毕业设计（论文）-黄瓜采摘机器人的结构设计与研究

--PAGEI-摘要我国是一个人口大国，农业问题是影响到我国经济社会发展的根本问题。由于经济发展和资源分配不均衡以及环境问题日益严重，我国农业将要面临严峻的考验。目前我国已经确立并开始实施科教兴农战略，技术替代资源的发展道路是当代农业发展的必由之路。推广农业机器人的广泛应用从而提高资源利用率和农业生产率是现代农业发展的必然趋势。因此研发以农业机器人为代表的新概念农业机械对我国发展具有长远的意义，在农业机器人中，采摘机器人是一颗璀璨的明珠。本论文在全面分析研究国内外采摘机器人优缺点的基础上，以黄瓜为研究对象，进行了如下工作：基于温室黄瓜采摘的工作环境，高架线种植的基础上，设计了一套四自由度关节型采摘机械手，该机械手结构简单紧凑，重量轻，成本低，动作灵活平稳。采摘机械手能收获目标空间的所有果实。关键词：温室；四自由度；关节型；采摘机器人；黄瓜全套图纸加V信153893706或扣3346389411--PAGEII-AbstractChinaisacountrywithalargepopulation,andtheagriculturalproblemisthefundamentalproblemaffectingtheeconomicandsocialdevelopmentofourcountry.Duetotheimbalanceofeconomicdevelopmentandresourceallocationandtheincreasinglyseriousenvironmentalproblems,China'sagriculturewillfaceaseveretest.Atpresent,Chinahasestablishedandbeguntoimplementthestrategyofdevelopingagriculturethroughscienceandeducation.Itisaninevitabletrendofmodernagriculturaldevelopmenttopromotethewideapplicationofagriculturalrobotssoastoimprovetheutilizationrateofresourcesandagriculturalproductivity.Therefore,theresearchanddevelopmentofnewconceptagriculturalmachineryrepresentedbyagriculturalrobothaslong-termsignificanceforChina'sdevelopment.Amongagriculturalrobots,thepickingrobotisabrightpearl.Basedonthecomprehensiveanalysisoftheadvantagesanddisadvantagesofdomesticandforeignpickingrobots,thispapertakescucumberastheresearchobject,andcarriesoutthefollowingwork:Basedontheworkingenvironmentofcucumberpickingingreenhouseandtheplantingofelevatedline,asetofFour-Degree-of-Freedomarticulatedpickingmanipulatorisdesigned.Themanipulatorhassimpleandcompactstructure,lightweight,lowcost,flexibleandsmoothmovement.Thepickingmanipulatorcanharvestallthefruitsofthetargetspace.Keywords:greenhouse,Four-Degree-of-Freedom,articulartype,harvestrobot目录摘要 …………………………...