基于聯(lián)動機構(gòu)的獼猴桃采摘末端執(zhí)行器研制.pdf

1、陜西地區(qū)是獼猴桃種植大省，全省的產(chǎn)量和種植面積在全國都是第一位。獼猴桃采收沒有機械化，采用人工采摘，勞動強度大，效率低，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力進(jìn)步發(fā)展的羈絆。近幾十年來，科技的進(jìn)步和發(fā)展，尤其是農(nóng)業(yè)采摘機器人的出現(xiàn)給獼猴桃的收獲提供了更好的方法。在農(nóng)業(yè)機器人的各個部件中，果實采摘末端執(zhí)行器有著重要作用，其位于機械臂末端位置，且對果實進(jìn)行采收，因而，無損采收過程中還要保證采收效率。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境較工業(yè)生產(chǎn)復(fù)雜多變，采摘機器人面對的目標(biāo)對象有其自身

2、的環(huán)境影響和物理特點，使得研究末端執(zhí)行器較工業(yè)機器人機械手有其自身的技術(shù)要求和特殊性。對獼猴桃末端執(zhí)行器的研究，具有重要的科研價值，并且能夠促進(jìn)生產(chǎn)力的進(jìn)步。
　　本文的研究對象是“海沃德”獼猴桃品種，并選擇在棚架下栽培生長條件下，在前人研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了基于聯(lián)動機構(gòu)的獼猴桃采摘末端執(zhí)行器的研制。本文的研究內(nèi)容有以下幾個方面:
　　(1)果實物理力學(xué)特性研究和基礎(chǔ)試驗。果實物理力學(xué)參數(shù)的研究為末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計提供參

3、數(shù)依據(jù)。調(diào)研獼猴桃試驗站并分析果實生長分布狀態(tài)，得出垂直掛落果實的果梗平均長度為58mm。通過旋轉(zhuǎn)扭斷試驗得到對果實平均旋轉(zhuǎn)16.1圈才能夠扭斷采摘，采摘果實效果并不理想。提出末端執(zhí)行器的功能需求和性能指標(biāo)，需設(shè)計出采摘時間小于5s的末端執(zhí)行器。提出了在自然條件下果實采收方式為從底部開始進(jìn)行“抓取-采摘-卸果”的一體化采收過程，對末端執(zhí)行器方案進(jìn)行對比確定。
　　(2)基于“抓取-采摘-卸果”一體化收獲過程和聯(lián)動機構(gòu)的特點，對末端

4、執(zhí)行器整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。對于生長于棚架下的獼猴桃果實，由于具有簇生的特點，本文以果實物理力學(xué)參數(shù)為理論依據(jù)，對末端執(zhí)行器抓持機構(gòu)和卸果結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計的三維仿生手指半徑為32.5mm，弧度為90°，卸果手指空擋寬55mm，長70mm?；诜赐馆啓C構(gòu)的采摘末端執(zhí)行器軌跡槽設(shè)計。反凸輪機構(gòu)能夠?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)換為擺動。以幾何學(xué)為理論依據(jù)，采用數(shù)學(xué)運算的方法來設(shè)計反凸輪機構(gòu)中的軌跡槽，實現(xiàn)整機“抓取-采摘-卸果”一體化的運動。使用Pro/E軟件

5、建立整機的三維模型，使用有限元軟件ANSYSWORKBENCH對整機做了運動過程仿真分析，最終確定末端執(zhí)行器整體結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　(3)末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)設(shè)計。末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)融合傳感器技術(shù)和單片機集成技術(shù)以及電機拖動技術(shù)，以51單片機和電機控制器來對整機進(jìn)行控制，以霍爾位置傳感器，光電位置傳感器和壓力傳感器構(gòu)成的傳感器系統(tǒng)來檢測果實信息以及提供電機控制信號，實現(xiàn)整機自動化運行。
　　(4)末端執(zhí)行器樣機試制和采摘試驗。將設(shè)