摘 要
菠蘿采摘機器執(zhí)行器是采摘機器的重要部件，它的設計通常被認為是機器人的核心技術。
本次設計首先，調(diào)查了采摘機及其末端執(zhí)行器的研究及發(fā)展現(xiàn)況；接著，通過現(xiàn)有菠蘿采摘機末端執(zhí)行器及人工采摘菠蘿時原理進行分析，在此分析基礎上提出了總體結(jié)構(gòu)方案；其次，對各主要機構(gòu)及其零件進行設計與選擇；然后，通過靜力學分析進行了校核。
通過本次設計，鞏固了大學所學專業(yè)知識，如：機械原理、機械設計、材料力學、公差與互換性理論、機械制圖等；掌握了普通機械產(chǎn)品的設計方法并能夠熟練使用AutoCAD軟件，對今后的工作與生活具有極大意義。
關鍵詞：菠蘿采摘，執(zhí)行器，手指，設計
Abstract
Pineapple picking machine actuator is an important part of the picking machine，its design is usually considered as the core technology of the robot.
This design first investigates the research and development status of the picking machine and its end-effector; then，through the analysis of the existing pineapple picking machine end-effector and the principle of artificial picking pineapple，the overall structure scheme is put forward based on the analysis; secondly， the main mechanisms and their parts are designed and selected; and then，through static analysis，the checking is carried out.
Through this design，we have consolidated our professional knowledge，such as mechanical principle，mechanical design，material mechanics，tolerance and interchangeability theory，mechanical drawing，etc. We have mastered the design method of ordinary mechanical products and can skillfully use AutoCAD software，which is of great significance to our future work and life.
Key words: Pineapple picking，Actuator，F(xiàn)inger，Design
目 錄
摘 要 1
Abstract 2
第一章 緒論 4
1.1課題研究背景及意義 4
1.2 國內(nèi)外采摘機器發(fā)展現(xiàn)況 4
1.3 采摘機器末端執(zhí)行器研究現(xiàn)狀 5
第二章 總體方案確定 7
2.1設計要求 7
2.2總體方案設計 7
2.2.1車體方案設計 7
2.2.2手臂方案設計 7
2.2.3手爪方案設計 7
第三章 車體部分設計 9
3.1驅(qū)動機構(gòu)的設計 9
3.1運動分析 9
3.1.1跨越坑洼 9
3.1.2 跨越溝槽 10
3.3.3 斜坡運動分析 11
3.2主電機的選擇 12
3.3機械手臂部分設計 14
3.3.1電機的選擇 14
3.3.2大、小臂設計 16
第四章 手爪部件的設計與選擇 18
4.1驅(qū)動機構(gòu)的設計 18
4.1.1驅(qū)動方案的選擇 18
4.1.2電動機的選擇 18
4.1.3絲桿螺母副的選型與校核 20
4.1.4軸承的選擇與校核 23
4.1.5鍵的選擇與校核 23
4.2手指結(jié)構(gòu)設計 24
4.2.1手指數(shù)量 24
4.2.2手指關節(jié)數(shù)量 24
4.2.3手指的材料 24
4.3機架的設計 24
第五章 力學分析與校核 26
5.1手指的工作原理 26
5.2抓取時的靜態(tài)力學模型 26
5.3運動學分析 28
5.4夾持誤差計算 29
總 結(jié) 32
參考文獻 33
致 謝 33
第一章 緒論
1.1課題研究背景及意義
菠蘿是中國的主要水果。2010年，菠蘿總產(chǎn)量占三大水果水果（菠蘿、橘子、梨）的32.73%。此外，我國菠蘿種植面積2848畝，產(chǎn)量26萬噸，占世界菠蘿種植面積的35%，產(chǎn)量是世界上最大規(guī)模的菠蘿采摘機器人采摘工藝。在很大程度上可以大大提高采果效率，節(jié)約成本，但采果過程中的機械損傷是一種侵入性病原微生物。造成誤差的主要原因是運行負荷的碰傷和破損，使變質(zhì)腐爛的水果每年損失高達10億元人民幣30.40%。水果的直接接觸臂部分，因此研制一種易損壞的水果小機械手尤為重要。
