【JX17-67】水稻苗间除草机械手设计（二维+三维+论文）
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JX17-67
【JX17-67】水稻苗间除草机械手设计二维+三维+论文
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【JX17-67】水稻苗间除草机械手设计（二维+三维+论文）,JX17-67,【JX17-67】水稻苗间除草机械手设计二维+三维+论文
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i 摘摘 要要 长期以来水田除草都依靠化学除草剂或人力完成，即使借助某些专用工具，仍然 劳动强度大，工作效率底，而且使得土壤的土质受到极大的影响使土壤硬化，肥力下 降。到目前水稻的除草机械手还比较少，虽然其他国家有除草机械但是不适应我国的 水田，有些国家的水田除草机械还对我国禁售。为了解决水田苗间除草的劳动强度大、 农时紧的问题；提高作业质量，可以一次性完成水田机械除草，而不用化学除草剂。 推进水稻生产机械化，提高水稻生产机械化，加强水稻综合生产能力建设，研制一种 高效的水田除草机械手是很有必要的。 通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，对机械 手各部分机械结构和功能的论述和分析，设计了一种关节形式的除草机械手。重点针 对机械手的腰座、手臂、手爪等各部分机械结构进行了详细的设计。具体进行了机械 手的总体设计，腰座结构的设计，机械手手臂结构的设计，机械手腕部的结构设计， 两种末端执行器的结构设计，机械手的机械传动机构的设计，机械手驱动系统的设计。 达到了设计的预期目标。为除草设备与水田除草机械的研发提供了科学依据和方法。 运用 SolidWorks 软件对除草机械手进行三维建模，确定各部件尺寸、材料、加工方法， 整机的动力系统。 关键词：除草；农业机械；设计；苗间除草；行间除草 i Abstract For a long time all rely on chemical herbicide for paddy field weeding or manpower to complete，even with the help of some special tools， still high labor intensity，low work efficiency，but also makes the soil soil greatly affected the soil hardening，fertility decline. The mechanical hand weeding in rice is still relatively small，while other countries have mechanical weeding but not adapt to Chinas paddy fields，some of the countrys paddy field weeding of Chinese mechanical lock. In order to solve the labor intensity of the paddy field weeding， farming tight problems; improve the quality of work，can be a one-time completion of paddy field weeding machine，without the use of chemical herbicides. It is necessary to promote the mechanization of rice production，to improve the mechanization of rice production， to strengthen the comprehensive production capacity of rice， and to develop an efficient paddy field weeding robot. Through the integration of mechanical design manufacturing and automation professional undergraduate university four years of knowledge，discussion and analysis of the manipulator mechanical structure and function of each part，designed a mechanical hand weeding joint form. Focus on the mechanical arm of the seat，arm，hand and other parts of the mechanical structure of a detailed design. The overall design of the manipulator，the waist place structure design，design of manipulator arm structure，mechanical structure design of the wrist，the structure design of two kinds of end effector，design of mechanical transmission mechanism of manipulator，manipulator driven