棉花采集机械手的设计

棉花采集机械手的设计摘要针对国内棉花采收存在的问题，提出了运用棉花采摘机械手代替人工和采棉机采收的方法。在对棉花农业特性及收获特性分析的基础上，结合新疆棉花种植模式以及棉花采摘要求，遵循机械手设计原则，设计了一种5自由度多行采收的关节型棉花采摘机械手。为使机械手能够高效灵活地收获口标空间棉铃，尽可能减小机械臂的操作空间和结构尺寸，结合采摘对象棉铃的生长分布空间和作业要求，分析了在给定空间下的设计变量、优化口标和约束条件，建立了优化设计的数学模型，并利用MatLab优化工具箱进行编程，实现了棉花采摘机械手的机构参数优化。关键词：棉花采摘机械手机构设计工作空间优化设计DesignofManipulatorforCottonCollectionAbstractInviewofthedomesticcottonharvestingproblems,andputsforwardthemethodofusingartificialcottonandcottonpickerharvestinginsteadofpickingmanipulator.Basedontheanalysisofcharacteristicsofagricultureandharvestcharacteristicsofcotton,cottonplantingpatternandthecombinationofXinjiangcottonpickingrequirements,followthemanipulatordesignprinciples,designa5degreeoffreedomforrecoverythejointtypecottonpickingmanipulator.Themanipulatorcanharvesteffectivelytargetspaceboll,operatingspaceandstructuresizeasmuchaspossibletoreducethemechanicalarm,withthegrowthofthespatialdistributionofBollpickingobjectandoperatingrequirements,analyzesthedesignvariablesinagivenspace,optimizetheexportstandardandconstraints,Themathematicalmodelofoptimaldesignisestablished,andtheoptimizationofthemechanicalparametersofthecottonpickingmanipulatorisrealizedbyusingtheMatLaboptimizationtoolboxKeywords:CottonPickingManipulatorMechanismDesignWorkspaceOptimizationDesign目录TOC\o"1-2"\h\z\u绪论 4第1章棉花采摘机械手机构设计 5第1.1节目标采摘区域与对象分析 5第1.2节棉花采摘机械手机构设计 5第1.3节研究现状 6第2章棉花采摘机械手机构参数的优化设计 11第2.1节棉花采摘机械手工作空间的确定 11第2.2节机械手 12第3章机械手的设计 16第3.1节设计方案 16第3.2节手指数量 16第3.3节手指关节数量 16第3.4节尺寸的设定 17第3.5节材料的选择 18第4章动力源的选择 19第4.1节微小型驱动模块的研究 19第4.2节电机的选择 19第4.3节步进电机的确定 20第5章传动方式选择和设计 21第5.1节微小型传动模块研究 21第5.2节输出端齿轮 215.3几何尺寸计算 24第6章其他零件的设计 26第6.1节手掌的设计 266.2手指底座 26第6.3节第一个指节 27第7章其他硬件系统 30第7.1节传感器 30第7.2节单片机 31第7.3节图像识别系统 31第8章工作原理流程及形态 33第8.1节工作原理 33第8.2节工作形态 34小结 39致谢 40参考文献 41附录 42绪论我国是种棉大国，棉花采收一直是制约棉花经济效益提高的重要因素之一。我国棉花的采摘方式主要为人工采摘和采棉机采摘。