畢業(yè)設(shè)計（論文）-水果采摘裝置的設(shè)計

摘要隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向規(guī)?；?、多樣化和精準(zhǔn)化方向發(fā)展，農(nóng)業(yè)人力資源的快速增長和人力短缺問題日益突出，使得農(nóng)業(yè)機(jī)器人成為了人們關(guān)注的焦點。隨著科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，機(jī)械自動化的發(fā)展速度也在加快，現(xiàn)在機(jī)器人已經(jīng)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(wù)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(shè)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)中人力資源的快速增長和短缺問題，以及農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展。本文以一種水果采摘裝置的研究與設(shè)計為題，在收集整理相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了水果采摘裝置的總體設(shè)計，包括考慮水果生長與果園環(huán)境的因素，以及裝置的整體參數(shù)設(shè)定。特別關(guān)注了機(jī)器人的主體機(jī)構(gòu)形態(tài)，確保其適應(yīng)性和功能性。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化部分，深入探討了各個組成部分的詳細(xì)設(shè)計，如履帶、底座、腰部結(jié)構(gòu)，以及升降、傳動和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計REF_Ref21725\r\h[4]。每一部分的設(shè)計都旨在提高機(jī)器人的操作靈活性和采摘效率，同時考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與耐久性。同時，對水果采摘裝置的動力學(xué)模型和有限元分析，有助于驗證設(shè)計的有效性和安全性。通過D-H建模和運動學(xué)分析，研究確保了機(jī)器人的運動軌跡和操作精度滿足采摘要求。關(guān)鍵詞：水果采摘裝置；結(jié)構(gòu)設(shè)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(nèi)外研究現(xiàn)狀 1304932水果采摘裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計 321212.1水果生長環(huán)境與果園環(huán)境 3229822.2水果采摘裝置整體參數(shù)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(shù)擬定 4146112.3主體機(jī)構(gòu)的形態(tài) 449533水果采摘裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化 7269273.1履帶的設(shè)計 7256383.2底座和腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計 7160103.2.1腰部電機(jī)選型 7193223.2.2底座結(jié)構(gòu)設(shè)計 857663.3支柱升降機(jī)構(gòu)設(shè)計 9197723.4大臂的設(shè)計及有關(guān)計算 10228433.4.1大臂的設(shè)計分析 10322023.4.2小臂的設(shè)計分析 11275613.5腕部傳動設(shè)計 13122443.6末端執(zhí)行器設(shè)計 1363163.7.1末端執(zhí)行器夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計 13250993.7.2末端執(zhí)行器剪切機(jī)構(gòu)設(shè)計 14200744水果采摘裝置運動學(xué)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(xué)分析 17322124.3.1機(jī)器人正向運動學(xué)分析 18133964.3.2機(jī)器人逆向運動學(xué)分析 2183654.4水果采摘裝置關(guān)鍵部件有限元分析 22138295結(jié)語 262307參考文獻(xiàn) 2712386致謝 29緒論1.1研究背景及意義水果作為人們?nèi)粘ｏ嬍持胁豢苫蛉钡囊徊糠?，水果因其豐富的營養(yǎng)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(zhì)量逐步提升，對養(yǎng)生日益重視，對果品品質(zhì)的要求也隨之提高，果品需求量穩(wěn)步上升，使得果品種植展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＴ谖覈?，果品的種植、采摘及貯藏等環(huán)節(jié)在果品生產(chǎn)過程中占據(jù)核心地位。我國水果產(chǎn)量位居世界前列，至2021年，種植面積已擴(kuò)大至3132.12萬畝，總產(chǎn)量高達(dá)3958.29萬噸。隨著工業(yè)化和城市化的迅猛發(fā)展，農(nóng)村剩余勞動力逐漸向工業(yè)及服務(wù)行業(yè)轉(zhuǎn)移，造成農(nóng)業(yè)勞動力的流失。在水果生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，采摘工作尤為勞動密集，占據(jù)了50%-70%的人力資源(如圖1-1)。采摘過程要求農(nóng)民不斷變換位置，進(jìn)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(guān)系到水果的質(zhì)量以及其后的加工、儲藏和運輸，進(jìn)而影響產(chǎn)品的市場價值和經(jīng)濟(jì)收益。