水果采摘裝置的設(shè)計【仿生機械手含SW三維仿真及13張CAD圖】

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I水果采摘裝置設(shè)計摘要：本文主要對一種水果采摘裝置進(jìn)行了初步的設(shè)計。這個裝置是一個仿生的采摘機器人的機械手。該裝置必須依附于新型的蘋果采摘機器人，仿生機械手主要使用合適的鋼絲作為傳動鏈將裝置的驅(qū)動部位和執(zhí)行部位分開，將驅(qū)動部分放于機械手臂的尾部，目的在于減輕機械臂的質(zhì)量，也大大增加了所需要用到的驅(qū)動電機的可選擇的范圍。首先，對仿生采摘機械手的整體設(shè)計進(jìn)行了查閱資料和確定設(shè)計方案。在確定方案的過程中修改優(yōu)化了兩次，最終確定為仿生機械手裝置；其次，設(shè)計計算并對裝置進(jìn)行三維建模，繪制出零件圖然后裝配。最后利用有限元分析軟件進(jìn)行力學(xué)分析，采用 3D 打印技術(shù)對零件進(jìn)行了加工，人工裝配，制造出了設(shè)計的實物。此次的采摘機械手設(shè)計方案經(jīng)研究合理有效，符合任務(wù)要求，它的整體性能可以滿足新型機器人采摘蘋果的所需采摘裝置。關(guān)鍵詞：蘋果采摘機器人；仿生機械手；機械設(shè)計IIDesign of Fruit Picking DeviceAbstract：In this paper, a kind of fruit picking device is designed. The device is a biomimetic hand for picking a robot. The device must be attached to a new type of Apple picking robot. It mainly uses steel wire as a transmission chain to separate the drive part from the execution part, and the drive part is placed on the tail part, reducing the quality of the robot arm. The range of options for the required drive motor has also been increased.Firstly, the overall design of the Bionic picking manipulator is reviewed and the design scheme is determined. Secondly, the device is modeled in three dimensions, the parts are mapped and assembled. Finally, using software for mechanical analysis and then using 3D printing technology, the parts were processed, manually assembled, and the designed physical objects were produced.This picking scheme is reasonable and effective, and its overall performance can meet the requirements of the new robot to pick apples.Key words: Apple picking robot; Bionic manipulator; Mechanical designIII目錄摘要 ........................................................................................................................................IAbstract..................................................................................................................................II1.緒論 ....................................................................................................................................11.1 課題背景及目的 .....................................................................................................11.2 國內(nèi)外采摘機器人研究進(jìn)展 ..................................................................................11.3 主要內(nèi)容和研究方法 ..............................................................................................21.3.1 主要研究內(nèi)容 ..............................................................................................21.3.2 主要研究方法 ...............................................................................................21.4 本章小結(jié) ..................................................................................................................22.