多臂采摘機(jī)器人的初步設(shè)計——采摘手的設(shè)計

12 屆畢業(yè)設(shè)計多臂采摘機(jī)器人的初步設(shè)計采摘手的設(shè)計學(xué)生姓名 張 鑫 學(xué) 號 8011208101 所屬學(xué)院 機(jī)械電氣化工程學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 班 級 12-1 指導(dǎo)教師 黃 新 成 日 期 2012.06 塔里木大學(xué)教務(wù)處制11 緒論 11.1 研究內(nèi)容及意義 11.2 研究現(xiàn)狀 11.3 機(jī)械手 32.機(jī)械手的設(shè)計 .52.1 設(shè)計方案 52.2 手指數(shù)量 52.3 手指關(guān)節(jié)數(shù)量 52.4 尺寸的設(shè)定 62.5 材料的選擇 63 動力源的選擇 .63.1 微小型驅(qū)動模塊的研究 63.2 電機(jī)的選擇 73.3 步進(jìn)電機(jī)的確定 84.傳動方式選擇和設(shè)計 .84.1 微小型傳動模塊研究 94.2 輸出端齒輪 94.3 幾何尺寸計算 105 零件設(shè)計 .115.1 手掌的設(shè)計 115.2 手指底座 125.3 第一個指節(jié) 125.4 第二個指節(jié) 136.其他硬件系統(tǒng) .146.1 傳感器 146.2 單片機(jī) 156.3 圖像識別系統(tǒng) 157 工作原理流程及形態(tài) .157.1 工作原理 167.2 工作形態(tài) 16小 結(jié) 19致 謝 20參考文獻(xiàn)212前 言隨著電子計算機(jī)和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展、農(nóng)業(yè)高新科技的應(yīng)用和推廣，農(nóng)業(yè)機(jī)器人已逐步進(jìn)入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，并將促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向著裝備機(jī)械化、生產(chǎn)智能化的方向發(fā)展。果蔬采摘是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中季節(jié)性強(qiáng)、勞動強(qiáng)度大、作業(yè)要求高的一個重要環(huán)節(jié)，研究和開發(fā)果蔬采摘的智能機(jī)器人技術(shù)對于解放勞動力、提高勞動生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、保證新鮮果蔬品質(zhì)，以及滿足作物生長的實時性要求等方面都有著重要的意義。工業(yè)領(lǐng)域是機(jī)器人技術(shù)的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，目前已經(jīng)得到了相當(dāng)成熟的應(yīng)用; 而采摘機(jī)器人工作在高度非結(jié)構(gòu)化的復(fù)雜環(huán)境下，作業(yè)對象是有生命力的新鮮水果或蔬菜。同工業(yè)機(jī)器人相比，采摘機(jī)器人具有以下的特點: 作業(yè)對象嬌嫩、形狀復(fù)雜且個體狀況之間的差異性大，需要從機(jī)器人結(jié)構(gòu)、傳感器、控制系統(tǒng)等方面加以協(xié)調(diào)和控制; 采摘對象具有隨機(jī)分布性，大多被樹葉、樹枝等掩蓋，增大了機(jī)器人視覺定位難度，使得采摘速度和成功率降低，同時對機(jī)械手的避障提出了更高的要求; 采摘機(jī)器人工作在非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境下，環(huán)境條件隨著季節(jié)、天氣的變化而發(fā)生變化，環(huán)境信息完全是未知的、開放的，要求機(jī)器人在視覺、知識推理和判斷等方面有相當(dāng)高的智能; 采摘對象是有生命的、脆弱的生物體，要求在采摘過程中對果實無任何損傷，從而需要機(jī)器人的末端執(zhí)行器具有柔順性和靈巧性; 高智能導(dǎo)致高成本，農(nóng)民或農(nóng)業(yè)經(jīng)營者無法接受，并且采摘機(jī)器人的使用具有短時間、季節(jié)性、利用率不高的缺點，是限制采摘機(jī)器人推廣使用的重要因素; 果蔬采摘機(jī)器人的操作者是農(nóng)民，不是具有機(jī)電知識的工程師，因此要求果蔬采摘機(jī)器人必須具有高可靠性和操作簡單、界面友好的特點。根據(jù)設(shè)計任務(wù)和設(shè)計要求，主要針對機(jī)械手部分進(jìn)行機(jī)械方面的設(shè)計。由于設(shè)計者水平有限，本設(shè)計中難免有誤漏欠妥之處，懇請老師們批評指正。緒論1.1 研究內(nèi)容及意義果蔬采摘是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)鏈中最耗時耗力的一個環(huán)節(jié),其成本高、季節(jié)性強(qiáng)、需要大量勞動力高強(qiáng)度的工作。但是由于工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展分流了大量農(nóng)業(yè)勞動力以及人口老齡化加劇等原因,使得能夠從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動力越來越少,單靠人工勞作已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有的需要。隨著計算機(jī)圖像處理技術(shù)和各種智能控制理論的發(fā)展,使采用機(jī)器人采摘果蔬成為可能。