毕业设计（论文）-水果采摘装置的设计

摘要随着我国农业生产向规模化、多样化和精准化方向发展，农业人力资源的快速增长和人力短缺问题日益突出，使得农业机器人成为了人们关注的焦点。随着科学技术的持续发展，机械自动化的发展速度也在加快，现在机器人已经广泛地运用到了我们的生活中，为的生活提供了更好的服务和更好的保障。本文旨在探讨针对高纺锤体水果的采摘装置设计REF_Ref21637\r\h[3]。高纺锤体水果指的是具有纺锤形状的水果，例如香蕉、柿子、梨等。鉴于农业生产中人力资源的快速增长和短缺问题，以及农业机器人技术的不断发展。本文以一种水果采摘装置的研究与设计为题，在收集整理相关文献资料的基础上，详细介绍了水果采摘装置的总体设计，包括考虑水果生长与果园环境的因素，以及装置的整体参数设定。特别关注了机器人的主体机构形态，确保其适应性和功能性。在机械结构设计与优化部分，深入探讨了各个组成部分的详细设计，如履带、底座、腰部结构，以及升降、传动和末端执行机构的设计REF_Ref21725\r\h[4]。每一部分的设计都旨在提高机器人的操作灵活性和采摘效率，同时考虑结构的稳定性与耐久性。同时，对水果采摘装置的动力学模型和有限元分析，有助于验证设计的有效性和安全性。通过D-H建模和运动学分析，研究确保了机器人的运动轨迹和操作精度满足采摘要求。关键词：水果采摘装置；结构设计；有限元分析

ABSTRACTWiththedevelopmentofChina'sagriculturalproductiontoscale,diversificationandprecision,therapidgrowthofagriculturalhumanresourcesandtheshortageofhumanresourcesarebecomingincreasinglyprominent,whichmakesagriculturalrobotsbecomethefocusofattention.Withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,thedevelopmentspeedofmechanicalautomationisalsoaccelerating,andnowrobotshavebeenwidelyusedinourlives,providingbetterservicesandbetterguaranteesforourlives.Thepurposeofthisthesisistodiscussthedesignofpickingdeviceforhighspindlefruit.High-spindlefruitsrefertofruitsthathaveaspindleshape,suchasbananas,persimmons,pears,etc.Inviewoftherapidgrowthandshortageofhumanresourcesinagriculturalproduction,aswellasthecontinuousdevelopmentofagriculturalrobottechnology.Basedontheresearchanddesignofafruitpickingdevice,thisthesisintroducestheoveralldesignofthefruitpickingdeviceindetail,includingconsideringthefactorsoffruitgrowthandorchardenvironment,aswellastheoverallparametersettingofthedevice.Specialattentionispaidtothemainbodyshapeoftherobottoensureitsadaptabilityandfunctionality.Inthesectionofmechanicalstructuredesignandoptimization,thedetaileddesignofvariouscomponents,suchastrack,base,waiststructure,aswellasthedesignoflifting,transmissionandendactuator,isdiscussedindepth.Eachsectionisdesignedtoimprovetherobot'soperationalflexibilityandpickingefficiency,whileconsideringthestabilityanddurabilityofthestructure.Atthesametime,thedynamicmodelandfiniteelementanalysisofthefruitpickingdevicearehelpfultoverifytheeffectivenessandsafetyofthedesign.ThroughD-Hmodelingandkinematicanalysis,theresearchensuresthattherobot'smotiontrajectoryandoperationaccuracymeettherequirementsofpicking.Keywords:Fruitpickingdevice;Structuredesign;Finiteelementanalysis

目录TOC\o"1-3"\h\u209581绪论 1187751.1研究背景及意义 1132161.2国内外研究现状 1304932水果采摘装置的机械结构的总体设计 321212.1水果生长环境与果园环境 3229822.2水果采摘装置整体参数拟定 3200952.2.1水果采摘装置的特点和要求 331282.2.2水果采摘装置整体参数拟定 4146112.3主体机构的形态 449533水果采摘装置的机械结构的设计与优化 7269273.1履带的设计 7256383.2底座和腰部结构设计 7160103.2.1腰部电机选型 7193223.2.2底座结构设计 857663.3支柱升降机构设计 9197723.4大臂的设计及有关计算 10228433.4.1大臂的设计分析 10322023.4.2小臂的设计分析 11275613.5腕部传动设计 13122443.6末端执行器设计 1363163.7.1末端执行器夹持机构设计 13250993.7.2末端执行器剪切机构设计 14200744水果采摘装置运动学及有限元分析 18295174.1引言 18154384.2水果采摘装置D-H建模 1764604.3水果采摘装置运动学分析 17322124.3.1机器人正向运动学分析 18133964.3.2机器人逆向运动学分析 2183654.4水果采摘装置关键部件有限元分析 22138295结语 262307参考文献 2712386致谢 29绪论1.1研究背景及意义水果作为人们日常饮食中不可或缺的一部分，水果因其丰富的营养价值和相对亲民的价格，成为广受欢迎的水果种类。随着民众生活质量逐步提升，对养生日益重视，对果品品质的要求也随之提高，果品需求量稳步上升，使得果品种植展现出巨大的发展潜力。在我国，果品的种植、采摘及贮藏等环节在果品生产过程中占据核心地位。我国水果产量位居世界前列，至2021年，种植面积已扩大至3132.12万亩，总产量高达3958.29万吨。随着工业化和城市化的迅猛发展，农村剩余劳动力逐渐向工业及服务行业转移，造成农业劳动力的流失。在水果生产环节中，采摘工作尤为劳动密集，占据了50%-70%的人力资源(如图1-1)。采摘过程要求农民不断变换位置，进行攀爬、弯腰等体力劳动，劳动强度巨大。同时，采摘的方式和力度直接关系到水果的质量以及其后的加工、储藏和运输，进而影响产品的市场价值和经济收益。面对这一挑战，减少采摘工作的体力需求、提升采摘效率成为水果产业亟需解决的问题。针对此问题，本研究设计了一款水果采摘装置器臂，目的是通过自动化采摘和分拣工作，以提高采摘效率，减轻农民的体力负担。进一步研究和发展高效的水果机械化采摘技术，不但可以推进中国的水果产品走向智能化和科技化，而且还可以进一步推进该领域的实际应用与工业化。图1-1人工采摘1.2国内外研究现状随着电脑技术的迅速发展，一些发达国家如德国、日本在水果采收方面都有重大的进展，他们成功研发出了一批利用人工智能技术的高效水果采摘装置。尽管我国在这一研究方向上还处于起步阶段，但是通过国内学者的持续研究和探索，已经诞生了一些具备特色的水果采摘装置器人模型REF_Ref22189\r\h[2]。这些机器人各具特色，其快发展得益于众多学者的持续创新与改进。工业机器人的蓬勃发展促使发达国家在确立工业机器人产业标准后，开始关注农业机器人的潜在价值，纷纷投入研发。近年来，美国和日本在农业机器人技术，尤其是在水果采摘装置领域，实现了显著的技术进步。早在1968年，美国的斯科茨和布朗两位学者就提出了采用自动控制技术进行农作物采摘的概念REF_Ref23913\r\h[9]。从1980年代开始，欧美等地区开始重视农业机器人的研发工作。