毕业设计（论文）-番茄采摘自动装置设计-采摘机械手

III目录摘要 IIAbstract III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 32.2.4驱动方案的选择 32.3工作原理分析 42.3.1车体传动机构工作原理 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驱动齿轮传动设计 83.1.3驱动轴及轴承、键的设计 123.1.4车轮设计 163.2手臂部分设计 163.2.1电机的选择 163.2.2大臂的静力学分析 203.2.3小臂的静力学分析 213.2.4尺寸结构设计 243.2.5回转底座的设计 243.3手抓设计 253.3.1电动机的选择 253.3.2末端夹持器设计 273.3.3手抓结构设计 283.3.4手抓支架的设计 29第4章基于SolidWorks的三维设计 304.1SolidWorks三维设计软件概述 304.2三维设计 314.2.1车体 314.2.2主驱动轮 314.2.3臂部回转机构 314.2.4手臂、手抓 324.2.5三维装配 32第5章基于MATLAB的仿真分析 345.1MATLAB软件概述 345.2MATLAB仿真分析 34总结 35参考文献 36致谢 37摘要番茄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。番茄采摘机是一种极具研究价值和应用前景的农用地面移动采摘装置，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，确立了番茄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SolidWorks软件进行三维设计；然后，采用MATLAB进行仿真分析，确保番茄采摘机结构最优，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：番茄；采摘；手臂；手抓；车体全套图纸加V信153893706或扣3346389411AbstractThedevelopmentoftomatoplantingindustryhasincreasedthedemandoforchardmachinerymarket.Inordertosavemanpowerandmaterialresourcesandimprovetheeconomicbenefitsoffruitgrowers,itisofgreatsignificancetocarryoutresearchonharvestinginstruments.Tomatopickerisakindoffarmlandmobilepickingdevicewithgreatresearchvalueandapplicationprospect.Inthispaper,theoveralltechnologyofthepickingmachinewithmobilefunctionisstudied,anditsbodystructure,armandhandgrasparedesignedindetail.Firstly,throughtheanalysisoffunctionsanddesigntasks,theoverallfunctionalframeworkoftomatoharvesterisestablished;secondly,thestructure,armandgrasppartsofthepickinglocomotivearedesignedandcheckedindetail,andthethree-dimensionaldesigniscarriedoutbySolidWorkssoftware;secondly,thesimulationanalysisiscarriedoutbyusingMATLABtoensuretheoptimumstructure,thehighestefficiencyandthebestperformanceofthetomatoharvester.Finally,theassemblydrawingsandmainpartsdrawingsofthepickingmachinearedrawnbyusingAtuoCADsoftware.Throughthisdesign,wecandeepentheunderstandingofknowledgeunderthepracticeofcombiningtheorywithpractice,whichwillcertainlybringgreathelptothefuturework.Keywords:Tomato;Picking;Arm;Grasp;CarBody第1章绪论1.1研究背景及意义番茄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50％～70％㈣。