多臂采摘机器人的初步设计——采摘手的设计

12 届毕业设计多臂采摘机器人的初步设计采摘手的设计学生姓名 张 鑫 学 号 8011208101 所属学院 机械电气化工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 12-1 指导教师 黄 新 成 日 期 2012.06 塔里木大学教务处制11 绪论 11.1 研究内容及意义 11.2 研究现状 11.3 机械手 32.机械手的设计 .52.1 设计方案 52.2 手指数量 52.3 手指关节数量 52.4 尺寸的设定 62.5 材料的选择 63 动力源的选择 .63.1 微小型驱动模块的研究 63.2 电机的选择 73.3 步进电机的确定 84.传动方式选择和设计 .84.1 微小型传动模块研究 94.2 输出端齿轮 94.3 几何尺寸计算 105 零件设计 .115.1 手掌的设计 115.2 手指底座 125.3 第一个指节 125.4 第二个指节 136.其他硬件系统 .146.1 传感器 146.2 单片机 156.3 图像识别系统 157 工作原理流程及形态 .157.1 工作原理 167.2 工作形态 16小 结 19致 谢 20参考文献212前 言随着电子计算机和自动控制技术的迅速发展、农业高新科技的应用和推广，农业机器人已逐步进入到农业生产领域中，并将促进现代农业向着装备机械化、生产智能化的方向发展。果蔬采摘是农业生产中季节性强、劳动强度大、作业要求高的一个重要环节，研究和开发果蔬采摘的智能机器人技术对于解放劳动力、提高劳动生产效率、降低生产成本、保证新鲜果蔬品质，以及满足作物生长的实时性要求等方面都有着重要的意义。工业领域是机器人技术的传统应用领域，目前已经得到了相当成熟的应用; 而采摘机器人工作在高度非结构化的复杂环境下，作业对象是有生命力的新鲜水果或蔬菜。同工业机器人相比，采摘机器人具有以下的特点: 作业对象娇嫩、形状复杂且个体状况之间的差异性大，需要从机器人结构、传感器、控制系统等方面加以协调和控制; 采摘对象具有随机分布性，大多被树叶、树枝等掩盖，增大了机器人视觉定位难度，使得采摘速度和成功率降低，同时对机械手的避障提出了更高的要求; 采摘机器人工作在非结构化的环境下，环境条件随着季节、天气的变化而发生变化，环境信息完全是未知的、开放的，要求机器人在视觉、知识推理和判断等方面有相当高的智能; 采摘对象是有生命的、脆弱的生物体，要求在采摘过程中对果实无任何损伤，从而需要机器人的末端执行器具有柔顺性和灵巧性; 高智能导致高成本，农民或农业经营者无法接受，并且采摘机器人的使用具有短时间、季节性、利用率不高的缺点，是限制采摘机器人推广使用的重要因素; 果蔬采摘机器人的操作者是农民，不是具有机电知识的工程师，因此要求果蔬采摘机器人必须具有高可靠性和操作简单、界面友好的特点。根据设计任务和设计要求，主要针对机械手部分进行机械方面的设计。由于设计者水平有限，本设计中难免有误漏欠妥之处，恳请老师们批评指正。绪论1.1 研究内容及意义果蔬采摘是农业生产链中最耗时耗力的一个环节,其成本高、季节性强、需要大量劳动力高强度的工作。但是由于工业生产的迅速发展分流了大量农业劳动力以及人口老龄化加剧等原因,使得能够从事农业生产的劳动力越来越少,单靠人工劳作已经不能满足现有的需要。随着计算机图像处理技术和各种智能控制理论的发展,使采用机器人采摘果蔬成为可能。果蔬采摘机器人是一类针对水果和蔬菜, 可以通过编程来完成采摘等相关作业任务的具有感知能力的自动化机械收获系统, 是集机械、电子、信息、智能技术、计算机科学、农业和生物等学科于一体的交叉边缘性科学, 需要涉及机械结构、视觉图像处理、机器人运动学动力学、传感器技术、控制技术以及计算信息处理等多方面学科领域知识。采摘机器人将在解决劳动力不足、降低工人劳动强度、提高工人劳动舒适性、减轻农业化肥和农药对人体的危害、提高采摘果蔬的质量、降低采摘成本、提高劳动生产率、保证果蔬的适时采收、提高产品的国际竞争力等方面具有很大潜力。国际上, 一些以日本和美国为代表的发达国家,已经从20世纪80年代开始研究采摘机器人,并取得了一些成果。