水果采摘装置设计论文

分类号 TH 单位代码 本科毕业论文（设计）题 目水果采摘装置设计作 者院 (系)专业班级学 号指导教师答辩日期本科毕业论文（设计）任务书题 目水果采摘装置设计题目来源自拟学生姓名学 号专业班级指导教师职 称讲师教 研 室机械毕业论文（设计）任务与要求为了减轻果农的劳动强度，提高采摘效率，避免爬高造成意外伤害事故，设计一款采摘设备，要求能满足各种高度的采摘作业，不损伤水果，水果类型可自定。要求完成该装置的结构设计，并进行相关的校核，完成设计说明书撰写，并完成装配图（包括三维装配）以及相关零件图，二维图纸量至少保证1.5张A0图纸。毕业论文（设计）工作进程起止时间工作内容2017.12.5-2017.12.282017.12.29-2018.2.282018.3.1-2018.3.312018.4.1-2018.4.302018.5.1-2018.5.112018.5.12查（借）阅资料，了解本课题设计重点，注意事项，撰写开题报告。继续阅读文献，制定采摘装置设计方案。结构设计、计算及校核。绘制装配图及零件图，撰写毕业设计。指导老师、评阅老师评阅，整理资料准备答辩。答辩。指导教师（签字） 毕业论文工作组组长（签字） 任务接受人（签字） 毕业论文（设计）起止时间： 2017年12月5日 至2018年5月12日 注：本表于每学年第1学期18周，经毕业论文工作组审批，随毕业论文装订由学院存档。本科毕业论文（设计）开题报告论文（设计）题目水果采摘装置设计学生姓名学号指导教师何斌峰1、 研究目的及意义我国是一个农业大国，水果产业是我国农业产业中的重要组成部分。水果种植产业最重要的操作环节便是果实成熟时的采摘作业，其劳动强度大、消耗时间长，同时由于树高的限制，高处的果实很难采摘，也具有一定的危险性。所以需要设计一款简单易于操作，但又效率高，易于生产，可以大面积推广的设备，有来辅助生产过程中采摘的环节。以保证生产效率和生产安全，将更多的劳动力解放出来。二、国内外发展状况（1）国外在德国，美国，法国，韩国，日本等发达的国家，随着产业多样化，国际化，以及农业生产工作性质等原因，农业生产活动劳动力不足远比其它行业来的严重。为了解决劳动力分散不均匀，保障生产，提高人们的生活质量，各个国家都不断研发出了一些农业机械手。例如美国在1883年成功研制了世界上第一台西红柿采摘机械手；1987年研制出了对于树冠外的果实分辨率很高于的柑橘采摘的机械手。韩国在1998年也开发研制了一种利用传感器的识别专门用来采摘成熟果实的苹果采摘机械手。而且该装置还可以比较轻松的在果园里自由移动，工作空间范围较广。 而作为新兴的发达国家的代表，日本在农业机器人研究方面更是全面且多方位。例如为了喷洒农药专门设计出来的喷农药机器人，传感器的加入使它能自动的喷洒农药。还有为了嫁接特意设计的机器人，极速的嫁接成倍的提高了生产效率。施肥机器人利用橡皮做成的四个超窄轮子可以做到在在狭窄的作物间行走。人机协作型机器人则是通过人与机械手的共同协调作用来完成水果采摘的。在采摘过程中，通过用人来完成定位与机器的导航的任务，而其它的工作（例如：关节的转动，末端执行机构等）则是由机器人精准控制来协调完成。 除此之外，日本还研究了西红柿，葡萄，草莓，黄瓜等一系列的水果采摘机器人。（2）国内作为一个果蔬生产大国，中国虽然在农业机械自动化方面晚起步于其他发达国家，但是先天的不足不能扼住奋发的国人。1997年，东北林业大学教授陆怀民以液压为驱动，配合以单片机控制系统，成功的研制出了松木球果实采摘机器人。果实采摘作业时，由底部的行走机构带动五自由度的机械手靠近果树，然后由控制系统控制液压缸实现大小臂的俯仰从而实现果实的精确采摘。2001年，针对番茄采摘采摘过程中定位不精准的问题，张瑞合等人巧妙地运用双目立体视觉的办法成功的解决了这一大难题。2005年，梁喜凤 苗香雯 等人针对番茄机械手的机械运动特性问题成功的进行了结构的优化的运动的仿真。而近年来,随着国家对农业的重视和资源投入加大,作为农用机械的一大热 点,机械手更是有了质的优化和跨越,不过面对复杂多变的工作环境,机械手的研究依 旧任重而道远。三、研究内容1） 、设计方案的确定。二）、初步做出整个装置的零件图和装配图。三）、使用相关软件做出三维图，并对装置进行模拟实验和力学分析。并且对设计进行优化。四）、对装置进行加工和装配。五）、使用装置进行实地实验和调试并且分析优缺点以便后期改进。六）、撰写毕业设计论文 在教师指导作用下，独立完成设计任务书，培养一定的创新意识和较强的设计学习能力，完成装置的整个设计说明，并附加相关的图纸和计算，计算步骤清晰明了，计算结果正确，设计绘图等符合国家标准，撰写设计说明书时要语言通顺，文字简练，图示清晰。