小漿果采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)摘 要水果和蔬菜是人類生活中必不可少的食物，種植面積和產(chǎn)量逐年提高。研究開發(fā)適合目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的果蔬采摘機(jī)器人，不僅可以很大程度減輕勞動強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率，而且具有廣闊的應(yīng)用前景。本文在充分了解國內(nèi)外相關(guān)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對小漿果采集機(jī)械手進(jìn)行了研究。分析了機(jī)械手的組成結(jié)構(gòu)、各組成部分的功能、工作原理完成了采摘機(jī)械手部分的設(shè)計(jì)。包括腰部轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、大臂、小臂、腕部、末端執(zhí)行器具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，該機(jī)械手具有較好的工作空間、運(yùn)動學(xué)特性，能夠滿足小漿果采集的工作要求，在提高工作效率和采摘質(zhì)量的同時，應(yīng)考慮盡量降低小漿果采集機(jī)械手的制造成本，提高其通用性，以期實(shí)現(xiàn)小漿果采集的商業(yè)化。關(guān)鍵詞：小漿果采集；機(jī)械手；采集機(jī)械手；小漿果；機(jī)械手設(shè)計(jì)IIABSTRACTFruit and vegetables are absolutely necessarily food in our lives,the planted and output of them is boosting yearby year.Reseach and development about robot for picking fruit and vegetables that adapt to growth practical at present, not only canalleviate intensity of labour and advance productivity effect,also have expansive appliedp rospect.In this paper, both at home and abroad to fully understand the current situation related to the research and application on the basis of the collection of small berries manipulator is studied. Analyzed the composition of the structure of robot,the component of the function, working principle of the completion of part of the picking robot design. Including the arm, forearm, wrist,the end of the specific structure of the actuator design. The design of rotating the waist joint, the manipulator has a good working space, kinematic properties, to meet the small berries collected requirements.In improving the efficiency and quality at the same time picking,consideration should be given to minimize the collection of small berries robot manufacturing costs and enhance its versatility with a view to achieving a small business of collecting berries.Key words: Small berries collected; Manipulator; Collection Manipulator; Small berries; Manipulator design黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部內(nèi)容。作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日第1章 緒 論1.1 機(jī)器人概述 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動化已成為突出的主題.化工等連續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決.但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的.專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法.但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化.機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機(jī)械化奠定了良好的基礎(chǔ)?！肮I(yè)機(jī)器人”（Industrial Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨(dú)立的自動抓取、搬運(yùn)工件、操作工具的裝置（國內(nèi)稱作工業(yè)機(jī)器人或通用機(jī)器人）。 機(jī)器人是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動化裝置。機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢，但功能較少，適應(yīng)性較差。目前我國常把具有上述特點(diǎn)的機(jī)器人稱為專用機(jī)器人，而把工業(yè)機(jī)械人稱為通用機(jī)器人。簡而言之，機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手，把工件由某個地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工。 機(jī)器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)器人，也即本文所研究的對象。它是一種獨(dú)立的、不附屬于某一主機(jī)的裝置，可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它是除具備普通機(jī)械的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)（Manipulator）。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機(jī)器人來進(jìn)行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機(jī)器人，主要附屬于自動機(jī)床或自動生產(chǎn)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)器人在國外通常被稱之為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。機(jī)器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型，其中關(guān)節(jié)型機(jī)器人以其結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點(diǎn)，成為機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名機(jī)器人的本體部分都采用這種機(jī)構(gòu)形式的機(jī)器人。要機(jī)器人像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運(yùn)動的驅(qū)動傳動系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機(jī)器人的性能。