机械臂的设计方案

前言：想要写出一篇令人眼前一亮的文章吗？我们特意为您整理了5篇机械臂的设计方案范文，相信会为您的写作带来帮助，发现更多的写作思路和灵感。

机械臂的设计方案范文第1篇

【关键词】机器人；手臂关节；机械设计

1.引言

从机械手臂投入商用起，已经有了几十年的应用和发展历史。将模块化的设计思路与理念引入机械手臂的设计中，能够充分发挥其灵活、可拆分、可组合的特点，并将其应用于更多的场合，包括服务机器人，工业生产制造领域、医疗领域等等。本文结合机械臂设计的模块化理念，着重对其进行系统分析和设计，包括旋转关节、传动系统、减速系统进行实现，具有比较好的理论价值与实践意义。

2.机器人手臂关节机械设计

2.1手臂关节模块

手臂关节模块包含了许多零部件，主要有旋转电机、减速器和反馈单元等。在手臂关节的内部固定了控制单元和传动系统，以二级减速传动作为传动模式，即齿轮减速传动与谐波减速传动，这种传动模式可以支持手臂关节自由度之内的回转运动。下面具体阐述其设计方案：

(l)模块外壳方案

手臂关节的外壳能够为电机、制动器、滚动轴承提供必要的机械支撑，并起到必要的保护作用。在手臂关节运动的过程中，模块的外壳也承受了期间多产生的种种应力，因此模块的外壳必须满足一定的刚度。模块外壳的主要构成部分包括：底盖、电机、齿轮盖、主壳体、轴承、制动器等。其中，底盖位于结构的底端，其作用是为整个旋转模块的各个部件提供支撑与连接；主壳体构成此部件单元的外壳，对单元当中的电机、制动器等子单元起到连接和支撑作用；齿轮盖覆盖于模块的齿轮传动单元之上，起到保护和连接作用，而且能够支持谐波齿轮减速器的安装。为保证机械臂有足够的强度，模块外壳选取的制作材料为铝合金，并将壁体设计为圆桶状的抗压结构，为防止氧化与腐蚀，表面结果特殊处理。

(2)减速齿轮方案

减速齿轮方案的主要构成部分包括：电机连接齿轮、中心齿轮、中心轴以及制动连接齿轮等。其实现方式简述如下：通过小齿轮来连接直流电机的输出端，然后通过与小齿轮相咬合的中心齿轮互相连接；同理，通过另一个小齿轮来连接断电制动器的输出端，然后通过与小齿轮相咬合的中心齿轮互相连接。在这种啮合模式下，当减速齿轮单元加电后，便由系统的电机来作为动力源输出，而当减速齿轮单元端电后，便由系统的制动器来作为阻力源输出。考虑到机械臂的关节在不同运动时，会使减速齿轮持续维持高速转动状态，因此必须有足量的剂。又因为该减速齿轮不是封闭结构，因此本文以滑脂来起到齿轮的作用。

(3)中轴传动方案

中轴的传动方案是整个机械臂设计中非常关键的一个组成部分。中轴传动的作用是，首先支持来自中心齿轮的动力，其次还要为波发射器高效传递动力。考虑到中轴会承接一定比例的来自轴向的受力和很大比例的径向应力，因此为支持中轴，引入了角接触轴承。中轴传动单元主要由旋转模块、断电制动器、卡簧、角接触轴承、中心齿轮、主轴、连接法兰以及波发射器组成。

因为中轴传动单元在设计上要求同轴度与圆柱度都在较高的水准，因此尤其应注重其材料选择和参数控制。本研究所设计的中轴用以45号钢才作为原料，并在成型后淬火，从而保证单元在表面具备一定的硬度。

在中轴传动方案中，最关键的是旋转模块的结构设计。旋转模块的设计思路是：将其转轴与中心轴线重合，并以电机驱动。在模块上部署有电磁编码器，用于周期性地检测角位移和角速度。将之与直流伺服电机相联。结合具体的应用环境与需求，直流伺服电机也可以加装起到减速增力作用的行星减速箱，共同起到动力输出的作用。而后通过小齿轮与中心齿轮的咬合，以正齿轮传动方式来实现系统的减速增力功能。

断电制动器的结构设计也是中轴传动方案中的关键，断电制动器有两方面的作用，首先在旋转模块进行位置搜索时能够起到保持作用，其次，在旋转模块因故失去电源之后也能发挥保护的功能。在中轴中，当旋转单元加电，并处于转动状态的时候，断电制动单元便会随着系统的小齿轮单元传递过来的中心齿轮作用而转动，而在断电制动器运动的时候，其输出轴的动力也来自小齿轮单元。在本文所涉及的机械臂中，电机与制动器全部布置于电机底座，并且将电机底也作为旋转单元外壳的一部分，其好处在于保护内部零部件。

