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1、苹果分类包装机械手传送机构及抓取部分设计摘要本文从生产实际要求出发，在对苹果生物学特性及传送方式进行深入研究的基础上完成了苹果传送机构和四自由度苹果分类搬运机械手抓取部分的结构设计。选取了合理的传送电机，确定了传送机构的主要尺寸，选择了机械手的坐标形式；设计了机械手的手部结构；选择了机械手的传动方式；使用了合理的手指结构；根据各部分气缸所需的驱动力，确定出手指主要尺寸。对单、双支点回转型手指的夹持误差分析比较后，选用单支点回转型手指；在手部驱动杆运动时，通过两次夹持不同直径的苹果来确定手部滑槽的长度。研究设计完成后的系统减小了对苹果表皮的损伤，智能化程度较高。机械手具有运动灵活，占地面积小，操
2、作简便等优点，因此，适宜于中小规模的水果分类搬运。关键词：苹果包装；机械手；传送机构DESIGN OF TRANSPORT AND GRASPING MECHANISM OF MANIPULATOR FOR APPLES CATEGORISE PACKINGABSTRACTThis paper set out from the practical production,completed the design of structure of apple transport mechanism and the four freeness degree manipulator which used
3、 to class and transit apples on the base of doing deeply study to apples biologic characteristic and carrying style. Selected a reasonable Motors for transmission, Calculated and determined main size of the transmission body. Chosen the coordinate form, designed the hand frame and selected the trans
4、mission way of themanipulator;made use of the reasonable finger frame;According to the drive power which each parts of air cylinders needed, Calculated and determined the main size of thefinger. Determined use the single fulcrum gyration finger to bemore reasonable after the analysis of grasp error
5、between the single fulcrum gyration fingerand the double fulcrum gyration finger. When the driving pole of hand is moving,the lengthof runner can be counted through grasp different diameter apples two times.The completing research design system decreased the injury to the apple epidermis, and the in
6、telligent degree was higher. The manipulator has the merits of the vivid movement, small covered area, and simple operation etc.Therefore, it suitable to the small-scale fruit when classification and transporting.Key Words：Packaging of apple，Manipulator，Transport mechanism目录摘要IABSTRACTII目录III第一章绪论11
7、.1苹果分类包装机械的发展现状11.2机械手的概述11.3机械手的组成及其分类21.4系统的工作任务41.5研究目的和意义6第二章机械手的功能分析及总体设计方案72.1机械手的坐标型式与自由度的选用72.2机械手的结构方案设计72.3机械手的驱动方案设计72.4机械手的主要参数82.5苹果表面受力参数9第三章机械手手部设计113.1手部的种类及设计注意事项113.2手指的抓取机能及手指尺寸的计算133.3滑槽尺寸的确定213.4手部夹紧气缸的选择23第四章 苹果传送机构的设计324.1传送带的设计324.2电机的选择：33第五章 结论与展望365.1主要结论365.2展望36参考文献37致 谢
