柑橘采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),柑橘,采摘,機(jī)器人,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
柑橘采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
柑橘采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘要
果實(shí)采摘是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，需要大量的采摘人員，但由于農(nóng)村人口城市化，農(nóng)業(yè)從事人員的數(shù)量不斷下降，人力成本不斷上升，國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)研發(fā)了許多的采摘機(jī)器人來(lái)解決這一問(wèn)題。本課題設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器人主要是針對(duì)柑橘樹(shù)之類的果樹(shù)，對(duì)采摘機(jī)器人的機(jī)械臂和末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先確定了機(jī)器臂的類型和設(shè)計(jì)的總體方案，再對(duì)機(jī)器人各部分進(jìn)行受力分析計(jì)算，選擇適合的電機(jī)和減速器，設(shè)計(jì)相關(guān)傳動(dòng)軸并進(jìn)行校核，設(shè)計(jì)了相關(guān)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)電機(jī)和減速器的連接和固定，設(shè)計(jì)了機(jī)械臂的腕部、臂部和底座結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞：柑橘采摘；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；農(nóng)業(yè)機(jī)器人
Structure design of citrus picking robot
ABSTRACT
The fruit picking is an important part of agricultural production, it needs a large number of workers. However, due to the urbanization of the rural population, workers of the fruit picking is continuously declining and the labor cost is constantly rising. Different kinds of picking robots have been designed to solve this problem all around the world. The picking robots developed in this project is aimed at picking citrus trees alike so that the design of structures of the mechanical arm and end effector of the picking robot is of great significance in this project. First, determing the type of the robot arm and the overall design of the robot.Then, performing the force analysis and calculation of each part of the robot and selecting appropriate motor and reducer,designing and checking the relevant transmission shaft, relevant transmission structure is developed as well. At the same time, according to the connection and fixation of the motor and reducer, the arm, and base structure of the arm are designed.
Key words：Citrus picking; Structure design; Agricultural robot
目錄
1緒論 1
1.1研究的目的及意義 1
1.2國(guó)內(nèi)外采摘機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 2
1.3機(jī)械臂與末端執(zhí)行器的現(xiàn)狀 5
1.4本課題主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 6
1.5本章小結(jié) 6
2總體方案設(shè)計(jì) 7
2.1引言 7
2.2柑橘采摘機(jī)器人的技術(shù)要求 7
2.3機(jī)器人的構(gòu)型選擇 7
2.4總體方案的選定 9
2.5機(jī)械臂的傳動(dòng)原理 10
2.6本章小結(jié) 12
3.末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì) 13
3.1切割電機(jī)的選擇 13
3.2氣缸的選擇 14
3.3末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14
3.4本章小結(jié) 15
4腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16
4.1腕部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求 16
4.2腕部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16
4.2.1旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 16
4.2.2腕部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17
4.3腕部俯仰關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18
4.3.1俯仰關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 18
4.3.2腕部俯仰關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 18
4.3.3帶輪的設(shè)計(jì) 19
4.3.4傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)和校核 20
4.4本章小結(jié) 22
5臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24
5.1手臂的設(shè)計(jì)要求 24
5.2小臂的設(shè)計(jì) 25
5.2.1小臂Ⅰ驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 25
5.2.2小臂Ⅰ的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 26
