蘋(píng)果撿果器設(shè)計(jì)及創(chuàng)新設(shè)計(jì)

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However, with a large number of young and strong workers working in cities, the labor force for picking fruit trees is obviously insufficient. In order to promote the further mechanization of fruit tree planting industry, fruit picker, as an efficient and safe automatic solution of picking process, has a very good market prospect and research value. The sources of agriculture-related topics robot - apple picking robots. With the development of robot technology at home and abroad began to explore the application of relevant technologies and advanced achievements in the field of agriculture, where the fruit harvest picking robot is agriculture relatively large proportion of the relevant robot as technology advances and experience of mature people will liberate labor force improve work efficiency and so have immeasurable prospects. In this paper, the university is knowledge, designed a wheeled robot apple picking, apple picking this wheeled robots can travel freely and bottom structure with a 5-axis robot arm structure can effectively picking apples fruit trees. To further explore the development of apple picking robot provides relevant and in accordance with relevant experience, and further related technology demonstration experiments with robots. Key words: Robot,Agriculture,Apple picking ,Wheeled robot II 目 錄 摘要 I Abstract II _Toc5168242121引言 1 1.1課題的來(lái)源與研究的目的和意義 1 1.2撿果器的用途 2 1.3 撿果器特點(diǎn) 2 1.4本課題研究的內(nèi)容 2 2 撿果器的創(chuàng)新設(shè)計(jì) 3 2.1 撿果器的總體方案圖 3 2.2 撿果器的工作原理及方案設(shè)計(jì) 3 2.2.1.方案1方案撿果器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 3 2.2.2.方案2撿果器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 4 2.3 拋磨機(jī)主要零部件選型及強(qiáng)度校核計(jì)算 6 2.3.1大臂，小臂及連桿伺服電機(jī)設(shè)計(jì) 6 2.3.2驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)設(shè)計(jì) 7 2.3.3 軸承選型 10 2.4結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 10 2.4.1總體裝配圖設(shè)計(jì) 10 2.4.2齒輪箱蓋板結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 11 2.4.4后輪軸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 12 2.4.5驅(qū)動(dòng)電機(jī)罩的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 12 2.4.6小臂底板的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 13 2.4.7小臂伸縮板的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 13 2.4.8電機(jī)固定盤的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 