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水果采摘機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計摘要本文首先根據(jù)收集的文獻資料,簡要闡述了水果采摘機器人的特點和國內(nèi)外的研究進展,結(jié)合當(dāng)前在此領(lǐng)域的一些研究實例進行比較分析;并在此基礎(chǔ)上重點分析了果蔬采摘機器人研究中存在的問題,設(shè)計出水果采摘機器人的機械本體,包括行走機構(gòu)、伸縮機械臂、采摘機械手和剪切機械手具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計,伸縮臂采用電機驅(qū)動鋼絲繩拉伸的運動方式,該機器人兩只精密的機械手采用了疊加的方式,節(jié)省了使用空間,以切斷果柄為目標(biāo),保證采摘質(zhì)量。除此之外,還在UG中構(gòu)建了采摘機器人的三維模型,生成重要部件的工程圖。最后,對水果采摘機器人在農(nóng)業(yè)上的發(fā)展前景進行了展望。關(guān)鍵詞:水果采摘;機器人;結(jié)構(gòu)設(shè)計;發(fā)展前景AbstractFirstly,accordingtothecollectedliterature,thispaperbrieflydescribesthecharacteristicsoffruitpickingrobotandtheresearchprogressathomeandabroad.Basedontheanalysestheproblemsexistingintheresearchofharvestingrobot,designthefruitpickingrobotmanipulator,includingwalkingmechanism,telescopicarm,pickingmanipulatorandshearingmanipulatordesignofconcretestructure,telescopicarmdrivenbymotorwireropetensilemovementway,thetwoprecisionofrobotmanipulatorwiththemethodofthesuperposition,savedthespaceuse,tocutoffthefruitstalkasthegoal,ensurethequalityofpicking.Inaddition,a3dmodelofthepickingrobotisbuiltinUGtogenerateengineeringdrawingsofimportantparts.Finally,thedevelopmentprospectoffruitpickingrobotinagricultureisprospected.Keywords:Fruitpicking;Robot;Structuraldesign;Prospectsfordevelopment目錄第1章緒論 11.1研究的目的及意義 11.2機器人簡介 11.3國內(nèi)外采摘機器人的研究進展 21.4本課題研究的主要內(nèi)容 3第2章總體方案設(shè)計 52.1原始設(shè)計參數(shù) 52.2水果采摘機器人整體方案的設(shè)計 52.3整體模型的建立 7第3章行走機構(gòu)的設(shè)計 83.1電機的計算和選型 93.2傳動系統(tǒng)的設(shè)計和選型 103.2.1驅(qū)動輪的結(jié)構(gòu)選取 103.2.2驅(qū)動輪的齒數(shù)選取 113.2.3驅(qū)動輪的參數(shù)計算 113.2.4驅(qū)動輪的強度計算 12第4章伸縮機械臂的設(shè)計 134.1伸縮機械臂的設(shè)計方案 134.2絲杠螺母傳動副的計算和選型 134.2.1確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程 134.2.2確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷 144.2.3預(yù)期額定動載荷 144.2.4確定允許的最小螺紋底徑 154.2.5確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號 154.2電機的設(shè)計和選取 154.2.1電機功率計算 154.2.2電機力矩計算 164.2.3型號選擇 164.2.4聯(lián)軸器選擇 16第5章機械手的設(shè)計 175.1回轉(zhuǎn)電機的計算和選型 18結(jié)語 1附錄 1參考文獻 1致謝 0水果采摘機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計PAGE7上海海關(guān)學(xué)院畢業(yè)論文第1章緒論1.1研究的目的及意義在果蔬生產(chǎn)作業(yè)中,采摘收獲環(huán)節(jié)約占整個作業(yè)量的40%,傳統(tǒng)的人工采摘方式基本上屬于勞動密集型作業(yè),勞動強度大,受天氣影響和日照時間限制,不僅勞動效率低下,勞作質(zhì)量無法保證,而且采摘過程中的安全隱患也不容忽視。