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畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書
題 目：
學(xué) 院：
專 業(yè)：
學(xué) 號(hào)：
姓 名：
指導(dǎo)教師：
完成日期：
目 錄
摘 要 IV
Abstract V
第1章 緒論 1
1.1研究背景及意義 1
1.2國(guó)內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀 1
第2章 總體方案設(shè)計(jì) 2
2.1設(shè)計(jì)參數(shù) 2
2.1.1設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù) 2
2.2方案選定 2
2.2.1車體方案設(shè)計(jì) 2
2.2.2手臂方案設(shè)計(jì) 2
2.2.3手抓方案設(shè)計(jì) 3
2.3.4驅(qū)動(dòng)方案的選擇 3
2.3工作原理分析 4
2.3.1傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理 4
2.3.2手臂工作原理 4
2.3.3手抓工作原理 5
第3章 零部件的設(shè)計(jì)與選擇 6
3.1行駛小車設(shè)計(jì) 6
3.1.1主電機(jī)的選擇 6
3.1.2履帶部分設(shè)計(jì) 8
3.1.3副履帶部分設(shè)計(jì) 18
3.2手臂部分設(shè)計(jì) 21
3.2.1電機(jī)的選擇 21
3.2.2大、小臂設(shè)計(jì) 23
3.3手抓設(shè)計(jì) 24
3.3.1電動(dòng)機(jī)的選擇 24
3.3.2絲桿螺母副的選型與校核 26
3.3.3手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 29
3.3.4手抓支架的設(shè)計(jì) 30
第4章 基于Pro/E的三維設(shè)計(jì) 31
4.1 Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件概述 31
4.2三維設(shè)計(jì) 31
4.2.1車體 31
4.2.2主履帶 32
4.2.3副履帶 32
4.2.4手臂、手抓 32
4.2.5三維裝配 33
4.3仿真分析 33
4.3.1 Pro/E仿真介紹 33
4.3.2仿真 34
總 結(jié) 37
參考文獻(xiàn) 38
致 謝 39
摘 要
果園種植業(yè)的發(fā)展提高了果園機(jī)械市場(chǎng)的需求，為了節(jié)約人力物力，提高果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益，開展采摘器械的研究有重要的意義。水果采摘機(jī)是一種極具研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景的農(nóng)用地面移動(dòng)機(jī)器人，本論文對(duì)具有移動(dòng)功能的采摘機(jī)進(jìn)行了總體技術(shù)的研究，并主要對(duì)其車體結(jié)構(gòu)部分、手臂部分、手抓部分進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。
本文首先，通過(guò)功能和設(shè)計(jì)任務(wù)的分析，確立了水果采摘機(jī)總體功能構(gòu)架；接著，對(duì)本采摘機(jī)車體結(jié)構(gòu)部分、手臂部分、手抓部分進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)與校核并采用Pro/E三維設(shè)計(jì)；然后，進(jìn)行仿真分析，確保水果采摘機(jī)結(jié)構(gòu)最優(yōu)，效率最高，性能最優(yōu)；最后采用AtuoCAD軟件繪制了采摘機(jī)的裝配圖及主要零件圖。
通過(guò)本次設(shè)計(jì)，對(duì)大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識(shí)在理論結(jié)合實(shí)際的鍛煉下加深了知識(shí)的理解，對(duì)今后的工作必定帶來(lái)很大幫助。
關(guān)鍵詞：水果采摘機(jī)；手臂；手抓；履帶
Abstract
The development of orchard planting industry has raised the demand of the orchard machinery market. In order to save manpower and material resources and improve the economic benefit of the fruit farmers, it is of great significance to carry out the research of the picking instruments. The fruit picking machine is a kind of agricultural ground mobile robot which has great research value and application prospect. This paper studies the overall technology of the picking machine with mobile function, and designs the part of the body structure, arm and hand grip in detail.
Firstly, through the analysis of function and design task, the overall functional framework of fruit picking machine is established. Then, the body structure part, arm part, hand grab part of this picking locomotive are designed and checked in detail and Pro/E 3D design is used. Then, simulation analysis is carried out to ensure the optimal structure and efficiency of the fruit picking machine. Finally, the assembly drawing and main parts drawing of the picking machine were plotted by AtuoCAD software.
Through this design, the knowledge of the professional knowledge of the university has been deepened under the practice of combining theory with practice, and it will surely bring great help to the future work.
Key words: Fruit picking machine; Arm; Hand grasping; Crawler
40
第1章 緒論
1.1研究背景及意義
果園種植業(yè)的發(fā)展提高了果園機(jī)械市場(chǎng)的需求。在整個(gè)生產(chǎn)中，由采摘果實(shí)所耗費(fèi)的勞動(dòng)力占據(jù)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的50％～70％㈣。采摘作業(yè)季節(jié)性相對(duì)強(qiáng)，傳統(tǒng)人工采摘的方式不僅僅易造成果實(shí)損傷。同時(shí)，采摘不及時(shí)將會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)上的損失。農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力向其他行業(yè)轉(zhuǎn)移，人員缺乏，隨著老齡化的增長(zhǎng)，生產(chǎn)成本不斷提高，降低了人們的種植積極性，果園種植業(yè)的發(fā)展受到了制約。為了節(jié)約人力物力，提高果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益，開展采摘器械的研究有重要的意義。
1.2國(guó)內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀
機(jī)器人是二十世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一。人類對(duì)于機(jī)器入的研究由來(lái)已久，但直到上世紀(jì)50、60年代，隨著機(jī)構(gòu)理論和數(shù)控伺服技術(shù)的發(fā)展才真正進(jìn)入實(shí)用化。上世紀(jì)70年代后，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控靠q技術(shù)、傳感技術(shù)和人工智能技術(shù)迅速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也隨之進(jìn)入高速發(fā)展階段，并發(fā)展成為集機(jī)械、電子、控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)的一項(xiàng)綜合技術(shù)。
