某蘋果采摘機械臂的總體方案設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u25493某蘋果采摘機械臂的總體方案設(shè)計案例 1110481.1采摘對象物理特性分析 1252421.2采摘機械臂驅(qū)動方式的選擇 2248211.3采摘機械臂自由度的選擇 4190071.4采摘機械臂結(jié)構(gòu)方式的選擇 4采摘對象物理特性分析分析國內(nèi)三大蘋果種植區(qū)域種植環(huán)境特點，發(fā)現(xiàn)只有渤海地區(qū)的蘋果種植園適用于機械設(shè)備采摘，故選定河北省樂亭縣的蘋果種植園為采摘作業(yè)環(huán)境的研究對象。查閱資料得知，果樹的種植間距約為3m，行距約為3.5m。蘋果在果樹上的生長位置距地面的最高高度一般距地面在2.9m左右，蘋果樹的冠幅在2.0~2.5m之間，枝下高度在0.8~1.0m，如圖2-1所示[8]。圖2-1蘋果樹上蘋果的區(qū)域分布蘋果種植園種植較廣的蘋果品種有富士、國光、王林等，其中富士蘋果種植面積最廣、銷售量大、營養(yǎng)高，所以選定富士蘋果作為采摘研究對象。由于果實的物理特性受環(huán)境因素、果實分布位置、果實成熟度等因素影響較大，采摘果實時不同果實之間的物理特性差異較大。因此，本文參照農(nóng)業(yè)部發(fā)布的“中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”關(guān)于各類果蔬的等級規(guī)格及重量的規(guī)定，確定采摘對象的物理參數(shù)和果梗的力學(xué)性能參數(shù)，分別見表2-1和表2-2[8]。表2-1富士蘋果物理參數(shù)表指標(biāo)最小值平均值最大值果實直徑（mm）果實質(zhì)量（g）557580140120290表2-2富士蘋果果梗力學(xué)性能參數(shù)表力學(xué)性能數(shù)值單位續(xù)表2-2力學(xué)性能數(shù)值單位彈性模量抗剪模量質(zhì)量密度屈服強度熱導(dǎo)率泊松比3000300160200.050.29MPaMPakg/MPa采摘機械臂驅(qū)動方式的選擇采摘機械手的驅(qū)動方式直接影響著采摘機械手的工作效率。目前，機械臂驅(qū)動方式主要有電機驅(qū)動、液壓驅(qū)動和氣壓驅(qū)動。下面對這三種驅(qū)動方式的優(yōu)缺點進一步分析：氣壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動具有輸出功率高、結(jié)構(gòu)緊湊、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、設(shè)備成本低、維修方便的優(yōu)點，但其產(chǎn)生的噪聲較大[9]。由于柱塞兩側(cè)的氣缸存在壓力差，目前的技術(shù)條件下很難控制氣缸柱塞在任意位置停止，且氣壓驅(qū)動只能給近距離的機械手提供能量。液壓驅(qū)動液壓驅(qū)動結(jié)構(gòu)緊湊、反應(yīng)靈敏，可以無極調(diào)速，控制的精度較高，但是工作時動作較慢，不適合快速移動[9]。液壓驅(qū)動與氣壓驅(qū)動相比，結(jié)構(gòu)大、對密封性要求很高，容易發(fā)生液壓油泄露，原件制造成本較高。電機驅(qū)動電機驅(qū)動有轉(zhuǎn)速范圍大，控制精度高，占空間少，維修方便等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于機械臂驅(qū)動中。電驅(qū)動系統(tǒng)按工作原理主要分為步進電機，直流伺服（DC），交流伺服（AC）驅(qū)動系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)為閉環(huán)控制，能實現(xiàn)較高精度的控制，因此被廣泛應(yīng)用。綜上述所，考慮到機械臂采摘蘋果的實際需求和作業(yè)環(huán)境的實際情況，本文選用電機驅(qū)動作為蘋果采摘機械手的驅(qū)動方式。但是由于電機的轉(zhuǎn)速高，輸出扭矩通常比較小，對于各個關(guān)節(jié)大扭矩的要求無法實現(xiàn)，因此需要增加減速器。