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JX14-72 【JX14-72】欠驱动苹果采摘末端执行器设计

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毕业设计（论文）任务书专业 班级 学生姓名 一、毕业设计（论文）题目： 欠驱动苹果采摘末端执行器设计 二、毕业设计（论文）应阅读或翻译的文献、资料： 1.赵金英.基于三维机器视觉的西红柿采摘机器人技术研究D.北京:中国农业大学,2006. 2.黄浩乾.采摘机械手的设计及其控制研究D.南京:南京农业大学,2010. 3.李涛.基于欠驱动机构的仿人机器人手爪研究D.合肥:中国科学技术大 学,2009. 4.胡海鹰.HIT/DLR机器人灵巧手遥操作系统的研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2006. 5.骆敏舟,杨秀清,梅涛.机器人手爪的研究现状与进展J.机器人技术与应用,2008,3,(2):26-30. 6.濮良贵，等.机械设计，北京：高等教育出版社 三、毕业设计（论文）要点： 1. 分析苹果采摘过程中存在的问题 2. 欠驱动机构的工作原理设计满足功能要求的欠驱动机械手 3. 关键零部件的静力学分析和强度校核 4. 总体结构布局 5. 虚拟样机的运动仿真 6. 主要零部件图 7. 8. 四、毕业设计（论文）进程安排： 1寒假前完成文献、资料搜集工作，假期完成文献综述的撰写工作； 23月6日文献综述上交指导教师批改，3月9日返还学生修改定稿； 33月10日3月20日，完成结构受力分析，确定结构布置方案； 43月214月10日，完成各零部件的计算工作 ； 54月114月30完成日，完成零件、装配图绘制； 64月315月20日，完成设计说明书的撰写。 五、根据大纲要求对学生毕业设计（论文）提出明确的工作要求：1、文献综述 2、论文实验记录 3、论文调查项目及内容 4、外文翻译篇数或字数 4、毕业设计说明书字数、图纸张数及其他相关技术指标等，毕业论文字数。 1完成与论文题目相关的文献综述一篇约4000字左右； 2完成毕业实习并分析果蔬采摘机械手应用现状及存在问题； 3.完成设计内容 4毕业论文不低于15000 字 ，零、部件图不低于15张，总装图一张。 六、毕业设计（论文）工作期限：任务书下达日期： 13 年 12 月26 日毕业设计（论文）工作自： 13 年12月 30 日至 14年5月 20日毕业设计（论文）指导教师： 指导小组组长： 致谢 本科生毕业设计（论文）题 目欠驱动苹果采摘末端执行器设计学 院 机械交通学院 专 业机械设计制造及其 自动化 班级 机制104班 姓 名王兵兵 学号 103731424 指导教师马卫彬 职称 讲师 2014 年 4 月 30 日新疆农业大学教务处制 摘要本文设计了一种苹果采摘机器人的末端执行器。该执行器的夹持机构为一个三欠驱动仿生机械手。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苹果的要求。关键词：苹果采摘机器人；末端执行器；机械设计致谢ABSTRACTThis article is designed to end an apple picking robot. The actuator clamping mechanism is a three-under-drive bionic robot. As the use of steel tendons can drive the drive part and the operative part of the separation, the driving portion is placed in the distal end of the arm to reduce the weight, while increasing the flexibility of selection of the drive motor. First, the robot kinematics is analyzed. Secondly, the stability of the robot to crawl the basic theory problems are analyzed and discussed the establishment of a crawl model, designed to stabilize the crawling robot provides a theoretical basis. Finally, the part and the control part of the mechanical robot was designed. The program end picker reasonably effective to meet the overall performance requirements of apple picking robot.