柑橘采摘机器人的结构设计,柑橘,采摘,机器人,结构设计
苹果采摘机的结构设计
苹果采摘机的结构设计
苹果采摘机的结构设计
摘要
果实采摘是农业生产中的一个重要环节，需要大量的采摘人员，但由于农村人口城市化，农业从事人员的数量不断下降，人力成本不断上升，国内外都已经研发了许多的采摘机来解决这一问题。本课题设计的采摘机主要是针对苹果树之类的果树，对采摘机的机械臂和末端执行器的结构进行设计。首先确定了机器臂的类型和设计的总体方案，再对机各部分进行受力分析计算，选择适合的电机和减速器，设计相关传动轴并进行校核，设计了相关的传动结构。根据电机和减速器的连接和固定，设计了机械臂的腕部、臂部和底座结构。
关键词：苹果采摘；结构设计；农业机
Structure design of citrus picking robot
ABSTRACT
The fruit picking is an important part of agricultural production, it needs a large number of workers. However, due to the urbanization of the rural population, workers of the fruit picking is continuously declining and the labor cost is constantly rising. Different kinds of picking robots have been designed to solve this problem all around the world. The picking robots developed in this project is aimed at picking citrus trees alike so that the design of structures of the mechanical arm and end effector of the picking robot is of great significance in this project. First, determing the type of the robot arm and the overall design of the robot.Then, performing the force analysis and calculation of each part of the robot and selecting appropriate motor and reducer,designing and checking the relevant transmission shaft, relevant transmission structure is developed as well. At the same time, according to the connection and fixation of the motor and reducer, the arm, and base structure of the arm are designed.
Key words：Citrus picking; Structure design; Agricultural robot
目录
1绪论 1
1.1研究的目的及意义 1
1.2国内外采摘机的研究现状 2
1.3机械臂与末端执行器的现状 5
1.4本课题主要设计内容 6
1.5本章小结 6
2总体方案设计 7
2.1引言 7
2.2苹果采摘机的技术要求 7
2.3机的构型选择 7
2.4总体方案的选定 9
2.5机械臂的传动原理 10
2.6本章小结 12
3.末端执行器的设计 13
3.1切割电机的选择 13
3.2气缸的选择 14
