油茶采摘機械手的機構設計

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IAI開發(fā)的流體手2. 機器人手的一般結構一個機器人手可以分成兩大主要子系統(tǒng)：機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。機械系統(tǒng)又可分為結構設計、驅動系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)，我們將在第三部分作進一步介紹。在第四部分介紹的控制系統(tǒng)至少由控制硬件和控制軟件組成。我們將對這兩大子系統(tǒng)的問題作一番基本介紹，然后用卡爾斯魯厄靈巧手演示一下。3. 機械系統(tǒng)機械系統(tǒng)將描述這個手看起來如何以及由什么元件組成。它決定結構設計、手指的數(shù)量及使用的材料。此外，還確定驅動器（如電動機）、傳感器（如位置編碼器）的位置。3.1 結構設計 結構設計將對機械手的靈活度起很大的作用，即它能抓取何種類型的物體以及能對被抓物體進行何種操作。設計一個機器人手的時候，必須確定三個基本要素：手指的數(shù)量、手指的關節(jié)數(shù)量以及手指的尺寸和安置位置。 為了能夠在機械手的工作范圍內(nèi)安全的抓取和操作物件，至少需要三根手指。為了能夠對被抓物體的操作獲得6個自由度（3個平移和3個旋轉自由度），每個手指必須具備3個獨立的關節(jié)。這種方法在第一代卡爾斯魯厄靈巧手上被采用過。但是，為了能夠重抓一個物件而無需將它先釋放再拾取的話，至少需要4根手指。 要確定手指的尺寸和安置位置，可以采用兩種方法：擬人化和非擬人化。然后將取決與被操作的物體以及選擇何種期望的操作類型。擬人化的安置方式很容易從人手到機器人手轉移抓取意圖。但是每個手指不同的尺寸和不對稱的安置位置將增加加工費用，并且是其控制系統(tǒng)變得更加復雜，因為每個手指都必須分別加以控制。對于相同手指的對稱布置，常采用非擬人化方法。因為只需加工和構建單一的“手指模塊”，因此可減少加工費用，同時也可是控制系統(tǒng)簡化。3.2 驅動系統(tǒng) 指關節(jié)的驅動器對手的靈活度也有很大的影響，因為它決定潛在的力量、精度及關節(jié)運動的速度。機械運動的兩個方面需加以考慮：運動來源和運動方向。在這方面，文獻里描述了有幾種不同的方法，如文獻3中說可由液壓缸或氣壓缸產(chǎn)生運動，或者，正如大部分情況一樣使用電動機。在多數(shù)情況下，運動驅動器（如電機）太大而不能直接與相應的指關節(jié)結合在一起，因此，這個運動必須由驅動器（一般位于機器臂最后的連接點處）轉移過來。有幾種不同的方法可實現(xiàn)這種運動方式，如使用鍵、傳動帶以及活動軸。使用這種間接驅動指關節(jié)的方法，或多或少地降低了整個系統(tǒng)的強度和精度，同時也使控制系統(tǒng)復雜化，因為每根手指的不同關節(jié)常常是機械地連在一起，但是在控制系統(tǒng)的軟件里卻要將它們分別獨立控制。由于具有這些缺點，因此小型化的運動驅動器與指關節(jié)的直接融合就顯得相當必要。3.3 傳感系統(tǒng)機器手的傳感系統(tǒng)可將反饋信息從硬件傳給控制軟件。對手指或被抓物體建立一個閉環(huán)控制是很必要的。在機器手中使用了3種類型的傳感器： 1. 手爪狀態(tài)傳感器確定指關節(jié)和指尖的位置以及手指上的作用力情況。知道了指尖的精確位置將使精確控制變得可能。另外，知道手指作用在被抓物體上的力，就可以抓取易碎物件而不會打破它。 2. 抓取狀態(tài)傳感器提供手指與被抓物體之間的接觸狀態(tài)信息。這種觸覺信息可在抓取過程中及時確定與物體第一次接觸的位置點，同時也可避免不正確的抓取，如抓到物體的邊緣和尖端。另外還能察覺到已抓物體是否滑落，從而避免物體因跌落而損壞。3. 物體狀態(tài)或姿態(tài)傳感器用于確定手指內(nèi)物體的形狀、位置和方向。如果在抓取物體之前并不清楚這些信息的情況下，這種傳感器是非常必要的。如果此傳感器還能作用于已抓物體上的話，它也能控制物體的姿態(tài)（位置和方向），從而監(jiān)測是否滑落。根據(jù)不同的驅動系統(tǒng)，有關指關節(jié)位置的幾何信息可以在運動驅動器或直接在關節(jié)處出測量。例如，如在電動機和指關節(jié)之間有一剛性聯(lián)軸器，那么就可以用電機軸上的一個角度編碼器（在齒輪前或齒輪后）來測量關節(jié)的位置。但是如果此聯(lián)軸器剛度不夠或著要獲得很高的精度的話，就不能用這種方法。3.4卡爾斯魯厄靈巧手的機械系統(tǒng)為了能夠獲得如重抓等更加復雜的操作，卡爾斯魯厄靈巧手（KDH）由4根手指組成，且每根手指由3個相互獨立的關節(jié)組成。