這些問題伴隨著人口老齡化進程的加深正不斷加劇。果蔬采摘機器人的研究與開發(fā)可視為科學(xué)家和技術(shù)工作者為了解決這些問題而作的勇敢探索。水果采摘機器人的出現(xiàn)解決目前水果采摘面臨的困境,實現(xiàn)了農(nóng)田收獲自動化,能夠適應(yīng)環(huán)境的變化,保證工作的效率,符合水果產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。采摘機器人在水果產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用可以保證水果適時采摘、提高水果采摘質(zhì)量,并且隨著農(nóng)業(yè)向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的進程中,具有廣闊的市場前景。1.2機器人簡介1.2.1機器人的定義眾所周知,機器人是自動執(zhí)行工作的機器裝置,它既可以接受人類指揮,又可以運行預(yù)先編排的程序,也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動,可代替或協(xié)助人類完成各種枯燥的、危險的、有毒的、有害的重復(fù)性的工作。1.2.2機器人的分類機器人按照用途主要可以分為:工業(yè)機器人、農(nóng)業(yè)機器人、家用機器人、醫(yī)用機器人、服務(wù)型機器人、空間機器人、水下機器人、軍用機器人、排險救災(zāi)機器人、教育教學(xué)機器人、娛樂機器人等1.2.3機器人的應(yīng)用隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,機器人在應(yīng)用領(lǐng)域的研究正不斷被關(guān)注,機器人技術(shù)的應(yīng)用范圍在逐漸擴大。作為機器人技術(shù)應(yīng)用的一個重要方面,各種農(nóng)業(yè)機器人正不斷被開發(fā)出來[1],在農(nóng)業(yè)日益走向工業(yè)化的今天,他們被期望能替代人類完成繁重的農(nóng)業(yè)勞作,提高農(nóng)業(yè)勞作的科學(xué)性,可控性,節(jié)省人力和物力,增強勞作效能,而采摘機器人是農(nóng)業(yè)機器人研究的一個重要分支,近年來一直備受關(guān)注。1.3國內(nèi)外采摘機器人的研究進展1.3.1國外采摘機器人研究進展采摘作業(yè)的自動化和機器人研究始于20世紀(jì)60年代的美國,從20世紀(jì)80年代中期開始,隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展,特別是工業(yè)機器人技術(shù)、計算機圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的日益成熟,以日本為代表,荷蘭、美國、法國、英國、以色列、西班牙等發(fā)達國家,在采摘機器人的研究上作了很多嘗試,各種果樹采摘機器人陸續(xù)被開發(fā)出來,如番茄采摘機器人[2]、蘋果采摘機器人[3]、黃瓜收獲機器人[4]、西瓜收獲機器人[5]、和蘑菇采摘機器人[6]等。日本岡山大學(xué)的KondoN等人1991年研究了一種番茄采摘機器人,機器人利用機器視覺對果實進行判別,采用五自由度垂直多關(guān)節(jié)機械臂和能夠上下、前后移動的二自由度直動關(guān)節(jié),以避讓莖葉接近目標(biāo)果實,吸盤吸住果實后退回,將目標(biāo)果實和其他果實分離,末端執(zhí)行器以和吸盤相同的速度前進,使機械手抓住果實,最后通過機器臂的腕關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn),將果實摘下[7][8]。1990年美國的佛羅里達大學(xué)開發(fā)了柑橘采摘機器人,這款機器人擁有可實現(xiàn)左右上下和直線運動的三自由度極坐標(biāo)型液壓驅(qū)動以及七自由度的機械臂。當(dāng)末端執(zhí)行器內(nèi)置的光源、彩色攝像機檢出果實之后,末端執(zhí)行器就移向果實,末端執(zhí)行器內(nèi)置的超聲波傳感器檢測出距離,半圓形環(huán)切刀便旋轉(zhuǎn)切斷果梗收獲橙子[7][9]。1989年,日本岡山大學(xué)研發(fā)了葡萄采摘機器人,該機器人的末端執(zhí)行器主要由機械手指、切刀以及可前后方向滑動的推拉部組成,從水平方向接近果穗并采收,使其剪斷穗軸時盡量不觸碰到果穗,以免果實被觸碰而造成商品價值降低[10]。目前西方發(fā)達國家的果蔬采摘機器人的研究與開發(fā)在廣度和深度兩個方面仍在不斷探索中,距離大面積應(yīng)用還有一定的距離。1.3.2國內(nèi)采摘機器人研究進展我國對果蔬采摘機器人的研究起步較晚,與西方發(fā)達國家相比較,在技術(shù)水平上和開發(fā)范圍上還存在一定的差距,但也取得了一定的成績。