面對這一挑戰(zhàn)，減少采摘工作的體力需求、提升采摘效率成為水果產(chǎn)業(yè)亟需解決的問題。針對此問題，本研究設(shè)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(nóng)民的體力負(fù)擔(dān)。進(jìn)一步研究和發(fā)展高效的水果機(jī)械化采摘技術(shù)，不但可以推進(jìn)中國的水果產(chǎn)品走向智能化和科技化，而且還可以進(jìn)一步推進(jìn)該領(lǐng)域的實際應(yīng)用與工業(yè)化。圖1-1人工采摘1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著電腦技術(shù)的迅速發(fā)展，一些發(fā)達(dá)國家如德國、日本在水果采收方面都有重大的進(jìn)展，他們成功研發(fā)出了一批利用人工智能技術(shù)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(nèi)學(xué)者的持續(xù)研究和探索，已經(jīng)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(jī)器人各具特色，其快發(fā)展得益于眾多學(xué)者的持續(xù)創(chuàng)新與改進(jìn)。工業(yè)機(jī)器人的蓬勃發(fā)展促使發(fā)達(dá)國家在確立工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)后，開始關(guān)注農(nóng)業(yè)機(jī)器人的潛在價值，紛紛投入研發(fā)。近年來，美國和日本在農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)，尤其是在水果采摘裝置領(lǐng)域，實現(xiàn)了顯著的技術(shù)進(jìn)步。早在1968年，美國的斯科茨和布朗兩位學(xué)者就提出了采用自動控制技術(shù)進(jìn)行農(nóng)作物采摘的概念REF_Ref23913\r\h[9]。從1980年代開始，歐美等地區(qū)開始重視農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研發(fā)工作。目前，國內(nèi)外還沒有成熟的收割機(jī)械臂，但是各大發(fā)達(dá)國家都利用自己在工業(yè)機(jī)器人方面積累的豐富經(jīng)驗，自主開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的智能采摘裝置械REF_Ref21905\r\h[1]。數(shù)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(fā)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(jì)初期，由日本松下公司研制出一種裝有高效能相機(jī)的番茄采收機(jī)器人，可用于影像擷取，并藉由影像技術(shù)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(jī)器人使用一個精心設(shè)計的終端采集設(shè)備，它只需要輕微地拉動番茄的莖就可以進(jìn)行采收REF_Ref22404\r\h[14]。美國一家具有創(chuàng)意的科技公司于2016年研發(fā)出一種利用吸力型摘果設(shè)備來摘取水果的機(jī)器人，該機(jī)器人裝備有一套可辨識熟水果精確定位的視覺系統(tǒng)，并可將其抽離到吸力型摘果機(jī)構(gòu)中。這種方式雖然提升了采摘效率，但由于依賴于強大的負(fù)壓系統(tǒng)，造成了機(jī)器人體積龐大，這在一定程度上限制了它的應(yīng)用范圍。與發(fā)達(dá)國家相比，中國對農(nóng)機(jī)采摘的研究工作開展得比較遲。然而，近年來，由于國內(nèi)對農(nóng)機(jī)作業(yè)的關(guān)注越來越多，相關(guān)研究也逐漸起步。從20世紀(jì)90年代中期開始，中國便開始進(jìn)入摘果機(jī)器人的研究領(lǐng)域。盡管開始較晚，但目前已經(jīng)有許多高等學(xué)院和科研機(jī)構(gòu)投身于智能化農(nóng)機(jī)的研究中。江蘇大學(xué)的楊文亮于2009年完成了機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)研究，并結(jié)合水果幾何參數(shù)設(shè)計了多種末端執(zhí)行器，通過實驗驗證得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)REF_Ref22541\r\h[11]。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的顧寶興則在2012年以矮密密植果園為基礎(chǔ)，研究成果可為果樹采摘作業(yè)提供新思路和新方法，具有較強的理論意義和應(yīng)用價值。

2水果采摘裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計2.1水果生長環(huán)境與果園環(huán)境密植果園果樹的生理特性具體表現(xiàn)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(dá)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(shù)量眾多且纖細(xì)，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(xì)長株型。常規(guī)的矮化密植栽培模式已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前的密植要求，所以，目前機(jī)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(biāo)。