8、38 第一章绪论1.1苹果分类包装机械的发展现状目前我国使用的选果机大部分是从日本、韩国进口的，不但耗费大量外汇，而且由于成本较高，在国内的推广使用受到了限制。为改变这一现状，我国设计工作者在对国外机型进行消化、吸收和改造的基础上，研究开发了机型小、性能优、造价低，适宜国营场圃、批发市场和贩运大户使用的国产系列化新机型。国产选果机的占地面积一般为315，体积一般在215。工作时需要较大的动力，并产生一定幅度的振动，这就对选果机的使用提出了一些硬性要求，如：较大的工作空间，相对固定的工作场所和高成本安装维护等。因此，国产选果机的使用也受到了一定的制约。苹果生产是我国农业生产的重要组成部分。200
9、3年，据联合国粮农组织统计，我国苹果产量占世界苹果总产量的36.4%，苹果的主要生产地在山东，陕西和东北，以小规模农户分散种植为主要生产方式。由于产量相对较小，使用选果机进行苹果的分类将会很不经济，但人工分类又存在分类精度的不确定性，因此，果农在苹果采摘后往往只能进行粗糙的分类，这种分类方式不但效率低，而且会使得大量的苹果遭到降级的厄运从而使得苹果的整体的销售价格水平下降，这无形中就损害了广大果农的利益，挫伤了他们的生产积极性，影响了他们生活水平的提高。因此，需要设计生产出符合果农需求的小型苹果分类机械。这就是本课题苹果包装抓取搬运机械手的研究背景。1.2机械手的概述机械手是模仿人手的动作，按
10、给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动机械装置。机械手能够代替人完成人力所不及或人所不适宜的工作。随着机械手在各个领域的应用，对其综合性能提出了更高的要求：专业性更强，实用性更高，经济性要求也已经摆到了人们的面前，因此结构简单、操作方便、能满足功能要求又具有一定的可靠性的小型机械手需求量越来越大。我国从50年代开始搞固定动作机械手（行程开关控制），60年代开始搞数控机械手70年代末开始搞机器人。工业机器人与智能机器人已进入我国的八.五、九.五科技发展计划及863高技术规划，受到各方而越来越多的重视。机械手的研究和应用在我国尚属起步阶段，但已显示出许多特殊的优点，展现出了广阔的应用前
11、景。对于机械手在我国的研究和应用主要有：（1）机械手基础性能的试验以及基础理论研究，解决制造技术存在的问题。（2）针对笨重、高温、有毒、高粉尘，易燃易爆、单调等恶劣劳动环境，有计划有步骤地推广应用和研制多种机械手，用于铸、锻、焊以及喷漆等工业作业中。（3）提高机械手精度和运动速度，以适应高生产率和生产节拍的需要。要研究解决苹果包装抓取搬运机械手的研究机械手的运动速度和缓冲、定位技术。解决机械手的定型设计、定点、定量生产以及配套件的生产和供应问题，推进机械手设计制造中的现代化（CAD/CAM）、标准化、系列化。随着工业技术的发展，国内外研制了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程
12、序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用。1.3机械手的组成及其分类1.3.1机械手的组成机械手一般由执行机构、驱动系统、控制系统等部分组成。各系统相互之间的关系如图1-1所示。图-机械手各系统之间的关系执行机构：执行机构是机械手完成握持工件实现所需的各种运动的机械部件，包括如分：（1）手部：即与物件接触的部件。根据与物件接触的不同形式，可分为夹附式。（2）手腕：是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位。的机械手，也有不设手腕部件，将手部直接装在手臂部件的端部。（3）手臂：是支承被抓物
13、件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。（4）机身：是机械手中用来支撑手臂的部件，安装驱动装置和其他装置1.3.1.2驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械种形式。1.3.1.3控制系统控制系统是通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作其正确与否的一些装置。一般包括程序控制部分和行程检测反馈部分。1.3.2机械手的分类：1.3.2.1按用途分：机械手可分为专用机械手和通用机械手两种：（1）专用机械手：它是附属于主机的、具有固定程序而无独
