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智能移动式苹果采摘机器人结构设计
来源：985论文网 添加时间：2020-05-22 14:46
摘 要
随着摘苹果技术的发展，国内外都开始探索相关技术和先进成果在农业领域的应用，其中摘果摘苹果机在农业领域的比重相对较大，随着相关经验的技术进步和成熟，相关摘苹果机在解放劳动力、提高工作效率方面将有不可估量的前景。本文设计了一种轮式苹果采摘机，为进一步探索与苹果采摘相关的苹果采摘机的研发提供了相关经验和依据。
关键词：农业；苹果；采摘机机器人；机械设计
Abstract
With the development of apple picking technology, the application of related technology and advanced achievements in agricultural field has been explored at home and abroad, among which the proportion of fruit picking Macintosh in agricultural field is relatively large. with the technological progress and maturity of related experience, the related apple picking machine will have inestimable prospects in liberating the labor force and improving work efficiency. In this paper, a wheeled apple picking machine is designed, which provides relevant experience and basis for further exploring the research and development of apple picking machine related to apple picking.
Key words:agriculture; apple; picking machine robot; mechanical design
第一章 绪论
1.1研究背景
随着工业的快速发展，全国各地都面临着人口老龄化的问题。这个严重的问题使得很难获得劳动力。摘苹果的时候，人们通常会摘苹果，但是在人工摘苹果的过程中，光靠人是做不到的，必须使用一些辅助工具。因此，苹果采摘是最耗时、劳动密集型和危险的环节。随着人们生活水平的提高和科学技术的发展，人们希望找到一种工具来代替这种劳动力，于是农业收获机器人诞生了。收获机器人将在未来农业发展方向和农民收入中发挥重要作用。苹果作为一种农业经济作物，在农业中发挥着重要的作用，因此苹果收获机器人的研究具有十分重要的意义。
苹果采摘机技术是以自动化技术和计算机技术为主体，有机整合各种现代信息技术的系统集成和应用。苹果采摘技术具有前瞻性和开拓性，在学术研究、产业升级、创新意识培养、国家安全、引导未来经济社会发展等方面发挥着非常重要的作用。目前，相关领域的技术突破从根本上为学术研究提供了必要的支持，以提高摘苹果机的技术水平，拓宽摘苹果机的应用范围，涵盖国防、航空航天、工业生产、服务、老人康复、教育乃至普通家庭生活。摘苹果技术的研究和发展迎来了新的高潮。
1.2研究意义
在复杂和非结构化的工作环境下，采摘机器人通过各种传感器识别、定位和自主导航水果，并利用末端执行器抓取和分割识别出的水果。采摘机器人的结构和运动精度直接决定了采摘机器人的工作范围、采摘成功率和采摘方式，因此采摘机器人的设计在整个采摘操作中起着决定性的作用。
基于国内外大量的研究文献，它们大多是传统的关节式工业机器人，机械结构复杂，控制复杂，设备众多。工业机器人技术的成熟使得工业机器人日益商业化，这带来了机械手控制器的相对独立性。例如，应用于农业机器人系统时，在一定程度上给各种传感器和电控设备之间的数据传输带来很大困难，设备维护更加麻烦。同时，每个模块使用单独的控制器，大大增加了经济成本。此外，由于种植和园艺技术的发展，现代果树栽培方法正在向矮化和密植方向发展，从而大大减小了机器人的采摘空间。为了提高产品质量，近年来，越来越多的果农开始培育松散下垂的果枝，简化树体结构，使树冠通风透明。这种栽培方法在一定程度上减少了采摘空间的障碍。趋势表明，结构简单的自动采摘机器人的设计是未来研究的重点。
1.3国内外研究现状
目前，许多国家已经设计和研究了苹果采摘机器人。由约翰•贝滕(JohnBaeten)和斯温博德里(SvenBoedrij)等人开发的苹果采摘机器人，拥有六自由度机械臂，可以在机架上水平和垂直移动。它的移动平台是一台拖拉机。其总占地面积相对较大，机械臂重量相对较重，成本相对较高。它只适用于植物相对较小的苹果树。番茄采摘机器人是第一个被研究的机器人。其中，日本近藤等人开发的采摘机器人最具影响力。主要包括机械手、视觉传感器和移动机构，机械臂有7个自由度。果柄和果树的分离是通过腕关节的旋转来完成的，就像人们采摘时一样。然而，对于大多数成熟的番茄来说，位置恰好在叶子和茎干相对密集的地方，所以机器人的避障能力很差。2004年，加州机械公司展示了一台采摘机，这是一台全自动番茄采摘机。其主要工作流程是将番茄的枝叶一起砍下，然后卷进分拣仓，通过设备挑出成熟的番茄，然后将剩余的枝叶粉碎成肥料，喷洒在田间。日本的直树近藤等人开发了一种番茄黄瓜采摘机器人，这是一种六自由度工业机器人。在采摘过程中，由于黄瓜是细长的，受到茎叶的影响很大，所以采摘成功率很低。
