农业机械化及其自动化

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1、本科生毕业本科生毕业论文（设计）论文（设计）题 目:基于Pro/E和ADAMS的苹果采摘机械手的仿真分析 姓 名: 张耀龙 学 院: 工学院 专 业: 农业机械化及其自动化 班 级: 74 学 号: 3017417 指导教师: 姬长英 职称: 教授 2011 年5 月20 日南京农业大学教务处制1目目 录录摘要.2关键词.2Abstract.2Keywords.21 引言 .31.1 选题的背景 .31.1.1 本课题的研究意义及概况 .31.1.2 采摘机械手应用前景 .41.2 课题的研究内容及方法 .41.2.1 课题的研究内容 .41.2.2 课题的研究思路 .52 苹果采摘机械手的建

2、模 .52.1 苹果的生长特性介绍 .52.2 苹果采摘机械手方案的选择 .62.2.1 第一种方案的分析 .62.2.2 第二种方案的分析 .72.2.3 第三种方案的分析 .72.2.4 第四种方案的分析 .82.2.5 确定本课题方案 .92.3 机械手结构的设计 .102.3.1 三维建模软件 .102.3.2 创建装配体 .112.4 传动机构的结构简图及分析 .123 机械手的仿真分析 .143.1 仿真分析软件介绍 .143.2 模型导入及建立约束 .143.2.1 模型的导入 .143.2.2 实体质量属性的添加 .153.2.3 模型约束的建立 .153.3 机械手的仿真 .

3、163.4 仿真结果的后处理 .163.4.1 绘制仿真曲线及进行优化分析 .163.4.2 产生仿真结果的动画AVI文件 .184 结论 .194.1 主要工作及成果 .194.2 展望 .19致谢 .19参考文献: .192基于Pro/E和ADAMS的苹果采摘机械手的仿真分析农业机械化及其自动化专业学生 张耀龙指导老师 姬长英 摘要：本文介绍了国内外农业机器人的发展概况和采摘机械手的应用前景。通过对多种不同结构机械手的优缺点分析，提出了一种结构简单、操作方便的机械手结构。利用三维建模软件Pro/Engineer进行机械手各零部件的设计，并将其组装成一个完整的机械手。将机械手装配图导入仿真分

4、析软件ADAMS中进行机械手的仿真。运用求解器模块Adams/Solver进行机械手的静力学、运动学和动力学运算。利用后处理模块Adams /Postprocessor进行仿真视频和各种数据曲线的输出。通过对仿真结果的分析，对苹果采摘机械手的研究方向提出了展望。关键词：机械手； Pro/E； 三维建模； ADAMS； 仿真； Simulation of Apple Picking Manipulator based on Pro/E and ADAMSStudents majoring in Agricultural Mechanism and Automation Zhang Yaolong

5、Tutor Ji Changying Abstract: This paper introduced the overview of the development of agricultural robots and the prospect of picking manipulat. By comparing the structure of different robots, analyzing the advantages and disadvantages, a kind of manipulat has been put forward which has a simple str

6、ucture is easily operated. All the parts of the robot manipulat were designed, assembled with the help of Pro / Engineer. After leading the assembling drawing into the simulation software of ADAMS, the simulation was made through Adams/View. The statics, kinematics, dynamics computation were carried

7、 out with Adams / Solver. The simulation videos Curve Data of simulation were obtained with the help of Adams / Postprocessor. By analyzing the results of the simulation, the prospect of apple picking manipulat research was given.Keywords: manipulator; Pro/E; M-3DM; ADAMS; simulation 1 1 引言引言31.1 选题

8、的背景1.1.1 本课题的研究意义及概况果品采摘作业是水果生产链中最耗时、最费力的一个环节。采摘作业季节性强、劳动强度大、费用高，因此保证果实适时采收、降低收获作业费用是农业增收的重要途径。由于采摘作业的复杂性，采摘自动化程度仍然很低。目前，国内水果采摘作业基本上都是人工进行， 其费用约占成本的50%70%，并且时间较为集中。采摘机器人作为农业机器人的重要类型，其作用在于能够降低工人劳动强度和生产费用、提高劳动生产率和产品质量、保证果实适时采收，因而具有很大发展潜力。21 世纪是农业机械化向智能化方向发展的重要时期。随着农业生产的规模化、多样化和精确化，农业生产作业要求逐渐提高，许多作业项目（

9、如蔬菜和水果的挑选与采摘、蔬菜的嫁接等）都是劳动密集型工作，再加上时令的要求，保证作业质量成为关键问题；同时，工业生产发展迅速，农业劳动力将逐渐向社会其他产业转移；随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，农业生产成本也相应提高，这样大大降低了产品的市场竞争力1。国外农业机器人发展迅速。自1983年第1台西红柿采摘机器人在美国问世以来，采摘机器人的研制和开发得到了快速发展(如图1所示)。法国、荷兰等国家相继立项研究了采摘苹果、柑橘、西红柿、西瓜和葡萄等智能机器人。日本近年在收获机器人的研究方面进展很快，目前已经研制出番茄、黄瓜、葡萄、柑橘等水果和蔬菜收获机器人，但技术不太成熟，还没有真正实现商业化。

10、我国在农业机器人领域的研究始于20世纪90年代中期，上海交通大学机器人研究所的曹其新、刘成良等人完成了智能化联合收割机样机的研制。南京农业大学沈明霞和浙江工业大学张立斌等人正在进行农业机器人视觉方面的研究。2001年，张瑞合等运用双目立体视觉的方法研究了番茄收获中果实的精确定位问题。采摘机器人是未来智能农业机械化的发展方向，具有广阔的应用前景2。 图1 水果采摘机器人 图2 番茄采摘机械手结构简图1.1.2 采摘机械手应用前景 机械手又称操作机,是指具有和人手臂相似的动作功能,并使工作对象能在空间内移动的机械装置,是机器人赖以完成工作任务的实体.在收获机器人中,机械手的主要任务就是将末端执行器