人工采摘效率低、劳动强度大、采摘成本高、对身体伤害大；采棉机采摘虽然效率高，但其成本太高，采摘质量低。而我国棉花种植地域辽阔、规模不一，新疆采用集约经营方式，生产规模比较大；而内陆采用的是粗放、分散的经营方式，规模小、纤维短、收获期长，使得机械化采棉有可能在新疆大规模实施外，在广大内陆产棉区是很难实施的}z-o因此，开发一种适合我国棉花种植情况、采棉速度快、质量高的棉花采摘机械手具有广阔的市场应用前景。农业采摘机器人的作业环境特殊，作业对象复杂，对机械手的结构要求很高。直接购买现有的工业机械手，很难达到理想的采摘效果。针对这种情况，本文根据新疆建设兵团农八师棉花栽培模式下采摘目标的空间分布特征，基于棉花的农艺特性，在分析其生长和采摘特性的基础上，对棉花采摘机械手进行了机构设计，建立了机械手参数优化的数学模型，综合棉花空间分布情况以及机械手实际工作空间，对机械手结构尺寸参数进行了优化设计。第1章棉花采摘机械手机构设计第1.1节目标采摘区域与对象分析对新疆建设兵团农八师149团棉花生长状况和棉株形态及种植环境进行调研。结果表明：棉株高一般为(700—750)mm，株行距配置为(100+660+100mm，株距为95mm。成熟的棉铃因光合作用大部分盛开方向为向上，吐絮的棉花通常由3~5瓣籽棉组成，棉铃基本上均匀地分布在整个棉株上；棉铃高度基本在(200—750)mm之间，单行棉株前后分布在300mm范围内，相距100mm的两行棉株前后分布在400mm范围内。根据调研结果最终确定y，一面相邻两行植株的采摘区域为图1.1所示的ABCD矩形区域，宽400mm，高880mm。第1.2节棉花采摘机械手机构设计 棉花采摘机械手的机构设计与其作业对象和作业环境密切相关。其作业对象是棉花，体积小、质量轻；机械手结构尽可能紧凑、简单、轻巧，而且应具有拟合空间任意曲线的功能。棉花采摘机械手既要遵循工业机械手的基本原则，又要考虑其工作的特殊性，由于棉花在棉株上的分布具有随机性，且茎、叶多且杂，使棉花采摘机械手的作业环境比较复杂。因此，采用关节型结构最为合适。棉花采摘机械手确定为关节型结构之后，还要确定其自由度数目以及运动方式。在实际应用中，机械手的自由度数目与机械手采摘对象的特性、作业方式、作业环境等关系密切。由于棉花采摘机械手的采摘对象棉花每一朵由3瓣籽棉组成，而且质量小，针对棉花此种特性，采用喇叭口型吸附式末端执行器，用于实现末端姿态的棉花采摘机械手手腕只需要一个自由度即可实现棉花吸附。传统的关节型机器人有一个腰部旋转的自由度，在x_y,平面内的工作区域为扇形，这样会使采摘空间重叠，造成空间浪费。把腰部旋转改为线性导轨的前后移动，在x_y,平面内作业区域为矩形更好。由于棉花采摘量大，时间紧，所以采摘效率是棉花采摘机械手设计中不得不考虑的问题。为了提高采摘效率，采取两个措施：一是在本体两旁各安装一个机械手，可以同时采摘机器人两旁的棉花；二是在线性导轨的滑块和大臂之间增加一个伸缩杆，使其可以同时采摘4行棉花，分别记为A1，A2，A3，A4(如下图所示)，当滑块向前移动时，采摘A1，A2行棉花，此区域称为M区域棉花；当其返回时，伸缩杆伸长，采摘A3，A4行棉花，此区域称为N区域棉花。图示1.1棉花的模型综上所述，棉花采摘机械手最后确定有5个关节，关节动作分别为滑块移动、伸缩杆移动、肩关节旋转、肘关节旋转及腕关节摇摆。图2为棉花采摘机械手的机构简图。第1.3节研究现状在1968年的时候美国就已经有了关于如何用机器人去采撷蔬果的研究课题，基本上都是用气动震摇式或者机械震摇式这两种方法进行作业。比较明显的缺陷是收获的蔬果很容易损坏、而且工作的效率也达不到预期的效果，尤其是其不能够有选择的进行采摘，而且并不是非常的适用于收获鲜嫩柔软的果实。只不过在这后面，相关的科技技术发展的很快，尤其是工业机器人等等技术发展的越来越好，专门研究怎么样用机器人进行采撷的课题也有了一些进展，技术上也有所突破。1.3.1国外研究现状专门从事于农业行业工作的人在发达国家里面比较少，比如说德国、美国等国家。再加上现在农业生产规模越来越大、越来越多种多样，这个时候，缺乏劳动力的弊端就展现了出来。很多的农业上的工作比如说挑选蔬果、人工嫁接这些都是非常需要很多劳动人口的，而且旺季的时候，缺少劳动力的这个弊端就不能够很好进行处理。也是因为这样的原因，所以很多发达国家都开始去探究农业机器人及相关课题，并且都收获了不少的果实。