柑橘采摘机器人的结构设计说明书

柑橘采摘机器人的结构设计柑橘采摘机器人的结构设计摘要果实采摘是农业生产中的一个重要环节，需要大量的采摘人员，但由于农村人口城市化，农业从事人员的数量不断下降，人力成本不断上升，国内外都已经研发了许多的采摘机器人来解决这一问题。本课题设计的采摘机器人主要是针对柑橘树之类的果树，对采摘机器人的机械臂和末端执行器的结构进行设计。首先确定了机器臂的类型和设计的总体方案，再对机器人各部分进行受力分析计算，选择适合的电机和减速器，设计相关传动轴并进行校核，设计了相关的传动结构。根据电机和减速器的连接和固定，设计了机械臂的腕部、臂部和底座结构。关键词：柑橘采摘；结构设计；农业机器人Structure design of citrus picking robotABSTRACTThe fruit picking is an important part of agricultural production, it needs a large number of workers. However, due to the urbanization of the rural population, workers of the fruit picking is continuously declining and the labor cost is constantly rising. Different kinds of picking robots have been designed to solve this problem all around the world. The picking robots developed in this project is aimed at picking citrus trees alike so that the design of structures of the mechanical arm and end effector of the picking robot is of great significance in this project. First, determing the type of the robot arm and the overall design of the robot.Then, performing the force analysis and calculation of each part of the robot and selecting appropriate motor and reducer,designing and checking the relevant transmission shaft, relevant transmission structure is developed as well. At the same time, according to the connection and fixation of the motor and reducer, the arm, and base structure of the arm are designed.Key words：Citrus picking; Structure design; Agricultural robot目录1绪论11.1研究的目的及意义11.2国内外采摘机器人的研究现状21.3机械臂与末端执行器的现状51.4本课题主要设计内容61.5本章小结62总体方案设计72.1引言72.2柑橘采摘机器人的技术要求72.3机器人的构型选择72.4总体方案的选定92.5机械臂的传动原理102.6本章小结123.末端执行器的设计133.1切割电机的选择133.2气缸的选择143.3末端执行器的结构设计143.4本章小结154腕部的结构设计164.1腕部机构设计的要求164.2腕部旋转关节的结构设计164.2.1旋转关节驱动电机的选择164.2.2腕部旋转关节的结构设计174.3腕部俯仰关节的结构设计184.3.1俯仰关节驱动电机的选择184.3.2腕部俯仰关节的设计184.3.3带轮的设计194.3.4传动轴的设计和校核204.4本章小结225臂部的结构设计245.1手臂的设计要求245.2小臂的设计255.2.1小臂驱动电机的选择255.2.2小臂的结构设计265.2.3小臂驱动电机的选择275.2.4齿轮的设计与校核285.2.5小臂输出轴的设计与校核335.2.6小臂的结构设计355.3小臂刚度校核355.4大臂的设计365.4.1大臂驱动电机的选择365.4.2大臂的结构设计385.5本章小结396底座的设计406.1底座电机的选择406.2轴的设计416.3底座的结构设计426.4本章小结437总结44参考文献45致谢471绪论1.1研究的目的及意义随着科技的不断发展，机械化种植已经在逐步替代传统的依靠人工的农业种植方式，农业生产已经发生了重大的改变。近年来，电子技术和计算机技术的飞速发展，原本用于工业的机器人已经走向农田，已经在农业生产中发挥了极其重要的作用，现在可以通过机器人来实现农业上的移栽、嫁接、除草、采摘和果蔬分离等作业。根据相关统计表明：由于人口老龄化以及农村的青年人都在去城市打工，从事农业方面的工作的人数在减少，而农业生产也逐渐规模化、多样化，劳动力也越来越缺乏。在果园种植中，仅仅果实采摘时需要大量劳动力，平时却不需要，部份种植园难以找到足够的临时从业人员，无法及时采摘，造成经济损失。