0025-水果采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【CAD圖+SW三維模型+文獻(xiàn)翻譯+說(shuō)明書(shū)】,CAD圖+SW三維模型+文獻(xiàn)翻譯+說(shuō)明書(shū),水果,生果,瓜果,采摘,機(jī)械手,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),cad,sw,三維,模型,文獻(xiàn),翻譯,說(shuō)明書(shū),仿單 題 目 水果采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 36 摘要 水果采摘是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最費(fèi)時(shí)費(fèi)力的一環(huán)，其需要大量的勞動(dòng)力和高強(qiáng)度的工作。但由于工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展大量分流了農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力以及人口老齡化加劇等原因，使得能夠從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動(dòng)力越來(lái)越少，單靠人工勞動(dòng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有的需求。隨著計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)和各種智能控制理論的發(fā)展，使得機(jī)器人采摘水果成為可能。 本文基于現(xiàn)有的技術(shù)和理論以水果采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器與多自由度手臂為研究對(duì)象，采用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源，設(shè)計(jì)一個(gè)6自由度的水果采摘機(jī)器手，進(jìn)行機(jī)械手的結(jié)構(gòu)分析和水果采摘分析，并進(jìn)行solidworks的三維結(jié)構(gòu)建模，為今后水果采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供結(jié)構(gòu)參考。 關(guān)鍵詞 水果采摘，末端執(zhí)行器，多自由度 Abstract Fruit picking is one of the most time-consuming in agricultural production, which requires a large amount of labor and high intensity work. Because of the rapid development of industrial production of large diversion of agricultural labor and the increase of population aging and other reasons, makes it possible to engage in agricultural production labor is less and less, only by manual labor has been unable to meet the existing requirements. With the development of computer image technology and intelligent control theory, the fruit picking robot is possible. In this paper, based on existing technique and theory at the end of the fruit picking robot actuators with multiple degrees of freedom arm as the research object, adopts a stepping motor as the power source, the design of a 6 degree of freedom of the fruit picking robot, structure analysis and mechanical hand for picking fruit analysis, three-dimensional structure modeling and SolidWorks, provides the structure the reference for the design of future fruit picking robot. Key Works fruit picking, end-effectors, multiple degrees of freedom  目 錄 摘要 I Abstract I 1.緒論 1 1.1項(xiàng)目研究意義 1 1.2研究現(xiàn)狀 1 1.2.1美國(guó)果蔬采摘機(jī)器人 1 1.2.2日本采摘機(jī)器人 2 1.2.3荷蘭的黃瓜采摘機(jī)器人 3 1.2.4英國(guó)的蘑菇采摘機(jī)器人 3 1.2.5國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展 3 1.3果蔬采摘機(jī)器人特點(diǎn)分析 4 1.3.1作業(yè)對(duì)象的非結(jié)構(gòu)性和不確定性 4 1.3.2作業(yè)對(duì)象的嬌嫩性和復(fù)雜性 4 1.3.3良好的通用性和可編程性 4 1.3.4操作對(duì)象和價(jià)格的特殊性 4 1.4本題的主要工作 5 2.機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類(lèi)型分析與選型 6 2.1機(jī)械手功能需求分析和運(yùn)行流程 6 2.1.1機(jī)械手功能需求分析 6 2.1.2機(jī)械手的運(yùn)行流程 7 2.2機(jī)械手結(jié)構(gòu)分析與選擇 8 2.2.1機(jī)械手末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)方案選擇 8 2.2.2機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)分析與選擇 9 2.3本章小結(jié) 10 3.機(jī)械手末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 3.1機(jī)械手手指尺寸設(shè)計(jì) 11 3.2機(jī)械手手指的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12 3.2.1設(shè)計(jì)方案的選擇 12 3.2.2機(jī)械手結(jié)構(gòu)原理分析 13 3.3.3機(jī)械手連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15 3.4本章小結(jié) 17 4.多自由度手臂設(shè)計(jì) 18 4.1多自由度手臂的設(shè)計(jì)概述 18 4.2機(jī)械手空間分析和尺寸計(jì)算 19 4.3手臂尺寸的確定 20 4.4本章小結(jié) 20 5．動(dòng)力系統(tǒng)的選型 21 5.1動(dòng)力系統(tǒng)分析 21 5.2各元件動(dòng)力系統(tǒng)的選擇與計(jì)算 22 5.2.1末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)直線步進(jìn)電機(jī)的選擇 22 5.2.2手腕電機(jī)的選型 24 5.2.3手臂電機(jī)的選擇 24 5.2.4直線電動(dòng)滑臺(tái)的選擇 26 5.3本章小結(jié) 26 6.齒輪校核計(jì)算及材料選擇 27 6.1齒輪校核計(jì)算 27 6.2材料的選擇 29 6.3本章小結(jié) 29 7.機(jī)械手視覺(jué)系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)及控制系統(tǒng)簡(jiǎn)述 30 7.1機(jī)械手視覺(jué)系統(tǒng)簡(jiǎn)述 30 7.2機(jī)械手機(jī)械視覺(jué)設(shè)計(jì) 31 7.3傳感系統(tǒng)簡(jiǎn)述 31 7.4控制系統(tǒng)PLC 32 7.5本章小結(jié) 33 8.總 結(jié) 34 致 謝 35 參考文獻(xiàn) 36 1.緒論 1.1項(xiàng)目研究意義 果蔬采摘是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最費(fèi)時(shí)費(fèi)力的環(huán)節(jié)，其成本高、季節(jié)性強(qiáng)、需要大量的勞動(dòng)力高強(qiáng)度工作。但由于工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展分流了大量農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力以及人口老齡化加劇等原因，使得能夠從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動(dòng)力越來(lái)越少，單靠人工勞動(dòng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有需要。隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和智能控制理論的發(fā)展，使得機(jī)器人采摘成為可能。果蔬采摘機(jī)器人是一類(lèi)針對(duì)水果和蔬菜，可以通過(guò)編程來(lái)完成采摘、收集等相關(guān)作業(yè)任務(wù)的據(jù)有感知能力的自動(dòng)化機(jī)械收獲系統(tǒng)，是集機(jī)械、電子、信息、只能技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、農(nóng)業(yè)和生物等學(xué)科于一體的交叉邊緣性學(xué)科，需要涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)、視覺(jué)圖像處理、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)以及計(jì)算信息處理等多方面學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)。采摘機(jī)器人將在解決勞動(dòng)力不足、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工人勞動(dòng)舒適性、減輕農(nóng)業(yè)化肥和農(nóng)藥對(duì)人體的危害、提高采摘果蔬質(zhì)量、降低采摘成本、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、保證果蔬的適時(shí)采收、提高產(chǎn)品的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力等方面具有很大的潛力。國(guó)際上，一些以日本和美國(guó)為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家，已經(jīng)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始研究采摘機(jī)器人，并取得了一些成果。而我國(guó)在該領(lǐng)域中的研究還處于起步階段，因此我們必須加快對(duì)采摘機(jī)器人的研究腳步以早日趕超國(guó)際水平，使其為我國(guó)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)。 1.2研究現(xiàn)狀 收獲作業(yè)的自動(dòng)化和機(jī)器人的研究始于20 世紀(jì)60 年代的美國(guó)(1968 年)，采用的收獲方式主要是機(jī)械震搖式和氣動(dòng)震搖式，其缺點(diǎn)是果實(shí)易損，效率不高，特別是無(wú)法進(jìn)行選擇性的收獲。從20 世紀(jì)80 年代中期開(kāi)始，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的日益成熟，以日本為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家，包括荷蘭、美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、以色列、西班牙等國(guó)家，在收獲采摘機(jī)器人的研究上做了大量的工作，試驗(yàn)成功了多種具有人工智能的收獲采摘機(jī)器人，如番茄采摘機(jī)器人、葡萄采摘機(jī)器人、黃瓜收獲機(jī)器人、西瓜收獲機(jī)器人、甘藍(lán)采摘機(jī)器人和蘑菇采摘機(jī)器人等。 1.2.1美國(guó)果蔬采摘機(jī)器人 由于美國(guó)政府采取了更加嚴(yán)格的邊境管理政策，一些依靠外來(lái)移民勞動(dòng)力的農(nóng)場(chǎng)主正將他們的視野轉(zhuǎn)向一種正在發(fā)展中的新一代摘果機(jī)器人。此類(lèi)機(jī)器人可以從事從采集釀酒用的葡萄直至清洗和摘取萵苣心的工作。目前這類(lèi)機(jī)器人正處于全面發(fā)展時(shí)期，將成為收獲精致水果和蔬菜的基本工具，目前這些工作仍由手工完成。 圣地亞哥視覺(jué)機(jī)器人技術(shù)發(fā)明者德里克·莫里卡瓦認(rèn)為：新采摘機(jī)器人要依靠先進(jìn)的運(yùn)算能力和液壓技術(shù)，使機(jī)器手臂和手指具有近似于人手靈敏度的能力?，F(xiàn)代成像技術(shù)同樣也使機(jī)器能夠識(shí)別和挑選各種品質(zhì)的水果和蔬菜。方法就是將一臺(tái)機(jī)械化掃描機(jī)器送入果園。裝備有數(shù)字成像技術(shù)設(shè)備的機(jī)器人能夠生成一張三維地圖，顯示位置、成熟度和水果質(zhì)量。一臺(tái)采摘機(jī)器人按照這些畫(huà)面，使用他們的長(zhǎng)機(jī)械臂仔細(xì)地采集成熟了的水果。 加州州立大學(xué)弗雷斯諾分校一個(gè)葡萄酒專(zhuān)家小組正在研制一種自動(dòng)采摘機(jī)器人，目的是使葡萄酒業(yè)實(shí)現(xiàn)更多的機(jī)械化。該新技術(shù)包括一種稱(chēng)之為近紅外線分光計(jì)的裝置，它可以在采摘之前檢測(cè)葡萄樣品中的糖含量和化學(xué)成分。然后利用這些數(shù)據(jù)繪制一幅全球定位系統(tǒng)地圖，收割機(jī)器人可以使用這些地圖進(jìn)行導(dǎo)航，在葡萄園中采摘特定的理想成熟葡萄串。 位于薩利納斯山谷的拉姆齊·黑藍(lán)德公司銷(xiāo)售能夠部分自動(dòng)使用帶狀鋸或水刀的機(jī)器人,機(jī)器人從地面收割萵苣，并將萵苣進(jìn)行裝箱，以便清洗和加工。該公司首席執(zhí)行官弗蘭克·梅肯納奇稱(chēng)，拉姆齊·黑藍(lán)德公司開(kāi)發(fā)的一種新機(jī)器模型已接近完工，這種新機(jī)器人可以采摘、清洗、取心和對(duì)萵苣和其他綠色蔬菜進(jìn)行打包。 1.2.2日本采摘機(jī)器人 自1983年第一臺(tái)西紅柿采摘機(jī)器人在美國(guó)誕生以來(lái)，采摘機(jī)器人的研究和開(kāi)發(fā)歷經(jīng)20多年，日本和歐美等國(guó)家相繼立項(xiàng)研究采摘蘋(píng)果、柑桔、西紅柿、西瓜和葡萄等智能機(jī)器人。目前，日本在水果采摘機(jī)器人領(lǐng)域中研究頗豐，其研究出的采摘機(jī)器人主要有以下幾類(lèi)。日本Kondo-N等人研制的西紅柿收獲機(jī)器人，由機(jī)械手、末端執(zhí)行器、視覺(jué)傳感器和移動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。西紅柿一簇可長(zhǎng)4-6個(gè)果實(shí)，各個(gè)果實(shí)不一定是同時(shí)成熟，并且果實(shí)有時(shí)被葉莖擋住，收獲時(shí)要求機(jī)械手活動(dòng)范圍大，能避開(kāi)障礙物，所以機(jī)器人的采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)成具有7自由度，能夠形成指定的采摘姿態(tài)進(jìn)行采摘。末端執(zhí)行器由兩個(gè)機(jī)械手指和一個(gè)吸盤(pán)組成；視覺(jué)傳感器主要由彩色攝像機(jī)來(lái)尋找和識(shí)別成熟果實(shí)，利用雙目視覺(jué)方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位；移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用4輪結(jié)構(gòu)，能在壟間自動(dòng)行走。采摘時(shí)，移動(dòng)機(jī)構(gòu)行走一定的距離后，就進(jìn)行圖像采集，利用視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)出果實(shí)相對(duì)機(jī)械手坐標(biāo)系的位置信息，判斷西紅柿是否在收獲的范圍之內(nèi)，若可以收獲，則控制機(jī)械手靠近并摘取果實(shí)，吸盤(pán)把果實(shí)吸住后，機(jī)械手指抓住果實(shí)，然后通過(guò)機(jī)械手的腕關(guān)節(jié)擰下果實(shí)。 圖1.1番茄采摘機(jī)器人 Kondo-N等人還針對(duì)草莓的不同栽培模式(高架栽培模式和傳統(tǒng)模式)研制出了相應(yīng)的采摘機(jī)器人。高架栽培模式由于適合機(jī)器人作業(yè)被越來(lái)越多地采用。該機(jī)器人采用5自由度采摘機(jī)械手，視覺(jué)系統(tǒng)與西紅柿采摘機(jī)器人類(lèi)似，末端執(zhí)行器采用真空系統(tǒng)加螺旋加速切割器。收獲時(shí)，由視覺(jué)系統(tǒng)計(jì)算采摘目標(biāo)的空間位置，接著采摘機(jī)械手移動(dòng)到預(yù)定位置，末端執(zhí)行器向下移動(dòng)直到把草莓吸入；由3對(duì)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)草莓的位置，當(dāng)草莓位于合適的位置時(shí)，腕關(guān)節(jié)移動(dòng)，果梗進(jìn)入指定位置，由螺旋加速驅(qū)動(dòng)切割器旋轉(zhuǎn)切斷果梗，完成采摘。 日本還研發(fā)了葡萄采摘機(jī)器人，其采用5自由度的極坐標(biāo)機(jī)械手，末端的臂可以在葡萄架下水平勻速運(yùn)動(dòng)。視覺(jué)傳感器一般采用彩色攝像機(jī)，采用PSD三維視覺(jué)傳感器效果更好些，可以檢測(cè)成熟果實(shí)及其距離信息的三維信息。