蘋果采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)【水果采摘機(jī)】（含CAD圖紙和三維圖紙及說明書）
蘋果采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)【水果采摘機(jī)】（含CAD圖紙和三維圖紙及說明書）,水果采摘機(jī),蘋果,采摘,機(jī)械手,設(shè)計(jì),水果,生果,瓜果,cad,圖紙,以及,三維,說明書,仿單
畢業(yè)論文
蘋果采摘機(jī)械手
系部名稱：
專業(yè)班級(jí)：
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)教師：
職 稱：
年六月
The Graduation Design
Apple picking manipulator
Candidate：
Specialty：
Class：
Supervisor：
摘 要
隨著人力勞動(dòng)成本的增加及農(nóng)業(yè)自動(dòng)化程度的提高，在未來(lái)的水果采摘作業(yè)中將更多的用自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備代替人力勞動(dòng)。本設(shè)計(jì)旨在開發(fā)一種蘋果采摘的輔助機(jī)械手。該機(jī)械手為手持式長(zhǎng)桿結(jié)構(gòu)，前端伺服電機(jī)通過行星減速器，帶動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)剪刀的張開與閉合，配合手柄所連接的連桿機(jī)構(gòu)將剪刀像果柄處移動(dòng)，進(jìn)而剪斷果柄，最終蘋果果實(shí)落入收納機(jī)構(gòu)，一并實(shí)現(xiàn)對(duì)蘋果的采摘和收納。采用電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)力，通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)剪刀的開合，并且順利剪斷果柄，將位于高出樹枝上的果子剪下來(lái)，下方配用柔性收納裝置將果子暫時(shí)收納到袋子中，收集滿后放入箱內(nèi)。采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)解決了人工攀爬高危樹枝采摘水果的問題。采摘更安全，攜帶更方便。效率可達(dá)人工采摘的3-5倍。它大大提高了采摘效率，節(jié)省了勞動(dòng)力，大大降低了收獲成本，為果農(nóng)創(chuàng)造了更大的收入。此外，該機(jī)械手還可用于多種水果的采收，在低成本、高利用率的前提下，為我國(guó)果林的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手；采摘；伺服電機(jī)；行星減速器；曲柄搖桿
I
ABSTRACT
With the increase of labor cost and the improvement of agricultural automation, more automatic production equipment will be used to replace human labor in fruit picking operation in the future. The purpose of this design is to develop an assistant manipulator for Apple picking. The manipulator is a hand-held long rod structure. The front-end servo motor drives the reciprocating movement of crank-rocker mechanism through planetary reducer to realize the opening and closing of scissors. The scissors move like the fruit handle with the connecting rod mechanism connected by the handle, and then cut the fruit handle. Finally, the apple fruit falls into the receiving mechanism, and the apple picking and accepting are realized. Using motor as driving force, the scissors can be opened and closed by crank and rocker mechanism, and the fruit handle can be cut off smoothly. The fruit located on the branch above can be cut off. The fruit can be temporarily stored in the bag with a flexible receiving device below, and then put into the box when it is full.The design of picking manipulator solves the problem of artificially climbing high-risk branches to pick fruit. Picking is safer and easier to carry. The efficiency can reach 3-5 times of manual picking. It greatly improves the efficiency of harvesting, saves labor, greatly reduces the cost of harvesting, and creates greater income for fruit farmers. In addition, the manipulator can also be used for harvesting a variety of fruits, and has made great contributions to the development of fruit forests in China on the premise of low cost and high utilization rate.
Key words: Manipulator；Pick；servo motor；Planetary reducer；Crank rocker
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 緒 論 5
1.1 引言 5
1.2 課題研究的目的及意義 5
1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 6
1.3.1國(guó)外發(fā)展概況 6
1.3.2國(guó)內(nèi)發(fā)展概況. 8
1.3.3果園采摘機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì). 10
1.4 本文研究的目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容和研究方法 11
1.4.1研究目標(biāo) 11
.1.4.2研究?jī)?nèi)容和研究方法 11
第2章 總體方案設(shè)計(jì) 13
2.1采摘機(jī)械手臂的分類 13
2.1.1機(jī)械式采摘 13
2.1.2 機(jī)器人采摘 13
2.2機(jī)械手臂機(jī)構(gòu)的確定 13
2.3組成與工作原理 14
2.4剪切方案的選擇 14
2.5總體控.制方案設(shè)計(jì) 15
第3章 剪切機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 16
3.1電動(dòng)機(jī)及減速器選擇 16
3. 1. 1 果實(shí)采摘過程受力分析 16
3. 1. 2 采摘結(jié)果分析 17
3.2電機(jī)選型計(jì)算 20
3.2.1最大剪切力 P max 20
3.3電動(dòng)機(jī)功率的選擇 20
3.4偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的計(jì)算 21
3.4.1 x 和最小傳動(dòng)角 γmin 21
3.5行星減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算 23
3.5.1 分析要求 23
3.5.2 系統(tǒng)組成框圖 23
3.5.3傳動(dòng)方案的分析與擬定 23
結(jié) 論 27
參考文獻(xiàn) 28
致 謝 29
33
第1章 緒 論
1.1 引言