2.2连接件模块

连接件的主要功能是在机械臂中连接旋转关节不同的单元，因此是机械臂的重要组合部分，对机械臂的组合与功能的发挥均有着不容忽视的作用。由于机械臂的各个模块单元是相对独立的关系，因此只要将不同的模块单元互相组合，起可以发挥机器人的机械臂基本功能。因此本文结合具体的需求，设计开发了数种类型不同的连接结构。

机器人的机械臂在实际操作中，连接件实现了不同部件单元之间的力矩传递，而其质量的大小也关系到机械臂整体重量和轻便程度，因此在实际设计中，一方面应保证改模块单元具有足够的机械强度，另一方面也应考虑到减轻其质量。本文在设计中，考虑到铝合金属于高强度低密度的材料，同时具有比较好的可塑性，因此以铝合金作为连接件的制作材料。

2.3模块手抓单元

考虑到机械臂必须部署在一个可以移动的平台上，来在现场抓取物体，因此模块手抓单元的末端执行器是其中最重要的组件。为了满足这个系统的模块化的设计，末端执行器必须具备一定的应用和扩展功能。假若模块手抓单元附加多指灵巧手，其实能够抓取更多类型的对象，本课题的研究只需模块手抓单元能够抓取简单对象，因此使用了图中的简单的夹钳手抓，其优点是结构简单、容易控制。

3.结束语

机器人的机械臂设计与开发属于机电一体化领域的高精尖课题。考虑到机械臂的结构具有比较高的复杂性，本文阐述的设计方案充分顾及了模块设计的标准化与产品的通用性，从而能够良好的满足模块之间的替代性特征需求，因而也能够保障机器人的机械臂在实际应用中能够满足用户的要求。

参考文献

[1]郭立新，赵明扬，张国忠.空间冗余度机器人最小关节力矩的轨迹规划.东北大学学报(自然科学版 ).2010:512-515

[2]马江.六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真.北京工业大学硕士学位论文,2009:3-10

机械臂的设计方案范文第2篇

关键词：超大型平头塔式起重机；平衡臂；优化设计；有限元

中图分类号：TH2文献标识码：A

Abstract：Taking the counterjib of T3000160 super large flattop tower crane as the research object，the structure is optimized. Firstly，the finite element simulation model of the counterjib is established. Then，the APDL algorithm language and parametric technique in Ansys are used to parameterize the design dimensions of the counterjib structure. Through the structural optimization，the optimal crosssectional dimension of the main structure of the counterjib is obtained，The results show that the overall strength and rigidity of the counterjib meet the design requirements，and the parametric design can improve the design quality of the construction machinery.

Key words：super large flattop tower crane，counterjib，optimized design，finite element

1引言

S着有限元技术的不断发展，计算机辅助设计在塔式起重机关键组成部件的优化分析设计中得到了广泛应用。计算机辅助设计及有限元分析技术的引进使用，使得塔机产品使用起来更加安全和高效。超大型平头塔式起重机作为塔机发展的方向，其结构复杂，工况多样，仅仅对其进行整体的综合系统设计是不够的，更应该关注其细节结构设计分析，关注计算机优化设计。

本论文选取T3000160超大型平头塔式起重机作为研究对象，利用计算机辅助设计技术对平衡臂结构进行有限元建模分析，使用APDL算法完成平衡臂结构的优化设计，达到降本增效的目的。

2Ansys有限元分析优化设计的有关概念121设计变量设计方案完成后，其中的设计元素可以用一组基本参数数值来表示，这一组参数数值就是所谓的设计变量。

22目标函数

在产品结构设计中，可以利用一些设计指标衡量一项设计方案的好坏，通过把设计指标参数化得到相关函数来表示这些指标，这些相关函数即是优化设计的目标函数。

计算技术与自动化2017年6月第36卷第2期郭纪斌等：基于Ansys的超大型平头塔式起重机平衡臂优化设计23约束性条件

所谓约束性条件是在对与目标函数相关的设计变量进行取值时加入的限制性条件。约束类型按照目标函数中设计变量的不同性质可分为边界性约束和性能性约束。

24合理性设计

所谓合理性设计是指满足设计方案所有给定约束条件（包括设计变量的约束和状态变量的约束）的设计。倘若给定约束条件中的任一条未满足，该设计就被认为是不合理的。而最优设计就是既能满足所有约束条件同时目标函数值又是最小的设计。

