小型水果采摘机的结构设计与分析【附赠CAD图纸、三维PROE+动画仿真】

附赠CAD图纸和三维建模及说明书,领取加Q 197216396 或 11970985毕业设计说明书题 目： 学 院： 专 业： 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 目 录摘 要IVAbstractV第1章 绪论11.1研究背景及意义11.2国内外研究及发展现状1第2章 总体方案设计22.1设计参数22.1.1设计技术参数22.2方案选定22.2.1车体方案设计22.2.2手臂方案设计22.2.3手抓方案设计32.3.4驱动方案的选择32.3工作原理分析42.3.1传动机构工作原理42.3.2手臂工作原理42.3.3手抓工作原理5第3章 零部件的设计与选择63.1行驶小车设计63.1.1主电机的选择63.1.2履带部分设计83.1.3副履带部分设计183.2手臂部分设计213.2.1电机的选择213.2.2大、小臂设计233.3手抓设计243.3.1电动机的选择243.3.2丝杆螺母副的选型与校核263.3.3手指结构设计293.3.4手抓支架的设计30第4章 基于Pro/E的三维设计314.1 Pro/E三维设计软件概述314.2三维设计314.2.1车体314.2.2主履带324.2.3副履带324.2.4手臂、手抓324.2.5三维装配334.3仿真分析334.3.1 Pro/E仿真介绍334.3.2仿真34总 结37参考文献38致 谢39摘 要果园种植业的发展提高了果园机械市场的需求，为了节约人力物力，提高果农的经济效益，开展采摘器械的研究有重要的意义。水果采摘机是一种极具研究价值和应用前景的农用地面移动机器人，本论文对具有移动功能的采摘机进行了总体技术的研究，并主要对其车体结构部分、手臂部分、手抓部分进行了详细的设计。本文首先，通过功能和设计任务的分析，确立了水果采摘机总体功能构架；接着，对本采摘机车体结构部分、手臂部分、手抓部分进行了详细设计与校核并采用Pro/E三维设计；然后，进行仿真分析，确保水果采摘机结构最优，效率最高，性能最优；最后采用AtuoCAD软件绘制了采摘机的装配图及主要零件图。通过本次设计，对大学所学专业知识在理论结合实际的锻炼下加深了知识的理解，对今后的工作必定带来很大帮助。关键词：水果采摘机；手臂；手抓；履带AbstractThe 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; Crawler40第1章 绪论1.1研究背景及意义果园种植业的发展提高了果园机械市场的需求。在整个生产中，由采摘果实所耗费的劳动力占据整个生产过程的5070。采摘作业季节性相对强，传统人工采摘的方式不仅仅易造成果实损伤。同时，采摘不及时将会导致经济上的损失。农业劳动力向其他行业转移，人员缺乏，随着老龄化的增长，生产成本不断提高，降低了人们的种植积极性，果园种植业的发展受到了制约。为了节约人力物力，提高果农的经济效益，开展采摘器械的研究有重要的意义。1.2国内外研究及发展现状机器人是二十世纪人类最伟大的发明之一。人类对于机器入的研究由来已久，但直到上世纪50、60年代，随着机构理论和数控伺服技术的发展才真正进入实用化。上世纪70年代后，计算机技术、控靠q技术、传感技术和人工智能技术迅速发展，机器人技术也随之进入高速发展阶段，并发展成为集机械、电子、控制和计算机技术的一项综合技术。水果和蔬菜的采摘机器人的研究始于20世纪60年代，在20世纪的美国，用于收割方法主要是机械和气动摇晃摇晃风格。缺点是水果的脆弱性，效率不高，是不是特别有选择性的收获，存在很大的局限性采摘柔软，新鲜水果和蔬菜方面。但此后，随着电子技术和计算机技术的发展，特别是在工业机器人，日益成熟的计算机图像处理技术和人工智能技术，采摘机器人的研究和技术开发得到了快速发展。目前，日本，荷兰，法国，英国，意大利，美国，以色列，西班牙等国相继推出的水果和蔬菜采摘机器人方面的研究相关的研究主要橘子，苹果，西红柿，樱桃西红柿，芦笋，黄瓜，甜瓜，葡萄，甘蓝，菊花，草莓，蘑菇等，但这些收益还没有真正商业化经营的机器人。研究农业机器人领域起步相对较晚，但近几年的快速发展，也已经有很多的研究。张剑峰，董剑，张志勇，如自适应鲁棒跟踪控制算法采摘机器人设计;机器人视觉传感器设计立体的中国农业大学，刘兆祥，刘刚，谁捡到了苹果方面江苏大学蔡健荣三维信息，例如恢复的障碍，为柑橘采摘机器人障碍识别技术的研究;南京农业大学工学院和夺权的水果和蔬菜研究技术姬长英王学林外环控制。在国内，苹果采摘由人工来完成，采摘效率低、采摘人员劳动强度大、工作环境差。目前对苹果采摘机的报道比较少，最近国内也有一些采摘机具的专利，如坚果采摘机，这些专利能在一定程度上减轻采摘人员的劳动强度，改变采摘人员的工作环境；但大多结构简单，所以未从根本上解决采摘难度，效率低等问题。