多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（含三維SW及仿真）
多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（含三維SW及仿真）,多功能,農(nóng)業(yè),機(jī)械手,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),三維,SW,仿真
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
學(xué) 院
專 業(yè)
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指導(dǎo)教師職稱
2022 年 4 月
原 創(chuàng) 性 聲 明
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研究在做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下所完成的學(xué)位論文及相關(guān)的職務(wù)作品，知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬廣西城市職業(yè)大學(xué)。本人完全意識(shí)到本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。
設(shè)計(jì)（論文）作者簽名： 日期： 年 月 日
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多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
自動(dòng)化專業(yè)2020級 ×××
指導(dǎo)教師 ×××
摘要
本文在充分了解研究了解國內(nèi)外農(nóng)業(yè)采摘果的相關(guān)設(shè)備的基礎(chǔ)上,對農(nóng)業(yè)采摘果實(shí)自動(dòng)操作采集機(jī)械手的主要機(jī)械手組成部分功能進(jìn)行了深入分析研究。主要分析了各種果實(shí)采摘機(jī)械手的主要功能及結(jié)構(gòu)組成、各組成結(jié)構(gòu)的具體作用及工作原理、工作系統(tǒng)等基本功能設(shè)計(jì)。主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括利用轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械腕和手關(guān)節(jié)、大臂、小臂、腕和末端自動(dòng)采摘果實(shí)的執(zhí)行器。該機(jī)械手部分需要具有較好的自動(dòng)采集工作系統(tǒng)運(yùn)用空間、運(yùn)動(dòng)學(xué)等技術(shù)特性。能夠充分完全滿足農(nóng)業(yè)果實(shí)采摘自動(dòng)操作的技術(shù)要求,并對其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及力學(xué)計(jì)算分析歸納。并應(yīng)用三維軟件進(jìn)行三維數(shù)模的建立。希望為未來的多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手設(shè)備提供可靠的參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)；機(jī)械手；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；三維數(shù)模
Structure design of multi-functional agricultural manipulator
Abstract
In this paper, on the basis of full understanding of the domestic and foreign agricultural picking fruit related equipment, the agricultural picking fruit automatic operation acquisition manipulator of the main part of the function of the manipulator has been deeply analyzed.This paper mainly analyzes the main function and structure composition of various fruit picking manipulator, the specific function and working principle of the structure, the basic function design of the working system.The main design includes an actuator that automatically picks fruit by rotating mechanical wrist and hand joint, big arm, forearm, wrist and end.The manipulator part needs to have a good automatic acquisition work system using space, kinematics and other technical characteristics.It can fully meet the technical requirements of automatic operation of agricultural fruit picking, and carry out kinematics analysis and mechanical calculation analysis and induction.And three-dimensional software is used to establish three-dimensional mathematical model.Hope to provide a reliable reference for the future multi-functional agricultural manipulator equipment..