20世纪90年代中期，中国开始接触农业采摘机器人领域。与发达国家相比，中国起步稍晚。虽然中国起步较晚，但许多高校和研究所都致力于发展智能农业机械。沈阳自动化研究所开发了一种番茄采摘机器人。该机器人设计的机械手为四指机构，配有气泵驱动的复合真空吸盘，具有吸附水果的功能。2009年，江苏大学的杨梁文对机械手的结构进行了研究。采摘机器人的腰部可以升降。此外，根据苹果的几何参数，设计了几种末端执行器，并通过实验操作获得了最合适的末端执行器结构。2016年，吴奚如等人设计并实验了一种新型苹果采摘机器人。这种新型苹果采摘机器人集四轮驱动与遥控、柔性机械臂控制、视觉识别等技术于一体。这是一个能快速摘苹果的机器人。该移动平台具有出色的越野性能。一个激光测距仪安装在移动平台的前面，用来避开障碍物。中国农业大学的张铁忠、张梁楷等人开发了高架草莓采摘机器人。他们的精确运动定位机构使用三自由度直角坐标机械手，可以准确定位葡萄。中国农业大学的李伟、纪超等人设计了温室黄瓜采摘机器人。机器人使用一个4自由度的紧凑关节机械手，采摘一根黄瓜需要28.6秒。华南农业大学的邹项峻等人开发了各种类型的水果采摘机器人，用于采摘大蒜树枝、智能橙子等各种水果，有效提高了设备的综合利用率。
1.4本文研究的主要内容
第二章 相关概述
2.1苹果采摘机的特点
本文设计的苹果采摘机是一种电机驱动的轮式五轴苹果采摘机，其总体结构包括一个二自由度移动载体和一个带抓手的三自由度机械臂。苹果采摘机的主体采用铝板材料和工程塑料组装成苹果采摘机主体，结构轻巧方便，便于在主体上增加模块。为了适应多变的露天苹果园地面环境，选择农用拖拉机式移动车作为移动底盘。主控电路板、采摘辅助装置、各种传感器、电源模块等。是额外安装在上面的。传动部分主要包括机械手的腰部、大臂和小臂。其旋转采用交流伺服电机作为驱动源，选择行星齿轮减速器降低电机速度，同时提高最终输出扭矩。电动推杆直接选作前臂的伸缩部分，伸缩杆的末端通过螺纹连接对应的旋转法兰盘组件与末端执行器固定连接。末端执行器最初选择夹紧机构来夹紧和采摘水果。
2.2苹果采摘机的主要结构
根据设计要求确定的总体结构简图如图2-1所示。
图2-1苹果采摘机结构简图
图中：1为控制部分；2为传感器组件；3为行走小车组件；4为苹果采摘机腰部组件；5为大臂辅助组件；6为大臂组件；7为小臂之电动伸缩组件；8为小臂组件；9为旋转法兰组件；10为末端执行器。各部分由电机驱动并通过齿轮、轴、电动缸等进行有效链接配合产生作用。其中控制部分中含有蓄电池和集中控制线路由通过传感器接受信息并处理运动、工作、执行命令相关动态信息及时指挥苹果采摘机采摘苹果。为了更加高效便捷的采摘果实，文章中对两种不同的结构方案进行了对比。
2.3苹果采摘机器人的控制系统要点
苹果采摘机器人主要包括三个部分:执行系统、驱动系统和控制系统。执行系统包括机械臂、末端执行器和移动平台。驱动系统包括马达、液压和气动驱动。控制系统包括视觉系统、触觉系统、传感系统等。总体设计过程相对复杂。因此，在设计和研究苹果采摘机器人时，应该考虑四个因素:
(1)周围环境会影响采摘工作。例如，气候变化和天气条件是不可预测的，所以苹果采摘机器人的控制系统要求很高。
(2)在采摘过程中，苹果质量的保证非常重要。除了自然环境，还有其他因素影响苹果的质量。
在人们摘苹果的过程中，手掌对苹果的抓力、手指对苹果柄的扭转力以及将苹果放入框架的力都需要被人们准确地抓住。苹果在运输过程中，运输工具会产生一定的振动，这也对苹果的品质有一定的影响。因此，在设计采摘机器人的执行系统时，要复杂得多。
(3)采摘苹果时会遇到障碍物(树叶、树枝、果梗、未成熟苹果)，对采摘率有一定影响，因此采摘机器人应具有良好的避障能力。
(4)苹果采摘机器人系统设计相对复杂，生产成本相对较高。然而，摘苹果机器人主要是由从事农业的农民购买的。成本相对较高，无法达到实际使用的普遍性，难以实现市场化。
第三章 机械臂的设计与分析
在采摘过程中，人类需要四个步骤来完成采摘工作。第一步:通过上下左右移动手臂来确定苹果的位置。第二步:通过手指间的合作来抓水果；第三步:用另一只手、剪刀和手切割；步骤4:将采摘的水果放入框架中完成采摘。因此，本文中机械臂的设计主要来源于人类的采摘过程。
3.1机械臂的设计指标
本文基于移动平台设计苹果采摘机器人，因此在设计机械臂时应考虑移动平台上的负载。在机械臂的结构设计中，需要考虑三个方面。首先，机械臂应该具有轻质结构；第二方面:在本文中，机械臂是串联的，所以机械臂的质量主要取决于每个关节的驱动电机的质量，所以机械臂的关节数是关节数的最小值加上1；第三个方面:对于现在的大多数农业园区来说，农业园区倾向于统一管理，即树的形状较小，障碍较少。因此，机械臂的总长度设置为1000mm，根据以上三个方面的要求，机械臂的相关设计参数指标见表3-1。
表3-1机械臂的设计指标
指标 具体要求
自由度 5
连杆数目 3
总长度 1000mm
夹持物质量 不超过250g
机械臂质量 不超过1kg
3.2机械臂的参数选择
根据上机械手的设计指标，初步将机械手设置为五自由度三连杆串联结构。机械臂包括五个关节，即腰椎关节、肩关节、肘关节、辅助关节和腕关节。腰椎关节主要完成大臂1l绕垂直轴的旋转，辅助关节主要包括也可以在水平方向旋转的腰椎关节。肩关节主要完成大臂在水平方向的旋转。肘关节主要完成前臂在水平方向的旋转。腕关节主要有助于增加末端执行器的灵活性。配置图如图3-1(a)所示。连接各个关节之间的连杆，即 ，均采用质量均匀的铝制结构件材料，其质量为0.3kg/m，故机械臂中连杆的质量取决于连杆的长度，因此，各个连杆长度的设计较为重要。
图3-1机械臂构型图、结构简化图
3.3机械臂工作空间分析
