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基于 果蔬五 自由度 采摘 机械 系统 设计 CAD

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摘 要：课题主要研究设计了5自由度采摘机械臂，根据采摘机器人目标采摘空间的要求，通过MATLAB优化工具箱对采摘机械臂进行了尺寸优化，并针对目前末端执行器通用性较低的问题设计了一种通过气爪夹持果梗采摘的灵活通用末端执行器。应用SolidWorks2015完成了机械臂和末端执行器各零部件的三维建模和整体装配。通过对课题的研究，进一步优化了采摘机器人的机械结构，提高了果蔬采摘机器人的通用性和采摘成功率，从而真正实现果蔬采摘的自动化和智能化。关键词：采摘机械臂 MATLAB优化工具箱 末端执行器 三维建模IIAbstract:The five degrees of freedom picking robotic arm was designed in this study.According to the requirements of the Target picking space for the picking robot, the size of the picking manipulator is optimized by the MATLAB optimization toolbox.Aiming at the lack of universality,a flexible and universal end effector that holds the fruit stems by pneumatic claws was designed.Using SolidWorks2015 to complete the 3D modeling and assembly of the mechanical arm and end effector. Through the research of the subject, the mechanical structure of the picking robot is optimized, the universality of the fruit and vegetable picking robot and the success rate of picking are improved. So as to realize the automation and intellectualization of fruit and vegetable picking.Keywords:Picking robot arm MATLAB Optimization Toolbox End Effector 3D modelingII目 录1 绪论11.1 果蔬采摘机器人的国内外研究概况11.1.1国外研究概况11.1.2 国内研究概况32 采摘机器人机械结构总体方案设计52.1 总体设计方案52.2 方案分析63 采摘机器人末端执行器的设计73.1果蔬的生物学特性73.1.1 果实的质量73.1.2 果梗的力学特性73.2 末端执行器气动原理说明84 采摘机械臂的设计104.1 机械臂构型方案的选择104.2 机械臂的尺寸综合114.3 机械臂结构设计114.3.1 机械结构设计原则114.3.2 驱动方式及传动机构的选择125 采摘机器人各零件三维建模与整体装配145.1各关节的三维建模145.1.1 两侧端盖实体建模145.1.2 肩关节外壳实体建模155.1.3 输出轴实体建模175.1.4 关节支架和支架固定圈的实体建模175.2 采摘机器人的整体装配20结 论25参考文献26致谢28ii331 绪论随着现代科学技术的进步和高效农业的不断发展，以及大量设施农业的普及，对农业机械的自动化和智能化提出了更高的要求。