Key words: agriculture;Manipulator;Kinematic analysis;Three dimensional mathematical model
目錄
第一章 緒論 1
1.1 研究的背景及意義 1
1.2 多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手國外現(xiàn)狀 2
1.3 多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手國內(nèi)現(xiàn)狀 4
第二章 電動(dòng)多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì) 5
2.1 多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手外形設(shè)計(jì) 5
2.2 多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì) 5
第三章 多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手方案設(shè)計(jì) 7
3.1 多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手機(jī)構(gòu)選型原則 7
3.2 多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手綜合分析 8
3.2 傳動(dòng)方式的選擇 9
第四章 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 13
4.1 腰關(guān)節(jié)電機(jī)選型計(jì)算分析 13
4.1.1腰部關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 14
4.2大臂關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 14
4.3小臂關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 15
4.4手腕關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 16
4.4.1手腕轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的計(jì)算 16
4.4.2手腕擺動(dòng)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)及計(jì)算 19
第五章 電動(dòng)多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手的3D打印 21
5.1 部件3D建模 21
參考文獻(xiàn) 23
致謝 25
第一章 緒論
1.1 研究的背景及意義
進(jìn)入21世紀(jì),隨著工業(yè)的迅速發(fā)展,其各種果蔬采摘都是屬于一種農(nóng)業(yè)勞動(dòng)密集型采摘作業(yè)。在各種果蔬采摘期間操作人員所進(jìn)行的時(shí)間投入占整個(gè)各種生產(chǎn)果蔬經(jīng)營勞動(dòng)過程的50%~70%。而且在各種果蔬采摘作業(yè)采摘收取作業(yè)的過程中,人工種植采摘果蔬經(jīng)常都會(huì)因?yàn)樾枰僮魅藛T雙腳彎腰或伸手屈臂或者借助各種采摘梯子用以進(jìn)行采摘登高作業(yè)。因此各種果蔬采摘作業(yè)采摘收取作業(yè)不僅僅它指的是一項(xiàng)勞動(dòng)強(qiáng)度大、消耗農(nóng)業(yè)勞力大和時(shí)間長,而且它也是一種并且具有一定農(nóng)業(yè)勞動(dòng)性和危險(xiǎn)性的一種農(nóng)業(yè)勞動(dòng)密集型的作業(yè)。隨著我們現(xiàn)代社會(huì)操作人員對于日常生活農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)質(zhì)量的不斷逐步提高,操作人員也急切地需要從這種高強(qiáng)度農(nóng)業(yè)勞動(dòng)作業(yè)中脫離出來，降低人工成本。
圖1-1 采摘機(jī)械手
因此代替工人采摘果蔬的生產(chǎn)過程已經(jīng)變得越來越迫切,研究解決現(xiàn)代農(nóng)業(yè)果蔬采摘果實(shí)合理回收果蔬采摘合理利用機(jī)器人相關(guān)技術(shù)問題具有重要的技術(shù)現(xiàn)實(shí)意義。在古代時(shí)期我國,蘋果栽培產(chǎn)業(yè)各類栽培蘋果生產(chǎn)果蔬有著悠久的種植發(fā)展利用歷史,是目前作為我國主要具有優(yōu)勢的進(jìn)出口蘋果農(nóng)產(chǎn)品之一。
圖1-2 采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)
我們發(fā)展全國主要地區(qū)蘋果各類栽培果蔬生產(chǎn)在累計(jì)發(fā)展我國世界主要地區(qū)蘋果各類栽培果蔬產(chǎn)業(yè)中一直以來占有舉足輕重的重要戰(zhàn)略地位。據(jù)統(tǒng)計(jì),2010年我國累計(jì)發(fā)展我國主要地區(qū)蘋果栽培產(chǎn)業(yè)各類栽培果蔬種植區(qū)總面積187.7萬公頃、產(chǎn)量2367.5萬噸,分別每年累計(jì)占據(jù)了發(fā)展世界主要地區(qū)蘋果栽培產(chǎn)業(yè)各類裁培果蔬種植區(qū)總面積41.5%和我國蘋果果蔬產(chǎn)量的37,5%。近10多來年,我國對蘋果推動(dòng)乃至世界各地我國蘋果人工采摘摘取產(chǎn)量持續(xù)快速增長的主要?jiǎng)趧?dòng)貢獻(xiàn)率高達(dá)84%,但是一直到目前,蘋果的全部人工采摘摘取加工生產(chǎn)作業(yè)都還沒有需要再依靠我國蘋果全部人工摘取采摘技術(shù)來進(jìn)行輔助加工完成。因此,研究工作人員自主開發(fā)設(shè)計(jì)出的我國蘋果全部人工摘取采摘生產(chǎn)作業(yè)管理機(jī)器人不僅不但同樣可以有效率地減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高我國蘋果采摘生產(chǎn)線的管理效率,而且同樣可以具有廣闊的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用性及市場性和廣泛應(yīng)用發(fā)展前景。