即使有足够的临时劳动力，但他们由于不熟悉工作，这将会加大果实在采摘过程中的损伤几率。相关资料表明：果实采摘的花费已经占据了整个农业种植生产费用的40%以上，甚至有部分种植园已经达到50%的程度。为了降低种植的成本，从而提高农民的收入，研究和发展采摘机器人已经是农业发展的重要一环。采摘机器人是现代农业发展出来的一种能代替人工自主采摘果实的智能化、机械化和精准化的设备。但我国的农业机器人起步较晚，发达国家早在上世纪六十年代就已经开始对于农业机器人的研究，各发达国家在八十年代就纷纷结合自身的实际情况，研究相关的农业机器人，国内的农业机器人是在上个世纪九十年代的中期才开始的，发展得比较晚，与发达国家相比，还存在着明显的差距。但随着中国的经济和科技蓬勃发展，尤其是国家在政策上不断的扶持和引导农业的机械化、智能化，为农业机器人的发展提供了一片良好的土壤。我国是世界上第一水果大国，我国的水果种植面积大约有800万公顷，占全球的果树种植总面积的21%左右；水果年总产量超过了5900多万吨，占世界所有的水果的总产量的13.4%，这两项指标都是排在全世界的第一。而柑橘营养丰富，深受人们的喜爱，我国的柑橘资源非常丰富，国家柑橘资源圃保存一千两百多份资源。在生产上栽培主要有柑橘属以及少量的金柑属、枳属。我国的柑橘主要种植在广东、湖南、四川、重庆、浙江、广西、福建、湖北、江西等九个省（区、市），产量占全国的90%以上。柑橘种植时一般都是种植园大量种植，采摘时间在十月到十二月之间，采摘方式主要还是以人工采摘为主。由于柑橘树属于小乔木，分枝多，枝扩展或略下垂，刺较少，采摘时为了保证柑橘的储存，需要将柑橘果实以及其小截果柄保留，而不是果实与果柄分离，这就是需要较大的分离力，从而导致人工长时间的采摘会出现疲劳，采摘效率下降。为了保证柑橘的新鲜，果农需要在很短的时间内采摘完柑橘，采摘强度大，效率低，而人力劳动成本在不断的上升，又无法通过大量增加人手来完成柑橘的采摘。人们需要在农业方面开发出代替手工的自动化设备，而作为集机械、电子、控制、计算机、人工智能等很多歌不同的学科的先进的技术集合在一起的现代自动化装备，机器人显然为降低劳动力成本提供了最佳的选项，不仅可以提高机械化水平，缓解劳动力不足，还可以避免因人工采摘带来的交通事故和人身安全问题。随着农业生产发展更加规模化和多样化，发展果树采摘机器人研究是历史走向的必然趋势，有着非常重要的意义。1.2国内外采摘机器人的研究现状1968年，著名的美国学者Schertz和Brown提出了采摘机器人的思想，1983年，第一台采摘机器人在美国诞生了，往后的几十年里，美国、日本、英国、法国、韩国、荷兰等都相继开始采摘机器人的研发。日本岗山大学的Kondo研发了一种主要由机械臂、末端采摘执行器、行走的小车、视觉系统和控制部分组成的番茄采摘机器人，其机械臂拥有七个自由度如图1.1所示。图1.1 番茄采摘机器人的结构简图柑橘采摘机器人的结构设计它采用由一个能够提供彩色摄像的摄像头和一个图像处理的集成卡组成的视觉系统来找到成熟的番茄。考虑到番茄的果实很多时候会被番茄的叶茎挡住，采摘的机器人为了能够灵活避开树枝或者其他的障碍物，因此采用采用具有冗余度的7自由度的机械臂。此外,他们为了减少对果实的伤害，将其末端执行器的机械手抓配带上2个带有橡胶的手指和1个气动吸嘴，利用机械手的腕关节把果实从番茄树上拧下。移动的小车有4个车轮，能都自由的在田间行走，他们利用机器人上的一些传感器和原本就设置好的,放在地上的反射板，可检测有没有到采摘的地方，到了之后小车就停下来，掉头后再前进。这个番茄采摘机器人从识别番茄到将番茄采摘下来的速度大约是15s左右，采摘的成功率在70%左右。有30%左右的番茄没有被采摘的主要原因是番茄被枝叶密密麻麻的包围了，机器臂还是不能避开这些枝叶去采摘番茄。因此还需要在机器手的结构和采摘的工作方式等方面加以改进，另外,机器人的采摘速度还需要提高，只有降低机器人自动化收获的成本，才能真正的达到实用化。图1.2 西红柿采摘机器人韩国的一些单位也对番茄的采摘机器人进行了一些设计和研究，该机器人的检测原理是对西红柿的颜色进行判别，根据西红柿的红色深浅差别来区分果实是否成熟，有选择的摘取成熟的西红柿。由于该机器人的工作效率低，未能形成产品，用于实际生产中。美国加利福尼亚州的西红柿机械设计公司研发了一种不需要机械臂的采摘机，它是将整个的西红柿都卷入到分选仓里面，包括西红柿的茎叶，仓内有红色视谱的分选设备，他能将红色的西红柿挑选出来，并通过输送带运送到卡车的车厢里，剩下未成熟的西红柿和西红柿的茎叶将放入粉碎机构中进行粉碎，之后喷洒在农田里作肥料。如果种植的西红柿产量足够高的话，这种西红柿采摘机一分钟能采摘一吨多的西红柿，一个小时能采摘70吨的西红柿。英国的Silsoe研究所设计的蘑菇采摘机器人，他可以非常自动化的检测到蘑菇的位置和大小，然后又选择的去修剪和采摘蘑菇。虽然它只有三个自由度，移动关节是使用气动装置驱动的和旋转关节则是采用电机来驱动,这样的设计非常简单,成本也比较低。由于蘑菇生长中会出现倾斜的情况，机器人的采摘成功率只有为75%左右，采摘速度是6.7个/s。荷兰和日本都对黄瓜采摘机器人进行了研究设计。日本研发的黄瓜采摘机器人拥有六个自由度，能够在专门为采摘机器人设计的倾斜大棚下采摘，由于大棚支架是倾斜的，黄瓜的茎叶都缠绕在支架上，而果实较重，在重力的作用下与茎叶分离，再通过摄像头采集图像，这个检测装置是根据反射特性来分别出黄瓜和茎叶。