蘋果采摘機結(jié)構(gòu)設(shè)計-摘果機器人設(shè)計
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摘 要蘋果種植行業(yè)的全面發(fā)展，增加果園對于機械的需要兩，若想在人力，物力方面能夠尖山投入，增加果農(nóng)的收入，研發(fā)采摘設(shè)備是現(xiàn)實之所需。蘋果采摘設(shè)備是一款非常有市場前途的機器，能夠在農(nóng)場中移動彩照果實，文中主要針對采摘機進(jìn)行研發(fā)，此款采摘機能夠移動，設(shè)計它的結(jié)構(gòu)，手臂以及末端執(zhí)行器。文中起先分析設(shè)備的功能，設(shè)計任務(wù)，對蘋果采摘機的整體結(jié)構(gòu)確定；此后，大篇幅設(shè)計采摘季的結(jié)構(gòu)，手臂還有手爪，此后對每一部分展開校核，之后以軟件CAD將設(shè)備的裝配圖，主要零件圖畫出。完成此設(shè)計之后，學(xué)校里面學(xué)到的專業(yè)知識和實踐聯(lián)系起來，對其有更深的理解，給未來來說奠定一定的實踐基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：蘋果；采摘機；手臂；手抓；末端執(zhí)行器AbstractThe comprehensive development of Apple planting industry increases the demand for machinery in orchard. If we want to invest in manpower and material resources and increase the income of fruit growers, it is necessary to develop harvesting equipment.The Apple Picker is a promising machine that can move colored fruit on a farm. This paper focuses on the research and development of the picker, which can move and design its structure, arms and end actuators.In this paper, the function of the equipment, design tasks and overall structure of the apple picker are analyzed at first, and then the structure of the harvesting season, arms and claws are designed in a large amount. After that, each part is checked. After that, assembly drawings of the equipment and main parts are drawn by software CAD.After completing this design, the expertise and practice learned in the school are linked to provide a deeper understanding and lay a certain practical foundation for the future.Key words: Apple; Picker; Arm; Hand Grab; End Actuator目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒 論11.1研究背景及意義11.2 國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀11.2.1 國外現(xiàn)狀11.2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀2第2章 總體方案設(shè)計32.1 蘋果的數(shù)據(jù)分析32.2方案選定32.2.1行走裝置方案設(shè)計32.2.2手臂方案設(shè)計42.2.3末端執(zhí)行器方案設(shè)計42.2.4驅(qū)動方案的選擇5第3章 零部件的設(shè)計與選擇83.1行駛小車設(shè)計83.1.1主電機的選擇83.1.2驅(qū)動齒輪傳動設(shè)計93.1.3驅(qū)動軸及軸承、鍵的設(shè)計133.1.4車輪設(shè)計153.2手臂部分設(shè)計153.2.1電機的選擇163.2.2大臂的靜力學(xué)分析193.2.3小臂的靜力學(xué)分析213.2.4尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計233.2.5回轉(zhuǎn)底座的設(shè)計233.3末端執(zhí)行器的設(shè)計243.3.1采摘電機的選擇243.3.2絲桿螺母副的選型與校核253.3軸承的選擇與校核28總 結(jié)28參考文獻(xiàn)29致 謝3031第1章 緒 論1.1研究背景及意義全球范圍來看，中國種植蘋果，不管是面積還是產(chǎn)量都站到世界一般的份額，并且它也是中國的四大水果。因為種植業(yè)的大力發(fā)展，導(dǎo)致市場對于種植機械的需求加大。全面生產(chǎn)之中，最耗費勞力的一項工作就是采摘水果，水果采摘的時間性要求非常高，原先工人采摘的話，會磕破弄傷水果，并且不及時采摘水果的話，農(nóng)戶會有虧損。很多勞動力不再選擇在田地種植水果，轉(zhuǎn)而從事別的行業(yè)的工作，工作人員非常少，并且從業(yè)人員年齡還越來越大，投入到生產(chǎn)中的費用越來越多，大家對于種植方面并無太大的積極性，種植行業(yè)的發(fā)展停滯不前，為了省去不必要的人力還有物力，讓果農(nóng)獲得更高的收入，研發(fā)采摘設(shè)備很有現(xiàn)實必要。時代在變遷，農(nóng)村中土地政策也一直在變化，導(dǎo)致果農(nóng)投入的資金越來越多，相反降低果農(nóng)的經(jīng)濟收入。很多農(nóng)村里面的年輕人，都喜歡豐富多彩的城市生活，想到城市中去發(fā)展，再加上中國已然進(jìn)入到老齡社會，從事農(nóng)業(yè)的勞動力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。1.2 國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 國外現(xiàn)狀上世紀(jì)六十年代，國外就已經(jīng)開始對農(nóng)業(yè)采摘機械手進(jìn)行研究，最早研究的國家是美國，1968年的時候，第一次使用機械手去采摘水果還有蔬菜。最開始的機械都是半自動化的，采摘的時候，多半以振搖式、撞擊式和切割式開展，當(dāng)中振搖式的機械手，在外力的作用下，樹枝被振搖、振動，讓蘋果出現(xiàn)加速度，梗連接最不好的地方就會跟樹枝分開，繼而掉下來。撞擊式機械手，對果樹果枝進(jìn)行直接的裝置，也可以對果枝進(jìn)行敲打，將果實掉落下來。切割式機械手，切斷樹枝和果實的連接處，讓果實掉落下來，切割式中還有兩種款型：機械切割式，動力切割式。并且不管是哪一種采摘辦法，都會把果實給弄破，效率不高，并且無法將成熟的果實采摘下來，受到較大限制。之后，因為技術(shù)一直在提升，工人開始在梯子，升降平臺的幫助下，去采摘水果，只是勞動的密集程度很大。世界上最早研究采摘機械手的國家是美國，1983年美國人成功生產(chǎn)出西紅柿機械手，1987年加工出采摘柑橘的機械手，緊接著法國，美國等發(fā)達(dá)國家都加工出更多款型的采摘機械手，譬如在1998年，韓國人研發(fā)出一款蘋果機械手，有傳感器在其中，能夠?qū)μO果的成熟程度進(jìn)行識別。日本研發(fā)出多款機械手，能夠?qū)ξ骷t柿，黃瓜，草莓等進(jìn)行采摘。西班牙生產(chǎn)的采摘柑橘的機械手，將它安裝在拖拉機的上面，其之組成有機械手，電腦還有光學(xué)視覺系統(tǒng)，可以對感覺的體積，顏色，還有成熟度進(jìn)行識別，在確定是否要采摘。使用機器人去采摘，有很快的速度，基本上一分鐘可以摘60個，但是人工去摘的話，一樣的時間能夠摘到八個。采摘柑橘的機械手，在視頻器的作用下，還能夠分類摘下來的柑橘。1.2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀中國生產(chǎn)的采摘水果機械手，和國外比，研究時間并不長，中國在上世紀(jì)70年代開始對這方面研發(fā)，大學(xué)還有研究所專門開展研發(fā)，較為成功的有機械機械振動式山楂采果機、氣囊式采果器和手持電動式采果器，而且后兩種為輔助人工采摘機械，銷量上來看，還是比不上國外，有待改良。到80年代之后，中國又研發(fā)出切割型的采摘器，到了90年代，因為很多人都開始對果樹種植，生產(chǎn)出氣動剪枝機以及升降平臺，經(jīng)過三十年的發(fā)展，中國在這方面得到較大的提升，并且獲得一定的成果。采摘蘋果機這里，江南大學(xué)的李想等人，專門研究一款蘋果采摘機器人，非常實用，沒有驅(qū)動，并且執(zhí)行裝置為三指，使用Unigraphics NX設(shè)計出結(jié)構(gòu)，并且架構(gòu)出三維模型。因為此款欠驅(qū)動的末端執(zhí)行器靈活性非常好，適應(yīng)性也很強，不一樣大小的蘋果，都能夠很好的摘屆時。西北農(nóng)林科技大學(xué)里面，有一波人專門研發(fā)偏心切割式的蘋果采摘季，它的組成有：偏心式采摘頭、可拆卸伸縮桿和緩沖下落通道。偏心式采摘頭要想切割水果，在刀片的旋轉(zhuǎn)下可得到：能夠拆卸掉伸縮桿，那么處在不一樣高度上的蘋果都能夠采摘，內(nèi)部布局布條形成緩沖通道的緩沖裝置，讓速度變慢，避免把蘋果弄傷，能夠測試得到，此裝置的成功率能夠達(dá)到92%，受損率在4.70%，讓采摘的效率有效的提升。采摘蘋果這邊，河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院中有科研人員，設(shè)計一款能夠?qū)μO果采摘的智能機器人，擁有五個自由度。它的組成有定位導(dǎo)航系統(tǒng)，雙目視覺系統(tǒng)還有機械臂，擁有五個自由度，判定蘋果的大小以及顏色，還有成熟度由雙目視覺系統(tǒng)來進(jìn)行判定，機械臂擁有五個自由度，其之精度非常高，另外展開實驗，讓其處于九個不一高度的方位上進(jìn)行采摘，偏差最大在6.71mm，并且其之采摘效率處于94.82%，采摘一個果實耗時9.94s，有很高的功率率，并且采摘有極高的效率。第2章 總體方案設(shè)計2.1 蘋果的數(shù)據(jù)分析對采摘機械手設(shè)計，需要注意蘋果有多大，如何布局，果蔬有多高等，這些都是機械手的設(shè)計數(shù)據(jù)依據(jù)，直接關(guān)系到采摘機械手是何種結(jié)構(gòu)，如何采摘。