毕业设计（论文）-水果采摘机器人的设计-履带式

水果采摘机器人的结构设计摘要本文首先根据收集的文献资料，简要阐述了水果采摘机器人的特点和国内外的研究进展，结合当前在此领域的一些研究实例进行比较分析；并在此基础上重点分析了果蔬采摘机器人研究中存在的问题，设计出水果采摘机器人的机械本体，包括行走机构、伸缩机械臂、采摘机械手和剪切机械手具体结构的设计，伸缩臂采用电机驱动钢丝绳拉伸的运动方式，该机器人两只精密的机械手采用了叠加的方式，节省了使用空间，以切断果柄为目标，保证采摘质量。除此之外，还在UG中构建了采摘机器人的三维模型，生成重要部件的工程图。最后，对水果采摘机器人在农业上的发展前景进行了展望。关键词：水果采摘；机器人；结构设计；发展前景AbstractFirstly,accordingtothecollectedliterature,thispaperbrieflydescribesthecharacteristicsoffruitpickingrobotandtheresearchprogressathomeandabroad.Basedontheanalysestheproblemsexistingintheresearchofharvestingrobot,designthefruitpickingrobotmanipulator,includingwalkingmechanism,telescopicarm,pickingmanipulatorandshearingmanipulatordesignofconcretestructure,telescopicarmdrivenbymotorwireropetensilemovementway,thetwoprecisionofrobotmanipulatorwiththemethodofthesuperposition,savedthespaceuse,tocutoffthefruitstalkasthegoal,ensurethequalityofpicking.Inaddition,a3dmodelofthepickingrobotisbuiltinUGtogenerateengineeringdrawingsofimportantparts.Finally,thedevelopmentprospectoffruitpickingrobotinagricultureisprospected.Keywords:Fruitpicking；Robot；Structuraldesign；Prospectsfordevelopment目录第1章绪论 11．1研究的目的及意义 11．2机器人简介 11．3国内外采摘机器人的研究进展 21．4本课题研究的主要内容 3第2章总体方案设计 52.1原始设计参数 52.2水果采摘机器人整体方案的设计 52.3整体模型的建立 7第3章行走机构的设计 83.1电机的计算和选型 93.2传动系统的设计和选型 103.2.1驱动轮的结构选取 103.2.2驱动轮的齿数选取 113.2.3驱动轮的参数计算 113.2.4驱动轮的强度计算 12第4章伸缩机械臂的设计 134.1伸缩机械臂的设计方案 134.2丝杠螺母传动副的计算和选型 134.2.1确定滚珠丝杠副的导程 134.2.2确定当量转速与当量载荷 144.2.3预期额定动载荷 144.2.4确定允许的最小螺纹底径 154.2.5确定滚珠丝杠副的规格代号 154.2电机的设计和选取 154.2.1电机功率计算 154.2.2电机力矩计算 164.2.3型号选择 164.2.4联轴器选择 16第5章机械手的设计 175.1回转电机的计算和选型 18结语 1附录 1参考文献 1致谢 0水果采摘机器人的结构设计PAGE7上海海关学院毕业论文第1章绪论1．