畢業(yè)設計（論文）題 目 全自動摘果機的設計與創(chuàng)新 學 號： 學生姓名 專業(yè)班級： 學院 指導教師（簽字） 職 稱 講師 指導教師單位 設計地點 起止日期 年 月 日 至 年 月 日I摘 要摘果機技術毫無疑問是未來的戰(zhàn)略性高技術，充滿機遇和挑戰(zhàn)。目前，國際上摘果機市場大概有 80 億至 100 億，其中工業(yè)摘果機占的比重最大。2025 年，整個摘果機市場將達到500 億，服務摘果機從原來的 300 多萬臺增加到 1200 多萬臺，特種摘果機（如：農(nóng)業(yè)摘果機、排爆摘果機、醫(yī)療摘果機等）的呼聲也越來越高。另外，微軟等 IT 企業(yè)，豐田、奔馳等汽車公司，甚至還有家具、衛(wèi)生潔具企業(yè)都紛紛參與摘果機的研制。本課題來源農(nóng)業(yè)相關摘果機——摘果機。隨著摘果機技術的發(fā)展國內(nèi)外開始探索相關技及先進成果應用在農(nóng)業(yè)領域，其中果實采摘收割摘果機是農(nóng)業(yè)領域中相對大的比重，相關摘果機隨著技術進步及相關經(jīng)驗的成熟會為人們解放勞動力、提高工作效率等方面有不可估量的前景。本文運用大學所學知識，設計了一款輪式摘果機，本摘果機通過輪式底部結(jié)構可自由行進并用 5 軸式機械臂結(jié)構可有效采摘果樹上的蘋果。為進一步探索蘋果采摘相關摘果機的研發(fā)提供了相關經(jīng)驗及依據(jù)，并對進一步論證相關技術有了實驗的摘果機。關鍵字：摘果機、農(nóng)業(yè)，蘋果采摘，輪式摘果機IIAbstractRobotics is undoubtedly a strategic high-tech future, full of opportunities and challenges. Currently, the international market, there are about robot 8 to 10 billion, which accounts for the largest proportion of industrial robots. 2025, the entire robot market will reach 50 billion, the service robot from the original more than 300 million units to 12 million units,Special robot (eg: agricultural robots, EOD robots, medical robots, etc.) are increasingly vocal. In addition, Microsoft and other IT companies, Toyota, Mercedes-Benz and other car companies, and even furniture, sanitary ware enterprises have involved in the development of the robot. The sources of agriculture-related topics robot - apple picking robots. With the development of robot technology at home and abroad began to explore the application of relevant technologies and advanced achievements in the field of agriculture, where the fruit harvest picking robot is agriculture relatively large proportion of the relevant robot as technology advances and experience of mature people will liberate labor force improve work efficiency and so have immeasurable prospects.In this paper, the university is knowledge, designed a wheeled robot apple picking, apple picking this wheeled robots can travel freely and bottom structure with a 5-axis robot arm structure can effectively picking apples fruit trees. To further explore the development of apple picking robot provides relevant and in accordance with relevant experience, and further related technology demonstration experiments with robots.Key words: Robot,Agriculture,Apple