13 2.4.9車面板固定架的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 14 2.4.10方向固定支架的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 14 2.4.11驅(qū)動(dòng)齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 14 2.4.12軸端蓋板的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 15 結(jié)論 15 致謝 16 參考文獻(xiàn) 17 IV 1引言 1.1課題的來(lái)源與研究的目的和意義 中國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，而農(nóng)業(yè)的重要組成部分為果樹(shù)業(yè)，果樹(shù)產(chǎn)值在我國(guó)農(nóng)業(yè)(種植)中位居第三位，僅次于糧食、蔬菜。農(nóng)業(yè)部的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，全國(guó)果樹(shù)2003年的總產(chǎn)量為7551.5萬(wàn)噸，總占地面積為943.67公頃，都是處于世界第一的位置，并且每個(gè)人的平均占有量高達(dá)48kg以上。 我國(guó)山區(qū)多數(shù)為山區(qū)丘陵地形，面積十分廣闊，大部分地區(qū)均種植果樹(shù)，僅西部地區(qū)的果園面積就高達(dá)286萬(wàn)公頃，占全國(guó)總種植面積的31%，果產(chǎn)品的總產(chǎn)量為1837萬(wàn)噸。例如作為山城的重慶市，柑橘種植于2004年的面積就高達(dá)18.23萬(wàn)公頃，果樹(shù)種植的總產(chǎn)量更是高達(dá)100萬(wàn)噸，但是其農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平僅僅為12.23%。 目前，山區(qū)丘陵地區(qū)把勞務(wù)力輸出到城市作為促進(jìn)農(nóng)民收入增加，統(tǒng)籌城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的一項(xiàng)重大舉措。故此大量青壯勞動(dòng)力進(jìn)城打工，而留守在家的人員則是一些老、弱、病、殘、婦女及兒童。水果種植具有采摘期短，勞動(dòng)強(qiáng)度大等特點(diǎn)，然而外出打工的青壯年多數(shù)無(wú)法回家?guī)兔Α８咧λ牟烧粌H對(duì)采摘人員具有較高的體力且不能獨(dú)自一人完成。綜上所述，山區(qū)果園種植采摘期短、難度大，短期內(nèi)勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題亟待解決。此外，傳統(tǒng)的果樹(shù)種植作業(yè)還存著諸多弊端，主要包括以下幾個(gè)方面:一是人身安全問(wèn)題，即采摘過(guò)程中作業(yè)者為高處作業(yè)，可能摔傷，而且手工采摘時(shí)樹(shù)枝容易劃傷手臂。二是果樹(shù)的損傷問(wèn)題，即采摘人員在作業(yè)過(guò)程可能對(duì)果樹(shù)的造成破壞。三是水果質(zhì)量問(wèn)題，單手采摘作業(yè)時(shí)容易出現(xiàn)抽心果、脫蒂等問(wèn)題，且高枝上的水果容易墜落造成內(nèi)外傷，影響果品的成色，賣不上價(jià)錢，從而降低果民的經(jīng)濟(jì)收入。目前，我國(guó)各地方政府增強(qiáng)地方經(jīng)濟(jì)為紛紛舉辦大量的賞果采摘節(jié)等旅游投資項(xiàng)目，吸引了大量游客到果園采摘旅游，游客們享受著品嘗新鮮水果和采摘水果的樂(lè)趣。如果能提供一種輕巧靈便的撿果器，不僅能夠保障游客的安全，而且能夠讓游客體會(huì)到其中的樂(lè)趣，并且保護(hù)果樹(shù)不遭受損壞。 2004年6月25日，中華人民共和國(guó)第十屆全國(guó)人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)第十次會(huì)議通過(guò)了《中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化促進(jìn)法》，并于2004年11月1日頒布施行。該法律的制定是為了扶持、鼓勵(lì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)組織和農(nóng)民使用先進(jìn)適用的農(nóng)業(yè)機(jī)械，促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化、現(xiàn)代化。根據(jù)2009年中央一號(hào)文件指出，要加快研發(fā)適合丘陵及山區(qū)使用的輕便農(nóng)機(jī)，使中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化事業(yè)可持續(xù)發(fā)展。