1研究的目的及意义在果蔬生产作业中，采摘收获环节约占整个作业量的40%，传统的人工采摘方式基本上属于劳动密集型作业，劳动强度大，受天气影响和日照时间限制，不仅劳动效率低下，劳作质量无法保证，而且采摘过程中的安全隐患也不容忽视。这些问题伴随着人口老龄化进程的加深正不断加剧。果蔬采摘机器人的研究与开发可视为科学家和技术工作者为了解决这些问题而作的勇敢探索。水果采摘机器人的出现解决目前水果采摘面临的困境，实现了农田收获自动化，能够适应环境的变化，保证工作的效率，符合水果产业发展的需求。采摘机器人在水果产业中的应用可以保证水果适时采摘、提高水果采摘质量，并且随着农业向产业化发展的进程中，具有广阔的市场前景。1．2机器人简介1.2.1机器人的定义众所周知，机器人是自动执行工作的机器装置，它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动，可代替或协助人类完成各种枯燥的、危险的、有毒的、有害的重复性的工作。1.2.2机器人的分类机器人按照用途主要可以分为：工业机器人、农业机器人、家用机器人、医用机器人、服务型机器人、空间机器人、水下机器人、军用机器人、排险救灾机器人、教育教学机器人、娱乐机器人等1.2.3机器人的应用随着科学技术的发展，机器人在应用领域的研究正不断被关注，机器人技术的应用范围在逐渐扩大。作为机器人技术应用的一个重要方面，各种农业机器人正不断被开发出来[1]，在农业日益走向工业化的今天，他们被期望能替代人类完成繁重的农业劳作，提高农业劳作的科学性，可控性，节省人力和物力，增强劳作效能，而采摘机器人是农业机器人研究的一个重要分支，近年来一直备受关注。1．3国内外采摘机器人的研究进展1.3.1国外采摘机器人研究进展采摘作业的自动化和机器人研究始于20世纪60年代的美国，从20世纪80年代中期开始，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，以日本为代表，荷兰、美国、法国、英国、以色列、西班牙等发达国家，在采摘机器人的研究上作了很多尝试，各种果树采摘机器人陆续被开发出来，如番茄采摘机器人[2]、苹果采摘机器人[3]、黄瓜收获机器人[4]、西瓜收获机器人[5]、和蘑菇采摘机器人[6]等。日本冈山大学的KondoN等人1991年研究了一种番茄采摘机器人，机器人利用机器视觉对果实进行判别，采用五自由度垂直多关节机械臂和能够上下、前后移动的二自由度直动关节，以避让茎叶接近目标果实，吸盘吸住果实后退回，将目标果实和其他果实分离，末端执行器以和吸盘相同的速度前进，使机械手抓住果实，最后通过机器臂的腕关节旋转，将果实摘下[7][8]。1990年美国的佛罗里达大学开发了柑橘采摘机器人，这款机器人拥有可实现左右上下和直线运动的三自由度极坐标型液压驱动以及七自由度的机械臂。当末端执行器内置的光源、彩色摄像机检出果实之后，末端执行器就移向果实，末端执行器内置的超声波传感器检测出距离，半圆形环切刀便旋转切断果梗收获橙子[7][9]。1989年，日本冈山大学研发了葡萄采摘机器人，该机器人的末端执行器主要由机械手指、切刀以及可前后方向滑动的推拉部组成，从水平方向接近果穗并采收，使其剪断穗轴时尽量不触碰到果穗，以免果实被触碰而造成商品价值降低[10]。目前西方发达国家的果蔬采摘机器人的研究与开发在广度和深度两个方面仍在不断探索中，距离大面积应用还有一定的距离。1.3.2国内采摘机器人研究进展我国对果蔬采摘机器人的研究起步较晚，与西方发达国家相比较，在技术水平上和开发范围上还存在一定的差距，但也取得了一定的成绩。中国农业大学的张铁中等人对草莓收获机器人进行了实验性的研究，东北林业大学的陆怀民等人开发出了林木球果实采摘机器人，上海交通大学正在进行黄瓜采摘机器人的研究也引起了广泛关注[11]。