水果采摘裝置的設(shè)計(jì)【仿生機(jī)械手含SW三維仿真及13張CAD圖】
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I水果采摘裝置設(shè)計(jì)摘要：本文主要對(duì)一種水果采摘裝置進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)。這個(gè)裝置是一個(gè)仿生的采摘機(jī)器人的機(jī)械手。該裝置必須依附于新型的蘋果采摘機(jī)器人，仿生機(jī)械手主要使用合適的鋼絲作為傳動(dòng)鏈將裝置的驅(qū)動(dòng)部位和執(zhí)行部位分開，將驅(qū)動(dòng)部分放于機(jī)械手臂的尾部，目的在于減輕機(jī)械臂的質(zhì)量，也大大增加了所需要用到的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的可選擇的范圍。首先，對(duì)仿生采摘機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行了查閱資料和確定設(shè)計(jì)方案。在確定方案的過程中修改優(yōu)化了兩次，最終確定為仿生機(jī)械手裝置；其次，設(shè)計(jì)計(jì)算并對(duì)裝置進(jìn)行三維建模，繪制出零件圖然后裝配。最后利用有限元分析軟件進(jìn)行力學(xué)分析，采用 3D 打印技術(shù)對(duì)零件進(jìn)行了加工，人工裝配，制造出了設(shè)計(jì)的實(shí)物。此次的采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)方案經(jīng)研究合理有效，符合任務(wù)要求，它的整體性能可以滿足新型機(jī)器人采摘蘋果的所需采摘裝置。關(guān)鍵詞：蘋果采摘機(jī)器人；仿生機(jī)械手；機(jī)械設(shè)計(jì)IIDesign of Fruit Picking DeviceAbstract：In this paper, a kind of fruit picking device is designed. The device is a biomimetic hand for picking a robot. The device must be attached to a new type of Apple picking robot. It mainly uses steel wire as a transmission chain to separate the drive part from the execution part, and the drive part is placed on the tail part, reducing the quality of the robot arm. The range of options for the required drive motor has also been increased.Firstly, the overall design of the Bionic picking manipulator is reviewed and the design scheme is determined. Secondly, the device is modeled in three dimensions, the parts are mapped and assembled. Finally, using software for mechanical analysis and then using 3D printing technology, the parts were processed, manually assembled, and the designed physical objects were produced.This picking scheme is reasonable and effective, and its overall performance can meet the requirements of the new robot to pick apples.Key words: Apple picking robot; Bionic manipulator; Mechanical designIII目錄摘要 ........................................................................................................................................IAbstract..................................................................................................................................II1.緒論 ....................................................................................................................................11.1 課題背景及目的 .....................................................................................................11.2 國(guó)內(nèi)外采摘機(jī)器人研究進(jìn)展 ..................................................................................11.3 主要內(nèi)容和研究方法 ..............................................................................................21.3.1 主要研究?jī)?nèi)容 ..............................................................................................21.3.2 主要研究方法 ...............................................................................................21.4 本章小結(jié) ..................................................................................................................22.