棉花采集機械手的設計摘要針對國內棉花采收存在的問題，提出了運用棉花采摘機械手代替人工和采棉機采收的方法。在對棉花農業(yè)特性及收獲特性分析的基礎上，結合新疆棉花種植模式以及棉花采摘要求，遵循機械手設計原則，設計了一種5自由度多行采收的關節(jié)型棉花采摘機械手。為使機械手能夠高效靈活地收獲口標空間棉鈴，盡可能減小機械臂的操作空間和結構尺寸，結合采摘對象棉鈴的生長分布空間和作業(yè)要求，分析了在給定空間下的設計變量、優(yōu)化口標和約束條件，建立了優(yōu)化設計的數(shù)學模型，并利用MatLab優(yōu)化工具箱進行編程，實現(xiàn)了棉花采摘機械手的機構參數(shù)優(yōu)化。關鍵詞：棉花采摘機械手機構設計工作空間優(yōu)化設計DesignofManipulatorforCottonCollectionAbstractInviewofthedomesticcottonharvestingproblems,andputsforwardthemethodofusingartificialcottonandcottonpickerharvestinginsteadofpickingmanipulator.Basedontheanalysisofcharacteristicsofagricultureandharvestcharacteristicsofcotton,cottonplantingpatternandthecombinationofXinjiangcottonpickingrequirements,followthemanipulatordesignprinciples,designa5degreeoffreedomforrecoverythejointtypecottonpickingmanipulator.Themanipulatorcanharvesteffectivelytargetspaceboll,operatingspaceandstructuresizeasmuchaspossibletoreducethemechanicalarm,withthegrowthofthespatialdistributionofBollpickingobjectandoperatingrequirements,analyzesthedesignvariablesinagivenspace,optimizetheexportstandardandconstraints,Themathematicalmodelofoptimaldesignisestablished,andtheoptimizationofthemechanicalparametersofthecottonpickingmanipulatorisrealizedbyusingtheMatLaboptimizationtoolboxKeywords:CottonPickingManipulatorMechanismDesignWorkspaceOptimizationDesign目錄TOC\o"1-2"\h\z\u緒論 4第1章棉花采摘機械手機構設計 5第1.1節(jié)目標采摘區(qū)域與對象分析 5第1.2節(jié)棉花采摘機械手機構設計 5第1.3節(jié)研究現(xiàn)狀 6第2章棉花采摘機械手機構參數(shù)的優(yōu)化設計 11第2.1節(jié)棉花采摘機械手工作空間的確定 11第2.2節(jié)機械手 12第3章機械手的設計 16第3.1節(jié)設計方案 16第3.2節(jié)手指數(shù)量 16第3.3節(jié)手指關節(jié)數(shù)量 16第3.4節(jié)尺寸的設定 17第3.5節(jié)材料的選擇 18第4章動力源的選擇 19第4.1節(jié)微小型驅動模塊的研究 19第4.2節(jié)電機的選擇 19第4.3節(jié)步進電機的確定 20第5章傳動方式選擇和設計 21第5.1節(jié)微小型傳動模塊研究 21第5.2節(jié)輸出端齒輪 215.3幾何尺寸計算 24第6章其他零件的設計 26第6.1節(jié)手掌的設計 266.2手指底座 26第6.3節(jié)第一個指節(jié) 27第7章其他硬件系統(tǒng) 30第7.1節(jié)傳感器 30第7.2節(jié)單片機 31第7.3節(jié)圖像識別系統(tǒng) 31第8章工作原理流程及形態(tài) 33第8.1節(jié)工作原理 33第8.2節(jié)工作形態(tài) 34小結 39致謝 40參考文獻 41附錄 42緒論我國是種棉大國，棉花采收一直是制約棉花經濟效益提高的重要因素之一。我國棉花的采摘方式主要為人工采摘和采棉機采摘。人工采摘效率低、勞動強度大、采摘成本高、對身體傷害大；采棉機采摘雖然效率高，但其成本太高，采摘質量低。