system design. To achieve the desired objectives of the design. It provides scientific basis and method for the research and development of weeding equipment and paddy field weeding machine. SolidWorks software is used to carry out 3D modeling of the weeding manipulator，and the size，material and processing method of each component are determined. Keyways: weeding；Agricultural machinery；design；Seedlings weeding；Between weeding 1 目 录 摘摘 要要.I ABSTRACT .I 目目 录录.1 第第 1 1 章章 绪论绪论.3 1.1 选题背景3 1.2 国内外除草机械手研究现状与发展趋势3 1.2.1 国外研究现状 3 1.2.2 国内研究现状 4 1.3 本课题的主要内容和研究方法5 第第 2 2 章章 设计方案的论证设计方案的论证.6 2.1 机械手的总体设计.6 2.1.1 机械手总体结构的类型 6 2.1.2 设计具体采用方案 7 2.2 机械手腰座结构的设计7 2.2.1 机械手腰座结构的设计要求 8 2.2.2 设计具体采用方案 8 2.3 机械手手臂的结构设计9 2.3.1 机械手手臂的设计要求 9 2.3.2 设计具体采用方案 10 2.4 机械手腕部的结构设计11 2.4.1 机器人手腕结构的设计要求 11 2.4.2 设计具体采用方案 .11 2.5 机械手末端执行器（手爪）的结构设计.12 2.5.1 机械手末端执行器的设计要求 .12 2.5.2 机器人夹持器的运动和驱动方式 .13 2.5.3 机器人夹持器的典型结构 13 2.5.4 设计具体采用方案 .14 2.6 机械手的机械传动机构的设计.14 2.7 机械手驱动系统的设计.14 2.8 机器人手臂的平衡机构设计15 2.8.1 机器人平衡机构的形式 .15 2.8.2 设计具体采用的方案 .15 第第 3 3 章章 理论分析和设计计算理论分析和设计计算.16 3.1 液压传动系统设计计算.16 3.1.1 确定液压系统基本方案 .16 3.1.2 确定液压系统的主要参数 .16 2 3.1.3 计算和选择液压元件 .19 3.2 电机选型有关参数计算20 3.2.1 有关参数的计算 .20 3.2.2 电机型号的选择 .22 结结 论论.24 参考文献参考文献.25 致致 谢谢.27 3 第 1 章 绪论 1.1 选题背景 水稻是我国最主要的粮食作物，其种植面积近 3200 万公顷，产量约占粮食总产的 44%1。然而稻田杂草与水稻争夺生长空间、肥料养分、光照、水、热等资源，影响水 稻的生长发育，是造成水稻产量下降和品质降低的主要原因之一，每年由草害引起的 水稻产量损失率在 15%以上2。因此，在水稻的生产过程中，科学有效地控制草害是 确保水稻健康生长，实现高产、优质的必不可少的关键环节之一。 化学药剂除草是目前应用最广泛的一种除草方式，它具有快速、高效、经济等优 点。然而 20 世纪 80 年代以来，世界范围内除草剂的大面积使用，带来了诸多负面问 题，如杂草的抗药性3、作物药害4、生态环境污染等5。随着现代农业的发展，以及 人们环境保护意识的加强和对食品质量安全问题的重视，除草剂减量防除技术逐渐发 展起来，机械除草、农业防除和生物防治等非化学除草技术得到了更多的研究和应用。 在水稻田间非化学除草的防治技术中，机械除草技术发展迅速，并有相应的水稻田间 除草装备在农业生产中应用。 在水稻生长过程中，除草剂的过量使用不仅降低稻米品质，而且污染土壤和水源， 破坏生态环境6。由于人工除草劳动强度大，除草效率低，所以机械除草被视为“绿色 大米”种植过程中最佳的除草方式。采用机械除草改变了用化学药剂除草的作法，工作 效率比人工作业提高 5 倍。机械中耕除草为幼苗根系生长发育提供了疏松土壤，避免 了使用化学除草剂造成土壤不能有效疏松，遏制根系延伸的缺点，促进幼苗的生长7。 然而，水稻中耕除草机械在我国还是空白。目前，随着水稻品种及栽培研究的深入， 为适应水稻单产不断提高和机械化种植的需要，水稻种植行距逐步加大，日本、韩国 及我国大部分地区采用宽行栽培。对于苗间除草技术的研究，国内还处于起步阶段， 市场现存大多数除草机只能除去行间杂草，而对于苗间杂草无法达到理想的除草效果。 因此，现阶段生产的除草机均不能满足农艺要求。所以苗间除草机械手的研制对我国 绿色农业的发展有这重要的意义。 1.2 国内外除草机械手研究现状与发展趋势 1.2.1 国外研究现状 田间除草作业是保护性耕作的关键技术，国外从 20 世纪 50 年代起开始对机械除 4 草技术进行研究经过多年的研究和改进，目前已经拥有一系列成熟的除草作业机具， 能较好地满足作业要求。 1）欧美及澳大利亚 欧美及澳大利亚等国家水稻种植方式以直播为主。直播水稻田稻种与草种同时萌 发，根系深度无明显差异，杂草个体生长空间大，草量是移栽水稻田自然发生量的数 倍；此外，撒播稻田内秧苗无序生长，植保机具无法下田。因此，直播水稻田杂草防 治以化学防治为主，即施用高效除草剂灭草，少见机械除草方式。近年来，随着传感 器和人工智能技术的发展，杂草视觉识别技术发展迅速，并应用于除草机器人的研究。 Lee 等研究出一种应用机器视觉技术的除草机器人8，该机器人可以识别株间杂草，并 控制喷头定点喷药9。Lamm 等建立了一个实时的棉田杂草视觉识别系统，识别杂草 并进行喷药。