表2-1不同樹形的結(jié)構(gòu)參數(shù)樹形主干形開心形高紡錘形細(xì)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(shù)量30~6040~5020~3030~50有無支架無無有有產(chǎn)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(shù)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(jìn)行收割機(jī)械臂的功能設(shè)計時應(yīng)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(yīng)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(jī)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(yǎng)和經(jīng)濟(jì)價值。所以，采收設(shè)備應(yīng)盡可能地避免與水果的接觸。（3）采集機(jī)器人的自由度個數(shù)對采集精度和躲避障礙的性能有一定的影響，同時機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)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(zhì)量的同時，應(yīng)盡量減少采摘裝置構(gòu)自由度的數(shù)量，以獲得最優(yōu)的采摘效果。（4）在大規(guī)模的果園中使用的水果采摘裝置必須具備基本的協(xié)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(tǒng)中，從而提升采摘的效率。所以，在進(jìn)行水果采摘裝置的設(shè)計時，必須將水果的生物學(xué)特性、果樹的形態(tài)和機(jī)械結(jié)構(gòu)等因素進(jìn)行全面地分析REF_Ref23848\r\h[8]，最后才能確定一個適當(dāng)?shù)目傮w方案。2.2.2水果采摘裝置整體參數(shù)擬定根據(jù)水果采摘裝置的行進(jìn)距離，定義了水果采摘裝置的行進(jìn)距離，在此，列株距n=1.5m，行株距m=3m，樹高2.5到3m，大多數(shù)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(yīng)大多數(shù)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?？紤]到水果的發(fā)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(jī)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(diào)研發(fā)現(xiàn)，水果的樹冠直徑和植株間距是相同的，因此設(shè)計出能夠同時滿足行株間距和植株高度的收割機(jī)器人，它的最小作業(yè)半徑是1.4米。在表2-2中列出了獲取設(shè)備的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)：表2-2采摘運動平臺的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)參數(shù)名稱數(shù)值參數(shù)名稱數(shù)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(jī)構(gòu)的形態(tài)高紡錘體是一種水果的形態(tài)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(xiàn)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(gòu)造為五自由度三連桿的抓爪機(jī)構(gòu)。水果采摘裝置機(jī)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(jī)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(tǒng)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(jié)構(gòu)包括機(jī)械手掌、上臂部件、下臂部件及夾持裝置。系統(tǒng)以交流伺服電機(jī)為主要動力源。對于機(jī)械手臂的伸縮功能，則采用電動推桿實現(xiàn)，其中推桿的一端通過螺旋接口與旋轉(zhuǎn)法蘭以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連。終端執(zhí)行元件初步選擇利用抓取機(jī)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(jié)構(gòu)圖2-3高紡錘體蘋果采摘機(jī)器人的工作原理是基于其結(jié)構(gòu)的各個組件的協(xié)同作用。首先，機(jī)器控制柜負(fù)責(zé)控制整個機(jī)器人的運行和操作。當(dāng)接收到指令后，機(jī)器人開始執(zhí)行任務(wù)?；剞D(zhuǎn)支撐支持機(jī)器人進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動，而支撐腰部組件則穩(wěn)固地連接大臂組件和伸縮臂，為機(jī)器人提供平衡支撐。伸縮臂負(fù)責(zé)調(diào)整機(jī)器人的工作距離和高度，使得末端采摘機(jī)構(gòu)能夠準(zhǔn)確抵達(dá)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(jī)構(gòu)是機(jī)器人的關(guān)鍵組件，負(fù)責(zé)執(zhí)行采摘動作，將蘋果取下并放置在指定位置。小臂旋轉(zhuǎn)組件和小臂軸組件協(xié)同工作，將末端采摘機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確地定位到目標(biāo)蘋果附近，并進(jìn)行精確的旋轉(zhuǎn)和移動。整個過程中，機(jī)器人根據(jù)遙控傳感器提供的信息，實時調(diào)度和控制各個組件的動作，確保其順利完成蘋果采摘任務(wù)。