而我国在该领域中的研究还处于起步阶段,因此我们必须加快对采摘机器人的研究脚步以早日赶超国际水平,使其为我国农业的生产和发展做出重大贡献。1.2 研究现状果蔬采摘机器人的研究开始于20 世纪60 年代的美国( 1968 年)，采用的收获方式主要是机械震摇式和气动震摇式。其缺点是果实易损、效率不高，特别是无法进行选择性的收获，在采摘柔软、新鲜的果蔬方面还存在很大的局限性。但在此后，随着电子技术和计算机技术的发展，特别是工业机器人技术、计算机图像处理技术和人工智能技术的日益成熟，采摘机器人的研究和开发技术得到了快速的发展。1.2.1国外研究现状在日本、美国等发达国家，农业人口较少。随着农业生产向规模化、多样化、精确化的方向迈进，劳动力不足的现象越来越明显。许多作业项目如蔬菜、水果的挑选与采摘，蔬菜的嫁接等都是劳动力密集型的工作，再加上时令的要求，劳动力缺乏的问题很难解决。正是基于这种情况，这些发达国家大力进行农业生产机器人的研究，并取得了很好的成果。日本的喷农药机器人上装有感应传感器，能自动喷洒农药。嫁接机器人可在极端的时间内，把蔬菜苗茎杆直径为几毫米的砧木、穗木的切口嫁接为一体，使嫁接速度大幅度提高。施肥机器人的行走部分能在狭窄的稻秧间行走，四个窄型橡皮车轮均可横向转动 90 度。人机协作型机器人的研究思想是将采摘机器人寻找、定位待摘果实以及机器人导航任务由人来完成，机器人的运动轨迹规划、关节控制和末端执行器控制等任务由机器人的控制系统完成。如图 1-1 所示。塔里木大学毕业设计1图1-1人机协作型采摘机器人结构日本 Kondo 一等人研制的西红柿收获机器人(如图 1-2 )、黄瓜采摘机器人(如图 1-3)和草葛采摘机器人(如图 1-4)葡萄采摘机器人(如图 1-5 1-6 所示)采用 5 自由度的极坐标机械手，末端的臂可以在葡萄架下水平匀速运动图 1-2 西红柿采摘机器人 图 1-3 黄瓜采摘机器人图 1-4 草苟采摘机器人图 1-5 多功能葡萄采摘机器人(套袋操作)塔里木大学毕业设计2图 1-6 收获末端执行器扦插育苗机器人用于花卉生产系统中可以大大提高生产率。日本东北农业试验场研制成功了简易育苗机器人系统。英国 Silsoe 研究院研制了蘑菇采摘机器人。它可以自动测量蘑菇的位置、大小，并选择性地采摘和修剪。在柑桔收获机器人研究方面，1986 年，意大利卡塔尼亚农业产业发展部与美国 Florida 大学合作开发了一种性能良好的具有伺服视觉技术的收获机器人，用于柑桔收获的实际生产中(Harrenetal, 1990)在苹果收获机器人方面，1983 年，法国国立农林机械研究所的 Pedene and Motte 和西班牙的 Jasa 研制了最早的商品化机器人原型，即法国的“MAGAU”苹果收获机器人和西班牙的“CITRUS”柑桔收获机器人吓 Sarig,1993)还有日本国立蔬菜茶叶研究所与岐阜大学联合研制了茄子采摘机器人。日本国立农业研究中心的 Murakami 等研制了甘蓝采摘机器人。以色列和美国科技人员联合开发研制了一台甜瓜采摘机器人等。1.2.2 国内研究现状国内在农业机器人方面的研究始于 20 世纪 90 年代中期，相对于发达国家起步较晚，但是发展很快，很多院校、研究所都在进行农业机器人和智能农业机械相关的研究。中国农业大学张铁中教授率先在我国开展了自动化嫁接技术的研究工作，先后成功开发了自动插接法、自动旋切贴合法嫁接技术，填补了我国自动化嫁接技术的空白，形成了具有我国自主知识产权的自动化嫁接技术。上海交通大学机器人研究所的曹其新等人进行了用于精确农业的智能农业机械的研究工作，己经完成了智能化联合收割机、蔬菜工厂化育苗播种流水线样机的研制，正在进行草葛挑选机器人、黄瓜采摘机器人的研究。浙江大学应义斌教授研究的水果自动分级机器人系统得到国家“863”计划的支持。吉林大学王荣本、于海业在 90 年代中期开始进行农用自动引导行走车的研究。南京农业大学姬长英、沈明霞等人，浙江工业大学青芳、张立斌等人，在进行农业机器人的视觉研究。江苏大学纪良文、吴春笃进行了喷药机器人的研究，他们采用超声测距作为喷药机器人的辅助视觉系统。