毕业设计（论文）-草莓采摘机械手结构设计

果实采摘机械手结构设计The Design ofFruit Picking Manipulators structure果实采摘机械手结构设计摘 要果实采摘机械手目前在农业领域中占据着重要的位置，它不仅仅是衡量一个企业甚至是一个国家农业发展水平先进程度的重要标准之一，而且它能够提高工作效率，从而为人类带来很高的经济效益。本次果实采摘机械手是专门为草莓采摘而设计的，根据草莓种植的特点确定了机械手的结构是五自由度，其中包括三个负责旋转的关节和两个负责移动的关节，并且根据多渠道的资料参考最终确定了机械手的主要尺寸以及性能参数。其中最为主要的是电机的选择，因为电机是整个机械手作业的动力来源，只有根据机械手作业的实际情况、进行相应的计算，才能够选择理想的电机，从而根据电机对机械手的尺寸进行优化和整改。在最终方案出来后，可以确定机械手的电机可以满足作业需要。本次设计通过Pro/E等制图软件对机械手进行三维建模和运动仿真，通过对机械手薄弱部分进行相应的校核计算以及机械手运动轨迹的模拟，对机械手的运动行程也进行了相应的优化，从而可以确定机械手可以满足作业需要。关键词：果实采摘；机械手；三维仿真；作业空间全套图纸加扣 3346389411或3012250582IABSTRACTFruit picking manipulator is playing a significant role in the field of agriculture at present. Because it is not only a important standard to show the agricultural level of companies or countries, but also could it improve the work efficiency so that the human will get more economic benefit. This fruit picking manipulator is designed for the strawberry. The manipulator has five degrees of freedom, which includes three rotary joints and two mobile joints. Besides, we also confirm the size of the manipulator in the end. What is the most important is that we have to choose the ideal electrical machines, which is playing a decisive role in the manipulators power, to optimize the manipulators size by count and the condition of the moving manipulator. Only in this way, can we improve the manipulators performance. Finally, we make sure that the electrical machines of the manipulator can fit the bill. Pro/E is used to set up the models of the manipulator in this project. In addition to, what is the most important is that we have to optimize the route of the manipulator by simulating the movement of the manipulator and the strength of the manipulator. Finally, we make sure that the manipulator can fit the bill. Key words: Fruit picking; Manipulator; Models; Space果实采摘机械手结构设计目 录第1章 绪论.11.1 课题背景.11.2 研究的目的和意义.11.3 国内研究现状.21.4 国外研究现状.31.5 发展趋势.41.6 课题研究内容.5第2章 机械手总体方案设计.72.1 对草莓特性的认识.7 2.1.1 草莓的种植方式.72.1.2 草莓的外貌特征.82.1.3 草莓的成熟周期.82.2 机械手总体方案设计.9 2.2.1 机械手驱动方案设计.92.2.2 机械手结构方案设计.112.2.3 