新型水果采摘机械手设计

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，

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，

摘 要

水果和蔬菜是人类生活中必不可少的食物，种植面积和产量逐年提高。研究开发适合目前农业生产实际的果蔬采摘机器人，不仅可以很大程度减轻劳动强度、提高生产效率，而且具有广阔的应用前景。

本文在充分了解国内外相关研究和应用现状的基础上，对小浆果采集机械手进行了研究。分析了机械手的组成结构、各组成部分的功能、工作原理完成了采摘机械手部分的设计。包括腰部转动关节、大臂、小臂、腕部、末端执行器具体结构的设计，该机械手具有较好的工作空间、运动学特性，能够满足小浆果采集的工作要求，

在提高工作效率和采摘质量的同时，应考虑尽量降低小浆果采集机械手的制造成本，提高其通用性，以期实现小浆果采集的商业化。

关键词：小浆果采集；机械手；采集机械手；小浆果；机械手设计

I

II

ABSTRACT

Fruit and vegetables are absolutely necessarily food in our lives,the planted and output of them is boosting yearby year.Reseach and development about robot for picking fruit and

水果抓取机械手控制系统

设计

。

摘要 摘要

水果抓取机械手控制系统的设计要求是在控制系统的指令下，能将水果迅速、灵活、准确、可靠地抓起并运送到指定位置， 因此本文采用PLC可编程控制器作为水果抓取机械手的控制系统，气压驱动作为驱动机构，根据机械手的动作流程和输入输出要求来选PLC的型号并确定I/O接口，最后进行程序的编辑与调试，从而使机械手完成最后的装夹任务。

关键词 机械手 可编程控制器 水果抓取手

I

PLC 控制设计

ABSTRACT ABSTRACT

The fruit captures the manipulator control system's design requirements is under control system's instruction, can the fruit rapid, nimble, accurate, work reliably and ship to assigns the position, therefore this article uses the PLC programmable controller to capture manipulator's

摘 要

本文对自动搬运机械手进行了总体机构设计，能够完成机械手整体的旋转，机械手手臂的升降和伸缩，根据机械手的技术参数分别设计了机械手的夹持式手部结构计算出了夹持 物料时手抓气缸缩需要的驱动力，设计了手臂伸缩、升降用的气缸的所需驱动力和机械手回转时电机的功率选择。设计出了机械手的气动系统，绘制了机械手气压系统工作原理图。利用PLC对机械手进行控制，选取了合适的PLC的型号，根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，画出了机械手的工作时序图和梯形图，并编制了可编程序控制器的控制程序。

关键词：机身回转机构，机身升降机构，手臂伸缩机构，气动，可编程序控制器(PLC)

1

ABSTRACT

This article conducted the overall institution design of mandrel handling robot, the robot is able to complete the robot overall rotation, the robotic arm can move and stretch, according to the manipulator specifications, I de

一、总体方案设计

1.1设计任务

基本要求:

设计一个多自由度机械手（至少要有三个自由度）将最大重量为40Kg的工件，由车间的一条流水线搬到别一条线上；

二条流水线的距离为：1000mm； 工作节拍为：70s；

工件：最大直径为160mm 的棒料；

1.2总体方案确定

1.2.1自由度

自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，但是一般不包括手部（末端操作器）的开合自由度。自由度表示了机器人灵活的尺度，在三维空间中描述一个物体的位置和姿态需要六个自由度。

机械手的自由度越多，越接近人手的动作机能，其通用性就越好，但是结构也越复杂，自由度的增加也意味着机械手整体重量的增加。轻型化与灵活性和抓取能力是一对矛盾，，此外还要考虑到由此带来的整体结构刚性的降低，在灵活性和轻量化之间必须做出选择。工业机器人基于对定位精度和重复定位精度以及结构刚性的考虑，往往体积庞大，负荷能力与其自重相比往往非常小。一般通用机械手有5～6个自由度即可满足使用要求（其中臂部有3个自由度，腕部和行走装置有2～3个自由度），专用机械手有1～2个自由度即可满足使用要求。在控制器的作用下，它执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一动作。在满足前提条件上尽量使结构简单，所以

毕 业 论 文

机械手设计

系 别 专 业 班 级 姓 名 学 号

2016 ～ 2017 学年第 1 学期

摘 要

机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交流电机、变频器、传感器、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、检测技术等。本文介绍的机械手是由PLC输出三路脉冲，分别驱动横轴、竖轴变频器，控制机械手横轴和竖轴的精确定位，微动开关将位置信号传给PLC主机；位置信号由接近开关反馈给PLC主机，通过交流电机的正反转来控制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能。本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求

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毕业设计（论文）

题 目: 基于PLC机械手控制系统设计 专 业: 电气自动化 班 级: 10214 学 号: 12 姓 名: 学习 指导老师: 陈宇峰

成都工业学院 二〇一三年五月

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论 文 摘 要

机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。

机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作

总体方案设计

根据课题设计任务书的要求，确定总体方案： 1. 抓重：10kg

2. 坐标形式：圆柱坐标 3. 自由度：3

4. 手臂运动参数： 运动名称 伸缩 升降 回转 符号 X Z α 行程范围 300mm 200mm 180° 速度 小于200mm/s 小于100mm/s 小于90（°）/s 手指夹持范围：棒料，半径40mm～60mm。 定为方式：机械挡块（行程开关）。 驱动方式：液压驱动。

控制方式：PLC（可编程序控制） 定位精度：±2mm。

机械手的工作原理图如图1-1所示

手部1采用夹钳式，具体为单支点回转型夹紧机构。动力采用单作用液压缸2驱动夹紧，反向则由弹簧复位而松开手指。

手臂的伸缩采用双作用液压缸３驱动，伸缩过程采用双导管导向，在导向的同时，亦起到了一定的支撑作用，大大减少活塞杆的受力。夹紧缸的压力油经其中一导管进入缸内，此结构能使油管布置更加紧凑。

手臂的回转采用摆动液压缸４驱动，此摆动缸设计成输出轴固定不动，而使缸体转动从而带动整个手臂回转运动。

双作用液压缸5驱动手臂做升降运动

图1-1 机械手工作原理图

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手部设计

手部（亦称抓取机构）是用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、

水果采摘 装置 设计

0文献综述

0.1水果采摘实现机械化的必然趋势

在水果的生产作业中，收获采摘是整个生产中最耗时最费力的一个环节。水果收获期间需投入的劳力约占整个种植过程的50%~70%。采摘作业质量的好坏直接影响到水果的储存、加工和销售，从而最终影响市场价格和经济效益。水果收获具有很强的时效性，属于典型的劳动密集型的工作。但是由于采摘作业环境和操作的复杂性，水果采摘的自动化程度仍然很低，目前国内水果的采摘作业基本上还是手工完成。在很多国家随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，劳动力不仅成本高，而且还越来越不容易得到，而人工收获水果所需的成本在水果的整个生产成本中所占的比例竟高达33%~50%。高枝水果的采摘还带有一定的危险性。因此实现水果收获的的机械化变得越来越迫切，发展机械化的收获技术，研究开发水果采摘机器人具有重要的意义。

研究和开发果蔬收获的智能机器人技术对于解放劳动力、提高劳动生产效率、降低生产成本、保证新鲜果蔬品质，以及满足作物生长的实时性要求等方面都有着重要的意义。采摘机器人是未来智能农业机械化的发展方向，具有广阔的应用前景。2004年11月1日颁布施行的《中华人民共和国农业机械化促进法》还明确规定国家采取措施鼓励，扶持农业机