3米高油茶樹(shù)采摘臂及固定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真含proe三維及6張CAD圖

3米高油茶樹(shù)采摘臂及固定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真含proe三維及6張CAD圖,油茶,采摘,固定,機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì),運(yùn)動(dòng)學(xué),仿真,proe,三維,cad 文獻(xiàn)綜述 摘 要 在國(guó)內(nèi)，油茶果采摘由人工來(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。本研究以設(shè)計(jì)出實(shí)用化的油茶果采摘臂為目標(biāo)，通過(guò)對(duì)油茶果采摘的工作環(huán)境和特性進(jìn)行深入分析，利用Pro/E軟件對(duì)油茶果采摘臂進(jìn)行三維設(shè)計(jì)和虛擬裝配?；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。 關(guān)鍵字：油茶；采摘臂；手臂；仿真分析 1 前 言 在生產(chǎn)過(guò)程中，我們通常會(huì)使用電力或者其他動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備來(lái)替代傳統(tǒng)的手工操作勞動(dòng)，這樣的生產(chǎn)措施或手段即機(jī)械化生產(chǎn)[2]。而在20世紀(jì)80年代，就有科技是第一生產(chǎn)力的口號(hào)出現(xiàn)，各行各業(yè)也都紛紛以機(jī)械化代替人工生產(chǎn)，這種模式不僅效率高，而且完成了突破手工制造的界限，大大減少了勞動(dòng)力，提高了人類幸福感，為人類進(jìn)步做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)?，F(xiàn)如今，各行各業(yè)都已經(jīng)應(yīng)用了機(jī)械化，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等方面都已經(jīng)普及，所以機(jī)械化已經(jīng)成為了各行各業(yè)的趨勢(shì)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，工業(yè)方面的機(jī)械化已經(jīng)輻射到農(nóng)業(yè)，各種農(nóng)田自動(dòng)化也相繼出現(xiàn)，如果還是依靠傳統(tǒng)的手工已經(jīng)滿足不了人們的需求，所以農(nóng)、林業(yè)機(jī)械化已經(jīng)成為了我國(guó)發(fā)展必須要走的道路。 油茶是一種健康、優(yōu)質(zhì)的茶科，可以作為食用油[3]。在國(guó)家的政策支持下，我國(guó)的油茶樹(shù)種植面積不斷擴(kuò)大，高油茶樹(shù)已經(jīng)成為了許多地方的經(jīng)濟(jì)作物，而在種植高油茶樹(shù)的環(huán)節(jié)里面，人工采摘是最耗時(shí)，而且具有一定危險(xiǎn)的環(huán)節(jié)。所以，在全球的機(jī)械化潮流下，而機(jī)械化采摘是不可阻擋的，本次設(shè)計(jì)就是針對(duì)于3米高油茶樹(shù)采摘臂的設(shè)計(jì)。 2 研究背景 我國(guó)是一個(gè)油茶種植大國(guó)，全國(guó)14個(gè)油茶主產(chǎn)省區(qū)現(xiàn)有2.6億畝宜林地（江西、湖南兩省分布最多），其中相當(dāng)一部分適宜種植油茶。目前油茶果實(shí)采摘方式主要為手工作業(yè)，由于油茶樹(shù)形或地形原因，果農(nóng)不得不爬上樹(shù)上或用鉤子輔助采收，效率較低且勞神費(fèi)時(shí)，同時(shí)還存在安全隱患。 在龐大而迫切的需求量面前，我國(guó)一直未能解決油茶果實(shí)采摘臂械化的難題，油茶果采摘臂的研制才剛剛起步，在國(guó)外雖早有油茶果采摘臂械問(wèn)世，自動(dòng)化程度和工作效率也較高，但其機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性和成本門檻是我國(guó)果農(nóng)較難跨越的，可謂舶來(lái)品不符合我國(guó)國(guó)情。 在國(guó)內(nèi)，油茶果采摘由人工來(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)油茶采摘臂的報(bào)道比較少，最近國(guó)內(nèi)也有一些采摘臂具的專利，如堅(jiān)果采摘臂，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)用化的油茶果采摘臂為目標(biāo)，通過(guò)對(duì)油茶果采摘的工作環(huán)境和特性進(jìn)行深入分析，利用Pro/E軟件對(duì)油茶果采摘臂進(jìn)行三維設(shè)計(jì)和虛擬裝配?；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。 3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 機(jī)械臂首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械臂。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。 