日本专门用来喷洒农药的机器人之所以能够全自动的进行喷洒，就是因为装置了感应传感部件。专门用来进行嫁接的机器人能够在非常短的时间里面，将直径只有不到一厘米的蔬果苗根茎切口嫁接起来，跟人工嫁接的速度比起来快了很多。施肥用的机器人可以灵活的在作物间极小的间隙中进行移动，四个窄小的橡胶车轮都能够横移90度。研究人机协作型机器人就是为了把找寻、锁定等待采摘果实还有导向机器人的工作交给负责人来进行，而控制系统则是进行规划机器人所要进行移动的轨迹等等。日本kondo及其他人研发出来的采摘葡萄等机器人，用的是自由度为5的极坐标机械手臂，控制的顶端机械臂能够平行的、匀速在葡萄架下面采摘果实。在出产花卉的时候应用扦插育苗机器人能够把生产效率提升很多。日本东北农业试验场顺利研发了比较简单的扦插育苗机器人控制系统。英国Silsoe研究院所研发的采蘑菇机器人能够自动的对蘑菇进行地点、巨细查探，随后挑选性的进行采撷、裁剪。在1986年的时候，意大利卡塔尼亚农业产业发展部门跟美国Florida大学联合研发出功能齐全、拥有伺服视觉技术的采摘柑桔机器人，并且投入到收获柑桔的实际使用当中。日本岐阜大学也与其本国的蔬菜茶叶研究部一起开发了用于采摘茄子的机器人。美国与以色列的研究员也一起研发了用于采撷甜瓜的机器人。日本的Murakami等人共同研发了用于采撷甘蓝的机器人。1.3.2国内研究现状在20世纪九十年代的时候，我们国家才刚刚投入到农业生产机器人的研发当中，时间比发达国家慢了许多，只不过发展非常的迅速，大部分有条件的高校、研究院都在做智能农业机械、农业机器人的研发工作。最先开始在我国探究自动嫁接技术的书中国农业大学的张铁中教授，其顺利的研发了自动嫁接法、自动旋切贴合法嫁接技术，为我国自动化嫁接技术开创了先河，在自动化嫁接技术上面我国也能够独立拥有自主知识产权。浙江大学应义斌教授探索出的自动水果分级机器人系统获得了我们国家“863”计划的大力扶持。上海交通大学机器人研究院的曹其新等人专攻智能农业机械的探索研发，目前为止成功的研发出了智能化联合收割机等农业机器人，并且还在努力开发黄瓜采撷机器人、草莓自主选择机器人。在二十世纪九十年代的时候，吉林大学的王荣本等人就已经投入到农用自动导向行走车的研发工作当中。浙江工业大学张立斌等人、南京农业大学沈明霞等人也投入到农用机器人的视觉研发工作里面。江苏大学纪良文等人在研制用于喷洒农药的机器人时，把超声波测距当做辅助机器人视觉系统。江苏大学陈树人等人所进行的西红柿机器人视觉研究、中国农业大学杨丽鄙视所研发的幼苗分切移植机器人系统、吉林工业大学与吉林农业研究员联合研发用于除草的机器人都有很大的突破与收获。周云山等人研制的蘑菇采撷机器人的技术在我国是非常领先的，东北林业大学陆怀民研发了用于采撷林木秋果的机器人，西北农业科技大学则是探究苹果采撷机器人的手臂控制问题。第2章棉花采摘机械手机构参数的优化设计第2.1节棉花采摘机械手工作空间的确定工作空间是采摘机械手工作性能的一个重要体现。根据国家标准，机械臂的工作空间由主连杆的几何参数决定，而其主连杆的结构参数主要包括各臂的长度、关节转动范围等。因此，棉花采摘机械手的机构参数优化设计主要是确定主连杆机械臂长度和关节转动范围，在满足采摘要求情况下，使尺寸尽可能大。本机械手在伸缩杆没有伸长时，采摘M区域棉花；在其伸长时，采摘N区域棉花。由于M区域和N区域棉花模式及特性完全一样，故机械手在两个区域的工作空间是一样的。因此，本文只讨论机械手采摘M区域棉花时的工作空间。棉花采摘机械手机械臂主连杆(L1和L3)在横平面内确定的工作空间由滑块在导轨上移动的距离L2决定。主连杆在纵平面内确定的工作空间如图2.1所示。图2.1棉花采摘机械手机构简图图2.2主连杆机构纵平而内确定的工作空间第2.2节机械手机械手也可以叫做操作机，也就是说其拥有跟人类手臂差不多的功用，而且还能够让作业对象进行空间运动的机械设备，机器人进行实际操作的时候必须要依靠它而进行。在用于采撷的机器人里面，其要做的是把顶部作业器挪动到需要采撷的蔬果所在的地方，在进行作业的空间需要能够让机械手采摘到任意对象蔬果。机械手的种类繁多，基本上能够分为多关节等。多关节机械手又可以叫做拟人机器人，跟其他的构造相比需要愈加的灵动便捷。权衡机器人机能的关键之一就是机械手的自由度，机器人灵活与否、控制难度都取决于机械手。