柑橘采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析

-2-摘要在重慶四川一帶，地勢(shì)多偏高，因此柑橘的采摘方式主要依靠人工采摘。然而，人工采摘存在諸多問題，如效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)成本高等。鑒于果實(shí)完整采摘的情況，本文重點(diǎn)研究了剪切式柑橘采摘末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)問題。研究內(nèi)容主要包括：(1)柑橘物理特性研究。本文以重慶本地柑橘為研究對(duì)象，研究包括柑橘的生長情況、形態(tài)大小、莖葉直徑等物理特性。建立基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為未來設(shè)計(jì)柑橘末端執(zhí)行器提供理論基礎(chǔ)。(2)柑橘采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)和仿真分析。根據(jù)測(cè)量柑橘的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，在保證采摘柑橘時(shí)果實(shí)的完整程度，通過UG軟件設(shè)計(jì)一款采摘柑橘的末端執(zhí)行器。利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，進(jìn)一步完成對(duì)末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：柑橘；末端執(zhí)行器；剪切機(jī)構(gòu)；仿真分析TheResearchonImageRegistrationinInfraredThermalWaveNondestructiveInspectionAbstractIntheareaofChongqingandSichuan,theterrainismostlyonthehighside,sothepickingmethodofcitrusmainlyreliesonmanualpicking.However,therearemanyproblemswithmanualpicking,suchaslowefficiency,highlaborintensity,highproductioncost,etc.Inviewofthecompletefruitpicking,thispaperfocusesonthedesignoftheshearcitruspickingend-effector.Theresearchmainlyincludes:(1)Researchonthephysicalpropertiesofcitrus.Inthispaper,thelocalcitrusofChongqingwastakenastheresearchobject,includingthephysicalcharacteristicsofcitrusgrowth,morphologicalsize,stemandleafdiameter,etc.Establishmentofbasicexperimentaldatatoprovideatheoreticalbasisforthefuturedesignofcitrusend-effector.(2)End-effectordesignandsimulationanalysisofacitruspickingrobot.Basedonthemeasurementofvariouscitrusdata,aterminalactuatorforcitrusharvestingisdesignedusingUGsoftwaretoensuretheintegrityofthefruitduringharvesting.UseANSYSsoftwareforfiniteelementanalysistofurthercompletethedesignoftheendeffector.KeyWords：InfraredthermalWave;GreyValue;TemplateMatching;ImageIdentification-3--3-目錄第1章緒論 11.1 課題研究背景及意義 11.2農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人發(fā)展概況 21.2.1國外研究現(xiàn)狀 21.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 21.3 研究目的及內(nèi)容 31.3.1研究目的 31.3.2研究內(nèi)容 41.3.3技術(shù)路線 4第2章柑橘特性研究 52.1人工采摘過程 52.2柑橘的物理特性 52.2.1柑橘植株和果實(shí) 52.2.2柑橘的幾何形狀與質(zhì)量。 62.3柑橘的力學(xué)特性 7第3章末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 93.1末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)分析 93.1.1采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器抓取方式分類 93.1.2采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器采摘方式分類 113.2末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)組成 133.2.1剪切夾爪一體式機(jī)構(gòu) 143.2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 193.2.3驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 233.3末端執(zhí)行器工作原理 23第4章基于UG設(shè)計(jì)三維模型 254.1整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 254.2三維模型設(shè)計(jì)簡介 264.2.1夾爪部件的三維模型 264.2.2傳動(dòng)系統(tǒng)與支撐系統(tǒng)的三維模型 284.3總體裝配圖 304.4仿真分析 324.1基于ANSYS軟件的有限元分析 324.2基于UG軟件的動(dòng)力學(xué)分析 33第5章設(shè)計(jì)總結(jié) 35致謝 36參考文獻(xiàn) 371-–PAGE27–PAGE12第1章緒論在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，采摘水果和蔬菜是一項(xiàng)耗時(shí)且往往單調(diào)的工作，很難調(diào)動(dòng)積極性。為了降低果農(nóng)突然放棄工作的風(fēng)險(xiǎn)，許多人的目光開始轉(zhuǎn)向農(nóng)業(yè)機(jī)器人，來以次減少對(duì)人工的依賴，提高整體生產(chǎn)率。課題研究背景及意義隨著中國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，工業(yè)化水平顯著提升。