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致謝
本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目
欠驅(qū)動(dòng)蘋果采摘末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)
學(xué) 院
機(jī)械交通學(xué)院
專 業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其 自動(dòng)化
班級(jí)
姓 名
學(xué)號(hào)
指導(dǎo)教師
職稱
年 4 月 30 日
農(nóng)業(yè)大學(xué)教務(wù)處制
摘要
本文設(shè)計(jì)了一種蘋果采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器。該執(zhí)行器的夾持機(jī)構(gòu)為一個(gè)三欠驅(qū)動(dòng)仿生機(jī)械手。使用鋼絲作為傳動(dòng)腱可以將驅(qū)動(dòng)部分和執(zhí)行部分分離，將驅(qū)動(dòng)部分置于遠(yuǎn)端，減輕了機(jī)械臂末端的重量，同時(shí)增加了驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇的靈活性。
首先，對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了分析。其次，對(duì)機(jī)械手抓取穩(wěn)定性的基本理論問題進(jìn)行了分析和討論，建立了抓取模型，為設(shè)計(jì)機(jī)械手的穩(wěn)定抓取提供了理論依據(jù)。最后，對(duì)機(jī)械手的機(jī)械部分和控制部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
該末端執(zhí)行器采摘方案合理有效、總體性能可滿足機(jī)器人采摘蘋果的要求。
關(guān)鍵詞：蘋果采摘機(jī)器人；末端執(zhí)行器；機(jī)械設(shè)計(jì)
致謝
ABSTRACT
This article is designed to end an apple picking robot. The actuator clamping mechanism is a three-under-drive bionic robot. As the use of steel tendons can drive the drive part and the operative part of the separation, the driving portion is placed in the distal end of the arm to reduce the weight, while increasing the flexibility of selection of the drive motor.
First, the robot kinematics is analyzed. Secondly, the stability of the robot to crawl the basic theory problems are analyzed and discussed the establishment of a crawl model, designed to stabilize the crawling robot provides a theoretical basis. Finally, the part and the control part of the mechanical robot was designed.
The program end picker reasonably effective to meet the overall performance requirements of apple picking robot.
關(guān)鍵詞：Apple picking robot; end effector; mechanical design
目 錄
摘要 I
ABSTRACT II
第一章 緒論 1
1.1 課題研究意義 1
1.2 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人發(fā)展概況 1
1.2.1農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的特點(diǎn) 1
1.2.2國內(nèi)外采摘機(jī)器人研究進(jìn)展 2
1.3 采摘機(jī)器末端執(zhí)行器研究現(xiàn)狀 3
1.3.1獲取方式 3
1.3.2分離方式 6
1.4 欠驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究發(fā)展 7
1.5 主要內(nèi)容和研究方法 9
1.5.1 主要研究內(nèi)容 9
1.5.2 技術(shù)路線 9
第二章 欠驅(qū)動(dòng)采摘末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì) 11
2.1 欠驅(qū)動(dòng)采摘末端執(zhí)行器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11
2.1.1手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12
2.1.2機(jī)架的設(shè)計(jì) 14
2.1.3驅(qū)動(dòng)方案的選擇 14
2.2手腕關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 15
2.3本章小結(jié) 17
第三章 末端執(zhí)行器靜力學(xué)分析 19
3.1 欠驅(qū)動(dòng)手指的工作原理 19
3.2 包絡(luò)抓取時(shí)的靜態(tài)力學(xué)模型 19
3.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 22
3.4手部的夾持誤差計(jì)算 23
3.5本章小結(jié) 25
第四章 末端執(zhí)行器虛擬設(shè)計(jì)與仿真研究 27
4.1 軟件概述 27
4.2機(jī)械手的虛擬設(shè)計(jì)與裝配 27
4.2.1模型的建立 27
4.2.2虛擬裝配 29
4.3 模塊化設(shè)計(jì) 29
4.3.1模塊化設(shè)計(jì)概念 29
4.3.2手指的模塊化設(shè)計(jì) 30
4.4本章小結(jié) 31
結(jié)論 32
致謝 33
參考文獻(xiàn) 34
第一章 緒論
第一章 緒論
1.1 課題研究意義
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，農(nóng)業(yè)高新技術(shù)的應(yīng)用和推廣的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)器人已逐漸進(jìn)入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，并促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備走向機(jī)械化，生產(chǎn)智能化方向發(fā)展的。水果采摘是季節(jié)性的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，要求的工作是利用人工采摘不僅效率低下的一個(gè)重要方面，勞動(dòng)密集，水果和蔬菜也造成了一定的傷害。智能機(jī)器人的水果和蔬菜的采摘?jiǎng)趧?dòng)的解放研究和開發(fā)，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，保證了新鮮水果和蔬菜的品質(zhì)，以及滿足作物生長等方面的實(shí)時(shí)性要求有一個(gè)非常重要的意義。并且，隨著下降，增加水果和蔬菜的采摘機(jī)器人的農(nóng)業(yè)從業(yè)人員，開發(fā)和利用的老齡化趨勢(shì)，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的市場(chǎng)前景。
蘋果是我國生產(chǎn)的主要果品之一，2010年蘋果產(chǎn)量占果品總產(chǎn)量的32.73%，居三大果品(蘋果、柑橘、梨) 之首。同時(shí)我國蘋果種植面積2848萬畝，產(chǎn)量2600萬噸，分別占世界蘋果面積、產(chǎn)量的35%上，規(guī)模居世界第一。機(jī)器人采摘在蘋果采摘過程中的大量應(yīng)用能夠極大地提高采摘效率、節(jié)約成本，不過，雖然水果采摘過程中容易出現(xiàn)機(jī)械損傷，機(jī)械損傷也是門入侵的病原微生物，是爛水果的主要原因。由于受負(fù)載瘀傷的操作方面，打破，從而導(dǎo)致變質(zhì)腐爛的水果多達(dá)30%～40%，每年的損失高達(dá)數(shù)百億人民幣。機(jī)械手是與果實(shí)直接接觸的部分，因此設(shè)計(jì)一種輕巧易用且對(duì)果實(shí)損傷小的機(jī)械手顯得尤為重要。
1.2 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人發(fā)展概況
1.2.1農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的特點(diǎn)
工業(yè)領(lǐng)域是機(jī)器人技術(shù)的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，工業(yè)機(jī)器人處于可控制的人工環(huán)境內(nèi)，并以均勻材質(zhì)、確定的尺寸和形狀的物體為操作對(duì)象，目前已經(jīng)得到了相當(dāng)成熟的應(yīng)用，而采摘機(jī)器人工作在高度非結(jié)構(gòu)化的復(fù)雜環(huán)境下，作業(yè)對(duì)象是有生命力的新鮮水果或蔬菜。同工業(yè)機(jī)器人相比，果蔬采摘機(jī)器人具有以下特點(diǎn)：?
1、非結(jié)構(gòu)性的操作環(huán)境。由于作物隨時(shí)間和空間變化，工作環(huán)境在變，未知的，是開放性。除了受地形條件的限制，而且還直接受季節(jié)，氣候等自然條件的作物生長環(huán)境。這不僅需要采摘機(jī)器人具有靈活性，以適應(yīng)處理的生物學(xué)功能，并能夠適應(yīng)不斷變化的自然環(huán)境，具有相當(dāng)高的智慧在視覺，觸覺，多傳感器融合和知識(shí)推理和判斷等方面。?
2、采摘對(duì)象的嬌嫩性和復(fù)雜性。果實(shí)具有軟弱易傷的特性，其形狀復(fù)雜，生長發(fā)育程度各異；而且采摘對(duì)象以觀葉植物大多模糊不清，增加視覺定位的難度采摘速度和成功率，同時(shí)也對(duì)機(jī)器人躲避障礙提出了更高的要求。?
