多臂采摘機(jī)器人的初步設(shè)計(jì)——采摘手的設(shè)計(jì)

1、<p>　　多臂采摘機(jī)器人的初步設(shè)計(jì)——采摘手的設(shè)計(jì)</p><p>　　學(xué)生姓名 張 鑫 </p><p>　　學(xué) 號(hào) 8011208101 </p><p>　　所屬學(xué)院 機(jī)械電氣化工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)

2、制造及其自動(dòng)化 </p><p>　　班 級(jí) 12-1 </p><p>　　指導(dǎo)教師 黃 新 成 </p><p>　　日 期 2012.06 </p><p><b>　　塔里木大學(xué)教務(wù)處制</b

3、></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1研究?jī)?nèi)容及意義1</p><p><b>　　1.2研究現(xiàn)狀1</b></p><p><b>　　1.3機(jī)械手3</b></p><p>　　2.機(jī)械手的設(shè)計(jì)

4、5</p><p><b>　　2.1設(shè)計(jì)方案5</b></p><p><b>　　2.2手指數(shù)量5</b></p><p>　　2.3手指關(guān)節(jié)數(shù)量5</p><p>　　2.4尺寸的設(shè)定6</p><p>　　2.5材料的選擇6</p><p

5、><b>　　3動(dòng)力源的選擇6</b></p><p>　　3.1微小型驅(qū)動(dòng)模塊的研究6</p><p>　　3.2電機(jī)的選擇7</p><p>　　3.3步進(jìn)電機(jī)的確定8</p><p>　　4.傳動(dòng)方式選擇和設(shè)計(jì)8</p><p>　　4.1微小型傳動(dòng)模塊研究9</p&

6、gt;<p>　　4.2輸出端齒輪9</p><p>　　4.3幾何尺寸計(jì)算10</p><p><b>　　5零件設(shè)計(jì)11</b></p><p>　　5.1手掌的設(shè)計(jì)11</p><p>　　5.2手指底座12</p><p>　　5.3第一個(gè)指節(jié)12</p&g

7、t;<p>　　5.4第二個(gè)指節(jié)13</p><p>　　6.其他硬件系統(tǒng)14</p><p><b>　　6.1傳感器14</b></p><p><b>　　6.2單片機(jī)15</b></p><p>　　6.3圖像識(shí)別系統(tǒng)15</p><p>　　

8、7工作原理流程及形態(tài)15</p><p>　　7.1工作原理16</p><p>　　7.2工作形態(tài)16</p><p><b>　　小 結(jié)19</b></p><p><b>　　致 謝20</b></p><p>　　參考文獻(xiàn)..................

9、....................................................................................................................................21</p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　隨著電子計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速

10、發(fā)展、農(nóng)業(yè)高新科技的應(yīng)用和推廣，農(nóng)業(yè)機(jī)器人已逐步進(jìn)入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，并將促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向著裝備機(jī)械化、生產(chǎn)智能化的方向發(fā)展。果蔬采摘是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中季節(jié)性強(qiáng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)要求高的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，研究和開(kāi)發(fā)果蔬采摘的智能機(jī)器人技術(shù)對(duì)于解放勞動(dòng)力、提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、保證新鮮果蔬品質(zhì)，以及滿足作物生長(zhǎng)的實(shí)時(shí)性要求等方面都有著重要的意義。</p><p>　　工業(yè)領(lǐng)域是機(jī)器人技術(shù)的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，目前已經(jīng)得到了

11、相當(dāng)成熟的應(yīng)用; 而采摘機(jī)器人工作在高度非結(jié)構(gòu)化的復(fù)雜環(huán)境下，作業(yè)對(duì)象是有生命力的新鮮水果或蔬菜。同工業(yè)機(jī)器人相比，采摘機(jī)器人具有以下的特點(diǎn): ① 作業(yè)對(duì)象嬌嫩、形狀復(fù)雜且個(gè)體狀況之間的差異性大，需要從機(jī)器人結(jié)構(gòu)、傳感器、控制系統(tǒng)等方面加以協(xié)調(diào)和控制; ② 采摘對(duì)象具有隨機(jī)分布性，大多被樹(shù)葉、樹(shù)枝等掩蓋，增大了機(jī)器人視覺(jué)定位難度，使得采摘速度和成功率降低，同時(shí)對(duì)機(jī)械手的避障提出了更高的要求; ③ 采摘機(jī)器人工作在非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境下，環(huán)境條