然而，我國人口眾多，從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人還是占大部分比例。作為農(nóng)業(yè)大國，隨著人口老齡化和年輕人向城市遷移的加劇，絕大多數(shù)農(nóng)村流失年輕有活力的勞動(dòng)力，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力下降。年長勞動(dòng)力群體通常不太熟悉新方法和新技術(shù)，導(dǎo)致效率下降以及產(chǎn)能偏低。因此，機(jī)器人技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要性不斷增加[1-2]。柑橘類水果物美價(jià)廉，營養(yǎng)豐富。它們是最受歡迎和最常種植的水果之一。[3]。全球約有140多個(gè)國家和地區(qū)生產(chǎn)柑橘，主要分布在北緯以南地區(qū)，喜溫暖濕潤。目前世界柑橘種植主要集中于亞洲，其種植面積占世界柑橘栽培面積的52.90%，美洲和非洲的比例分別為24.50%和16.60%，歐洲和大洋洲的合計(jì)占比為6%。FAO(聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織)數(shù)據(jù)顯示，全球有23個(gè)國家的產(chǎn)量超過100萬噸，其中，柑橘產(chǎn)量常年排名前10位的國家主要是中國、巴西、印度、美國、墨西哥、西班牙、埃及、尼日利亞、土耳其和阿根廷[16]。根據(jù)世界柑橘組織發(fā)布的報(bào)告，中國柑橘產(chǎn)量約占全球柑橘總產(chǎn)量的28%，中國柑橘園面積及柑橘產(chǎn)量常年穩(wěn)居世界首位。2022年中國柑橘產(chǎn)量為6003.89萬噸，與2016年柑橘產(chǎn)量相比增長了2412.4萬噸，增幅約為67.2%，年均復(fù)合增長率約為7.6%。重慶市在2022年柑橘產(chǎn)量已達(dá)到389.8萬噸，種植面積25.84萬公頃。其中萬州區(qū)2022年柑橘產(chǎn)量43萬噸，種植面積達(dá)2.7萬公頃。作為重慶地區(qū)的主要水果類經(jīng)濟(jì)作物，柑橘生產(chǎn)過程中，基本都以人工為主。特別是在柑橘收獲的季節(jié)，采摘作業(yè)是整個(gè)生產(chǎn)過程中最繁雜的環(huán)節(jié)，能占到了生產(chǎn)成本的40%左右，然而人工采摘存在采摘效率低、損壞率高、人工成本高昂等缺點(diǎn)。基于以上認(rèn)識(shí)，本文對(duì)柑橘采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器進(jìn)行設(shè)計(jì)研究：首先對(duì)柑橘類水果的生長特性進(jìn)行調(diào)研，接著根據(jù)柑橘農(nóng)用采摘要求，設(shè)計(jì)柑橘采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)，然后對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)構(gòu)建三維模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真分析，以優(yōu)化末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)，以便后續(xù)的改進(jìn)和為以后的作業(yè)性能、評(píng)估優(yōu)化等提供幫助。1.2農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人發(fā)展概況1.2.1國外研究現(xiàn)狀在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，收獲果實(shí)和時(shí)令蔬菜感覺是個(gè)簡單的勞動(dòng)，其實(shí)這是漫長且煩雜的工作，很難激起人們對(duì)此的上班熱情，并且工作待遇也有待參考。為了降低果園里員工突然離職的情況，許多管理人員把目光投向農(nóng)業(yè)機(jī)器人，來降低對(duì)勞動(dòng)力的依賴性，并提升整體生產(chǎn)率。在國際上，以一些發(fā)達(dá)國家為代表，例如日本和美國。從20世紀(jì)80年代開始就已經(jīng)開始研究采摘機(jī)器人，并取得了一定的成果。例如Salisbury等人主持開發(fā)的吸入式蘋果采摘末端執(zhí)行器，該末端執(zhí)行器利用真空將蘋果吸入主體內(nèi)，并在主體內(nèi)殼里安裝了兩個(gè)充氣氣囊使蘋果能夠完好無損得被采摘下來[4]。意大利卡塔尼亞大學(xué)的G.Muscato等人開發(fā)了一種柔性三指夾持柑橘的末端執(zhí)行器[5]，在圖像的定位識(shí)別下，柔性三指末端執(zhí)行器能夠精確地識(shí)別并夾持果實(shí)，然后利用圓鋸片對(duì)葉柄進(jìn)行切割。美國佛羅里達(dá)大學(xué)W.Hannan和F.Burks開發(fā)了一種采摘柑橘的末端執(zhí)行器[6]，該末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)是先3根手指持續(xù)地抓持來施加壓力，再通過旋轉(zhuǎn)扭矩來獲得柑橘果實(shí)。但是如果壓力過大會(huì)造成柑橘被毀壞，并且壓力不足也會(huì)導(dǎo)致果實(shí)掉落。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀相比較于國外，我國直到20世紀(jì)90年代才開始研究果蔬采摘機(jī)器人，雖然起步較晚，發(fā)展較慢，投資也少，但隨著自動(dòng)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷地完善，我國農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研發(fā)進(jìn)程也取得了一定進(jìn)展。并且在國家改革開放的影響下，經(jīng)濟(jì)和科技都得到了快速地增長，此后國家加大了對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展的扶持力度，現(xiàn)今我國農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展迎來了巨大的轉(zhuǎn)變和增長。如圖1-1）所示，2019年重慶大學(xué)王毅根據(jù)仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)的仿蛇嘴的咬合式末端執(zhí)行器[7]，王毅設(shè)計(jì)的采摘末端執(zhí)行器通氣缸擺動(dòng)搖桿機(jī)構(gòu)使得刀片進(jìn)行咬合，仿照了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的采摘行為，通過實(shí)驗(yàn)極大地提高了采摘效率。如圖1-2）所示，為昆明理工大學(xué)胡亞文設(shè)計(jì)的欠驅(qū)動(dòng)式末端執(zhí)行器[19]，該末端夾持器包涵成120度分布結(jié)構(gòu)相同的3個(gè)擬人手指、托盤、底座、驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。