果實采摘機械手的設計與仿真-小車式帶果籃【三維SW】

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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, were 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 simulationI目 錄摘要I第1章 緒論11.1 課題研究背景及意義11.2 國外研究成果及現(xiàn)狀11.2.1 國外采摘機器人成果及現(xiàn)狀11.2.2 國外末端執(zhí)行器研制進展情況31.3 國內研究成果及現(xiàn)狀41.4 主要研究的內容4第2章 柑橘采摘機器人機械手機構設計52.1 小型柑橘的生物學特征52.2 采摘機器人選型原則62.3 柑橘采摘機器人機械手的選型72.4 本章小結8第3章 柑橘采摘機器人總體結構方案設計93.1 可移動小車底盤103.2 升降梯103.3 柑橘采摘機械手臂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 視覺系統(tǒng)123.6 本章小結13第4章 執(zhí)行末端的設計144.1 柑橘采摘末端執(zhí)行器設計的總體原則144.2 設計三維軟件Solidworks簡介144.3 連桿機構設計方案144.4 半球式設計方案204.5 半齒設計方案214.5.1 齒輪傳動的計算載荷224.6 三種方案的優(yōu)缺點分析244.7本章小結25第5章 柑橘采摘機械手運動分析265.1 柑橘采摘機器人機械手運動學分析265.1.1 運動學正解275.1.2 反解驗證285.1.3 機械手雅可比矩陣的求解285.1.4 機械手速度和加速度正解分析295.2 柑橘采摘機械手零件理論分析305.2.1 機械零件疲勞極限的因素305.2.2 帶傳動分析315.3 本章小結32第6章 機械手末端執(zhí)行器有限元分析336.1 連桿機構末端執(zhí)行器模態(tài)分析336.2 半球式設計末端執(zhí)行器模態(tài)分析356.3 半齒設計末端執(zhí)行器模態(tài)分析376.4 模態(tài)分析總分析396.5 本章小結40第7章 總結與展望41參考文獻42致謝44V第1章 緒論1.1 課題研究背景及意義21世紀是農用機械化向智能自動化機械過渡的關鍵時期，工業(yè)智能自動化對現(xiàn)代農業(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。隨著農業(yè)生產要求的不斷提高，許多農作物的采摘是一項勞動密集型的工作，隨著采摘季節(jié)的要求，保證采摘質量至關重要。采摘機器人是農業(yè)機器人的重要一部分，可充分利用機器人的信息感知能力，通過機器視覺識別被采對象的成熟度，從而保證果實的采摘質量1。采摘機器人能夠在降低采摘成本的同時提高柑橘的采摘效率，并且水果采摘機器人有很大市場缺口，其未來發(fā)展?jié)摿薮?。摘果機械手作為采摘機器人的核心部件，在采摘機器人的發(fā)展中起著至關重要的作用。我國柑橘種植歷史悠久，柑橘生產在世界柑橘產業(yè)中占有舉足輕重的地位。據(jù)統(tǒng)計，我國柑桔種植面積達萬公頃，產量萬噸。但是到目前為止，柑橘的采摘工作都要靠人工完成。我國是多種水果的生產大國，由于缺乏有效可行的果實采摘自動化機械，從而造成果實采摘效率低下也是一個重要原因2。因此急需提供一種輕巧靈便的果實摘采機械手，能夠在保障人身安全的同時保護果樹、果實不受損傷。將果實采摘機械手與機器人相結合，大大提高了農業(yè)自動化水平，使得果實的采摘更加高效便捷。果實采摘機械手是一種實用新型機械手，其最終目標是，確保人身不受傷害的前提下，提高果實的采摘質量與采摘效率3。通過查閱相關資料與深入的調研，市場上相關產品較少且實用性不足，因此果實采摘機械手的市場前景廣闊。設計一款輕巧，靈便，滿足使用要求的水果采摘機械手變得十分迫切且意義重大4。綜上所述，該課題具有很強的研究探索意義。1.2 國外研究成果及現(xiàn)狀1.2.1 國外采摘機器人成果及現(xiàn)狀隨著計算機和電子控制技術的飛速發(fā)展，機器人逐漸趨向自動化、智能化，并已應用于許多領域，但在農林領域還沒有達到實際應用。從 20 世紀 80 年代中期開始，很多國家都展開了果蔬收獲機器人方面的研究工作，涉及到的研究對象主要有甜橙、葡萄、蘋果、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” 柑橘采摘機器人西班牙和法國的合作項目，“CITRUS”是比較成功的柑橘采摘機器人，如圖1.2所示。該項目于1988年開始啟動,研制的柑橘采摘機器人最高能達到80的采摘率6。蘋果采摘機器人在美國、法國、日本等國已有研究,其中Johan Baete和Sven Boedrij等人研制的蘋果采摘機器人，如圖1.3所示,利用工業(yè)機器人的六自由度手臂作為機械手主體,手臂整體可在架子上進行水平和豎直方向的移動,在果園作業(yè)時,機械手由一臺拖拉機牽引 7。