水果采摘裝置的設計【仿生機械手含SW三維仿真及13張CAD圖】
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I任務書題 目 水果采摘裝置設計題目來源 自擬學生姓名 學 號 專業(yè)班級指導教師 職 稱 教 研 室畢業(yè)論文（設計）任務與要求為了減輕果農的勞動強度，提高采摘效率，避免爬高造成意外傷害事故，設計一款采摘設備，要求能滿足各種高度的采摘作業(yè)，不損傷水果，水果類型可自定。要求完成該裝置的結構設計，并進行相關的校核，完成設計說明書撰寫，并完成裝配圖（包括三維裝配）以及相關零件圖，二維圖紙量至少保證 1.5 張 A0 圖紙。畢業(yè)論文（設計）工作進程起止時間 工作內容2017.12.5-2017.12.282017.12.29-2018.2.282018.3.1-2018.3.312018.4.1-2018.4.302018.5.1-2018.5.11查（借）閱資料，了解本課題設計重點，注意事項，撰寫開題報告。繼續(xù)閱讀文獻，制定采摘裝置設計方案。結構設計、計算及校核。繪制裝配圖及零件圖，撰寫畢業(yè)設計。指導老師、評閱老師評閱，整理資料準備答辯。II2018.5.12 答辯。指導教師（簽字） 畢業(yè)論文工作組組長（簽字） 任務接受人（簽字） 畢業(yè)論文（設計）起止時間： 2017 年 12 月 5 日 至 2018 年 5 月 12 日 注：本表于每學年第 1 學期 18 周，經(jīng)畢業(yè)論文工作組審批，隨畢業(yè)論文裝訂由學院存檔。開題報告論文（設計）題目 水果采摘裝置設計學生姓名 學號 指導教師1、研究目的及意義我國是一個農業(yè)大國，水果產業(yè)是我國農業(yè)產業(yè)中的重要組成部分。水果種植產業(yè)最重要的操作環(huán)節(jié)便是果實成熟時的采摘作業(yè)，其勞動強度大、消耗時間長，同時由于樹高的限制，高處的果實很難采摘，也具有一定的危險性。所以需要設計一款簡單易于操作，但又效率高，易于生產，可以大面積推廣的設備，有來輔助生產過程中采摘的環(huán)節(jié)。以保證生產效率和生產安全，將更多的勞動力解放出來。二、國內外發(fā)展狀況（1）國外在德國，美國，法國，韓國，日本等發(fā)達的國家，隨著產業(yè)多樣化，國際化，以及農業(yè)生產工作性質等原因，農業(yè)生產活動勞動力不足遠比其它行業(yè)來的嚴重。為了解決勞動力分散不均勻，保障生產，提高人們的生活質量，各個國家都不斷研發(fā)出了一些農業(yè)機械手。例如美國在 1883 年成功研制了世界上第一臺西紅柿采摘機械手；1987 年研制出了對于樹冠外的果實分辨率很高于的柑橘采摘的機械手。韓國在 1998 年也開發(fā)研制了一種利用傳感器的識別專門用來采摘成熟果實的蘋果III采摘機械手。而且該裝置還可以比較輕松的在果園里自由移動，工作空間范圍較廣。 而作為新興的發(fā)達國家的代表，日本在農業(yè)機器人研究方面更是全面且多方位。例如為了噴灑農藥專門設計出來的噴農藥機器人，傳感器的加入使它能自動的噴灑農藥。還有為了嫁接特意設計的機器人，極速的嫁接成倍的提高了生產效率。施肥機器人利用橡皮做成的四個超窄輪子可以做到在在狹窄的作物間行走。人機協(xié)作型機器人則是通過人與機械手的共同協(xié)調作用來完成水果采摘的。在采摘過程中，通過用人來完成定位與機器的導航的任務，而其它的工作（例如：關節(jié)的轉動，末端執(zhí)行機構等）則是由機器人精準控制來協(xié)調完成。 除此之外，日本還研究了西紅柿，葡萄，草莓，黃瓜等一系列的水果采摘機器人。（2）國內作為一個果蔬生產大國，中國雖然在農業(yè)機械自動化方面晚起步于其他發(fā)達國家，但是先天的不足不能扼住奮發(fā)的國人。1997 年，東北林業(yè)大學教授陸懷民以液壓為驅動，配合以單片機控制系統(tǒng)，成功的研制出了松木球果實采摘機器人。果實采摘作業(yè)時，由底部的行走機構帶動五自由度的機械手靠近果樹，然后由控制系統(tǒng)控制液壓缸實現(xiàn)大小臂的俯仰從而實現(xiàn)果實的精確采摘。2001 年，針對番茄采摘采摘過程中定位不精準的問題，張瑞合等人巧妙地運用雙目立體視覺的辦法成功的解決了這一大難題。2005 年，梁喜鳳 苗香雯 等人針對番茄機械手的機械運動特性問題成功的進行了結構的優(yōu)化的運動的仿真。而近年來,隨著國家對農業(yè)的重視和資源投入加大,作為農用機械的一大熱 點,機械手更是有了質的優(yōu)化和跨越,不過面對復雜多變的工作環(huán)境,機械手的研究依 舊任重而道遠。三、研究內容1） 、設計方案的確定。二） 、初步做出整個裝置的零件圖和裝配圖。三） 、使用相關軟件做出三維圖，并對裝置進行模擬實驗和力學分析。并且對設計進行優(yōu)化。四） 、對裝置進行加工和裝配。五） 、使用裝置進行實地實驗和調試并且分析優(yōu)缺點以便后期改進。六） 、撰寫畢業(yè)設計論文在教師指導作用下，獨立完成設計任務書，培養(yǎng)一定的創(chuàng)新意識和較強的設計學習能力，完成裝置的整個設計說明，并附加相關的圖紙和計算，計算步驟清晰明了，計算結果正確，設計繪圖等符合國家標準，撰寫設計說明書時要語言通IV順，文字簡練，圖示清晰。四、研究方案以及步驟本課題設計劃分為以下三個階段：第一階段：1）認真閱讀任務要求，明確設計目的2）查閱資料，了解本課題設計重點，注意事項3）設計初期方案。第二階段：1）做出零件圖和裝配圖。2）做出三維圖并且進行軟件模擬和力學分析。第三階段：1）對設計進行優(yōu)化和加工實物。2）教師評閱、 學生修改 3）制作畢業(yè)答辯的 PPT五、論文提綱第一章 緒論1.1.