設計該手是為了能夠在工業(yè)環(huán)境中應用（圖3所示）和操縱箱、缸及螺釘螺帽等物體。因此，我們選用四個相同手指，將它們作對稱、非擬人化配置，且每個手指都能旋轉90（圖4所示）。鑒于從第一代卡爾斯魯厄靈巧手設計中得到的經(jīng)驗，比如因傳動帶而導致的機械問題以及較大摩擦因數(shù)導致的控制問題，卡爾斯魯厄靈巧手采用了一些不同的設計決策。每根手指的關節(jié)2和關節(jié)3之間的直流電機被整合到手指前部肢體中（圖5所示）。這種布置可使用很硬的球軸齒輪將運動傳遞到手指的關節(jié)處。處在電機軸上的角度編碼器（在齒輪前）此時可作為一個精度很高的位置狀態(tài)傳感器。 圖3.工業(yè)機器人上的KDH 為了感知作用在物體上的手指力量，我們發(fā)明了一個六維力扭矩傳感器（圖6所示）。這個傳感器可當作手指末端肢體使用，且配有一個球形指尖。它可以抓取較輕的物體，同時也能抓取3-5kg相近的較重物體。此傳感器能測量X、Y和Z方向的力及繞相關軸的力矩。另外，3個共線的激光三角測量傳感器被安置在KDH的手掌上（圖5所示）。因為有3個這樣的傳感器，因此不僅可以測量3單點之間的距離，如果知道物體的形狀，還能測出被抓物體表面之間的距離和方向。物體狀態(tài)傳感器的工作頻率為1kHz，它能檢測和避免物體的滑落。 圖5. KDH的側視圖 圖6. 帶應變計量傳感器的六自由度扭轉傳感器4. 控制系統(tǒng)機器人手的控制系統(tǒng)決定哪些潛在的靈巧技能能夠被實際利用，這些技能都是由機械系統(tǒng)所提供的。如前所述，控制系統(tǒng)可分為控制計算機即硬件和控制算法即軟件?？刂葡到y(tǒng)必須滿足以下幾個的條件：1. 必須要有足夠的輸入輸出端口。例如，一具有9個自由度的低級手，其驅動器至少需要9路模擬輸出端口，且要有9路從角度編碼器的輸入端口。如再加上每個手指上的力傳感器、觸覺傳感器及物體狀態(tài)傳感器的話，則端口數(shù)量將增加號幾倍。2. 需具備對外部事件快速實時反應的能力。例如，當檢測到物體滑落時，能立即采取相應的措施。3. 需具備較高的計算能力以應對一些不同的任務。如可以對多指及物體并行執(zhí)行路徑規(guī)劃、坐標轉換及閉環(huán)控制等任務。4. 控制系統(tǒng)的體積要小，以便能夠將其直接集成到操作系統(tǒng)當中。5. 在控制系統(tǒng)與驅動器及傳感器之間必須要電氣短接。特別是對傳感器來說，若沒有的話，很多的干擾信號將會干擾傳感器信號。4.1 控制硬件為了應對系統(tǒng)的要求，控制硬件一般分布在幾個專門的處理器中。如可通過一個簡單的微控制器處理很低端的輸入輸出接口（馬達和傳感器），因此控制器尺寸很小，能輕易地集成到操縱系統(tǒng)中。但是較高水平的控制端口則需要較高的計算能力，且需要一個靈活實時操作系統(tǒng)的支持。這可以通過PC機輕易地解決。因此，控制硬件常由一個非均勻的分布式計算機系統(tǒng)組成，它的一端是微控制器，而另一端則是一個功能強大的處理器。不同的計算單元則通過一個通信系統(tǒng)連接起來，比如總線系統(tǒng)。4.2 控制軟件機器人手的控制軟件是相當復雜的。必須對要對手指進行實時及平行控制，同時還要計劃手指和物體的新的軌跡。因此，為了減少問題的復雜性，就有必要將此問題分成幾個子問題來處理。另一方面涉及軟件的開發(fā)。機器人手其實是一個研究項目，它的編程環(huán)境如用戶界面，編程工具和調(diào)試設施都必須十分強大和靈活。這些只能使用一個標準的操作系統(tǒng)才能得到滿足。在機械人中普遍使用的分層控制系統(tǒng)方法都經(jīng)過了修剪，以滿足機械手的特殊控制要求。4.3卡爾斯魯厄靈巧手的控制系統(tǒng)如在4.1節(jié)中所說，對于卡爾斯魯厄靈巧手的控制硬件，采用了一種分布式方法（圖7所示）。一個微控制器分別控制一個手指的驅動器和傳感器，另外一個微控制器用于控制物體狀態(tài)傳感器（激光三角傳感器）。這些微控制器（圖7左側和右側的外箱）直接安裝在手上，所以可以保證和驅動器及傳感器之間較短的電氣連接。這些微控制器都是使用串行總線系統(tǒng)和主控計算機連在一起的。這個主控計算機（圖7、圖8中的灰色方塊）是由六臺工業(yè)計算機組成的一個并行計算機。這些電腦都被排列在一個二維平面。相鄰電腦模塊（一臺電腦最多有8個相鄰模塊）使用雙端口RAM進行快速通信（圖7中暗灰色方塊所示）。一臺電腦用于控制一個手指。另一臺用于控制物體狀態(tài)傳感器及計算物體之間的位置。其余的電腦被安在前面提到的電腦的周圍。這些電腦用于協(xié)調(diào)整個控制系統(tǒng)?？刂栖浖慕Y構反映了控制硬件的架構。如圖9所示。 圖7. KDH II的控制硬件構架 圖8.控制KDH II的平行主計算機 一個關于此手控制系統(tǒng)的三個最高層次的網(wǎng)上計劃正在規(guī)劃。