水果采摘裝置設(shè)計
水果采摘裝置設(shè)計,水果,采摘,裝置,設(shè)計
本科畢業(yè)論文（設(shè)計）
題 目
水果采摘裝置設(shè)計
本科畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書
題 目
水果采摘裝置設(shè)計
題目來源
自擬
學(xué)生姓名
王晗晨
學(xué) 號
0802140123
專業(yè)班級
14級機械1班
指導(dǎo)教師
何斌鋒
職 稱
講師
教 研 室
機械
畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)與要求
為了減輕果農(nóng)的勞動強度，提高采摘效率，避免爬高造成意外傷害事故，設(shè)計一款采摘設(shè)備，要求能滿足各種高度的采摘作業(yè)，不損傷水果，水果類型可自定。要求完成該裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并進行相關(guān)的校核，完成設(shè)計說明書撰寫，并完成裝配圖（包括三維裝配）以及相關(guān)零件圖，二維圖紙量至少保證1.5張A0圖紙。
畢業(yè)論文（設(shè)計）工作進程
起止時間
工作內(nèi)容
2017.12.5-2017.12.28
2017.12.29-2018.2.28
2018.3.1-2018.3.31
2018.4.1-2018.4.30
2018.5.1-2018.5.11
2018.5.12
查（借）閱資料，了解本課題設(shè)計重點，注意事項，撰寫開題報告。
繼續(xù)閱讀文獻，制定采摘裝置設(shè)計方案。
結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算及校核。
繪制裝配圖及零件圖，撰寫畢業(yè)設(shè)計。
指導(dǎo)老師、評閱老師評閱，整理資料準備答辯。
答辯。
指導(dǎo)教師（簽字） 畢業(yè)論文工作組組長（簽字）
任務(wù)接受人（簽字） 畢業(yè)論文（設(shè)計）起止時間： 2017年12月5日 至2018年5月12日
注：本表于每學(xué)年第1學(xué)期18周，經(jīng)畢業(yè)論文工作組審批，隨畢業(yè)論文裝訂由學(xué)院存檔。
本科畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告
論文（設(shè)計）題目
水果采摘裝置設(shè)計
學(xué)生姓名
王晗晨
學(xué)號
0802140123
指導(dǎo)教師
何斌峰
1、 研究目的及意義
我國是一個農(nóng)業(yè)大國，水果產(chǎn)業(yè)是我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)中的重要組成部分。水果種植產(chǎn)業(yè)最重要的操作環(huán)節(jié)便是果實成熟時的采摘作業(yè)，其勞動強度大、消耗時間長，同時由于樹高的限制，高處的果實很難采摘，也具有一定的危險性。所以需要設(shè)計一款簡單易于操作，但又效率高，易于生產(chǎn)，可以大面積推廣的設(shè)備，有來輔助生產(chǎn)過程中采摘的環(huán)節(jié)。以保證生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全，將更多的勞動力解放出來。
二、國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r
（1）國外
在德國，美國，法國，韓國，日本等發(fā)達的國家，隨著產(chǎn)業(yè)多樣化，國際化，以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作性質(zhì)等原因，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動勞動力不足遠比其它行業(yè)來的嚴重。為了解決勞動力分散不均勻，保障生產(chǎn)，提高人們的生活質(zhì)量，各個國家都不斷研發(fā)出了一些農(nóng)業(yè)機械手。例如美國在1883年成功研制了世界上第一臺西紅柿采摘機械手；1987年研制出了對于樹冠外的果實分辨率很高于的柑橘采摘的機械手。韓國在1998年也開發(fā)研制了一種利用傳感器的識別專門用來采摘成熟果實的蘋果采摘機械手。而且該裝置還可以比較輕松的在果園里自由移動，工作空間范圍較廣。 而作為新興的發(fā)達國家的代表，日本在農(nóng)業(yè)機器人研究方面更是全面且多方位。例如為了噴灑農(nóng)藥專門設(shè)計出來的噴農(nóng)藥機器人，傳感器的加入使它能自動的噴灑農(nóng)藥。還有為了嫁接特意設(shè)計的機器人，極速的嫁接成倍的提高了生產(chǎn)效率。施肥機器人利用橡皮做成的四個超窄輪子可以做到在在狹窄的作物間行走。人機協(xié)作型機器人則是通過人與機械手的共同協(xié)調(diào)作用來完成水果采摘的。在采摘過程中，通過用人來完成定位與機器的導(dǎo)航的任務(wù)，而其它的工作（例如：關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，末端執(zhí)行機構(gòu)等）則是由機器人精準控制來協(xié)調(diào)完成。 除此之外，日本還研究了西紅柿，葡萄，草莓，黃瓜等一系列的水果采摘機器人。
（2）國內(nèi)
作為一個果蔬生產(chǎn)大國，中國雖然在農(nóng)業(yè)機械自動化方面晚起步于其他發(fā)達國家，但是先天的不足不能扼住奮發(fā)的國人。1997年，東北林業(yè)大學(xué)教授陸懷民以液壓為驅(qū)動，配合以單片機控制系統(tǒng)，成功的研制出了松木球果實采摘機器人。果實采摘作業(yè)時，由底部的行走機構(gòu)帶動五自由度的機械手靠近果樹，然后由控制系統(tǒng)控制液壓缸實現(xiàn)大小臂的俯仰從而實現(xiàn)果實的精確采摘。2001年，針對番茄采摘采摘過程中定位不精準的問題，張瑞合等人巧妙地運用雙目立體視覺的辦法成功的解決了這一大難題。2005年，梁喜鳳 苗香雯 等人針對番茄機械手的機械運動特性問題成功的進行了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化的運動的仿真。而近年來,隨著國家對農(nóng)業(yè)的重視和資源投入加大,作為農(nóng)用機械的一大熱 點,機械手更是有了質(zhì)的優(yōu)化和跨越,不過面對復(fù)雜多變的工作環(huán)境,機械手的研究依 舊任重而道遠。