課題背景及目的1.2 水果采摘裝置國內外發(fā)展現(xiàn)狀第 2 章 裝置的設計原理和初步設計2.1 裝置的構想和原理2.2 零件圖和裝配圖第三章 三維圖的繪制裝配3.1 各個零件三維圖的繪制3.2 裝配第四章 應力分析壽命計算及其優(yōu)化V4.1 零件應力分析4.2 零件的壽命計算4.3 分析結果和優(yōu)化第 5 章 實物的加工5.1 材料的選擇準備及加工余量的計算5.2 加工代碼的生成和轉換5.3 機加過程5.4 零件的修整和裝配第 6 章 實物實地實驗第七章 實物優(yōu)缺點的分析和優(yōu)化致謝六、工作量的估計、工作條件 1.工作量的估計1 撰寫設計論文及設計說明書（不少于 8000 字） ；2 完成零件圖裝配圖和三維圖；3 手工繪圖一張；4 制作畢業(yè)答辯的 PPT；5 翻譯一篇外文論文。2.工作條件1.圖書館，圖書期刊資料和電子文獻資料2.裝有制圖軟件的電腦，繪制二維圖、三維圖3.制圖室，繪制圖紙3.工作進程VI2017.12.5-2017.12.28 查（借）閱資料，了解本課題設計重點，注意事項，撰寫開題報告。2017.12.29-2018.2.28 繼續(xù)閱讀文獻，制定采摘裝置設計方案。2018.3.1-2018.3.31 結構設計、計算及校核2018.4.1-2018.4.30 繪制裝配圖及零件圖，撰寫畢業(yè)設計。2018.5.1-2018.5.11 指導老師、評閱老師評閱，整理資料準備答辯2018.5.12 答辯。七、存在的問題及擬解決采取的措施1.前期設計思路和裝置原理的欠缺所以需要不停地查閱相關資料來確定初步方案。2.在零件的各種計算和繪圖中可能會因為專業(yè)知識的不足進度較慢，要多和指導老師聯(lián)系，和學習。3.在論文的撰寫過程中可能會因為缺少經(jīng)驗導致撰寫的不夠嚴謹，要多請教指導老師，不斷地查驗修改。參考文獻[1] 中國機械工程鑄造分會.鑄造工藝 5[M].2011.9[2] 李紅英，趙成志 .鑄造工藝設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.3[3] 賈宏志，傅明喜 .金屬材料液態(tài)成型工藝[M].北京：化學工業(yè)出版社，2008.2VII[4] 王占武，王碩儒 .鑄造，1986[5] 王文清，李魁盛 .鑄造工藝學.北京：機械工業(yè)出版社，2002.10[6] 劉瑞玲，范金輝 .鑄造實用數(shù)據(jù)速查手冊.北京：機械工業(yè)出版社，2006.8[7] 陸文華，李隆盛，黃良余等.鑄造合金及其熔煉.北京：機械工業(yè)出版社，2002[8] 王壽彭.鑄件形成理論及工藝基礎.西安：西北工業(yè)大學出版社，1994[9] 吳光峰.鑄造工藝裝備設計手冊.北京：機械工業(yè)出版社，1999[10] 樊自田. 先進材料成形技術與理論.北京：化學工業(yè)出版社，2006[11] Characterizations of temperature effects on sintered ceramics manufactured with waste foundry sand and clay Form Deng-Fong Lin. Huan-Lin Luo.Jyung-Dong Lin Mei-Ling Zhuang指導教師意見及建議（從選題、理論與實證準備、研究（設計）方法、工作安排等方面給出評價，并提出指導意見）：該生通過查閱大量資料了解水果采摘設備的基本要求，制定了合理可行的設計方案，選題符合機械專業(yè)要求，同意開題。指導教師簽名：VIII年 月 日畢業(yè)論文工作組意見及建議準予開題畢業(yè)論文工作組組長簽字：年 月 日注：1.此表由學生填寫后，交指導教師簽署意見，經(jīng)畢業(yè)論文（設計）工作組審批后，才能開題。IX中期檢查表論文（設計）題目 水果采摘裝置設計學生姓名 學號 指導教師計劃完成時間按照進度安排應完成的任務2016.12.5-2016.12.28 查（借）閱資料，了解本課題設計重點，注意事項，撰寫開題報告。 2016.12.29-2017.2.28 繼續(xù)閱讀文獻，制定采摘裝置設計方案。 2017.3.1-2017.3.31 結構設計、計算及校核實際完成情況查閱資料后了解到本課題的設計重點和注意事項，按時完成了開題報告以及文獻翻譯。通過深入了解資料，制定了設計方案，和進行了初步的計算和論文大綱的撰寫。目前有哪些問題和困難，擬采取的解決方法在第一次確定了設計方案后在后來實際設計中表現(xiàn)出機械結構過于簡單的缺點，下一步打算對設計方案再次進行修改和完善，使設計符合要求。X(以上欄目由學生填寫)檢查中發(fā)現(xiàn)的問題與建議前期基本能按進度要求完成階段任務，制定了采摘系統(tǒng)的基本方案，但是系統(tǒng)太過簡單，建議重新選擇仿生機械手結構。畢業(yè)論文工作組組長簽名： 年 月 日注：1.最后一欄由指導教師填寫。2.此表隨畢業(yè)論文裝訂并由學院存檔。XI指導教師評分表學院：XXX 專業(yè)班級： XXXX 姓名：XXXX 學號：XXX 畢業(yè)論文題目 水果采摘裝置設計評 價 項 目（參考） 分值 打分01 工作態(tài)度，工作作風工作態(tài)度 02 畢業(yè)論文完成情況20 1903 查閱文獻資料能力04 綜合運用知識能力05 研究方案的設計能力06 研究方法和手段的運用能力能力水平07 外文應用能力40 3308 文題相符程度09 寫作水平10 寫作規(guī)范程度11 篇幅，論文工作量論文質量12 論文的理論或實際價值40 29綜合評定成績 81XII評價意見該生通過認真審題，查閱相關文獻，充分利用所學知識，確定了該水果采摘裝置的方案，設計確定了仿生機械手結構，并采用 3D打印技術完成了該作品。該生能積極思考，主動學習，達到了本科畢業(yè)設計的要求。是否同意答辯 同意按期進行答辯指導教師（簽名）： 年 月 日注：此表隨畢業(yè)論文裝訂并由學院存檔。