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水果采摘机器人,水果,生果,瓜果,采摘,机器人
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外文翻译资料 1 机电一体化技术及其应用研究 1 机电一体化技术发展 机电一体化是机械、微、控制、机、信息处理等多学科的交叉融合，其发展和进步有赖于相关技术的进步与发展，其主要发展方向有数字化、智能化、模块化、化、人性化、微型化、集成化、带源化和绿色化。 字化 微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础，如不断发展的数控机床和机器人；而计算机网络的迅速崛起，为数字化设计与制造铺平了道路，如虚拟设计、计算机集成制造等。数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友好人机界面。 数字化的实现将便于远程操作、诊断和修复。 能化 即要求机电产品有一定的智能 ,使它具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力。例如在 控机床上增加人机对话功能，设置智能 I/O 接口和智能工艺数据库，会给使用、操作和维护带来极大的方便。随着模糊控制、神经网络、灰色、小波理论、混沌与分岔等人工智能技术的进步与发展，为机电一体化技术发展开辟了广阔天地。 块化 由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元模块是一项复杂而 有前途的工作。如研制具有集减速、变频调速电机一体的动力驱动单元；具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的电机一体控制单元等。这样，在产品开发设计时，可以利用这些标准模块化单元迅速开发出新的产品。 络化 由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾。而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品，现场总线和局域网技术使家用电器网络化成为可能，利用家庭网络把各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家用电器系统，使人们在家里可充分享受各种高技术带来的好处，因此，机电一体化产品无疑应朝网络化 方向发展。 性化 机电一体化产品的最终使用对象是人，如何给机电一体化产品赋予人的智能、情感和人性显得愈来愈重要，机电一体化产品除了完善的性能外，还要求在外文翻译资料 2 色彩、造型等方面与环境相协调，使用这些产品，对人来说还是一种享受，如家用机器人的最高境界就是人机一体化。 型化 微型化是精细加工技术发展的必然，也是提高效率的需要。微机电系统(称 指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制 电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。自 1986 年美国斯坦福大学研制出第一个医用微探针， 1988 年美国加州大学 校研制出第一个微电机以来，国内外在艺、材料以及微观机理方面取得了很大进展，开发出各种 件和系统，如各种微型传感器（压力传感器、微加速度计、微触觉传感器），各种微构件（微膜、微粱、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微泵、微弹簧以及微机器人等）。 成化 集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复合，又包含在生产过程 中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。为了实现多品种、小批量生产的自动化与高效率，应使系统具有更广泛的柔性。首先可将系统分解为若干层次，使系统功能分散，并使各部分协调而又安全地运转，然后再通过软、硬件将各个层次有机地联系起来，使其性能最优、功能最强。 源化 是指机电一体化产品自身带有能源，如太阳能电池、燃料电池和大容量电池。由于在许多场合无法使用电能，因而对于运动的机电一体化产品，自带动力源具有独特的好处。带源化是机电一体化产品的发展方向之一。 色化 技术的发展给人们的生活 带来巨大变化，在物质丰富的同时也带来资源减少、生态环境恶化的后果。所以，人们呼唤保护环境，回归，实现可持续发展，绿色产品概念在这种呼声中应运而生。绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再生利用的产品。在其设计、制造、使用和销毁时应符合环保和人类健康的要求，机电一体化产品的绿色化主要是指在其使用时不污染生态环境，产品寿命结束时，产品可分解和再生利用。 2 机电一体化技术在钢铁中应用 在钢铁企业中，机电一体化系统是以微处理机为核心，把微机、工控机、数外文翻译资料 3 据通讯、显示装置、仪表等技术有机的结合起来，采用组装合并方式，为实现工程大系统的综合一体化创造有力条件，增强系统控制精度、质量和可靠性。机电一体化技术在钢铁企业中主要应用于以下几个方面： 能化控制技术 (由于钢铁具有大型化、高速化和连续化的特点，传统的控制技术遇到了难以克服的困难，因此非常有必要采用智能控制技术。智能控制技术主要包括专家系统、模糊控制和神经等，智能控制技术广泛于钢铁的产品设计、生产、控制、设备与产品质量 诊断等各个方面，如高炉控制系统、电炉和连铸车间、轧钢系统、炼钢 连铸 轧钢综合调度系统、冷连轧等。 布式控制系统 ( 分布式控制系统采用一台中央机指挥若干台面向控制的现场测控计算机和智能控制单元。分布式控制系统可以是两级的、三级的或更多级的。