水果和蔬菜的采摘機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)60年代，在20世紀(jì)的美國(guó)，用于收割方法主要是機(jī)械和氣動(dòng)搖晃搖晃風(fēng)格。缺點(diǎn)是水果的脆弱性，效率不高，是不是特別有選擇性的收獲，存在很大的局限性采摘柔軟，新鮮水果和蔬菜方面。但此后，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是在工業(yè)機(jī)器人，日益成熟的計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)，采摘機(jī)器人的研究和技術(shù)開發(fā)得到了快速發(fā)展。目前，日本，荷蘭，法國(guó)，英國(guó)，意大利，美國(guó)，以色列，西班牙等國(guó)相繼推出的水果和蔬菜采摘機(jī)器人方面的研究相關(guān)的研究主要橘子，蘋果，西紅柿，櫻桃西紅柿，蘆筍，黃瓜，甜瓜，葡萄，甘藍(lán)，菊花，草莓，蘑菇等，但這些收益還沒(méi)有真正商業(yè)化經(jīng)營(yíng)的機(jī)器人。
研究農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域起步相對(duì)較晚，但近幾年的快速發(fā)展，也已經(jīng)有很多的研究。張劍峰，董劍，張志勇，如自適應(yīng)魯棒跟蹤控制算法采摘機(jī)器人設(shè)計(jì);機(jī)器人視覺(jué)傳感器設(shè)計(jì)立體的中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，劉兆祥，劉剛，誰(shuí)撿到了蘋果方面江蘇大學(xué)蔡健榮三維信息，例如恢復(fù)的障礙，為柑橘采摘機(jī)器人障礙識(shí)別技術(shù)的研究;南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院和奪權(quán)的水果和蔬菜研究技術(shù)姬長(zhǎng)英王學(xué)林外環(huán)控制。
在國(guó)內(nèi)，蘋果采摘由人工來(lái)完成，采摘效率低、采摘人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境差。目前對(duì)蘋果采摘機(jī)的報(bào)道比較少，最近國(guó)內(nèi)也有一些采摘機(jī)具的專利，如堅(jiān)果采摘機(jī)，這些專利能在一定程度上減輕采摘人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，改變采摘人員的工作環(huán)境；但大多結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以未從根本上解決采摘難度，效率低等問(wèn)題。
第2章 總體方案設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)參數(shù)
2.1.1設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)
本課題對(duì)小型水果摘採(cǎi)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)及分析，主要技術(shù)指標(biāo)包括：
（1）采摘機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)上下高度范圍為1.0-1.5m，工作空間2m3；
（2）機(jī)構(gòu)要求效率高，運(yùn)轉(zhuǎn)速度快；
（3）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力負(fù)載分析，確保滿足使用要求。
2.2方案選定
2.2.1車體方案設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)的水果采摘機(jī)車體結(jié)構(gòu)采用的是履腿式復(fù)合結(jié)構(gòu)，總體設(shè)計(jì)方案如圖2-1所示。機(jī)器人的車體的履帶作為移動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)，與前臂和后臂轉(zhuǎn)動(dòng)相協(xié)調(diào)，增加了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性。
機(jī)器人后輪有一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)后輪的靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，在機(jī)器人爬坡和越障時(shí)發(fā)揮更大作用。
機(jī)器人車體左右兩邊履帶各有永磁式直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，控制前軸和后軸的速度、力矩，可實(shí)現(xiàn)原地360°轉(zhuǎn)向，前進(jìn)時(shí)的自由轉(zhuǎn)向，隨時(shí)調(diào)解爬坡時(shí)的力矩大小。在車體主履帶前端是慣性軸，與主動(dòng)軸配合，保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)。
圖2-1 水果采摘機(jī)車體結(jié)構(gòu)組成
2.2.2手臂方案設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手要求：機(jī)械手臂可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)、上下移動(dòng)，機(jī)械手爪可實(shí)現(xiàn)夾持
，并且采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，因此選定的設(shè)計(jì)方案如下：其由兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂上下移動(dòng)，手臂整體回轉(zhuǎn)有底部回轉(zhuǎn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)；機(jī)械手爪具有2個(gè)自由度，分別是手爪回轉(zhuǎn)，手爪夾持；手爪回轉(zhuǎn)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)，手爪夾持由電磁鐵的正反接實(shí)現(xiàn)。
2.2.3手抓方案設(shè)計(jì)
目前，實(shí)現(xiàn)采摘的主要途徑有以下幾種：
（1）采用吸盤牢牢地吸住了水果，然后用剪刀等工具切割莖稈這種方法需要一個(gè)很好的位置來(lái)檢測(cè)和準(zhǔn)確的調(diào)整端部執(zhí)行器的姿態(tài)，從而增大控制系統(tǒng)和機(jī)制的復(fù)雜性的困難。
（2）使用剪刀剪開莖，稈這個(gè)方法需要一個(gè)好的位置，以檢測(cè)并精確地調(diào)節(jié)到致動(dòng)器的姿勢(shì)的末端，從而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和控制機(jī)構(gòu)的難度。
（3）用激光切割，該方法還要求具有良好的檢測(cè)稈制成的高要求的視覺(jué)系統(tǒng)中的位置。
（4）人工采摘蘋果，輕輕握住果實(shí)，食指按住稈，然后向上提起，使果柄與果枝部位從離層斷開，輕輕取出果實(shí)。
蘋果莖脆弱，容易分離，因此通過(guò)垂直旋轉(zhuǎn)在手腕上，以模擬人的運(yùn)動(dòng)打破手柄實(shí)現(xiàn)分離和果柄采摘蘋果或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的模擬人工的方式設(shè)計(jì)。這種方法簡(jiǎn)單，視覺(jué)系統(tǒng)要求不高。
根據(jù)采摘蘋果的具體要求，提出了一種蘋果采摘手抓。該執(zhí)行器由手指、手掌、機(jī)架等組成。手抓有3個(gè)手指，3個(gè)手指圓周對(duì)稱布置，即每側(cè)一個(gè)手指。每個(gè)手指有6個(gè)關(guān)節(jié)。在電機(jī)控制下，通過(guò)絲桿拉動(dòng)手指下部的拉桿實(shí)現(xiàn)3個(gè)手指的聯(lián)動(dòng)，以及對(duì)不同形狀物體的夾持。
2.3.4驅(qū)動(dòng)方案的選擇
目前這類機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)源主要是采用氣壓驅(qū)動(dòng)、電驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)這三種[10]。
（1）氣動(dòng)壓力是一個(gè)壓縮空氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)，空氣壓縮機(jī)通常被用作動(dòng)力源。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器過(guò)載安全，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，污染少，成本低，通過(guò)調(diào)節(jié)空氣流量，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，但大尺寸設(shè)備的運(yùn)行速度不穩(wěn)定，定位精度不高，抓小舉行力。
（2）液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)流體壓力致動(dòng)器的輸出力來(lái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定，固有的高效率，響應(yīng)速度快，速度很簡(jiǎn)單，可以在很寬的范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)速，便于適應(yīng)不同的工作要求，順利實(shí)現(xiàn)傳輸，可以吸收沖擊力可以實(shí)現(xiàn)更加頻繁和換向平穩(wěn)，但容易漏油，污染，高成本，高定位精度比空氣，但比電機(jī)低，流體溫度和粘度變化影響傳輸性能。
