小浆果采摘机械手设计毕业论文

黑龙江工程学院本科生毕业设计摘 要水果和蔬菜是人类生活中必不可少的食物，种植面积和产量逐年提高。研究开发适合目前农业生产实际的果蔬采摘机器人，不仅可以很大程度减轻劳动强度、提高生产效率，而且具有广阔的应用前景。本文在充分了解国内外相关研究和应用现状的基础上，对小浆果采集机械手进行了研究。分析了机械手的组成结构、各组成部分的功能、工作原理完成了采摘机械手部分的设计。包括腰部转动关节、大臂、小臂、腕部、末端执行器具体结构的设计，该机械手具有较好的工作空间、运动学特性，能够满足小浆果采集的工作要求，在提高工作效率和采摘质量的同时，应考虑尽量降低小浆果采集机械手的制造成本，提高其通用性，以期实现小浆果采集的商业化。关键词：小浆果采集；机械手；采集机械手；小浆果；机械手设计IIABSTRACTFruit 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 adapt 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 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 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 manufacturing 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黑龙江工程学院本科生毕业设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日第1章 绪 论1.1 机器人概述 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题.化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决.但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的.专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法.但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化.机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。“工业机器人”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。 机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。 机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成，如图 1.1 所示。驱动-传动系统基座部（固定或移动臂部腕部控制系统执行机构 机器人 电、液或气动装置单关节伺服控制器关节协调及其它信息交换计算机手部图1.1 机器人的一般组成对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图 1.2 所示。工作对象驱动 执行传动 机构装置位形检测智能系统控制系统（二）控制系统（一）图1.2 机器人各组成部分之间的关系机器人的机械系统主要由执行机构和驱动传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机(Manipulator)，相当于本文中的执行机构部分。1.2机器人发展趋势 随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。 就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势： 1)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人； 2)开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合； 3)研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。51.3机械手的工作原理1.3.1机械手的结构原理图16432 1基座 2腰部 3大臂 4小臂 5手腕 6手指图1.3机械手结构图1.3.2机械手的组成结构 由于本次设计的为小浆果采摘机器手。