…………PAGEIAbstract…………………………...…………PAGEII第1章绪论 11.1采摘机器人的目的和意义 11.2采摘机器人发展过程及现状 11.2.1采摘机器人发展过程 11.2.2国外研究状况 21.2.3国内研究状况 51.3采摘机器人存在的问题和发展方向 61.4本文的主要内容 6第二章采摘机器人整体方案论述和局部方案设计 82.1采摘机器人整体方案论述 82.2采摘机器人局部方案设计 112.2.1机器人本体转动装置方案确定 112.2.2机器人关节驱动设计 122.2.3主要材料设计 132.2.4重量减轻结构 142.3手抓尺寸确定 152.4本章小结 16第3章技术设计 173.1驱动电机选型 173.1.1驱动4的减速电机选型设计 173.1.2驱动3的减速电机选型设计 193.1.3驱动2的电机选型及设计 203.2齿轮减速机相关内容计算 203.3转向机构齿轮强度校核 223.4小车驱动减速电机选型 253.5本章小结 25结论 31参考文献 32致谢 33--PAGE26-第1章绪论1.1采摘机器人的目的和意义随着工业化发展，不仅仅是中国，整个世界都在朝向自动化、智能化方向发展，越来越多的高端产品来取代人力劳动，从而为把人类从繁重的体力劳动中解放出来作出了巨大贡献。在整个自动化、智能化方向发展过程中，机器人是不可或缺的重要角色，无论是航空航天的太空行走机构，还是水下涌动的仿生鱼，无论是工业装配流水线车间，还是居家过日子房屋内修，无论是车水马龙的路上智能无人驾驶，还是无人自助超市，都无不充斥着自动化、智能化的身影。目前，我们国家的自动化、智能化装备相比建国初期，有了翻天覆地的变化，从只能制作桌椅板凳，到第一根无缝光管的诞生，我们迈出了重要一步。从以前缴获的各国杂牌汽车，到我们的第一台解放牌军卡出现，我们有了质的飞跃。今天，我们的神舟系列飞船频繁的访问太空，我们的太空卫星为我们的国防安全保驾护航，我们的北斗系统为我们指明了方向，我们的核潜艇为我们严守海疆，我们的月宫一号帮我们实现了首次月面生物实验，我们的航空母舰早已经枕戈待旦，我们的高铁技术已经处于世界领先，我们的港珠澳大桥又开创了工程界里程碑…….这一切的一切都让我们距离目标更近了，正如习近平总书记在报告中指出，今天，我们比历史上任何时期都更接近、更有信心和能力实现中华民族伟大复兴的目标。在众多机器人当中，应用在农业领域的机器人是一颗璀璨的明珠，农业领域机器人尤其不可或缺的重要价值和作用。无论是国内还是国外，农业领域机器人都得到了高度重视，得到了长足发展。随着电子技术与计算机技术的迅速发展,机器人的用途日益广泛，智能化和自动化得到了巨大的进展。在农业生产中，农作物种类，形状，种植环境都不一样，使得新概念农业机械—农业机器人的开发具备了极大地经济发展和广阔的市场前景。设计用于农业应用的机器人会遇到其他行业不会遇到的困难。机器人必须在一个高度非结构化的环境中操作，没有任何两个场景是一样的[1]。我国是一个人口大国，农业问题是影响到我国经济社会发展的根本问题。由于经济发展和资源分配不均衡以及环境问题日益严重，我国农业将要面临严峻的考验。人工劳力在温室里要求很高，尤其是在恶劣环境的情况下。因此，越来越难以获得足够的员工[1]。目前我国已经确立并开始实施科教兴农战略，技术替代资源的发展道路是当代农业发展的必由之路。推广农业机器人的广泛应用从而提高资源利用率和农业生产率是现代农业发展的必然趋势。因此研发以农业机器人为代表的新概念农业机械对我国发展具有长远的意义，在农业机器人中，采摘机器人是一颗璀璨的明珠。1.2采摘机器人发展过程及现状1.2.1采摘机器人发展过程1983年，第一台采摘机器人在美国诞生了，它标志着人类智能化向农业领域迈开了第一步，随后美国以及其他各国相继开展了采摘机器人在农业领域的应用，历经20多年的发展，不仅是美国、还有日本、欧盟等国家相继开发出了西红柿采摘机器人、黄瓜采摘机器人、草莓采摘机器人、西瓜采摘机器人、柑橘采摘机器人等。看到国外争先恐后的投入到农业领域智能发展，在习总书记领导下的社会主义中国，在服务三农、发展三农的号召下，我国也要开展机器人在农业领域的发展研究，近年来我国各大学、科研院所、其特等都有了自己的产品，有的已经入市，并且发展得越来越好。