理想的物體位移命令可由優(yōu)越的機器人控制系統(tǒng)得到，并可用作物體路徑的精確規(guī)劃。根據(jù)已產(chǎn)生的目標路徑就可規(guī)劃可行的抓取行為（手指作用在物體上的可行抓取位置點）。現(xiàn)在知道了物體的運動計劃，就可以由手指路徑規(guī)劃得出每個手指的運動軌跡，并傳遞給系統(tǒng)的實時能力部分。如果一個物體被抓取了，那么其手指的運動路徑就傳遞給了物體的狀態(tài)控制器。這個控制器控制物體的姿態(tài)，它由手指和物體狀態(tài)傳感器所決定，用以獲得所需的物體姿態(tài)。如果一個手指沒有跟物體接觸，那么它的移動路徑將會直接傳遞給手控制器。這個手控制器將相關的預期手指位置傳遞給所有的手指控制器，以協(xié)調(diào)所有手指的運動。這些在手指傳感器的幫助下又反過來驅動手指驅動器。圖9. KDH的手部控制系統(tǒng)5. 實驗結果為了驗證卡爾斯魯厄靈巧手的能力，我們選擇了兩個要求操作問題。一個問題是在網(wǎng)上對處于外部影響下的被抓物體姿態(tài)（位置和方向）的控制。另一個問題是被抓物體必須能夠繞任意角度旋轉，這只能通過重抓才能實現(xiàn)。這可以反映卡爾斯魯厄靈巧手對復雜任務的操作能力。5.1 物體姿態(tài)控制這個物體姿態(tài)控制器的目的是為了確定好被抓物體的位置和方向以適合給定的軌跡。此任務必須在實時條件通過在線獲得，盡管有內(nèi)部變化及外部干擾的存在。內(nèi)部變化比如在物體移動過程中，球形指尖在被抓物體上的滾動。這種狀況如圖10、圖11所示。這將導致物體的不必要的額外移動和傾斜。這些錯誤的物體姿勢很難預先估計。因此，物體狀態(tài)傳感器的輸入必須要修改這些錯誤。對于卡爾斯魯厄靈巧手來說，其上的三個激光三角傳感器就是用來糾正此種錯誤的。圖12定量地說明了圖9中物體在沒有姿態(tài)控制情況下的傾斜情況。下圖顯示了在X方向上隨時間推移的預期軌跡，而上圖顯示了物體實際的旋轉（傾斜）結果情況。因為啟用了物體狀態(tài)控制，圖13中的物體傾斜得到了很大的減少。上圖物體的旋轉保持基本恒定，這和期望的一樣。 圖10.因滾動產(chǎn)生的額外位移 圖12.沒有狀態(tài)控制的物體傾斜圖11.因球形指尖在物體上的滾動而產(chǎn)生 圖13.物體狀態(tài)控制下減少的物體 額外的不期望傾斜情況 傾斜情況物體狀態(tài)控制器對補償外界干擾也是十分必要的。比如，機器人（手臂、手或手指）或被抓物體與外界的碰撞可能導致物體的滑落。這更有可能導致被抓物體的損耗，這是不能出現(xiàn)的情況。為了能夠避免物體在這種情況下的損失，就必須檢測出物體的滑落并迅速采取行動以穩(wěn)定物體的狀態(tài)。為了驗證卡爾斯魯厄靈巧手控制系統(tǒng)對這種干擾情況的處理能力，我們做了以下的實驗：物件被抓后，將手指的接觸力恒定減少直至物體開始滑落。在激光三角傳感器檢測滑落后，物體狀態(tài)控制器采取措施將物體重新調(diào)控到所期望的位置。圖14和圖15展示了此種實驗的一個例子。尤其是圖14，它顯示出物體滑落啟動的相當突然且相當快。但是物體狀態(tài)控制器也能夠足夠快地檢測和補償滑落，這樣物體的位置（這里：特別是X方向，就是滑落的方向）和物體的方向能夠與最開始的期望值很快地相符。 圖14.滑落實驗：X方向的實際物體 圖15.滑落實驗：關于Z軸的實際 位置 物體方向5.2 重抓雖然卡爾斯魯厄靈巧手非常的靈活，但是它不能在第一次操作中就能得到每一個理想的對象操縱。這源于這樣一個事實：手指相對于正常的工業(yè)機器人來說是十分小的，因此所具備的工作范圍也是很有限的。如果物體被手指抓住，那么它第一次只能在所有手指的剩余空間內(nèi)被操縱?？尚胁僮鞯臈l件是所有的接觸點必須長期地處在相聯(lián)手指的工作范圍內(nèi)。這很大地限制了操作的可行性。為了能夠克服此種限制，一個叫做重抓的操作就必須執(zhí)行。即當一個接觸點到達了相聯(lián)手指的限制區(qū)域時，這個手指就必須從物體上脫離，并移到一個新的接觸位置。這必須是多于3個手指的手才能使操作可靠。周期性的移動這些手指，就能使任意的操作變得可行。關于此種操作有一個例子，就是在大角度旋轉被抓物體時，此時重抓動作很有必要。圖16顯示了卡爾斯魯厄靈巧手在旋轉一個螺帽狀物體時的一系列圖片。這個物體是繞它的垂直軸旋轉的。在a到c圖中所有的手指都跟物體接觸，并且四個手指相互協(xié)調(diào)運動才使物體旋轉。圖d到圖f顯示了一個手指的的重抓動作。在d圖中這個手指已經(jīng)運動到其工作范圍的極限位置，這時所有手指的協(xié)調(diào)運動也被終止。左前方的手指脫離物體并單獨移動到另一個接觸點。在圖f中這個手指重新跟物體接觸，另一個手指此時可以重新定位（沒有顯示）。所有的手指重新定位之后，協(xié)調(diào)旋轉運動繼續(xù)進行。