第一章緒論1.1課題的背景和意義中國的水果產(chǎn)量位居世界第一，其年產(chǎn)量超過了其他12個國家中任何一國的總量。采摘階段被視為果樹生長周期的一個關鍵步驟，它有著強烈的時間限制并且需要大量的人工投入，這部分人工占比達到了整體生產(chǎn)的35%-45%。近些年來，由于對農(nóng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，林業(yè)與水果業(yè)已逐漸成為了許多地區(qū)的經(jīng)濟增長引擎及農(nóng)戶收入的主要來源之一。隨著種植范圍不斷擴大，對大型標準化果園的管理需求也日益增大，從而使果園機械化變得更加重要。此外，果園收割工具的發(fā)展可以顯著減輕農(nóng)夫的工作壓力，提高效率，節(jié)約人力資源支出，同時也能帶來更高的經(jīng)濟效益。盡管我們國家的果園設備的研究開始得稍晚一些，但其基本建設仍有待加強，這使得我們的果園自動化水平相較于美國和其他發(fā)達國家仍然有所不足。然而，因為當前的大型采收機過于昂貴且只適合在大規(guī)模的果園中使用，所以小型農(nóng)場為了考慮經(jīng)濟利益而無法選擇這樣的方式來完成他們的采收任務。現(xiàn)階段，中國的水果主要通過手工的方式被采集。這個過程相當繁瑣，且受季節(jié)的影響較大。如果完全依賴人力進行這項工作，那么它的效果會非常有限，也會帶來大量的勞累，并可能使水果受到傷害。此外，由于人們需要花費大量的時間和精力去執(zhí)行這些任務，可能會錯過水果的最優(yōu)收獲時期從而產(chǎn)生經(jīng)濟上的虧損。面對這種情況，利用簡單的手工工具能夠減少在采收過程中對水果和果樹的損害，同時也能夠緩解人類的工作壓力，節(jié)約開支，提升效率。這種手動的采收裝置有著構(gòu)造簡潔、易于操作、安全舒適的特點，它可以在各種不同的果樹高度上使用，也比其他的巨型采收器械更加實用。再加上未來的老年人口比例上升，人工費用必然會有所增加，因此，配合著這種手工采收工具將會擁有龐大的經(jīng)濟價值和廣闊的使用前景。1.2機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢目前，國際上的水果采摘主要有兩種方式：機械化和機器人化。由于發(fā)達國家的人工成本增加與人口老化問題，他們在果樹栽培方面不得不依靠自動化手段來替代人工采摘。然而，迄今為止，主要用于生產(chǎn)的仍然是那些需要經(jīng)過處理的產(chǎn)品，比如水果汁中的柑橘類和臍橙等等，而易受損的新鮮水果則大多仍由人手或者機器協(xié)助的方式收取。事實上，從二十世紀中葉起，歐美諸國就開始對水果采收裝置進行了深入研究。到了1940s的中后期，美國的研究人員已經(jīng)開始探索震顫式的水果采集技術。進入五六十年代后，包括美國、德國在內(nèi)的歐洲各國，還有澳大利亞、日本等國的勞動力費用不斷攀升，使得越來越多的水果采集工具被運用在了各類水果的收集過程之中。現(xiàn)階段，最常見的水果采集器具通常會通過震蕩的方法讓水果脫離植物體。隨后，伴隨著提升臺的使用，也催生出了許多具有動力切割功能的采集器械，比如油鋸、機械剪刀等，這極大地提升了采集速度。在美國于二十世紀六十年代初次啟動了對水果蔬菜采收機械的研究后，隨后的幾十年里，尤其是八十到九十年代期間，伴隨著計算器科學與自控系統(tǒng)的飛速進步及人工操作機體(如工場用)的技術提升，加上電腦影像分析系統(tǒng)和人造智能科技日漸完善，使得這一領域的研發(fā)得以迅猛推進并取得突破性的成果。例如，由日本引領的一眾西歐先進國度——比如荷蘭、美洲諸國的加州等地都積極投入到了此項領域的工作當中;他們已經(jīng)成功的測試過一些像“萄葡”這樣的采集型人形設備，還有其他類似的產(chǎn)品像是橙子收集者或水果摘取裝置等等。然而受限于各種原因，美國的這項工程并沒有明確的目標或者說幾乎陷入僵局之中。另一方面，盡管近些年來的日本在這類產(chǎn)品上取得了顯著的成績且速度驚人，但是這些產(chǎn)品的實際應用仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)而無法完全進入商用的階段。相比之下，雖然歐洲的一些大語言模型們在這個問題上的探索還不夠深入廣泛，但在某些特定品種的問題解決上面還是有著不錯的表現(xiàn),部分韓國的研究團隊已開始研發(fā)針對果實采收的自動化設備。此種機械的工作機制基于識別番茄的色澤以評估其熟度，通過比較不同顏色的深度變化，從而決定是否收集完全熟透的番茄。然而，因為它的作業(yè)速度較慢，無法實現(xiàn)商品化并投入商業(yè)使用。在美國加利福尼亞州的一家名叫西紅柿機械設計的企業(yè)研發(fā)了一種新型采摘機，他們開發(fā)出一種無需使用機械臂的采收機器。