第頁輪軸和刀片切割的時候?qū)ιＧo的損壞程度需要進一步考量。1-1桑葉采摘機整體結(jié)構(gòu)示意圖1手動操作機構(gòu)2.增速機構(gòu)3開口空心齒輪軸4接葉籃5桑樹6刀片胡迎春等REF_Ref20634\r\h[9-11]研究發(fā)的搖桿式桑葉采摘機、往復(fù)式桑葉采摘機和螺旋式桑葉采摘機，他們設(shè)計的桑葉采摘機采用曲柄搖桿機構(gòu)設(shè)計，對于桑葉采摘模塊機構(gòu)設(shè)計的研究較為深入，但是其存在一些缺陷，該機構(gòu)需要人工將桑葉送到采摘機的采摘機構(gòu)上面，不僅如此，該機構(gòu)未設(shè)計桑葉收集裝置。1-2搖桿式桑葉采摘機曲柄2.連桿3.勾型導(dǎo)軌4.勾型導(dǎo)軌凹槽5.導(dǎo)軌滑塊6.采桑桿7.半圓環(huán)刀具8.導(dǎo)輪9.U型塊10.彈簧往復(fù)式桑葉采摘機REF_Ref21258\r\h[10]的機械結(jié)構(gòu)簡單，但是需要人工來完成桑葉的采摘收集，不僅如此，需要定位的時間較長，整體的效率較低REF_Ref21258\r\h[7]。螺旋式桑葉采摘機REF_Ref21258\r\h[11]該采摘機械存在的問題的問題是需要人工定位和人工收集。1.減速電機2.聯(lián)軸器3.螺桿4定位塊5.采桑桿6.刀具7.光桿8.弓形導(dǎo)軌9.帶傳動機構(gòu)圖1-3螺旋式桑葉采摘機江蘇大學(xué)的趙德安、趙慶波和楊文亮等REF_Ref21258\r\h[12-13]設(shè)計的升降和小臂伸縮的五自由度的串聯(lián)關(guān)節(jié)型蘋果采摘機器人，該蘋果采摘機目前仍處于研究中，研究人員對視覺伺服控制、執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計取得了進一步的進展。圖1-4蘋果采摘機器人中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的李偉等REF_Ref21258\r\h[14]研制了黃瓜收獲機器人該機器人主要由移動平臺，果實識別定位系統(tǒng)、采摘機械臂、柔性末端執(zhí)行器和能源系統(tǒng)模塊。圖1-5黃瓜收獲機器人1.2.2國外桑葉采摘研究現(xiàn)狀從桑收的機械發(fā)展進程來看，日本的桑收獲機械發(fā)展水平最高，機械化水平也最高，至今已研制出很多類型桑園的桑葉收獲機械，如專門用來采摘片葉的吸引型脫葉收獲機，后來又結(jié)合使用乙烯利和赤霉素等脫葉劑，對脫葉收獲機作了改進，減小了作用間隙,增大了吸入風速，大大提高了脫落葉的收集效率，日本目前普及的機種如下:(1)畦間步行式一信光式H-MS500型(普通桑園用);信光式TZ500型(普通密植桑園兼用);(2)跨畦步行式一信光式CH型(普通密植桑園兼用);園型割捆式MK35型(密植桑園用);神田農(nóng)機式一割捆改良型(密植桑園用)REF_Ref28968\r\hREF_Ref28968\r\h[15]。法國的蘋果采摘機器人來自法國國立農(nóng)林機械研究所的Pednc和Motte研制了“MAGAL”蘋果收獲機器人，機器人通過CCD攝像機進行果實圖像采集，采下來的果實通手臂滑落收集箱里REF_Ref28968\r\hREF_Ref28968\r\h[6]。綜合桑葉采摘機械的設(shè)計和采摘機械手設(shè)計的文獻，雖然研發(fā)出了很多的采摘機械，取得了一定的進展。