毕业设计（论文）-番茄收获机器人结构设计

成都大学本科毕业设计番茄收获机器人结构设计摘要农业机器人现代农业机械发展的结果，是农业迈向机械化和现代化的标志。农业机器人的发明和应用，改变了人们传统的农业生产方式，同时促进了现代农业的发展。 农业生产最重要的过程就是果实收获，在传统农业中果实收获依靠人工来完成，由于温室大棚中的环境特殊，并不适合人长时间工作，所以开发出能代替人类进行采摘作业的机器人就非常必要了，利用农业机器人工作，不仅能够提高生产效率改善环境，还能降低人工支出。目前，日本、美国、荷兰等国家已研制了多种收获机器人，主要用于收获番茄、西瓜、桃子、葡萄、苦瓜、苹果等蔬菜和水果。 本文首先根据番茄收获机器人的工作环境和工作对象的特点，确定了机器人采用七个自由度的机械手，并根据实际作业方式对机械手的机构部分进行了设计，为机械手选择合适的驱动方式，为了减少番茄损伤，选择吸盘式末端执行器作为机械手抓取果实的部分，本课题理论研究与实际参数有机结合，研究结果也可应用于其它类型果实的采摘。关键词：农业机器人；机械化；机械手；末端执行器。I Structure design of tomato harvesting robot Abstract：Agricultural robot the result of the development of modern agricultural machinery is the mark of agricultural mechanization and modernization.The invention and application of agricultural robot have changed peoples traditional agricultural production mode and promoted the development of modern agriculture. Fruit harvest in agriculture, is one of the most important process in the traditional agricultural fruit harvest rely on artificial to complete, as the special environment in the greenhouse, is not suitable for people to work long hours, so developed robots can take the place of humans picking operations is very necessary, use of agricultural robots work, not only can improve production efficiency to improve the environment, can reduce labor costs.At present, Japan, the United States, the Netherlands and other countries have developed a variety of harvesting robots, mainly used to harvest tomatoes, watermelon, peaches, grapes, bitter melon, apples and other vegetables and fruits.This paper based on the tomato harvesting robot working environment and the characteristics of the work object, identified by seven degrees of freedom robot manipulator, and according to the actual practices part has carried on the design of manipulator mechanism, for the manipulator to