采摘裝置仿生機(jī)械手的設(shè)計(jì) .............................................................................................32.1 新型農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的特點(diǎn) ..................................................................................32.2 水果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)中存在的問題和解決方案 ..................................................32.3 采摘方式和分離方式的選擇 ..................................................................................42.3.1 采摘方式的選擇 ...........................................................................................42.3.2 分離方式的選擇 ...........................................................................................62.4 仿生機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ..................................................................................72.4.1 蘋果采摘方式分析 .......................................................................................72.4.2 總體設(shè)計(jì) .......................................................................................................72.5 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ..........................................................................................................82.5.1 手指數(shù)量 .......................................................................................................82.5.2 手指關(guān)節(jié)數(shù)量 ...............................................................................................92.5.3 手指的材料選擇 ...........................................................................................92.6 機(jī)架的設(shè)計(jì) ............................................................................................................102.7 驅(qū)動(dòng)方案的選擇 ....................................................................................................102.8 本章小結(jié) ................................................................................................................113.仿生機(jī)械手靜力學(xué)分析 ...................................................................................................123.1 手指的工作原理 ...................................................................................................123.2 抓取時(shí)的靜態(tài)力學(xué)模型 .......................................................................................123.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 ...........................................................................................................15IV3.4 手部的夾持誤差計(jì)算 ............................................................................................153.5 本章小結(jié) ................................................................................................................184.