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采摘装置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，采摘装置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。番茄和蔬菜的采摘采摘装置的研究始于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。缺点是番茄的脆弱性，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，新鲜番茄和蔬菜方面。但此后，随着电子技术和计算机技术的发展，特别是在工业采摘装置，日益成熟的计算机图像处理技术和人工智能技术，采摘采摘装置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番茄和蔬菜采摘采摘装置方面的研究相关的研究主要橘子，番茄，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采摘装置。研究农业采摘装置领域起步相对较晚，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采摘装置设计;采摘装置视觉传感器设计立体的中国农业大学，刘兆祥，刘刚，谁捡到了番茄方面江苏大学蔡健荣三维信息，例如恢复的障碍，为柑橘采摘采摘装置障碍识别技术的研究;南京农业大学工学院和夺权的番茄和蔬菜研究技术姬长英王学林外环控制。在国内，番茄采摘由人工来完成，采摘效率低、采摘人员劳动强度大、工作环境差。目前对番茄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设计技术参数设计一可用于地面栽培方式的番茄采摘自动装置，主要技术指标包括：采摘空间约600mm×1000mm×1200mm，行走速度最大3Km/h，具有灵活性和可操作性。2.2方案选定2.2.1车体方案设计本次设计的番茄采摘机车体结构采用的四轮结构，总体设计方案如图2-1所示。采摘装置的车体的驱动轮作为移动机构，与前臂和后臂转动相协调，增加了采摘装置运动灵活性。采摘装置车体左右两边驱动轮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。在车体主驱动轮前端是惯性轴，与主动轴配合，保证采摘装置运动的平稳。图2-1番茄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：机械手臂可实现五个自由度，分别是腰部回转，大臂俯仰，小臂俯仰，手腕摆动和手腕回转，并且采用关节式结构，因此选定的设计方案如下：其由三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；手爪回转由电机驱动，手爪夹持由电动推杆的正反接实现。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番茄，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）人工采摘番茄，轻轻握住番茄，食指按住秆，然后向上提起，使果柄与果枝部位从离层断开，轻轻取出番茄。为了确保番茄采摘后完好无损，采用剪开茎的方式较理想，因此通过剪刀剪开茎的方式，并且把剪刀刃口设置在手抓开口部位，手抓合上包裹住西红柿的同时把番茄柄剪断，这种方法简单，视觉系统要求也不高。2.2.4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，采摘装置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。综合上述2.2.1~2.2.4提出的方案可以得到本次设计的番茄采摘自动装置总体方案如下图2-2所示。其五个自由度分别通过1、2、3、4、5各机构实现：1、腰部回转；2、大臂俯仰；3、小臂俯仰；4、手腕俯仰；5、手腕回转。其中2、3、4处关节采用电机驱动，通过谐波轮减速器减速。图2-2番茄采摘装置总体结构图2.3工作原理分析2.3.1车体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，为采摘装置提供主要动力。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。转向机构采摘装置在行驶过程中，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。2.3.2手臂工作原理其由三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，手爪夹持由电动推杆的正反接实现。2.3.3手抓工作原理机械臂将机械手送达到番茄附近，机械手上的位置传感器检测机械手与番茄的相对位置，当番茄进入机械手中心位置时，位置传感器触发单片机控制信号，电动推杆开始伸出使机械手开始夹紧番茄，并通过手抓开口处刃部夹断西红柿柄把西红柿摘下并包裹在球形手抓内。