《脐橙采摘机器人结构设计》13000字（论文）

脐橙采摘机器人结构设计1绪论 绪论研究背景林果业是目前我国现代化农业生产建设中重要的一部分内容，林果业生产时很多工作内容都是通过人工完成，人工成本高且工作效率低，导致林果业的生产成本高，随着成本增高将会制约其发展。而采用机械设备代替人工进行工作则可以有效解决这个问题。因此机械化生产在大规模的现代化林果业生产中愈加有必要。我国脐橙种植规模本身庞大，并逐年扩大，未来脐橙种植规模将更加庞大。通过机械化/自动化设备来取代传统人力劳动是提高生产能力的必要手段，也是一种必然趋势。我国目前的机械化水平还相对较低，加快机械化智能化进程是推进现代化林果业产业的当务之急。不光是在农业生产方面，现在我们的各行各业都在往机械化智能化方向发展，我们已经推出了《中国制造2025》规划。这规划中，我们已经提出了新的要求，要求在信息化发展的时代，我们需要把握机会，跟随现代智能制造的主流。另外，在规划中，努力发展工业机器人是其中的主要内容，依靠大量廉价劳动力，我国在国际上的地位逐渐上升，但是随着现代科技的飞速发展，机械逐渐取代人力，我国的人口优势在不断下降。现在的我们需要发展高新技术，通过技术来提升价值，通过机械和智能化设备来代替人力来完成生产，从而降低生产成本并提高竞争力。实际生产中，机器人也有许多人工劳动力不具备的优点，机器人拥有更高的精确度和可靠性，并且其稳定性更好，现在很多高新智能机器人不光是能够代替人力完成一些简单的生产内容，很多是代替人力去完成高精密操作。通过发展智能化的机器人，能够带来了显著的经济效益，并且是一种长期可持续的经济增长动力来源。本文对脐橙采摘机器人进行研究，脐橙行业中其中有大量的人力资源和生产成本是用于脐橙采摘，脐橙采摘的高成本影响了脐橙市场的发展，另外人力脐橙采摘的效率一般，也很容易因为采摘不及时而出现不必要的浪费，造成损失。通过发展机械化采摘来代替人力采摘是解决上述问题的关键，能够降低采摘成本的同时很可以减低人工安全风险，提高生产效率。采摘机器人的研究现状国外研究现状欧美国家对机械人的研究较早，技术较发达，存在一个科技进步的飞速发展阶段，但是随着时间的推移，欧美国家对机械采摘机械手的研究进入了瓶颈期[1]。从1980年开始，欧洲国家基于雄厚的财力支持，对采摘机器人进行了深入的研究。美国公司是最开始开展对采摘机器人研究的公司，其第一个研究对象是草莓[2]。由于新鲜草莓质地较软，比较害怕磕碰等情况的发生，所以草莓采摘机器人的采摘机构使用柔软的硅胶制成硅爪[3]。草莓被放在收集装置中，机器人使用皮策轮在草莓地移动。草莓最后被收集进装袋设备之中装袋。英国在1987年设计出一款蘑菇采摘机器人，该机器人使用步进电机驱动，安装有气动开关[4]。其机械手装置为爪状机械手。日本公司设计制造了一款草莓采摘机器人，这个机器人与美国不一样的地方在于它的工作时间在12到22小时左右，可以在无人工的情况下完成草莓采摘的任务。白天晚上都可以工作，大大增加了农民的收益。除此之外还研究出了一种甘蓝采摘机器人[5]。截止到2020年。国际市场上对于采摘机器人研究最详细的国家是美国，其所生产的脐橙采摘机器人采用了国际上最先进的技术。这两种脐橙采摘机器人的结构分别如下两图所示，如图1.1所示，脐橙采摘机器人的工作原理与家用电器吸尘器相似[6]。这种形式的脐橙采摘机器人是通过视觉模拟来对成熟的脐橙进行识别，然后通过气压将内部变为真空，从而达到脐橙摘取的目的，这种脐橙采摘机器人具有较高的采摘效率，但是其所采摘的脐橙很容易在采摘过程中发生损伤。如图1.2所示为美国所研制的脐橙采摘机器人二号[7]。这个机器人可以将果实实现自动挑选。摘取机构为三爪的机械手。这个机器人采用果实识别算法[8]。通过将果园中的品种及其结构区别进行区分，使其在工作过程中减少失误，从而提高准确率。