农业采摘机器人作为影响现代乃至未来的最重要设备之一，将引领农业智能设备的未来发展方向，也将影响农业和农民的未来收益和收入。水果和蔬菜作为经济作物，在农业中占有重要地位。如今，随着人口的老龄化和农业劳动力的不断减少，对果蔬采摘机器人的研究尤为重要。传统的果蔬采摘操作可以说是果蔬生产链中最重要的环节，也是最昂贵，最耗时的部分，约占整个工作量的40，需要大量的劳动力投入，同时，由于果蔬的特性，采摘的质量直接影响到果蔬的储运，因此如何降低成本，提高采摘的质量，然后获得更高品质的水果和蔬菜是实际生产中必须注意的问题。目前，中国的水果和蔬菜采摘业务几乎由专业采摘工人完成。手动拣选操作效率低，成本高且自动化程度低。自21世纪以来，中国面临着日益严重的人口老龄化问题。随着工业的快速发展，农业劳动力已逐渐转移到工业和其他产业。农业劳动力严重短缺，成本逐渐增加。因此，人们迫切需要发展一个。自动化的水果和蔬菜采摘设备，替代人类。果蔬采摘机器人对于促进中国农业科学技术的发展和加快农业现代化进程具有重要意义。1.1 果蔬采摘机器人的国内外研究概况对于果蔬采摘机器人的研究始于20世纪60年代的美国（1986年）19，美国人Schertz和Brown提出了用机器人采摘果实。在上世纪80年代，以欧美、日本为代表的发达国家，其中日本、荷兰、美国、意大利、英国、韩国等国家在采摘机器人的研究上开展大量的工作，主要是以番茄、甜橙、苹果、芦笋、黄瓜、西瓜、葡萄、草莓等为研究对象，成功地研制出了多种采摘机器人样机Error! Reference source not found.。而我国在20世纪90年代中期，才开始这一方面的研究。1.1.1国外研究概况1993年，来自日本冈山大学的近藤等人研制出了一台具有7自由度的番茄采摘机器人。该机器人主要是由移动小车、机械臂本体、末端执行器、控制系统和视觉识别系统组成。如图1.1所示。在实际环境中，番茄的果实长被叶子遮挡，且成熟和未成熟的果实混杂在一起，这就要求机械臂要有良好的机动性来躲避障碍，而且要满足作业空间，因此该机器人机械臂设计有7个自由度，其中一个为冗余自由度。采摘时，4轮行走机构行走指定的距离后，通过彩色摄像机作为视觉传感器感知成熟度，由双目视觉系统进行果实定位，判断西红柿是否符合收获标准，若符合，则控制吸盘把果实吸住，再由机械手指抓住果实，然后通过机械手的腕关节拧下果实。该采摘机器人的采摘速度约为15s/个，成功率约为70%。 图1.1 番茄采摘机器人实物及其结构示意图荷兰农业环境工程研究所研制出的一种多功能黄瓜收获机器人。如图1.2所示，该机器人包括自制车辆、机械手、末端执行器、两个计算机视觉系统。采用三菱RV-E2的6自由度机械手，另外在底座增加了一个线性滑动变成7个自由度的机器人。同时采用近红外视觉系统辨识黄瓜果实，探测它的位置，然后通过机械手末端执行器只收获成熟的黄瓜，而不损伤其他未成熟的黄瓜。试验时无人干扰，机器人自行采摘，成功率80%，平均45s采摘1根黄瓜Error! Reference source not found.，但采摘时间过长，效率低，无法满足商用要求。 图1.2 荷兰多功能黄瓜收获机器人1.1.2 国内研究概况20世纪90年代中期，国内才开始对采摘机械人技术进行研究，相对于其他发达国家起步晚、投资少、发展慢，目前仍处于起步阶段3。