1.2.2国外研究状况国外农业机器人发展较早，自上世纪80年代第一台西红柿采摘机器人在美国诞生之后，采摘机器人的研究和开发经历近30年，日本和欧美等相继研发了苹果，西红柿，黄瓜，葡萄等智能采摘机器人。日本西红柿采摘机器人1993年，日本冈山大学的N.Kondo[2]等人针对西红柿传统栽培系统研究出了一个七自由度采摘机人。日本由于人口不足，必须要发展机器人来取代人力劳动，并且日本面临着严重的老龄化问题，因此日本必须高度重视机器人的发展，所以日本在农业领域机器人发展上也相当重视。该机器人由七自由度SCORBOT-ER工业机械手，末端执行器，视觉传感器，移动机构和控制部分组成。利用彩色摄像机作为视觉传感器寻找和识别成熟果实。末端执行器设计有两个带有橡胶的手指和一个气动吸嘴，把果实抓紧后，利用机械手的腕关节把果实拧下。该机器人从识别到采摘完成的时间为15s，成功率在70%以上。存在的主要问题是当成熟番茄位于叶茎相对茂密的地方时，机械手无法避开障碍物完成任务。因此为了达到实用化目的，需要在机械手的结构，采摘方式和避障规划方面加以改进，以提高采摘速度和采摘成功率。该机器人具有很强很成功的代表性。荷兰黄瓜采摘机器人荷兰这个国家也相当重视科技发展，在西欧比较具有代表性。荷兰不仅风车、郁金香很有名，荷兰人的农业机器人也是备受世界关注的，目前荷兰的农业机器人广发的应用到世界各地。1996年，荷兰农业环境工程研究所研究出一种多功能模块式黄瓜收获机器人[3]。黄瓜按照标准的园艺技术在温室中种植成高拉线缠绕吊挂种植。机器人利用近红外视觉系统辨识黄瓜果实，并探测它的位置。机械手采用三菱六自由度机械手MitsubishiRV-E2，并在底座增加了一个线性滑动自由度，RV-E2机械手由24V直流电机和伺服控制器来驱动。末端执行器采用的是三棱夹持器1E-HM01，利用电极切割来代替普通刀子切割，可以杀死90%的病毒，并在切割过程形成一个封闭的疤口，从而减少果实水分流失，减慢熟化程度。实验结果表明：作业速度为45s/根，采摘成功率为80%。图1-1荷兰黄瓜采摘机器人(a)行走小车(b)摄像头(c)机械手(d)末端执行器(e)微型定位摄像头(f)工控机(g)220V电力线轴(h)空气泵(i)加热管意大利甘蓝采摘机器人在欧盟中，意大利也很喜欢钻研，他们不仅热爱足球，也非常愿意在科技领域取得突破和进展，不仅意大利面好吃，意大利的科技发展也相当的先进，比如意大利农业科技就很不错，在世界享誉盛名，意大利的农业机器人也一点不比其他国家差，我们应该努力向他们学习，向他们进攻，争取有一天远远的超过他们。意大利巴里理工大学的MarioM.Foglia等人研制了甘蓝采摘机器人[4]，该机器人由气动驱动操作机械手，气动肌肉驱动的两指夹持器，ccd视觉系统和控制系统组成。机械手采用双四连杆的平行结构，用以保持末端夹持器水平。机械手由两个标准双动气缸驱动，两个气缸由两个三位的电磁阀来控制，并安装电位计用于位置反馈。采摘速度约为7s/个，只是该机器人的机械本体过于笨重，机械手重量为25kg，末端夹持器重量高达16kg。图1-2意大利甘蓝采摘机器人日本的茄子采摘机器人日本的许多精神我们必须向日本人学习，只有学习借鉴他们的先进之处，才能更好的超越他们，在现代科学技术研究领域，我们的水平确实远远的不如日本人，因此我们有必要努力学习、争取早日超越日本人，在科技领域为祖国争。日本人在农业机器人上的发展也是首屈一指的。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[5]。机器人由CCD机器视觉系统、5自由度工业机械手、末端执行器以及行走装置组成,作业对象是温室中按照V形生长方式种植的senryo-2号茄子。英国的蘑菇采摘机器人英国最近的热点一直是脱欧问题，但是一点也没有影响他在科技领域的发展。英国，一个老牌的资本主义国家，有着很早的工业发展史，有着很厚的工业基础，因此其在科技领域同样具有重要地位。其中，英国人也参与到了农业机器人的开发和研究当中，最具有代表性的就是下面的蘑菇采摘机器人。