末端执行器上有一个用于探测果梗到底在哪的探测器、切断的设备和用来抓紧黄瓜的机械手指。荷兰的农业环境工程研究所也在九十年代的时候研发了一种黄瓜的采摘机器人，该机器人要求黄瓜必须要按照高挂线缠绕方式悬吊生长，该黄瓜采摘机器人由一个移动小车、机械臂、视觉系统和末端执行器4部分组成。采摘机器人可以在无人帮助的情况下自行在温室中工作，在研究实验中，工作速度为54s/根，由于只能做到每个机械臂每次只能采摘一根黄瓜，效率无法达到商用的要求，且对黄瓜的前期培养环境有较高的要求，因此并未形成产品。我国是在上世纪的九十年代中期才开始农业机器人的研究，与发达国家相比，起步较晚，但经过多年来各个研究机构和院校的努力发展，已经取得了一些可喜的成果。东北林业大学的陆怀民设计了一种林木球果实采摘机器人，主要是由一个有五个自由度的机械臂、一个移动小车、液压系统和控制系统组成，采摘时，机器停留在距离果树35米处，然后通过控制系统控制机械大臂和小臂同时运动，让末端执行器上升到一定的高度，机械手爪张开并不断的摆动，从而能够对准被采摘的树枝，然后手抓开始沿着树枝的生长方向靠近一定的距离。采摘爪开始夹拢果树的树枝，然后大小臂带动着机械手抓原路返回，把树枝上的果树采摘下来，这样子就完成一次采摘这个机器人的采摘效率是500kg/天，人工采摘只有10多千克一天，就是说机器人是人工采摘的3050倍，而且采摘时能采摘得比较干净，对果树的伤害小。我国研究的苹果采摘机器人主要由两部分组成：两自由度的移动车和五自由度的机械臂，移动车由于在田间行动，采用的是履带式平台，再在平台上加装了PC 主机、电源箱、用于辅助采摘的装置以及一些传感器；五自由度的机械臂是采用各自由度单独的的驱动装置进行驱动，机械臂固定在移动小车上，采摘机械臂采用的结构是PRRRP结构，作业时，将末端执行器安装在机械臂上。国内在西红柿采摘机器人上也做了研究，浙江大学的梁喜凤，根据西红柿的一些生理特性，研发了能在温室中使用的西红柿采摘机器人，该机器人也是七个自由度的冗余机械臂。南京农业大学的张瑞合、姬长英等在西红柿采摘中为了确定西红柿在空间中的位置，运用的是双目立体视觉技术来定位，根据实验数据，当摄像头距离西红柿的距离在300400mm之间时，空间深度的误差能保证在3%5%之间。1.3机械臂与末端执行器的现状机械臂是模拟人的上臂而构成的，根据结构形式的不同分为多关节机械手臂，直角坐标系机械手臂，球坐标系机械手臂，极坐标机械手臂，柱坐标机械手臂等。从机械臂的发展状况来看可分为三代机械臂。（1）第一代机械臂，就是按照一开始教给通过人手来操控到达的位置和姿态，然后让其重复的进行着这样动作的一种机器，现在常见的、正在使用的大多数机械臂都还是在使用这种工作方式，但应用范围有限，主要用于材料的搬运、喷漆、电焊等工作。（2）第二代机械臂，是那些具有如听、视、触等感觉的外部感觉功能的机械臂。这种机械臂之所以具有外部的感觉功能，是因为安装了相关的传感器，因此机械臂可以根据从外界的采集到的一些信息，再根据设定的程序修改自身的动作，从而完成相关的作业。（3）第三代机械臂，这种机械臂不仅是有了外部感觉功能，而且还具有一定的思考的能力。所以能够在外界的变化的时候也作出相应的变化，然后自己判断进行的工作。关于末端执行器的设计，由于果实的形状、大小和生长情况不同，采摘要求也各不相同，针对不同的果实，需要用不同的采摘方法。不同的采摘方法导致末端执行器的结构和工作原理都大不相同。对于一些果实，需要充分考虑其生长情况和采摘要求，选择合理的果实与果柄分离的方式。此外，还要在保证采摘率和果实完好率的前提下，尽可能的降低成本。国内外主要采用的抓取方式有吸盘吸取、机械手指抓取两种方式。吸盘吸取是当机械臂将吸盘靠近果实后，吸盘将果实吸取过来，并不需要其他的方式抓紧。吸盘吸取方式适合用于生长相互毗邻的果实，它能实现对果实的单个抓取，减少对毗邻果实损伤的可能。但这种方式对果实的形状要求相对较高，如果果实形状不规则，那将导致吸盘吸力不够，无法抓紧果实。如果是重量较大的果实也不适合选择吸盘吸取果实的方式。机械手指抓取则是使用一个小型的气缸或者的直线电机驱动，经过一系列的连杆传动，将直线运动转换成控制机械手指张合的往复运动，通过控制气缸或者电机来控制抓紧和松开果实。果实的采摘的方法常用的有旋转拧断、剪切裁断和圆盘锯断等几种方法。旋转拧断是指吸盘或者抓手将果实抓牢后，控制整个末端执行器进行旋转，拧断果柄，但这种方法不适合用在果柄韧性比较好的果实上，而且有可能出现未能拧断果实就将果实抓走的情况，导致损伤果实。如果用在西红柿等果皮比较脆弱的果实上，那么拧断时有可能损坏果实，增大果实的破损率。剪切裁断是指使用类似于剪刀的两块刀片，将果梗剪断，需要较大的剪切力。圆盘锯断是使用电机带动一个圆盘齿形锯，使用较高的转速将果梗锯断，不需要很大的剪切力就能成功锯断果梗，而且成功率和效率都能达到预期的要求。1.4本课题主要设计内容机器人的总体方案设计。分析柑橘的重量、小臂臂长、离地高度等对机器人的运动方式进行了限制，最终确定柑橘采摘机器人的总体结构设计方案：底座结构的设计。根据之前的总体方案，对底座的结构进行相关设计，包括底部底盘的设计和腰部回转机构的设计，对关键零部件进行校核计算；手臂结构的设计。根据总体方案，对臂部机构进行设计，包括大臂和小臂的结构进行设计，对关键的零部件，如传动轴等进行校核计算；腕部的结构设计。根据总体方案，对腕部的外部形状、内部结构和相关驱动元件的安装位置进行设计，对关键零部件进行校核计算。末端执行器设计。根据总体方案，对末端执行器的外部形状、内部结构相关驱动元件的安装位置和抓取机械手指进行设计，选择合适的执行气缸。