苹果采摘器虚拟设计及运动仿真

苹果采摘器虚拟设计及运动仿真摘要：我国苹果种植面积居世界首位。直到现在，我国的苹果采摘主要还是靠人徒手采摘，采摘效率低，成本高，且具有一定危险。随着农业生产的规模化和机械化，苹果采摘器是未来苹果采摘作业必然发展趋势，也是世界各国当前研究的热点，目前已取得一定成果。同时由于世界各国都面临着人口老龄化的问题，而苹果采摘器能够大幅提高苹果采摘效率，解放生产劳动力，因此取得了广泛应用。本课题在研究分析了国内外已有果蔬采摘器的前提下，提出了自己的设计方案，设计了一款结构简单合理，实用性强的苹果采摘器。并运用Pro/ENGINEER软件对末端执行器进行了三维建模和运动仿真。关键词：苹果采摘器,末端执行器,三维建模,运动仿真VirtualDesignAndMovementSimulationofTheApplePickingDeviceAbstract：Inourcountry，thecultivationareaofappleranksfirstintheworld.Andtheapplepickingisdonebymanualuntilnow,butthecharacteristicsofmanualpickingisatalowefficiencyrateandhighcost,andittakesacertainrisk.Withthescaleandmechanizationofagriculturalproduction,theapplepickingdeviceistheinevitabledevelopmenttrendoffutureapplepicking,anditisalsothehotspotsintheworld,andhasmadesomeachievements.Atthesametime,becauseoftheproblemoftheagingofthepopulationexistallovertheworld,theapplepickingdevicecanimprovetheefficiencyoftheapplepickingandtheproductionofthelaborforcegreatly,soithasbeenwidelyused.Thisstudyisbasedontheanalysisofissueofpickingdevicesinfruitandvegetableathomeandabroad,thenputforwardmyowndesignstructureanddesignasimple,reasonableandpracticalApplePickingdevice.The3DmodelingandmotionsimulationoftheendeffectorarecarriedoutbyusingPro/ENGINEERsoftware.Keywords:ApplePickingDevice,Endactuator,3Dmodeling,Motionsimulation目录1绪论.11.1选题的背景.11.1.1本课题的研究意义.11.1.2国内外研究进展.11.1.3采摘器应用前景.21.2本课题的研究内容和方法.32苹果采摘器的设计.52.1苹果的生长特性和生物属性.52.2几种苹果采摘器的方案分析.62.2.1第一种方案的分析.62.2.2第二种方案的分析.72.2.3第三种方案的分析.92.2.4第四种方案的分析.102.3确定本课题的设计方