14、立控制系统的专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点大批量的自动化生产。（2）通用机械手：它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活械手。在规格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，断变换生产品种的中小批量自动化的生产。1.3.2.2按驱动方式分（1）液压传动机械手：是以液体的压力来驱动执行机构运动的机械手。其是：抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置否则油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作（2）气压传动机械手：是以压缩空
15、气的压力来驱动执行机构运动的机械手特点是：介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。（3）机械传动机械手：由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮和齿条、等）驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作的。它的主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构庞大，动作程序不可被用于工作主机的上、下料。（4）电力传动机械手：有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电动执行机构运动的机械手，因为不需
16、要中间的转换机构，故机械结构简单。其机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，发展前途。1.3.2.3按机械手的臂力大小分按臂力（即被传送物件的重量）的大小，可将机械手分为如下四类：（1）微型机械手，臂力小于1公斤。（2）小型机械手，臂力为1-10公斤。（3）中型机械手，臂力为10-30公斤。（4）大型机械手，臂力大于30公斤。1.4系统的工作任务1.4.1整个系统的工作任务如下：由传送带将待分类的苹果输送到机械手的工作半径上（此时机械手应该在传送带的正上方，以确保整个机械手的工作过程所用时间最短）。机械手按指定的命令完成以下动作执行任务：下降（由立柱的升降气缸控制，
17、下降过程中手指始终张开一定的角度，以损伤苹果）抓取苹果（由手部夹紧气缸完成，通过视觉来确定苹果的分类）上升并旋转（由立柱升降气缸和旋转气缸共同完成，将对应的传送带上方）下降（由立柱升降气缸实现，将苹果送至传送带上）并放下苹果（该过程由手部夹紧气缸完成）上升并旋转（由立柱升降气缸和共同完成，机械手臂还原至初始位置）。上述内容仅为一个工作流程机械手所需完成的动作，本设计要对不同尺寸分类搬运，故整个系统应采用多工位设计。整个工作流程如图1-2所示图-1.4.2研究的主要内容本机械手是通过主力臂的回转、升降、伸缩以及手指的夹持和手腕的转动来取搬运任务。本论文主要研究机械手结构控制设计，故仅对单工位进行
18、设计。为械手准确、快速的完成上述动作，本文需完成以下设计内容：（1）根据实际需要，选取机械手的坐标型式和自由度。确保其能准确、迅速各项任务。为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部设计为可更换结构。（2）根据苹果的有关参数对机械手进行结构设计，包括对手部的计算，确定出适合各部分工作的气缸。1.4.3创新点根据苹果的生物特性，对机械手手部的夹持误差进行分析，选用较合理结构。1.5研究目的和意义在我国，“三农”问题成为全党和全国工作的重中之重，社会各界普遍关注主义新农村建设中如何进一步发挥农业机械化的作用，从而推进新农村建设，们所面临的新课题。我国虽是一个农业大国，但随着农业生产的规模化、多样化，
19、某些地域呈现出劳动力不足现象，再加之苹果的分类挑选是一项劳动密集以及苹果生产对时令的要求，劳动力问题很难解决。我国农村广大果农也因不准确的对苹果进行分类包装而在苹果生产中处于相当不利的地位，正是基于这苹果分类搬运机械手的课题得以提出。苹果分类搬运机械手的应用可以提高率，解决劳动力不足问题；改善农业的生产环境，防止农药、化肥等化学药品伤害；提高劳动作业质量等。与传统自动选果机相比较，苹果分类搬运机械手具有占地面积小，结构简自如，操作灵活，升降平稳等优点。因此，它对于我国农村苹果分类时出现的拥挤，工作地点变化频繁和工作量小等不利现况都有很强的适应性。此外它还改变自身的软硬件来满足不同种类水果的分类
