機電一體化課程設計說明書
題目：手臂公升降伸縮採果機的改裝和設計
學院嘉興學院機電工程學院
專業機械設計製造及其自動化
班級機械n071
指導教師胡紅生陳晟
學生姓名 _ _翁佳傑吳正文葉翔方威南
日期2011.02.23
目錄一、本作品的創新與特色簡介 1
二．設計方案擬定 6
三．動力與傳動方案的設計、計算與分析 8
四．動作執行機構的設計、計算與分析 10
五. 感測器的選擇15
六．設計總結 19
附錄 20
通過分析課程設計的要求以及現實情況下的條件，設計本作品時堅持了以下原則：結構簡單、造價低廉、可靠性高、穩定性高，同時機構具有可重用性。為本作品將整個機械人的功能劃分為車底座單元、公升降單元、果實採摘單元、手臂伸縮旋轉單元、放果單元。
在車底座單元設計時，突出質量輕便、加工簡單，裝配容易。採用一級雙面同步帶傳動，前面輪子做成可180o翻轉。上台階時，車底前端抬起與台階接觸，在後輪驅動下，車身比較容易爬上台階。
在平面上行進時車底前端翻成水平，跟驅動輪在同一水平線上，增加了車身的長度，防止翻車。下坡時車底前端壓下與斜坡接觸便於調節重心，加大了摩擦面積，增加了車身的平穩性。車底座單元如圖1.
1所示。
圖1.1 車底座單元結構簡圖
在公升降單元設計時，在滿足功能和尺寸要求的情況下，突出了結構的穩定性，公升降杆採用7節截面積為10*20的不銹鋼管雙排連線，不僅能滿足採摘最高層果子的高度，而且公升起來後具有較好的穩定性。整個公升降杆的結構如圖1.2所示。
圖1.2 公升降單元結構簡圖
圖1.3 果實採摘單元結構簡圖
在果實採摘單元設計時，突出結構簡單，實用性高。手爪採用無磁性的不鏽鋼球，可以防止有磁鐵的桌球吸住手爪。果實採摘單元如圖1.3所示。
手臂伸縮旋轉單元，利用絲槓螺母實現手臂伸縮功能，電機軸和手臂固定實現手臂的旋轉功能。手臂伸縮旋轉單元如圖1.4所示。
圖1.4 手臂伸縮旋轉單元結構簡圖
通過分析課程設計自擬題目的動作要求以及尺寸要求，設計本作品時將整個機械人的功能劃分為車底座單元、公升降單元、果實採摘單元、手臂伸縮旋轉單元、放果單元。並在方案設計階段就考慮在滿足使用要求的情況下，盡量做到結構簡單、質量輕便、造價低廉、可靠性高，穩定性高，且機構具有可重用性。
上台階單元採用兩個驅動輪，四個從動輪，一級雙面同步帶翻轉的結構。車體結構如圖1.1所示，構造簡單，加工、裝配容易。
果實採摘單元採用圖1.2所示機械手爪結構，由電機驅動絲槓螺母，帶動連桿機構運動，從而實現手爪的抓緊和放鬆。具有結構簡單，穩定可靠，動作快速，操作方便。
公升降單元採用平面連桿機構的傳動，由雙排7節截面積為10*20的不銹鋼管連線而成，可實現280～1500mm之間的公升降高度。
根據上述設計原則，本作品的總體設計方案如圖2.2、2.3所示。
圖2.2 總體設計方案簡圖
圖2.3 總體設計方案簡圖
車底座單元採用雙面同步帶傳動，兩個後輪驅動，其餘四個輪子從動。電機選用兩個直流減速電機分別驅動兩個後輪，為了減少機構的複雜性，不需要再進行減速。通過對輸入電壓的大小及方向的控制，可以很方便的實現對機械人行進速度和方向的控制。
作用在直流減速電機上的負載力矩可按下式計算：
3.1)
式中：為靜態負載力矩，為動態負載力矩。
3.2)
式中：f為靜摩擦係數，通過查閱手冊，f＝0.2；
m為整車質量加上最大載物的質量，m＝200kg；
d為車輪直徑,d=0.5m。
將資料代入式(3.2)，可得：
(3.3)
式中：為負載折算到電機軸上的轉動慣量；
為車輪的轉動慣量；
為電機的轉動慣量
為最大角速度，
t為加速時間，t＝4s
為車輪質量, =5kg.