关键词：Apple picking robot; end effector; mechanical design目 录摘要IABSTRACTII第一章 绪论11.1 课题研究意义11.2 农业采摘机器人发展概况11.2.1农业采摘机器人的特点11.2.2国内外采摘机器人研究进展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 欠驱动技术研究发展71.5 主要内容和研究方法91.5.1 主要研究内容91.5.2 技术路线9第二章 欠驱动采摘末端执行器的设计112.1 欠驱动采摘末端执行器的总体结构设计112.1.1手指结构设计122.1.2机架的设计142.1.3驱动方案的选择142.2手腕关节的设计152.3本章小结17第三章 末端执行器静力学分析193.1 欠驱动手指的工作原理193.2 包络抓取时的静态力学模型193.3 运动学分析223.4手部的夹持误差计算233.5本章小结25第四章 末端执行器虚拟设计与仿真研究274.1 软件概述274.2机械手的虚拟设计与装配274.2.1模型的建立274.2.2虚拟装配294.3 模块化设计294.3.1模块化设计概念294.3.2手指的模块化设计304.4本章小结31结论32致谢33参考文献34第一章 绪论第一章 绪论1.1 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，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。苹果是我国生产的主要果品之一，2010年苹果产量占果品总产量的32.73%，居三大果品(苹果、柑橘、梨) 之首。同时我国苹果种植面积2848万亩，产量2600万吨，分别占世界苹果面积、产量的35%上，规模居世界第一。机器人采摘在苹果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，并以均匀材质、确定的尺寸和形状的物体为操作对象，目前已经得到了相当成熟的应用，而采摘机器人工作在高度非结构化的复杂环境下，作业对象是有生命力的新鲜水果或蔬菜。同工业机器人相比，果蔬采摘机器人具有以下特点：1、非结构性的操作环境。由于作物随时间和空间变化，工作环境在变，未知的，是开放性。除了受地形条件的限制，而且还直接受季节，气候等自然条件的作物生长环境。这不仅需要采摘机器人具有灵活性，以适应处理的生物学功能，并能够适应不断变化的自然环境，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，苹果，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，刘兆祥，刘刚，谁捡到了苹果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，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）所示比利时开发的苹果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）所示英国开发的苹果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，当苹果的位置信息传来之后，真空系统将果实吸入，再扭断果梗采摘下苹果。图1-5 苹果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，用于外形不规则或较大的果实。因此，一般情况下，对于形状较为规格，尺寸和质量部太大的果实，应首选较少手指进行抓持。日本东京大学乔俊等人开发设计的甜椒采摘机器人末端执行器，该末端执行器具有两个瘦长形的手指，长度为160mm，厚度和宽度分别只有1mm和10mm。两个手指组成的手爪抓住果柄的过程由依靠一个凸轮的瞬时针旋转运动进行张开和夹紧动作，凸轮的旋转运动由一个步进电机进行驱动，凸轮为椭圆形，旋转90度后手爪就完成一次张开或夹紧的过程。