前期開展調(diào)研，之后就可獲得蘋果一些特征，和數(shù)據(jù)通：因為所處地域不一樣，會有差異存在，暫時就用河北這個地方蘋果種植為主要研究，搜集相關(guān)的數(shù)據(jù)，種植果樹的時候，每一行需要間隔2-34-5，這是有科學(xué)依據(jù)的，這種果園在種植果樹的時候，彼此之間相距三米，行距大概在3.5米。最高的蘋果樹在三米，樹枝和地面之間最近在0.8米，整個蘋果樹的寬幅在2米到2.5米。因為中國境內(nèi)種植的蘋果樹非常多，蘋果之中的精品是紅富士，種植面積最大，也是市面上最受歡迎的蘋果品種。此文就以紅富士果樹來作為例子，在表1中羅列紅富士蘋果樹的數(shù)值。表格 2-1紅富士蘋果數(shù)據(jù)表指標(biāo)最小值平均值最大值蘋果直徑/mm5580120蘋果重量/g75140290果梗直徑/mm1.32.55.12.2方案選定2.2.1行走裝置方案設(shè)計文中對蘋果采摘機器人進(jìn)行設(shè)計，以四輪結(jié)構(gòu)作為它的行走裝置，圖2-1中展現(xiàn)總設(shè)計方案。移動裝置使用采摘裝置里面車體的驅(qū)動輪，需要讓前臂以及后臂的轉(zhuǎn)動協(xié)調(diào)好，讓采摘部分的動作更加靈活。使用用詞是直流電機在采摘裝置車體的左右兩個驅(qū)動輪上，在控制系統(tǒng)的匹配下，能夠?qū)η拜S，后軸的速度，力矩進(jìn)行把控，在原來地方能夠轉(zhuǎn)動360，向前走可以實現(xiàn)自由轉(zhuǎn)向，任何時間都能夠?qū)ε榔聲r候力矩進(jìn)行調(diào)整。慣性軸處在車體主驅(qū)動輪的前端，需要匹配主動軸，確保采摘裝置動作時的平穩(wěn)。圖2-1 蘋果采摘機車體結(jié)構(gòu)組成2.2.2手臂方案設(shè)計文中所設(shè)計的機械手，需要能實現(xiàn)：要能夠開展六個自由度，大臂、小臂都要能夠俯仰，手腕要實現(xiàn)擺動和回轉(zhuǎn)動作，腰部要能夠回轉(zhuǎn)，手爪要能夠伸縮，并且結(jié)構(gòu)為關(guān)節(jié)式，所以它的設(shè)計當(dāng)為：機械手臂要向上，向下移動，需在三個電機的帶動下，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動可獲得，裝有回轉(zhuǎn)電機在底部，可實現(xiàn)機械手臂的整體回轉(zhuǎn)；機械手爪的自由度是三個：回轉(zhuǎn)，伸縮還有夾持；電機給予手爪回轉(zhuǎn)的動力，電動正反接驅(qū)動絲杠螺母移動后就可實現(xiàn)機械手爪的伸縮和夾持。2.2.3末端執(zhí)行器方案設(shè)計蘋果采摘機械手來說，主要的執(zhí)行部分就是末端執(zhí)行器，會直接碰觸到蘋果，所以設(shè)計末端執(zhí)行器如何，關(guān)系到采摘的效率以及效果，采摘器設(shè)計的好，能夠大為縮減加工的投入資金，增加工作效率。目前作為蘋果采摘機械手的末端執(zhí)行器有三款：（1）抓拉式采摘器如今市面上銷售的采摘機器手，絕大多數(shù)都是機械手指為兩指或者三指。構(gòu)造并不復(fù)雜，設(shè)計是仿照人手開展的，很便于操作，采摘水果的時候以拽拉方式開展，直接抓住蘋果，會把蘋果弄壞。（2）吸附式末端采摘器此款采摘機多用來采摘一些比較硬，并且表皮較為光滑的水果，比如蘋果，橙子等，按照工作原理去劃分吸附式：磁力吸附還有真空吸附。（3）剪切式末端采摘器此款采摘器是最為簡單的，其之組成有夾持部分、剪切部分。采、收蘋果通過夾持部分來實現(xiàn)，剪切蘋果的部分由剪切裝置來實現(xiàn)。定位有很高的需求，采摘時效率并不高，不能用來采摘。表2-1 采摘方式比較表類型優(yōu)點缺點抓拉式構(gòu)造不復(fù)雜，使用起來很便利，有較高的效率對于樹枝還有花苞，有很大的傷害吸附式定位時要求不高，及靈活的動作需匹配真空形成部分，很重，攜帶不是很便利，投入資金比較。剪切式構(gòu)造不復(fù)雜，使用很便利，不管是果實還是樹枝，不會有太大傷害定位有較高需求，效率不高，收集時并不便利。鑒于此前的比較，文中所設(shè)計的采摘機械手是手持式，鑒于吸附式并不匹配，但是抓拉式，剪切式都有自身的好處，缺點，若想設(shè)計出最為恰當(dāng)?shù)哪┒藞?zhí)行器，此文當(dāng)以抓拉式匹配剪切式，也就是圖2-2中展現(xiàn)，采摘爪用的是半球形，安排剪切刀刃在采摘爪的前端，并且刀刃有較寬的規(guī)格。工作之時，蘋果被機械手爪抓住，蘋果柄被刀刃夾緊，之后剪斷。如此構(gòu)造，能夠很好的防止樹枝、花苞被抓拉式末端執(zhí)行器弄壞，還能夠讓剪切式末端執(zhí)行器不會有太高的定位需求，效率不高等缺陷。圖2-2 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)方案簡圖2.2.4驅(qū)動方案的選擇對于機械手來說，動力來源有氣壓，電，還有液壓三款 10。（1）對空氣壓縮的系統(tǒng)能夠帶動制動器進(jìn)行工作，動力源就是空氣壓縮機。啟動驅(qū)動器的過載很安全，構(gòu)造不復(fù)雜，并無多少污染，投入資本不高，只要對空氣流量調(diào)整，就能夠開展無級變速，只是設(shè)備的規(guī)格太大，導(dǎo)致運行時速度并不平穩(wěn)，沒有多高的定位精度。（2）液壓驅(qū)動系統(tǒng)能夠帶動流體壓力制動器的輸出力，繼而對系統(tǒng)驅(qū)動，非常平穩(wěn)，效率很高，反應(yīng)的速度很快，速度也并不復(fù)雜，能夠在很大的范圍中展開無幾調(diào)速，只是會有油漏出來，還會污染環(huán)境，投入多，相比較空氣壓縮定位精度高，相比較電機而言要差一些，流體的度數(shù)以及粘性有改變，導(dǎo)致傳輸性能受到影響。（3）電動驅(qū)動模式涵蓋步進(jìn)電機，直流伺服電機，交流伺服電機和步進(jìn)電機和力矩電機等。步進(jìn)電機的控制最不復(fù)雜，有很快的響應(yīng)速度，極為可靠，不會有累計誤差出現(xiàn)等。伺服電機轉(zhuǎn)子慣量，動態(tài)特征很不錯，在伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)的組成下作為采摘部分，運行之時有較高的精度，可調(diào)整較寬范圍的速度，運行穩(wěn)定，有較高可靠性，并且控制很容易等特征。因為步進(jìn)電機的好處，文中的驅(qū)動就選用步進(jìn)電機。根據(jù)此前章節(jié)2.2.12.2.4中所給出的方案，屆時有文中所設(shè)計蘋果采摘機中自動部分的總方案，圖2-2中展現(xiàn)，他們的六個自由度通過每一個裝置1、2、3、4、5、6來體現(xiàn)：1、腰部回轉(zhuǎn)；2、大臂俯仰；3、小臂俯仰；4、手腕俯仰；5、手腕回轉(zhuǎn)；6、手抓伸縮。電機驅(qū)動用在2、3、4處關(guān)節(jié)，減慢速度在諧波輪減速器的作用下實現(xiàn)。圖2-3 蘋果采摘機總體結(jié)構(gòu)圖第3章 零部件的設(shè)計與選擇3.1行駛小車設(shè)計3.1.1主電機的選擇（1）平直路面上采摘裝置的行走在平面的溝槽上，還有在平面上蘋果采摘機動作，設(shè)定它最快的速度，需要勻速的向前行走，那么 分析采摘裝置在坡道上爬行狀況，,處于平面上的設(shè)備狀況， 故此當(dāng)用P=80W當(dāng)做采摘裝置輸出的最大功率遵照所算出采摘機輸出功率最大值80W,輸出轉(zhuǎn)矩22.1N.M,輸出轉(zhuǎn)速56.2r/min。鑒于開啟的直流電機有很不錯的性能，有很厲害的過載性能，能夠承擔(dān)多次的沖擊，剎車以及反轉(zhuǎn)，能夠讓沖擊電流達(dá)到額定電流的三倍到五倍。還有，在用的時候，可將運動蓄電池帶在其中，電源就用干電池，操作很便利。因為直流電機的性能，對于主驅(qū)動輪多次受到?jīng)_擊的要求可滿足，對于制動以及反轉(zhuǎn)的需求也可滿足，采摘部分要將移動電池帶著是能夠?qū)崿F(xiàn)的，就用直流永磁電機90ZY54型，下表羅列數(shù)值：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在于 屆時有在于,屆時可有再加上彼時給定3.1.2驅(qū)動齒輪傳動設(shè)計1、對精度級別、原料以及齒數(shù)予以確定是為七級精度，從表6.1中可曉以40Cr加工小齒輪，調(diào)質(zhì)后硬度在280HBS，以45鋼加工大齒輪，調(diào)制后硬度在240HBS。此處小齒輪的齒數(shù)大齒輪齒數(shù)，給定2、設(shè)計遵照齒面接觸疲勞強度驗算據(jù)設(shè)計公式開展1） 將公式中涉及數(shù)據(jù)確定（1）咱給定載荷系數(shù)（2）將小齒輪所傳送轉(zhuǎn)矩算出（3）小齒輪和兩個支承的布局對稱，此處齒寬系數(shù)（4）觀察表格6.3知曉：材料的彈性影響系數(shù)（5）觀察圖紙6.14由齒面硬度可找出接觸疲勞強度極限小齒輪大齒輪（6）式6.11能將應(yīng)力循環(huán)次數(shù)算出（7）觀察圖紙6.16能夠找出接觸疲勞強度壽命系數(shù) （8）接觸疲勞強度許用應(yīng)力此處的失效概率為1，安全系數(shù)S=1，在式子10-12： （9）驗算暫時將小齒輪分度圓直徑算出，將里面較小數(shù)據(jù)放進(jìn)去求出圓周速度v求出齒寬b齒寬和齒高的比值b/h模數(shù)齒高算出載荷系數(shù)K已然得曉，精度為七級，找出動載荷系數(shù)如若說，表中找尋一番可有觀察表格6.2找到使用系數(shù).05表中找尋一番可有找到屆時載荷系數(shù)（10）對算出分度圓直徑校正根據(jù)真實的載荷系數(shù)開展，遵照關(guān)系式（11）模數(shù)3、設(shè)計從齒根彎曲強度開展彎曲強度的設(shè)計等式（1）將式中所涉及到的數(shù)據(jù)給定觀察圖紙6.15找到每部分的彎曲疲勞強度極限小齒輪大齒輪觀察圖紙6.16找到彎曲疲勞壽命系數(shù) 彎曲疲勞許用應(yīng)力此處的失效概率為1，安全系數(shù)S=1.2，從關(guān)系式可有驗算載荷系數(shù)（2）找出來齒形系數(shù)觀察表格6.4找到（3）找出來應(yīng)力校正系數(shù) 觀察表格6.4找到（4）驗算大小齒輪的，數(shù)值對比 數(shù)據(jù)較大的當(dāng)為大齒輪。（5）設(shè)計驗算比較驗算數(shù)據(jù)，對模數(shù)驗算時，根據(jù)齒面接觸疲勞強度開展，一定會超過通過齒根彎曲疲勞強度所驗算的模數(shù)，此處由彎曲強度算出模數(shù)1.83，圓整之后m4mm對分度圓直徑的求算根據(jù)接觸強度開展屆時將小齒輪齒數(shù)求出屆時大齒輪齒數(shù)屆時4、幾何規(guī)格的驗算（1）驗算分度圓直徑（2）驗算中心距 （3）驗算齒寬之寬屆時B2=15mm, B1=15mm5.5驗算 對于設(shè)計非常恰當(dāng)羅列圓柱齒輪的數(shù)值在表中：序號名稱符號驗算公式及參數(shù)選擇1齒數(shù)Z20，202模數(shù)m4mm3分度圓直徑4齒頂高5齒根高6全齒高7頂隙8齒頂圓直徑9齒根圓直徑10中心距3.1.3驅(qū)動軸及軸承、鍵的設(shè)計（1）設(shè)計規(guī)格，結(jié)構(gòu)，還需驗算1）針對高速軸，其之功率P1,轉(zhuǎn)速n1和轉(zhuǎn)矩T1，2）暫時給定最小部分軸直徑最開始據(jù)等式大概算出最小部分軸直徑。