在水果的生產(chǎn)作業(yè)中，收獲采摘是整個(gè)生產(chǎn)中最好是費(fèi)力的一個(gè)環(huán)節(jié)。水果收獲期間需投入的勞動(dòng)約占整個(gè)種植過程的50%~70%。采摘作業(yè)質(zhì)量的好壞直接影響到水果的存儲(chǔ)、加工和銷售，從而最終影響市場(chǎng)價(jià)格和經(jīng)濟(jì)效益。隨著機(jī)械技術(shù)的高速發(fā)展，農(nóng)林產(chǎn)品在采摘中越來(lái)越多的采用了自動(dòng)化采摘機(jī)械來(lái)取代人的重復(fù)性勞動(dòng)。水果自動(dòng)采摘設(shè)備是近年來(lái)逐步發(fā)展出來(lái)的一種新型采摘裝置。
蘋果采摘一直是一個(gè)制約其發(fā)展的難題，在農(nóng)業(yè)飛速發(fā)展的今天，大面積種植蘋果，隨之而來(lái)的是蘋果的采摘問題，在較高的果樹上結(jié)出的果實(shí)因無(wú)法摘到，造成蘋果的摔落，因此這些蘋果無(wú)法上市銷售，無(wú)法實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)價(jià)值，為解決高空采摘的困難，需要專用的蘋果采摘機(jī)械手來(lái)解決此問題。
1.2 課題研究的目的及意義
隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)?；鄻踊c精準(zhǔn)化，機(jī)器人技術(shù)已在育苗、扦插、移苗、組織培養(yǎng)、嫁接、農(nóng)產(chǎn)品收獲等方面得到應(yīng)用，促使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程逐步趨于自動(dòng)化和智能化。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，改善勞動(dòng)條件，解決勞動(dòng)力不足的問題。果實(shí)采摘是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的重要環(huán)節(jié)，其季節(jié)性強(qiáng)、勞動(dòng)量大且費(fèi)用高。例如，荷蘭的黃瓜人工收獲的費(fèi)用占整個(gè)溫室黃瓜生產(chǎn)費(fèi)用的50%。
使用采摘機(jī)械不僅可以提高采摘效率，而且降低損傷率，節(jié)約了人工成本，避免了高空采摘的危險(xiǎn)，提高了果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益，因此提高采摘作業(yè)機(jī)械化程度有重要意義。故設(shè)計(jì)此蘋果采摘機(jī)械手，解決蘋果采摘過程中遇到的問題
1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
1.3.1國(guó)外發(fā)展概況
隨.著新.農(nóng).業(yè)生.產(chǎn)模.式和.新.技術(shù)的.發(fā)展與.應(yīng)用，農(nóng)業(yè)機(jī).器.人逐步.邁向農(nóng).業(yè)生產(chǎn).主力軍的行.列。采摘.機(jī)器人.作為.農(nóng)業(yè).機(jī)器.人的重.要類型，具有.很大的.發(fā)展.潛力。當(dāng).前，國(guó).外農(nóng)業(yè)機(jī).器人發(fā)展.迅速，國(guó)內(nèi).同類產(chǎn)品迅速跟進(jìn)，現(xiàn)已取得階段性成果。
美國(guó).是最.早進(jìn).行采.摘.機(jī)器.人研.究的國(guó).家。196.8年，美.國(guó)學(xué).者Schertz.和Bro.wn首.次提出應(yīng)用.機(jī)器人進(jìn)行.果蔬采.摘的思想.，1983年，.第一臺(tái).采摘機(jī).器人.在美國(guó).誕生，此后的.30多年里，美.國(guó)、英國(guó)、法.國(guó)、荷.蘭、比.利時(shí)、以.色列、日.本、韓.國(guó)等國(guó).家相.繼展開了.各種采摘.機(jī)器.人的研究.和開發(fā)，涉.及到的.研究.對(duì)象.主要.有蘋.果、柑.橘、.草莓、葡萄、西.瓜、黃.瓜、番茄.、櫻桃.番茄、茄.子、甘.藍(lán)、生.菜、萵.苣、蘑.菇等。
葡萄采摘機(jī)器人
在美.國(guó)，佛.羅里達(dá)大學(xué)進(jìn).行了橙子采.摘機(jī)器.人的研.究。甜橙.采摘機(jī).器人.最新.的設(shè).計(jì)提議.是采用兩.個(gè)相對(duì).獨(dú)立，有.不同功能.特點(diǎn).同時(shí)又能.相互.配合無(wú)間.的機(jī).器人，第.一個(gè)機(jī).器人負(fù).責(zé)尋找.和發(fā)現(xiàn)各.個(gè)甜.橙的.位置，并.計(jì)算.最有.效率.的采.摘路.徑，將.信息和.數(shù)據(jù).傳至第二.個(gè)機(jī)器.人，第二.個(gè)機(jī)器人.負(fù)責(zé)在不.損壞.甜橙樹.的情.況下得.到果實(shí)。
甜橙采摘機(jī)器人
Energid公司.獲得美.國(guó)農(nóng)業(yè)部.的資助正.在開發(fā)一種.收獲柑. .橘的.機(jī)器人。該公.司所.開發(fā)的機(jī).器人具有.機(jī)器視.覺和操.作的.能力，適用.于收.獲柑.桔、蘋.果等。該.公司的.方案.結(jié)合了機(jī).器人.的智.能和.批量收.獲.的經(jīng).濟(jì)性，使.用一.種低成.本的.機(jī)制，通過.視覺傳.感器.和高.速的.計(jì)算機(jī).進(jìn)行信.息處.理和控.制。水.果摘.取的.末端執(zhí).行器為一.次性.使用，可.快速.更換，維.修費(fèi).用低.廉。該.系統(tǒng)可以.遠(yuǎn)程控.制，系統(tǒng).的設(shè)計(jì).目標(biāo)是.每秒鐘摘.取32.個(gè)水果.，持續(xù).摘取1.6次，留.在樹上的.水果將.少于4％.。該水.果采摘.系統(tǒng)有.多個(gè)網(wǎng)格.盤，每個(gè).網(wǎng)格.盤有.16.個(gè)氣.動(dòng)驅(qū).動(dòng)采摘.裝置，通.過許多.相機(jī).的.視覺.反饋，引.導(dǎo)采摘.裝置.末端.執(zhí)行器.剪斷.水果.的莖。
日本.在采.摘機(jī).器人.的研.究方.面進(jìn).展很.快。如由.日本.久保.田試.驗(yàn)開.發(fā)的柑.橘采摘.機(jī)器.人。因.為柑橘.樹很大.，該機(jī).器人在.移動(dòng).臺(tái)車上.安裝.了可升.降懸.臂，在.懸臂.前端.的基.座平臺(tái).上安裝.機(jī)械.臂。機(jī)械.臂為三.自由度.垂直多關(guān).節(jié)型，小臂.和大臂.等長(zhǎng)，末端執(zhí).行器像.直動(dòng)關(guān).節(jié)一樣.沿直線.運(yùn)動(dòng)。采用.這樣的.機(jī)構(gòu)，機(jī)械.臂不會(huì)像.一般極坐.標(biāo)型關(guān).節(jié)一樣伸.向背后，從而.避免了.與背后.的果樹.發(fā)生干.擾。工.作時(shí)頻.閃光.源發(fā).光，末端執(zhí)行器內(nèi)部的攝像機(jī)開始采集圖像，檢測(cè)果實(shí)，然后機(jī)械臂靠近果實(shí)，用吸盤吸.引目.標(biāo)果.實(shí)，將.目標(biāo).果實(shí).吸入.梳狀.罩，使其.和其.他果.實(shí)分.開，由.理發(fā).推子形.狀的切.刀將果.梗切.斷。
日.本岡.山大.學(xué)研.制了高架.栽培草.莓采.摘機(jī)器.人。采.用三.自由.度直. .角坐.標(biāo)型.機(jī)械.臂作.業(yè)，也.有兩.種末.端執(zhí).行器：旋.轉(zhuǎn)式.末端執(zhí).行器.為了補(bǔ).償視.覺傳.感器.的位.置誤.差，采.用了.送風(fēng).機(jī)吸.引的.方法.收獲，可.收.獲不.同大小.的果實(shí).。為判.斷果. .實(shí)是.否被.吸引.進(jìn)來(lái).，采.用了.三組.光電.阻斷.器，通.過吸.盤旋.轉(zhuǎn)，將果.梗送.到切.刀的.位置.切斷。收下.的果.實(shí)在.送風(fēng).機(jī)引.力作用.下通.過管.道，落.入果.盤。試.驗(yàn)結(jié).果表.明，該.機(jī)器.人采.摘一.個(gè)果.實(shí)，作.為目.標(biāo)的.果實(shí).能夠.全部.采摘，但.是采.摘時(shí).連同.未成.熟果.實(shí)一.起一次.收獲.多個(gè).果實(shí).的情.況有.50%。后.又經(jīng).試驗(yàn)，鉤.式末.端執(zhí).行器.在機(jī).構(gòu)上.方安.裝了.鉤子.，可.以把.目標(biāo).果實(shí)拉.住繼.而進(jìn).行采.摘，.所以將.鄰近.果實(shí)一.起收下.來(lái)的.情況.基本.沒有。.
蘋果采摘.機(jī)器人
1.3.2國(guó)內(nèi)發(fā).展概況.