12、件隨著季節(jié)、天氣的變化而發(fā)生變化，環(huán)境信息完全是未知的、開(kāi)放的，要求機(jī)器人在視覺(jué)、知識(shí)推理和判斷等方面有相當(dāng)高的智能; ④ 采摘對(duì)象是有生命的、脆弱的生物體，要求在采摘過(guò)程中對(duì)果實(shí)無(wú)任何損傷，從而需要機(jī)器人的末端執(zhí)行器具有柔順性和靈巧性; ⑤ 高智能導(dǎo)致高成本，農(nóng)民或農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)者無(wú)法接受，并且采摘機(jī)器人的使用具有短時(shí)間、季節(jié)性、利用率不高的缺點(diǎn)，是限制采摘機(jī)器人推廣使用的重要因素; ⑥ 果蔬采摘機(jī)器人的操作者是農(nóng)民，不是具有機(jī)電知識(shí)的工程

13、師，因此要求果蔬采摘機(jī)器人必須具有高可靠性和操作簡(jiǎn)單、界面友好的特點(diǎn)。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)要求，主要針對(duì)機(jī)械手部分進(jìn)行機(jī)械方面的設(shè)計(jì)。由于設(shè)計(jì)者水平有限，本設(shè)計(jì)中難免有誤漏欠妥之處，懇請(qǐng)老師們批評(píng)指正。</p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　1.1研究?jī)?nèi)容及意義</p><p>

14、;　　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(lái)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(guò)編程來(lái)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)

15、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(jué)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(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力等方面具有很大潛力。國(guó)際上, 一些以日本和美國(guó)為代表的發(fā)達(dá)國(guó)

16、家,已經(jīng)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始研究采摘機(jī)器人,并取得了一些成果。而我國(guó)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)</p><p><b>　　1.2研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　果蔬采摘機(jī)器人的研究開(kāi)始于20 世紀(jì)60 年代的美國(guó)( 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(wú)法進(jìn)行選擇性的收獲

17、，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(kāi)發(fā)技術(shù)得到了快速的發(fā)展。</p><p>　　1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　在日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，農(nóng)業(yè)人口較少。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向規(guī)?；?、多樣化、精確化的方向邁進(jìn)，勞動(dòng)力不足的現(xiàn)象越來(lái)越明顯。許多作業(yè)項(xiàng)目

18、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(wèn)題很難解決。正是基于這種情況，這些發(fā)達(dá)國(guó)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。</p><p>　　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

19、皮車(chē)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(lái)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。</p><p>　　圖1-1人機(jī)協(xié)作型采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)</p><p>　　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</p><

20、p>　　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</p><p>　　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)</p><p>　　圖1-2西紅柿采摘機(jī)器人 圖1-3黃瓜采摘機(jī)器人</p><p>　　圖1-4草茍采摘機(jī)器人圖 1

21、-5多功能葡萄采摘機(jī)器人(套袋操作)</p><p>　　圖1-6收獲末端執(zhí)行器</p><p>　　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(chǎng)研制成功了簡(jiǎn)易育苗機(jī)器人系統(tǒng)。英國(guó)Silsoe研究院研制了蘑菇采摘機(jī)器人。它可以自動(dòng)測(cè)量蘑菇的位置、大小，并選擇性地采摘和修剪。</p><p>　　在柑桔收獲機(jī)器人研究方面，1986年，意大利卡

22、塔尼亞農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展部與美國(guó)Florida大學(xué)合作開(kāi)發(fā)了一種性能良好的具有伺服視覺(jué)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)</p><p>　　在蘋(píng)果收獲機(jī)器人方面，1983年，法國(guó)國(guó)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(guó)的“MAGAU”蘋(píng)果收獲機(jī)器人和西班牙的“CITRUS”柑桔收獲機(jī)器人嚇Sarig,199

23、3)</p><p>　　還有日本國(guó)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(guó)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(guó)科技人員聯(lián)合開(kāi)發(fā)研制了一臺(tái)甜瓜采摘機(jī)器人等。</p><p>　　1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀</p><p>　　國(guó)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(guó)家起步較晚，但是發(fā)展很快，很多院