3、作業(yè)對(duì)象大多數(shù)被樹葉、樹枝所掩蓋，增大了機(jī)器人的視覺識(shí)別、定位的難度，降低了采摘成功率，這就對(duì)機(jī)器人機(jī)械手的避障提出了更高的要求。?
4、作業(yè)動(dòng)作的復(fù)雜性。通常同時(shí)進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人拾取操作，農(nóng)業(yè)和行走的字段沒有連接到的最短對(duì)焦距離的出發(fā)點(diǎn)，但有一個(gè)狹窄的范圍在整個(gè)長途和偶數(shù)場(chǎng)的特性。?
5、作業(yè)對(duì)象和價(jià)格的特殊性。采摘機(jī)器人經(jīng)營者大多是農(nóng)民，因此需要一個(gè)簡單的采摘機(jī)器人必須具有高可靠性和工作特性。另一個(gè)重要的因素，智能化程度高導(dǎo)致水果制造成本較高，蔬菜采摘機(jī)器人，農(nóng)民和農(nóng)業(yè)經(jīng)營者或不能接受的，并通過使用采摘機(jī)器人和季節(jié)限制的時(shí)間，效率不高，也限制了推廣采摘機(jī)器人。
1.2.2國內(nèi)外采摘機(jī)器人研究進(jìn)展
水果和蔬菜的采摘機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)60年代，在20世紀(jì)的美國，用于收割方法主要是機(jī)械和氣動(dòng)搖晃搖晃風(fēng)格。缺點(diǎn)是水果的脆弱性，效率不高，是不是特別有選擇性的收獲，存在很大的局限性采摘柔軟，新鮮水果和蔬菜方面。但此后，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是在工業(yè)機(jī)器人，日益成熟的計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)，采摘機(jī)器人的研究和技術(shù)開發(fā)得到了快速發(fā)展。目前，日本，荷蘭，法國，英國，意大利，美國，以色列，西班牙等國相繼推出的水果和蔬菜采摘機(jī)器人方面的研究相關(guān)的研究主要橘子，蘋果，西紅柿，櫻桃西紅柿，蘆筍，黃瓜，甜瓜，葡萄，甘藍(lán)，菊花，草莓，蘑菇等，但這些收益還沒有真正商業(yè)化經(jīng)營的機(jī)器人。
研究農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域起步相對(duì)較晚，但近幾年的快速發(fā)展，也已經(jīng)有很多的研究。張劍峰，董劍，張志勇，如自適應(yīng)魯棒跟蹤控制算法采摘機(jī)器人設(shè)計(jì); ;機(jī)器人視覺傳感器設(shè)計(jì)立體的中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，劉兆祥，劉剛，誰撿到了蘋果方面江蘇大學(xué)蔡健榮三維信息，例如恢復(fù)的障礙，為柑橘采摘機(jī)器人障礙識(shí)別技術(shù)的研究;南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院和奪權(quán)的水果和蔬菜研究技術(shù)姬長英王學(xué)林外環(huán)控制。
1.3 采摘機(jī)器末端執(zhí)行器研究現(xiàn)狀
末端執(zhí)行器是果蔬采摘機(jī)器人的另一重要部件，它的設(shè)計(jì)通常被認(rèn)為是機(jī)器人的核心技術(shù)之一。一般果蔬的外表比較脆弱，它的形狀及生長狀況通常復(fù)雜。在機(jī)器人采摘過程中果蔬外表發(fā)生損傷的原因主要有：?
①水果和蔬菜位置識(shí)別或機(jī)械手控制計(jì)劃是錯(cuò)誤的，導(dǎo)致劃傷或刺傷外觀水果和蔬菜的致動(dòng)器的末端;?
②末端執(zhí)行器夾持或抓取力過大，壓傷果蔬外表；?③末端執(zhí)行器抓持不穩(wěn)定導(dǎo)致果蔬掉落，與地面或其他堅(jiān)硬物體接觸而碰上外表。?
作為采摘機(jī)器人的執(zhí)行裝置，末端執(zhí)行器應(yīng)根據(jù)不同果蔬果實(shí)的生物、機(jī)械特性及栽培方式，采取不同的專用機(jī)構(gòu)以提高采摘的成功率并減小對(duì)果蔬的損傷為主要目標(biāo)。一般集成兩項(xiàng)功能：?
①檢測(cè)果實(shí)的位姿，為執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供導(dǎo)航信息；?
②適當(dāng)努力夾緊及切割果柄或果柄采摘完成動(dòng)作。得到在行動(dòng)上通常包括水果和水果和植物中分離成兩部分。為了安全高效地完成采摘行動(dòng)，最終也可能被添加到吸盤，推桿和各種傳感器，如額外的機(jī)制來完成，準(zhǔn)確配貨，減少損傷。
1.3.1獲取方式
獲取和分離果實(shí)是采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器必須實(shí)現(xiàn)的兩大關(guān)鍵動(dòng)作，即首先通過抓取、吸入、勾取等一定方式獲取果實(shí)，再通過扭斷、剪切等不同方法完成果實(shí)與果梗的分離。從目前發(fā)表的文獻(xiàn)來看，獲取果實(shí)的方式主要?dú)w為非夾持類和夾持類兩種。分離果實(shí)與果梗的方式有傳統(tǒng)的扭斷、折斷、拉斷以及通過剪刀或切刀進(jìn)行切斷，還有新式的熱切割方法等。
?1.直接切斷式?：
這類末端執(zhí)行器一般都是直接剪斷果梗，由于其本身不能實(shí)現(xiàn)果實(shí)的回收，因此剪掉的果實(shí)直接落地或者落入事先放置的果箱中。例如，日本開發(fā)的甜椒采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器、茄子采摘末端執(zhí)行器、番茄采摘末端執(zhí)行器、美國柑橘采摘末端執(zhí)行器均為此類結(jié)構(gòu)，如圖1-1、1-2、1-3所示。
圖1-1 甜椒采摘末端執(zhí)行器
圖1-2 茄子采摘末端執(zhí)行器
圖1-3 番茄采摘末端執(zhí)行器
這類末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)更能較為簡單，適用于植株冠層內(nèi)枝葉較稀疏，且果實(shí)具有一定抗沖擊能力的果蔬。對(duì)于果梗較短的植株，往往造成無法剪切或碰上果實(shí)的現(xiàn)象，對(duì)于冠層空間比較復(fù)雜的植株，果實(shí)下落過程中很容易被碰上，并且下落的位置也不定，影響果實(shí)的回收。
2.吸入式?：
這類非夾持類末端執(zhí)行器主要是通過真空系統(tǒng)將果實(shí)吸入末端執(zhí)行器內(nèi)，再通過切斷、扭斷等方式分離果實(shí)和果梗。?