机器人的三维工作空间是每个关节移动时末端执行器可以到达的空间点的总和。机械手工作空间的大小决定了机器人的活动范围。因此，衡量机器人工作能力的一个重要指标是工作空间。机械臂的工作空间和关节空间之间有一定的关系，如图3-2所示。
图3-2机器人工作空间和关节空间的关系图
本文利用三维坐标系建立机械手的运动学模型。当给定各关节角度的范围和各杆的长度取一定值时，用MATLAB软件编程得到机械臂的工作空间图。
3.3.1机械臂运动学模型的建立
如图3-1(b)所示，在每个旋转关节处建立坐标系，其中坐标的原点在每个关节处，x轴的正方向沿着杆方向，y轴的方向垂直于杆方向。因此，建立了每个关节处的三维坐标系统。三维坐标系的变换矩阵是指一个坐标系相对于另一个坐标系的相对运动和相对旋转。从图3-3可以看出，坐标系 是由坐标系 先移动，在旋转得到的。在旋转过程中，是先绕 轴转过 ，在接着绕 轴旋转 。如图3-3所示，其中，涉及到两个特殊矩阵，移动矩阵 和旋转矩阵 。
图3-3D-H坐标变换关系
移动矩阵 为：
（3.1）
旋转矩阵 为：
（3.2）
根据移动矩阵和旋转矩阵可得到，D-H坐标系下，空间某点P的坐标，从 系向 系变换矩阵 ：
（3.3）
式中： ——沿 轴从坐标轴 量至 的距离（与 轴正向一致为正）；
——沿 轴从坐标轴 量至 的转角（逆时针方向为正）；
——沿 轴从坐标轴 量至 的距离（与ix轴正向一致为正）；
——绕 轴从坐标轴 量至 的角度（逆时针方向为正）。
表3-2相邻坐标参数
各个相邻坐标参数，如表3-2所示，将表3-2中的各参数，分别带入式（3.3）中，可得各相邻坐标系之间的变换矩阵，其变换矩阵 ：
（3.4）
（3.5）
（3.6）
根据变换矩阵，可得该机构的位姿矩阵 为：
（3.7）
设 点在末端坐标系 中的坐标为 ，在机械臂基座的坐标系 中的坐标为 ，则可得其之间的关系式为：
（3.8）
则机械臂的数学模型得以建立。
所谓的机械臂运动学正解，即已知各个机械臂杆长， 点在末端坐标系 中的坐标为 给定机械臂中各个关节的转角，求解 点在机械臂基座坐标系 中的坐标 。反之，给定 点在机械臂基座坐标系 中的坐标 ,对机械臂中各个关节的转角进行计算，则为机械臂运动学的逆解。其目的是为了验正坐标变换矩阵 的正确性。
表3-3机械臂正解分析
设机械臂的三个杆件长度分别为：340mm，330mm，330mm，P点在末端坐标系 中的坐标为 示。本文选取七组数据进行交换矩阵 验证，如表3-3所示。通过计算所得的机械臂正解分析的结果，将其与机械臂几何运动学求解出来的结果进行对比，得到两个结果一致，故所建立的运动学模型是正确的。对于逆解的分析，就是正解的逆过程，通过计算与分析，也可得到相同的结论。
3.4.3驱动系统的分析与设计
最常见的三种驱动方式：液压驱动、气压驱动、电机驱动。液压驱动相对于其他驱动来说，所能提供的力和力矩相对大些，具有很强的稳定性和可靠性。但是温度对液压驱动的工作性能和效率影响较大，在高温或低温环境下，工作具有一定困难性。虽然气压驱动体积较小、力矩较大，但是其工作速度的稳定性差，且噪音比较大。电机驱动是应用最广泛的驱动方式，随着科技的发展，电机的体积逐渐减小，驱动力逐渐增加，可以将其安装在机械臂的内部，可以使得机械臂和末端执行器灵活性较高。因此，本文采用的是电机驱动。在对电机驱动分析时，最重要的就是电机的选型。本文根据转矩大小来选择电动机。下面主要来介绍转矩的计算。
杆件的质量与密度和长度有着直接的关系，杆件质量为密度与长度的乘积，即：
（3.10）
可得构件1、构件2、构件3的质量如表3-4所示。
表3-4连杆质量
转矩与杆件长度、质量、关节变量关系如下：
（3.11）
（3.12）
（3.13）
其中：
将数据分别带入式（3.11），式（3.12），式（3.13），可得 。
混合式步进电机（BYG系列）体积较小、力矩大、功耗小，而且其动态特性较好，因此，在机器人的设计中，经常采用此系列的电机。由于苹果采摘机器人有时候需要在雨天工作，而混合式步进电机（BYG系列）具有防水的作用，因此，本文的电机驱动部分都采用混合式步进电机，根据力矩，选取各部分的电机及相应的驱动器，如表3-5和表3-6所示。
表3-5电机和驱动器参数
表3-6腰关节旋转关节各参数
第四章 末端执行器的设计与分析
人对苹果进行采摘时，是通过手指之间的相互配合，完成对苹果的抓取。其中，各个手指之间的力度和各指节之间的相互配合，起着非常大的作用。因此，本文在对末端执行器进行设计与分析时，夹持机构夹持力的范围和夹持机构的驱动系统至关重要。
4.1苹果特性分析
4.1.1苹果几何特性及质量
根据对苹果的实际调研，得到苹果的参数（直径、重量），具体参数如表4-1所示，本课题中是对陕西省延安市洛川县苹果示范园的红富士苹果进行研究与分析。
表4-1苹果几何参数
指标 最小值 平均值 最大值
苹果直径（mm） 60 80 90
苹果重量（g） 190 229 248
4.1.2夹持力分析
目前，苹果的采摘仍然是通过人类进行采摘的，而苹果的采摘工作是一个最耗时、最费力的环节。在采摘的过程中，果实的抓取是收获作业中的一项重要的内容，既要能够稳定抓取果实，同时又不损伤果实。因此，对于末端执行器的设计与分析，夹持装置中夹持力的控制是非常重要的，其决定了果实采摘的质量。
在苹果采摘的过程中，要保证抓取稳定，必须满足以下基本条件：
（4.1）
其中：f果实与手指间的摩擦力；
G果实自身的重力，取248g；
为果实与手指内侧接触面的静摩擦因素，取0.5；
F为果实受到手指给的压力。
则由式（4.1）可得，苹果受到手指给的压力F应该满足：F1.62N，即最小夹持力为1.62N，后面研究夹持力的取值范围时，分别取8组数据进行苹果损伤情况分析，即夹持力分别取5N、15N、25N、35N、45N、55N、65N、70N，并在夹持力最大的情况下，分析各手指指节的等效变形量及等效应力。