2006年中国农业大学和潍坊学院联合研制了茄子采摘机器人，该机器人由四自由度关节式机械手、DMC运动控制器、数字摄像头以及PC机组成。关节式机械手的4个关节均为旋转关节，分别与人的腰部、肩部、肘部和腕部相对应。对目标果实则采用基于直方图的固定双阈值法对G-B灰度图像进行分割[12][13]，通过对图像分割得到果实目标的二值图像，并进行边缘提取、轮廓跟踪和轮廓标记。性能测试结果表明该机器人抓取成功率为89%，平均耗时为37.4s[14][15]。2007年中国农业大学的汤修映、张铁中研制了六自由度圆柱型黄瓜采摘机器人，该机器人拥有六自由度机械臂，各关节均采用步进电机驱动；视觉系统采用基于RGB模型G分量的图像分割算法，分割成功率为70%左右；末端执行器由一个活动刃口和固定刃口组成。经实验表明，该机器人运动定位精度为±2.5mm，末端执行器的采摘成功率达到93.3%[16][17]。综上所述，国内外对果蔬采摘机器人的研究仍然处于探索阶段，离大面积推广实用还有很大距离，而且被开发出的果蔬采摘机器人的作业对象比较单一，装置的通用性较差。1．4本课题研究的主要内容本研究是一款水果采摘机器人的结构设计。完全态的该机器人将由操作者遥控操作，带有自恃能源，拥有自动行走能力。操作者通过机载摄像头，操控机器人完成行走和采摘作业；采摘作业由机械臂末端的两只机械手协作完成，一只机械手实现对果枝的把持操作，另一只机械末端装有机械剪，完成对果实的采摘。本研究中的采摘机器人的结构设计主要有以下几方面内容构成：在细分多种果实具体采摘工艺的基础上设计机器人的采摘工艺，完成机器人的总体设计。机器人行走机构的设计。根据本机器人的使用环境需用适当的行走机构方案，并针对本机器人的使用要求完成设计修改。伸缩机械臂的设计。机械臂在一定尺寸范围内能自由伸缩，以实现对差异植株果木高度的最大限度覆盖。把持机械手的设计。该机械手安装于机械臂的末端，能精细动作，以实现对果枝的把持动作。采摘机械手的设计。安装于机械臂的末端的该机械手带有机械剪，能精细动作，以实现对果实的采摘动作。

第2章总体方案设计2.1原始设计参数2.2水果采摘机器人整体方案的设计本文设计主要包括行走机构、伸缩机械臂、夹持机械手和采摘机械手等四部分。根据本机器人的使用环境需用适当的行走机构方案，并针对本机器人的使用要求完成设计修改。伸缩机械臂的设计。机械臂需要能在一定尺寸范围内自由伸缩，以实现对差异植株果木高度的最大限度覆盖。夹持机械手的设计：该机械手安装于机械臂的末端，能精细动作，以实现对果枝的把持动作。剪切机械手的设计。安装于机械臂的末端的该机械手带有机械剪，能精细动作，以实现对果实的采摘动作。2.2.1方案一方案一采取了直角坐标机器人的方案，对于直角坐标机器人来说，其运动主要包括X、Y、Z这三个轴上的直线运动，如下图2-1所示，直角坐标机器人一般采取了闭环控制的形式来进行机器人位置的控制，这种控制形式精度高稳定性好，因此直角坐标机器人很容易就可以达到很高的位置精度和运动精度，可以达到微米级别。但是这种直角坐标机器人需要一定的运动空间，因此需要设计导轨类似机构，对于其他类型的机器人来说，直角坐标机器人的尺寸相对较大，重量较大。直角坐标机器人的在一个立方体空间中运动，主要应用在装配作业或者是搬运工作，其主要结构形式有悬臂式、龙门式和天车式等三种，这三种结构形式应用以悬臂式和龙门式较多，其各有优缺点，在工业上大量存在。图2.1直角坐标机器人2.2.2方案二方案二采取了圆柱坐标机器人的形式，如下图2-2所示，为圆柱坐标机器人的坐标形式，圆柱坐标机器人是由两个直线运动和一个回转类型的运动来组成。相对于直角坐标机器人来说，圆柱坐标机器人结构简单，控制方便，在工业生产中常用来进行搬运工件的场所。