“揀貨機的末端執(zhí)行器是安裝在移動裝置或揀貨機臂上的裝置，用于揀貨，并具有處理、傳送、夾緊、放置和釋放物體到精確的離散位置的功能。”這是對末端執(zhí)行器的定義。
摘穗機抓取操作方式是工業(yè)生產(chǎn)中的一個重要應用。機器是一種綜合性強的自動化設備。設備的執(zhí)行機構(gòu)直接導致大多數(shù)任務。完成任務后，進行結(jié)構(gòu)尺寸設計，以及各種結(jié)構(gòu)。通常，根據(jù)機械夾持器的使用和結(jié)構(gòu)變化，有三種類型的吸附出口和專用工具。在大多數(shù)情況下，執(zhí)行器是為特定目的而設計的，或者它可以是一個大型的、多功能的執(zhí)行器。
現(xiàn)有末端執(zhí)行器機構(gòu)的性能來源于國情，但有些技術還不成熟。因此，如何在現(xiàn)有條件下滿足不同的功能要求和執(zhí)行機構(gòu)的性能，以及如何開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高、選料機尾是我們最重要的任務。
1.2 國內(nèi)外采摘機器發(fā)展現(xiàn)況
果蔬采摘機器人的研究始于20世紀60年代，在美國，主要應用于氣動機械清洗方法和非定常方式。其缺點是水果易碎、低效，而且沒有很大的局限性，特別是選擇性收獲、采摘柔軟、新鮮的水果和蔬菜。但從那時起，隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展，特別是工業(yè)機器人、更為成熟的技術和計算機圖像處理技術以及人工智能技術的發(fā)展，采摘機器人的研究得到了迅速發(fā)展。目前，日本、荷蘭、法國、英國、意大利、美國、以色列、西班牙等國家已成功推出果蔬采摘機器人研究相關方面的主要橙子、菠蘿、西紅柿、黃瓜、西紅柿、蘆筍、花椰菜、葡萄、瓜類、草莓、菊花、蘑菇等，但這些機器人的研究還不夠全面。E利益并不是真正的商業(yè)運作。機器人。
農(nóng)業(yè)機器人的研究起步較晚，但近幾年來，隨著研究的快速發(fā)展，已經(jīng)有了大量的研究。張建峰，董健，張志勇，自適應控制算法設計，如用于采摘機器人魯棒跟蹤設計的立體視覺傳感器；中國農(nóng)業(yè)大學，劉兆祥，劉剛，發(fā)現(xiàn)了蔡建榮江蘇大學菠蘿三維信息，如恢復障礙，研究與開發(fā)。n柑橘采摘機器人障礙識別技術；南京農(nóng)業(yè)大學和政府接管。果蔬外環(huán)控制技術的研究。
在我國，菠蘿不是人工采集的，效率低，勞動密集，環(huán)境惡劣。目前，菠蘿收割機也報道較少，國內(nèi)一些收割機專利，如螺母拔鉤，這些專利可以在一定程度上減少收割機工作人員的勞動強度，改變選擇；但是，基本上結(jié)構(gòu)簡單，因此沒有選擇從根本上解決。困難重重，效率低下。從菠蘿收割機設計的實際目標出發(fā)，結(jié)合工作環(huán)境的特點，深入分析了未使用軟件設計菠蘿收割機的表演者、Pro/E收割機的三維設計、虛擬裝配設計菠蘿收割機的端部與采集。它基本上解決了選擇余地大、勞動效率低的問題，具有一定的發(fā)展前景。
1.3 采摘機器末端執(zhí)行器研究現(xiàn)狀
果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器是果蔬采摘機器人的重要組成部分，其設計是果蔬采摘機器人的核心技術之一。一般來說，水果和蔬菜看起來很脆弱，它們的形狀和生長通常很復雜。
水果采集和分離是實現(xiàn)機器人末端的兩個關鍵動作。首先，通過捕捉、吸入、安裝等。該方法取得了一定的效果，并對果實和花梗的分離等不同方法進行了折疊和剪切。從已發(fā)表的文獻來看，它主要分為兩類水果，不夾持和相似。傳統(tǒng)的水果和花梗分離方法是用剪刀或刀進行收縮、粉碎和切割，并開發(fā)出一種新的熱切割方法。
（1）直接切斷式
這樣的末端執(zhí)行器通常是直接切割的。例如，日本的發(fā)展，辣椒和番茄采摘機器人的端到端的執(zhí)行者收獲了美國的柑橘。表演者的結(jié)構(gòu)如圖1-1和1-2所示。
圖1-1 甜椒采摘末端執(zhí)行器 圖1-2 番茄采摘末端執(zhí)行器
這類末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)更簡單，植物冠層、葉片和果實，具有一定的抗沖擊的水果和蔬菜。
（2）吸入式
這種無夾持端部執(zhí)行器主要通過真空系統(tǒng)的內(nèi)端吸入表演者的果實，然后將其切開并折疊，如分離果實和花梗。
比利時在無菠蘿機器人的末端開發(fā)了一個漏斗，如圖1-3所示。漏斗放置間漏斗的設計將再次打開真空吸桿，在夾持范圍內(nèi)吃水果時，以旋轉(zhuǎn)折疊的方式采摘水果。
圖1-3 菠蘿采摘末端執(zhí)行器
吸入端執(zhí)行器的工作原理硬件設計簡單。類似的水果是柔軟的，纖細的，溫和的。與其他水果相比，吸入草莓可以安裝更多。夾具上的末端執(zhí)行器是可行的。但這種個體差異對果實大小的適應性差，運動緩慢，穩(wěn)定性差。
（3）夾緊類
這類末端執(zhí)行器，他的持有人通常由真空吸和數(shù)目不等的手指。根據(jù)夾持器可分為兩個手指的數(shù)量和大量的指型。