采摘裝置仿生機械手的設(shè)計 .............................................................................................32.1 新型農(nóng)業(yè)采摘機器人的特點 ..................................................................................32.2 水果采摘機器人設(shè)計中存在的問題和解決方案 ..................................................32.3 采摘方式和分離方式的選擇 ..................................................................................42.3.1 采摘方式的選擇 ...........................................................................................42.3.2 分離方式的選擇 ...........................................................................................62.4 仿生機械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 ..................................................................................72.4.1 蘋果采摘方式分析 .......................................................................................72.4.2 總體設(shè)計 .......................................................................................................72.5 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計 ..........................................................................................................82.5.1 手指數(shù)量 .......................................................................................................82.5.2 手指關(guān)節(jié)數(shù)量 ...............................................................................................92.5.3 手指的材料選擇 ...........................................................................................92.6 機架的設(shè)計 ............................................................................................................102.7 驅(qū)動方案的選擇 ....................................................................................................102.8 本章小結(jié) ................................................................................................................113.仿生機械手靜力學(xué)分析 ...................................................................................................123.1 手指的工作原理 ...................................................................................................123.2 抓取時的靜態(tài)力學(xué)模型 .......................................................................................123.3 運動學(xué)分析 ...........................................................................................................15IV3.4 手部的夾持誤差計算 ............................................................................................153.5 本章小結(jié) ................................................................................................................184.仿生機械手 3D 建模及重要零件的有限元分析 .............................................................194.1 軟件概述 ...............................................................................................................194.2 機械手的虛擬設(shè)計與裝配 ....................................................................................194.2.1 模型的建立 .................................................................................................194.2.2 裝配 .............................................................................................................224.3 重要零件的有限元分析 .....................................................................................23總結(jié) .....................................................................................................................................24參考文獻(xiàn) .............................................................................................................................25致謝 .....................................................................................................................................2711.緒論1.1 課題背景及目的我國是世界農(nóng)業(yè)大國，而水果業(yè)恰恰是我國農(nóng)業(yè)的重要一個組成部分。 果實成熟時最重要的操作環(huán)節(jié)是采摘作業(yè)。 勞動強度高，消耗時間長。 同時，由于樹高的限制，高處位置的果實難以采摘，存在一定的風(fēng)險。所以需要設(shè)計一款簡單易于操作，但又效率高，易于生產(chǎn)，可以大面積推廣的設(shè)備，有來輔助生產(chǎn)過程中采摘的環(huán)節(jié)。以保證生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全，將更多的勞動力解放出來。隨著新型農(nóng)業(yè)技術(shù)，機械技術(shù)和自動化技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，農(nóng)業(yè)采摘機器人已經(jīng)進(jìn)入我們的視線，使得生產(chǎn)向智能化發(fā)展。所以本次設(shè)計偏向機器人采摘裝置，主要會設(shè)計采摘部分所需要的仿生機械手。主要達(dá)到用來提高生產(chǎn)效率改善生產(chǎn)狀況，保證生產(chǎn)安全等目的。1.2 國內(nèi)外采摘機器人研究進(jìn)展果蔬采摘機器人的發(fā)明始于 20 世紀(jì) 60 年代，在美國二十世紀(jì)，采摘的主要方法是機械和氣動搖動。果實的脆弱性是果實的脆弱性、低效率、特定的采收率、有限的采摘、新鮮果蔬的存在。但從那時起，隨著電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，特別是工業(yè)機器人和日益復(fù)雜的計算機圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，拾取機器人的研究和技術(shù)發(fā)展迅速發(fā)展。目前，日本、荷蘭、法國、英國、意大利、美國、以色列、西班牙等國家對果蔬采摘機器人進(jìn)行了研究，包括柑桔、蘋果、西紅柿、櫻桃番茄、蘆筍、黃瓜、黃瓜、葡萄、卷材、菊花。