畢業(yè)論文終稿-蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真設(shè)計(jì)-機(jī)械手設(shè)計(jì)[購(gòu)買(mǎi)贈(zèng)送配套CAD圖紙 論文答辯優(yōu)秀]

《畢業(yè)論文終稿-蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真設(shè)計(jì)-機(jī)械手設(shè)計(jì)[購(gòu)買(mǎi)贈(zèng)送配套CAD圖紙 論文答辯優(yōu)秀]》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《畢業(yè)論文終稿-蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真設(shè)計(jì)-機(jī)械手設(shè)計(jì)[購(gòu)買(mǎi)贈(zèng)送配套CAD圖紙 論文答辯優(yōu)秀]（53頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763圖紙預(yù)覽請(qǐng)見(jiàn)文檔前面的插圖，原稿更清晰，可編輯XXXXX畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文)蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真系 名： 專業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763圖紙預(yù)覽請(qǐng)見(jiàn)文檔前面的插圖，原稿更清晰，可編輯學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師姓名： 指導(dǎo)教師職稱： 年 月蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真I摘 要蘋(píng)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(jì)通常被認(rèn)為是機(jī)器人的核心技術(shù)。本次設(shè)計(jì)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(guò)現(xiàn)有蘋(píng)果采摘機(jī)末端執(zhí)行器及人工采摘蘋(píng)果時(shí)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(duì)各主要機(jī)構(gòu)及其零件進(jìn)行設(shè)計(jì)與選擇；然后，通過(guò)靜力學(xué)分析進(jìn)行了校核；最后，采用 Pro/E 三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行了虛擬設(shè)計(jì)及仿真分析。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，鞏固了大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識(shí)，如：機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、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(jì)方法并能夠熟練使用AutoCAD、Pro/E 軟件，對(duì)今后的工作與生活具有極大意義。關(guān)鍵詞：蘋(píng)果采摘，執(zhí)行器，手指，設(shè)計(jì)蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真IIAbstractApple 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蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真III目 錄摘 要 ................................................................................................................................................IAbstract..........................................................................................................................................II第一章 緒論 ...................................................................................................................................11.1 課題研究背景及意義 ........................................................................................................1蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真IV1.2 國(guó)內(nèi)外采摘機(jī)器發(fā)展現(xiàn)況 ...............................................................................................11.3 采摘機(jī)器末端執(zhí)行器研究現(xiàn)狀 .......................................................................................21.3.1 獲取方式 ..................................................................................................................21.3.2 分離方式 ..................................................................................................................3第二章 總體方案確定 ...................................................................................................................52.1 設(shè)計(jì)要求 ............................................................................................................................52.2 蘋(píng)果采摘特點(diǎn)分析 ............................................................................................................52.3 總體方案設(shè)計(jì) ....................................................................................................................5第三章 主要機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與選擇 ...................................................................................................73.