多臂采摘機(jī)器人的初步設(shè)計(jì)——采摘手的設(shè)計(jì)

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1、需說(shuō)明書(shū)、圖紙等完整設(shè)計(jì)請(qǐng)叩叩2215891151 需說(shuō)明書(shū)、圖紙等完整設(shè)計(jì)加叩叩2215891151 多臂采摘機(jī)器人的初步設(shè)計(jì)——采摘手的設(shè)計(jì) 1.緒論 1.1研究?jī)?nèi)容及意義 果蔬采摘是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)鏈中最耗時(shí)耗力的一個(gè)環(huán)節(jié)其成本高、季節(jié)性強(qiáng)、需要大量勞動(dòng)力高強(qiáng)度的工作。但是由于工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展分流了大量農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力以及人口老齡化加劇等原因使得能夠從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動(dòng)力越來(lái)越少單靠人工勞作已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有的需要。隨著計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和各種智能控制理論的發(fā)展使采用機(jī)器人采摘果蔬成為可能。果蔬采摘機(jī)器人是一類針對(duì)水果和蔬菜 可以通過(guò)編程來(lái)完成采摘等相關(guān)作業(yè)任務(wù)的具有感知能力的自動(dòng)化機(jī)械收獲系統(tǒng) 是集機(jī)

2、械、電子、信息、智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、農(nóng)業(yè)和生物等學(xué)科于一體的交叉邊緣性科學(xué) 需要涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)、視覺(jué)圖像處理、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)以及計(jì)算信息處理等多方面學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)。采摘機(jī)器人將在解決勞動(dòng)力不足、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工人勞動(dòng)舒適性、減輕農(nóng)業(yè)化肥和農(nóng)藥對(duì)人體的危害、提高采摘果蔬的質(zhì)量、降低采摘成本、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、保證果蔬的適時(shí)采收、提高產(chǎn)品的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力等方面具有很大潛力。國(guó)際上 一些以日本和美國(guó)為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始研究采摘機(jī)器人并取得了一些成果。而我國(guó)在該領(lǐng)域中的研究還處于起步階段因此我們必須加快對(duì)采摘機(jī)器人的研究腳步以早日趕超國(guó)際水平使其為我國(guó)農(nóng)

3、業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)。 1.2研究現(xiàn)狀 果蔬采摘機(jī)器人的研究開(kāi)始于20 世紀(jì)60 年代的美國(guó) 1968 年采用的收獲方式主要是機(jī)械震搖式和氣動(dòng)震搖式。其缺點(diǎn)是果實(shí)易損、效率不高特別是無(wú)法進(jìn)行選擇性的收獲在采摘柔軟、新鮮的果蔬方面還存在很大的局限性。但在此后隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展特別是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的日益成熟采摘機(jī)器人的研究和開(kāi)發(fā)技術(shù)得到了快速的發(fā)展。 1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀 在日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家農(nóng)業(yè)人口較少。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向規(guī)?；?、多樣化、精確化的方向邁進(jìn)勞動(dòng)力不足的現(xiàn)象越來(lái)越明顯。許多作業(yè)項(xiàng)目如蔬菜、水果的挑選與采摘蔬菜的嫁接等都是勞動(dòng)力密集型

4、的工作再加上時(shí)令的要求勞動(dòng)力缺乏的問(wèn)題很難解決。正是基于這種情況這些發(fā)達(dá)國(guó)家大力進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)器人的研究并取得了很好的成果。 日本的噴農(nóng)藥機(jī)器人上裝有感應(yīng)傳感器能自動(dòng)噴灑農(nóng)藥。嫁接機(jī)器人可在極端的時(shí)間內(nèi)把蔬菜苗莖桿直徑為幾毫米的砧木、穗木的切口嫁接為一體使嫁接速度大幅度提高。施肥機(jī)器人的行走部分能在狹窄的稻秧間行走四個(gè)窄型橡皮車(chē)輪均可橫向轉(zhuǎn)動(dòng)90度。人機(jī)協(xié)作型機(jī)器人的研究思想是將采摘機(jī)器人尋找、定位待摘果實(shí)以及機(jī)器人導(dǎo)航任務(wù)由人來(lái)完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、關(guān)節(jié)控制和末端執(zhí)行器控制等任務(wù)由機(jī)器人的控制系統(tǒng)完成。如圖1-1所示。 需說(shuō)明書(shū)、圖紙等完整設(shè)計(jì)請(qǐng)叩叩2215891151 需說(shuō)明書(shū)、圖紙等

