采摘机械手结构设计

摘 要:采摘机器手在农业生产中具有广阔的应用前景.文章研究了机械手的机型选择、参数设计,并且从机械手的肩部、手腕、驱动、材料和成本等方面进行结构设计和研究.

关 键 词:采摘机器手,结构设计,农业生产

中图分类号:TP241.2文献标识码:A文章编号:1674-0432(2010)-10-0118-1

1采摘机械手的结构设计

结构设计通常是在确定机构的选型之后进行的,要使其满足构件的运动特征要求,并考虑构件的经济性和可行性,所以应优选那些合理的、实用的、简单的结构型式.尽可能的采用标准件、采用模块式结构、提高工艺性、外观造型美观大方,要便于装配、调整和维修,降低成本,保证工作的安全可靠性.

1.1机构选型

机构需要能够很好地躲避障碍物,具有最佳的工作空间,尽量少的自由度以及合理的结构,而且在作业的过程中能够很好的避开运动死区的位置.

1.2参数设计

采用优化方法进行机械手构件尺寸综合的数学模型为:

minF(X)X∈Rm

约束条件:xi≥ximin(i等于1,2,3等m)

qjmin≤qj≤qjmax(j等于1,2,等n)

其中:m为未知结构参数的数目,n为机器人关节数目,qj为第j关节的运动参数.

1.3结构设计

1.3.1肩部结构采摘机械手的肩部结构可设计为三个关节,采用球面副结构.关节1结构采用圆筒型的空心轴,用2个圆锥滚子轴承支承,使轴承之间的间隙可以进行调整.该结构具有承载能力大、旋转精度高、可在空心轴的空隙内走线、刚性好、结构简单的特点.关节2结构采用两端支承的空心轴,采用该结构可以使占地大的电机的一部分安装在空心轴内,减小了电机裸露在外部的长度,减小了机构的整体尺寸,美化了外观.而且,提高的了支承的刚性,简化了结构,使运动更加灵活轻巧.关节3采用与机械手大臂的壳体组合为一体的结构,该结构最大的特点是使得整个电机安装在机构的内部,而且关节驱动的输出轴设计有卸荷结构,工作时,使跟其相连的关节4的部件和机械手小臂由于自身重力产生的重力矩不直接作用在输出轴上,而是利用2个轴承传递到机械手大臂的壳体上,由壳体承担重力矩.该结构刚性好,运动灵活可靠、精度高,整体结构紧凑、模块化,装拆方便、便于进行调试和维修.

图1关节1结构图2关节2结构

1.3.2手部结构机械手的腕部处在手臂的末端,体积不易过大,运动也要简单可行,并实用,故采用类似Cincinnati-T3系列的手腕结构比较适宜.因为Cincinnati-T3结构紧凑,体积小,运动传递的方式简单实用,符合结构设计的要求,运动范围也大.但结构太复杂,在满足设计和性能要求的前提下,将其结构简化设计如图4所示.简化后的结构全部采用标准的锥齿轮,简化了零部件的结构,并增加可调整环节,有效的改善了机构加工的工艺性,更便于机构的装配、调试和维修.腕部结构的运动运用轴套传递,其驱动装置安装在远离机械手腕部的小臂另一端,起了平衡配重的作用.结构中的三根轴轴线相交于球心点,这对于求解位置的反解非常方便.

图3关节3结构图4手腕示意图

1.3.3驱动装置驱动装置采用一体化结构,统一协调电机、减速器、制动器、光电编码器的结构与尺寸,紧凑了机械手的结构,减小了体积和重量,外型整齐美观,装配、调试和维修也很方便.

1.3.4材料需在保证采摘机械手的刚度和强度的前提下,尽可能的减轻运动部件的重量,减小工作时运动部件的驱动力矩和转动惯量,提高机械手的动力性能.故肩部、末端执行器等运动零件适合采用铝合金材料,减少运动惯量和驱动力矩.基座部分的零件可采用铸铁和钢材,提高整机的稳定性.

1.3.5成本设计时,在满足机械手性能要求的同时还应该注意降低成本,尽量使结构简单,标准化、模块化,减少研究的经费.

2结束语

发展农业是国之生存的根本,世界各国都在大力加强农业的发展,农业生产也逐步规范化、机械化,因此利于果蔬采摘的小型机器人有着广阔的应用前景.为更好的提高工作效率和机械手的工作性能,还应结合具体的工作要求和工作对象自身的特性,其设计仍有待于进一步的深入研究.

作者简介:王俊杰,山东信息职业技术学院电子工程系高级讲师,教研室主任,研究方向:机电教学,王丽丽,山东信息职业技术学院电子工程系助理讲师,研究方向:机电教学.