毕业设计（论文）-爬树除虫机器人设计

PAGEPAGEi摘要随着科技的进步和工业自动化的需求增加，传统的人力爬杆作业已难以满足高效、安全的要求。因此，研发一种能够模拟熊类动物爬行行为的机器人，对于提升作业效率、降低人工风险具有重要意义。本研究内容主要聚焦于爬树除虫机器人的结构设计。通过对国内外研究现状的分析，确定了设计参数和驱动方式，进而完成了机器人的总体设计方案。在核心部件的校核与计算中，对机械手爪、下底座、传动装置等进行了详细的设计和优化。同时，借助有限元分析，验证了设计的有效性。经过深入研究，本研究取得了显著的成果。成功设计了一款爬树除虫机器人，其结构稳定、运动精确，能够满足实际工作的需求。该机模拟啄木鸟撞击树干的过程，利用可伸缩的结构对树干表面进行撞击，以达到对树干表面的虫卵、虫巢进行碾压的目的，从而杀死表面的害虫，同时撞击产生的振动也会使得树干内部的害虫受到惊吓跑出。爬树除虫机器人能够后实现对整棵树可以起到全方位、全覆盖的除虫作用，而相对于轮式等其他仿生类爬树机器人，仿生蠕虫爬树除虫机器的稳定性、可靠性和跨越障碍物的能力也更高，对害虫的防治起到了极大的作用，能弥补目前树上除虫技术的不足。关键词：爬树机除虫器人；爬杆；结构设计；三维建模；有限元分析

TreeclimbingandpestcontrolrobotdesignAbstractWiththeprogressofscienceandtechnologyandtheincreasingdemandforindustrialautomation,thetraditionalhumanpoleclimbingoperationhasbeendifficulttomeettherequirementsofhighefficiencyandsafety.Therefore,thedevelopmentofarobotthatcansimulatethecrawlingbehaviorofbearsisofgreatsignificancetoimprovetheoperationefficiencyandreducethehumanrisk.Thisstudyfocusesonthestructuraldesignoftree-climbingpestremovalrobots.Throughtheanalysisofthecurrentsituationofdomesticandforeignresearches,thedesignparametersanddrivingmodearedetermined,andthentheoveralldesignschemeoftherobotiscompleted.Inthecheckingandcalculationofcorecomponents,themanipulatorclaw,lowerbaseandtransmissiondevicearedesignedandoptimizedindetail.Meanwhile,thevalidityofthedesignisverifiedwiththehelpoffiniteelementanalysis.Afterfurtherresearch,thisstudyhasachievedremarkableresults.Successfullydesignedatree-climbingandpestremovalrobot,itsstablestructure,accuratemovement,canmeettheneedsofpracticalwork.Themachinesimulatestheprocessofwoodpeckerhittingthetrunk,andusestheretractablestructuretoimpactthesurfaceofthetrunk,soastoachievethepurposeofcrushingtheeggsandnestsonthesurfaceofthetrunk,soastokillthepestsonthesurface,andthevibrationcausedbytheimpactwillalsomakethepestsinsidethetrunkscaredandrunout.Afterclimbingtreepestrobotcanrealizethewholetreecanhaveafullcoverageofpestcontroleffect,andrelativetootherbionictreeclimbingrobot,bionicwormtreeclimbingwormmachinethestability,reliabilityandabilitytocrossobstaclesishigher,playedagreatroleonpestcontrol,canmakeupforthecurrentshortageoftreepesttechnology.Keywords:Treeclimbingmachine;poleclimbing;structuredesign;3Dmodeling;finiteelementanalysisPAGEIPAGEIPAGEI目录TOC\o"1-3"\h\u31133第1章绪论 181521.1研究背景及意义 1134101.2爬树机器人国内外研究现状 