一般而言，機(jī)器人通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖 1.1 所示。驅(qū)動-傳動系統(tǒng)基座部（固定或移動臂部腕部控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 機(jī)器人 電、液或氣動裝置單關(guān)節(jié)伺服控制器關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)及其它信息交換計(jì)算機(jī)手部圖1.1 機(jī)器人的一般組成對于現(xiàn)代智能機(jī)器人而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等。目前研究主要集中在賦予機(jī)器人“眼睛”，使它能識別物體和躲避障礙物，以及機(jī)器人的觸覺裝置。機(jī)器人的這些組成部分并不是各自獨(dú)立的，或者說并不是簡單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個機(jī)器人的。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所期望實(shí)現(xiàn)的功能，機(jī)器人的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關(guān)系如圖 1.2 所示。工作對象驅(qū)動 執(zhí)行傳動 機(jī)構(gòu)裝置位形檢測智能系統(tǒng)控制系統(tǒng)（二）控制系統(tǒng)（一）圖1.2 機(jī)器人各組成部分之間的關(guān)系機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動傳動系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實(shí)體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動傳動系統(tǒng)提供動力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。驅(qū)動傳動系統(tǒng)主要包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)和傳動系統(tǒng)。驅(qū)動機(jī)構(gòu)提供機(jī)器人各關(guān)節(jié)所需要的動力，傳動系統(tǒng)則將驅(qū)動力轉(zhuǎn)換為滿足機(jī)器人各關(guān)節(jié)力矩和運(yùn)動所要求的驅(qū)動力或力矩。有的文獻(xiàn)則把機(jī)器人分為機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機(jī)械系統(tǒng)又叫操作機(jī)(Manipulator)，相當(dāng)于本文中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分。1.2機(jī)器人發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)，尤其當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。 就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個發(fā)展趨勢： 1)提高運(yùn)動速度和運(yùn)動精度，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機(jī)器人的各個機(jī)械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人； 2)開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機(jī)構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場合； 3)研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制。51.3機(jī)械手的工作原理1.3.1機(jī)械手的結(jié)構(gòu)原理圖16432 1基座 2腰部 3大臂 4小臂 5手腕 6手指圖1.3機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖1.3.2機(jī)械手的組成結(jié)構(gòu) 由于本次設(shè)計(jì)的為小漿果采摘機(jī)器手。本機(jī)器手為六自由度采摘機(jī)器手，該機(jī)器手由機(jī)座、腰部、大臂、小臂、腕部以及末端執(zhí)行器組成。針對五自由度機(jī)器手的結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。腰部、大臂、小臂的驅(qū)動均采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，腕部采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動。設(shè)計(jì)完成的機(jī)器手包括腰部回轉(zhuǎn)、大臂擺動、小臂擺動、腕部擺動和回轉(zhuǎn)以及末端執(zhí)行器的剪切運(yùn)動，從而達(dá)到采摘的功能要求。1.4機(jī)械手設(shè)計(jì)的目的 由于現(xiàn)在政府對農(nóng)業(yè)的重視，越來越多的農(nóng)業(yè)機(jī)械興起，如水稻收割機(jī)、插秧機(jī)等。機(jī)械手也是最近流行的一種機(jī)械設(shè)備，它在中國的發(fā)展也是很快的，現(xiàn)在在各個行業(yè)都有機(jī)械手的應(yīng)用。對于本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手可以在一些危險和環(huán)境不適合作業(yè)的地方使用，這樣可以體現(xiàn)出它的實(shí)用性。處于這種目的，所以設(shè)計(jì)這樣相對實(shí)用的機(jī)械手。1.5本章小結(jié)本章對機(jī)器人的發(fā)展趨勢，以及要設(shè)計(jì)的機(jī)械手的工作原理，機(jī)械手的組成結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了分析，明確了機(jī)械手的設(shè)計(jì)目的。第2章 機(jī)械手設(shè)計(jì)方案2.1機(jī)械手總體方案的設(shè)計(jì)2.1.1 機(jī)械手設(shè)計(jì)的總體要求機(jī)械手設(shè)計(jì)的總體要求。機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)的基本要求，包括對機(jī)械手整機(jī)的設(shè)計(jì)要求和對組成零件的設(shè)計(jì)要求兩個方面，兩者互相聯(lián)系，互相影響。1)對機(jī)械手整機(jī)設(shè)計(jì)的基本要求：實(shí)現(xiàn)預(yù)定的使用功能是機(jī)械設(shè)計(jì)的最基本要求，好的使用性能指標(biāo)是設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。另外，操作使用方便、工作安全可靠、體積小、重量輕、效率高、外型美觀、噪聲低等往往也是機(jī)械設(shè)計(jì)時所要求的。其次，對機(jī)器的經(jīng)濟(jì)性也有一定的要求。機(jī)器的經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)、制造和使用的全過程。在設(shè)計(jì)機(jī)器時要全面綜合的考慮。設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)為合理的功能定位、實(shí)現(xiàn)使用功能要求的最簡單的技術(shù)途徑和最簡單合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)。2)對零件設(shè)計(jì)的基本要求：機(jī)械零件是組成機(jī)器的基本單元，對機(jī)器的設(shè)計(jì)要求最終是通過對零件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。所以，設(shè)計(jì)零件時應(yīng)滿足的要求是從設(shè)計(jì)機(jī)器的要求中引申出來的，即也應(yīng)從滿足機(jī)器的使用功能和經(jīng)濟(jì)性兩方面來考慮。要求在預(yù)定的工作期限內(nèi)正?？