1.2 多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手國外現(xiàn)狀
1968年,美國學(xué)者Brown首次提出應(yīng)用機(jī)器人進(jìn)行果蔬的的思想[4], 草莓等新型采摘蘋果工業(yè)果園內(nèi)的采摘操作工業(yè)管理機(jī)器人新型采摘蘋果工業(yè)果園內(nèi)的采摘操作工業(yè)管理機(jī)器人目前在美國、法國、日本等在世界我國國內(nèi)已有大量應(yīng)用研究,其中包括利用采摘機(jī)器人都是自主開發(fā)研制的新型采摘蘋果工業(yè)果園內(nèi)的采摘操作工業(yè)管理機(jī)器人[7],利用新型蘋果采摘工業(yè)果園采摘管理機(jī)器人的六個(gè)半自由度動(dòng)力轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械手臂作為進(jìn)行采摘蘋果機(jī)械手手臂操作時(shí)的主體,手臂內(nèi)部位于蘋果整體內(nèi)部可在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)架子上自由轉(zhuǎn)動(dòng)手臂進(jìn)行各種具有橫向水平和豎直兩種操作方向的蘋果旋轉(zhuǎn)操作移動(dòng),在需要進(jìn)行大蘋果園內(nèi)的采摘管理作業(yè)時(shí),機(jī)械手由另外一臺(tái)電動(dòng)蘋果拖拉機(jī)操作手臂進(jìn)行牽引,其中的采摘機(jī)器人操作手臂位于整體內(nèi)部由于占地面積較大,機(jī)械手手臂整體內(nèi)部重量相對較重,且采摘操作管理成本相對較高,只能合適于各種蘋果植株較矮小的各種大型蘋果樹。
圖1-3 采摘機(jī)械手
機(jī)器人主要由機(jī)械手、視覺傳感器、移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成,該采摘機(jī)器人采用了7自由度機(jī)械手臂。機(jī)器人主要由四個(gè)移動(dòng)機(jī)械手、視覺精確定位控制傳感器、移動(dòng)臂等四個(gè)機(jī)構(gòu)行走系統(tǒng)部分組成,該大型水果果實(shí)采摘試驗(yàn)車的四個(gè)機(jī)器人主要組成采用了7自由度長的移動(dòng)機(jī)械操作移動(dòng)臂和手臂。
圖1-4 采摘機(jī)械手
1.3 多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手國內(nèi)現(xiàn)狀
我國對農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)90年代中期，比發(fā)達(dá)國家晚。然而，許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行采摘機(jī)器人和智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究。東北林業(yè)大學(xué)陸懷民研發(fā)的樹錐采摘機(jī)器人進(jìn)行了采摘試驗(yàn)。該機(jī)器人由五自由度機(jī)械手、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng)組成。
圖1-6 采摘機(jī)械手
采摘時(shí),機(jī)器人大臂需要將停在一個(gè)位置距離對準(zhǔn)目標(biāo)一棵母樹3-5m的遠(yuǎn)處,操縱回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)機(jī)械手大臂使用控制回轉(zhuǎn)齒輪驅(qū)動(dòng)馬達(dá)對準(zhǔn)目標(biāo)一棵新的果樹。然后,單片機(jī)通過控制回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)控制回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)機(jī)械手大、小臂同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行柔性加速運(yùn)動(dòng)并使升起,當(dāng)果樹達(dá)到一定所需要的海拔高度,采摘爪同時(shí)自動(dòng)張開并繼續(xù)左右加速擺動(dòng),對準(zhǔn)原來不需要再次球果采集的對準(zhǔn)目標(biāo)一棵樹枝,大小臂同時(shí)柔性加速運(yùn)動(dòng),使得用電機(jī)帶動(dòng)采摘爪沿著對準(zhǔn)目標(biāo)一棵樹枝上部球果生長的路線的一條方向左右移動(dòng)速度趨近1.5-2m,然后通過帶動(dòng)電機(jī)采摘爪的兩個(gè)上部梳狀齒和牙齒自動(dòng)夾緊電機(jī)尋找一個(gè)新的目標(biāo)果枝,大小臂同時(shí)柔性帶動(dòng)并使電機(jī)再次采集爪按鍵從而沿原路從前向后依次移動(dòng)返回,梳下枝上部的一棵球果,完成一次球果樹的采摘。這種新型采摘機(jī)器人帶動(dòng)采摘爪的效率一般來說是500kg/天,是人工的30-50倍。果實(shí)采摘時(shí)對準(zhǔn)目標(biāo)一棵母樹的草壤土質(zhì)環(huán)境破壞較小,采凈率高。
第二章 電動(dòng)多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì)
2.1 多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手外形設(shè)計(jì)
市場上看到的各種多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手,隨著時(shí)代的進(jìn)步和目標(biāo)需求的變化,多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手已經(jīng)能夠更加精致和獨(dú)特。如圖所示2-1多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手外形。