3擬人手指總共有6個(gè)自由度，1個(gè)手指2個(gè)自由度，只需依靠一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，所以價(jià)格便宜，實(shí)用性極高。圖1-1咬合式末端采摘執(zhí)行器圖1-2欠驅(qū)動(dòng)式末端執(zhí)行器研究目的及內(nèi)容1.3.1研究目的目前，柑橘采摘機(jī)器人的研究還存在一些亟待解決的實(shí)際問題。機(jī)器人的采集速度、果實(shí)的完整性和收割后對(duì)果樹的破壞率也是阻礙農(nóng)業(yè)機(jī)器人在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的重要原因。因地制宜，采摘機(jī)器人在收獲過程中需要根據(jù)人工作業(yè)的要求進(jìn)行工作，但是采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)限制了采摘機(jī)器人在各種各樣復(fù)雜工作環(huán)境下的成功率和收獲果實(shí)的完整性。同時(shí)，農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人必須避免在收割過程中損害原本的植株，破壞性地收割并不可取。因此，在設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)時(shí)，不僅要考慮末端執(zhí)行器在樹枝和樹葉間移動(dòng)的靈活性，還要考慮末端執(zhí)行器在收割過程中與果實(shí)的接觸力大小和收集方式，來確保果實(shí)的完整性。1.3.2研究內(nèi)容(1)柑橘物理特性研究。本文以重慶本地柑橘為研究對(duì)象，研究包括柑橘的生長情況、形態(tài)大小、莖葉直徑等物理特性。建立基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為未來設(shè)計(jì)柑橘末端執(zhí)行器提供理論基礎(chǔ)。(2)柑橘采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)和仿真分析。根據(jù)測(cè)量柑橘的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，在保證采摘柑橘時(shí)果實(shí)的完整程度，通過UG軟件設(shè)計(jì)一款采摘柑橘的末端執(zhí)行器。利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，進(jìn)一步完成對(duì)末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)。1.3.3技術(shù)路線如圖1-3）所示：柑橘采摘末端執(zhí)行設(shè)計(jì)柑橘采摘末端執(zhí)行設(shè)計(jì)調(diào)研國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和查閱末端執(zhí)行器調(diào)研國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和查閱末端執(zhí)行器制定完整設(shè)計(jì)方案制定完整設(shè)計(jì)方案執(zhí)行機(jī)構(gòu)的確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的確定夾爪機(jī)構(gòu)大小確定零件三維建模零件三維建模仿真分析析仿真分析析圖1-3技術(shù)路線圖

第2章柑橘特性研究2.1人工采摘過程人工采摘柑橘是指勞動(dòng)人通過手摘的方式采摘柑橘水果的過程。這也通常需要熟練的采摘工人，他們會(huì)使用各種工具（如果籃或果袋）和小刀，小心地將成熟的柑橘從樹上盡量完整地摘下來。人工采摘不僅可以確保柑橘在采摘過程中不受到很大的損壞，而且工人可以分辨成熟和未成熟的果實(shí)，使商家能夠達(dá)到更多的收益。這種方式可以保證柑橘的質(zhì)量和外觀，適用于高端市場(chǎng)和對(duì)果實(shí)外觀要求較高的市場(chǎng)。2.2柑橘的物理特性2.2.1柑橘植株和果實(shí)柑橘果樹通常具有茂密的綠葉和帶刺的樹枝，果實(shí)則生長在樹枝的末端。柑橘果實(shí)與果樹之間通過果柄連接。果柄是連接果實(shí)和樹枝的部位，它為果實(shí)提供了所需的營養(yǎng)和水分。當(dāng)果實(shí)成熟時(shí)，可以通過果柄將其輕松地摘下來。果柄的長度和粗細(xì)會(huì)因柑橘的品種而有所不同。在設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器的過程中，首先需要對(duì)柑橘種類進(jìn)行確定，本文研究的末端執(zhí)行器主要針對(duì)重慶奉節(jié)臍橙。奉節(jié)臍橙是重慶市種植面積和產(chǎn)量最大的名優(yōu)水果。奉節(jié)臍橙的顏色通常是橙色或橙紅色，果皮光滑，表面有一定光澤。果實(shí)通常呈圓形或略扁的圓形，大小適中，自然垂落吊掛生長在果樹上，果實(shí)大多為單果，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)多果重疊生長的情況。如圖2-1）所示圖2-1果園中的柑橘2.2.2柑橘的幾何形狀與質(zhì)量。通過對(duì)重慶奉節(jié)臍橙進(jìn)行隨機(jī)選取30個(gè)果實(shí)樣本，選用的臍橙完全成熟且無損傷。使用游標(biāo)卡尺確定果柄直徑、果實(shí)的橫徑、縱徑、質(zhì)量等參數(shù)，并統(tǒng)計(jì)各參數(shù)最大值、最小值、平均值。測(cè)量工具：游標(biāo)卡尺、電子秤。測(cè)量對(duì)象：重慶奉節(jié)臍橙。表2-1）為臍橙樣本測(cè)量數(shù)據(jù)，臍橙外形尺寸如圖2-2）所示。圖2-2不同尺寸大小的柑橘圖2-3柑橘測(cè)量原理示意圖表2-1臍橙樣本測(cè)量數(shù)據(jù)參數(shù)最大值最小值平均值質(zhì)量（g）90.1186.6588.38橫徑（mm）69.8668.2569.06縱徑（mm）71.5868.3269.95果柄直徑（mm）1通過如圖2-3)所示測(cè)量得出奉節(jié)臍橙的果實(shí)平均縱徑為88.38mm，平均橫徑69.06mm，果柄的平均直徑為4.21mm，平均質(zhì)量為88.38g，如表2-1)所示為末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)的整體尺寸設(shè)計(jì)提供參考。2.3柑橘的力學(xué)特性在進(jìn)行設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器前，需要對(duì)采摘對(duì)象奉節(jié)臍橙進(jìn)行力學(xué)特性分析，獲取各項(xiàng)力學(xué)特性參數(shù)，以臍橙物理特性研究為理論參考，確保剪切機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)理論進(jìn)行的可行性。