【正文】 指導下進行的研究工作及取得的成果。 關鍵詞： 小漿果采集；機械手； 采集機械手；小漿果；機械手設計 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 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。研究開發(fā)適合目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際的果蔬采摘機器人 ， 不僅可以很大程度減輕勞動強度、提高生產(chǎn)效率 ， 而且具有廣闊的應用前景。 本文在充分了解國內外相關研究和應用現(xiàn)狀的基礎上 ， 對小漿果采集機械手進行了研究。 Manipulator。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，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 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人授權 大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 機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化裝置 。 機器人一般分為三類 。 第二類是需要人工操作的 ， 稱為操作機（ Manipulator） 。 這種機器人在國外通常被稱之為“ Mechanical Hand” ， 它是為主機服務的 ， 由主機驅動 。 這些系統(tǒng)的性能就決定了機器人的性能 。 機器人的這些組成部分并不是各自獨立的 ， 或者說并不是簡單的疊加在一起 ， 從而構成 一個機器人的 。 執(zhí)行機構是機器人賴以完成工作任務的實體 ， 通常由連桿和關節(jié)組成 ， 由驅動－傳動系統(tǒng)提供動力 ， 按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務 。 其中的機械系統(tǒng)又叫操作機 (Manipulator)， 相當于本文中的執(zhí)行機構部分 。 機械 手的工作原理 機械手的結構原理圖 1 基座 2 腰部 3 大臂 4 小臂 5 手腕 6 手指 圖 機械手的組成結構 由于本次設計的 為 小漿果 采摘機器 手 。 設計完成的機器 手 包括腰部回轉、大臂擺動、小 臂擺動、腕部擺動和回轉1 2 3 4 5 6 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 6 以及末端執(zhí)行器的剪切運動 ， 從而達到采摘的功能要求 。 處于這種目的 ， 所以設計這樣相對實用的機械手 。 1)對機 械手 整機設計的基本要求：實現(xiàn)預定的使用功能是機械設計的最基本要求 ，好的使用性能指標是設計的主要目標 。在設計機器時要全面綜合的考慮 。 要求在預定的工作期限內正?？煽康毓ぷ?， 從而保證機器的各種功能的正常實現(xiàn) 。設計時要合理選擇材料和毛坯的形式、設計簡單合理的零件結構、合理規(guī)定零件的加工的公差等級以及認真考慮零件的加工工藝性和裝配工藝性 。 為了滿足采摘高度等的要求該機器人具有 6 個自由度 ， 即腰關節(jié)的轉動、大臂的擺動、小臂的擺動、腕部的轉動、腕部的俯仰、末端執(zhí)行器的剪切運動 。 工作機是機器的執(zhí)行機構 ，用來實現(xiàn)機器的動力和運動功能 ， 如機器人的末端執(zhí)行器就是工作機 。 為實現(xiàn)以上要求 ， 可以有不同的運動組合 ， 本課題的運動可以從以下四種方案中進行選擇： 1)直角坐標型 機器人的空間結構是用 三個相互垂直的直線 運動來實現(xiàn)的 。 2)圓柱坐標型 機器人的空間運動是一個回轉運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的 。 4)關節(jié)型 （ 又稱回轉坐標型 ）機器人的空間結構由三個回轉運動實現(xiàn)的 ， 這種機器人的手臂與人體上肢類似 ， 其前三個關節(jié)都是回轉關節(jié) ， 這種機器人一般由立柱和大小臂組成 ， 立柱與大臂間形成肩關節(jié) ， 大臂和小臂間形成肘關節(jié) ， 可使大臂作回轉運動和使大臂作俯仰擺動 ， 小臂作俯仰擺動 。 所以 ， 本文采用的機器人的結構形式為關節(jié)型 結構 。 功率 /質量比大 ， 體積小 ， 結構緊湊 ， 密封問題較大 結構適當 ， 執(zhí)行機構可標準化、模擬化 ， 易實現(xiàn)直接驅動 。 傳動方式 傳動裝置是一種實現(xiàn)能量傳遞和兼有其他作用的裝置 ， 它的主要作用有 :能量的分配與傳遞 ； 運動形式的改變 ； 運動速度的改變 。 帶傳動 ：帶傳動通常是由主動輪、從動輪和張緊在兩輪上的傳動帶所組成的 。 鏈傳動：鏈傳動是由鏈條和主、從動鏈輪所組成的 。 鏈傳動的主要缺點是 :在兩根平行軸間只能用于同向回轉的傳動 ； 運轉時不能保持恒定的瞬時傳動比 ； 磨損后易發(fā)生跳齒 ；工作時有噪聲 ； 不宜在速度變化很大和異速方向的運動中應用 。 齒輪傳動的主要缺點 有 :對齒輪制造、安裝要求高 ； 齒輪制造常用插齒機和滾齒機等專用機床及專用工具 ； 通常的齒輪傳動為閉式傳動 ， 需要良好的維護保養(yǎng) ， 因此齒輪傳動成本和費用高 ； 并且齒輪傳動不適合中心距較大的兩軸間的動力傳遞 。 蝸桿傳動通常用于中、小功率非長時間連續(xù)工作的應用場合 。 