小型水果采摘机的结构设计与分析机械设计说明书

附赠CAD图纸和三维建模及说明书,领取加Q 197216396 或 11970985毕业设计说明书题 目： 学 院： 专 业： 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 目 录摘 要IVAbstractV第1章 绪论11.1研究背景及意义11.2国内外研究及发展现状1第2章 总体方案设计22.1设计参数22.1.1设计技术参数22.2方案选定22.2.1车体方案设计22.2.2手臂方案设计22.2.3手抓方案设计32.3.4驱动方案的选择32.3工作原理分析42.3.1传动机构工作原理42.3.2手臂工作原理42.3.3手抓工作原理5第3章 零部件的设计与选择63.1行驶小车设计63.1.1主电机的选择63.1.2履带部分设计83.1.3副履带部分设计183.2手臂部分设计213.2.1电机的选择213.2.2大、小臂设计233.3手抓设计243.3.1电动机的选择243.3.2丝杆螺母副的选型与校核263.3.3手指结构设计293.3.4手抓支架的设计30第4章 基于Pro/E的三维设计314.1 Pro/E三维设计软件概述314.2三维设计314.2.1车体314.2.2主履带324.2.3副履带324.2.4手臂、手抓324.2.5三维装配334.3仿真分析334.3.1 Pro/E仿真介绍334.3.2仿真34总 结37参考文献38致 谢39摘 要果园种植业的发展提高了果园机械市场的需求，为了节约人力物力，提高果农的经济效益，开展采摘器械的研究有重要的意义。水果采摘机是一种极具研究价值和应用前景的农用地面移动机器人，本论文对具有移动功能的采摘机进行了总体技术的研究，并主要对其车体结构部分、手臂部分、手抓部分进行了详细的设计。本文首先，通过功能和设计任务的分析，确立了水果采摘机总体功能构架；接着，对本采摘机车体结构部分、手臂部分、手抓部分进行了详细设计与校核并采用Pro/E三维设计；然后，进行仿真分析，确保水果采摘机结构最优，效率最高，性能最优；最后采用AtuoCAD软件绘制了采摘机的装配图及主要零件图。通过本次设计，对大学所学专业知识在理论结合实际的锻炼下加深了知识的理解，对今后的工作必定带来很大帮助。关键词：水果采摘机；手臂；手抓；履带AbstractThe development of orchard planting industry has raised the demand of the orchard machinery market. In order to save manpower and material resources and improve the economic benefit of the fruit farmers, it is of great significance to carry out the research of the picking instruments. The fruit picking machine is a kind of agricultural ground mobile robot which has great research value and application prospect. This paper studies the overall technology of the picking machine with mobile function, and designs the part of the body structure, arm and hand grip in detail.Firstly, through the analysis of function and design task, the overall functional framework of fruit picking machine is established. Then, the body structure part, arm part, hand grab part of this picking locomotive are designed and checked in detail and Pro/E 3D design is used. Then, simulation analysis is carried out to ensure the optimal structure and efficiency of the fruit picking machine. Finally, the assembly drawing and main parts drawing of the picking machine were plotted by AtuoCAD software.Through this design, the knowledge of the professional knowledge of the university has been deepened under the practice of combining theory with practice, and it will surely bring great help to the future work.Key words: Fruit picking machine; Arm; Hand grasping; Crawler40第1章 绪论1.1研究背景及意义果园种植业的发展提高了果园机械市场的需求。在整个生产中，由采摘果实所耗费的劳动力占据整个生产过程的5070。采摘作业季节性相对强，传统人工采摘的方式不仅仅易造成果实损伤。同时，采摘不及时将会导致经济上的损失。农业劳动力向其他行业转移，人员缺乏，随着老龄化的增长，生产成本不断提高，降低了人们的种植积极性，果园种植业的发展受到了制约。为了节约人力物力，提高果农的经济效益，开展采摘器械的研究有重要的意义。1.2国内外研究及发展现状机器人是二十世纪人类最伟大的发明之一。