第2章 总体方案设计2.1设计参数2.1.1设计技术参数本课题对小型水果摘採机的结构进行设计及分析，主要技术指标包括：（1）采摘机构能够实现上下高度范围为1.0-1.5m，工作空间2m3；（2）机构要求效率高，运转速度快；（3）对结构进行静力负载分析，确保满足使用要求。2.2方案选定2.2.1车体方案设计本次设计的水果采摘机车体结构采用的是履腿式复合结构，总体设计方案如图2-1所示。机器人的车体的履带作为移动移动机构，与前臂和后臂转动相协调，增加了机器人运动灵活性。机器人后轮有一个伺服电机驱动，通过控制系统协调配合，实现后轮的灵活转动，在机器人爬坡和越障时发挥更大作用。机器人车体左右两边履带各有永磁式直流电机驱动，通过控制系统协调配合，控制前轴和后轴的速度、力矩，可实现原地360转向，前进时的自由转向，随时调解爬坡时的力矩大小。在车体主履带前端是惯性轴，与主动轴配合，保证机器人运动的平稳。图2-1 水果采摘机车体结构组成2.2.2手臂方案设计本次设计的机械手要求：机械手臂可实现回转、上下移动，机械手爪可实现夹持，并且采用关节式结构，因此选定的设计方案如下：其由两个电机驱动关节转动实现机械手臂上下移动，手臂整体回转有底部回转电机实现；机械手爪具有2个自由度，分别是手爪回转，手爪夹持；手爪回转有电机驱动，手爪夹持由电磁铁的正反接实现。2.2.3手抓方案设计目前，实现采摘的主要途径有以下几种：（1）采用吸盘牢牢地吸住了水果，然后用剪刀等工具切割茎秆这种方法需要一个很好的位置来检测和准确的调整端部执行器的姿态，从而增大控制系统和机制的复杂性的困难。（2）使用剪刀剪开茎，秆这个方法需要一个好的位置，以检测并精确地调节到致动器的姿势的末端，从而增加了系统的复杂性和控制机构的难度。（3）用激光切割，该方法还要求具有良好的检测秆制成的高要求的视觉系统中的位置。（4）人工采摘苹果，轻轻握住果实，食指按住秆，然后向上提起，使果柄与果枝部位从离层断开，轻轻取出果实。苹果茎脆弱，容易分离，因此通过垂直旋转在手腕上，以模拟人的运动打破手柄实现分离和果柄采摘苹果或旋转运动的模拟人工的方式设计。这种方法简单，视觉系统要求不高。根据采摘苹果的具体要求，提出了一种苹果采摘手抓。该执行器由手指、手掌、机架等组成。手抓有3个手指，3个手指圆周对称布置，即每侧一个手指。每个手指有6个关节。在电机控制下，通过丝杆拉动手指下部的拉杆实现3个手指的联动，以及对不同形状物体的夹持。2.3.4驱动方案的选择目前这类机械手的驱动源主要是采用气压驱动、电驱动、液压驱动这三种10。（1）气动压力是一个压缩空气驱动系统来驱动致动器的运动，空气压缩机通常被用作动力源。气动驱动器过载安全，结构简单，污染少，成本低，通过调节空气流量，可以实现无级变速，但大尺寸设备的运行速度不稳定，定位精度不高，抓小举行力。（2）液压驱动系统来驱动流体压力致动器的输出力来驱动系统的稳定，固有的高效率，响应速度快，速度很简单，可以在很宽的范围内无级调速，便于适应不同的工作要求，顺利实现传输，可以吸收冲击力可以实现更加频繁和换向平稳，但容易漏油，污染，高成本，高定位精度比空气，但比电机低，流体温度和粘度变化影响传输性能。（3）电动驱动模式包括步进电机，直流伺服电机，交流伺服电机和步进电机和力矩电机等驱动器类型。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或开环控制元件的线性位移，具有控制简单，响应速度快，可靠，无累积误差等。伺服电机转子惯量，良好的动态特性，机器人由一个伺服电机驱动系统的构成与运行精度高，调速范围广，速度快，运行平稳，可靠性高，易于控制等特点。基于步进电机的这些优点本设计中采用步进电机驱动。图2-2 水果采摘机总体结构图2.3工作原理分析2.3.1传动机构工作原理减速传动机构是电动机通过行星轮减速器的降速，来实现增大转矩、调速，通过直齿轮改变轴的方向，输出后轴转矩，为机器人提供主要动力。后轴驱动机构驱动后轴位于传动系的末端。其基本功用是增扭、降速和改变转矩的传递方向。转向机构机器人在行驶过程中，经常需要改变行驶方向，本机构是通过两个电机的差速比来实现的。动力部分采用电机，通过齿轮副降速后带动低速轴的转动，轴与履带驱动机构通过导杆滑块机构连接，使履带驱动机构各自绕前后轴的中心线转动，实现机器人不同角度的爬坡和越障能力。2.3.2手臂工作原理其由两个电机驱动关节转动实现机械手臂上下移动，手臂整体回转有底部回转电机实现；机械手爪具有2个自由度，分别是手爪回转，手爪夹持；手爪回转有电机驱动，手爪夹持由电磁铁的正反接实现。2.3.3手抓工作原理机械臂将机械手送达到果实附近，机械手上的位置传感器检测机械手与苹果的相对位置，当果实进入机械手中心位置时，位置传感器触发单片机控制信号，步进电机开始正向转动使机械手开始加紧果实，压力传感器检测手指加紧果实时的压力并判断是否达到压阈值，阈值有实验所得出。