仿生機(jī)械手 3D 建模及重要零件的有限元分析 .............................................................194.1 軟件概述 ...............................................................................................................194.2 機(jī)械手的虛擬設(shè)計(jì)與裝配 ....................................................................................194.2.1 模型的建立 .................................................................................................194.2.2 裝配 .............................................................................................................224.3 重要零件的有限元分析 .....................................................................................23總結(jié) .....................................................................................................................................24參考文獻(xiàn) .............................................................................................................................25致謝 .....................................................................................................................................2711.緒論1.1 課題背景及目的我國(guó)是世界農(nóng)業(yè)大國(guó)，而水果業(yè)恰恰是我國(guó)農(nóng)業(yè)的重要一個(gè)組成部分。 果實(shí)成熟時(shí)最重要的操作環(huán)節(jié)是采摘作業(yè)。 勞動(dòng)強(qiáng)度高，消耗時(shí)間長(zhǎng)。 同時(shí)，由于樹高的限制，高處位置的果實(shí)難以采摘，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。所以需要設(shè)計(jì)一款簡(jiǎn)單易于操作，但又效率高，易于生產(chǎn)，可以大面積推廣的設(shè)備，有來輔助生產(chǎn)過程中采摘的環(huán)節(jié)。以保證生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全，將更多的勞動(dòng)力解放出來。隨著新型農(nóng)業(yè)技術(shù)，機(jī)械技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人已經(jīng)進(jìn)入我們的視線，使得生產(chǎn)向智能化發(fā)展。所以本次設(shè)計(jì)偏向機(jī)器人采摘裝置，主要會(huì)設(shè)計(jì)采摘部分所需要的仿生機(jī)械手。主要達(dá)到用來提高生產(chǎn)效率改善生產(chǎn)狀況，保證生產(chǎn)安全等目的。1.2 國(guó)內(nèi)外采摘機(jī)器人研究進(jìn)展果蔬采摘機(jī)器人的發(fā)明始于 20 世紀(jì) 60 年代，在美國(guó)二十世紀(jì)，采摘的主要方法是機(jī)械和氣動(dòng)搖動(dòng)。果實(shí)的脆弱性是果實(shí)的脆弱性、低效率、特定的采收率、有限的采摘、新鮮果蔬的存在。但從那時(shí)起，隨著電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是工業(yè)機(jī)器人和日益復(fù)雜的計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，拾取機(jī)器人的研究和技術(shù)發(fā)展迅速發(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)家對(duì)果蔬采摘機(jī)器人進(jìn)行了研究，包括柑桔、蘋果、西紅柿、櫻桃番茄、蘆筍、黃瓜、黃瓜、葡萄、卷材、菊花。草莓、蘑菇等。這些好處并沒有真正使機(jī)器人商業(yè)化。在中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域起步較晚。但這不可能難住奮斗者，近年來，已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。東北林業(yè)大學(xué)教授盧懷敏成功研制了一種液壓驅(qū)動(dòng)的松果采摘機(jī)器人和單片機(jī)控制系統(tǒng)。梁希鳳，苗向文等 成功模擬了番茄機(jī)器人機(jī)械特性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化運(yùn)動(dòng)。鑒于番茄采摘選番時(shí)定位不準(zhǔn)確的問題，張瑞鶴等人巧妙地利用雙目立體視覺成功解決了這個(gè)大問題。 張劍鋒，董健，張志勇等自適應(yīng)棒跟蹤控制算法的采摘機(jī)器人設(shè)計(jì);機(jī)器人視覺傳感器三維立體設(shè)計(jì)中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)劉召祥，劉剛等人摘取了江蘇大學(xué)蘋果蔡建榮的三維信息。 近年來，隨著國(guó)家重視農(nóng)業(yè)，加大對(duì)資源的投入，作為農(nóng)業(yè)機(jī)械的重點(diǎn)，機(jī)器人得到了質(zhì)的優(yōu)化和跨越，但面對(duì)復(fù)雜多變的工作環(huán)境，對(duì)機(jī)器人的研究依然存在 一樣。 還有很長(zhǎng)的路要走。21.3 主要內(nèi)容和研究方法1.3.1 主要研究?jī)?nèi)容(1)采摘裝置設(shè)計(jì)方案的確定。