0025-水果采摘機械手結構設計【CAD圖+SW三維模型+文獻翻譯+說明書】,CAD圖+SW三維模型+文獻翻譯+說明書,水果,生果,瓜果,采摘,機械手,結構設計,cad,sw,三維,模型,文獻,翻譯,說明書,仿單 題 目 水果采摘機械手結構設計 36 摘要 水果采摘是農業(yè)生產中最費時費力的一環(huán)，其需要大量的勞動力和高強度的工作。但由于工業(yè)生產的迅速發(fā)展大量分流了農業(yè)勞動力以及人口老齡化加劇等原因，使得能夠從事農業(yè)生產的勞動力越來越少，單靠人工勞動已經不能滿足現(xiàn)有的需求。隨著計算機圖像技術和各種智能控制理論的發(fā)展，使得機器人采摘水果成為可能。 本文基于現(xiàn)有的技術和理論以水果采摘機器人的末端執(zhí)行器與多自由度手臂為研究對象，采用步進電機作為動力源，設計一個6自由度的水果采摘機器手，進行機械手的結構分析和水果采摘分析，并進行solidworks的三維結構建模，為今后水果采摘機器人的設計提供結構參考。 關鍵詞 水果采摘，末端執(zhí)行器，多自由度 Abstract Fruit picking is one of the most time-consuming in agricultural production, which requires a large amount of labor and high intensity work. Because of the rapid development of industrial production of large diversion of agricultural labor and the increase of population aging and other reasons, makes it possible to engage in agricultural production labor is less and less, only by manual labor has been unable to meet the existing requirements. With the development of computer image technology and intelligent control theory, the fruit picking robot is possible. In this paper, based on existing technique and theory at the end of the fruit picking robot actuators with multiple degrees of freedom arm as the research object, adopts a stepping motor as the power source, the design of a 6 degree of freedom of the fruit picking robot, structure analysis and mechanical hand for picking fruit analysis, three-dimensional structure modeling and SolidWorks, provides the structure the reference for the design of future fruit picking robot. Key Works fruit picking, end-effectors, multiple degrees of freedom  目 錄 摘要 I Abstract I 1.緒論 1 1.1項目研究意義 1 1.2研究現(xiàn)狀 1 1.2.1美國果蔬采摘機器人 1 1.2.2日本采摘機器人 2 1.2.3荷蘭的黃瓜采摘機器人 3 1.2.4英國的蘑菇采摘機器人 3 1.2.5國內研究進展 3 1.3果蔬采摘機器人特點分析 4 1.3.1作業(yè)對象的非結構性和不確定性 4 1.3.2作業(yè)對象的嬌嫩性和復雜性 4 1.3.3良好的通用性和可編程性 4 1.3.4操作對象和價格的特殊性 4 1.4本題的主要工作 5 2.機械手結構設計類型分析與選型 6 2.1機械手功能需求分析和運行流程 6 2.1.1機械手功能需求分析 6 2.1.2機械手的運行流程 7 2.2機械手結構分析與選擇 8 2.2.1機械手末端執(zhí)行器結構方案選擇 8 2.2.2機械手手臂結構分析與選擇 9 2.3本章小結 10 3.機械手末端執(zhí)行器的結構設計 11 3.1機械手手指尺寸設計 11 3.2機械手手指的結構設計 12 3.2.1設計方案的選擇 12 3.2.2機械手結構原理分析 13 3.3.3機械手連桿結構設計 15 3.4本章小結 17 4.多自由度手臂設計 18 4.1多自由度手臂的設計概述 18 4.2機械手空間分析和尺寸計算 19 4.3手臂尺寸的確定 20 4.4本章小結 20 5．動力系統(tǒng)的選型 21 5.1動力系統(tǒng)分析 21 5.2各元件動力系統(tǒng)的選擇與計算 22 5.2.1末端執(zhí)行器驅動關節(jié)直線步進電機的選擇 22 5.2.2手腕電機的選型 24 5.2.3手臂電機的選擇 24 5.2.4直線電動滑臺的選擇 26 5.3本章小結 26 6.齒輪校核計算及材料選擇 27 6.1齒輪校核計算 27 6.2材料的選擇 29 6.3本章小結 29 7.機械手視覺系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)及控制系統(tǒng)簡述 30 7.1機械手視覺系統(tǒng)簡述 30 7.2機械手機械視覺設計 31 7.3傳感系統(tǒng)簡述 31 7.4控制系統(tǒng)PLC 32 7.5本章小結 33 8.