果实采摘机械手的设计与仿真

果实采摘机械手的设计与仿真摘要：果实采摘工作具有较强的复杂性和较低的自动化程度，目前国内水果的采摘工作主要靠手工完成。21世纪是农用机械化向智能自动化机械过渡的关键时期，工业智能自动化对现代农业发展规模化、多样化和精确化十分重要。本文针对小型柑橘进行采摘机械手的设计，实现果实的全程自动化采摘。本文通过对果实采摘机械手的采摘环境和采摘特点进行分析，提出一种六自由度小型柑橘采摘串联机械手。通过设计3种末端执行器机械结构,使得机械手具有多用途作用，并将机械手与相关辅助装置相结合，实现整个柑橘果园采摘过程的自动化。本论文基于SolidWorks,建立机构的三维模型与仿真分析。根据仿真与试验的结果得出机械手具有良好的采摘性能。该机构解决了人们采摘高处果实难、果实采摘工作量大和人工采摘具有一定危险性等缺点,实现了小型柑橘等多种果实不受物理损伤的自动化采摘。关键词：工业机器人；果实采摘机器人；机械手；运动学仿真； Design and simulation of fruit picking manipulatorAbstract: Fruit picking work is full of a strong complexity and low degree of automation. Now, the harvest of fruit is mainly done by hand in China. The 21st century is the key period for the transition from agricultural mechanization to intelligent automation machinery, and industrial intelligent automation is very important for modern agricultural to develop large-scale, diversification and precision. In this paper, the design of picking manipulator for small citrus fruit is to realize the whole process of fruit picking.This paper analyzes the environment of picking and characteristics of the fruit picking manipulator, and puts forwards to a six-degree-of-freedom small citrus picking series manipulator. Through the design of three kinds of end executor mechanical structure, making the manipulator has the utility function, and combines the manipulator and the related aided device, realizing the automation of the whole process of citrus orchard. This paper is based on SolidWorks, which establishes the model of three-dimensional and simulation analysis of the mechanism. According to the results of simulation and experiment, the mechanical hand, were sure that it has good picking performance. The agency has solved the fruit, fruit picking people picking high workload and artificial picking has some shortcomings, such as risk, realizing the small citrus and other fruit automatic picking is not subject to physical damage.Keywords: Industrial robot; Fruit picking robot; Manipulator; Kinematics simulationI目 录摘要I目 录III第1章 绪论11.1 课题研究背景及意义11.2 国外研究成果及现状11.2.1 国外采摘机器人成果及现状11.2.2 国外末端执行器研制进展情况31.3 国内研究成果及现状41.4 主要研究的内容4第2章 柑橘采摘机器人机械手机构设计52.1 小型柑橘的生物学特征52.2 采摘机器人选型原则62.3 柑橘采摘机器人机械手的选型72.4 本章小结8第3章 柑橘采摘机器人总体结构方案设计93.1 可移动小车底盘103.2 升降梯103.3 柑橘采摘机械手臂113.4 