180611.2.1国外爬树机器人研究现状 1268001.2.2国内爬树机器人研究现状 428185第2章爬树除虫机器人总体设计方案 6273102.1设计参数 6141752.2驱动方式的选择 6222562.3结构设计方案 7165112.3.1结构组成 7244432.3.2工作原理 84669第3章爬树除虫机器人主要机构设计 989023.1机械手爪结构设计 9120113.2下底座结构设计 10267993.3盘形凸轮机构设计 1067783.4步进电机的选型 12150433.5计算传动装置总传动比和分级传动比 14313.5.1传动装置总传动比 14101943.5.2分配各级传动比 14189613.5.3传动装置的运动和动力参数 14218243.6齿轮的结构设计与校核 15256323.6.1高速级齿轮设计 15214163.6.2低速级齿轮设计 17266903.7轴的设计与校核 1966073.7.1高速轴设计 19113343.7.2中间轴的设计 22245713.7.3低速轴的设计 2487713.8轴承寿命校核 25100183.9除虫装置设计 2518831第4章爬树除虫机器人三维建模与有限元分析 28211464.1仿真软件介绍 2872194.2三维模型的制作 28123294.3有限元分析 291336第五章结语 3327042参考文献 34PAGEIPAGEIPAGEI第1章绪论1.1研究背景及意义伴随着社会的快速进步和科技的持续发展，机器人已逐步取代了人类，完成了大量的任务，并在医疗、建筑、工业检测、农业等多个领域得到了广泛应用，深刻影响了人们的学习、工作和日常生活。“农业4.0”的概念起源于“工业4.0”，它融合了计算、图像处理、自动化技术、机器视觉、机器学习以及大数据和互联网的交叉应用。林业与农业有着紧密的联系，随着“农业4.0”政策的推出和进一步发展，林业机器人预计将成为未来机器人应用中最广泛和最具发展潜力的领域之一。爬树机器人不仅是农林机器人领域的一个关键子领域，也构成了“农业4.0”计划的一个核心部分，目前已经成为国内外科学研究机构关注的焦点。林业的生产与经营不仅是国家生态安全和林业持续发展的关键组成部分，而且其生产和经营模式以及相关装备也是衡量林业现代化程度的重要指标。为了实现国家的“双碳”战略目标，对现有的农林机械设备进行升级，并推动碳达峰、碳中和绿色发展，成为了一项不可或缺的硬性需求。在农林机器人这一领域，关于果蔬农田的种植、检测、采摘机器人以及无人机的研究已经达到了相对成熟的阶段。在涉及森林高空作业的领域中，由于高空作业环境的复杂性和研发的高难度，相关的林业机器人研究相对较少，导致现有的林业机械设备不能满足现代林业的生产和经营需求。随着工业化进程的加速和温室效应的逐渐显现，人们对环境保护的意识也在持续增强。尽管我国的林业和城市绿化树木数量得到了明显的增长和提升，但与此同时，林木害虫的数量也急剧上升，这对树木的健康生长带来了巨大的威胁。因此，在树木的防治领域，迫切需要找到合适的方法来实现除虫和保护树林的目标。但是，经过调查研究，目前大部分的除虫机主要适用于地下或其他低洼地区的除虫工作，而对于森林高处的害虫则很难进行有效防治。只有少数能够在树木较高的地方进行除虫的树林杀虫机器人，它们面临着操作困难和效率不高的多重挑战。另外，因为林地的工作环境恶劣、工作强度高、人口老龄化等因素，从事林业生产的人员数量大幅减少。机器人技术在某种程度上能够有效地解决林业生产和经营中遇到的各种问题。当传统的人工劳动方式被机器人取代时，不仅可以降低劳动力成本，解决劳动力短缺和林业恶劣环境带来的安全风险，还能提升林业作业的机械化、自动化和智能化水平，从而有力地推动林业现代化的进程。因此，研发和设计现代化的爬树除虫机器人装备显得尤为关键和不可或缺。1.2爬树机器人国内外研究现状1.2.1国外爬树机器人研究现状在2003年，R.Aracil团队在西班牙成功开发了名为“CPR”的并联爬树机器人。这款机器人基于并联结构作为其工作平台。在其工作过程中，两个相同的环形平台会进行交替操作。当一个平台成功抓住树干时，另一个平台会自动放开，并在连杆的驱动下进行移动。经过这一系列的操作，机器人能够自由地上下移动，这种机器人特别适用于棕榈树木和内外管道等应用场景，如图1-1展示的那样。在2006年，Y.Kushihashi和他的团队在日本研发出了一款名为WOODY的爬树修剪机器人。这款机器人的工作原理是围绕整棵树并将其固定在树上。机器人可以通过伸展和收缩其身体来稳定地进行树枝修剪，特别适合于攀爬和处理直径较大的树木。在2008年，H.Kawasaki和他的团队开发出了一款专门用于修剪和切割树枝的爬树机器人。这款机器人的夹持结构设计灵感来源于日本的木刻工具。它在树的四周均匀地设置了四个主动轮，每两个相邻的轮形成一对，其中一对位于树的上方，而另一对则位于树的下方。这种设计使得机器人具有轻便和高速攀爬的特性，如图1-2展示。图1-1并联爬树机器人“CPR”图1-2切割修剪树枝爬树机器人在2011年，S.Ueki和他的团队开发了一款专为木材修剪设计的机器人。这款机器人被四个轮子围绕在树干的表面，能够在木材表面上进行直线和螺旋的攀爬，同时还能进行修剪，如图1-3展示的那样。在2013年，Y.Ishigure等人成功开发了一款轮式修剪爬树机器人，该机器人采用环绕树干的设计。通过电机的驱动，这款机器人能够在树干上迅速攀爬，并利用链锯机构来完成修枝和剪枝的任务，如图1-4展示的那样。