3超大型平头塔机平衡臂优化设计的步骤

在Ansys软件中可以用两种方式进行结构优化设计：图形交互式或者数据批处理来完成。在本论文中，选用数据批处理方式来进行平衡臂结构优化设计，以期提高优化设计效率。

由于用户采用优化方式的差异（批处理或GUI方式），Ansys优化设计步骤会有些许差别。本论文中平衡臂优化设计步骤如下：

31分析文件的生成1311参数化建立模型通过Ansys软件/PREP7命令把设计方案中的设计变量参数化建立数据模型的工作完成。对于本论文选定的T3000160超大型平头塔式起重机平衡臂，设计变量是拉杆和臂架弦杆的尺寸，如表1所示。

表1设计变量

设计变量1初值（mm）1变量含义X112001平衡臂下弦杆角钢L200X36的截面长度X21361平衡臂下弦杆角钢L200X36的截面长度X31651平衡臂拉杆圆钢Φ130的半径

312计算求解

Ansys中的求解器主要是对分析类型和分析选项在优化过程中进行定义，并完成载荷的施加，及对载荷步的指定，最后进行有限元分析计算，同时在分析过程中需要的数据都要在计算求解过程中指出。

在本论文平衡臂的优化分析中，solution 部分输入如下：

/SOLU

PREP7，

…

BEAM，P21X，5，PRES，-0.2c-5，…

Acc1，0，10000，0，

AUTO CP，0，0.65*2，

SOLVE，

FINISH。

313提取参数化分析结果

对分析结果进行提取并给相应的参数赋值，这些参数通常情况下包括目标函数和状态变量。完成本步操作使用POST1命令，尤其是与数据的存储、加减或者其他操作相关时，而对数据的提取通常用*GET命令（Utility Menu>Parameters>Get Scalar Data）来完成。

在本论文研究中，设置平衡臂总重量为目标函数。因为重量和体积成比例关系，对产品总体积的减小就相当于总重量的减少，因此把总体积设计为目标函数。在优化研究中，把轴向应力、节点位移设置为状态变量。这些参数的设定可以用下面的方法进行定义：

/POST1

ETABLE，evolume，VOLU，

QR SSUM

*GET，VOLUME，SSUM，DEFORMED，EVOLUME

…

QR，SMAX_E，LS，0，1

CP，ETAB，SMAX_E，0，1，

*GET，SMAX_E，SORT，MAX

…

*GETT，DYMAX1，NODE，1528，Z，Y

…

32对计算结果优化分析

建立完成分析文件之后，就可以利用计算机进行优化分析。在优化处理器中，这些相关参数的值被假定为一个设计序列，所有参数会在Ansys数据库中被自动设置为设计序列1。

4超大型平头塔机平衡臂优化设计结果

通过10次迭代计算完成对模型参数的优化，目标函数与设计变量的变化如图1―图3所示。

图1设计变量X1优化示意图图2设计变量X2优化示意图图3设计变量X3优化示意图通过上面的优化示意图可以看出，三个设计变量都是平衡臂主结构件的截面尺寸，经过优化计算，截面尺寸都得以减小，而与其相关的目标函数（平衡臂总体积）有总体减小的趋势。

在优化计算时不仅要减少平衡臂体积，同时其结构对强度和刚度的设计要求也要满足，所以本研究增设状态变量1（平衡臂端部位移）和状态变量2（截面危险节点的应力值）为研究对象，其优化过程如图4―图5所示。

图4状态变量1优化示意图图5状态变量2优化示意图从两个状态变量的优化过程可以看出，在经过多次迭代优化后各状态变量值变量均在设定值范围内变化，变化非常小。

目标函数的最优解在Ansys优化设计过程可以自动选出，在本论文中得出的最优解见表2。

由优化计算结果可以看出，平衡臂总质量由18.87吨优化到了17.13吨，p少了1.74吨，减重百分比为9.22%。与初始设计方案相对比，优化后主体结构件截面尺寸减小，从而降低了平衡臂总质量，达到了减轻平衡臂总重量的优化设计目标。通过对优化模型有限元分析结果的检查，其结构刚度、强度均符合设计要求，如表2所示。

本论文选用Ansys一阶优化方法对以平衡臂总质量为目标函数的方案进行计算优化，优化后平衡臂结构强度刚度均在设计允许值范围内。通过定义主要结构件尺寸的优化，平衡臂总重量减少1.74吨，降幅9.22%。

5结论

本论文以T3000160超大型平头塔式起重机平衡臂的优化设计为研究对象，采用现代设计理论和方法，使用主流有限元分析软件Ansys完成对平衡臂结构的优化分析，其过程主要如下。

（1）建立T3000160塔机平衡臂有限元分析模型，选用BEAM188，MASS21等作为模型分析单元，确保有限元模型结构、重量等参数的设置符合实际情况。

（2）各项参数满足设计方案要求。通过优化分析，得到平衡臂主体结构件的最优截面尺寸，同时有限元分析结果表明整体结构强度和刚度满足设计方案需求。

（3）本论文选取T3000160超大型平头塔式起重机的平衡臂进行有限元分析优化设计，为超大型平头塔式起重机平衡臂及其他相关部件结构的强度分析和设计提供一个理论性的支撑，同时提高工程机械设计质量，缩短设计周期，促进优化设计法在起重机设计中的应用。

参考文献

[1]张洪信.ANSYS基础与实例教程[M].北京：机械工业出版社.2013.