圖1.3 蘋果采摘機器人圖1.4 荷蘭的黃瓜采摘機器人1.2.2 國外末端執(zhí)行器研制進展情況從上世紀80年代開始,日本、荷蘭等國都曾開發(fā)出各種果實采摘末端執(zhí)行器,取得的不少研究成果,但普遍存在采摘質量和采摘效率偏低,機器比較笨重,通用性較差等缺點8。下面介紹了幾種國外水果采摘機器人執(zhí)行末端。美國佛羅里達大學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)行器的內部的CCD攝像機和超聲波傳感器來探測水果的位置8。 圖1.5 柑橘采摘末端執(zhí)行器 圖1.6 蘋果采摘末端執(zhí)行器Johan Baeten和Sven Boedrij等人研制了蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器，如圖1.6所示。其前端樹脂管里裝有微型攝像頭,用于獲取末端執(zhí)行器正前方蘋果圖像,真空泵提供動力,吸盤用于吸取蘋果8。1.3 國內研究成果及現(xiàn)狀作為一個果蔬生產大國，中國在農業(yè)機械自動化方面晚起步于其他發(fā)達國家，因此加快我國的農業(yè)現(xiàn)代化機械化進程，是實現(xiàn)我國農業(yè)現(xiàn)代化的必經之路9。農業(yè)機器人的發(fā)展大大推動機械手的發(fā)展，機械手的發(fā)展將大大提高機器人的實用性和高效性。我國在農業(yè)采摘機器人方面的研究始于20世紀90年代中期,相對于發(fā)達國家起步較晚，但不少院校、研究所都在進行采摘機器人和智能農業(yè)機械相關的研究10。東北農林大學陸懷民開發(fā)了林木球果采摘機器人，浙江大學對番茄采摘機器人進行了運動學分析，上海交通大學對黃瓜采摘機器人進行了研究，浙江大學對番茄采摘機器人進行了相應的研究。在這之中,東北林業(yè)大學的陸懷民研制的林木球果采摘機器人已經進行了采摘試驗，如圖1.7所示。圖1.7林木球果采摘機器人原理圖1.4 主要研究的內容本文主要對柑橘采摘機械手進行結構設計與運動學分析，并對一些關鍵部位進行優(yōu)化，并從實用智能的角度對柑橘采摘機器人的末端執(zhí)行器進行了分析和仿真，以實現(xiàn)從機械本體的角度提高小型柑橘的采摘速度和合格率。并且對柑橘的生物學特征進行了調查與研究，對柑橘采摘機械手提出相關設計要求，使其更好的應用于實際生活中。第2章 柑橘采摘機器人機械手機構設計機械臂機構設計又稱機構綜合，本章通過對小型柑橘果實生長、樹與樹之間的行距、樹冠基徑、樹冠高度、栽培方法等生物學特性數(shù)據(jù)采集，分析柑橘收獲作業(yè)的特點，作為機器人機械手機構設計的基本出發(fā)點。2.1 小型柑橘的生物學特征小型柑橘沙糖桔，如圖2.1所示。沙塘菊果實扁圓形，單果重62160克，頂部有瘤狀突起，蒂部凹臍，桔黃色，果壁薄，易脫落。沙塘巨樹生長勢強，樹冠中等，圓頭，根系發(fā)達，枝條細，稍直立，毛發(fā)粗壯，葉橢圓形，深綠色，葉稍深鋸齒，葉片較小?；ㄓ中∮譂M。它是柑橘品種之一，產量穩(wěn)定、高。圖2.1 小型柑橘實物圖通過對小型柑橘園的調查發(fā)現(xiàn)，果園的行與行之間通常留出作業(yè)通道，便于果樹的管理。果園的真實場景如圖2.3所示。果園地面比較平整, 果園行間距一般為3.54.5m, 柑橘樹與樹之間留有1.21.8的大間隙, 柑橘樹高一般不超過3m,果體直徑為30mm55mm,果重62-160克不等。柑橘樹的冠形特征與果樹的修建強度、樹齡、與基本樹形有較大關系。近年來隨著果樹的矮化和新品種堵塞培養(yǎng)，果實的可采摘性得到提高，能夠更好的適應未來的自動采摘模式。柑橘的采收不同于蘋果等果實表面較硬的水果，果體表面較軟，果皮易磕碰破壞，因此采摘時要嚴格控制好采摘力度，輕拿輕放，不可采摘時生拉硬拽，否則會將柑橘果梗處與皮一同拽開，嚴重影響果實的保存。這也是采摘機械手設計時尤為注意的一點。 圖2.2 柑橘采摘實景 圖2.3 柑橘果園實景2.2 采摘機器人選型原則本論文設計的采摘機械手遵循工業(yè)機械手的相關特點，同時也要考慮到采摘小型柑橘的特殊性。經調查，目前工業(yè)機械手主要有：直角坐標型機械手、圓柱坐標型機械手、極坐標型機械手、關節(jié)坐標型機械手四種，如下圖2.4、2.5、2.6、2.7所示。由于農業(yè)采摘環(huán)境的復雜性、不確定性和果實分布的隨機性本論文采用關節(jié)坐標來解決機械臂運動問題11。圖2.4 直角坐標型 圖2.5 圓柱坐標型圖2.6 極坐標型 圖2.7 關節(jié)坐標型2.3 柑橘采摘機器人機械手的選型通過對小型柑橘采摘應具備的特點進行查閱相關資料，柑橘采摘機器人的機械手形式最適合選擇關節(jié)坐標型，如圖2.8所示。其具體結構包括旋轉底座、大臂、中臂和小臂四部分。并在其底部添加了升降結構, 在垂直方向上增加了機器人的作業(yè)空間，使得果實采摘機械手動作靈活,工作空間大、占地面積小的優(yōu)點，更加適合柑橘的采摘作業(yè)，是一種六自由度串聯(lián)關節(jié)型柑橘采摘機械手。圖2.8 柑橘采摘機械手機構類型2.4 本章小結本章對工業(yè)機器人的幾種重要類型進行了優(yōu)缺點分析，并通過對小型柑橘的生物特性、栽培技術、采摘方式與特點進行了解，最終確定出以串聯(lián)關節(jié)類型作為柑橘采摘機器人機械手的機械臂形式。