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苹果 夹持 机械手 设计

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摘 要当前，因为苹果夹持作业的复杂性，国内外对于苹果夹持机械手的研究仍处于研究开发试验阶段，夹持机械手具体结构的设计与分析还存在很多不足，夹持自动化程度很低。我国苹果夹持作业基本上仍靠手工完成。随着世界各国老龄化问题的日益严重，劳动力不仅成本高，而且日益减少。因此，提高农业生产的自动化程度，研究开发苹果夹持机械手，具有重要的意义。本文首先从苹果夹持机械手的发展现状入手来阐述本次设计的意义，在此基础上提出本次设计主要的研究内容和解决问题的思路方法。在明确设计目的以后，进行大量文献资料的阅读，精研已有的科研成果，从而提出总体设计方案。然后根据苹果夹持机械手的各部分的功能及其作业特点，来选定各种合适的机构，在选择过程中也要兼顾不同零件的装配关系。对于苹果夹持机械手的设计：首先分析苹果的生物学特性，并确定苹果的夹持方案。然后，在此基础上设计机械手的传动机构，选择驱动方式作为机械手的动力来源，并对关键部件进行设计校核。最后利用三维ngineer软件建立三维模型，进行运动仿真，对尺寸结构等参数进行调整设计。关键词： 苹果夹持机械手；机械设计；末端执行器；欠驱动手指 AbstractAt present, fruits and vegetables harvesting is a complex work, so the research on fruits and vegetables harvesting robots is in the phase of development and trials and the robots specific structure is weak in design and analysis. All these things lead to the automation level of harvesting fruits and vegetables is very low. In our country, harvesting fruits and vegetables is still accomplished by hand. Along with the increasingly problem of population aging, it not only leads to the high cost of labor but not readily available. Therefore, improving the automation level of agricultural production and developing the fruits and vegetables harvesting robots are of great significance.In this paper, we will start to elaborate the significance of this design from the current development of apple harvesting robots and the role of agricultural mechanization, and propose the main research contents of this design and the main issues that need to be resolved on this basis. We will read a lot of literature and investigate the characteristics of similar design which have already been worked out after clearing the purpose of this design in order to make the overall design program. Then we will clear the functions and features about apple harvesting manipulator and select a variety of appropriate institutions according to different function and working characteristics, in the selection process should also take into account the relationship between different parts of the assembly.As to the design