果實(shí)采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)與仿真【含SW三維及4張CAD圖】
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充值購(gòu)買(mǎi)-下載設(shè)計(jì)文檔后，加 Q--1459919609 免費(fèi)領(lǐng)取圖紙I果實(shí)采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)與仿真摘要：果實(shí)采摘工作具有較強(qiáng)的復(fù)雜性和較低的自動(dòng)化程度，目前國(guó)內(nèi)水果的采摘工作主要靠手工完成。21 世紀(jì)是農(nóng)用機(jī)械化向智能自動(dòng)化機(jī)械過(guò)渡的關(guān)鍵時(shí)期，工業(yè)智能自動(dòng)化對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)?；⒍鄻踊途_化十分重要。本文針對(duì)小型柑橘進(jìn)行采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)果實(shí)的全程自動(dòng)化采摘。本文通過(guò)對(duì)果實(shí)采摘機(jī)械手的采摘環(huán)境和采摘特點(diǎn)進(jìn)行分析，提出一種六自由度小型柑橘采摘串聯(lián)機(jī)械手。通過(guò)設(shè)計(jì) 3 種末端執(zhí)行器機(jī)械結(jié)構(gòu),使得機(jī)械手具有多用途作用，并將機(jī)械手與相關(guān)輔助裝置相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)整個(gè)柑橘果園采摘過(guò)程的自動(dòng)化。本論文基于 SolidWorks,建立機(jī)構(gòu)的三維模型與仿真分析。根據(jù)仿真與試驗(yàn)的結(jié)果得出機(jī)械手具有良好的采摘性能。該機(jī)構(gòu)解決了人們采摘高處果實(shí)難、果實(shí)采摘工作量大和人工采摘具有一定危險(xiǎn)性等缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了小型柑橘等多種果實(shí)不受物理?yè)p傷的自動(dòng)化采摘。關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；果實(shí)采摘機(jī)器人；機(jī)械手；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真； 充值購(gòu)買(mǎi)-下載設(shè)計(jì)文檔后，加 Q--1459919609 免費(fèi)領(lǐng)取圖紙IIDesign and simulation of fruit picking manipulatorAbstract: Fruit picking work is full of a strong complexity and low degree of automation. Now, the harvest of fruit is mainly done by hand in China. The 21st century is the key period for the transition from agricultural mechanization to intelligent automation machinery, and industrial intelligent automation is very important for modern agricultural to develop large-scale, diversification and precision. In this paper, the design of picking manipulator for small citrus fruit is to realize the whole process of fruit picking.This paper analyzes the environment of picking and characteristics of the fruit picking manipulator, and puts forwards to a six-degree-of-freedom small citrus picking series manipulator. Through the design of three kinds of end executor mechanical structure, making the manipulator has the utility function, and combines the manipulator and the related aided device, realizing the automation of the whole process of citrus orchard. This paper is based on SolidWorks, which establishes the model of three-dimensional and simulation analysis of the mechanism. According to the results of simulation and experiment, the mechanical hand, we’re sure that it has good picking performance. The agency has solved the fruit, fruit picking people picking high workload and artificial picking has some shortcomings, such as risk, realizing the small citrus and other fruit automatic picking is not subject to physical damage.Keywords: Industrial robot; Fruit picking robot; Manipulator; Kinematics simulation 充值購(gòu)買(mǎi)-下載設(shè)計(jì)文檔后，加 Q--1459919609 免費(fèi)領(lǐng)取圖紙III目 錄摘要 ....................................................................................................................................I目 