picking ,Wheeled robotIII目 錄摘 要 IAbstract.II1 引 言 11.1 課 題 的 來 源 與 研 究 的 目 的 和 意 義 .11.2 摘 果 機 的 用 途 .21.3 采 摘 果 機 的 特 點 .21.4 本 課 題 研 究 的 內(nèi) 容 .31.5 UG 設 計 基 礎 42 摘 果 機 的 創(chuàng) 新 設 計 62.1 摘 果 機 的 總 體 方 案 圖 .82.2 摘 果 機 的 工 作 原 理 103 摘 果 機 部 分 零 部 件 選 型 及 校 核 .122.3.1 部 分 電 機 計 算 142.3.2 聯(lián) 軸 器 的 選 型 162.3.3 軸 承 的 選 型 計 算 184 摘 果 機 的 三 維 建 模 .194.1 總 體 結(jié) 構 三 維 建 模 204.2 底 部 輪 式 車 三 維 建 模 204.3 電 動 氣 缸 的 三 維 建 模 21結(jié) 論 .22致 謝 .23參 考 文 獻 .2411 引 言1.1 課 題 的 來 源 與 研 究 的 目 的 和 意 義摘果機與智能裝備產(chǎn)業(yè)是高度集成微電子、通信、計算機、人工智能、控制和圖像處理等學科最新科研和產(chǎn)業(yè)成果的前沿高新技術產(chǎn)業(yè)，是擬建的江蘇?。ǔＶ荩┕I(yè)技術研究院的服務的產(chǎn)業(yè)核心和研發(fā)的產(chǎn)業(yè)立足點。直接影響生活最優(yōu)化和智能化的摘果機技術是摘果機與智能裝備產(chǎn)業(yè)的技術核心，推進著未來摘果機與智能裝備領域的科技創(chuàng)新力和產(chǎn)業(yè)競爭力。摘果機技術是一種是以自動化技術和計算機技術為主體、有機融合各種現(xiàn)代信息技術的系統(tǒng)集成和應用。經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，摘果機技術在工業(yè)生產(chǎn)領域得到了廣泛的應用，極大地提升了生產(chǎn)品質(zhì)并成功解放了勞動力資源。作為高技術領域中重要的前沿技術之一，摘果機技術具有前瞻性、先導性的特點，對學術研究、產(chǎn)業(yè)升級、培養(yǎng)創(chuàng)新意識、保障國家安全、引領未來經(jīng)濟社會的發(fā)展有著十分重要的作用。目前，相關領域的技術突破，從根本上為提升摘果機技術的學術研究提供了必要的支持，為摘果機的應用范圍拓寬了道路，已涵蓋國防、航空航天、工業(yè)生產(chǎn)、服務、老人康復、教育甚至普通家庭生活，一場新的摘果機技術研究高潮和發(fā)展契機業(yè)已到來。摘果機技術毫無疑問是未來的戰(zhàn)略性高技術，充滿機遇和挑戰(zhàn)。目前，國際上摘果機市場大概有 80 億至 100 億，其中工業(yè)摘果機占的比重最大。2025 年，整個摘果機市場將達到 500 億，服務摘果機從原來的 300 多萬臺增加到 1200 多萬臺，特種摘果機（如：排爆摘果機、醫(yī)療摘果機等）的呼聲也越來越高。另外，微軟等 IT 企業(yè)，豐田、奔馳等汽車公司，甚至還有家具、衛(wèi)生潔具企業(yè)都紛紛參與摘果機的研制。美國和日本多年來引領國際摘果機的發(fā)展方向，代表著國際上摘果機領域的最高科技水平。目前，日本除了比較關注特種摘果機和服務摘果機以外，還注重中間件的研制。然而，近年來日本基本上在做模仿性的工作，突破性技術比較少。而美國在摘果機領域的技術開發(fā)方面，一直保持著世界領先地位。再有，美國主要做高附加值的產(chǎn)業(yè)，比如軍用摘果機，目前世界銷售的 9000 臺軍用摘果機之中，有 60%來自美國。比如：美國最近研制成功的 Big Dog 軍用摘果機，能負重 100 公斤，行進速度跟人相當，每小時達到五公里，還能適應各種地形，即使是在側(cè)面受到?jīng)_擊時也能保持很好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。在各種摘果機中，工業(yè)摘果機應用較早，發(fā)展最為成熟。同時，技術的不斷進步一直在牽引著摘果機學科的發(fā)展，使摘果機的應用領域從工業(yè)摘果機擴展到特種摘果機和服務摘果機等。摘果機技術也正越來越深刻地影響著我們的生活。摘果機不但將在工廠、實驗室與人一起工作，還將在車站、機場、碼頭、交通路口為人們指引路徑、回答問題、幫助行人。摘果機還將步入千家萬戶，為老人端茶送水，護理傷病人等等。未來摘果機將會越來越廣泛地進入人類社會，人類對摘果機的依賴會如同現(xiàn)時對待計算機一樣，即使是短時間的離開都可能會造成很大不便。 摘果機化是先進制造領域的重要標志和關鍵技術，針對先進制造業(yè)生產(chǎn)效率提高的諸多瓶頸問題，尤其是在汽車產(chǎn)業(yè)中，摘果機得到了廣泛的應用。如在毛坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)、機械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測及倉庫堆垛等作業(yè)中，摘果機都已逐步取代了人工作業(yè)。