在開(kāi)放式的種植方式下，由于采摘季節(jié)太短，單一的采摘功能使得機(jī)器人的使用效率太低，因此開(kāi)發(fā)了多種末端執(zhí)行器，如分別用于采摘和套袋的末端執(zhí)行器、裝在機(jī)械手末端的噴嘴等。用于葡萄采摘的末端執(zhí)行器有機(jī)械手指和剪刀，采摘時(shí)，用機(jī)械手指抓住果房，用剪刀剪斷穗柄[1]。 1.2.3荷蘭的黃瓜采摘機(jī)器人 1996年，荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所(MAG)研制出一種多功能黃瓜收獲機(jī)器人。該研究在荷蘭的溫室里進(jìn)行，黃瓜按照標(biāo)準(zhǔn)的園藝技術(shù)種植并把它培養(yǎng)為高拉線纏繞方式吊掛生長(zhǎng)。該機(jī)器人利用近紅外視覺(jué)系統(tǒng)辨識(shí)黃瓜果實(shí)，并探測(cè)它的位置。機(jī)械手只收獲成熟黃瓜，不損傷其他未成熟的黃瓜。采摘通過(guò)末端執(zhí)行器來(lái)完成，它由手爪和切割器構(gòu)成。機(jī)械手安裝在行走車(chē)上，行走車(chē)為機(jī)械手的操作和采摘系統(tǒng)初步定位。機(jī)械手有7 個(gè)自由度，采用三菱公司(Mitsubishi) RV-E26自由度機(jī)械手，另外在底座增加了一個(gè)線性滑動(dòng)自由度。收獲后黃瓜的運(yùn)輸由一個(gè)裝有可卸集裝箱的自走運(yùn)輸車(chē)完成。整個(gè)系統(tǒng)無(wú)人工干預(yù)就能在溫室工作。試驗(yàn)結(jié)果為工作速度10 s/根，在實(shí)驗(yàn)室中效果良好，但由于制造成本和適應(yīng)性的制約，還不能滿足商用的要求。 1.2.4英國(guó)的蘑菇采摘機(jī)器人 英國(guó)Silsoe 研究院研制了蘑菇采摘機(jī)器人，它可以自動(dòng)測(cè)量蘑菇的位置、大小，并選擇性地采摘和修剪。它的機(jī)械手包括2個(gè)氣動(dòng)移動(dòng)關(guān)節(jié)和1個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；末端執(zhí)行器是帶有軟襯墊的吸引器；視覺(jué)傳感器采用TV 攝像頭，安裝在頂部用來(lái)確定蘑菇的位置和大小。采摘成功率在75% 左右，采摘速度為617 個(gè)/s，生長(zhǎng)傾斜是采摘失敗的主要原因。如何根據(jù)圖像信息調(diào)整機(jī)器手姿態(tài)動(dòng)作來(lái)提高成功率和采用多個(gè)末端執(zhí)行器提高生產(chǎn)率是亟待解決的問(wèn)題。[2] 1.2.5國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展 在國(guó)內(nèi)，果蔬采摘機(jī)器人的研究剛剛起步。東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民研制了林木球果采摘機(jī)器人，主要由5 自由度機(jī)械手、行走機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng)組成。采摘時(shí)機(jī)器人停在距離母樹(shù)3~5m，操縱機(jī)械手回轉(zhuǎn)馬達(dá)對(duì)準(zhǔn)母樹(shù)。然后，單片機(jī)控制系統(tǒng)控制機(jī)械手大、小臂同時(shí)柔性升起達(dá)到一定高度，采摘爪張開(kāi)并擺動(dòng)，對(duì)準(zhǔn)要采集的樹(shù)枝，大小臂同時(shí)運(yùn)動(dòng)，使采摘爪沿著樹(shù)枝生長(zhǎng)方向趨近1.5~2m，然后采摘爪的梳齒夾攏果枝，大小臂帶動(dòng)采集爪按原路向后返回，梳下枝上球果，完成一次采摘。這種機(jī)器人效率是500 kg/天，是人工的30~50 倍。而且，采摘時(shí)對(duì)母樹(shù)的破壞較小，采凈率高。 圖1.2林木球果采摘機(jī)器人原理圖 另外，郭峰等運(yùn)用彩色圖像處理技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，開(kāi)發(fā)了草莓揀選機(jī)器人，采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器將草莓推到不同的等級(jí)方向。浙江大學(xué)的應(yīng)義斌等完成了水果自動(dòng)分級(jí)機(jī)器人的研究開(kāi)發(fā)。趙杰文等研究了基于HIS顏色特征的田間成熟番茄識(shí)別技術(shù)，該方法對(duì)田間成熟番茄之間相互分離的情況有很好的識(shí)別效果。梁喜鳳等為分析并改善番茄收獲機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行了番茄收獲機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化與仿真試驗(yàn)，取得了較好的效果。 1.3果蔬采摘機(jī)器人特點(diǎn)分析 1.3.1作業(yè)對(duì)象的非結(jié)構(gòu)性和不確定性 果實(shí)的生長(zhǎng)是隨著時(shí)間和空間而變化的，生長(zhǎng)的環(huán)境是變化的、未知的和開(kāi)放性的，直接受土地、季節(jié)和天氣等自然條件的影響。這就要求果蔬采摘機(jī)器人不僅要具有與生物體柔性相對(duì)應(yīng)的處理功能，而且還要能夠順應(yīng)變化無(wú)常的自然環(huán)境，在視覺(jué)、知識(shí)推理和判斷等方面具有相當(dāng)高的智能。 1.3.2作業(yè)對(duì)象的嬌嫩性和復(fù)雜性 果實(shí)具有軟弱易傷的特性，必須細(xì)心輕柔地對(duì)待和處理。且其形狀復(fù)雜，生長(zhǎng)發(fā)育程度不一，相互差異很大。果蔬采摘機(jī)器人一般是作業(yè)、移動(dòng)同時(shí)進(jìn)行，行走不是連接出發(fā)點(diǎn)和終點(diǎn)的最短距離，而是具有狹窄的范圍、較長(zhǎng)的距離及遍及整個(gè)田間表面等特點(diǎn)。 1.3.3良好的通用性和可編程性 由于果蔬采摘機(jī)器人的操作對(duì)象具有多樣性和可變性，要求具有良好的通用性和可編程性。只要改變部分軟、硬件，變更判斷基準(zhǔn)，變更動(dòng)作順序，就能進(jìn)行多種作業(yè)。例如，溫室果蔬采摘機(jī)器人，更換不同的末端執(zhí)行器就能完成施肥、噴藥和采摘等作業(yè)。 1.3.4操作對(duì)象和價(jià)格的特殊性 果蔬采摘機(jī)器人操作者是農(nóng)民，不是具有機(jī)電知識(shí)的工程師，因此要求果蔬采摘機(jī)器人必須具有高可靠性和操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)；另外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以個(gè)體經(jīng)營(yíng)為主，如果價(jià)格太高，就很難普及。[3] 1.4本題的主要工作 基于目前水果采摘機(jī)器人的研究狀況以及采摘特點(diǎn)，急需設(shè)計(jì)一種適應(yīng)性強(qiáng)，通用性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜的水果采摘機(jī)器人。由于本人的工作能力有限，本題任務(wù)主要是對(duì)果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器以及多自由度手臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行動(dòng)力選型，并對(duì)水果視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)、機(jī)械手采摘流程、機(jī)器人感知系統(tǒng)以及整體運(yùn)作系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的研究和分析。  2.機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類(lèi)型分析與選型 2.1機(jī)械手功能需求分析和運(yùn)行流程 2.1.1機(jī)械手功能需求分析 水果采摘機(jī)械手是水果采摘機(jī)器人最重要的執(zhí)行部件，其負(fù)責(zé)水果的采摘與收集，其可執(zhí)行度決定了水果采摘的最終效果。由于大部分的水果都是長(zhǎng)在樹(shù)上，其環(huán)境極其復(fù)雜。如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，會(huì)嚴(yán)重影響水果的采摘過(guò)程，出現(xiàn)采不到或采集困難等情況。同時(shí)由于機(jī)械手需要夾持水果進(jìn)行各種運(yùn)動(dòng)，其夾持力不可太大，也不能太小，大了會(huì)損壞水果，小了則無(wú)發(fā)夾持水果或者出現(xiàn)水果在收集過(guò)程中掉落等情況。大部分水果雖然都是圓的，但不是所有的圓形水果都是呈正球形態(tài)，因此在設(shè)計(jì)水果手指時(shí)應(yīng)使其有一定的自由度使得他可以適應(yīng)水果的形狀。 由以上分析可知我們需要為水果采摘機(jī)器人設(shè)定一定的環(huán)境和功能需求。 （1）環(huán)境要求： 由于水果采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)能力有限，不可能像人一樣可以逾越各種地形和結(jié)構(gòu)。