我國(guó).20.世紀(jì)7.0年.代開.始研.究果.園.采摘.機(jī)械.，先.后研.制出.與手.扶拖.拉機(jī).配.套的.機(jī)械.振動(dòng).式山.楂采.摘機(jī).械，氣.囊式.采果.器和.手持.電動(dòng).采果.器。后兩.者實(shí).際上.還是人.工作.業(yè)用的.輔助.機(jī)械.，雖.然在.保護(hù).果實(shí)不.受損.傷方.面做.得較.好，但其.效率太.低，8.0年.代后.才開.始研.究和.制造.切割.型采摘.器。果.園.采.摘.野蔥，人.工使.用剪.刀采.摘，發(fā)展.到使.用.機(jī).械裝.置采.摘，例.如一.種人.工財(cái).政才.知采.摘器.，夾口.上方.有切.刀，下方.有夾.鉗，可以.將.國(guó)屏.先前.住.后.剪.斷。電機(jī).式采.摘器，利.用果.柄引.導(dǎo)突.片，將果.柄引.向.切刀，在.用微型.電機(jī).帶動(dòng).的切.刀作.往復(fù).運(yùn)動(dòng)，把.國(guó)柄.切斷.，還.有一.種振.搖式.采摘.器用撥.叉深.入果枝.用電.機(jī)擺.動(dòng)撥.叉兒，振.落果實(shí).。此后.有了.更多的.輔助.工具，如.液壓.剪枝.升降.平臺(tái).，用來(lái).提高.工作.位置。利.于采.摘作.業(yè)。我.國(guó)還.曾經(jīng).研制.出吹.氣式.采摘.機(jī)，由.于其.風(fēng)機(jī)功.率要.求大.，氣.流易.損傷.果枝.果實(shí)，.雖然.分選.效果較.好，但.采摘.效果.不佳，很.快就.被市.場(chǎng)淘.汰。.90.年代.開始，市.場(chǎng)因.素帶.動(dòng)了.果樹種.植的.熱潮，眾.多中.小種.植戶.的需.求帶.動(dòng)了.簡(jiǎn)易.采摘.器的.市場(chǎng).。其.后，氣動(dòng).剪枝.機(jī)、.輔助升.降平.臺(tái)等.機(jī)具.相繼.進(jìn).入了.市場(chǎng)。.19.92.年浙.江金.華農(nóng).機(jī)研.究所.研究.了有.拖拉.機(jī)操.作的.用于.采摘水.果的.升降.機(jī)，上升.高度.可達(dá).7m.。2.007年..機(jī)械研.究所.研制了我.國(guó)第.一臺(tái).多功.能果.園作業(yè).機(jī)，.即L.G-.1型.多功能果園.作業(yè).機(jī)。.這是.一種.及采.摘、修.剪、噴藥.、運(yùn)輸.、動(dòng).力發(fā).電等.功能的.自走.式作.業(yè)機(jī).，其.工作原.理是.汽油發(fā).動(dòng)機(jī)將.一部分動(dòng).力分.配到.主機(jī)的.變速.箱，由.變速.箱驅(qū).動(dòng)兩.條橡.膠履.帶行.走，.另一.部分.動(dòng)力帶.動(dòng)雙.杠風(fēng).冷式.空壓.機(jī)，為.氣動(dòng).剪枝機(jī).和升.降機(jī).提供動(dòng).力。.采用橡.膠履.帶行.走部.件.是針.對(duì)果.園土.壤松.軟和.比較潮.濕的.環(huán)境.。空.壓機(jī).連接到.升降.平臺(tái).提升高度1..5.m。.該作.業(yè)機(jī).的研制.成功.標(biāo)志.著我.國(guó)果.園單.一的采.摘機(jī).械進(jìn).入到.了多.功能作.業(yè)機(jī).械時(shí).代。
我.國(guó)南.方果.園大.部分.處于.丘陵.地帶.，受.限于.地形.，.合適的.采.摘機(jī).械很.少，.機(jī)械.化作.業(yè)基.本上.處于空.白，.而且存.在費(fèi).工以.及作.業(yè)危.險(xiǎn)性.方面的.問題。我.國(guó)臺(tái).灣省.為了.在坡.地果.園上.實(shí)施機(jī).械化.省工.經(jīng)營(yíng).，改.良了.適合.坡地.作業(yè).特性.的農(nóng).機(jī)具.，研.制成.功了v一.種自.走式.牽引振.動(dòng)采.果機(jī).。該機(jī).以坡.地搬.運(yùn)車.為主.體，.在振動(dòng).機(jī)的.下方裝.一個(gè).可做.360°.旋轉(zhuǎn)的旋.轉(zhuǎn)盤.，采.果時(shí).轉(zhuǎn)動(dòng)圓.盤，使.牽引.推桿.對(duì)準(zhǔn).采收樹.枝，.牽引.推桿上.裝有自.動(dòng)調(diào).整.推桿角.度四.連桿.，可.以使.推桿.處在最.有效.的作.業(yè)角.度，當(dāng).拉緊套住.樹干.與推.桿頭.間的.繩索.時(shí)，果.實(shí)受.拉力.即可.掉落。.
我.國(guó)自.行研.制了.蘋果采.摘機(jī).器人.，該.機(jī)器.人主要.由兩.部分.組.成：.兩自.由.度.的移.動(dòng)載.體和.五自.由度.的機(jī).械手.。移.動(dòng)載體.為履.帶式平.臺(tái)，.加裝.了主.控PC.機(jī)、.電源.箱、采.摘輔.助裝.置、多.種傳.感器；.五自.由度.機(jī)械手.由各.自.的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝.置.進(jìn)行.驅(qū)動(dòng)。此開鏈連.桿式關(guān).節(jié)型.機(jī)器人，機(jī).械手固.定在履.帶式行.走機(jī).構(gòu)上，.采摘.機(jī)器.人機(jī).械臂.為P.RR.RP結(jié).構(gòu)，.作業(yè).時(shí)直.接與.果實(shí).相接觸.的末端.操作器固.定于.機(jī)械.臂上.。機(jī).械臂.第一個(gè).自由度為.升降自.由度.，中.間三.個(gè)自.由度.為旋.轉(zhuǎn)自.由度.，第.五個(gè).自由度為.棱柱關(guān).節(jié)。.
由.于蘋.果采.摘機(jī).器人.工作于.非結(jié).構(gòu)性.、未.知和.不確定的.環(huán)境中.，其作.業(yè)對(duì).象也.是隨.機(jī)分.布的.，所.以加.裝了.不同種.類的.傳感.器以.適應(yīng).復(fù)雜的.環(huán)境.。采.用的.傳感.器分.為視覺.傳感.器、.位置傳感器和.避障.傳感.器三.類。.其中.視覺傳感.器采.用Eye—in—hand安裝方式，.完成.機(jī)器.人或.末端操.作器.與作.業(yè)對(duì).象之.間相.對(duì)距離.，工作.對(duì)象.的品.質(zhì)、.形狀及.尺寸.等任.務(wù)。.位置.傳感器包.括安.裝在.腰部、.大臂.、小.臂旋.轉(zhuǎn)關(guān).節(jié)處.和直.動(dòng)關(guān)節(jié).首尾.兩端.的8個(gè).霍爾.傳感器.，以.用來(lái)控制.旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的旋.轉(zhuǎn)角.度和直.動(dòng)關(guān).節(jié)的.直行.進(jìn)程.，另.外還.包括.末端執(zhí).行器.上的.2個(gè).切刀.限位開關(guān)和.用于提.供所.采摘蘋.果相.對(duì)于.末.端夾持.機(jī)構(gòu).位置.信息的.兩組.紅外光.電對(duì).管。避.障傳感.器包.括安.裝在.小臂.上、.左、右.三個(gè).方向.上的.五組.微動(dòng).開關(guān).和末.端執(zhí).行器.前端.的力.敏電.阻，以求采.摘機(jī).器人.在工.作過.程中.能夠.有效躲.避障.礙物.。
1.3.3果.園采.摘機(jī).械的.發(fā)展.趨勢(shì).
提.高資.源利用.率和農(nóng).業(yè)生.產(chǎn)率.、降低.勞動(dòng)強(qiáng)度，.提高經(jīng)濟(jì).效益是.現(xiàn)代.農(nóng)業(yè)的.趨勢(shì)。.由于技.術(shù)和.成本的原.因,在.今后較.長(zhǎng)時(shí).間內(nèi).機(jī)器人采.摘無(wú).法投.入實(shí).際應(yīng).用, .在這.種情.況下.,機(jī).械式.采摘將.占據(jù)主.流, .其發(fā).展具.有以.下幾.個(gè)特.點(diǎn)。
1..多.功能.化
即該.機(jī)械.不僅具.有采.摘果.實(shí)的.功能還.淋具其.他作業(yè).能,如中.耕、施.肌、剪枝植保等,多.功能.作業(yè)機(jī).械.能實(shí).現(xiàn)一.機(jī)多.用減.少貼.機(jī)投.人同.時(shí)又.方便.使用.