3水果采摘裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化3.1履帶的設(shè)計相較于輪式行走機(jī)構(gòu)，履帶式行走機(jī)構(gòu)展現(xiàn)出了諸多顯著優(yōu)勢，包括更大的地面接觸面積、卓越的操縱穩(wěn)定性、行走平穩(wěn)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(huán)境復(fù)雜的果園中行走更為便捷，有效防止了滑移現(xiàn)象的發(fā)生。履帶主要分為鋼型和膠型兩種類型，鑒于鋼型履帶結(jié)構(gòu)復(fù)雜且重量較大，通常適用于6噸以上的中重型設(shè)備。因此，本項目中，我們選擇了橡膠型履帶作為行走機(jī)構(gòu)。橡膠履帶的結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1履帶行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)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(jī)轉(zhuǎn)向特性，e>1.7轉(zhuǎn)向受到影響，e<1.0水果水果采摘裝置行進(jìn)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(jīng)計算得Cl=253mm~309mm；重型履帶機(jī)構(gòu)，當(dāng)履帶寬度與地面長度之比為0.3時，轉(zhuǎn)向阻力最小；一般取?=0.18-0.22，泥漿掘進(jìn)設(shè)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(jié)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(jié)構(gòu)，履帶寬Cl=300mm、dl=140mm、N=28。3.2底座和腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計3.2.1腰部電機(jī)選型機(jī)器人的腰部是整個機(jī)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(jī)進(jìn)行驅(qū)動。假設(shè)機(jī)器人腰部圍繞中心軸的轉(zhuǎn)動慣量為J，并以機(jī)器人的大小臂的總長度為L，可以計算出其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動慣量為180kg.m2電機(jī)轉(zhuǎn)矩:（3-4）其中,回轉(zhuǎn)加速度為ɑ=2πrad/s2,代入計算的力矩為360N.m.電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量:（3-5）取減速比i=150,代入求出電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量為360kg.m2電機(jī)的轉(zhuǎn)矩:（3-6）代入計算的電機(jī)轉(zhuǎn)矩為2.4N.m根據(jù)計算結(jié)果，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是2.4mN。初步選擇的型號是OK80-48V2.2-3000型的直流電機(jī)。該電機(jī)的額定功率是2.2KW，額定轉(zhuǎn)速是3000r/min，額定轉(zhuǎn)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(dá)到50，額定轉(zhuǎn)矩為32N.m。3.2.2底座結(jié)構(gòu)設(shè)計機(jī)器人的底座承受了機(jī)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(biāo)準(zhǔn)，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(shè)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(shè)計成了一個內(nèi)部的中空結(jié)構(gòu)REF_Ref23730\r\h[7]（如圖3-2）。這種方式不僅可以節(jié)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(jié)合來固定的。底座的一側(cè)設(shè)計有管線接口，各種管線可以通過這些接口進(jìn)入并與控制部分連接，從而控制機(jī)器人的操作，確保管線不會外露，避免對機(jī)械臂造成不良影響。機(jī)器人腰部的結(jié)構(gòu)設(shè)計通常分為兩大類：一類是電機(jī)自身通過固定來驅(qū)動腰部立柱旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)機(jī)身的旋轉(zhuǎn)，這一設(shè)計相對較為復(fù)雜。還有一種設(shè)計是電機(jī)與上蓋同步旋轉(zhuǎn)以實現(xiàn)上臂的旋轉(zhuǎn)，這樣的設(shè)計既簡潔又易于操作。在進(jìn)行腰部的設(shè)計時，本文選擇了第二種方式，讓電機(jī)與上蓋同步旋轉(zhuǎn)。為了降低機(jī)身的質(zhì)量，選擇了輕質(zhì)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(jī)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(dāng)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，機(jī)座蓋板9也會隨著電機(jī)一同旋轉(zhuǎn)。