以45鋼加工軸，需要對它調(diào)質(zhì)。到機械設(shè)計表11.3中找尋一番，屆時，屆時可有：這里需要安排鍵槽，它的直徑要加大510，大帶輪需要安裝在高速軸直徑最小部分。屆時；。3）遵照軸向定位之所需將每一段軸的直徑和長予以確定（a）為匹配軸向上大帶輪的定位所需，要加工一個軸肩在2軸段的左端，軸肩的高需，屆時屆時2段軸直徑，長。(b) 對滾動軸承暫時給定，只有徑向力作用在軸承上，那就用深溝球型。遵照，到機械設(shè)計手冊中找尋一番，屆時 0基本游隙組，深溝球軸承6205，精度級別是為標(biāo)準(zhǔn)的，所以，軸承的軸向定位以軸肩開展，軸肩的高處于，屆時故此屆時。(c) 因為齒輪分度圓直徑，所以就用齒輪軸的樣式，齒輪的寬B=47mm屆時。對齒輪端面和箱體要距離10mm另外還有兩級齒輪彼此所處位置的配比，屆時，。4）軸上零件的周向定位到機械設(shè)計表中找尋一番，和大帶輪的平鍵截面相連接，其之規(guī)格。（2）驗算強度1）軸所承受的作用力已然得知較高速級的齒輪，其之分度圓直徑，從書本機械設(shè)計中展出式(10-14)，屆時可有2）作用于軸的載荷起先要按照軸結(jié)構(gòu)圖紙將軸計算圖紙畫出來，在對軸承支點所處地點確定的時候,，翻看手冊找出來a值。是深溝球軸承6205，翻看手冊找出來a=16mm。屆時可得到軸支承跨距L1=72mm。遵從畫出的計算簡圖，將彎矩以及扭矩圖都畫出，觀察這些圖紙，知道軸的危險截面是截面C，首先將此處的MH、MV及M值算出，羅列在表中。載荷水平面H垂直面V支反力F，C截面彎矩M總彎矩扭矩3）軸強度校核之時遵照彎扭合成應(yīng)力開展從等式(15-5)還有前面表中羅列的數(shù)值，另外軸的單向轉(zhuǎn)動，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，屆時，算出軸的應(yīng)力45Cr去加工軸，需要對它調(diào)質(zhì)。觀察表格15-1找到屆時，安全性很棒。4）鍵的選用用的是一般的平鍵，型號A，和大帶輪的平鍵截面相連， ，。齒輪匹配軸的時候，標(biāo)準(zhǔn)，以過渡配合來確保滾動軸承和軸的軸向定位，另外軸直徑尺寸公差當(dāng)是。3.1.4車輪設(shè)計車輪上用的輪胎是實心的，材質(zhì)為橡膠，直徑在240mm就可合乎行駛之所需。3.2手臂部分設(shè)計3.2.1電機的選擇所設(shè)計的機械手使用五個電機，用在手臂回轉(zhuǎn)，大臂，小臂，手爪回轉(zhuǎn)，手爪俯仰，在這里驗算手臂回轉(zhuǎn)電機，別的電機和它相差無幾。（1）選用手腕回轉(zhuǎn)電機-需要采摘蘋果有多重，-末端執(zhí)行器的重量，-機械手腕有多重-從蘋果重心至銷軸中心相距有多遠(yuǎn)-從銷軸中心抵達(dá)手腕連接手臂之處，相距多遠(yuǎn)-手腕回轉(zhuǎn)之時，它的中心軸距離和它連接的手臂中心軸，形成多大角度接下來求算系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩，整個系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用于回轉(zhuǎn)軸這里，有多大的負(fù)載轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)軸這里承受所給予的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 回轉(zhuǎn)軸這里承受所給予的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 完整的系統(tǒng)所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：分析后時，也就是手腕和手臂處在一個軸線上，作用于整個手腕上負(fù)載轉(zhuǎn)矩是為最大的，屆時，并且，若想真正采摘的時候，末端執(zhí)行器的工作效果更好，需要驗算負(fù)載轉(zhuǎn)矩的理論值，之后用它和系數(shù)相乘，那么真實的轉(zhuǎn)矩：依著所算轉(zhuǎn)矩，所用型號（2）選用實現(xiàn)手腕擺動的電機-需要采摘蘋果有多重，-末端執(zhí)行器的重量，-機械手腕有多重，-手腕電機，-從蘋果重心至銷軸中心相距有多遠(yuǎn)-從銷軸中心抵達(dá)手腕連接手臂之處，相距多遠(yuǎn)，-手腕擺動所形成的角度對系統(tǒng)而言，其之輸出轉(zhuǎn)矩以及整個系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：處于擺動軸這里，承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 處于擺動軸這里，承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩處于擺動軸這里，承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩處于擺動軸這里，承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩一個整系統(tǒng)來說，負(fù)載轉(zhuǎn)矩：分析之后時，也就是手腕和手臂處在一個軸線上，作用于整個手腕上負(fù)載轉(zhuǎn)矩是為最大的，屆時，并且，若想真正采摘的時候，末端執(zhí)行器的工作效果更好，需要驗算負(fù)載轉(zhuǎn)矩的理論值，之后用它和系數(shù)相乘，那么真實的轉(zhuǎn)矩：依著所算轉(zhuǎn)矩，所用型號（3）實現(xiàn)小臂俯仰所用電機文中，機械關(guān)節(jié)要連接大臂和小臂，相對固定以大臂實現(xiàn)，順著x軸方向上，讓小臂進(jìn)行轉(zhuǎn)動，作用于這個關(guān)節(jié)的力，主要是手爪以及電機。零件質(zhì)量還有小臂的重。-表示多重的末端執(zhí)行器，-手腕電機的質(zhì)量，-機械小臂有多重，-從末端執(zhí)行器抵達(dá)手腕相距多遠(yuǎn)，-小臂之長，-俯仰的小臂，形成的夾角此處將系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩寫作,整個系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩寫作，屆時小臂俯仰軸之處，對其作用的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 小臂俯仰軸之處，對其作用的負(fù)載轉(zhuǎn)矩小臂俯仰軸之處，對其作用的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 對一個完整系統(tǒng)來說，求出負(fù)載轉(zhuǎn)矩：分析之后時，也就是手腕和手臂處在一個軸線上，作用于整個手腕上負(fù)載轉(zhuǎn)矩是為最大的，屆時，力矩的總值：依著所算轉(zhuǎn)矩，所用型號（4）用于實現(xiàn)大臂俯仰的電機文中所設(shè)計機械關(guān)節(jié)，主要為連接大臂和腰部，只要相對固定搖臂，就能在x軸方向上，讓大臂實現(xiàn)俯仰動作，其之原理：m1機械手腕以及末端總共有多種m1=2.5kgm2機械手臂有多重：m2=1.5kgm3表示大臂有多重：m3=2kgl1從機械手腕抵達(dá)機械小臂有多遠(yuǎn)：l1=60mml2小臂之長：l2=300mml3大臂之長：l3=400mm俯仰的角度：=0時，實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩如若系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩寫作,整個系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩寫作，屆時小臂連接軸所承擔(dān)的m1作用的轉(zhuǎn)矩：大臂連接軸所承擔(dān)的m2作用的轉(zhuǎn)矩：大臂連接軸所承擔(dān)的m3作用的轉(zhuǎn)矩：轉(zhuǎn)動的負(fù)載，就當(dāng)做是一個物體圍繞著一個軸開展軸動作，求出運動時所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動慣量如果單片機一秒鐘有五十個脈沖發(fā)出，步進(jìn)電機初始步距角為1.8屆時故此開展負(fù)載動作時，轉(zhuǎn)動速度最快在每秒鐘90，加速度的最大值慣性力矩M02負(fù)載動作之時，所會出現(xiàn)的慣性力矩力矩的總值：彼時電機當(dāng)用（5）促使腰部實現(xiàn)回轉(zhuǎn)動作的電機對腰部所承擔(dān)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析，和作用于大臂上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩是一樣的，所以電機用一樣的RV減速器當(dāng)用RV-6E型，減速比為303.2.2大臂的靜力學(xué)分析未開展作用力的分析之前，首先設(shè)定旋轉(zhuǎn)臂和大臂之間形成的角度是；大臂和小臂之間形成的夾角；小臂與副臂間形成的夾角；大臂之重力G0=160 N；小臂的重力G1=180 N；副臂、采摘頭之重力G2=260 N。此后將作用力的圖紙畫出，圖3.4中有展現(xiàn)。圖3.4大臂受力分析圖1.求出F1旋轉(zhuǎn)臂的支撐點就是O點，故此LAO=810mm；代表F跟AO形成的角度。分析作用于A點之力：（3.1）遵照斜三角邊角關(guān)系可有： （3.2）依然得曉的數(shù)值，以及關(guān)系式3.2放入到關(guān)系式3.1中，能夠?qū)1算出。2.求F1x；F1y；FAx；FAy觀察圖紙3.5 ，分解A點所承受的力，另外需要分解作用于F1之力。觀察圖之后可有：F1x=F1cos；F1y=F1sin。 （3.3）遵照受力均衡得曉：FAx+F1x=0； （3.4） FAy+F1y=G0+G1+G2。 （3.5）運用幾個公式3.3、3.4、3.5給出F1x、F1y、FAx、FAy。將作用力最大的狀況算出，解釋運動之時，區(qū)間最大的數(shù)據(jù)為=1600；=1600；=1800此前求算出采摘臂的長度1660 mm，采摘臂2之長為1710 mm；副臂之長1120 mm。屆時得有：F1=1950 N；F1x=663 N；F1y=1883.56 N；FAx=-663 N；FAy=-383.56 N。3.2.3小臂的靜力學(xué)分析圖3.6小臂受力分析圖1、求F2遵照斜三角形邊角關(guān)系可有： （3.6） B點之處當(dāng)有： （3.7）通過兩個公式3.6和3.7能夠求解出F2=1562.7 N。2、求F2x；F2y；FBx；FBy圖3.6中有展現(xiàn) ，作用于b點、F2之力進(jìn)行分解。