煽康毓ぷ?，從而保證機(jī)器的各種功能的正常實(shí)現(xiàn)。這就要求零件在預(yù)定的壽命期限內(nèi)不會產(chǎn)生各種可能的失效，即要求零件在強(qiáng)度、剛度，振動穩(wěn)定性、耐磨性和溫升等方面必須滿足必要的條件。這些條件就是判斷零件工作能力的準(zhǔn)則。要盡量降低零件的生產(chǎn)制造成本，這要求從零件的設(shè)計(jì)和制造等多方面加以考慮。設(shè)計(jì)時要合理選擇材料和毛坯的形式、設(shè)計(jì)簡單合理的零件結(jié)構(gòu)、合理規(guī)定零件的加工的公差等級以及認(rèn)真考慮零件的加工工藝性和裝配工藝性。另外要盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化的零部件。2.1.2機(jī)械手的總體方案 本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手主要是用于采摘作業(yè)。類型為關(guān)節(jié)型機(jī)器人，因?yàn)殛P(guān)節(jié)型的機(jī)器手在相同體積條件下比非關(guān)節(jié)型機(jī)器人具有大得多的相對空間和絕對空間。為了滿足采摘高度等的要求該機(jī)器人具有6個自由度，即腰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動、大臂的擺動、小臂的擺動、腕部的轉(zhuǎn)動、腕部的俯仰、末端執(zhí)行器的剪切運(yùn)動。該機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)包括：機(jī)座（即底部和腰部的固定支撐）、腰關(guān)節(jié)傳動裝置、大臂（即大臂支撐架）結(jié)構(gòu)及大臂傳動裝置、小臂（及小臂支撐架）結(jié)構(gòu)及小臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、腕部（即腕部支撐架）結(jié)構(gòu)及腕部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、末端執(zhí)行器。 任何一種機(jī)器都是由動力源、傳動裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。動力源是機(jī)器工作的能量來源，可以直接利用自然資源（也稱一次資源）或二次資源轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，如水輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)、電動機(jī)、液壓馬達(dá)、氣動馬達(dá)等。工作機(jī)是機(jī)器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用來實(shí)現(xiàn)機(jī)器的動力和運(yùn)動功能，如機(jī)器人的末端執(zhí)行器就是工作機(jī)。傳動裝置則是一種實(shí)現(xiàn)能量傳遞和兼有其它作用的裝置。下面分別對機(jī)器人的驅(qū)動方式、傳動方式以及機(jī)器人的各零部件材料作一一分析。2.2機(jī)械手結(jié)構(gòu)以及傳動方案的確定2.2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)類型的確定為了達(dá)到采摘作業(yè)的要求以及滿足不同高度和位置的要求，該機(jī)器人具有6個自由度，即腰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動、大臂的擺動、小臂的擺動、腕部的擺動和轉(zhuǎn)動、末端執(zhí)行器的剪切運(yùn)動。為實(shí)現(xiàn)以上要求，可以有不同的運(yùn)動組合，本課題的運(yùn)動可以從以下四種方案中進(jìn)行選擇： 1)直角坐標(biāo)型機(jī)器人的空間結(jié)構(gòu)是用三個相互垂直的直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的。由于直線運(yùn)動易于實(shí)現(xiàn)閉環(huán)位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置精度。但機(jī)體所占空間體積大、靈活性較差。主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)。2)圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人的空間運(yùn)動是一個回轉(zhuǎn)運(yùn)動及兩個直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡單，精度一般，常用于搬運(yùn)工作。3)球坐標(biāo)型（又稱極坐標(biāo)型）機(jī)器人的空間結(jié)構(gòu)是由兩個轉(zhuǎn)動和一個直線移動所組成，即一個回轉(zhuǎn)，一個俯仰和一個伸縮運(yùn)動組成，其工作空間圖形為一個球形，它可以作上下俯仰運(yùn)動并能夠抓取地面上或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間范圍大的特點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。精度不高，主要用于搬運(yùn)工作。4)關(guān)節(jié)型（又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型）機(jī)器人的空間結(jié)構(gòu)由三個回轉(zhuǎn)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的，這種機(jī)器人的手臂與人體上肢類似，其前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機(jī)器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動和使大臂作俯仰擺動，小臂作俯仰擺動。其特點(diǎn)使工作空間范圍大，動作靈活，通用性強(qiáng)、能抓取靠進(jìn)機(jī)座的物體。關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)的機(jī)器人在相同體積條件下比非關(guān)節(jié)型機(jī)器人具有大得多的相對空間和絕對空間。綜上所述，關(guān)節(jié)型機(jī)器人既可以滿足條件要求又具有其他形式機(jī)器人不具備的優(yōu)點(diǎn)。所以，本文采用的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式為關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。2.2.2驅(qū)動方案的確定 目前機(jī)械手常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電動機(jī)驅(qū)動等多種方式，各種驅(qū)動方式有其自身的特點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人中液壓和氣壓驅(qū)動應(yīng)用很廣泛，一些機(jī)器人則同時采用多種驅(qū)動方式，這都視不同機(jī)器人的特點(diǎn)和要求所定。比較這些驅(qū)動方式的特點(diǎn)，從中選出適合移動機(jī)械手的驅(qū)動方式。