还有吉林工业大学与吉林农业研究所研制的锄草机器人，中国农业大学杨丽博士研制的组培苗分割移植机器人系统，江苏大学的陈树人、尹建军等在对西红柿的视觉研究亦取得很大的成果。还有周云山和李强等人研究的蘑菇采摘机器人也处于是国内领先水平，西北农林科技大学对苹果采摘机器人手臂控制进行了研究，东北林业大学的陆怀民研制了林木球果采摘机器人仪。1.3 机械手机械手又称操作机，是指具有和人手臂相似的动作功能，并使工作对象能在空间内移动的机械装置，是机器人赖以完成工作任务的实体。在采摘机器人中，机械手的主要任务就是将末端执行器移动到可以采摘的目标果实所处的位置，其工作空间要求机器人能够达到任何一个目标果实。机械手一般可分为直角坐标、圆柱坐标、极坐标、球坐标和多关节等多种类型。多关节机械手又称为拟人( 类人 ) 机器人，相比其它结构比较起来，要求更加灵活和方便。机械手的自由度是衡量机器人性能的重要指标之一，它直接决定了机器人的运动灵活性和控制的复杂性。1.3.1 工业机械手工业机械手发展比较迅速，多指手出现在 20 世纪 80 年代，其中最具有代表性的是stanford/JPL 三指手(如图 1-7)和 Utah/MIT 四指手(图 1-8 )。Salisbury 于 1982 年设计的Stanford/JPL 手是当时乃至现在都很具有代表性的三指手，它首次引入了模块化设计方法，并模仿人手的结构特点布置手指的相对位置，具有 9 个自由度。StanfordlJPL 手对多指手的贡献不仅仅在于多关节、多自由度的模块化结构设计，更重要的是它首次完整引入了位置、触觉、力等传感器系统，从而开始了多指手对外部环境的感知时代，并开创了多指手实际抓取操作的先河。塔里木大学毕业设计3图 1-7 StanfordlJPLS 手 图 1-8 Utah/MIT 手1998 年德国研制的 DLR- I 多指手实现了当自由度的数目超过某个值时，把所有的驱动器和电路完全集成在手指、手掌或手腕里，被公认为是当时世界上最复杂、智能化和集成度最高的灵巧手，如图 1-9。1999 年由美国宇航中心(NASA)研制的 Robonaut 手，如图 1-10 是一种面向国际空间站应用的多指手，其目的是为了在危险的太空环境中代替人进行舱外操作。图 1-9 DLR 手 图 1-10 NASA Robonaut 手从 20 世纪 80 年代后期开始，我国的很多研究机构相继开展了多指手的研究工作，其中北京航空航天大学和哈尔滨工业大学在这方面的研究很具代表性。北航对多指手的研究开展较早，并于 1993 年首先研制了我国第一只三指手，然后在此基础上不断改进，先后研制了 BUAA- II , BUAA-III 三指手和 BUAA 四指手。哈工大在 HIT I 多指手的研究基础上进行了大量的改进，研制了 HIT/DLR 多指手。如图 1-11 和图 1-120图1一11 HIT I 手 图1一12HIT/DLR多指手塔里木大学毕业设计41.3.2农业机械手农业上最早研制的机械手为 SDOF 番茄收获机械手(Noboru Kawamura eta1,1984) 机械手与传统的农业机械完全不同，它是由许多杆件组成的空间开式链机构，具有较采摘机械手的设计及其控制研究大的灵活性，但是不适合处理重量大的物体，否则会出现负载过重的问题。杆件越多，机械手身的重量越大，尤其用于像西瓜、甜瓜等较人果实收获与运输时，机械手设计必须从组成结构和内部结构方面使其承受较大的负载重量。机械手的控制有点位控制(PTP)和连续轨迹(CP)控制两种类型。PTP 控制主要用于在机械手初始位置和目标点之间不存在障碍物的情况，此时不必考虑运动路径，其路径也是不可预测的。有时由于茎叶等障碍物的存在，必须通过控制其电机速度和预定运动轨迹到达目标位置，进行 CP控制。末端执行器安装在机械手的末端，其功能类似于人手，是直接与目标物体接触的部件。在末端执行器设计之前，不仅需要研究工作对象的物理特性(物体大小、体积、形状、重量)和机械特性(young、模量、泊松比、粘性、摩擦阻力、剪切阻力等)，还包括电特性和光学特性以及生物学特性和化学特性等。