如圖1-4所示的柑橘采摘末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖，由真空吸盤先吸持住果實(shí)向后拉動(dòng)，同時(shí)末端執(zhí)行器的彈性蓋板向前移動(dòng)，使果實(shí)進(jìn)入籠體內(nèi)，然后蓋板收縮進(jìn)而保住果實(shí)，隨后一對(duì)割刀合攏切斷果梗。
圖1-4 柑橘采摘末端執(zhí)行器
如圖1-5（a）所示比利時(shí)開發(fā)的蘋果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，設(shè)計(jì)成漏斗的形狀，漏斗內(nèi)安置攝像機(jī)，當(dāng)有果實(shí)進(jìn)入手爪范圍的時(shí)候，真空吸引器打開將果實(shí)吸入，再通過旋轉(zhuǎn)扭斷果梗將果實(shí)采摘下來。圖1-5（b）所示英國開發(fā)的蘋果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，由一截管道、兩個(gè)內(nèi)置圓環(huán)和兩個(gè)彈簧蓋組成，該末端執(zhí)行器獲取果實(shí)的原理也是吸入+扭斷式，當(dāng)蘋果的位置信息傳來之后，真空系統(tǒng)將果實(shí)吸入，再扭斷果梗采摘下蘋果。
圖1-5 蘋果采摘末端執(zhí)行器
還有吸入+勾取的方式來獲取果實(shí)等等。吸入式的末端執(zhí)行器硬件設(shè)計(jì)簡單，工作原理類似，對(duì)于果實(shí)嬌嫩、果梗柔弱細(xì)長的草莓等果實(shí)，采取吸入加勾取比夾持的獲取方式更可行，但這類末端執(zhí)行器對(duì)果實(shí)個(gè)體尺寸差異適應(yīng)能力較差動(dòng)作速度較慢，穩(wěn)定性不高，而且相鄰的未成熟的果實(shí)也容易被一同吸入和采摘下來。
3.夾持類?
這類末端執(zhí)行器其夾持器通常由帶有真空吸引器和數(shù)目不等的手指構(gòu)成。按手爪的個(gè)數(shù)可分為兩指和多指型，目前大多數(shù)果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器為兩指，也有一些三指和四指的末端執(zhí)行器，用于外形不規(guī)則或較大的果實(shí)。因此，一般情況下，對(duì)于形狀較為規(guī)格，尺寸和質(zhì)量部太大的果實(shí)，應(yīng)首選較少手指進(jìn)行抓持。?
日本東京大學(xué)喬俊等人開發(fā)設(shè)計(jì)的甜椒采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，該末端執(zhí)行器具有兩個(gè)瘦長形的手指，長度為160mm，厚度和寬度分別只有1mm和10mm。兩個(gè)手指組成的手爪抓住果柄的過程由依靠一個(gè)凸輪的瞬時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行張開和夾緊動(dòng)作，凸輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，凸輪為橢圓形，旋轉(zhuǎn)90度后手爪就完成一次張開或夾緊的過程。
中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張凱良等人設(shè)計(jì)了草莓采摘機(jī)器人，其機(jī)械原理如圖1-6所示，該末端執(zhí)行器的夾持機(jī)構(gòu)主要有機(jī)械爪及其附屬部件構(gòu)成。絲杠與內(nèi)螺紋管通過螺紋連接，由電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，從而螺紋管進(jìn)行前后運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)兩根手指做閉合或張開動(dòng)作，完成對(duì)果實(shí)的獲取。在兩手指的內(nèi)側(cè)上裝有橡膠墊，增加了緩沖，可使末端執(zhí)行器更可靠地夾持，同時(shí)，在靠近手指根部的位置安裝了一對(duì)間距可調(diào)的機(jī)械觸點(diǎn)，作為機(jī)械爪夾持力度的反饋裝置?？梢姡撃┒藞?zhí)行器的夾持裝置獲取果實(shí)的精確性、可靠性以及對(duì)果實(shí)的保護(hù)程度明顯要好于日本的甜椒采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器。
1.手指 2.內(nèi)螺紋管 3.絲杠 4.電機(jī)
圖1-6 機(jī)械爪機(jī)構(gòu)示意圖
1.3.2分離方式
無論夾持類和非夾持類采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，都需要通過一定的方式完成果梗的切斷或果梗與果實(shí)的分離，才能最終實(shí)現(xiàn)采摘果實(shí)?，F(xiàn)有的采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器研究成果來看，多采用扭斷、折斷或剪切的分離方式，一些末端執(zhí)行器對(duì)新的切割原理進(jìn)行了嘗試。?
（1）扭斷、折斷、拉斷
扭斷是利用手腕的旋轉(zhuǎn)和周轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在執(zhí)行器抓牢果實(shí)后擰斷果柄，需要多次往復(fù)扭轉(zhuǎn)才能斷開果梗，末端執(zhí)行器需要較大的工作空間，這樣就難于避障。這種方式對(duì)于果柄易斷的果蔬較為實(shí)用，如番茄的采摘，但對(duì)于果柄柔韌性較高的果蔬則采摘成功率較低。而且無論扭斷、折斷或拉斷都只適用于果實(shí)被充分夾持的情況下，其優(yōu)點(diǎn)是無需再附加另外的分離裝置和動(dòng)力，但這就要求末端執(zhí)行器的夾持機(jī)構(gòu)夾持果實(shí)要足夠可靠，對(duì)果實(shí)提供充分的作用力，又不能造成對(duì)果實(shí)的損傷，這樣夾持器對(duì)果實(shí)的夾持力要有較高的控制。同時(shí)，還要根據(jù)采摘對(duì)象的果梗力學(xué)特性驚醒不同方式的選擇和實(shí)驗(yàn)，否則難以達(dá)到預(yù)期的效果。
（2）剪切
相當(dāng)部分的采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器安裝了剪刀或切刀裝置，用來切斷果梗實(shí)現(xiàn)果實(shí)、果梗分離。?
（3）熱切割
荷蘭瓦寧根在黃瓜采摘機(jī)器人末端執(zhí)行大學(xué)開發(fā)的根，莖改變了傳統(tǒng)的分離方法，利用兩個(gè)相反電極產(chǎn)生的熱量，當(dāng)兩個(gè)電極之間與莖接觸的高頻電流，莖高水分含量，使莖會(huì)迅速產(chǎn)生高溫“腰斬”了。這種方法避免了相互病原體感染和水分流失的問題，但這種方法需要兩個(gè)電極與莖必須是可靠的，同一長度的限制莖和植物接觸番茄常規(guī)栽培方式和品種樹冠空間，這樣所有用剪刀剪的方法很難達(dá)到滿意的效果。
1.4 欠驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究發(fā)展
當(dāng)一個(gè)機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)比的自由度機(jī)械系統(tǒng)的??這個(gè)數(shù)目較少，這種機(jī)制被稱為由于機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。此機(jī)構(gòu)具有自適應(yīng)能力的形狀，同時(shí)在致動(dòng)的手指抓住一個(gè)對(duì)象，它可以被完全包圍的對(duì)象，并且能夠適應(yīng)物體的形狀。所欠的機(jī)械夾具驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和下機(jī)器人系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是不同的概念。欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人通常是指含有一個(gè)或多個(gè)關(guān)節(jié)，無需操作的驅(qū)動(dòng)器，通常欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)由于彈性元件來驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，這意味著這些節(jié)點(diǎn)可以被理解為能夠控制或者被動(dòng)控制的，而不是無需驅(qū)動(dòng)。
技術(shù)和猶他州在1980年的大學(xué)麻省理工學(xué)院，共同開發(fā)了猶他州/麻省理工學(xué)院抓手。配置的方式類似于人手的模塊化設(shè)計(jì)夾爪，有四根手指：拇指，食指，中指和無名指，四指相同的結(jié)構(gòu)，每個(gè)指具有四個(gè)自由度。采用伺服氣缸作為驅(qū)動(dòng)元件，肌腱和皮帶輪傳動(dòng)手指關(guān)節(jié)。