虽然欧美国家智能除草技术的研究主要针对旱田作物，但其技术带动了 除草剂变量喷施、减量化学投入技术的发展，为水田智能除草机器人的开发提供了技 术基础。 2）日本 亚洲国家的水稻种植方式通常以移栽为主，其中日本水稻移栽装备与机械化水平 最高。近年来，有机农业在日本发展迅速，有机稻米颇受消费者的青睐，因此，根据 市场的需求以及有机稻栽培的生产要求，一些研究机构和农机生产企业开发了水田除 草机。 3）亚洲其它主要水稻种植国 亚洲一些水稻主产国如印度、印尼、孟加拉等国家，水田杂草防治主要以化学防 治为主，辅以简易除草器10或人工除草。近年来，印度也有机动水田除草机的研究， 仅能进行行间除草，Tajuddin 等研制的水田行间除草机可同时进行 3 行作业，作业效 率为 0.075hm2/h11。 韩国水稻机械化种植程度较高，目前杂草防治也主要以化学防治为主。部分机械 除草设备主要从日本引进，然后结合当地实际，对除草关键部件进行改进，最后通过 试验取得了良好的除草效果12。 国外的机械除草技术普遍具有科技含量高、研发和生产成本高、对作业人员专业 素质要求高等特点。针对我国农村经济不发达、农业作业人员科学技术水平普遍偏低、 地块小、人均耕地面积小等特点研发除草机械时，应更多的借鉴一些生产成本低、作 业方法简易、易于维护、功耗小、便于存放的机型。 1.2.2 国内研究现状 我国早在 20 世纪 50 年代开始机动水田中耕除草机的研究，到 20 世纪 80 年代初 相继有十余种机型。如浙江省机械科学研究所设计的立旋式水稻中耕除草机13；东北 5 农学院研制的 SZD-6 旋耕式水田中耕除草机等，但当时研制的除草机只适用于行间除 草，而不能除掉株间杂草。随着除草剂在中国水稻生产中的广泛应用，在相当一段时 间内，水田机械除草方式在中国几乎绝迹。近年来，随着人们对环保和健康的重视， 减量或无化学药剂除草方式得到提倡，水田机械除草技术又被重新关注，部分研究机 构和农机企业研制了新型水田除草机，但目前仍未大面积应用。 延吉市农机推广中心研制生产的 3ZS-1 水田除草机应用水平旋转的除草刀和起垄 部件，把泥水覆盖到杂草上，致使其停止生长，该机既能消灭行间杂草，又能消灭株 间杂草。东北农业大学设计了一种株间除草机械手，通过钢丝软轴驱动弹齿除草盘转 动，将土壤搅动、翻转并连同杂草翻出地表并将其覆盖，完成除草作业，除草率可达 70%以上15。 中国水田行株间除草机研究尚处在理论和试验研究阶段，尚未完成成熟；与发达 国家相比，国内自行研制的水田除草机械作业幅宽小，生产效率低、机械除草技术相 对落后如东北农大研制的水田中耕除草机能够同时去除行间和苗间杂草，但作业时转 向困难、造成大面积乳苗、不适用与山区和丘陵地区作业16。 目前，日本市场上出售的水田除草机尚未对中国市场开放，因此，急需借鉴国外 先进的技术并结合中国水稻生产实际，开发水田中耕除草装备，为中国有机稻米的生 产提供技术保障。 1.3 本课题的主要内容和研究方法 本文主要通过对水田中耕除草机关键部件的工作原理进行分析，针对水稻生长过 程中，水稻根部入土深度明显大于杂草根深的特点。采用理论分析，三维建模相结合 的方法，对除草机械手的机理与参数进行研究。为苗间除草设备与水田除草机械手的 研发提供了科学依据和方法，从而设计出苗间除草机械手。主要研究的内容如下： 除草机械手的结构设计。重点针对机械手的腰座、手臂、手爪等各部分机械结构 进行了详细的设计。具体进行了机械手的总体设计，腰座结构的设计，机械手手臂结 构的设计，机械手腕部的结构设计，两种末端执行器（手爪）的结构设计，机械手的 机械传动机构的设计，机械手驱动系统的设计。 研究方法： 查阅文献法 采网上査询、文献搜索等多种方法相结合，充分了解国内外研究现 状和发展趋势。 软件辅助设计法 运用三维软件对水田除草机械手进行三维实体建模 理论分析法 针对具体的工作性能耍求，对关键部件的工作机理进行分析，根 据工作原理进行建模从而完成关键部件的设计。 6 第 2 章 设计方案的论证 2.1 机械手的总体设计 2.1.1 机械手总体结构的类型 工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节 型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下。 1.直角坐标机器人结构 直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图 2-1。由 于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位 置精度（m 级） 。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲， 是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他 类型的机器人的结构尺寸大得多。 直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业 及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。 2.圆柱坐标机器人结构 圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图 2- 1.b。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆 柱状的空间。 3. 球坐标机器人结构 球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图 2- 1.c。