（3）電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式包括步進(jìn)電機(jī)，直流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)和力矩電機(jī)等驅(qū)動(dòng)器類型。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蜷_環(huán)控制元件的線性位移，具有控制簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，可靠，無(wú)累積誤差等。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量，良好的動(dòng)態(tài)特性，機(jī)器人由一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成與運(yùn)行精度高，調(diào)速范圍廣，速度快，運(yùn)行平穩(wěn)，可靠性高，易于控制等特點(diǎn)。
基于步進(jìn)電機(jī)的這些優(yōu)點(diǎn)本設(shè)計(jì)中采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
圖2-2 水果采摘機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖
2.3工作原理分析
2.3.1傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理
減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是電動(dòng)機(jī)通過(guò)行星輪減速器的降速，來(lái)實(shí)現(xiàn)增大轉(zhuǎn)矩、調(diào)速，通過(guò)直齒輪改變軸的方向，輸出后軸轉(zhuǎn)矩，為機(jī)器人提供主要?jiǎng)恿?。后軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)后軸位于傳動(dòng)系的末端。其基本功用是增扭、降速和改變轉(zhuǎn)矩的傳遞方向。
轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)機(jī)器人在行駛過(guò)程中，經(jīng)常需要改變行駛方向，本機(jī)構(gòu)是通過(guò)兩個(gè)電機(jī)的差速比來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
動(dòng)力部分采用電機(jī)，通過(guò)齒輪副降速后帶動(dòng)低速軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，軸與履帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)導(dǎo)桿滑塊機(jī)構(gòu)連接，使履帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)各自繞前后軸的中心線轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人不同角度的爬坡和越障能力。
2.3.2手臂工作原理
其由兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂上下移動(dòng)，手臂整體回轉(zhuǎn)有底部回轉(zhuǎn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)；機(jī)械手爪具有2個(gè)自由度，分別是手爪回轉(zhuǎn)，手爪夾持；手爪回轉(zhuǎn)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)，手爪夾持由電磁鐵的正反接實(shí)現(xiàn)。
2.3.3手抓工作原理
機(jī)械臂將機(jī)械手送達(dá)到果實(shí)附近，機(jī)械手上的位置傳感器檢測(cè)機(jī)械手與蘋果的相對(duì)位置，當(dāng)果實(shí)進(jìn)入機(jī)械手中心位置時(shí)，位置傳感器觸發(fā)單片機(jī)控制信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)開始正向轉(zhuǎn)動(dòng)使機(jī)械手開始加緊果實(shí)，壓力傳感器檢測(cè)手指加緊果實(shí)時(shí)的壓力并判斷是否達(dá)到壓閾值，閾值有實(shí)驗(yàn)所得出。若達(dá)到此閾值則機(jī)械手停止運(yùn)動(dòng)，機(jī)械臂模擬人工采摘運(yùn)動(dòng)，完成果實(shí)與果柄的分離。機(jī)械臂將果實(shí)送到指定位置后，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，手指松開，恢復(fù)到初始位置，完成果實(shí)的采摘。
第3章 零部件的設(shè)計(jì)與選擇
3.1行駛小車設(shè)計(jì)
3.1.1主電機(jī)的選擇
（1）機(jī)器人在平直的路上行駛
水果采摘機(jī)在跨越平面的溝槽或在平面移動(dòng)，假設(shè)其速度最大，且勻速前進(jìn)，則取
水果采摘機(jī)共有兩個(gè)輸出軸，每個(gè)輸出軸前端都有一個(gè)電機(jī)，對(duì)機(jī)器人其中一個(gè)輸出軸分析:
圖3-1 平直路線分析
又 則
在最大的行駛速度下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過(guò)減速箱減速后需要提供的極限轉(zhuǎn)速為
（2）機(jī)器人在30°坡上勻速行駛
機(jī)器人在最大行駛坡度上勻速行駛，設(shè)定行駛速度為,,在行駛過(guò)程中輪子作純滾動(dòng)，不考慮空氣阻力的影響，機(jī)器人爬坡受力情況如圖
圖3-2 30°坡度分析
又，則
則在最大坡度下需提供極限轉(zhuǎn)矩為
（3）機(jī)器人的多姿態(tài)越階
對(duì)這幾種姿態(tài)分析，機(jī)器人在跨越臺(tái)階時(shí)直流電機(jī)只驅(qū)動(dòng)主履帶，機(jī)器人在實(shí)際跨越臺(tái)階過(guò)程中速率不大，那么機(jī)器人所需提供的輸出功率也不大。
由以上分析可知，機(jī)器人平地直線運(yùn)動(dòng)時(shí)要求的驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速較大，而爬坡時(shí)需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩較大。因此，在選電機(jī)時(shí)，應(yīng)根據(jù)平地直線運(yùn)動(dòng)所求的最大轉(zhuǎn)速和爬坡運(yùn)動(dòng)所求的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行選擇。
根據(jù)機(jī)器人爬坡情況的分析，
,
機(jī)器在平面狀況下，
因而選取P=80W作為機(jī)器人的最大輸出功率。
根據(jù)計(jì)算的水果采摘機(jī)的最大輸出功率為80W,輸出轉(zhuǎn)矩為22.1N.M,輸出轉(zhuǎn)速為56.2r/min。
因?yàn)橹绷麟姍C(jī)啟動(dòng)性能好，過(guò)載性能強(qiáng)，可承受頻繁沖擊、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，允許沖擊電流可達(dá)額定電流的3到5倍。另外在使用過(guò)程中可攜帶或可移動(dòng)的蓄電池，干電池作為供電電源，操作輕巧與方便。根據(jù)直流電機(jī)這些性能，滿足主履帶頻繁受沖擊，制動(dòng)和反轉(zhuǎn)的要求，滿足機(jī)器人要攜帶移動(dòng)電池的要求，因而則選擇90ZY54型號(hào)的直流永磁電機(jī)，其參數(shù)如下：
額定功率
92
額定轉(zhuǎn)矩
0.6
額定轉(zhuǎn)速
1500
電流
7
電壓
12
允許正反轉(zhuǎn)速差
150
因?yàn)? 則
因?yàn)? 則
又
則選取
3.1.2履帶部分設(shè)計(jì)
1、履帶的選擇
對(duì)于履帶基于標(biāo)準(zhǔn)化的思考，我們選擇了梯形雙面齒履帶作為設(shè)計(jì)履帶，其具有帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，故帶與帶輪間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比。履帶通常以氯丁橡膠為材料，這種帶薄而且輕，故可用于較高速度。傳動(dòng)時(shí)的線速度可達(dá)50m/s，傳動(dòng)比可達(dá)10，效率可達(dá)98％。傳動(dòng)噪音比帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)小，耐磨性好，不需油潤(rùn)滑，壽命比摩擦帶長(zhǎng)。
因?yàn)槁膸鲃?dòng)具有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，無(wú)滑差，可獲得恒定的速比，傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動(dòng)比范圍大等優(yōu)點(diǎn)，所以傳遞功率可以從幾瓦到百千瓦。傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，適宜于多軸傳動(dòng)，無(wú)污染，因此可在工作環(huán)境較為惡劣的場(chǎng)所下正常工作。
從以上對(duì)履帶性能的分析中可以得出結(jié)論，選用梯形雙面齒履帶作為移動(dòng)裝置設(shè)計(jì)履帶能夠滿足設(shè)計(jì)性能及工作的環(huán)境條件要求。
由已知后軸輸出功率為(即）；
由已知設(shè)計(jì)裝置移動(dòng)速度，根據(jù)公式，可得主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，預(yù)先設(shè)計(jì)履帶主動(dòng)輪直徑=169mm，履帶從動(dòng)輪直徑=169mm，由公式，可得=59.71r/min.。故可以得到設(shè)計(jì)的已知條件如下：
傳遞名義功率.
主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速r/min
從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速
中心距.