中國農(nóng)業(yè)大學張凱良等人設計的原理，草莓產(chǎn)量，他們的機器，如圖1-4所示。，此端的表演者在爪的夾緊機構(gòu)的主要機及其附屬部件。
1.手指 2.內(nèi)螺紋管 3.絲杠 4.電機
圖1-4 機械爪機構(gòu)示意圖
第二章 總體方案確定
2.1設計要求
本課題所設計的菠蘿采摘機應該具有制造成本低、控制簡單、機械結(jié)構(gòu)簡單、通用性好等特點，同時整機設計，要遵循以下的設計原則：
（1）執(zhí)行器有三到四個手指，每個手指有三節(jié)
（2）夾持菠蘿直徑15-25cm
2.2總體方案設計
2.2.1車體方案設計
本設計的移動機械手本體結(jié)構(gòu)采用履帶支腿復合結(jié)構(gòu)?？傮w設計方案如圖2-1所示。作為一種移動機構(gòu)，機器人的運動軌跡與前臂和后臂的旋轉(zhuǎn)相協(xié)調(diào)，提高了機器人運動的靈活性。
機器人的后輪由伺服電機驅(qū)動。通過控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)了后輪的柔性轉(zhuǎn)動，對機器人爬坡越障起到了更大的作用。
機器人的左右軌跡由永磁直流電機驅(qū)動。前后橋的速度和力矩可由協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制。可實現(xiàn)360度原地轉(zhuǎn)向，前進時可實現(xiàn)自由轉(zhuǎn)向，可隨時調(diào)整爬升力矩。車體主軌道前端為慣性軸，與主動軸配合，保證機器人的平穩(wěn)運動。
圖2-1 移動機械手車體結(jié)構(gòu)組成
2.2.2手臂方案設計
本設計的要求是：機械臂能上下轉(zhuǎn)動，機械爪能夾緊，采用關節(jié)結(jié)構(gòu)。因此，選擇的設計方案如下：機械臂上下移動由兩個驅(qū)動關節(jié)旋轉(zhuǎn)的電機驅(qū)動，機械臂的整個旋轉(zhuǎn)由底部旋轉(zhuǎn)電機實現(xiàn)；機械臂爪有兩個自由度，分別是爪的旋轉(zhuǎn)。爪形夾持；爪形旋轉(zhuǎn)由電機驅(qū)動。
2.2.3手爪方案設計
根據(jù)菠蘿的選擇，提出了具體的要求。菠蘿的結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。從手指和手掌的驅(qū)動、框架等。手用三個手指，三個手指的圓周對稱，每側(cè)一個手指。每根手指有6個關節(jié)。在牽引電機的控制下，通過螺釘?shù)氖种?，將三根桿的底部連接起來，并夾緊不同形狀的物體。圖2-3是菠蘿收割機末端執(zhí)行器的二維模型。
圖2-2 機械手機構(gòu)圖
工作原理：將機械手送至水果附近的傳感器檢測機械手、機械手的相對位置和菠蘿水果的中心位置、機械手的控制信號、單片機觸發(fā)的步進電機的位置傳感器，并開始向前旋轉(zhuǎn)，使機械手開始收緊水果，水果手指的壓力傳感器增加。實時性能大，確定是否有壓力勘探隊，為達到閾值，通過實驗獲得閾值。如果達到此閾值，則完成停止移動操縱器的運動，模擬摘果和果柄的分離。操作手指定位置后的水果由步進電機反轉(zhuǎn)，手指放松，恢復原始位置，水果收獲完成。
第三章 車體部分設計
3.1驅(qū)動機構(gòu)的設計
3.1運動分析
3.1.1跨越坑洼
當機器人爬過坑時，履帶底部與地面的夾角將逐漸增大。當重心穿過坑的支撐點時，機器人完成爬過坑的動作。從運動過程可以看出，圖3-1中的重心位置處于臨界狀態(tài)。只有當機器人的重心越過坑邊時，機器人才能成功地克服障礙物。由此可以分析機器人的最大越障高度。
圖3-1上坑洼臨界狀態(tài)示意圖
由圖3-1所示幾何關系可得：
( 5-1）
變換式（5-1）可得： （5-2）
（5-3）
利用式（5-3）求出，代入式（6-2）可算出機器人跨越障礙的高度。
機器人加裝后臂，可以大幅提高機器人跨越坑洼的高度，如圖3-2所示，在后臂伺服電機的驅(qū)動下，后臂履帶抬起，成直立，在機器人跨越的高度又要高出H。
所以本次設計履帶設計中機器人跨越障礙的最大高度為
圖3-2上坑洼臨界狀態(tài)示意圖
3.1.2 跨越溝槽
對于小于機器人前后履帶輪中心距的凹槽，由于機器人重心在機體內(nèi)，當機器人重心穿過下一個凹槽的支撐點時，機器人穿過凹槽。也可能是重心沒有通過，在溝槽中傾斜。當槽大于中心距時，移動機械手可以視為爬過凸形障礙物。當移動機器人穿過凹槽時，當重心穿過凹槽邊緣時，機器人將向前傾斜，在重力作用下其運動不穩(wěn)定。根據(jù)機器人質(zhì)心的變化規(guī)律，可以看出機器人的重心在半徑為r的圓內(nèi)，由于擺臂展開后，軌道與地面的接觸長度變長，為了計算穿越溝槽的最大寬度，擺臂軌道應為b。部署。機器人的前臂和后臂長度相等。
圖3-3跨越溝槽示意圖
機器人在平地圖3-3（a）跨越溝槽的寬度：
（6-4）
3.3.3 斜坡運動分析
機器人在斜坡上運動時，其受力情況如圖3-4所示，機器人勻速行駛或靜止時，其驅(qū)動力：
圖3-4機器人上坡受力示意圖
最大靜摩擦力系數(shù)為，最大靜摩擦力為：
當時，機器人能平穩(wěn)行駛。
當時，機器人受重力的影響將沿斜面下滑。
已知移動機械手對地面的最大靜摩擦系數(shù)，則機器人爬越的最大坡度為:
爬坡時克服摩擦力所需的最大加速度為：