机械手行程分析.132.2.4 机械手工作空间分析.142.2.5 机械手采摘方式.152.2.6 草莓识别方案.162.3 本章小结.17第3章 电机选型与计算校核.183.1 电机选型参数指标.183.2 底座电机选型.193.3 大臂俯仰电机选型.203.4 腕部旋转电机选型.213.5 剪切部分电机选型.223.6 手臂升降、伸缩电机选型.233.7 校核.273.7.1 底部轴承校核.283.7.2 立柱旋转传动小齿轮校核.293.7.3 俯仰部分大齿轮传动轴校核.303.8 本章小结.33第4章 果实采摘机械手结构详细设计.344.1 底座机构详细设计.344.2 手臂升降机构详细设计.354.3 手臂俯仰机构详细设计.384.4 手臂伸缩机构详细设计.394.5 手腕旋转机构详细设计.414.6 细节部分详细设计.424.6.1 手部剪切装置详细设计.424.6.2 采集装置详细设计.434.6.3 俯仰处锁紧机构详细设计.444.7 本章小结.45结论.46参考文献.47攻读学士学位期间发表的论文和取得的科研成果.48致谢.49III第1章 绪论第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题背景在计算机技术以及电子控制技术迅猛发展的现代，每个人身边的每一样东西都离不开它们，都与它们有着极其密切的直接或者间接的联系。与此同时，机器人技术也逐渐被人们所熟知、被人们所运用，毫不夸张地说，机器人在制造业的各个领域都被大量地使用着，原因很简单，因为机器人的智能化、自动化，能够解决人们在生产生活中难以解决甚至是不能解决的困难，能够在人们所不能存在的环境中进行作业，更难能可贵的是，机器人总能够在与人们工作总量相同的条件下准确无误并且高效地完成任务1。可以说，机器人是制造业等多个行业上的“万金油”、“万能钥匙”。然而，在相对工业较为落后的农业生产中，机器人的应用并没有像工业中那么普及、应用那么广泛，原因也很简单，首先，农业的经济效益没有工业的经济效益高，而机器人带来的高额的购买、维修和保养费用，对农业生产者来说无疑是一笔巨大的投资；其次，农业生产劳动者的整体素质没有工业生产劳动者的素质高，这里的素质并不是说的道德方面，这里的素质主要是指受到的教育程度。对我国来说，农民干了一辈子或许都是在自家的田地里夜以继日地劳作，书本对他们来说就是难以触及的一种东西，即便触及了，他们也没有大把时间去学习和研究，而工人却不一样，所以像机器人种高科技的东西，让一个农民去操作，显然效果是不理想的。如果要培训农民的话，投入的人力物力也是不小的投资。这样一来，不难看出机器人在农业上难以普及也是有它自己的原因的。因此，有人就针对这种情况，制造出越来越简单，越来越容易被人接受和使用的机器人。本次的课题果实采摘机械手属于农业机器人中最为常见的一种类型，它主要是通过模仿人类整个手部的运动，从而实现人们所需要的功能。它不仅仅能节省人力物力，并且能够准确高效地完成工作。最主要的是它结构相对简单，因此它在农业生产中的前景还是很被人所看好、所青睐的。1.2 研究的目的和意义针对前面提到的一些问题，本次果实采摘机械手的设计以机械手的结构为对象，主要是应用于草莓的采摘。草莓是一种营养价值很高的水果，平常在超市看到的草莓，总是令人垂涎欲滴。而作为一种绿色食品，草莓的采摘对于草莓的生产来说显得尤为重要和突出。草莓的种植具有规律性，它们都是种植在大棚里面的架子上，或者是外边田地的架子上，因此机械手的运动也具有一定的规律性。然后，通过查阅相关的文献资料，与此同时要进行合理的计算，从而对其结构进行设计。首先，通过实践不难知道，草莓的采摘在草莓的整个生长过程中是一项很重要的工程。然而，这些小小的红扑扑的果实，需要人们一遍遍地在种植场里走来走去，不仅仅消耗人力，而且效率也不高。与此同时，人们采摘时有时因为力量和姿势的不合理，容易对果实的枝叶造成伤害，从而影响草莓的二次生长。因此在采摘过程中如何防止草莓的枝叶甚至是果实收到伤害往往是人们所考虑得最多的因素。往小了说，草莓的汁水沾在人们的衣服上也不美观，也不方便清理。因此，机械手可以解决这些问题，它只需要认为为它设定好工作指令，然后便能在不需要消耗大量人力的情况下完成草莓的采摘。这样一来，对广大的农民，尤其是大批量种植草莓的农场来说是福音。其次，这不仅仅是专业的知识的整合以及运用，同时也是为了使每一个接触它的人更全面更直观地接触各类机械结构，让大家与机械拉近距离。本次研究致力于设计一个最简单最易懂的机械手，从而使得不仅仅是工人，还有农民都能够更容易更具象地去接触这类东西，而不是让它成为拉开工农差距的罪魁祸首。换而言之，就是用“最简单”的机构去完成“最不简单”的任务。1.3 国内研究现状缓慢、萌芽、有潜力，但是创新点不多，这是目前国内研究情况的一个总的形势以及概括。