四、研究方案以及步骤本课题设计划分为以下三个阶段：第一阶段：1）认真阅读任务要求，明确设计目的 2）查阅资料，了解本课题设计重点，注意事项 3）设计初期方案。第二阶段：1）做出零件图和装配图。 2）做出三维图并且进行软件模拟和力学分析。第三阶段：1）对设计进行优化和加工实物。 2）教师评阅、 学生修改 3）制作毕业答辩的PPT五、论文提纲第一章 绪论 1.1.课题背景及目的 1.2水果采摘装置国内外发展现状第2章 装置的设计原理和初步设计2.1装置的构想和原理 2.2零件图和装配图第三章 三维图的绘制装配 3.1各个零件三维图的绘制3.2装配第四章 应力分析寿命计算及其优化 4.1零件应力分析4.2零件的寿命计算4.3分析结果和优化第5章 实物的加工 5.1材料的选择准备及加工余量的计算 5.2加工代码的生成和转换 5.3机加过程 5.4零件的修整和装配第6章 实物实地实验第七章 实物优缺点的分析和优化致谢六、工作量的估计、工作条件 1.工作量的估计1 撰写设计论文及设计说明书（不少于8000字）；2 完成零件图装配图和三维图；3 手工绘图一张；4 制作毕业答辩的PPT；5 翻译一篇外文论文。2.工作条件1.图书馆，图书期刊资料和电子文献资料2.装有制图软件的电脑，绘制二维图、三维图3.制图室，绘制图纸3.工作进程2017.12.5-2017.12.28 查（借）阅资料，了解本课题设计重点，注意事项，撰写开题报告。2017.12.29-2018.2.28 继续阅读文献，制定采摘装置设计方案。2018.3.1-2018.3.31 结构设计、计算及校核2018.4.1-2018.4.30 绘制装配图及零件图，撰写毕业设计。2018.5.1-2018.5.11 指导老师、评阅老师评阅，整理资料准备答辩2018.5.12 答辩。 七、存在的问题及拟解决采取的措施1.前期设计思路和装置原理的欠缺所以需要不停地查阅相关资料来确定初步方案。2.在零件的各种计算和绘图中可能会因为专业知识的不足进度较慢，要多和指导老师联系，和学习。3.在论文的撰写过程中可能会因为缺少经验导致撰写的不够严谨，要多请教指导老师，不断地查验修改。参考文献1 中国机械工程铸造分会.铸造工艺5M.2011.92 李红英，赵成志.铸造工艺设计M.北京：机械工业出版社，2005.33 贾宏志，傅明喜.金属材料液态成型工艺M.北京：化学工业出版社，2008.24 王占武，王硕儒.铸造，19865 王文清，李魁盛.铸造工艺学.北京：机械工业出版社，2002.106 刘瑞玲，范金辉.铸造实用数据速查手册.北京：机械工业出版社，2006.87 陆文华，李隆盛，黄良余等.铸造合金及其熔炼.北京：机械工业出版社，20028 王寿彭.铸件形成理论及工艺基础.西安：西北工业大学出版社，19949 吴光峰.铸造工艺装备设计手册.北京：机械工业出版社，199910 樊自田.先进材料成形技术与理论.北京：化学工业出版社，200611 Characterizations of temperature effects on sintered ceramics manufactured with waste foundry sand and clay Form Deng-Fong Lin. Huan-Lin Luo.Jyung-Dong Lin Mei-Ling Zhuang指导教师意见及建议（从选题、理论与实证准备、研究（设计）方法、工作安排等方面给出评价，并提出指导意见）： 该生通过查阅大量资料了解水果采摘设备的基本要求，制定了合理可行的设计方案，选题符合机械专业要求，同意开题。指导教师签名： 年 月 日毕业论文工作组意见及建议准予开题毕业论文工作组组长签字： 年 月 日注：1.此表由学生填写后，交指导教师签署意见，经毕业论文（设计）工作组审批后，才能开题。本科毕业论文（设计）中期检查表论文（设计）题目水果采摘装置设计学生姓名学号指导教师计划完成时间2018年5月12日按照进度安排应完成的任务2016.12.5-2016.12.28 查（借）阅资料，了解本课题设计重点，注意事项，撰写开题报告。 2016.12.29-2017.2.28 继续阅读文献，制定采摘装置设计方案。 2017.3.1-2017.3.31 结构设计、计算及校核实际完成情况查阅资料后了解到本课题的设计重点和注意事项，按时完成了开题报告以及文献翻译。通过深入了解资料，制定了设计方案，和进行了初步的计算和论文大纲的撰写。