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的張鐵中等人對草莓收獲機器人進行了實驗性的研究,東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民等人開發(fā)出了林木球果實采摘機器人,上海交通大學(xué)正在進行黃瓜采摘機器人的研究也引起了廣泛關(guān)注[11]。2006年中國農(nóng)業(yè)大學(xué)和濰坊學(xué)院聯(lián)合研制了茄子采摘機器人,該機器人由四自由度關(guān)節(jié)式機械手、DMC運動控制器、數(shù)字攝像頭以及PC機組成。關(guān)節(jié)式機械手的4個關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),分別與人的腰部、肩部、肘部和腕部相對應(yīng)。對目標(biāo)果實則采用基于直方圖的固定雙閾值法對G-B灰度圖像進行分割[12][13],通過對圖像分割得到果實目標(biāo)的二值圖像,并進行邊緣提取、輪廓跟蹤和輪廓標(biāo)記。性能測試結(jié)果表明該機器人抓取成功率為89%,平均耗時為37.4s[14][15]。2007年中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的湯修映、張鐵中研制了六自由度圓柱型黃瓜采摘機器人,該機器人擁有六自由度機械臂,各關(guān)節(jié)均采用步進電機驅(qū)動;視覺系統(tǒng)采用基于RGB模型G分量的圖像分割算法,分割成功率為70%左右;末端執(zhí)行器由一個活動刃口和固定刃口組成。經(jīng)實驗表明,該機器人運動定位精度為±2.5mm,末端執(zhí)行器的采摘成功率達到93.3%[16][17]。綜上所述,國內(nèi)外對果蔬采摘機器人的研究仍然處于探索階段,離大面積推廣實用還有很大距離,而且被開發(fā)出的果蔬采摘機器人的作業(yè)對象比較單一,裝置的通用性較差。1.4本課題研究的主要內(nèi)容本研究是一款水果采摘機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計。完全態(tài)的該機器人將由操作者遙控操作,帶有自恃能源,擁有自動行走能力。操作者通過機載攝像頭,操控機器人完成行走和采摘作業(yè);采摘作業(yè)由機械臂末端的兩只機械手協(xié)作完成,一只機械手實現(xiàn)對果枝的把持操作,另一只機械末端裝有機械剪,完成對果實的采摘。本研究中的采摘機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要有以下幾方面內(nèi)容構(gòu)成:在細分多種果實具體采摘工藝的基礎(chǔ)上設(shè)計機器人的采摘工藝,完成機器人的總體設(shè)計。機器人行走機構(gòu)的設(shè)計。根據(jù)本機器人的使用環(huán)境需用適當(dāng)?shù)男凶邫C構(gòu)方案,并針對本機器人的使用要求完成設(shè)計修改。伸縮機械臂的設(shè)計。機械臂在一定尺寸范圍內(nèi)能自由伸縮,以實現(xiàn)對差異植株果木高度的最大限度覆蓋。把持機械手的設(shè)計。該機械手安裝于機械臂的末端,能精細動作,以實現(xiàn)對果枝的把持動作。采摘機械手的設(shè)計。安裝于機械臂的末端的該機械手帶有機械剪,能精細動作,以實現(xiàn)對果實的采摘動作。
第2章總體方案設(shè)計2.1原始設(shè)計參數(shù)2.2水果采摘機器人整體方案的設(shè)計本文設(shè)計主要包括行走機構(gòu)、伸縮機械臂、夾持機械手和采摘機械手等四部分。根據(jù)本機器人的使用環(huán)境需用適當(dāng)?shù)男凶邫C構(gòu)方案,并針對本機器人的使用要求完成設(shè)計修改。伸縮機械臂的設(shè)計。機械臂需要能在一定尺寸范圍內(nèi)自由伸縮,以實現(xiàn)對差異植株果木高度的最大限度覆蓋。夾持機械手的設(shè)計:該機械手安裝于機械臂的末端,能精細動作,以實現(xiàn)對果枝的把持動作。剪切機械手的設(shè)計。安裝于機械臂的末端的該機械手帶有機械剪,能精細動作,以實現(xiàn)對果實的采摘動作。2.2.1方案一方案一采取了直角坐標(biāo)機器人的方案,對于直角坐標(biāo)機器人來說,其運動主要包括X、Y、Z這三個軸上的直線運動,如下圖2-1所示,直角坐標(biāo)機器人一般采取了閉環(huán)控制的形式來進行機器人位置的控制,這種控制形式精度高穩(wěn)定性好,因此直角坐標(biāo)機器人很容易就可以達到很高的位置精度和運動精度,可以達到微米級別。但是這種直角坐標(biāo)機器人需要一定的運動空間,因此需要設(shè)計導(dǎo)軌類似機構(gòu),對于其他類型的機器人來說,直角坐標(biāo)機器人的尺寸相對較大,重量較大。