桑葉機械研究方面，但是大多數(shù)的機械采摘機械的設(shè)計主要是在末端采摘器方面的研究，我們知道桑葉采摘想要實現(xiàn)自動化全程采摘，僅僅靠末端采摘器是不行的。所以基于這一現(xiàn)實，本人在設(shè)計了一款可以自動實現(xiàn)桑葉采摘收集的桑葉自動采摘機機械手。1.3本課題研究的主要內(nèi)容國內(nèi)外有很多的研究人員和學(xué)者個人或者團隊在桑葉采摘的領(lǐng)域做了很多的研究工作，但是枝葉類采摘收獲智能化設(shè)計有著很多的難題需要克服，大多數(shù)的采摘類研究集中在采摘機械的某一部分深入研究，例如機械臂，末端執(zhí)行器，機器視覺系統(tǒng)等等的單方面研究。對于將機械臂，末端執(zhí)行器，視覺識別系統(tǒng)結(jié)合起來，設(shè)計出一個可以落到實處的采摘機器人，可以自動完成采摘的整個過程，將研究成果轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)力。本文在查閱國內(nèi)外對于采摘機械手，桑葉采摘機構(gòu)的設(shè)計方面的經(jīng)驗，結(jié)合自身素質(zhì)條件，確定了本課題的研究內(nèi)容：本文在以往桑葉采摘機械設(shè)計的基礎(chǔ)上提出四自由度的機械臂設(shè)計和兩自由度的末端執(zhí)行器設(shè)計相結(jié)合，設(shè)計出可以可以實現(xiàn)自動桑葉采摘收獲的過程。本人模仿人類采摘桑葉的動作設(shè)計了電動推桿為動力源，雙面材料的剪切刀具和驅(qū)動采摘執(zhí)行器的機械臂的設(shè)計，著重設(shè)計驅(qū)動電機所需參數(shù)和采摘機械手的三維模型的建模設(shè)計。2設(shè)計方案2.1設(shè)計方案2.1.1整體思路本次設(shè)計的桑葉采摘機機械手是代替人工桑葉采摘，目的是為了能夠有效的減小桑葉采摘的勞動強度，減小采摘對人體的傷害，解放人力勞動。所設(shè)計的桑葉采摘機能夠?qū)Σ煌叨鹊纳Ｈ~進行相應(yīng)的調(diào)整，實現(xiàn)對桑葉的采摘，提高我國傳統(tǒng)農(nóng)林產(chǎn)業(yè)的機械自動化水平。2.1.2整體方案確定圖2-1整體設(shè)計圖根據(jù)設(shè)計要求確定的總體結(jié)構(gòu)圖如上圖2-1，整體結(jié)構(gòu)包括四自由度的機械臂結(jié)構(gòu)和兩自由度的剪切機構(gòu)。移動部分主要使用推車為桑葉采摘機械手運載，上面加裝了采摘機械手，視覺識別攝像頭、傳感器，電源等等。傳動部分主要包括機械手臂組成的腰部支撐軸，剪切機構(gòu)驅(qū)動力選用已經(jīng)商品化的電動推桿，大臂，小臂。小臂選取了線性模組。其轉(zhuǎn)動均采用伺服電機。選用行星齒輪減速器減速，線性模組的末端連接有法蘭盤，法蘭盤將線性模組和采摘執(zhí)行裝置連接。末端執(zhí)行器選用氣缸作為剪切機構(gòu)的動力來源，剪刀分為兩層，上層主要是夾持葉頸的作用，下層為剪刀剪切部分。當剪切機構(gòu)運動到桑葉的葉頸剪切的同時將已剪切的桑葉葉頸夾持住，進而通過機械臂的運動，將已經(jīng)采下的桑葉送入收集箱內(nèi)。這種采摘需要精確的檢測桑葉的葉頸的部位，之后通過機械臂的精確調(diào)整末端執(zhí)行器的位置和角度，這樣的控制系統(tǒng)難度系數(shù)較高。