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采摘 机器人 初步设计 设计 全套 cad 图纸 以及 三维 模型

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毕业论文（设计）中期检查记录表 年 月 日 学生姓名 班级 课题名称 课题完成进度（学生自述） 存在的问题及整改措施（学生自述） 指导教师意见（课题进展情况、优缺点、整改措施等） 指导教师签名 年 月 日 学院意见 负责人签名 年 月 日 毕业论文（设计）任务书 学院 机械电气化工程学院 班级 学生姓名 学号 课题名称 多臂采摘机器人的初步设计 采摘手的设计 起止时间 2012 年 3 月 1 日 2012 年 5 月 28 日（共 14 周） 指导教师 职称 讲师 课题内容 根据国内现有的机械手的设计资料，设计一款适合采摘果实的自动化机械装置，要求结构简单，功能使用，操作性能好。具体要求如下： 求设计一个具有三个手指的仿人机械手外形，每个手指具有二个关节。 适的动力配置和控制部件，能对手指进行简单地抓取操作。 制三维图，完成运动仿真。 拟定工作进度（以周为单位） 第 1 2 周 查阅相关文献，撰写开题报告。 第 3 4 周 根据现有的机械手的设计确定采摘手的设计方案。 第 5 6 周 根据工作要求，计算并查阅相关手册，选择和设计各零部件。 第 7 9 周 运用 件，绘制二维零件图和装配图。 第 10 11 周 运用三维设计软件完成整机各零部件的三维建模并进行运动仿真。 第 12 周 从工艺性能，经济性能，实用性能等方面对产品进 行综合评价、校核、修正。 第 13 周 完成设计说明书。 第 14 周 整理材料，准备答辩。 主要参考文献 1蔡自兴 . 机器人学 M . 北京 : 清华大学出版社 , 2000 2李刚俊 , 陈永 . 机器人的三维运动仿真 J . 西南交通大学学报 ,2002, 37( 3 ) : 273 3陈幼平，马志艳，袁楚明，周祖德 . 六自由度机械手三维运动仿真研究 华中科技大学， 2006 4殷际平，何广平 M学工业出版社， 2003 5于順羊，陈扼西，马履中，等 J2007,38（ 10）： 5586李允文，工业机械手设计 M，北京：机械工业出版社， 1996 7崔玲丽，张建字，高立新，等 局 优 化 设计 J2007,33（ 4）： 3378梁喜凤，苗香雯，崔绍荣，等 J2004（ 2）： 133务下达人（签字） 同意按此计划进行设计 2011 年 12 月 1 日 任务接受人意见 任务接受人签名 2011 年 12 月 1 日 注： 1、此任务书由指导教师填写，任务下达人为指导教师。 2、此任务书须在学生毕业实践环节开始前一周下达给学生本人。 3、此任务书一式三份，一份留学院存档，一份学生本人留存，一份指导教师留存。 前 言随着电子计算机和自动控制技术的迅速发展、农业高新科技的应用和推广，农业机器人已逐步进入到农业生产领域中，并将促进现代农业向着装备机械化、生产智能化的方向发展。果蔬采摘是农业生产中季节性强、劳动强度大、作业要求高的一个重要环节，研究和开发果蔬采摘的智能机器人技术对于解放劳动力、提高劳动生产效率、降低生产成本、保证新鲜果蔬品质，以及满足作物生长的实时性要求等方面都有着重要的意义。工业领域是机器人技术的传统应用领域，目前已经得到了相当成熟的应用; 而采摘机器人工作在高度非结构化的复杂环境下，作业对象是有生命力的新鲜水果或蔬菜。同工业机器人相比，采摘机器人具有以下的特点: 作业对象娇嫩、形状复杂且个体状况之间的差异性大，需要从机器人结构、传感器、控制系统等方面加以协调和控制; 采摘对象具有随机分布性，大多被树叶、树枝等掩盖，增大了机器人视觉定位难度，使得采摘速度和成功率降低，同时对机械手的避障提出了更高的要求; 采摘机器人工作在非结构化的环境下，环境条件随着季节、天气的变化而发生变化，环境信息完全是未知的、开放的，要求机器人在视觉、知识推理和判断等方面有相当高的智能; 采摘对象是有生命的、脆弱的生物体，要求在采摘过程中对果实无任何损伤，从而需要机器人的末端执行器具有柔顺性和灵巧性; 高智能导致高成本，农民或农业经营者无法接受，并且采摘机器人的使用具有短时间、季节性、利用率不高的缺点，是限制采摘机器人推广使用的重要因素; 果蔬采摘机器人的操作者是农民，不是具有机电知识的工程师，因此要求果蔬采摘机器人必须具有高可靠性和操作简单、界面友好的特点。根据设计任务和设计要求，主要针对机械手部分进行机械方面的设计。由于设计者水平有限，本设计中难免有误漏欠妥之处，恳请老师们批评指正。序 号 题 名 页 码 备注1 毕业论文（设计）定稿2 毕业论文（设计）任务书3 毕业论文（设计）开题报告4 中期检查记录表5 指导教师（评阅）打分表6 答辩情况记录表7 综合成绩评定表卷内资料一览表购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 前 言 随着电子计算机和自动控制技术的迅速发展 、 农业高新科技的应用和推广，农业机器人已逐步进入到农业生产领域中，并将促进现代农业向着装备机械化 、 生产智能化的方向发展 。 果蔬采摘是农业生产中季节性强 、 劳动强度大 、 作业要求高的一个重要环节，研究和开发果蔬采摘的智能机器人技术对于解放劳动力 、 提高劳动生产效率 、 降低生产成本 、 保证新鲜果蔬品质，以及满足作物生长的实时性要求等方面都有着重要的意义 。 