番茄采摘机械手

目 录摘要3第一章 绪论51.1 研究的目的与意义51.2 国内外在该方面的研究现状61.2.1 国外研究现状61.2.2国内研究现状71.3 主要内容81.4 设计采摘机械手的要求8第二章 切割装置的设计82.1 采摘方式的选择82.2 切割装置的结构设计92.2.1 切割刀片的设计92.2.2 驱动方式的选择112.2.3 切割装置的受力分析112.2.4 气压缸与基本参数的确定122.4 切割装置的固定与定位152.4.1 切割装置的定位152.4.2 切割装置的固定162.5 本章小结17第3章 软体手指密封与连接固定结构设计173.1 密封元件设计173.1.1 密封的目的与作用173.1.2 密封的类型183.1.3 密封件的材料193.2.1 抓取方式的选择203.2.2 抓盘的设计213.2.3 抓盘与手指的连接213.3 机械手与手臂的连接223.4 本章小结23第4章 软体手指244.1.1气动软体手指的作用及优点244.1.2 气动手指的工作原理244.2.1软体手指内部气体通道设计254.2.2 手指通道的设计与制作264.3 软体手指材料的选择274.3.1 手指材料的要求274.3.2 材料的性质与应用274.3.3 材料的分类284.3.4 材料的选择284.4 软体手指夹持实验294.4.1 实验装置294.4.2 实验过程。304.5 本章小结31第5章 总结与讨论315.1 工作总结315.2 设计讨论与展望32参考文献34致谢36摘要番茄是我们日常饮食中比较常见的一种蔬菜，它具有非常高的营养价值，能为人们提供几种维生素和矿物质的需求。作为农业大国，番茄的种植已经遍及我国各地，尤其是各种大棚蔬菜的种植，可以说已经大大的提高了番茄的产量，这对于番茄的采摘无疑是一个巨大的劳动量，需要大量的劳动力、并且，番茄的成熟期比较短，所以采摘的时机要及时，不然就会影响番茄的质量和新鲜度。农业机器人是目前全国各地研究的比较多的机器人之一，以为农业机器人的研究对于某些农业大国来说意义是很大的。能在一定程度上推动国家的经济发展，尤为重要的是能解决人口老龄化，劳动力缺失的问题。水果和蔬菜的采摘是生产中的重要环节。设计研究一种番茄采摘机械手，对提高番茄的生产量有很大的意义。本文设计了一种采摘机器人的末端执行器，番茄采摘机械手，专门用于番茄的采摘，该采摘机械手结构简单，易于实现采摘，并且该机械手运用了比较前沿的气动软体手指做夹持装置，可以说是一大创新关键词：番茄采摘机械手；软体手抓；密封装置；切断装置。AbstractTomato is a common vegetable in our daily diet. It has very high nutritional value and can provide people with several vitamins and minerals. As a big agricultural country, tomato cultivation has spread all over China, especially the cultivation of various greenhouse vegetables. It can be said that the yield of tomatoes has been greatly improved. This is undoubtedly a huge amount of labor for tomato harvesting, and requires a lot of labor. Moreover, the ripening period of the tomato is relatively short, so the timing of picking must be timely, otherwise it will affect the quality and freshness of the tomato.Agricultural robots are one of the more widely studied robots in the country. It is thought that the research of agricultural robots is of great significance to some agricultural powers. To a certain extent, it can promote the countrys economic development. It is particularly important to solve the problem of population aging and lack of labor. The picking of fruits and vegetables is an important part of