柑橘采摘执行末端123.5 电控系统123.5.1 控制系统123.5.2 视觉系统123.6 本章小结13第4章 执行末端的设计144.1 柑橘采摘末端执行器设计的总体原则144.2 设计三维软件Solidworks简介144.3 连杆机构设计方案144.4 半球式设计方案204.5 半齿设计方案214.5.1 齿轮传动的计算载荷224.6 三种方案的优缺点分析244.7本章小结25第5章 柑橘采摘机械手运动分析265.1 柑橘采摘机器人机械手运动学分析265.1.1 运动学正解275.1.2 反解验证285.1.3 机械手雅可比矩阵的求解285.1.4 机械手速度和加速度正解分析295.2 柑橘采摘机械手零件理论分析305.2.1 机械零件疲劳极限的因素305.2.2 带传动分析315.3 本章小结32第6章 机械手末端执行器有限元分析336.1 连杆机构末端执行器模态分析336.2 半球式设计末端执行器模态分析356.3 半齿设计末端执行器模态分析376.4 模态分析总分析396.5 本章小结40第7章 总结与展望41参考文献42致谢44附录A 图纸45附录B 外文文献及翻译51V西安文理学院本科毕业论文（设计）第1章 绪论1.1 课题研究背景及意义21世纪是农用机械化向智能自动化机械过渡的关键时期，工业智能自动化对现代农业发展规模化、多样化和精确化具有不可磨灭的重要性。随着农业生产要求的不断提高，许多农作物的采摘是一项劳动密集型的工作，随着采摘季节的要求，保证采摘质量至关重要。采摘机器人是农业机器人的重要一部分，可充分利用机器人的信息感知能力，通过机器视觉识别被采对象的成熟度，从而保证果实的采摘质量1。采摘机器人能够在降低采摘成本的同时提高柑橘的采摘效率，并且水果采摘机器人有很大市场缺口，其未来发展潜力巨大。摘果机械手作为采摘机器人的核心部件，在采摘机器人的发展中起着至关重要的作用。我国柑橘种植历史悠久，柑橘生产在世界柑橘产业中占有举足轻重的地位。据统计，我国柑桔种植面积达万公顷，产量万吨。但是到目前为止，柑橘的采摘工作都要靠人工完成。我国是多种水果的生产大国，由于缺乏有效可行的果实采摘自动化机械，从而造成果实采摘效率低下也是一个重要原因2。因此急需提供一种轻巧灵便的果实摘采机械手，能够在保障人身安全的同时保护果树、果实不受损伤。将果实采摘机械手与机器人相结合，大大提高了农业自动化水平，使得果实的采摘更加高效便捷。果实采摘机械手是一种实用新型机械手，其最终目标是，确保人身不受伤害的前提下，提高果实的采摘质量与采摘效率3。通过查阅相关资料与深入的调研，市场上相关产品较少且实用性不足，因此果实采摘机械手的市场前景广阔。设计一款轻巧，灵便，满足使用要求的水果采摘机械手变得十分迫切且意义重大4。综上所述，该课题具有很强的研究探索意义。1.2 国外研究成果及现状1.2.1 国外采摘机器人成果及现状随着计算机和电子控制技术的飞速发展，机器人逐渐趋向自动化、智能化，并已应用于许多领域，但在农林领域还没有达到实际应用。从 20 世纪 80 年代中期开始，很多国家都展开了果蔬收获机器人方面的研究工作，涉及到的研究对象主要有甜橙、葡萄、苹果、西红柿、樱桃、西红柿、草葛、蘑菇等多种果蔬5。图1.1 日本葡萄采摘末端执行器 图1.2 “CITRUS” 柑橘采摘机器人西班牙和法国的合作项目，“CITRUS”是比较成功的柑橘采摘机器人，如图1.2所示。该项目于1988年开始启动,研制的柑橘采摘机器人最高能达到80的采摘率6。苹果采摘机器人在美国、法国、日本等国已有研究,其中Johan Baete和Sven Boedrij等人研制的苹果采摘机器人，如图1.3所示,利用工业机器人的六自由度手臂作为机械手主体,手臂整体可在架子上进行水平和竖直方向的移动,在果园作业时,机械手由一台拖拉机牵引 7。图1.3 苹果采摘机器人图1.4 荷兰的黄瓜采摘机器人1.2.2 国外末端执行器研制进展情况从上世纪80年代开始,日本、荷兰等国都曾开发出各种果实采摘末端执行器,取得的不少研究成果,但普遍存在采摘质量和采摘效率偏低,机器比较笨重,通用性较差等缺点8。下面介绍了几种国外水果采摘机器人执行末端。美国佛罗里达大学研制了柑橘采摘末端执行器，如图1.5所示。其依靠置于末端执行器的内部的CCD摄像机和超声波传感器来探测水果的位置8。 图1.5 柑橘采摘末端执行器 图1.6 苹果采摘末端执行器Johan Baeten和Sven Boedrij等人研制了苹果采摘机器人末端执行器，如图1.6所示。其前端树脂管里装有微型摄像头,用于获取末端执行器正前方苹果图像,真空泵提供动力,吸盘用于吸取苹果8。1.3 国内研究成果及现状作为一个果蔬生产大国，中国在农业机械自动化方面晚起步于其他发达国家，因此加快我国的农业现代化机械化进程，是实现我国农业现代化的必经之路9。农业机器人的发展大大推动机械手的发展，机械手的发展将大大提高机器人的实用性和高效性。我国在农业采摘机器人方面的研究始于20世纪90年代中期,相对于发达国家起步较晚，但不少院校、研究所都在进行采摘机器人和智能农业机械相关的研究10。东北农林大学陆怀民开发了林木球果采摘机器人，浙江大学对番茄采摘机器人进行了运动学分析，上海交通大学对黄瓜采摘机器人进行了研究，浙江大学对番茄采摘机器人进行了相应的研究。