水果采摘機器人設(shè)計
水果采摘機器人設(shè)計,水果,采摘,機器人,設(shè)計
畢業(yè)設(shè)計（論文）
任務(wù)書
設(shè)計（論文）題目：水果采摘機機結(jié)構(gòu)設(shè)計
學 院 名 稱： 機械工程學院
專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化
學 生 姓 名： 任仁成 學號：
指 導 教 師： 尚偉燕
2010年 11 月 15 日
1． 設(shè)計（論文）擬解決的主要問題
（1） 針對柑橘結(jié)構(gòu)特點提出柑橘采摘機機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計方案；
（2） 對機械臂各部分結(jié)構(gòu)進行詳細的設(shè)計與計算；
（3） 對機械臂進行運動學及動力學仿真分析。
2．設(shè)計（論文）的主要內(nèi)容和基本要求
主要內(nèi)容：機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
（1） 針對柑橘結(jié)構(gòu)特點提出柑橘采摘機機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計方案；
（2） 對機械臂各部分結(jié)構(gòu)進行詳細的設(shè)計與計算；
（3） 對機械臂進行運動學及動力學仿真分析。
基本要求：
（1） 機械臂伸縮及轉(zhuǎn)向靈活，能夠完成機械臂基座左右1.5m范圍內(nèi)的柑橘采摘，采摘高度范圍為2m；
（2） 機械臂動作連貫、采摘效率高；
（3） 設(shè)計圖樣全部用計算機繪制，符合最新制圖標準；投影正確，表達完整，布局合理；
（4） 設(shè)計推導簡明扼要，計算正確可靠。
（4） 推薦參考文獻（5篇以上，其中外文文獻至少2篇）
[1] 姜麗萍,陳樹人.果實采摘機器人的研究綜述[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)， 2006，32（1）：8-10.
[2] 張立彬,楊慶華,胥芳,鮑官軍,阮健.機器人多指靈巧手及其驅(qū)動系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2004, 20(3):271-275.
[3] 任燁，蔣煥煜，申川.農(nóng)業(yè)機器人末端執(zhí)行件的研究發(fā)展[J].農(nóng)機化研究, 2007，(3)：201-203.
[4] 李三玉，梁森苗，汪國云，等.浙江效益農(nóng)業(yè)百科全書——柑橘[M].中國農(nóng)業(yè)出版社，2002.
[5] 張鐵中,徐麗明.大有前景的蔬菜自動嫁接機器人技術(shù)[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用，2001（2）：14－15
[6] N.Kondo, K.C.Ting. Robotics for bioproduction system[J]. USA: American society of agricultural engineering publisher, 1998
[7] R.Noble, J.N.Reed, S.Miles, A.F.Jackson, J.Butler. Influnce of mushroom strains and population density on the performance of a robotic harveater[J]. Journal of agricultural Engng Res.1997,(68):215-222.
4．進度安排
2010.11.16—2010.12.24 接受任務(wù)，熟悉內(nèi)容，完成文獻綜述和英文翻譯；
2010.12.25—2011.01.19 完成開題報告，畢業(yè)實習開始；
2011.01.20—2011.03.10 熟悉機械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；
2011.03.11—2011.04.10 柑橘采摘機械臂整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計；
2011.04.11—2011.05.02 零件圖及裝配圖的繪制；
2011.05.03—2011.05.09 修改圖樣和整理設(shè)計計算書，上交畢業(yè)設(shè)計資料；
2011.05.10—2011.05.17 論文評閱；
2011.05.18—2011.05.25 準備答辯。
指導教師（簽字）
2010年 11 月16 日
教研室主任審核意見：
教研室主任（簽字）
2010年 11 月 17 日
目 錄
第1章 緒論…………………………………………………………………… 1
1.1 水果采摘機器人概述………………………………………………… 3
1.2 水果采摘機器人的歷史、現(xiàn)狀………………………………………… 4
1.3 水果采摘機器人的發(fā)展趨勢…………………………………………… 5
第2章 水果采摘機器人機械手的設(shè)計…………………………5
2.1自由度及關(guān)節(jié)……………………………………………………………6
2.2 基座及連桿…………………………………………………………… 7
2.2.1 基座……………………………………………………………… 8
2.2.2 大臂………………………………………………………………9
2.2.3 小臂……………………………………………………………… 10
2.3 機械手的設(shè)計……………………………………………………………12
2.4 驅(qū)動方式…………………………………………………………………13
2.5 傳動方式…………………………………………………………………14
2.6 制動器……………………………………………………………………15
第3章 控制系統(tǒng)硬件……………………………………………………………16
3.1 控制系統(tǒng)模式的選擇……………………………………………………17
3.2 控制系統(tǒng)的搭建………………………………………………………18
3.2.1 工控機……………………………………………………………19
3.2.2 數(shù)據(jù)采集卡………………………………………………………20
3.2.3 伺服放大器……………………………………………………21
3.2.4 端子板……………………………………………………………22
3.2.5電位器及其標定…………………………………………………22
3.2.6電源………………………………………………………………23
第4章 控制系統(tǒng)軟件…………………………………………………………24
4.1預(yù)期的功能……………………………………………………………25
4.2 實現(xiàn)方法……………………………………………………………26
4.2.1實時顯示各個關(guān)節(jié)角及運動范圍控制 ……………………26
4.2.2直流電機的伺服控制……………………………………………27
4.2.3電機的自鎖………………………………………………………28
4.2.4示教編程及在線修改程序………………………………………29
4.2.5設(shè)置參考點及回參考點…………………………………………30
第5章 總結(jié)………………………………………………………………………32
5.1 所完成的工作…………………………………………………………33
5.2 設(shè)計經(jīng)驗………………………………………………………………35
5.3 誤差分析………………………………………………………………36
5.4 可以繼續(xù)探索的方向………………………………………………… 38
致 謝………………………………………………………………………………39
參考文獻……………………………………………………………………… 40
1． 設(shè)計（論文）擬解決的主要問題
（1） 針對柑橘結(jié)構(gòu)特點提出柑橘采摘機機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計方案；
（2） 對機械臂各部分結(jié)構(gòu)進行詳細的設(shè)計與計算；
（3） 對機械臂進行運動學及動力學仿真分析。
2．設(shè)計（論文）的主要內(nèi)容和基本要求
主要內(nèi)容：機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
（1） 針對柑橘結(jié)構(gòu)特點提出柑橘采摘機機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計方案；
（2） 對機械臂各部分結(jié)構(gòu)進行詳細的設(shè)計與計算；
（3） 對機械臂進行運動學及動力學仿真分析。
基本要求：
（1） 機械臂伸縮及轉(zhuǎn)向靈活，能夠完成機械臂基座左右1.5m范圍內(nèi)的柑橘采摘，采摘高度范圍為2m；機械臂完全伸長后的總長度是1.5m，要滿足六個自由度，一個旋轉(zhuǎn)自由度。手臂至少四段。
（2） 車長1m寬0.5m高0.5m.
