柑橘采摘机器人末端执行器结构设计及仿真分析

-2-摘要在重庆四川一带，地势多偏高，因此柑橘的采摘方式主要依靠人工采摘。然而，人工采摘存在诸多问题，如效率低、劳动强度大、生产成本高等。鉴于果实完整采摘的情况，本文重点研究了剪切式柑橘采摘末端执行器的设计问题。研究内容主要包括：(1)柑橘物理特性研究。本文以重庆本地柑橘为研究对象，研究包括柑橘的生长情况、形态大小、茎叶直径等物理特性。建立基础实验数据，为未来设计柑橘末端执行器提供理论基础。(2)柑橘采摘机器人的末端执行器设计和仿真分析。根据测量柑橘的各项数据，在保证采摘柑橘时果实的完整程度，通过UG软件设计一款采摘柑橘的末端执行器。利用ANSYS软件进行有限元分析，进一步完成对末端执行器的设计。关键词：柑橘；末端执行器；剪切机构；仿真分析TheResearchonImageRegistrationinInfraredThermalWaveNondestructiveInspectionAbstractIntheareaofChongqingandSichuan,theterrainismostlyonthehighside,sothepickingmethodofcitrusmainlyreliesonmanualpicking.However,therearemanyproblemswithmanualpicking,suchaslowefficiency,highlaborintensity,highproductioncost,etc.Inviewofthecompletefruitpicking,thispaperfocusesonthedesignoftheshearcitruspickingend-effector.Theresearchmainlyincludes:(1)Researchonthephysicalpropertiesofcitrus.Inthispaper,thelocalcitrusofChongqingwastakenastheresearchobject,includingthephysicalcharacteristicsofcitrusgrowth,morphologicalsize,stemandleafdiameter,etc.Establishmentofbasicexperimentaldatatoprovideatheoreticalbasisforthefuturedesignofcitrusend-effector.(2)End-effectordesignandsimulationanalysisofacitruspickingrobot.Basedonthemeasurementofvariouscitrusdata,aterminalactuatorforcitrusharvestingisdesignedusingUGsoftwaretoensuretheintegrityofthefruitduringharvesting.UseANSYSsoftwareforfiniteelementanalysistofurthercompletethedesignoftheendeffector.KeyWords：InfraredthermalWave;GreyValue;TemplateMatching;ImageIdentification-3--3-目录第1章绪论 11.1 课题研究背景及意义 11.2农业采摘机器人发展概况 21.2.1国外研究现状 21.2.2国内研究现状 21.3 研究目的及内容 31.3.1研究目的 31.3.2研究内容 41.3.3技术路线 4第2章柑橘特性研究 52.1人工采摘过程 52.2柑橘的物理特性 52.2.1柑橘植株和果实 52.2.2柑橘的几何形状与质量。 