目前有哪些问题和困难，拟采取的解决方法在第一次确定了设计方案后在后来实际设计中表现出机械结构过于简单的缺点，下一步打算对设计方案再次进行修改和完善，使设计符合要求。(以上栏目由学生填写)检查中发现的问题与建议前期基本能按进度要求完成阶段任务，制定了采摘系统的基本方案，但是系统太过简单，建议重新选择仿生机械手结构。 毕业论文工作组组长签名： 年 月 日注：1.最后一栏由指导教师填写。 2.此表随毕业论文装订并由学院存档。毕业论文（设计）指导教师评分表学院：机械与材料工程学院专业班级：14机械一班学生姓名：学号： 毕业论文题目水果采摘装置设计评 价 项 目（参考）分值打分工作态度01工作态度，工作作风201902毕业论文完成情况能力水平03查阅文献资料能力403304综合运用知识能力05研究方案的设计能力06研究方法和手段的运用能力07外文应用能力论文质量08文题相符程度402909写作水平10写作规范程度11篇幅，论文工作量12论文的理论或实际价值综合评定成绩81评价意见该生通过认真审题，查阅相关文献，充分利用所学知识，确定了该水果采摘装置的方案，设计确定了仿生机械手结构，并采用3D打印技术完成了该作品。该生能积极思考，主动学习，达到了本科毕业设计的要求。是否同意答辩同意按期进行答辩指导教师（签名）： 年 月 日注：此表随毕业论文装订并由学院存档。毕业论文（设计）评阅教师评分表学院：机械与材料工程学院专业班级：14机械一班学生姓名：学号： 毕业论文题目水果采摘装置设计评 价 项 目（参考）分值打分能力水平01查阅文献资料能力504502综合运用知识能力03研究方案的设计能力04研究方法和手段的运用能力05外文应用能力论文质量06文题相符程度504407写作水平08写作规范程度09篇幅，论文工作量10论文的理论或实际价值综合评定成绩89评价意见该生完成了水果采摘装置设计，通过查阅大师资料，硬定了总体方案，完成了三维建模，设计及关键零部件校核，最后通过3D打印完成了相关零件加工，完成了总体装配，分析了手指工作原理，可实现水果的抓取工作。文中 虽然分析了手指工作原理，但没有分析其手指工作空间，可实现多大水果的抓取及可抓重物的大小。 论文观点正确，论据充分，论证方法正确，可用来指导实际，叙述语言规范，流畅，格式规范，分析方法正确，图文齐全规范。 同意该生参加答辩。是否同意答辩同意评阅教师（签名）： 年 月 日注：此表随毕业论文装订并由学院存档。毕业论文（设计）答辩及成绩评定表学生姓名学号专业名称机械设计制造及其自动化答辩时间2018年5 月25日答辩地点C0315指导教师题 目水果采摘装置设计记录人答辩小组成员韦炜副教授提问及回答情况记录（34个主要问题）：1.如何采摘果实？答：通过机械手的抓取包络和扭转拉断果柄来实现采摘。2.此次设计的二维图纸是否合格？答：根据任务书要求完成了所有零件的二维图纸。3.论文的格式有的地方不对。答:这是打印时没注意，下来会修改。 记录人签字： 年 月 日答辩小组评语及成绩：评阅意见：该生能在规定时间内比较流利、清晰地阐述论文的主要内容，能恰当回答与论文有关的问题。答辩小组经过充分讨论，根据该生论文质量和答辩中的表现，答辩成绩建议84分，评定论文成绩为“良好” 答辩小组组长签字： 年 月 日指导教师成绩 81 40% =32.4毕业论文总评成绩83.8论文 等级评阅教师成绩 89 20% =17.8答辩成绩 84 40% =33.6毕业论文工作组意见：毕业论文工作组组长签名： 年 月 日注：1、总评成绩=指导教师成绩40%评阅教师成绩20%答辩成绩40%。2、论文等级分优秀（90分）、良好（80-89分）、中等（70-79分）、及格（60-69分）、不及格（60分）。此表随毕业论文装订并由学院存档毕业论文（设计）诚信责任书本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计），是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人毕业论文（设计）与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 论文作者签名: 年 月 日水果采摘装置设计水果采摘装置设计摘要：本文主要对一种水果采摘装置进行了初步的设计。这个装置是一个仿生的采摘机器人的机械手。该装置必须依附于新型的苹果采摘机器人，仿生机械手主要使用合适的钢丝作为传动链将装置的驱动部位和执行部位分开，将驱动部分放于机械手臂的尾部，目的在于减轻机械臂的质量，也大大增加了所需要用到的驱动电机的可选择的范围。首先，对仿生采摘机械手的整体设计进行了查阅资料和确定设计方案。