b)傳動參數(shù)確定:從電動機(jī)到腰部轉(zhuǎn)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(nèi)嚙合傳動比，在進(jìn)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(yán)重，應(yīng)選擇模數(shù)較大的齒輪。查我國齒輪模數(shù)標(biāo)準(zhǔn)第一系列選取直齒輪模數(shù)和錐齒輪模數(shù)m=3。根據(jù)中心距大小，初選小齒輪齒數(shù)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(jī)座結(jié)構(gòu)圖3.3支柱升降機(jī)構(gòu)設(shè)計 按照傳輸需求，該提升機(jī)構(gòu)是一種常用的電動推桿機(jī)構(gòu)，它的主要推力傳輸構(gòu)件是螺旋絲桿，在考慮到它的機(jī)械臂所選擇的材料、減速電機(jī)的重量以及整個水果的最大重量之后，對該提升機(jī)構(gòu)的載荷進(jìn)行了粗略的估計F=mg=20*9.8N=196N。絲杠的導(dǎo)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(shù)的具體計算方法如下：1)外螺紋中徑d2可以按照下式進(jìn)行計算:螺母的高度：H=φ*d2=2*30=60mm旋合圈數(shù)：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(shù)：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(shù)m=(0.016~0.0315)，ɑ=(0.016~0.0315)*80=1.28~2.52，選取模數(shù)m=2。3.4大臂的設(shè)計及有關(guān)計算3.4.1大臂的設(shè)計分析機(jī)械手臂的大臂部分前端與小臂通過電機(jī)相連接，后端與機(jī)械手臂腰部相連接。大臂的轉(zhuǎn)矩計算同小臂相同，均為采取能量法來計算。根據(jù)實際情況，小臂需要3s的時間完成水平到豎直的姿態(tài)轉(zhuǎn)換，根據(jù)此時小臂做功可得功率，同時，旋轉(zhuǎn)的最大轉(zhuǎn)速為ω=90°/s，可得所需轉(zhuǎn)矩。根據(jù)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(jié)構(gòu)及電機(jī)等結(jié)構(gòu)總重量約為2kg，大臂結(jié)構(gòu)的總重量約為3kg。則電機(jī)所需提供的功為：（3-11）式中::小臂從水平到堅直次態(tài)所做功;:電機(jī)需驅(qū)動的重量;:重力勢能;:末端到電機(jī)最遠(yuǎn)距離;由此可得:由此可繼續(xù)計算出所需功率:（3-12）式中:P:功率;t:小臂姿態(tài)轉(zhuǎn)換所需時間;由此可得:P=Wt（3-13代入得30.15w則所需轉(zhuǎn)矩:MDi=9550*（3-14）代入得19.18N.m圖3-3大臂結(jié)構(gòu)3.4.2小臂的設(shè)計分析機(jī)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(shè)計為取得小臂旋轉(zhuǎn)時所需的電機(jī)輸出扭矩，采取能量法來計算。根據(jù)實際情況，小臂需要3s的時間完成水平到豎直的姿態(tài)轉(zhuǎn)換，根據(jù)此時小臂做功可得功率，同時，旋轉(zhuǎn)的最大轉(zhuǎn)速為ω=90°/s，可得所需轉(zhuǎn)矩。根據(jù)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(jié)構(gòu)及電機(jī)等結(jié)構(gòu)總重量約為2kg，則為確保上述部件順利運動電機(jī)所需提供的功為（3-15）式中:W:小臂從水平到堅直次態(tài)所做功;M:電機(jī)需驅(qū)動的重量;g:重力勢能;h:末端到電機(jī)最遠(yuǎn)距離;由此可得:由此可繼續(xù)計算出所需功率:（3-16）式中:P:功率;t:小臂姿態(tài)轉(zhuǎn)換所需時間;由此可得:P=Wt（3-17帶入得10.5w圖3-4小臂結(jié)構(gòu)3.5腕部傳動設(shè)計腕部角度轉(zhuǎn)動的范圍為[-90°，90°]，由于末端腕部需要實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，所以可以采用機(jī)器人舵機(jī)，來實現(xiàn)末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)，舵機(jī)的具體參數(shù)如表3-3所示：表3-1舵機(jī)的參數(shù)舵機(jī)型號速度扭矩(kg.cm)電壓（v）PDI-6221MG0.16sec/85°206由于舵機(jī)已經(jīng)實現(xiàn)了減速增扭，所以不再需要進(jìn)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(shù)為25個齒，其型號為25T型，齒輪軸的長度為31.5mm的標(biāo)準(zhǔn)件。3.6末端執(zhí)行器設(shè)計本次采摘手結(jié)構(gòu)設(shè)計仍以機(jī)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(jìn)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(nèi)刀片能迅速切斷果柄并恢復(fù)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(shè)計采用兩指張合手爪對水果抓?。粸闇p弱手指對果實表皮的機(jī)械損傷，對手指與果實接觸部分做進(jìn)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(xiàn)采摘作業(yè)REF_Ref23622\r\h[6]。3.6.1末端執(zhí)行器夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計在進(jìn)行末端執(zhí)行器設(shè)計前需要確定夾持機(jī)構(gòu)的抓手?jǐn)?shù)量。