多臂采摘機器人的初步設計——采摘手的設計【說明書+CAD+SOLIDWORKS+仿真】

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塔里木大學 畢業(yè)論文（設計）中期檢查記錄表 年 月 日 學生姓名 班級 課題名稱 課題完成進度（學生自述） 存在的問題及整改措施（學生自述） 指導教師意見（課題進展情況、優(yōu)缺點、整改措施等） 指導教師簽名 年 月 日 學院意見 負責人簽名 年 月 日 塔里木大學 畢業(yè)論文（設計）任務書 學院 機械電氣化工程學院 班級 機械設計12-1 學生姓名 學號 課題名稱 多臂采摘機器人的初步設計——采摘手的設計 起止時間 2012年3 月 1日——2012 年 5月 28日（共 14 周） 指導教師 職稱 講師 課題內(nèi)容 根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有的機械手的設計資料，設計一款適合采摘果實的自動化機械裝置，要求結(jié)構(gòu)簡單，功能使用，操作性能好。具體要求如下： 1.設計系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，要求設計一個具有三個手指的仿人機械手外形，每個手指具有二個關節(jié)。 2.繪制二維裝配圖和零件圖。 3.選擇合適的動力配置和控制部件，能對手指進行簡單地抓取操作。 4.要求利用Solidworks繪制三維圖，完成運動仿真。 擬定工作進度（以周為單位） 第1～2周 查閱相關文獻，撰寫開題報告。 第3～4周 根據(jù)現(xiàn)有的機械手的設計確定采摘手的設計方案。 第5～6周 根據(jù)工作要求，計算并查閱相關手冊，選擇和設計各零部件。 第7～9周 運用AutoCAD軟件，繪制二維零件圖和裝配圖。 第10～11周 運用三維設計軟件完成整機各零部件的三維建模并進行運動仿真。 第12周 從工藝性能，經(jīng)濟性能，實用性能等方面對產(chǎn)品進行綜合評價、校核、修正。 第13周 完成設計說明書。 第14周 整理材料，準備答辯。 主要參考文獻 [1]蔡自興. 機器人學[ M] . 北京: 清華大學出版社, 2000 [2]李剛俊, 陳永. 機器人的三維運動仿真[ J] . 西南交通大學學報,2002, 37( 3 ) : 273 -276. [3]陳幼平，馬志艷，袁楚明，周祖德. 六自由度機械手三維運動仿真研究 華中科技大學，2006 [4]殷際平，何廣平.關節(jié)型機器人[M].北京；化學工業(yè)出版社，2003 [5]于順羊，陳扼西，馬履中，等.四自由度混聯(lián)機器人運動分析與仿真[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2007,38（10）：558-562 [6]李允文，工業(yè)機械手設計[M]，北京：機械工業(yè)出版社，1996 [7]崔玲麗，張建字，高立新，等.柔性機械臂系統(tǒng)的全局優(yōu)化設計[J].北京工業(yè)大學學報，2007,33（4）：337-341 [8]梁喜鳳，苗香雯，崔紹榮，等.果實采摘機械手機構(gòu)設計與工作性能分析[J].農(nóng)機研究所，2004（2）：133-136 任務下達人（簽字） 同意按此計劃進行設計 2011年 12月 1 日 任務接受人意見 任務接受人簽名 張鑫 2011 年 12 月 1 日 注：1、此任務書由指導教師填寫，任務下達人為指導教師。 2、此任務書須在學生畢業(yè)實踐環(huán)節(jié)開始前一周下達給學生本人。 3、此任務書一式三份，一份留學院存檔，一份學生本人留存，一份指導教師留存。 前 言 隨著電子計算機和自動控制技術的迅速發(fā)展、農(nóng)業(yè)高新科技的應用和推廣，農(nóng)業(yè)機器人已逐步進入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域中，并將促進現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向著裝備機械化、生產(chǎn)智能化的方向發(fā)展。果蔬采摘是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中季節(jié)性強、勞動強度大、作業(yè)要求高的一個重要環(huán)節(jié)，研究和開發(fā)果蔬采摘的智能機器人技術對于解放勞動力、提高勞動生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、保證新鮮果蔬品質(zhì)，以及滿足作物生長的實時性要求等方面都有著重要的意義。 工業(yè)領域是機器人技術的傳統(tǒng)應用領域，目前已經(jīng)得到了相當成熟的應用; 而采摘機器人工作在高度非結(jié)構(gòu)化的復雜環(huán)境下，作業(yè)對象是有生命力的新鮮水果或蔬菜。