在这之中,东北林业大学的陆怀民研制的林木球果采摘机器人已经进行了采摘试验，如图1.7所示。图1.7林木球果采摘机器人原理图1.4 主要研究的内容本文主要对柑橘采摘机械手进行结构设计与运动学分析，并对一些关键部位进行优化，并从实用智能的角度对柑橘采摘机器人的末端执行器进行了分析和仿真，以实现从机械本体的角度提高小型柑橘的采摘速度和合格率。并且对柑橘的生物学特征进行了调查与研究，对柑橘采摘机械手提出相关设计要求，使其更好的应用于实际生活中。第2章 柑橘采摘机器人机械手机构设计机械臂机构设计又称机构综合，本章通过对小型柑橘果实生长、树与树之间的行距、树冠基径、树冠高度、栽培方法等生物学特性数据采集，分析柑橘收获作业的特点，作为机器人机械手机构设计的基本出发点。2.1 小型柑橘的生物学特征小型柑橘沙糖桔，如图2.1所示。沙塘菊果实扁圆形，单果重62160克，顶部有瘤状突起，蒂部凹脐，桔黄色，果壁薄，易脱落。沙塘巨树生长势强，树冠中等，圆头，根系发达，枝条细，稍直立，毛发粗壮，叶椭圆形，深绿色，叶稍深锯齿，叶片较小。花又小又满。它是柑橘品种之一，产量稳定、高。图2.1 小型柑橘实物图通过对小型柑橘园的调查发现，果园的行与行之间通常留出作业通道，便于果树的管理。果园的真实场景如图2.3所示。果园地面比较平整, 果园行间距一般为3.54.5m, 柑橘树与树之间留有1.21.8的大间隙, 柑橘树高一般不超过3m,果体直径为30mm55mm,果重62-160克不等。柑橘树的冠形特征与果树的修建强度、树龄、与基本树形有较大关系。近年来随着果树的矮化和新品种堵塞培养，果实的可采摘性得到提高，能够更好的适应未来的自动采摘模式。柑橘的采收不同于苹果等果实表面较硬的水果，果体表面较软，果皮易磕碰破坏，因此采摘时要严格控制好采摘力度，轻拿轻放，不可采摘时生拉硬拽，否则会将柑橘果梗处与皮一同拽开，严重影响果实的保存。这也是采摘机械手设计时尤为注意的一点。 图2.2 柑橘采摘实景 图2.3 柑橘果园实景2.2 采摘机器人选型原则本论文设计的采摘机械手遵循工业机械手的相关特点，同时也要考虑到采摘小型柑橘的特殊性。经调查，目前工业机械手主要有：直角坐标型机械手、圆柱坐标型机械手、极坐标型机械手、关节坐标型机械手四种，如下图2.4、2.5、2.6、2.7所示。由于农业采摘环境的复杂性、不确定性和果实分布的随机性本论文采用关节坐标来解决机械臂运动问题11。图2.4 直角坐标型 图2.5 圆柱坐标型图2.6 极坐标型 图2.7 关节坐标型2.3 柑橘采摘机器人机械手的选型通过对小型柑橘采摘应具备的特点进行查阅相关资料，柑橘采摘机器人的机械手形式最适合选择关节坐标型，如图2.8所示。其具体结构包括旋转底座、大臂、中臂和小臂四部分。并在其底部添加了升降结构, 在垂直方向上增加了机器人的作业空间，使得果实采摘机械手动作灵活,工作空间大、占地面积小的优点，更加适合柑橘的采摘作业，是一种六自由度串联关节型柑橘采摘机械手。图2.8 柑橘采摘机械手机构类型2.4 本章小结本章对工业机器人的几种重要类型进行了优缺点分析，并通过对小型柑橘的生物特性、栽培技术、采摘方式与特点进行了解，最终确定出以串联关节类型作为柑橘采摘机器人机械手的机械臂形式。通过本章机械手的选型，明确了后续设计的主要方向与设计任务，提高设计效率。第3章 柑橘采摘机器人总体结构方案设计为适应多变开放的柑橘园地面环境,选用装有麦克纳姆轮的移动小车作为机械手在果园内作业的移动平台。麦克纳姆轮移动小车靠纯电力驱动，以达到节能环保的作用，在必要时可为其配备发电机。小车上安装有升降平台，机械手整个部分安装在升降台上，以提高果实采摘机械手在垂直方向的运动范围。机械手底座和关节的运动采用交流伺服电机作为驱动源，并使用行星齿轮减速器进行减速，达到提高最终输出扭矩的效果。中臂采用气动马达，使其能够达到动作的快速响应，以及降低价格成本。小臂采用伺服电机带同同步带传递动能,使其能够较远距离传递动能给末端12，采摘机械手末端通过快速连接机械装置将法兰盘与末端执行器固连。在末端执行器下部连接有漏斗状的果实收集装置,并且漏斗状收集装置与柔管道相连接，采摘后的柑橘由此落下,依靠其重力势能，通过柔性管道将柑橘传送到收集筐中。柑橘采摘机器人总体结构大致可由5部分组成，如图3.1所示，可移动小车底盘，升降梯，柑橘采摘机器人机械手，柑橘采摘执行末端，电控系统，视觉系统六部分组成。图3.1 采摘机器人总体结构3.1 可移动小车底盘可移动小车底盘由四个麦克纳姆轮、底板、伺服电机、供电系统、传感器系统、水果回收蓝等组成，如图3.2所示。装有四个麦克纳姆轮的底板可控制整个移动平台的移动，如平台的前进、后退、横移、斜行、原地360旋转及其组合等动作，在伺服电机的控制下都能完美的实现。供电系统为电机源源不断的输送电能，实现连续采摘作业。传感器系统能够识别整个小车周围是否有障碍物，使得能够实现自动避障。底板上安装有一个真空泵，为执行末端提供一个持续的吸力，能够更好的使执行末端达到采摘效果。可移动小车为果实采摘机器人提供了最根本的运行条件。图3.2 移动小车底盘3.2 升降梯升降梯的作用大大加大了机械手的可采摘范围，如图3.3所示，同时为机械手的采摘带来极大的方便。