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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 水果采摘機械手裝置設(shè)計與仿真 摘要 近年來，隨著全國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，人們對果蔬的需求越來越大。在我國的果蔬生產(chǎn)中，柑橘生產(chǎn)所的占比重日益增大。而在整個柑橘生產(chǎn)活動中，柑橘的采摘所占的工作量十分巨大。除此之外，水果采摘質(zhì)量的好壞還將直接影響到水果的保鮮儲藏，運輸配送等后續(xù)工作，并最終將嚴重影響到經(jīng)濟效益。如果繼續(xù)延續(xù)原始的手工采摘，不僅工作環(huán)境十分的艱苦，效率低下，而且水果采摘質(zhì)量也得不到保障，更甚至?xí)r有采摘工作者在采摘過程中因為環(huán)境的復(fù)雜不小心從樹上摔下而受傷的事故發(fā)生。為了適應(yīng)當(dāng)代果蔬經(jīng)濟的發(fā)展，設(shè)計一種多自由度，滿足工作空間的小型柑橘采摘機械手對實

2、現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動化和提高經(jīng)濟效益具有重要意義。 根據(jù)柑橘生產(chǎn)活動中完成果實采摘整個過程的的具體條件，首先運用所學(xué)知識進行機構(gòu)尺寸的設(shè)計；然后創(chuàng)新設(shè)計內(nèi)嵌式關(guān)節(jié)采摘機械手所有零部件的具體合理尺寸；再按照設(shè)計的零件圖通過Pro/E三維造型出機械手的所有零部件；接著根據(jù)機械手的工作方式選擇合理的連接方式并通過創(chuàng)建合理約束完成機械手的裝配；最后通過選用Pro/E中的機構(gòu)模式，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)軸的自定義，伺服電機的添加，定義初始條件等完成機械手的運動仿真。 關(guān)鍵詞：柑橘采摘機械手，內(nèi)嵌式關(guān)節(jié)，Pro/E三維造型，運動仿真 專心---專注---專業(yè) Abstract In recent years, wi

3、th the continuous development of economy, the proportion of citrus production in fruit and vegetable production is growing in our country. In the entire citrus production activities, the workload of citrus picking is very big. What’s more, the quality of fruit picking will directly affect the fruit

4、 storage, transportation and other follow-up work ,which eventually has serious influence on the economic benefit. If we continue to use the original manual picking, not only working environment is very difficult, working inefficient, but also the quality of fruit picking is not guaranteed .what’s w

5、orse, the fruit picking workers maybe fell from the trees and injured accidentally because the environment is very complex in the process of picking . In order to adapt to the development of contemporary economic fruit and vegetable, it ?is of great significance to agricultural automation realized a

6、nd improving the economic benefit that designing a kind of small citrus picking manipulator with the features of multi-degree of freedom and satisfied the working space. According to the specific conditions of the whole process of fruit picking in citrus production activities, at first ,using the

7、 acquired? knowledge to creatively design all parts of embedded citrus picking manipulator joints with reasonable size. Then according to the design of the part drawing shapes all parts of the manipulator through the Pro/E 3d modeling software. Next choosing the reasonable connection according to th

8、e workings of a manipulator and creating a reasonable constraint to complete the assembly of the manipulator. Finally ,through choosing mechanism model in Pro/E, after the axis of rotation of the custom, the adding of the servo motor and defined the initial conditions to complete the motion simulati

9、on of the manipulator. Keywords: citrus picking manipulator, embedded joints, Pro/E 3d modeling , motion simulation 第一章 緒論 1.1 前言 近年來，隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，果蔬供應(yīng)需求日益增大。作為一個多類型果蔬生產(chǎn)的大國，果蔬的生產(chǎn)對全國的農(nóng)業(yè)乃至國家的經(jīng)濟發(fā)展有著不過或缺的重要作用。為了適應(yīng)

10、時代的需求，在國家的鼓勵號召下，全國大部分的果蔬生產(chǎn)已經(jīng)成功進行了轉(zhuǎn)型，由原來的小型散戶種植變成了更加科學(xué)化，規(guī)?；煽鼗墓叻N植園，而全國果蔬的生產(chǎn)總量也得到了量和質(zhì)的突破?？墒窍鄬?jīng)營方式的成功轉(zhuǎn)型，在果蔬生產(chǎn)活動中，幾乎占整個生產(chǎn)活動工作量40%的水果采摘卻在很大程度的扼制著全國果蔬經(jīng)濟的發(fā)展。大量人力資源的投入不僅生產(chǎn)率沒得到保障，就連生產(chǎn)質(zhì)量也是不盡人意，而且艱苦的工作條件常使采摘人員工作中圖中發(fā)生意外，導(dǎo)致人員受傷。為了提高果蔬采摘的效率，解放勞動力，保證水果采摘的質(zhì)量，設(shè)計一款輕巧，靈便，滿足工作條件的水果采摘機械手變得迫切且意義重大。 1.2 機械手的介紹 機械手是人

