本科畢業(yè)設(shè)計(jì)多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)學(xué)院專業(yè)學(xué)生班級姓名學(xué)號指導(dǎo)教師單位指導(dǎo)教師姓名指導(dǎo)教師職稱2022年4月原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研究在做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下所完成的學(xué)位論文及相關(guān)的職務(wù)作品，知識產(chǎn)權(quán)歸屬廣西城市職業(yè)大學(xué)。本人完全意識到本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。設(shè)計(jì)（論文）作者簽名：日期：年月日關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明本設(shè)計(jì)（論文）屬于：保密（），在年解密后適用授權(quán)。不保密（）(請?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“√”)設(shè)計(jì)（論文）作者簽名：導(dǎo)師簽名：日期：年月日多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全套設(shè)計(jì)圖紙加V信153893706或扣3346389411自動(dòng)化專業(yè)2020級×××指導(dǎo)教師×××摘要本文在充分了解研究了解國內(nèi)外農(nóng)業(yè)采摘果的相關(guān)設(shè)備的基礎(chǔ)上,對農(nóng)業(yè)采摘果實(shí)自動(dòng)操作采集機(jī)械手的主要機(jī)械手組成部分功能進(jìn)行了深入分析研究。主要分析了各種果實(shí)采摘機(jī)械手的主要功能及結(jié)構(gòu)組成、各組成結(jié)構(gòu)的具體作用及工作原理、工作系統(tǒng)等基本功能設(shè)計(jì)。主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括利用轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械腕和手關(guān)節(jié)、大臂、小臂、腕和末端自動(dòng)采摘果實(shí)的執(zhí)行器。該機(jī)械手部分需要具有較好的自動(dòng)采集工作系統(tǒng)運(yùn)用空間、運(yùn)動(dòng)學(xué)等技術(shù)特性。能夠充分完全滿足農(nóng)業(yè)果實(shí)采摘自動(dòng)操作的技術(shù)要求,并對其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及力學(xué)計(jì)算分析歸納。并應(yīng)用三維軟件進(jìn)行三維數(shù)模的建立。希望為未來的多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手設(shè)備提供可靠的參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)；機(jī)械手；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；三維數(shù)模Structuredesignofmulti-functionalagriculturalmanipulatorAbstractInthispaper,onthebasisoffullunderstandingofthedomesticandforeignagriculturalpickingfruitrelatedequipment,theagriculturalpickingfruitautomaticoperationacquisitionmanipulatorofthemainpartofthefunctionofthemanipulatorhasbeendeeplyanalyzed.Thispapermainlyanalyzesthemainfunctionandstructurecompositionofvariousfruitpickingmanipulator,thespecificfunctionandworkingprincipleofthestructure,thebasicfunctiondesignoftheworkingsystem.Themaindesignincludesanactuatorthatautomaticallypicksfruitbyrotatingmechanicalwristandhandjoint,bigarm,forearm,wristandend.Themanipulatorpartneedstohaveagoodautomaticacquisitionworksystemusingspace,kinematicsandothertechnicalcharacteristics.Itcanfullymeetthetechnicalrequirementsofautomaticoperationofagriculturalfruitpicking,andcarryoutkinematicsanalysisandmechanicalcalculationanalysisandinduction.Andthree-dimensionalsoftwareisusedtoestablishthree-dimensionalmathematicalmodel.Hopetoprovideareliablereferenceforthefuturemulti-functionalagriculturalmanipulatorequipment..Keywords:agriculture;Manipulator;Kinematicanalysis;Threedimensionalmathematicalmodel