同工業(yè)機器人相比，采摘機器人具有以下的特點: ① 作業(yè)對象嬌嫩、形狀復雜且個體狀況之間的差異性大，需要從機器人結(jié)構(gòu)、傳感器、控制系統(tǒng)等方面加以協(xié)調(diào)和控制; ② 采摘對象具有隨機分布性，大多被樹葉、樹枝等掩蓋，增大了機器人視覺定位難度，使得采摘速度和成功率降低，同時對機械手的避障提出了更高的要求; ③ 采摘機器人工作在非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境下，環(huán)境條件隨著季節(jié)、天氣的變化而發(fā)生變化，環(huán)境信息完全是未知的、開放的，要求機器人在視覺、知識推理和判斷等方面有相當高的智能; ④ 采摘對象是有生命的、脆弱的生物體，要求在采摘過程中對果實無任何損傷，從而需要機器人的末端執(zhí)行器具有柔順性和靈巧性; ⑤ 高智能導致高成本，農(nóng)民或農(nóng)業(yè)經(jīng)營者無法接受，并且采摘機器人的使用具有短時間、季節(jié)性、利用率不高的缺點，是限制采摘機器人推廣使用的重要因素; ⑥ 果蔬采摘機器人的操作者是農(nóng)民，不是具有機電知識的工程師，因此要求果蔬采摘機器人必須具有高可靠性和操作簡單、界面友好的特點。 根據(jù)設計任務和設計要求，主要針對機械手部分進行機械方面的設計。由于設計者水平有限，本設計中難免有誤漏欠妥之處，懇請老師們批評指正。 卷卷內(nèi)內(nèi)資資料料一一覽覽表表序序 號號題題 名名頁頁 碼碼備備注注1畢業(yè)論文（設計）定稿2畢業(yè)論文（設計）任務書3畢業(yè)論文（設計）開題報告4中期檢查記錄表5指導教師（評閱）打分表6答辯情況記錄表7綜合成績評定表 12 屆畢業(yè)設計 多臂采摘機器人的初步設計——采摘手的設計 學生姓名 學 號 所屬學院 機械電氣化工程學院 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 班 級 12-1 指導教師 日 期 2012.5 塔里木大學教務處制 多臂采摘機器人的初步設計——采摘手的設計 1.緒論 1.1研究內(nèi)容及意義 果蔬采摘是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)鏈中最耗時耗力的一個環(huán)節(jié),其成本高、季節(jié)性強、需要大量勞動力高強度的工作。但是由于工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展分流了大量農(nóng)業(yè)勞動力以及人口老齡化加劇等原因,使得能夠從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動力越來越少,單靠人工勞作已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有的需要。隨著計算機圖像處理技術和各種智能控制理論的發(fā)展,使采用機器人采摘果蔬成為可能。果蔬采摘機器人是一類針對水果和蔬菜, 可以通過編程來完成采摘等相關作業(yè)任務的具有感知能力的自動化機械收獲系統(tǒng), 是集機械、電子、信息、智能技術、計算機科學、農(nóng)業(yè)和生物等學科于一體的交叉邊緣性科學, 需要涉及機械結(jié)構(gòu)、視覺圖像處理、機器人運動學動力學、傳感器技術、控制技術以及計算信息處理等多方面學科領域知識。采摘機器人將在解決勞動力不足、降低工人勞動強度、提高工人勞動舒適性、減輕農(nóng)業(yè)化肥和農(nóng)藥對人體的危害、提高采摘果蔬的質(zhì)量、降低采摘成本、提高勞動生產(chǎn)率、保證果蔬的適時采收、提高產(chǎn)品的國際競爭力等方面具有很大潛力。國際上, 一些以日本和美國為代表的發(fā)達國家,已經(jīng)從20世紀80年代開始研究采摘機器人,并取得了一些成果。而我國在該領域中的研究還處于起步階段,因此我們必須加快對采摘機器人的研究腳步以早日趕超國際水平,使其為我國農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展做出重大貢獻。 1.2研究現(xiàn)狀 果蔬采摘機器人的研究開始于20 世紀60 年代的美國( 1968 年)，采用的收獲方式主要是機械震搖式和氣動震搖式。其缺點是果實易損、效率不高，特別是無法進行選擇性的收獲，在采摘柔軟、新鮮的果蔬方面還存在很大的局限性。但在此后，隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展，特別是工業(yè)機器人技術、計算機圖像處理技術和人工智能技術的日益成熟，采摘機器人的研究和開發(fā)技術得到了快速的發(fā)展。 1.2.1國外研究現(xiàn)狀 在日本、美國等發(fā)達國家，農(nóng)業(yè)人口較少。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向規(guī)?