近幾年來(lái)，我國(guó)政府加大力度扶持農(nóng)機(jī)裝備和關(guān)鍵技術(shù)的研制開(kāi)發(fā)，"十五"期間中央財(cái)政投入的農(nóng)業(yè)機(jī)械科技攻關(guān)資金為2800萬(wàn)元，"十一五"時(shí)期將會(huì)超過(guò)1.4億元。 機(jī)械化是農(nóng)業(yè)發(fā)展的的根本出路，是黨和國(guó)家各級(jí)人民政府，農(nóng)機(jī)生產(chǎn)、科研、推廣部門始終堅(jiān)定的方向。是農(nóng)村農(nóng)業(yè)發(fā)展水平高低主要靠機(jī)械化水平來(lái)衡量，機(jī)械化水平的提高能夠有效提高農(nóng)村生產(chǎn)力，促進(jìn)勞動(dòng)力轉(zhuǎn)向農(nóng)村，徹底改變?cè)械男∞r(nóng)經(jīng)濟(jì)的耕作方式。目前在機(jī)械人技術(shù)領(lǐng)域中，機(jī)械手臂作為一種自動(dòng)化機(jī)械裝置，在軍事、工業(yè)制造、娛樂(lè)服務(wù)、太空探索以及醫(yī)學(xué)治療等領(lǐng)域得到最廣泛實(shí)際應(yīng)用，然而在果樹(shù)種植方面機(jī)械手臂的應(yīng)用尚屬空缺。 根據(jù)《中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化促進(jìn)法》規(guī)定國(guó)家采取措施，鼓勵(lì)和支持農(nóng)機(jī)制造者增加新產(chǎn)品、新工藝、新技術(shù)的科研投入，并對(duì)農(nóng)機(jī)的制造實(shí)施和科研開(kāi)發(fā)稅收優(yōu)惠政策。國(guó)家大力支持相關(guān)的院校和科研機(jī)構(gòu)增強(qiáng)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)的科學(xué)研究，針對(duì)不同的農(nóng)民需求和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，研究開(kāi)發(fā)適用先進(jìn)的農(nóng)業(yè)機(jī)械，支持農(nóng)業(yè)推廣相結(jié)合、教學(xué)與生產(chǎn)、機(jī)械科研，促進(jìn)使農(nóng)業(yè)機(jī)械適應(yīng)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展要求。伴隨著高速發(fā)展的制造業(yè)和大幅提高的農(nóng)業(yè)機(jī)械化普及程度，使用機(jī)械采摘的方式代替手工采摘已經(jīng)成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。現(xiàn)階段撿果器存在兩種極端:一種是技術(shù)含量極高的具有自主行動(dòng)功能的撿果器，這種類型的撿果器價(jià)格極高，丘陵地區(qū)小型果園的果農(nóng)一般無(wú)能力購(gòu)買;另一種是單純的機(jī)械式撿果器，由于這種類型的采摘器結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單，不能夠達(dá)到提高采摘效率，減輕作業(yè)者的勞動(dòng)強(qiáng)度的目的。綜上所述，目前果樹(shù)種植行業(yè)急需一種不僅價(jià)格便宜而且操作方便，能夠提高采摘效率的撿果器。 撿果器可有效的解決采摘過(guò)程的高效性、操作過(guò)程的安全性、勞動(dòng)力分配，果樹(shù)管理等問(wèn)題，具有非常好的市場(chǎng)前景。在國(guó)家優(yōu)惠政策的支持和鼓勵(lì)下，果樹(shù)種植行業(yè)將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。隨著我國(guó)高速發(fā)展的制造業(yè)和大幅提高的農(nóng)業(yè)機(jī)械化普及程度，撿果器終究會(huì)取代手工作業(yè)。 1.2撿果器的用途 本文所設(shè)計(jì)的撿果器雖然目前尚不能夠完全取代人工作業(yè)，但是它不僅奠定了農(nóng)業(yè)采摘相關(guān)技術(shù)的實(shí)踐基礎(chǔ)，而且為其進(jìn)一步研發(fā)提供了可操作的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，很好的驗(yàn)證了累積相關(guān)制作技術(shù)。 1.3 撿果器特點(diǎn) 本文所設(shè)計(jì)撿果器是一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪式5軸撿果器，整體結(jié)構(gòu)主要包括三自由度帶夾持器的機(jī)械臂和兩自由度的移動(dòng)載體。本撿果器主體材料為工程塑料和鋁板材料，使得其結(jié)構(gòu)更加輕巧，實(shí)用更加便捷。 移動(dòng)底盤： 本文設(shè)計(jì)的撿果器移動(dòng)底盤選用農(nóng)用拖拉機(jī)式移動(dòng)小車，以便適應(yīng)開(kāi)放且多變的蘋(píng)果園地面環(huán)境。上面還加裝了主控電路板，多種傳感器，采摘輔助裝置，電源模塊等裝置。 