利用计算机对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。随着测控技术的，分布式控制系统的功能越来越多。不仅可以实现生产过程控制，而且还可以实现在线最优化、生产过程实时调度、生产计划统计管理功能，成为一种测、控、管一体化的综合系统。 有特 点控制功能多样化、操作简便、系统可以扩展、维护方便、可靠性高等特点。 监视集中控制分散，故障面小，而且系统具有连锁保护功能，采用了系统故障人工手动控制操作措施，使系统可靠性高。分布式控制系统与集中型控制系统相比，其功能更强，具有更高的安全性。是当前大型机电一体化系统的主要潮流。 放式控制系统 (开放控制系统 (计算机技术发展所引出的新的结构体系概念。“开放”意味着对一种标准的信息交换规程的共识和支持，按此标准设计的系统，可以实现不同厂家 产品的兼容和互换，且资源共享。开放控制系统通过工业通信网络使各种控制设备、管理计算机互联，实现控制与经营、管理、决策的集成，通过现场总线使现场仪表与控制室的控制设备互联，实现测量与控制一体化。 算机集成制造系统 (钢铁企业的 将人与生产经营、生产管理以及过程控制连成一体，用以实现从原料进厂，生产加工到产品发货的整个生产过程全局和过程一体化控外文翻译资料 4 制。目前钢铁企业已基本实现了过程自动化，但这种“自动化孤岛”式的单机自动化缺乏信息资源的共享和生产过程的统一管理，难以适应钢铁生产的要求。 未来钢铁企业竞争的焦点是多品种、小批量生产，质优价廉，及时交货。为了提高生产率、节能降耗、减少人员及现有库存，加速资金周转，实现生产、经营、管理整体优化，关键就是加强管理，获取必须的效益，提高了企业的竞争力。美国、日本等一些大型钢铁企业在 20 世纪 80 年代已广泛实现 。 场总线技术 ( 现场总线技术 ( 连接设置在现场的仪表与设置在控制室内的控制设备之间的数字式、双向、多站通信链路。采用现场总线技术取代现行的信号传输技术 (如 4 20 C 直 流传输 )就能使更多的信息在智能化现场仪表装置与更高一级的控制系统之间在共同的通信媒体上进行双向传送。通过现场总线连接可省去 66%或更多的现场信号连接导线。现场总线的引入导致变革和新一代围绕开放自动化系统的现场总线化仪表，如智能变送器、智能执行器、现场总线化检测仪表、现场总线化 现场就地控制站等的发展。 流传动技术 传动技术在钢铁工业中起作至关重要的作用。随着电力技术和微电子技术的发展，交流调速技术的发展非常迅速。由于 交流传动的优越性，电气传动技术在不久的将来由交流传动全面取代直流传动，数字技术的发展，使复杂的矢量控制技术实用化得以实现，交流调速系统的调速性能已达到和超过直流调速水平。现在无论大容量电机或中小容量电机都可以使用同步电机或异步电机实现可逆平滑调速。交流传动系统在轧钢生产中一出现就受到用户的欢迎，应用不断扩大。 外文资料翻译 1 n is on of of of a of a of of as NC of as of a of it is to in NC / O of as of up a As of of a is a If is to of 文资料翻译 2 as in we As of of is of to AN a to a as of so in be of of be no 1.5 of is to of is in to it so on of or a to as is of 1.6 is a in to to be by is of or 986 1988 at at of as . 外文资料翻译 3 a of of of in at In to of a be to of at be to 1.8 to as As on be to a of of in s in at of of in of is of In of be in of is to of is at of of 2 in of in In of at of as by of a 文资料翻译 4 in in in As a of it is to in as a of a be or to on of be of be as a of be is of is to a of Is of 外文资料翻译 5 is of by a of in be of so to to to is be to of to of of of of of is of of of In to of is to to of of in 980s is in of in to 0 C 外文资料翻译 6 it in in on be 6% or to of CS of as C in a of C C to of in C C of to AC C or be to or AC in of as a to 毕业设计（论文） 任务书 设计（论文）题目： 水果采摘机机结构设计 学 院 名 称： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 任仁成 学号： 指 导 教 师： 尚伟燕 2010年 11 月 15 日 1 设计（论文）拟解决的主要问题 （ 1） 针对柑橘结构特点提出柑橘采摘机机械臂结构设计方案； （ 2） 对机械臂各部分结构进行详细的设计与计算； （ 3） 对机械臂进行运动学及动力学仿真分析。 2设计（论文）的主要内容和基本要求 主要内容 ： 机械臂 的 结构 设计 。 （ 1） 针对柑橘结构特点提出柑橘采摘机机械臂结构设计方案； （ 2） 对机械臂各部分结构进行详细的设计与计算； （ 3） 对机械臂进行运动学及动力学仿真分析。 基本要求： （ 1） 机械臂伸缩及转向灵活，能够完成机械臂基座左右 围内的柑橘采摘，采摘高度范围为 2m； （ 2） 机械臂动作连贯、采摘效率高 ； （ 3） 设计图样全部用计算机绘制，符合最新制图标准；投影正确，表达完整，布局合理； （ 4） 设计推导简明扼要 ， 计算正确可靠。 （ 4） 推荐参考文献（ 5 篇以上 ，其中外文文献至少 2 篇） 1 姜丽萍 ,陈树人 J 2006，32（ 1）： 82 张立彬 ,杨庆华 ,胥芳 ,鲍官军 ,阮健 人多指灵巧手及其驱动系统研究的现状 J2004, 20(3):2713 任烨，蒋焕煜，申川 J 2007， (3)： 2014 李三玉，梁森苗，汪国云，等 柑橘 M2002. 5 张铁中 ,徐丽明 J2001（ 2）： 14 15 6 . of 1998 7 of on of a . of 68):2154进度安排 接受 任务， 熟悉 内容 ，完成文献综述和英文翻译 ； 完成开题报告，毕业实习开始 ； 熟悉 机械臂 系统 结构 ； 柑橘采摘机械臂 整体结构的设计； 零件图及装配图的绘制 ； 修改图样和整理设计计算书 ， 上交毕业设计资料 ； 论文评阅 ； 准备答辩。 指导教师（签字） 2010 年 11 月 16 日 教研室主任审核意见： 教研室主任（签字） 2010 年 11 月 17 日 摘 要 在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业柑橘采摘机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业柑橘采摘机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业柑橘采摘机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。 本文将设计一台五自由度的工业柑橘采摘机器人，用于给采摘水果。首先，本文将设计柑橘采摘机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建柑橘采摘机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该柑橘采摘机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和柑橘采摘机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测柑橘采摘机器人的各个关节的运动情况、柑橘采摘机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。 关键词： 柑橘采摘机器人 ，示教编 程，伺服，制动 n on of in to As an of of of to of , of in In an is a of of of On I of AQ of be on of to of of in to 录 第 1 章 绪论 1 橘采摘机器人概述 3 橘采摘机器人的历史、现状 4 橘采摘机器人的发展趋势 5 第 2 章 柑橘采摘机器人机械手的设计 5 由度及关节 6 座及连杆 7 座 8 臂 9 臂 10 械手的设计 12 动方式 13 动方式 14 动器 15 第 3 章 控制系统硬件 16 制系统模式的选择 17 制系统的搭建 18 控机 19 据采集卡 20 服放大器 21 子板 22 位器及其标定 22 源 23 第 4 章 控制系统软件 24 期的功能 25 现方法 26 时显示各个关节角及运动范围控制 26 流电机的伺服控制 27 机的自锁 28 教 编程及在线修改程序 29 置参考点及回参考点 30 第 5 章 总结 32 完成的工作 33 计经验 35 差分析 36 以继续探索的方向 38 致 谢 39 参考文献 40 第 1 章 绪论 橘采摘机器人概述 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业， 有待于进一步实现机械化。柑橘采摘机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。 “工业柑橘采摘机器人”（ 多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业柑橘采摘机器人或通用柑橘采摘机器人）。 柑橘采摘机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。柑橘采摘机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的柑橘采摘机器人称为专用柑橘采摘机器人，而把工业机械人称为通 用柑橘采摘机器人。 简而言之，柑橘采摘机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。 柑橘采摘机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用柑橘采摘机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（ 它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业 ，后来发展到用无线电讯号操作柑橘采摘机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业柑橘采摘机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种柑橘采摘机器人在国外通常被称之为“ 它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 柑橘采摘机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型柑橘采摘机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为 柑橘采摘机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名柑橘采摘机器人的本体部分都采用这种机构形式的柑橘采摘机器人。 