5.2.3小臂Ⅱ驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 27
5.2.4齒輪的設(shè)計(jì)與校核 28
5.2.5小臂輸出軸的設(shè)計(jì)與校核 33
5.2.6小臂Ⅱ的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 35
5.3小臂剛度校核 35
5.4大臂的設(shè)計(jì) 36
5.4.1大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 36
5.4.2大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 38
5.5本章小結(jié) 39
6底座的設(shè)計(jì) 40
6.1底座電機(jī)的選擇 40
6.2軸Ⅰ的設(shè)計(jì) 41
6.3底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 42
6.4本章小結(jié) 43
7總結(jié) 44
參考文獻(xiàn) 45
致謝 47
1緒論
1.1研究的目的及意義
隨著科技的不斷發(fā)展，機(jī)械化種植已經(jīng)在逐步替代傳統(tǒng)的依靠人工的農(nóng)業(yè)種植方式，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)發(fā)生了重大的改變。近年來(lái)，電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，原本用于工業(yè)的機(jī)器人已經(jīng)走向農(nóng)田，已經(jīng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了極其重要的作用，現(xiàn)在可以通過(guò)機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)上的移栽、嫁接、除草、采摘和果蔬分離等作業(yè)。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明：由于人口老齡化以及農(nóng)村的青年人都在去城市打工，從事農(nóng)業(yè)方面的工作的人數(shù)在減少，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也逐漸規(guī)?；?、多樣化，勞動(dòng)力也越來(lái)越缺乏。在果園種植中，僅僅果實(shí)采摘時(shí)需要大量勞動(dòng)力，平時(shí)卻不需要，部份種植園難以找到足夠的臨時(shí)從業(yè)人員，無(wú)法及時(shí)采摘，造成經(jīng)濟(jì)損失。即使有足夠的臨時(shí)勞動(dòng)力，但他們由于不熟悉工作，這將會(huì)加大果實(shí)在采摘過(guò)程中的損傷幾率。相關(guān)資料表明：果實(shí)采摘的花費(fèi)已經(jīng)占據(jù)了整個(gè)農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)費(fèi)用的40%以上，甚至有部分種植園已經(jīng)達(dá)到50%的程度。為了降低種植的成本，從而提高農(nóng)民的收入，研究和發(fā)展采摘機(jī)器人已經(jīng)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要一環(huán)。采摘機(jī)器人是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展出來(lái)的一種能代替人工自主采摘果實(shí)的智能化、機(jī)械化和精準(zhǔn)化的設(shè)備。但我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人起步較晚，發(fā)達(dá)國(guó)家早在上世紀(jì)六十年代就已經(jīng)開(kāi)始對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究，各發(fā)達(dá)國(guó)家在八十年代就紛紛結(jié)合自身的實(shí)際情況，研究相關(guān)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人，國(guó)內(nèi)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人是在上個(gè)世紀(jì)九十年代的中期才開(kāi)始的，發(fā)展得比較晚，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還存在著明顯的差距。但隨著中國(guó)的經(jīng)濟(jì)和科技蓬勃發(fā)展，尤其是國(guó)家在政策上不斷的扶持和引導(dǎo)農(nóng)業(yè)的機(jī)械化、智能化，為農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展提供了一片良好的土壤。
我國(guó)是世界上第一水果大國(guó)，我國(guó)的水果種植面積大約有800萬(wàn)公頃，占全球的果樹(shù)種植總面積的21%左右；水果年總產(chǎn)量超過(guò)了5900多萬(wàn)噸，占世界所有的水果的總產(chǎn)量的13.4%，這兩項(xiàng)指標(biāo)都是排在全世界的第一。而柑橘營(yíng)養(yǎng)豐富，深受人們的喜愛(ài)，我國(guó)的柑橘資源非常豐富，國(guó)家柑橘資源圃保存一千兩百多份資源。在生產(chǎn)上栽培主要有柑橘屬以及少量的金柑屬、枳屬。我國(guó)的柑橘主要種植在廣東、湖南、四川、重慶、浙江、廣西、福建、湖北、江西等九個(gè)?。▍^(qū)、市），產(chǎn)量占全國(guó)的90%以上。柑橘種植時(shí)一般都是種植園大量種植，采摘時(shí)間在十月到十二月之間，采摘方式主要還是以人工采摘為主。由于柑橘樹(shù)屬于小喬木，分枝多，枝擴(kuò)展或略下垂，刺較少，采摘時(shí)為了保證柑橘的儲(chǔ)存，需要將柑橘果實(shí)以及其小截果柄保留，而不是果實(shí)與果柄分離，這就是需要較大的分離力，從而導(dǎo)致人工長(zhǎng)時(shí)間的采摘會(huì)出現(xiàn)疲勞，采摘效率下降。為了保證柑橘的新鮮，果農(nóng)需要在很短的時(shí)間內(nèi)采摘完柑橘，采摘強(qiáng)度大，效率低，而人力勞動(dòng)成本在不斷的上升，又無(wú)法通過(guò)大量增加人手來(lái)完成柑橘的采摘。人們需要在農(nóng)業(yè)方面開(kāi)發(fā)出代替手工的自動(dòng)化設(shè)備，而作為集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、人工智能等很多歌不同的學(xué)科的先進(jìn)的技術(shù)集合在一起的現(xiàn)代自動(dòng)化裝備，機(jī)器人顯然為降低勞動(dòng)力成本提供了最佳的選項(xiàng)，不僅可以提高機(jī)械化水平，緩解勞動(dòng)力不足，還可以避免因人工采摘帶來(lái)的交通事故和人身安全問(wèn)題。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展更加規(guī)?；投鄻踊?，發(fā)展果樹(shù)采摘機(jī)器人研究是歷史走向的必然趨勢(shì)，有著非常重要的意義。
1.2國(guó)內(nèi)外采摘機(jī)器人的研究現(xiàn)狀
1968年，著名的美國(guó)學(xué)者Schertz和Brown提出了采摘機(jī)器人的思想，1983年，第一臺(tái)采摘機(jī)器人在美國(guó)誕生了，往后的幾十年里，美國(guó)、日本、英國(guó)、法國(guó)、韓國(guó)、荷蘭等都相繼開(kāi)始采摘機(jī)器人的研發(fā)。