中国农业大学张凯良等人设计了草莓采摘机器人，其机械原理如图1-6所示，该末端执行器的夹持机构主要有机械爪及其附属部件构成。丝杠与内螺纹管通过螺纹连接，由电机带动丝杠旋转，从而螺纹管进行前后运动，进而带动两根手指做闭合或张开动作，完成对果实的获取。在两手指的内侧上装有橡胶垫，增加了缓冲，可使末端执行器更可靠地夹持，同时，在靠近手指根部的位置安装了一对间距可调的机械触点，作为机械爪夹持力度的反馈装置。可见，该末端执行器的夹持装置获取果实的精确性、可靠性以及对果实的保护程度明显要好于日本的甜椒采摘机器人末端执行器。1.手指 2.内螺纹管 3.丝杠 4.电机图1-6 机械爪机构示意图1.3.2分离方式无论夹持类和非夹持类采摘机器人末端执行器，都需要通过一定的方式完成果梗的切断或果梗与果实的分离，才能最终实现采摘果实。现有的采摘机器人末端执行器研究成果来看，多采用扭断、折断或剪切的分离方式，一些末端执行器对新的切割原理进行了尝试。（1）扭断、折断、拉断扭断是利用手腕的旋转和周转关节在执行器抓牢果实后拧断果柄，需要多次往复扭转才能断开果梗，末端执行器需要较大的工作空间，这样就难于避障。这种方式对于果柄易断的果蔬较为实用，如番茄的采摘，但对于果柄柔韧性较高的果蔬则采摘成功率较低。而且无论扭断、折断或拉断都只适用于果实被充分夹持的情况下，其优点是无需再附加另外的分离装置和动力，但这就要求末端执行器的夹持机构夹持果实要足够可靠，对果实提供充分的作用力，又不能造成对果实的损伤，这样夹持器对果实的夹持力要有较高的控制。同时，还要根据采摘对象的果梗力学特性惊醒不同方式的选择和实验，否则难以达到预期的效果。（2）剪切相当部分的采摘机器人末端执行器安装了剪刀或切刀装置，用来切断果梗实现果实、果梗分离。（3）热切割荷兰瓦宁根在黄瓜采摘机器人末端执行大学开发的根，茎改变了传统的分离方法，利用两个相反电极产生的热量，当两个电极之间与茎接触的高频电流，茎高水分含量，使茎会迅速产生高温“腰斩”了。这种方法避免了相互病原体感染和水分流失的问题，但这种方法需要两个电极与茎必须是可靠的，同一长度的限制茎和植物接触番茄常规栽培方式和品种树冠空间，这样所有用剪刀剪的方法很难达到满意的效果。1.4 欠驱动技术研究发展当一个机械驱动机构比的自由度机械系统的这个数目较少，这种机制被称为由于机械驱动机构。此机构具有自适应能力的形状，同时在致动的手指抓住一个对象，它可以被完全包围的对象，并且能够适应物体的形状。所欠的机械夹具驱动机构和下机器人系统的驱动机构是不同的概念。欠驱动机器人通常是指含有一个或多个关节，无需操作的驱动器，通常欠驱动机器人的设计由于弹性元件来驱动关节，这意味着这些节点可以被理解为能够控制或者被动控制的，而不是无需驱动。技术和犹他州在1980年的大学麻省理工学院，共同开发了犹他州/麻省理工学院抓手。配置的方式类似于人手的模块化设计夹爪，有四根手指：拇指，食指，中指和无名指，四指相同的结构，每个指具有四个自由度。采用伺服气缸作为驱动元件，肌腱和皮带轮传动手指关节。加拿大MDROBOTICS公司与Laval大学合作研制了非拟人手通用欠驱动手爪SARAH（Self-Adapting Robotic Auxiliary Hand）29，如图1.11示。夹持器有三个手指，每个手指有三个关节，加上一个旋转自由度，总共有10个自由度，但只有两个马达驱动器，马达负责打开和闭合夹持器，其他为手指转向。平面正齿轮差动方式，形成一个输入三个输出，分别驱动三根手指来打开和关闭。槽轮机构由二三个手指位置的调整，转向以适应不同形状的抓取物体。 图1.11欠驱动手爪SARAH 图1.12基于锥齿轮差动机构的欠驱动手爪国内科研单位主要是哈尔滨理工大学，清华大学，北京航空航天大学，智能机械产业的合肥学院。北京航空航天大学在20世纪80年代末机器人研究所，开始了灵巧手的研究和开发。初步研究了BH -1是JPL灵巧手的灵巧手功能的模仿是比较简单的。在随后的几年，他也不断提高，发达国家BH-3型灵巧的双手。如图1.14 。开发合肥智能机械研究所中国院士，如图1.12所示的锥齿轮差速器欠驱动三指夹持器。在加拿大的莎拉抓手有些类似的结构和发展两个抓手，它集成了莎拉气爪手指的灵巧机构，两级锥齿轮差速器模式，制度简单高效，结构紧凑，易于维护积极的适应性和智能比的程度SARAH增加。2003年，哈尔滨工业大学和德国航空航天中心合作研制成功的HIT/ DLR多指手，如图1.13所示，极大地促进了中国的灵巧的手在的技术方面的发展。在国内和国外，由于驱动多指手的应用背景，主要是人为的假手，潜艇探测，欠驱动航天器位置夹具和操作空间机器人等的结束，还没有看到欠驱动多指夹具在农业生产中的使用。 