(2)初步做出整個(gè)裝置的零件圖和裝配圖。(3)使用相關(guān)軟件做出三維圖，并對(duì)裝置進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)和力學(xué)分析。并且對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。(4)對(duì)裝置進(jìn)行加工和裝配。(5)撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文1.3.2 主要研究方法（1）查閱和瀏覽資料利用課本和圖書館等現(xiàn)有圖書對(duì)研究課題進(jìn)行深入理解和設(shè)計(jì)不斷地改進(jìn)和優(yōu)化，利用網(wǎng)絡(luò)資源瀏覽并學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，查看相關(guān)文章圖片和視頻對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容有深切的認(rèn)識(shí)。（2）軟件建模和力學(xué)分析利用軟件進(jìn)行三維建模把設(shè)計(jì)內(nèi)容玩真的體現(xiàn)于三維圖中，使得設(shè)計(jì)過程和優(yōu)化過程方便快捷，利用軟件所有的力學(xué)分析功能對(duì)零件進(jìn)行力學(xué)分析保證設(shè)計(jì)零件的壽命和合理性。（3）3D 打印技術(shù)進(jìn)行加工利用學(xué)?，F(xiàn)有的 3D 打印設(shè)備對(duì)零件進(jìn)行加工和后期人工的裝配，以便于直觀的將設(shè)計(jì)進(jìn)行說明和展現(xiàn)。1.4 本章小結(jié)本章節(jié)主要對(duì)課題研究的背景和目的進(jìn)行闡述，對(duì)國(guó)內(nèi)外研究的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了陳述，對(duì)研究的內(nèi)容和方法進(jìn)行了討論和確定，為接下來的設(shè)計(jì)進(jìn)行了總領(lǐng)的作用。32.采摘裝置仿生機(jī)械手的設(shè)計(jì)2.1 新型農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的特點(diǎn)在目前的工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)有大量的工業(yè)機(jī)器人投入生產(chǎn)加工的流水線中，但是在農(nóng)業(yè)中機(jī)器人的應(yīng)用并不是十分的凸顯，原因有很多，最直接的原因就是農(nóng)業(yè)機(jī)器人所要面對(duì)的工作對(duì)象和工作環(huán)境和工業(yè)機(jī)器人大有不同，技術(shù)難度比較高很難實(shí)現(xiàn)智能化的生產(chǎn)工作，所以對(duì)新型農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人討論得出它具體有以下幾個(gè)特點(diǎn)： （1）非結(jié)構(gòu)性的操作環(huán)境。由于作物隨時(shí)間和空間的變化，工作環(huán)境是不可預(yù)知的。而且形式多變的。除了地形條件的限制外，它還直接受作物生長(zhǎng)環(huán)境的季節(jié)、氣候和其他自然條件的影響。這不單單要考慮到裝置的靈活性還要有很大的智能性，并能適應(yīng)多變的自然環(huán)境，在視覺、觸覺、多傳感器融合、知識(shí)推理和判斷等方面具有相當(dāng)?shù)闹悄堋?（2）被采摘水果的易損性和位置不可預(yù)測(cè)性。眾所周知，新鮮的水果較為嬌嫩若采摘不當(dāng)定會(huì)造成采摘的損傷和經(jīng)濟(jì)的損失，而其水果在樹體上所處的位置高低及被樹葉的遮擋程度。這些都將是水果機(jī)械采摘所要面臨的問題。都需要被合理的解決。 （3）運(yùn)動(dòng)軌跡的復(fù)雜性。機(jī)器人一般要一邊移動(dòng)一邊進(jìn)行拾取操作，這一問題是比較復(fù)雜的，此時(shí)不像工業(yè)機(jī)器人那樣具有固定的軌道和可以判斷的距離，動(dòng)作的同步要求就比較高了，在后期的控制中就比較要求高了。 （4）操作對(duì)象和市場(chǎng)價(jià)格的特殊性。由于水果采摘裝置主要為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者來使用所以一定要便于操作和保養(yǎng)維護(hù)之類，而其要是和不同的性別和年齡段的勞動(dòng)者。并且價(jià)格不能過于昂貴，以至于果農(nóng)成本太高不愿意使用采摘裝置。2.2 水果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)中存在的問題和解決方案采摘機(jī)器人機(jī)械手設(shè)計(jì)是水果采摘機(jī)器人的一個(gè)核心設(shè)計(jì)。因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在一般水果的表皮都比較脆弱容易損傷，而且水果的形狀以及生長(zhǎng)在果樹上的位置通常比較復(fù)雜。所以在采摘機(jī)器人實(shí)地采摘的過程中較為容易發(fā)生損傷的原因主要有以下兩點(diǎn)： （1）水果位置判斷的不準(zhǔn)確和執(zhí)行動(dòng)作時(shí)存在的軌跡誤差，一般水果均被樹葉遮擋，而且樹枝的生長(zhǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜，所以在水果位置的判斷中存在較大的難度，而且就算判斷正確后采摘軌跡極易可能受到樹枝的影響，導(dǎo)致動(dòng)作的中斷或偏移。（2）水果的表皮較為嬌嫩在采摘過程中機(jī)械手的力度和方向一旦控制不好就會(huì)對(duì)水4果造成損傷，從而影響水果品質(zhì)造成直接的經(jīng)濟(jì)損失。所以對(duì)采摘機(jī)器人的采摘裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)是，應(yīng)要根據(jù)不同水果的生物特性和機(jī)械特性以及栽培方式，采用不同的專用特有的裝置以提高采摘的成功率并減小對(duì)水的損傷為主要目標(biāo)。