图1.1吸盘式采摘机器人图1.2三爪卡盘式采摘机器人国内研究现状中国科技发展一直落后于欧美国家，在欧美国家技术发展到巅峰时期，中国才意识到机器人的研究对于实现工业自动化、智能化的重要性[9]。因此，我国对于采摘机器人的研究更是远远落后于国外发达国家。随着我国科技的飞速发展，人们对于科技的意识逐渐增强，进几十年中，我国工业发展上发生的天翻地覆的变化，出现了很多显著的成果，我国在采摘机器人等领域上都取得了很多的成就[10]。目前，我国机械手研究发展迅速。哈尔滨工业大学机器人研究所及其他众多企业、研究机构对机械手的研究，使得机械手应用发展方向极为广泛。中国农业大学最先开始展开了对草莓采摘机器人的研究，基于美国之前的草莓采摘机器人技术，做大量的研究与试验，设计出了第一个中国草莓采摘机器人[11]。草莓采摘机器人使用神经网络技术来实现对草莓的识别，其误差为千分之一。成功的做到了将草莓与草莓的生长环境相分离。继中国农业大学之后，河南工业学院基于大棚种植草莓设计了草莓采摘机器人的双目视觉采集图像信息[12]。这种方法可以有效的进行避障和草莓的识别，是一种先进的智能控制系统[12]。对于黄瓜采摘机器人的设计，中国农业大学率先展开了大量的研究与试验，将黄瓜采摘机器人与多功能传感器技术相结合，通过传感器完成对采摘目标的空间定位。优化了机器人控制系统[13]。洛阳理工学院针对现有黄瓜采摘机器人的结构笨重，智能化不全面的问题展开了深入研究，设计了一款利用机械手对黄瓜进行采摘的机器人，该机器人具有多自由度。大大的改善了黄瓜采摘过程中由于采摘结构与行走机构结构过于笨重而导致的采摘困难的问题。北京大学对黄瓜采摘机器人进行了样机制作，通过对首先对黄瓜采摘机器人进行了理论分析，研究与设计，并对其关键部位的设计进行了仿真分析[15]。通过大量的运动情况分析和仿真分析，逐渐模拟黄瓜采摘机器人的使用环境，并对温室环境下的黄瓜采摘机器人的工况进行了大量的了解与研究，最后利用图象识别原理，将黄瓜果实与黄瓜茎叶的信息分别利用不同的表达方式储存至黄瓜采摘机器人内，从而实现了图像识别的功能，有效进行黄瓜的采摘。在脐橙采摘机器人的研究领域内。北京科技大学结合国内外的脐橙采摘机器人的结构及国内脐橙采摘的工作情况，提出了一种新型采摘机器人结构并制造了脐橙采摘机器人样机[16]。除此之外，哈尔滨工业大学展开了对脐橙采摘机器人样机的试验与研究。对其视觉定位精度进行了深入的研究，所制作的脐橙采摘机器人样机具有较高的定位精度，并且所设计的脐橙采摘机器人的结构与运动均能正常工作[17]，马贵飞等人基于市场上现有的脐橙采摘机器人结构进行了运动学分析和仿真，进行了一定的结构优化[18]。如图1.3所示，履带式采摘机器人使用履带完成机器人的移动。履带具有两个自由度。完成水果采摘的机械手是由大臂、小臂及末端所组成，具有五个自由度。驱动的电机及液压系统均在机械手臂后侧，该种履带式采摘机器人结构笨重，适合在较为平缓的土地上进行使用[19]。图1.3履带式采摘机器人通过将国内采摘机器人与国外采摘机器人的研究情况进行对比，可以发现，国内对于采摘机器人的研究时间较短，因此所研究的采摘机器人大多效率较低，使用范围小。只有小部分的采摘机器人能够完成实地采摘的任务。而且国外对于采摘机器人领域的研究投入了很大的财力，物力，并且国外政府对于工业的发展大力支持。很多大型科技公司自主研发所研究的采摘机器人，具有更加先进的技术。国外所研制的采摘机器人使用了更加先进的控制系统、集成化模块等先进装置。因此，国内所生产的采摘机器人，不论是在结构上还是在工作效率上均弱于国外发达国家的采摘机器人。本文的主要研究内容针对目前脐橙采摘机械化程度低的问题，设计了一种脐橙采摘机械手。本文主要包括以下三点内容：（1）脐橙采摘机械手方案设计：通过分析采摘目标，确定了机械臂和执行器采摘脐橙所需要的自由度。根据设计的脐橙采摘执行器的工作原理，绘制采摘执行器的结构简图，确定采摘机器人的驱动方案。