多功能農(nóng)業(yè)機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計（含三維SW及仿真）
多功能農(nóng)業(yè)機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計（含三維SW及仿真）,多功能,農(nóng)業(yè),機械手,結(jié)構(gòu)設(shè)計,三維,SW,仿真
本科畢業(yè)設(shè)計
多功能農(nóng)業(yè)機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計
學(xué) 院
專 業(yè)
學(xué) 生 班 級
姓 名
學(xué) 號
指導(dǎo)教師單位
指導(dǎo)教師姓名
指導(dǎo)教師職稱
2022 年 4 月
原 創(chuàng) 性 聲 明
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計（論文）不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研究在做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下所完成的學(xué)位論文及相關(guān)的職務(wù)作品，知識產(chǎn)權(quán)歸屬廣西城市職業(yè)大學(xué)。本人完全意識到本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。
設(shè)計（論文）作者簽名： 日期： 年 月 日
關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明
本設(shè)計（論文）屬于：
保 密（ ），在 年解密后適用授權(quán)。
不保密（ ）
(請在以上相應(yīng)方框內(nèi)打“√”)
設(shè)計（論文）作者簽名： 導(dǎo)師簽名：
日 期： 年 月 日
多功能農(nóng)業(yè)機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計
自動化專業(yè)2020級 ×××
指導(dǎo)教師 ×××
摘要
本文在充分了解研究了解國內(nèi)外農(nóng)業(yè)采摘果的相關(guān)設(shè)備的基礎(chǔ)上,對農(nóng)業(yè)采摘果實自動操作采集機械手的主要機械手組成部分功能進行了深入分析研究。主要分析了各種果實采摘機械手的主要功能及結(jié)構(gòu)組成、各組成結(jié)構(gòu)的具體作用及工作原理、工作系統(tǒng)等基本功能設(shè)計。主要設(shè)計內(nèi)容包括利用轉(zhuǎn)動的機械腕和手關(guān)節(jié)、大臂、小臂、腕和末端自動采摘果實的執(zhí)行器。該機械手部分需要具有較好的自動采集工作系統(tǒng)運用空間、運動學(xué)等技術(shù)特性。能夠充分完全滿足農(nóng)業(yè)果實采摘自動操作的技術(shù)要求,并對其進行運動學(xué)分析及力學(xué)計算分析歸納。并應(yīng)用三維軟件進行三維數(shù)模的建立。希望為未來的多功能農(nóng)業(yè)機械手設(shè)備提供可靠的參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)；機械手；運動學(xué)分析；三維數(shù)模
Structure design of multi-functional agricultural manipulator
Abstract
In this paper, on the basis of full understanding of the domestic and foreign agricultural picking fruit related equipment, the agricultural picking fruit automatic operation acquisition manipulator of the main part of the function of the manipulator has been deeply analyzed.This paper mainly analyzes the main function and structure composition of various fruit picking manipulator, the specific function and working principle of the structure, the basic function design of the working system.The main design includes an actuator that automatically picks fruit by rotating mechanical wrist and hand joint, big arm, forearm, wrist and end.The manipulator part needs to have a good automatic acquisition work system using space, kinematics and other technical characteristics.It can fully meet the technical requirements of automatic operation of agricultural fruit picking, and carry out kinematics analysis and mechanical calculation analysis and induction.And three-dimensional software is used to establish three-dimensional mathematical model.Hope to provide a reliable reference for the future multi-functional agricultural manipulator equipment..