XIII評閱教師評分表學院：XXX 專業(yè)班級： XXXX 姓名：XXXX 學號： XXXXX 畢業(yè)論文題目 水果采摘裝置設計評 價 項 目（參考） 分值 打分01 查閱文獻資料能力02 綜合運用知識能力03 研究方案的設計能力04 研究方法和手段的運用能力能力水平05 外文應用能力50 4506 文題相符程度07 寫作水平08 寫作規(guī)范程度09 篇幅，論文工作量論文質量10 論文的理論或實際價值50 44綜合評定成績 89XIV評價意見該生完成了水果采摘裝置設計，通過查閱大師資料，硬定了總體方案，完成了三維建模，設計及關鍵零部件校核，最后通過 3D 打印完成了相關零件加工，完成了總體裝配，分析了手指工作原理，可實現(xiàn)水果的抓取工作。文中 雖然分析了手指工作原理，但沒有分析其手指工作空間，可實現(xiàn)多大水果的抓取及可抓重物的大小。 論文觀點正確，論據(jù)充分，論證方法正確，可用來指導實際，敘述語言規(guī)范，流暢，格式規(guī)范，分析方法正確，圖文齊全規(guī)范。同意該生參加答辯。是否同意答辯 同意評閱教師（簽名）： 年 月 日注：此表隨畢業(yè)論文裝訂并由學院存檔。XV答辯及成績評定表學生姓名 學號 專業(yè)名稱答辯時間 答辯地點 指導教師題 目 水果采摘裝置設計 記錄人姓 名 職 稱 姓 名 職 稱答辯小組成員提問及回答情況記錄（3~4 個主要問題）：1.如何采摘果實？答：通過機械手的抓取包絡和扭轉拉斷果柄來實現(xiàn)采摘。2.此次設計的二維圖紙是否合格？答：根據(jù)任務書要求完成了所有零件的二維圖紙。3.論文的格式有的地方不對。答: 這是打印時沒注意，下來會修改。記錄人簽字：年 月 日答辯小組評語及成績：評閱意見：該生能在規(guī)定時間內比較流利、清晰地闡述論文的主要內容，能恰當回答與論文有關的問題。答辯小組經(jīng)過充分討論，根據(jù)該生論文質量和答辯中的表現(xiàn)，答辯成績建議 84 分，評定論文成績?yōu)椤傲己谩贝疝q小組組長簽字： 年 月 日XVI指導教師成績 81 ×40% =32.4評閱教師成績 89 ×20% =17.8答辯成績 84 ×40% =33.6畢業(yè)論文總評成績83.8 論文 等級畢業(yè)論文工作組意見：畢業(yè)論文工作組組長簽名： 年 月 日注：1、總評成績=指導教師成績×40%＋評閱教師成績×20%＋答辯成績×40%。2、論文等級分優(yōu)秀（≥90 分） 、良好（80-89 分） 、中等（70-79 分） 、及格（60-69 分） 、不及格（＜60 分） 。此表隨畢業(yè)論文裝訂并由學院存檔XVII水果采摘裝置設計摘要：本文主要對一種水果采摘裝置進行了初步的設計。這個裝置是一個仿生的采摘機器人的機械手。該裝置必須依附于新型的蘋果采摘機器人，仿生機械手主要使用合適的鋼絲作為傳動鏈將裝置的驅動部位和執(zhí)行部位分開，將驅動部分放于機械手臂的尾部，目的在于減輕機械臂的質量，也大大增加了所需要用到的驅動電機的可選擇的范圍。首先，對仿生采摘機械手的整體設計進行了查閱資料和確定設計方案。在確定方案的過程中修改優(yōu)化了兩次，最終確定為仿生機械手裝置；其次，設計計算并對裝置進行三維建模，繪制出零件圖然后裝配。最后利用有限元分析軟件進行力學分析，采用 3D 打印技術對零件進行了加工，人工裝配，制造出了設計的實物。此次的采摘機械手設計方案經(jīng)研究合理有效，符合任務要求，它的整體性能可以滿足新型機器人采摘蘋果的所需采摘裝置。關鍵詞：蘋果采摘機器人；仿生機械手；機械設計XVIIIDesign of Fruit Picking DeviceAbstract：In this paper, a kind of fruit picking device is designed. The device is a biomimetic hand for picking a robot. The device must be attached to a new type of Apple picking robot. It mainly uses steel wire as a transmission chain to separate the drive part from the execution part, and the drive part is placed on the tail part, reducing the quality of the robot arm. The range of options for the required drive motor has also been increased.Firstly, the overall design of the Bionic picking manipulator is reviewed and the design scheme is determined. Secondly, the device is modeled in three dimensions, the parts are mapped and assembled. Finally, using software for mechanical analysis and then using 3D printing technology, the parts were processed, manually assembled, and the designed physical objects were produced.This picking scheme is reasonable and effective, and its overall performance can meet the requirements of the new robot to pick apples.Key words: Apple picking robot; Bionic manipulator; Mechanical designXIX目錄摘要 ........................................................................................................................................IAbstract..................................................................................................................................II1.