（2）手爪与机械臂设计：根据采摘要求，确定手爪的工作类型，对手爪进行力学分析，并完成其结构设计。对机械臂的大臂与小臂分别进行受力分析，并对其传动轴与安装轴承等进行选择。（3）关键零部件的校核：最后对脐橙采摘机械手的关键零部件进行校核。脐橙采摘机器人结构方案设计脐橙生物学特性及主要技术指标脐橙生物学特性脐橙的生物学特性，为脐橙采摘机器人的设计提供了参考。脐橙树的树高及树冠大小决定了脐橙采摘机器人机械臂的工作空间。脐橙的生物特性决定了执行器的姿态、调整空间及目标物体的抓取方式。归纳脐橙树的树高、脐橙大小、确定采摘所需要的运动类型及数目是设计脐橙采摘机器人的出发点。归纳后的脐橙生物学特性如表2.1所示。表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s11脐橙生物学特性轴向X轴Y轴Z轴几何尺寸（/mm）81-9560-8574-81压力大小（/N）0-2525-5050-100脐橙变形状况果皮果肉未损伤果皮未损伤、果肉局部损伤果皮果肉均损伤脐橙单果重量大小（/g）200-400脐橙树高（/m）1.5-3脐橙树冠（/m）0.6-2.2脐橙采摘机械手主要技术指标根据脐橙采摘机器人的工作情况，机械手的设计应满足以下要求：（1）脐橙采摘机器人手爪处负载大小0.4kg左右。（2）为了防止手爪在抓取脐橙时发生滑落，机械手处的定位精度小于3mm。（3）为了满足机械手在工作过程具有较高的工作效率，设计其各关节转速小于5rpm。采摘机械臂自由度及机构设计人工采摘脐橙动作分析人工采摘脐橙时主要依靠双手进行工作，当单手对脐橙进行采摘时，通常会出现如图2.1所示的四种采摘方式。当人手指抓住脐橙时，通过物理方式将脐橙从果树上摘下。而在实际的采摘中，为了减小对果树的损伤，可以将一只手将脐橙固定，再使用另外一只手借助剪刀剪断果柄，然后将脐橙放入篮子中。根据人工采摘脐橙的动作分析，参考机械方法实现果柄分离的运动形式，对执行器的结构进行设计。图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s11采摘方式采摘机械臂的构型采摘机械臂是采摘机械手的主要结构。既承担着整个机械臂的质量又负责连接其他的部件，是调整机械手姿态的重要结构。根据采摘目标，设计一种结构构型合理的机械臂对最终的采摘结果有很大的影响。此次设计采用关节型机械臂串联结构，这种类型的机械臂具有较大的运动空间，控制简单，可以满足脐橙采摘的要求。脐橙采摘机器人的采摘方式采用机械手，手爪式机械手搭配行走机构，方便脐橙采摘机器人在果园内工作，脐橙采摘机器人主要部位包括手爪、手腕、腰部及机械臂。手爪：脐橙采摘机器人的手爪根据结构类型可以分为平转与平动两种类型，根据机械手的使用需求一般分为真空吸盘及手爪式，由于此次设计中的摘取对象为脐橙，脐橙为较为规则的球体，因此采用手爪式进行摘取。手腕：末端机械手通过手腕与机械臂相连接，根据末端机械手的运动需求，需要其具有五个自由度，在采摘脐橙的过程中可以完成左右及回转的同一水平面上的采摘运动，除此之外，机械手还应该具有升降机构，可以完成上下运动，将采摘的脐橙放在储存位置。此次设计过程中为了简化机械手的结构，直接在机械手的底座上安装脐橙采摘机器人实现采摘脐橙的动作。机械臂：机械臂是脐橙采摘机器人结构的重要组成部分，它通过大臂和小臂的相互配合，改变机器人位姿，与手腕和腰部配合到达果实所在的具体位置。实现脐橙采摘。行走机构：行走机构方面在国内发展还并不具有代表性，目前国内的发展大多数用于仿真阶段。机械手的行走机构一般采用两种形式，一种为轮式行走，一种为履带式行走，此次设计中并不对行走装置进行设计，故简化为底座。底座：底座是安装机械手及驱动系统的主要部位，在底座内部安装电机，底座上方安装机械手。底座应具有一定的质量，以防止采摘机器人在工作过程中由于重心的改变而发生倾斜的情况。