要柑橘采摘机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构 执行机构；像 肌肉那样 使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了柑橘采摘机器人的性能。一般而言，柑橘采摘机器人通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成，如图 1示。 执 行 机 构机器人控 制 系 统驱 动 - 传 动 系 统手 部腕 部臂 部腰 部基 座 部 （ 固 定 或 移 动 ）电 、 液 或 气 驱 动 装 置单 关 节 伺 服 控 制 器关 节 协 调 及 其 它 信 息 交 换计 算 机图 1橘采摘机器人的一般组成 对于现代智能柑橘采摘机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予柑橘采摘机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及柑橘采摘机器人的触觉装置。柑橘采摘机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个柑橘采摘机器人的。要实现柑橘采摘机器人所期望实现的功能，柑橘采摘机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图 1示。 位 形 检 测控 制 系 统 （ 二 ）驱 动传 动装 置执 行机 构工 作 对 象智 能 系 统控 制 系 统 （ 一 ）图 1橘采摘机器人各组成部分之间的关系 柑橘采摘机器人的机械系统主要由执行机构和驱动传动系统组成。执行机构是柑橘采摘机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供柑橘采摘机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足柑橘采摘机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把柑橘采摘机器人分为机械 系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机 (相当于本文中的执行机构部分。 橘采摘机器人的历史、现状 柑橘采摘机器人首先是从美国开始研制的。 1958 年美国联合控制公司研制出第一台柑橘采摘机器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。 日本是工业柑橘采摘机器人发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种典型柑橘采摘机器人后，大力从事柑橘采摘机器人的研究。 目前工业柑橘采摘机器人大 部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代柑橘采摘机器人正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使柑橘采摘机器人具有感觉机能。 第三代柑橘采摘机器人（柑橘采摘机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统和柔性 制造单元 中的重要一环。 随着工业柑橘采摘机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业柑橘采摘机器人会议 定每年召开一次会议，讨论和研究柑橘采摘机器人的发展及应用问题。 目前，工业柑橘采摘机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业柑橘采摘机器人代替人工操作的，主要是在危险作业（广义的） 、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。 在国外机械制造业中，工业柑橘采摘机器人应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至柑橘采摘机器人本身的损坏。 随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的柑橘采摘机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求柑橘采摘机器人系统具有更大的柔性 和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（ 求柑橘采摘机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高柑橘采摘机器人系统的性能和智能水平，要求柑橘采摘机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的柑橘采摘机器人系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用柑橘采摘机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在 ，这种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。修改 封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的柑橘采摘机器人系统。 美国工业柑橘采摘机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段： （ 1） 1963为试验定型阶段。 