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需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑XXXXX毕 业 设 计 (论 文)苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真系 名： 专业班级： 学生姓名： 需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑学 号： 指导教师姓名： 指导教师职称： 年 月苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真I摘 要苹果采摘机器执行器是采摘机器的重要部件，它的设计通常被认为是机器人的核心技术。本次设计首先，调查了采摘机及其末端执行器的研究及发展现况；接着，通过现有苹果采摘机末端执行器及人工采摘苹果时原理进行分析，在此分析基础上提出了总体结构方案；其次，对各主要机构及其零件进行设计与选择；然后，通过静力学分析进行了校核；最后，采用 Pro/E 三维设计软件进行了虚拟设计及仿真分析。通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等；掌握了普通机械产品的设计方法并能够熟练使用AutoCAD、Pro/E 软件，对今后的工作与生活具有极大意义。关键词：苹果采摘，执行器，手指，设计苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真IIAbstractApple picking machine is an important part of the picking machine. Its design is often considered as the core technology of the robot.This design first, the research and development status of the picking machine and its end effector;Then, through the analysis of the principle of the end effector of the apple picking machine and picking apples, the overall structure scheme is put forward;Secondly, the design and selection of the main body and its parts are carried out;Finally, the virtual design and simulation analysis of Pro/E 3D design software are carried out.Through this design, we have consolidated the professional knowledge of the University, such as: mechanical principle, mechanical design, material mechanics, tolerance and exchange theory, mechanical drawing, etc.;Master the design method of common mechanical products and be able to skillfully use AutoCAD, Pro/E software, for the future work and life of great significance.Key words: Apple picking, Actuator, Finger, Design苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真III目 录摘 要 .IAbstract.II第一章 绪论 .11.1 课题研究背景及意义 .1苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真IV1.2 国内外采摘机器发展现况 .11.3 采摘机器末端执行器研究现状 .21.3.1 获取方式 .21.3.2 分离方式 .3第二章 总体方案确定 .52.1 设计要求 .52.2 苹果采摘特点分析 .52.3 总体方案设计 .5第三章 主要机构的设计与选择 .73.1 驱动机构的设计 .73.1.1 驱动方案的选择 .73.1.2 电动机的选择 .73.1.3 丝杆副的选型与校核 .93.1.4 轴承的选择与校核 .123.1.5 键的选择与校核 .123.2 手指结构设计 .133.2.1 手指数量 .133.2.2 手指关节数量 .133.2.3 手指的材料 .133.3 机架的设计 .14第四章 力学分析与校核 .154.1 手指的工作原理 .154.2 抓取时的静态力学模型 .154.3 运动学分析 .17苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真V4.4 夹持误差计算 .18第五章 三维设计与仿真分析 .215.1 软件概述 .215.2 三维设计与装配 .225.2.1 零件三维设计 .225.2.2 虚拟装配 .235.3 仿真分析 .245.3.1 仿真的简单介绍 .245.4.2 仿真过程 .25总 结 .28参考文献 .29致 谢 .30苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真VI苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真VII苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真VIII苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真IX苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真X苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真XI苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真XII苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真XIII苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真XIV苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真1第一章 绪论1.1 课题研究背景及意义苹果是我国生产的主要果品之一，2010 年苹果产量占果品总产量的 32.73%，居三大果品( 苹果、柑橘、梨) 之首。同时我国苹果种植面积 2848 万亩，产量 2600 万吨，分别占世界苹果面积、产量的 35%上，规模居世界第一。机器人采摘在苹果采摘过程中的大量应用能够极大地提高采摘效率、节约成本，不过，虽然水果采摘过程中容易出现机械损伤，机械损伤也是门入侵的病原微生物，是烂水果的主要原因。由于受负载瘀伤的操作方面，打破，从而导致变质腐烂的水果多达 30%40%，每年的损失高达数百亿人民币。机械手是与果实直接接触的部分，因此设计一种轻巧易用且对果实损伤小的机械手显得尤为重要。“采摘机器的末端执行器是一个安装在移动设备或者采摘机器手臂上，使其能够拿起一个对象，并且具有处理、传输、夹持、放置和释放对象到一个准确的离散位置等功能的机构。 ”这是末端执行器的一个定义。采摘机器的抓取作业方式是工业生产中的一个重要应用。采摘机器是一种通用性较强的自动化作业设备，末端执行器则是直接执行作业任务的装置，大多数末端执行器的结构和尺寸都是根据其不同的作业任务要求来设计的，从而形成了多种多样的结构形式。通常，根据其用途和结构的不同可以分为机械式夹持器、吸附式末端执行器和专用的工具三类。多数情况下末端执行器是为特定的用途而专门设计的，但也可以设计成一种适用性较大的多用途末端执行器。总之，末端执行器机构的种类较多，但是其中有些在技术上尚不成熟。因此，如何在现有的末端执行器机构的性能并从国情出发，研制出能满足各种作业要求，实用可靠，结构简单，造价低廉的采摘机器末端执行器是我们的主要任务。1.2 国内外采摘机器发展现况水果和蔬菜的采摘机器人的研究始于 20 世纪 60 年代，在 20 世纪的美国，用于收割方法主要是机械和气动摇晃摇晃风格。缺点是水果的脆弱性，效率不高，是不是特别有选择性的收获，存在很大的局限性采摘柔软，新鲜水果和蔬菜方面。但此后，随着电子技术和计算机技术的发展，特别是在工业机器人，日益成熟的计算机图像处理技术和人工智能技术，采摘机器人的研究和技术开发得到了快速发展。目前，日本，荷兰，法国，英国，意大利，美国，以色列，西班牙等国相继推出的水果和蔬菜采摘机器人方面的研究相关的研究主要橘子，苹果，西红柿，樱桃西红柿，芦笋，黄瓜，甜瓜，葡萄，甘蓝，菊花，草莓，蘑菇等，但这些收益还没有真正商业化经营的机器人。苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真2研究农业机器人领域起步相对较晚，但近几年的快速发展，也已经有很多的研究。张剑峰，董剑，张志勇，如自适应鲁棒跟踪控制算法采摘机器人设计;机器人视觉传感器设计立体的中国农业大学，刘兆祥，刘刚，谁捡到了苹果方面江苏大学蔡健荣三维信息，例如恢复的障碍，为柑橘采摘机器人障碍识别技术的研究;南京农业大学工学院和夺权的水果和蔬菜研究技术姬长英王学林外环控制。