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多臂采摘機(jī)器人的初步設(shè)計(jì)——采摘手的設(shè)計(jì)
1.緒論
1.1研究內(nèi)容及意義
果蔬采摘是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)鏈中最耗時(shí)耗力的一個(gè)環(huán)節(jié),其成本高、季節(jié)性強(qiáng)、需要大量勞動(dòng)力高強(qiáng)度的工作。但是由于工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展分流了大量農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力以及人口老齡化加劇等原因,使得能夠從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動(dòng)力越來越少,單靠人工勞作已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有的需要。隨著計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和各種智能控制理論的發(fā)展,使采用機(jī)器人采摘果蔬成為可能。果蔬采摘機(jī)器人是一類針對(duì)水果和蔬菜, 可以通過編程來完成采摘等相關(guān)作業(yè)任務(wù)的具有感知能力的自動(dòng)化機(jī)械收獲系統(tǒng), 是集機(jī)械、電子、信息、智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、農(nóng)業(yè)和生物等學(xué)科于一體的交叉邊緣性科學(xué), 需要涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)、視覺圖像處理、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)以及計(jì)算信息處理等多方面學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)。采摘機(jī)器人將在解決勞動(dòng)力不足、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工人勞動(dòng)舒適性、減輕農(nóng)業(yè)化肥和農(nóng)藥對(duì)人體的危害、提高采摘果蔬的質(zhì)量、降低采摘成本、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、保證果蔬的適時(shí)采收、提高產(chǎn)品的國際競爭力等方面具有很大潛力。國際上, 一些以日本和美國為代表的發(fā)達(dá)國家,已經(jīng)從20世紀(jì)80年代開始研究采摘機(jī)器人,并取得了一些成果。而我國在該領(lǐng)域中的研究還處于起步階段,因此我們必須加快對(duì)采摘機(jī)器人的研究腳步以早日趕超國際水平,使其為我國農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)。
1.2研究現(xiàn)狀
果蔬采摘機(jī)器人的研究開始于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，在采摘柔軟、新鮮的果蔬方面還存在很大的局限性。但在此后，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的日益成熟，采摘機(jī)器人的研究和開發(fā)技術(shù)得到了快速的發(fā)展。
1.2.1國外研究現(xiàn)狀
在日本、美國等發(fā)達(dá)國家，農(nóng)業(yè)人口較少。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向規(guī)?；⒍鄻踊?、精確化的方向邁進(jìn)，勞動(dòng)力不足的現(xiàn)象越來越明顯。許多作業(yè)項(xiàng)目如蔬菜、水果的挑選與采摘，蔬菜的嫁接等都是勞動(dòng)力密集型的工作，再加上時(shí)令的要求，勞動(dòng)力缺乏的問題很難解決。正是基于這種情況，這些發(fā)達(dá)國家大力進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)器人的研究，并取得了很好的成果。
日本的噴農(nóng)藥機(jī)器人上裝有感應(yīng)傳感器，能自動(dòng)噴灑農(nóng)藥。嫁接機(jī)器人可在極端的時(shí)間內(nèi)，把蔬菜苗莖桿直徑為幾毫米的砧木、穗木的切口嫁接為一體，使嫁接速度大幅度提高。施肥機(jī)器人的行走部分能在狹窄的稻秧間行走，四個(gè)窄型橡皮車輪均可橫向轉(zhuǎn)動(dòng)90度。人機(jī)協(xié)作型機(jī)器人的研究思想是將采摘機(jī)器人尋找、定位待摘果實(shí)以及機(jī)器人導(dǎo)航任務(wù)由人來完成，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、關(guān)節(jié)控制和末端執(zhí)行器控制等任務(wù)由機(jī)器人的控制系統(tǒng)完成。如圖1-1所示。
圖1-1人機(jī)協(xié)作型采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)
日本Kondo一等人研制的西紅柿收獲機(jī)器人(如圖1-2 )、黃瓜采摘機(jī)器人(如圖1-3)和草葛采摘機(jī)器人(如圖1-4)葡萄采摘機(jī)器人(如圖1-5 1-6所示)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)。
圖1-2西紅柿采摘機(jī)器人 圖1-3黃瓜采摘機(jī)器人