總 結 34 致 謝 35 參考文獻 36 1.緒論 1.1項目研究意義 果蔬采摘是農業(yè)生產中最費時費力的環(huán)節(jié)，其成本高、季節(jié)性強、需要大量的勞動力高強度工作。但由于工業(yè)生產的迅速發(fā)展分流了大量農業(yè)勞動力以及人口老齡化加劇等原因，使得能夠從事農業(yè)生產的勞動力越來越少，單靠人工勞動已經不能滿足現(xiàn)有需要。隨著計算機圖形技術和智能控制理論的發(fā)展，使得機器人采摘成為可能。果蔬采摘機器人是一類針對水果和蔬菜，可以通過編程來完成采摘、收集等相關作業(yè)任務的據(jù)有感知能力的自動化機械收獲系統(tǒng)，是集機械、電子、信息、只能技術、計算機科學、農業(yè)和生物等學科于一體的交叉邊緣性學科，需要涉及機械結構、視覺圖像處理、機器人運動學動力學、傳感器技術、控制技術以及計算信息處理等多方面學科領域知識。采摘機器人將在解決勞動力不足、降低工人勞動強度、提高工人勞動舒適性、減輕農業(yè)化肥和農藥對人體的危害、提高采摘果蔬質量、降低采摘成本、提高勞動生產率、保證果蔬的適時采收、提高產品的國際競爭力等方面具有很大的潛力。國際上，一些以日本和美國為代表的發(fā)達國家，已經從20世紀80年代開始研究采摘機器人，并取得了一些成果。而我國在該領域中的研究還處于起步階段，因此我們必須加快對采摘機器人的研究腳步以早日趕超國際水平，使其為我國農業(yè)的生產和發(fā)展做出重大貢獻。 1.2研究現(xiàn)狀 收獲作業(yè)的自動化和機器人的研究始于20 世紀60 年代的美國(1968 年)，采用的收獲方式主要是機械震搖式和氣動震搖式，其缺點是果實易損，效率不高，特別是無法進行選擇性的收獲。從20 世紀80 年代中期開始，隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展，特別是工業(yè)機器人技術、計算機圖像處理技術和人工智能技術的日益成熟，以日本為代表的發(fā)達國家，包括荷蘭、美國、法國、英國、以色列、西班牙等國家，在收獲采摘機器人的研究上做了大量的工作，試驗成功了多種具有人工智能的收獲采摘機器人，如番茄采摘機器人、葡萄采摘機器人、黃瓜收獲機器人、西瓜收獲機器人、甘藍采摘機器人和蘑菇采摘機器人等。 1.2.1美國果蔬采摘機器人 由于美國政府采取了更加嚴格的邊境管理政策，一些依靠外來移民勞動力的農場主正將他們的視野轉向一種正在發(fā)展中的新一代摘果機器人。此類機器人可以從事從采集釀酒用的葡萄直至清洗和摘取萵苣心的工作。目前這類機器人正處于全面發(fā)展時期，將成為收獲精致水果和蔬菜的基本工具，目前這些工作仍由手工完成。 圣地亞哥視覺機器人技術發(fā)明者德里克·莫里卡瓦認為：新采摘機器人要依靠先進的運算能力和液壓技術，使機器手臂和手指具有近似于人手靈敏度的能力?，F(xiàn)代成像技術同樣也使機器能夠識別和挑選各種品質的水果和蔬菜。方法就是將一臺機械化掃描機器送入果園。裝備有數(shù)字成像技術設備的機器人能夠生成一張三維地圖，顯示位置、成熟度和水果質量。一臺采摘機器人按照這些畫面，使用他們的長機械臂仔細地采集成熟了的水果。 加州州立大學弗雷斯諾分校一個葡萄酒專家小組正在研制一種自動采摘機器人，目的是使葡萄酒業(yè)實現(xiàn)更多的機械化。該新技術包括一種稱之為近紅外線分光計的裝置，它可以在采摘之前檢測葡萄樣品中的糖含量和化學成分。然后利用這些數(shù)據(jù)繪制一幅全球定位系統(tǒng)地圖，收割機器人可以使用這些地圖進行導航，在葡萄園中采摘特定的理想成熟葡萄串。 位于薩利納斯山谷的拉姆齊·黑藍德公司銷售能夠部分自動使用帶狀鋸或水刀的機器人,機器人從地面收割萵苣，并將萵苣進行裝箱，以便清洗和加工。該公司首席執(zhí)行官弗蘭克·梅肯納奇稱，拉姆齊·黑藍德公司開發(fā)的一種新機器模型已接近完工，這種新機器人可以采摘、清洗、取心和對萵苣和其他綠色蔬菜進行打包。 1.2.2日本采摘機器人 自1983年第一臺西紅柿采摘機器人在美國誕生以來，采摘機器人的研究和開發(fā)歷經20多年，日本和歐美等國家相繼立項研究采摘蘋果、柑桔、西紅柿、西瓜和葡萄等智能機器人。目前，日本在水果采摘機器人領域中研究頗豐，其研究出的采摘機器人主要有以下幾類。日本Kondo-N等人研制的西紅柿收獲機器人，由機械手、末端執(zhí)行器、視覺傳感器和移動機構等組成。西紅柿一簇可長4-6個果實，各個果實不一定是同時成熟，并且果實有時被葉莖擋住，收獲時要求機械手活動范圍大，能避開障礙物，所以機器人的采摘機械手設計成具有7自由度，能夠形成指定的采摘姿態(tài)進行采摘。末端執(zhí)行器由兩個機械手指和一個吸盤組成；視覺傳感器主要由彩色攝像機來尋找和識別成熟果實，利用雙目視覺方法對目標進行定位；移動機構采用4輪結構，能在壟間自動行走。采摘時，移動機構行走一定的距離后，就進行圖像采集，利用視覺系統(tǒng)檢測出果實相對機械手坐標系的位置信息，判斷西紅柿是否在收獲的范圍之內，若可以收獲，則控制機械手靠近并摘取果實，吸盤把果實吸住后，機械手指抓住果實，然后通過機械手的腕關節(jié)擰下果實。 圖1.1番茄采摘機器人 Kondo-N等人還針對草莓的不同栽培模式(高架栽培模式和傳統(tǒng)模式)研制出了相應的采摘機器人。高架栽培模式由于適合機器人作業(yè)被越來越多地采用。該機器人采用5自由度采摘機械手，視覺系統(tǒng)與西紅柿采摘機器人類似，末端執(zhí)行器采用真空系統(tǒng)加螺旋加速切割器。收獲時，由視覺系統(tǒng)計算采摘目標的空間位置，接著采摘機械手移動到預定位置，末端執(zhí)行器向下移動直到把草莓吸入；由3對光電開關檢測草莓的位置，當草莓位于合適的位置時，腕關節(jié)移動，果梗進入指定位置，由螺旋加速驅動切割器旋轉切斷果梗，完成采摘。 日本還研發(fā)了葡萄采摘機器人，其采用5自由度的極坐標機械手，末端的臂可以在葡萄架下水平勻速運動。