工业领域是机器人技术的传统应用领域，目前已经得到了相当成熟的应用 ; 而采摘机器人工作在高度非结构化的复杂环境下，作业对象是 有生命力的新鲜水果或蔬菜 。 同工业机器人相比，采摘机器人具有以下的特点 : 作业对象娇嫩 、 形状复杂且个体状况之间的差异性大，需要从机器人结构 、 传感器 、 控制系统等方面加以协调和控制 ; 采摘对象具有随机分布性，大多被树叶 、 树枝等掩盖，增大了机器人视觉定位难度，使得采摘速度和成功率降低，同时对机械手的避障提出了更高的要求 ; 采摘机器人工作在非结构化的环境下，环境条件随着季节 、 天气的变化而发生变化，环境信息完全是未知的 、 开放的，要求机器人在视觉 、 知识推理和判断等方面有相当高的智能 ; 采摘对象是有生命的 、 脆弱的生物体，要求在采摘过程中对果实无任何损伤，从而需要机器人的末端执行器具有柔顺性和灵巧性 ; 高智能导致高成本，农民或农业经营者无法接受，并且采摘机器人的使用具有短时间 、 季节性 、 利用率不高的缺点，是限制采摘机器人推广使用的重要因素 ; 果蔬采摘机器人的操作者是农民，不是具有机电知识的工程师，因此要求果蔬采摘机器人必须具有高可靠性和操作简单 、 界面友好的特点 。 根据设计任务和设计要求，主要针对机械手部分进行机械方面的设计。由于设计者水平有限，本设计中难免有误漏欠妥之处，恳请老师们批评指正。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 目录 1 绪论 . 1 究内容及意义 . 1 究现状 . 1 械手 . 3 2 机械手的设计 . 5 计方案 . 5 指数量 . 5 指关节数量 . 5 寸的设定 . 6 料的选择 . 6 3 动力源的选择 . 6 小型驱动模块的研究 . 6 机的选择 . 7 进电机的确定 . 8 4 传动方式选择和设计 . 8 小型传动模块研究 . 12 出端齿轮 . 12 何尺寸计算 . 10 5 零件设计 . 11 掌的设计 . 11 指底座 . 12 一个指节 . 12 二个指节 . 13 6 其他硬件系统 . 14 感器 . 14 片机 . 15 像识别系统 . 15 7 工作原理流程及形态 . 15 作原理 . 16 作形态 . 16 小 结 . 19 致 谢 . 20 参考文献 .买后包含有 纸和说明书 ,咨询 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 多臂采摘机器人的初步设计 采摘手的设计 究内容及意义 果蔬采摘是农业生产链中最耗时耗力的一个环节 ,其成本高、季节性强、需要大量劳动力高强度的工作。但是由于工业生产的迅速发展分流了大量农业劳动力以及人口老龄化加剧等原因 ,使得能够从事农业 生产的劳动力越来越少 ,单靠人工劳作已经不能满足现有的需要。随着计算机图像处理技术和各种智能控制理论的发展 ,使采用机器人采摘果蔬成为可能。果蔬采摘机器人是一类针对水果和蔬菜 , 可以通过编程来完成采摘等相关作业任务的具有感知能力的自动化机械收获系统 , 是集机械、电子、信息、智能技术、计算机科学、农业和生物等学科于一体的交叉边缘性科学 , 需要涉及机械结构、视觉图像处理、机器人运动学动力学、传感器技术、控制技术以及计算信息处理等多方面学科领域知识。采摘机器人将在解决劳动力不足、降低工人劳动强度、提高工人劳动舒适性、 减轻农业化肥和农药对人体的危害、提高采摘果蔬的质量、降低采摘成本、提高劳动生产率、保证果蔬的适时采收、提高产品的国际竞争力等方面具有很大潜力。国际上 , 一些以日本和美国为代表的发达国家 ,已经从 20世纪 80年代开始研究采摘机器人 ,并取得了一些成果。而我国在该领域中的研究还处于起步阶段 ,因此我们必须加快对采摘机器人的研究脚步以早日赶超国际水平 ,使其为我国农业的生产和发展做出重大贡献。 究现状 果蔬采摘机器人的研究开始于 20 世纪 60 年代的美国 ( 1968 年 )，采用的收获方式主要是机械震摇式和气动震摇 式。其缺点是果实易损、效率不高，特别是无法进行选择性的收获，在采摘柔软、新鲜的果蔬方面还存在很大的局限性。但在此后，随着电子技术和计算机技术的发展，特别是工业机器人技术、计算机图像处理技术和人工智能技术的日益成熟，采摘机器人的研究和开发技术得到了快速的发展。 在日本、美国等发达国家，农业人口较少。随着农业生产向规模化、多样化、精确化的方向迈进，劳动力不足的现象越来越明显。许多作业项目如蔬菜、水果的挑选与采摘，蔬菜的嫁接等都是劳动力密集型的工作，再加上时令的要求，劳动力缺乏的问题很难解 决。正是基于这种情况，这些发达国家大力进行农业生产机器人的研究，并取得了很好的成果。 日本的喷农药机器人上装有感应传感器，能自动喷洒农药。嫁接机器人可在极端的时间内，把蔬菜苗茎杆直径为几毫米的砧木、穗木的切口嫁接为一体，使嫁接速度大幅度提高。施肥机器人的行走部分能在狭窄的稻秧间行走，四个窄型橡皮车轮均可横向转动 90 度。人机协作型机器人的研究思想是将采摘机器人寻找、定位待摘果实以及机器人导航任务由人来完成，机器人的运动轨迹规划、关节控制和末端执行器控制等任务由机器人的控制系统完成。如图 1 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 图 1日本 如图 1、黄瓜采摘机器人 (如图 1草葛采摘机器人 (如图 1萄采摘机器人 (如图 1采用 5自由度的极坐标机械手，末端的臂可以在葡萄架下水平匀速运动。 