三、研究內(nèi)容
1） 、設(shè)計方案的確定。
二）、初步做出整個裝置的零件圖和裝配圖。
三）、使用相關(guān)軟件做出三維圖，并對裝置進行模擬實驗和力學(xué)分析。并且對設(shè)計進行優(yōu)化。
四）、對裝置進行加工和裝配。
五）、使用裝置進行實地實驗和調(diào)試并且分析優(yōu)缺點以便后期改進。
六）、撰寫畢業(yè)設(shè)計論文
在教師指導(dǎo)作用下，獨立完成設(shè)計任務(wù)書，培養(yǎng)一定的創(chuàng)新意識和較強的設(shè)計學(xué)習(xí)能力，完成裝置的整個設(shè)計說明，并附加相關(guān)的圖紙和計算，計算步驟清晰明了，計算結(jié)果正確，設(shè)計繪圖等符合國家標準，撰寫設(shè)計說明書時要語言通順，文字簡練，圖示清晰。
四、研究方案以及步驟
本課題設(shè)計劃分為以下三個階段：
第一階段：1）認真閱讀任務(wù)要求，明確設(shè)計目的
2）查閱資料，了解本課題設(shè)計重點，注意事項
3）設(shè)計初期方案。
第二階段：1）做出零件圖和裝配圖。
2）做出三維圖并且進行軟件模擬和力學(xué)分析。
第三階段：1）對設(shè)計進行優(yōu)化和加工實物。
2）教師評閱、 學(xué)生修改
3）制作畢業(yè)答辯的PPT
五、論文提綱
第一章 緒論
1.1.課題背景及目的
1.2水果采摘裝置國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
第2章 裝置的設(shè)計原理和初步設(shè)計
2.1裝置的構(gòu)想和原理
2.2零件圖和裝配圖
第三章 三維圖的繪制裝配
3.1各個零件三維圖的繪制
3.2裝配
第四章 應(yīng)力分析壽命計算及其優(yōu)化
4.1零件應(yīng)力分析
4.2零件的壽命計算
4.3分析結(jié)果和優(yōu)化
第5章 實物的加工
5.1材料的選擇準備及加工余量的計算
5.2加工代碼的生成和轉(zhuǎn)換
5.3機加過程
5.4零件的修整和裝配
第6章 實物實地實驗
第七章 實物優(yōu)缺點的分析和優(yōu)化
致謝
六、工作量的估計、工作條件
1.工作量的估計
1 撰寫設(shè)計論文及設(shè)計說明書（不少于8000字）；
2 完成零件圖裝配圖和三維圖；
3 手工繪圖一張；
4 制作畢業(yè)答辯的PPT；
5 翻譯一篇外文論文。
2.工作條件
1.圖書館，圖書期刊資料和電子文獻資料
2.裝有制圖軟件的電腦，繪制二維圖、三維圖
3.制圖室，繪制圖紙
3.工作進程
2017.12.5-2017.12.28 查（借）閱資料，了解本課題設(shè)計重點，注意事項，撰寫開題報告。
2017.12.29-2018.2.28 繼續(xù)閱讀文獻，制定采摘裝置設(shè)計方案。
2018.3.1-2018.3.31 結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算及校核
2018.4.1-2018.4.30 繪制裝配圖及零件圖，撰寫畢業(yè)設(shè)計。
2018.5.1-2018.5.11 指導(dǎo)老師、評閱老師評閱，整理資料準備答辯
2018.5.12 答辯。
七、存在的問題及擬解決采取的措施
1.前期設(shè)計思路和裝置原理的欠缺所以需要不停地查閱相關(guān)資料來確定初步方案。
2.在零件的各種計算和繪圖中可能會因為專業(yè)知識的不足進度較慢，要多和指導(dǎo)老師聯(lián)系，和學(xué)習(xí)。
3.在論文的撰寫過程中可能會因為缺少經(jīng)驗導(dǎo)致撰寫的不夠嚴謹，要多請教指導(dǎo)老師，不斷地查驗修改。
參考文獻
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指導(dǎo)教師意見及建議（從選題、理論與實證準備、研究（設(shè)計）方法、工作安排等方面給出評價，并提出指導(dǎo)意見）：
該生通過查閱大量資料了解水果采摘設(shè)備的基本要求，制定了合理可行的設(shè)計方案，選題符合機械專業(yè)要求，同意開題。
指導(dǎo)教師簽名：
年 月 日
畢業(yè)論文工作組意見及建議
準予開題
畢業(yè)論文工作組組長簽字：
年 月 日
注：1.此表由學(xué)生填寫后，交指導(dǎo)教師簽署意見，經(jīng)畢業(yè)論文（設(shè)計）工作組審批后，才能開題。
水果采摘裝置設(shè)計
水果采摘裝置設(shè)計
摘要：本文主要對一種水果采摘裝置進行了初步的設(shè)計。這個裝置是一個仿生的采摘機器人的機械手。該裝置必須依附于新型的蘋果采摘機器人，仿生機械手主要使用合適的鋼絲作為傳動鏈將裝置的驅(qū)動部位和執(zhí)行部位分開，將驅(qū)動部分放于機械手臂的尾部，目的在于減輕機械臂的質(zhì)量，也大大增加了所需要用到的驅(qū)動電機的可選擇的范圍。
首先，對仿生采摘機械手的整體設(shè)計進行了查閱資料和確定設(shè)計方案。在確定方案的過程中修改優(yōu)化了兩次，最終確定為仿生機械手裝置；其次，設(shè)計計算并對裝置進行三維建模，繪制出零件圖然后裝配。最后利用有限元分析軟件進行力學(xué)分析，采用3D打印技術(shù)對零件進行了加工，人工裝配，制造出了設(shè)計的實物。
此次的采摘機械手設(shè)計方案經(jīng)研究合理有效，符合任務(wù)要求，它的整體性能可以滿足新型機器人采摘蘋果的所需采摘裝置。
關(guān)鍵詞：蘋果采摘機器人；仿生機械手；機械設(shè)計
Design of Fruit Picking Device
Abstract：In this paper, a kind of fruit picking device is designed. The device is a biomimetic hand for picking a robot. The device must be attached to a new type of Apple picking robot. It mainly uses steel wire as a transmission chain to separate the drive part from the execution part, and the drive part is placed on the tail part, reducing the quality of the robot arm. The range of options for the required drive motor has also been increased.