該裝置能夠把整顆西紅柿全部吸收到篩選器中，包含其枝葉部分。內(nèi)部裝有一臺具有紅色視覺識別功能的篩選設備，它可以從眾多顏色中辨識出鮮艷的西紅柿并將它們分離出去，接著由傳送帶將其運輸至貨車的載物空間。而那些尚未熟透或帶有枝葉的部分則會被投入破碎機制中處理，最后被轉(zhuǎn)化為可用于施撒于土壤中的有機肥料。若果園內(nèi)的西紅柿產(chǎn)量充足，此款采收機器人每分鐘就能采集超過1噸的西紅柿，每天的工作效率可達70噸之多。由英國的Silsoe研究所研發(fā)的蘑菇采集機器人在定位、測量并挑選出合適的蘑菇后，能夠精確地對它們進行切割與收集。盡管其僅有3個活動軸，其中包括通過空氣動力系統(tǒng)實現(xiàn)移動軸和利用電機制造出的轉(zhuǎn)動軸，這種構(gòu)造既簡潔且經(jīng)濟。然而，因為蘑菇生長的過程中可能出現(xiàn)偏移現(xiàn)象，因此這個機器人的采摘效率大約只能達到75%，而它的采摘速率為每秒6.7次。荷蘭和日本均已著手進行黃瓜采摘機器人的研發(fā)工作。其中，日本所研制的黃瓜采摘機器人，具備六個自由度，可在專為采摘機器人打造的傾斜大棚內(nèi)運作。該大棚的設計特點在于其支架的傾斜性，使得黃瓜的莖葉得以纏繞其上。鑒于黃瓜果實的相對重量，其會在重力作用下與莖葉自然分離。此外，該機器人還裝備了攝像頭采集圖像，配合獨特的檢測裝置，依據(jù)反射特性的差異，實現(xiàn)對黃瓜與莖葉的精準識別與分離。位于終端操作工具上的檢測元件負責確定果梗的位置;其內(nèi)部包含了切割裝置以完成剪切任務，同時還配備有抓取黃瓜的手指機構(gòu)。90年代，荷蘭的農(nóng)業(yè)環(huán)境研究中心成功開發(fā)出一款專門針對黃瓜采收的機器人類別的人工智能機器人，它需要黃瓜遵循特定的垂直于地面的高掛線式種植模式。這款黃瓜采集機器人主要包括四個模塊：一輛可移動的小型車輛，一臺機械手臂，一套視覺識別系統(tǒng)以及一個終端執(zhí)行單元，共同構(gòu)成了一套采摘機器人系統(tǒng)。這套系統(tǒng)可在無人干預的情況下，在溫室環(huán)境中自主工作。在初步的實驗室測試中，該機器人實現(xiàn)了每54秒采摘一根黃瓜的速度。然而，由于其每次只能采摘一根黃瓜的機械臂設計，其效率尚不能滿足商業(yè)化應用的需求。此外，該系統(tǒng)對黃瓜的前期培養(yǎng)環(huán)境也提出了較高的要求。因此，目前該系統(tǒng)尚未形成實際的產(chǎn)品。雖然中國的水果種植業(yè)中關于機器化的工作開展得比較遲緩，但從上個世紀七十年代起就開始著手探索如何利用科技手段提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的問題并取得了一些成果。例如：通過不斷的技術創(chuàng)新與實踐積累，已經(jīng)開發(fā)出了一系列如山楂采集機器人(collector)等新型裝備;到了九十年代后則進一步發(fā)展為采用刀片式的收集方式以實現(xiàn)更高效便捷的手工取物過程;而到本世初期又出現(xiàn)了許多簡單實用的自動化處理裝置等等一系列的發(fā)展歷程表明我國的科研工作者一直在努力尋求解決傳統(tǒng)人工勞作帶來的種種弊端的方法及途徑。盡管中國的水果采收機器人研究尚處初級階段，但我們已經(jīng)在各個層面如機械手、終端設備及移動系統(tǒng)等方面對該領域的探索與研發(fā)進行了深入的研究[20-25]。借鑒了國際領先的技術，我們在機器人采收領域已經(jīng)取得一些初始進展，然而當前仍然停留在試驗階段，真正將其應用于農(nóng)作物的實際生產(chǎn)還需要一段時間。在中國國家專利中，有超過一百個關于水果采收器的專利申請，這些發(fā)明涵蓋了各種類型的機械型、電力驅(qū)動型和機械型的水果采集工具，部分可以實現(xiàn)單向或多向的水果收集功能，還有些能夠靈活調(diào)整角度以完成全范圍內(nèi)的水果采收工作。然而，現(xiàn)今市場上的商業(yè)化采摘工具種類相對有限，而且其售價高昂并且使用起來并不方便。中國對農(nóng)用機器人領域的研究開始于上世紀九十年代的中后期，與西方先進國家的起始時間相比略顯滯后，而關于水果蔬菜的采收機器人則仍處在初級探索階段。當前，許多國內(nèi)高校及科研單位正在開展相關課題如采摘機器人和智能化農(nóng)業(yè)設備的研究工作。例如，東北林業(yè)大學的陸懷民成功研發(fā)了一款森林樹種果實采集機器人，其核心部件包括五軸運動臂、移動結(jié)構(gòu)、液壓驅(qū)動力裝置以及微型計算機控制模塊。此外，郭峰等利用色彩影像處理技巧并結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡原理，設計出一款草莓篩選機器人，通過使用機械傳動器將其推送至不同級別分類區(qū)域。