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The device is a biomimetic hand for picking a robot. The device must be attached to a new type of Apple picking robot. It mainly uses steel wire as a transmission chain to separate the drive part from the execution part, and the drive part is placed on the tail part, reducing the quality of the robot arm. The range of options for the required drive motor has also been increased.Firstly, the overall design of the Bionic picking manipulator is reviewed and the design scheme is determined. Secondly, the device is modeled in three dimensions, the parts are mapped and assembled. Finally, using software for mechanical analysis and then using 3D printing technology, the parts were processed, manually assembled, and the designed physical objects were produced.This picking scheme is reasonable and effective, and its overall performance can meet the requirements of the new robot to pick apples.Key words: Apple picking robot; Bionic manipulator; Mechanical design水果采摘装置设计III目录摘要 .IAbstract.II1.绪论 .11.1 课题背景及目的 .11.2 国内外采摘机器人研究进展 .11.3 主要内容和研究方法 .21.3.1 主要研究内容 .21.3.2 主要研究方法 .21.4 本章小结 .22.采摘装置仿生机械手的设计 .32.1 新型农业采摘机器人的特点 .32.2 水果采摘机器人设计中存在的问题和解决方案 .32.3 采摘方式和分离方式的选择 .42.3.1 采摘方式的选择 .42.3.2 分离方式的选择 .62.4 仿生机械手的总体结构设计 .72.4.1 苹果采摘方式分析 .72.4.2 总体设计 .72.5 手指结构设计 .8IV2.5.1 手指数量 .82.5.2 手指关节数量 .92.5.3 手指的材料选择 .92.6 机架的设计 .102.7 驱动方案的选择 .102.8 本章小结 .113.仿生机械手静力学分析 .123.1 手指的工作原理 .123.2 抓取时的静态力学模型 .123.3 运动学分析 .153.4 手部的夹持误差计算 .153.5 本章小结 .184.仿生机械手 3D 建模及重要零件的有限元分析 .194.1 软件概述 .194.2 机械手的虚拟设计与装配 .194.2.1 模型的建立 .194.2.2 装配 .224.3 重要零件的有限元分析 .23总结 .24参考文献 .25致谢 .27水果采摘装置设计V11.绪论1.1 课题背景及目的我国是世界农业大国，而水果业恰恰是我国农业的重要一个组成部分。 果实成熟时最重要的操作环节是采摘作业。 