（3） 機械臂動作連貫、采摘效率高；
（4） 設(shè)計圖樣全部用計算機繪制，符合最新制圖標準；投影正確，表達完整，布局合理；
（5） 設(shè)計推導簡明扼要，計算正確可靠。
（4） 推薦參考文獻（5篇以上，其中外文文獻至少2篇）
[1] 姜麗萍,陳樹人.果實采摘機器人的研究綜述[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)， 2006，32（1）：8-10.
[2] 張立彬,楊慶華,胥芳,鮑官軍,阮健.機器人多指靈巧手及其驅(qū)動系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2004, 20(3):271-275.
[3] 任燁，蔣煥煜，申川.農(nóng)業(yè)機器人末端執(zhí)行件的研究發(fā)展[J].農(nóng)機化研究, 2007，(3)：201-203.
[4] 李三玉，梁森苗，汪國云，等.浙江效益農(nóng)業(yè)百科全書——柑橘[M].中國農(nóng)業(yè)出版社，2002.
[5] 張鐵中,徐麗明.大有前景的蔬菜自動嫁接機器人技術(shù)[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用，2001（2）：14－15
[6] N.Kondo, K.C.Ting. Robotics for bioproduction system[J]. USA: American society of agricultural engineering publisher, 1998
[7] R.Noble, J.N.Reed, S.Miles, A.F.Jackson, J.Butler. Influnce of mushroom strains and population density on the performance of a robotic harveater[J]. Journal of agricultural Engng Res.1997,(68):215-222.
2010年 11 月 17 日
摘 要
在當今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度，工業(yè)柑橘采摘機器人作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。工業(yè)柑橘采摘機器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前，工業(yè)柑橘采摘機器人主要承擔著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。
本文將設(shè)計一臺五自由度的工業(yè)柑橘采摘機器人，用于給采摘水果。首先，本文將設(shè)計柑橘采摘機器人的底座、大臂、小臂和機械手的結(jié)構(gòu)，然后選擇合適的傳動方式、驅(qū)動方式，搭建柑橘采摘機器人的結(jié)構(gòu)平臺；在此基礎(chǔ)上，本文將設(shè)計該柑橘采摘機器人的控制系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集卡和伺服放大器的選擇、反饋方式和反饋元件的選擇、端子板電路的設(shè)計以及控制軟件的設(shè)計，重點加強控制軟件的可靠性和柑橘采摘機器人運行過程的安全性，最終實現(xiàn)的目標包括：關(guān)節(jié)的伺服控制和制動問題、實時監(jiān)測柑橘采摘機器人的各個關(guān)節(jié)的運動情況、柑橘采摘機器人的示教編程和在線修改程序、設(shè)置參考點和回參考點。
關(guān)鍵詞：柑橘采摘機器人，示教編程，伺服，制動
ABSTRACT
In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the
production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the
automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by
enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way.
In this paper I will design an industrial robot with four DOFs, which is used to
carry material for a punch. First I will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot. On this foundation, I will design the control system of the robot, including choosing DAQ card, servo control, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and control software. Great attention will be paid on the reliability of the control software and the robot safety during running. The aims to realize finally include: servocontrol and brake of the joint, monitoring the movement of each joint in realtime, playback programming and modifying the program online, setting reference point and returning to reference point.
KEY WORDS: robot, playback, servocontrol, brake
目 錄
第1章 緒論…………………………………………………………………… 1
1.1 柑橘采摘機器人概述………………………………………………… 3
1.2 柑橘采摘機器人的歷史、現(xiàn)狀………………………………………… 4
1.3 柑橘采摘機器人的發(fā)展趨勢…………………………………………… 5
第2章 柑橘采摘機器人機械手的設(shè)計…………………………5
2.1自由度及關(guān)節(jié)……………………………………………………………6
2.2 基座及連桿…………………………………………………………… 7
2.2.1 基座……………………………………………………………… 8
2.2.2 大臂………………………………………………………………9
2.2.3 小臂……………………………………………………………… 10
2.3 機械手的設(shè)計……………………………………………………………12
2.4 驅(qū)動方式…………………………………………………………………13
2.5 傳動方式…………………………………………………………………14
2.6 制動器……………………………………………………………………15
第3章 控制系統(tǒng)硬件……………………………………………………………16
3.1 控制系統(tǒng)模式的選擇……………………………………………………17
3.2 控制系統(tǒng)的搭建………………………………………………………18
3.2.1 工控機……………………………………………………………19
3.2.2 數(shù)據(jù)采集卡………………………………………………………20
3.2.3 伺服放大器……………………………………………………21
3.2.4 端子板……………………………………………………………22
3.2.5電位器及其標定…………………………………………………22
3.2.6電源………………………………………………………………23
第4章 控制系統(tǒng)軟件…………………………………………………………24
4.1預(yù)期的功能……………………………………………………………25
4.2 實現(xiàn)方法……………………………………………………………26
4.2.1實時顯示各個關(guān)節(jié)角及運動范圍控制 ……………………26
4.2.2直流電機的伺服控制……………………………………………27
4.2.3電機的自鎖………………………………………………………28
4.2.4示教編程及在線修改程序………………………………………29
4.2.5設(shè)置參考點及回參考點…………………………………………30
第5章 總結(jié)………………………………………………………………………32
5.1 所完成的工作…………………………………………………………33
5.2 設(shè)計經(jīng)驗………………………………………………………………35
5.3 誤差分析………………………………………………………………36
5.4 可以繼續(xù)探索的方向………………………………………………… 38
致 謝………………………………………………………………………………39
參考文獻……………………………………………………………………… 40
第1章 緒論
1.1 柑橘采摘機器人概述
在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法；程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。柑橘采摘機器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機械化奠定了良好的基礎(chǔ)。
“工業(yè)柑橘采摘機器人”（Industrial Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操作工具的裝置（國內(nèi)稱作工業(yè)柑橘采摘機器人或通用柑橘采摘機器人）。
柑橘采摘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。柑橘采摘機器人具有結(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的柑橘采摘機器人稱為專用柑橘采摘機器人，而把工業(yè)機械人稱為通用柑橘采摘機器人。