同时升降梯能够承受人的重量，在未安装机械臂时，能用来充当一个可随时移动的梯子，才在上面可进行认为采摘，是的人工采摘更加高效，更加方便与更加安全。图3.3 升降梯3维模型图3.3 柑橘采摘机械手臂图3.4 柑橘采摘机械手臂柑橘采摘机械手臂采用关节坐标型机械臂，如图3.4所示,使得机械手的运动动作更加灵活,工作空间大、占地面积小。机械臂的最下不是一个旋转底座，由伺服电机带动减速机来实现整个机械臂的精准旋转控制。机械臂大臂安装旋转底座，上通过伺服电机带减速机来实现大臂的旋转。机械臂的中臂有两部分做成，中臂A安装在大臂末端，由气动马达带动实现绕大臂末端上下运转，中臂B安装在中臂A末端，由气动马达带动实现绕中臂A末端左右360旋转。小臂安装在中臂B末端，通过两个伺服电机带动小臂实现上下旋转运动，之间的运动传递通过同步带实现。3.4 柑橘采摘执行末端柑橘采摘执行末端通过可拆卸式手柄式的方法，将柑橘采摘执行末端安装在小臂末端，柑橘采摘执行末端通过采用吞咬的仿生学原理，将果实通过机械装置吞入内部，然后合拢机械臂，实现咬的过程，剪断果梗，剪断后的果实通过柑橘采摘执行末端下的回收管道，将柑橘回收到回收果框内。图3.5 果实采摘机械手执行末端3.5 电控系统3.5.1 控制系统本设计柑橘采摘机器人控制系统硬件由Siemens1200系列PLC控制器、伺服控制器、双目CCD工业相机、图像数据采集卡、气动控制套件、检测系统共六个子系统组成。选用Siemens1200系列PLC控制器作为小型柑橘采摘机器人的控制核心，其相当稳定的控制能力与抗干扰能力为果实的采摘奠定基础。伺服控制为其运动控制提供更高的精度，双目CCD工业相机为果实采摘提供实时数据，检测系统确保了采摘的安全正常运行，最终通过电动、气动与机械结构的结合，完成对果实的采摘。采摘的定位、抓取、采摘、回收过程自动进行。3.5.2 视觉系统视觉系统安装在采摘机械臂小臂上，采用高清CCD相机采集视觉信号，将视觉信号传递给处理器，处理器实现对图像信息的实时处理，并将信号传递给PLC,实现自动精确采摘。双目视觉能实现更加精确的定位，使得视觉观察更加精准。视觉系统与机械臂相结合，能够非常完美的实现图像的采集，捕捉，识别，并将信息分析处理，完成对机械臂的控制，实现果实的自动采摘。图3.6 采摘机械手视觉3.6 本章小结本章通过对柑橘采摘机器人移动小车底盘，升降梯，柑橘采摘机器人机械手，柑橘采摘执行末端，电控系统，视觉系统进行设计并对其部件及细节作必要的介绍，分析的采摘机器人机械结构的优势，最终完成柑橘采摘机器人总体结构方案设计，为后续末端执行器的设计奠定基础。第4章 执行末端的设计4.1 柑橘采摘末端执行器设计的总体原则柑橘采摘末端执行器应严格按照采摘对象、采摘环境和采摘方法进行设计，并通过调查找出参考和相关技术参数，找出比较适合的机械结构，通过可行性研究与参数计算，并通过对比，寻找比较适合的方案，进行详细计算。设计时再能实现其功能的同时，要考虑到采摘末端执行器成本尽量低廉，机械结构尽量简单，使用方便。4.2 设计三维软件Solidworks简介SolidWorks是目前市面上主流的三维设计绘图软件。Solidworks软件具有强大的三维设计功能，同时其也具有非常丰富的各类组件，为三维绘图软件提供了更加强大的渲染功能与有限元分析功能。 SolidWorks以其易学、功能强大、技术创新性强等优点，广受大众喜爱。SolidWorks强大的装配功能使用户能够在短时间内完成大规模的装配设计，从而大大提高了设计效率。SolidWorks同时具有强大的曲面设计功能、渲染功能、磨具设计功能、钣金设计功能、有限元分析功能和二维CAD绘图生成功能，使用户能够在较短的时间内完成更多的工作，更快地将优质产品投放市场。4.3 连杆机构设计方案本章节通过仿生学原理与实际生活中的柑橘采摘相结合，选取蛇嘴吞咽食物的过程为研究对象，蛇的吞咽动作可分为两个阶段：第一阶段为把嘴从张开到咬住猎物的阶段；第二阶段是咬住猎物到将其吞下的阶段。将蛇吞咽的这两阶段与小型柑橘的采摘相结合，并参照蛇嘴吞食抽象柑橘采摘末端执行器的机械结构。蛇头上颚部分可简化一个闭环的连杆机构， 连杆对实现上颚的主要运动几乎无影响，因此蛇头上颚部模型可简化为一个两侧对称的铰链四杆机钩，下文就四杆机构的形式进一步讨论。图4.2 蛇头部骨架模型以蛇头上颌骨机构为分析对象，对机构模型进行简化，得到简化模型1 (专用四杆机构)和简化模型2 (通用铰链四杆机构)。(a)蛇头上颚机构简化模型 1 (b)蛇头上颚机构简化模型 2图4.3 蛇头上颚机构简化模型对以上两种简化模型机械结构进行综合对比，判断其各自结构的优势，最终选取模型2做为作为末端执行器结构，其结构形式为铰链四杆机构。(1) 铰链四杆机构 运动学分析图 4.6 上颚简化四杆机构模型几何参数以铰链 D 点为原点构建机构坐标系 l1cos1+l2cos2-l3cos3=l4 l1sin1+l2sin2-l3sin3=0 l1cos(1-)+l2cos2-l3(cos3+)=l4l1cos(1-)+l2cos2-l3(cos3)=l4公式(4.1) 由(4.1)式可得3=-arccosl32+D2-l122l3D-arccosl42+D2-l122l4D =-arccosl32+E2-l222l3E-arccosl42+E2-l122l4E-3公式(4.2)其中 D=l12+l42-2l1l4cos1 公式(4.3)E=l12+l42-2l1l4cos(1-) 公式(4.4)由上求得3后，即可求得 E 点的变化规律，则杆 1 中1随时间的变化关系为： 1=t+0 公式(4.5)式中为一常数，代入式 4.5，可以得出杆件夹角3随时间的运动关系式。