Firstly, the overall design of the Bionic picking manipulator is reviewed and the design scheme is determined. Secondly, the device is modeled in three dimensions, the parts are mapped and assembled. Finally, using software for mechanical analysis and then using 3D printing technology, the parts were processed, manually assembled, and the designed physical objects were produced.
This picking scheme is reasonable and effective, and its overall performance can meet the requirements of the new robot to pick apples.
Key words: Apple picking robot; Bionic manipulator; Mechanical design
目錄
摘要 I
Abstract II
1.緒論 1
1.1 課題背景及目的 1
1.2國內(nèi)外采摘機器人研究進展 1
1.3主要內(nèi)容和研究方法 2
1.3.1 主要研究內(nèi)容 2
1.3.2主要研究方法 2
1.4本章小結(jié) 2
2.采摘裝置仿生機械手的設(shè)計 3
2.1新型農(nóng)業(yè)采摘機器人的特點 3
2.2水果采摘機器人設(shè)計中存在的問題和解決方案 3
2.3采摘方式和分離方式的選擇 4
2.3.1采摘方式的選擇 4
2.3.2分離方式的選擇 6
2.4仿生機械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 7
2.4.1蘋果采摘方式分析 7
2.4.2總體設(shè)計 7
2.5手指結(jié)構(gòu)設(shè)計 8
2.5.1手指數(shù)量 8
2.5.2手指關(guān)節(jié)數(shù)量 9
2.5.3手指的材料選擇 9
2.6機架的設(shè)計 10
2.7驅(qū)動方案的選擇 10
2.8本章小結(jié) 11
3.仿生機械手靜力學(xué)分析 12
3.1 手指的工作原理 12
3.2 抓取時的靜態(tài)力學(xué)模型 12
3.3 運動學(xué)分析 15
3.4手部的夾持誤差計算 15
3.5本章小結(jié) 18
4.仿生機械手3D建模及重要零件的有限元分析 19
4.1 軟件概述 19
4.2機械手的虛擬設(shè)計與裝配 19
4.2.1模型的建立 19
4.2.2裝配 22
4.3 重要零件的有限元分析 23
總結(jié) 24
參考文獻 25
致謝 27
V
本科畢業(yè)論文（設(shè)計）
1.緒論
1.1 課題背景及目的
我國是世界農(nóng)業(yè)大國，而水果業(yè)恰恰是我國農(nóng)業(yè)的重要一個組成部分。 果實成熟時最重要的操作環(huán)節(jié)是采摘作業(yè)。 勞動強度高，消耗時間長。 同時，由于樹高的限制，高處位置的果實難以采摘，存在一定的風(fēng)險。所以需要設(shè)計一款簡單易于操作，但又效率高，易于生產(chǎn)，可以大面積推廣的設(shè)備，有來輔助生產(chǎn)過程中采摘的環(huán)節(jié)。以保證生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全，將更多的勞動力解放出來。隨著新型農(nóng)業(yè)技術(shù)，機械技術(shù)和自動化技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，農(nóng)業(yè)采摘機器人已經(jīng)進入我們的視線，使得生產(chǎn)向智能化發(fā)展。所以本次設(shè)計偏向機器人采摘裝置，主要會設(shè)計采摘部分所需要的仿生機械手。主要達到用來提高生產(chǎn)效率改善生產(chǎn)狀況，保證生產(chǎn)安全等目的。
1.2國內(nèi)外采摘機器人研究進展
果蔬采摘機器人的發(fā)明始于20世紀60年代，在美國二十世紀，采摘的主要方法是機械和氣動搖動。果實的脆弱性是果實的脆弱性、低效率、特定的采收率、有限的采摘、新鮮果蔬的存在。但從那時起，隨著電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，特別是工業(yè)機器人和日益復(fù)雜的計算機圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，拾取機器人的研究和技術(shù)發(fā)展迅速發(fā)展。目前，日本、荷蘭、法國、英國、意大利、美國、以色列、西班牙等國家對果蔬采摘機器人進行了研究，包括柑桔、蘋果、西紅柿、櫻桃番茄、蘆筍、黃瓜、黃瓜、葡萄、卷材、菊花。草莓、蘑菇等。這些好處并沒有真正使機器人商業(yè)化。在中國農(nóng)業(yè)機器人領(lǐng)域起步較晚。但這不可能難住奮斗者，近年來，已經(jīng)進行了大量的研究。東北林業(yè)大學(xué)教授盧懷敏成功研制了一種液壓驅(qū)動的松果采摘機器人和單片機控制系統(tǒng)。梁希鳳，苗向文等?成功模擬了番茄機器人機械特性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化運動。?鑒于番茄采摘選番時定位不準確的問題，張瑞鶴等人巧妙地利用雙目立體視覺成功解決了這個大問題。?張劍鋒，董健，張志勇等自適應(yīng)棒跟蹤控制算法的采摘機器人設(shè)計;?機器人視覺傳感器三維立體設(shè)計中國農(nóng)業(yè)大學(xué)劉召祥，劉剛等人摘取了江蘇大學(xué)蘋果蔡建榮的三維信息。?近年來，隨著國家重視農(nóng)業(yè)，加大對資源的投入，作為農(nóng)業(yè)機械的重點，機器人得到了質(zhì)的優(yōu)化和跨越，但面對復(fù)雜多變的工作環(huán)境，對機器人的研究依然存在?一樣。?還有很長的路要走。