在确定方案的过程中修改优化了两次，最终确定为仿生机械手装置；其次，设计计算并对装置进行三维建模，绘制出零件图然后装配。最后利用有限元分析软件进行力学分析，采用3D打印技术对零件进行了加工，人工装配，制造出了设计的实物。此次的采摘机械手设计方案经研究合理有效，符合任务要求，它的整体性能可以满足新型机器人采摘苹果的所需采摘装置。关键词：苹果采摘机器人；仿生机械手；机械设计Design of Fruit Picking DeviceAbstract：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目录摘要IAbstractII1.绪论11.1 课题背景及目的11.2国内外采摘机器人研究进展11.3主要内容和研究方法21.3.1 主要研究内容21.3.2主要研究方法21.4本章小结22.采摘装置仿生机械手的设计32.1新型农业采摘机器人的特点32.2水果采摘机器人设计中存在的问题和解决方案32.3采摘方式和分离方式的选择42.3.1采摘方式的选择42.3.2分离方式的选择62.4仿生机械手的总体结构设计72.4.1苹果采摘方式分析72.4.2总体设计72.5手指结构设计82.5.1手指数量82.5.2手指关节数量92.5.3手指的材料选择92.6机架的设计102.7驱动方案的选择102.8本章小结113.仿生机械手静力学分析123.1 手指的工作原理123.2 抓取时的静态力学模型123.3 运动学分析153.4手部的夹持误差计算153.5本章小结184.仿生机械手3D建模及重要零件的有限元分析194.1 软件概述194.2机械手的虚拟设计与装配194.2.1模型的建立194.2.2装配224.3 重要零件的有限元分析23总结24参考文献25致谢27V本科毕业论文（设计）1.绪论1.1 课题背景及目的我国是世界农业大国，而水果业恰恰是我国农业的重要一个组成部分。 果实成熟时最重要的操作环节是采摘作业。 劳动强度高，消耗时间长。 同时，由于树高的限制，高处位置的果实难以采摘，存在一定的风险。所以需要设计一款简单易于操作，但又效率高，易于生产，可以大面积推广的设备，有来辅助生产过程中采摘的环节。以保证生产效率和生产安全，将更多的劳动力解放出来。随着新型农业技术，机械技术和自动化技术的快速发展和应用，农业采摘机器人已经进入我们的视线，使得生产向智能化发展。所以本次设计偏向机器人采摘装置，主要会设计采摘部分所需要的仿生机械手。主要达到用来提高生产效率改善生产状况，保证生产安全等目的。1.2国内外采摘机器人研究进展果蔬采摘机器人的发明始于20世纪60年代，在美国二十世纪，采摘的主要方法是机械和气动摇动。果实的脆弱性是果实的脆弱性、低效率、特定的采收率、有限的采摘、新鲜果蔬的存在。但从那时起，随着电子和计算机技术的发展，特别是工业机器人和日益复杂的计算机图像处理技术和人工智能技术的发展，拾取机器人的研究和技术发展迅速发展。目前，日本、荷兰、法国、英国、意大利、美国、以色列、西班牙等国家对果蔬采摘机器人进行了研究，包括柑桔、苹果、西红柿、樱桃番茄、芦笋、黄瓜、黄瓜、葡萄、卷材、菊花。草莓、蘑菇等。这些好处并没有真正使机器人商业化。在中国农业机器人领域起步较晚。但这不可能难住奋斗者，近年来，已经进行了大量的研究。东北林业大学教授卢怀敏成功研制了一种液压驱动的松果采摘机器人和单片机控制系统。梁希凤，苗向文等成功模拟了番茄机器人机械特性的结构优化运动。鉴于番茄采摘选番时定位不准确的问题，张瑞鹤等人巧妙地利用双目立体视觉成功解决了这个大问题。张剑锋，董健，张志勇等自适应棒跟踪控制算法的采摘机器人设计;机器人视觉传感器三维立体设计中国农业大学刘召祥，刘刚等人摘取了江苏大学苹果蔡建荣的三维信息。近年来，随着国家重视农业，加大对资源的投入，作为农业机械的重点，机器人得到了质的优化和跨越，但面对复杂多变的工作环境，对机器人的研究依然存在一样。还有很长的路要走。1.3主要内容和研究方法1.3.1 主要研究内容(1)采摘装置设计方案的确定。(2)初步做出整个装置的零件图和装配图。(3)使用相关软件做出三维图，并对装置进行模拟实验和力学分析。并且对设计进行优化。(4)对装置进行加工和装配。(5)撰写毕业设计论文1.3.2主要研究方法（1）查阅和浏览资料利用课本和图书馆等现有图书对研究课题进行深入理解和设计不断地改进和优化，利用网络资源浏览并学习相关知识，查看相关文章图片和视频对设计内容有深切的认识。（2）软件建模和力学分析利用软件进行三维建模把设计内容玩真的体现于三维图中，使得设计过程和优化过程方便快捷，利用软件所有的力学分析功能对零件进行力学分析保证设计零件的寿命和合理性。