多臂采摘机器人的初步设计——采摘手的设计.doc

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1、需说明书、图纸等完整设计请叩叩2215891151 需说明书、图纸等完整设计加叩叩2215891151 多臂采摘机器人的初步设计采摘手的设计 1.绪论 1.1研究内容及意义 果蔬采摘是农业生产链中最耗时耗力的一个环节其成本高、季节性强、需要大量劳动力高强度的工作。但是由于工业生产的迅速发展分流了大量农业劳动力以及人口老龄化加剧等原因使得能够从事农业生产的劳动力越来越少单靠人工劳作已经不能满足现有的需要。随着计算机图像处理技术和各种智能控制理论的发展使采用机器人采摘果蔬成为可能。果蔬采摘机器人是一类针对水果和蔬菜 可以通过编程来完成采摘等相关作业任务的具有感知能力的自动化机械收获系统 是集机械、

2、电子、信息、智能技术、计算机科学、农业和生物等学科于一体的交叉边缘性科学 需要涉及机械结构、视觉图像处理、机器人运动学动力学、传感器技术、控制技术以及计算信息处理等多方面学科领域知识。采摘机器人将在解决劳动力不足、降低工人劳动强度、提高工人劳动舒适性、减轻农业化肥和农药对人体的危害、提高采摘果蔬的质量、降低采摘成本、提高劳动生产率、保证果蔬的适时采收、提高产品的国际竞争力等方面具有很大潜力。国际上 一些以日本和美国为代表的发达国家已经从20世纪80年代开始研究采摘机器人并取得了一些成果。而我国在该领域中的研究还处于起步阶段因此我们必须加快对采摘机器人的研究脚步以早日赶超国际水平使其为我国农业的

3、生产和发展做出重大贡献。 1.2研究现状 果蔬采摘机器人的研究开始于20 世纪60 年代的美国 1968 年采用的收获方式主要是机械震摇式和气动震摇式。其缺点是果实易损、效率不高特别是无法进行选择性的收获在采摘柔软、新鲜的果蔬方面还存在很大的局限性。但在此后随着电子技术和计算机技术的发展特别是工业机器人技术、计算机图像处理技术和人工智能技术的日益成熟采摘机器人的研究和开发技术得到了快速的发展。 1.2.1国外研究现状 在日本、美国等发达国家农业人口较少。随着农业生产向规模化、多样化、精确化的方向迈进劳动力不足的现象越来越明显。许多作业项目如蔬菜、水果的挑选与采摘蔬菜的嫁接等都是劳动力密集型的工

4、作再加上时令的要求劳动力缺乏的问题很难解决。正是基于这种情况这些发达国家大力进行农业生产机器人的研究并取得了很好的成果。 日本的喷农药机器人上装有感应传感器能自动喷洒农药。嫁接机器人可在极端的时间内把蔬菜苗茎杆直径为几毫米的砧木、穗木的切口嫁接为一体使嫁接速度大幅度提高。施肥机器人的行走部分能在狭窄的稻秧间行走四个窄型橡皮车轮均可横向转动90度。人机协作型机器人的研究思想是将采摘机器人寻找、定位待摘果实以及机器人导航任务由人来完成机器人的运动轨迹规划、关节控制和末端执行器控制等任务由机器人的控制系统完成。如图1-1所示。 需说明书、图纸等完整设计请叩叩2215891151 需说明书、图纸等完整

5、设计加叩叩2215891151 图1-1人机协作型采摘机器人结构 日本Kondo一等人研制的西红柿收获机器人如图1-2 、黄瓜采摘机器人如图1-3和草葛采摘机器人如图1-4葡萄采摘机器人如图1-5 1-6所示采用5自由度的极坐标机械手末端的臂可以在葡萄架下水平匀速运动。 图1-2西红柿采摘机器人 图1-3黄瓜采摘机器人 图1-4草苟采摘机器人图 1-5多功能葡萄采摘机器人套袋操作 需说明书、图纸等完整设计请叩叩2215891151 需说明书、图纸等完整设计加叩叩2215891151 图1-6收获末端执行器 扦插育苗机器人用于花卉生产系统中可以大大提高生产率。日本东北农业试验场研制成功了简易育苗

6、机器人系统。英国Silsoe研究院研制了蘑菇采摘机器人。它可以自动测量蘑菇的位置、大小并选择性地采摘和修剪。 在柑桔收获机器人研究方面1986年意大利卡塔尼亚农业产业发展部与美国Florida大学合作开发了一种性能良好的具有伺服视觉技术的收获机器人用于柑桔收获的实际生产中Harrenetal 1990 在苹果收获机器人方面1983年法国国立农林机械研究所的Pedene and Motte和西班牙的Jasa研制了最早的商品化机器人原型即法国的“MAGAU”苹果收获机器人和西班牙的“CITRUS”柑桔收获机器人吓Sarig1993 还有日本国立蔬菜茶叶研究所与岐阜大学联合研制了茄子采摘机器人。日本