of apple harvesting manipulator the research investigates the following issues in details. First, it aims at analyzing the biological characteristics of the apple to ascertain the picking program. Then on the basis of designing the drive mechanism of manipulator, it selects the drive mode as the source of power and checks the key components. Finally, it sets up a three-dimensional model with the 三维ngineer software in order to make motion emulation and adjust to the size and structure parameters.Key words: Apple Harvesting Robot; Mechanical design; End-effector; Underactuation finger目 录摘 要Abstract第一章 绪论11.1课题研究意义11.2苹果夹持机械手发展概况11.2.1国外研究成果及现状21.2.2国内研究成果及现状51.3苹果夹持机械手末端执行器研究进展61.3.1国外末端执行器的研究情况概述61.3.2国内末端执行器的研究情况概述81.4研究的内容和方法81.4.1研究的内容81.4.2研究的方法8第二章 苹果夹持机械手机械手机构设计92.1苹果的生物学特性92.1.1果实的特点92.1.2生长情况的特点102.2苹果夹持机械手机械手选型原则112.3苹果夹持机械手机械手自由度的选择122.4苹果夹持方案的拟定132.4.1果实夹持方案的比较132.4.2苹果夹持方案142.5夹持机械手机械臂传动方案设计152.5.1机械臂的动力传动方案设计152.5.2机械臂齿轮轴传动机构设计162.6本章小结18第三章 苹果夹持机械手末端执行器的设计方案193.1末端执行器结构设计方案193.1.1末端执行器本体设计193.1.2末端执行器中的欠驱动手指的静力学分析213.1.3欠驱动手指齿轮轴传动机构设计233.2本章小结26第四章 苹果夹持机器机械手的三维模型及仿真274.1苹果夹持机械手的三维建模274.2苹果夹持机械手的运动仿真274.3本章小结30第五章 结论与展望31参考文献32致 谢34附录35第一章 绪论1.1 课题研究意义果实的夹持是农业生产中一个季节性强且最费力、最耗费时间的工作。随着社会经济的发展和人口老龄化，许多国家农业劳动不足。为了解决劳动力不足，改善劳动条件，提高农业劳动生产率和产品质量等问题，果实夹持的自动化成为亟待解决的问题。与此同时，农业生产的规模化、多样化与精确化，机械手技术在农业生产的广泛应用，促使农业朝着机械化、智能化的方向发展。因此，果实夹持机械手具有广阔的应用前景1。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37.5%。近10多年来，我国对世界苹果产量增长的贡献率高达84%2。但直到目前，苹果的夹持作业都要靠人工来完成。因此研究开发苹果夹持机械手不仅可以减轻劳动强度、提高劳动生产率，而且具有广阔的市场应用前景。1.2 苹果夹持机械手发展概况 法国是研究苹果夹持机械手较早的国家之一，但由于技术、市场和价格等因素的影响，甜橙、苹果夹持机械手已停产，夹持机械手的研究工作基本陷于停顿。美国在自动化收获机械手的研究方面没有一个清晰的战略，研究工作也基本停了下来。日本近年来开展了大量的收获机械手研究项目，进展很快，但还未能真正实现商业化。荷兰收获机械手的研究工作走在很多国家的前面，但研究的苹果种类并不多。我国的研究则处在逐渐上升的阶段，尤其是针对夹持机械手的某个部分，如夹持机械手、末端执行器等。 机械结构直接决定机械手运动的灵活性和控制的复杂性。夹持机械手必须紧凑，行走、转弯灵活。当前，大部分夹持机械手借用工业机械手，体积大，成本高。在满足机械手性能的前提下，设计简单、紧凑、轻巧，而且运动平稳和灵活避障的机械手，是必须解决的问题。要具备柔性和灵巧性都比较好的机械手及末端执行器，能够在作业过程中躲避障碍物，这就要求机械手具有一定的冗余度。由于夹持对象为小浆果，果实质柔软易损伤，要求设计末端执行器时，其能准确快速地切除果实，并确保不损坏果实。此外，大部分的果实处在被果实或枝叶遮蔽的位置，这就给夹持带来更大的难度。夹持机械手为夹持到这部分果实不仅需要将这部分果实识别出来，而且需要有灵巧的机械手来实现避障夹持。1.2.1 国外研究成果及现状最早夹持果实的方法是采用机械振摇式和气动振摇式，但是存在果实容易损坏，效率不高以及容易夹持到不成熟果实的缺点。