通過以上分析，我們可以根據(jù)機器人軌道與運動面之間的摩擦系數(shù)來確定某些陡坡是否能夠安全爬坡。根據(jù)電機的坡度和特點，可以確定電機的最大加速度和爬坡速度。
由以上計算可得：機器人的爬坡角度最大為；垂直越障高度最大為600mm：最大跨溝寬度為400mm。
對于履帶和地面的動摩擦因數(shù)，實際上只是表示起動時車輪所處的滑動狀態(tài)對應的滑動摩擦力，一旦車輪開始轉(zhuǎn)動，面臨的滾動摩擦力則總是比滑動摩擦力小得多。則可取大一點。
3.2主電機的選擇
（1）機器人在平直的路上行駛
移動機械手在跨越平面的溝槽或在平面移動，假設其速度最大，且勻速前進，則取
移動機械手共有兩個輸出軸，每個輸出軸前端都有一個電機，對機器人其中一個輸出軸分析:
圖3-5 平直路線分析
又 則
在最大的行駛速度下，驅(qū)動電機經(jīng)過減速箱減速后需要提供的極限轉(zhuǎn)速為
（2）機器人在30°坡上勻速行駛
機器人在最大行駛坡度上勻速行駛，設定行駛速度為，，在行駛過程中輪子作純滾動，不考慮空氣阻力的影響，機器人爬坡受力情況如圖
圖3-6 30°坡度分析
又，則
則在最大坡度下需提供極限轉(zhuǎn)矩為
（3）機器人的多姿態(tài)越階
對于這類姿態(tài)分析，直流電機僅在機器人穿越坑時驅(qū)動主履帶。在實際過坑過程中，機器人的速度不高，因此機器人所需的輸出功率不高。
從以上分析可以看出，機器人在平地直線運動時，驅(qū)動電機的輸出速度較高，爬坡時驅(qū)動電機的輸出扭矩較大。因此，電機的選擇應基于平緩直線運動所需的最大速度和爬升運動所需的扭矩。
根據(jù)機器人爬坡情況的分析，
，
機器在平面狀況下，
因而選取P=80W作為機器人的最大輸出功率。
根據(jù)計算的移動機械手的最大輸出功率為80W，輸出轉(zhuǎn)矩為22.1N.M，輸出轉(zhuǎn)速為56.2r/min。
由于直流電動機起動性能好，過載性能強，能承受頻繁的沖擊、制動和反轉(zhuǎn)，允許的沖擊電流可達額定電流的3～5倍。另外，在使用過程中可使用便攜式或移動式電池，也可使用干電池作為電源，重量輕，操作方便。根據(jù)直流電機的這些性能，可以滿足機器人主履帶和移動電池的頻繁沖擊、制動和反轉(zhuǎn)的要求。因此，選用90ZY54型直流永磁電機，其參數(shù)如下：
額定功率
92
額定轉(zhuǎn)矩
0.6
額定轉(zhuǎn)速
1500
電流
7
電壓
12
允許正反轉(zhuǎn)速差
150
因為 則
因為， 則
又
則選取
3.3機械手臂部分設計
3.3.1電機的選擇
機械手臂上有四個電機，分別是臂旋轉(zhuǎn)電機、臂關節(jié)電機和手腕旋轉(zhuǎn)電機。在此，以臂式旋轉(zhuǎn)電機為例進行了選型計算。其他電機的選擇類似。
目前比較常用的步進電機有無功步進電機、永磁步進電機等。永磁步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩小，體積小，步進角一般為7.5度或15度。無功步進電機一般為三相，可以實現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)矩輸出。步進角一般為0.75度或1.5度，但有一定的噪聲和振動。無功步進電機是由軟磁材料制成，用于轉(zhuǎn)子磁路。定子具有多相勵磁繞組，轉(zhuǎn)矩由磁導變化產(chǎn)生。
考慮到技術難度、精度和資金，考慮到機床負載小、負載變化小，是一種經(jīng)濟、簡單的自動控制設備，因此采用無功步進電機作為砂輪座磨削進給的驅(qū)動源。
(1)旋轉(zhuǎn)力的計算
旋臂式機械手夾持工件時，很明顯承受著一定的旋臂力矩。由文獻1查得旋轉(zhuǎn)力的計算公式為：
一旋轉(zhuǎn)阻抗力(N)，根據(jù)相關經(jīng)驗數(shù)據(jù)，取其值為1989.9。
由文獻1查得：
取，則 (N)
，則 (N)
(2)脈沖當量和步距角
脈沖當量小可提高加工精度，但使系統(tǒng)復雜。一般加工精度的自動控制機床，脈沖當量可選為0.01mm/step，初步確定步距角=0.5/step。
(4)步進電機轉(zhuǎn)軸上啟動力矩的計算
由文獻9查得啟動力矩的計算公式為：
式中：
一電機啟動力矩
——旋轉(zhuǎn)進給抗力(N)，= =1989．9(N)
一垂直分力，==795．9(N)
——導軌摩擦系數(shù)，選用淬火鋼滾動導軌，取=0．01
G-機器重量(N)，按圖紙粗估G=480N
——總機械效率，取=0．85
則
(5)確定步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩和最高工作頻率
為滿足最小步距要求，電機選用三相六拍工作方式，由文獻9查得：
=0.866
則步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩為：
=180／0.866=207.8(Ncm)
最高工作頻率為：
(7)步進電機的選擇
查表選用110BF003型步進電機，其參數(shù)如下：步距角，選用三相六拍工作時取，最大靜轉(zhuǎn)距800N·cm，最高空載啟動頻率1500Step/s，運行頻率7000 Step/s，相數(shù)3，電壓80V，相電流6A，滿足需要。