簡而言之，柑橘采摘機器人就是用機器代替人手，把工件由某個地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進行加工。
柑橘采摘機器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用柑橘采摘機器人，也即本文所研究的對象。它是一種獨立的、不附屬于某一主機的裝置，可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它是除具備普通機械的物理性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機（Manipulator）。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作柑橘采摘機器人來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)柑橘采摘機器人，主要附屬于自動機床或自動生產(chǎn)線上，用以解決機床上下料和工件傳送。這種柑橘采摘機器人在國外通常被稱之為“Mechanical Hand”，它是為主機服務(wù)的，由主機驅(qū)動。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。
柑橘采摘機器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型，其中關(guān)節(jié)型柑橘采摘機器人以其結(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，成為柑橘采摘機器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名柑橘采摘機器人的本體部分都采用這種機構(gòu)形式的柑橘采摘機器人。
要柑橘采摘機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機構(gòu)——執(zhí)行機構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運動的驅(qū)動－傳動系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了柑橘采摘機器人的性能。一般而言，柑橘采摘機器人通常就是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動－傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖 1-1 所示。
圖1-1 柑橘采摘機器人的一般組成
對于現(xiàn)代智能柑橘采摘機器人而言，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柑橘采摘機器人“眼睛”，使它能識別物體和躲避障礙物，以及柑橘采摘機器人的觸覺裝置。柑橘采摘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(gòu)成一個柑橘采摘機器人的。要實現(xiàn)柑橘采摘機器人所期望實現(xiàn)的功能，柑橘采摘機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1-2 所示。
圖1-2 柑橘采摘機器人各組成部分之間的關(guān)系
柑橘采摘機器人的機械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動－傳動系統(tǒng)組成。執(zhí)行機構(gòu)是柑橘采摘機器人賴以完成工作任務(wù)的實體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)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(wù)。驅(qū)動－傳動系統(tǒng)主要包括驅(qū)動機構(gòu)和傳動系統(tǒng)。驅(qū)動機構(gòu)提供柑橘采摘機器人各關(guān)節(jié)所需要的動力，傳動系統(tǒng)則將驅(qū)動力轉(zhuǎn)換為滿足柑橘采摘機器人各關(guān)節(jié)力矩和運動所要求的驅(qū)動力或力矩。有的文獻則把柑橘采摘機器人分為機械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。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(gòu)部分。
1.2 柑橘采摘機器人的歷史、現(xiàn)狀
柑橘采摘機器人首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺柑橘采摘機器人。它的結(jié)構(gòu)特點是機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。
日本是工業(yè)柑橘采摘機器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進兩種典型柑橘采摘機器人后，大力從事柑橘采摘機器人的研究。
目前工業(yè)柑橘采摘機器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代柑橘采摘機器人正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息進行反饋，使柑橘采摘機器人具有感覺機能。
第三代柑橘采摘機器人（柑橘采摘機器人）則能獨立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一環(huán)。
隨著工業(yè)柑橘采摘機器人研究制造和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，國際性學術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術(shù)交流活動開展很多。國際工業(yè)柑橘采摘機器人會議ISIR決定每年召開一次會議，討論和研究柑橘采摘機器人的發(fā)展及應(yīng)用問題。
目前，工業(yè)柑橘采摘機器人主要用于裝卸、搬運、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。使用工業(yè)柑橘采摘機器人代替人工操作的，主要是在危險作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。
在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)柑橘采摘機器人應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要應(yīng)用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至柑橘采摘機器人本身的損壞。
隨著現(xiàn)代化科學技術(shù)的飛速發(fā)展和社會的進步，針對于上述各個領(lǐng)域的柑橘采摘機器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求柑橘采摘機器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強大的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計算機集成制造（CIM）要求柑橘采摘機器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設(shè)備集成在一起。研究人員為了提高柑橘采摘機器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求柑橘采摘機器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的柑橘采摘機器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專用控制器，一般采用專用計算機作為上層主控計算機，使用專用柑橘采摘機器人語言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在EPROM中，這種專用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價是非常昂貴的，如果不進行重新設(shè)計，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結(jié)構(gòu)的柑橘采摘機器人系統(tǒng)。
美國工業(yè)柑橘采摘機器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個階段：
（1）1963-1967年為試驗定型階段。1963-1966年， 萬能自動化公司制造的工業(yè)柑橘采摘機器人供用戶做工藝試驗。1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)柑橘采摘機器人定型為1900型。
（2）1968-1970年為實際應(yīng)用階段。這一時期，工業(yè)柑橘采摘機器人在美國進入應(yīng)用階段，例如，美國通用汽車公司1968年訂購了68臺工業(yè)柑橘采摘機器人；1969年該公司又自行研制出SAM新工業(yè)柑橘采摘機器人，并用21組成電焊小汽車車身的焊接自動線；又如，美國克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動線上的448臺沖床都用工業(yè)柑橘采摘機器人傳遞工件。
（3）1970年至今一直處于推廣應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展階段。1970-1972年，工業(yè)柑橘采摘機器人處于技術(shù)發(fā)展階段。1970年4月美國在伊利斯工學院研究所召開了第一屆全國工業(yè)柑橘采摘機器人會議。據(jù)當時統(tǒng)計，美國大約200臺工業(yè)柑橘采摘機器人，工作時間共達60萬小時以上，與此同時，出現(xiàn)了所謂了高級柑橘采摘機器人，例如：森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計算機控制50臺柑橘采摘機器人的系統(tǒng)。又如，萬能自動公司制成了由25臺柑橘采摘機器人組成的汽車車輪生產(chǎn)自動線。麻省理工學院研制了具有有“手眼”系統(tǒng)的高識別能力微型柑橘采摘機器人。