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作 空间是一个类球形的空间。 4. 关节型机器人结构 关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图 2-1.d。关节型机器人动 作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机 器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类 型的机器人。 关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。 7 图图 2-1 四种机器人坐标形式四种机器人坐标形式 2.1.2 设计具体采用方案 图图 2-2 机械手工作布局图机械手工作布局图 具体到本设计，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、 提高可靠度。该机械手在工作中需要 4 种运动，其中手臂的伸缩和升降为两个直线运 动，另一个为手臂的回转运动，为了方便抓取杂草，手爪还需要一个旋转的自由度， 综合考虑，机械手自由度数目取为 4，坐标形式选择关节型机器人结构，即两个转动自 由度两个移动自由度，其特点是:结构比较简单，手臂运动范围大，且有较高的定位准 确度。机械手工作布局简图如图 2-2 所示。 2.2 机械手腰座结构的设计 进行了机械手的总体设计后，就要针对机械手的腰部、手臂、手腕、末端执行器 8 等各个部分进行详细设计。 2.2.1 机械手腰座结构的设计要求 腰座，就是圆柱坐标机器人，球坐标机器人及关节型机器人的回转基座。它是机 器人的第一个回转关节，机器人的运动部分全部安装在腰座上，它承受了机器人的全 部重量。在设计机器人腰座结构时，要注意以下设计原则： 1.腰座要有足够大的安装基面，以保证机器人在工作时整体安装的稳定性。 2.腰座要承受机器人全部的重量和载荷，因此，机器人的基座和腰部轴及轴承的结 构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。 3.机器人的腰座是机器人的第一个回转关节，它对机器人末端的运动精度影响最大， 因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证。 4.腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器（电动、液压及气动）及减 速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。 5.腰部结构要便于安装、调整。腰部与机器人手臂的联结要有可靠的定位基准面， 以保证各关节的相互位置精度。要设有调整机构，用来调整腰部轴承间隙及减速器的 传动间隙。 6.为了减轻机器人运动部分的惯量，提高机器人的控制精度，一般腰部回转运动部 分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。 2.2.2 设计具体采用方案 腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液压缸或 液压马达来实现，目前的趋势是用前者。因为电动方式控制的精度能够很高，而且结 构紧凑，不用设计另外的液压系统及其辅助元件。考虑到腰座是机器人的第一个回转 关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。一般电 机都不能直接驱动，考虑到转速以及扭矩的具体要求，采用大传动比的齿轮传动系统 进行减速和扭矩的放大。因为齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故采用一级 齿轮传动，采用大的传动比（大于 100） ，同时为了减小机械手的整体结构，齿轮采用 高强度、高硬度的材料，高精度加工制造，尽量减小因齿轮传动造成的误差。腰座具 体结构如图 2-3 所示： 9 图图 2-3 腰座结构图腰座结构图 2.3 机械手手臂的结构设计 2.3.1 机械手手臂的设计要求 机器人手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机器人所要求的工 作空间内的运动。在进行机器人手臂设计时，要遵循下述原则； 1.应尽可能使机器人手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点， 这样可以使机器人运动学正逆运算简化，有利于机器人的控制。 2.机器人手臂的结构尺寸应满足机器人工作空间的要求。工作空间的形状和大小与 机器人手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。但机器人手臂末端工作空间 并没有考虑机器人手腕的空间姿态要求，如果对机器人手腕的姿态提出具体的要求， 则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。 3.为了提高机器人的运动速度与控制精度，应在保证机器人手臂有足够强度和刚度 的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材 料，通常选用高强度铝合金制造机器人手臂。目前，在国外，也在研究用碳纤维复合 材料制造机器人手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小，但是其价格 昂贵，且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故还未能在生产实 际中推广应用。目前比较有效的办法是用有限元法进行机器人手臂结构的优化设计。 