而我國棉花種植地域遼闊、規(guī)模不一，新疆采用集約經營方式，生產規(guī)模比較大；而內陸采用的是粗放、分散的經營方式，規(guī)模小、纖維短、收獲期長，使得機械化采棉有可能在新疆大規(guī)模實施外，在廣大內陸產棉區(qū)是很難實施的}z-o因此，開發(fā)一種適合我國棉花種植情況、采棉速度快、質量高的棉花采摘機械手具有廣闊的市場應用前景。農業(yè)采摘機器人的作業(yè)環(huán)境特殊，作業(yè)對象復雜，對機械手的結構要求很高。直接購買現(xiàn)有的工業(yè)機械手，很難達到理想的采摘效果。針對這種情況，本文根據(jù)新疆建設兵團農八師棉花栽培模式下采摘目標的空間分布特征，基于棉花的農藝特性，在分析其生長和采摘特性的基礎上，對棉花采摘機械手進行了機構設計，建立了機械手參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學模型，綜合棉花空間分布情況以及機械手實際工作空間，對機械手結構尺寸參數(shù)進行了優(yōu)化設計。第1章棉花采摘機械手機構設計第1.1節(jié)目標采摘區(qū)域與對象分析對新疆建設兵團農八師149團棉花生長狀況和棉株形態(tài)及種植環(huán)境進行調研。結果表明：棉株高一般為(700—750)mm，株行距配置為(100+660+100mm，株距為95mm。成熟的棉鈴因光合作用大部分盛開方向為向上，吐絮的棉花通常由3~5瓣籽棉組成，棉鈴基本上均勻地分布在整個棉株上；棉鈴高度基本在(200—750)mm之間，單行棉株前后分布在300mm范圍內，相距100mm的兩行棉株前后分布在400mm范圍內。根據(jù)調研結果最終確定y，一面相鄰兩行植株的采摘區(qū)域為圖1.1所示的ABCD矩形區(qū)域，寬400mm，高880mm。第1.2節(jié)棉花采摘機械手機構設計 棉花采摘機械手的機構設計與其作業(yè)對象和作業(yè)環(huán)境密切相關。其作業(yè)對象是棉花，體積小、質量輕；機械手結構盡可能緊湊、簡單、輕巧，而且應具有擬合空間任意曲線的功能。棉花采摘機械手既要遵循工業(yè)機械手的基本原則，又要考慮其工作的特殊性，由于棉花在棉株上的分布具有隨機性，且莖、葉多且雜，使棉花采摘機械手的作業(yè)環(huán)境比較復雜。因此，采用關節(jié)型結構最為合適。棉花采摘機械手確定為關節(jié)型結構之后，還要確定其自由度數(shù)目以及運動方式。在實際應用中，機械手的自由度數(shù)目與機械手采摘對象的特性、作業(yè)方式、作業(yè)環(huán)境等關系密切。由于棉花采摘機械手的采摘對象棉花每一朵由3瓣籽棉組成，而且質量小，針對棉花此種特性，采用喇叭口型吸附式末端執(zhí)行器，用于實現(xiàn)末端姿態(tài)的棉花采摘機械手手腕只需要一個自由度即可實現(xiàn)棉花吸附。傳統(tǒng)的關節(jié)型機器人有一個腰部旋轉的自由度，在x_y,平面內的工作區(qū)域為扇形，這樣會使采摘空間重疊，造成空間浪費。把腰部旋轉改為線性導軌的前后移動，在x_y,平面內作業(yè)區(qū)域為矩形更好。由于棉花采摘量大，時間緊，所以采摘效率是棉花采摘機械手設計中不得不考慮的問題。為了提高采摘效率，采取兩個措施：一是在本體兩旁各安裝一個機械手，可以同時采摘機器人兩旁的棉花；二是在線性導軌的滑塊和大臂之間增加一個伸縮桿，使其可以同時采摘4行棉花，分別記為A1，A2，A3，A4(如下圖所示)，當滑塊向前移動時，采摘A1，A2行棉花，此區(qū)域稱為M區(qū)域棉花；當其返回時，伸縮桿伸長，采摘A3，A4行棉花，此區(qū)域稱為N區(qū)域棉花。圖示1.1棉花的模型綜上所述，棉花采摘機械手最后確定有5個關節(jié)，關節(jié)動作分別為滑塊移動、伸縮桿移動、肩關節(jié)旋轉、肘關節(jié)旋轉及腕關節(jié)搖擺。圖2為棉花采摘機械手的機構簡圖。第1.3節(jié)研究現(xiàn)狀在1968年的時候美國就已經有了關于如何用機器人去采擷蔬果的研究課題，基本上都是用氣動震搖式或者機械震搖式這兩種方法進行作業(yè)。比較明顯的缺陷是收獲的蔬果很容易損壞、而且工作的效率也達不到預期的效果，尤其是其不能夠有選擇的進行采摘，而且并不是非常的適用于收獲鮮嫩柔軟的果實。只不過在這后面，相關的科技技術發(fā)展的很快，尤其是工業(yè)機器人等等技術發(fā)展的越來越好，專門研究怎么樣用機器人進行采擷的課題也有了一些進展，技術上也有所突破。1.3.1國外研究現(xiàn)狀專門從事于農業(yè)行業(yè)工作的人在發(fā)達國家里面比較少，比如說德國、美國等國家。再加上現(xiàn)在農業(yè)生產規(guī)模越來越大、越來越多種多樣，這個時候，缺乏勞動力的弊端就展現(xiàn)了出來。