目前，国内外还没有成熟的收割机械臂，但是各大发达国家都利用自己在工业机器人方面积累的丰富经验，自主开发出了具有自主知识产权的智能采摘装置械REF_Ref21905\r\h[1]。数十年过去了，如今，各种不同类型的采摘装置械人已有了很大的发展，特别是在水果、橙子、黄瓜和柑橘等果蔬采摘上取得了突出成就。21世纪初期，由日本松下公司研制出一种装有高效能相机的番茄采收机器人，可用于影像撷取，并藉由影像技术精确、迅速地找到番茄。为使水果受到的伤害降到最低，这个机器人使用一个精心设计的终端采集设备，它只需要轻微地拉动番茄的茎就可以进行采收REF_Ref22404\r\h[14]。美国一家具有创意的科技公司于2016年研发出一种利用吸力型摘果设备来摘取水果的机器人，该机器人装备有一套可辨识熟水果精确定位的视觉系统，并可将其抽离到吸力型摘果机构中。这种方式虽然提升了采摘效率，但由于依赖于强大的负压系统，造成了机器人体积庞大，这在一定程度上限制了它的应用范围。与发达国家相比，中国对农机采摘的研究工作开展得比较迟。然而，近年来，由于国内对农机作业的关注越来越多，相关研究也逐渐起步。从20世纪90年代中期开始，中国便开始进入摘果机器人的研究领域。尽管开始较晚，但目前已经有许多高等学院和科研机构投身于智能化农机的研究中。江苏大学的杨文亮于2009年完成了机器人手臂的结构研究，并结合水果几何参数设计了多种末端执行器，通过实验验证得到最优结构REF_Ref22541\r\h[11]。南京农业大学的顾宝兴则在2012年以矮密密植果园为基础，研究成果可为果树采摘作业提供新思路和新方法，具有较强的理论意义和应用价值。

2水果采摘装置的机械结构的总体设计2.1水果生长环境与果园环境密植果园果树的生理特性具体表现为：在生长旺盛的中心主干上，分布着30至60根水平枝，这些枝条的长度介于3至5厘米之间，最长可达1米。通常，植株的高度维持在40至60厘米，冠径不超过1.5米，而整树的高度则在2.5至3米之间。水平枝数量众多且纤细，但长度适中。目前，水果树的株型主要分为四种：主干型、开放心型、高纺锤型和细长株型。常规的矮化密植栽培模式已经不能适应当前的密植要求，所以，目前机械化栽培模式多以高纺锤体（见图2-3）或纺锤体为主，该布局方式更利于栽培。表2-1列举了各种水果品种的主要指标。表2-1不同树形的结构参数树形主干形开心形高纺锤形细长纺锤形树干总高度2.5~3m2~2.5m3~3.5m2~3m冠幅1~1.5m2.5~3m0.8~1.2m1.5~2m主枝数量30~6040~5020~3030~50有无支架无无有有产量高高很高高行株距4×2m5×6m4×2m(2.5~4)×2m形状圆锥形开心形圆柱形纺锤形2.2水果采摘装置整体参数拟定2.2.1水果采摘装置的特点和要求在分析了水果树的生理特点及栽培条件后，提出了在进行收割机械臂的功能设计时应符合如下几个方面的要求：（1）所选择的水果是一种高密度的树干，树冠直径为1.5米，水果在树冠上的每一个角落都有，因此，所选择的采摘手臂的工作空间应是垂直方向的半圆锥形状和垂直方向的半圆形状，同时也要确保采摘时机器人的动作是柔性和精确的。（2）水果不同于其它的果实，它没有果壳，所以它的外表很容易受到伤害，而且伤害的地方很容易被氧化，随着时间的推移，它会变成一个腐败的地方，这样，它就失去了原来的营养和经济价值。所以，采收设备应尽可能地避免与水果的接触。（3）采集机器人的自由度个数对采集精度和躲避障碍的性能有一定的影响，同时机械结构的复杂性也随之增大，采集时间也随之增大。因此，在保证采收工作质量的同时，应尽量减少采摘装置构自由度的数量，以获得最优的采摘效果。（4）在大规模的果园中使用的水果采摘装置必须具备基本的协助能力。为了减少不必要的采摘，减少不必要的采摘，必须将果实的搬运和采摘过程整合到整个采摘系统中，从而提升采摘的效率。所以，在进行水果采摘装置的设计时，必须将水果的生物学特性、果树的形态和机械结构等因素进行全面地分析REF_Ref23848\r\h[8]，最后才能确定一个适当的总体方案。2.2.2水果采摘装置整体参数拟定根据水果采摘装置的行进距离，定义了水果采摘装置的行进距离，在此，列株距n=1.5m，行株距m=3m，树高2.5到3m，大多数的水果都是长在离地1m的地方，尽量让水果采摘装置能够适应大多数的水果的采集需要，因此，这篇文章对水果采摘装置的要求是，它的最大采集高度是3.1m，最小为1m。考虑到水果的发育地在最高和最低之间存在着很大的落差，选择小型的提升平台，可以减少机器手臂的杆体体积。临时制定了采收小车的高度1，电梯台的高度不低于0.1米，最大不低于0.7米。通过实地调研发现，水果的树冠直径和植株间距是相同的，因此设计出能够同时满足行株间距和植株高度的收割机器人，它的最小作业半径是1.4米。