緒論 ....................................................................................................................................11.1 課題背景及目的 .....................................................................................................11.2 國內外采摘機器人研究進展 ..................................................................................11.3 主要內容和研究方法 ..............................................................................................21.3.1 主要研究內容 ..............................................................................................21.3.2 主要研究方法 ...............................................................................................21.4 本章小結 ..................................................................................................................22.采摘裝置仿生機械手的設計 .............................................................................................32.1 新型農業(yè)采摘機器人的特點 ..................................................................................32.2 水果采摘機器人設計中存在的問題和解決方案 ..................................................32.3 采摘方式和分離方式的選擇 ..................................................................................42.3.1 采摘方式的選擇 ...........................................................................................42.3.2 分離方式的選擇 ...........................................................................................62.4 仿生機械手的總體結構設計 ..................................................................................72.4.1 蘋果采摘方式分析 .......................................................................................72.4.2 總體設計 .......................................................................................................72.5 手指結構設計 ..........................................................................................................8XX2.5.1 手指數(shù)量 .......................................................................................................82.5.2 手指關節(jié)數(shù)量 ...............................................................................................92.5.3 手指的材料選擇 ...........................................................................................92.6 機架的設計 ............................................................................................................102.7 驅動方案的選擇 ....................................................................................................102.8 本章小結 ................................................................................................................113.