毕业设计说明书-垄栽草莓智能采摘设备采摘模块设计

1、硕士学位论文 PAGE IV本科毕业设计（论文）说明书学生姓名 学 号 专业班级 18级机械设计制造及其自动化二班 指导教师 学 院 机电工程学院 答辩日期 兰州理工大学毕业设计（论文）说明书兰州理工大学毕业设计（论文）说明书 PAGE I摘 要草莓作为最受欢迎的水果之一，每年收获量超过900万吨，这个数字还在不断的上升。然而草莓采摘是一项体力劳动和劳动密集型的工作，并且随着劳动力短缺和人工成本的因素，市场对于草莓采摘机器人的需求尤为强烈。尽管多次尝试开发用于收获草莓和许多其他作物的机器人解决方案，但完全可行的商业系统尚未建立。其中一个主要挑战是，机器人需要能够在各种各样、不受限制的环境和具有

2、各种功能的作物变化中同样有效地操作，目前已经开发了几种草莓采摘机器人。果实采摘机械手目前在农业领域中占据着重要的位置，该不但可以反映企业甚至国家的农业发展程度，还可以促进生产力的提高，为人类创造更多的经济利益。本设计对现阶段的中国草莓栽培环境做出了一些认识,再结合采摘情况,并针对中国草莓采摘过程必须关注的几个细节加以分析,从而设计出最适宜的采摘方式,完成了对草莓的成功采摘。关键词：草莓采摘；草莓采摘机器人；机械手爪AbstractStrawberry, as one of the most popular fruits, has an annual harvest of over 9 mill

3、ion tons, and this number is still rising. However, strawberry picking is a manual labor and labor-intensive work, and with the shortage of labor and labor costs, the market demand for strawberry picking robots is particularly strong. Despite many attempts to develop robot solutions for harvesting s

4、trawberries and many other crops, a completely feasible commercial system has not yet been established. One of the main challenges is that robots need to be able to operate equally effectively in various unrestricted environments and crop changes with various functions. At present, several strawberr

5、y picking robots have been developed. At present, the fruit picking manipulator occupies an important position in the agricultural field. It is not only one of the important standards to measure the advanced level of an enterprise or even a countrys agricultural development, but also can improve the

6、 work efficiency, thus bringing high economic benefits to mankind. This design made some understanding of the current strawberry planting environment in China, and combined with the picking situation, analyzed some details that must be paid attention to in the process of picking strawberries in Chin

7、a, so as to design the most suitable picking method and complete the successful picking of strawberries.Key Words: Picking strawberries; Strawberry picking robot; Mechanical claw目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc105077986 摘 要 PAGEREF _Toc105077986 h I HYPERLINK l _Toc105077987 Abstract PAGEREF _To

8、c105077987 h II HYPERLINK l _Toc105077988 第1章 绪 论 PAGEREF _Toc105077988 h 1 HYPERLINK l _Toc105077989 1.1 课题的研究意义 PAGEREF _Toc105077989 h 1 HYPERLINK l _Toc105077990 1.2 采摘机器人国内外研究现状 PAGEREF _Toc105077990 h 2 HYPERLINK l _Toc105077991 1.2.1 国外研究现状 PAGEREF _Toc105077991 h 2 HYPERLINK l _Toc105077992

9、1.2.2 国内研究现状 PAGEREF _Toc105077992 h 3 HYPERLINK l _Toc105077993 1.3 采摘机机器人的发展趋势 PAGEREF _Toc105077993 h 4 HYPERLINK l _Toc105077994 1.4 研究目标和内容 PAGEREF _Toc105077994 h 6 HYPERLINK l _Toc105077995 1.4.1研究目标 PAGEREF _Toc105077995 h 6 HYPERLINK l _Toc105077996 1.3.2研究内容 PAGEREF _Toc105077996 h 6 HYPER