Key words: agriculture;Manipulator;Kinematic analysis;Three dimensional mathematical model
目錄
第一章 緒論 1
1.1 研究的背景及意義 1
1.2 多功能農(nóng)業(yè)機械手國外現(xiàn)狀 2
1.3 多功能農(nóng)業(yè)機械手國內(nèi)現(xiàn)狀 4
第二章 電動多功能農(nóng)業(yè)機械手總體方案設(shè)計 5
2.1 多功能農(nóng)業(yè)機械手外形設(shè)計 5
2.2 多功能農(nóng)業(yè)機械手總體方案設(shè)計 5
第三章 多功能農(nóng)業(yè)機械手方案設(shè)計 7
3.1 多功能農(nóng)業(yè)機械手機構(gòu)選型原則 7
3.2 多功能農(nóng)業(yè)機械手綜合分析 8
3.2 傳動方式的選擇 9
第四章 驅(qū)動電機的選擇 13
4.1 腰關(guān)節(jié)電機選型計算分析 13
4.1.1腰部關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)的設(shè)計 14
4.2大臂關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)的設(shè)計 14
4.3小臂關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)的設(shè)計 15
4.4手腕關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)的設(shè)計 16
4.4.1手腕轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的計算 16
4.4.2手腕擺動關(guān)節(jié)的設(shè)計及計算 19
第五章 電動多功能農(nóng)業(yè)機械手的3D打印 21
5.1 部件3D建模 21
參考文獻 23
致謝 25
第一章 緒論
1.1 研究的背景及意義
進入21世紀,隨著工業(yè)的迅速發(fā)展,其各種果蔬采摘都是屬于一種農(nóng)業(yè)勞動密集型采摘作業(yè)。在各種果蔬采摘期間操作人員所進行的時間投入占整個各種生產(chǎn)果蔬經(jīng)營勞動過程的50%~70%。而且在各種果蔬采摘作業(yè)采摘收取作業(yè)的過程中,人工種植采摘果蔬經(jīng)常都會因為需要操作人員雙腳彎腰或伸手屈臂或者借助各種采摘梯子用以進行采摘登高作業(yè)。因此各種果蔬采摘作業(yè)采摘收取作業(yè)不僅僅它指的是一項勞動強度大、消耗農(nóng)業(yè)勞力大和時間長,而且它也是一種并且具有一定農(nóng)業(yè)勞動性和危險性的一種農(nóng)業(yè)勞動密集型的作業(yè)。隨著我們現(xiàn)代社會操作人員對于日常生活農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動質(zhì)量的不斷逐步提高,操作人員也急切地需要從這種高強度農(nóng)業(yè)勞動作業(yè)中脫離出來，降低人工成本。
圖1-1 采摘機械手
因此代替工人采摘果蔬的生產(chǎn)過程已經(jīng)變得越來越迫切,研究解決現(xiàn)代農(nóng)業(yè)果蔬采摘果實合理回收果蔬采摘合理利用機器人相關(guān)技術(shù)問題具有重要的技術(shù)現(xiàn)實意義。在古代時期我國,蘋果栽培產(chǎn)業(yè)各類栽培蘋果生產(chǎn)果蔬有著悠久的種植發(fā)展利用歷史,是目前作為我國主要具有優(yōu)勢的進出口蘋果農(nóng)產(chǎn)品之一。
圖1-2 采摘機械手結(jié)構(gòu)
我們發(fā)展全國主要地區(qū)蘋果各類栽培果蔬生產(chǎn)在累計發(fā)展我國世界主要地區(qū)蘋果各類栽培果蔬產(chǎn)業(yè)中一直以來占有舉足輕重的重要戰(zhàn)略地位。據(jù)統(tǒng)計,2010年我國累計發(fā)展我國主要地區(qū)蘋果栽培產(chǎn)業(yè)各類栽培果蔬種植區(qū)總面積187.7萬公頃、產(chǎn)量2367.5萬噸,分別每年累計占據(jù)了發(fā)展世界主要地區(qū)蘋果栽培產(chǎn)業(yè)各類裁培果蔬種植區(qū)總面積41.5%和我國蘋果果蔬產(chǎn)量的37,5%。近10多來年,我國對蘋果推動乃至世界各地我國蘋果人工采摘摘取產(chǎn)量持續(xù)快速增長的主要勞動貢獻率高達84%,但是一直到目前,蘋果的全部人工采摘摘取加工生產(chǎn)作業(yè)都還沒有需要再依靠我國蘋果全部人工摘取采摘技術(shù)來進行輔助加工完成。因此,研究工作人員自主開發(fā)設(shè)計出的我國蘋果全部人工摘取采摘生產(chǎn)作業(yè)管理機器人不僅不但同樣可以有效率地減輕勞動強度、提高我國蘋果采摘生產(chǎn)線的管理效率,而且同樣可以具有廣闊的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用性及市場性和廣泛應(yīng)用發(fā)展前景。