果蔬采摘機(jī)器人是一類針對水果和蔬菜, 可以通過編程來完成采摘等相關(guān)作業(yè)任務(wù)的具有感知能力的自動化機(jī)械收獲系統(tǒng), 是集機(jī)械、電子、信息、智能技術(shù)、計算機(jī)科學(xué)、農(nóng)業(yè)和生物等學(xué)科于一體的交叉邊緣性科學(xué), 需要涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)、視覺圖像處理、機(jī)器人運動學(xué)動力學(xué)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)以及計算信息處理等多方面學(xué)科領(lǐng)域知識。采摘機(jī)器人將在解決勞動力不足、降低工人勞動強(qiáng)度、提高工人勞動舒適性、減輕農(nóng)業(yè)化肥和農(nóng)藥對人體的危害、提高采摘果蔬的質(zhì)量、降低采摘成本、提高勞動生產(chǎn)率、保證果蔬的適時采收、提高產(chǎn)品的國際競爭力等方面具有很大潛力。國際上, 一些以日本和美國為代表的發(fā)達(dá)國家,已經(jīng)從20世紀(jì)80年代開始研究采摘機(jī)器人,并取得了一些成果。而我國在該領(lǐng)域中的研究還處于起步階段,因此我們必須加快對采摘機(jī)器人的研究腳步以早日趕超國際水平,使其為我國農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)。1.2 研究現(xiàn)狀果蔬采摘機(jī)器人的研究開始于20 世紀(jì)60 年代的美國( 1968 年)，采用的收獲方式主要是機(jī)械震搖式和氣動震搖式。其缺點是果實易損、效率不高，特別是無法進(jìn)行選擇性的收獲，在采摘柔軟、新鮮的果蔬方面還存在很大的局限性。但在此后，隨著電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、計算機(jī)圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的日益成熟，采摘機(jī)器人的研究和開發(fā)技術(shù)得到了快速的發(fā)展。1.2.1國外研究現(xiàn)狀在日本、美國等發(fā)達(dá)國家，農(nóng)業(yè)人口較少。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向規(guī)?；?、多樣化、精確化的方向邁進(jìn)，勞動力不足的現(xiàn)象越來越明顯。許多作業(yè)項目如蔬菜、水果的挑選與采摘，蔬菜的嫁接等都是勞動力密集型的工作，再加上時令的要求，勞動力缺乏的問題很難解決。正是基于這種情況，這些發(fā)達(dá)國家大力進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)器人的研究，并取得了很好的成果。日本的噴農(nóng)藥機(jī)器人上裝有感應(yīng)傳感器，能自動噴灑農(nóng)藥。嫁接機(jī)器人可在極端的時間內(nèi)，把蔬菜苗莖桿直徑為幾毫米的砧木、穗木的切口嫁接為一體，使嫁接速度大幅度提高。施肥機(jī)器人的行走部分能在狹窄的稻秧間行走，四個窄型橡皮車輪均可橫向轉(zhuǎn)動 90 度。人機(jī)協(xié)作型機(jī)器人的研究思想是將采摘機(jī)器人尋找、定位待摘果實以及機(jī)器人導(dǎo)航任務(wù)由人來完成，機(jī)器人的運動軌跡規(guī)劃、關(guān)節(jié)控制和末端執(zhí)行器控制等任務(wù)由機(jī)器人的控制系統(tǒng)完成。如圖 1-1 所示。塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計1圖1-1人機(jī)協(xié)作型采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)日本 Kondo 一等人研制的西紅柿收獲機(jī)器人(如圖 1-2 )、黃瓜采摘機(jī)器人(如圖 1-3)和草葛采摘機(jī)器人(如圖 1-4)葡萄采摘機(jī)器人(如圖 1-5 1-6 所示)采用 5 自由度的極坐標(biāo)機(jī)械手，末端的臂可以在葡萄架下水平勻速運動圖 1-2 西紅柿采摘機(jī)器人 圖 1-3 黃瓜采摘機(jī)器人圖 1-4 草茍采摘機(jī)器人圖 1-5 多功能葡萄采摘機(jī)器人(套袋操作)塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計2圖 1-6 收獲末端執(zhí)行器扦插育苗機(jī)器人用于花卉生產(chǎn)系統(tǒng)中可以大大提高生產(chǎn)率。日本東北農(nóng)業(yè)試驗場研制成功了簡易育苗機(jī)器人系統(tǒng)。英國 Silsoe 研究院研制了蘑菇采摘機(jī)器人。它可以自動測量蘑菇的位置、大小，并選擇性地采摘和修剪。在柑桔收獲機(jī)器人研究方面，1986 年，意大利卡塔尼亞農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展部與美國 Florida 大學(xué)合作開發(fā)了一種性能良好的具有伺服視覺技術(shù)的收獲機(jī)器人，用于柑桔收獲的實際生產(chǎn)中(Harrenetal, 1990)在蘋果收獲機(jī)器人方面，1983 年，法國國立農(nóng)林機(jī)械研究所的 Pedene and Motte 和西班牙的 Jasa 研制了最早的商品化機(jī)器人原型，即法國的“MAGAU”蘋果收獲機(jī)器人和西班牙的“CITRUS”柑桔收獲機(jī)器人嚇 Sarig,1993)還有日本國立蔬菜茶葉研究所與岐阜大學(xué)聯(lián)合研制了茄子采摘機(jī)器人。日本國立農(nóng)業(yè)研究中心的 Murakami 等研制了甘藍(lán)采摘機(jī)器人。以色列和美國科技人員聯(lián)合開發(fā)研制了一臺甜瓜采摘機(jī)器人等。1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人方面的研究始于 20 世紀(jì) 90 年代中期，相對于發(fā)達(dá)國家起步較晚，但是發(fā)展很快，很多院校、研究所都在進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)器人和智能農(nóng)業(yè)機(jī)械相關(guān)的研究。