11、移动到可以采摘的目标果实所处的位置。日本冈山大学研制出一4种具有7个自由度的西红柿收获机械手3(如图2所示)。收获作业是一项劳动强度大、消耗时间长、具有一定危险性的作业。研究开发适合目前生产实际的果蔬果实收获机器人不仅可以在很大程度上减轻劳动强度、提高生产效率, 而且具有广阔的市场应用前景4。果蔬收获是一个季节性强的劳动密集型工作,由于劳动力的高龄化和人力资源越来越缺乏,采用机器人进行果蔬的自动化收获变得越来越迫切. 但由于收获机器人的工作环境往往是非结构性的、未知的和不确定的,因此给机器人的实际应用带来了很大的困难. 要成功地实现机器人的智能化收获,必须要在机器人的本体设计、果实的自动化识别

12、和定位、机器人运动规划和控制技术等方面进行深入的研究5。本课题的研究主要是运用Pro/E软件设计出一种结构简单小巧的苹果采摘机械手模型，然后导入到ADAMS 机械系统动力学自动分析软件中。利用已有的模块对此机械手进行多项内容的模拟仿真。因此，收获作业所必需的采摘机械手的仿真分析同样具有非常广阔的应用前景。仿真设计集多种设计方法于一体, 在虚拟的环境下, 综合运用多种设计方法, 通过添加运动、约束、力、碰撞等, 对该机械进行运动和动力仿真模拟, 不仅能在虚拟的环境中看到机械手的运动方式, 并且用动画、图形、数据等多种形式输出零部件的轨迹、速度、加速度、作用力、反作用力等运动和动力参数, 获得的设

13、计数据和真实的情况基本一致, 克服了传统设计在农业机械手设计中的弊端, 使农业机械手的设计能达到很高的要求6。1.2 课题的研究内容及方法1.2.1 课题的研究内容本课题研究的主要内容是在已有的研究成果的基础上，了解苹果采摘机械手结构设计的基本方法，基本原理及遵循的规则等。通过三维制图软件Pro/E设计出结构简单、操作便捷、经济效益好等方面的要求。由于机械结构直接决定机器人运动的灵活性和控制的复杂性，所以机器人必须紧凑,行走、转弯灵活,同时还要保证机器人运动平稳和灵活避障. 设计末端执行器时,要求准确快速切除果实并确保不损伤果实. 同时,还必须进行机构的运动学和动力学分析,运用优化的观点来设计

14、机器人结构7。在对所设计的苹果采摘机械手进行仿真的基础上，还可以通过对仿真结果进行分析，以对机械手加以改进，为以后实物的制造给予指导性作用。评价机械手的结构性能参数主要有工作空间、可操作度、位置多样性、冗余度等。末端执行器必须根据对象的物理属性来设计,包括形状、尺寸、动力学特性(如抓取力、切割力、弹性变形、光特性、声音属性、电属性等) ;水果的化学和生物特性也必须考虑.末端执行器的性能评估指标一般有:抓取范围、水果分离率、水果损伤率等。1.2.2 课题的研究思路1.研究苹果的生长特性和采摘方式。 2.分析国内外已有苹果采摘机械手的结构形式及其优缺点。 3.使用三维建模软件Pro/E，将自己设计

15、的机械手用Pro/Engineer进行建模，并构建初步的运动约束。 4.将Pro/E设计的苹果采摘机械手三维图形保存为ADAMS能够识别的文件，该过程是实现ADAMS对机械手进行仿真的基础，也是对机械手进行分析、优化的关键所在。 5.运用仿真分析软件ADAMS中模块对机械手进行各项仿真，如手指开合的角度，角5速度，稳定性，运动轨迹等。 6.输出仿真结果并进行一些简单的分析，提出了改进方案。2 2 苹果采摘机苹果采摘机械手的建模械手的建模2.1 苹果的生长特性介绍苹果是蔷薇 科苹果属植物的果实，该属约 25种，苹果是栽培最广 泛的果树。苹果是梨果的一种，由子房和子房外围 的组织发育 而成。苹果树

16、多为 异花授粉，有24%的花座果较为理想。虽然成熟苹 果的大小、形状、颜色和酸度 因品种和环境条件的不 同而差异很大，但通常圆形 ，直径50100毫米，带红色或 黄色。苹果是落叶乔木，有较强的极性，通常生长旺盛，树冠高大，树高可达15米，栽培条件下一般高35米左右。树干灰褐色，老皮有不规则的纵裂或片状剥落，小枝光滑。单叶互生，椭圆，叶缘有锯齿。果实为仁果，颜色及大小因品种而异。喜光，喜微酸性到中性土壤。最适于土层深厚、富含有机质、心土为通气排水良好的沙质土壤。苹果自花结实力差，栽植时必须配置授粉树。由于顶端优势和芽的异质性综合作用的结果，苹果通常具有较强的干性和明显的层性。因品种间的萌芽力和成

17、枝力有差异，其层性的明显程度也不同。苹果是世界性果品，由于其生态适应性较强，果品营养价值高，耐贮性好，供应周期长，世界上相当多的国家都将其列为主要消费果品而大力推荐8。现以红富士苹果树为例，简单介绍苹果树的生长特性：(1)生长旺盛.红富士苹果成冠块，枝量大，新梢旺，萌芽率高，成枝力强，剪口下可形成长枝36个;萌芽早，副梢多，副梢自然抽生率较高。(2)早果丰产。红富士苹果腋花芽较多,前期腋花芽可占总花芽的20左右;结果初期长果枝和腋花芽占一定比例,但很快转为以短果枝结果为主,矮砧树尤为明显,五年生M7砧长富6短果枝比例达89%9。由以上苹果的生长特性及栽培方式，实现苹果的机械化采摘仍然面临较大的