（1）功率的計(jì)算
式中K--載荷修正系數(shù)（有工作機(jī)性能和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間查表3-1可以得到）
表3-1修正載荷系數(shù)K
工作機(jī)
運(yùn)行時(shí)間（小時(shí)/日）
3~5
8~10
16~24
計(jì)算機(jī)，醫(yī)療機(jī)
1.0
1.2
1.4
縫紉機(jī)，辦公機(jī)械
1.2
1.4
1.6
輕傳送機(jī)，包裝機(jī)
1.3
1.5
1.7
攪拌機(jī)，造紙機(jī)
1.4
1.6
1.8
印刷機(jī)，圓形帶鋸
1.4
1.6
1.8
（2）確定帶的型號(hào)和節(jié)距
由設(shè)計(jì)功率=0.1377kw和=59.71r/min，考慮到可以用雙面交錯(cuò)梯狀齒形履帶作為履帶使用，由圖8-1查得型號(hào)選用XH型，對(duì)應(yīng)節(jié)距=22.225mm，圖3-3為雙面交錯(cuò)梯狀齒形履帶的結(jié)構(gòu)圖，雙面齒履帶的節(jié)距和齒形等同與單面齒履帶的齒形和節(jié)距，圖A為DA型雙面齒履帶，其兩面帶齒呈對(duì)稱排列，圖B為DB型雙面齒履帶，其兩面帶齒呈交錯(cuò)位置排列，本裝置設(shè)計(jì)履帶選擇DB型XH履帶：
=2.794mm，=15.49
圖3-3梯形齒履帶，輪選型圖
圖3-4梯形齒形狀圖
本裝置選擇的梯形BD型XH履帶的具體參數(shù)如下表3-2
表3-2 梯形齒標(biāo)準(zhǔn)履帶型號(hào)以及齒尺寸
2、確定主從動(dòng)輪直徑
對(duì)于梯形標(biāo)準(zhǔn)履帶來(lái)說(shuō)小帶輪的齒數(shù)是有要求的，能夠保證履帶運(yùn)轉(zhuǎn)是最為基本的，履帶選用的XH形履帶一樣有齒數(shù)最小要求，由表3-3查的
表3-3小帶輪的最小齒數(shù)
小帶輪轉(zhuǎn)速
XL
L
H
XH
XHH
<900
10
12
14
22
22
900-1200
10
12
16
24
24
1200-1800
12
14
18
20
26
1800-3600
12
16
20
22
30
由上面得到 可以代入公式
為了增大摩擦力，應(yīng)考慮增大履帶與接觸地面的有效接觸面積，所以履帶離地面的高度不易過(guò)大，故取履帶主動(dòng)輪直徑=169mm，履帶從動(dòng)輪直徑=169mm。
查表3-4，選擇履帶主動(dòng)輪型號(hào)為24XH，履帶從動(dòng)輪型號(hào)為24XH，就近圓整帶輪直徑，查得履帶主動(dòng)輪直徑=169.79mm，履帶從動(dòng)輪直徑=169.79mm。
表3-4XH型同步輪尺寸表（節(jié)距=22.225mm）
規(guī)格
齒數(shù)
節(jié)徑d
外徑do
檔邊直徑df
檔邊內(nèi)徑db
檔邊厚度h
22XH
22
155.64
152.84
167
138
4.5
23XH
23
162.71
159.92
174
145
4.5
24XH
24
169.79
166.99
181
152
4.5
25XH
25
176.86
174.07
188
159
4.5
26XH
26
183.94
181.14
195
166
4.5
27XH
27
191.01
188.22
202
173
4.5
28XH
28
198.08
195.29
209
180
4.5
履帶都有自己的極限速度，如果速度過(guò)大會(huì)使皮帶輪機(jī)構(gòu)的不穩(wěn)定性增強(qiáng)，有較大的波動(dòng)現(xiàn)象，并且在單位時(shí)間的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)會(huì)增加，不利于帶的壽命的提高，所以有履帶的速度校核如下
查表3-5得
表3-5梯形齒履帶極限速度
型號(hào)
MXL,XXL,XL,T2.5，T5，3M
L,H,T10，8M,14M
XH,XXH,
T20，20M
模數(shù)
1,1.5,
2,2.5
3,4，
5
7,10
40-50
35-40
25-30
3、確定節(jié)線長(zhǎng)度
確定中心距，增大中心距，可以增加帶輪的包角，減少單位時(shí)間內(nèi)帶的循環(huán)次數(shù)，有利于提高帶的壽命，但是中心距過(guò)大，則會(huì)加劇帶的波動(dòng)，降低帶的傳動(dòng)平穩(wěn)性，同時(shí)增大帶傳動(dòng)的整體尺寸，中心距過(guò)小，則有相反的利弊，取帶傳動(dòng)的中心距為
由=169.79mm，=169.79mm.代入上式有
由于水果采摘機(jī)工作的環(huán)境限制，所設(shè)計(jì)的尺寸不宜過(guò)大，選擇中心距的尺寸偏小，初選取=380mm。
根據(jù)帶傳動(dòng)總體尺寸和中心距的要求，帶的節(jié)線長(zhǎng)度可由帶圍繞兩帶輪的周長(zhǎng)來(lái)計(jì)算，根據(jù)下式求得：
代入=400mm，=169.79mm，=169.79mm有
1350.79mm，
根據(jù)表3-6就近圓整=1422.40mm型號(hào)為560XH，履帶齒數(shù)為64。
表3-6 XH型履帶節(jié)線型號(hào)
XH型（節(jié)距=22.225mm）
規(guī)格
節(jié)線長(zhǎng)mm
齒數(shù)
463XH
1177.93
53
508XH
1289.05
58
560XH
1422.40
64
570XH
1444.63
65
580XH
1466.85
66
630XH
1600.20
72
700XH
1778.00
80
735XH
1866.90
84
752XH
1911.35
86
770XH
1955.80
88
785XH
2008.70
90
4、確定最大功率時(shí)帶寬
（1）計(jì)算履帶的基準(zhǔn)額定功率
kw
式中許用工作拉力，查表3-4得=4048.90N
單位長(zhǎng)度質(zhì)量，查表3-7得=1.484Kg/m
線速度m/s
表3-7七種履帶型號(hào)的主要參數(shù)
帶型號(hào)
節(jié)距
基準(zhǔn)寬
拉力
質(zhì)量G
帶寬
MXL
2.03
6.4
3.0，4.8，6.4
XXL
3.175
6.4
31
0.010
3.0，4.8，6.4
XL
5.080
9.5
50.17
0.022
6.4，7.9，9.5
L
9.525
25.4
244.46
0.095
12.7，19.1，25.4
H
12.70
76.2
2100.85
0.448
25.4，38.1，50.8
XH
22.225
101.6
4048.90
1.484
50.8，76.2，101.6
XXH
31.75
127.0
6398.03
2.473
76.2，101.6，127.0
帶入上式得
（2）計(jì)算主動(dòng)輪嚙合齒數(shù)
小帶輪的嚙合齒數(shù)為
（3）確定實(shí)際所需帶寬
其中為嚙合系數(shù)由表3-8查的
=1
表3-8嚙合數(shù)系數(shù)
5
4
1
0.8
0.6
式中帶所傳遞的功率=2.024kw
本履帶選用為XH帶，可以由表3-9查的基準(zhǔn)帶寬
如下
表3-9周節(jié)制梯形齒履帶的寬度
型號(hào)
MXL
XXL
XL
L
H
XH
XXH
基準(zhǔn)寬度mm
6.4
6.4
9.5
25.4
76.2
101.6
127
許用拉力T
27
31
50.17
244.46
2100.85
4048.90
6398.03
帶的質(zhì)量m
0.007
0.01
0.022
0.095
0.448
1.484
2.473
所以
以上公式算得帶寬為72.44mm，所以以此選取標(biāo)準(zhǔn)帶寬，表3-10查的
將其取為標(biāo)準(zhǔn)值
3-10周節(jié)制梯形履帶的寬度與高度
型號(hào)
公稱高度
標(biāo)準(zhǔn)寬度
mm
in
mm
in
代號(hào)
H
4.3
0.17
50.8
2
200
76.2
3
300
XH
11.2
0.44
76.2
3
300
101.6
4
400
XXH
15.7
0.62
101.6
4
400
127
5
500
XXL
1.52
__
4.8
--
4.8
6.4
--
6.4
5、功率驗(yàn)算
,額定功率大于設(shè)計(jì)功率，則帶的傳動(dòng)能力已足夠，所選參數(shù)合理。
同時(shí)得到作用在軸上的力
6、履帶的物理機(jī)械性能
本水果采摘機(jī)選用XH帶，其物理機(jī)械如下
表3-11履帶的物理機(jī)械性能
項(xiàng)目
梯形齒
XH
L
H
XH
XXH
拉伸強(qiáng)度
80
120
270
380
450
參考力
伸長(zhǎng)率
參考力N
60
90
220
300
360
伸長(zhǎng)
40
硬度
755
包布粘合強(qiáng)度
5
6.5
8
10
12
芯繩粘合強(qiáng)度
200
380
600
800
1500
齒體剪切強(qiáng)度
50
60
70
75
90
7、履帶主從動(dòng)輪設(shè)計(jì)
（1）帶輪材料選擇