末端执行器的形式主要有吸盘式(真空式吸盘、喷射式负压吸盘、扩散式负压吸盘、挤压排气式吸盘、电磁式吸盘等)、针式、喷嘴式、杯状、多关节手爪式、顺应型指结构等，通常是末端执行器都是专用的(N. Kondo, 1998)末端执行器所需的重要传感器主要有触觉传感器和接近传感器。触觉传感器包括接触传感器、压力传感器和滑觉传感器.接近传感器通常用来获得位置信息，识别物体的存在，避障，测量物体的形状，补偿位置传感器的误差等。在完成抓取动作后，末端执行器还需要将果实与果柄分离。分离方式为切断或拧断。在条件允许的情况下，应尽量采用剪断果柄而不是拧断果柄的方式，避免拧断时给果蔬表面造成伤口，导致病菌侵入使果实腐烂，例如桃、李、杏的采摘都要求留有果柄。但对于某些束状生长、果柄较短的果实，采用剪断的方式比较困难。末端执行器中手指和关节的数量与抓取效果密切相关，数量越多，末端执行器的自由度就越多，抓取动作更为灵活，抓取效果更好。但大多数的灵巧手系统复杂，成本高，通用性差，仍停留在实验室阶段，更难以运用到农业工程实践之中。如何协调末端执行器的通用性、灵活性和成本之间的矛盾，是果蔬采摘机器人末端执行器研究发展的方向。2.机械手的设计2.1 设计方案果蔬采摘机器人的机械手直接接触工作对象。为了避免碰伤果实，多数收获机器人的手指内侧接触果实的部位采用橡胶和尼龙材料。由于果实的外形有圆形、近似方形、近似长方形等，所以末端执行器的设计应着重考虑手指数量、手指关节数量、尺寸方式等问题。2.2 手指数量果实的外形有规则的和不规则的。对于规则的小型果实，多数收获机器人采用带有吸盘的 2个直手指的末端执行器直接抓取果实。相对 2 个手指，3 个手指的收获机器人也有一些研究，抓取果实的稳固更好。而采用具有 4 个手指和一个吸盘的西红柿收获机器人，效果更好，但难于控制。对于大型的果实，虽然外形规则，但用 2 个手指显然不行。西瓜收获机器人中采用 4 个带有橡胶的手指，指尖的滑轮沿西瓜表面向下滑动，利用橡胶与西瓜的摩擦力抓住果实。此外，还有一些特殊的手指，梳子式龙套手指可以将果实与相临的果实分开。手指的数量和形状与果实的外形密切相关，一般数量越多，抓取效果越好，但控制也越难，应在手指数量、控制难度和抓取成功率之间找到平衡点。根据设计任务要求选取 3 个手指最为合适。塔里木大学毕业设计52.3 手指关节数量对于多数形状规则的果实，多数收获机器人采用 1 个关节的手指。对于类人的柔性手指，由于材料和控制比较困难，研究成果不多。夏柑收获机器人的柔性手指，手指的指尖通过细软钢丝与人工肌肉相连，当人工肌肉产生收缩力时，钢丝产生拉力使指尖能够柔和地弯曲。西红柿收获机器人有 4 个具有 4 个关节的手指，通过控制缆采摘机械手的设计及其控制研究绳的伸缩，使手指弯曲成不同的形状。对于不同的果实，控制钢丝绳的拉力、拉动的距离、人工肌肉的收缩力等的控制都比较难。鉴于关节的控制比较难，和设计要求考虑采用两个关节的手指。2.4 尺寸的设定机械手的结构尺寸可以参考人类手指的长度比例，并加以适当放大或缩小，或根据所设计的多指灵巧手的使用场合作适当的尺寸调整。通过对某学校的青年学生的手指长度的测量，得到了如表 1 所示的结果。表 1-1 和表 1-2 中所列出的人手的各关节（如图 2-1）长度尺寸值可以作为设计多指灵巧手的手指长度的参考。图 2-1 拟人手指简图表 1-1 人的右手各关节长度的平均值单位（mm）性别 年龄 人数 LA1 LA2 LB1 LB2 LB3 LC1 LC2男 20-23 200 39.2 29.9 50.1 30.6 24.1 53.9 33.5女 20-23 100 35.4 28.4 46 29 22.1 55.1 32.6 平均 - - 38.5 29.6 49.3 30.3 23.8 50.5 34.5表 1-2 人的右手各关节长度的平均值LC3 LD1 LD2 LD3 LE1 LE2 LE3 F1 F2 25.2 52.4 32.8 24.8 43.7 25.8 22.6 83.1 101.223.5 48.3 51.5 22.4 39.6 22.9 20.5 77.9 97.324.9 51.7 32.5 24.4 42.9 25.2 22.2 82.2 100.5根据以上数据和设计的要求和合理性，三个手指设计统一长度，其中第一个关节长度为 55mm，第二个关节长度为 40mm，手指宽度为 22mm，手掌直径为 。