但近年来随着技术的不断发展，科技的不断创新，国内的一些高校、学者开始对采摘机械人进行了广泛深入的研究，同类型产品也不断更新换代，已经取得了很不错的阶段性成果。2001年，东北林业大学的陆怀民研制的林木球果采摘机器人4，如图1.3所示。该机器人由6自由度机械臂、行走机构、液压驱动单元和单片机控制系统组成，在实际采摘中，机器人先行进至离母树35米处，控制驱动单元使机械臂对准母树，然后通过控制系统使机械臂的大小臂上升到所需高度，采摘爪张开，对准要采集的树枝，大小臂同时运动，使采摘爪沿着树枝生长方向趋近1.52米，再通过采摘爪的梳齿夹拢果枝，大小臂带动采摘爪按原路返回，梳下枝上的球果，完成一次采摘。其采摘速度大约为人工采摘的3050倍，效率高，对母树本身的损坏也小。 图1.3 林木球果采摘机器人由中国农业大学的李伟等人设计研发的黄瓜采摘机器人，如图1-7所示。运用近红外光谱特征提取技术，实现对黄瓜的准确识别和定位，该机器人设计的机械臂为个4自由度，采用紧凑型的关节，为了防止对黄瓜造成损害，设计了一种柔性末端执行器。整个机械臂固定在一个自主移动机构上实现自由移动，通过机器视觉来识别定位目标物的位置，再通过柔性末端执行器对目标进行无损采摘。经过试验，采摘速度达到28.6s，成功率约85%，具有良好的稳定性和实用性。1.3 主要研究内容和研究方法课题从智能果蔬采摘机器人的机械系统展开研究设计。设计的主要内容包括采摘机器人整体机械结构设计方案的确定；机械臂本体结构设计；通用末端执行器的结构设计和工作原理的介绍；绘制果蔬采摘机器人各部件的三维效果图及整机三维装配图。论文各章节内容具体安排如下：第1章 ：概述介绍了果蔬采摘机器人的应用背景及研究意义。对国内外在相关领域的研究概况进行介绍，对采摘机器人作业环境机器特点进行总结，为课题研究提供明确的研究方向。第2章 ：采摘机器人整体机械结构方案设计。综合比较，确定整体方案。第3章 ：采摘机器人末端执行器的设计。第4章 ：采摘机械臂的设计。第5章 ：零件三维建模及整体装配图。2 采摘机器人机械结构总体方案设计对果蔬进行智能化采摘是一个极为复杂的系统工程，在自然环境下，果蔬通的设计十分重要。课题研究设计的智能采摘机器人，机械结构主要由智能移动平台、采摘机械臂、末端执行器三部分组成,为了使智能采摘机器人更好的应用于生产实际，设计时应遵循以下原则2：(1) 采摘机械臂应具有合理的工作空间和较好的避障能力；(2) 智能移动平台与机械臂之间应遵循“车动臂不动，臂动车不动”原则；(3) 采摘机械臂在控制上应尽量简单，操作使用方便；(4) 由于果蔬采摘的季节性比较强，利用率相对较低，为降低成本，提高利用率，在设计时应尽可能的使其有一定的通用性。2.1 总体设计方案轮式智能果蔬采摘机器人，如图2.2是其示意图，其机械结构包括轮式移动平台、采摘机械臂、气动末端执行器等，选用轮式小车作为移动机构，采摘机械臂为自主设计的灵巧机械臂，末端执行器则选用气动机械手指，通过剪断果梗、夹持果梗的方式完成采摘。整机采用PLC控制，运行稳定，抗干扰能力强。图2.2 轮式智能采摘机器人示意图1-末端执行器；2-采摘机械臂；3-工业摄像机；4-工控机箱；5-果蔬收集箱；6-显示器；7-气泵；8-车体2.2 方案分析经过研究表明，最终确定的采用轮式移动小车作为移动机构，采摘机械臂则为自行设计的5自由度灵巧机械臂，末端部分采用气动手爪。主要工作原理是通过PLC控制轮式小车移动沿一定轨迹运行，由视觉相机采集图像，并对其进行数据处理，确定果实果梗的位置，再通过控制机械臂各关节电机转动将末端执行器送至指定位置，通过气动控制阀改变气流的方向、压力和流量，使气动手爪张开或闭合，从而实现对果梗的夹持和剪切。