柑橘采摘機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計,柑橘,采摘,機器人,結(jié)構(gòu)設(shè)計
柑橘采摘機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計
柑橘采摘機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計
摘要
果實采摘是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一個重要環(huán)節(jié)，需要大量的采摘人員，但由于農(nóng)村人口城市化，農(nóng)業(yè)從事人員的數(shù)量不斷下降，人力成本不斷上升，國內(nèi)外都已經(jīng)研發(fā)了許多的采摘機器人來解決這一問題。本課題設(shè)計的采摘機器人主要是針對柑橘樹之類的果樹，對采摘機器人的機械臂和末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。首先確定了機器臂的類型和設(shè)計的總體方案，再對機器人各部分進行受力分析計算，選擇適合的電機和減速器，設(shè)計相關(guān)傳動軸并進行校核，設(shè)計了相關(guān)的傳動結(jié)構(gòu)。根據(jù)電機和減速器的連接和固定，設(shè)計了機械臂的腕部、臂部和底座結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞：柑橘采摘；結(jié)構(gòu)設(shè)計；農(nóng)業(yè)機器人
Structure design of citrus picking robot
ABSTRACT
The fruit picking is an important part of agricultural production, it needs a large number of workers. However, due to the urbanization of the rural population, workers of the fruit picking is continuously declining and the labor cost is constantly rising. Different kinds of picking robots have been designed to solve this problem all around the world. The picking robots developed in this project is aimed at picking citrus trees alike so that the design of structures of the mechanical arm and end effector of the picking robot is of great significance in this project. First, determing the type of the robot arm and the overall design of the robot.Then, performing the force analysis and calculation of each part of the robot and selecting appropriate motor and reducer,designing and checking the relevant transmission shaft, relevant transmission structure is developed as well. At the same time, according to the connection and fixation of the motor and reducer, the arm, and base structure of the arm are designed.
Key words：Citrus picking; Structure design; Agricultural robot
目錄
1緒論 1
1.1研究的目的及意義 1
1.2國內(nèi)外采摘機器人的研究現(xiàn)狀 2
1.3機械臂與末端執(zhí)行器的現(xiàn)狀 5
1.4本課題主要設(shè)計內(nèi)容 6
1.5本章小結(jié) 6
2總體方案設(shè)計 7
2.1引言 7
2.2柑橘采摘機器人的技術(shù)要求 7
2.3機器人的構(gòu)型選擇 7
2.4總體方案的選定 9
2.5機械臂的傳動原理 10
2.6本章小結(jié) 12
3.末端執(zhí)行器的設(shè)計 13
3.1切割電機的選擇 13
3.2氣缸的選擇 14
3.3末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計 14
3.4本章小結(jié) 15
4腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計 16
4.1腕部機構(gòu)設(shè)計的要求 16
4.2腕部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 16
4.2.1旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的選擇 16
4.2.2腕部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 17
