毕业设计（论文）-多臂采摘机器人的初步设计采摘手的设计（全套图纸）

1、多臂采摘机器人的初步设计采摘手的设计1.绪论1.1研究内容及意义果蔬采摘是农业生产链中最耗时耗力的一个环节,其成本高、季节性强、需要大量劳动力高强度的工作。但是由于工业生产的迅速发展分流了大量农业劳动力以及人口老龄化加剧等原因,使得能够从事农业生产的劳动力越来越少,单靠人工劳作已经不能满足现有的需要。随着计算机图像处理技术和各种智能控制理论的发展,使采用机器人采摘果蔬成为可能。果蔬采摘机器人是一类针对水果和蔬菜, 可以通过编程来完成采摘等相关作业任务的具有感知能力的自动化机械收获系统, 是集机械、电子、信息、智能技术、计算机科学、农业和生物等学科于一体的交叉边缘性科学, 需要涉及机械结构、视觉图像处理、机器人运动学动力学、传感器技术、控制技术以及计算信息处理等多方面学科领域知识。采摘机器人将在解决劳动力不足、降低工人劳动强度、提高工人劳动舒适性、减轻农业化肥和农药对人体的危害、提高采摘果蔬的质量、降低采摘成本、提高劳动生产率、保证果蔬的适时采收、提高产品的国际竞争力等方面具有很大潜力。国际上, 一些以日本和美国为代表的发达国家,已经从20世纪80年代开始研究采摘机器人,并取得了一些成果

2、。而我国在该领域中的研究还处于起步阶段,因此我们必须加快对采摘机器人的研究脚步以早日赶超国际水平,使其为我国农业的生产和发展做出重大贡献。全套图纸，加1538937061.2研究现状果蔬采摘机器人的研究开始于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，在采摘柔软、新鲜的果蔬方面还存在很大的局限性。但在此后，随着电子技术和计算机技术的发展，特别是工业机器人技术、计算机图像处理技术和人工智能技术的日益成熟，采摘机器人的研究和开发技术得到了快速的发展。1.2.1国外研究现状在日本、美国等发达国家，农业人口较少。随着农业生产向规模化、多样化、精确化的方向迈进，劳动力不足的现象越来越明显。许多作业项目如蔬菜、水果的挑选与采摘，蔬菜的嫁接等都是劳动力密集型的工作，再加上时令的要求，劳动力缺乏的问题很难解决。正是基于这种情况，这些发达国家大力进行农业生产机器人的研究，并取得了很好的成果。日本的喷农药机器人上装有感应传感器，能自动喷洒农药。嫁接机器人可在极端的时间内，把蔬菜苗茎杆直径为几毫米的砧木、穗

3、木的切口嫁接为一体，使嫁接速度大幅度提高。施肥机器人的行走部分能在狭窄的稻秧间行走，四个窄型橡皮车轮均可横向转动90度。人机协作型机器人的研究思想是将采摘机器人寻找、定位待摘果实以及机器人导航任务由人来完成，机器人的运动轨迹规划、关节控制和末端执行器控制等任务由机器人的控制系统完成。如图1-1所示。图1-1人机协作型采摘机器人结构日本Kondo一等人研制的西红柿收获机器人(如图1-2 )、黄瓜采摘机器人(如图1-3)和草葛采摘机器人(如图1-4)葡萄采摘机器人(如图1-5 1-6所示)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。 图1-2西红柿采摘机器人 图1-3黄瓜采摘机器人 图1-4草苟采摘机器人图 1-5多功能葡萄采摘机器人(套袋操作)图1-6收获末端执行器扦插育苗机器人用于花卉生产系统中可以大大提高生产率。日本东北农业试验场研制成功了简易育苗机器人系统。英国Silsoe研究院研制了蘑菇采摘机器人。它可以自动测量蘑菇的位置、大小，并选择性地采摘和修剪。 在柑桔收获机器人研究方面，1986年，意大利卡塔尼亚农业产业发展部与美国Florida大学合作开发了一种性能