1.5本章小结本章主要对国内外的采摘机器人的发展现状和今后的发展趋势作了简单的介绍，说明了采摘机器人对于发展新时代的农业的重要作用和意义，简单说明了目前国内外采摘机器人的末端执行器主要用那些结构和工作原理，结合国内外的研究现状，提出了本课题的主要设计内容。2总体方案设计2.1引言采摘机器人的机械臂应该不仅仅是要重量轻、能够负载较大的重量和模块化的特点，由于柑橘采摘机器人一般都是用于农业的种植园的，需要在户外使用，因此还要机器人可以具有能够比较快的修理好机器人故障的部分，能够防止一定的水和尘土的干扰。本章针对课题提出了柑橘采摘机器人机械臂的一些要求，分析确定了机械臂的合理结构，介绍了机械臂有几个关节的相关设计，此外，本章还确定了机器人的相关传动方案。2.2柑橘采摘机器人的技术要求本章节是根据上述的工作要求来决定的，最终确定了以关节型机器人作为本次设计的研究对象，设计了底座、大臂、小臂以及腕部结构，并要求了柑橘采摘机器人的总体尺寸、运动的各个机械臂的大概重量及工作时能达到的相关运动特性等指标。具体的一些指标如下述：（1）底盘回转机构转动范围180，转动速度为15/s；（2）大臂俯仰转动范围60，转动速度为20/s；（3）小臂俯仰转动范围75，转动速度60/s；（4）小臂旋转转动范围180，转动速度90/s；（5）腕部俯仰转动范围90，转动速度90/s；（6）腕部旋转转动范围180，转动速度180/s；（7）末端执行器采摘果实的重量为150g左右，果实对末端执行器的作用力0.15N。2.3机器人的构型选择常见的机器人根据手臂的动作形态，按坐标形式大致可以分为4种：直角坐标型；圆柱坐标型；球坐标型；多关节型。直角坐标型机器人，在X，Y，Z轴上面的运动都是互相之间不会干扰到另外一根轴的，所以它具有三个相互独立的移动关节，如图2.1所示。图2.1 直角坐标型圆柱坐标型机器人，是坐标系的三个坐标，其中机械手臂的长度是R,手臂的角位置应该是，在垂直方向上的位置是X。具有两个移动关节和一个转动关节。如图2.2所示。图2.2 圆柱坐标型球坐标型机器人的的坐标系的三个坐标，其中是绕着最下面的底座垂直轴的转动角，是手臂在水平垂面内的一个摆动角度，这种机械臂运动的轨迹表面是半球面，球形的机器人具有两个转动的关节转动副和一个移动关节的。如图2.3所示。图2.3 球坐标型多关节型的机器人是工业或者农业机器人中用得最多的一种结构形式，它是一节节的传动下去的，下一个传动机械臂是依靠上一个机械臂的位置来进行定位的，一般情况下，机械臂的关节都是转动型关节，多关节型机器人一般是拥有六个自由度的，这能保证末端执行器到达工作范围内的各个地方，如图2.4所示。图2.4 关节型根据技术指标要求和具体实际情况，选择的是多关节型。在柑橘采摘机器人工作过程中，最重要的就是要让机器人能都靠近果实，并采摘下来，而柑橘在果树上是随便生长的，无法保证其生长的位置，因此需要机器人能够尽可能的到达工作范围能的所有位置，因此选择多关节型的机器人，他可以通过大臂和小臂的俯仰运动来达到靠近工作范围内的没一个位置的能力。而为了能到达空间中的每一个位置，一般机器人都有六个自由度，也有一些工作中不需要那么多个自由度就可以完成工作的，因此，为了机器臂的刚度和成本的原因，有一些机器人也是小于六个自由度的，而还有一部分工作情况复杂的，为了能够避开一些障碍或者其他的原因，也有多余六个自由度的机器人。2.4总体方案的选定确定采摘的柑橘的重量：本次设计的柑橘采摘机器人要求可以采摘柑和橘两个品种的果实。柑橘品种品系甚多且亲系来源繁杂，有来自自然杂交的，有属于自身变异，也有多倍体的。根据相关资料表明：柑橘有年橘（果扁圆形，果顶部中央微凹，重5065克）、广东蜜柑（果扁圆形，或蒂部隆起呈短颈状的阔圆锥形，顶部平而宽，中央凹，有浅放射沟，纵横径5.16.1厘米6.17.8厘米，重136157克）、冰糖橘（果扁圆形，顶部浅凹，蒂部微凸，纵横径3.84.2厘米 4.85.5厘米，重53.262.3克）、九月黄、（果扁圆形。果顶微凹，有小突柱，果基有细肋纹，纵横径约3.5厘米4.5厘米，重46-52克）、朱砂橘（果扁圆形，果顶稍凹，有时有小柱突，纵横径35厘米46.5厘米，重40-70克）、洞庭红（果扁圆形，果顶略凹，无柱突，纵横径2.54.5厘米3.55.5厘米，重40-60克）、南丰蜜橘（果扁圆形，果顶平或微凹，有小柱突或无，果蒂部常隆起，有肋纹，或平而无肋纹，纵横径2.8-3.8厘米3.9-5.0厘米，重25-50克）、福橘（果扁圆形，果顶部凹陷，蒂部四周常有放射沟，纵横径5.8-6.0厘米6.4-7.5厘米，重100-140克）等等诸多柑橘品种，经过统计柑橘的大概重量在150克左右，因此将本次设计采摘的柑橘重量定位150克。驱动方式：因为电机驱动能够很好的控制，控制的灵活性强，能够对速度、位置进行精确的控制，对环境基本上没有影响，体积相对小，传动的效率高，在对于运动控制要求比较严格的中、小型机械臂中比较适用，因此本次设计主要采用了电机驱动。腕部关节的自由度对精度的要求较低，考虑到经济适用上的问题，选用小功率、低转矩的步进电机，小臂俯仰关节、大臂俯仰关节和底盘的旋转关节由于与果实距离较远，且转矩较大，对于精度要求要更高一些，因此选用交流伺服电机。传动系统设计：机器臂传动设计中，我们应该尽的让这个机械臂的结构要紧凑、变得更轻、转动惯量和体积小，在传动过程中要考虑采用消除齿轮之间、轴承的间隙等的措施，以提高机器臂的运动和位置控制精度。