欠驅動采摘末端執(zhí)行器的設計論文[不全].doc

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1、目錄摘要.錯誤!未定義書簽。ABSTRACT.錯誤!未定義書簽。第一章緒論.31.1課題研究意義.31.2農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展概況.31.2.1國外研究成果及現(xiàn)狀.31.2.2國內研究成果及現(xiàn)狀.61.3末端執(zhí)行機構的研究現(xiàn)狀.61.3.1國外末端執(zhí)行器研制進展情況.71.3.2國內研制的末端執(zhí)行器概述.81.4欠驅動技術研究發(fā)展.81.5主要內容和研究方法.101.5.1主要研究內容.101.5.2技術路線.11第二章欠驅動采摘末端執(zhí)行器的設計.122.1欠驅動采摘末端執(zhí)行器的總體結構設計.122.1.1手指結構設計.142.1.2轉動機構及機架的設計.152.1.3驅動方案的選擇.162.2手腕

2、關節(jié)的設計.172.3執(zhí)行器的控制方案設計.192.4本章小結.20第三章末端執(zhí)行器靜力學分析.233.1欠驅動手指的工作原理.233.2包絡抓取時的靜態(tài)力學模型.233.3運動學分析.263.4利用MATLAB軟件進行手指綜合結構參數(shù)確定.273.5手部的夾持誤差計算.283.6手指的有限元分析.303.7本章小結.34第四章末端執(zhí)行器虛擬設計與仿真研究.14.1軟件概述.14.2機械手的虛擬設計與裝配.24.2.1模型的建立.24.2.2虛擬裝配.44.3手指運動仿真.44.4模塊化設計.94.4.1模塊化設計概念.94.4.2手指的模塊化設計.10II4.5本章小結.11第五章控制系統(tǒng)設

3、計.錯誤!未定義書簽。5.1系統(tǒng)硬件組成.錯誤!未定義書簽。5.1.1單片機的選用.錯誤!未定義書簽。5.1.2AVRATmega16型單片機簡介.錯誤!未定義書簽。5.1.3步進電機.錯誤!未定義書簽。5.1.4步進電機驅動器.錯誤!未定義書簽。5.1.5傳感器.錯誤!未定義書簽。5.1.6系統(tǒng)軟件方案分析.錯誤!未定義書簽。5.2系統(tǒng)工作原理和工作過程.錯誤!未定義書簽。5.3本章小結.錯誤!未定義書簽。第六章實驗分析.錯誤!未定義書簽。6.1手抓適應性實驗.126.2壓力傳感器實驗.錯誤!未定義書簽。6.3果實抓取力實驗分析.錯誤!未定義書簽。6.3.1壓力傳感器標定實驗.錯誤!未定義書

4、簽。6.3.2不同脈沖頻率下力的變化實驗.錯誤!未定義書簽。6.3.3不同成熟度情況下力的變化實驗.錯誤!未定義書簽。6.3.4夾持效率實驗.錯誤!未定義書簽。6.4本章小結.錯誤!未定義書簽。第七章結論和建議.錯誤!未定義書簽。7.1結論.錯誤!未定義書簽。7.2創(chuàng)新點.錯誤!未定義書簽。7.3后續(xù)研究建議.錯誤!未定義書簽。攻讀碩士期間發(fā)表的論文.錯誤!未定義書簽。致謝.錯誤!未定義書簽。第二章欠驅動采摘末端執(zhí)行器的設計3第一章緒論1.1課題研究意義水果是人類生活中必不可少的食物，水果的種植比例也在逐年增多，2002年中國果品種植面積893萬hm2，產(chǎn)量6225萬t，占世界果品產(chǎn)量的13%

5、1。目前我國的水果總產(chǎn)量躍居世界第一位，其中以蘋果、柑橘和梨的種植面積為最大。在我國，蘋果栽培有著悠久的歷史，是我國11大優(yōu)勢農(nóng)產(chǎn)品之一。我國蘋果生產(chǎn)在世界蘋果產(chǎn)業(yè)中占有舉足輕重的地位。據(jù)統(tǒng)計，2004年我國蘋果栽培面積187.7萬公頃、產(chǎn)量2367.5萬噸，分別占世界蘋果栽培面積41.5%和產(chǎn)量的7.5%。近10多來年，我國對世界蘋果產(chǎn)量增長的貢獻率高達84%2。這使得果園收獲作業(yè)機械化、自動化成為廣大果農(nóng)們最為關注的熱點問題。發(fā)展機械化收獲技術，研究開發(fā)果蔬采摘機器人,不僅對于適應市場需求、降低勞動強度、提高經(jīng)濟效率有著一定的現(xiàn)實意義，而且對于促進我國農(nóng)業(yè)科技進步，加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程有著重