仿生機械手靜力學分析 ...................................................................................................123.1 手指的工作原理 ...................................................................................................123.2 抓取時的靜態(tài)力學模型 .......................................................................................123.3 運動學分析 ...........................................................................................................153.4 手部的夾持誤差計算 ............................................................................................153.5 本章小結 ................................................................................................................184.仿生機械手 3D 建模及重要零件的有限元分析 .............................................................194.1 軟件概述 ...............................................................................................................194.2 機械手的虛擬設計與裝配 ....................................................................................194.2.1 模型的建立 .................................................................................................194.2.2 裝配 .............................................................................................................224.3 重要零件的有限元分析 .....................................................................................23總結 .....................................................................................................................................24參考文獻 .............................................................................................................................25致謝 .....................................................................................................................................27XXI11.緒論1.1 課題背景及目的我國是世界農業(yè)大國，而水果業(yè)恰恰是我國農業(yè)的重要一個組成部分。 果實成熟時最重要的操作環(huán)節(jié)是采摘作業(yè)。 勞動強度高，消耗時間長。 同時，由于樹高的限制，高處位置的果實難以采摘，存在一定的風險。所以需要設計一款簡單易于操作，但又效率高，易于生產，可以大面積推廣的設備，有來輔助生產過程中采摘的環(huán)節(jié)。以保證生產效率和生產安全，將更多的勞動力解放出來。隨著新型農業(yè)技術，機械技術和自動化技術的快速發(fā)展和應用，農業(yè)采摘機器人已經(jīng)進入我們的視線，使得生產向智能化發(fā)展。所以本次設計偏向機器人采摘裝置，主要會設計采摘部分所需要的仿生機械手。主要達到用來提高生產效率改善生產狀況，保證生產安全等目的。1.2 國內外采摘機器人研究進展果蔬采摘機器人的發(fā)明始于 20 世紀 60 年代，在美國二十世紀，采摘的主要方法是機械和氣動搖動。果實的脆弱性是果實的脆弱性、低效率、特定的采收率、有限的采摘、新鮮果蔬的存在。但從那時起，隨著電子和計算機技術的發(fā)展，特別是工業(yè)機器人和日益復雜的計算機圖像處理技術和人工智能技術的發(fā)展，拾取機器人的研究和技術發(fā)展迅速發(fā)展。目前，日本、荷蘭、法國、英國、意大利、美國、以色列、西班牙等國家對果蔬采摘機器人進行了研究，包括柑桔、蘋果、西紅柿、櫻桃番茄、蘆筍、黃瓜、黃瓜、葡萄、卷材、菊花。草莓、蘑菇等。這些好處并沒有真正使機器人商業(yè)化。在中國農業(yè)機器人領域起步較晚。但這不可能難住奮斗者，近年來，已經(jīng)進行了大量的研究。