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)： 本文設(shè)計(jì)的撿果器傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)械手腰部，大臂和小臂部分。其轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)源均采用交流伺服電機(jī)，選用行星齒輪減速器對(duì)電機(jī)進(jìn)行減速，同時(shí)有效提高最終的輸出扭矩。直接選用電動(dòng)推桿作為小臂伸縮的部件，在伸出桿的末端通過(guò)螺絲連接相應(yīng)旋轉(zhuǎn)法蘭盤組件與末端執(zhí)行器固連。末端執(zhí)行器初步選定使用夾持機(jī)構(gòu)將果實(shí)夾緊并采摘。 1.4本課題研究的內(nèi)容 本論文主要研究設(shè)計(jì)一款輪式撿果器，本撿果器可更加方便準(zhǔn)確地采摘果樹(shù)上的蘋(píng)果。為進(jìn)一步探索蘋(píng)果采摘相關(guān)撿果器的研發(fā)提供了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)及依據(jù)，并對(duì)進(jìn)一步論證相關(guān)技術(shù)有了實(shí)驗(yàn)的撿果器。 2 撿果器的創(chuàng)新設(shè)計(jì) 2.1 撿果器的總體方案圖 根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定撿果器的總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。 圖1 其中設(shè)備總體可分10部分，1部分為控制部分、2傳感器組件、3行走小車組件、4撿果器腰部組件、5大臂輔助組件、6大臂組件、7小臂之電動(dòng)伸縮組件、8小臂組件、9旋轉(zhuǎn)法蘭組件、10末端執(zhí)行器。各部分均由電機(jī)驅(qū)動(dòng)并通過(guò)齒輪、軸以及電動(dòng)缸等裝置進(jìn)行有效的鏈接配合產(chǎn)生要求的作用。其中控制部分主要包括集中控制線路和蓄電池，通過(guò)傳感器接受信息并處理運(yùn)動(dòng)、工作、執(zhí)行命令等相關(guān)動(dòng)態(tài)信息，并及時(shí)有效地指揮撿果器采摘蘋(píng)果。 2.2 撿果器的工作原理及方案設(shè)計(jì) 為了達(dá)到撿果器高效、便捷采摘蘋(píng)果的目的，個(gè)人制作了兩種方案并對(duì)其進(jìn)行比較。 2.2.1.方案1方案撿果器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 動(dòng)力源： 該撿果器采用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為動(dòng)力源，它具有為撿果器提供動(dòng)力并且控制其按照運(yùn)動(dòng)控制器的指令到達(dá)預(yù)定位置的作用。因?yàn)榻涣魉欧妱?dòng)機(jī)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，主要包括慣量小、無(wú)電刷和換向器 、適應(yīng)于高速大轉(zhuǎn)矩等，因此該撿果器的四個(gè)關(guān)節(jié)動(dòng)力源均采用交流伺服電動(dòng)機(jī)，且在交流電動(dòng)機(jī)前增設(shè)逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?。通過(guò)對(duì)多種交流伺服系統(tǒng)的使用性能和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合考慮, 本設(shè)計(jì)方案選用日本安川公司 ∑-Ⅱ系列。 傳動(dòng)方式的選擇： 撿果器關(guān)節(jié)需要?jiǎng)恿κ谴筠D(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速,而交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的動(dòng)力是低轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速。因此, 需要通過(guò)在交流伺服電動(dòng)機(jī)后串接諧波減速器結(jié)合齒輪機(jī)構(gòu)作為撿果器腰關(guān)節(jié)、腕部和小臂的傳動(dòng)方式。 為輔助控制程序，本設(shè)計(jì)方案增設(shè)以伺服電機(jī)進(jìn)行控制的連桿機(jī)構(gòu)，從而使傳動(dòng)穩(wěn)定性和控制靈活度達(dá)到提高。 接近機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)方案的接近機(jī)構(gòu)主要包括由機(jī)架、滑塊、直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的絲杠螺母結(jié)構(gòu)、和導(dǎo)桿四部分。 夾持機(jī)構(gòu) 本方案設(shè)計(jì)的夾持機(jī)構(gòu)主要包括滑塊、直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的絲杠螺母結(jié)構(gòu)和機(jī)架三部分。 