图1-3木材修剪爬树机器人图1-4轮式修枝剪枝爬树机器人在2016年，来自印度韦洛尔理工大学的A.P.Dubey等人成功开发了一款椰子树攀爬和采摘的机器人。这款机器人由两个主要部分构成，其中一个部分是机械框架，由两根铝杆和螺纹杆组合而成。这两根铝杆负责连接机器人的上下部分，并通过螺纹杆实现上下垂直移动，同时由两个电机进行驱动；第二部分描述了一个用于切割椰子的机器人手臂，这个机械臂被放置在攀爬部分的顶端，通过遥控器，人们可以从地面上手动操作这个切割臂，正如图1-5展示的那样。图1-5椰子采摘爬树机器人在2017年，新西兰梅西大学的工程与先进技术学院推出了一款经过改良的防坠落爬树机器人。这款机器人主要由平台机架、可开闭的关节、轮子和电机构成。其中，三个轮子以120°的角度布置，用于环绕树干。通过这些关节，机器人可以紧紧地抱住树干并执行爬树动作。这三个轮子由伺服电机驱动，能够自由旋转，从而实现垂直或特定角度的螺旋爬树，如图1-6展示。在2018年，来自新加坡的M.A.Mustapa等人成功研发了一款能够螺旋方式攀爬沉香树的机器人。这款机器人的最大重量限制为10公斤，并采用直流电机来驱动其车轮机构，实现机器人的上下移动。为了确保机器人能够螺旋上升，他们使用了两个DC电动机作为转向部分，并在杆状树和PVC管的爬行实验中得到了成功的应用。此机器人具备低成本、结构简洁、易于控制和制造的特点，如图1-7展示。图1-6防坠落爬树机器人图1-7沉香树攀爬机器人1.2.2国内爬树机器人研究现状在2011年，香港中文大学的徐扬生团队成功地设计和研发了一款名为“Treebot”的仿生爬树机器人。这款机器人的夹具设计是为了将其固定在树木的表面，从而产生最大的抓力来固定树木。机器人可以通过伸缩来实现攀爬动作，使其能够在多分叉的树枝和不同形状的树木中灵活攀爬。此外，它还可以自主选择最适合的路径来到达指定的点或树顶，如图1-8所示。在2010年至2016年期间，江励及其团队成功研发了名为Climbot的五自由度双手爪式仿生攀爬机器人。这款机器人能够在直立杆（即倾斜角度超过60°的杆）、倾斜杆（即倾斜角度介于30°至60°之间的杆）以及水平杆（倾斜角度小于30°的杆）上攀爬并完成高空任务，如图1-8展示的那样。图1-8双手爪仿生攀爬机器人-Climbot在2017年，张连滨领导的团队研发出了一款模仿蠕虫爬行的负重爬树机器人。这款机器人的主要功能是利用其夹持机构为树木提供必要的夹紧力，并通过提升机构使机器人在树干上进行攀爬。在开始爬树之前，机器人首先被固定在树干上，然后启动夹紧装置，通过推杆使机器人紧固树干。接着，启动提升装置，利用伸缩杆使机器人进行攀爬和移动。这款机器人配备了木材检测器和剪枝修枝工具等工具，适用于古木建筑的无损检测、农林业树木的检测和修剪工作，如图1-9所示。图1-9仿蠕虫爬行负重爬树机器人在2018年，邹万勇和他的团队对立木攀爬机器人的抱树机构进行了深入的设计和分析。这种机构能够在如竹竿这样的轻质、径级较小的竹林植物上进行攀爬。与传统的爪式结构相比，它的抱紧机构采用了更为简洁的爪式设计，这使得它具有单一驱动输入控制和较低的制造成本，从而更好地满足攀爬各种径级树木和竹林的需求。

第2章爬树除虫机器人总体设计方案2.1设计参数爬树除虫机器人的结构设计参数确定是一个复杂而精细的过程，涉及多个关键要素。爬树除虫机器人的机械结构参数如下：机器人整体高度：1.2米机器人宽度：0.5米爬升肢体长度：0.6米（每只）抓握器尺寸：直径0.15米，厚度0.05米机器人净重：30千克（含电池和控制系统）最大负载能力：10千克最大抓握力：≥500N（每只抓握器）抓握稳定性：在风速≤10m/s时，能保持稳定抓握最大爬升速度：0.5米/秒平均爬升速度：0.3米/秒（连续工作状态下）最大爬升角度：≥70°（针对直径≤0.2米的杆状结构）2.2驱动方式的选择爬树除虫机器人的驱动方式在设计中是至关重要的选择，它直接决定了机器人的性能、效率以及应用场景的适应性。目前，除了电驱动外，常见的驱动方式还包括气压驱动和液压驱动。首先，我们来看电驱动方式。电驱动以其高效、稳定、可控性强等优点在机器人领域得到广泛应用。在爬树除虫机器人中，电驱动通过电机提供动力，实现机械手的精确运动。其优点主要体现在以下几个方面：一是响应速度快，能够迅速调整爬升速度和方向；二是控制精度高，可以实现细微的动作调整，提高抓握稳定性；三是能量转换效率高，减少能量损失，延长机器人的工作时间。然而，电驱动也存在一些缺点，如电池续航能力的限制，以及在高负载或高速度下可能出现的发热问题。但总体而言，通过选用高性能电机和优化电池管理系统，这些问题可以得到有效解决。接下来是气压驱动方式。气压驱动利用压缩空气作为动力源，具有结构简单、维护方便等优点。在爬树除虫机器人中，气压驱动可以实现机械手的快速运动。然而，气压驱动的缺点也较为明显：一是气压系统的稳定性较差，容易受到环境因素的影响，如温度变化、湿度变化等；二是气压驱动的控制精度相对较低，难以实现细微的动作调整；三是气压系统的噪音较大，可能影响机器人的工作环境。最后是液压驱动方式。液压驱动以液体为工作介质，通过液压缸和液压马达实现动力传递。液压驱动具有力量大、传动平稳等优点。然而，在爬树除虫机器人的应用中，液压驱动也存在一些明显的缺点：一是液压系统的复杂性较高，需要更多的维护和管理；二是液压油的泄漏问题可能导致环境污染和机器人性能下降；三是液压驱动系统的响应速度相对较慢，可能无法满足机器人快速爬升的需求。