觀察圖紙可知： （3.8） 依據(jù)受力均衡，屆時可有： （3.9） （3.10）運用多個公式3.8、3.9、3.10屆時有：=781.4 N；=1353.3 N；=-781.4 N；=-313 N。3.對作用于大臂的分析，還會有另外兩個因為上電機，下電機旋轉(zhuǎn)力矩所給出的力作用在大臂之上，圖3.8中有展現(xiàn)。圖3.8大臂力F3F4分析圖觀察圖紙屆時有：；。 （3.11）；。 （3.12）屆時d=900、e=1000對圖紙里面角度關(guān)系展開分析，屆時有：b=-d、c=-e。 （3.13）當(dāng)下并不清楚、有多大，還需展開詳細(xì)的分析。鑒于作用于大臂之力平衡，屆時需要分解大臂承受之力，圖中展現(xiàn)屆時有 (3.14) （3.15）運用幾個公式3.11、3.12、3.13、3.14、3.15屆時有：F3x=-105 N；F3y=-1540 N；F4x=-135 N；F4y=165 N。3.2.4尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計遵照所分析的載荷，圖中展現(xiàn)大臂，小臂的規(guī)格以及結(jié)構(gòu)：3.2.5回轉(zhuǎn)底座的設(shè)計采摘臂的底座能夠?qū)πD(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動進(jìn)行控制，其之組成有傳動部分，固定部分還有底座的傳動部分。文中以伺服電機作為傳動部分，電機是為腳架式軸輸出單齒條螺旋擺動型。擺動缸工作時，齒輪在齒條的帶動下工作，電機來回開展直線動作，讓其變成軸正反方向上的擺動旋轉(zhuǎn)，同一時間轉(zhuǎn)化往返動作中的旋轉(zhuǎn)力，成為齒輪軸之輸出扭矩 9。螺旋擺動電機較為特別，在大螺旋升角的螺旋副作用下，可開展旋轉(zhuǎn)動作，固定輸出軸的中間棒還有缸體，活塞中的表面螺旋齒會齒合螺旋幫的螺旋齒，輸出軸螺旋棒和活塞缸外面的樣子完全一樣 8。故此，因為轉(zhuǎn)動軸套內(nèi)部有壓力，順著中間棒的活塞，不光會向上動作，還會開展旋轉(zhuǎn)動作，這樣擺動缸的運動就可體現(xiàn)。螺旋擺動缸的結(jié)構(gòu)較為緊密，不需太大的空間，有很好的安全性，搭配很便利，旋轉(zhuǎn)有很大的空間，并且可將很大的工作扭矩輸出等。固定裝置可用來對旋轉(zhuǎn)臂，傳動不服恩進(jìn)行固定，也就是旋轉(zhuǎn)臂的支座，圖3-10中有展現(xiàn)。圖3-10 底座3.3末端執(zhí)行器的設(shè)計3.3.1采摘電機的選擇（1）電機的選用對電機選用，通過電機工作時所出現(xiàn)的力以及力矩，可以直接對載荷驅(qū)動，也可以在減速器處通過后，對載荷驅(qū)動。動力以電機來作為，工作效率極大增強，目前基本上都用這種動力。相比較伺服電機和步進(jìn)電機，體型不大，質(zhì)量很小，構(gòu)造不復(fù)雜，有很大力矩，反應(yīng)時間短，有很高精準(zhǔn)度，噪聲不大，可用較長時間，文中就用伺服電機來作為動力。（2）電機之型號BF系列伺服電動機作為反應(yīng)式電機的一種，兼具此前的要求，型號就用GA12-N10，絲杠電機的電壓介于8-12V。開展主運動，動力來源就是反應(yīng)式伺服電機，其之功率在20KW。選型號的時候按照下面順序開展首先對型號選用，需要到手冊中去找尋，知道步距角初,在于再三思量，完全合乎此前關(guān)系式。對于電機而言，它的定位轉(zhuǎn)矩就是最大經(jīng)專局。步進(jìn)電機中，名義啟動轉(zhuǎn)矩和最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系可以表達(dá)為： Mmq=伺服電機空載啟動：說的是并沒有外部載荷作用于電機上，實現(xiàn)啟動。下式能夠短處步進(jìn)電機需要的空載啟動力：并且最開始對電機型號選用之時，需得讓步進(jìn)電機名義啟動轉(zhuǎn)矩超過步進(jìn)電機需要的空載啟動力矩：MkqMmq=Mjmax驗算Mkq每一個力矩：加速力矩空載摩擦力矩附加摩擦力矩3.3.2絲桿螺母副的選型與校核（1）選用型號（a）遵照工作以及結(jié)構(gòu)之所需 對滾道截面的形狀予以選用，還需確定滾珠螺母如何循環(huán)，如何預(yù)緊；（b）驗算普通絲杠副的關(guān)鍵數(shù)據(jù) 遵照運用時的工作條件，找到載荷系數(shù)=1.0系數(shù)=1.5； 驗算當(dāng)量轉(zhuǎn)速 驗算當(dāng)量載荷 暫時給定導(dǎo)程 ，屆時4mm驗算絲桿預(yù)期工作轉(zhuǎn)速驗算絲桿需要多大額定載荷（c）對絲桿型號選擇按照最開始設(shè)定、驗算的，屆時導(dǎo)程4mm，額定載荷要超過的絲桿。找尋普通絲杠的型號得曉，文中所用的是：GD801-1觀察表格2-9可有絲杠副數(shù)據(jù)：公稱直徑 導(dǎo)程 （2）校核驗算（a）臨界轉(zhuǎn)速校核說明最終校驗的結(jié)果合乎設(shè)計。（b）因為是數(shù)值板房絲桿的，作用力沒有多大，溫度也不會有太大的變化。那么不需要校核它的穩(wěn)定性，溫度的變形等。（c）普通絲桿的預(yù)緊預(yù)緊力通常是1/3載荷，也可以是1/10額定動載荷：與其匹配的預(yù)緊轉(zhuǎn)矩（d）穩(wěn)定性驗算需要讓絲杠一頭軸向固定，軸承使用深溝球以及雙向球型，能夠?qū)S向、徑向載荷予以承擔(dān)。還有一頭是游動的，要對其進(jìn)行徑向約束，軸承選用深溝球型，不需要限位它的外圈，確保受到熱量的絲杠會有形狀的改變，游動端能夠自由的伸縮，圖中： 長絲杠有一頭是軸向固定的，工作會有失穩(wěn)狀況出現(xiàn)，設(shè)計之時，需要對它的安全系數(shù)驗算，數(shù)值要超過絲杠副能夠允許的安全系數(shù) S 絲杠不會有失穩(wěn)狀況出現(xiàn)，載荷的最大值就是臨界載荷當(dāng)次之中，作為絲杠原料的鋼，其之彈性模量E=206Gpa；為長度系數(shù)，屆時。 安全系數(shù)找尋表格2-10，S=2.53.3，SS，絲杠很安全，失穩(wěn)的狀況不會出現(xiàn)。 工作的高速絲杠會有共振的狀況出現(xiàn)，所用要對沒有共振的臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行驗算，需要絲桿轉(zhuǎn)動最快的速度。 以下式驗算臨界轉(zhuǎn)動速度：當(dāng)次之中：為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，可從表格2-10，屆時， 也就是：，故此工作的絲杠，不會有共振出現(xiàn)。 還有值對普通的絲杠副有限制，需要實現(xiàn)3.3軸承的選擇與校核（1）選用軸承會有軸向力作用在軸上，軸承當(dāng)用角接觸型。軸左側(cè)：書本機械設(shè)計中找尋一番，表15-3里面可曉軸承當(dāng)用6000型，外部規(guī)格當(dāng)為d1=10mm，D1=24mm，B1=8mm。（2）軸承校核1）遵從滾動軸承承受較大載荷對型號選用，鑒于沒有太大的支承跨距，所以兩頭需要以固定式軸承來組合，軸承選用深溝球型，大概軸承能夠工作時長：Lh29200h通過此前算出數(shù)據(jù)，會有徑向力作用于軸上Fr1=340.43N，軸向力Fa1=159.90N，基本額定靜載荷為C0r=63.8KN。2）徑向當(dāng)量動載荷 動載荷為，找到，屆時，設(shè)計方面完全匹配總 結(jié)蘋果采摘機的研發(fā)非常有現(xiàn)實意義，市場前景很不錯，可以在地面移動進(jìn)行采摘，文中研究能夠移動的采摘機的技術(shù)，設(shè)計它的結(jié)構(gòu)組成，機械手臂，機械手爪，并且展開仔細(xì)的探討，設(shè)計中展開的工作有：（1）分析需要實現(xiàn)的功能，以及設(shè)計要求，將蘋果采摘機的總框架建立出，編寫蘋果采摘機的組成內(nèi)容，以及他的性能指標(biāo)。（2）并非是結(jié)構(gòu)的處境中，小型蘋果采摘機的移動平臺，在復(fù)雜的地形上也能夠行走，文中移動裝置用的是后輪驅(qū)動，還能夠自己對前擺進(jìn)行控制，對地形有很厲害的適應(yīng)能力。（3）比較各種采摘執(zhí)行裝置，最后機械手爪選用半球式的構(gòu)造，對蘋果采摘的時候仿照人手去操作。此番設(shè)計里面，分析蘋果采摘機如何工作，其之構(gòu)造，性能如何，展開詳細(xì)的探討，對于用于蘋果采摘機中的電機，驅(qū)動輪還有減速器都予以詳細(xì)的展述。文中所設(shè)計的蘋果采摘機，采摘系統(tǒng)非常繁瑣，總設(shè)計之時，因為精力不夠，自身專業(yè)水準(zhǔn)不夠，很多研究都僅僅是皮毛，所以肯定設(shè)計中有一些不完善的地方，還希望老師們幫我指出，進(jìn)行修正。參考文獻(xiàn)1 成大先. 機械設(shè)計手冊（第5版）M. 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謝在這里要謝謝導(dǎo)師的精心指導(dǎo)，幫我解決了關(guān)鍵性的技術(shù)難題，點明了設(shè)計思路，分析了實際工程應(yīng)用的情況，我自己也全面的復(fù)習(xí)了這四年的知識，用理論知識解決實際問題，做到了活學(xué)活用。這次設(shè)計是一個復(fù)雜的綜合學(xué)習(xí)的過程，讓我鞏固了機械設(shè)計、制圖、工程材料等等基礎(chǔ)學(xué)科。我認(rèn)為這次綜合的考試對日后的工作也好學(xué)習(xí)也好都會幫助很大。在此要感謝我的學(xué)校，謝謝給予幫助的好老師以及同學(xué)，以后不管是生活還是學(xué)習(xí)上，我都不會害怕問題，會很好的發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，并且永不放棄！謝謝在座的各位！摘 要蘋果種植業(yè)的發(fā)展提高了果園機械市場的需求，為了節(jié)約人力物力，提高果農(nóng)的經(jīng)濟效益，開展采摘器械的研究有重要的意義。蘋果采摘機是一種極具研究價值和應(yīng)用前景的農(nóng)用地面移動采摘裝置，本論文對具有移動功能的采摘機進(jìn)行了總體技術(shù)的研究，并主要對其車體結(jié)構(gòu)部分、手臂部分、末端執(zhí)行器部分進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計。本文首先，通過功能和設(shè)計任務(wù)的分析，確立了蘋果采摘機總體功能構(gòu)架；接著，對本采摘機車體結(jié)構(gòu)部分、手臂部分、手抓部分進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計與校核；最后采用AtuoCAD軟件繪制了采摘機的裝配圖及主要零件圖。通過本次設(shè)計，對大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識在理論結(jié)合實際的鍛煉下加深了知識的理解，對今后的工作必定帶來很大幫助。