20、工作，具有很强的通用性。苹果机械手具有投资小，回报大和使用简单等特点，在我国农村的水果分类包装工起到提高生产效率和作业质量，改善劳动条件的重要作用。第二章机械手的功能分析及总体设计方案对气动机械手的基本要求是能快速、准确的拾、放和搬运苹果，这就要求它精度高、反应快、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度以及在任意能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是：充分考虑作业对象的作业技术要求，拟定较为合业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件；明确工件的结构形状和材料特位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对结构及运行控制的要求；尽量选用定型的标准组件，简化设计制
21、造过程，兼顾通专用性。本次设计的机械手是苹果分类搬运机械手，是一种适用于成批或中、小批量生可以改变动作程序的自动搬运和操作设备，它可用于操作环境恶劣，劳动强度大单调频繁的生产场合。2.1机械手的坐标型式与自由度的选用考虑机械手手臂的不同运动形式及组合情况，本机械手在上下料时具有手臂的回转运动，手腕的回转运动及手指在夹持物件时的开闭运动。所以，设计中机械标型式采用圆柱坐标型式，相应的机械手具有四个自由度。2.2机械手的结构方案设计为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成V型槽式可更换结用的是夹持式手部。考虑到手腕需满足回转运动的工作要求。因此，手腕设计成回转结构，实现转运动的机构为回转
22、气缸。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横臂的各种运动均由相应的气缸来实现。2.3机械手的驱动方案设计常见的驱动方式主要有电机驱动、液压驱动和气压驱动。他们各有各的优缺点：电机驱动具有无间隙、摩擦小、机械刚度高等优点，可以实现高速、高精度的位置控制和微小力，缺点是容易受载荷的影响，速度调节不灵活。液压驱动具有以下优点：（1）容易获得比较大的扭矩和功率； （2）功率/重量比大，可以减小执行装置的体积； （3）刚度高，能够实现高速、高精度的位置控制； （4）通过流量控制可以实现无级变速。同时又有缺点： （1）必须对油的温度和污染进行控制，稳定性较差；（2）有因漏油而发
23、生火灾的危险；（3）液压油源和进油、回油管路等附属设备占空间较大。气动驱动的优点：（1）利用气缸可以实现高速直线运动；（2）利用空气的可压缩性容易实现力控制和缓冲控制； （3）无火灾危险和环境污染； （4）系统结构简单，价格低。缺点：（1） 由于空气的可压缩性，高精度的位置控制和速度控制都比较困难，驱动刚性比较差； （2）虽然撞停等简单动作速度较高，但在任意位置上停止的动作速度很慢；（3）噪音大；由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉苹果抓取载荷较轻，因此，本机械手采用气压传动方式。2.4机械手的主要参数主要参数如下：（1）主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，最
24、大抓重定为1千克。（2）基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度回转范围0240要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因臂伸缩及回转的速度。（3）该机械手最大移动速度设计为1.2 m/s，最大回转速度设计为120 0/s。动速度为l m/s，平均回转速度为90 0/s。（4）除了运动速度以外，机械手的基本参数还有工作半径。大部分机械手设当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的工作半径，必然引起偏增大而使刚性降低。根据统计和比较，该机械手手臂的最大工作半径约为60手臂回转行程范围定为240。手臂升降行程约为300mm。（5）定位精度也是基本参数
25、之一，该机械手的定位精度为0.5mm。2.6机械手的技术参数列表设计技术参数主要有：夹持式手部抓重1kg自由度数4个自由度坐标型式圆柱坐标手臂运动参数最大回转速度1200/s定位方式行程开关或可调机械挡块等驱动方式气压传动2.5苹果表面受力参数本文所讨论的苹果表面受力参数，主要是苹果的硬度。根据苹果的成熟期，一般早熟品种硬度为6.5kg（面受力，下同）；中熟品种硬度为7.5kg；晚熟品种硬度为8kg。孙骊等人通过试验研究，提出了苹果硬度计算公式：HD =8.554-5.78510T（-）式中：HD苹果的硬度（kg）；T苹果的存放天数。上式表明，随着存放天数T值的增大，苹果的硬度HD值将逐渐减小