圖1-4草茍采摘機(jī)器人圖 1-5多功能葡萄采摘機(jī)器人(套袋操作)
圖1-6收獲末端執(zhí)行器
扦插育苗機(jī)器人用于花卉生產(chǎn)系統(tǒng)中可以大大提高生產(chǎn)率。日本東北農(nóng)業(yè)試驗(yàn)場研制成功了簡易育苗機(jī)器人系統(tǒng)。英國Silsoe研究院研制了蘑菇采摘機(jī)器人。它可以自動(dòng)測量蘑菇的位置、大小，并選擇性地采摘和修剪。
在柑桔收獲機(jī)器人研究方面，1986年，意大利卡塔尼亞農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展部與美國Florida大學(xué)合作開發(fā)了一種性能良好的具有伺服視覺技術(shù)的收獲機(jī)器人，用于柑桔收獲的實(shí)際生產(chǎn)中((Harrenetal, 1990)
在蘋果收獲機(jī)器人方面，1983年，法國國立農(nóng)林機(jī)械研究所的Pedene and Motte和西班牙的Jasa研制了最早的商品化機(jī)器人原型，即法國的“MAGAU”蘋果收獲機(jī)器人和西班牙的“CITRUS”柑桔收獲機(jī)器人嚇Sarig,1993)
還有日本國立蔬菜茶葉研究所與岐阜大學(xué)聯(lián)合研制了茄子采摘機(jī)器人。日本國立農(nóng)業(yè)研究中心的Murakami等研制了甘藍(lán)采摘機(jī)器人。以色列和美國科技人員聯(lián)合開發(fā)研制了一臺(tái)甜瓜采摘機(jī)器人等。
1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀
國內(nèi)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人方面的研究始于20世紀(jì)90年代中期，相對(duì)于發(fā)達(dá)國家起步較晚，但是發(fā)展很快，很多院校、研究所都在進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)器人和智能農(nóng)業(yè)機(jī)械相關(guān)的研究。
中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張鐵中教授率先在我國開展了自動(dòng)化嫁接技術(shù)的研究工作，先后成功開發(fā)了自動(dòng)插接法、自動(dòng)旋切貼合法嫁接技術(shù)，填補(bǔ)了我國自動(dòng)化嫁接技術(shù)的空白，形成了具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自動(dòng)化嫁接技術(shù)。上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所的曹其新等人進(jìn)行了用于精確農(nóng)業(yè)的智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究工作，己經(jīng)完成了智能化聯(lián)合收割機(jī)、蔬菜工廠化育苗播種流水線樣機(jī)的研制，正在進(jìn)行草葛挑選機(jī)器人、黃瓜采摘機(jī)器人的研究。浙江大學(xué)應(yīng)義斌教授研究的水果自動(dòng)分級(jí)機(jī)器人系統(tǒng)得到國家“863”計(jì)劃的支持。吉林大學(xué)王榮本、于海業(yè)在90年代中期開始進(jìn)行農(nóng)用自動(dòng)引導(dǎo)行走車的研究。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)姬長英、沈明霞等人，浙江工業(yè)大學(xué)青芳、張立斌等人，在進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)器人的視覺研究。江蘇大學(xué)紀(jì)良文、吳春篤進(jìn)行了噴藥機(jī)器人的研究，他們采用超聲測距作為噴藥機(jī)器人的輔助視覺系統(tǒng)。
還有吉林工業(yè)大學(xué)與吉林農(nóng)業(yè)研究所研制的鋤草機(jī)器人，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)楊麗博士研制的組培苗分割移植機(jī)器人系統(tǒng)，江蘇大學(xué)的陳樹人、尹建軍等在對(duì)西紅柿的視覺研究亦取得很大的成果。還有周云山和李強(qiáng)等人研究的蘑菇采摘機(jī)器人也處于是國內(nèi)領(lǐng)先水平，西北農(nóng)林科技大學(xué)對(duì)蘋果采摘機(jī)器人手臂控制進(jìn)行了研究，東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民研制了林木球果采摘機(jī)器人儀。
1.3機(jī)械手
機(jī)械手又稱操作機(jī)，是指具有和人手臂相似的動(dòng)作功能，并使工作對(duì)象能在空間內(nèi)移動(dòng)的機(jī)械裝置，是機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實(shí)體。在采摘機(jī)器人中，機(jī)械手的主要任務(wù)就是將末端執(zhí)行器移動(dòng)到可以采摘的目標(biāo)果實(shí)所處的位置，其工作空間要求機(jī)器人能夠達(dá)到任何一個(gè)目標(biāo)果實(shí)。機(jī)械手一般可分為直角坐標(biāo)、圓柱坐標(biāo)、極坐標(biāo)、球坐標(biāo)和多關(guān)節(jié)等多種類型。多關(guān)節(jié)機(jī)械手又稱為擬人( 類人) 機(jī)器人，相比其它結(jié)構(gòu)比較起來，要求更加靈活和方便。機(jī)械手的自由度是衡量機(jī)器人性能的重要指標(biāo)之一，它直接決定了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性和控制的復(fù)雜性。