旋轉(zhuǎn)采摘機(jī)構(gòu) 本方案設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)采摘機(jī)構(gòu)主要包括連接件Ⅰ、連接件Ⅱ和安裝在腕部的減速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三部分。減速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)機(jī)體通過(guò)機(jī)架Ⅱ與連接件Ⅰ固聯(lián)，減速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出軸通過(guò)機(jī)架Ⅰ與連接件Ⅱ固聯(lián)，減速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)使連接件Ⅱ相與連接件Ⅰ相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)脈沖數(shù)的設(shè)定改變減速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，本方案選用的電動(dòng)機(jī)的最大扭矩最大為6N?m。 2.2.2.方案2撿果器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 整體結(jié)構(gòu)： 該設(shè)計(jì)方案的整體結(jié)構(gòu)由具有2個(gè)自由度的移動(dòng)載體和具有3個(gè)自由度帶夾持器的機(jī)械臂兩部分構(gòu)成。此撿果器主體材料為工程塑料和鋁板材料，使得其結(jié)構(gòu)更加輕巧，實(shí)用更加便捷。移動(dòng)底盤： 本設(shè)計(jì)方案的移動(dòng)底盤選用履帶式移動(dòng)小車，能夠與多變且開(kāi)放的蘋(píng)果園地面環(huán)境相適應(yīng)，作為。此外，還增設(shè)了多種傳感器，采摘輔助裝置，主控電路板，電源模塊等裝置。 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)： 本設(shè)計(jì)方案的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)由機(jī)械手腰部，大臂，小臂三部分構(gòu)成。其轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)源均采用交流伺服電機(jī)，并在電機(jī)錢增設(shè)逆變器，選用行星齒輪減速器來(lái)降低電機(jī)速度，同時(shí)使最終輸出扭矩實(shí)現(xiàn)提高。小臂伸縮的部件為電動(dòng)推桿，在伸出桿的末端使用螺絲連接相應(yīng)末端執(zhí)行器與法蘭盤相固連。 末端執(zhí)行器： 末端執(zhí)行器初步選定使用夾持機(jī)構(gòu)將果實(shí)夾緊，再利用剪刀將果柄剪斷，這種方法需要精確的檢測(cè)果柄的位置，之后通過(guò)精確調(diào)整末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，其系統(tǒng)的控制難度稍難。 其主要通過(guò)接近機(jī)構(gòu)，切割機(jī)構(gòu)，夾持機(jī)構(gòu)，動(dòng)力源，傳感控制系統(tǒng)組成。 接近機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì): 本設(shè)計(jì)方案的接近機(jī)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)的絲杠螺母結(jié)構(gòu)、導(dǎo)桿、機(jī)架、和滑塊四部分。 夾持機(jī)構(gòu)： 本設(shè)計(jì)方案夾持機(jī)構(gòu)包括機(jī)架、電動(dòng)機(jī)的絲杠螺母結(jié)構(gòu)及滑塊三部分。 切割機(jī)構(gòu)： 本設(shè)計(jì)方案切割機(jī)構(gòu)包括刀架和雙面刀片兩部分。 2.2.3.方案比較 上述兩種方案中，方案1采用了傳動(dòng)方式為底盤-支持機(jī)構(gòu)-腰關(guān)節(jié)-肩關(guān)節(jié)-肘關(guān)節(jié)-末端執(zhí)行器的傳統(tǒng)機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)，而方案2采用的傳動(dòng)方式為底盤-支持機(jī)構(gòu)-大臂-小臂-末端執(zhí)行器且通過(guò)連桿輔助大臂。將方案1與方案2進(jìn)行比較可以得出，方案1的傳動(dòng)過(guò)程有三個(gè)階段，傳動(dòng)過(guò)程較為復(fù)雜，且穩(wěn)定性較差，此外對(duì)于3個(gè)傳動(dòng)關(guān)節(jié)還需要較高的要求的程序控制。而方案2由于采用了連桿作為輔助，只有小臂和大臂兩個(gè)傳動(dòng)關(guān)節(jié)，只需要要求較低的控制系統(tǒng)，并且連桿裝置的增設(shè)使其穩(wěn)定性更強(qiáng)，控制能力也更加靈活。 