2.2.1工业机械手工业机械手发展的非常快，二十世纪八十年代的时候就有人发明了多指手，这里面的标杆就是stanford/JPL三指手、Utah/MIT四指手。1982年salisbury所开发的Stanford/JPL手在以前以及现在这个年代都是标杆性的三指手，其第一次援用了模块化的策划理念，而且还对人手进行了模拟，拥有九个自由度。Stanford/JPL手在多指手里面能够成为标杆不单单只是因为自由度多、关节多的这种模块化构造，最主要的是其第一次全面的运用了触感等传感器系统，多指手感知外界环境的风潮完全被其掀了起来，而且其也是第一个用多指手做到实际抓取操作的。在1998年的时候德国所研发的DLR-I多指手当其自由度数量超出固定值的时候，就会将全部的电路、驱动器都集聚在手指、手掌亦或是手腕当中，在当时被誉为世界上最繁杂、集成度和智能程度最好的灵巧手。美国异行中心在1999年所研发出来的Robonaut手，是专门用在国际空间站当中，主要是让其能够替代人在风险极大的太空环境里面做到机舱外实际作业。自20世纪80年代以来，我们国家大部分的研究机关就陆续的投入到多指手的研发工作里面，在这里面有着标杆性的就是北京航空大学以及哈尔滨工业大学。北航很早就投入到了多指手的研究工作里面，在1993年的时候就已经顺利的研发出了我国第一只多指手，然后以此为基本，又陆续的研发出了BUAA-II等多种型号的多指手。哈尔滨工业大学以HITI多指手为基本，通过多次的改良研发成功了HIT/DLR多指手。2.2.2农业机械手最先研发成功的农业机械手——SDOF番茄收获机械手跟一般的农业机械手根本不一样，其是由很多杆件构成的空间开式链构造，设计比一般采摘用的机械手要好而且操控起来灵活许多，只不过并不可以用来抓取质量较大的物体，不然负载会超重。杆件的数量跟机械手身的重量成正比，特别是用来采摘、运送西瓜等重量较大的蔬果时，研发机械手时一定要从构成局部、内部构造这两方面入手，让其的负载能够增加。连续轨迹、点位控制这两种都是机械手的控制方式。一般在机械手初始地点跟作业对象之间没有障碍的时候就会用点位控制，因为这个时候不用顾及移动的途径，这个路径也是不能够预判的。有的时候会有根茎等一些障碍物阻拦，这个时候就要用到连续轨迹这种方式，去控制机械手的电机运转速度还有原定移动轨道去抵达作业对象所在位置。末端执行器安装在机械手的末端，其功能类似于人手，是直接与目标物体接触的部件。在末端执行器设计之前，不仅需要研究工作对象的物理特性(物体大小、体积、形状、重量)和机械特性(young、模量、泊松比、粘性、摩擦阻力、剪切阻力等)，还包括电特性和光学特性以及生物学特性和化学特性等。末端执行器的形式主要有吸盘式(真空式吸盘、喷射式负压吸盘、扩散式负压吸盘、挤压排气式吸盘、电磁式吸盘等)、针式、喷嘴式、杯状、多关节手爪式、顺应型指结构等，通常是末端执行器都是专用的(N.Kondo,1998)接近传感器和触感传感器这两个都是顶部作业器非常需要的关键传感器。获取作业对象所处位置、避开障碍物等等都要用到接近传感器。压力传感器等都去属于触感传感器的范畴。在成功抓取之后，末端执行器还要将果实从果柄上剥离下来。切断、拧断都是剥离方法。如果有足够的条件，一般都会切断果柄去剥离果实，免得进行拧断的时候损坏蔬果留下伤痕，致使蔬果被外界细菌侵袭坏掉，所以说桃子等果实一般都会留下果柄。只不过面对一部分果柄不长的果实，想要剪断就不容易了。末端执行器的指关节、手指数目决定了其采摘的效果，数目越多，其自由度更加高，在进行抓取的时候就更为灵巧，效果更显而易见。只不过很多灵巧手系统比较繁杂而且成本不低，不能够通用，还正在实验程序当中，并没有能够投入到农业实际应用。怎么样完善末端执行器的灵活程度、通用程度、还有有关于成本的难题，这些都是蔬果采摘机器人末端执行器以后所要探究的主要方向。第3章机械手的设计第3.1节设计方案果蔬采摘机器人的机械手在进行采摘时会直接触碰到目标。很多机械手触碰果实的地方都用橡胶等软原料，就是为了不让果实被损伤。因为果实的外形特点比较多，如椭圆形等等，所以在设计末端执行器的时候要主要要针对指关节数目等暴露出来的难题进行分析。第3.2节手指数量果实果实的外形分规则和不规则两大类。采摘一些形状规则的小型蔬果时，很多采摘机器人都用装有吸盘的两根直手指的末端执行器直接采摘果实。