關(guān)鍵詞：蘋果；采摘；手臂；手抓；車體AbstractThe development of Apple planting industry has increased the demand of orchard machinery market. In order to save human and material resources and improve the economic benefits of fruit farmers, it is of great significance to carry out the research on picking equipment. Apple picker is a kind of agricultural ground mobile picker with great research value and application prospect. In this paper, the overall technology of the picker with mobile function is studied, and its body structure part, arm part and end actuator part are designed in detail.First of all, through the analysis of function and design task, the overall functional framework of Apple picker is established; then, the detailed design and verification of the structure part, arm part and hand grip part of the picker are carried out; finally, the assembly drawing and main parts drawing of the picker are drawn by using the software of atocad.Through this design, the professional knowledge learned in the university will deepen the understanding of knowledge under the practice of combining theory with practice, which will certainly bring great help to the future work.Key words: Apple; picking; arm; hand grasping; car body目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒 論11.1研究背景及意義11.2 國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀11.2.1 國外現(xiàn)狀11.2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀2第2章 總體方案設(shè)計32.1 蘋果的數(shù)據(jù)分析32.2方案選定32.2.1行走裝置方案設(shè)計32.2.2手臂方案設(shè)計42.2.3末端執(zhí)行器方案設(shè)計42.2.4驅(qū)動方案的選擇5第3章 零部件的設(shè)計與選擇73.1行駛小車設(shè)計73.1.1主電機的選擇73.1.2驅(qū)動齒輪傳動設(shè)計83.1.3驅(qū)動軸及軸承、鍵的設(shè)計123.1.4車輪設(shè)計143.2手臂部分設(shè)計143.2.1電機的選擇153.2.2大臂的靜力學(xué)分析193.2.3小臂的靜力學(xué)分析203.2.4尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計223.2.5回轉(zhuǎn)底座的設(shè)計233.3末端執(zhí)行器的設(shè)計243.3.1采摘電機的選擇243.3.2絲桿螺母副的選型與校核253.3軸承的選擇與校核28總 結(jié)29參考文獻(xiàn)30致 謝3132第1章 緒 論1.1研究背景及意義我國的蘋果種植面積和產(chǎn)量均占世界的50%以上，而且蘋果是我國的四大水果之一。果園種植業(yè)的發(fā)展提高了果園機械市場的需求。在整個生產(chǎn)中，由采摘果實所耗費的勞動力占據(jù)整個生產(chǎn)過程的5070。采摘作業(yè)季節(jié)性相對強，傳統(tǒng)人工采摘的方式不僅僅易造成果實損傷。同時，采摘不及時將會導(dǎo)致經(jīng)濟上的損失。農(nóng)業(yè)勞動力向其他行業(yè)轉(zhuǎn)移，人員缺乏，隨著老齡化的增長，生產(chǎn)成本不斷提高，降低了人們的種植積極性，果園種植業(yè)的發(fā)展受到了制約。為了節(jié)約人力物力，提高果農(nóng)的經(jīng)濟效益，開展采摘器械的研究有重要的意義?，F(xiàn)階段農(nóng)村的土地政策不斷改變使得果農(nóng)的生產(chǎn)成本不斷增加，減少了果農(nóng)的收入。而且隨著社會的發(fā)展越來越多的年輕人向城市發(fā)展和生活。我們國家的人口正在步入老齡化，使的農(nóng)業(yè)勞動力出現(xiàn)了短缺的問題。綜上所述，勞動力減少和生產(chǎn)效率低是我們現(xiàn)階段必須要解決的問題。只有加快蘋果采摘機械手的設(shè)計和改進(jìn)才能夠逐步解決現(xiàn)階段的問題，而且隨著我國種植業(yè)技術(shù)的加快發(fā)展，加大了對采摘機械的研究力度。采用機械采摘不僅加快了采摘的速度，也能夠及時采摘降低了果實的損傷率，同時也能減少人力，降低生產(chǎn)成本，提高果農(nóng)的收益。因此提高蘋果采摘的機械化水平具有很大的意義。1.2 國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 國外現(xiàn)狀在國外農(nóng)業(yè)采摘機械手的研究最早是在20世紀(jì)60年代開始的，其中美國是最早進(jìn)行研究水果采摘機械手的，也是美國學(xué)者Schertz和Brown在1968年首次提出把機械手應(yīng)用于果蔬采摘。最早研究出的機械只是半自動化的，研究出的采摘方式大致分為振搖式、撞擊式和切割式三種類型，其中，振搖式是利用外力使樹體或樹枝發(fā)生振搖或振動，使蘋果果實產(chǎn)生加速度，在梗連結(jié)最弱處與果枝分離而掉落。撞擊式是撞擊部件直接撞擊果枝或敲打牽引果枝的棚架振落蘋果果實。切割式是將樹枝或果柄切斷使果實與果樹分離的方式，切割式又分為機械切割式和動力切割式。而且這三種采摘方式都存在著容易損傷果實、效率低和采摘到不成熟果實的缺點，存在著很大的局限性。此后隨著技術(shù)的發(fā)展，人們才開始借助梯子、升降平臺等工具協(xié)助果蔬的采摘，但是仍然存在著勞動密集型的特點。美國是全球上最早研究出的，美國是在1983年成功研究出的第一臺西紅柿采摘機械手的；在1987年研究出了柑橘采摘機械手。此后法國、英國、韓國、日本等國家陸陸續(xù)續(xù)研發(fā)出了許多果蔬采摘機械手各式各樣，比如韓國在1998年研究出了利用傳感器識別成熟蘋果并進(jìn)行采摘的蘋果采摘機械手。日本研究出里可以采摘西紅柿、草莓、黃瓜等果蔬的一系列果蔬采摘機械手。對于西班牙的柑橘采摘機器人，西班牙科研人員發(fā)明的柑橘采摘機器人主體是裝在拖拉機上的，是由機械手、和計算機，光學(xué)視覺系統(tǒng)三大部分組成的，可以通過識別柑橘的直徑大小、顏色、來判斷其是否成熟來決定是否可以采摘。機器人的采摘速度是非?？斓?，大約一分鐘就能夠采摘60個，如果是人工采摘同樣的時間內(nèi)只能夠采摘8個左右。而且柑橘采摘機器人還可以通過視頻器，對采摘下來的柑橘按要求進(jìn)行分類。1.2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀國內(nèi)水果采摘機械手的研究與國外相比起步是比較晚的，我們國家是從20世紀(jì)70年代開始研究的，由國內(nèi)的大學(xué)和研究所帶頭進(jìn)行采摘機器人和智能農(nóng)業(yè)機械的研究。我們最早研究出了機械振動式山楂采果機、氣囊式采果器和手持電動式采果器，而且后兩種為輔助人工采摘機械，采摘效率還是太低后進(jìn)行改進(jìn)。在80年代我們研究出了切割型采摘器，90年代由于種植果樹的熱潮出現(xiàn)了氣動剪枝機和升降平臺等機械。在近30年來我們國家的研究有了很大的進(jìn)步，在農(nóng)業(yè)采摘方面有著大量的研究和研究成果。蘋果采摘領(lǐng)域方面，在以江南大學(xué)中李想等人研究下設(shè)計出了一種實用型欠驅(qū)動蘋果采摘機器人三指末端執(zhí)行器，并運用Unigraphics NX進(jìn)行了機構(gòu)設(shè)計和三維模型的創(chuàng)建。而且這種新型欠驅(qū)動末端執(zhí)行器大大的提高了機構(gòu)的靈活性和適用性，對不同尺寸的果實都具有一定的抓取適用性；西北農(nóng)林科技大學(xué)的宋懷波、張陽等人研發(fā)的偏心切割式蘋果采摘裝置主要是由：偏心式采摘頭、可拆卸伸縮桿和緩沖下落通道三部分組成。偏心式采摘頭采用刀片偏心旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)果柄的切割：其伸縮桿可進(jìn)行拆卸來實現(xiàn)不同高度蘋果的采摘：緩沖裝置采用內(nèi)置布條構(gòu)成緩沖通道，降低速度防止蘋果損傷。該裝置通過實現(xiàn)測得其成功率為92.00%，其受損率為4.70%，提高了采摘效率。在蘋果采摘方面，河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院在以紹堃等人的研究下，為能夠在溫室大棚內(nèi)采摘設(shè)計出了一種基于五自由度機械臂的蘋果智能采摘機器人。其主要由定位導(dǎo)航系統(tǒng)，雙目視覺系統(tǒng)和五自由度機械臂等組成，可通過雙目視覺系統(tǒng)判斷蘋果的大小和顏色判斷是否成熟，而且五自由度的機械臂精度是很高的，也進(jìn)行了試驗其在9個不同的高度方位上最大偏差為6.71mm，而且它的采摘效率為94.82%，每采摘一顆大約耗時9.94s，成功率高采摘效率高。第2章 總體方案設(shè)計2.1 蘋果的數(shù)據(jù)分析蘋果的大小，分布和果樹的高度等生物學(xué)特征是我們設(shè)計采摘機械手的數(shù)據(jù)支持，決定著如何設(shè)計采摘機械手的機構(gòu)和采摘方式。通過調(diào)研得到如下蘋果生物學(xué)特征及參數(shù)：由于不同地區(qū)的環(huán)境都有著差以，所以我們將以河北省省內(nèi)的蘋果種植園為研究對象，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，蘋果園內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)種植應(yīng)為樹行距為2-34-5此為科學(xué)種植，實際中果園中種植間距大約為3m左右，行距大約為3.5m。