的确，国内的机器人技术并不是很成熟，应该说是属于刚刚起步的状态，就像是一个婴儿学走路一样，看到其他人做什么、就跟着做什么，看到别人怎么做、就跟着怎么做。因此，大多数时候总是能在国产的一些农业机器人身上看到国外的影子，当然，好的技术是值得借鉴和学习，甚至可以照搬过来，但是事实没有那么简单，不会有哪个国家愿意把这些核心的技术全部交出来，如此一来，国内研究者只能在他人技术的基础上改造成适合自己的一门科技2。与此同时，由于国外机器人的发展状况确实过于领先，以致很大程度上掩盖了我国机器人技术发展的成果，也就是说国内机器人发展是很有潜力的，毕竟往往是落后的一方做出成就更能吸引他人的眼球。就目前来说，国内很多人也意识到了这门技术的重要性，因为它不仅仅给人耳目一新的感觉，而且它总能如人愿地完成我们的任务。其中国内的先行者也不少，例如在视觉识别系统上有自己独到思想和研究的中国农业大学，敢于突破自己的浙江大学也在不断尝试去增加机器人的自由度至七个,从而进行番茄采摘机械手的设计和研究，以及在机械领域不断取得新成果的上海交大也开始了黄瓜采摘机器人的研究，他们的努力会给中国的机器人研究不断注入新的动力、新的能量，他们的不懈也会不断地激励其他研究人员参与其中，为中国的发展竭尽自己的所有。当然，这是远远不够的，因为国外的发展并不像暴发户一样一夜之间就崛起的，因此国内的研究时间要很久，同时，研究者也不能急于求成，否则会受到负面的影响。1.4 国外研究现状迅猛、巅峰、遥遥领先，这是国外机器人技术发展的现状。这里并没有崇洋媚外的意思，因为从历史的发展上看，自从第一台西红柿采摘机器人被美国展现在全世界人眼中以来，已经过了二十多年3。而这几十年里，不仅仅是美国，其它的工业大国，诸如日本、德国等，都不断地提高、创新了属于自己的机器人技术4。就像在学校的很多场合里，播放的大多数的机器人的录像资料，几乎都是美国和日本的，使用的机械手设计图册也几乎是日本的。 造成这么大的差距并不是说国内技术不如人，最主要的是历史的沉淀造就的。从蒸汽机到计算机，在工业迅猛发展的年代里，我国当时与这些技术并没有接触。其次国外参与该技术的研究人数也是遥遥领先于国内，而发明创造出来的东西也是数不胜数，例如爱尔兰的七自由度的SCORBOT-ER工业机器人、出自日本Kondo-N等人之手的黄瓜采摘机器人、96年产于荷兰的多功能黄瓜采摘机器人(如图1.1所示)等等5。图1.1 黄瓜采摘机器人另一个所不能忽视的根本上的原因就是国外极其激烈的竞争环境下，促进了国外很多企业不断地创新和发展，大家都深知适者生存的道理，所以按理来说只有更强而没有最强。国外的发达国家在这项技术上可以说是先驱者，打个比方就是抢跑的博尔特，谁都追不上。可以说国外的技术达到的高度不容小觑，但是，国内的研究者不能悲观，毕竟国外的技术已经达到了巅峰，除非下一次的科技革命，否则，我国还是有机会迎头赶上，并能挤进前列。1.5发展趋势 我国是一个农林大国，而如何在最少的人力消耗的情况下最大程度地实现对农作物的采集和收获是我们义不容辞的任务。而农业机器人的发展状况也必将会根据我国的发展，一步一步进行改进和优化。首先，发展趋势最为突出的是环境的适应性会加强。众所周知我国的国土面积很大，南北、东西跨度都是非常广阔的。这样一来就会导致各地的气候是非常不一样的，而机器人不可能说一个地方一种类型，一种天气换一种类型，因为机器人的生产并不便宜。所以，对环境适应性的加强肯定会使得机器人的生产和制造少了很多的麻烦。与此同时，都生产同一种类的机器人有利于维修和保养的集成性，零部件的生产也都更为统一，并且都能有一个标准，从而不会出现混乱的现象，提高了工作效率的同时也带来了客观的经济效益。其次，农业机器人会越来越简单，越来越便宜，性价比越来越高。因为根据实际情况不难知道，实际上操作机器人的是农民，而不是科学家或者技术精英，假若研究者们把机器人弄得很复杂，那么农民们就将会是操作半天都摸不着头脑。当它的结构简单后，农民们可以自行拆装，更换零部件，从而延长了机器人寿命的同时不会给农民们增加额外的工作量。当它的价格便宜后，对收入普遍较低的农民来说，入手这样一个省钱省力的“铁怪物”也未尝不是件好事，因为它在自己的经济承受范围之内。因为对于农民来说，衡量利益是他们首要的事情，如果入手这一机器人赚的钱得好几十年才能抵上机器人本身的价格的话，那么他们是绝对不会考虑这一买卖的。再次，农业机器人会越来越智能，并且续航能力将会越来越持久。我们最为理想的状态下的机器人肯定是完全脱离人们的操作，能够自行完成农作物的识别、分类、采摘以及收集，这样一来的话能够减少人们的参与程度，进一步地减少劳动力的输出。当然，要想完全脱离人们的操作，超强的续航能力也是不容忽略的，因为我们总不想隔三差五地就回来给它充电、换电池，这种工作量是很繁琐的，然而超强的续航能力能够有效避免这一情况的出现。