1962年，美國(guó)聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械臂。商名為Unimate（即萬(wàn)能自動(dòng)）。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械臂就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬(wàn)能自動(dòng)公司，專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械臂。 1962年美國(guó)機(jī)械制造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫Vewrsatran機(jī)械臂。該機(jī)械臂的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械臂出現(xiàn)在六十年代初，但都是國(guó)外工業(yè)機(jī)械臂發(fā)展的基礎(chǔ)。 1978年美國(guó)Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機(jī)械臂，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國(guó)機(jī)械制造業(yè)是從1970年開(kāi)始應(yīng)用機(jī)械臂，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。 聯(lián)邦德國(guó)KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械臂，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。日本是工業(yè)機(jī)械臂發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)兩種機(jī)械臂后大力從事機(jī)械臂的研究。前蘇聯(lián)自六十年代開(kāi)始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械臂，至1977年底，其中一半是國(guó)產(chǎn)，一半是進(jìn)口。 目前，工業(yè)機(jī)械臂大部分還屬于第一代，主要依靠工人進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機(jī)械臂正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息反饋，是機(jī)械臂具有感覺(jué)機(jī)能。第三代機(jī)械臂則能獨(dú)立完成工作中過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)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和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。 一般概況國(guó)內(nèi)機(jī)械行業(yè)應(yīng)用的機(jī)械臂絕大部分為專用機(jī)械臂，附屬于某一設(shè)備，其工作程序是固定的。通用機(jī)械臂也有發(fā)展，目前應(yīng)用的都是開(kāi)關(guān)式點(diǎn)位控制型，伺服型已試制出數(shù)臺(tái)在調(diào)試中，連續(xù)軌跡控制型還沒(méi)有。 目前，各種機(jī)械臂的發(fā)展和改進(jìn)在國(guó)內(nèi)外已然成為重中之重，改進(jìn)了一款采摘臂對(duì)生產(chǎn)效率的提升具有重大的幫助。早在日本，就曾花費(fèi)巨資在美國(guó)引用機(jī)械臂的先進(jìn)知識(shí)，從而研究出了比肩世界水平的機(jī)械臂，在歐洲國(guó)家，也投入了大量的人力物力進(jìn)行機(jī)械臂的研究和發(fā)展，也取得了不錯(cuò)的成績(jī)[4]。 我國(guó)因?yàn)楣I(yè)起步較晚，技術(shù)水平相對(duì)于歐美國(guó)家比較落后，但在21世紀(jì)，我國(guó)投入了大量的精力在機(jī)械臂方面。現(xiàn)在機(jī)械臂已經(jīng)普及到了工業(yè)。 機(jī)械臂的研究發(fā)展的趨勢(shì)有以下三種情況： （1）機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、一體化發(fā)展。例如機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，甚至于一些高科技的感應(yīng)結(jié)構(gòu)都形成一個(gè)整體，機(jī)械臂在操作過(guò)程中與人體手臂更為的接近，操作更為的便利，所能完成的項(xiàng)目也更加復(fù)雜。 （2）半智能結(jié)構(gòu)即由人來(lái)作為其感應(yīng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)人工操作來(lái)完成一系列的動(dòng)作。相對(duì)于全智能機(jī)械操作來(lái)說(shuō)，更加適應(yīng)不同的生產(chǎn)環(huán)境，以及在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)能更及時(shí)停止以免造成更嚴(yán)重的損失。 （3）全人工操作的機(jī)械臂臂的使用更多的是出現(xiàn)在我們的日常生活當(dāng)中，例如自拍桿等。這樣的機(jī)械臂一般沒(méi)有驅(qū)動(dòng)裝置，通過(guò)一些簡(jiǎn)單的傳動(dòng)裝置，在人工施加驅(qū)動(dòng)力的情況下，完成一些高空或者遠(yuǎn)處的簡(jiǎn)單動(dòng)作。 （4）機(jī)械臂的應(yīng)用主要依據(jù)所需要進(jìn)行的工作而來(lái)選擇不同的結(jié)構(gòu)來(lái)替代手工操作，從而減少勞動(dòng)力，提高勞動(dòng)效率，完成手工無(wú)法完成的工作?？偠灾瑱C(jī)械臂的發(fā)展會(huì)使人類不斷的進(jìn)步。 4 總結(jié) 油茶采摘臂是一種極具研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景的農(nóng)用地面移動(dòng)機(jī)器人，本論文對(duì)具有移動(dòng)功能的采摘臂進(jìn)行了總體技術(shù)的研究，并主要對(duì)其車體結(jié)構(gòu)部分、手臂部分、手抓部分進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)和論證，本論文完成的主要工作如下： 本次設(shè)計(jì)利用對(duì)采摘臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程的研究，設(shè)計(jì)了采摘臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)及其運(yùn)動(dòng)仿真，以下是所做的事情： （1）查閱資料，了解當(dāng)前國(guó)內(nèi)高油茶樹(shù)的種植和茶油在公眾所受歡迎程度，明確了本次課題的重要性。分析和了解機(jī)械臂在其他領(lǐng)域的發(fā)展，證實(shí)了采摘臂在高油茶樹(shù)采摘領(lǐng)域的可行性，更加了解了這次課題。 （2）自己通過(guò)分析，構(gòu)建出了采摘臂的基本結(jié)構(gòu)。合理確定了采摘臂的尺寸后，用CAD軟件繪畫出了采摘臂的二維模型圖，并設(shè)計(jì)出了各個(gè)零件。接下來(lái)我在Pro/E軟件上面建立了采摘臂的三維模型圖，并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真和尺寸干涉實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化了零件尺寸，提高了機(jī)構(gòu)的可行性。 （3）在做完二維模型和三維模型建立后，我對(duì)采摘臂在受應(yīng)力最大時(shí)進(jìn)行了力學(xué)分析，更加確定了機(jī)構(gòu)的安全。 參考文獻(xiàn) [1] 孫志禮，冷興聚，魏延剛等. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 東北大學(xué)出版社， 2003 [2] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)圖冊(cè)[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社， 2002 [3] 羅洪量. 機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書[M]（第二版）. 高等教育出版社，1986 [4] JJ.杰克（美）. 機(jī)械與機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理[M]（第一版）. 機(jī)械工業(yè)出版社，1985 [5] 王玉新. 機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法學(xué)[M]（第一版）. 天津大學(xué)出版社， 1996 [6] 張建民. 工業(yè)機(jī)器人[B][M]. 北京理工大學(xué)出版社，1992 [7] 天津大學(xué)《工業(yè)機(jī)械臂設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》編寫組. 工業(yè)機(jī)械臂設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[B] [M]. 天津科學(xué)技術(shù)出版社，1981 [8] 金茂菁. 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用， 2001， 01（4） [9] 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(wèn)題和對(duì)策[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2004,20(5);38. [10] 孫建設(shè).我國(guó)油茶栽培模式的沿革與思考[J].專家視點(diǎn),2008,2:22-24. [11] 姜麗萍,陳樹(shù)人.果實(shí)采摘臂器人的研究綜述[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù),2006,2,32(1):8-10. [12] 崔玉潔,張祖立,白曉虎.采摘臂器人的研究進(jìn)展與現(xiàn)狀分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2007,(2):4-5.