加拿大MDROBOTICS公司與Laval大學(xué)合作研制了非擬人手通用欠驅(qū)動(dòng)手爪SARAH（Self-Adapting Robotic Auxiliary Hand）[29]，如圖1.11示。夾持器有三個(gè)手指，每個(gè)手指有三個(gè)關(guān)節(jié)，加上一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，總共有10個(gè)自由度，但只有兩個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，馬達(dá)負(fù)責(zé)打開和閉合夾持器，其他為手指轉(zhuǎn)向。平面正齒輪差動(dòng)方式，形成一個(gè)輸入三個(gè)輸出，分別驅(qū)動(dòng)三根手指來打開和關(guān)閉。槽輪機(jī)構(gòu)由二三個(gè)手指位置的調(diào)整，轉(zhuǎn)向以適應(yīng)不同形狀的抓取物體。
圖1.11欠驅(qū)動(dòng)手爪SARAH 圖1.12基于錐齒輪差動(dòng)機(jī)構(gòu)的欠驅(qū)動(dòng)手爪
國內(nèi)科研單位主要是哈爾濱理工大學(xué)，清華大學(xué)，北京航空航天大學(xué)，智能機(jī)械產(chǎn)業(yè)的合肥學(xué)院。
北京航空航天大學(xué)在20世紀(jì)80年代末機(jī)器人研究所，開始了靈巧手的研究和開發(fā)。初步研究了BH -1是JPL靈巧手的靈巧手功能的模仿是比較簡單的。在隨后的幾年，他也不斷提高，發(fā)達(dá)國家BH-3型靈巧的雙手。如圖1.14 。
開發(fā)合肥智能機(jī)械研究所中國院士，如圖1.12所示的錐齒輪差速器欠驅(qū)動(dòng)三指夾持器。在加拿大的莎拉抓手有些類似的結(jié)構(gòu)和發(fā)展兩個(gè)抓手，它集成了莎拉氣爪手指的靈巧機(jī)構(gòu)，兩級(jí)錐齒輪差速器模式，制度簡單高效，結(jié)構(gòu)緊湊，易于維護(hù)積極的適應(yīng)性和智能比的程度SARAH增加。
2003年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)和德國航空航天中心合作研制成功的HIT/ DLR多指手，如圖1.13所示，極大地促進(jìn)了中國的靈巧的手在的技術(shù)方面的發(fā)展。
在國內(nèi)和國外，由于驅(qū)動(dòng)多指手的應(yīng)用背景，主要是人為的假手，潛艇探測(cè)，欠驅(qū)動(dòng)航天器位置夾具和操作空間機(jī)器人等的結(jié)束，還沒有看到欠驅(qū)動(dòng)多指夾具在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的使用。
圖1-13 HIT/DLR多指靈巧手 圖1-14北航BH-3多指手
1.5 主要內(nèi)容和研究方法
1.5.1 主要研究內(nèi)容
本課題的研究目的在于設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)較簡單、控制方便、質(zhì)量輕巧的新型采摘機(jī)械手以配合機(jī)械臂完成果實(shí)的采摘。主要內(nèi)容包括：
1) 分析研究采摘過程中存在的問題。
2) 對(duì)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究、分析與設(shè)計(jì)、對(duì)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理進(jìn)行研究設(shè)計(jì)滿足功能目標(biāo)要求的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，對(duì)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究分析，以柔順抓取為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。包括手指、手掌、手指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)架的設(shè)計(jì)。
3) 關(guān)鍵零部件的靜力學(xué)分析和強(qiáng)度校核。
4) 虛擬樣機(jī)的建模仿真。
1.5.2 技術(shù)路線
機(jī)械手的設(shè)計(jì)技術(shù)路線如圖1-15所示。
調(diào)查研究，查找有關(guān)采摘機(jī)械手及蘋果采摘方式的資料
研究欠驅(qū)動(dòng)理論及欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理
明確要解決的問題確定整體設(shè)計(jì)方案
建立三維模型，進(jìn)行仿真分析，檢查設(shè)計(jì)中是否存在的機(jī)構(gòu)干涉問題。
繪制圖紙，研制樣機(jī)，試驗(yàn)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問題，確定改進(jìn)方案
對(duì)樣機(jī)進(jìn)行改進(jìn)
題，確定改進(jìn)方案
圖1-15 技術(shù)路線
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第二章 欠驅(qū)動(dòng)采摘末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)
第二章 欠驅(qū)動(dòng)采摘末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)
2.1 欠驅(qū)動(dòng)采摘末端執(zhí)行器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1. 蘋果采摘方式分析
目前，實(shí)現(xiàn)采摘的主要途徑有以下幾種，第一種是采用吸盤牢牢地吸住了水果，然后用剪刀等工具切割莖，稈這種方法需要一個(gè)很好的位置來檢測(cè)和準(zhǔn)確的調(diào)整端部執(zhí)行器的姿態(tài)，從而增大控制系統(tǒng)和機(jī)制的復(fù)雜性的困難。第二是使用剪刀剪開莖，稈這個(gè)方法需要一個(gè)好的位置，以檢測(cè)并精確地調(diào)節(jié)到致動(dòng)器的姿勢(shì)的末端，從而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和控制機(jī)構(gòu)的難度。第三莖用激光切割，該方法還要求具有良好的檢測(cè)稈制成的高要求的視覺系統(tǒng)中的位置。
人工采摘蘋果，輕輕握住果實(shí)，食指按住稈，然后向上提起，使果柄與果枝部位從離層斷開，輕輕取出果實(shí)。蘋果莖脆弱，容易分離，因此通過垂直旋轉(zhuǎn)在手腕上，以模擬人的運(yùn)動(dòng)打破手柄實(shí)現(xiàn)分離和果柄采摘蘋果或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的模擬人工的方式設(shè)計(jì)。這種方法簡單，視覺系統(tǒng)要求不高。
2. 設(shè)計(jì)要求
本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)械手應(yīng)該具有制造成本低、控制簡單、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、通用性好等特點(diǎn)同時(shí)機(jī)械手的整機(jī)設(shè)計(jì)，要遵循以下的設(shè)計(jì)原則：
1) 采摘果實(shí)直徑范圍：60mm～100mm；
2) 其他要求：體積小巧、操作簡單、安全可靠、適應(yīng)性強(qiáng)、成本低廉；
3) 加工制造簡單，工藝性好。
3. 總體設(shè)計(jì)
機(jī)器人手臂致動(dòng)器的端部是安裝在前面，在與拾取的目標(biāo)，采摘的水果和蔬菜，以實(shí)現(xiàn)該裝置和附加功能采摘的水果和蔬菜收獲機(jī)器人實(shí)現(xiàn)一鍵操作的所需運(yùn)動(dòng)的直接接觸。手指與子實(shí)體直接接觸。手指運(yùn)動(dòng)的常見形式回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，所以廣泛應(yīng)用。少平的應(yīng)用，其原因是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，但平移手指夾緊圓形物體，物體直徑的變化不影響其軸的位置，所以大直徑范圍適合舉辦工件[3]。
根據(jù)采摘蘋果的具體要求，提出了一種蘋果采摘末端執(zhí)行器，其結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。該執(zhí)行器由手指、手掌、機(jī)架等組成。手抓有3個(gè)手指，3個(gè)手指圓周對(duì)稱布置，即每側(cè)一個(gè)手指。每個(gè)手指有6個(gè)關(guān)節(jié)。在電機(jī)控制下，通過鋼絲拉動(dòng)手指下部的拉桿實(shí)現(xiàn)3個(gè)手指的聯(lián)動(dòng)，以及對(duì)不同形狀物體的夾持。欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人爬行具有多種模式，你可以抓住任意形狀的物體，可以精確地撕開了所采取的手指關(guān)節(jié)的做法到底掐指面，但也由于這樣的驅(qū)動(dòng)器可用來完成信封爬行。圖2.1所示是采用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)的欠驅(qū)動(dòng)采摘機(jī)械手的三維實(shí)體模型。