一般集成兩項(xiàng)功能： （1）準(zhǔn)確的測(cè)量果實(shí)的位置，為機(jī)械手采摘時(shí)提供準(zhǔn)確的導(dǎo)航信息； （2）對(duì)采摘的力度進(jìn)行精確的控制，壓力傳感器必須高度精準(zhǔn)，以保證在抓取水果的時(shí)候?qū)λ谋砥び幸粋€(gè)很好的保護(hù)，不至于損壞水果造成損失。2.3 采摘方式和分離方式的選擇2.3.1 采摘方式的選擇經(jīng)過查閱書籍和瀏覽網(wǎng)絡(luò)資料發(fā)現(xiàn)目前國(guó)內(nèi)外采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)方案中可以借鑒和使用的的有以下幾種采摘方式：（1）直接切斷式 ：這種方式最為原始和簡(jiǎn)單，但是缺點(diǎn)也很多，比如說自動(dòng)化程度的不高采摘效率低下，采摘環(huán)境要求高，不能滿足多種地形和水果的采摘，操作難度高不便于采摘人員的操作和使用等，如圖 2-1/2-2/2-3 所示。圖 2-1 甜椒采摘機(jī)器人機(jī)械手圖 2-2 茄子采摘機(jī)器人機(jī)械手5圖 2-3 番茄采摘機(jī)器人機(jī)械手（2）吸入式 ：這種方式是先使用真空將果實(shí)吸入操作位置后然后再進(jìn)行采摘切柄的過程，下面的兩種裝置均為吸入式，只是在切柄的部分有所不同，一個(gè)是切一個(gè)是旋轉(zhuǎn)扭斷。這種吸入式采摘較為合理可以應(yīng)用在很多采摘裝置中。圖 2-4 柑橘采摘機(jī)器人機(jī)械手圖 2-5 蘋果采摘機(jī)器人機(jī)械手（3）夾持類 ：這種方式模仿了人手采摘水果的運(yùn)動(dòng)方式，運(yùn)用了仿生學(xué)的知識(shí)，在抓取過程中較為快捷準(zhǔn)確和靈活，所以不管在工業(yè)機(jī)器人還是農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人中仿生的機(jī)械手得到了大量的應(yīng)用。而且國(guó)內(nèi)外對(duì)此方面的研究也較為頻繁，所以此次研究采用了仿生機(jī)械手進(jìn)行采摘。61.手指 2.內(nèi)螺紋管 3.絲杠 4.電機(jī)圖 2-6 機(jī)械手機(jī)構(gòu)示意圖最后經(jīng)過大量的查閱資料并且指導(dǎo)老師進(jìn)行多次的指導(dǎo)和建議，最終我們?cè)谶@里選擇夾持類的采摘方式，此種方式較為簡(jiǎn)單直接在采摘過程中能快速高效的完成采摘而且不是以損傷過時(shí)的表面，所以此種方式較為符合蘋果采摘機(jī)器人所需要的特性，能較好的完成采摘的需求。2.3.2 分離方式的選擇（1）扭斷、折斷、拉斷扭斷式分離方式是利用機(jī)器人手腕的旋轉(zhuǎn)和仿生周轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在機(jī)械手抓牢果實(shí)后擰斷果柄，需要多次往復(fù)扭轉(zhuǎn)才能斷開果梗，采摘機(jī)器人機(jī)械手需要較大的工作空間，這樣就難于避免碰撞到樹枝的障礙物。同時(shí)，這里就需要根據(jù)采摘對(duì)象的果柄的力學(xué)特性進(jìn)行不同方式的選擇和實(shí)際性的實(shí)驗(yàn)，否則很難達(dá)到預(yù)期判斷的效果。（2）剪切在很多設(shè)計(jì)中采摘機(jī)器人機(jī)械手安裝了剪刀或切刀，采摘方式為剪斷果柄或者切斷果柄。這種方法最為簡(jiǎn)單和直接，但是對(duì)位置精度的要求最高，而且剪切裝置不太穩(wěn)定最容易在剪切中發(fā)生故障。（3）熱切割在荷蘭有一種利用電阻絲將果柄切斷的技術(shù)，曾經(jīng)應(yīng)用在黃瓜的采摘裝置上，此種裝置優(yōu)點(diǎn)為可以閉合果樹因果柄斷落所導(dǎo)致的病菌感染，而且在水果保存水分的方面有著獨(dú)特的作用，但是此種裝置在使用的時(shí)候所需時(shí)間較長(zhǎng)而且電阻絲易于損壞，并不是特別符合高效率和低成本的要求。所以我們?cè)诖舜蔚脑O(shè)計(jì)中最終選擇拉斷式，此種分離方式最為適合蘋果的采摘，蘋果的果柄較脆，易于拉斷，這種方式的選擇不僅滿足機(jī)械手的特性而且在實(shí)際的操作過程中大大的節(jié)約了時(shí)間，簡(jiǎn)單快捷，是最為合適的分離方式。72.4 仿生機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.4.1 蘋果采摘方式分析根據(jù)上文的分析和討論我們最終選擇采摘方式為夾持類，分離方式為拉斷式主要的原因如下：夾持類采摘方式較為簡(jiǎn)單直接在采摘過程中能快速高效的完成采摘而且不是以損傷過時(shí)的表面，所以此種方式較為符合蘋果采摘機(jī)器人所需要的特性，能較好的完成采摘的需求。拉斷式，此種分離方式最為適合蘋果的采摘，蘋果的果柄較脆，易于拉斷，這種方式的選擇不僅滿足機(jī)械手的特性而且在實(shí)際的操作過程中大大的節(jié)約了時(shí)間，簡(jiǎn)單快捷，是最為合適的分離方式。設(shè)計(jì)要求：本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)械手應(yīng)該為了減輕果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高采摘效率，避免爬高造成意外傷害事故，要求能滿足各種高度的采摘作業(yè)，不損傷水果，水果類型可自定。要求完成該裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相關(guān)的校核，完成設(shè)計(jì)說明書撰寫，并完成裝配圖（包括三維裝配）以及相關(guān)零件圖，二維圖紙量至少保證 1.5 張 A0 圖紙。所以制定以下幾個(gè)方面：（1） 采摘果實(shí)為蘋果其直徑范圍：60 毫米～100 毫米；（2）裝置還要滿足體積外觀小巧、操作使用簡(jiǎn)單、安全性能可靠、場(chǎng)地適應(yīng)性強(qiáng)、加工制造成本低廉；（3）在加工制造的過程中生產(chǎn)流程簡(jiǎn)單，零件加工的工藝性好。2.4.2 總體設(shè)計(jì)機(jī)器人手臂的驅(qū)動(dòng)部分的末端安裝在手臂的最前端，以便拾取水果和蔬菜，以便采摘水果和蔬菜以實(shí)現(xiàn)設(shè)備和附加功能。水果和蔬菜收割機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了一鍵操作所需的移動(dòng)直接接觸。