（3）3D打印技术进行加工利用学校现有的3D打印设备对零件进行加工和后期人工的装配，以便于直观的将设计进行说明和展现。1.4本章小结本章节主要对课题研究的背景和目的进行阐述，对国内外研究的发展状况进行了陈述，对研究的内容和方法进行了讨论和确定，为接下来的设计进行了总领的作用。2.采摘装置仿生机械手的设计2.1新型农业采摘机器人的特点在目前的工业生产中已经有大量的工业机器人投入生产加工的流水线中，但是在农业中机器人的应用并不是十分的凸显，原因有很多，最直接的原因就是农业机器人所要面对的工作对象和工作环境和工业机器人大有不同，技术难度比较高很难实现智能化的生产工作，所以对新型农业采摘机器人讨论得出它具体有以下几个特点： （1）非结构性的操作环境。由于作物随时间和空间的变化，工作环境是不可预知的。而且形式多变的。除了地形条件的限制外，它还直接受作物生长环境的季节、气候和其他自然条件的影响。这不单单要考虑到装置的灵活性还要有很大的智能性，并能适应多变的自然环境，在视觉、触觉、多传感器融合、知识推理和判断等方面具有相当的智能。 （2）被采摘水果的易损性和位置不可预测性。众所周知，新鲜的水果较为娇嫩若采摘不当定会造成采摘的损伤和经济的损失，而其水果在树体上所处的位置高低及被树叶的遮挡程度。这些都将是水果机械采摘所要面临的问题。都需要被合理的解决。（3）运动轨迹的复杂性。机器人一般要一边移动一边进行拾取操作，这一问题是比较复杂的，此时不像工业机器人那样具有固定的轨道和可以判断的距离，动作的同步要求就比较高了，在后期的控制中就比较要求高了。（4）操作对象和市场价格的特殊性。由于水果采摘装置主要为农业生产者来使用所以一定要便于操作和保养维护之类，而其要是和不同的性别和年龄段的劳动者。并且价格不能过于昂贵，以至于果农成本太高不愿意使用采摘装置。2.2水果采摘机器人设计中存在的问题和解决方案采摘机器人机械手设计是水果采摘机器人的一个核心设计。因为我们现在一般水果的表皮都比较脆弱容易损伤，而且水果的形状以及生长在果树上的位置通常比较复杂。所以在采摘机器人实地采摘的过程中较为容易发生损伤的原因主要有以下两点：（1）水果位置判断的不准确和执行动作时存在的轨迹误差，一般水果均被树叶遮挡，而且树枝的生长错综复杂，所以在水果位置的判断中存在较大的难度，而且就算判断正确后采摘轨迹极易可能受到树枝的影响，导致动作的中断或偏移。（2）水果的表皮较为娇嫩在采摘过程中机械手的力度和方向一旦控制不好就会对水果造成损伤，从而影响水果品质造成直接的经济损失。所以对采摘机器人的采摘装置进行设计是，应要根据不同水果的生物特性和机械特性以及栽培方式，采用不同的专用特有的装置以提高采摘的成功率并减小对水的损伤为主要目标。一般集成两项功能：（1）准确的测量果实的位置，为机械手采摘时提供准确的导航信息；（2）对采摘的力度进行精确的控制，压力传感器必须高度精准，以保证在抓取水果的时候对水果的表皮有一个很好的保护，不至于损坏水果造成损失。2.3采摘方式和分离方式的选择2.3.1采摘方式的选择经过查阅书籍和浏览网络资料发现目前国内外采摘机器人设计方案中可以借鉴和使用的的有以下几种采摘方式：（1）直接切断式：这种方式最为原始和简单，但是缺点也很多，比如说自动化程度的不高采摘效率低下，采摘环境要求高，不能满足多种地形和水果的采摘，操作难度高不便于采摘人员的操作和使用等，如图2-1/2-2/2-3所示。图2-1 甜椒采摘机器人机械手图2-2 茄子采摘机器人机械手图2-3 番茄采摘机器人机械手（2）吸入式：这种方式是先使用真空将果实吸入操作位置后然后再进行采摘切柄的过程，下面的两种装置均为吸入式，只是在切柄的部分有所不同，一个是切一个是旋转扭断。这种吸入式采摘较为合理可以应用在很多采摘装置中。图2-4 柑橘采摘机器人机械手图2-5 苹果采摘机器人机械手（3）夹持类：这种方式模仿了人手采摘水果的运动方式，运用了仿生学的知识，在抓取过程中较为快捷准确和灵活，所以不管在工业机器人还是农业采摘机器人中仿生的机械手得到了大量的应用。而且国内外对此方面的研究也较为频繁，所以此次研究采用了仿生机械手进行采摘。1.手指 2.内螺纹管 3.丝杠 4.电机图2-6 机械手机构示意图最后经过大量的查阅资料并且指导老师进行多次的指导和建议，最终我们在这里选择夹持类的采摘方式，此种方式较为简单直接在采摘过程中能快速高效的完成采摘而且不是以损伤过时的表面，所以此种方式较为符合苹果采摘机器人所需要的特性，能较好的完成采摘的需求。2.3.2分离方式的选择（1）扭断、折断、拉断扭断式分离方式是利用机器人手腕的旋转和仿生周转关节在机械手抓牢果实后拧断果柄，需要多次往复扭转才能断开果梗，采摘机器人机械手需要较大的工作空间，这样就难于避免碰撞到树枝的障碍物。