由于水果為類球形果實，兩抓手設(shè)計即可滿足夾持機(jī)構(gòu)對水果的抓取要求。目前，抓手手指的常見構(gòu)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(chǎn)生的破壞應(yīng)力較小，從而造成果實機(jī)械損傷的概率也相對較小。因此，夾持機(jī)構(gòu)的抓手采用弧面手指構(gòu)型，手掌呈圓形內(nèi)凹狀。這種設(shè)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(zhí)行器的被動柔順性能；另一方面可以增強夾持機(jī)構(gòu)的抓取范圍，提高對不同大小水果的適應(yīng)能力?；谒锾匦苑治鼋Y(jié)果，所設(shè)計的抓手手指結(jié)構(gòu)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(yù)留有安裝孔，用于傳感器的安裝。圖3-5手指結(jié)構(gòu)示意圖按照運動特點分類，末端執(zhí)行器夾持機(jī)構(gòu)的開合方式主要有回轉(zhuǎn)型和平動型兩種?；剞D(zhuǎn)型夾持器是通過連桿的往復(fù)運動來實現(xiàn)抓手的閉合，它的優(yōu)點是具有更大的開合角度，但是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)容易在夾持過程中產(chǎn)生位置誤差，因此不適用于嬌弱水果的采摘作業(yè)。相較于回轉(zhuǎn)型，平動型夾持器的結(jié)構(gòu)簡單，擁有較少的傳動機(jī)構(gòu)，精度更高。此外，考慮傳感器的安裝，若采用回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)，傳感器的受力方向會隨手指轉(zhuǎn)動發(fā)生改變，不利于主動柔順功能的實現(xiàn)。因此，本文選擇平動型結(jié)構(gòu)作為夾持機(jī)構(gòu)的開合方式。平動型夾持器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-6所示。圖3-6平動型夾持器的結(jié)構(gòu)示意圖3.6.2末端執(zhí)行器剪切機(jī)構(gòu)設(shè)計本文基于切割分離方式設(shè)計了旋轉(zhuǎn)式斜面割刀作為末端執(zhí)行器的剪切機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-7所示。剪切機(jī)構(gòu)安裝在左側(cè)抓手末端，主要由傳動齒輪和斜面割刀組成。在進(jìn)行采摘作業(yè)時，通過配置合適的驅(qū)動單元提供動力輸出，經(jīng)過齒輪傳動使割刀繞左側(cè)手指外廓快速旋轉(zhuǎn)切斷果梗。旋轉(zhuǎn)切割的方式可以對不同方位的果梗進(jìn)行切割，省略了檢測果梗位置和調(diào)整末端執(zhí)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(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖根據(jù)茶葉梗剪切運動規(guī)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(shè)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(shù)，mm；—動刀回轉(zhuǎn)角，°；—滑切角，°?；薪窃?0°～55°之間最佳，本設(shè)計取滑切角=45°，θ的取值范圍為0°～40°。為提高剪切機(jī)構(gòu)通用性，本設(shè)計取c=10mm。結(jié)合式得到rmin=10mm、rmax=20.09mm。根據(jù)式由MATLAB得到刀刃曲線圖，如圖3-8圖3-8 刀刃曲線圖電機(jī)的帶動剪切連桿對果梗進(jìn)行剪切，果梗受力如圖3-7所示。為保證剪切機(jī)構(gòu)能剪斷茶葉梗，本設(shè)計取剪切力F1為180N。圖3-9剪切機(jī)構(gòu)受力簡圖基于前文所述的設(shè)計，將剪切機(jī)構(gòu)簡化為如圖3-9所示的受力示意圖，并對其進(jìn)行受力分析。如圖所示，剪切機(jī)構(gòu)可被視為一種偏置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)。為了確定步進(jìn)電機(jī)的扭矩，需要進(jìn)行電機(jī)選型。因此，將以O(shè)點作為原點進(jìn)行受力分析，并利用剪切機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖的幾何關(guān)系來建立力矩平衡方程：（3-19）其中：FN—為步進(jìn)電機(jī)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(jié)合絲桿軸力公式：（3-20）其中：—為絲桿工作效率；T—為步進(jìn)電機(jī)輸出扭矩，N·m；P1—為絲桿導(dǎo)程，m；—為絲桿與法蘭螺母之間的摩擦系數(shù)；m1—為移動件的質(zhì)量，kg。絲桿工作效率在0.9～0.98之間，摩擦系數(shù)為0.11～0.17之間，本設(shè)計取=0.9、=0.17。根據(jù)剪切機(jī)構(gòu)簡圖中的幾何關(guān)系，以及絲桿的相關(guān)參數(shù)設(shè)計如表3-2所示的剪切機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)合公式得到步進(jìn)電機(jī)輸出扭矩為0.19N.m。表3-2剪切機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)代表字母a1（m）b1（m）c1（m）d1（m）（°）（°）P1（m）μ1（/）m1（kg）F1（N）數(shù)值0.040.0050.030.03150300.0080.110.05180根據(jù)計算得到的扭矩，本文選擇型號為42BYGH34S的步進(jìn)電機(jī)作為剪切機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)，其主要參數(shù)如表3-3所示。