圖2-1農(nóng)業(yè)機(jī)械手外形
2.2 多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì)
通過對市場上多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手的研究分析,綜合所學(xué)習(xí)的知識(shí)。運(yùn)用三維建模軟件,設(shè)計(jì)出圖2-2所示的多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì)。
圖2-2 本次設(shè)計(jì)多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手外形
第三章 多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手方案設(shè)計(jì)
3.1 多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手機(jī)構(gòu)選型原則
由由于中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的高度復(fù)雜性、不確定性和由于采摘后的果實(shí)不同數(shù)量之間分布的巨大性和隨機(jī)性,采摘通用工業(yè)機(jī)械手的基本產(chǎn)品選型既要嚴(yán)格要求遵循采取通用采摘工業(yè)機(jī)械手的基本產(chǎn)品選型功能原則,又也因?yàn)樾枰瑫r(shí)充分考慮其所要采摘的農(nóng)作物的自然地理性和特殊性。首先我們歸納一下關(guān)于采摘通用工業(yè)機(jī)械手的基本產(chǎn)品選型及其功能基本原則我個(gè)人認(rèn)為主要必須遵循的是通用采摘工業(yè)機(jī)械臂的基本選型原則產(chǎn)品選型及其功能基本原則。目前通用工業(yè)機(jī)械臂主要應(yīng)用產(chǎn)品選型有四種基本選型功能形式,其具體產(chǎn)品選型基本功能及其選型特點(diǎn)我現(xiàn)介紹全文如下
(1)直角橫向運(yùn)動(dòng)平行坐標(biāo)型:由于該機(jī)床型號(hào)的運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂前三個(gè)橫向運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)關(guān)節(jié)連接處均設(shè)置為機(jī)械橫向平行移動(dòng)時(shí)的平行坐標(biāo)關(guān)節(jié),運(yùn)動(dòng)臂與平行關(guān)節(jié)方向完全保持垂工作空間占用大和空間小。
(2)移動(dòng)圓柱形四坐標(biāo)型:采用該型號(hào)的機(jī)械臂前三個(gè)控制關(guān)節(jié)被分為兩個(gè)縱向移動(dòng)控制關(guān)節(jié)和一個(gè)橫向轉(zhuǎn)動(dòng)控制關(guān)節(jié),這種坐標(biāo)形式的移動(dòng)機(jī)器人手臂占用人體空間小,結(jié)構(gòu)簡單。
(3)極坐標(biāo)型:人體具有兩個(gè)縱向轉(zhuǎn)動(dòng)靈活關(guān)節(jié)和一個(gè)橫向移動(dòng)靈活關(guān)節(jié)。使用該型移動(dòng)機(jī)器人的主要優(yōu)點(diǎn)之一是移動(dòng)靈活性好,占地面積小,但轉(zhuǎn)動(dòng)剛度、精度較差。
(4)活動(dòng)關(guān)節(jié)雙向坐標(biāo)型:前三個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)都用的是雙向回轉(zhuǎn)式的關(guān)節(jié),特點(diǎn)主要是關(guān)節(jié)動(dòng)作靈活,工作部位空間大、占地面積小,缺點(diǎn)主要是機(jī)械剛度和工作精度較差。
。
圖3-1 機(jī)械臂類型
3.2 多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手綜合分析
通過上面的案例分析,對于目前蘋果草莓采摘用的機(jī)器人采用機(jī)械手臂的形式而言,得到一下現(xiàn)在選型上的結(jié)論:
1)采摘蘋果采取機(jī)械采摘手臂的主要基體工作形式及其選擇以采摘人工無關(guān)節(jié)型式的蘋果采摘機(jī)械臂為其基體工作形式最為合適,其主要基體形式包括采摘人的肩和腰部、大臂,小臂共三個(gè)主要工作支撐部分。其基體具有人手動(dòng)作靈活,工作使用范圍廣和空間大、占地面積小的主要功能優(yōu)點(diǎn)很廣泛,它適合各種種類蘋果的采摘人工收割采摘或者收割加工作業(yè)。
2)以一個(gè)兩人半膝關(guān)節(jié)式四維三坐標(biāo)型移動(dòng)采摘蘋果機(jī)械臂為腰部工作活動(dòng)基體,為充分發(fā)揮擴(kuò)大操作人員利用采摘機(jī)械臂的快速腰部移動(dòng)工作力和活動(dòng)能力空間和大大限度增強(qiáng)操作人員利用采摘機(jī)械手可以進(jìn)行上下多路徑快速移動(dòng)采摘的腰部工作活動(dòng)能力,在每個(gè)兩人關(guān)節(jié)腰部兩側(cè)分別添加了一個(gè)新的升降工作活動(dòng)方向結(jié)構(gòu),此處的升降活動(dòng)結(jié)構(gòu)為一個(gè)連桿式或者可移動(dòng)折疊式的升降活動(dòng)機(jī)構(gòu),在兩個(gè)垂直面的升降活動(dòng)方向上分別同時(shí)增加了兩個(gè)采摘機(jī)器人的快速腰部移動(dòng)作業(yè)力和活動(dòng)能力空間,使得兩個(gè)采摘機(jī)器人同時(shí)也能擁有了快速移動(dòng)采摘較高處新鮮采摘蘋果的腰部工作活動(dòng)能力,代替了以前由于操作人員用舊的玻璃梯子或者木欄桿進(jìn)行登高而下樓梯快速采摘過的新鮮蘋果。