10、LINK l _Toc105077997 第2章 草莓采摘机器人机械臂总体设计 PAGEREF _Toc105077997 h 7 HYPERLINK l _Toc105077998 2.1 对草莓的认识 PAGEREF _Toc105077998 h 7 HYPERLINK l _Toc105077999 2.1.1草莓的栽培方式 PAGEREF _Toc105077999 h 7 HYPERLINK l _Toc105078000 2.1.2 草莓的外观形状特征 PAGEREF _Toc105078000 h 7 HYPERLINK l _Toc105078001 2.1.3 草莓的生长周

11、期 PAGEREF _Toc105078001 h 8 HYPERLINK l _Toc105078002 2.2工业机械手选择准则 PAGEREF _Toc105078002 h 8 HYPERLINK l _Toc105078003 2.3机械手臂的设计 PAGEREF _Toc105078003 h 10 HYPERLINK l _Toc105078004 2.3.1机械手臂的设计要求 PAGEREF _Toc105078004 h 10 HYPERLINK l _Toc105078005 2.3.2机械手臂驱动方案设计 PAGEREF _Toc105078005 h 10 HYPERL

12、INK l _Toc105078006 2.3.3机械手臂的选择 PAGEREF _Toc105078006 h 13 HYPERLINK l _Toc105078007 2.3.4机械手手腕的设计 PAGEREF _Toc105078007 h 13 HYPERLINK l _Toc105078008 2.3.5手腕设计的基本要求 PAGEREF _Toc105078008 h 14 HYPERLINK l _Toc105078009 2.3.6 机械手的行程分析 PAGEREF _Toc105078009 h 14 HYPERLINK l _Toc105078010 2.3.7 机械手的工

13、作空间分析 PAGEREF _Toc105078010 h 14 HYPERLINK l _Toc105078011 2.4 机械臂的三维模型 PAGEREF _Toc105078011 h 15 HYPERLINK l _Toc105078012 第三章 草莓采摘机器人末端执行器设计 PAGEREF _Toc105078012 h 17 HYPERLINK l _Toc105078013 3.1末端执行器的介绍 PAGEREF _Toc105078013 h 17 HYPERLINK l _Toc105078014 3.1.1末端执行器的分类 PAGEREF _Toc105078014 h

14、17 HYPERLINK l _Toc105078015 3.1.2两个爪子的末端执行器 PAGEREF _Toc105078015 h 18 HYPERLINK l _Toc105078016 3.1.3两个以上爪子的末端执行器 PAGEREF _Toc105078016 h 19 HYPERLINK l _Toc105078017 3.2夹持式末端执行器的选择 PAGEREF _Toc105078017 h 19 HYPERLINK l _Toc105078018 3.2.1选择夹持式末端执行器的基本要求 PAGEREF _Toc105078018 h 19 HYPERLINK l _To

15、c105078019 3.3末端执行器的三维模型 PAGEREF _Toc105078019 h 20 HYPERLINK l _Toc105078020 参考文献 PAGEREF _Toc105078020 h 21 HYPERLINK l _Toc105078021 致 谢 PAGEREF _Toc105078021 h 22 PAGE 22绪 论1.1 课题的研究意义在电脑和电子控制技术飞速发展的今天，人们生活中的一切都离不开他们，他们和他们的生活息息相关。机器人的应用越来越广泛，可以说，机器人已经被广泛的应用到了各行各业，这是因为机器人的智能化和自动化，它可以把人们在日常生活中所遇到的

16、难题解决了，并且在人类无法生存的条件下，做到精确而有效的工作1。可以说，在许多工业领域，如制造领域，机器人都是“万金油”和“万能钥匙”。 但是，由于在农业生产中的应用，相对于工业而言，机器人的应用并不如工业中那么广泛、广泛，原因很简单，首先，农业的经济效益不如工业，而且由于机器人的购置、维护、维护等成本高昂，对于农民而言，这是一项庞大的投入；其次，农业工人的综合素质不如工业工人，这里的质量不是道德问题，而是受过的教育水平。在我们国家，农民可能一辈子都在自己的土地上劳作，但书籍对于他们而言，实在是太遥远了，就算接触到了，也没有太多的时间去学习，而工人们就不一样了，让一个农民来操作这些高科技产品，

