小漿果采摘機械手設計畢業(yè)論文

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1、黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 摘 要 水果和蔬菜是人類生活中必不可少的食物，種植面積和產量逐年提高。研究開發(fā)適合目前農業(yè)生產實際的果蔬采摘機器人，不僅可以很大程度減輕勞動強度、提高生產效率，而且具有廣闊的應用前景。 本文在充分了解國內外相關研究和應用現狀的基礎上，對小漿果采集機械手進行了研究。分析了機械手的組成結構、各組成部分的功能、工作原理完成了采摘機械手部分的設計。包括腰部轉動關節(jié)、大臂、小臂、腕部、末端執(zhí)行器具體結構的設計，該機械手具有較好的工作空間、運動學特性，能夠滿足小漿果采集的工作要求， 在提高工作效率和采摘質量的同時，應考慮盡量降低小漿果采集機械手的制造成本，提

2、高其通用性，以期實現小漿果采集的商業(yè)化。 關鍵詞：小漿果采集；機械手；采集機械手；小漿果；機械手設計 II ABSTRACT Fruit and vegetables are absolutely necessarily food in our lives,the planted and output of them is boosting yearby year.Reseach and development about robot for picking fruit and vegetables that ad

3、apt to growth practical at present, not only canalleviate intensity of labour and advance productivity effect,also have expansive appliedp rospect. In this paper, both at home and abroad to fully understand the current situation related to the research and application on the basis of the collection

4、 of small berries manipulator is studied. Analyzed the composition of the structure of robot,the component of the function, working principle of the completion of part of the picking robot design. Including the arm, forearm, wrist,the end of the specific structure of the actuator design. The design

5、of rotating the waist joint, the manipulator has a good working space, kinematic properties, to meet the small berries collected requirements. In improving the efficiency and quality at the same time picking,consideration should be given to minimize the collection of small berries robot manufacturi

6、ng costs and enhance its versatility with a view to achieving a small business of collecting berries. Key words: Small berries collected; Manipulator; Collection Manipulator; Small berries; Manipulator design 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指

7、導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。 作 者 簽 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　  指導教師簽名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授權說明 本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電

8、子版本；學校有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝?、縮印、數字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績热?。 作者簽名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　  學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。 作者簽

9、名： 日期： 年 月 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權　　 　 　大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 涉密論文按學校規(guī)定處理。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導師簽名： 日期： 年 月 日 第1章 緒 論 1.1 機器人概述 在現代工業(yè)中，生產

10、過程的機械化、自動化已成為突出的主題.化工等連續(xù)性生產過程的自動化已基本得到解決.但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產是不連續(xù)的.專用機床是大批量生產自動化的有效辦法；程控機床、數控機床、加工中心等自動化機械是有效地解決多品種小批量生產自動化的重要辦法.但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現機械化.機器人的出現并得到應用，為這些作業(yè)的機械化奠定了良好的基礎。 “工業(yè)機器人”（Industrial Robot）：多數是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操作工具的裝置（國內稱作工業(yè)機器人或通用機器人）。 機器人是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序

11、固定的自動化裝置。機器人具有結構簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢，但功能較少，適應性較差。目前我國常把具有上述特點的機器人稱為專用機器人，而把工業(yè)機械人稱為通用機器人。 簡而言之，機器人就是用機器代替人手，把工件由某個地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進行加工。 機器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機器人，也即本文所研究的對象。它是一種獨立的、不附屬于某一主機的裝置，可以根據任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它是除具備普通機械的物理性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機（Manipulator）。它起源于原子、

12、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機器人來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機器人，主要附屬于自動機床或自動生產線上，用以解決機床上下料和工件傳送。這種機器人在國外通常被稱之為“Mechanical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅動。除少數外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。 機器人按照結構形式的不同又可分為多種類型，其中關節(jié)型機器人以其結構緊湊，所占空間體積小，相對工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點，成為機器人中使用最多的一種結構形式，世界一些著名機器人的本體部分都采用這種機構形式的機器人

13、。 要機器人像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關節(jié)等部分組成的抓取和移動機構——執(zhí)行機構；像肌肉那樣使手臂運動的驅動－傳動系統；像大腦那樣指揮手動作的控制系統。這些系統的性能就決定了機器人的性能。一般而言，機器人通常就是由執(zhí)行機構、驅動－傳動系統和控制系統這三部分組成，如圖 1.1 所示。 驅動-傳動系統 基座部（固定或移動 臂部 腕部 控制系統 執(zhí)行機構 機 器 人 電、液或氣動裝置 單關節(jié)伺服控制器 關節(jié)協調及其它信息交換計算機 手部 圖1.1 機器人的一般組成 對于現代智能機器人而言，還具有智能系統

14、，主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等。目前研究主要集中在賦予機器人“眼睛”，使它能識別物體和躲避障礙物，以及機器人的觸覺裝置。機器人的這些組成部分并不是各自獨立的，或者說并不是簡單的疊加在一起，從而構成一個機器人的。要實現機器人所期望實現的功能，機器人的各部分之間必然還存在著相互關聯、相互影響和相互制約。它們之間的相互關系如圖 1.2 所示。 工作對象 驅動 執(zhí)行 傳動 機構 裝置 位形檢測 智能系統 控制系統（二） 控制系統（一） 圖1.2 機器人各組成部分之間的關系 機器人的機械系統主要由執(zhí)行機構和驅動－傳動系統組成。執(zhí)行機構是機