此外，兩種方案的另一種不同點(diǎn)為采摘方式不同，方案1采用旋轉(zhuǎn)采摘法，此方法首先通過(guò)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)夾持果實(shí)，之后通過(guò)旋轉(zhuǎn)的方式使果實(shí)與果柄分離，最終完成果實(shí)的采摘過(guò)程。而方案2采用刀片切割法，此方法通過(guò)夾持機(jī)構(gòu)夾緊果實(shí)，之后通過(guò)刀片這種切割機(jī)構(gòu)對(duì)果柄進(jìn)行切割，使果實(shí)與果柄實(shí)現(xiàn)分離，最終完成果實(shí)的采摘過(guò)程。這兩種方案均需要判斷果實(shí)的具體位置，方案1不需要判斷果柄的準(zhǔn)確位置，而方案2則需要精準(zhǔn)地判斷，這就需要精度更高傳感系統(tǒng)，從這點(diǎn)上看，方案1更優(yōu)。然而方案1采用的旋轉(zhuǎn)采摘方式容易對(duì)果實(shí)造成損傷，而方案2采用的刀片切割方式則可以使果實(shí)的完整性得到保證，從這點(diǎn)上來(lái)講，方案2更優(yōu)。同時(shí)方案1采摘方式的成功率明顯低于方案2，因?yàn)楦鱾€(gè)果實(shí)連接程度的差異性導(dǎo)致了如果旋轉(zhuǎn)采摘的強(qiáng)度和次數(shù)固定在某一個(gè)范圍內(nèi)則不能保證每個(gè)果實(shí)都采摘成功。因此綜合考慮，選擇方案2較優(yōu)，選定方案2工作原理。 方案2由機(jī)械手腰部，大臂和小臂三部分構(gòu)成。其轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)源均采用交流伺服電機(jī)，選電機(jī)減速通過(guò)行星齒輪減速器實(shí)現(xiàn)，同時(shí)使最終的輸出扭矩得到提高。小臂伸縮通過(guò)電動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)，在伸出桿的末端使用螺絲連接相應(yīng)末端執(zhí)行器與法蘭盤相固連。末端執(zhí)行器初步選定使用夾持機(jī)構(gòu)將果實(shí)夾緊并采摘。 2.3 拋磨機(jī)主要零部件選型及強(qiáng)度校核計(jì)算 2.3.1大臂，小臂及連桿伺服電機(jī)設(shè)計(jì) 首先，本文設(shè)計(jì)的撿果器是一種五自由度串聯(lián)關(guān)節(jié)型撿果器，包括腰部轉(zhuǎn)動(dòng)，腰部升降，小臂伸縮，小臂擺動(dòng)，大臂俯仰等五個(gè)自由度，自由度配置為P-RRR-P。 機(jī)械手尺寸大致規(guī)格如下： 1.）題設(shè)中給出，蘋(píng)果的重量為1KG，工作最高高度為3m(即b為3m)，工作半徑為1.5m 從圖中可以初步定義，小車高度，腰部，大臂，小臂，伸縮行程，末端執(zhí)行器的長(zhǎng)度依次為d1，L2,L3,L4,d5和Lm,具體實(shí)際情況和撿果器學(xué)原理可知： 根據(jù)仿生學(xué)原理，大臂長(zhǎng)度應(yīng)等于小臂加上末端執(zhí)行器長(zhǎng)度0.3，因此： L3=L4+Lm=L4+0.3m 由于結(jié)構(gòu)限制，小臂伸縮的行程應(yīng)小于或等于小臂長(zhǎng)度的一半,再加上伸縮其他結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度： d5=1/2*L4=0.45m 由于撿果器具體參數(shù)需要通過(guò)Matlab仿真，這里初步算出： d1=0.68m L3=0.62m L2=1.2m l4=0.9 d5=0.45 2.）而蘋(píng)果的重量為1kg 。末端執(zhí)行器及旋轉(zhuǎn)法蘭組件重量為4kg。 其中減速機(jī)減速比k為100、電機(jī)轉(zhuǎn)速n為100 ，則根據(jù)扭矩與功率公式： 小臂的最大轉(zhuǎn)矩為： T=（0.9+0.45）*9.8*5=66.15 N·m 由此帶入可得P=0.4KW電機(jī)，安全系數(shù)選S=2 *S=0.4kw 根據(jù)國(guó)標(biāo)，安全系數(shù)選2 ，可選用1臺(tái)3000轉(zhuǎn)0.4KW司服電機(jī)，減速比100的減速機(jī)。 蘋(píng)果、末端執(zhí)行器、旋轉(zhuǎn)法蘭組件小臂重量為10kg。 大臂的最大轉(zhuǎn)矩為： T=（0.9+0.45+1.2）*9.8*10=249.9 N·m 由此帶入可得P=0.4KW電機(jī)，安全系數(shù)選S=2 *S=0.8kw 根據(jù)國(guó)標(biāo)，安全系數(shù)選2 ，可選用1臺(tái)3000轉(zhuǎn)伺服1KW,MSMJ-10-2電機(jī)，減速比100的減速機(jī)。 2.3.2驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)設(shè)計(jì) 通過(guò)驅(qū)動(dòng)輪直徑、運(yùn)行速度V、撿果器質(zhì)量M 可以計(jì)算出驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率 [27]。對(duì)撿果器進(jìn)行受力分析和計(jì)算時(shí)，假設(shè)撿果器沿直線加速行駛在平地上，且忽略在行駛過(guò)程中撿果器所受到的空氣阻力。 