目錄第一章緒論 第一章緒論1.1 研究的背景及意義進(jìn)入21世紀(jì),隨著工業(yè)的迅速發(fā)展,其各種果蔬采摘都是屬于一種農(nóng)業(yè)勞動(dòng)密集型采摘作業(yè)。在各種果蔬采摘期間操作人員所進(jìn)行的時(shí)間投入占整個(gè)各種生產(chǎn)果蔬經(jīng)營勞動(dòng)過程的50%~70%。而且在各種果蔬采摘作業(yè)采摘收取作業(yè)的過程中,人工種植采摘果蔬經(jīng)常都會因?yàn)樾枰僮魅藛T雙腳彎腰或伸手屈臂或者借助各種采摘梯子用以進(jìn)行采摘登高作業(yè)。因此各種果蔬采摘作業(yè)采摘收取作業(yè)不僅僅它指的是一項(xiàng)勞動(dòng)強(qiáng)度大、消耗農(nóng)業(yè)勞力大和時(shí)間長,而且它也是一種并且具有一定農(nóng)業(yè)勞動(dòng)性和危險(xiǎn)性的一種農(nóng)業(yè)勞動(dòng)密集型的作業(yè)。隨著我們現(xiàn)代社會操作人員對于日常生活農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)質(zhì)量的不斷逐步提高,操作人員也急切地需要從這種高強(qiáng)度農(nóng)業(yè)勞動(dòng)作業(yè)中脫離出來，降低人工成本。圖1-1采摘機(jī)械手因此代替工人采摘果蔬的生產(chǎn)過程已經(jīng)變得越來越迫切,研究解決現(xiàn)代農(nóng)業(yè)果蔬采摘果實(shí)合理回收果蔬采摘合理利用機(jī)器人相關(guān)技術(shù)問題具有重要的技術(shù)現(xiàn)實(shí)意義。在古代時(shí)期我國,蘋果栽培產(chǎn)業(yè)各類栽培蘋果生產(chǎn)果蔬有著悠久的種植發(fā)展利用歷史,是目前作為我國主要具有優(yōu)勢的進(jìn)出口蘋果農(nóng)產(chǎn)品之一。圖1-2采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)我們發(fā)展全國主要地區(qū)蘋果各類栽培果蔬生產(chǎn)在累計(jì)發(fā)展我國世界主要地區(qū)蘋果各類栽培果蔬產(chǎn)業(yè)中一直以來占有舉足輕重的重要戰(zhàn)略地位。據(jù)統(tǒng)計(jì),2010年我國累計(jì)發(fā)展我國主要地區(qū)蘋果栽培產(chǎn)業(yè)各類栽培果蔬種植區(qū)總面積187.7萬公頃、產(chǎn)量2367.5萬噸,分別每年累計(jì)占據(jù)了發(fā)展世界主要地區(qū)蘋果栽培產(chǎn)業(yè)各類裁培果蔬種植區(qū)總面積41.5%和我國蘋果果蔬產(chǎn)量的37,5%。近10多來年,我國對蘋果推動(dòng)乃至世界各地我國蘋果人工采摘摘取產(chǎn)量持續(xù)快速增長的主要?jiǎng)趧?dòng)貢獻(xiàn)率高達(dá)84%,但是一直到目前,蘋果的全部人工采摘摘取加工生產(chǎn)作業(yè)都還沒有需要再依靠我國蘋果全部人工摘取采摘技術(shù)來進(jìn)行輔助加工完成。因此,研究工作人員自主開發(fā)設(shè)計(jì)出的我國蘋果全部人工摘取采摘生產(chǎn)作業(yè)管理機(jī)器人不僅不但同樣可以有效率地減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高我國蘋果采摘生產(chǎn)線的管理效率,而且同樣可以具有廣闊的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用性及市場性和廣泛應(yīng)用發(fā)展前景。1.2 多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手國外現(xiàn)狀1968年,美國學(xué)者Brown首次提出應(yīng)用機(jī)器人進(jìn)行果蔬的的思想[4],草莓等新型采摘蘋果工業(yè)果園內(nèi)的采摘操作工業(yè)管理機(jī)器人新型采摘蘋果工業(yè)果園內(nèi)的采摘操作工業(yè)管理機(jī)器人目前在美國、法國、日本等在世界我國國內(nèi)已有大量應(yīng)用研究,其中包括利用采摘機(jī)器人都是自主開發(fā)研制的新型采摘蘋果工業(yè)果園內(nèi)的采摘操作工業(yè)管理機(jī)器人[7],利用新型蘋果采摘工業(yè)果園采摘管理機(jī)器人的六個(gè)半自由度動(dòng)力轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械手臂作為進(jìn)行采摘蘋果機(jī)械手手臂操作時(shí)的主體,手臂內(nèi)部位于蘋果整體內(nèi)部可在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)架子上自由轉(zhuǎn)動(dòng)手臂進(jìn)行各種具有橫向水平和豎直兩種操作方向的蘋果旋轉(zhuǎn)操作移動(dòng),在需要進(jìn)行大蘋果園內(nèi)的采摘管理作業(yè)時(shí),機(jī)械手由另外一臺電動(dòng)蘋果拖拉機(jī)操作手臂進(jìn)行牽引,其中的采摘機(jī)器人操作手臂位于整體內(nèi)部由于占地面積較大,機(jī)械手手臂整體內(nèi)部重量相對較重,且采摘操作管理成本相對較高,只能合適于各種蘋果植株較矮小的各種大型蘋果樹。