其他國家，如日本、蘇聯(lián)、西歐，大多是從1967，1968年開始以美國的“Versatran”和“Unimate”型柑橘采摘機器人為藍本開始進行研制的。就日本來說，1967年，日本豐田織機公司 引進美國的“Versatran”,川崎重工公司引進“Unimate”，并獲得迅速發(fā)展。通過引進技術(shù)、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國產(chǎn)化柑橘采摘機器人，技術(shù)水平很快趕上美國并超過其他國家。經(jīng)過大約10年的實用化時期以后，從1980年開始進入廣泛的普及時代。
我國雖然開始研制工業(yè)柑橘采摘機器人僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)柑橘采摘機器人技術(shù)的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計劃地從國外引進工業(yè)柑橘采摘機器人技術(shù)，通過引進、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)柑橘采摘機器人將會獲得快速的發(fā)展。
1.3柑橘采摘機器人發(fā)展趨勢
隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，柑橘采摘機器人設(shè)計生產(chǎn)能力進一步得到加強，尤其當柑橘采摘機器人的生產(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)柑橘采摘機器人有以下幾個發(fā)展趨勢：
a)提高運動速度和運動精度，減少重量和占用空間，加速柑橘采摘機器人功能部件的標準化和模塊化，將柑橘采摘機器人的各個機械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結(jié)構(gòu)不同的柑橘采摘機器人；
b)開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機構(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)各類行走柑橘采摘機器人，以適應(yīng)不同的場合；
c)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)進行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機進行控制。
第2章 實驗平臺介紹及機械手的設(shè)計
該設(shè)計的目的是為了設(shè)計一臺柑橘采摘柑橘采摘機器人，利用現(xiàn)有已經(jīng)報廢的焊接柑橘采摘機器人，本文的中結(jié)構(gòu)設(shè)計主要偏向于對原有機構(gòu)的改造和機械手的設(shè)計。
2.2基座及連桿
2.2.1 基座
基座是整個柑橘采摘機器人本體的支撐。為保證柑橘采摘機器人運行的穩(wěn)定性，采用兩塊“Z”字形實心鑄鐵作支撐。
基座上面是接線盒子，所有電機的驅(qū)動信號和反饋信號都從中出入。接線盒子外面，有一個引入線出口和一個引出線出口。
2.2.2 大臂
大臂長度230mm，具體尺寸如圖2.1所示：
圖2.1 大臂外形
2.2.3 小臂
小臂長度240mm，具體尺寸如圖2.2所示：
圖2.2 小臂外形
2.3機械手的設(shè)計
工業(yè)柑橘采摘機器人的手又稱為末端執(zhí)行器，它使柑橘采摘機器人直接用于抓取和握緊（吸附）專用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進行操作的部件。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于柑橘采摘機器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)等不同，因此工業(yè)柑橘采摘機器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為以下幾類：
（1） 夾鉗式取料手
（2） 吸附式取料手
（3） 專用操作器及轉(zhuǎn)換器
（4） 仿生多指靈巧手
本文設(shè)計對象為柑橘采摘柑橘采摘機器人，并不需要復雜的多指人工指，只需要設(shè)計能從不同角度抓取工件的鉗形指。
手指是直接與工件接觸的部件。手指松開和夾緊工件，是通過手指的張開與閉合來實現(xiàn)的。該設(shè)計采用兩個手指，其外形如圖2.3所示
圖2.3 機械手手指形狀
傳動機構(gòu)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(gòu)。根據(jù)手指開合的動作特點分為回轉(zhuǎn)型和平移形。本文采用回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)。圖2.4為初步設(shè)計的機械手機構(gòu)簡圖（只畫出了一半，另外一半關(guān)于中心線對稱）。
圖2.4 機械手機構(gòu)簡圖
在圖2.4中，O為電機輸出軸，曲柄OA、連桿AB、滑塊B和支架構(gòu)成曲柄滑塊機構(gòu)；滑塊B、連桿BC、搖桿CE和支架構(gòu)成滑塊搖桿機構(gòu)。通過兩個機構(gòu)串聯(lián)，使電機最終驅(qū)動DE的來回擺動，從而實現(xiàn)手指的開合運動。
圖2.4中的黑線和藍線表示機構(gòu)運行的兩個極限位置。
為便于手指的順利合攏，可以在兩個手指之間設(shè)置一個彈簧，這樣還可以提供適當?shù)膴A緊力。
另外，在選用電機的時候，要使電機的功率足以克服彈簧的收縮和張開，并且提供足夠加緊物體的力。
圖2.5為采用虛擬樣機軟件ADAMS來分析所設(shè)計的機械手機構(gòu)的工作狀況。
圖2.5 虛擬樣機場景
下面更進一步計算出所需要的電機力矩。
圖2.6 力矩變化情況
從圖2.6中看到，起始階段須克服的彈簧力最大，電機轉(zhuǎn)矩必須大于550N·mm，這為電機的挑選提供了一定的依據(jù)。
2.4驅(qū)動方式
該柑橘采摘機器人一共具有四個獨立的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，連同末端機械手的運動，一共需要五個動力源。
柑橘采摘機器人常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機驅(qū)動三種類型。這三種方法各有所長，各種驅(qū)動方式的特點見表2.1：
表2.1三種驅(qū)動方式的特點對照
內(nèi)容
驅(qū)動方式
液壓驅(qū)動
氣動驅(qū)動
電機驅(qū)動
輸出功率
? 很大，壓力范圍為50～140Pa
大，壓力范圍為48～60Pa，最大可達Pa
? 較大
控制性能
利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制
氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制
控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復雜
響應(yīng)速度
? 很高
較高
? 很高
結(jié)構(gòu)性能及體積
結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大
結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較小
伺服電動機易于標準化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動機一般需配置減速裝置，除DD電動機外，難以直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題
安全性
防爆性能較好，用液壓油作傳動介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險
防爆性能好，高于1000kPa(10個大氣壓)時應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性
設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)危險，直流有刷電動機換向時有火花，對環(huán)境的防爆性能較差
對環(huán)境的影響
液壓系統(tǒng)易漏油，對環(huán)境有污染
排氣時有噪聲
無
在工業(yè)柑橘采摘機器人中應(yīng)用范圍
適用于重載、低速驅(qū)動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂柑橘采摘機器人、點焊柑橘采摘機器人和托運柑橘采摘機器人
適用于中小負載驅(qū)動、精度要求較低的有限點位程序控制柑橘采摘機器人，如沖壓柑橘采摘機器人本體的氣動平衡及裝配柑橘采摘機器人氣動夾具
適用于中小負載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的柑橘采摘機器人，如AC伺服噴涂柑橘采摘機器人、點焊柑橘采摘機器人、弧焊柑橘采摘機器人、裝配柑橘采摘機器人等
成本
液壓元件成本較高
成本低
成本高
維修及使用
方便，但油液對環(huán)境溫度有一定要求
方便
較復雜
柑橘采摘機器人驅(qū)動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，通常對柑橘采摘機器人的驅(qū)動系統(tǒng)的要求有：
1）．驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高；
2）．反應(yīng)速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動慣量比要大，能夠進行頻繁地起、制動，正、反轉(zhuǎn)切換；
3）．驅(qū)動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要?。?