圆柱坐标机器人的工作空间为圆柱形状的一个立体空间内图2.2圆柱坐标机器人2.2.3方案三方案三采取了关节型机器人，如下图2-3所示，关节型的机器人主要包括三个回转运动。对于其他几种主要运动形式的机器人，关节型机器人动作较为灵活，其结构紧凑且占用操作空间小。关节型机器人占用的空间小，但是其工作空间比较大，因此这一点具有很大的优势，在工业生产中具有很广泛的应用，比如焊接、搬运、装配及一些喷漆的工作场所，都大量出现了关节型的机器人。关节型的机器人主要分为垂直关节型和水平关节型等两种主要形式，这两种结构形式各有优缺点和应用场合，具有很高的市场前景和经济效益。图2.3关节型机器人2.2.4确定最终方案综合分析以上三个方案，关节型机器人动作较为灵活，其结构紧凑且占用操作空间小，关节型机器人占用的空间小，工作空间比较大，因此最终选取了方案三作为最终方案。2.3整体模型的建立如下图2-4所示，为本文设计的水果采摘机器人的整体模型，其主要包括伸缩臂、履带行走机构、固定底座、装果袋、电池组、采摘机械手、剪切机械手等机械结构。图2.4机器人整体结构示意图PAGE3第3章行走机构的设计各种水果生长的地形条件不同，采摘机器人的工作环境具有不确定性，因此本设计采用履带式的行走机构，能够适应坎坷不平的地势环境，运动过程平稳，如图3.1所示。在车身上设有电池箱，为整个机器人提供电源；收果箱内部做成斜坡式，有一个能够上下拉开的门，在卸果子的时候可以拉开门，让果子滑下来，减轻劳动力，如图3.2所示。图3.1机器人行走机构示意图图3.2收果箱示意图3.1电机的计算和选型电机的设计主要是功率和力矩的计算，需要计算本文履带系统执行机构的总功率，参考相关文献资料[18][19]，本文选用P=FV/1000来进行计算。由于本文设计的水果采摘机器人属于小功率农业机械，因此参考农业机械的相关设计参数，设定平坦路面最大行驶速度为10km/h，最大爬坡角度为45°，最大爬坡速度为7km/h，电机负载力矩的相关公式如下式3-1所示：Tm=Ma+gfcos其中Tm为电机负载力矩；M为车体质量，由本文设计估算车身本体重量为632.4kg，装果箱估算果子重量为200kg，因此M=832.4kg；a为小车加速度；g为重力加速度；f为履带与地面摩擦系数，对于果园来说，履带与果园泥土地面的摩擦系数为0.75[21]；ɑ为爬坡角度；rs为驱动轮分度圆半径；i为总传动比；η为总的传动效率。电机转速公式如下式3-2所示：N=v2πr其中v为履带车前进平均速度；rs为表示驱动轮分度圆半径；i为表示传动比。根据上式3-1和3-2计算可得电机功率如下式3-3所示：式3-3根据本文的设计要求，上坡时需要牵引力大，因此力矩大，则计算上坡时的电机功率即可。需要在1m内刹死，此时用上坡最高速度7km/h来计算，算得加速度为a=根据本文的设计数据，上坡时取速度v=7km/h，加速度a=1.89m/s2，摩擦系数f=0.75，传动比设为i=32，总传动效率η=0.7129，则根据上式3-1计算可得电机最大负载力矩TM=8.42Nm，根据以上的计算结果，水果采摘机器人行走机构的电机转速要大于639.1r/s，功率应大于790.4w，电机还要可以正反转。综合以上因素，本文最终选取了国外进口安川品牌的直流伺服电机SGMGH-12A，其功率为1.2kw，最高转速为1000r/min，扭矩为11.5Nm。配套的减速器选取为行星减速器，德国EUGART品牌的，型号为PLE80，其减速比为原始设计的i=32，传动效率高。3.2传动系统的设计和选型本文行走系统采取了履带式的行走机构，电机减速器与驱动轮配合，电机是原动力，电机的动力传递到驱动轮，驱动轮通过履带传动带动从动轮运动，所以驱动轮的设计非常重要，而从动轮采取和驱动轮类似的结构。