1.2 多功能農(nóng)業(yè)機械手國外現(xiàn)狀
1968年,美國學(xué)者Brown首次提出應(yīng)用機器人進行果蔬的的思想[4], 草莓等新型采摘蘋果工業(yè)果園內(nèi)的采摘操作工業(yè)管理機器人新型采摘蘋果工業(yè)果園內(nèi)的采摘操作工業(yè)管理機器人目前在美國、法國、日本等在世界我國國內(nèi)已有大量應(yīng)用研究,其中包括利用采摘機器人都是自主開發(fā)研制的新型采摘蘋果工業(yè)果園內(nèi)的采摘操作工業(yè)管理機器人[7],利用新型蘋果采摘工業(yè)果園采摘管理機器人的六個半自由度動力轉(zhuǎn)動機械手臂作為進行采摘蘋果機械手手臂操作時的主體,手臂內(nèi)部位于蘋果整體內(nèi)部可在一個轉(zhuǎn)動架子上自由轉(zhuǎn)動手臂進行各種具有橫向水平和豎直兩種操作方向的蘋果旋轉(zhuǎn)操作移動,在需要進行大蘋果園內(nèi)的采摘管理作業(yè)時,機械手由另外一臺電動蘋果拖拉機操作手臂進行牽引,其中的采摘機器人操作手臂位于整體內(nèi)部由于占地面積較大,機械手手臂整體內(nèi)部重量相對較重,且采摘操作管理成本相對較高,只能合適于各種蘋果植株較矮小的各種大型蘋果樹。
圖1-3 采摘機械手
機器人主要由機械手、視覺傳感器、移動機構(gòu)組成,該采摘機器人采用了7自由度機械手臂。機器人主要由四個移動機械手、視覺精確定位控制傳感器、移動臂等四個機構(gòu)行走系統(tǒng)部分組成,該大型水果果實采摘試驗車的四個機器人主要組成采用了7自由度長的移動機械操作移動臂和手臂。
圖1-4 采摘機械手
1.3 多功能農(nóng)業(yè)機械手國內(nèi)現(xiàn)狀
我國對農(nóng)業(yè)采摘機器人的研究始于20世紀90年代中期，比發(fā)達國家晚。然而，許多大學(xué)和研究機構(gòu)正在進行采摘機器人和智能農(nóng)業(yè)機械的研究。東北林業(yè)大學(xué)陸懷民研發(fā)的樹錐采摘機器人進行了采摘試驗。該機器人由五自由度機械手、液壓驅(qū)動系統(tǒng)和單片機控制系統(tǒng)組成。
圖1-6 采摘機械手
采摘時,機器人大臂需要將停在一個位置距離對準目標一棵母樹3-5m的遠處,操縱回轉(zhuǎn)驅(qū)動馬達機械手大臂使用控制回轉(zhuǎn)齒輪驅(qū)動馬達對準目標一棵新的果樹。然后,單片機通過控制回轉(zhuǎn)驅(qū)動馬達系統(tǒng)控制回轉(zhuǎn)驅(qū)動馬達機械手大、小臂同時轉(zhuǎn)動進行柔性加速運動并使升起,當(dāng)果樹達到一定所需要的海拔高度,采摘爪同時自動張開并繼續(xù)左右加速擺動,對準原來不需要再次球果采集的對準目標一棵樹枝,大小臂同時柔性加速運動,使得用電機帶動采摘爪沿著對準目標一棵樹枝上部球果生長的路線的一條方向左右移動速度趨近1.5-2m,然后通過帶動電機采摘爪的兩個上部梳狀齒和牙齒自動夾緊電機尋找一個新的目標果枝,大小臂同時柔性帶動并使電機再次采集爪按鍵從而沿原路從前向后依次移動返回,梳下枝上部的一棵球果,完成一次球果樹的采摘。這種新型采摘機器人帶動采摘爪的效率一般來說是500kg/天,是人工的30-50倍。果實采摘時對準目標一棵母樹的草壤土質(zhì)環(huán)境破壞較小,采凈率高。
第二章 電動多功能農(nóng)業(yè)機械手總體方案設(shè)計
2.1 多功能農(nóng)業(yè)機械手外形設(shè)計
市場上看到的各種多功能農(nóng)業(yè)機械手,隨著時代的進步和目標需求的變化,多功能農(nóng)業(yè)機械手已經(jīng)能夠更加精致和獨特。如圖所示2-1多功能農(nóng)業(yè)機械手外形。
圖2-1農(nóng)業(yè)機械手外形
2.2 多功能農(nóng)業(yè)機械手總體方案設(shè)計
通過對市場上多功能農(nóng)業(yè)機械手的研究分析,綜合所學(xué)習(xí)的知識。運用三維建模軟件,設(shè)計出圖2-2所示的多功能農(nóng)業(yè)機械手總體方案設(shè)計。
圖2-2 本次設(shè)計多功能農(nóng)業(yè)機械手外形
第三章 多功能農(nóng)業(yè)機械手方案設(shè)計
3.1 多功能農(nóng)業(yè)機械手機構(gòu)選型原則