剪切機構(gòu)主要通過電缸推桿作為動力源，刀具切割機構(gòu)，移動機構(gòu)，傳感控制系統(tǒng)組成的。執(zhí)行機構(gòu)的位置確定主要有線性模塊組電機、鋁合金型材、同步帶、同步輪、聯(lián)軸器、滑軌和滑臺。3機械手零部件設(shè)計分析3.1機械手各參數(shù)：本設(shè)計的桑葉自動采摘機機械手共有六個自由度：腰部旋轉(zhuǎn)，大臂擺動，小臂擺動，小臂伸縮四個自由度，執(zhí)行機構(gòu)的擺動和旋轉(zhuǎn)兩個自由度。機械手參數(shù)分析如下：圖3-1機械手采摘環(huán)境[13]1、大臂2、小臂、3小臂伸縮部分、4桑葉分布范圍、5地面出于采摘實際的考慮，桑葉的質(zhì)量小，故相對于機械手其他部件來說，幾乎可以忽略為0，工作高度為3米左右，工作半徑為1.5,初步選定小車高度L1：0.22m，腰部支撐軸高度為L2：0.86m,大臂高度為L3：1.18m，小臂為L4:0.34m,伸縮行程為0.54m3.2動力系統(tǒng)的選取現(xiàn)在的動力源主要有氣壓驅(qū)動系統(tǒng)，液壓驅(qū)動系統(tǒng)和電機驅(qū)動系統(tǒng)及其優(yōu)缺點介紹：使用氣壓驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)點：動作可靠，體積較小，同時其精確度較高，反應(yīng)較快，對動作的控制迅速，達到所要求的速度和壓力的時間較短。氣動驅(qū)動系統(tǒng)以空氣作為工作介質(zhì)，由于空氣的粘度較小，因此在長距離的傳動中對于能量的消耗較少，同時空氣的使用來源方便況且對于環(huán)境來說無污染，在工作中能保持較好的適應(yīng)性。使用氣壓驅(qū)動系統(tǒng)缺點:氣動驅(qū)動系統(tǒng)的缺點是會產(chǎn)生較大的噪聲，需要加入潤滑油來保證系統(tǒng)潤滑，同時需要對它加裝消音器來降低噪聲。液壓驅(qū)動系統(tǒng)：液壓驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理和氣動驅(qū)動系統(tǒng)相類似。其主要區(qū)別是液壓驅(qū)動吸入是以液壓油而不是空氣作為工作介質(zhì)的。在工作介質(zhì)的體積相同的狀態(tài)下，液壓驅(qū)動系統(tǒng)的輸出更大的力，同時其控制精度也比氣動驅(qū)動系統(tǒng)更好，可以實現(xiàn)在限定范圍內(nèi)自動的對牽引速度的平穩(wěn)調(diào)節(jié)，進而達到無極調(diào)速。液壓驅(qū)動系統(tǒng)可以在不對電機旋轉(zhuǎn)方向的情況下進行換向，因此對于工作機構(gòu)在線性往復(fù)運動和旋轉(zhuǎn)運動中可以很方便的實現(xiàn)切換。電機驅(qū)動系統(tǒng)：電機驅(qū)動系統(tǒng)相較于其他兩種驅(qū)動系統(tǒng)，精度最高，可以實現(xiàn)對輸出大小的精準控制，同時其噪聲較小，但是他的缺點是成本較高，不僅如此，還需要和其他機械機構(gòu)配合使用，所傳遞的功率不高，較為適合負載不大的精密條件下使用。綜合上面的三種主要的驅(qū)動系統(tǒng)，由于使用液壓驅(qū)動和氣壓驅(qū)動需要氣泵或者液壓泵進行驅(qū)動，本設(shè)計考慮到整體成本和便捷性的問題，不僅如此，氣壓和液壓驅(qū)動的精確度均低于電機驅(qū)動，所以本設(shè)計的桑葉自動采摘機械手的主要驅(qū)動方式使用伺服電機驅(qū)動。