若达到此阈值则机械手停止运动，机械臂模拟人工采摘运动，完成果实与果柄的分离。机械臂将果实送到指定位置后，步进电机反转，手指松开，恢复到初始位置，完成果实的采摘。第3章 零部件的设计与选择3.1行驶小车设计3.1.1主电机的选择（1）机器人在平直的路上行驶水果采摘机在跨越平面的沟槽或在平面移动，假设其速度最大，且匀速前进，则取 水果采摘机共有两个输出轴，每个输出轴前端都有一个电机，对机器人其中一个输出轴分析:图3-1 平直路线分析又 则在最大的行驶速度下，驱动电机经过减速箱减速后需要提供的极限转速为（2）机器人在30坡上匀速行驶机器人在最大行驶坡度上匀速行驶，设定行驶速度为,在行驶过程中轮子作纯滚动，不考虑空气阻力的影响，机器人爬坡受力情况如图图3-2 30坡度分析又，则 则在最大坡度下需提供极限转矩为 （3）机器人的多姿态越阶对这几种姿态分析，机器人在跨越台阶时直流电机只驱动主履带，机器人在实际跨越台阶过程中速率不大，那么机器人所需提供的输出功率也不大。由以上分析可知，机器人平地直线运动时要求的驱动电机输出转速较大，而爬坡时需要驱动电机的输出转矩较大。因此，在选电机时，应根据平地直线运动所求的最大转速和爬坡运动所求的转矩进行选择。根据机器人爬坡情况的分析，,机器在平面状况下， 因而选取P=80W作为机器人的最大输出功率。根据计算的水果采摘机的最大输出功率为80W,输出转矩为22.1N.M,输出转速为56.2r/min。因为直流电机启动性能好，过载性能强，可承受频繁冲击、制动和反转，允许冲击电流可达额定电流的3到5倍。另外在使用过程中可携带或可移动的蓄电池，干电池作为供电电源，操作轻巧与方便。根据直流电机这些性能，满足主履带频繁受冲击，制动和反转的要求，满足机器人要携带移动电池的要求，因而则选择90ZY54型号的直流永磁电机，其参数如下：额定功率92额定转矩0.6额定转速1500电流7电压12允许正反转速差150因为 则因为, 则又则选取3.1.2履带部分设计1、履带的选择对于履带基于标准化的思考，我们选择了梯形双面齿履带作为设计履带，其具有带传动、链传动和齿轮传动的优点。由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力，故带与带轮间无相对滑动，能保证准确的传动比。履带通常以氯丁橡胶为材料，这种带薄而且轻，故可用于较高速度。传动时的线速度可达50m/s，传动比可达10，效率可达98。传动噪音比带传动、链传动和齿轮传动小，耐磨性好，不需油润滑，寿命比摩擦带长。因为履带传动具有准确的传动比，无滑差，可获得恒定的速比，传动平稳，能吸振，噪音小，传动比范围大等优点，所以传递功率可以从几瓦到百千瓦。传动效率高，结构紧凑，适宜于多轴传动，无污染，因此可在工作环境较为恶劣的场所下正常工作。从以上对履带性能的分析中可以得出结论，选用梯形双面齿履带作为移动装置设计履带能够满足设计性能及工作的环境条件要求。由已知后轴输出功率为(即）；由已知设计装置移动速度，根据公式，可得主动轮转速，预先设计履带主动轮直径=169mm，履带从动轮直径=169mm，由公式，可得=59.71r/min.。故可以得到设计的已知条件如下：传递名义功率.主动轮转速r/min从动轮转速中心距.（1）功率的计算式中K-载荷修正系数（有工作机性能和运转时间查表3-1可以得到）表3-1修正载荷系数K工作机运行时间（小时/日）358101624计算机，医疗机1.01.21.4缝纫机，办公机械1.21.41.6轻传送机，包装机1.31.51.7搅拌机，造纸机1.41.61.8印刷机，圆形带锯1.41.61.8（2）确定带的型号和节距由设计功率=0.1377kw和=59.71r/min，考虑到可以用双面交错梯状齿形履带作为履带使用，由图8-1查得型号选用XH型，对应节距=22.225mm，图3-3为双面交错梯状齿形履带的结构图，双面齿履带的节距和齿形等同与单面齿履带的齿形和节距，图A为DA型双面齿履带，其两面带齿呈对称排列，图B为DB型双面齿履带，其两面带齿呈交错位置排列，本装置设计履带选择DB型XH履带：=2.794mm，=15.49图3-3梯形齿履带，轮选型图图3-4梯形齿形状图本装置选择的梯形BD型XH履带的具体参数如下表3-2表3-2 梯形齿标准履带型号以及齿尺寸2、确定主从动轮直径对于梯形标准履带来说小带轮的齿数是有要求的，能够保证履带运转是最为基本的，履带选用的XH形履带一样有齿数最小要求，由表3-3查的表3-3小带轮的最小齿数小带轮转速XLLHXHXHH<9001012142222900-120010121624241200-180012141820261800-36001216202230由上面得到 可以代入公式为了增大摩擦力，应考虑增大履带与接触地面的有效接触面积，所以履带离地面的高度不易过大，故取履带主动轮直径=169mm，履带从动轮直径=169mm。