；?、多樣化、精確化的方向邁進，勞動力不足的現(xiàn)象越來越明顯。許多作業(yè)項目如蔬菜、水果的挑選與采摘，蔬菜的嫁接等都是勞動力密集型的工作，再加上時令的要求，勞動力缺乏的問題很難解決。正是基于這種情況，這些發(fā)達國家大力進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機器人的研究，并取得了很好的成果。 日本的噴農(nóng)藥機器人上裝有感應傳感器，能自動噴灑農(nóng)藥。嫁接機器人可在極端的時間內(nèi)，把蔬菜苗莖桿直徑為幾毫米的砧木、穗木的切口嫁接為一體，使嫁接速度大幅度提高。施肥機器人的行走部分能在狹窄的稻秧間行走，四個窄型橡皮車輪均可橫向轉(zhuǎn)動90度。人機協(xié)作型機器人的研究思想是將采摘機器人尋找、定位待摘果實以及機器人導航任務由人來完成，機器人的運動軌跡規(guī)劃、關節(jié)控制和末端執(zhí)行器控制等任務由機器人的控制系統(tǒng)完成。如圖1-1所示。 圖1-1人機協(xié)作型采摘機器人結(jié)構(gòu) 日本Kondo一等人研制的西紅柿收獲機器人(如圖1-2 )、黃瓜采摘機器人(如圖1-3)和草葛采摘機器人(如圖1-4)葡萄采摘機器人(如圖1-5 1-6所示)采用5自由度的極坐標機械手，末端的臂可以在葡萄架下水平勻速運動。 圖1-2西紅柿采摘機器人 圖1-3黃瓜采摘機器人 圖1-4草茍采摘機器人圖 1-5多功能葡萄采摘機器人(套袋操作) 圖1-6收獲末端執(zhí)行器 扦插育苗機器人用于花卉生產(chǎn)系統(tǒng)中可以大大提高生產(chǎn)率。日本東北農(nóng)業(yè)試驗場研制成功了簡易育苗機器人系統(tǒng)。英國Silsoe研究院研制了蘑菇采摘機器人。它可以自動測量蘑菇的位置、大小，并選擇性地采摘和修剪。 在柑桔收獲機器人研究方面，1986年，意大利卡塔尼亞農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展部與美國Florida大學合作開發(fā)了一種性能良好的具有伺服視覺技術的收獲機器人，用于柑桔收獲的實際生產(chǎn)中((Harrenetal, 1990) 在蘋果收獲機器人方面，1983年，法國國立農(nóng)林機械研究所的Pedene and Motte和西班牙的Jasa研制了最早的商品化機器人原型，即法國的“MAGAU”蘋果收獲機器人和西班牙的“CITRUS”柑桔收獲機器人嚇Sarig,1993) 還有日本國立蔬菜茶葉研究所與岐阜大學聯(lián)合研制了茄子采摘機器人。日本國立農(nóng)業(yè)研究中心的Murakami等研制了甘藍采摘機器人。以色列和美國科技人員聯(lián)合開發(fā)研制了一臺甜瓜采摘機器人等。 1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)在農(nóng)業(yè)機器人方面的研究始于20世紀90年代中期，相對于發(fā)達國家起步較晚，但是發(fā)展很快，很多院校、研究所都在進行農(nóng)業(yè)機器人和智能農(nóng)業(yè)機械相關的研究。 中國農(nóng)業(yè)大學張鐵中教授率先在我國開展了自動化嫁接技術的研究工作，先后成功開發(fā)了自動插接法、自動旋切貼合法嫁接技術，填補了我國自動化嫁接技術的空白，形成了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的自動化嫁接技術。上海交通大學機器人研究所的曹其新等人進行了用于精確農(nóng)業(yè)的智能農(nóng)業(yè)機械的研究工作，己經(jīng)完成了智能化聯(lián)合收割機、蔬菜工廠化育苗播種流水線樣機的研制，正在進行草葛挑選機器人、黃瓜采摘機器人的研究。浙江大學應義斌教授研究的水果自動分級機器人系統(tǒng)得到國家“863”計劃的支持。吉林大學王榮本、于海業(yè)在90年代中期開始進行農(nóng)用自動引導行走車的研究。南京農(nóng)業(yè)大學姬長英、沈明霞等人，浙江工業(yè)大學青芳、張立斌等人，在進行農(nóng)業(yè)機器人的視覺研究。江蘇大學紀良文、吳春篤進行了噴藥機器人的研究，他們采用超聲測距作為噴藥機器人的輔助視覺系統(tǒng)。 還有吉林工業(yè)大學與吉林農(nóng)業(yè)研究所研制的鋤草機器人，中國農(nóng)業(yè)大學楊麗博士研制的組培苗分割移植機器人系統(tǒng)，江蘇大學的陳樹人、尹建軍等在對西紅柿的視覺研究亦取得很大的成果。還有周云山和李強等人研究的蘑菇采摘機器人也處于是國內(nèi)領先水平，西北農(nóng)林科技大學對蘋果采摘機器人手臂控制進行了研究，東北林業(yè)大學的陸懷民研制了林木球果采摘機器人儀。 1.3機械手 機械手又稱操作機，是指具有和人手臂相似的動作功能，并使工作對象能在空間內(nèi)移動的機械裝置，是機器人賴以完成工作任務的實體。