15、器人賴以完成工作任務的實體，通常由連桿和關節(jié)組成，由驅動－傳動系統提供動力，按控制系統的要求完成工作任務。驅動－傳動系統主要包括驅動機構和傳動系統。驅動機構提供機器人各關節(jié)所需要的動力，傳動系統則將驅動力轉換為滿足機器人各關節(jié)力矩和運動所要求的驅動力或力矩。有的文獻則把機器人分為機械系統、驅動系統和控制系統三大部分。其中的機械系統又叫操作機(Manipulator)，相當于本文中的執(zhí)行機構部分。 1.2機器人發(fā)展趨勢 隨著現代化生產技術的提高，機器人設計生產能力進一步得到加強，尤其當機器人的生產與柔性化制造系統和柔性制造單元相結合，從而改變目前機械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產效率

16、。 就目前來看，總的來說現代工業(yè)機器人有以下幾個發(fā)展趨勢： 1)提高運動速度和運動精度，減少重量和占用空間，加速機器人功能部件的標準化和模塊化，將機器人的各個機械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結構不同的機器人； 2)開發(fā)各種新型結構用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機構用以保證精度；開發(fā)多關節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機器人，以適應不同的場合； 3)研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統進行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越

17、多的系統采用微機進行控制。 5 1.3機械手的工作原理 1.3.1機械手的結構原理圖 1 6 4 3 2 1基座 2腰部 3大臂 4小臂 5手腕 6手指 圖1.3機械手結構圖 1.3.2機械手的組成結構 由于本次設計的為小漿果采摘機器手。本機器手為六自由度采摘機器手，該機器手由機座、腰部、大臂、小臂、腕部以及末端執(zhí)行器組成。針對五自由度機器手的結構要求進行設計。腰部、大臂、小臂的驅動均采用步進電機驅動，腕部采用直流伺服電機驅動。設計完成的機器手包括腰部回轉、大臂擺動、小臂擺動、腕

18、部擺動和回轉以及末端執(zhí)行器的剪切運動，從而達到采摘的功能要求。 1.4機械手設計的目的 由于現在政府對農業(yè)的重視，越來越多的農業(yè)機械興起，如水稻收割機、插秧機等。機械手也是最近流行的一種機械設備，它在中國的發(fā)展也是很快的，現在在各個行業(yè)都有機械手的應用。對于本次設計的機械手可以在一些危險和環(huán)境不適合作業(yè)的地方使用，這樣可以體現出它的實用性。處于這種目的，所以設計這樣相對實用的機械手。 1.5本章小結 本章對機器人的發(fā)展趨勢，以及要設計的機械手的工作原理，機械手的組成結構，進行了分析，明確了機械手的設計目的。 第2章

19、機械手設計方案 2.1機械手總體方案的設計 2.1.1 機械手設計的總體要求 機械手設計的總體要求。機械結構的設計的基本要求，包括對機械手整機的設計要求和對組成零件的設計要求兩個方面，兩者互相聯系，互相影響。 1)對機械手整機設計的基本要求：實現預定的使用功能是機械設計的最基本要求，好的使用性能指標是設計的主要目標。另外，操作使用方便、工作安全可靠、體積小、重量輕、效率高、外型美觀、噪聲低等往往也是機械設計時所要求的。其次，對機器的經濟性也有一定的要求。機器的經濟性設計主要體現在設計、制造和使用的全過程。在設計機器時要全面綜合的考慮。設計的經濟性體現為合理的功能定位、實現使用功能要

20、求的最簡單的技術途徑和最簡單合理的機械結構。 2)對零件設計的基本要求：機械零件是組成機器的基本單元，對機器的設計要求最終是通過對零件的設計實現的。所以，設計零件時應滿足的要求是從設計機器的要求中引申出來的，即也應從滿足機器的使用功能和經濟性兩方面來考慮。要求在預定的工作期限內正?？煽康毓ぷ?，從而保證機器的各種功能的正常實現。這就要求零件在預定的壽命期限內不會產生各種可能的失效，即要求零件在強度、剛度，振動穩(wěn)定性、耐磨性和溫升等方面必須滿足必要的條件。這些條件就是判斷零件工作能力的準則。要盡量降低零件的生產制造成本，這要求從零件的設計和制造等多方面加以考慮。設計時要合理選擇材料和毛坯的形式、

21、設計簡單合理的零件結構、合理規(guī)定零件的加工的公差等級以及認真考慮零件的加工工藝性和裝配工藝性。另外要盡量采用標準化、系列化和通用化的零部件。 2.1.2機械手的總體方案 本次設計的機械手主要是用于采摘作業(yè)。類型為關節(jié)型機器人，因為關節(jié)型的機器手在相同體積條件下比非關節(jié)型機器人具有大得多的相對空間和絕對空間。為了滿足采摘高度等的要求該機器人具有6個自由度，即腰關節(jié)的轉動、大臂的擺動、小臂的擺動、腕部的轉動、腕部的俯仰、末端執(zhí)行器的剪切運動。 該機器人的本體結構包括：機座（即底部和腰部的固定支撐）、腰關節(jié)傳動裝置、大臂（即大臂支撐架）結構及大臂傳動裝置、小臂（及小臂支撐架）結構及小臂關

22、節(jié)轉動裝置、腕部（即腕部支撐架）結構及腕部關節(jié)轉動裝置、末端執(zhí)行器。 任何一種機器都是由動力源、傳動裝置和執(zhí)行機構組成。動力源是機器工作的能量來源，可以直接利用自然資源（也稱一次資源）或二次資源轉變?yōu)闄C械能，如水輪機、內燃機、汽輪機、電動機、液壓馬達、氣動馬達等。工作機是機器的執(zhí)行機構，用來實現機器的動力和運動功能，如機器人的末端執(zhí)行器就是工作機。傳動裝置則是一種實現能量傳遞和兼有其它作用的裝置。 下面分別對機器人的驅動方式、傳動方式以及機器人的各零部件材料作一一分析。 2.2機械手結構以及傳動方案的確定 2.2.1機械結構類型的確定 為了達到采摘作業(yè)的要求以及滿足不同高度和位