18、挑战。国外已有一些国家开展了苹果采摘机器人的研究工作。法国、韩国相继开展了苹果收获机器人研究,并试做了样机。下面将国内外常见的机械手结构作分析比较。2.2 苹果采摘机械手方案的选择2.2.1 第一种方案的分析针对苹果的外形，采用两个直动手指，手指内侧附有一层橡胶材料，以保证抓起苹果具有足够的摩擦力，同时减少抓取过程中对苹果表面的损害。采用正反螺纹杆的转动来实现手部的夹紧和分离。当机械手夹住苹果时，启动电机以扭转果梗的方式实现苹果与树枝的分离，机构简图如图3所示。在设计时，夹持机构的驱动机构是正反螺纹杆。对于苹果的分离，将夹持机构、光杆、正反螺纹杆和驱动电机用支架连接起来，通过电机6使整个支架旋

19、转，在手部抓紧苹果后扭转果柄，这种扭断果柄的方式不会造成树枝的晃动。本方案具有以下特点：1、夹持缓慢, 采用内附橡胶材料夹持装置来夹持果实, 减少了水果与机械手接触过程中冲击、挤压等作用而造成的苹果的机械损伤；2、采用两个电机分别实现不同的功能，效率较高。缺点只要表现在：1、成本较高，灵活性较差。2、两个电机作业，控制难度较大，6要求采摘人员具有较高的专业能力，通用性差； 3、末端执行机构体积过大、质量过重、要求机械手运动空间较大。图3 方案一的结构简图1、末端夹持机构 2、正反螺纹杆 3、光杆 4、电机一 5、轴承一 6、电机二 7、轴承二 8、支架2.2.2 第二种方案的分析本方案仍然采用

20、电机控制来实现手指的夹持工作，在分离水果的时候也同样采用扭断果梗的方式。其机构简图如图4所示。本方案的工作过程主要是：当活塞向后运动时，推动齿条向后运动，根据齿条与齿轮的啮合关系，两个手指平移并实现夹紧果实；当活塞向前运动时，手指平移松开。在手指的外轮廓固定连接一个微型电机，用它来驱动手指转动，实现果柄的扭断。本方案具有以下几个特点：1、本方案对微型电机的要求非常严格，需要电机的重量足够轻，尺寸足够小，以最大限度的减少手指在运动过程中与果枝的碰撞。2、通过活塞杆和齿条带动两个齿轮转动，齿轮与手臂的连接采用固定连接的方式，形成双支点回转机构，易于保证较高的采摘率和成功率。3、采用电动和气动共同工

21、作，可以实现进给和后退速度快，动作可靠准确，效率较高，但缺点是整体结构体积大，不利于避障。7图4 方案二的结构简图1、电机 2、手臂 3、左齿轮 4、活塞杆 5、右齿轮 6、齿条 7、轴承2.2.3 第三种方案的分析在上述方案的基础上，本方案仍然采用滑槽的方式实现手指的开合。苹果的分离采用割断的方式实现，当两手指夹持苹果后，在电机的驱动下，双面刀片在手指指尖部位进行转动，以割断果柄。其机构简图如图5所示。其工作过程主要是：活塞杆前后运动，两个手指绕支架上的轴转动，实现苹果的抓取。抓住水果后，启动电机，驱动刀片绕手指在手指包裹区域的外围旋转，以割断苹果的果梗。本方案有以下特点：1、本方案的末端执

22、行器的苹果分离方式是切割果柄，与扭断果梗的方式有很大的区别，这省略了电机带动整个手部转动扭断果梗这一复杂的过程。2、驱动刀片的电机要求较高，要求具有较大的输出扭矩，不利于避障，并且如果刀片不够锋利就不能顺利割断果梗，刀片需要经常更换或维护。3、该方案具有较好的通用性，可应用于包括柑橘、梨、桃等多种水果的采摘。4、本方案的末端执行器结构简单，可靠性较好，智能控制简单，成本较低廉。手部外侧加电机降低了进给过程中的蔽障能力。8图5 方案三的结构简图1、手指 2、滑槽 3、销轴 4、气缸 5、活塞杆 6、转轴 7、直流电机 8、刀片 2.2.4 第四种方案的分析由本课题的研究内容和研究目的，需要设计一

23、个结构紧凑，行动性和轻便性好，易于控制，灵活性和通用性都较好的末端执行器。第四种方案可满足以上要求，并且该结构在综合了上述的一些机械手的优缺点的基础上，采用平行四边形的传动架构，采用滑槽的形式有利保证传动的平稳性，对于苹果在实际的采摘具有更现实的意义，其结构简图如图6所示。工作过程主要是：活塞杆向后运动时，手指在连杆的作用下沿着滑槽方向向内作平动，即可完成夹持果实。随着旋转电机的转动，夹紧苹果的机械手绕电机轴方向转动，实现果梗的扭断。本方案具有以下特点：1、引入了包括连杆，滑槽，销轴等基本机构，动力分别以液压和电动实现，实现了采摘机械手整体结构的紧凑性和灵活性。2、扭断果梗的过程中，电机带动手