錄 ..............................................................................................................................III第 1 章 緒論 .....................................................................................................................11.1 課題研究背景及意義 .............................................................................................11.2 國(guó)外研究成果及現(xiàn)狀 .............................................................................................11.2.1 國(guó)外采摘機(jī)器人成果及現(xiàn)狀 ..........................................................................11.2.2 國(guó)外末端執(zhí)行器研制進(jìn)展情況 ......................................................................31.3 國(guó)內(nèi)研究成果及現(xiàn)狀 .............................................................................................41.4 主要研究的內(nèi)容 .....................................................................................................4第 2 章 柑橘采摘機(jī)器人機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) .....................................................................52.1 小型柑橘的生物學(xué)特征 .........................................................................................52.2 采摘機(jī)器人選型原則 .............................................................................................62.3 柑橘采摘機(jī)器人機(jī)械手的選型 .............................................................................72.4 本章小結(jié) .................................................................................................................8第 3 章 柑橘采摘機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) .................................................................93.1 可移動(dòng)小車(chē)底盤(pán) ...................................................................................................103.2 升降梯 ...................................................................................................................103.3 柑橘采摘機(jī)械手臂 ...............................................................................................113.4 柑橘采摘執(zhí)行末端 ...............................................................................................123.5 電控系統(tǒng) ...............................................................................................................123.5.1 控制系統(tǒng) ........................................................................................................123.5.2 視覺(jué)系統(tǒng) ........................................................................................................123.6 本章小結(jié) ...............................................................................................................13第 4 章 執(zhí)行末端的設(shè)計(jì) ...............................................................................................144.1 柑橘采摘末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)的總體原則 ...............................................................144.2 設(shè)計(jì)三維軟件 SOLIDWORKS 簡(jiǎn)介 ........................................................................144.3 