為了減輕履帶驅(qū)動(dòng)裝置的重量，我們選擇硬鋁合金作為履帶主、從動(dòng)輪的材料，硬鋁合金具有密度小，質(zhì)量低，強(qiáng)度高，硬度高，耐熱性好的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足設(shè)計(jì)性能要求。
（2）帶輪形狀及主要尺寸的確定
履帶和帶輪的嚙合方式見圖3-3所示，圖中為履帶輪節(jié)圓或履帶節(jié)線上測(cè)得相鄰兩齒的距離即節(jié)距。XH型節(jié)距=22.225mm，為履帶輪的節(jié)圓直徑，主動(dòng)輪節(jié)圓型號(hào)為24XH，=169.79mm，從動(dòng)輪節(jié)圓型號(hào)為24XH，=169.79mm.為履帶輪實(shí)際外圓直徑，主動(dòng)輪=166.99mm，從動(dòng)輪=166.99mm。
圖3-3履帶輪外徑徑節(jié)示意圖
履帶分為AS型，BS型，AF型，BF型，WS型，其中AF型和BF型為雙邊檔邊，由于本設(shè)計(jì)采用的是電動(dòng)機(jī)、減速器動(dòng)力總成放在搖臂內(nèi)，直接通過(guò)錐齒輪傳遞用后驅(qū)動(dòng)輪輪軸。所以，主動(dòng)輪選擇兩個(gè)單邊單圈，從動(dòng)輪選擇一個(gè)無(wú)擋圈，選WS型履帶輪。
主動(dòng)輪24XH，齒數(shù)24，徑節(jié)=169.79mm，外徑=166.99mm
主動(dòng)輪初選兩個(gè)雙邊擋圈的帶輪，用于設(shè)計(jì)中將其組合。
（3）履帶輪齒形及齒面寬度的選擇
根據(jù)圖3-4可以查得XH型梯形雙面齒履帶輪齒形尺寸如下
圖3-4齒形尺寸
節(jié)距=22.225mm，齒槽=mm，齒深=7.14mm，槽角=，倒角=，=，=3.048mm，根據(jù)表8-12可以查出以上數(shù)據(jù)。
表3-12梯形雙面齒同步輪齒形尺寸
型號(hào)
節(jié)距
MXL
2.032
0.840.05
0.69
20
0.35
0.13
0.508
XL
5.080
1.320.05
1.65
25
0.41
0.64
0.508
L
9.525
3.050.10
2.67
20
1.19
1.17
0.762
H
12.7
4.190.13
3.05
20
1.60
1.6
1.372
XH
22.225
7.900.15
7.14
20
1.98
2.39
2.794
XXH
31.750
12.170.18
10.31
20
3.96
3.18
3.048
根據(jù)前面確定的寬度為76.2，及所選擇的無(wú)檔邊帶輪查表8-13可得到梯形雙面齒履帶輪齒面寬度=83.8。
表3-13履帶輪齒面寬度尺寸參考表
型號(hào)
履帶寬度
齒輪面寬度
代號(hào)
帶寬
雙面檔邊帶輪
單面檔邊帶輪
無(wú)檔邊帶輪
XH
200
50.8
56.6
62.2
59.6
300
76.2
83.8
89.8
86.9
400
101.6
110.7
116.7
113.7
（4）履帶輪所允許的公差
兩輪所允許的公差如表3-14所示
表3-14允許公差表
項(xiàng)目
小輪
大輪
外徑偏差
+0.15
0
+0.15
0
任意兩相鄰點(diǎn)
節(jié)距
偏差
90度弧內(nèi)的累積
0.03
0.15
0.03
0.15
外圓徑向圓跳動(dòng)
0.13
0.15
外圓端面圓跳動(dòng)
0.19
0.26
輪齒與軸線平行度
齒頂圓柱面的圓柱度
0.09
0.11
軸孔直徑偏差
H7或H8
H7或H8
外圓及兩齒側(cè)表面粗糙度
3.2
3.2
3.1.3副履帶部分設(shè)計(jì)
因?yàn)槁膸鲃?dòng)具有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，無(wú)滑差，傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動(dòng)比范圍大等優(yōu)點(diǎn)，所以傳遞功率可以從幾瓦到百千瓦。傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，適宜于多軸傳動(dòng)，無(wú)污染，因此可在不允許有污染和工作環(huán)境較為惡劣的場(chǎng)所下正常工作。
從以上對(duì)履帶性能的分析看出其性能的優(yōu)越性，因此選用梯形雙面齒履帶作為移動(dòng)裝置副履帶能夠滿足設(shè)計(jì)性能及工作的環(huán)境條件要求。副履帶的設(shè)計(jì)是依照主履帶的設(shè)計(jì)進(jìn)行的，具有異曲同工之妙。
而副履帶相對(duì)了主履帶來(lái)說(shuō)，它是輔助作用，幫助移動(dòng)平臺(tái)具有更出色的越野性能，更擅長(zhǎng)于攀爬和越溝。自然它的環(huán)境不如主履帶惡劣，并且所承受的載荷也比較輕一些，所以我給予選擇H帶。其設(shè)計(jì)方法參照主履帶如下:
介于副履帶的主動(dòng)輪的直徑選擇應(yīng)與主履帶的從動(dòng)輪的相當(dāng)，則參照表3-15選擇副履帶主動(dòng)輪直徑。
根據(jù)任務(wù)推出
副履帶從動(dòng)輪直徑
副履帶主動(dòng)輪齒數(shù)
副履帶從動(dòng)輪齒數(shù)
表3-15標(biāo)準(zhǔn)履帶的直徑
（1）計(jì)算履帶的帶寬
根據(jù)前面的表3-7查得到：
H帶
選擇標(biāo)準(zhǔn)帶由表3-9差查得
H帶
（2）計(jì)算H帶的基準(zhǔn)額定功率
計(jì)算所選用型號(hào)履帶的基準(zhǔn)額定功率
其中
得出
而由
反推得到設(shè)計(jì)功率為
（3）中心距的選擇
則確定中心距
（4）計(jì)算履帶節(jié)線長(zhǎng)度
根據(jù)帶傳動(dòng)總體尺寸和中心距的要求，帶的節(jié)線長(zhǎng)度可由帶圍繞兩帶輪的周長(zhǎng)來(lái)計(jì)算，根據(jù)下式求得：
代入數(shù)據(jù)
根據(jù)表3-16可選帶長(zhǎng)為
3-16周節(jié)制梯形齒履帶節(jié)線長(zhǎng)度及齒數(shù)
長(zhǎng)度代號(hào)
基本尺寸
極限偏差
L
H
XH
XXH
345
876.30
0.66
92
--
--
--
360
914.40
--
72
--
--
367
933.45
98
--
--
---
390
990.60
104
78
--
--
420
1066.80
0.76
112
84
--
--
（5）車體副履帶搖臂設(shè)計(jì)
車體副履帶搖臂如下圖示：
3.2手臂部分設(shè)計(jì)
3.2.1電機(jī)的選擇
本機(jī)械手臂有四個(gè)電機(jī)，分別是手臂回轉(zhuǎn)電機(jī)，大小臂關(guān)節(jié)電機(jī)、手抓回轉(zhuǎn)電機(jī)，此處以手臂回轉(zhuǎn)電機(jī)為例進(jìn)行選擇計(jì)算，其他電機(jī)的選擇類似。
現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(vR)、永磁式步進(jìn)電機(jī)(PM)等。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.50或150；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為0.750或1.50，但有一定的噪聲和振動(dòng)。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
綜合考慮技術(shù)難度、精度和資金等因素，結(jié)合所改造機(jī)床的負(fù)載較小，負(fù)載變化不大又是經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)易型的自動(dòng)控制設(shè)備，故采用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)作為砂輪座磨削進(jìn)給的驅(qū)動(dòng)源。
(1)旋轉(zhuǎn)力的計(jì)算
旋臂式機(jī)械手夾持工件時(shí)，很明顯承受著一定的旋臂力矩。由文獻(xiàn)1查得旋轉(zhuǎn)力的計(jì)算公式為：
一旋轉(zhuǎn)阻抗力(N)，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取其值為1989.9。
由文獻(xiàn)1查得：
取，則 (N)
，則 (N)
(2)步進(jìn)電機(jī)的選用
步進(jìn)電機(jī)總的位移量是嚴(yán)格等于輸入的指令脈沖數(shù)，或其平均轉(zhuǎn)速嚴(yán)格正比于輸入指令脈沖的頻率，因此能實(shí)現(xiàn)精確定位、精確位移。而且同時(shí)可在其工作頻段內(nèi)，從一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定地轉(zhuǎn)換到另一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。步進(jìn)電機(jī)有下列工作特點(diǎn)：
①變扭矩傳動(dòng)，扭矩受脈沖頻率的限制。頻率高，扭矩則小。能雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，有適量的阻尼。