3.3.2大、小臂設計
（1）負載分析
負載R是指工作機構(gòu)在滿負荷情況下，即：
式中：-工作機構(gòu)的荷重及自重對手臂產(chǎn)生的作用力；
-工作機構(gòu)在滿載啟動時的靜摩擦力；
-工作機構(gòu)滿載啟動時的慣性力。
(1)的確定
① 工件的質(zhì)量m
=5.9 (kg)
②夾持器的質(zhì)量 15kg(已知)
③伸縮臂的質(zhì)量 50kg(估計)
④其他部件的質(zhì)量 15kg(估計)
工作機構(gòu)荷重： Ri=(5.9+15+50+15)*10=859(N)
取Ri=860N
(2) 的確定 Rm= (N)
(3) 的確定 Rg=(N)
式中：為啟動時間，其加速時間約為0.1～0.5s
=0.1s ， =0.2s
總負載 R=Ri+Rg+Rm=860+172+172=1204(N)
取實際負載為 =1200
根據(jù)負載分析計算得到大小臂結(jié)構(gòu)尺寸如下圖示：
第四章 手爪部件的設計與選擇
4.1驅(qū)動機構(gòu)的設計
4.1.1驅(qū)動方案的選擇
目前，機械手的主要驅(qū)動源是氣動驅(qū)動、電氣驅(qū)動和液壓驅(qū)動。
（1）它是一種氣動壓縮空氣壓力驅(qū)動的執(zhí)行機構(gòu)運動驅(qū)動系統(tǒng)，空氣壓縮機，通常用作能源。氣動過載驅(qū)動器的安全性、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、污染小，可調(diào)節(jié)空氣流量、速度，但大型設備速度不穩(wěn)定，定位精度高，不抱持，抓力小。
（2）液壓傳動系統(tǒng)的輸出力驅(qū)動液壓傳動系統(tǒng)具有固有的穩(wěn)定性、有效性和快速響應性。這很簡單。它可以在較寬的范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)速度，輕松適應不同的工作。變速器能成功地吸收沖擊力。它可以實現(xiàn)更頻繁的傳動和穩(wěn)定的換向，但容易漏油、污染，成本高，定位精度高。高，針對電機，但針對空氣低溫液體粘度的變化和影響，傳輸特性。
（3）電氣驅(qū)動模型，包括步進電機交流伺服電機、伺服電機和步進電機以及發(fā)動機扭矩和驅(qū)動器類型。步進電機角位移或開環(huán)控制元件的線性位移由電脈沖信號控制，具有簡單、響應快、可靠、無累積誤差等特點。伺服電機慣性轉(zhuǎn)子具有良好的動態(tài)特性。該機器人采用伺服電機驅(qū)動，精度高、速度范圍寬、速度快、運行穩(wěn)定、可靠性高、控制方便。
基于步進電機的這些優(yōu)點，本設計采用步進電機驅(qū)動。
4.1.2電動機的選擇
機臂升降機構(gòu)的電機調(diào)速精度要求高潛力的快速、方便、受環(huán)境影響小，額定功率小，并可用于開環(huán)系統(tǒng)。步進電機和步進電機為BF系列反應，所有這些條件，我們選擇了90BF004主運動模型反應的步進電機作為動力源，該機功率為60W。在選擇主要有以下步驟：
（1）根據(jù)脈沖當量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機型號
(a)步距角
初選步進電機型號，并從手冊中查到步距角，由于
綜合考慮，我初選了，可滿足以上公式。
(b)距頻特性
步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax是指電機的定位轉(zhuǎn)矩。步進電機的名義啟動轉(zhuǎn)矩Mmq與最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax的關系是：
Mmq=
步進電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動。步進電機所需空載啟動力矩按下式計算：
式中：Mkq為空載啟動力矩；Mka為空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進速度折算到電機軸上的加速力矩；Mkf為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩；為由于絲桿預緊折算到電機軸上的附加摩擦力矩。
而且初選電機型號時應滿足步進電動機所需空載啟動力矩小于步進電機名義啟動轉(zhuǎn)矩，即：
MkqMmq=λMjmax
計算Mkq的各項力矩如下：
①加速力矩
②空載摩擦力矩
③附加摩擦力矩
（2）啟動矩頻特性校核
步進電機有三種工況：啟動，快速進給運行，工進運行。
前面提出的，僅僅是指初選電機后檢查電機最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，但是不能保證電機啟動時不丟步。因此，還要對啟動矩頻特性進行校核。
步進電機啟動有突跳啟動和升速啟動。
突跳啟動時加速力矩很大，啟動時丟步是不可避免的。因此很少用。而升速啟動過程中只要升速時間足夠長，啟動過程緩慢，空載啟動力矩中的加速力矩不會很大。一般不會發(fā)生丟步現(xiàn)象。
4.1.3絲桿螺母副的選型與校核
滾珠絲桿設計和校核，其步驟如下：
首先對于一些參數(shù)說明如下：
軸向變載荷，其中i表示第i個工作載荷，i=1、2、3…n ；