62.3柑橘的力学特性 7第3章末端执行器的结构设计方案 93.1末端执行器设计分析 93.1.1采摘机器人末端执行器抓取方式分类 93.1.2采摘机器人末端执行器采摘方式分类 113.2末端执行器机构组成 133.2.1剪切夹爪一体式机构 143.2.2传动机构 193.2.3驱动机构 233.3末端执行器工作原理 23第4章基于UG设计三维模型 254.1整体结构设计 254.2三维模型设计简介 264.2.1夹爪部件的三维模型 264.2.2传动系统与支撑系统的三维模型 284.3总体装配图 304.4仿真分析 324.1基于ANSYS软件的有限元分析 324.2基于UG软件的动力学分析 33第5章设计总结 35致谢 36参考文献 371-–PAGE27–PAGE12第1章绪论在农业领域，采摘水果和蔬菜是一项耗时且往往单调的工作，很难调动积极性。为了降低果农突然放弃工作的风险，许多人的目光开始转向农业机器人，来以次减少对人工的依赖，提高整体生产率。课题研究背景及意义随着中国经济的迅速发展，工业化水平显著提升。然而，我国人口众多，从事农业生产的人还是占大部分比例。作为农业大国，随着人口老龄化和年轻人向城市迁移的加剧，绝大多数农村流失年轻有活力的劳动力，使得农业生产力下降。年长劳动力群体通常不太熟悉新方法和新技术，导致效率下降以及产能偏低。因此，机器人技术在农业生产中的重要性不断增加[1-2]。柑橘类水果物美价廉，营养丰富。它们是最受欢迎和最常种植的水果之一。[3]。全球约有140多个国家和地区生产柑橘，主要分布在北纬以南地区，喜温暖湿润。目前世界柑橘种植主要集中于亚洲，其种植面积占世界柑橘栽培面积的52.90%，美洲和非洲的比例分别为24.50%和16.60%，欧洲和大洋洲的合计占比为6%。FAO(联合国粮食及农业组织)数据显示，全球有23个国家的产量超过100万吨，其中，柑橘产量常年排名前10位的国家主要是中国、巴西、印度、美国、墨西哥、西班牙、埃及、尼日利亚、土耳其和阿根廷[16]。根据世界柑橘组织发布的报告，中国柑橘产量约占全球柑橘总产量的28%，中国柑橘园面积及柑橘产量常年稳居世界首位。2022年中国柑橘产量为6003.89万吨，与2016年柑橘产量相比增长了2412.4万吨，增幅约为67.2%，年均复合增长率约为7.6%。重庆市在2022年柑橘产量已达到389.8万吨，种植面积25.84万公顷。其中万州区2022年柑橘产量43万吨，种植面积达2.7万公顷。作为重庆地区的主要水果类经济作物，柑橘生产过程中，基本都以人工为主。特别是在柑橘收获的季节，采摘作业是整个生产过程中最繁杂的环节，能占到了生产成本的40%左右，然而人工采摘存在采摘效率低、损坏率高、人工成本高昂等缺点。基于以上认识，本文对柑橘采摘机器人的末端执行器进行设计研究：首先对柑橘类水果的生长特性进行调研，接着根据柑橘农用采摘要求，设计柑橘采摘机器人末端执行器的结构，然后对设计的结构构建三维模型，并对其进行仿真分析，以优化末端执行器的结构，以便后续的改进和为以后的作业性能、评估优化等提供帮助。1.2农业采摘机器人发展概况1.2.1国外研究现状在农业领域，收获果实和时令蔬菜感觉是个简单的劳动，其实这是漫长且烦杂的工作，很难激起人们对此的上班热情，并且工作待遇也有待参考。为了降低果园里员工突然离职的情况，许多管理人员把目光投向农业机器人，来降低对劳动力的依赖性，并提升整体生产率。在国际上，以一些发达国家为代表，例如日本和美国。从20世纪80年代开始就已经开始研究采摘机器人，并取得了一定的成果。例如Salisbury等人主持开发的吸入式苹果采摘末端执行器，该末端执行器利用真空将苹果吸入主体内，并在主体内壳里安装了两个充气气囊使苹果能够完好无损得被采摘下来[4]。意大利卡塔尼亚大学的G.Muscato等人开发了一种柔性三指夹持柑橘的末端执行器[5]，在图像的定位识别下，柔性三指末端执行器能够精确地识别并夹持果实，然后利用圆锯片对叶柄进行切割。美国佛罗里达大学W.Hannan和F.Burks开发了一种采摘柑橘的末端执行器[6]，该末端执行器的设计是先3根手指持续地抓持来施加压力，再通过旋转扭矩来获得柑橘果实。但是如果压力过大会造成柑橘被毁坏，并且压力不足也会导致果实掉落。1.2.2国内研究现状相比较于国外，我国直到20世纪90年代才开始研究果蔬采摘机器人，虽然起步较晚，发展较慢，投资也少，但随着自动化和城镇化进程不断地完善，我国农业机器人的研发进程也取得了一定进展。