草莓、蘑菇等。這些好處并沒有真正使機器人商業(yè)化。在中國農(nóng)業(yè)機器人領(lǐng)域起步較晚。但這不可能難住奮斗者，近年來，已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。東北林業(yè)大學(xué)教授盧懷敏成功研制了一種液壓驅(qū)動的松果采摘機器人和單片機控制系統(tǒng)。梁希鳳，苗向文等 成功模擬了番茄機器人機械特性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化運動。鑒于番茄采摘選番時定位不準(zhǔn)確的問題，張瑞鶴等人巧妙地利用雙目立體視覺成功解決了這個大問題。 張劍鋒，董健，張志勇等自適應(yīng)棒跟蹤控制算法的采摘機器人設(shè)計;機器人視覺傳感器三維立體設(shè)計中國農(nóng)業(yè)大學(xué)劉召祥，劉剛等人摘取了江蘇大學(xué)蘋果蔡建榮的三維信息。 近年來，隨著國家重視農(nóng)業(yè)，加大對資源的投入，作為農(nóng)業(yè)機械的重點，機器人得到了質(zhì)的優(yōu)化和跨越，但面對復(fù)雜多變的工作環(huán)境，對機器人的研究依然存在 一樣。 還有很長的路要走。21.3 主要內(nèi)容和研究方法1.3.1 主要研究內(nèi)容(1)采摘裝置設(shè)計方案的確定。(2)初步做出整個裝置的零件圖和裝配圖。(3)使用相關(guān)軟件做出三維圖，并對裝置進(jìn)行模擬實驗和力學(xué)分析。并且對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。(4)對裝置進(jìn)行加工和裝配。(5)撰寫畢業(yè)設(shè)計論文1.3.2 主要研究方法（1）查閱和瀏覽資料利用課本和圖書館等現(xiàn)有圖書對研究課題進(jìn)行深入理解和設(shè)計不斷地改進(jìn)和優(yōu)化，利用網(wǎng)絡(luò)資源瀏覽并學(xué)習(xí)相關(guān)知識，查看相關(guān)文章圖片和視頻對設(shè)計內(nèi)容有深切的認(rèn)識。（2）軟件建模和力學(xué)分析利用軟件進(jìn)行三維建模把設(shè)計內(nèi)容玩真的體現(xiàn)于三維圖中，使得設(shè)計過程和優(yōu)化過程方便快捷，利用軟件所有的力學(xué)分析功能對零件進(jìn)行力學(xué)分析保證設(shè)計零件的壽命和合理性。（3）3D 打印技術(shù)進(jìn)行加工利用學(xué)?，F(xiàn)有的 3D 打印設(shè)備對零件進(jìn)行加工和后期人工的裝配，以便于直觀的將設(shè)計進(jìn)行說明和展現(xiàn)。1.4 本章小結(jié)本章節(jié)主要對課題研究的背景和目的進(jìn)行闡述，對國內(nèi)外研究的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了陳述，對研究的內(nèi)容和方法進(jìn)行了討論和確定，為接下來的設(shè)計進(jìn)行了總領(lǐng)的作用。32.采摘裝置仿生機械手的設(shè)計2.1 新型農(nóng)業(yè)采摘機器人的特點在目前的工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)有大量的工業(yè)機器人投入生產(chǎn)加工的流水線中，但是在農(nóng)業(yè)中機器人的應(yīng)用并不是十分的凸顯，原因有很多，最直接的原因就是農(nóng)業(yè)機器人所要面對的工作對象和工作環(huán)境和工業(yè)機器人大有不同，技術(shù)難度比較高很難實現(xiàn)智能化的生產(chǎn)工作，所以對新型農(nóng)業(yè)采摘機器人討論得出它具體有以下幾個特點： （1）非結(jié)構(gòu)性的操作環(huán)境。由于作物隨時間和空間的變化，工作環(huán)境是不可預(yù)知的。而且形式多變的。除了地形條件的限制外，它還直接受作物生長環(huán)境的季節(jié)、氣候和其他自然條件的影響。這不單單要考慮到裝置的靈活性還要有很大的智能性，并能適應(yīng)多變的自然環(huán)境，在視覺、觸覺、多傳感器融合、知識推理和判斷等方面具有相當(dāng)?shù)闹悄堋?（2）被采摘水果的易損性和位置不可預(yù)測性。眾所周知，新鮮的水果較為嬌嫩若采摘不當(dāng)定會造成采摘的損傷和經(jīng)濟的損失，而其水果在樹體上所處的位置高低及被樹葉的遮擋程度。這些都將是水果機械采摘所要面臨的問題。都需要被合理的解決。 （3）運動軌跡的復(fù)雜性。機器人一般要一邊移動一邊進(jìn)行拾取操作，這一問題是比較復(fù)雜的，此時不像工業(yè)機器人那樣具有固定的軌道和可以判斷的距離，動作的同步要求就比較高了，在后期的控制中就比較要求高了。 （4）操作對象和市場價格的特殊性。由于水果采摘裝置主要為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者來使用所以一定要便于操作和保養(yǎng)維護(hù)之類，而其要是和不同的性別和年齡段的勞動者。并且價格不能過于昂貴，以至于果農(nóng)成本太高不愿意使用采摘裝置。2.2 水果采摘機器人設(shè)計中存在的問題和解決方案采摘機器人機械手設(shè)計是水果采摘機器人的一個核心設(shè)計。因為我們現(xiàn)在一般水果的表皮都比較脆弱容易損傷，而且水果的形狀以及生長在果樹上的位置通常比較復(fù)雜。