很多的農業(yè)上的工作比如說挑選蔬果、人工嫁接這些都是非常需要很多勞動人口的，而且旺季的時候，缺少勞動力的這個弊端就不能夠很好進行處理。也是因為這樣的原因，所以很多發(fā)達國家都開始去探究農業(yè)機器人及相關課題，并且都收獲了不少的果實。日本專門用來噴灑農藥的機器人之所以能夠全自動的進行噴灑，就是因為裝置了感應傳感部件。專門用來進行嫁接的機器人能夠在非常短的時間里面，將直徑只有不到一厘米的蔬果苗根莖切口嫁接起來，跟人工嫁接的速度比起來快了很多。施肥用的機器人可以靈活的在作物間極小的間隙中進行移動，四個窄小的橡膠車輪都能夠橫移90度。研究人機協(xié)作型機器人就是為了把找尋、鎖定等待采摘果實還有導向機器人的工作交給負責人來進行，而控制系統(tǒng)則是進行規(guī)劃機器人所要進行移動的軌跡等等。日本kondo及其他人研發(fā)出來的采摘葡萄等機器人，用的是自由度為5的極坐標機械手臂，控制的頂端機械臂能夠平行的、勻速在葡萄架下面采摘果實。在出產花卉的時候應用扦插育苗機器人能夠把生產效率提升很多。日本東北農業(yè)試驗場順利研發(fā)了比較簡單的扦插育苗機器人控制系統(tǒng)。英國Silsoe研究院所研發(fā)的采蘑菇機器人能夠自動的對蘑菇進行地點、巨細查探，隨后挑選性的進行采擷、裁剪。在1986年的時候，意大利卡塔尼亞農業(yè)產業(yè)發(fā)展部門跟美國Florida大學聯(lián)合研發(fā)出功能齊全、擁有伺服視覺技術的采摘柑桔機器人，并且投入到收獲柑桔的實際使用當中。日本岐阜大學也與其本國的蔬菜茶葉研究部一起開發(fā)了用于采摘茄子的機器人。美國與以色列的研究員也一起研發(fā)了用于采擷甜瓜的機器人。日本的Murakami等人共同研發(fā)了用于采擷甘藍的機器人。1.3.2國內研究現(xiàn)狀在20世紀九十年代的時候，我們國家才剛剛投入到農業(yè)生產機器人的研發(fā)當中，時間比發(fā)達國家慢了許多，只不過發(fā)展非常的迅速，大部分有條件的高校、研究院都在做智能農業(yè)機械、農業(yè)機器人的研發(fā)工作。最先開始在我國探究自動嫁接技術的書中國農業(yè)大學的張鐵中教授，其順利的研發(fā)了自動嫁接法、自動旋切貼合法嫁接技術，為我國自動化嫁接技術開創(chuàng)了先河，在自動化嫁接技術上面我國也能夠獨立擁有自主知識產權。浙江大學應義斌教授探索出的自動水果分級機器人系統(tǒng)獲得了我們國家“863”計劃的大力扶持。上海交通大學機器人研究院的曹其新等人專攻智能農業(yè)機械的探索研發(fā)，目前為止成功的研發(fā)出了智能化聯(lián)合收割機等農業(yè)機器人，并且還在努力開發(fā)黃瓜采擷機器人、草莓自主選擇機器人。在二十世紀九十年代的時候，吉林大學的王榮本等人就已經投入到農用自動導向行走車的研發(fā)工作當中。浙江工業(yè)大學張立斌等人、南京農業(yè)大學沈明霞等人也投入到農用機器人的視覺研發(fā)工作里面。江蘇大學紀良文等人在研制用于噴灑農藥的機器人時，把超聲波測距當做輔助機器人視覺系統(tǒng)。江蘇大學陳樹人等人所進行的西紅柿機器人視覺研究、中國農業(yè)大學楊麗鄙視所研發(fā)的幼苗分切移植機器人系統(tǒng)、吉林工業(yè)大學與吉林農業(yè)研究員聯(lián)合研發(fā)用于除草的機器人都有很大的突破與收獲。周云山等人研制的蘑菇采擷機器人的技術在我國是非常領先的，東北林業(yè)大學陸懷民研發(fā)了用于采擷林木秋果的機器人，西北農業(yè)科技大學則是探究蘋果采擷機器人的手臂控制問題。第2章棉花采摘機械手機構參數(shù)的優(yōu)化設計第2.1節(jié)棉花采摘機械手工作空間的確定工作空間是采摘機械手工作性能的一個重要體現(xiàn)。根據(jù)國家標準，機械臂的工作空間由主連桿的幾何參數(shù)決定，而其主連桿的結構參數(shù)主要包括各臂的長度、關節(jié)轉動范圍等。因此，棉花采摘機械手的機構參數(shù)優(yōu)化設計主要是確定主連桿機械臂長度和關節(jié)轉動范圍，在滿足采摘要求情況下，使尺寸盡可能大。本機械手在伸縮桿沒有伸長時，采摘M區(qū)域棉花；在其伸長時，采摘N區(qū)域棉花。由于M區(qū)域和N區(qū)域棉花模式及特性完全一樣，故機械手在兩個區(qū)域的工作空間是一樣的。因此，本文只討論機械手采摘M區(qū)域棉花時的工作空間。棉花采摘機械手機械臂主連桿(L1和L3)在橫平面內確定的工作空間由滑塊在導軌上移動的距離L2決定。主連桿在縱平面內確定的工作空間如圖2.1所示。圖2.1棉花采摘機械手機構簡圖圖2.2主連桿機構縱平而內確定的工作空間第2.2節(jié)機械手機械手也可以叫做操作機，也就是說其擁有跟人類手臂差不多的功用，而且還能夠讓作業(yè)對象進行空間運動的機械設備，機器人進行實際操作的時候必須要依靠它而進行。