并且在国家改革开放的影响下，经济和科技都得到了快速地增长，此后国家加大了对农业机械化发展的扶持力度，现今我国农业机器人的发展迎来了巨大的转变和增长。如图1-1）所示，2019年重庆大学王毅根据仿生学原理设计的仿蛇嘴的咬合式末端执行器[7]，王毅设计的采摘末端执行器通气缸摆动摇杆机构使得刀片进行咬合，仿照了农业生产者的采摘行为，通过实验极大地提高了采摘效率。如图1-2）所示，为昆明理工大学胡亚文设计的欠驱动式末端执行器[19]，该末端夹持器包涵成120度分布结构相同的3个拟人手指、托盘、底座、驱动装置、传动机构等。3拟人手指总共有6个自由度，1个手指2个自由度，只需依靠一台电机驱动，所以价格便宜，实用性极高。图1-1咬合式末端采摘执行器图1-2欠驱动式末端执行器研究目的及内容1.3.1研究目的目前，柑橘采摘机器人的研究还存在一些亟待解决的实际问题。机器人的采集速度、果实的完整性和收割后对果树的破坏率也是阻碍农业机器人在实际生产中应用的重要原因。因地制宜，采摘机器人在收获过程中需要根据人工作业的要求进行工作，但是采摘机器人的末端执行器设计限制了采摘机器人在各种各样复杂工作环境下的成功率和收获果实的完整性。同时，农业采摘机器人必须避免在收割过程中损害原本的植株，破坏性地收割并不可取。因此，在设计农业采摘机器人末端执行器的结构时，不仅要考虑末端执行器在树枝和树叶间移动的灵活性，还要考虑末端执行器在收割过程中与果实的接触力大小和收集方式，来确保果实的完整性。1.3.2研究内容(1)柑橘物理特性研究。本文以重庆本地柑橘为研究对象，研究包括柑橘的生长情况、形态大小、茎叶直径等物理特性。建立基础实验数据，为未来设计柑橘末端执行器提供理论基础。(2)柑橘采摘机器人的末端执行器设计和仿真分析。根据测量柑橘的各项数据，在保证采摘柑橘时果实的完整程度，通过UG软件设计一款采摘柑橘的末端执行器。利用ANSYS软件进行有限元分析，进一步完成对末端执行器的设计。1.3.3技术路线如图1-3）所示：柑橘采摘末端执行设计柑橘采摘末端执行设计调研国内外研究现状和查阅末端执行器调研国内外研究现状和查阅末端执行器制定完整设计方案制定完整设计方案执行机构的确定执行机构的确定夹爪机构大小确定零件三维建模零件三维建模仿真分析析仿真分析析图1-3技术路线图

第2章柑橘特性研究2.1人工采摘过程人工采摘柑橘是指劳动人通过手摘的方式采摘柑橘水果的过程。这也通常需要熟练的采摘工人，他们会使用各种工具（如果篮或果袋）和小刀，小心地将成熟的柑橘从树上尽量完整地摘下来。人工采摘不仅可以确保柑橘在采摘过程中不受到很大的损坏，而且工人可以分辨成熟和未成熟的果实，使商家能够达到更多的收益。这种方式可以保证柑橘的质量和外观，适用于高端市场和对果实外观要求较高的市场。2.2柑橘的物理特性2.2.1柑橘植株和果实柑橘果树通常具有茂密的绿叶和带刺的树枝，果实则生长在树枝的末端。柑橘果实与果树之间通过果柄连接。果柄是连接果实和树枝的部位，它为果实提供了所需的营养和水分。当果实成熟时，可以通过果柄将其轻松地摘下来。果柄的长度和粗细会因柑橘的品种而有所不同。在设计末端执行器的过程中，首先需要对柑橘种类进行确定，本文研究的末端执行器主要针对重庆奉节脐橙。奉节脐橙是重庆市种植面积和产量最大的名优水果。奉节脐橙的颜色通常是橙色或橙红色，果皮光滑，表面有一定光泽。果实通常呈圆形或略扁的圆形，大小适中，自然垂落吊挂生长在果树上，果实大多为单果，有时也会出现多果重叠生长的情况。如图2-1）所示图2-1果园中的柑橘2.2.2柑橘的几何形状与质量。通过对重庆奉节脐橙进行随机选取30个果实样本，选用的脐橙完全成熟且无损伤。使用游标卡尺确定果柄直径、果实的横径、纵径、质量等参数，并统计各参数最大值、最小值、平均值。测量工具：游标卡尺、电子秤。测量对象：重庆奉节脐橙。表2-1）为脐橙样本测量数据，脐橙外形尺寸如图2-2）所示。图2-2不同尺寸大小的柑橘图2-3柑橘测量原理示意图表2-1脐橙样本测量数据参数最大值最小值平均值质量（g）90.1186.6588.38横径（mm）69.8668.2569.06纵径（mm）71.5868.3269.95果柄直径（mm）1通过如图2-3)所示测量得出奉节脐橙的果实平均纵径为88.38mm，平均横径69.06mm，果柄的平均直径为4.21mm，平均质量为88.38g，如表2-1)所示为末端执行器结构的整体尺寸设计提供参考。