表2.1三種驅(qū)動方式的特點(diǎn)對照內(nèi)容驅(qū)動方式液壓驅(qū)動氣動驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動輸出功率很大，壓力范圍為50140Pa大，壓力范圍為4860Pa 較大控制性能利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜響應(yīng)速度 很高較高 很高結(jié)構(gòu)性能及體積結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較小伺服電動機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動機(jī)一般需配置減速裝置，除DD電動機(jī)外，難以直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題安全性防爆性能較好，用液壓油作傳動介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險防爆性能好，高于1000kPa(10個大氣壓)時應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)危險，直流有刷電動機(jī)換向時有火花，對環(huán)境的防爆性能較差對環(huán)境的影響液壓系統(tǒng)易漏油，對環(huán)境有污染排氣時有噪聲無在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用范圍適用于重載、低速驅(qū)動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人和托運(yùn)機(jī)器人適用于中小負(fù)載驅(qū)動、精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)器人本體的氣動平衡及裝配機(jī)器人氣動夾具適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)器人，如AC伺服噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人等成本液壓元件成本較高成本低成本高維修及使用方便，但油液對環(huán)境溫度有一定要求方便較復(fù)雜機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，通常對機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)的要求有：1)驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高；2)反應(yīng)速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動慣量比要大，能夠進(jìn)行頻繁地起、制動，正、反轉(zhuǎn)切換；3)驅(qū)動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要??；4)安全可靠；5)操作和維護(hù)方便；6)對環(huán)境無污染，噪聲要小；7)經(jīng)濟(jì)上合理，尤其要盡量減少占地面積。綜上所述，本文選擇電機(jī)驅(qū)動為機(jī)器人的驅(qū)動方式。另外，步進(jìn)電機(jī)可以不必經(jīng)過反饋便可以穩(wěn)定調(diào)速，因此，本次設(shè)計(jì)的腰部轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、大臂擺動、小臂擺動均采用步進(jìn)電機(jī)；腕關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動和擺動采用直流異步電機(jī)。2.2.3傳動方式 傳動裝置是一種實(shí)現(xiàn)能量傳遞和兼有其他作用的裝置，它的主要作用有:能量的分配與傳遞；運(yùn)動形式的改變；運(yùn)動速度的改變。傳動通常分為兩類:第一類是機(jī)械能不發(fā)生改變的傳動機(jī)械傳動；另一類是機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑螂娔苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的傳動電傳動。機(jī)械傳動又可分為嚙合傳動、摩擦傳動和流體傳動三天類?？紤]機(jī)械手結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，帶傳動、鏈動、齒輪傳動和蝸桿傳動是其可能的傳動方式，在這里將對以上四種傳動方式進(jìn)行比較。帶傳動：帶傳動通常是由主動輪、從動輪和張緊在兩輪上的傳動帶所組成的。當(dāng)主動輪回轉(zhuǎn)時，依帶與帶輪接觸面間的摩擦力拖動從動輪一起回轉(zhuǎn)，從而傳遞一定的運(yùn)動和動力。帶傳動具有的優(yōu)點(diǎn):有良好的撓性和彈性，有吸振和緩沖作用，因而使帶傳動平穩(wěn)、噪聲??；有過載保護(hù)作用，當(dāng)過載時引起帶在帶輪上發(fā)生相對滑動，可防止其他零件的損壞；制造和安裝精度與齒輪傳動相比較低，結(jié)構(gòu)簡單，制造、安裝、維護(hù)均較方便；適合于中心距較大的兩軸間傳動(中心距最大可達(dá)15米)帶傳動的主要缺點(diǎn)有:由彈性滑動的存在，使得傳動效率降低，不能保證準(zhǔn)確的傳動比；由于帶傳動需要初始張緊，此時，當(dāng)傳遞同樣大的圓周力時，與嚙合傳動相比軸上的壓力較大:結(jié)構(gòu)尺寸較大，不緊湊；傳動壽命較短；傳動帶與帶輪之間會產(chǎn)生摩擦放電現(xiàn)象；不宜用于有爆炸危險的場合?，F(xiàn)在一些新型帶傳動形式，如高速帶傳動、同步帶傳動、多楔帶傳動己經(jīng)克服了以上大部分的缺點(diǎn)。鏈傳動：鏈傳動是由鏈條和主、從動鏈輪所組成的。鏈輪上制造有特殊齒型的齒，依靠鏈輪齒與鏈節(jié)的嚙合來傳遞運(yùn)動和動力。鏈傳動是屬于帶有中間撓性件的嚙合傳動。與屬于摩擦傳動的帶傳動相比，鏈傳動無彈性滑動和打滑現(xiàn)象，因而能保持準(zhǔn)確的平均傳動比，傳動效率較高；又因?yàn)殒湕l不需要像帶那樣張得很緊，所以作用于軸上的徑向壓力較小；鏈條采用金屬材料制造，在同樣使用條件下，鏈傳動的整體尺寸較小，結(jié)構(gòu)較為緊湊；與齒輪傳動相比，鏈傳動的制造安裝精度要求較低，成本也低；在遠(yuǎn)距離傳動時，其結(jié)構(gòu)比齒輪傳動輕便的多。鏈傳動的主要缺點(diǎn)是:在兩根平行軸間只能用于同向回轉(zhuǎn)的傳動；運(yùn)轉(zhuǎn)時不能保持恒定的瞬時傳動比；磨損后易發(fā)生跳齒；工作時有噪聲；不宜在速度變化很大和異速方向的運(yùn)動中應(yīng)用。鏈傳動主要用在要求工作可靠，且兩軸相距較遠(yuǎn)，以及其他不宜采用齒輪傳動的場合。齒輪傳動：齒輪傳動是機(jī)械傳動中應(yīng)用最為廣泛的一類傳動，常用的漸開線齒輪傳動具有以下一些主要特點(diǎn):傳動效率高，在常用的機(jī)械傳動中，齒輪傳動的效率是最高的。一級圓柱齒輪傳動在正常潤滑條件下效率可達(dá)到99%以上，在大功率傳動中，高傳動效率是十分重要的:傳動比恒定，齒輪傳動具有不變的瞬時傳動比，因此齒輪傳動可用于圓周速度為200m/s以上的高速傳動；結(jié)構(gòu)緊湊，在同樣使用條件下，齒輪傳動所需要空間尺寸比帶傳動和鏈傳動小得多；工作可靠、壽命長，齒輪傳動在正確安裝，良好潤滑和正常維護(hù)條件下，具有其他機(jī)械傳動無法比擬的高可靠性和壽命。齒輪傳動的主要缺點(diǎn)有:對齒輪制造、安裝要求高；齒輪制造常用插齒機(jī)和滾齒機(jī)等專用機(jī)床及專用工具；通常的齒輪傳動為閉式傳動，需要良好的維護(hù)保養(yǎng)，因此齒輪傳動成本和費(fèi)用高；并且齒輪傳動不適合中心距較大的兩軸間的動力傳遞。蝸桿傳動：蝸桿傳動是一種空間齒輪傳動，能實(shí)現(xiàn)交錯角為90度的兩軸間動力和運(yùn)動傳遞。蝸桿傳動與圓柱齒輪傳動和圓錐齒輪傳動相比具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大、傳動平穩(wěn)和可以自鎖等顯著特點(diǎn)。蝸桿傳動的主要缺點(diǎn)是:齒面摩擦力大，發(fā)熱量高，傳動效率低。蝸桿傳動通常用于中、小功率非長時間連續(xù)工作的應(yīng)用場合。本文所選用的電機(jī)都采用了電機(jī)和齒輪輪系一體化的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力，但是不能通過電機(jī)直接驅(qū)動各個連桿的運(yùn)動。為減小機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程的沖擊和振動，并且不降低控制精度，采用了齒形帶傳動。齒形帶傳動是同步帶的一種，用來傳遞平行軸間的運(yùn)動或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，在本文中主要用于腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的傳動。齒形帶傳動原理如圖2.1所示。齒輪帶的傳動比計(jì)算公式為 (2.1)齒輪帶的平均速度為 (2.2)圖2.1齒形帶傳動原理諧波齒輪輪傳動：諧波傳動包括三個基本構(gòu)件：柔輪、剛輪和波發(fā)生器。如下圖所示。三個構(gòu)件中可以任意固定一個，其余兩個一個固定，一個從動，可以實(shí)現(xiàn)減速或增速（固定傳動比），也可以換成兩個輸入、一個輸出，組成差動傳動。諧波傳動主要用于軍工、精密儀器生產(chǎn)、醫(yī)療器械、起重機(jī)、機(jī)器人等。諧波減速器見簡圖2.2、2.3。