3.3減速器方式的確定減速裝置主要有兩種常見的選擇方式，設(shè)計齒輪減速機構(gòu)減速和減速機減速。使用零設(shè)計齒輪輪減速的方式雖然成本較低，設(shè)計原理方式上面相較于簡單一些，但是就其裝配精度相較于減速器而言要高的多，安裝精度要較高，容易出現(xiàn)不合格產(chǎn)品。然而，倘若采用減速器減速，就不然，減速器雖然成本上升，但是相較于設(shè)計零件齒輪減速他的裝配精度要低的多，所以綜合考慮，本設(shè)計采用行星齒輪減速器進行減速。3.4剪切機構(gòu)的設(shè)計剪切機構(gòu)的設(shè)計主要是參考日常中的剪刀機構(gòu)，其動力元件為電動推桿，通過控制電動推桿的伸縮進而帶動剪刀的剪切運動，實現(xiàn)桑葉頸的剪切，以此實現(xiàn)桑葉的采摘。剪切機構(gòu)上面有兩層，一層為剪切刀片部分，主要實現(xiàn)桑葉葉頸的切斷，另一層為夾持桑葉葉頸部分。剪切機構(gòu)的設(shè)計其結(jié)構(gòu)較為簡便，效率較高，電動推桿不需要其他輔助機構(gòu)，可以在仍以時刻進行伸長或者縮短，無較大噪聲，成本較低。在連接末端執(zhí)行器的部分裝有視覺識別裝置，這樣可以使得剪切機構(gòu)可以實現(xiàn)精準剪切采摘。圖3-2剪切機構(gòu)3.5電動推桿的選取通過對剪切機構(gòu)的設(shè)計，對剪刀的剪切方式進行了受力分析如圖3-1，其中A,B為桑葉葉頸的剪切點，BO為剪刀的固定剪切刀片，AOC為剪刀轉(zhuǎn)動剪切片，圓AB為桑葉葉頸的橫面，a為剪刀兩個剪切片的夾角，通過對剪刀的設(shè)計，取AO=52mm，∠BOC=120度，OC=25.65，圓AB=8mm其中由于所設(shè)計的桑葉采摘機械手中，剪刀是通過電動推桿進行驅(qū)動的，進而實現(xiàn)對桑葉葉頸的剪切的，所以，電動推桿在C點對轉(zhuǎn)動剪切刀片AOC的拉為F。圖3-3桑葉剪切受力分析AO=52，桑葉葉頸直徑AB=8mm， 式1設(shè)剪刀切斷桑葉葉頸所需要的力F1約為10N，所以得： 式2則電動推桿所需要的拉力為 N 式3查閱手冊，安全系數(shù)選取3，故而S=3 N 式4由桑葉剪切機構(gòu)的設(shè)計，電動推桿的行程約為30mm，根據(jù)電動推桿的拉力和行程可知，選用XTL100的電動推桿，推力為100，行程為50mm的電動推桿選取的電動推桿行程為50mm，因為電動推桿能實現(xiàn)在任意位置停止，所以原來的30mm，使用50mm的電動推桿，符合要求。3.6大臂，小臂的設(shè)計計算3.6.1大臂小臂設(shè)計方案大臂機構(gòu)左端與旋轉(zhuǎn)機械臂腰部連接，其驅(qū)動采用伺服電機驅(qū)動。通過電機的驅(qū)動，使得大臂實現(xiàn)上下擺動。除了電機驅(qū)動之外，大臂中間部分設(shè)置了一個伸縮缸，伸縮缸為定位裝置。升降機構(gòu)的作用主要是使得末端執(zhí)行器可以實現(xiàn)在不同高處采摘。其使用了線性模組作為其升降機構(gòu)，線性模組有兩種類型可以選取，分別是滾珠絲杠類型和同步帶類型。本次設(shè)計中選用同步帶線性模組，其組成由電機、鋁合金型材、同步帶、同步輪、聯(lián)軸器、滑軌和滑臺。有精度高、傳動穩(wěn)定、靈活和一體化等等優(yōu)點。使用線性模組作為桑葉采摘機小臂伸縮機構(gòu)，能夠使得剪切機構(gòu)精確的對不同的位置的桑葉進行剪切，實現(xiàn)桑葉不同高度不同角度的采摘。