3 采摘机器人末端执行器的设计3.1果蔬的生物学特性3.1.1 果实的质量末端执行器在采摘时，需要加持果梗，但不同果实的重量不同，所需加持的力度也不同，表3.1是通过实际测量与农业统计部门最新统计相结合的有关农作物自身质量的结果数据9。表3.1 不同果蔬的重量规格最小值/g平均值/g最大值/g番茄50150340柑橘65180400鲜梨80160300黄瓜70150270猕猴桃50100120苹果75140290注1：此表所示均为单个果实重量。从表中可以看出，不同果实不同规格的重量有所不同，但果实的平均重量在100180g之间，大多数果蔬单个果实的重量在此范围内。3.1.2 果梗的力学特性大多数果实的果梗直径在3.34.8mm之间，但不同果实的果梗长度存在较大差异，其抗弯、抗扭、抗拉能力均与果梗直径密切相关，与果实的成熟度关系并不明显，如图3.1所示的是不同果梗的差异。图3.1 不同果实果梗的差异在采摘过程中，末端执行器要对果梗进行剪切，不同果实果梗尺寸和力学特性的差异，其所需的剪切力也不同，表3.2为不同果梗各成熟期的剪切力10。表3.2 不同果实果梗在各成熟期的剪切力农作物番茄柑橘鲜梨黄瓜猕猴桃苹果青果期剪切力/N21.8917.7312.3117.7010.3311.62绿熟期剪切力/N22.4019.6012.7318.3210.7312.03初熟期剪切力/N22.9925.3213.6918.6711.0212.37半熟期剪切力/N23.7132.7713.9020.0711.6612.79从表中可以看出，柑橘、番茄的果梗剪切力比较大，这些作物果梗中一般都含有茎韧心结构，其有很强的韧性，在人工采摘时，一般都要避免从茎韧心处采摘，否则容易使果实或茎杆造成损伤。在番茄成熟时，果梗的离层非常容易折断，在番茄采摘中一般从此处进行操作，其他果实的果梗则无此结构。3.2 末端执行器气动原理说明课题研究设计采用PLC进行控制，在未通电时，两电磁换向阀均工作在右位，两气爪均为常开。气动回路的设计主要是选用合适的控制阀，通过控制和调节各个气缸压缩空气的压力、流量和方向来使气动执行机构获得必要的力、运动速度，改变运动方向，并按规定的程序工作。设计的气动回路图如图3.2所示。图3.2 末端执行器气动原理图1-气源；2-调压过滤器；3、9-单电控两位五通换向阀；4、6、10、12-单向节流阀；5-夹持气爪气缸；6-剪断气爪气缸；7、8、13、14-消音器（1） 夹持当系统确定好果梗位置，机械臂将末端执行器移动到相应位置时，电磁铁1YA得电，电磁换向阀3的阀芯右移，换向阀工作在左位，气缸杆收缩，气爪5闭合，实现果梗的夹持。进气路：气源1气体调压过滤器2换向阀3左位单向节流阀6进气节流气缸5左腔；排气路：气缸5右腔单向节流阀4排气导通消声器8。（2） 剪切果梗夹持动作完成后，电磁铁2YA得电，电磁换向阀9的阀芯右移，换向阀工作在左位，气缸杆收缩，气爪11闭合，实现果梗的剪切。进气路：气源1气体调压过滤器2换向阀9左位单向节流阀12进气导通气缸11左腔；排气路：气缸11右腔单向节流阀10排气消声器14。（3） 释放当果梗与植株分离后，由机械臂将末端执行器移动到果实收集箱相应位置，此时电磁铁1YA和2YA同时失电，换向阀3和9阀芯均左移，两换向阀工作在右位，气缸杆伸出，两气爪同时张开，完成果实释放。进气路：气源1气体调压过滤器2换向阀3、9右位单向节流阀4、10进气气缸5、11右腔；排气路：气缸5、11左腔单向节流阀6、12排气消声器7、13。4 采摘机械臂的设计果蔬采摘机械臂不同于普通工业机械臂，它是农业采摘领域一种专用机械臂。