圖1-3采摘機(jī)械手機(jī)器人主要由機(jī)械手、視覺傳感器、移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成,該采摘機(jī)器人采用了7自由度機(jī)械手臂。機(jī)器人主要由四個(gè)移動(dòng)機(jī)械手、視覺精確定位控制傳感器、移動(dòng)臂等四個(gè)機(jī)構(gòu)行走系統(tǒng)部分組成,該大型水果果實(shí)采摘試驗(yàn)車的四個(gè)機(jī)器人主要組成采用了7自由度長的移動(dòng)機(jī)械操作移動(dòng)臂和手臂。圖1-4采摘機(jī)械手1.3 多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手國內(nèi)現(xiàn)狀我國對農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)90年代中期，比發(fā)達(dá)國家晚。然而，許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行采摘機(jī)器人和智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究。東北林業(yè)大學(xué)陸懷民研發(fā)的樹錐采摘機(jī)器人進(jìn)行了采摘試驗(yàn)。該機(jī)器人由五自由度機(jī)械手、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng)組成。圖1-6采摘機(jī)械手采摘時(shí),機(jī)器人大臂需要將停在一個(gè)位置距離對準(zhǔn)目標(biāo)一棵母樹3-5m的遠(yuǎn)處,操縱回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)機(jī)械手大臂使用控制回轉(zhuǎn)齒輪驅(qū)動(dòng)馬達(dá)對準(zhǔn)目標(biāo)一棵新的果樹。然后,單片機(jī)通過控制回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)控制回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)機(jī)械手大、小臂同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行柔性加速運(yùn)動(dòng)并使升起,當(dāng)果樹達(dá)到一定所需要的海拔高度,采摘爪同時(shí)自動(dòng)張開并繼續(xù)左右加速擺動(dòng),對準(zhǔn)原來不需要再次球果采集的對準(zhǔn)目標(biāo)一棵樹枝,大小臂同時(shí)柔性加速運(yùn)動(dòng),使得用電機(jī)帶動(dòng)采摘爪沿著對準(zhǔn)目標(biāo)一棵樹枝上部球果生長的路線的一條方向左右移動(dòng)速度趨近1.5-2m,然后通過帶動(dòng)電機(jī)采摘爪的兩個(gè)上部梳狀齒和牙齒自動(dòng)夾緊電機(jī)尋找一個(gè)新的目標(biāo)果枝,大小臂同時(shí)柔性帶動(dòng)并使電機(jī)再次采集爪按鍵從而沿原路從前向后依次移動(dòng)返回,梳下枝上部的一棵球果,完成一次球果樹的采摘。這種新型采摘機(jī)器人帶動(dòng)采摘爪的效率一般來說是500kg/天,是人工的30-50倍。果實(shí)采摘時(shí)對準(zhǔn)目標(biāo)一棵母樹的草壤土質(zhì)環(huán)境破壞較小,采凈率高。

第二章電動(dòng)多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì)2.1 多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手外形設(shè)計(jì)市場上看到的各種多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手,隨著時(shí)代的進(jìn)步和目標(biāo)需求的變化,多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手已經(jīng)能夠更加精致和獨(dú)特。如圖所示2-1多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手外形。圖2-1農(nóng)業(yè)機(jī)械手外形2.2 多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì)通過對市場上多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手的研究分析,綜合所學(xué)習(xí)的知識。運(yùn)用三維建模軟件,設(shè)計(jì)出圖2-2所示的多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì)。圖2-2本次設(shè)計(jì)多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手外形