同时，这里就需要根据采摘对象的果柄的力学特性进行不同方式的选择和实际性的实验，否则很难达到预期判断的效果。（2）剪切在很多设计中采摘机器人机械手安装了剪刀或切刀，采摘方式为剪断果柄或者切断果柄。这种方法最为简单和直接，但是对位置精度的要求最高，而且剪切装置不太稳定最容易在剪切中发生故障。（3）热切割在荷兰有一种利用电阻丝将果柄切断的技术，曾经应用在黄瓜的采摘装置上，此种装置优点为可以闭合果树因果柄断落所导致的病菌感染，而且在水果保存水分的方面有着独特的作用，但是此种装置在使用的时候所需时间较长而且电阻丝易于损坏，并不是特别符合高效率和低成本的要求。所以我们在此次的设计中最终选择拉断式，此种分离方式最为适合苹果的采摘，苹果的果柄较脆，易于拉断，这种方式的选择不仅满足机械手的特性而且在实际的操作过程中大大的节约了时间，简单快捷，是最为合适的分离方式。2.4仿生机械手的总体结构设计2.4.1苹果采摘方式分析根据上文的分析和讨论我们最终选择采摘方式为夹持类，分离方式为拉断式主要的原因如下：夹持类采摘方式较为简单直接在采摘过程中能快速高效的完成采摘而且不是以损伤过时的表面，所以此种方式较为符合苹果采摘机器人所需要的特性，能较好的完成采摘的需求。拉断式，此种分离方式最为适合苹果的采摘，苹果的果柄较脆，易于拉断，这种方式的选择不仅满足机械手的特性而且在实际的操作过程中大大的节约了时间，简单快捷，是最为合适的分离方式。设计要求：本课题所设计的机械手应该为了减轻果农的劳动强度，提高采摘效率，避免爬高造成意外伤害事故，要求能满足各种高度的采摘作业，不损伤水果，水果类型可自定。要求完成该装置的结构设计，并进行相关的校核，完成设计说明书撰写，并完成装配图（包括三维装配）以及相关零件图，二维图纸量至少保证1.5张A0图纸。所以制定以下几个方面：（1） 采摘果实为苹果其直径范围：60毫米100毫米；（2）装置还要满足体积外观小巧、操作使用简单、安全性能可靠、场地适应性强、加工制造成本低廉；（3）在加工制造的过程中生产流程简单，零件加工的工艺性好。2.4.2总体设计机器人手臂的驱动部分的末端安装在手臂的最前端，以便拾取水果和蔬菜，以便采摘水果和蔬菜以实现设备和附加功能。水果和蔬菜收割机器人实现了一键操作所需的移动直接接触。手指与果实体直接接触。手指运动的常见形式是旋转和平移。旋转式手指结构简单，制造容易，被广泛使用。应用是由于结构复杂，但手指的平移抓住了圆形物体，而物体直径的变化并不影响其轴线的位置，所以大直径范围适合于抱工。根据苹果采摘的具体要求，提出了苹果采摘机器人机械手。其结构如图2.1所示。致动器由手指，手掌，机架等组成。手上有三个手指，三个手指围绕着圆周对称排列，即每侧有一个手指。每个手指有6个关节。在电机的控制下，三根手指的连接通过拉动手指下部的杠杆通过电线来实现。图2.7显示了一个使用Solid Works软件设计的仿生拾取机器人的三维实体模型。机械臂以合适的速度运动到果实附近，然后通过位置传感器检测到苹果的位置在进行程序化的分析，机械手开始工作夹紧果实，由压力传感器决定机械手的夹紧程度，然后模拟人类采摘时所用的下拉动作，进行采摘，最后将水果放到事前安排好的地方再松开手指，完成一个水果的采摘。图2-7 机械手机构图 2.5手指结构设计在这里我们选择的手指设计有以下几个优点：（1）手指握力大，能够牢牢的抓住水果，保证在采摘过程中可以有效地防止水果掉落。（2）承载能力较高，通用性良好，具有可以随意抓取任意形状的能力保证可以采摘各种大小形状的苹果。（3）可以应用范围广独特的仿生设计同时减少了驱动源的数量，使整个系统结构变得简单易与控置。选取驱动装置的时候只需考虑和讨论一次，不必有过多的驱动。 2.5.1手指数量此次设计中选择三根手指的设计，此种设计用意在于以最少的结构就可以完成采摘所需要的抓取作用，三根手指足以对苹果进行完全包络不会掉落，而且不会造成浪费，在三根手指可以完成的情况下完全不必要设计成三根以上，而且在采摘的时候有利于苹果表皮的保护不会损伤苹果的表皮造成经济的损失，从而使设计更加合理。2.5.2手指关节数量在采摘机器人仿生机机械手的关节的设计中，手指的关节数量越多手指的灵活性越大，抓取的动作将更为准确和完整，所以我们在确定关节数目的时候选择了六根手指，以最大限度的保证了手指的灵活性，和抓取所需要的自由度，每节关节之间的传动合理有效符合设计要求。我们设计的机械手指是一个四连杆的机构，由最底部的一根长关节来驱动整个手指，而且手指的外部配有用来测量压力所需要的压力传感器保证手指在收拢到合适的大小的时候可以及时的停下来，不会损伤到苹果的本身。