2.3柑橘的力学特性在进行设计末端执行器前，需要对采摘对象奉节脐橙进行力学特性分析，获取各项力学特性参数，以脐橙物理特性研究为理论参考，确保剪切机构设计理论进行的可行性。吕辉等人[17]通过游标卡尺测量油茶花的直径和油茶花花茎的直径;测量完后,利用三量JDI17推拉力计进行剪切力测试。重庆理工大学张茂[18]通过使用自制的试验台对柑橘果柄进行剪切研究，检测和实验果柄直径的大小、不同剪切方式以及刀具速度的不同对果柄剪切的影响。重庆三峡学院郑涵[9]使用质构仪的单刀探头，对柑橘果柄进行剪切试验。通过以上文献介绍，为研究脐橙的力学特性提供试验方法参考。结合实际自身情况，选择使用推拉力计测量果柄的剪切力大小。先将30个脐橙随机打乱分为三组，10个一组。再利用三量数显推拉力计如图2-4)所示对脐橙果柄进行剪切力测试。如图2-5)所示将推拉力计转换为推力模式,在水果刀具的上方施加压力,让刀具进行向下运动;接触到果柄表面时,增大压力,使得刀具能够匀速地将果柄切断,并记录每一次试验的最大压力,与初始压力。图2-5三量数显推拉力计1.刀具2.机架3.果柄图2-5果柄剪切力测试对刀具施加一个力F0,使刀具开始运动，当切割完成后，得到一个Fmax,故果柄的切削力为FF=Fmax通过该果柄剪切力的试验,得到果柄的平均剪切力为如表2-2)所示。表2-2果柄特性表序号平均质量（g）平均果柄直径（mm）平均剪切力（N）187.413.3140.69289.73.0439.5387.653.1745.62平均88.153.1741.94由表2-2)可知:脐橙每组的平均质量为88.15mm,每组平均果柄直径为3.17mm,果柄平均剪切力平均大小为45.62N。通过进行不同质量柑橘的果柄剪切力测试，得到平均剪切力值，为设计末端执行器的剪切装置提供理论依据。第3章末端执行器的结构设计方案3.1末端执行器设计分析3.1.1采摘机器人末端执行器抓取方式分类采摘末端执行器的抓取方式主要有仿生多指柔性抓取、负压吸取式、夹持式等。仿生多指柔性抓取是一种通过生物学启发的机器人末端执行器抓取技术，通过模仿灵长类动物和人类的抓握方式，实现对不规则形状物体的柔性抓握和操作。这种技术通常使用多关节设计，每个指头都具有柔性关节和传感器，能够感应识别物体的形状和表面特征。通过精确的贴合控制和完美协调，末端执行器在拿取物体时可以像人的手一样灵活地拿取和控制不同规则的物体，就不用再根据物体的几何形状设计符合尺寸的手爪，也不用考虑物体的表面粗糙程度去选择末端执行器的材料，并且能够大幅度提升机器人的操作灵活性和适应性，同时也降低了对物体表面的损伤和破坏。负压吸取式是一种利用负压吸气原理来实现吸取和抓取物体的技术。在这种技术中，通过在吸取器或者夹具内部产生负压，使周围的空气压力高于内部的空气压力，从而产生吸力，将物体吸附在末端执行器上。这种技术无需直接接触物体表面，一定程度上减少了对物体的损伤和磨损情况。相较于其他的末端执行器的抓取方式，负压吸取式技术的优势在于适用于各种形状和不同材质的物体，同时操作简单、可靠性高，稳定性好。但是缺点亦很明显，对于软体类、多孔和不规则形状的物体，此技术会存在一定的局限性，可以结合其他技术来实现更灵活的抓取方式。这种末端执行器是通过吸盘等方式利用真空负压原理对果实进行采摘，适用于果柄与果实接触力比较小的果实。夹持式抓取通常由夹持器件和执行器组成，用于抓取和夹持各种物体。这种手爪通常由多个指头或爪子组成，通过机械结构或电动执行器实现开合和夹持动作。夹持式手爪的设计可以根据不同的应用需求进行调整。这项技术被广泛应用于自动化生产线、机器人和自动化系统中，用于抓取和搬移动不同形状和尺寸的物体。夹持式抓取通常包括以下几种类型的夹持器件：1.机械手爪：机械手爪通常由可移动的指钳或夹具组成，可以通过执行器进行打开和闭合动作，用于抓取物体。2.真空吸盘：真空吸盘通过产生负压，将物体牢固吸附在吸盘表面，然后通过执行器进行举起和移动。3.夾紧夹具：夾紧夹具通常用于夹持圆柱形物体，例如管道、轴等，通过调节夹具的夹紧力来固定物体。