3)在機(jī)械手小臂內(nèi)部添加了一個(gè)伸縮活動(dòng)關(guān)節(jié),此伸縮關(guān)節(jié)不僅不但可以進(jìn)一步有效擴(kuò)大手術(shù)機(jī)器人的手部工作活動(dòng)空間而且它還可以與其他末端手術(shù)執(zhí)行器械相配合,以本手術(shù)機(jī)械手特有的、被手術(shù)命名者稱為"Eyes-in-hand"執(zhí)行軌跡的自動(dòng)避障控制方式自動(dòng)進(jìn)行果枝采摘,以盡量大地降低了本機(jī)械臂在手術(shù)端與兩側(cè)果枝之間碰撞的發(fā)生機(jī)率。
圖3-2 農(nóng)業(yè)機(jī)械手機(jī)構(gòu)原理
3.2 傳動(dòng)方式的選擇
帶傳動(dòng)：帶傳動(dòng)通常是由主動(dòng)輪、從動(dòng)輪和張緊在兩輪上的傳動(dòng)帶所組成的。當(dāng)主動(dòng)輪回轉(zhuǎn)時(shí)，依帶與帶輪接觸面間的摩擦力拖動(dòng)從動(dòng)輪一起回轉(zhuǎn)，從而傳遞一定的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。帶傳動(dòng)具有的優(yōu)點(diǎn):有良好的撓性和彈性，有吸振和緩沖作用，因而使帶傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲??；有過載保護(hù)作用，當(dāng)過載時(shí)引起帶在帶輪上發(fā)生相對滑動(dòng)，可防止其他零件的損壞；此時(shí)，當(dāng)傳遞同樣大的圓周力時(shí)，與嚙合傳動(dòng)相比軸上的壓力較大:結(jié)構(gòu)尺寸較大，不緊湊；傳動(dòng)壽命較短；傳動(dòng)帶與帶輪之間會(huì)產(chǎn)生摩擦放電現(xiàn)象；不宜用于有爆炸危險(xiǎn)的場合?，F(xiàn)在一些新型帶傳動(dòng)形式，如高速帶傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)、多楔帶傳動(dòng)己經(jīng)克服了以上大部分的缺點(diǎn)。
齒輪傳動(dòng)：齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用最為廣泛的一類傳動(dòng)，常用的漸開線齒輪傳動(dòng)具有以下一些主要特點(diǎn):傳動(dòng)效率高，在常用的機(jī)械傳動(dòng)中，齒輪傳動(dòng)的效率是最高的。齒輪傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)有:對齒輪制造、安裝要求高；齒輪制造常用插齒機(jī)和滾齒機(jī)等專用機(jī)床及專用工具；通常的齒輪傳動(dòng)為閉式傳動(dòng)，需要良好的維護(hù)保養(yǎng)，因此齒輪傳動(dòng)成本和費(fèi)用高；并且齒輪傳動(dòng)不適合中心距較大的兩軸間的動(dòng)力傳遞。
蝸桿傳動(dòng)：蝸桿傳動(dòng)是一種空間齒輪傳動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)角為90度的兩軸間動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞。蝸桿傳動(dòng)與圓柱齒輪傳動(dòng)和圓錐齒輪傳動(dòng)相比具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比大、傳動(dòng)平穩(wěn)和可以自鎖等顯著特點(diǎn)。蝸桿傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)是:齒面摩擦力大，發(fā)熱量高，傳動(dòng)效率低。蝸桿傳動(dòng)通常用于中、小功率非長時(shí)間連續(xù)工作的應(yīng)用場合。
本文所選用的電機(jī)都采用了電機(jī)和齒輪輪系一體化的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力，但是不能通過電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)各個(gè)連桿的運(yùn)動(dòng)。為減小機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程的沖擊和振動(dòng)，并且不降低控制精度，采用了齒形帶傳動(dòng)。
齒形帶傳動(dòng)是同步帶的一種，用來傳遞平行軸間的運(yùn)動(dòng)或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，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(dòng)。
齒形帶傳動(dòng)原理如圖3.1所示。
齒輪帶的傳動(dòng)比計(jì)算公式為
(3.1)
齒輪帶的平均速度為
(3.2)
圖3.1齒形帶傳動(dòng)原理
諧波齒輪輪傳動(dòng):諧波波形傳動(dòng)系統(tǒng)包括三個(gè)基本傳動(dòng)構(gòu)件:柔輪、剛輪的泵和波形的發(fā)生器。如下面簡圖所示。三個(gè)傳動(dòng)構(gòu)件中一只可以任意從外固定一個(gè),其余兩個(gè)一個(gè)固定,一個(gè)從內(nèi)移動(dòng),可以任意實(shí)現(xiàn)差動(dòng)減速或諧波增速(固定諧波傳動(dòng)減速比),也就是可以被轉(zhuǎn)換成兩個(gè)諧波輸入、一個(gè)諧波輸出,組成諧波差動(dòng)減速傳動(dòng)。諧波減速傳動(dòng)主要是應(yīng)用于國防軍工、精密儀器設(shè)備生產(chǎn)、醫(yī)療器械、起重機(jī)、機(jī)器人等。諧波傳動(dòng)減速器應(yīng)用見構(gòu)件簡圖3.2、3.3。
圖3.2 諧波傳動(dòng)原理圖
圖3.3 諧波傳動(dòng)減速器機(jī)構(gòu)簡圖
諧波齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)如下：
1)齒輪承載能力低在高諧波齒輪傳動(dòng)中,齒與輪和齒的重疊嚙合主要是與齒面積的接觸,加上同時(shí)嚙齒配合到的齒數(shù)(又稱重疊嚙合系數(shù))比較多,因而每個(gè)單位的齒面積傳動(dòng)載荷小,承載能力較其他諧波傳動(dòng)系統(tǒng)形式高。