5、完整設(shè)計(jì)加叩叩2215891151 圖1-1人機(jī)協(xié)作型采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu) 日本Kondo一等人研制的西紅柿收獲機(jī)器人如圖1-2 、黃瓜采摘機(jī)器人如圖1-3和草葛采摘機(jī)器人如圖1-4葡萄采摘機(jī)器人如圖1-5 1-6所示采用5自由度的極坐標(biāo)機(jī)械手末端的臂可以在葡萄架下水平勻速運(yùn)動(dòng)。 圖1-2西紅柿采摘機(jī)器人 圖1-3黃瓜采摘機(jī)器人 圖1-4草茍采摘機(jī)器人圖 1-5多功能葡萄采摘機(jī)器人套袋操作 需說(shuō)明書(shū)、圖紙等完整設(shè)計(jì)請(qǐng)叩叩2215891151 需說(shuō)明書(shū)、圖紙等完整設(shè)計(jì)加叩叩2215891151 圖1-6收獲末端執(zhí)行器 扦插育苗機(jī)器人用于花卉生產(chǎn)系統(tǒng)中可以大大提高生產(chǎn)率。日本東北農(nóng)業(yè)試驗(yàn)場(chǎng)研制成功了簡(jiǎn)易

6、育苗機(jī)器人系統(tǒng)。英國(guó)Silsoe研究院研制了蘑菇采摘機(jī)器人。它可以自動(dòng)測(cè)量蘑菇的位置、大小并選擇性地采摘和修剪。 在柑桔收獲機(jī)器人研究方面1986年意大利卡塔尼亞農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展部與美國(guó)Florida大學(xué)合作開(kāi)發(fā)了一種性能良好的具有伺服視覺(jué)技術(shù)的收獲機(jī)器人用于柑桔收獲的實(shí)際生產(chǎn)中Harrenetal 1990 在蘋(píng)果收獲機(jī)器人方面1983年法國(guó)國(guó)立農(nóng)林機(jī)械研究所的Pedene and Motte和西班牙的Jasa研制了最早的商品化機(jī)器人原型即法國(guó)的“MAGAU”蘋(píng)果收獲機(jī)器人和西班牙的“CITRUS”柑桔收獲機(jī)器人嚇Sarig1993 還有日本國(guó)立蔬菜茶葉研究所與岐阜大學(xué)聯(lián)合研制了茄子采摘機(jī)器人。

7、日本國(guó)立農(nóng)業(yè)研究中心的Murakami等研制了甘藍(lán)采摘機(jī)器人。以色列和美國(guó)科技人員聯(lián)合開(kāi)發(fā)研制了一臺(tái)甜瓜采摘機(jī)器人等。 1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人方面的研究始于20世紀(jì)90年代中期相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚但是發(fā)展很快很多院校、研究所都在進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)器人和智能農(nóng)業(yè)機(jī)械相關(guān)的研究。 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)張鐵中教授率先在我國(guó)開(kāi)展了自動(dòng)化嫁接技術(shù)的研究工作先后成功開(kāi)發(fā)了自動(dòng)插接法、自動(dòng)旋切貼合法嫁接技術(shù)填補(bǔ)了我國(guó)自動(dòng)化嫁接技術(shù)的空白形成了具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自動(dòng)化嫁接技術(shù)。上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所的曹其新等人進(jìn)行了用于精確農(nóng)業(yè)的智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究工作己經(jīng)完成了智能化聯(lián)合收割機(jī)、蔬菜工廠化育苗播種流