23、置的要求，該機器人具有6個自由度，即腰關節(jié)的轉動、大臂的擺動、小臂的擺動、腕部的擺動和轉動、末端執(zhí)行器的剪切運動。為實現以上要求，可以有不同的運動組合，本課題的運動可以從以下四種方案中進行選擇： 1)直角坐標型機器人的空間結構是用三個相互垂直的直線運動來實現的。由于直線運動易于實現閉環(huán)位置控制，所以，直角坐標機器人有可能達到很高的位置精度。但機體所占空間體積大、靈活性較差。主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)。 2)圓柱坐標型機器人的空間運動是一個回轉運動及兩個直線運動來實現的。這種機器人構造比較簡單，精度一般，常用于搬運工作。 3)球坐標型（又稱極坐標型）機器人的空間結構是由兩個轉動和一

24、個直線移動所組成，即一個回轉，一個俯仰和一個伸縮運動組成，其工作空間圖形為一個球形，它可以作上下俯仰運動并能夠抓取地面上或較低位置的工件，具有結構緊湊、工作空間范圍大的特點，但結構復雜。精度不高，主要用于搬運工作。 4)關節(jié)型（又稱回轉坐標型）機器人的空間結構由三個回轉運動實現的，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個關節(jié)都是回轉關節(jié)，這種機器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關節(jié)，大臂和小臂間形成肘關節(jié)，可使大臂作回轉運動和使大臂作俯仰擺動，小臂作俯仰擺動。其特點使工作空間范圍大，動作靈活，通用性強、能抓取靠進機座的物體。關節(jié)型結構的機器人在相同體積條件下比非關節(jié)型機器人具有大

25、得多的相對空間和絕對空間。 綜上所述，關節(jié)型機器人既可以滿足條件要求又具有其他形式機器人不具備的優(yōu)點。所以，本文采用的機器人的結構形式為關節(jié)型結構。 2.2.2驅動方案的確定 目前機械手常用的驅動方式有液壓驅動、氣壓驅動、電動機驅動等多種方式，各種驅動方式有其自身的特點，在工業(yè)機器人中液壓和氣壓驅動應用很廣泛，一些機器人則同時采用多種驅動方式，這都視不同機器人的特點和要求所定。比較這些驅動方式的特點，從中選出適合移動機械手的驅動方式。 表2.1三種驅動方式的特點對照 內容 驅動方式 液壓驅動 氣動驅動 電機驅動 輸出功率 很大，壓力范圍為50～140Pa

26、 大，壓力范圍為48～60Pa 較大 控制性能 利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調速，反應靈敏，可實現連續(xù)軌跡控制 氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現高速、高精度的連續(xù)軌跡控制 控制精度高，功率較大，能精確定位，反應靈敏，可實現高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統復雜 響應速度 很高 較高 很高 結構性能及體積 結構適當，執(zhí)行機構可標準化、模擬化，易實現直接驅動。功率/質量比大，體積小，結構緊湊，密封問題較大 結構適當，執(zhí)行機構可標準化、模擬化，易實現直接驅動。功率/質量比大，體積小，結構緊湊，密

27、封問題較小 伺服電動機易于標準化，結構性能好，噪聲低，電動機一般需配置減速裝置，除DD電動機外，難以直接驅動，結構緊湊，無密封問題 安全性 防爆性能較好，用液壓油作傳動介質，在一定條件下有火災危險 防爆性能好，高于1000kPa(10個大氣壓)時應注意設備的抗壓性 設備自身無爆炸和火災危險，直流有刷電動機換向時有火花，對環(huán)境的防爆性能較差 對環(huán)境的影響 液壓系統易漏油，對環(huán)境有污染 排氣時有噪聲 無 在工業(yè)機器人中應用范圍 適用于重載、低速驅動，電液伺服系統適用于噴涂機器人、點焊機器人和托運機器人 適用于中小負載驅動、精度要求較低的有限點位程序控制機器人，如沖壓機器

28、人本體的氣動平衡及裝配機器人氣動夾具 適用于中小負載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機器人，如AC伺服噴涂機器人、點焊機器人、弧焊機器人、裝配機器人等 成本 液壓元件成本較高 成本低 成本高 維修及使用 方便，但油液對環(huán)境溫度有一定要求 方便 較復雜 機器人驅動系統各有其優(yōu)缺點，通常對機器人的驅動系統的要求有： 1)驅動系統的質量盡可能要輕，單位質量的輸出功率要高，效率也要高； 2)反應速度要快，即要求力矩質量比和力矩轉動慣量比要大，能夠進行頻繁地起、制動，正、反轉切換； 3)驅動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要?。? 4)安全可靠； 5)

29、操作和維護方便； 6)對環(huán)境無污染，噪聲要??； 7)經濟上合理，尤其要盡量減少占地面積。 綜上所述，本文選擇電機驅動為機器人的驅動方式。另外，步進電機可以不必經過反饋便可以穩(wěn)定調速，因此，本次設計的腰部轉動關節(jié)、大臂擺動、小臂擺動均采用步進電機；腕關節(jié)的轉動和擺動采用直流異步電機。 2.2.3傳動方式 傳動裝置是一種實現能量傳遞和兼有其他作用的裝置，它的主要作用有:能量的分配與傳遞；運動形式的改變；運動速度的改變。傳動通常分為兩類:第一類是機械能不發(fā)生改變的傳動—機械傳動；另一類是機械能轉變?yōu)殡娔芑螂娔苻D變?yōu)闄C械能的傳動—電傳動。機械傳動又可分為嚙合傳動、摩擦傳動和流體傳動三