日本崗山大學(xué)的Kondo研發(fā)了一種主要由機(jī)械臂、末端采摘執(zhí)行器、行走的小車、視覺(jué)系統(tǒng)和控制部分組成的番茄采摘機(jī)器人，其機(jī)械臂擁有七個(gè)自由度如圖1.1所示。
圖1.1 番茄采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
柑橘采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
它采用由一個(gè)能夠提供彩色攝像的攝像頭和一個(gè)圖像處理的集成卡組成的視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)找到成熟的番茄。考慮到番茄的果實(shí)很多時(shí)候會(huì)被番茄的葉莖擋住，采摘的機(jī)器人為了能夠靈活避開(kāi)樹(shù)枝或者其他的障礙物，因此采用采用具有冗余度的7自由度的機(jī)械臂。此外,他們?yōu)榱藴p少對(duì)果實(shí)的傷害，將其末端執(zhí)行器的機(jī)械手抓配帶上2個(gè)帶有橡膠的手指和1個(gè)氣動(dòng)吸嘴，利用機(jī)械手的腕關(guān)節(jié)把果實(shí)從番茄樹(shù)上擰下。移動(dòng)的小車有4個(gè)車輪，能都自由的在田間行走，他們利用機(jī)器人上的一些傳感器和原本就設(shè)置好的,放在地上的反射板，可檢測(cè)有沒(méi)有到采摘的地方，到了之后小車就停下來(lái)，掉頭后再前進(jìn)。這個(gè)番茄采摘機(jī)器人從識(shí)別番茄到將番茄采摘下來(lái)的速度大約是15s左右，采摘的成功率在70%左右。有30%左右的番茄沒(méi)有被采摘的主要原因是番茄被枝葉密密麻麻的包圍了，機(jī)器臂還是不能避開(kāi)這些枝葉去采摘番茄。因此還需要在機(jī)器手的結(jié)構(gòu)和采摘的工作方式等方面加以改進(jìn)，另外,機(jī)器人的采摘速度還需要提高，只有降低機(jī)器人自動(dòng)化收獲的成本，才能真正的達(dá)到實(shí)用化。
圖1.2 西紅柿采摘機(jī)器人
韓國(guó)的一些單位也對(duì)番茄的采摘機(jī)器人進(jìn)行了一些設(shè)計(jì)和研究，該機(jī)器人的檢測(cè)原理是對(duì)西紅柿的顏色進(jìn)行判別，根據(jù)西紅柿的紅色深淺差別來(lái)區(qū)分果實(shí)是否成熟，有選擇的摘取成熟的西紅柿。由于該機(jī)器人的工作效率低，未能形成產(chǎn)品，用于實(shí)際生產(chǎn)中。
美國(guó)加利福尼亞州的西紅柿機(jī)械設(shè)計(jì)公司研發(fā)了一種不需要機(jī)械臂的采摘機(jī)，它是將整個(gè)的西紅柿都卷入到分選倉(cāng)里面，包括西紅柿的莖葉，倉(cāng)內(nèi)有紅色視譜的分選設(shè)備，他能將紅色的西紅柿挑選出來(lái)，并通過(guò)輸送帶運(yùn)送到卡車的車廂里，剩下未成熟的西紅柿和西紅柿的莖葉將放入粉碎機(jī)構(gòu)中進(jìn)行粉碎，之后噴灑在農(nóng)田里作肥料。如果種植的西紅柿產(chǎn)量足夠高的話，這種西紅柿采摘機(jī)一分鐘能采摘一噸多的西紅柿，一個(gè)小時(shí)能采摘70噸的西紅柿。
英國(guó)的Silsoe研究所設(shè)計(jì)的蘑菇采摘機(jī)器人，他可以非常自動(dòng)化的檢測(cè)到蘑菇的位置和大小，然后又選擇的去修剪和采摘蘑菇。雖然它只有三個(gè)自由度，移動(dòng)關(guān)節(jié)是使用氣動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)的和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)則是采用電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng),這樣的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單,成本也比較低。由于蘑菇生長(zhǎng)中會(huì)出現(xiàn)傾斜的情況，機(jī)器人的采摘成功率只有為75%左右，采摘速度是6.7個(gè)/s。
荷蘭和日本都對(duì)黃瓜采摘機(jī)器人進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。日本研發(fā)的黃瓜采摘機(jī)器人擁有六個(gè)自由度，能夠在專門為采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)的傾斜大棚下采摘，由于大棚支架是傾斜的，黃瓜的莖葉都纏繞在支架上，而果實(shí)較重，在重力的作用下與莖葉分離，再通過(guò)攝像頭采集圖像，這個(gè)檢測(cè)裝置是根據(jù)反射特性來(lái)分別出黃瓜和莖葉。末端執(zhí)行器上有一個(gè)用于探測(cè)果梗到底在哪的探測(cè)器、切斷的設(shè)備和用來(lái)抓緊黃瓜的機(jī)械手指。荷蘭的農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所也在九十年代的時(shí)候研發(fā)了一種黃瓜的采摘機(jī)器人，該機(jī)器人要求黃瓜必須要按照高掛線纏繞方式懸吊生長(zhǎng)，該黃瓜采摘機(jī)器人由一個(gè)移動(dòng)小車、機(jī)械臂、視覺(jué)系統(tǒng)和末端執(zhí)行器4部分組成。采摘機(jī)器人可以在無(wú)人幫助的情況下自行在溫室中工作，在研究實(shí)驗(yàn)中，工作速度為54s/根，由于只能做到每個(gè)機(jī)械臂每次只能采摘一根黃瓜，效率無(wú)法達(dá)到商用的要求，且對(duì)黃瓜的前期培養(yǎng)環(huán)境有較高的要求，因此并未形成產(chǎn)品。
我國(guó)是在上世紀(jì)的九十年代中期才開(kāi)始農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，起步較晚，但經(jīng)過(guò)多年來(lái)各個(gè)研究機(jī)構(gòu)和院校的努力發(fā)展，已經(jīng)取得了一些可喜的成果。
東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民設(shè)計(jì)了一種林木球果實(shí)采摘機(jī)器人，主要是由一個(gè)有五個(gè)自由度的機(jī)械臂、一個(gè)移動(dòng)小車、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，采摘時(shí)，機(jī)器停留在距離果樹(shù)3~5米處，然后通過(guò)控制系統(tǒng)控制機(jī)械大臂和小臂同時(shí)運(yùn)動(dòng)，讓末端執(zhí)行器上升到一定的高度，機(jī)械手爪張開(kāi)并不斷的擺動(dòng)，從而能夠?qū)?zhǔn)被采摘的樹(shù)枝，然后手抓開(kāi)始沿著樹(shù)枝的生長(zhǎng)方向靠近一定的距離。采摘爪開(kāi)始夾攏果樹(shù)的樹(shù)枝，然后大小臂帶動(dòng)著機(jī)械手抓原路返回，把樹(shù)枝上的果樹(shù)采摘下來(lái)，這樣子就完成一次采摘這個(gè)機(jī)器人的采摘效率是500kg/天，人工采摘只有10多千克一天，就是說(shuō)機(jī)器人是人工采摘的30~50倍，而且采摘時(shí)能采摘得比較干凈，對(duì)果樹(shù)的傷害小。