17、显然是不太可能的。要培养这些农民，需要投入大量的人力和财力。所以，很容易就能发现，在农业领域，机器人很难推广开来。所以，就有一些人，为了解决这个问题，开发出了更多更容易被人们所接受和利用的机器人。 本论文以操作臂的结构为研究对象，着重于草莓的摘除。因为草莓是一种很有营养的水果，所以在超市里看到的草莓，都会让人流口水。而草莓是一种绿色的食物，对于草莓的生产来说，更是重中之重。因为草莓的生长是有规律的，一般都是种植在架子上，或者是露天的架子上，机械臂的移动也是有规律的。其次，在查阅相关文献的基础上，制定合理的生产方案，使产品的内部结构更加合理。首先，从实际操作中可以看出，草莓的采摘是草莓生产的重要

18、环节之一。可是，这种红色的小果子，却要不断地在种植园中来回走动，不但费时费力，效率也低。同时，在采收过程中，由于用力和姿态的不当，很可能会损伤到果实的叶片，进而影响到草莓的二次生长。所以，在草莓采收时，人们最关心的就是如何避免叶片、叶片、甚至是果实的损伤。更重要的是，草莓的汁液会粘在人的衣服上，而且很难清洗。所以，机器人就能轻松地解决这个问题，只要给机器人下达了指令，那么就可以不费吹灰之力地采摘草莓了。这对于广大的农场主来说是个好消息，特别是那些大规模的草莓种植户。1.2 采摘机器人国内外研究现状中国六十年代（一九六八年）的农村就已经出现收获作业的自动化与农业机器人技术的发展，主要的采收方法有

19、机械式振荡和空气式振荡两种，但其弊端是易造成果实损伤，作业效率低下，尤其是不能进行选择性收割。80年代中期以后，随着工业技术迅速发展，尤其是工业机器人的迅速发展，计算机图像和人工智能技术的发展，日本尤为突出，还有美国，德国，葡萄牙，荷兰等发达国家，都对收获收集机器人进行了大量的研究，并成功地研制出了很大采摘机器人，包括黄瓜收获机器人、苹果收获机器人、荔枝收获机器人、哈密瓜采收机器人、橘子收获机器人、樱桃收获机器人等等。1.2.1 国外研究现状在智能草莓采摘机中，要想精确地采集到草莓的三维空间坐标，必须要借助机器人技术的机器视觉。在机器人的发展历程中，机器视觉的发展也有相当长的一段时期，各国都有

20、相应的技术，因此他们将其应用于农业采集机器人，通过精准的立体定位，准确的采集水果，这是发达国家目前发展最快的。然而，草莓采集机器人的研究还处在起步阶段。 许多国家都有专门的采收机器人，专门为不同的栽培方式开发，而田垄式采收机器人的研发还只是初级阶段，目前比较适合于机器人操作的高架栽培方式，现在已经被广泛应用，在高架种植模式下，果树的生长密度得到了极大的提升，而机器人的操作臂也不需要为地面采集，只需要对着地面采集就可以了，而采集的时候，则需要用到末端执行机构和机械手臂，将草莓的位置固定下来，当机械臂移动到合适的位置后，用末端执行器将果实切割下来。 日本宫崎大学研制的四自由度切割草莓自动采集系统，