再者就是由浙大的應義斌帶領的一支隊伍已經(jīng)在著手打造一套全智能化的水果等級劃分體系。在深入研究了全球和國內(nèi)的研究現(xiàn)狀后，找到了兩個關鍵的問題。(1)雖然近些年我國對采收機械的發(fā)展做出了重大貢獻，例如開發(fā)出諸如采收工具、動力修剪收集設備等一系列多功能果園作業(yè)機具，然而從整體上看，我們的水果采收設備往往僅具備單一功能且效能低下，容易損傷水果并對產(chǎn)量產(chǎn)生較大影響，甚至有可能過早地采摘尚未熟透的果實。同時，這類設備的制造費用較高，使農(nóng)戶難以采用。另外，不同種類的水果種類繁多，各地的地貌環(huán)境差異明顯，再加上各個品種生長地點和成熟期的不一致，這對采收設備提出更高的要求。因此，全面實現(xiàn)水果采收自動化的難度很大，其實際應用效果并非盡善盡美。(2)在中國的大部分水果生產(chǎn)區(qū)域，看到的是個體運營和家族管理的方式，這使得農(nóng)技裝備的銜接出現(xiàn)問題，同時缺少能滿足大型集中現(xiàn)代化果園需要的機器來實現(xiàn)自動化作業(yè)的需求，從而引發(fā)了產(chǎn)量的減少及農(nóng)民技巧的不高的問題，這些都是制約著水果收割自動化的關鍵障礙。因此，研究開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單易操作、成本合理、普遍實用并且適合中國的實際情況的小型機械采摘設備已經(jīng)成了當前的研究重點。此外，傳統(tǒng)的手工采收方法也暴露出一系列的問題：首先是工作人員在操作中易受傷害，例如可能會因觸碰樹枝而遭受割傷或者摩擦傷;其次是對果樹產(chǎn)生負面影響，比如損壞其枝葉及花蕾;最后會直接影響水果品質(zhì)，因為單手摘取很容易出現(xiàn)脫蒂、抽心等情況，而且從高處采摘的水果更容易跌落至地面并受到內(nèi)外的創(chuàng)傷，從而影響外觀，不利于保存與儲存，進而削弱了經(jīng)濟收益。為推動當?shù)亟?jīng)濟增長，各地區(qū)政府紛紛推出了大量的旅游投資計劃，組織各類采摘節(jié)日慶典，如橄欖果節(jié)、桃子節(jié)等等，以吸引游客前往果園親自參與采摘，親口嘗試最新鮮的水果。若有一種便捷且安全的果實采集工具，既能讓游客盡情享受采摘之趣，又能保證自身的安全，同時也能避免對果樹造成任何損失。再者，農(nóng)民們可以通過少用農(nóng)藥來提升農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)省開支，減輕對環(huán)境的影響，讓游客享受到更健康、干凈的水果。本設計的特點此研究項目旨在設計一種利用機械臂來完成水果采集任務的設備，其結(jié)構(gòu)簡潔且易于操控。所選用的機械臂具有靈活的手部動作，這有助于減少人力投入并提升工作效能。被采收下來的水果能夠輕松地通過收集器件和傳輸系統(tǒng)。此外，該設備的手握部位可以增強整體的穩(wěn)定性能，從而減輕長期作業(yè)中工作人員手腕的負擔。借助這種以伸縮式機械臂為基礎的水果采集工具，可以在任何高度、任意角度的高樹上安全有效地摘取水果，既便捷又高效。本設計的目標此研究項目旨在設計一種利用機械手臂來完成水果采集任務的設備，其結(jié)構(gòu)簡明且易于操控。所選用的機械手臂能夠上下移動，這有助于減少人力投入并提升工作效能。被采擷下來的水果可以輕松地放入接納器中，然后通過傳輸系統(tǒng)將其運送至目的地。此外，手握部位還可以增強整體設備的穩(wěn)固度，從而減輕采摘人員因長時間作業(yè)而導致的腕部勞損。借助這種具有伸縮功能的機械手臂設計的水果采集設備，可以在不同的高度和角度下安全、快速地摘取高樹上的水果，既便捷又實惠?，F(xiàn)如今人們的日常生活中離不開水果如水果等產(chǎn)品的采集與運輸過程，這主要是因為未來可能會有需求或轉(zhuǎn)移到其他地方保存它們。然而現(xiàn)在的采收及移動方式已經(jīng)不再是傳統(tǒng)的手工操作模式——逐個挑選并堆積起來，這是因為過去的技術水平有限而必須依賴于人力的勞動力密集型工作方法。隨著科技創(chuàng)新持續(xù)進步，這樣的任務已無需再依靠人類的力量一一執(zhí)行，從而節(jié)約人力資源、降低生產(chǎn)費用的同時也能提高效率;通過采用先進的新興工具設備可以輕松地處理那些繁瑣且反復性的作業(yè)流程，使我們能夠更好地運用自身的優(yōu)勢能力和潛力從事更有意義的事業(yè)。此次采集與運輸?shù)哪繕藶樗?，當?zhí)行此項任務時，僅需關注如何有效地抓住并摘下水果，同時確保不會損傷果樹。