小浆果采摘机械手设计毕业论文设计

摘 要

水果和蔬菜是人类生活中必不可少的食物，种植面积和产量逐年提高。研究开发适合目前农业生产实际的果蔬采摘机器人，不仅可以很大程度减轻劳动强度、提高生产效率，而且具有广阔的应用前景。

本文在充分了解国内外相关研究和应用现状的基础上，对小浆果采集机械手进行了研究。分析了机械手的组成结构、各组成部分的功能、工作原理完成了采摘机械手部分的设计。包括腰部转动关节、大臂、小臂、腕部、末端执行器具体结构的设计，该机械手具有较好的工作空间、运动学特性，能够满足小浆果采集的工作要求，

在提高工作效率和采摘质量的同时，应考虑尽量降低小浆果采集机械手的制造成本，提高其通用性，以期实现小浆果采集的商业化。

关键词：小浆果采集；机械手；采集机械手；小浆果；机械手设计

I

II

ABSTRACT

Fruit and vegetables are absolutely necessarily food in our lives,the planted and output of them is boosting yearby year.Reseach and development about robot for picking fruit and vegetables that adapt to growth practical at present, not only canalleviate intensity of labour and advance productivity effect,also this paper, both at related to the research and application on the basis of the collection of small berries manipulator is studied. Analyzed the composition of the structure of robot,the component of the function, working principle of the completion of part of the picking robot design. Including the arm, forearm, wrist,the end of the specific structure of the actuator design. The design of rotating the waist joint, the manipulator improving the efficiency and quality at the same time picking,consideration should be given to minimize the collection of small berries robot manufacturing costs and enhance its versatility with a view to achieving a small business of collecting berries.

Key words: Small berries collected; Manipulator; Collection Manipulator;

Small berries; Manipulator design

II

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原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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第1章 绪 论

1.1 机器人概述

在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题.化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决.但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的.专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法.但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化.机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。

“工业机器人”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。

机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。

简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。

机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行

探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。

机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。

要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动－传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成，如图 1.1 所示。

图1.1 机器人的一般组成

对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图 1.2 所示。

图1.2 机器人各组成部分之间的关系

机器人的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动－传

动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动－传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机(Manipulator)，相当于本文中的执行机构部分。

1.2机器人发展趋势

随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。

就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势： 1)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人；

2)开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合；

3)研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。

1.3机械手的工作原理

1.3.1机械手的结构原理图

1基座 2腰部 3大臂 4小臂 5手腕 6手指

图1.3机械手结构图

1.3.2机械手的组成结构

由于本次设计的为小浆果采摘机器手。本机器手为六自由度采摘机器手，该机器手由机座、腰部、大臂、小臂、腕部以及末端执行器组成。针对五自由度机器手的结构要求进行设计。腰部、大臂、小臂的驱动均采用步进电机驱动，腕部采用直流伺服电机驱动。设计完成的机器手包括腰部回转、大臂摆动、小臂摆动、腕部摆动和回转以及末端执行器的剪切运动，从而达到采摘的功能要求。

1.4机械手设计的目的

由于现在政府对农业的重视，越来越多的农业机械兴起，如水稻收割

机、插秧机等。机械手也是最近流行的一种机械设备，它在中国的发展也是很快的，现在在各个行业都有机械手的应用。对于本次设计的机械手可以在一些危险和环境不适合作业的地方使用，这样可以体现出它的实用性。处于这种目的，所以设计这样相对实用的机械手。

1.5本章小结

本章对机器人的发展趋势，以及要设计的机械手的工作原理，机械手的组成结构，进行了分析，明确了机械手的设计目的。

第2章 机械手设计方案

2.1机械手总体方案的设计

2.1.1 机械手设计的总体要求

机械手设计的总体要求。机械结构的设计的基本要求，包括对机械手整机的设计要求和对组成零件的设计要求两个方面，两者互相联系，互相影响。

1)对机械手整机设计的基本要求：实现预定的使用功能是机械设计的最基本要求，好的使用性能指标是设计的主要目标。另外，操作使用方便、工作安全可靠、体积小、重量轻、效率高、外型美观、噪声低等往往也是机械设计时所要求的。其次，对机器的经济性也有一定的要求。机器的经济性设计主要体现在设计、制造和使用的全过程。在设计机器时要全面综合的考虑。设计的经济性体现为合理的功能定位、实现使用功能要求的最简单的技术途径和最简单合理的机械结构。