在采摘機器人中，機械手的主要任務就是將末端執(zhí)行器移動到可以采摘的目標果實所處的位置，其工作空間要求機器人能夠達到任何一個目標果實。機械手一般可分為直角坐標、圓柱坐標、極坐標、球坐標和多關節(jié)等多種類型。多關節(jié)機械手又稱為擬人( 類人) 機器人，相比其它結(jié)構(gòu)比較起來，要求更加靈活和方便。機械手的自由度是衡量機器人性能的重要指標之一，它直接決定了機器人的運動靈活性和控制的復雜性。 1.3.1工業(yè)機械手 工業(yè)機械手發(fā)展比較迅速，多指手出現(xiàn)在20世紀80年代，其中最具有代表性的是stanford/JPL三指手(如圖1-7)和Utah/MIT四指手(圖1-8 )。Salisbury于1982年設計的Stanford/JPL手是當時乃至現(xiàn)在都很具有代表性的三指手，它首次引入了模塊化設計方法，并模仿人手的結(jié)構(gòu)特點布置手指的相對位置，具有9個自由度。StanfordlJPL手對多指手的貢獻不僅僅在于多關節(jié)、多自由度的模塊化結(jié)構(gòu)設計，更重要的是它首次完整引入了位置、觸覺、力等傳感器系統(tǒng)，從而開始了多指手對外部環(huán)境的感知時代，并開創(chuàng)了多指手實際抓取操作的先河。 圖1-7 StanfordlJPLS手 圖1-8 Utah/MIT手 1998年德國研制的DLR- I多指手實現(xiàn)了當自由度的數(shù)目超過某個值時，把所有的驅(qū)動器和電路完全集成在手指、手掌或手腕里，被公認為是當時世界上最復雜、智能化和集成度最高的靈巧手，如圖1-9。1999年由美國宇航中心(NASA)研制的Robonaut手，如圖1-10是一種面向國際空間站應用的多指手，其目的是為了在危險的太空環(huán)境中代替人進行艙外操作。 圖1-9 DLR手 圖1-10 NASA Robonaut手 從20世紀80年代后期開始，我國的很多研究機構(gòu)相繼開展了多指手的研究工作，其中北京航空航天大學和哈爾濱工業(yè)大學在這方面的研究很具代表性。北航對多指手的研究開展較早，并于1993年首先研制了我國第一只三指手，然后在此基礎上不斷改進，先后研制了BUAA- II , BUAA-III三指手和BUAA四指手。哈工大在HIT I多指手的研究基礎上進行了大量的改進，研制了HIT/DLR多指手。如圖1-11和圖1-120 圖1一11 HIT I手 圖1一12HIT/DLR多指手 1.3.2農(nóng)業(yè)機械手 農(nóng)業(yè)上最早研制的機械手為SDOF番茄收獲機械手(Noboru Kawamura eta1,1984) 機械手與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械完全不同，它是由許多桿件組成的空間開式鏈機構(gòu)，具有較采摘機械手的設計及其控制研究大的靈活性，但是不適合處理重量大的物體，否則會出現(xiàn)負載過重的問題。桿件越多，機械手身的重量越大，尤其用于像西瓜、甜瓜等較人果實收獲與運輸時，機械手設計必須從組成結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面使其承受較大的負載重量。 機械手的控制有點位控制((PTP)和連續(xù)軌跡((CP)控制兩種類型。PTP控制主要用于在機械手初始位置和目標點之間不存在障礙物的情況，此時不必考慮運動路徑，其路徑也是不可預測的。有時由于莖葉等障礙物的存在，必須通過控制其電機速度和預定運動軌跡到達目標位置，進行CP控制。 末端執(zhí)行器安裝在機械手的末端，其功能類似于人手，是直接與目標物體接觸的部件。在末端執(zhí)行器設計之前，不僅需要研究工作對象的物理特性(物體大小、體積、形狀、重量)和機械特性(young、模量、泊松比、粘性、摩擦阻力、剪切阻力等)，還包括電特性和光學特性以及生物學特性和化學特性等。 末端執(zhí)行器的形式主要有吸盤式(真空式吸盤、噴射式負壓吸盤、擴散式負壓吸盤、擠壓排氣式吸盤、電磁式吸盤等)、針式、噴嘴式、杯狀、多關節(jié)手爪式、順應型指結(jié)構(gòu)等，通常是末端執(zhí)行器都是專用的(N. Kondo, 1998) 末端執(zhí)行器所需的重要傳感器主要有觸覺傳感器和接近傳感器。觸覺傳感器包括接觸傳感器、壓力傳感器和滑覺傳感器.接近傳感器通常用來獲得位置信息，識別物體的存在，避障，測量物體的形狀，補償位置傳感器的誤差等。 在完成抓取動作后，末端執(zhí)行器還需要將果實與果柄分離。分離方式為切斷或擰斷。在條件允許的情況下，應盡量采用剪斷果柄而不是擰斷果柄的方式，避免擰斷時給果蔬表面造成傷口，導致病菌侵入使果實腐爛，例如桃、李、杏的采摘都要求留有果柄。但對于某些束狀生長、果柄較短的果實，采用剪斷的方式比較困難。 末端執(zhí)行器中手指和關節(jié)的數(shù)量與抓取效果密切相關，數(shù)量越多，末端執(zhí)行器的自由度就越多，抓取動作更為靈活，抓取效果更好。