番茄采摘機(jī)械手

1、目 錄摘要3第一章 緒論51.1 研究的目的與意義51.2 國(guó)內(nèi)外在該方面的研究現(xiàn)狀61.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀61.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀71.3 主要內(nèi)容81.4 設(shè)計(jì)采摘機(jī)械手的要求8第二章 切割裝置的設(shè)計(jì)82.1 采摘方式的選擇82.2 切割裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)92.2.1 切割刀片的設(shè)計(jì)92.2.2 驅(qū)動(dòng)方式的選擇112.2.3 切割裝置的受力分析112.2.4 氣壓缸與基本參數(shù)的確定122.4 切割裝置的固定與定位152.4.1 切割裝置的定位152.4.2 切割裝置的固定162.5 本章小結(jié)17第3章 軟體手指密封與連接固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)173.1 密封元件設(shè)計(jì)173.1.1 密封的目的與作用17

2、3.1.2 密封的類型183.1.3 密封件的材料193.2.1 抓取方式的選擇203.2.2 抓盤的設(shè)計(jì)213.2.3 抓盤與手指的連接213.3 機(jī)械手與手臂的連接223.4 本章小結(jié)23第4章 軟體手指244.1.1氣動(dòng)軟體手指的作用及優(yōu)點(diǎn)244.1.2 氣動(dòng)手指的工作原理244.2.1軟體手指內(nèi)部氣體通道設(shè)計(jì)254.2.2 手指通道的設(shè)計(jì)與制作264.3 軟體手指材料的選擇274.3.1 手指材料的要求274.3.2 材料的性質(zhì)與應(yīng)用274.3.3 材料的分類284.3.4 材料的選擇284.4 軟體手指夾持實(shí)驗(yàn)294.4.1 實(shí)驗(yàn)裝置294.4.2 實(shí)驗(yàn)過程。304.5 本章小結(jié)31

3、第5章 總結(jié)與討論315.1 工作總結(jié)315.2 設(shè)計(jì)討論與展望32參考文獻(xiàn)34致謝36摘要番茄是我們?nèi)粘ｏ嬍持斜容^常見的一種蔬菜，它具有非常高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，能為人們提供幾種維生素和礦物質(zhì)的需求。作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，番茄的種植已經(jīng)遍及我國(guó)各地，尤其是各種大棚蔬菜的種植，可以說已經(jīng)大大的提高了番茄的產(chǎn)量，這對(duì)于番茄的采摘無疑是一個(gè)巨大的勞動(dòng)量，需要大量的勞動(dòng)力、并且，番茄的成熟期比較短，所以采摘的時(shí)機(jī)要及時(shí)，不然就會(huì)影響番茄的質(zhì)量和新鮮度。農(nóng)業(yè)機(jī)器人是目前全國(guó)各地研究的比較多的機(jī)器人之一，以為農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究對(duì)于某些農(nóng)業(yè)大國(guó)來說意義是很大的。能在一定程度上推動(dòng)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，尤為重要的是能解決人口老齡化

4、，勞動(dòng)力缺失的問題。水果和蔬菜的采摘是生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)研究一種番茄采摘機(jī)械手，對(duì)提高番茄的生產(chǎn)量有很大的意義。本文設(shè)計(jì)了一種采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器，番茄采摘機(jī)械手，專門用于番茄的采摘，該采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)采摘，并且該機(jī)械手運(yùn)用了比較前沿的氣動(dòng)軟體手指做夾持裝置，可以說是一大創(chuàng)新關(guān)鍵詞：番茄采摘機(jī)械手；軟體手抓；密封裝置；切斷裝置。AbstractTomato is a common vegetable in our daily diet. It has very high nutritional value and can provide people with several

5、 vitamins and minerals. As a big agricultural country, tomato cultivation has spread all over China, especially the cultivation of various greenhouse vegetables. It can be said that the yield of tomatoes has been greatly improved. This is undoubtedly a huge amount of labor for tomato harvesting, and

6、 requires a lot of labor. Moreover, the ripening period of the tomato is relatively short, so the timing of picking must be timely, otherwise it will affect the quality and freshness of the tomato.Agricultural robots are one of the more widely studied robots in the country. It is thought that the re

7、search of agricultural robots is of great significance to some agricultural powers. To a certain extent, it can promote the countrys economic development. It is particularly important to solve the problem of population aging and lack of labor. The picking of fruits and vegetables is an important par

8、t of production. Designing and researching a tomato picking robot has great significance for improving tomato production.In this paper, an end-effector of picking robot, tomato picking robot, is specially designed for the picking of tomato. The picking robot is simple in structure and easy to pick,

9、and the robot uses a relatively advanced aerodynamic soft finger as clamping device. Say it is a big innovationKey words: Tomato picking robot; Software grasping; Sealing means; Cutting device.第一章 緒論在當(dāng)代，機(jī)器人在人們的日常生活和生產(chǎn)中起到了越來越重要的地位，在很多方面，機(jī)器人取代人，使人從各種危險(xiǎn)艱苦的勞動(dòng)中解放出來。機(jī)器人技術(shù)是一種高興的科學(xué)技術(shù)，他包含了多方面的科學(xué)知識(shí)，其中有力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、

10、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、仿生學(xué)、傳感技術(shù)等等各方面的知識(shí)、同時(shí)機(jī)器人也廣泛的應(yīng)用于國(guó)防、農(nóng)業(yè)、科技、制造等個(gè)方面。農(nóng)業(yè)機(jī)器人知識(shí)廣大機(jī)器人中的一種，他的出現(xiàn)是當(dāng)代農(nóng)業(yè)在向著現(xiàn)代的方向發(fā)展，世界各國(guó)都在開發(fā)研究農(nóng)業(yè)機(jī)器人，使得機(jī)器人在農(nóng)業(yè)中也逐步的占據(jù)著越來越重要的地位。1.1 研究的目的與意義農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)能帶來很大的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的市場(chǎng)前景。我國(guó)為農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)機(jī)器人對(duì)我國(guó)的農(nóng)業(yè)快速發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。種植和收獲都是水果和蔬菜增加產(chǎn)量的重要的一環(huán)。1983年美國(guó)研制出了世界上的第一臺(tái)番茄采摘機(jī)器人。從那時(shí)起，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究一共經(jīng)過了20多年。在這期間，日本與歐美的一些國(guó)家都在研

11、究采摘機(jī)器人。由此可見，采摘機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在蔬菜和水果的收獲過程中，越來越多的水果蔬菜在不久的將來將采用機(jī)器人采摘。這將進(jìn)一步的推動(dòng)國(guó)家的農(nóng)業(yè)發(fā)展，進(jìn)而帶動(dòng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。 番茄是一種營(yíng)養(yǎng)很豐富的蔬菜，在人們的日常生活和飲食中都有很重要的地位。全球各地的番茄的產(chǎn)量都在逐步的增長(zhǎng)，所以研究番茄采摘機(jī)器人的意義就變得越來越重大，在研究番茄采摘機(jī)器人的過程中。末端執(zhí)行器機(jī)械手的研究也有很大的意義。研究該類機(jī)器人就能在一定程度上解決勞動(dòng)力不足的問題，同時(shí)還能提高番茄的產(chǎn)量，降低生產(chǎn)番茄的成本，將人們從艱苦的勞動(dòng)中解放出來。因此，該研究?jī)?nèi)容能推動(dòng)國(guó)家和人民的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。加快實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)業(yè)的機(jī)