在机械行业的生产过程中，任何设备的正常工作都离不开驱动装置的执行。驱动装置的类型多种多样，根据驱动类型不同，常见的驱动方式有电力驱动、启动和液压。此次设计中，为了减轻脐橙采摘机器人的整体结构质量，主要采用电力驱动。采摘机械臂自由度分析要保证机械臂可以顺利实现脐橙的采摘，所设计的采摘机械手的末端执行器要能达到脐橙附近，根据上节分析的脐橙的特征，所设计的机械手需要的最佳运动形式有5个自由度，自由度的具体表现如图2.2所示。其中2、3、5部位处的运动实现树高与树冠方位的位置运动，即完成上下前后的运动，7处的两个自由度可以保证调整手爪对脐橙的摘取，调节采摘角度，因此，脐橙采摘机械手的最佳自由度为5。图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s12自由度展示机械臂传动方案设计机械手动作分析及运动分析：脐橙首先被机械手夹持，然后再随之一起运动。其周期运动可以表现为（按动作顺序）：大臂上升—小臂上升—手腕上翻—夹紧脐橙—手腕回转—小臂下降—大臂下降—放下脐橙。脐橙采摘机器人的传动系统决定了其运动的平稳性与可靠性，应合理对其传动方式进行选择。常见的传动方式有机械传动、气动、电动及液压传动。通过对比分析可得到，机械传动适合简单的运动，对于复杂的运动，会大幅度增加其结构的复杂程度，而脐橙采摘机械手在运动过程中需要完成5个自由度的运动，因此机械传动不适合用于本结构设计中。气压传动采用气控信号传递，传递速度慢，并且由于空气的不稳定性，在传动过程中很容易导致机械手发生抖动，导致机械手不能准确定位，因此气动方式不适合用于本结构设计。液压传动可以有效的将电机的旋转运动转变为机械手臂的直线运动，工作时不会出现抖动的情况，工作状态平稳，具有可靠性。电机可以将旋转运动直接传递至脐橙采摘机器人的旋转运动处，可以直接通过控制电机的转速控制机械手的转动速度，不需要将运动方式进行改变，因此，采用电机来实现机械手的旋转。本章小结本章首先查阅文献，确定了采摘对象的生物学特性，并对采摘机器人的采摘动作进行了剖析，确定了采摘机器人的结构类型。通过分析采摘目标，确定了机械臂和执行器采摘脐橙所需要的自由度。根据设计的脐橙采摘执行器的工作原理，绘制采摘执行器的结构简图。最后确定了采摘机器人的方案。 脐橙采摘机械手手爪的设计采摘手爪类型及夹紧装置采摘手爪要求脐橙是一个具有一定质量的较规则球体，在采摘脐橙的过程中应满足以下要求：（1）应具有适当的夹紧力和驱动力（2）手指应该具有足够的开闭角度Δγ，以便于抓取脐橙（3）要求结构简单、重量轻便，在保证本身强度、刚度的前提下，尽可能减轻手臂的负载（4）应保证机械手爪的夹持脐橙的精准度。采摘手爪的类型及夹紧装置本设计中机械手主要用来完成对脐橙的采摘。根据原始参数，其中机械手的手掌张合角Δr=60∘，采摘机器人的采摘对象是脐橙，脐橙质量不大，因此可以将脐橙采摘机器人的手爪的夹取重量设定为采摘手爪结构的设计计算采摘手爪的力学分析图3.1为常见的手爪结构和力学分析。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s11手爪结构、受力分析由上图3.1可知，球状物体在1手爪的抓取下运动，手爪受到销轴的作用力，对球状物体体的夹取点处施加两个作用力。由力学公式可知：Fy=0FF由F=0得F1∵ F=2bacos2式中：a——α由公式3.1可知，当脐橙采摘机器人的驱动力大小固定时，当增加球状物体与手指之间的夹角时，机械手爪所产生的的夹紧力也随着增大，即机械手爪所产生的夹紧力与手指夹取脐橙的夹角成正比，但是，当夹角过大时会导致手爪整体结构过大，从而增加脐橙采摘机器人末端结构质量，因此，最佳的手指与球体之间的夹角范围为30°至40°。夹紧力及驱动力的计算脐橙采摘机器人在完成采摘脐橙的运动时，机械手爪应具有足够的夹持力，不然，脐橙采摘机器人就没办法成功采摘脐橙。