水果采摘机械手装置设计与仿真

摘要

水果采摘机械手装置设计与仿真

摘要

近年来，随着全国经济的持续发展，人们对果蔬的需求越来越大。在我国的果蔬生产中，柑橘生产所的占比重日益增大。而在整个柑橘生产活动中，柑橘的采摘所占的工作量十分巨大。除此之外，水果采摘质量的好坏还将直接影响到水果的保鲜储藏，运输配送等后续工作，并最终将严重影响到经济效益。如果继续延续原始的手工采摘，不仅工作环境十分的艰苦，效率低下，而且水果采摘质量也得不到保障，更甚至时有采摘工作者在采摘过程中因为环境的复杂不小心从树上摔下而受伤的事故发生。为了适应当代果蔬经济的发展，设计一种多自由度，满足工作空间的小型柑橘采摘机械手对实现农业自动化和提高经济效益具有重要意义。

根据柑橘生产活动中完成果实采摘整个过程的的具体条件，首先运用所学知识进行机构尺寸的设计；然后创新设计内嵌式关节采摘机械手所有零部件的具体合理尺寸；再按照设计的零件图通过Pro/E三维造型出机械手的所有零部件；接着根据机械手的工作方式选择合理的连接方式并通过创建合理约束完成机械手的装配；最后通过选用Pro/E中的机构模式，经过旋转轴的自定义，伺服电机的添加，定义初始条件等完成机械手的运动仿真。

关键词：柑橘采摘机械手，内嵌式关节，Pro/E三维造型，运动仿真

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Abstract

Abstract

In recent years, with the continuous development of economy, the proportion of citrus production in fruit and vegetable production is growing in our country. In the entire citrus production activities, the workload of citrus picking is very big. What’s more, the quality of fruit picking will directly affect the fruit storage, transportation and other follow-up work ,which eventually has serious influence on the economic benefit. If we continue to use the original manual picking, not only working environment is very difficult, working inefficient, but also the quality of fruit picking is not guaranteed .what’s worse, the fruit picking workers maybe fell from the trees and injured accidentally because the environment is very complex in the process of picking . In order to adapt to the development of contemporary economic fruit and vegetable, it is of great significance to agricultural automation realized and improving the economic benefit that designing a kind of small citrus picking manipulator with the features of multi-degree of freedom and satisfied the working space.

According to the specific conditions of the whole process of fruit picking in citrus production activities, at first ,using the acquired knowledge to creatively design all parts of embedded citrus picking manipulator joints with reasonable size. Then according to the design of the part drawing shapes all parts of the manipulator through the Pro/E 3d modeling software. Next choosing the reasonable connection according to the workings of a manipulator and creating a reasonable constraint to complete the assembly of the manipulator. Finally ,through choosing mechanism model in Pro/E, after the axis of rotation of the custom, the adding of the servo motor and defined the initial conditions to complete the motion simulation of the manipulator.

Keywords: citrus picking manipulator, embedded joints, Pro/E 3d modeling , motion simulation

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目录

第一章 绪论 ............................................................................................................................ 1

1.1 前言 ............................................................................................................................. 1 1.2 机械手的介绍 ............................................................................................................. 1 1.3 水果采摘机械手研究概况 ......................................................................................... 1

1.3.1 国外机械手的研究概况 .................................................................................. 1 1.3.2 国内机械手研究概况 ...................................................................................... 3 1.4 目的和意义 ................................................................................................................. 3 第二章 柑橘采摘机械手的结构设计 .................................................................................... 5

2.1 柑橘采摘机械手的系统构成 ..................................................................................... 5 2.2 柑橘采摘机械手的材料选定 ..................................................................................... 5 2.3 机械手大小臂长度的确定 ......................................................................................... 6

2.3.1 机械手大小臂长度的确定 .............................................................................. 6 2.3.2 基于果园环境的机械手CAD模拟 ................................................................. 6 2.4 机械手关节处伺服电机内嵌式创新 ......................................................................... 8 2.5电机的选定 ................................................................................................................... 8

2.5.1 电机种类的选择选择发 .................................................................................. 8 2.5.2 电机规格的选择 .............................................................................................. 9 2.6机械臂尺寸的设计 ..................................................................................................... 12

2.6.1 机械手的结构设计 .......................................................................................... 12 2.6.2 机械手各个零件的尺寸设计 .......................................................................... 12

第三章 三自由度机械手的三维造型 .................................................................................... 14

3.1机械手大臂的三维造型。 ......................................................................................... 14 3.2机械手小臂的造型 ..................................................................................................... 16 3.3机械手底座的造型 ..................................................................................................... 16 3.4舵机的三维造型 ......................................................................................................... 17 第四章 三自由度机械手的装配 ............................................................................................ 18