手指與果實(shí)體直接接觸。手指運(yùn)動(dòng)的常見形式是旋轉(zhuǎn)和平移。旋轉(zhuǎn)式手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，被廣泛使用。應(yīng)用是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但手指的平移抓住了圓形物體，而物體直徑的變化并不影響其軸線的位置，所以大直徑范圍適合于抱工。根據(jù)蘋果采摘的具體要求，提出了蘋果采摘機(jī)器人機(jī)械手。其結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示。致動(dòng)器由手指，手掌，機(jī)架等組成。手上有三個(gè)手指，三個(gè)手指圍繞著圓周對(duì)稱排列，即每側(cè)有一個(gè)手指。每個(gè)手指有 6 個(gè)關(guān)節(jié)。在電機(jī)的控制下，三根手指的連接通過拉動(dòng)手指下部的杠桿通過電線來實(shí)現(xiàn)。圖 2.7 顯示了一個(gè)使用 Solid Works 軟件設(shè)計(jì)的仿生拾取機(jī)器人的三維實(shí)體模型。8機(jī)械臂以合適的速度運(yùn)動(dòng)到果實(shí)附近，然后通過位置傳感器檢測(cè)到蘋果的位置在進(jìn)行程序化的分析，機(jī)械手開始工作夾緊果實(shí)，由壓力傳感器決定機(jī)械手的夾緊程度，然后模擬人類采摘時(shí)所用的下拉動(dòng)作，進(jìn)行采摘，最后將水果放到事前安排好的地方再松開手指，完成一個(gè)水果的采摘。圖 2-7 機(jī)械手機(jī)構(gòu)圖 2.5 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在這里我們選擇的手指設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）手指握力大，能夠牢牢的抓住水果，保證在采摘過程中可以有效地防止水果掉落。 （2）承載能力較高，通用性良好，具有可以隨意抓取任意形狀的能力保證可以采摘各種大小形狀的蘋果。（3）可以應(yīng)用范圍廣獨(dú)特的仿生設(shè)計(jì)同時(shí)減少了驅(qū)動(dòng)源的數(shù)量，使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單易與控置。選取驅(qū)動(dòng)裝置的時(shí)候只需考慮和討論一次，不必有過多的驅(qū)動(dòng)。 2.5.1 手指數(shù)量此次設(shè)計(jì)中選擇三根手指的設(shè)計(jì)，此種設(shè)計(jì)用意在于以最少的結(jié)構(gòu)就可以完成采摘所需要的抓取作用，三根手指足以對(duì)蘋果進(jìn)行完全包絡(luò)不會(huì)掉落，而且不會(huì)造成浪9費(fèi)，在三根手指可以完成的情況下完全不必要設(shè)計(jì)成三根以上，而且在采摘的時(shí)候有利于蘋果表皮的保護(hù)不會(huì)損傷蘋果的表皮造成經(jīng)濟(jì)的損失，從而使設(shè)計(jì)更加合理。2.5.2 手指關(guān)節(jié)數(shù)量在采摘機(jī)器人仿生機(jī)機(jī)械手的關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)中，手指的關(guān)節(jié)數(shù)量越多手指的靈活性越大，抓取的動(dòng)作將更為準(zhǔn)確和完整，所以我們?cè)诖_定關(guān)節(jié)數(shù)目的時(shí)候選擇了六根手指，以最大限度的保證了手指的靈活性，和抓取所需要的自由度，每節(jié)關(guān)節(jié)之間的傳動(dòng)合理有效符合設(shè)計(jì)要求。我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)械手指是一個(gè)四連桿的機(jī)構(gòu)，由最底部的一根長(zhǎng)關(guān)節(jié)來驅(qū)動(dòng)整個(gè)手指，而且手指的外部配有用來測(cè)量壓力所需要的壓力傳感器保證手指在收攏到合適的大小的時(shí)候可以及時(shí)的停下來，不會(huì)損傷到蘋果的本身。根據(jù)中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)資料，最小級(jí)別的三級(jí)蘋果以外，蘋果果實(shí)的最大橫截面的直徑必須要大于或等于 70 毫米。我們所要設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器人仿生機(jī)械手，機(jī)械手所抓取的蘋果直徑在 60 毫米～100 毫米之間，故取蘋果半徑為 30毫米≤R ≤50 毫米。2.5.3 手指的材料選擇采摘機(jī)器人仿生機(jī)械手手指選擇必須要選擇合適的材料，因?yàn)檫@對(duì)于機(jī)器人工作狀態(tài)和加工生產(chǎn)都會(huì)產(chǎn)生巨大的影響和決定性的作用。在查閱了大量資料和進(jìn)行多次分析之后，我們首先要通過遵循手的結(jié)構(gòu)尺寸和手指，然后同時(shí)保持足夠的光強(qiáng)度和質(zhì)量，我們最終確定了手指所需材料為尼龍材料的選擇。 尼龍材料本身就具有很多特性的優(yōu)點(diǎn)，比如說較高的機(jī)械所需強(qiáng)度，良好的耐熱性，比較低摩擦系數(shù)，耐磨性好，而且具有自潤(rùn)滑性，減震性還具有弱酸性等特點(diǎn)。對(duì)于手指材料的確定是一個(gè)較為優(yōu)秀的材料。所以我們對(duì)采摘機(jī)器人仿生機(jī)械手手指材料選為尼龍材料。圖 2-8 手指結(jié)構(gòu)102.6 機(jī)架的設(shè)計(jì)我們所要設(shè)計(jì)的機(jī)架主要作用是用來安裝整個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和手掌部分，所以必須符合機(jī)身小巧，體積小易于使用，重量輕不影響手臂的平衡的設(shè)計(jì)要求。我們此次的設(shè)計(jì)是一個(gè)以圓柱形為主體框架的零件，將手指安裝于機(jī)構(gòu)架的上方零件軸心角度為平均的 120 度，下方可與手臂連接中間部位為鏤空結(jié)構(gòu)可以安裝傳動(dòng)所需要的鉸鏈和鉸鏈架等核心動(dòng)力裝置。