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畢 業(yè) 設 計 (論 文)
蘋果采摘機器執(zhí)行器的機構設計及仿真
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蘋果采摘機器執(zhí)行器的機構設計及仿真
摘 要
蘋果采摘機器執(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)有蘋果采摘機末端執(zhí)行器及人工采摘蘋果時原理進行分析，在此分析基礎上提出了總體結構方案；其次，對各主要機構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；最后，采用Pro/E三維設計軟件進行了虛擬設計及仿真分析。
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、Pro/E軟件，對今后的工作與生活具有極大意義。
關鍵詞：蘋果采摘，執(zhí)行器，手指，設計
Abstract
Apple picking machine is an important part of the picking machine. Its design is often considered as the core technology of the robot.
This design first, the research and development status of the picking machine and its end effector;Then, through the analysis of the principle of the end effector of the apple picking machine and picking apples, the overall structure scheme is put forward;Secondly, the design and selection of the main body and its parts are carried out;Finally, the virtual design and simulation analysis of Pro/E 3D design software are carried out.
Through this design, we have consolidated the professional knowledge of the University, such as: mechanical principle, mechanical design, material mechanics, tolerance and exchange theory, mechanical drawing, etc.;
Master the design method of common mechanical products and be able to skillfully use AutoCAD, Pro/E software, for the future work and life of great significance.
Key words: Apple picking, Actuator, Finger, Design
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第一章 緒論 1
1.1課題研究背景及意義 1
1.2 國內(nèi)外采摘機器發(fā)展現(xiàn)況 1
1.3 采摘機器末端執(zhí)行器研究現(xiàn)狀 2
1.3.1獲取方式 2
1.3.2分離方式 3
第二章 總體方案確定 5
2.1設計要求 5
2.2蘋果采摘特點分析 5
2.3總體方案設計 5
第三章 主要機構的設計與選擇 7
3.1驅動機構的設計 7
3.1.1驅動方案的選擇 7
3.1.2電動機的選擇 7
3.1.3絲桿副的選型與校核 9
3.1.4軸承的選擇與校核 12
3.1.5鍵的選擇與校核 12
3.2手指結構設計 13
3.2.1手指數(shù)量 13
3.2.2手指關節(jié)數(shù)量 13
3.2.3手指的材料 13
3.3機架的設計 14
第四章 力學分析與校核 15
4.1手指的工作原理 15
4.2抓取時的靜態(tài)力學模型 15
4.3運動學分析 17
4.4夾持誤差計算 18
第五章 三維設計與仿真分析 21
5.1 軟件概述 21
5.2三維設計與裝配 22
5.2.1零件三維設計 22