m942.5 材料的选择为了减轻重量，同时也由于手指所抓取果实不是很大，所以手指的结构材料选用铝合金。在手指的中间附有橡胶，来减小手指和果实接触时的冲击，同时也增大了接触摩擦力。3 动力源的选择3.1 微小型驱动模块的研究采用专用混合式步进电动机作为机械手的驱动器具有高效率、高速度的特点,特别是它具有自锁特性,将其引入到采摘手的手指设计中。仿人手抓取物体达到抓握稳定后,手指依靠电机自锁力塔里木大学毕业设计6矩保持对物体的抓取力。采用专用步进电动机控制芯片和驱动芯片组成的系统，外围电路简单，可靠性高，同时减少电路板的尺寸。基于上述思想，采用混合式步进电动机作为机械手手指的驱动元件,通过由电机专用控制芯片和微处理器相结合的控制系统使机械手抓取具有柔顺性和力矩控制的能力。3.2 电机的选择步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。3.2.1 步进电机的主要特性（ 1） 步 进 电 机 必 须 加 驱 动 才 可 以 运 转 ， 驱 动 信 号 必 须 为 脉 冲 信 号 ， 没 有 脉 冲 的 时 候 ， 步 进 电 机 静 止 ， 如 果 加 入 适 当 的 脉 冲 信 号 ， 就 会 以 一 定 的 角 度 （ 称 为 步 角 ） 转 动 。 转 动的 速 度 和 脉 冲 的 频 率 成 正 比 。 （ 2） 步 进 电 机 具 有 瞬 间 启 动 和 急 速 停 止 的 优 越 特 性 。 （ 3)改 变 脉 冲 的 顺 序 ， 可 以 方 便 的 改 变 转 动 的 方 向 。 3.3 步进电机的确定通过对机械手的分析，考虑到本次设计的机械手的工作情况，以及设计要求，在互联网和专业书籍中对步进电动机筛选最后决定选用电机型号：PM10s-020-zst7，电机转速 500r/min 转矩电机性能参数如图 2-1 所示，电机几何参数如图 2-2 所示mNT4109图 2-1 电机参数塔里木大学毕业设计7图 2-2 电机尺寸参数4.传动方式选择和设计4.1 微小型传动模块研究采摘机械手传动系统把驱动器产生的运动和力以一定的方式传递到手指关节,从而使关节做相应的运动。传动系统的设计与驱动器密切相关。采用自主设计的微小型齿轮减速器传递步进电机产生的运动和力，不仅减小手指的尺寸和质量，而且提高了抓取过程的平稳性和抓取能力。综合考虑手指的结构形式，外部尺寸以及刚度、强度、灵活度的要求，选择齿轮传动作为传动方式，这样既保证了外部结构尺寸，又保证了传动的效率，增加了传动的可靠性。4.2 输出端齿轮4.2.1 选择材料及精度等级根据设计需要，输出端齿轮直接与电机连接，选用直齿圆柱齿轮传动，转速不高，故选用 7级精度，齿轮材料为 45 钢（调制） ，硬度为 240HBS。令小齿轮的齿数为 184.2.2 按接触强度进行初步计算由机械设计中设计计算公式 10-9a 进行试算，即（4-3212. HEdt ZuKT1）（1）试选载荷系数 Kt=1.3（2）输出转矩 mNT4109（3）由机械设计中表 10-7 选取齿宽系数 d=1。（4）由机械设计中表 10-6 查得材料的弹性影响系数 218.9aEMPZ（5）由机械设计中图 10-21d 按齿面硬度查得接触疲劳强度极为 aH50lim（6）由机械设计中式 10-13 计算应力循环次数。（4-91072.3081560hnjLN2）（7）由机械设计中图 10-19 取接触疲劳寿命系数 4.NK（8）计算接触疲劳许用应力。取失效概率为 ，安全系数 S=1,由机械设计中式 10-12 得1%aNHMPS51709.lim(4-3)（9）试算齿轮分度圆直径 d 将 H代入上式得(4-1)塔里木大学毕业设计8（4-4） mdt 26.35178.91093.224（10）计算圆周速度 (4-5)sndvt /1.0608.3160（11）计算齿宽与赐稿之比 hbmdbt 26.3.1(4-6)Zmtt .08.