
圖5-9 總成虛擬裝配
5.3仿真分析
5.3.1 Pro/E仿真介紹
在傳統(tǒng)的設(shè)計和生產(chǎn)流程，首先是概念設(shè)計和方案論證，然后在產(chǎn)品設(shè)計，制造，以驗證設(shè)計的合理性，通常必須進(jìn)行性能測試的原型，有時這些測試是破壞性的。當(dāng)通過測試發(fā)現(xiàn)的設(shè)計缺陷，當(dāng)再次修改設(shè)計，原型，和重新驗證。只有通過連續(xù)的循環(huán)”的設(shè)計-測試-設(shè)計”的過程的效率可達(dá)到產(chǎn)品的要求。這個過程是漫長的，尤其是對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的設(shè)計思路不會縮短開發(fā)周期，更不用說在市場上的競爭力。
在計算機(jī)仿真技術(shù)高速發(fā)展的今天，Pro/ENGINEER（以下簡稱Pro/ E）提供了一系列有效的解決辦法的Pro / E即運(yùn)動仿真，運(yùn)動仿真技術(shù)是利用Pro/ E建立仿真系統(tǒng)的力學(xué)模型，并在計算機(jī)上建立的三維模型，整個產(chǎn)品模型，并對該產(chǎn)品的投產(chǎn)后，在不同的情況進(jìn)行仿真，分析和預(yù)測產(chǎn)品的整體性能，而還改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計，提高產(chǎn)品的性能，先進(jìn)的技術(shù)，其目的是為博士的物理機(jī)的設(shè)計和制造提供了依據(jù)。
運(yùn)動仿真技術(shù)是從整個活動的運(yùn)動分析問題和解決問題的角度出發(fā)，解決了傳統(tǒng)工藝相關(guān)的設(shè)計和生產(chǎn)的高新技術(shù)的缺點(diǎn)。工程技術(shù)人員可以直接使用Pro / E系統(tǒng)所提供的信息和不同的組件的物理幾何形狀的測定在模擬運(yùn)動信息，通信和虛擬裝配的內(nèi)部零件之間的關(guān)系，從而獲得機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計中的虛擬樣機(jī)，仿真系統(tǒng)在虛擬環(huán)境中的不同的地方，真的，運(yùn)動的，和在不同條件下的模擬運(yùn)動和力仿真，分析不同方案，對整個系統(tǒng)的研究，到持續(xù)改進(jìn)，優(yōu)化物理樣機(jī)的設(shè)計方案，然后再做。的重要性在于，甚至從生產(chǎn)工具的物理樣機(jī)的減少，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高市場競。
5.3.2仿真過程
（1）機(jī)構(gòu)仿真
(a)打開裝配圖，點(diǎn)擊“機(jī)構(gòu)”命令
圖5-10點(diǎn)擊“機(jī)構(gòu)”
(b)建立伺服電動
圖5-11建立電動機(jī)
(c)點(diǎn)擊“機(jī)構(gòu)分析”，彈出界面
圖5-12機(jī)構(gòu)分析
(d)點(diǎn)擊運(yùn)行
（2）仿真動畫獲取
(a)點(diǎn)擊“回放”-右鍵選擇“播放”
圖5-13啟動動畫
(b)點(diǎn)擊 “動畫”中“捕獲”命令
圖5-35動畫
(c)設(shè)置“捕獲”命令參數(shù)
設(shè)置“捕獲”中動畫放置目錄、圖像大小等參數(shù)后，點(diǎn)擊“確定”等待計算機(jī)運(yùn)行捕獲即可得到仿真動畫。
圖5-14捕獲
總 結(jié)
大學(xué)畢業(yè)設(shè)計階段的一次學(xué)習(xí)是非常罕見的理論與實踐相結(jié)合的學(xué)習(xí)機(jī)會，通過這個巡邏的全向移動小車在變電站設(shè)計中的理論知識和實踐結(jié)合我的綜合利用，實現(xiàn)專業(yè)知識，解決實際問題的能力，同時也提高了我的文獻(xiàn)搜索指南的設(shè)計，設(shè)計，標(biāo)準(zhǔn)化和其他基于你的能力專業(yè)知識和一般的對手，控制地方，選擇權(quán)的細(xì)節(jié)，和我所有的能力，以獲得工作經(jīng)驗，獲得豐富的和意志品質(zhì)的抗壓能力，力量和耐力，也被不同程度的提高。
這是我們都希望看到的，正是我們的目標(biāo)，為提高畢業(yè)設(shè)計，是有限的，但全面的，正是在這一次的畢業(yè)設(shè)計，使我積累了大量的實踐經(jīng)驗，最好是讓我的大腦知識武裝起來的，讓我也不可避免的在未來的工作中學(xué)習(xí)的性能更高的應(yīng)變能力，較強(qiáng)的溝通力和理解。
按照時間表完成本該畢業(yè)設(shè)計給了我很大的信心，讓我知道，專業(yè)知識，專業(yè)發(fā)展以及對未來的信心，但也發(fā)現(xiàn)它的許多缺點(diǎn)和不足，留下一點(diǎn)遺憾，但不幸的是，沒有足夠的和不給我的打擊只會更好地激勵我前進(jìn)的注意，我會在未來更多的新技術(shù)，新設(shè)備，新技術(shù)的出現(xiàn)，力爭盡快掌握這些先進(jìn)的新設(shè)備新工藝的出現(xiàn)，并爭取盡快的掌握這些先進(jìn)知識，更好的為祖國的四化服務(wù)。
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致 謝
本文在接近尾聲的時候，讓我在這四年的學(xué)習(xí)，我的大學(xué)生活提供的支持和鼓勵的親愛的老師和同學(xué)表示深深的感謝。
首先，我要感謝我的指導(dǎo)老師，他在學(xué)習(xí)過程中，我和我的研究提供指導(dǎo)和幫助。老師深厚的理論素養(yǎng)、淵博的知識和誨人不倦的精神，讓我贏了，而且，更重要的是，老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)和科學(xué)問題的能力和抽象的合成影響我，因為我的教育。在我的大學(xué)生活，教師的言行和給我許多無私的關(guān)懷和幫助，所有這些我不僅能成功地完成本文，更是使我一輩子。我還想感謝尊敬的系里的老師，他們是我的畢業(yè)設(shè)計提出了許多好的建議和努力的方向，所以我能夠較快地完成設(shè)計。
其次，我還要特別感謝我的母校，給我的學(xué)習(xí)和工作在現(xiàn)代的條件，使我順利完成自主學(xué)習(xí)不同的課程。
最后，讓我將這是學(xué)士學(xué)位論文對我的父母，感謝他們的養(yǎng)育的恩典，使我成為對社會有用的，他們的關(guān)心、支持和鼓勵我所有的信仰是力量的源泉。