通過本章機械手的選型，明確了后續(xù)設計的主要方向與設計任務，提高設計效率。第3章 柑橘采摘機器人總體結構方案設計為適應多變開放的柑橘園地面環(huán)境,選用裝有麥克納姆輪的移動小車作為機械手在果園內作業(yè)的移動平臺。麥克納姆輪移動小車靠純電力驅動，以達到節(jié)能環(huán)保的作用，在必要時可為其配備發(fā)電機。小車上安裝有升降平臺，機械手整個部分安裝在升降臺上，以提高果實采摘機械手在垂直方向的運動范圍。機械手底座和關節(jié)的運動采用交流伺服電機作為驅動源，并使用行星齒輪減速器進行減速，達到提高最終輸出扭矩的效果。中臂采用氣動馬達，使其能夠達到動作的快速響應，以及降低價格成本。小臂采用伺服電機帶同同步帶傳遞動能,使其能夠較遠距離傳遞動能給末端12，采摘機械手末端通過快速連接機械裝置將法蘭盤與末端執(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,依靠其重力勢能，通過柔性管道將柑橘傳送到收集筐中。柑橘采摘機器人總體結構大致可由5部分組成，如圖3.1所示，可移動小車底盤，升降梯，柑橘采摘機器人機械手，柑橘采摘執(zhí)行末端，電控系統(tǒng)，視覺系統(tǒng)六部分組成。圖3.1 采摘機器人總體結構3.1 可移動小車底盤可移動小車底盤由四個麥克納姆輪、底板、伺服電機、供電系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、水果回收藍等組成，如圖3.2所示。裝有四個麥克納姆輪的底板可控制整個移動平臺的移動，如平臺的前進、后退、橫移、斜行、原地360旋轉及其組合等動作，在伺服電機的控制下都能完美的實現(xiàn)。供電系統(tǒng)為電機源源不斷的輸送電能，實現(xiàn)連續(xù)采摘作業(yè)。傳感器系統(tǒng)能夠識別整個小車周圍是否有障礙物，使得能夠實現(xiàn)自動避障。底板上安裝有一個真空泵，為執(zhí)行末端提供一個持續(xù)的吸力，能夠更好的使執(zhí)行末端達到采摘效果?？梢苿有≤嚍楣麑嵅烧獧C器人提供了最根本的運行條件。圖3.2 移動小車底盤3.2 升降梯升降梯的作用大大加大了機械手的可采摘范圍，如圖3.3所示，同時為機械手的采摘帶來極大的方便。同時升降梯能夠承受人的重量，在未安裝機械臂時，能用來充當一個可隨時移動的梯子，才在上面可進行認為采摘，是的人工采摘更加高效，更加方便與更加安全。圖3.3 升降梯3維模型圖3.3 柑橘采摘機械手臂圖3.4 柑橘采摘機械手臂柑橘采摘機械手臂采用關節(jié)坐標型機械臂，如圖3.4所示,使得機械手的運動動作更加靈活,工作空間大、占地面積小。機械臂的最下不是一個旋轉底座，由伺服電機帶動減速機來實現(xiàn)整個機械臂的精準旋轉控制。機械臂大臂安裝旋轉底座，上通過伺服電機帶減速機來實現(xiàn)大臂的旋轉。機械臂的中臂有兩部分做成，中臂A安裝在大臂末端，由氣動馬達帶動實現(xiàn)繞大臂末端上下運轉，中臂B安裝在中臂A末端，由氣動馬達帶動實現(xiàn)繞中臂A末端左右360旋轉。小臂安裝在中臂B末端，通過兩個伺服電機帶動小臂實現(xiàn)上下旋轉運動，之間的運動傳遞通過同步帶實現(xiàn)。3.4 柑橘采摘執(zhí)行末端柑橘采摘執(zhí)行末端通過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)行末端通過采用吞咬的仿生學原理，將果實通過機械裝置吞入內部，然后合攏機械臂，實現(xiàn)咬的過程，剪斷果梗，剪斷后的果實通過柑橘采摘執(zhí)行末端下的回收管道，將柑橘回收到回收果框內。圖3.5 果實采摘機械手執(zhí)行末端3.5 電控系統(tǒng)3.5.1 控制系統(tǒng)本設計柑橘采摘機器人控制系統(tǒng)硬件由Siemens1200系列PLC控制器、伺服控制器、雙目CCD工業(yè)相機、圖像數(shù)據(jù)采集卡、氣動控制套件、檢測系統(tǒng)共六個子系統(tǒng)組成。選用Siemens1200系列PLC控制器作為小型柑橘采摘機器人的控制核心，其相當穩(wěn)定的控制能力與抗干擾能力為果實的采摘奠定基礎。伺服控制為其運動控制提供更高的精度，雙目CCD工業(yè)相機為果實采摘提供實時數(shù)據(jù)，檢測系統(tǒng)確保了采摘的安全正常運行，最終通過電動、氣動與機械結構的結合，完成對果實的采摘。采摘的定位、抓取、采摘、回收過程自動進行。3.5.2 視覺系統(tǒng)視覺系統(tǒng)安裝在采摘機械臂小臂上，采用高清CCD相機采集視覺信號，將視覺信號傳遞給處理器，處理器實現(xiàn)對圖像信息的實時處理，并將信號傳遞給PLC,實現(xiàn)自動精確采摘。雙目視覺能實現(xiàn)更加精確的定位，使得視覺觀察更加精準。視覺系統(tǒng)與機械臂相結合，能夠非常完美的實現(xiàn)圖像的采集，捕捉，識別，并將信息分析處理，完成對機械臂的控制，實現(xiàn)果實的自動采摘。