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張鐵中教授率先在我國開展了自動化嫁接技術(shù)的研究工作，先后成功開發(fā)了自動插接法、自動旋切貼合法嫁接技術(shù)，填補(bǔ)了我國自動化嫁接技術(shù)的空白，形成了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的自動化嫁接技術(shù)。上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所的曹其新等人進(jìn)行了用于精確農(nóng)業(yè)的智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究工作，己經(jīng)完成了智能化聯(lián)合收割機(jī)、蔬菜工廠化育苗播種流水線樣機(jī)的研制，正在進(jìn)行草葛挑選機(jī)器人、黃瓜采摘機(jī)器人的研究。浙江大學(xué)應(yīng)義斌教授研究的水果自動分級機(jī)器人系統(tǒng)得到國家“863”計劃的支持。吉林大學(xué)王榮本、于海業(yè)在 90 年代中期開始進(jìn)行農(nóng)用自動引導(dǎo)行走車的研究。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)姬長英、沈明霞等人，浙江工業(yè)大學(xué)青芳、張立斌等人，在進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)器人的視覺研究。江蘇大學(xué)紀(jì)良文、吳春篤進(jìn)行了噴藥機(jī)器人的研究，他們采用超聲測距作為噴藥機(jī)器人的輔助視覺系統(tǒng)。還有吉林工業(yè)大學(xué)與吉林農(nóng)業(yè)研究所研制的鋤草機(jī)器人，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)楊麗博士研制的組培苗分割移植機(jī)器人系統(tǒng)，江蘇大學(xué)的陳樹人、尹建軍等在對西紅柿的視覺研究亦取得很大的成果。還有周云山和李強(qiáng)等人研究的蘑菇采摘機(jī)器人也處于是國內(nèi)領(lǐng)先水平，西北農(nóng)林科技大學(xué)對蘋果采摘機(jī)器人手臂控制進(jìn)行了研究，東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民研制了林木球果采摘機(jī)器人儀。1.3 機(jī)械手機(jī)械手又稱操作機(jī)，是指具有和人手臂相似的動作功能，并使工作對象能在空間內(nèi)移動的機(jī)械裝置，是機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實體。在采摘機(jī)器人中，機(jī)械手的主要任務(wù)就是將末端執(zhí)行器移動到可以采摘的目標(biāo)果實所處的位置，其工作空間要求機(jī)器人能夠達(dá)到任何一個目標(biāo)果實。機(jī)械手一般可分為直角坐標(biāo)、圓柱坐標(biāo)、極坐標(biāo)、球坐標(biāo)和多關(guān)節(jié)等多種類型。多關(guān)節(jié)機(jī)械手又稱為擬人( 類人 ) 機(jī)器人，相比其它結(jié)構(gòu)比較起來，要求更加靈活和方便。機(jī)械手的自由度是衡量機(jī)器人性能的重要指標(biāo)之一，它直接決定了機(jī)器人的運動靈活性和控制的復(fù)雜性。1.3.1 工業(yè)機(jī)械手工業(yè)機(jī)械手發(fā)展比較迅速，多指手出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 80 年代，其中最具有代表性的是stanford/JPL 三指手(如圖 1-7)和 Utah/MIT 四指手(圖 1-8 )。Salisbury 于 1982 年設(shè)計的Stanford/JPL 手是當(dāng)時乃至現(xiàn)在都很具有代表性的三指手，它首次引入了模塊化設(shè)計方法，并模仿人手的結(jié)構(gòu)特點布置手指的相對位置，具有 9 個自由度。StanfordlJPL 手對多指手的貢獻(xiàn)不僅僅在于多關(guān)節(jié)、多自由度的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，更重要的是它首次完整引入了位置、觸覺、力等傳感器系統(tǒng)，從而開始了多指手對外部環(huán)境的感知時代，并開創(chuàng)了多指手實際抓取操作的先河。塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計3圖 1-7 StanfordlJPLS 手 圖 1-8 Utah/MIT 手1998 年德國研制的 DLR- I 多指手實現(xiàn)了當(dāng)自由度的數(shù)目超過某個值時，把所有的驅(qū)動器和電路完全集成在手指、手掌或手腕里，被公認(rèn)為是當(dāng)時世界上最復(fù)雜、智能化和集成度最高的靈巧手，如圖 1-9。1999 年由美國宇航中心(NASA)研制的 Robonaut 手，如圖 1-10 是一種面向國際空間站應(yīng)用的多指手，其目的是為了在危險的太空環(huán)境中代替人進(jìn)行艙外操作。圖 1-9 DLR 手 圖 1-10 NASA Robonaut 手從 20 世紀(jì) 80 年代后期開始，我國的很多研究機(jī)構(gòu)相繼開展了多指手的研究工作，其中北京航空航天大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)在這方面的研究很具代表性。北航對多指手的研究開展較早，并于 1993 年首先研制了我國第一只三指手，然后在此基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)，先后研制了 BUAA- II , BUAA-III 三指手和 BUAA 四指手。哈工大在 HIT I 多指手的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量的改進(jìn)，研制了 HIT/DLR 多指手。