因此，对机械手爪在采摘脐橙时，对机械手爪的受力情况进行分析，其夹紧力为： FN≥K1式中：K1——安全系数，1.2−2.0K2——K3——G——工件重量计算：设a=100mm，b=50mm，100<α<400（1）夹紧力F设K1 K2=1+ba=K根据公式，将已知条件带入：∴ FN=1.5×1.02×0.5×5=3.825N（2）根据驱动力公式得： F计算=（3）取η=0.85 F实际（4）确定液压缸的直径D：∵选取活塞杆直径d=0.5D，选择液压缸压力油工作压力P=0.81MPa， ∴4F根据表4.1，选取液压缸内径为：D=10mm，但为了扩大机械手的工作范围，选取液压缸内径D=16mm，则活塞杆内径为:d=8mm手爪夹持范围计算脐橙采摘机器人的手爪应具有足够的张开角度，以防止由于脐橙体积过大而无法夹持的情况。此次设计中手爪的张开角度为60°。根据机械手爪的结构尺寸可得，当机械手爪全部张开时，手指的夹持长度为0.1m，当张开角为0°时，机械手爪的最小夹持半径为40mm。当其夹持角度最大时，其夹持半径为：R所以机械手的夹持半径从40mm~104mm。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s12手爪张开示意图根据以上计算结果及参考其他机械手爪设计参数，所设计的机械手爪具体结构参数如下图所示。在三维软件中进行了抓取手爪的建模，如图3-4所示图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s13手爪结构参数图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s14抓取手爪腕部的设计计算采摘手腕结构设计脐橙采摘机器人机械手的主要作用是通过末端结构对果树上的脐橙进行抓取运动，此次设计的末端结构为了能让其与不同类型的机械手相配合安装，以满足脐橙采摘机器人在不同情况下的生产实际生产要求所设计的机械手末端结构如下图所示。机械手的末端结构可以配合其他类型的机械手进行运动，为了使机械手能运动起来，在其中间安置一对锥齿轮。通过小臂中心线部位的轴进行转动。在小臂后端安装的电机与传动轴相配合。当启动电机后。动力通过齿轮带动传动轴进行旋转，传动轴带动锥齿轮进行旋转与安装在末端的大锥齿轮进行配合，从而使脐橙采摘机器人的执行末端完成旋转运动。整个机械手的末端结构是通过螺栓进行连接的。其内部所安装的传动齿轮是通过轴承和轴与末端机构相连接。为了使所设计的脐橙采摘机器人的整体结构美观，因此，我们在设计过程中需要对其外壳进行一定的包装。脐橙采摘机器人的末端机构应与手爪相连接，与此处安装的手爪轴应与手爪通过过盈配合，使其固定在末端机构上，详细设计如下图所示。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s15手爪前端设计图图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s16前端部分示意图脐橙采摘机器人通过使用齿轮传动，不仅可以有效的将力矩进行传递，且制造成本低，制造工艺简单，使用寿命长，更加适合在脐橙采摘机器人上使用。其前端结构的传动部分如下图所示。注：1.电机2.齿轮3.轴4.锥齿轮5.前端部分图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s17前端部分传动根据此次设计的机器人的采摘对象外部特征，采用手爪式机械手，手爪式机械手可以有效完成对球状物体的抓取，比吸附式等方式更适合此次设计。由于脐橙较小，因此设计中采用两爪进行抓取，可以有效完成脐橙采摘机器人对脐橙的摘取运动。手爪的与采摘机器人之间均设有连接孔，可以用过简单的螺栓螺母进行连接，此种设计的另一个目的是可以针对不同的抓取物体，更换手爪。