草莓采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

《草莓采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《草莓采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（25頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、草莓米摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘要 隨著草莓種植的推廣。國(guó)內(nèi)草莓種植面積迅猛增加，收獲勞動(dòng)力不足。嚴(yán)重制約草莓 種植的發(fā)展，因此有必要進(jìn)行智能草莓采摘機(jī)器人研究，來(lái)替代人來(lái)完成該項(xiàng)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力 的采摘工作。草莓采摘機(jī)器人要求能自動(dòng)檢測(cè)成熟草莓的位置信息，然后根據(jù)這些信息控 制機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)草莓采摘的自動(dòng)化。 本文首先綜合敘述了草莓生產(chǎn)現(xiàn)狀以及草莓采摘機(jī)器人國(guó)內(nèi)外研究狀況，再根據(jù)國(guó)內(nèi) 北方地壟式草莓種植的情況，設(shè)計(jì)出草莓采摘機(jī)器人機(jī)械本體，提出一種五自由度關(guān)節(jié)型 草莓采摘機(jī)械手臂，五個(gè)自由度分別為：腰轉(zhuǎn)、肩轉(zhuǎn)、肘轉(zhuǎn)、腕轉(zhuǎn)和腕擺，并開發(fā)了一種 末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)形式，該末端執(zhí)行器主要由

2、伺服電機(jī)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、動(dòng)夾、鎳鉻電熱 絲組成，不以草莓果實(shí)作為抓取目標(biāo)，而是夾切草莓果柄，不傷害果實(shí)，同時(shí)采用鎳鉻電 熱絲切割果柄可以防止切口感染細(xì)菌而腐爛，影響果實(shí)品質(zhì)。與此同時(shí)，還在 solidworks 中構(gòu)建了草莓采摘機(jī)器人、末端執(zhí)行器的三維模型，還生成了相關(guān)重要部件的工程圖，便 于后期的使用。 關(guān)鍵字： 草莓采摘機(jī)器人，機(jī)械本體，五自由度草莓采摘機(jī)械手臂，末端執(zhí)行器 Strawberry picking robot mechanical structure design Abstract: With the popularizati on of the strawberr

3、y. The strawberry pla nti ng area in creased rapidly, the harvest labor shortage. Developme nt is restricted by the strawberry, it is n ecessary to carry out in tellige nt strawberry harvest ing robot, in stead of people to complete the time-c onsuming, laborious harvesting. Strawberry picking robot

4、 position information requirements can automatically detect ripe strawberry, then according to these information to control the robot actuator, realize the automati on of picki ng strawberry. This paper describes comprehe nsively the research status at home and abroad as well as the robot strawberr

5、y producti on status of strawberry pick ing, the n accordi ng to the North ridge type strawberry planting conditions, calculate and design the appropriate size of the strawberry picking vehicle body, put forward a kind of five degrees of freedom articulated strawberry pick ing man ipulator, and the

6、developme nt of the structure of an end effector. At the same time, the author con structs a 3D model, strawberry picki ng robot end effector in SolidWorks, also gen erated the end effector and the mecha ni cal arm of the engin eeri ng draw ing, convenient for later view ing and process ing. Key wo

7、rds: Strawberry pick ing robots; Mecha ni cal body;Five degree of freedom mani pulator; The end effector 1緒論 1 1.1弓I言 1 1.2工作環(huán)境和作業(yè)要求 1 1.3草莓采摘機(jī)器人國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 2 1.3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀 2 1.3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 2 1.4研究的目標(biāo)和內(nèi)容 3 1.4.1研究目標(biāo) 3 1.4.2研究?jī)?nèi)容 3 2草莓采摘機(jī)器人機(jī)械本體設(shè)計(jì) 3 3草莓采摘機(jī)器人五自由度機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 4 3.1采摘機(jī)器人機(jī)構(gòu)選型原貝U 4 3.2機(jī)械

8、臂的設(shè)計(jì) 5 3.2.1設(shè)計(jì)要求 5 3.2.2機(jī)械手臂的選擇 6 3.3機(jī)械手手腕的設(shè)計(jì) 6 3.3.1手腕設(shè)計(jì)的基本要求 7 3.3.2草莓采摘機(jī)械手手腕的結(jié)構(gòu)型設(shè)計(jì) 7 3.4機(jī)械手的結(jié)構(gòu)型式 7 3.5機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的建立 8 3.5.1正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 8 3.5.2逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 10 4草莓采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì) 13 4.1末端執(zhí)行器介紹 13 4.2末端執(zhí)行器的分類 13 4.2.1兩個(gè)手爪的末端執(zhí)行器 13 4.2.2兩個(gè)以上手爪的末端執(zhí)行器 14 4.3夾持式末端執(zhí)行器的選型 14 4.3.1夾持式末端執(zhí)行選擇的基本要求 14

9、 4.4末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)型式和工作原理 14 4.4.1整體結(jié)構(gòu) 14 4.4.2工作原理 15 4.5主要部件設(shè)計(jì) 16 4.5.1傳動(dòng)部分設(shè)計(jì) 16 4.5.2抓取和切斷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 5結(jié)論與建議 17 5.1結(jié)論 17 5.2工作展望和建議 17 參考文獻(xiàn) 18 致謝 19 草莓采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 草莓米摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1緒論 1.1引言 草莓在世界絕大多數(shù)地區(qū)都有種植，因其甜美的味道及豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，頗獲大家喜 歡。其中我國(guó)草莓種植面積達(dá)10萬(wàn)公頃。然而為了保證草莓的外觀品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，必 須在收獲季節(jié)每天早晚時(shí)刻挑選并采摘草莓果實(shí)