30、天類?？紤]機械手結構的實際情況，帶傳動、鏈動、齒輪傳動和蝸桿傳動是其可能的傳動方式，在這里將對以上四種傳動方式進行比較。 帶傳動：帶傳動通常是由主動輪、從動輪和張緊在兩輪上的傳動帶所組成的。當主動輪回轉時，依帶與帶輪接觸面間的摩擦力拖動從動輪一起回轉，從而傳遞一定的運動和動力。帶傳動具有的優(yōu)點:有良好的撓性和彈性，有吸振和緩沖作用，因而使帶傳動平穩(wěn)、噪聲??；有過載保護作用，當過載時引起帶在帶輪上發(fā)生相對滑動，可防止其他零件的損壞；制造和安裝精度與齒輪傳動相比較低，結構簡單，制造、安裝、維護均較方便；適合于中心距較大的兩軸間傳動(中心距最大可達15米)帶傳動的主要缺點有:由彈性滑動的存在，使得

31、傳動效率降低，不能保證準確的傳動比；由于帶傳動需要初始張緊，此時，當傳遞同樣大的圓周力時，與嚙合傳動相比軸上的壓力較大:結構尺寸較大，不緊湊；傳動壽命較短；傳動帶與帶輪之間會產生摩擦放電現象；不宜用于有爆炸危險的場合。現在一些新型帶傳動形式，如高速帶傳動、同步帶傳動、多楔帶傳動己經克服了以上大部分的缺點。 鏈傳動：鏈傳動是由鏈條和主、從動鏈輪所組成的。鏈輪上制造有特殊齒型的齒，依靠鏈輪齒與鏈節(jié)的嚙合來傳遞運動和動力。鏈傳動是屬于帶有中間撓性件的嚙合傳動。與屬于摩擦傳動的帶傳動相比，鏈傳動無彈性滑動和打滑現象，因而能保持準確的平均傳動比，傳動效率較高；又因為鏈條不需要像帶那樣張得很緊，所以作用

32、于軸上的徑向壓力較小；鏈條采用金屬材料制造，在同樣使用條件下，鏈傳動的整體尺寸較小，結構較為緊湊；與齒輪傳動相比，鏈傳動的制造安裝精度要求較低，成本也低；在遠距離傳動時，其結構比齒輪傳動輕便的多。鏈傳動的主要缺點是:在兩根平行軸間只能用于同向回轉的傳動；運轉時不能保持恒定的瞬時傳動比；磨損后易發(fā)生跳齒；工作時有噪聲；不宜在速度變化很大和異速方向的運動中應用。鏈傳動主要用在要求工作可靠，且兩軸相距較遠，以及其他不宜采用齒輪傳動的場合。 齒輪傳動：齒輪傳動是機械傳動中應用最為廣泛的一類傳動，常用的漸開線齒輪傳動具有以下一些主要特點:傳動效率高，在常用的機械傳動中，齒輪傳動的效率是最高的。一級圓柱

33、齒輪傳動在正常潤滑條件下效率可達到99%以上，在大功率傳動中，高傳動效率是十分重要的:傳動比恒定，齒輪傳動具有不變的瞬時傳動比，因此齒輪傳動可用于圓周速度為200m/s以上的高速傳動；結構緊湊，在同樣使用條件下，齒輪傳動所需要空間尺寸比帶傳動和鏈傳動小得多；工作可靠、壽命長，齒輪傳動在正確安裝，良好潤滑和正常維護條件下，具有其他機械傳動無法比擬的高可靠性和壽命。齒輪傳動的主要缺點有:對齒輪制造、安裝要求高；齒輪制造常用插齒機和滾齒機等專用機床及專用工具；通常的齒輪傳動為閉式傳動，需要良好的維護保養(yǎng)，因此齒輪傳動成本和費用高；并且齒輪傳動不適合中心距較大的兩軸間的動力傳遞。 蝸桿傳動：蝸桿傳動

34、是一種空間齒輪傳動，能實現交錯角為90度的兩軸間動力和運動傳遞。蝸桿傳動與圓柱齒輪傳動和圓錐齒輪傳動相比具有結構緊湊、傳動比大、傳動平穩(wěn)和可以自鎖等顯著特點。蝸桿傳動的主要缺點是:齒面摩擦力大，發(fā)熱量高，傳動效率低。蝸桿傳動通常用于中、小功率非長時間連續(xù)工作的應用場合。 本文所選用的電機都采用了電機和齒輪輪系一體化的設計，結構緊湊，具有很強的帶負載能力，但是不能通過電機直接驅動各個連桿的運動。為減小機構運行過程的沖擊和振動，并且不降低控制精度，采用了齒形帶傳動。 齒形帶傳動是同步帶的一種，用來傳遞平行軸間的運動或將回轉運動轉換成直線運動，在本文中主要用于腰關節(jié)、肩關節(jié)和肘關節(jié)的傳動。 齒

35、形帶傳動原理如圖2.1所示。 齒輪帶的傳動比計算公式為 (2.1) 齒輪帶的平均速度為 (2.2) 圖2.1齒形帶傳動原理 諧波齒輪輪傳動：諧波傳動包括三個基本構件：柔輪、剛輪和波發(fā)生器。如下圖所示。三個構件中可以任意固定一個，其余兩個一個固定，一個從動，可以實現減速或增速（固定傳動比），也可以換成兩個輸入、一個輸出，組成差動傳動