在用于采擷的機器人里面，其要做的是把頂部作業(yè)器挪動到需要采擷的蔬果所在的地方，在進行作業(yè)的空間需要能夠讓機械手采摘到任意對象蔬果。機械手的種類繁多，基本上能夠分為多關節(jié)等。多關節(jié)機械手又可以叫做擬人機器人，跟其他的構造相比需要愈加的靈動便捷。權衡機器人機能的關鍵之一就是機械手的自由度，機器人靈活與否、控制難度都取決于機械手。2.2.1工業(yè)機械手工業(yè)機械手發(fā)展的非?？?，二十世紀八十年代的時候就有人發(fā)明了多指手，這里面的標桿就是stanford/JPL三指手、Utah/MIT四指手。1982年salisbury所開發(fā)的Stanford/JPL手在以前以及現(xiàn)在這個年代都是標桿性的三指手，其第一次援用了模塊化的策劃理念，而且還對人手進行了模擬，擁有九個自由度。Stanford/JPL手在多指手里面能夠成為標桿不單單只是因為自由度多、關節(jié)多的這種模塊化構造，最主要的是其第一次全面的運用了觸感等傳感器系統(tǒng)，多指手感知外界環(huán)境的風潮完全被其掀了起來，而且其也是第一個用多指手做到實際抓取操作的。在1998年的時候德國所研發(fā)的DLR-I多指手當其自由度數(shù)量超出固定值的時候，就會將全部的電路、驅動器都集聚在手指、手掌亦或是手腕當中，在當時被譽為世界上最繁雜、集成度和智能程度最好的靈巧手。美國異行中心在1999年所研發(fā)出來的Robonaut手，是專門用在國際空間站當中，主要是讓其能夠替代人在風險極大的太空環(huán)境里面做到機艙外實際作業(yè)。自20世紀80年代以來，我們國家大部分的研究機關就陸續(xù)的投入到多指手的研發(fā)工作里面，在這里面有著標桿性的就是北京航空大學以及哈爾濱工業(yè)大學。北航很早就投入到了多指手的研究工作里面，在1993年的時候就已經順利的研發(fā)出了我國第一只多指手，然后以此為基本，又陸續(xù)的研發(fā)出了BUAA-II等多種型號的多指手。哈爾濱工業(yè)大學以HITI多指手為基本，通過多次的改良研發(fā)成功了HIT/DLR多指手。2.2.2農業(yè)機械手最先研發(fā)成功的農業(yè)機械手——SDOF番茄收獲機械手跟一般的農業(yè)機械手根本不一樣，其是由很多桿件構成的空間開式鏈構造，設計比一般采摘用的機械手要好而且操控起來靈活許多，只不過并不可以用來抓取質量較大的物體，不然負載會超重。桿件的數(shù)量跟機械手身的重量成正比，特別是用來采摘、運送西瓜等重量較大的蔬果時，研發(fā)機械手時一定要從構成局部、內部構造這兩方面入手，讓其的負載能夠增加。連續(xù)軌跡、點位控制這兩種都是機械手的控制方式。一般在機械手初始地點跟作業(yè)對象之間沒有障礙的時候就會用點位控制，因為這個時候不用顧及移動的途徑，這個路徑也是不能夠預判的。有的時候會有根莖等一些障礙物阻攔，這個時候就要用到連續(xù)軌跡這種方式，去控制機械手的電機運轉速度還有原定移動軌道去抵達作業(yè)對象所在位置。末端執(zhí)行器安裝在機械手的末端，其功能類似于人手，是直接與目標物體接觸的部件。在末端執(zhí)行器設計之前，不僅需要研究工作對象的物理特性(物體大小、體積、形狀、重量)和機械特性(young、模量、泊松比、粘性、摩擦阻力、剪切阻力等)，還包括電特性和光學特性以及生物學特性和化學特性等。末端執(zhí)行器的形式主要有吸盤式(真空式吸盤、噴射式負壓吸盤、擴散式負壓吸盤、擠壓排氣式吸盤、電磁式吸盤等)、針式、噴嘴式、杯狀、多關節(jié)手爪式、順應型指結構等，通常是末端執(zhí)行器都是專用的(N.Kondo,1998)接近傳感器和觸感傳感器這兩個都是頂部作業(yè)器非常需要的關鍵傳感器。獲取作業(yè)對象所處位置、避開障礙物等等都要用到接近傳感器。壓力傳感器等都去屬于觸感傳感器的范疇。在成功抓取之后，末端執(zhí)行器還要將果實從果柄上剝離下來。切斷、擰斷都是剝離方法。如果有足夠的條件，一般都會切斷果柄去剝離果實，免得進行擰斷的時候損壞蔬果留下傷痕，致使蔬果被外界細菌侵襲壞掉，所以說桃子等果實一般都會留下果柄。只不過面對一部分果柄不長的果實，想要剪斷就不容易了。末端執(zhí)行器的指關節(jié)、手指數(shù)目決定了其采摘的效果，數(shù)目越多，其自由度更加高，在進行抓取的時候就更為靈巧，效果更顯而易見。只不過很多靈巧手系統(tǒng)比較繁雜而且成本不低，不能夠通用，還正在實驗程序當中，并沒有能夠投入到農業(yè)實際應用。怎么樣完善末端執(zhí)行器的靈活程度、通用程度、還有有關于成本的難題，這些都是蔬果采摘機器人末端執(zhí)行器以后所要探究的主要方向。第3章機械手的設計第3.1節(jié)設計方案果蔬采摘機器人的機械手在進行采摘時會直接觸碰到目標。很多機械手觸碰果實的地方都用橡膠等軟原料，就是為了不讓果實被損傷。