10、。其勞動(dòng)強(qiáng)度之大，成本之高，約占草莓 種植生產(chǎn)成本的四分之一。因此減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，降低生產(chǎn)成本，成了草莓收獲的重中之重。 日本率先研制出以高架栽培為種植模式的草莓采摘機(jī)器人 ：1］，Kondo等人于2010年研制 的草莓采摘機(jī)器人單循環(huán)作業(yè)用時(shí)11.5s,采摘成功率約41.3%。國(guó)內(nèi)徐麗明、張鐵中等人 針對(duì)壟作式草莓種植的自動(dòng)化采摘設(shè)備進(jìn)行了研究 ［2］。不過(guò)上述自動(dòng)化采摘設(shè)備在機(jī)械手 爪定位精度，采摘作業(yè)效率，果實(shí)無(wú)損采摘等方面距離實(shí)際需要還有一定不足。 本文針對(duì)地壟栽培模式下草莓的生長(zhǎng)方式，對(duì)草莓收獲機(jī)器人的主要組成單元 一一采 摘機(jī)器人機(jī)械本體、機(jī)械手臂和機(jī)末端執(zhí)行器進(jìn)行研究并設(shè)計(jì)模

11、型，達(dá)到對(duì)一定范圍內(nèi)成 熟草莓進(jìn)行無(wú)損傷采摘。 1.2工作環(huán)境和作業(yè)要求 我國(guó)大多數(shù)草莓種植是壟作栽培模式，地壟截面成等腰梯形，壟頂寬 400 mm,壟底 寬600 mm，高250 mm⑶。草莓植株生長(zhǎng)于壟頂部，果實(shí)長(zhǎng)出后伏在壟側(cè)面，成熟草莓果 實(shí)上方一段果柄與壟側(cè)壁有10?20 mm間隙，相鄰兩壟間為寬度約 500 mm的壟溝（圖 1-1）。 本文要求在現(xiàn)有農(nóng)藝條件下，設(shè)計(jì)出合適尺寸的車身模型，設(shè)計(jì)出可以達(dá)到壟面一定 范圍的機(jī)械手，以及可以高效且少傷果實(shí)的末端執(zhí)行器。 (a) (b) （a）草莓田實(shí)景 （b）地壟截面 1壟溝2地壟3果柄4草莓果實(shí)5壟側(cè)面 圖

12、1-1壟作栽培模式下的草莓田間環(huán)境 1.3草莓采摘機(jī)器人國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 1.3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外自動(dòng)化采摘設(shè)備發(fā)展十分迅速。自從1983年在美國(guó)誕生了第一臺(tái)西紅柿采摘機(jī)器 人，采摘機(jī)器人的開發(fā)和研究已經(jīng)有二十多年的歷史，期間摘蘋果、柑桔、西紅柿、西瓜 和葡萄等機(jī)器人相繼在日本和歐美等多家研制成功。 對(duì)于草莓采摘機(jī)器人的研究，目前處于初級(jí)階段。 1） 日本Kondo等人針對(duì)草莓的不同栽培模式（高架栽培模式和傳統(tǒng)栽培模式）研制 出了相應(yīng)得采摘機(jī)器人［4］。高架栽培模式由于適合機(jī)器人作業(yè)被越來(lái)越多地采用，該機(jī)器 人采用5自由度采摘機(jī)械手，視覺(jué)系統(tǒng)與西紅柿采摘機(jī)器人類似，機(jī)械手采用真空系

13、統(tǒng)和 切割器組成。收貨時(shí)，由視覺(jué)系統(tǒng)計(jì)算采摘目標(biāo)的空間位置，接著采摘機(jī)械手移動(dòng)到預(yù)定 位置，機(jī)械手向下移動(dòng)直到把草莓吸入；由光電開關(guān)檢測(cè)草莓的位置，當(dāng)草莓位于合適位 置時(shí)，腕關(guān)節(jié)移動(dòng)，果梗進(jìn)入指定位置，由切割器旋轉(zhuǎn)切斷果梗，完成采摘。 2） 日本宮崎大學(xué)研制設(shè)計(jì)了高地隙跨壟作業(yè) 4自由度的草莓收獲機(jī)器人⑸。該機(jī)器人 采用兩個(gè)CCD照相機(jī)獲取草莓的圖像，計(jì)算出草莓的中心方向，用激光傳感器測(cè)量手爪到 草莓的距離，通過(guò)采用兩個(gè)直的手指來(lái)抓取草莓果柄，避免了對(duì)果實(shí)的傷害。采用切刀切 斷果柄。 1.3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 1）草莓選果機(jī)⑹。栃木縣農(nóng)業(yè)試驗(yàn)場(chǎng)開發(fā)了非常實(shí)用的草莓選果機(jī)。該設(shè)備可根據(jù) 每

14、一個(gè)草莓的含糖量和果實(shí)大小進(jìn)行選擇，并可以把選好的草莓裝入塑料袋內(nèi)，整個(gè)過(guò)程 是全自動(dòng)作業(yè)，每小時(shí)可分選草莓5300多公斤。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)運(yùn)用雙目立體視覺(jué)技術(shù)，對(duì) 圖像的二維直方圖進(jìn)行腐蝕、膨脹、去除小團(tuán)塊，用擬合曲線實(shí)現(xiàn)彩色圖像的分割，既而 分離果實(shí)，并將二維圖像恢復(fù)成三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了果實(shí)定位 ⑺。 2） 浙江大學(xué)梁喜鳳等人對(duì)采摘機(jī)器人的機(jī)械手做了一定的研究，提出了評(píng)價(jià)采摘機(jī) 械手工作性能的性能指標(biāo)；工作空間、可操作度、避障能力、冗余空間與姿態(tài)多樣性。 3） 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)應(yīng)用草莓圖像的彩色模型中的特定通道信息，對(duì)成熟草莓進(jìn)行了識(shí) 別，并初步建立了橋架式直角坐標(biāo)機(jī)器人，還在水果采摘機(jī)器人三

