欠驱动采摘末端执行器的设计论文[不全].doc

目录摘要.错误!未定义书签。ABSTRACT.错误!未定义书签。第一章绪论.31.1课题研究意义.31.2农业机器人发展概况.31.2.1国外研究成果及现状.31.2.2国内研究成果及现状.61.3末端执行机构的研究现状.61.3.1国外末端执行器研制进展情况.71.3.2国内研制的末端执行器概述.81.4欠驱动技术研究发展.81.5主要内容和研究方法.101.5.1主要研究内容.101.5.2技术路线.11第二章欠驱动采摘末端执行器的设计.122.1欠驱动采摘末端执行器的总体结构设计.122.1.1手指结构设计.142.1.2转动机构及机架的设计.152.1.3驱动方案的选择.162.2手腕关节的设计.172.3执行器的控制方案设计.192.4本章小结.20第三章末端执行器静力学分析.233.1欠驱动手指的工作原理.233.2包络抓取时的静态力学模型.233.3运动学分析.263.4利用MATLAB软件进行手指综合结构参数确定.273.5手部的夹持误差计算.283.6手指的有限元分析.303.7本章小结.34第四章末端执行器虚拟设计与仿真研究.14.1软件概述.14.2机械手的虚拟设计与装配.24.2.1模型的建立.24.2.2虚拟装配.44.3手指运动仿真.44.4模块化设计.94.4.1模块化设计概念.94.4.2手指的模块化设计.10II4.5本章小结.11第五章控制系统设计.错误!未定义书签。5.1系统硬件组成.错误!未定义书签。5.1.1单片机的选用.错误!未定义书签。5.1.2AVRATmega16型单片机简介.错误!未定义书签。5.1.3步进电机.错误!未定义书签。5.1.4步进电机驱动器.错误!未定义书签。5.1.5传感器.错误!未定义书签。5.1.6系统软件方案分析.错误!未定义书签。5.2系统工作原理和工作过程.错误!未定义书签。5.3本章小结.错误!未定义书签。第六章实验分析.错误!未定义书签。6.1手抓适应性实验.126.2压力传感器实验.错误!未定义书签。6.3果实抓取力实验分析.错误!未定义书签。6.3.1压力传感器标定实验.错误!未定义书签。6.3.2不同脉冲频率下力的变化实验.错误!未定义书签。6.3.3不同成熟度情况下力的变化实验.错误!未定义书签。6.3.4夹持效率实验.错误!未定义书签。6.4本章小结.错误!未定义书签。第七章结论和建议.错误!未定义书签。7.1结论.错误!未定义书签。7.2创新点.错误!未定义书签。7.3后续研究建议.错误!未定义书签。攻读硕士期间发表的论文.错误!未定义书签。致谢.错误!未定义书签。第二章欠驱动采摘末端执行器的设计3第一章绪论1.1课题研究意义水果是人类生活中必不可少的食物，水果的种植比例也在逐年增多，2002年中国果品种植面积893万hm2，产量6225万t，占世界果品产量的13%1。目前我国的水果总产量跃居世界第一位，其中以苹果、柑橘和梨的种植面积为最大。在我国，苹果栽培有着悠久的历史，是我国11大优势农产品之一。我国苹果生产在世界苹果产业中占有举足轻重的地位。据统计，2004年我国苹果栽培面积187.7万公顷、产量2367.5万吨，分别占世界苹果栽培面积41.5%和产量的7.5%。近10多来年，我国对世界苹果产量增长的贡献率高达84%2。这使得果园收获作业机械化、自动化成为广大果农们最为关注的热点问题。发展机械化收获技术，研究开发果蔬采摘机器人,不仅对于适应市场需求、降低劳动强度、提高经济效率有着一定的现实意义，而且对于促进我国农业科技进步，加速农业现代化进程有着重大的意义。在果实类的水果采摘生产作业过程中，需要人工不定时的对果实进行成熟度判断和收获，并不时地移动梯子登高或弯腰，因此果品采摘作业是水果生产链中最耗时、最费力的一个环节、具有一定危险性的作业。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。随着水果大面积的推广与种植，研究水果采摘机器人既可以提高农业生产力、改变农业生产模式、解决劳动力不足问题等方面又可以减轻劳动强度、提高生产效率，而且具有广阔的市场应用前景。1.2农业机器人发展概况1.2.1国外研究成果及现状农业机器人是一种集传感技术、监测技术、人工智能技术、通讯技术、图像识别技术、精密及系统集成技术等多种前沿科学技术于一身的机器人4。农业机器人是一门边缘交叉学科，是多领域技术的综合，其发展需要各相关学科的配合与支援3。农业机器人又可以分为：施肥机器人、除草机器人、收摘机器人、嫁接机器人等。日本是研究农业机器人最早的国家之一，早在20世纪70年代后期，随着工业机器人的发欠驱动苹果采摘末端执行器研究和设计4展，对农业机器人的研究工作逐渐启动5,6,7。