本机器手为六自由度采摘机器手，该机器手由机座、腰部、大臂、小臂、腕部以及末端执行器组成。针对五自由度机器手的结构要求进行设计。腰部、大臂、小臂的驱动均采用步进电机驱动，腕部采用直流伺服电机驱动。设计完成的机器手包括腰部回转、大臂摆动、小臂摆动、腕部摆动和回转以及末端执行器的剪切运动，从而达到采摘的功能要求。1.4机械手设计的目的 由于现在政府对农业的重视，越来越多的农业机械兴起，如水稻收割机、插秧机等。机械手也是最近流行的一种机械设备，它在中国的发展也是很快的，现在在各个行业都有机械手的应用。对于本次设计的机械手可以在一些危险和环境不适合作业的地方使用，这样可以体现出它的实用性。处于这种目的，所以设计这样相对实用的机械手。1.5本章小结本章对机器人的发展趋势，以及要设计的机械手的工作原理，机械手的组成结构，进行了分析，明确了机械手的设计目的。第2章 机械手设计方案2.1机械手总体方案的设计2.1.1 机械手设计的总体要求机械手设计的总体要求。机械结构的设计的基本要求，包括对机械手整机的设计要求和对组成零件的设计要求两个方面，两者互相联系，互相影响。1)对机械手整机设计的基本要求：实现预定的使用功能是机械设计的最基本要求，好的使用性能指标是设计的主要目标。另外，操作使用方便、工作安全可靠、体积小、重量轻、效率高、外型美观、噪声低等往往也是机械设计时所要求的。其次，对机器的经济性也有一定的要求。机器的经济性设计主要体现在设计、制造和使用的全过程。在设计机器时要全面综合的考虑。设计的经济性体现为合理的功能定位、实现使用功能要求的最简单的技术途径和最简单合理的机械结构。2)对零件设计的基本要求：机械零件是组成机器的基本单元，对机器的设计要求最终是通过对零件的设计实现的。所以，设计零件时应满足的要求是从设计机器的要求中引申出来的，即也应从满足机器的使用功能和经济性两方面来考虑。要求在预定的工作期限内正常可靠地工作，从而保证机器的各种功能的正常实现。这就要求零件在预定的寿命期限内不会产生各种可能的失效，即要求零件在强度、刚度，振动稳定性、耐磨性和温升等方面必须满足必要的条件。这些条件就是判断零件工作能力的准则。要尽量降低零件的生产制造成本，这要求从零件的设计和制造等多方面加以考虑。设计时要合理选择材料和毛坯的形式、设计简单合理的零件结构、合理规定零件的加工的公差等级以及认真考虑零件的加工工艺性和装配工艺性。另外要尽量采用标准化、系列化和通用化的零部件。2.1.2机械手的总体方案 本次设计的机械手主要是用于采摘作业。类型为关节型机器人，因为关节型的机器手在相同体积条件下比非关节型机器人具有大得多的相对空间和绝对空间。为了满足采摘高度等的要求该机器人具有6个自由度，即腰关节的转动、大臂的摆动、小臂的摆动、腕部的转动、腕部的俯仰、末端执行器的剪切运动。该机器人的本体结构包括：机座（即底部和腰部的固定支撑）、腰关节传动装置、大臂（即大臂支撑架）结构及大臂传动装置、小臂（及小臂支撑架）结构及小臂关节转动装置、腕部（即腕部支撑架）结构及腕部关节转动装置、末端执行器。 任何一种机器都是由动力源、传动装置和执行机构组成。动力源是机器工作的能量来源，可以直接利用自然资源（也称一次资源）或二次资源转变为机械能，如水轮机、内燃机、汽轮机、电动机、液压马达、气动马达等。工作机是机器的执行机构，用来实现机器的动力和运动功能，如机器人的末端执行器就是工作机。传动装置则是一种实现能量传递和兼有其它作用的装置。下面分别对机器人的驱动方式、传动方式以及机器人的各零部件材料作一一分析。2.2机械手结构以及传动方案的确定2.2.1机械结构类型的确定为了达到采摘作业的要求以及满足不同高度和位置的要求，该机器人具有6个自由度，即腰关节的转动、大臂的摆动、小臂的摆动、腕部的摆动和转动、末端执行器的剪切运动。为实现以上要求，可以有不同的运动组合，本课题的运动可以从以下四种方案中进行选择： 1)直角坐标型机器人的空间结构是用三个相互垂直的直线运动来实现的。由于直线运动易于实现闭环位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度。但机体所占空间体积大、灵活性较差。主要用于装配作业及搬运作业。2)圆柱坐标型机器人的空间运动是一个回转运动及两个直线运动来实现的。这种机器人构造比较简单，精度一般，常用于搬运工作。3)球坐标型（又称极坐标型）机器人的空间结构是由两个转动和一个直线移动所组成，即一个回转，一个俯仰和一个伸缩运动组成，其工作空间图形为一个球形，它可以作上下俯仰运动并能够抓取地面上或较低位置的工件，具有结构紧凑、工作空间范围大的特点，但结构复杂。精度不高，主要用于搬运工作。