执行器机构受力分析图 4.7 末端执行器机构受力分析假设四杆传动机构为刚体轻质杆，则 F12cos=F M=Fl1l1=F12sinl1Fl1=Fl2cos 公式(4.6)假设杆为轻质杆，则传动机构中F12F，即F=Msinl1图 4.8 末端执行器初步模型 2(2) 柑橘采摘末端执行器模型建立根据执行器采摘对象的生物学特性分析，柑橘果实的横纵径几乎不会大于 0mm，经调查测量一般果实的横纵径一般不大于80mm，基于模型尺寸紧凑性原则与通用性原则，与取执行器上下颚运动半径为 50mm，使得果实采摘执行末端能达到采摘小型柑橘的目的，同时其又能够作为其他水果的采摘执行末端，使得末端执行器的通用性与可加工性得到提高。如图 4.9 所示。图4.9 末端执行器模型示意图由于末端执行器在结构形式上，上下结构相互对称，故只取上部结构作为参数研究对象。将上部结构的运动看作刚体绕铰接在执行器主架上运动，铰接点为 D。驱动末端执行器上部结构运动的四杆机构为图 A-B-C-D 所示。此结构选取指型气缸与标准直线气缸作为采摘末端执行器的动力源。根据SolidWorks中的紧凑结构原则，建立了手指圆柱的对称参考平面与执行器主框架的对称参考平面重合的数学模型，并对其最终lAD=118mm，分别研究了传动机构的传动参数，提取了一般铰链四杆传动机构的传动参数。图4.10 传动机构分析示意图预取lCD=152+102=18.03mm ，以其铰链四杆机构及计算的数据参数，对末端执行器的其他部分进行建模。为了保证整个模型的紧凑性，将由真空泵等装置组成的抽吸装置设计到末端执行器内部，从而获得其三维模型如图4.11所示。图4.11末端执行器最终三维模型经研究得出执行器基本尺寸参数后，需要根据执行器作业情况确定其动力参数，由式 (4.7) 可知，该型气缸在 0.5MPa 气压下能提供的切割力F=2*Ml1sincos=2*0.540.02203*sin90*cos147=41.12N 公式(4.8)下面来探讨切割过程中切割力的主要影响因素，如上分析，将切割过程刀片受力视为0平衡状态，则建立其平衡方程如式 (4.8) 所示。FRY1=N1sin(+)cosN2=-FRX1=-N1cos(+)cosFf2=N2=N2tan 公式(4.9)则此时切割力F=P+Ff2-FRY1=P-N1cos(+)sincos2-sin(+)cos 公式(4.10)根据材料力学的相关理论，建立了切削装置分离时的微元模型。在果梗的切割过程中，由于刀片本身的厚度，刀片将挤压果梗表面两侧的柑橘茎组织，将力传递给未切割的茎，然后茎杆微元梁在力的作用下弯曲。由材料力学梁弯矩理论：N1=Ml1=MEIX 公式(4.11)式中l为定刀支点C 到正压力N1的距离，mm ；E 为果柄顺纹抗拉弹性模量，Pa ；由相关几何关系可知，微元梁曲率与惯性矩Ix表达式如式(4.12)所示: =Catan(yc+r)Ix=A(y-yc)2dA=B1-B2+B3 公式(4.12)推导得出：N1=EIxl=E(B1-B2+B3)atanlC(yc+r) 公式(4.13)式中，为形心 G 点到 X 轴的距离， mm ;B1，B2和B3为参数，单位均为m4，r 为柑橘果柄半径，mm ；在切割过程中，果柄纤维在刀刃挤压下，发生变形，当形变足够大时，纤维被拉断。研究表明，在果柄切割分离过程中，其对刀刃的阻抗力 P以表示为：P=1.6070Lh12E/E公式(4.14)综上所述，通过材料力学及相关文献研究，可得果柄在单刃切剪的数学模型，其表达式如(4.15)：F=1.6070Lh12E/E+E(B1-B2+B3)atanlC(yc+r)cos(+)sincos2-sin(+)cos公式(4.15)由表达式(4.15)，该模型可推论在给定果柄（果柄直径、含水率一定情况下）和特定刀刃角下刀片切断果柄所需切割力的大小，该模型可以对刀片切断柑橘果柄的切割力作出预估，为切割刀具的设计提供理论参考。 而实际上在理想切割状态，上下刀片接触瞬间，由于机构存在冲量，由 Ft =mv ，切割瞬间加速度增大，对柑橘果柄的破坏也会加大，故该执行器所选动力气缸及切割装置完全满足执行器作业切割要求。图4.12 末端执行器模型图4.4 半球式设计方案该方案的是设计仍然是引用蛇类吞食大的构想，但设计思路并非上一节的四杆机构，机械机械结构采用直切式结构，将柑橘果梗剪断。此机构的动力源为气动马达，机械执行末端通过旋转气缸带动球型刀片将果梗剪断，在通过柔性管道将剪断的柑橘输送到果框中。该柑橘采摘机械手执行末端通过设计一个半球式刀片，可实现180采摘，采摘管一周设有相同宽度的间隙，间隙的边缘较为锋利，更加方便和有效的采摘果实，能够实现水果的果的固定与果枝的裁剪同时能够保证人的手指等不受刀片的划伤，使得采摘更加安全。图4.13 末端执行器图 图4.14 传动三维图4.5 半齿设计方案该方案的是设计仍然是引用蛇类吞食大的构想，但设计思路并非上一节的四杆机构，机械机械结构采用对切式结构，将柑橘果梗剪断。