東北林業(yè)大學教授盧懷敏成功研制了一種液壓驅動的松果采摘機器人和單片機控制系統(tǒng)。梁希鳳，苗向文等 成功模擬了番茄機器人機械特性的結構優(yōu)化運動。鑒于番茄采摘選番時定位不準確的問題，張瑞鶴等人巧妙地利用雙目立體視覺成功解決了這個大問題。 張劍鋒，董健，張志勇等自適應棒跟蹤控制算法的采摘機器人設計;機器人視覺傳感器三維立體設計中國農業(yè)大學劉召祥，劉剛等人摘取了江蘇大學蘋果蔡建榮的三維信息。 近年來，隨著國家重視農業(yè)，加大對資源的投入，作為農業(yè)機械的重點，機器人得到了質的優(yōu)化和跨越，但面對復雜多變的工作環(huán)境，對機器人的研究依然存在 一樣。 還有很長的路要走。21.3 主要內容和研究方法1.3.1 主要研究內容(1)采摘裝置設計方案的確定。(2)初步做出整個裝置的零件圖和裝配圖。(3)使用相關軟件做出三維圖，并對裝置進行模擬實驗和力學分析。并且對設計進行優(yōu)化。(4)對裝置進行加工和裝配。(5)撰寫畢業(yè)設計論文1.3.2 主要研究方法（1）查閱和瀏覽資料利用課本和圖書館等現(xiàn)有圖書對研究課題進行深入理解和設計不斷地改進和優(yōu)化，利用網(wǎng)絡資源瀏覽并學習相關知識，查看相關文章圖片和視頻對設計內容有深切的認識。（2）軟件建模和力學分析利用軟件進行三維建模把設計內容玩真的體現(xiàn)于三維圖中，使得設計過程和優(yōu)化過程方便快捷，利用軟件所有的力學分析功能對零件進行力學分析保證設計零件的壽命和合理性。（3）3D 打印技術進行加工利用學?，F(xiàn)有的 3D 打印設備對零件進行加工和后期人工的裝配，以便于直觀的將設計進行說明和展現(xiàn)。1.4 本章小結本章節(jié)主要對課題研究的背景和目的進行闡述，對國內外研究的發(fā)展狀況進行了陳述，對研究的內容和方法進行了討論和確定，為接下來的設計進行了總領的作用。32.采摘裝置仿生機械手的設計2.1 新型農業(yè)采摘機器人的特點在目前的工業(yè)生產中已經(jīng)有大量的工業(yè)機器人投入生產加工的流水線中，但是在農業(yè)中機器人的應用并不是十分的凸顯，原因有很多，最直接的原因就是農業(yè)機器人所要面對的工作對象和工作環(huán)境和工業(yè)機器人大有不同，技術難度比較高很難實現(xiàn)智能化的生產工作，所以對新型農業(yè)采摘機器人討論得出它具體有以下幾個特點： （1）非結構性的操作環(huán)境。由于作物隨時間和空間的變化，工作環(huán)境是不可預知的。而且形式多變的。除了地形條件的限制外，它還直接受作物生長環(huán)境的季節(jié)、氣候和其他自然條件的影響。這不單單要考慮到裝置的靈活性還要有很大的智能性，并能適應多變的自然環(huán)境，在視覺、觸覺、多傳感器融合、知識推理和判斷等方面具有相當?shù)闹悄堋?（2）被采摘水果的易損性和位置不可預測性。眾所周知，新鮮的水果較為嬌嫩若采摘不當定會造成采摘的損傷和經(jīng)濟的損失，而其水果在樹體上所處的位置高低及被樹葉的遮擋程度。這些都將是水果機械采摘所要面臨的問題。都需要被合理的解決。 （3）運動軌跡的復雜性。機器人一般要一邊移動一邊進行拾取操作，這一問題是比較復雜的，此時不像工業(yè)機器人那樣具有固定的軌道和可以判斷的距離，動作的同步要求就比較高了，在后期的控制中就比較要求高了。 （4）操作對象和市場價格的特殊性。由于水果采摘裝置主要為農業(yè)生產者來使用所以一定要便于操作和保養(yǎng)維護之類，而其要是和不同的性別和年齡段的勞動者。并且價格不能過于昂貴，以至于果農成本太高不愿意使用采摘裝置。2.2 水果采摘機器人設計中存在的問題和解決方案采摘機器人機械手設計是水果采摘機器人的一個核心設計。因為我們現(xiàn)在一般水果的表皮都比較脆弱容易損傷，而且水果的形狀以及生長在果樹上的位置通常比較復雜。所以在采摘機器人實地采摘的過程中較為容易發(fā)生損傷的原因主要有以下兩點： （1）水果位置判斷的不準確和執(zhí)行動作時存在的軌跡誤差，一般水果均被樹葉遮擋，4而且樹枝的生長錯綜復雜，所以在水果位置的判斷中存在較大的難度，而且就算判斷正確后采摘軌跡極易可能受到樹枝的影響，導致動作的中斷或偏移。（2）水果的表皮較為嬌嫩在采摘過程中機械手的力度和方向一旦控制不好就會對水果造成損傷，從而影響水果品質造成直接的經(jīng)濟損失。所以對采摘機器人的采摘裝置進行設計是，應要根據(jù)不同水果的生物特性和機械特性以及栽培方式，采用不同的專用特有的裝置以提高采摘的成功率并減小對水的損傷為主要目標。一般集成兩項功能： （1）準確的測量果實的位置，為機械手采摘時提供準確的導航信息； （2）對采摘的力度進行精確的控制，壓力傳感器必須高度精準，以保證在抓取水果的時候對水果的表皮有一個很好的保護，不至于損壞水果造成損失。2.3 采摘方式和分離方式的選擇2.3.1 采摘方式的選擇經(jīng)過查閱書籍和瀏覽網(wǎng)絡資料發(fā)現(xiàn)目前國內外采摘機器人設計方案中可以借鑒和使用的的有以下幾種采摘方式：（1）直接切斷式 ：這種方式最為原始和簡單，但是缺點也很多，比如說自動化程度的不高采摘效率低下，采摘環(huán)境要求高，不能滿足多種地形和水果的采摘，操作難度高不便于采摘人員的操作和使用等，如圖 2-1/2-2/2-3 所示。5圖 2-1 甜椒采摘機器人機械手圖 2-2 茄子采摘機器人機械手圖 2-3 番茄采摘機器人機械手（2）吸入式 ：這種方式是先使用真空將果實吸入操作位置后然后再進行采摘切柄的過程，下面的兩種裝置均為吸入式，只是在切柄的部分有所不同，一個是切一個是旋轉扭斷。這種吸入式采摘較為合理可以應用在很多采摘裝置中。圖 2-4 柑橘采摘機器人機械手6圖 2-5 蘋果采摘機器人機械手（3）夾持類 ：這種方式模仿了人手采摘水果的運動方式，運用了仿生學的知識，在抓取過程中較為快捷準確和靈活，所以不管在工業(yè)機器人還是農業(yè)采摘機器人中仿生的機械手得到了大量的應用。而且國內外對此方面的研究也較為頻繁，所以此次研究采用了仿生機械手進行采摘。