在机器人中常采用的机械传动机构有齿轮传动、带轮传动、滚珠丝杠直线传动、同步齿形带传动、链传动、行星齿轮传动和谐波齿轮传动等。本次设计涉及的各个关节都有各自的特点，适当地选择传动机构有着重要的意义。例如在底盘旋转中选用行星齿轮传动来保证足够的转矩；在腕部俯仰关节中用楔带传动使驱动电机的布局更加合理、美观。工作范围：柑橘采摘机器人的工作范围是根据柑橘果树的机械臂作业过程中操作范围和运动轨迹来确定，用工作空间来表示的。工作空间的形状和尺寸会对机器人的结构坐标形式、自由度数、机械臂的长度和每个关节的旋转角度范围产生影响。2.5机械臂的传动原理本次设计的柑橘采摘机器人机械臂具有六个自由度，其传动结构如图2.5所示图2.5柑橘采摘机器人结构简图将整个机械臂分为五个部分：底座：主要是支撑整个机械臂，包括上下底盘、伺服电机、RV减速器、轴承和法兰盘。底座承载了整个机械臂的重量，因此需要有足够的强度、刚度和承载能力。此外，底座设计还需要考虑到与移动小车能够紧密的连接起来，足够方便、快速。臂部：包括大臂、小臂、小臂、连接法兰、伺服电机、传动轴、传动齿轮、RV减速器、减速器等。机器人的手臂是用来连接各个关节的，将动力传递下去。农业机器人在果林里，树枝较多，而机器人的手臂对强度和刚度的要求都较高，因此采用高强度的铝合金来做机器人的臂部，一般高强度的铝合金的的密度是2.73g/cm3。此外，由于采摘机械臂是暴露在室外工作的，因此本次设计时，尽可能的将腕部的电机安装在机械臂内部，而在小臂、大臂和底座的电机则可以根据实际情况决定是否在外部增加保护罩。对于电线和气管也尽量将其从机械臂的内部穿过，减少被树枝等损伤的可能。腕部：包括手腕的壳体、传动轴、传动带轮等。末端执行器：包括机械手抓、气缸、传动拉杆、外壳和切割电机等。末端执行器可能需要穿过一些树枝来摘取果实，所以要求结构紧凑、体积小。末端执行器的主要作用就是抓住果实，然后将果实从果树上完好的采摘下来，这需要两个驱动器分别驱动，对于抓取果实的驱动器，由于抓取果实时需要一直保持一定的抓紧力，而且仅有机械手抓的开合两个短距离的运动，所以适合使用气缸驱动。气缸驱动能平稳的控制机械手抓的开合，仅需要一下简单的拉杆传递动力就能将气缸的直线运动转换为机械手抓的开合动作。如果使用电机驱动，转换较为复杂，使用直线电机的成本较高，因此选择使用气缸驱动。采摘果实方式选择使用电机带动圆盘齿形锯，将果梗锯断达到采摘的目的。2.6本章小结本章的内容主要是通过对柑橘采摘机器人的结构进行分析，从而确定了柑橘采摘机器人的技术指标，选取了动作灵活、运动惯性小、通用性强的关节型机器人设计，本文选用的柑橘采摘机器人的结构设计方案为模块化的这种结构，就是将柑橘采摘机器人的每一个关节都设计成一个机电一体化的小模块，在传动机构的方案里，采用了较为熟悉的齿轮传动。在确定了柑橘采摘机器人的总体设计方案后，还对柑橘采摘机器人的底座、手臂、手腕和末端执行器等各个部分的设计要求进行详细规划。553.末端执行器的设计3.1切割电机的选择从网上了解的资料选择的切割圆盘齿形锯的直径为50mm，厚度为0.8mm，材质为高速工具钢 W9Cr4V，密度为8.3g/cm3，重量为13g，额定转速定为800r/min，将齿形锯看成是扁平状圆柱。则驱动力矩为：查取转动惯量公式有：所以取安全系数K=1.2经查资料，选择了性能优秀的42系列两相大力矩混合式步进电机，型号是HSTM42-0.9-S-47-6-0.4，电机额定转矩为0.311Nm，额定转速为600r/min，将圆盘矩形齿通过螺钉与电机的输出轴连接固定。切割电机的安装和放置如图3.1所示图3.1 切割电机的安装图将切割电机安装在一个特制的支架上，同时将切割的锯片通过螺钉安装在电机的传动轴上，锯片外设计了一个D型的保护盒，使锯片仅用于切割的那部分暴露在外面。放置启动时伤害到其他枝叶或者电线。保护盒通过三颗螺钉安装在电机支架上。支架通过螺钉和垫片固定在末端执行器的上盖。3.2气缸的选择根据采摘的柑橘只有150g左右的重量，选用气马达来驱动机械手抓。气马达具有操纵简单，维修简单，环境对气马达的影响较小，而且不会因为过载而发生故障，启动和停止迅速的优点。根据设计要求，本次选择的安装在末端执行器上的气缸要体积小，而且质量轻，因此查阅资料后选择ISO-6432标准小型圆形，直径为8mm的双作用气缸。作用杆一端有一截的螺纹和一个螺母，通过和拉杆的螺孔配合，调整到一定的位置，作用杆在完全伸出时能使机械手抓完全张开，靠近柑橘，作用杆收缩后能抓紧柑橘，调整好后使用螺母锁紧。气缸的安装是通过四个耳部的通孔，使用螺栓将气缸固定在末端执行器的底盘上。3.3末端执行器的结构设计根据上述要求，设计出符合要求的末端执行器结构，如图3.1所示。图3.1 末端执行器结构图执行气缸推杆通过螺纹与一个栏杆相连接，拉杆通过轴销与拉杆传动，拉杆再分别通过轴销与机械手抓连接。拉杆传动如图3.2所示图3.2 拉杆传动图拉杆带动机械手抓前后移动，机械手抓受到末端执行器下底盘的结构限制，无法垂直的前后移动，需要将手抓张开和合拢才能移动。因此达到了机械手抓的开合动作。3.4本章小结本章主要是阐述了用于切割柑橘果梗的切割电机进行了初步选择的计算，确定了电机的型号，选择了合适的气缸用于驱动机械手抓，通过拉杆的设计和连接从而达到控制机械手抓的开合动作，对末端执行器的结构进行了设计，末端执行器使用螺钉与法兰连接，便于更换。在必要时候，机械臂可以安装其他不同的末端执行器，可以用于进行其他的作业。