因為果實的外形特點比較多，如橢圓形等等，所以在設計末端執(zhí)行器的時候要主要要針對指關節(jié)數(shù)目等暴露出來的難題進行分析。第3.2節(jié)手指數(shù)量果實果實的外形分規(guī)則和不規(guī)則兩大類。采摘一些形狀規(guī)則的小型蔬果時，很多采摘機器人都用裝有吸盤的兩根直手指的末端執(zhí)行器直接采摘果實。相比于兩根手指的，經過探究的三根手指的采摘機器人，在進行采摘的時候更加的穩(wěn)定。雖然說四根手指、一個吸盤用來采摘西紅柿的機器人效果比較好，但是不容易操控。在采摘相對來說比較大的蔬果時，即使其形狀規(guī)則，但是使用兩根手指的機器人明顯不可以。西瓜采摘機器人用的是帶著橡膠四根手指，通過橡膠與西瓜接觸而產生的摩擦力采摘果實。除了這些以外，還有一部分比較特別的機械手，梳子式的龍?zhí)资种缚梢园雅c作業(yè)對象相鄰的果實分開。手指的多少還有形狀跟果實的外形有著非常大的關聯(lián)，基本上手指越多，采摘效果就更加好，只不過控制也不簡單，所以說要在手指數(shù)目、控制的簡易程度等方面找到均衡的點。按照設計的要求來看，選用三個手指的機械手最為恰當。第3.3節(jié)手指關節(jié)數(shù)量在采摘大部分規(guī)則果實的時候，機械手的手指一般都是用一個關節(jié)的。擬人的柔軟手指，因為原材料選取以及操控難度比較大，所以探究的收獲很少。夏柑采摘機器人的柔軟手指，手指的頂端是用柔軟的鋼線與人工肌肉關聯(lián)起來的，在人工肌肉進行收縮的時候，鋼線的拉力讓手指指尖可以柔軟的進行彎曲。西紅柿采摘機器人的手指一般都是四個指關節(jié)，同伙設計采摘機器人的控制還有其控制研究的收縮，讓手指出現(xiàn)各種形狀的彎曲。因為采摘的果實都不一樣，人工肌肉的收縮力度等等都不容易控制。因為控制關節(jié)非常不簡單，所以在進行設計的時候一般都用兩個關節(jié)的手指。第3.4節(jié)尺寸的設定機械手的構造以及大小都可以人類手指的長度比例，還可以根據(jù)實際情況進行減小或者增大，或者按照設計出來的靈巧手的作業(yè)地方進行合適的微調。在測量了某學校的青少年學生的手指長短之后，有了以下如表3.1所示的數(shù)據(jù)。表3.1和表3.2里面所所列出來的人手各個指關節(jié)長短大小都可以提供給多指靈巧手的設計。圖3.1擬人手指簡圖表3.1人的右手各關節(jié)長度的平均值單位（mm）性別年齡人數(shù)LA1LA2LB1LB2LB3LC1LC2男20-2320039.229.950.130.624.153.933.5女20-2310035.428.4462922.155.132.6平均----38.529.649.330.323.850.534.5表3.2人的右手各關節(jié)長度的平均值LC3LD1LD2LD3LE1LE2LE3F1F225.252.432.824.843.725.822.683.1101.223.548.351.522.439.622.920.577.997.324.951.732.524.442.925.222.282.2100.5根據(jù)以上數(shù)據(jù)和設計的要求和合理性，三個手指設計統(tǒng)一長度，其中第一個關節(jié)長度為55mm，第二個關節(jié)長度為40mm，手指寬度為22mm，手掌直徑為。第3.5節(jié)材料的選擇因為手指要進行采摘的蔬果并不是特別的龐大，也為了盡可能的減少重量，一般都輸用鋁合金來用作手指構造的原材料。手指的中間部位要加上橡膠等軟體，緩沖手指跟果實的觸碰力度，并且還可以讓兩者之間的摩擦力更大。。

第4章動力源的選擇第4.1節(jié)微小型驅動模塊的研究因為專用混合式步進電動機效率非常高、運轉速度也非常的快才用其來驅動機械手，尤其是它還有自鎖的這種特點，設計機械手手指的時候可以參照它。仿照人手抓取物品到穩(wěn)固握緊之后，手指借著電機的自鎖特點可以很好的保持住穩(wěn)定的抓取力度。運用專用步進電動機控制芯片和驅動芯片構成的系統(tǒng)，它具有外圍電路相對來說不難等優(yōu)勢。根據(jù)上面所說的，用混合式步進電動機去驅動機械手手指，利用電機專門用來控制的芯片與微型處理器連結起來的操控系統(tǒng)可以讓機械更柔軟的進行抓取。第4.2節(jié)電機的選擇步進電機就是把電脈沖的信號變更為線位移或者角位移的開環(huán)控制部件。在沒有過大負載的時候，電機的運轉速度、所停止的地方只跟脈沖信號的頻率還有脈沖數(shù)相關，并不會被負載變動而影響到，步進驅動器每收到一個脈沖信號，它就會推動步進電機跟著原本定好的方向旋轉一個特定的角度，也叫做“步距角”，它是按照特定的角度去逐步轉動的。我們能夠去限定脈沖的數(shù)量來把握角位移的角度，以做到精準定位；我們還可以操控脈沖的頻度去控制電機運動的速度以及加速度，以做到調整速度。