4)关节型（又称回转坐标型）机器人的空间结构由三个回转运动实现的，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个关节都是回转关节，这种机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂间形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰摆动，小臂作俯仰摆动。其特点使工作空间范围大，动作灵活，通用性强、能抓取靠进机座的物体。关节型结构的机器人在相同体积条件下比非关节型机器人具有大得多的相对空间和绝对空间。综上所述，关节型机器人既可以满足条件要求又具有其他形式机器人不具备的优点。所以，本文采用的机器人的结构形式为关节型结构。2.2.2驱动方案的确定 目前机械手常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动、电动机驱动等多种方式，各种驱动方式有其自身的特点，在工业机器人中液压和气压驱动应用很广泛，一些机器人则同时采用多种驱动方式，这都视不同机器人的特点和要求所定。比较这些驱动方式的特点，从中选出适合移动机械手的驱动方式。表2.1三种驱动方式的特点对照内容驱动方式液压驱动气动驱动电机驱动输出功率很大，压力范围为50140Pa大，压力范围为4860Pa 较大控制性能利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂响应速度 很高较高 很高结构性能及体积结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题安全性防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险防爆性能好，高于1000kPa(10个大气压)时应注意设备的抗压性设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差对环境的影响液压系统易漏油，对环境有污染排气时有噪声无在工业机器人中应用范围适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器人，如AC伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等成本液压元件成本较高成本低成本高维修及使用方便，但油液对环境温度有一定要求方便较复杂机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有：1)驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；2)反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换；3)驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；4)安全可靠；5)操作和维护方便；6)对环境无污染，噪声要小；7)经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。综上所述，本文选择电机驱动为机器人的驱动方式。另外，步进电机可以不必经过反馈便可以稳定调速，因此，本次设计的腰部转动关节、大臂摆动、小臂摆动均采用步进电机；腕关节的转动和摆动采用直流异步电机。2.2.3传动方式 传动装置是一种实现能量传递和兼有其他作用的装置，它的主要作用有:能量的分配与传递；运动形式的改变；运动速度的改变。传动通常分为两类:第一类是机械能不发生改变的传动机械传动；另一类是机械能转变为电能或电能转变为机械能的传动电传动。机械传动又可分为啮合传动、摩擦传动和流体传动三天类。考虑机械手结构的实际情况，带传动、链动、齿轮传动和蜗杆传动是其可能的传动方式，在这里将对以上四种传动方式进行比较。带传动：带传动通常是由主动轮、从动轮和张紧在两轮上的传动带所组成的。当主动轮回转时，依带与带轮接触面间的摩擦力拖动从动轮一起回转，从而传递一定的运动和动力。带传动具有的优点:有良好的挠性和弹性，有吸振和缓冲作用，因而使带传动平稳、噪声小；有过载保护作用，当过载时引起带在带轮上发生相对滑动，可防止其他零件的损坏；制造和安装精度与齿轮传动相比较低，结构简单，制造、安装、维护均较方便；适合于中心距较大的两轴间传动(中心距最大可达15米)带传动的主要缺点有:由弹性滑动的存在，使得传动效率降低，不能保证准确的传动比；由于带传动需要初始张紧，此时，当传递同样大的圆周力时，与啮合传动相比轴上的压力较大:结构尺寸较大，不紧凑；传动寿命较短；传动带与带轮之间会产生摩擦放电现象；不宜用于有爆炸危险的场合。