其动力源为气动马达，机械执行末端通过气动气缸旋转带动半齿轮，使得1/4球式刀片相对运动将果梗剪断，在通过管道将剪断的柑橘输送到果框中。该柑橘采摘机械手执行末端通过设计一个1/4球式刀片，180采摘，采摘管一周设有相同宽度的间隙，能够实现水果的果的固定与果枝的裁剪。同时能够保证人的手指等不受刀片的划伤，使得采摘更加安全。图4.15 末端执行器图 图4.16 末端执行器图图4.17半尺模型图 图4.18齿半球模型图图4.19 末端执行器图 图4.20 传动三维图4.5.1 齿轮传动的计算载荷根据齿轮传动的额定功率P和转速V,可以得到齿轮传递的实际使用扭矩和轮齿上的名义法向载荷力Fn。Fca=KFn，式中K为载荷系数。K=KAKvKK根据强度计算的类别，载荷系数可分为载荷系数KF，用于计算齿根的弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度计算用载荷系数KH。(1) 齿轮的受力分析计算齿轮上的法向力Fn，将小齿轮分度圆处分解为圆周力Ft1和径向力Fr1，根据平衡条件和个力间几何条件进行计算。Ft1=2T1/dr1Fr1=Ft1/tanFn=Ft1/cos式(4.16)式(4.16)中；T1-小齿轮传递的转矩，N*mm;-压力角。图4.21直尺圆柱齿轮轮齿的受力分析(2) 齿根弯曲疲劳强度计算调查分析表明，当载荷作用在单对齿啮合区域的最高点时，齿根产生的弯曲应力最大。 齿根弯曲应力的危险截面可由30切线法确定。图中,作与轮齿对称线成30角,并与齿根过渡曲线相切的圆条直线,切点分别为A、B，连线AB表示的就是齿根的危险截面。该位置的弯曲应力为： F0=MW=Fncoshbs26=kFFt1bs2 公式(4.17)将上式代入上式，并引人载荷系数KF，于是危险截面处的弯曲应力为F0=KFFt1bm*6smcosbmsm2cos=kFFt1bm*YFa 公式(4.18)式中: KF一弯曲疲劳强度计算的载荷系数, KF= KAKVKFKF;YFa-齿形系数,与齿制、变位系数和齿数有关,与模数无关, 考虑齿根危险截面处的过渡曲线所引起的应力集中、弯曲应力以外的其他应力以及重合度对齿根应力的影响,、修正m,从而得到直齿轮的弯曲疲劳强度条件为F=F0YSaY=KFKt1YFaYSaYbmF 公式(4.19)图4.22 齿顶啮合受载 图4.23 齿根应力图将d=b/d1、Ft1=2T1/d1及m=d1/z1得F=2KFTFaYFaYsaYdm3z12F 公式(4.20)经变换,可得m32KFT1Ysadz12*(YFaYsaF) 公式(4.21)4.6 三种方案的优缺点分析 三种机械手执行末端的构想都是采用蛇吞食的仿生学原理设计的机械机构，都具有剪断果实后依靠重力将采摘的果实回收到果框里。机械手的设计能够快速更换执行末端，机械手执行末端通过相当于数控换刀结构，按照不同的要求可换上不同的执行末端。能够实现机械手更换执行的快速性、简捷性与采摘的多样性。（1） 连杆机构设计方案机构设计非常巧妙，采用连杆机构实现刀口的开合，能够实现果实果梗的剪断与采摘。其缺点1）机械结构比较复杂，造价相对较高；2）对机械末端的坏后维护较难；3）该机构内部空间较小，刀体部均外漏，不安全；4）刀片采用直型刀片，不能够剪断侧边的果实果梗，采摘效果不理想。（2） 半球式设计方案采用气动马达直接带动半球式刀片运动实现剪切作业，该机构整体结构较为简单，整个刀体均内置在采摘桶内，保护人身不受伤害，刀体180旋转能够实现无死角采摘。其缺点1）由其结构不是很对称，采摘为气动，速度较快，使得果实容易被磕碰，采摘破环率较高。（3） 半齿方案采用气动马达带动半齿轮实现齿半球的相对90同步运动实现剪切作业，该机构整体结构较为简单，整个刀体均内置在采摘桶内，保护人身不受伤害，刀体180旋转能够实现无死角采摘。同时其结构解决了半球式设计运行不对称问题，使得果实不容易被磕碰，采摘破环率降低。上述三种方案在设计时，采摘切割刀刃的长度分别80mm,280mm.140mm，能够实现最大采摘90mm果径大小的果实，使其在满足采摘小型柑橘的同时也能够实现其他与小型柑橘具有相同果况的其他果实，实现一物多用的好处。通过对上述三个方案的优缺点进行分析比较，得出半齿方案的机械结构、采摘性能、可加工性、安全等方面的综合性能优于其他两方案，是本次执行末端设计的最佳方案。4.7本章小结本章首先介绍对三维绘图软件Solidworks软件进行简要介绍，后面对三种执行末端连杆机构设计方案、半球式设计方案、半齿式设计方案进行的设计与进行了必要的实际计算，通过Solidworks三维绘图软件得出其三维实体图，并通过三维图内运动仿真，得出方案的可行性。仿真得出三种执行末端都具有采摘能力与可使用性，并在章节最后通过三种方案之间的相互对比，得出其不同方案的优缺点，并最终得出半齿方案为最佳方案。第5章 柑橘采摘机械手运动分析在选择柑橘采摘机器人机械手末端执行器的机械结构方案和改进末端执行器设计时，应考虑采摘方式的合理性，为了得到最合理的末端执行器机械结构，提出了几种末端执行器的机械结构方案，并通过实验进行了验证。5.1 柑橘采摘机器人机械手运动学分析机器人一般是一种多自由度空间机构，是由一系列刚性部件组成的系统。