這基于人類通常采用的人工方式去處理這些水果。在運輸過程中，也需考慮到僅沿Z軸(即垂直)方向旋轉(zhuǎn)水果，以實現(xiàn)堆疊的目的。這樣能最大限度地利用堆積物體占據(jù)的空間，例如通過長向堆放之后，再稍微調(diào)整位置以便更好地填充整個平面空間，從而使其完全覆蓋住該平面上的特定區(qū)域。因此，能夠借助自動化的手段去執(zhí)行一系列關于水果的操作，如摘果子與運輸?shù)??；谶@種方式，本研究的設計方案便采用了這些步驟，運用機械理論及控制系統(tǒng)實現(xiàn)了這個流程。對于水果的采集環(huán)節(jié)，我們可以采用機器手的爪子來模擬人類的拿法，這只機器手爪只需要做水平或垂直的開關式移動就可以了。接下來，我們要把已經(jīng)采到的水果旋轉(zhuǎn)一下，為此，在機器人的爪子上安裝了一個可旋轉(zhuǎn)的部件;同時，當我們將水果移走時，也需要考慮到它們的位置變化，即從一處轉(zhuǎn)移至另一處。按照空間運作的角度看，為了達到三個維度的運動，我們必須保證有四種自由度。綜合以上因素，我們的設備被命名為"搬運機器人"，能滿足采摘和運輸兩種功能的需求。第二章采摘搬運機器人方案設計2.1方案的提出和介紹此次選擇的搬運機器人是輕型機器人，參數(shù)如下：搬運機器人主要參數(shù)型號TCH1500-D-4動作類型多關節(jié)型重復定位精度±0.05活動半徑mm1000額定負載kg20周圍溫度℃-20-80重量kg110圖2-1水果采摘機器人2.2方案的結(jié)構(gòu)分析在這個總構(gòu)架里，執(zhí)行移動水果的步驟包括了對它實施傾斜操作的能力，這種能力由兩組旋轉(zhuǎn)關節(jié)完成，這些關節(jié)的工作方式與人類的手肘相似。這兩組旋轉(zhuǎn)關節(jié)均由伺服馬達控制其樞軸，選用伺服馬達的主要原因在于它們能夠根據(jù)不同情況調(diào)整轉(zhuǎn)速，而非固定不變。當需要提升或降低時，每個階段的高度都會有所差異且持續(xù)變動，因此常規(guī)電動機無法適應這一需求。為了確保精準性和靈活性，我們選擇了更高級別的伺服馬達為該部件提供動力。利用這兩個旋轉(zhuǎn)關節(jié)，我們可以實現(xiàn)拿起并傾斜水果的功能，同時也能圍繞垂直軸做搖晃和旋轉(zhuǎn)。若能成功地實現(xiàn)上述功能，則可使設備在水平面內(nèi)自由活動。為此，我們采用了單個伺服馬達帶動一組齒輪系統(tǒng)的方式，并將整套旋轉(zhuǎn)關節(jié)連結(jié)到大型齒輪上，使得隨著馬達的旋轉(zhuǎn)，整個機構(gòu)也隨之轉(zhuǎn)動。因伺服馬達負責推動，故能在每一次轉(zhuǎn)動過程中保持準確的角度和定位，從而實現(xiàn)了多方位、多種位置的移動物體任務。此外，當采摘完水果之后，需要定期地對其進行垂直旋轉(zhuǎn)，以利于運輸過程中的移動，此處使用了一個伺服馬達作為連接到機械手爪部分的動力源，從而實現(xiàn)了在采摘過程中水果被抓取并自行旋轉(zhuǎn)一次，以便使它從樹枝上脫離出來，進而完成一系列的移送操作。通過對此次機器人運輸?shù)幕緲?gòu)造解析來看，可以明確地了解它的主要工作能力;同時考慮到兩組旋轉(zhuǎn)軸間距的長度及整體移動手臂長度的情況，當執(zhí)行拾起與轉(zhuǎn)向操作時，因負載物的存在會導致連結(jié)于此部位的力量增加顯著，因此在此部分設置了一個強化部件以提升該位置的抗壓性能并確保能持續(xù)完成循環(huán)運動所需的時間要求。對于整體搬運機器人的各個組成部分進行功能性分析后，基本上可以明確地理解到這次搬運機器人的基礎工作原則和基本動作過程，并且了解了主要構(gòu)造部分的職能。如圖2-2所示：圖2-2水果自動采摘機總體結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，該機構(gòu)不僅可以完成對果實的抓取，抓取果實后可以將果實放入后面箱內(nèi)。第三章手爪驅(qū)動部分設計3.1基本原始參數(shù)在這次的采摘和運輸水果的機器人的總體結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)中，主要涵蓋了以下幾個部分。（1）四個自由度可以被理解為升降、垂直方向轉(zhuǎn)動、水平移動和垂直移動的過程。（2）根據(jù)主要運動關節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍，腰部關節(jié)的運動度數(shù)為，肩部關節(jié)的運動度數(shù)為，而肘部關節(jié)的運動度數(shù)則是。（3）最高速度：，在此，指的是其每個旋轉(zhuǎn)關節(jié)的旋轉(zhuǎn)線速度的數(shù)值。