4.1.3苹果三维模型的建立
根据对苹果的实际调研，本文中将苹果分为两部分，即果皮和果肉，由于果核离受力点较远，因此，在本文中忽略夹持力对果核的影响。苹果的每一部分只由一种物质组成，因此，苹果每一部分的属性是相同的，但是这两部分之间的组织力学特性不一样。因此，在建立模型时，将苹果分为两部分，并且将苹果每一部分简化为线弹性材料，每部分的弹性模量、破坏应力、泊松比如表3-2所示。
表4-2苹果各部分材料参数
苹果组织 弹性模量(Mpa) 破坏应力(Mpa) 泊松比
果皮 11.6 0.46 0.35
果肉 4.3 0.31 0.35
将二维的苹果图像，导入SolidWorks中，画出其基本轮廓，并进行旋转，建立苹果三维模型。根据苹果的颜色进行外观设计及渲染，最终的苹果的三维模型图，如图4-1所示。
图4-1苹果三维模型图
4.2夹持机构的设计
4.2.1手指材料的选取
（1）夹持机构采用三指（拇指、食指、中指）三指节（近指节、中指节、远指节）的机械手；
（2）手指材料：轻质铝合金（其弹性模量为2.2×109，泊松比为0.39）；
（3）其他零件材料：工程塑料；
（4）手指宽度：10mm；
（5）在手指的内表面贴有橡胶层，且之间设有压力传感器（该压力传感器是来检测夹持力的大小）；
（6）在手指中各指节交接的背面设有限位开关，从而控制指节关节角的范围在所允许范围之内。
4.2.2建立机构三维模型
本文主要是模仿人手采摘的过程进行设计。夹持机构包括三个手指、三个关节、一个手掌。三个手指：拇指、食指、中指，每个手指三个关节：近指节、中指节、远指节。
（1）手指模型
根据表4-1苹果的几何参数，本文手指的最大抓取半径初步选取为90mm，即夹持机构中手掌的直径为90mm，拇指的长度设取80mm，食指的长度设取86mm，中指的长度设取90mm，各手指指节参数如表4-3所示：
表4-3各指节参数表（单位：mm）
手指 关节角范围 近指节长度 中指节长度 远指节长度 总长度
拇指 0°～90° 30 26 24 80
食指 0°～90° 30 30 26 86
中指 0°～90° 30 30 30 90
在三维建模软件Solidworks中，根据表4-3各手指的尺寸参数进行三维模型的建立，如图4-2所示，是拇指的三维模型图。
图4-2拇指三维模型图
（2）手掌模型
根据果实直径所在的范围60mm~90mm，本文手指的最大抓取半径初步选取为90mm，即末端执行器中手掌的直径为90mm，其三维模型图4-3所示。
图4-3手掌三维模型图
从图4-3中可以看出三根手指均匀的分布在手掌上，即每根手指之间夹角为120°，三根手指分别由三根腱绳带动转动，而三根腱绳末端连在一起，即在一根腱绳上，最终连接在一个电动机上。
4.2.3扭簧的选取
本文中主要采取三指三关节的欠驱动方式，所谓的欠驱动方式就是驱动的电动机的个数少于自由度的个数。一个关节包含一个自由度，一个手指就是3个自由度，而整个抓取机构就有9个自由度，整个运动由一个电机驱动。各个手指之间是通过螺栓连接的，在每个手指的每个关节之间设有扭簧，扭簧主要是为了约束多余的自由度，且各指节之间的扭簧强度是不一样的。因此，手掌与近指节之间的扭簧强度比近指节与中指节之间的扭簧强度小、近指节与中指节之间的扭簧强度比中指节与远指节之间的扭簧强度小。当电动机正转工作时，锥齿轮带动手掌内部的轴转动，而腱绳是缠绕在轴上的，从而拉动腱绳，带动近指节进行弯曲，近指节与手掌之间的弹簧被压缩，随着转动角度的增大，扭簧对手指的作用力就越大，当扭簧的反作用力与近指节和中指节之间连接的扭簧的初始作用力一样时，腱绳就会带动近指节和中指节一起转动，两个扭簧作用力一样，当达到和中指节与远指节之间扭簧的初始作用力相同时，并一起带动三个指节同时转动，但是由于手掌与近指节、近指节与中指节、中指节与远指节之间的扭簧强度依次增大，因此，近指节先接触苹果，并停止运动，中指节与远指节继续转动，当达到中指节接触苹果时，中指节停止运动，当远指节接触苹果时，远指节内侧的压力传感器和光电传感器检测到相应压力，达到所设定的压力值，手指停止转动，完成抓取工作。电机反转时，腱绳慢慢松开，远指节与中指节之间的弹簧先开始复位，带动远指节围绕中指节和近指节反向转动，当远指节与中指节平行时，远指节的扭簧停止转动，同理，直到近指节恢复初始位置，手指完成松开过程。从而可以看出，扭簧在抓取的过程中起着关键性的作用，下面介绍弹簧参数的选取。本文选用单臂弯曲扭转弹簧，其如图4-4所示。
d—弹簧材料直径（mm）D、D2—弹簧材料的中径、外径（mm）
H0—自由长度（mm）D1—弹簧的内径（mm）
图4-4单臂弯曲扭转弹簧
（1）弹簧材料的选取
根据机械设计手册第五版选择单臂弯曲扭转弹簧的材料为不锈钢丝YB（T）11，其耐腐蚀、耐高、低温，由于苹果采摘机器人的工作环境一般都是高温或者雨雪天气，因此，零件必须在高低温条件下工作，不锈钢丝满足要求。其参数如表4-4所示，本文中选取弹簧直径为1mm。
表4-4弹簧各参数
材料 直径规格 温度范围 弹性模量 抗拉极限强度
不锈钢丝 0.8mm~1.2mm -200~300 193GPa 1471MPa
（2）扭簧的内径
扭转弹簧许用弯曲应力 ：
（4.2）
式中：
代入数据可得：
在本文手指关节设计中，指节之间连接的螺杆为5mm，因此弹簧的中径D≥5mm。
初步设定旋绕比C=5~8（文中取5）。
旋绕比C的表达式为：
（4.3）
则根据式（4.3），可计算得到，弹簧的中径D为：
D=5mm
由于弹簧的内径 为：
（4.4）
将D和d带入式（4.4），则弹簧的内径 。
（3）扭簧的工作扭矩
根据机械设计手册表11-2-20，得弹簧的曲度系数K1为1.19。则圆柱扭转弹簧的工作极限扭矩Tj为：
（4.5）
式中：
代入数据，可得近指节工作极限扭矩
（4）扭簧的有效圈数
