欠驱动采摘末端执行器的设计论文[不全]
致谢目 录摘 要IABSTRACTIII第一章 绪论11.1 课题研究意义11.2 农业机器人发展概况11.2.1国外研究成果及现状11.2.2 国内研究成果及现状41.3 末端执行机构的研究现状41.3.1 国外末端执行器研制进展情况51.3.2 国内研制的末端执行器概述61.4 欠驱动技术研究发展61.5 主要内容和研究方法81.5.1 主要研究内容81.5.2 技术路线9第二章 欠驱动采摘末端执行器的设计132.1 欠驱动采摘末端执行器的总体结构设计132.1.1手指结构设计152.1.2转动机构及机架的设计162.1.3驱动方案的选择172.2手腕关节的设计182.3 执行器的控制方案设计202.4本章小结21第三章 末端执行器静力学分析233.1 欠驱动手指的工作原理233.2 包络抓取时的静态力学模型233.3 运动学分析263.4 利用MATLAB软件进行手指综合结构参数确定273.5手部的夹持误差计算283.6手指的有限元分析303.7本章小结34第四章 末端执行器虚拟设计与仿真研究374.1 软件概述374.2机械手的虚拟设计与装配384.2.1模型的建立384.2.2虚拟装配404.3手指运动仿真404.4 模块化设计454.4.1模块化设计概念454.4.2手指的模块化设计464.5本章小结47第五章 控制系统设计495.1系统硬件组成495.1.1单片机的选用495.1.2 AVR ATmega16型单片机简介505.1.3 步进电机505.1.4步进电机驱动器515.1.5传感器545.1.6 系统软件方案分析545.2 系统工作原理和工作过程555.3本章小结55第六章 实验分析576.1 手抓适应性实验586.2压力传感器实验596.3 果实抓取力实验分析616.3.1压力传感器标定实验616.3.2 不同脉冲频率下力的变化实验626.3.3 不同成熟度情况下力的变化实验636.3.4夹持效率实验646.4本章小结65第七章 结论和建议677.1结论677.2 创新点677.3后续研究建议67攻读硕士期间发表的论文69致谢71第二章 欠驱动采摘末端执行器的设计第一章 绪论1.1 课题研究意义水果是人类生活中必不可少的食物，水果的种植比例也在逐年增多，2002年中国果品种植面积893万hm2，产量6225万t，占世界果品产量的13%1。目前我国的水果总产量跃居世界第一位，其中以苹果、柑橘和梨的种植面积为最大。在我国，苹果栽培有着悠久的历史，是我国11大优势农产品之一。我国苹果生产在世界苹果产业中占有举足轻重的地位。据统计，2004年我国苹果栽培面积187.7万公顷、产量2367.5万吨，分别占世界苹果栽培面积41.5%和产量的7.5%。近10多来年，我国对世界苹果产量增长的贡献率高达84%2。这使得果园收获作业机械化、自动化成为广大果农们最为关注的热点问题。发展机械化收获技术，研究开发果蔬采摘机器人, 不仅对于适应市场需求、降低劳动强度、提高经济效率有着一定的现实意义，而且对于促进我国农业科技进步，加速农业现代化进程有着重大的意义。在果实类的水果采摘生产作业过程中，需要人工不定时的对果实进行成熟度判断和收获，并不时地移动梯子登高或弯腰，因此果品采摘作业是水果生产链中最耗时、最费力的一个环节、具有一定危险性的作业。目前，国内水果采摘作业基本上都是人工进行，其费用约占成本的50%70%，并且时间较为集中。随着水果大面积的推广与种植，研究水果采摘机器人既可以提高农业生产力、改变农业生产模式、解决劳动力不足问题等方面又可以减轻劳动强度、提高生产效率，而且具有广阔的市场应用前景。1.2 农业机器人发展概况1.2.1国外研究成果及现状农业机器人是一种集传感技术、监测技术、人工智能技术、通讯技术、图像识别技术、精密及系统集成技术等多种前沿科学技术于一身的机器人4。农业机器人是一门边缘交叉学科，是多领域技术的综合，其发展需要各相关学科的配合与支援3。农业机器人又可以分为：施肥机器人、除草机器人、收摘机器人、嫁接机器人等。日本是研究农业机器人最早的国家之一，早在20世纪70年代后期，随着工业机器人的发展，对农业机器人的研究工作逐渐启动5,6,7。收获作业的自动化和机器人的研究始于20世纪60年代的美国(1968年) ，采用的收获方式主要是机械震摇式和气动震摇式，其缺点是果实易损，效率不高，特别是无法进行选择性的收获8。自1983 年第1台西红柿采摘机器人在美国诞生以来，采摘机器人的研究和开发历经20多年，日本和欧美等国家相继立项研究采摘苹果、柑桔、西红柿、西瓜和葡萄等智能机器人9。1.2.1.1 西红柿采摘机器人日本Kondo-N10,12,13 等人研制的西红柿收获机器人由机械手、末端执行器、视觉传感器和移动机构等组成，如图1.1所示。 图 1-1 西红柿采摘机器人 图 1-2 美国的番茄采摘机器人 Fig.1-1 Tomato harvesting robot Fig.1-2 Tomato picking-robot made in America机器人的采摘机械手采用7自由度的SCORBOTER工业机器人，能够形成指定的采摘姿态进行采摘。用彩色摄像机作为视觉传感器来寻找和识别成熟果实，利用双目视觉方法对目标进行定位；移动机构采用4 轮结构，能在垄间自动行走。