2)高速傳動(dòng)比大單級電磁諧波傳動(dòng)齒輪高速傳動(dòng)的最大傳動(dòng)功率比,可達(dá)m/i=70~500。
3)體積小、重量輕。
4)傳動(dòng)效率高、壽命長。
5)機(jī)械傳動(dòng)平穩(wěn)、無外力沖擊,無噪音,運(yùn)動(dòng)測量精度高。
6)由于各種柔輪需要承受較大的交變傳動(dòng)載荷,因而對各種柔輪結(jié)構(gòu)材料的機(jī)械抗疲勞和耐強(qiáng)度、加工和機(jī)械熱處理工藝要求相對較高,工藝復(fù)雜。如下表3.2列出了各種柔輪傳動(dòng)量和形式的柔輪傳動(dòng)量和效率：
表3.2 主要傳動(dòng)形式的效率
傳動(dòng)方式
傳動(dòng)效率
帶傳動(dòng)
0.9~0.98
鏈傳動(dòng)
0.93~0.97
圓柱齒輪傳動(dòng)
0.9~0.99
圓錐齒輪傳動(dòng)
0.88~0.98
蝸桿傳動(dòng)
0.4~0.98
諧波齒輪傳動(dòng)
0.7~0.9
絲杠傳動(dòng)
0.85~0.95
本次齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有兩部分分別采用了帶有減速帶的齒輪驅(qū)動(dòng)曲軸減速傳動(dòng)和齒輪減速帶驅(qū)動(dòng)齒輪曲軸傳動(dòng)。減速器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要為驅(qū)動(dòng)齒輪齒式減速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和諧振濾波驅(qū)動(dòng)減速器兩種機(jī)構(gòu)。
第四章 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇
4.1 腰關(guān)節(jié)電機(jī)選型計(jì)算分析
腰關(guān)節(jié)的傳動(dòng)是由電機(jī)通過齒形帶，再通過同步帶帶動(dòng)腰部及整個(gè)機(jī)器人本體轉(zhuǎn)動(dòng)?？偟膫鲃?dòng)比。
腰關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為:42BYG101；保持轉(zhuǎn)矩：；步距角：°；質(zhì)量:。
機(jī)器人的受力情況如圖3.1所示：
圖3.1 機(jī)器人受力情況
腰關(guān)節(jié)的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（以下所計(jì)算的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量均為折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）
外部負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:即大小臂、手腕、夾持重物的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
、分別表示同步帶和齒輪傳動(dòng)的效率,、
把數(shù)字代入上式得:
=
大臂關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：估算得
由諧波減速器的選擇知：
假設(shè)電機(jī)從加速到所用的時(shí)間為，則角加速度
負(fù)載折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩：由電動(dòng)機(jī)的選擇知
折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩＜電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩
所以電機(jī)的選擇符合要求。
4.1.1腰部關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
腰部的支承結(jié)構(gòu)：
1）采用普通軸承的機(jī)器人腰部支承結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單、成本低、安裝調(diào)整方便。缺點(diǎn)是腰部尺寸較高。
2）采用環(huán)形軸承的機(jī)器人腰部支承結(jié)構(gòu)。環(huán)形軸承精度高、剛度大、復(fù)合力大、裝配簡單方便，可以承受徑向力、軸向力及傾覆力矩，許多機(jī)器人都采用這種軸承作為腰部支承元件。環(huán)形軸承種類很多，有用滾球的，也有用滾柱的。
在本次設(shè)計(jì)中采用的正是環(huán)形軸承，由于采集機(jī)械手對精度要求很高，所以采用這種結(jié)構(gòu)。采用薄壁密封交叉滾子軸承在機(jī)械設(shè)計(jì)手冊中查得應(yīng)該采用的是CRB20025，其參數(shù)為，，。
腰部的傳動(dòng)是由電動(dòng)機(jī)通過諧波減速器的減速后，再帶動(dòng)薄壁密封交叉滾子軸承轉(zhuǎn)動(dòng)從而使腰座回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)。
4.2大臂關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
大臂關(guān)節(jié)的傳動(dòng)主要是由電動(dòng)機(jī)通過同步帶與齒輪的嚙合帶動(dòng)大臂轉(zhuǎn)動(dòng)的。大臂關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇步進(jìn)電機(jī)。設(shè)物體的最大當(dāng)量回轉(zhuǎn)半徑R =75mm，設(shè)末端執(zhí)行器的最大當(dāng)量回轉(zhuǎn)半徑R=20 mm，回轉(zhuǎn)裝置及物體的重心到回轉(zhuǎn)中心的距離R=100mm，腕部慣量折算到負(fù)載端，則腕部擺動(dòng)時(shí)其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
其中：、、為物體、末端執(zhí)行器以及腕部擺動(dòng)部分的折算質(zhì)量。