36、。諧波傳動主要用于軍工、精密儀器生產、醫(yī)療器械、起重機、機器人等。諧波減速器見簡圖2.2、2.3。 圖2.2 諧波傳動原理圖 圖2.3 諧波傳動減速器機構簡圖 波發(fā)生器H是一個桿狀部件，其兩端裝有滾動軸承構成滾輪，與柔輪1的內壁相互壓緊。柔輪為可產生較大彈性變形的薄壁齒輪，其內孔直徑略小于波發(fā)生器的總長。波發(fā)生器是使柔輪產生可控彈性變形的構件。當波發(fā)生器裝入柔輪后，迫使柔輪的剖面由原先的圓形變成橢圓形，其長軸兩端附近的齒與剛輪的齒完全嚙合，而短軸兩端附近的齒則與剛輪完全脫開。周長上其他區(qū)段的齒處于嚙合和脫離的過渡狀態(tài)。當波發(fā)生器沿圖示方向連續(xù)轉動時，柔輪的變形不斷改變，使柔輪

37、與剛輪的嚙合狀態(tài)也不斷改變，由嚙入、嚙合、嚙出、脫開、再嚙入……，周而復始地進行，從而實現柔輪相對剛輪沿波發(fā)生器H相反方向的緩慢旋轉。 諧波齒輪傳動的特點如下： 1)承載能力高 諧波傳動中，齒與齒的嚙合是面接觸，加上同時嚙合齒數（重疊系數）比較多，因而單位面積載荷小，承載能力較其他傳動形式高。 2)傳動比大 單級諧波齒輪傳動的傳動比，可達 i=70～500。 3)體積小、重量輕。 4)傳動效率高、壽命長。 5)傳動平穩(wěn)、無沖擊，無噪音，運動精度高。 6)由于柔輪承受較大的交變載荷，因而對柔輪材料的抗疲勞強度、加工和熱處理要求較高，工藝復雜。表2.2列出了各種傳動形式的傳動效

38、率： 表2.2 主要傳動形式的效率 傳動方式 傳動效率 帶傳動 0.9~0.98 鏈傳動 0.93~0.97 圓柱齒輪傳動 0.9~0.99 圓錐齒輪傳動 0.88~0.98 蝸桿傳動 0.4~0.98 諧波齒輪傳動 0.7~0.9 絲杠傳動 0.85~0.95 本次設計主要采用了齒輪傳動和帶傳動。減速器機構主要為齒輪減速機構和諧波減速器機構。 2.3制動器 制動器及其作用：制動器是將機械運動部分的能量變?yōu)闊崮茚尫?，從而使運動的機械速度降低或者停止的裝置，它大致可分為機械制動器和電氣制動器兩類。 在機器人機構中，學要使用制動器的情況如下： 1)特

39、殊情況下的瞬間停止和需要采取安全措施。 2)停電時，防止運動部分下滑而破壞其他裝置。 機械制動器： 機械制動器有螺旋式自動加載制動器、盤式制動器、閘瓦式制動器和電磁制動器等幾種。其中最典型的是電磁制動器。 在機器人的驅動系統中常使用伺服電動機，伺服電機本身的特性決定了電磁制動器是不可缺少的部件。從原理上講，這種制動器就是用彈簧力制動的盤式制動器，只有勵磁電流通過線圈時制動器打開，這時制動器不起制動作用，而當電源斷開線圈中無勵磁電流時，在彈簧力的作用下處于制動狀態(tài)的常閉方式。因此這種制動器被稱為無勵磁動作型電磁制動器。又因為這種制動器常用于安全制動場合，所以也稱為安全制動

40、器。 電氣制動器: 電動機是將電能轉換為機械能的裝置，反之，他也具有將旋轉機械能轉換為電能的發(fā)電功能。換言之，伺服電機是一種能量轉換裝置，可將電能轉換為機械能，同時也能通過其反過程來達到制動的目的。但對于直流電機、同步電機和感應電機等各種不同類型的電機，必須分別采用適當的制動電路。 本文中，該機器人實驗平臺未安裝機械制動器，因此機器人的肩關節(jié)和軸關節(jié)在停止轉動的時候，會因為重力因素而下落。另外，由于各方面限制，不方便在原有機構上添加機械制動器，所以只能通過軟件來實現肩關節(jié)和肘關節(jié)的電氣制動。 采用電氣制動器，其優(yōu)點在于：在不增加驅動系統質量的同時又具有制動功能，這是非常

41、理想的情況，而在機器人上安裝機械制動器會使質量有所增加，故應盡量避免。缺點在于：這種方法不如機械制動器工作可靠，斷電的時候將失去制動作用。 2.4本章小結 本章擬定了機械手設計的總體方案，確定了機械手結構及傳動方案,選擇了制動器。 第3章 機械手零部件選擇及計算 3.1機械手結構 作為一種果實采摘機器人，為完成采摘任務，操作機械手必須有足夠的自由度，能夠靈活的移動到指定的目標位置來抓取目標物，為此自由度數至少在5以上，該機器人的機械手部分具有6個自由度。下面分別是手部、腕部和臂部結構的具體設計。 3.1.1腰部結構 工業(yè)機器人腰座，就是圓柱坐標型機

42、器人、球坐標機器人及關節(jié)型機器人的回轉基座。它是機器人的第一個回轉關節(jié)。機器人的運動部分全部安裝在腰座上，它承受了機器人的全部重量。在設計機器人腰座結構時，要注意以下設計原則： 1)腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機器人在工作時的整體安裝的穩(wěn)定性。 2)腰座要承受機器人的全部重量和載荷，因此，機器人的基座和腰部軸和軸承的結構要有足夠大的強度和剛度，以保證其承載能力。 3)機器人的腰座是機器人的第一個回轉關節(jié)，它對機器人末端的運動精度影響最大，因此，在設計時特別注意腰部軸系及傳動鏈的精度和剛度的保證。 4)為了保證機器人的外部電纜不隨機器人的運動而擺動，所以，機器人的外部電纜（機器人與控