表3-3步進(jìn)電機(jī)主要參數(shù)步進(jìn)電機(jī)型號機(jī)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(xué)及有限元分析4.1引言以搬運需求為依據(jù)，本文已經(jīng)得出了水果采摘裝置從機(jī)構(gòu)學(xué)上分析，它屬于一款四關(guān)節(jié)式串聯(lián)機(jī)器人，通過各關(guān)節(jié)之間旋轉(zhuǎn)控制終端執(zhí)行器到達(dá)指定位置。在機(jī)器人控制中，模型的建立和路徑規(guī)劃是關(guān)鍵。采用D-H參數(shù)化方法，對各連桿進(jìn)行了坐標(biāo)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(guī)律。水果采摘裝置運動分析的主要目的是建立各關(guān)節(jié)變量與末端執(zhí)行器的空間位姿之間的關(guān)系，并將其劃分為正、逆向運動學(xué)REF_Ref22189\r\h[2]，這一章就是對所需機(jī)器人的運動學(xué)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(jī)器人各關(guān)節(jié)上的固定坐標(biāo)系，并利用4×4的齊次變換矩陣REF_Ref24145\r\h[10]描述相鄰兩關(guān)節(jié)之間的空間位置關(guān)系。利用該方法，可以求出在基座坐標(biāo)下，端部執(zhí)行機(jī)構(gòu)的空間位置，進(jìn)而得到端部操作機(jī)構(gòu)的運動模型。在此基礎(chǔ)上，對水果采摘裝置進(jìn)行D-H建模，并對其進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一種空間上的三維基本坐標(biāo)系統(tǒng)，并以此系統(tǒng)為笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)REF_Ref22950\r\h[15]，對系統(tǒng)的運動進(jìn)行了分析。圖4-1顯示了機(jī)器人簡化后的模型：圖4-1機(jī)器人連桿坐標(biāo)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(guān)節(jié)的坐標(biāo)系。這些參數(shù)在表4-1中列出如下：表4-1機(jī)器人連桿D-H參數(shù)表水果采摘裝置的關(guān)節(jié)模型中，有兩個關(guān)節(jié)變量和。通過關(guān)節(jié)變換矩陣，可以推導(dǎo)出機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的齊次矩陣。在此假設(shè) 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(jié)果：4.3水果采摘裝置運動學(xué)分析4.3.1機(jī)器人正向運動學(xué)分析對機(jī)器人進(jìn)行正運動分析，主要研究了機(jī)器人在運動過程中，各個關(guān)節(jié)的運動參數(shù)確定后，手臂末端腕關(guān)節(jié)的位置以及在坐標(biāo)系下的姿態(tài)。每一組輸入的關(guān)節(jié)參數(shù)都與一組端部的位置相對應(yīng)。然而，不同的輸入可能會導(dǎo)致相同的末端位姿，這與機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)特點有關(guān)，從而影響到運動學(xué)逆解的實現(xiàn)[16]。該方法基于單組輸入值的求解過程，通過對輸入值進(jìn)行實時采樣，以獲得終端姿態(tài)的變化軌跡。根據(jù)本次設(shè)計的機(jī)械手的模型和參數(shù)，將相應(yīng)的參數(shù)代入到連桿變換矩陣表達(dá)式中，即可獲得相鄰連桿件的變換矩陣。在機(jī)器人手臂中，相鄰連接件之間的換算關(guān)系用公式3—1REF_Ref23146\r\h[12]表示。將端點坐標(biāo)系統(tǒng){h}的姿態(tài)與轉(zhuǎn)動坐標(biāo)系統(tǒng){4}的姿態(tài)相一致，即所求的端點軌道與腕點軌道相等。由機(jī)械臂連桿間的轉(zhuǎn)換矩陣，可導(dǎo)出機(jī)械臂座標(biāo)系統(tǒng){4}與座標(biāo)系統(tǒng){0}間的轉(zhuǎn)換關(guān)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(biāo)系的位姿表示方法和變換矩陣的變換特性為基礎(chǔ)，進(jìn)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(biāo)系的姿態(tài)。矩陣R的第1、2、3列分別表示手腕坐標(biāo)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(jī)器人逆向運動學(xué)分析逆解過程的實質(zhì)是在已知執(zhí)行器腕點位置和坐標(biāo)系的情況下，求出機(jī)械臂系統(tǒng)各關(guān)節(jié)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(xué)分析之間的關(guān)系。利用實時反演方法，在終端位姿連續(xù)的情況下，得到了機(jī)器人手臂在運動過程中，各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角及位移的連續(xù)變化曲線。機(jī)械手關(guān)節(jié)角度圖4-2機(jī)械臂正、逆運動學(xué)關(guān)系機(jī)器人運動學(xué)方程的解法是一類非線性問題，它的解法很復(fù)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(fā)現(xiàn)在機(jī)械臂正運動學(xué)中，存在一組以上的關(guān)節(jié)輸入解可以得到相同的末端姿態(tài)REF_Ref24341\r\h[13]，這表明在逆運動學(xué)解法中，同一組末端姿態(tài)解可能會得到多組滿足要求的關(guān)節(jié)角度。