在我看来，机器人能够智能到自己回位然后自行充电，等到充电完成后又自行工作的话，这就是最为理想的超强续航能力。然后，农业机器人的工作精度会越来越高。因为我们知道农作物的采集方式很大程度上会影响到农作物的生长方式。就拿草莓的采摘来说，定位精度不够的话，在剪切枝条的时候会伤害到周边的果实，从而造成不必要的损失。当然，力量的控制上也会更为精确，因为过轻了农作物无法采摘，过重了对枝条伤害加大，并且对于动力源的消耗也会很大。所以，定位精度以及力量精度的提高，将会很大程度上防止意外的发生，减少不必要的损失，这都是不容小觑的经济效益。同时我相信工作精度越高，这样的机器人将会越受欢迎和更容易被人接受6。最后，农业机器人的抗污能力会越来越强，而且功能会越来越齐全。我们都知道，农林的环境是非常糟糕的，湿则泥污遍地、干则尘土飞扬，那么机器人的清理也是及其费力的，有可能还要涉及到拆装的过程，这不禁让人想起小时候拆了东西后就没装上的。如果机器人的抗污能力很强的话，就能省下很多的时间。这就要求在机器人的材料上需要下功夫，尽量使用易清洁的材料，并且要在机器人的结构上多琢磨，尽量避免有难以清理到的死角。与此同时，机器人的功能也将越来越丰富，不仅仅是针对一种农作物的采摘，并且能适应多重农作物，而转换也不需要做太大的改动，或许仅仅是需要换个手爪而已。1.6 课题研究内容课题的研究需要不断地改进和优化，因此必须要有一定的计划和方法，从而保证研究过程的流畅性。首先，需要做的是文献资料的检索和参考。通过在学校图书馆以及指导教师推荐的网站上查阅与研究课题有关的国内外文献资料，从而了解并且熟悉自己所做的结构，为今后的设计铺好道路。其次，需要做的是总体方案的设计。通过建立机械手的功能树，求解功能元，紧接着列出形态学矩阵，从而求得功能解并得出合适的方案。这样一来设计的思路就能一目了然，方便之后的计算和整改。再次，根据实际作业情况对机械手的尺寸进行选择并且进行三维建模，对机械手的电机进行选择，确定主要的零部件的尺寸，并通过Pro/E等相关的三维制图软件对机械手进行三维建模和运动仿真。这样一来，机械手设计的合理性以及美观性就能够直观地展现出来。最后，校核关键部位并且绘制二维图。每个机械体都有自己薄弱的部位，我们只有保证最薄弱的部位不会出现问题，才能保证整个系统准确无误地工作。二维图则是对机械手最直观的表现，只有通过多张的二维图纸才能真正把机械体的结构表达清楚。51第2章 机械手总体方案设计第2章 机械手总体方案设计2.1 对草莓特性的认识2.1.1 草莓的种植方式我们在设计一个机械手，甚至一个机器人之前，我们必须清楚地知道它的用途，知道它是用来做什么的，知道它将会在怎么样的一种环境和条件下工作，这都将有利于我们具有针对性地去做好研究和设计工作。这样一来我们可以提高工作的效率和工作的积极性。草莓，是一种市场上经常见到的水果，营养价值很高。人们经常见到的是加工处理好后摆上货架上的草莓，它们是没有枝条的。但是，却很少有人知道草莓是怎么一种种植方式的。对于我们的机械手来说，了解并且熟悉草莓的种植方式是设计的前提。草莓一般是在温室大棚里进行种植的（如图2.1所示），它主要是生长在架子上，架子的高度一般来说在1m1.8m之间,这样的一种种植方式具有规律性，它的规律性不仅仅体现在它种植到收获的时间上的规律性，它主要表现在草莓的种植区域基本上是一个椭圆或者长方形的生长区域，因此它的采摘也具有规律性，只需要围绕草莓生长的椭圆区域外圈就能进行采摘，人们也通常会在区域外边设有通道。草莓的种植密度不会太大，一般来说理想的种植空间应该是株行距保持在1020厘米，这样一来，光合作用有了保障，其次草莓也没必要为了养分而“打架”了。图2.1 草莓的种植方式2.1.2 草莓的外貌特征在了解草莓的种植方式后，我们还有一项需要了解的东西，那就是草莓它一般是长什么样的(如图2.2所示)。颜色是鲜红色，这自然不需要我多讲，而它的颜色也不会对研究造成实质性上面的影响。对于外形，我觉得这就是一种常识性的东西了，这里草莓不是说像我们意识形态里认为的那样，都觉得它们像爱心一样。那往往是人们对现实情况把握不够后想出来的东西，但事实上，在大多数超市里面卖的草莓，如果是长得特别好的，外形一般近似于一头圆一头尖的椭圆形，甚至可以说是肥胖的三角形，如果把它近似看成圆，直径一般在24厘米左右，这都已经算是大的了。而且草莓的外皮特别地薄，我们在吃它们的时候，不需要像吃橘子、橙子一样剥皮，而是洗干净后就能入口即吃了。当我们把草莓头的苗摘下来，这时候往往会连皮带肉地一起扯下来，这都可以看出来草莓的质地是非常柔软的7。图2.2 草莓的外形2.1.3 草莓的成熟周期首先，对草莓成熟期的熟知非常有利于合理安排机械手的作业时间，其次，我们可以根据不同地区的不同天气状况，对机械手采取防护措施，例如雨天我们可以给机械手加上一块帆布或者塑料布,霜冻天气我们可以把散热系统关闭，加上防冻的润滑油等等。