choose the right means of drive, in order to reduce the injury of tomato, choose a suction-cup end actuators as part as the manipulator hand claw, this topic the organic combination of theoretical research and practical parameters, the results can also be applied to other types of fruit picking.Keywords: gricultural robots; Mechanization; Manipulator; End-effector.目 录绪 论11 研究背景21.1 研究的目的和意义21.2 国内外相关领域的研究21.2.1 国外相关领域研究21.2.2 国内相关领域的研究31.2.3 目前存在的问题51.3 本课题的主要工作内容52 基本技术参数的选定72.1 机器人工作的动作要求72.1.1 机器人工作空间分析72.2 机器人采摘机构的技术要求82.3 驱动方式选型83 番茄收获机器人机械手结构设计103.1 番茄生物学特性与栽培技术103.2 采摘臂机构选型103.2.1 手臂的基本型式103.2.2 自由度选择123.2.3 确定机器人手臂型式123.3 番茄收获机械臂关节尺寸的设计124 番茄收获机器人传动机构的设计144.1 机械臂传动机构设计144.1.1 臂关节传动方案设计144.2 机械臂传动关节参数设计154.2.1 旋转基座传动设计154.2.2 升降动作的传动设计174.2.3 支撑臂与大臂间传动机构184.2.4 大臂与小臂之间的传动机构204.3 轴的设计214.3.1 轴径的计算214.3.2 轴上零件周向固定方法的选择224.4 轴的校核224.5 定位机构选择254.6 联轴器的选择265机器人其余部分的设计275.1 小臂与腕部传动方案的设计275.2 腕部的设计285.3 末端执行器结构的设计29总 结30参考文献31致 谢32IV绪 论机器人技术是一种新兴的高科技技术，它包含了机构设计、仿生学、自动控制技术、计算机技术等多个学科。国际标准化组织将机器人定义为一种自动的、位置可控的、具有编程能力的的多功能机械手。现如今机器人技术已被广泛应用于各个领域，随着技术的发展与革新，未来机器人将会更加智能化、人性化、可靠性更高、寿命更长。农业机器人是机器人技术在农业中的运用，可代替人类进行耕地、播种、灌溉、果实收获等各种劳动作业。目前，国内外均致力于农业机器人的研究和开发，并且已取得显著成就。 1 研究背景1.1 研究的目的和意义番茄是一种备受欢迎的果蔬作物，它含有的营养价值高于其他果蔬，番茄中的维生素A可治疗夜盲症，维生素C可用于治疗败血症等。一个人每天1-2个番茄就可以实现人体对多种维生素的需要1。目前我国的番茄采摘机械化水平还比较低，番茄的采摘主要依靠人工完成，随着我国与机器人相关的高新技术的发展，农业机器人的研究也变得更加迫切，用机器人代替人工采摘番茄不仅能提高番茄的收获效率，同时也能减少人工成本，农户的收入也能增加。我国虽属于番茄种植大国,但无架番茄的种植并不普遍，很多地方都还是温室大棚或高架种植，而无架番茄种植的番茄植株长势没有规则，在采摘过程中移动茎干容易造成茎干折断，从而导致番茄的产量降低，由于很多果实与地面接触，果实容易被昆虫咬食和微生物感染而发生腐烂变质，无架番茄的收获采用收获机收获，而温室大棚中的番茄由于设施密集，用收获机无法收获，所以研究番茄收获机器人就变得尤为重要。同时番茄收获机器人的智能化自动化研究也是现代农业工程的重要课题2-4。1.2 国内外相关领域的研究农业机器人是对农作物、家禽家畜等生物体进行操作的智能机器人。是农业迈向机械自动化、智能化的重要标志。1.2.1 国外相关领域研究国外对农业机器人的研究相对较早，1983年美国研制出了世界上第一台番茄收获机器人，之后多国也相继致力于番茄收获机器人的研究，并且研制出了多款果实采摘机器人5-7。图1.1 美国的番茄采摘机器人日本对农业机器人研究开始较早，成果也较为显著8。