8、水線樣機(jī)的研制正在進(jìn)行草葛挑選機(jī)器人、黃瓜采摘機(jī)器人的研究。浙江大學(xué)應(yīng)義斌教授研究的水果自動(dòng)分級(jí)機(jī)器人系統(tǒng)得到國(guó)家“863”計(jì)劃的支持。吉林大學(xué)王榮本、于海業(yè)在90年代中期開(kāi)始進(jìn)行農(nóng)用自動(dòng)引導(dǎo)行走車(chē)的研究。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)姬長(zhǎng)英、沈明霞等人浙江工業(yè)大學(xué)青芳、張立斌等人在進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)器人的視覺(jué)研究。江蘇大學(xué)紀(jì)良文、吳春篤進(jìn)行了噴藥機(jī)器人的研究他們采用超聲測(cè)距作為噴藥機(jī)器人的輔助視覺(jué)系統(tǒng)。 還有吉林工業(yè)大學(xué)與吉林農(nóng)業(yè)研究所研制的鋤草機(jī)器人中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)楊麗博士研制的組培苗分割移植機(jī)器人系統(tǒng)江蘇大學(xué)的陳樹(shù)人、尹建軍等在對(duì)西紅柿的視覺(jué)研究亦取得很大的成果。還有周云山和李強(qiáng)等人研究的蘑菇采摘機(jī)器人也處于是國(guó)內(nèi)領(lǐng)

9、先水平西北農(nóng)林科技大學(xué)對(duì)蘋(píng)果采摘機(jī)器人手臂控制進(jìn)行了研究東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民研制了林木球果采摘機(jī)器人儀。 1.3機(jī)械手 機(jī)械手又稱操作機(jī)是指具有和人手臂相似的動(dòng)作功能并使工作對(duì)象能在空間內(nèi)移動(dòng)的機(jī)械需說(shuō)明書(shū)、圖紙等完整設(shè)計(jì)請(qǐng)叩叩2215891151 需說(shuō)明書(shū)、圖紙等完整設(shè)計(jì)加叩叩2215891151 裝置是機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實(shí)體。在采摘機(jī)器人中機(jī)械手的主要任務(wù)就是將末端執(zhí)行器移動(dòng)到可以采摘的目標(biāo)果實(shí)所處的位置其工作空間要求機(jī)器人能夠達(dá)到任何一個(gè)目標(biāo)果實(shí)。機(jī)械手一般可分為直角坐標(biāo)、圓柱坐標(biāo)、極坐標(biāo)、球坐標(biāo)和多關(guān)節(jié)等多種類型。多關(guān)節(jié)機(jī)械手又稱為擬人 類人 機(jī)器人相比其它結(jié)構(gòu)比較起來(lái)要求更加靈

10、活和方便。機(jī)械手的自由度是衡量機(jī)器人性能的重要指標(biāo)之一它直接決定了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性和控制的復(fù)雜性。 1.3.1工業(yè)機(jī)械手 工業(yè)機(jī)械手發(fā)展比較迅速多指手出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代其中最具有代表性的是stanford/JPL三指手如圖1-7和Utah/MIT四指手圖1-8 。Salisbury于1982年設(shè)計(jì)的Stanford/JPL手是當(dāng)時(shí)乃至現(xiàn)在都很具有代表性的三指手它首次引入了模塊化設(shè)計(jì)方法并模仿人手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)布置手指的相對(duì)位置具有9個(gè)自由度。StanfordlJPL手對(duì)多指手的貢獻(xiàn)不僅僅在于多關(guān)節(jié)、多自由度的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更重要的是它首次完整引入了位置、觸覺(jué)、力等傳感器系統(tǒng)從而開(kāi)始了多指手對(duì)

11、外部環(huán)境的感知時(shí)代并開(kāi)創(chuàng)了多指手實(shí)際抓取操作的先河。 圖1-7 StanfordlJPLS手 圖1-8 Utah/MIT手 1998年德國(guó)研制的DLR- I多指手實(shí)現(xiàn)了當(dāng)自由度的數(shù)目超過(guò)某個(gè)值時(shí)把所有的驅(qū)動(dòng)器和電路完全集成在手指、手掌或手腕里被公認(rèn)為是當(dāng)時(shí)世界上最復(fù)雜、智能化和集成度最高的靈巧手如圖1-9。1999年由美國(guó)宇航中心NASA研制的Robonaut手如圖1-10是一種面向國(guó)際空間站應(yīng)用的多指手其目的是為了在危險(xiǎn)的太空環(huán)境中代替人進(jìn)行艙外操作。 圖1-9 DLR手 圖1-10 NASA Robonaut手 從20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始我國(guó)的很多研究機(jī)構(gòu)相繼開(kāi)展了多指手的研究工作其中北京