随后机械臂将番茄送到指定位置后，电动推杆缩回，手抓打开把其内的西红柿放置到框内，恢复到初始位置，完成番茄的采摘。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）采摘装置在平直的路上行驶番茄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，则取番茄采摘机共有两个输出轴，每个输出轴前端都有一个电机，对采摘装置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）采摘装置在30°坡上匀速行驶采摘装置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，采摘装置爬坡受力情况如图图3-230°坡度分析又，则则在最大坡度下需提供极限转矩为（3）采摘装置的多姿态越阶对这几种姿态分析，采摘装置在跨越台阶时直流电机只驱动主驱动轮，采摘装置在实际跨越台阶过程中速率不大，那么采摘装置所需提供的输出功率也不大。由以上分析可知，采摘装置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。根据采摘装置爬坡情况的分析，,机器在平面状况下，因而选取P=80W作为采摘装置的最大输出功率。根据计算的番茄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，满足主驱动轮频繁受冲击，制动和反转的要求，满足采摘装置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驱动齿轮传动设计1、选精度等级、材料和齿数采用7级精度由表6.1选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS。选小齿轮齿数大齿轮齿数，取2、按齿面接触疲劳强度设计由设计计算公式进行试算，即1）确定公式各计算数值（1）试选载荷系数（2）计算小齿轮传递的转矩（3）小齿轮相对两支承对称分布，选取齿宽系数（4）由表6.3查得材料的弹性影响系数（5）由图6.14按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限大齿轮的接触疲劳强度极限（6）由式6.11计算应力循环次数（7）由图6.16查得接触疲劳强度寿命系数（8）计算接触疲劳强度许用应力取失效概率为1％，安全系数为S=1，由式10-12得（9）计算试算小齿轮分度圆直径，代入中的较小值计算圆周速度v计算齿宽b计算齿宽与齿高之比b/h模数齿高计算载荷系数K根据，7级精度，查得动载荷系数假设，由表查得由表6.2查得使用系数.05由表查得查得故载荷系数（10）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式可得（11）计算模数ｍ3、按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为（1）确定公式内的计算数值由图6.15查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限大齿轮的弯曲疲劳强度极限由图6.16查得弯曲疲劳寿命系数计算弯曲疲劳许用应力取失效概率为1％，安全系数为S=1.2，由式得计算载荷系数（2）查取齿形系数由表6.4查得（3）查取应力校正系数由表6.4查得（4）计算大小齿轮的，并比较大齿轮的数据大（5）设计计算对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，可取有弯曲强度算得的模数1.83，并就近圆整为标准值m＝4mm按接触强度算得的分度圆直径算出小齿轮齿数取大齿轮齿数取4、几何尺寸计算（1）计算分度圆直径（2）计算中心距（3）计算齿宽宽度取B2=15mm,B1=15mm5.5验算合适圆柱齿轮参数数据整理如下：序号名称符号计算公式及参数选择1齿数Z20，202模数m4mm3分度圆直径4齿顶高5齿根高6全齿高7顶隙8齿顶圆直径9齿根圆直径10中心距3.1.3驱动轴及轴承、键的设计（1）尺寸与结构设计计算1）高速轴上的功率P1,转速n1和转矩T1，，2）初步确定轴的最小直径先按式初步估算轴的最小直径。选取轴的材料45钢，调质处理。根据机械设计表11.3，取，于是得：该处开有键槽故轴径加大5％～10％，且高速轴的最小直径显然是安装大带轮处的直径。取；。3）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度（a）为了满足大带轮的轴向定位的要求2轴段左端需制出轴肩，轴肩高度轴肩高度，取故取2段的直径，长度。(b)初步选择滚动轴承。因轴承只受径向力的作用，故选用深沟球轴承。根据，查机械设计手册选取0基本游隙组，标准精度级的深沟球轴承6205，故，，轴承采用轴肩进行轴向定位，轴肩高度轴肩高度，取，因此，取。(c)齿轮处由于齿轮分度圆直径，故采用齿轮轴形式，齿轮宽度B=47mm，齿故取。另考虑到齿轮端面与箱体间距10mm以及两级齿轮间位置配比，取，。