4.3腕部俯仰關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 18
4.3.1俯仰關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的選擇 18
4.3.2腕部俯仰關(guān)節(jié)的設(shè)計 18
4.3.3帶輪的設(shè)計 19
4.3.4傳動軸的設(shè)計和校核 20
4.4本章小結(jié) 22
5臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計 24
5.1手臂的設(shè)計要求 24
5.2小臂的設(shè)計 25
5.2.1小臂Ⅰ驅(qū)動電機的選擇 25
5.2.2小臂Ⅰ的結(jié)構(gòu)設(shè)計 26
5.2.3小臂Ⅱ驅(qū)動電機的選擇 27
5.2.4齒輪的設(shè)計與校核 28
5.2.5小臂輸出軸的設(shè)計與校核 33
5.2.6小臂Ⅱ的結(jié)構(gòu)設(shè)計 35
5.3小臂剛度校核 35
5.4大臂的設(shè)計 36
5.4.1大臂驅(qū)動電機的選擇 36
5.4.2大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 38
5.5本章小結(jié) 39
6底座的設(shè)計 40
6.1底座電機的選擇 40
6.2軸Ⅰ的設(shè)計 41
6.3底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計 42
6.4本章小結(jié) 43
7總結(jié) 44
參考文獻 45
致謝 47
1緒論
1.1研究的目的及意義
隨著科技的不斷發(fā)展，機械化種植已經(jīng)在逐步替代傳統(tǒng)的依靠人工的農(nóng)業(yè)種植方式，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)發(fā)生了重大的改變。近年來，電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，原本用于工業(yè)的機器人已經(jīng)走向農(nóng)田，已經(jīng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了極其重要的作用，現(xiàn)在可以通過機器人來實現(xiàn)農(nóng)業(yè)上的移栽、嫁接、除草、采摘和果蔬分離等作業(yè)。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計表明：由于人口老齡化以及農(nóng)村的青年人都在去城市打工，從事農(nóng)業(yè)方面的工作的人數(shù)在減少，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也逐漸規(guī)?；?、多樣化，勞動力也越來越缺乏。在果園種植中，僅僅果實采摘時需要大量勞動力，平時卻不需要，部份種植園難以找到足夠的臨時從業(yè)人員，無法及時采摘，造成經(jīng)濟損失。即使有足夠的臨時勞動力，但他們由于不熟悉工作，這將會加大果實在采摘過程中的損傷幾率。相關(guān)資料表明：果實采摘的花費已經(jīng)占據(jù)了整個農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)費用的40%以上，甚至有部分種植園已經(jīng)達到50%的程度。為了降低種植的成本，從而提高農(nóng)民的收入，研究和發(fā)展采摘機器人已經(jīng)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要一環(huán)。采摘機器人是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展出來的一種能代替人工自主采摘果實的智能化、機械化和精準(zhǔn)化的設(shè)備。但我國的農(nóng)業(yè)機器人起步較晚，發(fā)達國家早在上世紀(jì)六十年代就已經(jīng)開始對于農(nóng)業(yè)機器人的研究，各發(fā)達國家在八十年代就紛紛結(jié)合自身的實際情況，研究相關(guān)的農(nóng)業(yè)機器人，國內(nèi)的農(nóng)業(yè)機器人是在上個世紀(jì)九十年代的中期才開始的，發(fā)展得比較晚，與發(fā)達國家相比，還存在著明顯的差距。但隨著中國的經(jīng)濟和科技蓬勃發(fā)展，尤其是國家在政策上不斷的扶持和引導(dǎo)農(nóng)業(yè)的機械化、智能化，為農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展提供了一片良好的土壤。
我國是世界上第一水果大國，我國的水果種植面積大約有800萬公頃，占全球的果樹種植總面積的21%左右；水果年總產(chǎn)量超過了5900多萬噸，占世界所有的水果的總產(chǎn)量的13.4%，這兩項指標(biāo)都是排在全世界的第一。而柑橘營養(yǎng)豐富，深受人們的喜愛，我國的柑橘資源非常豐富，國家柑橘資源圃保存一千兩百多份資源。在生產(chǎn)上栽培主要有柑橘屬以及少量的金柑屬、枳屬。我國的柑橘主要種植在廣東、湖南、四川、重慶、浙江、廣西、福建、湖北、江西等九個?。▍^(qū)、市），產(chǎn)量占全國的90%以上。柑橘種植時一般都是種植園大量種植，采摘時間在十月到十二月之間，采摘方式主要還是以人工采摘為主。由于柑橘樹屬于小喬木，分枝多，枝擴展或略下垂，刺較少，采摘時為了保證柑橘的儲存，需要將柑橘果實以及其小截果柄保留，而不是果實與果柄分離，這就是需要較大的分離力，從而導(dǎo)致人工長時間的采摘會出現(xiàn)疲勞，采摘效率下降。