需要有一种描述这些构件在空间上相互位置的数学方法,并用它去建立各运动构件的速度、加速度及各驱动力、力矩和负载的关系13, 齐次坐标矩阵法能更好地表达这种关系。它是一种系统性及规范性很强的方法,既有利于形成机器人运动控制算法,也可用作机器人视觉的图像处理14。Denavit一Hartenbern(D-H)是一种经典的研究机器人运动学的方法。用齐次坐标变换描述了机器人相邻杆件的空间关系,最终可以建立机械手末端点的参考坐标系相对于机械手基坐标系的齐次变换矩阵15。建立了机械手的运动学方程。图5.1 连杆D-H表示用D-H齐次坐标变换法建立苹果采摘机械手的运动学方程。图5.2 机械手D-H坐标5.1.1 运动学正解机器人的正向运动学是根据机器人的各关节变量,求机器人末端操作装置的位姿15。建立了连杆的三维坐标系和三维参数。连杆的D-H坐标变换矩阵可推导如下:10T=0-1010000100d10001 公式(5.1)21T=c20-s2s0c20-110.133c20.133c200 0 0 1 公式(5.2)32T=c3-s30s3c30001c3s300001 公式(5.3)4 3T=c40-s4s40c40-100000001 公式(5.4)54T=10001000100d50001 公式(5.5)运动学方程为:5 0T=10T21T32T43T54T=nxoxaxnyoyaynzozazpxpypz0001 公式(5.6) px=-s34d5-s3+d1. 公式(5.7)利用初始位姿进行正反解的初步验证正解验证：将初始位姿:d1=0.84m,2=0，3=-90，4=0，d5=1m 代入（5.7）式得：50T=0，1，0，0，0，1，1，0，0，01.1331.8400，0，0，1 公式(5.8)其与实际情况完全符合,初步证明了正解的正确性。5.1.2 反解验证利用末端执行器初始位姿进行反解验证50T=nxoxaxnyoyaynzozazpxpypz0001=0，1，0，0，0，1，1，0，0，01.1331.8400，0，0，1 公式(5.9)代入相应的运动学的反解公式中得到：2=arccosox=0d5+c3+0.133=1.133d1-s3=1.840cos(3+3)=0 公式(5.10)将d1=0.840m,2=0，3=-90，4=0，d5=1m, 代入方程组,结果等式分别成立,这说明d1=0.840m,2=0，3=-90，4=0，d5=1m,是方程组的解,初步证明了反解的正确性。5.1.3 机械手雅可比矩阵的求解雅可比矩阵是衡量机器人运动学和动力学性能的重要指标。本文采用矢量积法求解小型柑橘采摘机械手的雅可比矩阵。采用向量乘积法计算列中的雅可比矩阵，得到机械手mn的雅可比矩阵。解决方法如下:如果关节i为移动关节,则雅可比矩阵的第i列为:Ji=zi0 公式(5.11)如果关节i为转动关节,则雅可比矩阵的第i列为:Ji=ziipn0zi=zi（i0Ripn)zi 公式(5.12)矩阵, ipn0为末端执行器原点相对坐标系i的位置矢量在基坐标系0中的表示,即ipn0=i0Ripn。对于本柑橘采摘机械手而言,有5个关节,所以雅可比矩阵的是65阶矩阵可将雅可比矩阵J(q)的分块,即:Jq=J1vJ2vJ3vJ4vJ5vJ1wJ2wJ3wJ4wJ5w=J1J2J3J4J565 公式(5.13)利用矢量积法得到本小型柑橘采摘机器人机械手的雅克比矩阵各列,其中:J1=z10=0,0,1,0,0,0, 公式(5.14) J2=z20p52z2=-s22c3s4d5-s3c4d5-c3-0.2,c2s2(c3s4d5+s3c4d5-c3-0.2),-c2-c22s3c4d5-c22s3c4d5+c2c3+0.2+s2c2s3c4d5-c3s4d5-s3+s2c2s2c3s4d5-s2c3s4d5-s2c3-s30.2-s2(s3c4d5-c3s4d5-s3),-c2,-s2,0, 公式(5.15)J3=z30p53z3=-s2s3c3s4d5+s32c4d5-s3c3-c32c4d5+c3s3s4d5-s3c3,c2(s3c3s4d5+s32c4d5-s3c3-c32c4d5+c3s4d5-s3c3)-c2c2c32c4d5-s2c2s3c4d5+c32c2+c2s2s3c4d5+c2s32s4d5-c2s32)+s2s2c32c4d5+s2c2s3c4d5-s32c3+s2c3s3c4d5-s3s4d5+s32s2,-c2,-s2,0,公式(5.16)J4=z40p54z4=-s2c3s4-c2s3c4）（-c3s4-s3c4）s4d5-（s3s4-c3c4）（-c2c3c4s4d5+c2s3s4s4+s2c4d5,s3s4-c3c4s2c3c4s4d5-s2s3s4d5+c2c4d5+(s2c3s4+s2s3c4)(-c3s4-s3c4)s4d5(s2c3s4+s2s3c4)(-c2c3c4s4d5+c2s3s4s3s4d5-c2c4d5)-（-s2c3s4-c2s3c4）（s2c3c4s4d5-s2s3s4s3s4d5+c2c4d5）s2c3s4+s2s3s4,-c2c3s4-c2s3s4,s3s4-c3c4, 公式(5.17)J5=z50=s2c3s4+s2s3s4,-c2c3s4-c2s3s4,s3s4-c3c4,0,0,0, 公式(5.18)通过求解机械手的雅可比矩阵，得到末端执行器速度与各关节速度的瞬时对应关系。