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苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真【版本1】.docx
苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真-机器人手爪【原创含proe三维仿真及9张CAD图】
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苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真-机器人手爪【含proe三维仿真及9张CAD图】
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请充值后下载含图纸源文件压缩包，需要其他课题加 Q-1459919609I苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真摘 要苹果采摘机器执行器是采摘机器的重要部件，它的设计通常被认为是机器人的核心技术。本次设计首先，调查了采摘机及其末端执行器的研究及发展现况；接着，通过现有苹果采摘机末端执行器及人工采摘苹果时原理进行分析，在此分析基础上提出了总体结构方案；其次，对各主要机构及其零件进行设计与选择；然后，通过静力学分析进行了校核；最后，采用 Pro/E 三维设计软件进行了虚拟设计及仿真分析。通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等；掌握了普通机械产品的设计方法并能够熟练使用AutoCAD、Pro/E 软件，对今后的工作与生活具有极大意义。关键词：苹果采摘，执行器，手指，设计请充值后下载含图纸源文件压缩包，需要其他课题加 Q-1459919609IIAbstractApple picking machine is an important part of the picking machine. Its design is often considered as the core technology of the robot.This design first, the research and development status of the picking machine and its end effector;Then, through the analysis of the principle of the end effector of the apple picking machine and picking apples, the overall structure scheme is put forward;Secondly, the design and selection of the main body and its parts are carried out;Finally, the virtual design and simulation analysis of Pro/E 3D design software are carried out.Through this design, we have consolidated the professional knowledge of the University, such as: mechanical principle, mechanical design, material mechanics, tolerance and exchange theory, mechanical drawing, etc.;Master the design method of common mechanical products and be able to skillfully use AutoCAD, Pro/E software, for the future work and life of great significance.Key words: Apple picking, Actuator, Finger, Design请充值后下载含图纸源文件压缩包，需要其他课题加 Q-1459919609III目 录摘 要 .IAbstract.II第一章 绪论 .11.1 课题研究背景及意义 .11.2 国内外采摘机器发展现况 .11.3 采摘机器末端执行器研究现状 .21.3.1 获取方式 .21.3.2 分离方式 .3第二章 总体方案确定 .52.1 设计要求 .52.2 苹果采摘特点分析 .52.3 总体方案设计 .5第三章 主要机构的设计与选择 .73.1 驱动机构的设计 .73.1.1 驱动方案的选择 .73.1.2 电动机的选择 .73.1.3 丝杆副的选型与校核 .93.1.4 轴承的选择与校核 .123.1.5 键的选择与校核 .123.2 手指结构设计 .133.2.1 手指数量 .133.2.2 手指关节数量 .133.2.3 手指的材料 .133.3 机架的设计 .14第四章 力学分析与校核 .154.1 手指的工作原理 .154.2 抓取时的静态力学模型 .154.3 运动学分析 .174.4 夹持误差计算 .18第五章 三维设计与仿真分析 .215.1 软件概述 .215.2 三维设计与装配 .225.2.1 零件三维设计 .225.2.2 虚拟装配 .23请充值后下载含图纸源文件压缩包，需要其他课题加 Q-1459919609IV5.3 仿真分析 .245.3.1 仿真的简单介绍 .245.4.2 仿真过程 .25总 结 .28参考文献 .29致 谢 .30请充值后下载含图纸源文件压缩包，需要其他课题加 Q-14599196091第一章 绪论1.1 课题研究背景及意义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。“采摘机器的末端执行器是一个安装在移动设备或者采摘机器手臂上，使其能够拿起一个对象，并且具有处理、传输、夹持、放置和释放对象到一个准确的离散位置等功能的机构。 ”这是末端执行器的一个定义。采摘机器的抓取作业方式是工业生产中的一个重要应用。采摘机器是一种通用性较强的自动化作业设备，末端执行器则是直接执行作业任务的装置，大多数末端执行器的结构和尺寸都是根据其不同的作业任务要求来设计的，从而形成了多种多样的结构形式。通常，根据其用途和结构的不同可以分为机械式夹持器、吸附式末端执行器和专用的工具三类。多数情况下末端执行器是为特定的用途而专门设计的，但也可以设计成一种适用性较大的多用途末端执行器。总之，末端执行器机构的种类较多，但是其中有些在技术上尚不成熟。因此，如何在现有的末端执行器机构的性能并从国情出发，研制出能满足各种作业要求，实用可靠，结构简单，造价低廉的采摘机器末端执行器是我们的主要任务。1.2 国内外采摘机器发展现况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;机器人视觉传感器请充值后下载含图纸源文件压缩包，需要其他课题加 Q-14599196092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。