经过多年的研究，日本的果蔬收获机器人技术已经趋于成熟，其研究出的果蔬采摘机器人如：番茄收获机器人、草莓收获机器人、黄瓜采摘机器人、多功能葡萄采摘机器人等。如图1.2为Kondo团队研制的番茄采摘机器人。图1.3为日本研究员研制的3自由度草莓采摘机器人9-11。 图1.2 番茄采摘机器人 图1.3 草莓采摘机器人新西兰的Robotics Plus将在2020年推出与怀卡托（Waikato）和奥克兰大学合作研发的猕猴桃采摘机器人，这款机器人每年将帮助新西兰的农户收获30多亿猕猴桃(新西兰生产世界上25%的猕猴桃)。这款机器人可以沿着藤蔓移动，并随着果实的生长缓慢地进行采摘。一系列摄像头是机器的核心，它使用一系列学习算法在三个维度上绘制上面的机盖12。如图1.4为新西兰猕猴桃采摘机器人。 图1.4 猕猴桃采摘机器人以色列新型番茄收获机器人GRoW预计2019年上市，该机器人配有3D视觉系统，可以用来检测成熟的番茄，并定位它们的位置。此外该系统还可以定位茎干，能够一次完成捕捉和切割的工作，还能跨越障碍，不会损害植物和果实12。1.2.2 国内相关领域的研究国内对农业机器人的研究相对国外较晚，2019年福建首款人工智能农业机器人正式在中国以色列示范农场智能蔬果大棚开始全天候生产巡检，这款机器人的上岗，标志着我国人工智能农业机器人从研发阶段正式进入了实际应用阶段12。图1-5为该生产巡检机器人。图1-5 生产巡检机器人 图1-6 苹果采摘机器人 图1-6为我国自行研发的苹果采摘机器人，该机器人主要由两自由度的移动载体和五自由度的机械手组成，采用履带移动，加装了控制计算机和多种传感器，自带电源箱能长时间户外工作，更加环保，机械手由各自的关节驱动装置进行驱动12。虽然随着我国人工智能技术的提高和新材料、现代装备制造业等技术的迅猛发展，并且我国投入了大量的资源在农业机器人方面的研究，但相比国外，我国果蔬的机械采摘水平依然很低，大部分的果蔬采摘依然由人工采摘，近年来，我国人口老龄化愈加严重，劳动力供应不足，农业生产的成本也随之增加，因此研究开发功能强大的果蔬采摘机器人显得尤为迫切13-15。 1.2.3 目前存在的问题农业采摘机器人的研究依旧存在不少需要解决的问题：1.定位和识别不够精准；由于果蔬采摘环境复杂，对于枝叶繁茂的植物，机械手在采摘果实的过程中容易受到枝叶的干扰；环境中的其他干扰信息也会降低机器人识别和定位目标果实的准确率。因此，采摘对象的智能化识别与定位问题有待进一步研究。2.目前市场上的果蔬采摘机器人的工作效率较低；由于机器人的采摘包括视觉识别、图像处理、自动控制等步骤，所以一个采摘周期常常需要几十秒甚至更久，这远远低于人工采摘所用的时间，要提高果蔬采摘机器人的实用性就必须提高机械手的响应和识别定位的速度。3.采摘成本高，与工业机器人相比，果蔬采摘机器人结构和控制系统更加复杂，对工作的精度要求更高，而且生产周期短、设备利用率低，因此，其制造、使用和维护成本均比工业机器人高。4.通用性差。一种机器人只能一种特定的作物作业，各类机器人之间几乎没有通用性。这也直接导致了采摘机器人的采摘成本高。1.3 本课题的主要工作内容番茄收获机器人需要能够精确识别和定位目标果实，并且处理信息及执行命令的速度也将提升，番茄采摘机器人(图1.7)的结构需要具备机构部分、视觉识别系统（图1.8）、控制系统及信息处理部分等。本文机器人的采摘系统主要由机械臂、末端执行器、行走系统、视觉传感器以及计算机处理控制系统构成。本课题主要研究采摘机器人的手臂与基座及传动机构。本课题的工作内容如下：(1)设计机器人的基本参数：为了便于设计，首先根据一些相关理论及应用目标，包括：工作机制、额定功率、工作方向、额定速度、驱动模式等；(2)机械臂的机构综合：根据植物生长的条件，对机器人系统进行结构及其尺寸设计，满足采摘等条件；(3)手臂与机座的设计研究：通过综合测试得到其性能，并研究其参数，分析其性能图1.7番茄收获机器人示意图图1.8视觉识别系统结构示意图2 基本技术参数的选定2.1 机器人工作的动作要求番茄收获机器人工作流程如下框图：图2.1 机器人工作流程框图2.1.1 机器人工作空间分析如图2.2两个视图为手臂触及范围。图示机械手是未经过型综合的机器人，作为机器人设计过程中一个很重要的方面。