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機械臂的設(shè)計方案范文第1篇

【關(guān)鍵詞】機器人；手臂關(guān)節(jié)；機械設(shè)計

1.引言

從機械手臂投入商用起，已經(jīng)有了幾十年的應(yīng)用和發(fā)展歷史。將模塊化的設(shè)計思路與理念引入機械手臂的設(shè)計中，能夠充分發(fā)揮其靈活、可拆分、可組合的特點，并將其應(yīng)用于更多的場合，包括服務(wù)機器人，工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域等等。本文結(jié)合機械臂設(shè)計的模塊化理念，著重對其進行系統(tǒng)分析和設(shè)計，包括旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、傳動系統(tǒng)、減速系統(tǒng)進行實現(xiàn)，具有比較好的理論價值與實踐意義。

2.機器人手臂關(guān)節(jié)機械設(shè)計

2.1手臂關(guān)節(jié)模塊

手臂關(guān)節(jié)模塊包含了許多零部件，主要有旋轉(zhuǎn)電機、減速器和反饋單元等。在手臂關(guān)節(jié)的內(nèi)部固定了控制單元和傳動系統(tǒng)，以二級減速傳動作為傳動模式，即齒輪減速傳動與諧波減速傳動，這種傳動模式可以支持手臂關(guān)節(jié)自由度之內(nèi)的回轉(zhuǎn)運動。下面具體闡述其設(shè)計方案：

(l)模塊外殼方案

手臂關(guān)節(jié)的外殼能夠為電機、制動器、滾動軸承提供必要的機械支撐，并起到必要的保護作用。在手臂關(guān)節(jié)運動的過程中，模塊的外殼也承受了期間多產(chǎn)生的種種應(yīng)力，因此模塊的外殼必須滿足一定的剛度。模塊外殼的主要構(gòu)成部分包括：底蓋、電機、齒輪蓋、主殼體、軸承、制動器等。其中，底蓋位于結(jié)構(gòu)的底端，其作用是為整個旋轉(zhuǎn)模塊的各個部件提供支撐與連接；主殼體構(gòu)成此部件單元的外殼，對單元當中的電機、制動器等子單元起到連接和支撐作用；齒輪蓋覆蓋于模塊的齒輪傳動單元之上，起到保護和連接作用，而且能夠支持諧波齒輪減速器的安裝。為保證機械臂有足夠的強度，模塊外殼選取的制作材料為鋁合金，并將壁體設(shè)計為圓桶狀的抗壓結(jié)構(gòu)，為防止氧化與腐蝕，表面結(jié)果特殊處理。

(2)減速齒輪方案

減速齒輪方案的主要構(gòu)成部分包括：電機連接齒輪、中心齒輪、中心軸以及制動連接齒輪等。其實現(xiàn)方式簡述如下：通過小齒輪來連接直流電機的輸出端，然后通過與小齒輪相咬合的中心齒輪互相連接；同理，通過另一個小齒輪來連接斷電制動器的輸出端，然后通過與小齒輪相咬合的中心齒輪互相連接。在這種嚙合模式下，當減速齒輪單元加電后，便由系統(tǒng)的電機來作為動力源輸出，而當減速齒輪單元端電后，便由系統(tǒng)的制動器來作為阻力源輸出?？紤]到機械臂的關(guān)節(jié)在不同運動時，會使減速齒輪持續(xù)維持高速轉(zhuǎn)動狀態(tài)，因此必須有足量的劑。又因為該減速齒輪不是封閉結(jié)構(gòu)，因此本文以滑脂來起到齒輪的作用。

(3)中軸傳動方案

中軸的傳動方案是整個機械臂設(shè)計中非常關(guān)鍵的一個組成部分。中軸傳動的作用是，首先支持來自中心齒輪的動力，其次還要為波發(fā)射器高效傳遞動力?？紤]到中軸會承接一定比例的來自軸向的受力和很大比例的徑向應(yīng)力，因此為支持中軸，引入了角接觸軸承。中軸傳動單元主要由旋轉(zhuǎn)模塊、斷電制動器、卡簧、角接觸軸承、中心齒輪、主軸、連接法蘭以及波發(fā)射器組成。

因為中軸傳動單元在設(shè)計上要求同軸度與圓柱度都在較高的水準，因此尤其應(yīng)注重其材料選擇和參數(shù)控制。本研究所設(shè)計的中軸用以45號鋼才作為原料，并在成型后淬火，從而保證單元在表面具備一定的硬度。

在中軸傳動方案中，最關(guān)鍵的是旋轉(zhuǎn)模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計。旋轉(zhuǎn)模塊的設(shè)計思路是：將其轉(zhuǎn)軸與中心軸線重合，并以電機驅(qū)動。在模塊上部署有電磁編碼器，用于周期性地檢測角位移和角速度。將之與直流伺服電機相聯(lián)。結(jié)合具體的應(yīng)用環(huán)境與需求，直流伺服電機也可以加裝起到減速增力作用的行星減速箱，共同起到動力輸出的作用。而后通過小齒輪與中心齒輪的咬合，以正齒輪傳動方式來實現(xiàn)系統(tǒng)的減速增力功能。

斷電制動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計也是中軸傳動方案中的關(guān)鍵，斷電制動器有兩方面的作用，首先在旋轉(zhuǎn)模塊進行位置搜索時能夠起到保持作用，其次，在旋轉(zhuǎn)模塊因故失去電源之后也能發(fā)揮保護的功能。在中軸中，當旋轉(zhuǎn)單元加電，并處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)的時候，斷電制動單元便會隨著系統(tǒng)的小齒輪單元傳遞過來的中心齒輪作用而轉(zhuǎn)動，而在斷電制動器運動的時候，其輸出軸的動力也來自小齒輪單元。在本文所涉及的機械臂中，電機與制動器全部布置于電機底座，并且將電機底也作為旋轉(zhuǎn)單元外殼的一部分，其好處在于保護內(nèi)部零部件。

