摘要隨著我國農業生產向規模化、多樣化和精準化方向發展，農業人力資源的快速增長和人力短缺問題日益突出，使得農業機器人成為了人們關注的焦點。隨著科學技術的持續發展，機械自動化的發展速度也在加快，現在機器人已經廣泛地運用到了我們的生活中，為的生活提供了更好的服務和更好的保障。本文旨在探討針對高紡錘體水果的采摘裝置設計REF_Ref21637\r\h[3]。高紡錘體水果指的是具有紡錘形狀的水果，例如香蕉、柿子、梨等。鑒于農業生產中人力資源的快速增長和短缺問題，以及農業機器人技術的不斷發展。本文以一種水果采摘裝置的研究與設計為題，在收集整理相關文獻資料的基礎上，詳細介紹了水果采摘裝置的總體設計，包括考慮水果生長與果園環境的因素，以及裝置的整體參數設定。特別關注了機器人的主體機構形態，確保其適應性和功能性。在機械結構設計與優化部分，深入探討了各個組成部分的詳細設計，如履帶、底座、腰部結構，以及升降、傳動和末端執行機構的設計REF_Ref21725\r\h[4]。每一部分的設計都旨在提高機器人的操作靈活性和采摘效率，同時考慮結構的穩定性與耐久性。同時，對水果采摘裝置的動力學模型和有限元分析，有助于驗證設計的有效性和安全性。通過D-H建模和運動學分析，研究確保了機器人的運動軌跡和操作精度滿足采摘要求。關鍵詞：水果采摘裝置；結構設計；有限元分析

ABSTRACTWiththedevelopmentofChina'sagriculturalproductiontoscale,diversificationandprecision,therapidgrowthofagriculturalhumanresourcesandtheshortageofhumanresourcesarebecomingincreasinglyprominent,whichmakesagriculturalrobotsbecomethefocusofattention.Withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,thedevelopmentspeedofmechanicalautomationisalsoaccelerating,andnowrobotshavebeenwidelyusedinourlives,providingbetterservicesandbetterguaranteesforourlives.Thepurposeofthisthesisistodiscussthedesignofpickingdeviceforhighspindlefruit.High-spindlefruitsrefertofruitsthathaveaspindleshape,suchasbananas,persimmons,pears,etc.Inviewoftherapidgrowthandshortageofhumanresourcesinagriculturalproduction,aswellasthecontinuousdevelopmentofagriculturalrobottechnology.Basedontheresearchanddesignofafruitpickingdevice,thisthesisintroducestheoveralldesignofthefruitpickingdeviceindetail,includingconsideringthefactorsoffruitgrowthandorchardenvironment,aswellastheoverallparametersettingofthedevice.Specialattentionispaidtothemainbodyshapeoftherobottoensureitsadaptabilityandfunctionality.Inthesectionofmechanicalstructuredesignandoptimization,thedetaileddesignofvariouscomponents,suchastrack,base,waiststructure,aswellasthedesignoflifting,transmissionandendactuator,isdiscussedindepth.Eachsectionisdesignedtoimprovetherobot'soperationalflexibilityandpickingefficiency,whileconsideringthestabilityanddurabilityofthestructure.Atthesametime,thedynamicmodelandfiniteelementanalysisofthefruitpickingdevicearehelpfultoverifytheeffectivenessandsafetyofthedesign.ThroughD-Hmodelingandkinematicanalysis,theresearchensuresthattherobot'smotiontrajectoryandoperationaccuracymeettherequirementsofpicking.Keywords:Fruitpickingdevice;Structuredesign;Finiteelementanalysis

目錄TOC\o"1-3"\h\u209581緒論 1187751.1研究背景及意義 1132161.2國內外研究現狀 1304932水果采摘裝置的機械結構的總體設計 321212.1水果生長環境與果園環境 3229822.2水果采摘裝置整體參數擬定 3200952.2.1水果采摘裝置的特點和要求 331282.2.2水果采摘裝置整體參數擬定 4146112.3主體機構的形態 449533水果采摘裝置的機械結構的設計與優化 7269273.1履帶的設計 7256383.2底座和腰部結構設計 7160103.2.1腰部電機選型 7193223.2.2底座結構設計 857663.3支柱升降機構設計 9197723.4大臂的設計及有關計算 10228433.4.1大臂的設計分析 10322023.4.2小臂的設計分析 11275613.5腕部傳動設計 13122443.6末端執行器設計 1363163.7.1末端執行器夾持機構設計 13250993.7.2末端執行器剪切機構設計 14200744水果采摘裝置運動學及有限元分析 18295174.1引言 18154384.2水果采摘裝置D-H建模 1764604.3水果采摘裝置運動學分析 17322124.3.1機器人正向運動學分析 18133964.3.2機器人逆向運動學分析 2183654.4水果采摘裝置關鍵部件有限元分析 22138295結語 262307參考文獻 2712386致謝 29緒論1.1研究背景及意義水果作為人們日常飲食中不可或缺的一部分，水果因其豐富的營養價值和相對親民的價格，成為廣受歡迎的水果種類。隨著民眾生活質量逐步提升，對養生日益重視，對果品品質的要求也隨之提高，果品需求量穩步上升，使得果品種植展現出巨大的發展潛力。在我國，果品的種植、采摘及貯藏等環節在果品生產過程中占據核心地位。我國水果產量位居世界前列，至2021年，種植面積已擴大至3132.12萬畝，總產量高達3958.29萬噸。隨著工業化和城市化的迅猛發展，農村剩余勞動力逐漸向工業及服務行業轉移，造成農業勞動力的流失。在水果生產環節中，采摘工作尤為勞動密集，占據了50%-70%的人力資源(如圖1-1)。采摘過程要求農民不斷變換位置，進行攀爬、彎腰等體力勞動，勞動強度巨大。同時，采摘的方式和力度直接關系到水果的質量以及其后的加工、儲藏和運輸，進而影響產品的市場價值和經濟收益。面對這一挑戰，減少采摘工作的體力需求、提升采摘效率成為水果產業亟需解決的問題。針對此問題，本研究設計了一款水果采摘裝置器臂，目的是通過自動化采摘和分揀工作，以提高采摘效率，減輕農民的體力負擔。進一步研究和發展高效的水果機械化采摘技術，不但可以推進中國的水果產品走向智能化和科技化，而且還可以進一步推進該領域的實際應用與工業化。圖1-1人工采摘1.2國內外研究現狀隨著電腦技術的迅速發展，一些發達國家如德國、日本在水果采收方面都有重大的進展，他們成功研發出了一批利用人工智能技術的高效水果采摘裝置。盡管我國在這一研究方向上還處于起步階段，但是通過國內學者的持續研究和探索，已經誕生了一些具備特色的水果采摘裝置器人模型REF_Ref22189\r\h[2]。這些機器人各具特色，其快發展得益于眾多學者的持續創新與改進。工業機器人的蓬勃發展促使發達國家在確立工業機器人產業標準后，開始關注農業機器人的潛在價值，紛紛投入研發。近年來，美國和日本在農業機器人技術，尤其是在水果采摘裝置領域，實現了顯著的技術進步。早在1968年，美國的斯科茨和布朗兩位學者就提出了采用自動控制技術進行農作物采摘的概念REF_Ref23913\r\h[9]。從1980年代開始，歐美等地區開始重視農業機器人的研發工作。目前，國內外還沒有成熟的收割機械臂，但是各大發達國家都利用自己在工業機器人方面積累的豐富經驗，自主開發出了具有自主知識產權的智能采摘裝置械REF_Ref21905\r\h[1]。