1.3主要內(nèi)容和研究方法
1.3.1 主要研究內(nèi)容
(1)采摘裝置設(shè)計方案的確定。
(2)初步做出整個裝置的零件圖和裝配圖。
(3)使用相關(guān)軟件做出三維圖，并對裝置進行模擬實驗和力學(xué)分析。并且對設(shè)計進行優(yōu)化。
(4)對裝置進行加工和裝配。
(5)撰寫畢業(yè)設(shè)計論文
1.3.2主要研究方法
（1）查閱和瀏覽資料
利用課本和圖書館等現(xiàn)有圖書對研究課題進行深入理解和設(shè)計不斷地改進和優(yōu)化，利用網(wǎng)絡(luò)資源瀏覽并學(xué)習(xí)相關(guān)知識，查看相關(guān)文章圖片和視頻對設(shè)計內(nèi)容有深切的認識。
（2）軟件建模和力學(xué)分析
利用軟件進行三維建模把設(shè)計內(nèi)容玩真的體現(xiàn)于三維圖中，使得設(shè)計過程和優(yōu)化過程方便快捷，利用軟件所有的力學(xué)分析功能對零件進行力學(xué)分析保證設(shè)計零件的壽命和合理性。
（3）3D打印技術(shù)進行加工
利用學(xué)?，F(xiàn)有的3D打印設(shè)備對零件進行加工和后期人工的裝配，以便于直觀的將設(shè)計進行說明和展現(xiàn)。
1.4本章小結(jié)
本章節(jié)主要對課題研究的背景和目的進行闡述，對國內(nèi)外研究的發(fā)展?fàn)顩r進行了陳述，對研究的內(nèi)容和方法進行了討論和確定，為接下來的設(shè)計進行了總領(lǐng)的作用。
2.采摘裝置仿生機械手的設(shè)計
2.1新型農(nóng)業(yè)采摘機器人的特點
在目前的工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)有大量的工業(yè)機器人投入生產(chǎn)加工的流水線中，但是在農(nóng)業(yè)中機器人的應(yīng)用并不是十分的凸顯，原因有很多，最直接的原因就是農(nóng)業(yè)機器人所要面對的工作對象和工作環(huán)境和工業(yè)機器人大有不同，技術(shù)難度比較高很難實現(xiàn)智能化的生產(chǎn)工作，所以對新型農(nóng)業(yè)采摘機器人討論得出它具體有以下幾個特點：
（1）非結(jié)構(gòu)性的操作環(huán)境。由于作物隨時間和空間的變化，工作環(huán)境是不可預(yù)知的。而且形式多變的。除了地形條件的限制外，它還直接受作物生長環(huán)境的季節(jié)、氣候和其他自然條件的影響。這不單單要考慮到裝置的靈活性還要有很大的智能性，并能適應(yīng)多變的自然環(huán)境，在視覺、觸覺、多傳感器融合、知識推理和判斷等方面具有相當(dāng)?shù)闹悄堋?
（2）被采摘水果的易損性和位置不可預(yù)測性。眾所周知，新鮮的水果較為嬌嫩若采摘不當(dāng)定會造成采摘的損傷和經(jīng)濟的損失，而其水果在樹體上所處的位置高低及被樹葉的遮擋程度。這些都將是水果機械采摘所要面臨的問題。都需要被合理的解決。??
（3）運動軌跡的復(fù)雜性。機器人一般要一邊移動一邊進行
拾取操作，這一問題是比較復(fù)雜的，此時不像工業(yè)機器人那樣具有固定的軌道和可以判斷的距離，動作的同步要求就比較高了，在后期的控制中就比較要求高了。?
（4）操作對象和市場價格的特殊性。由于水果采摘裝置主要為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者來使用所以一定要便于操作和保養(yǎng)維護之類，而其要是和不同的性別和年齡段的勞動者。并且價格不能過于昂貴，以至于果農(nóng)成本太高不愿意使用采摘裝置。
2.2水果采摘機器人設(shè)計中存在的問題和解決方案
采摘機器人機械手設(shè)計是水果采摘機器人的一個核心設(shè)計。因為我們現(xiàn)在一般水果的表皮都比較脆弱容易損傷，而且水果的形狀以及生長在果樹上的位置通常比較復(fù)雜。所以在采摘機器人實地采摘的過程中較為容易發(fā)生損傷的原因主要有以下兩點：?
（1）水果位置判斷的不準確和執(zhí)行動作時存在的軌跡誤差，一般水果均被樹葉遮擋，而且樹枝的生長錯綜復(fù)雜，所以在水果位置的判斷中存在較大的難度，而且就算判斷正確后采摘軌跡極易可能受到樹枝的影響，導(dǎo)致動作的中斷或偏移。
（2）水果的表皮較為嬌嫩在采摘過程中機械手的力度和方向一旦控制不好就會對水果造成損傷，從而影響水果品質(zhì)造成直接的經(jīng)濟損失。
所以對采摘機器人的采摘裝置進行設(shè)計是，應(yīng)要根據(jù)不同水果的生物特性和機械特性以及栽培方式，采用不同的專用特有的裝置以提高采摘的成功率并減小對水的損傷為主要目標。一般集成兩項功能：?
（1）準確的測量果實的位置，為機械手采摘時提供準確的導(dǎo)航信息；?