設(shè)機(jī)器人腕部俯仰角速度從 °加速到 °所需時(shí)間 則腕部俯仰角加速度：
負(fù)載啟動(dòng)慣性矩（靜摩擦力矩忽略不計(jì)）：
取兩級圓柱齒輪傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比為2。圓柱齒輪的傳動(dòng)效率均取 。
由于進(jìn)電機(jī)不具有瞬時(shí)過載能力，故取安全系數(shù)為 2（下同），則步進(jìn)電機(jī)輸出的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩:
所以，選擇如下二相混合式步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)：57BYG306；最大靜轉(zhuǎn)矩：；步距角：°；質(zhì)量：。
4.3小臂關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
小臂關(guān)節(jié)的傳動(dòng)同樣是由電動(dòng)機(jī)通過同步帶與齒輪的嚙合帶動(dòng)小臂轉(zhuǎn)動(dòng)的。
初選電機(jī)：選擇異步電機(jī)，型號(hào)為42BYG101、保持轉(zhuǎn)矩0.17；步距角: 0.90；
質(zhì)量:。
折算到電機(jī)軸上的負(fù)載靜轉(zhuǎn)矩：
折算到電機(jī)軸上的負(fù)載加速轉(zhuǎn)矩：
為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
假設(shè)電機(jī)從加速到所用的時(shí)間為，則角加速度
）
折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)矩
+＜電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩
電機(jī)的選擇符合要求。
4.4手腕關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.4.1手腕轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的計(jì)算
手腕轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的傳動(dòng)是由電動(dòng)機(jī)通過諧波減速器，再通過齒輪來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)要求?？偟膫鲃?dòng)比。
1）手腕轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇：初選電機(jī)：選擇直流伺服電機(jī)，型號(hào)為SYX-70、 額定功率P=0.1KW、額定轉(zhuǎn)矩,額定轉(zhuǎn)速=3000r/min,峰值轉(zhuǎn)矩=2.4,諧波減速器選擇：型號(hào)為XB-40,輸出轉(zhuǎn)矩T=16,=80,輸出轉(zhuǎn)速,重物的最大回轉(zhuǎn)半徑,折算到電機(jī)軸上的腕部負(fù)載靜轉(zhuǎn)矩由下式可知
== =
折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
==
其它傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對于腕部負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，所以忽略不計(jì)。
假設(shè)電機(jī)從加速到所用的時(shí)間為，則角加速度
折算到電機(jī)軸上的腕部負(fù)載加速轉(zhuǎn)矩
所以這算到電機(jī)軸上的總的腕部負(fù)載轉(zhuǎn)矩+＜電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。電機(jī)的選擇符合要求。
2）手腕轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)諧波減速器的計(jì)算
初選諧波減速器：諧波減速器選擇型號(hào)為XB-40、輸出轉(zhuǎn)矩，，輸出轉(zhuǎn)速，腕部負(fù)載靜轉(zhuǎn)矩。
腕部負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
假設(shè)小臂關(guān)節(jié)從加速到°所用的時(shí)間為，則角加速度
負(fù)載加速轉(zhuǎn)矩
總的負(fù)載轉(zhuǎn)矩+＜諧波減速器的輸出轉(zhuǎn)矩。所以諧波減速器的選擇符合要求。
3）手腕轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)
(1)要求分析
主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速:（諧波減速器的輸出轉(zhuǎn)速）
齒數(shù)比
由于諧波減速器輸出的轉(zhuǎn)矩為，所以主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩也為。
(2)選擇齒輪材料、熱處理方式及計(jì)算許用應(yīng)力
主動(dòng)齒輪：號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為；從動(dòng)齒輪：號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為。
確定許用應(yīng)力：
a.確定極限應(yīng)力和
齒面硬度:主動(dòng)齒輪按，從動(dòng)齒輪按。查文獻(xiàn)得；
b.計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N，確定壽命系數(shù)、
(3.20)
查文獻(xiàn)得；
c.計(jì)算許用應(yīng)力
查文獻(xiàn)取，
(3.21)
= == (3.22)
(3)初步確定齒輪的基本參數(shù)和主要尺寸
選用直齒圓柱齒輪，齒輪精度等級選用8級
初選參數(shù)：、、由于選用軟齒面齒輪，所以
(3.23)
=