11、們?yōu)榱送瓿赡承┨囟ǖ纳a(chǎn)活動，通過觀察人類手臂的移動和手掌的抓舉仿生設(shè)計出來的可控的機械系統(tǒng)，其一般包括由實現(xiàn)靈活移動的移動機構(gòu)（手臂）和實現(xiàn)最終生產(chǎn)活動的執(zhí)行末端（手掌）組成。機械手的靈活程度在很大程度上取決于機械手的自由度數(shù)和控制系統(tǒng)。自由度越多的機械手一般運動起來更加的靈活，人類的整個手部就是一個具有二十多個自由度的精巧結(jié)構(gòu)。不過自由度越多，機械手控制起來就會變得越復(fù)雜，而人類之所以能夠靈活的使用自己的手，是因為有上億神經(jīng)系統(tǒng)的精密控制。所以在設(shè)計機械手時，合理的選擇機械手的自由度和完善控制系將決定它最終的成敗。 1.3 水果采摘機械手研究概況 水果采摘機械手的研究是當(dāng)今農(nóng)業(yè)機械研

12、究的一個熱點。為了提高生產(chǎn)，解放勞動力，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動化和智能化程度的進一步提高，世界各國在這方面都投了大量的人力物力資源等，也取得了一定的成就。 1.3.1 國外機械手的研究概況 在德國，美國，法國，韓國，日本等發(fā)達的國家，隨著產(chǎn)業(yè)多樣化，國際化，以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作性質(zhì)等原因，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動勞動力不足遠比其它行業(yè)來的嚴重。為了解決勞動力分散不均勻，保障生產(chǎn)，提高人們的生活質(zhì)量，各個國家都不斷研發(fā)出了一些農(nóng)業(yè)機械手。 例如美國在1883年成功研制了世界上第一臺西紅柿采摘機械手；1987年研制出了對于樹冠外的果實分辨率很高于的柑橘采摘的機械手。韓國在1998年也開發(fā)研制了一種利用傳感器的識別專

13、門用來采摘成熟果實的蘋果采摘機械手，圖1-1。而且該裝置還可以比較輕松的在果園里自由移動，工作空間范圍較廣。 而作為新興的發(fā)達國家的代表，日本在農(nóng)業(yè)機器人研究方面更是全面且多方位。例如為了噴灑農(nóng)藥專門設(shè)計出來的噴農(nóng)藥機器人，傳感器的加入使它能自動的噴灑農(nóng)藥。還有為了嫁接特意設(shè)計的機器人，極速的嫁接成倍的提高了生產(chǎn)效率。施肥機器人利用橡皮做成的四個超窄輪子可以做到在在狹窄的作物間行走。人機協(xié)作型機器人則是通過人與機械手的共同協(xié)調(diào)作用來完成水果采摘的。在采摘過程中，通過用人來完成定位與機器的導(dǎo)航的任務(wù)，而其它的工作（例如：關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，末端執(zhí)行機構(gòu)等）則是由機器人精準控制來協(xié)調(diào)完成。 圖1-

14、1 蘋果采摘機械手 除此之外，日本還研究了西紅柿，葡萄，草莓，黃瓜等一系列的水果采摘機器人，如圖1-2。 西紅柿采摘機器人 草莓采摘機器人 黃瓜采摘機器人 葡萄采摘機器人 圖 1-2 1.3.2 國內(nèi)機械手研究概況 作為一個果蔬生產(chǎn)大國，中國雖然在農(nóng)業(yè)機械自動化方面晚起步于其他發(fā)達國家，但是先天的不足不能扼住奮發(fā)的國人。1997年，東北林業(yè)大學(xué)教授陸懷民以液壓為驅(qū)動，配合以單片機控制系統(tǒng)，成功的研制出了松木球果實采摘機器人

15、。果實采摘作業(yè)時，由底部的行走機構(gòu)帶動五自由度的機械手靠近果樹，然后由控制系統(tǒng)控制液壓缸實現(xiàn)大小臂的俯仰從而實現(xiàn)果實的精確采摘。2001年，針對番茄采摘采摘過程中定位不精準的問題，張瑞合等人巧妙地運用雙目立體視覺的辦法成功的解決了這一大難題。2005年，梁喜鳳 苗香雯 等人針對番茄機械手的機械運動特性問題成功的進行了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化的運動的仿真。而近年來，隨著國家對農(nóng)業(yè)的重視和資源投入加大，作為農(nóng)用機械的一大熱點，機械手更是有了質(zhì)的優(yōu)化和跨越，不過面對復(fù)雜多變的工作環(huán)境，機械手的研究依舊任重而道遠。 1.4 目的和意義 在當(dāng)今日新月異的社會浪潮中，社會生產(chǎn)種類日益多樣化。為了適應(yīng)時代的發(fā)展，實

16、現(xiàn)生產(chǎn)自動化，各種機械手已經(jīng)逐漸替代人工勞動力出現(xiàn)在不同的工作崗位上。其目的和意義: 一、將人類從枯燥單調(diào)的社會生產(chǎn)活動中解放出來。隨著社會的發(fā)張，為了更好的管理，促進生產(chǎn)發(fā)展，果園種植生產(chǎn)活動的許多勞動力越來趨于專業(yè)化和模塊化，長時間的單一重復(fù)的工作不僅很容易使人疲勞，而且長就的往往會給人帶來一定的身體傷害，用機械手代替勞動力，可以將人類從枯燥單調(diào)的社會生產(chǎn)活動中解放出來。 二、代替人類勞動力從事危險的社會生產(chǎn)活動。水果采摘作為一項戶外生產(chǎn)活動，往往會存在著一些不可預(yù)知的危險，實施人工采摘容易發(fā)生意外事故。而且經(jīng)濟的發(fā)展不斷的刺激著人類對未知環(huán)境以及事物的探索，可是未知的環(huán)境往往隱藏著許