4.1 基于PRO/E的装配简概 ............................................................................................. 18 4.2 三自由度柑橘采摘机械手的装配 ............................................................................ 18 第五章 三自由度机械臂的运动学仿真 ................................................................................ 21

5.1 基于PRO/E的运动学仿真简概 ................................................................................. 21 5.2 三自由度机械手的运动学仿真 ................................................................................ 21

5.2.1 进入机构模块 .................................................................................................. 21 5.2.2 运动轴参数的设置 .......................................................................................... 21 5.2.3 伺服电机的添加 ............................................................................................ 22 5.2.4 初始条件的定义 .............................................................................................. 22

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目录

5.2.5 定义分析 .......................................................................................................... 23 5.3运动仿真视频制作 ..................................................................................................... 24 第六章 总结 .......................................................................................................................... 26

6.1 主要工作回顾 ........................................................................................................... 26 6.2 本课题今后需进一步研究的地方 ........................................................................... 26 参考文献 .................................................................................................................................. 27 致谢 .......................................................................................................................................... 28

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第一章 绪论

第一章 绪论

1.1 前言

近年来，随着全球经济的发展，果蔬供应需求日益增大。作为一个多类型果蔬生产的大国，果蔬的生产对全国的农业乃至国家的经济发展有着不过或缺的重要作用。为了适应时代的需求，在国家的鼓励号召下，全国大部分的果蔬生产已经成功进行了转型，由原来的小型散户种植变成了更加科学化，规模化，可控化的果蔬种植园，而全国果蔬的生产总量也得到了量和质的突破。可是相对经营方式的成功转型，在果蔬生产活动中，几乎占整个生产活动工作量40%的水果采摘却在很大程度的扼制着全国果蔬经济的发展。大量人力资源的投入不仅生产率没得到保障，就连生产质量也是不尽人意，而且艰苦的工作条件常使采摘人员工作中图中发生意外，导致人员受伤。为了提高果蔬采摘的效率，解放劳动力，保证水果采摘的质量，设计一款轻巧，灵便，满足工作条件的水果采摘机械手变得迫切且意义重大。

1.2 机械手的介绍

机械手是人们为了完成某些特定的生产活动，通过观察人类手臂的移动和手掌的抓举仿生设计出来的可控的机械系统，其一般包括由实现灵活移动的移动机构（手臂）和实现最终生产活动的执行末端（手掌）组成。机械手的灵活程度在很大程度上取决于机械手的自由度数和控制系统。自由度越多的机械手一般运动起来更加的灵活，人类的整个手部就是一个具有二十多个自由度的精巧结构。不过自由度越多，机械手控制起来就会变得越复杂，而人类之所以能够灵活的使用自己的手，是因为有上亿神经系统的精密控制。所以在设计机械手时，合理的选择机械手的自由度和完善控制系将决定它最终的成败。

1.3 水果采摘机械手研究概况

水果采摘机械手的研究是当今农业机械研究的一个热点。为了提高生产，解放劳动力，实现农业自动化和智能化程度的进一步提高，世界各国在这方面都投了大量的人力物力资源等，也取得了一定的成就。 1.3.1 国外机械手的研究概况

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。

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第五章 三自由度机械臂的运动学仿真

图 5-3 机构树 图5-4 旋转轴对话框

5.2.3 伺服电机的添加

在机构模式下，点击工具栏伺服电机按钮

，选择所需添加驱动的运动轴处

进行伺服电机的添加，然后在伺服电机定义框中对所添加的电机进行自定义。其具体操作过程为：在类型栏中点选“运动轴”，图5-5；在轮廓栏规范项中选择“速度”，模项中选择“常数”，A项中设置常数“10”，图5-6。

图5-5 伺服电机对话框 图5-6 轮廓定义对话框 5.2.4 初始条件的定义

在旋转轴参数设置对话框中，编辑各个电机的“当前位置”为我们定义的初始位置，按话框。继续按

确定。然后点击位于窗口上方工具栏拖动元件的按钮

弹出拖动

对话框，图5-7。单击对话框里面的“快照”生成“Snapshot1”。并关闭快照对

打开初始条件定义框，定义名称为“InitCond1”并在快照项选择

“Snapshot1”，按“确定”结束初始条件的定义，图5-8。

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第五章 三自由度机械臂的运动学仿真

图 5-7 快照 图 5-8 初始条件定义对话框 5.2.5 定义分析

在机构模式下，单击工具栏

按钮进入机械手的机构分析。其具体操作步骤

为：在自动弹出的定义分析对话框中，如图5-9，定义此次分析名称为“AnalysisDefinition1”；在类型项中选择分析类型为“位置”；在优先项中自定义终止时间为36s,最小间隔为“0.1”，初始配置为快照“Snapshot1”；在电动机项中设置各电机的开始和终止时间如图5-10。