在国内，苹果采摘由人工来完成，采摘效率低、采摘人员劳动强度大、工作环境差。目前对苹果采摘机的报道比较少，最近国内也有一些采摘机具的专利，如坚果采摘机，这些专利能在一定程度上减轻采摘人员的劳动强度，改变采摘人员的工作环境；但大多结构简单，所以未从根本上解决采摘难度，效率低等问题。本研究以设计出实用化的苹果采摘机为目标，通过对苹果采摘的工作环境和特性进行深入分析，利用 pro/e 软件对苹果采摘机进行三维设计和虚拟装配，设计出苹果采摘机末端执行器。基本解决了采摘劳动力大、效率低等问题，具有一定的发展前景。1.3 采摘机器末端执行器研究现状末端执行器是果蔬采摘机器人的另一重要部件，它的设计通常被认为是机器人的核心技术之一。一般果蔬的外表比较脆弱，它的形状及生长状况通常复杂。1.3.1 获取方式获取和分离果实是采摘机器人末端执行器必须实现的两大关键动作，即首先通过抓取、吸入、勾取等一定方式获取果实，再通过扭断、剪切等不同方法完成果实与果梗的分离。从目前发表的文献来看，获取果实的方式主要归为非夹持类和夹持类两种。分离果实与果梗的方式有传统的扭断、折断、拉断以及通过剪刀或切刀进行切断，还有新式的热切割方法等。（1）直接切断式这类末端执行器一般都是直接剪断果梗。例如，日本开发的甜椒采摘机器人末端执行器、番茄采摘末端执行器、美国柑橘采摘末端执行器均为此类结构，如图 1-1、1-2 所示。苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真3图 1-1 甜椒采摘末端执行器 图 1-2 番茄采摘末端执行器这类末端执行器的结构更能较为简单，适用于植株冠层内枝叶较稀疏，且果实具有一定抗冲击能力的果蔬。（2）吸入式这类非夹持类末端执行器主要是通过真空系统将果实吸入末端执行器内，再通过切断、扭断等方式分离果实和果梗。 如图 1-3 所示比利时开发的苹果采摘机器人末端执行器，设计成漏斗的形状，漏斗内安置摄像机，当有果实进入手爪范围的时候，真空吸引器打开将果实吸入，再通过旋转扭断果梗将果实采摘下来。图 1-3 苹果采摘末端执行器吸入式的末端执行器硬件设计简单，工作原理类似，对于果实娇嫩、果梗柔弱细长的草莓等果实，采取吸入加勾取比夹持的获取方式更可行，但这类末端执行器对果实个体尺寸差异适应能力较差动作速度较慢，稳定性不高。（3）夹持类 这类末端执行器其夹持器通常由带有真空吸引器和数目不等的手指构成。按手爪的个数可分为两指和多指型。中国农业大学张凯良等人设计了草莓采摘机器人，其机械原理如图 1-4 所示，该末端执行器的夹持机构主要有机械爪及其附属部件构成。苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真41.手指 2.内螺纹管 3.丝杠 4.电机图 1-4 机械爪机构示意图1.3.2 分离方式现有的采摘机器人末端执行器研究成果来看，多采用扭断、折断或剪切的分离方式，一些末端执行器对新的切割原理进行了尝试。（1）扭断、折断、拉断扭断是利用手腕的旋转和周转关节在执行器抓牢果实后拧断果柄，需要多次往复扭转才能断开果梗，末端执行器需要较大的工作空间，这样就难于避障。这种方式对于果柄易断的果蔬较为实用，如番茄的采摘，但对于果柄柔韧性较高的果蔬则采摘成功率较低。（2）剪切相当部分的采摘机器人末端执行器安装了剪刀或切刀装置，用来切断果梗实现果实、果梗分离。 （3）热切割荷兰瓦宁根在黄瓜采摘机器人末端执行大学开发的根，茎改变了传统的分离方法，利用两个相反电极产生的热量，当两个电极之间与茎接触的高频电流，茎高水分含量，使茎会迅速产生高温“腰斩”了。这种方法避免了相互病原体感染和水分流失的问题，但这种方法需要两个电极与茎必须是可靠的，同一长度的限制茎和植物接触番茄常规栽培方式和品种树冠空间，这样所有用剪刀剪的方法很难达到满意的效果。苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真5苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真6第二章 总体方案确定2.1 设计要求本课题所设计的机械手应该具有制造成本低、控制简单、机械结构简单、通用性好等特点同时机械手的整机设计，要遵循以下的设计原则：（1）执行器有三到四个手指，每个手指有三节（2）夹持苹果直径 5-15cm，高度 5-15cm2.2 苹果采摘特点分析目前，实现采摘的主要途径有以下几种：（1）采用吸盘牢牢地吸住了水果，然后用剪刀等工具切割茎秆这种方法需要一个很好的位置来检测和准确的调整端部执行器的姿态，从而增大控制系统和机制的复杂性的困难。（2）使用剪刀剪开茎，秆这个方法需要一个好的位置，以检测并精确地调节到致动器的姿势的末端，从而增加了系统的复杂性和控制机构的难度。