數十年過去了，如今，各種不同類型的采摘裝置械人已有了很大的發展，特別是在水果、橙子、黃瓜和柑橘等果蔬采摘上取得了突出成就。21世紀初期，由日本松下公司研制出一種裝有高效能相機的番茄采收機器人，可用于影像擷取，并藉由影像技術精確、迅速地找到番茄。為使水果受到的傷害降到最低，這個機器人使用一個精心設計的終端采集設備，它只需要輕微地拉動番茄的莖就可以進行采收REF_Ref22404\r\h[14]。美國一家具有創意的科技公司于2016年研發出一種利用吸力型摘果設備來摘取水果的機器人，該機器人裝備有一套可辨識熟水果精確定位的視覺系統，并可將其抽離到吸力型摘果機構中。這種方式雖然提升了采摘效率，但由于依賴于強大的負壓系統，造成了機器人體積龐大，這在一定程度上限制了它的應用范圍。與發達國家相比，中國對農機采摘的研究工作開展得比較遲。然而，近年來，由于國內對農機作業的關注越來越多，相關研究也逐漸起步。從20世紀90年代中期開始，中國便開始進入摘果機器人的研究領域。盡管開始較晚，但目前已經有許多高等學院和科研機構投身于智能化農機的研究中。江蘇大學的楊文亮于2009年完成了機器人手臂的結構研究，并結合水果幾何參數設計了多種末端執行器，通過實驗驗證得到最優結構REF_Ref22541\r\h[11]。南京農業大學的顧寶興則在2012年以矮密密植果園為基礎，研究成果可為果樹采摘作業提供新思路和新方法，具有較強的理論意義和應用價值。

2水果采摘裝置的機械結構的總體設計2.1水果生長環境與果園環境密植果園果樹的生理特性具體表現為：在生長旺盛的中心主干上，分布著30至60根水平枝，這些枝條的長度介于3至5厘米之間，最長可達1米。通常，植株的高度維持在40至60厘米，冠徑不超過1.5米，而整樹的高度則在2.5至3米之間。水平枝數量眾多且纖細，但長度適中。目前，水果樹的株型主要分為四種：主干型、開放心型、高紡錘型和細長株型。常規的矮化密植栽培模式已經不能適應當前的密植要求，所以，目前機械化栽培模式多以高紡錘體（見圖2-3）或紡錘體為主，該布局方式更利于栽培。表2-1列舉了各種水果品種的主要指標。表2-1不同樹形的結構參數樹形主干形開心形高紡錘形細長紡錘形樹干總高度2.5~3m2~2.5m3~3.5m2~3m冠幅1~1.5m2.5~3m0.8~1.2m1.5~2m主枝數量30~6040~5020~3030~50有無支架無無有有產量高高很高高行株距4×2m5×6m4×2m(2.5~4)×2m形狀圓錐形開心形圓柱形紡錘形2.2水果采摘裝置整體參數擬定2.2.1水果采摘裝置的特點和要求在分析了水果樹的生理特點及栽培條件后，提出了在進行收割機械臂的功能設計時應符合如下幾個方面的要求：（1）所選擇的水果是一種高密度的樹干，樹冠直徑為1.5米，水果在樹冠上的每一個角落都有，因此，所選擇的采摘手臂的工作空間應是垂直方向的半圓錐形狀和垂直方向的半圓形狀，同時也要確保采摘時機器人的動作是柔性和精確的。（2）水果不同于其它的果實，它沒有果殼，所以它的外表很容易受到傷害，而且傷害的地方很容易被氧化，隨著時間的推移，它會變成一個腐敗的地方，這樣，它就失去了原來的營養和經濟價值。所以，采收設備應盡可能地避免與水果的接觸。（3）采集機器人的自由度個數對采集精度和躲避障礙的性能有一定的影響，同時機械結構的復雜性也隨之增大，采集時間也隨之增大。因此，在保證采收工作質量的同時，應盡量減少采摘裝置構自由度的數量，以獲得最優的采摘效果。（4）在大規模的果園中使用的水果采摘裝置必須具備基本的協助能力。為了減少不必要的采摘，減少不必要的采摘，必須將果實的搬運和采摘過程整合到整個采摘系統中，從而提升采摘的效率。所以，在進行水果采摘裝置的設計時，必須將水果的生物學特性、果樹的形態和機械結構等因素進行全面地分析REF_Ref23848\r\h[8]，最后才能確定一個適當的總體方案。2.2.2水果采摘裝置整體參數擬定根據水果采摘裝置的行進距離，定義了水果采摘裝置的行進距離，在此，列株距n=1.5m，行株距m=3m，樹高2.5到3m，大多數的水果都是長在離地1m的地方，盡量讓水果采摘裝置能夠適應大多數的水果的采集需要，因此，這篇文章對水果采摘裝置的要求是，它的最大采集高度是3.1m，最小為1m。考慮到水果的發育地在最高和最低之間存在著很大的落差，選擇小型的提升平臺，可以減少機器手臂的桿體體積。臨時制定了采收小車的高度1，電梯臺的高度不低于0.1米，最大不低于0.7米。通過實地調研發現，水果的樹冠直徑和植株間距是相同的，因此設計出能夠同時滿足行株間距和植株高度的收割機器人，它的最小作業半徑是1.4米。