4）轴上零件的周向定位查机械设计表，联接大带轮的平键截面。（2）强度校核计算1）求作用在轴上的力已知高速级齿轮的分度圆直径为，根据《机械设计》（轴的设计计算部分未作说明皆查此书）式(10-14)，则2）求轴上的载荷首先根据轴的结构图作出轴的计算简图。在确定轴承支点位置时，从手册中查取a值。对于6205型深沟球轴承，由手册中查得a=16mm。因此，轴的支撑跨距为L1=72mm。根据轴的计算简图作出轴的弯矩图和扭矩图。从轴的结构图以及弯矩和扭矩图可以看出截面C是轴的危险截面。先计算出截面C处的MH、MV及M的值列于下表。载荷水平面H垂直面V支反力F，，C截面弯矩M总弯矩扭矩3）按弯扭合成应力校核轴的强度根据式(15-5)及上表中的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力，取，轴的计算应力已选定轴的材料为45Cr，调质处理。由表15-1查得。因此，故安全。4）键的选择采用圆头普通平键A型（GB/T1096—1979）连接，联接大带轮的平键截面，。齿轮与轴的配合为，滚动轴承与轴的周向定位是过渡配合保证的，此外选轴的直径尺寸公差为。（3）滚动轴承寿命校核1）.按承载较大的滚动轴承选择其型号，因支承跨距不大，故采用两端固定式轴承组合方式。轴承类型选为深沟球轴承，轴承的预期寿命取为：L'h＝29200h由上面的计算结果有轴承受的径向力为Fr1=340.43N，轴向力为Fa1=159.90N，2）．初步选择深沟球轴承6205，其基本额定动载荷为Cr=51.8KN，基本额定静载荷为C0r=63.8KN。3）．径向当量动载荷动载荷为，查得，则有由eq\o\ac(○,a)式13-5得满足要求。（4）键的校核1）单圆头平键尺寸为2）校核键联接的强度键、轴材料都是钢，由机械设计查得键联接的许用挤压力为键的工作长度，合适3.1.4车轮设计车轮采用实心橡胶轮胎，直径选用240mm能够满足行驶要求。3.2手臂部分设计3.2.1电机的选择本机械手臂有无个电机，分别是手臂回转电机，大小臂关节电机、手抓回转电机、手抓俯仰电机，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）手腕回转电机的选择被采摘番茄质量，末端执行器的质量，手腕的质量，番茄重心到销轴中心之间的距离，销轴中心到手腕与手臂连接处的距离，手腕回转时其中心轴到与之相连手臂中心轴之间的夹角设系统的输出转矩为,整个系统的负载转矩为，则对回转轴处的负载转矩为对回转轴处的负载转矩为对回转轴处的负载转矩为整个系统的负载转矩为：经过分析得到时，即手腕和手臂处于同一条轴线时，整个手腕受到的负载转矩最大。此时，同时，为了使末端执行器在实际的采摘作业中有更好的适应性能可以将计算出来的理论上的负载转矩乘以一个系数，则机构的实际转矩为：根据算出来的转矩，初选型号为（2）手腕摆动电机的选择被采摘番茄质量，末端执行器的质量，手腕的质量，手腕电机，番茄重心到销轴中心之间的距离，销轴中心到手腕与小臂连接处的距离，手腕摆动的夹角设系统的输出转矩为,整个系统的负载转矩为，则对摆动轴处的负载转矩为对摆动轴处的负载转矩为对摆动轴处的负载转矩为对摆动轴处的负载转矩为整个系统的负载转矩为：经过分析得到时，即手腕和手臂处于同一条轴线时，整个手腕受到的负载转矩最大。此时，同时，为了使末端执行器在实际的采摘作业中有更好的适应性能可以将计算出来的理论上的负载转矩乘以一个系数，则机构的实际转矩为：根据算出来的转矩，初选型号为（3）小臂俯仰电机的选择本设计中，机械关节实现小臂与大臂的连接，通过大臂相对固定，使小臂沿x轴方向转动，该关节所承载的力为手爪和电机的重量，工件的重量以及小臂的重量。末端执行器的质量，手腕电机的质量，小臂的质量，末端执行器到手腕的距离，小臂的长度，小臂俯仰的夹角设系统的输出转矩为,整个系统的负载转矩为，则对小臂俯仰轴处的负载转矩为对小臂俯仰轴处的负载转矩为对小臂俯仰轴处的负载转矩为整个系统的负载转矩为：经过分析得到时，即手腕和手臂处于同一条轴线时，整个手腕受到的负载转矩最大。此时，总力矩：根据算出来的转矩，初选型号为（4）大臂俯仰电机的选择本设计中的机械关节实现大臂与腰部之间的连接，通过腰部的相对固定，使大臂沿x轴方向的俯仰，其原理图如下：m1——手腕和末端的质量：m1=2.5kgm2——手臂的质量：m2=1.5kgm3——大臂的质量：m3=2kgl1——手腕到小臂的距离：l1=60mml2——小臂的长度：l2=300mml3——大臂的长度：l3=400mmθ——俯仰的角度：θ=0°时，转矩最大设系统的输出转矩为,整个系统的负载转矩为，则m1对小臂连接轴的转矩：Tm2对大臂连接轴的转矩：Tm3对大臂连接轴的转矩：TT负载转动时，可看作一物体绕其一边轴的轴运动。因此其运动的转动惯量为J若单片机每秒发50个脉冲，步进电机初始的步距角为1.8°则50×1.8所以负载运动时最大的转速为每秒90°，最大加速度即β惯性力矩MM02——负载运动时产生的惯性力矩总力矩：故电机的选择为（5）腰部回转电机的选择根据分析腰部所受的负载转矩和大臂所受的负载转矩一致，故可选用相同的电机RV减速器选择RV-6E型号，减速比为303.2.2大臂的静力学分析在做受力分析前，设：旋转臂与大臂间夹角为α；大臂与小臂间夹角为β；小臂与副臂间的夹角为γ；大臂的重力为G0=160N；小臂的重力为G1=180N；副臂与采摘头的重力为G2=260N。