圖3.6 采摘機械手視覺3.6 本章小結本章通過對柑橘采摘機器人移動小車底盤，升降梯，柑橘采摘機器人機械手，柑橘采摘執(zhí)行末端，電控系統(tǒng)，視覺系統(tǒng)進行設計并對其部件及細節(jié)作必要的介紹，分析的采摘機器人機械結構的優(yōu)勢，最終完成柑橘采摘機器人總體結構方案設計，為后續(xù)末端執(zhí)行器的設計奠定基礎。第4章 執(zhí)行末端的設計4.1 柑橘采摘末端執(zhí)行器設計的總體原則柑橘采摘末端執(zhí)行器應嚴格按照采摘對象、采摘環(huán)境和采摘方法進行設計，并通過調查找出參考和相關技術參數(shù)，找出比較適合的機械結構，通過可行性研究與參數(shù)計算，并通過對比，尋找比較適合的方案，進行詳細計算。設計時再能實現(xiàn)其功能的同時，要考慮到采摘末端執(zhí)行器成本盡量低廉，機械結構盡量簡單，使用方便。4.2 設計三維軟件Solidworks簡介SolidWorks是目前市面上主流的三維設計繪圖軟件。Solidworks軟件具有強大的三維設計功能，同時其也具有非常豐富的各類組件，為三維繪圖軟件提供了更加強大的渲染功能與有限元分析功能。 SolidWorks以其易學、功能強大、技術創(chuàng)新性強等優(yōu)點，廣受大眾喜愛。SolidWorks強大的裝配功能使用戶能夠在短時間內完成大規(guī)模的裝配設計，從而大大提高了設計效率。SolidWorks同時具有強大的曲面設計功能、渲染功能、磨具設計功能、鈑金設計功能、有限元分析功能和二維CAD繪圖生成功能，使用戶能夠在較短的時間內完成更多的工作，更快地將優(yōu)質產品投放市場。4.3 連桿機構設計方案本章節(jié)通過仿生學原理與實際生活中的柑橘采摘相結合，選取蛇嘴吞咽食物的過程為研究對象，蛇的吞咽動作可分為兩個階段：第一階段為把嘴從張開到咬住獵物的階段；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合，并參照蛇嘴吞食抽象柑橘采摘末端執(zhí)行器的機械結構。蛇頭上顎部分可簡化一個閉環(huán)的連桿機構， 連桿對實現(xiàn)上顎的主要運動幾乎無影響，因此蛇頭上顎部模型可簡化為一個兩側對稱的鉸鏈四桿機鉤，下文就四桿機構的形式進一步討論。圖4.2 蛇頭部骨架模型以蛇頭上頜骨機構為分析對象，對機構模型進行簡化，得到簡化模型1 (專用四桿機構)和簡化模型2 (通用鉸鏈四桿機構)。(a)蛇頭上顎機構簡化模型 1 (b)蛇頭上顎機構簡化模型 2圖4.3 蛇頭上顎機構簡化模型對以上兩種簡化模型機械結構進行綜合對比，判斷其各自結構的優(yōu)勢，最終選取模型2做為作為末端執(zhí)行器結構，其結構形式為鉸鏈四桿機構。(1) 鉸鏈四桿機構 運動學分析圖 4.6 上顎簡化四桿機構模型幾何參數(shù)以鉸鏈 D 點為原點構建機構坐標系 l1cos1+l2cos2-l3cos3=l4 l1sin1+l2sin2-l3sin3=0 l1cos(1-)+l2cos2-l3(cos3+)=l4l1cos(1-)+l2cos2-l3(cos3)=l4公式(4.1) 由(4.1)式可得3=-arccosl32+D2-l122l3D-arccosl42+D2-l122l4D =-arccosl32+E2-l222l3E-arccosl42+E2-l122l4E-3公式(4.2)其中 D=l12+l42-2l1l4cos1 公式(4.3)E=l12+l42-2l1l4cos(1-) 公式(4.4)由上求得3后，即可求得 E 點的變化規(guī)律，則桿 1 中1隨時間的變化關系為： 1=t+0 公式(4.5)式中為一常數(shù)，代入式 4.5，可以得出桿件夾角3隨時間的運動關系式。執(zhí)行器機構受力分析圖 4.7 末端執(zhí)行器機構受力分析假設四桿傳動機構為剛體輕質桿，則 F12cos=F M=Fl1l1=F12sinl1Fl1=Fl2cos 公式(4.6)假設桿為輕質桿，則傳動機構中F12F，即F=Msinl1圖 4.8 末端執(zhí)行器初步模型 2(2) 柑橘采摘末端執(zhí)行器模型建立根據(jù)執(zhí)行器采摘對象的生物學特性分析，柑橘果實的橫縱徑幾乎不會大于 0mm，經調查測量一般果實的橫縱徑一般不大于80mm，基于模型尺寸緊湊性原則與通用性原則，與取執(zhí)行器上下顎運動半徑為 50mm，使得果實采摘執(zhí)行末端能達到采摘小型柑橘的目的，同時其又能夠作為其他水果的采摘執(zhí)行末端，使得末端執(zhí)行器的通用性與可加工性得到提高。如圖 4.9 所示。圖4.9 末端執(zhí)行器模型示意圖由于末端執(zhí)行器在結構形式上，上下結構相互對稱，故只取上部結構作為參數(shù)研究對象。將上部結構的運動看作剛體繞鉸接在執(zhí)行器主架上運動，鉸接點為 D。驅動末端執(zhí)行器上部結構運動的四桿機構為圖 A-B-C-D 所示。此結構選取指型氣缸與標準直線氣缸作為采摘末端執(zhí)行器的動力源。根據(jù)SolidWorks中的緊湊結構原則，建立了手指圓柱的對稱參考平面與執(zhí)行器主框架的對稱參考平面重合的數(shù)學模型，并對其最終lAD=118mm，分別研究了傳動機構的傳動參數(shù)，提取了一般鉸鏈四桿傳動機構的傳動參數(shù)。圖4.10 傳動機構分析示意圖預取lCD=152+102=18.03mm ，以其鉸鏈四桿機構及計算的數(shù)據(jù)參數(shù)，對末端執(zhí)行器的其他部分進行建模。