目前汽車制造業(yè)是所有行業(yè)中人均擁有摘果機密度最高的行業(yè)，如 2004 年德國制造業(yè)2中每 1 萬名工人中擁有摘果機的數(shù)量為 162 臺，而在汽車制造業(yè)中每 1 萬名工人中擁有摘果機的數(shù)量則為 1140 臺；意大利的這一數(shù)值更能說明問題，2004 年意大利制造業(yè)中每 1 萬名工人中擁有輔助操作的摘果機數(shù)量為 123 臺，而在汽車制造業(yè)中每 1 萬名工人中摘果機的擁有數(shù)量則高達 1600 臺。在國外，應用于制造業(yè)的摘果機取得了較顯著進展，已成為一種標準設備而得到工業(yè)界廣泛應用，從而也形成了一批在國際上較有影響力的、知名摘果機公司。如德國的 KUKA、瑞典的 ABB、日本的安川等。據(jù)專家預測，摘果機產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計算機之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術產(chǎn)業(yè)。據(jù)聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會(UNECE)和國際摘果機聯(lián)合會(IFR)的統(tǒng)計，2002 年至 2004 年，世界摘果機市場年增長率平均在 10%左右，2005 年達到創(chuàng)紀錄的 30%，2007 年全球摘果機實際安裝量達到 650萬臺，摘果機安裝量比 2006 年增加 3%，達到了 114365 臺。據(jù)統(tǒng)計，近年來全球摘果機行業(yè)發(fā)展迅速，2008 年全球摘果機行業(yè)總銷售量比 2006 年增長 25％。而無論在使用、生產(chǎn)還是出口方面，日本一直是全球領先者，目前日本已經(jīng)有 130 余家專業(yè)的摘果機制造商。世界各國主要行業(yè)對摘果機的需求詳見圖 1 所示。（ 圖 1 世 界 各 國 主 要 行 業(yè) 對 摘 果 機 的 需 求 分 布 ）由于機械工程的知識總量已擴大到遠非個人所能全部掌握，一定的專業(yè)化是必不可少的。但是過度的專業(yè)化造成知識過分分割，視野狹窄，不能統(tǒng)觀和統(tǒng)籌稍大規(guī)模的工程的全貌和全局，并且縮小技術交流的范圍，阻礙新技術的出現(xiàn)和技術整體的進步，對外界條件變化的適應能力很差。封閉性專業(yè)的專家們掌握的知識過狹，考慮問題過專，在協(xié)同工作時配合協(xié)調(diào)困難，也不利于繼續(xù)自學提高。因此自 20 世紀中、后期開始，又出現(xiàn)了綜合的趨勢。人們更多地注意了基礎理論，拓寬專業(yè)領域，合并分化過細的專業(yè)。綜合-專業(yè)分化-再綜合的反復循環(huán)，是知識發(fā)展的合理的和必經(jīng)的過程。不同專業(yè)的專家們各具有精湛的專業(yè)知識，又具有足夠的綜合知識來認識、理解其他學科的問題和工程整體的面貌，才能形成互相協(xié)同工作的有力集體。綜合與專業(yè)是多層次的。在機械工程內(nèi)部有綜合與專業(yè)的矛盾；在全面的工程技術中也同樣有綜合和專業(yè)問題。在人類的全部知識中，包括社會科學、自然科學和工程技術，也有處于更高一層、更宏觀的綜合與專業(yè)問題。1.2 摘 果 機 的 用 途3本文所設計摘果機雖然尚無法取代人工作業(yè)，但是對摘果機應用到農(nóng)業(yè)采摘相關技術奠定了實踐基礎，并對進一步實驗帶來了可操作的實驗平臺，對累積相關制作技術有很好的驗證作用。1.3 摘 果 機 特 點本文所設計摘果機是一種電機驅(qū)動輪式 5 軸摘果機，整體結(jié)構包括兩自由度的移動載體和三自由度帶夾持器的機械臂。摘果機主體使用鋁板材料和工程塑料組裝成摘果機機體，結(jié)構輕巧，方便在車體上增加模塊。移動底盤：為了適應多變的開放式的蘋果園地面環(huán)境，選用農(nóng)用拖拉機式移動小車作為移動底盤。上面加裝了主控電路板，采摘輔助裝置，多種傳感器，電源模塊等。傳動結(jié)構：主要包括機械手腰部，大臂，小臂部分。其轉(zhuǎn)動均采用交流伺服電機作為驅(qū)動源，選用行星齒輪減速器對電機進行減速，同時提高最終的輸出扭矩。直接選用電動推桿作為小臂伸縮的部件，在伸出桿的末端通過螺絲連接相應旋轉(zhuǎn)法蘭盤組件與末端執(zhí)行器固連。末端執(zhí)行器初步選定使用夾持機構將果實夾緊并采摘。1.4 本 課 題 研 究 的 內(nèi) 容本論文主要研究運用 UG 對全自動摘果機進行設計。在設計過程中，了解 UG 的各種功能。UG 公司成立于 1993 年，由 PTC 公司的技術副總裁與 CV 公司的副總裁發(fā)起，總部位于馬薩諸州的康克爾郡（Concord,Massachusetts）內(nèi)。當初的目標是希望在每一個工程師的桌面上提供一套具有生產(chǎn)力的實體模型設計系統(tǒng)。從 1995 年推出第一套 UG 三維機械設計軟件至今已經(jīng)擁有位于全球的辦事處，并經(jīng)由 300 家經(jīng)銷商在全球 140 個國家進行銷售與分銷該產(chǎn)品。1997 年，UG 被法國達索（Dassault Systemes）公司收購，作為達索中端主流市場的主打品牌。