臍橙采摘機器人結構設計1緒論 緒論研究背景林果業是目前我國現代化農業生產建設中重要的一部分內容，林果業生產時很多工作內容都是通過人工完成，人工成本高且工作效率低，導致林果業的生產成本高，隨著成本增高將會制約其發展。而采用機械設備代替人工進行工作則可以有效解決這個問題。因此機械化生產在大規模的現代化林果業生產中愈加有必要。我國臍橙種植規模本身龐大，并逐年擴大，未來臍橙種植規模將更加龐大。通過機械化/自動化設備來取代傳統人力勞動是提高生產能力的必要手段，也是一種必然趨勢。我國目前的機械化水平還相對較低，加快機械化智能化進程是推進現代化林果業產業的當務之急。不光是在農業生產方面，現在我們的各行各業都在往機械化智能化方向發展，我們已經推出了《中國制造2025》規劃。這規劃中，我們已經提出了新的要求，要求在信息化發展的時代，我們需要把握機會，跟隨現代智能制造的主流。另外，在規劃中，努力發展工業機器人是其中的主要內容，依靠大量廉價勞動力，我國在國際上的地位逐漸上升，但是隨著現代科技的飛速發展，機械逐漸取代人力，我國的人口優勢在不斷下降。現在的我們需要發展高新技術，通過技術來提升價值，通過機械和智能化設備來代替人力來完成生產，從而降低生產成本并提高競爭力。實際生產中，機器人也有許多人工勞動力不具備的優點，機器人擁有更高的精確度和可靠性，并且其穩定性更好，現在很多高新智能機器人不光是能夠代替人力完成一些簡單的生產內容，很多是代替人力去完成高精密操作。通過發展智能化的機器人，能夠帶來了顯著的經濟效益，并且是一種長期可持續的經濟增長動力來源。本文對臍橙采摘機器人進行研究，臍橙行業中其中有大量的人力資源和生產成本是用于臍橙采摘，臍橙采摘的高成本影響了臍橙市場的發展，另外人力臍橙采摘的效率一般，也很容易因為采摘不及時而出現不必要的浪費，造成損失。通過發展機械化采摘來代替人力采摘是解決上述問題的關鍵，能夠降低采摘成本的同時很可以減低人工安全風險，提高生產效率。采摘機器人的研究現狀國外研究現狀歐美國家對機械人的研究較早，技術較發達，存在一個科技進步的飛速發展階段，但是隨著時間的推移，歐美國家對機械采摘機械手的研究進入了瓶頸期[1]。從1980年開始，歐洲國家基于雄厚的財力支持，對采摘機器人進行了深入的研究。美國公司是最開始開展對采摘機器人研究的公司，其第一個研究對象是草莓[2]。由于新鮮草莓質地較軟，比較害怕磕碰等情況的發生，所以草莓采摘機器人的采摘機構使用柔軟的硅膠制成硅爪[3]。草莓被放在收集裝置中，機器人使用皮策輪在草莓地移動。草莓最后被收集進裝袋設備之中裝袋。英國在1987年設計出一款蘑菇采摘機器人，該機器人使用步進電機驅動，安裝有氣動開關[4]。其機械手裝置為爪狀機械手。日本公司設計制造了一款草莓采摘機器人，這個機器人與美國不一樣的地方在于它的工作時間在12到22小時左右，可以在無人工的情況下完成草莓采摘的任務。白天晚上都可以工作，大大增加了農民的收益。除此之外還研究出了一種甘藍采摘機器人[5]。截止到2020年。國際市場上對于采摘機器人研究最詳細的國家是美國，其所生產的臍橙采摘機器人采用了國際上最先進的技術。這兩種臍橙采摘機器人的結構分別如下兩圖所示，如圖1.1所示，臍橙采摘機器人的工作原理與家用電器吸塵器相似[6]。這種形式的臍橙采摘機器人是通過視覺模擬來對成熟的臍橙進行識別，然后通過氣壓將內部變為真空，從而達到臍橙摘取的目的，這種臍橙采摘機器人具有較高的采摘效率，但是其所采摘的臍橙很容易在采摘過程中發生損傷。如圖1.2所示為美國所研制的臍橙采摘機器人二號[7]。這個機器人可以將果實實現自動挑選。摘取機構為三爪的機械手。這個機器人采用果實識別算法[8]。通過將果園中的品種及其結構區別進行區分，使其在工作過程中減少失誤，從而提高準確率。圖1.1吸盤式采摘機器人圖1.2三爪卡盤式采摘機器人國內研究現狀中國科技發展一直落后于歐美國家，在歐美國家技術發展到巔峰時期，中國才意識到機器人的研究對于實現工業自動化、智能化的重要性[9]。