4腕部的结构设计4.1腕部机构设计的要求在本次柑橘采摘机器人的设计中，机器人的腕部的设计是一个很重要的设计，因为这部分需要将末端执行器和小臂的连接部分，采摘机器人的手腕不仅要支撑住末端执行器，还要和小臂一起完成任务，达到相关要求。因此，腕部的机构设计在整个柑橘采摘机器人的结构设计中占据了及其重要的一部分。本次设计对腕部需要达到的以下的要求：柑橘采摘机器人的腕部的机构要足够紧凑、尽可能的减少不需要的结构，减轻重量；电机和轴承等的分布要合理；需要考虑环境问题。根据本次设计的思路，柑橘采摘机器人的主要是在种植园里面，环境对机器人的影响还是比较小的，但是需要考虑到是在户外工作，且维修不方便，因此要保证机器人能快速更换故障部件，重新恢复工作的能力，还要有一定的进行防尘防水能力。根据本次设计的柑橘采摘机器人的要求，考虑到柑橘生长情况的不确定性，为了保证能最大限度的采摘完柑橘树上的果实，在腕部设计两个自由度，一个为俯仰关节，一个为旋转关节。俯仰关节主要用于调整角度，使机械手抓能尽可能避开其他障碍物，抓取到果实。旋转关节的设计是考虑到柑橘生长的位置、角度各不相同，保证圆盘齿形锯能准确无误的切断果梗，提高采摘成功的几率。4.2腕部旋转关节的结构设计4.2.1旋转关节驱动电机的选择末端执行器重约3kg，长250mm，采用的高强度铝合金密度为2.73g/cm3，把执行器看成一个圆柱，可算出执行器半径额定转速定为，驱动力矩为：查取转动惯量公式有：所以取安全系数K=1.2经查资料，选择了日本东方马达公司的步进电机，型号是PKP214D06A，电机额定转矩为0.036Nm，额定转速为30r/min，无需减速机构便可直接用电机带动。4.2.2腕部旋转关节的结构设计六轴旋转结构需要带动末端执行器旋转，需要的转矩较小，使用电动机通过带颈法兰盘与末端执行器连接，电动机直接固定在支架上，通过螺纹与法兰盘连接传动，为了保证对末端执行器的支撑，在电机轴外设计安装了一个深沟球轴承。腕部旋转关节结构如图4.1所示图4.1 腕部旋转结构4.3腕部俯仰关节的结构设计4.3.1俯仰关节驱动电机的选择为了方便计算，将执行器和旋转关节看成是一个整体，重量为8kg，长度为L1=360mm，质心到轴的距离为200mm，因此L=200mm，柑橘的质量为150g左右,所以腕关节转动时候所需要的转矩为：将腕部俯仰关节的转动速度假设是：代入数据得：本次设计的安全系数取1.2，则：经查阅电机的相关资料，电机定为日本东方马达公司的步进电机，型号是PKP268D28A-L，额定转速为30r/min，额定转矩2.3Nm。4.3.2腕部俯仰关节的设计考虑的腕部靠近果树，如果将电机直接暴露在外面，不利于电机的保护，因此将电机安装在小臂内部，通过楔带传动。设计结构如图4.2和图4.3所示。图4.2 腕部俯仰关节俯视图图4.2 带轮传动主视图4.3.3带轮的设计根据机械臂的尺寸和传动带的速度要求，选择JB/T5983-1992多楔带传动。带轮的材料选择为HT200。设计功率Pd=，安全系数取KA=1.1，腕部俯仰关节的转动速度为30转/min，扭矩为2.3Nm，功率为0.05kw，Pd=1.1*0.05=0.055kw。选择PJ型带，小带轮直径为40mm，传动比为2，则大带轮的直径为2*40=80，根据资料取整，所以大带轮的直径为80mm。初定中心距0.7（40+80）=84a2（40+80）=240取150。带的有效长度实际中心距为小带轮包角带每楔所传递的基本额定功率为P1=0.02kw当传动比不为1时，带每楔传递的基本额定功率增量为P1=0带的楔数为取整得楔数为4根。有效圆周力带的紧边拉力带的松边拉力作用在轴上的力4.3.4传动轴的设计和校核腕部轴的材料考虑到力学性能和经济性，本次设计选的是45号钢，正火处理。腕部的轴主要会是受到电机和带传动的扭矩作用。材料的许用切应力，本次设计中许用应力取根据：则轴II的在受到的最大扭矩作用下，最小的直径应该是：轴上面有一个普通的平键，则轴的截面需要增大5%-7%，即，此外，考虑到轴的受力较复杂，轴与带轮连接是使用D形轴，且为了轴向固定，轴的内部钻了螺纹孔，为了轴保证工作寿命，因此在本次设计中最小直径取dmin=16mm。腕部传动轴的结构图如图4.3所示。确定每段轴的直径和长度：=16mm，=10mm，用于安装带轮；=22mm，=6mm，带轮轴向定位轴肩；=25mm，=14mm，安装轴承；=30mm，=67mm；=33 mm，=4mm，轴向定位轴肩；=25mm，=7mm，安装轴承。图4.3 腕部传动轴结构轴本身的质量较轻，相对于腕部结构来说可以忽略，此轴的最小直径是16mm，所以这段轴是整个轴的危险截面，因此对这段轴进行校核。查阅资料知：轴的扭矩校核公式为：式中： 。查阅资料可知：轴的抗扭截面系数在本次设计中的数值为：再将上述计算出来的数值代入到查阅后的扭矩校核公式，得：经过上述的计算校核可知，轴的扭转强度满足本次设计要求。4.4本章小结本章主要对腕部的结构进行了分析，然后再进行了结构设计，先是分析了需要如何才能设计好腕部结构，完成机械臂采摘柑橘的工作，选择设计具有两个自由度的腕部结构，选取合适的电机，设计了多楔带传动的传动方案，选取深沟球轴承支撑末端执行器，设计了腕部的传动轴，并对传动轴的危险截面进行了校核。5臂部的结构设计5.1手臂的设计要求手臂是整个机械臂的最关键部分。它主要是用来帮助腕部关节调整位置，在一定的范围内转动，调整腕部关节和末端在空间上的位置和姿势，柑橘采摘机器人的性能还是要看机械手臂和机身的设计情况。