然后做出受力分析图，如图3.4。图3.4大臂受力分析图1.求出F1其中O点为旋转臂的支撑点，所以LAO=810mm；θ为F与与AO之间的夹角。对A点进行受力分析得：（3.1）根据斜三角形边角关系得：（3.2）把已知的参数数值和公式3.2代入公式3.1中可求出F1得大小。2.求F1x；F1y；FAx；FAy如图3.5上所示，将A点受的力和F1受力分解。则根据图可得：F1x=F1cosθ；F1y=F1sinθ。（3.3）由受力平衡可知：FAx+F1x=0；（3.4）FAy+F1y=G0+G1+G2。（3.5）联合公式3.3、3.4、3.5得出F1x、F1y、FAx、FAy。为了求出最大受力情况，我们可以取运动到最大范围时的取值，则α=1600；β=1600；γ=1800上面我们已经得出采摘臂1的长度为1660mm，采摘臂2的长度为1710mm；副臂长度为1120mm。则可以求出：F1=1950N；F1x=663N；F1y=1883.56N；FAx=-663N；FAy=-383.56N。3.2.3小臂的静力学分析图3.6小臂受力分析图1、求F2根据斜三角形边角关系得：（3.6）对B点有：（3.7）联合公式3.6和3.7可以求出F2=1562.7N。2、求F2x；F2y；FBx；FBy如图3.6上所示，将b点受的力和F2受力分解。由图可知：（3.8）由受力平衡可知：（3.9）（3.10）联合公式3.8、3.9、3.10得出：=781.4N；=1353.3N；=-781.4N；=-313N。3.分析大臂受力情况时，大臂还受到另外的两个来自上下电机的旋转力矩提供的力、，如图3.8所示。图3.8大臂力F3F4分析图由图可以得出：；。（3.11）；。（3.12）取d=900、e=1000分析图中角度关系可以得出：b=α-d、c=β-e。（3.13）此时，我们并不知道、的大小，需要进一步分析才可以得出。因为大臂受力平衡，所以我们对大臂上面的力全部正交分解，如图所示。可以得出以下结论。(3.14)（3.15）通过公式3.11、3.12、3.13、3.14、3.15可得出：F3x=-105N；F3y=-1540N；F4x=-135N；F4y=165N。3.2.4尺寸结构设计根据荷载分析，大小臂的结构尺寸如下图所示：3.2.5回转底座的设计采摘臂的底座分为传动装置、固定装置，底座的传动装置是用来控制旋转臂的转动，本设计传动装置选用的标准件伺服电机，即为脚架式轴输出单齿条螺旋摆动电机。摆动缸的原理是通过齿条带动齿轮，将电机的往返直线运动，转化成轴的正反方向的摆动旋转运动，同时把往返运动的旋转力转化成齿轮轴的输出扭矩[9]。螺旋摆动电机是一种特殊的电机，其利用大螺旋升角的螺旋副实现旋转运动，输出轴的中间棒与缸体固定，活塞内表面螺旋齿与螺旋棒的螺旋齿啮合，输出轴的螺旋棒表面形状与活塞外表面形状相同[8]。所以，转动轴套内部的压力下，活塞顺着中间棒向上运动的情况下还做着旋转运动，并且输出轴也一起做着旋转运动，使摆动缸的运动方式得到实现。螺旋摆动缸的特点有构造紧密、占的空间体积小、安全性能好、方便搭配、旋转的空间范围大、输出的工作扭矩大等。固定装置是用来固定旋转臂以及传动装置，即旋转臂的支座，如图3-10所示。图3-10底座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：①转速（或线速度）与脉冲频率成正比；②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；③速度可调，能够快速起动、制动和反转；④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=λMjmax计算Mkq的各项力矩如下：①加速力矩②空载摩擦力矩③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末端夹持器设计设番茄最大质量m=0.3kg，直径尺寸为50mmd70mm。手抓夹紧力的计算机械手手爪的夹紧力过大，会使番茄在采摘过程中破裂，导致采摘成功率较低，夹紧力过小会使在采摘的时候，机械手手爪不能抓紧番茄，导致在运动过程中番茄滑落，同样会使采摘率降低，因此手爪在番茄上的夹紧力是设计机械手的重要依据。手爪对番茄的夹紧力理论上可以用下面公式进行计算，安全系数，通常取1.2~2.0工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，计算最大加速度得出工作情况系数，，为机械手在采摘过程中的加速度的绝对值，针对番茄的采摘，设定方位系数，根据手抓与工件形状以及手抓与工作位置不同进行选定的。例如，水平放置的手抓去夹水平放置的物体时，取0.5；水平放置的手爪去夹垂直放置的物体，取4~5（V形指取4，平行指取5）番茄的重力针对番茄采摘机器人实际的工作情况，理论上在计算手爪夹紧力的时候，由

