文章编号:1004-2539(2009)05-0036-03
宋 健1,2 孙学岩1 张铁中2 张 宾2
(1潍坊学院机电工程系, 山东潍坊 261061)
(2中国农业大学工学院, 北京 100083)
摘要 根据茄子采摘要求，进行了茄子采摘机器人结构参数的优化设计。采用交流伺服驱动系统的关节驱动方式，设计了结构精巧的关节传动装置。采用Pro/Engineer进行了零部件的实体造型，通过装配对零部件进行了修正，进而制造完成了试验样机。整机试验测试表明，设计开发的4自由度采摘机器人结构设计合理，运动学正解的误差为±1.5mm，工作稳定可靠，具有较高的运动精度。 关键词 采摘机器人 优化设计 传动系统
0 引言
随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，研究开发果蔬采摘机器人具有越来越重要的意义[1-2]。从20世
纪80年代中期开始，日本等西方发达国家开始了自动化收获水果蔬菜的研究，试验开发了一些具有一定智能的蔬菜采摘机器人[3]。但由于技术、市场和价格等因素的影响，离实际应用还有很大距离[4]。综合国内外研究文献，对于采摘机器人的研究大多数集中在视觉系统对果实目标的识别和定位上，而对于机器人机械本体的研究较少。
我们以开发开放式茄子采摘机器人为研究目标，根据采摘机器人的工作空间，对机器人的结构参数进行优化设计，在此基础上进行机器人机械传动系统的设计。
1 采摘机器人结构参数的优化设计
1.1 采摘机器人的工作空间
根据采摘对象长条茄子的生长状况，株高一般为1000mm～1200mm。幼苗期结束时，第一花序出现在8～10片真叶之间，门茄生长在此，这时株高约为350mm～500mm之间。因此，茄子果实高度分布在300mm～1100mm之间，前后分布在160mm范围内。结合机械手的作业情况，确定采摘机械手的工作空间为160mm×600mm×800mm。另外，考虑机械手与作物的相对位置，将前后分布范围扩大到240mm。这样，确定采摘机械手的矩形工作空间为b1×h=240mm×800mm，空间相对位置如图1所示。
1.2 设计变量的确定
机械手的设计变量包括底座立柱高l1，大臂长l2，小臂长l3，腰部回转角θ1，大臂转角θ2，小臂转角θ3。为了简化优化设计过程，结合机械手的具体机械结构设计，确定底座高l1为340mm，腰部回转角θ1为±180°，大臂转角θ2为±90°，小臂转角θ3为±150°。这样，优化设计变量就只有大臂长l2，小臂长l3，即
图1 茄子采摘机器人工作位置图
X=[x1,x2]T=[l2,l3]T
1.3 目标函数的确定
机器人优化设计的目
的是得到最紧凑的机械结
构，选取实际到达的工作空
间所围成的面积为目标函
数，并使其在包容所要求的
矩形工作空间(b1×h)条
件下为最小值，即
min f(X)=
1
4
π(x
1
+x2)2+
1
2
πx2
2
-
1
2
(x21+x22-2x1x2cos30°)
1.4 约束条件
实际设计中，变量大臂长l2、小臂长l3的取值是有限制的，就是必须使采摘机械手作业要求的矩形工作空间包含在实际工作空间内[5]。综合分析图1所示的各段圆弧方程，考虑设计变量的非负性，可得优化约束条件为
g1(X)=-x1≤0
g2(X)=-x2≤0
g3(X)=x21+x22-2x1x2cos30°-α2≤0
g4(X)=c2+d2-(x1+x2)2≤0
g5(X)=(c-x1)2+b2-x22≤0
g6(X)=(a-x1)2+b2-x22≤0
CC数据1.5 优化计算与机构参数的确定
采摘机械手的结构参数优化是一个单目标非线性优化问题。该规划具有1个目标函数,2个设计变量, 6个约束条件，且都是不等式约束。使用Matlab软件
63 机械传动 2009年
的优化工具箱(Optimization T ool)进行编程计算，运行得到优化结果为
X=[312,335]
根据机械手结构理论，当大小臂的全长(l2+l3)一定时,l2=l3时机械手的工作空间、可操作度和避障能力都最好。综合考虑，确定l2=l3=350mm。最后确定底座高l1为340mm，腰部回转角θ1为±180°；大臂长350mm，转角θ2为±90°；小臂长350mm，转角θ3为±150°。
2 关节驱动方式的选择
2.1 伺服系统选择
采摘机器人伺服驱动系统的作用是为机器人提供动力并且控制其按照运动控制器的指令到达预定位置。因为交流伺服电动机具有无电刷和换向器、惯量小、适应于高速大转矩的优点，所以，采摘机器人的4个关节均采用交流伺服电动机作为驱动源。综合考虑使用性能和经济性，选用日本安川公司∑-Ⅱ系列交流伺服系统。
