水果采摘机械手装置设计与仿真.docx

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水果采摘机械手装置设计与仿真

水果采摘机械手装置设计与仿真

摘要

近年来，随着全国经济的持续发展，人们对果蔬的需求越来越大。

在我国的果蔬生产中，柑橘生产所的占比重日益增大。

而在整个柑橘生产活动中，柑橘的采摘所占的工作量十分巨大。

除此之外，水果采摘质量的好坏还将直接影响到水果的保鲜储藏，运输配送等后续工作，并最终将严重影响到经济效益。

如果继续延续原始的手工采摘，不仅工作环境十分的艰苦，效率低下，而且水果采摘质量也得不到保障，更甚至时有采摘工作者在采摘过程中因为环境的复杂不小心从树上摔下而受伤的事故发生。

为了适应当代果蔬经济的发展，设计一种多自由度，满足工作空间的小型柑橘采摘机械手对实现农业自动化和提高经济效益具有重要意义。

根据柑橘生产活动中完成果实采摘整个过程的的具体条件，首先运用所学知识进行机构尺寸的设计；然后创新设计内嵌式关节采摘机械手所有零部件的具体合理尺寸；再按照设计的零件图通过Pro/E三维造型出机械手的所有零部件；接着根据机械手的工作方式选择合理的连接方式并通过创建合理约束完成机械手的装配；最后通过选用Pro/E中的机构模式，经过旋转轴的自定义，伺服电机的添加，定义初始条件等完成机械手的运动仿真。

关键词：

柑橘采摘机械手，内嵌式关节，Pro/E三维造型，运动仿真

Abstract

Inrecentyears,withthecontinuousdevelopmentofeconomy,theproportionofcitrusproductioninfruitandvegetableproductionisgrowinginourcountry.Intheentirecitrusproductionactivities,theworkloadofcitruspickingisverybig.What’smore,thequalityoffruitpickingwilldirectlyaffectthefruitstorage,transportationandotherfollow-upwork,whicheventuallyhasseriousinfluenceontheeconomicbenefit.Ifwecontinuetousetheoriginalmanualpicking,notonlyworkingenvironmentisverydifficult,workinginefficient,butalsothequalityoffruitpickingisnotguaranteed.what’sworse,thefruitpickingworkersmaybefellfromthetreesandinjuredaccidentallybecausetheenvironmentisverycomplexintheprocessofpicking.Inordertoadapttothedevelopmentofcontemporaryeconomicfruitandvegetable,it isofgreatsignificancetoagriculturalautomationrealizedandimprovingtheeconomicbenefitthatdesigningakindofsmallcitruspickingmanipulatorwiththefeaturesofmulti-degreeoffreedomandsatisfiedtheworkingspace.

Accordingtothespecificconditionsofthewholeprocessoffruitpickingincitrusproductionactivities,atfirst,usingtheacquired knowledgetocreativelydesignallpartsofembeddedcitruspickingmanipulatorjointswithreasonablesize.ThenaccordingtothedesignofthepartdrawingshapesallpartsofthemanipulatorthroughthePro/E3dmodelingsoftware.Nextchoosingthereasonableconnectionaccordingtotheworkingsofamanipulatorandcreatingareasonableconstrainttocompletetheassemblyofthemanipulator.Finally,throughchoosingmechanismmodelinPro/E,aftertheaxisofrotationofthecustom,theaddingoftheservomotoranddefinedtheinitialconditionstocompletethemotionsimulationofthemanipulator.

Keywords:

citruspickingmanipulator,embeddedjoints,Pro/E3dmodeling,motionsimulation

第一章绪论

1.1前言

近年来，随着全球经济的发展，果蔬供应需求日益增大。

作为一个多类型果蔬生产的大国，果蔬的生产对全国的农业乃至国家的经济发展有着不过或缺的重要作用。

为了适应时代的需求，在国家的鼓励号召下，全国大部分的果蔬生产已经成功进行了转型，由原来的小型散户种植变成了更加科学化，规模化，可控化的果蔬种植园，而全国果蔬的生产总量也得到了量和质的突破。

可是相对经营方式的成功转型，在果蔬生产活动中，几乎占整个生产活动工作量40%的水果采摘却在很大程度的扼制着全国果蔬经济的发展。

大量人力资源的投入不仅生产率没得到保障，就连生产质量也是不尽人意，而且艰苦的工作条件常使采摘人员工作中图中发生意外，导致人员受伤。

为了提高果蔬采摘的效率，解放劳动力，保证水果采摘的质量，设计一款轻巧，灵便，满足工作条件的水果采摘机械手变得迫切且意义重大。

1.2机械手的介绍

机械手是人们为了完成某些特定的生产活动，通过观察人类手臂的移动和手掌的抓举仿生设计出来的可控的机械系统，其一般包括由实现灵活移动的移动机构（手臂）和实现最终生产活动的执行末端（手掌）组成。