2. .采摘.與山.地果.園運(yùn).輸結(jié).合起.來(lái)。
南方. .丘陵山.地果.園坡陡.,上.山的.肥料、.農(nóng)藥.和下.山的果.品等.全靠人.力運(yùn).輸,勞.動(dòng)強(qiáng)度.大, .效率.低, .成本.高。.有些山.地雖.能開.辟機(jī).動(dòng)車.道, .成本.高, .浪費(fèi).士地.并易.造成.水土.流..失。.因此.研究.省.力、低.成本.的山.地運(yùn).輸機(jī).械成.為當(dāng).做。
. . 3. .操.作簡(jiǎn).便、.可靠性高
機(jī)器.的操.作者.是農(nóng).民, .并不.具備.系統(tǒng).的機(jī).電外.認(rèn)這.吸塊.設(shè)計(jì)合.理可.帶, .使用.
法.簡(jiǎn)單, .維修維.護(hù)方.便
4.?通用.性好
在各.種不同的條件下，.如不.同地形.、不.同的.作業(yè)地.表、不.同的作.業(yè)對(duì).象、不.同的水.果品種.等情形.下，要使.該機(jī).械適.用于.大部分.甚至絕.大部分情.形。
5. 自動(dòng). .化和.智能化
隨.著現(xiàn).代科.學(xué)技.術(shù)的.進(jìn)步.和廣.泛應(yīng).用，新.技術(shù)必.將進(jìn).入到.農(nóng)業(yè).機(jī)械領(lǐng).域；機(jī).械化.、自.動(dòng)化、智.能化.水平將.進(jìn)一步提.高。.如日.本研.制的.自走.式采.摘車.，在.20°以.上的陡.坡地.使用電.視攝.像機(jī)和.無(wú)線.電遙控.組合控制方.式，.實(shí)現(xiàn)無(wú).人駕.駛操.作。在機(jī)器.人采摘.研究.方面.，未來(lái).的采.摘機(jī).器人.將朝.著以.下幾.個(gè)方.向發(fā).展：.
6.?高.精度.的視覺.系統(tǒng)和.圖像處理技.術(shù)
如使.用視.覺傳.感器配合測(cè)距儀來(lái)精確定位，使用模.糊神.經(jīng)網(wǎng).絡(luò)對(duì).圖像進(jìn)行.智能化.處理。
7.?研發(fā).有多.指及冗.余自.由度的.機(jī)械手.爪
多.指及.冗余自.由度.的機(jī).械手.爪，.有柔.性和靈.巧性.的特點(diǎn).。機(jī).械手爪.要針.對(duì)作.業(yè)目標(biāo).的物.理、生.物特.性設(shè)計(jì).，保證.采摘時(shí).的生.產(chǎn)質(zhì)量.。采.用合.適的.軌跡.規(guī)劃.，使.得行走.和采摘.時(shí)能.夠繞.過障.礙物.而不.發(fā)生碰.撞。.使用神.經(jīng)網(wǎng).絡(luò)系.統(tǒng)，.機(jī)器人就.能通.過前.次軌.跡而.自我.學(xué)習(xí)，.下次.自動(dòng)采.用最.近似.的軌.跡運(yùn).動(dòng)。.
8..?利.用率高
可以根.據(jù)采摘.不同對(duì).象來(lái)更.換末.端執(zhí).行器.進(jìn)行采.摘作業(yè).，這樣.大大提高.機(jī)器人的利.用率.。
9.?低成本.的機(jī)器.人
便于推.廣普.及，果農(nóng)買.得起.，也用.得起。
1.4 本文.研究的目.標(biāo)、研.究?jī)?nèi).容和研.究方.法
1.4.1研究.目.標(biāo)
像采.摘機(jī)械.這. .樣的機(jī)..械手.的基.本要. .求是快..速、.準(zhǔn).確.地拾取. .和放.. ..置.物.體.，并. ..攜.帶. .它. .們. .。這.就.. .需要..高.精. . . .度、.快速. . . .響應(yīng)、..一.定的...承載..能.力、足..夠..的. .工作空間、.靈. ..活.的自.由. .度以.及在..任.何.位.置. .的自.動(dòng)定..位。.設(shè). .計(jì)和啟.動(dòng).機(jī).械手.的原..則.是充.分. .分. .析工. .作對(duì).象和.環(huán).境.，確..定.工. .作的.結(jié)構(gòu).形..狀和.材. .料特..性.、定. .位精..度.要.求.、抓.取和.搬運(yùn)過. .程中.的.應(yīng).力.特. .性、.尺. .寸和.質(zhì). .量參..數(shù)，以..進(jìn).一步. .確. .定所..需.的條..件.。為機(jī). .械手的.結(jié)構(gòu). .和操.作控..制.，盡.可.能.選擇定..型.機(jī). .的標(biāo).準(zhǔn). .部件，.簡(jiǎn)化..設(shè)計(jì).和. .制. .造過..程，.并兼..顧.通. .用性.和質(zhì)..量.。專..用.性. .強(qiáng)，.可. .實(shí). .現(xiàn)靈..活.的運(yùn).動(dòng)和.伸縮.。
1.4.2研.究?jī)?nèi)容.和研究方法
所. .述的.蘋果.采摘手.臂包. .括伸.縮桿.件，.角度調(diào).整把手.，剪切.動(dòng)力.機(jī)構(gòu)電機(jī).以及剪斷.機(jī)構(gòu).剪刀。.蘋果采.摘手.臂通.過大.臂內(nèi)管.與大.臂外.管的.伸縮.配合.，實(shí).現(xiàn)了.可調(diào).節(jié)功能，.既能.采摘高.處的.蘋果.也能.采摘相.對(duì)較.矮地.方的.蘋果臂.。在.調(diào)整大.臂桿.件長(zhǎng).短的.同時(shí)調(diào)整.小臂的.尺寸.，以.確保四.桿機(jī).構(gòu)正.常運(yùn).動(dòng)。.在進(jìn).行采.摘作.業(yè)時(shí)，.需要.人工對(duì).準(zhǔn)蘋.果，將.剪刀.調(diào)整到蘋.果上.方，.然后通.過觀.察蘋.果果.柄的.位置，.隨時(shí)調(diào).整把.手的.角度，以.確保.不傷.果，.而且剪.斷果柄.。角.度調(diào).整完.畢之.后隨.后按.動(dòng)電.機(jī)開.關(guān)，.電機(jī)轉(zhuǎn).動(dòng)后.，通.過行.星齒.輪減.速器.將速度.降至.整個(gè)切.斷并.回到原.位的.時(shí)間.為0..5秒鐘，.電機(jī).觸電開.關(guān)每.啟動(dòng).一次.，剪刀.完成.一次.剪切.運(yùn)動(dòng)。.蘋果采.摘機(jī).械手.臂結(jié)..構(gòu).簡(jiǎn). .單，.成. .本低，效. .率高.，安.全.可靠.。
相.對(duì)于機(jī).械化程.度較高.的采摘.機(jī)械來(lái)講.，不.傷果，運(yùn).動(dòng)靈活.，安全.可靠，實(shí).用方.便。對(duì).于解.決現(xiàn).在階段.的采摘.問題有.較大幫.助。