7、国立农业研究中心的Murakami等研制了甘蓝采摘机器人。以色列和美国科技人员联合开发研制了一台甜瓜采摘机器人等。 1.2.2国内研究现状 国内在农业机器人方面的研究始于20世纪90年代中期相对于发达国家起步较晚但是发展很快很多院校、研究所都在进行农业机器人和智能农业机械相关的研究。 中国农业大学张铁中教授率先在我国开展了自动化嫁接技术的研究工作先后成功开发了自动插接法、自动旋切贴合法嫁接技术填补了我国自动化嫁接技术的空白形成了具有我国自主知识产权的自动化嫁接技术。上海交通大学机器人研究所的曹其新等人进行了用于精确农业的智能农业机械的研究工作己经完成了智能化联合收割机、蔬菜工厂化育苗播种流水线

8、样机的研制正在进行草葛挑选机器人、黄瓜采摘机器人的研究。浙江大学应义斌教授研究的水果自动分级机器人系统得到国家“863”计划的支持。吉林大学王荣本、于海业在90年代中期开始进行农用自动引导行走车的研究。南京农业大学姬长英、沈明霞等人浙江工业大学青芳、张立斌等人在进行农业机器人的视觉研究。江苏大学纪良文、吴春笃进行了喷药机器人的研究他们采用超声测距作为喷药机器人的辅助视觉系统。 还有吉林工业大学与吉林农业研究所研制的锄草机器人中国农业大学杨丽博士研制的组培苗分割移植机器人系统江苏大学的陈树人、尹建军等在对西红柿的视觉研究亦取得很大的成果。还有周云山和李强等人研究的蘑菇采摘机器人也处于是国内领先水

9、平西北农林科技大学对苹果采摘机器人手臂控制进行了研究东北林业大学的陆怀民研制了林木球果采摘机器人仪。 1.3机械手 机械手又称操作机是指具有和人手臂相似的动作功能并使工作对象能在空间内移动的机械需说明书、图纸等完整设计请叩叩2215891151 需说明书、图纸等完整设计加叩叩2215891151 装置是机器人赖以完成工作任务的实体。在采摘机器人中机械手的主要任务就是将末端执行器移动到可以采摘的目标果实所处的位置其工作空间要求机器人能够达到任何一个目标果实。机械手一般可分为直角坐标、圆柱坐标、极坐标、球坐标和多关节等多种类型。多关节机械手又称为拟人 类人 机器人相比其它结构比较起来要求更加灵活和

10、方便。机械手的自由度是衡量机器人性能的重要指标之一它直接决定了机器人的运动灵活性和控制的复杂性。 1.3.1工业机械手 工业机械手发展比较迅速多指手出现在20世纪80年代其中最具有代表性的是stanford/JPL三指手如图1-7和Utah/MIT四指手图1-8 。Salisbury于1982年设计的Stanford/JPL手是当时乃至现在都很具有代表性的三指手它首次引入了模块化设计方法并模仿人手的结构特点布置手指的相对位置具有9个自由度。StanfordlJPL手对多指手的贡献不仅仅在于多关节、多自由度的模块化结构设计更重要的是它首次完整引入了位置、触觉、力等传感器系统从而开始了多指手对外部

11、环境的感知时代并开创了多指手实际抓取操作的先河。 图1-7 StanfordlJPLS手 图1-8 Utah/MIT手 1998年德国研制的DLR- I多指手实现了当自由度的数目超过某个值时把所有的驱动器和电路完全集成在手指、手掌或手腕里被公认为是当时世界上最复杂、智能化和集成度最高的灵巧手如图1-9。1999年由美国宇航中心NASA研制的Robonaut手如图1-10是一种面向国际空间站应用的多指手其目的是为了在危险的太空环境中代替人进行舱外操作。 图1-9 DLR手 图1-10 NASA Robonaut手 从20世纪80年代后期开始我国的很多研究机构相继开展了多指手的研究工作其中北京航空

12、航天大学和哈尔滨工业大学在这方面的研究很具代表性。北航对多指手的研究开展较早并于1993年首先研制了我国第一只三指手然后在此基础上不断改进先后研制了BUAA- II BUAA-III三指手和BUAA四指手。哈工大在HIT I多指手的研究基础上进行了大量的改进研制了HIT/DLR多指手。如图1-11和图1-120 需说明书、图纸等完整设计请叩叩2215891151 需说明书、图纸等完整设计加叩叩2215891151 图1一11 HIT I手 图1一12HIT/DLR多指手 1.3.2农业机械手 农业上最早研制的机械手为SDOF番茄收获机械手Noboru Kawamura eta11984 机械手

