【某柑橘采摘机器人的结构设计案例5000字】

某柑橘采摘机器人的结构设计案例某柑橘采摘机器人的结构设计案例 11.1机器人运动平台结构设计 11.1.1已有四足式运动平台分析 11.1.2运动平台总体结构设计 21.2机械臂结构设计 4 5 51.3.2末端执行器结构设计 51.4运动平台驱动方式的选择 7 8 9采摘机器人的运动平台移动位置的精准性。满足实际的柑橘采摘任务要求，加上末端执行器的结构能否顺运动平台有两足、四足和多足等形式。除了利两足的运动平台在市场上的应用范围并不是很广泛，而且其如四足机器人的运动平台。四足机器人运动平台的稳定性比两足机器人要好7,而且越运动平台的结构主要由多关节机构组成，多关节机构又是由多2如图3.1所示，BigDog机器人是波斯顿公司研发设计的、国外最有影响力的一款足式链式来说更加低廉。如图3.2所示，Minitaur机器人的腿部结构是通过连杆机构组成，条腿的摆动电机安装位置不一样，如图3.3所示的腿部结构。在该腿部结构中，驱动杆长度为800mm,底杆1为1100mm,底杆2为1200mm,包括了三个自由度，由三个电摆动电机驱动电机驱动杆底杆2底杆1底杆2足底图3.3运动平台腿部结构运动平台的机械组成主要由四大模块构成，分别是腿部模块、关节模块、连接杆及运动平台本体。关节模块与运动本体的联接采取了通过四根连接杆焊接在一起联接的方式，该连接方式不仅坚固，还可以有效减轻机器人自身的重量，便于维护，也为腿部模块提供了支撑点，有利于提高运动平台的稳定性和承载能力，同时也提高了机器人运动的准确度，使其腿部脚底的运动轨迹控制得更加准确。图3.4运动平台的机构效果图如图3.4所示，运动平台的本体结构为上下两层的结构形式，这不仅有利安装，也提高了整机空间利用率。运动平台的上层用于安装机械臂、关节驱动电机等元器件。由于机械臂在这些元器件中的体重比较高，为了使机器人平衡，将机械臂安装于运动平台的上层中心位置，不仅可以平衡运动平台，还可以提高运动平台的工作效率。为了降低机器人整机的重心高度，提高其稳定性，运动平台的下层则用于安装驱动电源和果篮。4而运动平台的上层设计了通孔，果篮就位于通孔的下方，机械手臂通过末端执行器采摘果实后，将果实放于上层的通孔中，进而果实就到了下层的果篮内，完成一次采摘任务。1.2机械臂结构设计结合柑橘采摘的实际情况，在已有的机械手臂的基础上，参考了国外著名的机械手臂产品，设计了一款适用于柑橘采摘季的5个自由度的多关节机械手臂，该机械手臂的关节控制比较灵活，运动精准，工作范围较广，已在许多工业生产中有所应用，技术也较为成熟。关节型的机械手臂由于自由度越多，而其所需要的电机也就越多，控制线路的复杂程度也就越高，有效载荷就会变低，这不仅增加了机械手臂的整体重量，还增加了成本。本文的三根连接杆分别采取了不同的长度，大臂长度为900mm,中臂的长度为800mm,小臂长度为300mm,底座的旋转角度为360°。其中，中臂的设计与大臂和小臂不太相同，中臂的两端开了凹槽，如图3.5所示，不仅使手臂之间能更好的配合，还满足实际要求，顺利的完成柑橘采摘任务。图3.5中臂如图3.6所示，关节处安装了电机，通过电机来驱动机械臂关节来进行转动，机械臂的各连接杆采用了强度较高的塑钢，减轻了机械手臂重量的同时，增加了采摘机器人的有效负载，提高了采摘效率。底座图3.6柑橘采摘机械手臂结构5经过对南方柑橘(沃柑)园的果实进行了实地测量及统计，测量了果实的几何形状及重量，统计了一系列数据，如表3.1所示：表3.1柑橘几何形状和质量统计数据直径(mm)质量(g)的柑橘情况下，末端执行器所设计的抓取最大直径为80mm。经过对柑橘几何形状及质量的测量与分析，为了适具，如图3.7所示，手爪的弯曲弧度为100mm,宽度为15mm,内部还附有一定厚度的图3.7手爪器内部设计了滚子轴承，如图3.8所示，主要安装于需要旋转的地方。设计的轴承内圈尺寸半径为11mm,外圈尺寸半径为15mm,滚珠大小直径为5mm。支撑机械旋转体是滚珠轴承内圈轴承外圈图3.8滚珠轴承如图3.9末端执行器的剖面图所示，末端执行器内部设计了电机，通过电机的正反转可实现末端执行器抓取切割果实的功能，从而完成果实采摘任务。