机械手的灵活程度在很大程度上取决于机械手的自由度数和控制系统。

自由度越多的机械手一般运动起来更加的灵活，人类的整个手部就是一个具有二十多个自由度的精巧结构。

不过自由度越多，机械手控制起来就会变得越复杂，而人类之所以能够灵活的使用自己的手，是因为有上亿神经系统的精密控制。

所以在设计机械手时，合理的选择机械手的自由度和完善控制系将决定它最终的成败。

1.3水果采摘机械手研究概况

水果采摘机械手的研究是当今农业机械研究的一个热点。

为了提高生产，解放劳动力，实现农业自动化和智能化程度的进一步提高，世界各国在这方面都投了大量的人力物力资源等，也取得了一定的成就。

1.3.1国外机械手的研究概况

在德国，美国，法国，韩国，日本等发达的国家，随着产业多样化，国际化，以及农业生产工作性质等原因，农业生产活动劳动力不足远比其它行业来的严重。

为了解决劳动力分散不均匀，保障生产，提高人们的生活质量，各个国家都不断研发出了一些农业机械手。

例如美国在1883年成功研制了世界上第一台西红柿采摘机械手；1987年研制出了对于树冠外的果实分辨率很高于的柑橘采摘的机械手。

韩国在1998年也开发研制了一种利用传感器的识别专门用来采摘成熟果实的苹果采摘机械手，图1-1。

而且该装置还可以比较轻松的在果园里自由移动，工作空间范围较广。

而作为新兴的发达国家的代表，日本在农业机器人研究方面更是全面且多方位。

例如为了喷洒农药专门设计出来的喷农药机器人，传感器的加入使它能自动的喷洒农药。

还有为了嫁接特意设计的机器人，极速的嫁接成倍的提高了生产效率。

施肥机器人利用橡皮做成的四个超窄轮子可以做到在在狭窄的作物间行走。

人机协作型机器人则是通过人与机械手的共同协调作用来完成水果采摘的。

在采摘过程中，通过用人来完成定位与机器的导航的任务，而其它的工作（例如：

关节的转动，末端执行机构等）则是由机器人精准控制来协调完成。

图1-1苹果采摘机械手

除此之外，日本还研究了西红柿，葡萄，草莓，黄瓜等一系列的水果采摘机器人，如图1-2。

西红柿采摘机器人草莓采摘机器人

黄瓜采摘机器人葡萄采摘机器人

图1-2

1.3.2国内机械手研究概况

作为一个果蔬生产大国，中国虽然在农业机械自动化方面晚起步于其他发达国家，但是先天的不足不能扼住奋发的国人。

1997年，东北林业大学教授陆怀民以液压为驱动，配合以单片机控制系统，成功的研制出了松木球果实采摘机器人。

果实采摘作业时，由底部的行走机构带动五自由度的机械手靠近果树，然后由控制系统控制液压缸实现大小臂的俯仰从而实现果实的精确采摘。

2001年，针对番茄采摘采摘过程中定位不精准的问题，张瑞合等人巧妙地运用双目立体视觉的办法成功的解决了这一大难题。

2005年，梁喜凤苗香雯等人针对番茄机械手的机械运动特性问题成功的进行了结构的优化的运动的仿真。

而近年来，随着国家对农业的重视和资源投入加大，作为农用机械的一大热点，机械手更是有了质的优化和跨越，不过面对复杂多变的工作环境，机械手的研究依旧任重而道远。

1.4目的和意义

在当今日新月异的社会浪潮中，社会生产种类日益多样化。

为了适应时代的发展，实现生产自动化，各种机械手已经逐渐替代人工劳动力出现在不同的工作岗位上。

其目的和意义:

一、将人类从枯燥单调的社会生产活动中解放出来。

随着社会的发张，为了更好的管理，促进生产发展，果园种植生产活动的许多劳动力越来趋于专业化和模块化，长时间的单一重复的工作不仅很容易使人疲劳，而且长就的往往会给人带来一定的身体伤害，用机械手代替劳动力，可以将人类从枯燥单调的社会生产活动中解放出来。