4）．安全可靠；
5）．操作和維護方便；
6）．對環(huán)境無污染，噪聲要??；
7）．經(jīng)濟上合理，尤其要盡量減少占地面積。
基于上述驅(qū)動系統(tǒng)的特點和柑橘采摘機器人驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計要求，本文選用直流伺服電機驅(qū)動的方式對柑橘采摘機器人進行驅(qū)動。表2.2為選定的各個關(guān)節(jié)電機型號及其相關(guān)參數(shù)。
表2.2柑橘采摘機器人驅(qū)動電機參數(shù)
電機參數(shù)
腰關(guān)節(jié)
肩關(guān)節(jié)
肘關(guān)節(jié)
腕關(guān)節(jié)
手爪
型號
MAXON2332
MAXON2332
MAXON2332
MULTIPLEX
STELL-SERVO
MULTIPLEX
STELL-SERVO
額定電壓
18v
18v
18v
6v
6v
額定轉(zhuǎn)矩
18.2 N·m
18.2 N·m
18.2 N·m
10.3 N·m
10.3 N·m
最大轉(zhuǎn)矩
67.4N·m
67.4N·m
67.4N·m
額定轉(zhuǎn)速
7980rpm
7980rpm
7980rpm
5460rpm
5460rpm
最高轉(zhuǎn)速
轉(zhuǎn)子慣量
9200rpm
18.4gcm·cm
9200rpm
18.4gcm·cm
9200rpm
18.4gcm·cm
2.5傳動方式
由于一般的電機驅(qū)動系統(tǒng)輸出的力矩較小，需要通過傳動機構(gòu)來增加力矩，提高帶負載能力。對柑橘采摘機器人的傳動機構(gòu)的一般要求有：
（1）結(jié)構(gòu)緊湊，即具有相同的傳動功率和傳動比時體積最小，重量最輕；
（2）傳動剛度大，即由驅(qū)動器的輸出軸到連桿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸在相同的扭矩時角度變形要小，這樣可以提高整機的固有頻率，并大大減輕整機的低頻振動；
（3）回差要小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時空行程要小，這樣可以得到較高的位置控制精度；
（4）壽命長、價格低。
本文所選用的電機都采用了電機和齒輪輪系一體化的設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，具有很強的帶負載能力，但是不能通過電機直接驅(qū)動各個連桿的運動。為減小機構(gòu)運行過程的沖擊和振動，并且不降低控制精度，采用了齒形帶傳動。
齒形帶傳動是同步帶的一種，用來傳遞平行軸間的運動或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動，在本文中主要用于腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的傳動。
齒形帶傳動原理如圖2.7所示。
齒輪帶的傳動比計算公式為
齒輪帶的平均速度為
圖2.7 齒形帶傳動
2.6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起兩類。
在柑橘采摘機器人機構(gòu)中，學要使用制動器的情況如下：
① 特殊情況下的瞬間停止和需要采取安全措施
② 停電時，防止運動部分下滑而破壞其他裝置。
機械制動器：
機械制動器有螺旋式自動加載制動器、盤式制動器、閘瓦式制動器和電磁制動器等幾種。其中最典型的是電磁制動器。
在柑橘采摘機器人的驅(qū)動系統(tǒng)中常使用伺服電動機，伺服電機本身的特性決定了電磁制動器是不可缺少的部件。從原理上講，這種制動器就是用彈簧力制動的盤式制動器，只有勵磁電流通過線圈時制動器打開，這時制動器不起制動作用，而當電源斷開線圈中無勵磁電流時，在彈簧力的作用下處于制動狀態(tài)的常閉方式。因此
這種制動器被稱為無勵磁動作型電磁制動器。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。
電氣制動器
電動機是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置，反之，他也具有將旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電功能。換言之，伺服電機是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，可將電能轉(zhuǎn)換為機械能，同時也能通過其反過程來達到制動的目的。但對于直流電機、同步電機和感應(yīng)電機等各種不同類型的電機，必須分別采用適當?shù)闹苿与娐贰?
本文中，該柑橘采摘機器人實驗平臺未安裝機械制動器，因此柑橘采摘機器人的肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)在停止轉(zhuǎn)動的時候，會因為重力因素而下落。另外，由于各方面限制，不方便在原有機構(gòu)上添加機械制動器，所以只能通過軟件來實現(xiàn)肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)的電氣制動。
采用電氣制動器，其優(yōu)點在于：在不增加驅(qū)動系統(tǒng)質(zhì)量的同時又具有制動功能，這是非常理想的情況，而在柑橘采摘機器人上安裝機械制動器會使質(zhì)量有所增加，故應(yīng)盡量避免。缺點在于：這種方法不如機械制動器工作可靠，斷電的時候?qū)⑹ブ苿幼饔谩?
機械臂在抓取前必須先進行移動。本文中的移動機械臂，通過肩部和臂部進行方向移動。下面對隨動系統(tǒng)定義幾個性能參數(shù)，這幾個性能參數(shù)是反映移動過程中抓取的精度、速度和難易程度的指標
(1)抓取速度
移動機械臂的驅(qū)動電機以一定速度驅(qū)動機械臂時，機械臂的角速度。移動速度是衡量機械臂動性的一個指標，它的大小反映了抓取轉(zhuǎn)移的快慢。
(2)工作空間