6、大的意義。在果實類的水果采摘生產(chǎn)作業(yè)過程中，需要人工不定時的對果實進行成熟度判斷和收獲，并不時地移動梯子登高或彎腰，因此果品采摘作業(yè)是水果生產(chǎn)鏈中最耗時、最費力的一個環(huán)節(jié)、具有一定危險性的作業(yè)。目前，國內水果采摘作業(yè)基本上都是人工進行，其費用約占成本的50%70%，并且時間較為集中。隨著水果大面積的推廣與種植，研究水果采摘機器人既可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式、解決勞動力不足問題等方面又可以減輕勞動強度、提高生產(chǎn)效率，而且具有廣闊的市場應用前景。1.2農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展概況1.2.1國外研究成果及現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)機器人是一種集傳感技術、監(jiān)測技術、人工智能技術、通訊技術、圖像識別技術、精密及系統(tǒng)集成技

7、術等多種前沿科學技術于一身的機器人4。農(nóng)業(yè)機器人是一門邊緣交叉學科，是多領域技術的綜合，其發(fā)展需要各相關學科的配合與支援3。農(nóng)業(yè)機器人又可以分為：施肥機器人、除草機器人、收摘機器人、嫁接機器人等。日本是研究農(nóng)業(yè)機器人最早的國家之一，早在20世紀70年代后期，隨著工業(yè)機器人的發(fā)欠驅動蘋果采摘末端執(zhí)行器研究和設計4展，對農(nóng)業(yè)機器人的研究工作逐漸啟動5,6,7。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8。自1983年第1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

8、開發(fā)歷經(jīng)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9。1.2.1.1西紅柿采摘機器人日本Kondo-N10,12,13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，如圖1.1所示。圖1-1西紅柿采摘機器人圖1-2美國的番茄采摘機器人Fig.1-1TomatoharvestingrobotFig.1-2Tomatopicking-robotmadeinAmerica機器人的采摘機械手采用7自由度的SCORBOTER工業(yè)機器人，能夠形成指定的采摘姿態(tài)進行采摘。用彩色攝像機作為視覺傳感器來尋找和識別成熟果實，利用雙目視覺方法對目

9、標進行定位；移動機構采用4輪結構，能在壟間自動行走。在2004年2月10日美國加利福尼亞州圖萊里開幕的世界農(nóng)業(yè)博覽會上，美國加利福尼亞西紅柿機械公司展出2臺全自動西紅柿采摘機(圖1.2)，這種西紅柿采摘機首先將西紅柿連枝帶葉割倒后卷入分選倉，倉內能識別紅色的光譜分選設備挑選出紅色的西紅柿，并將其通過輸送帶送入隨行卡車的貨艙內，然后將未成熟的西紅柿連同枝葉一道粉碎，噴撒在田里作肥料14。1.2.1.2蘋果采摘機器人韓國研制的蘋果采摘機器人，其機械手工作空間達到3m，具有4個自由度，包括3個旋轉關節(jié)和1個移動關節(jié)，采用三指夾持器作為末端執(zhí)行器，內有壓力傳感器避免損傷蘋果。利用CCD攝像機和光電傳感

10、器識別果實，從樹冠外部識別蘋果時識別率達85%，速度達5個/s15。第二章欠驅動采摘末端執(zhí)行器的設計5圖1-3蘋果采摘機器人Fig.1-3Appleharvestingrobot2008年JohanBaeten和SvenBoedrij等人研制的蘋果采摘機器人16(圖1.3)，利用松下VR006L型六自由度手臂作為機械手主體，在果園作業(yè)時，機械手由一臺拖拉機牽引，其機器人整體占地面積較大，機械手重量較重，且成本較高，只適于植株較矮小的蘋果樹。1.2.1.3多功能葡萄采摘機器人日本岡山大學研制出了一種多功能葡萄采摘機器人(圖1.4)17。葡萄采摘機器人采用5自由度的極坐標機械手，末端的臂可以在葡萄

11、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佳，可以檢測成熟果實及其距離信息的三維信息。采摘時，用于葡萄采摘的末端執(zhí)行器有機械手指和剪刀機械手指抓住果房，剪刀剪斷穗柄。1.2.1.4蘑菇采摘機器人英國Silsoe研究所研制的蘑菇采摘機器人18，可自動測量蘑菇的位置大小，并選擇性地采摘和修剪。它的機械手由2個氣動移動關節(jié)和1個步進電機驅動的旋轉關節(jié)組成，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75%左右，采摘速度67個/s。圖1.4多功能葡萄采摘機器圖1.5草莓采摘機器人Fig.1-4Multi-o