視具體情況而定，卡爾斯魯厄靈巧手也可以同時進行幾個手指的重抓動作。這可以加速重抓過程，但是只能是被抓物體與外界接觸的條件下才有可能。比如說螺絲釘上的螺帽或孔里的一掛鉤。圖17顯示了卡爾斯魯厄靈巧手將一個木柱從一個平方的基座孔內(nèi)拉出來的一系列圖片。圖a到圖b顯示木柱被拉出一半，然后左手指和右手指在同一時刻脫離物體并重新定位（圖c到圖e）。那之后，前面與后面的手指也重新定位（圖f）。那之后，整個木柱被拉出，從而可進行進一步的操作（沒有顯示）。 圖16.利用重抓旋轉螺帽狀物體 圖17.利用重抓從孔中拉出木柱6.結論為了使機械手能夠完成靈活精確的操作，一合適的機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是必需的。這些介紹的標準是必需加以考慮的，正如文中所說?？査刽敹蜢`巧手表現(xiàn)的非常成功。這種機械手能夠抓取很大范圍的不同形狀、尺寸和重量的物體。被抓物體的姿態(tài)也能可靠地加以控制，即使在外部干擾的情況下。此外，由于此系統(tǒng)，復雜的精細操作（如重抓）也能實現(xiàn)。在人行機器人的特殊研究領域，基于一個不同的概念叫做流體化（圖2所示）的基礎上，小型機械手也具有擬人化和機械化。這概念是由卡爾斯魯厄研究中心的IAI所提出的。但是，這個控制軟件的主要結構可經(jīng)過相應修改而為此種小型機械手所用。10 畢業(yè)設計（論文）外文翻譯題目 平面連桿機構的運動仿真專 業(yè) 名 稱 機械設計制造及其自動化班 級 學 號 078105107學 生 姓 名 季壯壯指 導 教 師 許瑛填 表 日 期 2011 年 3 月 1 日江西農(nóng)業(yè)大學畢業(yè)設計任務書設計課題名稱 油茶采摘機械手的機構設計學生姓名繆偉院（系）工學院專 業(yè)機械設計制造及其自動化指導教師饒洪輝職 稱講師學 歷博士畢業(yè)設計要求：要求其總體長度、高度均不超過1.2米；熟練掌握AutoCAD和Pro/E繪圖，對機械原理、機械設計及機電一體化有一定的理解和認識；完成一份4000字以上的設計說明書和達到1.5倍A0圖紙量。畢業(yè)設計內(nèi)容與技術參數(shù)： 本課題運用制圖軟件對機械手采摘油茶進行機構設計。包括：旋轉機構，蝸輪蝸桿減速裝置，直齒減速裝置；升降機構，氣壓缸升降裝置；擺臂機構，氣壓裝置和四桿裝置；手抓機構，滑動螺旋傳動裝置，手抓抓緊放開裝置，手抓自轉裝置；PLC程控系統(tǒng)，繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，主電路，PLC外部接線，梯形圖，指令語句表。用AutoCAD繪制機構的二維圖形，用Pro/E繪制機構的三維造型。畢業(yè)設計工作計劃：2009-01-152009-03-15：課題準備階段，了解課題的內(nèi)容，初步定出解決方案；2009-03-162009-03-31：熟悉系統(tǒng)開發(fā)軟件，及機械手采摘油茶的設計原理；2009-04-152009-04-30：用AutoCAD設計機械手采摘油茶的機構圖；2009-05-012009-05-15：用Pro/E進行機構的三維造型；2009-05-162009-05-15：撰寫畢業(yè)論文；2009-05-152009-05-22：制作PPT文檔，對設計進行改進設計。接受任務日期 年 月 日 要求完成日期 年 月 日學 生 簽 名 年 月 日指導教師簽名 年 月 日院長（主任）簽名 年 月 日油茶采摘機械手的機構設計 學校代碼：10410 序 號：20050386本 科 畢 業(yè) 設 計題目： 油茶采摘機械手的機構設計 學 院： 工學院 姓 名： 繆偉 學 號： 20050386 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化年 級： 機制051 指導教師： 饒洪輝 二00九 年 五 月 油茶采摘機械手的機構設計 摘 要本課題運用制圖軟件對機械手采摘油茶進行機構設計。包括：旋轉機構，蝸輪蝸桿減速裝置，直齒減速裝置；升降機構，氣壓缸升降裝置；擺臂機構，氣壓裝置和四桿裝置；手抓機構，滑動螺旋傳動裝置，手抓抓緊放開裝置，手抓自轉裝置；PLC程控系統(tǒng)，繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，主電路，PLC外部接線，梯形圖，指令語句表。用AutoCAD繪制機構的二維圖形，用Pro/E繪制機構的三維造型。熟練掌握AutoCAD和Pro/E繪圖，對機械原理、機械設計及機電一體化有較深入的理解和認識。