為了保證柑橘的新鮮，果農(nóng)需要在很短的時間內(nèi)采摘完柑橘，采摘強度大，效率低，而人力勞動成本在不斷的上升，又無法通過大量增加人手來完成柑橘的采摘。人們需要在農(nóng)業(yè)方面開發(fā)出代替手工的自動化設(shè)備，而作為集機械、電子、控制、計算機、人工智能等很多歌不同的學(xué)科的先進的技術(shù)集合在一起的現(xiàn)代自動化裝備，機器人顯然為降低勞動力成本提供了最佳的選項，不僅可以提高機械化水平，緩解勞動力不足，還可以避免因人工采摘帶來的交通事故和人身安全問題。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展更加規(guī)?；投鄻踊?，發(fā)展果樹采摘機器人研究是歷史走向的必然趨勢，有著非常重要的意義。
1.2國內(nèi)外采摘機器人的研究現(xiàn)狀
1968年，著名的美國學(xué)者Schertz和Brown提出了采摘機器人的思想，1983年，第一臺采摘機器人在美國誕生了，往后的幾十年里，美國、日本、英國、法國、韓國、荷蘭等都相繼開始采摘機器人的研發(fā)。
日本崗山大學(xué)的Kondo研發(fā)了一種主要由機械臂、末端采摘執(zhí)行器、行走的小車、視覺系統(tǒng)和控制部分組成的番茄采摘機器人，其機械臂擁有七個自由度如圖1.1所示。
圖1.1 番茄采摘機器人的結(jié)構(gòu)簡圖
柑橘采摘機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計
它采用由一個能夠提供彩色攝像的攝像頭和一個圖像處理的集成卡組成的視覺系統(tǒng)來找到成熟的番茄?？紤]到番茄的果實很多時候會被番茄的葉莖擋住，采摘的機器人為了能夠靈活避開樹枝或者其他的障礙物，因此采用采用具有冗余度的7自由度的機械臂。此外,他們?yōu)榱藴p少對果實的傷害，將其末端執(zhí)行器的機械手抓配帶上2個帶有橡膠的手指和1個氣動吸嘴，利用機械手的腕關(guān)節(jié)把果實從番茄樹上擰下。移動的小車有4個車輪，能都自由的在田間行走，他們利用機器人上的一些傳感器和原本就設(shè)置好的,放在地上的反射板，可檢測有沒有到采摘的地方，到了之后小車就停下來，掉頭后再前進。這個番茄采摘機器人從識別番茄到將番茄采摘下來的速度大約是15s左右，采摘的成功率在70%左右。有30%左右的番茄沒有被采摘的主要原因是番茄被枝葉密密麻麻的包圍了，機器臂還是不能避開這些枝葉去采摘番茄。因此還需要在機器手的結(jié)構(gòu)和采摘的工作方式等方面加以改進，另外,機器人的采摘速度還需要提高，只有降低機器人自動化收獲的成本，才能真正的達到實用化。
圖1.2 西紅柿采摘機器人
韓國的一些單位也對番茄的采摘機器人進行了一些設(shè)計和研究，該機器人的檢測原理是對西紅柿的顏色進行判別，根據(jù)西紅柿的紅色深淺差別來區(qū)分果實是否成熟，有選擇的摘取成熟的西紅柿。由于該機器人的工作效率低，未能形成產(chǎn)品，用于實際生產(chǎn)中。
美國加利福尼亞州的西紅柿機械設(shè)計公司研發(fā)了一種不需要機械臂的采摘機，它是將整個的西紅柿都卷入到分選倉里面，包括西紅柿的莖葉，倉內(nèi)有紅色視譜的分選設(shè)備，他能將紅色的西紅柿挑選出來，并通過輸送帶運送到卡車的車廂里，剩下未成熟的西紅柿和西紅柿的莖葉將放入粉碎機構(gòu)中進行粉碎，之后噴灑在農(nóng)田里作肥料。如果種植的西紅柿產(chǎn)量足夠高的話，這種西紅柿采摘機一分鐘能采摘一噸多的西紅柿，一個小時能采摘70噸的西紅柿。
英國的Silsoe研究所設(shè)計的蘑菇采摘機器人，他可以非常自動化的檢測到蘑菇的位置和大小，然后又選擇的去修剪和采摘蘑菇。雖然它只有三個自由度，移動關(guān)節(jié)是使用氣動裝置驅(qū)動的和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)則是采用電機來驅(qū)動,這樣的設(shè)計非常簡單,成本也比較低。由于蘑菇生長中會出現(xiàn)傾斜的情況，機器人的采摘成功率只有為75%左右，采摘速度是6.7個/s。
荷蘭和日本都對黃瓜采摘機器人進行了研究設(shè)計。日本研發(fā)的黃瓜采摘機器人擁有六個自由度，能夠在專門為采摘機器人設(shè)計的傾斜大棚下采摘，由于大棚支架是傾斜的，黃瓜的莖葉都纏繞在支架上，而果實較重，在重力的作用下與莖葉分離，再通過攝像頭采集圖像，這個檢測裝置是根據(jù)反射特性來分別出黃瓜和莖葉。末端執(zhí)行器上有一個用于探測果梗到底在哪的探測器、切斷的設(shè)備和用來抓緊黃瓜的機械手指。荷蘭的農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所也在九十年代的時候研發(fā)了一種黃瓜的采摘機器人，該機器人要求黃瓜必須要按照高掛線纏繞方式懸吊生長，該黃瓜采摘機器人由一個移動小車、機械臂、視覺系統(tǒng)和末端執(zhí)行器4部分組成。采摘機器人可以在無人幫助的情況下自行在溫室中工作，在研究實驗中，工作速度為54s/根，由于只能做到每個機械臂每次只能采摘一根黃瓜，效率無法達到商用的要求，且對黃瓜的前期培養(yǎng)環(huán)境有較高的要求，因此并未形成產(chǎn)品。
我國是在上世紀(jì)的九十年代中期才開始農(nóng)業(yè)機器人的研究，與發(fā)達國家相比，起步較晚，但經(jīng)過多年來各個研究機構(gòu)和院校的努力發(fā)展，已經(jīng)取得了一些可喜的成果。