如圖 1-11 和圖 1-120圖1一11 HIT I 手 圖1一12HIT/DLR多指手塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計41.3.2農(nóng)業(yè)機(jī)械手農(nóng)業(yè)上最早研制的機(jī)械手為 SDOF 番茄收獲機(jī)械手(Noboru Kawamura eta1,1984) 機(jī)械手與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械完全不同，它是由許多桿件組成的空間開式鏈機(jī)構(gòu)，具有較采摘機(jī)械手的設(shè)計及其控制研究大的靈活性，但是不適合處理重量大的物體，否則會出現(xiàn)負(fù)載過重的問題。桿件越多，機(jī)械手身的重量越大，尤其用于像西瓜、甜瓜等較人果實收獲與運輸時，機(jī)械手設(shè)計必須從組成結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面使其承受較大的負(fù)載重量。機(jī)械手的控制有點位控制(PTP)和連續(xù)軌跡(CP)控制兩種類型。PTP 控制主要用于在機(jī)械手初始位置和目標(biāo)點之間不存在障礙物的情況，此時不必考慮運動路徑，其路徑也是不可預(yù)測的。有時由于莖葉等障礙物的存在，必須通過控制其電機(jī)速度和預(yù)定運動軌跡到達(dá)目標(biāo)位置，進(jìn)行 CP控制。末端執(zhí)行器安裝在機(jī)械手的末端，其功能類似于人手，是直接與目標(biāo)物體接觸的部件。在末端執(zhí)行器設(shè)計之前，不僅需要研究工作對象的物理特性(物體大小、體積、形狀、重量)和機(jī)械特性(young、模量、泊松比、粘性、摩擦阻力、剪切阻力等)，還包括電特性和光學(xué)特性以及生物學(xué)特性和化學(xué)特性等。末端執(zhí)行器的形式主要有吸盤式(真空式吸盤、噴射式負(fù)壓吸盤、擴(kuò)散式負(fù)壓吸盤、擠壓排氣式吸盤、電磁式吸盤等)、針式、噴嘴式、杯狀、多關(guān)節(jié)手爪式、順應(yīng)型指結(jié)構(gòu)等，通常是末端執(zhí)行器都是專用的(N. Kondo, 1998)末端執(zhí)行器所需的重要傳感器主要有觸覺傳感器和接近傳感器。觸覺傳感器包括接觸傳感器、壓力傳感器和滑覺傳感器.接近傳感器通常用來獲得位置信息，識別物體的存在，避障，測量物體的形狀，補(bǔ)償位置傳感器的誤差等。在完成抓取動作后，末端執(zhí)行器還需要將果實與果柄分離。分離方式為切斷或擰斷。在條件允許的情況下，應(yīng)盡量采用剪斷果柄而不是擰斷果柄的方式，避免擰斷時給果蔬表面造成傷口，導(dǎo)致病菌侵入使果實腐爛，例如桃、李、杏的采摘都要求留有果柄。但對于某些束狀生長、果柄較短的果實，采用剪斷的方式比較困難。末端執(zhí)行器中手指和關(guān)節(jié)的數(shù)量與抓取效果密切相關(guān)，數(shù)量越多，末端執(zhí)行器的自由度就越多，抓取動作更為靈活，抓取效果更好。但大多數(shù)的靈巧手系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，通用性差，仍停留在實驗室階段，更難以運用到農(nóng)業(yè)工程實踐之中。如何協(xié)調(diào)末端執(zhí)行器的通用性、靈活性和成本之間的矛盾，是果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器研究發(fā)展的方向。2.機(jī)械手的設(shè)計2.1 設(shè)計方案果蔬采摘機(jī)器人的機(jī)械手直接接觸工作對象。為了避免碰傷果實，多數(shù)收獲機(jī)器人的手指內(nèi)側(cè)接觸果實的部位采用橡膠和尼龍材料。由于果實的外形有圓形、近似方形、近似長方形等，所以末端執(zhí)行器的設(shè)計應(yīng)著重考慮手指數(shù)量、手指關(guān)節(jié)數(shù)量、尺寸方式等問題。2.2 手指數(shù)量果實的外形有規(guī)則的和不規(guī)則的。對于規(guī)則的小型果實，多數(shù)收獲機(jī)器人采用帶有吸盤的 2個直手指的末端執(zhí)行器直接抓取果實。相對 2 個手指，3 個手指的收獲機(jī)器人也有一些研究，抓取果實的穩(wěn)固更好。而采用具有 4 個手指和一個吸盤的西紅柿收獲機(jī)器人，效果更好，但難于控制。對于大型的果實，雖然外形規(guī)則，但用 2 個手指顯然不行。西瓜收獲機(jī)器人中采用 4 個帶有橡膠的手指，指尖的滑輪沿西瓜表面向下滑動，利用橡膠與西瓜的摩擦力抓住果實。此外，還有一些特殊的手指，梳子式龍?zhí)资种缚梢詫⒐麑嵟c相臨的果實分開。手指的數(shù)量和形狀與果實的外形密切相關(guān)，一般數(shù)量越多，抓取效果越好，但控制也越難，應(yīng)在手指數(shù)量、控制難度和抓取成功率之間找到平衡點。根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求選取 3 個手指最為合適。塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計52.3 手指關(guān)節(jié)數(shù)量對于多數(shù)形狀規(guī)則的果實，多數(shù)收獲機(jī)器人采用 1 個關(guān)節(jié)的手指。對于類人的柔性手指，由于材料和控制比較困難，研究成果不多。夏柑收獲機(jī)器人的柔性手指，手指的指尖通過細(xì)軟鋼絲與人工肌肉相連，當(dāng)人工肌肉產(chǎn)生收縮力時，鋼絲產(chǎn)生拉力使指尖能夠柔和地彎曲。西紅柿收獲機(jī)器人有 4 個具有 4 個關(guān)節(jié)的手指，通過控制纜采摘機(jī)械手的設(shè)計及其控制研究繩的伸縮，使手指彎曲成不同的形狀。對于不同的果實，控制鋼絲繩的拉力、拉動的距離、人工肌肉的收縮力等的控制都比較難。鑒于關(guān)節(jié)的控制比較難，和設(shè)計要求考慮采用兩個關(guān)節(jié)的手指。