24、部机构和苹果共同转动，由于整个末端执行器体积小,质量较轻，所以排除了空间方位上的忧虑,运动较灵活。3、采用的零件较多，结构较复杂，对各部件之间的配合与精度有一定的要求。9图6 方案四的结构简图1、夹持机构 2、滑槽 3、销轴 4、活塞杆 5、旋转电机 6、轴承 7、转轴 8、连杆2.2.5 确定本课题方案比较以上各种方案的优缺点，现提出以下方案，其机构简图如图7所示。电机固定在电机支架上，电机轴与气缸架通过联轴器固定在一起，气缸后端固定安装在气缸架上，气缸前端安装四指夹持机构，每个手指的内侧焊接有与手指面拟合的弧形刀片，刀片内侧附有橡胶，以缓和冲击，减少苹果表面的机械损伤。该方案的工作过程为：

25、在夹持苹果前，四个手指处于张开的状态，当苹果在夹持机构的包围范围内时，活塞向后运动，通过一系列传动杆件使手指夹紧，直到手指夹紧苹果。此时，启动电机，电机带动机械手整个手指及传动机构和苹果共同转动，通过扭动和指尖处的刀片的共同作用，以扭断和割断分离苹果。本方案具有以下特点：1、对于体积不是非常大的水果品种，夹持手指与苹果之间无径向的作用力，只是将苹果包围，不损伤果实，以利于提高采摘的效率。2、当苹果进入四个手指的包围范围中的时候，活塞即向后运动使手指包围苹果，然后电机开始转动即可在扭转和切割两种状态下分离苹果。通用性强，灵活高，可采摘多种类球状果实。3、结构简单紧凑，可靠性较高，操作和控制简单，

26、成本较低。10图7 本课题所用方案1、电机 2、联轴器 3、气缸 4、活塞 5、连杆 6、手指 7、橡胶 8、支架 9、销轴2.3 机械手结构的设计2.3.1 三维建模软件Pro/E是美国PTC公司旗下的产品Pro/Engineer软件的简称。Pro/E是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation）的重要产品。是一款集CAD/CAM/CAE功能一体化的综合性三维软件，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一10。Pro/E的分析流程图如图8

27、所示。现在使用最多的版本：Pro/ENGINEER Wildfire野火4.0。Pro/Engineer的功能主要有以下几方面： 1特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等） ； 2参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等） ；3通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间的关系来进行设计。4支持大型、复杂组合件的设计(规则排列的系列组件，交替排列，Pro/PROGRAM的各种能用零件设计的程序化方法等)。 11图8 分析流程图5贯穿所有应用的完全相关性(任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动)。其它辅助模块将进一步提高扩展 Pro/ENGINEER的基本功能。由于本

28、课题使用的三维建模软件的版本为Pro/E 4.0，仿真软件的版本是ADAMS 2010,当前MDI公司并没有发布这两个软件该版本的接口，mech/Pro的最高版本只能支持Pro/E3.0和ADAMS2005的版本。但是高版本的Pro/E和ADAMS可以通过设置某些参数，在一定的条件下，将Pro/E创建的装配图或者零件图以一定的方式导入到ADAMS2010中。为了使该导入过程不至于出错，在Pro/E 中造型时应注意以下几点：1.尽量采用Pro/E 中提供的缺省模板；2.在三维建模时要尽量减少零件的数量。如果不同零件的相对位置是固定的, 那么在不影响仿真效果的前提下, 可以考虑将它们做成一个零件。

29、3.在系统中如果存在几个相同零件时, 应将它们另存为不同的名字, 以示区别, 否则同样的零件只生成一个SLP 图形文件, 就会导致图形丢失11。2.3.2 创建装配体首先，需要在Pro/E 4.0中创建机械手各部件，包括电机，电机支架，联轴器1对，汽缸，活塞，手抓支架2个，手爪，连杆和刀片等各零件的三维图，标示所有零件及其对应的名称，并将所有的零件图的Pro/E文件放置在一个文件夹里，以便装配的时候能够快速准确的找到零件。本设计将各部件的零件图及之后的装配图放入名为“三维建模图”的文件夹里面。此时需要注意的是所建立的模型的单位应该设置为“MKS” （即：Meter，Kilogram，Secon

30、d） ，同样在进行组装的时候也应该注意到该问题，因为在将实体模型导入到仿真软件ADAMS中的时候，ADAMS只能识别这种单位设置。如果设置成其他单位，在导入时就会发生错误。在装配模式下,采用不同的连接方式，包括匹配、对齐等对元件进行约束, 放置相应的零件，并对零件之间的位置关系做出准确的定位12。在完成连接定义后, 还可适当增加一些约束, 以便于在ADAMS 中生成设定各约束的关键点，此类点在仿真的时候是可以捕捉到的点，有利于减少将模型导入ADAMS后，设置约束这一块的工作量。完成的装配图（三维模型图见附件） ，并将其转换为工程图，如图9所示：12 图9 苹果采摘机械手工程图根据该苹果采摘机械

31、手的工程图的，对该机械手的结构进行描述。其组成自右向左的分别为：发动机、发动机支架、联轴器、气缸、手抓支架1、连杆、手抓支架2、手抓、刀片等零件。可以将其主要的工作原理概括为：发动机支架固定在行动机构中，行动机构完成整个机械手和苹果相对位置的控制工作13。当机械手和苹果具有正确的采摘位置时，驱使机械手向水果靠近，与此同时，通过气动实现活塞前运动以使手指张开。直到苹果在机械手的包围范围内，控制气动机构是活塞向后以将手指合拢，实现抓取水果。手指合拢后，启动电机带动整个机械手绕轴线旋转以割断果梗，使苹果与果树分离。行动机构将整个机械手收回，到一定位置活塞向前运动使手指张开，以放开苹果。此过程为一次采