相比于两根手指的，经过探究的三根手指的采摘机器人，在进行采摘的时候更加的稳定。虽然说四根手指、一个吸盘用来采摘西红柿的机器人效果比较好，但是不容易操控。在采摘相对来说比较大的蔬果时，即使其形状规则，但是使用两根手指的机器人明显不可以。西瓜采摘机器人用的是带着橡胶四根手指，通过橡胶与西瓜接触而产生的摩擦力采摘果实。除了这些以外，还有一部分比较特别的机械手，梳子式的龙套手指可以把与作业对象相邻的果实分开。手指的多少还有形状跟果实的外形有着非常大的关联，基本上手指越多，采摘效果就更加好，只不过控制也不简单，所以说要在手指数目、控制的简易程度等方面找到均衡的点。按照设计的要求来看，选用三个手指的机械手最为恰当。第3.3节手指关节数量在采摘大部分规则果实的时候，机械手的手指一般都是用一个关节的。拟人的柔软手指，因为原材料选取以及操控难度比较大，所以探究的收获很少。夏柑采摘机器人的柔软手指，手指的顶端是用柔软的钢线与人工肌肉关联起来的，在人工肌肉进行收缩的时候，钢线的拉力让手指指尖可以柔软的进行弯曲。西红柿采摘机器人的手指一般都是四个指关节，同伙设计采摘机器人的控制还有其控制研究的收缩，让手指出现各种形状的弯曲。因为采摘的果实都不一样，人工肌肉的收缩力度等等都不容易控制。因为控制关节非常不简单，所以在进行设计的时候一般都用两个关节的手指。第3.4节尺寸的设定机械手的构造以及大小都可以人类手指的长度比例，还可以根据实际情况进行减小或者增大，或者按照设计出来的灵巧手的作业地方进行合适的微调。在测量了某学校的青少年学生的手指长短之后，有了以下如表3.1所示的数据。表3.1和表3.2里面所所列出来的人手各个指关节长短大小都可以提供给多指灵巧手的设计。图3.1拟人手指简图表3.1人的右手各关节长度的平均值单位（mm）性别年龄人数LA1LA2LB1LB2LB3LC1LC2男20-2320039.229.950.130.624.153.933.5女20-2310035.428.4462922.155.132.6平均----38.529.649.330.323.850.534.5表3.2人的右手各关节长度的平均值LC3LD1LD2LD3LE1LE2LE3F1F225.252.432.824.843.725.822.683.1101.223.548.351.522.439.622.920.577.997.324.951.732.524.442.925.222.282.2100.5根据以上数据和设计的要求和合理性，三个手指设计统一长度，其中第一个关节长度为55mm，第二个关节长度为40mm，手指宽度为22mm，手掌直径为。第3.5节材料的选择因为手指要进行采摘的蔬果并不是特别的庞大，也为了尽可能的减少重量，一般都输用铝合金来用作手指构造的原材料。手指的中间部位要加上橡胶等软体，缓冲手指跟果实的触碰力度，并且还可以让两者之间的摩擦力更大。。

第4章动力源的选择第4.1节微小型驱动模块的研究因为专用混合式步进电动机效率非常高、运转速度也非常的快才用其来驱动机械手，尤其是它还有自锁的这种特点，设计机械手手指的时候可以参照它。仿照人手抓取物品到稳固握紧之后，手指借着电机的自锁特点可以很好的保持住稳定的抓取力度。运用专用步进电动机控制芯片和驱动芯片构成的系统，它具有外围电路相对来说不难等优势。根据上面所说的，用混合式步进电动机去驱动机械手手指，利用电机专门用来控制的芯片与微型处理器连结起来的操控系统可以让机械更柔软的进行抓取。第4.2节电机的选择步进电机就是把电脉冲的信号变更为线位移或者角位移的开环控制部件。在没有过大负载的时候，电机的运转速度、所停止的地方只跟脉冲信号的频率还有脉冲数相关，并不会被负载变动而影响到，步进驱动器每收到一个脉冲信号，它就会推动步进电机跟着原本定好的方向旋转一个特定的角度，也叫做“步距角”，它是按照特定的角度去逐步转动的。我们能够去限定脉冲的数量来把握角位移的角度，以做到精准定位；我们还可以操控脉冲的频度去控制电机运动的速度以及加速度，以做到调整速度。4.2.1步进电机的主要特性（1）一定要加驱动器才能够让步进电机进行作业，只有脉冲信号才能够做驱动，假如脉冲消失的话，步进电机就会停止工作，假如其接收到了脉冲信号那么就能按照特定的角度进行运动。脉冲的频率越高则起运动的速度就更快。