现在一些新型带传动形式，如高速带传动、同步带传动、多楔带传动己经克服了以上大部分的缺点。链传动：链传动是由链条和主、从动链轮所组成的。链轮上制造有特殊齿型的齿，依靠链轮齿与链节的啮合来传递运动和动力。链传动是属于带有中间挠性件的啮合传动。与属于摩擦传动的带传动相比，链传动无弹性滑动和打滑现象，因而能保持准确的平均传动比，传动效率较高；又因为链条不需要像带那样张得很紧，所以作用于轴上的径向压力较小；链条采用金属材料制造，在同样使用条件下，链传动的整体尺寸较小，结构较为紧凑；与齿轮传动相比，链传动的制造安装精度要求较低，成本也低；在远距离传动时，其结构比齿轮传动轻便的多。链传动的主要缺点是:在两根平行轴间只能用于同向回转的传动；运转时不能保持恒定的瞬时传动比；磨损后易发生跳齿；工作时有噪声；不宜在速度变化很大和异速方向的运动中应用。链传动主要用在要求工作可靠，且两轴相距较远，以及其他不宜采用齿轮传动的场合。齿轮传动：齿轮传动是机械传动中应用最为广泛的一类传动，常用的渐开线齿轮传动具有以下一些主要特点:传动效率高，在常用的机械传动中，齿轮传动的效率是最高的。一级圆柱齿轮传动在正常润滑条件下效率可达到99%以上，在大功率传动中，高传动效率是十分重要的:传动比恒定，齿轮传动具有不变的瞬时传动比，因此齿轮传动可用于圆周速度为200m/s以上的高速传动；结构紧凑，在同样使用条件下，齿轮传动所需要空间尺寸比带传动和链传动小得多；工作可靠、寿命长，齿轮传动在正确安装，良好润滑和正常维护条件下，具有其他机械传动无法比拟的高可靠性和寿命。齿轮传动的主要缺点有:对齿轮制造、安装要求高；齿轮制造常用插齿机和滚齿机等专用机床及专用工具；通常的齿轮传动为闭式传动，需要良好的维护保养，因此齿轮传动成本和费用高；并且齿轮传动不适合中心距较大的两轴间的动力传递。蜗杆传动：蜗杆传动是一种空间齿轮传动，能实现交错角为90度的两轴间动力和运动传递。蜗杆传动与圆柱齿轮传动和圆锥齿轮传动相比具有结构紧凑、传动比大、传动平稳和可以自锁等显著特点。蜗杆传动的主要缺点是:齿面摩擦力大，发热量高，传动效率低。蜗杆传动通常用于中、小功率非长时间连续工作的应用场合。本文所选用的电机都采用了电机和齿轮轮系一体化的设计，结构紧凑，具有很强的带负载能力，但是不能通过电机直接驱动各个连杆的运动。为减小机构运行过程的冲击和振动，并且不降低控制精度，采用了齿形带传动。齿形带传动是同步带的一种，用来传递平行轴间的运动或将回转运动转换成直线运动，在本文中主要用于腰关节、肩关节和肘关节的传动。齿形带传动原理如图2.1所示。齿轮带的传动比计算公式为 (2.1)齿轮带的平均速度为 (2.2)图2.1齿形带传动原理谐波齿轮轮传动：谐波传动包括三个基本构件：柔轮、刚轮和波发生器。如下图所示。三个构件中可以任意固定一个，其余两个一个固定，一个从动，可以实现减速或增速（固定传动比），也可以换成两个输入、一个输出，组成差动传动。谐波传动主要用于军工、精密仪器生产、医疗器械、起重机、机器人等。谐波减速器见简图2.2、2.3。图2.2 谐波传动原理图图2.3 谐波传动减速器机构简图波发生器H是一个杆状部件，其两端装有滚动轴承构成滚轮，与柔轮1的内壁相互压紧。柔轮为可产生较大弹性变形的薄壁齿轮，其内孔直径略小于波发生器的总长。波发生器是使柔轮产生可控弹性变形的构件。当波发生器装入柔轮后，迫使柔轮的剖面由原先的圆形变成椭圆形，其长轴两端附近的齿与刚轮的齿完全啮合，而短轴两端附近的齿则与刚轮完全脱开。周长上其他区段的齿处于啮合和脱离的过渡状态。当波发生器沿图示方向连续转动时，柔轮的变形不断改变，使柔轮与刚轮的啮合状态也不断改变，由啮入、啮合、啮出、脱开、再啮入，周而复始地进行，从而实现柔轮相对刚轮沿波发生器H相反方向的缓慢旋转。谐波齿轮传动的特点如下：1)承载能力高 谐波传动中，齿与齿的啮合是面接触，加上同时啮合齿数（重叠系数）比较多，因而单位面积载荷小，承载能力较其他传动形式高。2)传动比大 单级谐波齿轮传动的传动比，可达 i=70500。 3)体积小、重量轻。 4)传动效率高、寿命长。 5)传动平稳、无冲击，无噪音，运动精度高。6)由于柔轮承受较大的交变载荷，因而对柔轮材料的抗疲劳强度、加工和热处理要求较高，工艺复杂。表2.2列出了各种传动形式的传动效率：表2.2 主要传动形式的效率传动方式传动效率带传动0.90.98链传动0.930.97圆柱齿轮传动0.90.99圆锥齿轮传动0.880.98蜗杆传动0.40.98谐波齿轮传动0.70.9丝杠传动0.850.95本次设计主要采用了齿轮传动和带传动。