17、多不為人知的危險，貿(mào)然投入人力，很容易發(fā)生意外，導(dǎo)致人員受傷。而機器人機械手的投入使用可以提前將那些隱藏的危險提前觸發(fā)或者發(fā)現(xiàn)，更甚者可以提前排除那些隱藏的危險，為工作人員的進一步工作提供良好的環(huán)境。 三、極大的提高生產(chǎn)效率。生產(chǎn)效率的保證是一項社會生產(chǎn)活動健康進行的重要指標。為了保證效率，許多果園往往會投入大量的人力資源以及出臺一系列的政策去刺激生產(chǎn)?？墒谴罅縿趧恿Φ耐度胪⒉灰馕吨a(chǎn)率的提高，而由于人的作息問題，生產(chǎn)政策的出臺往往也只能短期時間內(nèi)起到刺激生產(chǎn)的作用，根本不能從根本上解決問題。而機械手的投入使用卻可以從根本上完美的解決這個問題，長時間精準的運轉(zhuǎn)不僅極大的提高了效率，而且

18、采摘質(zhì)量也得到了保證。 第二章 柑橘采摘機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 柑橘采摘機械手的系統(tǒng)構(gòu)成 為了實現(xiàn)柑橘果實采摘活動，并在滿足工作條件的情況下有盡可能大的工作空間，機械手必須滿足俯仰，旋轉(zhuǎn)等運動，所以機械手必須是多自由度的。圖2-1為其簡易結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2-1 柑橘采摘機械手簡易結(jié)構(gòu)示意圖 在圖2-1中，1是控制計算機；2是底座；3是腰部；4是大臂；5是小臂。在采摘過程中，機械手在伺服電機的帶動下，通過腰部的旋轉(zhuǎn)，大小臂的俯仰將機械手的末端定位到所需要采摘的柑橘位置，然后通過末端的執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)果實的采摘。 2.2 柑橘采摘機械手的材料選定 在柑

19、橘采摘的整個生產(chǎn)活動中，由于機械臂并不需要受很大的力，為了更好的適應(yīng)復(fù)雜的果園環(huán)境整體機構(gòu)盡量靈巧輕便，另外考慮到制造的成本問題，綜上幾點，選擇密度相對較低，但強度較高的鋁合金為制造機械手的材料。以下是幾種型號鋁合金的性能參數(shù)表2-1： 表2-1 鋁合金性能參數(shù)表 牌號 屈服強度 拉伸強度 密度（20℃） 2024 325 470 2.82 5052 195 175 2.72 5083 211 180 2.72 6061 276 310 2.73 7050 455 510 2.82 為了滿足機械臂對強度的要求

20、以及盡可能的是機械手輕巧，優(yōu)先選牌號為6061的鋁合金作為機械手的材料。 2.3 機械手大小臂長度的確定 2.3.1 機械手大小臂長度的確定 柑橘作為南方特有的一種常綠小喬木，樹高通常在近兩米左右。在果園種植時，一般采取4×6m的種植間距，且經(jīng)過科學(xué)修剪，果實一般都結(jié)在距地面一米到兩米的范圍之內(nèi)，如圖 2-2。在使用機械手實施采摘生產(chǎn)活動者，為了能成功采摘到樹上的果實，機械手必須滿足一定的尺寸要求。參考國內(nèi)外果實采摘機械人的成功案列，先大致確定機械手大臂長度L1=600mm,小臂長度L2=500mm 圖 2-2 果園柑橘種植 2.3.2

21、 基于果園環(huán)境的機械手CAD模擬 模擬原則：假設(shè)機械手是安裝在履帶式的行走機構(gòu)上，在采摘過程中，當(dāng)行走機構(gòu)帶著機械手靠近果樹邊沿時，要使機械手能成功采摘到果樹上的所有成熟果實，在腰部旋轉(zhuǎn)機構(gòu)固定時，必須使其工作空間能夠覆蓋其半剖面，如圖2-3。 圖 2-3 果實分布圖 根據(jù)柑橘樹的徑冠具體參數(shù)，確定圖 2-3中，A點坐標(1100，1000)，B點坐標(100，0)，C點坐標(1100，0)。（單位：mm） 模擬過程： （1）在CAD工作空間內(nèi)，先假設(shè)機械手的初始位置，大臂與橫坐標軸的初始夾角為零，小臂與縱坐標的初始夾角為60°

22、。 （2）初步假設(shè)關(guān)節(jié)處電機的轉(zhuǎn)角范圍均為180°，并以各關(guān)節(jié)處為原點，先以大臂長為半徑畫半圓即大臂的運動范圍。 （3）在大臂運動范圍，讓大臂繞原點（關(guān)節(jié)1）逐次均勻轉(zhuǎn)動一定角度，然后在各個角度讓小臂繞關(guān)節(jié)2畫半圓(小臂運動范圍)，最后得出機械手末端的運動范圍。 （4）將步驟三得出的機械手工作空間向上移動一定高度(h=1000mm)，得出機械手最終的總工作空間，圖 2-4。 圖 2-4 機械手CAD模擬 結(jié)果分析：經(jīng)CAD模擬，機械手的最終工作空間，果實的分別空間。由上圖2-4可知，可完全覆蓋，所以桿長L1=600mm,L2=500mm滿足要求。 2.4 機械手關(guān)節(jié)處伺服電