2.2 传动方式的选择
采摘机器人关节需要的是低转速、大转矩的动力，而交流伺服电动机驱动系统输出的是高转速、低转矩的动力。因此，采摘机器人的腰关节、小臂和腕部均采用交流伺服电动机串接谐波减速器结合齿轮机构的传动方式。
3 各关节的传动系统设计
3.1 腰关节
腰关节的主要任务是支撑整个手臂，使机械手腰部以上部分以底座为参照作回转运动。为了减小体积，
筛板塔
增加结构的美观性，方便安装维护，将交流伺服电动机垂直安装在底座上面，传动齿轮安装在底座下面。腰部回转体通过推力球轴承和滚动球轴承的组合与底座相连，这种结构既能承受轴向力、径向力，又能承受倾覆力矩，其结构如图2所示。
3.2 肩关节
肩关节的功能是在支撑大臂的同时，使大臂以腰部为参照作仰俯运动。它所受力矩最大，为防止断电时大臂失去控制下坠，机构应具有自锁功能。为此，设计了采用齿轮和蜗轮蜗杆二级减速机构，如图3所示。交流伺服电动机安装在箱体中，第一级为齿轮传动，第二级为蜗轮蜗杆传动，充分利用了蜗轮蜗杆传动的自锁特性，而且满足了大速比、大载荷、高效率和小结构的要求
。
图2 腰关节结构示意图图3 肩关节结构示意图
kendeji
3.3 肘关节
肘关节的功能是伸展小臂，以便于机械手将末端执行器移动到作业位置。肘关节处于空间运动部位，
关节自身重量直接影响机械手的活动空间和使用性能，设计时应充分注意减小其自身重量，合理分布重量。由于肘关节的重量主要取决于关节动力源的自重，设计了如图4所示的谐波减速器和锥齿轮组成的传动机构，使电动机和减速器沿大臂轴线分布，减小对回转中心产生的负载转矩
。
图4 肘关节结构示意图图5 腕关节结构示意图
3.4 腕关节
腕关节的主要功能是调整末端执行器的姿态，使其保持正确的作业姿态。由于腕关节处于机械手的最末端，关节自身重量对机械手活动空间和使用性能的影响比肘关节更大，设计时更应充分注意减小其自身重量，合理分布重量。为此，设计了与肘关节一样的传动装置，如图5所示。
4 采摘机器人机械性能测试
根据优化设计确定的结构参数和传动系统结构，采用Pro/Engineer进行了零部件的实体造型，如图6所示。通过装配对零部件进行了修正和优化，完成了采摘机器人本体结构整体设计，制造完成了试验样机如图7所示。
机器人的机械性能指标反映了机器人所能胜任的工作和具有的最高操作性能，是由机械制造精度、传动副间隙、弯曲变形、关节伺服电动机运动误差以及控制系统性能等因素决定的。运动学性能对果蔬采摘机器人的作业性能影响最大，在此我们主要对采摘机器人运动学正解进行试验。
73
第33卷 第5期 茄子采摘机器人机械传动系统设计与开发
图6 三维实体图图7 采摘机器人试验样机
表1 运动学正解测试结果
序号
理论值/mm实际值/mm
P x P y P z P x P y P z 148000480.60-0.4 2339.4339.4519.6338.1339.9519.3 3144.9251.0409.8145.1250.5409.4 4302.1-523.20302.5-523.40.4 5545.6315.0-259.8545.2315.7-258.4 6240-277.1519.6240.3-276.7519.9 可以看出运动学正解的误差为±1.5mm，说明该机器人的运动学正解解法正确，系统具有较高的运动精度。
该样机结构简单紧凑，布局合理，动作灵活平稳，具有足够的强度、刚度和承载能力。在集成了控制系统后的运行试验表明其工作稳定可靠，能够满足果蔬采摘机器人的作业要求。5 结论
(1)根据采摘对象的生长分布空间，利用机械优化设计方法进行了机器人本体结构参数的设计。
(2)对机器人关节驱动方式进行了讨论，确定了采用交流伺服驱动系统的关节驱动方式。设计了结构精巧的关节传动装置，采用
Pro/Engineer进行了零部件
的实体造型和整机装配，进而制造完成试验样机。
(3)设计开发的4自由度采摘机器人结构设计的
合理，工作稳定可靠，运动学正解的误差为±1.5mm,相册加工设备
具有较高的运动精度。
参考文献
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农业机械学报,2006,37(5):158-162.
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Adv.S pace Res,1996,18(1-2):181-184.
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蒸煮柜[5] 孙杏初.关节型机器人主连杆参数的优化设计[J].北京航空航