43、制器的聯接電纜），都是安裝在不運動的機器人基座上，并通過機器人腰部傳到機器人的各運動關節(jié)。因此，機器人的基座與腰部結構要便于電纜的通過，并要解決固定端與運動端的聯接問題。 5)腰部的回轉要有相應的驅動裝置，它包括驅動器及減速器。驅動器一般帶有速度與位置傳感器，以及制動閘。 6)腰部結構要便于安裝、調整。腰部與機器人手臂的聯接要有可靠的定位基準面，以保證各關節(jié)的相互位置精度。要設有調整機構，用來調整腰部軸承間隙及減速器的傳動間隙。 7)為了減輕機器人運動部分的慣量，提高機器人的控制精度，一般腰部回轉運動部分的殼體是比重較小的鋁合金材料制成，而不運動的基座是鑄鐵或鑄鋼材料制成。 本機械手采

44、用的環(huán)形軸承的支承結構。 3.1.2臂部結構 手臂部件是機械手的主要部件。它的作用是支承腕部和手部，并帶動它們做空間運動。臂部運動的目的:把手部送到空間運動范圍內的任意一點。如果改變手部的姿態(tài)(方位)，則用腕部的自由度加以實現。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右回轉和升降(或俯仰)運動。 設計基本要求: 1)臂部應承載能力大、剛度好、自重輕。臂部通常即受彎曲(而且不僅是一個方向的彎曲)，也受扭轉，應選用抗彎和抗扭剛度較高的截面形狀。很明顯，在截面積和單位重量基本相同的情況下，鋼管、工字鋼和槽鋼的慣性矩要比圓鋼大得多。所以，機械手常采用無縫鋼管作為導向

45、桿，用工字鋼或槽鋼作為支承鋼，這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重，而且空心的內部還可以布置驅動裝置、傳動裝置以及管道，這樣就使結構緊湊、外形整齊。 2)臂部運動速度要高，慣性要小。在一般情況下，手臂的移動和回轉、俯仰均要求勻速運動，但在手臂的啟動和終止瞬間，運動是變化的，為了減少沖擊，要求啟動時間的加速度和終止前減速度不能太大，否則引起沖擊和振動。 為減少轉動慣量，應采取以下措施: (1)減少手臂運動件的重量，采用鋁合金等輕質高強度材料。 (2)減少手臂運動件的輪廓尺寸。 (3)減少回轉半徑。 (4)驅動系統中設有緩沖裝置。 3)手臂動作應靈活。為減少手臂運動件之間的

46、摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。 4)位置精度要高。一般來說，直角和圓柱坐標系機械手位置精度高；關節(jié)式機械手的位置最難控制，故精度差；在手臂上加設定位裝置和檢測機構，能較好的控制位置精度。 3.1.3腕部結構 手腕部件設置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運動的基礎上進一步改變或調整手部在空間的位置，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變得更靈巧，適應性更強。手腕的運動形式可以有:繞X軸轉動稱為回轉運動；繞Y軸轉動稱為上下擺動；繞Z軸轉動稱為左右擺動；有的甚至是沿Y軸或Z軸的橫向移動。一般手腕設有回轉或再增加一個上下擺動即可滿足工作要求。 本文設

47、計的機械手腕部結構，具有一個擺動的自由度和一個旋轉自由度，擺動范圍為0～90度，旋轉范圍為0～360度。傳動方式選擇圓錐齒輪傳動，電機置于機械臂內與腕部傳動軸垂直。利用電機帶動連軸器，連軸器再帶動小臂前半段殼體旋轉。兩自由度手腕足以滿足各種工作情況的需要。 3.1.4末端執(zhí)行器的結構 機械手手部(末端執(zhí)行器)結構形式多樣，但總的設計都有如下幾點基本要求: 1)應具有適當的夾緊力和驅動力，手指握力(夾緊力)大小要適宜，力量過大則動力消耗多結構龐大，不經濟，甚至會損壞抓取物體；力量過小則夾持不住或產生松動、脫落。在確定握力時，除考慮抓取物體重量外，還應考慮傳送或操作過程中所產生的慣性

48、力和振動，以保證夾持安全可靠。 2)手指應具有一定的開閉范圍，手應具有一定的開閉角度(手指從張開到閉合繞支點所轉過的角度)或開閉范圍(對平移型手指從張開到閉合的直線移動距離)，以便于抓取或退出物體。 3)應保證抓取物體在手指內的夾持精度，應保證每個被抓取的物體，在手指內都有準確的相對位置。 4)要求結構緊湊、重量輕、效率高，在保證自身剛度、強度的前提下，盡可能使結構緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負載。 在這里還必須討論一下機械手手指數量的問題，不同的手指數量可以完成的動作、動作復雜程度都不同，可以根據機械手必須完成的動作確定機械手所需的最少手指數。一個手指能推、滾或滑動小物體

49、，還可用力操縱開關等；兩個手指除具有一個手指的功能外，還能抓住物體并可精確的控制物體的位置和取向；三個手指除能完成兩個手指完成的功能外，它還有在手中反復抓握物體的功能，如將物體拋入空中并在新的方向抓住物體；多個手指則具有更大的靈活性，如能抓住和操縱多個物體。對于本文的果實采摘機器人，需要能夠剪切下物體即可，控制物體的位置和取向，選擇兩個手指就可以滿足此工作要求，所以在結構上將采用兩指。 機械手手部(末端執(zhí)行器)的傳動機構是向手指傳遞運動和動力，以實現夾緊和松開動作的機構。 3.1.5機械手材料 本文設計的機械手臂殼體采用鋁合金材料加工而成機械手手臂剛性好、抗扭能力強、重量輕，所有