第三章多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手方案設(shè)計(jì)3.1 多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手機(jī)構(gòu)選型原則由由于中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的高度復(fù)雜性、不確定性和由于采摘后的果實(shí)不同數(shù)量之間分布的巨大性和隨機(jī)性,采摘通用工業(yè)機(jī)械手的基本產(chǎn)品選型既要嚴(yán)格要求遵循采取通用采摘工業(yè)機(jī)械手的基本產(chǎn)品選型功能原則,又也因?yàn)樾枰瑫r(shí)充分考慮其所要采摘的農(nóng)作物的自然地理性和特殊性。首先我們歸納一下關(guān)于采摘通用工業(yè)機(jī)械手的基本產(chǎn)品選型及其功能基本原則我個(gè)人認(rèn)為主要必須遵循的是通用采摘工業(yè)機(jī)械臂的基本選型原則產(chǎn)品選型及其功能基本原則。目前通用工業(yè)機(jī)械臂主要應(yīng)用產(chǎn)品選型有四種基本選型功能形式,其具體產(chǎn)品選型基本功能及其選型特點(diǎn)我現(xiàn)介紹全文如下(1)直角橫向運(yùn)動(dòng)平行坐標(biāo)型:由于該機(jī)床型號的運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂前三個(gè)橫向運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)關(guān)節(jié)連接處均設(shè)置為機(jī)械橫向平行移動(dòng)時(shí)的平行坐標(biāo)關(guān)節(jié),運(yùn)動(dòng)臂與平行關(guān)節(jié)方向完全保持垂工作空間占用大和空間小。(2)移動(dòng)圓柱形四坐標(biāo)型:采用該型號的機(jī)械臂前三個(gè)控制關(guān)節(jié)被分為兩個(gè)縱向移動(dòng)控制關(guān)節(jié)和一個(gè)橫向轉(zhuǎn)動(dòng)控制關(guān)節(jié),這種坐標(biāo)形式的移動(dòng)機(jī)器人手臂占用人體空間小,結(jié)構(gòu)簡單。(3)極坐標(biāo)型:人體具有兩個(gè)縱向轉(zhuǎn)動(dòng)靈活關(guān)節(jié)和一個(gè)橫向移動(dòng)靈活關(guān)節(jié)。使用該型移動(dòng)機(jī)器人的主要優(yōu)點(diǎn)之一是移動(dòng)靈活性好,占地面積小,但轉(zhuǎn)動(dòng)剛度、精度較差。(4)活動(dòng)關(guān)節(jié)雙向坐標(biāo)型:前三個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)都用的是雙向回轉(zhuǎn)式的關(guān)節(jié),特點(diǎn)主要是關(guān)節(jié)動(dòng)作靈活,工作部位空間大、占地面積小,缺點(diǎn)主要是機(jī)械剛度和工作精度較差。。圖3-1機(jī)械臂類型3.2 多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手綜合分析通過上面的案例分析,對于目前蘋果草莓采摘用的機(jī)器人采用機(jī)械手臂的形式而言,得到一下現(xiàn)在選型上的結(jié)論:1)采摘蘋果采取機(jī)械采摘手臂的主要基體工作形式及其選擇以采摘人工無關(guān)節(jié)型式的蘋果采摘機(jī)械臂為其基體工作形式最為合適,其主要基體形式包括采摘人的肩和腰部、大臂,小臂共三個(gè)主要工作支撐部分。其基體具有人手動(dòng)作靈活,工作使用范圍廣和空間大、占地面積小的主要功能優(yōu)點(diǎn)很廣泛,它適合各種種類蘋果的采摘人工收割采摘或者收割加工作業(yè)。2)以一個(gè)兩人半膝關(guān)節(jié)式四維三坐標(biāo)型移動(dòng)采摘蘋果機(jī)械臂為腰部工作活動(dòng)基體,為充分發(fā)揮擴(kuò)大操作人員利用采摘機(jī)械臂的快速腰部移動(dòng)工作力和活動(dòng)能力空間和大大限度增強(qiáng)操作人員利用采摘機(jī)械手可以進(jìn)行上下多路徑快速移動(dòng)采摘的腰部工作活動(dòng)能力,在每個(gè)兩人關(guān)節(jié)腰部兩側(cè)分別添加了一個(gè)新的升降工作活動(dòng)方向結(jié)構(gòu),此處的升降活動(dòng)結(jié)構(gòu)為一個(gè)連桿式或者可移動(dòng)折疊式的升降活動(dòng)機(jī)構(gòu),在兩個(gè)垂直面的升降活動(dòng)方向上分別同時(shí)增加了兩個(gè)采摘機(jī)器人的快速腰部移動(dòng)作業(yè)力和活動(dòng)能力空間,使得兩個(gè)采摘機(jī)器人同時(shí)也能擁有了快速移動(dòng)采摘較高處新鮮采摘蘋果的腰部工作活動(dòng)能力,代替了以前由于操作人員用舊的玻璃梯子或者木欄桿進(jìn)行登高而下樓梯快速采摘過的新鮮蘋果。3)在機(jī)械手小臂內(nèi)部添加了一個(gè)伸縮活動(dòng)關(guān)節(jié),此伸縮關(guān)節(jié)不僅不但可以進(jìn)一步有效擴(kuò)大手術(shù)機(jī)器人的手部工作活動(dòng)空間而且它還可以與其他末端手術(shù)執(zhí)行器械相配合,以本手術(shù)機(jī)械手特有的、被手術(shù)命名者稱為"Eyes-in-hand"執(zhí)行軌跡的自動(dòng)避障控制方式自動(dòng)進(jìn)行果枝采摘,以盡量大地降低了本機(jī)械臂在手術(shù)端與兩側(cè)果枝之間碰撞的發(fā)生機(jī)率。