連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 ...............................................................................................144.4 半球式設(shè)計(jì)方案 ...................................................................................................204.5 半齒設(shè)計(jì)方案 .......................................................................................................214.5.1 齒輪傳動(dòng)的計(jì)算載荷 ....................................................................................224.6 三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)分析 .......................................................................................244.7 本章小結(jié) ................................................................................................................25 充值購(gòu)買(mǎi)-下載設(shè)計(jì)文檔后，加 Q--1459919609 免費(fèi)領(lǐng)取圖紙IV第 5 章 柑橘采摘機(jī)械手運(yùn)動(dòng)分析 ...............................................................................265.1 柑橘采摘機(jī)器人機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 ...................................................................265.1.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)正解 ....................................................................................................275.1.2 反解驗(yàn)證 ........................................................................................................285.1.3 機(jī)械手雅可比矩陣的求解 ............................................................................285.1.4 機(jī)械手速度和加速度正解分析 ....................................................................295.2 柑橘采摘機(jī)械手零件理論分析 ...........................................................................305.2.1 機(jī)械零件疲勞極限的因素 ............................................................................305.2.2 帶傳動(dòng)分析 ....................................................................................................315.3 本章小結(jié) ...............................................................................................................32第 6 章 機(jī)械手末端執(zhí)行器有限元分析 .......................................................................336.1 連桿機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行器模態(tài)分析 ...........................................................................336.2 半球式設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器模態(tài)分析 .......................................................................356.3 半齒設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器模態(tài)分析 ...........................................................................376.4 模態(tài)分析總分析 ...................................................................................................396.5 本章小結(jié) ...............................................................................................................40第 7 章 總結(jié)與展望 .......................................................................................................41參考文獻(xiàn) .........................................................................................................................42致謝 .................................................................................................................................44附錄 A 圖紙 .................................................................................................................45附錄 B 外文文獻(xiàn)及翻譯 ...............................................................................................51 充值購(gòu)買(mǎi)-下載設(shè)計(jì)文檔后，加 Q--1459919609 免費(fèi)領(lǐng)取圖紙5第 1 章 緒論1.1 課題研究背景及意義21 世紀(jì)是農(nóng)用機(jī)械化向智能自動(dòng)化機(jī)械過(guò)渡的關(guān)鍵時(shí)期，工業(yè)智能自動(dòng)化對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)模化、多樣化和精確化具有不可磨滅的重要性。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求的不斷提高，許多農(nóng)作物的采摘是一項(xiàng)勞動(dòng)密集型的工作，隨著采摘季節(jié)的要求，保證采摘質(zhì)量至關(guān)重要。采摘機(jī)器人是農(nóng)業(yè)機(jī)器人的重要一部分，可充分利用機(jī)器人的信息感知能力，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)識(shí)別被采對(duì)象的成熟度，從而保證果實(shí)的采摘質(zhì)量 [1]。采摘機(jī)器人能夠在降低采摘成本的同時(shí)提高柑橘的采摘效率，并且水果采摘機(jī)器人有很大市場(chǎng)缺口，其未來(lái)發(fā)展?jié)摿薮?。摘果機(jī)械手作為采摘機(jī)器人的核心部件，在采摘機(jī)器人的發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。我國(guó)柑橘種植歷史悠久，柑橘生產(chǎn)在世界柑橘產(chǎn)業(yè)中占有舉足輕重的地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)柑桔種植面積達(dá)萬(wàn)公頃，產(chǎn)量萬(wàn)噸。但是到目前為止，柑橘的采摘工作都要靠人工完成。我國(guó)是多種水果的生產(chǎn)大國(guó)，由于缺乏有效可行的果實(shí)采摘自動(dòng)化機(jī)械，從而造成果實(shí)采摘效率低下也是一個(gè)重要原因 [2]。因此急需提供一種輕巧靈便的果實(shí)摘采機(jī)械手，能夠在保障人身安全的同時(shí)保護(hù)果樹(shù)、果實(shí)不受損傷。將果實(shí)采摘機(jī)械手與機(jī)器人相結(jié)合，大大提高了農(nóng)業(yè)自動(dòng)化水平，使得果實(shí)的采摘更加高效便捷。果實(shí)采摘機(jī)械手是一種實(shí)用新型機(jī)械手，其最終目標(biāo)是，確保人身不受傷害的前提下，提高果實(shí)的采摘質(zhì)量與采摘效率 [3]。通過(guò)查閱相關(guān)資料與深入的調(diào)研，市場(chǎng)上相關(guān)產(chǎn)品較少且實(shí)用性不足，因此果實(shí)采摘機(jī)械手的市場(chǎng)前景廣闊。設(shè)計(jì)一款輕巧，靈便，滿(mǎn)足使用要求的水果采摘機(jī)械手變得十分迫切且意義重大 [4]。綜上所述，該課題具有很強(qiáng)的研究探索意義。1.2 國(guó)外研究成果及現(xiàn)狀 充值購(gòu)買(mǎi)-下載設(shè)計(jì)文檔后，加 Q--1459919609 免費(fèi)領(lǐng)取圖紙61.2.1 國(guó)外采摘機(jī)器人成果及現(xiàn)狀隨著計(jì)算機(jī)和電子控制技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人逐漸趨向自動(dòng)化、智能化，并已應(yīng)用于許多領(lǐng)域，但在農(nóng)林領(lǐng)域還沒(méi)有達(dá)到實(shí)際應(yīng)用。從 20 世紀(jì) 80 年代中期開(kāi)始，很多國(guó)家都展開(kāi)了果蔬收獲機(jī)器人方面的研究工作，涉及到的研究對(duì)象主要有甜橙、葡萄、蘋(píng)果、西紅柿、櫻桃、西紅柿、草葛、蘑菇等多種果蔬 [5]。圖 1.1 日本葡萄采摘末端執(zhí)行器 圖 1.2 “CITRUS” 柑橘采摘機(jī)器人西班牙和法國(guó)的合作項(xiàng)目，“CITRUS”是比較成功的柑橘采摘機(jī)器人，如圖1.2 所示。該項(xiàng)目于 1988 年開(kāi)始啟動(dòng),研制的柑橘采摘機(jī)器人最高能達(dá)到 80％的采摘率 [6]。蘋(píng)果采摘機(jī)器人在美國(guó)、法國(guó)、日本等國(guó)已有研究,其中 Johan Baete 和 Sven Boedrij 等人研制的蘋(píng)果采摘機(jī)器人，如圖 1.3 所示 ,利用工業(yè)機(jī)器人的六自由度手臂作為機(jī)械手主體,手臂整體可在架子上進(jìn)行水平和豎直方向的移動(dòng),在果園作業(yè)時(shí),機(jī)械手由一臺(tái)拖拉機(jī)牽引 [7]。 充值購(gòu)買(mǎi)-下載設(shè)計(jì)文檔后，加 Q--1459919609 免費(fèi)領(lǐng)取圖紙7圖 1.3 蘋(píng)果采摘機(jī)器人圖 1.4 荷蘭的黃瓜采摘機(jī)器人1.2.2 國(guó)外末端執(zhí)行器研制進(jìn)展情況從上世紀(jì) 80 年代開(kāi)始,日本、荷蘭等國(guó)都曾開(kāi)發(fā)出各種果實(shí)采摘末端執(zhí)行器,取得的不少研究成果,但普遍存在采摘質(zhì)量和采摘效率偏低,機(jī)器比較笨重,通用性較差等缺點(diǎn) [8]。下面介紹了幾種國(guó)外水果采摘機(jī)器人執(zhí)行末端。美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)研制了柑橘采摘末端執(zhí)行器，如圖 1.5 所示。