二、代替人类劳动力从事危险的社会生产活动。

水果采摘作为一项户外生产活动，往往会存在着一些不可预知的危险，实施人工采摘容易发生意外事故。

而且经济的发展不断的刺激着人类对未知环境以及事物的探索，可是未知的环境往往隐藏着许多不为人知的危险，贸然投入人力，很容易发生意外，导致人员受伤。

而机器人机械手的投入使用可以提前将那些隐藏的危险提前触发或者发现，更甚者可以提前排除那些隐藏的危险，为工作人员的进一步工作提供良好的环境。

三、极大的提高生产效率。

生产效率的保证是一项社会生产活动健康进行的重要指标。

为了保证效率，许多果园往往会投入大量的人力资源以及出台一系列的政策去刺激生产。

可是大量劳动力的投入往往并不意味着生产率的提高，而由于人的作息问题，生产政策的出台往往也只能短期时间内起到刺激生产的作用，根本不能从根本上解决问题。

而机械手的投入使用却可以从根本上完美的解决这个问题，长时间精准的运转不仅极大的提高了效率，而且采摘质量也得到了保证。

第二章柑橘采摘机械手的结构设计

2.1柑橘采摘机械手的系统构成

为了实现柑橘果实采摘活动，并在满足工作条件的情况下有尽可能大的工作空间，机械手必须满足俯仰，旋转等运动，所以机械手必须是多自由度的。

图2-1为其简易结构示意图。

图2-1柑橘采摘机械手简易结构示意图

在图2-1中，1是控制计算机；2是底座；3是腰部；4是大臂；5是小臂。

在采摘过程中，机械手在伺服电机的带动下，通过腰部的旋转，大小臂的俯仰将机械手的末端定位到所需要采摘的柑橘位置，然后通过末端的执行机构实现果实的采摘。

2.2柑橘采摘机械手的材料选定

在柑橘采摘的整个生产活动中，由于机械臂并不需要受很大的力，为了更好的适应复杂的果园环境整体机构尽量灵巧轻便，另外考虑到制造的成本问题，综上几点，选择密度相对较低，但强度较高的铝合金为制造机械手的材料。

以下是几种型号铝合金的性能参数表2-1：

表2-1铝合金性能参数表

牌号

屈服强度

拉伸强度

密度（20℃）

2024

325

470

2.82

5052

195

175

2.72

5083

211

180

2.72

6061

276

310

2.73

7050

455

510

2.82

为了满足机械臂对强度的要求以及尽可能的是机械手轻巧，优先选牌号为6061的铝合金作为机械手的材料。

2.3机械手大小臂长度的确定

2.3.1机械手大小臂长度的确定

柑橘作为南方特有的一种常绿小乔木，树高通常在近两米左右。

在果园种植时，一般采取4×6m的种植间距，且经过科学修剪，果实一般都结在距地面一米到两米的范围之内，如图2-2。

在使用机械手实施采摘生产活动者，为了能成功采摘到树上的果实，机械手必须满足一定的尺寸要求。

参考国内外果实采摘机械人的成功案列，先大致确定机械手大臂长度L1=600mm,小臂长度L2=500mm

图2-2果园柑橘种植

2.3.2基于果园环境的机械手CAD模拟

模拟原则：

假设机械手是安装在履带式的行走机构上，在采摘过程中，当行走机构带着机械手靠近果树边沿时，要使机械手能成功采摘到果树上的所有成熟果实，在腰部旋转机构固定时，必须使其工作空间能够覆盖其半剖面，如图2-3。

图2-3果实分布图

根据柑橘树的径冠具体参数，确定图2-3中，A点坐标（1100，1000），B点坐标（100，0），C点坐标（1100，0）。

（单位：

mm）

模拟过程：

（1）在CAD工作空间内，先假设机械手的初始位置，大臂与横坐标轴的初始夹角为零，小臂与纵坐标的初始夹角为60°。

（2）初步假设关节处电机的转角范围均为180°，并以各关节处为原点，先以大臂长为半径画半圆即大臂的运动范围。

（3）在大臂运动范围，让大臂绕原点（关节1）逐次均匀转动一定角度，然后在各个角度让小臂绕关节2画半圆（小臂运动范围），最后得出机械手末端的运动范围。

（4）将步骤三得出的机械手工作空间向上移动一定高度（h=1000mm），得出机械手最终的总工作空间，图2-4。

图2-4机械手CAD模拟

结果分析：

经CAD模拟，机械手的最终工作空间

，果实

的分别空间。

由上图2-4可知，

可完全覆盖

，所以杆长L1=600mm,L2=500mm满足要求。

2.4机械手关节处伺服电机内嵌式创新

进几年以来，随着果蔬采摘机械手领域的飞速发展，目前市面上以及实验室已经研究设计了不少种类的用于果蔬采摘的机械手，不过由于果蔬采摘机械手为小型机械手而普通伺服电机普遍转矩小而外形尺寸参数偏大，外加考虑经济的原因，所以很多机械手关节设计任就为传统的伺服电机加减速增力装置（减速器）外悬式的设计，如图2-5。