1.3.1工業(yè)機(jī)械手
工業(yè)機(jī)械手發(fā)展比較迅速，多指手出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，其中最具有代表性的是stanford/JPL三指手(如圖1-7)和Utah/MIT四指手(圖1-8 )。Salisbury于1982年設(shè)計(jì)的Stanford/JPL手是當(dāng)時(shí)乃至現(xiàn)在都很具有代表性的三指手，它首次引入了模塊化設(shè)計(jì)方法，并模仿人手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)布置手指的相對(duì)位置，具有9個(gè)自由度。StanfordlJPL手對(duì)多指手的貢獻(xiàn)不僅僅在于多關(guān)節(jié)、多自由度的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，更重要的是它首次完整引入了位置、觸覺、力等傳感器系統(tǒng)，從而開始了多指手對(duì)外部環(huán)境的感知時(shí)代，并開創(chuàng)了多指手實(shí)際抓取操作的先河。
圖1-7 StanfordlJPLS手 圖1-8 Utah/MIT手
1998年德國研制的DLR- I多指手實(shí)現(xiàn)了當(dāng)自由度的數(shù)目超過某個(gè)值時(shí)，把所有的驅(qū)動(dòng)器和電路完全集成在手指、手掌或手腕里，被公認(rèn)為是當(dāng)時(shí)世界上最復(fù)雜、智能化和集成度最高的靈巧手，如圖1-9。1999年由美國宇航中心(NASA)研制的Robonaut手，如圖1-10是一種面向國際空間站應(yīng)用的多指手，其目的是為了在危險(xiǎn)的太空環(huán)境中代替人進(jìn)行艙外操作。
圖1-9 DLR手 圖1-10 NASA Robonaut手
從20世紀(jì)80年代后期開始，我國的很多研究機(jī)構(gòu)相繼開展了多指手的研究工作，其中北京航空航天大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)在這方面的研究很具代表性。北航對(duì)多指手的研究開展較早，并于1993年首先研制了我國第一只三指手，然后在此基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)，先后研制了BUAA- II , BUAA-III三指手和BUAA四指手。哈工大在HIT I多指手的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量的改進(jìn)，研制了HIT/DLR多指手。如圖1-11和圖1-120
圖1一11 HIT I手 圖1一12HIT/DLR多指手
1.3.2農(nóng)業(yè)機(jī)械手
農(nóng)業(yè)上最早研制的機(jī)械手為SDOF番茄收獲機(jī)械手(Noboru Kawamura eta1,1984) 機(jī)械手與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械完全不同，它是由許多桿件組成的空間開式鏈機(jī)構(gòu)，具有較采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)及其控制研究大的靈活性，但是不適合處理重量大的物體，否則會(huì)出現(xiàn)負(fù)載過重的問題。桿件越多，機(jī)械手身的重量越大，尤其用于像西瓜、甜瓜等較人果實(shí)收獲與運(yùn)輸時(shí)，機(jī)械手設(shè)計(jì)必須從組成結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面使其承受較大的負(fù)載重量。
機(jī)械手的控制有點(diǎn)位控制((PTP)和連續(xù)軌跡((CP)控制兩種類型。PTP控制主要用于在機(jī)械手初始位置和目標(biāo)點(diǎn)之間不存在障礙物的情況，此時(shí)不必考慮運(yùn)動(dòng)路徑，其路徑也是不可預(yù)測的。有時(shí)由于莖葉等障礙物的存在，必須通過控制其電機(jī)速度和預(yù)定運(yùn)動(dòng)軌跡到達(dá)目標(biāo)位置，進(jìn)行CP控制。
末端執(zhí)行器安裝在機(jī)械手的末端，其功能類似于人手，是直接與目標(biāo)物體接觸的部件。在末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)之前，不僅需要研究工作對(duì)象的物理特性(物體大小、體積、形狀、重量)和機(jī)械特性(young、模量、泊松比、粘性、摩擦阻力、剪切阻力等)，還包括電特性和光學(xué)特性以及生物學(xué)特性和化學(xué)特性等。
末端執(zhí)行器的形式主要有吸盤式(真空式吸盤、噴射式負(fù)壓吸盤、擴(kuò)散式負(fù)壓吸盤、擠壓排氣式吸盤、電磁式吸盤等)、針式、噴嘴式、杯狀、多關(guān)節(jié)手爪式、順應(yīng)型指結(jié)構(gòu)等，通常是末端執(zhí)行器都是專用的(N. Kondo, 1998)
末端執(zhí)行器所需的重要傳感器主要有觸覺傳感器和接近傳感器。觸覺傳感器包括接觸傳感器、壓力傳感器和滑覺傳感器.接近傳感器通常用來獲得位置信息，識(shí)別物體的存在，避障，測量物體的形狀，補(bǔ)償位置傳感器的誤差等。
在完成抓取動(dòng)作后，末端執(zhí)行器還需要將果實(shí)與果柄分離。分離方式為切斷或擰斷。在條件允許的情況下，應(yīng)盡量采用剪斷果柄而不是擰斷果柄的方式，避免擰斷時(shí)給果蔬表面造成傷口，導(dǎo)致病菌侵入使果實(shí)腐爛，例如桃、李、杏的采摘都要求留有果柄。但對(duì)于某些束狀生長、果柄較短的果實(shí)，采用剪斷的方式比較困難。