②只要避開步進(jìn)電機(jī)本身的低頻振蕩區(qū)，就可能獲得平穩(wěn)的低速進(jìn)給。
③改變指令脈沖頻率就能使步進(jìn)電機(jī)變速，從而改變進(jìn)給速度，可省去一部分機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)。
④進(jìn)給速度變化范圍寬，從每秒幾個(gè)脈沖到幾千個(gè)脈沖。即能使進(jìn)給系統(tǒng)正調(diào)整時(shí)實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)，又能保證由粗加工到精加工的各項(xiàng)要求。
⑤快速響應(yīng)性很強(qiáng)，只要有脈沖輸入或停止輸入，步進(jìn)電機(jī)就立即轉(zhuǎn)動(dòng)或停轉(zhuǎn)。
⑥不通電時(shí)無(wú)定位力矩，轉(zhuǎn)子能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，每步有振蕩和過(guò)沖，但在使用中失步和過(guò)沖完全在零件的尺寸誤差之內(nèi)，對(duì)加工精度影響甚小。
(3)脈沖當(dāng)量和步距角
脈沖當(dāng)量小可提高加工精度，但使系統(tǒng)復(fù)雜。一般加工精度的自動(dòng)控制機(jī)床，脈沖當(dāng)量可選為0.01mm／step，初步確定步距角=0.75／step。
(4)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上啟動(dòng)力矩的計(jì)算
由文獻(xiàn)9查得啟動(dòng)力矩的計(jì)算公式為：
式中：
一電機(jī)啟動(dòng)力矩
——旋轉(zhuǎn)進(jìn)給抗力(N)，= =1989.9(N)
一垂直分力，==795.9(N)
——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，選用淬火鋼滾動(dòng)導(dǎo)軌，取=0.01
G-機(jī)器重量(N)，按圖紙粗估G=480N
——總機(jī)械效率，取=0.85
則
(5)確定步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩和最高工作頻率
為滿足最小步距要求，電機(jī)選用三相六拍工作方式，由文獻(xiàn)9查得：
=0．866 (3—6)
則步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為：
=180／0.866=207.8(Ncm)
最高工作頻率為：
(7)步進(jìn)電機(jī)的選擇
查表選用110BF003型步進(jìn)電機(jī)，其參數(shù)如下：步距角，選用三相六拍工作時(shí)取，最大靜轉(zhuǎn)距800N.cm，最高空載啟動(dòng)頻率1500Step／s，運(yùn)行頻率7000 Step／s，相數(shù)3，電壓80V，相電流6A，滿足需要。
3.2.2大、小臂設(shè)計(jì)
（1）負(fù)載分析
負(fù)載R是指工作機(jī)構(gòu)在滿負(fù)荷情況下，即：
式中：-工作機(jī)構(gòu)的荷重及自重對(duì)手臂產(chǎn)生的作用力；
-工作機(jī)構(gòu)在滿載啟動(dòng)時(shí)的靜摩擦力；
-工作機(jī)構(gòu)滿載啟動(dòng)時(shí)的慣性力。
(1)的確定
① 工件的質(zhì)量m
=5.9 (kg)
②夾持器的質(zhì)量 15kg(已知)
③伸縮臂的質(zhì)量 50kg(估計(jì))
④其他部件的質(zhì)量 15kg(估計(jì))
工作機(jī)構(gòu)荷重： Ri=(5.9+15+50+15)*10=859(N)
取Ri=860N
(2) 的確定 Rm= (N)
(3) 的確定 Rg=(N)
式中：為啟動(dòng)時(shí)間，其加速時(shí)間約為0.1～0.5s
=0.1s , =0.2s
總負(fù)載 R=Ri+Rg+Rm=860+172+172=1204(N)
取實(shí)際負(fù)載為 =1200
根據(jù)負(fù)載分析計(jì)算得到大小臂結(jié)構(gòu)尺寸如下圖示：
3.3手抓設(shè)計(jì)
3.3.1電動(dòng)機(jī)的選擇
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)，是一種把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成與脈沖數(shù)成正比的角位移或直線位移的執(zhí)行元件。具有以下四個(gè)特點(diǎn)：①轉(zhuǎn)速（或線速度）與脈沖頻率成正比；②在負(fù)載能力允許的范圍內(nèi)，不因電源電壓、負(fù)載、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化；③速度可調(diào)，能夠快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；④定位精度高、同步運(yùn)行特性好。
擺盤機(jī)臂部升降機(jī)構(gòu)要求電動(dòng)機(jī)電位精度高，速度調(diào)節(jié)方便快速，受環(huán)境影響小，且額定功率小，并且可用于開環(huán)系統(tǒng)。而BF系列步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，具備以上的所有條件，我們選用了型號(hào)90BF004的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為主運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源，該機(jī)功率為60W。選用時(shí)主要有以下幾個(gè)步驟：
（1）根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機(jī)型號(hào)
(a)步距角
初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)，并從手冊(cè)中查到步距角,由于
綜合考慮，我初選了，可滿足以上公式。
(b)距頻特性
步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax是指電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)的名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mmq與最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax的關(guān)系是：
Mmq=
步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)是指電機(jī)在沒(méi)有外加工作負(fù)載下的啟動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩按下式計(jì)算：
式中：Mkq為空載啟動(dòng)力矩；Mka為空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度折算到電機(jī)軸上的加速力矩；Mkf為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；為由于絲桿預(yù)緊折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩。
而且初選電機(jī)型號(hào)時(shí)應(yīng)滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即：
MkqMmq=λMjmax
計(jì)算Mkq的各項(xiàng)力矩如下：
①加速力矩
②空載摩擦力矩
③附加摩擦力矩
（2）啟動(dòng)矩頻特性校核
步進(jìn)電機(jī)有三種工況：?jiǎn)?dòng)，快速進(jìn)給運(yùn)行，工進(jìn)運(yùn)行。
前面提出的，僅僅是指初選電機(jī)后檢查電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，但是不能保證電機(jī)啟動(dòng)時(shí)不丟步。因此，還要對(duì)啟動(dòng)矩頻特性進(jìn)行校核。
步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)有突跳啟動(dòng)和升速啟動(dòng)。
突跳啟動(dòng)時(shí)加速力矩很大，啟動(dòng)時(shí)丟步是不可避免的。因此很少用。而升速啟動(dòng)過(guò)程中只要升速時(shí)間足夠長(zhǎng)，啟動(dòng)過(guò)程緩慢，空載啟動(dòng)力矩中的加速力矩不會(huì)很大。一般不會(huì)發(fā)生丟步現(xiàn)象。
3.3.2絲桿螺母副的選型與校核
