果实采摘机械手的设计与仿真【含SW三维及4张CAD图】
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果实采摘机械手的设计与仿真【含SW三维及4张CAD图】
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充值购买-下载设计文档后，加 Q-1459919609 免费领取图纸I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； 充值购买-下载设计文档后，加 Q-1459919609 免费领取图纸IIDesign 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 simulation充值购买-下载设计文档后，加 Q-1459919609 免费领取图纸III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充值购买-下载设计文档后，加 Q-1459919609 免费领取图纸IV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 .51充值购买-下载设计文档后，加 Q-1459919609 免费领取图纸5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充值购买-下载设计文档后，加 Q-1459919609 免费领取图纸61.2.1 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。充值购买-下载设计文档后，加 Q-1459919609 免费领取图纸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，如图充值购买-下载设计文档后，加 Q-1459919609 免费领取图纸81.6 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，使其更好充值购买-下载设计文档后，加 Q-1459919609 免费领取图纸9的应用于实际生活中。充值购买-下载设计文档后，加 Q-1459919609 免费领取图纸10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
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