末端執(zhí)行器中手指和關(guān)節(jié)的數(shù)量與抓取效果密切相關(guān)，數(shù)量越多，末端執(zhí)行器的自由度就越多，抓取動(dòng)作更為靈活，抓取效果更好。但大多數(shù)的靈巧手系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，通用性差，仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，更難以運(yùn)用到農(nóng)業(yè)工程實(shí)踐之中。如何協(xié)調(diào)末端執(zhí)行器的通用性、靈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。
2.機(jī)械手的設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)方案
果蔬采摘機(jī)器人的機(jī)械手直接接觸工作對(duì)象。為了避免碰傷果實(shí)，多數(shù)收獲機(jī)器人的手指內(nèi)側(cè)接觸果實(shí)的部位采用橡膠和尼龍材料。由于果實(shí)的外形有圓形、近似方形、近似長方形等，所以末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)應(yīng)著重考慮手指數(shù)量、手指關(guān)節(jié)數(shù)量、尺寸方式等問題。
2.2手指數(shù)量
果實(shí)的外形有規(guī)則的和不規(guī)則的。對(duì)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)。相對(duì)2個(gè)手指，3個(gè)手指的收獲機(jī)器人也有一些研究，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，但難于控制。對(duì)于大型的果實(shí)，雖然外形規(guī)則，但用2個(gè)手指顯然不行。西瓜收獲機(jī)器人中采用4個(gè)帶有橡膠的手指，指尖的滑輪沿西瓜表面向下滑動(dòng)，利用橡膠與西瓜的摩擦力抓住果實(shí)。此外，還有一些特殊的手指，梳子式龍?zhí)资种缚梢詫⒐麑?shí)與相臨的果實(shí)分開。
手指的數(shù)量和形狀與果實(shí)的外形密切相關(guān)，一般數(shù)量越多，抓取效果越好，但控制也越難，應(yīng)在手指數(shù)量、控制難度和抓取成功率之間找到平衡點(diǎn)。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求選取3個(gè)手指最為合適。
2.3手指關(guān)節(jié)數(shù)量
對(duì)于多數(shù)形狀規(guī)則的果實(shí)，多數(shù)收獲機(jī)器人采用1個(gè)關(guān)節(jié)的手指。對(duì)于類人的柔性手指，由于材料和控制比較困難，研究成果不多。夏柑收獲機(jī)器人的柔性手指，手指的指尖通過細(xì)軟鋼絲與人工肌肉相連，當(dāng)人工肌肉產(chǎn)生收縮力時(shí)，鋼絲產(chǎn)生拉力使指尖能夠柔和地彎曲。西紅柿收獲機(jī)器人有4個(gè)具有4個(gè)關(guān)節(jié)的手指，通過控制纜采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)及其控制研究繩的伸縮，使手指彎曲成不同的形狀。對(duì)于不同的果實(shí)，控制鋼絲繩的拉力、拉動(dòng)的距離、人工肌肉的收縮力等的控制都比較難。鑒于關(guān)節(jié)的控制比較難，和設(shè)計(jì)要求考慮采用兩個(gè)關(guān)節(jié)的手指。
2.4尺寸的設(shè)定
機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸可以參考人類手指的長度比例，并加以適當(dāng)放大或縮小，或根據(jù)所設(shè)計(jì)的多指靈巧手的使用場合作適當(dāng)?shù)某叽缯{(diào)整。通過對(duì)某學(xué)校的青年學(xué)生的手指長度的測量，得到了如表1所示的結(jié)果。表1-1和表1-2中所列出的人手的各關(guān)節(jié)（如圖2-1）長度尺寸值可以作為設(shè)計(jì)多指靈巧手的手指長度的參考。
圖2-1擬人手指簡圖
表1-1 人的右手各關(guān)節(jié)長度的平均值
單位（mm）
性別 年齡 人數(shù) 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 人的右手各關(guān)節(jié)長度的平均值
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 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
根據(jù)以上數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)的要求和合理性，三個(gè)手指設(shè)計(jì)統(tǒng)一長度，其中第一個(gè)關(guān)節(jié)長度為55mm，第二個(gè)關(guān)節(jié)長度為40mm，手指寬度為22mm，手掌直徑為。
2.5材料的選擇
為了減輕重量，同時(shí)也由于手指所抓取果實(shí)不是很大，所以手指的結(jié)構(gòu)材料選用鋁合金。在手指的中間附有橡膠，來減小手指和果實(shí)接觸時(shí)的沖擊，同時(shí)也增大了接觸摩擦力。
3動(dòng)力源的選擇
3.1微小型驅(qū)動(dòng)模塊的研究