23、機內(nèi)嵌式創(chuàng)新 進幾年以來，隨著果蔬采摘機械手領(lǐng)域的飛速發(fā)展，目前市面上以及實驗室已經(jīng)研究設(shè)計了不少種類的用于果蔬采摘的機械手，不過由于果蔬采摘機械手為小型機械手而普通伺服電機普遍轉(zhuǎn)矩小而外形尺寸參數(shù)偏大，外加考慮經(jīng)濟的原因，所以很多機械手關(guān)節(jié)設(shè)計任就為傳統(tǒng)的伺服電機加減速增力裝置（減速器）外懸式的設(shè)計，如圖2-5。可是傳統(tǒng)的外懸式關(guān)節(jié)設(shè)計不僅使機械手看起來變得不協(xié)調(diào)，更笨重，而且在復(fù)雜的果蔬采摘環(huán)境中也容易成為障礙，不利于成功完成水果采摘，有違機械手需靈活輕巧的基本原則。 而如果能設(shè)計一種將伺服電機內(nèi)嵌于關(guān)節(jié)內(nèi)部的機械手，不僅可以大幅減小機械手的體積使機械手整體看起來更加小巧精簡，而且可以

24、避免外懸的伺服電機在機械手采摘過程中與果樹枝丫發(fā)生不必要的碰撞，即保護了伺服電機，又保證了機械手水果采摘的順利進行。 綜上考慮，本次設(shè)計著重點再設(shè)計一種結(jié)構(gòu)對稱且伺服電機內(nèi)嵌式的關(guān)節(jié)在機械手。 蘋果采摘機械手 西紅柿采摘機械手 圖 2-5 外懸式機械手 2.5電機的選定 2.5.1 電機種類的選擇選擇發(fā) 在當(dāng)今的機械手領(lǐng)域，根據(jù)機械手在運行時驅(qū)動方式的不同可大概的分為液動，氣動，電動式等幾大類。而且每種類型的機械手等都有著各自的優(yōu)缺點。液壓式的機械手通常都操作起來動作平穩(wěn)且具有強大的抓舉力，一般用于執(zhí)行無法替代的繁重生產(chǎn)活動。不

25、過液壓類型的機械手由于液壓缸的加入普遍都比較笨重且對液壓缸等零件的制造精度要求較高。氣動式的機械手一般機構(gòu)簡單造價較低，不過抓舉力一般較小且難以進行控制。而相對于前兩大類專用型的機械手，具有較大驅(qū)動力矩以、響應(yīng)速度快以及靈活可控性的，綜合性能較強的電動式機械手才是社會生產(chǎn)中使用最多最廣泛的一種，它在械手領(lǐng)域占據(jù)了重要的地位。 而在就目前所有的電動式機械手中，驅(qū)動電機又分步進電機和伺服電機兩大類。步進電機是一個通過將電流中的脈沖信號轉(zhuǎn)為角位移來工作的開環(huán)控制電機件，精度由電機的相數(shù)和拍數(shù)決定且電機不具有過載能力；伺服電機也叫執(zhí)行電機，是一個將電信號轉(zhuǎn)換成速度或者角位移輸出的閉環(huán)電器件，精度取

26、決于編碼器的線數(shù)而且具有較強的過載能力。在開啟時，步進電機響應(yīng)速度慢并在運行過程由于開環(huán)控制會發(fā)生過沖或丟步現(xiàn)象，而閉環(huán)的伺服電機不僅開機響應(yīng)迅速，而且不會有這種現(xiàn)象發(fā)生，更利于精準控制。 在水果采摘中，為了能成功采摘形狀不規(guī)則果樹上的果實，需要機械手能精準的定位并實施采摘，所以選擇驅(qū)動方式為伺服電機驅(qū)動。 2.5.2 電機規(guī)格的選擇 在使用機械手進行柑橘果實采摘時，為了能準確、高質(zhì)量的采摘到果樹上的果實，機械手必須先通過大小臂以及旋轉(zhuǎn)底座協(xié)調(diào)的運轉(zhuǎn)一定角度將進行最后柑橘采摘的執(zhí)行末端移動到果實位置，而要實現(xiàn)這一過程，則要求各關(guān)節(jié)處的電機轉(zhuǎn)矩必須要大于各部件作用在各關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)矩總

27、和。 大小臂連接處伺服電機2的選擇：在機械手進行柑橘采摘過程中，為了使小臂能實現(xiàn)自由俯仰，電機2必須克服小臂本身以及執(zhí)行末端對該關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)矩進行做功。 根據(jù)小臂桿長L2=500mm，尺寸d=60mm，壁厚=5mm，材料密度ρ=2.73g/cm3 ，假設(shè)機械手執(zhí)行末端重量為 m=0.5kg 小臂體積為： 則桿的質(zhì)量為： 則對大臂與小臂連接部分中心的扭矩為： 經(jīng)計算，為了滿足連接點所需的轉(zhuǎn)矩以及實現(xiàn)機械手內(nèi)嵌式關(guān)節(jié)的設(shè)計構(gòu)思，需要選擇一款轉(zhuǎn)矩大于或等于5.45且外形較規(guī)則，尺寸較小的伺服電機。不過傳統(tǒng)的伺服電機普遍轉(zhuǎn)矩都較小，一般都需要配合一定的減速增力裝置才能