在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机器人手臂的重量。 4.机器人各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。因此， 10 各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。 5.机器人的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负载和提 高机器人手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机器人的手臂时，应尽可能利用 在机器人上安装的机电元器件与装置的重量来减小机器人手臂的不平衡重量，必要时 还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。 6.机器人手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块， 以及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。 2.3.2 设计具体采用方案 机械手的大臂和小臂配合的组合运动可以理解为直线运动。直线运动的实现一般 是气动传动，液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到适应不同的工作环境， 抓取不同重量的料，同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性，对手臂 的刚度有较高的要求。综合考虑，两手臂的驱动均选择液压驱动方式，通过液压缸的 直接驱动，而且液压缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。 因为液压系统能提供很大的驱动力，因此在驱动力和结构的强度都是比较容易实 现的，关键是机械手运动的稳定性和刚度的满足。因此手臂液压缸的设计原则是缸的 直径取得大一点，再进行强度的较核。 同时，因为控制和具体工作的要求，机械手的手臂的结构不能太大，若仅仅通过 增大液压缸的缸径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的。因此，在设计时底座部 分使用了双液压泵，尽量增加其刚度；能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比较 好的解决了结构、稳定性的问题。 在结构上，模仿了挖掘机的机构原理，并进行了一系列改进，使力的分配合理有 效。具体的臂部结构见图 2-4 11 2-4 臂部结构示意图臂部结构示意图 2.4 机械手腕部的结构设计 机器人的手臂运动（包括腰座的回转运动） ，给出了机器人末端执行器在其工作空 间中的运动位置，而安装在机器人手臂末端的手腕，则给出了机器人末端执行器在其 工作空间中的运动姿态。机器人手腕是机器人操作机的最末端，它与机器人手臂配合 运动，实现安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态，完成所需要的作 业动作。 2.4.1 机器人手腕结构的设计要求 1.机器人手腕的自由度数，应根据作业需要来设计。机器人手腕自由度数目愈多， 各关节的运动角度愈大，则机器人腕部的灵活性愈高，机器人对对作业的适应能力也 愈强。但是，自由度的增加，也必然会使腕部结构更复杂，机器人的控制更困难，成 本也会增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。在满足作业要求 的前提下，应使自由度数尽可能的少。一般的机器人手腕的自由度数为 2 至 3 个，有 的需要更多的自由度，而有的机器人手腕不需要自由度，仅凭受臂和腰部的运动就能 实现作业要求的任务。因此，要具体问题具体分析，考虑机器人的多种布局，运动方 案，选择满足要求的最简单的方案。 2.机器人腕部安装在机器人手臂的末端，在设计机器人手腕时，应力求减少其重量 和体积，结构力求紧凑。为了减轻机器人腕部的重量，腕部机构的驱动器采用分离传 动。腕部驱动器一般安装在手臂上，而不采用直接驱动，并选用高强度的铝合金制造。 3.机器人手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上要便于装 卸末端执行器。 4.机器人的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。 5.要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。 6.手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。 2.4.2 设计具体采用方案 通过对水田除草作业的具体分析，考虑在满足系统工艺要求的前提下提高安全和 可靠性，为使机械手的结构尽量简单，降低控制的难度，本设计手腕和小臂设计在一 起，可以简化设计工作量实践证明这是完全能满足作业要求的，4 个自由度来实现杂草 12 的去除完全足够。具体的手腕结构见图 2-5 手爪联结结构。 图图 2-5 手爪联结结构手爪联结结构 2.5 机械手末端执行器（手爪）的结构设计 2.5.1 机械手末端执行器的设计要求 机器人末端执行器是安装在机器人手腕上用来进行某种操作或作业的附加装置。 机器人末端执行器的种类很多，以适应机器人的不同作业及操作要求。末端执行器可 分为搬运用、加工用和测量用等。 搬运用末端执行器是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体。 