本文设计的履带式行走机构主要具有移动和转向两个功能，如下图3-3所示，为履带式行走机构的转向原理示意图，行走机构的两侧各有电机和驱动轮驱动，O点为转向时行走机构的圆心，B为行走机构的宽度，当两侧电机和驱动轮的线速度不同时，行走机构的宽度导致两个驱动轮的差速移动，则实现了转向。图3-3履带式行走机构转向原理示意图3.2.1驱动轮的结构选取本文设计的驱动轮主要是为了把电机的原动力传递给履带机构，从而带动水果采摘机器人的移动，本文的驱动轮位于行走机构底盘的两侧，采取了整体化的结构，驱动轮整体采取整体铸造的形式进行加工。如下图3-4所示，为驱动轮的整体三维结构。驱动轮主轴的一侧与驱动电机主轴采取了联轴器进行连接，驱动轮主轴的另外一侧通过轴承固定在支架侧板上。图3-4驱动轮的整体三维结构3.2.2驱动轮的齿数选取考虑到苹果采摘机器人履带行走的特性，速度不宜过快，因此驱动轮的齿数一般采取17到23个齿之间，驱动轮的整体尺寸不宜过大，节距应该尽量小一些，齿数应尽量多一些，保证传动的效率和平稳性。如果齿数偏小而节距偏大，则传动效率低且运动不平稳。查阅相关参考文献，选取驱动轮的材料为40Cr，并进行调质处理，硬度为241~286HBS，齿数为z=23，传动比i=38。3.2.3驱动轮的参数计算行走机构履带的节距公式如下式3-4所示：l=（15~17.5）4G其中G1计算如下：G因此G计算如下：

G=0.34G1因此驱动力重量计算如下：G≈则计算为：l=46驱动轮与履带啮合类似于齿轮齿条啮合，其外部齿形与履带啮合的齿数z1，履带的节距和驱动轮节圆直径DkDk=lsin18本文取z1=0.3z，D&K齿顶圆的直径如下式3-6所示:D&a&=其中为履带销套的直径，其计算如下式3-7所示：dl=（则D&D由齿根圆直径计算如下：D其中r1r1=0.5dl+0.23.2.4驱动轮的强度计算本文设计的行走机构中，驱动轮与履带啮合传动，履带接地运动，因此可以认为受到的弯矩来源于履带张紧力作用，受力很小可忽略，只需计算校核接触应力。齿面的挤压应力计算如下式3-9所示：式3-8其中b为节圆处齿宽，b=80mm；为销套直径，dl查阅相关文献，许用应力σj可知σj≤σj，第4章伸缩机械臂的设计4.1伸缩机械臂的设计方案该机械臂采用了三段伸缩节，内部采用电机丝杠螺母和钢丝绳滑轮机构，由电机驱动，能在一定尺寸范围内自由伸缩，以实现对差异植株果木高度的最大限度覆盖，如图4.1所示。此外，内嵌的结构设计使外观更为整洁，有效的提高了机械臂重复定位精度。该机械臂具有制造简单、成本低等优点，值得推广和普及。图4.1机器人伸缩臂示意图4.2丝杠螺母传动副的计算和选型4.2.1确定滚珠丝杠副的导程Ph=EQ\F(Vmax,inmax)=EQ\F(10000,1×1200)=8.3mm取Ph=10mm其中Ph为滚珠丝杠副的导程，单位为mm；Vmax为工作台最高移动速度；Nmax为电机最高转速；i为传动比。因电机与丝杠直联，因此可知i=1。Vmax=10m/min，,max=1200r/min代入得，Ph=8.3mm查表，取Ph=10mm4.2.2确定当量转速与当量载荷计算在本文设计的丝杠转速如下：nmax=EQ\F(Vmax,Ph)=EQ\F(3500,10)=350r/minnmin=EQ\F(Vmin,Ph)=EQ\F(1,10)=0.1r/min计算本文的丝杠轴向载荷如下：Fmax=4500+0.01×833=2786.5NFmin=0.01×833=69.3N计算当量转速如下：nm=EQ\F(nmax+nmin,2)=EQ\F(350+0.1,2)=125.19mm/min当量载荷计算如下：Fm=EQ\F(2Fmax+Fmin,3)=EQ\F(2×1583.3+83.3,3)=1978.2N4.2.3预期额定动载荷按预期工作时间估算预期动载荷Cam如下：Cam=eq\r(3,60nmLh)EQ\F(Fmfw,100fafc)按表查得轻微冲击取fw=1.3；fa=1；可靠性90%取fc=1。