為了保證整個模型的緊湊性，將由真空泵等裝置組成的抽吸裝置設計到末端執(zhí)行器內部，從而獲得其三維模型如圖4.11所示。圖4.11末端執(zhí)行器最終三維模型經研究得出執(zhí)行器基本尺寸參數(shù)后，需要根據(jù)執(zhí)行器作業(yè)情況確定其動力參數(shù)，由式 (4.7) 可知，該型氣缸在 0.5MPa 氣壓下能提供的切割力F=2*Ml1sincos=2*0.540.02203*sin90*cos147=41.12N 公式(4.8)下面來探討切割過程中切割力的主要影響因素，如上分析，將切割過程刀片受力視為0平衡狀態(tài)，則建立其平衡方程如式 (4.8) 所示。FRY1=N1sin(+)cosN2=-FRX1=-N1cos(+)cosFf2=N2=N2tan 公式(4.9)則此時切割力F=P+Ff2-FRY1=P-N1cos(+)sincos2-sin(+)cos 公式(4.10)根據(jù)材料力學的相關理論，建立了切削裝置分離時的微元模型。在果梗的切割過程中，由于刀片本身的厚度，刀片將擠壓果梗表面兩側的柑橘莖組織，將力傳遞給未切割的莖，然后莖桿微元梁在力的作用下彎曲。由材料力學梁彎矩理論：N1=Ml1=MEIX 公式(4.11)式中l(wèi)為定刀支點C 到正壓力N1的距離，mm ；E 為果柄順紋抗拉彈性模量，Pa ；由相關幾何關系可知，微元梁曲率與慣性矩Ix表達式如式(4.12)所示: =Catan(yc+r)Ix=A(y-yc)2dA=B1-B2+B3 公式(4.12)推導得出：N1=EIxl=E(B1-B2+B3)atanlC(yc+r) 公式(4.13)式中，為形心 G 點到 X 軸的距離， mm ;B1，B2和B3為參數(shù)，單位均為m4，r 為柑橘果柄半徑，mm ；在切割過程中，果柄纖維在刀刃擠壓下，發(fā)生變形，當形變足夠大時，纖維被拉斷。研究表明，在果柄切割分離過程中，其對刀刃的阻抗力 P以表示為：P=1.6070Lh12E/E公式(4.14)綜上所述，通過材料力學及相關文獻研究，可得果柄在單刃切剪的數(shù)學模型，其表達式如(4.15)：F=1.6070Lh12E/E+E(B1-B2+B3)atanlC(yc+r)cos(+)sincos2-sin(+)cos公式(4.15)由表達式(4.15)，該模型可推論在給定果柄（果柄直徑、含水率一定情況下）和特定刀刃角下刀片切斷果柄所需切割力的大小，該模型可以對刀片切斷柑橘果柄的切割力作出預估，為切割刀具的設計提供理論參考。 而實際上在理想切割狀態(tài)，上下刀片接觸瞬間，由于機構存在沖量，由 Ft =mv ，切割瞬間加速度增大，對柑橘果柄的破壞也會加大，故該執(zhí)行器所選動力氣缸及切割裝置完全滿足執(zhí)行器作業(yè)切割要求。圖4.12 末端執(zhí)行器模型圖4.4 半球式設計方案該方案的是設計仍然是引用蛇類吞食大的構想，但設計思路并非上一節(jié)的四桿機構，機械機械結構采用直切式結構，將柑橘果梗剪斷。此機構的動力源為氣動馬達，機械執(zhí)行末端通過旋轉氣缸帶動球型刀片將果梗剪斷，在通過柔性管道將剪斷的柑橘輸送到果框中。該柑橘采摘機械手執(zhí)行末端通過設計一個半球式刀片，可實現(xiàn)180采摘，采摘管一周設有相同寬度的間隙，間隙的邊緣較為鋒利，更加方便和有效的采摘果實，能夠實現(xiàn)水果的果的固定與果枝的裁剪同時能夠保證人的手指等不受刀片的劃傷，使得采摘更加安全。圖4.13 末端執(zhí)行器圖 圖4.14 傳動三維圖4.5 半齒設計方案該方案的是設計仍然是引用蛇類吞食大的構想，但設計思路并非上一節(jié)的四桿機構，機械機械結構采用對切式結構，將柑橘果梗剪斷。其動力源為氣動馬達，機械執(zhí)行末端通過氣動氣缸旋轉帶動半齒輪，使得1/4球式刀片相對運動將果梗剪斷，在通過管道將剪斷的柑橘輸送到果框中。該柑橘采摘機械手執(zhí)行末端通過設計一個1/4球式刀片，180采摘，采摘管一周設有相同寬度的間隙，能夠實現(xiàn)水果的果的固定與果枝的裁剪。同時能夠保證人的手指等不受刀片的劃傷，使得采摘更加安全。圖4.15 末端執(zhí)行器圖 圖4.16 末端執(zhí)行器圖圖4.17半尺模型圖 圖4.18齒半球模型圖圖4.19 末端執(zhí)行器圖 圖4.20 傳動三維圖4.5.1 齒輪傳動的計算載荷根據(jù)齒輪傳動的額定功率P和轉速V,可以得到齒輪傳遞的實際使用扭矩和輪齒上的名義法向載荷力Fn。Fca=KFn，式中K為載荷系數(shù)。K=KAKvKK根據(jù)強度計算的類別，載荷系數(shù)可分為載荷系數(shù)KF，用于計算齒根的彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度計算用載荷系數(shù)KH。(1) 齒輪的受力分析計算齒輪上的法向力Fn，將小齒輪分度圓處分解為圓周力Ft1和徑向力Fr1，根據(jù)平衡條件和個力間幾何條件進行計算。Ft1=2T1/dr1Fr1=Ft1/tanFn=Ft1/cos式(4.16)式(4.16)中；T1-小齒輪傳遞的轉矩，N*mm;-壓力角。