32、摘苹果的全过程。2.4 传动机构的结构简图及分析该机械手的工作原理主要为：电机支架通过刚性连接到行动机构上，该行动机构负责将末端执行器移动到合适的位置，以便于机械手工作时通过直线的运动进给和机械手手部的张合动作夹持苹果。当机械手到达正对苹果且距离适中的位置时，开始慢速的进给，同时机械手抓慢慢张开，直到将苹果包围在手爪的范围内。控制外界的气压装置，调整使活塞后退，通过传动的杆件将手指合拢以夹持住苹果。然后电机开始工作，转动数圈后，通过扭动和切割双重的作用将苹果与树枝分离。行动机构后退，到一定位置时气缸工作，活塞向前运动使手指分开，以放开苹果。由于在采摘前的进给和采摘后的后退过程中，机械手手指部位

33、发生的运动只是随着电机的直线运动，该过程只涉及到行动机构运动参数的设置，与本机械手的参数没有关联，所以该过程只涉及到运动学的研究。而在中间的过程，即手指的合拢和转动过程涉及到了运动学和动力学等多方面复杂的内容。下面对机械手手指部位的运动机构的结构进行分析，简化的手指结构及其传动机构如图10所示：13图10 手抓结构示意图该图为由苹果采摘机械手三维模型创建的工程图，该图所标注的尺寸比例为1:1，即该图中各零件的尺寸为其真实的尺寸，这样对于手指的运动的规律的研究能够实现较高的精度，其真实性也能够得以验证。由于该机械手的四个手指是相同的运动规律，所以通过对一个手指的研究可以将其结论总结到其他几个手指

34、上面。零件1为手抓支架1，它是固定在汽缸上面的，即可将其于汽缸的部件看作一个整体。连杆2和手抓支架1、手抓3都是通过铰链连接，手抓3和手抓支架4也是通过铰链连接。通过连接到汽缸上的活塞（即手抓支架1）的伸缩，将手抓支架2顶起或者拉回来，以实现手抓3的张合，达到抓取和松开苹果的功能。通过对手爪的传动结构的几何分析，在不考虑手指顶部干扰的情况下，分别列出了该结构的初始位置和活塞处于最短和最长的位置的示意图，如图11所示：图11 手抓计算简图由图可计算出活塞的发生作用的过程中的最大量和最小量，分别为： Lmin = 31.7mm Lmax = 14 + 35 = 49 mm14该长度主要是通过平面上

35、的几何模型及参数计算所得，在机械手的实际运动的过程中，由于机构存在厚度，机构之间可能存在的相互间的干涉等原因，机械手的运动范围应该是在该范围内的某一区间里。并且由于苹果的尺寸存在大小不一的情况，所以本机械手手部的活动范围的误差总是小于普遍采摘过程中的苹果尺寸差异。所以对于精度的要求并不高。另，手部机构的尺寸对于采摘效果的影响是直接的，而后部的汽缸的尺寸，各连接处螺栓杆的尺寸方面并没有要求，只需能够完成各自的机械传动的任务即可。其他零件的具体尺寸和装配的位置关系见附件。3 3 机械手的仿机械手的仿真分析真分析3.1 仿真分析软件介绍ADAMS，即机械系统动力学自动分析(Automatic Dyn

36、amic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等14。 ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对

37、虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成，如表3-1所示。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析15。本课题的仿真分析采用的是最新的ADAMS2010版本，下面介绍机械手的仿真。3.2 模型导入及建立约束3.2.1 模型的导入将模型导入ADAMS 中常用的方法有两种:1、将Pro/E 中创建的模型另存

38、为ADAMS 可以识别的文件格式( 如.x_t、IGES、STEP) , 然后导入ADAMS 中。2、利用MSC 公司提供的Pro/E 与ADAMS 专用接口模块Mechanism/Pro, 导入ADAMS。由于硬件设计及版本等软件方面的原因，本设计的仿真过程采用第一种导入的方法。导入的主要过程为：打开三维建模软件Pro/E Wildfire 4.0，将设计的苹果采摘机械手的装配图打开，在file菜单里点击保存副本，在文件格式一项选择保存为 .x_t 格式文件，该格式是ADAMS能够识别的文件类型。启动ADAMS2010 仿真软件，在进入后选择 import a file (如图12所示),弹

39、出File Import对话框，在File Type右侧的下拉菜单里选择包含.x_t一项的格式序列，然后选择刚保存的机械手的.x_t格式的文件，点击OK按钮即可打开模型。15图12 Pro/E文件导入ADAMS3.2.2 实体质量属性的添加在ADAMS里完成几何建模的实体，Adams/View会根据系统自动赋予的材料信息（在默认状态下，材料设置为钢） ，计算出实体的质量和转动惯量。导入的几个模型是没有质量信息的，需要用户进行添加修改，因为0质量将会导致无穷大的加速度，在进行计算时会出错。因此要为所有的实体都设置一定的质量16。进行质量属性的修改主要使用一下的方法。选择要编辑的实体并单击鼠标右键

40、，在弹出的快捷菜单中选择该实体，在下一级菜单中单击“Modify”弹出“Modify Body” ，通过“Category”下拉列表将其设置成“Mass Properties”选项，然后可以进行实体质量属性的修改。在质量属性的“Defined Mass By ”下拉菜单中选择“User Input（用户输入） ”选项，然后输入质量和转动惯量（此部分数据为三维建模过程中定义获得） ，并输入零件的标记点名称，完成零件质量属性的修改。本设计中由于某些零件之间是刚性连接，在整个采摘过程中并不发生任何的相对运动，所以可以将其看作一个整体，如将电机和电机支架看作一个整体。按照该方法，可以将整个机械手分为几