由由于中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的高度復(fù)雜性、不確定性和由于采摘后的果實不同數(shù)量之間分布的巨大性和隨機性,采摘通用工業(yè)機械手的基本產(chǎn)品選型既要嚴格要求遵循采取通用采摘工業(yè)機械手的基本產(chǎn)品選型功能原則,又也因為需要同時充分考慮其所要采摘的農(nóng)作物的自然地理性和特殊性。首先我們歸納一下關(guān)于采摘通用工業(yè)機械手的基本產(chǎn)品選型及其功能基本原則我個人認為主要必須遵循的是通用采摘工業(yè)機械臂的基本選型原則產(chǎn)品選型及其功能基本原則。目前通用工業(yè)機械臂主要應(yīng)用產(chǎn)品選型有四種基本選型功能形式,其具體產(chǎn)品選型基本功能及其選型特點我現(xiàn)介紹全文如下
(1)直角橫向運動平行坐標型:由于該機床型號的運動機械臂前三個橫向運動坐標關(guān)節(jié)連接處均設(shè)置為機械橫向平行移動時的平行坐標關(guān)節(jié),運動臂與平行關(guān)節(jié)方向完全保持垂工作空間占用大和空間小。
(2)移動圓柱形四坐標型:采用該型號的機械臂前三個控制關(guān)節(jié)被分為兩個縱向移動控制關(guān)節(jié)和一個橫向轉(zhuǎn)動控制關(guān)節(jié),這種坐標形式的移動機器人手臂占用人體空間小,結(jié)構(gòu)簡單。
(3)極坐標型:人體具有兩個縱向轉(zhuǎn)動靈活關(guān)節(jié)和一個橫向移動靈活關(guān)節(jié)。使用該型移動機器人的主要優(yōu)點之一是移動靈活性好,占地面積小,但轉(zhuǎn)動剛度、精度較差。
(4)活動關(guān)節(jié)雙向坐標型:前三個活動關(guān)節(jié)都用的是雙向回轉(zhuǎn)式的關(guān)節(jié),特點主要是關(guān)節(jié)動作靈活,工作部位空間大、占地面積小,缺點主要是機械剛度和工作精度較差。
。
圖3-1 機械臂類型
3.2 多功能農(nóng)業(yè)機械手綜合分析
通過上面的案例分析,對于目前蘋果草莓采摘用的機器人采用機械手臂的形式而言,得到一下現(xiàn)在選型上的結(jié)論:
1)采摘蘋果采取機械采摘手臂的主要基體工作形式及其選擇以采摘人工無關(guān)節(jié)型式的蘋果采摘機械臂為其基體工作形式最為合適,其主要基體形式包括采摘人的肩和腰部、大臂,小臂共三個主要工作支撐部分。其基體具有人手動作靈活,工作使用范圍廣和空間大、占地面積小的主要功能優(yōu)點很廣泛,它適合各種種類蘋果的采摘人工收割采摘或者收割加工作業(yè)。
2)以一個兩人半膝關(guān)節(jié)式四維三坐標型移動采摘蘋果機械臂為腰部工作活動基體,為充分發(fā)揮擴大操作人員利用采摘機械臂的快速腰部移動工作力和活動能力空間和大大限度增強操作人員利用采摘機械手可以進行上下多路徑快速移動采摘的腰部工作活動能力,在每個兩人關(guān)節(jié)腰部兩側(cè)分別添加了一個新的升降工作活動方向結(jié)構(gòu),此處的升降活動結(jié)構(gòu)為一個連桿式或者可移動折疊式的升降活動機構(gòu),在兩個垂直面的升降活動方向上分別同時增加了兩個采摘機器人的快速腰部移動作業(yè)力和活動能力空間,使得兩個采摘機器人同時也能擁有了快速移動采摘較高處新鮮采摘蘋果的腰部工作活動能力,代替了以前由于操作人員用舊的玻璃梯子或者木欄桿進行登高而下樓梯快速采摘過的新鮮蘋果。
3)在機械手小臂內(nèi)部添加了一個伸縮活動關(guān)節(jié),此伸縮關(guān)節(jié)不僅不但可以進一步有效擴大手術(shù)機器人的手部工作活動空間而且它還可以與其他末端手術(shù)執(zhí)行器械相配合,以本手術(shù)機械手特有的、被手術(shù)命名者稱為"Eyes-in-hand"執(zhí)行軌跡的自動避障控制方式自動進行果枝采摘,以盡量大地降低了本機械臂在手術(shù)端與兩側(cè)果枝之間碰撞的發(fā)生機率。
圖3-2 農(nóng)業(yè)機械手機構(gòu)原理
3.2 傳動方式的選擇
帶傳動：帶傳動通常是由主動輪、從動輪和張緊在兩輪上的傳動帶所組成的。當(dāng)主動輪回轉(zhuǎn)時，依帶與帶輪接觸面間的摩擦力拖動從動輪一起回轉(zhuǎn)，從而傳遞一定的運動和動力。帶傳動具有的優(yōu)點:有良好的撓性和彈性，有吸振和緩沖作用，因而使帶傳動平穩(wěn)、噪聲??；有過載保護作用，當(dāng)過載時引起帶在帶輪上發(fā)生相對滑動，可防止其他零件的損壞；此時，當(dāng)傳遞同樣大的圓周力時，與嚙合傳動相比軸上的壓力較大:結(jié)構(gòu)尺寸較大，不緊湊；傳動壽命較短；傳動帶與帶輪之間會產(chǎn)生摩擦放電現(xiàn)象；不宜用于有爆炸危險的場合?，F(xiàn)在一些新型帶傳動形式，如高速帶傳動、同步帶傳動、多楔帶傳動己經(jīng)克服了以上大部分的缺點。