蘋果樹樹高最高在3m，樹枝據(jù)地面最低為0.8米，蘋果樹冠幅在2.0到2.5m范圍內(nèi)。由于我們蘋果種植種類較多但是眾多種類中屬紅富士品種種植面積最廣，也最受歡迎。本文將以紅富士蘋果為例進(jìn)行數(shù)據(jù)分析如表格1紅富士數(shù)據(jù)表。表格 2-1紅富士蘋果數(shù)據(jù)表指標(biāo)最小值平均值最大值蘋果直徑/mm5580120蘋果重量/g75140290果梗直徑/mm1.32.55.12.2方案選定2.2.1行走裝置方案設(shè)計本次設(shè)計的蘋果采摘機行走裝置車體結(jié)構(gòu)采用的四輪結(jié)構(gòu)，總體設(shè)計方案如圖2-1所示。采摘裝置的車體的驅(qū)動輪作為移動機構(gòu)，與前臂和后臂轉(zhuǎn)動相協(xié)調(diào)，增加了采摘裝置運動靈活性。采摘裝置車體左右兩邊驅(qū)動輪各有永磁式直流電機驅(qū)動，通過控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，控制前軸和后軸的速度、力矩，可實現(xiàn)原地360轉(zhuǎn)向，前進(jìn)時的自由轉(zhuǎn)向，隨時調(diào)解爬坡時的力矩大小。在車體主驅(qū)動輪前端是慣性軸，與主動軸配合，保證采摘裝置運動的平穩(wěn)。圖2-1 蘋果采摘機車體結(jié)構(gòu)組成2.2.2手臂方案設(shè)計本次設(shè)計的機械手要求：機械手臂可實現(xiàn)6個自由度，分別是腰部回轉(zhuǎn)，大臂俯仰，小臂俯仰，手腕擺動，手腕回轉(zhuǎn)，手抓伸縮并且采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，因此選定的設(shè)計方案如下：其由三個電機驅(qū)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)機械手臂上下移動，手臂整體回轉(zhuǎn)有底部回轉(zhuǎn)電機實現(xiàn)；機械手爪具有3個自由度，分別是手爪回轉(zhuǎn)，手爪伸縮、手爪夾持；手爪回轉(zhuǎn)由電機驅(qū)動，手爪伸縮、夾持由電動的正反接驅(qū)動絲杠螺母移動實現(xiàn)。2.2.3末端執(zhí)行器方案設(shè)計末端執(zhí)行器是蘋果采摘機械手采摘裝置的主要執(zhí)行部件，與蘋果進(jìn)行直接接觸，其末端執(zhí)行器設(shè)計的好壞關(guān)系到采摘效果和采摘效率，設(shè)計一個好的采摘器可以大大降低生產(chǎn)成本，提高工作效率。現(xiàn)有的蘋果采摘機械手末端執(zhí)行器主要分為三種：（1）抓拉式采摘器目前市場上售賣的末端采摘器大部分為兩指或三指的機械鉗爪式。其結(jié)構(gòu)簡單，是模擬人手進(jìn)行設(shè)計的，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。但是它是通過拽拉的方式采摘的，直接與蘋果接觸，容易損傷蘋果。（2）吸附式末端采摘器吸附式末端采摘器用于一定形狀，表皮光滑，較為堅硬的水果，如梨，蘋果，橙子等水果。吸附式可根據(jù)工作原理將其分為磁力吸附和真空吸附兩種。（3）剪切式末端采摘器最簡單的剪切采摘器主要有夾持裝置和剪切裝置組成。夾持裝置完成蘋果的采和收兩過程，剪切裝置完成蘋果的剪切即摘這一環(huán)節(jié)。定位要求較高，采摘效率較低，不適合采摘。表2-1 采摘方式比較表類型優(yōu)點缺點抓拉式結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、效率高對枝條和花蕾傷害稍大吸附式定位要求低、動作靈敏需要配備真空形成裝置，笨重不方便攜帶，造價較高。剪切式結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，對果實和枝條的傷害較小定位要求高，效率較低，不方便收集。通過上述對比，本次設(shè)計的為手持式采摘機械手，因此吸附式不適合。而抓拉式、剪切式各有優(yōu)缺點，為了設(shè)計出合適的末端執(zhí)行器，本次采用抓拉式與剪切式組合的形式，即：如下圖2-2所示，采用半球形采摘爪，采摘爪前端設(shè)置剪切刀刃，且刀刃尺寸范圍較寬。工作時，采摘爪握住蘋果時，刀刃夾緊蘋果柄剪斷。這種結(jié)構(gòu)，既可以避免抓拉式末端執(zhí)行器對枝條和花蕾的傷害，也可以降低剪切式末端執(zhí)行器定位要求高，效率較低的缺點。圖2-2 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)方案簡圖2.2.4驅(qū)動方案的選擇目前這類機械手的驅(qū)動源主要是采用氣壓驅(qū)動、電驅(qū)動、液壓驅(qū)動這三種10。（1）氣動壓力是一個壓縮空氣驅(qū)動系統(tǒng)來驅(qū)動致動器的運動，空氣壓縮機通常被用作動力源。氣動驅(qū)動器過載安全，結(jié)構(gòu)簡單，污染少，成本低，通過調(diào)節(jié)空氣流量，可以實現(xiàn)無級變速，但大尺寸設(shè)備的運行速度不穩(wěn)定，定位精度不高，抓小舉行力。（2）液壓驅(qū)動系統(tǒng)來驅(qū)動流體壓力致動器的輸出力來驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)定，固有的高效率，響應(yīng)速度快，速度很簡單，可以在很寬的范圍內(nèi)無級調(diào)速，但容易漏油，污染，高成本，高定位精度比空氣，但比電機低，流體溫度和粘度變化影響傳輸性能。（3）電動驅(qū)動模式包括步進(jìn)電機，直流伺服電機，交流伺服電機和步進(jìn)電機和力矩電機等驅(qū)動器類型。步進(jìn)電機具有控制簡單，響應(yīng)速度快，可靠，無累積誤差等。伺服電機轉(zhuǎn)子慣量，良好的動態(tài)特性，采摘裝置由一個伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)的構(gòu)成與運行精度高，調(diào)速范圍廣，速度快，運行平穩(wěn)，可靠性高，易于控制等特點。基于步進(jìn)電機的這些優(yōu)點本設(shè)計中采用步進(jìn)電機驅(qū)動。綜合上述2.2.12.2.4提出的方案可以得到本次設(shè)計的蘋果采摘自動裝置總體方案如下圖2-2所示。其六個自由度分別通過1、2、3、4、5、6各機構(gòu)實現(xiàn)：1、腰部回轉(zhuǎn)；2、大臂俯仰；3、小臂俯仰；4、手腕俯仰；5、手腕回轉(zhuǎn)；6、手抓伸縮。其中2、3、4處關(guān)節(jié)采用電機驅(qū)動，通過諧波輪減速器減速。圖2-3 蘋果采摘機總體結(jié)構(gòu)圖第3章 零部件的設(shè)計與選擇3.1行駛小車設(shè)計3.1.1主電機的選擇（1）采摘裝置在平直的路上行駛蘋果采摘機在跨越平面的溝槽或在平面移動，假設(shè)其速度最大，且勻速前進(jìn)，則取 根據(jù)采摘裝置爬坡情況的分析，,機器在平面狀況下， 因而選取P=80W作為采摘裝置的最大輸出功率。根據(jù)計算的蘋果采摘機的最大輸出功率為80W,輸出轉(zhuǎn)矩為22.1N.M,輸出轉(zhuǎn)速為56.2r/min。因為直流電機啟動性能好，過載性能強，可承受頻繁沖擊、制動和反轉(zhuǎn)，允許沖擊電流可達(dá)額定電流的3到5倍。另外在使用過程中可攜帶或可移動的蓄電池，干電池作為供電電源，操作輕巧與方便。根據(jù)直流電機這些性能，滿足主驅(qū)動輪頻繁受沖擊，制動和反轉(zhuǎn)的要求，滿足采摘裝置要攜帶移動電池的要求，因而則選擇90ZY54型號的直流永磁電機，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3.1.2驅(qū)動齒輪傳動設(shè)計1、選精度等級、材料和齒數(shù)采用7級精度由表6.1選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS。選小齒輪齒數(shù)大齒輪齒數(shù)，取2、按齒面接觸疲勞強度設(shè)計由設(shè)計計算公式進(jìn)行試算，即1） 確定公式各計算數(shù)值（1）試選載荷系數(shù)（2）計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩（3）小齒輪相對兩支承對稱分布，選取齒寬系數(shù)（4）由表6.3查得材料的彈性影響系數(shù)（5）由圖6.14按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限大齒輪的接觸疲勞強度極限（6）由式6.11計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（7）由圖6.16查得接觸疲勞強度壽命系數(shù) （8）計算接觸疲勞強度許用應(yīng)力取失效概率為1，安全系數(shù)為S=1，由式10-12得（9）計算試算小齒輪分度圓直徑，代入中的較小值計算圓周速度v計算齒寬b計算齒寬與齒高之比b/h模數(shù)齒高計算載荷系數(shù)K根據(jù)，7級精度，查得動載荷系數(shù)假設(shè)，由表查得由表6.2查得使用系數(shù).05由表查得查得故載荷系數(shù)（10）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式可得（11）計算模數(shù)3、按齒根彎曲強度設(shè)計彎曲強度的設(shè)計公式為（1）確定公式內(nèi)的計算數(shù)值由圖6.15查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限大齒輪的彎曲疲勞強度極限由圖6.16查得彎曲疲勞壽命系數(shù) 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力取失效概率為1，安全系數(shù)為S=1.2，由式得計算載荷系數(shù)（2）查取齒形系數(shù)由表6.4查得（3）查取應(yīng)力校正系數(shù) 由表6.4查得（4）計算大小齒輪的，并比較 大齒輪的數(shù)據(jù)大（5）設(shè)計計算對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，可取有彎曲強度算得的模數(shù)1.83，并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m4mm按接觸強度算得的分度圓直徑算出小齒輪齒數(shù)取大齒輪齒數(shù)取4、幾何尺寸計算（1）計算分度圓直徑（2）計算中心距 （3）計算齒寬寬度取B2=15mm, B1=15mm5.5驗算 合適圓柱齒輪參數(shù)數(shù)據(jù)整理如下：序號名稱符號計算公式及參數(shù)選擇1齒數(shù)Z20，202模數(shù)m4mm3分度圓直徑4齒頂高5齒根高6全齒高7頂隙8齒頂圓直徑9齒根圓直徑10中心距3.1.3驅(qū)動軸及軸承、鍵的設(shè)計（1）尺寸與結(jié)構(gòu)設(shè)計計算1）高速軸上的功率P1,轉(zhuǎn)速n1和轉(zhuǎn)矩T1，2）初步確定軸的最小直徑先按式初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)機械設(shè)計表11.3，取，于是得：該處開有鍵槽故軸徑加大510，且高速軸的最小直徑顯然是安裝大帶輪處的直徑。?。?。