41、个大的部分：DIANJIZHIJIA（电机和电机支架）,SHOUZHUAZHIJIA1(联轴器，气缸，手抓支架1)，LIANGAN（4个） ，1GB67A_M4(手抓支架2和活塞等)，XIANGJIAOC(刀片，手抓，橡胶层)（4个）等共11个块。研究是分别将其看作一个整体。3.2.3 模型约束的建立通过 ADAMS 提供的多项功能完成约束的建立。在Adams/View中，提供的约束可以分为以下4种类型：常用运动副（转动副Revolute、移动副Translational、圆柱副Cylinder等） 、基本约束（轴平行约束、轴垂直约束、方向定位约束、共面约束、共线约束） 、运动（直线运动Tra

42、nslational Joint Motion、旋转运动Rotational Joint Motion）和高副（点-曲线约束、曲线-曲线约束）17。根据上面叙述的机械手的工作原理及机械手的结构特点，需要施加转动副的地方共13处，分别是：电机_联轴器（1个） ，手抓支架1_连杆（4个） ，连杆_手抓（4个） ，手抓和手抓支架2（4个） 。施加移动副的地方有2个，分别是电机支架_行动机构(1个)和气缸_活塞（1个） 。需要施加运动的地方共4个，分别是电机支架相对于ADAMS界面里的Ground的直线运动，活塞相对于气缸的直线运动，气缸相对于电机的旋转运动和苹果相对于Ground的直线运动。另外，为

43、了便于在仿真的过程中对某些点的运动情况和动力学情况进行研究，需要绘制若干连体坐标系（Marker点）18。Marker点起到连接坐标系或者局部坐标系的作用，与其他几何体固联在一起，不发生相对运动。它是有方向的，在求解几何体上某点处的位移、速度、加速度等时，则需要在该点创建Marker点。完成所有的约束后添加运动约16束后，在命令菜单栏的File下选择save database，将设置好的有关机械手的 .bin 格式的文件保存。 3.3 机械手的仿真在完成了机械手的所有约束的设置后，就可以进行机械手的仿真了。打开已创建的ADAMS文件，进入工作界面。单击主工具栏上的仿真工具按钮，住工具箱的下半部

44、分将转变成仿真分析的参数设置栏。在主工具箱中显示的是最常用的仿真工具和参数设置，包括：仿真类型（默认的分析类型Default、动力学分析Dynamic、静力学分析Kinematic、静态分析Static） ；仿真分析时间（停止时间End Time、持续时间Duration） ；仿真结果的频率（步长Step Size、步数Steps） 。将分析类型设置为默认的Default，仿真时间设置为End Time，参数输入25，仿真结果的频率设置为Steps，参数输入200步，即每0.125s输出一次仿真结果，即一张瞬时照片19-20。完成以上设置后，单击开始仿真按钮，开始仿真分析。在仿真分析过程中，可

45、以实时显示样机的运动状况。如果仿真分析运行顺利，计算机将一直仿真分析到设定的停止时间。通常ADAMS仅保存最后一次的仿真分析结果，可以利用保存命令将所需的仿真结果存入数据库21。3.4 仿真结果的后处理3.4.1 绘制仿真曲线及进行优化分析完成一次仿真后，即可对刚才有特定参数的仿真进行分析。在主工具箱的测量工具集中单击两点相对运动测量工具按钮，或单击角度测量按钮，在主工具箱的下部即显示测量的属性characteristic(位移Displacement、速度velocity、加速度acceleration)和component（x、y、z、magnitude） 。选定测量的属性后，在工作屏幕区

46、选择两个Marker点，即可弹出一个以时间为横轴的坐标系和一条平滑的曲线，该曲线描述了在整个采摘过程中选定的两个Marker点之间的相对位置、相对速度或者相对加速度的曲线。在该坐标系中单击鼠标右键选择transfer to full plot，即可显示完整的特性曲线并可显示控制面板以实现对曲线的处理22。部分曲线如图13,图14所示： 17 图13 相对两指尖相对位移 图14 四指尖角度图 图13为相对两个手指指尖之间距离随时间的变化曲线图，右边1列为指尖顶点在X方向上的位移随时间变化的曲线。横坐标为时间T（s） ，纵坐标为距离（mm） 。本次绘图的曲线是周期为25秒的仿真曲线。在0秒处，纵坐

47、标的值表示机械手初始位置时两手指尖的距离。随着仿真的进行，机械手手指慢慢的张开，距离不断增大，直到某点处距离不再变化，手指张开程度达到最大。当苹果在机械手的采摘范围内时，机械手开始合拢以包围苹果，直到下面的水平线时机械手安全合拢，该过程近似为平滑的直线。然后是旋转切割果梗及苹果分离后机械手后退的过程，距离不再改变。当机械手后退到收集苹果的位置时，手爪将再次慢慢张开，以放下苹果。该过程也是一条近似直线的平滑的曲线。由该曲线图可以很方便的读取苹果采摘机械手手指间距的最大和最小值，并了解手指在整个采摘过程中的运动的规律。另可由ADAMS计算出机械手上各点处的速度和加速度随时间变化的规律。通过对曲线的

48、分析，了解机械手在各个方向上的运动规律。另外还可以通过分析，了解手指关节处的运动情况并描述处手指运动规律等23。图14为手指指尖与电机底平面的角度，随时间变化的规律。由图可知，四个点的运动规律相同，即机械手4个手指的运动情况呈现出一致性。这对于采摘过程中，手指对苹果的作用力在各个方向是均匀的，这有助于减少苹果采摘过程中位置的无规则变动，也可有效的减少苹果采摘的机械损伤。通过仿真，绘制出机械手各点处的运动规律，其曲线见附件。 位移 速度 加速度图15 指尖的运动规律图15中分别为：某一手指指尖相对于电机支架的位移、速度、加速度。每列的4个图，分别表示在x,y,z和Magnitude方向上随时间的