所设计的手爪结构如图3.7所示。腕部的驱动力矩计算腕部的驱动力矩需要的力矩M惯夹取脐橙，重量0.4kg，当手部回转180手爪、手爪驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为220mm，直径120mm，其重力估算G=4N。G=0.4×0.0（2）摩擦力矩M摩（3）启动过程所转过的角度φ启=18° M惯=J+J查《工程力学》取转动惯量公式有：J=J将数据代入得：MM=M=本章小结本章主要针对脐橙采摘机器人的手爪及腕部进行了设计分析，根据采摘机械手的使用需求一般分为吸盘式及手爪式，真空吸盘常见于对于较为光滑的表面进行采摘，由于此次设计中的摘取对象为脐橙，脐橙为较为规则但不光滑的球体，因此采用手爪式进行摘取。脐橙采摘机器人在完成采摘脐橙的运动时，末端执行器应具有足够的夹持力，不然，脐橙采摘机器人就没办法完成对脐橙的采摘。因此，在末端执行器抓取脐橙时，对脐橙的受力情况进行分析，并对脐橙采摘机械手末端执行器的夹持力进行计算，从而得到所需要的驱动力大小。同样，机械手腕也是传动的一个主要部分，因此，同样对手腕处进行受力分析与驱动力计算。

机械臂结构设计小臂的设计及计算设计时注意的问题机械臂承担着末端执行器及抓取对象的重量，因此，应具有一定的刚度，满足末端执行器的运动。机械臂尽量不产生或产生较小的偏重力矩。为了使机械手在运动过程中保持平稳，机械臂的质量要轻，减小机械臂在运动过程中的惯性力。机械臂应具有良好的导向性。小臂结构的设计脐橙采摘机器人机械臂的小臂部分是连接机械手与机械手手腕部分的部件，脐橙采摘机器人小臂的长度决定了机械手在水平方向上的工作范围。具体设计如图4.1所示。图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s11小臂的设计如图4.1所示是小臂的模型，它是通过小臂后面的电机通过齿轮传动来带动小臂进行旋转的，如图4.2所示通过两个电机和两个不同的齿轮相互作用，使得和齿轮相连接的轴转动，不同的齿轮大小有不同的速度，通过使用不同的电机使得速度能够有变化，这个对于在生产中，需要根据不同的速度来适应生产，有非常大的意义，为了能观察清楚这个齿轮传动的结构我们可以通过图4.3所示。相同的电机通过不同的齿轮进行啮合。图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s12电机和齿轮的分布图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s13齿轮啮合把小臂的截面设计成工字钢形式，这样抗弯系数大，使截面面积小，从而减轻小臂重量，使其经济、轻巧。选45号钢。理论重11.261kg/m,Wy=9.72cm校核：G小臂=mg=11.261×0.6×10=73.19（N其受力如下图:图4.4小臂受力分析图F=75+5=80（N）M=δ=按《材料力学》公式：τ=Qhb其中h为小臂的高度，b为小臂的腰宽，Q为所受的力。所以τ=所以选45钢合适，小臂设计满足设计要求。电机及减速器选型初步拟定采摘的果实重量为1kg，脐橙采摘机构中的末端执行器和旋转法兰组件的整体重量为4kg。进而我们能够根据扭矩与功率的计算公式对其进行计算，计算步骤如下所示：P拟采用谐波减速器，其减速比初定为K=100,电机转速设定为n=100小臂的最大转矩可以通过下式进行计算：T≤9550并将P=0.4KW代入上述公式进行计算：T≤9550*0.95/1000=10N/m若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为10N.m，取安全系数为2，则谐波减速器所需输出的最小转矩为：T01选择谐波减速器：⑴型号：XB3-50-100额定输出转矩：20N.m减速比：i1=100设谐波减速器的的传递效率为：η=90%Tout1=选择BF反应式步进电机型号：55BF003静转矩：0.686N.m步距角：1.5°轴的设计大轴的直径取20mm，材料为45号钢。