根据中华人民共和国农业行业标准的相关资料，最小级别的三级苹果以外，苹果果实的最大横截面的直径必须要大于或等于70毫米。我们所要设计的采摘机器人仿生机械手，机械手所抓取的苹果直径在60毫米100毫米之间，故取苹果半径为30毫米R50毫米。2.5.3手指的材料选择采摘机器人仿生机械手手指选择必须要选择合适的材料，因为这对于机器人工作状态和加工生产都会产生巨大的影响和决定性的作用。在查阅了大量资料和进行多次分析之后，我们首先要通过遵循手的结构尺寸和手指，然后同时保持足够的光强度和质量，我们最终确定了手指所需材料为尼龙材料的选择。 尼龙材料本身就具有很多特性的优点，比如说较高的机械所需强度，良好的耐热性，比较低摩擦系数，耐磨性好，而且具有自润滑性，减震性还具有弱酸性等特点。对于手指材料的确定是一个较为优秀的材料。所以我们对采摘机器人仿生机械手手指材料选为尼龙材料。图2-8手指结构2.6机架的设计我们所要设计的机架主要作用是用来安装整个驱动机构和手掌部分，所以必须符合机身小巧，体积小易于使用，重量轻不影响手臂的平衡的设计要求。我们此次的设计是一个以圆柱形为主体框架的零件，将手指安装于机构架的上方零件轴心角度为平均的120度，下方可与手臂连接中间部位为镂空结构可以安装传动所需要的铰链和铰链架等核心动力装置。机架结构的具体设计外观如图2.9所示。图2-9 机架结构2.7驱动方案的选择目前的我们对于手爪设计所可以使用的驱动源主要有三种形式：气压驱动、电驱动、液压驱动，这三种目前的技术均已经比较成熟所以使用的时候可以大胆的选择只要可以满足我们采摘机器人仿生机械手所需要的动力大小和运动特性即可。我们对这三种方式进行了对比和选择。（1）气压驱动是利用气动压力对空气进行压缩压来实现驱动的系统来驱，通常情况下空气压缩机通常被用作动力源。它具有以下几个特点：气动驱动器过载安全，整体结构简单，污染少几乎不计，成本较为低廉，还可以通过调节空气流量，来实现机构的无级变速，但是尺寸设备的运行速度不稳定，定位精度不高，抓举力较为小。（2）液压驱动系统来驱动流体压力致动器的输出力来驱动系统的稳定，固有的高效率，响应速度快，速度很简单，可以在很宽的范围内无级调速，便于适应不同的工作要求，顺利实现传输，可以吸收冲击力可以实现更加频繁和换向平稳，但容易漏油，污染，高成本，高定位精度比空气，但比电机低，流体温度和粘度变化影响传输性能。（3）电动驱动，本设计中将采用57HS09型步进电机。可以充分利用57HS09型步进电机的体积小、重量轻、输出力大、响应速度快、精确度高等良好特性2.8本章小结（1） 根据任务书所提出的设计要求，对机械手的功能进行分析并对设计方案进行确定。（2）对采摘机器人仿生机械手采摘方式，分离方式，手指数量，关节数量，机构架形状，以及手指材料进行选择，而且对以上方面进行研究确定初步计划。3.仿生机械手静力学分析3.1 手指的工作原理(a)是手指的初始结构,手指无接触外力，整个手指以单一刚体绕支点运动(b)表示指节1接触物体(c) 表示指节2相对指节1的转动，指节2向物体方向弯曲，这时驱动力需克服弹簧作用力(d)两指节接触物体，手指完成形适合阶级,驱动件的驱动力传递到两指节上。 图3.1 手指工作原理 3.2 抓取时的静态力学模型抓取的静力学模型如图3.2所示。图3.2 手指静力学模型图3.2中为输入转矩，、分别为关节1、2所受的力，、为接触点、到、的距离。为关节2相对于关节1转过的角度，水平轴的夹角。为摩擦约束力矩。三角构件边的夹角，h杆与杆c的反向延长线交点到的距离。、为关节1、2的长度。为杆与水平轴的夹角。为摩擦约束力矩。根据虚功原理可得 公式 (3.1) T为手指机构的输入转矩向量，由驱动力矩以及摩擦力矩组成；为手指机构各关节与力矩相关的连杆的虚拟角速度向量，由驱动连杆的角速度以及末关节加速度构成；F为作用在手指上的抓取接触力组成的向量，由接触力、构成；V为外力作用点在外力作用方向上的虚拟速度向量，由各接触点的y方向的速度分量构成，即： 公式（3.2） 由机构学理论，可知各关节的接触点速度可以通过雅可比矩阵用各关节的角速度来表示，即： 公式(3.3)又 公式(3.4) 为传递矩阵 将式(3.2)、(3.3)、(3.4)带入(3.1)约去得： (3.5) 公式(3.6)将上式与式(3.3)对比可知 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体时,仅有短关节触及物体,这时,只要令F1=0、T1=0 ，则手指受力为： 公式(3.12)3.3 运动学分析机械手的每个手指都是由两套四连杆机构构成的。