我國(guó)研究的蘋果采摘機(jī)器人主要由兩部分組成：兩自由度的移動(dòng)車和五自由度的機(jī)械臂，移動(dòng)車由于在田間行動(dòng)，采用的是履帶式平臺(tái)，再在平臺(tái)上加裝了PC 主機(jī)、電源箱、用于輔助采摘的裝置以及一些傳感器；五自由度的機(jī)械臂是采用各自由度單獨(dú)的的驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，機(jī)械臂固定在移動(dòng)小車上，采摘機(jī)械臂采用的結(jié)構(gòu)是PRRRP結(jié)構(gòu)，作業(yè)時(shí)，將末端執(zhí)行器安裝在機(jī)械臂上。
國(guó)內(nèi)在西紅柿采摘機(jī)器人上也做了研究，浙江大學(xué)的梁喜鳳，根據(jù)西紅柿的一些生理特性，研發(fā)了能在溫室中使用的西紅柿采摘機(jī)器人，該機(jī)器人也是七個(gè)自由度的冗余機(jī)械臂。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的張瑞合、姬長(zhǎng)英等在西紅柿采摘中為了確定西紅柿在空間中的位置，運(yùn)用的是雙目立體視覺(jué)技術(shù)來(lái)定位，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)攝像頭距離西紅柿的距離在300~400mm之間時(shí)，空間深度的誤差能保證在3%~5%之間。
1.3機(jī)械臂與末端執(zhí)行器的現(xiàn)狀
機(jī)械臂是模擬人的上臂而構(gòu)成的，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同分為多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂，直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂，球坐標(biāo)系機(jī)械手臂，極坐標(biāo)機(jī)械手臂，柱坐標(biāo)機(jī)械手臂等。從機(jī)械臂的發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看可分為三代機(jī)械臂。
（1）第一代機(jī)械臂，就是按照一開(kāi)始教給通過(guò)人手來(lái)操控到達(dá)的位置和姿態(tài)，然后讓其重復(fù)的進(jìn)行著這樣動(dòng)作的一種機(jī)器，現(xiàn)在常見(jiàn)的、正在使用的大多數(shù)機(jī)械臂都還是在使用這種工作方式，但應(yīng)用范圍有限，主要用于材料的搬運(yùn)、噴漆、電焊等工作。
（2）第二代機(jī)械臂，是那些具有如聽(tīng)、視、觸等感覺(jué)的外部感覺(jué)功能的機(jī)械臂。這種機(jī)械臂之所以具有外部的感覺(jué)功能，是因?yàn)榘惭b了相關(guān)的傳感器，因此機(jī)械臂可以根據(jù)從外界的采集到的一些信息，再根據(jù)設(shè)定的程序修改自身的動(dòng)作，從而完成相關(guān)的作業(yè)。
（3）第三代機(jī)械臂，這種機(jī)械臂不僅是有了外部感覺(jué)功能，而且還具有一定的思考的能力。所以能夠在外界的變化的時(shí)候也作出相應(yīng)的變化，然后自己判斷進(jìn)行的工作。
關(guān)于末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)，由于果實(shí)的形狀、大小和生長(zhǎng)情況不同，采摘要求也各不相同，針對(duì)不同的果實(shí)，需要用不同的采摘方法。不同的采摘方法導(dǎo)致末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)和工作原理都大不相同。對(duì)于一些果實(shí)，需要充分考慮其生長(zhǎng)情況和采摘要求，選擇合理的果實(shí)與果柄分離的方式。此外，還要在保證采摘率和果實(shí)完好率的前提下，盡可能的降低成本。
國(guó)內(nèi)外主要采用的抓取方式有吸盤吸取、機(jī)械手指抓取兩種方式。吸盤吸取是當(dāng)機(jī)械臂將吸盤靠近果實(shí)后，吸盤將果實(shí)吸取過(guò)來(lái)，并不需要其他的方式抓緊。吸盤吸取方式適合用于生長(zhǎng)相互毗鄰的果實(shí)，它能實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的單個(gè)抓取，減少對(duì)毗鄰果實(shí)損傷的可能。但這種方式對(duì)果實(shí)的形狀要求相對(duì)較高，如果果實(shí)形狀不規(guī)則，那將導(dǎo)致吸盤吸力不夠，無(wú)法抓緊果實(shí)。如果是重量較大的果實(shí)也不適合選擇吸盤吸取果實(shí)的方式。機(jī)械手指抓取則是使用一個(gè)小型的氣缸或者的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過(guò)一系列的連桿傳動(dòng)，將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成控制機(jī)械手指張合的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)控制氣缸或者電機(jī)來(lái)控制抓緊和松開(kāi)果實(shí)。
果實(shí)的采摘的方法常用的有旋轉(zhuǎn)擰斷、剪切裁斷和圓盤鋸斷等幾種方法。旋轉(zhuǎn)擰斷是指吸盤或者抓手將果實(shí)抓牢后，控制整個(gè)末端執(zhí)行器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，擰斷果柄，但這種方法不適合用在果柄韌性比較好的果實(shí)上，而且有可能出現(xiàn)未能擰斷果實(shí)就將果實(shí)抓走的情況，導(dǎo)致?lián)p傷果實(shí)。如果用在西紅柿等果皮比較脆弱的果實(shí)上，那么擰斷時(shí)有可能損壞果實(shí)，增大果實(shí)的破損率。剪切裁斷是指使用類似于剪刀的兩塊刀片，將果梗剪斷，需要較大的剪切力。圓盤鋸斷是使用電機(jī)帶動(dòng)一個(gè)圓盤齒形鋸，使用較高的轉(zhuǎn)速將果梗鋸斷，不需要很大的剪切力就能成功鋸斷果梗，而且成功率和效率都能達(dá)到預(yù)期的要求。
1.4本課題主要設(shè)計(jì)內(nèi)容
機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)。分析柑橘的重量、小臂臂長(zhǎng)、離地高度等對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行了限制，最終確定柑橘采摘機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案：
底座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。根據(jù)之前的總體方案，對(duì)底座的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)，包括底部底盤的設(shè)計(jì)和腰部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行校核計(jì)算；
手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。根據(jù)總體方案，對(duì)臂部機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括大臂和小臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)關(guān)鍵的零部件，如傳動(dòng)軸等進(jìn)行校核計(jì)算；
腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)總體方案，對(duì)腕部的外部形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相關(guān)驅(qū)動(dòng)元件的安裝位置進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行校核計(jì)算。
末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)。根據(jù)總體方案，對(duì)末端執(zhí)行器的外部形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)驅(qū)動(dòng)元件的安裝位置和抓取機(jī)械手指進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇合適的執(zhí)行氣缸。
1.5本章小結(jié)
本章主要對(duì)國(guó)內(nèi)外的采摘機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和今后的發(fā)展趨勢(shì)作了簡(jiǎn)單的介紹，說(shuō)明了采摘機(jī)器人對(duì)于發(fā)展新時(shí)代的農(nóng)業(yè)的重要作用和意義，簡(jiǎn)單說(shuō)明了目前國(guó)內(nèi)外采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器主要用那些結(jié)構(gòu)和工作原理，結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，提出了本課題的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容。
2總體方案設(shè)計(jì)
2.1引言
采摘機(jī)器人的機(jī)械臂應(yīng)該不僅僅是要重量輕、能夠負(fù)載較大的重量和模塊化的特點(diǎn)，由于柑橘采摘機(jī)器人一般都是用于農(nóng)業(yè)的種植園的，需要在戶外使用，因此還要機(jī)器人可以具有能夠比較快的修理好機(jī)器人故障的部分，能夠防止一定的水和塵土的干擾。本章針對(duì)課題提出了柑橘采摘機(jī)器人機(jī)械臂的一些要求，分析確定了機(jī)械臂的合理結(jié)構(gòu)，介紹了機(jī)械臂有幾個(gè)關(guān)節(jié)的相關(guān)設(shè)計(jì)，此外，本章還確定了機(jī)器人的相關(guān)傳動(dòng)方案。
2.2柑橘采摘機(jī)器人的技術(shù)要求
本章節(jié)是根據(jù)上述的工作要求來(lái)決定的，最終確定了以關(guān)節(jié)型機(jī)器人作為本次設(shè)計(jì)的研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了底座、大臂、小臂以及腕部結(jié)構(gòu)，并要求了柑橘采摘機(jī)器人的總體尺寸、運(yùn)動(dòng)的各個(gè)機(jī)械臂的大概重量及工作時(shí)能達(dá)到的相關(guān)運(yùn)動(dòng)特性等指標(biāo)。具體的一些指標(biāo)如下述：
（1）底盤回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍±180?，轉(zhuǎn)動(dòng)速度為15?/s；
（2）大臂俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)范圍±60?，轉(zhuǎn)動(dòng)速度為20?/s；
（3）小臂俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)范圍±75?，轉(zhuǎn)動(dòng)速度60?/s；
（4）小臂旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍±180?，轉(zhuǎn)動(dòng)速度90?/s；
（5）腕部俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)范圍±90?，轉(zhuǎn)動(dòng)速度90?/s；
（6）腕部旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍±180?，轉(zhuǎn)動(dòng)速度180?/s；
（7）末端執(zhí)行器采摘果實(shí)的重量為150g左右，果實(shí)對(duì)末端執(zhí)行器的作用力0.15N。
2.3機(jī)器人的構(gòu)型選擇
常見(jiàn)的機(jī)器人根據(jù)手臂的動(dòng)作形態(tài)，按坐標(biāo)形式大致可以分為4種：直角坐標(biāo)型；圓柱坐標(biāo)型；球坐標(biāo)型；多關(guān)節(jié)型。
直角坐標(biāo)型機(jī)器人，在X，Y，Z軸上面的運(yùn)動(dòng)都是互相之間不會(huì)干擾到另外一根軸的，所以它具有三個(gè)相互獨(dú)立的移動(dòng)關(guān)節(jié)，如圖2.1所示。
圖2.1 直角坐標(biāo)型
圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人，是坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)，其中機(jī)械手臂的長(zhǎng)度是R,手臂的角位置應(yīng)該是，在垂直方向上的位置是X。具有兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。如圖2.2所示。
圖2.2 圓柱坐標(biāo)型
球坐標(biāo)型機(jī)器人的的坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)，其中是繞著最下面的底座垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角，是手臂在水平垂面內(nèi)的一個(gè)擺動(dòng)角度，這種機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的軌跡表面是半球面，球形的機(jī)器人具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)副和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)的。如圖2.3所示。
圖2.3 球坐標(biāo)型
多關(guān)節(jié)型的機(jī)器人是工業(yè)或者農(nóng)業(yè)機(jī)器人中用得最多的一種結(jié)構(gòu)形式，它是一節(jié)節(jié)的傳動(dòng)下去的，下一個(gè)傳動(dòng)機(jī)械臂是依靠上一個(gè)機(jī)械臂的位置來(lái)進(jìn)行定位的，一般情況下，機(jī)械臂的關(guān)節(jié)都是轉(zhuǎn)動(dòng)型關(guān)節(jié)，多關(guān)節(jié)型機(jī)器人一般是擁有六個(gè)自由度的，這能保證末端執(zhí)行器到達(dá)工作范圍內(nèi)的各個(gè)地方，如圖2.4所示。
圖2.4 關(guān)節(jié)型
根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求和具體實(shí)際情況，選擇的是多關(guān)節(jié)型。