28、達到力矩要求，而且考慮到傳統(tǒng)伺服電機的外形尺寸都比較大且不規(guī)則，又比較笨重等，所以傳統(tǒng)的伺服電機顯然不是用于內(nèi)嵌式關(guān)節(jié)水果采摘驅(qū)動的最佳選擇。而相對傳統(tǒng)的伺服電機，完美的將伺服電機和減速器結(jié)合到一起的舵機不僅轉(zhuǎn)矩相對較大，而且體積，質(zhì)量遠小于傳統(tǒng)的伺服電機，是內(nèi)嵌式關(guān)節(jié)機械手的最佳選擇。再加上考慮到機械手機構(gòu)的對稱性設(shè)計，最終選擇舵機2的具體參數(shù)具體如下： 舵機名稱：法蘭型機器人舵機 型號：UD-100F/100FD/100Fr 功率：30（w） 電壓：12V/24 輸出轉(zhuǎn)矩：10N·m 旋轉(zhuǎn)角度：180° 輸出速度（空載）：0.20秒/60° 重量：575g 尺寸：外徑64

29、*85mm 具體尺寸圖如2-6： 圖2-6 舵機2 大臂底座連接處電機1的選擇：相對于電機2只需要克服小臂及執(zhí)行末端在關(guān)節(jié)2處的力矩外，位電機1不僅需要克服大臂在關(guān)節(jié)1處的力矩，而且還要克服連接大臂的小臂以及執(zhí)行末端對關(guān)節(jié)1的力矩。 根據(jù)大臂桿長L1=600mm，小臂桿長L2=500mm，小臂質(zhì)量m2=1.17kg，執(zhí)行末質(zhì)量m=0.5kg，電機2質(zhì)量m電2=575g 大臂體積為： 則桿的質(zhì)量為： 則大臂對底座靜接觸點的轉(zhuǎn)矩： 小臂對底座靜接觸點的轉(zhuǎn)矩： 執(zhí)行末端對底座靜接觸點的轉(zhuǎn)矩：

30、 電機2對底座靜接觸點的轉(zhuǎn)矩： 對底座靜接觸點的總轉(zhuǎn)矩： 舵機1的具體參數(shù)： 舵機名稱：法蘭型機器人舵機 型號：UD-250F/UD-FD/UD-250FR 功率：65（w） 電壓：12V/24V 輸出轉(zhuǎn)矩：25N·m 旋轉(zhuǎn)角度：180° 輸出速度（空載）：0.24秒/60° 重量：1350g 尺寸：外徑88×188mm 具體尺寸圖如2-7： 圖 2-7 舵機1 旋轉(zhuǎn)底部電機3的選擇:由于電機3的主要作用是為了擴大機械手的工作空間，安裝在機械手底部帶動機械手旋轉(zhuǎn)，使工作空間其由二維的區(qū)域面擴大為三維的立體空間

31、。所以在運行過程中，除了克服底部旋轉(zhuǎn)機構(gòu)零件之間的摩擦和外部環(huán)境對機械手的一些不定性阻力外，電機3并不需要受太大的力，所以電機對于力矩并沒有太大的要求。而且由于電機3不像關(guān)節(jié)處電機需要考慮機構(gòu)的對稱性，所以不需要虛軸。綜上選擇電機3的具體參數(shù)如下: 舵機名稱：法蘭型機器人舵機 型號：UD-250F/UD-FD/UD-250FR 功率:65（w） 電壓：12V/24V 輸出轉(zhuǎn)矩：25N·m 旋轉(zhuǎn)角度：360° 輸出速度（空載）：0.24秒/60° 重量：1350g 尺寸：外徑88×188mm 具體尺寸如圖2-8： 圖 2-8 舵機3 2.6機械臂尺寸的設(shè)計 2.6.

32、1 機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計 為實現(xiàn)機械手伺服電機的內(nèi)嵌式設(shè)計，本次設(shè)計的重點在根據(jù)所選的電機的具體外形尺寸，以盡量使機械手輕巧，緊湊為原則，合理設(shè)計關(guān)節(jié)處電機的放置與安裝，然后根據(jù)電機放置的方式與安裝后的效果，設(shè)計大臂小臂分別與電機2，電機1的連接部位。其初步設(shè)計簡圖如圖2-6下: 圖 2-9 設(shè)計簡圖 2.6.2 機械手各個零件的尺寸設(shè)計 根據(jù)機械手的結(jié)構(gòu)簡圖，設(shè)計優(yōu)化機械手的大臂，小臂，底座等各個零件的尺寸參數(shù)，然后繪出零件圖2-7。 小臂

33、 大臂 圖 2-10 零件圖 第三章 三自由度機械手的三維造型 3.1機械手大臂的三維造型。 （1）打開 Pro/E軟件，新建零件名稱prt0001-dabi并使用省缺模板，如圖3-1。然后選擇模板類型為mmns_part_solid，如圖3-2。 圖 3-1 新建對話框 圖3-2 公制對話框 （2）大臂上關(guān)節(jié)2處的拉伸造型。點擊進行拉伸操作。先選定FRONT為拉伸平面，然后根據(jù)零件的具體尺寸在FRONT平面上