随着技术的改进，人们开始用梯子、升降台等设备协助机器夹持水果，但是仍然存在劳动密集型的特点。从而运用机械手技术夹持水果有了快速的发展。美国学者Schertz和Brown于1968年首先提出应该用机械手技术夹持果实；1987年Sistler指出当时开发的果实夹持机械手都需要人协助，因此只能算是半自动化的收获机械3-7。日本京都大学 Noboru Kawamura等人在20世纪80年代中期研制出了5自由度关节型的机械手。试验表明，这种机械手的工作空间并没有包括所有果实的位置，并且末端执行器的可操作度比较低，坚硬的机械爪也容易造成果实的损伤。20世纪90年代，日本岗山大学Naoshi Kondo等人进一步研究番茄的生理、物理特性，分析机械手的工作性能，在Noboru Kawamura等人基础上，研制出了7个自由度的机械手（图1-1）。主要存在的问题是成熟的番茄的位置处于叶茎相对茂盛的地方时，机械手无法避开叶茎障碍物完成夹持8。图1-1 日本的番茄夹持机械手日本国立蔬菜茶叶研究所与岐阜大学联合研制了茄子夹持机械手（图1-2）。机械手由CCD机器视觉系统、5自由度工业机械手、末端执行器以及行走装置组成，作业对象是温室中按照V形生长方式种植的Senryo-2号茄子9。图1-2 日本的茄子夹持机械手日本国立农业研究中心的Murakami等研制了甘蓝夹持机械手，由极坐标机械手、4个手指末端执行器、履带式行走装置和CCD机器视觉系统组成，整个系统采用液压驱动（图1-3）10。 图1-3 日本的甘蓝夹持机械手 图1-4 日本的葡萄夹持机械手日本冈山大学研制出一种用于果园棚架栽培模式的葡萄收获机械手，机械部分是一个具有5个自由度的极坐标机械手，具有4个旋转关节（其中腰部1个、肩部1个、腕部2个）和1个棱柱型的直动关节（图1-4）。这种结构使得机械手在葡萄架下行走时能够有效地工作，旋转关节可以以不同的速度旋转，直动关节可以采用简单的控制方法来 获得较高的速度。为了提高使用率，更换不同的末端执行器，还可以完成喷雾、套袋和剪枝等作业11。日本的近藤直等研制的黄瓜夹持机械手，采用三菱MITSUBISHIRV-E2型六自由度工业机械手，利用CCD 摄像机，根据黄瓜比其叶茎对红外光的反射率高的原理来识别黄瓜、叶茎（图1-5）。黄瓜、果梗的连接与番茄不同，采用剪断方法，先把黄瓜抓住，用接近觉传感器找出柄，然后剪断，夹持速度为16s/个。由于黄瓜是长条形，受到茎叶的影响更大，所以夹持的成功率较低，大约60 %。同样，需要改进该机械手机器手的结构、夹持工作方式和避障规划功能，以提高夹持成功率，提高夹持速度12。图1-5 日本的黄瓜夹持机械手1996年，荷兰农业环境工程研究所(IMAG)研制出一种多功能黄瓜收获机械手（图1-6）。该研究在荷兰的温室里进行，黄瓜为高拉线缠绕方式吊挂生长。该机械手利用近红外视觉系统辨识黄瓜果实，并探测其位置。机械手只收获成熟黄瓜。末端执行器由手爪和切割器构成。机械手有7个自由度，采用三菱(Mitsubishi)RV-E2六自由度机械手。该机械手视觉系统的黄瓜检测效率大于95%，夹持成功率约80%，夹持速度约为54s/个，在实验用温室中作业效果良好。但由于采收时间过长，不能满足商用要求13,14。 图1-6 荷兰的黄瓜夹持机械手 图1-7 英国的蘑菇夹持机械手英国Silsoe研究院研制了蘑菇夹持机械手（图1-7）。它可以自动测量蘑菇的位置、大小，且选择性地夹持和修剪。它的机械手包括2个气动移动关节和1个步进电机驱动的旋转关节；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15。在夹持苹果、柑橘等高大果树的果实时，机械手需要较大的工作空间。采用极坐标机械手就可以有较大的工作空间。韩国庆北大学研制了苹果夹持机械手，该苹果夹持机械手使用极坐标机械手，具有4个自由度，包括3个旋转关节和1个移动关节，旋转关节可以左右移动，丝杠关节可以上下移动，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。1.2.2 国内研究成果及现状国内在农业机械手方面的研究始于20世纪90年代中期，相对于发达国家起步较晚。但不少院校、研究所都在进行夹持机械手和智能农业机械相关的研究。在国内，苹果夹持机械手的研究刚刚起步。东北林业大学的陆怀民研制了林木球果夹持机械手，主要由5个自由度机械手、行走机构、液压驱动系统和单片机控制系统组成（图1-8）。夹持时，机械手停在距离母树35m处，然后单片机控制系统控制机械手大、小臂同时柔性升起达到一定高度，夹持爪张开并摆动，对准要采集的树枝，大小臂同时运动，使夹持爪沿着树枝生长方向趋近1.52m，然后夹持爪的梳齿夹拢果枝，大小臂带动采集爪按原路向后返回，梳下枝上的球果，完成一次夹持。这种机械手的效率是500kg/d，是人工的3050倍。而且夹持时对母树的破坏较小，采净率高16。 