a）b)图2.2 机械手工作空间与工作环境的几何关系a)俯视图 b) 正视图2.2 机器人采摘机构的技术要求在确定了机械手的各采摘动作的最大行程后，分配每个动作所需的时间，用ms表示。（1） 机器人采摘一个周期不超过10s，从识别成熟的番茄完成采摘并到达下一个采摘位置为一个周期。（2） 果实的损伤率应低于百分之五，这样可以保证番茄能够储藏更久。（3） 采摘机构运动平稳没有抖动，能够轻松避障，降低机器维修成本；（4） 机器人小车向前移动的平均速度为1.2m/s；（5） 若按标准大棚种植的植株间距，每隔30cm停止前进并进行该位置植株番茄的采摘与收集。（6） 机器人能够适应大棚内的工作环境 2.3 驱动方式选型驱动系统是机器人机构部分必不可少的一部分，为机器人的运动提供动力。最普遍的驱动方式有电机、液压、气压三种驱动方式，这三种驱动方式也被广泛应用于农业生产中，其特点对比如表2.1。表2.1驱动系统的主要特点电机液压气压适用负载中大小控制精度高较高低灵敏度高较高低体积小较小较小安全性好较好好环保无易漏油噪声污染成本低较高高(1) 机械手的手部结构复杂，体积小，与其他关节相比其运动位置精度要求较低，故选用步进电机作为手部运动的驱动器。(2) 机械臂各个关节都有相应的扭矩，从腰部到腕部逐渐减小，所以各个关节需要较大的动力。故选择直流伺服电机驱动。(3) 此设计中机械臂属于开链机械结构，果实的重力和上一级关节重力均作用在靠下方关节，关节停止运动时需要切断电源 。为了降低成本及各方面考虑，番茄收获机器人的相关零部件的设计和制造精度选用6级精度。3 番茄收获机器人机械手结构设计机器人机构部分的设计，其参数指标要依据各构件的功能来选取，还要参照机械设计准则和综合执行机构的工作环境等要求16-18。3.1 番茄生物学特性与栽培技术 番茄为多年生草本植物，最适宜的生长温度为2025，当环境温度过低时，番茄将会授粉受精不良，当番茄植株长时间处于低温环境中将会因受冻而死亡，而当环境温度高于35摄氏度时，生殖生长也不能正常完成；番茄喜光而耐阴，光照不足会使其无法正常生长，而在花芽分化期间则要求短日照。番茄在幼苗期和开花前期，不需要大量灌溉，否则幼苗将因水分过足徒长，影响结果。在结果期则需要大量水分，土壤含水量维持在60%80%为宜。番茄对空气湿度也有要求，一般要求相对湿度在50%左右最好。番茄适应性强，对土壤要求不严，但为了提高产量，选择耕层深厚，排水良好，富含有机质，透气肥沃的土壤，因此一般选择砂壤土栽培番茄。为了提高阳光利用率，番茄应该合理变化密植，根据温室内光照条件较弱又不均匀的特点，种植时要注意调整群体结构。根据番茄的生长要求，垄高一般为0.35m。番茄植株生长在0.5m左右，果实分布在0.15左右，番茄行距设置为0.5，株距0.25，以上可作为选择采摘机构参数设计依据 以番茄横向直径为划分指标，番茄依次有大(L)、中(M)、小(S)和樱桃番茄四个等级，番茄规格标准见表3.1。通过统计分析得到，大多数初熟期和半熟期的番茄横轴直径在5585mm，纵轴直径在4875mm范围内，果实重量在150g左右。 表3.1 番茄规格3.2 采摘臂机构选型3.2.1 手臂的基本型式一般情况下，机械臂的常见型式有直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式、多关节式。4种结构型式特点归纳如表3.2所示：番茄机器人由于工作环境特殊，机械臂需要具有良好的避障能力、柔性好、反应快速、控制容易、能到达任意工作要求的位置、结构简单等优点，综上所述，多关节坐标式机械臂是最佳选择。表3.2 机械臂的四种基本型式113.2.2 自由度选择番茄收获机器人的工作环境是温室大棚，存在许多复杂性和不确定性，因此机械手臂需要具备良好的避障能力，理论来说，机械手的自由度越多，机构的避障能力越强，但控制难度也会随之增加，因此自由度数目不能过多。六自由度的机械手能到达空间的任意位置，但由于奇异位性的存在，某些关节到达特殊位置时将会消耗一个或几个自由度，为了消除奇异位性，需要选择多于六自由度的机器人，即拥有七个自由度的冗余度机器人。3.2.3 确定机器人手臂型式番茄采摘机构执行机构的设计要依据各构件的功能来选取其参数指标，既要参照机械设计准则，还应综合执行机构的工作环境等要求19。