减速器机构主要为齿轮减速机构和谐波减速器机构。2.3制动器制动器及其作用：制动器是将机械运动部分的能量变为热能释放，从而使运动的机械速度降低或者停止的装置，它大致可分为机械制动器和电气制动器两类。在机器人机构中，学要使用制动器的情况如下：1)特殊情况下的瞬间停止和需要采取安全措施。2)停电时，防止运动部分下滑而破坏其他装置。机械制动器： 机械制动器有螺旋式自动加载制动器、盘式制动器、闸瓦式制动器和电磁制动器等几种。其中最典型的是电磁制动器。 在机器人的驱动系统中常使用伺服电动机，伺服电机本身的特性决定了电磁制动器是不可缺少的部件。从原理上讲，这种制动器就是用弹簧力制动的盘式制动器，只有励磁电流通过线圈时制动器打开，这时制动器不起制动作用，而当电源断开线圈中无励磁电流时，在弹簧力的作用下处于制动状态的常闭方式。因此这种制动器被称为无励磁动作型电磁制动器。又因为这种制动器常用于安全制动场合，所以也称为安全制动器。电气制动器: 电动机是将电能转换为机械能的装置，反之，他也具有将旋转机械能转换为电能的发电功能。换言之，伺服电机是一种能量转换装置，可将电能转换为机械能，同时也能通过其反过程来达到制动的目的。但对于直流电机、同步电机和感应电机等各种不同类型的电机，必须分别采用适当的制动电路。 本文中，该机器人实验平台未安装机械制动器，因此机器人的肩关节和轴关节在停止转动的时候，会因为重力因素而下落。另外，由于各方面限制，不方便在原有机构上添加机械制动器，所以只能通过软件来实现肩关节和肘关节的电气制动。采用电气制动器，其优点在于：在不增加驱动系统质量的同时又具有制动功能，这是非常理想的情况，而在机器人上安装机械制动器会使质量有所增加，故应尽量避免。缺点在于：这种方法不如机械制动器工作可靠，断电的时候将失去制动作用。2.4本章小结本章拟定了机械手设计的总体方案，确定了机械手结构及传动方案,选择了制动器。第3章 机械手零部件选择及计算3.1机械手结构作为一种果实采摘机器人，为完成采摘任务，操作机械手必须有足够的自由度，能够灵活的移动到指定的目标位置来抓取目标物，为此自由度数至少在5以上，该机器人的机械手部分具有6个自由度。下面分别是手部、腕部和臂部结构的具体设计。3.1.1腰部结构工业机器人腰座，就是圆柱坐标型机器人、球坐标机器人及关节型机器人的回转基座。它是机器人的第一个回转关节。机器人的运动部分全部安装在腰座上，它承受了机器人的全部重量。在设计机器人腰座结构时，要注意以下设计原则：1)腰座要有足够大的安装基面，以保证机器人在工作时的整体安装的稳定性。2)腰座要承受机器人的全部重量和载荷，因此，机器人的基座和腰部轴和轴承的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。3)机器人的腰座是机器人的第一个回转关节，它对机器人末端的运动精度影响最大，因此，在设计时特别注意腰部轴系及传动链的精度和刚度的保证。4)为了保证机器人的外部电缆不随机器人的运动而摆动，所以，机器人的外部电缆（机器人与控制器的联接电缆），都是安装在不运动的机器人基座上，并通过机器人腰部传到机器人的各运动关节。因此，机器人的基座与腰部结构要便于电缆的通过，并要解决固定端与运动端的联接问题。5)腰部的回转要有相应的驱动装置，它包括驱动器及减速器。驱动器一般带有速度与位置传感器，以及制动闸。6)腰部结构要便于安装、调整。腰部与机器人手臂的联接要有可靠的定位基准面，以保证各关节的相互位置精度。要设有调整机构，用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。7)为了减轻机器人运动部分的惯量，提高机器人的控制精度，一般腰部回转运动部分的壳体是比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是铸铁或铸钢材料制成。本机械手采用的环形轴承的支承结构。 3.1.2臂部结构手臂部件是机械手的主要部件。它的作用是支承腕部和手部，并带动它们做空间运动。臂部运动的目的:把手部送到空间运动范围内的任意一点。如果改变手部的姿态(方位)，则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右回转和升降(或俯仰)运动。设计基本要求:1)臂部应承载能力大、刚度好、自重轻。臂部通常即受弯曲(而且不仅是一个方向的弯曲)，也受扭转，应选用抗弯和抗扭刚度较高的截面形状。