2.4 尺寸的設(shè)定機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸可以參考人類手指的長度比例，并加以適當(dāng)放大或縮小，或根據(jù)所設(shè)計的多指靈巧手的使用場合作適當(dāng)?shù)某叽缯{(diào)整。通過對某學(xué)校的青年學(xué)生的手指長度的測量，得到了如表 1 所示的結(jié)果。表 1-1 和表 1-2 中所列出的人手的各關(guān)節(jié)（如圖 2-1）長度尺寸值可以作為設(shè)計多指靈巧手的手指長度的參考。圖 2-1 擬人手指簡圖表 1-1 人的右手各關(guān)節(jié)長度的平均值單位（mm）性別 年齡 人數(shù) LA1 LA2 LB1 LB2 LB3 LC1 LC2男 20-23 200 39.2 29.9 50.1 30.6 24.1 53.9 33.5女 20-23 100 35.4 28.4 46 29 22.1 55.1 32.6 平均 - - 38.5 29.6 49.3 30.3 23.8 50.5 34.5表 1-2 人的右手各關(guān)節(jié)長度的平均值LC3 LD1 LD2 LD3 LE1 LE2 LE3 F1 F2 25.2 52.4 32.8 24.8 43.7 25.8 22.6 83.1 101.223.5 48.3 51.5 22.4 39.6 22.9 20.5 77.9 97.324.9 51.7 32.5 24.4 42.9 25.2 22.2 82.2 100.5根據(jù)以上數(shù)據(jù)和設(shè)計的要求和合理性，三個手指設(shè)計統(tǒng)一長度，其中第一個關(guān)節(jié)長度為 55mm，第二個關(guān)節(jié)長度為 40mm，手指寬度為 22mm，手掌直徑為 。m942.5 材料的選擇為了減輕重量，同時也由于手指所抓取果實不是很大，所以手指的結(jié)構(gòu)材料選用鋁合金。在手指的中間附有橡膠，來減小手指和果實接觸時的沖擊，同時也增大了接觸摩擦力。3 動力源的選擇3.1 微小型驅(qū)動模塊的研究采用專用混合式步進(jìn)電動機(jī)作為機(jī)械手的驅(qū)動器具有高效率、高速度的特點,特別是它具有自鎖特性,將其引入到采摘手的手指設(shè)計中。仿人手抓取物體達(dá)到抓握穩(wěn)定后,手指依靠電機(jī)自鎖力塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計6矩保持對物體的抓取力。采用專用步進(jìn)電動機(jī)控制芯片和驅(qū)動芯片組成的系統(tǒng)，外圍電路簡單，可靠性高，同時減少電路板的尺寸。基于上述思想，采用混合式步進(jìn)電動機(jī)作為機(jī)械手手指的驅(qū)動元件,通過由電機(jī)專用控制芯片和微處理器相結(jié)合的控制系統(tǒng)使機(jī)械手抓取具有柔順性和力矩控制的能力。3.2 電機(jī)的選擇步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。3.2.1 步進(jìn)電機(jī)的主要特性（ 1） 步 進(jìn) 電 機(jī) 必 須 加 驅(qū) 動 才 可 以 運 轉(zhuǎn) ， 驅(qū) 動 信 號 必 須 為 脈 沖 信 號 ， 沒 有 脈 沖 的 時 候 ， 步 進(jìn) 電 機(jī) 靜 止 ， 如 果 加 入 適 當(dāng) 的 脈 沖 信 號 ， 就 會 以 一 定 的 角 度 （ 稱 為 步 角 ） 轉(zhuǎn) 動 。 轉(zhuǎn) 動的 速 度 和 脈 沖 的 頻 率 成 正 比 。 （ 2） 步 進(jìn) 電 機(jī) 具 有 瞬 間 啟 動 和 急 速 停 止 的 優(yōu) 越 特 性 。 （ 3)改 變 脈 沖 的 順 序 ， 可 以 方 便 的 改 變 轉(zhuǎn) 動 的 方 向 。 3.3 步進(jìn)電機(jī)的確定通過對機(jī)械手的分析，考慮到本次設(shè)計的機(jī)械手的工作情況，以及設(shè)計要求，在互聯(lián)網(wǎng)和專業(yè)書籍中對步進(jìn)電動機(jī)篩選最后決定選用電機(jī)型號：PM10s-020-zst7，電機(jī)轉(zhuǎn)速 500r/min 轉(zhuǎn)矩電機(jī)性能參數(shù)如圖 2-1 所示，電機(jī)幾何參數(shù)如圖 2-2 所示mNT4109圖 2-1 電機(jī)參數(shù)塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計7圖 2-2 電機(jī)尺寸參數(shù)4.傳動方式選擇和設(shè)計4.1 微小型傳動模塊研究采摘機(jī)械手傳動系統(tǒng)把驅(qū)動器產(chǎn)生的運動和力以一定的方式傳遞到手指關(guān)節(jié),從而使關(guān)節(jié)做相應(yīng)的運動。傳動系統(tǒng)的設(shè)計與驅(qū)動器密切相關(guān)。采用自主設(shè)計的微小型齒輪減速器傳遞步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的運動和力，不僅減小手指的尺寸和質(zhì)量，而且提高了抓取過程的平穩(wěn)性和抓取能力。綜合考慮手指的結(jié)構(gòu)形式，外部尺寸以及剛度、強(qiáng)度、靈活度的要求，選擇齒輪傳動作為傳動方式，這樣既保證了外部結(jié)構(gòu)尺寸，又保證了傳動的效率，增加了傳動的可靠性。4.2 輸出端齒輪4.2.1 選擇材料及精度等級根據(jù)設(shè)計需要，輸出端齒輪直接與電機(jī)連接，選用直齒圓柱齒輪傳動，轉(zhuǎn)速不高，故選用 7級精度，齒輪材料為 45 鋼（調(diào)制） ，硬度為 240HBS。令小齒輪的齒數(shù)為 184.2.2 按接觸強(qiáng)度進(jìn)行初步計算由機(jī)械設(shè)計中設(shè)計計算公式 10-9a 進(jìn)行試算，即（4-3212. HEdt ZuKT1）（1）試選載荷系數(shù) Kt=1.3（2）輸出轉(zhuǎn)矩 mNT4109（3）由機(jī)械設(shè)計中表 10-7 選取齒寬系數(shù) d=1。