人类对于机器入的研究由来已久，但直到上世纪50、60年代，随着机构理论和数控伺服技术的发展才真正进入实用化。上世纪70年代后，计算机技术、控靠q技术、传感技术和人工智能技术迅速发展，机器人技术也随之进入高速发展阶段，并发展成为集机械、电子、控制和计算机技术的一项综合技术。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。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。第2章 总体方案设计2.1设计参数2.1.1设计技术参数本课题对小型水果摘採机的结构进行设计及分析，主要技术指标包括：（1）采摘机构能够实现上下高度范围为1.0-1.5m，工作空间2m3；（2）机构要求效率高，运转速度快；（3）对结构进行静力负载分析，确保满足使用要求。2.2方案选定2.2.1车体方案设计本次设计的水果采摘机车体结构采用的是履腿式复合结构，总体设计方案如图2-1所示。机器人的车体的履带作为移动移动机构，与前臂和后臂转动相协调，增加了机器人运动灵活性。机器人后轮有一个伺服电机驱动，通过控制系统协调配合，实现后轮的灵活转动，在机器人爬坡和越障时发挥更大作用。机器人车体左右两边履带各有永磁式直流电机驱动，通过控制系统协调配合，控制前轴和后轴的速度、力矩，可实现原地360转向，前进时的自由转向，随时调解爬坡时的力矩大小。在车体主履带前端是惯性轴，与主动轴配合，保证机器人运动的平稳。图2-1 水果采摘机车体结构组成2.2.2手臂方案设计本次设计的机械手要求：机械手臂可实现回转、上下移动，机械手爪可实现夹持，并且采用关节式结构，因此选定的设计方案如下：其由两个电机驱动关节转动实现机械手臂上下移动，手臂整体回转有底部回转电机实现；机械手爪具有2个自由度，分别是手爪回转，手爪夹持；手爪回转有电机驱动，手爪夹持由电磁铁的正反接实现。2.2.3手抓方案设计目前，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。根据采摘苹果的具体要求，提出了一种苹果采摘手抓。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。2.3.4驱动方案的选择目前这类机械手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。图2-2 水果采摘机总体结构图2.3工作原理分析2.3.1传动机构工作原理减速传动机构是电动机通过行星轮减速器的降速，来实现增大转矩、调速，通过直齿轮改变轴的方向，输出后轴转矩，为机器人提供主要动力。后轴驱动机构驱动后轴位于传动系的末端。其基本功用是增扭、降速和改变转矩的传递方向。转向机构机器人在行驶过程中，经常需要改变行驶方向，本机构是通过两个电机的差速比来实现的。动力部分采用电机，通过齿轮副降速后带动低速轴的转动，轴与履带驱动机构通过导杆滑块机构连接，使履带驱动机构各自绕前后轴的中心线转动，实现机器人不同角度的爬坡和越障能力。2.3.2手臂工作原理其由两个电机驱动关节转动实现机械手臂上下移动，手臂整体回转有底部回转电机实现；机械手爪具有2个自由度，分别是手爪回转，手爪夹持；手爪回转有电机驱动，手爪夹持由电磁铁的正反接实现。2.3.3手抓工作原理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。第3章 零部件的设计与选择3.1行驶小车设计3.1.1主电机的选择（1）机器人在平直的路上行驶水果采摘机在跨越平面的沟槽或在平面移动，假设其速度最大，且匀速前进，则取 水果采摘机共有两个输出轴，每个输出轴前端都有一个电机，对机器人其中一个输出轴分析:图3-1 平直路线分析又 则在最大的行驶速度下，驱动电机经过减速箱减速后需要提供的极限转速为（2）机器人在30坡上匀速行驶机器人在最大行驶坡度上匀速行驶，设定行驶速度为,在行驶过程中轮子作纯滚动，不考虑空气阻力的影响，机器人爬坡受力情况如图图3-2 30坡度分析又，则 则在最大坡度下需提供极限转矩为 （3）机器人的多姿态越阶对这几种姿态分析，机器人在跨越台阶时直流电机只驱动主履带，机器人在实际跨越台阶过程中速率不大，那么机器人所需提供的输出功率也不大。由以上分析可知，机器人平地直线运动时要求的驱动电机输出转速较大，而爬坡时需要驱动电机的输出转矩较大。因此，在选电机时，应根据平地直线运动所求的最大转速和爬坡运动所求的转矩进行选择。根据机器人爬坡情况的分析，,机器在平面状况下， 因而选取P=80W作为机器人的最大输出功率。根据计算的水果采摘机的最大输出功率为80W,输出转矩为22.1N.M,输出转速为56.2r/min。因为直流电机启动性能好，过载性能强，可承受频繁冲击、制动和反转，允许冲击电流可达额定电流的3到5倍。另外在使用过程中可携带或可移动的蓄电池，干电池作为供电电源，操作轻巧与方便。根据直流电机这些性能，满足主履带频繁受冲击，制动和反转的要求，满足机器人要携带移动电池的要求，因而则选择90ZY54型号的直流永磁电机，其参数如下：额定功率92额定转矩0.6额定转速1500电流7电压12允许正反转速差150因为 则因为, 则又则选取3.1.2履带部分设计1、履带的选择对于履带基于标准化的思考，我们选择了梯形双面齿履带作为设计履带，其具有带传动、链传动和齿轮传动的优点。由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力，故带与带轮间无相对滑动，能保证准确的传动比。履带通常以氯丁橡胶为材料，这种带薄而且轻，故可用于较高速度。传动时的线速度可达50m/s，传动比可达10，效率可达98。传动噪音比带传动、链传动和齿轮传动小，耐磨性好，不需油润滑，寿命比摩擦带长。因为履带传动具有准确的传动比，无滑差，可获得恒定的速比，传动平稳，能吸振，噪音小，传动比范围大等优点，所以传递功率可以从几瓦到百千瓦。传动效率高，结构紧凑，适宜于多轴传动，无污染，因此可在工作环境较为恶劣的场所下正常工作。从以上对履带性能的分析中可以得出结论，选用梯形双面齿履带作为移动装置设计履带能够满足设计性能及工作的环境条件要求。