图1-8 林木球果夹持机械手原理图浙江大学的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运动学优化与仿真试验，取得了较好的效果。他们研制的番茄夹持机械手从仿生角度出发，根据具体作业要求，分解动作的实现方法，将机械手分成手臂和手腕两部分（图1-9）。番茄收获机械手自由度取决于臂部和腕部自由度两方面。手腕的作用是对机械手末端已定位的物体在进行位置补偿的同时，调整末端执行器在空间的姿态。决定姿态的自由度通常由转动关节来实现。手腕的自由度一般为03个；手臂自由度主要确定机械手在空间的位置和运动范围，为了使机械手能够达到空间任一指定位置，手臂至少应具有3个自由度，由转动关节、移动关节或二者组合来实现，可以根据实际工作要求确定其数目17-19。 1.机械手末杆关节 2末端执行器 3夹持目标图1-9 番茄夹持机械手手腕关节形式1.3 苹果夹持机械手末端执行器研究进展末端执行器是苹果夹持机械手的重要组成部分，与工业机械手的末端执行器相比，由于其作业对象和环境的柔弱性、不规则性和复杂多变性特征，夹持机械手的末端执行器具有明显的特殊性和更高的智能化要求。一般苹果果实的麦皮和果实本身都比较脆弱和柔弱，这对夹持果实的抓取力度控制提出了比较高的要求，同时对于枝叶比较繁茂的苹果来说，还要求末端执行器具有较高的避障能力。 目前，末端执行器执行抓取果实有切断果柄和直接抓下果实2种。对于切断果柄类果实，稍有果实形状不规则易被切刀损伤；而对于果柄短、无法切断果柄类的果实需要直接抓取果实，这难免由末端执行器造成抓取伤痕，即使在末端执行器上安装传感器感知抓取力度也不可避免。另外，2种类型都存在被机械手或其他金属部位碰伤的情况。总之，末端执行器研制的成败直接关系到夹持作业的成功率和夹持效率的高低，以至于末端执行器的设计成为夹持机械手的研究热点和难点。1.3.1 国外末端执行器的研究情况概述从上世纪80年代开始，日本、荷兰、美国等国都曾开发了各种末端执行器，取得的不少研究成果，同时也普遍存在夹持效率和成功率偏低，轻便性差，通用性较差等缺点。1）番茄夹持末端执行器Kondo等人基于番茄的物理特性设计了一种带有软衬垫吸引器的双手指末端执行件（图1-10）。它由两个平行板手指和吸引器组成，当吸引器把果实吸住后，用手指板固定，利用机械手的腕关节把果实在果柄连接处拧下。该末端执行件两个手指板内侧均附有一个10mm的橡胶衬垫，以防止果实的损伤。由真空泵提供吸引器的引力，并安装一个触觉传感器，在吸引器吸附水果时，传感器被打开。其末端装有两个限位开关，探测停止位置。用该末端执行件进行番茄夹持试验，成功率为85%，未夹持的主要原因是番茄在被手指夹住前就与吸引器分离，无法完成对短柄番茄的夹持。2茄子夹持机械手末端执行器日本国立蔬菜茶叶研究所与岐阜大学联合研制了茄子夹持机械手的末端执行器（图1-11）。该机械手的末端执行器结构设计复杂，包括4个手指、2个吸嘴、2个诱导杆、气动剪子和光电传感器。工作中，利用模糊视觉反馈系统引导末端执行器靠近果实，完成夹持作业。在实验室中进行了试验，夹持成功率为62.5%，工作速度为64.1s/个。影响成功率的主要原因是机器视觉系统对夹持位置的判断不正确；同时，视觉系统占用了72%的工作时间，也是影响夹持效率的主要因素。3柑橘夹持机械手末端执行器美国佛罗里达大学研究员研制了柑橘夹持末端执行器（图1-12）。其依靠置于末端执行器的内部的1个CCD摄像机和超声波传感器来探测水果的位置。 图 1-10番茄夹持末端执行器 图 1-11茄子夹持机械手末端执行器 图 1-12 柑橘夹持机械手末端执行器 图 1-13 苹果夹持机械手末端执行器4苹果夹持机械手末端执行器 Johan Baeten和Sven Boedrij等人研制了苹果夹持机械手末端执行器（图 1-13）。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20。1.3.2 国内末端执行器的研究情况概述 与国外相比，国内在苹果夹持机械手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夹持机械手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夹持机械手末端执行器，系统设计质量仅为1.12kg，末端执行器完成夹持动作的时间为3s。因此，开发一种具有夹持效率和成功率高，具有轻便性，通用性强的苹果夹持末端执行器具有重要的意义。1.4 研究的内容和方法1.4.1 研究的内容本设计首先分析苹果的生物学特性，并确定苹果的夹持方案，在此基础上进行机械手的原理性设计。然后设计机械手的传动机构，选择驱动方式作为机械手的动力来源，并对关键部件进行校核。最后利用三维ngineer软件建立三维模型，并进行运动仿真。1.4.2 研究的方法1）根据苹果的生物学特性，并结合工业机械手设计的基本原则，对苹果夹持机械手机械手进行原理性的机构设计。