3.3末端执行器的结构设计 14
3.4本章小结 15
4腕部的结构设计 16
4.1腕部机构设计的要求 16
4.2腕部旋转关节的结构设计 16
4.2.1旋转关节驱动电机的选择 16
4.2.2腕部旋转关节的结构设计 17
4.3腕部俯仰关节的结构设计 18
4.3.1俯仰关节驱动电机的选择 18
4.3.2腕部俯仰关节的设计 18
4.3.3带轮的设计 19
4.3.4传动轴的设计和校核 20
4.4本章小结 22
5臂部的结构设计 24
5.1手臂的设计要求 24
5.2小臂的设计 25
5.2.1小臂Ⅰ驱动电机的选择 25
5.2.2小臂Ⅰ的结构设计 26
5.2.3小臂Ⅱ驱动电机的选择 27
5.2.4齿轮的设计与校核 28
5.2.5小臂输出轴的设计与校核 33
5.2.6小臂Ⅱ的结构设计 35
5.3小臂刚度校核 35
5.4大臂的设计 36
5.4.1大臂驱动电机的选择 36
5.4.2大臂的结构设计 38
5.5本章小结 39
6底座的设计 40
6.1底座电机的选择 40
6.2轴Ⅰ的设计 41
6.3底座的结构设计 42
6.4本章小结 43
7总结 44
参考文献 45
致谢 47
1绪论
1.1研究的目的及意义
随着科技的不断发展，机械化种植已经在逐步替代传统的依靠人工的农业种植方式，农业生产已经发生了重大的改变。近年来，电子技术和计算机技术的飞速发展，原本用于工业的机已经走向农田，已经在农业生产中发挥了极其重要的作用，现在可以通过机来实现农业上的移栽、嫁接、除草、采摘和果蔬分离等作业。根据相关统计表明：由于人口老龄化以及农村的青年人都在去城市打工，从事农业方面的工作的人数在减少，而农业生产也逐渐规模化、多样化，劳动力也越来越缺乏。在果园种植中，仅仅果实采摘时需要大量劳动力，平时却不需要，部份种植园难以找到足够的临时从业人员，无法及时采摘，造成经济损失。即使有足够的临时劳动力，但他们由于不熟悉工作，这将会加大果实在采摘过程中的损伤几率。相关资料表明：果实采摘的花费已经占据了整个农业种植生产费用的40%以上，甚至有部分种植园已经达到50%的程度。为了降低种植的成本，从而提高农民的收入，研究和发展采摘机已经是农业发展的重要一环。采摘机是现代农业发展出来的一种能代替人工自主采摘果实的智能化、机械化和精准化的设备。但我国的农业机起步较晚，发达国家早在上世纪六十年代就已经开始对于农业机的研究，各发达国家在八十年代就纷纷结合自身的实际情况，研究相关的农业机，国内的农业机是在上个世纪九十年代的中期才开始的，发展得比较晚，与发达国家相比，还存在着明显的差距。但随着中国的经济和科技蓬勃发展，尤其是国家在政策上不断的扶持和引导农业的机械化、智能化，为农业机的发展提供了一片良好的土壤。
我国是世界上第一苹果大国，我国的苹果种植面积大约有800万公顷，占全球的果树种植总面积的21%左右；苹果年总产量超过了5900多万吨，占世界所有的苹果的总产量的13.4%，这两项指标都是排在全世界的第一。而苹果营养丰富，深受人们的喜爱，我国的苹果资源非常丰富，国家苹果资源圃保存一千两百多份资源。在生产上栽培主要有苹果属以及少量的金柑属、枳属。我国的苹果主要种植在广东、湖南、四川、重庆、浙江、广西、福建、湖北、江西等九个省（区、市），产量占全国的90%以上。苹果种植时一般都是种植园大量种植，采摘时间在十月到十二月之间，采摘方式主要还是以人工采摘为主。由于苹果树属于小乔木，分枝多，枝扩展或略下垂，刺较少，采摘时为了保证苹果的储存，需要将苹果果实以及其小截果柄保留，而不是果实与果柄分离，这就是需要较大的分离力，从而导致人工长时间的采摘会出现疲劳，采摘效率下降。为了保证苹果的新鲜，果农需要在很短的时间内采摘完苹果，采摘强度大，效率低，而人力劳动成本在不断的上升，又无法通过大量增加人手来完成苹果的采摘。人们需要在农业方面开发出代替手工的自动化设备，而作为集机械、电子、控制、计算机、人工智能等很多歌不同的学科的先进的技术集合在一起的现代自动化装备，机显然为降低劳动力成本提供了最佳的选项，不仅可以提高机械化水平，缓解劳动力不足，还可以避免因人工采摘带来的交通事故和人身安全问题。随着农业生产发展更加规模化和多样化，发展果树采摘机研究是历史走向的必然趋势，有着非常重要的意义。