通常情況下，機(jī)械臂的逆解個數(shù)與其連桿個數(shù)有關(guān)，連桿個數(shù)越多，理論上可能存在的解就越多。此外，機(jī)械臂只能在特定的工作區(qū)域內(nèi)進(jìn)行工作，無法到達(dá)工作區(qū)域外的點，因此在工作空間內(nèi)，除了具有4個或更多自由度的機(jī)械臂外，其他機(jī)械臂都無法實現(xiàn)完整的工作姿態(tài)，對于不可達(dá)的姿態(tài)解析解也不存在。因此，并非所有的姿態(tài)輸入都能夠得到對應(yīng)的關(guān)節(jié)角度解，這就是可解性的問題。在本次設(shè)計中，所設(shè)計的水果采摘裝置雖然連桿數(shù)目較少，但仍然存在可解性的問題。通過前向解法，得到了機(jī)械臂在任意狀態(tài)下，腕點相對世界坐標(biāo)系下的位姿矩陣表達(dá)式。在此矩陣中，所有非常數(shù)元素都是關(guān)節(jié)角和位移的函數(shù)。因此，通過建立腕部點位姿的數(shù)學(xué)模型，就可以反求出腕部的運動參數(shù)。根據(jù)求解出的機(jī)械臂正運動學(xué)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，假定末端點姿態(tài)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(biāo)系的姿態(tài)。令4-1與4-2相等，則（4-3）式中的等式中包含了四個關(guān)節(jié)為未知量，其他各關(guān)節(jié)均為已知量，解方程即可得到四個位置量的值，即為運動學(xué)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(yīng)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(shù)，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(jù)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(yīng)相等有：d1+d2+d3+d4=pz（4-12）因此：d=ps-d1-d2-d3-d4（4-13）在求解結(jié)果中，可以觀察到θ2存在正負(fù)兩種取值，同時其他關(guān)節(jié)的角度也會受到θ2取值的影響。不同的θ2取值會導(dǎo)致最終求解結(jié)果的不同，這體現(xiàn)了機(jī)械手逆運動學(xué)求解的多解性特點。在本次設(shè)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(fù)。4.4水果采摘裝置關(guān)鍵部件有限元分析大臂是機(jī)器人系統(tǒng)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(jī)器人的機(jī)械特性。簡單等效一維的簡支梁模型去分析，就會產(chǎn)生不可避免的力學(xué)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(jī)發(fā)展興起的一種比較高效的數(shù)值方法，利用該方法可以有效地處理比較復(fù)雜零件的力學(xué)分析。利用軟件進(jìn)行部件的有限元分析時需要對三維模型進(jìn)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(wǎng)格劃分。為了大臂小臂的力學(xué)性能，本文采用有限元的方法對大臂和小臂進(jìn)行受力分析，探究其變形和應(yīng)力的分布規(guī)律。在分析中認(rèn)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(jī)械臂在采摘任務(wù)時會有一個受力和變形都最大的狀態(tài)，這個狀態(tài)下大臂、小臂腕部都在水平位置，選用此狀態(tài)進(jìn)行力學(xué)分析。機(jī)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(shè)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(wǎng)格如圖4-3，大臂網(wǎng)格節(jié)點為62823，網(wǎng)格單元為37833。圖4-3大臂有限元網(wǎng)格對大臂的應(yīng)力、應(yīng)變求解，其結(jié)果如下圖(4-4)所示。圖4-4大臂靜應(yīng)力圖圖4-5大臂應(yīng)力圖圖4-6大臂應(yīng)變圖從圖4-5可以看出，應(yīng)力集中較小且主要集中在固定端，最大應(yīng)力為14.384MPa；遠(yuǎn)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(fā)生的形變較小，滿足設(shè)定的精度要求。綜上所述，大臂的強度和剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足工作的要求。

5結(jié)語隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，水果采摘也越來越傾向于采用機(jī)械化的方式。傳統(tǒng)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?？缮德膸剿烧獧C(jī)便是為了解決傳統(tǒng)采摘方式存在的問題而設(shè)計的一種新型機(jī)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(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠適應(yīng)不同高度的果樹；同時，機(jī)器上配備了采摘器和傳送帶等部件，能夠自動采摘水果，提