因此，我國對于采摘機器人的研究更是遠遠落后于國外發達國家。隨著我國科技的飛速發展，人們對于科技的意識逐漸增強，進幾十年中，我國工業發展上發生的天翻地覆的變化，出現了很多顯著的成果，我國在采摘機器人等領域上都取得了很多的成就[10]。目前，我國機械手研究發展迅速。哈爾濱工業大學機器人研究所及其他眾多企業、研究機構對機械手的研究，使得機械手應用發展方向極為廣泛。中國農業大學最先開始展開了對草莓采摘機器人的研究，基于美國之前的草莓采摘機器人技術，做大量的研究與試驗，設計出了第一個中國草莓采摘機器人[11]。草莓采摘機器人使用神經網絡技術來實現對草莓的識別，其誤差為千分之一。成功的做到了將草莓與草莓的生長環境相分離。繼中國農業大學之后，河南工業學院基于大棚種植草莓設計了草莓采摘機器人的雙目視覺采集圖像信息[12]。這種方法可以有效的進行避障和草莓的識別，是一種先進的智能控制系統[12]。對于黃瓜采摘機器人的設計，中國農業大學率先展開了大量的研究與試驗，將黃瓜采摘機器人與多功能傳感器技術相結合，通過傳感器完成對采摘目標的空間定位。優化了機器人控制系統[13]。洛陽理工學院針對現有黃瓜采摘機器人的結構笨重，智能化不全面的問題展開了深入研究，設計了一款利用機械手對黃瓜進行采摘的機器人，該機器人具有多自由度。大大的改善了黃瓜采摘過程中由于采摘結構與行走機構結構過于笨重而導致的采摘困難的問題。北京大學對黃瓜采摘機器人進行了樣機制作，通過對首先對黃瓜采摘機器人進行了理論分析，研究與設計，并對其關鍵部位的設計進行了仿真分析[15]。通過大量的運動情況分析和仿真分析，逐漸模擬黃瓜采摘機器人的使用環境，并對溫室環境下的黃瓜采摘機器人的工況進行了大量的了解與研究，最后利用圖象識別原理，將黃瓜果實與黃瓜莖葉的信息分別利用不同的表達方式儲存至黃瓜采摘機器人內，從而實現了圖像識別的功能，有效進行黃瓜的采摘。在臍橙采摘機器人的研究領域內。北京科技大學結合國內外的臍橙采摘機器人的結構及國內臍橙采摘的工作情況，提出了一種新型采摘機器人結構并制造了臍橙采摘機器人樣機[16]。除此之外，哈爾濱工業大學展開了對臍橙采摘機器人樣機的試驗與研究。對其視覺定位精度進行了深入的研究，所制作的臍橙采摘機器人樣機具有較高的定位精度，并且所設計的臍橙采摘機器人的結構與運動均能正常工作[17]，馬貴飛等人基于市場上現有的臍橙采摘機器人結構進行了運動學分析和仿真，進行了一定的結構優化[18]。如圖1.3所示，履帶式采摘機器人使用履帶完成機器人的移動。履帶具有兩個自由度。完成水果采摘的機械手是由大臂、小臂及末端所組成，具有五個自由度。驅動的電機及液壓系統均在機械手臂后側，該種履帶式采摘機器人結構笨重，適合在較為平緩的土地上進行使用[19]。圖1.3履帶式采摘機器人通過將國內采摘機器人與國外采摘機器人的研究情況進行對比，可以發現，國內對于采摘機器人的研究時間較短，因此所研究的采摘機器人大多效率較低，使用范圍小。只有小部分的采摘機器人能夠完成實地采摘的任務。而且國外對于采摘機器人領域的研究投入了很大的財力，物力，并且國外政府對于工業的發展大力支持。很多大型科技公司自主研發所研究的采摘機器人，具有更加先進的技術。國外所研制的采摘機器人使用了更加先進的控制系統、集成化模塊等先進裝置。因此，國內所生產的采摘機器人，不論是在結構上還是在工作效率上均弱于國外發達國家的采摘機器人。本文的主要研究內容針對目前臍橙采摘機械化程度低的問題，設計了一種臍橙采摘機械手。本文主要包括以下三點內容：（1）臍橙采摘機械手方案設計：通過分析采摘目標，確定了機械臂和執行器采摘臍橙所需要的自由度。根據設計的臍橙采摘執行器的工作原理，繪制采摘執行器的結構簡圖，確定采摘機器人的驅動方案。（2）手爪與機械臂設計：根據采摘要求，確定手爪的工作類型，對手爪進行力學分析，并完成其結構設計。