通过对电驱动、气压驱动和液压驱动三种方式的优缺点分析，可以发现电驱动在爬树除虫机器人的应用中具有明显优势。电驱动不仅响应速度快、控制精度高，而且能量转换效率高、维护方便。因此，最终确定电驱动为爬树除虫机器人的最佳驱动方式。2.3结构设计方案2.3.1结构组成爬树除虫机器人作为一种特殊的机器人，旨在模拟熊的爬行方式，实现在杆状结构上的高效稳定爬升。此次主要将其应用于电力行业的杆塔巡检中。其结构主要由驱动装置、上机械手爪、下底座等关键部分组成。驱动装置是爬树除虫机器人的核心部分，负责提供机器人爬升所需的动力。设计方案中，驱动装置采用电动驱动方式，配备高性能的直流电机，通过减速器和传动机构将电机的旋转运动转化为机械手的线性运动。这种设计方式具有结构简单、响应速度快、控制精度高等优点。上机械手爪是爬树除虫机器人的关键执行机构，负责模拟熊的四肢进行抓握和爬升。设计方案中，上机械手爪采用多关节设计，每个关节都配备有独立的驱动装置和传感器，能够实现灵活的抓握和姿态调整。同时，手爪表面覆盖有橡胶复合材料，增加与杆状结构之间的摩擦系数，提高抓握稳定性。下底座是爬树除虫机器人的支撑结构，负责提供稳定的支撑和平衡。设计方案中，下底座采用宽大的设计，以增加与地面的接触面积，提高稳定性。同时，底座内部还安装有电池和控制电路等关键部件，确保机器人在工作过程中能够持续供电和稳定运行。图2.1总装置二维结构图2.3.2工作原理爬树除虫机器人的工作原理是基于模拟熊类动物在树上或杆状结构上爬行的行为。通过结合电驱动技术、机械结构设计等实现了机器人在杆状结构上的高效稳定爬升。首先，爬树除虫机器人的电驱动系统是其工作的核心。高性能电机作为动力源，通过减速器和传动机构将电能转化为机械手的线性运动。电机接收到控制信号后，可以精确地调整转速和转向，从而控制机械手的动作。这种电驱动方式不仅响应速度快，而且控制精度高，能够满足机器人在不同环境和任务需求下的灵活调整。其次，机器人的机械结构设计是实现爬升功能的关键。上机械手爪采用多关节设计，能够模拟熊类的四肢运动，实现抓握和爬升动作。每个关节都配备有独立的驱动装置和传感器，可以实时监测关节的运动状态和受力情况，确保抓握的稳定性和安全性。此外，下底座作为机器人的支撑结构，提供了稳定的支撑和平衡，防止在爬升过程中发生倾覆或晃动。这种工作原理不仅模拟了熊类动物的爬行行为，而且充分发挥了电驱动技术的优势，使机器人在实际应用中具有广泛的适用性和灵活性。

第3章爬树除虫机器人主要机构设计3.1机械手爪结构设计1.夹紧力的计算（1）工件质量R=50mmℎ材料40钢，密度ρ=7.85g/cV=πG=mg=ρvg=7.85∗1177.5∗0.0098=90.58(N)V——工件体积R——工件半径H——工件高度G——工件重力（2）夹紧力夹紧力约为工件重力的2~3倍，则N=3G=3∗90.58=271.755(N)。由P——施加于活塞杆上的驱动力取c=20mm b=65mm ψ=4带入公式得P=264.705(N)在实际应用中P为理论驱动力，η为首爪的机械效率，一般取。P实（3）活塞杆直径的计算将活塞杆视为受拉杆，根据强度计算，可确定其直径或d≥4pπ[σ]式中P一一活塞所受的输出拉力（N）d一一活塞杆的直径σbN——安全系数（一般取n>1.4）则d≥（4）手爪夹持范围计算手爪夹持范围，手指长100mm，根据机构设计，它的最小夹持半径。夹持半径计算如下：所以机械手手爪的张开角度为22.5°时，满足设计要求。3.2下底座结构设计下底座的作用主要体现在以下几个方面：首先，它提供机器人稳定的支撑，防止在爬升过程中发生倾覆或晃动；其次，底座内部的电池和控制电路为机器人提供能源和控制信号，确保机器人能够按照预设的程序进行工作；最后，下底座还具备防护功能，能够保护机器人内部的关键部件免受外界环境的干扰和损坏。，此次采用整体刚性底座，整个底板焊接四根主肋和一套两柱嵌套。左右两部分由桥和后箱结构连接，两根柱的中心为810mm，底板上开有4.φ28mm圆孔留作井下运输使用。主筋、盖板等主要部位选用Q460钢板，柱窝材质选ZG25MnTiB，次要部位选用Q345钢板，焊缝抗拉强度不低于600MPa，整个底座具有很高的强度和刚度。3.3盘形凸轮机构设计凸轮机构是一种结构精度高、高速运动平稳性好、运动特性好、体积较小、刚性大、周期控制较为简单、可靠性高的机械结构。当凸轮用作机械传动机构时，可以产生设计所需的复杂运动规律，包括变速范围较大的非等速运动、暂时停止以及各种步进运动；当凸轮机构用于导向机构时，可以使得工作机构动作端产生复杂的运动轨迹；当凸轮机构用于控制机构时，可以使得工作控制机构执行预先设计好的往复运动。机械设计上常用的凸轮有盘形凸轮、圆柱状凸轮和移动凸轮三类。盘状凸轮主要应用于滚子直动从动件盘状凸轮机构、滚子摆动件盘状凸轮机构、平底直动从动件盘状凸轮机构；圆柱状凸轮主要应用于直动推杆圆柱凸轮机构和摆动推杆圆柱凸轮机构；移动凸轮类似于盘状凸轮，当移动凸轮的回转中心趋于无穷远时，凸轮相对于机架作直线运动，类似于日常生活中钥匙的运动模式。综合上述凸轮机构的优点，考虑爬杆机器人攀爬过程的实际需求，机器人凸轮机构选用偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构。盘形凸轮机构如图3.1所示，凸轮基圆半径rb，从动件导路偏距为W（导路在左侧W为正，在右侧w为负），升程为h，从动滚子中心初始位置位于B点，当凸轮转过θ角后，从动滚子中心处于B0点。