英国研究院研制了蘑菇采摘机器人[6],它可以自动测量蘑菇的位置、大小,并选择性地采摘和修剪。它的机械手包括2个气动移动关节和1个步进电机驱动的旋转关节;末端执行器是带有软衬垫的吸引器;视觉传感器采用TV摄像头,安装在顶部用来确定蘑菇的位置和大小。采摘成功率在75%左右,采摘速度为6.7个/s,生长倾斜是采摘失败的主要原因。如何根据图像信息调整机器手姿态动作来提高成功率和采用多个末端执行器提高生产率是亟待解决的问题。1.2.3国内研究状况相对于国外，国内果蔬采摘机器人的研究起步略晚，但是经过科研人员的努力，也取得了一些经验和成果。1997年，东北林业大学的陆怀民等开发设计了林木球果采集机器人[7]。该机器人由六自由度机械手，行走机构，液压驱动系统和单片机控制系统组成，采用集材-50型履带式拖拉机作为行走机构。采摘时，首先使用机械手对准果树，然后由单片机控制系统控制大，小臂同时升至拟采果球的最高一根果枝，采摘手抓的梳齿夹拢果枝，大小臂带动采集手爪向外运动采下果球，并将采集手爪对准集果箱将采摘的果球倒入箱中。该机器人每天可采落叶球果约500kg，效率约为人工采集的30~35倍。一次采净率不大于30%，具有较好的推广应用前景。图1-7林木球果采集机器人上海交通大学的曹其新等运用彩色图像处理技术和神经网络理论,开发了草莓拣选机器人。2007年，中国农业大学的汤秀映，张铁中等人研制了一个六自由度的圆柱型采摘机器人FVHR-I[8]。机器人本体结构由机身的回转自由度和垂直移动自由度，臀部的伸缩移动自由度，腰部的三个旋转自由度组成。各关节采用步进电机驱动，结构相对简单，易于控制。该机器人的机构较为笨重，有待进一步提高。国内中国农业大学的袁挺等2009年研制了国内第1台黄瓜采摘机器人。机器人采用履带式移动底盘和机器视觉导航。目标识别则使用双目立体视觉,另外,郭峰等运用彩色图像处理技术和神经网络理论,开发了草莓拣选机器人,采用气动驱动器将草莓推到不同的等级方向[9]。浙江大学的应义斌等完成了水果自动分级机器人的研究开发。赵杰文等研究了基于HIS颜色特征的田间成熟番茄识别技术,该方法对田间成熟番茄之间相互分离的情况有很好的识别效果[10]。只要我们不气馁，积极努力，早晚有一天我们的机器人一定会比国外好，一定会远远的超越他们。我们的科研人员也很努力，也在积极开拓探索，勇于担当、勇于挑战，奋勇直前，同时采用科学方式方法，开拓思维，努力借鉴他国先进成果，我们总会超越他们的。1.3采摘机器人存在的问题和发展方向目前采摘机器人整体机型不够灵活、小巧，并且识别能力并不完善。温室种植种类的差异性，造成机器人的整机机型也必须各不相同，总之，整机的小巧灵活才能够适应更多的场合应用。目前，识别技术如火如荼，也验证了他的重要性，识别技术是智能化的眼睛，目前整个世界的识别技术还不够成熟和完善。机器人整机的散热与密封是一对矛盾，由于采摘机器人在温室里，环境比较潮湿，水分比较大，甚至有水淋到机器人，因此密封性要求较为严格，但是密封会带来散热不力，不能长时间工作。此外，机器人控制也相当复杂，如何规划、控制是机器人运作简单易行也是重点难点。未来采摘机器人发展方向：小巧灵活化：小巧灵活性，能更好的适应不同的工作环境，造价低。视觉识别更简单：视觉识别一直是不易攻克难关，好的识别技术能够快速准确的识别出目标物，给控制带来简单优化。防水保护：要设计出特殊的外壳机构，不仅防水，额切利于散热。机器人算法更加简单易行：各种各样的机器人，控制系统，控制方法不尽完善，因此更加简单的算法很重要。1.4本文的主要内容第一章主要介绍了机器人的发展历程、机器人的发展状况和目前国内外采摘机器人的特点。再通过介绍采摘机器人的目的和意义的时候我们不难发现采摘机器人将会是未来机器人取代人的一个重要领域，我国本来就是农业大国，在劳动力越来越少的情况下，研究和发展采摘机器人十分有必要。通过国内外目前采摘机器人的发展情况，我们可以清晰地知道机器人发展状况，从而为我们本次设计方向提供了参考依据，为以后的方案设计提供了必要材料和思路。第二章主要介绍了各个部分设计的思路及可行性的验证，自己设计了腰部，关节，机械臂及末端执行器并进行选材，保证了在能够可靠的工作的前提下尽可能的轻便，经济。