1.2国内外采摘机的研究现状
1968年，著名的美国学者Schertz和Brown提出了采摘机的思想，1983年，第一台采摘机在美国诞生了，往后的几十年里，美国、日本、英国、法国、韩国、荷兰等都相继开始采摘机的研发。
日本岗山大学的Kondo研发了一种主要由机械臂、末端采摘执行器、行走的小车、视觉系统和控制部分组成的番茄采摘机，其机械臂拥有七个自由度如图1.1所示。
图1.1 番茄采摘机的结构简图
苹果采摘机的结构设计
它采用由一个能够提供彩色摄像的摄像头和一个图像处理的集成卡组成的视觉系统来找到成熟的番茄。考虑到番茄的果实很多时候会被番茄的叶茎挡住，采摘的机为了能够灵活避开树枝或者其他的障碍物，因此采用采用具有冗余度的7自由度的机械臂。此外,他们为了减少对果实的伤害，将其末端执行器的机械手抓配带上2个带有橡胶的手指和1个气动吸嘴，利用机械手的腕关节把果实从番茄树上拧下。移动的小车有4个车轮，能都自由的在田间行走，他们利用机上的一些传感器和原本就设置好的,放在地上的反射板，可检测有没有到采摘的地方，到了之后小车就停下来，掉头后再前进。这个番茄采摘机从识别番茄到将番茄采摘下来的速度大约是15s左右，采摘的成功率在70%左右。有30%左右的番茄没有被采摘的主要原因是番茄被枝叶密密麻麻的包围了，机器臂还是不能避开这些枝叶去采摘番茄。因此还需要在机器手的结构和采摘的工作方式等方面加以改进，另外,机的采摘速度还需要提高，只有降低机自动化收获的成本，才能真正的达到实用化。
图1.2 西红柿采摘机
韩国的一些单位也对番茄的采摘机进行了一些设计和研究，该机的检测原理是对西红柿的颜色进行判别，根据西红柿的红色深浅差别来区分果实是否成熟，有选择的摘取成熟的西红柿。由于该机的工作效率低，未能形成产品，用于实际生产中。
美国加利福尼亚州的西红柿机械设计公司研发了一种不需要机械臂的采摘机，它是将整个的西红柿都卷入到分选仓里面，包括西红柿的茎叶，仓内有红色视谱的分选设备，他能将红色的西红柿挑选出来，并通过输送带运送到卡车的车厢里，剩下未成熟的西红柿和西红柿的茎叶将放入粉碎机构中进行粉碎，之后喷洒在农田里作肥料。如果种植的西红柿产量足够高的话，这种西红柿采摘机一分钟能采摘一吨多的西红柿，一个小时能采摘70吨的西红柿。
英国的Silsoe研究所设计的蘑菇采摘机，他可以非常自动化的检测到蘑菇的位置和大小，然后又选择的去修剪和采摘蘑菇。虽然它只有三个自由度，移动关节是使用气动装置驱动的和旋转关节则是采用电机来驱动,这样的设计非常简单,成本也比较低。由于蘑菇生长中会出现倾斜的情况，机的采摘成功率只有为75%左右，采摘速度是6.7个/s。
荷兰和日本都对黄瓜采摘机进行了研究设计。日本研发的黄瓜采摘机拥有六个自由度，能够在专门为采摘机设计的倾斜大棚下采摘，由于大棚支架是倾斜的，黄瓜的茎叶都缠绕在支架上，而果实较重，在重力的作用下与茎叶分离，再通过摄像头采集图像，这个检测装置是根据反射特性来分别出黄瓜和茎叶。末端执行器上有一个用于探测果梗到底在哪的探测器、切断的设备和用来抓紧黄瓜的机械手指。荷兰的农业环境工程研究所也在九十年代的时候研发了一种黄瓜的采摘机，该机要求黄瓜必须要按照高挂线缠绕方式悬吊生长，该黄瓜采摘机由一个移动小车、机械臂、视觉系统和末端执行器4部分组成。采摘机可以在无人帮助的情况下自行在温室中工作，在研究实验中，工作速度为54s/根，由于只能做到每个机械臂每次只能采摘一根黄瓜，效率无法达到商用的要求，且对黄瓜的前期培养环境有较高的要求，因此并未形成产品。
