蘋果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計-摘果機(jī)械手

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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 31 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 蘋果是我國生產(chǎn)的主要果品之一，2010年蘋果產(chǎn)量占果品總產(chǎn)量的32.73%，居三大果品(蘋果、柑橘、梨) 之首。同時我國蘋果種植面積2848萬畝，產(chǎn)量2600萬噸，分別占世界蘋果面積、產(chǎn)量的35%上，規(guī)模居世界第一。機(jī)器人采摘在蘋果采摘過程中的大量應(yīng)用能夠極大地提高采摘效率、節(jié)約成本，不過，雖然水果采摘過程中容易出現(xiàn)機(jī)械損傷，機(jī)械損傷也是門入侵的病原微生物，是爛水果的主要原因。由于受負(fù)載瘀傷的操作方面，打破，從而導(dǎo)致變質(zhì)腐爛的水果多達(dá)30%～40%，每年的損失高達(dá)數(shù)百億人民幣。機(jī)械手是與果實直接接觸的部分，因此設(shè)計一種輕巧易用且對果實損傷小的機(jī)械手顯得尤為重要。 “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)方式是工業(yè)生產(chǎn)中的一個重要應(yīng)用。采摘機(jī)器是一種通用性較強(qiáng)的自動化作業(yè)設(shè)備，末端執(zhí)行器則是直接執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的裝置，大多數(shù)末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)和尺寸都是根據(jù)其不同的作業(yè)任務(wù)要求來設(shè)計的，從而形成了多種多樣的結(jié)構(gòu)形式。通常，根據(jù)其用途和結(jié)構(gòu)的不同可以分為機(jī)械式夾持器、吸附式末端執(zhí)行器和專用的工具三類。多數(shù)情況下末端執(zhí)行器是為特定的用途而專門設(shè)計的，但也可以設(shè)計成一種適用性較大的多用途末端執(zhí)行器。 總之，末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)的種類較多，但是其中有些在技術(shù)上尚不成熟。因此，如何在現(xiàn)有的末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)的性能并從國情出發(fā)，研制出能滿足各種作業(yè)要求，實用可靠，結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉的采摘機(jī)器末端執(zhí)行器是我們的主要任務(wù)。 1.2 國內(nèi)外采摘機(jī)器發(fā)展現(xiàn)況 水果和蔬菜的采摘機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)60年代，在20世紀(jì)的美國，用于收割方法主要是機(jī)械和氣動搖晃搖晃風(fēng)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(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是在工業(yè)機(jī)器人，日益成熟的計算機(jī)圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)，采摘機(jī)器人的研究和技術(shù)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(jī)器人方面的研究相關(guān)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(lán)，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(jī)器人。 研究農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)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(yīng)魯棒跟蹤控制算法采摘機(jī)器人設(shè)計;機(jī)器人視覺傳感器設(shè)計立體的中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，劉兆祥，劉剛，誰撿到了蘋果方面江蘇大學(xué)蔡健榮三維信息，例如恢復(fù)的障礙，為柑橘采摘機(jī)器人障礙識別技術(shù)的研究;南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院和奪權(quán)的水果和蔬菜研究技術(shù)姬長英王學(xué)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(qiáng)度大、工作環(huán)境差。目前對蘋果采摘機(jī)的報道比較少，最近國內(nèi)也有一些采摘機(jī)具的專利，如堅果采摘機(jī)，這些專利能在一定程度上減輕采摘人員的勞動強(qiáng)度，改變采摘人員的工作環(huán)境；但大多結(jié)構(gòu)簡單，所以未從根本上解決采摘難度，效率低等問題。