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1、 机电一体化课程设计说明书题目：手臂升降伸缩采果机的改装和设计 学 院 嘉兴学院机电工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 机械N071 指导教师 学生姓名 _ _ 日 期 2011.02.23 目 录一、本作品的创新与特色简介1二设计方案拟定6三动力与传动方案的设计、计算与分析8四动作执行机构的设计、计算与分析 10五. 传感器的选择.15六设计总结19附 录20一、本作品的创新与特色简介通过分析课程设计的要求以及现实情况下的条件，设计本作品时坚持了以下原则：结构简单、造价低廉、可靠性高、稳定性高，同时机构具有可重用性。为本作品将整个机器人的功能划分为车底座单元、升降单元、果实采摘
2、单元、手臂伸缩旋转单元、放果单元。在车底座单元设计时，突出质量轻便、加工简单，装配容易。采用一级双面同步带传动，前面轮子做成可180O翻转。上台阶时，车底前端抬起与台阶接触，在后轮驱动下，车身比较容易爬上台阶。在平面上行进时车底前端翻成水平，跟驱动轮在同一水平线上，增加了车身的长度，防止翻车。下坡时车底前端压下与斜坡接触便于调节重心，加大了摩擦面积，增加了车身的平稳性。车底座单元如图1.1所示。图1.1 车底座单元结构简图在升降单元设计时，在满足功能和尺寸要求的情况下，突出了结构的稳定性，升降杆采用7节截面积为10*20的不锈钢管双排连接，不仅能满足采摘最高层果子的高度，而且升起来后具有较好的
3、稳定性。整个升降杆的结构如图1.2所示。图1.2 升降单元结构简图图1.3 果实采摘单元结构简图在果实采摘单元设计时，突出结构简单，实用性高。手爪采用无磁性的不锈钢球，可以防止有磁铁的乒乓球吸住手爪。果实采摘单元如图1.3所示。手臂伸缩旋转单元，利用丝杠螺母实现手臂伸缩功能，电机轴和手臂固定实现手臂的旋转功能。手臂伸缩旋转单元如图1.4所示。图1.4 手臂伸缩旋转单元结构简图二、设计方案拟定通过分析课程设计自拟题目的动作要求以及尺寸要求，设计本作品时将整个机器人的功能划分为车底座单元、升降单元、果实采摘单元、手臂伸缩旋转单元、放果单元。并在方案设计阶段就考虑在满足使用要求的情况下，尽量做到结构
4、简单、质量轻便、造价低廉、可靠性高，稳定性高，且机构具有可重用性。上台阶单元采用两个驱动轮，四个从动轮，一级双面同步带翻转的结构。车体结构如图1.1所示，构造简单，加工、装配容易。果实采摘单元采用图1.2所示机械手爪结构，由电机驱动丝杠螺母，带动连杆机构运动，从而实现手爪的抓紧和放松。具有结构简单，稳定可靠，动作快速，操作方便。升降单元采用平面连杆机构的传动，由双排7节截面积为10*20的不锈钢管连接而成，可实现2801500mm之间的升降高度。根据上述设计原则，本作品的总体设计方案如图2.2、2.3所示。图2.2 总体设计方案简图图2.3 总体设计方案简图三、动力与传动方案的设计、计算与分析
5、车底座单元采用双面同步带传动，两个后轮驱动，其余四个轮子从动。电机选用两个直流减速电机分别驱动两个后轮，为了减少机构的复杂性，不需要再进行减速。通过对输入电压的大小及方向的控制，可以很方便的实现对机器人行进速度和方向的控制。作用在直流减速电机上的负载力矩可按下式计算： (3.1)式中：为静态负载力矩，为动态负载力矩。 (3.2)式中：f为静摩擦系数，通过查阅手册，f0.2；m为整车质量加上最大载物的质量，m200kg；D为车轮直径,D=0.5m。将数据代入式(3.2)，可得： (3.3)式中：为负载折算到电机轴上的转动惯量；为车轮的转动惯量； 为电机的转动惯量 为最大角速度， T为加速时间，T
