【正文】 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) I 摘 要 水果和蔬菜是人類生活中必不可少的食物 ， 種植面積和產(chǎn)量逐年提高。研究開發(fā)適合目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的果蔬采摘機(jī)器人 ， 不僅可以很大程度減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率 ， 而且具有廣闊的應(yīng)用前景。 本文在充分了解國內(nèi)外相關(guān)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上 ， 對小漿果采集機(jī)械手進(jìn)行了研究。 分析了機(jī)械手 的組成結(jié)構(gòu)、 各組成部分的功能、工作原理 完成了 采摘機(jī)械手部分的設(shè)計(jì)。包括 腰部轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié) 、 大臂、 小臂、腕部、末端執(zhí)行器具體結(jié)構(gòu)的 設(shè)計(jì) ，該機(jī)械手具有較好的工作空間、運(yùn)動(dòng)學(xué)特性 ， 能夠滿足小漿果 采集的 工作要求 ， 在提高工作效率和采摘質(zhì)量的同時(shí) ， 應(yīng)考慮盡量降低 小漿果采集機(jī)械手 的制造成本 ， 提高其通用性 ， 以期實(shí)現(xiàn)小漿果采集 的商業(yè)化。 關(guān)鍵詞： 小漿果采集；機(jī)械手； 采集機(jī)械手；小漿果；機(jī)械手設(shè)計(jì) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) II ABSTRACT Fruit and vegetables are absolutely necessarily food in our lives,the planted and output of them is boosting yearby and development about robot for picking fruit and vegetables that adapt to growth practical at present, not only canalleviate intensity of labour and advance productivity effect,also have expansive appliedp rospect. In this paper, both at home and abroad to fully understand the current situation related to the research and application on the basis of the collection of small berries manipulator is studied. Analyzed the position of the structure of robot,the ponent of the function, working principle of the pletion of part of the picking robot design. Including the arm, forearm, wrist,the end of the specific structure of the actuator design. The design of rotating the waist joint, the manipulator has a good working space, kinematic properties, to meet the small berries collected requirements. In improving the efficiency and quality at the same time picking,consideration should be given to minimize the collection of small berries robot manufacturing costs and enhance its versatility with a view to achieving a small business of collecting berries. Key words: Small berries collected。 Manipulator。 Collection Manipulator。 Small berries。 Manipulator design 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包 含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目 錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。 作者簽名： 日 期： 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人 承擔(dān)。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 第 1章 緒 論 機(jī)器人概述 在現(xiàn)代工業(yè)中 ， 生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題 .化工等連續(xù)性生產(chǎn)過程的自動(dòng)化已基本得到解決 .但在機(jī)械工業(yè)中 ， 加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的 .專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法 .但除切削加工本身外 ， 還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè) ， 有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化 .機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用 ， 為這些作業(yè)的機(jī)械化奠定了良好的基礎(chǔ) 。 “工業(yè)機(jī)器人”（ Industrial Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨(dú)立的自動(dòng)抓取、搬運(yùn)工件、操作工具的裝置（國內(nèi)稱作工業(yè)機(jī)器人或通用機(jī)器人） 。 機(jī)器人是一種具有人體上肢的部分功能 ， 工作程序固定的自動(dòng)化裝置 。 機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢 ， 但功能較少 ， 適應(yīng)性較差 。 目前我國常把具有上述特點(diǎn)的機(jī)器人稱為專用機(jī)器人 ， 而把工業(yè)機(jī)械人稱為通用機(jī)器人 。 簡而言之 ， 機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手 ， 把工件由某個(gè)地方移向指定的工作位置 ，或按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工 。 機(jī)器人一般分為三類 。 第一類是不需要人工操作的通用機(jī)器人 ， 也即本 文所研究的對象 。 它是一種獨(dú)立的、不附屬于某一主機(jī)的裝置 ， 可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序 ，以完成各項(xiàng)規(guī)定操作 。 它是除具備普通機(jī)械的物理性能之外 ， 還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械 。 第二類是需要人工操作的 ， 稱為操作機(jī)（ Manipulator） 。 它起源于原子、軍事工業(yè) ， 先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè) ， 后來發(fā)展到用無線電訊號操作機(jī)器人來進(jìn)行探測月球等 。 工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇 。 第三類是專業(yè)機(jī)器人 ， 主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上 ， 用以解決機(jī)床上下料和工件傳送 。 這種機(jī)器人在國外通常被稱之為“ Mechanical Hand” ， 它是為主機(jī)服務(wù)的 ， 由主機(jī)驅(qū)動(dòng) 。