直角坐標(biāo)機器人的在一個立方體空間中運動,主要應(yīng)用在裝配作業(yè)或者是搬運工作,其主要結(jié)構(gòu)形式有懸臂式、龍門式和天車式等三種,這三種結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用以懸臂式和龍門式較多,其各有優(yōu)缺點,在工業(yè)上大量存在。圖2.1直角坐標(biāo)機器人2.2.2方案二方案二采取了圓柱坐標(biāo)機器人的形式,如下圖2-2所示,為圓柱坐標(biāo)機器人的坐標(biāo)形式,圓柱坐標(biāo)機器人是由兩個直線運動和一個回轉(zhuǎn)類型的運動來組成。相對于直角坐標(biāo)機器人來說,圓柱坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu)簡單,控制方便,在工業(yè)生產(chǎn)中常用來進行搬運工件的場所。圓柱坐標(biāo)機器人的工作空間為圓柱形狀的一個立體空間內(nèi)圖2.2圓柱坐標(biāo)機器人2.2.3方案三方案三采取了關(guān)節(jié)型機器人,如下圖2-3所示,關(guān)節(jié)型的機器人主要包括三個回轉(zhuǎn)運動。對于其他幾種主要運動形式的機器人,關(guān)節(jié)型機器人動作較為靈活,其結(jié)構(gòu)緊湊且占用操作空間小。關(guān)節(jié)型機器人占用的空間小,但是其工作空間比較大,因此這一點具有很大的優(yōu)勢,在工業(yè)生產(chǎn)中具有很廣泛的應(yīng)用,比如焊接、搬運、裝配及一些噴漆的工作場所,都大量出現(xiàn)了關(guān)節(jié)型的機器人。關(guān)節(jié)型的機器人主要分為垂直關(guān)節(jié)型和水平關(guān)節(jié)型等兩種主要形式,這兩種結(jié)構(gòu)形式各有優(yōu)缺點和應(yīng)用場合,具有很高的市場前景和經(jīng)濟效益。圖2.3關(guān)節(jié)型機器人2.2.4確定最終方案綜合分析以上三個方案,關(guān)節(jié)型機器人動作較為靈活,其結(jié)構(gòu)緊湊且占用操作空間小,關(guān)節(jié)型機器人占用的空間小,工作空間比較大,因此最終選取了方案三作為最終方案。2.3整體模型的建立如下圖2-4所示,為本文設(shè)計的水果采摘機器人的整體模型,其主要包括伸縮臂、履帶行走機構(gòu)、固定底座、裝果袋、電池組、采摘機械手、剪切機械手等機械結(jié)構(gòu)。圖2.4機器人整體結(jié)構(gòu)示意圖PAGE3第3章行走機構(gòu)的設(shè)計各種水果生長的地形條件不同,采摘機器人的工作環(huán)境具有不確定性,因此本設(shè)計采用履帶式的行走機構(gòu),能夠適應(yīng)坎坷不平的地勢環(huán)境,運動過程平穩(wěn),如圖3.1所示。在車身上設(shè)有電池箱,為整個機器人提供電源;收果箱內(nèi)部做成斜坡式,有一個能夠上下拉開的門,在卸果子的時候可以拉開門,讓果子滑下來,減輕勞動力,如圖3.2所示。圖3.1機器人行走機構(gòu)示意圖圖3.2收果箱示意圖3.1電機的計算和選型電機的設(shè)計主要是功率和力矩的計算,需要計算本文履帶系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的總功率,參考相關(guān)文獻資料[18][19],本文選用P=FV/1000來進行計算。由于本文設(shè)計的水果采摘機器人屬于小功率農(nóng)業(yè)機械,因此參考農(nóng)業(yè)機械的相關(guān)設(shè)計參數(shù),設(shè)定平坦路面最大行駛速度為10km/h,最大爬坡角度為45°,最大爬坡速度為7km/h,電機負載力矩的相關(guān)公式如下式3-1所示:Tm=Ma+gfcos其中Tm為電機負載力矩;M為車體質(zhì)量,由本文設(shè)計估算車身本體重量為632.4kg,裝果箱估算果子重量為200kg,因此M=832.4kg;a為小車加速度;g為重力加速度;f為履帶與地面摩擦系數(shù),對于果園來說,履帶與果園泥土地面的摩擦系數(shù)為0.75[21];ɑ為爬坡角度;rs為驅(qū)動輪分度圓半徑;i為總傳動比;η為總的傳動效率。電機轉(zhuǎn)速公式如下式3-2所示:N=v2πr其中v為履帶車前進平均速度;rs為表示驅(qū)動輪分度圓半徑;i為表示傳動比。根據(jù)上式3-1和3-2計算可得電機功率如下式3-3所示:式3-3根據(jù)本文的設(shè)計要求,上坡時需要牽引力大,因此力矩大,則計算上坡時的電機功率即可。需要在1m內(nèi)剎死,此時用上坡最高速度7km/h來計算,算得加速度為a=根據(jù)本文的設(shè)計數(shù)據(jù),上坡時取速度v=7km/h,加速度a=1.89m/s2,摩擦系數(shù)f=0.75,傳動比設(shè)為i=32,總傳動效率η=0.7129,則根據(jù)上式3-1計算可得電機最大負載力矩TM=8.42Nm,根據(jù)以上的計算結(jié)果,水果采摘機器人行走機構(gòu)的電機轉(zhuǎn)速要大于639.1r/s,功率應(yīng)大于790.4w,電機還要可以正反轉(zhuǎn)。