3.6.2小臂的參數(shù)設(shè)計計算本設(shè)計的小臂采用線性模組來實現(xiàn)小臂的伸縮，使用的是一體化組件，故對其的參數(shù)進行計算。綜合機械手的尺寸考慮，線性模組的伸縮行程為450mm，線性模組選取的是同步帶線性模組，根據(jù)三維模型的建模設(shè)計考慮，估測小臂的負載為10KG，小臂負載包括腕部驅(qū)動電機，旋轉(zhuǎn)法蘭，剪切氣缸，剪切機構(gòu)。其中，線性模組的傾斜角的范圍為0-180度，線性模組的摩擦系數(shù)為0.1。當小臂呈上升趨勢時受力析圖如下所示：圖3-4小臂上升時線性模組受力分析圖我們知道負載為10千克，故而mg=100N，其摩擦力為f N 式5線性模組推動負載所需要的力 式6因為角度為0時，所以線性模組所需要的推力最大，最大值為110N：當小臂呈下降趨勢時，線性模組對負載的拉力和摩擦力共同作用使得小臂的線性模組伸縮運動，進而使得剪切機構(gòu)實現(xiàn)不同位置和不同角度的對桑葉進行剪切采摘。由計算公式： 式7可知最大值為 N 式8綜合兩種不同情況，選取安全系數(shù)S=3,所以線性模組所需的最大推力為F=F*S=330N有前面的各部分參數(shù)初步確定知伸縮行程為540m。根據(jù)最大推力和伸縮行程即可確定線性模組。3.6.3小臂驅(qū)動電機的選取使用三維軟件SolidWorks建模，完成機構(gòu)的模型后，查閱相關(guān)資料獲悉工業(yè)常用鋁板型材，將三維模型材料型號設(shè)置好，使用SolidWorks的零件的質(zhì)量屬性可以獲悉末端執(zhí)行器及其小臂（線性模組）的總質(zhì)量為約為17KG，根據(jù)力學(xué)相關(guān)知識可以判斷出，當小臂水平時，小臂電機的輸出扭矩最大。所以由公式： 式9公式中：T--扭矩，單位，N.m;F-末端執(zhí)行器及其線性模組的重力，單位，N；R-重心半徑，單位，m。計算可得最大負載扭矩： N.m 式10由于電機與減速器相連，減速比選用100，效率η取0.8，所以電機輸入軸的扭矩大小為： N.m 式11由上面的所求出的參數(shù)，考慮各方面影響要素最后確定稍大于1.77N.m輸出扭矩的交流伺服電機。3.6.4大臂驅(qū)動電機的選取通過SolidWorks建模對機械手的建模，設(shè)置材料為鈑金件，有軟件計算大臂小臂執(zhí)行機構(gòu)的總質(zhì)量為33.36KG，由于大臂下端設(shè)計有伸縮缸，故大臂與水平面的最小夾角為9.07度。所以由力學(xué)知識可知，當大臂和水平面夾角為9.07時，小臂（線性模組）為水平時電機的負載扭矩最大。重心可以三維軟件計算得出為：0.811m,，所以由公式： 式12可計算出負載扭矩： N.m 式13由于電機和減速器相連，減速比選用100，效率，效率η取0.8，則電機所需的扭矩大小為： N.m 式14由上面的所求出的參數(shù)，考慮各方面影響要素最后確定電機為輸出扭矩稍大于3.31交流伺服電機即可。3.7支撐軸設(shè)計支撐軸下面與地板連接，上始于與大臂相連接，對于大臂小臂（線性模組）剪切機構(gòu)的支撐，對于支撐軸的設(shè)計，其結(jié)構(gòu)圖如圖3-5所示，支撐軸采用鈑金件作為主體加工。圖3-5支撐軸3.8齒輪蓋設(shè)計齒輪蓋，用于齒輪傳動機構(gòu)的保護蓋，齒輪蓋見圖3-6，提供鈑金進行制作而成。