我国是在上世纪的九十年代中期才开始农业机的研究，与发达国家相比，起步较晚，但经过多年来各个研究机构和院校的努力发展，已经取得了一些可喜的成果。
东北林业大学的陆怀民设计了一种林木球果实采摘机，主要是由一个有五个自由度的机械臂、一个移动小车、液压系统和控制系统组成，采摘时，机器停留在距离果树3~5米处，然后通过控制系统控制机械大臂和小臂同时运动，让末端执行器上升到一定的高度，机械手爪张开并不断的摆动，从而能够对准被采摘的树枝，然后手抓开始沿着树枝的生长方向靠近一定的距离。采摘爪开始夹拢果树的树枝，然后大小臂带动着机械手抓原路返回，把树枝上的果树采摘下来，这样子就完成一次采摘这个机的采摘效率是500kg/天，人工采摘只有10多千克一天，就是说机是人工采摘的30~50倍，而且采摘时能采摘得比较干净，对果树的伤害小。
我国研究的苹果采摘机主要由两部分组成：两自由度的移动车和五自由度的机械臂，移动车由于在田间行动，采用的是履带式平台，再在平台上加装了PC 主机、电源箱、用于辅助采摘的装置以及一些传感器；五自由度的机械臂是采用各自由度单独的的驱动装置进行驱动，机械臂固定在移动小车上，采摘机械臂采用的结构是PRRRP结构，作业时，将末端执行器安装在机械臂上。
国内在西红柿采摘机上也做了研究，浙江大学的梁喜凤，根据西红柿的一些生理特性，研发了能在温室中使用的西红柿采摘机，该机也是七个自由度的冗余机械臂。南京农业大学的张瑞合、姬长英等在西红柿采摘中为了确定西红柿在空间中的位置，运用的是双目立体视觉技术来定位，根据实验数据，当摄像头距离西红柿的距离在300~400mm之间时，空间深度的误差能保证在3%~5%之间。
1.3机械臂与末端执行器的现状
机械臂是模拟人的上臂而构成的，根据结构形式的不同分为多关节机械手臂，直角坐标系机械手臂，球坐标系机械手臂，极坐标机械手臂，柱坐标机械手臂等。从机械臂的发展状况来看可分为三代机械臂。
（1）第一代机械臂，就是按照一开始教给通过人手来操控到达的位置和姿态，然后让其重复的进行着这样动作的一种机器，现在常见的、正在使用的大多数机械臂都还是在使用这种工作方式，但应用范围有限，主要用于材料的搬运、喷漆、电焊等工作。
（2）第二代机械臂，是那些具有如听、视、触等感觉的外部感觉功能的机械臂。这种机械臂之所以具有外部的感觉功能，是因为安装了相关的传感器，因此机械臂可以根据从外界的采集到的一些信息，再根据设定的程序修改自身的动作，从而完成相关的作业。
（3）第三代机械臂，这种机械臂不仅是有了外部感觉功能，而且还具有一定的思考的能力。所以能够在外界的变化的时候也作出相应的变化，然后自己判断进行的工作。
关于末端执行器的设计，由于果实的形状、大小和生长情况不同，采摘要求也各不相同，针对不同的果实，需要用不同的采摘方法。不同的采摘方法导致末端执行器的结构和工作原理都大不相同。对于一些果实，需要充分考虑其生长情况和采摘要求，选择合理的果实与果柄分离的方式。此外，还要在保证采摘率和果实完好率的前提下，尽可能的降低成本。
国内外主要采用的抓取方式有吸盘吸取、机械手指抓取两种方式。吸盘吸取是当机械臂将吸盘靠近果实后，吸盘将果实吸取过来，并不需要其他的方式抓紧。吸盘吸取方式适合用于生长相互毗邻的果实，它能实现对果实的单个抓取，减少对毗邻果实损伤的可能。但这种方式对果实的形状要求相对较高，如果果实形状不规则，那将导致吸盘吸力不够，无法抓紧果实。如果是重量较大的果实也不适合选择吸盘吸取果实的方式。机械手指抓取则是使用一个小型的气缸或者的直线电机驱动，经过一系列的连杆传动，将直线运动转换成控制机械手指张合的往复运动，通过控制气缸或者电机来控制抓紧和松开果实。