所以在采摘機器人實地采摘的過程中較為容易發(fā)生損傷的原因主要有以下兩點： （1）水果位置判斷的不準(zhǔn)確和執(zhí)行動作時存在的軌跡誤差，一般水果均被樹葉遮擋，而且樹枝的生長錯綜復(fù)雜，所以在水果位置的判斷中存在較大的難度，而且就算判斷正確后采摘軌跡極易可能受到樹枝的影響，導(dǎo)致動作的中斷或偏移。（2）水果的表皮較為嬌嫩在采摘過程中機械手的力度和方向一旦控制不好就會對水4果造成損傷，從而影響水果品質(zhì)造成直接的經(jīng)濟損失。所以對采摘機器人的采摘裝置進(jìn)行設(shè)計是，應(yīng)要根據(jù)不同水果的生物特性和機械特性以及栽培方式，采用不同的專用特有的裝置以提高采摘的成功率并減小對水的損傷為主要目標(biāo)。一般集成兩項功能： （1）準(zhǔn)確的測量果實的位置，為機械手采摘時提供準(zhǔn)確的導(dǎo)航信息； （2）對采摘的力度進(jìn)行精確的控制，壓力傳感器必須高度精準(zhǔn)，以保證在抓取水果的時候?qū)λ谋砥び幸粋€很好的保護(hù)，不至于損壞水果造成損失。2.3 采摘方式和分離方式的選擇2.3.1 采摘方式的選擇經(jīng)過查閱書籍和瀏覽網(wǎng)絡(luò)資料發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)外采摘機器人設(shè)計方案中可以借鑒和使用的的有以下幾種采摘方式：（1）直接切斷式 ：這種方式最為原始和簡單，但是缺點也很多，比如說自動化程度的不高采摘效率低下，采摘環(huán)境要求高，不能滿足多種地形和水果的采摘，操作難度高不便于采摘人員的操作和使用等，如圖 2-1/2-2/2-3 所示。圖 2-1 甜椒采摘機器人機械手圖 2-2 茄子采摘機器人機械手5圖 2-3 番茄采摘機器人機械手（2）吸入式 ：這種方式是先使用真空將果實吸入操作位置后然后再進(jìn)行采摘切柄的過程，下面的兩種裝置均為吸入式，只是在切柄的部分有所不同，一個是切一個是旋轉(zhuǎn)扭斷。這種吸入式采摘較為合理可以應(yīng)用在很多采摘裝置中。圖 2-4 柑橘采摘機器人機械手圖 2-5 蘋果采摘機器人機械手（3）夾持類 ：這種方式模仿了人手采摘水果的運動方式，運用了仿生學(xué)的知識，在抓取過程中較為快捷準(zhǔn)確和靈活，所以不管在工業(yè)機器人還是農(nóng)業(yè)采摘機器人中仿生的機械手得到了大量的應(yīng)用。而且國內(nèi)外對此方面的研究也較為頻繁，所以此次研究采用了仿生機械手進(jìn)行采摘。61.手指 2.內(nèi)螺紋管 3.絲杠 4.電機圖 2-6 機械手機構(gòu)示意圖最后經(jīng)過大量的查閱資料并且指導(dǎo)老師進(jìn)行多次的指導(dǎo)和建議，最終我們在這里選擇夾持類的采摘方式，此種方式較為簡單直接在采摘過程中能快速高效的完成采摘而且不是以損傷過時的表面，所以此種方式較為符合蘋果采摘機器人所需要的特性，能較好的完成采摘的需求。2.3.2 分離方式的選擇（1）扭斷、折斷、拉斷扭斷式分離方式是利用機器人手腕的旋轉(zhuǎn)和仿生周轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在機械手抓牢果實后擰斷果柄，需要多次往復(fù)扭轉(zhuǎn)才能斷開果梗，采摘機器人機械手需要較大的工作空間，這樣就難于避免碰撞到樹枝的障礙物。同時，這里就需要根據(jù)采摘對象的果柄的力學(xué)特性進(jìn)行不同方式的選擇和實際性的實驗，否則很難達(dá)到預(yù)期判斷的效果。（2）剪切在很多設(shè)計中采摘機器人機械手安裝了剪刀或切刀，采摘方式為剪斷果柄或者切斷果柄。這種方法最為簡單和直接，但是對位置精度的要求最高，而且剪切裝置不太穩(wěn)定最容易在剪切中發(fā)生故障。（3）熱切割在荷蘭有一種利用電阻絲將果柄切斷的技術(shù)，曾經(jīng)應(yīng)用在黃瓜的采摘裝置上，此種裝置優(yōu)點為可以閉合果樹因果柄斷落所導(dǎo)致的病菌感染，而且在水果保存水分的方面有著獨特的作用，但是此種裝置在使用的時候所需時間較長而且電阻絲易于損壞，并不是特別符合高效率和低成本的要求。所以我們在此次的設(shè)計中最終選擇拉斷式，此種分離方式最為適合蘋果的采摘，蘋果的果柄較脆，易于拉斷，這種方式的選擇不僅滿足機械手的特性而且在實際的操作過程中大大的節(jié)約了時間，簡單快捷，是最為合適的分離方式。72.4 仿生機械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計2.4.1 蘋果采摘方式分析根據(jù)上文的分析和討論我們最終選擇采摘方式為夾持類，分離方式為拉斷式主要的原因如下：夾持類采摘方式較為簡單直接在采摘過程中能快速高效的完成采摘而且不是以損傷過時的表面，所以此種方式較為符合蘋果采摘機器人所需要的特性，能較好的完成采摘的需求。拉斷式，此種分離方式最為適合蘋果的采摘，蘋果的果柄較脆，易于拉斷，這種方式的選擇不僅滿足機械手的特性而且在實際的操作過程中大大的節(jié)約了時間，簡單快捷，是最為合適的分離方式。設(shè)計要求：本課題所設(shè)計的機械手應(yīng)該為了減輕果農(nóng)的勞動強度，提高采摘效率，避免爬高造成意外傷害事故，要求能滿足各種高度的采摘作業(yè)，不損傷水果，水果類型可自定。要求完成該裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并進(jìn)行相關(guān)的校核，完成設(shè)計說明書撰寫，并完成裝配圖（包括三維裝配）以及相關(guān)零件圖，二維圖紙量至少保證 1.5 張 A0 圖紙。