關鍵詞：油茶采摘、機械手、PLC程序控制系統(tǒng) Abstract This subject uses the software of making maps to pluck the tea-oil camellia and design the organization to the manipulator. Including the rotate organization, the worm gear worm decelerating device,the spur gear decelerating device;the hoist or lower organization, the barometric pressure cylinder hoists or lower device; the wave arm organization, atmospheric pressure device and four device ,the skids screw gearing,the hold organization , the slip spiral transmission device, the holding and unlock device, hold the rotation device ; PLC programme-controlled system, the relay - contact device control system.Main circuit, PLC exterior wiring, trapezoidal chart, instruction sentence table.Draw the two-dimentional figures of the organization with AutoCAD, draw the three-dimensional model of the organization with Pro/E. Grasp AutoCAD and Pro/E drawing skillfully, integrate deeper understanding and know to mechanism, machine design and integration of machinery.Key words:The tea-oil tree picks, the manipulator, the PLC procedure control system 目 錄摘 要Abstract一、前 言二、油茶采摘機械手原理圖三、油茶采摘機械手的設計與選型3.1、電動機的選型3.2、旋 轉 減 速 機 構3.2.1、第一級蝸輪蝸桿減速裝置3.2.2、第二級蝸輪蝸桿減速裝置3.2.3、直齒減速裝置3.2.4、旋轉機構轉速3.3、氣 壓 升 降、擺 臂 機 構3.3.1氣壓升降裝置3.3.2氣壓擺臂裝置3.4、手 抓 機 構3.4.1、滑動螺旋傳動裝置3.4.2、手抓工作裝置四、油茶采摘機械手的PLC程序控制系統(tǒng)4.1、主電路4.2、PLC外部接線4.3、梯形圖4.4、指令語句表參 考 文 獻致 謝 一、前 言1.1、油茶采摘機械手的作用 采用人工油茶采摘，消耗的人力、時間比較大，采摘效率低，并且某些油茶難以采摘或采摘不到，對人體安全具有一定的威脅。采用油茶采摘機械手，可通過智能移動平臺，通過攝像頭、傳感器捕捉油茶，可實現(xiàn)持續(xù)的、高效率的、安全的作業(yè)。 1.2、機器人技術 機器人技術是集計算機科學、控制工程、人工智能、傳感器技術、機構學、機械工程學等學科為一體的一門綜合技術。機器人是一種知識密集、技術密集的機電一體化的高技術產(chǎn)品。機器人在生產(chǎn)中的應用，對提高勞動生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、改善勞動條件、提高企業(yè)的應變能力、促進新產(chǎn)業(yè)的建立和發(fā)展、改變勞動結構以及促進相關學科的技術進步，均發(fā)揮了重大的社會效益和經(jīng)濟效益。因此世界各國都很重視機器人技術的發(fā)展和機器人在生產(chǎn)中的運用。1.3、機械手的廣泛應用機床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機床上使用較為普遍；在裝配作業(yè)中應用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機械行業(yè)中它可以用來組裝零部件；可在勞動條件差，單調(diào)重復易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動；可在危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品及有害物的搬運等；宇宙及海洋的開發(fā)，軍事工程及生物醫(yī)學方面的研究和試驗。 