因此水果采摘機(jī)器人的工作路面應(yīng)該比較平整，規(guī)則，障礙物少或沒(méi)有。同時(shí)作物之間應(yīng)排列整齊，有一定的生長(zhǎng)規(guī)律，不能出現(xiàn)雜草重生，樹(shù)枝亂長(zhǎng)等情況，因?yàn)檫@樣只會(huì)增加水果采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)難度和重量 。 圖2.1水果采摘環(huán)境事例1 圖2.2水果采摘環(huán)境事例2 水果采摘機(jī)器人只能是針對(duì)一種水果或一類(lèi)水果來(lái)設(shè)計(jì)，有一定的結(jié)構(gòu)要求和適應(yīng)度，其包容性不能過(guò)于廣闊；例如：采摘水果的形狀一般選取是球形或圓柱形，不能既可以采摘球形和圓柱形的水果，又能采摘帶刺的或者三角形的水果；又如：水果的顏色不是既可以采摘紅色的水果又能采摘綠色的水果；這樣只會(huì)增加設(shè)計(jì)難度，同時(shí)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)會(huì)變得非常復(fù)雜，可調(diào)節(jié)性和維修性就會(huì)極差。 （2）功能需求： 由于水果采摘環(huán)境相對(duì)比較復(fù)雜，在設(shè)計(jì)機(jī)械手的手臂時(shí)應(yīng)盡可能地在節(jié)省結(jié)構(gòu)和空間的情況下設(shè)計(jì)多的自由度。從理論上說(shuō)，6自由度的機(jī)械手可以到達(dá)三維空間的任何位置，但是由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，會(huì)使一些自由度缺失或者退化。因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選擇大于6個(gè)自由度。同時(shí)手臂應(yīng)具有一定的避障礙物的能力。 而對(duì)于機(jī)器人的末端執(zhí)行器來(lái)說(shuō)，其應(yīng)能適應(yīng)大部分水果的形狀，這樣則要求機(jī)械手的夾持裝置結(jié)構(gòu)巧妙，同時(shí)盡可能的簡(jiǎn)單。 同時(shí)能抓取到該類(lèi)水果大部分的尺寸。 2.1.2機(jī)械手的運(yùn)行流程 在設(shè)計(jì)機(jī)械手之前首先要確定其運(yùn)作的流程，既如何完成抓取與收集等動(dòng)作，其流程框圖如下： 圖2.3機(jī)械手運(yùn)作流程圖 復(fù)位 把水果輸送到特定位置 抓緊水果，傳感器反饋?zhàn)ゾo力，手抓自我調(diào)整。 手抓張開(kāi)，接近水果 機(jī)械手接近目標(biāo)，機(jī)器自動(dòng)調(diào)整動(dòng)作 初始化 檢測(cè)到成熟的水果 N Y  2.2機(jī)械手結(jié)構(gòu)分析與選擇 2.2.1機(jī)械手末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)方案選擇 機(jī)械手末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)很多，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇什么類(lèi)型的執(zhí)行器直接影響水果采摘的質(zhì)量。目前我所知道的機(jī)械手末端執(zhí)行器類(lèi)別主要有三類(lèi)：夾持類(lèi)、籠式收集器類(lèi)、包絡(luò)夾持類(lèi)。 夾持類(lèi)，如圖2.4所示。其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，一般由兩個(gè)手指組成，其自由度比較少。其主要通過(guò)夾持時(shí)輸出較大的正壓力，提高水果與手抓接觸時(shí)的最大靜摩擦力來(lái)抓穩(wěn)水果。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方便，可以?shī)A持較大一些比較大的物體。但由于其正壓力輸出太大，有可能損壞水果的表皮，影響水果的口感。同時(shí)由于其主要靠摩擦力來(lái)抓取水果，而水果生長(zhǎng)環(huán)境比較復(fù)雜，在運(yùn)送水果的過(guò)程中水果難免會(huì)碰到樹(shù)枝等障礙物，這樣很容易在運(yùn)送水果過(guò)程中碰掉水果。而且在水果形狀不規(guī)則的時(shí)候，抓取水果有一定的難度。 圖2.4夾持類(lèi)機(jī)械手 籠式收集類(lèi)，該類(lèi)手抓結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，一般是上面一個(gè)剪切裝置，下面一個(gè)收集器。其主要靠水果剪切后下落到收集器上來(lái)完成水果的收集工作。但由于收集器自由度太低，結(jié)構(gòu)固定無(wú)法改變，在復(fù)雜的水果樹(shù)上其有可能難以通過(guò)大部分樹(shù)枝到達(dá)水果生長(zhǎng)的位置。同時(shí)在其回程過(guò)程中也可能出現(xiàn)卡死狀況。其要求采摘水果的條件比較苛刻。只適合一些枝椏較少或者果實(shí)向外生長(zhǎng)的水果種類(lèi)。同時(shí)對(duì)于一些向上生長(zhǎng)的水果，或者生長(zhǎng)姿態(tài)特別的情況，這種結(jié)構(gòu)就無(wú)法采集水果了。 包絡(luò)夾持類(lèi)，如圖2.5所示。該類(lèi)執(zhí)行器類(lèi)似于人的手，其有自由度較多，能自我形成一個(gè)包絡(luò)水果的形態(tài)，對(duì)于一些外形不圓整的水果有很好的采摘效果，同時(shí)由于其有一定的夾持力和包絡(luò)能力，在運(yùn)送水果的過(guò)程中，水果不會(huì)輕易碰掉或損壞。但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，維修起來(lái)可能比較困難。 通過(guò)以上的分析可知，包絡(luò)夾持類(lèi)的機(jī)械手優(yōu)點(diǎn)較多，包容性廣，因此在設(shè)計(jì)本題機(jī)械手抓時(shí)，本人的設(shè)計(jì)方向是包絡(luò)夾持式的機(jī)械手。 圖2.5 包絡(luò)夾持式機(jī)械手 2.2.2機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)分析與選擇 機(jī)械手臂是水果采摘機(jī)械手的主要運(yùn)動(dòng)部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，直接影響水果采摘的工作范圍。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使其在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的前提下，有一定的壁障能力。按其結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系特點(diǎn)分類(lèi)主要有幾種形式：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型、多關(guān)節(jié)型等。 直角坐標(biāo)型手臂結(jié)構(gòu)如圖2.6所示，它在X,Y,Z軸上的運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立的。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)路線計(jì)算比較容易，但是其由于都是獨(dú)立的直線運(yùn)動(dòng)，其所占空間很大，不利于在復(fù)雜的田間和樹(shù)木中穿行。 圖2.6直角坐標(biāo)手臂 圖2.7圓柱坐標(biāo)型  圓柱坐標(biāo)型手臂的結(jié)構(gòu)如圖2.7所示，R、θ和X為坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)，其中R是手臂的徑向長(zhǎng)度，θ是手臂的角位置，X是垂直方向上手臂的位置。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易想象，能夠深入樹(shù)叢中，但是其直線機(jī)構(gòu)難以保證密封和潤(rùn)滑，在樹(shù)枝等復(fù)雜結(jié)構(gòu)或者容易掉下雜物的地方容易出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。 極坐標(biāo)型手臂，其結(jié)構(gòu)如圖2.8所示，R， θ和β為坐標(biāo)系的坐標(biāo)。其中θ是繞手臂支撐底座垂直的轉(zhuǎn)動(dòng)角， β是手臂在鉛垂面內(nèi)的擺動(dòng)角。這種機(jī)器人運(yùn)動(dòng)所形成的軌跡表面是半球面。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，較難想象，工作范圍廣，但會(huì)出現(xiàn)一定的盲區(qū)。 多關(guān)節(jié)型手臂，其結(jié)構(gòu)如圖2.9所示，它是以其各相鄰運(yùn)動(dòng)部件之間的相對(duì)角位移作為坐標(biāo)系的。θ、α和Φ為坐標(biāo)系的坐標(biāo)，其中θ是繞底座鉛垂軸的轉(zhuǎn)角，Φ是過(guò)底座的水平線與第一臂之間的夾角，α是第二臂相對(duì)于第一臂的轉(zhuǎn)角。這種機(jī)器人手臂可以達(dá)到球形體積內(nèi)絕大部分位置，所能達(dá)到區(qū)域的形狀取決于兩個(gè)臂的長(zhǎng)度比例。