5.2.2虛擬裝配 23
5.3仿真分析 24
5.3.1仿真的簡單介紹 24
5.4.2仿真過程 25
總 結 28
參考文獻 29
致 謝 30
30
蘋果采摘機器執(zhí)行器的機構設計及仿真
第一章 緒論
1.1課題研究背景及意義
在中國蘋果是一個主要的水果，2010年蘋果總產(chǎn)量占32.73三大水果，水果（蘋果，桔子，梨頭。此外，蘋果在中國的領土面積2848畝，產(chǎn)量26萬噸，占世界的35%，蘋果面積、產(chǎn)量、規(guī)模最大的世界蘋果采摘機器人采摘過程。在很大程度上可以大大提高效率，節(jié)約成本，但可摘摘果過程中的機械損傷，機械性損傷是一種入侵的病原微生物，是錯誤的主要原因為操作負荷的瘀傷，打破，從而使變質(zhì)腐爛的水果，每年達30 40%的損失高達10億人民幣。直接接觸臂部分果實，所以開發(fā)一個容易損壞的水果和小型機械手是特別重要的。
“采摘機器的末端執(zhí)行器是一個安裝在移動設備或者采摘機器手臂上，使其能夠拿起一個對象，并且具有處理、傳輸、夾持、放置和釋放對象到一個準確的離散位置等功能的機構。”這是末端執(zhí)行器的一個定義。
采摘機器的抓取作業(yè)方式在工業(yè)生產(chǎn)中是一個重要的運用，機器是一個全面的強大的自動化設備，裝置的執(zhí)行器是直接導致了大多數(shù)的任務，完成任務后的結構和尺寸的設計，多種結構。通常，根據(jù)使用和機械手爪的結構的變化，吸附出口和專用工具三類。在大多數(shù)情況下，執(zhí)行器是為特定用途而專門設計的，也可以是一個大型的多功能性的執(zhí)行者。
現(xiàn)有的末端執(zhí)行器機構的性能并從國情出但有些技術還不成熟，因此，如何在現(xiàn)有的條件和執(zhí)行機構的性能可以滿足不同的功能要求，研制結構簡單、成本低、可靠性高，采摘機端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
水果和蔬菜在采摘機器人的研究始于20世紀60年代，在美國，主要用于氣動機械清洗方法和非定常的風格。缺點是，水果的脆弱性，效率不高，不存在很大的局限性，特別是選擇性的收獲，揀軟的，新鮮的水果和蔬菜。但此后，隨著電子技術的發(fā)展和計算機技術的發(fā)展，特別是在工業(yè)機器人，更成熟的技術和計算機圖像處理技術和人工智能技術的發(fā)展，采摘機器人的研究得到了迅速的發(fā)展。目前，日本，荷蘭，法國、英國、意大利、美國、以色列、西班牙和其他國家的成功推出了水果和蔬菜采摘機器人的研究相關方面的研究主要的橘子，蘋果，西紅柿，黃瓜，番茄，蘆筍，花椰菜，葡萄、甜瓜、草莓、菊花、蘑菇，但這些好處還真的不的商業(yè)操作的機器人。
農(nóng)業(yè)機器人的研究起步相對較晚，但在過去幾年的快速發(fā)展，也已經(jīng)有了大量的研究。張劍峰董劍，張志勇，自適應控制算法的設計，如采摘機器人的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，劉崗，誰發(fā)現(xiàn)了蘋果方面蔡健榮江蘇大學的三維信息，如恢復的障礙，柑橘采摘機器人障礙識別技術的研究；南京農(nóng)業(yè)大學和政府接管的水果和蔬菜的控制技術的研究王學林與外環(huán)的長影。
在中國，蘋果沒有手工收集采集器完成，效率低，勞動強度大，環(huán)境惡劣的工作。目前，采摘機對蘋果最近也報道較少，國內(nèi)一些收集機的專利，如堅果提取掛鉤，這些專利可以在一定程度上降低勞動強度采集器的工作人員的工作條件，改變選擇；但是，基本上，結構簡單，所以沒有選擇從根本上解決困難，效率低。本研究以設計為蘋果采摘機的實際目標，工作環(huán)境特點的基礎上，深入分析了蘋果不使用軟件來和蘋果，Pro / E收集機三維設計、虛擬裝配設計蘋果機端，收集的表演者?；窘鉀Q了選擇大，勞動效率低，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
水果和蔬菜的采摘機器人的末端執(zhí)行器，是另一個重要組成部分，它的設計通常被認為是機器人的核心技術之一。總的來說，水果和蔬菜，看起來很脆弱，它的形狀和生長的情況通常是復雜的。
1.3.1獲取方式
果實采集和分離是獲取機器人末端的兩個關鍵的行動必須達到的，首先，通過捕獲、吸入、安裝等。的方法，取得了一定的成果，然后折疊，剪切不同的方法，如完成果實和果梗的分離。從已發(fā)表的文獻，主要歸為兩類獲得的果實不夾夾緊和類。果實和果梗的分離方法有傳統(tǒng)的皺縮，破碎和通過剪刀或切刀，有了一個新的熱切割方法等。
（1）直接切斷式