天大学学报,1995,22(8):509-512.
收稿日期:20081027
基金项目：国家自然科学基金资助项目(60375036),
山东省自然科学基金资助项目(Y2008G32)
作者简介：宋健(1968-)，男，山东潍坊人，博士，副教授
(上接第26页)
太阳轮与某一行星轮啮合力的历程。如图7所示，其
横坐标表示太阳轮旋转一周的整个过程，纵坐标表示
其载荷值。
图7 轮1载荷历程
5 结论
(1)基节偏差和齿形误差以及合成的短周期误差
为齿轮系统动力学计算所需误差激励的主要考虑因
素，且是影响齿轮传递运动平稳性的主要原因。
(2)重合度对齿轮平稳运转有很大影响，重合度
越大，齿轮副齿形误差实际作用值越小，反之亦然。基
节偏差不受重合度影响。
(3)就一对齿轮副的误差合成而言，其误差值为
两齿轮误差的合成。但对齿轮系统动力学计算而言,
可以按照大齿轮误差值计值即可。
参考文献
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-5.
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检验实施规范第1部分：轮齿同侧齿面的检验[S].北京：中国标
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冯大政，水鹏朗，译.西安：西安交通大学出版社,2004:69,117.
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336.
[7] 王玉荣.公差与测量技术[M].西安：西北工业大学出版社,2001:
197-199.
收稿日期:20081011
作者简介：韩静波(1984-)，男，山西省大同市人，硕士研究生83 机械传动 2009年
Accuracy
I nvestigation of the B ending V ibration Features of one Wind Tunnel Pow er Shaft System based on the F lexural V ibration Coupling w ith the Torsion
Li Qiang ,Li Zhou fu ,D ong G uoqing ,G ao X iaorong (17)………………………………
Abstract The running quality of the w ind tunnel power shaft system has a decisive in fluence on the efficiency and perfor 2mance.W ith increase of the runtime of the shafting ,rotor parts have inevitable mass eccentricity ,which obviously strengthens the coupling function of torsional and bending vibration.In this paper ,the subject investigated is power shaft system of one w ind tunnel ,on the basis of the established coupling formula ,dynam 2ic response of the shaft system is investigated by the difference method and new mark integral method ,and then the subject which is simulated multi -supporting distributed mass m odel is analyzed in the tw o typical operating conditions of the harm o
nic attenuation urge and the asynchronous juxtaposition urge.The results can be reference to the qualitative analysis and quantita 2tive study to the bending character of a com plex power shaft sys 2tem coupling vibration for one w ind tunnel.