第三章主要进行了技术设计，以极限工作情况为依据，选取了合适的电机，具体计算了各个部位的参数要求，从而选取了合适的参数，完成了采摘机器人最终的定型。第2章采摘机器人整体方案论述和局部方案设计2.1采摘机器人整体方案论述整体方案是整个设计的基调，它决定了整个毕业设计的框架和方式，一个好的设计首先就要对整体方案进行构思，包括结构构思、技术构思、计算构思，在好的方案下，才可能会做出好的设计。根据黄瓜采摘作业的要求，可得黄瓜的目标采摘空间为3b×w×h=200×700×800mm的长方体，即黄瓜分布在距小车中心600~800mm，高400~1200mm，深350~350mm处[11]。根据黄瓜采摘设计的要求确定各个臂长。整机图片如图2-1所示:图2-1整机图片采摘机器人通过底盘上的轮子实现在地面的平稳灵活运动，他对地面的适应能力比较强可以适用于软质土地，也可以适用于硬质地面，轮子采用外表橡胶材质，因此适应能力比较强。视觉识别系统识别到到黄瓜的位置后底盘轮子转动，朝向目标运动，到达合适位置后，根据内部特有的算法调整车体在地面的位置然后停稳可靠。小车的运动靠的是小车后轮的驱动如图2-2图2-2小车后轮的驱动当停稳之后，车体运行到视觉识别范围内的时候，根据黄瓜所在的具体位置，由机器人控制中心通过内部程序、计算、规划出整体的运动动作，从而协调控制驱动1、驱动2、驱动3、驱动4进行相应的运动，使手抓到达合适的位置，通过内部计算，手抓很快便可到达理想地方。到达后，手抓开始进行抓取黄瓜动作，在直线推杆作用下，手抓开始闭合夹持黄瓜，当夹持到黄瓜之后，夹持力越来越大，当手抓上的传感器感受到合适信号后手抓停止，闭合运动停止，此时在另一个直线推杆作用下，剪刀开始运动，到达一定位置剪断黄瓜藤，然后自动退回。在控制中心作用下，也就是机器人的大脑，它是整个控制中心，机器人继续动作从而把黄瓜安放在合适位置，从而完成一颗黄瓜的摘取过程。由于黄瓜采摘大棚内部地面比较平整可行，利于轮子运动。因为轮子的运动平稳灵活且快速，能够提高整体的工作效率，因此机器人底盘运动采用轮式要比履带式更加有优势，履带式运动系统虽然适应地面能力比较强但是他的成本更加高，运动也不灵活。轮式地脚移动灵活、快速、方便，并且控制灵活，重量轻，成本造价相对与履带式更加便宜而履带式运动慢，履带容易破坏地面。综合起来选用轮式移动方式更合适。机器人自由度数目是根据用途来设计的。若满足机器人功能要求，就没必要设计更多的自由度；而若要考虑避障问题，则一般要具备冗余自由度。自由度过少，虽然可使机器人结构简化，但不能完成预定的工作；反之，将造成计算复杂，控制困难。采摘机器人采用四自由度机器人，四自由度机器人控制简单方便，由于采用的电机、减速机比六自由度机器人少，所以在重量和成本上具有明显优势我们都知道减速机和控制电机使机器人上关键的核心硬件。并且，由于四自由度比六自由度少了二个自由度，控制上大大简化，从而为程序编写和控制带来极大方便，同时也使整机控制变得简单方便易行。采摘机器人手抓如图2-3：图2-3采摘机器人手抓采用简单的柔性手抓（具有软垫），这样一方面可以保护黄瓜表面不被抓破，并且柔性爪内部且有力学传感器，如图2-4和图2-5，条形软垫将力学传感器覆盖住。图2-4条形软垫覆盖的力学传感器图2-5条形软垫覆盖的力学传感器实时控制手抓抓取力度，从而更好地保护抓取物黄瓜。手抓抓取驱动和黄瓜柄切除总共用到两个微型直线推杆，使得整个手抓重量很轻，并且使控制更加简单方便，根本不需要调速控制。2.2采摘机器人局部方案设计局部方案是整体方案具体构成，由他直接决定了整体方案性质和质量，一个好的整体方案设计，一定离不开局部方案的巧妙设计和协调搭配，因此在这一章会详细介绍局部方案设计，它的质量很重要。2.2.1机器人本体转动装置方案确定机器人本体转动装置可以采用电机减速机来驱动进行转向，作为方案一：如图2-6图2-6电机减速机该方案一转向方便，轻松，是目前绝大多数的机器人转向采用的方式，他不仅控制容易，而且精度高，效果好，但是成本造价很高，通常是其他转向方式造价的十倍直至更多。