第二章 柑橘采摘机械手的机构设计
图 2-3 果实分布图
根据柑橘树的径冠具体参数，确定图 2-3中，A点坐标(1100，1000)，B点坐标(100，0)，C点坐标(1100，0)。（单位：mm）
模拟过程：
（1）在CAD工作空间内，先假设机械手的初始位置，大臂与横坐标轴的初始夹角为零，小臂与纵坐标的初始夹角为60°。
（2）初步假设关节处电机的转角范围均为180°，并以各关节处为原点，先以大臂长为半径画半圆即大臂的运动范围。
（3）在大臂运动范围，让大臂绕原点（关节1）逐次均匀转动一定角度，然后在各个角度让小臂绕关节2画半圆(小臂运动范围)，最后得出机械手末端的运动范围。
（4）将步骤三得出的机械手工作空间向上移动一定高度(h=1000mm)，得出机械手最终的总工作空间，图 2-4。
图 2-4 机械手CAD模拟
结果分析：经CAD模拟，机械手的最终工作空间S1?SADKJEF?SCFEGHI?SLHIH，果实
S2?SAFHC的分别空间。由上图2-4可知，S1可完全覆盖S2，所以杆长
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第二章 柑橘采摘机械手的机构设计
L1=600mm,L2=500mm满足要求。
2.4 机械手关节处伺服电机内嵌式创新
进几年以来，随着果蔬采摘机械手领域的飞速发展，目前市面上以及实验室已经研究设计了不少种类的用于果蔬采摘的机械手，不过由于果蔬采摘机械手为小型机械手而普通伺服电机普遍转矩小而外形尺寸参数偏大，外加考虑经济的原因，所以很多机械手关节设计任就为传统的伺服电机加减速增力装置（减速器）外悬式的设计，如图2-5。可是传统的外悬式关节设计不仅使机械手看起来变得不协调，更笨重，而且在复杂的果蔬采摘环境中也容易成为障碍，不利于成功完成水果采摘，有违机械手需灵活轻巧的基本原则。
而如果能设计一种将伺服电机内嵌于关节内部的机械手，不仅可以大幅减小机械手的体积使机械手整体看起来更加小巧精简，而且可以避免外悬的伺服电机在机械手采摘过程中与果树枝丫发生不必要的碰撞，即保护了伺服电机，又保证了机械手水果采摘的顺利进行。
综上考虑，本次设计着重点再设计一种结构对称且伺服电机内嵌式的关节在机械手。
苹果采摘机械手 西红柿采摘机械手
图 2-5 外悬式机械手
2.5电机的选定
2.5.1 电机种类的选择选择发
在当今的机械手领域，根据机械手在运行时驱动方式的不同可大概的分为液动，气动，电动式等几大类。而且每种类型的机械手等都有着各自的优缺点。液压式的机械手通常都操作起来动作平稳且具有强大的抓举力，一般用于执行无法替代的繁重生产活动。不过液压类型的机械手由于液压缸的加入普遍都比较笨重且对液压缸等零件的制造精度要求较高。气动式的机械手一般机构简单造价较低，不过抓举力一般较小且难以进
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第二章 柑橘采摘机械手的机构设计
行控制。而相对于前两大类专用型的机械手，具有较大驱动力矩以、响应速度快以及灵活可控性的，综合性能较强的电动式机械手才是社会生产中使用最多最广泛的一种，它在械手领域占据了重要的地位。
而在就目前所有的电动式机械手中，驱动电机又分步进电机和伺服电机两大类。步进电机是一个通过将电流中的脉冲信号转为角位移来工作的开环控制电机件，精度由电机的相数和拍数决定且电机不具有过载能力；伺服电机也叫执行电机，是一个将电信号转换成速度或者角位移输出的闭环电器件，精度取决于编码器的线数而且具有较强的过载能力。在开启时，步进电机响应速度慢并在运行过程由于开环控制会发生过冲或丢步现象，而闭环的伺服电机不仅开机响应迅速，而且不会有这种现象发生，更利于精准控制。
在水果采摘中，为了能成功采摘形状不规则果树上的果实，需要机械手能精准的定位并实施采摘，所以选择驱动方式为伺服电机驱动。 2.5.2 电机规格的选择
在使用机械手进行柑橘果实采摘时，为了能准确、高质量的采摘到果树上的果实，机械手必须先通过大小臂以及旋转底座协调的运转一定角度将进行最后柑橘采摘的执行末端移动到果实位置，而要实现这一过程，则要求各关节处的电机转矩必须要大于各部件作用在各关节处的转矩总和。
大小臂连接处伺服电机2的选择：在机械手进行柑橘采摘过程中，为了使小臂能实现自由俯仰，电机2必须克服小臂本身以及执行末端对该关节处的转矩进行做功。
