苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真说明书【检测用】.docx
苹果采摘机器执行器的机构设计-摘果机械手【9张CAD图纸+PDF图】
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苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真要求：1.执行器有三到四个手指，每个手指有三节2.夹持苹果宽度5-15cm，高度5-15cm3.如图所示4.零件图、装配图、三维图、抓去动画5.完成论文6.一定要有驱动机构，不是欠驱动7.一定要是原创8.参考目录（可以再详细）目 录摘要IABSTRACTII第一章 绪论11.1 课题研究意义11.2 农业采摘机器人发展概况11.2.1农业采摘机器人的特点11.2.2国内外采摘机器人研究进展21.3 采摘机器末端执行器研究现状31.3.1获取方式31.3.2分离方式61.4 欠驱动技术研究发展71.5 主要内容和研究方法91.5.1 主要研究内容91.5.2 技术路线9第二章 欠驱动采摘末端执行器的设计112.1 欠驱动采摘末端执行器的总体结构设计112.1.1手指结构设计122.1.2机架的设计142.1.3驱动方案的选择142.2手腕关节的设计152.3本章小结17第三章 末端执行器静力学分析193.1 欠驱动手指的工作原理193.2 包络抓取时的静态力学模型193.3 运动学分析223.4手部的夹持误差计算233.5本章小结25第四章 末端执行器虚拟设计与仿真研究274.1 软件概述274.2机械手的虚拟设计与装配274.2.1模型的建立274.2.2虚拟装配294.3 模块化设计294.3.1模块化设计概念294.3.2手指的模块化设计304.4本章小结31结论32致谢33参考文献3489.参考图：一、XXXXX毕 业 设 计 (论 文) 苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真系 名： 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师姓名： 指导教师职称： 年 月苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真摘 要苹果采摘机器执行器是采摘机器的重要部件，它的设计通常被认为是机器人的核心技术。本次设计首先，调查了采摘机及其末端执行器的研究及发展现况；接着，通过现有苹果采摘机末端执行器及人工采摘苹果时原理进行分析，在此分析基础上提出了总体结构方案；其次，对各主要机构及其零件进行设计与选择；然后，通过静力学分析进行了校核；最后，采用Pro/E三维设计软件进行了虚拟设计及仿真分析。通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等；掌握了普通机械产品的设计方法并能够熟练使用AutoCAD、Pro/E软件，对今后的工作与生活具有极大意义。关键词：苹果采摘，执行器，手指，设计AbstractApple picking machine is an important part of the picking machine. Its design is often considered as the core technology of the robot.This design first, the research and development status of the picking machine and its end effector;Then, through the analysis of the principle of the end effector of the apple picking machine and picking apples, the overall structure scheme is put forward;Secondly, the design and selection of the main body and its parts are carried out;Finally, the virtual design and simulation analysis of Pro/E 3D design software are carried out.Through this design, we have consolidated the professional knowledge of the University, such as: mechanical principle, mechanical design, material mechanics, tolerance and exchange theory, mechanical drawing, etc.;Master the design method of common mechanical products and be able to skillfully use AutoCAD, Pro/E software, for the future work and life of great significance.Key words: Apple picking, Actuator, Finger, Design目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1课题研究背景及意义11.2 国内外采摘机器发展现况11.3 采摘机器末端执行器研究现状21.3.1获取方式21.3.2分离方式3第二章 总体方案确定52.1设计要求52.2苹果采摘特点分析52.3总体方案设计5第三章 主要机构的设计与选择73.1驱动机构的设计73.1.1驱动方案的选择73.1.2电动机的选择73.1.3丝杆副的选型与校核93.1.4轴承的选择与校核123.1.5键的选择与校核123.2手指结构设计133.2.1手指数量133.2.2手指关节数量133.2.3手指的材料133.3机架的设计14第四章 力学分析与校核154.1手指的工作原理154.2抓取时的静态力学模型154.3运动学分析174.4夹持误差计算18第五章 三维设计与仿真分析215.1 软件概述215.2三维设计与装配225.2.1零件三维设计225.2.2虚拟装配235.3仿真分析245.3.1仿真的简单介绍245.4.2仿真过程25总 结28参考文献29致 谢3031苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真第一章 绪论1.1课题研究背景及意义苹果是我国生产的主要果品之一，2010年苹果产量占果品总产量的32.73%，居三大果品(苹果、柑橘、梨) 之首。同时我国苹果种植面积2848万亩，产量2600万吨，分别占世界苹果面积、产量的35%上，规模居世界第一。机器人采摘在苹果采摘过程中的大量应用能够极大地提高采摘效率、节约成本，不过，虽然水果采摘过程中容易出现机械损伤，机械损伤也是门入侵的病原微生物，是烂水果的主要原因。由于受负载瘀伤的操作方面，打破，从而导致变质腐烂的水果多达30%40%，每年的损失高达数百亿人民币。机械手是与果实直接接触的部分，因此设计一种轻巧易用且对果实损伤小的机械手显得尤为重要。 “采摘机器的末端执行器是一个安装在移动设备或者采摘机器手臂上，使其能够拿起一个对象，并且具有处理、传输、夹持、放置和释放对象到一个准确的离散位置等功能的机构。”这是末端执行器的一个定义。采摘机器的抓取作业方式是工业生产中的一个重要应用。采摘机器是一种通用性较强的自动化作业设备，末端执行器则是直接执行作业任务的装置，大多数末端执行器的结构和尺寸都是根据其不同的作业任务要求来设计的，从而形成了多种多样的结构形式。