2.2連接件模塊

連接件的主要功能是在機械臂中連接旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不同的單元，因此是機械臂的重要組合部分，對機械臂的組合與功能的發(fā)揮均有著不容忽視的作用。由于機械臂的各個模塊單元是相對獨立的關(guān)系，因此只要將不同的模塊單元互相組合，起可以發(fā)揮機器人的機械臂基本功能。因此本文結(jié)合具體的需求，設(shè)計開發(fā)了數(shù)種類型不同的連接結(jié)構(gòu)。

機器人的機械臂在實際操作中，連接件實現(xiàn)了不同部件單元之間的力矩傳遞，而其質(zhì)量的大小也關(guān)系到機械臂整體重量和輕便程度，因此在實際設(shè)計中，一方面應(yīng)保證改模塊單元具有足夠的機械強度，另一方面也應(yīng)考慮到減輕其質(zhì)量。本文在設(shè)計中，考慮到鋁合金屬于高強度低密度的材料，同時具有比較好的可塑性，因此以鋁合金作為連接件的制作材料。

2.3模塊手抓單元

考慮到機械臂必須部署在一個可以移動的平臺上，來在現(xiàn)場抓取物體，因此模塊手抓單元的末端執(zhí)行器是其中最重要的組件。為了滿足這個系統(tǒng)的模塊化的設(shè)計，末端執(zhí)行器必須具備一定的應(yīng)用和擴展功能。假若模塊手抓單元附加多指靈巧手，其實能夠抓取更多類型的對象，本課題的研究只需模塊手抓單元能夠抓取簡單對象，因此使用了圖中的簡單的夾鉗手抓，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、容易控制。

3.結(jié)束語

機器人的機械臂設(shè)計與開發(fā)屬于機電一體化領(lǐng)域的高精尖課題?？紤]到機械臂的結(jié)構(gòu)具有比較高的復(fù)雜性，本文闡述的設(shè)計方案充分顧及了模塊設(shè)計的標準化與產(chǎn)品的通用性，從而能夠良好的滿足模塊之間的替代性特征需求，因而也能夠保障機器人的機械臂在實際應(yīng)用中能夠滿足用戶的要求。

參考文獻

[1]郭立新，趙明揚，張國忠.空間冗余度機器人最小關(guān)節(jié)力矩的軌跡規(guī)劃.東北大學學報(自然科學版 ).2010:512-515

[2]馬江.六自由度機械臂控制系統(tǒng)設(shè)計與運動學仿真.北京工業(yè)大學碩士學位論文,2009:3-10

機械臂的設(shè)計方案范文第2篇

關(guān)鍵詞：超大型平頭塔式起重機；平衡臂；優(yōu)化設(shè)計；有限元

中圖分類號：TH2文獻標識碼：A

Abstract：Taking the counterjib of T3000160 super large flattop tower crane as the research object，the structure is optimized. Firstly，the finite element simulation model of the counterjib is established. Then，the APDL algorithm language and parametric technique in Ansys are used to parameterize the design dimensions of the counterjib structure. Through the structural optimization，the optimal crosssectional dimension of the main structure of the counterjib is obtained，The results show that the overall strength and rigidity of the counterjib meet the design requirements，and the parametric design can improve the design quality of the construction machinery.

Key words：super large flattop tower crane，counterjib，optimized design，finite element

1引言

S著有限元技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機輔助設(shè)計在塔式起重機關(guān)鍵組成部件的優(yōu)化分析設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用。計算機輔助設(shè)計及有限元分析技術(shù)的引進使用，使得塔機產(chǎn)品使用起來更加安全和高效。超大型平頭塔式起重機作為塔機發(fā)展的方向，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工況多樣，僅僅對其進行整體的綜合系統(tǒng)設(shè)計是不夠的，更應(yīng)該關(guān)注其細節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計分析，關(guān)注計算機優(yōu)化設(shè)計。

本論文選取T3000160超大型平頭塔式起重機作為研究對象，利用計算機輔助設(shè)計技術(shù)對平衡臂結(jié)構(gòu)進行有限元建模分析，使用APDL算法完成平衡臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，達到降本增效的目的。

2Ansys有限元分析優(yōu)化設(shè)計的有關(guān)概念121設(shè)計變量設(shè)計方案完成后，其中的設(shè)計元素可以用一組基本參數(shù)數(shù)值來表示，這一組參數(shù)數(shù)值就是所謂的設(shè)計變量。

22目標函數(shù)

在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可以利用一些設(shè)計指標衡量一項設(shè)計方案的好壞，通過把設(shè)計指標參數(shù)化得到相關(guān)函數(shù)來表示這些指標，這些相關(guān)函數(shù)即是優(yōu)化設(shè)計的目標函數(shù)。

計算技術(shù)與自動化2017年6月第36卷第2期郭紀斌等：基于Ansys的超大型平頭塔式起重機平衡臂優(yōu)化設(shè)計23約束性條件

所謂約束性條件是在對與目標函數(shù)相關(guān)的設(shè)計變量進行取值時加入的限制性條件。約束類型按照目標函數(shù)中設(shè)計變量的不同性質(zhì)可分為邊界性約束和性能性約束。