齒輪傳動：齒輪傳動是機械傳動中應(yīng)用最為廣泛的一類傳動，常用的漸開線齒輪傳動具有以下一些主要特點:傳動效率高，在常用的機械傳動中，齒輪傳動的效率是最高的。齒輪傳動的主要缺點有:對齒輪制造、安裝要求高；齒輪制造常用插齒機和滾齒機等專用機床及專用工具；通常的齒輪傳動為閉式傳動，需要良好的維護保養(yǎng)，因此齒輪傳動成本和費用高；并且齒輪傳動不適合中心距較大的兩軸間的動力傳遞。
蝸桿傳動：蝸桿傳動是一種空間齒輪傳動，能實現(xiàn)交錯角為90度的兩軸間動力和運動傳遞。蝸桿傳動與圓柱齒輪傳動和圓錐齒輪傳動相比具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大、傳動平穩(wěn)和可以自鎖等顯著特點。蝸桿傳動的主要缺點是:齒面摩擦力大，發(fā)熱量高，傳動效率低。蝸桿傳動通常用于中、小功率非長時間連續(xù)工作的應(yīng)用場合。
本文所選用的電機都采用了電機和齒輪輪系一體化的設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，具有很強的帶負載能力，但是不能通過電機直接驅(qū)動各個連桿的運動。為減小機構(gòu)運行過程的沖擊和振動，并且不降低控制精度，采用了齒形帶傳動。
齒形帶傳動是同步帶的一種，用來傳遞平行軸間的運動或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動，在本文中主要用于腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的傳動。
齒形帶傳動原理如圖3.1所示。
齒輪帶的傳動比計算公式為
(3.1)
齒輪帶的平均速度為
(3.2)
圖3.1齒形帶傳動原理
諧波齒輪輪傳動:諧波波形傳動系統(tǒng)包括三個基本傳動構(gòu)件:柔輪、剛輪的泵和波形的發(fā)生器。如下面簡圖所示。三個傳動構(gòu)件中一只可以任意從外固定一個,其余兩個一個固定,一個從內(nèi)移動,可以任意實現(xiàn)差動減速或諧波增速(固定諧波傳動減速比),也就是可以被轉(zhuǎn)換成兩個諧波輸入、一個諧波輸出,組成諧波差動減速傳動。諧波減速傳動主要是應(yīng)用于國防軍工、精密儀器設(shè)備生產(chǎn)、醫(yī)療器械、起重機、機器人等。諧波傳動減速器應(yīng)用見構(gòu)件簡圖3.2、3.3。
圖3.2 諧波傳動原理圖
圖3.3 諧波傳動減速器機構(gòu)簡圖
諧波齒輪傳動的特點如下：
1)齒輪承載能力低在高諧波齒輪傳動中,齒與輪和齒的重疊嚙合主要是與齒面積的接觸,加上同時嚙齒配合到的齒數(shù)(又稱重疊嚙合系數(shù))比較多,因而每個單位的齒面積傳動載荷小,承載能力較其他諧波傳動系統(tǒng)形式高。
2)高速傳動比大單級電磁諧波傳動齒輪高速傳動的最大傳動功率比,可達m/i=70~500。
3)體積小、重量輕。
4)傳動效率高、壽命長。
5)機械傳動平穩(wěn)、無外力沖擊,無噪音,運動測量精度高。
6)由于各種柔輪需要承受較大的交變傳動載荷,因而對各種柔輪結(jié)構(gòu)材料的機械抗疲勞和耐強度、加工和機械熱處理工藝要求相對較高,工藝復(fù)雜。如下表3.2列出了各種柔輪傳動量和形式的柔輪傳動量和效率：
表3.2 主要傳動形式的效率
傳動方式
傳動效率
帶傳動
0.9~0.98
鏈傳動
0.93~0.97
圓柱齒輪傳動
0.9~0.99
圓錐齒輪傳動
0.88~0.98
蝸桿傳動
0.4~0.98
諧波齒輪傳動
0.7~0.9
絲杠傳動
0.85~0.95
本次齒輪傳動系統(tǒng)設(shè)計主要有兩部分分別采用了帶有減速帶的齒輪驅(qū)動曲軸減速傳動和齒輪減速帶驅(qū)動齒輪曲軸傳動。減速器驅(qū)動機構(gòu)主要為驅(qū)動齒輪齒式減速驅(qū)動機構(gòu)和諧振濾波驅(qū)動減速器兩種機構(gòu)。
第四章 驅(qū)動電機的選擇
4.1 腰關(guān)節(jié)電機選型計算分析
腰關(guān)節(jié)的傳動是由電機通過齒形帶，再通過同步帶帶動腰部及整個機器人本體轉(zhuǎn)動。總的傳動比。
腰關(guān)節(jié)驅(qū)動電機選擇步進電機，型號為:42BYG101；保持轉(zhuǎn)矩：；步距角：°；質(zhì)量:。
機器人的受力情況如圖3.1所示：
圖3.1 機器人受力情況