结合图3.1几种机械臂的分析，选取类型4为番茄采摘机械臂，即7DOF 冗余度机械手，本文将对机械臂的四个自由度进行设计，这四个自由度的实现分别为基座的旋转、腰部的升降、支撑臂与大臂的相对转动、大臂与小臂的相对转动。图3.1 手臂型式3.3 番茄收获机械臂关节尺寸的设计本采摘臂在进行尺寸设计时还应考虑小臂与腕部的相对转动及腕部绕自身轴心旋转的自由度，所以机械臂拥有的自由度超过3个，不适合用解析法和图解法求解。因此采用优化法，优化法既省去了复杂的方程求解，又能容许其它的设计指标作为目标函数，从机械手的工作空间和杆件结构尺寸两方面进行番茄收获机械手机构尺寸设计与优化。 优化方法进行机器人机构尺寸综合的数学模型为： 受约束于4 番茄收获机器人传动机构的设计图4.1番茄收获机械手机构简图引用资料里关于番茄采摘机器人已优化好的运动参数其具体参数如下：4.1 机械臂传动机构设计4.1.1 臂关节传动方案设计图4.2为一级圆锥齿轮传动，是该机器人的手臂关节处（即大臂与小臂之间）的传动原理示意图；图4.3为机械手的手臂关节（即支撑臂与大臂之间）的传动原理示意图，该位置承载的转矩较大，故选择两级齿轮传动。为了减轻关节的重量，同时降低安装难度和成本，设计出图4.4所示的内部骨架。图4.2 关节的传动原理 图4.3 关节的传动原理图4.4 手臂内部的骨架4.2 机械臂传动关节参数设计4.2.1 旋转基座传动设计 根据传动要求查机械手册选电动机选电动机直流伺服电机。基座的旋转速度定为，所以传动比，取i=6，接触强度确定两齿轮的中心距，由表4.2可得，小齿轮的扭矩为T=4.998Nm(1) 按接触强度确定中心距：(4-1)取中心距=105mm,齿轮为硬齿面齿轮，硬度值取HBS350(2) 估算模数：取模数为m=2(3) 小齿轮大齿轮齿数计算：(4-2)两个齿轮的齿数分别取：Z1=15 ， Z2= 86(4) 小齿轮大齿轮分度圆直径：(4-3)(5) 齿轮齿顶圆直径：(4-4)(6) 齿轮基圆直径：(4-5)注1：基座是整个机械臂的支撑部件，基座在平面上旋转可以扩大机械手在水平方向上的工作空间。图4.5为基座及升降机构图。图4.5基座及升降机构图1.二级变速齿轮结构 2.电磁制动器 3.大臂关节罩 4.升降结构 5.轴承 6.防尘罩 7.电机外壳图4.6基座内力柱示意图如图4.6所示，该柱体内部为空心，能够作为驱动机械臂在水平方向上转动的动力轴，在轴的顶端钻一个螺母孔，使该内立柱能够承担轴向力，腰部及以上传动机构所有的重量都通过丝杠作用于该内立柱。4.2.2 升降动作的传动设计机器人的腰部为升降机构，采用螺纹丝杠传动。其负载约为198N。机械臂上升时间约为。丝杠导程为0-20cm,为了保证机械臂运动的稳定性及采摘效率，上升速度初步定为。传动功率,查相关手册后选用型直流伺服电机。丝杠参数外螺纹中径 ： (4-6)轴向载荷（N） P-螺纹副许用压强（N/mm）取1.5-取1.5由上式可算出取旋合圈数，可按下式计算： 取螺母高度，可按下式计算： (4-7)取H=60mm确定螺距P=5mm，基本牙型高：(4-8)校核工作压强：(4-9)安全 （2）齿轮传动参数：确定其传动比，通过查机械手册确定齿顶高系数齿形角：(4-10)齿轮中心距，可按下式计算：(4-11)取=80初步估计模数，选取模数m=2 小齿轮大齿轮齿数分别按下式计算： (4-12)取齿轮分度圆直径，可按下式计算：(4-13)齿轮的齿顶圆直径，由下式得：(4-14)齿轮基圆直径，可按下式计算：(4-15)4.2.3 支撑臂与大臂间传动机构根据优化出来的函数可知，此处转动角度范围为，转速约为，转距约为，电机型号选用电机，其转速为，根据转速确定传动比为锥齿轮传动比为，圆柱齿轮传动比为。(1)减速器的圆柱齿轮设计参数计算 如下的中心距，可按下式计算： (4-16)取=35mm估算模数： 取m=1小齿轮大齿轮齿数分别可按下式计算： (4-17)取 则齿轮分度厕直径，可按下式计算： (4-18)齿轮齿顶圆直径，可按下式计算： (4-19)齿轮基圆直径，可按下式计算： (4-20)（2)减速器的圆锥齿轮设计参数计算 已知齿轮传动比，选用直齿锥齿轮小齿轮最小齿数，可按下式计算： (4-21)得小齿轮最小齿数， 大齿轮齿数，可按下式计算：节锥角分度圆直径，可按下式计算： 根据机构要求查表，确定(4-22)注2：大臂相关结构分析图4.7大臂罩如图4.7所示为大臂外罩。