分析力學(xué)大作業(yè)

1、基于拉格朗日方程的蘋果采摘機(jī)械手的力學(xué)分析摘要目前由于果蔬采摘的復(fù)雜性，采摘自動(dòng)化程度仍然很低，國(guó)內(nèi)采摘作業(yè)基本上是依靠手工完成。進(jìn)入21世紀(jì)，世界各國(guó)均面臨老齡化問題，所需的勞動(dòng)力不僅成本高，而且效率也不高，因此發(fā)展機(jī)械化收獲技術(shù)，研究開發(fā)果蔬采摘機(jī)器人，具有重要的意義。國(guó)內(nèi)外對(duì)于果蔬采摘機(jī)器人仍處于研究開發(fā)設(shè)計(jì)階段，要走的路還很長(zhǎng)，主要原因之一是機(jī)器人具體的研究與設(shè)計(jì)與分析存在不足。針對(duì)現(xiàn)有的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的不足，本文以蘋果為采摘對(duì)象，對(duì)蘋果采摘機(jī)器人機(jī)械手進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析。通過了解與學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外蘋果采摘機(jī)器人機(jī)械手的設(shè)計(jì)與分析，基于蘋果采摘機(jī)器人機(jī)械手的所需完成的功能原則，提出了一種具

2、有整體升降和小臂伸縮功能的三自由度蘋果采摘機(jī)械手，建立蘋果采摘機(jī)械手的簡(jiǎn)易模型，畫出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，對(duì)各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行逐步受力分析，利用拉格朗日方程建立采摘機(jī)器人機(jī)械手力學(xué)方程并求解模型?！娟P(guān)鍵詞】：機(jī)械手 拉格朗日方程 動(dòng)力學(xué) 一概述：進(jìn)入21世紀(jì)，隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，世界各國(guó)均面臨人口老齡化問題，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力逐漸向其他行業(yè)轉(zhuǎn)移，勞動(dòng)力不僅成本高而且還不容易得到。而果蔬采摘作業(yè)是果蔬生產(chǎn)中最耗時(shí)、最費(fèi)力的一個(gè)環(huán)節(jié)，其收獲又屬于勞動(dòng)密集型作業(yè)，隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，人們也急需要從這種高強(qiáng)度高危險(xiǎn)性的勞動(dòng)中解脫出來。因此實(shí)現(xiàn)果蔬收獲的機(jī)械化變得越來越迫切，研究農(nóng)業(yè)果實(shí)采摘機(jī)器人具有重要的意義。二

3、模型的建立及其求解2.1 模型建立的準(zhǔn)備:隨著多自由度系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，其動(dòng)力學(xué)分析也成為多自由度機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的個(gè)重要組成部分。在單自由度機(jī)械系統(tǒng)中，由于只有一個(gè)自由度，可以把機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為個(gè)具有等效質(zhì)量或等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的等效構(gòu)件，再求出作用在等效構(gòu)件上的等效力和等效力矩。對(duì)于多自由度系統(tǒng)，則不能按其自由度簡(jiǎn)單地簡(jiǎn)化為互不相干的等效構(gòu)件。牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律是研究動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。用其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，必須對(duì)每根桿件列出其靜力學(xué)平衡方程，且在方程中包含有未知的約束反力，當(dāng)系統(tǒng)的桿件越多時(shí)，需求解很大的微分方程組，因此增加了問題的復(fù)雜性。而拉格朗日方程是從能量觀點(diǎn)上建立起來的系統(tǒng)的勢(shì)能、動(dòng)能和功之間的標(biāo)量關(guān)系。

4、與直接應(yīng)用牛頓定律解題相比，應(yīng)用拉格朗日方程可使系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的數(shù)目減到最少，且消去了全部約束反力。2.2 模型的理論知識(shí) 2.2.1拉格朗日原理：拉格朗日方程是拉格朗日力學(xué)中最基本的主要方程，用來描述物體的運(yùn)動(dòng)，特別適用于理論物理的研究。拉格朗日方程形式為： （1）式中：為主動(dòng)力的廣義力，可以是力、力矩或其他力學(xué)量(不包含約束反力)。 為體系相對(duì)慣性系的動(dòng)能，是系統(tǒng)的動(dòng)能。 為廣義坐標(biāo)。如果主動(dòng)力都為保守力，則有： 將上式帶入（1）得： 其中有：.它是一組N個(gè)用廣義坐標(biāo)表示的二階常微分方程，將這組微分方程積分，即可求得用廣義坐標(biāo)表示的質(zhì)點(diǎn)系的運(yùn)動(dòng)方程為： , 其中的2j個(gè)積分常數(shù)可由2K個(gè)初