東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民設(shè)計了一種林木球果實采摘機器人，主要是由一個有五個自由度的機械臂、一個移動小車、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，采摘時，機器停留在距離果樹3~5米處，然后通過控制系統(tǒng)控制機械大臂和小臂同時運動，讓末端執(zhí)行器上升到一定的高度，機械手爪張開并不斷的擺動，從而能夠?qū)?zhǔn)被采摘的樹枝，然后手抓開始沿著樹枝的生長方向靠近一定的距離。采摘爪開始夾攏果樹的樹枝，然后大小臂帶動著機械手抓原路返回，把樹枝上的果樹采摘下來，這樣子就完成一次采摘這個機器人的采摘效率是500kg/天，人工采摘只有10多千克一天，就是說機器人是人工采摘的30~50倍，而且采摘時能采摘得比較干凈，對果樹的傷害小。
我國研究的蘋果采摘機器人主要由兩部分組成：兩自由度的移動車和五自由度的機械臂，移動車由于在田間行動，采用的是履帶式平臺，再在平臺上加裝了PC 主機、電源箱、用于輔助采摘的裝置以及一些傳感器；五自由度的機械臂是采用各自由度單獨的的驅(qū)動裝置進行驅(qū)動，機械臂固定在移動小車上，采摘機械臂采用的結(jié)構(gòu)是PRRRP結(jié)構(gòu)，作業(yè)時，將末端執(zhí)行器安裝在機械臂上。
國內(nèi)在西紅柿采摘機器人上也做了研究，浙江大學(xué)的梁喜鳳，根據(jù)西紅柿的一些生理特性，研發(fā)了能在溫室中使用的西紅柿采摘機器人，該機器人也是七個自由度的冗余機械臂。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的張瑞合、姬長英等在西紅柿采摘中為了確定西紅柿在空間中的位置，運用的是雙目立體視覺技術(shù)來定位，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，當(dāng)攝像頭距離西紅柿的距離在300~400mm之間時，空間深度的誤差能保證在3%~5%之間。
1.3機械臂與末端執(zhí)行器的現(xiàn)狀
機械臂是模擬人的上臂而構(gòu)成的，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同分為多關(guān)節(jié)機械手臂，直角坐標(biāo)系機械手臂，球坐標(biāo)系機械手臂，極坐標(biāo)機械手臂，柱坐標(biāo)機械手臂等。從機械臂的發(fā)展?fàn)顩r來看可分為三代機械臂。
（1）第一代機械臂，就是按照一開始教給通過人手來操控到達的位置和姿態(tài)，然后讓其重復(fù)的進行著這樣動作的一種機器，現(xiàn)在常見的、正在使用的大多數(shù)機械臂都還是在使用這種工作方式，但應(yīng)用范圍有限，主要用于材料的搬運、噴漆、電焊等工作。
（2）第二代機械臂，是那些具有如聽、視、觸等感覺的外部感覺功能的機械臂。這種機械臂之所以具有外部的感覺功能，是因為安裝了相關(guān)的傳感器，因此機械臂可以根據(jù)從外界的采集到的一些信息，再根據(jù)設(shè)定的程序修改自身的動作，從而完成相關(guān)的作業(yè)。
（3）第三代機械臂，這種機械臂不僅是有了外部感覺功能，而且還具有一定的思考的能力。所以能夠在外界的變化的時候也作出相應(yīng)的變化，然后自己判斷進行的工作。
關(guān)于末端執(zhí)行器的設(shè)計，由于果實的形狀、大小和生長情況不同，采摘要求也各不相同，針對不同的果實，需要用不同的采摘方法。不同的采摘方法導(dǎo)致末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)和工作原理都大不相同。對于一些果實，需要充分考慮其生長情況和采摘要求，選擇合理的果實與果柄分離的方式。此外，還要在保證采摘率和果實完好率的前提下，盡可能的降低成本。
國內(nèi)外主要采用的抓取方式有吸盤吸取、機械手指抓取兩種方式。吸盤吸取是當(dāng)機械臂將吸盤靠近果實后，吸盤將果實吸取過來，并不需要其他的方式抓緊。吸盤吸取方式適合用于生長相互毗鄰的果實，它能實現(xiàn)對果實的單個抓取，減少對毗鄰果實損傷的可能。但這種方式對果實的形狀要求相對較高，如果果實形狀不規(guī)則，那將導(dǎo)致吸盤吸力不夠，無法抓緊果實。如果是重量較大的果實也不適合選擇吸盤吸取果實的方式。機械手指抓取則是使用一個小型的氣缸或者的直線電機驅(qū)動，經(jīng)過一系列的連桿傳動，將直線運動轉(zhuǎn)換成控制機械手指張合的往復(fù)運動，通過控制氣缸或者電機來控制抓緊和松開果實。
果實的采摘的方法常用的有旋轉(zhuǎn)擰斷、剪切裁斷和圓盤鋸斷等幾種方法。旋轉(zhuǎn)擰斷是指吸盤或者抓手將果實抓牢后，控制整個末端執(zhí)行器進行旋轉(zhuǎn)，擰斷果柄，但這種方法不適合用在果柄韌性比較好的果實上，而且有可能出現(xiàn)未能擰斷果實就將果實抓走的情況，導(dǎo)致?lián)p傷果實。如果用在西紅柿等果皮比較脆弱的果實上，那么擰斷時有可能損壞果實，增大果實的破損率。剪切裁斷是指使用類似于剪刀的兩塊刀片，將果梗剪斷，需要較大的剪切力。圓盤鋸斷是使用電機帶動一個圓盤齒形鋸，使用較高的轉(zhuǎn)速將果梗鋸斷，不需要很大的剪切力就能成功鋸斷果梗，而且成功率和效率都能達到預(yù)期的要求。
1.4本課題主要設(shè)計內(nèi)容
機器人的總體方案設(shè)計。分析柑橘的重量、小臂臂長、離地高度等對機器人的運動方式進行了限制，最終確定柑橘采摘機器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案：
底座結(jié)構(gòu)的設(shè)計。根據(jù)之前的總體方案，對底座的結(jié)構(gòu)進行相關(guān)設(shè)計，包括底部底盤的設(shè)計和腰部回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計，對關(guān)鍵零部件進行校核計算；