已知Lh=10000小时代入求得Cam=18344.5N。拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载Fmax计算：Cam=FeFmax按表查可知中预载取fe=4.5。代入可得Cam=17523.13N取以上两种结果的最大值Cam=18344.5N。4.2.4确定允许的最小螺纹底径估算丝杠允许的最大轴向变形量如下所示①δm≤（EQ\F(1,3)～EQ\F(1,4)）重复定位精度②δm≤（EQ\F(1,4)～EQ\F(1,5)）定位精度其中δm为最大轴向变形量，单位为µm；已知重复定位精度为6µm,定位精度为12µm。①δm=2δm=3②δm=3取两种结果的小值δm=2µm估算最小螺纹底径丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式d2m=10eq\r(2,EQ\F(10F0L,пδmE))=0.039eq\r(2,EQ\F(F0L,δm))其中d2m为最小螺纹底径，单位为mm。L≈(1.1～1.2)行程+（10～14）Ph=1.1×350+10×10=315mm静摩擦力F0=μmg=0.01×85×9.8=8.3N代入得d2m=0.039eq\r(2,eq\f(8.3×485,2))=1.7mm4.2.5确定滚珠丝杠副的规格代号由计算出的Ph,Cam,d2m在样本中取相应规格的滚珠丝杠副FFZD4010-3。其中Ph=10mm，Ca=30000>Cam=28362N,d2=39.5mm>d2m=1.7mm4.3电机的设计和选取4.3.1电机功率计算P=Fv=eq\f(4500×12,60)=700W负载转动惯量JL（kg·m2）及传动系统转动惯量J（kg·m2）的计算如下所示：JL=ΣJi（eq\f(ni,nm)）2+Σmj(eq\f(vj,2пnm))2其中JL和ni分别为各旋转件的转动惯量（kg·m2）和转速（r/min）；Mj和vj为各直线运动件的质量（kg）和速度（m/min）；Jm和nm为电机的转动惯量（kg·m2）和转速（r/min）。计算可得：JL=20kg·cm24.3.2电机力矩计算空载启动时，折算到电机轴上的加速力矩TamaxTamax=eq\f(JLnmax,9.6t)=eq\f(2×10-3×1500,9.6×2)=0.125N·M折算到电动机上的摩擦力矩TtTt=eq\f(F0Ph,2пηi)×10-3=eq\f(8.3×10,2×3.14×0.8×1)×10-3=0.0165N·m由于丝杠预紧力引起和折算到电动机轴上的附加摩擦力矩T0T0=eq\f(Famax×Ph(1-η02),2пηi)×10-3=eq\f(8700×10×(1-0.92),2×3.14×0.8×1)×10-3=3.29N·m总力矩Tm=Tamax+Tt+T0=3.43N·m4.3.3型号选择根据转动惯量和力矩选择电机型号为120MB150B-001000。4.3.4联轴器选择根据电动机轴径，力矩等因素选择联轴器LK11-126K-2222。4.4钢丝绳机构的设计和选取如下图4-2所示，为本文设计的钢丝绳机构，由三节伸缩臂组成，二节臂和一节臂之间通过丝杠螺母机构连接，三节臂和二节臂通过钢丝绳和一节臂连接。一节臂相对于伸缩过程中可以视为静止不动，伸缩臂伸缩时，丝杠螺母机构带动二节臂往外伸出，由于二节臂三节臂之间通过滑轮和钢丝绳连接，因此二节臂和三节臂会同步伸缩。图4-2机器人伸缩臂示意图如下图4-3所示，为本文设计的钢丝绳机构滑轮的结构。图4-3钢丝绳滑轮的结构。