production. Designing and researching a tomato picking robot has great significance for improving tomato production.In this paper, an end-effector of picking robot, tomato picking robot, is specially designed for the picking of tomato. The picking robot is simple in structure and easy to pick, and the robot uses a relatively advanced aerodynamic soft finger as clamping device. Say it is a big innovationKey words: Tomato picking robot; Software grasping; Sealing means; Cutting device.第一章 绪论在当代，机器人在人们的日常生活和生产中起到了越来越重要的地位，在很多方面，机器人取代人，使人从各种危险艰苦的劳动中解放出来。机器人技术是一种高兴的科学技术，他包含了多方面的科学知识，其中有力学、机构学、自动控制、计算机、人工智能、仿生学、传感技术等等各方面的知识、同时机器人也广泛的应用于国防、农业、科技、制造等个方面。农业机器人知识广大机器人中的一种，他的出现是当代农业在向着现代的方向发展，世界各国都在开发研究农业机器人，使得机器人在农业中也逐步的占据着越来越重要的地位。1.1 研究的目的与意义农业机器人的研究与设计能带来很大的经济效益和广阔的市场前景。我国为农业大国，农业机器人对我国的农业快速发展具有深远的意义。种植和收获都是水果和蔬菜增加产量的重要的一环。1983年美国研制出了世界上的第一台番茄采摘机器人。从那时起，农业机器人的研究一共经过了20多年。在这期间，日本与欧美的一些国家都在研究采摘机器人。由此可见，采摘机器人的应用越来越广泛，尤其是在蔬菜和水果的收获过程中，越来越多的水果蔬菜在不久的将来将采用机器人采摘。这将进一步的推动国家的农业发展，进而带动国家经济的发展。 番茄是一种营养很丰富的蔬菜，在人们的日常生活和饮食中都有很重要的地位。全球各地的番茄的产量都在逐步的增长，所以研究番茄采摘机器人的意义就变得越来越重大，在研究番茄采摘机器人的过程中。末端执行器机械手的研究也有很大的意义。研究该类机器人就能在一定程度上解决劳动力不足的问题，同时还能提高番茄的产量，降低生产番茄的成本，将人们从艰苦的劳动中解放出来。因此，该研究内容能推动国家和人民的经济发展。加快实现我国农业的机械现代化，推动我国农业智能化发展。 在采摘机器人的研究中，采摘机械手在采摘过程中占据重要的地位，如何能快速有效，并且在不损坏蔬菜和水果的条件下将果蔬采摘下来成为了采摘机械手首先要实现的任务，所以对采摘机械手的研究和设计对提高果蔬的采摘效率和提高果蔬的品质都有很大的意义。1.2 国内外在该方面的研究现状农业机器人是农业自动化、机械化、智能化的重要标志。各国对农业机器人的开发和研究也相当的重视。特别是某些农业大国，农业机器人的作用就显的尤为重要。1.2.1 国外研究现状除了我国是农业大国之外，全球也有其他的农业大国，他们对水果和蔬菜收获机器人的研究都经历了很长的时间，并且都取得了一定的成果。列如美国、日本、荷兰、欧美等发达国家都在这方面做了长足和大量的研究。目前为止，已经有关于番茄。苹果、等水果和蔬菜的收获机器人。日本是在20世纪80年代初开始对农业机器人的研究。自从1984年Kyoto大学研究的番茄采摘机械手来，日本对于收获机器人的研究可以说是投入了大量的科学技术和资金。像日本为代表的许多发达国家已经将相关的机器人生产出来并且投入到实际的生产中，用于提高农产品的产量，提高农作物的生产效率。可以说日本、荷兰、美国、澳大利亚在农业机器人方面的研究都取得了重大的成果，并且已经应用于实际的生产中，向着商品化的方向发展。图1-1是2015年12月4日，日本松下公司开发出一款番茄采摘机器人，搭载其自产的图像传感器，能够实现番茄的无人采摘。图1-1 日本番茄采摘机器人1.2.2国内研究现状相对于欧美、日本、美国等发达国家来说，我国的农业机器人的研究水平还是落后很多的。虽然我国在农业机器人方面的研究也取得了一定的成果，但是真正用于实际生产中，并且能帮助人们提高作业效率，提高生产量的机器人还是很少的。当然也取得了一些成就，比如我国的嫁接机器人在世界范围内都是很先进的技术，并且在实际的应用中能提高穗木取苗、结合、固定等过程的效率。并且该项技术的应用范围也在逐步扩大。自1995年，我国开始对草莓、黄瓜、番茄等蔬菜的采摘机器人的研究。该类机器人发展到今天，运用视觉系统区分成熟与未成熟的蔬菜和水果，然后运用导航系统驱动机器人靠近需要采摘的目标，通过末端执行器将需要采摘的蔬果采摘下来。