【《某苹果采摘机械臂的总体方案设计案例》2300字】

某苹果采摘机械臂的总体方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u25493某苹果采摘机械臂的总体方案设计案例 1110481.1采摘对象物理特性分析 1252421.2采摘机械臂驱动方式的选择 2248211.3采摘机械臂自由度的选择 4190071.4采摘机械臂结构方式的选择 4采摘对象物理特性分析分析国内三大苹果种植区域种植环境特点，发现只有渤海地区的苹果种植园适用于机械设备采摘，故选定河北省乐亭县的苹果种植园为采摘作业环境的研究对象。查阅资料得知，果树的种植间距约为3m，行距约为3.5m。苹果在果树上的生长位置距地面的最高高度一般距地面在2.9m左右，苹果树的冠幅在2.0~2.5m之间，枝下高度在0.8~1.0m，如图2-1所示[8]。图2-1苹果树上苹果的区域分布苹果种植园种植较广的苹果品种有富士、国光、王林等，其中富士苹果种植面积最广、销售量大、营养高，所以选定富士苹果作为采摘研究对象。由于果实的物理特性受环境因素、果实分布位置、果实成熟度等因素影响较大，采摘果实时不同果实之间的物理特性差异较大。因此，本文参照农业部发布的“中华人民共和国农业行业标准”关于各类果蔬的等级规格及重量的规定，确定采摘对象的物理参数和果梗的力学性能参数，分别见表2-1和表2-2[8]。表2-1富士苹果物理参数表指标最小值平均值最大值果实直径（mm）果实质量（g）557580140120290表2-2富士苹果果梗力学性能参数表力学性能数值单位续表2-2力学性能数值单位弹性模量抗剪模量质量密度屈服强度热导率泊松比3000300160200.050.29MPaMPakg/MPa采摘机械臂驱动方式的选择采摘机械手的驱动方式直接影响着采摘机械手的工作效率。目前，机械臂驱动方式主要有电机驱动、液压驱动和气压驱动。下面对这三种驱动方式的优缺点进一步分析：气压驱动气压驱动具有输出功率高、结构紧凑、标准化程度高、设备成本低、维修方便的优点，但其产生的噪声较大[9]。由于柱塞两侧的气缸存在压力差，目前的技术条件下很难控制气缸柱塞在任意位置停止，且气压驱动只能给近距离的机械手提供能量。液压驱动液压驱动结构紧凑、反应灵敏，可以无极调速，控制的精度较高，但是工作时动作较慢，不适合快速移动[9]。液压驱动与气压驱动相比，结构大、对密封性要求很高，容易发生液压油泄露，原件制造成本较高。电机驱动电机驱动有转速范围大，控制精度高，占空间少，维修方便等优点，被广泛应用于机械臂驱动中。电驱动系统按工作原理主要分为步进电机，直流伺服（DC），交流伺服（AC）驱动系统。伺服系统为闭环控制，能实现较高精度的控制，因此被广泛应用。综上述所，考虑到机械臂采摘苹果的实际需求和作业环境的实际情况，本文选用电机驱动作为苹果采摘机械手的驱动方式。但是由于电机的转速高，输出扭矩通常比较小，对于各个关节大扭矩的要求无法实现，因此需要增加减速器。本文选用了减速电机，电机和减速器连接为一体，更加经济性的同时也减轻了机械臂的重量。目前市面上存在的减速电机有齿轮减速电机、蜗杆蜗轮减速电机、行星齿轮减速电机以及谐波减速电机等。对比几家后发现行星齿轮减速电机具有体积小、传动效率高、减速范围广等诸多优点。故本文选用了一款行星齿轮减速电机，该减速器的外观如图2-2所示：图2-2行星齿轮减速电机本课题中苹果采摘机械臂的各个关节处所需驱动单元型号如表2-3所示：表2-3各个关节所需驱动单元型号关节电机型号（额定扭矩，转速，功率等）腰关节Y200RA2002.4A（电流）、25°/s（最大速度）、60kg（负载）、7.9kg（自身重量）肘关节行星减速电机型号36-555(24V)，9.6（kW），24r/min，21N·m，188（减速比）腕关节行星减速电机型号36-555(24V)，9.6（kW），24r/min，21N·m，188（减速比）采摘机械臂自由度的选择采摘机械臂自由度的选取是技术参数中最为关键的一项。一个物体在三维空间一般具有六个自由度，即沿X，Y，Z轴的移动和旋转。当外界力作用于一个物体时，其自由度会减少。采摘机械臂的自由度是根据果实的位置和生长环境设计的，一般小于6个自由度[13]。一般来说，一个物体的自由度越多，运动灵活性程度就越高，但是随着自由度的增加机械臂的总体刚度也会下降，控制方面难度也会加强，设计会比较复杂。所以，在能够基本设计要求的前提下，选择自由度的数量越少越好[10]。本文的苹果采摘机械臂结构选择三个自由度，即机械臂基座的旋转（第一个自由度）、机械臂小臂的摆动（第二个自由度）、机械臂腕部的旋转（三个自由度）来共同完成苹果的采摘动作。采摘机械臂结构方式的选择采摘机械臂前三个关节的作用是将机器人腕部送到果实指定位置。参考工业机器人构型，实现方式主要有三种方案[11]：方案一：圆柱坐标型这种运动形式是通过一个转动，两个移动，一共三个自由度构成的运动系统，工作空间图形为圆柱型。它与直角坐标型机械臂比较，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大[8]。如图2-3所示：图2-3圆柱坐标机器人（2）方案二：直角坐标型也称作笛卡尔坐标机械臂，由三条相互垂直的线性轴所组成（相当于三个直动关节），来确定末端执行器的空间位置，其工作空间为长方体。各个轴向的移动距离可在各坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算。定位精度高、结构简单，但机体所占空间体积大、灵敏度较低[8]。如图2-4所示：图2-4直角坐标机器人（3）方案三：关节型又称回转坐标型机械臂，这种机械臂模拟了人体上肢的运动。机械臂的基座，大臂和小臂由三个转动关节依次连接，参照人类上肢，这三个转动关节分别被称作腰关节、肩关节和肘关节，前三个关节的作用是将末端执行器送达预定位置，而末端执行器的姿态则由腕部状态确定，腕部多采用两自由度或三自由度的结构。对于采摘作业，则可通过腕部动作对作物进行分离而尽量少用大关节。关节型机械臂的主要缺点