欠驅(qū)動(dòng)采摘末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)論文[不全]

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘 要錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　ABSTRACT錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　第一章 緒論3</b></p><p>　　1.1 課題研究意義3</p><p>　　1

2、.2 農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展概況3</p><p>　　1.2.1國外研究成果及現(xiàn)狀3</p><p>　　1.2.2 國內(nèi)研究成果及現(xiàn)狀6</p><p>　　1.3 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀6</p><p>　　1.3.1 國外末端執(zhí)行器研制進(jìn)展情況7</p><p>　　1.3.2 國內(nèi)研制的末端執(zhí)行器概述8

3、</p><p>　　1.4 欠驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究發(fā)展8</p><p>　　1.5 主要內(nèi)容和研究方法10</p><p>　　1.5.1 主要研究內(nèi)容10</p><p>　　1.5.2 技術(shù)路線11</p><p>　　第二章 欠驅(qū)動(dòng)采摘末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)12</p><p>　　2.1

4、 欠驅(qū)動(dòng)采摘末端執(zhí)行器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)12</p><p>　　2.1.1手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)14</p><p>　　2.1.2轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及機(jī)架的設(shè)計(jì)15</p><p>　　2.1.3驅(qū)動(dòng)方案的選擇16</p><p>　　2.2手腕關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)17</p><p>　　2.3 執(zhí)行器的控制方案設(shè)計(jì)19</p&

5、gt;<p>　　2.4本章小結(jié)20</p><p>　　第三章 末端執(zhí)行器靜力學(xué)分析23</p><p>　　3.1 欠驅(qū)動(dòng)手指的工作原理23</p><p>　　3.2 包絡(luò)抓取時(shí)的靜態(tài)力學(xué)模型23</p><p>　　3.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析26</p><p>　　3.4 利用MATLAB軟件

6、進(jìn)行手指綜合結(jié)構(gòu)參數(shù)確定27</p><p>　　3.5手部的夾持誤差計(jì)算28</p><p>　　3.6手指的有限元分析30</p><p>　　3.7本章小結(jié)34</p><p>　　第四章 末端執(zhí)行器虛擬設(shè)計(jì)與仿真研究1</p><p>　　4.1 軟件概述1</p><p>

7、　　4.2機(jī)械手的虛擬設(shè)計(jì)與裝配2</p><p>　　4.2.1模型的建立2</p><p>　　4.2.2虛擬裝配4</p><p>　　4.3手指運(yùn)動(dòng)仿真4</p><p>　　4.4 模塊化設(shè)計(jì)9</p><p>　　4.4.1模塊化設(shè)計(jì)概念9</p><p>　　4.4.2

8、手指的模塊化設(shè)計(jì)10</p><p>　　4.5本章小結(jié)11</p><p>　　第五章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　5.1系統(tǒng)硬件組成錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　5.1.1單片機(jī)的選用錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　5.1.2 AVR ATmega16型單片機(jī)簡

9、介錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　5.1.3 步進(jìn)電機(jī)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　5.1.4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　5.1.5傳感器錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　5.1.6 系統(tǒng)軟件方案分析錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　5.2 系統(tǒng)工作原理

10、和工作過程錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　5.3本章小結(jié)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　第六章 實(shí)驗(yàn)分析錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　6.1 手抓適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)12</p><p>　　6.2壓力傳感器實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　6.3 果實(shí)抓取力實(shí)驗(yàn)分析錯(cuò)誤!未定義書

11、簽。</p><p>　　6.3.1壓力傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　6.3.2 不同脈沖頻率下力的變化實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　6.3.3 不同成熟度情況下力的變化實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　6.3.4夾持效率實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　

12、　6.4本章小結(jié)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　第七章 結(jié)論和建議錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　7.1結(jié)論錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　7.2 創(chuàng)新點(diǎn)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　7.3后續(xù)研究建議錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　攻讀碩士期間發(fā)表的論文錯(cuò)誤!未定

13、義書簽。</p><p>　　致謝錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題研究意義</p><p>　　水果是人類生活中必不可少的食物，水果的種植比例也在逐年增多，2002年中國果品種植面積893萬hm2，產(chǎn)量6225萬t，占世界果品產(chǎn)量的13%[1]。目前

14、我國的水果總產(chǎn)量躍居世界第一位，其中以蘋果、柑橘和梨的種植面積為最大。在我國，蘋果栽培有著悠久的歷史，是我國11大優(yōu)勢農(nóng)產(chǎn)品之一。我國蘋果生產(chǎn)在世界蘋果產(chǎn)業(yè)中占有舉足輕重的地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2004年我國蘋果栽培面積187.7萬公頃、產(chǎn)量2367.5萬噸，分別占世界蘋果栽培面積41.5%和產(chǎn)量的7.5%。近10多來年，我國對世界蘋果產(chǎn)量增長的貢獻(xiàn)率高達(dá)84%[2]。這使得果園收獲作業(yè)機(jī)械化、自動(dòng)化成為廣大果農(nóng)們最為關(guān)注的熱點(diǎn)問題。發(fā)展機(jī)械化

15、收獲技術(shù)，研究開發(fā)果蔬采摘機(jī)器人, 不僅對于適應(yīng)市場需求、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高經(jīng)濟(jì)效率有著一定的現(xiàn)實(shí)意義，而且對于促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步，加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程有著重大的意義。</p><p>　　在果實(shí)類的水果采摘生產(chǎn)作業(yè)過程中，需要人工不定時(shí)的對果實(shí)進(jìn)行成熟度判斷和收獲，并不時(shí)地移動(dòng)梯子登高或彎腰，因此果品采摘作業(yè)是水果生產(chǎn)鏈中最耗時(shí)、最費(fèi)力的一個(gè)環(huán)節(jié)、具有一定危險(xiǎn)性的作業(yè)。目前，國內(nèi)水果采摘作業(yè)基本上都是人工進(jìn)行，

16、其費(fèi)用約占成本的50%~70%，并且時(shí)間較為集中。隨著水果大面積的推廣與種植，研究水果采摘機(jī)器人既可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式、解決勞動(dòng)力不足問題等方面又可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率，而且具有廣闊的市場應(yīng)用前景。</p><p>　　1.2 農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展概況</p><p>　　1.2.1國外研究成果及現(xiàn)狀</p><p>　　農(nóng)業(yè)機(jī)器人是一種集傳感技術(shù)

17、、監(jiān)測技術(shù)、人工智能技術(shù)、通訊技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)、精密及系統(tǒng)集成技術(shù)等多種前沿科學(xué)技術(shù)于一身的機(jī)器人[4]。農(nóng)業(yè)機(jī)器人是一門邊緣交叉學(xué)科，是多領(lǐng)域技術(shù)的綜合，其發(fā)展需要各相關(guān)學(xué)科的配合與支援[3]。農(nóng)業(yè)機(jī)器人又可以分為：施肥機(jī)器人、除草機(jī)器人、收摘機(jī)器人、嫁接機(jī)器人等。日本是研究農(nóng)業(yè)機(jī)器人最早的國家之一，早在20世紀(jì)70年代后期，隨著工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，對農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究工作逐漸啟動(dòng)[5,6,7]。</p><p>