（3）用激光切割，该方法还要求具有良好的检测秆制成的高要求的视觉系统中的位置。（4）人工采摘苹果，轻轻握住果实，食指按住秆，然后向上提起，使果柄与果枝部位从离层断开，轻轻取出果实。苹果茎脆弱，容易分离，因此通过垂直旋转在手腕上，以模拟人的运动打破手柄实现分离和果柄采摘苹果或旋转运动的模拟人工的方式设计。这种方法简单，视觉系统要求不高。2.3 总体方案设计根据采摘苹果的具体要求，提出了一种苹果采摘末端执行器，其结构如图 2.1 所示。该执行器由手指、手掌、机架等组成。手抓有 3 个手指，3 个手指圆周对称布置，即每侧一个手指。每个手指有 6 个关节。在电机控制下，通过丝杆拉动手指下部的拉杆实现 3个手指的联动，以及对不同形状物体的夹持。图 2.1 所示是采用 Pro/E 软件设计的苹果采摘机末端执行器的三维实体模型。苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真7图 2-1 机械手机构图工作原理为：机械臂将机械手送达到果实附近，机械手上的位置传感器检测机械手与苹果的相对位置，当果实进入机械手中心位置时，位置传感器触发单片机控制信号，步进电机开始正向转动使机械手开始加紧果实，压力传感器检测手指加紧果实时的压力并判断是否达到压阈值，阈值有实验所得出。若达到此阈值则机械手停止运动，机械臂模拟人工采摘运动，完成果实与果柄的分离。机械臂将果实送到指定位置后，步进电机反转，手指松开，恢复到初始位置，完成果实的采摘。苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真8第三章 主要机构的设计与选择3.1 驱动机构的设计3.1.1 驱动方案的选择目前的手爪的驱动源主要是采用气压驱动、电驱动、液压驱动这三种10。（1）气动压力是一个压缩空气驱动系统来驱动致动器的运动，空气压缩机通常被用作动力源。气动驱动器过载安全，结构简单，污染少，成本低，通过调节空气流量，可以实现无级变速，但大尺寸设备的运行速度不稳定，定位精度不高，抓小举行力。（2）液压驱动系统来驱动流体压力致动器的输出力来驱动系统的稳定，固有的高效率，响应速度快，速度很简单，可以在很宽的范围内无级调速，便于适应不同的工作要求，顺利实现传输，可以吸收冲击力可以实现更加频繁和换向平稳，但容易漏油，污染，高成本，高定位精度比空气，但比电机低，流体温度和粘度变化影响传输性能。（3）电动驱动模式包括步进电机，直流伺服电机，交流伺服电机和步进电机和力矩电机等驱动器类型。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或开环控制元件的线性位移，具有控制简单，响应速度快，可靠，无累积误差等。伺服电机转子惯量，良好的动态特性，机器人由一个伺服电机驱动系统的构成与运行精度高，调速范围广，速度快，运行平稳，可靠性高，易于控制等特点。基于步进电机的这些优点本设计中采用步进电机驱动。3.1.2 电动机的选择步进电动机又称为脉冲电动机，是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或直线位移的执行元件。具有以下四个特点：转速（或线速度）与脉冲频率成正比；在负载能力允许的范围内，不因电源电压、负载、环境条件的波动而变化；速度可调，能够快速起动、制动和反转；定位精度高、同步运行特性好。摆盘机臂部升降机构要求电动机电位精度高，速度调节方便快速，受环境影响小，苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真9且额定功率小，并且可用于开环系统。而 BF 系列步进电动机为反应式步进电动机，具备以上的所有条件，我们选用了型号 90BF004 的反应式步进电动机作为主运动的动力源，该机功率为 60W。选用时主要有以下几个步骤：（1）根据脉冲当量和最大静转矩初选电机型号(a)步距角初选步进电机型号，并从手册中查到步距角 ,由于bpbiL360综合考虑，我初选了 ，可满足以上公式。4,5.10ib(b)距频特性步进电机最大静转矩 Mjmax 是指电机的定位转矩。步进电机的名义启动转矩 Mmq与最大静转矩 Mjmax 的关系是：Mmq= maxMj步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩按下式计算： 0kfakq式中：Mkq 为空载启动力矩；Mka 为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度折算到电机轴上的加速力矩；Mkf 为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩； 为由于丝0M杆预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩。而且初选电机型号时应满足步进电动机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩，即：Mkq Mmq=Mjmax计算 Mkq 的各项力矩如下：加速力矩苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真1025552521 106.8.10./08. mKgiMRJ mrvnpb /436.1436maxax mNtJMk 519.016042)18.0.1(02 212max 空载摩擦力矩 mNiLGfkf 6.048.2796.130附加摩擦力矩 mNiLFMYJ 2.1)9.0(48.20)1(200 mqkjkfakq mN75.395. 34.61x0（2）启动矩频特性校核步进电机有三种工况：启动，快速进给运行，工进运行。前面提出的 ，仅仅是指初选电机后检查电机最大静转矩是否满足kqMmaxj要求，但是不能保证电机启动时不丢步。因此，还要对启动矩频特性进行校核。步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动时加速力矩很大，启动时丢步是不可避免的。因此很少用。而升速启动过程中只要升速时间足够长，启动过程缓慢，空载启动力矩 中的加速力矩 不会很大。kqMka一般不会发生丢步现象。3.1.3 丝杆螺母副的选型与校核滚珠丝杆已由专门工厂制造，因此，不用我们自己设计制造，只要根据使用工况选择某种类型的结构，再根据载荷、转速等条件选定合适的尺寸型号并向有关厂家订购。苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真11滚珠丝杆设计和校核，其步骤如下：首先对于一些参数说明如下：轴向变载荷 ，其中 i 表示第 i 个工作载荷，i=1、2、3n ；)(NFi第 i 个载荷对应的转速 (r/min);in第 i 个载荷对应的工作时间 (h) ;it丝杆副最大移动速度 (mm/min);maxv丝杆预期寿命 。)(hLb（1）型号选择（a）根据使用和结构要求选择滚道截面形状，滚珠螺母的循环方式和预紧方式；（b）计算滚珠丝杆副的主要参数根据使用工作条件，查得载荷系数 =1.0 系数 =1.5；dfjs计算当量转速 dnmin/20/)(minaxrnd计算当量载荷 dFNFmavd23/)2(in初步确定导程 hP， 取 4mmmnVPh 5.240/1/maxhP计算丝杆预期工作转速 nL苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真121206dnL计算丝杆所需的额定载荷 aC NLFfCnda 1520123103312 （c）选择丝杆型号根据初定的 和计算的 ，选取导程为 4mm，额定载荷大于 的丝杆。查滚珠丝hPaC aC杠型号表知，本次选定的滚珠丝杠螺母副型号为：GD1604-3由表 2-9 得丝杠副数据：公称直径 mD160导程 p4滚珠直径 d381.20（2）校核计算（a）临界转速校核 4768.04min/590321.2102max636 ccc nnrldn而 最 大 工 作 转 速校核合格。（b）由于此丝杆是竖直放置，且其受力较小，温度变化较小。所以其稳定性、温度变形等在此也没必要校核。（c）滚珠丝杆的预紧预紧力 一般取当量载荷的三分之一或额定动载荷的十分之一。即：)(pFNdp7831苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真13其相应的预紧转矩 mNPFThp 16.0)85.01(.247810)(2 3232（d）稳定性验算丝杠一端轴向固定，采用深沟球轴承和双向球轴承，可分别承受径向和轴向的负荷。另一端游动，需要径向约束，采用深沟球轴承，外圈不限位，以保证丝杠在受热变形后可在游动端自由伸缩，如下图。 螺 母固 定 端 游 动 端 由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数 S，其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数 S丝杠不会失稳的最大载荷称为临界载荷 crF2)(lEIacr式中，E 为丝杠材料的弹性模量，对于钢 E=206Gpa；l 为丝杠工作长度（m） ； aI为丝杠危险截面的轴惯性矩（ 4m） ； 为长度系数，取 32。484105.6dIaNFcr 52892 107.)5.03(1苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真14安全系数2510.3276.8mcrFS查表 2-10，S=2.53.3，SS ，丝杠是安全的，不会失稳。 高速丝杠工作时有可能发生共振，因此需验算其不发生共振的最高转速临街转速 crn。要求丝杠的最大转速 crnmax。