劳动强度高，消耗时间长。 同时，由于树高的限制，高处位置的果实难以采摘，存在一定的风险。所以需要设计一款简单易于操作，但又效率高，易于生产，可以大面积推广的设备，有来辅助生产过程中采摘的环节。以保证生产效率和生产安全，将更多的劳动力解放出来。随着新型农业技术，机械技术和自动化技术的快速发展和应用，农业采摘机器人已经进入我们的视线，使得生产向智能化发展。所以本次设计偏向机器人采摘装置，主要会设计采摘部分所需要的仿生机械手。主要达到用来提高生产效率改善生产状况，保证生产安全等目的。1.2 国内外采摘机器人研究进展果蔬采摘机器人的发明始于 20 世纪 60 年代，在美国二十世纪，采摘的主要方法是机械和气动摇动。果实的脆弱性是果实的脆弱性、低效率、特定的采收率、有限的采摘、新鲜果蔬的存在。但从那时起，随着电子和计算机技术的发展，特别是工业机器人和日益复杂的计算机图像处理技术和人工智能技术的发展，拾取机器人的研究和技术发展迅速发展。目前，日本、荷兰、法国、英国、意大利、美国、以色列、西班牙等国家对果蔬采摘机器人进行了研究，包括柑桔、苹果、西红柿、樱桃番茄、芦笋、黄瓜、黄瓜、葡萄、卷材、菊花。草莓、蘑菇等。这些好处并没有真正使机器人商业化。在中国农业机器人领域起步较晚。但这不可能难住奋斗者，近年来，已经进行了大量的研究。东北林业大学教授卢怀敏成功研制了一种液压驱动的松果采摘机器人和单片机控制系统。梁希凤，苗向文等 成功模拟了番茄机器人机械特性的结构优化运动。鉴于番茄采摘选番时定位不准确的问题，张瑞鹤等人巧妙地利用双目立体视觉成功解决了这个大问题。 张剑锋，董健，张志勇等自适应棒跟踪控制算法的采摘机器人设计;机器人视觉传感器三维立体设计中国农业大学刘召祥，刘刚等人摘取了江苏大学苹果蔡建荣的三维信息。 近年来，随着国家重视农业，加大对资源的投入，作为农业机械的重点，机器人得到了质的优化和跨越，但面对复杂多变的工作环境，对机器人的研究依然存在 一样。 还有很长的路要走。水果采摘装置的设计21.3 主要内容和研究方法1.3.1 主要研究内容(1)采摘装置设计方案的确定。(2)初步做出整个装置的零件图和装配图。(3)使用相关软件做出三维图，并对装置进行模拟实验和力学分析。并且对设计进行优化。(4)对装置进行加工和装配。(5)撰写毕业设计论文1.3.2 主要研究方法（1）查阅和浏览资料利用课本和图书馆等现有图书对研究课题进行深入理解和设计不断地改进和优化，利用网络资源浏览并学习相关知识，查看相关文章图片和视频对设计内容有深切的认识。（2）软件建模和力学分析利用软件进行三维建模把设计内容玩真的体现于三维图中，使得设计过程和优化过程方便快捷，利用软件所有的力学分析功能对零件进行力学分析保证设计零件的寿命和合理性。（3）3D 打印技术进行加工利用学校现有的 3D 打印设备对零件进行加工和后期人工的装配，以便于直观的将设计进行说明和展现。1.4 本章小结本章节主要对课题研究的背景和目的进行阐述，对国内外研究的发展状况进行了陈述，对研究的内容和方法进行了讨论和确定，为接下来的设计进行了总领的作用。32.采摘装置仿生机械手的设计2.1 新型农业采摘机器人的特点在目前的工业生产中已经有大量的工业机器人投入生产加工的流水线中，但是在农业中机器人的应用并不是十分的凸显，原因有很多，最直接的原因就是农业机器人所要面对的工作对象和工作环境和工业机器人大有不同，技术难度比较高很难实现智能化的生产工作，所以对新型农业采摘机器人讨论得出它具体有以下几个特点： （1）非结构性的操作环境。由于作物随时间和空间的变化，工作环境是不可预知的。而且形式多变的。除了地形条件的限制外，它还直接受作物生长环境的季节、气候和其他自然条件的影响。这不单单要考虑到装置的灵活性还要有很大的智能性，并能适应多变的自然环境，在视觉、触觉、多传感器融合、知识推理和判断等方面具有相当的智能。 （2）被采摘水果的易损性和位置不可预测性。众所周知，新鲜的水果较为娇嫩若采摘不当定会造成采摘的损伤和经济的损失，而其水果在树体上所处的位置高低及被树叶的遮挡程度。