綜合以上因素,本文最終選取了國外進口安川品牌的直流伺服電機SGMGH-12A,其功率為1.2kw,最高轉(zhuǎn)速為1000r/min,扭矩為11.5Nm。配套的減速器選取為行星減速器,德國EUGART品牌的,型號為PLE80,其減速比為原始設(shè)計的i=32,傳動效率高。3.2傳動系統(tǒng)的設(shè)計和選型本文行走系統(tǒng)采取了履帶式的行走機構(gòu),電機減速器與驅(qū)動輪配合,電機是原動力,電機的動力傳遞到驅(qū)動輪,驅(qū)動輪通過履帶傳動帶動從動輪運動,所以驅(qū)動輪的設(shè)計非常重要,而從動輪采取和驅(qū)動輪類似的結(jié)構(gòu)。本文設(shè)計的履帶式行走機構(gòu)主要具有移動和轉(zhuǎn)向兩個功能,如下圖3-3所示,為履帶式行走機構(gòu)的轉(zhuǎn)向原理示意圖,行走機構(gòu)的兩側(cè)各有電機和驅(qū)動輪驅(qū)動,O點為轉(zhuǎn)向時行走機構(gòu)的圓心,B為行走機構(gòu)的寬度,當(dāng)兩側(cè)電機和驅(qū)動輪的線速度不同時,行走機構(gòu)的寬度導(dǎo)致兩個驅(qū)動輪的差速移動,則實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向。圖3-3履帶式行走機構(gòu)轉(zhuǎn)向原理示意圖3.2.1驅(qū)動輪的結(jié)構(gòu)選取本文設(shè)計的驅(qū)動輪主要是為了把電機的原動力傳遞給履帶機構(gòu),從而帶動水果采摘機器人的移動,本文的驅(qū)動輪位于行走機構(gòu)底盤的兩側(cè),采取了整體化的結(jié)構(gòu),驅(qū)動輪整體采取整體鑄造的形式進行加工。如下圖3-4所示,為驅(qū)動輪的整體三維結(jié)構(gòu)。驅(qū)動輪主軸的一側(cè)與驅(qū)動電機主軸采取了聯(lián)軸器進行連接,驅(qū)動輪主軸的另外一側(cè)通過軸承固定在支架側(cè)板上。圖3-4驅(qū)動輪的整體三維結(jié)構(gòu)3.2.2驅(qū)動輪的齒數(shù)選取考慮到蘋果采摘機器人履帶行走的特性,速度不宜過快,因此驅(qū)動輪的齒數(shù)一般采取17到23個齒之間,驅(qū)動輪的整體尺寸不宜過大,節(jié)距應(yīng)該盡量小一些,齒數(shù)應(yīng)盡量多一些,保證傳動的效率和平穩(wěn)性。如果齒數(shù)偏小而節(jié)距偏大,則傳動效率低且運動不平穩(wěn)。查閱相關(guān)參考文獻,選取驅(qū)動輪的材料為40Cr,并進行調(diào)質(zhì)處理,硬度為241~286HBS,齒數(shù)為z=23,傳動比i=38。3.2.3驅(qū)動輪的參數(shù)計算行走機構(gòu)履帶的節(jié)距公式如下式3-4所示:l=(15~17.5)4G其中G1計算如下:G因此G計算如下:
G=0.34G1因此驅(qū)動力重量計算如下:G≈則計算為:l=46驅(qū)動輪與履帶嚙合類似于齒輪齒條嚙合,其外部齒形與履帶嚙合的齒數(shù)z1,履帶的節(jié)距和驅(qū)動輪節(jié)圓直徑DkDk=lsin18本文取z1=0.3z,D&K齒頂圓的直徑如下式3-6所示:D&a&=其中為履帶銷套的直徑,其計算如下式3-7所示:dl=(則D&D由齒根圓直徑計算如下:D其中r1r1=0.5dl+0.23.2.4驅(qū)動輪的強度計算本文設(shè)計的行走機構(gòu)中,驅(qū)動輪與履帶嚙合傳動,履帶接地運動,因此可以認為受到的彎矩來源于履帶張緊力作用,受力很小可忽略,只需計算校核接觸應(yīng)力。齒面的擠壓應(yīng)力計算如下式3-9所示:式3-8其中b為節(jié)圓處齒寬,b=80mm;為銷套直徑,dl查閱相關(guān)文獻,許用應(yīng)力σj可知σj≤σj,第4章伸縮機械臂的設(shè)計4.1伸縮機械臂的設(shè)計方案該機械臂采用了三段伸縮節(jié),內(nèi)部采用電機絲杠螺母和鋼絲繩滑輪機構(gòu),由電機驅(qū)動,能在一定尺寸范圍內(nèi)自由伸縮,以實現(xiàn)對差異植株果木高度的最大限度覆蓋,如圖4.1所示。此外,內(nèi)嵌的結(jié)構(gòu)設(shè)計使外觀更為整潔,有效的提高了機械臂重復(fù)定位精度。該機械臂具有制造簡單、成本低等優(yōu)點,值得推廣和普及。圖4.1機器人伸縮臂示意圖4.2絲杠螺母傳動副的計算和選型4.2.1確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程Ph=EQ\F(Vmax,inmax)=EQ\F(10000,1×1200)=8.3mm取Ph=10mm其中Ph為滾珠絲杠副的導(dǎo)程,單位為mm;Vmax為工作臺最高移動速度;Nmax為電機最高轉(zhuǎn)速;i為傳動比。因電機與絲杠直聯(lián),因此可知i=1。