26、。本设计中机械手为抓取分类机械手，它主要于苹果采摘后分类装箱。此时的苹果存放时间较短，为保证有足够的安全系数，可取T=30。按上式计算得HD =6.82kg。综上所述，在设计中，取苹果的硬度值为6.5kg。第三章机械手手部设计机械手的手部是用来直接抓取物件的机构，是机械手的重要组成部件之一。由手指、传力（或增力）机构和驱动装置组成。根据被抓取物件的材质、形状、尺寸、重量以及其它一些特性（如易碎性、导磁性、表面光洁度等）的不同，手部的种类也不一样。3.1手部的种类及设计注意事项3.1.1手部的种类3.1.1.1根据手指的种类不同分类（1）夹持式手部（2）吸附式手部3.1.1.2根据手指的多少分类
27、（1）单指手部是由各种单个吸盘所组成的手部。（2）多指手部是由多个机械式手指或多个吸盘所组成的手部，其中由两个机械式手指所组成的手部用的较多。手部分类图如图3-1所示：夹持式是较常见的一种手部形式，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式：按手指夹持工件的部位又可分为内卡式和外夹式两种；按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指；同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。因此，本系统采用回转型
28、两指式外夹持手部。3.1.2手部设计要求（1）手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应能保证被抓物件顺利进入或脱开，其大小直接与工件和手指的形状、尺寸及手部接近被抓物件的路线等因素有关，同时还要注意路线周围的环境。若夹持不同直径的物件，采用较大的开闭范围会增大驱动装置的行程和结构尺寸，而且会增加手指开闭时间，所以手指开闭范围不宜设计的过大；但对回转型手指来说，手指要有足够的张开与闭合角度。图3-2即为其结构尺寸示意图。图中表示松开物件时的情形。在图3-2中，有A-DC式中：A手指松开物件后的最大尺寸；D被抓取物件表面的最大尺寸；C手指张开
29、或闭合后与物件之间保持的最小间隙。（2）手指夹紧力的大小要适宜握力过大，可能损坏物件，还需要较大的动力源和较大结构，不经济；握力过小，由于物件的自重以及传送过程中的惯性力和振动等因素的影响而抓不住物件。在通常情况下，所需要的握力是物件重量的23倍。（3）各构件要有足够的刚度和强度，而自重要轻。（4）结构简单，修理方便。（5）动作准确、迅速、灵活。3.2手指的抓取机能及手指尺寸的计算3.2.1手指的抓取机能手指的抓取机能是由被抓取物件和手指共同决定的。被抓取物件的大小、形状、重量、材质和受外力的约束程度及运动情况，决定了手指能抓取的极限尺寸、手指对物件的约束和握紧程度、抓取精度等。它们之间的关系
30、如图3-3所示。图3-3 手指抓取机能与手指，被抓取物的关系3.2.2本系统手部的具体情况3.2.2.1指端的形状本系统采用的是带V型槽的回转型手指，它是一种常用的夹持结构，适应夹持不同尺寸和形状物件的需要。其特点是夹持平稳可靠，夹持误差小，并能快速地夹持物件，适用于夹持圆柱形或类球状物体。V型体是单独制造，用螺钉固定在手指上，这样在指面磨损后便于迅速更换手指。3.2.2.2指面型式指面型式的确定取决于物件形状、大小及被夹持部位材质软硬、表面性质等的不同。本系统采用柔性指面，指面镶衬橡胶、泡沫塑料、石棉等物。这样可以增加摩擦力，并起到保护苹果表面的作用。3.2.2.3手指的材料手指材料的恰当选
31、用，对机械手的使用效果影响很大。为了符合手部的结构尺寸，同时保证手指有足够的强度，本系统手部材料选用硬铝合金（LY）。3.2.3手指的夹持误差分析手指的夹持误差或抓取精度，是指以手指的某一点（如回转支点）为基准点到物件被抓取表面上的某个基准点的距离变化的最大偏差量（随被抓取表面尺寸的变化而变化）。该偏差量越小，抓取精度就越高，而夹持误差就越小；反之，如该偏差量越大，抓取精度就越低，而夹持误差就越大。手指的夹持误差是手指抓取技能的重要指标之一，所以是设计时考虑的重点问题。3.2.3.1单支点回转型手指的夹持误差图3-4为单支点回转型手部简图。图3-4 单支点回转型手指筒图其中：l手指长度，即手指