很明显，在截面积和单位重量基本相同的情况下，钢管、工字钢和槽钢的惯性矩要比圆钢大得多。所以，机械手常采用无缝钢管作为导向杆，用工字钢或槽钢作为支承钢，这样既提高了手臂的刚度，又大大减轻了手臂的自重，而且空心的内部还可以布置驱动装置、传动装置以及管道，这样就使结构紧凑、外形整齐。2)臂部运动速度要高，惯性要小。在一般情况下，手臂的移动和回转、俯仰均要求匀速运动，但在手臂的启动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求启动时间的加速度和终止前减速度不能太大，否则引起冲击和振动。为减少转动惯量，应采取以下措施:(1)减少手臂运动件的重量，采用铝合金等轻质高强度材料。(2)减少手臂运动件的轮廓尺寸。(3)减少回转半径。(4)驱动系统中设有缓冲装置。3)手臂动作应灵活。为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。4)位置精度要高。一般来说，直角和圆柱坐标系机械手位置精度高；关节式机械手的位置最难控制，故精度差；在手臂上加设定位装置和检测机构，能较好的控制位置精度。 3.1.3腕部结构 手腕部件设置于手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的位置，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。手腕的运动形式可以有:绕X轴转动称为回转运动；绕Y轴转动称为上下摆动；绕Z轴转动称为左右摆动；有的甚至是沿Y轴或Z轴的横向移动。一般手腕设有回转或再增加一个上下摆动即可满足工作要求。 本文设计的机械手腕部结构，具有一个摆动的自由度和一个旋转自由度，摆动范围为090度，旋转范围为0360度。传动方式选择圆锥齿轮传动，电机置于机械臂内与腕部传动轴垂直。利用电机带动连轴器，连轴器再带动小臂前半段壳体旋转。两自由度手腕足以满足各种工作情况的需要。3.1.4末端执行器的结构 机械手手部(末端执行器)结构形式多样，但总的设计都有如下几点基本要求:1)应具有适当的夹紧力和驱动力，手指握力(夹紧力)大小要适宜，力量过大则动力消耗多结构庞大，不经济，甚至会损坏抓取物体；力量过小则夹持不住或产生松动、脱落。在确定握力时，除考虑抓取物体重量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证夹持安全可靠。 2)手指应具有一定的开闭范围，手应具有一定的开闭角度(手指从张开到闭合绕支点所转过的角度)或开闭范围(对平移型手指从张开到闭合的直线移动距离)，以便于抓取或退出物体。3)应保证抓取物体在手指内的夹持精度，应保证每个被抓取的物体，在手指内都有准确的相对位置。4)要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证自身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。 在这里还必须讨论一下机械手手指数量的问题，不同的手指数量可以完成的动作、动作复杂程度都不同，可以根据机械手必须完成的动作确定机械手所需的最少手指数。一个手指能推、滚或滑动小物体，还可用力操纵开关等；两个手指除具有一个手指的功能外，还能抓住物体并可精确的控制物体的位置和取向；三个手指除能完成两个手指完成的功能外，它还有在手中反复抓握物体的功能，如将物体抛入空中并在新的方向抓住物体；多个手指则具有更大的灵活性，如能抓住和操纵多个物体。对于本文的果实采摘机器人，需要能够剪切下物体即可，控制物体的位置和取向，选择两个手指就可以满足此工作要求，所以在结构上将采用两指。 机械手手部(末端执行器)的传动机构是向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构。3.1.5机械手材料本文设计的机械手臂壳体采用铝合金材料加工而成机械手手臂刚性好、抗扭能力强、重量轻，所有传动机构和驱动装置都置于机械手臂内部，外形简洁；机械手表面还装有缓冲垫，当驱动装置出现故障或供电电池耗尽时，可以起到缓冲作用，避免手臂冲击造成损坏。大臂外壳粘贴的橡胶垫，起缓冲垫作用。小臂与大臂的关节使用圆锥齿轮传动，电动机置于大臂壳体内。3.2腰关节传动系统的设计3.2.1腰关节驱动电机的选择腰关节的传动是由电机通过齿形带，再通过同步带带动腰部及整个机器人本体转动。总的传动比。腰关节驱动电机选择步进电机，型号为:42BYG101；保持转矩：；步距角：；质量:。