在柑橘采摘機(jī)器人工作過(guò)程中，最重要的就是要讓機(jī)器人能都靠近果實(shí)，并采摘下來(lái)，而柑橘在果樹(shù)上是隨便生長(zhǎng)的，無(wú)法保證其生長(zhǎng)的位置，因此需要機(jī)器人能夠盡可能的到達(dá)工作范圍能的所有位置，因此選擇多關(guān)節(jié)型的機(jī)器人，他可以通過(guò)大臂和小臂的俯仰運(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到靠近工作范圍內(nèi)的沒(méi)一個(gè)位置的能力。而為了能到達(dá)空間中的每一個(gè)位置，一般機(jī)器人都有六個(gè)自由度，也有一些工作中不需要那么多個(gè)自由度就可以完成工作的，因此，為了機(jī)器臂的剛度和成本的原因，有一些機(jī)器人也是小于六個(gè)自由度的，而還有一部分工作情況復(fù)雜的，為了能夠避開(kāi)一些障礙或者其他的原因，也有多余六個(gè)自由度的機(jī)器人。
2.4總體方案的選定
確定采摘的柑橘的重量：本次設(shè)計(jì)的柑橘采摘機(jī)器人要求可以采摘柑和橘兩個(gè)品種的果實(shí)。柑橘品種品系甚多且親系來(lái)源繁雜，有來(lái)自自然雜交的，有屬于自身變異，也有多倍體的。根據(jù)相關(guān)資料表明：柑橘有年橘（果扁圓形，果頂部中央微凹，重50~65克）、廣東蜜柑（果扁圓形，或蒂部隆起呈短頸狀的闊圓錐形，頂部平而寬，中央凹，有淺放射溝，縱橫徑5.1~6.1厘米×6.1~7.8厘米，重136~157克）、冰糖橘（果扁圓形，頂部淺凹，蒂部微凸，縱橫徑3.8~4.2厘米× 4.8~5.5厘米，重53.2~62.3克）、九月黃、（果扁圓形。果頂微凹，有小突柱，果基有細(xì)肋紋，縱橫徑約3.5厘米×4.5厘米，重46-52克）、朱砂橘（果扁圓形，果頂稍凹，有時(shí)有小柱突，縱橫徑3~5厘米×4~6.5厘米，重40-70克）、洞庭紅（果扁圓形，果頂略凹，無(wú)柱突，縱橫徑2.5~4.5厘米×3.5~5.5厘米，重40-60克）、南豐蜜橘（果扁圓形，果頂平或微凹，有小柱突或無(wú)，果蒂部常隆起，有肋紋，或平而無(wú)肋紋，縱橫徑2.8-3.8厘米×3.9-5.0厘米，重25-50克）、福橘（果扁圓形，果頂部凹陷，蒂部四周常有放射溝，縱橫徑5.8-6.0厘米×6.4-7.5厘米，重100-140克）等等諸多柑橘品種，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)柑橘的大概重量在150克左右，因此將本次設(shè)計(jì)采摘的柑橘重量定位150克。
驅(qū)動(dòng)方式：因?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)能夠很好的控制，控制的靈活性強(qiáng)，能夠?qū)λ俣?、位置進(jìn)行精確的控制，對(duì)環(huán)境基本上沒(méi)有影響，體積相對(duì)小，傳動(dòng)的效率高，在對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制要求比較嚴(yán)格的中、小型機(jī)械臂中比較適用，因此本次設(shè)計(jì)主要采用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)。腕部關(guān)節(jié)的自由度對(duì)精度的要求較低，考慮到經(jīng)濟(jì)適用上的問(wèn)題，選用小功率、低轉(zhuǎn)矩的步進(jìn)電機(jī)，小臂俯仰關(guān)節(jié)、大臂俯仰關(guān)節(jié)和底盤的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)由于與果實(shí)距離較遠(yuǎn)，且轉(zhuǎn)矩較大，對(duì)于精度要求要更高一些，因此選用交流伺服電機(jī)。
傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：機(jī)器臂傳動(dòng)設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)該盡的讓這個(gè)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)要緊湊、變得更輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和體積小，在傳動(dòng)過(guò)程中要考慮采用消除齒輪之間、軸承的間隙等的措施，以提高機(jī)器臂的運(yùn)動(dòng)和位置控制精度。在機(jī)器人中常采用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有齒輪傳動(dòng)、帶輪傳動(dòng)、滾珠絲杠直線傳動(dòng)、同步齒形帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、行星齒輪傳動(dòng)和諧波齒輪傳動(dòng)等。本次設(shè)計(jì)涉及的各個(gè)關(guān)節(jié)都有各自的特點(diǎn)，適當(dāng)?shù)剡x擇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有著重要的意義。例如在底盤旋轉(zhuǎn)中選用行星齒輪傳動(dòng)來(lái)保證足夠的轉(zhuǎn)矩；在腕部俯仰關(guān)節(jié)中用楔帶傳動(dòng)使驅(qū)動(dòng)電機(jī)的布局更加合理、美觀。
工作范圍：柑橘采摘機(jī)器人的工作范圍是根據(jù)柑橘果樹(shù)的機(jī)械臂作業(yè)過(guò)程中操作范圍和運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)確定，用工作空間來(lái)表示的。工作空間的形狀和尺寸會(huì)對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)坐標(biāo)形式、自由度數(shù)、機(jī)械臂的長(zhǎng)度和每個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度范圍產(chǎn)生影響。
2.5機(jī)械臂的傳動(dòng)原理
本次設(shè)計(jì)的柑橘采摘機(jī)器人機(jī)械臂具有六個(gè)自由度，其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖2.5所示
圖2.5柑橘采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
將整個(gè)機(jī)械臂分為五個(gè)部分：
底座：主要是支撐整個(gè)機(jī)械臂，包括上下底盤、伺服電機(jī)、RV減速器、軸承和法蘭盤。底座承載了整個(gè)機(jī)械臂的重量，因此需要有足夠的強(qiáng)度、剛度和承載能力。此外，底座設(shè)計(jì)還需要考慮到與移動(dòng)小車能夠緊密的連接起來(lái)，足夠方便、快速。
臂部：包括大臂、小臂Ⅰ、小臂Ⅱ、連接法蘭、伺服電機(jī)、傳動(dòng)軸、傳動(dòng)齒輪、RV減速器、減速器等。機(jī)器人的手臂是用來(lái)連接各個(gè)關(guān)節(jié)的，將動(dòng)力傳遞下去。農(nóng)業(yè)機(jī)器人在果林里，樹(shù)枝較多，而機(jī)器人的手臂對(duì)強(qiáng)度和剛度的要求都較高，因此采用高強(qiáng)度的鋁合金來(lái)做機(jī)器人的臂部，一般高強(qiáng)度的鋁合金的的密度是2.73g/cm3。此外，由于采摘機(jī)械臂是暴露在室外工作的，因此本次設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能的將腕部的電機(jī)安裝在機(jī)械臂內(nèi)部，而在小臂、大臂和底座的電機(jī)則可以根據(jù)實(shí)際情況決定是否在外部增加保護(hù)罩。對(duì)于電線和氣管也盡量將其從機(jī)械臂的內(nèi)部穿過(guò)，減少被樹(shù)枝等損傷的可能。