（4）可達半徑：1000mm，這意味著機器人的手臂長度最大可以達到。（5）驅(qū)動方式：交流伺服電機；（6）最大負載能力：10kg。（7）水果的基本尺寸是90毫米。（8）每分鐘的收獲量100個左右。3.2抓取的機械手爪設計這次的水果抓取任務，選用了一個機械手爪來完成，該機械手爪已經(jīng)被確定為一種標準配件，只需要根據(jù)其負載來估算它所需要的抓取能力，然后按照這樣的方式進行選擇。已經(jīng)確定了這次實驗的基本設定，其中最大承載量為100克，這相當于對該水果施加的壓力。因此，當機器人手臂試圖抓住這個水果時，首先要解決的是它被抓后所受到的阻力問題，這種阻力是由手和水果表面之間的摩擦產(chǎn)生，可以通過計算摩擦力的公式來了解這個問題。，當抓住水果時能確保其不會松脫，已知條件才能達到不會松脫的目標。用表示水果側(cè)面和機器手指間的磨擦因數(shù)，假設機器指頭為鋼鐵材質(zhì)，而水果表面被視為木材，兩者之間通常會在無潤滑液的狀態(tài)下產(chǎn)生磨擦。根據(jù)《機械設計手冊》第五版的第1章，可以找到這種磨擦因數(shù)的值，所以，這次握住水果的力量也就是抓緊力就等于已知道，本次選用的機械手爪需要具備足夠大的加持力，最低不小于。該設計機械手爪是一個平行開閉的設計，可以選擇亞德客產(chǎn)品系列的機械手爪，如下圖所示這就是該系列機械手爪夾持力的基本標準。表3-1機械手爪的規(guī)格規(guī)格101620253240使用流體空氣（不給油）動作方式雙作用最高使用壓力Mpa0.6最低使用壓力Mpa0.150.1周圍溫度℃-10-60重復精度±0.1觀察上述圖像可以發(fā)現(xiàn)，必須挑選一款具有32mm大小的電動手爪，該設備的加持力為，達到了本次設計的要求。根據(jù)機械手爪的規(guī)格型號，存在一個手爪開閉的過程。在閉合狀態(tài)下，手爪必須確保能夠穩(wěn)固抓取水果。根據(jù)水果的長度尺寸，確定其最大長度為180mm。因此需要查閱這款特定規(guī)格的手爪的開關基本尺寸，如以下圖片顯示的那樣。表3-2機械手爪的開閉行程尺寸ABCDEFGH667088481001501963812012414210218228232886138142160120200320366104因此，選定的型式的機械手爪為型，F(xiàn)值應設定為150mm，這是它能打開的最寬度。然而，考慮到機械手爪兩端的手爪接合點還有額外的間距要求，只需再增加一側(cè)的手爪與之對接即可完成對水果的抓取。配合自制的機械手爪，確保其在開關動作中能夠適應水果最長的尺寸限制，即180毫米。3.3機械手爪轉(zhuǎn)動伺服電機設計選型由于機械手爪使用了螺栓聯(lián)接的方式以確保其移動路徑，因此它始終保持與物品操作平行。當此次機械手爪抓住水果之后，必須將其旋轉(zhuǎn)一次，以便適應運輸完成之后的動作需求。在此處，驅(qū)動力器的旋轉(zhuǎn)部件由伺服馬達負責推動，而選擇和設計的伺服馬達則需依據(jù)其旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。以下是驅(qū)動設計伺服電機設計的計算步驟依據(jù)最初的旋轉(zhuǎn)速度，也就是說，當機械手爪抓取水果時，其最大尺寸為，那么它的旋轉(zhuǎn)直徑就是，，因此其旋轉(zhuǎn)速度也就是在此計算其轉(zhuǎn)動慣量的大小可以把這次的旋轉(zhuǎn)部分看作是一個矩形體，也就是棱柱在旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)的慣性依據(jù)如下圖和計算式計算。圖3-1棱柱轉(zhuǎn)動慣量的計算其基本的計算式如下：根據(jù)機械手爪、水果以及自行設計的抓手等物體的轉(zhuǎn)動重量，預測其重量為。：本次的長度是y：本次的寬度按照水果的寬度是所以依據(jù)伺服電機的選型準則，查閱伺服電機選型指南，本次電機轉(zhuǎn)軸的慣性需要滿足以下規(guī)定。表3-3伺服電機選型條件選定電機的轉(zhuǎn)子·慣量為負載的1/30*以上的電機kg·m2初步選定R88M-U20030()經(jīng)過檢索，選擇了這款伺服電機型號，該伺服電機的額定功率是，額定轉(zhuǎn)矩是，最大轉(zhuǎn)矩是，額定線電流是，轉(zhuǎn)子的慣量是，這些都滿足了本次測試的基本需求。3.4減速器的設計選型為了達到前述手爪捕捉到水果后所需旋轉(zhuǎn)速度的要求，選擇了此次選定的電動機運轉(zhuǎn)速度為，此必須確定適當?shù)臏p速比以匹配該電機，選擇減速比為，而這次挑選了與伺服電機使用的配套按照的行星減速器，供應商則為磊諾傳動。通過對適合伺服馬達的減速器的搜索，達到標準值伺服電機按照的減速器。