18、;　　收獲作業(yè)的自動(dòng)化和機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)60年代的美國(1968年) ，采用的收獲方式主要是機(jī)械震搖式和氣動(dòng)震搖式，其缺點(diǎn)是果實(shí)易損，效率不高，特別是無法進(jìn)行選擇性的收獲[8]。</p><p>　　自1983 年第1臺(tái)西紅柿采摘機(jī)器人在美國誕生以來，采摘機(jī)器人的研究和開發(fā)歷經(jīng)20多年，日本和歐美等國家相繼立項(xiàng)研究采摘蘋果、柑桔、西紅柿、西瓜和葡萄等智能機(jī)器人[9]。</p><p&g

19、t;　　1.2.1.1 西紅柿采摘機(jī)器人</p><p>　　日本Kondo-N[10,12,13] 等人研制的西紅柿收獲機(jī)器人由機(jī)械手、末端執(zhí)行器、視覺傳感器和移動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，如圖1.1所示。</p><p>　　圖 1-1 西紅柿采摘機(jī)器人 圖 1-2 美國的番茄采摘機(jī)器人</p><p>　　Fig.1-1 Tomato har

20、vesting robot Fig.1-2 Tomato picking-robot made in America</p><p>　　機(jī)器人的采摘機(jī)械手采用7自由度的SCORBOT－ER工業(yè)機(jī)器人，能夠形成指定的采摘姿態(tài)進(jìn)行采摘。用彩色攝像機(jī)作為視覺傳感器來尋找和識(shí)別成熟果實(shí)，利用雙目視覺方法對目標(biāo)進(jìn)行定位；移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用4 輪結(jié)構(gòu)，能在壟間自動(dòng)行走。</p><p>

21、　　在2004年2月10日美國加利福尼亞州圖萊里開幕的世界農(nóng)業(yè)博覽會(huì)上，美國加利福尼亞西紅柿機(jī)械公司展出2臺(tái)全自動(dòng)西紅柿采摘機(jī)(圖1.2)，這種西紅柿采摘機(jī)首先將西紅柿連枝帶葉割倒后卷入分選倉，倉內(nèi)能識(shí)別紅色的光譜分選設(shè)備挑選出紅色的西紅柿，并將其通過輸送帶送入隨行卡車的貨艙內(nèi)，然后將未成熟的西紅柿連同枝葉一道粉碎，噴撒在田里作肥料[14]。</p><p>　　1.2.1.2 蘋果采摘機(jī)器人</p>

22、<p>　　韓國研制的蘋果采摘機(jī)器人，其機(jī)械手工作空間達(dá)到3m，具有4個(gè)自由度，包括3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和1個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，采用三指夾持器作為末端執(zhí)行器，內(nèi)有壓力傳感器避免損傷蘋果。利用CCD攝像機(jī)和光電傳感器識(shí)別果實(shí)，從樹冠外部識(shí)別蘋果時(shí)識(shí)別率達(dá)85%，速度達(dá)5個(gè)/s[15]。</p><p>　　圖1-3 蘋果采摘機(jī)器人</p><p>　　Fig.1-3 Apple harvest

23、ing robot</p><p>　　2008年JohanBaeten和Sven Boedrij等人研制的蘋果采摘機(jī)器人[16](圖1.3)，利用松下VR006L型六自由度手臂作為機(jī)械手主體，在果園作業(yè)時(shí)，機(jī)械手由一臺(tái)拖拉機(jī)牽引，其機(jī)器人整體占地面積較大，機(jī)械手重量較重，且成本較高，只適于植株較矮小的蘋果樹。</p><p>　　1.2.1.3 多功能葡萄采摘機(jī)器人</p>

24、<p>　　日本岡山大學(xué)研制出了一種多功能葡萄采摘機(jī)器人(圖1.4)[17]。葡萄采摘機(jī)器人采用5自由度的極坐標(biāo)機(jī)械手，末端的臂可以在葡萄架下水平勻速運(yùn)動(dòng)。視覺傳感器一般采用彩色攝像機(jī)，采用PSD三維視覺傳感器效果更佳，可以檢測成熟果實(shí)及其距離信息的三維信息。采摘時(shí)，用于葡萄采摘的末端執(zhí)行器有機(jī)械手指和剪刀機(jī)械手指抓住果房，剪刀剪斷穗柄。</p><p>　　1.2.1.4 蘑菇采摘機(jī)器人</p

25、><p>　　英國Silsoe研究所研制的蘑菇采摘機(jī)器人[18]，可自動(dòng)測量蘑菇的位置大小，并選擇性地采摘和修剪。它的機(jī)械手由2個(gè)氣動(dòng)移動(dòng)關(guān)節(jié)和1個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，末端執(zhí)行器是帶有軟襯墊的吸引器，視覺傳感器采用TV攝像頭，安裝在頂部用來確定蘑菇的位置和大小。采摘成功率75%左右，采摘速度6～7個(gè)/s。</p><p>　　圖1.4 多功能葡萄采摘機(jī)器 圖1

26、.5 草莓采摘機(jī)器人</p><p>　　Fig.1-4 Multi-operation robot for grapevine Fig.1-5 Strawberry harvesting robot </p><p>　　1.2.1.5 柑橘收獲機(jī)器人</p><p>　　法國和西班牙尤利卡合作的工程項(xiàng)目—“CIT2RUS”是比較成功的研究成果[19,20

27、]。該項(xiàng)目1988年開始啟動(dòng),其研制的收獲機(jī)器人。其最高能達(dá)到80%的采摘率，采摘率一般為60% ~65%。由于其無法商業(yè)化,加上過多的費(fèi)用損耗,缺乏資金投入，該項(xiàng)目在1997年便中止了。</p><p>　　1.2.1.6 草莓采摘機(jī)器人</p><p>　　Kondo N等人針對草莓越來越多采用高架栽培模式[11]，研制出了5自由度的采摘機(jī)器人，如1.5所示。草莓采摘機(jī)器人的視覺系統(tǒng)與

28、番茄采摘機(jī)器人相似，末端執(zhí)行器采用真空系統(tǒng)加螺旋加速切割器。收獲時(shí)，3對光電開關(guān)檢測草莓的位置，視覺系統(tǒng)計(jì)算空間位置，控制機(jī)械手移動(dòng)到預(yù)定位置，末端執(zhí)行器將草莓吸入；當(dāng)草莓位于合適的位置時(shí)，腕關(guān)節(jié)移動(dòng)，果梗進(jìn)入指定位置，螺旋加速驅(qū)動(dòng)切割器旋轉(zhuǎn)切斷果梗，完成采摘。</p><p>　　1.2.2 國內(nèi)研究成果及現(xiàn)狀</p><p>　　果樹采摘機(jī)器人的研究在我國尚處于起步階段。在采摘機(jī)械手和

29、末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)研究方面：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院謝建新等人為解決機(jī)器人靈巧避障問題，研究設(shè)計(jì)了6自由度的關(guān)節(jié)型機(jī)械手臂。梁喜鳳等為分析并改善番茄收獲機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，進(jìn)行了番茄收獲機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化與仿真試驗(yàn)，取得了較好的效果。東北林業(yè)大學(xué)的路懷民研制了林木球果采摘機(jī)器人，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的趙金英等（2006年）對西紅柿采摘機(jī)器人整體進(jìn)行了研究。</p><p>　　1.3 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀</p>

