小浆果采摘机械手设计毕业论文(编辑修改稿)

小浆果采摘机械手设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

要缺点是 :齿面摩擦力大 ， 发热量高 ，传动效率低。 蜗杆传动通常用于中、小功率非长时间连续工作的应用场合。 本文所选用的电机都采用了 电机和齿轮轮系一体化的设计 ， 结构紧凑 ， 具有很强的带负载能力 ， 但是不能通过电机直接驱动各个连杆的运动。 为减小机构运行过程的冲击和振动 ， 并且不降低控制精度 ， 采用了齿形带传动。 齿形带传动是同步带的一种 ， 用来传递平行轴间的运动或将回转运动转换成直线运动 ， 在本文中主要用于腰关节、肩关节和肘关节的传动。 齿形带传动原理如图 所示。 齿轮带的传动比计算公式为 2112 zznni  () 齿轮带的平均速度 av 为 2211 ntzntzv a  () 黑龙江工程学院本科生毕业设计 12 图 谐波齿轮轮传动：谐波传动包括三个基本构件：柔轮、刚轮和波发生器。 如下图所示。 三个构件中可以任意固定一个 ， 其余两个一个固定 ， 一个从动 ， 可以实现减速或增速（固定传动比） ， 也可以换成两个输入、一个输出 ， 组成差动传动。 谐波传动主要用于军工、精密仪器生产、医疗器械、起重机、机器人等。 谐波减速器 见简图 、。 图 谐波传动原理图 图 谐波传动减速器机构简图 波发生器 H是一个杆状部件 ， 其两端装有滚动轴承构成滚轮 ， 与柔轮 1的内壁相互压紧。 柔轮为可产生较大弹性变形的薄壁齿轮 ， 其内孔直径略小于波发生器的总长。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 13 波发生器是使柔轮产生可控弹性变形的构件。 当波发生器装入柔轮后 ， 迫使柔轮的剖面由原先的圆形变成椭圆形 ， 其长轴两端附近的齿与刚轮的齿完全啮合 ， 而短轴两端附近的齿则与刚轮完全脱开。 周长上其他区段的齿处于啮合和脱离的 过渡状态。 当波发生器沿图示方向连续转动时 ， 柔轮的变形不断改变 ， 使柔轮与刚轮的啮合状态也不断改变 ， 由啮入、啮合、啮出、脱开、再啮入 „„ ， 周而复始地进行 ， 从而实现柔轮相对刚轮沿波发生器 H相反方向的缓慢旋转。 谐波齿轮传动的特点如下： 1)承载能力高 谐波传动中 ， 齿与齿的啮合是面接触 ， 加上同时啮合齿数（重叠系数）比较多 ， 因而单位面积载荷小 ， 承载能力较其他传动形式高。 2)传动比大 单级谐波齿轮传动的传动比 ， 可达 i=70～ 500。 3)体积小、重量轻。 4)传动效率高、寿命长。 5)传动平稳、无冲击 ， 无噪音 ， 运动精度高。 6)由于柔轮承受较大的交变载荷 ， 因而对柔轮材料的抗疲劳强度、加工和热处理要求较高 ， 工艺复杂。 表 列出了各种传动形式的传动效率： 表 主要传动形式的效率 传动方式 传动效率 带传动 ~ 链传动 ~ 圆柱齿轮传动 ~ 圆锥齿轮传动 ~ 蜗杆传动 ~ 谐波齿轮传动 ~ 丝杠传动 ~ 本次设计主要采用了齿轮传动和带传动。 减速 器 机构主要为齿轮减速机构和谐波减速器机构。 制动器 制动器及其作用： 制动器是将机械运动部分的能量变为热能释放 ， 从而使运动 的机械速度降低或者停止的装置 ， 它大致可分为机械制动器和电气制动器 两类。 在机器人机构中 ， 学要使用制动器的情况如下： 1)特殊情况下的瞬间停止和需要采取安全措施。 2)停电时 ， 防止运动部分下滑而破坏其他装置。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 14 机械制动器： 机械制动器有螺旋式自动加载制动器、盘式制动器、闸瓦式制动器和电磁制动器等几种。 其中最典型的是电磁制动器。 在机器人的驱动系统中常使用伺服电动机 ， 伺服电机本身的特性决定了电磁制动器是不可缺少的部件。 从原理上讲 ， 这种制动器就是用弹簧力制动的盘式制动器 ， 只有励磁电流通过线圈时制动器打开 ， 这时制动器不起制动作用 ， 而当电源断开线圈中无励磁电流时 ， 在弹簧力的作用下处于制动状态的常闭方式。 因此这种制动器被称为无励磁动作型电磁制动器。 又因为这种制动器常用于安全制动场合 ， 所以也称为安全制动器。 