這類末端執(zhí)行器通常是直接剪斷。例如，日本的發(fā)展，甜椒，番茄采摘機器人的端到端的表演者收割結束美國的柑橘，表演者是這樣的結構，如圖1-1、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)行器的結構更簡單，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
這類非夾持類末端執(zhí)行器主要通過吸入真空系統(tǒng)的內(nèi)端將表演者的果實，然后切斷，折疊，如分離果實和果梗。
如圖1-3所示比利時發(fā)展蘋果不的機器人末端的漏斗，漏斗內(nèi)安置室的設計形式，在夾持范圍時，吃水果時，將再次打開吸入真空吸果梗，將基于旋轉折疊水果采摘下來。
圖1-3 蘋果采摘末端執(zhí)行器
吸入式末端執(zhí)行器的工作原理，硬件設計簡單，類似的果實梗柔弱的細長的，溫柔的，草莓和其他水果相比，接受吸入途徑獲得更多的安裝，夾上的端部執(zhí)行器是可行的，但這樣的個體差異的適應能力較差的果實大小的動作慢，穩(wěn)定性不高。
（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所示。1 - 4，此端的表演者在爪的夾緊機構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 機械爪機構示意圖
1.3.2分離方式
現(xiàn)有的研究收集機器人端，使用折疊，斷裂或剪切，分離模式，減少一些原則上的端部執(zhí)行器進行新的嘗試。
（1）扭斷、折斷、拉斷
折疊是腕關節(jié)的旋轉致動器的使用和周轉需要折疊后在果實進行多次往復扭轉的菌柄，可以禁用表演者的花梗，端的工作需要更多的空間，很難避免的障礙。因此，水果和蔬菜，水果柄易故障更實用，如番茄的選擇，但對水果和蔬菜的菌柄的靈活性，選擇了較低的成功率。
（2）剪切
很大一部分的收獲機器人端切刀切斷裝置或安裝剪刀，花序梗，實現(xiàn)水果，花序梗的分離。
（3）熱切割
荷蘭黃瓜采摘機器人的末端執(zhí)行瓦寧根大學發(fā)展中的根、莖的變化使用兩個相反的電極分離的傳統(tǒng)方法，熱的時候，兩個電極之間的接觸和高頻電流的莖，莖高水分含量的快速建立，以阻止將高溫“腰斬”。這種方法避免了相互的病原體感染和流失的問題，但該方法需要兩個電極和莖的長度相同的必須是可靠的，傳統(tǒng)方法的限制的接觸和植物的莖和冠空間栽培番茄品種用剪刀，所以所有的方法很難達到滿意的結果。
第二章 總體方案確定
2.1設計要求
本課題所設計的機械手應該具有制造成本低、控制簡單、機械結構簡單、通用性好等特點同時機械手的整機設計，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）夾持蘋果直徑5-15cm，高度5-15cm
2.2蘋果采摘特點分析
目前，實現(xiàn)采摘的主要徑選擇了以下類型：
（1）通過吸盤緊緊抓住水果，然后用工具，如剪刀剪莖這個方法需要一個很好的位置的檢測和準確的調(diào)整端執(zhí)行者的姿態(tài)，從而增加了控制系統(tǒng)的機理的復雜性和困難。
（2）用剪刀腳，腳這個方法需要很好的位置，以識別和精確地調(diào)節(jié)傳動的末端位置，提高了系統(tǒng)的控制機制的復雜性和困難。
（3）對激光切割機，該方法還具有良好的檢測要求高的秸稈在視覺系統(tǒng)中的位置。
（4）手動選擇蘋果的食指，輕輕地把水果，秸稈，然后向上，使果柄和果枝斷開從脫落，果實整齊的刪除。
蘋果莖脆弱，容易分離，因此，通過垂直轉動手腕，手柄的運動仿真和實現(xiàn)分離的人克服菌柄摘蘋果或旋轉運動的模擬人工方式的設計。該方法不需要很高的簡單的，視覺系統(tǒng)
2.3總體方案設計
根據(jù)蘋果的選擇提出了具體的要求，蘋果沒有結束的表演者，其結構如圖1所示。2.1。從手指和手掌的驅動，框架等。有三個手指的手，圓周對稱的三個手指，一個手指的每一側。每個手指6關節(jié)。在牽引電機的控制下，通過螺桿的手指，手指實現(xiàn)3桿底部的聯(lián)系，并對不同形狀物體的夾緊。圖2.1是Pro/E軟件設計的蘋果采摘機端執(zhí)行器的三維模型。
圖2-1 機械手機構圖
工作原理：將機械手的機械手送達到果實附近的傳感器檢測機械手，機械手的位置的相對位置時與蘋果果實的中心位置，在機械手的控制信號，觸發(fā)單片機的步進電機的位置傳感器，開始向前旋轉，使機械手開始加緊的水果，水果的手指的壓力傳感器檢測的壓力加大的實時性和確定是否有壓力的勘探隊，達到閾值，閾值由實驗得出。如果達到這個閾值，則停止運動的機械手，機械手運動的模擬人工采摘果實和果柄的分離，完成。將指定位置的機械手后的水果，步進電機反轉，手指放松，恢復原來的位置，完成果實采摘。