24合理性設(shè)計

所謂合理性設(shè)計是指滿足設(shè)計方案所有給定約束條件（包括設(shè)計變量的約束和狀態(tài)變量的約束）的設(shè)計。倘若給定約束條件中的任一條未滿足，該設(shè)計就被認為是不合理的。而最優(yōu)設(shè)計就是既能滿足所有約束條件同時目標函數(shù)值又是最小的設(shè)計。

3超大型平頭塔機平衡臂優(yōu)化設(shè)計的步驟

在Ansys軟件中可以用兩種方式進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計：圖形交互式或者數(shù)據(jù)批處理來完成。在本論文中，選用數(shù)據(jù)批處理方式來進行平衡臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以期提高優(yōu)化設(shè)計效率。

由于用戶采用優(yōu)化方式的差異（批處理或GUI方式），Ansys優(yōu)化設(shè)計步驟會有些許差別。本論文中平衡臂優(yōu)化設(shè)計步驟如下：

31分析文件的生成1311參數(shù)化建立模型通過Ansys軟件/PREP7命令把設(shè)計方案中的設(shè)計變量參數(shù)化建立數(shù)據(jù)模型的工作完成。對于本論文選定的T3000160超大型平頭塔式起重機平衡臂，設(shè)計變量是拉桿和臂架弦桿的尺寸，如表1所示。

表1設(shè)計變量

設(shè)計變量1初值（mm）1變量含義X112001平衡臂下弦桿角鋼L200X36的截面長度X21361平衡臂下弦桿角鋼L200X36的截面長度X31651平衡臂拉桿圓鋼Φ130的半徑

312計算求解

Ansys中的求解器主要是對分析類型和分析選項在優(yōu)化過程中進行定義，并完成載荷的施加，及對載荷步的指定，最后進行有限元分析計算，同時在分析過程中需要的數(shù)據(jù)都要在計算求解過程中指出。

在本論文平衡臂的優(yōu)化分析中，solution 部分輸入如下：

/SOLU

PREP7，

…

BEAM，P21X，5，PRES，-0.2c-5，…

Acc1，0，10000，0，

AUTO CP，0，0.65*2，

SOLVE，

FINISH。

313提取參數(shù)化分析結(jié)果

對分析結(jié)果進行提取并給相應(yīng)的參數(shù)賦值，這些參數(shù)通常情況下包括目標函數(shù)和狀態(tài)變量。完成本步操作使用POST1命令，尤其是與數(shù)據(jù)的存儲、加減或者其他操作相關(guān)時，而對數(shù)據(jù)的提取通常用*GET命令（Utility Menu>Parameters>Get Scalar Data）來完成。

在本論文研究中，設(shè)置平衡臂總重量為目標函數(shù)。因為重量和體積成比例關(guān)系，對產(chǎn)品總體積的減小就相當于總重量的減少，因此把總體積設(shè)計為目標函數(shù)。在優(yōu)化研究中，把軸向應(yīng)力、節(jié)點位移設(shè)置為狀態(tài)變量。這些參數(shù)的設(shè)定可以用下面的方法進行定義：

/POST1

ETABLE，evolume，VOLU，

QR SSUM

*GET，VOLUME，SSUM，DEFORMED，EVOLUME

…

QR，SMAX_E，LS，0，1

CP，ETAB，SMAX_E，0，1，

*GET，SMAX_E，SORT，MAX

…

*GETT，DYMAX1，NODE，1528，Z，Y

…

32對計算結(jié)果優(yōu)化分析

建立完成分析文件之后，就可以利用計算機進行優(yōu)化分析。在優(yōu)化處理器中，這些相關(guān)參數(shù)的值被假定為一個設(shè)計序列，所有參數(shù)會在Ansys數(shù)據(jù)庫中被自動設(shè)置為設(shè)計序列1。

4超大型平頭塔機平衡臂優(yōu)化設(shè)計結(jié)果

通過10次迭代計算完成對模型參數(shù)的優(yōu)化，目標函數(shù)與設(shè)計變量的變化如圖1―圖3所示。

圖1設(shè)計變量X1優(yōu)化示意圖圖2設(shè)計變量X2優(yōu)化示意圖圖3設(shè)計變量X3優(yōu)化示意圖通過上面的優(yōu)化示意圖可以看出，三個設(shè)計變量都是平衡臂主結(jié)構(gòu)件的截面尺寸，經(jīng)過優(yōu)化計算，截面尺寸都得以減小，而與其相關(guān)的目標函數(shù)（平衡臂總體積）有總體減小的趨勢。

在優(yōu)化計算時不僅要減少平衡臂體積，同時其結(jié)構(gòu)對強度和剛度的設(shè)計要求也要滿足，所以本研究增設(shè)狀態(tài)變量1（平衡臂端部位移）和狀態(tài)變量2（截面危險節(jié)點的應(yīng)力值）為研究對象，其優(yōu)化過程如圖4―圖5所示。

圖4狀態(tài)變量1優(yōu)化示意圖圖5狀態(tài)變量2優(yōu)化示意圖從兩個狀態(tài)變量的優(yōu)化過程可以看出，在經(jīng)過多次迭代優(yōu)化后各狀態(tài)變量值變量均在設(shè)定值范圍內(nèi)變化，變化非常小。

目標函數(shù)的最優(yōu)解在Ansys優(yōu)化設(shè)計過程可以自動選出，在本論文中得出的最優(yōu)解見表2。

由優(yōu)化計算結(jié)果可以看出，平衡臂總質(zhì)量由18.87噸優(yōu)化到了17.13噸，p少了1.74噸，減重百分比為9.22%。與初始設(shè)計方案相對比，優(yōu)化后主體結(jié)構(gòu)件截面尺寸減小，從而降低了平衡臂總質(zhì)量，達到了減輕平衡臂總重量的優(yōu)化設(shè)計目標。通過對優(yōu)化模型有限元分析結(jié)果的檢查，其結(jié)構(gòu)剛度、強度均符合設(shè)計要求，如表2所示。