視覺傳感器一般采用彩色攝像機，采用PSD三維視覺傳感器效果更好些，可以檢測成熟果實及其距離信息的三維信息。在開放式的種植方式下，由于采摘季節(jié)太短，單一的采摘功能使得機器人的使用效率太低，因此開發(fā)了多種末端執(zhí)行器，如分別用于采摘和套袋的末端執(zhí)行器、裝在機械手末端的噴嘴等。用于葡萄采摘的末端執(zhí)行器有機械手指和剪刀，采摘時，用機械手指抓住果房，用剪刀剪斷穗柄[1]。 1.2.3荷蘭的黃瓜采摘機器人 1996年，荷蘭農業(yè)環(huán)境工程研究所(MAG)研制出一種多功能黃瓜收獲機器人。該研究在荷蘭的溫室里進行，黃瓜按照標準的園藝技術種植并把它培養(yǎng)為高拉線纏繞方式吊掛生長。該機器人利用近紅外視覺系統(tǒng)辨識黃瓜果實，并探測它的位置。機械手只收獲成熟黃瓜，不損傷其他未成熟的黃瓜。采摘通過末端執(zhí)行器來完成，它由手爪和切割器構成。機械手安裝在行走車上，行走車為機械手的操作和采摘系統(tǒng)初步定位。機械手有7 個自由度，采用三菱公司(Mitsubishi) RV-E26自由度機械手，另外在底座增加了一個線性滑動自由度。收獲后黃瓜的運輸由一個裝有可卸集裝箱的自走運輸車完成。整個系統(tǒng)無人工干預就能在溫室工作。試驗結果為工作速度10 s/根，在實驗室中效果良好，但由于制造成本和適應性的制約，還不能滿足商用的要求。 1.2.4英國的蘑菇采摘機器人 英國Silsoe 研究院研制了蘑菇采摘機器人，它可以自動測量蘑菇的位置、大小，并選擇性地采摘和修剪。它的機械手包括2個氣動移動關節(jié)和1個步進電機驅動的旋轉關節(jié)；末端執(zhí)行器是帶有軟襯墊的吸引器；視覺傳感器采用TV 攝像頭，安裝在頂部用來確定蘑菇的位置和大小。采摘成功率在75% 左右，采摘速度為617 個/s，生長傾斜是采摘失敗的主要原因。如何根據(jù)圖像信息調整機器手姿態(tài)動作來提高成功率和采用多個末端執(zhí)行器提高生產率是亟待解決的問題。[2] 1.2.5國內研究進展 在國內，果蔬采摘機器人的研究剛剛起步。東北林業(yè)大學的陸懷民研制了林木球果采摘機器人，主要由5 自由度機械手、行走機構、液壓驅動系統(tǒng)和單片機控制系統(tǒng)組成。采摘時機器人停在距離母樹3~5m，操縱機械手回轉馬達對準母樹。然后，單片機控制系統(tǒng)控制機械手大、小臂同時柔性升起達到一定高度，采摘爪張開并擺動，對準要采集的樹枝，大小臂同時運動，使采摘爪沿著樹枝生長方向趨近1.5~2m，然后采摘爪的梳齒夾攏果枝，大小臂帶動采集爪按原路向后返回，梳下枝上球果，完成一次采摘。這種機器人效率是500 kg/天，是人工的30~50 倍。而且，采摘時對母樹的破壞較小，采凈率高。 圖1.2林木球果采摘機器人原理圖 另外，郭峰等運用彩色圖像處理技術和神經網絡理論，開發(fā)了草莓揀選機器人，采用氣動驅動器將草莓推到不同的等級方向。浙江大學的應義斌等完成了水果自動分級機器人的研究開發(fā)。趙杰文等研究了基于HIS顏色特征的田間成熟番茄識別技術，該方法對田間成熟番茄之間相互分離的情況有很好的識別效果。梁喜鳳等為分析并改善番茄收獲機械手運動學特性進行了番茄收獲機械手運動學優(yōu)化與仿真試驗，取得了較好的效果。 1.3果蔬采摘機器人特點分析 1.3.1作業(yè)對象的非結構性和不確定性 果實的生長是隨著時間和空間而變化的，生長的環(huán)境是變化的、未知的和開放性的，直接受土地、季節(jié)和天氣等自然條件的影響。這就要求果蔬采摘機器人不僅要具有與生物體柔性相對應的處理功能，而且還要能夠順應變化無常的自然環(huán)境，在視覺、知識推理和判斷等方面具有相當高的智能。 1.3.2作業(yè)對象的嬌嫩性和復雜性 果實具有軟弱易傷的特性，必須細心輕柔地對待和處理。且其形狀復雜，生長發(fā)育程度不一，相互差異很大。果蔬采摘機器人一般是作業(yè)、移動同時進行，行走不是連接出發(fā)點和終點的最短距離，而是具有狹窄的范圍、較長的距離及遍及整個田間表面等特點。 1.3.3良好的通用性和可編程性 由于果蔬采摘機器人的操作對象具有多樣性和可變性，要求具有良好的通用性和可編程性。只要改變部分軟、硬件，變更判斷基準，變更動作順序，就能進行多種作業(yè)。例如，溫室果蔬采摘機器人，更換不同的末端執(zhí)行器就能完成施肥、噴藥和采摘等作業(yè)。 1.3.4操作對象和價格的特殊性 果蔬采摘機器人操作者是農民，不是具有機電知識的工程師，因此要求果蔬采摘機器人必須具有高可靠性和操作簡單的特點；另外，農業(yè)生產以個體經營為主，如果價格太高，就很難普及。[3] 1.4本題的主要工作 基于目前水果采摘機器人的研究狀況以及采摘特點，急需設計一種適應性強，通用性好，結構簡單，價格便宜的水果采摘機器人。由于本人的工作能力有限，本題任務主要是對果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器以及多自由度手臂進行結構分析和設計，同時進行動力選型，并對水果視覺識別系統(tǒng)、機械手采摘流程、機器人感知系統(tǒng)以及整體運作系統(tǒng)進行簡單的研究和分析。  2.機械手結構設計類型分析與選型 2.1機械手功能需求分析和運行流程 2.1.1機械手功能需求分析 水果采摘機械手是水果采摘機器人最重要的執(zhí)行部件，其負責水果的采摘與收集，其可執(zhí)行度決定了水果采摘的最終效果。由于大部分的水果都是長在樹上，其環(huán)境極其復雜。如果結構設計不合理，會嚴重影響水果的采摘過程，出現(xiàn)采不到或采集困難等情況。同時由于機械手需要夾持水果進行各種運動，其夾持力不可太大，也不能太小，大了會損壞水果，小了則無發(fā)夾持水果或者出現(xiàn)水果在收集過程中掉落等情況。大部分水果雖然都是圓的，但不是所有的圓形水果都是呈正球形態(tài)，因此在設計水果手指時應使其有一定的自由度使得他可以適應水果的形狀。 由以上分析可知我們需要為水果采摘機器人設定一定的環(huán)境和功能需求。 （1）環(huán)境要求： 由于水果采摘機器人結構能力有限，不可能像人一樣可以逾越各種地形和結構。因此水果采摘機器人的工作路面應該比較平整，規(guī)則，障礙物少或沒有。同時作物之間應排列整齊，有一定的生長規(guī)律，不能出現(xiàn)雜草重生，樹枝亂長等情況，因為這樣只會增加水果采摘機器人的設計難度和重量 。 圖2.1水果采摘環(huán)境事例1 圖2.2水果采摘環(huán)境事例2 水果采摘機器人只能是針對一種水果或一類水果來設計，有一定的結構要求和適應度，其包容性不能過于廣闊；例如：采摘水果的形狀一般選取是球形或圓柱形，不能既可以采摘球形和圓柱形的水果，又能采摘帶刺的或者三角形的水果；又如：水果的顏色不是既可以采摘紅色的水果又能采摘綠色的水果；這樣只會增加設計難度，同時設計機構會變得非常復雜，可調節(jié)性和維修性就會極差。 （2）功能需求： 由于水果采摘環(huán)境相對比較復雜，在設計機械手的手臂時應盡可能地在節(jié)省結構和空間的情況下設計多的自由度。從理論上說，6自由度的機械手可以到達三維空間的任何位置，但是由于機械結構的限制，會使一些自由度缺失或者退化。因此在設計時應盡量選擇大于6個自由度。同時手臂應具有一定的避障礙物的能力。 而對于機器人的末端執(zhí)行器來說，其應能適應大部分水果的形狀，這樣則要求機械手的夾持裝置結構巧妙，同時盡可能的簡單。 同時能抓取到該類水果大部分的尺寸。 2.1.2機械手的運行流程 在設計機械手之前首先要確定其運作的流程，既如何完成抓取與收集等動作，其流程框圖如下： 圖2.3機械手運作流程圖 復位 把水果輸送到特定位置 抓緊水果，傳感器反饋抓緊力，手抓自我調整。 手抓張開，接近水果 機械手接近目標，機器自動調整動作 初始化 檢測到成熟的水果 N Y  2.2機械手結構分析與選擇 2.2.1機械手末端執(zhí)行器結構方案選擇 機械手末端執(zhí)行器結構很多，在設計時應選擇什么類型的執(zhí)行器直接影響水果采摘的質量。目前我所知道的機械手末端執(zhí)行器類別主要有三類：夾持類、籠式收集器類、包絡夾持類。 夾持類，如圖2.4所示。其結構比較簡單，一般由兩個手指組成，其自由度比較少。其主要通過夾持時輸出較大的正壓力，提高水果與手抓接觸時的最大靜摩擦力來抓穩(wěn)水果。其優(yōu)點是結構簡單，設計方便，可以夾持較大一些比較大的物體。但由于其正壓力輸出太大，有可能損壞水果的表皮，影響水果的口感。同時由于其主要靠摩擦力來抓取水果，而水果生長環(huán)境比較復雜，在運送水果的過程中水果難免會碰到樹枝等障礙物，這樣很容易在運送水果過程中碰掉水果。而且在水果形狀不規(guī)則的時候，抓取水果有一定的難度。 圖2.4夾持類機械手 籠式收集類，該類手抓結構更加簡單，一般是上面一個剪切裝置，下面一個收集器。其主要靠水果剪切后下落到收集器上來完成水果的收集工作。但由于收集器自由度太低，結構固定無法改變，在復雜的水果樹上其有可能難以通過大部分樹枝到達水果生長的位置。同時在其回程過程中也可能出現(xiàn)卡死狀況。其要求采摘水果的條件比較苛刻。只適合一些枝椏較少或者果實向外生長的水果種類。同時對于一些向上生長的水果，或者生長姿態(tài)特別的情況，這種結構就無法采集水果了。 包絡夾持類，如圖2.5所示。該類執(zhí)行器類似于人的手，其有自由度較多，能自我形成一個包絡水果的形態(tài)，對于一些外形不圓整的水果有很好的采摘效果，同時由于其有一定的夾持力和包絡能力，在運送水果的過程中，水果不會輕易碰掉或損壞。但其結構比較復雜，維修起來可能比較困難。 通過以上的分析可知，包絡夾持類的機械手優(yōu)點較多，包容性廣，因此在設計本題機械手抓時，本人的設計方向是包絡夾持式的機械手。 圖2.5 包絡夾持式機械手 2.2.2機械手手臂結構分析與選擇 機械手臂是水果采摘機械手的主要運動部件，其結構設計是否合理，直接影響水果采摘的工作范圍。在設計時應使其在結構簡單的前提下，有一定的壁障能力。按其結構坐標系特點分類主要有幾種形式：直角坐標型、圓柱坐標型、極坐標型、多關節(jié)型等。 直角坐標型手臂結構如圖2.6所示，它在X,Y,Z軸上的運動是獨立的。結構簡單，運動路線計算比較容易，但是其由于都是獨立的直線運動，其所占空間很大，不利于在復雜的田間和樹木中穿行。 圖2.6直角坐標手臂 圖2.7圓柱坐標型  圓柱坐標型手臂的結構如圖2.7所示，R、θ和X為坐標系的三個坐標，其中R是手臂的徑向長度，θ是手臂的角位置，X是垂直方向上手臂的位置。其特點是結構簡單，容易想象，能夠深入樹叢中，但是其直線機構難以保證密封和潤滑，在樹枝等復雜結構或者容易掉下雜物的地方容易出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。 極坐標型手臂，其結構如圖2.8所示，R， θ和β為坐標系的坐標。其中θ是繞手臂支撐底座垂直的轉動角， β是手臂在鉛垂面內的擺動角。這種機器人運動所形成的軌跡表面是半球面。其特點是結構比較復雜，較難想象，工作范圍廣，但會出現(xiàn)一定的盲區(qū)。 多關節(jié)型手臂，其結構如圖2.9所示，它是以其各相鄰運動部件之間的相對角位移作為坐標系的。θ、α和Φ為坐標系的坐標，其中θ是繞底座鉛垂軸的轉角，Φ是過底座的水平線與第一臂之間的夾角，α是第二臂相對于第一臂的轉角。這種機器人手臂可以達到球形體積內絕大部分位置，所能達到區(qū)域的形狀取決于兩個臂的長度比例。這種類型的手臂動作比較靈活，關節(jié)驅動處容易密封，工作范圍大，但是運動計算控制較為復雜。 圖2.8極坐標型手臂 圖2.9多關節(jié)型手臂 經過以上的分析本設計采用與多關節(jié)型類似的手臂設計形式。其具有靈活的動作，同時有一定的回程能力，可為水果采摘和運送提供一定的幫助，同時其只需利用電機就能實現(xiàn)大部分的運動，結構和維護性能較好，價格也相對便宜。 