为了降低成本，做出方案二：如图2-7方案二转向采用齿轮啮合转向，利用支撑轴承支承来实现，他在驱动时采用伺服电机，在控制精度要求不是特别高的情况下，这种控制方式是合理且经济的控制方式，因此也为许多设计者所考虑。方案二中的齿轮由于采用裸露在外，所以要经过调质处理，表面也要碳化，这是因为在外潮湿并且有大颗粒杂质，因此齿轮齿面硬度是要求较为严格的，并且转向是持续使用到的，所以齿面硬度也是抗疲劳的，都要经过特殊处理，具体吃力方法可以参见齿轮手册。图2-7齿轮啮合转向这种方案容易控制远远比减速机转向控制方便，控制简单，制作安装成本低，控制效果也可以达到使用要求。综合方案一和方案二各自都有自己的优点，再结合实际环境及使用要求，那么不难发现方案二更符合要求，符合设计理念，成本造价低廉。因此该设计选择方案二作为设计实施方案。2.2.2机器人关节驱动设计机器人关节驱动，采用减速机。减速机是一种高精密的传动装置，应用领域十分广泛，比如机器人行业、航空航天行业、水下航海、车船制造、非标设备等各行各业得工业发展都离不开减速机。减速机的种类多种多样，有标准圆柱齿轮减速机，还有很多特殊用途减速机，比如行星齿轮减速机，传动平稳，传动比大，造价低等优点；再比如RV减速机，RV减速机不仅结构紧凑，传动强度高，而且传动比大，是一类优良的减速机，应用十分广发；再如摆线减速机，传动比很大很大，传力性能好；谐波齿轮减速机，其传动比大，传动精度高，传动效率较高，加工紧凑，质量轻，可以广泛应用现代工业当中。从采摘过程看，要实现采摘动作灵活，关节机械手是最有效的结构[14]，因此本设计采用谐波齿轮减速机。如图2-8和图2-9：图2-8谐波齿轮减速机图2-9谐波齿轮减速机本关节减速机是本设计中的一个重点内容，它是整个传动设计的代表，因此在本设计中特别的设计了减速机机构，不仅可以让我学到了更多的关于减速机的相关知识，了解到了各种减速机的特点性能以及他们的对比和应用。在这个过程中，我也锻炼如何进行传动系统设计，从而为其他传动系统设计打下了坚实基础。2.2.3主要材料设计因为机器人本身不该太重，但是结构强度要求又是很高，并且在温室大棚里，他的环境温度偏高同时湿度也是相当的大，因此在材料选择是一个非常关键的技术设计，如图2-2-3大臂、小臂、手抓主体、驱干我们采用的都采用的是铝合金6061，6061铝合金是经热处理预拉伸工艺生产的高品质铝合金产品，其强度虽不能与2系或7系相比，但其镁、硅合金特性多，具有加工性能极佳、优良的焊接特点及电镀性、良好的抗腐蚀性、韧性高及加工后不变形、材料致密无缺陷及易于抛光、上色膜容易、氧化效果极佳等优良特点。因此我们选择6061[12]。如图所示：图2-102.2.4重量减轻结构在本设计中，大臂小臂都采用了重量减轻结构设计。由于臂展的时候，减速机要承受很大扭矩，因此我们必须尽可能地减轻手臂的重量，从而为关节减速机减轻压力，也就是扭矩，才更符合科学设计。因此大臂小臂采用了结构减轻设计方案。如下大臂图2-11和小臂图2-12：图2-11轻量化大臂因此不难看出中空的这种结构设计，在仅仅减小了极低的强度条件下，重量却得到了极大的减轻，因此这种结构设计机器符合要求，也是我们在设计中要注意的方法。图2-12轻量化大臂小臂也是与大臂一样采用了这种中空的结构形式。2.3手抓尺寸确定在温室大棚里，长出来的黄瓜根据数理统计，其尺寸大多数处于35mm~40mm之间，所以抓手尺寸就以这个数值段为设计依据，圆弧口尺寸35mm，手抓最小夹持尺寸为35mm，至于更大的黄瓜，则可以通过张大手抓尺寸完成抓取工作。如下图的2-13和图2-14图2-13手抓夹爪图2-14手抓示意图直线推杆抓手用选择型号XTL100，电压12V，速度60mm/s，推力100N，行程100mm。剪刀用抓手选择型号XTL10，电压12V，速度80mm/s，推力10N，行程10mm。切割力为5.5N就完全完全切断果柄[13]。直线推杆可以满足需求。2.4本章小结本章主要介绍了整体方案和局部方案设计。总体方案设计，能够奠定了整个设计基础，为整个毕业设计提供了框架，通过整机设计，我们能清楚的知道机器人采摘过程，采摘的技术实现性，从而为对整个技术方案评价提供依据。局部方案设计，它是对整体方案的细化和实现，局部方案设计是很讲究技术性的，局部方案设计的质量直接影响整体方案的设计质量，所以本毕业设计中重点进行了相关的局部设计。他的实际性和可行性将会在第三章介绍。