3）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度（a）為了滿足大帶輪的軸向定位的要求2軸段左端需制出軸肩，軸肩高度軸肩高度，取故取2段的直徑，長度。(b) 初步選擇滾動軸承。因軸承只受徑向力的作用，故選用深溝球軸承。根據(jù)，查機械設(shè)計手冊選取0基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)精度級的深溝球軸承6205，故，軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位，軸肩高度軸肩高度，取，因此，取。(c) 齒輪處由于齒輪分度圓直徑，故采用齒輪軸形式，齒輪寬度B=47mm，齒故取。另考慮到齒輪端面與箱體間距10mm以及兩級齒輪間位置配比，取，。4）軸上零件的周向定位查機械設(shè)計表，聯(lián)接大帶輪的平鍵截面。（2）強度校核計算1）求作用在軸上的力已知高速級齒輪的分度圓直徑為，根據(jù)機械設(shè)計（軸的設(shè)計計算部分未作說明皆查此書）式(10-14)，則2）求軸上的載荷首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計算簡圖。在確定軸承支點位置時，從手冊中查取a值。對于6205型深溝球軸承，由手冊中查得a=16mm。因此，軸的支撐跨距為L1=72mm。根據(jù)軸的計算簡圖作出軸的彎矩圖和扭矩圖。從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖可以看出截面C是軸的危險截面。先計算出截面C處的MH、MV及M的值列于下表。載荷水平面H垂直面V支反力F，C截面彎矩M總彎矩扭矩3）按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度根據(jù)式(15-5)及上表中的數(shù)據(jù)，以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，取，軸的計算應(yīng)力已選定軸的材料為45Cr，調(diào)質(zhì)處理。由表15-1查得。因此，故安全。4）鍵的選擇采用圓頭普通平鍵A型（GB/T 10961979）連接，聯(lián)接大帶輪的平鍵截面，。齒輪與軸的配合為，滾動軸承與軸的周向定位是過渡配合保證的，此外選軸的直徑尺寸公差為。3.1.4車輪設(shè)計車輪采用實心橡膠輪胎，直徑選用240mm能夠滿足行駛要求。3.2手臂部分設(shè)計3.2.1電機的選擇本機械手臂有無個電機，分別是手臂回轉(zhuǎn)電機，大小臂關(guān)節(jié)電機、手抓回轉(zhuǎn)電機、手抓俯仰電機，此處以手臂回轉(zhuǎn)電機為例進(jìn)行選擇計算，其他電機的選擇類似。（1）手腕回轉(zhuǎn)電機的選擇-被采摘蘋果質(zhì)量，-末端執(zhí)行器的質(zhì)量，-手腕的質(zhì)量，-蘋果重心到銷軸中心之間的距離，-銷軸中心到手腕與手臂連接處的距離，-手腕回轉(zhuǎn)時其中心軸到與之相連手臂中心軸之間的夾角設(shè)系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩為,整個系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為，則對回轉(zhuǎn)軸處的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 對回轉(zhuǎn)軸處的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 對回轉(zhuǎn)軸處的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 整個系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：經(jīng)過分析得到時，即手腕和手臂處于同一條軸線時，整個手腕受到的負(fù)載轉(zhuǎn)矩最大。此時，同時，為了使末端執(zhí)行器在實際的采摘作業(yè)中有更好的適應(yīng)性能可以將計算出來的理論上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩乘以一個系數(shù)，則機構(gòu)的實際轉(zhuǎn)矩為：根據(jù)算出來的轉(zhuǎn)矩，初選型號為（2）手腕擺動電機的選擇-被采摘蘋果質(zhì)量，-末端執(zhí)行器的質(zhì)量，-手腕的質(zhì)量，-手腕電機，-蘋果重心到銷軸中心之間的距離，-銷軸中心到手腕與小臂連接處的距離，-手腕擺動的夾角設(shè)系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩為,整個系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為，則對擺動軸處的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 對擺動軸處的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 對擺動軸處的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 對擺動軸處的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 整個系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：經(jīng)過分析得到時，即手腕和手臂處于同一條軸線時，整個手腕受到的負(fù)載轉(zhuǎn)矩最大。此時，同時，為了使末端執(zhí)行器在實際的采摘作業(yè)中有更好的適應(yīng)性能可以將計算出來的理論上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩乘以一個系數(shù)，則機構(gòu)的實際轉(zhuǎn)矩為：根據(jù)算出來的轉(zhuǎn)矩，初選型號為（3）小臂俯仰電機的選擇本設(shè)計中，機械關(guān)節(jié)實現(xiàn)小臂與大臂的連接，通過大臂相對固定，使小臂沿x軸方向轉(zhuǎn)動，該關(guān)節(jié)所承載的力為手爪和電機的重量，工件的重量以及小臂的重量。-末端執(zhí)行器的質(zhì)量，-手腕電機的質(zhì)量，-小臂的質(zhì)量，-末端執(zhí)行器到手腕的距離，-小臂的長度，-小臂俯仰的夾角設(shè)系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩為,整個系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為，則對小臂俯仰軸處的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 對小臂俯仰軸處的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 對小臂俯仰軸處的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 整個系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：經(jīng)過分析得到時，即手腕和手臂處于同一條軸線時，整個手腕受到的負(fù)載轉(zhuǎn)矩最大。此時，總力矩：根據(jù)算出來的轉(zhuǎn)矩，初選型號為（4）大臂俯仰電機的選擇本設(shè)計中的機械關(guān)節(jié)實現(xiàn)大臂與腰部之間的連接，通過腰部的相對固定，使大臂沿x軸方向的俯仰，其原理圖如下：m1手腕和末端的質(zhì)量：m1=2.5kgm2手臂的質(zhì)量：m2=1.5kgm3大臂的質(zhì)量：m3=2kgl1手腕到小臂的距離：l1=60mml2小臂的長度：l2=300mml3大臂的長度：l3=400mm俯仰的角度：=0時，轉(zhuǎn)矩最大設(shè)系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩為,整個系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為，則m1對小臂連接軸的轉(zhuǎn)矩：m2對大臂連接軸的轉(zhuǎn)矩：m3對大臂連接軸的轉(zhuǎn)矩：負(fù)載轉(zhuǎn)動時，可看作一物體繞其一邊軸的軸運動。因此其運動的轉(zhuǎn)動慣量為若單片機每秒發(fā)50個脈沖，步進(jìn)電機初始的步距角為1.8則所以負(fù)載運動時最大的轉(zhuǎn)速為每秒90，最大加速度即慣性力矩M02負(fù)載運動時產(chǎn)生的慣性力矩總力矩：故電機的選擇為（5）腰部回轉(zhuǎn)電機的選擇根據(jù)分析腰部所受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和大臂所受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩一致，故可選用相同的電機RV減速器選擇RV-6E型號，減速比為303.2.2大臂的靜力學(xué)分析在做受力分析前，設(shè)：旋轉(zhuǎn)臂與大臂間夾角為；大臂與小臂間夾角為；小臂與副臂間的夾角為；大臂的重力為G0=160 N；小臂的重力為G1=180 N；副臂與采摘頭的重力為G2=260 N。然后做出受力分析圖，如圖3.4。圖3.4大臂受力分析圖1.求出F1其中O點為旋轉(zhuǎn)臂的支撐點，所以LAO=810mm；為F與與AO之間的夾角。對A點進(jìn)行受力分析得：（3.1）根據(jù)斜三角形邊角關(guān)系得： （3.2）把已知的參數(shù)數(shù)值和公式3.2代入公式3.1中可求出F1得大小。2.求F1x；F1y；FAx；FAy如圖3.5上所示 ，將A點受的力和F1受力分解。則根據(jù)圖可得：F1x=F1cos；F1y=F1sin。 （3.3）由受力平衡可知：FAx+F1x=0； （3.4） FAy+F1y=G0+G1+G2。 （3.5）聯(lián)合公式3.3、3.4、3.5得出F1x、F1y、FAx、FAy。為了求出最大受力情況，我們可以取運動到最大范圍時的取值，則=1600；=1600；=1800上面我們已經(jīng)得出采摘臂1的長度為1660 mm，采摘臂2的長度為1710 mm；副臂長度為1120 mm。則可以求出：F1=1950 N；F1x=663 N；F1y=1883.56 N；FAx=-663 N；FAy=-383.56 N。3.2.3小臂的靜力學(xué)分析圖3.6小臂受力分析圖1、求F2根據(jù)斜三角形邊角關(guān)系得： （3.6） 對B點有： （3.7）聯(lián)合公式3.6和3.7可以求出F2=1562.7 N。