呂輝等人[17]通過游標(biāo)卡尺測(cè)量油茶花的直徑和油茶花花莖的直徑;測(cè)量完后,利用三量JDI17推拉力計(jì)進(jìn)行剪切力測(cè)試。重慶理工大學(xué)張茂[18]通過使用自制的試驗(yàn)臺(tái)對(duì)柑橘果柄進(jìn)行剪切研究，檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)果柄直徑的大小、不同剪切方式以及刀具速度的不同對(duì)果柄剪切的影響。重慶三峽學(xué)院鄭涵[9]使用質(zhì)構(gòu)儀的單刀探頭，對(duì)柑橘果柄進(jìn)行剪切試驗(yàn)。通過以上文獻(xiàn)介紹，為研究臍橙的力學(xué)特性提供試驗(yàn)方法參考。結(jié)合實(shí)際自身情況，選擇使用推拉力計(jì)測(cè)量果柄的剪切力大小。先將30個(gè)臍橙隨機(jī)打亂分為三組，10個(gè)一組。再利用三量數(shù)顯推拉力計(jì)如圖2-4)所示對(duì)臍橙果柄進(jìn)行剪切力測(cè)試。如圖2-5)所示將推拉力計(jì)轉(zhuǎn)換為推力模式,在水果刀具的上方施加壓力,讓刀具進(jìn)行向下運(yùn)動(dòng);接觸到果柄表面時(shí),增大壓力,使得刀具能夠勻速地將果柄切斷,并記錄每一次試驗(yàn)的最大壓力,與初始?jí)毫ΑD2-5三量數(shù)顯推拉力計(jì)1.刀具2.機(jī)架3.果柄圖2-5果柄剪切力測(cè)試對(duì)刀具施加一個(gè)力F0,使刀具開始運(yùn)動(dòng)，當(dāng)切割完成后，得到一個(gè)Fmax,故果柄的切削力為FF=Fmax通過該果柄剪切力的試驗(yàn),得到果柄的平均剪切力為如表2-2)所示。表2-2果柄特性表序號(hào)平均質(zhì)量（g）平均果柄直徑（mm）平均剪切力（N）187.413.3140.69289.73.0439.5387.653.1745.62平均88.153.1741.94由表2-2)可知:臍橙每組的平均質(zhì)量為88.15mm,每組平均果柄直徑為3.17mm,果柄平均剪切力平均大小為45.62N。通過進(jìn)行不同質(zhì)量柑橘的果柄剪切力測(cè)試，得到平均剪切力值，為設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器的剪切裝置提供理論依據(jù)。第3章末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案3.1末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)分析3.1.1采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器抓取方式分類采摘末端執(zhí)行器的抓取方式主要有仿生多指柔性抓取、負(fù)壓吸取式、夾持式等。仿生多指柔性抓取是一種通過生物學(xué)啟發(fā)的機(jī)器人末端執(zhí)行器抓取技術(shù)，通過模仿靈長類動(dòng)物和人類的抓握方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)不規(guī)則形狀物體的柔性抓握和操作。這種技術(shù)通常使用多關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，每個(gè)指頭都具有柔性關(guān)節(jié)和傳感器，能夠感應(yīng)識(shí)別物體的形狀和表面特征。通過精確的貼合控制和完美協(xié)調(diào)，末端執(zhí)行器在拿取物體時(shí)可以像人的手一樣靈活地拿取和控制不同規(guī)則的物體，就不用再根據(jù)物體的幾何形狀設(shè)計(jì)符合尺寸的手爪，也不用考慮物體的表面粗糙程度去選擇末端執(zhí)行器的材料，并且能夠大幅度提升機(jī)器人的操作靈活性和適應(yīng)性，同時(shí)也降低了對(duì)物體表面的損傷和破壞。負(fù)壓吸取式是一種利用負(fù)壓吸氣原理來實(shí)現(xiàn)吸取和抓取物體的技術(shù)。在這種技術(shù)中，通過在吸取器或者夾具內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，使周圍的空氣壓力高于內(nèi)部的空氣壓力，從而產(chǎn)生吸力，將物體吸附在末端執(zhí)行器上。這種技術(shù)無需直接接觸物體表面，一定程度上減少了對(duì)物體的損傷和磨損情況。相較于其他的末端執(zhí)行器的抓取方式，負(fù)壓吸取式技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于適用于各種形狀和不同材質(zhì)的物體，同時(shí)操作簡單、可靠性高，穩(wěn)定性好。但是缺點(diǎn)亦很明顯，對(duì)于軟體類、多孔和不規(guī)則形狀的物體，此技術(shù)會(huì)存在一定的局限性，可以結(jié)合其他技術(shù)來實(shí)現(xiàn)更靈活的抓取方式。這種末端執(zhí)行器是通過吸盤等方式利用真空負(fù)壓原理對(duì)果實(shí)進(jìn)行采摘，適用于果柄與果實(shí)接觸力比較小的果實(shí)。夾持式抓取通常由夾持器件和執(zhí)行器組成，用于抓取和夾持各種物體。這種手爪通常由多個(gè)指頭或爪子組成，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)或電動(dòng)執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)開合和夾持動(dòng)作。夾持式手爪的設(shè)計(jì)可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整。這項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線、機(jī)器人和自動(dòng)化系統(tǒng)中，用于抓取和搬移動(dòng)不同形狀和尺寸的物體。夾持式抓取通常包括以下幾種類型的夾持器件：1.機(jī)械手爪：機(jī)械手爪通常由可移動(dòng)的指鉗或夾具組成，可以通過執(zhí)行器進(jìn)行打開和閉合動(dòng)作，用于抓取物體。2.真空吸盤：真空吸盤通過產(chǎn)生負(fù)壓，將物體牢固吸附在吸盤表面，然后通過執(zhí)行器進(jìn)行舉起和移動(dòng)。3.夾緊夾具：夾緊夾具通常用于夾持圓柱形物體，例如管道、軸等，通過調(diào)節(jié)夾具的夾緊力來固定物體。夾持式抓取通常通過執(zhí)行器，如氣動(dòng)、液壓、電動(dòng)執(zhí)行器或者機(jī)械裝置，來實(shí)現(xiàn)夾持器件的打開、閉合和夾持動(dòng)作。此外，一些夾持式手爪還采用了柔性材料或者靈活的指頭設(shè)計(jì)，以適應(yīng)不規(guī)則形狀的物體。總的來說，夾持式手爪是一種非常重要的機(jī)器人末端執(zhí)行器，它的設(shè)計(jì)和功能對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效的物體夾持和操縱至關(guān)重要。它可以實(shí)現(xiàn)高效的物體抓取和搬運(yùn)，提高生產(chǎn)效率，減少人力成本，并且可以適應(yīng)不同形狀和尺寸的物體。