30、<p>　　末端執(zhí)行件通常由機(jī)械裝置和傳感器組成。末端執(zhí)行件必須保證不傷害目標(biāo)作物，不惡化生物生產(chǎn)的質(zhì)量，與工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器相比，由于其作業(yè)對象和環(huán)境的柔嫩性、不規(guī)則性和復(fù)雜多變性特征，采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器具有明顯的特殊性和更高的智能化要求。目前果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器基本都是專用的，只能對一種果實(shí)進(jìn)行收獲,即是采摘機(jī)器人效率難以提高的主要原因，也是制約采摘機(jī)器人未來發(fā)展與應(yīng)用推廣的瓶頸。解決末端執(zhí)行器的通用性、靈

31、活性和成本之間的矛盾,是果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器研究發(fā)展的方向。</p><p>　　1.3.1 國外末端執(zhí)行器研制進(jìn)展情況</p><p>　　Kutz 等人（1987）基于CAD系統(tǒng)設(shè)計(jì)了移栽機(jī)器人[21-22]。如圖1.6其末端執(zhí)行件是一個(gè)并行夾取式夾持器，由1個(gè)氣缸和1個(gè)并行的夾取抓手組成。其抓取手只有張開和合攏兩種狀態(tài)，這兩種位置的距離差是20mm，兩個(gè)夾片長3mm。在3.3mi

32、n內(nèi)能完成36個(gè)苗的移植，存活率可達(dá)96%。</p><p>　　圖1.6 SNS 夾取器 圖1.7柑橘采摘末端執(zhí)行器</p><p>　　Fig.1-6 SNS Clip extractor Fig.1-7 Orange harvesting end-effector</p><p>　　美國佛羅里達(dá)大學(xué)研究員研制了用于

33、小樹林的柑橘采摘機(jī)械手[19]，如圖1.7所示，依靠1個(gè)CCD攝像機(jī)和超聲波傳感器置于末端執(zhí)行器的內(nèi)部來探測水果的位置。該機(jī)械手為球形坐標(biāo)形式,有7個(gè)自由度。其末段執(zhí)行器最高速率為508mm / s，最大載荷量大約為9. 07kg，圖像處理和視覺伺服所花的時(shí)間為15~80ms。</p><p>　　Ryu等人（2000）設(shè)計(jì)了一種由氣動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的夾取裝置[14]。該末端器由步進(jìn)電機(jī)、氣缸、氣動(dòng)卡盤和夾取指組成，如

34、圖1.8所示。其末端執(zhí)行件由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，并根據(jù)植株的方位確定針狀?yuàn)A取指的位置，避免抓取時(shí)對植株葉片的傷害。</p><p>　　Peter P.Ling等人（2004）設(shè)計(jì)了一種4個(gè)手指的末端執(zhí)行件[23]，如圖1.9。該末端執(zhí)行件主要由數(shù)字線性步進(jìn)電機(jī)、4個(gè)手指和吸引器組成。手指利用纜繩和筋腱使其彎曲，利用扭矩彈簧使其伸展。數(shù)字線性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)筋腱，增強(qiáng)了末端執(zhí)行件運(yùn)動(dòng)的可控性和精確性。</p>

35、;<p>　　圖1-8 執(zhí)行器 圖1-9 手指末端執(zhí)行</p><p>　　Fig.1-8 end-effector Fig.1-9 finger end-effector</p><p>　　2008年Johan Baeten和Sven Boedrij等人研制了蘋果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器[16](圖1.1

36、0)。其硅樹脂管里裝有微型攝像頭，用于獲取末端執(zhí)行器正前方蘋果圖像。真空泵提供動(dòng)力，吸盤用于吸取蘋果。</p><p>　　圖1-10蘋果采摘末端執(zhí)行器</p><p>　　Fig.l-10 Apple harvesting end-effector</p><p>　　1.3.2 國內(nèi)研制的末端執(zhí)行器概述</p><p>　　與國外相比，國

37、內(nèi)在果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的研究方面起步較晚，成果相對較少。其中，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)對茄子采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器進(jìn)行了研制，其采摘成功率達(dá)到92.76%。江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程研究院研制了一種基于多傳感器信息融合和開放式控制的智能控制的番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量僅為1.12kg，末端執(zhí)行器完成采摘?jiǎng)幼鞯臅r(shí)間為35s。到目前為止，國內(nèi)還沒有研制出蘋果采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器。因此，開發(fā)一種具有采摘效率和成功率高，具有輕便性，通用性強(qiáng)的蘋果采

38、摘末端執(zhí)行器具有重要的意義。</p><p>　　1.4 欠驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究發(fā)展</p><p>　　當(dāng)一種機(jī)械機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器數(shù)量少于這種機(jī)械機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)量時(shí)，這種機(jī)械機(jī)構(gòu)就稱為欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)[24,25]。這種機(jī)構(gòu)具有形狀自適應(yīng)能力,欠驅(qū)動(dòng)手指抓取物體時(shí)，它能夠完全包絡(luò)物體，并且能夠適應(yīng)物體的形狀。在機(jī)械手爪上的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與機(jī)器人系統(tǒng)上的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是不同的概念。欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人通常是指含有一個(gè)或多個(gè)

39、無驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的操作器，而欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手通常使用彈性元件來設(shè)計(jì)欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，這就是說這些關(guān)節(jié)可以理解為無法控制或被動(dòng)控制，而不是沒有驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　美國麻省理工學(xué)院和猶他大學(xué)于1980年聯(lián)合研制成功了Utah/MIT手爪[26,27,28]。手爪采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，手指的配置方式類似于人手，有四個(gè)手指: 拇指、食指、中指和無名指，四個(gè)手指結(jié)構(gòu)完全相同，每個(gè)手指有4個(gè)自由度。手指關(guān)節(jié)采用伺服氣動(dòng)缸作為驅(qū)動(dòng)元件，

40、由腱和滑輪傳動(dòng)。</p><p>　　加拿大MDROBOTICS公司與Laval大學(xué)合作研制了非擬人手通用欠驅(qū)動(dòng)手爪SARAH（Self-Adapting Robotic Auxiliary Hand）[29]，如圖1.11示。該手爪有3個(gè)手指，每個(gè)手指有3個(gè)關(guān)節(jié)，加上1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，共10個(gè)自由度，而只用兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，一個(gè)電機(jī)負(fù)責(zé)手爪的開合，另一個(gè)負(fù)責(zé)手指的轉(zhuǎn)向。采用平面直齒輪差動(dòng)方式，形成一路輸入三路輸出，分

41、別去驅(qū)動(dòng)三個(gè)手指開合。通過槽輪機(jī)構(gòu)對三個(gè)手指中的兩個(gè)進(jìn)行位置調(diào)整，進(jìn)行轉(zhuǎn)向，以適合不同形狀物體的抓取。</p><p>　　圖1.11欠驅(qū)動(dòng)手爪SARAH　 圖1.12基于錐齒輪差動(dòng)機(jī)構(gòu)的欠驅(qū)動(dòng)手爪</p><p>　　Fig.l-10 Self-Adapting Robotic Auxiliary Hand Fig.l-12 Under-actuated robot

42、 hand based on cone gear differential mechanism</p><p>　　國內(nèi)研究單位主要有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、合肥智能機(jī)械研究所等。</p><p>　　北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所于80年代末開始的靈巧手研究與開發(fā)[28,30]。最初研究出來的BH-1靈巧手是一種仿JPL的靈巧手，功能相對簡。在隨后的幾年中又不斷改進(jìn)，研