其依靠置于末端執(zhí)行器的內(nèi)部的 CCD 攝像機(jī)和超聲波傳感器來(lái)探測(cè)水果的位置 [8]。圖 1.5 柑橘采摘末端執(zhí)行器 圖 1.6 蘋(píng)果采摘末端執(zhí)行器Johan Baeten 和 Sven Boedrij 等人研制了蘋(píng)果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，如圖 充值購(gòu)買(mǎi)-下載設(shè)計(jì)文檔后，加 Q--1459919609 免費(fèi)領(lǐng)取圖紙81.6 所示。其前端樹(shù)脂管里裝有微型攝像頭,用于獲取末端執(zhí)行器正前方蘋(píng)果圖像,真空泵提供動(dòng)力,吸盤(pán)用于吸取蘋(píng)果 [8]。1.3 國(guó)內(nèi)研究成果及現(xiàn)狀作為一個(gè)果蔬生產(chǎn)大國(guó)，中國(guó)在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化方面晚起步于其他發(fā)達(dá)國(guó)家，因此加快我國(guó)的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化機(jī)械化進(jìn)程，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必經(jīng)之路 [9]。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展大大推動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展，機(jī)械手的發(fā)展將大大提高機(jī)器人的實(shí)用性和高效性。我國(guó)在農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人方面的研究始于 20 世紀(jì) 90 年代中期,相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚，但不少院校、研究所都在進(jìn)行采摘機(jī)器人和智能農(nóng)業(yè)機(jī)械相關(guān)的研究 [10]。東北農(nóng)林大學(xué)陸懷民開(kāi)發(fā)了林木球果采摘機(jī)器人，浙江大學(xué)對(duì)番茄采摘機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，上海交通大學(xué)對(duì)黃瓜采摘機(jī)器人進(jìn)行了研究，浙江大學(xué)對(duì)番茄采摘機(jī)器人進(jìn)行了相應(yīng)的研究。在這之中,東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民研制的林木球果采摘機(jī)器人已經(jīng)進(jìn)行了采摘試驗(yàn)，如圖 1.7 所示。圖 1.7 林木球果采摘機(jī)器人原理圖1.4 主要研究的內(nèi)容本文主要對(duì)柑橘采摘機(jī)械手進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并對(duì)一些關(guān)鍵部位進(jìn)行優(yōu)化，并從實(shí)用智能的角度對(duì)柑橘采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器進(jìn)行了分析和仿真，以實(shí)現(xiàn)從機(jī)械本體的角度提高小型柑橘的采摘速度和合格率。并且對(duì)柑橘的生物學(xué)特征進(jìn)行了調(diào)查與研究，對(duì)柑橘采摘機(jī)械手提出相關(guān)設(shè)計(jì)要求，使其更好 充值購(gòu)買(mǎi)-下載設(shè)計(jì)文檔后，加 Q--1459919609 免費(fèi)領(lǐng)取圖紙9的應(yīng)用于實(shí)際生活中。 充值購(gòu)買(mǎi)-下載設(shè)計(jì)文檔后，加 Q--1459919609 免費(fèi)領(lǐng)取圖紙10第 2 章 柑橘采摘機(jī)器人機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)又稱(chēng)機(jī)構(gòu)綜合，本章通過(guò)對(duì)小型柑橘果實(shí)生長(zhǎng)、樹(shù)與樹(shù)之間的行距、樹(shù)冠基徑、樹(shù)冠高度、栽培方法等生物學(xué)特性數(shù)據(jù)采集，分析柑橘收獲作業(yè)的特點(diǎn)，作為機(jī)器人機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本出發(fā)點(diǎn)。2.1 小型柑橘的生物學(xué)特征小型柑橘沙糖桔，如圖 2.1 所示。沙塘菊果實(shí)扁圓形，單果重 62～160 克，頂部有瘤狀突起，蒂部凹臍，桔黃色，果壁薄，易脫落。沙塘巨樹(shù)生長(zhǎng)勢(shì)強(qiáng)，樹(shù)冠中等，圓頭，根系發(fā)達(dá)，枝條細(xì)，稍直立，毛發(fā)粗壯，葉橢圓形，深綠色，葉稍深鋸齒，葉片較小。花又小又滿(mǎn)。它是柑橘品種之一，產(chǎn)量穩(wěn)定、高。圖 2.1 小型柑橘實(shí)物圖通過(guò)對(duì)小型柑橘園的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，果園的行與行之間通常留出作業(yè)通道，便于果樹(shù)的管理。果園的真實(shí)場(chǎng)景如圖 2.3 所示。果園地面比較平整, 果園行間距一般為 3.5～4.5m, 柑橘樹(shù)與樹(shù)之間留有 1.2～1.8 的大間隙, 柑橘樹(shù)高一般不超過(guò)3m,果體直徑為 30mm~55mm,果重 62-160 克不等。柑橘樹(shù)的冠形特征與果樹(shù)的修建強(qiáng)度、樹(shù)齡、與基本樹(shù)形有較大關(guān)系。近年來(lái)隨著果樹(shù)的矮化和新品種堵塞培養(yǎng)，果實(shí)的可采摘性得到提高，能夠更好的適應(yīng)未來(lái)的自動(dòng)采摘模式。柑橘的采收不同于蘋(píng)果等果實(shí)表面較硬的水果，果體表面較軟，果皮易磕碰 充值購(gòu)買(mǎi)-下載設(shè)計(jì)文檔后，加 Q--1459919609 免費(fèi)領(lǐng)取圖紙11破壞，因此采摘時(shí)要嚴(yán)格控制好采摘力度，輕拿輕放，不可采摘時(shí)生拉硬拽，否則會(huì)將柑橘果梗處與皮一同拽開(kāi)，嚴(yán)重影響果實(shí)的保存。