13、与传统的农业机械完全不同它是由许多杆件组成的空间开式链机构具有较采摘机械手的设计及其控制研究大的灵活性但是不适合处理重量大的物体否则会出现负载过重的问题。杆件越多机械手身的重量越大尤其用于像西瓜、甜瓜等较人果实收获与运输时机械手设计必须从组成结构和内部结构方面使其承受较大的负载重量。 机械手的控制有点位控制PTP和连续轨迹CP控制两种类型。PTP控制主要用于在机械手初始位置和目标点之间不存在障碍物的情况此时不必考虑运动路径其路径也是不可预测的。有时由于茎叶等障碍物的存在必须通过控制其电机速度和预定运动轨迹到达目标位置进行CP控制。 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

14、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 末端执行器所需的重要传感器主要有触觉传感器和接近传感器。触觉传感器包括接触传感器、压力传感器和滑觉传感器.接近传感器通常用来获得位置信息识别物体的存在避障测量物体的形状补偿位置传感器的误差等。 在

15、完成抓取动作后末端执行器还需要将果实与果柄分离。分离方式为切断或拧断。在条件允许的情况下应尽量采用剪断果柄而不是拧断果柄的方式避免拧断时给果蔬表面造成伤口导致病菌侵入使果实腐烂例如桃、李、杏的采摘都要求留有果柄。但对于某些束状生长、果柄较短的果实采用剪断的方式比较困难。 末端执行器中手指和关节的数量与抓取效果密切相关数量越多末端执行器的自由度就越多抓取动作更为灵活抓取效果更好。但大多数的灵巧手系统复杂成本高通用性差仍停留在实验室阶段更难以运用到农业工程实践之中。如何协调末端执行器的通用性、灵活性和成本之间的矛盾是果蔬采摘机器人末端执行器研究发展的方向。 2.机械手的设计 2.1设计方案 果蔬采

16、摘机器人的机械手直接接触工作对象。为了避免碰伤果实多数收获机器人的手指内侧接触果实的部位采用橡胶和尼龙材料。由于果实的外形有圆形、近似方形、近似长方形等所以末需说明书、图纸等完整设计请叩叩2215891151 需说明书、图纸等完整设计加叩叩2215891151 端执行器的设计应着重考虑手指数量、手指关节数量、尺寸方式等问题。 2.2手指数量 果实的外形有规则的和不规则的。对于规则的小型果实多数收获机器人采用带有吸盘的2个直手指的末端执行器直接抓取果实。相对2个手指3个手指的收获机器人也有一些研究抓取果实的稳固更好。而采用具有4个手指和一个吸盘的西红柿收获机器人效果更好但难于控制。对于大型的果实

17、虽然外形规则但用2个手指显然不行。西瓜收获机器人中采用4个带有橡胶的手指指尖的滑轮沿西瓜表面向下滑动利用橡胶与西瓜的摩擦力抓住果实。此外还有一些特殊的手指梳子式龙套手指可以将果实与相临的果实分开。 手指的数量和形状与果实的外形密切相关一般数量越多抓取效果越好但控制也越难应在手指数量、控制难度和抓取成功率之间找到平衡点。根据设计任务要求选取3个手指最为合适。 2.3手指关节数量 对于多数形状规则的果实多数收获机器人采用1个关节的手指。对于类人的柔性手指由于材料和控制比较困难研究成果不多。夏柑收获机器人的柔性手指手指的指尖通过细软钢丝与人工肌肉相连当人工肌肉产生收缩力时钢丝产生拉力使指尖能够柔和地

18、弯曲。西红柿收获机器人有4个具有4个关节的手指通过控制缆采摘机械手的设计及其控制研究绳的伸缩使手指弯曲成不同的形状。对于不同的果实控制钢丝绳的拉力、拉动的距离、人工肌肉的收缩力等的控制都比较难。鉴于关节的控制比较难和设计要求考虑采用两个关节的手指。 2.4尺寸的设定 机械手的结构尺寸可以参考人类手指的长度比例并加以适当放大或缩小或根据所设计的多指灵巧手的使用场合作适当的尺寸调整。通过对某学校的青年学生的手指长度的测量得到了如表1所示的结果。表1-1和表1-2中所列出的人手的各关节如图2-1长度尺寸值可以作为设计多指灵巧手的手指长度的参考。 图2-1拟人手指简图 表1-1 人的右手各关节长度的平

19、均值 单位mm 性别 年龄 人数 LA1 LA2 LB1 LB2 LB3 LC1 LC2 男 20-23 200 39.2 29.9 50.1 30.6 24.1 53.9 33.5 女 20-23 100 35.4 28.4 46 29 22.1 55.1 32.6 平均 - - 38.5 29.6 49.3 30.3 23.8 50.5 34.5 表1-2 人的右手各关节长度的平均值 LC3 LD1 LD2 LD3 LE1 LE2 LE3 F1 F2 25.2 52.4 32.8 24.8 43.7 25.8 22.6 83.1 101.2 23.5 48.3 51.5 22.4 39.6