这些都将是水果机械采摘所要面临的问题。都需要被合理的解决。 （3）运动轨迹的复杂性。机器人一般要一边移动一边进行拾取操作，这一问题是比较复杂的，此时不像工业机器人那样具有固定的轨道和可以判断的距离，动作的同步要求就比较高了，在后期的控制中就比较要求高了。 （4）操作对象和市场价格的特殊性。由于水果采摘装置主要为农业生产者来使用所以一定要便于操作和保养维护之类，而其要是和不同的性别和年龄段的劳动者。并且价格不能过于昂贵，以至于果农成本太高不愿意使用采摘装置。2.2 水果采摘机器人设计中存在的问题和解决方案采摘机器人机械手设计是水果采摘机器人的一个核心设计。因为我们现在一般水果的表皮都比较脆弱容易损伤，而且水果的形状以及生长在果树上的位置通常比较复杂。所以在采摘机器人实地采摘的过程中较为容易发生损伤的原因主要有以下两点： 水果采摘装置的设计4（1）水果位置判断的不准确和执行动作时存在的轨迹误差，一般水果均被树叶遮挡，而且树枝的生长错综复杂，所以在水果位置的判断中存在较大的难度，而且就算判断正确后采摘轨迹极易可能受到树枝的影响，导致动作的中断或偏移。（2）水果的表皮较为娇嫩在采摘过程中机械手的力度和方向一旦控制不好就会对水果造成损伤，从而影响水果品质造成直接的经济损失。所以对采摘机器人的采摘装置进行设计是，应要根据不同水果的生物特性和机械特性以及栽培方式，采用不同的专用特有的装置以提高采摘的成功率并减小对水的损伤为主要目标。一般集成两项功能： （1）准确的测量果实的位置，为机械手采摘时提供准确的导航信息； （2）对采摘的力度进行精确的控制，压力传感器必须高度精准，以保证在抓取水果的时候对水果的表皮有一个很好的保护，不至于损坏水果造成损失。2.3 采摘方式和分离方式的选择2.3.1 采摘方式的选择经过查阅书籍和浏览网络资料发现目前国内外采摘机器人设计方案中可以借鉴和使用的的有以下几种采摘方式：（1）直接切断式 ：这种方式最为原始和简单，但是缺点也很多，比如说自动化程度的不高采摘效率低下，采摘环境要求高，不能满足多种地形和水果的采摘，操作难度高不便于采摘人员的操作和使用等，如图 2-1/2-2/2-3 所示。毕业答辩,主要设计过程,一.研究和确定设计方案二.三维建模三.重要零件的有限元分析和模型加工四.说明书的攥写,一.研究和确定设计方案,1.采摘方式的选择A.直接切断式,b.吸入式,c.夹持类,2.分离方式的选择a.扭断、折断、拉断b.剪切c.热切割,初步方案确定夹持类扭断、拉断仿生机械手,其他设计内容手指数量：3个关节数量：6节选用材料：尼龙,二.三维建模1.部分零件图,三.重要零件有限元分析 和模型的加工1.有限元分析,2.利用3D打印技术进行模型加工,四.说明书的撰写1.字数12000字2.重复率低于303.外文翻译一篇4.二维图纸13张,致谢感谢答辩老师提问指导,科毕业论文（设计）任务书题 目 水果采摘装置设计毕业论文（设计）任务与要求为了减轻果农的劳动强度，提高采摘效率，避免爬高造成意外伤害事故，设计一款采摘设备，要求能满足各种高度的采摘作业，不损伤水果，水果类型可自定。要求完成该装置的结构设计，并进行相关的校核，完成设计说明书撰写，并完成装配图（包括三维装配）以及相关零件图，二维图纸量至少保证 1.5 张 A0 图纸。毕业论文（设计）工作进程起止时间 工作内容2017.12.5-2017.12.282017.12.29-2018.2.282018.3.1-2018.3.312018.4.1-2018.4.302018.5.1-2018.5.112018.5.12查（借）阅资料，了解本课题设计重点，注意事项，撰写开题报告。继续阅读文献，制定采摘装置设计方案。结构设计、计算及校核。绘制装配图及零件图，撰写毕业设计。指导老师、评阅老师评阅，整理资料准备答辩。答辩。指导教师（签字） 毕业论文工作组组长（签字） 任务接受人（签字） 毕业论文（设计）起止时间： 2017 年 12 月 5 日 至 2018 年 5 月 12 日 注：本表于每学年第 1 学期 18 周，经毕业论文工作组审批，随毕业论文装订由学院存档。