2.3本章小結 經過上面的分析，基于水果采摘復雜的工作環(huán)境和部分不規(guī)則水果，本人選擇包絡夾持式手抓和類似于多關節(jié)型的手臂作為水果采摘機械手的最終設計類型。同時手指的抓取水果類型為球型。  3.機械手末端執(zhí)行器的結構設計 3.1機械手手指尺寸設計 在設計手指之前，首先要確定需要抓取水果的直徑范圍，由日常生活中所見的水果如：蘋果、桃子、番茄、橘子等其直徑尺寸大部分集中在60mm~100mm之間。但為了使水果采摘機械手具有較廣闊的抓取范圍，現(xiàn)選取抓取水果的尺寸范圍為40mm~130mm。為了滿足這一設計要求，必須選擇合適的手指尺寸。機械手的設計尺寸主要有手掌尺寸和手指尺寸。在此說明一下，由于手指相對于手掌是對稱分布的，手掌尺寸是指各個手指相對手掌中心的距離。一般來說手掌的尺寸越大，能抓取的物體也相對越大，同時手指各個指關節(jié)的長度越大，其能包絡的物體就越大。由于這些尺寸都沒有適合的計算準則，現(xiàn)模仿人類手指手掌尺寸進行類比分析，同時兼顧機械手抓取果實的范圍對手指、手掌尺寸進行合理的選擇。如下： 表3.1人手各指節(jié)長度平均值（單位mm） 性別 年齡 人數(shù) 拇指上1 拇指下 食指上 食指中 食指下 中指上 中指中 男 20~23 200 29.9 39.2 24.1 30.6 50.1 25.2 33.5 女 20~23 100 28.4 35.4 22.1 30 46 23.5 32.6 平均 -- -- 29.6 38.5 23.8 30.3 49.3 24.9 34.5 中指下 無名指上 無名指中 無名指下 尾指上 尾指中 尾指下 手掌長 手掌寬 53.9 24.8 32.8 52.4 22.6 25.8 43.7 101.2 83.1 55.1 22.4 31.5 48.3 20.5 22.9 39.6 97.3 77.9 50.5 24.4 32.5 51.7 22.2 25.2 42.9 100.5 82.2 1注：“拇指上”是指拇指上指節(jié)，即拇指指尖部分關節(jié)，其他關節(jié)如此類推； 為了使機械結構簡單，本人決定機械手的手指尺寸設置一致，其位置分布為對稱分布，同時手指數(shù)目為3個。相對與4個手指的機械手，3個手指的機械手有很大的優(yōu)勢，3個手指抓緊時較為牢固，同時不會出現(xiàn)過定義等情況。 經過以上的分析和抓取果實的尺寸范圍和經過CAD建模匹配綜合考慮得出以下手指的外形尺寸如表3.2所示 表3.2手掌和手指關節(jié)尺寸及行程角度 手掌 手指上關節(jié) 手指中關節(jié) 手指下關節(jié) 尺寸（mm） 55 30 40 54 行程角度（°） -- 90°~200°（相對與手掌） 90°~180° 60°~130°  通過以上的設計尺寸分析，畫出了圖3.1機械手在設計尺寸下的機械手包絡圖，由圖可知，其基本能包絡40mm~130mm之間的圓形物體。 圖3.1機械手包絡圖 3.2機械手手指的結構設計 3.2.1設計方案的選擇 機械手手指是機械手末端執(zhí)行器的最重要的部分，對提高機器人作業(yè)水平具有非常重要的作用。抓取和操作的靈活性、準確性和適應性是衡量手抓設計是否良好的重要標志?，F(xiàn)在國內外都已經研究出了各種機器人的手抓。這些手抓主要分為專用和通用兩大類。由于本文設計的機械手末端執(zhí)行器需要有一定的通用性。因此其手指關節(jié)的結構的自由度要比較多。從正常的思想路線出發(fā)，每一個關節(jié)都需要一個轉動副，每一個轉動動作都需要一個電機與之想匹配。這樣設計出來的手指控制起來非常復雜，同時當需要較大的抓取力時，其驅動機構可能無法滿足。如果需要滿足則以目前的技術水平來說，驅動結構的尺寸會變得非常龐大。 本人在設計初期也出現(xiàn)如此的思路方法，在設計過程中設計了一種多自由度，多關節(jié)多驅動器的手指，但由于手指尺寸要求不能太大，在選擇電機的時候出現(xiàn)了嚴重的問題。其驅動力嚴重不足導致設計的失敗。其結構如圖3.2所示，由于每個關節(jié)都要布置一個電機，其手指內尺寸設計時必須非常緊湊，但在最終計算輸出力的時候卻發(fā)現(xiàn)電機無法達到要求。由于設計尺寸過于緊湊，無法更改其內部空間，導致設計失敗。 在漫長的設計過程中我苦苦尋找一個良好的設計方案，在查找網上資料了解到一種叫做欠驅動機械手的結構非常好，其是由加拿大MD ROBOTICS公司和Laval大學合作研制出來的SARAH手抓（Self-Adapting Robotic Auxiliary Hand），該手爪共有10個自由度，只用兩個電機驅動，一個電機負責三個手指的開合，一個電機負責調整手指的方向。該手指利用連桿機構實現(xiàn)各個關節(jié)的運動。SARAH手爪既可以用末端關節(jié)指面捏取的方式完成各種精確捏取，又可以用包絡的方式完成抓取。 基于上述類似結構，本人設計了一款與之相似的三指的欠驅動的手爪。 3.2.2機械手結構原理分析 該機構通過連桿連接完成各個抓取動作，其手指關節(jié)可以根據(jù)任務的需求調整手指的位置，自動適應抓取物體的形狀，在機械約束、彈簧等機構的作用下，各個手指關節(jié)自動沿著被抓取的物體輪廓彎曲，實現(xiàn)對被抓物體的可靠抓取。在正常情況下手指程如圖伸直狀態(tài)，其黑色部分有一限位塊，使手指不會發(fā)生一些逆方向的運動，同時有一個小拉力彈簧，證其能在未接觸水果時其手指是伸直的如圖3.2所示。 圖3.2手指自然狀態(tài)圖 在工作時推桿向上推動，由于彈簧和限位裝置的作用使得手指的第一指節(jié)手指（即手指與手掌最接近的那一節(jié)）先接觸水果，由于碰到水果，水果阻礙了其運動，第三節(jié)手指運動停止，推桿一直向上運動，使得第二節(jié)手指慢慢靠近水果。當?shù)诙?jié)手指接觸到水果時，其停止運動，由于推桿推力一直存在，使得第三節(jié)手指也開始運動，直到最后三個手指都接觸到水果為止。如圖3.3是手指第一節(jié)手指碰到水果時的情況。