2)对零件设计的基本要求：机械零件是组成机器的基本单元，对机器的设计要求最终是通过对零件的设计实现的。所以，设计零件时应满足的要求是从设计机器的要求中引申出来的，即也应从满足机器的使用功能和经济性两方面来考虑。要求在预定的工作期限内正常可靠地工作，从而保证机器的各种功能的正常实现。这就要求零件在预定的寿命期限内不会产生各种可能的失效，即要求零件在强度、刚度，振动稳定性、耐磨性和温升等方面必须满足必要的条件。这些条件就是判断零件工作能力的准则。要尽量降低零件的生产制造成本，这要求从零件的设计和制造等多方面加以考虑。设计时要合理选择材料和毛坯的形式、设计简单合理的零件结构、合理规定零件的加工的公差等级以及认真考虑零件的加工工艺性和装配工艺性。另外要尽量采用标准化、系列化和通用化的零部件。

2.1.2机械手的总体方案

本次设计的机械手主要是用于采摘作业。类型为关节型机器人，因为

关节型的机器手在相同体积条件下比非关节型机器人具有大得多的相对空间和绝对空间。为了满足采摘高度等的要求该机器人具有6个自由度，即腰关节的转动、大臂的摆动、小臂的摆动、腕部的转动、腕部的俯仰、末端执行器的剪切运动。

该机器人的本体结构包括：机座（即底部和腰部的固定支撑）、腰关节传动装置、大臂（即大臂支撑架）结构及大臂传动装置、小臂（及小臂支撑架）结构及小臂关节转动装置、腕部（即腕部支撑架）结构及腕部关节转动装置、末端执行器。

任何一种机器都是由动力源、传动装置和执行机构组成。动力源是机器工作的能量来源，可以直接利用自然资源（也称一次资源）或二次资源转变为机械能，如水轮机、内燃机、汽轮机、电动机、液压马达、气动马达等。工作机是机器的执行机构，用来实现机器的动力和运动功能，如机器人的末端执行器就是工作机。传动装置则是一种实现能量传递和兼有其它作用的装置。

下面分别对机器人的驱动方式、传动方式以及机器人的各零部件材料作一一分析。

2.2机械手结构以及传动方案的确定

2.2.1机械结构类型的确定

为了达到采摘作业的要求以及满足不同高度和位置的要求，该机器人具有6个自由度，即腰关节的转动、大臂的摆动、小臂的摆动、腕部的摆动和转动、末端执行器的剪切运动。为实现以上要求，可以有不同的运动组合，本课题的运动可以从以下四种方案中进行选择：

1)直角坐标型机器人的空间结构是用三个相互垂直的直线运动来实

现的。由于直线运动易于实现闭环位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度。但机体所占空间体积大、灵活性较差。主要用于装配作业及搬运作业。

2)圆柱坐标型机器人的空间运动是一个回转运动及两个直线运动来实现的。这种机器人构造比较简单，精度一般，常用于搬运工作。

3)球坐标型（又称极坐标型）机器人的空间结构是由两个转动和一个直线移动所组成，即一个回转，一个俯仰和一个伸缩运动组成，其工作空间图形为一个球形，它可以作上下俯仰运动并能够抓取地面上或较低位置的工件，具有结构紧凑、工作空间范围大的特点，但结构复杂。精度不高，主要用于搬运工作。

4)关节型（又称回转坐标型）机器人的空间结构由三个回转运动实现的，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个关节都是回转关节，这种机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂间形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰摆动，小臂作俯仰摆动。其特点使工作空间范围大，动作灵活，通用性强、能抓取靠进机座的物体。关节型结构的机器人在相同体积条件下比非关节型机器人具有大得多的相对空间和绝对空间。

综上所述，关节型机器人既可以满足条件要求又具有其他形式机器人不具备的优点。所以，本文采用的机器人的结构形式为关节型结构。 2.2.2驱动方案的确定

目前机械手常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动、电动机驱动等多种方式，各种驱动方式有其自身的特点，在工业机器人中液压和气压驱动应用很广泛，一些机器人则同时采用多种驱动方式，这都视不同机器人的特点和要求所定。比较这些驱动方式的特点，从中选出适合移动机械手的驱动方式。

表2.1三种驱动方式的特点对照

内容 输出功率 液压驱动 很大，压力范围为50～140Pa 控制性能 利用液体的不可压缩性，控制精度驱动方式 气动驱动 大，压力范围为48～60Pa 气体压缩性大，精电机驱动 较大 控制精度高，功率较度低，阻尼效果差，大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂 较高 结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱 很高 伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置较高，输出功率大，低速不易控制，难可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制 响应速度 结构性能及体积 很高 结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱以实现高速、高精度的连续轨迹控制 动。功率质量比大，动。功率质量比大，减速装置，除DD电动体积小，结构紧凑，体积小，结构紧凑，机外，难以直接驱动，密封问题较大 安全性 防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险 对环境的影响 液压系统易漏油，对环境有污染 在工业机器人中应用范围 适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人和