在表2-2中列出了获取设备的基础结构参数：表2-2采摘运动平台的主要结构参数参数名称数值参数名称数值最低采摘高度Lmin1m最高采摘高度Lmax3.1m最大长度Rmax1.4m最小长度Rmin0.31m升降高度0.1~0.7m2.3主体机构的形态高纺锤体是一种水果的形态特征，其形状类似于纺锤，即两端较尖，中间较粗。这种形状的水果通常在生长过程中会拉长，使其呈现出纺锤形状。一些常见的高纺锤体水果包括香蕉、柿子、梨和红毛丹。这些水果在市场上都是非常常见的，其高纺锤体的形状使它们在外观上具有独特的特征，也为其收获、储存和运输提供了一定的便利。本课题所研制的水果采摘装置为一台四自由度行走的电动行走装置，其总体构造为五自由度三连杆的抓爪机构。水果采摘装置机身采用铝合金板材与工程塑胶组合而成，其重量轻，便于在机身上添加组件。整体包括两部分：一是可动底盘，二是可动底盘，三是可动底盘。上述系统中集成了控制电路、采集装置、多种传感器以及电源模块。其动力结构包括机械手掌、上臂部件、下臂部件及夹持装置。系统以交流伺服电机为主要动力源。对于机械手臂的伸缩功能，则采用电动推杆实现，其中推杆的一端通过螺旋接口与旋转法兰以及执行机构相连。终端执行元件初步选择利用抓取机制来抓取水果。图2-1水果采摘装置的运动简图图2-2水果采摘装置的总体结构图2-3高纺锤体苹果采摘机器人的工作原理是基于其结构的各个组件的协同作用。首先，机器控制柜负责控制整个机器人的运行和操作。当接收到指令后，机器人开始执行任务。回转支撑支持机器人进行旋转运动，而支撑腰部组件则稳固地连接大臂组件和伸缩臂，为机器人提供平衡支撑。伸缩臂负责调整机器人的工作距离和高度，使得末端采摘机构能够准确抵达苹果所在的位置。大臂组件由大臂枝干和大臂枝干组成，它们支撑并提供运动空间给伸缩臂。末端采摘机构是机器人的关键组件，负责执行采摘动作，将苹果取下并放置在指定位置。小臂旋转组件和小臂轴组件协同工作，将末端采摘机构准确地定位到目标苹果附近，并进行精确的旋转和移动。整个过程中，机器人根据遥控传感器提供的信息，实时调度和控制各个组件的动作，确保其顺利完成苹果采摘任务。

3水果采摘装置的机械结构的设计与优化3.1履带的设计相较于轮式行走机构，履带式行走机构展现出了诸多显著优势，包括更大的地面接触面积、卓越的操纵稳定性、行走平稳性、出色的越障与爬坡能力。此外，其较大的接地面积和较小的比压，使其在环境复杂的果园中行走更为便捷，有效防止了滑移现象的发生。履带主要分为钢型和胶型两种类型，鉴于钢型履带结构复杂且重量较大，通常适用于6吨以上的中重型设备。因此，本项目中，我们选择了橡胶型履带作为行走机构。橡胶履带的结构如图3-1所示。图3-1履带行走机构结构图履带接地长与履带中心距比值e很大程度上影响水果采摘机转向特性，e>1.7转向受到影响，e<1.0水果水果采摘装置行进性能降低，一般为1.2~1.4，本文取1.25，履带中心距受果园田垄宽度与水果收集台尺寸约束综合考虑取1.2m，则履带接地长度取1.5m。履带宽度计算如式（3-1）经计算得Cl=253mm~309mm；重型履带机构，当履带宽度与地面长度之比为0.3时，转向阻力最小；一般取ℇ=0.18-0.22，泥浆掘进设备ℇ=0.24~0.28，考虑到轨道宽度Cl=300mm，ℇ=0.2。（3-1）式中Cl表示履带宽度；m=150kg；mmax果蔬水果采摘装置的最大载荷为100kg，g=9.8m/s。（3-2）是轨道节距dl的计算公式，通过计算，dl=105毫米至123毫米。（3-2）综合考虑，采用橡胶履带式AC结构，履带宽Cl=300mm、dl=140mm、N=28。3.2底座和腰部结构设计3.2.1腰部电机选型机器人的腰部是整个机械臂的主要承重部分，其重量相对较大，因此建议使用中低速的电机进行驱动。假设机器人腰部围绕中心轴的转动惯量为J，并以机器人的大小臂的总长度为L，可以计算出其转动惯量：（3-3）其中, M为腰部所承受的重量为60kg,L为3m,代入计算得腰部转动惯量为180kg.m2电机转矩:（3-4）其中,回转加速度为ɑ=2πrad/s2,代入计算的力矩为360N.m.电机的转动惯量:（3-5）取减速比i=150,代入求出电机的转动惯量为360kg.m2电机的转矩:（3-6）代入计算的电机转矩为2.4N.m根据计算结果，电机的转矩是2.4mN。初步选择的型号是OK80-48V2.2-3000型的直流电机。该电机的额定功率是2.2KW，额定转速是3000r/min，额定转矩是7N.m，额定电压是48VDC，额定电流是50A。