由于在实际作业环境下的不确定性和非结构性，以及作物本身的差异性，其设计技术指标和机械臂的构型都需要根据采摘作业的实际情况和要求来决定。4.1 机械臂构型方案的选择通常机械臂按照坐标形式的不同可分为直角坐标型、圆柱坐标性、球坐标性以及关节坐标型，关节坐标型机器人主要由立柱、前臂和后臂三个转动关节组成，如图4-4所示，PUMA机器人是其代表。这种机械臂模拟了人体上肢运动，参照人的肢体，这三个关节分别被称作腰关节、肩关节和肘关节，三个关节相互配合将末端执行器移动到指定位置，再由腕部控制末端执行器的姿态，可通过腕部动作完成对作物进行分离。该类型机械臂结构紧凑，灵活性好，占地面积小，工作空间大，避障性好，但在坐标计算和控制上比较复杂，定位精度不高，因其转动关节较多，故负载能力较弱，不过对于果蔬采摘来说，并不需要太强的负载能力，定位精度要求也不是太高，所以此类机械臂在采摘机器人中应用比较广泛。关节坐标型机械臂更接近于人的手臂，这种机械臂在三维空间内运动时，运动柔性高，灵活性好，且运动范围大，虽然在控制上相对复杂，定位精度不太高，关节多负重能力低，但是对于果蔬采摘作业来说，关节坐标型机械臂是最合适的，其包括基座、腰部、大臂、小臂、腕部五部分。一般来说，同一手臂尺寸综合的机器人，其活动范围和灵活度从直角坐标型到圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型依次增大，控制难度也相应变大，位置精度和负重能力则越来越低，对于具有采摘要求来说，机械臂要具有良好的采摘能力，必须具备以下几点：（1） 最优的工作空间。空间越大，采摘范围越广，机器人通用性也就更好。（2） 良好的避障能力。果蔬采摘过程中，机械臂要能避开障碍物。（3） 机械系统设计合理。若设计不合理，则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。在满足要求的前提下，应尽量采用特殊结构的机械臂机构，使相邻运动副的轴线相互平行或正交。（4） 机器人应尽可能的成本低廉，操作简单。所以应尽量减少冗余度，机构设计简单。综上所述，课题研究设计选择关节坐标型机械臂构型。 图4-4 关节坐标型机械臂4.2 机械臂的尺寸综合机械臂的尺寸综合主要是确定各个臂的长度尺寸及各关节的最大位移量。主要的方法有优化法、解析法和图谱法。由于课题研究中机械臂为五个自由度，不适合用解析法求解。优化法可将末端的姿态要求作为约束条件，只要求出的转角逆解在关节运动范围内，即可满足约束，在利用优化法分析时，工作位姿的数目不受限制，可避免冗长的消元过程和复杂的综合方程，还可容纳其他设计指标作为目标函数。图谱法则是利用现代计算机仿真技术，将不同类型、不同几何参数的机械手末端姿态描绘出来，再根据机器人相应的作业范围来选择合适的机构参数值13。4.3 机械臂结构设计4.3.1 机械结构设计原则鉴于果蔬采摘作业对象的复杂性和特殊性，机械臂的结构设计不仅要遵循工业机械臂的基本原则，还要考虑到机械臂作业环境和采摘对象的特性，因此机械臂结构设计应遵循以下两方面原则12：（1） 机械臂结构设计的基本原则整体性：从机械设计学的角度出发，首先应考虑能否满足设计要求实现相应的功能，要通过什么机构才能实现，尺寸分配时候合理，外观是否美观，选材是否恰当等。功能性：根据期望实现的目标功能，需先制定几套可行性方案，对各方案的优缺点进行全面比较分析，最终确定一种最优方案并加以完善。可靠性：主要是零件和机构的可靠性。包括零件设计和加工的合理性、可靠性，还有所选机构的原理，驱动单元的性能，装配精度等。