這種類(lèi)型的手臂動(dòng)作比較靈活，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)處容易密封，工作范圍大，但是運(yùn)動(dòng)計(jì)算控制較為復(fù)雜。 圖2.8極坐標(biāo)型手臂 圖2.9多關(guān)節(jié)型手臂 經(jīng)過(guò)以上的分析本設(shè)計(jì)采用與多關(guān)節(jié)型類(lèi)似的手臂設(shè)計(jì)形式。其具有靈活的動(dòng)作，同時(shí)有一定的回程能力，可為水果采摘和運(yùn)送提供一定的幫助，同時(shí)其只需利用電機(jī)就能實(shí)現(xiàn)大部分的運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)和維護(hù)性能較好，價(jià)格也相對(duì)便宜。 2.3本章小結(jié) 經(jīng)過(guò)上面的分析，基于水果采摘復(fù)雜的工作環(huán)境和部分不規(guī)則水果，本人選擇包絡(luò)夾持式手抓和類(lèi)似于多關(guān)節(jié)型的手臂作為水果采摘機(jī)械手的最終設(shè)計(jì)類(lèi)型。同時(shí)手指的抓取水果類(lèi)型為球型。  3.機(jī)械手末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1機(jī)械手手指尺寸設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)手指之前，首先要確定需要抓取水果的直徑范圍，由日常生活中所見(jiàn)的水果如：蘋(píng)果、桃子、番茄、橘子等其直徑尺寸大部分集中在60mm~100mm之間。但為了使水果采摘機(jī)械手具有較廣闊的抓取范圍，現(xiàn)選取抓取水果的尺寸范圍為40mm~130mm。為了滿足這一設(shè)計(jì)要求，必須選擇合適的手指尺寸。機(jī)械手的設(shè)計(jì)尺寸主要有手掌尺寸和手指尺寸。在此說(shuō)明一下，由于手指相對(duì)于手掌是對(duì)稱(chēng)分布的，手掌尺寸是指各個(gè)手指相對(duì)手掌中心的距離。一般來(lái)說(shuō)手掌的尺寸越大，能抓取的物體也相對(duì)越大，同時(shí)手指各個(gè)指關(guān)節(jié)的長(zhǎng)度越大，其能包絡(luò)的物體就越大。由于這些尺寸都沒(méi)有適合的計(jì)算準(zhǔn)則，現(xiàn)模仿人類(lèi)手指手掌尺寸進(jìn)行類(lèi)比分析，同時(shí)兼顧機(jī)械手抓取果實(shí)的范圍對(duì)手指、手掌尺寸進(jìn)行合理的選擇。如下： 表3.1人手各指節(jié)長(zhǎng)度平均值（單位mm） 性別 年齡 人數(shù) 拇指上1 拇指下 食指上 食指中 食指下 中指上 中指中 男 20~23 200 29.9 39.2 24.1 30.6 50.1 25.2 33.5 女 20~23 100 28.4 35.4 22.1 30 46 23.5 32.6 平均 -- -- 29.6 38.5 23.8 30.3 49.3 24.9 34.5 中指下 無(wú)名指上 無(wú)名指中 無(wú)名指下 尾指上 尾指中 尾指下 手掌長(zhǎng) 手掌寬 53.9 24.8 32.8 52.4 22.6 25.8 43.7 101.2 83.1 55.1 22.4 31.5 48.3 20.5 22.9 39.6 97.3 77.9 50.5 24.4 32.5 51.7 22.2 25.2 42.9 100.5 82.2 1注：“拇指上”是指拇指上指節(jié)，即拇指指尖部分關(guān)節(jié)，其他關(guān)節(jié)如此類(lèi)推； 為了使機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，本人決定機(jī)械手的手指尺寸設(shè)置一致，其位置分布為對(duì)稱(chēng)分布，同時(shí)手指數(shù)目為3個(gè)。相對(duì)與4個(gè)手指的機(jī)械手，3個(gè)手指的機(jī)械手有很大的優(yōu)勢(shì)，3個(gè)手指抓緊時(shí)較為牢固，同時(shí)不會(huì)出現(xiàn)過(guò)定義等情況。 經(jīng)過(guò)以上的分析和抓取果實(shí)的尺寸范圍和經(jīng)過(guò)CAD建模匹配綜合考慮得出以下手指的外形尺寸如表3.2所示 表3.2手掌和手指關(guān)節(jié)尺寸及行程角度 手掌 手指上關(guān)節(jié) 手指中關(guān)節(jié) 手指下關(guān)節(jié) 尺寸（mm） 55 30 40 54 行程角度（°） -- 90°~200°（相對(duì)與手掌） 90°~180° 60°~130°  通過(guò)以上的設(shè)計(jì)尺寸分析，畫(huà)出了圖3.1機(jī)械手在設(shè)計(jì)尺寸下的機(jī)械手包絡(luò)圖，由圖可知，其基本能包絡(luò)40mm~130mm之間的圓形物體。 圖3.1機(jī)械手包絡(luò)圖 3.2機(jī)械手手指的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.2.1設(shè)計(jì)方案的選擇 機(jī)械手手指是機(jī)械手末端執(zhí)行器的最重要的部分，對(duì)提高機(jī)器人作業(yè)水平具有非常重要的作用。抓取和操作的靈活性、準(zhǔn)確性和適應(yīng)性是衡量手抓設(shè)計(jì)是否良好的重要標(biāo)志?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)研究出了各種機(jī)器人的手抓。這些手抓主要分為專(zhuān)用和通用兩大類(lèi)。由于本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手末端執(zhí)行器需要有一定的通用性。因此其手指關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)的自由度要比較多。從正常的思想路線出發(fā)，每一個(gè)關(guān)節(jié)都需要一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，每一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作都需要一個(gè)電機(jī)與之想匹配。這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的手指控制起來(lái)非常復(fù)雜，同時(shí)當(dāng)需要較大的抓取力時(shí)，其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可能無(wú)法滿足。如果需要滿足則以目前的技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的尺寸會(huì)變得非常龐大。 本人在設(shè)計(jì)初期也出現(xiàn)如此的思路方法，在設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)了一種多自由度，多關(guān)節(jié)多驅(qū)動(dòng)器的手指，但由于手指尺寸要求不能太大，在選擇電機(jī)的時(shí)候出現(xiàn)了嚴(yán)重的問(wèn)題。其驅(qū)動(dòng)力嚴(yán)重不足導(dǎo)致設(shè)計(jì)的失敗。其結(jié)構(gòu)如圖3.2所示，由于每個(gè)關(guān)節(jié)都要布置一個(gè)電機(jī)，其手指內(nèi)尺寸設(shè)計(jì)時(shí)必須非常緊湊，但在最終計(jì)算輸出力的時(shí)候卻發(fā)現(xiàn)電機(jī)無(wú)法達(dá)到要求。由于設(shè)計(jì)尺寸過(guò)于緊湊，無(wú)法更改其內(nèi)部空間，導(dǎo)致設(shè)計(jì)失敗。 在漫長(zhǎng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中我苦苦尋找一個(gè)良好的設(shè)計(jì)方案，在查找網(wǎng)上資料了解到一種叫做欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)非常好，其是由加拿大MD ROBOTICS公司和Laval大學(xué)合作研制出來(lái)的SARAH手抓（Self-Adapting Robotic Auxiliary Hand），該手爪共有10個(gè)自由度，只用兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，一個(gè)電機(jī)負(fù)責(zé)三個(gè)手指的開(kāi)合，一個(gè)電機(jī)負(fù)責(zé)調(diào)整手指的方向。該手指利用連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。SARAH手爪既可以用末端關(guān)節(jié)指面捏取的方式完成各種精確捏取，又可以用包絡(luò)的方式完成抓取。 基于上述類(lèi)似結(jié)構(gòu)，本人設(shè)計(jì)了一款與之相似的三指的欠驅(qū)動(dòng)的手爪。 3.2.2機(jī)械手結(jié)構(gòu)原理分析 該機(jī)構(gòu)通過(guò)連桿連接完成各個(gè)抓取動(dòng)作，其手指關(guān)節(jié)可以根據(jù)任務(wù)的需求調(diào)整手指的位置，自動(dòng)適應(yīng)抓取物體的形狀，在機(jī)械約束、彈簧等機(jī)構(gòu)的作用下，各個(gè)手指關(guān)節(jié)自動(dòng)沿著被抓取的物體輪廓彎曲，實(shí)現(xiàn)對(duì)被抓物體的可靠抓取。