（2）瞬间启动以及急速停止这两个优点在步进电机身上特别的明显。（3）脉冲的次序一旦出现变化，其运动的方向也很容易就会发生变化。第4.3节步进电机的确定通过对机械手的分析，考虑到本次设计的机械手的工作情况，以及设计要求，在互联网和专业书籍中对步进电动机筛选最后决定选用电机型号：PM10s-020-zst7，电机转速500r/min转矩图4.1电机参数第5章传动方式选择和设计第5.1节微小型传动模块研究采摘机械手的传动系统按照特定的方法传送驱动器运动而出现的力到手指当中，然后才能够让关节做出动作。传动系统的相关设定与驱动器关联非常的大。如果使用自己设计的微型齿轮减速器去传送驱动器形成的力，那么手指的大小和重量会变小，而且采摘功能和抓取时的稳定性都可以得到提升。手指的构造还有其他方面的要求都要全面的进行探究思考，传动的方法就用齿轮进行，这样子不仅可以让传送效率提高，还能够确保整体结构的大小，让传动更加的稳定。第5.2节输出端齿轮5.2.1选择材料及精度等级根据设计需要，输出端齿轮直接与电机连接，选用直齿圆柱齿轮传动，转速不高，故选用7级精度，齿轮材料为45钢（调制），硬度为240HBS。令小齿轮的齿数为18。5.2.2按接触强度进行初步计算由《机械设计》中设计计算公式10-9a进行试算，即（5-1）（1）试选载荷系数Kt=1.3（2）输出转矩（3）由《机械设计》中选取齿宽系数φd=1。（4）由《机械设计》中查得材料的弹性影响系数（5）由《机械设计》中按齿面硬度查得接触疲劳强度极为（6）由《机械设计》中计算应力循环次数。（5-2）（7）由《机械设计》中取接触疲劳寿命系数（8）计算接触疲劳许用应力。取失效概率为，安全系数S=1,由《机械设计》中得(5-3)（9）试算齿轮分度圆直径d将[σH]代入上式得(4-1)（5-4）（10）计算圆周速度(5-5)（11）计算齿宽与赐稿之比(5-6)(5-7)(5-8)(5-9)（12）计算载荷系数根据，7级精度，由《机械设计》中查得动载系数；直齿轮；由《机械设计》中查得使用系数；由《机械设计》中用插值法查得7级精度，非对称布置由，查《机械设计》中得；故载荷系数(5-10)（13）按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式10-10a得(5-11)(5-12)5.2.3按齿根弯曲强度设计由《机械设计》中式得弯曲强度得设计公式为(5-13)（1）由《机械设计》中查得齿轮1得弯曲疲劳强度极限（2）由《机械设计》中取弯曲疲劳寿命系数；（3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数，由《机械设计》中式10-12得(5-14)（4）计算载荷系数K(5-15)（5）查取齿形系数由《机械设计》中表10-5查得；代入上式(3-13)(5-16)5.2.4确定模数对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关。可取由弯曲强度算得的模数。5.2.5确定齿数按接触强度算得的分度圆直径，算出输出端齿轮的齿数(5-17)为使轮齿免于根切，对于的标准直齿圆柱齿轮，应取。由于轮齿主要为磨损失效，为使轮齿不至于过小，故小齿轮不宜选用过多的齿数，一般可取。所以选取输出端齿轮的齿数为第5.3节几何尺寸计算5.3.1输出端齿轮（1）计算分度圆直径(5-18)（2）计算齿顶圆直径(5-19)（3）计算齿根圆直径(5-20)5.3.2从动齿轮根据设计的要求和设计尺寸，从动齿轮与输出端的齿轮中心距设为。由《机械设计》表10-2中的公式可得（1）（2）分度圆直径（3）顶圆直径（4）计算齿根圆直径第6章其他零件的设计第6.1节手掌的设计为了使手指能在手掌上旋转运动形成不同的角度，将手掌底座设计成圆盘型如图6.1所示。掌心则是长方形。两边形成圆角便于手指的旋转如图6.2图6.1手掌底座图6.2手指底座采摘手就两个指节，要完成在手掌上的旋转需要有个连接底座。一是支撑手指，二是完成旋转运动其结构。图6.3手指底座在手指底座的左端连接在手掌上，并由异步电机驱动旋转。在右边的结构中来连接第一个关节，并安装微型电机通过齿轮传动使手指完成抓取运动。内部结构如图6.4图6.4内部结构第6.3节第一个指节第一个指节长55mm，宽22mm。