12、械現(xiàn)代化，推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展。 在采摘機(jī)器人的研究中，采摘機(jī)械手在采摘過程中占據(jù)重要的地位，如何能快速有效，并且在不損壞蔬菜和水果的條件下將果蔬采摘下來成為了采摘機(jī)械手首先要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)，所以對(duì)采摘機(jī)械手的研究和設(shè)計(jì)對(duì)提高果蔬的采摘效率和提高果蔬的品質(zhì)都有很大的意義。1.2 國(guó)內(nèi)外在該方面的研究現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)機(jī)器人是農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、機(jī)械化、智能化的重要標(biāo)志。各國(guó)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的開發(fā)和研究也相當(dāng)?shù)闹匾?。特別是某些農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的作用就顯的尤為重要。1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀除了我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)之外，全球也有其他的農(nóng)業(yè)大國(guó)，他們對(duì)水果和蔬菜收獲機(jī)器人的研究都經(jīng)歷了很長(zhǎng)的時(shí)間，并且都取得了一定的成果。列如美

13、國(guó)、日本、荷蘭、歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家都在這方面做了長(zhǎng)足和大量的研究。目前為止，已經(jīng)有關(guān)于番茄。蘋果、等水果和蔬菜的收獲機(jī)器人。日本是在20世紀(jì)80年代初開始對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究。自從1984年Kyoto大學(xué)研究的番茄采摘機(jī)械手來，日本對(duì)于收獲機(jī)器人的研究可以說是投入了大量的科學(xué)技術(shù)和資金。像日本為代表的許多發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)將相關(guān)的機(jī)器人生產(chǎn)出來并且投入到實(shí)際的生產(chǎn)中，用于提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量，提高農(nóng)作物的生產(chǎn)效率。可以說日本、荷蘭、美國(guó)、澳大利亞在農(nóng)業(yè)機(jī)器人方面的研究都取得了重大的成果，并且已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)中，向著商品化的方向發(fā)展。圖1-1是2015年12月4日，日本松下公司開發(fā)出一款番茄采摘機(jī)器人，搭載

14、其自產(chǎn)的圖像傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)番茄的無人采摘。圖1-1 日本番茄采摘機(jī)器人1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀相對(duì)于歐美、日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家來說，我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究水平還是落后很多的。雖然我國(guó)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人方面的研究也取得了一定的成果，但是真正用于實(shí)際生產(chǎn)中，并且能幫助人們提高作業(yè)效率，提高生產(chǎn)量的機(jī)器人還是很少的。當(dāng)然也取得了一些成就，比如我國(guó)的嫁接機(jī)器人在世界范圍內(nèi)都是很先進(jìn)的技術(shù)，并且在實(shí)際的應(yīng)用中能提高穗木取苗、結(jié)合、固定等過程的效率。并且該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用范圍也在逐步擴(kuò)大。自1995年，我國(guó)開始對(duì)草莓、黃瓜、番茄等蔬菜的采摘機(jī)器人的研究。該類機(jī)器人發(fā)展到今天，運(yùn)用視覺系統(tǒng)區(qū)分成熟與未成熟的蔬菜和水果

15、，然后運(yùn)用導(dǎo)航系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人靠近需要采摘的目標(biāo)，通過末端執(zhí)行器將需要采摘的蔬果采摘下來。目前我國(guó)的蘑菇采摘機(jī)器人能每分鐘采7080個(gè)蘑菇。草莓采摘機(jī)器人則為每小時(shí)73.6個(gè)，成功率為百分之90.由此可見草莓的采摘效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于蘑菇。這可能和兩者的種植方式，以及兩者之間的質(zhì)地差距所導(dǎo)致的，草莓的表皮相對(duì)于蘑菇來說要脆弱很多，很容易在采摘時(shí)損壞表皮。番茄采摘機(jī)器人在我國(guó)也取得了一定的成果，如圖所示為蘇州博田機(jī)器人公司的番茄采摘機(jī)器人圖1-2 蘇州博田番茄采摘機(jī)器人正在采摘番茄吉林工業(yè)大學(xué)與吉林農(nóng)業(yè)研究所研制出了一種鋤草機(jī)器人，裝有攝像頭和圖像處理計(jì)算機(jī)，能快速準(zhǔn)確的分辨出蔬菜、雜草和土壤的區(qū)別，可以

16、在植被間自動(dòng)行走。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的情況對(duì)比我們可以知道，國(guó)外在農(nóng)業(yè)機(jī)器人方面的研究走在我國(guó)的前面，國(guó)外的很多技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，部分機(jī)器人已經(jīng)投入到實(shí)際的生產(chǎn)過程中進(jìn)行使用，我國(guó)也在該方面取得了很大的成果，雖然和發(fā)達(dá)國(guó)家的差距還很大，但是只要我國(guó)堅(jiān)持研究農(nóng)業(yè)機(jī)器人，在不久的將來，我國(guó)能取得更大的成就。對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向著智能、高效、先進(jìn)化發(fā)展的必然趨勢(shì)。是推動(dòng)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要工具。 1.3 主要內(nèi)容1.軟體手抓的設(shè)計(jì)和研究。通過向手抓內(nèi)部沖氣，以實(shí)現(xiàn)手抓的彎曲和放松以實(shí)現(xiàn)抓取，以實(shí)現(xiàn)對(duì)番茄的夾持和固定。2.手抓連接部分的密封裝置的設(shè)計(jì)。軟體手抓的動(dòng)力源是氣泵，需要良好的密封性，尤其是在連

17、接部分。3.切割裝置的設(shè)計(jì)。將番茄夾持固定后需要完成采摘，在不損傷番茄的前提下需要將連接番茄的莖撿斷，以保證番茄的新鮮度。1.4 設(shè)計(jì)采摘機(jī)械手的要求1.機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單輕巧，制作成本較低，能良好的實(shí)現(xiàn)番茄的采摘。2.盡可能的提升采摘的速度，機(jī)構(gòu)比較靈活，反應(yīng)快。3.最大程度的降低采摘過程對(duì)番茄的損傷，以及對(duì)番茄植被的損傷。第二章 切割裝置的設(shè)計(jì)2.1 采摘方式的選擇當(dāng)機(jī)械手探尋到成熟西紅柿的準(zhǔn)確位置后，通過軟體手指對(duì)成熟的西紅柿進(jìn)行夾持和固定，怎樣在不損壞西紅柿和利于保存的情況下將西紅柿采摘下來就涉及到了采摘方式的選擇。1.當(dāng)手指將西紅柿夾持固定后直接利用手臂將西紅柿拉扯下來或者通過手臂的旋轉(zhuǎn)將西紅