6、4s为车轮质量,=5Kg.将数据代入式(3.3)可得：因此作用在直流减速电机的负载力矩为：根据计算所得数据选择直流电动机。选用的直流电机参数如表3.1：表3.1步进电机参数型号额定功率转速额定电流额定电压XQ-2.2-7A2.2KW3000r/min46A60V四、动作执行机构的设计、计算与分析4.1轮子翻转系统的设计与分析转动惯量可按下式计算：式中：m1为小轮部分的质量，m2为车身部分的质量。式中：为最大角速度，； T为加速时间，T4s；轮子翻转系统结构的设计比较巧妙，电机轴跟大轮的轴固定不动，电机的法兰跟板固定一起旋转，实现车底座前端的翻转，选择的电机是直流减速电机。 表4.1轮子翻转系统
7、电机参数型号额定电压额定转速额定功率额定电流XQD0.924V1200r/min0.9KW49A轮子翻转系统的结构如图4.1所示4.1 轮子翻转系统的结构简图4.2平面连杆机构升降系统的设计与分析平面连杆机构升降系统的设计是利用电机驱动丝杠螺母，将旋转运动转化为直线运动，从而使平面连杆机构实现升和降。选择的电机是直流减速电机。4.2平面连杆机构升降系统电机参数型号额定电压额定转速额定功率额定电流XQD-6.345V2000r/min6.3KW173A平面连杆机构升降系统传动简图如图4.2所示，据此可计算出系统升降时的转动惯量为：图4.2 平面连杆机构升降系统传动简图螺母和上面的工作台的总质量M
8、=100kg，电机的最大加速度为10m/s2惯性负载力Fm=ma=10010=1000N外负载力F1=1000N转动惯量可按下式计算：其中i齿轮减速比，t为导程，n为总效率。4.3手臂旋转系统的设计与分析手臂旋转系统结构如图4.3所示，电机轴旋转带动手臂旋转选择的电机是直流减速电机（TH37JB520）表4.1手臂旋转系统电机参数型号额定电压额定转速输出力矩额定电流XQD-6.524V(DC)600r/min3000N.cm20A据此可计算出系统旋转时的转动惯量为：图4.3 手臂旋转系统结构简图转动惯量可按下式计算：式中：m1为机械手的质量，m2为可伸缩手臂的质量。式中：为最大角速度，； T为
9、加速时间，T4s；电机的输出力矩为19.1kg.cm，大于负载力矩。4.4手臂伸缩系统的设计与分析手臂伸缩系统结构的设计是利用电机带动丝杠旋转，丝杠带动螺母直线运动，从而带动导轨的直线运动，实现手臂的伸缩。选择的电机是直流减速电机。表4.1手臂伸缩系统电机参数型号额定电压额定转速额定功率额定电流XQD-0.7545V1650r/min0.75KW25A手臂伸缩系统的传动简图如图4.4所示，据此可计算出系统伸缩时的转动惯量图4.4 手臂伸缩系统传动简图转动惯量可按下式计算：螺母和上面的工作台的总质量M=20kg，电机的最大加速度为10m/s2惯性负载力Fm=ma=2010=200N外负载力F1=
10、2000N转动惯量可按下式计算：其中i齿轮减速比，t为导程，n为总效率。五、传感器的选择 为了实现我们所设计的采果机的自动功能。我们选择Charge Coupled Device作为系统的传感识别器。以便让采果机可以区分果树与障碍物，以及果子与树叶树枝、不同果子之间的形状区别，从而做出相应的反应。 Charge Coupled Device （CCD） 电荷耦合器件。CCD是一种半导体装置，能够把光学影像转化为数字信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD在
11、摄像机、数码相机和扫描仪中应用广泛，只不过摄像机中使用的是点阵CCD，即包括x、y两个方向用于摄取平面图像，而扫描仪中使用的是线性CCD，它只有x一个方向，y方向扫描由扫描仪的机械装置来完成。 CCD它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完
12、整的画面。 CCD，是英文Charge Coupled Device 即电荷耦合器件的缩写，它是一种特殊半导体器件，上面有很多一样的感光元件，每个感光元件叫一个像素。CCD在摄像机里是一个极其重要的部件，它起到将光线转换成电信号的作用，类似于人的眼睛，因此其性能的好坏将直接影响到摄像机的性能。 衡量CCD好坏的指标很多，有像素数量，CCD尺寸，灵敏度，信噪比等，其中像素数以及CCD尺寸是重要的指标。像素数是指CCD上感光元件的数量。摄像机拍摄的画面可以理解为由很多个小的点组成，每个点就是一个像素。显然，像素数越多，画面就会越清晰，如果CCD没有足够的像素的话，拍摄出来的画面的清晰度就会大受影响