本論文選用Ansys一階優(yōu)化方法對以平衡臂總質(zhì)量為目標函數(shù)的方案進行計算優(yōu)化，優(yōu)化后平衡臂結(jié)構(gòu)強度剛度均在設(shè)計允許值范圍內(nèi)。通過定義主要結(jié)構(gòu)件尺寸的優(yōu)化，平衡臂總重量減少1.74噸，降幅9.22%。

5結(jié)論

本論文以T3000160超大型平頭塔式起重機平衡臂的優(yōu)化設(shè)計為研究對象，采用現(xiàn)代設(shè)計理論和方法，使用主流有限元分析軟件Ansys完成對平衡臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析，其過程主要如下。

（1）建立T3000160塔機平衡臂有限元分析模型，選用BEAM188，MASS21等作為模型分析單元，確保有限元模型結(jié)構(gòu)、重量等參數(shù)的設(shè)置符合實際情況。

（2）各項參數(shù)滿足設(shè)計方案要求。通過優(yōu)化分析，得到平衡臂主體結(jié)構(gòu)件的最優(yōu)截面尺寸，同時有限元分析結(jié)果表明整體結(jié)構(gòu)強度和剛度滿足設(shè)計方案需求。

（3）本論文選取T3000160超大型平頭塔式起重機的平衡臂進行有限元分析優(yōu)化設(shè)計，為超大型平頭塔式起重機平衡臂及其他相關(guān)部件結(jié)構(gòu)的強度分析和設(shè)計提供一個理論性的支撐，同時提高工程機械設(shè)計質(zhì)量，縮短設(shè)計周期，促進優(yōu)化設(shè)計法在起重機設(shè)計中的應(yīng)用。

參考文獻

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機械臂的設(shè)計方案范文第3篇

關(guān)鍵詞：可靠性； 優(yōu)化設(shè)計； 機動雷達； 升降機構(gòu)； Adams； 參數(shù)化建模

中圖分類號：TN957.8文獻標志碼：B

0引言

對于機械產(chǎn)品來說，從建立初始方案到實施生產(chǎn)制造，均必須經(jīng)過一個設(shè)計過程.設(shè)計的完善與否，對產(chǎn)品的力學性能、使用價值和制造成本等都有決定性的影響，同時也必然影響使用產(chǎn)品企業(yè)的工作質(zhì)量和經(jīng)濟效果.因此，如何提高設(shè)計質(zhì)量、發(fā)展設(shè)計理論、改進設(shè)計技術(shù)以及加快設(shè)計過程，已經(jīng)成為當今機械設(shè)計必然的發(fā)展方向之一.[1]

近年來，在機械設(shè)計領(lǐng)域中出現(xiàn)不少現(xiàn)代設(shè)計方法和相應(yīng)的科學.目前，可靠性設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計在理論和方法上都達到一定的水平，但無論單方面進行可靠性設(shè)計還是優(yōu)化設(shè)計，都不可能發(fā)揮可靠性設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計的巨大潛力.一方面，因為可靠性設(shè)計有時并不等于優(yōu)化設(shè)計，如機械產(chǎn)品在經(jīng)過可靠性設(shè)計后，并不能保證其工作性能或參數(shù)就一定處于最佳狀態(tài)；另一方面，因為優(yōu)化設(shè)計并不一定包含可靠性設(shè)計，如機械產(chǎn)品在沒有考慮可靠性的狀態(tài)下進行優(yōu)化設(shè)計后，并不能保證其在規(guī)定的條件下和時間內(nèi)，完成規(guī)定的功能，甚至會發(fā)生故障和事故，造成損失.另外，由于機械產(chǎn)品有眾多的設(shè)計參數(shù)，要同時確定多個設(shè)計參數(shù)，單純的可靠性設(shè)計方法就顯得無能為力.

進行可靠性優(yōu)化設(shè)計的研究非常重要.為使機械產(chǎn)品既保證具有可靠性要求，又保證具有最佳的工作性能和參數(shù)，必須將可靠性設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計有機結(jié)合，開展可靠性優(yōu)化設(shè)計研究，給出機械產(chǎn)品靠性優(yōu)化設(shè)計方法[2-4]，只有這樣才能發(fā)揮可靠性設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計的巨大潛力，發(fā)揮2種設(shè)計方法的特長，達到產(chǎn)品的最佳可靠性要求.

由于可靠性優(yōu)化設(shè)計在科學試驗和生產(chǎn)實踐上有著廣泛的應(yīng)用前景，其重要意義不言而喻.隨著優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、有限元技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，如何應(yīng)用軟件技術(shù)進行可靠性優(yōu)化設(shè)計也成為一個熱點.[5]借助于計算機，進一步提高產(chǎn)品的設(shè)計速度，同時降低市場風險.

以某型機動雷達的升降機構(gòu)為研究對象，使用Adams進行參數(shù)化建模，在此基礎(chǔ)上利用可靠性優(yōu)化設(shè)計技術(shù)對其進行優(yōu)化設(shè)計，在滿足一定可靠度要求的前提下，達到質(zhì)量最小的目的.