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) ................................................................................................................73.1.1 驅(qū)動(dòng)方案的選擇 ......................................................................................................73.1.2 電動(dòng)機(jī)的選擇 ..........................................................................................................73.1.3 絲桿副的選型與校核 ..............................................................................................93.1.4 軸承的選擇與校核 ................................................................................................123.1.5 鍵的選擇與校核 ....................................................................................................123.2 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ..................................................................................................................133.2.1 手指數(shù)量 ................................................................................................................133.2.2 手指關(guān)節(jié)數(shù)量 ........................................................................................................133.2.3 手指的材料 ............................................................................................................133.3 機(jī)架的設(shè)計(jì) ......................................................................................................................14第四章 力學(xué)分析與校核 .............................................................................................................154.1 手指的工作原理 ..............................................................................................................154.2 抓取時(shí)的靜態(tài)力學(xué)模型 ..................................................................................................154.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 ......................................................................................................................17蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真V4.4 夾持誤差計(jì)算 ..................................................................................................................18第五章 三維設(shè)計(jì)與仿真分析 .....................................................................................................215.1 軟件概述 .........................................................................................................................215.2 三維設(shè)計(jì)與裝配 ..............................................................................................................225.2.1 零件三維設(shè)計(jì) ........................................................................................................225.2.2 虛擬裝配 ................................................................................................................235.3 仿真分析 ..........................................................................................................................245.3.1 仿真的簡(jiǎn)單介紹 ....................................................................................................245.4.2 仿真過(guò)程 ................................................................................................................25總 結(jié) .............................................................................................................................................28參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................................29致 謝 .............................................................................................................................................30蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真VI蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真VII蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真VIII蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真IX蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真X蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真XI蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真XII蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真XIII蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真XIV蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真1第一章 緒論1.1 課題研究背景及意義蘋(píng)果是我國(guó)生產(chǎn)的主要果品之一，2010 年蘋(píng)果產(chǎn)量占果品總產(chǎn)量的 32.73%，居三大果品( 蘋(píng)果、柑橘、梨) 之首。