Vmax=10m/min,,max=1200r/min代入得,Ph=8.3mm查表,取Ph=10mm4.2.2確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷計算在本文設(shè)計的絲杠轉(zhuǎn)速如下:nmax=EQ\F(Vmax,Ph)=EQ\F(3500,10)=350r/minnmin=EQ\F(Vmin,Ph)=EQ\F(1,10)=0.1r/min計算本文的絲杠軸向載荷如下:Fmax=4500+0.01×833=2786.5NFmin=0.01×833=69.3N計算當(dāng)量轉(zhuǎn)速如下:nm=EQ\F(nmax+nmin,2)=EQ\F(350+0.1,2)=125.19mm/min當(dāng)量載荷計算如下:Fm=EQ\F(2Fmax+Fmin,3)=EQ\F(2×1583.3+83.3,3)=1978.2N4.2.3預(yù)期額定動載荷按預(yù)期工作時間估算預(yù)期動載荷Cam如下:Cam=eq\r(3,60nmLh)EQ\F(Fmfw,100fafc)按表查得輕微沖擊取fw=1.3;fa=1;可靠性90%取fc=1。已知Lh=10000小時代入求得Cam=18344.5N。擬采用預(yù)緊滾珠絲杠副,按最大負載Fmax計算:Cam=FeFmax按表查可知中預(yù)載取fe=4.5。代入可得Cam=17523.13N取以上兩種結(jié)果的最大值Cam=18344.5N。4.2.4確定允許的最小螺紋底徑估算絲杠允許的最大軸向變形量如下所示①δm≤(EQ\F(1,3)~EQ\F(1,4))重復(fù)定位精度②δm≤(EQ\F(1,4)~EQ\F(1,5))定位精度其中δm為最大軸向變形量,單位為μm;已知重復(fù)定位精度為6μm,定位精度為12μm。①δm=2δm=3②δm=3取兩種結(jié)果的小值δm=2μm估算最小螺紋底徑絲杠要求預(yù)拉伸,取兩端固定的支承形式d2m=10eq\r(2,EQ\F(10F0L,пδmE))=0.039eq\r(2,EQ\F(F0L,δm))其中d2m為最小螺紋底徑,單位為mm。L≈(1.1~1.2)行程+(10~14)Ph=1.1×350+10×10=315mm靜摩擦力F0=μmg=0.01×85×9.8=8.3N代入得d2m=0.039eq\r(2,eq\f(8.3×485,2))=1.7mm4.2.5確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號由計算出的Ph,Cam,d2m在樣本中取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副FFZD4010-3。其中Ph=10mm,Ca=30000>Cam=28362N,d2=39.5mm>d2m=1.7mm4.3電機的設(shè)計和選取4.3.1電機功率計算P=Fv=eq\f(4500×12,60)=700W負載轉(zhuǎn)動慣量JL(kg·m2)及傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量J(kg·m2)的計算如下所示:JL=ΣJi(eq\f(ni,nm))2+Σmj(eq\f(vj,2пnm))2其中JL和ni分別為各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量(kg·m2)和轉(zhuǎn)速(r/min);Mj和vj為各直線運動件的質(zhì)量(kg)和速度(m/min);Jm和nm為電機的轉(zhuǎn)動慣量(kg·m2)和轉(zhuǎn)速(r/min)。計算可得:JL=20kg·cm24.3.2電機力矩計算空載啟動時,折算到電機軸上的加速力矩TamaxTamax=eq\f(JLnmax,9.6t)=eq\f(2×10-3×1500,9.6×2)=0.125N·M折算到電動機上的摩擦力矩TtTt=eq\f(F0Ph,2пηi)×10-3=eq\f(8.3×10,2×3.14×0.8×1)×10-3=0.0165N·m由于絲杠預(yù)緊力引起和折算到電動機軸上的附加摩擦力矩T0T0=eq\f(Famax×Ph(1-η02),2пηi)×10-3=eq\f(8700×10×(1-0.92),2×3.14×0.8×1)×10-3=3.29N·m總力矩Tm=Tamax+Tt+T0=3.43N·m4.3.3型號選擇根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量和力矩選擇電機型號為120MB150B-001000。4.3.4聯(lián)軸器選擇根據(jù)電動機軸徑,力矩等因素選擇聯(lián)軸器LK11-126K-2222。4.4鋼絲繩機構(gòu)的設(shè)計和選取如下圖4-2所示,為本文設(shè)計的鋼絲繩機構(gòu),由三節(jié)伸縮臂組成,二節(jié)臂和一節(jié)臂之間通過絲杠螺母機構(gòu)連接,三節(jié)臂和二節(jié)臂通過鋼絲繩和一節(jié)臂連接。一節(jié)臂相對于伸縮過程中可以視為靜止不動,伸縮臂伸縮時,絲杠螺母機構(gòu)帶動二節(jié)臂往外伸出,由于二節(jié)臂三節(jié)臂之間通過滑輪和鋼絲繩連接,因此二節(jié)臂和三節(jié)臂會同步伸縮。圖4-2機器人伸縮臂示意圖如下圖4-3所示,為本文設(shè)計的鋼絲繩機構(gòu)滑輪的結(jié)構(gòu)。圖4-3鋼絲繩滑輪的結(jié)構(gòu)。