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[3]起重机设计规范GB/T38112008[S].中华人民共和国质量监督检验检疫总局.2009.

[4]马东辉，赵东.基于ANSYS和MATLAB的结构优化设计[J].制造业自动化.2013.35（10）：106-108.

[5]李新华，张毅，戴琳.塔式起重机起重臂的模糊优化设计[J].机械与电子.2010（9）：92-93.

[6]孙运见，孙乐.基于Jaumin的等参单元算法框架设计[J].计算机辅助工程.2015（1）：63-67.

机械臂的设计方案范文第3篇

关键词：可靠性； 优化设计； 机动雷达； 升降机构； Adams； 参数化建模

中图分类号：TN957.8文献标志码：B

0引言

对于机械产品来说，从建立初始方案到实施生产制造，均必须经过一个设计过程.设计的完善与否，对产品的力学性能、使用价值和制造成本等都有决定性的影响，同时也必然影响使用产品企业的工作质量和经济效果.因此，如何提高设计质量、发展设计理论、改进设计技术以及加快设计过程，已经成为当今机械设计必然的发展方向之一.[1]

近年来，在机械设计领域中出现不少现代设计方法和相应的科学.目前，可靠性设计和优化设计在理论和方法上都达到一定的水平，但无论单方面进行可靠性设计还是优化设计，都不可能发挥可靠性设计和优化设计的巨大潜力.一方面，因为可靠性设计有时并不等于优化设计，如机械产品在经过可靠性设计后，并不能保证其工作性能或参数就一定处于最佳状态；另一方面，因为优化设计并不一定包含可靠性设计，如机械产品在没有考虑可靠性的状态下进行优化设计后，并不能保证其在规定的条件下和时间内，完成规定的功能，甚至会发生故障和事故，造成损失.另外，由于机械产品有众多的设计参数，要同时确定多个设计参数，单纯的可靠性设计方法就显得无能为力.

进行可靠性优化设计的研究非常重要.为使机械产品既保证具有可靠性要求，又保证具有最佳的工作性能和参数，必须将可靠性设计与优化设计有机结合，开展可靠性优化设计研究，给出机械产品靠性优化设计方法[2-4]，只有这样才能发挥可靠性设计与优化设计的巨大潜力，发挥2种设计方法的特长，达到产品的最佳可靠性要求.

由于可靠性优化设计在科学试验和生产实践上有着广泛的应用前景，其重要意义不言而喻.随着优化设计技术、有限元技术和计算机技术的发展，如何应用软件技术进行可靠性优化设计也成为一个热点.[5]借助于计算机，进一步提高产品的设计速度，同时降低市场风险.

以某型机动雷达的升降机构为研究对象，使用Adams进行参数化建模，在此基础上利用可靠性优化设计技术对其进行优化设计，在满足一定可靠度要求的前提下，达到质量最小的目的.

1基于可靠性的优化设计

1.1可靠性优化设计概述

要使产品既具有可靠性要求，又具有最优的设计结果，必须将可靠性设计理论与最优化技术结合起来，即采用可靠性优化设计方法.按照这种设计方法进行设计，既能定量给出产品在使用中的可靠性，又能得到产品在功能、参数匹配、结构尺寸与质量以及成本等方面的参数最优解.

可靠性优化设计一般包含质量、成本和可靠度等3方面内容.可靠性优化设计[1]见图1.

1.2可靠性优化设计模型

优化设计数学模型的3个要素分别是目标函数、约束条件和设计变量.相对于常规的最优化设计，可靠性优化设计的特点在于将可靠性设计引入到优化设计中.将可靠性设计理论与优化技术结合起来，通常有2种方法[5-6].

（1）以可靠度最大为目标的可靠性优化设计.要求结构或零部件在满足一定性能的条件下，使其可靠度达到最大.可以按可靠性指标建立一个目标函数，而按设计其他要求建立另一个或多个目标函数，然后进行多目标函数优化设计.数学模型为max R（X）

min Fi（X），i=1，2，…，q

s.t. Gj（X），j=1，2，…，m （1）式中：RX为可靠性函数；FiX为某一目标函数；GjX为约束函数.