夾持式末端執(zhí)行器是通過夾緊果實(shí)來實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的穩(wěn)定，夾持式的末端執(zhí)行器有2指、3指、多指筒狀等類型，大多數(shù)夾持式的材料為剛性，如果果皮較薄，可能會(huì)對(duì)果實(shí)造成損害，柔性夾持更適合此類果實(shí)，防止果實(shí)受損。夾持式用途范圍更廣，適用于絕大多數(shù)水果。吸持式末端執(zhí)行器是夾持式與吸入式的結(jié)合體，首先吸盤將果實(shí)吸住，然后通過夾持進(jìn)一步穩(wěn)固果實(shí)將果實(shí)完好的采摘下來。此方式適用于簇?fù)砩L的果實(shí)，避免了對(duì)其它果實(shí)以及葉片、枝條、植株的損傷本文所采用的是指節(jié)式，指節(jié)式在夾取果實(shí)時(shí)力大，并且對(duì)柑橘的包裹性也好，張開的角度靈活和可控性具有良好優(yōu)勢(shì)，因此指節(jié)式末端執(zhí)行器在夾取果實(shí)時(shí)即穩(wěn)固又高效。在末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)中采取了指節(jié)式采摘果實(shí)，選擇3指對(duì)柑橘進(jìn)行抓握。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮夾持力、夾持范圍、機(jī)構(gòu)尺寸和材料等因素，并注重機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和可控性，以確證末端執(zhí)行器的高精度運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性。3.1.2采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器采摘方式分類機(jī)器采摘柑橘主要有兩種方式：一種是在抓取柑橘后，直接利用刀具剪切下果柄；另一種是擬人手通過旋轉(zhuǎn)利用扭矩來實(shí)現(xiàn)對(duì)采摘果實(shí)的行為。剪切果柄是指在采摘水果時(shí)，通過刀具切割果實(shí)與果柄之間的連接來完成采摘的過程。這種方法通常適用于采摘水果或其他農(nóng)產(chǎn)品，以確保果實(shí)在采摘過程中不受到損壞。切割果柄采摘可以通過手工或機(jī)械化的方式進(jìn)行。在手工采摘中，工人通常使用剪刀、刀具或其他工具來切斷果實(shí)與果枝的連接，以完成采摘過程。這種方法需要工人具備一定的技能和經(jīng)驗(yàn)，以確保果實(shí)能夠被準(zhǔn)確地切割下來，并且不會(huì)造成果實(shí)的損壞。在機(jī)械化采摘中，可以使用專門設(shè)計(jì)的機(jī)械設(shè)備，如水果采摘機(jī)器人或自動(dòng)化采摘裝置，來完成切割果柄采摘的過程。這些機(jī)械設(shè)備通常配備有夾持式手爪或切割裝置，能夠準(zhǔn)確地切斷果實(shí)與果枝的連接，并且可以實(shí)現(xiàn)高效的自動(dòng)化采摘。切割果柄采摘的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少對(duì)果實(shí)的損傷，確保果實(shí)的質(zhì)量和外觀。然而，需要注意的是，在進(jìn)行切割果柄采摘時(shí)，要確保切割的方式不會(huì)對(duì)果實(shí)造成傷害，同時(shí)要保證采摘的效率和成本控制。擬人手采摘是指利用模擬人類手部動(dòng)作的機(jī)械裝置來進(jìn)行水果或其他農(nóng)產(chǎn)品的采摘。這種技術(shù)通常用于自動(dòng)化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可以提高采摘效率，減少人力成本，并且可以在采摘過程中減少對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的損傷。擬人手采摘的設(shè)備通常由機(jī)械手臂和手爪組成，這些手爪可以模擬人類手部的動(dòng)作和抓取動(dòng)作。通過使用傳感器和控制系統(tǒng)，這些機(jī)械手可以識(shí)別和定位成熟的水果，然后進(jìn)行準(zhǔn)確的抓取和采摘?jiǎng)幼鳌＿@種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)高效的自動(dòng)化采摘，減少對(duì)人力的依賴，提高生產(chǎn)效率，并且可以減少對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的損傷。此外，擬人手采摘還可以應(yīng)對(duì)人力成本上升和勞動(dòng)力短缺的問題，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了一種可行的解決方案。然而，擬人手采摘技術(shù)也面臨一些挑戰(zhàn)，例如需要針對(duì)不同類型的農(nóng)產(chǎn)品和果實(shí)進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)不同的采摘需求；同時(shí)，還需要克服復(fù)雜的環(huán)境條件和果實(shí)形狀的多樣性，確保機(jī)械手能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行抓取和采摘。總的來說，擬人手采摘技術(shù)是農(nóng)業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向，它有望為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來更高效、更可持續(xù)的解決方案。水果采摘末端執(zhí)行器的采摘方式有兩種類型，其中一種類型是外加分離裝置，采用剪刀、刀片、圓鋸片、激光等，這種方式適合果柄與果實(shí)接觸面較大的果實(shí)，另外一種類型是利用扭、擰、拉等方式對(duì)果實(shí)進(jìn)行收獲，此方式更適合用于果柄與果實(shí)接觸面比較小的果實(shí)。本文利用柑橘的物理特性和力學(xué)特性設(shè)計(jì)一款價(jià)格便宜，在切割收獲果實(shí)后對(duì)其保存程度高的末端執(zhí)行器。