18、柿采摘下來。這種方式雖然比較簡(jiǎn)單，并且只需要夾持手指就行不需要再設(shè)計(jì)另外的切割裝置，但是這樣容易損壞西紅柿莖與果實(shí)的連接處，不利于采摘后對(duì)西紅柿的保存。這種方式比較適合像蘋果、橘子、橙子等表皮比較堅(jiān)硬的果蔬。2.當(dāng)手指將西紅柿堅(jiān)持固定后，再利用另外的切割裝置將連接西紅柿的莖剪短。這種方式能最大程度的確保西紅柿的完整，并且也利于后期的保存。這種方式需要另外的切割裝置，末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。本文設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器采用的是第二種方式。2.2 切割裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖2-1所示，為本文設(shè)計(jì)的用于切斷連接西紅柿的莖的切斷裝置，其工作的原理和滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器的工作原理基本相同，當(dāng)伸縮桿向后移動(dòng)時(shí)，

19、帶動(dòng)切割刀片閉合完成對(duì)番茄莖的切割，伸縮桿向前移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)切割刀片展開。通常，切割刀片處于展開狀態(tài)，當(dāng)機(jī)械手靠近番茄時(shí)，軟體手抓會(huì)將番茄固定在兩個(gè)手指之間進(jìn)行夾持，同時(shí)番茄的莖也會(huì)進(jìn)入兩個(gè)切割刀片的中間，當(dāng)番茄被固定夾持后，驅(qū)動(dòng)伸縮桿向后移動(dòng)，剪短番茄的莖，完成對(duì)西紅柿的采摘圖2-1 切割裝置2.2.1 切割刀片的設(shè)計(jì)如下圖2-2與圖2-3所示是本切割裝置的切割刀片，采摘番茄時(shí)需要將連接西紅柿的莖剪斷，而番茄的莖的直徑比較小，一般在2.5mm3mm。若采用滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器的夾持手指，則兩個(gè)手指的間距達(dá)不到番茄莖的直徑距離，即不能將番茄的莖剪斷。所以我將滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器的手指改裝成了

20、如下圖所示的切割刀片圖2-1 切割刀片關(guān)鍵尺寸 圖2-3 切割刀片如圖2-1所示，將滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器的手指設(shè)計(jì)為圖二所示的結(jié)構(gòu)后，能達(dá)到完全閉合的狀態(tài)，當(dāng)番茄莖伸入兩個(gè)刀片之間時(shí)，完全能實(shí)現(xiàn)將番茄莖切斷的功能如圖2-4所示，是切割刀片處于完全開合的狀態(tài)，兩個(gè)刀片間的角度為90度，最近點(diǎn)的間距為9.08mm，最遠(yuǎn)點(diǎn)之間的間距為44.44mm，遠(yuǎn)大于番茄莖的直徑。所以，在機(jī)械手靠近番茄時(shí)，番茄的莖能無障礙的進(jìn)入到兩個(gè)切割刀片之間。番茄的形狀類似于直徑為6070mm的球體，連接番茄的莖位于球體的中間，該切割刀片的切割面長(zhǎng)度為25mm，切割面的中間位置與夾持裝置的中間位置在同一條直線上，即當(dāng)加持

21、裝置夾持固定番茄時(shí)，番茄的莖也處于切割刀片的中間位置。圖2-4 切割刀片完全張開圖2.2.2 驅(qū)動(dòng)方式的選擇1.電機(jī)驅(qū)動(dòng)：該驅(qū)動(dòng)方式比較簡(jiǎn)便，運(yùn)動(dòng)慣量小，有多種不通電流的電機(jī)，能實(shí)現(xiàn)不同的功能。而且該驅(qū)動(dòng)方式的可選的范圍比較大，可以根據(jù)不同的要求選擇不同的電機(jī)。 2.氣壓缸驅(qū)動(dòng)：該驅(qū)動(dòng)方式的相應(yīng)速度快，氣缸的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，并且成本比較低，當(dāng)氣缸損壞后，維修和更換都比較方便，對(duì)于生產(chǎn)線這類小負(fù)載的系統(tǒng)的比較實(shí)用，對(duì)于比較復(fù)雜的控制和操作中比較難以實(shí)現(xiàn)。3.液壓缸驅(qū)動(dòng)：具有動(dòng)力大，慣量大，迅速響應(yīng)，易于完成直接驅(qū)動(dòng)等特色，適用于承載能量大，防爆環(huán)境中工作的機(jī)械手。對(duì)比以上的驅(qū)動(dòng)方式，本文設(shè)計(jì)的切割

22、裝置采用的驅(qū)動(dòng)方式為氣壓缸驅(qū)動(dòng)。番茄的莖，質(zhì)地比較嫩，不需要很大的壓力就能將其剪斷。同時(shí)為了提高番茄的采摘速度，需要切斷裝置能快速的閉合和展開同時(shí)又不需要太高的穩(wěn)定性和精確性，所以氣壓缸能很好的滿足這個(gè)要求。最后，本文設(shè)計(jì)的番茄采摘機(jī)械手的夾持部分采用的是氣動(dòng)軟體手指，也需要?jiǎng)恿υ礆獗茫瑑烧呖梢怨灿靡粋€(gè)動(dòng)力源2.2.3 切割裝置的受力分析如圖2-5所示，為切割裝置的受力圖，圖2-6為切割刀片的受力分析簡(jiǎn)圖.分析該裝置的受力，根據(jù)得出的結(jié)論選擇氣缸的缸徑以及相關(guān)的重要參數(shù)。圖2-5 切割裝置受力分析 圖2-6切割刀片受力簡(jiǎn)圖 通過分析兩個(gè)的受力狀態(tài)，我們可以得出驅(qū)動(dòng)力F的大小，以及該驅(qū)動(dòng)力使得切

23、割刀片產(chǎn)生的切割力F3的大小，因此，通過圖（6）我們可以知道 F=2F1=2F2F1=F2F3=F4 （2.1）通過圖（7）我們可以得知 F1=2F1x=2F1yF3=F1xF5=F1y （2.2）通過以上兩式我們可以得出驅(qū)動(dòng)力F與切割力F3的關(guān)系式為 F3=12F （2.3）2.2.4 氣壓缸與基本參數(shù)的確定氣缸是一中采用氣壓驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力元件，根據(jù)氣缸的作用方式以及不同的場(chǎng)合的所需要的功能有很多的分類，本文設(shè)計(jì)的切割裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作形式單一，不需要太復(fù)雜的功能。通過對(duì)比不同缸的作用和功能最終，本文設(shè)計(jì)的切割裝置采用的是雙作用缸。對(duì)于實(shí)現(xiàn)本文的切割裝置的基本功能基本可行。普通雙作用缸的實(shí)際輸出