50、傳動機構和驅動裝置都置于機械手臂內部，外形簡潔；機械手表面還裝有緩沖墊，當驅動裝置出現故障或供電電池耗盡時，可以起到緩沖作用，避免手臂沖擊造成損壞。大臂外殼粘貼的橡膠墊，起緩沖墊作用。小臂與大臂的關節(jié)使用圓錐齒輪傳動，電動機置于大臂殼體內。 3.2腰關節(jié)傳動系統的設計 3.2.1腰關節(jié)驅動電機的選擇 腰關節(jié)的傳動是由電機通過齒形帶，再通過同步帶帶動腰部及整個機器人本體轉動?？偟膫鲃颖取? 腰關節(jié)驅動電機選擇步進電機，型號為:42BYG101；保持轉矩：；步距角：；質量:。 機器人的受力情況如圖3.1所示： 圖3.1 機器人受力情況 腰關節(jié)的負載轉動慣量（以下所計算的轉動慣量均

51、為折算到電機軸上的轉動慣量） 外部負載的轉動慣量:即大小臂、手腕、夾持重物的轉動慣量： （3.1） 、分別表示同步帶和齒輪傳動的效率,、 把數字代入上式得: = 大臂關節(jié)傳動系統的轉動慣量：估算得 由諧波減速器的選擇知： 假設電機從加速到所用的時間為，則角加速度 （3.2） 負載折算到電機軸上的轉矩：由電動機的選擇知 　　　　　　　　　　　　 （3.3） 折算到電機軸上的負載轉矩＜電機的額定轉矩 所以電機的選擇符合要求。

52、3.2.2腰部關節(jié)傳動系統的設計 腰部的支承結構： 　　1）采用普通軸承的機器人腰部支承結構。這種結構的優(yōu)點是構造簡單、成本低、安裝調整方便。缺點是腰部尺寸較高。 　　2）采用環(huán)形軸承的機器人腰部支承結構。環(huán)形軸承精度高、剛度大、復合力大、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。 在本次設計中采用的正是環(huán)形軸承，由于采集機械手對精度要求很高，所以采用這種結構。采用薄壁密封交叉滾子軸承在機械設計手冊中查得應該采用的是CRB20025，其參數為，，。 腰部的傳動是由電動機通過諧波減速器的減速后，

53、再帶動薄壁密封交叉滾子軸承轉動從而使腰座回轉體轉動，實現機械手的轉動。 3.3大臂關節(jié)傳動系統的設計 大臂關節(jié)的傳動主要是由電動機通過同步帶與齒輪的嚙合帶動大臂轉動的。大臂關節(jié)驅動電機選擇步進電機。設物體的最大當量回轉半徑R =75mm，設末端執(zhí)行器的最大當量回轉半徑R=20 mm，回轉裝置及物體的重心到回轉中心的距離R=100mm，腕部慣量折算到負載端，則腕部擺動時其轉動慣量： （3.4） （3.5） （3.6） 其中：、、為物體、末端執(zhí)行器以及腕部擺動部分的折算質量。 設機器人腕部俯仰角

54、速度從 加速到 所需時間 則腕部俯仰角加速度： （3.7） 負載啟動慣性矩（靜摩擦力矩忽略不計）： （3.8） 取兩級圓柱齒輪傳動裝置的傳動比為2。圓柱齒輪的傳動效率均取 。 由于進電機不具有瞬時過載能力，故取安全系數為 2（下同），則步進電機輸出的啟動轉矩: （3.9） 所以，選擇如下二相混合式步進電機，型號：57BYG306；最大靜轉矩

55、：；步距角：；質量：。 3.4小臂關節(jié)傳動系統的設計 小臂關節(jié)的傳動同樣是由電動機通過同步帶與齒輪的嚙合帶動小臂轉動的。 初選電機：選擇異步電機，型號為42BYG101、保持轉矩0.17；步距角: 0.90； 質量:。 折算到電機軸上的負載靜轉矩： (3.10) 折算到電機軸上的負載加速轉矩： (3.11) (3.12) 為電機

56、的轉動慣量： 假設電機從加速到所用的時間為，則角加速度 ） 折算到電機軸上的總的轉矩 +＜電機額定轉矩 電機的選擇符合要求。 3.5手腕關節(jié)傳動系統的設計 3.5.1手腕轉動關節(jié)的計算 手腕轉動關節(jié)的傳動是由電動機通過諧波減速器，再通過齒輪來實現傳動要求?？偟膫鲃颖取? 1）手腕轉動關節(jié)驅動電機的選擇：初選電機：選擇直流伺服電機，型號為SYX-70、 額定功率P=0.1KW、額定轉矩,額定轉速=3000r/min,峰值轉矩=2.4,諧波減速器選擇：型號為XB-40,輸出轉矩T=16,=80,輸出轉速,重物的最大回轉半徑,折算到電機軸上的腕部

57、負載靜轉矩由下式可知 == = (3.13) 折算到電機軸上的轉動慣量 == (3.14) 其它傳動系統的轉動慣量相對于腕部負載的轉動慣量很小，所以忽略不計。 假設電機從加速到所用的時間為，則角加速度 (3.15) 折算到電機軸上的腕部負載加速轉矩 (3.16) 所以這算到電機軸上的總的腕部負載轉矩+＜電機額定轉矩。電機的選擇符合要求。 2）手腕轉動關節(jié)諧波減速器的計算 初

58、選諧波減速器：諧波減速器選擇型號為XB-40、輸出轉矩，，輸出轉速，腕部負載靜轉矩。 腕部負載轉動慣量 (3.17) 假設小臂關節(jié)從加速到所用的時間為，則角加速度 (3.18) 負載加速轉矩 (3.19) 總的負載轉矩+＜諧波減速器的輸出轉矩。所以諧波減速器的選擇符合要求。 3）手腕轉動關節(jié)傳動齒輪的設計 (1)要求分析 主動輪轉速:（諧波減速器的輸出轉速） 齒數比 由于諧波減速器輸出的轉矩為，所以主動輪的轉矩也為。 (2)選擇齒輪材料、熱處理方式及計算