初步选择了ST-CSF-25-50型伺服减速器作为腰部谐波减速器，其减速比达到50，额定转矩为32N.m。3.2.2底座结构设计机器人的底座承受了机器人整体的重量，因此受到的压力相对较大。因此，对于底座的材料选择有着极高的标准，必须确保其具备高刚度、小的冲击振动以及出色的耐疲劳磨损特性。在这次的底座设计中，选择了HT250(灰铸铁)作为主要的底座材料。为了减轻底座的重量并避免铸造过程中的缺陷，将其设计成了一个内部的中空结构REF_Ref23730\r\h[7]（如图3-2）。这种方式不仅可以节约使用的材料，还能有效地减少成本。底座是通过4个Ø15mm的螺栓与地面结合来固定的。底座的一侧设计有管线接口，各种管线可以通过这些接口进入并与控制部分连接，从而控制机器人的操作，确保管线不会外露，避免对机械臂造成不良影响。机器人腰部的结构设计通常分为两大类：一类是电机自身通过固定来驱动腰部立柱旋转，从而实现机身的旋转，这一设计相对较为复杂。还有一种设计是电机与上盖同步旋转以实现上臂的旋转，这样的设计既简洁又易于操作。在进行腰部的设计时，本文选择了第二种方式，让电机与上盖同步旋转。为了降低机身的质量，选择了轻质且高强度的铝合金作为覆盖材料。a)腰部传动路线：直流伺服电机10的输出轴配备了电磁制动闸，并与谐波减速器8连接。接着，减速器的另一端与小齿轮4相连，而小齿轮4则与大齿轮5啮合。盖板与上基座是通过交叉滚子轴承来配合的。当电动机旋转时，机座盖板9也会随着电机一同旋转。b)传动参数确定:从电动机到腰部转动共有两级减速，总传动比为i=150，则i1*i2=150;其中i1为谐波减速器传动比,i2为齿轮内啮合传动比，在进行减速器选型时已确定其传动比为i1=50,则齿轮啮合传动比为i2=i/i1=3。由于底座齿轮受力较大，磨损严重，应选择模数较大的齿轮。查我国齿轮模数标准第一系列选取直齿轮模数和锥齿轮模数m=3。根据中心距大小，初选小齿轮齿数z1=50,z2=z1*i2=150。其分度圆直径为:d=mz（3-7）d1=mz1=150mm,d2=mz2=450mm图3-2机座结构图3.3支柱升降机构设计 按照传输需求，该提升机构是一种常用的电动推杆机构，它的主要推力传输构件是螺旋丝杆，在考虑到它的机械臂所选择的材料、减速电机的重量以及整个水果的最大重量之后，对该提升机构的载荷进行了粗略的估计F=mg=20*9.8N=196N。丝杠的导程S=0~200mm，从摘果的总体需求来看，起吊的动作所需的时间在0~3秒左右。所以它的上升速率大约是V=0.07m/s。因此可以得出变速器的动力大约是P=F*v=13.86w，按工作需要选择符合自身特性的减速器。其中，螺纹纫杆参数的具体计算方法如下：1)外螺纹中径d2可以按照下式进行计算:螺母的高度：H=φ*d2=2*30=60mm旋合圈数：确定其螺距的为5mm，基本牙型高H1=0.5*P=0.5mm检查其工作的安全性：（3-9）算得p=0.07≤[p],故安全齿轮传动参数：用查找表方法测定，以1:10计算。hɑ*=1齿形角ɑ=20。3)计算齿轮中心距： （3-10）代入得=77.9mm,可以取ɑ=82mm。初步估计模数m=(0.016~0.0315)，ɑ=(0.016~0.0315)*80=1.28~2.52，选取模数m=2。3.4大臂的设计及有关计算3.4.1大臂的设计分析机械手臂的大臂部分前端与小臂通过电机相连接，后端与机械手臂腰部相连接。大臂的转矩计算同小臂相同，均为采取能量法来计算。根据实际情况，小臂需要3s的时间完成水平到竖直的姿态转换，根据此时小臂做功可得功率，同时，旋转的最大转速为ω=90°/s，可得所需转矩。根据上文分析计算，估计末端夹取装置与腕部及工件的总重量约为3kg，小臂结构及电机等结构总重量约为2kg，大臂结构的总重量约为3kg。则电机所需提供的功为：（3-11）式中::小臂从水平到坚直次态所做功;:电机需驱动的重量;:重力势能;:末端到电机最远距离;由此可得:由此可继续计算出所需功率:（3-12）式中:P:功率;t:小臂姿态转换所需时间;由此可得:P=Wt（3-13代入得30.15w则所需转矩:MDi=9550*（3-14）代入得19.18N.m图3-3大臂结构3.4.2小臂的设计分析机械手臂的小臂部分与腕部相连接，主要起到带动末端夹取装置的作用。本次设计为取得小臂旋转时所需的电机输出扭矩，采取能量法来计算。根据实际情况，小臂需要3s的时间完成水平到竖直的姿态转换，根据此时小臂做功可得功率，同时，旋转的最大转速为ω=90°/s，可得所需转矩。