图 1红柿采摘机器人 图 1瓜采摘机器人 图 1苟采摘机器人图 1功能葡萄采摘机器人 (套袋操作 ) 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 图 1获末 端执行器 扦插育苗机器人用于花卉生产系统中可以大大提高生产率。日本东北农业试验场研制成功了简易育苗机器人系统。英国 究院研制了蘑菇采摘机器人。它可以自动测量蘑菇的位置、大小，并选择性地采摘和修剪。 在柑桔收获机器人研究方面， 1986 年，意大利卡塔尼亚农业产业发展部与美国 学合作开发了一种性能良好的具有伺服视觉技术的收获机器人，用于柑桔收获的实际生产中(1990) 在苹果收获机器人方面， 1983年，法国国立农林机械研究所的 法国的“ 果收获机器人和西班牙的“ 桔收获机器人吓 993) 还有日本国立蔬菜茶叶研究所与岐阜大学联合研制了茄子采摘机器人。日本国立农业研究中心的 研制了甘蓝采摘机器人。以色列和美国科技人员联合开发研制了一台甜瓜采摘机器人等。 内研究现状 国内在农业机器人方面的研究始于 20 世纪 90年代中期，相对于发达国家起步较晚，但是发展很快，很多院校、研究所都在进行农业机器人和智能农业机 械相关的研究。 中国农业大学张铁中教授率先在我国开展了自动化嫁接技术的研究工作，先后成功开发了自动插接法、自动旋切贴合法嫁接技术，填补了我国自动化嫁接技术的空白，形成了具有我国自主知识产权的自动化嫁接技术。上海交通大学机器人研究所的曹其新等人进行了用于精确农业的智能农业机械的研究工作，己经完成了智能化联合收割机、蔬菜工厂化育苗播种流水线样机的研制，正在进行草葛挑选机器人、黄瓜采摘机器人的研究。浙江大学应义斌教授研究的水果自动分级机器人系统得到国家“ 863”计划的支持。吉林大学王荣本、于海业在 90年代 中期开始进行农用自动引导行走车的研究。南京农业大学姬长英、沈明霞等人，浙江工业大学青芳、张立斌等人，在进行农业机器人的视觉研究。江苏大学纪良文、吴春笃进行了喷药机器人的研究，他们采用超声测距作为喷药机器人的辅助视觉系统。 还有吉林工业大学与吉林农业研究所研制的锄草机器人，中国农业大学杨丽博士研制的组培苗分割移植机器人系统，江苏大学的陈树人、尹建军等在对西红柿的视觉研究亦取得很大的成果。还有周云山和李强等人研究的蘑菇采摘机器人也处于是国内领先水平，西北农林科技大学对苹果采摘机器人手臂控制进行了研究，东 北林业大学的陆怀民研制了林木球果采摘机器人仪。 械手 机械手又称操作机，是指具有和人手臂相似的动作功能，并使工作对象能在空间内移动的机械购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 装置，是机器人赖以完成工作任务的实体 。 在采摘机器人中，机械手的主要任务就是将末端执行器移动到可以采摘的目标果实所处的位置，其工作空间要求机器人能够达到任何一个目标果实 。 机械手一般可分为直角坐标 、 圆柱坐标 、 极坐标 、 球坐标和多关节等多种类型 。 多关节机械手又称为拟人 ( 类人 ) 机器人，相比其它结构比较起来，要求更加灵活和方便 。 机械手的自由度是衡量机器人性能的重要指标之一， 它直接决定了机器人的运动灵活性和控制的复杂性 。 工业机械手发展比较迅速，多指手出现在 20世纪 80年代，其中最具有代表性的是 如图 1 指手 (图 1。 1982 年设计的 是当时乃至现在都很具有代表性的三指手，它首次引入了模块化设计方法，并模仿人手的结构特点布置手指的相对位置，具有 9 个自由度。 对多指手的贡献不仅仅在于多关节、多自由度的模块化结构设计，更重要的是它首次 完整引入了位置、触觉、力等传感器系统，从而开始了多指手对外部环境的感知时代，并开创了多指手实际抓取操作的先河。 图 1 图 1 1998年德国研制的 多指手实现了当自由度的数目超过某个值时，把所有的驱动器和电路完全集成在手指、手掌或手腕里，被公认为是当时世界上最复杂、智能化和集成度最高的灵巧手，如图 11999年由美国宇航中心 (制的 ，如图 1一种面向国际空间站应用的多指手，其目的是为了在危险的太空环境中代替人进行舱外操作。 图 1 图 1 从 20 世纪 80 年代后期开始，我国的很多研究机构相继开展了多指手的研究工作，其中北京航空航天大学和哈尔滨工业大学在这方面的研究很具代表性。北航对多指手的研究开展较早，并于1993 年首先研制了我国第一只三指手，然后在此基础上不断改进，先后研制了 I , 指手。哈工大在 多指手的研究基础上进行了大量的改进，研制了 图 1图 1买后包含有 纸和说明书 ,咨询 图 1一 11 手 图 1一 12农业上最早研制的机械手为 茄收获机械手 (984) 机械手与传统的农业机械完全不同，它是由许多杆件组成的空间开式链机构，具有较采摘机械手的设计及其控制研究大的灵活 性，但是不适合处理重量大的物体，否则会出现负载过重的问题。杆件越多，机械手身的重量越大，尤其用于像西瓜、甜瓜等较人果实收获与运输时，机械手设计必须从组成结构和内部结构方面使其承受较大的负载重量。 机械手的控制有点位控制 (连续轨迹 (制两种类型。 制主要用于在机械手初始位置和目标点之间不存在障碍物的情况，此时不必考虑运动路径，其路径也是不可预测的。有时由于茎叶等障碍物的存在，必须通过控制其电机速度和预定运动轨迹到达目标位置，进行 制。 