设扭转角度的极限值 为90°，根据公式：
（4.6）
联立式（4.5）和式（4.6），可得近指节弹簧刚度 为：
又由于弹簧刚度 也可写成：
（4.7）
联立式（3.6）和式（3.7）可得近指节弹簧的有效圈数n为：n=9
（5）驱动方案确定
对于机械手中，电机驱动一般采用三种，即步进电机，交流伺服电机，直流伺服电机。对于苹果采摘机器人来说，在保持精度的情况下，同时，也要降低成本。步进电机虽然成本较低，但是容易发生失步现象，精度就不够准确。直流伺服电机虽然精度较高，但成本也相对较高。因此，本文手指的驱动方式，采用交流伺服电机控制。根据式（3.5）可得，近指节扭簧的最大工作扭矩T1为97N∙mm，同理可以计算出中，指节扭簧的最大工作扭矩T2为101N∙mm，远指节扭簧的最大工作扭矩T3为104N∙mm。当手指弯曲达到极限位置时，达到最大负载。设定单个指节内表面受到苹果的最大压力为13N（单个指节），最大负载为：
（3.8）
将T1、T2、T3带入式（3.8）可得最大负载为：
因此，选择电动机的转矩应大于1.082N∙m，查询机械设计手册，选取电动机型号如表4-5所示。
表4-5电动机型号
型号 额定功率 同步转速 额定转矩 质量 极数
Y801-4 0.55KW 1500r/min 2.2 17kg 4
4.3收集装置设计
本文中的收集装置是采用喇叭口的收集槽，其是固定在机架上两个机械臂的中间位置。在收集槽的上方放入相应大小的篮子，在篮子的内壁上贴上柔性橡胶片。其三维模型图如图4-5所示。
图4-5收集装置
4.4有限元分析
4.4.1夹持物的静力学分析
在SolidWorks中，将建立的苹果模型、各手指机构与手掌机构装配起来，如图4-6（a）所示，并导入到Workbench，按照以下步骤进行设置：
（1）添加静力学模块：将建立好的三维模型图导入workbench中，加入staticstructural模块；
（2）材料定义：在EngineeringData中添加各部件的材料属性（手掌、手指、苹果（果皮、果肉）的弹性模量、破坏应力、泊松比）；
（3）建立连接关系：在各关节处添加关节（Joint）连接。Model（右击Insert）
→Connections→Joint。
（4）建立坐标系：为了便于施加载荷与约束，建立局部坐标系（如：各指节与苹果接触点，各指节关节处）；
（5）网格划分：设置网格的形式，单元的大小，对于接触面应进行网格细化。如图4-6（b）所示；
（a）夹持机构
（b）夹持机构网格划分
图4-6夹持机构
图4-7果皮的应力、应变图
（6）施加约束与载荷：添加转动约束、力、力矩，本文中分别取夹持力为5N、15N、25N、35N、45N、55N、65N、70N，得到苹果各个部分（果皮、果肉）的等效应力，等效应变图，并分析苹果的损伤情况。
图4-8果肉的应力、应变图
图4-9苹果各部分最大应变、应力随夹持力变化图
表4-6不同夹持力下果实的最大应力（Mpa）、应变（mm/mm）
夹持力 果皮最大应力 果皮最大应变 果肉最大应力 果肉最大应变
5N 0.031048 0.002702 0.022987 0.0078281
15N 0.093519 0.0081384 0.069239 0.023579
25N 0.15599 0.013575 0.11549 0.039329
35N 0.21809 0.018979 0.16146 0.054985
45N 0.28056 0.024415 0.20772 0.070736
55N 0.34265 0.029819 0.25369 0.086392
65N 0.404 0.035158 0.29994 0.10214
70N 0.43655 0.03799 0.32321 0.11006
（7）求解：完成上面步骤后，点击slove，输出所需的等效应力图、等效应变图。
图4-7为果皮的等效应力、等效应变图。如图4-7（a）和图4-7（b）分别为夹持力为70N时果皮的等效应力图、应变图，如图4-7（c）和4-7（d）为夹持力为65N时果皮的等效应力图、应变图。
图4-10拇指各指节总变形、等效应力图
图4-8为果肉的等效应力、应变图。如图4-8（a）和图4-8（b）为夹持力为70N时果肉的等效应力图、应变图，如图4-8（c）和图4-8（d）为夹持力为65N时果肉的等效应力图、应变图。对苹果施加8组不同的夹持力，得到苹果处于8组夹持力情况下，其等效最大应力、应变数据，如表3-6所示。并采用MATLAB软件，对这8组数据进行数据拟合，可到结果如图4-9所示。
从表4-6中可得出以下结论：
（1）随着夹持力的增大，果实的最大应力、最大应变也随之增大；
（2）在同一夹持力的情况下，离受力点越近，果实的最大应力就越大；即果皮的最大应力最大，果肉次之；
（3）当夹持力为65N时，虽然果皮比果肉的最大应力、最大应变都大，但是果肉的最大应力为0.29994Mpa，已接近果肉的破坏应力0.31Mpa，而果皮的最大应力为0.404Mpa，还未达到其破坏应力0.46Mpa。当夹持力为70N时，就具体的反映了这一现象，从而可以得出：果肉比果皮先接近破坏应力。也就是说，在采摘的过程中，必须注意夹持力的大小，在某些情况下，果实的外表没有受损，而其实果肉已受损。
（4）在苹果采摘机器人采摘的过程中，设置夹持力的上限为65N。
4.4.2各手指静力学分析
图4-11手掌总变形、等效应力图