1基于可靠性的優(yōu)化設(shè)計

1.1可靠性優(yōu)化設(shè)計概述

要使產(chǎn)品既具有可靠性要求，又具有最優(yōu)的設(shè)計結(jié)果，必須將可靠性設(shè)計理論與最優(yōu)化技術(shù)結(jié)合起來，即采用可靠性優(yōu)化設(shè)計方法.按照這種設(shè)計方法進行設(shè)計，既能定量給出產(chǎn)品在使用中的可靠性，又能得到產(chǎn)品在功能、參數(shù)匹配、結(jié)構(gòu)尺寸與質(zhì)量以及成本等方面的參數(shù)最優(yōu)解.

可靠性優(yōu)化設(shè)計一般包含質(zhì)量、成本和可靠度等3方面內(nèi)容.可靠性優(yōu)化設(shè)計[1]見圖1.

1.2可靠性優(yōu)化設(shè)計模型

優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型的3個要素分別是目標函數(shù)、約束條件和設(shè)計變量.相對于常規(guī)的最優(yōu)化設(shè)計，可靠性優(yōu)化設(shè)計的特點在于將可靠性設(shè)計引入到優(yōu)化設(shè)計中.將可靠性設(shè)計理論與優(yōu)化技術(shù)結(jié)合起來，通常有2種方法[5-6].

（1）以可靠度最大為目標的可靠性優(yōu)化設(shè)計.要求結(jié)構(gòu)或零部件在滿足一定性能的條件下，使其可靠度達到最大.可以按可靠性指標建立一個目標函數(shù)，而按設(shè)計其他要求建立另一個或多個目標函數(shù)，然后進行多目標函數(shù)優(yōu)化設(shè)計.數(shù)學模型為max R（X）

min Fi（X），i=1，2，…，q

s.t. Gj（X），j=1，2，…，m （1）式中：RX為可靠性函數(shù)；FiX為某一目標函數(shù)；GjX為約束函數(shù).

（2）以可靠度為約束條件的可靠性優(yōu)化設(shè)計.在結(jié)構(gòu)或零部件達到最佳性能指標時，要求其工作可靠度不低于某一規(guī)定水平.可將可靠性指標作為約束條件，建立數(shù)學模型進行優(yōu)化設(shè)計.一般來說，這種方法更為實用.數(shù)學模型為min F（X）

s.t. Ri（X）≥0，i=1，2，…，q

s.t. Gj（X），j=1，2，…，m（2）式中：F（X）為目標函數(shù)；Ri（X）為機械產(chǎn)品的可靠度函數(shù)；R0為給定的可靠度；Gj（X）為其他約束函數(shù).

2機動雷達升降機構(gòu)的可靠性優(yōu)化設(shè)計在機動式雷達中，自動架撤系統(tǒng)一般由支臂及撐腿調(diào)平系統(tǒng)、天線翻轉(zhuǎn)（折展）機構(gòu)和升降機構(gòu)等組成.其中，支臂的功能是在雷達工作時支撐天線車的工作平臺，以提高天線的抗風能力，增大天線車的穩(wěn)定性；調(diào)平撐腿的功能是使工作平臺在雷達工作狀態(tài)時達到一定的水平精度，以滿足雷達探測精度的要求；天線翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的功能是實現(xiàn)天線工作狀態(tài)與運輸狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換；升降機構(gòu)的功能是提高天線相位中心的物理高度，以減小近距遮蔽，擴大雷達的探測空域.

升降機構(gòu)由升降平臺、連桿、驅(qū)動油缸和底座等組成，見圖2.底座是整個舉升系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐；雷達天線安裝在升降平臺上，2組等長的連桿作為運動傳遞和受力構(gòu)件；連桿在油缸的驅(qū)動下，帶動升降平臺始終以水平姿勢運動.[7]

3結(jié)論

（1）由確定性優(yōu)化的結(jié)果可知，該優(yōu)化方法雖然降低質(zhì)量，但該設(shè)計方案中的設(shè)計變量x1和x2已達到約束邊界值.因此，如果存在不確定性的干擾，則該設(shè)計方案極有可能違反這些約束.有必要進行可靠性分析，評估該方案所得結(jié)果.

（2）對確定性優(yōu)化結(jié)果進行可靠性分析，該方案所對應(yīng)的響應(yīng)g的可靠度為0.87，可靠性水平比較低，有必要進行可靠性優(yōu)化設(shè)計，以進一步提高可靠度.

（3）由可靠性優(yōu)化設(shè)計結(jié)果可知，經(jīng)過重新設(shè)計后，2根油缸活塞桿件的質(zhì)量之和f（x1，x2）的值為188.5 kg，盡管大于確定性優(yōu)化結(jié)果184.08 kg，但滿足可靠度要求（R（g）=0.977 8>0.95），綜合考慮，可靠性優(yōu)化設(shè)計方案勝于確定性優(yōu)化方案.

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機械臂的設(shè)計方案范文第4篇

【關(guān)鍵詞】水果采摘;智能化;效率高

Abstract：with the extension of new agriculture and the development of technology，agricultural robots are gradually being used in every area of the agriculture product.These robots are becoming more and more important in the agricultural field and are promoting the machinery and equipment to the intelligent direction.Based on this background ，the intelligent fruit picker which is the perfect combination of the auto-control system and the machinery equipment can finish all the work such as the picking、classification 、packing and the transportation.These functions can avoid the loss of the labor lack and improve the picking efficiency.As the result of the technological development，the intelligent fruit picker has a bright future and practical value.