（2）以可靠度为约束条件的可靠性优化设计.在结构或零部件达到最佳性能指标时，要求其工作可靠度不低于某一规定水平.可将可靠性指标作为约束条件，建立数学模型进行优化设计.一般来说，这种方法更为实用.数学模型为min F（X）

s.t. Ri（X）≥0，i=1，2，…，q

s.t. Gj（X），j=1，2，…，m（2）式中：F（X）为目标函数；Ri（X）为机械产品的可靠度函数；R0为给定的可靠度；Gj（X）为其他约束函数.

2机动雷达升降机构的可靠性优化设计在机动式雷达中，自动架撤系统一般由支臂及撑腿调平系统、天线翻转（折展）机构和升降机构等组成.其中，支臂的功能是在雷达工作时支撑天线车的工作平台，以提高天线的抗风能力，增大天线车的稳定性；调平撑腿的功能是使工作平台在雷达工作状态时达到一定的水平精度，以满足雷达探测精度的要求；天线翻转机构的功能是实现天线工作状态与运输状态间的转换；升降机构的功能是提高天线相位中心的物理高度，以减小近距遮蔽，扩大雷达的探测空域.

升降机构由升降平台、连杆、驱动油缸和底座等组成，见图2.底座是整个举升系统的基础支撑；雷达天线安装在升降平台上，2组等长的连杆作为运动传递和受力构件；连杆在油缸的驱动下，带动升降平台始终以水平姿势运动.[7]

3结论

（1）由确定性优化的结果可知，该优化方法虽然降低质量，但该设计方案中的设计变量x1和x2已达到约束边界值.因此，如果存在不确定性的干扰，则该设计方案极有可能违反这些约束.有必要进行可靠性分析，评估该方案所得结果.

（2）对确定性优化结果进行可靠性分析，该方案所对应的响应g的可靠度为0.87，可靠性水平比较低，有必要进行可靠性优化设计，以进一步提高可靠度.

（3）由可靠性优化设计结果可知，经过重新设计后，2根油缸活塞杆件的质量之和f（x1，x2）的值为188.5 kg，尽管大于确定性优化结果184.08 kg，但满足可靠度要求（R（g）=0.977 8>0.95），综合考虑，可靠性优化设计方案胜于确定性优化方案.

参考文献：

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ZHANG Yimin. Connotation and development of mechanical reliability-based design[J]. Journal of Mechanical Engineering， 2010， 46（14）： 167-188.

[2]张义民， 贺向东. 连杆的可靠性优化设计[J]. 天津汽车， 2001， 95（4）： 20-22.

ZHANG Yimin， HE Xiangdong. Reliability optimization design for connecting rod of vehicle[J]. Tianjin Auto， 2001， 95（4）： 20-22.

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LIU Qiaoling， LIU Shaoying. Reliability optimization design for hollow half-axle[J]. Science Technology and Engineering， 2003， 3（1）： 77-80.

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CHEN Jing. Optimal design of mechanical reliability and software application[J]. China Coal， 2010， 36（10）： 76-81.

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SU Duo， ZHANG Jianguo， LI Qiang， et al. Application of reliability based multidisciplinary design optimization in structure latches[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2008， 29（1）： 95-101.

[7]张增太. 机动式雷达自动架撤系统的结构设计[J]. 雷达科学与技术， 2004， 2（6）： 345-348.

ZHANG Zengtai. Structure design of auto-erecting system for mobile radar[J]. Radar Science and Technology， 2004， 2（6）： 345-348.

机械臂的设计方案范文第4篇

【关键词】水果采摘;智能化;效率高

Abstract：with the extension of new agriculture and the development of technology，agricultural robots are gradually being used in every area of the agriculture product.These robots are becoming more and more important in the agricultural field and are promoting the machinery and equipment to the intelligent direction.Based on this background ，the intelligent fruit picker which is the perfect combination of the auto-control system and the machinery equipment can finish all the work such as the picking、classification 、packing and the transportation.These functions can avoid the loss of the labor lack and improve the picking efficiency.As the result of the technological development，the intelligent fruit picker has a bright future and practical value.