5、始條件，即t=0時(shí)系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)和廣義速度來確定。2.3 模型的建立： 2.3.1 模型的簡(jiǎn)化：為簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型，本文主要研究在實(shí)際采摘作業(yè)中動(dòng)作最頻繁的位于機(jī)械手末端的三個(gè)桿件即大臂，小臂，小臂伸縮桿組成的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程。大臂，小臂和小臂伸縮桿在垂直平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)可以簡(jiǎn)化為一個(gè)平面三自由度機(jī)械手。設(shè)機(jī)械手大小臂及伸縮桿均為勻質(zhì)桿件，則其質(zhì)心位于各桿中心處，小臂長(zhǎng)度與伸縮桿長(zhǎng)度相同，所以當(dāng)小臂未伸出時(shí)，其伸縮桿質(zhì)心與小臂質(zhì)心重合，而當(dāng)小臂有伸縮位移時(shí)其值可由來表示，機(jī)械手整體動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)分析簡(jiǎn)圖如下： 圖一 蘋果采摘機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.3.2 大臂的動(dòng)能及勢(shì)能因?yàn)?， ，所以： 大臂動(dòng)能

6、 大臂勢(shì)能 2.3.3小臂的動(dòng)能及勢(shì)能因?yàn)?， ， 其中： 所以： 小臂動(dòng)能 小臂勢(shì)能 2.3.4 小臂伸縮桿的動(dòng)能及勢(shì)能因?yàn)?， ， ， 所以 小臂伸縮桿的動(dòng)能為 小臂伸縮桿的勢(shì)能為 2.4 模型的求解：對(duì)于上述所建立的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型及所求的大小臂及伸縮桿動(dòng)能和勢(shì)能，列拉格朗日函數(shù)L: 將各個(gè)方程帶入拉格朗日方程 則得： （1） （2） （3） 三結(jié)論與展望：通過了解國(guó)內(nèi)外對(duì)于果蔬采摘機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，得知果蔬采摘機(jī)器人目前仍處于研究開發(fā)試驗(yàn)階段。其實(shí)用化，商品化的進(jìn)程仍很艱巨，主要原因之一就是具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)存在不足。為此，本文以蘋果為采摘對(duì)象，基于果蔬采摘機(jī)械手的選型原則提

7、出了一種具有整體升降和小臂伸縮功能的三自由度蘋果采摘機(jī)械手，然后建立了優(yōu)化模型。雖然本論文對(duì)蘋果采摘機(jī)器人機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了研究，并取得了一些成果，但是關(guān)于蘋果及其他果樹采摘機(jī)器人的相關(guān)理論、設(shè)計(jì)方法和樣機(jī)試驗(yàn)，還有諸多研究工作需要進(jìn)一步深入。成本較高一直是果蔬采摘機(jī)器人不能商業(yè)化的重要因素，如何降低成本并保證機(jī)器人具有良好的智能采摘性能，將是以后果蔬采摘機(jī)器人商業(yè)化必須克服的難題。設(shè)想可以通過改變作物的栽培模式，從而降低機(jī)器人對(duì)避障能力的要求來降低成本;基于人機(jī)協(xié)作的思想，由人對(duì)機(jī)器人進(jìn)行導(dǎo)航和視覺定位，由機(jī)器人進(jìn)行采摘，從而降低成本。通過實(shí)施以上兩種方法，可以作為智能采摘機(jī)器人商品化的過渡。 另外，機(jī)械手的效率和成功率也是需要考慮的重要問題，進(jìn)一步提高采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器的采摘效率和成功率，在保證智能化同時(shí)降低成本，提高末端執(zhí)行器的通用性。參考文獻(xiàn)【1】耿端陽，我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展趨勢(shì)分析J.2004【2】湯修映，果蔬收獲機(jī)器人研究綜述J.機(jī)器人2005【3】趙金英，基于三維機(jī)器