案.122.3.1本课题设计方案的目标.122.3.2本课题的设计方案.133机械手的三维建模和运动仿真.183.1三维建模软件Pro/E的介绍.183.2末端执行器的三维建模.183.3末端执行器的运动仿真.203.4本课题方案设计的特点.224结论.234.1本课题的主要工作及成果.234.2展望.23致谢.24参考文献.25附录.2601绪论1.1选题的背景1.1.1本课题的研究意义目前，国内苹果采摘基本靠人工手动完成，每年的苹果采摘都要耗费人们大量的时间和精力。苹果到了成熟期，几乎每天都需要采摘，时令性强；果园需要雇佣大量工人来保证成熟苹果适时被采摘，雇佣工人花费高。苹果收获期间投入的劳力和人工费用大约占到整个生产过程成本的30%50%，果树高处和低处的苹果不易采摘且借助梯子登高，具有一定危险。近几年，我国大力发展工商业，支持农村向城市化发展，大量农村劳动力流向城市，造成农业劳动力不足。我国也逐渐进入人口老龄化社会。21世纪以来，世界各国不断将高新科技推广和应用到农业生产中，研制了多种果蔬采摘器。苹果采摘器能够降低人工劳动强度、节约采摘费用、提高采摘效率和果品质量、保障苹果适时快速收获。因此，研究开发苹果采摘器具有重要意义，且应用前景广阔。1.1.2国内外研究进展随着果园的面积和规模越来越大，苹果的采摘质量要求越来越高，再加上苹果的成熟到必须采摘时间比较紧张，保证采摘质量成为关键问题；近年来各国面临人口老龄化的同时，工商业项目越来越繁多，特别是第三产业发展迅速，很多农民开始从事其他行业。这些因素都造成了农业生产成本提高，大大降低了农业生产质量，不利于农业的发展。国外农业果蔬采摘器发展迅速。美国在20世纪60年代就开始了果蔬采摘器的研究，1983年美国发明了第1台西红柿采摘器1。美国、日本及欧洲的英法等国的科技发达，为其果蔬采摘器的研究开发提供了优越的科技条件。日本近年来已经研制出了多种果蔬采摘器，Kondo-N等人已经研制出番茄、黄瓜、西瓜、葡萄、柑橘、草莓等蔬菜和水果采摘器2。目前果蔬采摘器方面的技术还不成熟，由于研发制作成本和市场价格等原因，没有能够实现商业化。1图1-1智能西红柿采摘器图1-2采摘末端执行器我国对果蔬采摘器技术方面的研究比较晚，开始于20世纪90年代中期。近年来也取得了许多研究技术成果。2004年，徐丽明和张铁中研究了果蔬果实收获机器人的现状并针对技术上的关键问题提出了相应对策；2009年，赵景山、冯敬之研究了机器人机构自由度分析理论；2011年，吉林农业大学王俊杰、王丽丽完成了采摘机械手的结构设计；2013年，桑阳、刘军强、雷吟春研究了摘果捡果机械手的设计。1.1.3采摘器应用前景我国苹果种植面积和年产量都居世界第一，到目前为止我国的苹果的采摘收获基本靠人工完成。人工采摘苹果时，需要随身携带收集筐，劳动强度高；在人工采摘收获过程中经常需要弯腰或者借助梯子爬到高处，不仅消耗时间，而且具有一定的危险性。工业机械技术、传感器技术和计算机控制技术不断成熟，为农业采摘的机械化和智能化提供了有力的技术条件，农业果蔬采摘的机械化智能化是未来农业发展的必然方向。研究开发适合目前生产实际的苹果采摘器不仅可以在很大程度上减轻劳动强度、提高生产效率,而且具有广阔的市场应用前景3。苹果采摘收获是一个季节时令性强的劳动密集型工作。21世纪，我国也开始面临人口老龄化的问题，而且越来越多的农业劳动力开始进城务工，这导致了农业劳动力资源不足。同时果园的种植规模越来越大，采用苹果采摘器进行苹果的机械化、自动化采摘变得越来越迫切4。