收获作业的自动化和机器人的研究始于20世纪60年代的美国(1968年)，采用的收获方式主要是机械震摇式和气动震摇式，其缺点是果实易损，效率不高，特别是无法进行选择性的收获8。自1983年第1台西红柿采摘机器人在美国诞生以来，采摘机器人的研究和开发历经20多年，日本和欧美等国家相继立项研究采摘苹果、柑桔、西红柿、西瓜和葡萄等智能机器人9。1.2.1.1西红柿采摘机器人日本Kondo-N10,12,13等人研制的西红柿收获机器人由机械手、末端执行器、视觉传感器和移动机构等组成，如图1.1所示。图1-1西红柿采摘机器人图1-2美国的番茄采摘机器人Fig.1-1TomatoharvestingrobotFig.1-2Tomatopicking-robotmadeinAmerica机器人的采摘机械手采用7自由度的SCORBOTER工业机器人，能够形成指定的采摘姿态进行采摘。用彩色摄像机作为视觉传感器来寻找和识别成熟果实，利用双目视觉方法对目标进行定位；移动机构采用4轮结构，能在垄间自动行走。在2004年2月10日美国加利福尼亚州图莱里开幕的世界农业博览会上，美国加利福尼亚西红柿机械公司展出2台全自动西红柿采摘机(图1.2)，这种西红柿采摘机首先将西红柿连枝带叶割倒后卷入分选仓，仓内能识别红色的光谱分选设备挑选出红色的西红柿，并将其通过输送带送入随行卡车的货舱内，然后将未成熟的西红柿连同枝叶一道粉碎，喷撒在田里作肥料14。1.2.1.2苹果采摘机器人韩国研制的苹果采摘机器人，其机械手工作空间达到3m，具有4个自由度，包括3个旋转关节和1个移动关节，采用三指夹持器作为末端执行器，内有压力传感器避免损伤苹果。利用CCD摄像机和光电传感器识别果实，从树冠外部识别苹果时识别率达85%，速度达5个/s15。第二章欠驱动采摘末端执行器的设计5图1-3苹果采摘机器人Fig.1-3Appleharvestingrobot2008年JohanBaeten和SvenBoedrij等人研制的苹果采摘机器人16(图1.3)，利用松下VR006L型六自由度手臂作为机械手主体，在果园作业时，机械手由一台拖拉机牵引，其机器人整体占地面积较大，机械手重量较重，且成本较高，只适于植株较矮小的苹果树。1.2.1.3多功能葡萄采摘机器人日本冈山大学研制出了一种多功能葡萄采摘机器人(图1.4)17。葡萄采摘机器人采用5自由度的极坐标机械手，末端的臂可以在葡萄架下水平匀速运动。视觉传感器一般采用彩色摄像机，采用PSD三维视觉传感器效果更佳，可以检测成熟果实及其距离信息的三维信息。采摘时，用于葡萄采摘的末端执行器有机械手指和剪刀机械手指抓住果房，剪刀剪断穗柄。1.2.1.4蘑菇采摘机器人英国Silsoe研究所研制的蘑菇采摘机器人18，可自动测量蘑菇的位置大小，并选择性地采摘和修剪。它的机械手由2个气动移动关节和1个步进电机驱动的旋转关节组成，末端执行器是带有软衬垫的吸引器，视觉传感器采用TV摄像头，安装在顶部用来确定蘑菇的位置和大小。采摘成功率75%左右，采摘速度67个/s。图1.4多功能葡萄采摘机器图1.5草莓采摘机器人Fig.1-4Multi-operationrobotforgrapevineFig.1-5Strawberryharvestingrobot欠驱动苹果采摘末端执行器研究和设计61.2.1.5柑橘收获机器人法国和西班牙尤利卡合作的工程项目“CIT2RUS”是比较成功的研究成果19,20。该项目1988年开始启动,其研制的收获机器人。其最高能达到80%的采摘率，采摘率一般为60%65%。由于其无法商业化,加上过多的费用损耗,缺乏资金投入，该项目在1997年便中止了。1.2.1.6草莓采摘机器人KondoN等人针对草莓越来越多采用高架栽培模式11，研制出了5自由度的采摘机器人，如1.5所示。草莓采摘机器人的视觉系统与番茄采摘机器人相似，末端执行器采用真空系统加螺旋加速切割器。收获时，3对光电开关检测草莓的位置，视觉系统计算空间位置，控制机械手移动到预定位置，末端执行器将草莓吸入；当草莓位于合适的位置时，腕关节移动，果梗进入指定位置，螺旋加速驱动切割器旋转切断果梗，完成采摘。1.2.2国内研究成果及现状果树采摘机器人的研究在我国尚处于起步阶段。在采摘机械手和末端执行器的设计研究方面：中国农业机械化科学研究院谢建新等人为解决机器人灵巧避障问题，研究设计了6自由度的关节型机械手臂。梁喜凤等为分析并改善番茄收获机械手运动学特性，进行了番茄收获机械手运动学优化与仿真试验，取得了较好的效果。东北林业大学的路怀民研制了林木球果采摘机器人，中国农业大学的赵金英等（2006年）对西红柿采摘机器人整体进行了研究。