通常，根据其用途和结构的不同可以分为机械式夹持器、吸附式末端执行器和专用的工具三类。多数情况下末端执行器是为特定的用途而专门设计的，但也可以设计成一种适用性较大的多用途末端执行器。总之，末端执行器机构的种类较多，但是其中有些在技术上尚不成熟。因此，如何在现有的末端执行器机构的性能并从国情出发，研制出能满足各种作业要求，实用可靠，结构简单，造价低廉的采摘机器末端执行器是我们的主要任务。1.2 国内外采摘机器发展现况水果和蔬菜的采摘机器人的研究始于20世纪60年代，在20世纪的美国，用于收割方法主要是机械和气动摇晃摇晃风格。缺点是水果的脆弱性，效率不高，是不是特别有选择性的收获，存在很大的局限性采摘柔软，新鲜水果和蔬菜方面。但此后，随着电子技术和计算机技术的发展，特别是在工业机器人，日益成熟的计算机图像处理技术和人工智能技术，采摘机器人的研究和技术开发得到了快速发展。目前，日本，荷兰，法国，英国，意大利，美国，以色列，西班牙等国相继推出的水果和蔬菜采摘机器人方面的研究相关的研究主要橘子，苹果，西红柿，樱桃西红柿，芦笋，黄瓜，甜瓜，葡萄，甘蓝，菊花，草莓，蘑菇等，但这些收益还没有真正商业化经营的机器人。研究农业机器人领域起步相对较晚，但近几年的快速发展，也已经有很多的研究。张剑峰，董剑，张志勇，如自适应鲁棒跟踪控制算法采摘机器人设计;机器人视觉传感器设计立体的中国农业大学，刘兆祥，刘刚，谁捡到了苹果方面江苏大学蔡健荣三维信息，例如恢复的障碍，为柑橘采摘机器人障碍识别技术的研究;南京农业大学工学院和夺权的水果和蔬菜研究技术姬长英王学林外环控制。在国内，苹果采摘由人工来完成，采摘效率低、采摘人员劳动强度大、工作环境差。目前对苹果采摘机的报道比较少，最近国内也有一些采摘机具的专利，如坚果采摘机，这些专利能在一定程度上减轻采摘人员的劳动强度，改变采摘人员的工作环境；但大多结构简单，所以未从根本上解决采摘难度，效率低等问题。本研究以设计出实用化的苹果采摘机为目标，通过对苹果采摘的工作环境和特性进行深入分析，利用pro/e软件对苹果采摘机进行三维设计和虚拟装配，设计出苹果采摘机末端执行器。基本解决了采摘劳动力大、效率低等问题，具有一定的发展前景。1.3 采摘机器末端执行器研究现状末端执行器是果蔬采摘机器人的另一重要部件，它的设计通常被认为是机器人的核心技术之一。一般果蔬的外表比较脆弱，它的形状及生长状况通常复杂。1.3.1获取方式获取和分离果实是采摘机器人末端执行器必须实现的两大关键动作，即首先通过抓取、吸入、勾取等一定方式获取果实，再通过扭断、剪切等不同方法完成果实与果梗的分离。从目前发表的文献来看，获取果实的方式主要归为非夹持类和夹持类两种。分离果实与果梗的方式有传统的扭断、折断、拉断以及通过剪刀或切刀进行切断，还有新式的热切割方法等。（1）直接切断式这类末端执行器一般都是直接剪断果梗。例如，日本开发的甜椒采摘机器人末端执行器、番茄采摘末端执行器、美国柑橘采摘末端执行器均为此类结构，如图1-1、1-2所示。图1-1 甜椒采摘末端执行器 图1-2 番茄采摘末端执行器这类末端执行器的结构更能较为简单，适用于植株冠层内枝叶较稀疏，且果实具有一定抗冲击能力的果蔬。（2）吸入式这类非夹持类末端执行器主要是通过真空系统将果实吸入末端执行器内，再通过切断、扭断等方式分离果实和果梗。如图1-3所示比利时开发的苹果采摘机器人末端执行器，设计成漏斗的形状，漏斗内安置摄像机，当有果实进入手爪范围的时候，真空吸引器打开将果实吸入，再通过旋转扭断果梗将果实采摘下来。图1-3 苹果采摘末端执行器吸入式的末端执行器硬件设计简单，工作原理类似，对于果实娇嫩、果梗柔弱细长的草莓等果实，采取吸入加勾取比夹持的获取方式更可行，但这类末端执行器对果实个体尺寸差异适应能力较差动作速度较慢，稳定性不高。（3）夹持类这类末端执行器其夹持器通常由带有真空吸引器和数目不等的手指构成。按手爪的个数可分为两指和多指型。中国农业大学张凯良等人设计了草莓采摘机器人，其机械原理如图1-4所示，该末端执行器的夹持机构主要有机械爪及其附属部件构成。1.手指 2.内螺纹管 3.丝杠 4.电机图1-4 机械爪机构示意图1.3.2分离方式现有的采摘机器人末端执行器研究成果来看，多采用扭断、折断或剪切的分离方式，一些末端执行器对新的切割原理进行了尝试。（1）扭断、折断、拉断扭断是利用手腕的旋转和周转关节在执行器抓牢果实后拧断果柄，需要多次往复扭转才能断开果梗，末端执行器需要较大的工作空间，这样就难于避障。这种方式对于果柄易断的果蔬较为实用，如番茄的采摘，但对于果柄柔韧性较高的果蔬则采摘成功率较低。（2）剪切相当部分的采摘机器人末端执行器安装了剪刀或切刀装置，用来切断果梗实现果实、果梗分离。（3）热切割荷兰瓦宁根在黄瓜采摘机器人末端执行大学开发的根，茎改变了传统的分离方法，利用两个相反电极产生的热量，当两个电极之间与茎接触的高频电流，茎高水分含量，使茎会迅速产生高温“腰斩”了。这种方法避免了相互病原体感染和水分流失的问题，但这种方法需要两个电极与茎必须是可靠的，同一长度的限制茎和植物接触番茄常规栽培方式和品种树冠空间，这样所有用剪刀剪的方法很难达到满意的效果。第二章 总体方案确定2.1设计要求本课题所设计的机械手应该具有制造成本低、控制简单、机械结构简单、通用性好等特点同时机械手的整机设计，要遵循以下的设计原则：（1）执行器有三到四个手指，每个手指有三节（2）夹持苹果直径5-15cm，高度5-15cm2.2苹果采摘特点分析目前，实现采摘的主要途径有以下几种：（1）采用吸盘牢牢地吸住了水果，然后用剪刀等工具切割茎秆这种方法需要一个很好的位置来检测和准确的调整端部执行器的姿态，从而增大控制系统和机制的复杂性的困难。（2）使用剪刀剪开茎，秆这个方法需要一个好的位置，以检测并精确地调节到致动器的姿势的末端，从而增加了系统的复杂性和控制机构的难度。（3）用激光切割，该方法还要求具有良好的检测秆制成的高要求的视觉系统中的位置。（4）人工采摘苹果，轻轻握住果实，食指按住秆，然后向上提起，使果柄与果枝部位从离层断开，轻轻取出果实。苹果茎脆弱，容易分离，因此通过垂直旋转在手腕上，以模拟人的运动打破手柄实现分离和果柄采摘苹果或旋转运动的模拟人工的方式设计。这种方法简单，视觉系统要求不高。2.3总体方案设计根据采摘苹果的具体要求，提出了一种苹果采摘末端执行器，其结构如图2.1所示。该执行器由手指、手掌、机架等组成。手抓有3个手指，3个手指圆周对称布置，即每侧一个手指。每个手指有6个关节。在电机控制下，通过丝杆拉动手指下部的拉杆实现3个手指的联动，以及对不同形状物体的夹持。图2.1所示是采用Pro/E软件设计的苹果采摘机末端执行器的三维实体模型。图2-1 机械手机构图工作原理为：机械臂将机械手送达到果实附近，机械手上的位置传感器检测机械手与苹果的相对位置，当果实进入机械手中心位置时，位置传感器触发单片机控制信号，步进电机开始正向转动使机械手开始加紧果实，压力传感器检测手指加紧果实时的压力并判断是否达到压阈值，阈值有实验所得出。若达到此阈值则机械手停止运动，机械臂模拟人工采摘运动，完成果实与果柄的分离。机械臂将果实送到指定位置后，步进电机反转，手指松开，恢复到初始位置，完成果实的采摘。第三章 主要机构的设计与选择3.1驱动机构的设计3.1.1驱动方案的选择目前的手爪的驱动源主要是采用气压驱动、电驱动、液压驱动这三种10。（1）气动压力是一个压缩空气驱动系统来驱动致动器的运动，空气压缩机通常被用作动力源。气动驱动器过载安全，结构简单，污染少，成本低，通过调节空气流量，可以实现无级变速，但大尺寸设备的运行速度不稳定，定位精度不高，抓小举行力。（2）液压驱动系统来驱动流体压力致动器的输出力来驱动系统的稳定，固有的高效率，响应速度快，速度很简单，可以在很宽的范围内无级调速，便于适应不同的工作要求，顺利实现传输，可以吸收冲击力可以实现更加频繁和换向平稳，但容易漏油，污染，高成本，高定位精度比空气，但比电机低，流体温度和粘度变化影响传输性能。