同時(shí)我國(guó)蘋(píng)果種植面積 2848 萬(wàn)畝，產(chǎn)量 2600 萬(wàn)噸，分別占世界蘋(píng)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(píng)果采摘過(guò)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(guò)，雖然水果采摘過(guò)程中容易出現(xiàn)機(jī)械損傷，機(jī)械損傷也是門(mén)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(shí)直接接觸的部分，因此設(shè)計(jì)一種輕巧易用且對(duì)果實(shí)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(gè)安裝在移動(dòng)設(shè)備或者采摘機(jī)器手臂上，使其能夠拿起一個(gè)對(duì)象，并且具有處理、傳輸、夾持、放置和釋放對(duì)象到一個(gè)準(zhǔn)確的離散位置等功能的機(jī)構(gòu)。 ”這是末端執(zhí)行器的一個(gè)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(gè)重要應(yīng)用。采摘機(jī)器是一種通用性較強(qiáng)的自動(dòng)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(lái)設(shè)計(jì)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(mén)設(shè)計(jì)的，但也可以設(shè)計(jì)成一種適用性較大的多用途末端執(zhí)行器?？傊?，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(guó)情出發(fā)，研制出能滿足各種作業(yè)要求，實(shí)用可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)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(guó)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(guó)，用于收割方法主要是機(jī)械和氣動(dòng)搖晃搖晃風(fēng)格。缺點(diǎn)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(jì)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(jì)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(kāi)發(fā)得到了快速發(fā)展。目前，日本，荷蘭，法國(guó)，英國(guó)，意大利，美國(guó)，以色列，西班牙等國(guó)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(píng)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(méi)有真正商業(yè)化經(jīng)營(yíng)的機(jī)器人。蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真2研究農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域起步相對(duì)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(jì);機(jī)器人視覺(jué)傳感器設(shè)計(jì)立體的中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，劉兆祥，劉剛，誰(shuí)撿到了蘋(píng)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(shí)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(zhǎng)英王學(xué)林外環(huán)控制。在國(guó)內(nèi)，蘋(píng)果采摘由人工來(lái)完成，采摘效率低、采摘人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境差。目前對(duì)蘋(píng)果采摘機(jī)的報(bào)道比較少，最近國(guó)內(nèi)也有一些采摘機(jī)具的專利，如堅(jiān)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(dòng)強(qiáng)度，改變采摘人員的工作環(huán)境；但大多結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以未從根本上解決采摘難度，效率低等問(wèn)題。本研究以設(shè)計(jì)出實(shí)用化的蘋(píng)果采摘機(jī)為目標(biāo)，通過(guò)對(duì)蘋(píng)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(duì)蘋(píng)果采摘機(jī)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)和虛擬裝配，設(shè)計(jì)出蘋(píng)果采摘機(jī)末端執(zhí)行器?；窘鉀Q了采摘?jiǎng)趧?dòng)力大、效率低等問(wèn)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(jì)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(zhǎng)狀況通常復(fù)雜。1.3.1 獲取方式獲取和分離果實(shí)是采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器必須實(shí)現(xiàn)的兩大關(guān)鍵動(dòng)作，即首先通過(guò)抓取、吸入、勾取等一定方式獲取果實(shí)，再通過(guò)扭斷、剪切等不同方法完成果實(shí)與果梗的分離。從目前發(fā)表的文獻(xiàn)來(lái)看，獲取果實(shí)的方式主要?dú)w為非夾持類和夾持類兩種。分離果實(shí)與果梗的方式有傳統(tǒng)的扭斷、折斷、拉斷以及通過(guò)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(kāi)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(guó)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。蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真3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(jiǎn)單，適用于植株冠層內(nèi)枝葉較稀疏，且果實(shí)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(guò)真空系統(tǒng)將果實(shí)吸入末端執(zhí)行器內(nèi)，再通過(guò)切斷、扭斷等方式分離果實(shí)和果梗。 如圖 1-3 所示比利時(shí)開(kāi)發(fā)的蘋(píng)果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，設(shè)計(jì)成漏斗的形狀，漏斗內(nèi)安置攝像機(jī)，當(dāng)有果實(shí)進(jìn)入手爪范圍的時(shí)候，真空吸引器打開(kāi)將果實(shí)吸入，再通過(guò)旋轉(zhuǎn)扭斷果梗將果實(shí)采摘下來(lái)。