2苹果采摘器具有以下特点：作业对象娇嫩、形状复杂且个体状况之间的差异1性大，需要从采摘器的结构、传感器、控制系统等方面加以协调和控制；采摘对2象具有随机分布性，大多被树枝树叶等掩盖，增大了采摘定位难度，使得采摘速度和成功率降低，同时对采摘器的避障提出了更高的要求；苹果采摘器工作环境是3非结构性的，环境条件随着季节天气的变化较大，环境信息是未知的、开放的，要求苹果采摘器在推理和判断方面有相当高的智能；采摘对象是有生命的、脆弱的4生物体，要求在采摘过程中对果实无任何损伤，从而需要苹果采摘器具有柔顺型和灵巧性；高智能导致高成本，农民或农业经营者无法接受，并且苹果采摘器的使5用具有短时间、季节性、利用率不高的缺点，是限制苹果采摘器推广使用的重要因素；苹果采摘器的操作者是农民，不是具有机电知识的工程师，因此要求果蔬采6摘器必须具有高可靠性和操作简单的特点5。1.2本课题的研究内容和方法1.2.1本课题的研究内容苹果采摘器工作过程中的灵活程度和控制取决于其机械结构，所以该采摘器机械结构必须合理且紧凑；由于苹果在空间上随机分布且多被树枝和树叶遮挡，该苹果采摘器还要能够平稳运动并灵活避开障碍物，快速有效采摘苹果；苹果表皮比较脆，容易损伤，所以采摘器的机械手与苹果表皮接触部位必须具有一定柔性。评价苹果采摘器的结构性能参数主要有工作空间、可操作度、位置多样性、和冗余度等3。末端的采摘机械手应该根据苹果的的特性来设计，包括形状、尺寸等；采摘机械手的抓取范围、苹果分离率和损伤率等是其性能指标的重要参数依据。本课题研究的主要研究内容是分析研究国内外已有的果蔬采摘器的设计方案和特点，了解各种果蔬采摘器的设计原理、设计方法和遵循的原则等。同时认真研究各种果蔬采摘器的工作原理和过程，对比它们各自的的优点和缺点。在此基础上，本课题以苹果作为对象，研究设计一款能够帮助果农采摘苹果的装置，并确保该装置能够顺利摘取苹果，而且不会对苹果造成伤害，解放生产力。主要是通过研究分析国内外已有果蔬采摘器，运用Pro/E软件设计出结构合理，制造成本低，使用方便的苹果采摘器，并对自己设计的苹果采摘器进行三维建模和运动仿真。31.2.2本课题的研究方法1.查阅资料（包括教材，专著及论文等），并收集分析。2.了解苹果的生长特性和采摘方式。3.分析国内外已有的苹果采摘器的结构形式、工作过程和其优缺点。4.设计自己的苹果采摘器并利用三维软件Pro/E对其建模和运动仿真。42苹果采摘器的设计2.1苹果的生长特性和生物属性苹果是蔷薇科苹果属植物的果实，该属约25种，苹果是栽培最广泛的果树。苹果是梨果的一种，由子房和子房外围的组织发育而成。苹果树多为异花授粉，有2%4%的花坐果较为理想。虽然成熟苹果的大小、形状、颜色和酸度因品种和环境条件的不同而差异很大，但通常程圆形，直径50100毫米，带红色或黄色；苹果是落叶乔木，有较强的极性，通常生长旺盛，树冠高大，树高可达15米，栽培条件下一般高35米左右；树干灰褐色，老皮有不规则的纵裂或片状剥落，小枝光滑；单叶互生，椭圆，叶缘有锯齿；果实为仁果，颜色及大小因品种而异；喜光，喜微酸性到中性土壤，最适于土层深厚、富含有机质、心土为通气排水良好的沙质土壤；苹果自花结实力差，栽植时必须配置授粉树；由于顶端优势和芽的异质性综合作用的结果，苹果通常具有较强的干性和明显的层性；因品种间的萌芽力和成枝力有差异，其层性的明显程度也不同；苹果是世界性果品，由于其生态适应性较强，果品营养价值高，耐贮性好，供应周期长，世界上相当多的国家都将其列为主要消费果品而大力推荐6。