除少數(shù)外 ， 工作程序一般是固定的 ， 因此是專用的 。 機(jī)器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型 ， 其中關(guān)節(jié)型機(jī)器人以其結(jié)構(gòu)緊湊 ，所占空間體積小 ， 相對工作空間最大 ， 甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點(diǎn) ， 成為機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式 ， 世界一些著名機(jī)器人的本體部分都采用這種機(jī)構(gòu)形式的機(jī)器人 。 要機(jī)器人像人一樣拿取東西 ， 最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動(dòng)機(jī)構(gòu) —— 執(zhí)行機(jī)構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)－傳黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 動(dòng)系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動(dòng)作 的控制系統(tǒng) 。 這些系統(tǒng)的性能就決定了機(jī)器人的性能 。一般而言 ， 機(jī)器人通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成 ，如圖 所示 。 圖 機(jī)器人的一般組成 對于現(xiàn)代智能機(jī)器人而言 ， 還具有智能系統(tǒng) ， 主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等 。 目前研究主要集中在賦予機(jī)器人“眼睛” ， 使它能識別物體和躲避障礙物 ，以及機(jī)器人的觸覺裝置 。 機(jī)器人的這些組成部分并不是各自獨(dú)立的 ， 或者說并不是簡單的疊加在一起 ， 從而構(gòu)成 一個(gè)機(jī)器人的 。 要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所期望實(shí)現(xiàn)的功能 ， 機(jī)器人的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約 。 它們之間的相互關(guān)系如圖 所示 。 圖 機(jī)器人各組成部分之間的關(guān)系 機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)組成 。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實(shí)體 ， 通常由連桿和關(guān)節(jié)組成 ， 由驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力 ， 按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù) 。 驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng) 。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供機(jī)器人各關(guān)節(jié)所需要的動(dòng)力 ， 傳動(dòng)系統(tǒng)則將驅(qū)動(dòng)力 轉(zhuǎn)換為滿足機(jī)器人各關(guān)節(jié)力電、液或氣動(dòng)裝置 單關(guān)節(jié)伺服控制器 關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)及其它信息交換計(jì)算機(jī) 手部 機(jī) 器 人 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng) 傳動(dòng)系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 腕部 臂部 基座部（固定或 移動(dòng) 控制系統(tǒng)（一） 控制系統(tǒng)（二） 驅(qū)動(dòng) 執(zhí)行 傳動(dòng) 機(jī)構(gòu) 裝置 智能系統(tǒng) 工作對象 位形檢測 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 矩和運(yùn)動(dòng)所要求的驅(qū)動(dòng)力或力矩 。 有的文獻(xiàn)則把機(jī)器人分為機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分 。 其中的機(jī)械系統(tǒng)又叫操作機(jī) (Manipulator)， 相當(dāng)于本文中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分 。 機(jī)器人發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高 ， 機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng) ， 尤其當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合 ， 從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài) ， 提高了生產(chǎn)效率 。 就目前來看 ， 總的來說現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢： 1)提高運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度 ， 減少重量和占用空 間 ， 加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化 ， 將機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人； 2)開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場合 ， 如開發(fā)微動(dòng)機(jī)構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機(jī)器人 ， 以適應(yīng)不同的場合； 3)研制各類傳感器及檢測元器件 ， 如 ， 觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等 ， 用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測 。 并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問題求解、動(dòng)作規(guī)劃 ， 同時(shí) ， 越來越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制 。 機(jī)械 手的工作原理 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)原理圖 1 基座 2 腰部 3 大臂 4 小臂 5 手腕 6 手指 圖 機(jī)械手的組成結(jié)構(gòu) 由于本次設(shè)計(jì)的 為 小漿果 采摘機(jī)器 手 。 本機(jī)器 手 為六自由度采摘機(jī)器 手 ， 該機(jī)器手由 機(jī)座、腰部、大臂、小臂、腕部以及末端執(zhí)行器組成 。 針對五自由度機(jī)器 手 的結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行設(shè)計(jì) 。 腰部、大臂、小臂的驅(qū)動(dòng)均采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) ， 腕部采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) 。 設(shè)計(jì)完成的機(jī)器 手 包括腰部回轉(zhuǎn)、大臂擺動(dòng)、小 臂擺動(dòng)、腕部擺動(dòng)和回轉(zhuǎn)1 2 3 4 5 6 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 以及末端執(zhí)行器的剪切運(yùn)動(dòng) ， 從而達(dá)到采摘的功能要求 。 機(jī)械手設(shè)計(jì)的目的 由于現(xiàn)在政府對農(nóng)業(yè)的重視 ， 越來越多的農(nóng)業(yè)機(jī)械興起 ， 如水稻收割機(jī)、插秧