由机械设计可知，从动顶轮位移s、速度v、加速度a和加速度变化率j随时间t或凸轮转角φ变化的规律，可以从各个方面反映出从动顶轮的运动特性。其中从动顶轮加速度的变化率j称为跃度，是凸轮轮廓线重要参数之一，与惯性力的变化率密切相关，对从动顶轮的震动和凸轮机构工作平稳性有较大影响。不同的凸轮轮廓曲线，可以使从动顶轮产生不同的运动规律。因此，爬杆机器人凸轮机构设计的关键，就是根据抱杆手臂张开与闭合运动的实际需求，设计出较合适的凸轮轮廓曲线，使得从动顶轮的冲击震动较小并且机器人攀爬时平稳性更好。图3.1盘形凸轮机构模型设计一对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构,已知凸轮的推程运动角为δt=175°，从动件在推程中按等加速和等减速规律运动，行程h=18mm,最大压力角αmax=16°。试确定凸轮的基圆半径rb。按已知条件将位于圆周上的标尺为δ0=175°、αmax=16°的两点,以直线相连〔如图中虚线所示由虚线与直径上等加速和等减速运动规律的标尺的交点得：h/rb=0.6计算最小基圆半径得rbmin=h/0.6=18/0.6mm=30mm已有的试验证明：相同金属材料比不同金属的粘着倾向大；单相材料、塑性材料比多相材料脆性材料的粘着倾向大。为减轻粘着磨损的程度推荐采用材料匹配有;<1>铸钢青铜；淬硬非淬硬钢；非淬硬钢黄铜巴氏合金；淬硬钢；青铜黄铜非淬硬钢‘尼龙及积层热压树脂。因为是低速轻载凸轮选用45钢调质220-260HB，从动件接触处选用45钢表面淬火40-45HRC。图3.2求凸轮基圆半径的模图图3.3盘形凸轮3.4步进电机的选型步进电机选用德国百格拉公司生产的三相混合步进电机，三相混合步进电机吸取了五相电机的优点，与之配套的驱动装置采用交流伺服电机驱动方式，彻底解决了传统步进电机低速爬行、共振区存在、噪音大、高速转矩小、启动频率低、驱动可靠性差等问题，被誉为具有交流伺服电机运行特性的步进电机系统。图3.4两相、三相和五相混合式步进电机定子磁极结构图从图中可以看出，三相电动机比五相和两相步进电动机采用了更多的磁极对数，并在齿形和排列方式、增大转子直径、减小小气隙、增加磁通等方面采取了一系列创新技术，达到了世界领先水平。在此基础上，将交流伺服控制原理应用于三相混合式步进电机驱动系统，使220VAC(D921驱动器为35VDC)经整流后成为325VDC，再经脉宽调制，成为三阶对应的325V阶梯式正弦波电流，它们按固定的时序分别通过三阶对应的电机转动一步。每一步转角的角度是由驱动输出正弦电流的频率决定的，而每一步转角的步数是由每一步输出决定的。图3.5给出其中的一路相电流，即阶跃型正弦电流(PWM)。图3.5步进电机绕组为角形连接，电流为正弦波形（PWM）以现在的电子技术来说，正弦电流的阶梯数可分很多，理论上电机每转一次可分很高，这是一种细分技术，但是通过理论分析和大量的实验证明：如果电流的阶数超过10，电机就会产生跳步和失步。因此，10分以上的分数没有实际意义。现有的三相正弦电流细分技术能够保证细分后电机输出力矩不下降，且每一步都能精确定位。由于其特殊的机械结构和电机控制原理，百格拉三相混合式步进电机具有如下特点：采用特殊机械加工工艺，电机定转子间气隙仅为50um。电机转子定子直径比提高到59%，大大提高了电机的工作扭矩。磁极数多于五相步进电机，平稳性和定位精度远高于五相混合式步进电机。，采用交流伺服控制原理。具有交流伺服电机运行特性。几乎无共振区、无爬行、无噪音。三相325V（D921驱动器除外）高压驱动，大大提高了高速扭矩。可按两相和五相电机的步数工作，可取代两相和五相电机。电机的扭矩与电机步数无关。空载启动速度4.7-8.0转/秒（因电机不同而异）。最高转速3600转/分。所用磁钢能耐180度高温，而国产磁钢能耐150度高温。满负荷、10000步/转时能平稳运行和精确定位。（2）参数确定电阻绕线机的绕制转速为200-1200r/min，绕线动作的转矩约为0.2N.m。百格拉电机的最高转速为3600r/min，完全可以满足绕制的需要，因此只需要根据扭矩来选择绕线电机的型号。经过比较，选择的绕线电机型号为VRDM364/LHA，其性能参数如下：表3.1VRDM364/LHA性能参数相电流（A）额定扭矩（N.m）保持扭矩（N.m）最高启动速度（r/s）转动惯量（kg.cm2）重量（kg）接线方式（线数）5.20.450.516.30.10.456在电阻绕制的过程中，排线电机的启动、停止非常频繁，因此选择排线电机时，在满足驱动线型模组所需扭矩的前提下要选择额定功率稍大一些的步进电机，这样可以提高电机动作的响应速度，减少工作时间，提高工作效率。通过前面选定的线型模组的参数，可以知道其启动扭矩为16N.cm。基于这些因素，最终选定的绕线电机型号为VRDM3913/LWA，其性能参数为表3.2VRDM364/LHA性能参数相电流（A）额定扭矩（N.m）最高启动速度（r/s）转动惯量（kg.cm2）重量（kg）接线方式（线数）2.2565.33.33.863.5计算传动装置总传动比和分级传动比根据机械传动系统的设计方案把总传动比分配到各级传动上，并要求各级传动结构紧凑，承载能力高，工作可靠，制造经济和效率高。