Keywords：fruit picking;intelligence;high efficiency

引言

在水果种植产业中，水果采摘大约占到整个产业工作量的50%，由于水果采摘过程中的复杂性，大部分水果产业区在水果采摘时依然以手工作业为主。虽然有些地区采用机械化作业，但其自动化生产水平依然较低，不能满足产业的发展需求。水果作为时令性农业产品，目前在采摘过程中需要大量的劳动力，随着我国老龄化程度的不断加深，农村劳动力不断减少，生产成本不断提高，限制了整个水果产业的发展[2]。

随着计算机技术的不断进步以及自动控制系统的发展，智能化水果采摘机的出现解决目前水果种植行业面临的困境。其利用智能化的生产方式在水果采摘过程中降低果农的劳动强度以及生产成本，并根据水果直径直接在采摘过程中对水果进行分类，可以有效地增加整个产业的生产效率，符合水果产业化发展的需求。智能化采摘机在水果产业中的应用可以保证水果适时采摘、提高水果质量具有重要意义，并且随着农业向产业化发展的进程中，智能化采摘机具有广阔的市场前景[2]。

1.总体设计方案

智能化水果采摘机主要有机械装备和控制系统2部分组成。其中机械装备包括：运输车辆、水果采摘机构、水果收集机构，控制系统则包括：控制终端、传感装置与视觉系统。机械装备与控制系统在采摘水果过程中相互协作，共同完成水果的识别、采摘、分类、装箱等过程，直接在水果采摘过程中实现机械的智能化生产。其整体效果图如图1所示。

图1 整体效果图

注：1.伸缩立柱;2.旋转盘;3.采摘伸展臂;4.采摘机械手;5.水果手机伸展臂;6.水果收集箱;7.水果传送带;8.运输车;9.伸展臂承载板。

1.1 运输车辆

智能化水果采摘机以运输车辆作为主要机械承重机构，设计过程中突破了目前世界上现有水果采摘机只采不运的缺陷。将运输车辆直接应用到采摘机的主体机构中，既满足了运输水果的作用，也可以作为采摘机构中的支撑平台节约了占地空间。车厢设计过程中在传统农用车辆的基础上进行了改进，将车厢分隔成两个不同的区域，可以在水果分类后根据水果直径的不同将果箱放在不同区域。

1.2 水果采摘机构

智能化水果采摘机的采摘机构如图2所示。采摘机构将采用多关节与机械手的配合，更加灵活的工作在茂密的果树中，达到精细化作业的目标。

1）多关节伸展在果园中工作时能够更有效的避开树枝的阻碍，轻松地到达水果所在的位置。每节伸展臂都利用液压传动装置进行伸缩，可以在一个平面内绕链接部分旋转180度，能够满足不同角度的采摘，并且借助多关节伸缩更好的去实现机械手与水果距离的控制，以此实现水果采摘时的准确、高效的目的。

2）根据多次模拟测试，在机械手设计过程中留有一定余量，可以在一条直线上自由伸缩，防止伸展臂的局限性不能使机械手到达指定位置，实现了采摘机的精细化作业。机械手端部模拟仿生手的结构，多个夹持模块同时对水果受力，避免因一部分受力不足或过大造成水果表面的破坏。并且利用数学建模的方式对不同水果进行受力模拟，得到夹持水果时受压的最大值，以此来提高采摘水果的质量。

机械手根据不同水果类型可进行换置，在不同时间对多种水果进行采摘，避免因水果的季节性问题造成采摘机的闲置，从而提高了采摘机的利用率，并使采摘机具有较高的灵活性和通用性。

实现整个过程中的自动化作业，可以在作业过程中源源不断的供料。以此来减少工人在工作过程中复杂化、高强度的劳动过程。

图2 采摘机构示意图

1.3 水果的收集机构

智能化水果采摘机的收集机构如图3所示。收集臂采用液压传动将多节机械臂自由伸缩，有效控制机械臂的伸缩距离，自由控制收集箱在空间中所在的位置。在收集臂中仍然采用三节机械臂的伸缩方式，其中第一节直接固定在旋转盘上，能够满足机械臂在空间中自由旋转，各机械臂根据水果收集箱距离机械手的距离，合理伸缩各节的长度，保持采摘水果时收集箱时刻处于机械手下方，方便水果的放置。

收集箱采用两个不同的放置区域，在机械手对水果进行分类后根据程序的控制，将分类好的水果按照其直径大小放置在两个不同的箱子中。机械手和收集箱的有效结合可以直接在采摘水果时根据直径大小对水果进行分类，减轻了果农后期因挑选水果带来的劳动强度[3]。

图3 水果收集机构

1.4 控制终端

控制终端作为采摘机的核心控制部分[4]，在对信号处理过程中对传输过来的信息进行识别、分析来判断出信号是否为所需要的信号，直接根据程序筛选出采摘机需要的信号，提高了控制终端控制机器工作的效率，如图4所示。