手指闭合的形状是根据柑橘的外形轮廓设计的，手指上附有弹性材料，可以人机器人在采摘果实的过程中，减小对果实的损害，起到保护果实的作用。同时还能适应不同大小的柑橘果实，当柑橘采摘直径较小的柑橘果实时，弹性材料能够防止果实从手指尖的缝隙凋落，当采摘体积较大的果实时，弹性材料就会被压缩，进而很好的将果实包裹着，避免了夹持果实的手与果实的直接接触对果实造成的不利影响，保证了柑橘果实的品质和销售。1.安装支架2.电机3.丝杆4.丝杆螺母5.连接杆6.手爪7.刀具8.弹性材料9.丝杆轴承10.轴承座11.手爪支架12.丝杆轴承图3.9末端执行器的剖面图末端执行器采用的是三指手爪的方式，在采摘的过程中，末端执行器内部电机进行7正向旋转，通过丝杆带动螺母沿杆轴方向向着电机方向运动，与此同时，连杆带动了三根手指将柑橘果实包裹，每个手指上的刀具都做相应的切割运动，实现了将果实采摘下来的动作。当末端执行器放开果实时，内部的控制电机就进行正向旋转，如图3.10a图所示，此时的末端执行器手爪处于闭合状态。当电机反向旋转时，末端执行器的三个手指向外张开，如图3.10b图所示，当手指完全张开后，采摘好的果实将从通孔掉入果篮中，完成一次柑橘采摘作业。图3.10末端执行器整体结构效果图1.4运动平台驱动方式的选择为了使机器人运动平台的腿部运动能比较灵活，并有足够的动力辅助机器人完成柑橘果实的采摘任务，因此需要选择一种合适的驱动方式来支持运动平台的运动。而最常见的驱动方式主要有以下几种：(1)气压驱动：该驱动方式主要是指通过设备对空气进行压缩处理，再通过压缩后气体的压力会变大的特点来驱动的驱动执行元件。优点：空气来源方便，随处可用，气体用完后直接排出无任何污染。缺点：气压驱动的工作速度受外部条件的影响，运动时的平稳性较差；空气的净化处理较为复杂；工作的压力较小。(2)液压驱动：其驱动方式主要以提高液压泵的压力能，再通过换向阀的通断来选择驱动的方向的执行元件。优点：体积较小，重量较轻；驱动力能满足工作需求，而且调速的范围较广，可实现很多中的速度控制方式。缺点：制造成本高；液压油作为工作介质，易存在安全隐患；液压油很容易受到温度的影响，温度高时易产生泄漏，温度低时易产生困油现象错误!未找到引用源。(3)电机驱动：电机驱动是通过控制电机的旋转角度和运转速度来达到驱动的目的的一种执行元件错误!未找到引用源。。目前在市场上应用比较广泛、比较多的就是电机驱动，该电机驱动的发展时间也比较早，直到今天，电机驱动控制技术已经逐步成熟。优点：电机驱动的输出功率足够大，效率较高；具有精准的控制高度；适用于结构比较紧凑的机构中，能适应不同的安装空间。缺点：电机根据结构功能的不同可分为直流、步进、减速三类电机，该三类电机因结构的不同而有所差异。有些电机的驱动力不足，小车不适合选用该种类型的电机进行驱动，很容易出现死区现象。综合比较了三种驱动方式之后，再结合柑橘采摘机器人的特点及工作环境，决定选择电机驱动作为运动平台的驱动方式。电机驱动所占的空间较小，而且机器人的运动平台的能源供应方式是电力供应，刚好满足电机的要求，这不仅减轻了机器人的整体重量，还提升了机器人的工作效率。8T:电机负载力矩a:运动加速度θ:爬坡角度f:摩擦系数n:传动功率采摘机器人的整机重量M为60kg,移动加速度a为1.1m/s²,重力加速度g取9.8m/s²,电机个数n为8个，最大爬坡角度θ为20°,平地最快移动速度为1.1m/s,r:车轮半径v:运动平台前进速度i:传动比ŋ:传动功率加速度a取1.1m/s²,传动功率ŋ取0.85,摩擦系数f在0.025-0.4之间，经过查表，可取f为0.15。9电机功率P=52.3(W)当机器人爬坡时，移动加速度a取0.4m/s,传动效率ŋ取0.85,摩擦系数f取0.15。结果计算得：电机功率P=74.6(W)根据上述的计算结果，既要满足运动平台的驱动设计要求，又能为机器人完成采摘任务提供充足的动力，综合考虑选用saegmotor-36syk71型号的电机较为合适。1.6小结