第i個載荷對應的轉(zhuǎn)速(r/min);
第i個載荷對應的工作時間 (h) ;
絲桿副最大移動速度(mm/min);
絲桿預期壽命。
（1）型號選擇
（a）根據(jù)使用和結(jié)構(gòu)要求
選擇滾道截面形狀，滾珠螺母的循環(huán)方式和預緊方式；
（b）計算滾珠絲桿副的主要參數(shù)
①根據(jù)使用工作條件，查得載荷系數(shù)=1.0系數(shù)=1.5；
②計算當量轉(zhuǎn)速
③計算當量載荷
④初步確定導程
，取4mm
⑤計算絲桿預期工作轉(zhuǎn)速
⑥計算絲桿所需的額定載荷
（c）選擇絲桿型號
根據(jù)初定的和計算的，選取導程為4mm，額定載荷大于的絲桿。查滾珠絲杠型號表知，本次選定的滾珠絲杠螺母副型號為：GD1604-3
由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)：
公稱直徑
導程
滾珠直徑
（2）校核計算
（a）臨界轉(zhuǎn)速校核
校核合格。
（b）由于此絲桿是豎直放置，且其受力較小，溫度變化較小。所以其穩(wěn)定性、溫度變形等在此也沒必要校核。
（c）滾珠絲桿的預緊
預緊力一般取當量載荷的三分之一或額定動載荷的十分之一。即：
其相應的預緊轉(zhuǎn)矩
（d）穩(wěn)定性驗算
絲杠采用軸向螺釘固定的一端和雙向滾珠軸承，滾珠軸承，分別可承受徑向和軸向負荷。另一端游動，需要采用滾珠軸承徑向的限制，不限，環(huán)以確保去散步，在結(jié)束后的熱變形的自由伸縮，如下圖所示。
① 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設計時應驗算其安全系數(shù)S，其值應大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S]
絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷
式中，E為絲杠材料的彈性模量，對于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長度（m）；為絲杠危險截面的軸慣性矩（）；為長度系數(shù)，取。
安全系數(shù)
查表2-10，[S]=2.5～3.3，S>[S]，絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。
② 高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速——臨街轉(zhuǎn)速。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速。
臨街轉(zhuǎn)速按下式計算：
式中：為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表2-10，本題取，
即：，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。
③ 此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求
4.1.4軸承的選擇與校核
（1）軸承選擇
因為軸承受一定的軸向力的作用，所以選用角接觸軸承。
軸左側(cè)：從《機械設計課程設計》中表15-3中查得軸承的型號為：6201。外形尺寸為：d1=12mm，D1=32mm，B1=9mm。
（2）軸承校核
1）按承載較大的滾動軸承選擇其型號，因支承跨距不大，故采用兩端固定式軸承組合方式。軸承類型選為深溝球軸承，軸承的預期壽命取為：L'h＝29200h
由上面的計算結(jié)果有軸承受的徑向力為Fr1=340.43N，
軸向力為Fa1=159.90N，
基本額定靜載荷為C0r=63.8KN。
2）徑向當量動載荷
動載荷為，查得，則有
，滿足要求。
4.1.5鍵的選擇與校核
（1）鍵的選擇
鍵的類型有平鍵、半圓鍵、切向鍵等，是一種實現(xiàn)軸與輪轂間周向固定、用以傳遞轉(zhuǎn)矩的標準件，應用非常地廣泛。[3]聯(lián)軸器所在軸徑為12mm，從《機械設計》中表14-1中查得鍵寬為：b=4mm，鍵高為：h=4mm，從鍵的長度系列可選擇L=14mm。
（2）鍵的強度校核
鍵、軸材料都是鋼，由機械設計查得鍵聯(lián)接的許用擠壓力為
鍵的工作長度
，合適
4.2手指結(jié)構(gòu)設計
手指夾持力和大容量，高負荷，普遍性，可以利用任何形式的目的，適用范圍更廣的驅(qū)動源的數(shù)量，同時也減少了，從而使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得簡單，易于控制。
4.2.1手指數(shù)量
果實的定期和不定期的形式。小水果采摘機器人的規(guī)則，使用兩個手指直接搶水果吸收最線性驅(qū)動器。三個手指相對的兩個指紋，一些研究也不意味著一個穩(wěn)定的機器人，機器人3爪水果最好。
4.2.2手指關節(jié)數(shù)量
關節(jié)執(zhí)行器的端部效應與爬行密切相關，自由端關節(jié)越來越多，捕捉動作更靈活，提升程度更好。因此，隨著連接器數(shù)量的增加和設備驅(qū)動程序數(shù)量的增加，驅(qū)動程序?qū)⒏与y以控制，并導致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、可靠性差，因此會產(chǎn)生負面影響。