(4-7)mht 25.1.25.(4-8)(4-9)49.125.063hb（12）计算载荷系数根据 ，7 级精度，由机械设计中图 10-8 查得动载系数 ；smv/1.0 1VK直齿轮 ；FHK由机械设计中表 10-2 查得使用系数 ；0.1AK由机械设计中表 10-4 用插值法查得 7 级精度，非对称布置 417.HK由 ，查 机械设计中图 10-13 得 ；故载荷系数 49.1hb 45.F(4-.1KKHVA10)（13）按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式 10-10a 得mkdtt 15.3.4726.31 (4-11)(4-12)7.0185.3Zdm4.2.3 按齿根弯曲强度设计塔里木大学毕业设计9由机械设计中式 10-5 得弯曲强度得设计公式为(4-13)21()FasdYKTmZ（1）由机械设计中图 10-20c 查得齿轮 1 得弯曲疲劳强度极限 MPaFE4201（2）由机械设计中图 10-18 取弯曲疲劳寿命系数 ；85.01FN（3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 ，由机械设计中式 10-12 得4.1FS(4-14)10.8542FNEaKMPS（4）计算载荷系数 K(4-15)36.1.FVA（5）查取齿形系数由机械设计中表 10-5 查得 ；91.2FaY5.Sa代入上式(3-13)0.56.FSa(4-16)214.0.18947.224m4.2.4 确定模数对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由m于齿轮模数 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关。可取由弯曲强度算得的模数 。25.0m4.2.5 确定齿数按接触强度算得的分度圆直径 ，算出输出端齿轮的齿数dt26.3(4-17)1325.061mdZt为使轮齿免于根切，对于 的标准直齿圆柱齿轮，应取 。由于轮齿主要为207Z磨损失效，为使轮齿不至于过小，故小齿轮不宜选用过多的齿数，一般可取 。所以选201取输出端齿轮的齿数为 18Z4.3 几何尺寸计算4.3.1 输出端齿轮（1）计算分度圆直径(4-18)mmzd5.4182.01塔里木大学毕业设计10（2）计算齿顶圆直径(4-19)mmhzdaa 52.0)18()2(*1 （3）计算齿根圆直径(4-20) czaf 87.3.)()(*1 4.3.2 从动齿轮根据设计的要求和设计尺寸，从动齿轮与输出端的齿轮中心距设为 。由机械设计表ma1010-2 中的公式可得（1） 2/)(1zma6Z（2）分度圆直径mmzd5.162.02（3）顶圆直径haa 6.)()(*2（4）计算齿根圆直径mmczdaf 875.142.0)56()(*2 5 其他零件的设计 5.1 手掌的设计为了使手指能在手掌上旋转运动形成不同的角度，将手掌底座设计成圆盘型如图 5-1 所示。掌心则是长方形。两边形成圆角便于手指的旋转如图 5-2图 5-1 手掌底座塔里木大学毕业设计11图 5-2 掌心5.2 手指底座采摘手就两个指节，要完成在手掌上的旋转需要有个连接底座。一是支撑手指，二是完成旋转运动其结构如图 5-3 所示图 5-3 手指底座在手指底座的左端连接在手掌上，并由异步电机驱动旋转。在右边的结构中来连接第一个关节，并安装微型电机通过齿轮传动使手指完成抓取运动。内部结构如图 5-4图 5-4 内部结构塔里木大学毕业设计125.3 第一个指节第一个指节长 55mm，宽 22mm。通过一个连接件与手指底座的传动轴过度连接，从而带动手指的转动。同时在一手指内也装有一个异步电机，来传动第二个手指转动。连接件如图 5-5，手指零件如图 5-6，内部结构如图 5-7图 5-5 连接件图 5-6 手指一零件图 5-7 内部结构5.4 第二个指节第二个指节长 40mm，它的动力来源是第一个指节上的电机。根据人机工程学理论，人手在自然状态下手指成弯曲状态，当手掌绷紧时指尖也与手掌自然形成一定角度。