（3）电动驱动模式包括步进电机，直流伺服电机，交流伺服电机和步进电机和力矩电机等驱动器类型。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或开环控制元件的线性位移，具有控制简单，响应速度快，可靠，无累积误差等。伺服电机转子惯量，良好的动态特性，机器人由一个伺服电机驱动系统的构成与运行精度高，调速范围广，速度快，运行平稳，可靠性高，易于控制等特点。基于步进电机的这些优点本设计中采用步进电机驱动。3.1.2电动机的选择步进电动机又称为脉冲电动机，是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或直线位移的执行元件。具有以下四个特点：转速（或线速度）与脉冲频率成正比；在负载能力允许的范围内，不因电源电压、负载、环境条件的波动而变化；速度可调，能够快速起动、制动和反转；定位精度高、同步运行特性好。摆盘机臂部升降机构要求电动机电位精度高，速度调节方便快速，受环境影响小，且额定功率小，并且可用于开环系统。而BF系列步进电动机为反应式步进电动机，具备以上的所有条件，我们选用了型号90BF004的反应式步进电动机作为主运动的动力源，该机功率为60W。选用时主要有以下几个步骤：（1）根据脉冲当量和最大静转矩初选电机型号(a)步距角初选步进电机型号，并从手册中查到步距角,由于综合考虑，我初选了，可满足以上公式。(b)距频特性步进电机最大静转矩Mjmax是指电机的定位转矩。步进电机的名义启动转矩Mmq与最大静转矩Mjmax的关系是：Mmq=步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩按下式计算：式中：Mkq为空载启动力矩；Mka为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度折算到电机轴上的加速力矩；Mkf为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩；为由于丝杆预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩。而且初选电机型号时应满足步进电动机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩，即：MkqMmq=Mjmax计算Mkq的各项力矩如下：加速力矩空载摩擦力矩附加摩擦力矩（2）启动矩频特性校核步进电机有三种工况：启动，快速进给运行，工进运行。前面提出的，仅仅是指初选电机后检查电机最大静转矩是否满足要求，但是不能保证电机启动时不丢步。因此，还要对启动矩频特性进行校核。步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动时加速力矩很大，启动时丢步是不可避免的。因此很少用。而升速启动过程中只要升速时间足够长，启动过程缓慢，空载启动力矩中的加速力矩不会很大。一般不会发生丢步现象。3.1.3丝杆螺母副的选型与校核滚珠丝杆已由专门工厂制造，因此，不用我们自己设计制造，只要根据使用工况选择某种类型的结构，再根据载荷、转速等条件选定合适的尺寸型号并向有关厂家订购。滚珠丝杆设计和校核，其步骤如下：首先对于一些参数说明如下：轴向变载荷，其中i表示第i个工作载荷，i=1、2、3n ；第i个载荷对应的转速(r/min);第i个载荷对应的工作时间 (h) ;丝杆副最大移动速度(mm/min);丝杆预期寿命。（1）型号选择（a）根据使用和结构要求 选择滚道截面形状，滚珠螺母的循环方式和预紧方式；（b）计算滚珠丝杆副的主要参数 根据使用工作条件，查得载荷系数=1.0系数=1.5； 计算当量转速 计算当量载荷 初步确定导程 ，取4mm计算丝杆预期工作转速计算丝杆所需的额定载荷（c）选择丝杆型号根据初定的和计算的，选取导程为4mm，额定载荷大于的丝杆。查滚珠丝杠型号表知，本次选定的滚珠丝杠螺母副型号为：GD1604-3由表2-9得丝杠副数据：公称直径 导程 滚珠直径 （2）校核计算（a）临界转速校核校核合格。（b）由于此丝杆是竖直放置，且其受力较小，温度变化较小。所以其稳定性、温度变形等在此也没必要校核。（c）滚珠丝杆的预紧预紧力一般取当量载荷的三分之一或额定动载荷的十分之一。即：其相应的预紧转矩（d）稳定性验算丝杠一端轴向固定，采用深沟球轴承和双向球轴承，可分别承受径向和轴向的负荷。另一端游动，需要径向约束，采用深沟球轴承，外圈不限位，以保证丝杠在受热变形后可在游动端自由伸缩，如下图。 由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数S，其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数S 丝杠不会失稳的最大载荷称为临界载荷 式中，E为丝杠材料的弹性模量，对于钢E=206Gpa；l为丝杠工作长度（m）；为丝杠危险截面的轴惯性矩（）；为长度系数，取。 安全系数 查表2-10，S=2.53.3，SS，丝杠是安全的，不会失稳。 高速丝杠工作时有可能发生共振，因此需验算其不发生共振的最高转速临街转速。要求丝杠的最大转速。 临街转速按下式计算： 式中：为临界转速系数，见表2-10，本题取， 即：，所以丝杠工作时不会发生共振。 此外滚珠丝杠副还受值的限制，通常要求3.1.4轴承的选择与校核（1）轴承选择因为轴承受一定的轴向力的作用，所以选用角接触轴承。轴左侧：从机械设计课程设计中表15-3中查得轴承的型号为：6201。外形尺寸为：d1=12mm，D1=32mm，B1=9mm。（2）轴承校核1）按承载较大的滚动轴承选择其型号，因支承跨距不大，故采用两端固定式轴承组合方式。轴承类型选为深沟球轴承，轴承的预期寿命取为：Lh29200h由上面的计算结果有轴承受的径向力为Fr1=340.43N，轴向力为Fa1=159.90N，基本额定静载荷为C0r=63.8KN。2）径向当量动载荷 动载荷为，查得，则有，满足要求。3.1.5键的选择与校核（1）键的选择键的类型有平键、半圆键、切向键等，是一种实现轴与轮毂间周向固定、用以传递转矩的标准件，应用非常地广泛。3联轴器所在轴径为12mm，从机械设计中表14-1中查得键宽为：b=4mm，键高为：h=4mm，从键的长度系列可选择L=14mm。（2）键的强度校核键、轴材料都是钢，由机械设计查得键联接的许用挤压力为键的工作长度，合适3.2手指结构设计手指握持力与一个大的，高负载能力，良好的通用性，能够抓住任意形状，更宽的应用范围的目的，同时减少驱动源的数量，从而使系统结构变得简单，容易控制。3.2.1手指数量果实形状规则和不规则的。规则小果，采摘机器人使用了两个有直接吸抢果的指尖最线性驱动器。相对的两个手指，三个手指也有一些研究采摘机器人，3指的是机器人抢水果的稳定性更好。3.2.2手指关节数量关节执行器抓取密切相关的端部效应数量越多关节的数量越多，端自由，更灵活的抓动作，更好的爬的程度。从而增加接头的数量同时增加的驱动装置的数量，驱动器将增加增大控制的数量的难度，同时导致系统结构复杂，可靠性差，从而产生负面影响。本文所设计的采摘机器人采摘的使用四连杆机构作为传动机构，所欠的手指驱动的多手指关节，并配有一个力传感器和橡胶材料，测量夹紧力和摩擦力增大。按中华人民共和国农业行业标准，除三级苹果外，果实横切面最大直径要大于或等于70mm9。这里设计机械手所抓取的苹果直径在50mm150mm之间，故取苹果半径为25mmR75mm。3.2.3手指的材料手指选择适当的材料，使用在机器人很大的影响作用。遵从手的结构尺寸，手指，同时保持足够的光强度和质量，系统将双手尼龙材料的选择。尼龙具有很高的机械强度，耐热，磨擦系数低，耐磨损，自润滑性，吸震性，耐油，耐弱酸等特点。图3-2 手指结构3.3机架的设计机架主要是用来安装驱动机构和手掌，小巧的机身，体积小，重量轻的设计要求。