機(jī)械臂將機(jī)械手送達(dá)到果實(shí)附近，機(jī)械手上的位置傳感器檢測(cè)機(jī)械手與蘋果的相對(duì)位置，當(dāng)果實(shí)進(jìn)入機(jī)械手中心位置時(shí)，位置傳感器觸發(fā)單片機(jī)控制信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)開始正向轉(zhuǎn)動(dòng)使機(jī)械手開始加緊果實(shí)，壓力傳感器檢測(cè)手指加緊果實(shí)時(shí)的壓力并判斷是否達(dá)到壓閾值，閾值有實(shí)驗(yàn)所得出。若達(dá)到此閾值則機(jī)械手停止運(yùn)動(dòng)，機(jī)械臂模擬人工采摘運(yùn)動(dòng)，完成果實(shí)與果柄的分離。機(jī)械臂將果實(shí)送到指定位置后，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，手指松開，恢復(fù)到初始位置，完成果實(shí)的采摘。
圖2-1 機(jī)械手機(jī)構(gòu)圖
2.1.1手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
欠驅(qū)動(dòng)手指握持力與一個(gè)大的，高負(fù)載能力，良好的通用性，能夠抓住任意形狀，更寬的應(yīng)用范圍的目的，同時(shí)減少驅(qū)動(dòng)源的數(shù)量，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得簡單，容易控制。欠驅(qū)動(dòng)手指的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞模式主要用在當(dāng)前的滑輪和繩索機(jī)構(gòu)，以及關(guān)鍵肌肉凸輪機(jī)構(gòu)，也可以用線圈的鋼軸驅(qū)動(dòng)器或四個(gè)鏈路傳輸所使用的，主要的問題是，前三動(dòng)力的傳遞損失，效率低，夾緊力小;鏈路傳輸和夾緊力的高效率產(chǎn)生大[4,5]。
1. 手指數(shù)量
果實(shí)形狀規(guī)則和不規(guī)則的。規(guī)則小果，采摘機(jī)器人使用了兩個(gè)有直接吸搶果的指尖最線性驅(qū)動(dòng)器。相對(duì)的兩個(gè)手指，三個(gè)手指也有一些研究采摘機(jī)器人，3指的是機(jī)器人搶水果的穩(wěn)定性更好。用四個(gè)手指和一個(gè)吸盤，效果越好，但控制使用番茄采摘機(jī)器人是比較困難的。此外，還有一些特殊的手指，使用梳刷原理，果實(shí)的分離。
2. 手指關(guān)節(jié)數(shù)量
關(guān)節(jié)執(zhí)行器抓取密切相關(guān)的端部效應(yīng)數(shù)量越多關(guān)節(jié)的數(shù)量越多，端自由，更靈活的抓動(dòng)作，更好的爬的程度。從而增加接頭的數(shù)量同時(shí)增加的驅(qū)動(dòng)裝置的數(shù)量，驅(qū)動(dòng)器將增加增大控制的數(shù)量的難度，同時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，從而產(chǎn)生負(fù)面影響。
本文所設(shè)計(jì)的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人采摘的使用四連桿機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所欠的手指驅(qū)動(dòng)的多手指關(guān)節(jié)，并配有一個(gè)力傳感器和橡膠材料，測(cè)量夾緊力和摩擦力增大。其自身的適應(yīng)性特征，可采摘蘋果，西紅柿，桔子等。
按《中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》，除三級(jí)蘋果外，果實(shí)橫切面最大直徑要大于或等于70mm[9]。這里設(shè)計(jì)機(jī)械手所抓取的蘋果直徑在60mm～100mm之間，故取蘋果半徑為30mm≤R≤50mm。
3. 手指的材料
手指選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，使用在機(jī)器人很大的影響作用。遵從手的結(jié)構(gòu)尺寸，手指，同時(shí)保持足夠的光強(qiáng)度和質(zhì)量，系統(tǒng)將雙手尼龍材料的選擇。尼龍具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，耐熱，磨擦系數(shù)低，耐磨損，自潤滑性，吸震性，耐油，耐弱酸等特點(diǎn)。
圖2-2 手指結(jié)構(gòu)
2.1.2機(jī)架的設(shè)計(jì)
機(jī)架主要是用來安裝驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和手掌，小巧的機(jī)身，體積小，重量輕的設(shè)計(jì)要求。這樣的設(shè)計(jì)是一個(gè)圓柱形主體框架，所述固定底板，中間板，下部主傳動(dòng)馬達(dá)構(gòu)成的支撐柱的安裝位置。將主手指擋塊的上部。機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。
機(jī)器人可分為棕櫚基和棕櫚基類。手掌可以增加關(guān)于這個(gè)問題的制約，有棕櫚機(jī)器人具有廣泛的適用性，操作方便的特點(diǎn)。無機(jī)械手可以抓住的對(duì)象，但對(duì)象通常祝福規(guī)則的形狀，它的形狀和要求高的對(duì)象的大小特征的，無機(jī)械手的手掌被廣泛應(yīng)用于特殊的保持機(jī)構(gòu)。
圖2-4 機(jī)架結(jié)構(gòu)
2.1.3驅(qū)動(dòng)方案的選擇
目前的手爪的驅(qū)動(dòng)源主要是采用氣壓驅(qū)動(dòng)、電驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)這三種[10]。
1. 氣動(dòng)壓力是一個(gè)壓縮空氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)，空氣壓縮機(jī)通常被用作動(dòng)力源。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器過載安全，結(jié)構(gòu)簡單，污染少，成本低，通過調(diào)節(jié)空氣流量，可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，但窮人，大尺寸設(shè)備的運(yùn)行速度穩(wěn)定，定位精度不高，抓小舉行力。
2. 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)流體壓力致動(dòng)器的輸出力來驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定，固有的高效率，響應(yīng)速度快，速度很簡單，可以在很寬的范圍內(nèi)無級(jí)調(diào)速，便于適應(yīng)不同的工作要求，順利實(shí)現(xiàn)傳輸，可以吸收沖擊力可以實(shí)現(xiàn)更加頻繁和換向平穩(wěn)，但容易漏油，污染，高成本，高定位精度比空氣，但比電機(jī)低，流體溫度和粘度變化影響傳輸性能。
3. 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式包括步進(jìn)電機(jī)，直流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)和力矩電機(jī)等驅(qū)動(dòng)器類型。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蜷_環(huán)控制元件的線性位移，具有控制簡單，響應(yīng)速度快，可靠，無累積誤差等。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量，良好的動(dòng)態(tài)特性，機(jī)器人由一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成與運(yùn)行精度高，調(diào)速范圍廣，速度快，運(yùn)行平穩(wěn)，可靠性高，易于控制等特點(diǎn)。用全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越來越多地在數(shù)字控制系統(tǒng)中使用，但必須使用一個(gè)閉環(huán)交流伺服電機(jī)的控制，從而導(dǎo)致這種復(fù)雜的控制系統(tǒng)來控制成本大幅增加。通過搜集調(diào)查大量電機(jī)資料，本設(shè)計(jì)中采用雷塞57HS09型步進(jìn)電機(jī)。雷塞57HS09型步進(jìn)電機(jī)具有體積小、重量輕、輸出力大、響應(yīng)速度快、精確度
2.2手腕關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)