铝合金（2A12）被作为首选材质，三角形结构有利于提升稳定性，手臂能够承受的里被扩大，手臂能够到达更远的位置。4.2.4 大臂与小臂之间的传动机构角度转动范围为。转速约为，此处转距约为，根据上述条件确定电机型号为，其转速为，则传动比为。选用直齿锥齿轮则 (1)小齿轮最小齿数，可按下式计算： (4-23)可得小齿轮最小齿数(2)小齿轮最小齿数，可按下式计算： 大齿轮节锥角取， 则。 (3)分度圆直径，可按下式计算： 根据机构要求查表，确定 (4-24)4.3 轴的设计轴的尺寸是根据工况环境要求的数据确定的，不能通用，没有统一的标准。设计时，必须针对不同情况进行具体分析。但 是，不论何种具体条件，轴在结构上都应满足： 满足制造安装要求，轴应便于加工，轴上零件要方便装拆；满足零件定位要求，轴和轴上零件有准确的工作位置，各 零件要牢固而可靠地相对固定；满足结构工艺性要求，使加工方便和节省材料；满足强度要求，尽量减少应力集中等。4.3.1 轴径的计算表4.1 按轴的扭转强度及刚度计算轴径的公式注：当截面上有键槽时，应将求得的轴径增大（1）计算基座传动轴的直径：(4-25)取整数d=20mm（2）升降传动机构轴的直径：(4-26) 取整数d=10mm（3）支柱与大臂传动轴的直径：(4-27)取整数d=16mm（4）大臂与小臂传动轴的直径：(4-28)取整数d=10mm。4.3.2 轴上零件周向固定方法的选择 轴上零件周向固定的目的是为了传递转矩及防止零件与轴产生相对转动。在设计中，常采用键和过盈配合等方法来进行轴向固定。（1）键的选择要求固定轴的关键零部件的选择原则一般为：在不同场合应考虑使用不同的键。花键联接作周向固定时，能承受较高的载荷，对中性与导向性均好，缺点是成本高；平键式连接一般应用于转速高、精度高、冲击载荷快、变化不大的场合； 楔键用作周向固定时，不仅传递转矩，还可以承受单向轴向力，其缺点是对中性较差。（2）过盈配合的选用它的工作原理是使用孔尺寸公差小于轴的尺寸和公差之间的摩擦力之间的传递扭矩产生的组件压力，由压力产生。 该方法结构简单，对轴的削弱小，对中性好，负载大，抗冲击性能好。其传递的扭矩决定过盈量的大小，除此之外，配合配合表面的加工质量，常常用于对中性要求高、振动和冲击载荷较大的周向固定场合。在实际机械装配中为了充分发挥键联接与过盈配合的各自优点，可考虑将二者组合起来使用让周向固定更加牢固。 4.4 轴的校核以轴的的结构图为依据作出轴的载荷分析图（图4.8）。从手册中查找轴承的受力点，从而确定轴承的支承点。对于6180型深沟球轴承，可以取其中心点。因此作为简支梁的轴的支承跨距为，根据轴的载荷分析图做出弯矩图和扭矩图。轴承反力计算支柱与基座之间传递的力为：(4-29)则两轴承的支反力为：(4-30)(4-31)图4.8 轴的载荷分析图制矩由于轴承只承受径向力，所以只有水平面上有弯距。水平面弯距图（图4.9）截面b：(4-32)垂直面不受力，故垂直面弯距为0。制扭矩由力矩电机所传递的最大扭矩可知又根据，查手册得和和，故，其中为考虑弯曲应力与扭剪应力的循环特性不同而引入的应力修正系数。由于轴的弯曲应力几乎是对称循环变化的，而轴的扭剪应力则不然，故引入系数；由于此转矩是脉动变化的，以满足不同工况下载荷的需求，故取，和分别为对称循环变应力和脉动循环变应力时轴的许用弯曲应力，单位为。制量矩对于截面b：(4-33)对于截面a和I、II：(4-34)(4-35)分别算截面a和b的值：(4-36)两截面虽有键槽的削弱，但结构所确定的直径分别达到10mm和20mm。所以，强度足够。丝杠强度校核截面上的弯矩为：(4-37)查表得抗截面系数(4-38)许用切应力(4-40)丝杠的最大工作应力：(4-41)故安全。图4.9 丝杠所受剪力弯矩图图中所示最大剪切力为196N，最大弯矩为9.8N.m4.5 定位机构选择制动器的选择应该根据使用要求与工作条件确定，选择时一般应考虑以下几点：（1）合理的制动转矩考虑安装现场空间大小，当安装地点有足够的空间，可以用外锁刹车，空间有限的地方，使用内蹄式，带式。