可是传统的外悬式关节设计不仅使机械手看起来变得不协调，更笨重，而且在复杂的果蔬采摘环境中也容易成为障碍，不利于成功完成水果采摘，有违机械手需灵活轻巧的基本原则。

而如果能设计一种将伺服电机内嵌于关节内部的机械手，不仅可以大幅减小机械手的体积使机械手整体看起来更加小巧精简，而且可以避免外悬的伺服电机在机械手采摘过程中与果树枝丫发生不必要的碰撞，即保护了伺服电机，又保证了机械手水果采摘的顺利进行。

综上考虑，本次设计着重点再设计一种结构对称且伺服电机内嵌式的关节在机械手。

苹果采摘机械手西红柿采摘机械手

图2-5外悬式机械手

2.5电机的选定

2.5.1电机种类的选择选择发

在当今的机械手领域，根据机械手在运行时驱动方式的不同可大概的分为液动，气动，电动式等几大类。

而且每种类型的机械手等都有着各自的优缺点。

液压式的机械手通常都操作起来动作平稳且具有强大的抓举力，一般用于执行无法替代的繁重生产活动。

不过液压类型的机械手由于液压缸的加入普遍都比较笨重且对液压缸等零件的制造精度要求较高。

气动式的机械手一般机构简单造价较低，不过抓举力一般较小且难以进行控制。

而相对于前两大类专用型的机械手，具有较大驱动力矩以、响应速度快以及灵活可控性的，综合性能较强的电动式机械手才是社会生产中使用最多最广泛的一种，它在械手领域占据了重要的地位。

而在就目前所有的电动式机械手中，驱动电机又分步进电机和伺服电机两大类。

步进电机是一个通过将电流中的脉冲信号转为角位移来工作的开环控制电机件，精度由电机的相数和拍数决定且电机不具有过载能力；伺服电机也叫执行电机，是一个将电信号转换成速度或者角位移输出的闭环电器件，精度取决于编码器的线数而且具有较强的过载能力。

在开启时，步进电机响应速度慢并在运行过程由于开环控制会发生过冲或丢步现象，而闭环的伺服电机不仅开机响应迅速，而且不会有这种现象发生，更利于精准控制。

在水果采摘中，为了能成功采摘形状不规则果树上的果实，需要机械手能精准的定位并实施采摘，所以选择驱动方式为伺服电机驱动。

2.5.2电机规格的选择

在使用机械手进行柑橘果实采摘时，为了能准确、高质量的采摘到果树上的果实，机械手必须先通过大小臂以及旋转底座协调的运转一定角度将进行最后柑橘采摘的执行末端移动到果实位置，而要实现这一过程，则要求各关节处的电机转矩必须要大于各部件作用在各关节处的转矩总和。

大小臂连接处伺服电机2的选择：

在机械手进行柑橘采摘过程中，为了使小臂能实现自由俯仰，电机2必须克服小臂本身以及执行末端对该关节处的转矩进行做功。

根据小臂杆长L2=500mm，尺寸d=60mm，壁厚=5mm，材料密度ρ=2.73g/cm3，假设机械手执行末端重量为m=0.5kg

小臂体积

为：

则杆的质量

为：

则对大臂与小臂连接部分中心的扭矩

为：

经计算，为了满足连接点所需的转矩以及实现机械手内嵌式关节的设计构思，需要选择一款转矩大于或等于5.45

且外形较规则，尺寸较小的伺服电机。

不过传统的伺服电机普遍转矩都较小，一般都需要配合一定的减速增力装置才能达到力矩要求，而且考虑到传统伺服电机的外形尺寸都比较大且不规则，又比较笨重等，所以传统的伺服电机显然不是用于内嵌式关节水果采摘驱动的最佳选择。