受力如下图:图4.5轴受力分析图验算：Fτ=小臂设计满足设计要求。轴承的选择因为上轴承只受径向，下轴承受轴向力和径向力，所以选用圆锥滚子轴承，按《机械零件手册》表9-6－1（GB297-84）选7304E，d=20mm，c=31.5kN轴承的校核：因为此处轴承做低速的摆动，所以其失效形式是，接触应力过大，产生永久性的过大的凹坑（即材料发生了不允许的永久变形），按轴承静载能力选择的公式为：C0≥S0其中P0为当量静载荷，S0为轴承静强度安全系数，取决于轴承的使用条件。按《机械设计》表3-8作摆动运动轴承,冲击及不均匀载荷,S0上轴承受纯径向载荷∴P0=F所以S因此轴承合适.下轴承受径向和轴向载荷P0=X0式中：R为径向载荷；A为轴向载荷；X，Y分别为径向载荷系数和轴向载荷系数，其值按《机械设计》表13－5查取因为AR带入数据得：X0=1YS因此轴承满足设计要求，小轴承受力很小，所以不用校核。大臂的设计及计算结构的设计操纵器大臂与肩体之间的身体的腰部和臂的杠杆臂而动作的基础上假定的运动可以传递关于肩部过渡中间臂相连。机械臂肩关节之间的连接臂和吊杆操纵臂如图4.4所示。图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s14机械臂大臂结构示意图把大臂的截面设计成上图形式，这样抗弯系数大，使截面面积小，从而减轻大臂重量，使其经济、轻巧。选45钢。理论重16.890kg/m，Wy校核：G因此取大臂重量为140N。其受力如图4.7所示:图4.7受力分析图F=75+5+140=220（N）M=δ=按公式（4.1）其中h为大臂的高度，b为大臂的腰宽，Q为所受的力。所以τ=所以选45钢合适，大臂的设计满足设计要求。电机选型设小臂及腕部绕第二关节轴的重量：M2=2Kg，MJ2=M2L4+M=2×0.0972+4×0.1942=0.16kg.m2大臂速度为10r/min，则旋转开始时的转矩可表示如下：T=J×ω式中：T：旋转开始时转矩N/mJ：转动惯量kg/mω•：角加速度rad/使机械手大臂从ω0=0到ω1T1若考虑绕机械手手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为10N.m，取安全系数为2，则谐波减速器所需输出的最小转矩为：T01选择谐波减速器：型号：XB3-50-120（XB3型扁平式谐波减速器）额定输出转矩：20N/m减速比：i=120设谐波减速器的的传递效率为：η=90%，步进电机应输出力矩为：Tout1=选择BF反应式步进电机型号：55BF003静转矩：0.686N.m步距角：1.5°大臂减速器参数的计算刚轮、柔轮均为锻钢，小齿轮材料为45钢（调质），硬度为250HBS刚轮材料为45钢（调质），硬度为220HBS。1.齿数的确定柔轮齿数：Z刚轮齿数：Z已知模数：m=0.5，则柔轮分度圆直径：d钢轮分度圆直径：d柔轮齿圈处的厚度：δ重载时，为了增大柔轮的刚性，允许将δ1计算值增加20%，即δ柔轮筒体壁厚：δ=0.7为了提高柔轮的刚度，取δ=1.2mm轮齿宽度：B=0.15轮毂凸缘长度：C=(0.2~0.3)B=(0.2~0.3)×15=3~4.5mm取C=柔轮筒体长度：L=(0.8~1.2)轮齿过渡圆角半径：r≈m=0.5mm为了减少应力集中，以提高柔轮抗疲劳能力，取：r=3mm轴的设计计算轴的直径取20mm，材料为45号钢。其受力如下图:图4.8轴的受力分析验算：F1=τ=轴的应力满足设计要求。