腰關(guān)節(jié)的負載轉(zhuǎn)動慣量（以下所計算的轉(zhuǎn)動慣量均為折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量）
外部負載的轉(zhuǎn)動慣量:即大小臂、手腕、夾持重物的轉(zhuǎn)動慣量：
、分別表示同步帶和齒輪傳動的效率,、
把數(shù)字代入上式得:
=
大臂關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量：估算得
由諧波減速器的選擇知：
假設(shè)電機從加速到所用的時間為，則角加速度
負載折算到電機軸上的轉(zhuǎn)矩：由電動機的選擇知
折算到電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩＜電機的額定轉(zhuǎn)矩
所以電機的選擇符合要求。
4.1.1腰部關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)的設(shè)計
腰部的支承結(jié)構(gòu)：
1）采用普通軸承的機器人腰部支承結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是構(gòu)造簡單、成本低、安裝調(diào)整方便。缺點是腰部尺寸較高。
2）采用環(huán)形軸承的機器人腰部支承結(jié)構(gòu)。環(huán)形軸承精度高、剛度大、復(fù)合力大、裝配簡單方便，可以承受徑向力、軸向力及傾覆力矩，許多機器人都采用這種軸承作為腰部支承元件。環(huán)形軸承種類很多，有用滾球的，也有用滾柱的。
在本次設(shè)計中采用的正是環(huán)形軸承，由于采集機械手對精度要求很高，所以采用這種結(jié)構(gòu)。采用薄壁密封交叉滾子軸承在機械設(shè)計手冊中查得應(yīng)該采用的是CRB20025，其參數(shù)為，，。
腰部的傳動是由電動機通過諧波減速器的減速后，再帶動薄壁密封交叉滾子軸承轉(zhuǎn)動從而使腰座回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)機械手的轉(zhuǎn)動。
4.2大臂關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)的設(shè)計
大臂關(guān)節(jié)的傳動主要是由電動機通過同步帶與齒輪的嚙合帶動大臂轉(zhuǎn)動的。大臂關(guān)節(jié)驅(qū)動電機選擇步進電機。設(shè)物體的最大當(dāng)量回轉(zhuǎn)半徑R =75mm，設(shè)末端執(zhí)行器的最大當(dāng)量回轉(zhuǎn)半徑R=20 mm，回轉(zhuǎn)裝置及物體的重心到回轉(zhuǎn)中心的距離R=100mm，腕部慣量折算到負載端，則腕部擺動時其轉(zhuǎn)動慣量：
其中：、、為物體、末端執(zhí)行器以及腕部擺動部分的折算質(zhì)量。
設(shè)機器人腕部俯仰角速度從 °加速到 °所需時間 則腕部俯仰角加速度：
負載啟動慣性矩（靜摩擦力矩忽略不計）：
取兩級圓柱齒輪傳動裝置的傳動比為2。圓柱齒輪的傳動效率均取 。
由于進電機不具有瞬時過載能力，故取安全系數(shù)為 2（下同），則步進電機輸出的啟動轉(zhuǎn)矩:
所以，選擇如下二相混合式步進電機，型號：57BYG306；最大靜轉(zhuǎn)矩：；步距角：°；質(zhì)量：。
4.3小臂關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)的設(shè)計
小臂關(guān)節(jié)的傳動同樣是由電動機通過同步帶與齒輪的嚙合帶動小臂轉(zhuǎn)動的。
初選電機：選擇異步電機，型號為42BYG101、保持轉(zhuǎn)矩0.17；步距角: 0.90；
質(zhì)量:。
折算到電機軸上的負載靜轉(zhuǎn)矩：
折算到電機軸上的負載加速轉(zhuǎn)矩：
為電機的轉(zhuǎn)動慣量：
假設(shè)電機從加速到所用的時間為，則角加速度
）
折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)矩
+＜電機額定轉(zhuǎn)矩
電機的選擇符合要求。
4.4手腕關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)的設(shè)計
4.4.1手腕轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的計算
手腕轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的傳動是由電動機通過諧波減速器，再通過齒輪來實現(xiàn)傳動要求?？偟膫鲃颖取?