采用專用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)器具有高效率、高速度的特點(diǎn),特別是它具有自鎖特性,將其引入到采摘手的手指設(shè)計(jì)中。仿人手抓取物體達(dá)到抓握穩(wěn)定后,手指依靠電機(jī)自鎖力矩保持對(duì)物體的抓取力。采用專用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制芯片和驅(qū)動(dòng)芯片組成的系統(tǒng)，外圍電路簡單，可靠性高，同時(shí)減少電路板的尺寸。
基于上述思想，采用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為機(jī)械手手指的驅(qū)動(dòng)元件,通過由電機(jī)專用控制芯片和微處理器相結(jié)合的控制系統(tǒng)使機(jī)械手抓取具有柔順性和力矩控制的能力。
3.2電機(jī)的選擇
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)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。
3.2.1步進(jìn)電機(jī)的主要特性
（1）步進(jìn)電機(jī)必須加驅(qū)動(dòng)才可以運(yùn)轉(zhuǎn)， 驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須為脈沖信號(hào)，沒有脈沖的時(shí)候， 步進(jìn)電機(jī)靜止， 如 果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號(hào)， 就會(huì)以一定的角度（稱為步角）轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和脈沖的頻率成正比。
（2）步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動(dòng)和急速停止的優(yōu)越特性。
（3)改變脈沖的順序， 可以方便的改變轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。
3.3步進(jìn)電機(jī)的確定
通過對(duì)機(jī)械手的分析，考慮到本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手的工作情況，以及設(shè)計(jì)要求，在互聯(lián)網(wǎng)和專業(yè)書籍中對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)篩選最后決定選用電機(jī)型號(hào)：PM10s-020-zst7，電機(jī)轉(zhuǎn)速500r/min轉(zhuǎn)矩電機(jī)性能參數(shù)如圖2-1所示，電機(jī)幾何參數(shù)如圖2-2所示
圖 2-1電機(jī)參數(shù)
圖 2-2電機(jī)尺寸參數(shù)
4.傳動(dòng)方式選擇和設(shè)計(jì)
4.1微小型傳動(dòng)模塊研究
采摘機(jī)械手傳動(dòng)系統(tǒng)把驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)和力以一定的方式傳遞到手指關(guān)節(jié),從而使關(guān)節(jié)做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)器密切相關(guān)。采用自主設(shè)計(jì)的微小型齒輪減速器傳遞步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)和力，不僅減小手指的尺寸和質(zhì)量，而且提高了抓取過程的平穩(wěn)性和抓取能力。
綜合考慮手指的結(jié)構(gòu)形式，外部尺寸以及剛度、強(qiáng)度、靈活度的要求，選擇齒輪傳動(dòng)作為傳動(dòng)方式，這樣既保證了外部結(jié)構(gòu)尺寸，又保證了傳動(dòng)的效率，增加了傳動(dòng)的可靠性。
4.2輸出端齒輪
4.2.1選擇材料及精度等級(jí)
根據(jù)設(shè)計(jì)需要，輸出端齒輪直接與電機(jī)連接，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，轉(zhuǎn)速不高，故選用7級(jí)精度，齒輪材料為45鋼（調(diào)制），硬度為240HBS。令小齒輪的齒數(shù)為18
4.2.2按接觸強(qiáng)度進(jìn)行初步計(jì)算
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中設(shè)計(jì)計(jì)算公式10-9a進(jìn)行試算，即
（4-1）
（1）試選載荷系數(shù)Kt=1.3
（2）輸出轉(zhuǎn)矩
（3）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中表10-7選取齒寬系數(shù)φd=1。
（4）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)
（5）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中圖10-21d按齒面硬度查得接觸疲勞強(qiáng)度極為
（6）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。
（4-2）
（7）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù)
（8）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。
取失效概率為，安全系數(shù)S=1,由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中式10-12得