目前我国的蘑菇采摘机器人能每分钟采7080个蘑菇。草莓采摘机器人则为每小时73.6个，成功率为百分之90.由此可见草莓的采摘效率远远低于蘑菇。这可能和两者的种植方式，以及两者之间的质地差距所导致的，草莓的表皮相对于蘑菇来说要脆弱很多，很容易在采摘时损坏表皮。番茄采摘机器人在我国也取得了一定的成果，如图所示为苏州博田机器人公司的番茄采摘机器人图1-2 苏州博田番茄采摘机器人正在采摘番茄吉林工业大学与吉林农业研究所研制出了一种锄草机器人，装有摄像头和图像处理计算机，能快速准确的分辨出蔬菜、杂草和土壤的区别，可以在植被间自动行走。根据国内外的情况对比我们可以知道，国外在农业机器人方面的研究走在我国的前面，国外的很多技术已经趋于成熟，部分机器人已经投入到实际的生产过程中进行使用，我国也在该方面取得了很大的成果，虽然和发达国家的差距还很大，但是只要我国坚持研究农业机器人，在不久的将来，我国能取得更大的成就。对于农业机器人的研究是农业生产向着智能、高效、先进化发展的必然趋势。是推动农业发展的重要工具。 1.3 主要内容1.软体手抓的设计和研究。通过向手抓内部冲气，以实现手抓的弯曲和放松以实现抓取，以实现对番茄的夹持和固定。2.手抓连接部分的密封装置的设计。软体手抓的动力源是气泵，需要良好的密封性，尤其是在连接部分。3.切割装置的设计。将番茄夹持固定后需要完成采摘，在不损伤番茄的前提下需要将连接番茄的茎捡断，以保证番茄的新鲜度。1.4 设计采摘机械手的要求1.机构简单轻巧，制作成本较低，能良好的实现番茄的采摘。2.尽可能的提升采摘的速度，机构比较灵活，反应快。3.最大程度的降低采摘过程对番茄的损伤，以及对番茄植被的损伤。第二章 切割装置的设计2.1 采摘方式的选择当机械手探寻到成熟西红柿的准确位置后，通过软体手指对成熟的西红柿进行夹持和固定，怎样在不损坏西红柿和利于保存的情况下将西红柿采摘下来就涉及到了采摘方式的选择。1.当手指将西红柿夹持固定后直接利用手臂将西红柿拉扯下来或者通过手臂的旋转将西红柿采摘下来。这种方式虽然比较简单，并且只需要夹持手指就行不需要再设计另外的切割装置，但是这样容易损坏西红柿茎与果实的连接处，不利于采摘后对西红柿的保存。这种方式比较适合像苹果、橘子、橙子等表皮比较坚硬的果蔬。2.当手指将西红柿坚持固定后，再利用另外的切割装置将连接西红柿的茎剪短。这种方式能最大程度的确保西红柿的完整，并且也利于后期的保存。这种方式需要另外的切割装置，末端执行器的结构比较复杂。本文设计的末端执行器采用的是第二种方式。2.2 切割装置的结构设计如下图2-1所示，为本文设计的用于切断连接西红柿的茎的切断装置，其工作的原理和滑槽杠杆式回转型夹持器的工作原理基本相同，当伸缩杆向后移动时，带动切割刀片闭合完成对番茄茎的切割，伸缩杆向前移动时，带动切割刀片展开。通常，切割刀片处于展开状态，当机械手靠近番茄时，软体手抓会将番茄固定在两个手指之间进行夹持，同时番茄的茎也会进入两个切割刀片的中间，当番茄被固定夹持后，驱动伸缩杆向后移动，剪短番茄的茎，完成对西红柿的采摘图2-1 切割装置2.2.1 切割刀片的设计如下图2-2与图2-3所示是本切割装置的切割刀片，采摘番茄时需要将连接西红柿的茎剪断，而番茄的茎的直径比较小，一般在2.5mm3mm。若采用滑槽杠杆式回转型夹持器的夹持手指，则两个手指的间距达不到番茄茎的直径距离，即不能将番茄的茎剪断。所以我将滑槽杠杆式回转型夹持器的手指改装成了如下图所示的切割刀片图2-1 切割刀片关键尺寸 图2-3 切割刀片如图2-1所示，将滑槽杠杆式回转型夹持器的手指设计为图二所示的结构后，能达到完全闭合的状态，当番茄茎伸入两个刀片之间时，完全能实现将番茄茎切断的功能如图2-4所示，是切割刀片处于完全开合的状态，两个刀片间的角度为90度，最近点的间距为9.08mm，最远点之间的间距为44.44mm，远大于番茄茎的直径。所以，在机械手靠近番茄时，番茄的茎能无障碍的进入到两个切割刀片之间。番茄的形状类似于直径为6070mm的球体，连接番茄的茎位于球体的中间，该切割刀片的切割面长度为25mm，切割面的中间位置与夹持装置的中间位置在同一条直线上，即当加持装置夹持固定番茄时，番茄的茎也处于切割刀片的中间位置。图2-4 切割刀片完全张开图2.2.2 驱动方式的选择1.电机驱动：该驱动方式比较简便，运动惯量小，有多种不通电流的电机，能实现不同的功能。而且该驱动方式的可选的范围比较大，可以根据不同的要求选择不同的电机。 2.气压缸驱动：该驱动方式的相应速度快，气缸的结构比较简单，并且成本比较低，当气缸损坏后，维修和更换都比较方便，对于生产线这类小负载的系统的比较实用，对于比较复杂的控制和操作中比较难以实现。3.液压缸驱动：具有动力大，惯量大，迅速响应，易于完成直接驱动等特色，适用于承载能量大，防爆环境中工作的机械手。对比以上的驱动方式，本文设计的切割装置采用的驱动方式为气压缸驱动。番茄的茎，质地比较嫩，不需要很大的压力就能将其剪断。