本次设计主要以红富士苹果树为例，简单介绍苹果树的生长特性：（1）生长旺盛，红富士苹果成冠快，枝量大，新梢旺，萌芽率高，成枝力强，剪口下可形成长枝36个，萌芽早，副梢多，副梢自然抽生率较高；(2)早果丰产，红富士苹果腋花芽较多,前期腋花芽可占总花芽的20左右；结果初期长果枝和腋花芽占一定比例,但很快转为以短果枝结果为主,矮砧树尤为明显,五年生M7砧长富6短果枝比例达89%；（3）质优耐藏，红富士苹果个大美观，单个果重一般为200300克，果皮薄，果肉脆7。苹果采摘器结构设计主要包括机械手总体机构设计（包括尺寸）、驱动系统的选5择和材料选择等。果树生长的非结构性和苹果的形状大小、脆弱程度等因素决定了苹果采摘器的机械结构和工作过程，是本课题设计的依据。下面本人将国内外常见的果蔬采摘器的机械结构和工作特点作分析比较。2.2几种苹果采摘器的方案分析2.2.1第一种方案的分析2012年我国西北农林科技大学陈军开发的猕猴桃采摘末端执行器如图2-1所示，该末端执行器由夹持手指、压力传感器、红外位置开关、步进电机等组成。采摘时，末端执行器手指靠近猕猴桃，安装在手指上的红外位置开关检测猕猴桃位置信息；末端执行器手指夹紧猕猴桃，安装在手指中间的一对压力传感器检测夹持力，夹持力大小能够使果实被可靠夹持又不受到损伤；步进电机通过联轴器带动末端执行器整体在竖直平面先逆时针旋转90，再顺时针旋转90，旋拧采摘果实；完成上述动作后，机械臂带着末端执行器移动到收获装置上方，将采摘好的猕猴桃落入到收获装置，结束采摘8。本方案中夹持机构是两个直动手指，步进电机和左右旋丝杠副带动两个手指的开合。在手指夹紧果实后，步进电机带动整个外壳（外壳将手指、步进电机、内壳等连接为一个整体）旋转拧断果柄。本方案具有以下特点：1、两个手指的设定和手指的形状决定了本方案中夹持机构可以抓取球状或柱状多种果实，例如苹果、猕猴桃、柑橘黄瓜、茄子等，有较强通用性。2、手指内侧安装有压力传感器，可以避免手指夹持过程中因为力度过大而对果实造成损伤。如果在手指内侧适当位置再附着一层橡胶材料或者尼龙材料，还可以有效避免果实损伤。3、这种通过步进电机带动整个外壳（采摘器整体）旋转扭断果柄的方式不会造成树枝晃动，也不会造成植株损坏。4、三个步进电机分别控制不同部位，实现不同的功能，效率高。6本方案的缺点主要是：1、手指的开合和整体旋转消耗时间长；2、三个步进电机，压力传感器，红外位置开关，霍尔接近传感器等致使制造成本高，加上内外壳，重量大，体积大，避障不灵活；3、要同时控制三个步进电机有较大难度，对操作人员的专业知识要求高；4红外位置开关受雨天等天气因素影响大。图2-1猕猴桃采摘器末端执行器1.导轨滑块组合2.步进电机3、11、13.霍尔接近传感器4.手指5.压力传感器6.红外位置开关7.左右旋丝杠副8.内壳9.撑杆10.滚珠丝杠副12.外壳14.套筒组合15.步进电机16.步进电机2.2.2第二种方案的分析2010年南京农业大学工学院居洪玲、姬长英等设计了一款多用途三指采摘器，如图2-2所示，其抓取机构如图2-3所示。本方案可以采摘苹果、柑橘、梨等多种球状果实，对直径范围在2090mm内的果实都能有效采摘。其工作原理是：电机反转，通过齿轮齿条啮合机构以及齿条上固连的连接杆带动机械抓向内移动，从而夹紧果实；果实被夹紧后，电磁离合器闭合，电机带动转7盘和手指转动，扭断果柄；果实被摘下后，电磁离合器断开，此时电机正转同样通过出轮齿条啮合机构以及连接杆带动机械爪向外运动，松开摘取的果实9。本方案具有以下特点：1、通用性较强。可以摘取多种球状果实，符合实际生产中果园大多采取几种品种混合种植的情况。