电气制动器 : 电动机是将电能转换为机械能的装置 ， 反之 ， 他也具有将旋转机械能转换为电能的发电功能。 换言之 ， 伺服电机是一种能量转换装置 ， 可将电能转换为机械能 ， 同时也能通过其反过程来达到制动的目的。 但对于直流电机、同步电机和 感应电机等各种不同类型的电机 ， 必须分别采用适当的制动电路。 本文中 ， 该机器人实验平台未安装机械制动器 ， 因此机器人的肩关节和轴关节在停止转动的时候 ， 会因为重力因素而下落。 另外 ， 由于各方面限制 ， 不 方便在原有机构上添加机械制动器 ， 所以只能通过软件来实现肩关节和肘 关节的电气制动。 采用电气制动器 ， 其优点在于：在不增加驱动系统质量的同时又具有制动功能 ，这是非常理想的情况 ， 而在机器人上安装机械制动器会使质量有所增加 ， 故应尽量避免。 缺点在于：这种方法不如机械制动器工作可靠 ， 断电的时候将失去制动作用。 本章小 结 本章拟定了机械手设计的总体方案 ， 确定了机械手结构及传动方案 ,选择 了制动器。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 15 第 3章 机械手零部件选择及计算 机械手结构 作为一种果实采摘机器人 ， 为完成采摘任务 ， 操作机械手必须有足够的自由度 ，能够灵活的移动到指定的目标位置来抓取目标物 ， 为此自由度数至少在 5 以上 ， 该机器人的机械手部分具有 6个自由度。 下面分别是手部、腕部和臂部 结构 的具体设计。 腰部结构 工业机器人腰座 ， 就是圆柱坐标型机器人、球坐标机器人及关节型机器人的回转基座。 它是机器人的第一个回转关节。 机器人的运动部分全部安 装在腰座上 ， 它承受了机器人的全部重量。 在设计机器人腰座结构时 ， 要注意以下设计原则： 1)腰座要有足够大的安装基面 ， 以保证机器人在工作时的整体安装的稳定性。 2)腰座要承受机器人的全部重量和载荷 ， 因此 ， 机器人的基座和腰部轴和轴承的结构要有足够大的强度和刚度 ， 以保证其承载能力。 3)机器人的腰座是机器人的第一个回转关节 ， 它对机器人末端的运动精度影响最大 ， 因此 ， 在设计时特别注意腰部轴系及传动链的精度和刚度的保证。 4)为了保证机器人的外部电缆不随机器人的运动而摆动 ， 所以 ， 机器人的外部电缆（机器人与控制器的联接电缆 ） ， 都是安装在不运动的机器人基座上 ， 并通过机器人腰部传到机器人的各运动关节。 因此 ， 机器人的基座与腰部结构要便于电缆的通过 ，并要解决固定端与运动端的联接问题。 5)腰部的回转要有相应的驱动装置 ， 它包括驱动器及减速器。 驱动器一般带有速度与位置传感器 ， 以及制动闸。 6)腰部结构要便于安装、调整。 腰部与机器人手臂的联接要有可靠的定位基准面 ，以保证各关节的相互位置精度。 要设有调整机构 ， 用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。 7)为了减轻机器人运动部分的惯量 ， 提高机器人的控制精度 ， 一般腰部回转运动部分的壳体是比重较小 的铝合金材料制成 ， 而不运动的基座是铸铁或铸钢材料制成。 本机械手采用的环形轴承的支承结构。 臂部结构 手臂部件是机械手的主要部件。 它的作用是支承腕部和手部 ， 并带动它们做空间运动。 臂部运动的目的 :把手部送到空间运动范围内的任意一点。 如果改变手部的姿态黑龙江工程学院本科生毕业设计 16 (方位 )， 则用腕部的自由度加以实现。 因此 ， 一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求 ， 即手臂的伸缩、左右回转和升降 (或俯仰 )运动。 设计基本要求 : 1)臂部应承载能力大、刚度好、自重轻。 臂部通常即受弯曲 (而且不仅是一个方向的弯曲 )， 也受扭转 ， 应选用抗弯 和抗扭刚度较高的截面形状。 很明显 ， 在截面积和单位重量基本相同的情况下 ， 钢管、工字钢和槽钢的惯性矩要比圆钢大得多。 所以 ， 机械手常采用无缝钢管作为导向杆 ， 用工字钢或槽钢作为支承钢 ， 这样既提高了手臂的刚度 ， 又大大减轻了手臂的自重 ， 而且空心的内部还可以布置驱动装置、传动装置以及管道 ， 这样就使结构紧凑、外形整齐。 2)臂部运动速度要高 ， 惯性要小。 