15、維視覺(jué)系統(tǒng)的過(guò)程中， 提出了一種基于果實(shí)表面顏色色彩空間參照表的果實(shí)目標(biāo)識(shí)別新方法，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)適用 多種果實(shí)［8］。 目前，草莓采摘機(jī)器人的智能水平還很有限， 不管是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外的草莓采摘機(jī)器人, 離商品化和實(shí)用化還有一定的差距。差距如下： 1） 沒(méi)有設(shè)計(jì)出合理的末端執(zhí)行器，抓取過(guò)程中容易損傷草莓的果皮； 2） 沒(méi)有設(shè)計(jì)出理想的機(jī)械手，很難達(dá)到有效的采摘范圍； 3） 采摘效率不高，誤差大。 1.4研究的目標(biāo)和內(nèi)容 1.4.1研究目標(biāo) 目前研制草莓采摘機(jī)器人用于國(guó)內(nèi)棚載草莓的收獲，使其具有使用價(jià)值，需要在以下 兩個(gè)方面進(jìn)行努力： 1） 研究結(jié)構(gòu)合理，柔韌度高，不傷果皮的末端執(zhí)行

16、器； 2） 研究結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，覆蓋范圍廣的機(jī)械手臂； 3） 制定出高效的采摘方案，使采摘效率要高于人工采摘效率。 針對(duì)以上三點(diǎn)，本文將選擇產(chǎn)量高、規(guī)模大的北方溫室大棚壟作栽培的草莓為研究對(duì) 象，對(duì)草莓采摘機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究。 1.4.2研究?jī)?nèi)容 本文對(duì)草莓采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)和研究包括以下幾個(gè)方面: 1） 機(jī)械本體設(shè)計(jì)； 2） 五自由度機(jī)械手臂設(shè)計(jì)； 3） 末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)。 2草莓米摘機(jī)器人機(jī)械本體設(shè)計(jì) 根據(jù)上述工作環(huán)境和作業(yè)要求，草莓栽培溫室具有溫度高、溝壟窄而面不平整、壟面 低矮等特點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)溫室溝壟略寬且平整，壟面也略高一些?；谶@些特點(diǎn)，草莓采摘機(jī)器 人要求做到以下幾點(diǎn)：

17、 1）溫室大棚中農(nóng)民行走的路面較窄，若采用氣動(dòng)或液動(dòng)作為動(dòng)力源，氣泵或液壓缸個(gè) 體較大，不宜搬移；同時(shí)氣動(dòng)、液壓成本高，不符合我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀。因此，使用電動(dòng) 裝置成為最佳選擇。 2）為了提高生產(chǎn)效率，溫室的草莓種植情況，如壟面寬、壟溝寬、溝深并非采取標(biāo)準(zhǔn) 尺寸，且可能比標(biāo)準(zhǔn)尺寸更??；同時(shí)溝面不平整。因此，在溝面不平整的溫室中采用跨壟 式或者懸掛式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，而在比較標(biāo)準(zhǔn)的溫室中可以采用四輪驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)。 本設(shè)計(jì)采用跨壟四輪行走機(jī)構(gòu)，其實(shí)物如圖 2-1所示。本體設(shè)計(jì)以步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力 裝置，根據(jù)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人沿溝壟前進(jìn)。在機(jī)身的上方是五自由度機(jī)械 手臂，用伺服電機(jī)作為動(dòng)力源，

18、根據(jù)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出的脈沖信號(hào)，使機(jī)械手臂達(dá)到指定位置。 同時(shí)在機(jī)械手下方安裝一個(gè)小框，用于放置草莓果實(shí)，在設(shè)定好的時(shí)間內(nèi)裝滿后，由工作 人員更換小框。整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)都安裝在小車上，可以進(jìn)行固定距離的移動(dòng)。 圖2-1草莓采摘機(jī)器人三維模型 3草莓采摘機(jī)器人五自由度機(jī)械臂設(shè)計(jì) 采摘機(jī)器人既要遵循工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械臂機(jī)構(gòu)，又要依據(jù)不同的采摘對(duì)象做出合理的 選擇。因此本文將機(jī)械手分兩個(gè)模塊來(lái)進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)，即手臂和手腕。手臂是支撐末端 執(zhí)行器的重要器件，使其可以在固定的范圍內(nèi)移動(dòng)，并可以將采摘到的草莓送到小框 手腕的作用是在機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變末端執(zhí)行器在空間的方位，使機(jī)械手變 得更靈

19、巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。 3.1采摘機(jī)器人機(jī)構(gòu)選型原則 由于草莓種植環(huán)境的復(fù)雜性，不確定性和果實(shí)分布的無(wú)規(guī)則，采摘機(jī)械手在選型上既 要遵循工業(yè)機(jī)械手的基本原則，又要考慮其作物的特殊性。從而得出如下選型原則： 1）遵循工業(yè)機(jī)械臂的基本選型原則，工業(yè)機(jī)械臂主要有四種形式（圖 3-1）,其具體 功能特點(diǎn)如下[10—12]: （1） 直角坐標(biāo)型：其外形輪廓與數(shù)控鏜銑床相似， 3個(gè)關(guān)節(jié)都是移動(dòng)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軸 線相互垂直。這種形式的主要特點(diǎn)是剛性好、精度高，缺點(diǎn)是占地面積大，工作空間小。 （2） 圓柱坐標(biāo)型：選型機(jī)械臂前三個(gè)關(guān)節(jié)為兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。這種形 式的機(jī)器人占用空間，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 （

20、3） 極坐標(biāo)型：具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)。改型機(jī)器人的有點(diǎn)是，靈活性 好，占地面積小，但剛度、精度教差。 （4） 關(guān)節(jié)坐標(biāo)系：前三個(gè)關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，特點(diǎn)是動(dòng)作靈活，工作空間大，占地 面積小，缺點(diǎn)是剛度精度差。 (a)直角坐標(biāo)壁 (a) Rectangular coordinates type (b)風(fēng)柱坐標(biāo)理 (b) Cylindrical coord instr type (c)械坐標(biāo)型 (c) Polar coordinates type (d)關(guān)節(jié)坐柿理 (d) Joint coordinales type 圖3-1工業(yè)機(jī)械臂形式 2）基于具