根據(jù).已. .有的.一些設(shè)..計(jì).方案，.進(jìn).行.了優(yōu)..化設(shè)計(jì).。通. .過受. .力分.析，.設(shè). .計(jì)了.蘋果采摘.機(jī)械手臂.。首.先，.對(duì)連.桿機(jī)..構(gòu)、電機(jī).減.速器.的選. .型計(jì).算.、部.分.重要部. .件的.驗(yàn).算、動(dòng)力.剪切系.統(tǒng)的..設(shè).計(jì)進(jìn).行了..總.體. .方. .案. .設(shè).計(jì)。
第2章 總體方案設(shè)計(jì)
本次.所設(shè).計(jì).的.蘋果.采摘機(jī)械手.是.一種通用的水果.采摘機(jī).械.手，適用.于批.量或中、小.批量.采摘，可改.變剪刀的.角度及桿件的長(zhǎng).度。適.用于.環(huán)境.惡.劣、.v勞動(dòng).強(qiáng).度.高、采摘危險(xiǎn)性.較高.的場(chǎng).合。
2.1采摘機(jī)械手臂的分類
2.1.1機(jī)械式采摘
果園機(jī).械式采摘主.要有振搖式、撞.擊時(shí)和切割.式三種類.型。振.搖式.是利用.外力.使.樹體.或樹枝發(fā)生. .振動(dòng)或振搖，使果實(shí).產(chǎn)生加.速度，在連.接最弱處與果枝.分離.而掉落.。撞.擊式是撞.擊部.件直.接沖撞果枝.或敲打牽.引果.枝的.棚架振.落果.實(shí)。切.割式.是將樹.枝或果柄切斷.使果實(shí)與果.樹分離的.方式，又.分為機(jī)械.切割.式和.動(dòng).力切.割式。
2.1.2 機(jī)器人采摘
目前國(guó).外對(duì)采摘機(jī).械的研究是以.采摘機(jī)器.人為主。.70年代.末，隨.著計(jì)算機(jī)和.自動(dòng)控制.技術(shù)的迅.速發(fā)展，美國(guó).首先開.始研究.各種農(nóng).業(yè)機(jī).器人。自.1983年.第一.臺(tái)采.摘機(jī).器人.在美.國(guó)誕.生以來(lái)，歷.經(jīng)了.20多.年.的研.究..和試驗(yàn).，以.日本.為.代表的.發(fā).達(dá)國(guó).家.，包.括.美國(guó).法國(guó).、荷.蘭、.英.國(guó)、西.班牙等國(guó).相繼試驗(yàn).成功.了多.種采.摘機(jī).器人，如.蘋果、柑.橘、番茄、西.瓜和葡.萄等果實(shí).采摘.的具有.人工.智能的.機(jī).器人。
2.2機(jī)械手臂機(jī)構(gòu)的確定
根據(jù)以上.談到.的手臂.分類.，考.慮到.機(jī)械手.臂的.實(shí)用性，.最終確.定為.采用機(jī).械式.采摘方式.中所.提到的.切割式.方式進(jìn).行機(jī).械手.臂的.設(shè)計(jì)，此.方式采.用柔.性收.納袋，采摘.不傷.果，直.接剪.斷果.柄，不.破壞果.樹，攜帶.方便，操作.簡(jiǎn)單，省時(shí).省力，確保.了果.農(nóng)的.人身安.全，.降低.了果.農(nóng)的.勞動(dòng)強(qiáng)度。.
2.3組成與工作原理
本機(jī)械采摘手臂可以將剪刀.切換.角度9.0度。它有大臂、大臂內(nèi)管、小臂、小臂內(nèi)管、把手、支架、電機(jī)、減速器、剪刀.等部分組成。如圖2-1所.示。
1.大臂內(nèi)管2.大臂外管3.小臂內(nèi)管4.小臂外管5.手柄6.電機(jī)座7.料帶支架 13.收納袋 15.直流電機(jī) 18.剪刀 19.行星減速器
裝載的最.大的果實(shí)的.尺寸..為：半徑小于100mm，最.大能.承受. .的重. .量是10kg。其工作過.程為：人.工將.桿件移.動(dòng)到果實(shí)上方，調(diào)整把手剪.刀角.度，啟.動(dòng)電機(jī).按鈕，剪斷果柄，果實(shí)落入收.納袋中，取.回果實(shí)。
2.4剪切方案.的選擇
杠杠機(jī)構(gòu)、液壓和氣壓的缺.點(diǎn)：.
杠.桿機(jī).構(gòu)的.優(yōu)點(diǎn)：
1. .結(jié)構(gòu)簡(jiǎn).單；.
2. .反應(yīng)迅速.；
3. .力臂較.短；
4. 體積小，質(zhì)量輕；
杠桿機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)：
1.桿件磨損，壽命短；
液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：
1. 在同等體.積下，.液壓.裝置.能.產(chǎn). .生出.更大.的動(dòng).力；
2. . 容.易做到.對(duì)速.度的.無(wú)極.調(diào).節(jié)，.而且調(diào)速.范圍.大；
3. 運(yùn)動(dòng)..均.勻.平.穩(wěn)，換向沖.擊小.；
4. 自..潤(rùn)滑，使用.壽命.長(zhǎng)；
液. .壓傳.動(dòng)的缺.點(diǎn)：
1. 對(duì)溫.度比..較.敏感；
2. 能量.需. .兩次轉(zhuǎn).換，傳. .動(dòng)效..率.偏低.；
3. 由于.傳動(dòng).介質(zhì)的..可.壓縮.性和泄..露等.因素的.影響，.不能.嚴(yán)格保..證定.比傳動(dòng).；
4.. .元件制.造精度.高，系.統(tǒng)工.作過.程中.發(fā)生故.障.不.易診斷。
.氣壓傳動(dòng).的.優(yōu)點(diǎn)：.
1.. .介.質(zhì).是空氣，成.本低；
2. 工.作介質(zhì).粘.度.很小，.所以流.動(dòng)阻..力.很小，壓力..損.失小，便于集. .中供.氣和遠(yuǎn).距離輸.送，.便于. .使用；
3. 工作..環(huán).境適.應(yīng)性.好，.能夠在..惡.劣環(huán)境..中作.業(yè)；.
4. . 不.易發(fā).生. .過熱.現(xiàn).象
氣壓.傳. .動(dòng)的缺點(diǎn)：
1. 工作壓.力低.，適. .用于. .小功.率場(chǎng).合，.在. .相同的.輸出. .力的.情況下，.氣壓傳..動(dòng).裝置比液.壓傳.動(dòng)裝..置.尺寸大.；
.2. . 空..可.壓縮性. .大，.速度穩(wěn)..定..性..差.；
3. 噪..聲..大；
4. 介. .質(zhì)本..身.沒有潤(rùn). .滑性.；
.5. 信..號(hào).要產(chǎn)..生.較. .大的.失. .真和.延. .滯。
綜. .合比.較之后，.選擇簡(jiǎn)單.的杠桿.機(jī)構(gòu)。
2.5總體控.制方.案設(shè)計(jì)
直流電機(jī)通過單片機(jī)的程序設(shè)置，將轉(zhuǎn)速調(diào).整為.行星減.速器減.速范.圍之內(nèi).，使得.每次的.觸點(diǎn)開.關(guān)按.下之后，剪.刀完成.一次.剪切. .果柄的.操作，整個(gè).過程.控制.在半.秒鐘.左右。.