UG 軟件是世界上第一個基于 Windows 開發(fā)的三維 CAD 系統(tǒng)。由于技術創(chuàng)新符合 CAD 技術的發(fā)展潮流和趨勢，UG 公司于兩年間成為 CAD/CAM 產(chǎn)業(yè)中獲利最高的公司。良好的財務狀況和用戶支持使得 UG 每年都有數(shù)十乃至數(shù)百項的技術創(chuàng)新，公司也獲得了很多榮譽。該系統(tǒng)在 1995-1999 年獲得全球微機平臺 CAD 系統(tǒng)評比第一名。從 1995 年至今，已經(jīng)累計獲得十七項國際大獎。其中僅從 1999 年起，美國權威的 CAD 專業(yè)雜志 CADENCE 連續(xù) 4 年授予 UG 最佳編輯獎，以表彰 UG 的創(chuàng)新、活力和簡明。至此，UG 所遵循的易用、穩(wěn)定和創(chuàng)新三大原則得到了全面的落實和證明，使用它，設計師大大縮短了設計時間，產(chǎn)品快速、高效地投向了市場。由于 UG 出色的技術和市場表現(xiàn)，不僅成為 CAD 行業(yè)的一顆耀眼的明星，也成為華爾街青睞的對象。終于在 1997 年由法國達索公司以三億一千萬美元的高額市值將 UG 全資并購。公司原來的風險投資商和股東，以一千三百萬美元的風險投資，獲得了高額的回報，創(chuàng)造了 CAD 行業(yè)的世界紀錄。并購后的 UG 以原來的品牌和管理技術隊伍繼續(xù)獨立運作，成為 CAD 行業(yè)一家高素質(zhì)的專業(yè)化公司。UG 三維機械設計軟件也成為達索企業(yè)中最具競爭力的 CAD 產(chǎn)品。由于使用了 Windows OLE 技術、直觀式設計技術、先進的 parasolid 內(nèi)核（由劍橋提供）以及良好的與第三方軟件的集成技術。UG 成為全球裝機量最大、最好用的軟件。資料顯示，目前全球發(fā)4放的 UG 軟件使用許可約 28 萬，涉及航空航天、機車、食品、機械、國防、交通、模具、電子通訊、醫(yī)療器械、娛樂工業(yè)、日用品/消費品、離散制造等分布于全球 100 多個國家的約 3 萬 1 千家企業(yè)。在教育市場上，每年來自全球 4，300 所教育機構的近 145，000 名學生通過 UG 的培訓課程。據(jù)世界上著名的人才招聘網(wǎng)站檢索，與其它 3D CAD 軟件相比，UG 相關的招聘廣告比其它軟件的總合還要多，這一事實說明了越來越多的工程師和設計者使用 UG 三維軟件，越來越多的企業(yè)需要UG 人才。UG 軟件功能強大，易于操作，界面人性化，技術創(chuàng)新，組件繁多是 UG 的五大特點。使得UG 三維軟件成為目前全球領先的三維 CAD 解決方案。UG 在設計時能夠為用戶提供不同的設計方案，通過方案的篩選，工程師能從中選擇合適的方案，從而在設計過程中降低設計的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。在目前市場上所見到的三維 CAD 解決方案中，UG 是設計過程比較簡便又通俗易懂的軟件之一。它不僅提供如此人性化的系統(tǒng)，同時對每個工程師和設計者，乃至整個機械行業(yè)提供了良好的發(fā)展基礎。UG 軟件是世界上第一個基于 Windows 開發(fā)的三維 CAD 系統(tǒng)，由于技術創(chuàng)新符合 CAD 技術的發(fā)展潮流和趨勢，UG 公司于兩年間成為 CAD/CAM 產(chǎn)業(yè)中獲利最高的公司。良好的財務狀況和用戶支持使得 UG 每年都有數(shù)十乃至數(shù)百項的技術創(chuàng)新，公司也獲得了很多榮譽。該系統(tǒng)在 1995-1999 年獲得全球微機平臺 CAD 系統(tǒng)評比第一名；從 1995 年至今，已經(jīng)累計獲得十七項國際大獎，其中僅從1999 年起，美國權威的 CAD 專業(yè)雜志 CADENCE 連續(xù) 4 年授予 UG 最佳編輯獎，以表彰 UG 的創(chuàng)新、活力和簡明。至此，UG 所遵循的易用、穩(wěn)定和創(chuàng)新三大原則得到了全面的落實和證明，使用它，設計師大大縮短了設計時間，產(chǎn)品快速、高效地投向了市場。由于 UG 出色的技術和市場表現(xiàn)，不僅成為CAD 行業(yè)的一顆耀眼的明星，也成為華爾街青睞的對象。終于在 1997 年由法國達索公司以三億一千萬美元的高額市值將 UG 全資并購。公司原來的風險投資商和股東，以一千三百萬美元的風險投資，獲得了高額的回報，創(chuàng)造了 CAD 行業(yè)的世界紀錄。并購后的 UG 以原來的品牌和管理技術隊伍繼續(xù)獨立運作，成為 CAD 行業(yè)一家高素質(zhì)的專業(yè)化公司，UG 三維機械設計軟件也成為達索企業(yè)中最具競爭力的 CAD 產(chǎn)品。由于使用了 Windows OLE 技術、直觀式設計技術、先進的 parasolid 內(nèi)（由劍橋提供）以及良好的與第三方軟件的集成技術，UG 成為全球裝機量最大、最好用的軟件。資料顯示，目前全球發(fā)放的 UG 軟件使用許可約 28 萬，涉及航空航天、機車、食品、機械、國防、交通、模具、電子通訊、醫(yī)療器械、娛樂工業(yè)、日用品/消費品、離散制造等分布于全球 100 多個國家的約 3 萬 1 千家企業(yè)。