而相对传统的伺服电机，完美的将伺服电机和减速器结合到一起的舵机不仅转矩相对较大，而且体积，质量远小于传统的伺服电机，是内嵌式关节机械手的最佳选择。

再加上考虑到机械手机构的对称性设计，最终选择舵机2的具体参数具体如下：

舵机名称：

法兰型机器人舵机

型号：

UD-100F/100FD/100Fr

功率：

30（w）

电压：

12V/24

输出转矩：

10N·m

旋转角度：

180°

输出速度（空载）：

0.20秒/60°

重量：

575g

尺寸：

外径64*85mm

具体尺寸图如2-6：

图2-6舵机2

大臂底座连接处电机1的选择：

相对于电机2只需要克服小臂及执行末端在关节2处的力矩外，位电机1不仅需要克服大臂在关节1处的力矩，而且还要克服连接大臂的小臂以及执行末端对关节1的力矩。

根据大臂杆长L1=600mm，小臂杆长L2=500mm，小臂质量m2=1.17kg，执行末质量m=0.5kg，电机2质量m电2=575g

大臂体积

为：

则杆的质量

为：

则大臂对底座静接触点的转矩：

小臂对底座静接触点的转矩：

执行末端对底座静接触点的转矩：

电机2对底座静接触点的转矩：

对底座静接触点的总转矩：

舵机1的具体参数：

舵机名称：

法兰型机器人舵机

型号：

UD-250F/UD-FD/UD-250FR

功率：

65（w）

电压：

12V/24V

输出转矩：

25N·m

旋转角度：

180°

输出速度（空载）：

0.24秒/60°

重量：

1350g

尺寸：

外径88×188mm

具体尺寸图如2-7：

图2-7舵机1

旋转底部电机3的选择:

由于电机3的主要作用是为了扩大机械手的工作空间，安装在机械手底部带动机械手旋转，使工作空间其由二维的区域面扩大为三维的立体空间。

所以在运行过程中，除了克服底部旋转机构零件之间的摩擦和外部环境对机械手的一些不定性阻力外，电机3并不需要受太大的力，所以电机对于力矩并没有太大的要求。

而且由于电机3不像关节处电机需要考虑机构的对称性，所以不需要虚轴。

综上选择电机3的具体参数如下:

舵机名称：

法兰型机器人舵机

型号：

UD-250F/UD-FD/UD-250FR

功率:

65（w）

电压：

12V/24V

输出转矩：

25N·m

旋转角度：

360°

输出速度（空载）：

0.24秒/60°

重量：

1350g

尺寸：

外径88×188mm

具体尺寸如图2-8：

图2-8舵机3

2.6机械臂尺寸的设计

2.6.1机械手的结构设计

为实现机械手伺服电机的内嵌式设计，本次设计的重点在根据所选的电机的具体外形尺寸，以尽量使机械手轻巧，紧凑为原则，合理设计关节处电机的放置与安装，然后根据电机放置的方式与安装后的效果，设计大臂小臂分别与电机2，电机1的连接部位。

其初步设计简图如图2-6下:

图2-9设计简图

2.6.2机械手各个零件的尺寸设计

根据机械手的结构简图，设计优化机械手的大臂，小臂，底座等各个零件的尺寸参数，然后绘出零件图2-7。

小臂

大臂

图2-10零件图

第三章三自由度机械手的三维造型

3.1机械手大臂的三维造型。

（1）打开Pro/E软件，新建零件名称prt0001-dabi并使用省缺模板，如图3-1。

然后选择模板类型为mmns_part_solid，如图3-2。

图3-1新建对话框图3-2公制对话框

（2）大臂上关节2处的拉伸造型。

点击

进行拉伸操作。

先选定FRONT为拉伸平面，然后根据零件的具体尺寸在FRONT平面上进行草绘，图3-2。

等确定草绘的内容跟零件的具体尺寸准确无误后，按

键结束草绘，并按

键选择进行对FRONT平面对称的拉伸造型，最后确定拉伸长度为84mm，按

键结束拉伸，图3-4。

图3-2草绘截图图3-3拉伸

（3）大臂关节2处多余材料的去除。

选定相对应的面为基面分别进行草绘，然后按

键进行去除材料，按

键结束拉伸，具体过程如图3-4。

ab

Cd

图3-4大臂关节2

（4）螺栓孔的创建。

选择拉伸平面为基面进行直径为5mm孔的草绘并按

选择去除多余的线完成拉伸面的封闭，图3-5。

然后按

去除材料，最后按

键结束拉伸，如图3-6。

图3-5草绘环境图3-6螺栓孔

（5）大臂主体部分的造型。

运用拉伸和去除材料完成长为500mm，直径为60mm,厚度为5mm大臂主体的三维造型，如图3-7。

图3-7大臂主体部分

（6）大臂处关节1处的造型。

通过选择或者创建不同的基准面，运用拉伸和去除材料继续完完善大臂的三维造型。

其模型树和最终结果如图3-8。

模型树大臂