临街转速按下式计算： 21)(90ldfnccr式中： cf为临界转速系数，见表 2-10，本题取 97.3cf， 322)5.03(987.91crn min/10.34rin/613maxr即： axncr，所以丝杠工作时不会发生共振。 此外滚珠丝杠副还受 nD0值的限制，通常要求 min/10740rnDmi/17mi/140430 rrnD3.1.4 轴承的选择与校核（1）轴承选择因为轴承受一定的轴向力的作用，所以选用角接触轴承。轴左侧：从机械设计课程设计中表 15-3 中查得轴承的型号为：6201。外形尺寸为：d1=12mm ，D1=32mm，B1=9mm 。苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真15（2）轴承校核1）按承载较大的滚动轴承选择其型号，因支承跨距不大，故采用两端固定式轴承组合方式。轴承类型选为深沟球轴承，轴承的预期寿命取为：Lh29200h由上面的计算结果有轴承受的径向力为 Fr1=340.43N，轴向力为 Fa1=159.90N，基本额定静载荷为 C0r=63.8KN。2）径向当量动载荷 NFNVHr 43.06.187.5432221211 r 8.5.922222动载荷为 ，查得 ，则有arrYFP4.06.1Nr 02.39.156.3.，满足要求。hrh LPCnL 104.5.80601 6316 3.1.5 键的选择与校核（1）键的选择键的类型有平键、半圆键、切向键等，是一种实现轴与轮毂间周向固定、用以传递转矩的标准件，应用非常地广泛。3联轴器所在轴径为 12mm，从机械设计中表 14-1 中查得键宽为：b=4mm，键高为：h=4mm，从键的长度系列可选择 L=14mm。（2）键的强度校核键、轴材料都是钢，由机械设计查得键联接的许用挤压力为 MPaP120苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真16键的工作长度mbl12421，合适PP MadlkT8.34145.09621313.2 手指结构设计手指握持力与一个大的，高负载能力，良好的通用性，能够抓住任意形状，更宽的应用范围的目的，同时减少驱动源的数量，从而使系统结构变得简单，容易控制。3.2.1 手指数量果实形状规则和不规则的。规则小果，采摘机器人使用了两个有直接吸抢果的指尖最线性驱动器。相对的两个手指，三个手指也有一些研究采摘机器人，3 指的是机器人抢水果的稳定性更好。3.2.2 手指关节数量关节执行器抓取密切相关的端部效应数量越多关节的数量越多，端自由，更灵活的抓动作，更好的爬的程度。从而增加接头的数量同时增加的驱动装置的数量，驱动器将增加增大控制的数量的难度，同时导致系统结构复杂，可靠性差，从而产生负面影响。本文所设计的采摘机器人采摘的使用四连杆机构作为传动机构，所欠的手指驱动的多手指关节，并配有一个力传感器和橡胶材料，测量夹紧力和摩擦力增大。按中华人民共和国农业行业标准 ，除三级苹果外，果实横切面最大直径要大于或等于 70mm9。这里设计机械手所抓取的苹果直径在 50mm150mm 之间，故取苹果半径为 25mmR75mm。3.2.3 手指的材料手指选择适当的材料，使用在机器人很大的影响作用。遵从手的结构尺寸，手指，同时保持足够的光强度和质量，系统将双手尼龙材料的选择。尼龙具有很高的机械强度，耐热，磨擦系数低，耐磨损，自润滑性，吸震性，耐油，耐弱酸等特点。苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真17图 3-2 手指结构3.3 机架的设计机架主要是用来安装驱动机构和手掌，小巧的机身，体积小，重量轻的设计要求。这样的设计是一个圆柱形主体框架，所述固定底板，中间板，下部主传动马达构成的支撑柱的安装位置。将主手指挡块的上部。机架结构如图 3.4 所示。机器人可分为棕榈基和棕榈基类。手掌可以增加关于这个问题的制约，有棕榈机器人具有广泛的适用性，操作方便的特点。无机械手可以抓住的对象，但对象通常祝福规则的形状，它的形状和要求高的对象的大小特征的，无机械手的手掌被广泛应用于特殊的保持机构。苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真18图 3-4 机架结构第四章 力学分析与校核4.1 手指的工作原理(a)是手指的初始结构,手指无接触外力，整个手指以单一刚体绕支点运动；(b)表示指节 1 接触物体；(c) 表示指节 2 相对指节 1 的转动，指节 2 向物体方向弯曲，这时驱动力需克服弹簧作用力；(d)两指节接触物体，手指完成形适合阶级,驱动件的驱动力传递到两指节上。苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真19图 4.1 采摘手指工作原理4.2 抓取时的静态力学模型由于驱动机构是独立的自由度的数目比的传动机构的数目。采摘机器人可以做到无论是抢的信封，你可以使用 pick 关节面的结束意味着精确的方式抓取。