對機械臂的大臂與小臂分別進行受力分析，并對其傳動軸與安裝軸承等進行選擇。（3）關鍵零部件的校核：最后對臍橙采摘機械手的關鍵零部件進行校核。臍橙采摘機器人結構方案設計臍橙生物學特性及主要技術指標臍橙生物學特性臍橙的生物學特性，為臍橙采摘機器人的設計提供了參考。臍橙樹的樹高及樹冠大小決定了臍橙采摘機器人機械臂的工作空間。臍橙的生物特性決定了執行器的姿態、調整空間及目標物體的抓取方式。歸納臍橙樹的樹高、臍橙大小、確定采摘所需要的運動類型及數目是設計臍橙采摘機器人的出發點。歸納后的臍橙生物學特性如表2.1所示。表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s11臍橙生物學特性軸向X軸Y軸Z軸幾何尺寸（/mm）81-9560-8574-81壓力大小（/N）0-2525-5050-100臍橙變形狀況果皮果肉未損傷果皮未損傷、果肉局部損傷果皮果肉均損傷臍橙單果重量大小（/g）200-400臍橙樹高（/m）1.5-3臍橙樹冠（/m）0.6-2.2臍橙采摘機械手主要技術指標根據臍橙采摘機器人的工作情況，機械手的設計應滿足以下要求：（1）臍橙采摘機器人手爪處負載大小0.4kg左右。（2）為了防止手爪在抓取臍橙時發生滑落，機械手處的定位精度小于3mm。（3）為了滿足機械手在工作過程具有較高的工作效率，設計其各關節轉速小于5rpm。采摘機械臂自由度及機構設計人工采摘臍橙動作分析人工采摘臍橙時主要依靠雙手進行工作，當單手對臍橙進行采摘時，通常會出現如圖2.1所示的四種采摘方式。當人手指抓住臍橙時，通過物理方式將臍橙從果樹上摘下。而在實際的采摘中，為了減小對果樹的損傷，可以將一只手將臍橙固定，再使用另外一只手借助剪刀剪斷果柄，然后將臍橙放入籃子中。根據人工采摘臍橙的動作分析，參考機械方法實現果柄分離的運動形式，對執行器的結構進行設計。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s11采摘方式采摘機械臂的構型采摘機械臂是采摘機械手的主要結構。既承擔著整個機械臂的質量又負責連接其他的部件，是調整機械手姿態的重要結構。根據采摘目標，設計一種結構構型合理的機械臂對最終的采摘結果有很大的影響。此次設計采用關節型機械臂串聯結構，這種類型的機械臂具有較大的運動空間，控制簡單，可以滿足臍橙采摘的要求。臍橙采摘機器人的采摘方式采用機械手，手爪式機械手搭配行走機構，方便臍橙采摘機器人在果園內工作，臍橙采摘機器人主要部位包括手爪、手腕、腰部及機械臂。手爪：臍橙采摘機器人的手爪根據結構類型可以分為平轉與平動兩種類型，根據機械手的使用需求一般分為真空吸盤及手爪式，由于此次設計中的摘取對象為臍橙，臍橙為較為規則的球體，因此采用手爪式進行摘取。手腕：末端機械手通過手腕與機械臂相連接，根據末端機械手的運動需求，需要其具有五個自由度，在采摘臍橙的過程中可以完成左右及回轉的同一水平面上的采摘運動，除此之外，機械手還應該具有升降機構，可以完成上下運動，將采摘的臍橙放在儲存位置。此次設計過程中為了簡化機械手的結構，直接在機械手的底座上安裝臍橙采摘機器人實現采摘臍橙的動作。機械臂：機械臂是臍橙采摘機器人結構的重要組成部分，它通過大臂和小臂的相互配合，改變機器人位姿，與手腕和腰部配合到達果實所在的具體位置。實現臍橙采摘。行走機構：行走機構方面在國內發展還并不具有代表性，目前國內的發展大多數用于仿真階段。機械手的行走機構一般采用兩種形式，一種為輪式行走，一種為履帶式行走，此次設計中并不對行走裝置進行設計，故簡化為底座。底座：底座是安裝機械手及驅動系統的主要部位，在底座內部安裝電機，底座上方安裝機械手。底座應具有一定的質量，以防止采摘機器人在工作過程中由于重心的改變而發生傾斜的情況。在機械行業的生產過程中，任何設備的正常工作都離不開驅動裝置的執行。