24、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。</p><p>　　中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)張鐵中教授率先在我國(guó)開(kāi)展了自動(dòng)化嫁接技術(shù)的研究工作，先后成功開(kāi)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(guó)自動(dòng)化嫁接技術(shù)的空白，形成了具有我國(guó)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)

25、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(guó)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(kāi)始進(jìn)行農(nóng)用自動(dòng)引導(dǎo)行走車(chē)的研究。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)姬長(zhǎng)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(jué)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(cè)距作為噴藥機(jī)器人的輔助視覺(jué)系統(tǒng)。</p><p>　　還有吉林工業(yè)大學(xué)與吉林農(nóng)業(yè)

26、研究所研制的鋤草機(jī)器人，中國(guó)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(shù)人、尹建軍等在對(duì)西紅柿的視覺(jué)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(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，西北農(nóng)林科技大學(xué)對(duì)蘋(píng)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。</p><p><b>　　1.3機(jī)械手</b></p><p>

27、　　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(lái)，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

28、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。</p><p>　　1.3.1工業(yè)機(jī)械手</p><p>　　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

29、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(jué)、力等傳感器系統(tǒng)，從而開(kāi)始了多指手對(duì)外部環(huán)境的感知時(shí)代，并開(kāi)創(chuàng)了多指手實(shí)際抓取操作的先河。</p><p>　　圖1-7 StanfordlJPLS手 圖1-8 Utah/MIT手&

30、lt;/p><p>　　1998年德國(guó)研制的DLR- I多指手實(shí)現(xiàn)了當(dāng)自由度的數(shù)目超過(guò)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(guó)宇航中心(NASA)研制的Robonaut手，如圖1-10是一種面向國(guó)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。</p><p>　　圖

31、1-9 DLR手 圖1-10 NASA Robonaut手</p><p>　　從20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始，我國(guó)的很多研究機(jī)構(gòu)相繼開(kāi)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(kāi)展較早，并于1993年首先研制了我國(guó)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BU

32、AA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</p><p>　　圖1一11 HIT I手 圖1一12HIT/DLR多指手</p><p>　　1.3.2農(nóng)業(yè)機(jī)械手</p><p>　　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 K

33、awamura 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(kāi)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(guò)重的問(wèn)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。</p><p>　　機(jī)械手的控制有點(diǎn)位控制((PTP)和連續(xù)軌跡((CP

34、)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(cè)的。有時(shí)由于莖葉等障礙物的存在，必須通過(guò)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。</p><p>　　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(you

35、ng、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。</p><p>　　末端執(zhí)行器的形式主要有吸盤(pán)式(真空式吸盤(pán)、噴射式負(fù)壓吸盤(pán)、擴(kuò)散式負(fù)壓吸盤(pán)、擠壓排氣式吸盤(pán)、電磁式吸盤(pán)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)</p><p>　　末端執(zhí)行器所需的重要傳感器主要有觸

36、覺(jué)傳感器和接近傳感器。觸覺(jué)傳感器包括接觸傳感器、壓力傳感器和滑覺(jué)傳感器.接近傳感器通常用來(lái)獲得位置信息，識(shí)別物體的存在，避障，測(cè)量物體的形狀，補(bǔ)償位置傳感器的誤差等。</p><p>　　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)

37、于某些束狀生長(zhǎng)、果柄較短的果實(shí)，采用剪斷的方式比較困難。</p><p>　　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。</p><p

38、><b>　　2.機(jī)械手的設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　2.1設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　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(zhǎng)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(wèn)題

39、。</p><p><b>　　2.2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(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(pán)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(pán)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

40、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(kāi)。</p><p>　　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。</p><p>&l

41、t;b>　　2.3手指關(guān)節(jié)數(shù)量</b></p><p>　　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(guò)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(guò)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

42、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。</p><p><b>　　2.4尺寸的設(shè)定</b></p><p>　　機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸可以參考人類手指的長(zhǎng)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(chǎng)合作適當(dāng)?shù)某叽缯{(diào)整。通過(guò)對(duì)某學(xué)校的青年學(xué)生的手