通过测量这个角度平均在 之间。所以在设计中第二个指节与第一个指节通过连接件连接时的起始位置就形603塔里木大学毕业设计13成一个 角。连接件和指节二如图 5-8 和 5-9 所示，手指总装配如图 5-10 所示。45图 5-8 连接件图 5-9 指节二图 5-10 手指总装配图6.其他硬件系统6.1 传感器传感元件是采摘手工作是重要的组成部分，采摘手对与果蔬的表皮损害程度取决于传感元件，所以建议选择应变式压力传感器。其工作原理是利用弹性敏感元件和应变计将被测压力转换为相塔里木大学毕业设计14应电阻值变化的压力传感器。应变计中应用最多的是粘贴式应变计(即应变片)。它的主要缺点是输出信号小、线性范围窄,而且动态响应较差(见电阻应变计、半导体应变计)。但由于应变片的体积小,商品化的应变片有多种规格可供选择，而且可以灵活设计弹性敏感元件的形式以适应各种应用场合，所以用应变片制造的应变式压力传感器仍有广泛的应用。按弹性敏感元件结构的不同,应变式压力传感器大致可分为应变管式、膜片式、应变梁式和组合式4种。根据设计情况我们选择膜片式。它的弹性敏感元件为周边固定圆形金属平膜片。膜片受压力变形时，中心处径向应变和切向应变均达到正的最大值，而边缘处径向应变达到负的最大值，切向应变为零。因此常把两个应变片分别贴在正负最大应变处，并接成相邻桥臂的半桥电路以获得较大灵敏度和温度补偿作用。采用圆形箔式应变计(见电阻应变计)则能最大限度地利用膜片的应变效果（图6-1） 。这种传感器的非线性较显著。膜片式压力传感器的最新产品是将弹性敏感元件和应变片的作用集于单晶硅膜片一身，即采用集成电路工艺在单晶硅膜片上扩散制作电阻条，并采用周边固定结构制成的固态压力传感器图6-1膜片式应变力传感器6.2 单片机本系统选用 STC89C52 单片机，此单片机的开发主要用到两种语言:汇编语言和 C 语言。汇编语言虽然拥有生成的机器代码简洁、占 ROM 空间少、执行效率高的优势，但当编写一个较大的应用程序时，从内部 RAM 单元的规划、堆栈的保护、ROM 中断入口地址的安排、PC 的维护，到内外部资源的整合、系统的调试和维护，尤其当程序中含有大量计算时，用汇编语言来编写程序就显得力不从心。故除了一些要求特殊的功能模块采用汇编外，一般情况下，都采用主要面向应用、运算符丰富、结构简洁的 C51 实现。6.3 图像识别系统主要在手掌中心安装针孔摄像头，通过颜色识别确定果蔬的位置。彩色图像处理中常用的颜色模型有:RGB 颜色模型、H S V 颜色模型、Y Cb Cr 颜色模型和 L*a*b*颜色模型等。RGB 模型是根据三基色原理建立起来的,是基本的颜色表示模型,其他的颜色表示模型都可通过 RGB 模型转化得到。H S V 模型直接采用彩色特性意义上的 3 个量: 亮度或明度(V)、色调(H)、饱和度(S)来描述颜色, 比较符合人对颜色的描述习惯,但该模型表示的颜色并不全是视觉所感受的颜色。塔里木大学毕业设计157 工作原理流程及形态7.1 工作原理工作原理流程图如图 7-1 所示。从图中可以看出，机械臂带动机械手接近果实的过程中和果实发生挤压并产生压力，由传感器测得的力信号传给单片机，判断是否达到力闭值，这里的力闭值是根据实际经验设置的，即保证不损坏果实的前提下略小于稳定抓持的力。当机械手挤压果实的过程中，如果达到该值则触发机械手动作，所以采摘机械手的设计及其控制研究该值起到触发信号的作用。如果达到该闺值机械手开始完成稳定抓持，然后手腕上升，将果实提升和其它果实分离，避免随后的旋转过程碰伤其它果实或者周边的环境对手的动作发生干涉，完成采摘后松开果实手再恢复原位。紧接着机器视觉判断该果实是否在原位，要是在原位说明没采摘下，则作为新果实继续采摘，否则说明采摘成功，继续下一个果实的采摘。图 7-1 工作流程7.2 工作形态因为果蔬的形态各有不同，采摘机械手可以变换手指位置对不同形状的果蔬进行抓去任务。通过 Solidworks 建模进行间隙验证推算抓取范围。下面对主要的三种形态进行分析。7.2.1 形态一三指并拢状态如图 7-2 所示，最小抓取直径为 16.5mm，最大抓取直径为 60mm，长度大于80mm 的棒状物体，如黄瓜之类的果蔬最佳，抓取状态如图 7-3 和 7-4 所示。