本次選擇規(guī)格型號是，減速比選擇最接近計算數(shù)值的，具體信息如下圖展示。圖3-5PL60行星減速器尺寸要求3.5軸的設計計算3.5.1軸的設計計算（1）由《機械設計》式（15-2）初次推測出最小的軸直徑如下所示：dmin=A03√P1/n1為確保公式計算的準確性，需對公式內(nèi)的各項數(shù)值進行精確確定。所選擇的軸用的是經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的45號鋼材，這是根據(jù)《機械設計》中的表格15-3來確定的，其值設定為=112。根據(jù)之前的計算，P1=2.11kW，n1=237r/min（2）設計計算：dmin=A03√P1/n1=112×3√2.11/237=104.9mm軸的最小軸徑為d=(1+0.14)=119..6mm經(jīng)過調(diào)整后取值為120mm。滾動軸承的定位采用軸肩。根據(jù)《機械設計課程設計手冊》的數(shù)據(jù)顯示，30208型軸承的軸肩高度為h=4.5mm，故選取dⅣ-Ⅴ=49mm。c、在安裝齒輪的軸端段Ⅴ-Ⅵ處取直徑dⅤ-Ⅵ=50mm，根據(jù)計算結(jié)果可知，由于小齒輪的齒根圓到鍵槽底部的距離e<2mt(mt為端面模數(shù))，因此決定將齒輪和軸直接做成一體，形成齒輪軸的結(jié)構(gòu)。d、根據(jù)減速器和軸承端蓋的設計，軸承蓋的總寬度為20mm。為了方便拆卸軸承蓋并添加潤滑脂，端蓋的外端面到小皮帶輪右端面的距離設為l=30mm，因此lⅡ-Ⅲ=50mm。e、箱體內(nèi)壁距齒輪的距離a=16mm。為考慮到箱體的鑄造誤差，在確定滾動軸承位置時，應離箱體內(nèi)壁一定距離s，取s=8mm，通過已知條件滾動軸承的寬度為T=19.75mm，則lⅢ-Ⅴ=T+s+a=19.75+8+16=43.75mmlⅥ-Ⅶ=s+a=8+16=24mm此刻，軸的各段直徑和長度已經(jīng)確定。（4）軸上零件的周向定位小皮帶輪的周向定位采用平鍵連接，其截面尺寸b×h為8mm×7mm，該數(shù)據(jù)來源于《機械設計》表6-1中的dⅠ-Ⅱ項。鍵槽的加工采用鍵槽銑刀，其長度為40mm。為了保障小皮帶輪與軸之間的對中性，我們選擇了H7/k6的配合方式。對于滾動軸承與軸的周向定位，采用過度配合的方式，軸的直徑尺寸公差為m6。（5）確定軸上圓角和倒角尺寸查看《機械設計》中的表15-2，將軸的左端倒角設定為1.0×45o，右端倒角設定為1.6×45o，并參考表15-2確定各軸肩處的圓角半徑。（6）求軸上的載荷首先，根據(jù)圖7中的軸的結(jié)構(gòu)圖，制作軸的計算簡圖。確定軸承支點位置時，需查找手冊中的a數(shù)值（參見《機械設計》圖15-23）。針對30208型圓錐滾子軸承，從《機械設計課程設計手冊》中找到a=16.9mm。故簡支梁軸的支承跨距為64.35+64.35=128.7mm。根據(jù)軸的計算簡圖制作軸的彎矩圖和扭矩圖，詳見圖7。可以從軸彎矩和扭矩曲線中得知，截面C是軸的關鍵截面。接下來將截面C處計算得到的MH、MV和M數(shù)值填入下表（見圖3-6）。表2截面C的支反力、彎矩及扭矩數(shù)值Table2thesectionCofthereactingforce,bendingmomentandtorquevalue載荷水平面H垂直面V支反力FFNH1=1466N,FNH2=1466NFNV1=533.5N,FNV2=-533.5N彎矩MMH=94557N·mmMV1=34410.75N·mmMV2=-34410.75N·mm總彎矩M1=M2=√945572+34410.752=100624N·m扭矩TT1=85020N·mm圖3-6軸的載荷分析圖（7）按彎扭合成應力校核軸的強度對于校對過程而言，一般會針對承載著最高彎曲力和扭力的部分(也就是風險區(qū)域C)來檢查其強度。依據(jù)《機械設計》公式(15-5)及其表格內(nèi)的數(shù)值，加上軸僅能單方向運轉(zhuǎn)且扭轉(zhuǎn)剪切應力被視為波動性的循環(huán)壓力，選擇數(shù)值a=0.6，并以此作為對軸的計算應力σca=√M12+(aT1)2/W=√1006242+(0.6×85020)2/0.1×703=3.3MPa已經(jīng)確定的前軸材質(zhì)是45鋼并進行了調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)《機械設計》中的表格15-1查得〔σ-1〕=60MPa。因此σca<〔σ-1〕,可以認為其安全可靠。第四章轉(zhuǎn)動關節(jié)驅(qū)動部分設計4.1肩關節(jié)驅(qū)動電機設計選型此次搬運機器人裝備了肩關節(jié)和肘關節(jié)的驅(qū)動設備，其中肩關節(jié)部分使用伺服電機進行操作。