本文中，在各指节连接处是结构中最薄弱的地方。因此，在夹持力达到最大时，各手指各指节需要进行静力学分析。以确保手指在受到一定夹持力的情况下，能确保手指的变形对其结果无太大影响。本文中对手指各指节和手掌进行静力学分析，主要采用的是有限元方法，使用workbench14.5中staticstructural模块完成静力学分析。其步骤如下：（1）模型导入：设置workbench，将workbench与SolidWorks联接，直接可将三维模型导入workbench中，加入staticstructural模块；（2）材料定义：在EngineeringData中添加材料的弹性模量（2.2e9）、泊松比（0.39）；（3）网格划分：设置网格的形式（Automatic、Sweep、Multizone、Tetrahedrons、HexDominant），单元的大小，对于接触面进行网格细化；
（4）施加约束与载荷：对于各指节：在Supports中，关节连接处添加圆柱面约束，在Loads中，指节与苹果接触处添加力、关节连接处加力矩。由于手掌受到苹果的重力，所以应在手掌内表面施加压力（本文中，苹果的最大质量250g，最小摩擦系数为0.2，手掌所受到的压力为2.5N）。
（5）求解：完成上面步骤后，右击Solution，点击slove，输出所需的总变形、等效应力图。通过上面五步骤来完成模型的有限元分析，可得到所需的总变形、等效应力图。即图4-10（a）、图4-10（b）分别为拇指的近指节的总变形、等效应力图；图4-10（c）、图4-10（d）分别为拇指的中指节的总变形、等效应力图；图4-10（e）、图4-10（f）分别为拇指远指节的总变形、等效应力图。图4-11为手掌的总变形、等效应力图。根据上面对各个指节和手掌的静力学分析，得到的总变形、等效应力图，可以看出手掌受到的变形量最大的地方是在手掌中心，且手掌变形量为0.0036072mm，指节最大变形量为0.064942mm，相对来说变形量是非常小的，对机械手采摘过程不会有影响，因此，所设计的结构符合强度要求。
4.5末端执行器的运动学仿真
在SolidWorks中完成各个零件的三维建模后，对各个零件进行装配，添加适当的配合约束。将所建立的模型保存成Parasolid(x_t)格式，并将模型导入Adams中（File→Import→Filetoread(Browse)→ok），在各关节连接处添加坐标系和旋转副，并添加驱动力矩，其添加后的结果如图4-15所示。在Solution中设置仿真的时间，仿真的步长，从而进行仿真。仿真完成后，通过后处理来得到各手指远指节的位移、速度、加速度曲线图，如图4-16、图4-17、图4-18所示。根据图4-16、图4-17、图4-18可以得到，本文中末端执行器在整个工作过程中，x、y、z三个方向上的位移、速度、加速度都是光滑曲线，且没有发生突变，即满足工作要求，因此，所设计的末端执行器是合理的。
图4-12虚拟样机
图4-13位移曲线图
图4-17速度曲线图
图4-18加速度曲线图
首先，基于苹果几何参数，将苹果分为两部分：果皮、果肉。通过SolidWorks建立苹果模型和夹持机构，对苹果受到手指的夹持力进行分析，得到夹持力的取值范围。其次，选取各指节间所需扭簧的参数。并且让夹持力在最大情况下，在Ansys中对各指节进行静力学分析。最后，根据所建立的运动学模型，分析了手指的工作空间，并将三维模型导入Adams中进行运动学仿真。根据静力学分析和运动学分析，得到末端执行器的设计是合理的。
第五章 剪切机构的设计与分析
5.1果柄分离方式
在生长过程中，苹果通过它们的茎与果树相连。收获季节到来时，人们需要在采摘过程中将果梗与果树分开。在早期，人们用手轻轻地拿着水果，用食指和拇指抓住水果手柄，绕着水果手柄旋转水果，直到水果手柄与果树分离。后来，批发商要求采摘的苹果茎的长度要小，以防止茎在包装后粘在其他苹果上，造成伤口并影响果实质量。为了保证苹果茎秆在采摘过程中的完整性，不存在损伤。在摘苹果的过程中，摘果的质量非常重要，苹果和果树的分离同样重要。目前，分离果梗和果树主要有两种方法。一种是绞拧，即末端执行器拾取水果后，电磁离合器通过吸力使电机转动，带动末端执行器绕中心轴转动，实现水果与果树的分离。另一种是剪切，即末端执行器采摘果实后，通过剪切机构剪切果柄，完成果实与果树的分离。第一种方法操作相对简单，易于实施，但很容易对苹果造成伤害。如果拧不成功，整个果梗会脱落，苹果的质量会降低。第二种方法与第一种方法相比，结构更复杂，但能更好地保证苹果和果梗的分离。扭转法是模拟早期人类的采摘过程。随着人们生活水平的提高，水果商对水果的质量要求越来越高。为了保证果梗在苹果的包装和运输过程中不会与相邻的水果碰撞，因此，当水果商收集苹果时，果农必须保证果梗的长度必须是一定的长度，并且不能超过一定的长度。因此，果农拧下苹果后，必须用剪刀将果梗长度控制在一定范围内。为了减轻果农的工作量，采用剪切机构对果梗进行剪切，剪切完成后，果梗长度允许在规定范围内，以防止果农再次剪切果梗，同时提高苹果的品质。
5.2剪切机构三维模型建立
图5-1剪切机构分析图
本文中的剪切机构主要包括四部分：动刀片、定刀片、滚珠丝杠、螺母。动刀片是类似于T字型，丝杆在直线运动时，拉动动刀片转动，而在拉动的过程中动刀片与滚珠丝杠连接的部分是发生变化的，因此在动刀片下侧开有滑槽，让滚珠丝杠直线运动时，动刀片发生转动。
如图5-1所示， 为动刀片与定刀片旋转中心， 为滑槽上中心点， 为滑槽下中心点， 为丝杠所能移动的最右端位置。 为动刀片转过的角度， 为动刀片的等效长度， 为旋转中心 到上滑槽中心点 的距离， 为丝杠在水平方向移动的极限距离。在本文中设定 为43mm， 为27mm, 为30°，即动刀片转过30°可以完成剪切工作。在三角形 中，
（5.1）
式中：
将数据带入式（4.1）可得 =4，则在剪切机构的设计中，滑槽两中心点距离应为4mm。
又由于：
（5.2）
带入数据可得：
15.58mm
因此，在本文中滚珠丝杠的螺纹长度必须大于15.58mm。
在SolidWorks中，按照尺寸设计要求，完成剪切机构三维模型的建立。如图5-2所示。
图5-2剪切机构结构图