21、體的采摘要求，機(jī)械手要具有較好的采摘能力。包括： （1） 最優(yōu)的工作空間。工作空間越大，采摘范圍越廣，通用性也就越好。 （2） 具有較好額避障能力。果實(shí)采摘過(guò)程中，機(jī)械手能避開障礙物。 （3） 機(jī)械手設(shè)計(jì)合理。若機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，可能會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干涉或驅(qū)動(dòng)裝置無(wú)法設(shè) 置，機(jī)構(gòu)不能運(yùn)動(dòng)等問(wèn)題。在滿足要求的前提下，盡量采用特殊機(jī)構(gòu)的機(jī)械手機(jī)構(gòu)， 使相鄰運(yùn)動(dòng)副的軸線相互平行或正交。 （4） 農(nóng)業(yè)機(jī)器人要求操作簡(jiǎn)單，成本低廉，因此盡量采用冗余度少，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單的形 式。 3.2機(jī)械臂的設(shè)計(jì) 3.2.1設(shè)計(jì)要求 機(jī)械手的手臂是采摘機(jī)器人的主要執(zhí)行元件，其作用是支撐末端執(zhí)行器和腕部并改變 末端執(zhí)行器在

22、空間的位置。由于機(jī)械手臂的重量比較大，受力比較復(fù)雜，在采摘草莓時(shí)受 到腕部、手爪和草莓的靜（動(dòng)）載荷，弓I起電位準(zhǔn)確性。機(jī)械手手臂的機(jī)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)要 根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式、抓取草莓的重量，自由度以及運(yùn)動(dòng)精度來(lái)決定。因此設(shè)計(jì)機(jī)械手 手臂是應(yīng)該考慮一下幾個(gè)要點(diǎn)的何： 1） 手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)該滿足采摘草莓時(shí)作業(yè)空間的要求。作業(yè)空間的形狀和大小 與手臂的長(zhǎng)度、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的范圍密切相關(guān)： 2） 根據(jù)手臂承受的載荷和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理選擇手臂的材料； 3） 機(jī)械手手臂的運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小。 草莓采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)一方面要考慮機(jī)器人本身的價(jià)值和使用者的經(jīng)驗(yàn)和教育水平， 另一方面還要考慮草莓的生長(zhǎng)特性

23、。 3.2.2機(jī)械手臂的選擇 采摘機(jī)器人機(jī)械手的手臂用來(lái)決定末端執(zhí)行器的位置，同時(shí)它對(duì)物體的姿態(tài)也有一定 的影響。針對(duì)草莓的生物學(xué)特性、栽培的方式和機(jī)械手機(jī)構(gòu)選型的原則及工作特性，本文 選擇的是多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂。由于機(jī)械手采摘草莓的形狀近似為圓柱體或球體，那么四個(gè)自 由度的機(jī)器人就可以完成機(jī)器人的采摘任務(wù)。為使采摘機(jī)器人有更好的作業(yè)能力，本文設(shè) 計(jì)的機(jī)械手具有五個(gè)自由度，其中機(jī)器人的機(jī)械化手臂具有三個(gè)旋轉(zhuǎn)的自由度，手腕具有 兩個(gè)自由度。三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)緊湊，靈活度大大的提高，在作業(yè)空間內(nèi)手臂 的干擾比較小，機(jī)械手臂的工作空間范圍也會(huì)加大。但這種類型的機(jī)械手臂在進(jìn)行控制時(shí) 計(jì)算量大，

24、位置精度不高及確定末端執(zhí)行器的位置和位姿時(shí)不直觀等缺點(diǎn)。而且這種類型 的機(jī)械手手臂執(zhí)行元件多，質(zhì)量重。所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候，要充分考慮機(jī)械手作業(yè)對(duì)象的特 點(diǎn)和作業(yè)目的，確保機(jī)械手在作業(yè)時(shí)的合理性。圖 3-2是這種機(jī)械手手臂的關(guān)節(jié)構(gòu)成。 77T7H77 圖3-2三自由關(guān)節(jié)型機(jī)械手手臂 3.3機(jī)械手手腕的設(shè)計(jì) 機(jī)械手手腕是連接機(jī)械手手臂和末端執(zhí)行器的裝置，它的作用主要是在機(jī)械手手臂運(yùn) 動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變末端執(zhí)行器在空間的方位，在擴(kuò)大機(jī)械手動(dòng)作的范圍的同時(shí)，使機(jī) 械手變得更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。通過(guò)機(jī)械接口，連接并支撐末端執(zhí)行器。 3.3.1手腕設(shè)計(jì)的基本要求 1） 結(jié)構(gòu)要緊湊、重量要

25、輕 手腕位于機(jī)械手手臂的末端，手腕的設(shè)計(jì)直接會(huì)影響到手 臂的機(jī)構(gòu)和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。為使得手臂的承受載荷減輕，應(yīng)該要求手腕的部分結(jié)構(gòu)緊湊，重量 要輕以及體積較小。 2） 轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、合理選擇自由度 手腕的自由度越多，末端執(zhí)行器的動(dòng)作靈活性越高， 整個(gè)采摘機(jī)器人對(duì)采摘的適應(yīng)性越好。但是自由度的增加會(huì)導(dǎo)致手腕的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制也 相應(yīng)的困難。因此，在設(shè)計(jì)手腕結(jié)構(gòu)的時(shí)候，只要能夠達(dá)到工作的要求就可以，不要過(guò)多 增加手腕的自由度。 3） 合理布局，手腕是連接手臂和末端執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)，它同時(shí)也起到了支撐兩者的作 用。所以設(shè)計(jì)手腕的時(shí)候，除了保證力和運(yùn)動(dòng)的要求以外還應(yīng)綜合考慮，合理布局 [11]。 3.3.2草