二、油茶采摘機械手原理圖 本機械手工作原理：底盤通過蝸輪蝸桿二級減速、圓柱直齒減速獲得轉速為4.35/s，運用兩個行程開關控制機械手左右擺動120的扇形區(qū)域內(nèi)；手臂升降通過氣缸行程為374mm，經(jīng)滑塊導軌實現(xiàn)上下運動；擺臂通過氣缸行程為128mm，經(jīng)過四桿裝置實現(xiàn)沿水平上下擺幅為30的運動；手抓抓緊、放開通過步進電動機時間為t=4s，經(jīng)滑動螺母實現(xiàn)對目標的夾緊、放松，并通過伺服電動機帶動內(nèi)手抓自轉達到脫落目標的目的。機械手總裝 機器人末端執(zhí)行器是安裝在機器人手腕上用于進行某種操作或作業(yè)的附加裝置。機器人末端執(zhí)行器種類很多，以適應機器人的不同作業(yè)及操作要求。 機器人可通過PLC可編程的控制去完成某些操作和移動作業(yè)的機器人。人們力圖把這種機器人設計成具有仿人或動物的某些局部功能，并使這些功能擴大和延伸以代替人去工作。 本手抓機構采用概念設計方式，其經(jīng)濟性、實用性、可行性有待進一步優(yōu)化、改進設計。手抓夾緊裝置可運用現(xiàn)在傳感器技術，對目標實施的夾緊力控制在一個合理的范圍內(nèi)，使夾緊力既不過小而不能起到夾緊的作用，也不過大而破壞目標的不良結果。 三、油茶采摘機械手的設計與選型3.1、電動機的選型 SL系列交流伺服電動機型號和主要技術數(shù)據(jù)型號勵磁電壓V控制電壓V頻率Hz堵轉轉矩Nm空載轉速r/min輸出功率W機電時間常數(shù)ms外形尺寸 mm總長機殼外徑軸徑36SL5E23636/18501102700186236490SL552202205030002700253014090143.1.1、36SL5E2伺服電動機3.1.2、90SL55伺服電動機交流伺服電動機的機械特性是非線性的；不需要電刷和換向器，因此結構簡單、運行可靠、沒有無線電干擾等優(yōu)點。 SL系列交流伺服電動機是由籠子轉子和隱極式定子兩部分組成。定子槽內(nèi)嵌以二相繞組，一相為勵磁繞組，一相為控制繞組，控制繞組分為兩半，分別引出四根線，可接成串聯(lián)或并聯(lián)，以適用于兩種電壓。BF系列反應式步進電動機型號和主要技術數(shù)據(jù)型號相數(shù)步距（）電壓V靜態(tài)電流A額定負載轉矩Nm靜態(tài)力矩Nm空載起動頻率步/s額定負載起動頻率步/s外形尺寸 mm總長機殼外徑軸徑70BF1-333/1.52731000-10001127083.1.3、70BF1-3步進電動機BF系列步進電動機系反應式步進電動機，它是將脈沖指令轉換為角位移或轉速的控制電動機，其角位移與脈沖數(shù)量嚴格成正比，改變脈沖頻率實現(xiàn)調(diào)速。它具有定位精度高，同步運行特性好，調(diào)速范圍寬、能快速起動、反轉和制動等特點。廣泛用于開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)作執(zhí)行元件和驅動元件。3.2、旋 轉 減 速 機 構蝸桿傳動用于交錯軸間傳動運動及動力。通常，交錯角=90.它的主要優(yōu)點：傳動比大，工作較平穩(wěn)，噪音低，結構緊湊，可以自鎖。主要缺點：少頭數(shù)的蝸桿傳動效率較低，常需要貴重的減摩性有色金屬。根據(jù)課題需要選擇傳動比較大的蝸輪蝸桿機構。傳動比大時及要求自鎖的傳動，取z=1。蝸輪的齒數(shù)z一般取z=2780。過少的z蝸輪齒將產(chǎn)生根切；z80時，會導致模數(shù)過小而削弱輪齒的彎曲強度或使蝸桿軸剛度降低。阿基米德圓柱蝸桿加工方便，應用較廣泛，但導程角大時加工困難。傳動效率較低（=0.50.8），齒面磨損較快。因此，一般用于頭數(shù)較少，載荷較小，低速或不太重要的傳動。3.2.1、第一級蝸輪蝸桿減速裝置： 表普通圓柱蝸桿傳動的參數(shù)匹配公稱傳動比參數(shù)中心距 a mm4040z/z38/1m1.6d20x-0.2550z/z49/1m1.25d20x-0.5第一級蝸輪蝸桿公稱傳動比取40，蝸桿頭數(shù)取z=1,中心距a取a=40mm。由表普通圓柱蝸桿傳動的參數(shù)匹配，有z/z=38/1,蝸輪齒數(shù)z=38,模數(shù)m=1.6,蝸桿分度圓直徑d=20mm,蝸輪變位系數(shù)x=-0.25在蝸桿的軸平面內(nèi)基準齒廓、齒形角的尺寸參數(shù)為：齒頂高 h=m=1.6mm,工作齒高 h=2m=21.6=3.2mm,軸向齒距 p=m=3.141.6=5.024mm,頂隙 c=0.2m=0.21.6=0.32mm,齒根圓角 p=0.3m=0.31.6=0.48mm,阿基米德蝸桿，軸向齒形角a=20，傳動系統(tǒng)中，取=25，蝸桿齒頂圓直徑 d=d+2hm=20+211.6=23.2mm,蝸桿齒根圓直徑 