末端执行器安装在机械手的末端 ，其功能类似于人手，是直接与目标物体接触的部件。在末端执行器设计之前，不仅需要研究工作对象的物理特性 (物体大小、体积、形状、重量 )和机械特性(量、泊松比、粘性、摩擦阻力、剪切阻力等 )，还包括电特性和光学特性以及生物学特性和化学特性等。 末端执行器的形式主要有吸盘式 (真空式吸盘、喷射式负压吸盘、扩散式负压吸盘、挤压排气式吸盘、电磁式吸盘等 )、针式、喷嘴式、杯状、多关节手爪式、顺应型指结构等，通常是末端执行器都是专用的 (N. 1998) 末端执行器所需的重要传感器主要 有触觉传感器和接近传感器。触觉传感器包括接触传感器、压力传感器和滑觉传感器 别物体的存在，避障，测量物体的形状，补偿位置传感器的误差等。 在完成抓取动作后，末端执行器还需要将果实与果柄分离。分离方式为切断或拧断。在条件允许的情况下，应尽量采用剪断果柄而不是拧断果柄的方式，避免拧断时给果蔬表面造成伤口，导致病菌侵入使果实腐烂，例如桃、李、杏的采摘都要求留有果柄。但对于某些束状生长、果柄较短的果实，采用剪断的方式比较困难。 末端执行器中手指和关节的数量与抓取效果 密切相关，数量越多，末端执行器的自由度就越多，抓取动作更为灵活，抓取效果更好。但大多数的灵巧手系统复杂，成本高，通用性差，仍停留在实验室阶段，更难以运用到农业工程实践之中。如何协调末端执行器的通用性、灵活性和成本之间的矛盾，是果蔬采摘机器人末端执行器研究发展的方向。 计方案 果蔬 采摘 机器人的 机械手 直接接触工作对象。为了避免碰伤果实，多数收获机器人的手指内侧接触果实的部位采用橡胶和尼龙材料。由于果实的外形有圆形、近似方形、近似长方形等，所以末购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 0 端执行器的设计应着重考虑手指数量、手指关节 数量、 尺寸 方式等问题。 指数量 果实的外形有规则的和不规则的。对于规则的小型果实，多数收获机器人采用带有吸盘的 2个直手指的末端执行器直接抓取果实。相对 2个手指， 3个手指的收获机器人也有一些研究，抓取果实的稳固更好。而采用具有 4个手指和一个吸盘的西红柿收获机器人，效果更好，但难于控制。对于大型的果实，虽然外形规则，但用 2个手指显然不行。西瓜收获机器人中采用 4个带有橡胶的手指，指尖的滑轮沿西瓜表面向下滑动，利用橡胶与西瓜的摩擦力抓住果实。此外，还有一些特殊的手指，梳子式龙套手指可以将果实与相临的 果实分开。 手指的数量和形状与果实的外形密切相关，一般数量越多，抓取效果越好，但控制也越难，应在手指数量、控制难度和抓取成功率之间找到平衡点。根据设计任务要求选取 3个手指最为合适。 指关节数量 对于多数形状规则的果实，多数收获机器人采用 1个关节的手指。对于类人的柔性手指，由于材料和控制比较困难，研究成果不多。夏柑收获机器人的柔性手指，手指的指尖通过细软钢丝与人工肌肉相连，当人工肌肉产生收缩力时，钢丝产生拉力使指尖能够柔和地弯曲。西红柿收获机器人有 4个具有 4 个关节的手指，通过控制缆采摘机械手的 设计及其控制研究绳的伸缩，使手指弯曲成不同的形状。对于不同的果实，控制钢丝绳的拉力、拉动的距离、人工肌肉的收缩力等的控制都比较难。鉴于关节的控制比较难，和设计要求考虑采用两个关节的手指。 寸的设定 机械手的结构尺寸可以参考人类手指的长度比例，并加以适当放大或缩小，或根据所设计的多指灵巧手的使用场合作适当的尺寸调整。通过对某学校的青年学生的手指长度的测量，得到了如表1 所示的结果。表 1表 1所列出的人手的各关节（如图 2度尺寸值可以作为设计多指灵巧手的手指长度的参考。 图 2简图 表 1的右手各关节长度的平均值 单位（ 性别 年龄 人数 20 200 20 100 46 29 平均 1的右手各关节长度的平均值 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 1 根据以上数 据和设计的要求和合理性，三个手指设计统一长度，其中第一个关节长度为 55二个关节长度为 40指宽度为 22掌直径为 。 料的选择 为了减轻重量，同时也由于手指所抓取果实不是很大，所以手指的结构材料选用铝合金。在手指的中间附有橡胶，来减小手指和果实接触时的冲击，同时也增大了接触摩擦力。 3 动力源的选择 小型驱动模块的研究 采用专用混合式步进电动机作为机械手的驱动器具有高效率、高速度的特点 ,特别是 它具有自锁特性 ,将其引入到采摘手的手指设计中。仿人手抓取物体达到抓握稳定后 ,手指依靠电机自锁力矩保持对物体的抓取力。采用专用步进电动机控制芯片和驱动芯片组成的系统，外围电路简单，可靠性高，同时减少电路板的尺寸。 基于上述思想，采用混合式步进电动机作为机械手手指的驱动元件 ,通过由电机专用控制芯片和微处理器相结合的控制系统使机械手抓取具有柔顺性和力矩控制的能力。 机的选择 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉 冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为 “步距角 ”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 （ 1）步进电机必须加驱动才可以运转， 驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候， 步进电机静止， 如 果加入适当的脉冲信号， 就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。 （ 2）步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。 （ 3)改变脉冲的顺序， 可以方便的改变转动的方向。 进电机的确定 通过对机械手的分析，考虑到本次设计的机械手的工作情况，以及设计要求，在互联网和专业书籍中对步进电动机筛选最后决定选用电机型号： 机转速 500r/矩 4109 电机性能参数如图 2机几何参数如图 2图 2购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 2 图 2小型传动模块研究 采摘机械手传动系统把驱动器产生的运动和力以一定的方式传递到手指关节 ,从而使关节做相应的运动。传动系统的设计与驱动器密切相关。采用自主设计的微小型齿轮减速器传递步进电机产生的运动和力，不仅减小手指的尺寸和质量，而且提高了抓取过程的平稳性和抓取能力。 综合考虑手指的结构形式，外部尺寸以及刚度、强度、灵活度的要求，选择齿轮传动作为传动方式，这样既保证了外部结构尺寸，又保证了传动的效率，增加了传动的可靠性 。 出端齿轮 根据设计需要，输出端齿轮直接与电机连接，选用直齿圆柱齿轮传动，转速不高，故选用 7级精度，齿轮材料为 45 钢（调制），硬度为 240小齿轮的齿数为 18 由机械设计中设计计算公式 10 （ 4 （ 1）试选载荷系数 2）输出转矩 4109 （ 3）由机械设计中表 10取齿宽系数 d=1。 （ 4）由机械设计中表 10得材料的弹性影响系数 （ 5）由机械设计中图 10（ 6）由机械设计中式 10算应力循环次数。 hn 4 （ 7）由机械设计中图 10接触疲劳寿命系数 K（ 8）计算接触疲劳许用应力。 取失效概率为 1% ，安全系数 S=1,由机械设计中式 10购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 3 1 715 5 l i m (4（ 9）试算齿轮分度圆直径 d 将 H代入上式得 (4 （ 4 （ 10）计算圆周速度 t / (4（ 11）计算齿宽与赐稿之比 (4 (4 2 (4（ 12）计算载荷系数 根据 ， 7 级精度，由机械设计中图 10 直齿轮 1 K； 由机械设计 中表 10K ； 由机械设计中表 10得 7级精度，非对称布置 机械设计中图 10载荷系数 4 1 （ 13）按实际载荷 系数校正所算得的分度圆直径，由式 1031 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 4 (4 由机械设计中式 10 2212 ()F a s (4（ 1）由机械设计中图 10得弯曲疲劳强度极限 201 （ 2）由机械设计中图 10弯曲疲劳寿命系数 （ 3）计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 S ，由机械设计中式 10 111 0 . 8 5 4 2 0 2251 . 4F N F (4（ 4）计算载荷系数 K 2 3 （ 5）查取齿形系数 由 机械设计中表 10 0 2 5 F Y 代入上式 (3m (4对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数 m 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关。可取由弯曲强度算得的模数 25.0m 。 按接触强度算得的分度圆直径 算出输出端齿轮的齿数 t(4为使轮齿免于根切，对于 20 的标准直齿圆柱齿轮，应取 17Z 。由于轮齿主要为磨损失 效，为使轮齿不至于过小，故小齿轮不宜选用过多的齿数，一般可取 2017Z 。所以选取输出端齿轮的齿数为 181 Z 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 5 何尺寸计算 （ 1）计算分度圆直径 1 (4（ 2）计算齿顶圆直径 18()2( *1 (4（ 3）计算齿根圆直径 22( *1 (4 根据设计的要求和设计尺寸，从动齿轮与输出端的齿轮中心距设为 0 。由 机械设计 表10（ 1） 2/)( 21 622 Z （ 2）分度圆直径 22 （ 3）顶圆直径 62()2( *22 （ 4）计算 齿根圆直径 22( *22 5 其他零件的设计 掌的设计 为了使手指能在手掌上旋转运动形成不同的角度，将手掌底座设计成圆盘型如图 5心则是长方形。两边形成圆角便于手指的旋转如图 5买后包含有 纸和说明书 ,咨询 6 图 5掌底座 图 5心 指底座 采摘手就两个指节，要完成在手掌上的旋转需要有个连接底座。一是支撑手指，二是完成旋转运动其结构如图 5购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 7 图 5指底座 在手指底座的左端连接 在手掌上，并由异步电机驱动旋转。在右边的结构中来连接第一个关节，并安装微型电机通过齿轮传动使手指完成抓取运动。内部结构如图 5 5部结构 一个指节 第一个指节长 55 22过一个连接件与手指底座的传动轴过度连接，从而带动手指的转动。同时在一手指内也装有一个异步电机，来传动第二个手指转动。