機(jī)架結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)外觀如圖 2.9 所示。圖 2-9 機(jī)架結(jié)構(gòu)2.7 驅(qū)動(dòng)方案的選擇目前的我們對(duì)于手爪設(shè)計(jì)所可以使用的驅(qū)動(dòng)源主要有三種形式：氣壓驅(qū)動(dòng)、電驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)，這三種目前的技術(shù)均已經(jīng)比較成熟所以使用的時(shí)候可以大膽的選擇只要可以滿足我們采摘機(jī)器人仿生機(jī)械手所需要的動(dòng)力大小和運(yùn)動(dòng)特性即可。我們對(duì)這三種方式進(jìn)行了對(duì)比和選擇。（1）氣壓驅(qū)動(dòng)是利用氣動(dòng)壓力對(duì)空氣進(jìn)行壓縮壓來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)來驅(qū)，通常情況下空氣壓縮機(jī)通常被用作動(dòng)力源。它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器過載安全，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，污染少幾乎不計(jì)，成本較為低廉，還可以通過調(diào)節(jié)空氣流量，來實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的無級(jí)變速，但是尺寸設(shè)備的運(yùn)行速度不穩(wěn)定，定位精度不高，抓舉力較為小。（2）液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)流體壓力致動(dòng)器的輸出力來驅(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11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)，本設(shè)計(jì)中將采用 57HS09 型步進(jìn)電機(jī)。可以充分利用 57HS09 型步進(jìn)電機(jī)的體積小、重量輕、輸出力大、響應(yīng)速度快、精確度高等良好特性2.8 本章小結(jié)（1） 根據(jù)任務(wù)書所提出的設(shè)計(jì)要求，對(duì)機(jī)械手的功能進(jìn)行分析并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行確定。（2）對(duì)采摘機(jī)器人仿生機(jī)械手采摘方式，分離方式，手指數(shù)量，關(guān)節(jié)數(shù)量，機(jī)構(gòu)架形狀，以及手指材料進(jìn)行選擇，而且對(duì)以上方面進(jìn)行研究確定初步計(jì)劃。123.仿生機(jī)械手靜力學(xué)分析3.1 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(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。圖 3.1 手指工作原理 3.2 抓取時(shí)的靜態(tài)力學(xué)模型抓取的靜力學(xué)模型如圖 3.2 所示。13圖 3.2 手指靜力學(xué)模型圖 3.2 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 1d2、 到 、 的距離。 為關(guān)節(jié) 2 相對(duì)于關(guān)節(jié) 1 轉(zhuǎn)過的角度，水平軸的夾角。 為3O212? 1T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(zhǎng)線交點(diǎn) 到 的距離。?L4O、 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。1L2 1 1T根據(jù)虛功原理可得公式 (3.1) 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)aT1T?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(dòng)連桿的角速度 以及末關(guān)節(jié)加a??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；V2?? 1F2為外力作用點(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???????公式（3.2） 2Ta??????????12TF??????312ToyV??????14由機(jī)構(gòu)學(xué)理論，可知各關(guān)節(jié)的接觸點(diǎn)速度可以通過雅可比矩陣 用各關(guān)節(jié)的角速度VJ來表示，即： 公式(3.3)12VJ??????????，又 公式(3.4) cT???為傳遞矩陣 c10chL?????????將式(3.2)、(3.3)、(3.4)帶入(3.1)約去 得： ?TVcFJ??(3.5)公式(3.6)3121220cosaoydL???????????????將上式與式(3.3) 對(duì)比可知公式(3.7)120cosVdJ????????公式(3.8)1212()cosaLhLTdFd????????公式(3.9)22(cos)sin()coth?????公式(3.10)21221i4s()t(cs)inabNMLLc??????公式(3.11)212o(()MbN????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、T 1=0 ，則手指受力為：15公式(3.12)21()ahFTdL??3.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析機(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 3.3 所示為一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)。圖 3.3 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 ： 1243LL??公式(3.13)1cos23cos40iniinLab????????