4.2.1步進電機的主要特性（1）一定要加驅動器才能夠讓步進電機進行作業(yè)，只有脈沖信號才能夠做驅動，假如脈沖消失的話，步進電機就會停止工作，假如其接收到了脈沖信號那么就能按照特定的角度進行運動。脈沖的頻率越高則起運動的速度就更快。（2）瞬間啟動以及急速停止這兩個優(yōu)點在步進電機身上特別的明顯。（3）脈沖的次序一旦出現(xiàn)變化，其運動的方向也很容易就會發(fā)生變化。第4.3節(jié)步進電機的確定通過對機械手的分析，考慮到本次設計的機械手的工作情況，以及設計要求，在互聯(lián)網和專業(yè)書籍中對步進電動機篩選最后決定選用電機型號：PM10s-020-zst7，電機轉速500r/min轉矩圖4.1電機參數(shù)第5章傳動方式選擇和設計第5.1節(jié)微小型傳動模塊研究采摘機械手的傳動系統(tǒng)按照特定的方法傳送驅動器運動而出現(xiàn)的力到手指當中，然后才能夠讓關節(jié)做出動作。傳動系統(tǒng)的相關設定與驅動器關聯(lián)非常的大。如果使用自己設計的微型齒輪減速器去傳送驅動器形成的力，那么手指的大小和重量會變小，而且采摘功能和抓取時的穩(wěn)定性都可以得到提升。手指的構造還有其他方面的要求都要全面的進行探究思考，傳動的方法就用齒輪進行，這樣子不僅可以讓傳送效率提高，還能夠確保整體結構的大小，讓傳動更加的穩(wěn)定。第5.2節(jié)輸出端齒輪5.2.1選擇材料及精度等級根據(jù)設計需要，輸出端齒輪直接與電機連接，選用直齒圓柱齒輪傳動，轉速不高，故選用7級精度，齒輪材料為45鋼（調制），硬度為240HBS。令小齒輪的齒數(shù)為18。5.2.2按接觸強度進行初步計算由《機械設計》中設計計算公式10-9a進行試算，即（5-1）（1）試選載荷系數(shù)Kt=1.3（2）輸出轉矩（3）由《機械設計》中選取齒寬系數(shù)φd=1。（4）由《機械設計》中查得材料的彈性影響系數(shù)（5）由《機械設計》中按齒面硬度查得接觸疲勞強度極為（6）由《機械設計》中計算應力循環(huán)次數(shù)。（5-2）（7）由《機械設計》中取接觸疲勞壽命系數(shù)（8）計算接觸疲勞許用應力。取失效概率為，安全系數(shù)S=1,由《機械設計》中得(5-3)（9）試算齒輪分度圓直徑d將[σH]代入上式得(4-1)（5-4）（10）計算圓周速度(5-5)（11）計算齒寬與賜稿之比(5-6)(5-7)(5-8)(5-9)（12）計算載荷系數(shù)根據(jù)，7級精度，由《機械設計》中查得動載系數(shù)；直齒輪；由《機械設計》中查得使用系數(shù)；由《機械設計》中用插值法查得7級精度，非對稱布置由，查《機械設計》中得；故載荷系數(shù)(5-10)（13）按實際載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式10-10a得(5-11)(5-12)5.2.3按齒根彎曲強度設計由《機械設計》中式得彎曲強度得設計公式為(5-13)（1）由《機械設計》中查得齒輪1得彎曲疲勞強度極限（2）由《機械設計》中取彎曲疲勞壽命系數(shù)；（3）計算彎曲疲勞許用應力取彎曲疲勞安全系數(shù)，由《機械設計》中式10-12得(5-14)（4）計算載荷系數(shù)K(5-15)（5）查取齒形系數(shù)由《機械設計》中表10-5查得；代入上式(3-13)(5-16)5.2.4確定模數(shù)對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關?？扇∮蓮澢鷱姸人愕玫哪?shù)。5.2.5確定齒數(shù)按接觸強度算得的分度圓直徑，算出輸出端齒輪的齒數(shù)(5-17)為使輪齒免于根切，對于的標準直齒圓柱齒輪，應取。由于輪齒主要為磨損失效，為使輪齒不至于過小，故小齒輪不宜選用過多的齒數(shù)，一般可取。所以選取輸出端齒輪的齒數(shù)為第5.3節(jié)幾何尺寸計算5.3.1輸出端齒輪（1）計算分度圓直徑(5-18)（2）計算齒頂圓直徑(5-19)（3）計算齒根圓直徑(5-20)5.3.2從動齒輪根據(jù)設計的要求和設計尺寸，從動齒輪與輸出端的齒輪中心距設為。由《機械設計》表10-2中的公式可得（1）（2）分度圓直徑（3）頂圓直徑（4）計算齒根圓直徑第6章其他零件的設計第6.1節(jié)手掌的設計為了使手指能在手掌上旋轉運動形成不同的角度，將手掌底座設計成圓盤型如圖6.1所示。掌心則是長方形。兩邊形成圓角便于手指的旋轉如圖6.2圖6.1手掌底座圖6.2手指底座采摘手就兩個指節(jié)，要完成在手掌上的旋轉需要有個連接底座。一是支撐手指，二是完成旋轉運動其結構。圖6.3手指底座在手指底座的左端連接在手掌上，并由異步電機驅動旋轉。在右邊的結構中來連接第一個關節(jié)，并安裝微型電機通過齒輪傳動使手指完成抓取運動。