轴承的选择大轴轴承的选择：因为上轴承只受径向，下轴承受轴向力和径向力，所以选用圆锥滚子轴承，按《机械零件手册》表9-6-1（GB297-84），选7304E，d=20mmc=31.5kN轴承的校核：因为此处轴承做低速的摆动，所以其失效形式是，接触应力过大，产生永久性的过大的凹坑（即材料发生了不允许的永久变形），按轴承静载能力选择的公式为：C0≥S0其中P0为当量静载荷，S0为轴承静强度安全系数，取决于轴承的使用条件。按《机械设计》表3-8作摆动运动轴承,冲击及不均匀载荷,上轴承受纯径向载荷,∴所以S轴承满足设计要求。下轴承受径向和轴向载荷P0=X0式中：R为径向载荷；A为轴向载荷。XY分别为径向轴向载荷系数，其值按《机械设计》表13－5查取因为AR所以X0=1Y所以S因此轴承满足设计要求，轴承受力很小，所以不用校核。本章小结本文主要对机械臂进行了结构设计与计算，分别对大臂与小臂进行了受力分析，并对其传动轴与安装轴承进行了设计计算与选择，完成了大臂与小臂的结构设计。

关键零部件校核轴的校核计算轴的受力分析图STYLEREF1\s5.SEQ图\*ARABIC\s11轴受力分析图轴的受力分析、转矩图、弯矩图如图所示。L轴承的支反力计算：在水平面上R在垂直平面上RR轴承Ⅰ的总支反力R轴承Ⅱ的总支反力R在水平面上，a-a剖面左侧Ma-a剖面右侧M垂直面Mav合成弯矩Ma校核轴的强度图a—a剖面左侧受转矩弯矩，还有键槽引起的应力集中，为危险剖面，抗弯截面模量为W=0.1d3−bt(d−t)式中：d：a—a截面的直径；b：键槽宽度；t：键槽深度。W=0.1同理可得抗扭截面模量为W弯曲应力：σσσ扭剪应力：ττ查数据得45号钢正火回火处理硬度170~217HBW，抗拉强度极限σB=600MPa，屈服极限σs=300MPa，弯曲疲劳极限σ−1σe=σ校核键连接的强度键连接的挤压应力为：σp=4Tdhl式中：d：键连接处直径；T：传递的转矩；h：键的高度；l：键连接的计算长度，l=L-b。蜗轮处键连接的挤压应力σ取键、轴及联轴器的材料都为钢，查得σpσp联轴器处键连接的挤压应力σ取键、轴及齿轮的材料都为钢，已查得σp=120~150MPa。显然，联轴器处键连接的挤压应力σ取键、轴及齿轮的材料都为钢，已查得σp=120~150MPa。显然，校核轴承寿命查手册知道30209轴承的Cr轴承的轴向力FS1所以

F所以只需校核轴承Ⅱ。Fa2Fa2R2当量载荷P轴承在100℃以下工作，查表得fT=1。同时，轴承Ⅰ的寿命为L预期寿命Lh对于，结构设计如图图STYLEREF1\s5.SEQ图\*ARABIC\s12轴结构图受力分析图STYLEREF1\s5.SEQ图\*ARABIC\s13轴受力分析图分度圆直径d=50mm，圆周力Ft=733.2N，径向力Fr=1032.89N，轴向力轴承的支反力计算：在水平面上R在垂直平面上RR轴承Ⅰ的总支反力：R轴承Ⅱ的总支反力：R查手册得：30207轴承的Cr轴承的轴向力FS1所以Fa1所以只需校核轴承Ⅰ。Fa1Fa1R1当量载荷P轴承在100℃以下工作，查表得fT=1。同时，轴承Ⅰ的寿命为L预期寿命Lh本章小结本章主要针对脐橙采摘机器人的主要零部件进行了受力分析与强度校核，计算结果均满足设计要求。结论与展望针对脐橙采摘过程机械化程度低的问题，本文设计了一款新型脐橙采摘机器人结构，完成了如下工作：（1）通过分析采摘目标，确定了机械臂和执行器采摘脐橙所需要的自由度和运动副的类型，实现了机械手的最佳自由度。绘制采摘执行器的结构简图并完成了相应结构的运动学分析。确定了脐橙采摘机器人的传动方案及驱动方案。（2）设计了采摘执行器的设计方案，选择了平行连杆手爪。完成了对手爪的夹持力与驱动力分析计算，并完成了机械手臂的结构设计与三维模型的创建。（3）完成了脐橙采摘机器人的驱动电机选型计算与减速器的选型计算，并对关键零部件进行了强度校核。因为对此次毕业设计的课题脐橙采摘机器人结构设计方面所涉及的专业知识学习相对较少，并且对本次毕业设计的一些更深入的课题方