本文以采摘機器人的四桿機構(gòu)為傳動機構(gòu)，通過多指、指關節(jié)上的力傳感器進行測量和橡皮，增加夾緊力和摩擦力。
根據(jù)《中華人民共和國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，除了標準的三級”，菠蘿，果實橫切面的最大直徑大于或等于生產(chǎn)。在這里，在設計機器人爬行在50～150毫米直徑的半徑之間的菠蘿，菠蘿，所以獲得25毫米≤R≤75毫米。
4.2.3手指的材料
手指選擇適合機器人使用的材料起著重要作用。結(jié)構(gòu)尺寸與手和手指相符，在保持足夠的強度和質(zhì)量的同時，系統(tǒng)將選擇手上的尼龍材料。尼龍具有機械強度高、耐熱、摩擦系數(shù)低、耐磨、自潤滑、吸振、耐油、耐酸性差等特點。
4.3機架的設計
機架主要用于安裝驅(qū)動機構(gòu)和手掌，機身緊湊，體積小，重量輕的要求。本設計為基本的圓柱形框架，底板固定在中間板的下部、主驅(qū)動電機和立柱支撐的安裝位置。基本塊將手指固定在上半部分。
機器人可以分為基于手掌和基于手掌的類別。手掌可以增加這個問題的局限性。掌上機器人適用范圍廣，使用方便。機械手不能使用任何物體，但物體、通常規(guī)則、祝福的形式、物體的形狀和大小要求高的特性，這在機械手的手掌中被廣泛使用，沒有特殊的保護機制。
第五章 力學分析與校核
5.1手指的工作原理
(a)的初始結(jié)構(gòu)是非接觸式的手指，手指的外力，整個的手指運動的剛體繞支點，統(tǒng)一；（b）說，關節(jié)1接觸對象；（c）說，在2 1 2相對關節(jié)關節(jié)的旋轉(zhuǎn)方向，關節(jié)彎曲的對象時，必須克服彈簧力的驅(qū)動力的兩個節(jié)；（d）完成的手指接觸的對象的形狀，階級，驅(qū)動的驅(qū)動力傳遞兩個節(jié)。
圖5.1 采摘手指工作原理
5.2抓取時的靜態(tài)力學模型
因為驅(qū)動機構(gòu)是一個獨立的傳動機構(gòu)，其自由度的數(shù)量和比例。挑選機器人可以搶劫信封，你也可以選擇關節(jié)面來表示精確的路徑爬行。通過被動選擇具有自適應能力的物體來捕捉手指形狀。
在第一個包絡提取中，指關節(jié)1相對于第一個物體和物體，因為第一個關節(jié)的接觸、運動強度將限制在指關節(jié)，第二個是因為駕駛員的行為在幾乎連續(xù)的無限制物體傳輸機制下，最后兩個關節(jié)和表面包含計算機斷層掃描。
在機械操作、彈簧、限位和平行四邊形機構(gòu)的作用下準確爬行。食指和中端將反方向的力聯(lián)合起來，限制物體和物體，實現(xiàn)爬行功能。
包絡抓取靜力學模型，如圖所示5.2。
圖5.2 手指靜力學模型
圖5.2中為輸入轉(zhuǎn)矩，、分別為關節(jié)1、2所受的力，、為接觸點、到、的距離。為關節(jié)2相對于關節(jié)1轉(zhuǎn)過的角度，水平軸的夾角。為摩擦約束力矩。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。、為關節(jié)1、2的長度。為桿與水平軸的夾角。為摩擦約束力矩。
根據(jù)虛功原理可得[3，4，5]
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；為手指機構(gòu)各關節(jié)與力矩相關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節(jié)加速度構(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；V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：
由機構(gòu)學理論，可知各關節(jié)的接觸點速度可以通過雅可比矩陣用各關節(jié)的角速度來表示，即：
又
為傳遞矩陣
將式(3.2)、(3.3)、(3.4)帶入(3.1)約去得：
將上式與式(3.3)對比可知
當手指以直指方式抓取物體時，僅有短關節(jié)觸及物體，這時，只要令F1=0、T1=0 ，則手指受力為：
5.3運動學分析
采摘機械手的每個手指都是由兩套四連桿機構(gòu)構(gòu)成的。圖5.3所示為一個四連桿機構(gòu)。
圖5.3四連桿機構(gòu)原理
各桿構(gòu)成的矢量封閉方程為[6]，寫成坐標軸上分量形式有：
化簡上式，消去b得：
對式3.14兩邊求導并化簡，可得4桿機構(gòu)L1與L3角速度之間的關系：
5.4夾持誤差計算
旋轉(zhuǎn)夾緊手指的直徑變化時，會產(chǎn)生不同的軸向位置誤差的工件，夾具。收集的手指的抓地力和雙支點的回指轉(zhuǎn)換原理類似的原則，因此，可以根據(jù)雙支點回轉(zhuǎn)型手指祝福誤差的計算。
圖5.4 雙支點回轉(zhuǎn)型手指簡圖
圖中：l－手指長度;
－V型槽的夾角；
－偏轉(zhuǎn)角；
2 s－兩回轉(zhuǎn)支點間距離;
根據(jù)幾何關系，可得
該方程亦為雙曲線方程，另；
圖5.5 x與半徑R的關系曲線