3.2末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)組成末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)部分主要包括：剪切夾爪一體式機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等。柑橘末端執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)部位和執(zhí)行部位十分關(guān)鍵。其中驅(qū)動(dòng)部位主要由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)和一對(duì)大、小直齒圓柱齒輪組成。只需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)小直齒圓柱齒輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，小直齒圓柱齒輪帶動(dòng)大直齒圓柱齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。執(zhí)行部分由三個(gè)互成120度的剪切夾爪一體式機(jī)構(gòu)如圖3-1)所示和四桿機(jī)構(gòu)組成如圖3-2)所示。剪切夾爪一體式機(jī)構(gòu)安裝在滑塊上，使得剪切夾爪可以在一定行程內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成柑橘果實(shí)和果柄分離的過程。1.剪切刀具2.手指關(guān)節(jié)13.手指關(guān)節(jié)24.滑塊5.托盤圖3-1剪切夾爪一體式機(jī)構(gòu)簡圖1.滑塊2.連桿3.主動(dòng)件（3個(gè)互成120度的桿件）4.大直齒圓柱齒輪5.小直齒圓柱齒輪6.電機(jī)和電機(jī)架圖3-2四桿機(jī)構(gòu)簡圖3.2.1剪切夾爪一體式機(jī)構(gòu)夾爪是穩(wěn)定高效抓取柑橘的關(guān)鍵，夾爪機(jī)構(gòu)簡圖如圖3-1）所示，本文將夾爪設(shè)計(jì)成兩個(gè)成120度的關(guān)節(jié)為更好的對(duì)柑橘進(jìn)行包裹。在兩個(gè)關(guān)節(jié)連接處有一個(gè)扭簧使關(guān)節(jié)1在不受滑塊和關(guān)節(jié)2往復(fù)運(yùn)動(dòng)的影響下一直保持著與關(guān)節(jié)2成最大角度的狀態(tài)，保證柑橘是橫徑縱徑最大值的情況下也能實(shí)現(xiàn)柑橘的抓取。夾爪設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的夾爪機(jī)構(gòu)為三個(gè)結(jié)構(gòu)全部相同且互成120度角的指關(guān)節(jié)組成，與滑塊形成一個(gè)整體構(gòu)件安裝在滑槽中。為了簡化運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，因三根手指全部相同，現(xiàn)僅對(duì)其中一根夾爪進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析如圖3-3）所示。夾爪設(shè)計(jì)的長度和柑橘的縱徑有關(guān)，只有與柑橘縱徑長度較為符合才能對(duì)其貼合度更高。根據(jù)第二章柑橘的幾何形狀與質(zhì)量可以得到柑橘縱徑最大值71.58mm，最小值68.32mm。又考慮到托盤外邊緣有環(huán)繞包圍的擋板，高100mm，與夾爪配合對(duì)柑橘進(jìn)行更好的采摘。取兩個(gè)夾爪長度都為60mm，為了更好抓取柑橘兩關(guān)節(jié)之間成120度夾角，指關(guān)節(jié)2與滑塊成60度夾角。圖3-3各關(guān)節(jié)受力分析簡圖由四桿機(jī)構(gòu)受力分析知滑塊的加速度ac，考慮到剪切刀具的材料可以采用普通修剪樹枝的高枝剪常用的材料合金鋼,大約需要450g。在不考慮滑塊自重及其摩擦力的情況下，F(xiàn)c=mac將ac=160.74m/s2代入可得Fc=72.33N因?yàn)殛P(guān)節(jié)1與滑塊成120°，關(guān)節(jié)2與滑塊成60°由此可得:FA=FB=扭轉(zhuǎn)彈簧選取扭轉(zhuǎn)彈簧安裝在二指關(guān)節(jié)之間，使刀具在剪切結(jié)束后由扭轉(zhuǎn)彈簧保持兩關(guān)節(jié)的初始狀態(tài)。琴鋼絲是經(jīng)鉛浴淬火后冷拉而成高強(qiáng)度碳鋼彈簧材料的一種，本身具有非常高的強(qiáng)度極限和彈性極限，是廣泛應(yīng)用的最小簧片材質(zhì)，故采用了琴鋼絲為扭簧的主要材質(zhì)。根據(jù)需要的扭轉(zhuǎn)扭簧的情況，屬于Ⅲ型彈簧。估計(jì)扭簧鋼絲長度約為1.8mm，依據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)查得可知，材料的??b=1814～2059MPa，彈性模量E=206×103MPa取??b=2000MPa，查得可知許用彎曲應(yīng)力：σB=0.8σB=0.8×2000=1600MPa經(jīng)過上述計(jì)算可知,工作轉(zhuǎn)矩??2=592N?mm取安裝轉(zhuǎn)矩和工作扭轉(zhuǎn)角分別為??1=180N·mm，??=??2－??1=40°圖3-4扭轉(zhuǎn)彈簧變形－特性曲線示意圖其中，d為扭簧鋼絲直徑，單位是mm；D、D1、D2分別為中、內(nèi)、外徑，單位是mm；??1、??2、??t為轉(zhuǎn)矩，單位是N·mm；??1、??2、????為扭轉(zhuǎn)角，單位是°根據(jù)查到的機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)，取旋繞比C=4，則:K=4C2?C?14C通過計(jì)算鋼絲直徑為:d=310.2KT2σ假設(shè)直徑d=1.7mm；中徑D=C×d=4×1.7=6.8mm；取整得D=7mm；內(nèi)徑D1外徑D2剛度為:K=T2?T1φ2=T2Kφ1=φ2?φ=60°?40°=20°可計(jì)算出工作圈數(shù)為:n=Ed4φ2取整，n=7圈。由上述計(jì)算可知，選用扭轉(zhuǎn)彈簧的材料為琴鋼絲，扭簧的中徑是7mm，內(nèi)徑是5.3mm，外徑是8.7mm，鋼絲直徑是1.7mm，工作圈數(shù)為7圈。剪切刀具設(shè)計(jì)因?yàn)榧羟械毒呤桥c夾爪的手指關(guān)節(jié)1設(shè)計(jì)為一體的，當(dāng)三指夾爪被四桿機(jī)構(gòu)的滑塊帶動(dòng)時(shí)，剪切刀具亦被同步推進(jìn)。此時(shí)通過驅(qū)動(dòng)裝置將力傳遞到刀具上得到力FA故依據(jù)三維模型的刀具俯視圖如圖3-5）所示將刀具部位進(jìn)行簡化,得到剪切力學(xué)模型簡圖,如圖3-6)所示。末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)時(shí),將FA分解到刀片處,得到剪切力FA1與FA2。對(duì)果柄的剪切力記為FK1與FK2,在不考慮內(nèi)力的情況下,F分解到兩側(cè)刀具的力相等且等于果柄的剪切力。圖3-5剪切刀具俯視圖圖3-剪切刀具力學(xué)模型由模型得到各力的關(guān)系式為FA=FA1+其中,刀具夾角α=120°,且刀具兩邊對(duì)稱相等,得夾角β=60°FFA1=FA2=式中FAFA1FA2Fj1Fj2其中,FA為FC在刀具上的表現(xiàn)形式,兩者大小相等。滑塊所傳遞到的力FC代入到公式(3.4)中,得到兩側(cè)剪切力Fj1=Fj2=62.93N。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量得到柑橘果柄平均最大剪切力為45.62N,經(jīng)過計(jì)算得到剪切力為62.93N>45.62N,所以能夠通過該刀具成功將果柄剪斷,采摘下柑橘。3.2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)本文設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)中采用齒輪和四桿機(jī)構(gòu)中的曲柄滑塊傳動(dòng)。