在国内，苹果采摘由人工来完成，采摘效率低、采摘人员劳动强度大、工作环境差。目前对苹果采摘机的报道比较少，最近国内也有一些采摘机具的专利，如坚果采摘机，这些专利能在一定程度上减轻采摘人员的劳动强度，改变采摘人员的工作环境；但大多结构简单，所以未从根本上解决采摘难度，效率低等问题。本研究以设计出实用化的苹果采摘机为目标，通过对苹果采摘的工作环境和特性进行深入分析，利用 pro/e 软件对苹果采摘机进行三维设计和虚拟装配，设计出苹果采摘机末端执行器。基本解决了采摘劳动力大、效率低等问题，具有一定的发展前景。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。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。例如，日本开发的甜椒采摘机器人末端执行器、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 所示。图 1-1 甜椒采摘末端执行器 图 1-2 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。（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。 请充值后下载含图纸源文件压缩包，需要其他课题加 Q-14599196093如图 1-3 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 1-3 苹果采摘末端执行器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。（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。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 1-4 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。1.手指 2.内螺纹管 3.丝杠 4.电机图 1-4 机械爪机构示意图1.3.2 分离方式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。（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、请充值后下载含图纸源文件压缩包，需要其他课题加 Q-14599196094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。请充值后下载含图纸源文件压缩包，需要其他课题加 Q-14599196095第二章 总体方案确定2.1 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）执行器有三到四个手指，每个手指有三节（2）夹持苹果直径 5-15cm，高度 5-15cm2.2 苹果采摘特点分析目前，实现采摘的主要途径有以下几种：（1）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。（2）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。（3）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。（4）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。2.3 总体方案设计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，通过丝杆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。图 2.1 所示是采用 Pro/E 软件设计的苹果采摘机末端执行器的三维实体模型。请充值后下载含图纸源文件压缩包，需要其他课题加 Q-14599196096图 2-1 机械手机构图工作原理为：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。苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真I苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真摘 要苹果采摘机器执行器是采摘机器的重要部件，它的设计通常被认为是机器人的核心技术。本次设计首先，调查了采摘机及其末端执行器的研究及发展现况；接着，通过现有苹果采摘机末端执行器及人工采摘苹果时原理进行分析，在此分析基础上提出了总体结构方案；其次，对各主要机构及其零件进行设计与选择；然后，通过静力学分析进行了校核；最后，采用 Pro/E 三维设计软件进行了虚拟设计及仿真分析。通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等；掌握了普通机械产品的设计方法并能够熟练使用AutoCAD、Pro/E 软件，对今后的工作与生活具有极大意义。关键词：苹果采摘，执行器，手指，设计苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真IIAbstractApple picking machine is an important part of the picking machine. Its design is often considered as the core technology of the robot.This design first, the research and development status of the picking machine and its end effector;Then, through the analysis of the principle of the end effector of the apple picking machine and picking apples, the overall structure scheme is put forward;Secondly, the design and selection of the main body and its parts are carried out;Finally, the virtual design and simulation analysis of Pro/E 3D design software are carried out.Through this design, we have consolidated the professional knowledge of the University, such as: mechanical principle, mechanical design, material mechanics, tolerance and exchange theory, mechanical drawing, etc.;Master the design method of common mechanical