圖 1-3 蘋(píng)果采摘末端執(zhí)行器吸入式的末端執(zhí)行器硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，工作原理類似，對(duì)于果實(shí)嬌嫩、果梗柔弱細(xì)長(zhǎng)的草莓等果實(shí)，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(duì)果實(shí)個(gè)體尺寸差異適應(yīng)能力較差動(dòng)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(gè)數(shù)可分為兩指和多指型。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)張凱良等人設(shè)計(jì)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。蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真41.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(lái)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(duì)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(shí)后擰斷果柄，需要多次往復(fù)扭轉(zhuǎn)才能斷開(kāi)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(duì)于果柄易斷的果蔬較為實(shí)用，如番茄的采摘，但對(duì)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(lái)切斷果梗實(shí)現(xiàn)果實(shí)、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(kāi)發(fā)的根，莖改變了傳統(tǒng)的分離方法，利用兩個(gè)相反電極產(chǎn)生的熱量，當(dāng)兩個(gè)電極之間與莖接觸的高頻電流，莖高水分含量，使莖會(huì)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(wèn)題，但這種方法需要兩個(gè)電極與莖必須是可靠的，同一長(zhǎng)度的限制莖和植物接觸番茄常規(guī)栽培方式和品種樹(shù)冠空間，這樣所有用剪刀剪的方法很難達(dá)到滿意的效果。蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真5蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真6第二章 總體方案確定2.1 設(shè)計(jì)要求本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)械手應(yīng)該具有制造成本低、控制簡(jiǎn)單、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性好等特點(diǎn)同時(shí)機(jī)械手的整機(jī)設(shè)計(jì)，要遵循以下的設(shè)計(jì)原則：（1）執(zhí)行器有三到四個(gè)手指，每個(gè)手指有三節(jié)（2）夾持蘋(píng)果直徑 5-15cm，高度 5-15cm2.2 蘋(píng)果采摘特點(diǎn)分析目前，實(shí)現(xiàn)采摘的主要途徑有以下幾種：（1）采用吸盤(pán)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(gè)很好的位置來(lái)檢測(cè)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(kāi)莖，稈這個(gè)方法需要一個(gè)好的位置，以檢測(cè)并精確地調(diào)節(jié)到致動(dòng)器的姿勢(shì)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(cè)稈制成的高要求的視覺(jué)系統(tǒng)中的位置。（4）人工采摘蘋(píng)果，輕輕握住果實(shí)，食指按住稈，然后向上提起，使果柄與果枝部位從離層斷開(kāi)，輕輕取出果實(shí)。蘋(píng)果莖脆弱，容易分離，因此通過(guò)垂直旋轉(zhuǎn)在手腕上，以模擬人的運(yùn)動(dòng)打破手柄實(shí)現(xiàn)分離和果柄采摘蘋(píng)果或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的模擬人工的方式設(shè)計(jì)。這種方法簡(jiǎn)單，視覺(jué)系統(tǒng)要求不高。2.3 總體方案設(shè)計(jì)根據(jù)采摘蘋(píng)果的具體要求，提出了一種蘋(píng)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(gè)手指，3 個(gè)手指圓周對(duì)稱布置，即每側(cè)一個(gè)手指。每個(gè)手指有 6 個(gè)關(guān)節(jié)。在電機(jī)控制下，通過(guò)絲桿拉動(dòng)手指下部的拉桿實(shí)現(xiàn) 3個(gè)手指的聯(lián)動(dòng)，以及對(duì)不同形狀物體的夾持。圖 2.1 所示是采用 Pro/E 軟件設(shè)計(jì)的蘋(píng)果采摘機(jī)末端執(zhí)行器的三維實(shí)體模型。蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真7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(shí)附近，機(jī)械手上的位置傳感器檢測(cè)機(jī)械手與蘋(píng)果的相對(duì)位置，當(dāng)果實(shí)進(jìn)入機(jī)械手中心位置時(shí)，位置傳感器觸發(fā)單片機(jī)控制信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始正向轉(zhuǎn)動(dòng)使機(jī)械手開(kāi)始加緊果實(shí)，壓力傳感器檢測(cè)手指加緊果實(shí)時(shí)的壓力并判斷是否達(dá)到壓閾值，閾值有實(shí)驗(yàn)所得出。若達(dá)到此閾值則機(jī)械手停止運(yùn)動(dòng)，機(jī)械臂模擬人工采摘運(yùn)動(dòng)，完成果實(shí)與果柄的分離。機(jī)械臂將果實(shí)送到指定位置后，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，手指松開(kāi)，恢復(fù)到初始位置，完成果實(shí)的采摘。蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真8第三章 主要機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與選擇3.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.1.1 驅(qū)動(dòng)方案的選擇目前的手爪的驅(qū)動(dòng)源主要是采用氣壓驅(qū)動(dòng)、電驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)這三種[10]。（1）氣動(dòng)壓力是一個(gè)壓縮空氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)，空氣壓縮機(jī)通常被用作動(dòng)力源。