第5章機械手的設(shè)計該機器人末端執(zhí)行器上兩只精密的機械手,采用疊加方式,剪切機械手在上,采摘機械手在下。減小了使用的空間,如圖5.1所示。剪切機械臂的底部上加了旋轉(zhuǎn)的自由度,可以在機器人進行采摘作業(yè)的時候,避開樹枝等障礙物。圖5.1a機械手示意圖圖5.1b剪切機械臂示意圖圖5.1c采摘機械臂示意圖5.1回轉(zhuǎn)電機的計算和選型根據(jù)本文的設(shè)計可得,計算可得其轉(zhuǎn)動的角速度為Δω=0.314rads,本文機器人回轉(zhuǎn)電機的最大負載質(zhì)量為m=30kg因此計算可得如下式5-1和5-2所示:Jc=112m(l2+3R2)=12512(0.8J0=Jc+12GgR2=9.63+12其中,Jc為計算中回轉(zhuǎn)零件對于其重心位置的轉(zhuǎn)動慣量,單位為kg·m2;J0為回轉(zhuǎn)部分對回轉(zhuǎn)中心軸線的轉(zhuǎn)動慣量,單位為kg·m2;ρ為回轉(zhuǎn)零件的重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離,單位為故計算可得其轉(zhuǎn)動慣量為19.31kg·m2。對于本文設(shè)計來說,本文情況下其滑動摩擦系數(shù)為f=0.2。根據(jù)本文設(shè)計可知,本文設(shè)計的回轉(zhuǎn)機構(gòu)的實際工作狀態(tài)首先是做勻加速轉(zhuǎn)動,持續(xù)時間0-0.3秒,接下來的進行勻速轉(zhuǎn)動,持續(xù)時間0.4秒,最后做勻減速運動直到停止位置,其中勻減速運動和勻加速運動的加速度大小一致。查閱相關(guān)資料,因此計算可勻速轉(zhuǎn)動時的角速度如下式5-3所示:[(0.7-0.3)+1]*ω/2=0.314rad式5-3計算可得ω=0.449rad/s因此加速度大小計算可得a=ω/0.3=1.50rad/根據(jù)上述計算和分析,可以得到勻加速運動、勻減速運動和勻速運動時的功率如下所示:在勻加速運動時的計算如下式5-4所示:T1=Jα+mgfR其中T1為勻加速運動時行走機構(gòu)轉(zhuǎn)動時的力矩,單位為N·m;mgfR為回轉(zhuǎn)部分運動時產(chǎn)生的摩擦力矩,單位為N·因此計算可得:T1=19.31×1.5+275×9.8×0.2×0.203=241.697N·查閱相關(guān)資料,功率計算如下式5-5所示:P1=T1·ω其中P1為勻加速運動時可以讓回轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)動時的最大功率,單位為w因此計算可得:P同理,在勻速運動時,可得如下式5-6所示:T2=mgfR式其中T2為勻速運動時回轉(zhuǎn)部分的驅(qū)動力矩,單位為N·m計算可得:T2=275×9.8×0.2×0.203=109.417N·查閱相關(guān)資料,功率計算如下式5-7所示:P2=T2·其中P2為勻速運動時回轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)動的功率,單位為w計算可得:P在勻減速運動時:T計算可得:T3=-15.52×1.5+275×9.8×0.2×0.203=86.177N·功率計算如下式5-8所示:P3=T3·其中P3為勻減速運動時回轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)動時的最大功率,單位為w計算可得:P本文設(shè)計的回轉(zhuǎn)電機的機械傳動效率取值為0.7,因此計算可得電機所需的最大功率為:P電機的額定功率計算如下:
P綜合以上計算結(jié)果和分析,查閱相關(guān)文獻資料,可以選取其電機型號為JZY40B的伺服電機,其額定電壓為24V,額定功率為200w,額定轉(zhuǎn)速為120r/min。該電機可以同時配置對應(yīng)功能的增量編碼器進行反饋操作,電機制動形式為失電制動的結(jié)構(gòu)。5.2夾持手爪的設(shè)計和計算5.2.1夾持手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計手部是用來直接握持工件的部件,由于被握持工件的形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面狀況等的不同,所以工業(yè)機械手的手部結(jié)構(gòu)是多種多樣的,大部分的手部結(jié)構(gòu)是根據(jù)持定的工件要求而設(shè)計的。歸結(jié)起來,常用的手部,按其握持工件的原理,大致可分為夾持和吸附兩大類。本文設(shè)計的手爪主要作用是用來夾持水果,因而采取了夾持型的結(jié)構(gòu),夾鉗式手爪一般是由手指、傳動機構(gòu)和驅(qū)動裝置三部分組成的。夾持型手爪按照手指夾持工件時的運動方式,可以分為手爪回轉(zhuǎn)型和手爪平移型等兩種。