（2）對采摘的力度進行精確的控制，壓力傳感器必須高度精準，以保證在抓取水果的時候?qū)λ谋砥び幸粋€很好的保護，不至于損壞水果造成損失。
2.3采摘方式和分離方式的選擇
2.3.1采摘方式的選擇
經(jīng)過查閱書籍和瀏覽網(wǎng)絡(luò)資料發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)外采摘機器人設(shè)計方案中可以借鑒和使用的的有以下幾種采摘方式：
（1）直接切斷式?：
這種方式最為原始和簡單，但是缺點也很多，比如說自動化程度的不高采摘效率低下，采摘環(huán)境要求高，不能滿足多種地形和水果的采摘，操作難度高不便于采摘人員的操作和使用等，如圖2-1/2-2/2-3所示。
圖2-1 甜椒采摘機器人機械手
圖2-2 茄子采摘機器人機械手
圖2-3 番茄采摘機器人機械手
（2）吸入式?：
這種方式是先使用真空將果實吸入操作位置后然后再進行采摘切柄的過程，下面的兩種裝置均為吸入式，只是在切柄的部分有所不同，一個是切一個是旋轉(zhuǎn)扭斷。這種吸入式采摘較為合理可以應(yīng)用在很多采摘裝置中。
圖2-4 柑橘采摘機器人機械手
圖2-5 蘋果采摘機器人機械手
（3）夾持類?：
這種方式模仿了人手采摘水果的運動方式，運用了仿生學(xué)的知識，在抓取過程中較為快捷準確和靈活，所以不管在工業(yè)機器人還是農(nóng)業(yè)采摘機器人中仿生的機械手得到了大量的應(yīng)用。而且國內(nèi)外對此方面的研究也較為頻繁，所以此次研究采用了仿生機械手進行采摘。
1.手指 2.內(nèi)螺紋管 3.絲杠 4.電機
圖2-6 機械手機構(gòu)示意圖
最后經(jīng)過大量的查閱資料并且指導(dǎo)老師進行多次的指導(dǎo)和建議，最終我們在這里選擇夾持類的采摘方式，此種方式較為簡單直接在采摘過程中能快速高效的完成采摘而且不是以損傷過時的表面，所以此種方式較為符合蘋果采摘機器人所需要的特性，能較好的完成采摘的需求。
2.3.2分離方式的選擇
（1）扭斷、折斷、拉斷
扭斷式分離方式是利用機器人手腕的旋轉(zhuǎn)和仿生周轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在機械手抓牢果實后擰斷果柄，需要多次往復(fù)扭轉(zhuǎn)才能斷開果梗，采摘機器人機械手需要較大的工作空間，這樣就難于避免碰撞到樹枝的障礙物。同時，這里就需要根據(jù)采摘對象的果柄的力學(xué)特性進行不同方式的選擇和實際性的實驗，否則很難達到預(yù)期判斷的效果。
（2）剪切
在很多設(shè)計中采摘機器人機械手安裝了剪刀或切刀，采摘方式為剪斷果柄或者切斷果柄。這種方法最為簡單和直接，但是對位置精度的要求最高，而且剪切裝置不太穩(wěn)定最容易在剪切中發(fā)生故障。
（3）熱切割
在荷蘭有一種利用電阻絲將果柄切斷的技術(shù)，曾經(jīng)應(yīng)用在黃瓜的采摘裝置上，此種裝置優(yōu)點為可以閉合果樹因果柄斷落所導(dǎo)致的病菌感染，而且在水果保存水分的方面有著獨特的作用，但是此種裝置在使用的時候所需時間較長而且電阻絲易于損壞，并不是特別符合高效率和低成本的要求。
所以我們在此次的設(shè)計中最終選擇拉斷式，此種分離方式最為適合蘋果的采摘，蘋果的果柄較脆，易于拉斷，這種方式的選擇不僅滿足機械手的特性而且在實際的操作過程中大大的節(jié)約了時間，簡單快捷，是最為合適的分離方式。
2.4仿生機械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.4.1蘋果采摘方式分析
根據(jù)上文的分析和討論我們最終選擇采摘方式為夾持類，分離方式為拉斷式主要的原因如下：夾持類采摘方式較為簡單直接在采摘過程中能快速高效的完成采摘而且不是以損傷過時的表面，所以此種方式較為符合蘋果采摘機器人所需要的特性，能較好的完成采摘的需求。拉斷式，此種分離方式最為適合蘋果的采摘，蘋果的果柄較脆，易于拉斷，這種方式的選擇不僅滿足機械手的特性而且在實際的操作過程中大大的節(jié)約了時間，簡單快捷，是最為合適的分離方式。
設(shè)計要求：
本課題所設(shè)計的機械手應(yīng)該為了減輕果農(nóng)的勞動強度，提高采摘效率，避免爬高造成意外傷害事故，要求能滿足各種高度的采摘作業(yè)，不損傷水果，水果類型可自定。要求完成該裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并進行相關(guān)的校核，完成設(shè)計說明書撰寫，并完成裝配圖（包括三維裝配）以及相關(guān)零件圖，二維圖紙量至少保證1.5張A0圖紙。所以制定以下幾個方面：
（1） 采摘果實為蘋果其直徑范圍：60毫米～100毫米；
（2）裝置還要滿足體積外觀小巧、操作使用簡單、安全性能可靠、場地適應(yīng)性強、加工制造成本低廉；
（3）在加工制造的過程中生產(chǎn)流程簡單，零件加工的工藝性好。
2.4.2總體設(shè)計
機器人手臂的驅(qū)動部分的末端安裝在手臂的最前端，以便拾取水果和蔬菜，以便采摘水果和蔬菜以實現(xiàn)設(shè)備和附加功能。水果和蔬菜收割機器人實現(xiàn)了一鍵操作所需的移動直接接觸。手指與果實體直接接觸。手指運動的常見形式是旋轉(zhuǎn)和平移。旋轉(zhuǎn)式手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，被廣泛使用。應(yīng)用是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但手指的平移抓住了圓形物體，而物體直徑的變化并不影響其軸線的位置，所以大直徑范圍適合于抱工。
根據(jù)蘋果采摘的具體要求，提出了蘋果采摘機器人機械手。其結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。致動器由手指，手掌，機架等組成。手上有三個手指，三個手指圍繞著圓周對稱排列，即每側(cè)有一個手指。每個手指有6個關(guān)節(jié)。在電機的控制下，三根手指的連接通過拉動手指下部的杠桿通過電線來實現(xiàn)。圖2.7顯示了一個使用Solid Works軟件設(shè)計的仿生拾取機器人的三維實體模型。