K ey w ords : W ind tunnel P ower shaft system M odeling Excitation Flexural oscillation characteristics
Study on Dynamic Characteristics of N on -circular G ear Zhang Aimei ,Jiang Jia ,W ei Lijun ,Zhao Juan ,W ang Lei (20)Abstract From the basic mechanics principle and combining the universal clylindrical spur gear ’s meshing mechanism ,the general dynam ics m odel of non -circular gear is derived and the discussion to the m odel ’s solution is carried out.It is usefull for the developing towards the direction of high speed and heavy load.
K ey w ords : N on -circular gear Dynam ics E lliptic gear Study on Method of Synthesizing E rror Excitation about G ear System Dynamics Han Jingbo ,Liu G eng ,Wu Liyan ,Liu G uanglei (24)
……………………………………
…Abstract M any factors need to be considered in the analysis of gear system dynam ics.M esh stiff
ness and error excitation make the m ost in fection in the system.As a periodically variational ex 2citation that exist in the mesh gears ,error excitation is one of the primary factor that causes the vibration of gear system ,error ex 2citation is analysed and calculated.The synthetical principle and evaluate process of short -period errors of a gear pair in the gear system is given ,considered about total contact ratio and the ran 2dom icity of gear errors.In the end ,a calculation exam ple is giv 2en ,the result shows that the method is the validity.
K ey w ords : Error excitation G ear dynam ics Random icity
A nalysis on I nfluence F actors of the Large Module G ear -R ack Strength
Y ang Pei ,Liu Zhongm ing ,W ang Changlu (27)
……………………………………………
…………Abstract The strength of large m odule gear -rack is very im 2portant for the reliability of the ocean platform.The rules of how the main geometric parameters have in fluence on the strength of the pinion are analyzed according to the calculation methods in the G B/T 3480standard.At last ,the approaches to enhance the strength of large m odule gear -rack are brought forward.K ey w ord
s : Large m odule G ear -Rack S trength FE M I nnovated Design of T erminal C apture Device in Module R e 2docking Mechanism T ang Shuren ,
…………………………Chen Baodong ,Bai Hem in ,X iao Jie ,Zhao Jincai (32)制作音箱
……Abstract M odule redocking mechanism can be used to build large -scale space station ,and has advantages of small v olume ,light weight and low cost.In order to meet the potential demand of our country ’s future development of space station ,using the method of function analysis ,innovated design of the term inal capture device of m odule redocking mechanism is carried out ,and based on concept design ,engineering research and develop 2ment is also carried on for the technology preparative of our country ’s future space station.
K ey w ords : M odule redocking mechanism T erm inal capture device Function analysis
Design and Development of T ransmission of Picking R obot for Eggplant S ong Jian ,
……………………………………Sun Xueyan ,Zhang T iezhong ,Zhang Bin (36)
………………Abstract The optimal design is made on the parameters of the robot framew ork and structure according to the eggplant ’s grow th distribution space.The arthral transm issions are plane
d skillfully based AC serv o drive system.The solid m odeling of the picking robot is carried out and revised by Pro/Engineer ,and then the prototype of picking robot is made.The error of kinematics for 2ward solution is ±1.5mm according to repetitious test.The ex 2periments on the com plete machine show that the picking robot w ith 4DOF the system can credibly w ork ,and can meet the de 2mand of the harvesting eggplant.
K ey w ords : Picking robot Optim ial design T ransm ission A nalysis of K αand Coefficient of Contact R atio in G ear Strength Zhao H ongzhi (39)…………………………………Abstract Based on the research and analysis of IS O 6336(G B/T 3480),The relations between K αand coefficient of contact ra 2tio is discussed.It is pointed out that some problems about the subject in some article and textbook.It was proposed that con 2sider at same time or no account for K αand coefficient of contact
2
2009年 英文摘要
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