移動機械臂移動的工作范圍成為工作空間。工作空間是衡量移動機械臂動性的一個指標，它的大小反映了移動機械臂工作范圍:工作空間大，一說明在不改變運動體的位置時，機械臂移動的范圍就大;反之，工作空間小，機械臂移動的范圍就小。
(3)對機械臂的要求
（a）保證旋轉(zhuǎn)精度
移動機械臂的移動精度主要取決于移動系統(tǒng)的質(zhì)量，傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的精度。就肩部而言，移動精度與肩部空回量的大小有很大聯(lián)系。這里的空回量是由于移動的各運動副的嚙合間隙和各傳動連接件之間的空隙所產(chǎn)生的，這些空隙是由于零件的制造誤差和裝配誤差以及零件的磨損或分解組合調(diào)整得不夠好所造成的。另外各傳動件的加工、裝配質(zhì)量的情況等對于移動精度都有影響。為了提高移動精度，減小移動時的方向變位，有利于提高移動準確度和密集度，對移動機械臂的空回量提出了一定的要求。
(b)保證移動操作輕便，平穩(wěn)
為了能夠迅速地，精確地進行移動完成抓取任務(wù)，要求移動機械臂的操作輕便、平穩(wěn)。移動機械臂的操作輕便、平穩(wěn)主要取決于在一定移動旋轉(zhuǎn)速度下所需驅(qū)動力的大小。
移動機械臂的在穩(wěn)定運動時，驅(qū)動力可按下列公式求出:
（6-1）
式中:
M—移動關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)部分阻力矩
R—移動關(guān)節(jié)驅(qū)動電機軸半徑
—移動臂總效率
i—移動臂總傳動比
而
(6-2）
—驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動的角速度
—肩或臂回轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)動的角速度即移動速度
由(6-1)式可知： i與P成反比，i愈大，則P愈小。
由(6-2)式可知：i與成反比，i愈大，則。、愈小。
所以電機驅(qū)動力P與移動速度是成正比的。這樣為了減少驅(qū)動力，就必須增加傳動比，而增加傳動比，會引起移動速度減小。同樣，若要提高移動速度，就必須減小傳動比;而減小了傳動比，又會引起驅(qū)動力增大。因此，減小驅(qū)動力同提高移動速度是相矛盾的。所以要根據(jù)移動機械臂的移動抓取技術(shù)要求，在滿足一定移動速度的情況下，減小驅(qū)動力，以便移動機械臂操作輕便、平穩(wěn)、靈活。
(c)保證準確定位不易被破壞
引起定位被破壞的可能有以下原因:不平衡力矩的變化、移動中振動等。當機械臂具有自鎖性和適當?shù)碾姍C驅(qū)動力時，就能保證移動的位置不因上述原因而被破壞。移動機械臂的自鎖性是指關(guān)節(jié)只能正傳動，不能逆?zhèn)鲃?。移動機械臂的關(guān)節(jié)的自鎖性很重要，它不僅保證移動位置不被破壞，而且也保證了因為斷電而發(fā)生機械臂下落撞擊本體。解決移動機械臂自鎖的方法通常有以下二種: 一種是移動機械臂的傳動機構(gòu)中，采用自鎖的運動副。如自鎖的蝸輪蝸桿副，移動機械臂的肩部采用了自鎖的蝸輪蝸桿傳動方式，實現(xiàn)自鎖。另一種是在移動機械臂附加自鎖機構(gòu)。如自鎖器、固定盤、電磁閘等。為了防止微小的外力作用到移動機械臂驅(qū)動電機軸上而破壞移動，移動機械臂的肩部驅(qū)動力不應(yīng)過小。
(d)有足夠的強度、剛度和使用壽命
由于移動機械臂工作條件較差，傳遞運動受力較大，且受動載荷的作用，各部件應(yīng)有足夠的強度和剛度，以保證移動機械臂肩部不被破壞和產(chǎn)生變形影響抓取精度。這在結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選用上應(yīng)予考慮。同時還要考慮各傳動件之間的磨損問題，應(yīng)盡量減小磨損，磨損以后能夠調(diào)整。
上述要求，既是移動機械臂設(shè)計的基礎(chǔ)，又是衡量移動機械臂性能好壞的依據(jù)。
2.7 機械臂的肩部結(jié)構(gòu)分析
移動機械臂的肩部采用的蝸輪蝸桿式的，下面移動機械臂的肩部結(jié)構(gòu)分析。
2.7.1 作用原理
肩部結(jié)構(gòu)為蝸輪蝸桿式的。所謂蝸輪蝸桿式肩部，是指在肩部的傳動機構(gòu)中，主要通過蝸輪蝸桿的傳動，使肩部回轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)動，來實現(xiàn)機械臂方向移動的。移動機械臂的肩部還承受并傳遞臂部時回轉(zhuǎn)部分所產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩。
2.7.2 結(jié)構(gòu)及分析
(1)結(jié)構(gòu)
在前面的移動機械臂的肩部機械設(shè)計中，對機械臂的肩部結(jié)構(gòu)己經(jīng)有了詳細的介紹，詳見前面機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容，這里就不再累述了。
(2)分析
根據(jù)對移動機械臂的要求，來分析機械臂肩部結(jié)構(gòu)性能。
（a）為了提高方向移動精度，減小移動時產(chǎn)生的變位，要求保證在肩部傳動輕便靈活的情況下，空回量要小，保證臂部裝置在肩部上總的配合間隙所產(chǎn)生的方向移動改變量要小于一定值。肩部的空回量，主要取決于蝸輪蝸桿嚙合間隙、磨損情況、蝸桿是否有軸向串動及傳動連接件的間隙等。
肩部的蝸輪蝸桿傳動是開式傳動，不便于潤滑和防塵;因此傳動過程中的磨損是較嚴重的。同時蝸輪蝸桿間的摩擦系數(shù)較大，也易于磨損。由于磨損較嚴重，從而增大蝸輪蝸桿的嚙合間隙，使肩部空回量變大，這同樣會影響移動精度和移動時的變位。工廠在裝配過程中應(yīng)盡量減少裝配誤差，保證總的配合間隙對移動角的影響最小。
（b）為了使傳動輕便、平穩(wěn)、靈活，在機械臂的肩部的傳動機構(gòu)中，采用了滾動軸承并能通過注油嘴注油潤滑。蝸輪蝸桿在裝配前經(jīng)過研磨檢查，裝配后又經(jīng)過調(diào)整，使其兩齒的接觸面沿齒高達60%，沿齒寬達50%.