圖3-2農(nóng)業(yè)機(jī)械手機(jī)構(gòu)原理3.2 傳動(dòng)方式的選擇帶傳動(dòng)：帶傳動(dòng)通常是由主動(dòng)輪、從動(dòng)輪和張緊在兩輪上的傳動(dòng)帶所組成的。當(dāng)主動(dòng)輪回轉(zhuǎn)時(shí)，依帶與帶輪接觸面間的摩擦力拖動(dòng)從動(dòng)輪一起回轉(zhuǎn)，從而傳遞一定的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。帶傳動(dòng)具有的優(yōu)點(diǎn):有良好的撓性和彈性，有吸振和緩沖作用，因而使帶傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小；有過載保護(hù)作用，當(dāng)過載時(shí)引起帶在帶輪上發(fā)生相對滑動(dòng)，可防止其他零件的損壞；此時(shí)，當(dāng)傳遞同樣大的圓周力時(shí)，與嚙合傳動(dòng)相比軸上的壓力較大:結(jié)構(gòu)尺寸較大，不緊湊；傳動(dòng)壽命較短；傳動(dòng)帶與帶輪之間會產(chǎn)生摩擦放電現(xiàn)象；不宜用于有爆炸危險(xiǎn)的場合。現(xiàn)在一些新型帶傳動(dòng)形式，如高速帶傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)、多楔帶傳動(dòng)己經(jīng)克服了以上大部分的缺點(diǎn)。齒輪傳動(dòng)：齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用最為廣泛的一類傳動(dòng)，常用的漸開線齒輪傳動(dòng)具有以下一些主要特點(diǎn):傳動(dòng)效率高，在常用的機(jī)械傳動(dòng)中，齒輪傳動(dòng)的效率是最高的。齒輪傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)有:對齒輪制造、安裝要求高；齒輪制造常用插齒機(jī)和滾齒機(jī)等專用機(jī)床及專用工具；通常的齒輪傳動(dòng)為閉式傳動(dòng)，需要良好的維護(hù)保養(yǎng)，因此齒輪傳動(dòng)成本和費(fèi)用高；并且齒輪傳動(dòng)不適合中心距較大的兩軸間的動(dòng)力傳遞。蝸桿傳動(dòng)：蝸桿傳動(dòng)是一種空間齒輪傳動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)角為90度的兩軸間動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞。蝸桿傳動(dòng)與圓柱齒輪傳動(dòng)和圓錐齒輪傳動(dòng)相比具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比大、傳動(dòng)平穩(wěn)和可以自鎖等顯著特點(diǎn)。蝸桿傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)是:齒面摩擦力大，發(fā)熱量高，傳動(dòng)效率低。蝸桿傳動(dòng)通常用于中、小功率非長時(shí)間連續(xù)工作的應(yīng)用場合。本文所選用的電機(jī)都采用了電機(jī)和齒輪輪系一體化的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力，但是不能通過電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)各個(gè)連桿的運(yùn)動(dòng)。為減小機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程的沖擊和振動(dòng)，并且不降低控制精度，采用了齒形帶傳動(dòng)。齒形帶傳動(dòng)是同步帶的一種，用來傳遞平行軸間的運(yùn)動(dòng)或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，在本文中主要用于腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的傳動(dòng)。齒形帶傳動(dòng)原理如圖3.1所示。齒輪帶的傳動(dòng)比計(jì)算公式為(3.1)齒輪帶的平均速度為(3.2) 圖3.1齒形帶傳動(dòng)原理諧波齒輪輪傳動(dòng):諧波波形傳動(dòng)系統(tǒng)包括三個(gè)基本傳動(dòng)構(gòu)件:柔輪、剛輪的泵和波形的發(fā)生器。如下面簡圖所示。三個(gè)傳動(dòng)構(gòu)件中一只可以任意從外固定一個(gè),其余兩個(gè)一個(gè)固定,一個(gè)從內(nèi)移動(dòng),可以任意實(shí)現(xiàn)差動(dòng)減速或諧波增速(固定諧波傳動(dòng)減速比),也就是可以被轉(zhuǎn)換成兩個(gè)諧波輸入、一個(gè)諧波輸出,組成諧波差動(dòng)減速傳動(dòng)。諧波減速傳動(dòng)主要是應(yīng)用于國防軍工、精密儀器設(shè)備生產(chǎn)、醫(yī)療器械、起重機(jī)、機(jī)器人等。諧波傳動(dòng)減速器應(yīng)用見構(gòu)件簡圖3.2、3.3。