1963， 万能自动化公司制造的工业柑橘采摘机器人供用户做工艺试验。 1967 年，该公司生产的工业柑橘采摘机器人定型为 1900 型。 （ 2） 1968为实际应用阶段。这一时期，工业柑橘采摘机器人在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司 1968 年订购了 68 台工业柑橘采摘机器人； 1969 年该公司又自行研制出 工业柑橘采摘机器人，并用 21 组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司 32 条冲压自动线上的448 台冲床都用工业柑橘采摘机器人传递工件。 （ 3） 1970 年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。 1970，工业柑橘采摘机器人处于技术发展阶段。 1970 年 4 月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业柑橘采摘机器人会议。据当时统计，美国大约 200 台工业柑橘采摘机器人，工作时间共达 60 万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级 柑橘采摘机器人，例如：森德斯兰德公司（ 明了用小型计算机控制50 台柑橘采摘机器人的系统。又如，万能自动公司制成了由 25 台柑橘采摘机器人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识别能力微型柑橘采摘机器人。 其他国家，如日本、苏联、西欧，大多是从 1967， 1968 年开始以美国的“ “ 柑橘采摘机器人为蓝本开始进行研制的。就日本来说， 1967 年，日本丰田织机公司 引进美国的“ ,川崎重工公司引进“ ，并获得迅速发展。通过引进技术、仿制、改造创新。很快研制出国产化柑橘采摘机器人，技术水平很快赶上美国并超过其他国家。经过大约 10年的实用化时期以后，从 1980 年开始进入广泛的普及时代。 我国虽然开始研制工业柑橘采摘机器人仅比日本晚 5，但是由于种种原因，工业柑橘采摘机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业柑橘采摘机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业柑橘采摘机器人将会获得快速的发展。 橘采摘机器人发展趋势 随着现代化生产技术的提高，柑橘采摘机器人设计生产能力进一 步得到加强，尤其当柑橘采摘机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。 就目前来看，总的来说现代工业柑橘采摘机器人有以下几个发展趋势： a)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速柑橘采摘机器人功能部件的标准化和模块化，将柑橘采摘机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的柑橘采摘机器人； b)开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走柑橘采摘 机器人，以适应不同的场合； c)研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。 第 2 章 实验平台介绍及机械手的设计 该设计的目的是为了设计一台 柑橘采摘 柑橘采摘机器人，利用现有已经报废的焊接柑橘采摘机器人，本文的中结构设计主要偏向于对原有机构的改造和机械手的设计。 座及连杆 座 基座是整个柑橘采摘机器人本体的支撑。为保证柑橘采摘机器人运行的稳定性，采用两块“ Z”字形实心铸铁作支撑。 基座上面是接线盒子，所有电机的驱动信号和反馈信号都从中出入。接线盒子外面，有一个引入线出口和一个引出线出口。 臂 大臂长度 230体尺寸如图 示： 图 臂外形 臂 小臂长度 240体尺寸如图 示： 图 臂外形 械手的设计 工业柑橘采 摘机器人的手又称为末端执行器，它使柑橘采摘机器人直接用于抓取和握紧（吸附）专用工具（如喷枪、扳手、焊具、喷头等）进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于柑橘采摘机器人手臂的前端。由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同，因此工业柑橘采摘机器人末端操作器是多种多样的，大致可分为以下几类： （ 1） 夹钳式取料手 （ 2） 吸附式取料手 （ 3） 专用操作器及转换器 （ 4） 仿生多指灵巧手 本文设计对象为 柑橘采摘 柑橘采摘机器人，并不需要复杂的多指人工指，只需要设计能从不同角度抓取工件的钳形指。 手指是直接与工件接触的部件。手指 松开和夹紧工件，是通过手指的张开与闭合来实现的。该设计采用两个手指，其外形如图 示 图 械手手指形状 传动机构是向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构。根据手指开合的动作特点分为回转型和平移形。本文采用回转型传动机构。图 初步设计的机械手机构简图（只画出了一半，另外一半关于中心线对称）。 图 械手机构简图 在图 ， O 为电机输出轴，曲柄 连杆 块 B 和支架构成曲柄滑块机构；滑块 B、连杆 杆 支架构成滑块摇杆机构。通过两个机构串联，使电机最终驱动 来回摆动，从而实现手指的开合运动。 图 的黑线和蓝线表示机构运行的两个极限位置。 为便于手指的顺利合拢，可以在两个手指之间设置一个弹簧，这样还可以提供适当的夹紧力。 另外，在选用电机的时候，要使电机的功率足以克服弹簧的收缩和张开，并且提供足够加紧物体的力。 图 采用虚拟样机软件 分析所设计的机械手机构的工作状况。 图 拟样机场景 下面更进一步计算出所需要的电机力矩。 