脐橙采摘末端机械手设计.docx

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1、题 目脐橙采摘末端执行器设计摘要本文设计了一种脐橙采摘机器人的末端执行器。该执行器的夹持机构为一个柔性欠驱动仿生机械手。使用钢丝作为传动腱可以将驱动部分和执行部分分离，将驱动部分置于远端，减轻了机械臂末端的重量，同时增加了驱动电机选择的灵活性。首先，对机械手的运动学进行了分析。其次，对机械手抓取稳定性的基本理论问题进行了分析和讨论，建立了抓取模型，为设计机械手的稳定抓取提供了理论依据。最后，对机械手的机械部分和控制部分进行了设计。该末端执行器采摘方案合理有效、总体性能可满足机器人采摘脐橙的要求。关键词：脐橙采摘机器人；末端执行器；机械设计#ABSTRACTIn this paper, a te

2、rminal manipulator of navel orange picking robot is designed- Theclamping mechanism of the manipulator is an underactuated bionic manipulator. Usingsteel wire as the driving tendon can separate the driving part from the executive part andput the driving part at the far end, which reduces the weight

3、of the end of the manipulatorand increases the flexibility of the selection of the driving motor.Firstly, the kinematics of the manipulator is analyzed. Secondly, the basic theoreticalABSTRACTIll第一章绪论11.1 课题研究意义11.2 上98/tg i1.2.1 农业采摘机器人的特点11.2.2 国 内外摘1*器人研展21.3 采摘机器末端执行器研究现状31.3.1 获取方式31.3.2 分离方式61

4、.4 欠驱动柔性技术研究发展71.5 .1 不口 81.5.1 主要研究内容81.5.2 技术路线9第二章 脐橙采摘末端执行器的设计112.1 末端执行器的总体结构设计112.1.1 手指结构设计1221211 - 132 1 3 马区. )S142.2 手腕关节的设计15第三章末端执行器静力学分析173.1 欠驱动柔性手指的工作原理173.2 抓取时的静态力学模型173.4 手部的夹持误差计算213.5 执仃署占虚拟设 VI-与70?具研究254.1 软件概述254.2 机械手的设计与装配254.2.1 模型的建立254.2.2 虚拟装配274.3 模块化设计274.3.1 模块化设计概念2

5、7432手指的模块化设计284.4 本章小结29结论30致谢31参考文献32第一章绪论L1课题研究意义随着计算机技术和自动控制技术，农业高新技术的应用和推广的发展，农业机器人已逐渐进入农业生产领域，并促进现代农业装备走向机械化，生产智能化方向发展的。水果采摘是季节性的农业生产，劳动强度大，要求的工作是利用人工采摘不仅效率低下的一个重要方面，劳动密集，水果和蔬菜也造成了一定的伤害。智能机器人的水果和蔬菜的采摘劳动的解放研究和开发，提高生产效率，降低生产成本，保证了新鲜水果和蔬菜的品质，以及满足作物生长等方面的实时性要求有一个非常重要的意义。并且，随着下降，增加水果和蔬菜的采摘机器人的农业从业人员

6、，开发和利用的老龄化趋势，具有巨大的经济效益和广阔的市场前景。脐橙是我国江西地区生产的主要果品之一，201()年脐橙的产量占果品总产量的22.73%o同时我国脐橙种植面积2848万亩，产量2600万吨，分别占世界脐橙面积、产量的25%上，规模居世界第一。机器人采摘在脐橙采摘过程中的大量应用能够极大地提高采摘效率、节约成本，不过，虽然水果采摘过程中容易出现机械损伤，机械损伤也是门入侵的病原微生物，是烂水果的主要原因。由于受负载瘀伤的操作方面，打破,从而导致变质腐烂的水果多达30%40%,每年的损失高达数百亿人民币。机械手是与果实直接接触的部分，因此设计一种轻巧易用且对果实损伤小的机械手显得尤为重

7、要。1.2 农业采摘机器人发展概况1.2.1 农业采摘机器人的特点工业领域是机器人技术的传统应用领域，工业机器人处于可控制的人工环境内，断变化的自然环境，具有相当高的智慧在视觉，触觉，多传感器融合和知识推理和判断等方面。2、采摘对象的娇嫩性和复杂性。果实具有软弱易伤的特性，其形状复杂，生长发育程度各异；而且采摘对象以观叶植物大多模糊不清，增加视觉定位的难度采摘速度和成功率，同时也对机器人躲避障碍提出了更高的要求。3、作业对象大多数被树叶、树枝所掩盖，增大了机器人的视觉识别、定位的难度，降低了采摘成功率，这就对机器人机械手的避障提出了更高的要求。4、作业动作的复杂性。通常同时进行移动机器人拾取操

8、作，农业和行走的字段没有连接到的最短对焦距离的出发点，但有一个狭窄的范围在整个长途和偶数场的特性。5、作业对象和价格的特殊性。采摘机器人经营者大多是农民，因此需要一个简单的采摘机器人必须具有高可靠性和工作特性。另一个重要的因素，智能化程度高导致水果制造成本较高，蔬菜采摘机器人，农民和农业经营者或不能接受的，并通过使用采摘机器人和季节限制的时间，效率不高，也限制了推广采摘机器人。1.2.2 国内外采摘机器人研究进展水果和蔬菜的采摘机器人的研究始于20世纪60年代，在20世纪的美国，用于收割方法主要是机械和气动摇晃摇晃风格。缺点是水果的脆弱性，效率不高，是不是特别有选择性的收获，存在很大的局限性采