手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計。根據(jù)總體方案，對臂部機構(gòu)進行設(shè)計，包括大臂和小臂的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，對關(guān)鍵的零部件，如傳動軸等進行校核計算；
腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)總體方案，對腕部的外部形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相關(guān)驅(qū)動元件的安裝位置進行設(shè)計，對關(guān)鍵零部件進行校核計算。
末端執(zhí)行器設(shè)計。根據(jù)總體方案，對末端執(zhí)行器的外部形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)驅(qū)動元件的安裝位置和抓取機械手指進行設(shè)計，選擇合適的執(zhí)行氣缸。
1.5本章小結(jié)
本章主要對國內(nèi)外的采摘機器人的發(fā)展現(xiàn)狀和今后的發(fā)展趨勢作了簡單的介紹，說明了采摘機器人對于發(fā)展新時代的農(nóng)業(yè)的重要作用和意義，簡單說明了目前國內(nèi)外采摘機器人的末端執(zhí)行器主要用那些結(jié)構(gòu)和工作原理，結(jié)合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，提出了本課題的主要設(shè)計內(nèi)容。
2總體方案設(shè)計
2.1引言
采摘機器人的機械臂應(yīng)該不僅僅是要重量輕、能夠負(fù)載較大的重量和模塊化的特點，由于柑橘采摘機器人一般都是用于農(nóng)業(yè)的種植園的，需要在戶外使用，因此還要機器人可以具有能夠比較快的修理好機器人故障的部分，能夠防止一定的水和塵土的干擾。本章針對課題提出了柑橘采摘機器人機械臂的一些要求，分析確定了機械臂的合理結(jié)構(gòu)，介紹了機械臂有幾個關(guān)節(jié)的相關(guān)設(shè)計，此外，本章還確定了機器人的相關(guān)傳動方案。
2.2柑橘采摘機器人的技術(shù)要求
本章節(jié)是根據(jù)上述的工作要求來決定的，最終確定了以關(guān)節(jié)型機器人作為本次設(shè)計的研究對象，設(shè)計了底座、大臂、小臂以及腕部結(jié)構(gòu)，并要求了柑橘采摘機器人的總體尺寸、運動的各個機械臂的大概重量及工作時能達到的相關(guān)運動特性等指標(biāo)。具體的一些指標(biāo)如下述：
（1）底盤回轉(zhuǎn)機構(gòu)轉(zhuǎn)動范圍±180?，轉(zhuǎn)動速度為15?/s；
（2）大臂俯仰轉(zhuǎn)動范圍±60?，轉(zhuǎn)動速度為20?/s；
（3）小臂俯仰轉(zhuǎn)動范圍±75?，轉(zhuǎn)動速度60?/s；
（4）小臂旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動范圍±180?，轉(zhuǎn)動速度90?/s；
（5）腕部俯仰轉(zhuǎn)動范圍±90?，轉(zhuǎn)動速度90?/s；
（6）腕部旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動范圍±180?，轉(zhuǎn)動速度180?/s；
（7）末端執(zhí)行器采摘果實的重量為150g左右，果實對末端執(zhí)行器的作用力0.15N。
2.3機器人的構(gòu)型選擇
常見的機器人根據(jù)手臂的動作形態(tài)，按坐標(biāo)形式大致可以分為4種：直角坐標(biāo)型；圓柱坐標(biāo)型；球坐標(biāo)型；多關(guān)節(jié)型。
直角坐標(biāo)型機器人，在X，Y，Z軸上面的運動都是互相之間不會干擾到另外一根軸的，所以它具有三個相互獨立的移動關(guān)節(jié)，如圖2.1所示。
圖2.1 直角坐標(biāo)型
圓柱坐標(biāo)型機器人，是坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)，其中機械手臂的長度是R,手臂的角位置應(yīng)該是，在垂直方向上的位置是X。具有兩個移動關(guān)節(jié)和一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。如圖2.2所示。
圖2.2 圓柱坐標(biāo)型
球坐標(biāo)型機器人的的坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)，其中是繞著最下面的底座垂直軸的轉(zhuǎn)動角，是手臂在水平垂面內(nèi)的一個擺動角度，這種機械臂運動的軌跡表面是半球面，球形的機器人具有兩個轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動副和一個移動關(guān)節(jié)的。如圖2.3所示。
圖2.3 球坐標(biāo)型
多關(guān)節(jié)型的機器人是工業(yè)或者農(nóng)業(yè)機器人中用得最多的一種結(jié)構(gòu)形式，它是一節(jié)節(jié)的傳動下去的，下一個傳動機械臂是依靠上一個機械臂的位置來進行定位的，一般情況下，機械臂的關(guān)節(jié)都是轉(zhuǎn)動型關(guān)節(jié)，多關(guān)節(jié)型機器人一般是擁有六個自由度的，這能保證末端執(zhí)行器到達工作范圍內(nèi)的各個地方，如圖2.4所示。