Keywords：fruit picking;intelligence;high efficiency

引言

在水果種植產(chǎn)業(yè)中，水果采摘大約占到整個產(chǎn)業(yè)工作量的50%，由于水果采摘過程中的復(fù)雜性，大部分水果產(chǎn)業(yè)區(qū)在水果采摘時依然以手工作業(yè)為主。雖然有些地區(qū)采用機械化作業(yè)，但其自動化生產(chǎn)水平依然較低，不能滿足產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求。水果作為時令性農(nóng)業(yè)產(chǎn)品，目前在采摘過程中需要大量的勞動力，隨著我國老齡化程度的不斷加深，農(nóng)村勞動力不斷減少，生產(chǎn)成本不斷提高，限制了整個水果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2]。

隨著計算機技術(shù)的不斷進步以及自動控制系統(tǒng)的發(fā)展，智能化水果采摘機的出現(xiàn)解決目前水果種植行業(yè)面臨的困境。其利用智能化的生產(chǎn)方式在水果采摘過程中降低果農(nóng)的勞動強度以及生產(chǎn)成本，并根據(jù)水果直徑直接在采摘過程中對水果進行分類，可以有效地增加整個產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率，符合水果產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的需求。智能化采摘機在水果產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用可以保證水果適時采摘、提高水果質(zhì)量具有重要意義，并且隨著農(nóng)業(yè)向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的進程中，智能化采摘機具有廣闊的市場前景[2]。

1.總體設(shè)計方案

智能化水果采摘機主要有機械裝備和控制系統(tǒng)2部分組成。其中機械裝備包括：運輸車輛、水果采摘機構(gòu)、水果收集機構(gòu)，控制系統(tǒng)則包括：控制終端、傳感裝置與視覺系統(tǒng)。機械裝備與控制系統(tǒng)在采摘水果過程中相互協(xié)作，共同完成水果的識別、采摘、分類、裝箱等過程，直接在水果采摘過程中實現(xiàn)機械的智能化生產(chǎn)。其整體效果圖如圖1所示。

圖1 整體效果圖

注：1.伸縮立柱;2.旋轉(zhuǎn)盤;3.采摘伸展臂;4.采摘機械手;5.水果手機伸展臂;6.水果收集箱;7.水果傳送帶;8.運輸車;9.伸展臂承載板。

1.1 運輸車輛

智能化水果采摘機以運輸車輛作為主要機械承重機構(gòu)，設(shè)計過程中突破了目前世界上現(xiàn)有水果采摘機只采不運的缺陷。將運輸車輛直接應(yīng)用到采摘機的主體機構(gòu)中，既滿足了運輸水果的作用，也可以作為采摘機構(gòu)中的支撐平臺節(jié)約了占地空間。車廂設(shè)計過程中在傳統(tǒng)農(nóng)用車輛的基礎(chǔ)上進行了改進，將車廂分隔成兩個不同的區(qū)域，可以在水果分類后根據(jù)水果直徑的不同將果箱放在不同區(qū)域。

1.2 水果采摘機構(gòu)

智能化水果采摘機的采摘機構(gòu)如圖2所示。采摘機構(gòu)將采用多關(guān)節(jié)與機械手的配合，更加靈活的工作在茂密的果樹中，達到精細化作業(yè)的目標。

1）多關(guān)節(jié)伸展在果園中工作時能夠更有效的避開樹枝的阻礙，輕松地到達水果所在的位置。每節(jié)伸展臂都利用液壓傳動裝置進行伸縮，可以在一個平面內(nèi)繞鏈接部分旋轉(zhuǎn)180度，能夠滿足不同角度的采摘，并且借助多關(guān)節(jié)伸縮更好的去實現(xiàn)機械手與水果距離的控制，以此實現(xiàn)水果采摘時的準確、高效的目的。

2）根據(jù)多次模擬測試，在機械手設(shè)計過程中留有一定余量，可以在一條直線上自由伸縮，防止伸展臂的局限性不能使機械手到達指定位置，實現(xiàn)了采摘機的精細化作業(yè)。機械手端部模擬仿生手的結(jié)構(gòu)，多個夾持模塊同時對水果受力，避免因一部分受力不足或過大造成水果表面的破壞。并且利用數(shù)學建模的方式對不同水果進行受力模擬，得到夾持水果時受壓的最大值，以此來提高采摘水果的質(zhì)量。

機械手根據(jù)不同水果類型可進行換置，在不同時間對多種水果進行采摘，避免因水果的季節(jié)性問題造成采摘機的閑置，從而提高了采摘機的利用率，并使采摘機具有較高的靈活性和通用性。

實現(xiàn)整個過程中的自動化作業(yè)，可以在作業(yè)過程中源源不斷的供料。以此來減少工人在工作過程中復(fù)雜化、高強度的勞動過程。

圖2 采摘機構(gòu)示意圖

1.3 水果的收集機構(gòu)

智能化水果采摘機的收集機構(gòu)如圖3所示。收集臂采用液壓傳動將多節(jié)機械臂自由伸縮，有效控制機械臂的伸縮距離，自由控制收集箱在空間中所在的位置。在收集臂中仍然采用三節(jié)機械臂的伸縮方式，其中第一節(jié)直接固定在旋轉(zhuǎn)盤上，能夠滿足機械臂在空間中自由旋轉(zhuǎn)，各機械臂根據(jù)水果收集箱距離機械手的距離，合理伸縮各節(jié)的長度，保持采摘水果時收集箱時刻處于機械手下方，方便水果的放置。

收集箱采用兩個不同的放置區(qū)域，在機械手對水果進行分類后根據(jù)程序的控制，將分類好的水果按照其直徑大小放置在兩個不同的箱子中。機械手和收集箱的有效結(jié)合可以直接在采摘水果時根據(jù)直徑大小對水果進行分類，減輕了果農(nóng)后期因挑選水果帶來的勞動強度[3]。