43、指長(zhǎng)度的測(cè)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(zhǎng)度尺寸值可以作為設(shè)計(jì)多指靈巧手的手指長(zhǎng)度的參考。</p><p>　　圖2-1擬人手指簡(jiǎn)圖</p><p>　　表1-1 人的右手各關(guān)節(jié)長(zhǎng)度的平均值</p><p><b>　　單位（mm）</b></p><p>　　性別

44、 年齡 人數(shù) LA1 LA2 LB1 LB2 LB3 LC1 LC2</p><p>　　男 20-23 200 39.2 29.9 50.1 30.6 24.1 53.9 33.5</p><p>　　女

45、 20-23 100 35.4 28.4 46 29 22.1 55.1 32.6 </p><p>　　平均 -- -- 38.5 29.6 49.3 30.3 23.8 50.5 34.5</p><p>　　表1-2

46、 人的右手各關(guān)節(jié)長(zhǎng)度的平均值</p><p>　　LC3 LD1 LD2 LD3 LE1 LE2 LE3 F1 F2 </p><p>　　25.2 52.4 32.8 24.8 43.7 25.8 22.6 83.1 101.2

47、</p><p>　　23.5 48.3 51.5 22.4 39.6 22.9 20.5 77.9 97.3</p><p>　　24.9 51.7 32.5 24.4 42.9 25.2 22.2 82.2 100.5</p>&l

48、t;p>　　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(zhǎng)度，其中第一個(gè)關(guān)節(jié)長(zhǎng)度為55mm，第二個(gè)關(guān)節(jié)長(zhǎng)度為40mm，手指寬度為22mm，手掌直徑為。</p><p><b>　　2.5材料的選擇</b></p><p>　　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(lái)減小手指和果實(shí)接觸時(shí)的沖擊，同

49、時(shí)也增大了接觸摩擦力。</p><p><b>　　3動(dòng)力源的選擇</b></p><p>　　3.1微小型驅(qū)動(dòng)模塊的研究</p><p>　　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)

50、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(jiǎn)單，可靠性高，同時(shí)減少電路板的尺寸。</p><p>　　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(guò)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。</p><p><b>　　3.2電機(jī)的選擇</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖

51、信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)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^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)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(guò)控制脈沖頻率來(lái)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。</p><

52、;p>　　3.2.1步進(jìn)電機(jī)的主要特性</p><p>　?。?）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(méi)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。 </p><p>　?。?）步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動(dòng)和急速停止的優(yōu)越特性。 </p><p>　?。?)改變脈沖的順

53、序， 可以方便的改變轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。 </p><p>　　3.3步進(jìn)電機(jī)的確定</p><p>　　通過(guò)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(shū)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</p><p><b&g

54、t;　　圖 2-1電機(jī)參數(shù)</b></p><p>　　圖 2-2電機(jī)尺寸參數(shù)</p><p>　　4.傳動(dòng)方式選擇和設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1微小型傳動(dòng)模塊研究</p><p>　　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

55、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(guò)程的平穩(wěn)性和抓取能力。</p><p>　　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。</p><p><b>　　4.2輸出端齒輪</b></p><p&

56、gt;　　4.2.1選擇材料及精度等級(jí)</p><p>　　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</p><p>　　4.2.2按接觸強(qiáng)度進(jìn)行初步計(jì)算</p><p>　　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</p>&l

57、t;p><b>　　（4-1）</b></p><p>　?。?）試選載荷系數(shù)Kt=1.3</p><p>　?。?）輸出轉(zhuǎn)矩 </p><p>　?。?）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中表10-7選取齒寬系數(shù)φd=1。</p><p>　?。?）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)</p&g

58、t;<p>　　（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 </p><p>　?。?）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　?。?）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù)</p><p>　?。?）

59、計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。</p><p>　　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</p><p><b>　　(4-3)</b></p><p>　?。?）試算齒輪分度圓直徑d將[σH]代入上式得(4-1)</p><p>　　（4-4） </p><p>　?。?