2、设计了三个均匀分布的机械爪，抓取牢靠。3、一个电机可以完成三个动作。电机反转：通过齿轮齿条啮合机构和连接杆带动机械爪完成对果实的抓取；电磁离合器闭合后，电机带动整个转盘转动，靠扭断果柄使果实与果树分离。电机正转：松开摘取的果实。本方案的缺点主要是：结构比较复杂，对配合度要求较高。图2-2多用途三指采摘器1.机械爪2.弹性材料3.传感器4.上护盖5.齿条6.止动块7.直线滑轨8.支撑套9.定外环10、15电磁离合器11.联轴器12.座架13.支座14.电机16.转盘17.垫脚18.连接杆19.齿轮20.传动轴8图2-3多用途采摘器抓取机构1.机械爪2.弹性材料硅胶3.连接杆4.止动块5.滑轨6.转盘7.齿条8.齿轮2.2.3第三种方案的分析美国佛罗里达大学农业工程师R.C.Harrell和希腊工程师T.A.Pool设计研发了一款柑橘采摘器，如图2-4所示。该柑橘采摘器对果实的识别和定位则是由内部的彩色摄像机和超声波距离传感器完成，白炽灯提供光源，以便彩色摄像机更好识别果实。以刀片切断果柄的方式分离果实与树枝，由旋转切刀和带动刀片旋转的前后链轮、驱动链完成。切断果柄后，果实落入收集装置。本方案的特点是：1、与电机带动整个末端执行器旋转扭断果柄的方式相比，切断果柄的方式更容易分离果实与树枝，不会对植株本体造成严重伤害。2、切断果柄的过程不用考虑旋拧时的避障问题。本方案的缺点主要是：1、链传动不平稳；2、彩色摄像机和超声波传感器造成制作成本高；3、果实靠重力落入收集装置对果实的伤害较大，外露的刀片同样容易对果实造成伤害。9图2-4柑橘采摘器1.后链轮2.驱动链3.超声波距离传感器4.前链轮5.旋转切刀6.白炽灯7.彩色摄像机2.2.4第四种方案的分析2009年江苏大学的杨文亮、马履中研究设计了一款苹果采摘器，其主体结构主要由夹持机构、切割装置和传感器控制系统等几部分组成，如图2-5所示。夹持机构如图2-6所示，气缸的活塞杆通过销轴与两手指后端滑槽的高副连接，最终把导杆的直线运动转化成两手指的绕转轴的摆动，从而组成滑槽导杆机构，实现对苹果的夹持；同时，手指圆弧内侧覆有海绵橡胶层，以保证抓取的过程中抓取力分布均匀，且不损伤果实；橡胶层还可以增大苹果与手指的摩擦力，使夹持更牢靠10。切割装置如图2-7所示。切割装置采用直流电机作为动力源，利用软管钢丝传动，驱动楔形双面刀片绕手指外廓做近1周的旋转，以切割位于手指周向上任意位置的苹果柄。本方案具有以下特点:1、夹持机构结构简单、紧凑、轻便。2、刀片绕手指1周的切割任意位置果柄的方式，节省了检测和定位果柄的装置，降低了控制的复杂性。3、调整手指开合度和压力传感器的最初设定值，可以满足对不同水果的采摘，通用性较强。10本方案的缺点主要表现在：钢丝传动不稳定，对于比较硬和具有一定韧性的果柄，切割较困难，造成采摘成功率不理想。图2-5苹果采摘器主体结构示意图1.直流电机2.蜗轮蜗杆机构3.钢丝软管传动4.刀架与刀片5.刀架转轮6.碰触传感器7.光电开关8.手指9.限位开关10.压力传感器11.视觉传感器12.薄型双作用气缸13.固定件14.机械臂连接件11图2-6夹持结构示意图1.薄型气缸2.支架3.活塞杆4.导杆5.销轴6.转轴7.手指8.海绵材料9.橡胶材料10.滑槽图2-7切割装置示意图1.直流电机2.微型蜗轮蜗杆减速器3.钢丝绕盘4.钢丝5.下软管架6.弹性软管7.上软管架8.刀架9.刀架转轮10.