圖2.2 諧波傳動原理圖圖2.3 諧波傳動減速器機(jī)構(gòu)簡圖波發(fā)生器H是一個桿狀部件，其兩端裝有滾動軸承構(gòu)成滾輪，與柔輪1的內(nèi)壁相互壓緊。柔輪為可產(chǎn)生較大彈性變形的薄壁齒輪，其內(nèi)孔直徑略小于波發(fā)生器的總長。波發(fā)生器是使柔輪產(chǎn)生可控彈性變形的構(gòu)件。當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪后，迫使柔輪的剖面由原先的圓形變成橢圓形，其長軸兩端附近的齒與剛輪的齒完全嚙合，而短軸兩端附近的齒則與剛輪完全脫開。周長上其他區(qū)段的齒處于嚙合和脫離的過渡狀態(tài)。當(dāng)波發(fā)生器沿圖示方向連續(xù)轉(zhuǎn)動時，柔輪的變形不斷改變，使柔輪與剛輪的嚙合狀態(tài)也不斷改變，由嚙入、嚙合、嚙出、脫開、再嚙入，周而復(fù)始地進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)柔輪相對剛輪沿波發(fā)生器H相反方向的緩慢旋轉(zhuǎn)。諧波齒輪傳動的特點(diǎn)如下：1)承載能力高 諧波傳動中，齒與齒的嚙合是面接觸，加上同時嚙合齒數(shù)（重疊系數(shù)）比較多，因而單位面積載荷小，承載能力較其他傳動形式高。2)傳動比大 單級諧波齒輪傳動的傳動比，可達(dá) i=70500。 3)體積小、重量輕。 4)傳動效率高、壽命長。 5)傳動平穩(wěn)、無沖擊，無噪音，運(yùn)動精度高。6)由于柔輪承受較大的交變載荷，因而對柔輪材料的抗疲勞強(qiáng)度、加工和熱處理要求較高，工藝復(fù)雜。表2.2列出了各種傳動形式的傳動效率：表2.2 主要傳動形式的效率傳動方式傳動效率帶傳動0.90.98鏈傳動0.930.97圓柱齒輪傳動0.90.99圓錐齒輪傳動0.880.98蝸桿傳動0.40.98諧波齒輪傳動0.70.9絲杠傳動0.850.95本次設(shè)計(jì)主要采用了齒輪傳動和帶傳動。減速器機(jī)構(gòu)主要為齒輪減速機(jī)構(gòu)和諧波減速器機(jī)構(gòu)。2.3制動器制動器及其作用：制動器是將機(jī)械運(yùn)動部分的能量變?yōu)闊崮茚尫?，從而使運(yùn)動的機(jī)械速度降低或者停止的裝置，它大致可分為機(jī)械制動器和電氣制動器兩類。在機(jī)器人機(jī)構(gòu)中，學(xué)要使用制動器的情況如下：1)特殊情況下的瞬間停止和需要采取安全措施。2)停電時，防止運(yùn)動部分下滑而破壞其他裝置。機(jī)械制動器： 機(jī)械制動器有螺旋式自動加載制動器、盤式制動器、閘瓦式制動器和電磁制動器等幾種。其中最典型的是電磁制動器。 在機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)中常使用伺服電動機(jī)，伺服電機(jī)本身的特性決定了電磁制動器是不可缺少的部件。從原理上講，這種制動器就是用彈簧力制動的盤式制動器，只有勵磁電流通過線圈時制動器打開，這時制動器不起制動作用，而當(dāng)電源斷開線圈中無勵磁電流時，在彈簧力的作用下處于制動狀態(tài)的常閉方式。因此這種制動器被稱為無勵磁動作型電磁制動器。又因?yàn)檫@種制動器常用于安全制動場合，所以也稱為安全制動器。電氣制動器: 電動機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，反之，他也具有將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電功能。換言之，伺服電機(jī)是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，同時也能通過其反過程來達(dá)到制動的目的。但對于直流電機(jī)、同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)等各種不同類型的電機(jī)，必須分別采用適當(dāng)?shù)闹苿与娐贰?本文中，該機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺未安裝機(jī)械制動器，因此機(jī)器人的肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)在停止轉(zhuǎn)動的時候，會因?yàn)橹亓σ蛩囟侣?。另外，由于各方面限制，不方便在原有機(jī)構(gòu)上添加機(jī)械制動器，所以只能通過軟件來實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的電氣制動。采用電氣制動器，其優(yōu)點(diǎn)在于：在不增加驅(qū)動系統(tǒng)質(zhì)量的同時又具有制動功能，這是非常理想的情況，而在機(jī)器人上安裝機(jī)械制動器會使質(zhì)量有所增加，故應(yīng)盡量避免。缺點(diǎn)在于：這種方法不如機(jī)械制動器工作可靠，斷電的時候?qū)⑹ブ苿幼饔谩?.4本章小結(jié)本章擬定了機(jī)械手設(shè)計(jì)的總體方案，確定了機(jī)械手結(jié)構(gòu)及傳動方案,選擇了制動器。第3章 機(jī)械手零部件選擇及計(jì)算3.1機(jī)械手結(jié)構(gòu)作為一種果實(shí)采摘機(jī)器人，為完成采摘任務(wù)，操作機(jī)械手必須有足夠的自由度，能夠靈活的移動到指定的目標(biāo)位置來抓取目標(biāo)物，為此自由度數(shù)至少在5以上，該機(jī)器人的機(jī)械手部分具有6個自由度。下面分別是手部、腕部和臂部結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)。3.1.1腰部結(jié)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人腰座，就是圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人、球坐標(biāo)機(jī)器人及關(guān)節(jié)型機(jī)器人的回轉(zhuǎn)基座。它是機(jī)器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。機(jī)器人的運(yùn)動部分全部安裝在腰座上，它承受了機(jī)器人的全部重量。在設(shè)計(jì)機(jī)器人腰座結(jié)構(gòu)時，要注意以下設(shè)計(jì)原則：1)腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機(jī)器人在工作時的整體安裝的穩(wěn)定性。2)腰座要承受機(jī)器人的全部重量和載荷，因此，機(jī)器人的基座和腰部軸和軸承的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載能力。3)機(jī)器人的腰座是機(jī)器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對機(jī)器人末端的運(yùn)動精度影響最大，因此，在設(shè)計(jì)時特別注意腰部軸系及傳動鏈的精度和剛度的保證。4)為了保證機(jī)器人的外部電纜不隨機(jī)器人的運(yùn)動而擺動，所以，機(jī)器人的外部電纜（機(jī)器人與控制器的聯(lián)接電纜），都是安裝在不運(yùn)動的機(jī)器人基座上，并通過機(jī)器人腰部傳到機(jī)器人的各運(yùn)動關(guān)節(jié)。因此，機(jī)器人的基座與腰部結(jié)構(gòu)要便于電纜的通過，并要解決固定端與運(yùn)動端的聯(lián)接問題。5)腰部的回轉(zhuǎn)要有相應(yīng)的驅(qū)動裝置，它包括驅(qū)動器及減速器。驅(qū)動器一般帶有速度與位置傳感器，以及制動閘。6)腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。腰部與機(jī)器人手臂的聯(lián)接要有可靠的定位基準(zhǔn)面，以保證各關(guān)節(jié)的相互位置精度。要設(shè)有調(diào)整機(jī)構(gòu)，用來調(diào)整腰部軸承間隙及減速器的傳動間隙。7)為了減輕機(jī)器人運(yùn)動部分的慣量，提高機(jī)器人的控制精度，一般腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動部分的殼體是比重較小的鋁合金材料制成，而不運(yùn)動的基座是鑄鐵或鑄鋼材料制成。本機(jī)械手采用的環(huán)形軸承的支承結(jié)構(gòu)。 3.1.2臂部結(jié)構(gòu)手臂部件是機(jī)械手的主要部件。它的作用是支承腕部和手部，并帶動它們做空間運(yùn)動。