26、莓采摘機(jī)械手手腕的結(jié)構(gòu)型設(shè)計(jì) 機(jī)械手的腕部直接連接末端執(zhí)行器和手臂，起支撐作用，為使得末端執(zhí)行器能夠達(dá)到 空間的任意位置，理論上腕部實(shí)現(xiàn)對(duì)空間三坐標(biāo)軸 X、Y、Z的轉(zhuǎn)動(dòng)，即具有沿XY平面回 轉(zhuǎn)和YZ平面的回轉(zhuǎn)。也就是說(shuō)手腕部具有獨(dú)立的自由度。在實(shí)際設(shè)計(jì)的過(guò)程中，基于草 莓的物理特性，在機(jī)械手采摘草莓的時(shí)候，末端執(zhí)行器首先旋轉(zhuǎn)為合適的角度，再前進(jìn)抓 住果柄，同時(shí)有一個(gè)鎳鉻電熱絲切割果柄。這一系列的動(dòng)作需要手腕有兩個(gè)自由度，即手 腕繞i軸和繞j軸的兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。即手腕有腕轉(zhuǎn)和腕擺兩個(gè)自由度。 3.4機(jī)械手的結(jié)構(gòu)型式 通過(guò)機(jī)械手手臂和手腕的型式說(shuō)明，選取 3個(gè)自由度的機(jī)械手的手臂和兩個(gè)自由

27、度的 手腕進(jìn)行配合，得到草莓采摘機(jī)械手的機(jī)構(gòu)型式。這種型式的機(jī)械手在避障、工作的空間 以及采摘的工作效率方面都是比較好的。選擇 5個(gè)自由度的機(jī)械手，會(huì)讓末端執(zhí)行器的動(dòng) 作更加靈活，使得它能夠繞開障礙物進(jìn)行采摘作業(yè)。具體結(jié)構(gòu)型式見圖 3-3. //////// 圖3-3草莓采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)型式 3.5機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的建立 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)主要是研究末端執(zhí)行器、各個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的位置姿態(tài)和各個(gè)關(guān)節(jié)變量之間 的聯(lián)系。因此考慮機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)要從兩個(gè)方面說(shuō)明，即正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)。正運(yùn)動(dòng)學(xué)是 指先給定機(jī)械手各個(gè)關(guān)節(jié)的位移、速度、加速度然后求解各個(gè)桿件和末端執(zhí)行器的位置和 姿態(tài)。逆運(yùn)動(dòng)學(xué)指

28、的是先給定桿件和手爪的位置然后求解所需要的關(guān)節(jié)變量的位置、速度 和加速度等。求解這兩種運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題多采用齊次變化法和向量法等。本文以設(shè)計(jì)五個(gè)自由 度機(jī)械手為例，簡(jiǎn)單說(shuō)明正運(yùn)動(dòng)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解析方法 [12]。 3.5.1正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 為了描述草莓采摘機(jī)械手各個(gè)連桿的特征參數(shù)以及相互之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，采用 Denavit-Hartenberg （簡(jiǎn)稱D-H矩陣：笛卡爾坐標(biāo)系的齊次坐標(biāo)變換矩陣）方法設(shè)定桿件 的坐標(biāo)系，圖3-4為草莓采摘機(jī)器人機(jī)械手的結(jié)構(gòu)以及各個(gè)連桿的坐標(biāo)系。各個(gè)連桿的編 號(hào)是從底座到末端執(zhí)行器依次為 0，1，2，3，4，5。 X5 Z5 Z3 Z4 X3 X4 Z2

29、X2 Z1 a& X1 3-4草莓采摘連桿坐標(biāo)系 表3-1草莓采摘機(jī)器人連桿參數(shù) i ai丄 di 1 0 90 0 2 0 0 I1 =2 3 0 0 l 2 4 0 90 l3 - 5 0 0 |44 ‘5 10 草莓采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在建立草莓采摘機(jī)械手正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的時(shí)候，可以把草莓采摘機(jī)器人機(jī)械手手臂看成 是由一系列關(guān)節(jié)連接起來(lái)的連桿構(gòu)成的。為每一個(gè)連桿建立一個(gè)三維坐標(biāo)系，并用齊次變 換來(lái)描述這些坐標(biāo)之間的相對(duì)位置和姿態(tài)。用矩陣iJT來(lái)描述第i號(hào)連桿相對(duì)于第i-1號(hào)連 桿的位姿關(guān)系，通

30、過(guò)齊次變換得到相鄰各個(gè)連桿之間的齊次變換矩陣為: I C 缶 —SQ i -diS；id i j diS〉i d (i=1,2 ……5) 1 11 草莓采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 # 草莓采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 式中Ce： COS》 Sr： Sin》 C、；i : COS、 i」 S、 i d : sin、 1 # 草莓采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 # 草莓采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) i和：連桿坐標(biāo)系｛i｝相對(duì)于｛i-1｝的變化矩陣 :-iJ :從Zi丄到乙繞Xi」旋轉(zhuǎn)的角度（逆時(shí)針為正） a」從Zi

31、」到乙沿Xi」測(cè)量的距離 di :從Xi丄到X i沿乙測(cè)量的距離 ?。簭腦」到Xi繞乙旋轉(zhuǎn)的角度（逆時(shí)針為正） 由圖3-4和表3-1可知 - cos 日 1 -sin 日 1 0 0_ T — siny cos 日 1 0 0 11 — 0 0 1 0 0 0 0 1 - cos 日 3 0 sin 日 3 0 一 3 = 0 1 0 0 —sin 0 3 0 cos 日 3 l 2 0 0 0 1 - cos85 -怖5 0 0 4t = sin 日 5 cos日 5

32、 0 0 51 0 0 1 丨4 0 0 0 1 cos85 —sin05 0 0 sin 日 5 cos日 5 0 0 0 0 1 l4 0 0 0 1 c o(s2 0 s i n2 0 一 0 1 0 0 —si n 2 0 c o(s2 l1 0 0 0 1 c o4 0 sin4 0 一 0 1 0 0 —si n4 0 c o4 l 3 0 0 0 1 1 # 草莓采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 # 草莓

33、采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 則草莓采摘機(jī)器人機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為: C 1 C 234 C 5 -S1 S5 燈彳/即丹卽=S1C234C^C1S5 —S234 C 5 0 _CQ 234 5 1C234 S5 _CQ5 234 S5 0 C1 S234 S1 S234 C 234 0 l 2C1 S2 J3C1S23 bC1S234 I2S1S2 |3SS23 |4SS l 1 l 2C2 l 3C 23 l 3C34 l 3C 234 1 # 草莓采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 # 草莓采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 其中 C1 ^O