34、進行草繪，圖3-2。等確定草繪的內(nèi)容跟零件的具體尺寸準確無誤后，按 鍵結(jié)束草繪，并按鍵選擇進行對FRONT平面對稱的拉伸造型，最后確定拉伸長度為84mm，按鍵結(jié)束拉伸，圖3-4。 圖 3-2 草繪截圖 圖3-3 拉伸 （3）大臂關(guān)節(jié)2處多余材料的去除。選定相對應(yīng)的面為基面分別進行草繪，然后按鍵進行去除材料，按鍵結(jié)束拉伸，具體過程如圖3-4。 a b C

35、 d 圖 3-4 大臂關(guān)節(jié)2 （4）螺栓孔的創(chuàng)建。選擇拉伸平面為基面進行直徑為5mm孔的草繪并按選擇去除多余的線完成拉伸面的封閉，圖3-5。然后按去除材料，最后按鍵結(jié)束拉伸，如圖3-6。 圖 3-5 草繪環(huán)境 圖 3-6 螺栓孔 （5）大臂主體部分的造型。運用拉伸和去除材料完成長為500mm，直徑為60mm,厚度為5mm大臂主體的三維造型，如圖3-7。 圖 3-7 大臂主體部分 （6）大臂處關(guān)節(jié)1處的造型。通過選擇或者創(chuàng)建不同的基準面，運用拉伸和去除材料繼續(xù)完完善大臂的三維造型。其模型樹和最終結(jié)果如圖3

36、-8。 模型樹 大臂 圖3-8 3.2機械手小臂的造型 （1）同大臂三維造型相似，根據(jù)詳細的設(shè)計圖紙，通過選擇或創(chuàng)建不同的基面拉伸出小臂的主體部分。 （2）通過拉伸去除材料除去主體的多余部分來完成小臂部分的造型。具體如圖3-9。 圖 3-9 小臂 3.3機械手底座的造型 由于機械手底座部分設(shè)計的是一個以舵機為驅(qū)動繞電機軸360°旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，所以其底座部分分為底座旋轉(zhuǎn)上部和底座固接下部。 底座旋轉(zhuǎn)上部造型: （1）按先去設(shè)計的具體尺寸用拉伸

37、命令對底座旋轉(zhuǎn)上部主體進行拉伸造型。 （2）通過選用以及創(chuàng)建DTM1，DTM2， DTM3等基面進行多余材料的去除處理。如圖3-10 圖 3-10底座旋轉(zhuǎn)上部造型 底座固接下部造型: 底座固接下部的造型過程與上部的造型相差不大，其主要過程也分為主體的拉伸和多余材料的拉伸去除處理。其具體造型結(jié)果如圖3-11 。 圖3-11 底座固接下部 3.4舵機的三維造型 由于舵機1，舵機2，舵機3均為設(shè)計過程中通過計算以及對比選定的標準器

38、件，不用自己做具體的設(shè)計，所以只需根據(jù)所選舵機的具體規(guī)格參數(shù)，運用Pro/E對其進行三維造型即可。其過程大致一樣，具體為： （1）運用拉伸工具對舵機進行主體特征的三維建模。 （2）運用倒角工具對舵機有要求的邊角進行倒角。如圖3-12。 舵機1 舵機2 舵機3 圖3-12 舵機 第四章 三自由度機械手的裝配 4.1 基于Pro/E的裝配簡概 在Pro/E的工作環(huán)境中，機械系統(tǒng)的

39、裝配過程一般相同，大致過程如圖4-1所示。 圖4-1 裝配過程圖 在各個零件與零件或零件與組件的裝配過程中，為了式最后的機械系統(tǒng)能達到我們預(yù)計的運動要求，需要先選擇合理的連接方式例如：銷釘，固接等，然后通過創(chuàng)建與之相對應(yīng)的約束完成兩者之間的連接。 4.2 三自由度柑橘采摘機械手的裝配 根據(jù)設(shè)計過程，分析零件的裝配過程為底座→電機3→旋轉(zhuǎn)腰部→電機1→大臂→電機2→小臂 具體裝配步驟如下： （1）運行Pro/E，新建組件 asm0001并去掉“使用省缺模板”的勾選，圖4-2。然后選擇模板類型mmns_asm_design（公制），最后點擊確定進入裝配模式，圖4-3。

40、 圖4-2 新建對話框 圖4-3 公制對話框 （2）點擊工具欄按鈕，按照裝配次序在工作目錄中選擇第一個所需要添加的元件即旋轉(zhuǎn)底部，然后點擊打開進入裝配環(huán)境。對于第一個裝配的零件，為了使其達到完全約束狀態(tài)，需要在軟件左上角約束類型工具欄里面選擇缺省，圖4-4。 圖4-4 省缺定義 當(dāng)指示零件約束狀態(tài)的狀態(tài)欄顯示零件已經(jīng)完成完全約束時，點擊確定按鈕完成第一個零件即旋轉(zhuǎn)底部的裝配，圖4-5。 圖 4-5 狀態(tài)顯示欄 （3）按照機械臂的裝配次序，依次繼續(xù)選擇打