9、摘柔软，新鲜水果和蔬菜方面。但此后，随着电子技术和计算机技术的发展，特别是在工业机器人，日益成熟的计算机图像处理技术和人工智能技术，采摘机器人的研究和技术开发得到了快速发展。目前，日本，荷兰，法国，英国，意大利，美国，以色列，西班牙等国相继推出的水果和蔬菜采摘机器人方面的研究相关的研究主要橘子，脐橙，西红柿，樱桃西红柿，芦笋，黄瓜，甜瓜，葡萄，甘蓝，菊花，草莓，蘑菇等，但这些收益还没有真正商业化经营的机器人。研究农业机器人领域起步相对较晚，但近几年的快速发展，也已经有很多的研究。张剑峰，董剑，张志勇，如自适应鲁棒跟踪控制算法采摘机器人设计；;机器人视觉传感器设计立体的中国农业大学，文U兆祥，刘

10、刚，谁捡到了脐橙方面江苏大学蔡健荣三维信息，例如恢复的障碍，为柑橘采摘机器人障碍识别技术的研究;南京农业大学工学院和夺权的水果和蔬菜研究技术姬长英王学林外环控制。1.3 采摘机器末端执行器研究现状末端执行器是果蔬采摘机器人的另一重要部件，它的设计通常被认为是机器人的核心技术之一。一般果蔬的外表比较脆弱，它的形状及生长状况通常复杂。在机器人采摘过程中果蔬外表发生损伤的原因主要有：水果和蔬菜位置识别或机械手控制计划是错误的，导致划伤或刺伤外观水果和蔬菜的致动器的末端；末端执行器夹持或抓取力过大，压伤果蔬外表；末端执行器抓持不稳定导致果蔬掉落，与地面或其他坚硬物体接触而碰上外表。作为采摘机器人的执行

11、装置，末端执行器应根据不同果蔬果实的生物、机械特性及栽培方式，采取不同的专用机构以提高采摘的成功率并减小对果蔬的损伤为主要目标。一般集成两项功能：检测果实的位姿，为执行机构提供导航信息；适当努力夹紧及切割果柄或果柄采摘完成动作。得到在行动上通常包括水果和水果和植物中分离成两部分。为了安全高效地完成采摘行动，最终也可能被添加到吸盘，推杆和各种传感器，如额外的机制来完成，准确配货，减少损伤。1.3.1 获取方式获取和分离果实是采摘机器人末端执行器必须实现的两大关键动作，即首先通过抓取、吸入、勾取等一定方式获取果实，再通过扭断、剪切等不同方法完成果实与果梗的分离。从目前发表的文献来看，获取果实的方式

12、主要归为非夹持类和夹持类两种。分离果实与果梗的方式有传统的扭断、折断、拉断以及通过剪刀或切刀进行切断，还有新式的热切割方法等。1 .直接切断式：这类末端执行器一般都是直接剪断果梗，由于其本身不能实现果实的回收，因此剪掉的果实直接落地或者落入事先放置的果箱中。例如，日本开发的甜椒采摘机器人末端执行器、茄子采摘末端执行器、番茄采摘末端执行器、美国柑橘采摘末端执行器均为此类结构，如图1-1、1-2、1-3所示。图1-1甜椒采摘末端执行器图1-2茄子采摘末端执行器图1-3番茄采摘末端执行器这类末端执行器的结构更能较为简单，适用于植株冠层内枝叶较稀疏，且果实具有一定抗冲击能力的果蔬。对于果梗较短的植株，

13、往往造成无法剪切或碰上果实的现象，对于冠层空间比较复杂的植株，果实下落过程中很容易被碰上，并且下落的位置也不定，影响果实的回收。2 .吸入式：这类非夹持类末端执行器主要是通过真空系统将果实吸入末端执行器内，再通过切断、扭断等方式分离果实和果梗。如图1-4所示的柑橘采摘末端执行器结构图，由真空吸盘先吸持住果实向后拉动,同时末端执行器的弹性盖板向前移动，使果实进入笼体内，然后盖板收缩进而保住果实，随后一对割刀合拢切断果梗。图1-4柑橘采摘末端执行器如图1-5 (a)所示比利时开发的脐橙采摘机器人末端执行器，设计成漏斗的形状,漏斗内安置摄像机，当有果实进入手爪范围的时候，真空吸引器打开将果实吸入，再

14、通过旋转扭断果梗将果实采摘下来。图1-5 (b)所示英国开发的脐橙采摘机器人末端执行器，由一截管道、两个内置圆环和两个弹簧盖组成，该末端执行器获取果实的原理也是吸入+扭断式，当脐橙的位置信息传来之后，真空系统将果实吸入，再扭断果梗采摘下脐橙。(a)(I)图1-5脐橙采摘末端执行器还有吸入+勾取的方式来获取果实等等。吸入式的末端执行器硬件设计简单，工作原理类似，对于果实娇嫩、果梗柔弱细长的草莓等果实，采取吸入加勾取比夹持的获取方式更可行，但这类末端执行器对果实个体尺寸差异适应能力较差动作速度较慢，稳定性不高，而且相邻的未成熟的果实也容易被一同吸入和采摘下来。3 .夹持类这类末端执行器其夹持器通常由带有真空吸引器和数目不等的手指构成。按手爪的个数可分为两指和多指型，目前大多数果蔬采摘机器人末端执行器为两指，也有一些三指和四指的末端执行器，用于外形不