毕业设计（论文）-（草莓柑橘番茄苹果芒果）智能采摘机器人设计

种植的发展.因此有必要进行智能采摘机器人研究.来替代人来完采摘机械手臂.五个自由度分别为：腰转、肩构建了采摘机器人、末端执行器的三维模型.还生成了相harvestingrobot,insteadofpeopletocompletethetime-consuharvesting.Strawbercontroltherobotactuator,realizThispaperdescribconditions,calculateapickingvehiclebody,puttheendeffectorandthemec 1 1.3采摘机器人国内外发展状况 2 1.4研究的目标和内容 31.4.1研究目标 1.4.2研究内容 33采摘机器人五自由度机械手臂设计 43.1采摘机器人机构选型原则 43.2机械臂的设计 53.2.1设计要求 3.2.2机械手臂的选择 3.3机械手手腕的设计 63.3.1手腕设计的基本要求 3.3.2采摘机械手手腕的结构型设计 3.4机械手的结构型式 73.5机械手运动学方程的建立 83.5.1正运动学模型 3.5.2逆运动学模型 4采摘机器人末端执行器设计 4.1末端执行器介绍 4.2末端执行器的分类 4.2.2两个以上手爪的末端执行器 4.3夹持式末端执行器的选型 4.3.1夹持式末端执行选择的基本要求 4.4末端执行器的结构型式和工作原理 4.4.1整体结构 4.4.2工作原理 4.5主要部件设计 4.5.1传动部分设计 4.5.2抓取和切断机构设计 5结论与建议 5.1结论 5.2工作展望和建议 参考文献 采摘机器人机械结构设计在世界绝大多数地区都有种植.因其甜美欢。其中我国种植面积达10万公顷。然而为了保证的外观品质和营养价值.必日本率先研制出以高架栽培为种植模式的采摘机器人[1].Kondo等人于2010年研制的采摘机器人单循环作业用时11.5s.采摘成功率约41.3%。国内徐丽明、张铁中等摘机器人机械本体、机械手臂和机末端执行器进行研究并设计模型.1.2工作环境和作业要求一段果柄与垄侧壁有10～20mm间隙.相邻两垄间为宽度约500mm的垄沟(图1-1)。1垄沟2地垄3果柄4果实5垄侧面1.3采摘机器人国内外发展状况1.3.1国外研究现状国外自动化采摘设备发展十分迅速。自从1983年在美国诞生了第一台西红柿采摘机器人.采摘机器人的开发和研究已经有二十多年的历史.期间摘苹果、柑桔、西红柿、西瓜和葡萄等机器人相继在日本和欧美等多家研制成功。对于采摘机器人的研究.目前处于初级阶段。1)日本Kondo等人针对的不同栽培模式(高架栽培模式和传统栽培模式)研制EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up9(出了),人采)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up9(越),机)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up9(来),械)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up9(越多地采用),手采用真空)割器组成。收货时.由视觉系统计算采摘目标的空间位置.接着采摘机械手移动到预定位置.机械手向下移动直到把吸入；由光电开关检测的位置.当位于合适位置时.腕关节移动.果梗进入指定位置.由切割器旋转切断果梗.完成采摘。2)