如圖2.3所示，采用分離法建立的驅(qū)動(dòng)輪的受力模型中， 1 M 代表作用于驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力矩，P 1代表驅(qū)動(dòng)輪上的載荷， G 1代表驅(qū)動(dòng)輪的重力，N 1 代表地面對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的法向反作用力，F(xiàn)1 代表地面對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的切向反作用力， f1 代表驅(qū)動(dòng)軸對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的阻力。假設(shè)在加速過(guò)程中，輪子作瞬時(shí)純滾動(dòng)。 可以得出驅(qū)動(dòng)輪的力的平衡方程為： 實(shí)際驅(qū)動(dòng)力要克服三種部分阻力，即由驅(qū)動(dòng)輪本身的滾動(dòng)阻力、驅(qū)動(dòng)軸傳來(lái)的阻力和驅(qū)動(dòng)輪本身的加速阻力。而后者而后者又由旋轉(zhuǎn)質(zhì)量產(chǎn)生的加速阻力和由平移質(zhì)量產(chǎn)生的加速阻力組成。 從動(dòng)輪的受力模型如圖 2.4所示，。其中，P 2表示從動(dòng)輪上的載荷，F(xiàn) 2代表地面對(duì)從動(dòng)輪的切向反作用力，G 2代表從動(dòng)輪的重力，f2代表動(dòng)輪的推力，N2代表地面對(duì)從動(dòng)輪的法向反作用力。通過(guò)對(duì)從動(dòng)輪進(jìn)行受力分析，得出其受力平衡方程為： 通過(guò)對(duì)車體進(jìn)行受力分析，得出其受力平衡方程為： 通過(guò)聯(lián)立公式2.3、2.4和2.5得出： 由此可知，撿果器的驅(qū)動(dòng)力用來(lái)克服撿果器平移質(zhì)量的加速阻力、車輪旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的加速阻力和車輪的滾動(dòng)阻力。因此滾動(dòng)阻力必須小于驅(qū)動(dòng)力才能加速行駛，若滾動(dòng)阻力大于驅(qū)動(dòng)力撿果器則無(wú)法啟動(dòng)，所以有 上式中、N1，N2分別代表地面對(duì)輪子的法向作用力，M1由車體和輪子的質(zhì)量所決定，根據(jù)上述關(guān)系式得出電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。 根據(jù)上式得出電機(jī)的功率,其中，K代表安全系數(shù)。 取小車車體的質(zhì)量為60Kg，驅(qū)動(dòng)輪的直徑為280mm，假設(shè)行走速度是1m/s，安全系數(shù)K是2，則可選擇電機(jī)的功率約為 橫向軌道驅(qū)動(dòng)電機(jī)所帶動(dòng)重量為 G總==588N 輪子需要克服摩擦力為 =11.76N 其中T=1.7 移動(dòng)速度約為1m/s，兩驅(qū)動(dòng)輪的直徑為280mm，則后輪的轉(zhuǎn)速為： 計(jì)算得出 68r/min ，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速為3000rpm，因此傳動(dòng)比約為45，因此選擇型號(hào)為26/1S 45：1 的減速箱. *S=40w 根據(jù)實(shí)際需求和結(jié)構(gòu)要求，選擇科爾摩根AKM系列伺服交流電機(jī)系統(tǒng)。 2.3.3 軸承選型 在軸承參數(shù)的選取過(guò)程中，不僅需要考慮軸徑因素，還要對(duì)軸承性能加以考慮，包括其壽命、可靠度（即軸承的壽命達(dá)到或者超過(guò)規(guī)定值的概率）、額定壽命、基本額定壽命、靜載荷、動(dòng)載荷、基本額定載荷等。其中，最關(guān)鍵的因素包括軸承工作轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)精度、允許空間、載荷大小和方向、軸承剛性（磙子軸承剛性一般要大于球軸承）、軸向游動(dòng)、以及安裝和拆卸。本設(shè)計(jì)選用d=32mm的非標(biāo)輪轂軸承，因?yàn)槠洳粌H能承受軸向載荷還要承受徑向載它，不僅能夠承載重量而且能夠?yàn)檩嗇灥霓D(zhuǎn)動(dòng)提供精確引導(dǎo)。 2.4結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 通過(guò)以上兩種方案的對(duì)比得出較優(yōu)的撿果器結(jié)構(gòu)，通過(guò)模擬運(yùn)算得出撿果器的結(jié)構(gòu)尺寸，其結(jié)構(gòu)尺寸如下： 2.4.1總體裝配圖設(shè)計(jì) 2.4.2齒輪箱蓋板結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 2.4.3大臂枝干的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 2.4.4后輪軸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 