20、 22.9 20.5 77.9 97.3 24.9 51.7 32.5 24.4 42.9 25.2 22.2 82.2 100.5 需说明书、图纸等完整设计请叩叩2215891151 需说明书、图纸等完整设计加叩叩2215891151 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mm94。 2.5材料的选择 为了减轻重量同时也由于手指所抓取果实不是很大所以手指的结构材料选用铝合金。在手指的中间附有橡胶来减小手指和果实接触时的冲击同时也增大了接触摩擦力。 3动力源的选择 3.1微小型驱动模块的研究 采用专用

21、混合式步进电动机作为机械手的驱动器具有高效率、高速度的特点特别是它具有自锁特性将其引入到采摘手的手指设计中。仿人手抓取物体达到抓握稳定后手指依靠电机自锁力矩保持对物体的抓取力。采用专用步进电动机控制芯片和驱动芯片组成的系统外围电路简单可靠性高同时减少电路板的尺寸。 基于上述思想采用混合式步进电动机作为机械手手指的驱动元件通过由电机专用控制芯片和微处理器相结合的控制系统使机械手抓取具有柔顺性和力矩控制的能力。 3.2电机的选择 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数而不受负载变化的影响当步进驱动器接收

22、到一个脉冲信号它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度称为“步距角”它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量从而达到准确定位的目的同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度从而达到调速的目的。 3.2.1步进电机的主要特性 1步进电机必须加驱动才可以运转 驱动信号必须为脉冲信号没有脉冲的时候 步进电机静止 如 果加入适当的脉冲信号 就会以一定的角度称为步角转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。 2步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。 3改变脉冲的顺序 可以方便的改变转动的方向。 3.3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

23、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mNT4109电机性能参数如图2-1所示电机几何参数如图2-2所示 图 2-1电机参数 需说明书、图纸等完整设计请叩叩2215891151 需说明书、图纸等完整设计加叩叩2215891151 图 2-2电机尺寸参数 4.传动方式选择和设计 4.1微小型传动模块研究 采摘机械手传动系统把驱动器产生的运动和力以一定的方式传递到手指关节从而使关节做相应的运动。传动系统的设计与驱动器密切相关。采用自主设计的微小型齿轮减速器传递步进电机产生的运动和力不仅减小手指的尺寸和质量

24、而且提高了抓取过程的平稳性和抓取能力。 综合考虑手指的结构形式外部尺寸以及刚度、强度、灵活度的要求选择齿轮传动作为传动方式这样既保证了外部结构尺寸又保证了传动的效率增加了传动的可靠性。 4.2输出端齿轮 4.2.1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 4.2.2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 32132.2HEdtZuuKTd 4-1 1试选载荷系数Kt1.3 2输出转矩mNT4109 3由机械设计中表10-7选取齿宽系数d1。 4由机

25、械设计中表10-6查得材料的弹性影响系数218.189aEMPZ 5由机械设计中图10-21d按齿面硬度查得接触疲劳强度极为 aHMP550lim 6由机械设计中式10-13计算应力循环次数。 91072.010300815006060hnjLN 4-2 7由机械设计中图10-19取接触疲劳寿命系数94.0NK 8计算接触疲劳许用应力。 取失效概率为1安全系数S1由机械设计中式10-12得 需说明书、图纸等完整设计请叩叩2215891151 需说明书、图纸等完整设计加叩叩2215891151 aNHMPSK517155094.0lim 4-3 9试算齿轮分度圆直径d将H代入上式得4-1 mmd

26、t26.35178.18911111093.132.232214 4-4 10计算圆周速度 smndvt/1.0100060500875.3100060 4-5 11计算齿宽与赐稿之比hb mmdbtd26.326.31 4-6 mmZdmtt1.01826.3 4-7 mmmht225.01.025.225.2 4-8 49.14225.026.3hb 4-9 12计算载荷系数 根据smv/1.07级精度由机械设计中图10-8查得动载系数1VK 直齿轮1FHKK 由机械设计中表10-2查得使用系数0.1AK 由机械设计中表10-4用插值法查得7级精度非对称布置417.1HK 由49.14hb查机械设计中图10-13得45.1FK故载荷系数 417.1417.1111KKKKKHVA 4-10 13按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径由式10-10a得 mmkkddtt15.33.1417.126.3331 需说明书、图纸等完整设计请叩叩2215891151 需说明书、图纸等完整设计加叩叩2215891151 4-11 17.01815.311Zdm 4-12 4.2.3按齿根弯曲强度设计 由机械设计中式10-5得弯曲强度得设计公式为 2212FasadFYYKTmZ 4-13 1由机械设计中图10-20c查得齿轮1得弯曲疲劳.