49、变化情况。由位移图可知，手指在x，y，z方向上的极限位置。由速度图可以对机械手的运动情况进行记录。通过加速度图可以间接对机械手上各点的动力学情况进行计算。由物理学和理论力学等学科的某些原理可知，速度曲线上某点的曲率越大，其加18速度越大，曲率越小，其速度变化越平稳。在加速度曲线上，某些点曲率越大，表明该点短时间内的作用力变化较大，即发生的冲量就越大，这对于机械结构的使用寿命存在一定的影响。所以在机械手结构的设计过程中，应首先对机械手进行仿真，得到机械手各主要部位的速度、加速度等曲线图，然后对仿真结果中加速度曲线进行分析，得到机械手在工作过程中，受力情况比较特殊的点或者部位。对冲击大的点或部位进

50、行加固加厚或者更换材料等预处理，以提高机械手的使用性能。对仿真结果进行分析可知，在一定的条件下，手指的运动轨迹、各关节之间的作用力和角加速度都满足设计要求。即该机械手设计合理，零件的结构设计符合要求。3.4.2 产生仿真结果的动画AVI文件Adams/PostProcessor的动画功能可以将其他ADAMS产品中通过仿真计算得出的动画画面进行重新播放，有助于直观地了解整个物理系统的运动特性。当加载动画或者将Adams/PostProcessor设置为动画模式时，Adams/PostProcessor界面改变为允许对动画进行播放和控制24。加载的动画主要分为两种类型：时域动画和频域动画，本课题采

51、用时域动画，以时间为单位进行仿真分析，画面随输出时间步长而依次生成。本课题仿真的End Time设置为25s，Steps设置为200，则ADAMS将记录200步或帧的数据，它在25秒中每0.125秒创建一帧动画。完成依次仿真后，单击主工具箱中的“后处理模块工具” ，弹出如下图所示的控制面板。在该对话框中可以进行仿真的回放，可进行的操作包括顺序播放，倒放，播放速度的调整等。设置好一定的播放速度后，单击“Record”按钮，单击开始播放按钮，直到播放结束后，再次单击“Record”按钮，即可将回放的过程记录成AVI文件（AVI文件详见附件）并存放在工作目录中。视频制作的控制面板如图16所示：图16

52、 AVI视频的制作194 4 结论结论4.1 主要工作及成果 在本课题的整个实施阶段，根据已有的国内外材料，设计了一种结构简单小巧的苹果采摘机械手并运用Pro/Engineer完成了机械手的三维模型和初步的运动约束。之后利用美国MDI公司开发的虚拟样机分析软件ADAMS中的多个模块实现了对该机械手的仿真分析，并能够从仿真结果中获取机械手作业过程中的运动学、动力学等方面的规律，完成了项目开题阶段设置的目标。同时在本课题的不同阶段分别完成了开题报告、外文翻译、文献综述和中期检查等工作。4.2 展望工业机械手是国际上机器人学研究的热点之一，构造出具有良好性能的工业机器人的众多构型，以便根据应用要求选

53、择不同性能的机构，是机器人机构中的一项重要任务，当前众多研究人员的研究方向都集中于构建新型的机械手机构。传统的方法是通过试验样机制造实物来验证，而近年计算机技术的广泛应用提供了新的方法，那就是虚拟样机技术，这包括了三维CAD建模技术和机械系统运动学等相关技术。未来中国农业在参与市场竞争、融入自由贸易的必由之路上，农业产业化是必须的客观历史进程，而产业化的根本特征即是规模、速度、效率和效益，没有现代的机械化工具和技术是不可想象的。因此，可以毫不夸张地说，随着新世纪中国农业的飞跃，随着农业产业化的推进，中国农业真正意义上的机械化时代正向我们走来。正如农业产业进程有其自身的规律一样，新的一轮农业机械

54、化浪潮的到来，完全区别于建国后数次人为的冒进，而是生产力自身发展的必然，是不以人的意志为转移的客观进程。与农业产业各个阶段相对应，农业机械化同样也将呈现出由低级到高级的发展规律。总的来说,农业机器人技术的发展还远落后于工业机器人技术,由于农业机器人在技术和经济等方面的特殊性,目前还没有普及,但随着农业生产向规模化、多样化、精确化发展,以及逐步出现的农业劳动力不足的问题,可以预计,随着信息技术向农业领域的渗透,农业现代化技术的发展,农业工程技术的日趋成熟,农业机器人将越来越多地进入农业生产过程中25。致谢致谢本次设计是在我的指导老师姬长英教授的精心指导下完成的，在我的毕业设计选题、开题以及撰写过

55、程中始终严格要求，同时及时地给我指导。姬老师严谨的治学态度、渊博的专业知识、崇高的职业品德很令我很感动，我从老师身上学到了做学问的态度、方法与知识，但更重要的是学到了做人的道理与做任何事情都应有的认真、严谨的态度。这将使我受用终身。另外我还要感谢张麒麟学长，即使自己很忙也会抽出时间来询问我的工作进度并不断给予我帮助，对这种无私奉献的精神也深感敬佩。同样还要感谢在毕业设计过程中给予过帮助的同学和朋友们。参考文献参考文献: :1 崔玉洁,张祖立,白晓虎.采摘机器人的研究进展与现状分析J. 农机化研究，2007(2)：4-7.202 田素博,邱立春,秦军伟,刘春芳.国内外采摘机器人机械手结构比较的研

56、究J. 农机化研究， 2007(3)：195-197.3 Monta M, Kondo N, Ting K C. End-effectors for tomato harvesting robot J. Artificial Intelligence Review, 1998, 12(1-3):11-25.4 徐丽明,张铁中.果蔬果实收获机器人的研究现状及关键问题和对策J. 农业工程学报， 2004，20(5)：38-42.5 汤修映,张铁中.果蔬收获机器人研究综述J.机器人，2005，27(1)：90-96.6 方传青,尹丽娟.仿真设计(ADAMS)在农业机械手设计中的应用J. 农业装备与车