本研究以設(shè)計出實用化的蘋果采摘機(jī)為目標(biāo)，通過對蘋果采摘的工作環(huán)境和特性進(jìn)行深入分析，利用pro/e軟件對蘋果采摘機(jī)進(jìn)行三維設(shè)計和虛擬裝配，設(shè)計出蘋果采摘機(jī)末端執(zhí)行器?；窘鉀Q了采摘勞動力大、效率低等問題，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 末端執(zhí)行器是果蔬采摘機(jī)器人的另一重要部件，它的設(shè)計通常被認(rèn)為是機(jī)器人的核心技術(shù)之一。一般果蔬的外表比較脆弱，它的形狀及生長狀況通常復(fù)雜。 1.3.1獲取方式 獲取和分離果實是采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器必須實現(xiàn)的兩大關(guān)鍵動作，即首先通過抓取、吸入、勾取等一定方式獲取果實，再通過扭斷、剪切等不同方法完成果實與果梗的分離。從目前發(fā)表的文獻(xiàn)來看，獲取果實的方式主要歸為非夾持類和夾持類兩種。分離果實與果梗的方式有傳統(tǒng)的扭斷、折斷、拉斷以及通過剪刀或切刀進(jìn)行切斷，還有新式的熱切割方法等。 （1）直接切斷式 這類末端執(zhí)行器一般都是直接剪斷果梗。例如，日本開發(fā)的甜椒采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器、番茄采摘末端執(zhí)行器、美國柑橘采摘末端執(zhí)行器均為此類結(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)更能較為簡單，適用于植株冠層內(nèi)枝葉較稀疏，且果實具有一定抗沖擊能力的果蔬。 （2）吸入式 這類非夾持類末端執(zhí)行器主要是通過真空系統(tǒng)將果實吸入末端執(zhí)行器內(nèi)，再通過切斷、扭斷等方式分離果實和果梗。? 如圖1-3所示比利時開發(fā)的蘋果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，設(shè)計成漏斗的形狀，漏斗內(nèi)安置攝像機(jī)，當(dāng)有果實進(jìn)入手爪范圍的時候，真空吸引器打開將果實吸入，再通過旋轉(zhuǎn)扭斷果梗將果實采摘下來。 圖1-3 蘋果采摘末端執(zhí)行器 吸入式的末端執(zhí)行器硬件設(shè)計簡單，工作原理類似，對于果實嬌嫩、果梗柔弱細(xì)長的草莓等果實，采取吸入加勾取比夾持的獲取方式更可行，但這類末端執(zhí)行器對果實個體尺寸差異適應(yīng)能力較差動作速度較慢，穩(wěn)定性不高。 （3）夾持類? 這類末端執(zhí)行器其夾持器通常由帶有真空吸引器和數(shù)目不等的手指構(gòu)成。按手爪的個數(shù)可分為兩指和多指型。 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張凱良等人設(shè)計了草莓采摘機(jī)器人，其機(jī)械原理如圖1-4所示，該末端執(zhí)行器的夾持機(jī)構(gòu)主要有機(jī)械爪及其附屬部件構(gòu)成。 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)有的采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器研究成果來看，多采用扭斷、折斷或剪切的分離方式，一些末端執(zhí)行器對新的切割原理進(jìn)行了嘗試。 （1）扭斷、折斷、拉斷 扭斷是利用手腕的旋轉(zhuǎn)和周轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在執(zhí)行器抓牢果實后擰斷果柄，需要多次往復(fù)扭轉(zhuǎn)才能斷開果梗，末端執(zhí)行器需要較大的工作空間，這樣就難于避障。這種方式對于果柄易斷的果蔬較為實用，如番茄的采摘，但對于果柄柔韌性較高的果蔬則采摘成功率較低。 （2）剪切 相當(dāng)部分的采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器安裝了剪刀或切刀裝置，用來切斷果梗實現(xiàn)果實、果梗分離。? （3）熱切割 荷蘭瓦寧根在黃瓜采摘機(jī)器人末端執(zhí)行大學(xué)開發(fā)的根，莖改變了傳統(tǒng)的分離方法，利用兩個相反電極產(chǎn)生的熱量，當(dāng)兩個電極之間與莖接觸的高頻電流，莖高水分含量，使莖會迅速產(chǎn)生高溫“腰斬”了。這種方法避免了相互病原體感染和水分流失的問題，但這種方法需要兩個電極與莖必須是可靠的，同一長度的限制莖和植物接觸番茄常規(guī)栽培方式和品種樹冠空間，這樣所有用剪刀剪的方法很難達(dá)到滿意的效果。 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蘋果采摘特點分析 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(zhǔn)確的調(diào)整端部執(zhí)行器的姿態(tài)，從而增大控制系統(tǒng)和機(jī)制的復(fù)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(diào)節(jié)到致動器的姿勢的末端，從而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和控制機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)在手腕上，以模擬人的運(yùn)動打破手柄實現(xiàn)分離和果柄采摘蘋果或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的模擬人工的方式設(shè)計。