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器過(guò)載安全，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，污染少，成本低，通過(guò)調(diào)節(jié)空氣流量，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)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(dòng)系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)流體壓力致動(dòng)器的輸出力來(lái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定，固有的高效率，響應(yīng)速度快，速度很簡(jiǎn)單，可以在很寬的范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)速，便于適應(yīng)不同的工作要求，順利實(shí)現(xiàn)傳輸，可以吸收沖擊力可以實(shí)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(dòng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)器類型。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蜷_(kāi)環(huán)控制元件的線性位移，具有控制簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，可靠，無(wú)累積誤差等。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量，良好的動(dòng)態(tài)特性，機(jī)器人由一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)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)?；诓竭M(jìn)電機(jī)的這些優(yōu)點(diǎn)本設(shè)計(jì)中采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。3.1.2 電動(dòng)機(jī)的選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)，是一種把電脈沖信號(hào)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(gè)特點(diǎn)：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(dòng)而變化；③速度可調(diào)，能夠快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；④定位精度高、同步運(yùn)行特性好。擺盤(pán)機(jī)臂部升降機(jī)構(gòu)要求電動(dòng)機(jī)電位精度高，速度調(diào)節(jié)方便快速，受環(huán)境影響小，蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真9且額定功率小，并且可用于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。而 BF 系列步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，具備以上的所有條件，我們選用了型號(hào) 90BF004 的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為主運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源，該機(jī)功率為 60W。選用時(shí)主要有以下幾個(gè)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(hào)(a)步距角初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)，并從手冊(cè)中查到步距角 ,由于b?pbiL???360綜合考慮，我初選了 ，可滿足以上公式。4,5.10?ib?(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(dòng)轉(zhuǎn)矩 Mmq與最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjmax 的關(guān)系是：Mmq= maxMj?步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)是指電機(jī)在沒(méi)有外加工作負(fù)載下的啟動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩按下式計(jì)算： 0kfakq??式中：Mkq 為空載啟動(dòng)力矩；Mka 為空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)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(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩； 為由于絲0M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(hào)時(shí)應(yīng)滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即：Mkq Mmq=λMjmax?計(jì)算 Mkq 的各項(xiàng)力矩如下：①加速力矩蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真1025552521 106.8.10./08. mKgiMRJ ?????????? ????? mrvnpb /436..1436maxax?? mNtJMk ???????? ????? 519.016042)18.0.1(02 212max ??②空載摩擦力矩 mNiLGfkf ????6.048.2796.130??‘③附加摩擦力矩 mNiLFMYJ ??????? 2.1)9.0(48.20)1(200 ???mqkjkfakq mN????75.395. 34..61x0?（2）啟動(dòng)矩頻特性校核步進(jìn)電機(jī)有三種工況：?jiǎn)?dòng)，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?kqMmaxj??要求，但是不能保證電機(jī)啟動(dòng)時(shí)不丟步。因此，還要對(duì)啟動(dòng)矩頻特性進(jìn)行校核。步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)有突跳啟動(dòng)和升速啟動(dòng)。突跳啟動(dòng)時(shí)加速力矩很大，啟動(dòng)時(shí)丟步是不可避免的。因此很少用。而升速啟動(dòng)過(guò)程中只要升速時(shí)間足夠長(zhǎng)，啟動(dòng)過(guò)程緩慢，空載啟動(dòng)力矩 中的加速力矩 不會(huì)很大。kqMka一般不會(huì)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(mén)工廠制造，因此，不用我們自己設(shè)計(jì)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(hào)并向有關(guān)廠家訂購(gòu)。蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真11滾珠絲桿設(shè)計(jì)和校核，其步驟如下：首先對(duì)于一些參數(shù)說(shuō)明如下：軸向變載荷 ，其中 i 表示第 i 個(gè)工作載荷，i=1、2、3…n ；)(NFi第 i 個(gè)載荷對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速 (r/min);in第 i 個(gè)載荷對(duì)應(yīng)的工作時(shí)間 (h) ;it絲桿副最大移動(dòng)速度 (mm/min);maxv絲桿預(yù)期壽命 。)(hLb（1）型號(hào)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(jì)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；dfjs②計(jì)算當(dāng)量轉(zhuǎn)速 dnmin/20/)(minaxrnd???