图1-13 HIT/DLR多指灵巧手 图1-14北航BH-3多指手1.5 主要内容和研究方法1.5.1 主要研究内容本课题的研究目的在于设计一种结构较简单、控制方便、质量轻巧的新型采摘机械手以配合机械臂完成果实的采摘。主要内容包括：1) 分析研究采摘过程中存在的问题。2) 对欠驱动机构进行研究、分析与设计、对欠驱动机构的工作原理进行研究设计满足功能目标要求的欠驱动机械手，对欠驱动机械手的运动学、静力学与动力学特性进行研究分析，以柔顺抓取为目标进行设计。包括手指、手掌、手指驱动机构、机架的设计。3) 关键零部件的静力学分析和强度校核。4) 虚拟样机的建模仿真。1.5.2 技术路线机械手的设计技术路线如图1-15所示。调查研究，查找有关采摘机械手及苹果采摘方式的资料研究欠驱动理论及欠驱动机构的工作原理明确要解决的问题确定整体设计方案建立三维模型，进行仿真分析，检查设计中是否存在的机构干涉问题。绘制图纸，研制样机，试验调试，发现问题，确定改进方案对样机进行改进题，确定改进方案图1-15 技术路线9第二章 欠驱动采摘末端执行器的设计第二章 欠驱动采摘末端执行器的设计2.1 欠驱动采摘末端执行器的总体结构设计1. 苹果采摘方式分析目前，实现采摘的主要途径有以下几种，第一种是采用吸盘牢牢地吸住了水果，然后用剪刀等工具切割茎，秆这种方法需要一个很好的位置来检测和准确的调整端部执行器的姿态，从而增大控制系统和机制的复杂性的困难。第二是使用剪刀剪开茎，秆这个方法需要一个好的位置，以检测并精确地调节到致动器的姿势的末端，从而增加了系统的复杂性和控制机构的难度。第三茎用激光切割，该方法还要求具有良好的检测秆制成的高要求的视觉系统中的位置。人工采摘苹果，轻轻握住果实，食指按住秆，然后向上提起，使果柄与果枝部位从离层断开，轻轻取出果实。苹果茎脆弱，容易分离，因此通过垂直旋转在手腕上，以模拟人的运动打破手柄实现分离和果柄采摘苹果或旋转运动的模拟人工的方式设计。这种方法简单，视觉系统要求不高。2. 设计要求本课题所设计的机械手应该具有制造成本低、控制简单、机械结构简单、通用性好等特点同时机械手的整机设计，要遵循以下的设计原则：1) 采摘果实直径范围：60mm100mm；2) 其他要求：体积小巧、操作简单、安全可靠、适应性强、成本低廉；3) 加工制造简单，工艺性好。3. 总体设计机器人手臂致动器的端部是安装在前面，在与拾取的目标，采摘的水果和蔬菜，以实现该装置和附加功能采摘的水果和蔬菜收获机器人实现一键操作的所需运动的直接接触。手指与子实体直接接触。手指运动的常见形式回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，所以广泛应用。少平的应用，其原因是复杂的结构，但平移手指夹紧圆形物体，物体直径的变化不影响其轴的位置，所以大直径范围适合举办工件3。根据采摘苹果的具体要求，提出了一种苹果采摘末端执行器，其结构如图2.1所示。该执行器由手指、手掌、机架等组成。手抓有3个手指，3个手指圆周对称布置，即每侧一个手指。每个手指有6个关节。在电机控制下，通过钢丝拉动手指下部的拉杆实现3个手指的联动，以及对不同形状物体的夹持。欠驱动机器人爬行具有多种模式，你可以抓住任意形状的物体，可以精确地撕开了所采取的手指关节的做法到底掐指面，但也由于这样的驱动器可用来完成信封爬行。图2.1所示是采用SolidWorks软件设计的欠驱动采摘机械手的三维实体模型。机械臂将机械手送达到果实附近，机械手上的位置传感器检测机械手与苹果的相对位置，当果实进入机械手中心位置时，位置传感器触发单片机控制信号，步进电机开始正向转动使机械手开始加紧果实，压力传感器检测手指加紧果实时的压力并判断是否达到压阈值，阈值有实验所得出。若达到此阈值则机械手停止运动，机械臂模拟人工采摘运动，完成果实与果柄的分离。机械臂将果实送到指定位置后，步进电机反转，手指松开，恢复到初始位置，完成果实的采摘。图2-1 机械手机构图 2.1.1手指结构设计欠驱动手指握持力与一个大的，高负载能力，良好的通用性，能够抓住任意形状，更宽的应用范围的目的，同时减少驱动源的数量，从而使系统结构变得简单，容易控制。欠驱动手指的运动和动力传递模式主要用在当前的滑轮和绳索机构，以及关键肌肉凸轮机构，也可以用线圈的钢轴驱动器或四个链路传输所使用的，主要的问题是，前三动力的传递损失，效率低，夹紧力小;链路传输和夹紧力的高效率产生大4,5。1. 手指数量果实形状规则和不规则的。规则小果，采摘机器人使用了两个有直接吸抢果的指尖最线性驱动器。相对的两个手指，三个手指也有一些研究采摘机器人，3指的是机器人抢水果的稳定性更好。