实用性：设计时尽量使用简单、经济的方案，既能降低加工成本，又能降低加工工艺难度，方便以后实际应用和商品化。（2） 依据采摘作业所处环境及作物的差异，确定机械臂的设计是否具有良好的避障、抓取能力的原则。满足空间避障的要求。在采摘作业过程中，机械臂需要多开障碍物并能顺利抓取目标物。满足作业所需空间。一般来说，机械臂的工作空间越大，通用性就越好。4.3.2 驱动方式及传动机构的选择目前机器人的驱动方式主要有液压、气动和电动驱动三种方式，根据需要也可采用复合式驱动系统，这三种驱动方式的特点如下：（1） 液压驱动：输出功率很大，控制精度较高，相应速度高，结构适当，但密封问题较大，易漏油，元件成本较高，适合重载荷，低速驱动的机器人。（2） 气动驱动：结构简单，密封问题小，相比液压驱动，同体积条件下功率较小，精度低，速度不易控制，适合中小负载，快速驱动，精度要求较低的有限点位控制机器人（3） 电动驱动：是目前应用最广泛的驱动方式，速度和位置精度很高，伺服特性好，输出功率较大，难以直接驱动，多配合减速装置使用，适用于中小负载，要求精度较高的机器人。驱动方式的选择应根据性能要求、控制功能、应用环境、作业要求以及性价比等其他因素综合考虑。对于农业采摘机器人来说，工作环境多在田间地头，配备液压或气压系统有一定困难，且在采摘时要求定位精度较高，故选用电动驱动方式。由于课题研究的机器人的动力源为蓄电池，因此课题研究除腕部和基座外，均采用直流力矩电机进行驱动。传动机构是用来把驱动器的运动传递到关节和运动部位的。机器人中常用常用的传动机构有齿轮传动、螺旋传动、带传动与链传动、连杆机构与凸轮传动、流体传动等。对于果蔬采摘机器人的关节，需要低转速、大转矩的动力，而直流力矩电机输出的是高转速、低转矩的动力，必须配合减速器使用。综合比较各类减速器的特点，谐波减速器尺寸小、惯量低、质量轻，回差小、单级减速比范围大、传动精度高、运动平稳，噪音小、承载能力大等多种优点，因此，课题研究中除基座外各关节均采用直流力矩电机串接谐波减速器的传动方式。图4-9 谐波减速器结构谐波齿轮传动是一种依靠弹性变形运动来实现传动的新型机构，它是由固定的内齿刚轮、柔轮和使柔轮发生径向变形的波发生器三个基本构件组成，其结构如图4-9所示。谐波齿轮传动的原理就是在柔性齿轮构件中，通过波发生器的作用，产生一个移动变形波，并与刚轮齿相啮合，从而达到传动目的。5 采摘机器人各零件三维建模与整体装配根据课题研究设计的各部分结构，对各个零件进行三维建模，并完成整体装配。选择美国SolidWorks公司开发的三维建模软件，其是基于Windows平台开发的一款三维CAD系统，在技术内核上基于先进的Parasolid图形语言，与其他同类软件相比，SolidWorks操作更加简便，易上手，具有COSMOSXpress有限元分析和动态仿真等功能，支持多种格式的转换，在机械设计领域广泛应用。5.1各关节的三维建模机械臂各关节结构主要是由端盖、轴承、轴套、支架固定圈、电机、关节外壳、谐波减速器、输出轴、关节支架等几部分组成，各关节结构基本相同，其中电机、谐波减速器、轴承、轴套等均为标准件，故现仅对肩关节的两侧端盖、关节外壳、输出轴、支架固定圈和关节支架的建模做介绍。5.1.1 两侧端盖实体建模肩关节两侧端盖的建模步骤基本一致，均通过绘制截面草图，然后旋转成体，最后在相关面上打孔。现以输出端盖为例，介绍建模步骤如下：（1） 新建零件图文件，在前视基准面上绘制如图的草图，建立尺寸链约束。图5.1 端盖草图绘制 图5.2 输出端盖模型（2） 选择【旋转凸台/基体】特征指令，以草图上的中心线为旋转轴，旋转360得到基体。