3.5.1传动装置总传动比i=3.5.2分配各级传动比取蜗杆传动比11=22.363.5.3传动装置的运动和动力参数（1）各轴转速高速轴为1轴，中间轴为2轴，低速轴为3轴，则n（2）各轴输入功率按电动机的额定功率计算各轴输入功率，即p（3）各轴转矩T3.6齿轮的结构设计与校核3.6.1高速级齿轮设计根据设计要求，并考虑到蜗杆传动传递的功率不大适中，速度是慢速，故蜗杆用20Cr，因需要效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为45-55HRC。蜗轮用铸铝铁青铜ZCuAl10Fe3，金属模铸造。为了节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，二轮芯用灰铸铁HT100铸造。（1）按齿面接触疲劳强度进行设计根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。a≥（2）确定作用再蜗轮上的转矩有计算可得：T（3）确定载荷系数K因工作较稳定，故取载荷分布不均有系数kβK=1.05×1×1.05=1.21（4）确定弹性影响系数Z因选用得式铸造铝铁青铜蜗轮和钢蜗杆相配，故Z（5）确定接触系数Z先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a得比值d1（6）确定许用接触应力根据蜗轮材料为铸铝铁青铜ZCuAl10Fe3，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度＞46HRC，可得蜗轮得基本许用应力σH=260MPa寿命系数K（7）计算中心距a≥取中心距a=225mm，根据传动比，从手册中取模数m=8，蜗杆分度圆直径d1=80mm。这时d1/a=0.355，可得接触系数ZP=2.51,，因为（8）蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸1）蜗杆轴向齿距Pa=25.13；直径系数q=10mm；齿顶圆直径da1=96mm；齿根圆直径df1=60.8mm分度圆导程角2）蜗轮蜗轮齿数Z2=45验算传动比i=这时传动比误差为22.5−22.36蜗轮分度圆直径d蜗轮喉圆直径d蜗轮齿根圆直径d蜗轮咽喉母圆半径r3）校核齿根弯曲疲劳强度σ当量齿数根据Zv2=47.72,螺旋角系数Y许用弯曲应力σ从中可得由ZCuAl10Fe3制造的蜗轮的基本许用弯曲应力σ寿命系数K所以，σ弯曲强度是满足的。图3.6大锥齿轮3.6.2低速级齿轮设计（1）选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数1）选用直齿圆柱齿轮2）爬树除虫机器人为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度(GB10095-88)3）材料选择选择小齿轮材料为40Cr（调质）硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质）硬度为240HBS，两者材料硬度差为40HBS。4）选小齿轮齿数Z1=26（2）按齿面接触疲劳强度设计d1）确定公式内的各计算数值试选载荷系数Kt2）小齿轮传递的转矩T选齿宽系数ϕ3）由此可得的材料的弹性影响因数Z4）按齿面硬度查得小齿轮接触疲劳强度极限σ大齿轮接触疲劳强度极限σ5）计算应力循环次数N6）可得接触疲劳寿命系数k7）计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S＝1σ（2）计算1）试计算小齿轮分度圆直径d1，代入σd2）计算圆周速度v=3）计算齿宽bb=4）计算齿宽与齿高b/h模数m齿高ℎ=2.255）计算载荷系数K直齿轮k由机械设计表10-2查得使用系数K由表用插值法查得7级精度，小齿轮相对支承非对称布置时k故动载荷系数k=6）按实际的载荷系数教正所算得的分度圆直径得d7）计算模数mm=（3）按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为m≥图3.7大圆柱齿轮3.7轴的设计与校核3.7.1高速轴设计选用45号钢，调质。（1）求作用在蜗杆上的力已知：p蜗杆分度圆直径d=80mm所以，圆周力F轴向力F径向力F（2）初步确定轴的最小直径根据表15-3，A0=110，于是得d0最小直径处是安装联轴器得直径d1，为使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应，故需同时选联轴器的型号。联轴器的计算转矩Tca=KT按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件，查标准GB/T5014.1985，选用TL7型弹性套柱销联轴器，公称转矩500Nmm，许用转速2800r/min。半联轴器孔径为48mm，故取轴径d1=48mm；半联轴器长度L=112mm。（3）结构设计1）拟定轴上零件的结构图图3.8轴的零件结构2）轴的校核水平面支反力F则F则F垂直面支反力−其中M则F水平面弯矩M垂直面弯矩M总弯矩M扭矩T下图所示为高速轴的水平面弯矩图，垂直面弯矩图，合成弯矩图以及扭矩图。图3.9轴的弯矩与扭矩从轴的结构图以及弯距图和扭矩图中可以看出C是轴的危面。2）按弯曲合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯距和扭距的截面的强度。