依靠被动顺从的方式，采摘能力的手指抓取物体具有形状自适应。提取的手指 1 的第一关节的包络成与所述第一对象和该对象的反作用力，由于反作用力的接触，第一关节的运动将受到限制，并且在手指的第二关节被约束在由于没有下传动机构接近物体的持续作用驱动的，最后的两个指节和表面接触。实现操作的春天，机械限位和平行四边形机构的共同作用下精确抓取。由拇指的端部和食指夹持器联合一对在所施加的力相反的方向的物体，以限制对象来实现爬行的运动的作用。包络抓取的静力学模型如图 4.2 所示。苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真20图 4.2 手指静力学模型图 4.2 中 为输入转矩， 、 分别为关节 1、2 所受的力， 、 为接触点 、aT1F2 1d23O到 、 的距离。 为关节 2 相对于关节 1 转过的角度，水平轴的夹角。 为摩擦约2O12 1T束力矩。 三角构件边的夹角，h 杆 与杆 c 的反向延长线交点 到 的距离。 、1L4O1L为关节 1、2 的长度。 为杆 与水平轴的夹角。 为摩擦约束力矩。2L1 1T根据虚功原理可得3,4,5(4.1)TFVT 为手指机构的输入转矩向量，由驱动力矩 以及摩擦力矩 组成； 为手指机构各aT1T关节与力矩相关的连杆的虚拟角速度向量，由驱动连杆的角速度 以及末关节加速度a构成；F 为作用在手指上的抓取接触力组成的向量，由接触力 、 构成；V 为外力2 1F2作用点在外力作用方向上的虚拟速度向量，由各接触点的 y 方向的速度分量构成，即：1Ta苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真21(4.2)2Ta12TF312ToyV由机构学理论，可知各关节的接触点速度可以通过雅可比矩阵 用各关节的角速度VJ来表示，即： (4.3)12VJ，又 (4.4)cT为传递矩阵 cT10chL将式(3.2)、(3.3)、(3.4)带入(3.1)约去 得：(4.5)TVcFJ(4.6)3121220cosaoydL将上式与式(3.3) 对比可知(4.7)1220cosVdJL(4.8)12212122()cos()ahLTTddFL (4.9)22(cos)sin()coth(4.10)21221i4s()t(cs)inabNMLLc苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真22(4.11)2212(cos()MLabcN当手指以直指方式抓取物体时,仅有短关节触及物体,这时,只要令 F1=0、T1=0 ，则手指受力为：(4.12)21()ahFTdL4.3 运动学分析采摘机械手的每个手指都是由两套四连杆机构构成的。图 4.3 所示为一个四连杆机构。图 4.3 四连杆机构原理各杆构成的矢量封闭方程为 6，写成坐标轴上分量形式有： 1243LL(4.13)1cos23cos0iniinLab化简上式，消去 b 得：(4.14)2243cos13sin1iLLacLa对式 3.14 两边求导并化简，可得 4 杆机构 L1 与 L3 角速度之间的关系：苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真23(4.15)34sin1i13Lcaca 4.4 夹持误差计算旋转夹紧手指时的不同直径的工件会产生变化的轴向位置，使得钳位误差。采摘手指的抓地力和双支点原理转换回一个类似的原则手指夹住，如此就可以按照双支点回转型手指祝福误差计算。图 4.4 双支点回转型手指简图图中：l手指长度;V 型槽的夹角；2偏转角；2 s两回转支点间距离;根据几何关系，可得(4.16)222cosinsiRllx(4.17)1siisin2222 ll苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真24该方程亦为双曲线方程，另 ；sinco0lR220sinlx图 4.5 x 与半径 R 的关系曲线根据双曲线特点,对应 附近的曲线变化率较小,故在 处附近对应的夹持误差最0R0小。当 时，手指夹持误差计算如下:102R221212max1 sincosinsi lRllX (4.18) (4.19)22222ax2 sicsisi lll最佳偏角的计算取 V 型槽的夹角 = ，根据式（4-9 ）求得最佳偏转角为2o10故oollR50sin*74c5sin4csinco101 o50sin*74c夹持误差 的计算maxX苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真25因为 和 关于 对称，所以 = ，故 1R20maxXmax2a18.03sin703cos50in7*250sin7 iii 222 221212max o lRllX经过计算手指的夹持误差为 0.88mm。苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真26第五章 三维设计与仿真分析5.1 软件概述Pro/Engineer 操作软件是美国参数技术公司（ PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一体化的三维软件。Pro/Engineer 软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。Pro/Engineer 作为当今世界机械 CAD/CAE/CAM 领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的 CAD/CAM/CAE 软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/E 第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。Pro/E 的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。Pro/E 采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。（1）参数化设计相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。（2）基于特征建模Pro/E 是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。（3）单一数据库苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真27Pro/Engineer 是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的 CAD/CAM 系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。Pro/Engineer 功能如下：（1）特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等） ；（2）参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等） ；（3）通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计；（4）支持大型、复杂组合件的设计（规则排列的系列组件，交替排列，Pro/PROGRAM 的各种能用零件设计的程序化方法等） 。（5）贯穿所有应用的完全相关性（任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动） 。其它辅助模块将进一步提高扩展 Pro/ENGINEER 的基本功能。5.2 三维设计与装配5.2.1 零件三维设计在 Pro/E 零件设计模块对各零件进行三维建模，主要零件的建模结果如下：（1）第一关节图 5-1 第一关节（2）第二关节苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真28图 5-2 第二关节（3）指尖图 5-3 指尖（4）手指底座图 5-4 手指底座（5）丝杠螺母副苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真29图 5-5（a）螺母滑块 图 5-5（b）丝杠（6）支架图 5-6 支架5.2.2 虚拟装配虚拟装配时采用模块化装配模式，即先对手指、手腕进行装配，再把手指与手腕进行装配得到最终的总成。（1）手指装配图 5-7 手指虚拟装配苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真30（2）手腕装配图 5-8 手碗虚拟装配（3）总成装配图 5-9 总成虚拟装配5.3 仿真分析5.3.1 Pro/E 仿真介绍苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真31在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计,为了验证设计的合理性，通常要制造样机进行性能试验，有时这些试验是破坏性的。当通过试验发现设计缺陷时，又要重新修改设计，并用样机重新验证。只有通过周而复始的“设计试验设计”过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，尤其对于结构复杂的系统，采用传统的设计开发思路其设计周期无法缩短，更谈不上市场竞争力。在计算机
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