根据小臂杆长L2=500mm，尺寸d=60mm，壁厚=5mm，材料密度ρ=2.73g/cm3 ，假设机械手执行末端重量为 m=0.5kg
2222-43小臂体积V2为：V2???(R?r)?L???(0.03-0.025)?0.5?4.3?10m
-43则杆的质量m2为：m2?V2???4.3?10?2.73?10?1.17kg 则对大臂与小臂连接部分中心的扭矩M2为：
L?5.4N5?m M2?m2?g?2?m?g?L2?1.17?10?0.25?0.5?10?0.52经计算，为了满足连接点所需的转矩以及实现机械手内嵌式关节的设计构思，需要
选择一款转矩大于或等于5.45N?m且外形较规则，尺寸较小的伺服电机。不过传统的伺服电机普遍转矩都较小，一般都需要配合一定的减速增力装置才能达到力矩要求，而且考虑到传统伺服电机的外形尺寸都比较大且不规则，又比较笨重等，所以传统的伺服电机显然不是用于内嵌式关节水果采摘驱动的最佳选择。而相对传统的伺服电机，完美的将伺服电机和减速器结合到一起的舵机不仅转矩相对较大，而且体积，质量远小于传统的伺服电机，是内嵌式关节机械手的最佳选择。再加上考虑到机械手机构的对称性设计，最终选择舵机2的具体参数具体如下： 舵机名称：法兰型机器人舵机
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第二章 柑橘采摘机械手的机构设计
型号：UD-100F/100FD/100Fr 功率：30（w） 电压：12V/24 输出转矩：10N·m 旋转角度：180° 输出速度（空载）：0.20秒/60° 重量：575g
尺寸：外径64*85mm 具体尺寸图如2-6：
图2-6 舵机2
大臂底座连接处电机1的选择：相对于电机2只需要克服小臂及执行末端在关节2处的力矩外，位电机1不仅需要克服大臂在关节1处的力矩，而且还要克服连接大臂的小臂以及执行末端对关节1的力矩。
根据大臂杆长L1=600mm，小臂杆长L2=500mm，小臂质量m2=1.17kg，执行末质量m=0.5kg，电机2质量m电2=575g
大臂体积V1为： V1???(0.032?0..252)?0.6?5.18?10?4m3
则杆的质量m1为：m1?V1???5.2?10-4?2.73?103?1.41kg 则大臂对底座静接触点的转矩：
LM1D?m1?g?1?1.41?10?0.3?4.23N?m2
小臂对底座静接触点的转矩：
LM2D?m2?g?(L1?2)?1.17?10?0.6??0.6?0.25??9.95N?m2
执行末端对底座静接触点的转矩：
M?m?g?(L?L)?0.5?10?1.1?5.5N?m3Z12
电机2对底座静接触点的转矩：
M2J?m2J?g?L1?0.575?10?0.6?3.45N?m
对底座静接触点的总转矩：
MZ?M1?M2D?M3Z?MJ2?23.89N?m
舵机1的具体参数：
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第二章 柑橘采摘机械手的机构设计
舵机名称：法兰型机器人舵机 型号：UD-250F/UD-FD/UD-250FR 功率：65（w） 电压：12V/24V 输出转矩：25N·m 旋转角度：180° 输出速度（空载）：0.24秒/60° 重量：1350g
尺寸：外径88×188mm 具体尺寸图如2-7：
图 2-7 舵机1
旋转底部电机3的选择:由于电机3的主要作用是为了扩大机械手的工作空间，安装在机械手底部带动机械手旋转，使工作空间其由二维的区域面扩大为三维的立体空间。所以在运行过程中，除了克服底部旋转机构零件之间的摩擦和外部环境对机械手的一些不定性阻力外，电机3并不需要受太大的力，所以电机对于力矩并没有太大的要求。而且由于电机3不像关节处电机需要考虑机构的对称性，所以不需要虚轴。综上选择电机3的具体参数如下:
舵机名称：法兰型机器人舵机 型号：UD-250F/UD-FD/UD-250FR 功率:65（w） 电压：12V/24V 输出转矩：25N·m 旋转角度：360° 输出速度（空载）：0.24秒/60° 重量：1350g
尺寸：外径88×188mm 具体尺寸如图2-8：
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