圖4.21直尺圓柱齒輪輪齒的受力分析(2) 齒根彎曲疲勞強度計算調查分析表明，當載荷作用在單對齒嚙合區(qū)域的最高點時，齒根產生的彎曲應力最大。 齒根彎曲應力的危險截面可由30切線法確定。圖中,作與輪齒對稱線成30角,并與齒根過渡曲線相切的圓條直線,切點分別為A、B，連線AB表示的就是齒根的危險截面。該位置的彎曲應力為： F0=MW=Fncoshbs26=kFFt1bs2 公式(4.17)將上式代入上式，并引人載荷系數(shù)KF，于是危險截面處的彎曲應力為F0=KFFt1bm*6smcosbmsm2cos=kFFt1bm*YFa 公式(4.18)式中: KF一彎曲疲勞強度計算的載荷系數(shù), KF= KAKVKFKF;YFa-齒形系數(shù),與齒制、變位系數(shù)和齒數(shù)有關,與模數(shù)無關, 考慮齒根危險截面處的過渡曲線所引起的應力集中、彎曲應力以外的其他應力以及重合度對齒根應力的影響,、修正m,從而得到直齒輪的彎曲疲勞強度條件為F=F0YSaY=KFKt1YFaYSaYbmF 公式(4.19)圖4.22 齒頂嚙合受載 圖4.23 齒根應力圖將d=b/d1、Ft1=2T1/d1及m=d1/z1得F=2KFTFaYFaYsaYdm3z12F 公式(4.20)經變換,可得m32KFT1Ysadz12*(YFaYsaF) 公式(4.21)4.6 三種方案的優(yōu)缺點分析 三種機械手執(zhí)行末端的構想都是采用蛇吞食的仿生學原理設計的機械機構，都具有剪斷果實后依靠重力將采摘的果實回收到果框里。機械手的設計能夠快速更換執(zhí)行末端，機械手執(zhí)行末端通過相當于數(shù)控換刀結構，按照不同的要求可換上不同的執(zhí)行末端。能夠實現(xiàn)機械手更換執(zhí)行的快速性、簡捷性與采摘的多樣性。（1） 連桿機構設計方案機構設計非常巧妙，采用連桿機構實現(xiàn)刀口的開合，能夠實現(xiàn)果實果梗的剪斷與采摘。其缺點1）機械結構比較復雜，造價相對較高；2）對機械末端的壞后維護較難；3）該機構內部空間較小，刀體部均外漏，不安全；4）刀片采用直型刀片，不能夠剪斷側邊的果實果梗，采摘效果不理想。（2） 半球式設計方案采用氣動馬達直接帶動半球式刀片運動實現(xiàn)剪切作業(yè)，該機構整體結構較為簡單，整個刀體均內置在采摘桶內，保護人身不受傷害，刀體180旋轉能夠實現(xiàn)無死角采摘。其缺點1）由其結構不是很對稱，采摘為氣動，速度較快，使得果實容易被磕碰，采摘破環(huán)率較高。（3） 半齒方案采用氣動馬達帶動半齒輪實現(xiàn)齒半球的相對90同步運動實現(xiàn)剪切作業(yè)，該機構整體結構較為簡單，整個刀體均內置在采摘桶內，保護人身不受傷害，刀體180旋轉能夠實現(xiàn)無死角采摘。同時其結構解決了半球式設計運行不對稱問題，使得果實不容易被磕碰，采摘破環(huán)率降低。上述三種方案在設計時，采摘切割刀刃的長度分別80mm,280mm.140mm，能夠實現(xiàn)最大采摘90mm果徑大小的果實，使其在滿足采摘小型柑橘的同時也能夠實現(xiàn)其他與小型柑橘具有相同果況的其他果實，實現(xiàn)一物多用的好處。通過對上述三個方案的優(yōu)缺點進行分析比較，得出半齒方案的機械結構、采摘性能、可加工性、安全等方面的綜合性能優(yōu)于其他兩方案，是本次執(zhí)行末端設計的最佳方案。4.7本章小結本章首先介紹對三維繪圖軟件Solidworks軟件進行簡要介紹，后面對三種執(zhí)行末端連桿機構設計方案、半球式設計方案、半齒式設計方案進行的設計與進行了必要的實際計算，通過Solidworks三維繪圖軟件得出其三維實體圖，并通過三維圖內運動仿真，得出方案的可行性。仿真得出三種執(zhí)行末端都具有采摘能力與可使用性，并在章節(jié)最后通過三種方案之間的相互對比，得出其不同方案的優(yōu)缺點，并最終得出半齒方案為最佳方案。第5章 柑橘采摘機械手運動分析在選擇柑橘采摘機器人機械手末端執(zhí)行器的機械結構方案和改進末端執(zhí)行器設計時，應考慮采摘方式的合理性，為了得到最合理的末端執(zhí)行器機械結構，提出了幾種末端執(zhí)行器的機械結構方案，并通過實驗進行了驗證。5.1 柑橘采摘機器人機械手運動學分析機器人一般是一種多自由度空間機構，是由一系列剛性部件組成的系統(tǒng)。需要有一種描述這些構件在空間上相互位置的數(shù)學方法,并用它去建立各運動構件的速度、加速度及各驅動力、力矩和負載的關系13, 齊次坐標矩陣法能更好地表達這種關系。它是一種系統(tǒng)性及規(guī)范性很強的方法,既有利于形成機器人運動控制算法,也可用作機器人視覺的圖像處理14。Denavit一Hartenbern(D-H)是一種經典的研究機器人運動學的方法。用齊次坐標變換描述了機器人相鄰桿件的空間關系,最終可以建立機械手末端點的參考坐標系相對于機械手基坐標系的齊次變換矩陣15。建立了機械手的運動學方程。圖5.1 連桿D-H表示用D-H齊次坐標變換法建立蘋果采摘機械手的運動學方程。圖5.2 機械手D-H坐標5.1.1 運動學正解機器人的正向運動學是根據(jù)機器人的各關節(jié)變量,求機器人末端操作裝置的位姿15。