products and be able to skillfully use AutoCAD, Pro/E software, for the future work and life of great significance.Key words: Apple picking, Actuator, Finger, Design苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真III目 录摘 要 .IAbstract.II第一章 绪论 .11.1 课题研究背景及意义 .11.2 国内外采摘机器发展现况 .1苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真IV1.3 采摘机器末端执行器研究现状 .21.3.1 获取方式 .21.3.2 分离方式 .3第二章 总体方案确定 .52.1 设计要求 .52.2 苹果采摘特点分析 .52.3 总体方案设计 .5第三章 主要机构的设计与选择 .73.1 驱动机构的设计 .73.1.1 驱动方案的选择 .73.1.2 电动机的选择 .73.1.3 丝杆副的选型与校核 .93.1.4 轴承的选择与校核 .123.1.5 键的选择与校核 .123.2 手指结构设计 .133.2.1 手指数量 .133.2.2 手指关节数量 .133.2.3 手指的材料 .133.3 机架的设计 .14第四章 力学分析与校核 .154.1 手指的工作原理 .154.2 抓取时的静态力学模型 .154.3 运动学分析 .174.4 夹持误差计算 .18苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真V第五章 三维设计与仿真分析 .215.1 软件概述 .215.2 三维设计与装配 .225.2.1 零件三维设计 .225.2.2 虚拟装配 .235.3 仿真分析 .245.3.1 仿真的简单介绍 .245.4.2 仿真过程 .25总 结 .28参考文献 .29致 谢 .30苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真VI苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真1第一章 绪论1.1 课题研究背景及意义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。“采摘机器的末端执行器是一个安装在移动设备或者采摘机器手臂上，使其能够拿起一个对象，并且具有处理、传输、夹持、放置和释放对象到一个准确的离散位置等功能的机构。 ”这是末端执行器的一个定义。采摘机器的抓取作业方式是工业生产中的一个重要应用。采摘机器是一种通用性较强的自动化作业设备，末端执行器则是直接执行作业任务的装置，大多数末端执行器的结构和尺寸都是根据其不同的作业任务要求来设计的，从而形成了多种多样的结构形式。通常，根据其用途和结构的不同可以分为机械式夹持器、吸附式末端执行器和专用的工具三类。多数情况下末端执行器是为特定的用途而专门设计的，但也可以设计成一种适用性较大的多用途末端执行器。总之，末端执行器机构的种类较多，但是其中有些在技术上尚不成熟。因此，如何在现有的末端执行器机构的性能并从国情出发，研制出能满足各种作业要求，实用可靠，结构简单，造价低廉的采摘机器末端执行器是我们的主要任务。1.2 国内外采摘机器发展现况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。苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真2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。在国内，苹果采摘由人工来完成，采摘效率低、采摘人员劳动强度大、工作环境差。目前对苹果采摘机的报道比较少，最近国内也有一些采摘机具的专利，如坚果采摘机，这些专利能在一定程度上减轻采摘人员的劳动强度，改变采摘人员的工作环境；但大多结构简单，所以未从根本上解决采摘难度，效率低等问题。本研究以设计出实用化的苹果采摘机为目标，通过对苹果采摘的工作环境和特性进行深入分析，利用 pro/e 软件对苹果采摘机进行三维设计和虚拟装配，设计出苹果采摘机末端执行器。基本解决了采摘劳动力大、效率低等问题，具有一定的发展前景。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。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。例如，日本开发的甜椒采摘机器人末端执行器、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 所示。苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真3图 1-1 甜椒采摘末端执行器 图 1-2 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。（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 1-3 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 1-3 苹果采摘末端执行器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。（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。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 1-4 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。苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真41.手指 2.内螺纹管 3.丝杠 4.电机图 1-4 机械爪机构示意图1.3.2 分离方式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。（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。苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真I苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真摘 要苹果采摘机器执行器是采摘机器的重要部件，它的设计通常被认为是机器人的核心技术。本次设计首先，调查了采摘机及其末端执行器的研究及发展现况；接着，通过现有苹果采摘机末端执行器及人工采摘苹果时原理进行分析，在此分析基础上提出了总体结构方案；其次，对各主要机构及其零件进行设计与选择；然后，通过静力学分析进行了校核；最后，采用 Pro/E 三维设计软件进行了虚拟设计及仿真分析。通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等；掌握了普通机械产品的设计方法并能够熟练使用AutoCAD、Pro/E 软件，对今后的工作与生活具有极大意义。