所以制定以下幾個方面：（1） 采摘果實為蘋果其直徑范圍：60 毫米～100 毫米；（2）裝置還要滿足體積外觀小巧、操作使用簡單、安全性能可靠、場地適應(yīng)性強、加工制造成本低廉；（3）在加工制造的過程中生產(chǎn)流程簡單，零件加工的工藝性好。2.4.2 總體設(shè)計機器人手臂的驅(qū)動部分的末端安裝在手臂的最前端，以便拾取水果和蔬菜，以便采摘水果和蔬菜以實現(xiàn)設(shè)備和附加功能。水果和蔬菜收割機器人實現(xiàn)了一鍵操作所需的移動直接接觸。手指與果實體直接接觸。手指運動的常見形式是旋轉(zhuǎn)和平移。旋轉(zhuǎn)式手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，被廣泛使用。應(yīng)用是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但手指的平移抓住了圓形物體，而物體直徑的變化并不影響其軸線的位置，所以大直徑范圍適合于抱工。根據(jù)蘋果采摘的具體要求，提出了蘋果采摘機器人機械手。其結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示。致動器由手指，手掌，機架等組成。手上有三個手指，三個手指圍繞著圓周對稱排列，即每側(cè)有一個手指。每個手指有 6 個關(guān)節(jié)。在電機的控制下，三根手指的連接通過拉動手指下部的杠桿通過電線來實現(xiàn)。圖 2.7 顯示了一個使用 Solid Works 軟件設(shè)計的仿生拾取機器人的三維實體模型。8機械臂以合適的速度運動到果實附近，然后通過位置傳感器檢測到蘋果的位置在進(jìn)行程序化的分析，機械手開始工作夾緊果實，由壓力傳感器決定機械手的夾緊程度，然后模擬人類采摘時所用的下拉動作，進(jìn)行采摘，最后將水果放到事前安排好的地方再松開手指，完成一個水果的采摘。圖 2-7 機械手機構(gòu)圖 2.5 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計在這里我們選擇的手指設(shè)計有以下幾個優(yōu)點：（1）手指握力大，能夠牢牢的抓住水果，保證在采摘過程中可以有效地防止水果掉落。 （2）承載能力較高，通用性良好，具有可以隨意抓取任意形狀的能力保證可以采摘各種大小形狀的蘋果。（3）可以應(yīng)用范圍廣獨特的仿生設(shè)計同時減少了驅(qū)動源的數(shù)量，使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得簡單易與控置。選取驅(qū)動裝置的時候只需考慮和討論一次，不必有過多的驅(qū)動。 2.5.1 手指數(shù)量此次設(shè)計中選擇三根手指的設(shè)計，此種設(shè)計用意在于以最少的結(jié)構(gòu)就可以完成采摘所需要的抓取作用，三根手指足以對蘋果進(jìn)行完全包絡(luò)不會掉落，而且不會造成浪9費，在三根手指可以完成的情況下完全不必要設(shè)計成三根以上，而且在采摘的時候有利于蘋果表皮的保護(hù)不會損傷蘋果的表皮造成經(jīng)濟的損失，從而使設(shè)計更加合理。2.5.2 手指關(guān)節(jié)數(shù)量在采摘機器人仿生機機械手的關(guān)節(jié)的設(shè)計中，手指的關(guān)節(jié)數(shù)量越多手指的靈活性越大，抓取的動作將更為準(zhǔn)確和完整，所以我們在確定關(guān)節(jié)數(shù)目的時候選擇了六根手指，以最大限度的保證了手指的靈活性，和抓取所需要的自由度，每節(jié)關(guān)節(jié)之間的傳動合理有效符合設(shè)計要求。我們設(shè)計的機械手指是一個四連桿的機構(gòu)，由最底部的一根長關(guān)節(jié)來驅(qū)動整個手指，而且手指的外部配有用來測量壓力所需要的壓力傳感器保證手指在收攏到合適的大小的時候可以及時的停下來，不會損傷到蘋果的本身。根據(jù)中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)資料，最小級別的三級蘋果以外，蘋果果實的最大橫截面的直徑必須要大于或等于 70 毫米。我們所要設(shè)計的采摘機器人仿生機械手，機械手所抓取的蘋果直徑在 60 毫米～100 毫米之間，故取蘋果半徑為 30毫米≤R ≤50 毫米。2.5.3 手指的材料選擇采摘機器人仿生機械手手指選擇必須要選擇合適的材料，因為這對于機器人工作狀態(tài)和加工生產(chǎn)都會產(chǎn)生巨大的影響和決定性的作用。在查閱了大量資料和進(jìn)行多次分析之后，我們首先要通過遵循手的結(jié)構(gòu)尺寸和手指，然后同時保持足夠的光強度和質(zhì)量，我們最終確定了手指所需材料為尼龍材料的選擇。 尼龍材料本身就具有很多特性的優(yōu)點，比如說較高的機械所需強度，良好的耐熱性，比較低摩擦系數(shù)，耐磨性好，而且具有自潤滑性，減震性還具有弱酸性等特點。對于手指材料的確定是一個較為優(yōu)秀的材料。所以我們對采摘機器人仿生機械手手指材料選為尼龍材料。圖 2-8 手指結(jié)構(gòu)102.6 機架的設(shè)計我們所要設(shè)計的機架主要作用是用來安裝整個驅(qū)動機構(gòu)和手掌部分，所以必須符合機身小巧，體積小易于使用，重量輕不影響手臂的平衡的設(shè)計要求。我們此次的設(shè)計是一個以圓柱形為主體框架的零件，將手指安裝于機構(gòu)架的上方零件軸心角度為平均的 120 度，下方可與手臂連接中間部位為鏤空結(jié)構(gòu)可以安裝傳動所需要的鉸鏈和鉸鏈架等核心動力裝置。