③計(jì)算當(dāng)量載荷 dFNFmavd23/)2(in???④初步確定導(dǎo)程 hP， 取 4mmmnVPh 5.240/1/max???hP⑤計(jì)算絲桿預(yù)期工作轉(zhuǎn)速 nL蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真121206?dnL⑥計(jì)算絲桿所需的額定載荷 aC' NLFfCnda 1520123103312' ???????（c）選擇絲桿型號(hào)根據(jù)初定的 和計(jì)算的 ，選取導(dǎo)程為 4mm，額定載荷大于 的絲桿。查滾珠絲hPaC' aC'杠型號(hào)表知，本次選定的滾珠絲杠螺母副型號(hào)為：GD1604-3由表 2-9 得絲杠副數(shù)據(jù)：公稱直徑 mD160?導(dǎo)程 p4滾珠直徑 d381.20?（2）校核計(jì)算（a）臨界轉(zhuǎn)速校核 4768.04min/590321.2102max636 ???????ccc nnrldn而 最 大 工 作 轉(zhuǎn) 速?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(méi)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(dòng)載荷的十分之一。即：)(pFNdp7831??蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真13其相應(yīng)的預(yù)緊轉(zhuǎn)矩 mNPFThp ???????? ?? 16.0)85.01(.247810)(2 3232???（d）穩(wěn)定性驗(yàn)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(dòng)，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(dòng)端自由伸縮，如下圖。 螺 母固 定 端 游 動(dòng) 端① 由于一端軸向固定的長(zhǎng)絲杠在工作時(shí)可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù) S，其值應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù) [S]絲杠不會(huì)失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 crF2)(lEIacr???式中，E 為絲杠材料的彈性模量，對(duì)于鋼 E=206Gpa；l 為絲杠工作長(zhǎng)度（m） ； aI為絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩（ 4m） ； ?為長(zhǎng)度系數(shù)，取 32??。484105.6dIa????NFcr 52892 107.)5.03(1????蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真14安全系數(shù)2510.3276.8???mcrFS查表 2-10，[S]=2.5～3.3，S>[S] ，絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn)。② 高速絲杠工作時(shí)有可能發(fā)生共振，因此需驗(yàn)算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速——臨街轉(zhuǎn)速 crn。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速 crn?max。臨街轉(zhuǎn)速按下式計(jì)算： 21)(90ldfnccr??式中： cf為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見(jiàn)表 2-10，本題取 97.3cf， 32??2)5.03(987.91??crn min/10.34r??in/613maxr?即： axncr?，所以絲杠工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振。③ 此外滾珠絲杠副還受 nD0值的限制，通常要求 min/10740rnD???mi/17mi/140430 rrnD??????3.1.4 軸承的選擇與校核（1）軸承選擇因?yàn)檩S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(jì)課程設(shè)計(jì)》中表 15-3 中查得軸承的型號(hào)為：6201。外形尺寸為：d1=12mm ，D1=32mm，B1=9mm 。蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真15（2）軸承校核1）按承載較大的滾動(dòng)軸承選擇其型號(hào)，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(jì)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(dòng)載荷 NFNVHr 43.06.187.5432221211 ?????r 8.5..922222動(dòng)載荷為 ，查得 ，則有arrYFP??4.06.1?Nr 02.39.156.3.?，滿足要求。hrh LPCnL '104.5.80601 6316 ?????????????????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(shí)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(jì)》中表 14-1 中查得鍵寬為：b=4mm，鍵高為：h=4mm，從鍵的長(zhǎng)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(jì)查得鍵聯(lián)接的許用擠壓力為 ??MPaP120??蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真16鍵的工作長(zhǎng)度mbl12421???，合適??PP MadlkT??????8.34145.09621313.2 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手指握持力與一個(gè)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(shí)減少驅(qū)動(dòng)源的數(shù)量，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，容易控制。3.2.1 手指數(shù)量果實(shí)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(gè)有直接吸搶果的指尖最線性驅(qū)動(dòng)器。相對(duì)的兩個(gè)手指，三個(gè)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(dòng)作，更好的爬的程度。從而增加接頭的數(shù)量同時(shí)增加的驅(qū)動(dòng)裝置的數(shù)量，驅(qū)動(dòng)器將增加增大控制的數(shù)量的難度，同時(shí)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(jì)的采摘機(jī)器人采摘的使用四連桿機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所欠的手指驅(qū)動(dòng)的多手指關(guān)節(jié)，并配有一個(gè)力傳感器和橡膠材料，測(cè)量夾緊力和摩擦力增大。按《中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》 ，除三級(jí)蘋(píng)果外，果實(shí)橫切面最大直徑要大于或等于 70mm[9]。這里設(shè)計(jì)機(jī)械手所抓取的蘋(píng)果直徑在 50mm～150mm 之間，故取蘋(píng)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(shí)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(rùn)滑性，吸震性，耐油，耐弱酸等特點(diǎn)。蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真17圖 3-2 手指結(jié)構(gòu)3.3 機(jī)架的設(shè)計(jì)機(jī)架主要是用來(lái)安裝驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和手掌，小巧的機(jī)身，體積小，重量輕的設(shè)計(jì)要求。這樣的設(shè)計(jì)是一個(gè)圓柱形主體框架，所述固定底板，中間板，下部主傳動(dòng)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(gè)問(wèn)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(diǎn)。無(wú)機(jī)械手可以抓住的對(duì)象，但對(duì)象通常祝福規(guī)則的形狀，它的形狀和要求高的對(duì)象的大小特征的，無(wú)機(jī)械手的手掌被廣泛應(yīng)用于特殊的保持機(jī)構(gòu)。蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真18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(wú)接觸外力，整個(gè)手指以單一剛體繞支點(diǎn)運(yùn)動(dòng)；(b)表示指節(jié) 1 接觸物體；(c) 表示指節(jié) 2 相對(duì)指節(jié) 1 的轉(zhuǎn)動(dòng)，指節(jié) 2 向物體方向彎曲，這時(shí)驅(qū)動(dòng)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(jí),驅(qū)動(dòng)件的驅(qū)動(dòng)力傳遞到兩指節(jié)上。蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真19圖 4.1 采摘手指工作原理4.2 抓取時(shí)的靜態(tài)力學(xué)模型由于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是獨(dú)立的自由度的數(shù)目比的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)目。采摘機(jī)器人可以做到無(wú)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(dòng)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(duì)象和該對(duì)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(dòng)將受到限制，并且在手指的第二關(guān)節(jié)被約束在由于沒(méi)有下傳動(dòng)機(jī)構(gòu)接近物體的持續(xù)作用驅(qū)動(dòng)的，最后的兩個(gè)指節(jié)和表面接觸。實(shí)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(duì)在所施加的力相反的方向的物體，以限制對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)爬行的運(yùn)動(dòng)的作用。包絡(luò)抓取的靜力學(xué)模型如圖 4.2 所示。蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真20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) 、aT1F2 1d23O到 、 的距離。 為關(guān)節(jié) 2 相對(duì)于關(guān)節(jié) 1 轉(zhuǎn)過(guò)的角度，水平軸的夾角。 為摩擦約2O12? 1T束力矩。 三角構(gòu)件邊的夾角，h 桿 與桿 c 的反向延長(zhǎng)線交點(diǎn) 到 的距離。 、?1L4O1L為關(guān)節(jié) 1、2 的長(zhǎng)度。 為桿 與水平軸的夾角。 為摩擦約束力矩。2L1 1T根據(jù)虛功原理可得[3,4,5](4.1)TFV??T 為手指機(jī)構(gòu)的輸入轉(zhuǎn)矩向量，由驅(qū)動(dòng)力矩 以及摩擦力矩 組成； 為手指機(jī)構(gòu)各aT1T?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(dòng)連桿的角速度 以及末關(guān)節(jié)加速度a??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2?? 1F2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：1Ta???????蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真21(4.2)2Ta??????????12TF??????312ToyV???????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(guò)雅可比矩陣 用各關(guān)節(jié)的角速度VJ來(lái)表示，即： (4.3)12VJ??????????，又 (4.4)cT???為傳遞矩陣 cT10chL?????????將式(3.2)、(3.3)、(3.4)帶入(3.1)約去 得：?(4.5)TVcFJ??(4.6)3121220cosaoydL????????????????將上式與式(3.3) 對(duì)比可知(4.7)1220cosVdJL?????????(4.8)12212122()cos()ahLTTddFL??? ?? ???? ?(4.9)22(cos)sin()coth????(4.10)21221i4s()t(cs)inabNMLLc???????蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真22(4.11)2212(cos()MLabcN???????當(dāng)手指以直指方式抓取物體時(shí),僅有短關(guān)節(jié)觸及物體,這時(shí),只要令 F1=0、T1=0 ，則手指受力為：(4.12)21()ahFTdL??4.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析采摘機(jī)械手的每個(gè)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(gè)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(xiě)成坐標(biāo)軸上分量形式有： 1243LL??(4.13)1cos23cos0iniinLab????????化簡(jiǎn)上式，消去 b 得：(4.14)????2243cos13sin1iLLacLa?????對(duì)式 3.14 兩邊求導(dǎo)并化簡(jiǎn)，可得 4 桿機(jī)構(gòu) L1 與 L3 角速度之間的關(guān)系：蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真23(4.15)??34sin1i13Lcaca? ????????4.4 夾持誤差計(jì)算旋轉(zhuǎn)夾緊手指時(shí)的不同直徑的工件會(huì)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(diǎn)原理轉(zhuǎn)換回一個(gè)類似的原則手指夾住，如此就可以按照雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指祝福誤差計(jì)算。圖 4.4 雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指簡(jiǎn)圖圖中：l－手指長(zhǎng)度;－V 型槽的夾角；?2－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)222cosinsiRllx????????????(4.17)??1siisin2222 ?ll?蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真24該方程亦為雙曲線方程，另 ；??sinco0lR?220sinlx???