24、推力Fe和實(shí)際輸出拉力Fo符合如下公式 Fe=4D2p （2.4） Fo=4(D2d2)p （2.5）式中 D缸徑，m；d活塞桿直徑，m；p工作壓力，Pa；氣缸效率一般雙作用缸的工作效率在0.70.95之間。由圖2-1和圖2-4可知，當(dāng)切割刀片從閉合到完全張開，伸縮桿的行程為15.91mm，當(dāng)切割刀片完全張開時(shí)的兩個(gè)刀片的間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于番茄莖的直徑，所以可以選擇行程為15mm的氣缸。本文設(shè)計(jì)的切割裝置是針對(duì)于番茄莖來設(shè)計(jì)的，番茄莖質(zhì)地比較嫩，直徑較小。同時(shí)切割裝置的切割面比較小，所以只需要很小的拉力就能將莖剪斷。根據(jù)不同缸徑的氣缸對(duì)比和選擇，最終確定選擇缸徑為10mm的氣缸。如下圖所示圖2-7

25、氣缸機(jī)械尺寸表2-1氣缸基本參數(shù)缸徑符號(hào)AABACBCDDAEEAHPAPB102461813.52263M3x0.5655.53.5KKAKBKCLLBLCMMAPPC3.3311.58.53.378.5123M3x0.53.5根據(jù)圖2-7所示的氣缸的相關(guān)參數(shù)，再根據(jù)式（2.5）可以得出實(shí)際輸出拉力Fo=4（0.120.062）0.12X106X0.8=482.3N再根據(jù)式（2.3）可以得出F3=12F0=241.15N根據(jù)上式計(jì)算的結(jié)果可以得知，切割刀片對(duì)莖的產(chǎn)生的壓力為241.15N，又由于切割刀片的切割面比較小，近似于線型，所以能產(chǎn)生很大的壓強(qiáng)，壓強(qiáng)的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過番茄莖所能承受的極限。

26、 2.3 切割裝置與動(dòng)力源的連接裝置設(shè)計(jì)根據(jù)所選的氣缸，采用的是外牙螺紋連接，如下圖2-8所示 圖2-8氣缸接頭機(jī)械尺寸表2-2氣缸接頭基本參數(shù)缸徑符號(hào)ABDDAEEAEBFAH1016.5613.5M5x0.8910.545 根據(jù)表中數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)了如圖2-9所示的Y型接頭，Y型接頭是目前氣缸連接所需要驅(qū)動(dòng)的元件使用范圍以及使用次數(shù)最多的元件。作為最合適的接頭元件，Y型接頭的抗沖擊力比，耐磨性都比較好，同時(shí)制作接頭的材料為不銹鋼，不銹鋼的物理和化學(xué)性質(zhì)都很穩(wěn)定，不易生銹和被化學(xué)腐蝕。Y型接頭的連接方式簡(jiǎn)單，易于拆卸和安裝，并且該接頭方式的自由度少，對(duì)提高本文的切割裝置的穩(wěn)定性有很大的作用。同

27、時(shí)，用螺紋與氣缸連接，可以調(diào)節(jié)接頭的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。防止接頭與伸縮桿因角度的不同而無法連接的問題，所以在本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)的連接中采用了該種接頭。圖2-9 氣缸接頭連接圖注：1.氣缸 2伸縮桿 3 Y型接頭 4連接銷2.4 切割裝置的固定與定位2.4.1 切割裝置的定位為了能使番茄被手指夾持固定后，使得番茄莖能進(jìn)入到切割裝置的切割面內(nèi)，順利的完成切割，所以，需要對(duì)切割裝置的位置進(jìn)行定位，確保切割面的中心位置處在番茄中心位置的上方如圖2-10所示圖2-10 切割裝置定位圖，單位mm一般番茄的直徑約為70mm，在圖中，該球體為一般番茄的大小模型，其中心位置與切割裝置的切割面的中心位置處于同一條直線上，距離抓

28、盤表面的距離為47.5mm，番茄的半徑為35mm，預(yù)留12.5mm的預(yù)留空間。番茄的中心位置與切割裝置的切割面的距離為51mm，預(yù)留16mm的莖長(zhǎng)。在采摘西紅柿?xí)r，通過控制番茄進(jìn)入手指抓取范圍的深度，從而使得番茄的莖能達(dá)到預(yù)想的位置，完成采摘。2.4.2 切割裝置的固定在完成對(duì)切割裝置的定位后，還需要將該切割裝置固定在機(jī)械手上，以免在作業(yè)時(shí)，發(fā)生偏移，影響采摘效果如下圖所示，為本文設(shè)計(jì)的切割裝置的固定裝置。圖2-11 切割裝置固定注：1 切割裝置 2 固定底板 3 二指抓盤 4 機(jī)械手與手臂連接件 5 固定側(cè)板先將切割裝置與底板固定，然后再將與底板固定后的切割裝置，利用兩個(gè)固定側(cè)板將該切割裝置

29、固定在二指抓盤上，使得切割裝置與抓盤成為一個(gè)整體，在采摘時(shí)利用氣動(dòng)軟體手指對(duì)番茄進(jìn)行夾持和固定手，切割裝置切斷莖從而完成番茄的采摘。其中氣缸與底板的連接如圖2-12所示。圖2-12 氣缸與底板連接圖2.5 本章小結(jié)本文設(shè)計(jì)的切割裝置創(chuàng)新點(diǎn)在與將滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持機(jī)構(gòu)的手指設(shè)計(jì)成了易于完成切割和切斷番茄莖的切割刀片，這樣能最大限度上的提高壓強(qiáng)，但是并不需要很大的驅(qū)動(dòng)力，所以在一定程度上減輕了切割裝置的重量和成本。缺點(diǎn)在與該切割裝置與夾持裝置是固定在一起的，缺少了能自由調(diào)節(jié)切割裝置的位置的功能，可能會(huì)導(dǎo)致在采摘過程中，番茄莖不能準(zhǔn)確的進(jìn)入到切割面的范圍內(nèi)第3章 軟體手指密封與連接固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.