本文選用了減速電機，電機和減速器連接為一體，更加經(jīng)濟性的同時也減輕了機械臂的重量。目前市面上存在的減速電機有齒輪減速電機、蝸桿蝸輪減速電機、行星齒輪減速電機以及諧波減速電機等。對比幾家后發(fā)現(xiàn)行星齒輪減速電機具有體積小、傳動效率高、減速范圍廣等諸多優(yōu)點。故本文選用了一款行星齒輪減速電機，該減速器的外觀如圖2-2所示：圖2-2行星齒輪減速電機本課題中蘋果采摘機械臂的各個關(guān)節(jié)處所需驅(qū)動單元型號如表2-3所示：表2-3各個關(guān)節(jié)所需驅(qū)動單元型號關(guān)節(jié)電機型號（額定扭矩，轉(zhuǎn)速，功率等）腰關(guān)節(jié)Y200RA2002.4A（電流）、25°/s（最大速度）、60kg（負載）、7.9kg（自身重量）肘關(guān)節(jié)行星減速電機型號36-555(24V)，9.6（kW），24r/min，21N·m，188（減速比）腕關(guān)節(jié)行星減速電機型號36-555(24V)，9.6（kW），24r/min，21N·m，188（減速比）采摘機械臂自由度的選擇采摘機械臂自由度的選取是技術(shù)參數(shù)中最為關(guān)鍵的一項。一個物體在三維空間一般具有六個自由度，即沿X，Y，Z軸的移動和旋轉(zhuǎn)。當(dāng)外界力作用于一個物體時，其自由度會減少。采摘機械臂的自由度是根據(jù)果實的位置和生長環(huán)境設(shè)計的，一般小于6個自由度[13]。一般來說，一個物體的自由度越多，運動靈活性程度就越高，但是隨著自由度的增加機械臂的總體剛度也會下降，控制方面難度也會加強，設(shè)計會比較復(fù)雜。所以，在能夠基本設(shè)計要求的前提下，選擇自由度的數(shù)量越少越好[10]。本文的蘋果采摘機械臂結(jié)構(gòu)選擇三個自由度，即機械臂基座的旋轉(zhuǎn)（第一個自由度）、機械臂小臂的擺動（第二個自由度）、機械臂腕部的旋轉(zhuǎn)（三個自由度）來共同完成蘋果的采摘動作。采摘機械臂結(jié)構(gòu)方式的選擇采摘機械臂前三個關(guān)節(jié)的作用是將機器人腕部送到果實指定位置。參考工業(yè)機器人構(gòu)型，實現(xiàn)方式主要有三種方案[11]：方案一：圓柱坐標(biāo)型這種運動形式是通過一個轉(zhuǎn)動，兩個移動，一共三個自由度構(gòu)成的運動系統(tǒng)，工作空間圖形為圓柱型。它與直角坐標(biāo)型機械臂比較，在相同的工作空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大[8]。如圖2-3所示：圖2-3圓柱坐標(biāo)機器人（2）方案二：直角坐標(biāo)型也稱作笛卡爾坐標(biāo)機械臂，由三條相互垂直的線性軸所組成（相當(dāng)于三個直動關(guān)節(jié)），來確定末端執(zhí)行器的空間位置，其工作空間為長方體。各個軸向的移動距離可在各坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算。定位精度高、結(jié)構(gòu)簡單，但機體所占空間體積大、靈敏度較低[8]。如圖2-4所示：圖2-4直角坐標(biāo)機器人（3）方案三：關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型機械臂，這種機械臂模擬了人體上肢的運動。機械臂的基座，大臂和小臂由三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)依次連接，參照人類上肢，這三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)分別被稱作腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)，前三個關(guān)節(jié)的作用是將末端執(zhí)行器送達預(yù)定位置，而末端執(zhí)行器的姿態(tài)則由腕部狀態(tài)確定，腕部多采用兩自由度或三自由度的結(jié)構(gòu)。對于采摘作業(yè)，則可通過腕部動作對作物進行分離而盡量少用大關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)型機械臂的主要缺點