本科毕业论文（设计）开题报告论文（设计）题目 水果采摘装置设计1、研究目的及意义我国是一个农业大国，水果产业是我国农业产业中的重要组成部分。水果种植产业最重要的操作环节便是果实成熟时的采摘作业，其劳动强度大、消耗时间长，同时由于树高的限制，高处的果实很难采摘，也具有一定的危险性。所以需要设计一款简单易于操作，但又效率高，易于生产，可以大面积推广的设备，有来辅助生产过程中采摘的环节。以保证生产效率和生产安全，将更多的劳动力解放出来。二、国内外发展状况（1）国外在德国，美国，法国，韩国，日本等发达的国家，随着产业多样化，国际化，以及农业生产工作性质等原因，农业生产活动劳动力不足远比其它行业来的严重。为了解决劳动力分散不均匀，保障生产，提高人们的生活质量，各个国家都不断研发出了一些农业机械手。例如美国在 1883 年成功研制了世界上第一台西红柿采摘机械手；1987 年研制出了对于树冠外的果实分辨率很高于的柑橘采摘的机械手。韩国在 1998 年也开发研制了一种利用传感器的识别专门用来采摘成熟果实的苹果采摘机械手。而且该装置还可以比较轻松的在果园里自由移动，工作空间范围较广。 而作为新兴的发达国家的代表，日本在农业机器人研究方面更是全面且多方位。例如为了喷洒农药专门设计出来的喷农药机器人，传感器的加入使它能自动的喷洒农药。还有为了嫁接特意设计的机器人，极速的嫁接成倍的提高了生产效率。施肥机器人利用橡皮做成的四个超窄轮子可以做到在在狭窄的作物间行走。人机协作型机器人则是通过人与机械手的共同协调作用来完成水果采摘的。在采摘过程中，通过用人来完成定位与机器的导航的任务，而其它的工作（例如：关节的转动，末端执行机构等）则是由机器人精准控制来协调完成。 除此之外，日本还研究了西红柿，葡萄，草莓，黄瓜等一系列的水果采摘机器人。（2）国内作为一个果蔬生产大国，中国虽然在农业机械自动化方面晚起步于其他发达国家，但是先天的不足不能扼住奋发的国人。1997 年，东北林业大学教授陆怀民以液压为驱动，配合以单片机控制系统，成功的研制出了松木球果实采摘机器人。果实采摘作业时，由底部的行走机构带动五自由度的机械手靠近果树，然后由控制系统控制液压缸实现大小臂的俯仰从而实现果实的精确采摘。2001 年，针对番茄采摘采摘过程中定位不精准的问题，张瑞合等人巧妙地运用双目立体视觉的办法成功的解决了这一大难题。2005 年，梁喜凤 苗香雯 等人针对番茄机械手的机械运动特性问题成功的进行了结构的优化的运动的仿真。而近年来,随着国家对农业的重视和资源投入加大,作为农用机械的一大热 点,机械手更是有了质的优化和跨越,不过面对复杂多变的工作环境,机械手的研究依 旧任重而道远。三、研究内容1） 、设计方案的确定。二） 、初步做出整个装置的零件图和装配图。三） 、使用相关软件做出三维图，并对装置进行模拟实验和力学分析。并且对设计进行优化。四） 、对装置进行加工和装配。五） 、使用装置进行实地实验和调试并且分析优缺点以便后期改进。六） 、撰写毕业设计论文在教师指导作用下，独立完成设计任务书，培养一定的创新意识和较强的设计学习能力，完成装置的整个设计说明，并附加相关的图纸和计算，计算步骤清晰明了，计算结果正确，设计绘图等符合国家标准，撰写设计说明书时要语言通顺，文字简练，图示清晰。四、研究方案以及步骤本课题设计划分为以下三个阶段：第一阶段：1）认真阅读任务要求，明确设计目的2）查阅资料，了解本课题设计重点，注意事项3）设计初期方案。第二阶段：1）做出零件图和装配图。2）做出三维图并且进行软件模拟和力学分析。第三阶段：1）对设计进行优化和加工实物。2）教师评阅、 学生修改 3）制作毕业答辩的 PPT五、论文提纲第一章 绪论1.1.