30、1 密封元件設(shè)計(jì)3.1.1 密封的目的與作用密封是氣壓和液壓系統(tǒng)中重要的一環(huán)，同時(shí)，密封也是考驗(yàn)和衡量一個(gè)氣壓和液壓系統(tǒng)是否合格的重要指標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)氣壓與液壓系統(tǒng)的精確與穩(wěn)定操作，壓力的穩(wěn)定是保障，只有壓力穩(wěn)定可控，才能使系統(tǒng)達(dá)到所需的要求與功能。同時(shí)密封的好壞也會(huì)影響元件的使用安全和壽命。做好液壓的密封能防止液體的泄漏，從而防止液壓油的浪費(fèi)和對(duì)環(huán)境造成污染，以及液壓油對(duì)相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行功能產(chǎn)生影響，同時(shí)也可以防止其他污染物通過泄漏口就如到液壓油，從而損壞液壓系統(tǒng)中的相關(guān)元件。甚至可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部的堵塞 氣壓系統(tǒng)的密封則關(guān)系到氣壓系統(tǒng)中的壓力不足的問題，壓力不足則會(huì)影響系統(tǒng)的相應(yīng)速度，特別是在

31、相關(guān)的生產(chǎn)流水線上，相應(yīng)速度的降低會(huì)大大降低生產(chǎn)的效率。同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行元件的動(dòng)作難以控制，不穩(wěn)定，容易造成較大的偏差等問題，所以，氣動(dòng)系統(tǒng)的密封也尤為重要。3.1.2 密封的類型 密封是保證氣壓和液壓系統(tǒng)正常工作的重要保證，通常這兩種系統(tǒng)的泄漏主要是在兩個(gè)方面，第一是密封件的材料和設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不完善，導(dǎo)致密封面不能完全密封。第二種是密封部位的壓力差較大，導(dǎo)致液壓油或者氣體向著壓力小的一方泄漏。根據(jù)泄漏原因，這幾種密封方法。 1.改進(jìn)密封件材料與結(jié)構(gòu)使其完全密封； 2.將泄漏的部位與主通道隔離； 3.增加泄漏同道中的阻力； 4.設(shè)置做功元件，對(duì)泄漏介質(zhì)造成壓力，以抵消或者平衡泄漏通道的壓力差。

32、本文設(shè)計(jì)的密封元件屬于第一種封住結(jié)合面的間隙的密封方式，同時(shí)也屬于靜密封，如圖（3.1）所示，是本文針對(duì)本次設(shè)計(jì)的軟體手指得一種密封裝置，該裝置有兩部分組成。 圖（3.2）為手指的接口形狀。圖3-1密封件 圖3-2手指接口注. 1進(jìn)氣孔 2進(jìn)氣槽 3密封面 4平臺(tái) 5密封凸臺(tái) 圖3-1中的兩個(gè)元件組成了圖3-2所示的軟體手抓借口出的密封元件。當(dāng)圖3-1中的兩個(gè)元件接合時(shí)，密封面與密封凸臺(tái)之間會(huì)有一定的間隙，該間隙的厚度略微小于軟體手抓接口處的厚度，這樣是為了增加密封面的應(yīng)力，防止泄露。同時(shí)軟體手指接口處的凸環(huán)與圖3-1中的平臺(tái)在兩個(gè)元件接合時(shí)的壓力下緊密接觸，將手指與密封元件牢牢連接在一起。

33、將密封元件的密封凸臺(tái)和密封面設(shè)計(jì)成傾斜面是為了在有限的凸臺(tái)高度內(nèi)增加軟體手指的接口與密封元件的接觸面積，增強(qiáng)密封性。 如圖3-2所示，軟體手指內(nèi)部有兩個(gè)氣體通道，并且兩個(gè)氣體通道的入口不相同，所以將密封件的進(jìn)氣孔設(shè)計(jì)成如圖3-1所示的進(jìn)氣槽。該進(jìn)氣槽能同時(shí)向軟體手指的兩個(gè)氣體通道通入氣壓相同的氣體。該進(jìn)氣槽只需要一個(gè)進(jìn)氣孔，同時(shí)不會(huì)因軟體手指因密封擠壓發(fā)生形變而導(dǎo)致氣體通道入口與進(jìn)氣孔位置發(fā)生偏差，出現(xiàn)堵塞的現(xiàn)象。 3.1.3 密封件的材料 密封件材料應(yīng)滿足密封功能的要求。由于被密封的工作介質(zhì)以及設(shè)備工作條件不同，密封件材料應(yīng)具有不同環(huán)境下的不同適應(yīng)性。密封材料的一般要求： 1.摩擦因素小，耐

34、磨性好； 2.抗腐蝕性能好，能在工作介質(zhì)中長(zhǎng)期工作，其體積和硬度變化小； 3.與密封面貼合的柔軟性和彈性好； 4.耐臭癢性和耐老化性好，使用壽命成； 5.加工性能好，價(jià)格低廉。根據(jù)以上密封材料的要求，本文設(shè)計(jì)的密封元件選用的材料為鋁合金。鋁合金強(qiáng)度接近于優(yōu)質(zhì)鋼，但是其密度卻比優(yōu)質(zhì)鋼小很多，所以能大大減小機(jī)械手的重量，并且鋁合金的物理和化學(xué)性質(zhì)良好。 鋁合金，表面光滑，粗糙度小，而軟體手抓的材料為硅膠一類具有良好的柔軟性與彈性，能在外力的擠壓下與鋁合金緊密貼合，行成良好的密封。 3.2.1 抓取方式的選擇密封好的手指需要固定在一個(gè)特定的裝置上，以實(shí)現(xiàn)良好的抓取效果，根據(jù)本設(shè)計(jì)的內(nèi)容我設(shè)計(jì)了如下兩

35、種手指的抓盤 圖3-3 二指手抓抓盤 圖3-4 三指手抓抓盤 圖3-3為二指手指抓盤，只需要兩個(gè)手指就能實(shí)現(xiàn)對(duì)番茄的抓取。圖3-4為三指手抓抓盤，這比而指手抓抓盤多用一個(gè)手指來抓取和夾持番茄。 通過兩種抓盤的對(duì)比分析可以得出，在抓取物體的穩(wěn)定性上，三指抓盤的穩(wěn)定性和抓取效果是比二指抓盤要好。所以若該手抓運(yùn)用于生產(chǎn)線上的抓取，三指抓盤的選擇是優(yōu)于二指抓盤的。但是，本文設(shè)計(jì)的番茄采摘機(jī)械手不僅僅是將番茄夾持固定，還需要實(shí)現(xiàn)對(duì)番茄的采摘。即當(dāng)手指夾持固定住番茄時(shí)，需要一個(gè)裝置來切斷番茄的莖，以此來實(shí)現(xiàn)良好的采摘效果。 根據(jù)手指數(shù)量的不同，抓取的方式也不相同。二指抓取方式采用的是橫向的抓取方式，即手指

36、從番茄兩側(cè)抓取。若采用三指抓取方式，則需要從番茄的底部向上抓取。兩種不同的抓取方式所采用的切割裝置也不相同。 根據(jù)對(duì)比和分析，本文設(shè)計(jì)的采摘手采用的是二指的抓取方式。二指抓取方式采用的切割裝置結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，同時(shí)比三指抓取方式的切割裝置更容易實(shí)現(xiàn)對(duì)番茄莖的切割，為了彌補(bǔ)二指抓取方式在抓取穩(wěn)定性上的不足，本文將增加手抓與番茄表面的接觸面積，即增加手指的寬度。同時(shí)在手指的材料上也會(huì)選擇與番茄表面產(chǎn)生粘附力的材料，以增大手指與番茄表皮之間的作用力，以此來增強(qiáng)抓取的穩(wěn)定性。3.2.2 抓盤的設(shè)計(jì)圖3-5 抓盤調(diào)節(jié)范圍圖3-5為本文設(shè)計(jì)的二指抓盤的結(jié)構(gòu)，在每個(gè)用于固定手指的抓盤分支上都有一個(gè)長(zhǎng)方形的孔，該