選擇伺服電機時，需要計算其所驅(qū)動的物體的轉(zhuǎn)動慣量。本次的旋轉(zhuǎn)部分可以被視為一個圓形的旋轉(zhuǎn)部分，其基礎公式和圖像原理如下。圖4-1近似圓形的轉(zhuǎn)動慣量其計算式:旋轉(zhuǎn)的肩關節(jié)部分的轉(zhuǎn)動慣量：驅(qū)動部分的總重量：轉(zhuǎn)動的中心距離在計算本次轉(zhuǎn)動部分的總重時，需要將機械手爪、水果以及肩關節(jié)連接的擺動臂部分的總重納入考慮。前面已經(jīng)計算出了機械手爪驅(qū)動部分的重量，而其他連接部分的總重則是通過后續(xù)三維圖形測定得出的，，那么總體質(zhì)量就是。按照肩關節(jié)驅(qū)動部分的轉(zhuǎn)動半徑，計算了轉(zhuǎn)動部分的半徑，并以最大擺動半徑值作為計算依據(jù)。因此，代入上式得出查詢本次選擇的伺服電機型號為，該伺服電機的額定功率是，額定轉(zhuǎn)矩是，最大轉(zhuǎn)矩是，額定線電流是，轉(zhuǎn)子的慣量是，符合本次的基本要求。4.2減速器的設計選型同樣設計的減速器也是選擇配合伺服電機使用的配套按照的行星減速器，選擇的廠家是磊諾傳動。本次的選型電機的轉(zhuǎn)速是，需要的減速比是。本次選擇規(guī)格型號是，減速比選擇最接近計算數(shù)值的。4.3肘關節(jié)驅(qū)動電機設計選型同理，在選擇伺服電機的時候要計算它驅(qū)動的物體的轉(zhuǎn)動慣量，本次的轉(zhuǎn)動部分近似看成是一個圓形的轉(zhuǎn)動部分，其計算的基本式如下。其計算式:旋轉(zhuǎn)的肘關節(jié)部分的轉(zhuǎn)動慣量：驅(qū)動部分的總重量：轉(zhuǎn)動的中心距離本次的轉(zhuǎn)動部分的總重量，需要考慮機械手爪、水果部分和肩關節(jié)和肘關節(jié)連接的擺動臂部分的總重量，之前計算的肩關節(jié)前面驅(qū)動的總重量為，肘關節(jié)部分的連接臂根據(jù)查詢?nèi)S實體的重量是，那么總重就是。轉(zhuǎn)動部分的半徑，按照肩關節(jié)驅(qū)動部分的轉(zhuǎn)動半徑，本次按照最大擺動半徑值計算，所以代入上式查詢本次選擇伺服電機的型號是，該伺服電機的額定功率是，額定轉(zhuǎn)矩是，最大轉(zhuǎn)矩是，額定線電流是，轉(zhuǎn)子的慣量是，符合本次的基本要求。4.4減速器的設計選型同樣設計的減速器也是選擇配合伺服電機使用的配套按照的行星減速器，選擇的廠家是磊諾傳動。本次的選型電機的轉(zhuǎn)速是，需要的減速比是。本次選擇規(guī)格型號是，減速比選擇最接近計算數(shù)值的。4.5垂直方向轉(zhuǎn)動的伺服電機設計選型本研究中的垂直旋轉(zhuǎn)動力源為此次運輸機器人的基座上部所配備的馬達，該馬達選用了伺服型馬達以推動基座內(nèi)的巨大輪盤實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動。在此過程中需要對輪盤內(nèi)全部負載物體的質(zhì)量進行評估，并以此確定所需的轉(zhuǎn)動慣量以便挑選合適的馬達類型?？紤]到之前提到的肘關節(jié)驅(qū)動單元的質(zhì)量，還需進一步了解這塊大型輪盤的轉(zhuǎn)動慣量及其與肘關節(jié)驅(qū)動單元電動機總重的關系。通過查閱相關三維模型及伺服馬達的具體參數(shù)后發(fā)現(xiàn)，這次的大型輪盤中所有的物品總質(zhì)量約為，而大轉(zhuǎn)動圓盤的直徑則是。因此，計算大圓盤的轉(zhuǎn)動慣量的公式如下：驅(qū)動部分的總重量是：轉(zhuǎn)動部分的直徑，經(jīng)過檢索，選擇了這款伺服電機型號，該伺服電機的額定功率是，額定轉(zhuǎn)矩是，最大轉(zhuǎn)矩是，額定線電流是，轉(zhuǎn)子的慣量是，這些都滿足了本次測試的基本需求。4.6減速器的設計選型同樣設計的減速器也是選擇配合伺服電機使用的配套按照的行星減速器，選擇的廠家是磊諾傳動。本次的選型電機的轉(zhuǎn)速是，需要的減速比是。本次選擇規(guī)格型號是，本次的減速比選擇數(shù)值的，那么得知大小齒輪傳動的減速比是。4.7回轉(zhuǎn)部分的齒輪傳動設計4.7.1選擇齒數(shù)和齒面接觸疲勞強度設計在這次選擇的大小齒輪中都采用了8級精度的，，并選擇。初步篩選小齒輪的齒數(shù)，大齒輪的齒數(shù)即為，選取。選擇非對稱的安裝方式，查找，并確定齒寬系數(shù)按照，按照如下公式（1）確定載荷系數(shù)由于是帶有輕微的載荷沖擊，選擇（2）高速小齒輪的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩此處的轉(zhuǎn)速是，功率根據(jù)伺服電機的功率計算得出，因此（3）：為材料系數(shù)，查詢表得出（4）兩個齒輪的接觸疲勞強度極限由圖查得（5）那么應力循環(huán)次數(shù)計算如下在這次的實驗中，參考了每天工作16小時并且使用10年的情況。