草莓一般来说都是在每年的五月下旬成熟，这是自然生长状态下的成熟期，但是，在自然状态下生长的草莓往往面临更多的挑战，诸如恶劣的天气状况、匮乏的养分等，因此，我们通常会在大棚里进行栽培，这样可以大幅度地缩短成熟周期，从而能够提前上市，一般来说大棚的草莓成熟期都在12个月左右。并且果实要比自然生长的更大，甜度也是非常地高。我们通常吃的也都是大棚草莓。2.2 机械手总体方案设计2.2.1 机械手驱动方案设计通过资料的采集发现，目前的机械手的驱动方式主要有液压驱动、电机驱动以及电气驱动8。刚开始对这些系统的驱动自己都不是太熟悉，液压系统的知识储备不是太充足，原理和设计也只是知道个凤毛麟角。电机更不用说，虽然平常身边存在不少电机，但是说实在的，对它也是一窍不通。电气就更别提了，基本没有接触过，就在做一些实验的时候见到的气动导轨，即便是近在咫尺，大多数时候也是我们都会远离它。所以，电机的选择主要是通过不断查阅相关资料来选取理想的驱动元件。液压驱动，它能够通过对液压马达以及油泵的控制，来使得液压油提供动力，从而达到驱动的目的如图2.3所示。图2.3 液压机械手与此同时，对于我们设计的机械手来说，它能够提供十分稳定的动力，因为它本身的缸体能够抵抗足够大的外力，其次液压油的压力比较稳定，而且提供的动力很大。与此同时，液压缸是圆柱形的，即便不是圆柱形，它的形状也是有规律对称的，因此采用液压缸的话，机械手的外形将会十分美观，在设计机械手的整体外壳时也能用很简单的薄壳直接套上即可。然而，事与愿违，我们首先需要考虑到的是，我们的机械手是进行草莓的采摘，本身作业空间就不是很大。其次，机械手本身的设计原则是小巧简单，假如我们采用液压驱动的话，机械手还得“背着”一个液压油缸来为系统提供液压油，这个大家伙重且不说，还占据了很大的地方。然后，整个机械手的结构还得有油路，油路的设计也是一门学问，因为油路深了加工不出来，而且太长的油路会削弱机械手结构的强度，油路短了还到不了预定地点，因此这就无形地增加了加工的难度以及成本的消耗。最后，液压系统本身的清洁性能非常不好，如果能长时间保持油路的畅通和封闭的话，那还行，要是出现漏油、灰尘和油污相遇结块的情况，对于从事食品采摘的机械手来说，是非常不好的，因为没有人会喜欢油腻腻、黑漆漆的草莓。因此我们排除了采用液压系统来配备给机械手。气压传动，对于设计的机械手来说，它能够在短时间内提供瞬时的非常巨大的动力。我一开始就没想过要气压传动，不是因为不熟悉的缘故，主要是因为我们的机械手工作时根本就没必要有这种瞬时动力的驱动方式，因为我们的采摘机械手要的就是灵活以及稳定，气压驱动感觉上会让我们的机械手一顿一顿的，类似于卡帧，这都是我们所不希望看到的。与此同时，气压传动时气缸会发出很大的响声，因为气体的突然间释放的能量是巨大的，这样一来，也就是说无形之中这样一种机构会产生大量的噪声，这不仅仅是一种污染，并且对于每个工作者来说无疑是一种伤害。由此看来，气压系统也是在考虑范围之外的。电机驱动，主要是通过电机等元件，通过联轴器或者其他元件的连接来带动整个系统工作。由于我们的机械手属于比较小型的系统，所以我们一般选用的电机也都比较小，其中像交流伺服电机（如图2.4所示）、直流伺服电机（如图2.5所示）以及步进电机（如图2.6所示），它们体积小，占用空间小，而且拆装方便，更换的渠道和范围都比较广。 图2.4 交流伺服电机 图2.5 直流伺服电机图2.6 步进电机与此同时，作为动力源，电机能提供的动力也是挺乐观的，像直流力矩电机都是非常不错的能提供很大力矩的元件。在供电方式上，小型的电机一般来说用一个12V或者24V的蓄电池就能提供电源，假若是需要220V的电压，那么我们其实可以根据网上的一些资料，在电机和蓄电池两者之间假如一个逆变器，从而使蓄电池的输出电压能够满足需求，这种做法实质上就是应急电源的一种转换。记得以前寝室没电，有同学的电脑支持不了多久，于是也是用上面的方法给笔记本提供了足够的电力。与此同时，一般来说电机尾端都会安装一个反馈元件，从而对电机的速度等进行实时监控，这都为机械手的作业提供了足够的安全保障。由此看来，电机是我们所青睐的、所一直追求的较为理想的驱动元件。那么我们就得在交流伺服电机、直流伺服电机以及步进电机三者之间，针对不同的情况选择合适的一种，当然，整个机械手的系统当中肯定用到不止一种电机，所以我们要做的是在这里点明它们之间的优缺点，从而决定整个系统应该以哪个电机为主。对于交流伺服电机来说，放在整个机械手系统中可以提供非常稳定的速度,可以实现平滑控制，在其调控范围之内,传动效率可以达到90%。在其的运行区域内可以实现恒等力矩的转换，不会产生摩擦的损耗，这都可以减少经济上的消耗。但是，从几本电机的参考资料上来看，交流伺服电机的体积相对比较大，供电一般来说要满足机械手作业要求的都要220V电压才行，最需要考虑的是它的重量也不小，所以放在机械手手臂上的话无疑会增加力矩9。