這也是采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)時(shí)尤為注意的一點(diǎn)。圖 2.2 柑橘采摘實(shí)景 圖 2.3 柑橘果園實(shí)景2.2 采摘機(jī)器人選型原則本論文設(shè)計(jì)的采摘機(jī)械手遵循工業(yè)機(jī)械手的相關(guān)特點(diǎn)，同時(shí)也要考慮到采摘小型柑橘的特殊性。經(jīng)調(diào)查，目前工業(yè)機(jī)械手主要有：直角坐標(biāo)型機(jī)械手、圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手、極坐標(biāo)型機(jī)械手、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)械手四種，如下圖2.4、2.5、2.6、2.7 所示。由于農(nóng)業(yè)采摘環(huán)境的復(fù)雜性、不確定性和果實(shí)分布的隨機(jī)性本論文采用關(guān)節(jié)坐標(biāo)來(lái)解決機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)問(wèn)題 [11]。圖 2.4 直角坐標(biāo)型 圖 2.5 圓柱坐標(biāo)型 充值購(gòu)買(mǎi)-下載設(shè)計(jì)文檔后，加 Q--1459919609 免費(fèi)領(lǐng)取圖紙12圖 2.6 極坐標(biāo)型 圖 2.7 關(guān)節(jié)坐標(biāo)型2.3 柑橘采摘機(jī)器人機(jī)械手的選型通過(guò)對(duì)小型柑橘采摘應(yīng)具備的特點(diǎn)進(jìn)行查閱相關(guān)資料，柑橘采摘機(jī)器人的機(jī)械手形式最適合選擇關(guān)節(jié)坐標(biāo)型，如圖 2.8 所示。其具體結(jié)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)底座、大臂、中臂和小臂四部分。并在其底部添加了升降結(jié)構(gòu), 在垂直方向上增加了機(jī)器人的作業(yè)空間，使得果實(shí)采摘機(jī)械手動(dòng)作靈活,工作空間大、占地面積小的優(yōu)點(diǎn)，更加適合柑橘的采摘作業(yè)，是一種六自由度串聯(lián)關(guān)節(jié)型柑橘采摘機(jī)械手。圖 2.8 柑橘采摘機(jī)械手機(jī)構(gòu)類(lèi)型 充值購(gòu)買(mǎi)-下載設(shè)計(jì)文檔后，加 Q--1459919609 免費(fèi)領(lǐng)取圖紙132.4 本章小結(jié)本章對(duì)工業(yè)機(jī)器人的幾種重要類(lèi)型進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)分析，并通過(guò)對(duì)小型柑橘的生物特性、栽培技術(shù)、采摘方式與特點(diǎn)進(jìn)行了解，最終確定出以串聯(lián)關(guān)節(jié)類(lèi)型作為柑橘采摘機(jī)器人機(jī)械手的機(jī)械臂形式。通過(guò)本章機(jī)械手的選型，明確了后續(xù)設(shè)計(jì)的主要方向與設(shè)計(jì)任務(wù)，提高設(shè)計(jì)效率。 充值購(gòu)買(mǎi)-下載設(shè)計(jì)文檔后，加 Q--1459919609 免費(fèi)領(lǐng)取圖紙14第 3 章 柑橘采摘機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)為適應(yīng)多變開(kāi)放的柑橘園地面環(huán)境,選用裝有麥克納姆輪的移動(dòng)小車(chē)作為機(jī)械手在果園內(nèi)作業(yè)的移動(dòng)平臺(tái)。麥克納姆輪移動(dòng)小車(chē)靠純電力驅(qū)動(dòng)，以達(dá)到節(jié)能環(huán)保的作用，在必要時(shí)可為其配備發(fā)電機(jī)。小車(chē)上安裝有升降平臺(tái)，機(jī)械手整個(gè)部分安裝在升降臺(tái)上，以提高果實(shí)采摘機(jī)械手在垂直方向的運(yùn)動(dòng)范圍。機(jī)械手底座和關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)采用交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，并使用行星齒輪減速器進(jìn)行減速，達(dá)到提高最終輸出扭矩的效果。中臂采用氣動(dòng)馬達(dá)，使其能夠達(dá)到動(dòng)作的快速響應(yīng)，以及降低價(jià)格成本。小臂采用伺服電機(jī)帶同同步帶傳遞動(dòng)能,使其能夠較遠(yuǎn)距離傳遞動(dòng)能給末端 [12]，采摘機(jī)械手末端通過(guò)快速連接機(jī)械裝置將法蘭盤(pán)與末端執(zhí)行器固連。在末端執(zhí)行器下部連接有漏斗狀的果實(shí)收集裝置,并且漏斗狀收集裝置與柔管道相連接，采摘后的柑橘由此落下,依靠其重力勢(shì)能，通過(guò)柔性管道將柑橘傳送到收集筐中。柑橘采摘機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)大致可由 5 部分組成，如圖 3.1 所示，可移動(dòng)小車(chē)底盤(pán)，升降梯，柑橘采摘機(jī)器人機(jī)械手，柑橘采摘執(zhí)行末端，電控系統(tǒng)，視覺(jué)系統(tǒng)六部分組成。圖 3.1 采摘機(jī)器人總體結(jié)構(gòu) 充值購(gòu)買(mǎi)-下載設(shè)計(jì)文檔后，加 Q--1459919609 免費(fèi)領(lǐng)取圖紙153.1 可移動(dòng)小車(chē)底盤(pán)可移動(dòng)小車(chē)底盤(pán)由四個(gè)麥克納姆輪、底板、伺服電機(jī)、供電系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、水果回收藍(lán)等組成，如圖 3.2 所示。裝有四個(gè)麥克納姆輪的底板可控制整個(gè)移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)，如平臺(tái)的前進(jìn)、后退、橫移、斜行、原地 360°旋轉(zhuǎn)及其組合等動(dòng)作，在伺服電機(jī)的控制下都能完美的實(shí)現(xiàn)。供電系統(tǒng)為電機(jī)源源不斷的輸送電能，實(shí)現(xiàn)連續(xù)采摘作業(yè)。傳感器系統(tǒng)能夠識(shí)別整個(gè)小車(chē)周?chē)欠裼姓系K物，使得能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)避障。