（2）本机构选用的是电机驱动，为了节省空间，选择电磁制动器，体积小能够实现连接、切断、移位、扭转等高频率操作，还具有移动定位等用途：（3）在设计过程中，计算扭矩是工作载荷的惯性和运动载荷的惯性之和，用T表示计算扭矩，可用下式求出：式中 Wr旋转组件的重量kgK旋转组件的回转半径mN回转转数rpmS工作安全系数W直线运动组件的重量kgV 线性速度R变旋转运动为直线运动皮带轮的半径mg 9.8m/st 机器启动所需时间st电磁离合器吸合时间s在实际工作中，很多设备的精确载荷难以计算，一般是根据输入动力确定所需扭矩。T=式中P 输入功率S 工作安全系数N 回转转数rpm从上式可以知道，安装离合器轴的回转转数是对扭矩影响最大的因素。在一定动力下，高速对于的是低转矩，所以离合器需要安装在传动链中高转速的场合，在机械臂中两个制动器都是与电机同轴的。4.6 联轴器的选择联轴器作为机构传动中常用的部件，它的作用主要是实现轴与回转零件之间的连接，从而传递转矩和运动，也可代替其它安全装置使用。联轴器大都已标准化或规格化，其选取需要参照机械设计手册。 联轴器结构简单，制造容易，径向尺寸小，为机器人内部节省了空间。 在传动系统中正反转动频繁，而且考虑到成本等综合因素选用套筒联轴器。5机器人其余部分的设计前文对番茄收获机器人的机械臂的四个自由度的实现进行了相关设计和计算，但是完整机器人（图5.1所示）需要包括行走机构、机械臂、腕部和末端执行器等部分，本章将对番茄收获机器人的其余部分进行介绍。图5.1 番茄收获机器人主要组成5.1 小臂与腕部传动方案的设计基于番茄收获机器人工作特点，小臂与腕部的传动方案选择如图5.2所示a)b)图5.2 小臂与腕部的传动方案a) 小臂与腕部传动机构三维示意图 b) 小臂与腕部传动机构简图5.2 腕部的设计末端执行器与一个回转机构（手腕）连接共同完成番茄的采摘，手腕是连接手臂和末端执行器的结构部件，它决定末端执行器的工作方向。基于仿生学的原理，番茄收获机械手进行采摘作业时，模拟人手动作，首先抓住果实，然后完成果实的摘取，此过程需要手腕绕其自身轴心（i轴）和小臂关节轴心（j轴）两个回转动作来实现，实现该动作的手腕有两种，如图5.3所示。本文选择类型2作为机械手的手腕。 图5.3 手腕结构形式末端执行器由手指、电机、压力传感器等部件组成，在末端执行器抓取稳定时，手腕绕自身轴心并带动末端执行器做回转运动拧断过果梗实现番茄的采摘，计算机控制机械臂将番茄送到收获容器中。综上所述，本论文选择图5.4所示手腕模型图5.4 番茄收获机械手手腕模型5.3 末端执行器结构的设计 番茄皮质软，机械手的抓取力不能过大，否则将会破坏果实，夹持器的抓取力要可调。 传统的水果采摘依靠人力，不仅费时，而且劳动强度大。本论文采用的是一个柔性水果采摘机械手，在睡莲的开放、闭合中得到灵感，采用等五边形板材拼合成五只机械手指，在电机的驱动下，五只机械手指可以实现像花朵一样的张开与闭合。在五只机械手围成的内腔中设置不同厚度的海绵，可以适应采摘不同大小的球形水果，具有高度的柔性。图5.5为该柔性水果采摘机械手模型。图5.5 柔性水果采摘机械手模型总 结本文在研究国内外多款采摘机器人的基础上，总结出现在番茄收收获机器人的发展现状、关键技术、存在的问题及解决思路，分析番茄的生物学特性和栽培方式，设计出满足采摘要求的采摘机械手，主要工作包括：1.估算各个动作所用的速度；2.设计一套满足采摘要求的动作要求；3.为机构选择合适的驱动方式；4.对机械臂的传动机构进行结构设计；5.小臂与腕部的传动方案设计及腕部机构的设计；6.末端执行器的选择；7.使用CAD2018画出机械臂的装配图及相关零件图。1. 本文番茄收获机器人机械手结构的合理性和实用性仍需进一步的验证。另外还有如下工作需要进行深入的研究：2.本文主要内容是对机械臂的四个自由度的实现进行设计，并未对整个机器人进行设计，只是对相关部分做了简单介绍和选型。3.本文内容描述的是番茄的静态抓持，但关于番茄如何在动态情况下实现采摘需要进一步地研究。 4末端执行器需要更加轻量化、智能化，以便适应温室大棚采摘机械化。 5文中关于控制及智能识别部分内容较少，后期将继续深入研究。 