密封问题较小 防爆性能好，高于1000kPa(10个大气压)时应注意设备的抗压性 排气时有噪声 结构紧凑，无密封问题 设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差 无 适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器 托运机器人 压机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具 人，如AC伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等 成本 维修及使用 液压元件成本较高 方便，但油液对环境温度有一定要求 成本低 方便 成本高 较复杂 机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有： 1)驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；

2)反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换；

3)驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小； 4)安全可靠； 5)操作和维护方便；

6)对环境无污染，噪声要小；

7)经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。

综上所述，本文选择电机驱动为机器人的驱动方式。另外，步进电机可以不必经过反馈便可以稳定调速，因此，本次设计的腰部转动关节、大臂摆动、小臂摆动均采用步进电机；腕关节的转动和摆动采用直流异步电机。

2.2.3传动方式

传动装置是一种实现能量传递和兼有其他作用的装置，它的主要作用

有:能量的分配与传递；运动形式的改变；运动速度的改变。传动通常分为两类:第一类是机械能不发生改变的传动—机械传动；另一类是机械能

转变为电能或电能转变为机械能的传动—电传动。机械传动又可分为啮合传动、摩擦传动和流体传动三天类。考虑机械手结构的实际情况，带传动、链动、齿轮传动和蜗杆传动是其可能的传动方式，在这里将对以上四种传动方式进行比较。

带传动：带传动通常是由主动轮、从动轮和张紧在两轮上的传动带所组成的。当主动轮回转时，依带与带轮接触面间的摩擦力拖动从动轮一起回转，从而传递一定的运动和动力。带传动具有的优点:有良好的挠性和弹性，有吸振和缓冲作用，因而使带传动平稳、噪声小；有过载保护作用，当过载时引起带在带轮上发生相对滑动，可防止其他零件的损坏；制造和安装精度与齿轮传动相比较低，结构简单，制造、安装、维护均较方便；适合于中心距较大的两轴间传动(中心距最大可达15米)带传动的主要缺点有:由弹性滑动的存在，使得传动效率降低，不能保证准确的传动比；由于带传动需要初始张紧，此时，当传递同样大的圆周力时，与啮合传动相比轴上的压力较大:结构尺寸较大，不紧凑；传动寿命较短；传动带与带轮之间会产生摩擦放电现象；不宜用于有爆炸危险的场合。现在一些新型带传动形式，如高速带传动、同步带传动、多楔带传动己经克服了以上大部分的缺点。

链传动：链传动是由链条和主、从动链轮所组成的。链轮上制造有特殊齿型的齿，依靠链轮齿与链节的啮合来传递运动和动力。链传动是属于带有中间挠性件的啮合传动。与属于摩擦传动的带传动相比，链传动无弹性滑动和打滑现象，因而能保持准确的平均传动比，传动效率较高；又因为链条不需要像带那样张得很紧，所以作用于轴上的径向压力较小；链条采用金属材料制造，在同样使用条件下，链传动的整体尺寸较小，结构较为紧凑；与齿轮传动相比，链传动的制造安装精度要求较低，成本也低；在远距离传动时，其结构比齿轮传动轻便的多。链传动的主要缺点是:在

两根平行轴间只能用于同向回转的传动；运转时不能保持恒定的瞬时传动比；磨损后易发生跳齿；工作时有噪声；不宜在速度变化很大和异速方向的运动中应用。链传动主要用在要求工作可靠，且两轴相距较远，以及其他不宜采用齿轮传动的场合。

齿轮传动：齿轮传动是机械传动中应用最为广泛的一类传动，常用的渐开线齿轮传动具有以下一些主要特点:传动效率高，在常用的机械传动中，齿轮传动的效率是最高的。一级圆柱齿轮传动在正常润滑条件下效率可达到99%以上，在大功率传动中，高传动效率是十分重要的:传动比恒定，齿轮传动具有不变的瞬时传动比，因此齿轮传动可用于圆周速度为200ms以上的高速传动；结构紧凑，在同样使用条件下，齿轮传动所需要空间尺寸比带传动和链传动小得多；工作可靠、寿命长，齿轮传动在正确安装，良好润滑和正常维护条件下，具有其他机械传动无法比拟的高可靠性和寿命。齿轮传动的主要缺点有:对齿轮制造、安装要求高；齿轮制造常用插齿机和滚齿机等专用机床及专用工具；通常的齿轮传动为闭式传动，需要良好的维护保养，因此齿轮传动成本和费用高；并且齿轮传动不适合中心距较大的两轴间的动力传递。