第3章 剪切機(jī).構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1電動(dòng).機(jī)及減速.器選擇
3. 1. 1 果實(shí)采摘.過程受.力分析
圖3-1
整個(gè).采摘過程.可分為. 3 個(gè)階.段 ：首.先是.抓手.持過.程 ，隨著手.指的合.攏壓力.逐漸增.大 。 達(dá).到預(yù)設(shè).壓力.后 ，進(jìn).入第 2 .階段即果.柄折.斷過.程 ，此.時(shí)由于.果柄先處.于松弛.階段然后.逐漸受拉.力作用 ，.因此壓.力在預(yù).設(shè)壓力.附近先波.動(dòng)后.增大 ，這與.簡(jiǎn)化幾何.模型中果.柄的運(yùn).動(dòng)過.程一致 .。果柄.分離瞬間.果蒂達(dá)到.了所能.承受的.最大剪.切力果.柄與果.實(shí)分離. ，進(jìn).入后接.收過程. ，.即第 .3 階.段 。.很明.顯，曲線.的變.化過.程與.實(shí)際.理論相.符 。 果.柄在分.離瞬.間 .，曲線.出現(xiàn)明.顯波.動(dòng) ，據(jù).此選擇.適當(dāng)電機(jī) ，判斷.果柄.與果.實(shí)分.離 ，實(shí).現(xiàn)合.理化.控制 。表 3.1 統(tǒng).計(jì)分析.了果實(shí).樣本采摘.過程.的受力. 。峰.值壓.力和.預(yù)設(shè)壓.力通.過壓力.傳感器.標(biāo)定公.式求.取 。表.中壓力.差即為.分離果柄.過程中對(duì).果實(shí).產(chǎn)生.的附.加壓.力 ，對(duì)應(yīng).圖 3.-1 中.果柄折.斷瞬間.壓力變化. ，.其最大值.為 3. 7 N，最小值.為 0. 7 .N，平均值.為1. . 9 N。壓力.大小不同.可能與.果實(shí)成.熟度.有關(guān).，果實(shí).在成.熟期果.蒂離層.易被折.斷，.相對(duì)應(yīng).壓力小。.基礎(chǔ)研究.中采用.曲率半徑 .52 mm.、表面.積80.0 m.m2的.弧形壓頭.進(jìn)行了.果實(shí)損傷.閾值.力研究. ，發(fā).現(xiàn)壓力.小于 1.5 N 時(shí).果實(shí)未出.現(xiàn)損傷. ，對(duì)應(yīng).壓強(qiáng)為 .18. .8 kPa。 由.于壓.力傳感器有效.面積為. 50.7 mm2（直徑. 13. mm）.，可求.得設(shè)定壓.力 2.. 7 .N 對(duì)應(yīng).壓強(qiáng) 5.. 4 kP.a，采摘中.果實(shí)最大受.力為.6. .4 N 對(duì).應(yīng)壓強(qiáng) 1.2. 5 kPa，均.小于.果實(shí)損傷閾.值壓強(qiáng).18. 8. kPa.。 因.此 ， 保.證了果實(shí).的采摘.要求 .，而且果.實(shí)樣本.帶回實(shí)驗(yàn).室直到.可食也.未出現(xiàn).腐壞 。
果柄.受力分析
表3.1
3. 1. 2 采摘結(jié)果分析
末端執(zhí).行器.利用此毗.鄰間隙.成功實(shí).現(xiàn)了毗鄰. 果 .實(shí) 的. 分 離.，毗 .鄰 果. 實(shí). 分 .離 成. 功. 率 1.00% 。果蒂.部分可明.顯看到.構(gòu)成果.柄離層.的維管.束組織. ，其.組織如前.所述呈束.狀分布在.果柄周.圍 。帶.果柄的可.能原因.是果實(shí).存在差異. ，部.分果實(shí).未成熟. ，對(duì).于未成.熟果實(shí).果柄分離.所需分離.力較大. 。加之.果柄長(zhǎng)度. 、果實(shí)大小.不同 ，.可能導(dǎo)致.末端執(zhí).行器旋.轉(zhuǎn)分離.果柄時(shí).與果實(shí).慣性軸的.夾角.不同 ，若末.端執(zhí)行.器抓持.果實(shí)后與.果實(shí)慣性.軸夾角.較大時(shí) ，作.用過程.中果柄.離層處受.拉力作.用而非.剪切力. ，增.大果柄.分離.力 。
剪斷效果圖3-2
剪刀結(jié)構(gòu).參數(shù)
1 、刀片.行程
H—它決定了.該剪切機(jī)所.能剪切鋼.坯的最大高度。 H=.H 1 +j+q+s
H 1 =鋼坯.厚 h + (50~75)mm
j——壓板低于上刀的距離， j=5~50mm
q——下刀.低于.輥道的.距離， .q=5.~20.mm
s——上下.刀刃.的重.合量， s=5.~25mm
2、刀片.尺寸
2、刀.片長(zhǎng)—— 由被.剪果.柄的.最大直.徑 確.定；
l =. (3.~4)bmax 小型剪
l =(2~2.5)bmax 大、.中型. . . .剪
l =bmax + (.100~300) 樹枝剪
3、刀片斷面高 h′ 與.寬 .b′.
h′ =(0.6.5~1.5)h
b′=h/(2..5~3)
h——果柄.直徑
3.1 剪切.過程分析
實(shí)際剪切.過程由兩個(gè).階段.組成：刀片壓入.階段與果.柄滑.移.階段。刀.片壓.入后， 上下刀受剪.切力 P與側(cè)向力. T，在.剪. .切.力 P 形成.的.力.偶.Pa.作.用下，果.柄.沿順.時(shí).針. .方.向旋轉(zhuǎn) γ角，由力.的平.衡：a=x=0.5z/tg γ ，c=h/cos γ - 0.5z Pa=Tc
當(dāng)壓入到.一定.深度 z 時(shí)，P 力.增大同時(shí).果柄實(shí)際.的剪.切斷面.變小，當(dāng)實(shí)際.斷面上的剪.應(yīng)力達(dá).到剪切.變形抗.力時(shí)， 軋件產(chǎn)生.滑移， 直.至剪斷。 假.定刀片與.果.柄接觸.面上壓力.均布且相.等，設(shè)果.柄寬.為 b,則有：
pxb=T0.25zb→T=P0.5zx=Ptg
由.以上.關(guān)系消去. P、a、c 可以得.出壓.入深度 z 與.轉(zhuǎn)角 γ之間的.關(guān)系：
z/h=2tgγ→sinγ≈ 2tg 2γ
可知，壓入.深度 z 越大，則.轉(zhuǎn)角 γ.越大，而.由.上式，T=.Ptg γ知，.側(cè).向力 T也越大。在剪.切機(jī)上，為減.少側(cè)向.力的值，一 般均安.裝有壓板將.果柄.壓在.下刃.臺(tái)上以.減小 .γ角。
在無(wú).壓板情.況下， γ=10~20度，T=(0.18~0.35)P
在有.壓板情.況下， γ=5~10度， T=(0.1~0.18)P
有壓板.后，剪切機(jī).的 γ角.減小，側(cè)向.力減小，既.提高.了剪.切.質(zhì)量，又.減少.了磨損。這時(shí).壓板.力為 Q：
Q=(0..04~0.05)Pmax
由上面的假設(shè)可得出壓入.階段的.剪切力：
P=pbx=pb0.5z/tg γ ，p——平均壓力
τ——被剪果柄斷.面的剪.切變.形阻力。 由.上述.公式可.以看出， 在.壓入階段，
剪切力 P 隨壓.入深度 z 增加而.增加；在滑移.階段， P 隨 z .而減少。
P=pbx=.pb.0.5z/tg γ ，p——平均壓力
由上.式可得出
P=pb0.5zh-ε=z/h→P=pbh0.5ε
在滑移.階段，剪切力.為：
P=τsb(hcosb-z)
τ——被.剪金屬斷面.的剪.切變形.阻力。 由上.述公式.可以看出.， 在.壓入階段，
剪切力 P 隨壓入.深度 z 增加.而增加；在滑.移階段， P 隨 z 而減少。
剪切過.程中的.軋件的變.形與剪.切力.之間的關(guān).系可以用下.圖表示。