43、制出BH-3 型靈巧手。如圖1.14所示。</p><p>　　中科院合肥智能機(jī)械研究所開發(fā)了基于錐齒輪差動(dòng)的欠驅(qū)動(dòng)三指機(jī)器人手爪[27,]，圖1.12所示。這兩個(gè)手爪在結(jié)構(gòu)上與加拿大開發(fā)的SARAH手爪有些相似，它集成了SARAH手爪的靈巧手指機(jī)構(gòu),采用兩級(jí)錐齒輪差動(dòng)方式，機(jī)構(gòu)簡潔高效，結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)方便主動(dòng)適應(yīng)性和智能化程度上較SARAH有所提高。</p><p>　　2003年，哈爾

44、濱工業(yè)大學(xué)和德國宇航中心合作，研制成功HIT/DLR多指靈巧手，圖1.13示，大大促進(jìn)了我國在靈巧手技術(shù)方面的發(fā)展[31,32,33]。</p><p>　　目前國內(nèi)外欠驅(qū)動(dòng)多指手的應(yīng)用背景主要是人工假手、海底探測 、宇航器倉內(nèi)欠驅(qū)動(dòng)手爪及太空機(jī)器人的末端操作器等,尚未見到將欠驅(qū)動(dòng)多指手爪應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。</p><p>　　圖1-13 HIT/DLR多指靈巧手 圖

45、1-14北航BH-3多指手</p><p>　　Fig.l-13 HIT/DLR Multi-finger dexterous hand Fig.l-14 BH-3 Multi-finger dexterous hand</p><p>　　1.5 主要內(nèi)容和研究方法</p><p>　　1.5.1 主要研究內(nèi)容</p><p>　　本課

46、題的研究目的在于設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)較簡單、控制方便、質(zhì)量輕巧的新型采摘機(jī)械手以配合機(jī)械臂完成果實(shí)的采摘。主要內(nèi)容包括：</p><p>　　分析研究采摘過程中存在的問題。</p><p>　　對欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究、分析與設(shè)計(jì)、對欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理進(jìn)行研究設(shè)計(jì)滿足功能目標(biāo)要求的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，對欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究分析，以柔順抓取為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。包括手指、手掌、手指驅(qū)動(dòng)

47、機(jī)構(gòu)、機(jī)架的設(shè)計(jì)。</p><p>　　關(guān)鍵零部件的靜力學(xué)分析和強(qiáng)度校核。</p><p>　　虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和仿真分析。</p><p>　　1.5.2 技術(shù)路線</p><p>　　機(jī)械手的設(shè)計(jì)技術(shù)路線如圖1-15所示。</p><p>　　圖1-15 技術(shù)路線</p><p>　　F

48、ig1-15 Technical Route</p><p>　　第二章 欠驅(qū)動(dòng)采摘末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 欠驅(qū)動(dòng)采摘末端執(zhí)行器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　蘋果采摘方式分析</b></p><p>　　目前，實(shí)現(xiàn)采摘的方式主要有以下幾種，第一種是利用吸盤將果實(shí)牢牢吸住，再利用剪刀等工

49、具將果柄剪斷，這種方法需要檢測好果柄的位置，并要精確的調(diào)整好末端執(zhí)行器的姿態(tài)，從而增加了系統(tǒng)控制的難度和機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性[1]。第二種是利用剪刀將果柄剪斷，這種方法需要檢測好果柄的位置，并要精確的調(diào)整好末端執(zhí)行器的姿態(tài)，從而增加了系統(tǒng)控制的難度和機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性。第三種利用激光對果梗進(jìn)行切斷[2]，這種方法同樣需要檢測好果柄的位置，對視覺系統(tǒng)提出了很高的要求。</p><p>　　人工采摘蘋果時(shí)，用手輕輕握住果實(shí)，食指按

50、住果柄，然后向上掀，使果柄與果枝從離層部位斷開，輕輕取下果實(shí)。蘋果的果梗比較脆弱，很容易分離，故本設(shè)計(jì)采用模擬人工采摘蘋果的方式利用腕關(guān)節(jié)的垂直方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來模擬人折斷柄的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)果柄與果實(shí)的分離。這種方式實(shí)現(xiàn)簡單，對視覺系統(tǒng)要求不高。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)械手應(yīng)該具有制造成本低、控制簡單、機(jī)械

51、結(jié)構(gòu)簡單、通用性好等特點(diǎn)同時(shí)機(jī)械手的整機(jī)設(shè)計(jì)，要遵循以下的設(shè)計(jì)原則：</p><p>　　采摘果實(shí)直徑范圍：70mm～100mm；</p><p>　　其他要求：體積小巧、操作簡單、安全可靠、適應(yīng)性強(qiáng)、成本低廉；</p><p>　　加工制造簡單，工藝性好。</p><p><b>　　總體設(shè)計(jì)</b></p>

52、;<p>　　末端執(zhí)行器是安裝在機(jī)械臂前端，直接與采摘目標(biāo)相接觸，以實(shí)現(xiàn)果蔬采摘所需運(yùn)動(dòng)和附加功能的裝置，是采摘機(jī)器人實(shí)現(xiàn)果蔬采摘的關(guān)鍵執(zhí)行部分。手指是直接與果實(shí)接觸的機(jī)構(gòu)。常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形物體時(shí)，物體直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件[3]。</p><p

53、>　　根據(jù)采摘蘋果的具體要求，提出了一種蘋果采摘末端執(zhí)行器，其結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。該執(zhí)行器由手指、手掌、機(jī)架等組成。手抓有2個(gè)手指，2個(gè)手指平行對稱布置，即每側(cè)一個(gè)手指。每個(gè)手指有2個(gè)關(guān)節(jié)。在電機(jī)控制下，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)2個(gè)手指的聯(lián)動(dòng)，以及對不同形狀物體的夾持。欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手具有多種抓取模式，可以抓取任意形狀的物體，即可以用手指末關(guān)節(jié)指面捏取的方式精確抓取，又可用欠驅(qū)動(dòng)的方式完成包絡(luò)抓取。圖2.1所示是采用Pro/E軟件設(shè)計(jì)的欠驅(qū)動(dòng)

54、采摘機(jī)械手的三維實(shí)體模型。</p><p>　　機(jī)械臂將機(jī)械手送達(dá)到果實(shí)附近，機(jī)械手上的位置傳感器檢測機(jī)械手與蘋果的相對位置，當(dāng)果實(shí)進(jìn)入機(jī)械手中心位置時(shí)，位置傳感器觸發(fā)單片機(jī)控制信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)開始正向轉(zhuǎn)動(dòng)使機(jī)械手開始加緊果實(shí)，壓力傳感器檢測手指加緊果實(shí)時(shí)的壓力并判斷是否達(dá)到壓閾值，閾值有實(shí)驗(yàn)所得出。若達(dá)到此閾值則機(jī)械手停止運(yùn)動(dòng)，機(jī)械臂模擬人工采摘運(yùn)動(dòng)，完成果實(shí)與果柄的分離。機(jī)械臂將果實(shí)送到指定位置后，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)

55、，手指松開，恢復(fù)到初始位置，完成果實(shí)的采摘。</p><p>　　1 第一關(guān)節(jié) 2 第二關(guān)節(jié) 3 四桿機(jī)構(gòu) 4 手指連桿1 5 手指連桿2 6 連桿 7 中間盤 8 電機(jī)固定桿</p><p>　　9 電機(jī) 10 底盤 11 通桿 12 下連桿 13 上連桿 14 驅(qū)動(dòng)桿 15 傳動(dòng)軸 16 手掌</p><p>　　圖2-1 機(jī)械手機(jī)構(gòu)