圖3 水果收集機構(gòu)

1.4 控制終端

控制終端作為采摘機的核心控制部分[4]，在對信號處理過程中對傳輸過來的信息進行識別、分析來判斷出信號是否為所需要的信號，直接根據(jù)程序篩選出采摘機需要的信號，提高了控制終端控制機器工作的效率，如圖4所示。

圖4 控制終端流程圖

1.5 傳感裝置與視覺系統(tǒng)

1）傳感裝置

目前我國加大多數(shù)果農(nóng)在對水果分類過程中較大程度的依賴于人工，使果農(nóng)勞動強度增加并且不能在水果分類過程中不能進行標準化生產(chǎn)，智能化采摘機對水果進行分類的過程中解決了目前果農(nóng)所面臨的這一系列問題。實現(xiàn)采摘機智能化分類主要依賴于光電傳感器在機器中的應(yīng)用，它可以根據(jù)水果的大小來收集信號，直接傳入到控制終端對信號處理并控制機械手將水果放置于不同的收集箱中，輕松實現(xiàn)了對水果的分類。

2）視覺系統(tǒng)

視覺系統(tǒng)在采摘機中作為重要的組成部分，采摘機利用雙目視覺系統(tǒng)對水果進行識別、定位，可以輕松地獲取水果的精確位置以及水果周圍的環(huán)境，并結(jié)合控制終端的圖像模擬系統(tǒng)對現(xiàn)有圖像進行處理。控制終端將處理后的圖像得到水果三維空間位置以及周圍復(fù)雜的環(huán)境的數(shù)字化程序，結(jié)合所需要的算法對機械手運動路徑進行分析，確定最短的路徑以及避開周圍的障礙，對水果進行精確采摘 [5]。

2.工作原理及產(chǎn)品特點

2.1 工作原理

采摘機在工作工程中利用端部的視覺系統(tǒng)與感應(yīng)裝置收集工作過程中一系列信息，將信號傳輸?shù)娇刂平K端中進行分析，得到分析結(jié)果后根據(jù)一定算法得到工作方案并輸出信號到機械部分，直接對機械各部分進行智能化控制，實現(xiàn)了水果從識別、采摘、分類、裝箱等全過程的智能化生產(chǎn)。采摘機還運用信息反饋系統(tǒng)在工作過程實時收集信息，控制終端將采集到的實時信息與設(shè)計的工作方案進行對比，并不斷進行校正操作過程以達到最佳的工作狀態(tài)。

2.2 產(chǎn)品特點

1）先進的傳感裝置與視覺系統(tǒng)對水果具有有效檢測以及對水果位置精（下轉(zhuǎn)第166頁）（上接第164頁）確定位，有助于整個采摘過程智能化作業(yè)的實施。

2）采摘機將控制系統(tǒng)、采摘裝備以及運輸車輛一體化的設(shè)計方案節(jié)約了工作空間，更方便于不同區(qū)域的水果采摘。

3）在水果采摘過程中直接依據(jù)水果大小進行分類，減輕了果農(nóng)的勞動強度。

4）機械手可以根據(jù)水果的種類不同進行換置，方便在不同季節(jié)采摘多種水果，具有較好的通用性，使采摘機實現(xiàn)多重利用。

3.總結(jié)

智能化水果采摘機將控制系統(tǒng)與機械系統(tǒng)的有效結(jié)合實現(xiàn)了水果的智能化作業(yè)，可以滿足工作過程中對水果的識別、采摘、分類、裝箱等一系列過程，并結(jié)合機械手的可更換性來實現(xiàn)對多種水果進行采摘。解決了水果種植行業(yè)因水果采摘季節(jié)性強造成采摘人員不足、勞動強度大等問題，該產(chǎn)品的研究與開發(fā)對于解放勞動力、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、保證水果品質(zhì)都具有重要意義。隨著采摘機的不斷發(fā)展以及采摘技術(shù)越來越成熟，它將會逐漸普遍適用于現(xiàn)代水果產(chǎn)業(yè)中，實現(xiàn)整個水果種植行業(yè)的規(guī)?；l(fā)展。

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機械臂的設(shè)計方案范文第5篇

關(guān)鍵詞：采摘機械手臂；蘋果；結(jié)構(gòu)設(shè)計

引言

水果采摘季節(jié)性強、費用高且勞動量大[1]。加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程，實施“精確”農(nóng)業(yè)，廣泛應(yīng)用農(nóng)業(yè)機器人，提高資源利用率和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出率，降低勞動強度，提高經(jīng)濟效率將是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。研究采摘機械人，對于降低人工勞動強度和采摘成本、保證水果適時采收，具有重大的意義[2]。我國從上世紀70年代開始研究水果蔬菜類的采摘機械，并且也逐漸起步，如上海交通大學已經(jīng)開始了對黃瓜采摘機器人的研制[3]，浙江大學對番茄采摘機器人進行了結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計的優(yōu)化[4]，中國農(nóng)業(yè)大學對采摘機器人的視覺識別裝置進行了研究[5]。目前，我國研究的采摘機器人還有西紅柿、橘子、草莓、荔枝和葡萄采摘機器人等[6-8]。文章對蘋果采摘機械手臂進行選型，進一步進行詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后對設(shè)計結(jié)果進行試驗驗證。