37、孔不僅僅是用于固定手指，同時(shí)他也可以根據(jù)需要夾持物體的大小，來調(diào)節(jié)抓取的半徑.如圖3-5所示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)一定范圍內(nèi)的大小不同的物體實(shí)現(xiàn)抓取。該抓盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)對(duì)一定范圍內(nèi)不同大小的物體的夾持。3.2.3 抓盤與手指的連接圖3-6密封件抓盤裝配圖 圖3-7密封件連接件裝配圖 注：1 連接件凸臺(tái) 2 密封件平臺(tái)3快插接口連接孔如圖3-7所示，為密封件與手指與抓盤連接件的裝配圖，采用4個(gè)螺釘連接固定在抓盤上如圖3-6所示，為連接件和密封件固定在抓盤上的裝配圖，密封件與手指連接件并不是用螺紋直接固定在抓盤上，而是利用密封件上的平臺(tái)與手指連接件的凸臺(tái)將手指連接固定在抓盤上，就如圖3-6所

38、示。密封件上的平臺(tái)與連接件上的凸臺(tái)之間的間距是略微小于抓盤的厚度的，當(dāng)連接兩個(gè)元件的4個(gè)螺釘擰緊時(shí)，手指就固定在抓盤上固定的點(diǎn)，當(dāng)4個(gè)螺釘擰松時(shí)。兩者之間的間隙也會(huì)增大，這樣就可以在抓盤上的孔內(nèi)來回的滑動(dòng)，以根據(jù)實(shí)物的大小調(diào)節(jié)抓取的半徑。兩個(gè)元件都有兩個(gè)相同的連接凸臺(tái)，這兩個(gè)凸臺(tái)的外則的間距為抓盤控的寬度，以防止手指的左右滑動(dòng)，導(dǎo)致抓取不穩(wěn)定。3.3 機(jī)械手與手臂的連接將整體的機(jī)械手的機(jī)械機(jī)構(gòu)部分設(shè)計(jì)完成后，需要將機(jī)械手與機(jī)械臂完成對(duì)接，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的定位和完成靠近需要摘取的目標(biāo)。同時(shí)完成采摘完畢后對(duì)采摘的番茄進(jìn)行回收。這一系列的動(dòng)作都需要靠機(jī)械手臂來完成，因此需要設(shè)計(jì)連接手臂與機(jī)械手的裝置如

39、圖3-8所示，為手臂末端法蘭機(jī)械結(jié)構(gòu)圖3-8手臂末端法蘭機(jī)械圖，單位mm根據(jù)該圖的尺寸大小和機(jī)械結(jié)構(gòu)，以及手抓抓盤的機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出想對(duì)應(yīng)的連接件，同時(shí)，本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手采用的是氣壓驅(qū)動(dòng)，并且，根據(jù)手指數(shù)量的不同，分別需要不動(dòng)的快插借口，本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手需要兩3通的快插接口。在設(shè)計(jì)連接件時(shí)，需要考慮將快插接口放置在連接件內(nèi)部，以此來簡(jiǎn)化通氣管道的線路，能清楚的現(xiàn)示出不同手指對(duì)應(yīng)不同的管道在以上設(shè)計(jì)目標(biāo)下，本文設(shè)計(jì)了如下圖3-9所示的連接件。 圖3-9手臂與機(jī)械手連接件在與手臂連接的部分，采用和手臂相同尺寸的法蘭，同時(shí)還有定位銷孔，在底部是與抓盤上想對(duì)的法蘭，同樣采用螺紋連接。同時(shí)將該連接件的中

40、間部分鏤空，分別設(shè)計(jì)成對(duì)稱的四個(gè)方形孔，這四個(gè)方形孔分別對(duì)應(yīng)著不同手指的方向。這中間底部，可以將三通的快插接口放置其中，每個(gè)接口利用氣管連接對(duì)應(yīng)的手指，為手指提供動(dòng)力源。該連接件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，美觀。同時(shí)使得機(jī)械部分通氣管道的線路得到了簡(jiǎn)化，便于拆卸和維修以及跟換。3.4 本章小結(jié)本章節(jié)主要涉及了軟體手指的密封件。密封件與手指抓盤的連接件以及抓盤與機(jī)械臂的連接件。該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，易于加工，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)多種功能，可以根據(jù)不同的需求來調(diào)節(jié)抓盤的大小和手指的數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同物體的抓取和夾持。第4章 軟體手指4.1.1氣動(dòng)軟體手指的作用及優(yōu)點(diǎn)機(jī)器人技術(shù)正在飛速的發(fā)展著，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍逐步擴(kuò)

41、張，操作的環(huán)境也變得越來越多樣化。因此也致使機(jī)器人需要更多的功能，更智能化的操作。因此需要機(jī)器人有更強(qiáng)大的適應(yīng)性，以滿足日益發(fā)展的社會(huì)的各種需求 傳統(tǒng)的機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展在逐步的達(dá)到一個(gè)瓶頸，所以，人們開始將注意力轉(zhuǎn)移到了生物的各種運(yùn)動(dòng)與機(jī)構(gòu)上。地球生物經(jīng)過上萬年的進(jìn)化。能完美的適應(yīng)環(huán)境。列如大象的鼻子和章魚的觸手都是典型的肌肉型靜水骨骼結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的形狀的改變可以通過加壓滲透來實(shí)現(xiàn)。由此而誕生了仿生學(xué)。根據(jù)生物的結(jié)構(gòu)原理及運(yùn)動(dòng)形式而產(chǎn)生的機(jī)器人。列如仿蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)、滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)、跳躍運(yùn)動(dòng)等等。當(dāng)然這些仿生機(jī)器人在材料上的要求比較高，所以目前的仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)還比較簡(jiǎn)單。末端執(zhí)行是機(jī)器人提高作業(yè)效率的重要

42、保證，在一定程度上，末端執(zhí)行器反映出了機(jī)器人的只能化水平。對(duì)于普通的機(jī)器人的末端執(zhí)行器，存在著運(yùn)動(dòng)形式單一，不夠靈活，抓取不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。因此需要采用新興的技術(shù)。人類的手指在經(jīng)歷過上萬年的進(jìn)化后相當(dāng)發(fā)的靈活，模擬人手指的結(jié)構(gòu)和功能的末端執(zhí)行器，人體的手靈巧，有很好的適應(yīng)性、靈活性和更多的自由度。本文設(shè)計(jì)的手指采用仿生學(xué)設(shè)計(jì)的，采用氣壓驅(qū)動(dòng)，功率/重量比大，成本低，清潔無污染。安全性好，易于控制。擁有良好的柔軟性，能較好通過控制氣壓的大小從而控制手指對(duì)番茄夾持力大小的控制。同時(shí)番茄表皮比較脆嫩，普通的機(jī)械手很容易對(duì)番茄的表皮產(chǎn)生損傷，而啟動(dòng)軟體手指的表面比較柔軟，能對(duì)番茄的表皮起到很好的保護(hù)作用。