56、圖 </p><p>　　Fig .2-1 Structure of manipulator</p><p>　　2.1.1手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　欠驅(qū)動(dòng)手指具有抓取力大、負(fù)載能力強(qiáng)、通用性好的特點(diǎn)，能夠?qū)θ我庑螤畹奈矬w進(jìn)行抓取，應(yīng)用范圍更廣泛，同時(shí)能夠減少驅(qū)動(dòng)源的數(shù)目，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得簡單易于控制。欠驅(qū)動(dòng)手指傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的方式在目前主要是采用滑輪和繩

57、索機(jī)構(gòu)，凸輪和鍵肌機(jī)構(gòu)，也可以采用鋼絲軟軸加螺旋傳動(dòng)或四連桿傳動(dòng)，前三者的主要問題是傳動(dòng)的功率損耗大、效率低、夾持力?。欢B桿傳動(dòng)的效率高，產(chǎn)生的夾持力大[4,5]。</p><p><b>　　手指數(shù)量</b></p><p>　　果實(shí)的外形有規(guī)則的和不規(guī)則的。對于規(guī)則的小型果實(shí), 多數(shù)收獲機(jī)器人采用帶有吸盤的2個(gè)直手指的末端執(zhí)行器直接抓取果實(shí)[6,7]。相對2個(gè)手

58、指，3個(gè)手指的收獲機(jī)器人也有一些研究，3指機(jī)械手抓取果實(shí)的穩(wěn)固更好。而采用具有4個(gè)手指和一個(gè)吸盤的西紅柿收獲機(jī)器人，效果更好，但控制較難。此外，還有一些特殊的手指，它采用梳刷原理，將果實(shí)分離。</p><p><b>　　手指關(guān)節(jié)數(shù)量</b></p><p>　　末端執(zhí)行器關(guān)節(jié)的數(shù)量與抓取效果密切相關(guān),關(guān)節(jié)數(shù)量越多,末端執(zhí)行器的自由度就越多,抓取動(dòng)作越靈活,抓取效果越

59、好[8]。因此增加關(guān)節(jié)的數(shù)量同時(shí)意味著驅(qū)動(dòng)器數(shù)目得增加,驅(qū)動(dòng)器數(shù)目的增加就會(huì)增加控制的難度，同時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，從而產(chǎn)生負(fù)面影響。</p><p>　　本文所設(shè)計(jì)的欠驅(qū)動(dòng)采摘機(jī)械手就采用四連桿機(jī)構(gòu)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，手指采用兩關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)型手指，并裝有力傳感器和橡膠材料，以測量抓取力和增大摩擦阻力。其本身的自適應(yīng)特性，可以對蘋果、番茄、桔子等進(jìn)行很好的抓取。</p><p>　　按《中

60、華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》，除三級(jí)蘋果外，果實(shí)橫切面最大直徑要大于或等于70mm[9]。這里設(shè)計(jì)機(jī)械手所抓取的蘋果直徑在80mm～100mm之間，故取蘋果半徑為40mm≤R≤50mm，故取手指的總長度L=120mm，令第一關(guān)節(jié)L1=70mm，第二關(guān)節(jié)L2=50mm。手指結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。</p><p><b>　　手指的材料</b></p><p>　　手指材料的

61、恰當(dāng)選用，對機(jī)械手的使用效果影響很大。為了符合手部的結(jié)構(gòu)尺寸，同時(shí)保證手指有足夠的強(qiáng)度及較輕的質(zhì)量，本系統(tǒng)手部材料選用尼龍。尼龍具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，耐熱，磨擦系數(shù)低，耐磨損，自潤滑性，吸震性，耐油，耐弱酸等特點(diǎn)。</p><p>　　圖2-2 手指結(jié)構(gòu) 圖2-3 傳動(dòng)軸</p><p>　　Fig.2-2 Struc

62、ture of finger Fig.2-3 Transmission shaft</p><p>　　2.1.2轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及機(jī)架的設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)以軸（圖2.3）作為動(dòng)力的傳動(dòng)載體，通過絲杠實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的傳遞，絲杠傳動(dòng)本身有自鎖功能，在夾緊后，即使電機(jī)不工作，果實(shí)也不會(huì)因松動(dòng)而掉落。</p><p&

63、gt;　　機(jī)架主要用來安裝驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和手掌，在設(shè)計(jì)上要求機(jī)構(gòu)緊湊，體積小重量輕。本文設(shè)計(jì)的機(jī)架為一個(gè)柱狀體，由固定底板、中間板、支撐柱組成，下部主要安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)。上部主要放置手指、限位裝置。機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。</p><p>　　機(jī)械手可分為有手掌型和無手掌型兩類。手掌可以增加對物體的約束，有手掌的機(jī)械手具有廣泛的適用性，操作方便的特點(diǎn)。無手掌的機(jī)械手也能抓取物體，但所加持的物體一般都是形狀比較規(guī)則的，它對物

64、體的形狀尺寸特性要求高，無手掌型機(jī)械手被普遍應(yīng)用在專用夾持機(jī)構(gòu)中。所以本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手采用有手掌的結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。</p><p>　　圖2-4 機(jī)架結(jié)構(gòu) 圖2-5 手掌結(jié)構(gòu)</p><p>　　Fig.2-4 Structure of rack Fig.2-5 Structure

65、 of Palm</p><p>　　2.1.3驅(qū)動(dòng)方案的選擇</p><p>　　目前的手爪的驅(qū)動(dòng)源主要是采用氣壓驅(qū)動(dòng)、電驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)這三種[10]。</p><p>　　氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的，通常使用空氣壓縮機(jī)作為動(dòng)力源。氣壓驅(qū)動(dòng)過載安全性大、結(jié)構(gòu)簡單、污染小、成本低，通過調(diào)節(jié)氣流，就可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，但工作速度的穩(wěn)定性差、裝置體積

66、大、定位精度不高、抓持力小。</p><p>　　液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以油液的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，輸出力大、驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)、系統(tǒng)的固有效率高、速度反應(yīng)快，調(diào)速簡單，能在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，易于適應(yīng)不同的工作要求，傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸收沖擊力，可以實(shí)現(xiàn)較頻繁而平穩(wěn)的換向，但易漏油、污染環(huán)境、成本高 ，定位精度比氣動(dòng)高，但比電機(jī)低；油液的溫度和粘度變化影響傳動(dòng)性能。</p><p>　　電氣驅(qū)動(dòng)方式包括步進(jìn)電機(jī)

67、、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)以及力矩電機(jī)等驅(qū)動(dòng)方式[11]。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件，具有控制簡單、響應(yīng)速度快、工作可靠、無累計(jì)誤差等優(yōu)點(diǎn)。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量小、動(dòng)態(tài)特性好，由伺服電動(dòng)機(jī)所構(gòu)成的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有運(yùn)行精度高、調(diào)速范圍廣、速度運(yùn)行平滑、具有高可靠性并易于控制等優(yōu)點(diǎn)。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，但是交流伺服電機(jī)必須采用閉環(huán)控制方式，這種