建立了連桿的三維坐標系和三維參數(shù)。連桿的D-H坐標變換矩陣可推導如下:10T=0-1010000100d10001 公式(5.1)21T=c20-s2s0c20-110.133c20.133c200 0 0 1 公式(5.2)32T=c3-s30s3c30001c3s300001 公式(5.3)4 3T=c40-s4s40c40-100000001 公式(5.4)54T=10001000100d50001 公式(5.5)運動學方程為:5 0T=10T21T32T43T54T=nxoxaxnyoyaynzozazpxpypz0001 公式(5.6) px=-s34d5-s3+d1. 公式(5.7)利用初始位姿進行正反解的初步驗證正解驗證：將初始位姿:d1=0.84m,2=0，3=-90，4=0，d5=1m 代入（5.7）式得：50T=0，1，0，0，0，1，1，0，0，01.1331.8400，0，0，1 公式(5.8)其與實際情況完全符合,初步證明了正解的正確性。5.1.2 反解驗證利用末端執(zhí)行器初始位姿進行反解驗證50T=nxoxaxnyoyaynzozazpxpypz0001=0，1，0，0，0，1，1，0，0，01.1331.8400，0，0，1 公式(5.9)代入相應的運動學的反解公式中得到：2=arccosox=0d5+c3+0.133=1.133d1-s3=1.840cos(3+3)=0 公式(5.10)將d1=0.840m,2=0，3=-90，4=0，d5=1m, 代入方程組,結果等式分別成立,這說明d1=0.840m,2=0，3=-90，4=0，d5=1m,是方程組的解,初步證明了反解的正確性。5.1.3 機械手雅可比矩陣的求解雅可比矩陣是衡量機器人運動學和動力學性能的重要指標。本文采用矢量積法求解小型柑橘采摘機械手的雅可比矩陣。采用向量乘積法計算列中的雅可比矩陣，得到機械手mn的雅可比矩陣。解決方法如下:如果關節(jié)i為移動關節(jié),則雅可比矩陣的第i列為:Ji=zi0 公式(5.11)如果關節(jié)i為轉動關節(jié),則雅可比矩陣的第i列為:Ji=ziipn0zi=zi（i0Ripn)zi 公式(5.12)矩陣, ipn0為末端執(zhí)行器原點相對坐標系i的位置矢量在基坐標系0中的表示,即ipn0=i0Ripn。對于本柑橘采摘機械手而言,有5個關節(jié),所以雅可比矩陣的是65階矩陣可將雅可比矩陣J(q)的分塊,即:Jq=J1vJ2vJ3vJ4vJ5vJ1wJ2wJ3wJ4wJ5w=J1J2J3J4J565 公式(5.13)利用矢量積法得到本小型柑橘采摘機器人機械手的雅克比矩陣各列,其中:J1=z10=0,0,1,0,0,0, 公式(5.14) J2=z20p52z2=-s22c3s4d5-s3c4d5-c3-0.2,c2s2(c3s4d5+s3c4d5-c3-0.2),-c2-c22s3c4d5-c22s3c4d5+c2c3+0.2+s2c2s3c4d5-c3s4d5-s3+s2c2s2c3s4d5-s2c3s4d5-s2c3-s30.2-s2(s3c4d5-c3s4d5-s3),-c2,-s2,0, 公式(5.15)J3=z30p53z3=-s2s3c3s4d5+s32c4d5-s3c3-c32c4d5+c3s3s4d5-s3c3,c2(s3c3s4d5+s32c4d5-s3c3-c32c4d5+c3s4d5-s3c3)-c2c2c32c4d5-s2c2s3c4d5+c32c2+c2s2s3c4d5+c2s32s4d5-c2s32)+s2s2c32c4d5+s2c2s3c4d5-s32c3+s2c3s3c4d5-s3s4d5+s32s2,-c2,-s2,0,公式(5.16)J4=z40p54z4=-s2c3s4-c2s3c4）（-c3s4-s3c4）s4d5-（s3s4-c3c4）（-c2c3c4s4d5+c2s3s4s4+s2c4d5,s3s4-c3c4s2c3c4s4d5-s2s3s4d5+c2c4d5+(s2c3s4+s2s3c4)(-c3s4-s3c4)s4d5(s2c3s4+s2s3c4)(-c2c3c4s4d5+c2s3s4s3s4d5-c2c4d5)-（-s2c3s4-c2s3c4）（s2c3c4s4d5-s2s3s4s3s4d5+c2c4d5）s2c3s4+s2s3s4,-c2c3s4-c2s3s4,s3s4-c3c4, 公式(5.17)J5=z50=s2c3s4+s2s3s4,-c2c3s4-c2s3s4,s3s4-c3c4,0,0,0, 公式(5.18)通過求解機械手的雅可比矩陣，得到末端執(zhí)行器速度與各關節(jié)速度的瞬時對應關系。5.1.4 機械手速度和加速度正解分析(1) 速度正解機械手正運動學方程為關節(jié)位置向量q的函數(shù),可簡寫為如下方程形:r=f(q) 公式(5.19)對式兩邊求導可得到機械手末端的速度方程為: r=J(q)q公式(5.20)(2) 加速度正解分析機械手末端加速度方程為:r= J(q)q+j (q)q公式(5.21)式中r機械手末端的加速度向量, q關節(jié)變量加速度向量。5.2 柑橘采摘機械手零件理論分析5.2.1 機械零件疲勞極限的因素由于機械零件、機構與其使用材料在幾何尺寸、形狀、加工質量、表面強化技術等方面存在的差異，往往導致零件的疲勞極限小于材料試件的疲勞極限。