驅動裝置的類型多種多樣，根據驅動類型不同，常見的驅動方式有電力驅動、啟動和液壓。此次設計中，為了減輕臍橙采摘機器人的整體結構質量，主要采用電力驅動。采摘機械臂自由度分析要保證機械臂可以順利實現臍橙的采摘，所設計的采摘機械手的末端執行器要能達到臍橙附近，根據上節分析的臍橙的特征，所設計的機械手需要的最佳運動形式有5個自由度，自由度的具體表現如圖2.2所示。其中2、3、5部位處的運動實現樹高與樹冠方位的位置運動，即完成上下前后的運動，7處的兩個自由度可以保證調整手爪對臍橙的摘取，調節采摘角度，因此，臍橙采摘機械手的最佳自由度為5。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s12自由度展示機械臂傳動方案設計機械手動作分析及運動分析：臍橙首先被機械手夾持，然后再隨之一起運動。其周期運動可以表現為（按動作順序）：大臂上升—小臂上升—手腕上翻—夾緊臍橙—手腕回轉—小臂下降—大臂下降—放下臍橙。臍橙采摘機器人的傳動系統決定了其運動的平穩性與可靠性，應合理對其傳動方式進行選擇。常見的傳動方式有機械傳動、氣動、電動及液壓傳動。通過對比分析可得到，機械傳動適合簡單的運動，對于復雜的運動，會大幅度增加其結構的復雜程度，而臍橙采摘機械手在運動過程中需要完成5個自由度的運動，因此機械傳動不適合用于本結構設計中。氣壓傳動采用氣控信號傳遞，傳遞速度慢，并且由于空氣的不穩定性，在傳動過程中很容易導致機械手發生抖動，導致機械手不能準確定位，因此氣動方式不適合用于本結構設計。液壓傳動可以有效的將電機的旋轉運動轉變為機械手臂的直線運動，工作時不會出現抖動的情況，工作狀態平穩，具有可靠性。電機可以將旋轉運動直接傳遞至臍橙采摘機器人的旋轉運動處，可以直接通過控制電機的轉速控制機械手的轉動速度，不需要將運動方式進行改變，因此，采用電機來實現機械手的旋轉。本章小結本章首先查閱文獻，確定了采摘對象的生物學特性，并對采摘機器人的采摘動作進行了剖析，確定了采摘機器人的結構類型。通過分析采摘目標，確定了機械臂和執行器采摘臍橙所需要的自由度。根據設計的臍橙采摘執行器的工作原理，繪制采摘執行器的結構簡圖。最后確定了采摘機器人的方案。 臍橙采摘機械手手爪的設計采摘手爪類型及夾緊裝置采摘手爪要求臍橙是一個具有一定質量的較規則球體，在采摘臍橙的過程中應滿足以下要求：（1）應具有適當的夾緊力和驅動力（2）手指應該具有足夠的開閉角度Δγ，以便于抓取臍橙（3）要求結構簡單、重量輕便，在保證本身強度、剛度的前提下，盡可能減輕手臂的負載（4）應保證機械手爪的夾持臍橙的精準度。采摘手爪的類型及夾緊裝置本設計中機械手主要用來完成對臍橙的采摘。根據原始參數，其中機械手的手掌張合角Δr=60°，采摘機器人的采摘對象是臍橙，臍橙質量不大，因此可以將臍橙采摘機器人的手爪的夾取重量設定為采摘手爪結構的設計計算采摘手爪的力學分析圖3.1為常見的手爪結構和力學分析。圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s11手爪結構、受力分析由上圖3.1可知，球狀物體在1手爪的抓取下運動，手爪受到銷軸的作用力，對球狀物體體的夾取點處施加兩個作用力。由力學公式可知：Fy=0FF由F=0得F1∵ F=2bacos2式中：a——α由公式3.1可知，當臍橙采摘機器人的驅動力大小固定時，當增加球狀物體與手指之間的夾角時，機械手爪所產生的的夾緊力也隨著增大，即機械手爪所產生的夾緊力與手指夾取臍橙的夾角成正比，但是，當夾角過大時會導致手爪整體結構過大，從而增加臍橙采摘機器人末端結構質量，因此，最佳的手指與球體之間的夾角范圍為30°至40°。夾緊力及驅動力的計算臍橙采摘機器人在完成采摘臍橙的運動時，機械手爪應具有足夠的夾持力，不然，臍橙采摘機器人就沒辦法成功采摘臍橙。