12、航空航天大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)在這方面的研究很具代表性。北航對(duì)多指手的研究開(kāi)展較早并于1993年首先研制了我國(guó)第一只三指手然后在此基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)先后研制了BUAA- II BUAA-III三指手和BUAA四指手。哈工大在HIT I多指手的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量的改進(jìn)研制了HIT/DLR多指手。如圖1-11和圖1-120 需說(shuō)明書(shū)、圖紙等完整設(shè)計(jì)請(qǐng)叩叩2215891151 需說(shuō)明書(shū)、圖紙等完整設(shè)計(jì)加叩叩2215891151 圖1一11 HIT I手 圖1一12HIT/DLR多指手 1.3.2農(nóng)業(yè)機(jī)械手 農(nóng)業(yè)上最早研制的機(jī)械手為SDOF番茄收獲機(jī)械手Noboru Kawamura eta11984

13、機(jī)械手與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械完全不同它是由許多桿件組成的空間開(kāi)式鏈機(jī)構(gòu)具有較采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)及其控制研究大的靈活性但是不適合處理重量大的物體否則會(huì)出現(xiàn)負(fù)載過(guò)重的問(wèn)題。桿件越多機(jī)械手身的重量越大尤其用于像西瓜、甜瓜等較人果實(shí)收獲與運(yùn)輸時(shí)機(jī)械手設(shè)計(jì)必須從組成結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面使其承受較大的負(fù)載重量。 機(jī)械手的控制有點(diǎn)位控制PTP和連續(xù)軌跡CP控制兩種類型。PTP控制主要用于在機(jī)械手初始位置和目標(biāo)點(diǎn)之間不存在障礙物的情況此時(shí)不必考慮運(yùn)動(dòng)路徑其路徑也是不可預(yù)測(cè)的。有時(shí)由于莖葉等障礙物的存在必須通過(guò)控制其電機(jī)速度和預(yù)定運(yùn)動(dòng)軌跡到達(dá)目標(biāo)位置進(jìn)行CP控制。 末端執(zhí)行器安裝在機(jī)械手的末端其功能類似于人手是直接與目標(biāo)

14、物體接觸的部件。在末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)之前不僅需要研究工作對(duì)象的物理特性物體大小、體積、形狀、重量和機(jī)械特性young、模量、泊松比、粘性、摩擦阻力、剪切阻力等還包括電特性和光學(xué)特性以及生物學(xué)特性和化學(xué)特性等。 末端執(zhí)行器的形式主要有吸盤(pán)式真空式吸盤(pán)、噴射式負(fù)壓吸盤(pán)、擴(kuò)散式負(fù)壓吸盤(pán)、擠壓排氣式吸盤(pán)、電磁式吸盤(pán)等、針式、噴嘴式、杯狀、多關(guān)節(jié)手爪式、順應(yīng)型指結(jié)構(gòu)等通常是末端執(zhí)行器都是專用的N. Kondo 1998 末端執(zhí)行器所需的重要傳感器主要有觸覺(jué)傳感器和接近傳感器。觸覺(jué)傳感器包括接觸傳感器、壓力傳感器和滑覺(jué)傳感器.接近傳感器通常用來(lái)獲得位置信息識(shí)別物體的存在避障測(cè)量物體的形狀補(bǔ)償位置傳感器的誤差等