查表3-4，选择履带主动轮型号为24XH，履带从动轮型号为24XH，就近圆整带轮直径，查得履带主动轮直径=169.79mm，履带从动轮直径=169.79mm。表3-4XH型同步轮尺寸表（节距=22.225mm）规格齿数节径d外径do档边直径df档边内径db档边厚度h22XH22155.64152.841671384.523XH23162.71159.921741454.524XH24169.79166.991811524.525XH25176.86174.071881594.526XH26183.94181.141951664.527XH27191.01188.222021734.528XH28198.08195.292091804.5履带都有自己的极限速度，如果速度过大会使皮带轮机构的不稳定性增强，有较大的波动现象，并且在单位时间的转动次数会增加，不利于带的寿命的提高，所以有履带的速度校核如下查表3-5得 表3-5梯形齿履带极限速度型号MXL,XXL,XL,T2.5，T5，3ML,H,T10，8M,14MXH,XXH,T20，20M模数1,1.5,2,2.53,4，57,1040-5035-4025-303、确定节线长度确定中心距，增大中心距，可以增加带轮的包角，减少单位时间内带的循环次数，有利于提高带的寿命，但是中心距过大，则会加剧带的波动，降低带的传动平稳性，同时增大带传动的整体尺寸，中心距过小，则有相反的利弊，取带传动的中心距为由=169.79mm，=169.79mm.代入上式有由于水果采摘机工作的环境限制，所设计的尺寸不宜过大，选择中心距的尺寸偏小，初选取=380mm。根据带传动总体尺寸和中心距的要求，带的节线长度可由带围绕两带轮的周长来计算，根据下式求得：代入=400mm，=169.79mm，=169.79mm有1350.79mm，根据表3-6就近圆整=1422.40mm型号为560XH，履带齿数为64。表3-6 XH型履带节线型号XH型（节距=22.225mm）规格节线长mm齿数463XH1177.9353508XH1289.0558560XH1422.4064570XH1444.6365580XH1466.8566630XH1600.2072700XH1778.0080735XH1866.9084752XH1911.3586770XH1955.8088785XH2008.70904、确定最大功率时带宽（1）计算履带的基准额定功率kw式中许用工作拉力，查表3-4得=4048.90N单位长度质量，查表3-7得=1.484Kg/m线速度m/s表3-7七种履带型号的主要参数带型号节距基准宽拉力质量G带宽MXL2.036.43.0，4.8，6.4XXL3.1756.4310.0103.0，4.8，6.4XL5.0809.550.170.0226.4，7.9，9.5L9.52525.4244.460.09512.7，19.1，25.4H12.7076.22100.850.44825.4，38.1，50.8XH22.225101.64048.901.48450.8，76.2，101.6XXH31.75127.06398.032.47376.2，101.6，127.0带入上式得 （2）计算主动轮啮合齿数小带轮的啮合齿数为（3）确定实际所需带宽其中为啮合系数由表3-8查的=1表3-8啮合数系数5410.80.6式中带所传递的功率=2.024kw本履带选用为XH带，可以由表3-9查的基准带宽如下表3-9周节制梯形齿履带的宽度型号MXLXXLXLLHXHXXH基准宽度mm6.46.49.525.476.2101.6127许用拉力T273150.17244.462100.854048.906398.03带的质量m0.0070.010.0220.0950.4481.4842.473所以以上公式算得带宽为72.44mm，所以以此选取标准带宽，表3-10查的 将其取为标准值3-10周节制梯形履带的宽度与高度型号公称高度标准宽度mminmmin代号H4.30.1750.8220076.23300XH11.20.4476.23300101.64400XXH15.70.62101.644001275500XXL1.52_4.8-4.86.4-6.45、功率验算,额定功率大于设计功率，则带的传动能力已足够，所选参数合理。同时得到作用在轴上的力 6、履带的物理机械性能本水果采摘机选用XH带，其物理机械如下表3-11履带的物理机械性能项目梯形齿XHLHXHXXH拉伸强度80120270380450参考力伸长率参考力N6090220300360伸长40硬度755包布粘合强度56.581012芯绳粘合强度2003806008001500齿体剪切强度50607075907、履带主从动轮设计（1）带轮材料选择为了减轻履带驱动装置的重量，我们选择硬铝合金作为履带主、从动轮的材料，硬铝合金具有密度小，质量低，强度高，硬度高，耐热性好的优点，能够满足设计性能要求。