连接件如图 5指零件如图 5部结构如图 5 5接件 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 8 图 5指一零件 图 5部结构 二个指节 第二个指节长 40的动力来源是第一个指节 上的电机。根据人机工程学理论，人手在自然状态下手指成弯曲状态，当手掌绷紧时指尖也与手掌自然形成一定角度。通过测量这个角度平均在 6030 之间。所以在设计中第二个指节与第一个指节通过连接件连接时的起始位置就形成一个 45 角。连接件和指节二如图 5 5示，手指总装配如图 5示。 图 5接件 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 9 图 5节二 图 5指总装配 图 感器 传感元件是采摘手工作是重要的组成部分，采摘手对与果蔬的表皮损害程度取决于传感元件，所以建议选择 应变式压力传感器。其工作原理是 利用弹性敏感元件和应变计将被测压力转换为相应电阻值变化的压力传感器。 应变计中应用最多的是粘贴式应变计 (即应变片 )。它的主要缺点是输出信号小、线性范围窄 ,而且动态响应较差 (见电阻应变计、半导体应变计 )。但由于应变片的体积小 ,商品化的应变片有多种规格可供选择，而且可以灵活设计弹性敏感元件的形式以适应各种应用场合，所以用应变片制造的应变式压力传感器仍有 广泛的应用。按弹性敏感元件结构的不同 ,应变式压力传感器大致可分为应变管式、膜片式、应变梁式和组合式 4种。根据设计情况我们选择膜片式。 它的弹性敏感元件为周边固定圆形金属平膜片。膜片受压力变形时，中心处径向应变和切向应变均达到正的最大值，而边缘处径向应变达到负的最大值，切向应变为零。因此常把两个应变片分别贴在正负最大应变处，并接成相邻桥臂的半桥电路以获得较大灵敏度和温度补偿作用。采用圆形箔式应变计 (见电阻应变计 )则能最大限度地利用膜片的应变效果（图 6这种传感器的非线性较显著。膜片式压力传感器的最新产 品是将弹性敏感元件和应变片的作用集于单晶硅膜片一身，即采用集成电路工艺在单晶硅膜片上扩散制作电阻条，并采用周边固定结构制成的固态压力传感器 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 0 图 6片机 本系统选用 单片机的开发主要用到两种语言 :汇编语言和 C 语言。汇编语言虽然拥有生成的机器代码简洁、占 行效率高的优势，但当编写一个较大的应用程序时，从内部 栈的保护、 内外部资源的整合、系统的调试和维护，尤其当程序中含有大量计算时， 用汇编语言来编写程序就显得力不从心。故除了一些要求特殊的功能模块采用汇编外，一般情况下，都采用主要面向应用、运算符丰富、结构简洁的 像识别系统 主要在手掌中心安装针孔摄像头，通过颜色识别确定果蔬的位置。彩色图像处理中常用的颜色模型有 :色模型、 H S V 颜色模型、 Y r 颜色模型和 L*a*b*颜色模型等。 型是根据三基色原理建立起来的 ,是基本的颜色表示模型 ,其他的颜色表示模型都可通过 型转化得到。 H S V 模型直接采用彩色特性意义上的 3 个量 : 亮度或明度 (V)、色调 (H)、饱和度 (S)来描述颜色 , 比较符合人对颜色的描述习惯 ,但该模型表示的颜色并不全是视觉所感受的颜色。 7 工作原理流程及形态 作原理 工作原理流程图如图 7图中可以看出，机械臂带动机械手接近果实的过程中和果实发生挤压并产生压力，由传感器测得的力信号传给单片机，判断是否达到力闭值，这里的力闭值是根据实际经验设置的，即保证不损坏果实的前提下略小于稳定抓持的力。当机械手挤压果实的过程中，如果达到该值则触发机械手动作，所以采摘机械手的设计及其控制研究该值起到触发信号的作用。如果达到该闺 值机械手开始完成稳定抓持，然后手腕上升，将果实提升和其它果实分离，避免随后的旋转过程碰伤其它果实或者周边的环境对手的动作发生干涉，完成采摘后松开果实手再恢复原位。紧接着机器视觉判断该果实是否在原位，要是在原位说明没采摘下，则作为新果实继续采摘，否则说明采摘成功，继续下一个果实的采摘。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 1 图 7作流程 作形态 因为果蔬的形态各有不同，采摘机械手可以变换手指位置对不同形状的果蔬进行抓去任务。通过 模进行间隙验证推算抓取范围。下面对主要的三种形态进行分析。 态一 三指 并拢状态如图 7示，最小抓取直径为 大抓取直径为 60度大于 80黄瓜之类的果蔬最佳，抓取状态如图 7 7示。 图 7态一 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 2 图 7小抓取形态 图 7大抓取形态 态二 形态二如图 7示三指互成 120，在这种状态抓取球状物体最为稳定。抓取范围为直径在70 100间球体。抓取形态如图 7 7示。 图 7态二 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 3 图 7小抓取 图 7大抓取 态三 形态三如图 7示，两个活动手指平行达与固定手指对立相比形态一抓取做大直径为 95图 7示 图 7 图 78 小结 通过本次毕业设计，我深深体会到自己在理论知识方面的欠缺，同时也感到自己在知识的运用上也不够灵活，这也说明 我在学习知识的过程中存在着一些缺点，总结有以下几点： 于自己所见实物过少，零部件的尺寸不能确定，使方案进行了多次修改，耽误了大量时间。