1.手指 2.內螺紋管 3.絲杠 4.電機圖 2-6 機械手機構示意圖最后經(jīng)過大量的查閱資料并且指導老師進行多次的指導和建議，最終我們在這里選擇夾持類的采摘方式，此種方式較為簡單直接在采摘過程中能快速高效的完成采摘而且不是以損傷過時的表面，所以此種方式較為符合蘋果采摘機器人所需要的特性，能較好的完成采摘的需求。2.3.2 分離方式的選擇（1）扭斷、折斷、拉斷7扭斷式分離方式是利用機器人手腕的旋轉和仿生周轉關節(jié)在機械手抓牢果實后擰斷果柄，需要多次往復扭轉才能斷開果梗，采摘機器人機械手需要較大的工作空間，這樣就難于避免碰撞到樹枝的障礙物。同時，這里就需要根據(jù)采摘對象的果柄的力學特性進行不同方式的選擇和實際性的實驗，否則很難達到預期判斷的效果。（2）剪切在很多設計中采摘機器人機械手安裝了剪刀或切刀，采摘方式為剪斷果柄或者切斷果柄。這種方法最為簡單和直接，但是對位置精度的要求最高，而且剪切裝置不太穩(wěn)定最容易在剪切中發(fā)生故障。（3）熱切割在荷蘭有一種利用電阻絲將果柄切斷的技術，曾經(jīng)應用在黃瓜的采摘裝置上，此種裝置優(yōu)點為可以閉合果樹因果柄斷落所導致的病菌感染，而且在水果保存水分的方面有著獨特的作用，但是此種裝置在使用的時候所需時間較長而且電阻絲易于損壞，并不是特別符合高效率和低成本的要求。所以我們在此次的設計中最終選擇拉斷式，此種分離方式最為適合蘋果的采摘，蘋果的果柄較脆，易于拉斷，這種方式的選擇不僅滿足機械手的特性而且在實際的操作過程中大大的節(jié)約了時間，簡單快捷，是最為合適的分離方式。2.4 仿生機械手的總體結構設計2.4.1 蘋果采摘方式分析根據(jù)上文的分析和討論我們最終選擇采摘方式為夾持類，分離方式為拉斷式主要的原因如下：夾持類采摘方式較為簡單直接在采摘過程中能快速高效的完成采摘而且不是以損傷過時的表面，所以此種方式較為符合蘋果采摘機器人所需要的特性，能較好的完成采摘的需求。拉斷式，此種分離方式最為適合蘋果的采摘，蘋果的果柄較脆，易于拉斷，這種方式的選擇不僅滿足機械手的特性而且在實際的操作過程中大大的節(jié)約了時間，簡單快捷，是最為合適的分離方式。設計要求：本課題所設計的機械手應該為了減輕果農的勞動強度，提高采摘效率，避免爬高造成意外傷害事故，要求能滿足各種高度的采摘作業(yè)，不損傷水果，水果類型可自定。8要求完成該裝置的結構設計，并進行相關的校核，完成設計說明書撰寫，并完成裝配圖（包括三維裝配）以及相關零件圖，二維圖紙量至少保證 1.5 張 A0 圖紙。所以制定以下幾個方面：（1） 采摘果實為蘋果其直徑范圍：60 毫米～100 毫米；（2）裝置還要滿足體積外觀小巧、操作使用簡單、安全性能可靠、場地適應性強、加工制造成本低廉；（3）在加工制造的過程中生產流程簡單，零件加工的工藝性好。2.4.2 總體設計機器人手臂的驅動部分的末端安裝在手臂的最前端，以便拾取水果和蔬菜，以便采摘水果和蔬菜以實現(xiàn)設備和附加功能。水果和蔬菜收割機器人實現(xiàn)了一鍵操作所需的移動直接接觸。手指與果實體直接接觸。手指運動的常見形式是旋轉和平移。旋轉式手指結構簡單，制造容易，被廣泛使用。應用是由于結構復雜，但手指的平移抓住了圓形物體，而物體直徑的變化并不影響其軸線的位置，所以大直徑范圍適合于抱工。根據(jù)蘋果采摘的具體要求，提出了蘋果采摘機器人機械手。其結構如圖 2.1 所示。致動器由手指，手掌，機架等組成。手上有三個手指，三個手指圍繞著圓周對稱排列，即每側有一個手指。每個手指有 6 個關節(jié)。在電機的控制下，三根手指的連接通過拉動手指下部的杠桿通過電線來實現(xiàn)。圖 2.7 顯示了一個使用 Solid Works 軟件設計的仿生拾取機器人的三維實體模型。機械臂以合適的速度運動到果實附近，然后通過位置傳感器檢測到蘋果的位置在進行程序化的分析，機械手開始工作夾緊果實，由壓力傳感器決定機械手的夾緊程度，然后模擬人類采摘時所用的下拉動作，進行采摘，最后將水果放到事前安排好的地方再松開手指，完成一個水果的采摘。9圖 2-7 機械手機構圖 2.5 手指結構設計在這里我們選擇的手指設計有以下幾個優(yōu)點：（1）手指握力大，能夠牢牢的抓住水果，保證在采摘過程中可以有效地防止水果掉落。 （2）承載能力較高，通用性良好，具有可以隨意抓取任意形狀的能力保證可以采摘各種大小形狀的蘋果。（3）可以應用范圍廣獨特的仿生設計同時減少了驅動源的數(shù)量，使整個系統(tǒng)結構變得簡單易與控置。選取驅動裝置的時候只需考慮和討論一次，不必有過多的驅動。 2.5.1 手指數(shù)量此次設計中選擇三根手指的設計，此種設計用意在于以最少的結構就可以完成采摘所需要的抓取作用，三根手指足以對蘋果進行完全包絡不會掉落，而且不會造成浪費，在三根手指可以完成的情況下完全不必要設計成三根以上，而且在采摘的時候有利于蘋果表皮的保護不會損傷蘋果的表皮造成經(jīng)濟的損失，從而使設計更加合理。102.5.2 手指關節(jié)數(shù)量在采摘機器人仿生機機械手的關節(jié)的設計中，手指的關節(jié)數(shù)量越多手指的靈活性越大，抓取的動作將更為準確和完整，所以我們在確定關節(jié)數(shù)目的時候選擇了六根手指，以最大限度的保證了手指的靈活性，和抓取所需要的自由度，每節(jié)關節(jié)之間的傳動合理有效符合設計要求。我們設計的機械手指是一個四連桿的機構，由最底部的一根長關節(jié)來驅動整個手指，而且手指的外部配有用來測量壓力所需要的壓力傳感器保證手指在收攏到合適的大小的時候可以及時的停下來，不會損傷到蘋果的本身。根據(jù)中華人民共和國農業(yè)行業(yè)標準的相關資料，最小級別的三級蘋果以外，蘋果果實的最大橫截面的直徑必須要大于或等于 70 毫米。我們所要設計的采摘機器人仿生機械手，機械手所抓取的蘋果直徑在 60 毫米～100 毫米之間，故取蘋果半徑為 30毫米≤R ≤50 毫米。2.5.3 手指的材料選擇采摘機器人仿生機械手手指選擇必須要選擇合適的材料，因為這對于機器人工作狀態(tài)和加工生產都會產生巨大的影響和決定性的作用。