1）手腕轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的選擇：初選電機：選擇直流伺服電機，型號為SYX-70、 額定功率P=0.1KW、額定轉(zhuǎn)矩,額定轉(zhuǎn)速=3000r/min,峰值轉(zhuǎn)矩=2.4,諧波減速器選擇：型號為XB-40,輸出轉(zhuǎn)矩T=16,=80,輸出轉(zhuǎn)速,重物的最大回轉(zhuǎn)半徑,折算到電機軸上的腕部負載靜轉(zhuǎn)矩由下式可知
== =
折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量
==
其它傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量相對于腕部負載的轉(zhuǎn)動慣量很小，所以忽略不計。
假設(shè)電機從加速到所用的時間為，則角加速度
折算到電機軸上的腕部負載加速轉(zhuǎn)矩
所以這算到電機軸上的總的腕部負載轉(zhuǎn)矩+＜電機額定轉(zhuǎn)矩。電機的選擇符合要求。
2）手腕轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)諧波減速器的計算
初選諧波減速器：諧波減速器選擇型號為XB-40、輸出轉(zhuǎn)矩，，輸出轉(zhuǎn)速，腕部負載靜轉(zhuǎn)矩。
腕部負載轉(zhuǎn)動慣量
假設(shè)小臂關(guān)節(jié)從加速到°所用的時間為，則角加速度
負載加速轉(zhuǎn)矩
總的負載轉(zhuǎn)矩+＜諧波減速器的輸出轉(zhuǎn)矩。所以諧波減速器的選擇符合要求。
3）手腕轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)傳動齒輪的設(shè)計
(1)要求分析
主動輪轉(zhuǎn)速:（諧波減速器的輸出轉(zhuǎn)速）
齒數(shù)比
由于諧波減速器輸出的轉(zhuǎn)矩為，所以主動輪的轉(zhuǎn)矩也為。
(2)選擇齒輪材料、熱處理方式及計算許用應(yīng)力
主動齒輪：號鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為；從動齒輪：號鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為。
確定許用應(yīng)力：
a.確定極限應(yīng)力和
齒面硬度:主動齒輪按，從動齒輪按。查文獻得；
b.計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N，確定壽命系數(shù)、
(3.20)
查文獻得；
c.計算許用應(yīng)力
查文獻取，
(3.21)
= == (3.22)
(3)初步確定齒輪的基本參數(shù)和主要尺寸
選用直齒圓柱齒輪，齒輪精度等級選用8級
初選參數(shù)：、、由于選用軟齒面齒輪，所以
(3.23)
=
，取標準模數(shù)。
，
(+)，
，取，
。
(4)驗算齒輪彎曲強度條件
按彎曲強度條件驗算
查文獻得，，取。
計算彎曲應(yīng)力
＜
計算結(jié)果表明該設(shè)計滿足強度要求。
直齒圓錐齒輪的設(shè)計：圓錐齒輪起到換向作用，傳動比i=2，軸交角
齒輪均選用號鋼并調(diào)質(zhì)處理，強度，取硬度為。齒輪加工精度為 級。通過計算得出下列結(jié)果：
表3.1 手腕回轉(zhuǎn)圓錐齒輪的計算結(jié)果
參數(shù)
mm
mm
mm
mm
手腕回轉(zhuǎn)二級傳動錐齒輪一
手腕回轉(zhuǎn)二級傳動錐齒輪二
4.4.2手腕擺動關(guān)節(jié)的設(shè)計及計算
手腕擺動關(guān)節(jié)的傳動是由電動機通過諧波減速器，再帶動整個手腕的轉(zhuǎn)動?？偟膫鲃颖?，其中。
1)手腕擺動關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的選擇
初選電機：選擇直流伺服電機，型號為SYX-70、額定功率、額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速、峰值轉(zhuǎn)矩。
諧波減速器選擇：型號為XB-40、輸出轉(zhuǎn)矩、、輸出轉(zhuǎn)速。
設(shè)法蘭盤及重物的最大回轉(zhuǎn)半徑。
折算到電機軸上的腕部負載靜轉(zhuǎn)矩：
折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量：
其它傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量相對于腕部負載的轉(zhuǎn)動慣量很小，所以忽略不計。
假設(shè)電機從加速到所用的時間為，則角加速度
折算到電機軸上的腕部負載加速轉(zhuǎn)矩
所以折算到電機軸上的總的腕部負載轉(zhuǎn)矩
+＜電機額定轉(zhuǎn)矩。
電機的選擇符合要求。
2)手腕擺動關(guān)節(jié)諧波減速器的計算
手腕擺動關(guān)節(jié)的諧波減速器的計算和前面所說的內(nèi)容非常相似，這里不再詳細算。
諧波減速器選擇：諧波減速器選擇型號為XB-40，輸出轉(zhuǎn)矩T，，輸出轉(zhuǎn)速。經(jīng)過計算符合使用要求。
第五章 電動多功能農(nóng)業(yè)機械手的3D打印
5.1 部件3D建模
先對各個重要零部件進行設(shè)計，完成之后對其他零部件進行設(shè)計，最后進行裝配。
圖5-1D建模一
圖5-2D建模二
圖5-3D建模三
參考文獻
[1] 方傳青.尹麗娟.仿真設(shè)計(ADAMS)在農(nóng)業(yè)機械手設(shè)計中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程, 2008(02):20-22.