2）针对苹果夹持的特点，对苹果夹持机械手机械臂、末端执行器进行具体的结构设计。3）利用三维建立三维模型，并进行运动仿真，对尺寸结构等参数进行调整设计。第二章 苹果夹持机械手机械手机构设计22.1 苹果的生物学特性苹果的生物学特性因素是苹果夹持机械手机械手机构选型的依据和前提，决定着机械手机械手的结构形式和工作方式。本章通过果实特点、果实生长情况点等生物学特性来分析苹果夹持作业特点，作为机械手机械手机构设计的基本出发点。2.1.1 果实的特点根据统计资料苹果直径一般为65.590.1mm，单果重120.5220.4g，表面硬度0.51.05MPa21。设计夹持机械手时，要充分考虑到机械手的夹持力量大小，以免破坏果实，同时也要满足足够的夹持力。苹果受压时的力-变形曲线图21如下： 1 平顶圆柱压头 2 平板压头 图 2-1 力-变形曲线由上图可以看出，用平顶圆柱压头时，加载的初始区段压力随变形的增加而近似呈线性关系。当压力达时，出现第一个峰值点，称之为生物屈服点。压力小于时的负载不会使苹果产生损伤。当压力达时，苹果的果肉细胞开始出现微观结构的破坏。在显微镜下观察，发现部分细胞发生变形。继续增加压力，压缩进人塑性变形过程，产生永久性的变形和损伤。当压力达到时，出现第二个峰值点，这时苹果果皮破裂，点称为破裂点，破裂点对应于宏观结构的破坏，这时细胞发生滑移、变形和破裂，细胞液发生明显的粘滞流动。当采用平板压头时，力与变形的关系是非线性的，并无生物屈服点出现达到破裂点后苹果便被破坏，且平板压缩时其破坏载荷及所对应的变形值较平顶圆柱压头大得多。由以上实验数据可知，夹持机械手的夹持力量应小于100牛顿，以保证不破坏果实。2.1.2 生长情况的特点苹果的生长情况决定了夹持机械手与一般工业机械手的区别，因此对于苹果的生产情况进行研究是非常有必要的。根据苹果园的果树生产情况归纳出生产情况的具体特点如下：1）与其他苹果（例如番茄，葡萄）相比，苹果树冠相对高大，而果实在树冠中分布相对较广。这就决定了苹果夹持机械手机械手要具有相对较大的工作空间。2）苹果树冠枝叶密度较番茄黄瓜等作物小，且随着苹果栽培模式的改变，苹果果枝密度向着将会越来越小发展。这就对苹果夹持机械手的避障性能的提出了很高的要求。 图2-2果园实景2.2 苹果夹持机械手机械手选型原则由于果实夹持环境的复杂性、不确定性和果实分布的随机性，苹果夹持机械人机械手的机构选型既要遵循工业机械手的基本原则，又要考虑其作物的特殊性。所以苹果夹持机械手的机构选型既要遵循机械手的一般原则，同时还要根据夹持的具体特点选型。由此可分析出苹果夹持机械手的选型原则为：1）遵循工业机械臂的基本选型原则。工业机械臂主要有四种形式,其具体功能特点如下：(1)直角坐标型：该型机械臂前三个关节为移动关节，运动方向垂直，其控制方案与数控机床类似，各关节之间没有藕合，不会产生奇异位形，刚性好、精度高。缺点是占地面积大、工作空间小。(2)圆柱坐标型：该型机械臂前三个关节为两个移动关节和一个转动关节，这种形式的机械手占用空间小，结构简单。(3)极坐标型：具有两个转动关节和一个移动关节。该型机械手的优点是灵活性好，占地面积小，但刚度、精度较差。(4)关节坐标型：前三个关节都是回转关节，特点是动作灵活，工作空间大、占地面积小，缺点是刚度和精度较差。 1直角坐标型 2 圆柱坐标型 3 极坐标型 4 关节型 图2-3 工业机械臂形式对于工业机械手而言，机械臂的机构型式的选择取决于对机械手的活动范围、灵活性、重复定位精度、持重能力和控制的难易的要求。通常以直角坐标型至圆柱坐标型、极坐标型、关节坐标型的顺序来看，同一手臂尺寸的机械手，其活动范围和灵活度由小到大，控制难易的程度由易到难，而位置精度由高到低，负载能力由大到小22。2）针对苹果夹持的具体要求，夹持机械手还要具有良好的夹持能力。包括：(1)最优的工作空间。工作空间越大，夹持范围越广，通用性也就越好。(2)具有良好的避障能力。果实夹持过程中，机械手能避开障碍物。(3)机构设计合理。若机构设计不合理，可能会出现运动干涉或驱动装置无法设置，机构不能运动等问题。(4)苹果夹持机械手与工业机械臂的持重能力相比，苹果作为目标物，其质量相对较小，夹持机械手的持重能力的要求相对降低很多。2.3 苹果夹持机械手机械手自由度的选择机械手自由度取决于机械手应用场合与作业方式，是机械手运动分析和受力分析的原始数据。从理论上看，6个自由度的机械手可以到达三维空间的任意位置，但鉴于夹持环境的复杂多变，要求机械手工作过程中具有特殊的姿态要求，通常需要多于6个自由度的冗余度机械手。冗余度机械手能够克服奇异位形、实现连杆避障、克服关节运动极限和改善动态特性，充分提高机械手的工作能力，在运动和动态性能方面具有无可比拟的优越性17。苹果夹持机械手自由度取决于臂部和腕部自由度两方面。手腕的作用是对机械手末端已定位的物体在进行位置补偿的同时，调整末端执行器在空间的姿态。决定空间姿态的自由度一般由转动关节来实现。手腕的自由度数目拟定为2个，手腕的机构简图如图2-4所示。 