同时为了提高番茄的采摘速度，需要切断装置能快速的闭合和展开同时又不需要太高的稳定性和精确性，所以气压缸能很好的满足这个要求。最后，本文设计的番茄采摘机械手的夹持部分采用的是气动软体手指，也需要动力源气泵，两者可以共用一个动力源2.2.3 切割装置的受力分析如图2-5所示，为切割装置的受力图，图2-6为切割刀片的受力分析简图.分析该装置的受力，根据得出的结论选择气缸的缸径以及相关的重要参数。图2-5 切割装置受力分析 图2-6切割刀片受力简图 通过分析两个的受力状态，我们可以得出驱动力F的大小，以及该驱动力使得切割刀片产生的切割力F3的大小，因此，通过图（6）我们可以知道 F=2F1=2F2F1=F2F3=F4 （2.1）通过图（7）我们可以得知 F1=2F1x=2F1yF3=F1xF5=F1y （2.2）通过以上两式我们可以得出驱动力F与切割力F3的关系式为 F3=12F （2.3）2.2.4 气压缸与基本参数的确定气缸是一中采用气压驱动的动力元件，根据气缸的作用方式以及不同的场合的所需要的功能有很多的分类，本文设计的切割装置结构简单，动作形式单一，不需要太复杂的功能。通过对比不同缸的作用和功能最终，本文设计的切割装置采用的是双作用缸。对于实现本文的切割装置的基本功能基本可行。普通双作用缸的实际输出推力Fe和实际输出拉力Fo符合如下公式 Fe=4D2p （2.4） Fo=4(D2d2)p （2.5）式中 D缸径，m；d活塞杆直径，m；p工作压力，Pa；气缸效率一般双作用缸的工作效率在0.70.95之间。由图2-1和图2-4可知，当切割刀片从闭合到完全张开，伸缩杆的行程为15.91mm，当切割刀片完全张开时的两个刀片的间距远远大于番茄茎的直径，所以可以选择行程为15mm的气缸。本文设计的切割装置是针对于番茄茎来设计的，番茄茎质地比较嫩，直径较小。同时切割装置的切割面比较小，所以只需要很小的拉力就能将茎剪断。根据不同缸径的气缸对比和选择，最终确定选择缸径为10mm的气缸。如下图所示图2-7 气缸机械尺寸表2-1气缸基本参数缸径符号AABACBCDDAEEAHPAPB102461813.52263M3x0.5655.53.5KKAKBKCLLBLCMMAPPC3.3311.58.53.378.5123M3x0.53.5根据图2-7所示的气缸的相关参数，再根据式（2.5）可以得出实际输出拉力Fo=4（0.120.062）0.12X106X0.8=482.3N再根据式（2.3）可以得出F3=12F0=241.15N根据上式计算的结果可以得知，切割刀片对茎的产生的压力为241.15N，又由于切割刀片的切割面比较小，近似于线型，所以能产生很大的压强，压强的大小远远超过番茄茎所能承受的极限。 2.3 切割装置与动力源的连接装置设计根据所选的气缸，采用的是外牙螺纹连接，如下图2-8所示 图2-8气缸接头机械尺寸表2-2气缸接头基本参数缸径符号ABDDAEEAEBFAH1016.5613.5M5x0.8910.545 根据表中数据，本文设计了如图2-9所示的Y型接头，Y型接头是目前气缸连接所需要驱动的元件使用范围以及使用次数最多的元件。作为最合适的接头元件，Y型接头的抗冲击力比，耐磨性都比较好，同时制作接头的材料为不锈钢，不锈钢的物理和化学性质都很稳定，不易生锈和被化学腐蚀。Y型接头的连接方式简单，易于拆卸和安装，并且该接头方式的自由度少，对提高本文的切割装置的稳定性有很大的作用。同时，用螺纹与气缸连接，可以调节接头的转动角度。防止接头与伸缩杆因角度的不同而无法连接的问题，所以在本文设计的驱动的连接中采用了该种接头。图2-9 气缸接头连接图注：1.气缸 2伸缩杆 3 Y型接头 4连接销2.4 切割装置的固定与定位2.4.1 切割装置的定位为了能使番茄被手指夹持固定后，使得番茄茎能进入到切割装置的切割面内，顺利的完成切割，所以，需要对切割装置的位置进行定位，确保切割面的中心位置处在番茄中心位置的上方如图2-10所示图2-10 切割装置定位图，单位mm一般番茄的直径约为70mm，在图中，该球体为一般番茄的大小模型，其中心位置与切割装置的切割面的中心位置处于同一条直线上，距离抓盘表面的距离为47.5mm，番茄的半径为35mm，预留12.5mm的预留空间。番茄的中心位置与切割装置的切割面的距离为51mm，预留16mm的茎长。在采摘西红柿时，通过控制番茄进入手指抓取范围的深度，从而使得番茄的茎能达到预想的位置，完成采摘。2.4.2 切割装置的固定在完成对切割装置的定位后，还需要将该切割装置固定在机械手上，以免在作业时，发生偏移，影响采摘效果如下图所示，为本文设计的切割装置的固定装置。图2-11 切割装置固定注：1 切割装置 2 固定底板 3 二指抓盘 4 机械手与手臂连接件 5 固定侧板先将切割装置与底板固定，然后再将与底板固定后的切割装置，利用两个固定侧板将该切割装置固定在二指抓盘上，使得切割装置与抓盘成为一个整体，在采摘时利用气动软体手指对番茄进行夹持和固定手，切割装置切断茎从而完成番茄的采摘。