这样的设计是一个圆柱形主体框架，所述固定底板，中间板，下部主传动马达构成的支撑柱的安装位置。将主手指挡块的上部。机架结构如图3.4所示。机器人可分为棕榈基和棕榈基类。手掌可以增加关于这个问题的制约，有棕榈机器人具有广泛的适用性，操作方便的特点。无机械手可以抓住的对象，但对象通常祝福规则的形状，它的形状和要求高的对象的大小特征的，无机械手的手掌被广泛应用于特殊的保持机构。图3-4 机架结构第四章 力学分析与校核4.1手指的工作原理(a)是手指的初始结构,手指无接触外力，整个手指以单一刚体绕支点运动；(b)表示指节1接触物体；(c) 表示指节2相对指节1的转动，指节2向物体方向弯曲，这时驱动力需克服弹簧作用力；(d)两指节接触物体，手指完成形适合阶级,驱动件的驱动力传递到两指节上。图4.1 采摘手指工作原理4.2抓取时的静态力学模型由于驱动机构是独立的自由度的数目比的传动机构的数目。采摘机器人可以做到无论是抢的信封，你可以使用pick关节面的结束意味着精确的方式抓取。依靠被动顺从的方式，采摘能力的手指抓取物体具有形状自适应。提取的手指1的第一关节的包络成与所述第一对象和该对象的反作用力，由于反作用力的接触，第一关节的运动将受到限制，并且在手指的第二关节被约束在由于没有下传动机构接近物体的持续作用驱动的，最后的两个指节和表面接触。实现操作的春天，机械限位和平行四边形机构的共同作用下精确抓取。由拇指的端部和食指夹持器联合一对在所施加的力相反的方向的物体，以限制对象来实现爬行的运动的作用。包络抓取的静力学模型如图4.2所示。图4.2 手指静力学模型图4.2中为输入转矩，、分别为关节1、2所受的力，、为接触点、到、的距离。为关节2相对于关节1转过的角度，水平轴的夹角。为摩擦约束力矩。三角构件边的夹角，h杆与杆c的反向延长线交点到的距离。、为关节1、2的长度。为杆与水平轴的夹角。为摩擦约束力矩。根据虚功原理可得3,4,5 (4.1)T为手指机构的输入转矩向量，由驱动力矩以及摩擦力矩组成；为手指机构各关节与力矩相关的连杆的虚拟角速度向量，由驱动连杆的角速度以及末关节加速度构成；F为作用在手指上的抓取接触力组成的向量，由接触力、构成；V为外力作用点在外力作用方向上的虚拟速度向量，由各接触点的y方向的速度分量构成，即： (4.2)由机构学理论，可知各关节的接触点速度可以通过雅可比矩阵用各关节的角速度来表示，即： (4.3)又 (4.4)为传递矩阵 将式(3.2)、(3.3)、(3.4)带入(3.1)约去得： (4.5) (4.6)将上式与式(3.3)对比可知 (4.7) (4.8) (4.9) (4.10) (4.11)当手指以直指方式抓取物体时,仅有短关节触及物体,这时,只要令F1=0、T1=0 ，则手指受力为： (4.12)4.3运动学分析采摘机械手的每个手指都是由两套四连杆机构构成的。图4.3所示为一个四连杆机构。图4.3四连杆机构原理各杆构成的矢量封闭方程为6，写成坐标轴上分量形式有： (4.13)化简上式，消去b得： (4.14)对式3.14两边求导并化简，可得4杆机构L1与L3角速度之间的关系： (4.15)4.4夹持误差计算旋转夹紧手指时的不同直径的工件会产生变化的轴向位置，使得钳位误差。采摘手指的抓地力和双支点原理转换回一个类似的原则手指夹住，如此就可以按照双支点回转型手指祝福误差计算。图4.4 双支点回转型手指简图图中：l手指长度;V型槽的夹角；偏转角；2 s两回转支点间距离;根据几何关系，可得 (4.16) (4.17)该方程亦为双曲线方程，另；图4.5 x与半径R的关系曲线根据双曲线特点,对应附近的曲线变化率较小,故在处附近对应的夹持误差最小。当时，手指夹持误差计算如下: (4.18) (4.19)最佳偏角的计算取V型槽的夹角=，根据式（4-9）求得最佳偏转角为 故夹持误差的计算因为和关于对称，所以=，故经过计算手指的夹持误差为0.88mm。第五章 三维设计与仿真分析5.1软件概述Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。（1）参数化设计相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。（2）基于特征建模Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。（3）单一数据库Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。Pro/Engineer功能如下：（1）特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等）；（2）参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）；（3）通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计；（4）支持大型、复杂组合件的设计（规则排列的系列组件，交替排列，Pro/PROGRAM的各种能用零件设计的程序化方法等）。（5）贯穿所有应用的完全相关性（任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动）。其它辅助模块将进一步提高扩展 Pro/ENGINEER的基本功能。5.2三维设计与装配5.2.1零件三维设计在Pro/E零件设计模块对各零件进行三维建模，主要零件的建模结果如下：（1）第一关节图5-1 第一关节（2）第二关节图5-2 第二关节（3）指尖图5-3 指尖（4）手指底座图5-4 手指底座（5）丝杠螺母副图5-5（a）螺母滑块 图5-5（b）丝杠（6）支架图5-6 支架5.2.2虚拟装配虚拟装配时采用模块化装配模式，即先对手指、手腕进行装配，再把手指与手腕进行装配得到最终的总成。（1）手指装配图5-7 手指虚拟装配（2）手腕装配图5-8 手碗虚拟装配（3）总成装配图5-9 总成虚拟装配5.3仿真分析5.3.1 Pro/E仿真介绍在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计,为了验证设计的合理性，通常要制造样机进行性能试验，有时这些试验是破坏性的。当通过试验发现设计缺陷时，又要重新修改设计，并用样机重新验证。只有通过周而复始的“设计试验设计”过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，尤其对于结构复杂的系统，采用传统的设计开发思路其设计周期无法缩短，更谈不上市场竞争力。在计算机仿真技术高速发展的今天，Pro/ENGINEER（以下简称Pro/E）为之提供了一套行之有效的运动仿真解决方案，即Pro/E的运动仿真技术是利用Pro/E建立模拟系统的三维实体模型和力学模型，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种情况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的先进技术，其目的是为物理机样的设计和制造提供依据。运动仿真技术是从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，解决传统的设计与制造过程弊端的高新技术。工程设计人员可以直接利用Pro/E系统所提供的各零部件的物理信息及几何信息，在运动仿真内定义零部件间的连接关系并进行虚拟装配，从而获得机械设计系统的虚拟样机，在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析，仿真试验不同的设计方案，对整个系统进行不断改进，直至获得最优设计方案，再做物理样机。这样做的意义在于减少了甚至免除了制作物理样机的经费，缩短了产品开发周期，提高了市场竞争力。