加工用末端执行器是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机器人附加装置， 用来进行相应的加工作业。 测量用末端执行器是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。 在设计机器人末端执行器时，应注意以下问题； 1.机器人末端执行器是根据机器人作业要求来设计的。一个新的末端执行器的出现， 就可以增加一种机器人新的应用场所。因此，根据作业的需要和人们的想象力而创造 的新的机器人末端执行器，将不断的扩大机器人的应用领域。 2.机器人末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力的总和机器人容许的负荷 力。因此，要求机器人末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。 3.机器人末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。万能末端执行器在结构上很复杂， 甚至很难实现，例如，仿人的万能机器人灵巧手，至今尚未实用化。目前，能用于生 产的还是那些结构简单、万能性不强的机器人末端执行器。从工业实际应用出发，应 13 着重开发各种专用的、高效率的机器人末端执行器，加之以末端执行器的快速更换装 置，以实现机器人多种作业功能，而不主张用一个万能的末端执行器去完成多种作业。 因为这种万能的执行器的结构复杂且造价昂贵。 4.通用性和万能性是两个概念，万能性是指一机多能，而通用性是指有限的末端执 行器，可适用于不同的机器人，这就要求末端执行器要有标准的机械接口（如法兰） ， 使末端执行器实现标准化和积木化。 5.机器人末端执行器要便于安装和维修，易于实现计算机控制。用计算机控制最方 便的是电气式执行机构。因此，工业机器人执行机构的主流是电气式，其次是液压式 和气压式（在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节） 。 2.5.2 机器人夹持器的运动和驱动方式 机器人夹持器及机器人手爪。一般工业机器人手爪，多为双指手爪。按手指的运 动方式，可分为回转型和移动型，按夹持方式来分，有外夹式和内撑式两种。 机器人夹持器（手爪）的驱动方式主要有三种 1.气动驱动方式 这种驱动系统是用电磁阀来控制手爪的运动方向，用气流调节 阀来调节其运动速度。由于气动驱动系统价格较低，所以气动夹持器在工业中应用较 为普遍。另外，由于气体的可压缩性，使气动手爪的抓取运动具有一定的柔顺性，这 一点是抓取动作十分需要的。 2.电动驱动方式 电动驱动手爪应用也较为广泛。这种手爪，一般采用直流伺 服电机或步进电机，并需要减速器以获得足够大的驱动力和力矩。电动驱动方式可实 现手爪的力与位置控制。但是，这种驱动方式不能用于有防爆要求的条件下，因为电 机有可能产生火花和发热。 3.液压驱动方式 液压驱动系统传动刚度大，可实现连续位置控制。 2.5.3 机器人夹持器的典型结构 1.楔块杠杆式手爪 利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。 2.滑槽式手爪 当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活 塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。 3.连杆杠杆式手爪 这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆 的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。 14 4.齿轮齿条式手爪 这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。 5.平行杠杆式手爪 采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动， 比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多。 2.5.4 设计具体采用方案 结合具体的工作情况，本设计采用连杆杠杆式的手爪。驱动活塞往复移动，通过 活塞杆使手爪张开或闭合。手爪的具体结构形式如图 2-6 机械手末端执行机构结构图 所示： 图图 2-6 机械手末端执行手爪结构图机械手末端执行手爪结构图 2.6 机械手的机械传动机构的设计 具体到本设计，手臂部分，由于液压缸实现直接驱动，它既是关节机构，又是动 力元件。故不需要中间传动机构，这既简化了结构，同时又提高了精度。而机械手腰 部的回转运动采用步进电机驱动，必须采用传动机构来减速和增大扭矩。经分析比较， 选择圆柱齿轮传动，为了保证比较高的精度，尽量减小因齿轮传动造成的误差；同时 大大增大扭矩，同时较大的降低电机转速，以使机械手的运动平稳，动态性能好。这 里只采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于 100） ，齿轮采用高强度、高硬度的材 料，高精度加工制造。 手爪部分，采用气缸驱动。气缸轴带动手爪的四杆机构形成夹取运动。 15 2.7 机械手驱动系统的设计 具体到本设计，在分析了具体工作要求后，综合考虑各个因素。机械手腰部的旋 转运动需要一定的定位控制精度，故采用步进电机驱动来实现；因为手臂重量较大， 故大小臂均采用液压驱动；要求水平手臂具有伺服定位能力，故采用电液伺服液压缸 进行驱动。 而手爪的张开和夹紧通过气缸驱动来实现，即手爪在气缸推力作用下使手爪张开 和闭合。 