因此，對機械手爪在采摘臍橙時，對機械手爪的受力情況進行分析，其夾緊力為： FN≥K1式中：K1——安全系數，1.2?2.0K2——K3——G——工件重量計算：設a=100mm，b=50mm，100<α<400（1）夾緊力F設K1 K2=1+ba=K根據公式，將已知條件帶入：∴ FN=1.5×1.02×0.5×5=3.825N（2）根據驅動力公式得： F計算=（3）取η=0.85 F實際（4）確定液壓缸的直徑D：∵選取活塞桿直徑d=0.5D，選擇液壓缸壓力油工作壓力P=0.81MPa， ∴4F根據表4.1，選取液壓缸內徑為：D=10mm，但為了擴大機械手的工作范圍，選取液壓缸內徑D=16mm，則活塞桿內徑為:d=8mm手爪夾持范圍計算臍橙采摘機器人的手爪應具有足夠的張開角度，以防止由于臍橙體積過大而無法夾持的情況。此次設計中手爪的張開角度為60°。根據機械手爪的結構尺寸可得，當機械手爪全部張開時，手指的夾持長度為0.1m，當張開角為0°時，機械手爪的最小夾持半徑為40mm。當其夾持角度最大時，其夾持半徑為：R所以機械手的夾持半徑從40mm~104mm。圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s12手爪張開示意圖根據以上計算結果及參考其他機械手爪設計參數，所設計的機械手爪具體結構參數如下圖所示。在三維軟件中進行了抓取手爪的建模，如圖3-4所示圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s13手爪結構參數圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s14抓取手爪腕部的設計計算采摘手腕結構設計臍橙采摘機器人機械手的主要作用是通過末端結構對果樹上的臍橙進行抓取運動，此次設計的末端結構為了能讓其與不同類型的機械手相配合安裝，以滿足臍橙采摘機器人在不同情況下的生產實際生產要求所設計的機械手末端結構如下圖所示。機械手的末端結構可以配合其他類型的機械手進行運動，為了使機械手能運動起來，在其中間安置一對錐齒輪。通過小臂中心線部位的軸進行轉動。在小臂后端安裝的電機與傳動軸相配合。當啟動電機后。動力通過齒輪帶動傳動軸進行旋轉，傳動軸帶動錐齒輪進行旋轉與安裝在末端的大錐齒輪進行配合，從而使臍橙采摘機器人的執行末端完成旋轉運動。整個機械手的末端結構是通過螺栓進行連接的。其內部所安裝的傳動齒輪是通過軸承和軸與末端機構相連接。為了使所設計的臍橙采摘機器人的整體結構美觀，因此，我們在設計過程中需要對其外殼進行一定的包裝。臍橙采摘機器人的末端機構應與手爪相連接，與此處安裝的手爪軸應與手爪通過過盈配合，使其固定在末端機構上，詳細設計如下圖所示。圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s15手爪前端設計圖圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s16前端部分示意圖臍橙采摘機器人通過使用齒輪傳動，不僅可以有效的將力矩進行傳遞，且制造成本低，制造工藝簡單，使用壽命長，更加適合在臍橙采摘機器人上使用。其前端結構的傳動部分如下圖所示。注：1.電機2.齒輪3.軸4.錐齒輪5.前端部分圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s17前端部分傳動根據此次設計的機器人的采摘對象外部特征，采用手爪式機械手，手爪式機械手可以有效完成對球狀物體的抓取，比吸附式等方式更適合此次設計。由于臍橙較小，因此設計中采用兩爪進行抓取，可以有效完成臍橙采摘機器人對臍橙的摘取運動。手爪的與采摘機器人之間均設有連接孔，可以用過簡單的螺栓螺母進行連接，此種設計的另一個目的是可以針對不同的抓取物體，更換手爪。所設計的手爪結構如圖3.7所示。