68、復(fù)雜的控制系統(tǒng)造成控制成本大大提高。通過搜集調(diào)查大量電機(jī)資料，本設(shè)計(jì)中采用雷塞57HS09型步進(jìn)電機(jī)。雷塞57HS09型步進(jìn)電機(jī)具有體積小、重量輕、輸出力大、響應(yīng)速度快、精確度</p><p>　　2.2手腕關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)</p><p>　　手腕部件設(shè)置于機(jī)械手和機(jī)械臂之間，它的作用主要是在機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變或調(diào)整手部在空間的位置，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變得更靈巧，適應(yīng)

69、性更強(qiáng)，另一方面模擬人工采摘蘋果的方法，實(shí)現(xiàn)果實(shí)與果樹的分離。</p><p>　　手腕的運(yùn)動(dòng)形式可以有:繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為上下擺動(dòng)；繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為左右擺動(dòng)；是沿Y軸或Z軸的橫向移動(dòng)。一般手腕設(shè)有回轉(zhuǎn)或再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求[12]。</p><p>　　在目前常見的四大類手腕傳動(dòng)方式包括帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)和蝸桿傳動(dòng)，在這里將對以上4種傳動(dòng)方式分別進(jìn)行

70、比較說明。</p><p><b>　　帶傳動(dòng)</b></p><p>　　帶傳動(dòng)通常是由主動(dòng)輪、從動(dòng)輪和張緊在兩輪上的傳動(dòng)帶所組成的。當(dāng)主動(dòng)輪回轉(zhuǎn)時(shí)，依靠帶與帶輪接觸面間的摩擦力拖動(dòng)從動(dòng)輪一起回轉(zhuǎn)，從而傳遞一定的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。</p><p>　　帶傳動(dòng)具有的優(yōu)點(diǎn)有：良好的饒性和彈性，吸振和緩沖作用，因而使帶傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲??；有過載保護(hù)作用，當(dāng)

71、過載時(shí)引起帶在帶輪上發(fā)生相對滑動(dòng)，可防止其他零件的損壞；制造和安裝精度與齒輪傳動(dòng)相比較低，結(jié)構(gòu)簡單，制造、安裝、維護(hù)均較方便；適合于中心距較大的兩軸間傳動(dòng)。</p><p>　　帶傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)：由于彈性滑動(dòng)的存在，使得傳動(dòng)效率降低，不能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比：由于帶傳動(dòng)需要初始張緊，因此，當(dāng)傳遞同樣大的圓周力時(shí)，與嚙合傳動(dòng)相比軸上的壓力較大；結(jié)構(gòu)尺寸較大，不緊湊；傳動(dòng)帶壽命較短。</p><p&g

72、t;<b>　　鏈傳動(dòng)</b></p><p>　　鏈傳動(dòng)是通過鏈條將具有特殊齒形的主動(dòng)鏈輪的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞到具有特殊齒形的從動(dòng)鏈輪的一種傳動(dòng)方式。</p><p>　　鏈傳動(dòng)是屬于帶有中間饒性件的嚙合傳動(dòng)。鏈傳動(dòng)有許多優(yōu)點(diǎn)，與帶傳動(dòng)相比，無彈性滑動(dòng)和打滑現(xiàn)象，平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確，工作可靠，效率高；傳遞功率大，過載能力強(qiáng)，相同工況下的傳動(dòng)尺寸?。凰鑿埦o力小，作用于軸上的

73、壓力?。荒茉诟邷亍⒊睗?、多塵、有污染等惡劣環(huán)境中工作。</p><p>　　鏈傳動(dòng)的缺點(diǎn)主要有：僅能用于兩平行軸間的傳動(dòng)；成本高，易磨損，易伸長，傳動(dòng)平穩(wěn)性差，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生附加動(dòng)載荷、振動(dòng)、沖擊和噪聲，不宜用在急速反向的傳動(dòng)中。因此，鏈傳動(dòng)多用在不宜采用帶傳動(dòng)與齒輪傳動(dòng)，而兩軸平行，且距離較遠(yuǎn)，功率較大，平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確的場合。</p><p><b>　　齒輪傳動(dòng)</b&g

74、t;</p><p>　　齒輪傳動(dòng)是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)。</p><p>　　齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：傳動(dòng)比精確，傳動(dòng)效率高，在常用的機(jī)械傳動(dòng)中，齒輪傳動(dòng)的效率是最高的。一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)在正常潤滑條件下效率可達(dá)到99%以上；結(jié)構(gòu)緊湊，在同樣使用條件下，齒輪傳動(dòng)所需要空間尺寸比帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)小得多;工作可靠、壽命長，齒輪傳動(dòng)在正確安裝，良好潤滑和正常維護(hù)條件下，具有其

75、他機(jī)械傳動(dòng)無法比擬的高可靠性和壽命。</p><p>　　齒輪傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)有:對齒輪制造、安裝要求高。</p><p><b>　　蝸桿傳動(dòng)</b></p><p>　　蝸桿傳動(dòng)是在空間交錯(cuò)的兩軸間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種傳動(dòng)，兩軸線間的夾角可為任意值，常用的為90°。蝸桿傳動(dòng)用于在交錯(cuò)軸間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。蝸桿傳動(dòng)由蝸桿和蝸輪組成，一般

76、蝸桿為主動(dòng)件。</p><p><b>　　蝸桿傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是</b></p><p>　　傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊。</p><p>　　傳動(dòng)平穩(wěn)，無噪音。因?yàn)槲仐U齒是連續(xù)不間斷的螺旋齒，它與蝸輪齒嚙合時(shí)是連續(xù)不斷的，蝸桿齒沒有進(jìn)入和退出嚙合的過程，因此工作平穩(wěn)，沖擊、震動(dòng)、噪音小。</p><p>　　具有自鎖性。蝸桿的螺旋

77、升角很小時(shí)，蝸桿只能帶動(dòng)蝸輪傳動(dòng)，而蝸輪不能帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　蝸桿傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)是:</p><p>　　蝸桿傳動(dòng)效率低，一般認(rèn)為蝸桿傳動(dòng)效率比齒輪傳動(dòng)低。</p><p>　　發(fā)熱量大，齒面容易磨損，成本高。</p><p>　　本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手腕部結(jié)構(gòu)傳動(dòng)方式選擇蝸輪蝸桿傳動(dòng)，蝸輪蝸桿傳動(dòng)具有自鎖特性，可以實(shí)現(xiàn)任意位置的

78、啟停，電機(jī)置于機(jī)械臂內(nèi)與腕部傳動(dòng)軸垂直。蝸輪蝸桿減速器如圖2.6。</p><p>　　圖2-6 蝸輪蝸桿減速機(jī)</p><p>　　Fig.2-6 Worm gear motor</p><p>　　2.3 執(zhí)行器的控制方案設(shè)計(jì)</p><p>　　單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨

79、機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，屬于第四代電子計(jì)算機(jī)。它具有功能強(qiáng)大、運(yùn)算速度快、體積小巧、價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。采用單片機(jī)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，即可以降低開發(fā)成本，精簡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，又可以提高系統(tǒng)的兼容性和可移植性。本系統(tǒng)從降低成本和方便實(shí)驗(yàn)的角度出發(fā)，選擇以AVR ATmega16為核心器件組成該控制系統(tǒng)。</p><p>