內部結構如圖6.4圖6.4內部結構第6.3節(jié)第一個指節(jié)第一個指節(jié)長55mm，寬22mm。通過一個連接件與手指底座的傳動軸過度連接，從而帶動手指的轉動。同時在一手指內也裝有一個異步電機，來傳動第二個手指轉動。連接件如圖6-5，手指零件如圖6-6，內部結構如圖6-7圖6.5連接件圖6.6手指一零件圖6.7內部結構第6.4節(jié)第二個指節(jié)第二個指節(jié)長40mm，它的動力來源是第一個指節(jié)上的電機。根據(jù)人機工程學理論，人手在自然狀態(tài)下手指成彎曲狀態(tài)，當手掌繃緊時指尖也與手掌自然形成一定角度。通過測量這個角度平均在之間。所以在設計中第二個指節(jié)與第一個指節(jié)通過連接件連接時的起始位置就形成一個角。連接件和指節(jié)二如圖6.8和6.9所示，手指總裝配如圖6.10所示。圖6.8連接件圖6.9指節(jié)二圖6.10手指總裝配圖 第7章其他硬件系統(tǒng)第7.1節(jié)傳感器傳感元件是采摘手工作是重要的組成部分，采摘手對與果蔬的表皮損害程度取決于傳感元件，所以提議使用應變式壓力傳感器。它的作業(yè)機理就是通過應變計還有彈性敏感元件把被測試的壓力轉變成為相關電阻值改變的壓力傳感器。黏貼式應變計是所有應變計里面用的最多的。輸出信號不大、動態(tài)響應能力不強、線性范圍小這些都是它比較明顯的缺陷。只不過應變片的體積并不大，商業(yè)性質的應變片型號比較多可以讓我們選用，而且巧妙的設計彈性敏感元件的形狀可以很好的切合很多作業(yè)地點，所以說用應變片做出來的應變式壓力傳感器依舊可以很好的利用。因為每種彈性敏感元件都不一樣，應變式壓力傳感器基本上都是分為膜片式等一共四種。按照設計的概況我們可以選用膜片式。旁邊穩(wěn)定的金屬平膜片是它的彈性敏感元件。膜片因為受到壓力而形狀發(fā)生變化的時候，中心地帶切向應變和徑向應變都會到正的最大數(shù)值，而邊緣地帶徑向應變會到負的最大數(shù)值，切向應變則變成零。所以說一般都是在正負最大值的地方一一貼好應變片，而且還要銜接成相互靠近橋臂的半橋電路從而得到更高的靈敏度以及彌補溫度的用處。如果用圓形箔式應變計的話，就可以把膜片的應變功效完全的應用起來。這樣類型的傳感器非線性比較明顯。膜片式壓力傳感器的最新型的產品是把應變片還有彈性敏感元件的特點全部集中在單晶硅膜片身上，也就是說用集成電路的技術在單晶硅膜片的身上去制造電阻條，而且還用旁邊穩(wěn)定結構做出的固態(tài)壓力傳感器。圖7.1膜片式應變力傳感器第7.2節(jié)單片機本系統(tǒng)用的是STC89C52單片機，匯編語言和C語言都是研發(fā)這個單片機的關鍵語言。機器代碼簡單等等都是匯編語言的特點，只不過想要編寫大型應用程序的時候，從內部RAM單元的規(guī)劃到堆棧的保護等等，特別是在編寫程序需要大量計算的時候，用其來編寫程序就比較有難度了。所以說，除了一部分比較特殊的模塊匯編之外，很多時候都是用計算比較豐富的C語言。第7.3節(jié)圖像識別系統(tǒng)一般是在機械手手掌中間的位置裝置攝像頭，然后根據(jù)反饋回來的顏色去判定所要抓取對象的所在位置。RGB等等顏色模型都是在處理彩圖的時候用的比較多的。三基色原理是RGB模型的根本，是最基礎的展示顏色的模型，除此之外的模型都可以經過RGB的轉變而得出。HSV模型可以直接用彩色特性意義里面的亮度等三個量：亮度或明度(V)、色調(H)、飽和度(S)去描繪顏色，而且這跟大家對于顏色的描繪慣性非常的契合，只不過這個模型展現(xiàn)出來的顏色也有一些不是視覺可以感覺到的。第8章工作原理流程及形態(tài)第8.1節(jié)工作原理工作原理的流程圖見圖8.1所示。在流程圖上可以看的出來，機械臂驅動機械手朝著蔬果靠近的這個過程里面和蔬果之間出現(xiàn)擠壓并且出現(xiàn)壓力，傳感器所檢測到的壓力信號傳遞給單片機，讓其判定有沒有到達力閉值的標準，這個力閉值是按照實際應用操作而進行設立的，也就是在不損傷蔬果的基礎上稍微小過可以穩(wěn)定采摘的力度。果實被機械手擠壓的時候，如果到了力閉值的標準那么就會機械手就會被引發(fā)進行作業(yè)，所以說設計機械手時仔細探究力閉值的標準對于穩(wěn)定觸動機械手來說非常的重要。如果到了力閉值機械手就會被觸動并且開始作業(yè)穩(wěn)定的抓住蔬果，手腕往上移動，把目標蔬果跟其他蔬果分開，免得在切斷的時候損壞了其他的蔬果也是為了不讓旁邊的障礙影響到機械手的穩(wěn)定操作，順利采摘之后再放開蔬果并且機械手回到原來的位置上。隨后機器的視覺系統(tǒng)就要進行判定蔬果是不是還在原來的位置，如果是那就證明采摘失敗則要進行第二次的采摘，如果不在原來的位置那就是完成采摘，轉換目標蔬果進行下一次作業(yè)。