图 2-4 手腕的机构简图 图 2-5 3R型杆组手臂自由度主要确定机械手在空间的位置和运动范围，为了使机械手能够达到空间任意指定位置，手臂拟定具有4个自由度，可以采用3R型杆组（图2-5）实现和一个转动关节、一个移动关节三者组合来实现。机械臂的机构简图如图2-6所示。 图 2-6机械臂的机构简图2.4 苹果夹持方案的拟定2.4.1 果实夹持方案的比较目前，机械手夹持果实的方式主要有以下两种：切断果柄（图2-7）和直接夹持果实后拧下果实（图2-8）。从机构设计角度分析：第一种方案是利用吸盘把果实吸牢，再利用剪刀将果柄剪断，这种方法需要检测好果柄的位置，并要精确的调整好末端执行器的姿态，从而增加了系统控制的难度和机构的复杂性；第二种方案是模拟人姗拧果柄的动作，将果实与果柄分离。该方案结构简单，易于实现，同时降低了机构的复杂程度和控制难度23。锯齿状弧形刀片 圆柱销刀杆转动剪 图 2-7 剪切夹持方案2143 1 手腕关节1 2 手腕关节2 3末端执行器 4夹持目标图2-8 姗拧夹持方案从对夹持对象的保护角度分析：第一种夹持方式，稍有果实形状不规则就会导致果实被切刀损伤；而对于果柄短、果柄不易切割类的果实，此方案更是无法完成夹持作业。第二种夹持方案，虽然不会切伤果实，但若是没有精良的控制系统，同样会造成果实的损伤。因此，这种夹持方案需要详细分析果实的生物学特性以确定抓取果实的力量大小，同时还需要在末端执行器上安装触觉传感器以感知抓取力量的大小，避免因抓取力量过大造成的果实抓伤。2.4.2 苹果夹持方案总结以上分析，从实际应用的角度出发，本设计拟选用先由末端执行器夹持果实，再将拧下果实的夹持方案。具体夹持方案叙述如下：苹果夹持机械手通过升降机构将机械手臂抬升到适当高度，通过机械手的大臂仰俯、小臂的摆动调整机械手手腕的空间姿态，再通手腕的转动关节进行微调整机械手的空间位置，然后由末端执行器夹持果实，通过手腕部的转动将果实与果柄拧断分离。苹果夹持机械手机械手的机构简图如图2-9所示。 图2-9 苹果夹持机械手机械手的机构简图本课题主要以苹果夹持机械手的末端执行器的设计为主，同时设计一种与该夹持方案相适应的机械臂结构，设计过程中不考虑夹持机械手的升降机构的设计和转台设计。2.5 夹持机械手机械臂传动方案设计传统的多关节手臂设计都是将电机固定在关节上，以驱动机械臂，这种结构的机械臂在运动过程中惯性很大，过载量也很大，因此必然会造成控制系统设计的复杂程度。本设计拟采用将驱动电机置于机械臂的壳体内部的方案来驱动手臂运动，以提高机械臂在运动过程中的灵活性。2.5.1 机械臂的动力传动方案设计机械臂大、小臂均采用伺服电机驱动，大臂壳体内的伺服电机通过联轴器与齿轮轴连接，由标准直齿圆柱齿轮轴传动调整摆动速度。依据仿生学原理：人类的大小臂长度相等，是完美的机械手手臂长度关系。这里，大臂尺寸仿照人手臂的长度取25cm，因此小臂采取与大臂同样的结构实现传动。驱动伺服电机型号选择为3RK15-AM，输出转矩为，输出转速为。2.5.2 机械臂齿轮轴传动机构设计参考陈秀宁主编的机械设计，设计步骤如下24：考虑到结构和制造要求，机械臂选用直齿圆柱齿轮轴传动，传动无特殊要求，为便于制造，采用硬面齿轮，由表5-5小齿轮轴选用40MnB钢调质，241286HBS大齿轮轴选用45刚正火，169217HBS按齿面接触强度设计一对钢制外啮合齿轮设计公式用式（5-32） 计算小齿轮传递的转矩选择小齿轮齿数，大齿轮齿数转速不高，功率不大，选择齿轮精度为8级载荷平稳，对称布置，轴的刚度较大，取载荷综合系数（表5-6）齿宽系数确定许用接触应力由图5-28查得 由表5-8查得 故由式（5-33）得 所以计算小齿轮分度圆直径计算模数，由表5-1取计算齿轮主要尺寸及圆周速度分度圆直径 ；中心距 齿轮齿宽，取、圆周速度 由表5-4知可用8级精度。校核齿根弯曲强度校核公式（5-34） 复合齿形系数根据、 由图5-30查得；确定许用弯曲应力由图5-31查得；，由表5-8查得，故由式（5-36）得，式中已知 ，校核计算 校核计算安全轴的设计传动机构中的齿轮轴只传递扭矩、不承受弯矩，查表12-2得40MnB的许用扭转剪应力由得故圆整后取查表12-2得45钢的许用扭转剪应力故圆整后取大、小齿轮轴零件图如图2-10和2-11所示 图2-10 大齿轮轴 图2-11 小齿轮轴2.6 本章小结1）分析了苹果的生物学特性。2）结合机械手的机构选型原则和苹果的生物特性，拟定苹果的夹持方案。3）对机械臂的传动机构进行了具体设计校核。第三章 苹果夹持机械手末端执行器的设计方案33.1 末端执行器结构设计方案末端执行器是苹果夹持机械手的重要组成部分，作为机械手与环境相互作用的最后环节和执行部件，对提高夹持机械手作业水平具有非常重要的作用。它安装在机械手的末端，在进行夹持作业时，先由机械臂将末端执行器移动至果实相应的夹持点，再由末端执行器完成夹持果实的任务。3.1.1 末端执行器本体设计根据对苹果的生物学特性的分析，并从减小机械手在夹持过程中对苹果的损伤程度的角度出发，决定设计一种仿人手形爪来夹持苹果。