這種方法簡單，視覺系統(tǒng)要求不高。 2.3總體方案設(shè)計 根據(jù)采摘蘋果的具體要求，提出了一種蘋果采摘末端執(zhí)行器，其結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。該執(zhí)行器由手指、手掌、機(jī)架等組成。手抓有3個手指，3個手指圓周對稱布置，即每側(cè)一個手指。每個手指有6個關(guān)節(jié)。在電機(jī)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。圖2.1所示是采用Pro/E軟件設(shè)計的蘋果采摘機(jī)末端執(zhí)行器的三維實體模型。 圖2-1 機(jī)械手機(jī)構(gòu)圖 工作原理為：機(jī)械臂將機(jī)械手送達(dá)到果實附近，機(jī)械手上的位置傳感器檢測機(jī)械手與蘋果的相對位置，當(dāng)果實進(jìn)入機(jī)械手中心位置時，位置傳感器觸發(fā)單片機(jī)控制信號，步進(jìn)電機(jī)開始正向轉(zhuǎn)動使機(jī)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(dá)到壓閾值，閾值有實驗所得出。若達(dá)到此閾值則機(jī)械手停止運(yùn)動，機(jī)械臂模擬人工采摘運(yùn)動，完成果實與果柄的分離。機(jī)械臂將果實送到指定位置后，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，手指松開，恢復(fù)到初始位置，完成果實的采摘。 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 目前的手爪的驅(qū)動源主要是采用氣壓驅(qū)動、電驅(qū)動、液壓驅(qū)動這三種[10]。 （1）氣動壓力是一個壓縮空氣驅(qū)動系統(tǒng)來驅(qū)動致動器的運(yùn)動，空氣壓縮機(jī)通常被用作動力源。氣動驅(qū)動器過載安全，結(jié)構(gòu)簡單，污染少，成本低，通過調(diào)節(jié)空氣流量，可以實現(xiàn)無級變速，但大尺寸設(shè)備的運(yùn)行速度不穩(wěn)定，定位精度不高，抓小舉行力。 （2）液壓驅(qū)動系統(tǒng)來驅(qū)動流體壓力致動器的輸出力來驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)定，固有的高效率，響應(yīng)速度快，速度很簡單，可以在很寬的范圍內(nèi)無級調(diào)速，便于適應(yīng)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(jī)低，流體溫度和粘度變化影響傳輸性能。 （3）電動驅(qū)動模式包括步進(jìn)電機(jī)，直流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)和力矩電機(jī)等驅(qū)動器類型。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)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(yīng)速度快，可靠，無累積誤差等。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量，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。 基于步進(jìn)電機(jī)的這些優(yōu)點本設(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)電動機(jī)又稱為脈沖電動機(jī)，是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速（或線速度）與脈沖頻率成正比；②在負(fù)載能力允許的范圍內(nèi)，不因電源電壓、負(fù)載、環(huán)境條件的波動而變化；③速度可調(diào)，能夠快速起動、制動和反轉(zhuǎn)；④定位精度高、同步運(yùn)行特性好。 擺盤機(jī)臂部升降機(jī)構(gòu)要求電動機(jī)電位精度高，速度調(diào)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(jìn)電動機(jī)為反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，具備以上的所有條件，我們選用了型號90BF004的反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)作為主運(yùn)動的動力源，該機(jī)功率為60W。