60、0）計(jì)算圓周速度 </p><p><b>　　(4-5)</b></p><p>　?。?1）計(jì)算齒寬與賜稿之比 </p><p><b>　　(4-6)</b></p><p><b>　　(4-7)</b></p><p&

61、gt;<b>　　(4-8)</b></p><p><b>　　(4-9)</b></p><p>　　（12）計(jì)算載荷系數(shù)</p><p>　　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)；</p><p><b>　　直齒輪；</b></p>&l

62、t;p>　　由《機(jī)械設(shè)計(jì)》]中表10-2查得使用系數(shù)；</p><p>　　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</p><p>　　由，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》中圖10-13得；故載荷系數(shù) </p><p><b>　　(4-10)</b></p><p>　　（13）按實(shí)際載荷系數(shù)校正所算得的分度圓

63、直徑，由式10-10a得</p><p><b>　　(4-11)</b></p><p><b>　　(4-12)</b></p><p>　　4.2.3按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)</p><p>　　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</p><p><b&g

64、t;　　(4-13)</b></p><p>　　（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</p><p>　?。?）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)；</p><p>　?。?）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力</p><p>　　取彎曲疲勞安全系數(shù)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中式10-12得</p>

65、<p><b>　　(4-14)</b></p><p>　?。?）計(jì)算載荷系數(shù)K</p><p><b>　　(4-15)</b></p><p><b>　?。?）查取齒形系數(shù)</b></p><p>　　由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中表10-5查得；</p>

66、<p>　　代入上式(3-13)</p><p><b>　　(4-16)</b></p><p><b>　　4.2.4確定模數(shù)</b></p><p>　　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

67、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)。</p><p><b>　　4.2.5確定齒數(shù)</b></p><p>　　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)</p><p><b>　　(4-17)</b></p><p>　　為使輪齒免于根切，對(duì)于

68、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(guò)小，故小齒輪不宜選用過(guò)多的齒數(shù)，一般可取。所以選取輸出端齒輪的齒數(shù)為 </p><p><b>　　4.3幾何尺寸計(jì)算</b></p><p>　　4.3.1輸出端齒輪</p><p>

69、　　（1）計(jì)算分度圓直徑</p><p><b>　　(4-18)</b></p><p>　?。?）計(jì)算齒頂圓直徑</p><p><b>　　(4-19)</b></p><p>　?。?）計(jì)算齒根圓直徑</p><p>　　(4-20)

70、 </p><p><b>　　4.3.2從動(dòng)齒輪</b></p><p>　　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</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　（2）分度圓直徑</b>

71、;</p><p><b>　?。?）頂圓直徑</b></p><p>　　（4）計(jì)算齒根圓直徑</p><p>　　5其他零件的設(shè)計(jì) </p><p><b>　　5.1手掌的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　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

72、掌底座設(shè)計(jì)成圓盤(pán)型如圖5-1所示。掌心則是長(zhǎng)方形。兩邊形成圓角便于手指的旋轉(zhuǎn)如圖5-2</p><p><b>　　圖 5-1手掌底座</b></p><p><b>　　圖 5-2掌心</b></p><p><b>　　5.2手指底座</b></p><p>　　采摘手就兩

73、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</p><p><b>　　圖 5-3手指底座</b></p><p>　　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(lái)連接第一個(gè)關(guān)節(jié)，并安裝微型電機(jī)通過(guò)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</p><p><

74、;b>　　圖5-4內(nèi)部結(jié)構(gòu)</b></p><p><b>　　5.3第一個(gè)指節(jié)</b></p><p>　　第一個(gè)指節(jié)長(zhǎng)55mm，寬22mm。通過(guò)一個(gè)連接件與手指底座的傳動(dòng)軸過(guò)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(lái)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</p><p

75、><b>　　圖5-5連接件</b></p><p><b>　　圖5-6手指一零件</b></p><p><b>　　圖 5-7內(nèi)部結(jié)構(gòu)</b></p><p><b>　　5.4第二個(gè)指節(jié)</b></p><p>　　第二個(gè)指節(jié)長(zhǎng)40mm，它的

76、動(dòng)力來(lái)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(guò)測(cè)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(guò)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。</p><p><b>　　圖 5-8連接件</b></p><p><

77、;b>　　圖 5-9指節(jié)二</b></p><p>　　圖 5-10手指總裝配圖</p><p><b>　　6.其他硬件系統(tǒng)</b></p><p><b>　　6.1傳感器</b></p><p>　　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

78、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(cè)壓力轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電阻值變化的壓力傳感器。</p><p>　　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(jiàn)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(chǎng)合，所以用應(yīng)變片制造的應(yīng)變式壓力傳感器仍