其中气缸与底板的连接如图2-12所示。图2-12 气缸与底板连接图2.5 本章小结本文设计的切割装置创新点在与将滑槽杠杆式回转型夹持机构的手指设计成了易于完成切割和切断番茄茎的切割刀片，这样能最大限度上的提高压强，但是并不需要很大的驱动力，所以在一定程度上减轻了切割装置的重量和成本。缺点在与该切割装置与夹持装置是固定在一起的，缺少了能自由调节切割装置的位置的功能，可能会导致在采摘过程中，番茄茎不能准确的进入到切割面的范围内第3章 软体手指密封与连接固定结构设计3.1 密封元件设计3.1.1 密封的目的与作用密封是气压和液压系统中重要的一环，同时，密封也是考验和衡量一个气压和液压系统是否合格的重要指标。为了实现气压与液压系统的精确与稳定操作，压力的稳定是保障，只有压力稳定可控，才能使系统达到所需的要求与功能。同时密封的好坏也会影响元件的使用安全和寿命。做好液压的密封能防止液体的泄漏，从而防止液压油的浪费和对环境造成污染，以及液压油对相关设备的运行功能产生影响，同时也可以防止其他污染物通过泄漏口就如到液压油，从而损坏液压系统中的相关元件。甚至可能会导致系统内部的堵塞 气压系统的密封则关系到气压系统中的压力不足的问题，压力不足则会影响系统的相应速度，特别是在相关的生产流水线上，相应速度的降低会大大降低生产的效率。同时也会导致执行元件的动作难以控制，不稳定，容易造成较大的偏差等问题，所以，气动系统的密封也尤为重要。3.1.2 密封的类型 密封是保证气压和液压系统正常工作的重要保证，通常这两种系统的泄漏主要是在两个方面，第一是密封件的材料和设计的结构不完善，导致密封面不能完全密封。第二种是密封部位的压力差较大，导致液压油或者气体向着压力小的一方泄漏。根据泄漏原因，这几种密封方法。 1.改进密封件材料与结构使其完全密封； 2.将泄漏的部位与主通道隔离； 3.增加泄漏同道中的阻力； 4.设置做功元件，对泄漏介质造成压力，以抵消或者平衡泄漏通道的压力差。 本文设计的密封元件属于第一种封住结合面的间隙的密封方式，同时也属于静密封，如图（3.1）所示，是本文针对本次设计的软体手指得一种密封装置，该装置有两部分组成。 图（3.2）为手指的接口形状。图3-1密封件 图3-2手指接口注. 1进气孔 2进气槽 3密封面 4平台 5密封凸台 图3-1中的两个元件组成了图3-2所示的软体手抓借口出的密封元件。当图3-1中的两个元件接合时，密封面与密封凸台之间会有一定的间隙，该间隙的厚度略微小于软体手抓接口处的厚度，这样是为了增加密封面的应力，防止泄露。同时软体手指接口处的凸环与图3-1中的平台在两个元件接合时的压力下紧密接触，将手指与密封元件牢牢连接在一起。 将密封元件的密封凸台和密封面设计成倾斜面是为了在有限的凸台高度内增加软体手指的接口与密封元件的接触面积，增强密封性。 如图3-2所示，软体手指内部有两个气体通道，并且两个气体通道的入口不相同，所以将密封件的进气孔设计成如图3-1所示的进气槽。该进气槽能同时向软体手指的两个气体通道通入气压相同的气体。该进气槽只需要一个进气孔，同时不会因软体手指因密封挤压发生形变而导致气体通道入口与进气孔位置发生偏差，出现堵塞的现象。 3.1.3 密封件的材料 密封件材料应满足密封功能的要求。由于被密封的工作介质以及设备工作条件不同，密封件材料应具有不同环境下的不同适应性。密封材料的一般要求： 1.摩擦因素小，耐磨性好； 2.抗腐蚀性能好，能在工作介质中长期工作，其体积和硬度变化小； 3.与密封面贴合的柔软性和弹性好； 4.耐臭痒性和耐老化性好，使用寿命成； 5.加工性能好，价格低廉。根据以上密封材料的要求，本文设计的密封元件选用的材料为铝合金。铝合金强度接近于优质钢，但是其密度却比优质钢小很多，所以能大大减小机械手的重量，并且铝合金的物理和化学性质良好。 铝合金，表面光滑，粗糙度小，而软体手抓的材料为硅胶一类具有良好的柔软性与弹性，能在外力的挤压下与铝合金紧密贴合，行成良好的密封。 3.2.1 抓取方式的选择密封好的手指需要固定在一个特定的装置上，以实现良好的抓取效果，根据本设计的内容我设计了如下两种手指的抓盘 图3-3 二指手抓抓盘 图3-4 三指手抓抓盘 图3-3为二指手指抓盘，只需要两个手指就能实现对番茄的抓取。图3-4为三指手抓抓盘，这比而指手抓抓盘多用一个手指来抓取和夹持番茄。 通过两种抓盘的对比分析可以得出，在抓取物体的稳定性上，三指抓盘的稳定性和抓取效果是比二指抓盘要好。所以若该手抓运用于生产线上的抓取，三指抓盘的选择是优于二指抓盘的。但是，本文设计的番茄采摘机械手不仅仅是将番茄夹持固定，还需要实现对番茄的采摘。即当手指夹持固定住番茄时，需要一个装置来切断番茄的茎，以此来实现良好的采摘效果。 根据手指数量的不同，抓取的方式也不相同。二指抓取方式采用的是横向的抓取方式，即手指从番茄两侧抓取。若采用三指抓取方式，则需要从番茄的底部向上抓取。两种不同的抓取方式所采用的切割装置也不相同。 根据对比和分析，本文设计的采摘手采用的是二指的抓取方式。