夹持式抓取通常通过执行器，如气动、液压、电动执行器或者机械装置，来实现夹持器件的打开、闭合和夹持动作。此外，一些夹持式手爪还采用了柔性材料或者灵活的指头设计，以适应不规则形状的物体。总的来说，夹持式手爪是一种非常重要的机器人末端执行器，它的设计和功能对于实现高效的物体夹持和操纵至关重要。它可以实现高效的物体抓取和搬运，提高生产效率，减少人力成本，并且可以适应不同形状和尺寸的物体。夹持式末端执行器是通过夹紧果实来实现对果实的稳定，夹持式的末端执行器有2指、3指、多指筒状等类型，大多数夹持式的材料为刚性，如果果皮较薄，可能会对果实造成损害，柔性夹持更适合此类果实，防止果实受损。夹持式用途范围更广，适用于绝大多数水果。吸持式末端执行器是夹持式与吸入式的结合体，首先吸盘将果实吸住，然后通过夹持进一步稳固果实将果实完好的采摘下来。此方式适用于簇拥生长的果实，避免了对其它果实以及叶片、枝条、植株的损伤本文所采用的是指节式，指节式在夹取果实时力大，并且对柑橘的包裹性也好，张开的角度灵活和可控性具有良好优势，因此指节式末端执行器在夹取果实时即稳固又高效。在末端执行器设计中采取了指节式采摘果实，选择3指对柑橘进行抓握。在设计时，需要考虑夹持力、夹持范围、机构尺寸和材料等因素，并注重机构的稳定性和可控性，以确证末端执行器的高精度运动时的稳定性。3.1.2采摘机器人末端执行器采摘方式分类机器采摘柑橘主要有两种方式：一种是在抓取柑橘后，直接利用刀具剪切下果柄；另一种是拟人手通过旋转利用扭矩来实现对采摘果实的行为。剪切果柄是指在采摘水果时，通过刀具切割果实与果柄之间的连接来完成采摘的过程。这种方法通常适用于采摘水果或其他农产品，以确保果实在采摘过程中不受到损坏。切割果柄采摘可以通过手工或机械化的方式进行。在手工采摘中，工人通常使用剪刀、刀具或其他工具来切断果实与果枝的连接，以完成采摘过程。这种方法需要工人具备一定的技能和经验，以确保果实能够被准确地切割下来，并且不会造成果实的损坏。在机械化采摘中，可以使用专门设计的机械设备，如水果采摘机器人或自动化采摘装置，来完成切割果柄采摘的过程。这些机械设备通常配备有夹持式手爪或切割装置，能够准确地切断果实与果枝的连接，并且可以实现高效的自动化采摘。切割果柄采摘的优点在于可以减少对果实的损伤，确保果实的质量和外观。然而，需要注意的是，在进行切割果柄采摘时，要确保切割的方式不会对果实造成伤害，同时要保证采摘的效率和成本控制。拟人手采摘是指利用模拟人类手部动作的机械装置来进行水果或其他农产品的采摘。这种技术通常用于自动化的农业生产中，可以提高采摘效率，减少人力成本，并且可以在采摘过程中减少对农产品的损伤。拟人手采摘的设备通常由机械手臂和手爪组成，这些手爪可以模拟人类手部的动作和抓取动作。通过使用传感器和控制系统，这些机械手可以识别和定位成熟的水果，然后进行准确的抓取和采摘动作。这种技术的优点在于可以实现高效的自动化采摘，减少对人力的依赖，提高生产效率，并且可以减少对农产品的损伤。此外，拟人手采摘还可以应对人力成本上升和劳动力短缺的问题，为农业生产提供了一种可行的解决方案。然而，拟人手采摘技术也面临一些挑战，例如需要针对不同类型的农产品和果实进行定制化设计，以适应不同的采摘需求；同时，还需要克服复杂的环境条件和果实形状的多样性，确保机械手能够准确地进行抓取和采摘。总的来说，拟人手采摘技术是农业自动化领域的一个重要发展方向，它有望为农业生产带来更高效、更可持续的解决方案。水果采摘末端执行器的采摘方式有两种类型，其中一种类型是外加分离装置，采用剪刀、刀片、圆锯片、激光等，这种方式适合果柄与果实接触面较大的果实，另外一种类型是利用扭、拧、拉等方式对果实进行收获，此方式更适合用于果柄与果实接触面比较小的果实。本文利用柑橘的物理特性和力学特性设计一款价格便宜，在切割收获果实后对其保存程度高的末端执行器。