圖3.2諧波傳動(dòng)原理圖圖3.3諧波傳動(dòng)減速器機(jī)構(gòu)簡圖諧波齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)如下：1)齒輪承載能力低在高諧波齒輪傳動(dòng)中,齒與輪和齒的重疊嚙合主要是與齒面積的接觸,加上同時(shí)嚙齒配合到的齒數(shù)(又稱重疊嚙合系數(shù))比較多,因而每個(gè)單位的齒面積傳動(dòng)載荷小,承載能力較其他諧波傳動(dòng)系統(tǒng)形式高。2)高速傳動(dòng)比大單級電磁諧波傳動(dòng)齒輪高速傳動(dòng)的最大傳動(dòng)功率比,可達(dá)m/i=70~500。3)體積小、重量輕。4)傳動(dòng)效率高、壽命長。5)機(jī)械傳動(dòng)平穩(wěn)、無外力沖擊,無噪音,運(yùn)動(dòng)測量精度高。6)由于各種柔輪需要承受較大的交變傳動(dòng)載荷,因而對各種柔輪結(jié)構(gòu)材料的機(jī)械抗疲勞和耐強(qiáng)度、加工和機(jī)械熱處理工藝要求相對較高,工藝復(fù)雜。如下表3.2列出了各種柔輪傳動(dòng)量和形式的柔輪傳動(dòng)量和效率：表3.2主要傳動(dòng)形式的效率傳動(dòng)方式傳動(dòng)效率帶傳動(dòng)0.9~0.98鏈傳動(dòng)0.93~0.97圓柱齒輪傳動(dòng)0.9~0.99圓錐齒輪傳動(dòng)0.88~0.98蝸桿傳動(dòng)0.4~0.98諧波齒輪傳動(dòng)0.7~0.9絲杠傳動(dòng)0.85~0.95本次齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有兩部分分別采用了帶有減速帶的齒輪驅(qū)動(dòng)曲軸減速傳動(dòng)和齒輪減速帶驅(qū)動(dòng)齒輪曲軸傳動(dòng)。減速器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要為驅(qū)動(dòng)齒輪齒式減速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和諧振濾波驅(qū)動(dòng)減速器兩種機(jī)構(gòu)。

第四章驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇4.1腰關(guān)節(jié)電機(jī)選型計(jì)算分析腰關(guān)節(jié)的傳動(dòng)是由電機(jī)通過齒形帶，再通過同步帶帶動(dòng)腰部及整個(gè)機(jī)器人本體轉(zhuǎn)動(dòng)。總的傳動(dòng)比。腰關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇步進(jìn)電機(jī)，型號為:42BYG101；保持轉(zhuǎn)矩：；步距角：°；質(zhì)量:。機(jī)器人的受力情況如圖3.1所示：圖3.1機(jī)器人受力情況腰關(guān)節(jié)的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（以下所計(jì)算的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量均為折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）外部負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:即大小臂、手腕、夾持重物的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：、分別表示同步帶和齒輪傳動(dòng)的效率,、把數(shù)字代入上式得:=大臂關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：估算得由諧波減速器的選擇知：假設(shè)電機(jī)從加速到所用的時(shí)間為，則角加速度負(fù)載折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩：由電動(dòng)機(jī)的選擇知折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩＜電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩所以電機(jī)的選擇符合要求。4.1.1腰部關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)腰部的支承結(jié)構(gòu)：1）采用普通軸承的機(jī)器人腰部支承結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單、成本低、安裝調(diào)整方便。缺點(diǎn)是腰部尺寸較高。2）采用環(huán)形軸承的機(jī)器人腰部支承結(jié)構(gòu)。環(huán)形軸承精度高、剛度大、復(fù)合力大、裝配簡單方便，可以承受徑向力、軸向力及傾覆力矩，許多機(jī)器人都采用這種軸承作為腰部支承元件。環(huán)形軸承種類很多，有用滾球的，也有用滾柱的。在本次設(shè)計(jì)中采用的正是環(huán)形軸承，由于采集機(jī)械手對精度要求很高，所以采用這種結(jié)構(gòu)。采用薄壁密封交叉滾子軸承在機(jī)械設(shè)計(jì)手冊中查得應(yīng)該采用的是CRB20025，其參數(shù)為，，。