根据上文分析计算，估计末端夹取装置与腕部及工件的总重量约为3kg，小臂结构及电机等结构总重量约为2kg，则为确保上述部件顺利运动电机所需提供的功为（3-15）式中:W:小臂从水平到坚直次态所做功;M:电机需驱动的重量;g:重力势能;h:末端到电机最远距离;由此可得:由此可继续计算出所需功率:（3-16）式中:P:功率;t:小臂姿态转换所需时间;由此可得:P=Wt（3-17带入得10.5w图3-4小臂结构3.5腕部传动设计腕部角度转动的范围为[-90°，90°]，由于末端腕部需要实现旋转，所以可以采用机器人舵机，来实现末端执行器的旋转，舵机的具体参数如表3-3所示：表3-1舵机的参数舵机型号速度扭矩(kg.cm)电压（v）PDI-6221MG0.16sec/85°206由于舵机已经实现了减速增扭，所以不再需要进行多及外部的减速装置，其输出轴为铝合金齿形轴，轴上的齿数为25个齿，其型号为25T型，齿轮轴的长度为31.5mm的标准件。3.6末端执行器设计本次采摘手结构设计仍以机械钳爪式采摘手为主，采摘手具有三个功能：第一、采摘手部摄像头能对果实进行识别定位；第二，采摘手能够灵活的抓握成熟的果实；第三、采摘手指内刀片能迅速切断果柄并恢复到原来的位置。为减少果树枝叶对手指采摘过程中的阻碍，此次设计采用两指张合手爪对水果抓取；为减弱手指对果实表皮的机械损伤，对手指与果实接触部分做进一步软化处理。另外，在采摘手部增加接触传感器、压力传感器和微型摄像头，以便于更好的实现采摘作业REF_Ref23622\r\h[6]。3.6.1末端执行器夹持机构设计在进行末端执行器设计前需要确定夹持机构的抓手数量。由于水果为类球形果实，两抓手设计即可满足夹持机构对水果的抓取要求。目前，抓手手指的常见构型有平面和弧面两种。在相同载荷作用下，相较于平面手指，弧面手指产生的破坏应力较小，从而造成果实机械损伤的概率也相对较小。因此，夹持机构的抓手采用弧面手指构型，手掌呈圆形内凹状。这种设计通过增大手指与水果的接触面积，一方面可以减少损伤，提高末端执行器的被动柔顺性能；另一方面可以增强夹持机构的抓取范围，提高对不同大小水果的适应能力。基于水果生物特性分析结果，所设计的抓手手指结构如图2.7所示。其中，弧面手指的直径为80mm，深度为25mm，中心位置预留有安装孔，用于传感器的安装。图3-5手指结构示意图按照运动特点分类，末端执行器夹持机构的开合方式主要有回转型和平动型两种。回转型夹持器是通过连杆的往复运动来实现抓手的闭合，它的优点是具有更大的开合角度，但是复杂的结构容易在夹持过程中产生位置误差，因此不适用于娇弱水果的采摘作业。相较于回转型，平动型夹持器的结构简单，拥有较少的传动机构，精度更高。此外，考虑传感器的安装，若采用回转型结构，传感器的受力方向会随手指转动发生改变，不利于主动柔顺功能的实现。因此，本文选择平动型结构作为夹持机构的开合方式。平动型夹持器的结构示意图如图3-6所示。图3-6平动型夹持器的结构示意图3.6.2末端执行器剪切机构设计本文基于切割分离方式设计了旋转式斜面割刀作为末端执行器的剪切机构，结构简图如图3-7所示。剪切机构安装在左侧抓手末端，主要由传动齿轮和斜面割刀组成。在进行采摘作业时，通过配置合适的驱动单元提供动力输出，经过齿轮传动使割刀绕左侧手指外廓快速旋转切断果梗。旋转切割的方式可以对不同方位的果梗进行切割，省略了检测果梗位置和调整末端执行器位姿的过程，可以提高采摘效率REF_Ref22950\r\h[15]。图3-7剪切机构结构示意图根据茶叶梗剪切运动规律，剪式连杆上的刀刃刃口曲线可运用等滑切角曲线方程来设计，等滑切角曲线公式为：（3-18）式中：r—等滑切角曲线，mm；c—常数，mm；—动刀回转角，°；—滑切角，°。滑切角在40°～55°之间最佳，本设计取滑切角=45°，θ的取值范围为0°～40°。为提高剪切机构通用性，本设计取c=10mm。结合式得到rmin=10mm、rmax=20.09mm。根据式由MATLAB得到刀刃曲线图，如图3-8图3-8 刀刃曲线图电机的带动剪切连杆对果梗进行剪切，果梗受力如图3-7所示。为保证剪切机构能剪断茶叶梗，本设计取剪切力F1为180N。图3-9剪切机构受力简图基于前文所述的设计，将剪切机构简化为如图3-9所示的受力示意图，并对其进行受力分析。如图所示，剪切机构可被视为一种偏置摇杆滑块机构。为了确定步进电机的扭矩，需要进行电机选型。因此，将以O点作为原点进行受力分析，并利用剪切机构结构简图的几何关系来建立力矩平衡方程：（3-19）其中：FN—为步进电机传递到丝杆上的轴力，N；F1—为剪式连杆输出的剪切力，N；F2—为丝杆上轴力作用在剪式连杆上的作用力，N。结合丝杆轴力公式：（3-20）其中：—为丝杆工作效率；T—为步进电机输出扭矩，N·m；P1—为丝杆导程，m；—为丝杆与法兰螺母之间的摩擦系数；m1—为移动件的质量，kg。