在正常情況下手指程如圖伸直狀態(tài)，其黑色部分有一限位塊，使手指不會(huì)發(fā)生一些逆方向的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)有一個(gè)小拉力彈簧，證其能在未接觸水果時(shí)其手指是伸直的如圖3.2所示。 圖3.2手指自然狀態(tài)圖 在工作時(shí)推桿向上推動(dòng)，由于彈簧和限位裝置的作用使得手指的第一指節(jié)手指（即手指與手掌最接近的那一節(jié)）先接觸水果，由于碰到水果，水果阻礙了其運(yùn)動(dòng)，第三節(jié)手指運(yùn)動(dòng)停止，推桿一直向上運(yùn)動(dòng)，使得第二節(jié)手指慢慢靠近水果。當(dāng)?shù)诙?jié)手指接觸到水果時(shí)，其停止運(yùn)動(dòng)，由于推桿推力一直存在，使得第三節(jié)手指也開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，直到最后三個(gè)手指都接觸到水果為止。如圖3.3是手指第一節(jié)手指碰到水果時(shí)的情況。圖3.4是手指第二關(guān)節(jié)接觸到水果是的情況。圖3.5是手指第三關(guān)節(jié)接觸水果時(shí)的情況。 圖3.3第一關(guān)節(jié)接觸水果 圖3.4第二關(guān)節(jié)接觸水果 圖3.5第三關(guān)節(jié)接觸水果  3.3.3機(jī)械手連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)所需要的尺寸如圖3.6所示，指節(jié)長(zhǎng)度分別為l、j、k。其長(zhǎng)度在上文已經(jīng)確定。剩余參數(shù)為ai、bi、ci和ψi，為了減少獨(dú)立設(shè)計(jì)變量，我們?yōu)檫@些參數(shù)加上一些關(guān)聯(lián)的條件。指節(jié)的主要性能特性由比例系數(shù)Ri=ai∕ci來(lái)決定，Laval大學(xué)的Birglen等人詳細(xì)研究了比例系數(shù)Ri對(duì)性能的影響效果，并給出了性能圖譜[4],對(duì)于三個(gè)指節(jié)的手指來(lái)說(shuō)，當(dāng)R1=2和R2=2.5時(shí)，手指的性能最優(yōu)。同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)，ci是影響其結(jié)構(gòu)尺寸的主要因素，在考慮結(jié)構(gòu)和配合符合的情況下，ci應(yīng)盡量地小。由于機(jī)械手有一定的結(jié)構(gòu)尺寸，這就先確定ci的值的大小。由于Ri確定了，ci確定了，則ai也確定了。對(duì)于連桿機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，當(dāng)傳動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)的角度為90°時(shí)，效率最高。由于機(jī)械手有一定的工作范圍，我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使其在中間位置時(shí)其傳動(dòng)性能最好，效率最高，即在中間位置時(shí)保證傳動(dòng)角度為90°?，F(xiàn)定義抓取范圍中間位置的角度αi為： αi=αi，min+αi，max2 ，i=1，2 (3-1) 其中αi,max和αi，min是指節(jié)的最大行程角度和最小行程角度。由圖3.6可知： β1=arcsin?(a1-c1l) (3-2) β2=arcsin?(a2-c2k) (3-3) 由此可以知道bi的大?。? bi=lcosβ1，b2=kcosβ2 (3-4) 由此知ψi的值如下： ψ1=π+β2-α1-β1 ， ψ2=3π2-α2-β2 (3-5) 經(jīng)過(guò)詳細(xì)的思考，考慮結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尺寸的合理性，確定選擇c1，c2分別為：c1=20mm，c2=20mm。由上文分析以及表3.2數(shù)據(jù)可知：j=30mm，k=40mm，l=54mm，α1，max=180°，α1，min=90°，α2，min=90°，α2，max=200°。聯(lián)立上述方程(3-1)，(3-2)，(3-3)，(3-4)，(3-5)得出一下數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3.3所示： 表3.3連桿尺寸參數(shù) i R c a b α β ψ 1 2 20mm 40mm 50.16mm 135° 21.71° 71.88° 2 2.5 20mm 50mm 26.45mm 145° 48.59° 76.41°  圖3.6手指連桿在的位置尺寸關(guān)系 為了減輕加工難度，根據(jù)上表數(shù)據(jù)進(jìn)行圓整得個(gè)連桿尺寸：b1=50mm，b2=26.5mm，β1=22°，β2=49°，ψ1=72°，ψ2=77°。 現(xiàn)驗(yàn)證按照上述計(jì)算尺寸設(shè)計(jì)能否達(dá)到需要的位置，同時(shí)連桿之間還留有大量空間不發(fā)生干涉。經(jīng)過(guò)在電腦上的solidworks草圖繪制測(cè)試，手指在極限位置時(shí)連桿不會(huì)發(fā)生干涉。見(jiàn)圖3.7、3.8和3.9所示 圖3.7手指在抓取最小物體狀態(tài)下的各關(guān)節(jié)位置情況 圖3.8手指抓取最大果實(shí)時(shí)的狀態(tài) 圖3.9手指捏取果實(shí)時(shí)的狀態(tài) 草圖測(cè)試完成后本人進(jìn)行了solidworks的三維實(shí)體建模，其建模結(jié)果見(jiàn)圖3.10： 圖3.10手指各部件裝配圖 3.4本章小結(jié) 經(jīng)過(guò)詳細(xì)的計(jì)算和solidworks建模本人建立了一個(gè)尺寸合適，能完成所需包絡(luò)和夾取功能的機(jī)械手末端執(zhí)行器。  4.多自由度手臂設(shè)計(jì) 4.1多自由度手臂的設(shè)計(jì)概述 機(jī)械手的多自由度手臂是水果采摘機(jī)器人的另一重要部件，其主要負(fù)責(zé)機(jī)械手的空間位移動(dòng)作的完成。其結(jié)構(gòu)的合理與否，決定了水果采摘機(jī)器人能否完成大部分的采摘工作。在設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮的是自由度，上文第二章已經(jīng)有所提及，自由度越高的手臂，壁障能力就越好，就越能接近人手的動(dòng)作機(jī)能，通用性就越好。自由度是指描述物體運(yùn)動(dòng)所需要的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)。機(jī)器人的自由度表示機(jī)器人動(dòng)作靈活的尺度，一般以軸的直線移動(dòng)、擺動(dòng)或旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的數(shù)目來(lái)表示，手部的動(dòng)作不包括在內(nèi)。在設(shè)計(jì)機(jī)械手臂時(shí)，除了需要考慮其自由度外，還要考慮其運(yùn)動(dòng)精度、負(fù)荷、分辨率等。精度是指一個(gè)位置相對(duì)于其參照系的絕對(duì)度量，指機(jī)器人手部實(shí)際到達(dá)位置與所需要到達(dá)的理想位置之間的差距。分辨率是指機(jī)器人每根軸能夠?qū)崿F(xiàn)的最小移動(dòng)距離或最小轉(zhuǎn)動(dòng)角度。精度和分辨率不一定相關(guān)。一臺(tái)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)精度是指命令設(shè)定的運(yùn)動(dòng)位置與該設(shè)備執(zhí)行此命令后能夠達(dá)到的運(yùn)動(dòng)位置之間的差距，分辨率則反映了實(shí)際需要的運(yùn)動(dòng)位置和命令所能夠設(shè)定的位置之間的差距。 本人設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂的主要功用是完成水果的采摘，和收集工作，在選擇其自由度時(shí)首先需要考慮能否到達(dá)其主要的采摘地點(diǎn)，由于果樹(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可能出現(xiàn)枝條亂生長(zhǎng)的情況，需要盡可能地選擇多的自由度。但限于機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，本人決定選擇6自由度的手臂結(jié)構(gòu)，同樣有一定的壁障能力。[5]經(jīng)過(guò)CAD繪制，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4.1所示。 O Z x X 圖4.1機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 本人設(shè)計(jì)的手臂主要有6個(gè)自由度，分別是Z軸上的直線移動(dòng)，三個(gè)繞Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，一個(gè)沿著Y軸的直線移動(dòng)，和一個(gè)繞X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)是基于上文第二章所說(shuō)的，選 擇了一個(gè)多關(guān)節(jié)型的機(jī)械手臂，其特點(diǎn)是動(dòng)作靈活，有一定的壁障能力，同時(shí)能達(dá)到大部分的三維空間。