臂部運(yùn)動的目的:把手部送到空間運(yùn)動范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)(方位)，則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降(或俯仰)運(yùn)動。設(shè)計(jì)基本要求:1)臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕。臂部通常即受彎曲(而且不僅是一個方向的彎曲)，也受扭轉(zhuǎn)，應(yīng)選用抗彎和抗扭剛度較高的截面形狀。很明顯，在截面積和單位重量基本相同的情況下，鋼管、工字鋼和槽鋼的慣性矩要比圓鋼大得多。所以，機(jī)械手常采用無縫鋼管作為導(dǎo)向桿，用工字鋼或槽鋼作為支承鋼，這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重，而且空心的內(nèi)部還可以布置驅(qū)動裝置、傳動裝置以及管道，這樣就使結(jié)構(gòu)緊湊、外形整齊。2)臂部運(yùn)動速度要高，慣性要小。在一般情況下，手臂的移動和回轉(zhuǎn)、俯仰均要求勻速運(yùn)動，但在手臂的啟動和終止瞬間，運(yùn)動是變化的，為了減少沖擊，要求啟動時間的加速度和終止前減速度不能太大，否則引起沖擊和振動。為減少轉(zhuǎn)動慣量，應(yīng)采取以下措施:(1)減少手臂運(yùn)動件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料。(2)減少手臂運(yùn)動件的輪廓尺寸。(3)減少回轉(zhuǎn)半徑。(4)驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。3)手臂動作應(yīng)靈活。為減少手臂運(yùn)動件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。4)位置精度要高。一般來說，直角和圓柱坐標(biāo)系機(jī)械手位置精度高；關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置最難控制，故精度差；在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測機(jī)構(gòu)，能較好的控制位置精度。 3.1.3腕部結(jié)構(gòu) 手腕部件設(shè)置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運(yùn)動的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變或調(diào)整手部在空間的位置，以擴(kuò)大機(jī)械手的動作范圍，并使機(jī)械手變得更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕的運(yùn)動形式可以有:繞X軸轉(zhuǎn)動稱為回轉(zhuǎn)運(yùn)動；繞Y軸轉(zhuǎn)動稱為上下擺動；繞Z軸轉(zhuǎn)動稱為左右擺動；有的甚至是沿Y軸或Z軸的橫向移動。一般手腕設(shè)有回轉(zhuǎn)或再增加一個上下擺動即可滿足工作要求。 本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手腕部結(jié)構(gòu)，具有一個擺動的自由度和一個旋轉(zhuǎn)自由度，擺動范圍為090度，旋轉(zhuǎn)范圍為0360度。傳動方式選擇圓錐齒輪傳動，電機(jī)置于機(jī)械臂內(nèi)與腕部傳動軸垂直。利用電機(jī)帶動連軸器，連軸器再帶動小臂前半段殼體旋轉(zhuǎn)。兩自由度手腕足以滿足各種工作情況的需要。3.1.4末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu) 機(jī)械手手部(末端執(zhí)行器)結(jié)構(gòu)形式多樣，但總的設(shè)計(jì)都有如下幾點(diǎn)基本要求:1)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力，手指握力(夾緊力)大小要適宜，力量過大則動力消耗多結(jié)構(gòu)龐大，不經(jīng)濟(jì)，甚至?xí)p壞抓取物體；力量過小則夾持不住或產(chǎn)生松動、脫落。在確定握力時，除考慮抓取物體重量外，還應(yīng)考慮傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證夾持安全可靠。 2)手指應(yīng)具有一定的開閉范圍，手應(yīng)具有一定的開閉角度(手指從張開到閉合繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過的角度)或開閉范圍(對平移型手指從張開到閉合的直線移動距離)，以便于抓取或退出物體。3)應(yīng)保證抓取物體在手指內(nèi)的夾持精度，應(yīng)保證每個被抓取的物體，在手指內(nèi)都有準(zhǔn)確的相對位置。4)要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證自身剛度、強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負(fù)載。 在這里還必須討論一下機(jī)械手手指數(shù)量的問題，不同的手指數(shù)量可以完成的動作、動作復(fù)雜程度都不同，可以根據(jù)機(jī)械手必須完成的動作確定機(jī)械手所需的最少手指數(shù)。一個手指能推、滾或滑動小物體，還可用力操縱開關(guān)等；兩個手指除具有一個手指的功能外，還能抓住物體并可精確的控制物體的位置和取向；三個手指除能完成兩個手指完成的功能外，它還有在手中反復(fù)抓握物體的功能，如將物體拋入空中并在新的方向抓住物體；多個手指則具有更大的靈活性，如能抓住和操縱多個物體。對于本文的果實(shí)采摘機(jī)器人，需要能夠剪切下物體即可，控制物體的位置和取向，選擇兩個手指就可以滿足此工作要求，所以在結(jié)構(gòu)上將采用兩指。 機(jī)械手手部(末端執(zhí)行器)的傳動機(jī)構(gòu)是向手指傳遞運(yùn)動和動力，以實(shí)現(xiàn)夾緊和松開動作的機(jī)構(gòu)。3.1.5機(jī)械手材料本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂殼體采用鋁合金材料加工而成機(jī)械手手臂剛性好、抗扭能力強(qiáng)、重量輕，所有傳動機(jī)構(gòu)和驅(qū)動裝置都置于機(jī)械手臂內(nèi)部，外形簡潔；機(jī)械手表面還裝有緩沖墊，當(dāng)驅(qū)動裝置出現(xiàn)故障或供電電池耗盡時，可以起到緩沖作用，避免手臂沖擊造成損壞。大臂外殼粘貼的橡膠墊，起緩沖墊作用。小臂與大臂的關(guān)節(jié)使用圓錐齒輪傳動，電動機(jī)置于大臂殼體內(nèi)。3.2腰關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.2.1腰關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的選擇腰關(guān)節(jié)的傳動是由電機(jī)通過齒形帶，再通過同步帶帶動腰部及整個機(jī)器人本體轉(zhuǎn)動?？偟膫鲃颖取ＱP(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)選擇步進(jìn)電機(jī)，型號為:42BYG101；保持轉(zhuǎn)矩：；步距角：；質(zhì)量:。機(jī)器人的受力情況如圖3.1所示：圖3.1 機(jī)器人受力情況腰關(guān)節(jié)的負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量（以下所計(jì)算的轉(zhuǎn)動慣量均為折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量）外部負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量:即大小臂、手腕、夾持重物的轉(zhuǎn)動慣量： （3.1）、分別表示同步帶和齒輪傳動的效率,、把數(shù)字代入上式得:=大臂關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量：估算得由諧波減速器的選擇知： 假設(shè)電機(jī)從加速到所用的時間為，則角加速度 （3.2）負(fù)載折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩：由電動機(jī)的選擇知 （3.3）折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩所以電機(jī)的選擇符合要求。