13、，因此，理论上CCD的像素数量应该越多越好。但CCD像素数的增加会使制造成本以及成品率下降，而且在现行电视标准下，像素数增加到某一数量后，再增加对拍摄画面清晰度的提高效果变得不明显，因此，一般一百万左右的像素数对一般的使用已经足够了。 单CCD摄像机是指摄像机里只有一片CCD并用其进行亮度信号以及彩色信号的光电转换，其中色度信号是用CCD上的一些特定的彩色遮罩装置并结合后面的电路完成的。由于一片CCD同时完成亮度信号和色度信号的转换，因此难免两全，使得拍摄出来的图像在彩色还原上达不到专业水平很的要求。为了解决这个问题，便出现了3CCD摄像机。3CCD，顾名思义，就是一台摄像机使用了3片CCD。
14、我们知道，光线如果通过一种特殊的棱镜后，会被分为红，绿，蓝三种颜色，而这三种颜色就是我们电视使用的三基色，通过这三基色，就可以产生包括亮度信号在内的所有电视信号。如果分别用一片CCD接受每一种颜色并转换为电信号，然后经过电路处理后产生图像信号，这样，就构成了一个3CCD系统。 和单CCD相比，由于3CCD分别用3个CCD转换红，绿，蓝信号，拍摄出来的图像从彩色还原上要比单CCD来的自然，亮度以及清晰度也比单CCD好。但由于使用了三片CCD，3CCD摄像机的价格要比单CCD贵很多。 四色CCD是索尼公司在2003年推出的一种CCD新技术。四色即红 绿 蓝 品红（RGBE）相对与传统的三色（红 绿
15、 蓝），四色CCD的色彩还原错误率进一步降低。因而使色彩还原更逼真。收款采用四色CCD的数码相机是SNOY DSCF828 数码相机规格表中的CCD一栏经常写着“1/2.7英寸CCD”等。这里的“1/2.7英寸”就是CCD的尺寸，实际上就是CCD对角线的长度。 现有的数码相机一般采用1/2.7英寸、1/2.5英寸和1/1.8英寸等尺寸的CCD。CCD是受光元件(像素)的集合体，接收透过镜头的光并将其转换为电信号。在像素数一样的情况下，CCD尺寸越大单位像素就越大。这样，单位像素可以收集更多的光线，因此，理论上可以说有利于提高画质。 但是，数码相机画质的好坏不仅是由CCD决定的。镜头以及通过CC
16、D输出的电信号形成图像的电路的性能等也能够影响到相机的画质。所谓的“大尺寸CCD高画质”是不正确的。例如，虽然1/2.7英寸比1/1.8英寸尺寸小，但配备1/2.7英寸CCD的数码相机并没有受到画质不好的批评。 现在，袖珍数码相机日趋小巧轻便，出于设计上的考虑，其中大多采用1/2.7英寸的小型CCD。 CCD图像识别传感器六、设计总结凌空采果机器人的结构设计包括：总体设计、车底座单元、升降单元、果实采摘单元、手臂伸缩单元。这五部分功能单元的常规设计以及创新创新，基本完成了竞赛的要求，通过对凌空采果机器人整体设计，大大提高了我们对机械设计的兴趣，丰富了我们在机械设计方面的理论知识和实践经验。在完
17、成机器人的设计过程中，综合运用了机械制图、机械原理、机械设计、工程材料、工程力学等方面的知识。通过这次设计，把课堂上学到的理论知识与实践应用有机的结合了起来。现把设计过程中提出的一些构思与经验总结如下：在方案初期我们应用Solidwork软件进行仿真设计，对机器人动作进行模拟，进而对机器人设计方案的各部件尺寸参数，机器人结构和整体外形尺寸进行了优化处理，这对我们接下来的制作提供了一个很好的指导。在这个实施过程当中我们逐步熟悉了机器人设计制作的一般流程，计算机辅助设计技能得到了实际的运用；在材料及部件的采购时使工程材料，机械设计基础等学科得到了实际的应用；经历了第一次运用工程力学知识对实际问题进行详细的分析和设计计算；并在机器人的制作阶段对加工工艺有了更深的认识。不管对以后的工作还是对现在的专业课程的学习都有很大的。5附 录13141516 机械手电路图系统处理总图伸缩架电子原理图