選用時主要有以下幾個步驟： （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(fù)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(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 手指握持力與一個大的，高負(fù)載能力，良好的通用性，能夠抓住任意形狀，更寬的應(yīng)用范圍的目的，同時減少驅(qū)動源的數(shù)量，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得簡單，容易控制。 3.2.1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(jī)器人使用了兩個有直接吸搶果的指尖最線性驅(qū)動器。相對的兩個手指，三個手指也有一些研究采摘機(jī)器人，3指的是機(jī)器人搶水果的穩(wěn)定性更好。 3.2.2手指關(guān)節(jié)數(shù)量 關(guān)節(jié)執(zhí)行器抓取密切相關(guān)的端部效應(yīng)數(shù)量越多關(guān)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(qū)動裝置的數(shù)量，驅(qū)動器將增加增大控制的數(shù)量的難度，同時導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，從而產(chǎn)生負(fù)面影響。 本文所設(shè)計的采摘機(jī)器人采摘的使用四連桿機(jī)構(gòu)作為傳動機(jī)構(gòu)，所欠的手指驅(qū)動的多手指關(guān)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(biāo)準(zhǔn)》，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(shè)計機(jī)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。 3.2.3手指的材料 手指選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，使用在機(jī)器人很大的影響作用。遵從手的結(jié)構(gòu)尺寸，手指，同時保持足夠的光強(qiáng)度和質(zhì)量，系統(tǒng)將雙手尼龍材料的選擇。尼龍具有很高的機(jī)械強(qiáng)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3-2 手指結(jié)構(gòu) 3.3機(jī)架的設(shè)計 機(jī)架主要是用來安裝驅(qū)動機(jī)構(gòu)和手掌，小巧的機(jī)身，體積小，重量輕的設(shè)計要求。這樣的設(shè)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(dá)構(gòu)成的支撐柱的安裝位置。將主手指擋塊的上部。機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。 機(jī)器人可分為棕櫚基和棕櫚基類。手掌可以增加關(guān)于這個問題的制約，有棕櫚機(jī)器人具有廣泛的適用性，操作方便的特點。無機(jī)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(jī)械手的手掌被廣泛應(yīng)用于特殊的保持機(jī)構(gòu)。 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)是手指的初始結(jié)構(gòu),手指無接觸外力，整個手指以單一剛體繞支點運(yùn)動；(b)表示指節(jié)1接觸物體；(c) 表示指節(jié)2相對指節(jié)1的轉(zhuǎn)動，指節(jié)2向物體方向彎曲，這時驅(qū)動力需克服彈簧作用力；(d)兩指節(jié)接觸物體，手指完成形適合階級,驅(qū)動件的驅(qū)動力傳遞到兩指節(jié)上。 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)是獨立的自由度的數(shù)目比的傳動機(jī)構(gòu)的數(shù)目。采摘機(jī)器人可以做到無論是搶的信封，你可以使用pick關(guān)節(jié)面的結(jié)束意味著精確的方式抓取。依靠被動順從的方式，采摘能力的手指抓取物體具有形狀自適應(yīng)。 提取的手指1的第一關(guān)節(jié)的包絡(luò)成與所述第一對象和該對象的反作用力，由于反作用力的接觸，第一關(guān)節(jié)的運(yùn)動將受到限制，并且在手指的第二關(guān)節(jié)被約束在由于沒有下傳動機(jī)構(gòu)接近物體的持續(xù)作用驅(qū)動的，最后的兩個指節(jié)和表面接觸。 實現(xiàn)操作的春天，機(jī)械限位和平行四邊形機(jī)構(gòu)的共同作用下精確抓取。由拇指的端部和食指夾持器聯(lián)合??一對在所施加的力相反的方向的物體，以限制對象來實現(xiàn)爬行的運(yùn)動的作用。 包絡(luò)抓取的靜力學(xué)模型如圖4.2所示。 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、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為外力作用點在外力作用方向上的虛擬速度向量，由各接觸點的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)夾緊手指時的不同直徑的工件會產(chǎn)生變化的軸向位置，使得鉗位誤差。