用四个手指和一个吸盘，效果越好，但控制使用番茄采摘机器人是比较困难的。此外，还有一些特殊的手指，使用梳刷原理，果实的分离。2. 手指关节数量关节执行器抓取密切相关的端部效应数量越多关节的数量越多，端自由，更灵活的抓动作，更好的爬的程度。从而增加接头的数量同时增加的驱动装置的数量，驱动器将增加增大控制的数量的难度，同时导致系统结构复杂，可靠性差，从而产生负面影响。本文所设计的欠驱动机器人采摘的使用四连杆机构作为传动机构，所欠的手指驱动的多手指关节，并配有一个力传感器和橡胶材料，测量夹紧力和摩擦力增大。其自身的适应性特征，可采摘苹果，西红柿，桔子等。按中华人民共和国农业行业标准，除三级苹果外，果实横切面最大直径要大于或等于70mm9。这里设计机械手所抓取的苹果直径在60mm100mm之间，故取苹果半径为30mmR50mm。3. 手指的材料手指选择适当的材料，使用在机器人很大的影响作用。遵从手的结构尺寸，手指，同时保持足够的光强度和质量，系统将双手尼龙材料的选择。尼龙具有很高的机械强度，耐热，磨擦系数低，耐磨损，自润滑性，吸震性，耐油，耐弱酸等特点。图2-2 手指结构2.1.2机架的设计机架主要是用来安装驱动机构和手掌，小巧的机身，体积小，重量轻的设计要求。这样的设计是一个圆柱形主体框架，所述固定底板，中间板，下部主传动马达构成的支撑柱的安装位置。将主手指挡块的上部。机架结构如图2.4所示。机器人可分为棕榈基和棕榈基类。手掌可以增加关于这个问题的制约，有棕榈机器人具有广泛的适用性，操作方便的特点。无机械手可以抓住的对象，但对象通常祝福规则的形状，它的形状和要求高的对象的大小特征的，无机械手的手掌被广泛应用于特殊的保持机构。图2-4 机架结构2.1.3驱动方案的选择目前的手爪的驱动源主要是采用气压驱动、电驱动、液压驱动这三种10。1. 气动压力是一个压缩空气驱动系统来驱动致动器的运动，空气压缩机通常被用作动力源。气动驱动器过载安全，结构简单，污染少，成本低，通过调节空气流量，可以实现无级变速，但穷人，大尺寸设备的运行速度稳定，定位精度不高，抓小举行力。2. 液压驱动系统来驱动流体压力致动器的输出力来驱动系统的稳定，固有的高效率，响应速度快，速度很简单，可以在很宽的范围内无级调速，便于适应不同的工作要求，顺利实现传输，可以吸收冲击力可以实现更加频繁和换向平稳，但容易漏油，污染，高成本，高定位精度比空气，但比电机低，流体温度和粘度变化影响传输性能。3. 电动驱动模式包括步进电机，直流伺服电机，交流伺服电机和步进电机和力矩电机等驱动器类型。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或开环控制元件的线性位移，具有控制简单，响应速度快，可靠，无累积误差等。伺服电机转子惯量，良好的动态特性，机器人由一个伺服电机驱动系统的构成与运行精度高，调速范围广，速度快，运行平稳，可靠性高，易于控制等特点。用全数字交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地在数字控制系统中使用，但必须使用一个闭环交流伺服电机的控制，从而导致这种复杂的控制系统来控制成本大幅增加。通过搜集调查大量电机资料，本设计中采用雷塞57HS09型步进电机。雷塞57HS09型步进电机具有体积小、重量轻、输出力大、响应速度快、精确度2.2手腕关节的设计设置在手腕和机器人手臂之间的装置，它的主要功能是促进在空间中的手的运动臂延长机器人的工作范围的基础上的位置改变或调整时，机器人变得更加灵巧和为适应更强，另一方面采摘苹果人工模拟的方法来实现的果实和果树的分离。手腕的运动形式可以有：绕X轴转动称为回转运动；绕Y轴转动称为上下摆动；绕Z轴转动称为左右摆动；是沿Y轴或Z轴的横向移动。一般手腕设有回转或再增加一个上下摆动即可满足工作要求12。在目前常见的四大类手腕传动方式包括带传动、链传动、齿轮传动和蜗杆传动，在这里将对以上4种传动方式分别进行比较说明。1. 带传动皮带驱动通常是由驱动轮，从动轮和上构成的皮带轮的张力所造成的。当驱动周期反过来依赖于驱动车轮转动一起，通过一定的运动和动量之间的摩擦阻力带和带轮的接触面。皮带传动方面具有优势：良好的饶和弹性，吸振和缓冲作用，从而使平滑的皮带传动，噪音低;具有过载保护，造成相对滑动皮带上，当发生过载的滑轮，以防止其他部件的损坏，制造和适合中心距之间有两个较大的轴传动;与结构简单，制造，安装，维修方便比较安装精密齿轮低。变速器的主要缺点是：在弹性滑动，从而使传输效率降低的存在下，传动比不能保证精度：需要初始张力传动皮带由于，因此，当周向力传递同样大尺寸较大的结构，不紧绷; ;缩短皮带寿命与驱动轴接合更大的压力相比。