2.8 机器人手臂的平衡机构设计 直角坐标型、圆柱坐标型和球坐标型机器人可以通过合理布局，优化设计结构， 使得手臂本身可能达到平衡。关节机器人手臂一般都需要平衡装置，以减小驱动器的 负荷，同时缩短启动时间。 2.8.1 机器人平衡机构的形式 通常，机器人所采用的平衡机构主要有以下几种： 1.配重平衡机构 这种平衡装置结构简单，平衡效果好，易于调整，工作可靠，但增加了机器人手 臂的惯量与关节轴的载荷。一般在机器人手臂的不平衡力矩比较小的情况下采用这种 平衡机构。 2.弹簧平衡机构 弹簧平衡机构，机构简单、造价低、工作可靠、平衡效果好、易维修，因此应用 广泛。 3.活塞推杆平衡机构 活塞式平衡系统有液压和气动两种：液压平衡系统平衡力大，体积小，有一定的 阻尼作用；气动平衡系统，具有很好的阻尼作用，但体积比较大。活塞式平衡需要配 备有专门的液压或气动装置，系统复杂，因此造价高，设计、安装和调试都增加了难 度，但是平衡效果好。用于配重平衡、弹簧平衡满足不了工作要求的场合。 2.8.2 设计具体采用的方案 因为本设计机械手采用关节型的结构，而且在手臂的结构设计以及整个机械手的 设计和布局中都重点考虑了机械手手臂的平衡问题，通过合理布局，优化设计结构， 16 使得手臂本身尽可能达到平衡。 17 第 3 章 理论分析和设计计算 3.1 液压传动系统设计计算 3.1.1 确定液压系统基本方案 液压执行元件大体分为液压缸和液压马达，前者实现直线运动，后者实现回转运 动。二者的特点及适用场合见表 3-1： 表表 3-1 名名 称称特特 点点适适 用用 场场 合合 双活塞杆液压缸双向对称双向工作的往复场合 单活塞杆液压缸有效工作面积大、 双向不对称 往返不对称的直线运动，差动 连接可实现快进 柱塞缸结构简单单向工作，靠重力或其它外力 返回 摆动缸单叶片式小于 360 双叶片式小于 180 小于 360 的摆动 小于 180 的摆动 齿轮马达结构简单、价格便宜 高转速、低转矩的回转运动 叶片马达体积小、转动惯量小高速低转矩、动作灵敏的回转 运动 摆线齿轮马达体积小、输出转矩大低速、小功率大转矩的回转运 动 轴向柱塞马达运动平稳、转矩大、转速范围 宽 大转矩的回转运动 径向柱塞马达转速低，结构复杂，输出转矩 大 低速大转矩回转运动 本设计因为机械手的形式为关节形式，具有 4 个自由度，两个个转动，两个移动 自由度。同时考虑机械手的工作载荷和工作现场环境对机械手布局以及定位精度的具 体要求以及计算机的控制的因素，腰部的回转以及腕部的回转用电机驱动实现，剩下 的两个运动均为直线运动。因此，机械手的大臂和小臂都采用单活塞杆液压缸，来实 现往复运动。 18 3.1.2 确定液压系统的主要参数 液压系统的主要参数是压力和流量，他们是设计液压系统，选择液压元件的主要 依据。压力决定于外载荷，流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。 1.计算液压缸的总机械载荷 根据机构的工作情况液压缸所受的总机械载荷为 （3-1） bfsfmw FFFFFF 式中， -为外加的载荷，因为水平方无外载荷，故为 0； w F -为活塞上所受的惯性力； m F -为密封阻力； sf F -为导向装置的摩擦阻力； f F -为回油被压形成的阻力； b F （1）的计算 m F （3-2） t v g G Fm 式中， -为液压缸所要移动的总重量，取为 10KG；G -为重力加速度， ；g 2 /81 . 9 sm -为速度变化量；v -启动或制动时间，一般为 0.010.5，取 0.2st 将各值带入上式，得：=1.02 m FN （2）的计算 sf F （3-3） 1 ApF fsf 式中，-克服液压缸密封件摩擦阻力所需空载压力，如该液压缸工作压力 f p 16 ，查相关手册取=0.2 ； a MP a MP -为进油工作腔有效面积； 1 A 19 启动时： 565N sf F 运动时： 283N sf F （3）的计算 f F 机械手水平方向上有两个导杆，内导杆和外导套之间的摩擦力为 （3-4）fGFf 式中，-为机械手总重量，取为 10KG；G -为摩擦系数，取 f=0.1；f 带入数据计算得： =98 f FN （4）的计算 b F 回油背压形成的阻力按下式计算 （3-5） 2 ApF bb 式中，-为回油背压，一般为 0.30.5 ，取=0.3 b p a MP a MP a MP -为有杆腔活塞面积，考虑两边差动比为 2； 2 A 将各值带入上式有，NFb424 分析液压缸各工作阶段受力情况，作用在活塞上的总机械载荷为NF1088 2.液压缸主要参数的确定 针对本设计是一个机械手的特点考虑，机械手系统的刚度及其稳定性是很重要的。 因此，先从刚度角度进行液压缸缸径的选择，以尽量优先保证机械手的结构和运动的 稳定性、安全性。至于液压缸的工作压力和缸的工作速度，放在液压系统设计阶段， 通过外部的液压回路、采用合适的调速回路和元件来实现。经过仔细分析，综合考虑 各方面的因素，初步确定各液压缸的基本参数如下； 表表 3-3 大臂液压缸参数大臂液压缸参数 缸内径缸内径 mm 壁厚壁厚 mm 杆直径杆直径 mm 行程行程 mm 工作压力工作压力 mm 4010254002 臂液压缸主要承受轴向力，同时液压泵也作为臂部机构。它既是关节机构，又是 动力元件。 表表 3-4 小臂液压缸参数小臂液压缸参数 20 缸内径缸内径 mm 壁厚壁厚 mm 杆直径杆直径 mm 行程行程 mm 工作压力工作压力 mm 4010251001 大臂液压泵选用 2 个，小臂液压泵选用 2 个。 3.1.3 计算和选择液压元件 1.液压泵的计算 （1）确定液压泵的实际工作压力 p p （3-12） 11 pppp 式中，-计算工作压力，前以定为； 1 pMPa4 -对于进油路采用调速阀的系统，可估为（0.51.5），这里 1 pMPa 取为 1。