在教育市場上，每年來自全球 4，300 所教育機構的近 145，000 名學生通過 UG 的培訓課程。據(jù)世界上著名的人才網(wǎng)站檢索，與其它 3D CAD 系統(tǒng)相比，與 UG 相關的招聘廣告比其它軟件的總和還要多，這比較客觀地說明了越來越多的工程師使用 UG，越來越多的企業(yè)雇傭 UG 人才。據(jù)統(tǒng)計，全世界用戶每年使用 UG 的時間已達 5500 萬小時。在美國，包括麻省理工學院（MIT）、斯坦福大學等在內(nèi)的著名大學已經(jīng)把 UG 列為制造專業(yè)的必修課，國內(nèi)的一些大學（教育機構）如哈爾濱工業(yè)大學、清華大學、浙江工業(yè)大學、浙江大學、華中科技大學、北京航空航天大學、大連理工大學、北京理工大學、武漢理工大學等也在應用 UG 進行教學。UG 軟件功能強大，組件繁多。 UG 有功能強大、易學易用和技術創(chuàng)新三大特點，這使得 UG 成為領先的、主流的三維 CAD 解決方案。UG 能夠提供不同的設計方案、減少設計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。UG 不僅提供如此強大的功能，而且5對每個工程師和設計者來說，操作簡單方便、易學易用。UG 在現(xiàn)今社會階段逐漸廣泛應用，并且 UG 公司對中國市場重點開發(fā)，日后 UG 應用將會更加完善，更加普遍。通過前文對 UG 的深入了解后，往后會對 UG 進行個別應用的分析，如建模，裝配，工程圖，力學分析等。UG 軟件功能強大，組件繁多。 UG 有功能強大、易學易用和技術創(chuàng)新三大特點，這使得 UG 成為領先的、主流的三維 CAD 解決方案。UG 能夠提供不同的設計方案、減少設計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。UG 不僅提供如此強大的功能，而且對每個工程師和設計者來說，操作簡單方便、易學易用。2 摘 果 機 的 創(chuàng) 新 設 計2.1 摘 果 機 的 總 體 方 案 圖根據(jù)設計要求及自己確定的總體結(jié)構簡圖如圖 1。圖 1其中設備總體分 10 部分，1 部分為控制部分、2 傳感器組件、3 行走小車組件、4 摘果機腰部組件、5 大臂輔助組件、6 大臂組件、7 小臂之電動伸縮組件、8 小臂組件、9 旋轉(zhuǎn)法蘭組件、10 末端執(zhí)行器。各部分由電機驅(qū)動并通過通過齒輪、軸、電動缸等進行有效鏈接配合產(chǎn)生作用。其中控制部分中含有蓄電池和集中控制線路由通過傳感器接受信息并處理運動、工作、執(zhí)行命令相關動態(tài)信息及時指揮摘果機采摘蘋果。2.2 摘 果 機 的 工 作 原 理 為了達到摘果機采摘蘋果的目的，個人制作了兩種方案并比較。61.方案 1 方案簡圖：動力源：摘果機伺服驅(qū)動系統(tǒng)的作用是為摘果機提供動力并且控制其按照運動控制器的指令到達預定位置。因為交流伺服電動機具有無電刷和換向器 、慣量小、適應于高速大轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點,所以,摘果機的 4 個關節(jié)均采用交流伺服電動機作為驅(qū)動源。綜合考慮使用性能和經(jīng)濟性, 選用日本安川公司 ∑-Ⅱ系列交流伺服系統(tǒng)。傳動方式的選擇：摘果機關節(jié)需要的是低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的動力,而交流伺服電動機驅(qū)動系統(tǒng)輸出的是高轉(zhuǎn)速 、低轉(zhuǎn)矩的動力。因此, 摘果機的腰關節(jié)、小臂和腕部均采用交流伺服電動機串接諧波減速器結(jié)合齒輪機構的傳動方式。為了增加傳動穩(wěn)定性，和控制靈活度，固增加連桿機構，輔助程序控制。連桿機構也是配以伺服電機進行控制。末端執(zhí)行器：接近機構設計由直線步進電動機的絲杠螺母結(jié)構、機架、滑塊和導桿構成。夾持機構直線步進電動機的絲杠螺母結(jié)構、滑塊和機架旋轉(zhuǎn)采摘機構由安裝于腕部的減速步進電動機、連接件Ⅰ和連接件Ⅱ構成。減速步進電動機機體通過連接件Ⅰ與機架Ⅱ固聯(lián)，減速步進電動機輸出軸通過連接件Ⅱ與機架Ⅰ固聯(lián)，減速步進電動機旋轉(zhuǎn)帶動連接件Ⅱ相對連接件Ⅰ轉(zhuǎn)動。減速步進電動機旋轉(zhuǎn)角度通過設定脈沖數(shù)實現(xiàn)，電動機的最大扭矩可達6N?m。72.方案 2 方案簡圖：傳 統(tǒng) 摘 果 機 結(jié) 構 簡 圖整體結(jié)構包括兩自由度的移動載體和三自由度帶夾持器的機械臂。摘果機主體使用網(wǎng)孔鋁板材料和 工 程 塑 料 組 裝 成 摘 果 機 機 體 ， 結(jié) 構 輕 巧 ， 方 便 在 車 體 上 增 加 模 塊 。移 動 底 盤 ：為 了 適 應 多 變 的 開 放 式 的 蘋 果 園 地 面 環(huán) 境 ， 選 用 履 帶 式 移 動 小 車 作 為 移 動 底 盤 。 上 面 加 裝了 主 控 電 路 板 ， 采 摘 輔 助 裝 置 ， 多 種 傳 感 器 ， 電 源 模 塊 等 。