對于夾持型手爪來說,其設(shè)計主要考慮一下幾個因素:(1)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力;(2)手指應(yīng)具有一定的開閉范圍;(3)應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度;(4)要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高;(5)應(yīng)考慮通用性和特殊要求。此外,還要考慮能適應(yīng)工件環(huán)境提出的特殊要求,如耐高溫、耐腐蝕、乃承受鍛錘沖擊力等。綜合各種因素考慮,本文最終選取了夾鉗式雙支點回轉(zhuǎn)型手部結(jié)構(gòu),如下圖5-2所示,本文設(shè)計的夾持型手爪主要由手指結(jié)構(gòu)、手抓連桿組件、上下安裝板和手爪電機等組成。圖5-2夾持型手爪的結(jié)構(gòu)5.2.2夾持手爪夾緊力的計算手爪加在工件上的夾緊力是設(shè)計手部的主要依據(jù),必須對其大小、方向、作用點進行分析、計算。一般來說,夾緊力必須克服工件的重力所產(chǎn)生的靜載荷(慣性力或慣性力矩)以使工件保持可靠的加緊狀態(tài)。手指對工件的夾緊力可按下列公式5-9來計算:FN≥K1K2其中K1為安全系數(shù),由機械手的工藝及設(shè)計要求確定,通常情況下取值為1.2—2.0,本文此處取K1=1.8;K2為工件情況系數(shù),主要考慮慣性力的影響,計算最大加速度,得出工作情況系數(shù)K2,K2=1+=1+=1.002,其中a為夾持機械手爪搬運過程中的加速度或減速度的絕對值,單位是m/s;K3為方位系數(shù),根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進行選定。由于夾持水果動作時手爪為一般水平放置,水果也是水平夾持,因此即根據(jù)手指與工件的位置要求查表取值得K3=0.5;G為被抓工件重量因此根據(jù)以上分析結(jié)果,可以求得夾緊力的大小如下:F5.2.3夾持手爪驅(qū)動力的計算如下圖5-3所示,為夾持手爪夾持工件時的受力分析,根據(jù)受力情況水果對手爪有一個法線方向上的力F1,作用點為A點。手爪電機的驅(qū)動力為F圖5-3夾持水果時的受力分析以手爪結(jié)構(gòu)上的一個鉸鏈為力矩分析的原點,進行力矩平衡可得下式:M可得:F其中L1為F1的力矩,由具體設(shè)計結(jié)構(gòu)可知L1=84mm;L由上一節(jié)可知,F(xiàn)1因此F2F2根據(jù)以上計算結(jié)果,手爪電機提供的驅(qū)動力不得低于41.2N。5.2剪切手爪的設(shè)計和計算本文設(shè)計的剪切手爪主要作用是用來剪切水果果實的根部,考慮到設(shè)計、加工及裝配的因素,因而采取了與上文夾持手爪類似的結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)主要由手指、傳動機構(gòu)和驅(qū)動裝置三部分組成的。與夾持型手爪類似,本文最終選取了雙支點回轉(zhuǎn)型的剪切手爪結(jié)構(gòu)。如下圖5-4所示,本文設(shè)計的剪切手爪主要由手指結(jié)構(gòu)、手抓連桿組件、上下安裝板和手爪電機等組成。圖5-4剪切手爪的結(jié)構(gòu)由于剪切力比夾持力相比要小,因此剪切手爪機構(gòu)的電機選取和夾持手爪一樣的,因此可以滿足剪切結(jié)構(gòu)的功能。水果采摘機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)語本設(shè)計尤為重視機器人采摘作業(yè)的通用性,通過對不同種類植株的具體采摘工藝詳細調(diào)查分析,制定該機器人具體采摘工藝,伸縮機械臂的設(shè)計能依據(jù)植株的差異調(diào)節(jié)可采摘高度,設(shè)有果枝把持機械手實現(xiàn)對果枝的穩(wěn)定把持,通用機械剪能夠完成多種類果實的采摘工作,如蘋果、荔枝、車?yán)遄拥取9呤斋@是一個季節(jié)性強的勞動密集型工作,由于勞動力的高齡化和人力資源越來越缺乏。由于采摘機器人的工作環(huán)境的不確定性,因此給機器人的實際應(yīng)用帶來了很大的困難。用過本次畢業(yè)設(shè)計,將大學(xué)四年來的知識系統(tǒng)的復(fù)習(xí)了一遍,通過查找資料和網(wǎng)上視頻教學(xué)軟件,自學(xué)了soidworks繪圖和機器人的相關(guān)知識,拓寬了知識的視野。在收集文獻資料的過程中,我認識了各式各樣的水果采摘機器人,科學(xué)家們的步伐從未停止,研究的道路是永無止境的。這次水果采摘機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計,讓我學(xué)習(xí)到了如何將所學(xué)的知識應(yīng)用于實踐,如何把想法付諸行動,同時也提高了我搜集、篩選信息和解決問題的能力。附錄(略)參考文獻[1]韓建
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