5.3.2仿真过程（1）机构仿真(a)打开装配图，点击“机构”命令图5-10点击“机构”(b)建立伺服电动图5-11建立电动机 (c)点击“机构分析”，弹出界面图5-12机构分析(d)点击运行（2）仿真动画获取(a)点击“回放”-右键选择“播放”图5-13启动动画(b)点击 “动画”中“捕获”命令图5-35动画(c)设置“捕获”命令参数设置“捕获”中动画放置目录、图像大小等参数后，点击“确定”等待计算机运行捕获即可得到仿真动画。图5-14捕获总 结毕业设计是大学学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的学习机会，通过这次对变电站巡检全向移动小车理论知识和实际设计的相结合，锻炼了我的综合运用所学专业知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高了我查阅文献资料、设计手册、设计规范能力以及其他专业知识水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力以及耐力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在，提高是有限的但却是全面的，正是这一次毕业设计让我积累了许多实际经验，使我的头脑更好的被知识武装起来，也必然让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。顺利如期的完成本此毕业设计给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心，但同时也发现了自己的许多不足与欠缺，留下了些许遗憾，不过不足与遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行，今后我更会关注新科技新设备新工艺的出现，并争取尽快的掌握这些先进知识，更好的为祖国的四化服务。参考文献1 成大先. 机械设计手册（第5版）M. 北京：化学工业出版社，2008.2 邓星钟主编.机电传动控制M.第三版，华中科技大学出版社 20123 严霖元主编.机械制造基础M.中国农业大学 20134 郑文纬，吴克坚主编.机械原理M.高等教育出版社 2013 5 范思冲.画法几何及机械制图. 北京：机械工业出版社，1995：312.6 于永泗、齐民主编，机械工程材料M，大连：大连理工大学出版社，20077 余桂英、郭纪林主编，AutoCAD2008中文版实用教程M，大连：大连理工大学出版社，20078 邵立新、夏素民、孙江宏等编著，Pro/ENGINEER Wildfire 4.0中文版标准教程M，北京：清华大学出版社，20079 王承义.机械手及其应用M.北京：机械工业出版社，1981：105-12510 徐丽明,张铁中.果蔬果实收获机器人的研究现状及关键问题和对策J.农业工程学报,2004,20(5);38.11 孙建设.我国苹果栽培模式的沿革与思考J.专家视点,2008,2:22-24.12 姜丽萍,陈树人.果实采摘机器人的研究综述J.农业装备技术,2006,2,32(1):8-10.13 崔玉洁,张祖立,白晓虎.采摘机器人的研究进展与现状分析J.农机化研究,2007,(2):4-5.14 Ling P, Ehsani R, Ting K C, et al.Sensing and end-effector for a robotic tomato harvesterC/ASAE Paper 043088,2004.15 S.Jacobsen, J. Wood, K. Bigger. The Utah/MIT hand: Works in progress J.International Journal of Robotics Research.1986,4(3):221-250.致 谢在本文即将结束之际，请允许我对在这四年的大学生活学习中给予我支持和鼓励的各位老师和同学致以深深的感谢。首先，我要感谢我的指导老师，感谢他在我的研究和学习过程中给予我的指导和帮助。老师深厚的理论素养，渊博的学识和诲人不倦的精神使我受益非浅，更重要的是，老师严谨的治学风范和对学术问题的概括与抽象能力在潜移默化中影响着我，教育着我。在大学生活中，老师对我的言传身教以及给予我许多无私的关心和帮助，所有这些不仅是我得以顺利地完成本文，而且更是使我终身受益。我还要感谢系里的各位老师，他们为我的毕业设计提出诸多良好的建议以及努力方向，使我得以较快地完成设计。其次，我还要特别感谢我的母校，为我提供了一个先进的学习、工作环境，能让我顺利完成自学考试的各个课程。最后，请让我将这篇学士学位论文献给我的父母亲，感谢他们的养育之恩，感谢他们使我成为一个对社会有用的人，他们的关怀、支持和鼓励是我所有信念的力量源泉。XXXXX毕 业 设 计 (论 文) 苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真系 名： 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师姓名： 指导教师职称： 年 月苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真摘 要苹果采摘机器执行器是采摘机器的重要部件，它的设计通常被认为是机器人的核心技术。本次设计首先，调查了采摘机及其末端执行器的研究及发展现况；接着，通过现有苹果采摘机末端执行器及人工采摘苹果时原理进行分析，在此分析基础上提出了总体结构方案；其次，对各主要机构及其零件进行设计与选择；然后，通过静力学分析进行了校核；最后，采用Pro/E三维设计软件进行了虚拟设计及仿真分析。通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等；掌握了普通机械产品的设计方法并能够熟练使用AutoCAD、Pro/E软件，对今后的工作与生活具有极大意义。关键词：苹果采摘，执行器，手指，设计AbstractApple picking machine is an important part of the picking machine. Its design is often considered as the core technology of the robot.This design first, the research and development status of the picking machine and its end effector;Then, through the analysis of the principle of the end effector of the apple picking machine and picking apples, the overall structure scheme is put forward;Secondly, the design and selection of the main body and its parts are carried out;Finally, the virtual design and simulation analysis of Pro/E 3D design software are carried out.Through this design, we have consolidated the professional knowledge of the University, such as: mechanical principle, mechanical design, material mechanics, tolerance and exchange theory, mechanical drawing, etc.;Master the design method of common mechanical products and be able to skillfully use AutoCAD, Pro/E