設(shè)置在手腕和機(jī)器人手臂之間的裝置，它的主要功能是促進(jìn)在空間中的手的運(yùn)動(dòng)臂延長機(jī)器人的工作范圍的基礎(chǔ)上的位置改變或調(diào)整時(shí)，機(jī)器人變得更加靈巧和為適應(yīng)更強(qiáng)，另一方面采摘蘋果人工模擬的方法來實(shí)現(xiàn)的果實(shí)和果樹的分離。
手腕的運(yùn)動(dòng)形式可以有：繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為上下擺動(dòng)；繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為左右擺動(dòng)；是沿Y軸或Z軸的橫向移動(dòng)。一般手腕設(shè)有回轉(zhuǎn)或再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求[12]。
在目前常見的四大類手腕傳動(dòng)方式包括帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)和蝸桿傳動(dòng)，在這里將對(duì)以上4種傳動(dòng)方式分別進(jìn)行比較說明。
1. 帶傳動(dòng)
皮帶驅(qū)動(dòng)通常是由驅(qū)動(dòng)輪，從動(dòng)輪和上構(gòu)成的皮帶輪的張力所造成的。當(dāng)驅(qū)動(dòng)周期反過來依賴于驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)一起，通過一定的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)量之間的摩擦阻力帶和帶輪的接觸面。
皮帶傳動(dòng)方面具有優(yōu)勢(shì)：良好的饒和彈性，吸振和緩沖作用，從而使平滑的皮帶傳動(dòng)，噪音低;具有過載保護(hù)，造成相對(duì)滑動(dòng)皮帶上，當(dāng)發(fā)生過載的滑輪，以防止其他部件的損壞，制造和適合中心距之間有兩個(gè)較大的軸傳動(dòng);與結(jié)構(gòu)簡單，制造，安裝，維修方便比較安裝精密齒輪低。
變速器的主要缺點(diǎn)是：在彈性滑動(dòng)，從而使傳輸效率降低的存在下，傳動(dòng)比不能保證精度：需要初始張力傳動(dòng)皮帶由于，因此，當(dāng)周向力傳遞同樣大尺寸較大的結(jié)構(gòu)，不緊繃; ;縮短皮帶壽命與驅(qū)動(dòng)軸接合更大的壓力相比。
2. 鏈傳動(dòng)
通過具有傳遞到從動(dòng)鏈輪齒具有一種特殊的傳輸模式的特定牙齒移動(dòng)和功率鏈條驅(qū)動(dòng)鏈輪。
鏈傳動(dòng)與中間零部件嚙合的一部分。鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)很多，與皮帶傳動(dòng)相比，滑動(dòng)和打滑無彈性，平均比是精確的，可靠的，高效率;發(fā)射功率大，過載能力強(qiáng)，相同的驅(qū)動(dòng)條件體積小;所需照片緊固力小，壓力作用在軸上;能量在高溫，潮濕，灰塵污染等惡劣環(huán)境下正常工作。
缺點(diǎn)鏈傳動(dòng)是：驅(qū)動(dòng)器只能在兩平行軸之間使用;成本高，易磨損，易拉伸，窮人傳動(dòng)平穩(wěn)，會(huì)產(chǎn)生附加動(dòng)態(tài)載荷，運(yùn)行過程中的振動(dòng)，沖擊和噪音，不應(yīng)該被使用在快速傳遞相反。因此，鏈條不應(yīng)該在多驅(qū)動(dòng)器的磁帶驅(qū)動(dòng)器和齒輪使用，并且兩個(gè)軸是平行的，并且距離，高功率，平均比準(zhǔn)確的場(chǎng)合。
3. 齒輪傳動(dòng)
齒輪齒是使用兩個(gè)齒輪相互嚙合來傳遞機(jī)械動(dòng)力傳輸和運(yùn)動(dòng)。
優(yōu)點(diǎn)齒輪是：精確的比例，傳動(dòng)效率高，在通常的機(jī)械傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)的效率是最高的。效率在正常條件下階段圓柱齒輪的潤滑可達(dá)到99％以上;結(jié)構(gòu)緊湊，在相同條件下，空間大小比齒輪皮帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)小得多需求;工作可靠，壽命長，齒輪下正確的安裝，潤滑和正常維護(hù)良好的條件，與其他機(jī)械傳動(dòng)無與倫比的可靠性和壽命。
齒輪傳動(dòng)裝置的主要缺點(diǎn)是：齒輪的制造，安裝要求很高。
4. 蝸桿傳動(dòng)
蝸桿傳動(dòng)裝置是一個(gè)驅(qū)動(dòng)傳送空間之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力錯(cuò)開兩個(gè)軸，這兩個(gè)軸線之間的角度可以是任意值，通常用于90°。蝸輪在交錯(cuò)軸傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。由蝸桿和蝸輪蝸桿傳動(dòng)蝸輪一般是由活躍件。
蝸桿傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)是
1）傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊。
2）傳動(dòng)平穩(wěn)，無噪音。由于蝸輪是不間斷的螺旋齒，齒與蝸桿嚙合時(shí)，它是連續(xù)的，有進(jìn)入和退出的不蝸輪嚙合過程中，順風(fēng)順?biāo)?，沖擊，振動(dòng)，低噪音。
3）具有自鎖。蝸桿螺旋升角很小，該蠕蟲只能驅(qū)動(dòng)蝸輪，蝸桿，蝸輪傳動(dòng)不能轉(zhuǎn)動(dòng)。
蝸桿傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)是:
1) 蝸桿傳動(dòng)效率低，一般認(rèn)為蝸桿傳動(dòng)效率比齒輪傳動(dòng)低。
2) 發(fā)熱量大，齒面容易磨損，成本高。
本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手腕部結(jié)構(gòu)傳動(dòng)方式選擇滑輪和繩索機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，配合步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)任意位置的啟停。
2.3本章小結(jié)
1. 根據(jù)提出的設(shè)計(jì)要求，對(duì)末端執(zhí)行器功能進(jìn)行分析。
2. 設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器需要考慮的要素有手指數(shù)量、機(jī)架結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式及控制。 根據(jù)上述要素提出各部分設(shè)計(jì)方案，并提出最終設(shè)計(jì)方案。
17
第三章 末端執(zhí)行器靜力學(xué)分析
第三章 末端執(zhí)行器靜力學(xué)分析
3.1 欠驅(qū)動(dòng)手指的工作原理
(a)是手指的初始結(jié)構(gòu),手指無接觸外力，整個(gè)手指以單一剛體繞支點(diǎn)運(yùn)動(dòng)；(b)表示指節(jié)1接觸物體；(c) 表示指節(jié)2相對(duì)指節(jié)1的轉(zhuǎn)動(dòng)，指節(jié)2向物體方向彎曲，這時(shí)驅(qū)動(dòng)力需克服彈簧作用力；(d)兩指節(jié)接觸物體，手指完成形適合階級(jí),驅(qū)動(dòng)件的驅(qū)動(dòng)力傳遞到兩指節(jié)上。
圖3.1 欠驅(qū)動(dòng)手指工作原理
Fig.3-1 Principle of under-actuated finger
3.2 包絡(luò)抓取時(shí)的靜態(tài)力學(xué)模型
由于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是獨(dú)立的自由度的數(shù)目比的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)目。欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人可以做到無論是搶的信封，你可以使用pick關(guān)節(jié)面的結(jié)束意味著精確的方式抓取。依靠被動(dòng)順從的方式，欠驅(qū)動(dòng)能力的手指抓取物體具有形狀自適應(yīng)。
提取的手指1的第一關(guān)節(jié)的包絡(luò)成與所述第一對(duì)象和該對(duì)象的反作用力，由于反作用力的接觸，第一關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)將受到限制，并且在手指的第二關(guān)節(jié)被約束在由于沒有下傳動(dòng)機(jī)構(gòu)接近物體的持續(xù)作用驅(qū)動(dòng)的，最后的兩個(gè)指節(jié)和表面接觸。
實(shí)現(xiàn)操作的春天，機(jī)械限位和平行四邊形機(jī)構(gòu)的共同作用下精確抓取。由拇指的端部和食指夾持器聯(lián)合??一對(duì)在所施加的力相反的方向的物體，以限制對(duì)象來實(shí)現(xiàn)爬行的運(yùn)動(dòng)的作用。