傳 動 結(jié) 構 ：主 要 包 括 機 械 手 腰 部 ， 大 臂 ， 小 臂 部 分 。 其 轉(zhuǎn) 動 均 采 用 交 流 伺 服 電 機 作 為 驅(qū) 動 源 ， 選 用 行星 齒 輪 減 速 器 對 電 機 進 行 減 速 ， 同 時 提 高 最 終 的 輸 出 扭 矩 。 直 接 選 用 電 動 推 桿 作 為 小 臂 伸 縮 的部 件 ， 在 伸 出 桿 的 末 端 通 過 螺 絲 連 接 相 應 法 蘭 盤 與 末 端 執(zhí) 行 器 固 連 。末 端 執(zhí) 行 器 ：末 端 執(zhí) 行 器 初 步 選 定 使 用 夾 持 機 構 將 果 實 夾 緊 ， 再 利 用 剪 刀 將 果 柄 剪 斷 ， 這 種 方 法 需 要 精確 的 檢 測 果 柄 的 位 置 ， 之 后 通 過 精 確 調(diào) 整 末 端 執(zhí) 行 器 的 位 置 和 姿 態(tài) ， 其 系 統(tǒng) 的 控 制 難 度 稍 難 。其 主 要 通 過 動 力 源 ， 切 割 機 構 ， 接 近 機 構 ， 夾 持 機 構 ， 傳 感 控 制 系 統(tǒng) 組 成 。接 近 機 構 設 計 :8由 電 動 機 的 絲 杠 螺 母 結(jié) 構 、 機 架 、 滑 塊 和 導 桿 構 成 。夾 持 機 構 ：電 動 機 的 絲 杠 螺 母 結(jié) 構 、 滑 塊 和 機 架切 割 機 構 ：由 刀 架 和 雙 面 刀 片 組 成 。3.方 案 比 較 ：上 述 兩 種 方 案 中 ， 方 案 1 采 用 了 傳 統(tǒng) 的 機 械 手 臂 結(jié) 構 ， 為 底 盤 -支 持 機 構 -腰 關 節(jié) -肩 關節(jié) -肘 關 節(jié) -末 端 執(zhí) 行 器 的 傳 動 方 案 。 相 比 較 來 講 ， 方 案 2 采 用 的 是 底 盤 -支 持 機 構 -大 臂 -小臂 -末 端 執(zhí) 行 器 的 方 式 ， 而 通 過 連 桿 輔 助 大 臂 的 方 式 ， 使 其 控 制 能 力 更 靈 活 。 方 案 1 的 傳 動過 程 比 較 復 雜 ， 包 括 了 3 個 階 段 ， 而 且 穩(wěn) 定 性 不 如 方 案 2， 同 時 對 于 3 個 傳 動 關 節(jié) 的 程 序 控制 也 要 求 更 高 。 而 方 案 2 采 用 的 是 連 桿 輔 助 ， 只 有 2 個 傳 動 關 節(jié) ， 大 臂 和 小 臂 ， 對 控 制 系 統(tǒng)要 求 更 低 ， 同 時 ， 在 連 桿 的 輔 助 下 ， 其 穩(wěn) 定 性 更 強 ， 控 制 能 力 也 更 高 。另 外 1 點 不 同 在 于 末 端 執(zhí) 行 器 的 采 摘 方 式 不 同 ， 方 案 1 采 用 的 是 旋 轉(zhuǎn) 采 摘 法 ， 通 過 機 構 系 統(tǒng)夾 持 果 實 ， 再 通 過 旋 轉(zhuǎn) 的 方 式 使 果 實 與 果 柄 分 離 ， 從 而 完 成 果 實 采 摘 。 而 方 案 2 首 先 通 過 夾持 機 構 將 果 實 夾 緊 ， 之 后 利 用 切 割 機 構 ， 通 過 刀 片 對 果 柄 進 行 切 割 ， 使 果 實 與 果 柄 分 離 ， 從 而完 成 果 實 采 摘 。 2 種 方 案 都 需 要 對 果 實 的 具 體 位 置 進 行 精 確 判 斷 ， 但 是 方 案 1 不 需 要 對 果 柄的 位 置 進 行 仔 細 判 斷 ， 而 方 案 2 需 要 ， 從 這 點 上 來 講 ， 方 案 2 對 傳 感 系 統(tǒng) 的 要 求 更 高 。 但 是方 案 1 通 過 旋 轉(zhuǎn) 采 摘 容 易 造 成 果 實 損 傷 ， 而 方 案 2 通 過 切 割 機 構 可 以 保 證 果 實 本 身 的 完 整 性 ，從 這 點 上 來 講 ， 方 案 2 更 優(yōu) 。 同 時 旋 轉(zhuǎn) 采 摘 的 成 功 率 明 顯 沒 有 切 割 采 摘 的 高 ， 因 為 每 個 果 實 的連 接 程 度 不 同 ， 這 樣 導 致 了 旋 轉(zhuǎn) 次 數(shù) 和 強 度 如 果 固 定 在 一 個 范 圍 內(nèi) 不 能 保 證 果 實 采 摘 成 功 率 。因 此 綜 上 考 慮 ， 選 擇 方 案 2 比 較 好 。 所 選 定 方 案 2 工 作 原 理方 案 2 主 要 包 括 機 械 手 腰 部 ， 大 臂 ， 小 臂 部 分 。 其 轉(zhuǎn) 動 均 采 用 交 流 伺 服 電 機 作 為 驅(qū) 動 源 ，選 用 行 星 齒 輪 減 速 器 對 電 機 進 行 減 速 ， 同 時 提 高 最 終 的 輸 出 扭 矩 。 直 接 選 用 電 動 推 桿 作 為 小 臂伸 縮 的 部 件 ， 在 伸 出 桿 的 末 端 通 過 螺 絲 連 接 相 應 旋 轉(zhuǎn) 法 蘭 盤 組 件 與 末 端 執(zhí) 行 器 固 連 。 末 端 執(zhí) 行器 初 步 選 定 使 用 夾 持 機 構 將 果 實 夾 緊 并 采 摘 。