2、求F2x；F2y；FBx；FBy如圖3.6上所示 ，將b點受的力和F2受力分解。由圖可知： （3.8） 由受力平衡可知： （3.9） （3.10）聯(lián)合公式3.8、3.9、3.10得出：=781.4 N；=1353.3 N；=-781.4 N；=-313 N。3.分析大臂受力情況時，大臂還受到另外的兩個來自上下電機的旋轉(zhuǎn)力矩提供的力、，如圖3.8所示。圖3.8大臂力F3F4分析圖由圖可以得出：；。 （3.11）；。 （3.12）取d=900、e=1000分析圖中角度關(guān)系可以得出：b=-d、c=-e。 （3.13）此時，我們并不知道、的大小，需要進(jìn)一步分析才可以得出。因為大臂受力平衡，所以我們對大臂上面的力全部正交分解，如圖所示?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論。 (3.14) （3.15）通過公式3.11、3.12、3.13、3.14、3.15可得出：F3x=-105 N；F3y=-1540 N；F4x=-135 N；F4y=165 N。3.2.4尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)荷載分析，大小臂的結(jié)構(gòu)尺寸如下圖所示：3.2.5回轉(zhuǎn)底座的設(shè)計采摘臂的底座分為傳動裝置、固定裝置，底座的傳動裝置是用來控制旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動，本設(shè)計傳動裝置選用的標(biāo)準(zhǔn)件伺服電機，即為腳架式軸輸出單齒條螺旋擺動電機。擺動缸的原理是通過齒條帶動齒輪，將電機的往返直線運動，轉(zhuǎn)化成軸的正反方向的擺動旋轉(zhuǎn)運動，同時把往返運動的旋轉(zhuǎn)力轉(zhuǎn)化成齒輪軸的輸出扭矩9。螺旋擺動電機是一種特殊的電機，其利用大螺旋升角的螺旋副實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動，輸出軸的中間棒與缸體固定，活塞內(nèi)表面螺旋齒與螺旋棒的螺旋齒嚙合，輸出軸的螺旋棒表面形狀與活塞外表面形狀相同8。所以，轉(zhuǎn)動軸套內(nèi)部的壓力下，活塞順著中間棒向上運動的情況下還做著旋轉(zhuǎn)運動，并且輸出軸也一起做著旋轉(zhuǎn)運動，使擺動缸的運動方式得到實現(xiàn)。螺旋擺動缸的特點有構(gòu)造緊密、占的空間體積小、安全性能好、方便搭配、旋轉(zhuǎn)的空間范圍大、輸出的工作扭矩大等。固定裝置是用來固定旋轉(zhuǎn)臂以及傳動裝置，即旋轉(zhuǎn)臂的支座，如圖3-10所示。圖3-10 底座3.3末端執(zhí)行器的設(shè)計3.3.1采摘電機的選擇（1）電機類型的選擇選擇電機主要是利用電機工作時產(chǎn)生的力和力矩，直接驅(qū)動負(fù)載或者通過減速機構(gòu)間接地去驅(qū)動負(fù)載。使用電機作為動力來源，提高了工作效率，同時這也是目前最為普遍的方式。伺服電機比步進(jìn)電機體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，力矩大，反應(yīng)速度快，精準(zhǔn)度高，噪音小，壽命長，應(yīng)用廣泛所以我們將采用伺服電機。（2）電機型號選擇而BF系列伺服電動機為反應(yīng)式伺服電動機，具備以上的所有條件，我們選用了型號我們選用了型號GA12-N10電壓范圍為8-12V的絲杠電機。的反應(yīng)伺服電動機作為主運動的動力源，該機功率為20W。的反應(yīng)伺服電動機作為主運動的動力源，該機功率為20W。選用時主要有以下幾個步驟：初選電機型號，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。步進(jìn)電機最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax是指電機的定位轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機的名義啟動轉(zhuǎn)矩Mmq與最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax的關(guān)系是：Mmq=伺服電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負(fù)載下的啟動。步進(jìn)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(jìn)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(yù)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(yīng)滿足步進(jìn)電動機所需空載啟動力矩小于步進(jìn)電機名義啟動轉(zhuǎn)矩，即：MkqMmq=Mjmax計算Mkq的各項力矩如下：加速力矩空載摩擦力矩附加摩擦力矩3.3.2絲桿螺母副的選型與校核（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(yù)緊方式；（b）計算普通絲杠副的主要參數(shù) 根據(jù)使用工作條件，查得載荷系數(shù)=1.0系數(shù)=1.5； 計算當(dāng)量轉(zhuǎn)速 計算當(dāng)量載荷 初步確定導(dǎo)程 ，取4mm計算絲桿預(yù)期工作轉(zhuǎn)速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(dǎo)程為4mm，額定載荷大于的絲桿。查普通絲杠型號表知，本次選定的普通絲杠螺母副型號為：GD801-1由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)：公稱直徑 導(dǎo)程 （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）普通絲桿的預(yù)緊預(yù)緊力一般取當(dāng)量載荷的三分之一或額定動載荷的十分之一。即：其相應(yīng)的預(yù)緊轉(zhuǎn)矩（d）穩(wěn)定性驗算絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負(fù)荷。另一端游動，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動端自由伸縮，如下圖。 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(shè)計時應(yīng)驗算其安全系數(shù)S，其值應(yīng)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=2.53.3，SS，絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。 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。 此外普通絲杠副還受值的限制，通常要求3.3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(shè)計課程設(shè)計中表15-3中查得軸承的型號為：6000。外形尺寸為：d1=10mm，D1=24mm，B1=8mm。（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(yù)期壽命取為：Lh29200h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(dāng)量動載荷 動載荷為，查得，則有，滿足要求?？?結(jié)蘋果采摘機是一種極具研究價值和應(yīng)用前景的農(nóng)用地面移動采摘裝置，本論文對具有移動功能的采摘機進(jìn)行了總體技術(shù)的研究，并主要對其車體結(jié)構(gòu)部分、手臂部分、末端執(zhí)行器部分進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計和論證，本論文完成的主要工作如下：（1）通過功能和設(shè)計任務(wù)的分析，確立了蘋果采摘機總體功能構(gòu)架，初步制定了小型蘋果采摘機的總體組成和性能指標(biāo)。（2）在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下，移動平臺是小型蘋果采摘機實現(xiàn)復(fù)雜地形運動的功能載體，本文采用了后輪驅(qū)動的驅(qū)動輪式移動機構(gòu)，并具有可獨立控制的前擺，具有較強的地形適應(yīng)能力。（3）通過對比多種采摘執(zhí)行裝置，最終確定采用半球式抓爪的結(jié)構(gòu)，模仿人類手來采摘蘋果。設(shè)計中，我對蘋果采摘機的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、性能要求進(jìn)行了比較詳細(xì)的分析，針對蘋果采摘機中采用的驅(qū)動輪、減速器、電動機等也進(jìn)行了必要的闡析。對于本文研究的蘋果采摘機，是一個復(fù)雜的采摘裝置系統(tǒng)，在總體設(shè)計中，由于能力和精力有限，研究內(nèi)容還是很初步的，由于本人水平和能力有限，文中難免存在有疏漏和不妥之處，敬請老師給予批評和指正。參考文獻(xiàn)1 成大先. 機械設(shè)計手冊（第5版）M. 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謝在本文即將結(jié)束之際，請允許我對在這四年的大學(xué)生活學(xué)習(xí)中給予我支持和鼓勵的各位老師和同學(xué)致以深深的感謝。首先，我要感謝我的指導(dǎo)老師，感謝他在我的研究和學(xué)習(xí)過程中給予我的指導(dǎo)和幫助。老師深厚的理論素養(yǎng)，淵博的學(xué)識和誨人不倦的精神使我受益非淺，更重要的是，老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)風(fēng)范和對學(xué)術(shù)問題的概括與抽象能力在潛移默化中影響著我，教育著我。在大學(xué)生活中，老師對我的言傳身教以及給予我許多無私的關(guān)心和幫助，所有這些不僅是我得以順利地完成本文，而且更是使我終身受益。我還要感謝系里的各位老師，他們?yōu)槲业漠厴I(yè)設(shè)計提出諸多良好的建議以及努力方向，使我得以較快地完成設(shè)計。其次，我還要特別感謝我的母校，為我提供了一個先進(jìn)的學(xué)習(xí)、工作環(huán)境，能讓我順利完成自學(xué)考試的各個課程。最后，請讓我將這篇學(xué)士學(xué)位論文獻(xiàn)給我的父母親，感謝他們的養(yǎng)育之恩，感謝他們使我成為一個對社會有用的人，他們的關(guān)懷、支持和鼓勵是我所有信念的力量源泉。
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