（3） 应用【异型孔向导】特征指令，在端盖的外侧端面上绘制8个均布的尺寸为M5的螺纹孔，孔心距为114mm，完全贯通整个端盖。（4） 应用【倒角】指令，对端盖各边沿进行倒角，角度为45，距离0.5mm。最终得到如图所示的模型。电机端盖的建模方式与输出轴端盖相同，其基本尺寸如图所示。图5.3电机端盖零件图5.1.2 肩关节外壳实体建模（1） 新建零件图文件，在上视基准面上话一条中心线，绘制如图的草图，退出草图后，应用【旋转凸台/基体】指令，沿中心线为旋转轴，旋转360得到一空心圆柱实体。图5.4 关节外壳实体草图（2） 应用【异型孔向导】特征指令特征指令分别在如图5-27所示的两个端面上绘制4个和6个均布螺纹孔，尺寸均为M5，孔心距分别为75mm和114mm，外圈螺纹孔，孔深14mm，螺纹深度10mm，内圈螺纹孔完全贯通。图5.5 绘制螺纹孔（3） 在另一侧端面上绘制6个均布的尺寸为M3.5的螺纹孔，如图所示，孔心距90mm，孔深10mm，螺纹深度7mm。图5.6 端面螺纹孔（4） 以前视基准面为第一参考，新建一个距离前视基准面78mm的参考基准面，在参考基准面上绘制两个直径分别为52mm和90mm的同心圆，圆心位于距右侧端面67.5mm的中心线上，利用【拉伸凸台/基体】指令，拉伸出一个空心圆柱体，方向指向圆柱面，拉伸终止条件为成型到下一面，得到几何体。（5） 在新生成的空心圆柱体端面上，通过【异型孔向导】指令，绘制8个均布的螺纹孔，尺寸为M6，孔心距为76mm，孔深17mm，螺纹深度12mm，最终得到如图所示的几何体。图5.7 肩关节外壳实体模型5.1.3 输出轴实体建模（1） 新建文件，利用【拉伸凸台/基体】指令生成一个外径40mm，内径16mm，高度为29mm的空心圆柱体，再在圆柱体的一侧端面生成内径16mm，外径25mm，高度为10mm的空心圆柱体。（2） 在一侧端面上绘制6个尺寸为M5的螺纹孔，孔心距为32.5mm，完全贯通整个圆柱体，最终得到如图所示的模型。图5.8 输出轴实体模型5.1.4 关节支架和支架固定圈的实体建模关节支架和支架固定圈的建模步骤基本相同，现仅对关节支架的建模步骤做简要介绍。（1） 新建文件，在上视基准面上绘制如图所示的草图，利用【拉伸凸台/基体】拉伸出实体，拉伸深度为90mm。图5.9 关节支架草图绘制（2） 在L型支架的短边面绘制如图所示的草图，应用【拉伸切除】指令，将草图部分切除。图5.10拉伸切除（3） 利用【拉伸切除】指令，在L型支架的长边面上，绘制5个直径为6mm的光孔，孔的定位如图5-33（a）所示。（4） 利用【异型孔向导】指令，在底面绘制8个尺寸为M8的螺纹孔，完全贯通，孔心距70mm，孔的定位如图5-33（b）所示，最终得到关节支架实体模型。关节固定圈的零件图如图所示，建模步骤同关节支架。 （a） （b）图5.11 支架孔定位图5.12 关节固定圈零件图5.2 采摘机器人的整体装配利用SolidWorks进行零部件的装配，主要是通过零部件之间的配合关系来实现的。而在SolidWorks装配体中，零部件可以是单个的零件，也可以是由零件组成的子装配体，在零部件之间未生成配合关系时，其位置处于任意的浮动状态，即可沿3个坐标轴任意移动和转动，此时零部件有6个自由度，而在生成某一配合关系时，零部件的一个或几个自由度受到限制，从而实现零件的装配功能。由于课题设计的采摘机器人各关节零部件较多，直接装配较为繁琐，故在装配时采用先对各关节进行单独装配，生成子装配体，再对各子装配体关节进行总体装配的方法完成装配，课题研究的采摘机器人的整体三维装配图如图所示。现仅以总体装配中的腕部与腕关节装配步骤进行介绍，子装配体的装配步骤和总体装配原理相同，不再赘述。