第3章技术设计3.1驱动电机选型3.1.1驱动4的减速电机选型设计如图3-1，计算手抓重量图3-1手抓重量：G=mg=2Kg×10N/kg=20N手抓重心到驱动4电机减速电机距离L=0.2m负载转矩：T=FL=20N×0.2m=8Nm由功率公式：T电机ω电机η=Tωη为电机效率，这里取0.95,ω=2×3.14n/60电机转矩T电机=Tω/ω电机η=T/iη=0.84Nm减速机传动比i=11，根据电机样本提供的速比。根据样本，选择电机额定转矩TN=1.27Nm，功率400W如下图3-2和图3-3图3-4图3-2图3-2图3-3电机减速机总重：1.8kg此处减速电机型号选择:SGMAV-04ADAHB6C3.1.2驱动3的减速电机选型设计如图3-4图3-4驱动3极限转矩示意图手抓重量：G1=mg=2Kg×10N/kg=20N小臂重量：G2=0.96kg驱动4的重量：G3=1.8kg重心到驱动3电机减速电机距离，这个距离可以粗略的选取手抓和小臂的总长的三分之二处，手抓长度0.3m，小臂的长度0.3m，因此L=0.4m重心总重量G=（G1+G2+G3）g=4.76kg×10N/kg=47.6N负载转矩：T=FL=47.6N×0.4m=19.04Nm由功率公式：T电机ω电机η=Tωη为电机效率，这里取0.95,ω=2×3.14n/60电机转矩T电机=Tω/ω电机η=T/iη=1.82Nm减速机传动比i=11，根据电机样本提供的速比。根据样本，选择电机额定转矩TN=2.29Nm，功率750W电机减速机总重：2.3kg 此处减速电机型号选择:SGMAV-08ADAHB6C3.1.3驱动2的电机选型及设计如图3-5图3-5驱动2极限转矩示意图手抓重量：G1=mg=2Kg×10N/kg=20N小臂重量：G2=0.96×10=9.6N大臂重量：G3=1.85×10=18.5N驱动4的重量：G4=1.8×10=18N驱动3的重量：G5=2.3×10=23N重心到驱动2电机减速电机距离，这个距离可以粗略的选取手抓、小臂和大臂的总长的四分之三处，手抓长度0.3m，小臂的长度0.3m，大臂长度0.35m，因此L=（0.3+0.3+0.35）×3/4=0.71m重心总重量G=G1+G2+G3+G4+G5=8.91kg×10N/kg=89.1N负载转矩：T=FL=89.1N×0.71m=63.26Nm由功率公式：T电机ω电机η=Tωη为电机效率，这里取0.95,ω=2×3.14n/60电机转矩T电机=Tω/ω电机η=T/iη=0.83Nm谐波减速机传动比i=80根据样本，选择电机额定转矩TN=1.27Nm，功率400W电机重：1.8kg此处减速电机型号选择:SGMAV-04ADAHB6C3.2齿轮减速机相关内容计算初步设计传动比80，钢轮160，柔轮158，齿轮压力角30°，可不变位。材料50CrMn，调制，油中淬火870摄氏度+空气中回火490摄氏度抗拉强度1100MPa，疲劳强度610Mpa硬度300～350HBS钢轮硬度大于柔轮。 谐波齿轮模数的确定在谐波齿轮传动中，主要的时效性形式是齿面磨损、齿面疲劳破坏、齿面胶合等，其中以齿面磨损最为常见，下面初步确定齿轮模数。 m——齿轮模数，z——齿数这里取小齿轮（柔轮齿数）z=198，T1—作用在柔轮上的转矩，负载最大转矩计算，当手臂与躯干垂直，如图，图3-6最大负载转矩达到最大负载转矩，此时负载转矩：T=FL=89.1N×0.71m=63.26Nmε——啮合齿数占总齿数百分比一般取0.3～0.5，这里为了保险，ε=0.3Ф——齿宽系数，Ф=b/d,一般取0.1～0.2，取Ф=0.1P——许用比压(20N/mm)，一般取20～40N/mm2为了保险，取P=20N/mm2c一般取1.4～1.6，这里为了保险取c=1.5K——计算载荷系数。一般为1.0，若存在冲击和震动，一般可取1.15～1.5假设存在轻微冲击震动K=1.15计算可以得到m>0.68取m=1,几何尺寸计算Ds——柔性轴承外径ha*——齿顶高系数S——柔轮齿圈壁厚(mm)c*—径向间隙系数则小齿轮分速度圆直径d1=mz1=158×1=158mm大齿轮分度圆直径d2=mz2=160×1=160mm

