番茄力学特性及其在采摘机器人执行器设计中的应用

1、江苏大学硕士学位论文番茄力学特性及其在采摘机器人执行器设计中的应用姓名:姜丽萍申请学位级别:硕士专业:农业机械化工程指导教师:陈树人20060601 作的动力传动和控制装置精密电机,测试臂前端装有力感应元(Loadcell,可准确测量到探头的受力情况。质地仪备用的探头很多,可以根据测试样品形状以及所进行的测试项目来具体选用。此质地仪配有5Kg和25Kg两种规格的力感应元件,主要性能参数如表2.1所示36。图2.1TAxT2i的组成表2.1TA-XT21质地仪性能参数主机规格TA.XT2i/5TA-XT2i/25最大力量r解析度精度移动速度速度精度移动距离移动解析循环次数延迟时间数据采集速率操作

2、环境温度外形尺寸重量5Kg0.190.025%0110mm/s0.1%0.1524mm0,0025mm130,0000.1999.999s500HZO40930x475x320mm30Kg25Kglg 0.025% 图2.2测试条件参数设置界面 图2.3运行测试界面 图2.4输出图形界面12 江苏大学硕士毕业论文记录的最大载荷吒。就为番茄的硬度(N,P5探头的截面面积19.635mm2,可以将受力载荷(N转化成应力载荷(MPa。Force fNT.me f sec】图2,6番茄力一变形实际曲线从十组实验的数据中取任四组实验数据,可以大致得到番茄承受的最大载荷与番茄的纵轴直径之间的波动关系,见图

3、2.7。喜80西60婴40垂20嚣012345678910番茄编号羽型一系系一j一一弓瞎赫K珊蛊州幡楼粑坦佃B642 江苏火学硕士毕业论文乍80毒60溪40蚕20蒿o12345678910番茄编号161050Z 握螺窭斟幅楼l|缸陌i系砑l十系列1l 【d图2.7(a一(d为前四组番茄承受的最大载荷与番茄纵轴直径之间的关系上面图中,系列1和系列2分别指的是番茄承受的最大载荷和番茄的纵轴直径的连线。由附表可以看出,不同硬度的番茄在纵向受到压缩时的最大破裂力是不同的,因此可以将破裂时的最大破裂力作为机械损伤的评价指标。即在番茄达到破裂力后,番茄皮发生破裂而损坏,所以番茄的破裂力是压缩特性中的重要参

4、数,它对应着番茄实际情况中的破坏,因此可以为采摘末端执行器的设计、储藏、运输等机具的设计与制造提供参考依据。2.2.4番茄皮的破坏强度。”“番茄在采摘的过程中,通常会受到挤压破坏,而通常情况下的挤压破坏是由于番茄皮的破裂引起的。因此引入了番茄皮的破坏强度值的概念。番茄皮的破坏强度为:吒。=Fm。/4式中:一番茄皮受到的最大压力值(NA一番茄皮破坏处的横截面的面积(m2一盈一一一弓挺赫星斟皤提靴一鞫一一学一加如。黼一一k 憎慷慷r L 江苏大学硕士毕业论文工作原理:如图所示,当驱动器向上运动时,通过楔块4的斜面和杠杆1,使得两个手指实现夹紧的动作;反之,当楔块向下运动时,弹簧2的拉力使得手指松开

5、。装在杠杆上端的滚子3与楔块之间的接触为滚动接魅,这种接触使得两者之间的摩擦力小,活动灵活。这种夹紧力较少,使用于轻载场合。这种形式的末端执行器适合抓持方形、多边形、板状及较小的物件,不适合用来采摘番茄。方案二、滑槽杠杆式末端执行器 1一支架2一杆3一销4一杠杆图3.4滑槽杠杆式末端执行器工作原理:如图所示,驱动器推动杆2向上运动的时候,销3在两个杠杆4的滑槽中移动,使得与支架1相连的两个手指实现夹紧的动作:反之,当推动杆2向下运动时,手指松开。这种末端执行器可以夹持圆柱形、球形、多边形的物体,夹持平稳可靠,夹持的误差较小,这种形式适合番茄的采摘。两种末端执行器夹紧力异和驱动力E之间的关系在下