关键词：苹果采摘，执行器，手指，设计苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真IIAbstractApple picking machine is an important part of the picking machine. Its design is often considered as the core technology of the robot.This design first, the research and development status of the picking machine and its end effector;Then, through the analysis of the principle of the end effector of the apple picking machine and picking apples, the overall structure scheme is put forward;Secondly, the design and selection of the main body and its parts are carried out;Finally, the virtual design and simulation analysis of Pro/E 3D design software are carried out.Through this design, we have consolidated the professional knowledge of the University, such as: mechanical principle, mechanical design, material mechanics, tolerance and exchange theory, mechanical drawing, etc.;Master the design method of common mechanical products and be able to skillfully use AutoCAD, Pro/E software, for the future work and life of great significance.Key words: Apple picking, Actuator, Finger, Design苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真III目 录摘 要 .IAbstract.II第一章 绪论 .11.1 课题研究背景及意义 .11.2 国内外采摘机器发展现况 .1苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真IV1.3 采摘机器末端执行器研究现状 .21.3.1 获取方式 .21.3.2 分离方式 .3第二章 总体方案确定 .52.1 设计要求 .52.2 苹果采摘特点分析 .52.3 总体方案设计 .5第三章 主要机构的设计与选择 .73.1 驱动机构的设计 .73.1.1 驱动方案的选择 .73.1.2 电动机的选择 .73.1.3 丝杆副的选型与校核 .93.1.4 轴承的选择与校核 .123.1.5 键的选择与校核 .123.2 手指结构设计 .133.2.1 手指数量 .133.2.2 手指关节数量 .133.2.3 手指的材料 .133.3 机架的设计 .14第四章 力学分析与校核 .154.1 手指的工作原理 .154.2 抓取时的静态力学模型 .154.3 运动学分析 .174.4 夹持误差计算 .18苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真V第五章 三维设计与仿真分析 .215.1 软件概述 .215.2 三维设计与装配 .225.2.1 零件三维设计 .225.2.2 虚拟装配 .235.3 仿真分析 .245.3.1 仿真的简单介绍 .245.4.2 仿真过程 .25总 结 .28参考文献 .29致 谢 .30苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真VI苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真1第一章 绪论1.1 课题研究背景及意义在中国苹果是一个主要的水果，2010 年苹果总产量占 32.73 三大水果，水果（苹果，桔子，梨头。此外，苹果在中国的领土面积 2848 亩，产量 26 万吨，占世界的 35%，苹果面积、产量、规模最大的世界苹果采摘机器人采摘过程。在很大程度上可以大大提高效率，节约成本，但可摘摘果过程中的机械损伤，机械性损伤是一种入侵的病原微生物，是错误的主要原因为操作负荷的瘀伤，打破，从而使变质腐烂的水果，每年达 30 40%的损失高达 10 亿人民币。直接接触臂部分果实，所以开发一个容易损坏的水果和小型机械手是特别重要的。“采摘机器的末端执行器是一个安装在移动设备或者采摘机器手臂上，使其能够拿起一个对象，并且具有处理、传输、夹持、放置和释放对象到一个准确的离散位置等功能的机构。 ”这是末端执行器的一个定义。采摘机器的抓取作业方式在工业生产中是一个重要的运用，机器是一个全面的强大的自动化设备，装置的执行器是直接导致了大多数的任务，完成任务后的结构和尺寸的设计，多种结构。通常，根据使用和机械手爪的结构的变化，吸附出口和专用工具三类。在大多数情况下，执行器是为特定用途而专门设计的，也可以是一个大型的多功能性的执行者。现有的末端执行器机构的性能并从国情出但有些技术还不成熟，因此，如何在现有的条件和执行机构的性能可以满足不同的功能要求，研制结构简单、成本低、可靠性高，采摘机端是我们最重要的任务。1.2 国内外采摘机器发展现况水果和蔬菜在采摘机器人的研究始于 20 世纪 60 年代，在美国，主要用于气动机械清洗方法和非定常的风格。缺点是，水果的脆弱性，效率不高，不存在很大的局限性，特别是选择性的收获，拣软的，新鲜的水果和蔬菜。但此后，随着电子技术的发展和计算机技术的发展，特别是在工业机器人，更成熟的技术和计算机图像处理技术和人工智能技术的发展，采摘机器人的研究得到了迅速的发展。目前，日本，荷兰，法国、英国、意大利、美国、以色列、西班牙和其他国家的成功推出了水果和蔬菜采摘机器人的研究相关方面的研究主要的橘子，苹果，西红柿，黄瓜，番茄，芦笋，花椰菜，葡萄、甜瓜、草莓、菊花、蘑菇，但这些好处还真的不的商业操作的机器人。农业机器人的研究起步相对较晚，但在过去几年的快速发展，也已经有了大量的研苹果采摘机器执行器的机构设计及仿真2究。张剑峰董剑，张志勇，自适应控制算法的设计，如采摘机器人的机器人鲁棒跟踪设计的立体视觉传感器；中国农业大学，刘兆祥，刘岗，谁发现了苹果方面蔡健荣江苏大学的三维信息，如恢复的障碍，柑橘采摘机器人障碍识别技术的研究；南京农业大学和政府接管的水果和蔬菜的控制技术的研究王学林与外环的长影
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