圖3-2
在相對(duì)壓.入.深度 ε=ε0 時(shí)，果柄.被剪.斷。 ε0為.果柄剪斷.時(shí)的.相對(duì)壓.入深
度，它.與被剪.果柄.的性質(zhì).有關(guān)，果柄.韌性.越好則.其值.越大。
3.2電機(jī)選型計(jì)算
3.2.1最大剪切力 P max
可按以下公式計(jì)算：
Pmax=.KτmaxFmax
K 為考慮.刀片.磨鈍、 刀片.間隙增大而.使剪切力增.大的.系數(shù)。 根據(jù).不同的
剪刀.的剪.切能力， K=1.1-1.3。
對(duì)于所.剪材料無(wú).單位剪切阻力.的實(shí).驗(yàn)數(shù)據(jù).時(shí)， 可用.以下.公式計(jì).算最.大剪
切.力： Pmax=0.6KσtFmax
式中 σt為所.對(duì)應(yīng)溫.度下的.抗拉.強(qiáng)度.極限。
3.3電動(dòng)機(jī)功率的選擇
不帶.飛輪的剪.切機(jī).預(yù)選.電動(dòng).機(jī)時(shí)，可.按靜.力矩的大.小直.接選.?。篗er=Mermaxkiη
帶飛輪.的剪切.機(jī)預(yù)選電.動(dòng)機(jī).可按前面求.出的.靜負(fù).荷圖求.出其.平均值：Mη=MiTjT
預(yù)選電動(dòng).機(jī)的.額.定力矩：
M er =(1.15—1.3)M m=0.5N
圖3-3 電機(jī)及其減速裝置
綜上計(jì).算，選.擇TTMOTOR N20減速.電機(jī)。
3.4偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的計(jì)算
3.4.1 x 和最小傳動(dòng)角 γmin
1．最.小傳動(dòng)角 γmin的計(jì)算 曲柄滑.塊機(jī).構(gòu)如圖 1 .所示，圖.中 AB為曲柄，長(zhǎng)度為 a，BC為連.桿，長(zhǎng)度為 b，偏心距為 e。.γ愈大.，對(duì)機(jī).構(gòu)傳.動(dòng)愈.有利，它是機(jī)構(gòu).傳動(dòng).性能.的重要.指.標(biāo)之 一，工.程.上常以 γ值.來(lái)衡.量機(jī)構(gòu).的傳.力性能。
圖3-4
當(dāng)主動(dòng)件.為曲.柄時(shí)，隨著.其位.置不同， γ值.亦不同，最.小傳動(dòng)角 γmin 出現(xiàn)在曲.柄與滑.塊導(dǎo)路.垂直.的.位置，其.值為：
公式
γmin=cos-1(a+eb)
計(jì)算極.位.夾角：Θ=180°K-1K+1
根據(jù)已.知條件，作.出圖. 2，曲柄支.點(diǎn)在圓.周上，它.的位置決定.傳力.性能， 現(xiàn)設(shè). AC 1=x，x 作為.設(shè)計(jì)變.量，一旦.確.定了 A.點(diǎn)的.位置， a、.b 和 e也.就確定。下 .面找.出 a、b 和 e 與設(shè)計(jì).變量 x .之間.的關(guān)系。
圖3-5
在△AC 1C 2 中
H2=b-a2+b+a2-2b-a（b+a）cosθ
因?yàn)? b-a=x
所以 H2=X2+X+2a2-2X（X+2a）cosθ （1）
a=xcosθ-1+H2-X2sin2θ2 （2）
又因?yàn)镠sinθ=a+bsin(∠AC1C2)=x+2aex
所以e=sinθ（x2+2a2）/H （3）
將 b=a+s 代入（1）
γmin=cos-1（e+ax+a） （4）
將式（ 2）、（3）代入式（ 4），γmin僅為 x 的.函數(shù)，則可.求得 γmin 的.值。 二、設(shè)計(jì)最優(yōu)傳.力性能.的曲柄滑.塊機(jī).構(gòu) 設(shè)計(jì)變.量 x 的.取值.范圍。 尋.優(yōu)區(qū).間起點(diǎn)在 C 1處：
x min=0 尋優(yōu).區(qū)間終.點(diǎn)在. M點(diǎn)：
Xmax=Htgθ
在 x 的取值.范圍內(nèi)根據(jù)式.（ 2）、 （3）和（4.）可求.得 x 一一對(duì)應(yīng)的 γmin值。 利用一維尋.優(yōu)最優(yōu)化技.術(shù)黃金分割法，來(lái)求 γmin取極大值時(shí)的 x 值。. 將γmin最大時(shí).的 x 值代入（ 2）、（3）求.出 a、e，由 b=x+a求出 b 值。
本設(shè).計(jì)H=50mm，行程.速比.系數(shù) K=1.5。選擇.傳力性.能最優(yōu).的曲.柄滑.塊機(jī)構(gòu)。 x 的取值.范圍為 0～68.819mm，x=19.104mm時(shí)，γmin的最.大值為 27.458°。 曲.柄 a=22.537mm 連桿 b=41.641mm 偏心距 e=14.413
3.5行星減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.5.1 分析要求
根據(jù)電.機(jī)需求，所.設(shè)計(jì)的.行星減.速器最.終輸.出扭矩.為3.12N.m。
3.5.2 系統(tǒng)組成框圖
圖3-6 所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)組成框圖
3.5.3傳動(dòng)方案的分析與擬定
1）對(duì)傳動(dòng)方.案的要求
??合理的傳.動(dòng)方案，首先應(yīng)滿.足工作機(jī).的功能要求，.還要.滿足工.作可靠、傳動(dòng)精.度高、體.積小、結(jié).構(gòu)簡(jiǎn)單、尺.寸緊湊、重.量輕、成.本低、工.藝性好、使.用.和維.護(hù)方便等要求。
?2）擬定.傳動(dòng)方.案
任何一個(gè)方案，要滿足上.述所有要求.是十分困難的，.要統(tǒng)籌兼顧，.滿足最主要.的和最基.本的要求。例.如圖2-2所示為作.者擬定的.傳動(dòng)方案，適于.在惡劣環(huán)境.下長(zhǎng)期連續(xù).工作。
電機(jī).通.過聯(lián)軸.器與2K-H型.行星齒輪減速.器輸入軸.相連，傳遞扭矩.和轉(zhuǎn).速。行星齒輪.減速器采用3個(gè).行星輪模.式。內(nèi)齒.圈固定，行星.架與輸.出軸相.連，輸出轉(zhuǎn).速和扭矩。
a．太陽(yáng)輪 b.內(nèi)齒輪 c.行星輪 H.行星架 1.輸入軸 2.輸出軸
圖3-7??所設(shè)計(jì)的行星齒輪.減速器.運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
3.）行星齒.輪傳動(dòng)的受.力分析
在行.星齒.輪傳動(dòng).中由于.其行星.輪的數(shù)目.通常大于1，即wn>1，且均.勻?qū)ΨQ.地分布.于中.心輪之間；所以在2.H—K型.行星傳.動(dòng)中，各基.本構(gòu).件（中心輪a、b和轉(zhuǎn)臂H）對(duì)傳動(dòng)主軸上的軸承.所作用.的總徑.向力等.于零。因.此，為了.簡(jiǎn)便.起見，本設(shè).計(jì)在行星.齒輪傳動(dòng)的受.力分析.圖中均.未繪出.各構(gòu)件.的徑向力.Fr，.且用一.條垂直.線表示.一個(gè)構(gòu).件，同時(shí).用符.號(hào)F.代表切向.力Fr。
為了.分析各構(gòu).件所受.力的.切向力F.，提.出如下.三點(diǎn)：.