，取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。
，
(+)，
，取，
。
(4)驗(yàn)算齒輪彎曲強(qiáng)度條件
按彎曲強(qiáng)度條件驗(yàn)算
查文獻(xiàn)得，，取。
計(jì)算彎曲應(yīng)力
＜
計(jì)算結(jié)果表明該設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。
直齒圓錐齒輪的設(shè)計(jì)：圓錐齒輪起到換向作用，傳動(dòng)比i=2，軸交角
齒輪均選用號(hào)鋼并調(diào)質(zhì)處理，強(qiáng)度，取硬度為。齒輪加工精度為 級。通過計(jì)算得出下列結(jié)果：
表3.1 手腕回轉(zhuǎn)圓錐齒輪的計(jì)算結(jié)果
參數(shù)
mm
mm
mm
mm
手腕回轉(zhuǎn)二級傳動(dòng)錐齒輪一
手腕回轉(zhuǎn)二級傳動(dòng)錐齒輪二
4.4.2手腕擺動(dòng)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)及計(jì)算
手腕擺動(dòng)關(guān)節(jié)的傳動(dòng)是由電動(dòng)機(jī)通過諧波減速器，再帶動(dòng)整個(gè)手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)?？偟膫鲃?dòng)比，其中。
1)手腕擺動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇
初選電機(jī)：選擇直流伺服電機(jī)，型號(hào)為SYX-70、額定功率、額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速、峰值轉(zhuǎn)矩。
諧波減速器選擇：型號(hào)為XB-40、輸出轉(zhuǎn)矩、、輸出轉(zhuǎn)速。
設(shè)法蘭盤及重物的最大回轉(zhuǎn)半徑。
折算到電機(jī)軸上的腕部負(fù)載靜轉(zhuǎn)矩：
折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
其它傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對于腕部負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，所以忽略不計(jì)。
假設(shè)電機(jī)從加速到所用的時(shí)間為，則角加速度
折算到電機(jī)軸上的腕部負(fù)載加速轉(zhuǎn)矩
所以折算到電機(jī)軸上的總的腕部負(fù)載轉(zhuǎn)矩
+＜電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。
電機(jī)的選擇符合要求。
2)手腕擺動(dòng)關(guān)節(jié)諧波減速器的計(jì)算
手腕擺動(dòng)關(guān)節(jié)的諧波減速器的計(jì)算和前面所說的內(nèi)容非常相似，這里不再詳細(xì)算。
諧波減速器選擇：諧波減速器選擇型號(hào)為XB-40，輸出轉(zhuǎn)矩T，，輸出轉(zhuǎn)速。經(jīng)過計(jì)算符合使用要求。
第五章 電動(dòng)多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手的3D打印
5.1 部件3D建模
先對各個(gè)重要零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成之后對其他零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行裝配。
圖5-1D建模一
圖5-2D建模二
圖5-3D建模三
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[18] 李永強(qiáng).黃瓜采摘機(jī)械手的定位與采摘研究[D]. 吉林大學(xué).
致謝
由于本人所學(xué)程度和實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)方向的限制，在這次設(shè)計(jì)仍然存在這樣的或是那樣的缺點(diǎn)問題，希望能得到老師和同學(xué)們的批評指正，在設(shè)計(jì)過程中，指導(dǎo)老師和其他老師對我給予了精心的指導(dǎo)和悉心幫助，在此對他們表示深深的致謝。在此過程中，也學(xué)習(xí)到了很多新知識(shí)，學(xué)習(xí)了繪圖軟件，并且分別對應(yīng)了三維設(shè)計(jì)和二維設(shè)計(jì)，熟悉了軟件的基本操作技巧和操作要求，在本次設(shè)計(jì)過程中，使用繪圖軟件繪制圖紙，在得到學(xué)習(xí)鍛煉的同時(shí)提高了自己對圖形的表達(dá)能力，在一些細(xì)節(jié)處理上雖然不太嚴(yán)謹(jǐn)，但也督促了我日后學(xué)習(xí)要秉承著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男膽B(tài)去對待每一次設(shè)計(jì)。在老師的細(xì)心指導(dǎo)下，問題可以很快得到解決。所以在這里，我再對老師說一遍:老師，非常感謝您!時(shí)間過得真快。轉(zhuǎn)眼間，又到了大學(xué)的畢業(yè)季。那是一團(tuán)分散的火，天上聚集的星星。離校的時(shí)間逐漸提前，畢業(yè)論文的完成也逐漸結(jié)束。一開始，導(dǎo)師選擇進(jìn)入選題才能順利完成論文，這確實(shí)驗(yàn)證了師傅介紹門的那句話，而實(shí)踐則要看個(gè)人。在完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，老師給予我設(shè)計(jì)上的指導(dǎo)，同學(xué)幫助我解決設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)的困難，室友協(xié)助我完善細(xì)節(jié)上的不足。非常感謝他們對我的幫助！畢業(yè)最終時(shí)刻，衷心感謝老師對我的栽培，感謝教書育人不勞辛苦的您，感謝您的教誨與付出！
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