楔形双面刀片2.3确定本课题的设计方案2.3.1本课题设计方案的目标比较分析以上四种方案可知，目前为止，主流的实现果实与树枝的分离方式有：1）模拟人手的动作，在机械手指抓牢果实后带动果实一起旋转扭断果柄；2）机械手指抓牢果实后，利用旋转刀片切断果柄。无论哪种方案，实现的前提条件都是抓牢果实。但是考虑到本课题的采摘对象12是苹果，果园中苹果的品种和成熟程度不同，则苹果果皮的脆弱程度和果肉的软硬程度存在差异。要抓牢苹果，则必须考虑抓取时的力度，既要能够抓牢苹果，又要保证不损伤苹果。要控制抓取时的力度，这就必须安装压力传感器和控制系统，从而造成成本增加，且控制系统的设计有一定难度和复杂性。利用旋转刀片切割果柄的方案中，刀片要以特定姿势接近果柄，这要求移动机构具有一定复杂的机械结构和灵活性，且需要加入定位传感器，增加了设计制作的成本和控制的复杂性。针对以上各方案优缺点，本方案提出以下设计目标：采摘过程中不需要抓牢苹果，不需要检测和定位果柄位置，不限制机械手采摘姿势，符合结构合理、简单易操作的的设计要求，同时具有通用性，并保证采摘效率和采摘成功率。2.3.2本课题的设计方案综上所述，现提出本课题的设计方案，其主体机构简图如图2-8所示。图2-8苹果采摘器机构简图1.电机2.联轴器3.气缸4.活塞5.连杆6.手指7.弧形刀片及海绵8.支架9.销轴电机通过连接件固定连接在机械臂上，联轴器与气缸固定连接，同时联轴器将13气缸与电机轴固定连接在一起，气缸前端固定有支架，气缸通过活塞和连杆控制四个手指的开合。每个手指内侧都焊接了和手指贴合且长度相同的弧形刀片，刀片内侧都附着海绵材料，防止刀片与果实直接接触，对果实造成伤害。本方案采摘过程是：活塞向前移动，手指处于张开状态，机械臂带动采摘器末端运动并靠近果实，当果实处于手指包裹范围时，活塞杆向后运动，通过连杆使手指闭合，将果实包围，然后启动电机，电机通过联轴器带动其余部件旋转，弧形刀片切断处于任意位置的果柄，实现对苹果的采摘。下面本人将详细介绍本课题的设计方案。1）四指机构的设计本方案设计的苹果采摘器抓取机构有四个手指，四指开合机构如图2-9所示。手指越多，抓取越牢靠稳定。但是本方案中的四个手指并不是用来抓紧苹果，而是将苹果包围。在设计四个手指的尺寸时，结合实际苹果直径范围，确保四个手指闭合后，形成的球状空间稍大于苹果体积，使手指和苹果可以形成相对旋转运动，从而使弧形刀片切割打断果柄。同时保证在切断果柄后，又不会让苹果从闭合的手指缝隙掉落。图2-9四指开合机构141.铰接轴2.活塞杆3.弧形刀片4.海绵层5.螺钉6.顶拉板7.手指8.连杆9.机架板顶拉板周边均匀铰接着四个弧形手指，四个手指分别铰接一个连杆，四个连杆又与机架板铰接，机架板通过螺钉与气缸前端固定连接。活塞杆通过螺钉与顶拉板固定连接在一起。当活塞杆向前运动时，四个手指张开；活塞杆向后运动时，四个手指闭合。2）旋转切割果柄本方案设计的苹果采摘器主体机构如图2-10所示。四个手指闭合时是将苹果包围而不是抓紧，这样就不用考虑抓取苹果时对苹果抓取力的控制和设定，节省了力传感器的设定和控制系统。当四个手指闭合将包围苹果时，果柄方位是随机的，所以每个手指内侧都焊接了与手指弧度拟合且长度相同的刀片，刀片内侧附着海绵层，防止苹果与刀片接触，对苹果造成伤害。此时，启动电机，电机带动手指旋转，与苹果形成相对旋转，弧形刀片可以切断任意方位的果柄。对于个体过大的苹果，四指则能抓紧苹果，旋转拧断果柄。图2-10苹果采摘器主体机构1.手指及弧形刀片2.四指开合机构3.双作用气缸4.联轴器5.机械臂连接件6.