根據(jù)雙曲線特點，對應附近的曲線變化率較小，故在處附近對應的夾持誤差最小。
當時，手指夾持誤差計算如下:
最佳偏角的計算
取V型槽的夾角=，根據(jù)式（4-9）求得最佳偏轉(zhuǎn)角為 故
夾持誤差的計算
因為和關于對稱，所以=，故
經(jīng)過計算手指的夾持誤差為0.88mm。
總 結(jié)
本次設計是對一個菠蘿采摘器進行設計，使其結(jié)構(gòu)能夠滿足絕大多數(shù)實際使用要求。然后利用三維軟件對其結(jié)構(gòu)進行三維實體模型的建模處理，讓他的結(jié)構(gòu)可以進行直觀表達出來。通過對本設計的結(jié)構(gòu)進行分析設計，使其自由度能夠符合實際應用，并對該設計的動力傳遞進行針對性設計。并對該產(chǎn)品的具體使用范圍做了說明，對其重要部件傳動結(jié)構(gòu)進行設計，同時完成必要的校核，保證該設計使用的安全性和可靠性。
本次設計完成對菠蘿采摘器的設計，讓我更加深入的了解了菠蘿采摘器，通過整個設計過程，讓我將所學的各種知識進行一個融合，進行綜合使用的鍛煉。同時設計需要繪制圖紙，鍛煉了我圖紙設計和三維實體建模的水平。通過學習已讓我看到國內(nèi)外這方面設計的差距，讓我有動力去提升自身素質(zhì)，為祖國的機械制造業(yè)添磚加瓦。
此次設計雖初步完成菠蘿采摘器整體設計方案，但是不足之處依然，像此機構(gòu)的實際生產(chǎn)簡單與否，工作運動合理與否都有待驗證，設計精度也欠考慮，后續(xù)再有此類設計的人員，可進行完善，讓此類設計更加能夠符合實際的應用需求，提高質(zhì)量，實現(xiàn)真正的中國制造、中國創(chuàng)造。
參考文獻
[1] 成大先. 機械設計手冊（第5版）[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2008.
[2] 鄧星鐘主編.機電傳動控制[M].第三版，華中科技大學出版社 2012
[3] 嚴霖元主編.機械制造基礎[M].中國農(nóng)業(yè)大學 2013
[4] 鄭文緯，吳克堅主編.機械原理[M].高等教育出版社 2013
[5] 范思沖.畫法幾何及機械制圖. 北京：機械工業(yè)出版社，1995：3―12.
[6] 于永泗、齊民主編，機械工程材料[M]，大連：大連理工大學出版社，2007
[7] 余桂英、郭紀林主編，AutoCAD2008中文版實用教程[M]，大連：大連理工大學出版社，2007
[8] 邵立新、夏素民、孫江宏等編著，Pro/ENGINEER Wildfire 4.0中文版標準教程[M]，北京：清華大學出版社，2007
[9] 王承義.機械手及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1981：105-125
[10] 徐麗明，張鐵中.果蔬果實收獲機器人的研究現(xiàn)狀及關鍵問題和對策[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2004，20(5);38.
[11] 孫建設.我國菠蘿栽培模式的沿革與思考[J].專家視點，2008，2:22-24.
[12] 姜麗萍，陳樹人.果實采摘機器人的研究綜述[J].農(nóng)業(yè)裝備技術，2006，2，32(1):8-10.
[13] 崔玉潔，張祖立，白曉虎.采摘機器人的研究進展與現(xiàn)狀分析[J].農(nóng)機化研究，2007，(2):4-5.
[14] Ling P， Ehsani R， Ting K C， et al.Sensing and end-effector for a robotic tomato harvester[C]//ASAE Paper 043088，2004.
[15] S.Jacobsen， J. Wood， K. Bigger. The Utah/MIT hand: Works in progress [J].International Journal of Robotics Research.1986，4(3):221-250.
致 謝
畢業(yè)設計完成在即，感慨頗多。感謝學校為我提供優(yōu)質(zhì)資源，為我提供各種機會機遇，能夠讓我在這里提升進步。感謝各位老師的辛勤傳授，為我解惑答疑，學到了許多知識。
謝謝指導老師提供給我的指導和幫助，您展現(xiàn)出來他那種對待工作高度嚴謹認真的精神讓我折服，也感謝《機械制圖》、《機械設計原理》、《人機工程學》、《機械設計》、《標準化工程》、《互換性與測量技術》、《三維建?！?、《機械制造技術》等學科的任課老師，各位老師提供給我基礎課程的輔導，為我本次畢業(yè)設計的完成也起到了重要的作用，感謝各位老師的辛勤付出。
在完成本次畢業(yè)設計的過程中，各位同學也對我支持和提供幫助，再次感謝大家。
本次畢業(yè)設計中，也暴露出一些問題，許多方面并沒有根據(jù)設想完成，究其原因，還是自身能力不足，許多方面的知識儲備不夠，還有待補充，使得本次設計也留下了遺憾。值得肯定的是，本次設計啟發(fā)了我固有的思維模式，動手實踐能力得到了明顯的提高，所學知識也得到了進一步的鞏固，為今后學習工作也打下了基礎。
再次感謝各位大學老師的教導與幫助，您們是我人生路上的貴人，您們的傾囊相授讓我終生受用，我會永遠銘記恩情，謝謝您們！感謝母校！