80、<b>　　圖2-7 主控電路</b></p><p>　　Fig.2-7 Main control circuit </p><p><b>　　2.4本章小結(jié)</b></p><p>　　根據(jù)提出的設(shè)計(jì)要求，對末端執(zhí)行器功能進(jìn)行分析。</p><p>　　設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器需要考慮的要素有手指數(shù)量、

81、機(jī)架結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式及控制。 根據(jù)上述要素提出各部分設(shè)計(jì)方案，并提出最終設(shè)計(jì)方案。</p><p>　　確定軟、硬件系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)控制功能。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 楊文亮.蘋果采摘機(jī)器人機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2009.</p><p>　　[2] 劉繼展

82、,李萍萍,李智國.番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的硬件設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2008,3, 39(3):110-111.</p><p>　　[3] 干秦湘.BY-6機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)與分析[D].南京:南京理工大學(xué),2006.</p><p>　　[4] 喬鋒華.基于欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械手的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007.</p><p>　　[5] 楊軍.變

83、抓取力欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2008.</p><p>　　[6] 徐麗明,張鐵中.果蔬果實(shí)收獲機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵問題和對策[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2004,20(5):40.</p><p>　　[7] Naoshi Kondon,Ting K C.Robotics for bioproduction system[R].ASAE Paper,1998

84、.</p><p>　　[8] 李秦川,胡挺,武傳宇,胡旭東,應(yīng)義斌.果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器研究綜述[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2008,39(3):177.</p><p>　　[9] 高微.蘋果包裝抓取搬運(yùn)機(jī)械手的研究[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2006.</p><p>　　[10] 李濤.基于欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的仿人機(jī)器人手爪研究[D].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),20

85、09.</p><p>　　[11] 李桂莉.物料抓取機(jī)械手結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)研究[D].山東:山東科技大學(xué),2005.</p><p>　　[12] 朱駿.移動(dòng)機(jī)器人操作機(jī)械手設(shè)計(jì)與分析[D].南京:京理工大學(xué),2006.</p><p>　　第三章 末端執(zhí)行器靜力學(xué)分析</p><p>　　3.1 欠驅(qū)動(dòng)手指的工作原理</p>

86、<p>　　(a)是手指的初始結(jié)構(gòu),手指無接觸外力，整個(gè)手指以單一剛體繞支點(diǎn)運(yùn)動(dòng)；(b)表示指節(jié)1接觸物體；(c) 表示指節(jié)2相對指節(jié)1的轉(zhuǎn)動(dòng)，指節(jié)2向物體方向彎曲，這時(shí)驅(qū)動(dòng)力需克服彈簧作用力；(d)兩指節(jié)接觸物體，手指完成形適合階級(jí),驅(qū)動(dòng)件的驅(qū)動(dòng)力傳遞到兩指節(jié)上。</p><p>　　圖3.1 欠驅(qū)動(dòng)手指工作原理 </p><p>　　Fig.3-1　Principle o

87、f under-actuated finger </p><p>　　3.2 包絡(luò)抓取時(shí)的靜態(tài)力學(xué)模型</p><p>　　欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是指獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器數(shù)目少于自由度數(shù)目的機(jī)構(gòu)[1]。欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手既可以完成包絡(luò)抓取，又可以用末關(guān)節(jié)指面捏取的方式完成精確抓取。依靠被動(dòng)柔順方式，欠驅(qū)動(dòng)手指對被抓取物體具有形狀自適應(yīng)的能力[2]。</p><p>　　包絡(luò)抓取時(shí)手指的第1個(gè)

88、關(guān)節(jié)首先接觸到物體，并受到物體的反作用力，由于反作用力的存在，第1關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)就會(huì)受到約束，而手指的第2關(guān)節(jié)由于沒有被約束在驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下繼續(xù)靠近物體,最終2個(gè)指節(jié)都和物體表面相接觸。</p><p>　　精確抓取是在彈簧、機(jī)械限位以及平行四邊形機(jī)構(gòu)的共同作用下實(shí)現(xiàn)的操作。手爪通過拇指和食指末端關(guān)節(jié)對物體施加一對方向相反的力，達(dá)到限制物體運(yùn)動(dòng)的作用以實(shí)現(xiàn)抓取操作。</p><p>　　

89、包絡(luò)抓取的靜力學(xué)模型如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 手指靜力學(xué)模型</p><p>　　Fig.3-2 Static model of finger</p><p>　　圖3.2中為輸入轉(zhuǎn)矩，、分別為關(guān)節(jié)1、2所受的力，、為接觸點(diǎn)、到、的距離。為關(guān)節(jié)2相對于關(guān)節(jié)1轉(zhuǎn)過的角度，水平軸的夾角。為摩擦約束力矩。三角構(gòu)件邊的夾角，h桿與桿c的反向延長線交點(diǎn)到

90、的距離。、為關(guān)節(jié)1、2的長度。為桿與水平軸的夾角。為摩擦約束力矩。</p><p>　　根據(jù)虛功原理可得[3,4,5]</p><p><b>　　(3.1)</b></p><p>　　T為手指機(jī)構(gòu)的輸入轉(zhuǎn)矩向量，由驅(qū)動(dòng)力矩以及摩擦力矩組成；為手指機(jī)構(gòu)各關(guān)節(jié)與力矩相關(guān)的連桿的虛擬角速度向量，由驅(qū)動(dòng)連桿的角速度以及末關(guān)節(jié)加速度構(gòu)成；F為作用在手

91、指上的抓取接觸力組成的向量，由接觸力、構(gòu)成；V為外力作用點(diǎn)在外力作用方向上的虛擬速度向量，由各接觸點(diǎn)的y方向的速度分量構(gòu)成，即：</p><p><b>　　(3.2)</b></p><p>　　由機(jī)構(gòu)學(xué)理論，可知各關(guān)節(jié)的接觸點(diǎn)速度可以通過雅可比矩陣用各關(guān)節(jié)的角速度來表示，即： (3.3

92、)</p><p>　　又 (3.4)</p><p><b>　　為傳遞矩陣 </b></p><p>　　將式(3.2)、(3.3)、(3.4)帶入(3.1)約去得：</p><p><

93、;b>　　(3.5)</b></p><p><b>　　(3.6)</b></p><p>　　將上式與式(3.3)對比可知</p><p><b>　　(3.7)</b></p><p><b>　　(3.8)</b></p><p&g

94、t;<b>　　(3.9)</b></p><p><b>　　(3.10)</b></p><p><b>　　(3.11)</b></p><p>　　當(dāng)手指以直指方式抓取物體時(shí),僅有短關(guān)節(jié)觸及物體,這時(shí),只要令F1=0、T1=0 ，則手指受力為：</p><p><

95、b>　　(3.12)</b></p><p><b>　　3.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析</b></p><p>　　欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的每個(gè)手指都是由兩套四連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成的。圖3.3所示為一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)。</p><p>　　圖 3.3四連桿機(jī)構(gòu)原理</p><p>　　Fig.3-3 Principle of four

96、-bar linkage</p><p>　　各桿構(gòu)成的矢量封閉方程為[6]，寫成坐標(biāo)軸上分量形式有： </p><p><b>　　(3.13)</b></p><p>　　化簡上式，消去b得：</p><p><b>　　(3.14)</b></p><p>　　對式3.