这种仿人手爪的手指拟设计为一种基于连杆机构的手指。每根手指分为三个指段，由手指根部的微型步进电机驱动手指的运动。在该手指的设计中采用了欠驱动自适应原理25，手指的机构原理简图如图3-1所示。单个手指共由3个指节构成，分别为近指节、中指节、远指节。整个手指通过两个四边形串联组成。在手指的各个关节处分别通过机械限位来限制手指各个关节的运动角度。为了避免整个手指在弯曲和伸直过程中运动的无序状态，在中关节和末关节分别装有扭簧26。远关节近关节近指节中关节中指节远指节 图 3-1手指的机构原理简图 在手指的运动过程中，当手指没有接触到物体时，整个手指以单一刚体绕基关节轴运动；当近指节接触到物体时，近指节停止运动，这时驱动力在克服中关节扭簧的作用下，驱动另外两指节运动；当中指节又接触到物体时，中指节也停止转动，这时驱动力需要在克服中关节和远关节两处扭簧作用的情况下，驱动远指节运动，直到远指节也接触到物体，从而达到对物体的完全包络。 a手指向物体靠近 b 远指节接触物体 c 中指节、近指节靠近物体 d中指节接触物体 e 手指全部接触物体图 3-2 欠驱动手指原理图欠驱动手指的三维模型如图3-3所示图3-3欠驱动手指的三维模型欠驱动手指的驱动电机为微型步进电机，电机将输出转矩通过联轴器传递到小齿轮轴，小齿轮轴通过与之配对的大齿轮啮合，将转矩输送到摇杆，摇杆将在一定角度范围内往复摆动，带动与之相连接的连杆机构，从而实现手指的屈伸运动。欠驱动手指的非直接驱动关节可以通过被动柔顺和被抓取物体表露的机械约束实现被动驱动。每根手指的指段表面采用有适当弹性的工业橡胶材料。整个手指除各齿轮轴、弹簧和连杆件外均采用尼龙610，较大程度上减轻了机械手的重量，同时尼龙610具有一定的润滑作用，省去了各齿轮轴与指根、各转轴与指段之间的滑动轴承零件。由3根这种欠驱动手指组成的手爪(图3-4 )对被抓取物体具有形状自适应的能力，同时又具有控制变量少、出力大的优点。三根手指均布在手掌表面以旋转轴为圆心的直径为120mm的圆上，使每根手指受力均匀，并且保证能够抓取径向尺寸足够大的果实。在控制系统的操纵下，机械手的欠驱动手指将苹果夹持住，再由置于手腕关节内部的伺服电机驱动手掌绕轴转动，将苹果与果柄拧断，最终将果实与果树分离。 图 3-4 欠驱动手爪 3.1.2 末端执行器中的欠驱动手指的静力学分析对于欠驱动手指的静力学分析目的在于计算出手指和外部约束点的正压力，。在抓取物体时，每个关节指面按照顺序依次被约束以后，整个手指的构形也被确定下来。按照末端执行器抓握最大直径为80mm的物体设计，建立手指抓取物体时的静力学模型如图3-5所示，手指的结构参数取为：；。 图 3-5指抓取物体时的静力学模型各关节指面的接触力取决于外部的约束和手指的构形，由于手指只能受压不能受拉，因此，参照哈尔滨工业大学机械手研究所的欠驱动自适应机械手的研制27得：其中为手指系统输入转矩向量，由手指驱动力矩形和弹簧扭矩、组成；为手指各关节与力矩相关的连杆的角速度向量，由驱动连杆角速度和第二、第三关节角速度和构成；为作用在手指上的外力构成的向量，由外力、构成；为外力作用点的速度向量，分别由各接触点的法向方向的速度分量构成，由此可得：忽略弹簧所产生的扭矩得：其中取； ；利用上述公式计算得出：；经过计算3个接触点的作用力均大于0，并且在苹果表面允许的压力值范围内，说明手指的抓取是稳定的。3.1.3 欠驱动手指齿轮轴传动机构设计末端执行器的步进驱动电机选取型号为51K40GN-C，电机额定输出静转矩为。参考陈秀宁主编的机械设计基础24，欠驱动手指的齿轮轴传动机构设计步骤如下：选择齿轮轴材料考虑到结构和制造要求，欠驱动手指选用直齿圆柱齿轮轴传动，传动无特殊要求，采用硬面齿轮，由表5-5小齿轮轴选用40MnB钢调质，241286HBS大齿轮轴选用45刚正火，169217HBS按齿面接触强度设计一对钢制外啮合齿轮设计公式用式（5-32） 计算小齿轮传递的转矩选择小齿轮齿数，大齿轮齿数转速不高，功率不大，选择齿轮精度为8级载荷平稳，对称布置，轴的刚度较大，取载荷综合系数（表5-6）齿宽系数确定许用接触应力由图5-28查得 由表5-8查得 故由式（5-33）得 所以计算小齿轮分度圆直径计算模数，由表5-1取计算齿轮主要尺寸及圆周速度分度圆直径 ；中心距 齿轮齿宽，取、圆周速度 由表5-4知可用8级精度。校核齿根弯曲强度校核公式（5-34） 复合齿形系数根据、 由图5-30查得；确定许用弯曲应力由图5-31查得；，由表5-8查得，故由式（5-36）得，式中已知 ，校核计算校核计算安全轴的设计传动机构中的齿轮轴只传递扭矩、不承受弯矩，查表12-2得40MnB的许用扭转剪应力由得故圆整后取查表12-2得45钢的许用扭转剪应力故圆整后取大小齿轮轴零件图如图3-6和图3-7 图3-6 小齿轮轴 图3-7 大齿轮轴3.2 本章小结 1）根据苹果生物学特性，对苹果夹持机器手的末端执行器进行了结构设计。