5.1.4 机械手速度和加速度正解分析(1) 速度正解机械手正运动学方程为关节位置向量q的函数,可简写为如下方程形:r=f(q) 公式(5.19)对式两边求导可得到机械手末端的速度方程为: r=J(q)q公式(5.20)(2) 加速度正解分析机械手末端加速度方程为:r= J(q)q+j (q)q公式(5.21)式中r机械手末端的加速度向量, q关节变量加速度向量。5.2 柑橘采摘机械手零件理论分析5.2.1 机械零件疲劳极限的因素由于机械零件、机构与其使用材料在几何尺寸、形状、加工质量、表面强化技术等方面存在的差异，往往导致零件的疲劳极限小于材料试件的疲劳极限。因此机械零件疲劳极限的因素进行理论分析，如果材料系数K表示，则零件的对称循环弯曲疲劳极限-1与对称循环弯曲疲劳极限-1e之比如下K=-1-1e则当已知K,及-1时,就可以估算出零件的对称循环弯曲疲劳极限为K-1e=-1K图5.3 零件极限应力线图在非对称循环时, K是试样极限应力幅值与零件应力幅值的比值。零件材料极限应力图中的线ADG"按比例K表示。向下移动,变为上图所示直线ADG,极限应力曲线CG部分,不需进行修正，因为它是按照静应力的要求来考虑的。这样,零件的极限应力曲线即可由折线AGC表示。直线AG的方程,由已知两点坐标A(0, -1K)及D(02,02K)得到-1e=-1K=ae+eme或-1=Kae+me 公式(5.22)直线CG的方程为。ae+me=s 公式(5.23)e零件受循环弯曲应力时的材料常数, e可用下式计算:e=sK=1K2-1-00 公式(5.24)式中, K可用下式计算:K=(k+1-1) 1q 公式(5.25)同样,对于切应力的情况,以代换,得出应力相关方程。5.2.2 带传动分析(1) 带传动受力分析带传动工作前，施加一定的初拉力F0张紧在带轮上。F1-F0=F0-F2 公式(5.26) F1+F2=2F0 公式(5.27)如取小带轮上传送带为分离体，则带轮上力矩平衡条件； Ffdd12=F1dd12-F2dd12 公式(5.28) Ff=F1-F2 公式(5.29)式(5.29)中: Ff-传动带工作面上的总摩擦力;dd1一小带轮的基准直径；带传动的有效拉力Fe等于传动带工作表面上的总摩擦力Ff,于是 Fe=Ff=F1-F2 公式(5.30)在初拉力Fe、紧边拉力F1、松边拉力F2和有效拉力Fe.这4个力中,只有两个是独立的,因此： F1=F0+Fe2F2=F0-Fe2 公式(5.31)有效拉力Fe与带传动所传递的功率P的关系为：P=Fev /1000 公式(5.32)图5.4 带与带轮的受力分析(2) 带传动的最大有效拉力及其影响因素在皮带传动中，当有打滑趋势时，摩擦力达到极限值，即皮带传动的有效张力达到最大值。这时,根据理论推导,带的紧边拉力F1和松边拉力F2的关系可用柔韧体摩擦的欧拉公式表示,即F1=F2efa 公式(5.33)式(5.33)中:e-自自然对数的底(e=2.718);f一摩擦系数(对于V带,用当量摩擦系数fv,代替f;-带在带轮上的包角，rad.小带轮与大带轮的包角分别为1和2,由下式确定;1180-(dd2-dd1)+57.3a1180+(dd2-dd1)+57.3a 公式(5.34)由式(5.34)可得出以下关系式,其中用Fec表示最大(临界)有效，F1和F2也表示其临界值F1=Fecefaefa-1F2=Fec1efa-1Fec= 2F0efa-1efa+1=2F01-1/efa1+1/efa 公式(5.35)式(5.35)中的包角应取1和2中的较小者。5.3 本章小结本章通过Denavit一Hartenbern，机械手雅可比矩阵等数学算法对柑橘采摘机器人机械手进行了运动学分析，并通过对机械零件疲劳极限方面得与同步带方面得计算，得出其理论上得可行性。第6章 机械手末端执行器有限元分析任何物体都有固有频率，固有频率是由其本身的结构决定的，与外界无关。一般来说每一阶固有频率都有一个振型与之对应。当外界激振频率与结构本身频率一致时，就会产生共振现象，对结构破环影响很大，通过Solidworks内部Smulation有限元分析软件对执行末端进行模态分析。在末端执行器有限元模型中，对末端执行器安装端面进行全自由度约束，采用SolidWorks软件建立末端执行器有限元模型，求解约束模态。解决方案结果如下图所示。根据振动理论，模型的低阶频率最有可能与外界频率产生共振效应。在分析末端执行器模型的模态时，只需对其低阶固有频率和振型进行检测。6.1 连杆机构末端执行器模态分析如图6.1所示，在频率为53.25 Hz时，机械手末端执行器发生共振现象，使得执行末端机械结构发生两侧左右摆动。如图6.2所示，在频率为61.2 Hz时，机械手末端执行器发生共振现象，使得执行末端机械结构发生左右两侧向内摆动。图6.1第一阶固有振型 图6.2第二阶固有振型如图6.3所示，在频率为113.93 Hz时，机械手末端执行器发生共振现象，使得执行末端机械结构发生整体上下摆动。如图6.4所示，在频率为117.69 Hz时，机械手末端执行器发生共振现象，使得执行末端机械结构发生整体左右摆动。 图6.3第四阶固有振型