6、章详细介绍。一般的工业机器人在固定两个手爪相对位置的时候常常采用圆柱销,圆柱销用于固定手爪和拉杆之间的相对位置,由于手爪和拉杆之间存在相对运动(即拉杆拉动手爪进行工作,采用圆柱销连接手爪的位置误差比较大。同时因为拉杆套在上,因此拉杆的位置不易固定,活动的自由度比较大,从而会有较大的行位误差。本文设计了一种不同于工业机器人用于连接两个手爪的圆柱销的型式。具体的结构见3.5。销的名称定义为C型销(把销进行开口,然后切一段槽,以方便拉杆能够与销相连,而拉杆的一端做成球形,将球形的一端放于c型销的槽内,通过拉杆的运动,实现手爪的央紧:另外在c型销的另一端内经配以内螺纹,以便在进江苏大学硕士毕业论文行机

7、械手装配的时候两端固定,以防在机械手工作的时候手爪产生错位。 图3.5C型销的三维结构3.4末端执行器的可操作度当末端执行器具有两个或两个以上自由度的时候,在不同的关节之间就存在结合顺序或者各个元件之间相对位置的组合问题。相邻关节的转轴具有平行或垂直关系的手腕称之为简单手腕结构。如果相邻关节的转轴之间有一对或一对以上的关节,相互之间的位置可以是任意的角度,这种结构就称之为斜交手腕结构。本文中采用的是后者。本文采用的是两个平行的手指,为了不让手爪在采摘的时候碰伤番茄,故在其手指的内侧安有橡胶。为了保持番茄的商品价值,番茄采摘机器人采用了连果带把一齐采摘的方式。为实现这一种方式虽然可以用剪刀等刀具

8、剪切果梗的方式,但由于每个番茄的花梗上都有一个关节,所以在采摘果实的时候,不需要剪刀,只需在番茄的关节处扭一下即可完成采摘461。机械手的手爪进行采摘作业的时候,评价哪种采摘方式好的标准是看手爪能否可以以任意的一种姿势进行移动。从而引进了可操作度的概念。可操作度作为设计、分析和控制机械手机构的准则,表示关节空间微小变化和作业空间微小变化关系的指标,是从关节空间来看末端执行器的可操作性吲52。设具有n个自由度的机械手的第i个关节的关节变量,机械手整体姿势的关节向量为q=【可。,q2v""q。r,机械手的手爪位置及姿势的向量为,=n,rz,.-_7咖船。q与r的几何关系是:,=

9、f(q、(3124 江苏大学硕士毕业论文不能超过各个番茄能够承受最大的力。取十个重量不同的番茄,计算出它们承受的最大载荷以及采摘时手爪的夹紧力,计算结果如表4.1所示。从表4.1可以看出,番茄承受的最大载荷大于手爪的夹紧力,由此保证了机械手在采摘番茄的时候不会捏破番茄,达到采摘的目的。表4.1番茄承受最大载荷与手爪夹紧力的比较番茄编号12345678910番茄重量(g>12936144-3l132.f5j49.61】84.28174.84193.92187.4219626167,54手爪夹紧力(N62846.996g.S3l7.2538.9348.4769.40l90869.5158.122承受最大载荷(N109237.8538.3421I.69.3410.31210.5511.710.1211.85为了更好的说明手爪的夹紧力和番茄承受最大载荷之间的关系,从附录的实验数据中任取取任四组番茄进行比较,得到它们之间的折线图,如图4.2所示。从图4.2可以知道,手爪的夹紧力小于番茄承受的最大载荷,因此本文设计的滑稽杠杆式回转型末端执行器的夹紧符合西红柿采摘要求。 (b江苏大学硕士毕业论文 (c (d图4.2番茄承受最大载荷与手爪夹紧力的比较4.2手爪的夹持误差回转型的末端执行器在夹持直径不同的番茄的时候会引起番茄轴心的偏移