腕部的驅動力矩計算腕部的驅動力矩需要的力矩M慣夾取臍橙，重量0.4kg，當手部回轉180手爪、手爪驅動液壓缸及回轉液壓缸轉動件等效為一個圓柱體，高為220mm，直徑120mm，其重力估算G=4N。G=0.4×0.0（2）摩擦力矩M摩（3）啟動過程所轉過的角度φ啟=18° M慣=J+J查《工程力學》取轉動慣量公式有：J=J將數據代入得：MM=M=本章小結本章主要針對臍橙采摘機器人的手爪及腕部進行了設計分析，根據采摘機械手的使用需求一般分為吸盤式及手爪式，真空吸盤常見于對于較為光滑的表面進行采摘，由于此次設計中的摘取對象為臍橙，臍橙為較為規則但不光滑的球體，因此采用手爪式進行摘取。臍橙采摘機器人在完成采摘臍橙的運動時，末端執行器應具有足夠的夾持力，不然，臍橙采摘機器人就沒辦法完成對臍橙的采摘。因此，在末端執行器抓取臍橙時，對臍橙的受力情況進行分析，并對臍橙采摘機械手末端執行器的夾持力進行計算，從而得到所需要的驅動力大小。同樣，機械手腕也是傳動的一個主要部分，因此，同樣對手腕處進行受力分析與驅動力計算。

機械臂結構設計小臂的設計及計算設計時注意的問題機械臂承擔著末端執行器及抓取對象的重量，因此，應具有一定的剛度，滿足末端執行器的運動。機械臂盡量不產生或產生較小的偏重力矩。為了使機械手在運動過程中保持平穩，機械臂的質量要輕，減小機械臂在運動過程中的慣性力。機械臂應具有良好的導向性。小臂結構的設計臍橙采摘機器人機械臂的小臂部分是連接機械手與機械手手腕部分的部件，臍橙采摘機器人小臂的長度決定了機械手在水平方向上的工作范圍。具體設計如圖4.1所示。圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s11小臂的設計如圖4.1所示是小臂的模型，它是通過小臂后面的電機通過齒輪傳動來帶動小臂進行旋轉的，如圖4.2所示通過兩個電機和兩個不同的齒輪相互作用，使得和齒輪相連接的軸轉動，不同的齒輪大小有不同的速度，通過使用不同的電機使得速度能夠有變化，這個對于在生產中，需要根據不同的速度來適應生產，有非常大的意義，為了能觀察清楚這個齒輪傳動的結構我們可以通過圖4.3所示。相同的電機通過不同的齒輪進行嚙合。圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s12電機和齒輪的分布圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s13齒輪嚙合把小臂的截面設計成工字鋼形式，這樣抗彎系數大，使截面面積小，從而減輕小臂重量，使其經濟、輕巧。選45號鋼。理論重11.261kg/m,Wy=9.72cm校核：G小臂=mg=11.261×0.6×10=73.19（N其受力如下圖:圖4.4小臂受力分析圖F=75+5=80（N）M=δ=按《材料力學》公式：τ=Qhb其中h為小臂的高度，b為小臂的腰寬，Q為所受的力。所以τ=所以選45鋼合適，小臂設計滿足設計要求。電機及減速器選型初步擬定采摘的果實重量為1kg，臍橙采摘機構中的末端執行器和旋轉法蘭組件的整體重量為4kg。進而我們能夠根據扭矩與功率的計算公式對其進行計算，計算步驟如下所示：P擬采用諧波減速器，其減速比初定為K=100,電機轉速設定為n=100小臂的最大轉矩可以通過下式進行計算：T≤9550并將P=0.4KW代入上述公式進行計算：T≤9550*0.95/1000=10N/m若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉動慣量及摩擦力矩，則旋轉開始時的啟動轉矩可假定為10N.m，取安全系數為2，則諧波減速器所需輸出的最小轉矩為：T01選擇諧波減速器：⑴型號：XB3-50-100額定輸出轉矩：20N.m減速比：i1=100設諧波減速器的的傳遞效率為：η=90%Tout1=選擇BF反應式步進電機型號：55BF003靜轉矩：0.686N.m步距角：1.5°軸的設計大軸的直徑取20mm，材料為45號鋼。