如圖3-7)所示為主動(dòng)齒輪和連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主動(dòng)小齒輪與大齒輪嚙合帶動(dòng)主動(dòng)件旋轉(zhuǎn)，使滑塊在預(yù)定軌道上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使夾爪機(jī)構(gòu)完成對(duì)柑橘的夾取。電機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)選取齒輪傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)在傳動(dòng)準(zhǔn)確、平穩(wěn)，機(jī)械效率高，使用壽命長，工作安全、可靠，傳遞的功率和適用速度范圍大具有較高優(yōu)勢(shì)。電機(jī)在通電的情況下會(huì)實(shí)現(xiàn)自鎖功能，保證柑橘夾取在過程不會(huì)使柑橘掉落損傷。1.大齒輪2.曲柄3.連桿4.滑塊5.小齒輪圖3-7主動(dòng)小齒輪與齒輪連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)四桿機(jī)構(gòu)長度設(shè)計(jì)圖3-8曲柄滑塊簡圖本文選中的四桿機(jī)構(gòu)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如圖3-8)所示，主動(dòng)件為AB曲柄，連桿BC，從動(dòng)件是滑塊D。因?yàn)榍鸀橹鲃?dòng)件所以此四桿機(jī)構(gòu)中不存在死點(diǎn)。由第二章所得柑橘橫經(jīng)最大值為69.86mm，并且考慮到剪切刀具的大小，為了保障柑橘被正常夾持，因此設(shè)計(jì)滑塊的最大行程DE為65mm。取托盤直徑為200mm則AE為90mm，滑塊長度10mm。已知AE=90mm，DE=65mm。假設(shè)AB=35mm，BC=50mm。滑塊移動(dòng)至最遠(yuǎn)和最近行程處時(shí)以上述假設(shè)的長度仍滿足曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。四桿機(jī)構(gòu)受力分析圖3-9曲柄滑塊機(jī)構(gòu)受力分析圖如圖3-9)所示求解滑塊C的速度VC和加速度ac，已知角速度??（角速度由電機(jī)轉(zhuǎn)速和齒輪傳動(dòng)決定。角速度ω=2πN（3.12）由圖可得任意時(shí)刻滑塊運(yùn)行距離:CD=AB+BC?ABcosα?BCcosβ且Lsinβ=Rsinα所以sinβ=RLsinα=λsin所以cosβ=1?sin2β(因?yàn)?4λ4sin4且sin2α=121?所以cosβ=1?14λ21?所以有滑塊運(yùn)行距離:CD=AB=AB1?cosα+14λ滑塊速度VC為:V=ωABsinωt+12AB滑塊加速度ac為:ac=dVdt=當(dāng)π=3.14，t=1時(shí),將（5）代入可得ac=160.74m/s齒輪設(shè)計(jì)本文的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是靠齒輪來傳遞電機(jī)的動(dòng)力，底盤和托盤是用了六個(gè)相同的立柱固定連接，而電機(jī)安裝在相鄰兩根立柱之間，相鄰兩立柱之間距離是65cm。步進(jìn)電機(jī)用于低速場(chǎng)合，一般每分鐘不超過1000轉(zhuǎn)，相對(duì)于主動(dòng)件轉(zhuǎn)速快，所以選擇大傳動(dòng)比。直齒圓柱齒輪齒廓嚙合線是與軸線平行的直線，一對(duì)齒廓同時(shí)沿齒寬進(jìn)入嚙合或退出嚙合。本文抓取目標(biāo)為柑橘最重90.11g抓取力不大，選取直齒圓柱齒輪作為傳動(dòng)齒輪的嚙合條件滿足文本要求。齒輪安裝位置如圖3-10)所示，AB為兩齒輪的中心距離為56.33mm。1.立柱2.電機(jī)基座3.小齒輪4.大齒輪圖3-10齒輪布局俯視示意圖根據(jù)中心距公式a=1式中：a——齒輪中心距m——模數(shù)Z1——小齒輪齒數(shù)Z2——大齒輪齒數(shù)取模數(shù)為1.5時(shí),56.33=1Z1+Z2=75得大齒輪和小齒輪總和為75齒，令Z1為15齒，Z2為60齒。可得傳動(dòng)比i:i=Z2Z1=603.2.3驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的存在是為了保證剪切夾爪一體式機(jī)構(gòu)在采摘柑橘過程中順利地剪切柑橘果柄，使采摘順利完成。常見的驅(qū)動(dòng)方式有氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，液壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)在高性能、低價(jià)格、低噪音、平穩(wěn)性好、體積小巧便于安裝方面具有良好優(yōu)勢(shì)。而步進(jìn)電機(jī)優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)使其旋轉(zhuǎn)以固定的角度運(yùn)行，可以通過控制脈沖的個(gè)數(shù)來控制角位移，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。故選用步進(jìn)電機(jī)作為本文的驅(qū)動(dòng)方式。常用步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍在幾十至1000r/min,考慮到第二章柑橘的力學(xué)特性并結(jié)合第三章傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)本文適用的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速在50r/min范圍以內(nèi)。由傳動(dòng)比i=輸出轉(zhuǎn)速/輸入轉(zhuǎn)速，可得到四桿機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)速N的范圍為200r/min以內(nèi)。3.3末端執(zhí)行器工作原理本文柑橘采摘末端執(zhí)行器工作過程原理如圖3-11)所示，末端執(zhí)行器在初始狀態(tài)時(shí)三個(gè)互相成120度角的手指關(guān)節(jié)處在最大行程位置，并且剪切夾爪機(jī)構(gòu)中兩關(guān)節(jié)互成120度角。在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，小直齒圓柱齒輪與大直齒圓柱齒輪嚙合，大直齒圓柱齒輪和主動(dòng)件旋轉(zhuǎn)，四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)使滑塊帶動(dòng)剪切夾爪機(jī)構(gòu)沿著給定滑槽向中心靠攏，剪切刀具在滑塊的帶動(dòng)下使果柄與柑橘進(jìn)行切割動(dòng)作，完成柑橘的摘取。柑橘摘取下來后，機(jī)械臂將果實(shí)放置到儲(chǔ)存位置。