计算结果与实际生产加工有偏差，也相应作了修改。 为要考虑微电机的安装和整体外形尺寸。手指见间的连接，手指的驱动等诸多问题的考虑。 真，做动画。工作量也比较大， 多臂采摘机器人的初步设计 采摘手的设计 学生姓名 学 号 所属学院 专 业 班 级 指导教师 日 期 塔里木大学教务处制 多臂采摘机器人采摘手的设计摘 要：近年来，农业生产正朝着规模化、多样化、精确化方向发展，农业劳动力的成本迅速上升，劳动力不足的现象日趋明显，农业机器人技术越来越受到关注。但是，由于采摘对象的复杂性和工作环境的非结构化，目前国内的采摘自动化程度仍然很低，尤其是采摘机器人的关健部位机械手，其结构复杂、控制繁琐等因素，造成工作效率低、生产成本较高，故不能在农业生产中得到普遍的适用。所以对采摘机械手的设计及控制研究对于今后农业生产具有深远意义。关键词:采摘机械手;抓持采摘 0 引言21 世纪是农业机械化向智能化方向发展的重要时期。随着农业生产的规模化、多样化和精确化，农业生产作业要求逐渐提高，许多作业项目（如蔬菜和水果的挑选与采摘、蔬菜的嫁接等）都是劳动密集型工作，再加上时令的要求，保证作业质量成为关键问题；同时，工业生产发展迅速，农业劳动力将逐渐向社会其他产业转移；随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，农业生产成本也相应提高，这样大大降低了产品的市场竞争力。果品采摘作业是水果生产链中最耗时、最费力的一个环节。采摘作业季节性强、劳动强度大、费用高，因此保证果实适时采收、降低收获作业费用是农业增收的重要途径。由于采摘作业的复杂性，采摘自动化程度仍然很低。目前，国内水果采摘作业基本上都是人工进行， 其费用约占成本的50%70%，并且时间较为集中。采摘机器人作为农业机器人的重要类型，其作用在于能够降低工人劳动强度和生产费用、提高劳动生产率和产品质量、保证果实适时采收，因而具有很大发展潜力。1 采摘机器人的特点（1）采摘机器人主要工作在非结构化的开放环境下，环境条件受季节和天气的影响较大，因采摘机器人应具有高水平的智能控制系统；（2）采摘机器人的作业对象表皮组织柔软、易损伤，由此决定了采摘机器人的末端执行器应具柔软性，避免碰伤果实；（3）果实生长位置的随机性、个体形状的差异性和成熟期的不一致性等，增加了机器人的视觉定位的难度。（4）采摘机械手的设计应在考虑栽培方式的基础上使果实处于其作业空间内，并且能避免茎秆、叶子等障碍物，准确抓取到果实，这就要求机械手具有一定的避障能力，必要时可考虑采用冗余度机械手，但自由度多难于控制；（5）采摘机器人的操作者是农民，因此要求机器人具有操作简单的特点，另外还应在保证高可靠性的前提下有更低的价位2机械手机械手又称操作机，是指具有和人手臂相似的动作功能，并使工作对象能在空间内移动的机械装置，是机器人赖以完成工作任务的实体。在采摘机器人中，机械手的主要任务就是将末端执行器移动到可以采摘的目标果实所处的位置，其工作空间要求机器人能够达到任何一个目标果实。机械手一般可分为直角坐标、圆柱坐标、极坐标、球坐标和多关节等多种类型。多关节机械手又称为拟人( 类人) 机器人，相比其它结构比较起来，要求更加灵活和方便。机械手的自由度是衡量机器人性能的重要指标之一，它直接决定了机器人的运动灵活性和控制的复杂性。2.1工业机械手工业机械手发展比较迅速，多指手出现在20世纪80年代，其中最具有代表性的是stanford/JPL三指手(如图2-7)和Utah/MIT四指手(图2-8 )。Salisbury于1982年设计的Stanford/JPL手是当时乃至现在都很具有代表性的三指手，它首次引入了模块化设计方法，并模仿人手的结构特点布置手指的相对位置，具有9个自由度。StanfordlJPL手对多指手的贡献不仅仅在于多关节、多自由度的模块化结构设计，更重要的是它首次完整引入了位置、触觉、力等传感器系统，从而开始了多指手对外部环境的感知时代，并开创了多指手实际抓取操作的先河。图2-7 StanfordlJPLS手 图2-8 Utah/MIT手1998年德国研制的DLR- I多指手实现了当自由度的数目超过某个值时，把所有的驱动器和电路完全集成在手指、手掌或手腕里，被公认为是当时世界上最复杂、智能化和集成度最高的灵巧手，如图2-9。1999年由美国宇航中心(NASA)研制的Robonaut手，如图2-10是一种面向国际空间站应用的多指手，其目的是为了在危险的太空环境中代替人进行舱外操作。 图2-9DLR手 图2-10 NASA Robonaut手从20世纪80年代后期开始，我国的很多研究机构相继开展了多指手的研究工作，其中北京航空航天大学和哈尔滨工业大学在这方面的研究很具代表性。北航对多指手的研究开展较早，并于1993年首先研制了我国第一只三指手，然后在此基础上不断改进，先后研制了BUAA- II , BUAA-III三指手和BUAA四指手。哈工大在HIT I多指手的研究基础上进行了大量的改进，研制了HIT/DLR多指手。如图2-11和图2-12图2一11 HIT I手 图2一12HIT/DLR多指手 2.2农业机械手农业上最早研制的机械手为SDOF番茄收获机械手(Noboru Kawamura eta1,1984) 机械手与传统的农业机械完全不同，它是由许多杆件组成的空间开式链机构，具有较采摘机械手的设计及其控制研究大的灵活性，但是不适合处理重量大的物体，否则会出现负载过重的问题。