因此機械零件疲勞極限的因素進行理論分析，如果材料系數(shù)K表示，則零件的對稱循環(huán)彎曲疲勞極限-1與對稱循環(huán)彎曲疲勞極限-1e之比如下K=-1-1e則當已知K,及-1時,就可以估算出零件的對稱循環(huán)彎曲疲勞極限為K-1e=-1K圖5.3 零件極限應力線圖在非對稱循環(huán)時, K是試樣極限應力幅值與零件應力幅值的比值。零件材料極限應力圖中的線ADG按比例K表示。向下移動,變?yōu)樯蠄D所示直線ADG,極限應力曲線CG部分,不需進行修正，因為它是按照靜應力的要求來考慮的。這樣,零件的極限應力曲線即可由折線AGC表示。直線AG的方程,由已知兩點坐標A(0, -1K)及D(02,02K)得到-1e=-1K=ae+eme或-1=Kae+me 公式(5.22)直線CG的方程為。ae+me=s 公式(5.23)e零件受循環(huán)彎曲應力時的材料常數(shù), e可用下式計算:e=sK=1K2-1-00 公式(5.24)式中, K可用下式計算:K=(k+1-1) 1q 公式(5.25)同樣,對于切應力的情況,以代換,得出應力相關方程。5.2.2 帶傳動分析(1) 帶傳動受力分析帶傳動工作前，施加一定的初拉力F0張緊在帶輪上。F1-F0=F0-F2 公式(5.26) F1+F2=2F0 公式(5.27)如取小帶輪上傳送帶為分離體，則帶輪上力矩平衡條件； Ffdd12=F1dd12-F2dd12 公式(5.28) Ff=F1-F2 公式(5.29)式(5.29)中: Ff-傳動帶工作面上的總摩擦力;dd1一小帶輪的基準直徑；帶傳動的有效拉力Fe等于傳動帶工作表面上的總摩擦力Ff,于是 Fe=Ff=F1-F2 公式(5.30)在初拉力Fe、緊邊拉力F1、松邊拉力F2和有效拉力Fe.這4個力中,只有兩個是獨立的,因此： F1=F0+Fe2F2=F0-Fe2 公式(5.31)有效拉力Fe與帶傳動所傳遞的功率P的關系為：P=Fev /1000 公式(5.32)圖5.4 帶與帶輪的受力分析(2) 帶傳動的最大有效拉力及其影響因素在皮帶傳動中，當有打滑趨勢時，摩擦力達到極限值，即皮帶傳動的有效張力達到最大值。這時,根據(jù)理論推導,帶的緊邊拉力F1和松邊拉力F2的關系可用柔韌體摩擦的歐拉公式表示,即F1=F2efa 公式(5.33)式(5.33)中:e-自自然對數(shù)的底(e=2.718);f一摩擦系數(shù)(對于V帶,用當量摩擦系數(shù)fv,代替f;-帶在帶輪上的包角，rad.小帶輪與大帶輪的包角分別為1和2,由下式確定;1180-(dd2-dd1)+57.3a1180+(dd2-dd1)+57.3a 公式(5.34)由式(5.34)可得出以下關系式,其中用Fec表示最大(臨界)有效，F(xiàn)1和F2也表示其臨界值F1=Fecefaefa-1F2=Fec1efa-1Fec= 2F0efa-1efa+1=2F01-1/efa1+1/efa 公式(5.35)式(5.35)中的包角應取1和2中的較小者。5.3 本章小結本章通過Denavit一Hartenbern，機械手雅可比矩陣等數(shù)學算法對柑橘采摘機器人機械手進行了運動學分析，并通過對機械零件疲勞極限方面得與同步帶方面得計算，得出其理論上得可行性。第6章 機械手末端執(zhí)行器有限元分析任何物體都有固有頻率，固有頻率是由其本身的結構決定的，與外界無關。一般來說每一階固有頻率都有一個振型與之對應。當外界激振頻率與結構本身頻率一致時，就會產生共振現(xiàn)象，對結構破環(huán)影響很大，通過Solidworks內部Smulation有限元分析軟件對執(zhí)行末端進行模態(tài)分析。在末端執(zhí)行器有限元模型中，對末端執(zhí)行器安裝端面進行全自由度約束，采用SolidWorks軟件建立末端執(zhí)行器有限元模型，求解約束模態(tài)。解決方案結果如下圖所示。根據(jù)振動理論，模型的低階頻率最有可能與外界頻率產生共振效應。在分析末端執(zhí)行器模型的模態(tài)時，只需對其低階固有頻率和振型進行檢測。6.1 連桿機構末端執(zhí)行器模態(tài)分析如圖6.1所示，在頻率為53.25 Hz時，機械手末端執(zhí)行器發(fā)生共振現(xiàn)象，使得執(zhí)行末端機械結構發(fā)生兩側左右擺動。如圖6.2所示，在頻率為61.2 Hz時，機械手末端執(zhí)行器發(fā)生共振現(xiàn)象，使得執(zhí)行末端機械結構發(fā)生左右兩側向內擺動。圖6.1第一階固有振型 圖6.2第二階固有振型如圖6.3所示，在頻率為113.93 Hz時，機械手末端執(zhí)行器發(fā)生共振現(xiàn)象，使得執(zhí)行末端機械結構發(fā)生整體上下擺動。如圖6.4所示，在頻率為117.69 Hz時，機械手末端執(zhí)行器發(fā)生共振現(xiàn)象，使得執(zhí)行末端機械結構發(fā)生整體左右擺動。 圖6.3第四階固有振型 圖6.4第三階固有振型如圖6.5所示，在頻率為148.82 Hz時，機械手末端執(zhí)行器發(fā)生共振現(xiàn)象，使得執(zhí)行末端機