包絡(luò)抓取的靜力學(xué)模型如圖3.2所示。
圖3.2 手指靜力學(xué)模型
Fig.3-2 Static model of finger
圖3.2中為輸入轉(zhuǎn)矩，、分別為關(guān)節(jié)1、2所受的力，、為接觸點(diǎn)、到、的距離。為關(guān)節(jié)2相對(duì)于關(guān)節(jié)1轉(zhuǎn)過的角度，水平軸的夾角。為摩擦約束力矩。三角構(gòu)件邊的夾角，h桿與桿c的反向延長線交點(diǎn)到的距離。、為關(guān)節(jié)1、2的長度。為桿與水平軸的夾角。為摩擦約束力矩。
根據(jù)虛功原理可得[3,4,5]
(3.1)
T為手指機(jī)構(gòu)的輸入轉(zhuǎn)矩向量，由驅(qū)動(dòng)力矩以及摩擦力矩組成；為手指機(jī)構(gòu)各關(guān)節(jié)與力矩相關(guān)的連桿的虛擬角速度向量，由驅(qū)動(dòng)連桿的角速度以及末關(guān)節(jié)加速度構(gòu)成；F為作用在手指上的抓取接觸力組成的向量，由接觸力、構(gòu)成；V為外力作用點(diǎn)在外力作用方向上的虛擬速度向量，由各接觸點(diǎn)的y方向的速度分量構(gòu)成，即：
(3.2)
由機(jī)構(gòu)學(xué)理論，可知各關(guān)節(jié)的接觸點(diǎn)速度可以通過雅可比矩陣用各關(guān)節(jié)的角速度來表示，即： (3.3)
又 (3.4)
為傳遞矩陣
將式(3.2)、(3.3)、(3.4)帶入(3.1)約去得：
(3.5)
(3.6)
將上式與式(3.3)對(duì)比可知
(3.7)
(3.8)
(3.9)
(3.10)
(3.11)
當(dāng)手指以直指方式抓取物體時(shí),僅有短關(guān)節(jié)觸及物體,這時(shí),只要令F1=0、T1=0 ，則手指受力為：
(3.12)
3.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的每個(gè)手指都是由兩套四連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成的。圖3.3所示為一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)。
圖 3.3四連桿機(jī)構(gòu)原理
Fig.3-3 Principle of four-bar linkage
各桿構(gòu)成的矢量封閉方程為[6]，寫成坐標(biāo)軸上分量形式有：
(3.13)
化簡上式，消去b得：
(3.14)
對(duì)式3.14兩邊求導(dǎo)并化簡，可得4桿機(jī)構(gòu)L1與L3角速度之間的關(guān)系：
(3.15)
3.4手部的夾持誤差計(jì)算
旋轉(zhuǎn)夾緊手指時(shí)的不同直徑的工件會(huì)產(chǎn)生變化的軸向位置，使得鉗位誤差。欠驅(qū)動(dòng)手指的抓地力和雙支點(diǎn)原理轉(zhuǎn)換回一個(gè)類似的原則手指夾住，如此就可以按照雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指祝福誤差計(jì)算。
圖3.4 雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指簡圖
Fig.3.4 Sketch of double fulcrum revolving finger
圖中：l－手指長度;
－V型槽的夾角；
－偏轉(zhuǎn)角；
2 s－兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)間距離;
根據(jù)幾何關(guān)系，可得
(3.16)
(3.17)
該方程亦為雙曲線方程，另；
圖3.5 x與半徑R的關(guān)系曲線
Fig 3.5 Relationship between distance X and radius R
根據(jù)雙曲線特點(diǎn),對(duì)應(yīng)附近的曲線變化率較小,故在處附近對(duì)應(yīng)的夾持誤差最小。
當(dāng)時(shí)，手指夾持誤差計(jì)算如下:
(3.18)
(3.19)
最佳偏角的計(jì)算
取V型槽的夾角=，根據(jù)式（3-9）求得最佳偏轉(zhuǎn)角為 故
夾持誤差的計(jì)算
因?yàn)楹完P(guān)于對(duì)稱，所以=，故
經(jīng)過計(jì)算手指的夾持誤差為0.88mm。
3.5本章小結(jié)
本章介紹了欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的工作原理，利用虛功原理，建立了欠驅(qū)動(dòng)手指的靜力學(xué)模型，并對(duì)手指進(jìn)行了靜力分析。利用MATLAB對(duì)手指結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，并最終確定手指的尺寸。
25
第四章 末端執(zhí)行器虛擬設(shè)計(jì)與仿真研究
第四章 末端執(zhí)行器虛擬設(shè)計(jì)與仿真研究
4.1 軟件概述
Solidworks是參數(shù)化技術(shù)的先驅(qū)，參數(shù)化是其最突出特點(diǎn)。是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內(nèi)汽車行業(yè)、工程機(jī)械行業(yè)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)不可替代位置。本論文運(yùn)用solidworks軟件對(duì)機(jī)械手各零件進(jìn)行建模，然后進(jìn)行裝配和運(yùn)動(dòng)仿真。通過solidworks的建模清楚、形象、直觀地表達(dá)機(jī)械手各部分的特點(diǎn)[15]。
SolidWorks軟件的主要特點(diǎn)是:
1) 全參數(shù)化
2) 基于特征的實(shí)體建模
3) 相關(guān)性
虛擬樣機(jī)技術(shù)，也稱為動(dòng)態(tài)機(jī)械系統(tǒng)仿真技術(shù)，是國際計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)在20世紀(jì)80年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和迅猛的發(fā)展而發(fā)展。所謂虛擬樣機(jī)技術(shù)是建立在第一個(gè)物理樣機(jī)之前，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)模型基礎(chǔ)上，通過在真實(shí)的工作環(huán)境中進(jìn)行仿真分析的可視化仿真運(yùn)動(dòng)學(xué)和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的實(shí)體，并多次修改后的設(shè)計(jì)，最后得到的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
4.2機(jī)械手的虛擬設(shè)計(jì)與裝配
4.2.1模型的建立
1. SolidWorks建模的一般過程如下
1) 建立或選取基準(zhǔn)特征作為模型空間定位的基準(zhǔn):如基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸和基準(zhǔn)坐標(biāo)系等。建立每個(gè)實(shí)體特征時(shí),都要利用基準(zhǔn)特征作為參照。
2) 建立基礎(chǔ)實(shí)體特征:拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、混合等。
3) 建立工程特征:孔、倒角、肋、拔模等。
4) 特征的修改:特征陣列、特征復(fù)制等編輯操作。
2. 機(jī)械手的主要零件建模
機(jī)械手主要包括：長關(guān)節(jié)、短關(guān)節(jié)，傳動(dòng)桿件、四連桿，機(jī)架等。各關(guān)節(jié)，連桿的尺寸已經(jīng)確定，然后在SolidWorks中建立模型。
圖4.1 機(jī)械手零件圖
4.2.2虛擬裝配
虛擬裝配技術(shù)是專為中的關(guān)鍵一環(huán)，它被定義為利用電腦工具虛擬制造中心，產(chǎn)品并不一定是物理模型的實(shí)現(xiàn)，通過分析，預(yù)測(cè)模型，可視化的數(shù)據(jù)表示與組件相關(guān)聯(lián)工程決策的。虛擬裝配是計(jì)算機(jī)零部件預(yù)組裝的產(chǎn)品，使結(jié)果的產(chǎn)品裝配工藝，裝配分析和評(píng)價(jià)。虛擬裝配是多項(xiàng)技術(shù)，包括可視化，仿真，決策理論，組裝和制造過程，裝配生產(chǎn)設(shè)備開發(fā)技術(shù)的組合。利用虛擬裝配技術(shù)，以減少產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，響應(yīng)迅速推向市場(chǎng);先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和工具使設(shè)計(jì)人員能夠方便應(yīng)用，提高裝配質(zhì)量，降低成本。目前，虛擬裝配技術(shù)沒有完全被業(yè)界采用，系統(tǒng)的商業(yè)化尚未到來。然而，作為一種技術(shù)，它通常被認(rèn)為是一種可行的和有價(jià)值的。