杆件越多，机械手身的重量越大，尤其用于像西瓜、甜瓜等较人果实收获与运输时，机械手设计必须从组成结构和内部结构方面使其承受较大的负载重量。 机械手的控制有点位控制(PTP)和连续轨迹(CP)控制两种类型。PTP控制主要用于在机械手初始位置和目标点之间不存在障碍物的情况，此时不必考虑运动路径，其路径也是不可预测的。有时由于茎叶等障碍物的存在，必须通过控制其电机速度和预定运动轨迹到达目标位置，进行CP控制。 末端执行器安装在机械手的末端，其功能类似于人手，是直接与目标物体接触的部件。在末端执行器设计之前，不仅需要研究工作对象的物理特性(物体大小、体积、形状、重量)和机械特性(young、模量、泊松比、粘性、摩擦阻力、剪切阻力等)，还包括电特性和光学特性以及生物学特性和化学特性等。 末端执行器的形式主要有吸盘式(真空式吸盘、喷射式负压吸盘、扩散式负压吸盘、挤压排气式吸盘、电磁式吸盘等)、针式、喷嘴式、杯状、多关节手爪式、顺应型指结构等，通常是末端执行器都是专用的(N. Kondo, 1998) 末端执行器所需的重要传感器主要有触觉传感器和接近传感器。触觉传感器包括接触传感器、压力传感器和滑觉传感器.接近传感器通常用来获得位置信息，识别物体的存在，避障，测量物体的形状，补偿位置传感器的误差等。 在完成抓取动作后，末端执行器还需要将果实与果柄分离。分离方式为切断或拧断。在条件允许的情况下，应尽量采用剪断果柄而不是拧断果柄的方式，避免拧断时给果蔬表面造成伤口，导致病菌侵入使果实腐烂，例如桃、李、杏的采摘都要求留有果柄。但对于某些束状生长、果柄较短的果实，采用剪断的方式比较困难。 末端执行器中手指和关节的数量与抓取效果密切相关，数量越多，末端执行器的自由度就越多，抓取动作更为灵活，抓取效果更好。但大多数的灵巧手系统复杂，成本高，通用性差，仍停留在实验室阶段，更难以运用到农业工程实践之中。如何协调末端执行器的通用性、灵活性和成本之间的矛盾，是果蔬采摘机器人末端执行器研究发展的方向。3机械手的设计3.1设计方案果蔬采摘机器人的机械手直接接触工作对象。为了避免碰伤果实，多数收获机器人的手指内侧接触果实的部位采用橡胶和尼龙材料。由于果实的外形有圆形、近似方形、近似长方形等，所以末端执行器的设计应着重考虑手指数量、手指关节数量、尺寸方式等问题。3.2手指数量 果实的外形有规则的和不规则的。对于规则的小型果实，多数收获机器人采用带有吸盘的2个直手指的末端执行器直接抓取果实。相对2个手指，3个手指的收获机器人也有一些研究，抓取果实的稳固更好。而采用具有4个手指和一个吸盘的西红柿收获机器人，效果更好，但难于控制。对于大型的果实，虽然外形规则，但用2个手指显然不行。西瓜收获机器人中采用4个带有橡胶的手指，指尖的滑轮沿西瓜表面向下滑动，利用橡胶与西瓜的摩擦力抓住果实。此外，还有一些特殊的手指，梳子式龙套手指可以将果实与相临的果实分开。 手指的数量和形状与果实的外形密切相关，一般数量越多，抓取效果越好，但控制也越难，应在手指数量、控制难度和抓取成功率之间找到平衡点。根据设计任务要求选取3个手指最为合适。3.3手指关节数量对于多数形状规则的果实，多数收获机器人采用1个关节的手指。对于类人的柔性手指，由于材料和控制比较困难，研究成果不多。夏柑收获机器人的柔性手指，手指的指尖通过细软钢丝与人工肌肉相连，当人工肌肉产生收缩力时，钢丝产生拉力使指尖能够柔和地弯曲。西红柿收获机器人有4个具有4个关节的手指，通过控制缆采摘机械手的设计及其控制研究绳的伸缩，使手指弯曲成不同的形状。对于不同的果实，控制钢丝绳的拉力、拉动的距离、人工肌肉的收缩力等的控制都比较难。鉴于关节的控制比较难，和设计要求考虑采用两个关节的手指。3.4尺寸的设定机械手的结构尺寸可以参考人类手指的长度比例，并加以适当放大或缩小，或根据所设计的多指灵巧手的使用场合作适当的尺寸调整。通过对某学校的青年学生的手指长度的测量，得到了如表1所示的结果。表1-1和表1-2中所列出的人手的各关节（如图3-1）长度尺寸值可以作为设计多指灵巧手的手指长度的参考。图3-1拟人手指简图4其他零件的设计 4.1手掌的设计为了使手指能在手掌上旋转运动形成不同的角度，将手掌底座设计成圆盘型如图4-1所示。掌心则是长方形。两边形成圆角便于手指的旋转如图4-2图 4-1手掌底座 图 4-2掌心4.2手指底座采摘手就两个指节，要完成在手掌上的旋转需要有个连接底座。一是支撑手指，二是完成旋转运动其结构如图4-3所示 图 4-3手指底座在手指底座的左端连接在手掌上，并由异步电机驱动旋转。在右边的结构中来连接第一个关节，并安装微型电机通过齿轮传动使手指完成抓取运动。内部结构如图4-4图4-4内部结构4.3第一个指节第一个指节长55mm，宽22mm。通过一个连接件与手指底座的传动轴过度连接，从而带动手指的转动。同时在一手指内也装有一个异步电机，来传动第二个手指转动。连接件如图5-5，手指零件如图4-6，内部结构如图4-7图4-5连接件图4-6手指一零件图 4-7内部结构4.4第二个指节第二个指节长40mm，它的动力来源是第一个指节上的电机。根据人机工程学理论，人手在自然状态下手指成弯曲状态，当手掌绷紧时指尖也与手掌自然形成一定角度。通过测量这个角度平均在之间。所以在设计中第二个指节与第一个指节通过连接件连接时的起始位置就形成一个角。连接件和指节二如图5-8和5-9所示，手指总装配如图4-10所示。图 4-8连接件图 4-9指节二图 4-10手指总装