1.3末端执行机构的研究现状末端执行件通常由机械装置和传感器组成。末端执行件必须保证不伤害目标作物，不恶化生物生产的质量，与工业机器人的末端执行器相比，由于其作业对象和环境的柔嫩性、不规则性和复杂多变性特征，采摘机器人的末端执行器具有明显的特殊性和更高的智能化要求。目前果蔬采摘机器人末端执行器基本都是专用的，只能对一种果实进行收获,即是采摘机器人效率难以提高的主要原因，也是制约采摘机器人未来发展与应用推广的瓶颈。解决末端执行器的通用性、灵活性和成本之间的矛盾,是果蔬采摘机器人末端执行器研究发展的方向。第二章欠驱动采摘末端执行器的设计71.3.1国外末端执行器研制进展情况Kutz等人（1987）基于CAD系统设计了移栽机器人21-22。如图1.6其末端执行件是一个并行夹取式夹持器，由1个气缸和1个并行的夹取抓手组成。其抓取手只有张开和合拢两种状态，这两种位置的距离差是20mm，两个夹片长3mm。在3.3min内能完成36个苗的移植，存活率可达96%。图1.6SNS夹取器图1.7柑橘采摘末端执行器Fig.1-6SNSClipextractorFig.1-7Orangeharvestingend-effector美国佛罗里达大学研究员研制了用于小树林的柑橘采摘机械手19，如图1.7所示，依靠1个CCD摄像机和超声波传感器置于末端执行器的内部来探测水果的位置。该机械手为球形坐标形式,有7个自由度。其末段执行器最高速率为508mm/s，最大载荷量大约为9.07kg，图像处理和视觉伺服所花的时间为1580ms。Ryu等人（2000）设计了一种由气动系统驱动的夹取装置14。该末端器由步进电机、气缸、气动卡盘和夹取指组成，如图1.8所示。其末端执行件由步进电机带动旋转，并根据植株的方位确定针状夹取指的位置，避免抓取时对植株叶片的伤害。PeterP.Ling等人（2004）设计了一种4个手指的末端执行件23，如图1.9。该末端执行件主要由数字线性步进电机、4个手指和吸引器组成。手指利用缆绳和筋腱使其弯曲，利用扭矩弹簧使其伸展。数字线性步进电机驱动筋腱，增强了末端执行件运动的可控性和精确性。图1-8执行器图1-9手指末端执行Fig.1-8end-effectorFig.1-9fingerend-effector欠驱动苹果采摘末端执行器研究和设计82008年JohanBaeten和SvenBoedrij等人研制了苹果采摘机器人末端执行器16(图1.10)。其硅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。图1-10苹果采摘末端执行器Fig.l-10Appleharvestingend-effector1.3.2国内研制的末端执行器概述与国外相比，国内在果蔬采摘机器人末端执行器的研究方面起步较晚，成果相对较少。其中，中国农业大学对茄子采摘机器人末端执行器进行了研制，其采摘成功率达到92.76%。江苏大学农业工程研究院研制了一种基于多传感器信息融合和开放式控制的智能控制的番茄采摘机器人末端执行器，系统设计质量仅为1.12kg，末端执行器完成采摘动作的时间为35s。到目前为止，国内还没有研制出苹果采摘机器人的末端执行器。因此，开发一种具有采摘效率和成功率高，具有轻便性，通用性强的苹果采摘末端执行器具有重要的意义。1.4欠驱动技术研究发展当一种机械机构的驱动器数量少于这种机械机构的自由度数量时，这种机械机构就称为欠驱动机构24,25。这种机构具有形状自适应能力,欠驱动手指抓取物体时，它能够完全包络物体，并且能够适应物体的形状。在机械手爪上的欠驱动机构与机器人系统上的欠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无驱动关节的操作器，而欠驱动机械手通常使用弹性元件来设计欠驱动关节，这就是说这些关节可以理解为无法控制或被动控制，而不是没有驱动。美国麻省理工学院和犹他大学于1980年联合研制成功了Utah/MIT手爪26,27,28。第二章欠驱动采摘末端执行器的设计9手爪采用模块化结构设计，手指的配置方式类似于人手，有四个手指:拇指、食指、中指和无名指，四个手指结构完全相同，每个手指有4个自由度。手指关节采用伺服气动缸作为驱动元件，由腱和滑轮传动。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-AdaptingRoboticAuxiliaryHand）29，如图1.11示。该手爪有3个手指，每个手指有3个关节，加上1个转动自由度，共10个自由度，而只用两个电机驱动，一个电机负责手爪的开合，另一个负责手指的转向。采用