3.2末端执行器机构组成末端执行器设计机构部分主要包括：剪切夹爪一体式机构、传动机构、驱动机构等。柑橘末端执行器的驱动部位和执行部位十分关键。其中驱动部位主要由一个步进电机和一对大、小直齿圆柱齿轮组成。只需要电机驱动小直齿圆柱齿轮进行旋转，小直齿圆柱齿轮带动大直齿圆柱齿轮转动。执行部分由三个互成120度的剪切夹爪一体式机构如图3-1)所示和四杆机构组成如图3-2)所示。剪切夹爪一体式机构安装在滑块上，使得剪切夹爪可以在一定行程内往复运动，完成柑橘果实和果柄分离的过程。1.剪切刀具2.手指关节13.手指关节24.滑块5.托盘图3-1剪切夹爪一体式机构简图1.滑块2.连杆3.主动件（3个互成120度的杆件）4.大直齿圆柱齿轮5.小直齿圆柱齿轮6.电机和电机架图3-2四杆机构简图3.2.1剪切夹爪一体式机构夹爪是稳定高效抓取柑橘的关键，夹爪机构简图如图3-1）所示，本文将夹爪设计成两个成120度的关节为更好的对柑橘进行包裹。在两个关节连接处有一个扭簧使关节1在不受滑块和关节2往复运动的影响下一直保持着与关节2成最大角度的状态，保证柑橘是横径纵径最大值的情况下也能实现柑橘的抓取。夹爪设计本文设计的夹爪机构为三个结构全部相同且互成120度角的指关节组成，与滑块形成一个整体构件安装在滑槽中。为了简化运动学模型，因三根手指全部相同，现仅对其中一根夹爪进行运动学分析如图3-3）所示。夹爪设计的长度和柑橘的纵径有关，只有与柑橘纵径长度较为符合才能对其贴合度更高。根据第二章柑橘的几何形状与质量可以得到柑橘纵径最大值71.58mm，最小值68.32mm。又考虑到托盘外边缘有环绕包围的挡板，高100mm，与夹爪配合对柑橘进行更好的采摘。取两个夹爪长度都为60mm，为了更好抓取柑橘两关节之间成120度夹角，指关节2与滑块成60度夹角。图3-3各关节受力分析简图由四杆机构受力分析知滑块的加速度ac，考虑到剪切刀具的材料可以采用普通修剪树枝的高枝剪常用的材料合金钢,大约需要450g。在不考虑滑块自重及其摩擦力的情况下，Fc=mac将ac=160.74m/s2代入可得Fc=72.33N因为关节1与滑块成120°，关节2与滑块成60°由此可得:FA=FB=扭转弹簧选取扭转弹簧安装在二指关节之间，使刀具在剪切结束后由扭转弹簧保持两关节的初始状态。琴钢丝是经铅浴淬火后冷拉而成高强度碳钢弹簧材料的一种，本身具有非常高的强度极限和弹性极限，是广泛应用的最小簧片材质，故采用了琴钢丝为扭簧的主要材质。根据需要的扭转扭簧的情况，属于Ⅲ型弹簧。估计扭簧钢丝长度约为1.8mm，依据机械设计师手册查得可知，材料的𝜎b=1814～2059MPa，弹性模量E=206×103MPa取𝜎b=2000MPa，查得可知许用弯曲应力：σB=0.8σB=0.8×2000=1600MPa经过上述计算可知,工作转矩𝑇2=592N•mm取安装转矩和工作扭转角分别为𝑇1=180N·mm，𝜑=𝜑2－𝜑1=40°图3-4扭转弹簧变形－特性曲线示意图其中，d为扭簧钢丝直径，单位是mm；D、D1、D2分别为中、内、外径，单位是mm；𝑇1、𝑇2、𝑇t为转矩，单位是N·mm；𝜑1、𝜑2、𝜑𝑡为扭转角，单位是°根据查到的机械设计师手册，取旋绕比C=4，则:K=4C2−C−14C通过计算钢丝直径为:d=310.2KT2σ假设直径d=1.7mm；中径D=C×d=4×1.7=6.8mm；取整得D=7mm；内径D1外径D2刚度为:K=T2−T1φ2=T2Kφ1=φ2−φ=60°−40°=20°可计算出工作圈数为:n=Ed4φ2取整，n=7圈。由上述计算可知，选用扭转弹簧的材料为琴钢丝，扭簧的中径是7mm，内径是5.3mm，外径是8.7mm，钢丝直径是1.7mm，工作圈数为7圈。剪切刀具设计因为剪切刀具是与夹爪的手指关节1设计为一体的，当三指夹爪被四杆机构的滑块带动时，剪切刀具亦被同步推进。此时通过驱动装置将力传递到刀具上得到力FA故依据三维模型的刀具俯视图如图3-5）所示将刀具部位进行简化,得到剪切力学模型简图,如图3-6)所示。末端执行器运动时,将FA分解到刀片处,得到剪切力FA1与FA2。对果柄的剪切力记为FK1与FK2,在不考虑内力的情况下,F分解到两侧刀具的力相等且等于果柄的剪切力。图3-5剪切刀具俯视图图3-剪切刀具力学模型由模型得到各力的关系式为FA=FA1+其中,刀具夹角α=120°,且刀具两边对称相等,得夹角β=60°FFA1=FA2=式中FAFA1FA2Fj1Fj2其中,FA为FC在刀具上的表现形式,两者大小相等。滑块所传递到的力FC代入到公式(3.4)中,得到两侧剪切力Fj1=Fj2=62.93N。