15、。 在完成抓取動(dòng)作后末端執(zhí)行器還需要將果實(shí)與果柄分離。分離方式為切斷或擰斷。在條件允許的情況下應(yīng)盡量采用剪斷果柄而不是擰斷果柄的方式避免擰斷時(shí)給果蔬表面造成傷口導(dǎo)致病菌侵入使果實(shí)腐爛例如桃、李、杏的采摘都要求留有果柄。但對(duì)于某些束狀生長(zhǎng)、果柄較短的果實(shí)采用剪斷的方式比較困難。 末端執(zhí)行器中手指和關(guān)節(jié)的數(shù)量與抓取效果密切相關(guān)數(shù)量越多末端執(zhí)行器的自由度就越多抓取動(dòng)作更為靈活抓取效果更好。但大多數(shù)的靈巧手系統(tǒng)復(fù)雜成本高通用性差仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段更難以運(yùn)用到農(nóng)業(yè)工程實(shí)踐之中。如何協(xié)調(diào)末端執(zhí)行器的通用性、靈活性和成本之間的矛盾是果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器研究發(fā)展的方向。 2.機(jī)械手的設(shè)計(jì) 2.1設(shè)計(jì)方案

16、果蔬采摘機(jī)器人的機(jī)械手直接接觸工作對(duì)象。為了避免碰傷果實(shí)多數(shù)收獲機(jī)器人的手指內(nèi)側(cè)接觸果實(shí)的部位采用橡膠和尼龍材料。由于果實(shí)的外形有圓形、近似方形、近似長(zhǎng)方形等所以末需說(shuō)明書(shū)、圖紙等完整設(shè)計(jì)請(qǐng)叩叩2215891151 需說(shuō)明書(shū)、圖紙等完整設(shè)計(jì)加叩叩2215891151 端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)應(yīng)著重考慮手指數(shù)量、手指關(guān)節(jié)數(shù)量、尺寸方式等問(wèn)題。 2.2手指數(shù)量 果實(shí)的外形有規(guī)則的和不規(guī)則的。對(duì)于規(guī)則的小型果實(shí)多數(shù)收獲機(jī)器人采用帶有吸盤(pán)的2個(gè)直手指的末端執(zhí)行器直接抓取果實(shí)。相對(duì)2個(gè)手指3個(gè)手指的收獲機(jī)器人也有一些研究抓取果實(shí)的穩(wěn)固更好。而采用具有4個(gè)手指和一個(gè)吸盤(pán)的西紅柿收獲機(jī)器人效果更好但難于控制。對(duì)于大型

17、的果實(shí)雖然外形規(guī)則但用2個(gè)手指顯然不行。西瓜收獲機(jī)器人中采用4個(gè)帶有橡膠的手指指尖的滑輪沿西瓜表面向下滑動(dòng)利用橡膠與西瓜的摩擦力抓住果實(shí)。此外還有一些特殊的手指梳子式龍?zhí)资种缚梢詫⒐麑?shí)與相臨的果實(shí)分開(kāi)。 手指的數(shù)量和形狀與果實(shí)的外形密切相關(guān)一般數(shù)量越多抓取效果越好但控制也越難應(yīng)在手指數(shù)量、控制難度和抓取成功率之間找到平衡點(diǎn)。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求選取3個(gè)手指最為合適。 2.3手指關(guān)節(jié)數(shù)量 對(duì)于多數(shù)形狀規(guī)則的果實(shí)多數(shù)收獲機(jī)器人采用1個(gè)關(guān)節(jié)的手指。對(duì)于類人的柔性手指由于材料和控制比較困難研究成果不多。夏柑收獲機(jī)器人的柔性手指手指的指尖通過(guò)細(xì)軟鋼絲與人工肌肉相連當(dāng)人工肌肉產(chǎn)生收縮力時(shí)鋼絲產(chǎn)生拉力使指尖能夠