43、4.1.2 氣動(dòng)手指的工作原理本文設(shè)計(jì)的氣動(dòng)手指只要工作的依據(jù)是手指內(nèi)部的通道以及手指的材料的選擇，所以手指內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與手指的工作原理息息相關(guān)，手指的構(gòu)造決定了手指是怎樣工作的，圖4-1 軟體手指 圖4-2 軟體手指氣體入口氣動(dòng)軟體手指一種采用氣壓作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)的仿生手指，在手指的內(nèi)部擁有特殊的氣體通道，當(dāng)擁有一定氣壓的氣體進(jìn)入到手指內(nèi)部時(shí)，氣體的壓力會(huì)使得手指產(chǎn)生不同的形變。通過對(duì)手指內(nèi)部通道的設(shè)計(jì)，使得手指外部的空腔齒產(chǎn)生膨脹擴(kuò)張的形變大于手指內(nèi)側(cè)的形變，從而使得內(nèi)側(cè)手指的軟體部分被擠壓而彎曲收縮，而外側(cè)是彎曲膨脹，從而完成手指抓取的動(dòng)作。當(dāng)氣壓泵從手指內(nèi)部抽出氣體時(shí)，原本的手指的形變消失

44、，完成放的動(dòng)作。當(dāng)氣壓泵在手指回復(fù)原來的形狀仍繼續(xù)向手指內(nèi)部抽氣時(shí)，會(huì)使得手指內(nèi)部行成負(fù)壓的狀態(tài)，此時(shí)，手指的空腔齒會(huì)在氣壓的作用下收縮產(chǎn)生大的形變，牽動(dòng)沒有空腔齒的那一側(cè)反向彎曲，實(shí)現(xiàn)反向彎曲的功能，該功能可以使用在抓取大小大于手抓抓取范圍的物體中4.2.1軟體手指內(nèi)部氣體通道設(shè)計(jì)手指內(nèi)部的通道結(jié)構(gòu)對(duì)于手指的抓取效果有很大的影響。通道的結(jié)構(gòu)在很大程度上能決定手指彎曲的程度，以及彎曲的靈活性和及時(shí)響應(yīng)的速度，所以手指通道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尤為重要。根據(jù)手指的工作原理可知，手指內(nèi)部的通道是一個(gè)整體相通的結(jié)構(gòu)，并且在相同的氣壓下，手指莫一側(cè)的形變大于另一側(cè)，從而致使手指完成彎曲和反向彎曲的動(dòng)作，根據(jù)這個(gè)原

45、理設(shè)計(jì)了如圖4-3所示的氣體通道模具。 圖4-3 軟體手指內(nèi)部通道模具 在該通道模具中，有若干個(gè)齒，每個(gè)齒之間都有連個(gè)三角形的凸臺(tái)連接，當(dāng)用融化后的手指材料澆鑄時(shí)，就會(huì)形成一個(gè)一個(gè)齒形的空腔，每個(gè)空腔都有兩個(gè)通道連接，這樣所有的空腔就會(huì)連接成一個(gè)整體的氣體通道。當(dāng)有氣壓的氣體進(jìn)入通道時(shí)。空腔底部和連接空腔的通道就會(huì)在壓力的作用下發(fā)生形變。在負(fù)壓的狀態(tài)下，就會(huì)收縮。4.2.2 手指通道的設(shè)計(jì)與制作手指內(nèi)部的通道設(shè)計(jì)是手指實(shí)現(xiàn)夾持的重要一環(huán)。圖4-4 箱體 圖4-5 通道模具裝配圖如圖4-4和4-5所示，為軟體手指內(nèi)部通道制作的模具裝配體，將軟體材料融化后，通過箱體上方的孔導(dǎo)入到真?zhèn)€箱體中，待材料

46、冷卻凝固后將箱體去下 ，再用一塊凝固完成的材料將通道的底部密封，然后通過實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)和比較不同通道的效果4.3 軟體手指材料的選擇4.3.1 手指材料的要求 制作軟體手指的材料也是影響手指抓取效果的一個(gè)關(guān)鍵因素，不同材料所能承受的氣壓不相同，同時(shí)在相同氣壓下產(chǎn)生的形變也不相同。軟體手指的制作材料一般是塑料，但是塑料也有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)。需要根據(jù)不同的需求來選擇相應(yīng)的材料，才能最大程度上的滿足所需達(dá)到的要求，才能在特定的條件下發(fā)揮材料最大的用處。 根據(jù)本文明的設(shè)計(jì)可知，軟體手指的主要作用是在氣壓的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)彎曲的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)番茄的夾持和固定。根據(jù)其工作原理可知，和作用的對(duì)象可以得知該材料需

47、要具備以下基本要求。1.制作手指的材料需要有良好的彈性、伸縮性和良好的韌性，能承受住較大的氣壓而不破裂。2.該手指需要與番茄的表皮接觸，同時(shí)還需要在脆弱的番茄表皮上作用于一定的力，所以，該材料質(zhì)地要柔軟，3.能與番茄表皮產(chǎn)生比較大的吸附力，增強(qiáng)夾持和固定的效果。4.該材料還需要有一定的硬度。太過于柔軟就不能在一定的氣壓下產(chǎn)生所需要的夾持力。5.該材料要無有害元素，防止對(duì)番茄產(chǎn)生污染。6.由于手指內(nèi)部通道復(fù)雜，所以需要改材料在液態(tài)狀態(tài)下具有良好的流動(dòng)性。根據(jù)以上要求，目前所有材料中，硅膠是目前最適合本文設(shè)計(jì)的軟體手指的材料。4.3.2 材料的性質(zhì)與應(yīng)用硅膠主要材料為二氧化硅，彈性與韌性良好，無毒

48、無異味。對(duì)人體無害。具有很高的吸附性，所以硅膠也可以用作干燥劑，這類硅膠一般為無機(jī)硅膠。硅膠的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不可燃燒。相對(duì)于無機(jī)硅膠來說，有機(jī)硅膠的性能與優(yōu)點(diǎn)更突出也更多，應(yīng)用的范圍也比無機(jī)硅膠廣泛。有機(jī)硅膠應(yīng)用的范圍一般是航空、尖端科技、軍事領(lǐng)域等高技術(shù)行業(yè)。而無機(jī)硅膠除了干燥劑以外也用于牙膏磨料。催化劑載體等。4.3.3 材料的分類1，無機(jī)硅膠：無機(jī)硅膠是一種高活性吸附材料，通常是用硅酸鈉和硫酸反應(yīng)，并經(jīng)老化、酸泡等一系列后處理過程而制得。不溶于水和任何溶劑，無毒無味，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，除強(qiáng)堿、氫氟酸外不與任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。硅膠的化學(xué)組份和物理結(jié)構(gòu)，決定了它具有許多其它同類材料難以取代的特點(diǎn)：