图3.3所示为一个四连杆机构。 图 3.3四连杆机构原理各杆构成的矢量封闭方程为6，写成坐标轴上分量形式有： 公式(3.13)化简上式，消去b得： 公式(3.14)对式3.14两边求导并化简，可得4杆机构L1与L3角速度之间的关系： (3.15)3.4手部的夹持误差计算旋转夹紧手指时的不同直径的工件会产生变化的轴向位置，使得钳位误差。欠驱动手指的抓地力和双支点原理转换回一个类似的原则手指夹住，如此就可以按照双支点回转型手指祝福误差计算。图3.4 双支点回转型手指简图图中：l手指长度;V型槽的夹角；偏转角；2 s两回转支点间距离;根据几何关系，可得 公式(3.16) 公式(3.17)该方程亦为双曲线方程，另；图3.5 x与半径R的关系曲线根据双曲线特点,对应附近的曲线变化率较小,故在处附近对应的夹持误差最小。当时，手指夹持误差计算如下: 公式(3.18) 公式(3.19)最佳偏角的计算取V型槽的夹角=，根据式（3-9）求得最佳偏转角为 故夹持误差的计算因为和关于对称，所以=，故经过计算手指的夹持误差为0.88mm。3.5本章小结本章研究机械手的工作原理，通过建立了机械手的静力学模型的方式，对手指进行了静力分析。4.仿生机械手3D建模及重要零件的有限元分析4.1 软件概述Solid works是我国现在机械设计领域运用比较广泛的3D建模软件之一，其操作比较简单，功能也较为全面，所绘制出的图纸直观而且较为准确真实，总结来说Solid Works软件的主要特点是:（1） 全参数化（2） 基于特征的实体建模（3）相关性4.2机械手的虚拟设计与装配4.2.1模型的建立（1）Solid Works建模的一般过程如下建立模型空间定位的基准:1基准面2基准轴3基准坐标系。每个实体特征都要利用基准特征作为参照。建立基础实体特征:拉伸、旋转、扫描、混合等。建立工程特征:孔、倒角、肋、拔模等。特征的修改:特征阵列、特征复制等编辑操作。（2）机械手的主要零件建模机械手主要包括：长关节、短关节，传动杆件、四连杆，机架等。各关节，连杆的尺寸已经确定，然后在Solid Works中建立模型。 图4-1长关节零件图图4-2长连杆的正反面图4-3传动杆件图4-5短连杆的零件图图4-6指尖部分的零件图 图4-7手指底座的零件图 图4-8 传动部分零件图4.2.2装配图4-9采摘机器人仿生机械手4.3 重要零件的有限元分析这里我们仍然使用绘图软件，以其自带的有限元分析功能对指尖和长关节两个重要零件进行了有限元分析，分析结果以图片的形式呈现。图4-10长关节的有限元分析结果图4-11指尖的有限元分析结果56总结 本次毕业设计已经接近尾声，在此次设计中经历了以下几个步骤，首先是查阅了大量的资料并且在老师的指导下对设计的方案进行了大致的确定，填写了开题报告。然后再对设计方案进行了绘制二维图纸和3D建模，用图纸对设计进行了初步的表达，通过了中期答辩。然后对设计中所需计算的部分进行了计算并且以文字的格式进行了编辑和保存。然后再利用3D打印技术加工出了实物模型，并对其进行了装配和调试。最后对设计进行了撰写说明书，并把所需要的内容进行添加和修改，不断地完善和精进，并且把之前翻译的外文进行了整理，把图纸进行了归类和添加。参考文献1 徐丽明,张铁中.果蔬果实收获机器人的研究现状及关键问题和对策J.农业工程学报,2004,20(5);38.2 孙建设.我国苹果栽培模式的沿革与思考J.专家视点,2008,2:22-24.3 沈明霞,姬长英.农业机器人的开发背景及技术动向J.农机化研究,2005,(2):32.4 程跃.农业机器人的应用与发展J.农业可以推广,2005,7:37.5 佟玲,郑育红.农业机器人-21世纪农业机械发展的趋势J.机器人技术与应用,1996,(5) :12- 14.6 杨宝珍,安龙哲,李会荣.农业机器人的应用于发展J.农机使用与维修,2008,6:103.7 王树才.农业机器人的应用领域、特点及支撑技术J.华中农业大学学报,2005,10:86-90.8 姜丽萍,陈树人.果实采摘机器人的研究综述J.农业装备技术,2006,2,32(1):8-10.9 方建军.移动式采摘机器人研究现状与进展J.农业工程学报,2004,20(2):273-274.10 崔玉洁,张祖立,白晓虎.采摘机器人的研究进展与现状分析J.农机化研究,2007,(2):4-5.11 王丽丽,郭艳玲,王迪,刘幻.果蔬采摘机器人研究综述J.林业机械与木工设备,2009,37(1):11-14.12 宋健,张铁中,徐丽明,汤修映.果蔬采摘机器人研究进展与展望J.农业机械学报,2006,5,37