32、的回转支点A到V型槽顶点B的距离；2V型槽的夹角；偏转角，即V型槽的角平分线BC与手指AB间的夹角；R物件半径。从图中可以明显地看出：如果手指只抓取及这两种固定尺寸的物件时，其抓取误差为零。这是因为C与C重合，对于支点A没有变化。但当该手指所抓取的物件尺寸在及之间变化时，物件中Cx对手指的回转支点A是有变化的，即夹持误差。设物件的轴心位置C与手指回转支点A间的距离为x，通过三角形ABC利用余弦定理可得而由直角三角形B CD得所以有（-）为了便于看出物件半径R的变化对夹持误差X的影响，可将（3-1）式简化成-（-）这是一个双曲线方程。分析该双曲线方程可得sincos（-）此时，有最小的x值为si
33、n（3-4）而且x的变化是以为分界，左右对称的。当、给定后，通过公式（3-2）即可找出x随R的变化关系。设l =120mm，2=120，=5444，根据公式（3-2）画出x与R的关系曲线，如图3-5所示。图3-5 物件圆心到手指回转支点距离x与半径R的关系曲线只要夹持物件尺寸有一定的变化范围，总会有夹持误差存在。若物件的半径由变化到时，x值的最大变化量即为夹持误差。当时，即和分别在对称点的两侧，夹持误差x为x和x中的较大者。即有sin （3-5）x=sin （3-6）取x=max（x，x） （3-7）根据图3-5分析可知，当夹持误差最小时，有R= （3-8）式中：平均半径；根据（3-3）式，可
34、得最佳偏转角为=cos （3-9）手部设计时，是按给定的R和R来确定手部各部分尺寸的。为了减小夹持误差，一方面可以加长手指长度L，但手指过长，整个手部机构就要增大；另一方面可以选取适合的偏转角，使夹持误差最小，这时的偏转角称为最佳偏转角。3.2.3.2双支点回转型手部的夹持误差双支点回转型手指工作简图如图3-6所示。图3-6 双支点回转型手指筒图图中：L手指长度，即手指的回转支点A到V型槽顶点B的距离；2V型槽的夹角；偏转角；2 s两回转支点间距离；物件轴心位置到手指两支点连线的垂直距离用x表示。根据几何关系，可得 （3-10）两端平方并整理移项后，得 （3-11）该方程亦为双曲线方程，故可用
35、与单支点回转型手部同样的分析方法，得到以下几点结论：当R=Lsincos时，有最小的X值，即x= (3-12)X的变化以R为分界，左右两部分是对称的。（2）当时，夹持误差x为x和x中的较大者，即x（-）x（-）取（，） （3-15）此处的s虽与其它参数之间没有直接函数关系，但它既影响夹持误差大小，又影响允许的最小夹持尺寸，故一般不能取很大。（3）当手指只抓取R和R两种固定尺寸的物件时，若偏转角cos则其抓取误差仍为零。当双支点回转型手指s值较大时，因为在抓取半径较小的物件时，两手指中的和平行，握不紧物件，如图3-6所示。故其偏转角不宜按使抓取误差取最小时的条件确定。对于单支点具有偏转角的回转型
36、手指，偏转角按最佳值选取，一般不会出现上述问题。所以本系统手部结构采用单支点回转型手指。3.2.4确定手指各主要尺寸根据上一节所讨论的采用单支点回转型手指的夹持误差分析，来确定手指的主要参数L手指长度；偏转角，要求手指夹持误差x 1mm。按中华人民共和国农业行业标准，除三级苹果外，果实横切面最大直径要大于或等于70mm。这里设机械手所抓取的苹果直径在70mm110mm之间，故取苹果半径为35mmR55mm，则由式（3-8）得R= =45 （3-16）3.2.4.1求最佳偏转角的表达式取V型槽的夹角2=1200，根据式（3-9）求得最佳偏转角为=cos= cos= cos （3-17）cos=s
37、in= （3-18）3.2.4.2求夹持误差的表达式在双曲线上，由于R和R关于R对称，所以x=x，即有 = x=x，由式（3-5）、（3-6）、（3-7），以及（3-17）和（3-18）得=-Lsin =即 =- （3-19）3.2.4.3求手指L的长度对手指的夹持误差要求不超过1mm，根据式（3-19），可写出约束条件为L-2566.480L0 -1计算得 L84.07mm。为了减小夹持误差，设计中可加长手指的长度L，但手指过长，整个手部结构就要增大。在这里，为了进一步减小误差，而且使计算简便，取L=90mm。此时，根据式（3-16）和（3-19）有 = - =0.91mm=cos= cos
38、=54.73表3-1列出了当V型槽夹角2=1200，手指长度l与平均半径R为不同比值时的最佳偏转角。当l=90mm，R=45 mm时，m=2。此时计算出的值恰好与表中的值近似，符合偏转角最佳。此时，手指长度l=90mm，=54.73。此时有X= =73.5mm表3-1最佳偏转角（当2=1200时）最佳偏转角所对应的数值M=1.522.533.543940544462296722704473133.2.4.4利用夹持误差图表进行验证图3-7 夹持误差图图3-7表示了当M=为不同比值时，K=与相对误差=的关系。利用此图，可求出具有偏转角手指的夹持误差。在本系统中，因为 K=1.57 而 M=2从横