塔里木大学毕业设计16图 7-2 形态一图 7-3 最小抓取形态 图 7-4 最大抓取形态7.2.2 形态二形态二如图 7-5 所示三指互成 120，在这种状态抓取球状物体最为稳定。抓取范围为直径在70100mm 之间球体。抓取形态如图 7-6 和 7-7 所示。塔里木大学毕业设计17图 7-5 形态二图 7-6 最小抓取 图 7-7 最大抓取7.2.3 形态三形态三如图 7-8 所示，两个活动手指平行达与固定手指对立相比形态一抓取做大直径为95mm。如图 7-9 所示塔里木大学毕业设计18图 7-8 形态三 图 7-9 最大抓取小 结通过本次毕业设计，我深深体会到自己在理论知识方面的欠缺，同时也感到自己在知识的运用上也不够灵活，这也说明我在学习知识的过程中存在着一些缺点，总结有以下几点：1.在初定方案过程中，由于自己所见实物过少，零部件的尺寸不能确定，使方案进行了多次修改，耽误了大量时间。在计算过程中，对于带轮和齿轮的基本尺寸，计算结果与实际生产加工有偏差，也相应作了修改。2.在机械手结构设计中也花了不少时间，因为要考虑微电机的安装和整体外形尺寸。手指见间的连接，手指的驱动等诸多问题的考虑。3.运用三维软件对这个机械手进行三维建模，仿真，做动画。工作量也比较大，在建模过程中也发现了不少设计方案和尺寸等诸多问题。总体来说，在这次毕业设计中，收获很大，平时在学习知识的时候，总是认为好多知识用不到，所以就没有更深一步去理解。在此次设计中，我感到自己的知识面很窄，对知识掌握得不够，在设计时，考虑问题太片面，导致零部件进行多次修改。由于工作量较大和时间紧张，在仿真这部分没有完全表达出我的设计意图，这也是遗憾之处。同时也期望在今后有其他毕业生能够克服，做到十全十美。塔里木大学毕业设计19致 谢对于这次毕业设计的完成，首先感谢母校-塔里木大学的辛勤培育，感谢学校给我提供了如此难得的学习环境和机会，使我将以前学到的知识又重新回顾了一遍，知道了学习的可贵与获取知识的辛勤。承蒙指导老师的耐心指导，使我顺利地完成了毕业设计。在此，深深地感谢指导老师，给予了我耐心的指导和帮助，体现出了他对工作高度负责的精神，感谢黄新成老师给我的指导，在周末他也会随时过来检查进度。在整个设计的过程中，他耐心的指导，才使我的设计顺利完成。在这里也特别感谢张宏老师在百忙之中抽出时间给我指导，同时也感谢本组老师给出的意见和指导。对于这次毕业设计，由于时间仓促和自己所学软件掌握熟练程度等因素，使这次毕业设计的仿真没有达到最完美的效果，这不能不说是本次设计的遗憾之处。不过，它至少启发了我的思维，提高了我的动手能力，使我应用了以前 solid works 软件中没有用到的工具，同时，使我将以前所学的书本知识又重新复习了一遍，这为我在今后的工作岗位上发挥自己的才能奠定了坚实的基础。最后，再一次衷心的感谢学校能够给予我这次机会，使我将所学理论知识与实践相结合，以及在塔里木大学毕业设计20这次设计中给予我指导的所有老师。你们传授的知识使我受用一生，你们的恩情我会铭记一生。参考文献1 吴宗泽,罗盛国.机械设计课程设计手册.3 版.北京:高等教育出版社 2006.5.2 濮良贵,纪名刚.机械设计.8 版.北京:高等教育出版社,2006.5.3 毛谦德,李振清.袖珍机械设计手册.2 版.北京:机械工业出版社, 2002.4 孙桓,陈作模,葛文杰.机械原理.7 版.北京:高等教育出版社,2006.5. 5 梁喜凤.番茄收获机械手机构分析与优化设计研究D.杭州:浙江大学，2004.6 陈利兵.草苟收获机器人采摘系统研究D.北京:中国农业大学，2005.7 方建军.移动式采摘机器人的研究现状与进展J.农业工程学报，2004(2): 273-278.8 陆怀民，林木球果采摘机器人设计与试验J.农业机械学报，2001, 32(6): 52-58.9 梁喜凤，苗香雯，崔绍荣，等.果实采摘机械手机构设计与工作性能分析J.农机研究所，2004（2）：133-13610 殷际平，何广平.关节型机器人M.北京；化学工业出版社，2003塔里木大学毕业设计21