丝杆工作效率在0.9～0.98之间，摩擦系数为0.11～0.17之间，本设计取=0.9、=0.17。根据剪切机构简图中的几何关系，以及丝杆的相关参数设计如表3-2所示的剪切机构结构参数。结合公式得到步进电机输出扭矩为0.19N.m。表3-2剪切机构相关参数代表字母a1（m）b1（m）c1（m）d1（m）（°）（°）P1（m）μ1（/）m1（kg）F1（N）数值0.040.0050.030.03150300.0080.110.05180根据计算得到的扭矩，本文选择型号为42BYGH34S的步进电机作为剪切机构驱动电机，其主要参数如表3-3所示。表3-3步进电机主要参数步进电机型号机身长（mm）扭矩（N·m）轴径（mm）重量（kg）42BYGH34S340.2850.2

4水果采摘装置运动学及有限元分析4.1引言以搬运需求为依据，本文已经得出了水果采摘装置从机构学上分析，它属于一款四关节式串联机器人，通过各关节之间旋转控制终端执行器到达指定位置。在机器人控制中，模型的建立和路径规划是关键。采用D-H参数化方法，对各连杆进行了坐标系建模，得到了各连杆在任何位置上的运动方程，得到了各连杆在任何位置上的运动规律。水果采摘装置运动分析的主要目的是建立各关节变量与末端执行器的空间位姿之间的关系，并将其划分为正、逆向运动学REF_Ref22189\r\h[2]，这一章就是对所需机器人的运动学分析。4.2水果采摘装置D-H建模采用D-H表示法可以建立机器人各关节上的固定坐标系，并利用4×4的齐次变换矩阵REF_Ref24145\r\h[10]描述相邻两关节之间的空间位置关系。利用该方法，可以求出在基座坐标下，端部执行机构的空间位置，进而得到端部操作机构的运动模型。在此基础上，对水果采摘装置进行D-H建模，并对其进行分析。在此基础上，构建了一种空间上的三维基本坐标系统，并以此系统为笛卡尔坐标系统REF_Ref22950\r\h[15]，对系统的运动进行了分析。图4-1显示了机器人简化后的模型：图4-1机器人连杆坐标系利用D-H方法建立水果采摘装置的模型，首先要确定各个关节的坐标系。这些参数在表4-1中列出如下：表4-1机器人连杆D-H参数表水果采摘装置的关节模型中，有两个关节变量和。通过关节变换矩阵，可以推导出机器人各个关节的齐次矩阵。在此假设 Ci=cosθi,Si=sinθi,i=1,2,3,4，并将简化后的公式代入矩阵{Ai}中，得到如下结果：4.3水果采摘装置运动学分析4.3.1机器人正向运动学分析对机器人进行正运动分析，主要研究了机器人在运动过程中，各个关节的运动参数确定后，手臂末端腕关节的位置以及在坐标系下的姿态。每一组输入的关节参数都与一组端部的位置相对应。然而，不同的输入可能会导致相同的末端位姿，这与机械臂的结构特点有关，从而影响到运动学逆解的实现[16]。该方法基于单组输入值的求解过程，通过对输入值进行实时采样，以获得终端姿态的变化轨迹。根据本次设计的机械手的模型和参数，将相应的参数代入到连杆变换矩阵表达式中，即可获得相邻连杆件的变换矩阵。在机器人手臂中，相邻连接件之间的换算关系用公式3—1REF_Ref23146\r\h[12]表示。将端点坐标系统{h}的姿态与转动坐标系统{4}的姿态相一致，即所求的端点轨道与腕点轨道相等。由机械臂连杆间的转换矩阵，可导出机械臂座标系统{4}与座标系统{0}间的转换关系如下：（4-1）式（4-1）中px=l2cos(θ1+θ2)+l1cosθ1py=l2sin(θ1+θ2)+l1sinθ1pz=d1+d2+d3+d1+d4以坐标系的位姿表示方法和变换矩阵的变换特性为基础，进行分析，可以将式（4-1）中的矩阵分解为以下形式：上式中的矩阵R是一个3×3的矩阵，包含了式（4-1）矩阵左上角的九个元素，代表了手腕坐标系的姿态。矩阵R的第1、2、3列分别表示手腕坐标系X、Y、Z轴的方向，而3×1的矩阵P则代表了手腕点的位置。4.3.2机器人逆向运动学分析逆解过程的实质是在已知执行器腕点位置和坐标系的情况下，求出机械臂系统各关节角度和位移量的过程。图4-2展示了操纵器正向和逆向运动学分析之间的关系。利用实时反演方法，在终端位姿连续的情况下，得到了机器人手臂在运动过程中，各个关节的转角及位移的连续变化曲线。机械手关节角度图4-2机械臂正、逆运动学关系机器人运动学方程的解法是一类非线性问题，它的解法很复杂，既有解又无解，还可能有一个或多个解。在本项目的前期研究中，发现在机械臂正运动学中，存在一组以上的关节输入解可以得到相同的末端姿态REF_Ref24341\r\h[13]，这表明在逆运动学解法中，同一组末端姿态解可能会得到多组满足要求的关节角度。