d=d2m(h+c)=2021.6(1+0.2)=16.16mm,蝸桿寬度 b(11+0.06z)m=(11+0.0638)1.6=21.248mm,取b=22mm,蝸輪分度圓直徑 d=mz=1.638=60.8mm,蝸輪喉圓直徑 d=d+2h=d+2m(h+x)=60.8+21.6(10.25)=63.2mm,蝸輪齒根圓直徑 d=d2h=d2m(hx+c) =60.821.6(1+0.25+0.2)=56.16mm,蝸輪外圓直徑 dd+2m=63.2+21.6=66.4mm,取d=66mm,蝸輪寬度 b0.75d=0.7523.2=17.4mm,取b=17mm,蝸輪齒頂圓弧半徑 R=0.5dm=0.5201.6=8.4mm,蝸輪齒根圓弧半徑 R=0.5d+cm=0.523.2+0.21.6=11.92mm。3.2.1、第一級蝸輪蝸桿減速裝置3.2.2、第二級蝸輪蝸桿減速裝置3.2.2、第二級蝸輪蝸桿減速裝置第二級蝸輪蝸桿公稱傳動比取50，蝸桿頭數(shù)取z=1,中心距a取a=40mm。由表普通圓柱蝸桿傳動的參數(shù)匹配，有z/z=49/1,蝸輪齒數(shù)z=49,模數(shù)m=1.25,蝸桿分度圓直徑d=20mm,蝸輪變位系數(shù)x=-0.5在蝸桿的軸平面內(nèi)基準齒廓、齒形角的尺寸參數(shù)為：齒頂高 h=m=1.25mm, 工作齒高 h=2m=21.25=2.5mm,軸向齒距 p=m=3.141.25=3.925mm,頂隙 c=0.2m=0.21.25=0.25mm,齒根圓角 p=0.3m=0.31.25=0.375mm,阿基米德蝸桿，軸向齒形角a=20，傳動系統(tǒng)中，取=25，蝸桿齒頂圓直徑 d=d+2hm=20+211.25=22.5mm,蝸桿齒根圓直徑 d=d2m(h+c)=2021.25(1+0.2)=17mm,蝸桿寬度 b(8+0.06z)m=(8+0.0649)1.25=13.675mm,取b=14mm,蝸輪分度圓直徑 d=mz=1.2549=61.25mm,蝸輪喉圓直徑 d=d+2h=d+2m(h+x)=61.25+21.25(10.5)=62.5mm,蝸輪齒根圓直徑 d=d2h=d2m(hx+c) =61.2521.25(1+0.5+0.2)=57mm,蝸輪外圓直徑 dd+2m=62.5+21.25=65mm,取d=65mm,蝸輪寬度 b0.75d=0.7522.5=16.875mm,取b=16.5mm,蝸輪齒頂圓弧半徑 R=0.5dm=0.5201.25=8.75mm,蝸輪齒根圓弧半徑 R=0.5d+cm=0.522.5+0.21.25=11.5mm。3.2.3、直齒減速裝置3.2.3、直齒減速裝置主動直齒輪寬度 b=16mm, 從動直齒輪寬度 b=16mm,主動直齒輪齒數(shù) z=36,從動直齒輪齒數(shù) z=72,主動直齒輪分度圓直徑 d=20mm,從動直齒輪分度圓直徑 d=40mm.3.2.4、旋轉機構轉速旋轉機構轉速n=n=n =2700360=4.35/s3.2.4、旋轉機構部裝3.3、氣 壓 升 降、擺 臂 機 構 氣動系統(tǒng)由氣壓發(fā)生裝置、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件四部分組成。氣壓傳動的優(yōu)點：以空氣為工作介質(zhì)，工作介質(zhì)獲得比較容易，用后的空氣排到大氣中，處理方便；便于集中供氣、遠距離輸送；動作迅速、反應快、維護簡單、工作介質(zhì)清潔，不存在介質(zhì)變質(zhì)等問題；工作環(huán)境適應性好；成本低、過載能自動保護。氣缸是執(zhí)行元件之一。氣缸是將壓縮空氣的能量轉換成直線往返運動形式機械能的能量轉換裝置。3.3、氣缸裝置3.3.1氣壓升降裝置 氣壓升降裝置氣缸的行程s=374mm,通過滑塊固定導軌實現(xiàn)機械手的升降運動3.3.2氣壓擺臂裝置 氣壓擺臂裝置通過氣缸行程為s=128mm,實現(xiàn)手臂沿水平線上下擺動30的運動。3.4、手 抓 機 構3.4.1、滑動螺旋傳動裝置3.4.1、滑動螺旋傳動裝置 螺旋傳動主要是將旋轉運動變成直線運動，同時進行能量和力的傳遞，或者調(diào)整零件的相互位置。也有將直線運動變成旋轉運動的。根據(jù)手抓機構要求，運用傳力螺旋和傳動螺旋的梯形螺紋。梯形螺紋牙形角a=30,螺紋副的大經(jīng)和小徑處有相等的徑向間隙。牙根強度高，螺紋的工藝性好（可以用高生產(chǎn)率的方法制造）；內(nèi)外螺紋以錐面貼合，對中性好，不易松動；采用剖分式螺母，可以調(diào)整和消除間隙；但其效率較低。螺紋中經(jīng) d=14.4mm, 螺紋外徑 d=16mm,牙形角 a=30, 螺距 p=3.2mm,螺紋的工作高度 h=0.5p=0.53.2=1.6mm,螺紋牙低寬度 b=0.65p=0.653.2=2.08mm,整體式螺母的高度 H=d=2.514.4=36mm,由驗算 z=11.251012 符合要求。