采摘手指的抓地力和雙支點原理轉(zhuǎn)換回一個類似的原則手指夾住，如此就可以按照雙支點回轉(zhuǎn)型手指祝福誤差計算。 圖4.4 雙支點回轉(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,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第一個提出了參數(shù)化設(shè)計的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征的相關(guān)性問題。Pro/E的基于特征方式，能夠?qū)⒃O(shè)計至生產(chǎn)全過程集成到一起，實現(xiàn)并行工程設(shè)計。Pro/E采用了模塊方式，可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計、鈑金設(shè)計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。 （1）參數(shù)化設(shè)計 相對于產(chǎn)品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無論多么復(fù)雜的幾何模型，都可以分解成有限數(shù)量的構(gòu)成特征，而每一種構(gòu)成特征，都可以用有限的參數(shù)完全約束，這就是參數(shù)化的基本概念。 （2）基于特征建模 Pro/E是基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。 （3）單一數(shù)據(jù)庫 Pro/Engineer是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，不像一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個部門的。換言之，在整個設(shè)計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應(yīng)在整個設(shè)計過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。這種獨特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計的完整的結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計結(jié)合起來。這一優(yōu)點，使得設(shè)計更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場，價格也更便宜。 Pro/Engineer功能如下： （1）特征驅(qū)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(guān)系來進(jìn)行設(shè)計； （4）支持大型、復(fù)雜組合件的設(shè)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(shè)計的程序化方法等）。 （5）貫穿所有應(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）。其它輔助模塊將進(jìn)一步提高擴(kuò)展 Pro/ENGINEER的基本功能。 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)計與制造過程中，首先是概念設(shè)計和方案論證，然后進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計,為了驗證設(shè)計的合理性，通常要制造樣機(jī)進(jìn)行性能試驗，有時這些試驗是破壞性的。當(dāng)通過試驗發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷時，又要重新修改設(shè)計，并用樣機(jī)重新驗證。只有通過周而復(fù)始的“設(shè)計－試驗—設(shè)計”過程，產(chǎn)品才能達(dá)到要求的性能。這一過程是冗長的，尤其對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)思路其設(shè)計周期無法縮短，更談不上市場競爭力。 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）為之提供了一套行之有效的運(yùn)動仿真解決方案，即Pro/E的運(yùn)動仿真技術(shù)是利用Pro/E建立模擬系統(tǒng)的三維實體模型和力學(xué)模型，在計算機(jī)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(jìn)行仿真分析，預(yù)測產(chǎn)品的整體性能，進(jìn)而改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計、提高產(chǎn)品性能的先進(jìn)技術(shù)，其目的是為物理機(jī)樣的設(shè)計和制造提供依據(jù)。 運(yùn)動仿真技術(shù)是從分析解決產(chǎn)品整體性能及其相關(guān)問題的角度出發(fā)，解決傳統(tǒng)的設(shè)計與制造過程弊端的高新技術(shù)。