齒形帶傳動原理如圖 所示 。 諧波傳動主要用于軍工、精密儀器生產(chǎn)、醫(yī)療器械、起重機、機器人等 。黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 13 波發(fā)生器是使柔輪產(chǎn)生可控彈性變形的構件 。 諧波齒輪傳動的特點如下： 1)承載能力高 諧波傳動中 ， 齒與齒的嚙合是面接觸 ， 加上同時嚙合齒數(shù)（重疊系數(shù)）比較多 ， 因而單位面積載荷小 ， 承載能力較其他傳動形式高 。 5)傳動平穩(wěn)、無沖擊 ， 無噪音 ， 運動精度高 。 制動器 制動器及其作用： 制動器是將機械運動部分的能量變?yōu)闊崮茚尫?， 從而使運動 的機械速度降低或者停止的裝置 ， 它大致可分為機械制動器和電氣制動器 兩類 。 其中最典型的是電磁制動器 。 又因為這種制動器常用于安全制動場合 ， 所以也稱為安全制動器 。 本文中 ， 該機器人實驗平臺未安裝機械制動器 ， 因此機器人的肩關節(jié)和軸關節(jié)在停止轉動的時候 ， 會因為重力因素而下落 。 本章小 結 本章擬定了機械手設計的總體方案 ， 確定了機械手結構及傳動方案 ,選擇 了制動器 。 它是機器人的第一個回轉關節(jié) 。 3)機器人的腰座是機器人的第一個回轉關節(jié) ， 它對機器人末端的運動精度影響最大 ， 因此 ， 在設計時特別注意腰部軸系及傳動鏈的精度和剛度的保證 。 驅動器一般帶有速度與位置傳感器 ， 以及制動閘 。 7)為了減輕機器人運動部分的慣量 ， 提高機器人的控制精度 ， 一般腰部回轉運動部分的殼體是比重較小 的鋁合金材料制成 ， 而不運動的基座是鑄鐵或鑄鋼材料制成 。 臂部運動的目的 :把手部送到空間運動范圍內的任意一點 。 臂部通常即受彎曲 (而且不僅是一個方向的彎曲 )， 也受扭轉 ， 應選用抗彎 和抗扭剛度較高的截面形狀 。 在一般情況下 ， 手臂的移動和回轉、俯仰均要求勻速運動 ， 但在手臂的啟動和終止瞬間 ， 運動是變化的 ， 為了減少沖擊 ， 要求啟動時間的加速度和終止前減速度不能太大 ， 否則引起沖擊和振動 。 (4)驅動系統(tǒng)中設有緩沖裝置 。 一般來說 ， 直角和圓柱坐標系機械手位置精度高 ； 關節(jié)式機械手的位置最難控制 ， 故精度差 ； 在手臂上加設定位裝置和檢測機構 ， 能較好的控制位置精度 。 本文設計的機械手腕部結構 ， 具有一個擺動的自由度和一個旋轉自由度 ， 擺動范圍為 0～ 90 度 ， 旋轉范圍為 0～ 360 度 。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 17 末端執(zhí)行器的結構 機械手手部 (末端執(zhí)行器 )結構形式多樣 ， 但總的設計都有如下幾點基本要求 : 1)應具有適當?shù)膴A緊力和驅動力 ， 手指握力 (夾緊力 )大小要適宜 ， 力量過大則動力消耗多結構龐大 ， 不經(jīng)濟 ， 甚至會損壞抓取物體 ； 力量過小則夾持不住或產(chǎn)生松動、脫落 。 4)要求結構緊湊、重量輕、效率高 ， 在保證自身剛度、強度的前提下 ， 盡可能使結構緊湊、重量輕 ， 以利于減輕手臂的負載 。 機械手手部 (末端執(zhí)行器 )的傳動機構 是向手指傳遞運動和動力 ， 以實現(xiàn)夾緊和松開動作的機構 。 腰關節(jié)傳動系統(tǒng)的設計 腰關節(jié)驅動電機的選擇 腰關節(jié)的傳動是由電機通過齒形帶 ， 再通過 同步帶帶 動腰部及整個機器人本體轉黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 18 動 。 機器人的受力情況如圖 所示： 圖 機器人受力情況 腰關節(jié)的負載轉動慣量 J （以下所計算的轉動慣量均為折算到電機軸上的轉動慣量） 外部負載的轉動慣量 : 1J 即大小臂、手腕、夾持重物的轉動慣量 ： 2212332222111 i rmrmrmJ ?? ?????? ?? （ ） 1? 、 2? 分別表示 同步 帶和齒輪傳動的效率 , ?? 、 ?? 把數(shù)字代入上式得 : 22221 ?? ??????J kg2m? = ? kg310? 2m? 大臂關節(jié)傳動系統(tǒng)的轉動慣量：估算得 3J ? kg510?? 2m? 由諧波減速器的選擇知： 243 mkgJ ??? ? 1JJ? 諧J? ??J ? kg310? 2m? 假設 電機從 0 加速到 min/3000r 所用的時間為 ， 則角加速度 22 /1 2 5 6/ 3 0 0 sr a dsr a dtnt N ?? ????? ??? （ ） 負載折算到電機軸上的轉矩 ：由電動機的選擇知 230 mkgJ ??? ? ???? )( 0 JJT （ ） (? 410?? ? )103?? ??? mN Nm? 折算到電機軸上的負載轉矩 ?T Nm? ＜電機的額定轉矩 N m?? 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 19 所以 電機的選擇符合要求 。 2）采用環(huán)形軸承的機器人腰部支承結構 。 采用薄壁密封交叉滾子軸承在機械設計手冊中查得應該采用的是 CRB20205，其參數(shù)為 mmd 200? ， mmD 260? ， mmB 25? 。 設物體的最大當量回轉半徑 R =75mm， 設末端執(zhí)行器的最大當量回轉半徑 R=20 mm， 回轉裝置及物體的重 心到回轉中心的距離 R=100mm，腕部