a=0.6，轴的计算应力为σ之前选定轴的材料为45号钢，调质处理。查得σ−1=60MPa因3.7.2中间轴的设计选用45号钢，调质。（1）求作用在蜗轮和齿轮上的力已知，P小齿轮分度圆直径d作用在蜗轮上的力：F作用在小齿轮上的力:F（2）初步估算轴的最小直径取材料为45号钢，调质。取A0d最小直径处安装轴承，所以取轴径为80mm。，所以选取7016C型角接触球轴承，d1（3）结构设计1）拟定轴上零件的零件结构图图3.10中间齿轮轴上零件的零件结构图2）水平面支反力，则−垂直面支反力−其中M则FF水平面弯矩M垂直面弯矩M总弯矩M1=扭矩T（4）按弯曲合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯距和扭距的截面的强度。取α=0.6，轴的计算应力为σ之前选定轴的材料为45号钢，调质处理。查得σ因σca3.7.3低速轴的设计选用45号钢，调质。（1）求作用在大齿轮上的力由小齿轮的受力情况，可以得出大齿轮的受力，即F（2）初步确定轴的最小直径选轴的材料为45号钢，调质处理。A0d0（3）拟定轴上零件的零件结构图图3.11轴上零件的零件结构图轴的校核F水平面支反力则F垂直面支反力−则FF垂直面支反力−则FF水平面弯矩M垂直面弯矩M总弯矩M扭矩T（4）按弯曲合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯距和扭距的截面的强度.取0.6α=，轴的计算应力为：σ之前选定轴的材料为45号钢，调质处理，得σ−1=60MPa因3.8轴承寿命校核（1）在设计蜗杆选用的轴承为7312B型角接触球轴承，由手册查得C=90KN, 由滚动轴承样本可查得，，70000型轴承背对背或面对面成对安装在轴上时，当量载荷可以按下式计算：FFFaF−（2）量动载荷，即P1计算预期寿命LL2求该轴承应具有的基本额定动载荷C=故选择此对轴承在轴上合适。3.9除虫装置设计模拟啄木鸟撞击树干的过程，利用可伸缩的结构对树干表面进行撞击，以达到对树干表面的虫卵、虫巢进行碾压的目的，从而杀死表面的害虫，同时撞击产生的振动也会使得树干内部的害虫受到惊吓跑出。在树木除虫作业中，激振部件扮演着至关重要的角色，作为爬树除虫机器人的关键部件之一，其性能直接影响采收效果。本文所设计的爬树除虫机器人具，其激振部件采用了单偏心结构，这一结构主要由偏心块、偏心轮支撑轴以及电机等核心组件构成。单偏心激振结构在振动过程中能够有效地引发红枣树产生振动，从而实现高效采收。为了实现对振幅大小的精确调节，本激振结构特别设计了在偏心块上添加垫片的方式，通过改变偏心块的质量来达到调节振幅的目的。同时，为了实现对振动频率的灵活调节，激振结构还采用了改变转速的方法。激振部件的结构如图3.12所示。图3.12激振部件三维模型爬树除虫机器人具在作业过程中，激振部件的功率消耗主要分为两大板块。首先是振动机构在爬树除虫机器人具执行振动作业时所必需的功率消耗。其次，当偏心块进行旋转运动时，由于与电动机传动轴之间的摩擦作用，会产生显著的功率损耗。这两部分功耗共同构成了激振部件在爬树除虫机器人具作业过程中的主要功率消耗。（1）爬树除虫机器人具振动工作时振动机构所需要的功耗通过许南南对扇型偏心块体的工作动力进行了细致的计算，可知，在正常运行条件下，本论文中所设计的偏心块体所需要的平均功耗是：将相关数值代入上式中，求得爬树除虫机器人具振动工作时振动机构所需要的功耗为约为158W。（2）偏心块在工作时旋转做圆周运动与电动机传动轴摩擦所消耗的功率基于刘晓晨等人对偏心件在周向移动过程中与传动轴之间的摩擦损耗进行了详细的计算和分析，可以得出，在工作条件下，红枣收获机具的偏心件做了转动和周向运动时，与电机传动轴之间的摩擦损耗是：其上式中，为轴颈摩擦消耗功率，其单位为W；为轴颈摩擦力，其单位为N；为轴颈线速度，其单位为m/s；为轴颈摩擦系数，常取0.0025~0.01；d为轴颈直径，其单位为m。偏心块经由连接轴稳妥地装配于电机轴颈之上，其中连接轴的直径我们按0.01m进行精确计算。考虑到轴颈摩擦系数μ，我们取其值为0.005以确保计算的准确性。将这一系列关键数值代入前述公式中，经过细致的计算，我们得出偏心块在工作状态下进行旋转圆周运动时，与电动机传动轴摩擦所产生的功率消耗大致为226W。（3）爬树除虫机器人具作业时振动部件电机所需要的功率激振部件电机所需功率的计算公式为：其上式中，P为电机功率，其单位为W；K为考虑其它功耗的储备系数，通常取1.2；η为电机效率，通常取0.98。将上述数值代入公式中可以得到爬树除虫机器人具作业时振动部件电机所需要的功率为469W。（4）电机选型根据上述算式结果，选取HRD型永磁直流无刷电动机作为驱动电机，该电机的详细参数见表3.3：表3.3驱动电机选型主要详细参数表型号额定功率/W额定电压/V转速/rpm额定电流/AHRD65048230015