software, for the future work and life of great significance.Key words: Apple picking, Actuator, Finger, Design目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1课题研究背景及意义11.2 国内外采摘机器发展现况11.3 采摘机器末端执行器研究现状21.3.1获取方式21.3.2分离方式3第二章 总体方案确定52.1设计要求52.2苹果采摘特点分析52.3总体方案设计5第三章 主要机构的设计与选择73.1驱动机构的设计73.1.1驱动方案的选择73.1.2电动机的选择73.1.3丝杆副的选型与校核93.1.4轴承的选择与校核123.1.5键的选择与校核123.2手指结构设计133.2.1手指数量133.2.2手指关节数量133.2.3手指的材料133.3机架的设计14第四章 力学分析与校核154.1手指的工作原理154.2抓取时的静态力学模型154.3运动学分析174.4夹持误差计算18第五章 三维设计与仿真分析215.1 软件概述215.2三维设计与装配225.2.1零件三维设计225.2.2虚拟装配235.3仿真分析245.3.1仿真的简单介绍245.4.2仿真过程25总 结28参考文献29致 谢3030苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真第一章 绪论1.1课题研究背景及意义在中国苹果是一个主要的水果，2010年苹果总产量占32.73三大水果，水果（苹果，桔子，梨头。此外，苹果在中国的领土面积2848亩，产量26万吨，占世界的35%，苹果面积、产量、规模最大的世界苹果采摘机器人采摘过程。在很大程度上可以大大提高效率，节约成本，但可摘摘果过程中的机械损伤，机械性损伤是一种入侵的病原微生物，是错误的主要原因为操作负荷的瘀伤，打破，从而使变质腐烂的水果，每年达30 40%的损失高达10亿人民币。直接接触臂部分果实，所以开发一个容易损坏的水果和小型机械手是特别重要的。“采摘机器的末端执行器是一个安装在移动设备或者采摘机器手臂上，使其能够拿起一个对象，并且具有处理、传输、夹持、放置和释放对象到一个准确的离散位置等功能的机构。”这是末端执行器的一个定义。采摘机器的抓取作业方式在工业生产中是一个重要的运用，机器是一个全面的强大的自动化设备，装置的执行器是直接导致了大多数的任务，完成任务后的结构和尺寸的设计，多种结构。通常，根据使用和机械手爪的结构的变化，吸附出口和专用工具三类。在大多数情况下，执行器是为特定用途而专门设计的，也可以是一个大型的多功能性的执行者。现有的末端执行器机构的性能并从国情出但有些技术还不成熟，因此，如何在现有的条件和执行机构的性能可以满足不同的功能要求，研制结构简单、成本低、可靠性高，采摘机端是我们最重要的任务。1.2 国内外采摘机器发展现况水果和蔬菜在采摘机器人的研究始于20世纪60年代，在美国，主要用于气动机械清洗方法和非定常的风格。缺点是，水果的脆弱性，效率不高，不存在很大的局限性，特别是选择性的收获，拣软的，新鲜的水果和蔬菜。但此后，随着电子技术的发展和计算机技术的发展，特别是在工业机器人，更成熟的技术和计算机图像处理技术和人工智能技术的发展，采摘机器人的研究得到了迅速的发展。目前，日本，荷兰，法国、英国、意大利、美国、以色列、西班牙和其他国家的成功推出了水果和蔬菜采摘机器人的研究相关方面的研究主要的橘子，苹果，西红柿，黄瓜，番茄，芦笋，花椰菜，葡萄、甜瓜、草莓、菊花、蘑菇，但这些好处还真的不的商业操作的机器人。农业机器人的研究起步相对较晚，但在过去几年的快速发展，也已经有了大量的研究。张剑峰董剑，张志勇，自适应控制算法的设计，如采摘机器人的机器人鲁棒跟踪设计的立体视觉传感器；中国农业大学，刘兆祥，刘岗，谁发现了苹果方面蔡健荣江苏大学的三维信息，如恢复的障碍，柑橘采摘机器人障碍识别技术的研究；南京农业大学和政府接管的水果和蔬菜的控制技术的研究王学林与外环的长影。在中国，苹果没有手工收集采集器完成，效率低，劳动强度大，环境恶劣的工作。目前，采摘机对苹果最近也报道较少，国内一些收集机的专利，如坚果提取挂钩，这些专利可以在一定程度上降低劳动强度采集器的工作人员的工作条件，改变选择；但是，基本上，结构简单，所以没有选择从根本上解决困难，效率低。本研究以设计为苹果采摘机的实际目标，工作环境特点的基础上，深入分析了苹果不使用软件来和苹果，Pro / E收集机三维设计、虚拟装配设计苹果机端，收集的表演者。基本解决了选择大，劳动效率低，具有一定的发展前景。1.3 采摘机器末端执行器研究现状水果和蔬菜的采摘机器人的末端执行器，是另一个重要组成部分，它的设计通常被认为是机器人的核心技术之一。总的来说，水果和蔬菜，看起来很脆弱，它的形状和生长的情况通常是复杂的。1.3.1获取方式果实采集和分离是获取机器人末端的两个关键的行动必须达到的，首先，通过捕获、吸入、安装等。的方法，取得了一定的成果，然后折叠，剪切不同的方法，如完成果实和果梗的分离。从已发表的文献，主要归为两类获得的果实不夹夹紧和类。果实和果梗的分离方法有传统的皱缩，破碎和通过剪刀或切刀，有了一个新的热切割方法等。（1）直接切断式这类末端执行器通常是直接剪断。例如，日本的发展，甜椒，番茄采摘机器人的端到端的表演者收割结束美国的柑橘，表演者是这样的结构，如图1-1、1-2所示。图1-1 甜椒采摘末端执行器 图1-2 番茄采摘末端执行器这类末端执行器的结构更简单，植物冠层、叶片和果实，具有一定的抗冲击的水果和蔬菜。（2）吸入式这类非夹持类末端执行器主要通过吸入真空系统的内端将表演者的果实，然后切断，折叠，如分离果实和果梗。如图1-3所示比利时发展苹果不的机器人末端的漏斗，漏斗内安置室的设计形式，在夹持范围时，吃水果时，将再次打开吸入真空吸果梗，将基于旋转折叠水果采摘下来。图1-3 苹果采摘末端执行器吸入式末端执行器的工作原理，硬件设计简单，类似的果实梗柔弱的细长的，温柔的，草莓和其他水果相比，接受吸入途径获得更多的安装，夹上的端部执行器是可行的，但这样的个体差异的适应能力较差的果实大小的动作慢，稳定性不高。（3）夹紧类这类末端执行器，他的持有人通常由真空吸和数目不等的手指。根据夹持器可分为两个手指的数量和大量的指型。中国农业大学张凯良等人设计的原理，草莓产量，他们的机器，如图1所示。1 - 4，此端的表演者在爪的夹紧机构的主要机及其附属部件。1.手指 2.内螺纹管 3.丝杠 4.电机图1-4 机械爪机构示意图1.3.2分离方式现有的研究收集机器人端，使用折叠，断裂或剪切，分离模式，减少一些原则上的端部执行器进行新的尝试。（1）扭断、折断、拉断折叠是腕关节的旋转致动器的使用和周转需要折叠后在果实进行多次往复扭转的菌柄，可以禁用表演者的花梗，端的工作需要更多的空间，很难避免的障碍。因此，水果和蔬菜，水果柄易故障更实用，如番茄的选择，但对水果和蔬菜的菌柄的灵活性，选择了较低的成功率。（2）剪切很大一部分的收获机器人端切刀切断装置或安装剪刀，花序梗，实现水果，花序梗的分离。（3）热切割荷兰黄瓜采摘机器人的末端执行瓦宁根大学发展中的根、茎的变化使用两个相反的电极分离的传统方法，热的时候，两个电极之间的接触和高频电流的茎，茎高水分含量的快速建立，以阻止将高温“腰斩”。这种方法避免了相互的病原体感染和流失的问题，但该方法需要两个电极和茎的长度相同的必须是可靠的，传统方法的限制的接触和植物的茎和冠空间栽培番茄品种用剪刀，所以所有的方法很难达到满意的结果。第二章 总体方案确定2.1设计要求本课题所设计的机械手应该具有制造成本低、控制简单、机械结构简单、通用性好等特点同时机械手的整机设计，要遵循以下的设计原则：（1）执行器有三到四个手指，每个手指有三节（2）夹持苹果直径5-15cm，高度5-15cm2.2苹果采摘特点分析目前，实现采摘的主要径选择了以下类型：（1）通过吸盘紧紧抓住水果，然后用工具，如剪刀剪茎这个方法需要一个很好的位置的检测和准确的调整端执行者的姿态，从而增加了控制系统的机理的复杂性和困难。