通过一个连接件与手指底座的传动轴过度连接，从而带动手指的转动。同时在一手指内也装有一个异步电机，来传动第二个手指转动。连接件如图6-5，手指零件如图6-6，内部结构如图6-7图6.5连接件图6.6手指一零件图6.7内部结构第6.4节第二个指节第二个指节长40mm，它的动力来源是第一个指节上的电机。根据人机工程学理论，人手在自然状态下手指成弯曲状态，当手掌绷紧时指尖也与手掌自然形成一定角度。通过测量这个角度平均在之间。所以在设计中第二个指节与第一个指节通过连接件连接时的起始位置就形成一个角。连接件和指节二如图6.8和6.9所示，手指总装配如图6.10所示。图6.8连接件图6.9指节二图6.10手指总装配图 第7章其他硬件系统第7.1节传感器传感元件是采摘手工作是重要的组成部分，采摘手对与果蔬的表皮损害程度取决于传感元件，所以提议使用应变式压力传感器。它的作业机理就是通过应变计还有弹性敏感元件把被测试的压力转变成为相关电阻值改变的压力传感器。黏贴式应变计是所有应变计里面用的最多的。输出信号不大、动态响应能力不强、线性范围小这些都是它比较明显的缺陷。只不过应变片的体积并不大，商业性质的应变片型号比较多可以让我们选用，而且巧妙的设计弹性敏感元件的形状可以很好的切合很多作业地点，所以说用应变片做出来的应变式压力传感器依旧可以很好的利用。因为每种弹性敏感元件都不一样，应变式压力传感器基本上都是分为膜片式等一共四种。按照设计的概况我们可以选用膜片式。旁边稳定的金属平膜片是它的弹性敏感元件。膜片因为受到压力而形状发生变化的时候，中心地带切向应变和径向应变都会到正的最大数值，而边缘地带径向应变会到负的最大数值，切向应变则变成零。所以说一般都是在正负最大值的地方一一贴好应变片，而且还要衔接成相互靠近桥臂的半桥电路从而得到更高的灵敏度以及弥补温度的用处。如果用圆形箔式应变计的话，就可以把膜片的应变功效完全的应用起来。这样类型的传感器非线性比较明显。膜片式压力传感器的最新型的产品是把应变片还有弹性敏感元件的特点全部集中在单晶硅膜片身上，也就是说用集成电路的技术在单晶硅膜片的身上去制造电阻条，而且还用旁边稳定结构做出的固态压力传感器。图7.1膜片式应变力传感器第7.2节单片机本系统用的是STC89C52单片机，汇编语言和C语言都是研发这个单片机的关键语言。机器代码简单等等都是汇编语言的特点，只不过想要编写大型应用程序的时候，从内部RAM单元的规划到堆栈的保护等等，特别是在编写程序需要大量计算的时候，用其来编写程序就比较有难度了。所以说，除了一部分比较特殊的模块汇编之外，很多时候都是用计算比较丰富的C语言。第7.3节图像识别系统一般是在机械手手掌中间的位置装置摄像头，然后根据反馈回来的颜色去判定所要抓取对象的所在位置。RGB等等颜色模型都是在处理彩图的时候用的比较多的。三基色原理是RGB模型的根本，是最基础的展示颜色的模型，除此之外的模型都可以经过RGB的转变而得出。HSV模型可以直接用彩色特性意义里面的亮度等三个量：亮度或明度(V)、色调(H)、饱和度(S)去描绘颜色，而且这跟大家对于颜色的描绘惯性非常的契合，只不过这个模型展现出来的颜色也有一些不是视觉可以感觉到的。第8章工作原理流程及形态第8.1节工作原理工作原理的流程图见图8.1所示。在流程图上可以看的出来，机械臂驱动机械手朝着蔬果靠近的这个过程里面和蔬果之间出现挤压并且出现压力，传感器所检测到的压力信号传递给单片机，让其判定有没有到达力闭值的标准，这个力闭值是按照实际应用操作而进行设立的，也就是在不损伤蔬果的基础上稍微小过可以稳定采摘的力度。果实被机械手挤压的时候，如果到了力闭值的标准那么就会机械手就会被引发进行作业，所以说设计机械手时仔细探究力闭值的标准对于稳定触动机械手来说非常的重要。如果到了力闭值机械手就会被触动并且开始作业稳定的抓住蔬果，手腕往上移动，把目标蔬果跟其他蔬果分开，免得在切断的时候损坏了其他的蔬果也是为了不让旁边的障碍影响到机械手的稳定操作，顺利采摘之后再放开蔬果并且机械手回到原来的位置上。随后机器的视觉系统就要进行判定蔬果是不是还在原来的位置，如果是那就证明采摘失败则要进行第二次的采摘，如果不在原来的位置那就是完成采摘，转换目标蔬果进行下一次作业。图8.1工作流程第8.2节工作形态因为果蔬的形态各有不同，采摘机械手可以变换手指位置对不同形状的果蔬进行抓去任务。