通常情况下，机械臂的逆解个数与其连杆个数有关，连杆个数越多，理论上可能存在的解就越多。此外，机械臂只能在特定的工作区域内进行工作，无法到达工作区域外的点，因此在工作空间内，除了具有4个或更多自由度的机械臂外，其他机械臂都无法实现完整的工作姿态，对于不可达的姿态解析解也不存在。因此，并非所有的姿态输入都能够得到对应的关节角度解，这就是可解性的问题。在本次设计中，所设计的水果采摘装置虽然连杆数目较少，但仍然存在可解性的问题。通过前向解法，得到了机械臂在任意状态下，腕点相对世界坐标系下的位姿矩阵表达式。在此矩阵中，所有非常数元素都是关节角和位移的函数。因此，通过建立腕部点位姿的数学模型，就可以反求出腕部的运动参数。根据求解出的机械臂正运动学的数学表达式，假定末端点姿态矩阵Tend已知：（4-2）式中，表示手腕点的位置，，三个列向量组成的矩阵表示了手腕点处坐标系的姿态。令4-1与4-2相等，则（4-3）式中的等式中包含了四个关节为未知量，其他各关节均为已知量，解方程即可得到四个位置量的值，即为运动学逆解。解决方法是这样的：（1）求解θ2在式（4-3）中，由矩阵中元素和对应相等有：（4-4）将式（4-12）中两等式两边平方再相加可得：（4-5）则求得：（4-6）（2）求解θ1展开（4-6）式中的三角函数，化简两个等式，得到：（4-7）此时已在上一步中求出为已知量，则根据方程消元的方法可求解出（4-8）（3）求解θ4在（4-8）式中，从矩阵中的（1,1）、（2,1）可以看出：cos(θ1+θ2+θ4)=nxsin(θ1+θ2+θ4)=ny（4-9）可解得：θ1+θ2+θ4=tan-1(nynx)所以：θ4=tan-1(nynx)-θ1-θ2（4）求解d在式（4-10）中，由矩阵中元素（3，4）对应相等有：d1+d2+d3+d4=pz（4-12）因此：d=ps-d1-d2-d3-d4（4-13）在求解结果中，可以观察到θ2存在正负两种取值，同时其他关节的角度也会受到θ2取值的影响。不同的θ2取值会导致最终求解结果的不同，这体现了机械手逆运动学求解的多解性特点。在本次设计的求解过程中，为了避免多解问题，限制了θ2的取值始终为正或始终为负。4.4水果采摘装置关键部件有限元分析大臂是机器人系统本体中较为重要的组件，它们的强度与刚度直接影响整个机器人的机械特性。简单等效一维的简支梁模型去分析，就会产生不可避免的力学分析上的偏差，采用有限元法REF_Ref23492\r\h[5]可以很好地解决这类问题。有限单元法是随着计算机发展兴起的一种比较高效的数值方法，利用该方法可以有效地处理比较复杂零件的力学分析。利用软件进行部件的有限元分析时需要对三维模型进行简化，尽量使模型变的简单，有必要去除对模型分析意图不重要的零件特征，有利于有限元网格划分。为了大臂小臂的力学性能，本文采用有限元的方法对大臂和小臂进行受力分析，探究其变形和应力的分布规律。在分析中认为材料是各向同性材料，完全弹性体，且为密度分布均匀。表4-2材料属性材料弹性模量E（GPa）泊松比v抗拉强度（MPa）屈服强度（MPa）密度(Kg/m3)7050铝合金70.3244552830机械臂在采摘任务时会有一个受力和变形都最大的状态，这个状态下大臂、小臂腕部都在水平位置，选用此状态进行力学分析。机器人受力最大时各手臂几乎在一条直线上。大臂与小臂的材料均设置为铝合金7050，该材料的具体属性如表4-2所示。将大臂的大端施加一个固定约束，大臂的小端部施加载荷。大臂有限元网格如图4-3，大臂网格节点为62823，网格单元为37833。图4-3大臂有限元网格对大臂的应力、应变求解，其结果如下图(4-4)所示。图4-4大臂静应力图图4-5大臂应力图图4-6大臂应变图从图4-5可以看出，应力集中较小且主要集中在固定端，最大应力为14.384MPa；远小于材料的屈服极限，说明大臂的强度满足该工况下的工作要求。从图4-6可以看出最大变形量为0.21117mm。小于水果采摘装置的工作精度范围1mm。说明大臂在工作情况下发生的形变较小，满足设定的精度要求。综上所述，大臂的强度和刚度远远满足工作的要求。

5结语随着农业机械化的发展，水果采摘也越来越倾向于采用机械化的方式。传统的水果采摘方式需要大量的人工劳动，成本高、效率低，且存在安全隐患和劳动强度大的问题，因此需要一种更加高效、安全、可靠的采摘方式。可升降履带式水果采摘机便是为了解决传统采摘方式存在的问题而设计的一种新型机械化采摘工具。它采用履带式行走装置，在果树间行走，通过可升降的结构设计，能够适应不同高度的果树；同时，机器上配备了采摘器和传送带等部件，能够自动采摘水果，提