在本次设计中，臂部的设计分为大臂和小臂，其中小臂有两个自由度，因此有两个关节，分别是俯仰关节和旋转关节，使得小臂能在空间中做到小臂的摆动和腕部关节的旋转，这几个关节的驱动是采用伺服电机或者步进电机驱动的。臂部在设计时首先要对机械臂的刚度和硬度进行初步的校核，而且机械臂的重量和结构等方面需要符合下述的要求：（1）外部和内部的结构都要合理，要能够保证能够达到要求的强度和刚度。（2）电机的安装位置还有传动轴的安装位置要合理，需要避免出现应力集中的问题。（3）臂部的受力要合理，不要出现应力集中的问题，要避免臂部的受力全部集中在一个地方，对手臂的工作运行造成影响。（4）对臂部进行设计的时候，要考虑到手臂的灵活性的问题，手臂的体积和重量都不应该太大。首先通过对一些的机械手臂的结构设计的认真观察、学习，机械臂还是一种要求比较高的机械，而对于机器人手臂的好坏，主要是通过机械手臂的运动的速度来展现的。在保证精度和稳定性的前提下，机械手臂的运动速度越快，其性能和灵活性就越好，因此，在高速的移动下，如何保证机器手臂的稳定性成为了关键。为了保证能够使机械手臂更加稳定，最重要的办法就是要减少采摘机器人的机械臂的重量，最好进行优化求解，尽可能的降低其重量，从而减少在运动中的惯性。减少重量有以下两个方法：（1）选择符合强度和刚度的轻质量材料，现在机械手臂的很多材料都是使用密度较小，重量较轻的铝合金；（2）在达到要求的前提下，要尽可能的减小机器人手臂臂的大小，从而减少惯性；5.2小臂的设计5.2.1小臂驱动电机的选择端执行器与腕部关节重10kg，长为360mm，小臂I重为10kg，长300mm，密度为2.73g/cm3，将执行器看成一个圆柱,直径为100mm，额定转速定为，驱动力矩为：查取转动惯量公式有：所以取安全系数K=1.2经查资料，选择了日本东方马达公司的步进电机，型号是PKP244D15A-L，电机额定转矩为0.48Nm，使用中国会通公司的HTF-60-3减速器，减速比为3，减速器输出的额定转速为30r/min，使用膜片联轴器与传动轴相连接。5.2.2小臂的结构设计图5.1 四轴电机安装结构图5.2 四轴电机安装截面图为了保护电机，同时也为了机械臂的结构更加合理，减少臂部的转动半径，将电机和减速器都安装在机械臂内部，先将电机和减速器分别安装在固定板上，然后将固定板通过螺钉连接，安装在小臂的内部，减速器输出轴通过联轴器与传动轴相连接，传动轴使用矩形花键与轴承支撑件固定。深沟球轴承主要用于支撑小臂的重量。轴承支撑件通过螺钉与法兰管连接，从而达到小臂与驱动电机之间的传动，将电机的位置后移，减小了小臂对大臂和底座的力矩。5.2.3小臂驱动电机的选择末端执行器与腕部关节重m1=10kg，长为L1=360mm，质心到腕部关节的距离为200mm，小臂I重为m2=12kg，长L2=500mm，小臂重m3=15kg，长L3=400mm，柑橘的质量为150g左右,当于小臂在同一水平线上的距离为1060mm，当末端执行器、腕部关节、小臂等位于水平时，小臂受到的转矩最大；当末端执行器、腕部关节、小臂等位于竖直时，小臂仅受到重力作用，所以小臂转动的转矩公式为：腕关节的转动速度假设为查阅资料知道转动惯量公式为将数据带入进去得安全系数取1.2，有本次设计选择的是一级圆柱齿轮减速器i=3计算得：各轴转速20r/min，转矩计算连接减速器的轴转矩就是除以传动比3。经查资料，电机定为电机日本三菱公司的伺服交流电机，型号是HG-KR23J，功率为200W，额定转速为3000r/min，额定转矩0.64Nm，选择WHTF60-50-SGM7J-02A减速器，减速比为50，使用膜片联轴器将与轴连接。由于速度比较高，因此再设计了一个一级圆柱齿轮减速器。5.2.4齿轮的设计与校核齿轮设计与计算按相关的条件和查阅的资料，这里传动适合使用直齿圆柱齿轮。根据查阅的相关资料，小齿轮在本次设计的材料选择的应该是40Cr(调质)，其表面硬度为280HBS，大齿轮在本次设计中材料选择用45钢，表面热处理是调质处理，经过热处理后的表面硬度为240HBS，根据国家标准为GB/T1356-2001。本次设计的齿轮选择的是达到了国家的7级精度要求 根据齿面接触疲劳强度进行计算根据资料查到的公式首先是对小齿轮的分度圆直径进行估算，即：；查文献，得；。计算齿轮的应力循环次数：60r/min=30000h本次设计的齿轮是可以双向转动，取代入数据得：查文献得接触疲劳寿命系数，计算接触疲劳许用应力：取安全系数S=1，则，在该公式中选择中的小值，因此取523MPa将上述的数据带入到公式中可知：小齿轮分度圆的圆周速度的公式和结果：计算齿轮的齿宽b齿轮的齿宽与齿高之比：b/h齿轮的模数为：齿轮的齿高是：代入数据可知：计算齿轮的载荷系数如下所示将这些数据带入公式中可知道：根据查阅资料的实际载荷系数修正系数：计算经过修正后的模数：根据齿轮的弯曲强度进行设计查阅相关资料后可知公式为：由文献查得；，计算弯曲疲劳的许用应力，查阅资料后选择弯曲疲劳安全系数为S=1.4，则：查资料可知取齿形系数：；查取应力修正系数为：； 由于大齿轮对应的计算数值更加的大，考虑到工作寿命，应该取大齿轮的数值，所以在将大齿轮的数值代入得后可知模数为： 小齿轮最终计算出的齿数是：将大、小齿轮的模数、齿数代入得：；最终确定齿轮的中心距大、小齿轮的宽度计算公式为：则齿轮的宽度为：考虑到安装时候会出现一些误差，这些误差应该是我们现在无法避免的，因此，为了保证能够在使用的时候达到设计的齿宽b，同时也考虑到需要节省材料，降低成本，一般是选择将小齿轮的齿宽加宽510mm，即，也即是说，取，而大齿轮的齿宽等于设计齿宽，则大、小齿轮的齿宽分别是：，再对齿轮强度的进行相关的校核首先是对齿轮齿根的弯曲疲劳强度进行校核的公式为 将计算出来的结果都带入到公式里面去，结果是：因此，大小齿轮的齿根弯曲疲劳强度是满足本次设计的强度要求的。