果实的采摘的方法常用的有旋转拧断、剪切裁断和圆盘锯断等几种方法。旋转拧断是指吸盘或者抓手将果实抓牢后，控制整个末端执行器进行旋转，拧断果柄，但这种方法不适合用在果柄韧性比较好的果实上，而且有可能出现未能拧断果实就将果实抓走的情况，导致损伤果实。如果用在西红柿等果皮比较脆弱的果实上，那么拧断时有可能损坏果实，增大果实的破损率。剪切裁断是指使用类似于剪刀的两块刀片，将果梗剪断，需要较大的剪切力。圆盘锯断是使用电机带动一个圆盘齿形锯，使用较高的转速将果梗锯断，不需要很大的剪切力就能成功锯断果梗，而且成功率和效率都能达到预期的要求。
1.4本课题主要设计内容
机的总体方案设计。分析苹果的重量、小臂臂长、离地高度等对机的运动方式进行了限制，最终确定苹果采摘机的总体结构设计方案：
底座结构的设计。根据之前的总体方案，对底座的结构进行相关设计，包括底部底盘的设计和腰部回转机构的设计，对关键零部件进行校核计算；
手臂结构的设计。根据总体方案，对臂部机构进行设计，包括大臂和小臂的结构进行设计，对关键的零部件，如传动轴等进行校核计算；
腕部的结构设计。根据总体方案，对腕部的外部形状、内部结构和相关驱动元件的安装位置进行设计，对关键零部件进行校核计算。
末端执行器设计。根据总体方案，对末端执行器的外部形状、内部结构相关驱动元件的安装位置和抓取机械手指进行设计，选择合适的执行气缸。
1.5本章小结
本章主要对国内外的采摘机的发展现状和今后的发展趋势作了简单的介绍，说明了采摘机对于发展新时代的农业的重要作用和意义，简单说明了目前国内外采摘机的末端执行器主要用那些结构和工作原理，结合国内外的研究现状，提出了本课题的主要设计内容。
2总体方案设计
2.1引言
采摘机的机械臂应该不仅仅是要重量轻、能够负载较大的重量和模块化的特点，由于苹果采摘机一般都是用于农业的种植园的，需要在户外使用，因此还要机可以具有能够比较快的修理好机故障的部分，能够防止一定的水和尘土的干扰。本章针对课题提出了苹果采摘机机械臂的一些要求，分析确定了机械臂的合理结构，介绍了机械臂有几个关节的相关设计，此外，本章还确定了机的相关传动方案。
2.2苹果采摘机的技术要求
本章节是根据上述的工作要求来决定的，最终确定了以关节型机作为本次设计的研究对象，设计了底座、大臂、小臂以及腕部结构，并要求了苹果采摘机的总体尺寸、运动的各个机械臂的大概重量及工作时能达到的相关运动特性等指标。具体的一些指标如下述：
（1）底盘回转机构转动范围±180︒，转动速度为15︒/s；
（2）大臂俯仰转动范围±60︒，转动速度为20︒/s；
（3）小臂俯仰转动范围±75︒，转动速度60︒/s；
（4）小臂旋转转动范围±180︒，转动速度90︒/s；
（5）腕部俯仰转动范围±90︒，转动速度90︒/s；
（6）腕部旋转转动范围±180︒，转动速度180︒/s；
（7）末端执行器采摘果实的重量为150g左右，果实对末端执行器的作用力0.15N。
2.3机的构型选择
常见的机根据手臂的动作形态，按坐标形式大致可以分为4种：直角坐标型；圆柱坐标型；球坐标型；多关节型。
直角坐标型机，在X，Y，Z轴上面的运动都是互相之间不会干扰到另外一根轴的，所以它具有三个相互独立的移动关节，如图2.1所示。
图2.1 直角坐标型
圆柱坐标型机，是坐标系的三个坐标，其中机械手臂的长度是R,手臂的角位置应该是，在垂直方向上的位置是X。具有两个移动关节和一个转动关节。如图2.2所示。
图2.2 圆柱坐标型
球坐标型机的的坐标系的三个坐标，其中是绕着最下面的底座垂直轴的转动角，是手臂在水平垂面内的一个摆动角度，这种机械臂运动的轨迹表面是半球面，球形的机具有两个转动的关节转动副和一个移动关节的。如图2.3所示。
图2.3 球坐标型
多关节型的机是工业或者农业机中用得最多的一种结构形式，它是一节节的传动下去的，下一个传动机械臂是依靠上一个机械臂的位置来进行定位的，一般情况下，机械臂的关节都是转动型关节，多关节型机一般是拥有六个自由度的，这能保证末端执行器到达工作范围内的各个地方，如图2.4所示。
图2.4 关节型
根据技术指标要求和具体实际情况，选择的是多关节型。