参考文献1 html2 赵匀，武传宇，胡旭东，等农业机器人的研究进展及存在的问题J农业工程学报， 2003，19(1) 3 耿端阳，张铁中，罗辉，等我国农业机械发展趋势分析J农业机械学报，2004， 15(4)：208210 4 易中懿，胡志超农业机器人概况与发展J江苏农业科学，2010(2)：390393 5 Shigehiko HAYASHI,Katsunobu GANN0,Yukitsugu ISHII,et a1Robotic HarVesting System for EggplantsJJARQ,2002,36(3)：163168 6 Van Henten E J, Hemming J,van Tui jl B A J，et a1.An Autonomous Robot for Harvesting Cucumbers in GreenhousJAutonomous Robots,2002, (13)3:241258 7 Chao Ji,Jing Zhang,Ting Yuan,et a1.Research on Key Techn0109y of Truss Tomato Harvesting Robot in GreenhouseJApplied Mechanics and Materials, 2014(442)：4804868 VAN HENTEN E J,SCHENK E J,VAN WILLIGENBURG L G,et a1C0llisionfree inverse kinematics of the redundant seven-link manipulator used in a cucumber picking robotJBiosystems Engineering,2010, 106:1121249 KODO N,YATA K,SHIIGI T,et a1Development of an EndEffector for a Tomato Cluster Harvesting RobotJEngineering in Agriculture, Environment and food.2010,3(1)：202410 Hayashi ,Shigematsu K,Yamamoto S,et a1Evaluation of a strawberryharvesting robot in a field testJ.Biosystems Engineering, 2010,105：160171 11 Hayashi S,Yamamoto S,Tsubota S,et a1Automation technologies for strawberry harvesting and packing operations in JapanJ.Journal of Berry Research,2014(4)：192712 . html13 蒋新松,陈效肯. 日本机器人与人工智能考察报告(二)机器人的肢体结构及其控制J. 国外自动化,1981,01:1-16.14 刘继展,李萍萍,倪齐,李智国. 番茄采摘机器人真空吸盘装置设计与试验J. 15 卢伟,宋爱国,蔡健荣,孙海波,陈晓颖. 柑橘采摘机器人结构设计及运动学算法J. 东南大学学报(自然科学版),2011,01:95-100.16 王韧农业采摘机器人机械臂结构设计与分析D湖南农业大学，2010 17 黄浩乾采摘机械手的设计及其控制研究D南京农业大学，2010 18 杨文亮苹果采摘机器人机械手结构设计与分析D江苏大学，2009 19 徐丽明，等. 生物生产系统机器人.M. 北京:中国农业大学出版社, 2009.20 方建军.移动式采摘机器人研究现状与进展J.农业工程学报.2004.2:273-378.致 谢本毕业设计是在我的导师黄建峰老师悉心指导下完成的。他耐心的辅导和精准的点播深深的感动着我，以及他严谨治学的精神、在工作上精益求精的作风，在今后的工作和生活中也给了我非常多的帮助。从课题的选择到项目的完成，黄老师都始终给予我悉心的指导和不懈的支持。感谢在本科学习期间给我指导的老师们。没有他们的帮助，我也不能更好的做好本次设计。论文即将完成之际，我的心情久久无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我由衷的感谢在百忙之中抽出时间审阅本论文的老师们。33