油菜苗茎杆抗压特性与取苗机械手研究

摘要

随着农业机械化程度的提高使得农业机械的应用范围越来越广，油菜钵苗以其独特的优点在油菜种植中的应用越来越多。如何利用机械手夹取钵苗，并减小对钵苗的伤害，成为钵苗移栽中亟待解决的问题。 可以根据需要和抓取物的物理特性来设计机械手爪。油菜苗的茎杆是生物体，其组织在较大压力下易遭破坏。油菜苗的夹取手爪设计时，如果夹持力过大，将直接破坏油菜苗茎杆组织，降低钵苗的成活率，给钵苗栽植带来巨大损失，因此研究油菜苗茎杆的力学特性很有必要，利用TA-XT2i物性仪可以很方便地测得油菜苗茎杆的抗压极限力，为机械手爪的设计提供有力的理论依据。 手部是机械手直接抓取和握紧工件进行操作的关键部件，手部结构的设计，要符合实际应用的角度。选择外夹钳式、连杆杠杆回转型机械手是因为在手部结构形式中，它结构简单、控制方便、可靠性高。通过传动比和传动效率的计算分析，揭示出机械手的驱动力与机械手夹持力的传动比例，使得选用动力源时更好的与设备匹配，同时也为机械手的其他结构参数的确定提供了设计依据。 设计操作机械手的手部机械结构，使用PRO/ENGINEER对手部进行了三维建模和装配。根据取苗手爪的工作原理和要求，确定机械手手部的机械传动系统。滚珠丝杠副具有摩擦损失小、传动效率高、运动平稳、具有传动的可逆性等特点，广泛应用于机电一体化系统中。从结构、主要尺寸、轴向间隙调整与预紧方式、支撑方式选择合适的滚珠丝杠副，并为机械手爪传动选择合适的滚珠丝杠，力求充分发挥滚珠丝杠副的传动性能、减小设备体积。 驱动元件是为机电一体化系统提供动力的装置，它种类繁多，其中电气执行元件具有通用性强、操作简便、易于控制器件间的连接、响应快、动力较大、无污染的特点，所以应用广泛。步进电机具有可直接接受脉冲信号控制、误差小而且不累积的优点。文章介绍了步进电机的种类、选用步进电机的基本原则：基本参数、性能特点、工作原理、驱动方法等，并给出详细的计算过程。 为研究机械手爪的工作情况，将该手部置于一个五自由度的机械手上，建立五自由度机械手笛卡尔坐标系，推导出该机械手的正、逆运动学矩阵方程，并研究了正、逆运动学方程的解，为更深入地研究机械手的动力学和控制问题提供了理论基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1机械手及末端执行器概述

1.1.1机械手概述

1.1.2机械手爪概述

1.2本课题研究的目的和意义

1.3机械手工作目的及课题研究内容

1.4本章小结

第二章 油菜苗的力学特性研究及营养钵

2.1油菜的力学特性研究

2.1.1力学试验仪器简介

2.1.2油菜苗茎杆抗压特性试验研究

2.2实验结论

2.3营养钵

2.4小结

第三章 机械手爪的结构设计与分析

3.1机械手爪夹紧装置

3.1.1机械手爪设计基本要求

3.1.2机械手爪的分类

3.2机械手部建模

3.3机械手爪的传力比和传动效率

3.3.1手爪传力比

3.3.2机械手爪传动效率

3.3.3机械手爪传力比与传动效率分析

3.3.4倾斜角α的选取

3.4夹紧力与驱动力的关系

3.5手爪夹紧力计算

3.6手指夹持误差

3.7手爪各部分尺寸确定

3.8本章小结

第四章 机械手爪执行机构选择

4.1机械手爪滚珠丝杠选择与验证

4.1.1滚珠丝杠的选择

4.1.2滚珠丝杠的稳定性核算

4.2驱动机构的选择

4.2.1驱动方式

4.2.2各种驱动方式的优缺点

4.3步进电动机的选择

4.3.1手部夹持步进电动机

4.3.2步进电动机的静力矩计算

4.4本章小结

第五章 取苗机械手运动学分析

5.1杆件坐标系和杆件几何参量描述

5.2齐次坐标和坐标变换

5.3机械手正运动学分析

5.3.1 D-H坐标系

5.3.2正运动学分析

5.4机械手逆运动学分析

5.4.1数值分析法

5.4.2全局的牛顿迭代法

5.4.3线性搜索和回溯

5.4.4数值解算法优缺点

5.4.5逆运动学解结果

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

攻读学位期间发表论文及参加研究课题

致谢