步进电机153）伸缩机械臂本方案设计的伸缩机械臂的主要作用是带动苹果采摘器末端执行器靠近目标果实，并在完成采摘后，使末端执行器回到苹果收集装置位置。伸缩动作的实现如图2-11所示。主要是利用了丝杠螺母机构将交流伺服电机的转动输出转化为螺母件的移动输出，从而带动伸缩杆实现直线伸缩的功能。此部件包括交流伺服电机、架体、两根导杆、丝杠、螺母件、支撑架、伸缩杆和带支架的直线轴承。其中，交流伺服电机固定在架体上，并驱动丝杠动作；丝杠的两端分别通过相对布置的圆锥滚子轴承固定在架体和支撑架内，螺母件套接在丝杠上构成了丝杠螺母机构；导杆分别套接在螺母件的两端；伸缩杆固定在螺母件上；支撑架上安装了带支架的直线轴承，伸缩杆套接在直线轴承内，其对伸缩杆的伸缩动作起到定向支撑和减少摩擦的作用；丝杠的自转使得螺母件在导杆的定向作用下进行前后移动，伸缩杆和螺母件一同动作，从而实现了伸缩功能11。图2-11伸缩动作实现图1.伸缩臂关节法兰件2.交流伺服电机3.架体4.导杆5.丝杠6.螺母件7.伸缩杆8.支撑架9.带支架的直线轴承4）苹果采摘器总体机构综合本方案各机构设计，现提出本方案设计的苹果采摘器总体机构，如图2-1216所示。选用履带式小车作为移动装置，小车以柴油机为动力源，并安装有发电机，发电机为各个位置的电机供电，电机均采用交流伺服电机（末端执行器采用步进电机）；升降台固定安装小车上；腰部可以旋转，增大机械手活动范围；伸缩臂的伸缩杆末端有螺纹，可以与法兰盘固定连接，法兰盘再与末端执行器通过螺栓螺母固定连接。伸缩臂下方链接收集装置；完成采摘的苹果由收集装置和柔性管落入苹果收集筐。图2-12苹果采摘器总体机构1.履带小车2.收集筐3.柔性软管4.末端执行器5.收集装置6.伸缩臂7.小臂电机8.大臂9.大臂电机10.腰部电机11.腰部12.升降台13.电源及动力控制设备14.地面173机械手的三维建模和运动仿真要对本方案设计的整个苹果采摘器进行三维建模和运动仿真太过复杂，工作量过大，本人将只对苹果采摘器中的主要机构末端执行器进行三卫建模和运动仿真。3.1三维建模软件Pro/E的介绍Pro/ENGINEER是美国PTC公司的标志性软件，该软件能将设计至生产的过程集成在一起，让所有的用户同时进行同一产品的设计制造工作12。自问世以来，由于其强大的工能，现已逐渐成为当今世界最为流行的CAD/CAM/CAE软件之一，被广泛用于电子、通信、机械、模具、汽车、自行车、航天、家电、玩具等各制造行业的产品设计中13。Pro/ENGINEER野火5.0是该软件最新的中文版本，它针对设计中的多种功能进行了大量的补充和更新，使用户可以更加方便地进行三维设计。Pro/ENGINEER野火5.0中文版主要功能有:1.特征设计工能。例如扫描特征、螺纹特征、倒角/圆角特征、抽壳特征、孔特征等。2.工程图设计功能。包括三视图(主视图，左视图，俯视图)、剖视图和特殊视图（旋转视图，辅助视图，详细视图）。3.装配设计功能。零件装配约束、调整组件、修改复制元件、修改装配关系等。4.模具设计功能。本设计主要是对苹果采摘器的末端执行器（即采摘机械手）进行三维建模和运动仿真。183.2末端执行器的三维建模首先本人在Pro/E野火5.0中文版的零件模块和组件模块中创建末端执行器各机构零件成品，包括步进电机、机械臂连接件、联轴器、双作用气缸、机架板、连杆、手指（包括弧形刀片和海绵层）、铰接轴、顶拉板、活塞杆、螺钉1和2，并标注对应名称。然后在模具设计模块中，对于不同的连接方式，通过设置对齐、匹配等约束条件，放入相对应的零件成品，完成末端执行器的装配体。如图3-1所示。