与此同时，交流伺服电机的接线较为复杂，参数的设定都要现场的调试才行，因此可操作性不是太强。对于直流伺服电机来说，它的使用原理都是大家耳熟能详的，操作特别简单，维护和更换的渠道都特别广泛。最难能可贵的是它的速度控制精度很好，转矩速度特性也是非常理想的，现在也有直流力矩电机，都可以满足各种力矩场合下的作业要求。但是，直流伺服电机本身的磨损消耗是比较严重的，而且相对容易进灰，需要做好防尘的准备。对于步进电机来说，它的控制精度是前面两种电机所不能匹及的，其次，它的体积小，重量轻，能实现的力矩传递也十分可观。只需要根据自己的需要给它相应的脉冲，就能实现速度上的精确控制。我最看好步进电机的是它的自锁能力，在断电的情况下，它本身会对电机轴有一个锁紧力矩，从而防止电机轴做无谓的转动。根据三种电机的比较，我决定这次的机械手是以直流电机和步进电机为主。2.2.2 机械手结构方案设计机械手的自由度决定了它的作业空间和范围，这也是全世界的科学家们所绞尽脑汁要研究的一个问题，同时这也是我们人类设计的机械手永远比不上人类自己的手灵活，这是因为我们人类自己的手的关节（同于机械手的自由度）非常多，而且各个关节之间的调控都是非常井井有条的。通过查阅资料了解到草莓大棚以及草莓种植架的基本构造后，考虑到能够充分地覆盖到草莓架上的每一个成熟的草莓，从而基本确定了机械手是由5个自由度组成的，如表2.1所示。表2.1 机械手的自由度的选择自由度1自由度2自由度3自由度4自由度5底座的旋转手臂的升降手臂的俯仰手臂的伸缩手腕的旋转每个自由度的确定都有它的作用，确定了5个自由度也是考虑到了机械手在进行草莓采摘时所能涉及到的工作需求。就在确定了自由度后，机械手的工作原理也就能够随之确定，与此同时我也绘制了机械手的原理图如图2.7所示。图2.7 机械手结构原理图底座的旋转主要是实现机械手在平面上的一个面对草莓架的一个锥形空间上的作业范围，因为我们机械手的基本的移动靠的就是小车，我们不能要摘哪片的草莓就把小车停在哪片草莓的面前，这样是很麻烦，而且作业空间是很小的。如果底座能旋转的话，机械手的作业范围就不仅仅是面前的草莓，周围一定范围内的草莓也都能采摘到；手臂的升降主要是实现对不同生长高度的草莓都能够进行采摘，由于我们的机械手的水平工作空间是有限的，如果手臂能升降的话，对于架子上不同高度的草莓都能实现采摘；手臂的俯仰是为了实现对不同生长高度的草莓的采摘进行精确的定位，再一个就是为机械手的采摘提供一个垂直面上的锥形空间，从而避免手臂频繁地做升降运动；手臂的伸缩是为了弥补手臂俯仰时造成的机械手与草莓之间距离的误差，因为手臂俯仰的轨迹是一个圆形，当它有一定的俯仰角度后，和草莓的水平距离就会加大，这时候手臂的伸缩就能很好地进行这个加大距离上的补偿；手腕的旋转是为了加强机械手的避障能力，因为草莓枝条的位置是十分混乱且没有规律的，为了避开不在工作要求内的枝条，手腕的旋转能够甩开多余的枝条，从而能够很好地解决这个问题。2.2.3 机械手行程分析机械手的采摘范围是由机械手各个部分的行程来确定的，我们在确定机械手各个部分行程的时候要根据具体的情况来选择合理的行程，例如草莓架的高度，草莓生长的密度等等。假若行程小了，可能造成机械手采摘的范围不能满足作业的需求，并且还会增加没有必要的运动。行程大了的话可能会造成材料的浪费，因为材料的多少和行程的大小是有关系的，如果你有10%的行程是无用的，那么就说明你加工制造出来的这10%的材料是没有用的，与此同时，行程大了会使得机构不合理，例如手臂伸缩行程太大，伸出去太长可能就会使机械手有往前倾的力，以致影响了机械手的稳定性。综合以上的诸多因素，对机械手行程的选择如表2.2所示。表2.2 机械手的行程选择底座旋转手臂升降手臂俯仰手臂伸缩手腕旋转3601m60220mm360底座选择360是为了能让机械手在平面范围内有最广的作业覆盖范围；手臂升降的范围是考虑到草莓架的高度，一般是1m1.4m之间，而我们的底座就有将近400mm的高度了，所以手臂升降的选择是合理的；手臂的俯仰考虑到了手臂降到最低处时，俯摆角度超过60的时候会和底座有干涉，所以这个角度是合理的；手臂的伸缩主要是起到距离补偿的作用，所以220mm也足够了；手腕的旋转能够正反转360就是我们最理想的状态了。2.2.4 机械手工作空间分析我们确定了机械手的工作行程后，就能对其工作空间，也就是工作范围有了全面的认识和了解。其中我们可以把它分为几个部分，主要包括旋转方向工作范围（如图2.8阴影所示）、竖直方向和伸缩方向工作范围（如图2.9阴影所示）、俯仰方向工作范围（如图2.10阴影所示）由于腕部的旋转不能提供距离上的范围，所以在这里忽略不计10。图2.8 旋转空间图2.9 竖直、伸缩方向空间图2.10 俯仰空间从三个坐标图中我们不难看出手臂的伸缩能做到的距离上的补偿范围也是不小的，并且能够很好地为草莓的采摘增加了作业面积。