腕部：包括手腕的殼體、傳動(dòng)軸、傳動(dòng)帶輪等。
末端執(zhí)行器：包括機(jī)械手抓、氣缸、傳動(dòng)拉桿、外殼和切割電機(jī)等。末端執(zhí)行器可能需要穿過(guò)一些樹(shù)枝來(lái)摘取果實(shí)，所以要求結(jié)構(gòu)緊湊、體積小。末端執(zhí)行器的主要作用就是抓住果實(shí)，然后將果實(shí)從果樹(shù)上完好的采摘下來(lái)，這需要兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器分別驅(qū)動(dòng)，對(duì)于抓取果實(shí)的驅(qū)動(dòng)器，由于抓取果實(shí)時(shí)需要一直保持一定的抓緊力，而且僅有機(jī)械手抓的開(kāi)合兩個(gè)短距離的運(yùn)動(dòng)，所以適合使用氣缸驅(qū)動(dòng)。氣缸驅(qū)動(dòng)能平穩(wěn)的控制機(jī)械手抓的開(kāi)合，僅需要一下簡(jiǎn)單的拉桿傳遞動(dòng)力就能將氣缸的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械手抓的開(kāi)合動(dòng)作。如果使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)換較為復(fù)雜，使用直線電機(jī)的成本較高，因此選擇使用氣缸驅(qū)動(dòng)。采摘果實(shí)方式選擇使用電機(jī)帶動(dòng)圓盤齒形鋸，將果梗鋸斷達(dá)到采摘的目的。
2.6本章小結(jié)
本章的內(nèi)容主要是通過(guò)對(duì)柑橘采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從而確定了柑橘采摘機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)，選取了動(dòng)作靈活、運(yùn)動(dòng)慣性小、通用性強(qiáng)的關(guān)節(jié)型機(jī)器人設(shè)計(jì)，本文選用的柑橘采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案為模塊化的這種結(jié)構(gòu)，就是將柑橘采摘機(jī)器人的每一個(gè)關(guān)節(jié)都設(shè)計(jì)成一個(gè)機(jī)電一體化的小模塊，在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的方案里，采用了較為熟悉的齒輪傳動(dòng)。在確定了柑橘采摘機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案后，還對(duì)柑橘采摘機(jī)器人的底座、手臂、手腕和末端執(zhí)行器等各個(gè)部分的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃。
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3.末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)
3.1切割電機(jī)的選擇
從網(wǎng)上了解的資料選擇的切割圓盤齒形鋸的直徑為50mm，厚度為0.8mm，材質(zhì)為高速工具鋼 W9Cr4V，密度為8.3g/cm3，重量為13g，額定轉(zhuǎn)速定為800r/min，將齒形鋸看成是扁平狀圓柱。則驅(qū)動(dòng)力矩為：
查取轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式有：
所以
取安全系數(shù)K=1.2
經(jīng)查資料，選擇了性能優(yōu)秀的42系列兩相大力矩混合式步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)是HSTM42-0.9-S-47-6-0.4，電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為0.311N˙m，額定轉(zhuǎn)速為600r/min，將圓盤矩形齒通過(guò)螺釘與電機(jī)的輸出軸連接固定。
切割電機(jī)的安裝和放置如圖3.1所示
圖3.1 切割電機(jī)的安裝圖
將切割電機(jī)安裝在一個(gè)特制的支架上，同時(shí)將切割的鋸片通過(guò)螺釘安裝在電機(jī)的傳動(dòng)軸上，鋸片外設(shè)計(jì)了一個(gè)D型的保護(hù)盒，使鋸片僅用于切割的那部分暴露在外面。放置啟動(dòng)時(shí)傷害到其他枝葉或者電線。保護(hù)盒通過(guò)三顆螺釘安裝在電機(jī)支架上。支架通過(guò)螺釘和墊片固定在末端執(zhí)行器的上蓋。
3.2氣缸的選擇
根據(jù)采摘的柑橘只有150g左右的重量，選用氣馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手抓。氣馬達(dá)具有操縱簡(jiǎn)單，維修簡(jiǎn)單，環(huán)境對(duì)氣馬達(dá)的影響較小，而且不會(huì)因?yàn)檫^(guò)載而發(fā)生故障，啟動(dòng)和停止迅速的優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本次選擇的安裝在末端執(zhí)行器上的氣缸要體積小，而且質(zhì)量輕，因此查閱資料后選擇ISO-6432標(biāo)準(zhǔn)小型圓形，直徑為8mm的雙作用氣缸。作用桿一端有一截的螺紋和一個(gè)螺母，通過(guò)和拉桿的螺孔配合，調(diào)整到一定的位置，作用桿在完全伸出時(shí)能使機(jī)械手抓完全張開(kāi)，靠近柑橘，作用桿收縮后能抓緊柑橘，調(diào)整好后使用螺母鎖緊。氣缸的安裝是通過(guò)四個(gè)耳部的通孔，使用螺栓將氣缸固定在末端執(zhí)行器的底盤上。
3.3末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)上述要求，設(shè)計(jì)出符合要求的末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)，如圖3.1所示。
圖3.1 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖
執(zhí)行氣缸推桿通過(guò)螺紋與一個(gè)欄桿相連接，拉桿Ⅰ通過(guò)軸銷與拉桿Ⅱ傳動(dòng)，拉桿Ⅱ再分別通過(guò)軸銷與機(jī)械手抓連接。拉桿傳動(dòng)如圖3.2所示
圖3.2 拉桿傳動(dòng)圖
拉桿帶動(dòng)機(jī)械手抓前后移動(dòng)，機(jī)械手抓受到末端執(zhí)行器下底盤的結(jié)構(gòu)限制，無(wú)法垂直的前后移動(dòng)，需要將手抓張開(kāi)和合攏才能移動(dòng)。因此達(dá)到了機(jī)械手抓的開(kāi)合動(dòng)作。
3.4本章小結(jié)
本章主要是闡述了用于切割柑橘果梗的切割電機(jī)進(jìn)行了初步選擇的計(jì)算，確定了電機(jī)的型號(hào)，選擇了合適的氣缸用于驅(qū)動(dòng)機(jī)械手抓，通過(guò)拉桿的設(shè)計(jì)和連接從而達(dá)到控制機(jī)械手抓的開(kāi)合動(dòng)作，對(duì)末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，末端執(zhí)行器使用螺釘與法蘭連接，便于更換。在必要時(shí)候，機(jī)械臂可以安裝其他不同的末端執(zhí)行器，可以用于進(jìn)行其他的作業(yè)。
4腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1腕部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求
在本次柑橘采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，機(jī)器人的腕部的設(shè)計(jì)是一個(gè)很重要的設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@部分需要將末端執(zhí)行器和小臂的連接部分，采摘機(jī)器人的手腕不僅要支撐住末端執(zhí)行器，還要和小臂一起完成任務(wù)，達(dá)到相關(guān)要求。因此，腕部的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在整個(gè)柑橘采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占據(jù)了及其重要的一部分。本次設(shè)計(jì)對(duì)腕部需要達(dá)到的以下的要求：柑橘采摘機(jī)器人的腕部的機(jī)構(gòu)要足夠緊湊、盡可能的減少不需要的結(jié)構(gòu)，減輕重量；電機(jī)和軸承等的分布要合理；需要考慮環(huán)境問(wèn)題。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的思路，柑橘采摘機(jī)器人的主要是在種植園里面，環(huán)境對(duì)機(jī)器人的影響還是比較小的，但是需要考慮到是在戶外工作，且維修不方便，因此要保證機(jī)器人能快速更換故障部件，重新恢復(fù)工作的能力，還要有一定的進(jìn)行防塵防水能力。
根據(jù)本次設(shè)計(jì)的柑橘采摘機(jī)器人的要求，考慮到柑橘生長(zhǎng)情況的不確定性，為了保證能最大限度的采摘完柑橘樹(shù)上的果實(shí)，在腕部設(shè)計(jì)兩個(gè)自由度，一個(gè)為俯仰關(guān)節(jié)，一個(gè)為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。俯仰關(guān)節(jié)主要用于調(diào)整角度，使機(jī)械手抓能盡可能避開(kāi)其他障礙物，抓取到果實(shí)。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)是考慮到柑橘生長(zhǎng)的位置、角度各不相同，保證圓盤齒形鋸能準(zhǔn)確無(wú)誤的切斷果梗，提高采摘成功的幾率。
4.2腕部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.2.1旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇
末端執(zhí)行器重約3kg，長(zhǎng)250mm，采用的高強(qiáng)度鋁合金密度為2.73g/cm3，把執(zhí)行器看成一個(gè)圓柱，可算出執(zhí)行器半徑
額定轉(zhuǎn)速定為，驅(qū)動(dòng)力矩為：
查取轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式有：
所以
取安全系數(shù)K=1.2
經(jīng)查資料，選擇了日本東方馬達(dá)公司的步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)是PKP214D06A，電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為0.036N˙m，額定轉(zhuǎn)速為30r/min，無(wú)需減速機(jī)構(gòu)便可直接用電機(jī)帶動(dòng)。
4.2.2腕部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
六軸旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)需要帶動(dòng)末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)，需要的轉(zhuǎn)矩較小，使用電動(dòng)機(jī)通過(guò)帶頸法蘭盤與末端執(zhí)行器連接，電動(dòng)機(jī)直接固定在支架上，通過(guò)螺紋與法蘭盤連接傳動(dòng)，為了保證對(duì)末端執(zhí)行器的支撐，在電機(jī)軸外設(shè)計(jì)安裝了一個(gè)深溝球軸承。
腕部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖4.1所示
圖4.1 腕部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)
4.3腕部俯仰關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.3.1俯仰關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇
為了方便計(jì)算，將執(zhí)行器和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)看成是一個(gè)整體，重量為8kg，長(zhǎng)度為L(zhǎng)1=360mm，質(zhì)心到軸的距離為200mm，因此L=200mm，柑橘的質(zhì)量為150g左右,所以腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)候所需要的轉(zhuǎn)矩為：
將腕部俯仰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度假設(shè)是：
代入數(shù)據(jù)得：
本次設(shè)計(jì)的安全系數(shù)取1.2，則：
經(jīng)查閱電機(jī)的相關(guān)資料，電機(jī)定為日本東方馬達(dá)公司的步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)是PKP268D28A-L，額定轉(zhuǎn)速為30r/min，額定轉(zhuǎn)矩2.3N˙m。
4.3.2腕部俯仰關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)
考慮的腕部靠近果樹(shù)，如果將電機(jī)直接暴露在外面，不利于電機(jī)的保護(hù)，因此將電機(jī)安裝在小臂內(nèi)部，通過(guò)楔帶傳動(dòng)。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4.2和圖4.3所示。
圖4.2 腕部俯仰關(guān)節(jié)俯視圖
圖4.2 帶輪傳動(dòng)主視圖
4.3.3帶輪的設(shè)計(jì)
根據(jù)機(jī)械臂的尺寸和傳動(dòng)帶的速度要求，選擇JB/T5983-1992多楔帶傳動(dòng)。帶輪的材料選擇為HT200。
設(shè)計(jì)功率Pd=，安全系數(shù)取KA=1.1，腕部俯仰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為30轉(zhuǎn)/min，扭矩為2.3N˙m，功率為0.05kw，Pd=1.1*0.05=0.055kw。
選擇PJ型帶，小帶輪直徑為40mm，傳動(dòng)比為2，則大帶輪的直徑為2*40=80，根據(jù)資料取整，所以大帶輪的直徑為80mm。
初定中心距0.7（40+80）=84
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