59、許用應力 主動齒輪：號鋼，調質處理，硬度為；從動齒輪：號鋼，調質處理，硬度為。 確定許用應力： a.確定極限應力和 齒面硬度:主動齒輪按，從動齒輪按。查文獻得； b.計算應力循環(huán)次數N，確定壽命系數、 (3.20) 查文獻得； c.計算許用應力 查文獻取， (3.21) = == (3.22) (3)初步確定齒輪的基本參數和主要尺寸 選用直齒圓柱齒輪，齒輪精度等級選用8級 初選參數：、、由于選用軟齒面齒輪，所以 (3.23) =

60、 ，取標準模數。 ， (+)， ，取， 。 (4)驗算齒輪彎曲強度條件 按彎曲強度條件驗算 查文獻得，，取。 計算彎曲應力 ＜ 計算結果表明該設計滿足強度要求。 直齒圓錐齒輪的設計：圓錐齒輪起到換向作用，傳動比i=2，軸交角 齒輪均選用號鋼并調質處理，強度，取硬度為。齒輪加工精度為 級。通過計算得出下列結果： 表3.1 手腕回轉圓錐齒輪的計算結果 參數 mm mm mm mm 手腕回轉二級傳動錐齒輪一 手腕回轉二級傳動錐齒輪二 3.5.2手腕擺動關節(jié)的設計及計算 手

61、腕擺動關節(jié)的傳動是由電動機通過諧波減速器，再帶動整個手腕的轉動?？偟膫鲃颖龋渲?。 1)手腕擺動關節(jié)驅動電機的選擇 初選電機：選擇直流伺服電機，型號為SYX-70、額定功率、額定轉矩、額定轉速、峰值轉矩。 諧波減速器選擇：型號為XB-40、輸出轉矩、、輸出轉速。 設法蘭盤及重物的最大回轉半徑。 折算到電機軸上的腕部負載靜轉矩： 折算到電機軸上的轉動慣量： 其它傳動系統的轉動慣量相對于腕部負載的轉動慣量很小，所以忽略不計。 假設電機從加速到所用的時間為，則角加速度 折算到電機軸上的腕部負載加速轉矩 所以折算到電機軸上的總的腕部負載轉矩 +＜電機額定轉矩。

62、電機的選擇符合要求。 2)手腕擺動關節(jié)諧波減速器的計算 手腕擺動關節(jié)的諧波減速器的計算和前面所說的內容非常相似，這里不再詳細算。 諧波減速器選擇：諧波減速器選擇型號為XB-40，輸出轉矩T，，輸出轉速。經過計算符合使用要求。 3.6本章小結 本章對機械手的結構：腰部結構、臂部結構、腕部結構、末端執(zhí)行器的結構進行了確定，選擇了鋁合金作為機械手的材料，對腰關節(jié)傳動系統，大臂關節(jié)傳動系統、小臂關節(jié)傳動系統、手臂關節(jié)傳動系統進行了設計。 第4章 機械手切斷刀具(末端執(zhí)行器)的設計 4.1機械手切斷工具的設計 機械手切斷刀具是電機通過諧波減速器，帶動法蘭盤做轉動，

63、最后使連桿作圓周運動，從而實現了機械手的剪切運動。手指是直接與工件接觸的部件。手指松開和夾緊工件，是通過手指的張開與閉合來實現的。傳動機構是向手指傳遞運動和動力，以實現夾緊和松開動作的機構。根據手指開合的動作特點分為回轉型和平移形。本文采用回轉型傳動機構。圖4.1為初步設計的機械手機構簡圖（只畫出了一半，另外一半關于中心線對稱）。 圖4.1 機械手機構簡圖 在圖4.1中，O為電機輸出軸，曲柄OA、連桿AB、滑塊B和支架構成曲柄滑塊機構；滑塊B、連桿BC、搖桿CE和支架構成滑塊搖桿機構。通過兩個機構串聯，使電機最終驅動DE的來回擺動，從而實現手指的開合運動。圖4.1中的分別表示機構運

64、行的兩個極限位置。為便于手指的順利合攏，可以在兩個手指之間設置一個彈簧，這樣還可以提供適當的夾緊力。另外，在選用電機的時候，要使電機的功率足以克服彈簧的收縮和張開，并且提供足夠加緊物體的力。 選電機：選擇直流伺服電機，型號為MULTIPLEX STELL-SERVO、額定電壓、額定轉矩、額定轉速。 4.2本章小結 本章對機械手的切斷工具進行了設計。 結 論 我所做的課題是小漿果采摘機械手設計，選用的是關節(jié)型機器人。 本次設計完成的工作如下： 1)利用圖書館的存書和網絡，搜索相關方面的知識，結合生產實習和畢業(yè)實習的經驗進行綜合比較之后，選定設計方案。 2)采摘機械手部分

65、的設計。包括大臂、小臂、腕部、末端執(zhí)行器具體結構的計算和設計。 3)腰部轉動關節(jié)的設計和計算。 4)利用CAD設計軟件畫出裝配圖以及部分重要零件的展開圖。 同時，由于我知識量的限制，且時間倉促，本設計還存在一些缺陷，希望在今后的學習工作中加以改進。 參考文獻 [1] 徐灝.機械設計手冊[J]. 北京:機械工業(yè)出版社，2007. [2] 殷玉楓.機械設計課程設計[J].北京:機械工業(yè)出版社，2006. [3] 濮良貴，紀名剛.機械設計[M].北京:高等教育出版社， 2006. [4] 吳宗澤.機械設計師手冊（上下

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