（2）带轮形状及主要尺寸的确定履带和带轮的啮合方式见图3-3所示，图中为履带轮节圆或履带节线上测得相邻两齿的距离即节距。XH型节距=22.225mm，为履带轮的节圆直径，主动轮节圆型号为24XH，=169.79mm，从动轮节圆型号为24XH，=169.79mm.为履带轮实际外圆直径，主动轮=166.99mm，从动轮=166.99mm。图3-3履带轮外径径节示意图履带分为AS型，BS型，AF型，BF型，WS型，其中AF型和BF型为双边档边，由于本设计采用的是电动机、减速器动力总成放在摇臂内，直接通过锥齿轮传递用后驱动轮轮轴。所以，主动轮选择两个单边单圈，从动轮选择一个无挡圈，选WS型履带轮。主动轮24XH，齿数24，径节=169.79mm，外径=166.99mm主动轮初选两个双边挡圈的带轮，用于设计中将其组合。（3）履带轮齿形及齿面宽度的选择根据图3-4可以查得XH型梯形双面齿履带轮齿形尺寸如下图3-4齿形尺寸节距=22.225mm，齿槽=mm，齿深=7.14mm，槽角=，倒角=，=，=3.048mm，根据表8-12可以查出以上数据。表3-12梯形双面齿同步轮齿形尺寸型号节距MXL2.0320.840.050.69200.350.130.508XL5.0801.320.051.65250.410.640.508L9.5253.050.102.67201.191.170.762H12.74.190.133.05201.601.61.372XH22.2257.900.157.14201.982.392.794XXH31.75012.170.1810.31203.963.183.048根据前面确定的宽度为76.2，及所选择的无档边带轮查表8-13可得到梯形双面齿履带轮齿面宽度=83.8。表3-13履带轮齿面宽度尺寸参考表型号履带宽度齿轮面宽度代号带宽双面档边带轮单面档边带轮无档边带轮XH20050.856.662.259.630076.283.889.886.9400101.6110.7116.7113.7（4）履带轮所允许的公差两轮所允许的公差如表3-14所示表3-14允许公差表项目小轮大轮外径偏差+0.150+0.150任意两相邻点节距偏差90度弧内的累积0.030.150.030.15外圆径向圆跳动0.130.15外圆端面圆跳动0.190.26轮齿与轴线平行度齿顶圆柱面的圆柱度0.090.11轴孔直径偏差H7或H8H7或H8外圆及两齿侧表面粗糙度3.23.23.1.3副履带部分设计因为履带传动具有准确的传动比，无滑差，传动平稳，能吸振，噪音小，传动比范围大等优点，所以传递功率可以从几瓦到百千瓦。传动效率高，结构紧凑，适宜于多轴传动，无污染，因此可在不允许有污染和工作环境较为恶劣的场所下正常工作。从以上对履带性能的分析看出其性能的优越性，因此选用梯形双面齿履带作为移动装置副履带能够满足设计性能及工作的环境条件要求。副履带的设计是依照主履带的设计进行的，具有异曲同工之妙。而副履带相对了主履带来说，它是辅助作用，帮助移动平台具有更出色的越野性能，更擅长于攀爬和越沟。自然它的环境不如主履带恶劣，并且所承受的载荷也比较轻一些，所以我给予选择H带。其设计方法参照主履带如下:介于副履带的主动轮的直径选择应与主履带的从动轮的相当，则参照表3-15选择副履带主动轮直径。根据任务推出副履带从动轮直径 副履带主动轮齿数 副履带从动轮齿数 表3-15标准履带的直径（1）计算履带的带宽根据前面的表3-7查得到：H带 选择标准带由表3-9差查得H带 （2）计算H带的基准额定功率计算所选用型号履带的基准额定功率 其中得出而由反推得到设计功率为（3）中心距的选择则确定中心距（4）计算履带节线长度根据带传动总体尺寸和中心距的要求，带的节线长度可由带围绕两带轮的周长来计算，根据下式求得： 代入数据根据表3-16可选带长为3-16周节制梯形齿履带节线长度及齿数长度代号基本尺寸极限偏差LHXHXXH345876.300.6692-360914.40-72-367933.4598-390990.6010478-4201066.800.7611284-（5）车体副履带摇臂设计车体副履带摇臂如下图示：3.2手臂部分设计3.2.1电机的选择本机械手臂有四个电机，分别是手臂回转电机，大小臂关节电机、手抓回转电机，此处以手臂回转电机为例进行选择计算，其他电机的选择类似。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(vR)、永磁式步进电机(PM)等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.50或150；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为0.750或1.50，但有一定的噪声和振动。