12、perationrobotforgrapevineFig.1-5Strawberryharvestingrobot欠驅動蘋果采摘末端執(zhí)行器研究和設計61.2.1.5柑橘收獲機器人法國和西班牙尤利卡合作的工程項目“CIT2RUS”是比較成功的研究成果19,20。該項目1988年開始啟動,其研制的收獲機器人。其最高能達到80%的采摘率，采摘率一般為60%65%。由于其無法商業(yè)化,加上過多的費用損耗,缺乏資金投入，該項目在1997年便中止了。1.2.1.6草莓采摘機器人KondoN等人針對草莓越來越多采用高架栽培模式11，研制出了5自由度的采摘機器人，如1.5所示。草莓采摘機器人的視覺系統(tǒng)與番茄采摘

13、機器人相似，末端執(zhí)行器采用真空系統(tǒng)加螺旋加速切割器。收獲時，3對光電開關檢測草莓的位置，視覺系統(tǒng)計算空間位置，控制機械手移動到預定位置，末端執(zhí)行器將草莓吸入；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，螺旋加速驅動切割器旋轉切斷果梗，完成采摘。1.2.2國內研究成果及現(xiàn)狀果樹采摘機器人的研究在我國尚處于起步階段。在采摘機械手和末端執(zhí)行器的設計研究方面：中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院謝建新等人為解決機器人靈巧避障問題，研究設計了6自由度的關節(jié)型機械手臂。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。東北林業(yè)大學的路懷民研制了林木球果

14、采摘機器人，中國農(nóng)業(yè)大學的趙金英等（2006年）對西紅柿采摘機器人整體進行了研究。1.3末端執(zhí)行機構的研究現(xiàn)狀末端執(zhí)行件通常由機械裝置和傳感器組成。末端執(zhí)行件必須保證不傷害目標作物，不惡化生物生產(chǎn)的質量，與工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器相比，由于其作業(yè)對象和環(huán)境的柔嫩性、不規(guī)則性和復雜多變性特征，采摘機器人的末端執(zhí)行器具有明顯的特殊性和更高的智能化要求。目前果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器基本都是專用的，只能對一種果實進行收獲,即是采摘機器人效率難以提高的主要原因，也是制約采摘機器人未來發(fā)展與應用推廣的瓶頸。解決末端執(zhí)行器的通用性、靈活性和成本之間的矛盾,是果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器研究發(fā)展的方向。第二章欠驅動

15、采摘末端執(zhí)行器的設計71.3.1國外末端執(zhí)行器研制進展情況Kutz等人（1987）基于CAD系統(tǒng)設計了移栽機器人21-22。如圖1.6其末端執(zhí)行件是一個并行夾取式夾持器，由1個氣缸和1個并行的夾取抓手組成。其抓取手只有張開和合攏兩種狀態(tài)，這兩種位置的距離差是20mm，兩個夾片長3mm。在3.3min內能完成36個苗的移植，存活率可達96%。圖1.6SNS夾取器圖1.7柑橘采摘末端執(zhí)行器Fig.1-6SNSClipextractorFig.1-7Orangeharvestingend-effector美國佛羅里達大學研究員研制了用于小樹林的柑橘采摘機械手19，如圖1.7所示，依靠1個CCD攝像機

16、和超聲波傳感器置于末端執(zhí)行器的內部來探測水果的位置。該機械手為球形坐標形式,有7個自由度。其末段執(zhí)行器最高速率為508mm/s，最大載荷量大約為9.07kg，圖像處理和視覺伺服所花的時間為1580ms。Ryu等人（2000）設計了一種由氣動系統(tǒng)驅動的夾取裝置14。該末端器由步進電機、氣缸、氣動卡盤和夾取指組成，如圖1.8所示。其末端執(zhí)行件由步進電機帶動旋轉，并根據(jù)植株的方位確定針狀夾取指的位置，避免抓取時對植株葉片的傷害。PeterP.Ling等人（2004）設計了一種4個手指的末端執(zhí)行件23，如圖1.9。該末端執(zhí)行件主要由數(shù)字線性步進電機、4個手指和吸引器組成。手指利用纜繩和筋腱使其彎曲，利