第4章爬树除虫机器人三维建模与有限元分析4.1仿真软件介绍SolidWorks软件是一款功能强大且广泛应用的三维机械设计软件，它以其直观的用户界面、丰富的功能特点以及高效的设计流程，赢得了众多工程师和设计师的青睐。SolidWorks软件拥有直观友好的用户界面，使得用户能够快速上手并高效地进行三维建模和设计。软件中的工具布局合理，操作逻辑清晰，即使是初学者也能在短时间内掌握基本操作。同时，SolidWorks还提供了丰富的在线教程和文档支持，帮助用户快速掌握软件的使用技巧。在功能方面，SolidWorks软件具有强大的建模能力。它支持创建复杂的几何形状，通过拉伸、旋转、扫描等操作生成三维实体。此外，SolidWorks还提供了丰富的曲面建模工具，可以轻松地创建平滑的曲面和复杂的形状。在装配体设计方面，SolidWorks能够方便地管理零件之间的装配关系，实现精确的装配和拆卸模拟。除了基本的建模功能外，SolidWorks还集成了多种高级工具，如运动仿真、应力分析和流体动力学模拟等。这些工具可以帮助设计师验证和优化产品性能，提高设计质量。例如，运动仿真可以模拟机构的运动轨迹和速度，帮助设计师预测机构在实际使用中的表现；应力分析可以计算零件在受力情况下的应力和变形情况，为结构设计提供依据；流体动力学模拟可以分析流体在管道或设备中的流动情况，优化流体系统设计。SolidWorks软件还具有出色的数据管理和协作能力。它支持多种文件格式的导入和导出，方便与其他软件进行数据交换。同时，SolidWorks还提供了版本控制功能，可以追踪和管理设计过程中的修改历史。此外，SolidWorks还支持多人协作设计，不同设计师可以在同一个项目中共享数据和修改模型，提高设计效率。在应用领域方面，SolidWorks软件广泛应用于制造业、汽车工业、航空航天、医疗设备等多个行业。无论是机械零件的设计、产品外观的建模还是复杂装配体的创建，SolidWorks都能提供高效、精确的设计解决方案。此外，SolidWorks还与其他工程软件如ANSYS、AutoCAD等具有良好的兼容性，可以方便地与其他工程软件进行数据交换和协同设计。4.2三维模型的制作爬树除虫机器人的SolidWorks装配步骤主要包括以下几个环节：首先，我们需要准备好所有必要的零部件和组件的SolidWorks模型。这包括驱动装置、上机械手爪和下底座等关键部件的三维模型。确保这些模型已经按照设计要求完成，并且尺寸和比例都是准确的。接下来，打开SolidWorks软件，并创建一个新的装配体文件。在装配体环境中，我们可以开始组装爬树除虫机器人的各个部件。首先，将下底座作为装配体的基础，将其放置在装配体的工作平面上。通过调整底座的位置和角度，确保其处于稳定且水平的状态。然后，将驱动装置安装在下底座上。根据设计要求，确定驱动装置在下底座上的安装位置和姿态。使用SolidWorks中的装配约束工具，如重合、平行和垂直等，将驱动装置与下底座进行精确对齐和固定。接下来，安装上机械手爪。根据机械手的设计和动作要求，确定其相对于驱动装置的位置和姿态。使用装配约束工具，将上机械手爪与驱动装置进行连接。确保机械手爪的关节和驱动装置的输出轴对齐，并正确连接传动机构。在装配过程中，需要注意各个部件之间的配合和间隙。确保所有连接处都紧密且稳定，避免出现松动或干涉的情况。同时，还需要检查装配体的整体稳定性和平衡性，确保机器人在工作时能够保持稳定。最后，根据需要，可以在SolidWorks中对装配体进行渲染、动画模拟等操作，以展示爬树除虫机器人的外观和动作效果。这有助于更直观地了解机器人的工作状态和性能表现。此次设计的爬树除虫机器人见图4.1所示。图4.1爬树除虫机器人的三维结构4.3有限元分析爪子的几何模型导入ANSYS后，需要在项目分析流程图中的EngineeringData一栏中进行材料属性的设置。本爪子所采用的材料是高强度钢Q345-B。具体材料主要参数如表4.1所示。表4.1Q345-B材料参数材料名称密度kg/m3泊松比弹性模量PaQ345-B78500.32.06e11本文采用Solidworks建立几何模型，将几何模型导入ANSYS中。该爪子是的变截面薄壁箱型构件，形状比较规则，采用HexDominant法和Tetrahedrons法进行划分，最终生成的节点是420917个，单元数是211339个。最终的网格模型如图4.2所示。图4.2网格划分整个机械手爪在变幅平面相当于简支外伸梁，只有1个X轴的旋转自由度被释放（即Rotz=free），其余3个平移和2个旋转自由度都被限制（即Ux=0，Uy=0，Uz=0，Roty=0，Rotz=0），在软件中采用约束命令（CylindricalSupport）限制此处束径向和轴向自由度实现等效约束，在变幅支持处采用相同的约束方式。此次设置的约束条件和载荷如下图所示。图4.3爬树除虫机器人约束载荷通过SolidWorks的仿真分析功能得到爬树除虫机器人的位移云图、应力云图，分别如图4.4、4.5所示。从图中可以看出，爬树除虫机器人机械手爪的最大位移集中在手爪的尖端和边缘，这些地方在施力时位移量最大。应力集中在爬树除虫机器人机械手爪的边缘部分。在右侧的色阶上，可以看到应力的数值范围，单位为牛顿每平方米（N/m²），也就是帕斯卡（Pa）。色阶显示应力从0到大约1.852e+07Pa。最大应力值在图中标出为6.204e+08Pa，这意味着最大应力超出了色阶的最大值，这会对手爪的结构强度和稳定性造成潜在威胁。为了优化爬树除虫机器人机械手的结构，可以考虑增加手爪的刚度。通过增加手爪的壁厚或者采用更坚固的材料，可以有效地减少位移量，提高手爪的稳定性和精确性。此外，针对应力集中在手爪边缘的问题，可以考虑优化手爪的结构设计。例如，可以在手爪边缘增加支撑结构，以分散应力，防止应力集中。此外，还可以考虑采用更先进的材料，如高强度合金或复合材料，以提高手爪的承载能力和耐久性。图4.4爬树除虫机器人位移云图图4.5爬树除虫机器人应力云图

第五章结语本论文在爬树除虫机器人的结构设计方面进