机器人的受力情况如图3.1所示：图3.1 机器人受力情况腰关节的负载转动惯量（以下所计算的转动惯量均为折算到电机轴上的转动惯量）外部负载的转动惯量:即大小臂、手腕、夹持重物的转动惯量： （3.1）、分别表示同步带和齿轮传动的效率,、把数字代入上式得:=大臂关节传动系统的转动惯量：估算得由谐波减速器的选择知： 假设电机从加速到所用的时间为，则角加速度 （3.2）负载折算到电机轴上的转矩：由电动机的选择知 （3.3）折算到电机轴上的负载转矩电机的额定转矩所以电机的选择符合要求。3.2.2腰部关节传动系统的设计腰部的支承结构：1）采用普通轴承的机器人腰部支承结构。这种结构的优点是构造简单、成本低、安装调整方便。缺点是腰部尺寸较高。2）采用环形轴承的机器人腰部支承结构。环形轴承精度高、刚度大、复合力大、装配简单方便，可以承受径向力、轴向力及倾覆力矩，许多机器人都采用这种轴承作为腰部支承元件。环形轴承种类很多，有用滚球的，也有用滚柱的。在本次设计中采用的正是环形轴承，由于采集机械手对精度要求很高，所以采用这种结构。采用薄壁密封交叉滚子轴承在机械设计手册中查得应该采用的是CRB20025，其参数为，。腰部的传动是由电动机通过谐波减速器的减速后，再带动薄壁密封交叉滚子轴承转动从而使腰座回转体转动，实现机械手的转动。3.3大臂关节传动系统的设计大臂关节的传动主要是由电动机通过同步带与齿轮的啮合带动大臂转动的。大臂关节驱动电机选择步进电机。设物体的最大当量回转半径R =75mm，设末端执行器的最大当量回转半径R=20 mm，回转装置及物体的重心到回转中心的距离R=100mm，腕部惯量折算到负载端，则腕部摆动时其转动惯量： （3.4） （3.5） （3.6）其中：、为物体、末端执行器以及腕部摆动部分的折算质量。设机器人腕部俯仰角速度从 加速到 所需时间 则腕部俯仰角加速度： （3.7）负载启动惯性矩（静摩擦力矩忽略不计）： （3.8）取两级圆柱齿轮传动装置的传动比为2。圆柱齿轮的传动效率均取 。由于进电机不具有瞬时过载能力，故取安全系数为 2（下同），则步进电机输出的启动转矩: （3.9） 所以，选择如下二相混合式步进电机，型号：57BYG306；最大静转矩：；步距角：；质量：。 3.4小臂关节传动系统的设计 小臂关节的传动同样是由电动机通过同步带与齿轮的啮合带动小臂转动的。 初选电机：选择异步电机，型号为42BYG101、保持转矩0.17；步距角: 0.90；质量:。折算到电机轴上的负载静转矩： (3.10) 折算到电机轴上的负载加速转矩： (3.11) (3.12) 为电机的转动惯量： 假设电机从加速到所用的时间为，则角加速度 ）折算到电机轴上的总的转矩+电机额定转矩电机的选择符合要求。3.5手腕关节传动系统的设计3.5.1手腕转动关节的计算手腕转动关节的传动是由电动机通过谐波减速器，再通过齿轮来实现传动要求。总的传动比。1）手腕转动关节驱动电机的选择：初选电机：选择直流伺服电机，型号为SYX-70、 额定功率P=0.1KW、额定转矩,额定转速=3000r/min,峰值转矩=2.4,谐波减速器选择：型号为XB-40,输出转矩T=16,=80,输出转速,重物的最大回转半径,折算到电机轴上的腕部负载静转矩由下式可知 = = (3.13)折算到电机轴上的转动惯量= (3.14)其它传动系统的转动惯量相对于腕部负载的转动惯量很小，所以忽略不计。假设电机从加速到所用的时间为，则角加速度 (3.15) 折算到电机轴上的腕部负载加速转矩 (3.16)所以这算到电机轴上的总的腕部负载转矩+电机额定转矩。电机的选择符合要求。2）手腕转动关节谐波减速器的计算初选谐波减速器：谐波减速器选择型号为XB-40、输出转矩，输出转速，腕部负载静转矩。腕部负载转动惯量 (3.17)假设小臂关节从加速到所用的时间为，则角加速度 (3.18)负载加速转矩 (3.19)总的负载转矩+谐波减速器的输出转矩。所以谐波减速器的选择符合要求。3）手腕转动关节传动齿轮的设计 (1)要求分析主动轮转速:（谐波减速器的输出转速）齿数比 由于谐波减速器输出的转矩为，所以主动轮的转矩也为。(2)选择齿轮材料、热处理方式及计算许用应力主动齿轮：号钢，调质处理，硬度为；从动齿轮：号钢，调质处理，硬度为。确定许用应力：a.确定极限应力和齿面硬度:主动齿轮按，从动齿轮按。查文献得；b.计算应力循环次数N，确定寿命系数、 (3.20)查文献得；c.计算许用应力查文献取， (3.21) = = (3.22)(3)初步确定齿轮的基本参数和主要尺寸选用直齿圆柱齿轮，齿轮精度等级选用8级初选参数：、由于选用软齿面齿轮，所以 (3.23) = ，取标准模数。 ，(+)， ，取， 。