(4-3)
（9）試算齒輪分度圓直徑d將[σH]代入上式得(4-1)
（4-4）
（10）計(jì)算圓周速度
(4-5)
（11）計(jì)算齒寬與賜稿之比
(4-6)
(4-7)
(4-8)
(4-9)
（12）計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)，7級(jí)精度，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中圖10-8查得動(dòng)載系數(shù)；
直齒輪；
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》]中表10-2查得使用系數(shù)；
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中表10-4用插值法查得7級(jí)精度，非對(duì)稱布置
由，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》中圖10-13得；故載荷系數(shù)
(4-10)
（13）按實(shí)際載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式10-10a得
(4-11)
(4-12)
4.2.3按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中式10-5得彎曲強(qiáng)度得設(shè)計(jì)公式為
(4-13)
（1）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中圖10-20c查得齒輪1得彎曲疲勞強(qiáng)度極限
（2）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)；
（3）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中式10-12得
(4-14)
（4）計(jì)算載荷系數(shù)K
(4-15)
（5）查取齒形系數(shù)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中表10-5查得；
代入上式(3-13)
(4-16)
4.2.4確定模數(shù)
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)?？扇∮蓮澢鷱?qiáng)度算得的模數(shù)。
4.2.5確定齒數(shù)
按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑 ，算出輸出端齒輪的齒數(shù)
(4-17)
為使輪齒免于根切，對(duì)于的標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，應(yīng)取。由于輪齒主要為磨損失效，為使輪齒不至于過小，故小齒輪不宜選用過多的齒數(shù)，一般可取。所以選取輸出端齒輪的齒數(shù)為
4.3幾何尺寸計(jì)算
4.3.1輸出端齒輪
（1）計(jì)算分度圓直徑
(4-18)
（2）計(jì)算齒頂圓直徑
(4-19)
（3）計(jì)算齒根圓直徑
(4-20)
4.3.2從動(dòng)齒輪
根據(jù)設(shè)計(jì)的要求和設(shè)計(jì)尺寸，從動(dòng)齒輪與輸出端的齒輪中心距設(shè)為。由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-2中的公式可得
（1）
（2）分度圓直徑
（3）頂圓直徑
（4）計(jì)算齒根圓直徑
5其他零件的設(shè)計(jì)
5.1手掌的設(shè)計(jì)
為了使手指能在手掌上旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形成不同的角度，將手掌底座設(shè)計(jì)成圓盤型如圖5-1所示。掌心則是長方形。兩邊形成圓角便于手指的旋轉(zhuǎn)如圖5-2
圖 5-1手掌底座
圖 5-2掌心
5.2手指底座
采摘手就兩個(gè)指節(jié)，要完成在手掌上的旋轉(zhuǎn)需要有個(gè)連接底座。一是支撐手指，二是完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)其結(jié)構(gòu)如圖5-3所示
圖 5-3手指底座
在手指底座的左端連接在手掌上，并由異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。在右邊的結(jié)構(gòu)中來連接第一個(gè)關(guān)節(jié)，并安裝微型電機(jī)通過齒輪傳動(dòng)使手指完成抓取運(yùn)動(dòng)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5-4
圖5-4內(nèi)部結(jié)構(gòu)
5.3第一個(gè)指節(jié)
第一個(gè)指節(jié)長55mm，寬22mm。通過一個(gè)連接件與手指底座的傳動(dòng)軸過度連接，從而帶動(dòng)手指的轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)在一手指內(nèi)也裝有一個(gè)異步電機(jī)，來傳動(dòng)第二個(gè)手指轉(zhuǎn)動(dòng)。連接件如圖5-5，手指零件如圖5-6，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5-7
圖5-5連接件
圖5-6手指一零件
圖 5-7內(nèi)部結(jié)構(gòu)
5.4第二個(gè)指節(jié)