二指抓取方式采用的切割装置结构比较简单，同时比三指抓取方式的切割装置更容易实现对番茄茎的切割，为了弥补二指抓取方式在抓取稳定性上的不足，本文将增加手抓与番茄表面的接触面积，即增加手指的宽度。同时在手指的材料上也会选择与番茄表面产生粘附力的材料，以增大手指与番茄表皮之间的作用力，以此来增强抓取的稳定性。3.2.2 抓盘的设计图3-5 抓盘调节范围图3-5为本文设计的二指抓盘的结构，在每个用于固定手指的抓盘分支上都有一个长方形的孔，该孔不仅仅是用于固定手指，同时他也可以根据需要夹持物体的大小，来调节抓取的半径.如图3-5所示，从而实现对一定范围内的大小不同的物体实现抓取。该抓盘结构简单，制作，同时又能实现对一定范围内不同大小的物体的夹持。3.2.3 抓盘与手指的连接图3-6密封件抓盘装配图 图3-7密封件连接件装配图 注：1 连接件凸台 2 密封件平台3快插接口连接孔如图3-7所示，为密封件与手指与抓盘连接件的装配图，采用4个螺钉连接固定在抓盘上如图3-6所示，为连接件和密封件固定在抓盘上的装配图，密封件与手指连接件并不是用螺纹直接固定在抓盘上，而是利用密封件上的平台与手指连接件的凸台将手指连接固定在抓盘上，就如图3-6所示。密封件上的平台与连接件上的凸台之间的间距是略微小于抓盘的厚度的，当连接两个元件的4个螺钉拧紧时，手指就固定在抓盘上固定的点，当4个螺钉拧松时。两者之间的间隙也会增大，这样就可以在抓盘上的孔内来回的滑动，以根据实物的大小调节抓取的半径。两个元件都有两个相同的连接凸台，这两个凸台的外则的间距为抓盘控的宽度，以防止手指的左右滑动，导致抓取不稳定。3.3 机械手与手臂的连接将整体的机械手的机械机构部分设计完成后，需要将机械手与机械臂完成对接，以实现机械手的定位和完成靠近需要摘取的目标。同时完成采摘完毕后对采摘的番茄进行回收。这一系列的动作都需要靠机械手臂来完成，因此需要设计连接手臂与机械手的装置如图3-8所示，为手臂末端法兰机械结构图3-8手臂末端法兰机械图，单位mm根据该图的尺寸大小和机械结构，以及手抓抓盘的机械结构，设计出想对应的连接件，同时，本文设计的机械手采用的是气压驱动，并且，根据手指数量的不同，分别需要不动的快插借口，本文设计的机械手需要两3通的快插接口。在设计连接件时，需要考虑将快插接口放置在连接件内部，以此来简化通气管道的线路，能清楚的现示出不同手指对应不同的管道在以上设计目标下，本文设计了如下图3-9所示的连接件。 图3-9手臂与机械手连接件在与手臂连接的部分，采用和手臂相同尺寸的法兰，同时还有定位销孔，在底部是与抓盘上想对的法兰，同样采用螺纹连接。同时将该连接件的中间部分镂空，分别设计成对称的四个方形孔，这四个方形孔分别对应着不同手指的方向。这中间底部，可以将三通的快插接口放置其中，每个接口利用气管连接对应的手指，为手指提供动力源。该连接件的结构简单，美观。同时使得机械部分通气管道的线路得到了简化，便于拆卸和维修以及跟换。3.4 本章小结本章节主要涉及了软体手指的密封件。密封件与手指抓盘的连接件以及抓盘与机械臂的连接件。该结构简单，成本低，易于加工，同时又能实现多种功能，可以根据不同的需求来调节抓盘的大小和手指的数量，从而实现对不同物体的抓取和夹持。第4章 软体手指4.1.1气动软体手指的作用及优点机器人技术正在飞速的发展着，机器人的应用领域和范围逐步扩张，操作的环境也变得越来越多样化。因此也致使机器人需要更多的功能，更智能化的操作。因此需要机器人有更强大的适应性，以满足日益发展的社会的各种需求 传统的机器人技术的发展在逐步的达到一个瓶颈，所以，人们开始将注意力转移到了生物的各种运动与机构上。地球生物经过上万年的进化。能完美的适应环境。列如大象的鼻子和章鱼的触手都是典型的肌肉型静水骨骼结构，其内部的形状的改变可以通过加压渗透来实现。由此而诞生了仿生学。根据生物的结构原理及运动形式而产生的机器人。列如仿蠕动运动、滚动运动、跳跃运动等等。当然这些仿生机器人在材料上的要求比较高，所以目前的仿生机器人结构还比较简单。末端执行是机器人提高作业效率的重要保证，在一定程度上，末端执行器反映出了机器人的只能化水平。对于普通的机器人的末端执行器，存在着运动形式单一，不够灵活，抓取不稳定等缺点。因此需要采用新兴的技术。人类的手指在经历过上万年的进化后相当发的灵活，模拟人手指的结构和功能的末端执行器，人体的手灵巧，有很好的适应性、灵活性和更多的自由度。本文设计的手指采用仿生学设计的，采用气压驱动，功率/重量比大，成本低，清洁无污染。安全性好，易于控制。拥有良好的柔软性，能较好通过控制气压的大小从而控制手指对番茄夹持力大小的控制。同时番茄表皮比较脆嫩，普通的机械手很容易对番茄的表皮产生损伤，而启动软体手指的表面比较柔软，能对番茄的表皮起到很好的保护作用。4.1.2 气动手指的工作原理本文设计的气动手指只要工作的依据是手指内部的通道以及手指的材料的选择，所以手指内部的结构与手指的工作原理息息相关，手指的构造决定了手指是怎样工作的，图4-1 软体手指 图4-2 软体手指气体入口气动软体手指一种采用气压作为动力源驱动的仿生手指，在手指的内部拥有特殊的气体通道，当拥有一定气压的气体进入到手指内部时，气体的压力会使得手指产生不同的形变。