图4 控制终端流程图

1.5 传感装置与视觉系统

1）传感装置

目前我国加大多数果农在对水果分类过程中较大程度的依赖于人工，使果农劳动强度增加并且不能在水果分类过程中不能进行标准化生产，智能化采摘机对水果进行分类的过程中解决了目前果农所面临的这一系列问题。实现采摘机智能化分类主要依赖于光电传感器在机器中的应用，它可以根据水果的大小来收集信号，直接传入到控制终端对信号处理并控制机械手将水果放置于不同的收集箱中，轻松实现了对水果的分类。

2）视觉系统

视觉系统在采摘机中作为重要的组成部分，采摘机利用双目视觉系统对水果进行识别、定位，可以轻松地获取水果的精确位置以及水果周围的环境，并结合控制终端的图像模拟系统对现有图像进行处理。控制终端将处理后的图像得到水果三维空间位置以及周围复杂的环境的数字化程序，结合所需要的算法对机械手运动路径进行分析，确定最短的路径以及避开周围的障碍，对水果进行精确采摘 [5]。

2.工作原理及产品特点

2.1 工作原理

采摘机在工作工程中利用端部的视觉系统与感应装置收集工作过程中一系列信息，将信号传输到控制终端中进行分析，得到分析结果后根据一定算法得到工作方案并输出信号到机械部分，直接对机械各部分进行智能化控制，实现了水果从识别、采摘、分类、装箱等全过程的智能化生产。采摘机还运用信息反馈系统在工作过程实时收集信息，控制终端将采集到的实时信息与设计的工作方案进行对比，并不断进行校正操作过程以达到最佳的工作状态。

2.2 产品特点

1）先进的传感装置与视觉系统对水果具有有效检测以及对水果位置精（下转第166页）（上接第164页）确定位，有助于整个采摘过程智能化作业的实施。

2）采摘机将控制系统、采摘装备以及运输车辆一体化的设计方案节约了工作空间，更方便于不同区域的水果采摘。

3）在水果采摘过程中直接依据水果大小进行分类，减轻了果农的劳动强度。

4）机械手可以根据水果的种类不同进行换置，方便在不同季节采摘多种水果，具有较好的通用性，使采摘机实现多重利用。

3.总结

智能化水果采摘机将控制系统与机械系统的有效结合实现了水果的智能化作业，可以满足工作过程中对水果的识别、采摘、分类、装箱等一系列过程，并结合机械手的可更换性来实现对多种水果进行采摘。解决了水果种植行业因水果采摘季节性强造成采摘人员不足、劳动强度大等问题，该产品的研究与开发对于解放劳动力、提高生产效率、降低生产成本、保证水果品质都具有重要意义。随着采摘机的不断发展以及采摘技术越来越成熟，它将会逐渐普遍适用于现代水果产业中，实现整个水果种植行业的规模化发展。

参考文献

[1]赵匀，武传宇，胡旭东等.农业机器人的研究进展及存在的问题[J].农业工程学报，2003（1）：24-25.

[2]杨敏丽.中国农业机械化与提高农业国际竞争力研究[D].北京：中国农业大学，2003.

[3]方建军.移动式采摘机器人的研究现状与进展[J].农业工程学报，2004（2）：173-176.

[4]蔡健荣，李玉良，范军等.成熟柑橘的图像识别及空间定位研究[J].微计算机信息，2007（12）： 224-225，314.

机械臂的设计方案范文第5篇

关键词：采摘机械手臂；苹果；结构设计

引言

水果采摘季节性强、费用高且劳动量大[1]。加速农业现代化进程，实施“精确”农业，广泛应用农业机器人，提高资源利用率和农业产出率，降低劳动强度，提高经济效率将是现代农业发展的必然趋势。研究采摘机械人，对于降低人工劳动强度和采摘成本、保证水果适时采收，具有重大的意义[2]。我国从上世纪70年代开始研究水果蔬菜类的采摘机械，并且也逐渐起步，如上海交通大学已经开始了对黄瓜采摘机器人的研制[3]，浙江大学对番茄采摘机器人进行了结构分析与设计的优化[4]，中国农业大学对采摘机器人的视觉识别装置进行了研究[5]。目前，我国研究的采摘机器人还有西红柿、橘子、草莓、荔枝和葡萄采摘机器人等[6-8]。文章对苹果采摘机械手臂进行选型，进一步进行详细结构设计，最后对设计结果进行试验验证。