2.2.5 机械手采摘方式 机械手的采摘方式可以分为很多种，最常见的是吸附式（如图2.11所示）、抓拉式（如图2.12所示）以及剪切式（如图2.13所示）。图2.11 吸附式 图2.12 抓拉式图2.13 剪切式我们从图2.11中不难看出，吸附式的采摘机械手主要是依靠中间的一个吸附装置，一般来说都是可以创造真空的装置，这样一来，装置一启动就会把果实吸过来，然后通过三个手爪对果实进行抓紧，然后通过拉力、或者是在手爪的部分增加一个剪断装置，从而对果实进行摘取。图2.12中的抓拉式采摘手，实质上就是少了真空吸附装置的吸附式的采摘手，抓拉式的采摘手对三个手爪之间运动的配合性有较高的要求，与此同时，抓拉式的采摘手对果实的定位精度要求比较高，因为它必须得感应到果实在什么地方了才能实施采摘。相对于前面两种采摘手来说，图2.13里面的剪切式采摘手要更为快捷，因为它只需要到达果实所处的位置，把枝条剪断，然后再设计一个采集装置对剪断后掉落下来的果实进行收集。最为关键的是，剪切式的手爪对草莓枝条的伤害已经是降到了最低，可以说是没有伤害的，因为剪切力只是作用在采摘的那个草莓的枝条上，而对整个草莓的种植系统不会造成影响，不会说因为拉得太猛而使得草莓架摇摇欲坠。因此，本次设计的机械手采用的是剪切式的采摘方式，利用其类似于剪刀的原理，通过两个剪切片对草莓枝条进行剪切。2.2.6 草莓识别方案我们进行草莓采摘的时候不可能对每个草莓都进行采摘，即便是到草莓成熟的季节，也不可能做到整个棚里的草莓都成熟了，我们必须对草莓进行识别，从而区别成熟和不成熟的草莓，从而使得采摘的正确率得到提升11。我觉得在腕部的旋转关节处安装一个可以进行颜色识别的摄像头。安装在腕部旋转关节处是因为这样安装的摄像头可以随着腕部的旋转而旋转，从而能增大摄像头的监测范围。用到了颜色识别主要是根据成熟草莓与不成熟草莓的颜色上的差异，一般来说成熟草莓的颜色是鲜红色的，而不成熟草莓是绿色然后还有点偏白色。这样一来，在大范围的监控区域内就能通过颜色的不同对草莓进行正确的采摘了12。由于草莓的识别不在本次的结构设计范围之内，所以该处设计不会影响设计的内容。2.3 本章小结本章主要是对机械手的方案有个初步的确定。首先是驱动元件的确定，通过电机来驱动整个系统，并且系统是以直流伺服电机和步进电机为主。其次是确定了机械手的自由度，机械手总共有5个自由度，包括底座的旋转、手臂的升降、手臂的俯仰、手臂的伸缩以及手腕的旋转，基本上可以覆盖任何范围内的草莓。再者是确定草莓采摘的方式，采用了剪切的方式，利用其类似于剪刀的原理，对草莓进行无伤害的采摘。最后就是确定了草莓的识别方式，主要是通过摄像头的颜色识别功能，对成熟草莓和不成熟草莓进行识别。总的来说，方案的初步设定有利于下一步的结构设计，为下一步的结构设计铺好了道路，指明了方向。第3章 电机选型与计算校核第3章 电机选型与计算校核3.1 电机选型参数指标机械手对电机的选择有严格的要求，其中主要有几个重要的参数13。1、 转速通过研究知道作为驱动元件，是为了能够带动系统工作，那么对于做旋转运动的物体，它都会有一个转动的速度，而这个速度主要是依靠电机来给予的。所以当我们确定了物体的最基本的转速后，对电机的转速也会有相应的要求，对电机转速过大的我们都会在电机前面加一个减速箱，或者是在其传动链上增加一组用来减速的齿轮传动。现在也有很多的电机生产厂家都有生产配套的电机和减速箱，我们一般称这样的配套的驱动装置为减速电机。2、 扭矩因为电机基本上都是在有负载的情况下工作的，那么对于任何旋转的物体，包括电机轴，都会有因为旋转而产生的扭矩。那么我们在选择电机的时候需要考虑到电机的输出转矩是否能够满足系统的要求，过小了可能会造成电机无法带动负载工作，我们称这种情况为过载。一般来说我们都会选择输出扭矩比负载扭矩要大的电机，这样一来可以保证扭矩的输出以及应对突然的超载的情况。在这方面交流伺服电机是比较优秀的，因为它的过载能力十分突出，而且输出扭矩都相对平稳。3、 功率通过研究不难知道电机的输出扭矩越大，它的输出功率就越小，这样一来，我们就不能单纯地通过扭矩来选择电机，因为有可能我们的转矩满足要求了，但是功率却不满足要求，这样一来将会出现电机空转的现象。4、 惯量惯量的原理和扭矩是一样的，都是因为物体的旋转会给电机轴产生一定的转动惯量，但是我们在选择电机的时候，一般来说着重考虑的都是扭矩和功率，只要这两项满足了，惯量也会满足。 这次机械手的电机主要是交流伺服电机、直流伺服电机以及步进电机，它们虽然都是电机，但是在实际使用起来的差别还是相对较大的。所以我们需要根据不同的关节部分的具体情况来选择合适的电机。3.2 底座电机选型已知条件：，=4kg； ，=12kg。预设条件：大齿轮的转速：r/min，达到预定速度的响应时间：t=0.1s。首先，根据预设的大齿轮的转速来确定减速箱的减速比，其中，需要先求出小齿轮的转速，小齿轮的转速可以通过传动比来求得，见式（3-1）。 （3-1）式中 i齿轮传动比；小齿轮齿数；大齿轮齿数；小齿轮转速（r/min）；大齿轮转速（r/min）。小齿轮的转速为： 其次，需要计算负载转矩，通过负载转矩可以通过电机的输出转矩去选择电机，与此同时还能算出电机所需的输出功率。负载转矩的计算如下：由于齿轮和轴进行组合后可以看成是圆盘状，所以可以计算两个齿轮的回转惯量： （3-2）式中 回转惯量（）； 物体重量（）； 齿轮直径（）。由式（3-2），已知=10，=60，=0.116，=0.396，则：由于底座是齿轮传动，则总的回转惯量的计算见式（3-3）。 (3-3)式中 齿轮传动比；所以，在这里可以算出总的回转惯量：这样一来就可以根据回转惯量算出负载转矩，见式（3-4）。 （3-4）式中 负载转矩（）；物体回转惯量； 物体转动速度； 响应时间（）；其他符号同前。再根据负载转矩便可以求出所需功率，见式（3-5）。 （3-5）式中 功率（）； 物体转动速度； 负载转矩； 其他符号同前。所以，由式（3-4）：再由式（3-5），所需功率： 选择安全系数，所以，。这样一来，由计算结果知道了电机的所需功率以及所需的输出转矩，在此为底座的电机初选为：常州市松岗电机有限公司生产的DC MOTOR系列电机，型号为Z2D15-24GN，基本参数为：电压24V，功率15w，空载转速3300r/min，负载转速3000r/min，重量0.9kg，电池寿命2000h；配套的减速箱：减速比1：60，输出转矩1.72Nm，输出转速55r/min，重量0.33kg；电机效率，所以电机输出转矩，输出功率14.25w，因此电机符合要求。3.3 大臂俯仰电机选型已知条件：，；，。预设条件：俯仰的速度，达到预定速度的响应时间：。由式（3-1），传动比：再由式（3-2），已知：，则转动惯量：再由式（3-3），物体总的转动惯量：再由式（3-4），物体转矩：最后由式（3-5），所需功率： 选择安全系数，所以，。根据上面的计算结果，电机初选为：温州泰河机电有限公司生产的交流同步电机型号为TY-TJZ60，基本参数为：电压24V，功率14w，输出转速30r/min，输出转矩0.49Nm，重量1.1kg；电机效率，所以电机输出转矩，输出功率12.6w，因此电机符合要求。3.4 腕部旋转电机选型已知条件：带动旋转的剪切部分的外形是一个立方体，其中长，宽，高，重量。预设条件：旋转的速度，达到预定速度的响应时间。对于立方体，它的转动惯量的计算是有所不同的，见式（3-6）。 （3-6）式中 物体转动惯量； 物体质量； 立方体长（）； 立方体宽（）； 其他符号同前。因此，腕部带动的剪切部的转动惯量由式（3-6）：再由式（3-4），物体的转矩：最后由式（3-5），所需功率：选择安全系数，故，。根据上面的计算结果，电机初选为：温州泰河机电有限公司生产的交流同步电机型号为TY-TJZ60，基本参数为：电压24V，功率14w，输出转速30r/min，输出转矩0.49Nm，重量1.1kg；电机效率，所以电机输出转矩，输出功率12.6w，因此电机符合要求。3.5 剪切部分电机选型首先，需要计算的是手爪的剪切力（如图3.1所示），计算的过程和方法如下14。图3.1 剪切手爪结构示意图在设计出剪切手爪之后，对手爪的各个参数也都能知道，其中，于草莓的枝条很细，所以剪切力不需要太大，只需要就可以了。计算的公式见式（3-7）。 （3-7）由式（3-7），手部的驱动力：求得手部的驱动力后，就可以对电机进行选择，已知的条件：对齿条来说：长度；对齿轮来说：，。对于齿轮齿条的传动来说，计算方式与前面的两个齿轮传动略有不同，齿轮的输出转动力矩计算见式（3-8）。 （3-8）根据式（3-8），便可以求出齿轮的输出力矩：接下来，需要计算的是电机的输出功率，计算公式见式（3-9）。 （3-9）式中 功率（）； 负载力（）； 速度（）； 传动效率，这里取。由式（3-9），便可以求出电机的功率：选择安全系数，故，。根据上面的计算结果，初选电机为奥悦达步进电机，型号AYD3402A45A，基本参数：电机静力矩，步距角，电流，电压，转动惯量，重量；电机效率，所以电机输出转矩，输出功率136w，因此电机符合要求。 3.6 手臂升降、伸缩电机选型滚珠丝杠副的电机选择过程十分复杂，因为它考虑的因素要更多，所需要的相关的参数数据也更多。在这里首先计算的是负载力矩，主要包括切削负载力矩，摩擦负载力矩以及附加负载力矩，其中切削负载力矩是丝杠进给时候所产生的，摩擦负载力矩则是由丝杠进给过程中各部件之间的摩擦力造成的，附加负载力矩是由滚珠丝杠的预紧力造成的15。对于切削负载力矩，见式（3-10）。 （3-10）式中 进给过程中产生的轴向力（）； 丝杠转一圈物体的移动距离（）； 传动效率，一般取0.90； 传动比。在上式中，有一个丝杠的传动比，计算见式（3-11）。