图 矩变化情况 从图 看到，起始阶段须克服的弹簧力最大，电机转矩必须大于550N 为电机的挑选提供了一定的依据。 动方式 该柑橘采摘机器人一共具有四个独立的转动关节，连同末端机械手的运动，一共需要五个动力源。 柑橘采摘机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。这三种方法各有所长，各种驱动方式 的特点见表 表 种驱动方式的特点对照 内容 驱动方式 液压驱动 气动驱动 电 机 驱动 输出功率 很大，压力范围为50 140，压力范围为 4860大可达 大 利用液体的不可压缩性，控制精度较高，气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，控制性能 输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制 不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制 可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂 响 应速度 很高 较高 很高 结构性能及体积 结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率 /质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大 结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率 /质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小 伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除 动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题 安全性 防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险 防爆性能好，高于10000 个大气压 )时应注意设备的抗压性 设 备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差 对环境的影响 液压系统易漏油，对环境有污染 排气时有噪声 无 在工业 柑橘采摘机器人 中应用范围 适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂 柑橘采摘机器人 、点焊 柑橘采摘机器人 和托运 柑橘采摘机器人 适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制 柑橘采摘机器人 ，如冲压 柑橘采摘机器人 本体的气动平衡及装配 柑橘采摘机器人 气动夹具 适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的 柑橘采摘机器人 ，如服喷涂 柑橘采摘机器 人 、点焊 柑橘采摘机器人 、弧焊 柑橘采摘机器人 、装配 柑橘采摘机器人等 成本 液压元件成本较高 成本低 成本高 维修及使用 方便，但油液对环境温度有一定要求 方便 较复杂 柑橘采摘机器人驱动系统各有其优缺点，通常对柑橘采摘机器人的驱动系统的要求有： 1）驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高； 2）反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换； 3）驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小； 4）安全可靠； 5）操作和维护方便； 6）对环境无污染，噪声要小； 7）经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。 基于上述驱动系统的特点和柑橘采摘机器人驱动系统的设计要求，本文选用直流伺服电机驱动的方式对柑橘采摘机器人进行驱动。表 选定的各个关节电机型号及其相关参数。 表 橘采摘机器人驱动电机参数 电机参数 腰关节 肩关节 肘关节 腕关节 手爪 型号 定电压 18v 18v 18v 6v 6v 额定转矩 m m m m m 最大转矩 m m m 额定转速 7980980980460460高转速 转子惯量 9200200200动方式 由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负 载能力。对柑橘采摘机器人的传动机构的一般要求有： （ 1）结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻； （ 2）传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时角度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动； （ 3） 回 差要小，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度； （ 4）寿命长、价格低。 本文所选用的电机都采用了电机和齿轮轮系一体化的设计，结构紧凑，具有很强的带负载能力，但是不能通过电机直接驱动各个连杆的运动。为减小机构运行过程的冲击 和振动，并且不降低控制精度，采用了齿形带传动。 齿形带传动是同步带的一种，用来传递平行轴间的运动或将回转运动转换成直线运动，在本文中主要用于腰关节、肩关节和肘关节的传动。 齿形带传动原理如图 示。 齿轮带的传动比计算公式为 2112 齿轮带的平均速度2211 图 形带传动 动器 制动器及其作用： 制动器是将机械运动部分的能量变为热能释放，从而使运动的机械速度降低或者停止的装置，它大致可分为机械制动器和电气制动起两类。 