在設(shè)計(jì)時(shí)，本人把在X軸的位移，選擇用兩個(gè)繞Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)副來(lái)完成，原因是利于空間的節(jié)省，同時(shí)有利于把采摘好的水果送到所需位置。例如在水果采摘完成后可以通過(guò)繞Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)把水果旋轉(zhuǎn)一周放到另一個(gè)工位。這樣的結(jié)構(gòu)其靈活性較高，只需電機(jī)驅(qū)動(dòng)，非常有利于節(jié)省空間，避免觸傷枝條等。 4.2機(jī)械手空間分析和尺寸計(jì)算 在設(shè)計(jì)機(jī)械手臂的外形布置后需要求出其能到達(dá)的空間點(diǎn)的計(jì)算公式，供后續(xù)控制使用，其尺寸布置如圖4.2所示，其中j、l的尺寸是固定尺寸，其大小取決于所需到達(dá)空間，即所采摘水果果樹(shù)的生長(zhǎng)情況。剩下的為不確定數(shù)值，取決于所采摘水果在空間的位置。由圖可知： 設(shè)水果在二維平面空間上的一點(diǎn)(x，y)，此時(shí)各部位的角度和長(zhǎng)度如圖4.2所示則有以下(x,y)的空間表達(dá)式，其中j恒大于l： 當(dāng)α為正數(shù)（如圖所示為正數(shù)，計(jì)算時(shí)無(wú)論正負(fù)都取正數(shù)），β≤90°時(shí)： x=j?cosα+l?sin（β2），y=k+j?sinα?l?cosβ (4-1) 當(dāng)α為負(fù)數(shù)，β≤90°時(shí)： x=j?cosα?l?cos（β2），y=k?j?sinα?lsin（β2） (4-2) 當(dāng)α為正數(shù)，α+90°≥β≥90°時(shí)： x=j?cosα+l?sin（α+ π 2 ?β），y=k+j?sinα+l?cos（α+ π 2 –β） (4-3) 當(dāng)α為負(fù)數(shù)，α+90°≥β≥90°時(shí)： x=j?cosα+l? cos（α+ π 2 ?β），y= k?j?sinα?l?sin（α+ π 2 –β） (4-4) 當(dāng)α為正數(shù)，β≥α+90°時(shí)： x=j?cosα+l?cos（β?α+ π 2 ），y= k?j?sinα+l?sin（β?α+ π 2） （4-5） 當(dāng)α為負(fù)數(shù)，β≥α+90°時(shí)： x= j?cosα+l?cos（β?α+ π 2 ），y= k+j?sinα+l?sin（β?α+ π 2） (4-6) 由以上式子可知，在計(jì)算空間點(diǎn)的位置時(shí)，該種結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但由于其具有良好的適應(yīng)性和靈活性，本人終究還是采取了這種方式的手臂。 圖4.2手臂結(jié)構(gòu)分析圖 4.3手臂尺寸的確定 經(jīng)過(guò)以上的計(jì)算分析，只要給出各個(gè)部位的長(zhǎng)度尺寸，就可以得到水果空間點(diǎn)的表達(dá)式。由于手臂的尺寸大小是決定水果機(jī)器人采摘工作范圍的，因此，選擇手臂各尺寸時(shí)需要確定其采摘水果植株的大小。經(jīng)調(diào)查，大部分水果的植株大小都分布形狀是近似于高2m，直徑1.4m的圓柱體?，F(xiàn)設(shè)定手臂垂直移動(dòng)的手臂為第三臂，以此類(lèi)推，連接手腕轉(zhuǎn)動(dòng)部件的是第一臂，即圖4.2的l。其主要尺寸設(shè)定為第三臂為k總=1500mm，j=450mm，l=300mm。其工作范圍主要適合于像番茄等較低矮的植株類(lèi)型的水果。 4.4本章小結(jié) 經(jīng)過(guò)本章的分析計(jì)算，我們計(jì)算出了水果手臂的基本尺寸，并完成了相關(guān)solidworks建模工作。  5．動(dòng)力系統(tǒng)的選型 5.1動(dòng)力系統(tǒng)分析 驅(qū)動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)的動(dòng)力源種類(lèi)有很多，按其驅(qū)動(dòng)方式分以下幾大類(lèi)：液壓驅(qū)動(dòng)式、氣壓驅(qū)動(dòng)式、電驅(qū)動(dòng)式。表5.1是他們的優(yōu)缺點(diǎn)分析： 表5.1動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)分析 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 液壓驅(qū)動(dòng)式 1） 液壓容易達(dá)到較高的壓力(常用液壓為2.5~6.3MPa)，體積較小，可以獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩； 2） 液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小，工作平穩(wěn)可靠，并可得到較高的位置精度； 3） 液壓傳動(dòng)中，力、速度和方向比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制； 4） 液壓系統(tǒng)采用油作介質(zhì)，具有防銹性和自潤(rùn)滑性能，可以提高機(jī)械效率，使用壽命長(zhǎng)。 5） 體積小，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速 1） 油液的粘度隨溫度變化而變化，影響工作性能，高溫容易引起燃燒爆炸等危險(xiǎn)； 2） 液體的泄漏難于克服，要求液壓元件有較高的精度和質(zhì)量，故造價(jià)較高； 3） 需要相應(yīng)的供油系統(tǒng)，尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴(yán)格的濾油裝置，否則會(huì)引起故障； 4） 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)難； 氣壓驅(qū)動(dòng)式 1） 壓縮空氣粘度小，容易達(dá)到高速(1m/s)； 2） 利用工廠集中的空氣壓縮機(jī)站供氣，不必添加動(dòng)力設(shè)備； 3） 空氣介質(zhì)對(duì)環(huán)境無(wú)污染，使用安全，可直接應(yīng)用于高溫作業(yè)； 4） 氣動(dòng)元件工作壓力低，故制造要求比液壓元件低。 1） 壓縮空氣常用壓力為0.4~0.6MPa，若要獲得較大的力，其結(jié)構(gòu)就要相對(duì)增大 2） 空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要達(dá)到準(zhǔn)確的位置控制很困難； 3） 壓縮空氣的除水問(wèn)題是一個(gè)很重要的問(wèn)題，處理不當(dāng)會(huì)使鋼類(lèi)零件生銹。此外，排氣還會(huì)造成噪聲污染。  電驅(qū)動(dòng)式 1） 控制簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)較小，相對(duì)于氣壓驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)精度較高； 2） 電機(jī)可以正反轉(zhuǎn)，有利于機(jī)械結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)較氣壓平穩(wěn)； 3） 價(jià)格便宜，可進(jìn)行速度控制 1） 驅(qū)動(dòng)力較小，在電壓不穩(wěn)定時(shí)，容易出現(xiàn)，震動(dòng)等狀況； 2） 步進(jìn)電機(jī)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)失步現(xiàn)象； 3） 需要特定的控制元件； 經(jīng)過(guò)以上分析，本人選擇以電機(jī)為機(jī)械手的動(dòng)力源。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)分為普通交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，交、直流伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)需要加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機(jī)器人。伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出力矩相對(duì)小，控制性能好，可實(shí)現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機(jī)器人。交、直流伺服電動(dòng)機(jī)一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)則主要用于開(kāi)換控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度要求不高的場(chǎng)合。 由于步進(jìn)電機(jī)有其良好的速度和位置的精確控制能力，且在輸出力矩足夠的情況下可以不使用減速器。