2.3 拋 磨 機 主 要 零 部 件 選 型 及 強 度 校 核 計 算2.3.1 大 臂 ， 小 臂 及 連 桿 伺 服 電 機 設 計首先，摘果機共有 5 個自由度：腰部升降，腰部轉(zhuǎn)動，大臂俯仰，小臂擺動，小臂伸縮等五個自 由 度 ， 是 一 種 五 自 由 度 串 聯(lián) 關 節(jié) 型 摘 果 機 ， 自 由 度 配 置 為 P-RRR-P。機 械 手 尺 寸 大 致 規(guī) 格 如 下 ：91.） 題 設 中 給 出 ， 蘋 果 的 重 量 為 1KG， 工 作 最 高 高 度 為 3m(即 b 為 3m)， 工 作 半 徑 為 1.5m從 圖 中 可 以 初 步 定 義 ， 小 車 高 度 ， 腰 部 ， 大 臂 ， 小 臂 ， 伸 縮 行 程 ， 末 端 執(zhí) 行 器 的 長 度 依 次 為d1， L2,L3,L4,d5 和 Lm,具 體 實 際 情 況 和 摘 果 機 學 原 理 可 知 ：根 據(jù) 仿 生 學 原 理 ， 大 臂 長 度 應 等 于 小 臂 加 上 末 端 執(zhí) 行 器 長 度 0.3， 因 此 ：L3=L4+Lm=L4+0.3m由 于 結(jié) 構 限 制 ， 小 臂 伸 縮 的 行 程 應 小 于 或 等 于 小 臂 長 度 的 一 半 ,再 加 上 伸 縮 其 他 結(jié) 構 長 度 ：d5=1/2*L4=0.45m由 于 摘 果 機 具 體 參 數(shù) 需 要 通 過 Matlab 仿 真 ， 這 里 初 步 算 出 ：d1=0.68m L3=0.62m L2=1.2m l4=0.9 d5=0.45 2.） 而 蘋 果 的 重 量 為 1kg 。 末 端 執(zhí) 行 器 及 旋 轉(zhuǎn) 法 蘭 組 件 重 量 為 4kg。其 中 減 速 機 減 速 比 k 為 100、 電 機 轉(zhuǎn) 速 n 為 100 ， 則 根 據(jù) 扭 矩 與 功 率 公 式 ：???kTP95小臂的最大轉(zhuǎn)矩為：T=（0.9+0.45）*9.8*5=66.15 N·m由此帶入可得 P=0.4KW 電機，安全系數(shù)選 S=2 *S=0.4kw??knT950根 據(jù) 國 標 ， 安 全 系 數(shù) 選 2 ， 可 選 用 1 臺 3000 轉(zhuǎn) 0.4KW 司 服 電 機 ， 減 速 比 100 的 減 速 機 。蘋 果 、 末 端 執(zhí) 行 器 、 旋 轉(zhuǎn) 法 蘭 組 件 小 臂 重 量 為 10kg。大 臂 的 最 大 轉(zhuǎn) 矩 為 ：10T=（ 0.9+0.45+1.2） *9.8*10=249.9 N·m由 此 帶 入 可 得 P=0.4KW 電 機 ， 安 全 系 數(shù) 選 S=2 *S=0.8kw???knT5根 據(jù) 國 標 ， 安 全 系 數(shù) 選 2 ， 可 選 用 1 臺 3000 轉(zhuǎn) 伺 服 1KW,MSMJ-10-2 電 機 ， 減 速 比 100的 減 速 機 。2.3.2 驅(qū) 動 輪 電 機 設 計驅(qū) 動 電 機 的 功 率 由 摘 果 機 質(zhì) 量 M 、 運 行 速 度 V 、 驅(qū) 動 輪 直 徑 來 確 定 [27]。 計 算 和 分 析摘 果 機 受 力 情 況 時 ， 假 設 摘 果 機 在 平 地 上 直 線 加 速 行 駛 ， 不 考 慮 摘 果 機 在 行 駛 過 程 中 的 產(chǎn) 生 空氣 阻 力 。采 用 分 離 法 建 立 驅(qū) 動 輪 的 受 力 模 型 如 圖 2.3。 其 中 ， 1 M 為 作 用 于 驅(qū) 動 輪 的 驅(qū) 動 力 矩 ， P 1 為 驅(qū) 動 輪 上 的 載 荷 ， G 1 為 驅(qū) 動 輪 的 重 力 ， N 1 為 地 面 對 驅(qū) 動 輪 的 法 向 反 作 用 力 ， F1 為地 面 對 驅(qū) 動 輪 的 切 向 反 作 用 力 ， f1 為 驅(qū) 動 軸 對 驅(qū) 動 輪 的 阻 力 。 假 設 在 加 速 過 程 中 ， 輪 子 作瞬 時 純 滾 動 ?？?以 得 出 驅(qū) 動 輪 的 力 的 平 衡 方 程 為 ：11實 際 驅(qū) 動 力 要 克 服 三 種 部 分 阻 力 ， 即 由 驅(qū) 動 軸 傳 來 的 阻 力 、 驅(qū) 動 輪 本 身 的 滾 動 阻 力 和 驅(qū) 動 輪 本身 的 加 速 阻 力 。 而 后 者 而 后 者 又 由 平 移 質(zhì) 量 產(chǎn) 生 的 加 速 阻 力 和 由 旋 轉(zhuǎn) 質(zhì) 量 產(chǎn) 生 的 加 速 阻 力 組 成 。從動輪受力模型如圖 2.4。其中，P 2 為從動輪上的載荷， G 2 為從動輪的重力，N2 為地面對從動輪的法向反作用力，F(xiàn) 2 為地面對從動輪的切向反作用力，f2 從動輪的推力。可以得出從動輪的力的平衡方程為：可以得出車體的力的平衡方程為：由以上的式 2.2、2.4 和 2.5 三個方程，聯(lián)立锝：由此可知，摘果機的驅(qū)動力用來克服車輪的滾動阻力、摘果機平移質(zhì)量的加速阻力和車輪旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的 加速阻力。