49、吸附性能高、熱穩(wěn)定性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、有較高的機(jī)械強(qiáng)度等，家庭用做干燥劑，濕度調(diào)節(jié)劑，除臭劑等；工業(yè)用作油烴脫色劑，催化劑載體，變壓吸附劑等；精細(xì)化工用分離提純劑，啤酒穩(wěn)定劑，涂料增稠劑，牙膏摩擦劑，消光劑等。無機(jī)硅膠有很強(qiáng)的吸附性，只要為物理吸附。通常運(yùn)用于干燥劑，并且可以再生和反復(fù)的使用。2.有機(jī)硅膠：有機(jī)硅膠是一種有機(jī)硅化合物，是指含有Si-C鍵、且至少有一個(gè)有機(jī)基是直接與硅原子相連的化合物，習(xí)慣上也常把那些通過氧、硫、氮等使有機(jī)基與硅原子相連接的化合物也當(dāng)作有機(jī)硅化合物。由于硅膠有很多優(yōu)異的性能，所以他的應(yīng)用范圍非常廣泛。4.3.4 材料的選擇根據(jù)以上不同硅膠性能和屬性的對(duì)比分析，再由

50、本文設(shè)計(jì)的手指對(duì)材料的要求最終選擇了有機(jī)硅膠中的食品級(jí)AB硅膠作為本文設(shè)計(jì)的手指的材料。該材料具有以下性能。1收縮率低，體積不易改變。2不受制品厚度限制,可深度固化。3耐高溫。4無毒無味，對(duì)人體不會(huì)造成傷害。5韌性與彈性好，能承受較大形變。 6 融點(diǎn)比較低，液體狀態(tài)流動(dòng)性好。切凝固點(diǎn)也比較低。 通過該材料的性質(zhì)與本文設(shè)計(jì)的手指所需的材料的要求的對(duì)比可知，該材料能在最大程度上滿足本文設(shè)計(jì)的手指所需要達(dá)到的要求。甚至在某些屬性方面優(yōu)于所需達(dá)到的要求。4.4 軟體手指夾持實(shí)驗(yàn)本文設(shè)計(jì)的軟體手指在經(jīng)過手指內(nèi)部通道設(shè)計(jì)，手指接口處的密封設(shè)計(jì)，以及手指材料的選擇，最終做出了相應(yīng)的軟體手指，現(xiàn)在需要通過實(shí)驗(yàn)

51、，得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)試驗(yàn)后得出的結(jié)果分析該手指內(nèi)部通道的結(jié)構(gòu)，以及選擇的材料，從而在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。4.4.1 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)主要的裝置有：1.軟體手指 2.氣泵 3.氣壓控制閥 3.氣管及3通快速接口 4.番茄一個(gè) 5.塑料水瓶一個(gè) 6.電子秤一臺(tái) 7.水若干軟體手指如圖（4.6）所示圖4-6 軟體手指實(shí)物圖本文設(shè)計(jì)的夾持裝置為二指夾持機(jī)構(gòu)，需要使用到的手指數(shù)量只需要兩個(gè)，所以本次實(shí)驗(yàn)的裝置如圖（4.7）所示，將兩個(gè)密封手指固定在指架上，兩個(gè)手指之間的間距為一般普通番茄的大小。圖4-7 二指實(shí)驗(yàn)裝置4.4.2 實(shí)驗(yàn)過程。1.安裝實(shí)驗(yàn)裝置：將密封好的兩個(gè)手指固定，利用一個(gè)3通的快速接口，將

52、氣管分別連接到兩個(gè)手指的入口處，以及控制壓力的氣壓控制閥。2.抓取實(shí)驗(yàn)：調(diào)節(jié)氣體壓力的大小以及通氣的時(shí)間來調(diào)節(jié)手指內(nèi)部的壓力，塑料瓶?jī)?nèi)裝入一定質(zhì)量的水，利用電子秤測(cè)出去重量，然后記錄出在該壓強(qiáng)下，二指手抓所能抓取的最大質(zhì)量。3.記錄與分析數(shù)據(jù)：將實(shí)驗(yàn)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)記錄下來并整理，通過分析數(shù)據(jù)得出相應(yīng)的結(jié)果通過相關(guān)的實(shí)驗(yàn)后我們得出了如下表所示的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表4-1 手指實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)次數(shù)/次氣壓/Mpa抓取物體重量/kg10.10.1420.20.3530.30.598通過分析表中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以 ，該手指本次實(shí)驗(yàn)中所能抓取的最大的重量為0.598kg，而一般番茄的重量為0.2kg。通過對(duì)比可以得

53、出二指手抓所能抓取的重量約為普通番茄質(zhì)量的3倍，所以該二指手抓能達(dá)到本文設(shè)計(jì)的采摘機(jī)械手的夾持和固定番茄的要求。圖（4.8）與圖（4.9）為本次式樣中夾持番茄和最大重量的實(shí)驗(yàn)圖。通過該實(shí)驗(yàn)可以證明本文設(shè)計(jì)的二指的氣動(dòng)手指夾持器是可以達(dá)到預(yù)定的要求的，即可以順利完成番茄的采摘圖4-8 夾持番茄實(shí)驗(yàn)圖 圖4-9 手指夾持最大重量水瓶4.5 本章小結(jié)本章主要介紹了軟體手指的工作原理，內(nèi)部通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及在制作手指材料上的選擇。通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的手指是否能產(chǎn)生足夠大的力夾持和固定番茄，以保證順利完成對(duì)番茄的采摘。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出本文設(shè)計(jì)的手指可行，但是實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了一些新的問題，即制作手指

54、的材料的硬度不夠，當(dāng)抓取的重量超過一定限度時(shí)，手指會(huì)在物體重力的作用下向下彎曲。當(dāng)然，番茄的重量沒有超過使手指向下彎曲的限度，所以該手指夾持和固定番茄是完全可行的。第5章 總結(jié)與討論5.1 工作總結(jié)農(nóng)業(yè)機(jī)器人在快速的發(fā)展，各個(gè)國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究也取得了一定的成果，對(duì)于像我國(guó)這樣的農(nóng)業(yè)大國(guó)，研究和生產(chǎn)機(jī)器人能給我國(guó)帶了很大的經(jīng)濟(jì)利益，有效的解決人口老齡化，勞動(dòng)力不足等問題。本文設(shè)計(jì)的番茄采摘機(jī)械手分為如下三部分第一部分：夾持固定機(jī)構(gòu)。該部分運(yùn)用兩個(gè)氣動(dòng)軟體手指，通過對(duì)手指內(nèi)部施加一定壓力的氣體形成正壓，和抽出手指內(nèi)部氣體行程負(fù)壓的兩個(gè)相反的彎曲方向來實(shí)現(xiàn)對(duì)番茄的抓取和放置。第二部分：番茄莖切割裝置。該部分將滑槽杠桿回轉(zhuǎn)型夾持器的夾