在2004年2月10日美国加利福尼亚州图莱里开幕的世界农业博览会上，美国加利福尼亚西红柿机械公司展出2台全自动西红柿采摘机(图1.2)，这种西红柿采摘机首先将西红柿连枝带叶割倒后卷入分选仓，仓内能识别红色的光谱分选设备挑选出红色的西红柿，并将其通过输送带送入随行卡车的货舱内，然后将未成熟的西红柿连同枝叶一道粉碎，喷撒在田里作肥料14。1.2.1.2 苹果采摘机器人韩国研制的苹果采摘机器人，其机械手工作空间达到3m，具有4个自由度，包括3个旋转关节和1个移动关节，采用三指夹持器作为末端执行器，内有压力传感器避免损伤苹果。利用CCD摄像机和光电传感器识别果实，从树冠外部识别苹果时识别率达85%，速度达5个/s15。图1-3 苹果采摘机器人Fig.1-3 Apple harvesting robot2008年JohanBaeten和Sven Boedrij等人研制的苹果采摘机器人16(图1.3)，利用松下VR006L型六自由度手臂作为机械手主体，在果园作业时，机械手由一台拖拉机牵引，其机器人整体占地面积较大，机械手重量较重，且成本较高，只适于植株较矮小的苹果树。1.2.1.3 多功能葡萄采摘机器人日本冈山大学研制出了一种多功能葡萄采摘机器人(图1.4)17。葡萄采摘机器人采用5自由度的极坐标机械手，末端的臂可以在葡萄架下水平匀速运动。视觉传感器一般采用彩色摄像机，采用PSD三维视觉传感器效果更佳，可以检测成熟果实及其距离信息的三维信息。采摘时，用于葡萄采摘的末端执行器有机械手指和剪刀机械手指抓住果房，剪刀剪断穗柄。1.2.1.4 蘑菇采摘机器人英国Silsoe研究所研制的蘑菇采摘机器人18，可自动测量蘑菇的位置大小，并选择性地采摘和修剪。它的机械手由2个气动移动关节和1个步进电机驱动的旋转关节组成，末端执行器是带有软衬垫的吸引器，视觉传感器采用TV摄像头，安装在顶部用来确定蘑菇的位置和大小。采摘成功率75%左右，采摘速度67个/s。 图1.4 多功能葡萄采摘机器 图1.5 草莓采摘机器人 Fig.1-4 Multi-operation robot for grapevine Fig.1-5 Strawberry harvesting robot 1.2.1.5 柑橘收获机器人法国和西班牙尤利卡合作的工程项目“CIT2RUS”是比较成功的研究成果19,20。该项目1988年开始启动,其研制的收获机器人。其最高能达到80%的采摘率，采摘率一般为60% 65%。由于其无法商业化,加上过多的费用损耗,缺乏资金投入，该项目在1997年便中止了。1.2.1.6 草莓采摘机器人Kondo N等人针对草莓越来越多采用高架栽培模式11，研制出了5自由度的采摘机器人，如1.5所示。草莓采摘机器人的视觉系统与番茄采摘机器人相似，末端执行器采用真空系统加螺旋加速切割器。收获时，3对光电开关检测草莓的位置，视觉系统计算空间位置，控制机械手移动到预定位置，末端执行器将草莓吸入；当草莓位于合适的位置时，腕关节移动，果梗进入指定位置，螺旋加速驱动切割器旋转切断果梗，完成采摘。1.2.2 国内研究成果及现状果树采摘机器人的研究在我国尚处于起步阶段。在采摘机械手和末端执行器的设计研究方面：中国农业机械化科学研究院谢建新等人为解决机器人灵巧避障问题，研究设计了6自由度的关节型机械手臂。梁喜凤等为分析并改善番茄收获机械手运动学特性，进行了番茄收获机械手运动学优化与仿真试验，取得了较好的效果。东北林业大学的路怀民研制了林木球果采摘机器人，中国农业大学的赵金英等（2006年）对西红柿采摘机器人整体进行了研究。1.3 末端执行机构的研究现状末端执行件通常由机械装置和传感器组成。末端执行件必须保证不伤害目标作物，不恶化生物生产的质量，与工业机器人的末端执行器相比，由于其作业对象和环境的柔嫩性、不规则性和复杂多变性特征，采摘机器人的末端执行器具有明显的特殊性和更高的智能化要求。目前果蔬采摘机器人末端执行器基本都是专用的，只能对一种果实进行收获,即是采摘机器人效率难以提高的主要原因，也是制约采摘机器人未来发展与应用推广的瓶颈。解决末端执行器的通用性、灵活性和成本之间的矛盾,是果蔬采摘机器人末端执行器研究发展的方向。1.3.1 国外末端执行器研制进展情况Kutz 等人（1987）基于CAD系统设计了移栽机器人21-22。如图1.6其末端执行件是一个并行夹取式夹持器，由1个气缸和1个并行的夹取抓手组成。其抓取手只有张开和合拢两种状态，这两种位置的距离差是20mm，两个夹片长3mm。在3.3min内能完成36个苗的移植，存活率可达96%。 图1.6 SNS 夹取器 图1.7柑橘采摘末端执行器Fig.1-6 SNS Clip extractor Fig.1-7 Orange harvesting end-effector美国佛罗里达大学研究员研制了用于小树林的柑橘采摘机械手19，如图1.7所示，依靠1个CCD摄像机和超声波传感器置于末端执行器的内部来探测水果的位置。该机械手为球形坐标形式,有7个自由度。其末段执行器最高速率为508mm / s，最大载荷量大约为9. 07kg，图像处理和视觉伺服所花的时间为1580ms。Ryu等人（2000）设计了一种由气动系统驱动的夹取装置14。该末端器由步进电机、气缸、气动卡盘和夹取指组成，如图1.8所示。其末端执行件由步进电机带动旋转，并根据植株的方位确定针状夹取指的位置，避免抓取时对植株叶片的伤害。Peter P.Ling等人（2004）设计了一种4个手指的末端执行件