機械臂以合適的速度運動到果實附近，然后通過位置傳感器檢測到蘋果的位置在進行程序化的分析，機械手開始工作夾緊果實，由壓力傳感器決定機械手的夾緊程度，然后模擬人類采摘時所用的下拉動作，進行采摘，最后將水果放到事前安排好的地方再松開手指，完成一個水果的采摘。
圖2-7 機械手機構(gòu)圖
2.5手指結(jié)構(gòu)設(shè)計
在這里我們選擇的手指設(shè)計有以下幾個優(yōu)點：
（1）手指握力大，能夠牢牢的抓住水果，保證在采摘過程中可以有效地防止水果掉落。（2）承載能力較高，通用性良好，具有可以隨意抓取任意形狀的能力保證可以采摘各種大小形狀的蘋果。
（3）可以應(yīng)用范圍廣獨特的仿生設(shè)計同時減少了驅(qū)動源的數(shù)量，使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得簡單易與控置。選取驅(qū)動裝置的時候只需考慮和討論一次，不必有過多的驅(qū)動。
2.5.1手指數(shù)量
此次設(shè)計中選擇三根手指的設(shè)計，此種設(shè)計用意在于以最少的結(jié)構(gòu)就可以完成采摘所需要的抓取作用，三根手指足以對蘋果進行完全包絡(luò)不會掉落，而且不會造成浪費，在三根手指可以完成的情況下完全不必要設(shè)計成三根以上，而且在采摘的時候有利于蘋果表皮的保護不會損傷蘋果的表皮造成經(jīng)濟的損失，從而使設(shè)計更加合理。
2.5.2手指關(guān)節(jié)數(shù)量
在采摘機器人仿生機機械手的關(guān)節(jié)的設(shè)計中，手指的關(guān)節(jié)數(shù)量越多手指的靈活性越大，抓取的動作將更為準確和完整，所以我們在確定關(guān)節(jié)數(shù)目的時候選擇了六根手指，以最大限度的保證了手指的靈活性，和抓取所需要的自由度，每節(jié)關(guān)節(jié)之間的傳動合理有效符合設(shè)計要求。
我們設(shè)計的機械手指是一個四連桿的機構(gòu)，由最底部的一根長關(guān)節(jié)來驅(qū)動整個手指，而且手指的外部配有用來測量壓力所需要的壓力傳感器保證手指在收攏到合適的大小的時候可以及時的停下來，不會損傷到蘋果的本身。
根據(jù)中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準的相關(guān)資料，最小級別的三級蘋果以外，蘋果果實的最大橫截面的直徑必須要大于或等于70毫米。我們所要設(shè)計的采摘機器人仿生機械手，機械手所抓取的蘋果直徑在60毫米～100毫米之間，故取蘋果半徑為30毫米≤R≤50毫米。
2.5.3手指的材料選擇
采摘機器人仿生機械手手指選擇必須要選擇合適的材料，因為這對于機器人工作狀態(tài)和加工生產(chǎn)都會產(chǎn)生巨大的影響和決定性的作用。
在查閱了大量資料和進行多次分析之后，我們首先要通過遵循手的結(jié)構(gòu)尺寸和手指，然后同時保持足夠的光強度和質(zhì)量，我們最終確定了手指所需材料為尼龍材料的選擇。 尼龍材料本身就具有很多特性的優(yōu)點，比如說較高的機械所需強度，良好的耐熱性，比較低摩擦系數(shù)，耐磨性好，而且具有自潤滑性，減震性還具有弱酸性等特點。對于手指材料的確定是一個較為優(yōu)秀的材料。所以我們對采摘機器人仿生機械手手指材料選為尼龍材料。
圖2-8手指結(jié)構(gòu)
2.6機架的設(shè)計
我們所要設(shè)計的機架主要作用是用來安裝整個驅(qū)動機構(gòu)和手掌部分，所以必須符合機身小巧，體積小易于使用，重量輕不影響手臂的平衡的設(shè)計要求。我們此次的設(shè)計是一個以圓柱形為主體框架的零件，將手指安裝于機構(gòu)架的上方零件軸心角度為平均的120度，下方可與手臂連接中間部位為鏤空結(jié)構(gòu)可以安裝傳動所需要的鉸鏈和鉸鏈架等核心動力裝置。機架結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計外觀如圖2.9所示。
圖2-9 機架結(jié)構(gòu)
2.7驅(qū)動方案的選擇
目前的我們對于手爪設(shè)計所可以使用的驅(qū)動源主要有三種形式：氣壓驅(qū)動、電驅(qū)動、液壓驅(qū)動，這三種目前的技術(shù)均已經(jīng)比較成熟所以使用的時候可以大膽的選擇只要可以滿足我們采摘機器人仿生機械手所需要的動力大小和運動特性即可。我們對這三種方式進行了對比和選擇。
（1）氣壓驅(qū)動是利用氣動壓力對空氣進行壓縮壓來實現(xiàn)驅(qū)動的系統(tǒng)來驅(qū)，通常情況下空氣壓縮機通常被用作動力源。它具有以下幾個特點：氣動驅(qū)動器過載安全，整體結(jié)構(gòu)簡單，污染少幾乎不計，成本較為低廉，還可以通過調(diào)節(jié)空氣流量，來實現(xiàn)機構(gòu)的無級變速，但是尺寸設(shè)備的運行速度不穩(wěn)定，定位精度不高，抓舉力較為小。
（2）液壓驅(qū)動系統(tǒng)來驅(qū)動流體壓力致動器的輸出力來驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)定，固有的高效率，響應(yīng)速度快，速度很簡單，可以在很寬的范圍內(nèi)無級調(diào)速，便于適應(yīng)不同的工作要求，順利實現(xiàn)傳輸，可以吸收沖擊力可以實現(xiàn)更加頻繁和換向平穩(wěn)，但容易漏油，污染，高成本，高定位精度比空氣，但比電機低，流體溫度和粘度變化影響傳輸性能。
（3）電動驅(qū)動，本設(shè)計中將采用57HS09型步進電機。可以充分利用57HS09型步進電機的體積小、重量輕、輸出力大、響應(yīng)速度快、精確度高等良好特性
2.8本章小結(jié)
（1） 根據(jù)任務(wù)書所提出的設(shè)計要求，對機械手的功能進行分析并對設(shè)計方案進行確定。