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。综合考虑技术难度、精度和资金等因素，结合所改造机床的负载较小，负载变化不大又是经济简易型的自动控制设备，故采用反应式步进电机作为砂轮座磨削进给的驱动源。(1)旋转力的计算旋臂式机械手夹持工件时，很明显承受着一定的旋臂力矩。由文献1查得旋转力的计算公式为：一旋转阻抗力(N)，根据相关经验数据，取其值为1989.9。由文献1查得：取，则 (N)，则 (N)(2)步进电机的选用步进电机总的位移量是严格等于输入的指令脉冲数，或其平均转速严格正比于输入指令脉冲的频率，因此能实现精确定位、精确位移。而且同时可在其工作频段内，从一种运动状态稳定地转换到另一种运动状态。步进电机有下列工作特点：变扭矩传动，扭矩受脉冲频率的限制。频率高，扭矩则小。能双向转动，有适量的阻尼。只要避开步进电机本身的低频振荡区，就可能获得平稳的低速进给。改变指令脉冲频率就能使步进电机变速，从而改变进给速度，可省去一部分机械变速机构，机械结构简单，寿命长。进给速度变化范围宽，从每秒几个脉冲到几千个脉冲。即能使进给系统正调整时实现快速运动，又能保证由粗加工到精加工的各项要求。快速响应性很强，只要有脉冲输入或停止输入，步进电机就立即转动或停转。不通电时无定位力矩，转子能自由转动，每步有振荡和过冲，但在使用中失步和过冲完全在零件的尺寸误差之内，对加工精度影响甚小。(3)脉冲当量和步距角脉冲当量小可提高加工精度，但使系统复杂。一般加工精度的自动控制机床，脉冲当量可选为0.01mmstep，初步确定步距角=0.75step。(4)步进电机转轴上启动力矩的计算由文献9查得启动力矩的计算公式为：式中：一电机启动力矩旋转进给抗力(N)，= =1989.9(N)一垂直分力，=795.9(N)导轨摩擦系数，选用淬火钢滚动导轨，取=0.01 G-机器重量(N)，按图纸粗估G=480N总机械效率，取=0.85则(5)确定步进电机最大静转矩和最高工作频率为满足最小步距要求，电机选用三相六拍工作方式，由文献9查得：=0866 (36)则步进电机最大静转矩为：=1800.866=207.8(Ncm)最高工作频率为：(7)步进电机的选择查表选用110BF003型步进电机，其参数如下：步距角，选用三相六拍工作时取，最大静转距800N.cm，最高空载启动频率1500Steps，运行频率7000 Steps，相数3，电压80V，相电流6A，满足需要。3.2.2大、小臂设计（1）负载分析负载R是指工作机构在满负荷情况下，即： 式中：-工作机构的荷重及自重对手臂产生的作用力；-工作机构在满载启动时的静摩擦力；-工作机构满载启动时的惯性力。(1)的确定 工件的质量m=5.9 (kg) 夹持器的质量 15kg(已知)伸缩臂的质量 50kg(估计)其他部件的质量 15kg(估计)工作机构荷重： Ri=(5.9+15+50+15)*10=859(N)取Ri=860N(2) 的确定 Rm= (N)(3) 的确定 Rg=(N)式中：为启动时间，其加速时间约为0.10.5s=0.1s , =0.2s总负载 R=Ri+Rg+Rm=860+172+172=1204(N)取实际负载为 =1200根据负载分析计算得到大小臂结构尺寸如下图示：3.3手抓设计3.3.1电动机的选择步进电动机又称为脉冲电动机，是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或直线位移的执行元件。具有以下四个特点：转速（或线速度）与脉冲频率成正比；在负载能力允许的范围内，不因电源电压、负载、环境条件的波动而变化；速度可调，能够快速起动、制动和反转；定位精度高、同步运行特性好。摆盘机臂部升降机构要求电动机电位精度高，速度调节方便快速，受环境影响小，且额定功率小，并且可用于开环系统。而BF系列步进电动机为反应式步进电动机，具备以上的所有条件，我们选用了型号90BF004的反应式步进电动机作为主运动的动力源，该机功率为60W。选用时主要有以下几个步骤：（1）根据脉冲当量和最大静转矩初选电机型号(a)步距角初选步进电机型号，并从手册中查到步距角,由于综合考虑，我初选了，可满足以上公式。(b)距频特性步进电机最大静转矩Mjmax是指电机的定位转矩。步进电机的名义启动转矩Mmq与最大静转矩Mjmax的关系是：Mmq=步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩按下式计算：式中：Mkq为空载启动力矩；Mka为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度折算到电机轴上的加速力矩；Mkf为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩；为由于丝杆预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩。而且初选电机型号时应满足步进电动机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩，即：MkqMmq=Mjmax计算Mkq的各项力矩如下：加速力矩空载摩擦力矩附加摩擦力矩（2）启动矩频特性校核步进电机有三种工况：启动，快速进给运行，工进运行。前面提出的，仅仅是指初选电机后检查电机最大静转矩是否满足要求，但是不能保证电机启动时不丢步。因此，还要对启动矩频特性进行校核。步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动时加速力矩很大，启动时丢步是不可避免的。因此很少用。而升速启动过程中只要升速时间足够长，启动过程缓慢，空载启动力矩中的加速力矩不会很大。一般不会发生丢步现象。3.3.2丝杆螺母副的选型与校核滚珠丝杆已由专门工厂制造，因此，不用我们自己设计制造，只要根据使用工况选择某种类型的结构，再根据载荷、转速等条件选定合适的尺寸型号并向有关厂家订购。滚珠丝杆设计和校核，其步骤如下：首先对于一些参数说明如下：轴向变载荷，其中i表示第i个工作载荷，i=1、2、3n ；第i个载荷对应的转速(r/min);第i个载荷对应的工作时间 (h) ;丝杆副最大移动速度(mm/min);丝杆预期寿命。（1）型号选择（a）根据使用和结构要求 选择滚道截面形状，滚珠螺母的循环方式和预紧方式；（b）计算滚珠丝杆副的主要参数 根据使用工作条件，查得载荷系数=1.0系数=1.5； 计算当量转速 计算当量载荷 初步确定导程 ，取4mm计算丝杆预期工作转速计算丝杆所需的额定载荷（c）选择丝杆型号根据初定的和计算的，选取导程为4mm，额定载荷大于的丝杆。查滚珠丝杠型号表知，本次选定的滚珠丝杠螺母副型号为：GD1604-3由表2-9得丝杠副数据：公称直径 导程 滚珠直径 （2）校核计算（a）临界转速校核校核合格。（b）由于此丝杆是竖直放置，且其受力较小，温度变化较小。所以其稳定性、温度变形等在此也没必要校核。（c）滚珠丝杆的预紧预紧力一般取当量载荷的三分之一或额定动载荷的十分之一。即：其相应的预紧转矩（d）稳定性验算丝杠一端轴向固定，采用深沟球轴承和双向球轴承，可分别承受径向和轴向的负荷。另一端游动，需要径向约束，采用深沟球轴承，外圈不限位，以保证丝杠在受热变形后可在游动端自由伸缩，如下图。 由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数S，其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数S 丝杠不会失稳的最大载荷称为临界载荷 式中，E为丝杠材料的弹性模量，对于钢E=206Gpa；l为丝杠工作长度（m）；为丝杠危险截面的轴惯性矩（）；为长度系数，取。 安全系数 查表2-10，S=2.53.3，S>S，丝杠是安全的，不会失稳。 高速丝杠工作时有可能发生共振，因此需验算其不发生共振的最高转速临街转速。要求丝杠的最大转速。 临街转速按下式计算： 式中：为临界转速系数，见表2-10，本题取， 即：，所以丝杠工作时不会发生共振。 此外滚珠丝杠副还受值的限制，通常要求3.3.3手指结构设计手指握持力与一个大的，高负载能力，良好的通用性，能够抓住任意形状，更宽的应用范围的目的，同时减少驱动源的数量，从而使系统结构变得简单，容易控制。（1）手指数量果实形状规则和不规则的。规则小果，采摘机器人使用了两个有直接吸抢果的指尖最线性驱动器。相对的两个手指，三个手指也有一些研究采摘机器人，3指的是机器人抢水果的稳定性更好。（2）手指关节数量关节执行器抓取密切相关的端部效应数量越多关节的数量越多，端自由，更灵活的抓动作，更好的爬的程度。从而增加接头的数量同时增加的驱动装置的数量，驱动器将增加增大控制的数量的难度，同时导致系统结构复杂，可靠性差，从而产生负面影响。本文所设计的采摘机器人采摘的使用四连杆机构作为传动机构，所欠的手指驱动的多手指关节，并配有一个力传感器和橡胶材料，测量夹紧力和摩擦力增大。按中华人民共和国农业行业标准，除三级苹果外，果实横切面最大直径要大于或等于70mm9。这里设计机械手所抓取的苹果直径在50mm150mm之间，故取苹果半径为25mmR75mm。（3）手指的材料手指选择适当的材料，使用在机器人很大的影响作用。遵从手的结构尺寸，手指，同时保持足够的光强度和质量，系统将双手尼龙材料的选择。尼龙具有很高的机械强度，耐热，磨擦系数低，耐磨损，自润滑性，吸震性，耐油，耐弱酸等特点。图3-9 手指结构3.3.4手抓支架的设计支架主要是用来安装驱动机构和手掌，小巧的机身，体积小，重量轻的设计要求。这样的设计是一个圆柱形主体框架，所述固定底板，中间板，下部主传动马达构成的支撑柱的安装位置。