MPa 因此，可以确定液压泵的实际工作压力为 （3-13）MPapp514 （2）确定液压泵的流量 （3-14） max qKqp 式中，-为泄露因数，取 1.1；K -为机械手工作时最大流量。 max q （3-15）vAq max 经计算得 =3.140 max q 带入上式得 min/454 . 3 140 . 3 1 . 1Lqp （3）确定液压泵电机的功率 （3-16） 60 2 max qp P p 工 式中，-为最大运动速度下所需的流量，同前，取为 3.140； max qmin/L -液压泵实际工作压力，5； p pMPa 21 -为液压泵总效率，取为 0.8； 带入数据计算得： =。 工 P0.654kw 2.控制元件的选择 根据系统最高工作压力和通过该阀的最大流量，在标准元件的产品样本中选取各 控制元件。这部分在考虑具体的作业时根据详细的要求再结合具体情况进行详细，这 里暂从略。 3.2 电机选型有关参数计算 3.2.1 有关参数的计算 1.若传动负载作回转运动 负载额定功率： （3-17） 9550 1 0 L NT P 负载加速功率： （3-18） a LL a t NGD P 3 22 103577 负载力矩（折算到电机轴）： （3-19） l M L L T N N T 负载 GD（折算到电机轴）： （3-20） 222 )( l M L L GD N N GD 起动时间： （3-21） )(375 )( 22 LP MLM a TT NGDGD t 制动时间： （3-22） )(375 )( 22 LP MLM d TT NGDGD t 式中，-为额定功率，KW； 0 P -为加速功率，KW； a P 22 -为负载轴回转速度，r/min； l N -为电机轴回转速度，r/min； M N -为负载的速度，m/min； l V -为减速机效率； -为摩擦系数； -为负载转矩（负载轴） ， ； l T -为电机启动最大转矩， ； p T -为负载转矩（折算到电机轴上） ， ； L T -为负载的， ； 2 l GD -为负载（折算到电机轴上） ， ； 2 L GD -为电机的， ； 2 M GD 具体到本设计，因为步进电机是驱动腰部的回转，传递运动形式属于第二种。下 面进行具体的计算。 因为腰部回转运动只存在摩擦力矩，在回转圆周方向上不存在其他的转矩，则在 回转轴上有； （3-23）RfGRFT fl 式中，-为滚动轴承摩擦系数，取 0.005；f -为机械手本身与负载的重量之和，取 100；G -为回转轴上传动大齿轮分度圆半径，R=240；R 带入数据，计算得=0.12； l T 同时，腰部回转速度定为=5r/min；传动比定为 1/120； l N 且， 带入数据得：=10.45667。 2 mgDGDl l GD 将其带入上式，得： ；WP3227 . 1 0 ；WPa0068. 0 23 启动时间 ； mssta3002962. 0 制动时间 ；mstd3 折算到电机轴上的负载转矩为：。0010523. 0 L TmN 3.2.2 电机型号的选择 1.腰部电机型号选择 根据以上结果，综合考虑各种因素，选择国产北京和利时电机技术有限公司（原 北京四通电机公司）的步进电机，具体型号为：110BYG550B-SAKRMA-0301 或 110BYG550B-SAKRMT-0301 或 110BYG550B-BAKRMT-0301， 该步进电机高转矩，低振动，综合性能很好。下图为 110BYG550B-SAKRMA- 0301 型步进电机矩频特性曲线和相关技术参数。 驱动方式：升频升压； 步距角：0.36； 其中步距角 0.36，同时因为腰部齿轮传动比为 1：120，步进电机经过减速后传递 到回转轴，回转轴实际的步距角将为电机实际步距角的 1/120（理论上） ，虽然实际上 存在着间隙和齿轮传动非线性误差，实际回转轴的最小步距角也仍然是很小的，故其 精度是相当高的，完全能满足机械手上下料的定位精度要求。 图图 3-2 所选电机相关参数所选电机相关参数 24 图图 3-3 110BYG550B-SAKRMA-0301 步进电机的矩频特性曲线步进电机的矩频特性曲线 2.臂部电机型号选择 由于臂部电机负载较小，综合考虑，选用 57STH76-2804A 型号步进电机。下图 为 57STH76-2804A 型步进电机的相关技术参数。 图图 3-4 57STH76-2804A 型步进电机技术参数型步进电机技术参数 25 结 论 本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年所学知识进行整合，完 成一个水田除草机械手的设计，比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的 理论研究水平、实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施 目标，实现了理论和实践的有机结合。 本设计摒弃了照搬照抄国外设计，不具体问题具体分析，不顾具体工作要求，一 味仿照国外原型，盲目选择高精度、高性能、高价格的先进元件和设备，从而导致很 多功能根本用不着， “大材小用” ，无谓的提高了成本，造成资源浪费的老设计“套路” 和老方法。在满足系统工艺要求的前提下，将机械手系统中相对独立的环节采用高性 价比且相对简洁的结构形式和控制系统，采用模块化设计，大量采用标准化、模块化 的通用元配件，从而使成本大为降低，具有显著的技术经济性。本机械手能够实现与 农业机械相配合，实现农业作业过程中的自动化、无人化。而且，只要把手爪的结构 稍作改变，就可实现多种动作的要求。它在实际生产中的应用推广必将提高产
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