在查閱了大量資料和進行多次分析之后，我們首先要通過遵循手的結構尺寸和手指，然后同時保持足夠的光強度和質量，我們最終確定了手指所需材料為尼龍材料的選擇。 尼龍材料本身就具有很多特性的優(yōu)點，比如說較高的機械所需強度，良好的耐熱性，比較低摩擦系數(shù)，耐磨性好，而且具有自潤滑性，減震性還具有弱酸性等特點。對于手指材料的確定是一個較為優(yōu)秀的材料。所以我們對采摘機器人仿生機械手手指材料選為尼龍材料。圖 2-8 手指結構112.6 機架的設計我們所要設計的機架主要作用是用來安裝整個驅動機構和手掌部分，所以必須符合機身小巧，體積小易于使用，重量輕不影響手臂的平衡的設計要求。我們此次的設計是一個以圓柱形為主體框架的零件，將手指安裝于機構架的上方零件軸心角度為平均的 120 度，下方可與手臂連接中間部位為鏤空結構可以安裝傳動所需要的鉸鏈和鉸鏈架等核心動力裝置。機架結構的具體設計外觀如圖 2.9 所示。圖 2-9 機架結構2.7 驅動方案的選擇目前的我們對于手爪設計所可以使用的驅動源主要有三種形式：氣壓驅動、電驅動、液壓驅動，這三種目前的技術均已經(jīng)比較成熟所以使用的時候可以大膽的選擇只要可以滿足我們采摘機器人仿生機械手所需要的動力大小和運動特性即可。我們對這三種方式進行了對比和選擇。（1）氣壓驅動是利用氣動壓力對空氣進行壓縮壓來實現(xiàn)驅動的系統(tǒng)來驅，通常情況下空氣壓縮機通常被用作動力源。它具有以下幾個特點：氣動驅動器過載安全，整體結構簡單，污染少幾乎不計，成本較為低廉，還可以通過調節(jié)空氣流量，來實現(xiàn)機構的無級變速，但是尺寸設備的運行速度不穩(wěn)定，定位精度不高，抓舉力較為小。12（2）液壓驅動系統(tǒng)來驅動流體壓力致動器的輸出力來驅動系統(tǒng)的穩(wěn)定，固有的高效率，響應速度快，速度很簡單，可以在很寬的范圍內無級調速，便于適應不同的工作要求，順利實現(xiàn)傳輸，可以吸收沖擊力可以實現(xiàn)更加頻繁和換向平穩(wěn)，但容易漏油，污染，高成本，高定位精度比空氣，但比電機低，流體溫度和粘度變化影響傳輸性能。（3）電動驅動，本設計中將采用 57HS09 型步進電機。可以充分利用 57HS09 型步進電機的體積小、重量輕、輸出力大、響應速度快、精確度高等良好特性2.8 本章小結（1） 根據(jù)任務書所提出的設計要求，對機械手的功能進行分析并對設計方案進行確定。（2）對采摘機器人仿生機械手采摘方式，分離方式，手指數(shù)量，關節(jié)數(shù)量，機構架形狀，以及手指材料進行選擇，而且對以上方面進行研究確定初步計劃。133.仿生機械手靜力學分析3.1 手指的工作原理(a)是手指的初始結構,手指無接觸外力，整個手指以單一剛體繞支點運動(b)表示指節(jié) 1 接觸物體(c) 表示指節(jié) 2 相對指節(jié) 1 的轉動，指節(jié) 2 向物體方向彎曲，這時驅動力需克服彈簧作用力(d)兩指節(jié)接觸物體，手指完成形適合階級,驅動件的驅動力傳遞到兩指節(jié)上。圖 3.1 手指工作原理 3.2 抓取時的靜態(tài)力學模型抓取的靜力學模型如圖 3.2 所示。14圖 3.2 手指靜力學模型圖 3.2 中 為輸入轉矩， 、 分別為關節(jié) 1、2 所受的力， 、 為接觸點aT1F2 1d2、 到 、 的距離。 為關節(jié) 2 相對于關節(jié) 1 轉過的角度，水平軸的夾角。 為3O212? 1T摩擦約束力矩。 三角構件邊的夾角，h 桿 與桿 c 的反向延長線交點 到 的距離。?L4O、 為關節(jié) 1、2 的長度。 為桿 與水平軸的夾角。 為摩擦約束力矩。1L2 1 1T根據(jù)虛功原理可得公式 (3.1) TFV??T 為手指機構的輸入轉矩向量，由驅動力矩 以及摩擦力矩 組成； 為手指機aT1T?構各關節(jié)與力矩相關的連桿的虛擬角速度向量，由驅動連桿的角速度 以及末關節(jié)加a??速度 構成；F 為作用在手指上的抓取接觸力組成的向量，由接觸力 、 構成；V2?? 1F2為外力作用點在外力作用方向上的虛擬速度向量，由各接觸點的 y 方向的速度分量構成，即： 1Ta???????15公式（3.2） 2Ta??????????12TF??????312ToyV???????由機構學理論，可知各關節(jié)的接觸點速度可以通過雅可比矩陣 用各關節(jié)的角速度VJ來表示，即： 公式(3.3)12VJ??????????，又 公式(3.4) cT???為傳遞矩陣 c10chL?????????將式(3.2)、(3.3)、(3.4)帶入(3.1)約去 得： ?TVcFJ??(3.5)公式(3.6)3121220cosaoydL???????????????將上式與式(3.3) 對比可知公式(3.7)120cosVdJ????????公式(3.8)1212()cosaLhLTdFd????????公式(3.9)22(cos)sin()coth?????公式(3.10)21221i4s()t(cs)inabNMLLc??????16公式(3.11)2212(cos()MLabcN???????手指以直指方式抓取物體時,僅有短關節(jié)觸及物體,這時,只要令 F1=0、T 1=0 ，則手指受力為：公式(3.12)21()ahFTdL??3.3 運動學分析機械手的每個手指都是由兩套四連桿機構構成的。圖 3.3 所示為一個四連桿機構。圖 3.3 四連桿機構原理各桿構成的矢量封閉方程為 [6]，寫成坐標軸上分量形式有： 1243LL??公式(3.13)1cos23cos40iniinLab????????化簡上式，消去 b 得：公式(3.14)????2243cos13sin1iLLacLa?????對式 3.14 兩邊求導并化簡，可得 4 桿機構 L1 與 L3 角速度之間的關系：17(3.15)??34sin1i13Lcaca? ????????3.4 手部的夾持誤差計算旋轉夾緊手指時的不同直