在表2-2中列出了獲取設備的基礎結構參數：表2-2采摘運動平臺的主要結構參數參數名稱數值參數名稱數值最低采摘高度Lmin1m最高采摘高度Lmax3.1m最大長度Rmax1.4m最小長度Rmin0.31m升降高度0.1~0.7m2.3主體機構的形態高紡錘體是一種水果的形態特征，其形狀類似于紡錘，即兩端較尖，中間較粗。這種形狀的水果通常在生長過程中會拉長，使其呈現出紡錘形狀。一些常見的高紡錘體水果包括香蕉、柿子、梨和紅毛丹。這些水果在市場上都是非常常見的，其高紡錘體的形狀使它們在外觀上具有獨特的特征，也為其收獲、儲存和運輸提供了一定的便利。本課題所研制的水果采摘裝置為一臺四自由度行走的電動行走裝置，其總體構造為五自由度三連桿的抓爪機構。水果采摘裝置機身采用鋁合金板材與工程塑膠組合而成，其重量輕，便于在機身上添加組件。整體包括兩部分：一是可動底盤，二是可動底盤，三是可動底盤。上述系統中集成了控制電路、采集裝置、多種傳感器以及電源模塊。其動力結構包括機械手掌、上臂部件、下臂部件及夾持裝置。系統以交流伺服電機為主要動力源。對于機械手臂的伸縮功能，則采用電動推桿實現，其中推桿的一端通過螺旋接口與旋轉法蘭以及執行機構相連。終端執行元件初步選擇利用抓取機制來抓取水果。圖2-1水果采摘裝置的運動簡圖圖2-2水果采摘裝置的總體結構圖2-3高紡錘體蘋果采摘機器人的工作原理是基于其結構的各個組件的協同作用。首先，機器控制柜負責控制整個機器人的運行和操作。當接收到指令后，機器人開始執行任務。回轉支撐支持機器人進行旋轉運動，而支撐腰部組件則穩固地連接大臂組件和伸縮臂，為機器人提供平衡支撐。伸縮臂負責調整機器人的工作距離和高度，使得末端采摘機構能夠準確抵達蘋果所在的位置。大臂組件由大臂枝干和大臂枝干組成，它們支撐并提供運動空間給伸縮臂。末端采摘機構是機器人的關鍵組件，負責執行采摘動作，將蘋果取下并放置在指定位置。小臂旋轉組件和小臂軸組件協同工作，將末端采摘機構準確地定位到目標蘋果附近，并進行精確的旋轉和移動。整個過程中，機器人根據遙控傳感器提供的信息，實時調度和控制各個組件的動作，確保其順利完成蘋果采摘任務。

3水果采摘裝置的機械結構的設計與優化3.1履帶的設計相較于輪式行走機構，履帶式行走機構展現出了諸多顯著優勢，包括更大的地面接觸面積、卓越的操縱穩定性、行走平穩性、出色的越障與爬坡能力。此外，其較大的接地面積和較小的比壓，使其在環境復雜的果園中行走更為便捷，有效防止了滑移現象的發生。履帶主要分為鋼型和膠型兩種類型，鑒于鋼型履帶結構復雜且重量較大，通常適用于6噸以上的中重型設備。因此，本項目中，我們選擇了橡膠型履帶作為行走機構。橡膠履帶的結構如圖3-1所示。圖3-1履帶行走機構結構圖履帶接地長與履帶中心距比值e很大程度上影響水果采摘機轉向特性，e>1.7轉向受到影響，e<1.0水果水果采摘裝置行進性能降低，一般為1.2~1.4，本文取1.25，履帶中心距受果園田壟寬度與水果收集臺尺寸約束綜合考慮取1.2m，則履帶接地長度取1.5m。履帶寬度計算如式（3-1）經計算得Cl=253mm~309mm；重型履帶機構，當履帶寬度與地面長度之比為0.3時，轉向阻力最小；一般取?=0.18-0.22，泥漿掘進設備?=0.24~0.28，考慮到軌道寬度Cl=300mm，?=0.2。（3-1）式中Cl表示履帶寬度；m=150kg；mmax果蔬水果采摘裝置的最大載荷為100kg，g=9.8m/s。（3-2）是軌道節距dl的計算公式，通過計算，dl=105毫米至123毫米。（3-2）綜合考慮，采用橡膠履帶式AC結構，履帶寬Cl=300mm、dl=140mm、N=28。3.2底座和腰部結構設計3.2.1腰部電機選型機器人的腰部是整個機械臂的主要承重部分，其重量相對較大，因此建議使用中低速的電機進行驅動。假設機器人腰部圍繞中心軸的轉動慣量為J，并以機器人的大小臂的總長度為L，可以計算出其轉動慣量：（3-3）其中, M為腰部所承受的重量為60kg,L為3m,代入計算得腰部轉動慣量為180kg.m2電機轉矩:（3-4）其中,回轉加速度為ɑ=2πrad/s2,代入計算的力矩為360N.m.電機的轉動慣量:（3-5）取減速比i=150,代入求出電機的轉動慣量為360kg.m2電機的轉矩:（3-6）代入計算的電機轉矩為2.4N.m根據計算結果，電機的轉矩是2.4mN。初步選擇的型號是OK80-48V2.2-3000型的直流電機。該電機的額定功率是2.2KW，額定轉速是3000r/min，額定轉矩是7N.m，額定電壓是48VDC，額定電流是50A。初步選擇了ST-CSF-25-50型伺服減速器作為腰部諧波減速器，其減速比達到50，額定轉矩為32N.m。