于各个番茄的重量是不一样的，所以采摘各个番茄的夹紧力也不相同，其余的参数选择如下：得夹紧力:驱动力的计算驱动力和夹紧力之间的关系：考虑手爪的机械效率，一般取0.8~0.9，取0.853.3.3手抓结构设计手抓握持力与一个大的，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）手抓数量果实形状规则和不规则的。规则小果，采摘采摘装置使用了两个有直接吸抢果的指尖最线性驱动器。相对的两个手抓，三个手抓也有一些研究采摘采摘装置，3指的是采摘装置抢番茄的稳定性更好。（2）手抓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。本文所设计的采摘采摘装置采摘的使用四连杆机构作为传动机构，所欠的手抓驱动的多手抓关节，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》，除三级番茄外，果实横切面最大直径要大于或等于70mm[9]。这里设计机械手所抓取的番茄直径在50mm～150mm之间，故取番茄半径为25mm≤R≤75mm。（3）手抓的材料手抓选择适当的材料，使用在采摘装置很大的影响作用。遵从手的结构尺寸，手抓，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。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。将主手抓挡块的上部。机架结构如图3.4所示。采摘装置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，有棕榈采摘装置具有广泛的适用性，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。第4章基于SolidWorks的三维设计4.1SolidWorks三维设计软件概述SolidWorks是达索系统（DassaultSystemes）下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品，公司总部位于美国马萨诸塞州。达索公司是负责系统性的软件供应，并为制造厂商提供具有Internet整合能力的支援服务。该集团提供涵盖整个产品生命周期的系统，包括设计、工程、制造和产品数据管理等各个领域中的最佳软件系统，著名的CATIAV5就出自该公司之手，目前达索的CAD产品市场占有率居世界前列。SolidWorks公司成立于1993年，由PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁发起，总部位于马萨诸塞州的康克尔郡（Concord,Massachusetts）内，当初的目标是希望在每一个工程师的桌面上提供一套具有生产力的实体模型设计系统。从1995年推出第一套SolidWorks三维机械设计软件至2010年已经拥有位于全球的办事处，并经由300家经销商在全球140个国家进行销售与分销该产品。1997年，Solidworks被法国达索（DassaultSystemes）公司收购，作为达索中端主流市场的主打品牌。SolidWorks软件特点如下：Solidworks软件功能强大，组件繁多。Solidworks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。对于熟悉微软的Windows系统的用户，基本上就可以用SolidWorks来搞设计了。SolidWorks独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。SolidWorks资源管理器是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。美国著名咨询公司Daratech所评论：“在基于Windows平台的三维CAD软件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。”在强大的设计功能和易学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SolidWorks，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。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主驱动轮通过对各组成零件进行三维设计后装配得到主驱动轮设计结果如下图示：图4-2主驱动轮4.2.3臂部回转机构通过对各组成零件进行三维设计后装配得到臂部回转机构设计结果如下图示：图4-3臂部回转机构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番茄采摘机装配第5章基于MATLAB的仿真分析5.1MATLAB软件概述MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。MATLAB软件优势及特点如下