圖3.4是手指第二關節(jié)接觸到水果是的情況。圖3.5是手指第三關節(jié)接觸水果時的情況。 圖3.3第一關節(jié)接觸水果 圖3.4第二關節(jié)接觸水果 圖3.5第三關節(jié)接觸水果  3.3.3機械手連桿結構設計 連桿機構設計所需要的尺寸如圖3.6所示，指節(jié)長度分別為l、j、k。其長度在上文已經確定。剩余參數(shù)為ai、bi、ci和ψi，為了減少獨立設計變量，我們?yōu)檫@些參數(shù)加上一些關聯(lián)的條件。指節(jié)的主要性能特性由比例系數(shù)Ri=ai∕ci來決定，Laval大學的Birglen等人詳細研究了比例系數(shù)Ri對性能的影響效果，并給出了性能圖譜[4],對于三個指節(jié)的手指來說，當R1=2和R2=2.5時，手指的性能最優(yōu)。同時在設計時，ci是影響其結構尺寸的主要因素，在考慮結構和配合符合的情況下，ci應盡量地小。由于機械手有一定的結構尺寸，這就先確定ci的值的大小。由于Ri確定了，ci確定了，則ai也確定了。對于連桿機構來說，當傳動時，傳動的角度為90°時，效率最高。由于機械手有一定的工作范圍，我們設計時應使其在中間位置時其傳動性能最好，效率最高，即在中間位置時保證傳動角度為90°?，F(xiàn)定義抓取范圍中間位置的角度αi為： αi=αi，min+αi，max2 ，i=1，2 (3-1) 其中αi,max和αi，min是指節(jié)的最大行程角度和最小行程角度。由圖3.6可知： β1=arcsin?(a1-c1l) (3-2) β2=arcsin?(a2-c2k) (3-3) 由此可以知道bi的大?。? bi=lcosβ1，b2=kcosβ2 (3-4) 由此知ψi的值如下： ψ1=π+β2-α1-β1 ， ψ2=3π2-α2-β2 (3-5) 經過詳細的思考，考慮結構的設計尺寸的合理性，確定選擇c1，c2分別為：c1=20mm，c2=20mm。由上文分析以及表3.2數(shù)據(jù)可知：j=30mm，k=40mm，l=54mm，α1，max=180°，α1，min=90°，α2，min=90°，α2，max=200°。聯(lián)立上述方程(3-1)，(3-2)，(3-3)，(3-4)，(3-5)得出一下數(shù)據(jù)，見表3.3所示： 表3.3連桿尺寸參數(shù) i R c a b α β ψ 1 2 20mm 40mm 50.16mm 135° 21.71° 71.88° 2 2.5 20mm 50mm 26.45mm 145° 48.59° 76.41°  圖3.6手指連桿在的位置尺寸關系 為了減輕加工難度，根據(jù)上表數(shù)據(jù)進行圓整得個連桿尺寸：b1=50mm，b2=26.5mm，β1=22°，β2=49°，ψ1=72°，ψ2=77°。 現(xiàn)驗證按照上述計算尺寸設計能否達到需要的位置，同時連桿之間還留有大量空間不發(fā)生干涉。經過在電腦上的solidworks草圖繪制測試，手指在極限位置時連桿不會發(fā)生干涉。見圖3.7、3.8和3.9所示 圖3.7手指在抓取最小物體狀態(tài)下的各關節(jié)位置情況 圖3.8手指抓取最大果實時的狀態(tài) 圖3.9手指捏取果實時的狀態(tài) 草圖測試完成后本人進行了solidworks的三維實體建模，其建模結果見圖3.10： 圖3.10手指各部件裝配圖 3.4本章小結 經過詳細的計算和solidworks建模本人建立了一個尺寸合適，能完成所需包絡和夾取功能的機械手末端執(zhí)行器。  4.多自由度手臂設計 4.1多自由度手臂的設計概述 機械手的多自由度手臂是水果采摘機器人的另一重要部件，其主要負責機械手的空間位移動作的完成。其結構的合理與否，決定了水果采摘機器人能否完成大部分的采摘工作。在設計時首先要考慮的是自由度，上文第二章已經有所提及，自由度越高的手臂，壁障能力就越好，就越能接近人手的動作機能，通用性就越好。自由度是指描述物體運動所需要的獨立坐標數(shù)。機器人的自由度表示機器人動作靈活的尺度，一般以軸的直線移動、擺動或旋轉動作的數(shù)目來表示，手部的動作不包括在內。在設計機械手臂時，除了需要考慮其自由度外，還要考慮其運動精度、負荷、分辨率等。精度是指一個位置相對于其參照系的絕對度量，指機器人手部實際到達位置與所需要到達的理想位置之間的差距。分辨率是指機器人每根軸能夠實現(xiàn)的最小移動距離或最小轉動角度。精度和分辨率不一定相關。一臺設備的運動精度是指命令設定的運動位置與該設備執(zhí)行此命令后能夠達到的運動位置之間的差距，分辨率則反映了實際需要的運動位置和命令所能夠設定的位置之間的差距。 本人設計的機械手臂的主要功用是完成水果的采摘，和收集工作，在選擇其自由度時首先需要考慮能否到達其主要的采摘地點，由于果樹結構復雜，可能出現(xiàn)枝條亂生長的情況，需要盡可能地選擇多的自由度。但限于機械結構的復雜性，本人決定選擇6自由度的手臂結構，同樣有一定的壁障能力。[5]經過CAD繪制，其結構簡圖如圖4.1所示。 O Z x X 圖4.1機械手臂結構簡圖 本人設計的手臂主要有6個自由度，分別是Z軸上的直線移動，三個繞Y軸的轉動，一個沿著Y軸的直線移動，和一個繞X軸的轉動。其結構是基于上文第二章所說的，選 擇了一個多關節(jié)型的機械手臂，其特點是動作靈活，有一定的壁障能力，同時能達到大部分的三維空間。在設計時，本人把在X軸的位移，選擇用兩個繞Y軸的轉動的轉動副來完成，原因是利于空間的節(jié)省，同時有利于把采摘好的水果送到所需位置。例如在水果采摘完成后可以通過繞Y軸的轉動把水果旋轉一周放到另一個工位。這樣的結構其靈活性較高，只需電機驅動，非常有利于節(jié)省空間，避免觸傷枝條等。 4.2機械手空間分析和尺寸計算 在設計機械手臂的外形布置后需要求出其能到達的空間點的計算公式，供后續(xù)控制使用，其尺寸布置如圖4.2所示，其中j、l的尺寸是固定尺寸，其大小取決于所需到達空間，即所采摘水果果樹的生長情況。