1 机械人机构选型及自由度的确定

由于采摘机械人的作业对象是苹果，质量轻，体积小，故而可选择较为简单、灵活、紧凑的结构形式。

根据机械人手臂的动作形态，按坐标形式大致可将机械人手臂部分分为以下四类[9]：直角坐标型机械手；圆柱坐标型机械手；球坐标（极坐标）型机械手；多关节型机械手。采摘机械臂的结构型式选取主要取决于机械人的活动范围、灵活性、重复定位精度、持重能力和控制难易等要求。以上四种型式，它们的活动范围和灵活度逐渐增大。经过对苹果采摘空间的研究，结果表明，苹果树树冠和底部的苹果分布极少，大多分布在树冠中部，大约有80%以上的苹果分布在距地面垂直高度1-2m、距树干左右方向1-2m的空间范围内，且阴阳两面的苹果分布率并无明显的差异。这就要求采摘机械手应当具有较大的工作空间，因此选用多关节型机械手较为合适，且其占地面积较小，更加适合苹果采摘作业。

实际中，苹果生长位置随机分布，这就要求机械臂的末端执行器能够以准确的位置和姿态移动到指定点，因此，采摘机械人还应具有一定数量的自由度。机械臂的自由度是设计的关键参数，其数目应该与所要完成的任务相匹配。一般来说，自由度数量越多，机械臂的灵活性、避障能力越好，通用性也越广，但增加一个自由度就相当于增加了一级驱动，会使得机器人的成本上升，而对于农业机器人而言，成本高将会大大的减缓其机械商品化实用化进程，同时增加自由度会相应增加机器人的控制难度，降低机器人的可靠性。综合考虑，将自由度数目定为六个，这样不仅能够使得末端执行器具有较为完善的功能，而且到达采摘空间中的任意位置，而且不会出现冗余问题。

2 采摘机械臂工作原理

图1 机械人结构简图

图1是本次设计的球类水果采摘机械人的结构简图。该结构为六自由度机构，可划分为底座、大臂、小臂、腕部和手五个部分。机械臂的底座通过舵机带动传动系统实现各个部分之间的相对转动和旋转。其中的各个转动和旋转均是通过电机驱动螺旋丝杆来实现。该设计机械臂的传动如下：（1）底座旋转。确定与底座平面互相垂直的目标采摘物所在的平面。（2）大臂转动。移动至目标采摘位置附近的上方或下方。（3）小臂转动。将采摘机械手送至目标采摘物的附近。（4）手腕转动及旋转。调整机械手末端采摘机构的姿态，使其处于一个合适的位置，保证采摘任务能够合理完成。（5）手夹紧放松，完成对目标采摘物的采摘任务。此外，将末端执行器设计为关节型的两只手指，通过舵机6（舵机分配情况见图2）、齿轮的啮合及连杆机构实现对目标采摘物的夹紧与放松。

由以上分析得出：机械手的空间位姿由各个关节的空间坐标来决定，即当机械手的各个舵机的坐标确定的时候，就可以确定机械手的空间位姿。而决定舵机坐标的因素就是臂长及臂的转动角度，而在这两个参数中，设计结束后臂长是确定的常量，角度为变量。在模型当中，舵机1、2的相对位置固定不变，控制末端执行器的舵机6用来调整手的姿态，因此可以先忽略舵机1、6，将舵机2轴线中心的位置设为坐标系原点。

图2 舵机分配方框图

3 机械臂结构设计

首先用Pro/E软件中的零件模块对机械人各个零件进行绘制，然后再对零件进行自下而上的装配，以及进行零件图及装配图的绘制。大臂、小臂和腕部、机械手零件图以及装配图分别见图3、图4、图5、图6和图7（单位均为mm）。

4 试验台搭建与抓取效果实验

根据零件图及装配图进行试验台搭建。由于设计尺寸较大，故将整体尺寸缩小4倍来进行搭建。实物如图8所示。通过操作上位机控制软件指令信号，可给伺服舵机控制器发送控制指令信号，从而实现机械人在空间中精确作业。试验结果表明：机械人能够较为平稳、准确地对目标物进行夹取、移动、放置等任务。证明设计合理，试验台搭建正确。

5 结束语

通过对水果采摘作业的分析，设计了一套六自由度关节型采摘机械人。其运动范围覆盖了水果果实的分布范围，末端执行器能够执行对水果的采摘任务。在采摘过程中，只需对舵机进行控制，在一定程度上降低了控制的难度和复杂性。当然，设计中也存在不足，例如缺少对果实的切割装置，而且对葡萄等较小、较软的果实采摘技术不成熟，有待进一步的改善。

参考文献

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[2]张文莉.农业工程导论论文[D].江苏大学，2011.

[3]曹其新，吕恬生，永田雅辉，等.草莓拣选机器人的开发[J].上海交通大学学报，1999，33（7）：880-884.

[4]梁喜凤，苗香雯，崔绍荣，等.果实采摘机械手机构设计与工作性能分析[J].农机研究所，2004（2）：133-136.

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