57、辆工程, 2008(2)：20-22.7 Sario Y. Robotics of fruit harvesting: a state-of-the art review J.Journal of Agricultural Engineering Research, 1993, 54(3):265-280.8 翟衡,赵政阳,王志强,束怀瑞.世界苹果产业发展趋势分析J. 果树学报，2005，22(1)：44-50.9 叶立梅，付国，赵志伟.红富士苹果树生长特性及栽培技术J. 科技创新导报，2010(1)：115.10 詹友刚.Pro/ENGINEER中文野火版教程：通用模块M.北京：清华大学出版

58、社,2003：1-311 谭志飞,黄辉先.基于Pro/E和ADAMS的机械手运动学仿真J.机械工程师, 2007(4)：129-130.12 姜华，周济，王春河，张新访.机械设计过程与装配建模J.机械设计，1996(8)：21-24.13J.Rastega，B. Fardanesh. Manipulator workspace Analysis Using the MonteCario MethodJ.Mech.Maeh.Theory，1990，25(2):233一239.14 Cho S I, Chang S J, Kim Y Y, et al. Development of a three

59、-degrees-of-freedom robot for harvesting lettuce using machine vision and fuzzy logic control J. Biostems Engineering, 2002, 82(2): 143149.15 李增刚.ADAMS入门详解与实例M.哈尔滨：国防工业大学出版社，2009：1-2.16 葛正浩.ADAMS2007虚拟样机技术M.北京：化学工业出版社，2010：57.17 王国强，张进平，马若丁.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践M.西安：西北工业大学出版社，2002：73-77.18 孙群,张民,孙霖.基于虚

60、拟样机技术的四自由度机械手设计与仿真J.农机化研究，2009(5)：152-154.19 侯国柱,张晓峰.基于Pro/E和ADAMS的机器人虚拟设计与仿真J.机械设计与制造,2009(3):183-184 .20 赵光霞. 基于Pro/E和ADAMS的装夹机械手运动仿真J.农业装备技术,2009(2):63-64.21 马贵飞,马履中,杨文亮. 苹果采摘机器人机械手运动学分析与仿真J.农机化研究，2010(7):21-25.22 郑凯，胡仁喜，陈鹿民.ADAMS 2005机械设计高级应用实例M.北京：机械工业出版社，2006:104-106.23 J.K. Sallisbury. Kinema

61、tics and Force Control of Articulated HandsJ. Robot Hands and Mechanics of Manipulation: MIT Press, 1985:136-25724 张海平，孔庆忠，郑海龙，杨雄，李果. 基于Pro/E和ADAMS五自由度机械手的运动学分析及仿真J.机械制造与自动化，2009(2):149-152.25 宋健，张铁中，张宾，张红霞. 农业机器人的研究现状与发展展望J.潍坊学院学报，2005,5（4）:1-5.本科生毕业论文（设计）成绩评定表（由指导教师填写） 2121 / 2424学院工学院专业农业机械化及其自动化

62、姓名张耀龙论文题目基于Pro/E和ADAMS的苹果采摘机械手的仿真分析一、一、对待毕业实习的态度及实习期间遵守纪律情况优良（1511分）一般（106分）较差（50）二、二、观察、收集、整理、查阅资料及运用数据的水平优良（3021分）一般（2011分）较差（100分）三、三、学生的独立工作能力和动手能力优良（2016分）一般（1511分）较差（100分）四、四、毕业论文写作的规范化程度优良（1511分）一般（106分）较差（50分）五、五、毕业论文（设计）总体评价优良（2016分）一般（156分）较差（50分）评定意见、成绩及能否提交答辩： 指导教师签名： 单位公章： 年 月 日本科生毕业论文（

63、设计）成绩评阅表（由评阅教师填写） 2222 / 2424学院工学院专业农业机械化及其自动化姓名张耀龙论文题目基于Pro/E和ADAMS的苹果采摘机械手的仿真分析一、一、论文选题的价值与合理性优秀（1511分）一般（106分）较差（50）二、二、论文的难度、工作量大小和创新性优秀（3021分）一般（2011分）较差（100分）三、三、数据资料分析、归纳、概括及运算的能力优秀（2016分）一般（1511分）较差（100分）四、四、文字表达水平、文章的逻辑性优秀（1511分）一般（106分）较差（50分）五、五、论文写作的规范化程度优秀（2016分）一般（156分）较差（50分）评阅意见、成绩及能

64、否提交答辩： 评阅教师签名： 年 月 日本科生毕业论文（设计）答辩及综合评分表 2323 / 2424（由答辩小组填写）学院工学院专业农业机械化及其自动化姓名张耀龙论文题目基于Pro/E和ADAMS的苹果采摘机械手的仿真分析一、一、内容的科学性、应用性和创新性优秀（3021分）一般（2011分）较差（100）二、二、论文写作水平及知识面掌握程度优秀（3021分）一般（2011分）较差（100分）三、三、语言表达能力、逻辑思维能力、回答问题的正确性优秀（4031分）一般（3011分）较差（100分）论文答辩成绩：答辩小组负责人（签名）： 年 月 日本科生毕业论文（设计）综合评定成绩（由答辩委员会填写）开题报告成绩10%中期检查成绩10%指导教师评定成绩30%毕业论文（设计）评阅成绩30%毕业论文（设计）答辩成绩20%综合评定成绩100%注：综合评定成绩等级：优秀（90-100） ，良好（80-89） ，中等（70-79） ，及格（60-69） ，不及格（60分以下） 。答辩委员会负责人（签名）： 年 月 日