39、坐标K=1.57对应于m=2的曲线，在纵坐标上可查得相对夹持误差为=0.02所以，夹持误差为x= 0.02 R=0.0245=0.9mm，结果与计算法相吻合。从上面的计算法和图解法的验证结果可以看出，实际的夹持误差小于要求的夹持误差，所以以上对手指各主要尺寸所确定的数值是合适的，此方案是可行的。3.3滑槽尺寸的确定本系统采用的是单支点回转型滑槽式手部结构，其结构如图3-8所示。若O点固定驱动杆向下推时手指夹紧，向上拉时则手指张开。滑槽上所受的驱动力P和P在回转支点和夹紧点之间，杠杆的动力臂c总是小于阻力臂b，即c/b1，又因为Nb=Pc，因此传力比N/P较小，但开闭范围相对较大。 图3-8单支
40、点回转型滑槽式手部结构E为圆柱销所在处，此时，要计算出当手部从夹持R=45 mm到极限位置R=55 mm时，圆柱销沿OA方向移动的长度。R=45 mm与R=55 mm时的手部结构尺寸简图如3-9所示。图3-9 夹持式手部结构简图规定手部夹持R=45 mm的苹果时，圆柱销在距A点OA/4长度处。其结构尺寸如图3-9（a）所示，即有AE=-AE=13.12OE=AO-AE=53.13-13.12=40.57当夹持R=55 mm的苹果时，结构尺寸如图3-9（b）所示。根据图3-7，当驱动杆上下运动时，圆柱销上的E点距中心轴线的距离是不变的。所以，在图3-8中即有，则OE=OEcos =40.57co
41、s14.54=39.46mm故圆柱销沿OA方向移动长度为EE=OE-OE=40.57-39.46=1.11mm计算上述相对位置即手部夹持极限位置R=35 mm到R=45 mm的苹果时，圆柱销沿OA方向移动的长度与EE =1.11mm相接近。因此，取滑槽的长度为20mm。此时，能保证手指有足够大的角度变化范围。3.4手部夹紧气缸的选择3.4.1气缸的分类气缸的种类很多。一般按压缩空气作用在活塞面上的方向、结构特征和安装方式来分类。气缸的类型及安装形式见表3-2。表3-2类别名称简图特点单作用气缸柱塞式气缸压缩空气只能使柱塞向一个方向运动；借助外力或重力复位活塞式气缸压缩空气只能使活塞向一个方向运
42、动；借助外力或重力复位压缩空气只能使活塞向一个方向运动；借助弹簧力复位；用于行程较小场合薄膜式气缸以膜片代替活塞的气缸。单向作用；借助弹簧力复位；行程短；结构简单，缸体内壁不须加工；须按行程比例增大直径。若无弹簧，用压缩空气复位，即为双向作用薄膜式气缸。行程较长的薄膜式气缸膜片受到滚压常称滚压（风箱）式气缸。双作用气缸普通气缸利用压缩空气使活塞向两个方向运动，活塞行程可根据实际需要选定，双向作用的力和速度不同双活塞杆气缸压缩空气可使活塞向两个方向运动，且其速度和行程都相等不可调缓冲气缸设有缓冲装置以使活塞临近行程终点时减速，防止冲击，缓冲效果不可调整可调缓冲气缸缓冲装置的减速和缓冲效果可根据需
43、要调整特殊气缸差动气缸气缸活塞两端有效面积差较大，利用压力差原理使活塞往复运动，工作时活塞杆侧始终通以压缩空气双活塞气缸两个活塞同时向相反方向运动多位气缸活塞杆沿行程长度方向可在多个位置停留，图示结构有四个位置串联气缸在一根活塞杆上串联多个活塞，可获得和各活塞有效面积总和成正比的输出力冲击气缸利用突然大量供气和快速排气相结合的方法得到活塞杆的快速冲击运动，用于切断、冲孔、打入工件等数字气缸将若干个活塞沿轴向依次装在一起，每个活塞的行程由小到大，按几何级数增加回转气缸进排气导管和导气头固定而气缸本体可相对转动。用于机床夹具和线材卷曲装置上伺服气缸将输入的气压信号成比例地转换为活塞杆的机械位移。用
44、于自动调节系统中。挠性气缸缸筒由挠性材料制成，由夹住缸筒的滚子代替活塞。用于输出力小，占地空间小，行程较长的场合，缸筒可适当弯曲组合气缸增压气缸活塞杆面积不相等，根据力平衡原理，可由小活塞端输出高压气体气-液增压缸理，利用两两相连活塞面积的不等，压缩空气驱动大活塞，小活塞便可输出相应比例的高压液体气-液阻尼缸利用液体不可压缩的性能及液体流量易于控制的优点，获得活塞杆的稳速运动普通气缸的结构组成见图3-10。主要由前盖、后盖9、活塞 6、活塞杆 4、缸筒 5其他一些零件组成。图3-10 普通气缸1组合防尘圈；前端盖；3轴用 YX密封圈；4活塞杆；5缸筒；6活塞；7孔用 YX密封圈；8缓冲调节阀；9后端盖夹持式手部的驱动装置较多采用的是作往复直线运动的气缸。在结构上，单杆活塞缸应用最多。所以，本课题中夹紧气缸采用双向作用的单杆活塞缸。双向作用单杆活塞缸活塞两侧的有效面积不等，在气压相等时，活塞上所受推力P拉力P，如图3-11所示。设计时，将夹紧气缸的缸体作为手腕回转气缸的转轴，从而达到结构紧凑、减小重量的目的。图3-9气压双向作用单杆活塞缸3.4.2手部驱动力的计算本课题气动机械手的手部结构采用的是双向作用的单杆活塞