[2] 鄭岳智.崔志鵬.采摘機械手在農(nóng)業(yè)方面研究分析[J]. 現(xiàn)代園藝, 2016, 000(002):207.
[3] 姚金.一種農(nóng)業(yè)摘果機械手: CN208047328U[P]. 2018.
[4] 黃浩乾.采摘機械手的設(shè)計及其控制研究[D]. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué).
[5] 陳樹人.戈志勇.王新忠.基于MATLAB的番茄采摘機械手運動學(xué)仿真研究[C]// 中國農(nóng)業(yè)機械學(xué)會學(xué)術(shù)年會.2006.
[6] 黎波.辜松.初麒.等.葉菜椰糠培育種苗移植機械手設(shè)計與試驗簡[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報.2017.
[7] 姬偉.程風(fēng)儀.趙德安.等.基于改進人工勢場的蘋果采摘機械手機械手避障方法[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報, 2013, 44(011):253-259.
[8] 張望岐.機械手花生谷物機:, CN2144914Y[P]. 1993.
[9] 周小燕.農(nóng)業(yè)機械手無碰運動規(guī)劃技術(shù)的研究[D]. 浙江工業(yè)大學(xué), 2009.
[10] 趙東輝.農(nóng)業(yè)機械手的設(shè)計與分析[J]. 農(nóng)機化研究, 2010, 32(010):75-77,82.
[11] 釧相艷.一種農(nóng)業(yè)機械手:.
[12] 王玉榮.劉云泉, 潘榮晴.農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè)采摘機械手機械手設(shè)計[J].電視技術(shù). 2019. 043(015):73-75.
[13] 龔智強.楊沖.周智文. 一種多功能農(nóng)業(yè)采摘機械手: CN206686628U[P]. 2017.
[14] 郭甜甜. 一種具有控制器的農(nóng)業(yè)澆注機械手臂:, CN107309417A[P]. 2017.
[15] 劉凡.楊光友.楊康.農(nóng)業(yè)采摘機械手柔性機械手研究[J]. 中國農(nóng)機化學(xué)報, 2019, 040(003):173-178.
[16] 謝黎.基于3D的椰子采摘機械手設(shè)計[J]. 數(shù)碼設(shè)計（上）, 2018, 000(009):111.
[17] 常新.采摘機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計分析[J]. 科技尚品, 2016(4).
[18] 李永強.黃瓜采摘機械手的定位與采摘研究[D]. 吉林大學(xué).
致謝
由于本人所學(xué)程度和實際工作經(jīng)驗方向的限制，在這次設(shè)計仍然存在這樣的或是那樣的缺點問題，希望能得到老師和同學(xué)們的批評指正，在設(shè)計過程中，指導(dǎo)老師和其他老師對我給予了精心的指導(dǎo)和悉心幫助，在此對他們表示深深的致謝。在此過程中，也學(xué)習(xí)到了很多新知識，學(xué)習(xí)了繪圖軟件，并且分別對應(yīng)了三維設(shè)計和二維設(shè)計，熟悉了軟件的基本操作技巧和操作要求，在本次設(shè)計過程中，使用繪圖軟件繪制圖紙，在得到學(xué)習(xí)鍛煉的同時提高了自己對圖形的表達能力，在一些細節(jié)處理上雖然不太嚴謹，但也督促了我日后學(xué)習(xí)要秉承著嚴謹?shù)男膽B(tài)去對待每一次設(shè)計。在老師的細心指導(dǎo)下，問題可以很快得到解決。所以在這里，我再對老師說一遍:老師，非常感謝您!時間過得真快。轉(zhuǎn)眼間，又到了大學(xué)的畢業(yè)季。那是一團分散的火，天上聚集的星星。離校的時間逐漸提前，畢業(yè)論文的完成也逐漸結(jié)束。一開始，導(dǎo)師選擇進入選題才能順利完成論文，這確實驗證了師傅介紹門的那句話，而實踐則要看個人。在完成畢業(yè)設(shè)計的過程中，老師給予我設(shè)計上的指導(dǎo)，同學(xué)幫助我解決設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)的困難，室友協(xié)助我完善細節(jié)上的不足。非常感謝他們對我的幫助！畢業(yè)最終時刻，衷心感謝老師對我的栽培，感謝教書育人不勞辛苦的您，感謝您的教誨與付出！
25
收藏