第三章 主要機構的設計與選擇
3.1驅動機構的設計
3.1.1驅動方案的選擇
目前機械手驅動源主要采用氣動驅動，電氣，液壓驅動這三種：
（1）是氣動壓縮空氣的壓力驅動致動器的運動的驅動系統(tǒng)，空氣壓縮機，通常用來作為能量的來源。氣動過載駕駛員的安全，結構簡單，成本低，污染少，可通過調(diào)節(jié)空氣流量，調(diào)節(jié)速度，但大尺寸設備的不穩(wěn)定性的運動速度，定位精度高，不舉行，抓住小小的力量。
（2）液壓傳動系統(tǒng)的輸出力驅動流體壓力驅動傳動系統(tǒng)固有的穩(wěn)定，有效，反應速度快，很簡單，可以在很寬的范圍內(nèi)無級調(diào)速的要求，容易適應不同的工作，成功地實現(xiàn)了傳輸可以吸收沖擊力，可以實現(xiàn)更頻繁和換向平穩(wěn)，但容易漏油，污染，成本高，定位精度高，比電機，但比空氣低溫液體的粘度的變化和影響，傳輸特性。
（3）電氣傳動模型，包括步進電機交流伺服電機，伺服電機和步進電機和發(fā)動機的扭矩和驅動器類型。步進電機的角位移或是電脈沖信號控制的開環(huán)控制元件的線性位移，簡單，快速的反應，可靠，無累積誤差等。伺服電機的轉動慣量的轉子，具有良好的動態(tài)特性，機器人由一個伺服電機驅動系統(tǒng)的構成與運行精度高，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。
基于步進電機的這些優(yōu)點本設計中采用步進電機驅動。
3.1.2電動機的選擇
步進電機，也被稱為脈沖電動機，是一種信號轉換為電脈沖和脈沖數(shù)成正比的角位移或線位移的執(zhí)行元件。具有以下四個特點：（1）或線速度和脈沖頻率成正比的速度；（2）在負載能力范圍內(nèi)，不是因為電壓波動和負載，環(huán)境條件的變化；（3）速度可調(diào)，能快速啟動、制動和反轉；（4）定位精度高，同步啟動特性好。
機臂升降機構的電機調(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
步進電機最大靜轉矩Mjmax是指電機的定位轉矩。步進電機的名義啟動轉矩Mmq與最大靜轉矩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。
3.1.3絲桿螺母副的選型與校核
滾珠絲桿已由專門工廠制造，因此，不用我們自己設計制造，只要根據(jù)使用工況選擇某種類型的結構，再根據(jù)載荷、轉速等條件選定合適的尺寸型號并向有關廠家訂購。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)使用和結構要求
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構允許安全系數(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)生共振的最高轉速——臨街轉速。要求絲杠的最大轉速。
臨街轉速按下式計算：
式中：為臨界轉速系數(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
3.1.4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：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。
3.1.5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
3.2手指結構設計
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，適用范圍更廣的驅動源的數(shù)量，同時也減少了，從而使系統(tǒng)的結構變得簡單，易于控制。
3.2.1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搶水果最好。
3.2.2手指關節(jié)數(shù)量
關節(jié)執(zhí)行器的端部效應密切相關的爬行，更多更多的自由端的接頭的數(shù)量，數(shù)量，更靈活的捕捉行動，更好的提升的程度。因此，接頭數(shù)量增加的同時增加的數(shù)量的設備驅動程序，驅動程序將控制難度增大，并導致系統(tǒng)結構復雜，可靠性差，因此，產(chǎn)生消極的影響。
本文選擇在采摘機器人四連桿機構作為傳動機構的使用在許多欠的手指，手指關節(jié)，和一個力傳感器的測量和橡膠，增加了夾緊力和摩擦。