17、用扭矩彈簧使其伸展。數(shù)字線性步進電機驅動筋腱，增強了末端執(zhí)行件運動的可控性和精確性。圖1-8執(zhí)行器圖1-9手指末端執(zhí)行Fig.1-8end-effectorFig.1-9fingerend-effector欠驅動蘋果采摘末端執(zhí)行器研究和設計82008年JohanBaeten和SvenBoedrij等人研制了蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器16(圖1.10)。其硅樹脂管里裝有微型攝像頭，用于獲取末端執(zhí)行器正前方蘋果圖像。真空泵提供動力，吸盤用于吸取蘋果。圖1-10蘋果采摘末端執(zhí)行器Fig.l-10Appleharvestingend-effector1.3.2國內研制的末端執(zhí)行器概述與國外相比，國內在果

18、蔬采摘機器人末端執(zhí)行器的研究方面起步較晚，成果相對較少。其中，中國農(nóng)業(yè)大學對茄子采摘機器人末端執(zhí)行器進行了研制，其采摘成功率達到92.76%。江蘇大學農(nóng)業(yè)工程研究院研制了一種基于多傳感器信息融合和開放式控制的智能控制的番茄采摘機器人末端執(zhí)行器，系統(tǒng)設計質量僅為1.12kg，末端執(zhí)行器完成采摘動作的時間為35s。到目前為止，國內還沒有研制出蘋果采摘機器人的末端執(zhí)行器。因此，開發(fā)一種具有采摘效率和成功率高，具有輕便性，通用性強的蘋果采摘末端執(zhí)行器具有重要的意義。1.4欠驅動技術研究發(fā)展當一種機械機構的驅動器數(shù)量少于這種機械機構的自由度數(shù)量時，這種機械機構就稱為欠驅動機構24,25。這種機構具有形狀

19、自適應能力,欠驅動手指抓取物體時，它能夠完全包絡物體，并且能夠適應物體的形狀。在機械手爪上的欠驅動機構與機器人系統(tǒng)上的欠驅動機構是不同的概念。欠驅動機器人通常是指含有一個或多個無驅動關節(jié)的操作器，而欠驅動機械手通常使用彈性元件來設計欠驅動關節(jié)，這就是說這些關節(jié)可以理解為無法控制或被動控制，而不是沒有驅動。美國麻省理工學院和猶他大學于1980年聯(lián)合研制成功了Utah/MIT手爪26,27,28。第二章欠驅動采摘末端執(zhí)行器的設計9手爪采用模塊化結構設計，手指的配置方式類似于人手，有四個手指:拇指、食指、中指和無名指，四個手指結構完全相同，每個手指有4個自由度。手指關節(jié)采用伺服氣動缸作為驅動元件，由

20、腱和滑輪傳動。加拿大MDROBOTICS公司與Laval大學合作研制了非擬人手通用欠驅動手爪SARAH（Self-AdaptingRoboticAuxiliaryHand）29，如圖1.11示。該手爪有3個手指，每個手指有3個關節(jié)，加上1個轉動自由度，共10個自由度，而只用兩個電機驅動，一個電機負責手爪的開合，另一個負責手指的轉向。采用平面直齒輪差動方式，形成一路輸入三路輸出，分別去驅動三個手指開合。通過槽輪機構對三個手指中的兩個進行位置調整，進行轉向，以適合不同形狀物體的抓取。圖1.11欠驅動手爪SARAH圖1.12基于錐齒輪差動機構的欠驅動手爪Fig.l-10Self-AdaptingRo

21、boticAuxiliaryHandFig.l-12Under-actuatedrobothandbasedonconegeardifferentialmechanism國內研究單位主要有哈爾濱工業(yè)大學、清華大學、北京航空航天大學、合肥智能機械研究所等。北京航空航天大學機器人研究所于80年代末開始的靈巧手研究與開發(fā)28,30。最初研究出來的BH-1靈巧手是一種仿JPL的靈巧手，功能相對簡。在隨后的幾年中又不斷改進，研制出BH-3型靈巧手。如圖1.14所示。中科院合肥智能機械研究所開發(fā)了基于錐齒輪差動的欠驅動三指機器人手爪27,，圖1.12所示。這兩個手爪在結構上與加拿大開發(fā)的SARAH手爪有些相似，它集成了SARAH手爪的靈巧手指機構,采用兩級錐齒輪差動方式，機構簡潔高效，結構緊湊，維護方便主動適應性和智能化程度上較SARAH有所提高。2003年，哈爾濱工業(yè)大學和德國宇航中心合作，研制成功HIT/DLR多指靈巧手，圖1.13示，大大促進了我國在靈巧手技術方面的發(fā)展31,32,33。目前國內外欠驅動多指手的應用背景主要是人工假手、海底探測、宇航器倉內欠驅動手爪及太空機器人的末端操作器等,尚未見到將欠驅動多指手爪應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。