图5.13果蔬采摘机器人整体三维装配图腕部与腕关节子装配体的配合步骤如下：（1） 新建装配体文件，在【装配体】菜单中选择【插入零部件】，在左侧对话框中选择【浏览】，找到腕关节子装配体和腕部末端子装配体文件，在工作空间中任意放置。（2） 选择【装配体】菜单中的【配合】指令，对两子装配体建立配合关系。选择腕部杆法兰盘上的孔内表面和腕关节支架上的孔内表面，在“标准配合”中选择“同轴心”关系，建立连接孔的定位配合，如图所示，将与之相对的孔也建立相同的配合关系。图5.14 腕部腕关节连接孔定位配合（3）再次应用【配合】指令，选择腕部法兰连接面和腕关节支架连接面，在“标准配合”中选择重合关系，建立连接面的接触配合，如图所示。图5.15 腕部与腕关节连接面的接触配合（4） 在SolidWorks2015设计库中的Toolbox标准零件库中选择GB标准件，找到“screws”文件夹下的内六角圆柱头螺钉，如图所示。将其拖到装配截面，在左侧对话框中设定好参数，如图5-38（b）。（a） （b）图5.16 标准件的调用（5） 同步骤（2）和步骤（3）的操作，选择螺钉柱面和腕部法兰盘连接孔的内表面，建立“同轴心”配合关系，再选择螺钉头下表面和腕部法兰盘上表面建立“重合”配合关系。（6） 在左侧设计书中找到调用的标准螺钉，右键菜单中选择“随配合复制”功能如图5-39（a），在弹出的对话框中单击“”进入下一步，因连接腕部法兰与腕关节支架的螺钉配合面均为腕部法兰上表面，故“重合”配合关系是相同的，在此点选“重复”如图5-39（b）所示。同步骤（2），对6个螺钉建立“同心”配合关系，最终得到如图5-39（c）所示的装配体。 （a） （b）（c）图5.17 随配合关系复制螺钉（7） 同步骤（2），在Toolbox标准件库中选择1型六角螺母，尺寸为M5，根据步骤5和步骤6，建立螺母和螺钉的配合关系，最终实现螺钉螺母的装配，如图所示。图5.18 腕部腕关节装配图（8） 在左侧设计树中右键单击，选择菜单中的“零部件属性”，在对话框中的 “求解为”改为“柔性”，如图所示。更改后可解锁各子装配体自身的装配关系，从而能够实现腕部绕腕关节轴心的转动。图5.19 更改零部件属性结 论课题主要是对一种智能果蔬采摘机器人机械结构的研究设计。通过分析不同果实的物理特性，课题改变一般末端执行器的采摘方式，创新性的采用气动手爪夹持果梗、切断果梗的采摘方式，提高了采摘机器人的通用性。在采摘机械臂构型的选择上，课题采用RBBBR型5自由度关节型机械臂，提高了采摘机器人的实用性。论文虽然对果蔬采摘机械器人机械臂及末端执行器的结构设计做了详细的阐述，对果蔬采摘机器人的实用性做了进一步提高，但在研究深度，结构设计的合理性、稳定性和可靠性等方面还需进一步优化和完善。总的来说，智能果蔬采摘机器人的研究对我国农业机械化和自动化的发展有着重要的意义，在不久的将来果蔬采摘机器人也一定会走向市场化。参考文献1 崔玉洁,张祖立,白晓虎. 采摘机器人的研究进展与现状分析J. 农机化研究,2007,(02):4-7.2 顾宝兴. 智能移动式水果采摘机器人系统的研究D.南京农业大学,2012.3 易中懿,胡志超. 农业机器人概况与发展J. 江苏农业科学,2010,(02):390-393.4 陆怀民. 林木球果采集机器人设计与试验J. 农业机械学报,2001,(06):52-54+58.5 张铁中,杨丽,陈兵旗,张宾. 农业机器人技术研究进展J. 中国科学:信息科学,2010,(S1):71-87.6 李伟. 果蔬采摘机器人机构设计及特性分析D.北京林业大学,2014.7 梁喜凤. 番茄收获机械手机构分析与优化设计研究D.浙