根据试验测量得到柑橘果柄平均最大剪切力为45.62N,经过计算得到剪切力为62.93N>45.62N,所以能够通过该刀具成功将果柄剪断,采摘下柑橘。3.2.2传动机构本文设计的末端执行器机构中采用齿轮和四杆机构中的曲柄滑块传动。如图3-7)所示为主动齿轮和连杆机构的设计，主动小齿轮与大齿轮啮合带动主动件旋转，使滑块在预定轨道上往复运动，使夹爪机构完成对柑橘的夹取。电机动力传动选取齿轮传动，齿轮传动在传动准确、平稳，机械效率高，使用寿命长，工作安全、可靠，传递的功率和适用速度范围大具有较高优势。电机在通电的情况下会实现自锁功能，保证柑橘夹取在过程不会使柑橘掉落损伤。1.大齿轮2.曲柄3.连杆4.滑块5.小齿轮图3-7主动小齿轮与齿轮连杆传动机构四杆机构长度设计图3-8曲柄滑块简图本文选中的四杆机构为曲柄滑块机构，如图3-8)所示，主动件为AB曲柄，连杆BC，从动件是滑块D。因为曲柄为主动件所以此四杆机构中不存在死点。由第二章所得柑橘横经最大值为69.86mm，并且考虑到剪切刀具的大小，为了保障柑橘被正常夹持，因此设计滑块的最大行程DE为65mm。取托盘直径为200mm则AE为90mm，滑块长度10mm。已知AE=90mm，DE=65mm。假设AB=35mm，BC=50mm。滑块移动至最远和最近行程处时以上述假设的长度仍满足曲柄滑块机构。四杆机构受力分析图3-9曲柄滑块机构受力分析图如图3-9)所示求解滑块C的速度VC和加速度ac，已知角速度𝜔（角速度由电机转速和齿轮传动决定。角速度ω=2πN（3.12）由图可得任意时刻滑块运行距离:CD=AB+BC−ABcosα−BCcosβ且Lsinβ=Rsinα所以sinβ=RLsinα=λsin所以cosβ=1−sin2β(因为14λ4sin4且sin2α=121−所以cosβ=1−14λ21−所以有滑块运行距离:CD=AB=AB1−cosα+14λ滑块速度VC为:V=ωABsinωt+12AB滑块加速度ac为:ac=dVdt=当π=3.14，t=1时,将（5）代入可得ac=160.74m/s齿轮设计本文的执行机构是靠齿轮来传递电机的动力，底盘和托盘是用了六个相同的立柱固定连接，而电机安装在相邻两根立柱之间，相邻两立柱之间距离是65cm。步进电机用于低速场合，一般每分钟不超过1000转，相对于主动件转速快，所以选择大传动比。直齿圆柱齿轮齿廓啮合线是与轴线平行的直线，一对齿廓同时沿齿宽进入啮合或退出啮合。本文抓取目标为柑橘最重90.11g抓取力不大，选取直齿圆柱齿轮作为传动齿轮的啮合条件满足文本要求。齿轮安装位置如图3-10)所示，AB为两齿轮的中心距离为56.33mm。1.立柱2.电机基座3.小齿轮4.大齿轮图3-10齿轮布局俯视示意图根据中心距公式a=1式中：a——齿轮中心距m——模数Z1——小齿轮齿数Z2——大齿轮齿数取模数为1.5时,56.33=1Z1+Z2=75得大齿轮和小齿轮总和为75齿，令Z1为15齿，Z2为60齿。可得传动比i:i=Z2Z1=603.2.3驱动机构驱动机构的存在是为了保证剪切夹爪一体式机构在采摘柑橘过程中顺利地剪切柑橘果柄，使采摘顺利完成。常见的驱动方式有气动驱动，液压驱动、电机驱动。电机驱动在高性能、低价格、低噪音、平稳性好、体积小巧便于安装方面具有良好优势。而步进电机优秀的起停和反转响应使其旋转以固定的角度运行，可以通过控制脉冲的个数来控制角位移，从而达到准确定位的目的。故选用步进电机作为本文的驱动方式。常用步进电机转速范围在几十至1000r/min,考虑到第二章柑橘的力学特性并结合第三章传动机构的设计本文适用的步进电机转速在50r/min范围以内。由传动比i=输出转速/输入转速，可得到四杆机构的输出转速N的范围为200r/min以内。3.3末端执行器工作原理本文柑橘采摘末端执行器工作过程原理如图3-11)所示，末端执行器在初始状态时三个互相成120度角的手指关节处在最大行程位置，并且剪切夹爪机构中两关节互成120度角。在电机的驱动下，小直齿圆柱齿轮与大直齿圆柱齿轮啮合，大直齿圆柱齿轮和主动件旋转，四杆机构运动使滑块带动剪切夹爪机构沿着给定滑槽向中心靠拢，剪切刀具在滑块的带动下使果柄与柑橘进行切割动作，完成柑橘的摘取。