97、14兩邊求導(dǎo)并化簡，可得4桿機(jī)構(gòu)L1與L3角速度之間的關(guān)系：</p><p><b>　　(3.15)</b></p><p>　　3.4 利用MATLAB軟件進(jìn)行手指綜合結(jié)構(gòu)參數(shù)確定</p><p>　　MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國Math Works公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可

98、視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，它是為滿足工程計(jì)算的要求應(yīng)運(yùn)而生的，經(jīng)過不斷的發(fā)展，目前己成為國際公認(rèn)的優(yōu)秀的數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件之一[7,8,9,10,11]。MATLAB具有友好的工作平臺(tái)和編程環(huán)境；簡單易用的程序語言；強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力等特點(diǎn)，它的使用很大程度上降低了工程強(qiáng)度，使原本繁雜的工作變得簡單，從而大大地提高了工作效率。</p><p>　　在確定指節(jié)的基本長度尺寸后，運(yùn)

99、用MATLAB對手指的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，包括關(guān)節(jié)的厚度尺寸b，傳力桿長度a、c等。 </p><p><b>　　目標(biāo)函數(shù)及設(shè)計(jì)變量</b></p><p>　　根據(jù)式(3.8)，各指節(jié)的接觸力為：</p><p>　　根據(jù)手指機(jī)構(gòu)應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)各指節(jié)接觸力均勻分布的綜合要求，令目標(biāo)函數(shù)為：</p><p>　　Fz =

100、| F1-F2 |</p><p>　　給定a的范圍為[40~60]；b的范圍為[40~80]；c的范圍為[10~20]。</p><p><b>　　MATLAB函數(shù)：</b></p><p>　　%ww=zeros(1,5*5*5);</p><p><b>　　i=1;</b></p&g

101、t;<p>　　for a=40:2:60</p><p>　　for b=40:2:80</p><p>　　for c=10:2:30</p><p>　　ww(1,i)=subs(w); </p><p>　　aa(1,i)=a;</p><p>　　bb(1,i)=b;</

102、p><p>　　cc(1,i)=c;</p><p><b>　　i=i+1;</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p>

103、;<p>　　[C,I]=min(ww)</p><p>　　aaa=aa(1,I)</p><p>　　bbb=bb(1,I)</p><p>　　ccc=cc(1,I)</p><p>　　經(jīng)過計(jì)算可知 a=55；b=65；c=20</p><p>　　3.5手部的夾持誤差計(jì)算</p>

104、<p>　　回轉(zhuǎn)型手指在夾持不同直徑尺寸的工件時(shí),則會(huì)產(chǎn)生軸心位置的變化,從而導(dǎo)致夾持誤差[12]。欠驅(qū)動(dòng)手指的夾持原理與雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指夾持原理類似，因此可以按照雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的加持誤差計(jì)算。</p><p>　　圖3.4 雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指簡圖</p><p>　　Fig.3.4 Sketch of double fulcrum revolving finger</p&

105、gt;<p>　　圖中：l－手指長度;</p><p><b>　?。璙型槽的夾角；</b></p><p><b>　?。D(zhuǎn)角；</b></p><p>　　2 s－兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)間距離;</p><p><b>　　根據(jù)幾何關(guān)系，可得</b></p>

106、<p><b>　　(3.16)</b></p><p><b>　　(3.17)</b></p><p>　　該方程亦為雙曲線方程，另；</p><p>　　圖3.5 x與半徑R的關(guān)系曲線</p><p>　　Fig 3.5 Relationship between distance

107、 X and radius R</p><p>　　根據(jù)雙曲線特點(diǎn),對應(yīng)附近的曲線變化率較小,故在處附近對應(yīng)的夾持誤差最小。</p><p>　　當(dāng)時(shí)，手指夾持誤差計(jì)算如下:</p><p><b>　　(3.18) </b></p><p><b>　　(3.19)</b></p>

108、<p><b>　　最佳偏角的計(jì)算</b></p><p>　　取V型槽的夾角=，根據(jù)式（3-9）求得最佳偏轉(zhuǎn)角為 故</p><p><b>　　夾持誤差的計(jì)算</b></p><p>　　因?yàn)楹完P(guān)于對稱，所以=，故</p><p>　　經(jīng)過計(jì)算手指的夾持誤差為0.88mm。</

109、p><p>　　3.6手指的有限元分析</p><p>　　有限元法起源于上世紀(jì)四十年代初期，是隨計(jì)算機(jī)應(yīng)用而發(fā)展起來的一種以結(jié)構(gòu)矩陣分析為理論基礎(chǔ)，應(yīng)用廣泛的數(shù)值分析方法。ANSYS軟件是著名的有限元軟件，它是位于美國匹茲堡的ANSYS公司開發(fā)的功能十分強(qiáng)大的軟件。ANSYS可以用于結(jié)構(gòu)分析、熱分析、電磁分析、流體分析和耦合場分析，提供先進(jìn)的三維實(shí)體建模、零件裝配、有限元網(wǎng)格自動(dòng)劃分、材料特

110、性定義、可視化處理等功能，是進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的理想工具，它能與多數(shù)CAD軟件(如Pro/Engineer，Solidworks，UG，AutoCAD等)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。</p><p>　　ANSYS由前處理、求解計(jì)算和后處理三個(gè)部分組成，ANSYS分析過程主要包含三個(gè)的步驟[13]。</p><p>　　創(chuàng)建有限元模型，其中包括創(chuàng)建或讀入幾

111、何模型、定義材料屬性和劃分網(wǎng)格。</p><p>　　施加載荷及載荷選項(xiàng)、設(shè)定約束條件并求解。</p><p>　　察看分析結(jié)果及檢驗(yàn)結(jié)果。</p><p>　　根據(jù)ANSYS的分析過程，首先將實(shí)體建模或模型導(dǎo)入，由于已經(jīng)建好了各零部件的三維模型，只需從Pro/E軟件中把需要進(jìn)行靜力學(xué)分析的零件導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行分析就行。選擇輸出受力或轉(zhuǎn)矩最大的四桿機(jī)構(gòu)的連桿、

112、傳動(dòng)連桿和手指關(guān)節(jié)作為靜力學(xué)研究對象。</p><p>　　Pro/E與ANSYS之間的接口方法</p><p>　　將Pro/E中所建立的幾何模型導(dǎo)入ANSYS中的方法主要由以下2種[14,15,16]。</p><p>　　設(shè)置ANSYS與Pro/E的接口。選擇“程序”ANSYS10.0|Utilities |ANS_ADMIN，打開ANS_ADMIN 10.0

113、管理器，點(diǎn)擊“OK”確定，在配置選項(xiàng)對話框中選擇與Pro/E的連接。確定后在隨之打開的對話框中將圖形顯示設(shè)備設(shè)置為“3D”，最后在行。用安裝信息對話框中輸入Pro/E在本計(jì)算機(jī)中的安裝路徑，點(diǎn)擊“OK’，完成ANSYS與Pro/E的接口設(shè)置。</p><p>　　ANSYS和PRO/E通過IGES(*.igs)文件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。</p><p>　　本文采用上述的第2種方法將模型導(dǎo)入ANS

114、YS，選擇主菜單【File】下的子菜單【Import】的次級(jí)子菜單【IGES...】，彈出導(dǎo)入IGES屬性設(shè)置對話框, 輸入IGES文件路徑后，點(diǎn)擊【OK】按鈕完成IGES文件導(dǎo)入。</p><p><b>　　定義單元類型</b></p><p>　　在ANSYS中選擇Main Menu | Preprocessor | Element Type | add/edi