34、^1,C2 =CO^2,C^CO^5,C234 二8^2=3 =3) 其 S =sin日 1$ Kin日 2，S5=sin日 5S234 Fn(日 2+日 3十日3) 1 # 草莓采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 設(shè)草莓在基座坐標(biāo)系 Xo,Yo，Zo沖的位置矢量p」Px，Py，PzI，方向向量n,o,a分別為 n=hx，nY，nzT，o =0x，oy，ozT，a =kx，aY，azT，則草莓在基座坐標(biāo)系中的位姿可以用下面的矩 Ox Oy Oz 0 陣表示: C1C234C5 —S1S5 "C 1 C234 S5 -S1S5 C1S234 I2C1S2 +I3C1S23

35、+| 4C1S234 SQ 234C5 CS5 -SQ234 S5 ~C1C5 S1S234 12S1S2 +I3S1S23 +| 4S1S234 —S234 C5 S234 S5 C234 11 +l 2 C2 +| 3C23 +l 3C 34 +l 3C234 0 0 0 1 - nx Ox ax Px — nY Oy aY Py nz Oz az Pz 0 0 0 1 ax aY az 0 Px Py Pz 1 上式就是草莓采摘機(jī)

36、械手的正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 3.5.2逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 圖3-5是本文設(shè)計(jì)的垂直多關(guān)節(jié)型5自由度的采摘機(jī)器手連桿的幾何關(guān)系。此機(jī)械手 上下臂等長(zhǎng)，設(shè)為丨。手爪中心位置P的坐標(biāo)設(shè)為（Px，Py.Pz）,腕部旋轉(zhuǎn)中心B的坐標(biāo)設(shè)為 （Qx，Qy,Qz）。由圖3-5可知下面的幾何關(guān)系式。 12 草莓采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 草莓采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) L 二 4 圖3-5機(jī)械手連桿幾何關(guān)系 tg + px Py OB Wlcos^ = Q： Q： Q； QZ =l【cosd2 asG2 = 3）】 日3 丄日3 =21 cos 3 cos（

37、 r v ） 2 2 2 設(shè)；軸與BP的夾角是「貝U存在下面的關(guān)系式： 匕=3 Q： =p： -BPcos（ ： —pcosH Q： = p： _BPcos（ ；! -；）sin v 1 Q；二p； BPsinj -；） 宀到二4的值由下面的計(jì)算公式可以得出： 二 1 -arctg 衛(wèi)■: 二 2arccos 2 2 Qx Qx Q Px 2l -arc cos 2lcos 3 2 上面得出機(jī)械手各個(gè)關(guān)節(jié)位置的各式是基于采摘機(jī)械手的上下臂相等的情況得到的, 基于草莓的生長(zhǎng)特性以及草莓采摘機(jī)器人工作的具體情況，參考相關(guān)的文獻(xiàn)，以及草莓采 摘機(jī)械手設(shè)計(jì)時(shí)的一些約

38、束條件， 本文選取機(jī)械手的上下臂長(zhǎng)度為510mm，上下臂的回轉(zhuǎn) 角度的取值為-45與2叩10，乞*叩20。機(jī)械手腰關(guān)節(jié)長(zhǎng)度取為100mm。在機(jī)器人工作時(shí), 機(jī)械手要采摘地壟左右側(cè)的草莓，因此腰關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度 r取值為-180㈡廠乞佗。。為保證 末端執(zhí)行器可以采摘到最低的草莓，手腕部分的長(zhǎng)度應(yīng)盡量的大些，因此手腕的長(zhǎng)度定位 850mm,手腕結(jié)構(gòu)參數(shù)寸4用于調(diào)整末端執(zhí)行器的位姿，使得末端執(zhí)行器以不同的位姿接近 果實(shí)，腕關(guān)節(jié) 陰實(shí)現(xiàn)手腕的俯仰動(dòng)作，因此將手腕的參數(shù)定為： 034叮20,-180 45叮80。 跟據(jù)設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器人機(jī)械手機(jī)構(gòu)參數(shù)， 從而構(gòu)建機(jī)械手的三維結(jié)構(gòu)模型，如圖3-6所示。

39、 從而得到機(jī)械手的重量為24.884kg,可以達(dá)到以腰關(guān)節(jié)為圓心，半徑為1713mm的半圓為采 摘范圍。同時(shí)也展示了機(jī)械手張開采摘與折疊收縮放入框中的位姿，如圖 3-7和3-8所示。 圖3-6機(jī)械手三維機(jī)構(gòu)模型 圖3-7機(jī)械手張開采摘草莓的位姿 圖3-8機(jī)械手折疊收縮放草莓入框的位姿 4草莓采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì) 4.1末端執(zhí)行器介紹 為了提高機(jī)械手的采摘效率，機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要合理并能有效的控制，但是要順利 并且高效的采摘到草莓，機(jī)械手手爪設(shè)計(jì)是十分重要的。所以一般將裝在機(jī)械手前端并直 接與采摘對(duì)象基礎(chǔ)的部分稱為末端執(zhí)行器。末端執(zhí)行器安裝在機(jī)械手的末端，其功能類似

40、 與人手，是直接與目標(biāo)物接觸。但末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)完全不同于人手，其基本結(jié)構(gòu)取決于 具體工作對(duì)象的特性與工作方式。對(duì)于采摘草莓的末端執(zhí)行器來(lái)說(shuō)，因?yàn)楦鱾€(gè)草莓之間存 在不同的個(gè)體之間的差異，在設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器時(shí)要考慮諸多因素。 末端執(zhí)決于工作對(duì)象的特性及工作行器的基本結(jié)構(gòu)取方式。大多數(shù)末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu) 和尺寸是根據(jù)其不同的作業(yè)任務(wù)要求來(lái)設(shè)計(jì)的，因而末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)多種多樣。到目前 為止，末端執(zhí)行器都是專用的。在設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器的時(shí)候，應(yīng)該考慮手指數(shù)量、手指關(guān)節(jié) 數(shù)量、以及摘取果實(shí)時(shí)的方式等等。末端執(zhí)行器是直接接觸果實(shí)的一個(gè)很重要部件，所以 在采摘果實(shí)時(shí)，為避免碰傷果實(shí)，大多采摘機(jī)器人的手指內(nèi)側(cè)接觸果