3.2.2腰部關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)腰部的支承結(jié)構(gòu)：1）采用普通軸承的機(jī)器人腰部支承結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單、成本低、安裝調(diào)整方便。缺點(diǎn)是腰部尺寸較高。2）采用環(huán)形軸承的機(jī)器人腰部支承結(jié)構(gòu)。環(huán)形軸承精度高、剛度大、復(fù)合力大、裝配簡單方便，可以承受徑向力、軸向力及傾覆力矩，許多機(jī)器人都采用這種軸承作為腰部支承元件。環(huán)形軸承種類很多，有用滾球的，也有用滾柱的。在本次設(shè)計(jì)中采用的正是環(huán)形軸承，由于采集機(jī)械手對精度要求很高，所以采用這種結(jié)構(gòu)。采用薄壁密封交叉滾子軸承在機(jī)械設(shè)計(jì)手冊中查得應(yīng)該采用的是CRB20025，其參數(shù)為，。腰部的傳動是由電動機(jī)通過諧波減速器的減速后，再帶動薄壁密封交叉滾子軸承轉(zhuǎn)動從而使腰座回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的轉(zhuǎn)動。3.3大臂關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大臂關(guān)節(jié)的傳動主要是由電動機(jī)通過同步帶與齒輪的嚙合帶動大臂轉(zhuǎn)動的。大臂關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)選擇步進(jìn)電機(jī)。設(shè)物體的最大當(dāng)量回轉(zhuǎn)半徑R =75mm，設(shè)末端執(zhí)行器的最大當(dāng)量回轉(zhuǎn)半徑R=20 mm，回轉(zhuǎn)裝置及物體的重心到回轉(zhuǎn)中心的距離R=100mm，腕部慣量折算到負(fù)載端，則腕部擺動時其轉(zhuǎn)動慣量： （3.4） （3.5） （3.6）其中：、為物體、末端執(zhí)行器以及腕部擺動部分的折算質(zhì)量。設(shè)機(jī)器人腕部俯仰角速度從 加速到 所需時間 則腕部俯仰角加速度： （3.7）負(fù)載啟動慣性矩（靜摩擦力矩忽略不計(jì)）： （3.8）取兩級圓柱齒輪傳動裝置的傳動比為2。圓柱齒輪的傳動效率均取 。由于進(jìn)電機(jī)不具有瞬時過載能力，故取安全系數(shù)為 2（下同），則步進(jìn)電機(jī)輸出的啟動轉(zhuǎn)矩: （3.9） 所以，選擇如下二相混合式步進(jìn)電機(jī)，型號：57BYG306；最大靜轉(zhuǎn)矩：；步距角：；質(zhì)量：。 3.4小臂關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 小臂關(guān)節(jié)的傳動同樣是由電動機(jī)通過同步帶與齒輪的嚙合帶動小臂轉(zhuǎn)動的。 初選電機(jī)：選擇異步電機(jī)，型號為42BYG101、保持轉(zhuǎn)矩0.17；步距角: 0.90；質(zhì)量:。折算到電機(jī)軸上的負(fù)載靜轉(zhuǎn)矩： (3.10) 折算到電機(jī)軸上的負(fù)載加速轉(zhuǎn)矩： (3.11) (3.12) 為電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量： 假設(shè)電機(jī)從加速到所用的時間為，則角加速度 ）折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)矩+電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩電機(jī)的選擇符合要求。3.5手腕關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.5.1手腕轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的計(jì)算手腕轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的傳動是由電動機(jī)通過諧波減速器，再通過齒輪來實(shí)現(xiàn)傳動要求。總的傳動比。1）手腕轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的選擇：初選電機(jī)：選擇直流伺服電機(jī)，型號為SYX-70、 額定功率P=0.1KW、額定轉(zhuǎn)矩,額定轉(zhuǎn)速=3000r/min,峰值轉(zhuǎn)矩=2.4,諧波減速器選擇：型號為XB-40,輸出轉(zhuǎn)矩T=16,=80,輸出轉(zhuǎn)速,重物的最大回轉(zhuǎn)半徑,折算到電機(jī)軸上的腕部負(fù)載靜轉(zhuǎn)矩由下式可知 = = (3.13)折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量= (3.14)其它傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量相對于腕部負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量很小，所以忽略不計(jì)。假設(shè)電機(jī)從加速到所用的時間為，則角加速度 (3.15) 折算到電機(jī)軸上的腕部負(fù)載加速轉(zhuǎn)矩 (3.16)所以這算到電機(jī)軸上的總的腕部負(fù)載轉(zhuǎn)矩+電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。電機(jī)的選擇符合要求。2）手腕轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)諧波減速器的計(jì)算初選諧波減速器：諧波減速器選擇型號為XB-40、輸出轉(zhuǎn)矩，輸出轉(zhuǎn)速，腕部負(fù)載靜轉(zhuǎn)矩。腕部負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量 (3.17)假設(shè)小臂關(guān)節(jié)從加速到所用的時間為，則角加速度 (3.18)負(fù)載加速轉(zhuǎn)矩 (3.19)總的負(fù)載轉(zhuǎn)矩+諧波減速器的輸出轉(zhuǎn)矩。所以諧波減速器的選擇符合要求。3）手腕轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)傳動齒輪的設(shè)計(jì) (1)要求分析主動輪轉(zhuǎn)速:（諧波減速器的輸出轉(zhuǎn)速）齒數(shù)比 由于諧波減速器輸出的轉(zhuǎn)矩為，所以主動輪的轉(zhuǎn)矩也為。(2)選擇齒輪材料、熱處理方式及計(jì)算許用應(yīng)力主動齒輪：號鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為；從動齒輪：號鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為。確定許用應(yīng)力：a.確定極限應(yīng)力和齒面硬度:主動齒輪按，從動齒輪按。查文獻(xiàn)得；b.計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N，確定壽命系數(shù)、 (3.20)查文獻(xiàn)得；c.計(jì)算許用應(yīng)力查文獻(xiàn)取， (3.21) = = (3.22)(3)初步確定齒輪的基本參數(shù)和主要尺寸選用直齒圓柱齒輪，齒輪精度等級選用8級初選參數(shù)：、由于選用軟齒面齒輪，所以 (3.23) = ，取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。 ，(+)， ，取， 。(4)驗(yàn)算齒輪彎曲強(qiáng)度條件按彎曲強(qiáng)度條件驗(yàn)算查文獻(xiàn)得，取。計(jì)算彎曲應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明該設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。直齒圓錐齒輪的設(shè)計(jì)：圓錐齒輪起到換向作用，傳動比i=2，軸交角齒輪均選用號鋼并調(diào)質(zhì)處理，強(qiáng)度，取硬度為。齒輪加工精度為 級。