4、良好的具有伺服视觉技术的收获机器人，用于柑桔收获的实际生产中(Harrenetal, 1990) 在苹果收获机器人方面，1983年，法国国立农林机械研究所的Pedene and Motte和西班牙的Jasa研制了最早的商品化机器人原型，即法国的“MAGAU”苹果收获机器人和西班牙的“CITRUS”柑桔收获机器人吓Sarig,1993) 还有日本国立蔬菜茶叶研究所与岐阜大学联合研制了茄子采摘机器人。日本国立农业研究中心的Murakami等研制了甘蓝采摘机器人。以色列和美国科技人员联合开发研制了一台甜瓜采摘机器人等。1.2.2国内研究现状国内在农业机器人方面的研究始于20世纪90年代中期，相对于发达国家起步较晚，但是发展很快，很多院校、研究所都在进行农业机器人和智能农业机械相关的研究。 中国农业大学张铁中教授率先在我国开展了自动化嫁接技术的研究工作，先后成功开发了自动插接法、自动旋切贴合法嫁接技术，填补了我国自动化嫁接技术的空白，形成了具有我国自主知识产权的自动化嫁接技术。上海交通大学机器人研究所的曹其新等人进行了用于精确农业的智能农业机械的研究工作，己经完成了智能化联合收割机、蔬菜工厂化

5、育苗播种流水线样机的研制，正在进行草葛挑选机器人、黄瓜采摘机器人的研究。浙江大学应义斌教授研究的水果自动分级机器人系统得到国家“863”计划的支持。吉林大学王荣本、于海业在90年代中期开始进行农用自动引导行走车的研究。南京农业大学姬长英、沈明霞等人，浙江工业大学青芳、张立斌等人，在进行农业机器人的视觉研究。江苏大学纪良文、吴春笃进行了喷药机器人的研究，他们采用超声测距作为喷药机器人的辅助视觉系统。 还有吉林工业大学与吉林农业研究所研制的锄草机器人，中国农业大学杨丽博士研制的组培苗分割移植机器人系统，江苏大学的陈树人、尹建军等在对西红柿的视觉研究亦取得很大的成果。还有周云山和李强等人研究的蘑菇采摘机器人也处于是国内领先水平，西北农林科技大学对苹果采摘机器人手臂控制进行了研究，东北林业大学的陆怀民研制了林木球果采摘机器人仪。1.3机械手机械手又称操作机，是指具有和人手臂相似的动作功能，并使工作对象能在空间内移动的机械装置，是机器人赖以完成工作任务的实体。在采摘机器人中，机械手的主要任务就是将末端执行器移动到可以采摘的目标果实所处的位置，其工作空间要求机器人能够达到任何一个目标果实。机械手一

6、般可分为直角坐标、圆柱坐标、极坐标、球坐标和多关节等多种类型。多关节机械手又称为拟人( 类人) 机器人，相比其它结构比较起来，要求更加灵活和方便。机械手的自由度是衡量机器人性能的重要指标之一，它直接决定了机器人的运动灵活性和控制的复杂性。1.3.1工业机械手工业机械手发展比较迅速，多指手出现在20世纪80年代，其中最具有代表性的是stanford/JPL三指手(如图1-7)和Utah/MIT四指手(图1-8 )。Salisbury于1982年设计的Stanford/JPL手是当时乃至现在都很具有代表性的三指手，它首次引入了模块化设计方法，并模仿人手的结构特点布置手指的相对位置，具有9个自由度。StanfordlJPL手对多指手的贡献不仅仅在于多关节、多自由度的模块化结构设计，更重要的是它首次完整引入了位置、触觉、力等传感器系统，从而开始了多指手对外部环境的感知时代，并开创了多指手实际抓取操作的先河。 图1-7 StanfordlJPLS手 图1-8 Utah/MIT手1998年德国研制的DLR- I多指手实现了当自由度的数目超过某个值时，把所有的驱动器和电路完全集成在手指、手掌或手腕里