底板上安裝有一個(gè)真空泵，為執(zhí)行末端提供一個(gè)持續(xù)的吸力，能夠更好的使執(zhí)行末端達(dá)到采摘效果?？梢苿?dòng)小車(chē)為果實(shí)采摘機(jī)器人提供了最根本的運(yùn)行條件。圖 3.2 移動(dòng)小車(chē)底盤(pán)3.2 升降梯升降梯的作用大大加大了機(jī)械手的可采摘范圍，如圖 3.3 所示，同時(shí)為機(jī)械手的采摘帶來(lái)極大的方便。同時(shí)升降梯能夠承受人的重量，在未安裝機(jī)械臂時(shí)，能用來(lái)充當(dāng)一個(gè)可隨時(shí)移動(dòng)的梯子，才在上面可進(jìn)行認(rèn)為采摘，是的人工采摘更加高效，更加方便與更加安全。 充值購(gòu)買(mǎi)-下載設(shè)計(jì)文檔后，加 Q--1459919609 免費(fèi)領(lǐng)取圖紙16圖 3.3 升降梯 3 維模型圖3.3 柑橘采摘機(jī)械手臂圖 3.4 柑橘采摘機(jī)械手臂柑橘采摘機(jī)械手臂采用關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)械臂，如圖 3.4 所示,使得機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作更加靈活,工作空間大、占地面積小。機(jī)械臂的最下不是一個(gè)旋轉(zhuǎn)底座，由伺服電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)械臂的精準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)控制。機(jī)械臂大臂安裝旋轉(zhuǎn)底座，上通過(guò)伺服電機(jī)帶減速機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)大臂的旋轉(zhuǎn)。機(jī)械臂的中臂有兩部分做成，中臂A 安裝在大臂末端，由氣動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)繞大臂末端上下運(yùn)轉(zhuǎn)，中臂 B 安裝在中臂 A 末端，由氣動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)繞中臂 A 末端左右 360°旋轉(zhuǎn)。小臂安裝在中臂B 末端，通過(guò)兩個(gè)伺服電機(jī)帶動(dòng)小臂實(shí)現(xiàn)上下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，之間的運(yùn)動(dòng)傳遞通過(guò)同步帶實(shí)現(xiàn)。 充值購(gòu)買(mǎi)-下載設(shè)計(jì)文檔后，加 Q--1459919609 免費(fèi)領(lǐng)取圖紙173.4 柑橘采摘執(zhí)行末端柑橘采摘執(zhí)行末端通過(guò)可拆卸式手柄式的方法，將柑橘采摘執(zhí)行末端安裝在小臂末端，柑橘采摘執(zhí)行末端通過(guò)采用吞咬的仿生學(xué)原理，將果實(shí)通過(guò)機(jī)械裝置吞入內(nèi)部，然后合攏機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)咬的過(guò)程，剪斷果梗，剪斷后的果實(shí)通過(guò)柑橘采摘執(zhí)行末端下的回收管道，將柑橘回收到回收果框內(nèi)。圖 3.5 果實(shí)采摘機(jī)械手執(zhí)行末端3.5 電控系統(tǒng)3.5.1 控制系統(tǒng)本設(shè)計(jì)柑橘采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件由 Siemens1200 系列 PLC 控制器、伺服控制器、雙目 CCD 工業(yè)相機(jī)、圖像數(shù)據(jù)采集卡、氣動(dòng)控制套件、檢測(cè)系統(tǒng)共六個(gè)子系統(tǒng)組成。選用 Siemens1200 系列 PLC 控制器作為小型柑橘采摘機(jī)器人的控制核心，其相當(dāng)穩(wěn)定的控制能力與抗干擾能力為果實(shí)的采摘奠定基礎(chǔ)。伺服控制為其運(yùn)動(dòng)控制提供更高的精度，雙目 CCD 工業(yè)相機(jī)為果實(shí)采摘提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，檢測(cè)系統(tǒng)確保了采摘的安全正常運(yùn)行，最終通過(guò)電動(dòng)、氣動(dòng)與機(jī)械結(jié)構(gòu)的結(jié)合，完成對(duì)果實(shí)的采摘。采摘的定位、抓取、采摘、回收過(guò)程自動(dòng)進(jìn)行。3.5.2 視覺(jué)系統(tǒng)視覺(jué)系統(tǒng)安裝在采摘機(jī)械臂小臂上，采用高清 CCD 相機(jī)采集視覺(jué)信號(hào)，將視 充值購(gòu)買(mǎi)-下載設(shè)計(jì)文檔后，加 Q--1459919609 免費(fèi)領(lǐng)取圖紙18覺(jué)信號(hào)傳遞給處理器，處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像信息的實(shí)時(shí)處理，并將信號(hào)傳遞給 PLC,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)精確采摘。雙目視覺(jué)能實(shí)現(xiàn)更加精確的定位，使得視覺(jué)觀(guān)察更加精準(zhǔn)。視覺(jué)系統(tǒng)與機(jī)械臂相結(jié)合，能夠非常完美的實(shí)現(xiàn)圖像的采集，捕捉，識(shí)別，并將信息分析處理，完成對(duì)機(jī)械臂的控制，實(shí)現(xiàn)果實(shí)的自動(dòng)采摘。圖 3.6 采摘機(jī)械手視覺(jué)3.6 本章小結(jié)本章通過(guò)對(duì)柑橘采摘機(jī)器人移動(dòng)小車(chē)底盤(pán)，升降梯，柑橘采摘機(jī)器人機(jī)械手，柑橘采摘執(zhí)行末端，電控系統(tǒng)，視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)并對(duì)其部件及細(xì)節(jié)作必要的介紹，分析的采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，最終完成柑橘采摘機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，為后續(xù)末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。 