3.2.2底座結構設計機器人的底座承受了機器人整體的重量，因此受到的壓力相對較大。因此，對于底座的材料選擇有著極高的標準，必須確保其具備高剛度、小的沖擊振動以及出色的耐疲勞磨損特性。在這次的底座設計中，選擇了HT250(灰鑄鐵)作為主要的底座材料。為了減輕底座的重量并避免鑄造過程中的缺陷，將其設計成了一個內部的中空結構REF_Ref23730\r\h[7]（如圖3-2）。這種方式不僅可以節約使用的材料，還能有效地減少成本。底座是通過4個?15mm的螺栓與地面結合來固定的。底座的一側設計有管線接口，各種管線可以通過這些接口進入并與控制部分連接，從而控制機器人的操作，確保管線不會外露，避免對機械臂造成不良影響。機器人腰部的結構設計通常分為兩大類：一類是電機自身通過固定來驅動腰部立柱旋轉，從而實現機身的旋轉，這一設計相對較為復雜。還有一種設計是電機與上蓋同步旋轉以實現上臂的旋轉，這樣的設計既簡潔又易于操作。在進行腰部的設計時，本文選擇了第二種方式，讓電機與上蓋同步旋轉。為了降低機身的質量，選擇了輕質且高強度的鋁合金作為覆蓋材料。a)腰部傳動路線：直流伺服電機10的輸出軸配備了電磁制動閘，并與諧波減速器8連接。接著，減速器的另一端與小齒輪4相連，而小齒輪4則與大齒輪5嚙合。蓋板與上基座是通過交叉滾子軸承來配合的。當電動機旋轉時，機座蓋板9也會隨著電機一同旋轉。b)傳動參數確定:從電動機到腰部轉動共有兩級減速，總傳動比為i=150，則i1*i2=150;其中i1為諧波減速器傳動比,i2為齒輪內嚙合傳動比，在進行減速器選型時已確定其傳動比為i1=50,則齒輪嚙合傳動比為i2=i/i1=3。由于底座齒輪受力較大，磨損嚴重，應選擇模數較大的齒輪。查我國齒輪模數標準第一系列選取直齒輪模數和錐齒輪模數m=3。根據中心距大小，初選小齒輪齒數z1=50,z2=z1*i2=150。其分度圓直徑為:d=mz（3-7）d1=mz1=150mm,d2=mz2=450mm圖3-2機座結構圖3.3支柱升降機構設計 按照傳輸需求，該提升機構是一種常用的電動推桿機構，它的主要推力傳輸構件是螺旋絲桿，在考慮到它的機械臂所選擇的材料、減速電機的重量以及整個水果的最大重量之后，對該提升機構的載荷進行了粗略的估計F=mg=20*9.8N=196N。絲杠的導程S=0~200mm，從摘果的總體需求來看，起吊的動作所需的時間在0~3秒左右。所以它的上升速率大約是V=0.07m/s。因此可以得出變速器的動力大約是P=F*v=13.86w，按工作需要選擇符合自身特性的減速器。其中，螺紋紉桿參數的具體計算方法如下：1)外螺紋中徑d2可以按照下式進行計算:螺母的高度：H=φ*d2=2*30=60mm旋合圈數：確定其螺距的為5mm，基本牙型高H1=0.5*P=0.5mm檢查其工作的安全性：（3-9）算得p=0.07≤[p],故安全齒輪傳動參數：用查找表方法測定，以1:10計算。hɑ*=1齒形角ɑ=20。3)計算齒輪中心距： （3-10）代入得=77.9mm,可以取ɑ=82mm。初步估計模數m=(0.016~0.0315)，ɑ=(0.016~0.0315)*80=1.28~2.52，選取模數m=2。3.4大臂的設計及有關計算3.4.1大臂的設計分析機械手臂的大臂部分前端與小臂通過電機相連接，后端與機械手臂腰部相連接。大臂的轉矩計算同小臂相同，均為采取能量法來計算。根據實際情況，小臂需要3s的時間完成水平到豎直的姿態轉換，根據此時小臂做功可得功率，同時，旋轉的最大轉速為ω=90°/s，可得所需轉矩。根據上文分析計算，估計末端夾取裝置與腕部及工件的總重量約為3kg，小臂結構及電機等結構總重量約為2kg，大臂結構的總重量約為3kg。則電機所需提供的功為：（3-11）式中::小臂從水平到堅直次態所做功;:電機需驅動的重量;:重力勢能;:末端到電機最遠距離;由此可得:由此可繼續計算出所需功率:（3-12）式中:P:功率;t:小臂姿態轉換所需時間;由此可得:P=Wt（3-13代入得30.15w則所需轉矩:MDi=9550*（3-14）代入得19.18N.m圖3-3大臂結構3.4.2小臂的設計分析機械手臂的小臂部分與腕部相連接，主要起到帶動末端夾取裝置的作用。本次設計為取得小臂旋轉時所需的電機輸出扭矩，采取能量法來計算。根據實際情況，小臂需要3s的時間完成水平到豎直的姿態轉換，根據此時小臂做功可得功率，同時，旋轉的最大轉速為ω=90°/s，可得所需轉矩。