日本宫崎大学研制设计了高地隙跨垄作业4自由度的收获机器人[5]。该机器人采用两个CCD照相机获取的图像.计算出的中心方向.用激光传感器测量手爪到的距离.通过采用两个直的手指来抓取果柄.避免了对果实的伤害。采用切刀切断果柄。1.3.2国内研究现状1)选果机[6]。析木县农业试验场开发了非常实用的选果机。该设备可根据每一个的含糖量和果实大小进行选择.并可以把选好的装入塑料袋内.整个过程是全自动作业.每小时可分选5300多公斤。南京农业大学运用双目立体视觉技术.对图像的二维直方图进行腐蚀、膨胀、去除小团块.用拟合曲线实现2)浙江大学梁喜凤等人对采摘机器人的机械手做3)中国农业大学应用图像的彩色模型中的特定通道信息.对成熟进行了识1)没有设计出合理的末端执行器.抓取过程中容易损伤的果皮；3)采摘效率不高.误差大。1.4研究的目标和内容1.4.1研究目标1)研究结构合理.柔韧度高.不伤果皮的末端执行器；2)研究结构筒单.覆盖范围广的机械手臂；3)制定出高效的采摘方案.使采摘效率要高于人工采摘效率。1.4.2研究内容1)机械本体设计；根据上述工作环境和作业要求.栽培温室具有温度高、沟垄窄而面不1)温室大棚中农民行走的路面较窄.若采用气动或液2)为了提高生产效率.温室的种植情况.如垄面宽、垄沟尺寸.且可能比标准尺寸更小；同时沟面不平整。因此.在沟面不平整本设计采用跨垄四轮行走机构.其实物如图2-1所示。本体设计以步进电机作为动力装置.根据驱动器发出的脉冲信号驱动机器人沿沟垄前进。在机身手臂.用伺服电机作为动力源.根据驱动器发出的脉时在机械手下方安装一个小框.用于放置果实.在设定好的时间内装满后.由工作人员3采摘机器人五自由度机械臂设计选择。因此本文将机械手分两个模块来进行选型和设计.即手手腕的作用是在机械手臂运动的基础上进一步改变3.1采摘机器人机构选型原则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(图3-1).其具体(1)直角坐标型：其外形轮廓与数控镗铣床相似.3个关节都是移动关节.关节轴线(3)极坐标型：具有两个转动关节和一个(4)关节坐标系：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(a)直角坐标型(c)极坐标型(b)Cylindricalcoordinat(d)Jointcoordinatest2)基于具体的采摘要求.机械手要具有较好的采摘能力。包括：(1)最优的工作空间。工作空间越大.采摘范围越广.通用性也就越好。置.机构不能运动等问题。在满足要求的前3.2机械臂的设计3.2.1设计要求到腕部、手爪和的静(动)载荷.引起电位准确性。机械手手臂的机构形式的设计要1)手臂的结构和尺寸应该满足采摘时作业空间的要求。作业空间的形状和大2)根据手臂承受的载荷和结构的特点.合理选择手臂的材料；3)机械手手臂的运动速度要高.惯性要小。采摘机械手的设计一方面要考虑机器人本3.2.2机械手臂的选择选择的是多关节机械手臂。由于机械手采摘的形状近似为点和作业目的.确保机械手在作业时的合理性。图3-2是这种机械手手臂的关节构成。3.3机械手手腕的设计机械手手腕是连接机械手手臂和末端执行器的装置.它的作用主动的基础上进一步改变末端执行器在空间的方位.在扩大机械1)结构要紧凑、重量要轻手腕位于机械手手臂的末端.手腕的设计直接会影响到手臂的机构和运转性能。为使得手臂的承受载荷减2)转动灵活、合理选择自由度手腕的自由度越多.末端执行器的动作灵活性越高.整个采摘机器人对采摘的适应性越好。但是自由度3)合理布局，手腕是连接手臂和末端执行器的机构.它同时也起到了支撑两者的作3.3.2采摘机械手手腕的结构型设计机械手的腕部直接连接末端执行器和手臂.起支撑作用.为使得空间的任意位置.理论上腕部实现对空间三坐标和YZ平面的回转。也就是说手腕部具有独立的自由度。在实际设计的过程中.基于柄.同时有一个镍铬电热丝切割果柄。这一系列的动作需要手腕有两个自由i轴和绕j轴的两个回转运动。即手腕有腕转和腕摆两个自由度。