1 機械人機構(gòu)選型及自由度的確定

由于采摘機械人的作業(yè)對象是蘋果，質(zhì)量輕，體積小，故而可選擇較為簡單、靈活、緊湊的結(jié)構(gòu)形式。

根據(jù)機械人手臂的動作形態(tài)，按坐標形式大致可將機械人手臂部分分為以下四類[9]：直角坐標型機械手；圓柱坐標型機械手；球坐標（極坐標）型機械手；多關(guān)節(jié)型機械手。采摘機械臂的結(jié)構(gòu)型式選取主要取決于機械人的活動范圍、靈活性、重復(fù)定位精度、持重能力和控制難易等要求。以上四種型式，它們的活動范圍和靈活度逐漸增大。經(jīng)過對蘋果采摘空間的研究，結(jié)果表明，蘋果樹樹冠和底部的蘋果分布極少，大多分布在樹冠中部，大約有80%以上的蘋果分布在距地面垂直高度1-2m、距樹干左右方向1-2m的空間范圍內(nèi)，且陰陽兩面的蘋果分布率并無明顯的差異。這就要求采摘機械手應(yīng)當具有較大的工作空間，因此選用多關(guān)節(jié)型機械手較為合適，且其占地面積較小，更加適合蘋果采摘作業(yè)。

實際中，蘋果生長位置隨機分布，這就要求機械臂的末端執(zhí)行器能夠以準確的位置和姿態(tài)移動到指定點，因此，采摘機械人還應(yīng)具有一定數(shù)量的自由度。機械臂的自由度是設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，其數(shù)目應(yīng)該與所要完成的任務(wù)相匹配。一般來說，自由度數(shù)量越多，機械臂的靈活性、避障能力越好，通用性也越廣，但增加一個自由度就相當于增加了一級驅(qū)動，會使得機器人的成本上升，而對于農(nóng)業(yè)機器人而言，成本高將會大大的減緩其機械商品化實用化進程，同時增加自由度會相應(yīng)增加機器人的控制難度，降低機器人的可靠性。綜合考慮，將自由度數(shù)目定為六個，這樣不僅能夠使得末端執(zhí)行器具有較為完善的功能，而且到達采摘空間中的任意位置，而且不會出現(xiàn)冗余問題。

2 采摘機械臂工作原理

圖1 機械人結(jié)構(gòu)簡圖

圖1是本次設(shè)計的球類水果采摘機械人的結(jié)構(gòu)簡圖。該結(jié)構(gòu)為六自由度機構(gòu)，可劃分為底座、大臂、小臂、腕部和手五個部分。機械臂的底座通過舵機帶動傳動系統(tǒng)實現(xiàn)各個部分之間的相對轉(zhuǎn)動和旋轉(zhuǎn)。其中的各個轉(zhuǎn)動和旋轉(zhuǎn)均是通過電機驅(qū)動螺旋絲桿來實現(xiàn)。該設(shè)計機械臂的傳動如下：（1）底座旋轉(zhuǎn)。確定與底座平面互相垂直的目標采摘物所在的平面。（2）大臂轉(zhuǎn)動。移動至目標采摘位置附近的上方或下方。（3）小臂轉(zhuǎn)動。將采摘機械手送至目標采摘物的附近。（4）手腕轉(zhuǎn)動及旋轉(zhuǎn)。調(diào)整機械手末端采摘機構(gòu)的姿態(tài)，使其處于一個合適的位置，保證采摘任務(wù)能夠合理完成。（5）手夾緊放松，完成對目標采摘物的采摘任務(wù)。此外，將末端執(zhí)行器設(shè)計為關(guān)節(jié)型的兩只手指，通過舵機6（舵機分配情況見圖2）、齒輪的嚙合及連桿機構(gòu)實現(xiàn)對目標采摘物的夾緊與放松。

由以上分析得出：機械手的空間位姿由各個關(guān)節(jié)的空間坐標來決定，即當機械手的各個舵機的坐標確定的時候，就可以確定機械手的空間位姿。而決定舵機坐標的因素就是臂長及臂的轉(zhuǎn)動角度，而在這兩個參數(shù)中，設(shè)計結(jié)束后臂長是確定的常量，角度為變量。在模型當中，舵機1、2的相對位置固定不變，控制末端執(zhí)行器的舵機6用來調(diào)整手的姿態(tài)，因此可以先忽略舵機1、6，將舵機2軸線中心的位置設(shè)為坐標系原點。

圖2 舵機分配方框圖

3 機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

首先用Pro/E軟件中的零件模塊對機械人各個零件進行繪制，然后再對零件進行自下而上的裝配，以及進行零件圖及裝配圖的繪制。大臂、小臂和腕部、機械手零件圖以及裝配圖分別見圖3、圖4、圖5、圖6和圖7（單位均為mm）。

4 試驗臺搭建與抓取效果實驗

根據(jù)零件圖及裝配圖進行試驗臺搭建。由于設(shè)計尺寸較大，故將整體尺寸縮小4倍來進行搭建。實物如圖8所示。通過操作上位機控制軟件指令信號，可給伺服舵機控制器發(fā)送控制指令信號，從而實現(xiàn)機械人在空間中精確作業(yè)。試驗結(jié)果表明：機械人能夠較為平穩(wěn)、準確地對目標物進行夾取、移動、放置等任務(wù)。證明設(shè)計合理，試驗臺搭建正確。

5 結(jié)束語

通過對水果采摘作業(yè)的分析，設(shè)計了一套六自由度關(guān)節(jié)型采摘機械人。其運動范圍覆蓋了水果果實的分布范圍，末端執(zhí)行器能夠執(zhí)行對水果的采摘任務(wù)。在采摘過程中，只需對舵機進行控制，在一定程度上降低了控制的難度和復(fù)雜性。當然，設(shè)計中也存在不足，例如缺少對果實的切割裝置，而且對葡萄等較小、較軟的果實采摘技術(shù)不成熟，有待進一步的改善。

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