選取步進電機70BF1-3步距為1.5，初選螺母滑塊移動距離 s=54mm,則手抓鎖緊、放開時間 t=4.05s最后選取手抓鎖緊、放開時間t=4s,則螺母滑塊移動距離s=53.3mm.3.4.2、手抓工作裝置手抓工作原理步驟：起動70BF1-3步進電動機，帶動絲桿轉動，滑塊在絲桿經(jīng)導桿自由滑動；內(nèi)手抓鈑金片通過滑塊圓柱臺階推動快速夾緊油茶，隨后外手抓鈑金片通過滑塊錐形軌跡夾緊油茶枝條，通過時間繼電器經(jīng)過t=4s步進電動機停止；夾緊后內(nèi)手抓裝置通過36SL5E2伺服電動機自轉，實現(xiàn)在油茶枝條固定的同時油茶自轉脫落的功能。3.4.2、手抓結構裝置四、油茶采摘機械手的PLC程序控制系統(tǒng) 可編程序控制器PC（Programmable Controller）又稱可編程邏輯控制器。 PLC（Programmable Logical Controller),是微機技術與繼電器常規(guī)控制技術相結合的產(chǎn)物，是在順序控制器和微機控制器的基礎上發(fā)展起來的新型控制器，是一種以微機處理器為核心用作數(shù)字控制的專用計算機。4.1、主電路 PLC現(xiàn)已成為現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT)之一，以其可靠性高、邏輯功能強、體積小、可在線修改控制程序、具有遠程通信聯(lián)網(wǎng)功能、易于與計算機接口、能對模擬量進行控制、具備高速計數(shù)與位控等高性能模塊等優(yōu)異性能，日益取代由大量中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)繼電器等組成的傳統(tǒng)繼電-接觸控制系統(tǒng)，在機械、化工、石油、冶金、電力、輕工、電子、紡織、食品、交通等行業(yè)得到廣泛應用。PLC的應用深度和廣度已經(jīng)成為一個國家工業(yè)先進水平的重要標志之一。4.2、PLC外部接線4.3、梯形圖4.4、指令語句表 參 考 文 獻【1】、徐灝主編，機械設計手冊，北京：機械工業(yè)出版社，1992【2】、楊明忠、朱家誠主編，機械設計，武漢：武漢理工大學出版社，2001【3】、曾志新、呂明主編，機械制造技術基礎，武漢：武漢理工大學出版社，2004【4】、陳奎生主編，液壓與氣壓傳動，武漢：武漢理工大學出版社，2001【5】、鄭文緯、吳克堅主編，機械原理，北京：高等教育出版社，1997【6】、劉鴻文主編，材料力學，北京：高等教育出版社，2004【7】、哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室編，理論力學，北京：高等教育出版社，2008【8】、秦曾煌主編，電工學，北京，高等教育出版社，2004【9】、曾光奇、胡均安主編，工程測試技術基礎，武漢：華中科技大學出版社，2002【10】、楊叔子、楊克沖等編著，機械工程控制基礎，武漢：華中科技大學出版社，2002【11】、鄧星鐘主編，機電傳動控制，武漢：華中科技大學出版社，2000【12】、丁玉蘭主編，人機工程學，北京：北京理工大學出版社，2007【13】、陳立德主編，機械專業(yè)英語，上海：上海交通大學出版社，2001【14】、于永泗、齊民主編，機械工程材料，大連：大連理工大學出版社，2007【15】、余桂英、郭紀林主編，AutoCAD2006中文版實用教程，大連：大連理工大學出版社，2006【16】、邵立新、夏素民、孫江宏等編著，Pro/ENGINEER Wildfire 3.0中文版標準教程，北京：清華大學出版社，2007 致 謝 轉眼間，我已經(jīng)在美麗的江西農(nóng)業(yè)大學工學院度過了四個年頭。四年，這是我人生中非常重要的四年。給我留下了大學生活的美好回憶，留下了一筆無形的巨大的知識財富。這必將對我今后的學習、工作、生活產(chǎn)生積極、長足的幫助。感謝江西農(nóng)業(yè)大學工學院四年來的培養(yǎng)，在此，我真誠地向我尊敬的老師們和母校表達我深深的謝意！畢業(yè)設計是在我的導師饒洪輝老師的多次指導下完成的。從畢業(yè)設計的選題、構思、結構設計到論文寫作的過程中，饒洪輝老師多次與我深入細致地探討，并給我提出切實可行的指導性建議。饒老師的高深精湛的造詣與嚴謹求實的治學精神將永遠激勵著我。在此，請允許我向尊敬的饒洪輝老師表示真摯的謝意！在做畢業(yè)設計的過程中，也得到了許多同學的寶貴建議，同時還得到許多社會人士的支持和幫助，在此一并致以誠摯的謝意。 最后，向在百忙中抽出時間對此畢業(yè)設計進行評審并提出寶貴意見的各位老師表示衷心地感謝！ 衷心祝愿母校江西農(nóng)業(yè)大學工學院的明天更加美好！自 畢業(yè)論文