3.4机械手的结构型式通过机械手手臂和手腕的型式说明.选取3个自由度的机械手的手臂和两个自由度的手腕进行配合.得到采摘机械手的机构型式。以及采摘的工作效率方面都是比较好的。选择5个自由度的机械手.会让末端执行器的动作更加灵活.使得它能够绕开障碍物进行采摘作业。具体结构型式见图3-3.3.5机械手运动学方程的建立机械手运动学主要是研究末端执行器、各个运动构件的位置姿态和各个关节变量之间的联系。因此考虑机械手的运动要从两个方面说明.即正运动学和逆运动学。正运动学是指先给定机械手各个关节的位移、速度、加速度然后求解各个杆件和末端执行器的位置和姿态。逆运动学指的是先给定杆件和手爪的位置然后求解所需要的关节变量的位置、速度和加速度等。求解这两种运动学问题多采用齐次变化法和向量法等本文以设计个自由度机械手为例.简单说明正运动和逆运动学解析方法[12]。3.5.1正运动学模型为了描述采摘机械手各个连杆的特征参数以及相互之间的运动关系.采用Denavit-Hartenberg(简称D-H矩阵：笛卡尔坐标系的齐次坐标变换矩阵)方法设定杆件的坐标系.图3-4为采摘机器人机械手的结构以及各个连杆的坐标系。各个连杆的编号是从底座到末端执行器依次为0.1.2.3.4.5。0d10020030040500在建立采摘机械手正运动学模型的时候.可以把采摘机器人机械手手臂看成是由一系列关节连接起来的连杆构成的。为每一个连杆建立一个三维坐标系.并用齐次变Ca;:cosαi-1Sa₁-1:sinα-则采摘机器人机械手运动学方程为：n=[xny.nz].o=bx.0y.o₂],a=ax,ay,az].则在基座坐标系中的位姿可以用下面的矩3.5.2逆运动学模型图3-5是本文设计的垂直多关节型5自由度的采摘机器手连杆的几何关系。此机械手上下臂等长.设为1。手爪中心位置P的坐标设为(Px,Py.Pz).腕部旋转中心B的坐标设图3-5机械手连杆几何关系从而得到机械手的重量为24.884kg,可以达到以腰关节为圆心.半径为1713mm的半圆为采摘范围。同时也展示了机械手张开采摘与折叠收缩放入框中的位姿.如图3-7和3-8所示。4.1末端执行器介绍为了提高机械手的采摘效率.机械手的机构设计要合理并能有效的控制.但是要顺利4.2末端执行器的分类式、气动式和电动的几种形式。传动装置通过滑槽、斜楔、齿轮齿条和连杆机构实现加紧和松开。央持式手部一般是由转动副和移动副组成的机构.它可以实现手爪的单纯回转、单纯的平移。因此夹持式手部分平移型和回转型两种方式。4.3.1央持式末端执行选择的基本要求1)应具有适当的央紧力和驱动力机器人手部机构靠手爪夹紧作业对象并进行采摘.最后将采摘对象移送到目标位置。由于本身的重量以及在机械手动作过程中产生的惯性力和振动等.机器人的手爪必须要有足够的夹紧力.才能防止在作业过程中不会滑落。因此末端执行器手爪的夹紧力大小要合适。末端执行器的驱动装置应该有足够的驱动力。一般情况下.机械手爪的夹紧力为作业对象的两到三倍。在一定的夹持力的情况下.机构传动比不同.所需要的驱动力的大小也是不同的。2)手指要有一定的开闭范围手指具有足够的开闭角度或开闭距离.以便在采摘果实的时候能够顺利的采摘和松开果实；另外手爪夹持中心位置变化要小。3)保证果实在末端执行器手爪中的夹持的精度为使采摘对象和采摘机器人的手爪保持准确的相对位置.必须根据作业对象的形状选择相应的手爪形状进行定位。4)末端执行器的结构要求紧凑、重量轻、采摘的效率高.并且要确保本身的刚度和强度。4.4末端执行器的结构型式和工作原理4.4.1整体结构整体结构如图4-1所示.末端执行器全长309mm(机械手爪顶端到回转底座).主要包括一个伺服电机.一套曲柄滑块机构.一个镍铬电热丝.二个机械手爪.二个橡胶垫片。4.4.2工作原理由机器人本体上的视觉定位系统定