剩下的為不確定數(shù)值，取決于所采摘水果在空間的位置。由圖可知： 設水果在二維平面空間上的一點(x，y)，此時各部位的角度和長度如圖4.2所示則有以下(x,y)的空間表達式，其中j恒大于l： 當α為正數(shù)（如圖所示為正數(shù)，計算時無論正負都取正數(shù)），β≤90°時： x=j?cosα+l?sin（β2），y=k+j?sinα?l?cosβ (4-1) 當α為負數(shù)，β≤90°時： x=j?cosα?l?cos（β2），y=k?j?sinα?lsin（β2） (4-2) 當α為正數(shù)，α+90°≥β≥90°時： x=j?cosα+l?sin（α+ π 2 ?β），y=k+j?sinα+l?cos（α+ π 2 –β） (4-3) 當α為負數(shù)，α+90°≥β≥90°時： x=j?cosα+l? cos（α+ π 2 ?β），y= k?j?sinα?l?sin（α+ π 2 –β） (4-4) 當α為正數(shù)，β≥α+90°時： x=j?cosα+l?cos（β?α+ π 2 ），y= k?j?sinα+l?sin（β?α+ π 2） （4-5） 當α為負數(shù)，β≥α+90°時： x= j?cosα+l?cos（β?α+ π 2 ），y= k+j?sinα+l?sin（β?α+ π 2） (4-6) 由以上式子可知，在計算空間點的位置時，該種結構比較復雜，但由于其具有良好的適應性和靈活性，本人終究還是采取了這種方式的手臂。 圖4.2手臂結構分析圖 4.3手臂尺寸的確定 經過以上的計算分析，只要給出各個部位的長度尺寸，就可以得到水果空間點的表達式。由于手臂的尺寸大小是決定水果機器人采摘工作范圍的，因此，選擇手臂各尺寸時需要確定其采摘水果植株的大小。經調查，大部分水果的植株大小都分布形狀是近似于高2m，直徑1.4m的圓柱體。現(xiàn)設定手臂垂直移動的手臂為第三臂，以此類推，連接手腕轉動部件的是第一臂，即圖4.2的l。其主要尺寸設定為第三臂為k總=1500mm，j=450mm，l=300mm。其工作范圍主要適合于像番茄等較低矮的植株類型的水果。 4.4本章小結 經過本章的分析計算，我們計算出了水果手臂的基本尺寸，并完成了相關solidworks建模工作。  5．動力系統(tǒng)的選型 5.1動力系統(tǒng)分析 驅動機械手關節(jié)的動力源種類有很多，按其驅動方式分以下幾大類：液壓驅動式、氣壓驅動式、電驅動式。表5.1是他們的優(yōu)缺點分析： 表5.1動力系統(tǒng)的優(yōu)缺點分析 驅動系統(tǒng) 優(yōu)點 缺點 液壓驅動式 1） 液壓容易達到較高的壓力(常用液壓為2.5~6.3MPa)，體積較小，可以獲得較大的推力或轉矩； 2） 液壓系統(tǒng)介質的可壓縮性小，工作平穩(wěn)可靠，并可得到較高的位置精度； 3） 液壓傳動中，力、速度和方向比較容易實現(xiàn)自動控制； 4） 液壓系統(tǒng)采用油作介質，具有防銹性和自潤滑性能，可以提高機械效率，使用壽命長。 5） 體積小，可實現(xiàn)無級調速 1） 油液的粘度隨溫度變化而變化，影響工作性能，高溫容易引起燃燒爆炸等危險； 2） 液體的泄漏難于克服，要求液壓元件有較高的精度和質量，故造價較高； 3） 需要相應的供油系統(tǒng)，尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴格的濾油裝置，否則會引起故障； 4） 結構復雜，維護難； 氣壓驅動式 1） 壓縮空氣粘度小，容易達到高速(1m/s)； 2） 利用工廠集中的空氣壓縮機站供氣，不必添加動力設備； 3） 空氣介質對環(huán)境無污染，使用安全，可直接應用于高溫作業(yè)； 4） 氣動元件工作壓力低，故制造要求比液壓元件低。 1） 壓縮空氣常用壓力為0.4~0.6MPa，若要獲得較大的力，其結構就要相對增大 2） 空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要達到準確的位置控制很困難； 3） 壓縮空氣的除水問題是一個很重要的問題，處理不當會使鋼類零件生銹。此外，排氣還會造成噪聲污染。  電驅動式 1） 控制簡單，結構較小，相對于氣壓驅動，電機驅動精度較高； 2） 電機可以正反轉，有利于機械結構的旋轉，轉動較氣壓平穩(wěn)； 3） 價格便宜，可進行速度控制 1） 驅動力較小，在電壓不穩(wěn)定時，容易出現(xiàn)，震動等狀況； 2） 步進電機有時會出現(xiàn)失步現(xiàn)象； 3） 需要特定的控制元件； 經過以上分析，本人選擇以電機為機械手的動力源。電動機驅動分為普通交流電動機驅動，交、直流伺服電動機和步進電動機驅動。普通交、直流電動機驅動需要加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機器人。伺服電動機和步進電動機輸出力矩相對小，控制性能好，可實現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機器人。交、直流伺服電動機一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進電動機則主要用于開換控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度要求不高的場合。 由于步進電機有其良好的速度和位置的精確控制能力，且在輸出力矩足夠的情況下可以不使用減速器。其可以由PLC系統(tǒng)來控制，有利于實現(xiàn)機器手控制的智能化和一體化。 步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。 5.2各元件動力系統(tǒng)的選擇與計算 5.2.1末端執(zhí)行器驅動關節(jié)直線步進電機的選擇 末端執(zhí)行器即機械手指是機械手最重要的部件，因此必須選擇一個合適的電機完成手部動作。