圖 4.5 x 與半徑 R 的關(guān)系曲線根據(jù)雙曲線特點(diǎn),對(duì)應(yīng) 附近的曲線變化率較小,故在 處附近對(duì)應(yīng)的夾持誤差最0R0?小。當(dāng) 時(shí)，手指夾持誤差計(jì)算如下:102R?221212max1 sincosinsi lRllX ?????????????(4.18) (4.19)22222ax2 sicsisi lll??????最佳偏角的計(jì)算取 V 型槽的夾角 = ，根據(jù)式（4-9 ）求得最佳偏轉(zhuǎn)角為?2o10故oollR50sin*74c5sin4csinco101 ?????? o50sin*74c??夾持誤差 的計(jì)算maxX蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真25因?yàn)?和 關(guān)于 對(duì)稱，所以 = ，故 1R20maxXmax2a1???8.03sin703cos50in7*250sin7 iii 222 221212max ???????????? ???o lRllX經(jīng)過(guò)計(jì)算手指的夾持誤差為 0.88mm。蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真26第五章 三維設(shè)計(jì)與仿真分析5.1 軟件概述Pro/Engineer 操作軟件是美國(guó)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(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。Pro/E 第一個(gè)提出了參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)解決特征的相關(guān)性問(wèn)題。Pro/E 的基于特征方式，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)至生產(chǎn)全過(guò)程集成到一起，實(shí)現(xiàn)并行工程設(shè)計(jì)。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(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、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(jì)相對(duì)于產(chǎn)品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無(wú)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(shí)體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計(jì)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(huà)草圖，輕易改變模型。（3）單一數(shù)據(jù)庫(kù)蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真27Pro/Engineer 是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫(kù)上，不像一些傳統(tǒng)的 CAD/CAM 系統(tǒng)建立在多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)上。所謂單一數(shù)據(jù)庫(kù)，就是工程中的資料全部來(lái)自一個(gè)庫(kù)，使得每一個(gè)獨(dú)立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個(gè)部門(mén)的。換言之，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的任何一處發(fā)生改動(dòng)，亦可以前后反應(yīng)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。這種獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計(jì)的完整的結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)。這一優(yōu)點(diǎn)，使得設(shè)計(jì)更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場(chǎng)，價(jià)格也更便宜。Pro/Engineer 功能如下：（1）特征驅(qū)動(dòng)（例如：凸臺(tái)、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(guò)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(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)；（4）支持大型、復(fù)雜組合件的設(shè)計(jì)（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(jì)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(gè)地方的變動(dòng)都將引起與之有關(guān)的每個(gè)地方變動(dòng)） 。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(jì)與裝配5.2.1 零件三維設(shè)計(jì)在 Pro/E 零件設(shè)計(jì)模塊對(duì)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)蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真28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）絲杠螺母副蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真29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(shí)采用模塊化裝配模式，即先對(duì)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 手指虛擬裝配蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真30（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 仿真介紹蘋(píng)果采摘機(jī)器執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真31在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，首先是概念設(shè)計(jì)和方案論證，然后進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì),為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，通常要制造樣機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)，有時(shí)這些試驗(yàn)是破壞性的。當(dāng)通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷時(shí)，又要重新修改設(shè)計(jì)，并用樣機(jī)重新驗(yàn)證。只有通過(guò)周而復(fù)始的“設(shè)計(jì)－試驗(yàn)—設(shè)計(jì)”過(guò)程，產(chǎn)品才能達(dá)到要求的性能。這一過(guò)程是冗長(zhǎng)的，尤其對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)思路其設(shè)計(jì)周期無(wú)法縮短，更談不上市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。在計(jì)算機(jī)