41、開添加之后所需裝配的元件，然后根據(jù)機械手進行采摘活動時各元件間的運動方式，合理的選擇各零件的裝配方式。若元件之間無相對運動，則通過在放置中直接創(chuàng)建合理約束，例如配對，軸對齊，相切等完成兩者間的裝配，如圖4-6。 圖 4-6 定義約束對話框 若元件之間有相對運動，則根據(jù)運動的方式在左上角用戶自定義欄選擇合理的連接方式，圖4-7。然后創(chuàng)建合理約束完成裝配，如圖4-8。例如在機械手關(guān)節(jié)處由于要實現(xiàn)大小臂的俯仰，則選擇銷釘連接。 圖 4-7 自定義欄 圖4-8 約束對話框 （4）待所有的零件裝配完成，機械手的最終

42、結(jié)構(gòu)如圖 4-9所示。 圖 4-9 機械手 第五章 三自由度機械臂的運動學(xué)仿真 5.1 基于Pro/E的運動學(xué)仿真簡概 運動學(xué)仿真是在完成所有零件的裝配，形成完整的機械系統(tǒng)后，在不施加外力，不考慮元件間摩擦的理想條件下，通過添加動力，構(gòu)建運動副，定義運動參數(shù)等使機構(gòu)能按預(yù)想的運動方式運行起來。而在用過Pro/E對采摘機械手進行運動學(xué)仿真時，其主要工作是通過定義各旋轉(zhuǎn)軸處的參數(shù)，添加伺服電機以及設(shè)置各電機的參數(shù)來實現(xiàn)機械手的規(guī)范運行。 5.2 三自由度機械手的運動學(xué)仿真 5.2.1 進入機構(gòu)模塊 運行Pro/E，單擊位于軟件運行窗口最上方菜單欄里面的“運用程序”，選擇二

43、級菜單欄里面的“機構(gòu)”，圖5-1。完成進入機構(gòu)模塊，如圖所示5-2。 圖 5-1 應(yīng)用程序 圖 5-2 機構(gòu)樹 5.2.2 運動軸參數(shù)的設(shè)置 成功進入機構(gòu)模塊后，為了限制兩不同主體間的相對位置，定義旋轉(zhuǎn)軸零位置，并實現(xiàn)機械手在規(guī)定的范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，需要開始對機械手的各旋轉(zhuǎn)軸按運動要求做具體的參數(shù)設(shè)置。其具體過程為，先在機構(gòu)樹中選定需要設(shè)置的旋轉(zhuǎn)軸，右鍵選定菜單欄中的“編輯定義”，圖5-3。然后進入所選運動軸參數(shù)設(shè)置的對話框，圖5-4。 圖 5-3 機構(gòu)樹 圖5-4 旋轉(zhuǎn)軸對話框 5.2.3

44、 伺服電機的添加 在機構(gòu)模式下，點擊工具欄伺服電機按鈕，選擇所需添加驅(qū)動的運動軸處進行伺服電機的添加，然后在伺服電機定義框中對所添加的電機進行自定義。其具體操作過程為：在類型欄中點選“運動軸”，圖5-5；在輪廓欄規(guī)范項中選擇“速度”，模項中選擇“常數(shù)”，A項中設(shè)置常數(shù)“10”，圖5-6。 圖5-5 伺服電機對話框 圖5-6 輪廓定義對話框 5.2.4 初始條件的定義 在旋轉(zhuǎn)軸參數(shù)設(shè)置對話框中，編輯各個電機的“當(dāng)前位置”為我們定義的初始位置，按確定。然后點擊位于窗口上方工具欄拖動元件的按鈕彈出拖動對話框，圖5-7。單擊對話框里面的“快照”

45、生成“Snapshot1”。并關(guān)閉快照對話框。繼續(xù)按打開初始條件定義框，定義名稱為“InitCond1”并在快照項選擇“Snapshot1”，按“確定”結(jié)束初始條件的定義，圖5-8。 圖 5-7 快照 圖 5-8 初始條件定義對話框 5.2.5 定義分析 在機構(gòu)模式下，單擊工具欄按鈕進入機械手的機構(gòu)分析。其具體操作步驟為：在自動彈出的定義分析對話框中，如圖5-9，定義此次分析名稱為“AnalysisDefinition1”；在類型項中選擇分析類型為“位置”；在優(yōu)先項中自定義終止時間為36s,最小間隔為“0.1”，初始配置為快照“Sna

46、pshot1”；在電動機項中設(shè)置各電機的開始和終止時間如圖5-10。 圖 5-9 分析定義對話框 圖 5-10 電機設(shè)置對話框 5.3運動仿真視頻制作 運動分析“AnalysisDefinition1”生成后，單擊工具欄回放按鈕進入回放功能對話框，如圖5-11，點對話框左上角的回放按鈕進入動畫控制界面，如圖5-12，單擊開始按鈕開始播放仿真動畫。 圖 5-11 回放對話框 圖 5-12 動畫對話框 然后點擊“捕獲”進入視頻捕獲對話框，如圖5-13，根據(jù)對話框的設(shè)