但大多數(shù)的靈巧手系統(tǒng)復雜，成本高，通用性差，仍停留在實驗室階段，更難以運用到農(nóng)業(yè)工程實踐之中。如何協(xié)調(diào)末端執(zhí)行器的通用性、靈活性和成本之間的矛盾，是果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器研究發(fā)展的方向。 2.機械手的設計 2.1設計方案 果蔬采摘機器人的機械手直接接觸工作對象。為了避免碰傷果實，多數(shù)收獲機器人的手指內(nèi)側(cè)接觸果實的部位采用橡膠和尼龍材料。由于果實的外形有圓形、近似方形、近似長方形等，所以末端執(zhí)行器的設計應著重考慮手指數(shù)量、手指關節(jié)數(shù)量、尺寸方式等問題。 2.2手指數(shù)量 果實的外形有規(guī)則的和不規(guī)則的。對于規(guī)則的小型果實，多數(shù)收獲機器人采用帶有吸盤的2個直手指的末端執(zhí)行器直接抓取果實。相對2個手指，3個手指的收獲機器人也有一些研究，抓取果實的穩(wěn)固更好。而采用具有4個手指和一個吸盤的西紅柿收獲機器人，效果更好，但難于控制。對于大型的果實，雖然外形規(guī)則，但用2個手指顯然不行。西瓜收獲機器人中采用4個帶有橡膠的手指，指尖的滑輪沿西瓜表面向下滑動，利用橡膠與西瓜的摩擦力抓住果實。此外，還有一些特殊的手指，梳子式龍?zhí)资种缚梢詫⒐麑嵟c相臨的果實分開。 手指的數(shù)量和形狀與果實的外形密切相關，一般數(shù)量越多，抓取效果越好，但控制也越難，應在手指數(shù)量、控制難度和抓取成功率之間找到平衡點。根據(jù)設計任務要求選取3個手指最為合適。 2.3手指關節(jié)數(shù)量 對于多數(shù)形狀規(guī)則的果實，多數(shù)收獲機器人采用1個關節(jié)的手指。對于類人的柔性手指，由于材料和控制比較困難，研究成果不多。夏柑收獲機器人的柔性手指，手指的指尖通過細軟鋼絲與人工肌肉相連，當人工肌肉產(chǎn)生收縮力時，鋼絲產(chǎn)生拉力使指尖能夠柔和地彎曲。西紅柿收獲機器人有4個具有4個關節(jié)的手指，通過控制纜采摘機械手的設計及其控制研究繩的伸縮，使手指彎曲成不同的形狀。對于不同的果實，控制鋼絲繩的拉力、拉動的距離、人工肌肉的收縮力等的控制都比較難。鑒于關節(jié)的控制比較難，和設計要求考慮采用兩個關節(jié)的手指。 2.4尺寸的設定 機械手的結(jié)構(gòu)尺寸可以參考人類手指的長度比例，并加以適當放大或縮小，或根據(jù)所設計的多指靈巧手的使用場合作適當?shù)某叽缯{(diào)整。通過對某學校的青年學生的手指長度的測量，得到了如表1所示的結(jié)果。表1-1和表1-2中所列出的人手的各關節(jié)（如圖2-1）長度尺寸值可以作為設計多指靈巧手的手指長度的參考。 圖2-1擬人手指簡圖 表1-1 人的右手各關節(jié)長度的平均值 單位（mm） 性別 年齡 人數(shù) LA1 LA2 LB1 LB2 LB3 LC1 LC2 男 20-23 200 39.2 29.9 50.1 30.6 24.1 53.9 33.5 女 20-23 100 35.4 28.4 46 29 22.1 55.1 32.6 平均 -- -- 38.5 29.6 49.3 30.3 23.8 50.5 34.5 表1-2 人的右手各關節(jié)長度的平均值 LC3 LD1 LD2 LD3 LE1 LE2 LE3 F1 F2 25.2 52.4 32.8 24.8 43.7 25.8 22.6 83.1 101.2 23.5 48.3 51.5 22.4 39.6 22.9 20.5 77.9 97.3 24.9 51.7 32.5 24.4 42.9 25.2 22.2 82.2 100.5 根據(jù)以上數(shù)據(jù)和設計的要求和合理性，三個手指設計統(tǒng)一長度，其中第一個關節(jié)長度為55mm，第二個關節(jié)長度為40mm，手指寬度為22mm，手掌直徑為。 2.5材料的選擇 為了減輕重量，同時也由于手指所抓取果實不是很大，所以手指的結(jié)構(gòu)材料選用鋁合金。在手指的中間附有橡膠，來減小手指和果實接觸時的沖擊，同時也增大了接觸摩擦力。 3動力源的選擇 3.1微小型驅(qū)動模塊的研究 采用專用混合式步進電動機作為機械手的驅(qū)動器具有高效率、高速度的特點,特別是它具有自鎖特性,將其引入到采摘手的手指設計中。仿人手抓取物體達到抓握穩(wěn)定后,手指依靠電機自鎖力矩保持對物體的抓取力。采用專用步進電動機控制芯片和驅(qū)動芯片組成的系統(tǒng)，外圍電路簡單，可靠性高，同時減少電路板的尺寸。 基于上述思想，采用混合式步進電動機作為機械手手指的驅(qū)動元件,通過由電機專用控制芯片和微處理器相結(jié)合的控制系統(tǒng)使機械手抓取具有柔順性和力矩控制的能力。 