其主要是根據(jù)支撐主軸的齒輪傳動機構(gòu)的齒輪結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計的，電機驅(qū)動的小齒輪的半徑為120mm及動力齒輪的半徑為60mm，驅(qū)動支撐主軸的大齒輪半徑為200mm，故在留有足夠的條件下可確定尺寸如下：圖3-6齒輪蓋3.9機械手推車底板設(shè)計推車底板設(shè)計主要設(shè)計了收集箱的結(jié)構(gòu)，收集箱主要是存放有剪切機構(gòu)采摘下來桑葉，方便桑葉采摘完成后的收取，收集箱主要采用鋁板型材。圖3-7底板3.10支撐主軸轉(zhuǎn)動的齒輪參數(shù)確定：根據(jù)機械采摘機械機械手的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)確定兩齒輪的中心距為260mm，故選用標準直齒輪，由機械原理參考書中齒輪設(shè)計原則可知大小齒輪的模數(shù)m均取2，壓力角為20度，大齒輪選用200齒，小齒輪選用60個齒。根據(jù)機械原理表10.3漸開線標準齒輪直齒圓柱齒輪的幾何尺寸計算公式[16]可計算齒輪的各種參數(shù)。參數(shù)如下：主動齒輪寬度為b=25mm從直齒輪寬度為b1=25mm主動輪齒數(shù)為 式15從動輪齒數(shù)為 z1=60 式16主動輪直齒分度圓直徑為 式17從動輪直齒分度圓直徑為 mm 式18主從動齒輪的中心距為 mm 式19結(jié)論本文以桑葉為采摘對象，對桑葉采摘機械手進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析。本課題主要完成的工作和結(jié)論如下：1通過了解國內(nèi)外對于桑葉采摘機械和采摘機械手研究現(xiàn)狀得知目前對于桑葉采摘機械手的研究較少，其研究成果實用性，商品化較難。具體原因是現(xiàn)階段的研究主要是對于某一特定機構(gòu)進行研究，對于整個機械自動化樣機的設(shè)計較少。本文以桑葉為采摘對象，基于果實類的采摘機械手的選型設(shè)計原則提出了一種桑葉機械采摘機械手，其機械臂具有四個自由度，采摘剪切機械有兩個自由度。整體結(jié)構(gòu)包括四自由度的機械臂結(jié)構(gòu)和兩自由度的剪切機構(gòu)。移動部分主要使用推車為桑葉采摘機械手運載，上面加裝了采摘機械手，視覺識別攝像頭、傳感器，電源等等。傳動部分主要包括機械手臂組成的腰部支撐軸，剪切機構(gòu)驅(qū)動力選用已經(jīng)商品化的電動推桿，大臂，小臂。小臂選取了線性模組。其轉(zhuǎn)動均采用伺服電機。選用行星齒輪減速器減速，線性模組的末端連接有法蘭盤，法蘭盤將線性模組和采摘執(zhí)行裝置連接。末端執(zhí)行器選用氣缸作為剪切機構(gòu)的動力來源，剪刀分為兩層，上層主要是夾持葉頸的作用，下層為剪刀剪切部分。當剪切機構(gòu)運動到桑葉的葉頸剪切的同時將已剪切的桑葉葉頸夾持住，進而通過機械臂的運動，將已經(jīng)采下的桑葉送入收集箱內(nèi)。本設(shè)計有望實現(xiàn)采摘自動化。2基于采摘的開放性特點，提出的桑葉自動采摘機械手的具體方案，對其結(jié)構(gòu)方案作了具體的設(shè)計，包括電機的驅(qū)動參數(shù)計算，關(guān)節(jié)型機械臂的設(shè)計，剪切機構(gòu)的機構(gòu)和動力參數(shù)的設(shè)計計算[13]。參考文獻莊錦芳.曲柄連桿式桑葉采摘機的關(guān)鍵部件