在苹果采摘机工作过程中，最重要的就是要让机能都靠近果实，并采摘下来，而苹果在果树上是随便生长的，无法保证其生长的位置，因此需要机能够尽可能的到达工作范围能的所有位置，因此选择多关节型的机，他可以通过大臂和小臂的俯仰运动来达到靠近工作范围内的没一个位置的能力。而为了能到达空间中的每一个位置，一般机都有六个自由度，也有一些工作中不需要那么多个自由度就可以完成工作的，因此，为了机器臂的刚度和成本的原因，有一些机也是小于六个自由度的，而还有一部分工作情况复杂的，为了能够避开一些障碍或者其他的原因，也有多余六个自由度的机。
2.4总体方案的选定
确定采摘的苹果的重量：本次设计的苹果采摘机要求可以采摘柑和橘两个品种的果实。苹果品种品系甚多且亲系来源繁杂，有来自自然杂交的，有属于自身变异，也有多倍体的。根据相关资料表明：苹果有年橘（果扁圆形，果顶部中央微凹，重50~65克）、广东蜜柑（果扁圆形，或蒂部隆起呈短颈状的阔圆锥形，顶部平而宽，中央凹，有浅放射沟，纵横径5.1~6.1厘米×6.1~7.8厘米，重136~157克）、冰糖橘（果扁圆形，顶部浅凹，蒂部微凸，纵横径3.8~4.2厘米× 4.8~5.5厘米，重53.2~62.3克）、九月黄、（果扁圆形。果顶微凹，有小突柱，果基有细肋纹，纵横径约3.5厘米×4.5厘米，重46-52克）、朱砂橘（果扁圆形，果顶稍凹，有时有小柱突，纵横径3~5厘米×4~6.5厘米，重40-70克）、洞庭红（果扁圆形，果顶略凹，无柱突，纵横径2.5~4.5厘米×3.5~5.5厘米，重40-60克）、南丰蜜橘（果扁圆形，果顶平或微凹，有小柱突或无，果蒂部常隆起，有肋纹，或平而无肋纹，纵横径2.8-3.8厘米×3.9-5.0厘米，重25-50克）、福橘（果扁圆形，果顶部凹陷，蒂部四周常有放射沟，纵横径5.8-6.0厘米×6.4-7.5厘米，重100-140克）等等诸多苹果品种，经过统计苹果的大概重量在150克左右，因此将本次设计采摘的苹果重量定位150克。
驱动方式：因为电机驱动能够很好的控制，控制的灵活性强，能够对速度、位置进行精确的控制，对环境基本上没有影响，体积相对小，传动的效率高，在对于运动控制要求比较严格的中、小型机械臂中比较适用，因此本次设计主要采用了电机驱动。腕部关节的自由度对精度的要求较低，考虑到经济适用上的问题，选用小功率、低转矩的步进电机，小臂俯仰关节、大臂俯仰关节和底盘的旋转关节由于与果实距离较远，且转矩较大，对于精度要求要更高一些，因此选用交流伺服电机。
传动系统设计：机器臂传动设计中，我们应该尽的让这个机械臂的结构要紧凑、变得更轻、转动惯量和体积小，在传动过程中要考虑采用消除齿轮之间、轴承的间隙等的措施，以提高机器臂的运动和位置控制精度。在机中常采用的机械传动机构有齿轮传动、带轮传动、滚珠丝杠直线传动、同步齿形带传动、链传动、行星齿轮传动和谐波齿轮传动等。本次设计涉及的各个关节都有各自的特点，适当地选择传动机构有着重要的意义。例如在底盘旋转中选用行星齿轮传动来保证足够的转矩；在腕部俯仰关节中用楔带传动使驱动电机的布局更加合理、美观。
工作范围：苹果采摘机的工作范围是根据苹果果树的机械臂作业过程中操作范围和运动轨迹来确定，用工作空间来表示的。工作空间的形状和尺寸会对机的结构坐标形式、自由度数、机械臂的长度和每个关节的旋转角度范围产生影响。
2.5机械臂的传动原理
本次设计的苹果采摘机机械臂具有六个自由度，其传动结构如图2.5所示
图2.5苹果采摘机结构简图
将整个机械臂分为五个部分：
底座：主要是支撑整个机械臂，包括上下底盘、伺服电机、RV减速器、轴承和法兰盘。底座承载了整个机械臂的重量，因此需要有足够的强度、刚度和承载能力。此外，底座设计还需要考虑到与移动小车能够紧密的连接起来，足够方便、快速。