(4)验算齿轮弯曲强度条件按弯曲强度条件验算查文献得，取。计算弯曲应力计算结果表明该设计满足强度要求。直齿圆锥齿轮的设计：圆锥齿轮起到换向作用，传动比i=2，轴交角齿轮均选用号钢并调质处理，强度，取硬度为。齿轮加工精度为 级。通过计算得出下列结果：表3.1 手腕回转圆锥齿轮的计算结果参数mm mmmmmm手腕回转二级传动锥齿轮一手腕回转二级传动锥齿轮二3.5.2手腕摆动关节的设计及计算手腕摆动关节的传动是由电动机通过谐波减速器，再带动整个手腕的转动。总的传动比，其中。1)手腕摆动关节驱动电机的选择初选电机：选择直流伺服电机，型号为SYX-70、额定功率、额定转矩、额定转速、峰值转矩。谐波减速器选择：型号为XB-40、输出转矩、输出转速。设法兰盘及重物的最大回转半径。折算到电机轴上的腕部负载静转矩：折算到电机轴上的转动惯量：其它传动系统的转动惯量相对于腕部负载的转动惯量很小，所以忽略不计。假设电机从加速到所用的时间为，则角加速度折算到电机轴上的腕部负载加速转矩所以折算到电机轴上的总的腕部负载转矩+电机额定转矩。电机的选择符合要求。2)手腕摆动关节谐波减速器的计算手腕摆动关节的谐波减速器的计算和前面所说的内容非常相似，这里不再详细算。谐波减速器选择：谐波减速器选择型号为XB-40，输出转矩T，输出转速。经过计算符合使用要求。3.6本章小结本章对机械手的结构：腰部结构、臂部结构、腕部结构、末端执行器的结构进行了确定，选择了铝合金作为机械手的材料，对腰关节传动系统，大臂关节传动系统、小臂关节传动系统、手臂关节传动系统进行了设计。第4章 机械手切断刀具(末端执行器)的设计4.1机械手切断工具的设计机械手切断刀具是电机通过谐波减速器，带动法兰盘做转动，最后使连杆作圆周运动，从而实现了机械手的剪切运动。手指是直接与工件接触的部件。手指松开和夹紧工件，是通过手指的张开与闭合来实现的。传动机构是向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构。根据手指开合的动作特点分为回转型和平移形。本文采用回转型传动机构。图4.1为初步设计的机械手机构简图（只画出了一半，另外一半关于中心线对称）。图4.1 机械手机构简图在图4.1中，O为电机输出轴，曲柄OA、连杆AB、滑块B和支架构成曲柄滑块机构；滑块B、连杆BC、摇杆CE和支架构成滑块摇杆机构。通过两个机构串联，使电机最终驱动DE的来回摆动，从而实现手指的开合运动。图4.1中的分别表示机构运行的两个极限位置。为便于手指的顺利合拢，可以在两个手指之间设置一个弹簧，这样还可以提供适当的夹紧力。另外，在选用电机的时候，要使电机的功率足以克服弹簧的收缩和张开，并且提供足够加紧物体的力。选电机：选择直流伺服电机，型号为MULTIPLEX STELL-SERVO、额定电压、额定转矩、额定转速。4.2本章小结本章对机械手的切断工具进行了设计。结 论我所做的课题是小浆果采摘机械手设计，选用的是关节型机器人。本次设计完成的工作如下：1)利用图书馆的存书和网络，搜索相关方面的知识，结合生产实习和毕业实习的经验进行综合比较之后，选定设计方案。2)采摘机械手部分的设计。包括大臂、小臂、腕部、末端执行器具体结构的计算和设计。3)腰部转动关节的设计和计算。4)利用CAD设计软件画出装配图以及部分重要零件的展开图。 同时，由于我知识量的限制，且时间仓促，本设计还存在一些缺陷，希望在今后的学习工作中加以改进。参考文献1 徐灏.机械设计手册J. 北京:机械工业出版社，2007.2 殷玉枫.机械设计课程设计J.北京:机械工业出版社，2006.3 濮良贵，纪名刚.机械设计M.北京:高等教育出版社， 2006.4 吴宗泽.机械设计师手册（上下册）J.北京:机械工业出版社，2004.5 周开勤编 .机械零件手册J. 北京:高等教育出版社，2004.3.6 周伯英.工业机器人设计M.北京: 机械工业出版社，2005.6.7 龚振帮.机器人机械设计J .北京: 电子工业出版社，2004.8 (日)藤森洋三.机构设计J. 北京:机械工业出版社，2006.9 (日)加藤一郎.机械手图册M.上海：上海科技出版社，2007.10 黄继昌，实用机械机构图册J.北京:人民邮电出版社，2006.11 索罗门采夫.工业机器人图册J. 北京:机械工业出版社，2005. 12 周伯英.工业机器人设计J.北京 机械工业出版社，2006.13 郭洪红，贺继林，田宏宇，席巍.工业机器人技术M.西安电子科技大学出版社，2006.14 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