腰部的傳動(dòng)是由電動(dòng)機(jī)通過諧波減速器的減速后，再帶動(dòng)薄壁密封交叉滾子軸承轉(zhuǎn)動(dòng)從而使腰座回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)。4.2大臂關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大臂關(guān)節(jié)的傳動(dòng)主要是由電動(dòng)機(jī)通過同步帶與齒輪的嚙合帶動(dòng)大臂轉(zhuǎn)動(dòng)的。大臂關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇步進(jìn)電機(jī)。設(shè)物體的最大當(dāng)量回轉(zhuǎn)半徑R=75mm，設(shè)末端執(zhí)行器的最大當(dāng)量回轉(zhuǎn)半徑R=20mm，回轉(zhuǎn)裝置及物體的重心到回轉(zhuǎn)中心的距離R=100mm，腕部慣量折算到負(fù)載端，則腕部擺動(dòng)時(shí)其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：其中：、、為物體、末端執(zhí)行器以及腕部擺動(dòng)部分的折算質(zhì)量。設(shè)機(jī)器人腕部俯仰角速度從°加速到°所需時(shí)間則腕部俯仰角加速度：負(fù)載啟動(dòng)慣性矩（靜摩擦力矩忽略不計(jì)）：取兩級圓柱齒輪傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比為2。圓柱齒輪的傳動(dòng)效率均取。由于進(jìn)電機(jī)不具有瞬時(shí)過載能力，故取安全系數(shù)為2（下同），則步進(jìn)電機(jī)輸出的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩:所以，選擇如下二相混合式步進(jìn)電機(jī)，型號：57BYG306；最大靜轉(zhuǎn)矩：；步距角：°；質(zhì)量：。4.3小臂關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)小臂關(guān)節(jié)的傳動(dòng)同樣是由電動(dòng)機(jī)通過同步帶與齒輪的嚙合帶動(dòng)小臂轉(zhuǎn)動(dòng)的。初選電機(jī)：選擇異步電機(jī)，型號為42BYG101、保持轉(zhuǎn)矩0.17；步距角:0.90；質(zhì)量:。折算到電機(jī)軸上的負(fù)載靜轉(zhuǎn)矩：折算到電機(jī)軸上的負(fù)載加速轉(zhuǎn)矩：為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：假設(shè)電機(jī)從加速到所用的時(shí)間為，則角加速度）折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)矩+＜電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩電機(jī)的選擇符合要求。4.4手腕關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.4.1手腕轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的計(jì)算手腕轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的傳動(dòng)是由電動(dòng)機(jī)通過諧波減速器，再通過齒輪來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)要求。總的傳動(dòng)比。1）手腕轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇：初選電機(jī)：選擇直流伺服電機(jī)，型號為SYX-70、額定功率P=0.1KW、額定轉(zhuǎn)矩,額定轉(zhuǎn)速=3000r/min,峰值轉(zhuǎn)矩=2.4,諧波減速器選擇：型號為XB-40,輸出轉(zhuǎn)矩T=16,=80,輸出轉(zhuǎn)速,重物的最大回轉(zhuǎn)半徑,折算到電機(jī)軸上的腕部負(fù)載靜轉(zhuǎn)矩由下式可知===折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量==其它傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對于腕部負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，所以忽略不計(jì)。假設(shè)電機(jī)從加速到所用的時(shí)間為，則角加速度折算到電機(jī)軸上的腕部負(fù)載加速轉(zhuǎn)矩所以這算到電機(jī)軸上的總的腕部負(fù)載轉(zhuǎn)矩+＜電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。電機(jī)的選擇符合要求。2）手腕轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)諧波減速器的計(jì)算初選諧波減速器：諧波減速器選擇型號為XB-40、輸出轉(zhuǎn)矩，，輸出轉(zhuǎn)速，腕部負(fù)載靜轉(zhuǎn)矩。