（6）、由圖查得，（7）接下來來計算彎曲應力按照安全系數(shù)，我們選擇為，本次按照較小值就是4.7.2計算（1）選擇小齒輪分度圓直徑（2）計算圓周速度v（3）計算載荷系數(shù)根據(jù)表格查詢，，圓周速度就是，8級精度，圖查的，那么，由圖查的，所以最終的（4）校正分度圓直徑就是（5）計算模數(shù)，選擇標準模數(shù)的規(guī)格為4.7.3齒輪傳動幾何計算（1）兩齒輪（2）兩齒輪（3），，取4.7.4校核齒根彎曲疲勞強度校核的公式如下（1）大小齒輪的、按圖查的（2）大小齒輪的、由圖查的，（3）確定選取，所以（4）查詢和查詢表8.5，，，，（5）并計算大小齒輪的并加以比較（6）校核計算鑒于大齒輪的數(shù)值較高，就根據(jù)這個大齒輪來進行核查和計算。因此符合此次設計要求強度?？偨Y(jié)本次設計的對象是水果自動采摘機，它成功地達到了所有方位的需求并進行了有效的革新。隨著城市的快速擴張及建筑物的持續(xù)增建，這都是過去幾十年間由強勁的經(jīng)濟成長所推動的結(jié)果;同時，當前工業(yè)發(fā)展迅速且廣泛應用各種機器設備于各行各業(yè)中，配合現(xiàn)代化的自動控制系統(tǒng)的使用可滿足多個機器的無人操縱化、適合于多元場景與危險環(huán)境下的運作。采摘工作屬一項復雜而具有高度風險性的任務，其產(chǎn)出相當龐大但過去經(jīng)常依靠人力進行的采摘方式因效能差并伴隨著安全問題等原因?qū)е滦枰淖冞@樣的方式來提高效益。盡管我國對機械人科學技術的探究起始于八十年代的國家科研項目中，但是根據(jù)現(xiàn)有的成就分析表明，我們在該領域已具備相當多的研發(fā)能力與技巧，例如對于系統(tǒng)軟體及硬體的開發(fā)技能;包含動力學理論等方面的知識體系及其路徑計劃策略等等都取得了顯著的成績并成功地制作出了大量的核心組件產(chǎn)品。在此基礎之上我們也進行了一些突破性的工作：不僅使其能夠用于設備安裝環(huán)節(jié)而且還能運用到如油漆涂抹、電弧切割或激光熔接等多種復雜操作場景之中去發(fā)揮作用。然而即便如此仍舊無法否認的是國內(nèi)在這項領域的不足之處依然明顯可見——譬如說國產(chǎn)商品的安全性和質(zhì)量水平相形之下就顯得較為落后且加工精度也有待提升等問題依舊突出而這些問題都是需要通過持續(xù)努力來解決的問題所在。隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，各國對于機器人這一新興領域的研究興趣不斷增加，特別是各種機器人之間的聯(lián)系和共同點成為研究的重要方向，同時計算機技術的進步也大大推動了機器人向智能化、多樣化發(fā)展的方向邁進。致謝行文至此，意味著這篇論文的寫作進入尾聲，四年的大學生活也即將結(jié)束。畢業(yè)設計作為大學生活的終點，也是我未來的工作階段的起點，是對自己學習大學生活與實踐的一次總結(jié)。通過完成本次課題，鍛煉了我處理實際問題的能力。當然本次設計得以順利完成，離不開我指導老師的精心指導。老師嚴格的學習精神和職業(yè)操守是值得我學習的榜樣，奉獻精神和嚴謹?shù)慕虒W態(tài)度是我人生的楷模。我個人對指導老師的感激無法用語言表達。就我個人而言，我非常感謝指導老師的幫助。本次課題工作量較大，因為之前沒有處理過類似的設計。我不知道如何設計進行，在指導老師的精心指導下，實現(xiàn)了水果采摘臂結(jié)構(gòu)設計及分析。在完成畢業(yè)設計的時間里，我獲得了很多實踐經(jīng)驗，在重復的修改的過程中，培養(yǎng)了我對工程設計的嚴謹態(tài)度。在最后，我不得不離開這所對我自己人生有著深遠影響的母校。此時，我仍然有一些遺憾，我曾經(jīng)想多到圖書館、教室多學習點知識，后悔一些專業(yè)課沒有認真聽課，也沒有讀很多書。但是我是幸運的，因為我遇到了最好的母校以及最好的老師，謝謝他們對我學業(yè)上的幫助。還有在生活和學習中幫助我的室友們。我親愛的大學，愿你的未來像雄鷹在天空中翱翔。這段畢業(yè)設計經(jīng)歷真的讓我收獲滿滿，也讓我明白了，要完成一個任務，得付出多少努力、耐心和毅力。一開始，我對機械專業(yè)的基礎知識只是停留在書本上，感覺離實際應用還很遠。但現(xiàn)在，我深刻地意識到，這些知識都是日常工作中不可或缺的工具。這次畢業(yè)設計，讓我真正體會到了知識的力量，也讓我更加珍惜在校園里學習的時光。最后，我要向那些幫助過我的老師們表示由衷的感謝。他們不僅給了我很多寶貴的建議，還在