滾珠絲桿已由專門工廠制造，因此，不用我們自己設(shè)計(jì)制造，只要根據(jù)使用工況選擇某種類型的結(jié)構(gòu)，再根據(jù)載荷、轉(zhuǎn)速等條件選定合適的尺寸型號(hào)并向有關(guān)廠家訂購(gòu)。滾珠絲桿設(shè)計(jì)和校核，其步驟如下：
首先對(duì)于一些參數(shù)說(shuō)明如下：
軸向變載荷，其中i表示第i個(gè)工作載荷，i=1、2、3…n ；
第i個(gè)載荷對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速(r/min);
第i個(gè)載荷對(duì)應(yīng)的工作時(shí)間 (h) ;
絲桿副最大移動(dòng)速度(mm/min);
絲桿預(yù)期壽命。
（1）型號(hào)選擇
（a）根據(jù)使用和結(jié)構(gòu)要求
選擇滾道截面形狀，滾珠螺母的循環(huán)方式和預(yù)緊方式；
（b）計(jì)算滾珠絲桿副的主要參數(shù)
①根據(jù)使用工作條件，查得載荷系數(shù)=1.0系數(shù)=1.5；
②計(jì)算當(dāng)量轉(zhuǎn)速
③計(jì)算當(dāng)量載荷
④初步確定導(dǎo)程
，取4mm
⑤計(jì)算絲桿預(yù)期工作轉(zhuǎn)速
⑥計(jì)算絲桿所需的額定載荷
（c）選擇絲桿型號(hào)
根據(jù)初定的和計(jì)算的，選取導(dǎo)程為4mm，額定載荷大于的絲桿。查滾珠絲杠型號(hào)表知，本次選定的滾珠絲杠螺母副型號(hào)為：GD1604-3
由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)：
公稱直徑
導(dǎo)程
滾珠直徑
（2）校核計(jì)算
（a）臨界轉(zhuǎn)速校核
校核合格。
（b）由于此絲桿是豎直放置，且其受力較小，溫度變化較小。所以其穩(wěn)定性、溫度變形等在此也沒(méi)必要校核。
（c）滾珠絲桿的預(yù)緊
預(yù)緊力一般取當(dāng)量載荷的三分之一或額定動(dòng)載荷的十分之一。即：
其相應(yīng)的預(yù)緊轉(zhuǎn)矩
（d）穩(wěn)定性驗(yàn)算
絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負(fù)荷。另一端游動(dòng)，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動(dòng)端自由伸縮，如下圖。
① 由于一端軸向固定的長(zhǎng)絲杠在工作時(shí)可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)S，其值應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S]
絲杠不會(huì)失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷
式中，E為絲杠材料的彈性模量，對(duì)于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長(zhǎng)度（m）；為絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩（）；為長(zhǎng)度系數(shù)，取。
安全系數(shù)
查表2-10，[S]=2.5～3.3，S>[S]，絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn)。
② 高速絲杠工作時(shí)有可能發(fā)生共振，因此需驗(yàn)算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速——臨街轉(zhuǎn)速。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速。
臨街轉(zhuǎn)速按下式計(jì)算：
式中：為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表2-10，本題取，
即：，所以絲杠工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振。
③ 此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求
3.3.3手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
手指握持力與一個(gè)大的，高負(fù)載能力，良好的通用性，能夠抓住任意形狀，更寬的應(yīng)用范圍的目的，同時(shí)減少驅(qū)動(dòng)源的數(shù)量，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，容易控制。
（1）手指數(shù)量
果實(shí)形狀規(guī)則和不規(guī)則的。規(guī)則小果，采摘機(jī)器人使用了兩個(gè)有直接吸搶果的指尖最線性驅(qū)動(dòng)器。相對(duì)的兩個(gè)手指，三個(gè)手指也有一些研究采摘機(jī)器人，3指的是機(jī)器人搶水果的穩(wěn)定性更好。
（2）手指關(guān)節(jié)數(shù)量
關(guān)節(jié)執(zhí)行器抓取密切相關(guān)的端部效應(yīng)數(shù)量越多關(guān)節(jié)的數(shù)量越多，端自由，更靈活的抓動(dòng)作，更好的爬的程度。從而增加接頭的數(shù)量同時(shí)增加的驅(qū)動(dòng)裝置的數(shù)量，驅(qū)動(dòng)器將增加增大控制的數(shù)量的難度，同時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，從而產(chǎn)生負(fù)面影響。
本文所設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器人采摘的使用四連桿機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所欠的手指驅(qū)動(dòng)的多手指關(guān)節(jié)，并配有一個(gè)力傳感器和橡膠材料，測(cè)量夾緊力和摩擦力增大。
按《中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》，除三級(jí)蘋果外，果實(shí)橫切面最大直徑要大于或等于70mm[9]。這里設(shè)計(jì)機(jī)械手所抓取的蘋果直徑在50mm～150mm之間，故取蘋果半徑為25mm≤R≤75mm。
（3）手指的材料
手指選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，使用在機(jī)器人很大的影響作用。遵從手的結(jié)構(gòu)尺寸，手指，同時(shí)保持足夠的光強(qiáng)度和質(zhì)量，系統(tǒng)將雙手尼龍材料的選擇。尼龍具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，耐熱，磨擦系數(shù)低，耐磨損，自潤(rùn)滑性，吸震性，耐油，耐弱酸等特點(diǎn)。
圖3-9 手指結(jié)構(gòu)
3.3.4手抓支架的設(shè)計(jì)
支架主要是用來(lái)安裝驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和手掌，小巧的機(jī)身，體積小，重量輕的設(shè)計(jì)要求。這樣的設(shè)計(jì)是一個(gè)圓柱形主體框架，所述固定底板，中間板，下部主傳動(dòng)馬達(dá)構(gòu)成的支撐柱的安裝位置。將主手指擋塊的上部。機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。
機(jī)器人可分為棕櫚基和棕櫚基類。手掌可以增加關(guān)于這個(gè)問(wèn)題的制約，有棕櫚機(jī)器人具有廣泛的適用性，操作方便的特點(diǎn)。無(wú)機(jī)械手可以抓住的對(duì)象，但對(duì)象通常祝福規(guī)則的形狀，它的形狀和要求高的對(duì)象的大小特征的，無(wú)機(jī)械手的手掌被廣泛應(yīng)用于特殊的保持機(jī)構(gòu)。
圖3-10 機(jī)架結(jié)構(gòu)
第4章 基于Pro/E的三維設(shè)計(jì)
4.1 Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件概述
Pro/Engineer操作軟件是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位。Pro/Engineer作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣，是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。
Pro/E第一個(gè)提出了參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)解決特征的相關(guān)性問(wèn)題。Pro/E采用了模塊方式，可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。功能如下：