5.3剪切机构的驱动系统
剪切机构动刀片的旋转驱动是通过螺母旋转式滚珠丝杆带动的，即螺母旋转带动丝杆直线运动，同时，丝杆沿着动刀片上的滑槽移动，从而带动动刀片靠近定刀片完成剪切工作。在设计剪切机构时，考虑到防止螺母脱出，设有锁紧螺母装置，如图5-3（a）所示。考虑到要防止逆转，故采用具有自锁机构的蜗轮蜗杆传动系统，如图5-3（b）所示。考虑到驱动系统在机械臂内，体积较小，且质量轻，因此，剪切机构采用电机驱动。整个剪切机构的传动系统如图5-4所示。
图5-3零件图
图5-4剪切机构传动图
在设计的过程中，设定10秒完成剪切动作，而滚珠丝杠必须在10s内往返运动，由式（5.2）得，丝杆一次运动最小位移为16mm，则丝杆往返最小位移为32mm，则滚珠丝杠线速度最小为3.2mm/s。滚珠丝杠上螺母移动速度v与导程P的关系：
(5.3)
本文中选取导程为5mm螺纹，带入式（4.3），则螺母的转速 为：
蜗轮蜗杆的传动比 通常为8~80之间，本文取i=28，根据机械设计基础表12-1、表12-2，选取蜗杆头数 ，模数m=1，蜗杆直径系数q=18mm，则蜗轮齿数 为：
（5.4）
将数据代入式（5.4），得蜗轮齿数2z为：
又由于传动比i：
（5.5）
其中：
将数据带入式（5.5）可得 ：
根据 选择剪切机构的驱动电机参数如表所示：
表5-1剪切机构驱动电机参数
5.4运动学仿真
完成剪切机构的三维建模后，对模型进行运动学仿真是非常有必要的。主要以下步骤来完成：
（1）模型导入。SolidWorks中将所建立的模型保存成Parasolid(x_t)格式，在Adams中导入模型（File/Import）。
（2）建立坐标系。为了较好的添加运动副，在需要的的地方加入坐标系。
（3）添加运动副。由于定刀片在剪切的过程不能发生运动，故将其进行固定，添加固定副（FixedJiont）；连接动刀片和丝杠之间的杆件应与丝杆固定，故也添加固定副。在丝杠和螺母之间添加螺杆副（ScrewJiont）和旋转副（RevoluteJiont）；在动刀片旋转中心和螺母旋转中心添加圆柱副（CylindricalJiont）。
图5-5剪切机构的虚拟样机
图5-6剪切机构的后处理
图5-7动刀片的位移、速度、加速度图
（4）添加驱动。在螺母上添加的圆柱副上添加Motion。如图4-5所示，为虚拟样机图。
（5）仿真参数设定。在Solution中设置仿真时间和仿真参数，并进行仿真。
（6）结果后处理。在仿真结束后，需进行数据测量和数据处理。在Measure中，对动刀片的位移、速度、加速度进行测量，如图5-6（a）所示；在Results/Postprocessor中选择Plotting，进行曲线的绘制，如图5-6（b）所示。通过上述6步骤进行设置，从而得到动刀片在x、y、z方向上的位移、速度、加速度图，如图5-7所示。根据图5-7可得到，动刀片在x、y、z三个方向上的位移都是光滑曲线，在x、y、z三个方向上的速度、加速度在0.15~0.16s之间有突变，但是在0.01s内恢复正常，因此，发生突变影响很小，所以剪切机构满足工作要求，所设计的剪切机构是合理的。通过2、3、4章的分析，完成机械臂、末端执行器、剪切机构三维模型的建立，将这三部分进行装配，得到如图5-8所示的苹果采摘机器人。
图5-8苹果采摘机器人
1底座2底轴3臂l14臂l25臂l36苹果7剪切机构8臂l119臂l1210臂l1311篮子12末端执行器13手掌图4-8苹果采摘机器人
5.5机械臂联合仿真系统的建立
5.5.1联合仿真方法
本文采用MATLAB和Adams软件，来对机械臂控制系统，进行联合仿真模型的建立。其结构控制框图，如图5-9所示。Adams软件可以实现机械臂的运动学和动力学的仿真，而MATLAB/Simulink可以对机械臂的控制系统进行仿真，将两个软件联合起来，对机械臂进行联合仿真试验，可以提高设计效率使得机械设计和控制设计协调一致，节省时间，增加设计的可靠性。
图5-9三关节机械臂控制框图
5.5.2虚拟样机的建立
在设计研发产品时，将所建立的零件进行装配形成整机模型，并在一定的工作环境下，对模型进行仿真，分析整体性能，并对产品进行改进的技术为虚拟技术。这样可以对模型不合理的地方，进行反复修改，从而可以减短产品的开发时间，提高研发效率。
图5-10机械臂及虚拟样机图
虚拟样机的建立包括以下步骤：
（1）三维模型建立。在Solidworks中建立各个杆件的三维模型，并将三连杆进行装配，添加适当的配合约束，如图5-10（a）所示。将所建立的模型的格式保存成Parasolid(x_t)。
（2）模型导入。File→Import→Filetoread(Browse)→ok。
表5-2Adams中各参数添加方法
（3）设置材料属性。其设置结果如图5-11所示。
（4）添加运动副和驱动力矩。如图5-5所示。
（5）仿真和后处理。最后，设置仿真时间为1s，步数为500，并进行仿真。
所建立的机械臂的虚拟样机，如图5-3（b）所示。仿真完成后，需进行后处理。通过测量（Measure），得到各个关节绕Z轴旋转的角位移随时间的变化图，如图5-13（a）、图5-13（b）、图5-13（c）分别为关节o2、o3、o1绕Z轴旋转的角位移随时间的变化图。
图5-11材料定义
图5-12驱动函数
根据对各个关节的角位移随时间的变化图，可以得到：所建立的虚拟样机可以按照给定的驱动函数进行运动学仿真。
图5-13各关节角位移随时间变化图
5.5.3虚拟样机的交互变量的设定
状态变量是Adams与Simulink之间的连接桥梁，即通过状态变量进行信息交流。故在Adams中，通过状态变量来表示所建立模型的输入、输出变量和输入函数。状态变量的设置如下：（1）输入变量的设置。输入变量建立方法：Elements→SystemElements→CreateaStateVariabledefinedbyanAlgebraicEquation。分别建立输入变量robT1、robT2、robT3，其变量如图5-14所示。