（2）用剪刀脚，脚这个方法需要很好的位置，以识别和精确地调节传动的末端位置，提高了系统的控制机制的复杂性和困难。（3）对激光切割机，该方法还具有良好的检测要求高的秸秆在视觉系统中的位置。（4）手动选择苹果的食指，轻轻地把水果，秸秆，然后向上，使果柄和果枝断开从脱落，果实整齐的删除。苹果茎脆弱，容易分离，因此，通过垂直转动手腕，手柄的运动仿真和实现分离的人克服菌柄摘苹果或旋转运动的模拟人工方式的设计。该方法不需要很高的简单的，视觉系统2.3总体方案设计根据苹果的选择提出了具体的要求，苹果没有结束的表演者，其结构如图1所示。2.1。从手指和手掌的驱动，框架等。有三个手指的手，圆周对称的三个手指，一个手指的每一侧。每个手指6关节。在牵引电机的控制下，通过螺杆的手指，手指实现3杆底部的联系，并对不同形状物体的夹紧。图2.1是Pro/E软件设计的苹果采摘机端执行器的三维模型。图2-1 机械手机构图工作原理：将机械手的机械手送达到果实附近的传感器检测机械手，机械手的位置的相对位置时与苹果果实的中心位置，在机械手的控制信号，触发单片机的步进电机的位置传感器，开始向前旋转，使机械手开始加紧的水果，水果的手指的压力传感器检测的压力加大的实时性和确定是否有压力的勘探队，达到阈值，阈值由实验得出。如果达到这个阈值，则停止运动的机械手，机械手运动的模拟人工采摘果实和果柄的分离，完成。将指定位置的机械手后的水果，步进电机反转，手指放松，恢复原来的位置，完成果实采摘。第三章 主要机构的设计与选择3.1驱动机构的设计3.1.1驱动方案的选择目前机械手驱动源主要采用气动驱动，电气，液压驱动这三种：（1）是气动压缩空气的压力驱动致动器的运动的驱动系统，空气压缩机，通常用来作为能量的来源。气动过载驾驶员的安全，结构简单，成本低，污染少，可通过调节空气流量，调节速度，但大尺寸设备的不稳定性的运动速度，定位精度高，不举行，抓住小小的力量。（2）液压传动系统的输出力驱动流体压力驱动传动系统固有的稳定，有效，反应速度快，很简单，可以在很宽的范围内无级调速的要求，容易适应不同的工作，成功地实现了传输可以吸收冲击力，可以实现更频繁和换向平稳，但容易漏油，污染，成本高，定位精度高，比电机，但比空气低温液体的粘度的变化和影响，传输特性。（3）电气传动模型，包括步进电机交流伺服电机，伺服电机和步进电机和发动机的扭矩和驱动器类型。步进电机的角位移或是电脉冲信号控制的开环控制元件的线性位移，简单，快速的反应，可靠，无累积误差等。伺服电机的转动惯量的转子，具有良好的动态特性，机器人由一个伺服电机驱动系统的构成与运行精度高，调速范围广，速度快，运行平稳，可靠性高，易于控制等特点。基于步进电机的这些优点本设计中采用步进电机驱动。3.1.2电动机的选择步进电机，也被称为脉冲电动机，是一种信号转换为电脉冲和脉冲数成正比的角位移或线位移的执行元件。具有以下四个特点：（1）或线速度和脉冲频率成正比的速度；（2）在负载能力范围内，不是因为电压波动和负载，环境条件的变化；（3）速度可调，能快速启动、制动和反转；（4）定位精度高，同步启动特性好。机臂升降机构的电机调速精度要求高潜力的快速、方便、受环境影响小，额定功率小，并可用于开环系统。步进电机和步进电机为BF系列反应，所有这些条件，我们选择了90BF004主运动模型反应的步进电机作为动力源，该机功率为60W。在选择主要有以下步骤：（1）根据脉冲当量和最大静转矩初选电机型号(a)步距角初选步进电机型号，并从手册中查到步距角,由于综合考虑，我初选了，可满足以上公式。(b)距频特性步进电机最大静转矩Mjmax是指电机的定位转矩。步进电机的名义启动转矩Mmq与最大静转矩Mjmax的关系是：Mmq=步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩按下式计算：式中：Mkq为空载启动力矩；Mka为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度折算到电机轴上的加速力矩；Mkf为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩；为由于丝杆预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩。而且初选电机型号时应满足步进电动机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩，即：MkqMmq=Mjmax计算Mkq的各项力矩如下：加速力矩空载摩擦力矩附加摩擦力矩（2）启动矩频特性校核步进电机有三种工况：启动，快速进给运行，工进运行。前面提出的，仅仅是指初选电机后检查电机最大静转矩是否满足要求，但是不能保证电机启动时不丢步。因此，还要对启动矩频特性进行校核。步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动时加速力矩很大，启动时丢步是不可避免的。因此很少用。而升速启动过程中只要升速时间足够长，启动过程缓慢，空载启动力矩中的加速力矩不会很大。一般不会发生丢步现象。3.1.3丝杆螺母副的选型与校核滚珠丝杆已由专门工厂制造，因此，不用我们自己设计制造，只要根据使用工况选择某种类型的结构，再根据载荷、转速等条件选定合适的尺寸型号并向有关厂家订购。滚珠丝杆设计和校核，其步骤如下：首先对于一些参数说明如下：轴向变载荷，其中i表示第i个工作载荷，i=1、2、3n ；第i个载荷对应的转速(r/min);第i个载荷对应的工作时间 (h) ;丝杆副最大移动速度(mm/min);丝杆预期寿命。（1）型号选择（a）根据使用和结构要求 选择滚道截面形状，滚珠螺母的循环方式和预紧方式；（b）计算滚珠丝杆副的主要参数 根据使用工作条件，查得载荷系数=1.0系数=1.5； 计算当量转速 计算当量载荷 初步确定导程 ，取4mm计算丝杆预期工作转速计算丝杆所需的额定载荷（c）选择丝杆型号根据初定的和计算的，选取导程为4mm，额定载荷大于的丝杆。查滚珠丝杠型号表知，本次选定的滚珠丝杠螺母副型号为：GD1604-3由表2-9得丝杠副数据：公称直径 导程 滚珠直径 （2）校核计算（a）临界转速校核校核合格。（b）由于此丝杆是竖直放置，且其受力较小，温度变化较小。所以其稳定性、温度变形等在此也没必要校核。（c）滚珠丝杆的预紧预紧力一般取当量载荷的三分之一或额定动载荷的十分之一。即：其相应的预紧转矩（d）稳定性验算丝杠采用轴向螺钉固定的一端和双向滚珠轴承，滚珠轴承，分别可承受径向和轴向负荷。另一端游动，需要采用滚珠轴承径向的限制，不限，环以确保去散步，在结束后的热变形的自由伸缩，如下图所示。 由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数S，其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数S 丝杠不会失稳的最大载荷称为临界载荷 式中，E为丝杠材料的弹性模量，对于钢E=206Gpa；l为丝杠工作长度（m）；为丝杠危险截面的轴惯性矩（）；为长度系数，取。 安全系数 查表2-10，S=2.53.3，SS，丝杠是安全的，不会失稳。 高速丝杠工作时有可能发生共振，因此需验算其不发生共振的最高转速临街转速。要求丝杠的最大转速。 临街转速按下式计算： 式中：为临界转速系数，见表2-10，本题取， 即：，所以丝杠工作时不会发生共振。 此外滚珠丝杠副还受值的限制，通常要求3.1.4轴承的选择与校核（1）轴承选择因为轴承受一定的轴向力的作用，所以选用角接触轴承。轴左侧：从机械设计课程设计中表15-3中查得轴承的型号为：6201。外形尺寸为：d1=12mm，D1=32mm，B1=9mm。（2）轴承校核1）按承载较大的滚动轴承选择其型号，因支承跨距不大，故采用两端固定式轴承组合方式。