圖2.4 關(guān)節(jié)型
根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求和具體實際情況，選擇的是多關(guān)節(jié)型。
在柑橘采摘機器人工作過程中，最重要的就是要讓機器人能都靠近果實，并采摘下來，而柑橘在果樹上是隨便生長的，無法保證其生長的位置，因此需要機器人能夠盡可能的到達工作范圍能的所有位置，因此選擇多關(guān)節(jié)型的機器人，他可以通過大臂和小臂的俯仰運動來達到靠近工作范圍內(nèi)的沒一個位置的能力。而為了能到達空間中的每一個位置，一般機器人都有六個自由度，也有一些工作中不需要那么多個自由度就可以完成工作的，因此，為了機器臂的剛度和成本的原因，有一些機器人也是小于六個自由度的，而還有一部分工作情況復(fù)雜的，為了能夠避開一些障礙或者其他的原因，也有多余六個自由度的機器人。
2.4總體方案的選定
確定采摘的柑橘的重量：本次設(shè)計的柑橘采摘機器人要求可以采摘柑和橘兩個品種的果實。柑橘品種品系甚多且親系來源繁雜，有來自自然雜交的，有屬于自身變異，也有多倍體的。根據(jù)相關(guān)資料表明：柑橘有年橘（果扁圓形，果頂部中央微凹，重50~65克）、廣東蜜柑（果扁圓形，或蒂部隆起呈短頸狀的闊圓錐形，頂部平而寬，中央凹，有淺放射溝，縱橫徑5.1~6.1厘米×6.1~7.8厘米，重136~157克）、冰糖橘（果扁圓形，頂部淺凹，蒂部微凸，縱橫徑3.8~4.2厘米× 4.8~5.5厘米，重53.2~62.3克）、九月黃、（果扁圓形。果頂微凹，有小突柱，果基有細肋紋，縱橫徑約3.5厘米×4.5厘米，重46-52克）、朱砂橘（果扁圓形，果頂稍凹，有時有小柱突，縱橫徑3~5厘米×4~6.5厘米，重40-70克）、洞庭紅（果扁圓形，果頂略凹，無柱突，縱橫徑2.5~4.5厘米×3.5~5.5厘米，重40-60克）、南豐蜜橘（果扁圓形，果頂平或微凹，有小柱突或無，果蒂部常隆起，有肋紋，或平而無肋紋，縱橫徑2.8-3.8厘米×3.9-5.0厘米，重25-50克）、福橘（果扁圓形，果頂部凹陷，蒂部四周常有放射溝，縱橫徑5.8-6.0厘米×6.4-7.5厘米，重100-140克）等等諸多柑橘品種，經(jīng)過統(tǒng)計柑橘的大概重量在150克左右，因此將本次設(shè)計采摘的柑橘重量定位150克。
驅(qū)動方式：因為電機驅(qū)動能夠很好的控制，控制的靈活性強，能夠?qū)λ俣?、位置進行精確的控制，對環(huán)境基本上沒有影響，體積相對小，傳動的效率高，在對于運動控制要求比較嚴(yán)格的中、小型機械臂中比較適用，因此本次設(shè)計主要采用了電機驅(qū)動。腕部關(guān)節(jié)的自由度對精度的要求較低，考慮到經(jīng)濟適用上的問題，選用小功率、低轉(zhuǎn)矩的步進電機，小臂俯仰關(guān)節(jié)、大臂俯仰關(guān)節(jié)和底盤的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)由于與果實距離較遠，且轉(zhuǎn)矩較大，對于精度要求要更高一些，因此選用交流伺服電機。
傳動系統(tǒng)設(shè)計：機器臂傳動設(shè)計中，我們應(yīng)該盡的讓這個機械臂的結(jié)構(gòu)要緊湊、變得更輕、轉(zhuǎn)動慣量和體積小，在傳動過程中要考慮采用消除齒輪之間、軸承的間隙等的措施，以提高機器臂的運動和位置控制精度。在機器人中常采用的機械傳動機構(gòu)有齒輪傳動、帶輪傳動、滾珠絲杠直線傳動、同步齒形帶傳動、鏈傳動、行星齒輪傳動和諧波齒輪傳動等。本次設(shè)計涉及的各個關(guān)節(jié)都有各自的特點，適當(dāng)?shù)剡x擇傳動機構(gòu)有著重要的意義。例如在底盤旋轉(zhuǎn)中選用行星齒輪傳動來保證足夠的轉(zhuǎn)矩；在腕部俯仰關(guān)節(jié)中用楔帶傳動使驅(qū)動電機的布局更加合理、美觀。
工作范圍：柑橘采摘機器人的工作范圍是根據(jù)柑橘果樹的機械臂作業(yè)過程中操作范圍和運動軌跡來確定，用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸會對機器人的結(jié)構(gòu)坐標(biāo)形式、自由度數(shù)、機械臂的長度和每個關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度范圍產(chǎn)生影響。
2.5機械臂的傳動原理
本次設(shè)計的柑橘采摘機器人機械臂具有六個自由度，其傳動結(jié)構(gòu)如圖2.5所示
圖2.5柑橘采摘機器人結(jié)構(gòu)簡圖
將整個機械臂分為五個部分：
底座：主要是支撐整個機械臂，包括上下底盤、伺服電機、RV減速器、軸承和法蘭盤。底座承載了整個機械臂的重量，因此需要有足夠的強度、剛度和承載能力。此外，底座設(shè)計還需要考慮到與移動小車能夠緊密的連接起來，足夠方便、快速。
臂部：包括大臂、小臂Ⅰ、小臂Ⅱ、連接法蘭、伺服電機、傳動軸、傳動齒輪、RV減速器、減速器等。機器人的手臂是用來連接各個關(guān)節(jié)的，將動力傳遞下去。農(nóng)業(yè)機器人在果林里，樹枝較多，而機器人的手臂對強度和剛度的要求都較高，因此采用高強度的鋁合金來做機器人的臂部，一般高強度的鋁合金的的密度是2.73g/cm3。此外，由于采摘機械臂是暴露在室外工作的，因此本次設(shè)計時，盡可能的將腕部的電機安裝在機械臂內(nèi)部，而在小臂、大臂和底座的電機則可以根據(jù)實際情況決定是否在外部增加保護罩。對于電線和氣管也盡量將其從機械臂的內(nèi)部穿過，減少被樹枝等損傷的可能。