（4）由機(jī)械設(shè)計中表 10-6 查得材料的彈性影響系數(shù) 218.9aEMPZ（5）由機(jī)械設(shè)計中圖 10-21d 按齒面硬度查得接觸疲勞強(qiáng)度極為 aH50lim（6）由機(jī)械設(shè)計中式 10-13 計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。（4-91072.3081560hnjLN2）（7）由機(jī)械設(shè)計中圖 10-19 取接觸疲勞壽命系數(shù) 4.NK（8）計算接觸疲勞許用應(yīng)力。取失效概率為 ，安全系數(shù) S=1,由機(jī)械設(shè)計中式 10-12 得1%aNHMPS51709.lim(4-3)（9）試算齒輪分度圓直徑 d 將 H代入上式得(4-1)塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計8（4-4） mdt 26.35178.91093.224（10）計算圓周速度 (4-5)sndvt /1.0608.3160（11）計算齒寬與賜稿之比 hbmdbt 26.3.1(4-6)Zmtt .08.(4-7)mht 25.1.25.(4-8)(4-9)49.125.063hb（12）計算載荷系數(shù)根據(jù) ，7 級精度，由機(jī)械設(shè)計中圖 10-8 查得動載系數(shù) ；smv/1.0 1VK直齒輪 ；FHK由機(jī)械設(shè)計中表 10-2 查得使用系數(shù) ；0.1AK由機(jī)械設(shè)計中表 10-4 用插值法查得 7 級精度，非對稱布置 417.HK由 ，查 機(jī)械設(shè)計中圖 10-13 得 ；故載荷系數(shù) 49.1hb 45.F(4-.1KKHVA10)（13）按實際載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式 10-10a 得mkdtt 15.3.4726.31 (4-11)(4-12)7.0185.3Zdm4.2.3 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計9由機(jī)械設(shè)計中式 10-5 得彎曲強(qiáng)度得設(shè)計公式為(4-13)21()FasdYKTmZ（1）由機(jī)械設(shè)計中圖 10-20c 查得齒輪 1 得彎曲疲勞強(qiáng)度極限 MPaFE4201（2）由機(jī)械設(shè)計中圖 10-18 取彎曲疲勞壽命系數(shù) ；85.01FN（3）計算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù) ，由機(jī)械設(shè)計中式 10-12 得4.1FS(4-14)10.8542FNEaKMPS（4）計算載荷系數(shù) K(4-15)36.1.FVA（5）查取齒形系數(shù)由機(jī)械設(shè)計中表 10-5 查得 ；91.2FaY5.Sa代入上式(3-13)0.56.FSa(4-16)214.0.18947.224m4.2.4 確定模數(shù)對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算的模數(shù) 大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算的模數(shù)，由m于齒輪模數(shù) 的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)?？扇∮蓮澢鷱?qiáng)度算得的模數(shù) 。25.0m4.2.5 確定齒數(shù)按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑 ，算出輸出端齒輪的齒數(shù)dt26.3(4-17)1325.061mdZt為使輪齒免于根切，對于 的標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，應(yīng)取 。由于輪齒主要為207Z磨損失效，為使輪齒不至于過小，故小齒輪不宜選用過多的齒數(shù)，一般可取 。所以選201取輸出端齒輪的齒數(shù)為 18Z4.3 幾何尺寸計算4.3.1 輸出端齒輪（1）計算分度圓直徑(4-18)mmzd5.4182.01塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計10（2）計算齒頂圓直徑(4-19)mmhzdaa 52.0)18()2(*1 （3）計算齒根圓直徑(4-20) czaf 87.3.)()(*1 4.3.2 從動齒輪根據(jù)設(shè)計的要求和設(shè)計尺寸，從動齒輪與輸出端的齒輪中心距設(shè)為 。由機(jī)械設(shè)計表ma1010-2 中的公式可得（1） 2/)(1zma6Z（2）分度圓直徑mmzd5.162.02（3）頂圓直徑haa 6.)()(*2（4）計算齒根圓直徑mmczdaf 875.142.0)56()(*2 5 其他零件的設(shè)計 5.1 手掌的設(shè)計為了使手指能在手掌上旋轉(zhuǎn)運動形成不同的角度，將手掌底座設(shè)計成圓盤型如圖 5-1 所示。掌心則是長方形。兩邊形成圓角便于手指的旋轉(zhuǎn)如圖 5-2圖 5-1 手掌底座塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計11圖 5-2 掌心5.2 手指底座采摘手就兩個指節(jié)，要完成在手掌上的旋轉(zhuǎn)需要有個連接底座。一是支撐手指，二是完成旋轉(zhuǎn)運動其結(jié)構(gòu)如圖 5-3 所示圖 5-3 手指底座在手指底座的左端連接在手掌上，并由異步電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。在右邊的結(jié)構(gòu)中來連接第一個關(guān)節(jié)，并安裝微型電機(jī)通過齒輪傳動使手指完成抓取運動。