通过Solidworks建模进行间隙验证推算抓取范围。下面对主要的三种形态进行分析。8.2.1形态一三指并拢状态如图8.2所示，最小抓取直径为16.5mm，最大抓取直径为60mm，长度大于80mm的棒状物体，如黄瓜之类的果蔬最佳，抓取状态如图8.3和8.4所示。图8.2形态一图8.3最小抓取形态图8.4最大抓取形态8.2.2形态二形态二如图8.5所示三指互成120°，在这种状态抓取球状物体最为稳定。抓取范围为直径在70—100mm之间球体。抓取形态如图8.6和8.7所示。图8.5形态二图8.6最小抓取图8.7最大抓取8.2.3形态三形态三如图8.8所示，两个活动手指平行达与固定手指对立相比形态一抓取做大直径为95mm。如图8.9所示图8.8形态三图8.9最大抓取小结在毕业设计的过程中，我遇到了一些阻碍，深深地感受到了自己对相关知识的了解还不够深入，对于软件的运用也不够纯熟，在设计中存在着许多疑惑，这表明我的知识水平还不够。在此，对过程中遇到的一些问题进行列举：1.在初步确定设计的时候，因为对具体零部件的详细尺寸和相关机械不够了解，无法制定详细的加工方案，并为了获得所需效果，进行了反复的修订，拖延了设计的过程。在计算中，也是由于数据误差的原因，错误估计了带轮和齿轮的加工尺寸，导致计算所得和实际有所区别，因此也对其进行了修改。2.在机械手结构设计中也花了不少时间，因为要考虑微电机的安装和整体外形尺寸。手指见间的连接，手指的驱动等诸多问题的考虑。3.本次设计前半部分中，使用三维软件对机械手做出建模，仿真，为了更直观的看到其效果，还制作了运转动画。其中也出现了设计方案和实际实验结果尺寸有所偏差的问题。总而言之，这次设计让我发现了自己的许多不足，由于平时缺乏实践，对专业知识学习的不够用心，在运用时就出现了困难。尤其在设计方案的制定时，对许多问题考虑缺乏全面性，导致小错误比如尺寸计算错误等不断发生，需要对零件进行反复修正，浪费了许多时间。期望在今后有其他毕业生能够克服我的问题，做到十全十美。致谢对于这次毕业设计的完成，最需要致以诚挚的谢意的是对我的母校——燕京理工学院，是母校给予了我优良的学习环境和浓厚的学习氛围，让我得以将知识凝练扎实，运用纯属，明白了终生学习的必要性。还要感谢母校的老师，我能完成这份毕业设计，无法离开老师的理解和帮助。特别是我的指导老师，在论文的撰写和反复修改期间都给与了我足够的耐心，时时监督者我，关心着我，是一位良师益友。真诚的说，黄新成老师的教导会让我受益终身。同时也特别感谢张宏老师从忙碌的工作中抽身出来，给我进行了指点和教导。最后，也要对答辩组的各位老师致以谢意，谢谢你们在百忙之中听我答辩。关于这次毕业设计，由于本人学识有限，对相关软件的掌握程度还不够成熟，同时限于时间等客观因素，导致最后的仿真毕业设计还没有达到最理想的程度，存在着一些缺陷和不足，一定程度上影响了实验结果，这让我感到有些遗憾。当然，毕业设计的完成并不是个结束，我在以后的生涯中也将继续延续这一课题深入下去，相信在未来的某一天能将其更加完善。在本次设计中，我也收获良多，再次复习和运用了所学知识，掌握了一些软件设计的技巧，提升了自己的学识水平，同时也提高了自己的操作能力，为以后的人生打下了一些基础。参考文献[1]吴宗泽,罗盛国.机械设计课程设计手册.3版.北京：高等教育出版社2006.5.[2]濮良贵,纪名刚.机械设计.8版.北京：高等教育出版社,2006.5.[3]毛谦德,李振清.袖珍机械设计手册.2版.北京：机械工业出版社,2002.[4]孙桓,陈作模,葛文杰.机械原理.7版.北京：高等教育出版社,2006.5.[5]梁喜凤.番茄收获机械手机构分析与优化设计研究〔D].杭州：浙江大学，2004.[6]陈利兵.草苟收获机器人采摘系统研究[D].北京：中国农业大学，2005.[7]方建军.移动式采摘机器人的研究现状与进展[J].农业工程学报，2004(2)：273-278.[8]陆怀民，林木球果采摘机器人设计与试验[[J].农业机械学报，2001,32(6)：52-58.[9]梁喜凤，苗香雯，崔绍荣，等.果实采摘机械手机构设计与工作性能分析[J].农机研究所，2004（2）：133-136[10]殷际平，何广平.关节型机器人[M].北京；化学工业出版社，2003附录程序：#include