2. 链传动通过具有传递到从动链轮齿具有一种特殊的传输模式的特定牙齿移动和功率链条驱动链轮。链传动与中间零部件啮合的一部分。链传动的优点很多，与皮带传动相比，滑动和打滑无弹性，平均比是精确的，可靠的，高效率;发射功率大，过载能力强，相同的驱动条件体积小;所需照片紧固力小，压力作用在轴上;能量在高温，潮湿，灰尘污染等恶劣环境下正常工作。缺点链传动是：驱动器只能在两平行轴之间使用;成本高，易磨损，易拉伸，穷人传动平稳，会产生附加动态载荷，运行过程中的振动，冲击和噪音，不应该被使用在快速传递相反。因此，链条不应该在多驱动器的磁带驱动器和齿轮使用，并且两个轴是平行的，并且距离，高功率，平均比准确的场合。3. 齿轮传动齿轮齿是使用两个齿轮相互啮合来传递机械动力传输和运动。 优点齿轮是：精确的比例，传动效率高，在通常的机械传动，齿轮传动的效率是最高的。效率在正常条件下阶段圆柱齿轮的润滑可达到99以上;结构紧凑，在相同条件下，空间大小比齿轮皮带传动和链传动小得多需求;工作可靠，寿命长，齿轮下正确的安装，润滑和正常维护良好的条件，与其他机械传动无与伦比的可靠性和寿命。 齿轮传动装置的主要缺点是：齿轮的制造，安装要求很高。4. 蜗杆传动蜗杆传动装置是一个驱动传送空间之间的运动和动力错开两个轴，这两个轴线之间的角度可以是任意值，通常用于90。蜗轮在交错轴传递运动和动力。由蜗杆和蜗轮蜗杆传动蜗轮一般是由活跃件。 蜗杆传动优点是 1）传动比大，结构紧凑。 2）传动平稳，无噪音。由于蜗轮是不间断的螺旋齿，齿与蜗杆啮合时，它是连续的，有进入和退出的不蜗轮啮合过程中，顺风顺水，冲击，振动，低噪音。 3）具有自锁。蜗杆螺旋升角很小，该蠕虫只能驱动蜗轮，蜗杆，蜗轮传动不能转动。蜗杆传动的主要缺点是:1) 蜗杆传动效率低，一般认为蜗杆传动效率比齿轮传动低。2) 发热量大，齿面容易磨损，成本高。本文设计的机械手腕部结构传动方式选择滑轮和绳索机构，具有结构简单，成本低廉等优点，配合步进电机可以实现任意位置的启停。2.3本章小结1. 根据提出的设计要求，对末端执行器功能进行分析。2. 设计末端执行器需要考虑的要素有手指数量、机架结构、驱动方式及控制。 根据上述要素提出各部分设计方案，并提出最终设计方案。 17第三章 末端执行器静力学分析第三章 末端执行器静力学分析3.1 欠驱动手指的工作原理(a)是手指的初始结构,手指无接触外力，整个手指以单一刚体绕支点运动；(b)表示指节1接触物体；(c) 表示指节2相对指节1的转动，指节2向物体方向弯曲，这时驱动力需克服弹簧作用力；(d)两指节接触物体，手指完成形适合阶级,驱动件的驱动力传递到两指节上。 图3.1 欠驱动手指工作原理 Fig.3-1Principle of under-actuated finger 3.2 包络抓取时的静态力学模型由于驱动机构是独立的自由度的数目比的传动机构的数目。欠驱动机器人可以做到无论是抢的信封，你可以使用pick关节面的结束意味着精确的方式抓取。依靠被动顺从的方式，欠驱动能力的手指抓取物体具有形状自适应。提取的手指1的第一关节的包络成与所述第一对象和该对象的反作用力，由于反作用力的接触，第一关节的运动将受到限制，并且在手指的第二关节被约束在由于没有下传动机构接近物体的持续作用驱动的，最后的两个指节和表面接触。实现操作的春天，机械限位和平行四边形机构的共同作用下精确抓取。由拇指的端部和食指夹持器联合一对在所施加的力相反的方向的物体，以限制对象来实现爬行的运动的作用。包络抓取的静力学模型如图3.2所示。图3.2 手指静力学模型Fig.3-2 Static model of finger图3.2中为输入转矩，、分别为关节1、2所受的力，、为接触点、到、的距离。为关节2相对于关节1转过的角度，水平轴的夹角。为摩擦约束力矩。三角构件边的夹角，h杆与杆c的反向延长线交点到的距离。、为关节1、2的长度。为杆与水平轴的夹角。为摩擦约束力矩。根据虚功原理可得3,4,5 (3.1)T为手指机构的输入转矩向量，由驱动力矩以及摩擦力矩组成；为手指机构各关节与力矩相关的连杆的虚拟角速度向量，由驱动连杆的角速度以及末关节加速度构成；F为作用在手指上的抓取接触力组成的向量，由接触力、构成；V为外力作用点在外力作用方向上的虚拟速度向量，由各接触点的y方向的速度分量构成，即： (3.2)由机构学理论，可知各关节的接触点速度可以通过雅可比矩阵用各关节的角速度来表示，即： (3.3)又 (3.4)为传递矩阵 将式(3.2)、(3.3)、(3.4)带入(3.1)约去得： (3.5) (3.6)将上式与式(3.3)对比可知 (3.7) (3.8) (3.9) (3.10) (3.11)当手指以直指方式抓取物体时,仅有短关节触及物体,这时,只要令F1=0、T1=0 ，则手指受力为： (3.12)3.3 运动学分析欠驱动机械手的每个手指都是由两套四连杆机构构成的。