18、柔和地彎曲。西紅柿收獲機(jī)器人有4個(gè)具有4個(gè)關(guān)節(jié)的手指通過(guò)控制纜采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)及其控制研究繩的伸縮使手指彎曲成不同的形狀。對(duì)于不同的果實(shí)控制鋼絲繩的拉力、拉動(dòng)的距離、人工肌肉的收縮力等的控制都比較難。鑒于關(guān)節(jié)的控制比較難和設(shè)計(jì)要求考慮采用兩個(gè)關(guān)節(jié)的手指。 2.4尺寸的設(shè)定 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸可以參考人類手指的長(zhǎng)度比例并加以適當(dāng)放大或縮小或根據(jù)所設(shè)計(jì)的多指靈巧手的使用場(chǎng)合作適當(dāng)?shù)某叽缯{(diào)整。通過(guò)對(duì)某學(xué)校的青年學(xué)生的手指長(zhǎng)度的測(cè)量得到了如表1所示的結(jié)果。表1-1和表1-2中所列出的人手的各關(guān)節(jié)如圖2-1長(zhǎng)度尺寸值可以作為設(shè)計(jì)多指靈巧手的手指長(zhǎng)度的參考。 圖2-1擬人手指簡(jiǎn)圖 表1-1 人的右手各關(guān)節(jié)長(zhǎng)

19、度的平均值 單位mm 性別 年齡 人數(shù) 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 人的右手各關(guān)節(jié)長(zhǎng)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 83.1 101.2 23.5 48.3 51.5 22.4

20、 39.6 22.9 20.5 77.9 97.3 24.9 51.7 32.5 24.4 42.9 25.2 22.2 82.2 100.5 需說(shuō)明書(shū)、圖紙等完整設(shè)計(jì)請(qǐng)叩叩2215891151 需說(shuō)明書(shū)、圖紙等完整設(shè)計(jì)加叩叩2215891151 根據(jù)以上數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)的要求和合理性三個(gè)手指設(shè)計(jì)統(tǒng)一長(zhǎng)度其中第一個(gè)關(guān)節(jié)長(zhǎng)度為55mm第二個(gè)關(guān)節(jié)長(zhǎng)度為40mm手指寬度為22mm手掌直徑為mm94。 2.5材料的選擇 為了減輕重量同時(shí)也由于手指所抓取果實(shí)不是很大所以手指的結(jié)構(gòu)材料選用鋁合金。在手指的中間附有橡膠來(lái)減小手指和果實(shí)接觸時(shí)的沖擊同時(shí)也增大了接觸摩擦力。 3動(dòng)力源的選擇 3.1微小型驅(qū)動(dòng)模塊的研究

21、 采用專用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)器具有高效率、高速度的特點(diǎn)特別是它具有自鎖特性將其引入到采摘手的手指設(shè)計(jì)中。仿人手抓取物體達(dá)到抓握穩(wěn)定后手指依靠電機(jī)自鎖力矩保持對(duì)物體的抓取力。采用專用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制芯片和驅(qū)動(dòng)芯片組成的系統(tǒng)外圍電路簡(jiǎn)單可靠性高同時(shí)減少電路板的尺寸。 基于上述思想采用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為機(jī)械手手指的驅(qū)動(dòng)元件通過(guò)由電機(jī)專用控制芯片和微處理器相結(jié)合的控制系統(tǒng)使機(jī)械手抓取具有柔順性和力矩控制的能力。 3.2電機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)而不受負(fù)載變化的影響當(dāng)步進(jìn)

22、驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度稱為“步距角”它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度從而達(dá)到調(diào)速的目的。 3.2.1步進(jìn)電機(jī)的主要特性 1步進(jìn)電機(jī)必須加驅(qū)動(dòng)才可以運(yùn)轉(zhuǎn) 驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須為脈沖信號(hào)沒(méi)有脈沖的時(shí)候 步進(jìn)電機(jī)靜止 如 果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號(hào) 就會(huì)以一定的角度稱為步角轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和脈沖的頻率成正比。 2步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動(dòng)和急速停止的優(yōu)越特性。 3改變脈沖的順序 可以方便的改變轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。 3.3步進(jìn)電機(jī)的確定 通過(guò)對(duì)機(jī)械手的分析考慮到本次設(shè)計(jì)