7、，被公认为是当时世界上最复杂、智能化和集成度最高的灵巧手，如图1-9。1999年由美国宇航中心(NASA)研制的Robonaut手，如图1-10是一种面向国际空间站应用的多指手，其目的是为了在危险的太空环境中代替人进行舱外操作。 图1-9 DLR手 图1-10 NASA Robonaut手从20世纪80年代后期开始，我国的很多研究机构相继开展了多指手的研究工作，其中北京航空航天大学和哈尔滨工业大学在这方面的研究很具代表性。北航对多指手的研究开展较早，并于1993年首先研制了我国第一只三指手，然后在此基础上不断改进，先后研制了BUAA- II , BUAA-III三指手和BUAA四指手。哈工大在HIT I多指手的研究基础上进行了大量的改进，研制了HIT/DLR多指手。如图1-11和图1-120 图1一11 HIT I手 图1一12HIT/DLR多指手1.3.2农业机械手农业上最早研制的机械手为SDOF番茄收获机械手(Noboru Kawamura eta1,1984) 机械手与传统的农业机械完全不同，它是由许多杆件组成的空间开式链机构，具有较采摘机械手的设计及其控制研究大的灵活性，但是不

8、适合处理重量大的物体，否则会出现负载过重的问题。杆件越多，机械手身的重量越大，尤其用于像西瓜、甜瓜等较人果实收获与运输时，机械手设计必须从组成结构和内部结构方面使其承受较大的负载重量。 机械手的控制有点位控制(PTP)和连续轨迹(CP)控制两种类型。PTP控制主要用于在机械手初始位置和目标点之间不存在障碍物的情况，此时不必考虑运动路径，其路径也是不可预测的。有时由于茎叶等障碍物的存在，必须通过控制其电机速度和预定运动轨迹到达目标位置，进行CP控制。 末端执行器安装在机械手的末端，其功能类似于人手，是直接与目标物体接触的部件。在末端执行器设计之前，不仅需要研究工作对象的物理特性(物体大小、体积、形状、重量)和机械特性(young、模量、泊松比、粘性、摩擦阻力、剪切阻力等)，还包括电特性和光学特性以及生物学特性和化学特性等。 末端执行器的形式主要有吸盘式(真空式吸盘、喷射式负压吸盘、扩散式负压吸盘、挤压排气式吸盘、电磁式吸盘等)、针式、喷嘴式、杯状、多关节手爪式、顺应型指结构等，通常是末端执行器都是专用的(N. Kondo, 1998) 末端执行器所需的重要传感器主要有触觉传感器和接近传感

9、器。触觉传感器包括接触传感器、压力传感器和滑觉传感器.接近传感器通常用来获得位置信息，识别物体的存在，避障，测量物体的形状，补偿位置传感器的误差等。 在完成抓取动作后，末端执行器还需要将果实与果柄分离。分离方式为切断或拧断。在条件允许的情况下，应尽量采用剪断果柄而不是拧断果柄的方式，避免拧断时给果蔬表面造成伤口，导致病菌侵入使果实腐烂，例如桃、李、杏的采摘都要求留有果柄。但对于某些束状生长、果柄较短的果实，采用剪断的方式比较困难。 末端执行器中手指和关节的数量与抓取效果密切相关，数量越多，末端执行器的自由度就越多，抓取动作更为灵活，抓取效果更好。但大多数的灵巧手系统复杂，成本高，通用性差，仍停留在实验室阶段，更难以运用到农业工程实践之中。如何协调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。2.机械手的设计2.1设计方案果蔬采摘机器人的机械手直接接触工作对象。为了避免碰伤果实，多数收获机器人的手指内侧接触果实的部位采用橡胶和尼龙材料。由于果实的外形有圆形、近似方形、近似长方形等，所以末端执行器的设计应着重考虑手指数量、手指关节数量、尺寸方式等问题。2.2手指数量 果实的外形有规则的和不规则的。对于规则的小型果实，多数收获机器人采用带有吸盘的2个直手指的末端执行器直接抓取果实。相对2个手指，3个手指的收获机器人也有一些研究，抓取果实的稳固更好。而采用具有4个手指和一个吸盘的西红柿收获机器人，效果更好，但难于控制。对于大型的果实，虽然外形规则，但用2个手指显然不行。西瓜收获机器人中采用4个带有橡胶的手指，

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