轴承类型选为深沟球轴承，轴承的预期寿命取为：Lh29200h由上面的计算结果有轴承受的径向力为Fr1=340.43N，轴向力为Fa1=159.90N，基本额定静载荷为C0r=63.8KN。2）径向当量动载荷 动载荷为，查得，则有，满足要求。3.1.5键的选择与校核（1）键的选择键的类型有平键、半圆键、切向键等，是一种实现轴与轮毂间周向固定、用以传递转矩的标准件，应用非常地广泛。3联轴器所在轴径为12mm，从机械设计中表14-1中查得键宽为：b=4mm，键高为：h=4mm，从键的长度系列可选择L=14mm。（2）键的强度校核键、轴材料都是钢，由机械设计查得键联接的许用挤压力为键的工作长度，合适3.2手指结构设计手指夹持力和大容量，高负荷，普遍性，可以利用任何形式的目的，适用范围更广的驱动源的数量，同时也减少了，从而使系统的结构变得简单，易于控制。3.2.1手指数量果实的定期和不定期的形式。小水果采摘机器人的规则，使用两个手指直接抢水果吸收最线性驱动器。三个手指相对的两个指纹，一些研究也不意味着一个稳定的机器人，机器人3抢水果最好。3.2.2手指关节数量关节执行器的端部效应密切相关的爬行，更多更多的自由端的接头的数量，数量，更灵活的捕捉行动，更好的提升的程度。因此，接头数量增加的同时增加的数量的设备驱动程序，驱动程序将控制难度增大，并导致系统结构复杂，可靠性差，因此，产生消极的影响。本文选择在采摘机器人四连杆机构作为传动机构的使用在许多欠的手指，手指关节，和一个力传感器的测量和橡胶，增加了夹紧力和摩擦。根据中华人民共和国农业产业，除了标准的三级”，苹果，果实横切面的最大直径大于或等于生产 9 。在这里，在设计机器人爬行在50150毫米直径的半径之间的苹果，苹果，所以获得25毫米R75毫米。3.2.3手指的材料手指选择适当的材料的使用，对机器人的重要的影响作用。结构尺寸符合手，手指，同时保持足够的强度和质量，系统将手中的尼龙材料的选择。尼龙具有很高的机械强度、耐热、低摩擦系数、耐磨性、自润滑、吸收振动，耐油，耐弱酸性等。图3-2 手指结构3.3机架的设计机架主要用于安装驱动机构和手掌，紧凑的机身，体积小，重量轻的要求。这样的设计是圆柱形的基本框架，其中底板固定在中间板的下部，主传动电机，由柱支撑的安装位置。基本块将手指在上半部分。框架结构，如图3.4所示。机器人可以分为棕榈基和棕榈的基类。关于Palm可以增加这个问题的限制，有棕榈机器人具有广泛的适用性，使用方便。无机械手可以利用的对象，但对象，通常的规则，祝福的形式，它的形状和大小的物体的要求高的特点，广泛应用于机械手的手掌，没有特殊的保护机制。图3-4 机架结构第四章 力学分析与校核4.1手指的工作原理(a)的初始结构是非接触式的手指，手指的外力，整个的手指运动的刚体绕支点，统一；（b）说，关节1接触对象；（c）说，在2 1 2相对关节关节的旋转方向，关节弯曲的对象时，必须克服弹簧力的驱动力的两个节；（d）完成的手指接触的对象的形状，阶级，驱动的驱动力传递两个节。图4.1 采摘手指工作原理4.2抓取时的静态力学模型由于驱动机构是一个独立的自由度的数目，比数的传导机制。采摘机器人可以做任何抢劫的信封，你可以使用选择关节面端意味着精确路径爬行。依靠被动的选择对象捕捉的，具有自适应能力的手指的形状。在第一次包络提取的手指关节1与第一对象和该对象的反对，因为接触的第一关节，运动强度，将限制在手指关节，和第二，因为没有被限制的对象几乎连续传输机制下的司机的行为，最后两个关节和表面接触。机械操作的实现、弹簧、限位和平行四边形机构的作用下，精确的爬行。食指和中端联合在一个架在相反的方向上的力，以限制的对象，对象，来实现爬行的运动的作用。包络抓取静力学模型，如图所示4.2。图4.2 手指静力学模型图4.2中为输入转矩，、分别为关节1、2所受的力，、为接触点、到、的距离。为关节2相对于关节1转过的角度，水平轴的夹角。为摩擦约束力矩。三角构件边的夹角，h杆与杆c的反向延长线交点到的距离。、为关节1、2的长度。为杆与水平轴的夹角。为摩擦约束力矩。根据虚功原理可得3,4,5 (4.1)T为手指机构的输入转矩向量，由驱动力矩以及摩擦力矩组成；为手指机构各关节与力矩相关的连杆的虚拟角速度向量，由驱动连杆的角速度以及末关节加速度构成；F为作用在手指上的抓取接触力组成的向量，由接触力、构成；V为外力作用点在外力作用方向上的虚拟速度向量，由各接触点的y方向的速度分量构成，即： (4.2)由机构学理论，可知各关节的接触点速度可以通过雅可比矩阵用各关节的角速度来表示，即： (4.3)又 (4.4)为传递矩阵 将式(3.2)、(3.3)、(3.4)带入(3.1)约去得： (4.5) (4.6)将上式与式(3.3)对比可知 (4.7) (4.8) (4.9) (4.10) (4.11)当手指以直指方式抓取物体时,仅有短关节触及物体,这时,只要令F1=0、T1=0 ，则手指受力为： (4.12)4.3运动学分析采摘机械手的每个手指都是由两套四连杆机构构成的。图4.3所示为一个四连杆机构。图4.3四连杆机构原理各杆构成的矢量封闭方程为6，写成坐标轴上分量形式有： (4.13)化简上式，消去b得： (4.14)对式3.14两边求导并化简，可得4杆机构L1与L3角速度之间的关系： (4.15)4.4夹持误差计算旋转夹紧手指的直径变化时，会产生不同的轴向位置误差的工件，夹具。收集的手指的抓地力和双支点的回指转换原理类似的原则，因此，可以根据双支点回转型手指祝福误差的计算。图4.4 双支点回转型手指简图图中：l手指长度;V型槽的夹角；偏转角；2 s两回转支点间距离;根据几何关系，可得 (4.16) (4.17)该方程亦为双曲线方程，另；图4.5 x与半径R的关系曲线根据双曲线特点,对应附近的曲线变化率较小,故在处附近对应的夹持误差最小。当时，手指夹持误差计算如下: (4.18) (4.19)最佳偏角的计算取V型槽的夹角=，根据式（4-9）求得最佳偏转角为 故夹持误差的计算因为和关于对称，所以=，故经过计算手指的夹持误差为0.88mm。第五章 三维设计与仿真分析5.1软件概述Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro / E参数化的概念，首次提出了统一的数据库，用于解决问题的特点和相互关系。基于Pro / E模式的整个生产过程的特点，设计了可以在一起，实现并行工程设计。Pro / E的应用模块，可分别的身影，部分生产、装配、钣金加工、设计、设计等。保证用户可以选择，根据他们的需要使用。（1）参数化设计相对于产品的话，我们可以把它看作是几何模型，无论多么复杂的几何模型，构成要素可以分解为有限数量的，每一种的特点，完全可以利用有限的参数的参数的限制，这是基本的概念。（2）基于特征建模Pro / E -固体系统模型的特点的基础上，设计人员具有智能特征模型的建立基于特征的功能，例如腔，壳、倒角和圆角，你可以自由地画一个草图，容易改变的模型。（3）单一数据库Pro/Engineer是建立统一的数据库在基层，不像一些传统的CAD / CAM系统是基于多个数据库。所谓的统一的数据库项目，都是从一个数据库，以每一个产品的用户在独立的模拟和工作，不管它的部门。换句话说，在整个设计过程中，发生了变化的地方，也可以是反应之前和之后对整个设计过程的相关环节。这种独特的数据结构与工程设计的完整组合的设计，使产品，在一起。这一优势，使成品更优化设计，更高质量的产品在市场上，更好，更便宜。Pro/Engineer功能如下：（1）特征操作（例如：拉伸、槽、倒角、腔、壳等）；（2）参数化设计（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）；（3）通过零件特征值之间，载荷、边界条件、特征参数之间的关系来进行设计；（4）支
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