機架結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計外觀如圖 2.9 所示。圖 2-9 機架結(jié)構(gòu)2.7 驅(qū)動方案的選擇目前的我們對于手爪設(shè)計所可以使用的驅(qū)動源主要有三種形式：氣壓驅(qū)動、電驅(qū)動、液壓驅(qū)動，這三種目前的技術(shù)均已經(jīng)比較成熟所以使用的時候可以大膽的選擇只要可以滿足我們采摘機器人仿生機械手所需要的動力大小和運動特性即可。我們對這三種方式進(jìn)行了對比和選擇。（1）氣壓驅(qū)動是利用氣動壓力對空氣進(jìn)行壓縮壓來實現(xiàn)驅(qū)動的系統(tǒng)來驅(qū)，通常情況下空氣壓縮機通常被用作動力源。它具有以下幾個特點：氣動驅(qū)動器過載安全，整體結(jié)構(gòu)簡單，污染少幾乎不計，成本較為低廉，還可以通過調(diào)節(jié)空氣流量，來實現(xiàn)機構(gòu)的無級變速，但是尺寸設(shè)備的運行速度不穩(wěn)定，定位精度不高，抓舉力較為小。（2）液壓驅(qū)動系統(tǒng)來驅(qū)動流體壓力致動器的輸出力來驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)定，固有的高效率，響應(yīng)速度快，速度很簡單，可以在很寬的范圍內(nèi)無級調(diào)速，便于適應(yīng)不同的工作要求，順利實現(xiàn)傳輸，可以吸收沖擊力可以實現(xiàn)更加頻繁和換向平穩(wěn)，但容易漏11油，污染，高成本，高定位精度比空氣，但比電機低，流體溫度和粘度變化影響傳輸性能。（3）電動驅(qū)動，本設(shè)計中將采用 57HS09 型步進(jìn)電機?？梢猿浞掷?57HS09 型步進(jìn)電機的體積小、重量輕、輸出力大、響應(yīng)速度快、精確度高等良好特性2.8 本章小結(jié)（1） 根據(jù)任務(wù)書所提出的設(shè)計要求，對機械手的功能進(jìn)行分析并對設(shè)計方案進(jìn)行確定。（2）對采摘機器人仿生機械手采摘方式，分離方式，手指數(shù)量，關(guān)節(jié)數(shù)量，機構(gòu)架形狀，以及手指材料進(jìn)行選擇，而且對以上方面進(jìn)行研究確定初步計劃。123.仿生機械手靜力學(xué)分析3.1 手指的工作原理(a)是手指的初始結(jié)構(gòu),手指無接觸外力，整個手指以單一剛體繞支點運動(b)表示指節(jié) 1 接觸物體(c) 表示指節(jié) 2 相對指節(jié) 1 的轉(zhuǎn)動，指節(jié) 2 向物體方向彎曲，這時驅(qū)動力需克服彈簧作用力(d)兩指節(jié)接觸物體，手指完成形適合階級,驅(qū)動件的驅(qū)動力傳遞到兩指節(jié)上。圖 3.1 手指工作原理 3.2 抓取時的靜態(tài)力學(xué)模型抓取的靜力學(xué)模型如圖 3.2 所示。13圖 3.2 手指靜力學(xué)模型圖 3.2 中 為輸入轉(zhuǎn)矩， 、 分別為關(guān)節(jié) 1、2 所受的力， 、 為接觸點aT1F2 1d2、 到 、 的距離。 為關(guān)節(jié) 2 相對于關(guān)節(jié) 1 轉(zhuǎn)過的角度，水平軸的夾角。 為3O212? 1T摩擦約束力矩。 三角構(gòu)件邊的夾角，h 桿 與桿 c 的反向延長線交點 到 的距離。?L4O、 為關(guān)節(jié) 1、2 的長度。 為桿 與水平軸的夾角。 為摩擦約束力矩。1L2 1 1T根據(jù)虛功原理可得公式 (3.1) TFV??T 為手指機構(gòu)的輸入轉(zhuǎn)矩向量，由驅(qū)動力矩 以及摩擦力矩 組成； 為手指機aT1T?構(gòu)各關(guān)節(jié)與力矩相關(guān)的連桿的虛擬角速度向量，由驅(qū)動連桿的角速度 以及末關(guān)節(jié)加a??速度 構(gòu)成； F 為作用在手指上的抓取接觸力組成的向量，由接觸力 、 構(gòu)成；V2?? 1F2為外力作用點在外力作用方向上的虛擬速度向量，由各接觸點的 y 方向的速度分量構(gòu)成，即： 1Ta???????公式（3.2） 2Ta??????????12TF??????312ToyV??????14由機構(gòu)學(xué)理論，可知各關(guān)節(jié)的接觸點速度可以通過雅可比矩陣 用各關(guān)節(jié)的角速度VJ來表示，即： 公式(3.3)12VJ??????????，又 公式(3.4) cT???為傳遞矩陣 c10chL?????????將式(3.2)、(3.3)、(3.4)帶入(3.1)約去 得： ?TVcFJ??(3.5)公式(3.6)3121220cosaoydL???????????????將上式與式(3.3) 對比可知公式(3.7)120cosVdJ????????公式(3.8)1212()cosaLhLTdFd????????公式(3.9)22(cos)sin()coth?????公式(3.10)21221i4s()t(cs)inabNMLLc??????公式(3.11)212o(()MbN????手指以直指方式抓取物體時,僅有短關(guān)節(jié)觸及物體,這時,只要令 F1=0、T 1=0 ，則手指受力為：15公式(3.12)21()ahFTdL??3.3 運動學(xué)分析機械手的每個手指都是由兩套四連桿機構(gòu)構(gòu)成的。