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 5-4圖 5-4 內(nèi)部結(jié)構(gòu)塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計125.3 第一個指節(jié)第一個指節(jié)長 55mm，寬 22mm。通過一個連接件與手指底座的傳動軸過度連接，從而帶動手指的轉(zhuǎn)動。同時在一手指內(nèi)也裝有一個異步電機(jī)，來傳動第二個手指轉(zhuǎn)動。連接件如圖 5-5，手指零件如圖 5-6，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 5-7圖 5-5 連接件圖 5-6 手指一零件圖 5-7 內(nèi)部結(jié)構(gòu)5.4 第二個指節(jié)第二個指節(jié)長 40mm，它的動力來源是第一個指節(jié)上的電機(jī)。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)理論，人手在自然狀態(tài)下手指成彎曲狀態(tài)，當(dāng)手掌繃緊時指尖也與手掌自然形成一定角度。通過測量這個角度平均在 之間。所以在設(shè)計中第二個指節(jié)與第一個指節(jié)通過連接件連接時的起始位置就形603塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計13成一個 角。連接件和指節(jié)二如圖 5-8 和 5-9 所示，手指總裝配如圖 5-10 所示。45圖 5-8 連接件圖 5-9 指節(jié)二圖 5-10 手指總裝配圖6.其他硬件系統(tǒng)6.1 傳感器傳感元件是采摘手工作是重要的組成部分，采摘手對與果蔬的表皮損害程度取決于傳感元件，所以建議選擇應(yīng)變式壓力傳感器。其工作原理是利用彈性敏感元件和應(yīng)變計將被測壓力轉(zhuǎn)換為相塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計14應(yīng)電阻值變化的壓力傳感器。應(yīng)變計中應(yīng)用最多的是粘貼式應(yīng)變計(即應(yīng)變片)。它的主要缺點是輸出信號小、線性范圍窄,而且動態(tài)響應(yīng)較差(見電阻應(yīng)變計、半導(dǎo)體應(yīng)變計)。但由于應(yīng)變片的體積小,商品化的應(yīng)變片有多種規(guī)格可供選擇，而且可以靈活設(shè)計彈性敏感元件的形式以適應(yīng)各種應(yīng)用場合，所以用應(yīng)變片制造的應(yīng)變式壓力傳感器仍有廣泛的應(yīng)用。按彈性敏感元件結(jié)構(gòu)的不同,應(yīng)變式壓力傳感器大致可分為應(yīng)變管式、膜片式、應(yīng)變梁式和組合式4種。根據(jù)設(shè)計情況我們選擇膜片式。它的彈性敏感元件為周邊固定圓形金屬平膜片。膜片受壓力變形時，中心處徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變均達(dá)到正的最大值，而邊緣處徑向應(yīng)變達(dá)到負(fù)的最大值，切向應(yīng)變?yōu)榱?。因此常把兩個應(yīng)變片分別貼在正負(fù)最大應(yīng)變處，并接成相鄰橋臂的半橋電路以獲得較大靈敏度和溫度補(bǔ)償作用。采用圓形箔式應(yīng)變計(見電阻應(yīng)變計)則能最大限度地利用膜片的應(yīng)變效果（圖6-1） 。這種傳感器的非線性較顯著。膜片式壓力傳感器的最新產(chǎn)品是將彈性敏感元件和應(yīng)變片的作用集于單晶硅膜片一身，即采用集成電路工藝在單晶硅膜片上擴(kuò)散制作電阻條，并采用周邊固定結(jié)構(gòu)制成的固態(tài)壓力傳感器圖6-1膜片式應(yīng)變力傳感器6.2 單片機(jī)本系統(tǒng)選用 STC89C52 單片機(jī)，此單片機(jī)的開發(fā)主要用到兩種語言:匯編語言和 C 語言。匯編語言雖然擁有生成的機(jī)器代碼簡潔、占 ROM 空間少、執(zhí)行效率高的優(yōu)勢，但當(dāng)編寫一個較大的應(yīng)用程序時，從內(nèi)部 RAM 單元的規(guī)劃、堆棧的保護(hù)、ROM 中斷入口地址的安排、PC 的維護(hù)，到內(nèi)外部資源的整合、系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)，尤其當(dāng)程序中含有大量計算時，用匯編語言來編寫程序就顯得力不從心。故除了一些要求特殊的功能模塊采用匯編外，一般情況下，都采用主要面向應(yīng)用、運算符豐富、結(jié)構(gòu)簡潔的 C51 實現(xiàn)。6.3 圖像識別系統(tǒng)主要在手掌中心安裝針孔攝像頭，通過顏色識別確定果蔬的位置。彩色圖像處理中常用的顏色模型有:RGB 顏色模型、H S V 顏色模型、Y Cb Cr 顏色模型和 L*a*b*顏色模型等。RGB 模型是根據(jù)三基色原理建立起來的,是基本的顏色表示模型,其他的顏色表示模型都可通過 RGB 模型轉(zhuǎn)化得到。H S V 模型直接采用彩色特性意義上的 3 個量: 亮度或明度(V)、色調(diào)(H)、飽和度(S)來描述顏色, 比較符合人對顏色的描述習(xí)慣,但該模型表示的顏色并不全是視覺所感受的顏色。塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計157 工作原理流程及形態(tài)7.1 工作原理工作原理流程圖如圖 7-1 所示。從圖中可以看出，機(jī)械臂帶動機(jī)械手接近果實的過程中和果實發(fā)生擠壓并產(chǎn)生壓力，由傳感器測得的力信號傳給單片機(jī)，判斷是否達(dá)到力閉值，這里的力閉值是根據(jù)實際經(jīng)驗設(shè)置的，即保證不損壞果實的前提下略小于穩(wěn)定抓持的力。當(dāng)機(jī)械手?jǐn)D壓果實的過程中，如果達(dá)到該值則觸發(fā)機(jī)械手動作，所以采摘機(jī)械手的設(shè)計及其控制研究該值起到觸發(fā)信號的作用。