农业机械化及其自动化.docx

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农业机械化及其自动化

本科生毕业论文（设计）

题目:

基于Pro/E和ADAMS的苹果采摘机械手的仿真分析

南京农业大学教务处制

目录

摘要.................................................................2

关键词...............................................................2

Abstract.............................................................2

Keywords.............................................................2

1引言3

1.1选题的背景3

1.1.1本课题的研究意义及概况3

1.1.2采摘机械手应用前景4

1.2课题的研究内容及方法4

1.2.1课题的研究内容4

1.2.2课题的研究思路5

2苹果采摘机械手的建模5

2.1苹果的生长特性介绍5

2.2苹果采摘机械手方案的选择6

2.2.1第一种方案的分析6

2.2.2第二种方案的分析7

2.2.3第三种方案的分析7

2.2.4第四种方案的分析8

2.2.5确定本课题方案9

2.3机械手结构的设计10

2.3.1三维建模软件10

2.3.2创建装配体11

2.4传动机构的结构简图及分析12

3机械手的仿真分析14

3.1仿真分析软件介绍14

3.2模型导入及建立约束14

3.2.1模型的导入14

3.2.2实体质量属性的添加15

3.2.3模型约束的建立15

3.3机械手的仿真16

3.4仿真结果的后处理16

3.4.1绘制仿真曲线及进行优化分析16

3.4.2产生仿真结果的动画AVI文件18

4结论19

4.1主要工作及成果19

4.2展望19

致谢19

参考文献:

19

基于Pro/E和ADAMS的苹果采摘机械手的仿真分析

农业机械化及其自动化专业学生张耀龙

指导老师姬长英

摘要：

本文介绍了国内外农业机器人的发展概况和采摘机械手的应用前景。

通过对多种不同结构机械手的优缺点分析，提出了一种结构简单、操作方便的机械手结构。

利用三维建模软件Pro/Engineer进行机械手各零部件的设计，并将其组装成一个完整的机械手。

将机械手装配图导入仿真分析软件ADAMS中进行机械手的仿真。

运用求解器模块Adams/Solver进行机械手的静力学、运动学和动力学运算。

利用后处理模块Adams/Postprocessor进行仿真视频和各种数据曲线的输出。

通过对仿真结果的分析，对苹果采摘机械手的研究方向提出了展望。

关键词：

机械手；Pro/E；三维建模；ADAMS；仿真；

SimulationofApplePickingManipulatorbasedonPro/EandADAMS

StudentsmajoringinAgriculturalMechanismandAutomationZhangYaolong

TutorJiChangying

Abstract:

Thispaperintroducedtheoverviewofthedevelopmentofagriculturalrobotsandtheprospectofpickingmanipulat.Bycomparingthestructureofdifferentrobots,analyzingtheadvantagesanddisadvantages,akindofmanipulathasbeenputforwardwhichhasasimplestructureiseasilyoperated.Allthepartsoftherobotmanipulatweredesigned,assembledwiththehelpofPro/Engineer.AfterleadingtheassemblingdrawingintothesimulationsoftwareofADAMS,thesimulationwasmadethroughAdams/View.Thestatics,kinematics,dynamicscomputationwerecarriedoutwithAdams/Solver.ThesimulationvideosCurveDataofsimulationwereobtainedwiththehelpofAdams/Postprocessor.Byanalyzingtheresultsofthesimulation,theprospectofapplepickingmanipulatresearchwasgiven.

Keywords:

manipulator;Pro/E;M-3DM;ADAMS;simulation

1引言

1.1选题的背景

1.1.1本课题的研究意义及概况

果品采摘作业是水果生产链中最耗时、最费力的一个环节。

采摘作业季节性强、劳动强度大、费用高，因此保证果实适时采收、降低收获作业费用是农业增收的重要途径。

由于采摘作业的复杂性，采摘自动化程度仍然很低。

目前，国内水果采摘作业基本上都是人工进行，其费用约占成本的50%~70%，并且时间较为集中。

采摘机器人作为农业机器人的重要类型，其作用在于能够降低工人劳动强度和生产费用、提高劳动生产率和产品质量、保证果实适时采收，因而具有很大发展潜力。

21世纪是农业机械化向智能化方向发展的重要时期。

随着农业生产的规模化、多样化和精确化，农业生产作业要求逐渐提高，许多作业项目（如蔬菜和水果的挑选与采摘、蔬菜的嫁接等）都是劳动密集型工作，再加上时令的要求，保证作业质量成为关键问题；同时，工业生产发展迅速，农业劳动力将逐渐向社会其他产业转移；随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，农业生产成本也相应提高，这样大大降低了产品的市场竞争力[1]。