3.2電機的選擇 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 3.2.1步進電機的主要特性 （1）步進電機必須加驅(qū)動才可以運轉(zhuǎn)， 驅(qū)動信號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候， 步進電機靜止， 如 果加入適當?shù)拿}沖信號， 就會以一定的角度（稱為步角）轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比。 （2）步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。 （3)改變脈沖的順序， 可以方便的改變轉(zhuǎn)動的方向。 3.3步進電機的確定 通過對機械手的分析，考慮到本次設計的機械手的工作情況，以及設計要求，在互聯(lián)網(wǎng)和專業(yè)書籍中對步進電動機篩選最后決定選用電機型號：PM10s-020-zst7，電機轉(zhuǎn)速500r/min轉(zhuǎn)矩電機性能參數(shù)如圖2-1所示，電機幾何參數(shù)如圖2-2所示 圖 2-1電機參數(shù) 圖 2-2電機尺寸參數(shù) 4.傳動方式選擇和設計 4.1微小型傳動模塊研究 采摘機械手傳動系統(tǒng)把驅(qū)動器產(chǎn)生的運動和力以一定的方式傳遞到手指關節(jié),從而使關節(jié)做相應的運動。傳動系統(tǒng)的設計與驅(qū)動器密切相關。采用自主設計的微小型齒輪減速器傳遞步進電機產(chǎn)生的運動和力，不僅減小手指的尺寸和質(zhì)量，而且提高了抓取過程的平穩(wěn)性和抓取能力。 綜合考慮手指的結(jié)構(gòu)形式，外部尺寸以及剛度、強度、靈活度的要求，選擇齒輪傳動作為傳動方式，這樣既保證了外部結(jié)構(gòu)尺寸，又保證了傳動的效率，增加了傳動的可靠性。 4.2輸出端齒輪 4.2.1選擇材料及精度等級 根據(jù)設計需要，輸出端齒輪直接與電機連接，選用直齒圓柱齒輪傳動，轉(zhuǎn)速不高，故選用7級精度，齒輪材料為45鋼（調(diào)制），硬度為240HBS。令小齒輪的齒數(shù)為18 4.2.2按接觸強度進行初步計算 由《機械設計》中設計計算公式10-9a進行試算，即 （4-1） （1）試選載荷系數(shù)Kt=1.3 （2）輸出轉(zhuǎn)矩 （3）由《機械設計》中表10-7選取齒寬系數(shù)φd=1。 （4）由《機械設計》中表10-6查得材料的彈性影響系數(shù) （5）由《機械設計》中圖10-21d按齒面硬度查得接觸疲勞強度極為 （6）由《機械設計》中式10-13計算應力循環(huán)次數(shù)。 （4-2） （7）由《機械設計》中圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù) （8）計算接觸疲勞許用應力。 取失效概率為，安全系數(shù)S=1,由《機械設計》中式10-12得 (4-3) （9）試算齒輪分度圓直徑d將[σH]代入上式得(4-1) （4-4） （10）計算圓周速度 (4-5) （11）計算齒寬與賜稿之比 (4-6) (4-7) (4-8) (4-9) （12）計算載荷系數(shù) 根據(jù)，7級精度，由《機械設計》中圖10-8查得動載系數(shù)； 直齒輪； 由《機械設計》]中表10-2查得使用系數(shù)； 由《機械設計》中表10-4用插值法查得7級精度，非對稱布置 由，查《機械設計》中圖10-13得；故載荷系數(shù) (4-10) （13）按實際載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式10-10a得 (4-11) (4-12) 4.2.3按齒根彎曲強度設計 由《機械設計》中式10-5得彎曲強度得設計公式為 (4-13) （1）由《機械設計》中圖10-20c查得齒輪1得彎曲疲勞強度極限 （2）由《機械設計》中圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)； （3）計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全系數(shù)，由《機械設計》中式10-12得 (4-14) （4）計算載荷系數(shù)K (4-15) （5）查取齒形系數(shù) 由《機械設計》中表10-5查得； 　　代入上式(3-13) (4-16) 4.2.4確定模數(shù) 對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關?？扇∮蓮澢鷱姸人愕玫哪?shù)。 4.2.5確定齒數(shù) 按接觸強度算得的分度圓直徑 ，算出輸出端齒輪的齒數(shù) (4-17) 為使輪齒免于根切，對于的標準直齒圓柱齒輪，應取。由于輪齒主要為磨損失效，為使輪齒不至于過小，故小齒輪不宜選用過多的齒數(shù)，一般可取。