第二個(gè)指節(jié)長40mm，它的動(dòng)力來源是第一個(gè)指節(jié)上的電機(jī)。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)理論，人手在自然狀態(tài)下手指成彎曲狀態(tài)，當(dāng)手掌繃緊時(shí)指尖也與手掌自然形成一定角度。通過測量這個(gè)角度平均在之間。所以在設(shè)計(jì)中第二個(gè)指節(jié)與第一個(gè)指節(jié)通過連接件連接時(shí)的起始位置就形成一個(gè)角。連接件和指節(jié)二如圖5-8和5-9所示，手指總裝配如圖5-10所示。
圖 5-8連接件
圖 5-9指節(jié)二
圖 5-10手指總裝配圖
6.其他硬件系統(tǒng)
6.1傳感器
傳感元件是采摘手工作是重要的組成部分，采摘手對(duì)與果蔬的表皮損害程度取決于傳感元件，所以建議選擇應(yīng)變式壓力傳感器。其工作原理是利用彈性敏感元件和應(yīng)變計(jì)將被測壓力轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電阻值變化的壓力傳感器。
應(yīng)變計(jì)中應(yīng)用最多的是粘貼式應(yīng)變計(jì)(即應(yīng)變片)。它的主要缺點(diǎn)是輸出信號(hào)小、線性范圍窄,而且動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差(見電阻應(yīng)變計(jì)、半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì))。但由于應(yīng)變片的體積小,商品化的應(yīng)變片有多種規(guī)格可供選擇，而且可以靈活設(shè)計(jì)彈性敏感元件的形式以適應(yīng)各種應(yīng)用場合，所以用應(yīng)變片制造的應(yīng)變式壓力傳感器仍有廣泛的應(yīng)用。按彈性敏感元件結(jié)構(gòu)的不同,應(yīng)變式壓力傳感器大致可分為應(yīng)變管式、膜片式、應(yīng)變梁式和組合式4種。根據(jù)設(shè)計(jì)情況我們選擇膜片式。
它的彈性敏感元件為周邊固定圓形金屬平膜片。膜片受壓力變形時(shí)，中心處徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變均達(dá)到正的最大值，而邊緣處徑向應(yīng)變達(dá)到負(fù)的最大值，切向應(yīng)變?yōu)榱?。因此常把兩個(gè)應(yīng)變片分別貼在正負(fù)最大應(yīng)變處，并接成相鄰橋臂的半橋電路以獲得較大靈敏度和溫度補(bǔ)償作用。采用圓形箔式應(yīng)變計(jì)(見電阻應(yīng)變計(jì))則能最大限度地利用膜片的應(yīng)變效果（圖6-1）。這種傳感器的非線性較顯著。膜片式壓力傳感器的最新產(chǎn)品是將彈性敏感元件和應(yīng)變片的作用集于單晶硅膜片一身，即采用集成電路工藝在單晶硅膜片上擴(kuò)散制作電阻條，并采用周邊固定結(jié)構(gòu)制成的固態(tài)壓力傳感器
圖6-1膜片式應(yīng)變力傳感器
6.2單片機(jī)
本系統(tǒng)選用STC89C52單片機(jī)，此單片機(jī)的開發(fā)主要用到兩種語言:匯編語言和C語言。匯編語言雖然擁有生成的機(jī)器代碼簡潔、占ROM空間少、執(zhí)行效率高的優(yōu)勢，但當(dāng)編寫一個(gè)較大的應(yīng)用程序時(shí)，從內(nèi)部RAM單元的規(guī)劃、堆棧的保護(hù)、ROM中斷入口地址的安排、PC的維護(hù)，到內(nèi)外部資源的整合、系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)，尤其當(dāng)程序中含有大量計(jì)算時(shí)，用匯編語言來編寫程序就顯得力不從心。故除了一些要求特殊的功能模塊采用匯編外，一般情況下，都采用主要面向應(yīng)用、運(yùn)算符豐富、結(jié)構(gòu)簡潔的C51實(shí)現(xiàn)。
6.3圖像識(shí)別系統(tǒng)
主要在手掌中心安裝針孔攝像頭，通過顏色識(shí)別確定果蔬的位置。彩色圖像處理中常用的顏色模型有:RGB顏色模型、H S V 顏色模型、Y Cb Cr 顏色模型和L*a*b*顏色模型等。RGB模型是根據(jù)三基色原理建立起來的,是基本的顏色表示模型,其他的顏色表示模型都可通過RGB模型轉(zhuǎn)化得到。H S V 模型直接采用彩色特性意義上的3個(gè)量: 亮度或明度(V)、色調(diào)(H)、飽和度(S)來描述顏色, 比較符合人對(duì)顏色的描述習(xí)慣,但該模型表示的顏色并不全是視覺所感受的顏色。
7工作原理流程及形態(tài)
7.1工作原理
工作原理流程圖如圖7-1所示。從圖中可以看出，機(jī)械臂帶動(dòng)機(jī)械手接近果實(shí)的過程中和果實(shí)發(fā)生擠壓并產(chǎn)生壓力，由傳感器測得的力信號(hào)傳給單片機(jī)，判斷是否達(dá)到力閉值，這里的力閉值是根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的，即保證不損壞果實(shí)的前提下略小于穩(wěn)定抓持的力。當(dāng)機(jī)械手?jǐn)D壓果實(shí)的過程中，如果達(dá)到該值則觸發(fā)機(jī)械手動(dòng)作，所以采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)及其控制研究該值起到觸發(fā)信號(hào)的作用。如果達(dá)到該閨值機(jī)械手開始完成穩(wěn)定抓持，然后手腕上升，將果實(shí)提升和其它果實(shí)分離，避免隨后的旋轉(zhuǎn)過程碰傷其它果實(shí)或者周邊的環(huán)境對(duì)手的動(dòng)作發(fā)生干涉，完成采摘后松開果實(shí)手再恢復(fù)原位。緊接著機(jī)器視覺判斷該果實(shí)是否在原位，要是在原位說明沒采摘下，則作為新果實(shí)繼續(xù)采摘，否則說明采摘成功，繼續(xù)下一個(gè)果實(shí)的采摘。