图3.3所示为一个四连杆机构。 图 3.3四连杆机构原理 Fig.3-3 Principle of four-bar linkage各杆构成的矢量封闭方程为6，写成坐标轴上分量形式有： (3.13)化简上式，消去b得： (3.14)对式3.14两边求导并化简，可得4杆机构L1与L3角速度之间的关系： (3.15)3.4手部的夹持误差计算旋转夹紧手指时的不同直径的工件会产生变化的轴向位置，使得钳位误差。欠驱动手指的抓地力和双支点原理转换回一个类似的原则手指夹住，如此就可以按照双支点回转型手指祝福误差计算。图3.4 双支点回转型手指简图Fig.3.4 Sketch of double fulcrum revolving finger图中：l手指长度;V型槽的夹角；偏转角；2 s两回转支点间距离;根据几何关系，可得 (3.16) (3.17)该方程亦为双曲线方程，另；图3.5 x与半径R的关系曲线 Fig 3.5 Relationship between distance X and radius R根据双曲线特点,对应附近的曲线变化率较小,故在处附近对应的夹持误差最小。当时，手指夹持误差计算如下: (3.18) (3.19)最佳偏角的计算取V型槽的夹角=，根据式（3-9）求得最佳偏转角为 故夹持误差的计算因为和关于对称，所以=，故经过计算手指的夹持误差为0.88mm。3.5本章小结本章介绍了欠驱动机械手的工作原理，利用虚功原理，建立了欠驱动手指的静力学模型，并对手指进行了静力分析。利用MATLAB对手指结构进行了优化，并最终确定手指的尺寸。 25第四章 末端执行器虚拟设计与仿真研究第四章 末端执行器虚拟设计与仿真研究4.1 软件概述Solidworks是参数化技术的先驱，参数化是其最突出特点。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内汽车行业、工程机械行业和产品设计领域占据不可替代位置。本论文运用solidworks软件对机械手各零件进行建模，然后进行装配和运动仿真。通过solidworks的建模清楚、形象、直观地表达机械手各部分的特点15。SolidWorks软件的主要特点是:1) 全参数化2) 基于特征的实体建模3) 相关性虚拟样机技术，也称为动态机械系统仿真技术，是国际计算机辅助工程技术在20世纪80年代随着计算机技术和迅猛的发展而发展。所谓虚拟样机技术是建立在第一个物理样机之前，利用计算机技术建立产品的计算机模型基础上，通过在真实的工作环境中进行仿真分析的可视化仿真运动学和系统动力学的实体，并多次修改后的设计，最后得到的优化设计。4.2机械手的虚拟设计与装配4.2.1模型的建立1. SolidWorks建模的一般过程如下1) 建立或选取基准特征作为模型空间定位的基准:如基准面、基准轴和基准坐标系等。建立每个实体特征时,都要利用基准特征作为参照。2) 建立基础实体特征:拉伸、旋转、扫描、混合等。3) 建立工程特征:孔、倒角、肋、拔模等。4) 特征的修改:特征阵列、特征复制等编辑操作。2. 机械手的主要零件建模机械手主要包括：长关节、短关节，传动杆件、四连杆，机架等。各关节，连杆的尺寸已经确定，然后在SolidWorks中建立模型。 图4.1 机械手零件图4.2.2虚拟装配虚拟装配技术是专为中的关键一环，它被定义为利用电脑工具虚拟制造中心，产品并不一定是物理模型的实现，通过分析，预测模型，可视化的数据表示与组件相关联工程决策的。虚拟装配是计算机零部件预组装的产品，使结果的产品装配工艺，装配分析和评价。虚拟装配是多项技术，包括可视化，仿真，决策理论，组装和制造过程，装配生产设备开发技术的组合。利用虚拟装配技术，以减少产品开发时间，响应迅速推向市场;先进的设计方法和工具使设计人员能够方便应用，提高装配质量，降低成本。目前，虚拟装配技术没有完全被业界采用，系统的商业化尚未到来。然而，作为一种技术，它通常被认为是一种可行的和有价值的。装配设计方法分为3种6:1) 自底向上方法：从底层逐步向上装配，将每个零件加入到装配体中，这些零件已经设计完成，例如标准件，己经存储的零件等。2) 自顶向下方法：生产装配在顶部，建立装配结构，逐步增加向下的部分，子装配体或零部件生产，这种设计方式更符合设计师的习惯路线，从组装到设计的各个部分。3) 上下文设计方法：在装配结构，采用装配树信息设计零件其他部件的几何形状。