在柑橘 采摘机器人机构中，学要使用制动器的情况如下： 特殊情况下的瞬间停止和需要采取安全措施 停电时，防止运动部分下滑而破坏其他装置。 机械制动器： 机械制动器有螺旋式自动加载制动器、盘式制动器、闸瓦式制动器和电磁制动器等几种。其中最典型的是电磁制动器。 在柑橘采摘机器人的驱动系统中常使用伺服电动机，伺服电机本身的特性决定了电磁制动器是不可缺少的部件。从原理上讲，这种制动器就是用弹簧力制动的盘式制动器，只有励磁电流通过线圈时制动器打开，这时制动器不起制动作用，而当电源断开线圈中无励磁电流时，在弹簧力 的作用下处于制动状态的常闭方式。因此 这种制动器被称为无励磁动作型电磁制动器。又因为这种制动器常用于安全制动场合，所以也称为安全制动器。 电气制动器 电动机是将电能转换为机械能的装置，反之，他也具有将旋转机械能转换为电能的发电功能。换言之，伺服电机是一种能量转换装置，可将电能转换为机械能，同时也能通过其反过程来达到制动的目的。但对于直流电机、同步电机和感应电机等各种不同类型的电机，必须分别采用适当的制动电路。 本文中，该柑橘采摘机器人实验平台未安装机械制动器，因此柑橘采摘机器人的肩关节和轴关 节在停止转动的时候，会因为重力因素而下落。另外，由于各方面限制，不方便在原有机构上添加机械制动器，所以只能通过软件来实现肩关节和轴关节的电气制动。 采用电气制动器，其优点在于：在不增加驱动系统质量的同时又具有制动功能，这是非常理想的情况，而在柑橘采摘机器人上安装机械制动器会使质量有所增加，故应尽量避免。缺点在于：这种方法不如机械制动器工作可靠，断电的时候将失去制动作用。 机械臂在抓取前必须先进行移动。本文中的移动机械臂，通过肩部和臂部进行方向移动。下面对随动系统定义几个性能参数，这几个性能参数是反映移动过程 中抓取的精度、速度和难易程度的指标 (1)抓取速度 移动机械臂的驱动电机以一定速度驱动机械臂时，机械臂的角速度。移动速度是衡量机械臂动性的一个指标，它的大小反映了抓取转移的快慢。 (2)工作空间 移动机械臂移动的工作范围成为工作空间。工作空间是衡量移动机械臂动性的一个指标，它的大小反映了移动机械臂工作范围 :工作空间大，一说明在不改变运动体的位置时，机械臂移动的范围就大 ;反之，工作空间小，机械臂移动的范围就小。 (3)对机械臂的要求 （ a）保证旋转精度 移动机械臂的移动精度主要取决于移动系统的质量，传动系统和 控制系统的精度。就肩部而言，移动精度与肩部空回量的大小有很大联系。这里的空回量是由于移动的各运动副的啮合间隙和各传动连接件之间的空隙所产生的，这些空隙是由于零件的制造误差和装配误差以及零件的磨损或分解组合调整得不够好所造成的。另外各传动件的加工、装配质量的情况等对于移动精度都有影响。为了提高移动精度，减小移动时的方向变位，有利于提高移动准确度和密集度，对移动机械臂的空回量提出了一定的要求。 (b)保证移动操作轻便，平稳 为了能够迅速地，精确地进行移动完成抓取任务，要求移动机械臂的操作轻便、平稳。移动机械臂的 操作轻便、平稳主要取决于在一定移动旋转速度下所需驱动力的大小。 移动机械臂的在稳定运动时，驱动力可按下列公式求出 : （ 6 式中 : M 移动关节回转部分阻力矩 R 移动关节驱动电机轴半径 移动臂总效率 i 移动臂总传动比 而 w(6 驱动电机转动的角速度 肩或臂回转部分转动的角速度即移动速度 由 (6可知： i 与 P 成反比， i 愈大，则 P 愈小。 由 (6可知： i 与成反比， i 愈大，则。、愈小。 所以电机驱动力 P 与移动速度是成正比的。这样为了减少驱动力，就必须增加传动比，而增加传动比，会引起移动速度减小。同样，若要提高移动速度，就必须减小传动比 ;而减小了传动比，又会引起 驱动力增大。因此，减小驱动力同提高移动速度是相矛盾的。所以要根据移动机械臂的移动抓取技术要求，在满足一定移动速度的情况下，减小驱动力，以便移动机械臂操作轻便、平稳、灵活。 (c)保证准确定位不易被破坏 引起定位被破坏的可能有以下原因 :不平衡力矩的变化、移动中振动等。当机械臂具有自锁性和适当的电机驱动力时，就能保证移动的位置不因上述原因而被破坏。移动机械臂的自锁性是指关节只能正传动，不能逆传动。移动机械臂的关节的自锁性很重要，它不仅保证移动位置不被破坏，而且也保证了因为断电而发生机械臂下落撞击本体。解决移动机 械臂自锁的方法通常有以下二种 : 一种是移动机械臂的传动机构中，采用自锁的运动副。如自锁的蜗轮蜗杆副，移动机械臂的肩部采用了自锁的蜗轮蜗杆传动方式，实现自锁。另一种是在移动机械臂附加自锁机构。如自锁器、固定盘、电磁闸等。为了防止微小的外力作用到移动机械臂驱动电机轴上而破坏移动，移动机械臂的肩部驱动力不应过小。 (d)有足够的强度、刚度和使用寿命 由于移动机械臂工作条件较差，传递运动受力较大，且受动载荷的作用，各部件应有足够的强度和刚度，以保证移动机械臂肩部不被破坏和产生变形影响抓取精度。这在结构设计和材料选用 上应予考虑。同时还要考虑各传动件之间的磨损问题，应尽量减小磨损，磨损以后能够调整。 上述要求，既是移动机械臂设计的基础，又是衡量移动机械臂性能好坏的依据。 机械臂的肩部结构分析 移动机械臂的肩部采用的蜗轮蜗杆式的，下面移动机械臂的肩部结构分析。 作用原理 肩部结构为蜗轮蜗杆式的。所谓蜗轮蜗杆式肩部，是指在肩部的传动机构中，主要通过蜗轮蜗杆的传动，使肩部回转部分转动，来实现机械臂方向移动的。移动机械臂的肩部还承受并传递臂部时回转部分所产生的回转力矩。 结构及分析 (1)结构 在前面的移动机械臂的肩部机械设计中，对机械臂的肩部结构己经有了详细的介绍，详见前面机械臂结构设计的相关内容，这里就不再累述了。 (2)分析 根据对移动机械臂的要求，来分析机械臂肩部结构性能。 （ a）为了提高方向移动精度，减小移动时产生的变位，要求保证在肩部传动轻便灵活的情况下，空回量要小，保证臂部装置在肩部上总的配合间隙所产生的方向移动改变量要小于一定值。