圖7-1工作流程
7.2工作形態(tài)
因?yàn)楣叩男螒B(tài)各有不同，采摘機(jī)械手可以變換手指位置對(duì)不同形狀的果蔬進(jìn)行抓去任務(wù)。通過Solidworks建模進(jìn)行間隙驗(yàn)證推算抓取范圍。下面對(duì)主要的三種形態(tài)進(jìn)行分析。
7.2.1形態(tài)一
三指并攏狀態(tài)如圖7-2所示，最小抓取直徑為16.5mm，最大抓取直徑為60mm，長度大于80mm的棒狀物體，如黃瓜之類的果蔬最佳，抓取狀態(tài)如圖7-3和7-4所示。
圖7-2形態(tài)一
圖7-3最小抓取形態(tài) 圖7-4最大抓取形態(tài)
7.2.2形態(tài)二
形態(tài)二如圖7-5所示三指互成120°，在這種狀態(tài)抓取球狀物體最為穩(wěn)定。抓取范圍為直徑在70—100mm之間球體。抓取形態(tài)如圖7-6和7-7所示。
圖7-5形態(tài)二
圖7-6最小抓取 圖7-7最大抓取
7.2.3形態(tài)三
形態(tài)三如圖7-8所示，兩個(gè)活動(dòng)手指平行達(dá)與固定手指對(duì)立相比形態(tài)一抓取做大直徑為95mm。如圖7-9所示
圖7-8形態(tài)三 圖7-9最大抓取
8小結(jié)
通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我深深體會(huì)到自己在理論知識(shí)方面的欠缺，同時(shí)也感到自己在知識(shí)的運(yùn)用上也不夠靈活，這也說明我在學(xué)習(xí)知識(shí)的過程中存在著一些缺點(diǎn)，總結(jié)有以下幾點(diǎn)：
1.在初定方案過程中，由于自己所見實(shí)物過少，零部件的尺寸不能確定，使方案進(jìn)行了多次修改，耽誤了大量時(shí)間。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)加工有偏差，也相應(yīng)作了修改。
2.在機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也花了不少時(shí)間，因?yàn)橐紤]微電機(jī)的安裝和整體外形尺寸。手指見間的連接，手指的驅(qū)動(dòng)等諸多問題的考慮。
3.運(yùn)用三維軟件對(duì)這個(gè)機(jī)械手進(jìn)行三維建模，仿真，做動(dòng)畫。工作量也比較大，在建模過程中也發(fā)現(xiàn)了不少設(shè)計(jì)方案和尺寸等諸多問題。
總體來說，在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，收獲很大，平時(shí)在學(xué)習(xí)知識(shí)的時(shí)候，總是認(rèn)為好多知識(shí)用不到，所以就沒有更深一步去理解。在此次設(shè)計(jì)中，我感到自己的知識(shí)面很窄，對(duì)知識(shí)掌握得不夠，在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮問題太片面，導(dǎo)致零部件進(jìn)行多次修改。由于工作量較大和時(shí)間緊張，在仿真這部分沒有做完整，這也是遺憾之處。同時(shí)也期望在今后有其他畢業(yè)生能夠克服，做到十全十美。
致 謝
對(duì)于這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成，首先感謝母校---塔里木大學(xué)的辛勤培育，感謝學(xué)校給我提供了如此難得的學(xué)習(xí)環(huán)境和機(jī)會(huì)，使我將以前學(xué)到的知識(shí)又重新回顧了一遍，知道了學(xué)習(xí)的可貴與獲取知識(shí)的辛勤。承蒙指導(dǎo)老師的耐心指導(dǎo)，使我順利地完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)。在此，深深地感謝指導(dǎo)老師，給予了我耐心的指導(dǎo)和幫助，體現(xiàn)出了他對(duì)工作高度負(fù)責(zé)的精神，感謝黃新成老師給我的指導(dǎo)，在周末他也會(huì)隨時(shí)過來檢查進(jìn)度。在整個(gè)設(shè)計(jì)的過程中，他耐心的指導(dǎo)，才使我的設(shè)計(jì)順利完成。在這里也特別感謝張宏老師在百忙之中抽出時(shí)間給我指導(dǎo)，同時(shí)也感謝本組老師給出的意見和指導(dǎo)。
對(duì)于這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于時(shí)間倉促和自己所學(xué)軟件掌握熟練程度等因素，使這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的仿真沒有達(dá)到最完美的效果，這不能不說是本次設(shè)計(jì)的遺憾之處。不過，它至少啟發(fā)了我的思維，提高了我的動(dòng)手能力，使我應(yīng)用了以前solid works軟件中沒有用到的工具，同時(shí)，使我將以前所學(xué)的書本知識(shí)又重新復(fù)習(xí)了一遍，這為我在今后的工作崗位上發(fā)揮自己的才能奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
最后，再一次衷心的感謝學(xué)校能夠給予我這次機(jī)會(huì)，使我將所學(xué)理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，以及在這次設(shè)計(jì)中給予我指導(dǎo)的所有老師。你們傳授的知識(shí)使我受用一生，你們的恩情我會(huì)銘記一生。
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