2.4.5驅(qū)動(dòng)電機(jī)罩的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 2.4.6小臂底板的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 2.4.7小臂伸縮板的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 2.4.8電機(jī)固定盤的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 2.4.9車面板固定架的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 2.4.10方向固定支架的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 2.4.11驅(qū)動(dòng)齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 2.4.12軸端蓋板的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 結(jié)論 經(jīng)過(guò)這段時(shí)間的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我不僅學(xué)會(huì)了如何把握設(shè)計(jì)的方法以及步驟，對(duì)所用到的知識(shí)進(jìn)行了更加深入的自學(xué)和復(fù)習(xí)，還收獲了項(xiàng)目研究的寶貴經(jīng)驗(yàn)與啟示。在畢設(shè)過(guò)程中為了使用各類軟件、查找資料、設(shè)計(jì)圖紙，經(jīng)常會(huì)遇到各種不明白的問(wèn)題，得到了老師和同學(xué)的熱心幫助和耐心指導(dǎo)，從而保障了畢設(shè)的順利完成。本文開(kāi)展的是全自動(dòng)撿果器的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新，經(jīng)過(guò)初期開(kāi)題、查閱資料和開(kāi)展設(shè)計(jì)，我更加系統(tǒng)地了解到了相關(guān)知識(shí)的重要性，深刻體會(huì)到做一門學(xué)問(wèn)的不易，這個(gè)過(guò)程需要不斷的鉆研和進(jìn)取。最后，本設(shè)計(jì)是在老師和同學(xué)的無(wú)私幫助下完成的，非常感謝所有幫助過(guò)我的老師和同學(xué)，是你們的幫助才使這篇論文得以通過(guò)。 致謝 至此在論文完成之際，向我的導(dǎo)師表示由衷的感謝！真心的感謝我的導(dǎo)師這幾年來(lái)對(duì)我的諄諄教導(dǎo)，感謝我敬愛(ài)的老師，您不僅在學(xué)習(xí)學(xué)業(yè)上給我以精心的指導(dǎo)，同時(shí)還在思想給我以無(wú)微不至的關(guān)懷支持和理解，給予我人生的啟迪，使我在順利地完成大學(xué)階段的學(xué)業(yè)同時(shí)，也學(xué)到了很多有用的做人的道理，明確了人生目標(biāo)。知道自己想要什么了，不再是從前那個(gè)愛(ài)貪玩的我了。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度，銳意創(chuàng)新的學(xué)術(shù)作風(fēng)，認(rèn)真加負(fù)責(zé)，公而忘私的敬業(yè)精神，豁達(dá)開(kāi)朗的寬廣胸懷，平易近人。經(jīng)過(guò)近半年努力的設(shè)計(jì)與計(jì)算，查找了各類的全自動(dòng)撿果器的設(shè)計(jì)資料，論文終于可以完成了，我的心里無(wú)比的激動(dòng)和開(kāi)心。雖然它不是最完美的，也不是最好的，但是在我心里，它是我最珍惜的，因?yàn)槲易约阂呀?jīng)盡力的做了，它是我用心、用汗水成就的，也是我在大學(xué)四年來(lái)對(duì)所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用和體現(xiàn)。四年的學(xué)習(xí)和生活，不僅豐富了我的知識(shí)，而且鍛煉了我的個(gè)人能力，更重要的是從周圍的老師和同學(xué)們身上潛移默化的學(xué)到了許多有用的知識(shí)，在此對(duì)所有關(guān)心我?guī)椭业谋磉_(dá)我由衷敬意，謝謝各位同學(xué)老師。 參考文獻(xiàn) [1]金清肅，機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（第一版）[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2007.10 [2]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)(第八版)[M].北京：高等教育出版社，2006.5 [3]吳宗澤，機(jī)械設(shè)計(jì)使用手冊(cè)（第二版）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.10 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