在選擇電機之前先估算手指需要多大的抓緊力?，F(xiàn)假設一些已知條件，設采摘水果的最大重量為500g，由于手抓的抓緊力是非線性的，因此在選擇電機時應選擇大于其最大夾緊力。由手指結構可知，當手指完全伸直采用捏取動作采摘水果的時候所需夾緊力最大。其主要靠手指產生的摩擦力完成。其力學模型經過簡化如圖5.1所示。計算過程如下： 水果收到的重力為： G=mg (5-1) 夾住水果所需的正壓力為N，設摩擦系數(shù)為0.5： N=mgμ (5-2) 由力矩平衡原理（設推力為F）可知 ： F=mgkμl (5-3) 由于該推桿是由直線步進電機推動，其推力由步進電機的力矩和螺桿的螺距等因素決定。經查詢直線步進電機軸向力（推力）計算公式[2]： T=F×P2πn? (5-4) F:推桿的推力即電機軸向力； P:螺桿的導程； n:螺桿的效率； ?:摩擦系數(shù)； 聯(lián)立公式(5-3)和(5-4)得出所需步進電機的轉矩為： T=mgkp2πμln? (5-5) 現(xiàn)有已知條件：m=0.5kg，k=144mm，l=60mm，n=80%，μ=0.5，p=2mm，?=0.5； 取安全系數(shù)k1=2，經計算所需步進電機轉矩為T=0.15Nm； 圖5.1手爪靜力分析圖 現(xiàn)選擇42HS34095S4T8步進電機,其參數(shù)見表5.1： 表5.1直線步進電機參數(shù) 電機型號 步距角 （°） 機身長度（mm） 電流 （A） 電阻 （Ω） 電感 （mH） 42HS34095S4T8 0.04 34 0.95 4 3 靜力矩（N?m） 定位力矩（N?cm） 轉動慣量 （g?cm2） 引線數(shù)（No.） 重量 （g） 0.27 1.6 34 4 200 該電機的外形尺寸如圖5.2所示: 圖5.2電機尺寸數(shù)據(jù) 5.2.2手腕電機的選型 手腕主要有兩個動作，一個是繞y軸的旋轉，一個是繞x軸的旋轉（見圖4.1）。經上述類似計算選得42步進電機，其參數(shù)如表5.2所示： 表5.2手腕電機參數(shù) 型號 步距角（°） 機身長（mm） 電壓（V） 電流（A） 電阻（Ω） 17HS3601 1.8 33 12 0.16 75 電感（mH） 靜力矩（N?cm） 定位力矩（N?cm） 轉動慣量（g?cm2） 引線數(shù)（No.） 重量（g） 40 26 1.5 35 4 200 5.2.3手臂電機的選擇 手臂電機是提供手爪運動的主要動力裝置。手臂主要由兩個轉動電機來分別驅動。先假設手爪在抓取果實后的總重量為2kg。第一手臂長度為300mm。則知需要的輸出扭矩為T： T=mg?l=6N?m 由于有齒輪增加電機的輸出力矩。齒輪傳動比為1：3.2，則所需電機的輸出功率為T=1.875N?m 經查詢選擇57步進電機作為其參數(shù)如表5.3所示： 表5.3第一手臂步進電機參數(shù) 電機型號 步距角 （°） 機身長度（mm） 相電壓 （V） 相電流 （A） 相電感 （mH） 57BYGH7610 1.8 76 8.6 1 18 靜力矩（N?cm） 引線數(shù)（No.） 轉動慣量（g?cm2） 重量 （g） 相電阻 （Ω） 200 4 480 800 8.6 同理估算第二手臂所需的輸出力矩為T: T=m1g(l+j)+m2g?j (5-6) m1:手爪及手腕重量； m2:第一手臂電機及第一手臂重量； l:第一手臂長度； j:第二手臂長度； 經計算得出T=19.5N?m。其需要使用減速器來增大電機的輸出扭矩。經查詢選擇傳動比為10的步進電機減速器可以達到所需要的輸出扭矩。同樣選擇表5.3的步進電機型號。其減速器參數(shù)如表5.4： 表5.4第二手臂電機減速器參數(shù) 減速比 長度（mm） 額定負載（N?m） 最大負載（N?m） 效率 （%） 重量 （kg） 最大輸入轉矩（rpm） 10 53 25 40 95 0.8 5000 其結構尺寸如圖5.3所示： 圖5.3電機減速器尺寸圖 5.2.4直線電動滑臺的選擇 由于第三臂采用市場上有的電動滑臺，其推力大，用電機驅動絲杠旋轉使絲杠螺母產生推力使滑塊運動，其原理與上文的直線運動電機類似。現(xiàn)選擇能馳機電可訂做的電動滑臺其參數(shù)如表5.5 表5.5電動滑臺參數(shù) 規(guī)格 40缸徑 傳動方式 重復定位精度（mm） 螺桿直徑（mm） 螺桿導程（mm） 最快速度（m/s） 加強型 螺桿傳動 0.02 20 10 500 最大負載，平使用（kg） 最大負載，垂直使用（kg） 額定推力（N） 有效行程（mm） 65 35 690 1-1500 5.3本章小結 經過對各個驅動系統(tǒng)的分析與選型，基本確定了其主要的動力裝置型號。  6.齒輪校核計算及材料選擇 6.1齒輪校核計算 由上一章提到，在選擇第一臂動力裝置時需要一個傳動比為1:3.2的齒輪減速系統(tǒng)。根據(jù)機械設計課本的齒輪設計選擇方式進行齒輪的校核選擇（注：以下齒輪計算所用圖表及公式均來自于《機械設計》）[9]： 1.選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) 1） 選擇直齒圓柱齒輪傳動。 2） 由于其轉速不高，選用7級精度(GB 10095-88)。 3） 材料選擇小齒輪材料為40Cr（調質），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調質）硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。 4） 選擇小齒輪齒數(shù)z1=20，大齒輪齒數(shù)z2=3.2×24=76.8，取z2=77。 2.確定應力循環(huán)次數(shù)，由式10-13計算應力循環(huán)次數(shù),設該機器手每年工作100天，每天工作8小時，能工作10年。 N1=60n1jLh=60×1×1×(8×100×10)=4.8×105 N2=N13.2