腕部負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量假設(shè)小臂關(guān)節(jié)從加速到°所用的時(shí)間為，則角加速度負(fù)載加速轉(zhuǎn)矩總的負(fù)載轉(zhuǎn)矩+＜諧波減速器的輸出轉(zhuǎn)矩。所以諧波減速器的選擇符合要求。3）手腕轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)(1)要求分析主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速:（諧波減速器的輸出轉(zhuǎn)速）齒數(shù)比由于諧波減速器輸出的轉(zhuǎn)矩為，所以主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩也為。(2)選擇齒輪材料、熱處理方式及計(jì)算許用應(yīng)力主動(dòng)齒輪：號鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為；從動(dòng)齒輪：號鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為。確定許用應(yīng)力：a.確定極限應(yīng)力和齒面硬度:主動(dòng)齒輪按，從動(dòng)齒輪按。查文獻(xiàn)得；b.計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N，確定壽命系數(shù)、(3.20)查文獻(xiàn)得；c.計(jì)算許用應(yīng)力查文獻(xiàn)取，(3.21)===(3.22)(3)初步確定齒輪的基本參數(shù)和主要尺寸選用直齒圓柱齒輪，齒輪精度等級選用8級初選參數(shù)：、、由于選用軟齒面齒輪，所以(3.23)=，取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。，(+)，，取，。(4)驗(yàn)算齒輪彎曲強(qiáng)度條件按彎曲強(qiáng)度條件驗(yàn)算查文獻(xiàn)得，，取。計(jì)算彎曲應(yīng)力＜計(jì)算結(jié)果表明該設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。直齒圓錐齒輪的設(shè)計(jì)：圓錐齒輪起到換向作用，傳動(dòng)比i=2，軸交角齒輪均選用號鋼并調(diào)質(zhì)處理，強(qiáng)度，取硬度為。齒輪加工精度為級。通過計(jì)算得出下列結(jié)果：表3.1手腕回轉(zhuǎn)圓錐齒輪的計(jì)算結(jié)果參數(shù)mmmmmmmm手腕回轉(zhuǎn)二級傳動(dòng)錐齒輪一手腕回轉(zhuǎn)二級傳動(dòng)錐齒輪二4.4.2手腕擺動(dòng)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)及計(jì)算手腕擺動(dòng)關(guān)節(jié)的傳動(dòng)是由電動(dòng)機(jī)通過諧波減速器，再帶動(dòng)整個(gè)手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)。總的傳動(dòng)比，其中。1)手腕擺動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇初選電機(jī)：選擇直流伺服電機(jī)，型號為SYX-70、額定功率、額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速、峰值轉(zhuǎn)矩。諧波減速器選擇：型號為XB-40、輸出轉(zhuǎn)矩、、輸出轉(zhuǎn)速。設(shè)法蘭盤及重物的最大回轉(zhuǎn)半徑。折算到電機(jī)軸上的腕部負(fù)載靜轉(zhuǎn)矩：折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：其它傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對于腕部負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，所以忽略不計(jì)。假設(shè)電機(jī)從加速到所用的時(shí)間為，則角加速度折算到電機(jī)軸上的腕部負(fù)載加速轉(zhuǎn)矩所以折算到電機(jī)軸上的總的腕部負(fù)載轉(zhuǎn)矩+＜電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。電機(jī)的選擇符合要求。2)手腕擺動(dòng)關(guān)節(jié)諧波減速器的計(jì)算手腕擺動(dòng)關(guān)節(jié)的諧波減速器的計(jì)算和前面所說的內(nèi)容非常相似，這里不再詳細(xì)算。諧波減速器選擇：諧波減速器選擇型號為XB-40，輸出轉(zhuǎn)矩T，，輸出轉(zhuǎn)速。經(jīng)過計(jì)算符合使用要求。第五章電動(dòng)多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械手的3D打印5.1 部件3D建模先對各個(gè)重要零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成之后對其他零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行裝配。圖5-1D建模一圖5-2D建模二圖5-3D建模三

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