通过对手指内部通道的设计，使得手指外部的空腔齿产生膨胀扩张的形变大于手指内侧的形变，从而使得内侧手指的软体部分被挤压而弯曲收缩，而外侧是弯曲膨胀，从而完成手指抓取的动作。当气压泵从手指内部抽出气体时，原本的手指的形变消失，完成放的动作。当气压泵在手指回复原来的形状仍继续向手指内部抽气时，会使得手指内部行成负压的状态，此时，手指的空腔齿会在气压的作用下收缩产生大的形变，牵动没有空腔齿的那一侧反向弯曲，实现反向弯曲的功能，该功能可以使用在抓取大小大于手抓抓取范围的物体中4.2.1软体手指内部气体通道设计手指内部的通道结构对于手指的抓取效果有很大的影响。通道的结构在很大程度上能决定手指弯曲的程度，以及弯曲的灵活性和及时响应的速度，所以手指通道结构的设计尤为重要。根据手指的工作原理可知，手指内部的通道是一个整体相通的结构，并且在相同的气压下，手指莫一侧的形变大于另一侧，从而致使手指完成弯曲和反向弯曲的动作，根据这个原理设计了如图4-3所示的气体通道模具。 图4-3 软体手指内部通道模具 在该通道模具中，有若干个齿，每个齿之间都有连个三角形的凸台连接，当用融化后的手指材料浇铸时，就会形成一个一个齿形的空腔，每个空腔都有两个通道连接，这样所有的空腔就会连接成一个整体的气体通道。当有气压的气体进入通道时。空腔底部和连接空腔的通道就会在压力的作用下发生形变。在负压的状态下，就会收缩。4.2.2 手指通道的设计与制作手指内部的通道设计是手指实现夹持的重要一环。图4-4 箱体 图4-5 通道模具装配图如图4-4和4-5所示，为软体手指内部通道制作的模具装配体，将软体材料融化后，通过箱体上方的孔导入到真个箱体中，待材料冷却凝固后将箱体去下 ，再用一块凝固完成的材料将通道的底部密封，然后通过实验来检验和比较不同通道的效果4.3 软体手指材料的选择4.3.1 手指材料的要求 制作软体手指的材料也是影响手指抓取效果的一个关键因素，不同材料所能承受的气压不相同，同时在相同气压下产生的形变也不相同。软体手指的制作材料一般是塑料，但是塑料也有不同的物理和化学性质。需要根据不同的需求来选择相应的材料，才能最大程度上的满足所需达到的要求，才能在特定的条件下发挥材料最大的用处。 根据本文明的设计可知，软体手指的主要作用是在气压的驱动下实现弯曲的动作，从而实现对番茄的夹持和固定。根据其工作原理可知，和作用的对象可以得知该材料需要具备以下基本要求。1.制作手指的材料需要有良好的弹性、伸缩性和良好的韧性，能承受住较大的气压而不破裂。2.该手指需要与番茄的表皮接触，同时还需要在脆弱的番茄表皮上作用于一定的力，所以，该材料质地要柔软，3.能与番茄表皮产生比较大的吸附力，增强夹持和固定的效果。4.该材料还需要有一定的硬度。太过于柔软就不能在一定的气压下产生所需要的夹持力。5.该材料要无有害元素，防止对番茄产生污染。6.由于手指内部通道复杂，所以需要改材料在液态状态下具有良好的流动性。根据以上要求，目前所有材料中，硅胶是目前最适合本文设计的软体手指的材料。4.3.2 材料的性质与应用硅胶主要材料为二氧化硅，弹性与韧性良好，无毒无异味。对人体无害。具有很高的吸附性，所以硅胶也可以用作干燥剂，这类硅胶一般为无机硅胶。硅胶的化学性质稳定，不可燃烧。相对于无机硅胶来说，有机硅胶的性能与优点更突出也更多，应用的范围也比无机硅胶广泛。有机硅胶应用的范围一般是航空、尖端科技、军事领域等高技术行业。而无机硅胶除了干燥剂以外也用于牙膏磨料。催化剂载体等。4.3.3 材料的分类1，无机硅胶：无机硅胶是一种高活性吸附材料，通常是用硅酸钠和硫酸反应，并经老化、酸泡等一系列后处理过程而制得。不溶于水和任何溶剂，无毒无味，化学性质稳定，除强碱、氢氟酸外不与任何物质发生反应。硅胶的化学组份和物理结构，决定了它具有许多其它同类材料难以取代的特点：吸附性能高、热稳定性好、化学性质稳定、有较高的机械强度等，家庭用做干燥剂，湿度调节剂，除臭剂等；工业用作油烃脱色剂，催化剂载体，变压吸附剂等；精细化工用分离提纯剂，啤酒稳定剂，涂料增稠剂，牙膏摩擦剂，消光剂等。无机硅胶有很强的吸附性，只要为物理吸附。通常运用于干燥剂，并且可以再生和反复的使用。2.有机硅胶：有机硅胶是一种有机硅化合物，是指含有Si-C键、且至少有一个有机基是直接与硅原子相连的化合物，习惯上也常把那些通过氧、硫、氮等使有机基与硅原子相连接的化合物也当作有机硅化合物。由于硅胶有很多优异的性能，所以他的应用范围非常广泛。4.3.4 材料的选择根据以上不同硅胶性能和属性的对比分析，再由本文设计的手指对材料的要求最终选择了有机硅胶中的食品级AB硅胶作为本文设计的手指的材料。该材料具有以下性能。1收缩率低，体积不易改变。2不受制品厚度限制,可深度固化。3耐高温。4无毒无味，对人体不会造成伤害。5韧性与弹性好，能承受较大形变。 6 融点比较低，液体状态流动性好。