圖8.1工作流程第8.2節(jié)工作形態(tài)因為果蔬的形態(tài)各有不同，采摘機械手可以變換手指位置對不同形狀的果蔬進行抓去任務。通過Solidworks建模進行間隙驗證推算抓取范圍。下面對主要的三種形態(tài)進行分析。8.2.1形態(tài)一三指并攏狀態(tài)如圖8.2所示，最小抓取直徑為16.5mm，最大抓取直徑為60mm，長度大于80mm的棒狀物體，如黃瓜之類的果蔬最佳，抓取狀態(tài)如圖8.3和8.4所示。圖8.2形態(tài)一圖8.3最小抓取形態(tài)圖8.4最大抓取形態(tài)8.2.2形態(tài)二形態(tài)二如圖8.5所示三指互成120°，在這種狀態(tài)抓取球狀物體最為穩(wěn)定。抓取范圍為直徑在70—100mm之間球體。抓取形態(tài)如圖8.6和8.7所示。圖8.5形態(tài)二圖8.6最小抓取圖8.7最大抓取8.2.3形態(tài)三形態(tài)三如圖8.8所示，兩個活動手指平行達與固定手指對立相比形態(tài)一抓取做大直徑為95mm。如圖8.9所示圖8.8形態(tài)三圖8.9最大抓取小結在畢業(yè)設計的過程中，我遇到了一些阻礙，深深地感受到了自己對相關知識的了解還不夠深入，對于軟件的運用也不夠純熟，在設計中存在著許多疑惑，這表明我的知識水平還不夠。在此，對過程中遇到的一些問題進行列舉：1.在初步確定設計的時候，因為對具體零部件的詳細尺寸和相關機械不夠了解，無法制定詳細的加工方案，并為了獲得所需效果，進行了反復的修訂，拖延了設計的過程。在計算中，也是由于數(shù)據(jù)誤差的原因，錯誤估計了帶輪和齒輪的加工尺寸，導致計算所得和實際有所區(qū)別，因此也對其進行了修改。2.在機械手結構設計中也花了不少時間，因為要考慮微電機的安裝和整體外形尺寸。手指見間的連接，手指的驅動等諸多問題的考慮。3.本次設計前半部分中，使用三維軟件對機械手做出建模，仿真，為了更直觀的看到其效果，還制作了運轉動畫。其中也出現(xiàn)了設計方案和實際實驗結果尺寸有所偏差的問題。總而言之，這次設計讓我發(fā)現(xiàn)了自己的許多不足，由于平時缺乏實踐，對專業(yè)知識學習的不夠用心，在運用時就出現(xiàn)了困難。尤其在設計方案的制定時，對許多問題考慮缺乏全面性，導致小錯誤比如尺寸計算錯誤等不斷發(fā)生，需要對零件進行反復修正，浪費了許多時間。期望在今后有其他畢業(yè)生能夠克服我的問題，做到十全十美。致謝對于這次畢業(yè)設計的完成，最需要致以誠摯的謝意的是對我的母校——燕京理工學院，是母校給予了我優(yōu)良的學習環(huán)境和濃厚的學習氛圍，讓我得以將知識凝練扎實，運用純屬，明白了終生學習的必要性。還要感謝母校的老師，我能完成這份畢業(yè)設計，無法離開老師的理解和幫助。特別是我的指導老師，在論文的撰寫和反復修改期間都給與了我足夠的耐心，時時監(jiān)督者我，關心著我，是一位良師益友。真誠的說，黃新成老師的教導會讓我受益終身。同時也特別感謝張宏老師從忙碌的工作中抽身出來，給我進行了指點和教導。最后，也要對答辯組的各位老師致以謝意，謝謝你們在百忙之中聽我答辯。關于這次畢業(yè)設計，由于本人學識有限，對相關軟件的掌握程度還不夠成熟，同時限于時間等客觀因素，導致最后的仿真畢業(yè)設計還沒有達到最理想的程度，存在著一些缺陷和不足，一定程度上影響了實驗結果，這讓我感到有些遺憾。當然，畢業(yè)設計的完成并不是個結束，我在以后的生涯中也將繼續(xù)延續(xù)這一課題深入下去，相信在未來的某一天能將其更加完善。在本次設計中，我也收獲良多，再次復習和運用了所學知識，掌握了一些軟件設計的技巧，提升了自己的學識水平，同時也提高了自己的操作能力，為以后的人生打下了一些基礎。參考文獻[1]吳宗澤,羅盛國.機械設計課程設計手冊.3版.北京：高等教育出版社2006.5.[2]濮良貴,紀名剛.機械設計.8版.北京：高等教育出版社,2006.5.[3]毛謙德,李振清.袖珍機械設計手冊.2版.北京：機械工業(yè)出版社,2002.[4]孫桓,陳作模,葛文杰.機械原理.7版.北京：高等教育出版社,2006.5.[5]梁喜鳳.番茄收獲機械手機構分析與優(yōu)化設計研究〔D].杭州：浙江大學，2004.[6]陳利兵.草茍收獲機器人采摘系統(tǒng)研究[D].北京：中國農業(yè)大學，2005.[7]方建軍.移動式采摘機器人的研究現(xiàn)狀與進展[J].農業(yè)工程學報，2004(2)：273-278.[8]陸懷民，林木球果采摘機器人設計與試驗[[J].農業(yè)機械學報，2001,32(6)：52-58.[9]梁喜鳳，苗香雯，崔紹榮，等.果實采摘機械手機構設計與工作性能分析[J].農機研究所，2004（2）：133-136[10]殷際平，何廣平.關節(jié)型機器人[M].北京；化學工業(yè)出版社，2003附錄程序：#include