充值購(gòu)買(mǎi)-下載設(shè)計(jì)文檔后，加 Q--1459919609 免費(fèi)領(lǐng)取圖紙19第 4 章 執(zhí)行末端的設(shè)計(jì)4.1 柑橘采摘末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)的總體原則柑橘采摘末端執(zhí)行器應(yīng)嚴(yán)格按照采摘對(duì)象、采摘環(huán)境和采摘方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)調(diào)查找出參考和相關(guān)技術(shù)參數(shù)，找出比較適合的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過(guò)可行性研究與參數(shù)計(jì)算，并通過(guò)對(duì)比，尋找比較適合的方案，進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。設(shè)計(jì)時(shí)再能實(shí)現(xiàn)其功能的同時(shí)，要考慮到采摘末端執(zhí)行器成本盡量低廉，機(jī)械結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，使用方便。4.2 設(shè)計(jì)三維軟件 Solidworks 簡(jiǎn)介SolidWorks 是目前市面上主流的三維設(shè)計(jì)繪圖軟件。Solidworks 軟件具有強(qiáng)大的三維設(shè)計(jì)功能，同時(shí)其也具有非常豐富的各類(lèi)組件，為三維繪圖軟件提供了更加強(qiáng)大的渲染功能與有限元分析功能。 SolidWorks 以其易學(xué)、功能強(qiáng)大、技術(shù)創(chuàng)新性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣受大眾喜愛(ài)。SolidWorks 強(qiáng)大的裝配功能使用戶(hù)能夠在短時(shí)間內(nèi)完成大規(guī)模的裝配設(shè)計(jì)，從而大大提高了設(shè)計(jì)效率。SolidWorks 同時(shí)具有強(qiáng)大的曲面設(shè)計(jì)功能、渲染功能、磨具設(shè)計(jì)功能、鈑金設(shè)計(jì)功能、有限元分析功能和二維 CAD 繪圖生成功能，使用戶(hù)能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成更多的工作，更快地將優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品投放市場(chǎng)。4.3 連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案本章節(jié)通過(guò)仿生學(xué)原理與實(shí)際生活中的柑橘采摘相結(jié)合，選取蛇嘴吞咽食物的過(guò)程為研究對(duì)象，蛇的吞咽動(dòng)作可分為兩個(gè)階段：第一階段為把嘴從張開(kāi)到咬住獵物的階段；第二階段是咬住獵物到將其吞下的階段。將蛇吞咽的這兩階段與小型柑橘的采摘相結(jié)合，并參照蛇嘴吞食抽象柑橘采摘末端執(zhí)行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)。蛇頭上顎部分可簡(jiǎn)化一個(gè)閉環(huán)的連桿機(jī)構(gòu)， 連桿對(duì)實(shí)現(xiàn)上顎的主要運(yùn)動(dòng)幾乎無(wú)影響，因此蛇頭上顎部模型可簡(jiǎn)化為一個(gè)兩側(cè)對(duì)稱(chēng)的鉸鏈四桿機(jī)鉤，下文就四桿機(jī)構(gòu)的形式進(jìn)一步討論。 充值購(gòu)買(mǎi)-下載設(shè)計(jì)文檔后，加 Q--1459919609 免費(fèi)領(lǐng)取圖紙20圖 4.2 蛇頭部骨架模型以蛇頭上頜骨機(jī)構(gòu)為分析對(duì)象，對(duì)機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到簡(jiǎn)化模型 1 (專(zhuān)用四桿機(jī)構(gòu))和簡(jiǎn)化模型 2 (通用鉸鏈四桿機(jī)構(gòu))。(a)蛇頭上顎機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型 1 (b)蛇頭上顎機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型 2圖 4.3 蛇頭上顎機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型對(duì)以上兩種簡(jiǎn)化模型機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合對(duì)比，判斷其各自結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，最終選取模型 2 做為作為末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。(1) 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)① 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 充值購(gòu)買(mǎi)-下載設(shè)計(jì)文檔后，加 Q--1459919609 免費(fèi)領(lǐng)取圖紙21圖 4.6 上顎簡(jiǎn)化四桿機(jī)構(gòu)模型幾何參數(shù)以鉸鏈 D 點(diǎn)為原點(diǎn)構(gòu)建機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系??1cos??1+??2cos??2???3cos??3=??4??1sin??1+??2sin??2???3sin??3=0??1cos(??1???)+??2cos??2???3(cos??3+??)=??4公式(4.1)??1cos(??1???)+??2cos??2???3(cos??3??)=??4由(4.1)式可得公式(4.2){??3=?????????????????23+??2???212??3?????????????????24+??2???212??4????=?????????????????23+??2???222??3?? ???????????????24+??2???212??4?? ???3