受力如下圖:圖4.5軸受力分析圖驗算：Fτ=小臂設計滿足設計要求。軸承的選擇因為上軸承只受徑向，下軸承受軸向力和徑向力，所以選用圓錐滾子軸承，按《機械零件手冊》表9-6－1（GB297-84）選7304E，d=20mm，c=31.5kN軸承的校核：因為此處軸承做低速的擺動，所以其失效形式是，接觸應力過大，產生永久性的過大的凹坑（即材料發生了不允許的永久變形），按軸承靜載能力選擇的公式為：C0≥S0其中P0為當量靜載荷，S0為軸承靜強度安全系數，取決于軸承的使用條件。按《機械設計》表3-8作擺動運動軸承,沖擊及不均勻載荷,S0上軸承受純徑向載荷∴P0=F所以S因此軸承合適.下軸承受徑向和軸向載荷P0=X0式中：R為徑向載荷；A為軸向載荷；X，Y分別為徑向載荷系數和軸向載荷系數，其值按《機械設計》表13－5查取因為AR帶入數據得：X0=1YS因此軸承滿足設計要求，小軸承受力很小，所以不用校核。大臂的設計及計算結構的設計操縱器大臂與肩體之間的身體的腰部和臂的杠桿臂而動作的基礎上假定的運動可以傳遞關于肩部過渡中間臂相連。機械臂肩關節之間的連接臂和吊桿操縱臂如圖4.4所示。圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s14機械臂大臂結構示意圖把大臂的截面設計成上圖形式，這樣抗彎系數大，使截面面積小，從而減輕大臂重量，使其經濟、輕巧。選45鋼。理論重16.890kg/m，Wy校核：G因此取大臂重量為140N。其受力如圖4.7所示:圖4.7受力分析圖F=75+5+140=220（N）M=δ=按公式（4.1）其中h為大臂的高度，b為大臂的腰寬，Q為所受的力。所以τ=所以選45鋼合適，大臂的設計滿足設計要求。電機選型設小臂及腕部繞第二關節軸的重量：M2=2Kg，MJ2=M2L4+M=2×0.0972+4×0.1942=0.16kg.m2大臂速度為10r/min，則旋轉開始時的轉矩可表示如下：T=J×ω式中：T：旋轉開始時轉矩N/mJ：轉動慣量kg/mω?：角加速度rad/使機械手大臂從ω0=0到ω1T1若考慮繞機械手手臂的各部分重心軸的轉動慣量及摩擦力矩，則旋轉開始時的啟動轉矩可假定為10N.m，取安全系數為2，則諧波減速器所需輸出的最小轉矩為：T01選擇諧波減速器：型號：XB3-50-120（XB3型扁平式諧波減速器）額定輸出轉矩：20N/m減速比：i=120設諧波減速器的的傳遞效率為：η=90%，步進電機應輸出力矩為：Tout1=選擇BF反應式步進電機型號：55BF003靜轉矩：0.686N.m步距角：1.5°大臂減速器參數的計算剛輪、柔輪均為鍛鋼，小齒輪材料為45鋼（調質），硬度為250HBS剛輪材料為45鋼（調質），硬度為220HBS。1.齒數的確定柔輪齒數：Z剛輪齒數：Z已知模數：m=0.5，則柔輪分度圓直徑：d鋼輪分度圓直徑：d柔輪齒圈處的厚度：δ重載時，為了增大柔輪的剛性，允許將δ1計算值增加20%，即δ柔輪筒體壁厚：δ=0.7為了提高柔輪的剛度，取δ=1.2mm輪齒寬度：B=0.15輪轂凸緣長度：C=(0.2~0.3)B=(0.2~0.3)×15=3~4.5mm取C=柔輪筒體長度：L=(0.8~1.2)輪齒過渡圓角半徑：r≈m=0.5mm為了減少應力集中，以提高柔輪抗疲勞能力，取：r=3mm軸的設計計算軸的直徑取20mm，材料為45號鋼。其受力如下圖:圖4.8軸的受力分析驗算：F1=τ=軸的應力滿足設計要求。軸承的選擇大軸軸承的選擇：因為上軸承只受徑向，下軸承受軸向力和徑向力，所以選用圓錐滾子軸承，按《機械零件手冊》表9-6-1（GB297-84），選7304E，d=20mmc=31.5kN軸承的校核：因為此處軸承做低速的擺動，所以其失效形式是，接觸應力過大，產生永久性的過大的凹坑（即材料發生了不允許的永久變形），按軸承靜載能力選擇的公式為：C0≥S0其中P0為當量靜載荷，S0為軸承靜強度安全系數，取決于軸承的使用條件。