其可以由PLC系統(tǒng)來(lái)控制，有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)器手控制的智能化和一體化。 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱(chēng)為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 5.2各元件動(dòng)力系統(tǒng)的選擇與計(jì)算 5.2.1末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)直線步進(jìn)電機(jī)的選擇 末端執(zhí)行器即機(jī)械手指是機(jī)械手最重要的部件，因此必須選擇一個(gè)合適的電機(jī)完成手部動(dòng)作。在選擇電機(jī)之前先估算手指需要多大的抓緊力?，F(xiàn)假設(shè)一些已知條件，設(shè)采摘水果的最大重量為500g，由于手抓的抓緊力是非線性的，因此在選擇電機(jī)時(shí)應(yīng)選擇大于其最大夾緊力。由手指結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)手指完全伸直采用捏取動(dòng)作采摘水果的時(shí)候所需夾緊力最大。其主要靠手指產(chǎn)生的摩擦力完成。其力學(xué)模型經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化如圖5.1所示。計(jì)算過(guò)程如下： 水果收到的重力為： G=mg (5-1) 夾住水果所需的正壓力為N，設(shè)摩擦系數(shù)為0.5： N=mgμ (5-2) 由力矩平衡原理（設(shè)推力為F）可知 ： F=mgkμl (5-3) 由于該推桿是由直線步進(jìn)電機(jī)推動(dòng)，其推力由步進(jìn)電機(jī)的力矩和螺桿的螺距等因素決定。經(jīng)查詢直線步進(jìn)電機(jī)軸向力（推力）計(jì)算公式[2]： T=F×P2πn? (5-4) F:推桿的推力即電機(jī)軸向力； P:螺桿的導(dǎo)程； n:螺桿的效率； ?:摩擦系數(shù)； 聯(lián)立公式(5-3)和(5-4)得出所需步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為： T=mgkp2πμln? (5-5) 現(xiàn)有已知條件：m=0.5kg，k=144mm，l=60mm，n=80%，μ=0.5，p=2mm，?=0.5； 取安全系數(shù)k1=2，經(jīng)計(jì)算所需步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩為T(mén)=0.15Nm； 圖5.1手爪靜力分析圖 現(xiàn)選擇42HS34095S4T8步進(jìn)電機(jī),其參數(shù)見(jiàn)表5.1： 表5.1直線步進(jìn)電機(jī)參數(shù) 電機(jī)型號(hào) 步距角 （°） 機(jī)身長(zhǎng)度（mm） 電流 （A） 電阻 （Ω） 電感 （mH） 42HS34095S4T8 0.04 34 0.95 4 3 靜力矩（N?m） 定位力矩（N?cm） 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 （g?cm2） 引線數(shù)（No.） 重量 （g） 0.27 1.6 34 4 200 該電機(jī)的外形尺寸如圖5.2所示: 圖5.2電機(jī)尺寸數(shù)據(jù) 5.2.2手腕電機(jī)的選型 手腕主要有兩個(gè)動(dòng)作，一個(gè)是繞y軸的旋轉(zhuǎn)，一個(gè)是繞x軸的旋轉(zhuǎn)（見(jiàn)圖4.1）。經(jīng)上述類(lèi)似計(jì)算選得42步進(jìn)電機(jī)，其參數(shù)如表5.2所示： 表5.2手腕電機(jī)參數(shù) 型號(hào) 步距角（°） 機(jī)身長(zhǎng)（mm） 電壓（V） 電流（A） 電阻（Ω） 17HS3601 1.8 33 12 0.16 75 電感（mH） 靜力矩（N?cm） 定位力矩（N?cm） 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（g?cm2） 引線數(shù)（No.） 重量（g） 40 26 1.5 35 4 200 5.2.3手臂電機(jī)的選擇 手臂電機(jī)是提供手爪運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿ρb置。手臂主要由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)來(lái)分別驅(qū)動(dòng)。先假設(shè)手爪在抓取果實(shí)后的總重量為2kg。第一手臂長(zhǎng)度為300mm。則知需要的輸出扭矩為T(mén)： T=mg?l=6N?m 由于有齒輪增加電機(jī)的輸出力矩。齒輪傳動(dòng)比為1：3.2，則所需電機(jī)的輸出功率為T(mén)=1.875N?m 經(jīng)查詢選擇57步進(jìn)電機(jī)作為其參數(shù)如表5.3所示： 表5.3第一手臂步進(jìn)電機(jī)參數(shù) 電機(jī)型號(hào) 步距角 （°） 機(jī)身長(zhǎng)度（mm） 相電壓 （V） 相電流 （A） 相電感 （mH） 57BYGH7610 1.8 76 8.6 1 18 靜力矩（N?cm） 引線數(shù)（No.） 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（g?cm2） 重量 （g） 相電阻 （Ω） 200 4 480 800 8.6 同理估算第二手臂所需的輸出力矩為T(mén): T=m1g(l+j)+m2g?j (5-6) m1:手爪及手腕重量； m2:第一手臂電機(jī)及第一手臂重量； l:第一手臂長(zhǎng)度； j:第二手臂長(zhǎng)度； 經(jīng)計(jì)算得出T=19.5N?m。其需要使用減速器來(lái)增大電機(jī)的輸出扭矩。經(jīng)查詢選擇傳動(dòng)比為10的步進(jìn)電機(jī)減速器可以達(dá)到所需要的輸出扭矩。同樣選擇表5.3的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)。其減速器參數(shù)如表5.4： 表5.4第二手臂電機(jī)減速器參數(shù) 減速比 長(zhǎng)度（mm） 額定負(fù)載（N?m） 最大負(fù)載（N?m） 效率 （%） 重量 （kg） 最大輸入轉(zhuǎn)矩（rpm） 10 53 25 40 95 0.8 5000 其結(jié)構(gòu)尺寸如圖5.3所示： 圖5.3電機(jī)減速器尺寸圖 5.2.4直線電動(dòng)滑臺(tái)的選擇 由于第三臂采用市場(chǎng)上有的電動(dòng)滑臺(tái)，其推力大，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)使絲杠螺母產(chǎn)生推力使滑塊運(yùn)動(dòng)，其原理與上文的直線運(yùn)動(dòng)電機(jī)類(lèi)似。現(xiàn)選擇能馳機(jī)電可訂做的電動(dòng)滑臺(tái)其參數(shù)如表5.5 表5.5電動(dòng)滑臺(tái)參數(shù) 規(guī)格 40缸徑 傳動(dòng)方式 重復(fù)定位精度（mm） 螺桿直徑（mm） 螺桿導(dǎo)程（mm） 最快速度（m/s） 加強(qiáng)型 螺桿傳動(dòng) 0.02 20 10 500 最大負(fù)載，平使用（kg） 最大負(fù)載，垂直使用（kg） 額定推力（N） 有效行程（mm） 65 35 690 1-1500 5.3本章小結(jié) 經(jīng)過(guò)對(duì)各個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析與選型，基本確定了其主要的動(dòng)力裝置型號(hào)。  6.齒輪校核計(jì)算及材料選擇 6.1齒輪校核計(jì)算 由上一章提到，在選擇第一臂動(dòng)力裝置時(shí)需要一個(gè)傳動(dòng)比為1:3.2的齒輪減速系統(tǒng)。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)課本的齒輪設(shè)計(jì)選擇方式進(jìn)行齒輪的校核選擇（注：以下齒輪計(jì)算所用圖表及公式均來(lái)自于《機(jī)械設(shè)計(jì)》）[9]： 1.選定齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù) 1） 選擇直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。 2） 由于其轉(zhuǎn)速不高，選用7級(jí)精度(GB 10095-88)。 3） 材料選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)）硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。 4） 選擇小齒輪齒數(shù)z1=20，大齒輪齒數(shù)z2=3.2×24=76.8，取z2=77。 2.確定應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，由式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù),設(shè)該機(jī)器手每年工作100天，每天工作8小時(shí)，能工作10年。 N1=60n1jLh=60×1×1×(8×100×10)=4.8×105 N2=N13.2