41、實(shí)的部位采用尼龍或 橡膠材料［14］ 0 4.2末端執(zhí)行器的分類 草莓采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器有多種類型［15—16］，根據(jù)其用途和結(jié)構(gòu)的不同可以將末端 執(zhí)行器分為機(jī)械式夾持器和吸附式夾持器；按手爪的運(yùn)動(dòng)方式可以分為平移型和回轉(zhuǎn)型。 回裝型手爪又分為單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型。按夾持方式分為外夾式和內(nèi)撐式；按驅(qū) 動(dòng)方式又可以分為電動(dòng)、液壓和氣動(dòng)三種；按手爪個(gè)數(shù)又可以分為雙指和多指。 4.2.1兩個(gè)手爪的末端執(zhí)行器 最初，用于草莓采摘的機(jī)器人末端執(zhí)行器有兩個(gè)平行的手指，由于草莓成束成長(zhǎng)，這 種末端執(zhí)行器在收獲果實(shí)時(shí)容易損壞鄰近的果實(shí)和莖干，為解決上述問(wèn)題，可以讓手爪直 接夾持草莓果柄。兩個(gè)

42、手爪的末端執(zhí)行器具有采摘成功率高，但是對(duì)于一些隱藏在花梗、 葉子、果實(shí)等后面的成熟果實(shí)，末端執(zhí)行器還不能進(jìn)行有效的避障。 422兩個(gè)以上手爪的末端執(zhí)行器 相對(duì)于兩個(gè)手爪的末端執(zhí)行器，多爪的末端執(zhí)行器在抓取草莓的時(shí)候穩(wěn)固性有所提 高。如固定式草莓采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器有四個(gè)平行且彎曲的手指，這種末端執(zhí)行器可 以采摘各種形狀和大小的草莓，同時(shí)也適合采摘?jiǎng)e的水果。雖然手爪的數(shù)量越多抓取效果 越好，但是手爪的控制也越復(fù)雜。末端執(zhí)行器有三個(gè)手爪，手指內(nèi)各有一條線連接指間的 鋼絲繩，指尖圍成一個(gè)圓形，三個(gè)手指內(nèi)側(cè)有橡膠。在采摘果實(shí)的時(shí)候，鋼絲繩拉緊，三 個(gè)手指向中心彎曲，抓住果實(shí)后用剪刀剪切下來(lái)；鋼

43、絲繩松開的時(shí)候，三指在彈簧的作用 下張開，所以在末端執(zhí)行器不工作的時(shí)候處于張開狀態(tài)。 4.3夾持式末端執(zhí)行器的選型 夾持式末端執(zhí)行器也稱之為夾持式手部，它是直接用于草莓接觸的部件，執(zhí)行人手的 功能。夾持式手部是由手指、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置三部分組成的，它可以抓取各種形狀和 大小的果實(shí)。一般情況下，這種手指采用兩指。驅(qū)動(dòng)裝置多采用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)源有液壓 式、氣動(dòng)式和電動(dòng)的幾種形式。傳動(dòng)裝置通過(guò)滑槽、斜楔、齒輪齒條和連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)加緊 和松開。夾持式手部一般是由轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副組成的機(jī)構(gòu)，它可以實(shí)現(xiàn)手爪的單純回轉(zhuǎn)、 單純的平移。因此夾持式手部分平移型和回轉(zhuǎn)型兩種方式。 4.3.1夾持式末端執(zhí)行選擇

44、的基本要求 1） 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力 機(jī)器人手部機(jī)構(gòu)靠手爪夾緊作業(yè)對(duì)象并進(jìn)行采摘，最后將采摘對(duì)象移送到目標(biāo)位置。 由于草莓本身的重量以及在機(jī)械手動(dòng)作過(guò)程中產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)等，機(jī)器人的手爪必須 要有足夠的夾緊力，才能防止在作業(yè)過(guò)程中草莓不會(huì)滑落。因此末端執(zhí)行器手爪的夾緊力 大小要合適。末端執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)該有足夠的驅(qū)動(dòng)力。一般情況下，機(jī)械手爪的夾緊 力為作業(yè)對(duì)象的兩到三倍。在一定的夾持力的情況下，機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比不同，所需要的驅(qū)動(dòng)力 的大小也是不同的。 2） 手指要有一定的開閉范圍 手指具有足夠的開閉角度或開閉距離，以便在采摘果實(shí)的時(shí)候能夠順利的采摘和松開 果實(shí)；另外手爪夾持草莓中

45、心位置變化要小。 3） 保證果實(shí)在末端執(zhí)行器手爪中的夾持的精度 為使采摘對(duì)象和采摘機(jī)器人的手爪保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)作業(yè)對(duì)象的形狀選 擇相應(yīng)的手爪形狀進(jìn)行定位。 4） 末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)要求緊湊、重量輕、采摘的效率高，并且要確保本身的剛度和 強(qiáng)度。 4.4末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)型式和工作原理 4.4.1整體結(jié)構(gòu) 16 草莓采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 整體結(jié)構(gòu)如圖4-1所示，末端執(zhí)行器全長(zhǎng)309m（機(jī)械手爪頂端到回轉(zhuǎn)底座），主要包 括一個(gè)伺服電機(jī)，一套曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，一個(gè)鎳鉻電熱絲，二個(gè)機(jī)械手爪，二個(gè)橡膠墊片。 1 5 1曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 2伺服電機(jī)3鎳鉻電熱絲 4橡膠掉片5機(jī)械