（2）對采摘機器人仿生機械手采摘方式，分離方式，手指數(shù)量，關(guān)節(jié)數(shù)量，機構(gòu)架形狀，以及手指材料進行選擇，而且對以上方面進行研究確定初步計劃。
3.仿生機械手靜力學(xué)分析
3.1 手指的工作原理
(a)是手指的初始結(jié)構(gòu),手指無接觸外力，整個手指以單一剛體繞支點運動
(b)表示指節(jié)1接觸物體
(c) 表示指節(jié)2相對指節(jié)1的轉(zhuǎn)動，指節(jié)2向物體方向彎曲，這時驅(qū)動力需克服彈簧作用力
(d)兩指節(jié)接觸物體，手指完成形適合階級,驅(qū)動件的驅(qū)動力傳遞到兩指節(jié)上。
圖3.1 手指工作原理
3.2 抓取時的靜態(tài)力學(xué)模型
抓取的靜力學(xué)模型如圖3.2所示。
圖3.2 手指靜力學(xué)模型
圖3.2中為輸入轉(zhuǎn)矩，、分別為關(guān)節(jié)1、2所受的力，、為接觸點、到、的距離。為關(guān)節(jié)2相對于關(guān)節(jié)1轉(zhuǎn)過的角度，水平軸的夾角。為摩擦約束力矩。三角構(gòu)件邊的夾角，h桿與桿c的反向延長線交點到的距離。、為關(guān)節(jié)1、2的長度。為桿與水平軸的夾角。為摩擦約束力矩。
根據(jù)虛功原理可得
公式 (3.1)
T為手指機構(gòu)的輸入轉(zhuǎn)矩向量，由驅(qū)動力矩以及摩擦力矩組成；為手指機構(gòu)各關(guān)節(jié)與力矩相關(guān)的連桿的虛擬角速度向量，由驅(qū)動連桿的角速度以及末關(guān)節(jié)加速度構(gòu)成；F為作用在手指上的抓取接觸力組成的向量，由接觸力、構(gòu)成；V為外力作用點在外力作用方向上的虛擬速度向量，由各接觸點的y方向的速度分量構(gòu)成，即：
公式（3.2）
由機構(gòu)學(xué)理論，可知各關(guān)節(jié)的接觸點速度可以通過雅可比矩陣用各關(guān)節(jié)的角速度來表示，即： 公式(3.3)
又 公式(3.4)
為傳遞矩陣
將式(3.2)、(3.3)、(3.4)帶入(3.1)約去得：
(3.5)
公式(3.6)
將上式與式(3.3)對比可知
公式(3.7)
公式(3.8)
公式(3.9)
公式(3.10)
公式(3.11)
手指以直指方式抓取物體時,僅有短關(guān)節(jié)觸及物體,這時,只要令F1=0、T1=0 ，則手指受力為：
公式(3.12)
3.3 運動學(xué)分析
機械手的每個手指都是由兩套四連桿機構(gòu)構(gòu)成的。圖3.3所示為一個四連桿機構(gòu)。
圖 3.3四連桿機構(gòu)原理
各桿構(gòu)成的矢量封閉方程為[6]，寫成坐標軸上分量形式有：
公式(3.13)
化簡上式，消去b得：
公式(3.14)
對式3.14兩邊求導(dǎo)并化簡，可得4桿機構(gòu)L1與L3角速度之間的關(guān)系：
(3.15)
3.4手部的夾持誤差計算
旋轉(zhuǎn)夾緊手指時的不同直徑的工件會產(chǎn)生變化的軸向位置，使得鉗位誤差。欠驅(qū)動手指的抓地力和雙支點原理轉(zhuǎn)換回一個類似的原則手指夾住，如此就可以按照雙支點回轉(zhuǎn)型手指祝福誤差計算。
圖3.4 雙支點回轉(zhuǎn)型手指簡圖
圖中：l－手指長度;
－V型槽的夾角；
－偏轉(zhuǎn)角；
2 s－兩回轉(zhuǎn)支點間距離;
根據(jù)幾何關(guān)系，可得
公式(3.16)
公式(3.17)
該方程亦為雙曲線方程，另；
圖3.5 x與半徑R的關(guān)系曲線
根據(jù)雙曲線特點,對應(yīng)附近的曲線變化率較小,故在處附近對應(yīng)的夾持誤差最小。
當(dāng)時，手指夾持誤差計算如下:
公式(3.18)
公式(3.19)
最佳偏角的計算
取V型槽的夾角=，根據(jù)式（3-9）求得最佳偏轉(zhuǎn)角為 故
夾持誤差的計算
因為和關(guān)于對稱，所以=，故
經(jīng)過計算手指的夾持誤差為0.88mm。
3.5本章小結(jié)
本章研究機械手的工作原理，通過建立了機械手的靜力學(xué)模型的方式，對手指進行了靜力分析。
4.仿生機械手3D建模及重要零件的有限元分析
4.1 軟件概述
Solid works是我國現(xiàn)在機械設(shè)計領(lǐng)域運用比較廣泛的3D建模軟件之一，其操作比較簡單，功能也較為全面，所繪制出的圖紙直觀而且較為準確真實，總結(jié)來說Solid Works軟件的主要特點是:
（1） 全參數(shù)化
（2） 基于特征的實體建模
（3）相關(guān)性
4.2機械手的虛擬設(shè)計與裝配
4.2.1模型的建立
（1）Solid Works建模的一般過程如下
建立模型空間定位的基準:1基準面2基準軸3基準坐標系。每個實體特征都要利用基準特征作為參照。
建立基礎(chǔ)實體特征:拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、混合等。
建立工程特征:孔、倒角、肋、拔模等。
特征的修改:特征陣列、特征復(fù)制等編輯操作。
（2）機械手的主要零件建模
機械手主要包括：長關(guān)節(jié)、短關(guān)節(jié)，傳動桿件、四連桿，機架等。各關(guān)節(jié)，連桿的尺寸已經(jīng)確定，然后在Solid Works中建立模型。
圖4-1長關(guān)節(jié)零件圖
圖4-2長連桿的正反面
圖4-3傳動桿件
圖4-5短連桿的零件圖
圖4-6指尖部分的零件圖
圖4-7手指底座的零件圖
圖4-8 傳動部分零件圖
4.2.2裝配
圖4-9采摘機器人仿生機械手
4.3 重要零件的有限元分析
這里我們?nèi)匀皇褂美L圖軟件，以其自帶的有限元分析功能對指尖和長關(guān)節(jié)兩個重要零件進行了有限元分析，分析結(jié)果以圖片的形式呈現(xiàn)。
圖4-10長關(guān)節(jié)的有限元分析結(jié)果
圖4-11指尖的有限元分析結(jié)果
56
總結(jié)