在一般情况下 ， 手臂的移动和回转、俯仰均要求匀速运动 ， 但在手臂的启动和终止瞬间 ， 运动是变化的 ， 为了减少冲击 ， 要求启动时间的加速度和终止前减速度不能太大 ， 否则引起冲击和振动。 为 减少转动惯量 ， 应采取以下措施 : (1)减少手臂运动件的重量 ， 采用铝合金等轻质高强度材料。 (2)减少手臂运动件的轮廓尺寸。 (3)减少回转半径。 (4)驱动系统中设有缓冲装置。 3)手臂动作应灵活。 为减少手臂运动件之间的摩擦阻力 ， 尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。 4)位置精度要高。 一般来说 ， 直角和圆柱坐标系机械手位置精度高 ； 关节式机械手的位置最难控制 ， 故精度差 ； 在手臂上加设定位装置和检测机构 ， 能较好的控制位置精度。 腕部结构 手腕部件设置于手部和臂部之间 ， 它的作用主要是在臂部运 动的基础上进一步改变或调整手部在空间的位置 ， 以扩大机械手的动作范围 ， 并使机械手变得更灵巧 ， 适应性更强。 手腕的运动形式可以有 :绕 X轴转动称为回转运动 ； 绕 Y轴转动称为上下摆动 ； 绕 Z轴转动称为左右摆动 ； 有的甚至是沿 Y 轴或 Z 轴的横向移动。 一般手腕设有回转或再增加一个上下摆动即可满足工作要求。 本文设计的机械手腕部结构 ， 具有一个摆动的自由度和一个旋转自由度 ， 摆动范围为 0～ 90 度 ， 旋转范围为 0～ 360 度。 传动方式选择圆锥齿轮传动 ， 电机置于机械臂内与腕部传动轴垂直。 利用电机带动连轴器 ， 连轴器再带动小臂前半段壳体旋 转。 两自由度手腕足以满足各种工作情况的需要。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 17 末端执行器的结构 机械手手部 (末端执行器 )结构形式多样 ， 但总的设计都有如下几点基本要求 : 1)应具有适当的夹紧力和驱动力 ， 手指握力 (夹紧力 )大小要适宜 ， 力量过大则动力消耗多结构庞大 ， 不经济 ， 甚至会损坏抓取物体 ； 力量过小则夹持不住或产生松动、脱落。 在确定握力时 ， 除考虑抓取物体重量外 ， 还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和振动 ， 以保证夹持安全可靠。 2)手指应具有一定的开闭范围 ， 手应具有一定的开闭角度 (手指从张开到闭合绕支点所转过的角度 )或开闭 范围 (对平移型手指从张开到闭合的直线移动距离 )， 以便于抓取或退出物体。 3)应保证抓取物体在手指内的夹持精度 ， 应保证每个被抓取的物体 ， 在手指内都有准确的相对位置。 4)要求结构紧凑、重量轻、效率高 ， 在保证自身刚度、强度的前提下 ， 尽可能使结构紧凑、重量轻 ， 以利于减轻手臂的负载。 在这里还必须讨论一下机械手手指数量的问题 ， 不同的手指数量可以完成的动作、动作复杂程度都不同 ， 可以根据机械手必须完成的动作确定机械手所需的最少手指数。 一个手指能推、滚或滑动小物体 ， 还可用力操纵开关等 ； 两个手指除具有一个手指的功能 外 ， 还能抓住物体并可精确的控制物体的位置和取向 ； 三个手指除能完成两个手指完成的功能外 ， 它还有在手中反复抓握物体的功能 ， 如将物体抛入空中并在新的方向抓住物体 ； 多个手指则具有更大的灵活性 ， 如能抓住和操纵多个物体。 对于本文的果实采摘机器人 ， 需要能够剪切下物体即可 ， 控制物体的位置和取向 ， 选择两个手指就可以满足此工作要求 ， 所以在结构上将采用两指。 机械手手部 (末端执行器 )的传动机构 是向手指传递运动和动力 ， 以实现夹紧和松开动作的机构。 机械手材料 本文设计的机械手臂壳体采用铝 合金材料 加工而成机械手手臂 刚性好、抗扭能力强、重量轻 ， 所有传动机构和驱动装置都置于机械手臂内部 ， 外形简洁 ； 机械手表面还装有缓冲垫 ， 当驱动装置出现故障或供电电池耗尽时 ， 可以起到缓冲作用 ， 避免手臂冲击造成损坏。 大臂外壳粘贴的橡胶垫 ， 起缓冲垫作用。 小臂与大臂的关节使用圆锥齿轮传动 ， 电动机置于大臂壳体内。 腰关节传动系统的设计 腰关节驱动电机的选择 腰关节的传动是由电机通过齿形带 ， 再通过 同步带带 动腰部及整个机器人本体转黑龙江工程学院本科生毕业。