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”，蘋果，果實橫切面的最大直徑大于或等于生產(chǎn)[ 9 ]。在這里，在設計機器人爬行在50～150毫米直徑的半徑之間的蘋果，蘋果，所以獲得25毫米≤R≤75毫米。
3.2.3手指的材料
手指選擇適當?shù)牟牧系氖褂茫瑢C器人的重要的影響作用。結構尺寸符合手，手指，同時保持足夠的強度和質(zhì)量，系統(tǒng)將手中的尼龍材料的選擇。尼龍具有很高的機械強度、耐熱、低摩擦系數(shù)、耐磨性、自潤滑、吸收振動，耐油，耐弱酸性等。
圖3-2 手指結構
3.3機架的設計
機架主要用于安裝驅動機構和手掌，緊湊的機身，體積小，重量輕的要求。這樣的設計是圓柱形的基本框架，其中底板固定在中間板的下部，主傳動電機，由柱支撐的安裝位置。基本塊將手指在上半部分?？蚣芙Y構，如圖3.4所示。
機器人可以分為棕櫚基和棕櫚的基類。關于Palm可以增加這個問題的限制，有棕櫚機器人具有廣泛的適用性，使用方便。無機械手可以利用的對象，但對象，通常的規(guī)則，祝福的形式，它的形狀和大小的物體的要求高的特點，廣泛應用于機械手的手掌，沒有特殊的保護機制。
圖3-4 機架結構
第四章 力學分析與校核
4.1手指的工作原理
(a)的初始結構是非接觸式的手指，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)的旋轉方向，關節(jié)彎曲的對象時，必須克服彈簧力的驅動力的兩個節(jié)；（d）完成的手指接觸的對象的形狀，階級，驅動的驅動力傳遞兩個節(jié)。
圖4.1 采摘手指工作原理
4.2抓取時的靜態(tài)力學模型
由于驅動機構是一個獨立的自由度的數(shù)目，比數(shù)的傳導機制。采摘機器人可以做任何搶劫的信封，你可以使用選擇關節(jié)面端意味著精確路徑爬行。依靠被動的選擇對象捕捉的，具有自適應能力的手指的形狀。
在第一次包絡提取的手指關節(jié)1與第一對象和該對象的反對，因為接觸的第一關節(jié)，運動強度，將限制在手指關節(jié)，和第二，因為沒有被限制的對象幾乎連續(xù)傳輸機制下的司機的行為，最后兩個關節(jié)和表面接觸。
機械操作的實現(xiàn)、彈簧、限位和平行四邊形機構的作用下，精確的爬行。食指和中端聯(lián)合在一個架在相反的方向上的力，以限制的對象，對象，來實現(xiàn)爬行的運動的作用。
包絡抓取靜力學模型，如圖所示4.2。
圖4.2 手指靜力學模型
圖4.2中為輸入轉矩，、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轉過的角度，水平軸的夾角。為摩擦約束力矩。三角構件邊的夾角，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]
(4.1)
T為手指機構的輸入轉矩向量，由驅動力矩以及摩擦力矩組成；為手指機構各關節(jié)與力矩相關的連桿的虛擬角速度向量，由驅動連桿的角速度以及末關節(jié)加速度構成；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方向的速度分量構成，即：
(4.2)
由機構學理論，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： (4.3)
又 (4.4)
為傳遞矩陣
將式(3.2)、(3.3)、(3.4)帶入(3.1)約去得：
(4.5)
(4.6)
將上式與式(3.3)對比可知
(4.7)
(4.8)
(4.9)
(4.10)
(4.11)
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：
(4.12)
4.3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構成的。圖4.3所示為一個四連桿機構。
圖4.3四連桿機構原理
各桿構成的矢量封閉方程為[6]，寫成坐標軸上分量形式有：
(4.13)
化簡上式，消去b得：
(4.14)
對式3.14兩邊求導并化簡，可得4桿機構L1與L3角速度之間的關系：
(4.15)
4.4夾持誤差計算
旋轉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換原理類似的原則，因此，可以根據(jù)雙支點回轉型手指祝福誤差的計算。
圖4.4 雙支點回轉型手指簡圖
圖中：l－手指長度;
－V型槽的夾角；
－偏轉角；
2 s－兩回轉支點間距離;
根據(jù)幾何關系，可得
(4.16)
(4.17)