蝸桿為右旋，頭數(shù)=1，蝸輪齒數(shù)=32，配套減速器的減速比=156，齒輪副傳動比= 1，因此肩部的總傳動比
(6-3)
又
(6-4）
式中。—肩關(guān)節(jié)電機轉(zhuǎn)動角速度
(6-5)
n—電機每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，n=10200r/m
—回轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)動角速度，即為移動速度
（6-6）
將（6-4）（6-5）代入（6-6）式得到移動肩部的速度
=0.775rad/s
上述為肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度的理論計算值，移動機械臂的旋轉(zhuǎn)速度最大0.5rad/s可看成它符合移動技術(shù)要求，實際測量值雖然會因傳動機構(gòu)的加工裝配質(zhì)量等的影響而大一些，但仍是符合移動技術(shù)要求的。滿足移動機械臂肩部的設(shè)計要求。
(c)移動機械臂肩部的自鎖是靠能夠自鎖的蝸輪蝸桿副來保證的。蝸輪蝸桿副自鎖條件：蝸桿螺旋角小于折合摩擦角和要可靠自鎖必須比至少小1度。
由機械零件可知
(6-7)
(6-8)
式中
—蝸桿頭數(shù) =1
q—蝸桿特性系數(shù)
(6-9)
一蝸桿分度圓直徑 =28mm
· 一蝸桿軸向模數(shù) =2mm
將上述各值代入公式得到：
>
由此可以看出:蝸輪蝸桿雖然符合>條件，而且差大于1，故自鎖可靠。
(d)蝸輪蝸桿式的肩部易于旋轉(zhuǎn)方向的要求。
肩部是蝸輪蝸桿傳動，蝸桿固定于蝸輪箱內(nèi)，蝸輪位于蝸輪箱內(nèi)，通過軸套與轉(zhuǎn)軸相連，與蝸桿嚙合。進行旋轉(zhuǎn)運動操作時，主控計算機把臂部角度與目標點的角度進行比 較，角度的差值通過電機驅(qū)動器驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，電機轉(zhuǎn)動經(jīng)配套的減速器后，經(jīng)過一對齒輪副的傳動，帶動蝸桿轉(zhuǎn)動，蝸桿與蝸輪嚙合，使得與蝸輪通過軸套連接的肩部轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，從而使得固定于肩部轉(zhuǎn)軸的臂部轉(zhuǎn)動，賦予肩部在150度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。
(e)蝸輪副的傳動一般具有工作平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊的特定，但是在這里將它用作移動機械臂的肩部傳動機構(gòu)后，具體情況有所變化。因為蝸輪蝸桿分別安裝在箱體上，不能實現(xiàn)對蝸輪蝸桿的固定裝置進行組合加工來保證蝸輪蝸桿的中心距有較小的偏差;裝配時，蝸輪中心與回轉(zhuǎn)中心不易重合，存在較大的偏差。從而不能保證蝸桿軸線與蝸輪的節(jié)圓在同一平面內(nèi)。所以解決的辦法是蝸桿兩端加上調(diào)整墊片。也就是說，在傳動過程中，蝸輪蝸桿的嚙合情況是變化的，這就使得電機驅(qū)動肩部轉(zhuǎn)動時出現(xiàn)轉(zhuǎn)動不平穩(wěn)、驅(qū)動力不均勻現(xiàn)象。又因為肩部為一級傳動，而且旋轉(zhuǎn)部分很重，體積較大，進行肩部旋轉(zhuǎn)定位時，回轉(zhuǎn)慣性也就較大，同時也沒有消除回轉(zhuǎn)慣性力矩的緩沖機構(gòu)，這種回轉(zhuǎn)慣性也就敏感地、直接地反映到電機上來。由于法蘭盤和臂部體積較大，使得肩部的體積也較大，且不夠緊湊。
第3章 控制系統(tǒng)硬件
3.1 控制系統(tǒng)模式的選擇
構(gòu)建柑橘采摘機器人平臺的核心是建立柑橘采摘機器人的控制系統(tǒng)。首先需要選擇和硬件平臺，控制系統(tǒng)硬件平臺對于系統(tǒng)的開放性、實現(xiàn)方式和開發(fā)工作量有很大的影響。一般常用的控制系統(tǒng)硬件平臺應(yīng)滿足：硬件系統(tǒng)基于標準總線機構(gòu)，具有可伸縮性；硬件結(jié)構(gòu)具有必要的實時計算能力；硬件系統(tǒng)模塊化，便于添加或更改各種接口、傳感器和特殊計算機等；低成本。到目前為止，一般柑橘采摘機器人控制系統(tǒng)的硬件平臺可以大致分為兩類：基于VME總線（Versamodel Eurocard由Motorola公司1981年推出的第一代32位工業(yè)開放標準總線）的系統(tǒng)和基于PC總線的系統(tǒng)。近年來，隨著PC機性能的快速發(fā)展，可靠性大為提高，價格卻大幅度降低，以PC機為核心的控制系統(tǒng)已廣泛被柑橘采摘機器人控制領(lǐng)域所接受。
基于PC機控制系統(tǒng)一般包括單PC控制模式，PC+PC的控制模式，PC+分布式控制器的控制模式，PC+DSP運動控制卡的控制模式，PC+數(shù)據(jù)采集卡的控制模式，由于基于采集卡的控制方式靈活，成本低廉，有利于本文設(shè)計中的廢物利用，在程序和算法上可以自主編制各類算法，適合本課題研究的需要。因此本文選定PC+數(shù)據(jù)采集卡的控制方式。
3.2控制系統(tǒng)的搭建
圖3.1 控制系統(tǒng)框圖
3.2.1工控機
在此選用研華工業(yè)控制機,主頻233MHz,內(nèi)存128兆，32位數(shù)據(jù)總線。底板有9個ISA插槽，4個PCI插槽，帶VGA顯示器。其性能價格比優(yōu)越，兼容性好，有利于軟硬件維護和升級。與普通個人計算機相比工業(yè)控制PC機有以下優(yōu)點：
·芯片篩選要比一般個人計算機嚴格；
·芯片驅(qū)動能力較強；
·整機內(nèi)部結(jié)構(gòu)屬于工業(yè)加強型，具有較強的防震和抗干擾性能；
·對環(huán)境（如溫度、濕度、灰塵等）的要求要比一般計算機低得多。
3.2.2數(shù)據(jù)采集卡
在本設(shè)計中我們主要用到研華公司的PCL812PG和PCL726，其參數(shù)如下。
PCL-812PG
主要特點：
· 16路單端12位模擬量輸入
· 2路12位模擬量輸出
· 采樣速率可編程，最快達30KHz
· 帶DMA或中斷的A/D
· 16路數(shù)字量輸出
PCL-726
主要特點：
· 6路獨立D/A輸出
· 12位分辨率雙緩沖D/A轉(zhuǎn)換器
· 16路數(shù)字量輸入及16路數(shù)字量輸出
· 多種電壓范圍：+/-10V，+/-5V，0—+5V，0—+10V和4—20mA電流環(huán)。
3.2.3伺服放大器
在驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計過程中，主要是對伺服電機的驅(qū)動，本文中利用報廢柑橘采摘機器人上的maxon電機驅(qū)動關(guān)節(jié)，因此同樣選用maxon伺服電機驅(qū)動器（maxon motor control4-Q-DC Servo Control LSC 30/2）進行驅(qū)動，如圖3.2所示，這是專門針對maxon電機設(shè)計的伺服電機放大控制器，具有很強的控制功能和穩(wěn)定性，電源電壓12~30v之間，1、2接線端子接伺服電機，直接給電機供電，3，4接線端與電源相連，7、8接控制電壓，通過數(shù)據(jù)采集卡輸出的模擬電壓信號進入這兩個接線端來控制電機的轉(zhuǎn)速大小和正反轉(zhuǎn)，13、14接測速計（本文中未用），3、4、10之間是一個光耦合器，輸入“準備好”信號。在伺服控制器前面，有5個旋鈕調(diào)節(jié)器涌來調(diào)節(jié)電機的五個參數(shù)，下邊有10個DIP開關(guān)，用來選擇控制器工作狀態(tài)。
圖3.2伺服放大器接線及其調(diào)節(jié)示意
3.2.4端子板
不同的被測信號通過不同的傳送路線到采集卡，而采集卡在工控機機箱內(nèi)，不變直接連接到工業(yè)系統(tǒng)中的各種傳感器或執(zhí)行器。
端子板的主要作用有兩個：
①．端子板是采集卡與每一個信號調(diào)理電路或驅(qū)動裝置之間的電器連接部件，給每一路輸入、輸出信號提供單獨的信號線和地線，使每一路通道可單獨接通或斷開，系統(tǒng)檢修和排除故障時不必全部停止運行。
②．將每一路信號經(jīng)過各自的傳送路線到達端子板后，可以根據(jù)各路信號和傳送路線的特點，在端子板上對各路信號進行簡單的調(diào)理，如經(jīng)電阻衰減、分流或經(jīng)過RC低通濾波后進入采集卡。
圖3.3所示為端子板電路
圖3.3端子板電路
圖3.3所示的電路圖中，為防止直流電機產(chǎn)生的噪聲影響電路的正常運行，使用了光電耦合器4N25。在機電一體化技術(shù)中，光電耦合電路是重要的接口電路。
其中PCL-812PG通過五路數(shù)字量輸出來控制電機電路的通斷，PCL-726通過五路模擬量輸出來控制電機的正反轉(zhuǎn)和運行速度，另外PCL-812PG還負責采集五個電位器的電壓，以此將電機的運行角度反饋給計算機。
3.2.5電位器及其標定
電位器是一種可調(diào)電阻，也是電子電路中用途最廣泛的元器件之一。它對外有三個引出端，其中兩個為固定端，另一個是中心抽頭。轉(zhuǎn)動或調(diào)節(jié)電位器轉(zhuǎn)動軸，其中心抽頭與固定端之間的電阻將發(fā)生變化。
本文采用的電位器是單圈的，也就是說各關(guān)節(jié)的運動角度小于360o，對于該柑橘采摘機器人已經(jīng)足夠了。電位器安裝在柑橘采摘機器人的各個關(guān)節(jié)輸出軸上，所以在關(guān)節(jié)角的運動范圍內(nèi)，電位計的輸出電壓和關(guān)節(jié)角是一一對應(yīng)的，存在著一定的函數(shù)關(guān)系。
從理論上來講，電位器應(yīng)該是線性的測量元件，但由于電位器的滑動噪聲以及滑線電阻的工作過程中的磨損，這種函數(shù)關(guān)系并非理想的線性關(guān)系，而是存在一定的偏移。電位器的標定就是根據(jù)在各個角度處測量的電壓值，擬合出一條直線，
近似替代真實的函數(shù)關(guān)系。
下面即是對各個關(guān)節(jié)的進行電位計標定。
電位器1的標定，如圖 3.4所示：
圖 3.4電位器
關(guān)節(jié)角1與電位計1的函數(shù)關(guān)系： a=33.3105v-16.895
電位器2的標定
圖 3.5
如圖 3.5所示：
關(guān)節(jié)角2與電位計2的函數(shù)關(guān)系： a=33.2967v -124.2692
電位器3的標定
圖 3.6
如圖 3.6所示：
關(guān)節(jié)角3與電位計3的函數(shù)關(guān)系： a= 32.9333v-16.2222
電位器4的標定
圖 3.7
如圖 3.7所示：
關(guān)節(jié)角4與電位計4的函數(shù)關(guān)系： a= 32.6333v-75.1389
電位器5的標定
圖 3.8
如圖 3.8所示：
電機5與電位計5的函數(shù)關(guān)系： a= 32.9000v -36.3611
注：以上標定工作都是在10.00v的電壓下測量的
3.2.6電源
電位器和伺服放大器都需要一定的電壓，特別是電位計是在10.0v的條件下工作的，穩(wěn)定的電壓對于保證電位計反饋信號的真實性具有重大的影響；而伺服放大器是在12v~30v范圍內(nèi)工作的，電壓只要在此范圍內(nèi)即可。
本文采用DH1715A-3型 雙路穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，可以提供0~32v電壓輸出和0~2A電流輸出。
這里設(shè)定兩路電壓輸出：14.0v——供給伺服放大器運行，10.0v——保證電位計的正常工作。
第4章 控制系統(tǒng)軟件
以上完成了柑橘采摘機器人的本體設(shè)計和控制系統(tǒng)硬件的搭建，下面將通過設(shè)計控制軟件，使計算機通過數(shù)據(jù)采集卡有條不紊地向外部發(fā)送指揮信號，最終驅(qū)動柑橘采摘機器人各個關(guān)節(jié)的運動，使之按照人的意愿“工作”。
4.1預(yù)期的功能
（1）. 實時顯示各個關(guān)節(jié)角，并且可以防止各個關(guān)節(jié)的運動角度超出預(yù)定的關(guān)
節(jié)角范圍內(nèi)；
（2）. 實現(xiàn)直流電機的伺服控制；
（3）. 實現(xiàn)電機的自鎖；
（4）. 實現(xiàn)示教編程及在線修改程序；
（5）. 可以設(shè)置參考點，使柑橘采摘機器人在空間有一個固定的參考位置，可以回參考
點。
4.2 實現(xiàn)方法
以模塊化程序設(shè)計思想為指導，以預(yù)期要實現(xiàn)的功能作為各個模塊，設(shè)計控制軟件。
從圖3.1可以看出，工控機通過數(shù)據(jù)采集控制 。編程的任務(wù)其實就是用計算機控制數(shù)據(jù)采集卡使之發(fā)出或獲取一系列數(shù)字量、模擬量。
研華公司的數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序中，附帶許多與板卡相關(guān)的函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以供使用，極大的方便了程序編寫。
本文采用了Visual C++作為編程工具。
4.2.1實時顯示各個關(guān)節(jié)角及運動范圍控制
在BOOL CRobotDlg::OnInitDialog()函數(shù)中，
設(shè)置定時器SetTimer(1, gwScanTime, NULL)，
然后在void CRobotDlg::OnTimer(UINT nIDEvent)函數(shù)中，
通過調(diào)用bool CRobotDlg::position_now(USHORT ka1_chan)，采樣電位器輸出電壓，通過前面的電位器標定函數(shù)，換算出各個關(guān)節(jié)的角度，并顯示出來。
在void
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