79、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。</p><p>　　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)

80、變計(jì)(見(jiàn)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</p><p>　　圖6-1膜片式應(yīng)變力傳感器</p><p><b>　　6.2單片機(jī)</b></p>

81、;<p>　　本系統(tǒng)選用STC89C52單片機(jī)，此單片機(jī)的開(kāi)發(fā)主要用到兩種語(yǔ)言:匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。匯編語(yǔ)言雖然擁有生成的機(jī)器代碼簡(jiǎn)潔、占ROM空間少、執(zhí)行效率高的優(yōu)勢(shì)，但當(dāng)編寫(xiě)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(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)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，

82、都采用主要面向應(yīng)用、運(yùn)算符豐富、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔的C51實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　6.3圖像識(shí)別系統(tǒng)</b></p><p>　　主要在手掌中心安裝針孔攝像頭，通過(guò)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(lái)的,是基本的顏色表示模型,

83、其他的顏色表示模型都可通過(guò)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(lái)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(jué)所感受的顏色。</p><p>　　7工作原理流程及形態(tài)</p><p><b>　　7.1工作原理</b></p><p>　　工作原

84、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(guò)程中和果實(shí)發(fā)生擠壓并產(chǎn)生壓力，由傳感器測(cè)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(guò)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(kāi)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(guò)程碰傷

85、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(kāi)果實(shí)手再恢復(fù)原位。緊接著機(jī)器視覺(jué)判斷該果實(shí)是否在原位，要是在原位說(shuō)明沒(méi)采摘下，則作為新果實(shí)繼續(xù)采摘，否則說(shuō)明采摘成功，繼續(xù)下一個(gè)果實(shí)的采摘。</p><p><b>　　圖7-1工作流程</b></p><p><b>　　7.2工作形態(tài)</b></p><p>　　

86、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(guò)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。</p><p><b>　　7.2.1形態(tài)一</b></p><p>　　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(zhǎng)度大于80mm的棒狀物體，如黃瓜之類的果蔬最佳，

87、抓取狀態(tài)如圖7-3和7-4所示。</p><p><b>　　圖7-2形態(tài)一</b></p><p>　　圖7-3最小抓取形態(tài) 圖7-4最大抓取形態(tài)</p><p><b>　　7.2.2形態(tài)二</b></p><p>　　形態(tài)二如圖7-5所示三指互成

88、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。</p><p><b>　　圖7-5形態(tài)二</b></p><p>　　圖7-6最小抓取 圖7-7最大抓取</p><p><b>　　7.2.3形態(tài)三<

89、;/b></p><p>　　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</p><p>　　圖7-8形態(tài)三 圖7-9最大抓取</p><p><b>　　小 結(jié)</b></p><p>　　通過(guò)

90、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(shuō)明我在學(xué)習(xí)知識(shí)的過(guò)程中存在著一些缺點(diǎn)，總結(jié)有以下幾點(diǎn)：</p><p>　　1.在初定方案過(guò)程中，由于自己所見(jiàn)實(shí)物過(guò)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。在計(jì)算過(guò)程中，對(duì)于帶輪和齒輪的基本尺寸，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。</p><p>　　2.在

91、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(jiàn)間的連接，手指的驅(qū)動(dòng)等諸多問(wèn)題的考慮。</p><p>　　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(huà)。工作量也比較大，在建模過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了不少設(shè)計(jì)方案和尺寸等諸多問(wèn)題。</p><p>　　總體來(lái)說(shuō)，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(méi)有更深一步去理解。在

92、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(wèn)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(méi)有完全表達(dá)出我的設(shè)計(jì)意圖，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。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　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

93、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(guò)來(lái)檢查進(jìn)度。在整個(gè)設(shè)計(jì)的過(guò)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(jiàn)

94、和指導(dǎo)。</p><p>　　對(duì)于這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于時(shí)間倉(cāng)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(méi)有達(dá)到最完美的效果，這不能不說(shuō)是本次設(shè)計(jì)的遺憾之處。不過(guò)，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(méi)有用到的工具，同時(shí)，使我將以前所學(xué)的書(shū)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)。</p><p&g

95、t;　　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。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 吳宗澤,羅盛國(guó).機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè).3版.北京:高等教育出版社2006.5.</p><p>

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