将三维装配图转换成工程图，如图3-2所示。本方案设计的末端执行器工作原理：末端执行器通过法兰盘固定连接在伸缩臂上，履带小车、动力系统和控制系统等机构帮助末端执行器接近目标苹果，同时活塞杆向前运动，使四指张开；当目标苹果进入手指包裹范围时，活塞杆向后运动，使四指闭合，包围目标苹果。此时，启动步进电机，步进电机带动其余部件旋转，切断果柄。完成对目标苹果的采摘后，伸缩臂的伸缩杆回缩，带动末端执行器和目标苹果到达收集装置上方，活塞杆向前运动，四指张开，苹果落入收集装置，最后经过柔性管进入收集筐。图3-1苹果采摘末端执行器三维装配图19图3-2苹果采摘末端执行器工程图3.3末端执行器的运动仿真根据末端执行器工作原理可知，本设计的末端执行器采摘过程的运动仿真过程可以分为三个步骤：1）为了使运动仿真简单化，末端执行器运动设计成为直线运动，且此直线径直对准苹果的三维模型球的中心。在仿真软件中可以看到末端执行器四肢张开，并靠近“苹果”，“苹果”进入四指包裹范围。如仿真图3-3所示。20图3-3苹果进入四指包裹范围2)活塞杆向后运动，四指闭合，包围“苹果”，果柄位于其中两个手指之间，启动步进电机带动其余末端执行器部件旋转，弧形刀片切断果柄，脱离树枝的“苹果”并不会从指缝中掉落。如仿真图3-4所示。3）关闭步进电机，四指继续闭合，末端执行器在伸缩臂带动下退回到收集装置上方，活塞杆向前运动，四指张开,“苹果”落入收集装置。如仿真图3-5所示。图3-4四指旋转切割果柄21图3-5末端执行器退回并放开果实3.4本课题方案设计的特点结合本课题方案设计的设计要求，设计目标，设计原理和仿真过程，本方案设计的苹果采摘器具有以下特点：1、四指机构采摘苹果时，是包围苹果，而非抓牢苹果，这节省了力的传感器装置和控制装置，降低了苹果采摘器整体制造成本和控制的复杂性。2、四指合并形成的空间稍大于苹果体积，手指不会苹果产生过大压力，保障了苹果的完整，不损伤苹果，这也决定了这款采摘器可以采摘其他较脆弱的果实，具有较高的通用性。3、弧形刀片旋转可以切断处于两指之间任意位置的果柄，也不需检测果柄位置的装置，保证了采摘效率和成功率。本方案也有不足的地方，例如很难实现对黄瓜、长条形茄子、葡萄等的采摘，有待改进。224结论4.1本课题的主要工作及成果本课题主要完成了以下工作：1、研究分析了国内外已有的果蔬采摘器设计方案和特点。2、取长补短，设计了一款结构简单合理、实用性强的苹果采摘器。3、运用Pro/ENGNEER野火5.0中文版着重对本设计的末端执行器（即机械手）进行了三维建模和运动仿真，验证了本设计方案的正确性和合理性。4、在设计的不同阶段完成了开题报告、中期检查等工作4.2展望工业机械手是国际上机器人学研究的热点之一，构造出具有良好性能的工业机器人的众多构型，以便根据应用要求选择不同性能的机构，是机器人机构中的一项重要任务，当前众多研究人员的研究方向都集中于构建新型的机械手机构。传统的方法是通过试验样机制造实物来验证，而近年计算机技术的广泛应用提供了新的方法，那就是虚拟样机技术，这包括了三维CAD建模技术和机械系统运动学等相关技术14。未来中国农业在参与市场竞争、融入自由贸易的必由之路上，农业产业化是必须的客观历史进程，而产业化的根本特征即是规模、速度、效率和效益，没有现代的机械化工具和技术是不可想象的。因此，随着新世纪中国农业的飞跃，随着农业产业化的推进，中国农业真正意义上的机械化时代正向我们走来。正如农业产业进程有其自身的规律一样，新的一轮农业机械化浪潮的到来，完全区别于建国后数次人为的冒进，而是生产力自身发展的必然