因此驅(qū)動力必須大于滾動阻力才能加速行駛，若驅(qū)動力小于滾動阻力摘果機則無法啟動，所以有12上式中、N1，N2 是地面作用在輪子上的法向作用力，M1 由輪子、車體的質(zhì)量決定，根據(jù)此關系式可以確定電機锝輸出轉(zhuǎn)矩。由此確定電機的功率,其中，K 為安全系數(shù)。取小車車體 60Kg，驅(qū)動輪直徑為 280mm，預計行走速度為 1m/s，安全系數(shù) K 為 2，則可選擇電機的功率約為橫向軌道驅(qū)動電機所帶動重量為G 總= =588NgM?1輪子需要克服摩擦力為=11.76Nf?總阻 力F???knTP950其中 T= 1.7?1阻 力rmN?移動速度約為 1m/s，兩驅(qū)動輪的直徑為 280mm，則后輪的轉(zhuǎn)速為：計算得 68r/min ，電機實際轉(zhuǎn)速為 3000rpm，因此傳動比約為 45，因此選擇型號為 26/1S 45：1 的減速箱.*S=40w???knTP950根據(jù)實際需求和結(jié)構要求，選擇 Faulhaber 電機產(chǎn)品中的 2657 系列直流電機，所選電機型號為 2657W024CR+IE2-512。該電機參數(shù)如表 2.1 所示，表 2.1 電機參數(shù)表型號 2657W024CR額定電壓 24 V輸出轉(zhuǎn)矩 3.5 Nm輸出轉(zhuǎn)速 6400 rpm13空載電流 0.058 A轉(zhuǎn)速常數(shù) 286 rpm/V轉(zhuǎn)矩常數(shù) 34.8 mNm/A2.3.3 軸承選型軸承的選擇并不是只考慮軸徑一個因素，還要考慮到軸承的性能，一般要考慮到其壽命、可靠度（指該軸承達到或超過規(guī)定壽命的概率）、靜載荷、動載荷、額定壽命、基本額定壽命、基本額定載荷等等很多因素。最主要的是允許空間、載荷的大小和方向、軸承工作轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)精度、軸承的剛性（一般磙子軸承的剛性大于球軸承）、軸向游動、安裝和拆卸。因為在本設計的軸上徑向載荷大，軸向載荷小，而且存在軸或殼體變形大以及安裝對中性差的問題，所以選用調(diào)心滾子軸承，因為調(diào)心磙子軸承主要承受徑向載荷，也可同時承受少量的雙軸向載荷，而圓錐磙子軸承有打的錐角可承受大的徑、軸向聯(lián)合載荷。所以選用（雙列向心）圓錐磙子軸承，有雙內(nèi)圈，并是可分離的軸承，根據(jù) d=32mm,由參考資料 2P7－356 表 7－2－78 帶緊定套的調(diào)心滾子軸承（GB/T288-1994），選用 22218CK/W33+H318 軸承，其基本額定載荷為 =240KN, =322KN, 根據(jù)軸承選用配套的軸承rC0r座，參考資料 2P7-43 表 7-2-105 適用圓錐孔的異徑孔滾動軸承座(GB/T7813-1998) SNK 型軸承座，可選用 SNK316 型的軸承。143 摘 果 機 三 維 建 模3.1 總體的三維建模153.2 底部輪式車的三維建模16173.3 電動缸的三維建模18結(jié)論在最近一段時間的畢業(yè)設計，使我們充分把握設計方法和步驟，不僅復習所學的知識，而且還獲得新的經(jīng)驗與啟示，在各種軟件的使用找到的資料或圖紙設計，會遇到不清楚的作業(yè)，老師和學生都能給予及時的指導，確保設計進度，本文所設計的是全自動摘果機的設計與創(chuàng)新，通過初期的定稿，查資料和開始正式做畢設，讓我系統(tǒng)地了解到了所學知識的重要性，從而讓我更加深刻地體會到做一門學問不易，需要不斷鉆研，不斷進取才可做得好，總之，本設計完成了老師和同學的幫助下，在大學研究的最感謝幫助過我的老師和同學，是大家的幫助才使我的論文得以通過。19致謝至此在論文完成之際，向我的導師表示由衷的感謝！真心的感謝我的導師這幾年來對我的諄諄教導，感謝我敬愛的老師，您不僅在學習學業(yè)上給我以精心的指導，同時還在思想給我以無微不至的關懷支持和理解，給予我人生的啟迪，使我在順利地完成大學階段的學業(yè)同時，也學到了很多有用的做人的道理，明確了人生目標。知道自己想要什么了，不再是從前那個愛貪玩的我了。導師嚴謹求實的治學態(tài)度，銳意創(chuàng)新的學術作風，認真加負責，公而忘私的敬業(yè)精神，豁達開朗的寬廣胸懷，平易近人。經(jīng)過近半年努力的設計與計算，查找了各類的全自動摘果機的設計資料，論文終于可以完成了，我的心里無比的激動和開心。雖然它不是最完美的，也不是最好的，但是在我心里，它是我最珍惜的，因為我自己已經(jīng)盡力的做了，它是我用心、用汗水成就的，也是我在大學四年來對所學知識的應用和體現(xiàn)。四年的學習和生活，不僅豐富了我的知識，而且鍛煉了我的個人能力，更重要的是從周圍的老師和同學們身上潛移默化的學到了許多有用的知識，在此對所有關心我?guī)椭业谋磉_我由衷敬意，謝謝各位同學老師。20參考文獻[1]金清肅，機械設計課程設計（第一版）[M]. 武漢：華中科技大學出版社， 2007.10[2]濮良貴，紀名剛.機械設計( 第八版)[M]. 北京：高等教育出版社， 2006.5[3]吳宗澤，機械設計使用手冊（第二版）.北京：化學工業(yè)出版社， 2003.10[4]吳宗澤,羅圣國.機械設計課程設計手冊( 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