本次畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)接近尾聲，在此次設(shè)計中經(jīng)歷了以下幾個步驟，首先是查閱了大量的資料并且在老師的指導(dǎo)下對設(shè)計的方案進行了大致的確定，填寫了開題報告。然后再對設(shè)計方案進行了繪制二維圖紙和3D建模，用圖紙對設(shè)計進行了初步的表達，通過了中期答辯。然后對設(shè)計中所需計算的部分進行了計算并且以文字的格式進行了編輯和保存。然后再利用3D打印技術(shù)加工出了實物模型，并對其進行了裝配和調(diào)試。最后對設(shè)計進行了撰寫說明書，并把所需要的內(nèi)容進行添加和修改，不斷地完善和精進，并且把之前翻譯的外文進行了整理，把圖紙進行了歸類和添加。
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致謝
從論文題目的選取到系統(tǒng)的實現(xiàn) ，再到論文最后的完成，經(jīng)過了兩個多月的努力。在這里很感謝每一位幫助過我的老師和同學(xué)，是你們讓我的四年大學(xué)時光變得有意義，在此，我要感謝機械與材料工程學(xué)院的所有老師，我深深被你們的專業(yè)知識和治學(xué)態(tài)度所影響，沒有你們的細致的指導(dǎo)和提出的寶貴意見，我沒有信心完成這篇論文。
大學(xué)四年時光一晃而過，大學(xué)校園生活也即將結(jié)束，心中難免會有不舍，友誼情深，情同手足，四年的時光正是因為有朋友同學(xué)的支持和老師的諄諄教誨，才能如此的充實，長風(fēng)破浪會有時，直掛云帆濟滄海。
附錄A外文翻譯
工程設(shè)計中機械分析模型的使用與重用的信息構(gòu)造
如今，在工業(yè)背景下，成本和的效率的提高，以及質(zhì)量的提高。對工程設(shè)計有重大的影響。因此，為了盡早做出最終方案。根據(jù)產(chǎn)品的具體情況，在工程過程中越來越多地使用機械分析。然后,眾多的力學(xué)模型闡述了在工程設(shè)計與工程更改或規(guī)則的革新。此外，當(dāng)設(shè)計人員面臨設(shè)計或建模選項時，先前的分析可以幫助決策的選擇。然后，必須設(shè)想對以前的分析的重用。論文發(fā)表的交易目的和不同體現(xiàn)設(shè)計中使用的機械分析。后來不同水平的模型由設(shè)計師在工程過程中提出。一種特殊類型的分析，即“教學(xué)”在進一步的步驟中被標識出來，并且強調(diào)它對重用上下文的興趣。最后，提出了在工程設(shè)計中允許機械分析重用的信息結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞:機械分析、力學(xué)模型、信息構(gòu)建、重用、工程設(shè)計
1. 導(dǎo)言
在工業(yè)環(huán)境下, 降低成本和提高質(zhì)量是非常重要的。為了在工程設(shè)計過程中盡快做出最佳決策, 經(jīng)常采用分析方法。一方面, 在工程師在設(shè)計過程中, 設(shè)計產(chǎn)品成本的80% 是不確定的, 所以設(shè)計流程中的每個決策都必須符合產(chǎn)品要求。另一方面, 隨著時間的推移, 市場是一個 產(chǎn)品的成功的主要因素之一, 產(chǎn)品開發(fā)的不同階段的時間長短, 特別是工程設(shè)計, 必須減少。良好的設(shè)計選擇必須在最早的階段按照所要求的規(guī)格完成。
然而, 當(dāng)工程發(fā)生變化產(chǎn)品的設(shè)計必須控制, 以限制損失的時間。這種控制取決于對不同產(chǎn)品之間存在的聯(lián)系，另一種節(jié)省時間的方法是系統(tǒng)地使用可重用的分析庫。這種分析依賴于分析的軌道和這些軌道的可訪問性。面對這一問題的一種方法是在設(shè)計和分析過程中對信息進行結(jié)構(gòu)化處理, 以方便多個模型的控制和重用。
首先, 對計算機輔助設(shè)計 (CAD) 集成的實際研究進行了簡要回顧, 給出了支持實例的描述。在此之后, 根據(jù)分析的目的和背景, 對三種類型的機械分析進行了區(qū)分。然后, 本文的主要部分論述了設(shè)計者處理的不同層次的產(chǎn)品模型, 強調(diào)了 "教學(xué)案例" 在重用語境中的重要性。最后, 提出了信息構(gòu)造, 使可重用分析在繪制了工程設(shè)計過程和一些結(jié)論。
2. 體現(xiàn)設(shè)計中的機械分析
工程設(shè)計是一種將需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的創(chuàng)造過程。它的特點是它的復(fù)雜性和它背后所存在的許多工作和行為者。結(jié)構(gòu)的構(gòu)造可以分為兩個步驟:首先，初步布局和形式設(shè)計, 第二, 詳細的布局和形式設(shè)計。對于實施方案設(shè)計, 必須選擇最佳布局。然后和結(jié)構(gòu)的改進與技術(shù)技術(shù)標準有關(guān)。因此, 為了選擇和評估解決方案, 在設(shè)計過程中需要機械分析。機械分析可以用來驗證, 標注或模擬產(chǎn)品行為。對分析與機械設(shè)計之間聯(lián)系的研究大多涉及分析與CAD 有關(guān)。主要的問題是數(shù)據(jù)傳遞。在設(shè)計過程中, 提出了將分析模型與設(shè)計模型 (幾何表示和技術(shù)邏輯參數(shù)) 聯(lián)系起來的數(shù)據(jù)建模方法。然而, 在工程設(shè)計中, 機械分析活動是由多種可能的模型、現(xiàn)有的多種方法和多種可用工具。在工業(yè)環(huán)境中挑戰(zhàn)是項目動態(tài)中產(chǎn)生的眾多分析模型的管理。工程設(shè)計中的這種分析管理不僅涉及項目中不同模型的使用而且還與現(xiàn)有項目中其他項目的舊分
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