蜗杆传动：蜗杆传动是一种空间齿轮传动，能实现交错角为90度的两轴间动力和运动传递。蜗杆传动与圆柱齿轮传动和圆锥齿轮传动相比具有结构紧凑、传动比大、传动平稳和可以自锁等显著特点。蜗杆传动的主要缺点是:齿面摩擦力大，发热量高，传动效率低。蜗杆传动通常用于中、小功率非长时间连续工作的应用场合。

本文所选用的电机都采用了电机和齿轮轮系一体化的设计，结构紧凑，具有很强的带负载能力，但是不能通过电机直接驱动各个连杆的运动。为减小机构运行过程的冲击和振动，并且不降低控制精度，采用了齿形带传动。

齿形带传动是同步带的一种，用来传递平行轴间的运动或将回转运动转换成直线运动，在本文中主要用于腰关节、肩关节和肘关节的传动。 齿形带传动原理如图2.1所示。

齿轮带的传动比计算公式为

(2.1)

齿轮带的平均速度为

(2.2)

图2.1齿形带传动原理

谐波齿轮轮传动：谐波传动包括三个基本构件：柔轮、刚轮和波发生器。如下图所示。三个构件中可以任意固定一个，其余两个一个固定，一个从动，可以实现减速或增速（固定传动比），也可以换成两个输入、一个输出，组成差动传动。谐波传动主要用于军工、精密仪器生产、医疗器械、起重机、机器人等。谐波减速器见简图2.2、2.3。

图2.2 谐波传动原理图

图2.3 谐波传动减速器机构简图

波发生器H是一个杆状部件，其两端装有滚动轴承构成滚轮，与柔轮1的内壁相互压紧。柔轮为可产生较大弹性变形的薄壁齿轮，其内孔直径略小于波发生器的总长。波发生器是使柔轮产生可控弹性变形的构件。当波发生器装入柔轮后，迫使柔轮的剖面由原先的圆形变成椭圆形，其长轴两端附近的齿与刚轮的齿完全啮合，而短轴两端附近的齿则与刚轮完全脱开。周长上其他区段的齿处于啮合和脱离的过渡状态。当波发生器沿图示方向连续转动时，柔轮的变形不断改变，使柔轮与刚轮的啮合状态也不断改变，由啮入、啮合、啮出、脱开、再啮入??，周而复始地进行，从而实现柔轮相对刚轮沿波发生器H相反方向的缓慢旋转。

谐波齿轮传动的特点如下：

1)承载能力高 谐波传动中，齿与齿的啮合是面接触，加上同时啮合齿数（重叠系数）比较多，因而单位面积载荷小，承载能力较其他传动形式高。

2)传动比大 单级谐波齿轮传动的传动比，可达 i=70～500。 3)体积小、重量轻。 4)传动效率高、寿命长。

5)传动平稳、无冲击，无噪音，运动精度高。

6)由于柔轮承受较大的交变载荷，因而对柔轮材料的抗疲劳强度、加工和热处理要求较高，工艺复杂。表2.2列出了各种传动形式的传动效率：

表2.2 主要传动形式的效率

传动方式 带传动 链传动 圆柱齿轮传动 圆锥齿轮传动 蜗杆传动 谐波齿轮传动 丝杠传动 传动效率 0.9~0.98 0.93~0.97 0.9~0.99 0.88~0.98 0.4~0.98 0.7~0.9 0.85~0.95 本次设计主要采用了齿轮传动和带传动。减速器机构主要为齿轮减速机构和谐波减速器机构。

2.3制动器

制动器及其作用：制动器是将机械运动部分的能量变为热能释放，从而使运动的机械速度降低或者停止的装置，它大致可分为机械制动器和电气制动器两类。

在机器人机构中，学要使用制动器的情况如下：

1)特殊情况下的瞬间停止和需要采取安全措施。 2)停电时，防止运动部分下滑而破坏其他装置。 机械制动器：

机械制动器有螺旋式自动加载制动器、盘式制动器、闸瓦式制动器和电磁制动器等几种。其中最典型的是电磁制动器。

在机器人的驱动系统中常使用伺服电动机，伺服电机本身的特性决定了电磁制动器是不可缺少的部件。从原理上讲，这种制动器就是用弹簧力制动的盘式制动器，只有励磁电流通过线圈时制动器打开，这时制动器不起制动作用，而当电源断开线圈中无励磁电流时，在弹簧力的作用下处于

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