46、手爪 2 2 17 草莓采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 # 草莓采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 4 3 右移 -?放松 左移 圖4-1末端執(zhí)行器整體結(jié)構(gòu) 4.4.2工作原理 由機(jī)器人本體上的視覺(jué)定位系統(tǒng)定位果實(shí)，機(jī)械臂帶動(dòng)末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)到指定位置采 摘果實(shí) 1）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)將要采摘的水果尺寸、成熟度和表面有無(wú)損傷進(jìn)行識(shí)別，將檢測(cè)信號(hào) 反饋給上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)信號(hào)啟動(dòng)末端執(zhí)行器電機(jī)。 2）由曲柄連桿機(jī)構(gòu)［17］，把電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)滑塊 1向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，銷3 在兩個(gè)杠桿4的滑槽中移動(dòng)，使得與支架2相連的兩個(gè)手指實(shí)現(xiàn)松開動(dòng)作；反之

47、，當(dāng)滑塊 1向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，手指夾緊，如圖 4-2所示 1滑塊2銷3手爪4支架 圖4-2滑塊工作說(shuō)明圖 2 # 草莓采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.5主要部件設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)的整體思路就是在很好達(dá)到預(yù)期效果的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，操作容易，運(yùn)動(dòng) 靈活，安全可靠且成本低廉。整個(gè)末端執(zhí)行器只采用一個(gè)動(dòng)力源一伺服電機(jī)。 4.5.1傳動(dòng)部分設(shè)計(jì) 此部分由基座，伺服電機(jī)，傳動(dòng)軸，曲柄，連桿，滑塊， U型槽，銷組成。如圖4-3 所示。 8 7 1 2 \ 3 4 1曲柄2傳動(dòng)軸3伺服電機(jī)4基座5銷6 U型槽7滑塊8連桿 4-3末端執(zhí)行器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖 電機(jī)主軸通過(guò)聯(lián)

48、軸器帶動(dòng)曲柄旋轉(zhuǎn)，然后由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為滑塊的往 復(fù)運(yùn)動(dòng)［17］，當(dāng)連桿在初始位置時(shí)（如圖4-4所示），手爪松開。當(dāng)連桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊 左移，使銷在滑槽中移動(dòng)，手爪夾緊（如圖 4-5所示）。當(dāng)連桿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊左移， 手爪夾緊，恢復(fù)初始位置［18］。 4-4末端執(zhí)行器連桿初始位置 4-5末端執(zhí)行器連桿夾緊位置 4.5.2抓取和切斷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 此部分由兩個(gè)個(gè)機(jī)械手爪（具體尺寸見手爪工程圖），兩個(gè)橡膠墊片組成和一根鎳鉻 電熱絲組成。抓取時(shí)不以草莓果實(shí)作為抓取目標(biāo)，而是夾切草莓果柄，不傷害果實(shí)，同時(shí) 采用鎳鉻電熱絲切割果柄可以防止切口感染細(xì)菌而腐爛，影響果實(shí)品質(zhì)。

49、 5結(jié)論與建議 5.1結(jié)論 本文研制的草莓采摘機(jī)器人用于國(guó)內(nèi)棚載草莓的收獲， 具有使用價(jià)值。得出如下結(jié)論: 1、 本文重點(diǎn)設(shè)計(jì)了一臺(tái)草莓采摘機(jī)器人，并且制作了三維模型圖，適合國(guó)內(nèi)草莓的 種植環(huán)境。根據(jù)查閱不同渠道的資料以及實(shí)地勘察的數(shù)據(jù)，以電動(dòng)裝置作為驅(qū)動(dòng)源，降低 了生產(chǎn)成本，符合國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)行情。采用該機(jī)構(gòu)，可以在較窄且不平坦的壟溝中行走。 2、 本文還將重點(diǎn)放在研究了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效、不傷果實(shí)的草莓采摘機(jī)械手，并 且制作了三維模型圖。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)草莓采摘機(jī)械手爪在設(shè)計(jì)上還沒(méi)有實(shí)質(zhì)性突 破，實(shí)用性差，無(wú)法應(yīng)用于實(shí)際草莓采摘作業(yè)環(huán)境的情況，巧妙地設(shè)計(jì)并研制了一種動(dòng)力 單一、外

50、形小巧、簡(jiǎn)單實(shí)用、操作方便的機(jī)械手爪［19］。 5.2工作展望和建議 草莓的自動(dòng)采摘是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，它包含了多個(gè)任務(wù)，需要對(duì)環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí) 時(shí)分析解析。筆者在本文的研究中，重點(diǎn)放在了草莓采摘機(jī)械本體、機(jī)械手和末端執(zhí)行器 上，但是對(duì)于視覺(jué)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等方面的內(nèi)容并未做深入研究，建議后續(xù)研 究。 19 草莓采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 參考文獻(xiàn) [1] 梁麗娟.草莓采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn) [碩士論文].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué).2007.5 [2] 馮青春，鄭文剛，姜?jiǎng)P，等.高架栽培草莓采摘機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì) .農(nóng)機(jī)化研究，2012:123 —124 [3] 重慶蔬菜信息.農(nóng)

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53、Seiichi Arima，Naoshi Kondo，Mitsuji Monta，etal. Strawberry Harvesting Robot on Table — top Culture] C ]/ /2004 ASAE /CSAE Annual International Meeting ，2004， Paper Number: 043089. Naoshi Kondo， Kazunori Ninomiya， Shigehiko Hayashi， etal. A New Challenge of Robot for Harvesting Strawberry Grown on Table Top Culture [C] / /2005 ASAE Annual International Meeting ，2005 . 20 草莓采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 致謝 本論文是在老師的精心指導(dǎo)下完成。從選題、論證、設(shè)計(jì)、到畢業(yè)論文的撰寫無(wú)不滲 透著恩師的心血。老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的知識(shí)、對(duì)問(wèn)題的敏銳的洞察力、精益求精 的務(wù)實(shí)學(xué)風(fēng)讓我受益良多；同時(shí)，老師在生活和學(xué)習(xí)上對(duì)我給予了無(wú)微不至的關(guān)懷和教誨 最后，再次表示衷心的感謝。 21