第5章机械手的设计该机器人末端执行器上两只精密的机械手，采用叠加方式，剪切机械手在上，采摘机械手在下。减小了使用的空间，如图5.1所示。剪切机械臂的底部上加了旋转的自由度，可以在机器人进行采摘作业的时候，避开树枝等障碍物。图5.1a机械手示意图图5.1b剪切机械臂示意图图5.1c采摘机械臂示意图5.1回转电机的计算和选型根据本文的设计可得，计算可得其转动的角速度为Δω=0.314rads，本文机器人回转电机的最大负载质量为m=30kg因此计算可得如下式5-1和5-2所示：Jc=112m(l2+3R2)=12512(0.8J0=Jc+12GgR2=9.63+12其中，Jc为计算中回转零件对于其重心位置的转动惯量，单位为kg·m2；J0为回转部分对回转中心轴线的转动惯量，单位为kg·m2；ρ为回转零件的重心到回转轴线的距离，单位为故计算可得其转动惯量为19.31kg·m2。对于本文设计来说，本文情况下其滑动摩擦系数为f=0.2。根据本文设计可知，本文设计的回转机构的实际工作状态首先是做匀加速转动，持续时间0-0.3秒，接下来的进行匀速转动，持续时间0.4秒，最后做匀减速运动直到停止位置，其中匀减速运动和匀加速运动的加速度大小一致。查阅相关资料，因此计算可匀速转动时的角速度如下式5-3所示：[(0.7-0.3)+1]*ω/2=0.314rad式5-3计算可得ω=0.449rad/s因此加速度大小计算可得a=ω/0.3=1.50rad/根据上述计算和分析，可以得到匀加速运动、匀减速运动和匀速运动时的功率如下所示：在匀加速运动时的计算如下式5-4所示：T1=Jα+mgfR其中T1为匀加速运动时行走机构转动时的力矩，单位为N·m；mgfR为回转部分运动时产生的摩擦力矩，单位为N·因此计算可得：T1=19.31×1.5+275×9.8×0.2×0.203=241.697N·查阅相关资料，功率计算如下式5-5所示：P1=T1·ω其中P1为匀加速运动时可以让回转部分转动时的最大功率，单位为w因此计算可得：P同理，在匀速运动时，可得如下式5-6所示：T2=mgfR式其中T2为匀速运动时回转部分的驱动力矩，单位为N·m计算可得：T2=275×9.8×0.2×0.203=109.417N·查阅相关资料，功率计算如下式5-7所示：P2=T2·其中P2为匀速运动时回转部分转动的功率，单位为w计算可得：P在匀减速运动时：T计算可得：T3=-15.52×1.5+275×9.8×0.2×0.203=86.177N·功率计算如下式5-8所示：P3=T3·其中P3为匀减速运动时回转部分转动时的最大功率，单位为w计算可得：P本文设计的回转电机的机械传动效率取值为0.7，因此计算可得电机所需的最大功率为：P电机的额定功率计算如下：

P综合以上计算结果和分析，查阅相关文献资料，可以选取其电机型号为JZY40B的伺服电机，其额定电压为24V，额定功率为200w，额定转速为120r/min。该电机可以同时配置对应功能的增量编码器进行反馈操作，电机制动形式为失电制动的结构。5.2夹持手爪的设计和计算5.2.1夹持手爪的结构设计手部是用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等的不同，所以工业机械手的手部结构是多种多样的，大部分的手部结构是根据持定的工件要求而设计的。归结起来，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分为夹持和吸附两大类。本文设计的手爪主要作用是用来夹持水果，因而采取了夹持型的结构，夹钳式手爪一般是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成的。夹持型手爪按照手指夹持工件时的运动方式，可以分为手爪回转型和手爪平移型等两种。