国外农业机器人发展迅速。

自1983年第1台西红柿采摘机器人在美国问世以来，采摘机器人的研制和开发得到了快速发展（如图1所示）。

法国、荷兰等国家相继立项研究了采摘苹果、柑橘、西红柿、西瓜和葡萄等智能机器人。

日本近年在收获机器人的研究方面进展很快，目前已经研制出番茄、黄瓜、葡萄、柑橘等水果和蔬菜收获机器人，但技术不太成熟，还没有真正实现商业化。

我国在农业机器人领域的研究始于20世纪90年代中期，上海交通大学机器人研究所的曹其新、刘成良等人完成了智能化联合收割机样机的研制。

南京农业大学沈明霞和浙江工业大学张立斌等人正在进行农业机器人视觉方面的研究。

2001年，张瑞合等运用双目立体视觉的方法研究了番茄收获中果实的精确定位问题。

采摘机器人是未来智能农业机械化的发展方向，具有广阔的应用前景[2]。

图1水果采摘机器人图2番茄采摘机械手结构简图

1.1.2采摘机械手应用前景

机械手又称操作机,是指具有和人手臂相似的动作功能,并使工作对象能在空间内移动的机械装置,是机器人赖以完成工作任务的实体.在收获机器人中,机械手的主要任务就是将末端执行器移动到可以采摘的目标果实所处的位置。

日本冈山大学研制出一种具有7个自由度的西红柿收获机械手[3]（如图2所示）。

收获作业是一项劳动强度大、消耗时间长、具有一定危险性的作业。

研究开发适合目前生产实际的果蔬果实收获机器人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[4]。

果蔬收获是一个季节性强的劳动密集型工作,由于劳动力的高龄化和人力资源越来越缺乏,采用机器人进行果蔬的自动化收获变得越来越迫切.但由于收获机器人的工作环境往往是非结构性的、未知的和不确定的,因此给机器人的实际应用带来了很大的困难.要成功地实现机器人的智能化收获,必须要在机器人的本体设计、果实的自动化识别和定位、机器人运动规划和控制技术等方面进行深入的研究[5]。

本课题的研究主要是运用Pro/E软件设计出一种结构简单小巧的苹果采摘机械手模型，然后导入到ADAMS机械系统动力学自动分析软件中。

利用已有的模块对此机械手进行多项内容的模拟仿真。

因此，收获作业所必需的采摘机械手的仿真分析同样具有非常广阔的应用前景。

仿真设计集多种设计方法于一体,在虚拟的环境下,综合运用多种设计方法,通过添加运动、约束、力、碰撞等,对该机械进行运动和动力仿真模拟,不仅能在虚拟的环境中看到机械手的运动方式,并且用动画、图形、数据等多种形式输出零部件的轨迹、速度、加速度、作用力、反作用力等运动和动力参数,获得的设计数据和真实的情况基本一致,克服了传统设计在农业机械手设计中的弊端,使农业机械手的设计能达到很高的要求[6]。

1.2课题的研究内容及方法

1.2.1课题的研究内容

本课题研究的主要内容是在已有的研究成果的基础上，了解苹果采摘机械手结构设计的基本方法，基本原理及遵循的规则等。

通过三维制图软件Pro/E设计出结构简单、操作便捷、经济效益好等方面的要求。

由于机械结构直接决定机器人运动的灵活性和控制的复杂性，所以机器人必须紧凑,行走、转弯灵活,同时还要保证机器人运动平稳和灵活避障.设计末端执行器时,要求准确快速切除果实并确保不损伤果实.同时,还必须进行机构的运动学和动力学分析,运用优化的观点来设计机器人结构[7]。

在对所设计的苹果采摘机械手进行仿真的基础上，还可以通过对仿真结果进行分析，以对机械手加以改进，为以后实物的制造给予指导性作用。

评价机械手的结构性能参数主要有工作空间、可操作度、位置多样性、冗余度等。

末端执行器必须根据对象的物理属性来设计,包括形状、尺寸、动力学特性（如抓取力、切割力、弹性变形、光特性、声音属性、电属性等）;水果的化学和生物特性也必须考虑.末端执行器的性能评估指标一般有:

抓取范围、水果分离率、水果损伤率等。

1.2.2课题的研究思路

1.研究苹果的生长特性和采摘方式。

2.分析国内外已有苹果采摘机械手的结构形式及其优缺点。

3.使用三维建模软件Pro/E，将自己设计的机械手用Pro/Engineer进行建模，并构建初步的运动约束。

4.将Pro/E设计的苹果采摘机械手三维图形保存为ADAMS能够识别的文件，该过程是实现ADAMS对机械手进行仿真的基础，也是对机械手进行分析、优化的关键所在。

5.运用仿真分析软件ADAMS中模块对机械手进行各项仿真，如手指开合的角度，角速度，稳定性，运动轨迹等。

6.输出仿真结果并进行一些简单的分析，提出了改进方案。

2苹果采摘机械手的建模

2.1苹果的生长特性介绍

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%的花座果较为理想。

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，但通常圆形，直径50～100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3～5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