将主手指挡块的上部。机架结构如图3.4所示。机器人可分为棕榈基和棕榈基类。手掌可以增加关于这个问题的制约，有棕榈机器人具有广泛的适用性，操作方便的特点。无机械手可以抓住的对象，但对象通常祝福规则的形状，它的形状和要求高的对象的大小特征的，无机械手的手掌被广泛应用于特殊的保持机构。图3-10 机架结构第4章 基于Pro/E的三维设计4.1 Pro/E三维设计软件概述Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。功能如下：（1）特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等）；（2）参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）；（3）通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计；（4）支持大型、复杂组合件的设计（规则排列的系列组件，交替排列，Pro/PROGRAM的各种能用零件设计的程序化方法等）。（5）贯穿所有应用的完全相关性。4.2三维设计4.2.1车体车体如下图示：图4-1车体4.2.2主履带通过对各组成零件进行三维设计后装配得到主履带设计结果如下图示：图4-2主履带4.2.3副履带通过对各组成零件进行三维设计后装配得到副履带设计结果如下图示：图4-3副履带4.2.4手臂、手抓通过对各组成零件进行三维设计后装配得到手臂、手抓设计结果如下图示： 图4-4 手臂、手抓4.2.5三维装配图4-5 水果采摘机装配4.3仿真分析4.3.1 Pro/E仿真介绍在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计,为了验证设计的合理性，通常要制造样机进行性能试验，有时这些试验是破坏性的。当通过试验发现设计缺陷时，又要重新修改设计，并用样机重新验证。只有通过周而复始的“设计试验设计”过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，尤其对于结构复杂的系统，采用传统的设计开发思路其设计周期无法缩短，更谈不上市场竞争力。在计算机仿真技术高速发展的今天，Pro/ENGINEER（以下简称Pro/E）为之提供了一套行之有效的运动仿真解决方案，即Pro/E的运动仿真技术是利用Pro/E建立模拟系统的三维实体模型和力学模型，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种情况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的先进技术，其目的是为物理机样的设计和制造提供依据。运动仿真技术是从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，解决传统的设计与制造过程弊端的高新技术。工程设计人员可以直接利用Pro/E系统所提供的各零部件的物理信息及几何信息，在运动仿真内定义零部件间的连接关系并进行虚拟装配，从而获得机械设计系统的虚拟样机，在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析，仿真试验不同的设计方案，对整个系统进行不断改进，直至获得最优设计方案，再做物理样机。这样做的意义在于减少了甚至免除了制作物理样机的经费，缩短了产品开发周期，提高了市场竞争力。4.3.2仿真（1）典型机构运动仿真详细过程本次运动仿真以运动过程较复杂的手抓为例进行说明：(a)打开装配图，点击“机构”命令图4-6点击“机构”(b)建立伺服电动图4-7建立电动机 (c)点击“机构分析”，弹出界面图4-8机构分析(d)点击运行（2）仿真动画获取(a)点击“回放”-右键选择“播放”图4-9启动动画(b)点击 “动画”中“捕获”命令图4-10动画(c)设置“捕获”命令参数设置“捕获”中动画放置目录、图像大小等参数后，点击“确定”等待计算机运行捕获即可得到仿真动画。图4-11捕获（2）总体运动仿真总成运动仿真过程与手抓部分类似，仿真参数设置完成后效果如下图，随后运行仿真并“捕获”仿真动画即可。图4-12 总成仿真设置总 结水果采摘机是一种极具研究价值和应用前景的农用地面移动机器人，本论文对具有移动功能的采摘机进行了总体技术的研究，并主要对其车体结构部分、手臂部分、手抓部分进行了详细的设计和论证，本论文完成的主要工作如下：（1）通过功能和设计任务的分析，确立了水果采摘机总体功能构架，初步制定了小型水果采摘机的总体组成和性能指标。（2）在非结构环境下，移动平台是小型水果采摘机实现复杂地形运动的功能载体，本文采用了后轮驱动的履带式移动机构，并具有可独立控制的前摆，具有较强的地形适应能力。本文对其基本结构参数进行了设计，特别对