柑橘摘取下来后，机械臂将果实放置到储存位置。驱动电机反向转动时，推动滑块往反方向运动。夹爪机构中在扭簧的作用下两指关节所成角度恢复原状态，完成释放柑橘的动作。释放状态切割状态图3-11柑橘采摘末端执行器工作原理示意图第4章基于UG设计三维模型4.1整体结构设计柑橘采摘末端执行器整体结构装配图如图4-1)所示，采用UG软件对末端执行器进行三维建模。图4-1柑橘末端执行器装配简图1．刀具2.角接触球轴承3.托盘4.曲柄5.大齿轮6.立柱7.六角螺母8.六角螺栓9.手指关节110.扭簧11.手指关节212.滑块13.连杆14.滚动轴承15.小齿轮16.电机底座17.电机18.底盘4.2三维模型设计简介4.2.1夹爪部件的三维模型剪切夹爪一体式机构是采摘柑橘的关键部件，将剪切夹爪一体式机构的各个零件进行三维建模如图4-2所示，包括指关节1，指关节2，扭簧，角接球触轴承，滑块等。关节1关节2角接球触轴承剪切夹爪机构装配图图4-2剪切夹爪一体式机构零部件模型4.2.2传动系统与支撑系统的三维模型柑橘采摘末端执行器的传动系统主要包括主动件以及动力传递构件，如图4-3)所示为部分传动机构的三维模型，其中包括滑块，滚动轴承，曲柄和连杆，如图4-4)为曲柄滑块装配图。滑块滚动轴承曲柄连杆4-3部分传动机构的三维模型图4-4曲柄滑块装配图支撑部位也是柑橘采摘末端执行器不可或缺的部分，能够让整个机构能够正常地完成对果柄地切割和果实地收获。如图4-5)所示。图4-5支撑部位装配图4.3总体装配图对各个部位的零件设计已经完成，通过设计思路对各个零件之间进行装配约束如4-7)所示。轴承根据工作要求进行选择：依据载荷方向与转速条件选取轴承，在齿轮转动中滚动轴承的尺寸是10*50*15mm，两关节扭簧之间的角接球触轴承的尺寸是4*10*1mm。为了保证采摘柑橘整个行程的顺利完成，在设计装配剪切夹爪一体式机构时设置的开合宽度需满足柑橘的参数要求，柑橘采摘末端执行器装配体模型如图4-6)所示。图4-6柑橘采摘末端执行器总体装配图(2)(4)图4-7装配约束导航图4.4仿真分析4.1基于ANSYS软件的有限元分析通过理论计算分析可知,设计的刀具可以将柑橘的果柄剪断。实际上考虑到剪切过程中刀具末端的刀片属于轻薄件,剪切刀具是直接接触目标柑橘的果柄，在不损坏柑橘果实的情况下，对柑橘的果柄进行剪切作业，从而达到对柑橘果柄的剪切隔断作用。在剪切过程中，需要频繁的使用夹爪上的刀具对果柄进行切割，本文选用合金结构钢作为刀具的主要材料，故利用有限元仿真软件Ansys对刀具进行静力学分析，验证刀具在频繁剪切果柄的使用中是否出现刀具失效的问题。图4-8刀具静力分析图而通过静力学分析，对刀具施加72.33N的力，如图4-8)所示得到刀具的最大等效应力8.9444Mpa,本文刀具选用的主要材料是合金钢，合金钢的最大屈服强度为800Mpa，小于最大屈服强度，故满足刀具的使用需求。4.2基于UG软件的动力学分析通过UG建立各个零部件的三维模型，在装配约束完成后，对设计的整体三维模型进行动力学分析，验证设计想法是否能够得到实现。如图4-9)所示，将三个剪切夹爪机构分别设立成LOO1-LOO3；三个连杆设立成LOO4-LOO6;大齿轮、滚珠轴承和曲柄设立成LOO7；小齿轮设立成LOO8。齿轮之间是耦合副，滑块采用的是滑动副，其他都是旋转副。图4-9UG仿真运动导航图

第5章设计总结在设计柑橘采摘末端执行器的过程中，本人学到了许多知识，掌握了更多学习方法以及学习途径。深入了解了末端执行器的基本原理和特点。在设计机械结构时，此次论文提出了一个基于四杆机构进行传动的设计方案。该设计想法具有机械结构简单、易于控制、制造成本低等优点。且在柑橘采摘场景中，采摘柑橘时位置和方向会发生不同程度的变化，为了让末端执行器能够适应不同的场景需求，本论文还设计了三指夹爪和剪切刀具相结合，以达到更好的采摘效果和效率。熟悉了末端执行器的机械结构和传动系统设计。在末端执行器的设计中，机械结构的设计是非常关键的，需要结合柑橘的物理特性，如柑橘的大小、形状和生长状态等，以及现场环境对末端执行器稳定性的要求。同时，传动机构的设计也非常重要，需要实现良好的运动传递和任务规划。在此次设计过程