按《機械設計》表3-8作擺動運動軸承,沖擊及不均勻載荷,上軸承受純徑向載荷,∴所以S軸承滿足設計要求。下軸承受徑向和軸向載荷P0=X0式中：R為徑向載荷；A為軸向載荷。XY分別為徑向軸向載荷系數，其值按《機械設計》表13－5查取因為AR所以X0=1Y所以S因此軸承滿足設計要求，軸承受力很小，所以不用校核。本章小結本文主要對機械臂進行了結構設計與計算，分別對大臂與小臂進行了受力分析，并對其傳動軸與安裝軸承進行了設計計算與選擇，完成了大臂與小臂的結構設計。

關鍵零部件校核軸的校核計算軸的受力分析圖STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s11軸受力分析圖軸的受力分析、轉矩圖、彎矩圖如圖所示。L軸承的支反力計算：在水平面上R在垂直平面上RR軸承Ⅰ的總支反力R軸承Ⅱ的總支反力R在水平面上，a-a剖面左側Ma-a剖面右側M垂直面Mav合成彎矩Ma校核軸的強度圖a—a剖面左側受轉矩彎矩，還有鍵槽引起的應力集中，為危險剖面，抗彎截面模量為W=0.1d3?bt(d?t)式中：d：a—a截面的直徑；b：鍵槽寬度；t：鍵槽深度。W=0.1同理可得抗扭截面模量為W彎曲應力：σσσ扭剪應力：ττ查數據得45號鋼正火回火處理硬度170~217HBW，抗拉強度極限σB=600MPa，屈服極限σs=300MPa，彎曲疲勞極限σ?1σe=σ校核鍵連接的強度鍵連接的擠壓應力為：σp=4Tdhl式中：d：鍵連接處直徑；T：傳遞的轉矩；h：鍵的高度；l：鍵連接的計算長度，l=L-b。蝸輪處鍵連接的擠壓應力σ取鍵、軸及聯軸器的材料都為鋼，查得σpσp聯軸器處鍵連接的擠壓應力σ取鍵、軸及齒輪的材料都為鋼，已查得σp=120~150MPa。顯然，聯軸器處鍵連接的擠壓應力σ取鍵、軸及齒輪的材料都為鋼，已查得σp=120~150MPa。顯然，校核軸承壽命查手冊知道30209軸承的Cr軸承的軸向力FS1所以

F所以只需校核軸承Ⅱ。Fa2Fa2R2當量載荷P軸承在100℃以下工作，查表得fT=1。同時，軸承Ⅰ的壽命為L預期壽命Lh對于，結構設計如圖圖STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s12軸結構圖受力分析圖STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s13軸受力分析圖分度圓直徑d=50mm，圓周力Ft=733.2N，徑向力Fr=1032.89N，軸向力軸承的支反力計算：在水平面上R在垂直平面上RR軸承Ⅰ的總支反力：R軸承Ⅱ的總支反力：R查手冊得：30207軸承的Cr軸承的軸向力FS1所以Fa1所以只需校核軸承Ⅰ。Fa1Fa1R1當量載荷P軸承在100℃以下工作，查表得fT=1。同時，軸承Ⅰ的壽命為L預期壽命Lh本章小結本章主要針對臍橙采摘機器人的主要零部件進行了受力分析與強度校核，計算結果均滿足設計要求。結論與展望針對臍橙采摘過程機械化程度低的問題，本文設計了一款新型臍橙采摘機器人結構，完成了如下工作：（1）通過分析采摘目標，確定了機械臂和執行器采摘臍橙所需要的自由度和運動副的類型，實現了機械手的最佳自由度。繪制采摘執行器的結構簡圖并完成了相應結構的運動學分析。確定了臍橙采摘機器人的傳動方案及驅動方案。（2）設計了采摘執行器的設計方案，選擇了平行連桿手爪。完成了對手爪的夾持力與驅動力分析計算，并完成了機械手臂的結構設計與三維模型的創建。（3）完成了臍橙采摘機器人的驅動電機選型計算與減速器的選型計算，并對關鍵零部件進行了強度校核。因為對此次畢業設計的課題臍橙采摘機器人結構設計方面所涉及的專業知識學習相對較少，并且對本次畢業設計的一些更深入的課題方