所以選取輸出端齒輪的齒數(shù)為 4.3幾何尺寸計算 4.3.1輸出端齒輪 （1）計算分度圓直徑 (4-18) （2）計算齒頂圓直徑 (4-19) （3）計算齒根圓直徑 (4-20) 4.3.2從動齒輪 根據(jù)設計的要求和設計尺寸，從動齒輪與輸出端的齒輪中心距設為。由《機械設計》表10-2中的公式可得 （1） （2）分度圓直徑 （3）頂圓直徑 （4）計算齒根圓直徑 5其他零件的設計 5.1手掌的設計 為了使手指能在手掌上旋轉(zhuǎn)運動形成不同的角度，將手掌底座設計成圓盤型如圖5-1所示。掌心則是長方形。兩邊形成圓角便于手指的旋轉(zhuǎn)如圖5-2 圖 5-1手掌底座 圖 5-2掌心 5.2手指底座 采摘手就兩個指節(jié)，要完成在手掌上的旋轉(zhuǎn)需要有個連接底座。一是支撐手指，二是完成旋轉(zhuǎn)運動其結(jié)構(gòu)如圖5-3所示 圖 5-3手指底座 在手指底座的左端連接在手掌上，并由異步電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。在右邊的結(jié)構(gòu)中來連接第一個關節(jié)，并安裝微型電機通過齒輪傳動使手指完成抓取運動。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5-4 圖5-4內(nèi)部結(jié)構(gòu) 5.3第一個指節(jié) 第一個指節(jié)長55mm，寬22mm。通過一個連接件與手指底座的傳動軸過度連接，從而帶動手指的轉(zhuǎn)動。同時在一手指內(nèi)也裝有一個異步電機，來傳動第二個手指轉(zhuǎn)動。連接件如圖5-5，手指零件如圖5-6，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5-7 圖5-5連接件 圖5-6手指一零件 圖 5-7內(nèi)部結(jié)構(gòu) 5.4第二個指節(jié) 第二個指節(jié)長40mm，它的動力來源是第一個指節(jié)上的電機。根據(jù)人機工程學理論，人手在自然狀態(tài)下手指成彎曲狀態(tài)，當手掌繃緊時指尖也與手掌自然形成一定角度。通過測量這個角度平均在之間。所以在設計中第二個指節(jié)與第一個指節(jié)通過連接件連接時的起始位置就形成一個角。連接件和指節(jié)二如圖5-8和5-9所示，手指總裝配如圖5-10所示。 圖 5-8連接件 圖 5-9指節(jié)二 圖 5-10手指總裝配圖 6.其他硬件系統(tǒng) 6.1傳感器 傳感元件是采摘手工作是重要的組成部分，采摘手對與果蔬的表皮損害程度取決于傳感元件，所以建議選擇應變式壓力傳感器。其工作原理是利用彈性敏感元件和應變計將被測壓力轉(zhuǎn)換為相應電阻值變化的壓力傳感器。 應變計中應用最多的是粘貼式應變計(即應變片)。它的主要缺點是輸出信號小、線性范圍窄,而且動態(tài)響應較差(見電阻應變計、半導體應變計)。但由于應變片的體積小,商品化的應變片有多種規(guī)格可供選擇，而且可以靈活設計彈性敏感元件的形式以適應各種應用場合，所以用應變片制造的應變式壓力傳感器仍有廣泛的應用。按彈性敏感元件結(jié)構(gòu)的不同,應變式壓力傳感器大致可分為應變管式、膜片式、應變梁式和組合式4種。根據(jù)設計情況我們選擇膜片式。 它的彈性敏感元件為周邊固定圓形金屬平膜片。膜片受壓力變形時，中心處徑向應變和切向應變均達到正的最大值，而邊緣處徑向應變達到負的最大值，切向應變?yōu)榱?。因此常把兩個應變片分別貼在正負最大應變處，并接成相鄰橋臂的半橋電路以獲得較大靈敏度和溫度補償作用。采用圓形箔式應變計(見電阻應變計)則能最大限度地利用膜片的應變效果（圖6-1）。這種傳感器的非線性較顯著。膜片式壓力傳感器的最新產(chǎn)品是將彈性敏感元件和應變片的作用集于單晶硅膜片一身，即采用集成電路工藝在單晶硅膜片上擴散制作電阻條，并采用周邊固定結(jié)構(gòu)制成的固態(tài)壓力傳感器 圖6-1膜片式應變力傳感器 6.2單片機 本系統(tǒng)選用STC89C52單片機，此單片機的開發(fā)主要用到兩種語言:匯編語言和C語言。匯編語言雖然擁有生成的機器代碼簡潔、占ROM空間少、執(zhí)行效率高的優(yōu)勢，但當編寫一個較大的應用程序時，從內(nèi)部RAM單元的規(guī)劃、堆棧的保護、ROM中斷入口地址的安排、PC的維護，到內(nèi)外部資源的整合、系統(tǒng)的調(diào)試和維護，尤其當程序中含有大量計算時，用匯編語言來編寫程序就顯得力不從心。故除了一些要求特殊的功能模塊采用匯編外，一般情況下，都采用主要面向應用、運算符豐富、結(jié)構(gòu)簡潔的C51實現(xiàn)。 6.3圖像識別系統(tǒng) 主要在手掌中心安裝針孔攝像頭，通過顏色識別確定果蔬的位置。彩色圖像處理中常用的顏色模型有:RGB顏色模型、H S V 顏色模型、Y Cb Cr 顏色模型和L*a*b*顏色模型等。RGB模型是根據(jù)三基色原理建立起來的,是基本的顏色表示模型,其他的顏色表示模型都可通過RGB模型轉(zhuǎn)化得到。