23、的機(jī)械手的工作情況以及設(shè)計(jì)要求在互聯(lián)網(wǎng)和專業(yè)書(shū)籍中對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)篩選最后決定選用電機(jī)型號(hào)PM10s-020-zst7電機(jī)轉(zhuǎn)速500r/min轉(zhuǎn)矩mNT4109電機(jī)性能參數(shù)如圖2-1所示電機(jī)幾何參數(shù)如圖2-2所示 圖 2-1電機(jī)參數(shù) 需說(shuō)明書(shū)、圖紙等完整設(shè)計(jì)請(qǐng)叩叩2215891151 需說(shuō)明書(shū)、圖紙等完整設(shè)計(jì)加叩叩2215891151 圖 2-2電機(jī)尺寸參數(shù) 4.傳動(dòng)方式選擇和設(shè)計(jì) 4.1微小型傳動(dòng)模塊研究 采摘機(jī)械手傳動(dòng)系統(tǒng)把驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)和力以一定的方式傳遞到手指關(guān)節(jié)從而使關(guān)節(jié)做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)器密切相關(guān)。采用自主設(shè)計(jì)的微小型齒輪減速器傳遞步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)和力不僅減小手指的

24、尺寸和質(zhì)量而且提高了抓取過(guò)程的平穩(wěn)性和抓取能力。 綜合考慮手指的結(jié)構(gòu)形式外部尺寸以及剛度、強(qiáng)度、靈活度的要求選擇齒輪傳動(dòng)作為傳動(dòng)方式這樣既保證了外部結(jié)構(gòu)尺寸又保證了傳動(dòng)的效率增加了傳動(dòng)的可靠性。 4.2輸出端齒輪 4.2.1選擇材料及精度等級(jí) 根據(jù)設(shè)計(jì)需要輸出端齒輪直接與電機(jī)連接選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)轉(zhuǎn)速不高故選用7級(jí)精度齒輪材料為45鋼調(diào)制硬度為240HBS。令小齒輪的齒數(shù)為18 4.2.2按接觸強(qiáng)度進(jìn)行初步計(jì)算 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中設(shè)計(jì)計(jì)算公式10-9a進(jìn)行試算即 32132.2HEdtZuuKTd 4-1 1試選載荷系數(shù)Kt1.3 2輸出轉(zhuǎn)矩mNT4109 3由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中表10-7選取齒寬

25、系數(shù)φd1。 4由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)218.189aEMPZ 5由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中圖10-21d按齒面硬度查得接觸疲勞強(qiáng)度極為 aHMP550lim 6由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。 91072.010300815006060hnjLN 4-2 7由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù)94.0NK 8計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。 取失效概率為1安全系數(shù)S1由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中式10-12得 需說(shuō)明書(shū)、圖紙等完整設(shè)計(jì)請(qǐng)叩叩2215891151 需說(shuō)明書(shū)、圖紙等完整設(shè)計(jì)加叩叩2215891151 aNHMPSK517155094.0lim 4-3 9試算齒輪

26、分度圓直徑d將σH代入上式得4-1 mmdt26.35178.18911111093.132.232214 4-4 10計(jì)算圓周速度 smndvt/1.0100060500875.3100060 4-5 11計(jì)算齒寬與賜稿之比hb mmdbtd26.326.31 4-6 mmZdmtt1.01826.3 4-7 mmmht225.01.025.225.2 4-8 49.14225.026.3hb 4-9 12計(jì)算載荷系數(shù) 根據(jù)smv/1.07級(jí)精度由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中圖10-8查得動(dòng)載系數(shù)1VK 直齒輪1FHKK 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中表10-2查得使用系數(shù)0.1AK 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中表10-4用插值法

27、查得7級(jí)精度非對(duì)稱布置417.1HK 由49.14hb查《機(jī)械設(shè)計(jì)》中圖10-13得45.1FK故載荷系數(shù) 417.1417.1111KKKKKHVA 4-10 13按實(shí)際載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑由式10-10a得 mmkkddtt15.33.1417.126.3331 需說(shuō)明書(shū)、圖紙等完整設(shè)計(jì)請(qǐng)叩叩2215891151 需說(shuō)明書(shū)、圖紙等完整設(shè)計(jì)加叩叩2215891151 4-11 17.01815.311Zdm 4-12 4.2.3按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中式10-5得彎曲強(qiáng)度得設(shè)計(jì)公式為 2212FasadFYYKTmZ 4-13 1由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中圖10-20c查得齒輪1得彎曲疲勞.