根據上文分析計算，估計末端夾取裝置與腕部及工件的總重量約為3kg，小臂結構及電機等結構總重量約為2kg，則為確保上述部件順利運動電機所需提供的功為（3-15）式中:W:小臂從水平到堅直次態所做功;M:電機需驅動的重量;g:重力勢能;h:末端到電機最遠距離;由此可得:由此可繼續計算出所需功率:（3-16）式中:P:功率;t:小臂姿態轉換所需時間;由此可得:P=Wt（3-17帶入得10.5w圖3-4小臂結構3.5腕部傳動設計腕部角度轉動的范圍為[-90°，90°]，由于末端腕部需要實現旋轉，所以可以采用機器人舵機，來實現末端執行器的旋轉，舵機的具體參數如表3-3所示：表3-1舵機的參數舵機型號速度扭矩(kg.cm)電壓（v）PDI-6221MG0.16sec/85°206由于舵機已經實現了減速增扭，所以不再需要進行多及外部的減速裝置，其輸出軸為鋁合金齒形軸，軸上的齒數為25個齒，其型號為25T型，齒輪軸的長度為31.5mm的標準件。3.6末端執行器設計本次采摘手結構設計仍以機械鉗爪式采摘手為主，采摘手具有三個功能：第一、采摘手部攝像頭能對果實進行識別定位；第二，采摘手能夠靈活的抓握成熟的果實；第三、采摘手指內刀片能迅速切斷果柄并恢復到原來的位置。為減少果樹枝葉對手指采摘過程中的阻礙，此次設計采用兩指張合手爪對水果抓取；為減弱手指對果實表皮的機械損傷，對手指與果實接觸部分做進一步軟化處理。另外，在采摘手部增加接觸傳感器、壓力傳感器和微型攝像頭，以便于更好的實現采摘作業REF_Ref23622\r\h[6]。3.6.1末端執行器夾持機構設計在進行末端執行器設計前需要確定夾持機構的抓手數量。由于水果為類球形果實，兩抓手設計即可滿足夾持機構對水果的抓取要求。目前，抓手手指的常見構型有平面和弧面兩種。在相同載荷作用下，相較于平面手指，弧面手指產生的破壞應力較小，從而造成果實機械損傷的概率也相對較小。因此，夾持機構的抓手采用弧面手指構型，手掌呈圓形內凹狀。這種設計通過增大手指與水果的接觸面積，一方面可以減少損傷，提高末端執行器的被動柔順性能；另一方面可以增強夾持機構的抓取范圍，提高對不同大小水果的適應能力。基于水果生物特性分析結果，所設計的抓手手指結構如圖2.7所示。其中，弧面手指的直徑為80mm，深度為25mm，中心位置預留有安裝孔，用于傳感器的安裝。圖3-5手指結構示意圖按照運動特點分類，末端執行器夾持機構的開合方式主要有回轉型和平動型兩種。回轉型夾持器是通過連桿的往復運動來實現抓手的閉合，它的優點是具有更大的開合角度，但是復雜的結構容易在夾持過程中產生位置誤差，因此不適用于嬌弱水果的采摘作業。相較于回轉型，平動型夾持器的結構簡單，擁有較少的傳動機構，精度更高。此外，考慮傳感器的安裝，若采用回轉型結構，傳感器的受力方向會隨手指轉動發生改變，不利于主動柔順功能的實現。因此，本文選擇平動型結構作為夾持機構的開合方式。平動型夾持器的結構示意圖如圖3-6所示。圖3-6平動型夾持器的結構示意圖3.6.2末端執行器剪切機構設計本文基于切割分離方式設計了旋轉式斜面割刀作為末端執行器的剪切機構，結構簡圖如圖3-7所示。剪切機構安裝在左側抓手末端，主要由傳動齒輪和斜面割刀組成。在進行采摘作業時，通過配置合適的驅動單元提供動力輸出，經過齒輪傳動使割刀繞左側手指外廓快速旋轉切斷果梗。旋轉切割的方式可以對不同方位的果梗進行切割，省略了檢測果梗位置和調整末端執行器位姿的過程，可以提高采摘效率REF_Ref22950\r\h[15]。圖3-7剪切機構結構示意圖根據茶葉梗剪切運動規律，剪式連桿上的刀刃刃口曲線可運用等滑切角曲線方程來設計，等滑切角曲線公式為：（3-18）式中：r—等滑切角曲線，mm；c—常數，mm；—動刀回轉角，°；—滑切角，°。滑切角在40°～55°之間最佳，本設計取滑切角=45°，θ的取值范圍為0°～40°。為提高剪切機構通用性，本設計取c=10mm。結合式得到rmin=10mm、rmax=20.09mm。根據式由MATLAB得到刀刃曲線圖，如圖3-8圖3-8 刀刃曲線圖電機的帶動剪切連桿對果梗進行剪切，果梗受力如圖3-7所示。為保證剪切機構能剪斷茶葉梗，本設計取剪切力F1為180N。圖3-9剪切機構受力簡圖基于前文所述的設計，將剪切機構簡化為如圖3-9所示的受力示意圖，并對其進行受力分析。如圖所示，剪切機構可被視為一種偏置搖桿滑塊機構。為了確定步進電機的扭矩，需要進行電機選型。因此，將以O點作為原點進行受力分析，并利用剪切機構結構簡圖的幾何關系來建立力矩平衡方程：（3-19）其中：FN—為步進電機傳遞到絲桿上的軸力，N；F1—為剪式連桿輸出的剪切力，N；F2—為絲桿上軸力作用在剪式連桿上的作用力，N。結合絲桿軸力公式：（3-20）其中：—為絲桿工作效率；T—為步進電機輸出扭矩，N·m；P1—為絲桿導程，m；—為絲桿與法蘭螺母之間的摩擦系數；m1—為移動件的質量，kg。