化簡(jiǎn)上式，消去 b 得：公式(3.14)????2243cos13si1inaLcaL???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：(3.15)??inisLac? ??????3.4 手部的夾持誤差計(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。欠驅(qū)動(dòng)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。16圖 3.4 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，可得公式(3.16)222cosinsiRllx????????????公式(3.17)??1siiin2222 ?ll?該方程亦為雙曲線方程，另 ；??sinco0lR220sinlx???17圖 3.5 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?2212max1 sincosinsi lRllX ?????????????公式(3.18) 公式(3.19)222222max2 sincolR?????? ??最佳偏角的計(jì)算取 V 型槽的夾角 = ，根據(jù)式（3-9）求得最佳偏轉(zhuǎn)角為?o10故oollR50sin*74c5sin4csinco101 ?????? o50sin*74c??夾持誤差 的計(jì)算maxX因?yàn)?和 關(guān)于 對(duì)稱，所以 = ，故 120maxXmax2a1??8.03sin703cos50in7*250sin7 iii 222 22121max ???????????? ???o lRll18經(jīng)過計(jì)算手指的夾持誤差為 0.88mm。3.5 本章小結(jié)本章研究機(jī)械手的工作原理，通過建立了機(jī)械手的靜力學(xué)模型的方式，對(duì)手指進(jìn)行了靜力分析。194.仿生機(jī)械手 3D 建模及重要零件的有限元分析4.1 軟件概述Solid works 是我國(guó)現(xiàn)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域運(yùn)用比較廣泛的 3D 建模軟件之一，其操作比較簡(jiǎn)單，功能也較為全面，所繪制出的圖紙直觀而且較為準(zhǔn)確真實(shí)，總結(jié)來說 Solid Works 軟件的主要特點(diǎn)是:（1） 全參數(shù)化（2） 基于特征的實(shí)體建模（3）相關(guān)性4.2 機(jī)械手的虛擬設(shè)計(jì)與裝配4.2.1 模型的建立（1）Solid Works 建模的一般過程如下建立模型空間定位的基準(zhǔn):1 基準(zhǔn)面 2 基準(zhǔn)軸 3 基準(zhǔn)坐標(biāo)系。每個(gè)實(shí)體特征都要利用基準(zhǔn)特征作為參照。建立基礎(chǔ)實(shí)體特征:拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、混合等。建立工程特征:孔、倒角、肋、拔模等。特征的修改:特征陣列、特征復(fù)制等編輯操作。（2）機(jī)械手的主要零件建模機(jī)械手主要包括：長(zhǎng)關(guān)節(jié)、短關(guān)節(jié)，傳動(dòng)桿件、四連桿，機(jī)架等。各關(guān)節(jié)，連桿的尺寸已經(jīng)確定，然后在 Solid Works 中建立模型。 20圖 4-1 長(zhǎng)關(guān)節(jié)零件圖圖 4-2 長(zhǎng)連桿的正反面圖 4-3 傳動(dòng)桿件21圖 4-5 短連桿的零件圖圖 4-6 指尖部分的零件圖圖 4-7 手指底座的零件圖 22圖 4-8 傳動(dòng)部分零件圖4.2.2 裝配圖 4-9 采摘機(jī)器人仿生機(jī)械手234.3 重要零件的有限元分析這里我們?nèi)匀皇褂美L圖軟件，以其自帶的有限元分析功能對(duì)指尖和長(zhǎng)關(guān)節(jié)兩個(gè)重要零件進(jìn)行了有限元分析，分析結(jié)果以圖片的形式呈現(xiàn)。圖 4-10 長(zhǎng)關(guān)節(jié)的有限元分析結(jié)果圖 4-11 指尖的有限元分析結(jié)果24總結(jié)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，在此次設(shè)計(jì)中經(jīng)歷了以下幾個(gè)步驟，首先是查閱了大量的資料并且在老師的指導(dǎo)下對(duì)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行了大致的確定，填寫了開題報(bào)告。然后再對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了繪制二維圖紙和 3D 建模，用圖紙對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步的表達(dá)，通過了中期答辯。然后對(duì)設(shè)計(jì)中所需計(jì)算的部分進(jìn)行了計(jì)算并且以文字的格式進(jìn)行了編輯和保存。然后再利用 3D 打印技術(shù)加工出了實(shí)物模型，并對(duì)其進(jìn)行了裝配和調(diào)試。最后對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了撰寫說明書，并把所需要的內(nèi)容進(jìn)行添加和修改，不斷地完善和精進(jìn)，并且把之前翻譯的外文進(jìn)行了整理，把圖紙進(jìn)行了歸類和添加。25參考文獻(xiàn)[1] 徐麗明,張鐵中.果蔬果實(shí)收獲機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵問題和對(duì)策[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2004,20(5);38.[2] 孫建設(shè).我國(guó)蘋果栽培模式的沿革與思考[J].專家視點(diǎn),2008,2:22-24.[3] 沈明霞,姬長(zhǎng)英.農(nóng)業(yè)機(jī)器人的開發(fā)背景及技術(shù)動(dòng)向[J].農(nóng)機(jī)化研究,2005,(2):32.[4] 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