腕部：包括手腕的殼體、傳動軸、傳動帶輪等。
末端執(zhí)行器：包括機械手抓、氣缸、傳動拉桿、外殼和切割電機等。末端執(zhí)行器可能需要穿過一些樹枝來摘取果實，所以要求結(jié)構(gòu)緊湊、體積小。末端執(zhí)行器的主要作用就是抓住果實，然后將果實從果樹上完好的采摘下來，這需要兩個驅(qū)動器分別驅(qū)動，對于抓取果實的驅(qū)動器，由于抓取果實時需要一直保持一定的抓緊力，而且僅有機械手抓的開合兩個短距離的運動，所以適合使用氣缸驅(qū)動。氣缸驅(qū)動能平穩(wěn)的控制機械手抓的開合，僅需要一下簡單的拉桿傳遞動力就能將氣缸的直線運動轉(zhuǎn)換為機械手抓的開合動作。如果使用電機驅(qū)動，轉(zhuǎn)換較為復(fù)雜，使用直線電機的成本較高，因此選擇使用氣缸驅(qū)動。采摘果實方式選擇使用電機帶動圓盤齒形鋸，將果梗鋸斷達到采摘的目的。
2.6本章小結(jié)
本章的內(nèi)容主要是通過對柑橘采摘機器人的結(jié)構(gòu)進行分析，從而確定了柑橘采摘機器人的技術(shù)指標(biāo)，選取了動作靈活、運動慣性小、通用性強的關(guān)節(jié)型機器人設(shè)計，本文選用的柑橘采摘機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案為模塊化的這種結(jié)構(gòu)，就是將柑橘采摘機器人的每一個關(guān)節(jié)都設(shè)計成一個機電一體化的小模塊，在傳動機構(gòu)的方案里，采用了較為熟悉的齒輪傳動。在確定了柑橘采摘機器人的總體設(shè)計方案后，還對柑橘采摘機器人的底座、手臂、手腕和末端執(zhí)行器等各個部分的設(shè)計要求進行詳細規(guī)劃。
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3.末端執(zhí)行器的設(shè)計
3.1切割電機的選擇
從網(wǎng)上了解的資料選擇的切割圓盤齒形鋸的直徑為50mm，厚度為0.8mm，材質(zhì)為高速工具鋼 W9Cr4V，密度為8.3g/cm3，重量為13g，額定轉(zhuǎn)速定為800r/min，將齒形鋸看成是扁平狀圓柱。則驅(qū)動力矩為：
查取轉(zhuǎn)動慣量公式有：
所以
取安全系數(shù)K=1.2
經(jīng)查資料，選擇了性能優(yōu)秀的42系列兩相大力矩混合式步進電機，型號是HSTM42-0.9-S-47-6-0.4，電機額定轉(zhuǎn)矩為0.311N˙m，額定轉(zhuǎn)速為600r/min，將圓盤矩形齒通過螺釘與電機的輸出軸連接固定。
切割電機的安裝和放置如圖3.1所示
圖3.1 切割電機的安裝圖
將切割電機安裝在一個特制的支架上，同時將切割的鋸片通過螺釘安裝在電機的傳動軸上，鋸片外設(shè)計了一個D型的保護盒，使鋸片僅用于切割的那部分暴露在外面。放置啟動時傷害到其他枝葉或者電線。保護盒通過三顆螺釘安裝在電機支架上。支架通過螺釘和墊片固定在末端執(zhí)行器的上蓋。
3.2氣缸的選擇
根據(jù)采摘的柑橘只有150g左右的重量，選用氣馬達來驅(qū)動機械手抓。氣馬達具有操縱簡單，維修簡單，環(huán)境對氣馬達的影響較小，而且不會因為過載而發(fā)生故障，啟動和停止迅速的優(yōu)點。
根據(jù)設(shè)計要求，本次選擇的安裝在末端執(zhí)行器上的氣缸要體積小，而且質(zhì)量輕，因此查閱資料后選擇ISO-6432標(biāo)準(zhǔn)小型圓形，直徑為8mm的雙作用氣缸。作用桿一端有一截的螺紋和一個螺母，通過和拉桿的螺孔配合，調(diào)整到一定的位置，作用桿在完全伸出時能使機械手抓完全張開，靠近柑橘，作用桿收縮后能抓緊柑橘，調(diào)整好后使用螺母鎖緊。氣缸的安裝是通過四個耳部的通孔，使用螺栓將氣缸固定在末端執(zhí)行器的底盤上。
3.3末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計
根據(jù)上述要求，設(shè)計出符合要求的末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)，如圖3.1所示。
圖3.1 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖
執(zhí)行氣缸推桿通過螺紋與一個欄桿相連接，拉桿Ⅰ通過軸銷與拉桿Ⅱ傳動，拉桿Ⅱ再分別通過軸銷與機械手抓連接。拉桿傳動如圖3.2所示
圖3.2 拉桿傳動圖
拉桿帶動機械手抓前后移動，機械手抓受到末端執(zhí)行器下底盤的結(jié)構(gòu)限制，無法垂直的前后移動，需要將手抓張開和合攏才能移動。因此達到了機械手抓的開合動作。
3.4本章小結(jié)
本章主要是闡述了用于切割柑橘果梗的切割電機進行了初步選擇的計算，確定了電機的型號，選擇了合適的氣缸用于驅(qū)動機械手抓，通過拉桿的設(shè)計和連接從而達到控制機械手抓的開合動作，對末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，末端執(zhí)行器使用螺釘與法蘭連接，便于更換。在必要時候，機械臂可以安裝其他不同的末端執(zhí)行器，可以用于進行其他的作業(yè)。
4腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計
4.1腕部機構(gòu)設(shè)計的要求