圖 3.3 所示為一個四連桿機構(gòu)。圖 3.3 四連桿機構(gòu)原理各桿構(gòu)成的矢量封閉方程為 [6]，寫成坐標(biāo)軸上分量形式有 ： 1243LL??公式(3.13)1cos23cos40iniinLab????????化簡上式，消去 b 得：公式(3.14)????2243cos13si1inaLcaL???對式 3.14 兩邊求導(dǎo)并化簡，可得 4 桿機構(gòu) L1 與 L3 角速度之間的關(guān)系：(3.15)??inisLac? ??????3.4 手部的夾持誤差計算旋轉(zhuǎn)夾緊手指時的不同直徑的工件會產(chǎn)生變化的軸向位置，使得鉗位誤差。欠驅(qū)動手指的抓地力和雙支點原理轉(zhuǎn)換回一個類似的原則手指夾住，如此就可以按照雙支點回轉(zhuǎn)型手指祝福誤差計算。16圖 3.4 雙支點回轉(zhuǎn)型手指簡圖圖中：l－手指長度;－V 型槽的夾角；?2－偏轉(zhuǎn)角；?2 s－兩回轉(zhuǎn)支點間距離;根據(jù)幾何關(guān)系，可得公式(3.16)222cosinsiRllx????????????公式(3.17)??1siiin2222 ?ll?該方程亦為雙曲線方程，另 ；??sinco0lR220sinlx???17圖 3.5 x 與半徑 R 的關(guān)系曲線根據(jù)雙曲線特點,對應(yīng) 附近的曲線變化率較小,故在 處附近對應(yīng)的夾持誤差最0R0?小。當(dāng) 時，手指夾持誤差計算如下:102R?2212max1 sincosinsi lRllX ?????????????公式(3.18) 公式(3.19)222222max2 sincolR?????? ??最佳偏角的計算取 V 型槽的夾角 = ，根據(jù)式（3-9）求得最佳偏轉(zhuǎn)角為?o10故oollR50sin*74c5sin4csinco101 ?????? o50sin*74c??夾持誤差 的計算maxX因為 和 關(guān)于 對稱，所以 = ，故 120maxXmax2a1??8.03sin703cos50in7*250sin7 iii 222 22121max ???????????? ???o lRll18經(jīng)過計算手指的夾持誤差為 0.88mm。3.5 本章小結(jié)本章研究機械手的工作原理，通過建立了機械手的靜力學(xué)模型的方式，對手指進(jìn)行了靜力分析。194.仿生機械手 3D 建模及重要零件的有限元分析4.1 軟件概述Solid works 是我國現(xiàn)在機械設(shè)計領(lǐng)域運用比較廣泛的 3D 建模軟件之一，其操作比較簡單，功能也較為全面，所繪制出的圖紙直觀而且較為準(zhǔn)確真實，總結(jié)來說 Solid Works 軟件的主要特點是:（1） 全參數(shù)化（2） 基于特征的實體建模（3）相關(guān)性4.2 機械手的虛擬設(shè)計與裝配4.2.1 模型的建立（1）Solid Works 建模的一般過程如下建立模型空間定位的基準(zhǔn):1 基準(zhǔn)面 2 基準(zhǔn)軸 3 基準(zhǔn)坐標(biāo)系。每個實體特征都要利用基準(zhǔn)特征作為參照。建立基礎(chǔ)實體特征:拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、混合等。建立工程特征:孔、倒角、肋、拔模等。特征的修改:特征陣列、特征復(fù)制等編輯操作。（2）機械手的主要零件建模機械手主要包括：長關(guān)節(jié)、短關(guān)節(jié)，傳動桿件、四連桿，機架等。各關(guān)節(jié)，連桿的尺寸已經(jīng)確定，然后在 Solid Works 中建立模型。 20圖 4-1 長關(guān)節(jié)零件圖圖 4-2 長連桿的正反面圖 4-3 傳動桿件21圖 4-5 短連桿的零件圖圖 4-6 指尖部分的零件圖圖 4-7 手指底座的零件圖 22圖 4-8 傳動部分零件圖4.2.2 裝配圖 4-9 采摘機器人仿生機械手234.3 重要零件的有限元分析這里我們?nèi)匀皇褂美L圖軟件，以其自帶的有限元分析功能對指尖和長關(guān)節(jié)兩個重要零件進(jìn)行了有限元分析，分析結(jié)果以圖片的形式呈現(xiàn)。圖 4-10 長關(guān)節(jié)的有限元分析結(jié)果圖 4-11 指尖的有限元分析結(jié)果24總結(jié)本次畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)接近尾聲，在此次設(shè)計中經(jīng)歷了以下幾個步驟，首先是查閱了大量的資料并且在老師的指導(dǎo)下對設(shè)計的方案進(jìn)行了大致的確定，填寫了開題報告。然后再對設(shè)計方案進(jìn)行了繪制二維圖紙和 3D 建模，用圖紙對設(shè)計進(jìn)行了初步的表達(dá)，通過了中期答辯。然后對設(shè)計中所需計算的部分進(jìn)行了計算并且以文字的格式進(jìn)行了編輯和保存。然后再利用 3D 打印技術(shù)加工出了實物模型，并對其進(jìn)行了裝配和調(diào)試。最后對設(shè)計進(jìn)行了撰寫說明書，并把所需要的內(nèi)容進(jìn)行添加和修改，不斷地完善和精進(jìn)，并且把之前翻譯的外文進(jìn)行了整理，把圖紙進(jìn)行了歸類和添加。25參考文獻(xiàn)[1] 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