齿宽b=0.1d1=15.8，取整b=25，几何尺寸按照手册确定根据手册，选择推荐最佳sS=0.0125d1=0.0125×158=1.975，s取整s=2S1=（0.6～0.9）s=0.75S=0.75×2=1.5S2≈S1=1.5mmd=158-2×(0.8+0.3)×1-2×2=151.8mm取整d=150mm有效长度经计算mm取L=150（5）最小轴径要求基本参数：本轴是传动轴，轴受到转矩T=120Nm由机械设计（许立忠周玉林主编的142、143页）得实心圆轴轴最小直公式C——是与材料有关的系数P——转轴传递的功率（KW），n——转轴转动速度（r/min）,d——轴径（mm）其中P取0.4KW，n取3000r/min，查表C取102，经过计算d>5.2所以减速机输出轴径大于等于6mm。本设计减速机输出轴径取20mm足够满足使用要求。3.3转向机构齿轮强度校核如图，该转向机构采用的是支撑轴承，如图3-6，图3-7。设计大小齿轮传动比为6，齿轮模数3，压力角20°，齿轮1齿数Z1=17，齿轮2齿数Z2=98，都是直齿圆柱齿轮。强度校核要以小齿轮为例，因为小齿轮齿数少，易发生疲劳破坏。图3-6转向机构啮合齿轮图3-7转向机构示意图进行齿轮强度校核，根据机械设计书的公式如下：YFa——齿形系数，取2.85YSa——应力修正系数，取1.53Yε——重合度系数，根据下列式子计算Yε=0.25+0.75/εaεa—端面重合度系数，圆柱齿轮取1，因此计算的[σF]—许用弯曲应力，这里材料是45号钢，取180圆柱齿轮Z1=17K——载荷系数，KA——使用系数，平稳运行下，取1。Kv——动载荷系数，取1.5。Kα——齿间载荷分配系数，取1.4。Kβ——齿向载荷分布系数取1.06。因此K=KAKvKαKβ=1×1.5×1.4×1.06=2.23T1是传递的力矩，通常是支撑轴承的转动摩擦力T1=uMg=0.005×40×10=2Nm由以上各数据得m>1.28因此m=3是符合强度设计要求的。3.4小车驱动减速电机选型小车车轮与地面摩擦因数μ取2.3～3.0，取μ=2.5，机器人总重45.27Kg，有两个驱动，电机驱动转矩是和车轮启动最大摩擦力矩是相等的，启动摩擦力F=μMg=2.5×45.27×10=1131.75N，小车轮子半径R=50mm，有两个驱动，电机驱动转矩是和车轮启动最大摩擦力矩是相等的所以驱动减速电机转矩要求是1/2T=56.6Nm因此选择速比21，电机转矩3.18Nm的减速电机，此电机型号SGMAV-10ADAHB6C该减速电机输出转矩就是21×3.18=66.78Nm>56.6Nm，所以选择正确。3.5本章小结本章主要进行了系统的关键部件及结构的详细设计和科学计算、分析选型，比如减速电机的选型计算，关节减速机的设计计算，起重臂的设计计算，齿轮啮合设计计算等。通过详细设计和科学计算，论证了我们的最终设计的科学性和合理性，为正确设计提供了理论支撑。技术设计是产品成功交付的关键一步，必须要重视技术设计。结论本篇论文主要对黄瓜采摘机器人的结构进行了设计，根据黄瓜的采摘环境设计了四自由度关节型轮式夹持剪切采摘机器人，该机器人结构简单紧凑，重量轻，成本低，动作灵活平稳。通过高架线式的黄瓜种植减轻避障的困难，大大降低了机器人的造价。本机器人没有采用现成的机械臂，而是根据实际情况，确定了臂长等参数，并对大臂小臂进行轻量化处理并设计了关节的谐波减速器传动机构。腰部由于对于调速等要求不是很高，所以采用了齿轮啮合的方式实现转向，大大减少了成本。末端执行器采取夹持和剪切的方案，只用了两个驱动就能实现夹持的控制。驱动没有选用大多数末端执行器所采用的液压或者气动方式，而是采用了两个直线推杆，大大减轻了末端执行器的重量，末端执行器的重量对大臂转矩影响极大，从而从源头减轻了对机械臂的要求。夹爪有被软垫覆盖住的力学传感器，可以防止损伤黄瓜。剪刀的方式保证了足够的力量切下瓜藤。最后对易于发生变形的部位进