工程設(shè)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(yùn)動仿真內(nèi)定義零部件間的連接關(guān)系并進(jìn)行虛擬裝配，從而獲得機(jī)械設(shè)計系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)，在各種虛擬環(huán)境中真實地模擬系統(tǒng)的運(yùn)動，并對其在各種工況下的運(yùn)動和受力情況進(jìn)行仿真分析，仿真試驗不同的設(shè)計方案，對整個系統(tǒng)進(jìn)行不斷改進(jìn)，直至獲得最優(yōu)設(shè)計方案，再做物理樣機(jī)。這樣做的意義在于減少了甚至免除了制作物理樣機(jī)的經(jīng)費(fèi)，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，提高了市場競爭力。 5.3.2仿真過程 （1）機(jī)構(gòu)仿真 (a)打開裝配圖，點擊“機(jī)構(gòu)”命令 圖5-10點擊“機(jī)構(gòu)” (b)建立伺服電動 圖5-11建立電動機(jī) (c)點擊“機(jī)構(gòu)分析”，彈出界面 圖5-12機(jī)構(gòu)分析 (d)點擊運(yùn)行 （2）仿真動畫獲取 (a)點擊“回放”-右鍵選擇“播放” 圖5-13啟動動畫 (b)點擊 “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) 畢業(yè)設(shè)計是大學(xué)學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實際相結(jié)合的學(xué)習(xí)機(jī)會，通過這次對變電站巡檢全向移動小車?yán)碚撝R和實際設(shè)計的相結(jié)合，鍛煉了我的綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識，解決實際工程問題的能力，同時也提高了我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計手冊、設(shè)計規(guī)范能力以及其他專業(yè)知識水平，而且通過對整體的掌控，對局部的取舍，以及對細(xì)節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗得到了豐富，并且意志品質(zhì)力，抗壓能力以及耐力也都得到了不同程度的提升。 這是我們都希望看到的也正是我們進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計的目的所在，提高是有限的但卻是全面的，正是這一次畢業(yè)設(shè)計讓我積累了許多實際經(jīng)驗，使我的頭腦更好的被知識武裝起來，也必然讓我在未來的工作學(xué)習(xí)中表現(xiàn)出更高的應(yīng)變能力，更強(qiáng)的溝通力和理解力。 順利如期的完成本此畢業(yè)設(shè)計給了我很大的信心，讓我了解專業(yè)知識的同時也對本專業(yè)的發(fā)展前景充滿信心，但同時也發(fā)現(xiàn)了自己的許多不足與欠缺，留下了些許遺憾，不過不足與遺憾不會給我打擊只會更好的鞭策我前行，今后我更會關(guān)注新科技新設(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)。 參考文獻(xiàn) [1] 成大先. 機(jī)械設(shè)計手冊（第5版）[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008. 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The Utah/MIT hand: Works in progress [J].International Journal of Robotics Research.1986,4(3):221-250. 致 謝 在本文即將結(jié)束之際，請允許我對在這四年的大學(xué)生活學(xué)習(xí)中給予我支持和鼓勵的各位老師和同學(xué)致以深深的感謝。 首先，我要感謝我的指導(dǎo)老師，感謝他在我的研究和學(xué)習(xí)過程中給予我的指導(dǎo)和幫助。老師深厚的理論素養(yǎng)，淵博的學(xué)識和誨人不倦的精神使我受益非淺，更重要的是，老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)風(fēng)范和對學(xué)術(shù)問題的概括與抽象能力在潛移默化中影響著我，教育著我。在大學(xué)生活中，老師對我的言傳身教以及給予我許多無私的關(guān)心和幫助，所有這些不僅是我得以順利地完成本文，而且更是使我終身受益。我還要感謝系里的各位老師，他們?yōu)槲业漠厴I(yè)設(shè)計提出諸多良好的建議以及努力方向，使我得以較快地完成設(shè)計。 其次，我還要特別感謝我的母校，為我提供了一個先進(jìn)的學(xué)習(xí)、工作環(huán)境，能讓我順利完成自學(xué)考試的各個課程。 最后，請讓我將這篇學(xué)士學(xué)位論文獻(xiàn)給我的父母親，感謝他們的養(yǎng)育之恩，感謝他們使我成為一個對社會有用的人，他們的關(guān)懷、支持和鼓勵是我所有信念的力量源泉。