接触疲劳强度的校核公式同样将上述的计算结果带入到公式中，可知结果是：所以，本次设计的齿轮的接触疲劳强度可以达到工作的要求。5.2.5小臂输出轴的设计与校核由上述的计算结果知，传动轴在受力中受到的最大的扭矩 53.31Nm 根据查阅资料的公式：式中：则轴的最小直径应该是：由于轴上面有1个平键的键槽，2个矩形花键，因此轴的最小截面，也就是轴的直径需要增大10%-15%，即，再结合本次设计查阅的矩形花键的标准尺寸，在本次设计中轴的最小直径取。小臂的输出轴的结构如图5.2所示。图5.2 小臂的输出轴的结构图再对每段轴的直径和长度还有作用进行确定：=30mm，=32mm；=38mm，加工矩形花键，=38mm；=38mm，=32mm；=48mm，齿轮的定位轴肩，=6mm；=38mm，=36mm；=38mm，矩形花键，=23mm；=30mm，安装深沟球轴承6006，=27mm。5.2.6小臂的结构设计图5.3 小臂结构图小臂的结构如图5.3所示。因为小臂的电机已经离果实较远，比较少可能受到果实枝叶的影响，因此将电机和配套的减速器安装在小臂外面，将小臂的内部空间用于放置设计的一级圆柱减少齿轮，在侧面设计了一个端盖，用于齿轮的安装，同时避免齿轮受到外部的干扰，保证传动的精准，因为小臂转动的力矩较大，所以在输出轴与小臂连接的矩形花键上进行了加厚，保证能都传递足够大的力矩。5.3小臂刚度校核最大弯矩：小臂结构的连接管的截面的是小臂中的最小截面因此对该截面进行分析，连接管处的抗弯截面系数：力臂最大许用应力：铝合金的弯曲强度极限为故小臂的刚度满足要求。5.4大臂的设计5.4.1大臂驱动电机的选择小臂大臂在做旋转运动时，其受转矩为：大臂的质量通过三维建模后分析可知约为45kg，从大臂开始，到对应的运动关节的距离最大是：小臂的质量通过三维建模后分析可知约为27kg，从小臂的质心开始，到大臂俯仰运动的关节的距离最大是：执行器和腕关节1总质量为10kg，执行器到大臂关节的最大距离为：柑橘的质量为150g左右，柑橘到大臂关节的最大距离为：大臂的转动转动时，转动惯量为转矩为大臂工作时，其旋转角速度将数据带入公式得：取安全系数为K=1.2功率选取日本三菱型号交流伺服电机。型号为HG-SN202J-S100，额定功率2kW，额定转速2000r/min ，带电磁制动器；选择WEITENSTAN减速机的WRV系列的RV减速器，型号是WRV-110E-81-80-A，输出转速为15r/min。5.4.2大臂的结构设计图5.4 大臂电机安装结构图电机和RV减速器安装在固定板上，同时保证电机与减速器的连接，然后将固定板通过联轴器与传动轴连接，传动轴通过矩形花键将转动传递给大臂如图5.4所示。大臂的结构是工字型结构，即减轻了大臂的重量，又保证有足够的刚度和强度。如图5.5所示。图5.5 大臂结构图5.5本章小结本章主要对臂部的结构进行计算和设计，首先是分析如何才能更好的完成采摘果实的任务，然后对大臂和小臂进行受力分析，确定选择的电机类型、电机所需要的转矩和功率，选择出合适的电机，小臂旋转关节采用电机加减速器的结构，俯仰关节出来电机和减速器减速之外，还设计了一对齿轮实现一级减速。设计对传动的轴进行了设计，还有轴承和联轴器的选型，对小臂的刚度进行了校核。6底座的设计6.1底座电机的选择计算输出轴的转矩底座的质量为15kg，最大半径为400mm。大臂质量为45kg，大臂质心到底盘的距离为：小臂的质量为27kg，小臂到底座的距离最大是：末端执行器和腕关节的总质量为10kg，末端执行器到底座的最大距离为：柑橘的质量为150g左右，柑橘到大臂关节的最大距离为：大臂的转动转动时，转动惯量为转矩为 大臂工作时，其旋转角速度将数据带入公式得：取安全系数为K=1.2功率选取日本三菱型号交流伺服电机。型号为HG-SN202J-S100，额定功率2kW，额定转速2000r/min ，带电磁制动器；选择WEITENSTAN减速机的WRV系列的RV减速器，型号是WRV-110E-81-80-A，输出转速为15r/min。6.2轴的设计由上知，最大扭矩为778.068Nm根据查阅资料所得的公式：式中：则轴2的直径为：轴上有1个花键，因此轴的最小截面需要相应增大5%-7%，即，再查阅资料，该轴主要是用于承受底盘的重量，因此，本次设计中轴的最小直径不需要加大太多，因此取。该传动轴轴的结构如图6.1所示。图6.1 轴的结构图对各轴段的直径和长度进行确定：=50mm，最小的轴径,=31mm；=65mm，轴承轴向定位轴肩，=15mm；=85mm，安装轴承6017，=13mm；=90mm，轴承的定位轴肩，=10mm；=70mm，安装推力球轴承，=15mm。6.3底座的结构设计底座的结构如图6.2所示图6.2 底座结构图底座是支撑整个机器人的关键，同时还要做回转运动，因此在轴上安装了三种轴承，分别是推力球轴承51114、深沟球轴承61817和一个深沟球轴承6010，从而保证能够支撑住整个机器人的重量，两种深沟球轴承除了用于辅助支撑轴向力为还对可能出现的径向力进行一定的承载，保证机械臂能够安稳的工作。然后是再设计一个深沟球轴承来保证底座能都稳定的做回转运动。电机经过RV减速器的减速后输出轴通过矩形花键将转动传递到底盘上，从而带动整个机器人旋转。6.4本章小结本章主要对柑橘