切凝固点也比较低。 通过该材料的性质与本文设计的手指所需的材料的要求的对比可知，该材料能在最大程度上满足本文设计的手指所需要达到的要求。甚至在某些属性方面优于所需达到的要求。4.4 软体手指夹持实验本文设计的软体手指在经过手指内部通道设计，手指接口处的密封设计，以及手指材料的选择，最终做出了相应的软体手指，现在需要通过实验，得出实验数据，根据试验后得出的结果分析该手指内部通道的结构，以及选择的材料，从而在现有的基础上进行优化。4.4.1 实验装置实验主要的装置有：1.软体手指 2.气泵 3.气压控制阀 3.气管及3通快速接口 4.番茄一个 5.塑料水瓶一个 6.电子秤一台 7.水若干软体手指如图（4.6）所示图4-6 软体手指实物图本文设计的夹持装置为二指夹持机构，需要使用到的手指数量只需要两个，所以本次实验的装置如图（4.7）所示，将两个密封手指固定在指架上，两个手指之间的间距为一般普通番茄的大小。图4-7 二指实验装置4.4.2 实验过程。1.安装实验装置：将密封好的两个手指固定，利用一个3通的快速接口，将气管分别连接到两个手指的入口处，以及控制压力的气压控制阀。2.抓取实验：调节气体压力的大小以及通气的时间来调节手指内部的压力，塑料瓶内装入一定质量的水，利用电子秤测出去重量，然后记录出在该压强下，二指手抓所能抓取的最大质量。3.记录与分析数据：将实验过程中的相关数据记录下来并整理，通过分析数据得出相应的结果通过相关的实验后我们得出了如下表所示的相关实验数据表4-1 手指实验数据实验次数/次气压/Mpa抓取物体重量/kg10.10.1420.20.3530.30.598通过分析表中的实验数据可以 ，该手指本次实验中所能抓取的最大的重量为0.598kg，而一般番茄的重量为0.2kg。通过对比可以得出二指手抓所能抓取的重量约为普通番茄质量的3倍，所以该二指手抓能达到本文设计的采摘机械手的夹持和固定番茄的要求。图（4.8）与图（4.9）为本次式样中夹持番茄和最大重量的实验图。通过该实验可以证明本文设计的二指的气动手指夹持器是可以达到预定的要求的，即可以顺利完成番茄的采摘图4-8 夹持番茄实验图 图4-9 手指夹持最大重量水瓶4.5 本章小结本章主要介绍了软体手指的工作原理，内部通道的结构设计以及在制作手指材料上的选择。通过实验来验证本文设计的手指是否能产生足够大的力夹持和固定番茄，以保证顺利完成对番茄的采摘。通过实验结果可以得出本文设计的手指可行，但是实验中也发现了一些新的问题，即制作手指的材料的硬度不够，当抓取的重量超过一定限度时，手指会在物体重力的作用下向下弯曲。当然，番茄的重量没有超过使手指向下弯曲的限度，所以该手指夹持和固定番茄是完全可行的。第5章 总结与讨论5.1 工作总结农业机器人在快速的发展，各个国家对农业机器人的研究也取得了一定的成果，对于像我国这样的农业大国，研究和生产机器人能给我国带了很大的经济利益，有效的解决人口老龄化，劳动力不足等问题。本文设计的番茄采摘机械手分为如下三部分第一部分：夹持固定机构。该部分运用两个气动软体手指，通过对手指内部施加一定压力的气体形成正压，和抽出手指内部气体行程负压的两个相反的弯曲方向来实现对番茄的抓取和放置。第二部分：番茄茎切割装置。该部分将滑槽杠杆回转型夹持器的夹持手指设计成切割刀片，增大切割压强，完成对茎的切割。该装置的驱动方式采用气缸驱动，切割，由于切割面比较小，所以需要的驱动力比较小，因此，所选择的气缸缸径比较小，减轻机构的重量。第三部分：连接机构。该连接架构包括手指抓盘与机械臂的连接以及切割装置与抓盘的连接和固定该三部分组成了本文设计的番茄采摘机械手，该机械手整体结构简单，同时易于实现对番茄的采摘。5.2 设计讨论与展望本文设计的机械采摘机械手结构比较简便，也有创新之处，切割装置与夹持装置都采用气动，在控制和驱动方式的种类上比较单一，但同时控制也比较简单，并且能节省很多的成本。但是，该机械手仍然存在如下不足之处，还需要在以后的研究中进行改进。1.切割装置的结构与固定装置虽然简便，但是该装置只针对于番茄的大小和尺寸来设计的，同时该装置的位置也是固定不变的，导致该装置只适用于番茄或者和番茄差不多大小的水果或者蔬菜，所以该装置的应用面比较窄。不能应用于尺寸和大小与番茄差别比较大的其他果蔬。2.固定手指的抓盘能调节手指的抓取直径和范围，但是不足之处在于每次调节手指抓取直径的大小时，都需要将连接手指的螺钉全部拧松来调节手指在抓盘上的位置，希望在以后的设计中能设计成能根据所需抓取物体的大小自动调节手指的抓取半径。3.手指的材料目前为食品级AB硅胶，该材料为目前满足该机械手的最好材料，但是该材料的硬度不够，虽然抓取番茄可行，但是当抓取的物体的重量超过一定值时，手指就会在重力作用下向下弯曲，所以手指的材料的选择还需要进一步的研究和选择参考文献1 边源.番茄采摘机械手的研究与设计D.大连理工大学,2009. 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