裝配設(shè)計(jì)方法分為3種[6]:
1) 自底向上方法：從底層逐步向上裝配，將每個(gè)零件加入到裝配體中，這些零件已經(jīng)設(shè)計(jì)完成，例如標(biāo)準(zhǔn)件，己經(jīng)存儲(chǔ)的零件等。
2) 自頂向下方法：生產(chǎn)裝配在頂部，建立裝配結(jié)構(gòu)，逐步增加向下的部分，子裝配體或零部件生產(chǎn)，這種設(shè)計(jì)方式更符合設(shè)計(jì)師的習(xí)慣路線，從組裝到設(shè)計(jì)的各個(gè)部分。
3) 上下文設(shè)計(jì)方法：在裝配結(jié)構(gòu)，采用裝配樹信息設(shè)計(jì)零件其他部件的幾何形狀。
采摘機(jī)械手采用自底向上的裝配方法，從底層逐步向上裝配，將己經(jīng)設(shè)計(jì)好的零件加入到裝配體中。先將相關(guān)零件組裝成子裝配體，然后把所有的子裝配體再裝配在一起，組成總的裝配體。
4.3 模塊化設(shè)計(jì)
4.3.1模塊化設(shè)計(jì)概念
模塊化設(shè)計(jì)是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和逐漸演變形式制造過程中的設(shè)計(jì)方法。模塊化設(shè)計(jì)，只需某些元素組合在一起的組合的產(chǎn)品，以形成具有特定功能的一個(gè)子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)的模塊和其它用于多種因素相結(jié)合，形成一個(gè)新的系統(tǒng)的通用性，生產(chǎn)出各種不同的功能的或相同的功能，不同的產(chǎn)品性能。模塊化設(shè)計(jì)是綠色設(shè)計(jì)的方法之一，它已經(jīng)從一個(gè)概念到一個(gè)更成熟的設(shè)計(jì)方法。綠色設(shè)計(jì)理念結(jié)合了模塊化設(shè)計(jì)方法，你也能滿足的功能特性和產(chǎn)品的環(huán)境屬性，可以縮短產(chǎn)品開發(fā)和制造周期，增加產(chǎn)品種類，提高產(chǎn)品質(zhì)量，快速響應(yīng)市場(chǎng)變化，手，可以減少或消除對(duì)環(huán)境的不利影響，回收和處理后，以方便重用，升級(jí)，維護(hù)和拆除廢料。模塊化設(shè)計(jì)模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)[8,9,10]
1.與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，模塊化設(shè)計(jì)，主要具有以下優(yōu)點(diǎn)
1）減少產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間。模塊化顯然依賴于界面根據(jù)產(chǎn)品成分的分解。該接口允許設(shè)計(jì)任務(wù)壓縮。壓縮的結(jié)果是降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，使設(shè)計(jì)任務(wù)并行，并最終縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。
2）定制和升級(jí)。通過集成多個(gè)功能模塊，以滿足客戶的需求模塊化互動(dòng)。這種整合使得該產(chǎn)品通過使用更高效的組件來完善自己。此外，該元件可被定制，以達(dá)到更換不同功能的元件。
3）成本效益。幾個(gè)模塊化元件可以被應(yīng)用到生產(chǎn)線，這意味著它們的生產(chǎn)是非常高的。這將允許大量的緩沖產(chǎn)品開發(fā)的成本。
2.主要途徑有模塊化設(shè)計(jì)
1）跨系列的模塊化設(shè)計(jì)。不改變產(chǎn)品的主要參數(shù)，利用畸變產(chǎn)物開發(fā)模塊。
2）立式系列的模塊化設(shè)計(jì)。在同一類型的不同規(guī)格的基于設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。不同的主要參數(shù)，動(dòng)態(tài)參數(shù)通常是不同的，從而導(dǎo)致不同的結(jié)構(gòu)形式和尺寸，它是比較復(fù)雜的橫系列模塊化設(shè)計(jì)。
3）跨系列和跨系列模塊化設(shè)計(jì)。除了跨系列產(chǎn)品的開發(fā)，但改變某些模塊可以與其他的產(chǎn)品，它們是跨系，跨系列的模塊化設(shè)計(jì)。
4）全系列模塊化設(shè)計(jì)。系列包括全系列的垂直和水平的系列。全系列和跨系列模塊化設(shè)計(jì)。主要用于基于在十字架上的結(jié)構(gòu)更類似產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)的全系列。
4.3.2手指的模塊化設(shè)計(jì)
如下圖所示在手指的模塊化結(jié)構(gòu)，手指模塊由手指，每個(gè)關(guān)節(jié)和腳螺母等部件。手指與連接在一起的用銷，在絲杠軸和滑動(dòng)件的中間的手指幀可以用不同類型的步進(jìn)電機(jī)的連接在一起。由不同模塊??和不同手指的布局結(jié)構(gòu)的數(shù)目可以被設(shè)計(jì)成具有不同的功能，模塊機(jī)器人。本文選用較常用的三個(gè)、四個(gè)手指組合進(jìn)行組裝設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的機(jī)械手如圖。
圖4.10 手指模塊化模型 圖4.11 三指機(jī)械手
4.4本章小結(jié)
本章利用SolidWorks軟件，建立機(jī)械手各零部件的三維模型，通過虛擬裝配技術(shù)完成了欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手整機(jī)的裝配模型。欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手三維實(shí)體模型的建立，為機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析奠定了基礎(chǔ)。
33
結(jié)論
本文主要是設(shè)計(jì)一臺(tái)欠驅(qū)動(dòng)型三爪機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)手部欠驅(qū)動(dòng)型運(yùn)動(dòng)，從而準(zhǔn)確夾持物體并送到指定位置。在設(shè)計(jì)過程中主要解決了以下幾方面的工作：
1.結(jié)合課題背景，對(duì)機(jī)械手設(shè)計(jì)的總體方案進(jìn)行了比較、選擇，所設(shè)計(jì)的機(jī)械手成本低廉、性能優(yōu)越、結(jié)構(gòu)簡單等，必要時(shí)可以降低精度要求；
2.根據(jù)機(jī)械手的設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算；
3.比較了目前工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，選擇了比較普遍的電機(jī)驅(qū)動(dòng)作為本機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，擴(kuò)展了機(jī)械手用途。
由于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)水平的局限，本文只對(duì)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)做了設(shè)計(jì)，沒有涉及到很多關(guān)于機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)于這方面有點(diǎn)模糊，不足之處，懇請(qǐng)老師加以批評(píng)指導(dǎo)。
致謝
本次設(shè)計(jì)是在老師幫助和指導(dǎo)下完成的。從課題選擇到設(shè)計(jì)定稿，整個(gè)過程中都得到了老師的悉心指導(dǎo)，他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作精神，讓我學(xué)會(huì)了很多、體會(huì)了很多。在此，我首先向老師表示真誠的感謝，并致以崇高的敬意。
在大學(xué)生涯的最后日子里，也是我們求職的較佳時(shí)間段，這就在時(shí)間上和做好畢業(yè)設(shè)計(jì)起了一定的沖突。經(jīng)過學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)、老師的統(tǒng)籌安排，我在做好畢業(yè)設(shè)計(jì)的同時(shí)也尋求了一份理想的工作。在此，我向尊敬的學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)、老師表示誠摯的感謝，謝謝您們的支持和幫助。
最后，在即將畢業(yè)之際，我向幫助過我、支持過我的老師和同學(xué)們表示由衷的感謝，感謝您們給我的“財(cái)富”，謝謝！
第一章 緒論
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