驅(qū)動(dòng)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，推動(dòng)滑塊往反方向運(yùn)動(dòng)。夾爪機(jī)構(gòu)中在扭簧的作用下兩指關(guān)節(jié)所成角度恢復(fù)原狀態(tài)，完成釋放柑橘的動(dòng)作。釋放狀態(tài)切割狀態(tài)圖3-11柑橘采摘末端執(zhí)行器工作原理示意圖第4章基于UG設(shè)計(jì)三維模型4.1整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)柑橘采摘末端執(zhí)行器整體結(jié)構(gòu)裝配圖如圖4-1)所示，采用UG軟件對(duì)末端執(zhí)行器進(jìn)行三維建模。圖4-1柑橘末端執(zhí)行器裝配簡圖1．刀具2.角接觸球軸承3.托盤4.曲柄5.大齒輪6.立柱7.六角螺母8.六角螺栓9.手指關(guān)節(jié)110.扭簧11.手指關(guān)節(jié)212.滑塊13.連桿14.滾動(dòng)軸承15.小齒輪16.電機(jī)底座17.電機(jī)18.底盤4.2三維模型設(shè)計(jì)簡介4.2.1夾爪部件的三維模型剪切夾爪一體式機(jī)構(gòu)是采摘柑橘的關(guān)鍵部件，將剪切夾爪一體式機(jī)構(gòu)的各個(gè)零件進(jìn)行三維建模如圖4-2所示，包括指關(guān)節(jié)1，指關(guān)節(jié)2，扭簧，角接球觸軸承，滑塊等。關(guān)節(jié)1關(guān)節(jié)2角接球觸軸承剪切夾爪機(jī)構(gòu)裝配圖圖4-2剪切夾爪一體式機(jī)構(gòu)零部件模型4.2.2傳動(dòng)系統(tǒng)與支撐系統(tǒng)的三維模型柑橘采摘末端執(zhí)行器的傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括主動(dòng)件以及動(dòng)力傳遞構(gòu)件，如圖4-3)所示為部分傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維模型，其中包括滑塊，滾動(dòng)軸承，曲柄和連桿，如圖4-4)為曲柄滑塊裝配圖。滑塊滾動(dòng)軸承曲柄連桿4-3部分傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維模型圖4-4曲柄滑塊裝配圖支撐部位也是柑橘采摘末端執(zhí)行器不可或缺的部分，能夠讓整個(gè)機(jī)構(gòu)能夠正常地完成對(duì)果柄地切割和果實(shí)地收獲。如圖4-5)所示。圖4-5支撐部位裝配圖4.3總體裝配圖對(duì)各個(gè)部位的零件設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，通過設(shè)計(jì)思路對(duì)各個(gè)零件之間進(jìn)行裝配約束如4-7)所示。軸承根據(jù)工作要求進(jìn)行選擇：依據(jù)載荷方向與轉(zhuǎn)速條件選取軸承，在齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)中滾動(dòng)軸承的尺寸是10*50*15mm，兩關(guān)節(jié)扭簧之間的角接球觸軸承的尺寸是4*10*1mm。為了保證采摘柑橘整個(gè)行程的順利完成，在設(shè)計(jì)裝配剪切夾爪一體式機(jī)構(gòu)時(shí)設(shè)置的開合寬度需滿足柑橘的參數(shù)要求，柑橘采摘末端執(zhí)行器裝配體模型如圖4-6)所示。圖4-6柑橘采摘末端執(zhí)行器總體裝配圖(2)(4)圖4-7裝配約束導(dǎo)航圖4.4仿真分析4.1基于ANSYS軟件的有限元分析通過理論計(jì)算分析可知,設(shè)計(jì)的刀具可以將柑橘的果柄剪斷。實(shí)際上考慮到剪切過程中刀具末端的刀片屬于輕薄件,剪切刀具是直接接觸目標(biāo)柑橘的果柄，在不損壞柑橘果實(shí)的情況下，對(duì)柑橘的果柄進(jìn)行剪切作業(yè)，從而達(dá)到對(duì)柑橘果柄的剪切隔斷作用。在剪切過程中，需要頻繁的使用夾爪上的刀具對(duì)果柄進(jìn)行切割，本文選用合金結(jié)構(gòu)鋼作為刀具的主要材料，故利用有限元仿真軟件Ansys對(duì)刀具進(jìn)行靜力學(xué)分析，驗(yàn)證刀具在頻繁剪切果柄的使用中是否出現(xiàn)刀具失效的問題。圖4-8刀具靜力分析圖而通過靜力學(xué)分析，對(duì)刀具施加72.33N的力，如圖4-8)所示得到刀具的最大等效應(yīng)力8.9444Mpa,本文刀具選用的主要材料是合金鋼，合金鋼的最大屈服強(qiáng)度為800Mpa，小于最大屈服強(qiáng)度，故滿足刀具的使用需求。4.2基于UG軟件的動(dòng)力學(xué)分析通過UG建立各個(gè)零部件的三維模型，在裝配約束完成后，對(duì)設(shè)計(jì)的整體三維模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)想法是否能夠得到實(shí)現(xiàn)。如圖4-9)所示，將三個(gè)剪切夾爪機(jī)構(gòu)分別設(shè)立成LOO1-LOO3；三個(gè)連桿設(shè)立成LOO4-LOO6;大齒輪、滾珠軸承和曲柄設(shè)立成LOO7；小齒輪設(shè)立成LOO8。齒輪之間是耦合副，滑塊采用的是滑動(dòng)副，其他都是旋轉(zhuǎn)副。圖4-9UG仿真運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航圖

第5章設(shè)計(jì)總結(jié)在設(shè)計(jì)柑橘采摘末端執(zhí)行器的過程中，本人學(xué)到了許多知識(shí)，掌握了更多學(xué)習(xí)方法以及學(xué)習(xí)途徑。深入了解了末端執(zhí)行器的基本原理和特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，此次論文提出了一個(gè)基于四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)想法具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。且在柑橘采摘場(chǎng)景中，采摘柑橘時(shí)位置和方向會(huì)發(fā)生不同程度的變化，為了讓末端執(zhí)行器能夠適應(yīng)不同的場(chǎng)景需求，本論文還設(shè)計(jì)了三指夾爪和剪切刀具相結(jié)合，以達(dá)到更好的采摘效果和效率。熟悉了末端執(zhí)行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)中，機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的，需要結(jié)合柑橘的物理特性，如柑橘的大小、形狀和生長狀態(tài)等，以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)末端執(zhí)行器穩(wěn)定性的要求。同時(shí)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)也非常重要，需要實(shí)現(xiàn)良好的運(yùn)動(dòng)傳遞和任務(wù)規(guī)劃。在此次設(shè)計(jì)過程