2）对欠驱动手指进行了静力学分析。3）对欠驱动手指的齿轮传动机构进行了设计校核。第四章 苹果夹持机器机械手的三维模型本次毕业设计以PTC公司的三维建模软件三维及其中的运动学仿真功能建立苹果夹持机械手的运动仿真模型。首先在三维中建立苹果夹持机械手的三维模型，并完成整只手的装配，然后设置机械手的安装位置为机构运动的初始位置，添加驱动和约束，进行运动仿真。3.3 苹果夹持机械手的三维建模在整个造型建模过程中，我对建立的三维模型进行过不反复的修改和完善，最终完成所要求的夹持机械手机构的仿真模型。苹果夹持机械手的三维模型如图4-1所示。图 4-1夹持机械手三维模型3.4 苹果夹持机械手的运动仿真运动仿真是机构设计的一个重要内容，在三维的Mechanism模块中，通过对机构添加运动副、驱动器使其运动起来，来实现机构的运动仿真。通过仿真技术可以在进行整体设计和零件设计后，对各种零件进行装配后模拟机构的运动，从而检查机构的运动是否达到设计的要求，可以检查机构运动中各种运动构件之间是否发生干涉，实现机构的设计与运动轨迹校核。同时，可直接分析各运动副与构件在某一时刻的位置、运动量以及各运动副之间的相互运动关系及关键部件的受力情况。在Pro /E环境下进行机构的运动仿真分析，不需要复杂的数学建模、也不需要复杂的计算机语言编程，而是以实体模型为基础，集设计与运动分析于一体，实现产品设计、分析的参数化和全相关,反映机构的真实运动情况。完成苹果夹持机械手的装配后，运用三维的运动仿真模块进行运动学分析。本设计模拟苹果夹持机械手在一次夹持作业过程中的运动状况，在机械手的各指段指腹处各取1个点（图4-2）来进行速度测量，所得结果如图4-3，图4-4，图4-5所示。 图4-2 测量点分布图 图4-3 近指节上点的速度图像图4-3为近指节指腹上一点速度图像。前3s内，近指节没有接触到夹持目标时，整个手指作刚性的转动。3s后近指节接触到要抓持的物体，速度发生突变并减小到零。 图4-4 中指节上点的速度图像图4-4为中指节指腹上一点的速度图像，在前3s内中指节没有接触到夹持目标时，随近指节作刚性的转动。第3s时近指节接触到要夹持目标，在此后3s内，中指节仍没有接触目标物，中指节与远指节在此时间段内整体转动。第6s时中指段接触到目标物速度发生突变，并开始柔顺运动，直至完全包络。 图4-5 远指节上点的速度图像图4-5为远段节指腹上一点的速度图像，在前3s内远指段未接触到目标物，随整个手指刚性的转动。从第3s到第6s近指节已经接触到目标物，但中指节还未接触到目标物，远指节随中指节一起转动。第6s后中指节接触到目标物，远指段逐渐接近目标物，速度逐渐减小，直到实现整个手指的包络动作。3.5 本章小结1）根据设计结果绘制苹果夹持机械手的三维模型。2）通过三维软件模拟苹果夹持机械手的手指运动，验证欠驱动手指机构设计原理。第五章 结论与展望1本设计主要完成的工作：1）通过了解国内外对于苹果夹持机械手的研究现状得知：苹果夹持机械手目前仍处于研究开发试验阶段。其实用化的进程很艰巨，主要原因之一就是末端执行器的设计存在不足。因此，本设计以苹果为夹持对象，结合工业上机械手的设计原则，设计了一种具有欠驱动手指的仿人形机械手爪。2）针对苹果夹持作业的特点，对苹果夹持机械手的夹持机械手的结构方案进行设计，包括关节型机械臂和末端执行器，并对关键零部件进行设计校核。 2研究展望：关于苹果及其他苹果夹持机械手的相关理论和设计，还有很多研究工作需要进一步深入研究。1）成本较高一直是苹果夹持机械手不能商业化的重要因素，如何降低成本并保证夹持机械手具有良好的夹持性能，将是以后苹果夹持机械手商业化必须克服的难题。设想：可以通过改变作物的栽培模式，从而降低机械手对避障能力的要求来降低成本。 2）需进一步提高夹持机械手的末端执行器的夹持效率和成功率，在保证夹持机械手智能化的同时降低成本，提高末端执行器的通用性。参考文献1 姜丽萍, 陈树. 果实夹持机械手的研究综述J. 农业装备技术, 2002, 28(3): 2492522 耿端阳, 张铁中, 罗辉, 等. 我国农业机械发展趋势分析J. 农业机械学报, 2004, 15(4): 2082103 宋健, 张铁中, 徐丽明, 汤修映. 苹果夹持机械手研究进展与展望J. 农业机械学报, 2006, 37(5): 1271364 王丽丽, 郭艳玲, 王迪, 刘幻. 苹果夹持机械手的研究综述J. 2009, 1: 1375 耿端阳, 张铁中, 罗辉, 等. 我国农业机械发展趋势分析J. 农业机械学报, 2004, 15(4): 2082106 Hartell R C, Adsit P D. Robotic pioklnof citrusJ. Robofica, 1990, 8(4): 2692787 Takashi Kataoka, Akiko Murakami, Duke M Bulanon. Estimating apple fruit locations for manipulation by app