絲桿工作效率在0.9～0.98之間，摩擦系數為0.11～0.17之間，本設計取=0.9、=0.17。根據剪切機構簡圖中的幾何關系，以及絲桿的相關參數設計如表3-2所示的剪切機構結構參數。結合公式得到步進電機輸出扭矩為0.19N.m。表3-2剪切機構相關參數代表字母a1（m）b1（m）c1（m）d1（m）（°）（°）P1（m）μ1（/）m1（kg）F1（N）數值0.040.0050.030.03150300.0080.110.05180根據計算得到的扭矩，本文選擇型號為42BYGH34S的步進電機作為剪切機構驅動電機，其主要參數如表3-3所示。表3-3步進電機主要參數步進電機型號機身長（mm）扭矩（N·m）軸徑（mm）重量（kg）42BYGH34S340.2850.2

4水果采摘裝置運動學及有限元分析4.1引言以搬運需求為依據，本文已經得出了水果采摘裝置從機構學上分析，它屬于一款四關節式串聯機器人，通過各關節之間旋轉控制終端執行器到達指定位置。在機器人控制中，模型的建立和路徑規劃是關鍵。采用D-H參數化方法，對各連桿進行了坐標系建模，得到了各連桿在任何位置上的運動方程，得到了各連桿在任何位置上的運動規律。水果采摘裝置運動分析的主要目的是建立各關節變量與末端執行器的空間位姿之間的關系，并將其劃分為正、逆向運動學REF_Ref22189\r\h[2]，這一章就是對所需機器人的運動學分析。4.2水果采摘裝置D-H建模采用D-H表示法可以建立機器人各關節上的固定坐標系，并利用4×4的齊次變換矩陣REF_Ref24145\r\h[10]描述相鄰兩關節之間的空間位置關系。利用該方法，可以求出在基座坐標下，端部執行機構的空間位置，進而得到端部操作機構的運動模型。在此基礎上，對水果采摘裝置進行D-H建模，并對其進行分析。在此基礎上，構建了一種空間上的三維基本坐標系統，并以此系統為笛卡爾坐標系統REF_Ref22950\r\h[15]，對系統的運動進行了分析。圖4-1顯示了機器人簡化后的模型：圖4-1機器人連桿坐標系利用D-H方法建立水果采摘裝置的模型，首先要確定各個關節的坐標系。這些參數在表4-1中列出如下：表4-1機器人連桿D-H參數表水果采摘裝置的關節模型中，有兩個關節變量和。通過關節變換矩陣，可以推導出機器人各個關節的齊次矩陣。在此假設 Ci=cosθi,Si=sinθi,i=1,2,3,4，并將簡化后的公式代入矩陣{Ai}中，得到如下結果：4.3水果采摘裝置運動學分析4.3.1機器人正向運動學分析對機器人進行正運動分析，主要研究了機器人在運動過程中，各個關節的運動參數確定后，手臂末端腕關節的位置以及在坐標系下的姿態。每一組輸入的關節參數都與一組端部的位置相對應。然而，不同的輸入可能會導致相同的末端位姿，這與機械臂的結構特點有關，從而影響到運動學逆解的實現[16]。該方法基于單組輸入值的求解過程，通過對輸入值進行實時采樣，以獲得終端姿態的變化軌跡。根據本次設計的機械手的模型和參數，將相應的參數代入到連桿變換矩陣表達式中，即可獲得相鄰連桿件的變換矩陣。在機器人手臂中，相鄰連接件之間的換算關系用公式3—1REF_Ref23146\r\h[12]表示。將端點坐標系統{h}的姿態與轉動坐標系統{4}的姿態相一致，即所求的端點軌道與腕點軌道相等。由機械臂連桿間的轉換矩陣，可導出機械臂座標系統{4}與座標系統{0}間的轉換關系如下：（4-1）式（4-1）中px=l2cos(θ1+θ2)+l1cosθ1py=l2sin(θ1+θ2)+l1sinθ1pz=d1+d2+d3+d1+d4以坐標系的位姿表示方法和變換矩陣的變換特性為基礎，進行分析，可以將式（4-1）中的矩陣分解為以下形式：上式中的矩陣R是一個3×3的矩陣，包含了式（4-1）矩陣左上角的九個元素，代表了手腕坐標系的姿態。矩陣R的第1、2、3列分別表示手腕坐標系X、Y、Z軸的方向，而3×1的矩陣P則代表了手腕點的位置。4.3.2機器人逆向運動學分析逆解過程的實質是在已知執行器腕點位置和坐標系的情況下，求出機械臂系統各關節角度和位移量的過程。圖4-2展示了操縱器正向和逆向運動學分析之間的關系。利用實時反演方法，在終端位姿連續的情況下，得到了機器人手臂在運動過程中，各個關節的轉角及位移的連續變化曲線。機械手關節角度圖4-2機械臂正、逆運動學關系機器人運動學方程的解法是一類非線性問題，它的解法很復雜，既有解又無解，還可能有一個或多個解。在本項目的前期研究中，發現在機械臂正運動學中，存在一組以上的關節輸入解可以得到相同的末端姿態REF_Ref24341\r\h[13]，這表明在逆運動學解法中，同一組末端姿態解可能會得到多組滿足要求的關節角度。