該方程亦為雙曲線方程，另；
圖4.5 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:
(4.18)
(4.19)
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。
第五章 三維設計與仿真分析
5.1軟件概述
Pro/Engineer操作軟件是美國參數(shù)技術公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術的最早應用者，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位。Pro/Engineer作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣，是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設計領域占據(jù)重要位置。
Pro / E參數(shù)化的概念，首次提出了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，用于解決問題的特點和相互關系?；赑ro / E模式的整個生產(chǎn)過程的特點，設計了可以在一起，實現(xiàn)并行工程設計。Pro / E的應用模塊，可分別的身影，部分生產(chǎn)、裝配、鈑金加工、設計、設計等。保證用戶可以選擇，根據(jù)他們的需要使用。
（1）參數(shù)化設計
相對于產(chǎn)品的話，我們可以把它看作是幾何模型，無論多么復雜的幾何模型，構成要素可以分解為有限數(shù)量的，每一種的特點，完全可以利用有限的參數(shù)的參數(shù)的限制，這是基本的概念。
（2）基于特征建模
Pro / E -固體系統(tǒng)模型的特點的基礎上，設計人員具有智能特征模型的建立基于特征的功能，例如腔，殼、倒角和圓角，你可以自由地畫一個草圖，容易改變的模型。
（3）單一數(shù)據(jù)庫
Pro/Engineer是建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫在基層，不像一些傳統(tǒng)的CAD / CAM系統(tǒng)是基于多個數(shù)據(jù)庫。所謂的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫項目，都是從一個數(shù)據(jù)庫，以每一個產(chǎn)品的用戶在獨立的模擬和工作，不管它的部門。換句話說，在整個設計過程中，發(fā)生了變化的地方，也可以是反應之前和之后對整個設計過程的相關環(huán)節(jié)。這種獨特的數(shù)據(jù)結構與工程設計的完整組合的設計，使產(chǎn)品，在一起。這一優(yōu)勢，使成品更優(yōu)化設計，更高質(zhì)量的產(chǎn)品在市場上，更好，更便宜。
Pro/Engineer功能如下：
（1）特征操作（例如：拉伸、槽、倒角、腔、殼等）；
（2）參數(shù)化設計（參數(shù)=尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等）；
（3）通過零件特征值之間，載荷、邊界條件、特征參數(shù)之間的關系來進行設計；
（4）支持大型、復雜組合件的設計（系列組件， Pro/PROGRAM的各種能用零件設計的程序化方法等）。
（5）有應用的完全相關性（任何一個地方的變動都將引起與之有關的每個地方變動）。
5.2三維設計與裝配
5.2.1零件三維設計
在Pro/E零件設計模塊對各零件進行三維建模，主要零件的建模結果如下：
（1）第一關節(jié)
圖5-1 第一關節(jié)
（2）第二關節(jié)
圖5-2 第二關節(jié)
（3）指尖
圖5-3 指尖
（4）手指底座
圖5-4 手指底座
（5）絲杠螺母副
圖5-5（a）螺母滑塊 圖5-5（b）絲杠
（6）支架
圖5-6 支架
5.2.2虛擬裝配
虛擬裝配時采用模塊化裝配模式，即先對手指、手腕進行裝配，再把手指與手腕進行裝配得到最終的總成。
（1）手指裝配
圖5-7 手指虛擬裝配
（2）手腕裝配
圖5-8 手碗虛擬裝配
（3）總成裝配
圖5-9 總成虛擬裝配
5.3仿真分析
5.3.1 Pro/E仿真介紹
在傳統(tǒng)的設計和生產(chǎn)流程，首先是概念設計和方案論證，然后在產(chǎn)品設計，制造，以驗證設計的合理性，通常必須進行性能測試的原型，有時這些測試是破壞性的。當通過測試發(fā)現(xiàn)的設計缺陷，當再次修改設計，原型，和重新驗證。只有通過連續(xù)的循環(huán)”的設計-測試-設計”的過程的效率可達到產(chǎn)品的要求。這個過程是漫長的，尤其是對復雜的結構系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的設計思路不會縮短開發(fā)周期，更不用說在市場上的競爭力。