（2）输出变量的设置。与输入变量建立方法类似，只是对于Function的建立不一样。
单击Function，在Function Builder对话框中选择All Functions→Angleaboutz/ Angular Velocityaboutz，点击Assist，输入所对应的Marker点，点击OK，设置完成。如图5-15（a）、5-15（b），为输出变量q1、q2、q3的建立；如图5-15（c）、5-15（d），为输出变量dq1、dq2、dq3的建立。
图5-14输入变量的设置
图5-15输出变量的设置
（3）输入函数的设置。在上节所建立的驱动函数的基础上重新设置Function。右击T1，选择Modify，在JointMotion中单击Function，在FunctionBuilder对话框中选择AllFunctions→AlgebraicVariableValue，点击Assist，输入相应的AlgebraicVariableName(robT1、robT2、robT3），其结果如图5-16所示，同样的方法，分别建立robT2、robT3
函数。
图5-16输入函数设置
（4）输入输出设置。输入输出建立的方法：Elements→DataElements→Createan
ADAMSplantoutput/input。在DataElementModifyPlantoutput/input对话框中，VariableName中输入相应的输入输出，如图5-17所示。
图5-17输入、输出的设置
（5）Adams/Control模块的设置。具体的设置结果如图5-18所示。并将该文件保存到Matlab默认的路径下。
图5-18Adams/Control模块的设置
5.6联合仿真系统设定及分析
打开Matlab软件，由于所建立的Adams/Control模块文件已保存在Matlab默认路径下，故在命令栏中输入该文件名Controls_Plant_2，并运行，在命令窗口出现输入输出变量，如图5-19所示。继续在命令栏中输入adams_sys，运行得到如图所示模型，将模型中的adams_sub复制粘贴到将要联合仿真的Simulink程序中，双击adams_sub，得到图5-20（a）所示界面。双击红色模块ADAMSPlant，得到图5-20（b）所示界面，将Animationmode设置成interactive模式，点击OK。
图5-19Matlab中运行Adams/Control模块文件
图5-20adams_sub模块窗口
图5-21联合仿真模型
本文中，对于三关节机械臂的三个输入信号设置是相同，即角位移输入信号为：
图5-22角位移随时间变化图
角速度输入信号为：
角加速度输入信号为：
如图5-22所示，为建立的三机械臂的联合仿真模型。在模型仿真中，SineWave、SineWave1、SineWave2分别为关节的角位移、角速度、角加速度信号。q1、q2、q3分别为三个关节的实际角位移，dq1、dq2、dq3分别为三个关节的实际角速度，matlab_ctrl为控制器模块，matlab_adapt为自适应模块。
5.6.1联合仿真结果分析
运行图5-21的联合仿真模型，设置仿真时间为4s，可得各个关节的角位移随时间的变化图，如图5-22所示。并将实际角位移与理想角位移的输入信号进行对比并分析，可得出：
（1）机械臂在运动的过程中，第一关节的实际信号与理想信号吻合程度较高，说明第一关节的跟踪效果较好，即所建立的算法具有自适应性能力；同时，第一关节的实际信号曲线较光滑，说明第一关节运动比较平稳，所建立的系统鲁棒性较好。
（2）相对于第一关节的运动，第二关节、第三关节的运动实际信号具有波动，跟踪效果一般。
结 语
本课题主要设计和研究一种苹果采摘机器人。其主要包括以下四个方面内容：机械臂的设计与分析、末端执行器的设计与分析、剪切机构的设计与分析、机械臂的联合仿真系统的设计与分析。
果实采摘机械正在向着更加自动化、无人化的趋势发展，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。
致 谢
我的毕业论文的完成，不仅仅是我个人的努力和付出，也凝聚了许多人的辛勤付出，首先我要向帮助过我的所有老师和同学表示衷心的感谢。
在这次毕业论文构思过程中，很多人都对我予以了帮助，他们给了我很多研究的思路、方法，同时对我的研究中不正确的地方进行了指导和纠正，最要感谢的人是我论文指导老师，他从我论文开题到后续研究，都给了我很大的启发和指导，论文初步完成时他又指出了许多不合理的地方，就连非常细微之处，老师都细心的为我讲解，才使得我的论文更加完善。从论文选题到最终定稿，老师都给予了悉心的指导，不厌其烦的对论文逐字逐句地提出了极为中肯的修改意见，倾注了无数的心血，因此，我要感谢的老师。
此外，我还要感谢在一起度过愉快时光的，在一起学习在一起成长，在一起讨论问题的同学们，正是由于你们的陪伴和帮助，我才得以克服了一个又一个难题，解除疑惑，直至本文的顺利完成，使我获益匪浅。
再者，我要感谢四年来一直陪伴我成长的同学们，感谢他们的帮助、鼓励与支持，使我学习到了许多我原本没有的优秀品质，感谢同学们，也感恩我们的相遇。
最后，我要感谢给予我生命和宝贵的学习机会的父母，让我有机会接触到科研，有机会用知识改变命运。再次对关心、帮助过我的老师和同学们表示衷心的感谢。致以最诚挚的祝福，愿大家前程似锦！也祝自己可以描绘出更加绚丽多彩的人生画卷。
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