采摘机械手采用自底向上的装配方法，从底层逐步向上装配，将己经设计好的零件加入到装配体中。先将相关零件组装成子装配体，然后把所有的子装配体再装配在一起，组成总的装配体。4.3 模块化设计4.3.1模块化设计概念模块化设计是在产品设计和逐渐演变形式制造过程中的设计方法。模块化设计，只需某些元素组合在一起的组合的产品，以形成具有特定功能的一个子系统，该子系统的模块和其它用于多种因素相结合，形成一个新的系统的通用性，生产出各种不同的功能的或相同的功能，不同的产品性能。模块化设计是绿色设计的方法之一，它已经从一个概念到一个更成熟的设计方法。绿色设计理念结合了模块化设计方法，你也能满足的功能特性和产品的环境属性，可以缩短产品开发和制造周期，增加产品种类，提高产品质量，快速响应市场变化，手，可以减少或消除对环境的不利影响，回收和处理后，以方便重用，升级，维护和拆除废料。模块化设计模块化设计的优势8,9,101.与传统的设计方法相比，模块化设计，主要具有以下优点1）减少产品开发时间。模块化显然依赖于界面根据产品成分的分解。该接口允许设计任务压缩。压缩的结果是降低了设计的复杂性，使设计任务并行，并最终缩短产品开发周期。2）定制和升级。通过集成多个功能模块，以满足客户的需求模块化互动。这种整合使得该产品通过使用更高效的组件来完善自己。此外，该元件可被定制，以达到更换不同功能的元件。3）成本效益。几个模块化元件可以被应用到生产线，这意味着它们的生产是非常高的。这将允许大量的缓冲产品开发的成本。2.主要途径有模块化设计1）跨系列的模块化设计。不改变产品的主要参数，利用畸变产物开发模块。2）立式系列的模块化设计。在同一类型的不同规格的基于设计的产品。不同的主要参数，动态参数通常是不同的，从而导致不同的结构形式和尺寸，它是比较复杂的横系列模块化设计。3）跨系列和跨系列模块化设计。除了跨系列产品的开发，但改变某些模块可以与其他的产品，它们是跨系，跨系列的模块化设计。4）全系列模块化设计。系列包括全系列的垂直和水平的系列。全系列和跨系列模块化设计。主要用于基于在十字架上的结构更类似产品的模块化设计的全系列。4.3.2手指的模块化设计如下图所示在手指的模块化结构，手指模块由手指，每个关节和脚螺母等部件。手指与连接在一起的用销，在丝杠轴和滑动件的中间的手指帧可以用不同类型的步进电机的连接在一起。由不同模块和不同手指的布局结构的数目可以被设计成具有不同的功能，模块机器人。本文选用较常用的三个、四个手指组合进行组装设计。设计的机械手如图。 图4.10 手指模块化模型 图4.11 三指机械手4.4本章小结本章利用SolidWorks软件，建立机械手各零部件的三维模型，通过虚拟装配技术完成了欠驱动机械手整机的装配模型。欠驱动机械手三维实体模型的建立，为机械手的运动学和动力学仿真分析奠定了基础。33结论本文主要是设计一台欠驱动型三爪机械手，实现手部欠驱动型运动，从而准确夹持物体并送到指定位置。在设计过程中主要解决了以下几方面的工作：1.结合课题背景，对机械手设计的总体方案进行了比较、选择，所设计的机械手成本低廉、性能优越、结构简单等，必要时可以降低精度要求；2.根据机械手的设计参数，对机械手机械系统的结构部件进行了设计计算；3.比较了目前工业机械手的驱动系统，选择了比较普遍的电机驱动作为本机械手的驱动系统，可以实现连续控制，扩展了机械手用途。由于设计经验和知识水平的局限，本文只对机械手的机械结构和驱动系统做了设计，没有涉及到很多关于机械手控制系统的设计，对于这方面有点模糊，不足之处，恳请老师加以批评指导。致谢本次设计是在老师帮助和指导下完成的。从课题选择到设计定稿，整个过程中都得到了老师的悉心指导，他严谨的治学态度和认真负责的工作精神，让我学会了很多、体会了很多。在此，我首先向老师表示真诚的感谢，并致以崇高的敬意。在大学生涯的最后日子里，也是我们求职的较佳时间段，这就在时间上和做好毕业设计起了一定的冲突。经过学院领导、老师的统筹安排，我在做好毕业设计的同时也寻求了一份理想的工作。在此，我向尊敬的学院领导、老师表示诚挚的感谢，谢谢您们的支持和帮助。最后，在即将毕业之际，我向帮助过我、支持过我的老师和同学们表示由衷的感谢，感谢您们给我的“财富”，谢谢！第一章 绪论参考文献1 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);38.2 孙建设.我国苹果栽培模式的沿革与思考J.专家视点,2008,2:22-24.3 沈明霞,姬长英.农业机器人的开发背景及技术动向J.农机化研究,2005,(2):32.4 程跃.农业机器人的应用与发展J.农业可以推广,2005,7:37