47、置項目，自定義文件的名稱及保存目錄，選擇文件類型為MPEG，及為了視頻效果更佳勾選渲染。設(shè)置完后點確定進行視頻的制作，等渲染完全結(jié)束后根據(jù)設(shè)置的目錄及文件名查看視頻效果。 圖5-13 視頻制作對話框 第六章 總結(jié) 6.1 主要工作回顧 本次畢設(shè)以設(shè)計果園種植柑橘所需的采摘機械手為目的，經(jīng)過了解一般機械手系統(tǒng)的組成，機械手驅(qū)動的合理選擇，以及對市面上一些常見機械手外形結(jié)構(gòu)的比對。然后根據(jù)現(xiàn)實中柑橘樹的冠，莖等樹體特征，先對機械手大小臂的長度尺寸進行了確定。再以實現(xiàn)機械手驅(qū)動伺服電機的內(nèi)嵌式設(shè)計為創(chuàng)新點，根據(jù)所選驅(qū)動舵機的外形尺寸，著重對機械手

48、的各個關(guān)節(jié)，底部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)處做了具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計。并以設(shè)計的零件圖為基礎(chǔ)，通過使用Pro/E對機械手的零件造型，機械手的整體虛擬裝配以及機構(gòu)的運動仿真，對本次所設(shè)計的內(nèi)嵌式關(guān)節(jié)柑橘采摘機械手的結(jié)構(gòu)的合理性進行了初步的檢驗。 6.2 本課題今后需進一步研究的地方 在本次對柑橘采摘機械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，雖然內(nèi)嵌式關(guān)節(jié)的柑橘采摘機械手在經(jīng)過運動仿真后經(jīng)受住了初步的檢驗，但作為一個以成功，效率采摘柑橘為最終目的，需要面對復(fù)雜的果園環(huán)境進行生產(chǎn)活動的實用機構(gòu)，柑橘采摘手仍有很長的路要走，有許許多多需要我們進一步研究完善的地方。例如： （1）機械手驅(qū)動電機的選擇往往在很大程度上決定了一個機械手結(jié)構(gòu)方案的

49、最終可行性，而且驅(qū)動電機的精度也是影響機械手準度的重要因素，所以要想設(shè)計出能像人類手臂那樣靈活精密的機械手，加強對機械手專用驅(qū)動電機的研究是很有必要的。 （2）機械手完成對果實的成功采摘這一過是程機械手結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的完美結(jié)合，共同作用的結(jié)果。所以僅僅只注重機械手結(jié)構(gòu)的研究往往是不能使機械手得到質(zhì)的飛躍，只有不斷的完善機械手的控制系統(tǒng)，才能使機械手真正做到心隨意動。 （3）機械手的制造材料在一定程度上對機械手的靈巧度有一定的影響，所以研發(fā)一些新興的，高強度，輕型材料的機械手專用材料對機械手的發(fā)展也很有必要。 參考文獻 [1] 梁喜鳳, 王永維,崔紹榮,苗香雯. 果實采摘機械手機構(gòu)設(shè)計與

50、工作性能分析[J]. 農(nóng)機化研究，2004, Vol.(2):0133-03 [2] 劉春芳,田素博,邱立春,秦軍偉. 國內(nèi)外采摘機器人機械手結(jié)構(gòu)比較的研究[J].農(nóng)機化研究，2007, Vol.(3): [3] 王紅軍, 鄒湘軍,黃國鋼,陳佳鑫.香蕉采摘機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計及樣機試驗[J]. 機械設(shè)計.2013，Vol.30(6):0013-05 [4] 張健, 尹佳軍,劉小英.芒果采摘機械手的設(shè)計[J]. 林業(yè)機械與設(shè)備, 2012. Vol.(5): [5] 金旭星. 果實采摘機械手的創(chuàng)新設(shè)計[J]. 農(nóng)機化研究.2009, Vol.64(7):0139-03 [6] 孫進平. Pr

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54、，鍛煉自我的機會，一個把大學(xué)四年間所學(xué)的眾多學(xué)科理論與實踐知識進行最后融會貫通的機會。同時也深深感謝孟導(dǎo)師在這為期長達數(shù)月的畢設(shè)期間對我的指導(dǎo)，此次畢設(shè)的順利完成在很大程度上得益于孟飛導(dǎo)師的悉心教導(dǎo)，在整個畢設(shè)進行過程中，他始終本著精益求精的態(tài)度，斟字酌句的對我的畢設(shè)進行了評閱，在此謹向孟飛導(dǎo)師致以誠摯的謝意。 同時也在此衷心的感謝大學(xué)四年生涯中一直陪伴在我身邊的老師們和同學(xué)們，在與他們不斷地進行學(xué)識的探討及個人思想的交流過程中，我的學(xué)識閱歷有了很大的增長，思想上也有了新的認識高度，同時得益于他們在生活上的默默幫助，我的大學(xué)生活才能更加的輕松愜意，總之我大學(xué)四年的不斷進步與成長離不開他們的幫助，在此向他們表示由衷的感謝。 最后要感謝在我人生中從未缺席的父母，他們見證了我從牙牙學(xué)語到現(xiàn)在成熟的蛻變，不僅在生活上給予了我無微不至的照顧，更是我人生的指路人，他們默默的支持和幫助我，陪伴我經(jīng)歷人生的低谷與巔峰，他們已經(jīng)成為融入我生命中不可或缺的一部分，此次畢設(shè)的完成他們也提供了巨大的幫助與支持，在此向他們表示衷心的感謝。 隨著此次畢設(shè)的結(jié)束，多姿的四年大學(xué)生涯也圓滿的畫上了句號。一段人生旅途的結(jié)束同時也意味著另一段的開端，將要迎接更大的挑戰(zhàn)，我會滿載著對母校的懷念與期許，更加積極的開始新一段人生征程。