臂部：包括大臂、小臂Ⅰ、小臂Ⅱ、连接法兰、伺服电机、传动轴、传动齿轮、RV减速器、减速器等。机的手臂是用来连接各个关节的，将动力传递下去。农业机在果林里，树枝较多，而机的手臂对强度和刚度的要求都较高，因此采用高强度的铝合金来做机的臂部，一般高强度的铝合金的的密度是2.73g/cm3。此外，由于采摘机械臂是暴露在室外工作的，因此本次设计时，尽可能的将腕部的电机安装在机械臂内部，而在小臂、大臂和底座的电机则可以根据实际情况决定是否在外部增加保护罩。对于电线和气管也尽量将其从机械臂的内部穿过，减少被树枝等损伤的可能。
腕部：包括手腕的壳体、传动轴、传动带轮等。
末端执行器：包括机械手抓、气缸、传动拉杆、外壳和切割电机等。末端执行器可能需要穿过一些树枝来摘取果实，所以要求结构紧凑、体积小。末端执行器的主要作用就是抓住果实，然后将果实从果树上完好的采摘下来，这需要两个驱动器分别驱动，对于抓取果实的驱动器，由于抓取果实时需要一直保持一定的抓紧力，而且仅有机械手抓的开合两个短距离的运动，所以适合使用气缸驱动。气缸驱动能平稳的控制机械手抓的开合，仅需要一下简单的拉杆传递动力就能将气缸的直线运动转换为机械手抓的开合动作。如果使用电机驱动，转换较为复杂，使用直线电机的成本较高，因此选择使用气缸驱动。采摘果实方式选择使用电机带动圆盘齿形锯，将果梗锯断达到采摘的目的。
2.6本章小结
本章的内容主要是通过对苹果采摘机的结构进行分析，从而确定了苹果采摘机的技术指标，选取了动作灵活、运动惯性小、通用性强的关节型机设计，本文选用的苹果采摘机的结构设计方案为模块化的这种结构，就是将苹果采摘机的每一个关节都设计成一个机电一体化的小模块，在传动机构的方案里，采用了较为熟悉的齿轮传动。在确定了苹果采摘机的总体设计方案后，还对苹果采摘机的底座、手臂、手腕和末端执行器等各个部分的设计要求进行详细规划。
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3.末端执行器的设计
3.1切割电机的选择
从网上了解的资料选择的切割圆盘齿形锯的直径为50mm，厚度为0.8mm，材质为高速工具钢 W9Cr4V，密度为8.3g/cm3，重量为13g，额定转速定为800r/min，将齿形锯看成是扁平状圆柱。则驱动力矩为：
查取转动惯量公式有：
所以
取安全系数K=1.2
经查资料，选择了性能优秀的42系列两相大力矩混合式步进电机，型号是HSTM42-0.9-S-47-6-0.4，电机额定转矩为0.311N˙m，额定转速为600r/min，将圆盘矩形齿通过螺钉与电机的输出轴连接固定。
切割电机的安装和放置如图3.1所示
图3.1 切割电机的安装图
将切割电机安装在一个特制的支架上，同时将切割的锯片通过螺钉安装在电机的传动轴上，锯片外设计了一个D型的保护盒，使锯片仅用于切割的那部分暴露在外面。放置启动时伤害到其他枝叶或者电线。保护盒通过三颗螺钉安装在电机支架上。支架通过螺钉和垫片固定在末端执行器的上盖。
3.2气缸的选择
根据采摘的苹果只有150g左右的重量，选用气马达来驱动机械手抓。气马达具有操纵简单，维修简单，环境对气马达的影响较小，而且不会因为过载而发生故障，启动和停止迅速的优点。
根据设计要求，本次选择的安装在末端执行器上的气缸要体积小，而且质量轻，因此查阅资料后选择ISO-6432标准小型圆形，直径为8mm的双作用气缸。作用杆一端有一截的螺纹和一个螺母，通过和拉杆的螺孔配合，调整到一定的位置，作用杆在完全伸出时能使机械手抓完全张开，靠近苹果，作用杆收缩后能抓紧苹果，调整好后使用螺母锁紧。气缸的安装是通过四个耳部的通孔，使用螺栓将气缸固定在末端执行器的底盘上。
3.3末端执行器的结构设计
根据上述要求，设计出符合要求的末端执行器结构，如图3.1所示。
图3.1 末端执行器结构图
执行气缸推杆通过螺纹与一个栏杆相连接，拉杆Ⅰ通过轴销与拉杆Ⅱ传动，拉杆Ⅱ再分别通过轴销与机械手抓连接。拉杆传动如图3.2所示
图3.2 拉杆传动图
拉杆带动机械手抓前后移动，机械手抓受到末端执行器下底盘的结构限制，无法垂直的前后移动，需要将手抓张开和合拢才能移动。因此达到了机械手抓的开合动作。