在計算機仿真技術高速發(fā)展的今天，Pro/ENGINEER（以下簡稱Pro/ E）提供了一系列有效的解決辦法的Pro / E即運動仿真，運動仿真技術是利用Pro/ E建立仿真系統(tǒng)的力學模型，并在計算機上建立的三維模型，整個產(chǎn)品模型，并對該產(chǎn)品的投產(chǎn)后，在不同的情況進行仿真，分析和預測產(chǎn)品的整體性能，而還改進產(chǎn)品設計，提高產(chǎn)品的性能，先進的技術，其目的是為博士的物理機的設計和制造提供了依據(jù)。
運動仿真技術是從整個活動的運動分析問題和解決問題的角度出發(fā)，解決了傳統(tǒng)工藝相關的設計和生產(chǎn)的高新技術的缺點。工程技術人員可以直接使用Pro / E系統(tǒng)所提供的信息和不同的組件的物理幾何形狀的測定在模擬運動信息，通信和虛擬裝配的內(nèi)部零件之間的關系，從而獲得機械系統(tǒng)設計中的虛擬樣機，仿真系統(tǒng)在虛擬環(huán)境中的不同的地方，真的，運動的，和在不同條件下的模擬運動和力仿真，分析不同方案，對整個系統(tǒng)的研究，到持續(xù)改進，優(yōu)化物理樣機的設計方案，然后再做。的重要性在于，甚至從生產(chǎn)工具的物理樣機的減少，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高市場競。
5.3.2仿真過程
（1）機構仿真
(a)打開裝配圖，點擊“機構”命令
圖5-10點擊“機構”
(b)建立伺服電動
圖5-11建立電動機
(c)點擊“機構分析”，彈出界面
圖5-12機構分析
(d)點擊運行
（2）仿真動畫獲取
(a)點擊“回放”-右鍵選擇“播放”
圖5-13啟動動畫
(b)點擊 “動畫”中“捕獲”命令
圖5-35動畫
(c)設置“捕獲”命令參數(shù)
設置“捕獲”中動畫放置目錄、圖像大小等參數(shù)后，點擊“確定”等待計算機運行捕獲即可得到仿真動畫。
圖5-14捕獲
總 結
大學畢業(yè)設計階段的一次學習是非常罕見的理論與實踐相結合的學習機會，通過這個巡邏的全向移動小車在變電站設計中的理論知識和實踐結合我的綜合利用，實現(xiàn)專業(yè)知識，解決實際問題的能力，同時也提高了我的文獻搜索指南的設計，設計，標準化和其他基于你的能力專業(yè)知識和一般的對手，控制地方，選擇權的細節(jié)，和我所有的能力，以獲得工作經(jīng)驗，獲得豐富的和意志品質(zhì)的抗壓能力，力量和耐力，也被不同程度的提高。
這是我們都希望看到的，正是我們的目標，為提高畢業(yè)設計，是有限的，但全面的，正是在這一次的畢業(yè)設計，使我積累了大量的實踐經(jīng)驗，最好是讓我的大腦知識武裝起來的，讓我也不可避免的在未來的工作中學習的性能更高的應變能力，較強的溝通力和理解。
按照時間表完成本該畢業(yè)設計給了我很大的信心，讓我知道，專業(yè)知識，專業(yè)發(fā)展以及對未來的信心，但也發(fā)現(xiàn)它的許多缺點和不足，留下一點遺憾，但不幸的是，沒有足夠的和不給我的打擊只會更好地激勵我前進的注意，我會在未來更多的新技術，新設備，新技術的出現(xiàn)，力爭盡快掌握這些先進的新設備新工藝的出現(xiàn)，并爭取盡快的掌握這些先進知識，更好的為祖國的四化服務。
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致 謝
本文在接近尾聲的時候，讓我在這四年的學習，我的大學生活提供的支持和鼓勵的親愛的老師和同學表示深深的感謝。
首先，我要感謝我的指導老師，他在學習過程中，我和我的研究提供指導和幫助。老師深厚的理論素養(yǎng)、淵博的知識和誨人不倦的精神，讓我贏了，而且，更重要的是，老師嚴謹?shù)淖黠L和科學問題的能力和抽象的合成影響我，因為我的教育。在我的大學生活，教師的言行和給我許多無私的關懷和幫助，所有這些我不僅能成功地完成本文，更是使我一輩子。我還想感謝尊敬的系里的老師，他們是我的畢業(yè)設計提出了許多好的建議和努力的方向，所以我能夠較快地完成設計。
其次，我還要特別感謝我的母校，給我的學習和工作在現(xiàn)代的條件，使我順利完成自主學習不同的課程。
最后，讓我將這是學士學位論文對我的父母，感謝他們的養(yǎng)育的恩典，使我成為對社會有用的，他們的關心、支持和鼓勵我所有的信仰是力量的源泉。