將資料代入式(3.3)可得：
因此作用在直流減速電機的負載力矩為：
根據計算所得資料選擇直流電動機。選用的直流電機引數如表3.1：
表3.1步進電機引數
4.1輪子翻轉系統的設計與分析
轉動慣量可按下式計算：
式中：m1為小輪部分的質量，m2為車身部分的質量。
式中：為最大角速度，；
t為加速時間，t＝4s；
輪子翻轉系統結構的設計比較巧妙，電機軸跟大輪的軸固定不動，電機的法蘭跟板固定一起旋轉，實現車底座前端的翻轉，選擇的電機是直流減速電機。
表4.1輪子翻轉系統電機引數
輪子翻轉系統的結構如圖4.1所示
4.1 輪子翻轉系統的結構簡圖
4.2平面連桿機構公升降系統的設計與分析
平面連桿機構公升降系統的設計是利用電機驅動絲槓螺母，將旋轉運動轉化為直線運動，從而使平面連桿機構實現公升和降。選擇的電機是直流減速電機。
4.2平面連桿機構公升降系統電機引數
平面連桿機構公升降系統傳動簡圖如圖4.2所示，據此可計算出系統公升降時的轉動慣量為：
圖4.2 平面連桿機構公升降系統傳動簡圖
螺母和上面的工作台的總質量m=100kg，電機的最大加速度為10m/s2
慣性負載力fm=ma=100×10=1000n
外負載力f1=1000n
轉動慣量可按下式計算：
其中i齒輪減速比，t為導程，n為總效率。
4.3手臂旋轉系統的設計與分析
手臂旋轉系統結構如圖4.3所示，電機軸旋轉帶動手臂旋轉選擇的電機是直流減速電機（th37jb520）
表4.1手臂旋轉系統電機引數
據此可計算出系統旋轉時的轉動慣量為：
圖4.3 手臂旋轉系統結構簡圖
轉動慣量可按下式計算：
式中：m1為機械手的質量，m2為可伸縮手臂的質量。
式中：為最大角速度，；
t為加速時間，t＝4s；
電機的輸出力矩為大於負載力矩。
4.4手臂伸縮系統的設計與分析
手臂伸縮系統結構的設計是利用電機帶動絲槓旋轉，絲槓帶動螺母直線運動，從而帶動導軌的直線運動，實現手臂的伸縮。選擇的電機是直流減速電機。
表4.1手臂伸縮系統電機引數
手臂伸縮系統的傳動簡圖如圖4.4所示，據此可計算出系統伸縮時的轉動慣量
圖4.4 手臂伸縮系統傳動簡圖
轉動慣量可按下式計算：
螺母和上面的工作台的總質量m=20kg，電機的最大加速度為10m/s2
慣性負載力fm=ma=20×10=200n
外負載力f1=2000n
轉動慣量可按下式計算：
其中i齒輪減速比，t為導程，n為總效率。
五、感測器的選擇
為了實現我們所設計的採果機的自動功能。我們選擇charge coupled device作為系統的感測識別器。以便讓採果機可以區分果樹與障礙物，以及果子與樹葉樹枝、不同果子之間的形狀區別，從而做出相應的反應。
charge coupled device （ccd） 電荷耦合器件。ccd是一種半導體裝置，能夠把光學影像轉化為數碼訊號。 ccd上植入的微小光敏物質稱作畫素（pixel）。
一塊ccd上包含的畫素數越多，其提供的畫面解析度也就越高。ccd的作用就像膠片一樣，但它是把影象畫素轉換成數碼訊號。ccd在攝像機、數位相機和掃瞄器中應用廣泛，只不過攝像機中使用的是點陣ccd，即包括x、y兩個方向用於攝取平面影象，而掃瞄器中使用的是線性ccd，它只有x乙個方向，y方向掃瞄由掃瞄器的機械裝置來完成。
ccd它使用一種高感光度的半導體材料製成，能把光線轉變成電荷，通過模數轉換器晶元轉換成數碼訊號，數碼訊號經過壓縮以後由相機內部的閃速儲存器或內建硬碟卡儲存，因而可以輕而易舉地把資料傳輸給計算機，並借助於計算機的處理手段，根據需要和想像來修改影象。ccd由許多感光單位組成，通常以百萬畫素為單位。當ccd表面受到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在元件上，所有的感光單位所產生的訊號加在一起，就構成了一幅完整的畫面。
ccd，是英文charge coupled device 即電荷耦合器件的縮寫，它是一種特殊半導體器件，上面有很多一樣的感光元件，每個感光元件叫乙個畫素。ccd在攝像機裡是乙個極其重要的部件，它起到將光線轉換成電訊號的作用，類似於人的眼睛，因此其效能的好壞將直接影響到攝像機的效能。
衡量ccd好壞的指標很多，有畫素數量，ccd尺寸，靈敏度，訊雜比等，其中畫素數以及ccd尺寸是重要的指標。畫素數是指ccd上感光元件的數量。攝像機拍攝的畫面可以理解為由很多個小的點組成，每個點就是乙個畫素。
顯然，畫素數越多，畫面就會越清晰，如果ccd沒有足夠的畫素的話，拍攝出來的畫面的清晰度就會大受影響，因此，理論上ccd的畫素數量應該越多越好。但ccd畫素數的增加會使製造成本以及成品率下降，而且在現行電視標準下，畫素數增加到某一數量後，再增加對拍攝畫面清晰度的提高效果變得不明顯，因此，一般一百萬左右的畫素數對一般的使用已經足夠了。
單ccd攝像機是指攝像機裡只有一片ccd並用其進行亮度訊號以及彩色訊號的光電轉換，其中色度訊號是用ccd上的一些特定的彩色遮罩裝置並結合後面的電路完成的。由於一片ccd同時完成亮度訊號和色度訊號的轉換，因此難免兩全，使得拍攝出來的影象在彩色還原上達不到專業水平很的要求。為了解決這個問題，便出現了3ccd攝像機。
3ccd，顧名思義，就是一台攝像機使用了3片ccd。我們知道，光線如果通過一種特殊的稜鏡後，會被分為紅，綠，藍三種顏色，而這三種顏色就是我們電視使用的三基色，通過這三基色，就可以產生包括亮度訊號在內的所有電視訊號。如果分別用一片ccd接受每一種顏色並轉換為電訊號，然後經過電路處理後產生影象訊號，這樣，就構成了乙個3ccd系統。
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