3.4本章小结
本章主要是阐述了用于切割苹果果梗的切割电机进行了初步选择的计算，确定了电机的型号，选择了合适的气缸用于驱动机械手抓，通过拉杆的设计和连接从而达到控制机械手抓的开合动作，对末端执行器的结构进行了设计，末端执行器使用螺钉与法兰连接，便于更换。在必要时候，机械臂可以安装其他不同的末端执行器，可以用于进行其他的作业。
4腕部的结构设计
4.1腕部机构设计的要求
在本次苹果采摘机的设计中，机的腕部的设计是一个很重要的设计，因为这部分需要将末端执行器和小臂的连接部分，采摘机的手腕不仅要支撑住末端执行器，还要和小臂一起完成任务，达到相关要求。因此，腕部的机构设计在整个苹果采摘机的结构设计中占据了及其重要的一部分。本次设计对腕部需要达到的以下的要求：苹果采摘机的腕部的机构要足够紧凑、尽可能的减少不需要的结构，减轻重量；电机和轴承等的分布要合理；需要考虑环境问题。根据本次设计的思路，苹果采摘机的主要是在种植园里面，环境对机的影响还是比较小的，但是需要考虑到是在户外工作，且维修不方便，因此要保证机能快速更换故障部件，重新恢复工作的能力，还要有一定的进行防尘防水能力。
根据本次设计的苹果采摘机的要求，考虑到苹果生长情况的不确定性，为了保证能最大限度的采摘完苹果树上的果实，在腕部设计两个自由度，一个为俯仰关节，一个为旋转关节。俯仰关节主要用于调整角度，使机械手抓能尽可能避开其他障碍物，抓取到果实。旋转关节的设计是考虑到苹果生长的位置、角度各不相同，保证圆盘齿形锯能准确无误的切断果梗，提高采摘成功的几率。
4.2腕部旋转关节的结构设计
4.2.1旋转关节驱动电机的选择
末端执行器重约3kg，长250mm，采用的高强度铝合金密度为2.73g/cm3，把执行器看成一个圆柱，可算出执行器半径
额定转速定为，驱动力矩为：
查取转动惯量公式有：
所以
取安全系数K=1.2
经查资料，选择了日本东方马达公司的步进电机，型号是PKP214D06A，电机额定转矩为0.036N˙m，额定转速为30r/min，无需减速机构便可直接用电机带动。
4.2.2腕部旋转关节的结构设计
六轴旋转结构需要带动末端执行器旋转，需要的转矩较小，使用电动机通过带颈法兰盘与末端执行器连接，电动机直接固定在支架上，通过螺纹与法兰盘连接传动，为了保证对末端执行器的支撑，在电机轴外设计安装了一个深沟球轴承。
腕部旋转关节结构如图4.1所示
图4.1 腕部旋转结构
4.3腕部俯仰关节的结构设计
4.3.1俯仰关节驱动电机的选择
为了方便计算，将执行器和旋转关节看成是一个整体，重量为8kg，长度为L1=360mm，质心到轴的距离为200mm，因此L=200mm，苹果的质量为150g左右,所以腕关节转动时候所需要的转矩为：
将腕部俯仰关节的转动速度假设是：
代入数据得：
本次设计的安全系数取1.2，则：
经查阅电机的相关资料，电机定为日本东方马达公司的步进电机，型号是PKP268D28A-L，额定转速为30r/min，额定转矩2.3N˙m。
4.3.2腕部俯仰关节的设计
考虑的腕部靠近果树，如果将电机直接暴露在外面，不利于电机的保护，因此将电机安装在小臂内部，通过楔带传动。设计结构如图4.2和图4.3所示。
图4.2 腕部俯仰关节俯视图
图4.2 带轮传动主视图
4.3.3带轮的设计
根据机械臂的尺寸和传动带的速度要求，选择JB/T5983-1992多楔带传动。带轮的材料选择为HT200。
设计功率Pd=，安全系数取KA=1.1，腕部俯仰关节的转动速度为30转/min，扭矩为2.3N˙m，功率为0.05kw，Pd=1.1*0.05=0.055kw。
选择PJ型带，小带轮直径为40mm，传动比为2，则大带轮的直径为2*40=80，根据资料取整，所以大带轮的直径为80mm。
初定中心距0.7（40+80）=84
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