在本次柑橘采摘機器人的設(shè)計中，機器人的腕部的設(shè)計是一個很重要的設(shè)計，因為這部分需要將末端執(zhí)行器和小臂的連接部分，采摘機器人的手腕不僅要支撐住末端執(zhí)行器，還要和小臂一起完成任務(wù)，達到相關(guān)要求。因此，腕部的機構(gòu)設(shè)計在整個柑橘采摘機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計中占據(jù)了及其重要的一部分。本次設(shè)計對腕部需要達到的以下的要求：柑橘采摘機器人的腕部的機構(gòu)要足夠緊湊、盡可能的減少不需要的結(jié)構(gòu)，減輕重量；電機和軸承等的分布要合理；需要考慮環(huán)境問題。根據(jù)本次設(shè)計的思路，柑橘采摘機器人的主要是在種植園里面，環(huán)境對機器人的影響還是比較小的，但是需要考慮到是在戶外工作，且維修不方便，因此要保證機器人能快速更換故障部件，重新恢復(fù)工作的能力，還要有一定的進行防塵防水能力。
根據(jù)本次設(shè)計的柑橘采摘機器人的要求，考慮到柑橘生長情況的不確定性，為了保證能最大限度的采摘完柑橘樹上的果實，在腕部設(shè)計兩個自由度，一個為俯仰關(guān)節(jié)，一個為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。俯仰關(guān)節(jié)主要用于調(diào)整角度，使機械手抓能盡可能避開其他障礙物，抓取到果實。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計是考慮到柑橘生長的位置、角度各不相同，保證圓盤齒形鋸能準(zhǔn)確無誤的切斷果梗，提高采摘成功的幾率。
4.2腕部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計
4.2.1旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的選擇
末端執(zhí)行器重約3kg，長250mm，采用的高強度鋁合金密度為2.73g/cm3，把執(zhí)行器看成一個圓柱，可算出執(zhí)行器半徑
額定轉(zhuǎn)速定為，驅(qū)動力矩為：
查取轉(zhuǎn)動慣量公式有：
所以
取安全系數(shù)K=1.2
經(jīng)查資料，選擇了日本東方馬達公司的步進電機，型號是PKP214D06A，電機額定轉(zhuǎn)矩為0.036N˙m，額定轉(zhuǎn)速為30r/min，無需減速機構(gòu)便可直接用電機帶動。
4.2.2腕部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計
六軸旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)需要帶動末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)，需要的轉(zhuǎn)矩較小，使用電動機通過帶頸法蘭盤與末端執(zhí)行器連接，電動機直接固定在支架上，通過螺紋與法蘭盤連接傳動，為了保證對末端執(zhí)行器的支撐，在電機軸外設(shè)計安裝了一個深溝球軸承。
腕部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖4.1所示
圖4.1 腕部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)
4.3腕部俯仰關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計
4.3.1俯仰關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的選擇
為了方便計算，將執(zhí)行器和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)看成是一個整體，重量為8kg，長度為L1=360mm，質(zhì)心到軸的距離為200mm，因此L=200mm，柑橘的質(zhì)量為150g左右,所以腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動時候所需要的轉(zhuǎn)矩為：
將腕部俯仰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動速度假設(shè)是：
代入數(shù)據(jù)得：
本次設(shè)計的安全系數(shù)取1.2，則：
經(jīng)查閱電機的相關(guān)資料，電機定為日本東方馬達公司的步進電機，型號是PKP268D28A-L，額定轉(zhuǎn)速為30r/min，額定轉(zhuǎn)矩2.3N˙m。
4.3.2腕部俯仰關(guān)節(jié)的設(shè)計
考慮的腕部靠近果樹，如果將電機直接暴露在外面，不利于電機的保護，因此將電機安裝在小臂內(nèi)部，通過楔帶傳動。設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖4.2和圖4.3所示。
圖4.2 腕部俯仰關(guān)節(jié)俯視圖
圖4.2 帶輪傳動主視圖
4.3.3帶輪的設(shè)計
根據(jù)機械臂的尺寸和傳動帶的速度要求，選擇JB/T5983-1992多楔帶傳動。帶輪的材料選擇為HT200。
設(shè)計功率Pd=，安全系數(shù)取KA=1.1，腕部俯仰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動速度為30轉(zhuǎn)/min，扭矩為2.3N˙m，功率為0.05kw，Pd=1.1*0.05=0.055kw。
選擇PJ型帶，小帶輪直徑為40mm，傳動比為2，則大帶輪的直徑為2*40=80，根據(jù)資料取整，所以大帶輪的直徑為80mm。
初定中心距0.7（40+80）=84
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