通常情況下，機械臂的逆解個數與其連桿個數有關，連桿個數越多，理論上可能存在的解就越多。此外，機械臂只能在特定的工作區域內進行工作，無法到達工作區域外的點，因此在工作空間內，除了具有4個或更多自由度的機械臂外，其他機械臂都無法實現完整的工作姿態，對于不可達的姿態解析解也不存在。因此，并非所有的姿態輸入都能夠得到對應的關節角度解，這就是可解性的問題。在本次設計中，所設計的水果采摘裝置雖然連桿數目較少，但仍然存在可解性的問題。通過前向解法，得到了機械臂在任意狀態下，腕點相對世界坐標系下的位姿矩陣表達式。在此矩陣中，所有非常數元素都是關節角和位移的函數。因此，通過建立腕部點位姿的數學模型，就可以反求出腕部的運動參數。根據求解出的機械臂正運動學的數學表達式，假定末端點姿態矩陣Tend已知：（4-2）式中，表示手腕點的位置，，三個列向量組成的矩陣表示了手腕點處坐標系的姿態。令4-1與4-2相等，則（4-3）式中的等式中包含了四個關節為未知量，其他各關節均為已知量，解方程即可得到四個位置量的值，即為運動學逆解。解決方法是這樣的：（1）求解θ2在式（4-3）中，由矩陣中元素和對應相等有：（4-4）將式（4-12）中兩等式兩邊平方再相加可得：（4-5）則求得：（4-6）（2）求解θ1展開（4-6）式中的三角函數，化簡兩個等式，得到：（4-7）此時已在上一步中求出為已知量，則根據方程消元的方法可求解出（4-8）（3）求解θ4在（4-8）式中，從矩陣中的（1,1）、（2,1）可以看出：cos(θ1+θ2+θ4)=nxsin(θ1+θ2+θ4)=ny（4-9）可解得：θ1+θ2+θ4=tan-1(nynx)所以：θ4=tan-1(nynx)-θ1-θ2（4）求解d在式（4-10）中，由矩陣中元素（3，4）對應相等有：d1+d2+d3+d4=pz（4-12）因此：d=ps-d1-d2-d3-d4（4-13）在求解結果中，可以觀察到θ2存在正負兩種取值，同時其他關節的角度也會受到θ2取值的影響。不同的θ2取值會導致最終求解結果的不同，這體現了機械手逆運動學求解的多解性特點。在本次設計的求解過程中，為了避免多解問題，限制了θ2的取值始終為正或始終為負。4.4水果采摘裝置關鍵部件有限元分析大臂是機器人系統本體中較為重要的組件，它們的強度與剛度直接影響整個機器人的機械特性。簡單等效一維的簡支梁模型去分析，就會產生不可避免的力學分析上的偏差，采用有限元法REF_Ref23492\r\h[5]可以很好地解決這類問題。有限單元法是隨著計算機發展興起的一種比較高效的數值方法，利用該方法可以有效地處理比較復雜零件的力學分析。利用軟件進行部件的有限元分析時需要對三維模型進行簡化，盡量使模型變的簡單，有必要去除對模型分析意圖不重要的零件特征，有利于有限元網格劃分。為了大臂小臂的力學性能，本文采用有限元的方法對大臂和小臂進行受力分析，探究其變形和應力的分布規律。在分析中認為材料是各向同性材料，完全彈性體，且為密度分布均勻。表4-2材料屬性材料彈性模量E（GPa）泊松比v抗拉強度（MPa）屈服強度（MPa）密度(Kg/m3)7050鋁合金70.3244552830機械臂在采摘任務時會有一個受力和變形都最大的狀態，這個狀態下大臂、小臂腕部都在水平位置，選用此狀態進行力學分析。機器人受力最大時各手臂幾乎在一條直線上。大臂與小臂的材料均設置為鋁合金7050，該材料的具體屬性如表4-2所示。將大臂的大端施加一個固定約束，大臂的小端部施加載荷。大臂有限元網格如圖4-3，大臂網格節點為62823，網格單元為37833。圖4-3大臂有限元網格對大臂的應力、應變求解，其結果如下圖(4-4)所示。圖4-4大臂靜應力圖圖4-5大臂應力圖圖4-6大臂應變圖從圖4-5可以看出，應力集中較小且主要集中在固定端，最大應力為14.384MPa；遠小于材料的屈服極限，說明大臂的強度滿足該工況下的工作要求。從圖4-6可以看出最大變形量為0.21117mm。小于水果采摘裝置的工作精度范圍1mm。說明大臂在工作情況下發生的形變較小，滿足設定的精度要求。綜上所述，大臂的強度和剛度遠遠滿足工作的要求。

5結語隨著農業機械化的發展，水果采摘也越來越傾向于采用機械化的方式。傳統的水果采摘方式需要大量的人工勞動，成本高、效率低，且存在安全隱患和勞動強度大的問題，因此需要一種更加高效、安全、可靠的采摘方式。可升降履帶式水果采摘機便是為了解決傳統采摘方式存在的問題而設計的一種新型機械化采摘工具。它采用履帶式行走裝置，在果樹間行走，通過可升降的結構設計，能夠適應不同高度的果樹；同時，機器上配備了采摘器和傳送帶等部件，能夠自動采摘水果，提