多功能六軸機(jī)器人設(shè)計(jì)分析

摘要：借助采摘機(jī)器人代替空余勞動(dòng)力的方法被更廣泛應(yīng)用。因此，提出采摘機(jī)器人機(jī)械手臂機(jī)電一體化設(shè)計(jì)。對采摘機(jī)器人機(jī)械手臂的機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)基于機(jī)電一體化的機(jī)械手臂底座，同時(shí)，設(shè)計(jì)機(jī)械臂農(nóng)作物識(shí)別傳感器，完成采摘機(jī)器人機(jī)械手臂機(jī)電一體化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;機(jī)械手臂;機(jī)電一體化

1、研究背景

我國作為一個(gè)農(nóng)業(yè)國家為了促進(jìn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械化、自動(dòng)化與智能化是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢，并成為農(nóng)業(yè)發(fā)展力量的必要條件。近年來，隨著我國自動(dòng)控制和機(jī)械臂技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)械臂從工業(yè)領(lǐng)域逐漸滲透到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。農(nóng)業(yè)機(jī)械臂能夠滿足采摘的要求成為關(guān)鍵技術(shù)之一。在收獲的時(shí)候，采摘需要大量的人力物力資源，并且效率不高。水果富含營養(yǎng)，對人體有很多好處，人們對水果的需求與日俱增。因此，水果種植面積逐漸增加，而采摘是種植過程中最耗時(shí)的，所以水果采摘機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)具有重要意義。

2、采摘機(jī)器人機(jī)械手臂的機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采摘機(jī)器人的主要是由機(jī)械臂回轉(zhuǎn)部分、機(jī)械大臂、機(jī)械小臂和機(jī)械腕部四部分組成。想要實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的自由采摘，機(jī)械臂的靈活度至少要和人類手臂的靈活度一致，因此機(jī)械臂回轉(zhuǎn)部分要保證機(jī)械手臂可以進(jìn)行360°的旋轉(zhuǎn)。機(jī)械臂的大臂擁有2個(gè)自由度，小臂也需要擁有2個(gè)自由度。機(jī)械臂的大臂和小臂之間的結(jié)構(gòu)采用平行四邊形連接方式，比起傳統(tǒng)方式的矩形結(jié)構(gòu)，平行四邊形的機(jī)械臂的水平和垂直運(yùn)動(dòng)的靈活性更好。[1]如圖1所示。

機(jī)械手臂的啟動(dòng)設(shè)備中增加離合器，這樣可以保證在做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候在足夠驅(qū)動(dòng)力的前提下，還能保證回轉(zhuǎn)靈活。將傳統(tǒng)機(jī)械臂中所用的絲杠螺絲改換成小型推桿。絲杠螺絲會(huì)限制機(jī)械手臂在實(shí)操中的升降速度，小型推桿的雙螺母結(jié)構(gòu)會(huì)消除空氣阻力，加快機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)速度。

3、水果采摘機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)方案

日常生活中水果的種類繁多，每種水果的生產(chǎn)環(huán)境有所不同，果樹的高度也有所不同。本文主要研究關(guān)于蘋果等水果類采摘智能機(jī)械手臂的研究。本機(jī)械手臂主要包括兩部分，分別是兩自由度的移動(dòng)載體和四自由度的機(jī)械手臂。機(jī)械手臂的第一自由度控制機(jī)械手臂底座的轉(zhuǎn)動(dòng)，二三自由度控制機(jī)械手臂伸展，第四自由度控制機(jī)械爪的張開與閉合。[2]機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)簡圖及傳動(dòng)簡圖如圖2、圖3所示。

4、采摘機(jī)械手臂底座設(shè)計(jì)

機(jī)械臂靈活的移動(dòng)范圍相對較小，這就導(dǎo)致了機(jī)械臂在果園中無法自由移動(dòng)去采摘果實(shí)，為了解決這一問題，可以設(shè)計(jì)一個(gè)可移動(dòng)的機(jī)械臂底座，以增加機(jī)械臂的靈活性，適用于果園摘果。蘋果果實(shí)的生長地面一般不平坦。因此，所選的機(jī)械臂應(yīng)該能夠在各種路面上前進(jìn)，以方便后續(xù)采摘移動(dòng)。因此，可以選用履帶式車輪、平板式車架，這使得機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，容易固定。

5、采摘機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)械手臂工作時(shí)動(dòng)作形態(tài)中坐標(biāo)形式的不同，農(nóng)業(yè)機(jī)械手臂可分為以下四種：圓柱坐標(biāo)型、直角坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型和多關(guān)節(jié)型。

1）圓柱坐標(biāo)型。該類機(jī)械手臂的工作范圍是一圓柱體，它是由轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和移動(dòng)關(guān)節(jié)組成的機(jī)械臂，結(jié)構(gòu)比較簡單。它主要是由垂直柱子、水平移動(dòng)關(guān)節(jié)和底座構(gòu)成。這類機(jī)械手臂的水平移動(dòng)關(guān)節(jié)裝在垂直柱子上，能自由伸縮，并可沿垂直柱子上下運(yùn)動(dòng);垂直柱子安裝在底座上，并與水平移動(dòng)關(guān)節(jié)一起繞底座轉(zhuǎn)動(dòng)。圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手臂的特點(diǎn)有：占地面積比較小，活動(dòng)范圍比較大，結(jié)構(gòu)比較緊湊，定位精度比較高等。但是，靈活度比較差是圓柱形機(jī)械手臂的主要缺陷。

2）直角坐標(biāo)型。直角坐標(biāo)系末端執(zhí)行器的工作位置是由三個(gè)相互垂直的并且做直線運(yùn)動(dòng)的軸來確定的。這種機(jī)構(gòu)比較簡單，適合自由度要求不多的機(jī)械手臂，由于三軸互相垂直，可以當(dāng)成空間直角坐標(biāo)系來看，所以這一類的機(jī)械臂定位都是很精確的。但是這類機(jī)械手占地空間比較大，靈活性不好，如果用在農(nóng)業(yè)上會(huì)存在一定局限性。[3]

參考文獻(xiàn)：

[1] 羅昕.機(jī)電自動(dòng)化控制系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)[J]. 南方農(nóng)機(jī)，2020.

[2] 申永勝.機(jī)械原理教程[M]3版.北京：清華大學(xué)出版社，2018.

[3] 成理鵬，張繼光，李春雪.一種水果采摘機(jī)的結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計(jì)[J].南方農(nóng)機(jī)，2018.

作者簡介：夏明（1996.05-），山東交通學(xué)院本科學(xué)生，指導(dǎo)老師：李光。92391A63-24D9-4CB8-991C-12C615E30BB5