通過計(jì)算得出下列結(jié)果：表3.1 手腕回轉(zhuǎn)圓錐齒輪的計(jì)算結(jié)果參數(shù)mm mmmmmm手腕回轉(zhuǎn)二級傳動錐齒輪一手腕回轉(zhuǎn)二級傳動錐齒輪二3.5.2手腕擺動關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)及計(jì)算手腕擺動關(guān)節(jié)的傳動是由電動機(jī)通過諧波減速器，再帶動整個手腕的轉(zhuǎn)動?？偟膫鲃颖龋渲?。1)手腕擺動關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的選擇初選電機(jī)：選擇直流伺服電機(jī)，型號為SYX-70、額定功率、額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速、峰值轉(zhuǎn)矩。諧波減速器選擇：型號為XB-40、輸出轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)速。設(shè)法蘭盤及重物的最大回轉(zhuǎn)半徑。折算到電機(jī)軸上的腕部負(fù)載靜轉(zhuǎn)矩：折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量：其它傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量相對于腕部負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量很小，所以忽略不計(jì)。假設(shè)電機(jī)從加速到所用的時間為，則角加速度折算到電機(jī)軸上的腕部負(fù)載加速轉(zhuǎn)矩所以折算到電機(jī)軸上的總的腕部負(fù)載轉(zhuǎn)矩+電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。電機(jī)的選擇符合要求。2)手腕擺動關(guān)節(jié)諧波減速器的計(jì)算手腕擺動關(guān)節(jié)的諧波減速器的計(jì)算和前面所說的內(nèi)容非常相似，這里不再詳細(xì)算。諧波減速器選擇：諧波減速器選擇型號為XB-40，輸出轉(zhuǎn)矩T，輸出轉(zhuǎn)速。經(jīng)過計(jì)算符合使用要求。3.6本章小結(jié)本章對機(jī)械手的結(jié)構(gòu)：腰部結(jié)構(gòu)、臂部結(jié)構(gòu)、腕部結(jié)構(gòu)、末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了確定，選擇了鋁合金作為機(jī)械手的材料，對腰關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)，大臂關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)、小臂關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)、手臂關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。第4章 機(jī)械手切斷刀具(末端執(zhí)行器)的設(shè)計(jì)4.1機(jī)械手切斷工具的設(shè)計(jì)機(jī)械手切斷刀具是電機(jī)通過諧波減速器，帶動法蘭盤做轉(zhuǎn)動，最后使連桿作圓周運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的剪切運(yùn)動。手指是直接與工件接觸的部件。手指松開和夾緊工件，是通過手指的張開與閉合來實(shí)現(xiàn)的。傳動機(jī)構(gòu)是向手指傳遞運(yùn)動和動力，以實(shí)現(xiàn)夾緊和松開動作的機(jī)構(gòu)。根據(jù)手指開合的動作特點(diǎn)分為回轉(zhuǎn)型和平移形。本文采用回轉(zhuǎn)型傳動機(jī)構(gòu)。圖4.1為初步設(shè)計(jì)的機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡圖（只畫出了一半，另外一半關(guān)于中心線對稱）。圖4.1 機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡圖在圖4.1中，O為電機(jī)輸出軸，曲柄OA、連桿AB、滑塊B和支架構(gòu)成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；滑塊B、連桿BC、搖桿CE和支架構(gòu)成滑塊搖桿機(jī)構(gòu)。通過兩個機(jī)構(gòu)串聯(lián)，使電機(jī)最終驅(qū)動DE的來回?cái)[動，從而實(shí)現(xiàn)手指的開合運(yùn)動。圖4.1中的分別表示機(jī)構(gòu)運(yùn)行的兩個極限位置。為便于手指的順利合攏，可以在兩個手指之間設(shè)置一個彈簧，這樣還可以提供適當(dāng)?shù)膴A緊力。另外，在選用電機(jī)的時候，要使電機(jī)的功率足以克服彈簧的收縮和張開，并且提供足夠加緊物體的力。選電機(jī)：選擇直流伺服電機(jī)，型號為MULTIPLEX STELL-SERVO、額定電壓、額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速。4.2本章小結(jié)本章對機(jī)械手的切斷工具進(jìn)行了設(shè)計(jì)。結(jié) 論我所做的課題是小漿果采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)，選用的是關(guān)節(jié)型機(jī)器人。本次設(shè)計(jì)完成的工作如下：1)利用圖書館的存書和網(wǎng)絡(luò)，搜索相關(guān)方面的知識，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)習(xí)和畢業(yè)實(shí)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合比較之后，選定設(shè)計(jì)方案。2)采摘機(jī)械手部分的設(shè)計(jì)。包括大臂、小臂、腕部、末端執(zhí)行器具體結(jié)構(gòu)的計(jì)算和設(shè)計(jì)。3)腰部轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)和計(jì)算。4)利用CAD設(shè)計(jì)軟件畫出裝配圖以及部分重要零件的展開圖。 同時，由于我知識量的限制，且時間倉促，本設(shè)計(jì)還存在一些缺陷，希望在今后的學(xué)習(xí)工作中加以改進(jìn)。參考文獻(xiàn)1 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊J. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.2 殷玉楓.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)J.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.3 濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)M.北京:高等教育出版社， 2006.4 吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊（上下冊）J.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.5 周開勤編 .機(jī)械零件手冊J. 北京:高等教育出版社，2004.3.6 周伯英.工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)M.北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2005.6.7 龔振幫.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)J .北京: 電子工業(yè)出版社，2004.8 (日)藤森洋三.機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)J. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.9 (日)加藤一郎.機(jī)械手圖冊M.上海：上海科技出版社，2007.10 黃繼昌，實(shí)用機(jī)械機(jī)構(gòu)圖冊J.北京:人民郵電出版社，2006.11 索羅門采夫.工業(yè)機(jī)器人圖冊J. 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