1. .在轉(zhuǎn)矩.的作用.下，行星齒.輪傳動(dòng)中.各構(gòu)件均.處于平衡.狀態(tài)，因.此，構(gòu)件間.的作用力應(yīng).等于反作.用力。
2. .如果在某一.構(gòu)件上作用有.三個(gè)平行力.，則中間.的力與兩邊.的力的方向應(yīng).相反。
3.為了.求得構(gòu)件.上兩個(gè).平行力的比值.，則應(yīng)研究它們對(duì)第三個(gè)力的作.用點(diǎn)的.力矩。
在2H—.K型行星.齒輪傳動(dòng)中，.其受力.分析圖是由.運(yùn)動(dòng)的輸.入件開始，然后.依次確定.各構(gòu)件上.所受的作.用力和轉(zhuǎn)矩.。對(duì)于.直齒圓柱.齒輪的嚙合.齒輪副只需.繪出切.向力F，如圖1—3所示。
由于在.輸入.件中心.輪a上受.有wn個(gè)行星輪g.同時(shí)施.加的作.用力gaF.和輸入轉(zhuǎn)矩.AT的作用。當(dāng)行星.輪數(shù)目wn.=2時(shí)，各個(gè).行星輪上.的載荷.均勻，（或采用載.荷分配不均勻系數(shù)pk進(jìn)行補(bǔ)償）。在此首先確.定輸入件中.心輪a.在每一.套中（即在.每個(gè)功率分流上）所承受.的輸入.轉(zhuǎn)矩為
T=9549×370/7×750=4.46N*m?
可得??????????aT=1T*wn=3.12?N*m?
式中????Ta—中心輪所傳遞的轉(zhuǎn)矩，N*m；
????????P1—輸入件所傳遞的名義功率，kw；
（a）傳動(dòng)簡(jiǎn)圖??? ??(b)構(gòu)件的受力分析
圖3-8傳動(dòng)簡(jiǎn)圖
按照上述提示進(jìn)行受力分析計(jì)算，則可得行星輪g作用于中心輪a的切向力為
Fga=200T1da=200Tanwda=200×4.4832=22.8N
而行星輪g上所受.的三個(gè)切向力為中心輪a作用與行星輪g的切向力為
內(nèi)齒輪作用于行星輪g的切向力為
轉(zhuǎn)臂H作用于行星.輪g的切向力為
轉(zhuǎn)臂H上所的作用力為
FgH=-2FgH=-400Tanwda=-54N
轉(zhuǎn)臂H上所的力矩.為
TH=n.wFgHrx=-400×4.4832×57=-0.982N?m
在內(nèi)齒輪b上所受的切向力為
Fgb=-Fbg=200Tanwda=28N
在內(nèi)齒輪b上所受的.力矩為
Tb=nwFgbdb/200=28×196/200=2.744N?m
式中???
ad—中心輪a的節(jié)圓.直徑，㎜
bd—內(nèi)齒輪b的節(jié)圓直徑，㎜
???????xr—轉(zhuǎn)臂H的回轉(zhuǎn)半徑，㎜根據(jù)文獻(xiàn)資料，式（6—37）得
-TaTH=1iaHb=11+P
轉(zhuǎn)臂H的轉(zhuǎn)矩為.
.TH=-Ta*1+P=-0.982N?m
仿上
-TbTH=1iaHb=11-iabH=P1+P
內(nèi)齒輪b所傳遞的轉(zhuǎn)矩，
Tb=-P1+P*TH=2.744N?m
結(jié) 論
采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì).采用曲柄滑塊系統(tǒng)和直流電機(jī)與齒輪減速器技術(shù) ，既.發(fā).揮了機(jī)械傳動(dòng)的快速、成本低.廉的優(yōu).勢(shì)，又達(dá).到了控制方便，安全可.靠的目的，解.決了惡劣環(huán)境中采摘蘋果的實(shí).際問題，降.低了操作人.員的勞.動(dòng)強(qiáng)度 ，很大程.度上提.高了生.產(chǎn)效率。
畢.業(yè)設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué).生綜合運(yùn)用知識(shí)、發(fā)現(xiàn)、分析、解.決實(shí)際問題、培養(yǎng).實(shí)踐能力的重要組.成部分。是對(duì).學(xué)生實(shí)際工作能.力的具體培.訓(xùn)和考核過程。
此次畢.業(yè)設(shè)計(jì)，從選題.到定稿，從理.論到實(shí).踐，在.這一時(shí)期的畢.業(yè)設(shè).計(jì)，可.以說是痛.苦多過甜。這個(gè)畢.業(yè)設(shè).計(jì)不僅鞏.固了以前的知.識(shí)，而且學(xué).到了很多書.本上沒.有學(xué)到的知.識(shí)。
對(duì).我來(lái)說，最.大的收獲是方法和能.力——分.析問題和解.決問題的方.法和能力。在整個(gè)設(shè).計(jì)過.程中，我發(fā).現(xiàn)大部分學(xué).生缺乏經(jīng).驗(yàn)，缺.乏感性認(rèn).識(shí)。有.些是理.論知.識(shí)，有些東西可.能與現(xiàn).實(shí)不符。設(shè).計(jì)要.求我們系統(tǒng)地接.觸我們所學(xué)的相.關(guān)知識(shí)，并揭.露它的缺點(diǎn)，以便.改進(jìn)它。通過這.次畢.業(yè)設(shè)計(jì)，我明.白了理論與實(shí)踐的.結(jié)合是非.常重要的，只有.理論知識(shí)是不.夠的，只有.理論知.識(shí)和實(shí)踐，才.能從理論上得出.結(jié)論，才能.真正服務(wù)于社會(huì)，提高實(shí).踐能力和獨(dú).立思考.能力。
這次畢.業(yè)設(shè)計(jì)使我受.益匪淺，為我今.后的學(xué)習(xí)和工.作打下了堅(jiān).實(shí)的基.礎(chǔ)。我衷.心感謝.各位老.師的幫.助和指.導(dǎo)。
參考文獻(xiàn)
[1] 湯修映，張鐵中.果蔬收獲機(jī)器人研究綜述[J].機(jī)器人，2005，27（1）：90-96.
[2] 孫志禮，冷興聚，魏嚴(yán)剛等主編.?機(jī)械設(shè)計(jì).?沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社?2000?
[3] 劉鴻文主編.??材料力學(xué).?北京：高等教育出版社1991?
[4] 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研組編.?理論力學(xué).?北京：高等教育出版社?1997
[5] 曹其新，呂恬生，永田雅輝，等.草莓揀選機(jī)器人的開發(fā)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，33（7）：880-884.
[6] 梁喜鳳，苗香雯，崔紹榮，等.果實(shí)采摘機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作性能分析[J].農(nóng)機(jī)研究所，2004（2）：133-136.
[7] 周天娟，張鐵中.果蔬采摘機(jī)器人技術(shù)研究進(jìn)展和分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，11：38-39.
[8] 鄒湘軍，金雙，陳燕，等.基于Modelica的采摘機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制與建模[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21（18）：5882-5885.
[9] 馬履中，楊文亮，王成軍，等.蘋果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2009，31（12）：65-67.
[10] 宋健.茄子采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008，46（6）：166-168.
[11] 馬江.六自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真[D].北京工業(yè)大學(xué)，2009
[12] 翟衡，趙鄭陽(yáng)，王志強(qiáng)．世界蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)分析［J］．果樹學(xué)報(bào)，2005，22（1）：44－50．
[13] 李嘉瑞，鄒養(yǎng)軍，任小林．芻議中國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化［J］．果樹學(xué)報(bào)，2008，25（3）：378－381．
[14] 呂繼東,陳玉,姬偉,張穎,沈惠良.蘋果采摘機(jī)器人對(duì)震蕩果實(shí)的快速定位采摘方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,Vol.28(13):0048-06?
[15] 顧寶興,田光照,王玲,姬長(zhǎng)英,王海清.智能移動(dòng)水果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012,Vol.43(6):0153-08?
[16] BRUNO?AGARD,BERNARD?PENZ.?A?SIMULATED?ANNEALING?METHOD?BASED?ON?A?CLUSTERING?APPROACH?TO?DETERMINE?BILLS?OF?MATERIALS?FOR?A?LARGE?PRODUCT?FAMILY.?INT.?J.?PRODUCTION?ECONOMICS?117?(2009)?389–401.
[17] ?De
收藏