课题背景及目的1.2 水果采摘装置国内外发展现状第 2 章 装置的设计原理和初步设计2.1 装置的构想和原理2.2 零件图和装配图第三章 三维图的绘制装配3.1 各个零件三维图的绘制3.2 装配第四章 应力分析寿命计算及其优化4.1 零件应力分析4.2 零件的寿命计算4.3 分析结果和优化第 5 章 实物的加工5.1 材料的选择准备及加工余量的计算5.2 加工代码的生成和转换5.3 机加过程5.4 零件的修整和装配第 6 章 实物实地实验第七章 实物优缺点的分析和优化致谢六、工作量的估计、工作条件 1.工作量的估计1 撰写设计论文及设计说明书（不少于 8000 字） ；2 完成零件图装配图和三维图；3 手工绘图一张；4 制作毕业答辩的 PPT；5 翻译一篇外文论文。2.工作条件1.图书馆，图书期刊资料和电子文献资料2.装有制图软件的电脑，绘制二维图、三维图3.制图室，绘制图纸3.工作进程2017.12.5-2017.12.28 查（借）阅资料，了解本课题设计重点，注意事项，撰写开题报告。2017.12.29-2018.2.28 继续阅读文献，制定采摘装置设计方案。2018.3.1-2018.3.31 结构设计、计算及校核2018.4.1-2018.4.30 绘制装配图及零件图，撰写毕业设计。2018.5.1-2018.5.11 指导老师、评阅老师评阅，整理资料准备答辩2018.5.12 答辩。七、存在的问题及拟解决采取的措施1.前期设计思路和装置原理的欠缺所以需要不停地查阅相关资料来确定初步方案。2.在零件的各种计算和绘图中可能会因为专业知识的不足进度较慢，要多和指导老师联系，和学习。3.在论文的撰写过程中可能会因为缺少经验导致撰写的不够严谨，要多请教指导老师，不断地查验修改。参考文献1 中国机械工程铸造分会.铸造工艺 5M.2011.92 李红英，赵成志 .铸造工艺设计M.北京：机械工业出版社，2005.33 贾宏志，傅明喜 .金属材料液态成型工艺M.北京：化学工业出版社，2008.24 王占武，王硕儒 .铸造，19865 王文清，李魁盛 .铸造工艺学.北京：机械工业出版社，2002.106 刘瑞玲，范金辉 .铸造实用数据速查手册.北京：机械工业出版社，2006.87 陆文华，李隆盛，黄良余等.铸造合金及其熔炼.北京：机械工业出版社，20028 王寿彭.铸件形成理论及工艺基础.西安：西北工业大学出版社，19949 吴光峰.铸造工艺装备设计手册.北京：机械工业出版社，199910 樊自田. 先进材料成形技术与理论.北京：化学工业出版社，200611 Characterizations of temperature effects on sintered ceramics manufactured with waste foundry sand and clay Form Deng-Fong Lin. Huan-Lin Luo.Jyung-Dong Lin Mei-Ling Zhuang指导教师意见及建议（从选题、理论与实证准备、研究（设计）方法、工作安排等方面给出评价，并提出指导意见）：该生通过查阅大量资料了解水果采摘设备的基本要求，制定了合理可行的设计方案，选题符合机械专业要求，同意开题。指导教师签名：年 月 日毕业论文工作组意见及建议准予开题毕业论文工作组组长签字：年 月 日注：1.此表由学生填写后，交指导教师签署意见，经毕业论文（设计）工作组审批后，才能开题。水果采摘装置设计I水果采摘装置设计摘要：本文主要对一种水果采摘装置进行了初步的设计。这个装置是一个仿生的采摘机器人的机械手。该装置必须依附于新型的苹果采摘机器人，仿生机械手主要使用合适的钢丝作为传动链将装置的驱动部位和执行部位分开，将驱动部分放于机械手臂的尾部，目的在于减轻机械臂的质量，也大大增加了所需要用到的驱动电机的可选择的范围。首先，对仿生采摘机械手的整体设计进行了查阅资料和确定设计方案。在确定方案的过程中修改优化了两次，最终确定为仿生机械手装置；其次，设计计算并对装置进行三维建模，绘制出零件图然后装配。最后利用有限元分析软件进行力学分析，采用 3D 打印技术对零件进行了加工，人工装配，制
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