如果達(dá)到該閨值機(jī)械手開始完成穩(wěn)定抓持，然后手腕上升，將果實提升和其它果實分離，避免隨后的旋轉(zhuǎn)過程碰傷其它果實或者周邊的環(huán)境對手的動作發(fā)生干涉，完成采摘后松開果實手再恢復(fù)原位。緊接著機(jī)器視覺判斷該果實是否在原位，要是在原位說明沒采摘下，則作為新果實繼續(xù)采摘，否則說明采摘成功，繼續(xù)下一個果實的采摘。圖 7-1 工作流程7.2 工作形態(tài)因為果蔬的形態(tài)各有不同，采摘機(jī)械手可以變換手指位置對不同形狀的果蔬進(jìn)行抓去任務(wù)。通過 Solidworks 建模進(jìn)行間隙驗證推算抓取范圍。下面對主要的三種形態(tài)進(jìn)行分析。7.2.1 形態(tài)一三指并攏狀態(tài)如圖 7-2 所示，最小抓取直徑為 16.5mm，最大抓取直徑為 60mm，長度大于80mm 的棒狀物體，如黃瓜之類的果蔬最佳，抓取狀態(tài)如圖 7-3 和 7-4 所示。塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計16圖 7-2 形態(tài)一圖 7-3 最小抓取形態(tài) 圖 7-4 最大抓取形態(tài)7.2.2 形態(tài)二形態(tài)二如圖 7-5 所示三指互成 120°，在這種狀態(tài)抓取球狀物體最為穩(wěn)定。抓取范圍為直徑在70100mm 之間球體。抓取形態(tài)如圖 7-6 和 7-7 所示。塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計17圖 7-5 形態(tài)二圖 7-6 最小抓取 圖 7-7 最大抓取7.2.3 形態(tài)三形態(tài)三如圖 7-8 所示，兩個活動手指平行達(dá)與固定手指對立相比形態(tài)一抓取做大直徑為95mm。如圖 7-9 所示塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計18圖 7-8 形態(tài)三 圖 7-9 最大抓取小 結(jié)通過本次畢業(yè)設(shè)計，我深深體會到自己在理論知識方面的欠缺，同時也感到自己在知識的運用上也不夠靈活，這也說明我在學(xué)習(xí)知識的過程中存在著一些缺點，總結(jié)有以下幾點：1.在初定方案過程中，由于自己所見實物過少，零部件的尺寸不能確定，使方案進(jìn)行了多次修改，耽誤了大量時間。在計算過程中，對于帶輪和齒輪的基本尺寸，計算結(jié)果與實際生產(chǎn)加工有偏差，也相應(yīng)作了修改。2.在機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計中也花了不少時間，因為要考慮微電機(jī)的安裝和整體外形尺寸。手指見間的連接，手指的驅(qū)動等諸多問題的考慮。3.運用三維軟件對這個機(jī)械手進(jìn)行三維建模，仿真，做動畫。工作量也比較大，在建模過程中也發(fā)現(xiàn)了不少設(shè)計方案和尺寸等諸多問題。總體來說，在這次畢業(yè)設(shè)計中，收獲很大，平時在學(xué)習(xí)知識的時候，總是認(rèn)為好多知識用不到，所以就沒有更深一步去理解。在此次設(shè)計中，我感到自己的知識面很窄，對知識掌握得不夠，在設(shè)計時，考慮問題太片面，導(dǎo)致零部件進(jìn)行多次修改。由于工作量較大和時間緊張，在仿真這部分沒有完全表達(dá)出我的設(shè)計意圖，這也是遺憾之處。同時也期望在今后有其他畢業(yè)生能夠克服，做到十全十美。塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計19致 謝對于這次畢業(yè)設(shè)計的完成，首先感謝母校-塔里木大學(xué)的辛勤培育，感謝學(xué)校給我提供了如此難得的學(xué)習(xí)環(huán)境和機(jī)會，使我將以前學(xué)到的知識又重新回顧了一遍，知道了學(xué)習(xí)的可貴與獲取知識的辛勤。承蒙指導(dǎo)老師的耐心指導(dǎo)，使我順利地完成了畢業(yè)設(shè)計。在此，深深地感謝指導(dǎo)老師，給予了我耐心的指導(dǎo)和幫助，體現(xiàn)出了他對工作高度負(fù)責(zé)的精神，感謝黃新成老師給我的指導(dǎo)，在周末他也會隨時過來檢查進(jìn)度。在整個設(shè)計的過程中，他耐心的指導(dǎo)，才使我的設(shè)計順利完成。在這里也特別感謝張宏老師在百忙之中抽出時間給我指導(dǎo)，同時也感謝本組老師給出的意見和指導(dǎo)。對于這次畢業(yè)設(shè)計，由于時間倉促和自己所學(xué)軟件掌握熟練程度等因素，使這次畢業(yè)設(shè)計的仿真沒有達(dá)到最完美的效果，這不能不說是本次設(shè)計的遺憾之處。不過，它至少啟發(fā)了我的思維，提高了我的動手能力，使我應(yīng)用了以前 solid works 軟件中沒有用到的工具，同時，使我將以前所學(xué)的書本知識又重新復(fù)習(xí)了一遍，這為我在今后的工作崗位上發(fā)揮自己的才能奠定了堅實的基礎(chǔ)。最后，再一次衷心的感謝學(xué)校能夠給予我這次機(jī)會，使我將所學(xué)理論知識與實踐相結(jié)合，以及在塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計20這次設(shè)計中給予我指導(dǎo)的所有老師。你們傳授的知識使我受用一生，你們的恩情我會銘記一生。參考文獻(xiàn)1 吳宗澤,羅盛國.機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計手冊.3 版.北京:高等教育出版社 2006.5.2 濮良貴,紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計.8 版.北京:高等教育出版社,2006.5.3 毛謙德,李振清.袖珍機(jī)械設(shè)計手冊.2 版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2002.4 孫桓,陳作模,葛文杰.機(jī)械原理.7 版.北京:高等教育出版社,2006.5. 5 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