图 5-9 分析定义对话框

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第五章 三自由度机械臂的运动学仿真

图 5-10 电机设置对话框

5.3运动仿真视频制作

运动分析“AnalysisDefinition1”生成后，单击工具栏回放按钮进入回放功能对话框，如图5-11，点对话框左上角的回放按钮进入动画控制界面，如图5-12，单击开始按钮开始播放仿真动画。

图 5-11 回放对话框

图 5-12 动画对话框

然后点击“捕获”进入视频捕获对话框，如图5-13，根据对话框的设置项目，自定义文件的名称及保存目录，选择文件类型为MPEG，及为了视频效果更佳勾选渲染。设置完后点确定进行视频的制作，等渲染完全结束后根据设置的目录及文件名查看视频效果。

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第五章 三自由度机械臂的运动学仿真

图5-13 视频制作对话框

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第六章 总结

第六章 总结

6.1 主要工作回顾

本次毕设以设计果园种植柑橘所需的采摘机械手为目的，经过了解一般机械手系统的组成，机械手驱动的合理选择，以及对市面上一些常见机械手外形结构的比对。然后根据现实中柑橘树的冠，茎等树体特征，先对机械手大小臂的长度尺寸进行了确定。再以实现机械手驱动伺服电机的内嵌式设计为创新点，根据所选驱动舵机的外形尺寸，着重对机械手的各个关节，底部旋转结构处做了具体的结构设计。并以设计的零件图为基础，通过使用Pro/E对机械手的零件造型，机械手的整体虚拟装配以及机构的运动仿真，对本次所设计的内嵌式关节柑橘采摘机械手的结构的合理性进行了初步的检验。

6.2 本课题今后需进一步研究的地方

在本次对柑橘采摘机械手结构的设计中，虽然内嵌式关节的柑橘采摘机械手在经过运动仿真后经受住了初步的检验，但作为一个以成功，效率采摘柑橘为最终目的，需要面对复杂的果园环境进行生产活动的实用机构，柑橘采摘手仍有很长的路要走，有许许多多需要我们进一步研究完善的地方。例如：

（1）机械手驱动电机的选择往往在很大程度上决定了一个机械手结构方案的最终可行性，而且驱动电机的精度也是影响机械手准度的重要因素，所以要想设计出能像人类手臂那样灵活精密的机械手，加强对机械手专用驱动电机的研究是很有必要的。

（2）机械手完成对果实的成功采摘这一过是程机械手结构和控制系统的完美结合，共同作用的结果。所以仅仅只注重机械手结构的研究往往是不能使机械手得到质的飞跃，只有不断的完善机械手的控制系统，才能使机械手真正做到心随意动。

（3）机械手的制造材料在一定程度上对机械手的灵巧度有一定的影响，所以研发一些新兴的，高强度，轻型材料的机械手专用材料对机械手的发展也很有必要。

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参考文献

参考文献

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致谢

致谢

衷心的感谢母校在毕业之际给了我这么一个检验自我，锻炼自我的机会，一个把大学四年间所学的众多学科理论与实践知识进行最后融会贯通的机会。同时也深深感谢孟导师在这为期长达数月的毕设期间对我的指导，此次毕设的顺利完成在很大程度上得益于孟飞导师的悉心教导，在整个毕设进行过程中，他始终本着精益求精的态度，斟字酌句的对我的毕设进行了评阅，在此谨向孟飞导师致以诚挚的谢意。

同时也在此衷心的感谢大学四年生涯中一直陪伴在我身边的老师们和同学们，在与他们不断地进行学识的探讨及个人思想的交流过程中，我的学识阅历有了很大的增长，思想上也有了新的认识高度，同时得益于他们在生活上的默默帮助，我的大学生活才能更加的轻松惬意，总之我大学四年的不断进步与成长离不开他们的帮助，在此向他们表示由衷的感谢。

最后要感谢在我人生中从未缺席的父母，他们见证了我从牙牙学语到现在成熟的蜕变，不仅在生活上给予了我无微不至的照顾，更是我人生的指路人，他们默默的支持和帮助我，陪伴我经历人生的低谷与巅峰，他们已经成为融入我生命中不可或缺的一部分，此次毕设的完成他们也提供了巨大的帮助与支持，在此向他们表示衷心的感谢。

随着此次毕设的结束，多姿的四年大学生涯也圆满的画上了句号。一段人生旅途的结束同时也意味着另一段的开端，将要迎接更大的挑战，我会满载着对母校的怀念与期许，更加积极的开始新一段人生征程。

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