肩部的空回量，主要取决于蜗轮蜗杆啮合间隙、磨损情况、蜗杆是否有轴向串动及传动连接件的间隙等。 肩部的蜗轮蜗杆传动是开式传动，不便于润滑和防尘 ;因此传 动过程中的磨损是较严重的。同时蜗轮蜗杆间的摩擦系数较大，也易于磨损。由于磨损较严重，从而增大蜗轮蜗杆的啮合间隙，使肩部空回量变大，这同样会影响移动精度和移动时的变位。工厂在装配过程中应尽量减少装配误差，保证总的配合间隙对移动角的影响最小。 （ b）为了使传动轻便、平稳、灵活，在机械臂的肩部的传动机构中，采用了滚动轴承并能通过注油嘴注油润滑。蜗轮蜗杆在装配前经过研磨检查，装配后又经过调整，使其两齿的接触面沿齿高达 60%，沿齿宽达 50%. 蜗杆为右旋，头数 1z =1，蜗轮齿数 2z =32，配套减速器的减速比 1i =156，齿轮副传动比 2i = 1，因此肩部的总传动比 2 121 . . 3 2 1 5 6 1 1 3 7 6zi i i X (6又 w(6 式中。 肩关节电机转动角速度 (6n 电机每分钟转数， n=10200r/m 回转部分转动角速度，即为移动速度 （ 6 将（ 6 6入（ 6得到移动肩部的速度 =s 上述为肩关节旋转速度的理论计算值，移动机械臂的 旋转速度最大 际测量值虽然会因传动机构的加工装配质量等的影响而大一些，但仍是符合移动技术要求的。满足移动机械臂肩部的设计要求。 (c)移动机械臂肩部的自锁是靠能够自锁的蜗轮蜗杆副来保证的。蜗轮蜗杆副自锁条件：蜗杆螺旋角 小于折合摩擦角 和要可靠自锁必须 比 至少小 1度。 由机械零件可知 (6 (6式中 蜗杆头数 =1 q 蜗杆特性系数 01m(6一蜗杆分度圆直径 =28一蜗杆轴向模数 =2上述各值代入公式得到： 01 由此可以看出 :蜗轮蜗杆虽然符合 条件，而且差大于 1，故自锁可靠。 (d)蜗轮蜗杆式的肩部易于旋转方向的要求。 肩部是蜗轮蜗杆传动，蜗杆固定于蜗轮箱内，蜗轮位于蜗轮箱内，通过轴套与转轴相连，与蜗杆啮合。进行旋转运动操作时，主控计算机把臂部角度与目标点的角度进行比 较，角度的差值通过电机驱动器驱动电机转动，电机转动经配套的减速器后，经过一对齿轮副的传动，带动蜗杆转动，蜗杆与蜗轮啮合，使得与蜗轮通过轴套连接的肩部转轴转动，从而使得固定于肩部转轴的臂 部转动，赋予肩部在 150 度范围内转动。 (e)蜗轮副的传动一般具有工作平稳、结构紧凑的特定，但是在这里将它用作移动机械臂的肩部传动机构后，具体情况有所变化。因为蜗轮蜗杆分别安装在箱体上，不能实现对蜗轮蜗杆的固定装置进行组合加工来保证蜗轮蜗杆的中心距有较小的偏差 ;装配时，蜗轮中心与回转中心不易重合，存在较大的偏差。从而不能保证蜗杆轴线与蜗轮的节圆在同一平面内。所以解决的办法是蜗杆两端加上调整垫片。也就是说，在传动过程中，蜗轮蜗杆的啮合情况是变化的，这就使得电机驱动肩部转动时出现转动不平稳、驱动力不均匀现象。又 因为肩部为一级传动，而且旋转部分很重，体积较大，进行肩部旋转定位时，回转惯性也就较大，同时也没有消除回转惯性力矩的缓冲机构，这种回转惯性也就敏感地、直接地反映到电机上来。由于法兰盘和臂部体积较大，使得肩部的体积也较大，且不够紧凑。 第 3 章 控制系统硬件 制系统模式的选择 构建柑橘采摘机器人平台的核心是建立柑橘采摘机器人的控制系统。首先需要选择和硬件平台，控制系统硬件平台对于系统的开放性、实现方式和开发工作量有很大的影响。一般常用的控制系统硬件平台应满足：硬件系统基于标准总线机构，具有可伸缩性 ；硬件结构具有必要的实时计算能力；硬件系统模块化，便于添加或更改各种接口、传感器和特殊计算机等；低成本。到目前为止，一般柑橘采摘机器人控制系统的硬件平台可以大致分为两类：基于 线（ 司 1981 年推出的第一代 32 位工业开放标准总线 ）的系统和基于 线的系统。近年来，随着 性能的快速发展，可靠性大为提高，价格却大幅度降低，以 为核心的控制系统已广泛被柑橘采摘机器人控制领域所接受。 基于 控制系统一般包括单 制模式， C 的控制模 式， 布式控制器的控制模式， 动控制卡的控制模式， 据采集卡的控制模式，由于基于采集卡的控制方式灵活，成本低廉，有利于本文设计中的废物利用，在程序和算法上可以自主编制各类算法，适合本课题研究的需要。因此本文选定 据采集卡的控制方式。 制系统的搭建 图 制系统框图 控机 在此选用研华工业控制机 ,主频 233存 128 兆， 32 位数据总线。底板有 9 个 槽， 4 个 槽，带 示器。其性能价格比优越， 兼容性好，有利于软硬件维护和升级。与普通个人计算机相比工业控制 有以下优点： 芯片筛选要比一般个人计算机严格； 芯片驱动能力较强； 整机内部结构属于工业加强型，具有较强的防震和抗干扰性能； 对环境（如温度、湿度、灰尘等）的要求要比一般计算机低得多。 据采集卡 在本设计中我们主要用到 研华 公司的 参数如下。 要特点 ： 路单端 12 位模拟量输入 路 12 位模拟量输出 采样速率可编程，最快达 30带 中断的 A/D 路数字量输出 要特点 ： 路独立 D/A 输出 位分辨率双缓冲 D/A 转换器 路数字量输入及 16 路数字量输出 多种电压范围： +/+/0 +5V， 0 +10V 和 4 20流环 。 服放大器 在驱动系统设计 过程 中，主要是对 伺服电机 的驱动，本文中利用报废柑橘采摘机器人上的 机驱动关节，因此同样选用 服电机驱动器（ 0/2）进行驱动，如图 示，这是专门针对 机设计的伺服电机放大控制器，具有很强的控制功能和稳定性，电源电压 1230v 之间， 1、 2 接线端子接伺服电机，直接给电机供电，3， 4 接线端与电源相连， 7、 8 接控制电压，通过数据采集卡输出的模拟电压信号进入这两个接线端来控制电机的转速大小和正反转， 13、 14 接测速计（本文中未用）， 3、 4、
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