（1）特征驅(qū)動(dòng)（例如：凸臺(tái)、槽、倒角、腔、殼等）；
（2）參數(shù)化（參數(shù)=尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等）；
（3）通過(guò)零件的特征值之間，載荷/邊界條件與特征參數(shù)之間（如表面積等）的關(guān)系來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)；
（4）支持大型、復(fù)雜組合件的設(shè)計(jì)（規(guī)則排列的系列組件，交替排列，Pro/PROGRAM的各種能用零件設(shè)計(jì)的程序化方法等）。
（5）貫穿所有應(yīng)用的完全相關(guān)性。
4.2三維設(shè)計(jì)
4.2.1車體
車體如下圖示：
圖4-1車體
4.2.2主履帶
通過(guò)對(duì)各組成零件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)后裝配得到主履帶設(shè)計(jì)結(jié)果如下圖示：
圖4-2主履帶
4.2.3副履帶
通過(guò)對(duì)各組成零件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)后裝配得到副履帶設(shè)計(jì)結(jié)果如下圖示：
圖4-3副履帶
4.2.4手臂、手抓
通過(guò)對(duì)各組成零件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)后裝配得到手臂、手抓設(shè)計(jì)結(jié)果如下圖示：
圖4-4 手臂、手抓
4.2.5三維裝配
圖4-5 水果采摘機(jī)裝配
4.3仿真分析
4.3.1 Pro/E仿真介紹
在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，首先是概念設(shè)計(jì)和方案論證，然后進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì),為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，通常要制造樣機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)，有時(shí)這些試驗(yàn)是破壞性的。當(dāng)通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷時(shí)，又要重新修改設(shè)計(jì)，并用樣機(jī)重新驗(yàn)證。只有通過(guò)周而復(fù)始的“設(shè)計(jì)－試驗(yàn)—設(shè)計(jì)”過(guò)程，產(chǎn)品才能達(dá)到要求的性能。這一過(guò)程是冗長(zhǎng)的，尤其對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)思路其設(shè)計(jì)周期無(wú)法縮短，更談不上市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)高速發(fā)展的今天，Pro/ENGINEER（以下簡(jiǎn)稱Pro/E）為之提供了一套行之有效的運(yùn)動(dòng)仿真解決方案，即Pro/E的運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)是利用Pro/E建立模擬系統(tǒng)的三維實(shí)體模型和力學(xué)模型，在計(jì)算機(jī)上建造出產(chǎn)品的整體模型，并針對(duì)該產(chǎn)品在投入使用后的各種情況進(jìn)行仿真分析，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的整體性能，進(jìn)而改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品性能的先進(jìn)技術(shù)，其目的是為物理機(jī)樣的設(shè)計(jì)和制造提供依據(jù)。
運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)是從分析解決產(chǎn)品整體性能及其相關(guān)問(wèn)題的角度出發(fā)，解決傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程弊端的高新技術(shù)。工程設(shè)計(jì)人員可以直接利用Pro/E系統(tǒng)所提供的各零部件的物理信息及幾何信息，在運(yùn)動(dòng)仿真內(nèi)定義零部件間的連接關(guān)系并進(jìn)行虛擬裝配，從而獲得機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)，在各種虛擬環(huán)境中真實(shí)地模擬系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，并對(duì)其在各種工況下的運(yùn)動(dòng)和受力情況進(jìn)行仿真分析，仿真試驗(yàn)不同的設(shè)計(jì)方案，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行不斷改進(jìn)，直至獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，再做物理樣機(jī)。這樣做的意義在于減少了甚至免除了制作物理樣機(jī)的經(jīng)費(fèi)，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，提高了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
4.3.2仿真
（1）典型機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真詳細(xì)過(guò)程
本次運(yùn)動(dòng)仿真以運(yùn)動(dòng)過(guò)程較復(fù)雜的手抓為例進(jìn)行說(shuō)明：
(a)打開裝配圖，點(diǎn)擊“機(jī)構(gòu)”命令
圖4-6點(diǎn)擊“機(jī)構(gòu)”
(b)建立伺服電動(dòng)
圖4-7建立電動(dòng)機(jī)
(c)點(diǎn)擊“機(jī)構(gòu)分析”，彈出界面
圖4-8機(jī)構(gòu)分析
(d)點(diǎn)擊運(yùn)行
（2）仿真動(dòng)畫獲取
(a)點(diǎn)擊“回放”-右鍵選擇“播放”
圖4-9啟動(dòng)動(dòng)畫
(b)點(diǎn)擊 “動(dòng)畫”中“捕獲”命令
圖4-10動(dòng)畫
(c)設(shè)置“捕獲”命令參數(shù)
設(shè)置“捕獲”中動(dòng)畫放置目錄、圖像大小等參數(shù)后，點(diǎn)擊“確定”等待計(jì)算機(jī)運(yùn)行捕獲即可得到仿真動(dòng)畫。
圖4-11捕獲
（2）總體運(yùn)動(dòng)仿真
總成運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程與手抓部分類似，仿真參數(shù)設(shè)置完成后效果如下圖，隨后運(yùn)行仿真并“捕獲”仿真動(dòng)畫即可。
圖4-12 總成仿真設(shè)置
總 結(jié)
水果采摘機(jī)是一種極具研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景的農(nóng)用地面移動(dòng)機(jī)器人，本論文對(duì)具有移動(dòng)功能的采摘機(jī)進(jìn)行了總體技術(shù)的研究，并主要對(duì)其車體結(jié)構(gòu)部分、手臂部分、手抓部分進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)和論證，本論文完成的主要工作如下：
（1）通過(guò)功能和設(shè)計(jì)任務(wù)的分析，確立了水果采摘機(jī)總體功能構(gòu)架，初步制定了小型水果采摘機(jī)的總體組成和性能指標(biāo)。
（2）在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下，移動(dòng)平臺(tái)是小型水果采摘機(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地形運(yùn)動(dòng)的功能載體，本文采用了后輪驅(qū)動(dòng)的履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，并具有可獨(dú)立控制的前擺，具有較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力。本文對(duì)其基本結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，特別對(duì)其越障運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析。
（3）通過(guò)對(duì)比多