H S V 模型直接采用彩色特性意義上的3個量: 亮度或明度(V)、色調(diào)(H)、飽和度(S)來描述顏色, 比較符合人對顏色的描述習慣,但該模型表示的顏色并不全是視覺所感受的顏色。 7工作原理流程及形態(tài) 7.1工作原理 工作原理流程圖如圖7-1所示。從圖中可以看出，機械臂帶動機械手接近果實的過程中和果實發(fā)生擠壓并產(chǎn)生壓力，由傳感器測得的力信號傳給單片機，判斷是否達到力閉值，這里的力閉值是根據(jù)實際經(jīng)驗設置的，即保證不損壞果實的前提下略小于穩(wěn)定抓持的力。當機械手擠壓果實的過程中，如果達到該值則觸發(fā)機械手動作，所以采摘機械手的設計及其控制研究該值起到觸發(fā)信號的作用。如果達到該閨值機械手開始完成穩(wěn)定抓持，然后手腕上升，將果實提升和其它果實分離，避免隨后的旋轉(zhuǎn)過程碰傷其它果實或者周邊的環(huán)境對手的動作發(fā)生干涉，完成采摘后松開果實手再恢復原位。緊接著機器視覺判斷該果實是否在原位，要是在原位說明沒采摘下，則作為新果實繼續(xù)采摘，否則說明采摘成功，繼續(xù)下一個果實的采摘。 圖7-1工作流程 7.2工作形態(tài) 因為果蔬的形態(tài)各有不同，采摘機械手可以變換手指位置對不同形狀的果蔬進行抓去任務。通過Solidworks建模進行間隙驗證推算抓取范圍。下面對主要的三種形態(tài)進行分析。 7.2.1形態(tài)一 三指并攏狀態(tài)如圖7-2所示，最小抓取直徑為16.5mm，最大抓取直徑為60mm，長度大于80mm的棒狀物體，如黃瓜之類的果蔬最佳，抓取狀態(tài)如圖7-3和7-4所示。 圖7-2形態(tài)一 圖7-3最小抓取形態(tài) 圖7-4最大抓取形態(tài) 7.2.2形態(tài)二 形態(tài)二如圖7-5所示三指互成120°，在這種狀態(tài)抓取球狀物體最為穩(wěn)定。抓取范圍為直徑在70—100mm之間球體。抓取形態(tài)如圖7-6和7-7所示。 圖7-5形態(tài)二 圖7-6最小抓取 圖7-7最大抓取 7.2.3形態(tài)三 形態(tài)三如圖7-8所示，兩個活動手指平行達與固定手指對立相比形態(tài)一抓取做大直徑為95mm。如圖7-9所示 圖7-8形態(tài)三 圖7-9最大抓取 8小結(jié) 通過本次畢業(yè)設計，我深深體會到自己在理論知識方面的欠缺，同時也感到自己在知識的運用上也不夠靈活，這也說明我在學習知識的過程中存在著一些缺點，總結(jié)有以下幾點： 1.在初定方案過程中，由于自己所見實物過少，零部件的尺寸不能確定，使方案進行了多次修改，耽誤了大量時間。計算結(jié)果與實際生產(chǎn)加工有偏差，也相應作了修改。 2.在機械手結(jié)構(gòu)設計中也花了不少時間，因為要考慮微電機的安裝和整體外形尺寸。手指見間的連接，手指的驅(qū)動等諸多問題的考慮。 3.運用三維軟件對這個機械手進行三維建模，仿真，做動畫。工作量也比較大，在建模過程中也發(fā)現(xiàn)了不少設計方案和尺寸等諸多問題。 總體來說，在這次畢業(yè)設計中，收獲很大，平時在學習知識的時候，總是認為好多知識用不到，所以就沒有更深一步去理解。在此次設計中，我感到自己的知識面很窄，對知識掌握得不夠，在設計時，考慮問題太片面，導致零部件進行多次修改。由于工作量較大和時間緊張，在仿真這部分沒有做完整，這也是遺憾之處。同時也期望在今后有其他畢業(yè)生能夠克服，做到十全十美。 致 謝 對于這次畢業(yè)設計的完成，首先感謝母校---塔里木大學的辛勤培育，感謝學校給我提供了如此難得的學習環(huán)境和機會，使我將以前學到的知識又重新回顧了一遍，知道了學習的可貴與獲取知識的辛勤。承蒙指導老師的耐心指導，使我順利地完成了畢業(yè)設計。在此，深深地感謝指導老師，給予了我耐心的指導和幫助，體現(xiàn)出了他對工作高度負責的精神，感謝黃新成老師給我的指導，在周末他也會隨時過來檢查進度。在整個設計的過程中，他耐心的指導，才使我的設計順利完成。在這里也特別感謝張宏老師在百忙之中抽出時間給我指導，同時也感謝本組老師給出的意見和指導。 對于這次畢業(yè)設計，由于時間倉促和自己所學軟件掌握熟練程度等因素，使這次畢業(yè)設計的仿真沒有達到最完美的效果，這不能不說是本次設計的遺憾之處。不過，它至少啟發(fā)了我的思維，提高了我的動手能力，使我應用了以前solid works軟件中沒有用到的工具，同時，使我將以前所學的書本知識又重新復習了一遍，這為我在今后的工作崗位上發(fā)揮自己的才能奠定了堅實的基礎。 最后，再一次衷心的感謝學校能夠給予我這次機會，使我將所學理論知識與實踐相結(jié)合，以及在這次設計中給予我指導的所有老師。你們傳授的知識使我受用一生，你們的恩情我會銘記一生。 參考文獻 [1]吳宗澤,羅盛國.機械設計課程設計手冊.3版.北京:高等教育出版社2006.5. 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