对于夹持型手爪来说，其设计主要考虑一下几个因素:（1）应具有适当的夹紧力和驱动力；（2）手指应具有一定的开闭范围；（3）应保证工件在手指内的夹持精度；（4）要求结构紧凑、重量轻、效率高；（5）应考虑通用性和特殊要求。此外，还要考虑能适应工件环境提出的特殊要求，如耐高温、耐腐蚀、乃承受锻锤冲击力等。综合各种因素考虑，本文最终选取了夹钳式双支点回转型手部结构，如下图5-2所示，本文设计的夹持型手爪主要由手指结构、手抓连杆组件、上下安装板和手爪电机等组成。图5-2夹持型手爪的结构5.2.2夹持手爪夹紧力的计算手爪加在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向、作用点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）以使工件保持可靠的加紧状态。手指对工件的夹紧力可按下列公式5-9来计算：FN≥K1K2其中K1为安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定，通常情况下取值为1.2—2.0，本文此处取K1=1.8；K2为工件情况系数，主要考虑惯性力的影响，计算最大加速度，得出工作情况系数K2，K2=1+=1+=1.002，其中a为夹持机械手爪搬运过程中的加速度或减速度的绝对值，单位是m/s；K3为方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定。由于夹持水果动作时手爪为一般水平放置，水果也是水平夹持，因此即根据手指与工件的位置要求查表取值得K3=0.5；G为被抓工件重量因此根据以上分析结果，可以求得夹紧力的大小如下：F5.2.3夹持手爪驱动力的计算如下图5-3所示，为夹持手爪夹持工件时的受力分析，根据受力情况水果对手爪有一个法线方向上的力F1，作用点为A点。手爪电机的驱动力为F图5-3夹持水果时的受力分析以手爪结构上的一个铰链为力矩分析的原点，进行力矩平衡可得下式：M可得：F其中L1为F1的力矩，由具体设计结构可知L1=84mm；L由上一节可知，F1因此F2F2根据以上计算结果，手爪电机提供的驱动力不得低于41.2N。5.2剪切手爪的设计和计算本文设计的剪切手爪主要作用是用来剪切水果果实的根部，考虑到设计、加工及装配的因素，因而采取了与上文夹持手爪类似的结构，其结构主要由手指、传动机构和驱动装置三部分组成的。与夹持型手爪类似，本文最终选取了双支点回转型的剪切手爪结构。如下图5-4所示，本文设计的剪切手爪主要由手指结构、手抓连杆组件、上下安装板和手爪电机等组成。图5-4剪切手爪的结构由于剪切力比夹持力相比要小，因此剪切手爪机构的电机选取和夹持手爪一样的，因此可以满足剪切结构的功能。水果采摘机器人的结构设计结语本设计尤为重视机器人采摘作业的通用性，通过对不同种类植株的具体采摘工艺详细调查分析，制定该机器人具体采摘工艺，伸缩机械臂的设计能依据植株的差异调节可采摘高度，设有果枝把持机械手实现对果枝的稳定把持，通用机械剪能够完成多种类果实的采摘工作，如苹果、荔枝、车厘子等。果蔬收获是一个季节性强的劳动密集型工作，由于劳动力的高龄化和人力资源越来越缺乏。由于采摘机器人的工作环境的不确定性，因此给机器人的实际应用带来了很大的困难。用过本次毕业设计，将大学四年来的知识系统的复习了一遍，通过查找资料和网上视频教学软件，自学了soidworks绘图和机器人的相关知识，拓宽了知识的视野。在收集文献资料的过程中，我认识了各式各样的水果采摘机器人,科学家们的步伐从未停止，研究的道路是永无止境的。这次水果采摘机器人的结构设计，让我学习到了如何将所学的知识应用于实践，如何把想法付诸行动，同时也提高了我搜集、筛选信息和解决问题的能力。附录（略）参考文献[1]韩建