由已知后轴输出功率为(即）；由已知设计装置移动速度，根据公式，可得主动轮转速，预先设计履带主动轮直径=169mm，履带从动轮直径=169mm，由公式，可得=59.71r/min.。故可以得到设计的已知条件如下：传递名义功率.主动轮转速r/min从动轮转速中心距.（1）功率的计算式中K-载荷修正系数（有工作机性能和运转时间查表3-1可以得到）表3-1修正载荷系数K工作机运行时间（小时/日）358101624计算机，医疗机1.01.21.4缝纫机，办公机械1.21.41.6轻传送机，包装机1.31.51.7搅拌机，造纸机1.41.61.8印刷机，圆形带锯1.41.61.8（2）确定带的型号和节距由设计功率=0.1377kw和=59.71r/min，考虑到可以用双面交错梯状齿形履带作为履带使用，由图8-1查得型号选用XH型，对应节距=22.225mm，图3-3为双面交错梯状齿形履带的结构图，双面齿履带的节距和齿形等同与单面齿履带的齿形和节距，图A为DA型双面齿履带，其两面带齿呈对称排列，图B为DB型双面齿履带，其两面带齿呈交错位置排列，本装置设计履带选择DB型XH履带：=2.794mm，=15.49图3-3梯形齿履带，轮选型图图3-4梯形齿形状图本装置选择的梯形BD型XH履带的具体参数如下表3-2表3-2 梯形齿标准履带型号以及齿尺寸2、确定主从动轮直径对于梯形标准履带来说小带轮的齿数是有要求的，能够保证履带运转是最为基本的，履带选用的XH形履带一样有齿数最小要求，由表3-3查的表3-3小带轮的最小齿数小带轮转速XLLHXHXHHS，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。要求丝杠的最大转速。 临街转速按下式计算： 式中：为临界转速系数，见表2-10，本题取， 即：，所以丝杠工作时不会发生共振。 此外滚珠丝杠副还受值的限制，通常要求3.3.3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。（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。（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）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。图3-9 手指结构3.3.4手抓支架的设计支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。图3-10 机架结构第4章 基于Pro/E的三维设计4.1 Pro/E三维设计软件概述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。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。4.2三维设计4.2.1车体车体如下图示：图4-1车体4.2.2主履带通过对各组成零件进行三维设计后装配得到主履带设计结果如下图示：图4-2主履带4.2.3副履带通过对各组成零件进行三维设计后装配得到副履带设计结果如下图示：图4-3副履带4.2.4手臂、手抓通过对各组成零件进行三维设计后装配得到手臂、手抓设计结果如下图示： 图4-4 手臂、手抓4.2.5三维装配图4-5 水果采摘机装配4.3仿真分析4.3.1 Pro/E仿真介绍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。在计算机仿真技术高速发展的今天，Pro/ENGINEER（以下简称Pro/E）为之提供了一套行之有效的运动仿真解决方案，即Pro/E的运动仿真技术是利用Pro/E建立模拟系统的三维实体模型和力学模型，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种情况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的先进技术，其目的是为物理机样的设计和制造提供依据。运动仿真技术是从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，解决传统的设计与制造过程弊端的高新技术。工程设计人员可以直接利用Pro/E系统所提供的各零部件的物理信息及几何信息，在运动仿真内定义零部件间的连接关系并进行虚拟装配，从而获得机械设计系统的虚拟样机，在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析，仿真试验不同的设计方案，对整个系统进行不断改进，直至获得最优设计方案，再做物理样机。这样做的意义在于减少了甚至免除了制作物理样机的经费，缩短了产品开发周期，提高了市场竞争力。4.3.2仿真（1）典型机构运动仿真详细过程本次运动仿真以运动过程较复杂的手抓为例进行说明：(a)打开装配图，点击“机构”命令图4-6点击“机构”(b)建立伺服电动图4-7建立电动机 (c)点击“机构分析”，弹出界面图4-8机构分析(d)点击运行（2）仿真动画获取(a)点击“回放”-右键选择“播放”图4-9启动动画(b)点击 “动画”中“捕获”命令图4-10动画(c)设置“捕获”命令参数设置“捕获”中动画放置目录、图像大小等参数后，点击“确定”等待计算机运行捕获即可得到仿真动画。图4-11捕获（2）总体运动仿真总成运动仿真过程与手抓部分类似，仿真参数设置完成后效果如下图，随后运行仿真并“捕获”仿真动画即可。图4-12 总成仿真设置总 结水果采摘机是一种极具研究价值和应用前景的农用地面移动机器人，本论文对具有移动功能的采摘机进行了总体技术的研究，并主要对其车体结构部分、手臂部分、手抓部分进行了详细的设计和论证，本论文完成的主要工作如下：（1）通过功能和设计任务的分析，确立了水果采摘机总体功能构架，初步制定了小型水果采摘机的总体组成和性能指标。（2）在非结构环境下，移动平台是小型水果采摘机实现复杂地形运动的功能载体，本文采用了后轮驱动的履带式移动机构，并具有可独立控制的前摆，具有较强的