21、利用CCD摄像机对草莓进行采集。在此基础上，利用激光传感器的测距函数，计算出草莓果实与果实的间距，再由机器人的机械臂将末端执行器推至草莓的根部，再用剪刀将草莓的茎干切开，从而避免对草莓果实造成损伤。日本冈山大学研制了一种葡萄采收机器人，适用于果树棚架种植。机械部件为具有四个转动关节(包括两个腕关节、一个腰关节和一个肩关节)和一根棱柱型直线运动关节的五个自由度极坐标机器人。这种结构可以让机器人在葡萄架下工作，并能实现多种转速的转动，并通过简单的控制方式实现直线运动。手腕上的2个转动关节很有效，确保了末端执行器水平和垂直靠近葡萄，甚至在葡萄干倾斜时也能起到作用。另外，为增加使用效率和实施多种操作，

22、可以通过替换各种末端执行器来完成喷雾、套袋和修剪等工作。荷兰农业与环境工程学研究所于1996年研制出一种多用途的黄瓜收割机械。该研究在荷兰的一个温室里进行。采用标准的温室大棚栽培技术，采用高压缠绕法进行悬挂式栽培。该机器人通过近红外线视觉系统对黄瓜的果肉进行识别，并对其进行定位。机器只能收割成熟的黄瓜，不会对其它不熟的小黄瓜造成损伤。采集采用末端执行机构，末端执行机构包括一个把手和一个工具。所述机器人臂被安装在所述移动车辆中，所述移动车辆用于所述机器人的操作及所述采集系统的初始位置。该机器人具有7个自由度，使用三菱RV-E26自由度机器人，并在基础上加入直线滑行的自由度。在收割后，用一辆装有可

23、卸载容器的自动运输机来运送黄瓜。整个系统可以在没有人为干扰的情况下正常工作。英国 Slsoe研究院研制出一种能自动测量菌株位置、尺寸、有选择地进行菌类采收的机器人。它的机械臂由两个可动的气动关节和一个转动的步进马达组成。终端执行机构为吸气装置，其上装有软垫；该系统的视觉感应器是一个电视摄像机，它被装在顶端，用于判断蘑菇的位置和尺寸。通过许多次试验后，了解到采收率大概为75%，采收速率大概为6.7/s，是导致采收失败的重要因素。如何依据影像资料，对机械手的姿态进行适当的调节，以提高其准确性，是目前急需解决的问题。1.2.2 国内研究现状国内草莓采摘机器人的研发起步较晚，但在借鉴国外技术基础上，结

24、合国内科研工作者的自主创新，已在草莓采集机器人上有所突破。国内科研工作者根据果树的实际种植状况，结合果农的需要，选择适宜的工艺与手段，开发出一批适合于农业生产需要的采收机。 一、草莓选种器。枥木县农业试验中心研制了一台能够按不同质量的草莓分级设备。该系统以双眼立体视觉技术为基础，设计了一种基于双眼立体视觉技术的自动识别系统，该系统将采集到的草莓进行分类，并采用拟合曲线将其划分为不同的类型。在经过处理后，草莓采收设备可以将采集到的2D图像转化成三维形态，并能够精确地定位水果。 二、中国农业大学研制了一种利用彩色图像进行自动采集的计算机处理方法。由于成熟的草莓呈现出鲜红的色泽，与周边的绿色植物形成

25、了强烈的反差，通过模拟和分析草莓图像中的特殊色彩信息，可以实现对已成熟的草莓的采集，从而解决了由于成熟程度的差异，导致草莓无法大量采摘的问题。该算法不仅可以用于草莓的采集，还可以用于某些水果的色泽特征。 三、浙江大学关于采集机器人的机械臂的研究已经有了一些结果，他们给出了一个评价的标准，包括工作空间、操作能力、避障能力、冗余空间和位置的多样性。四、1997年，中国出现了一种林木球果采集机器人,其结构包括行走机构、5个自由度机械手、液压驱动、微处理器等。在采集过程中，机器人会先在距离母树三到5米左右的地方停留，然后控制机械臂转动电机，使其指向母树。接着，用单片机控制系统，控制机械手的大臂和小臂同

26、时抬升到一定的高度，抓取爪张开，摇晃，对准要收集的树枝，小臂和小臂同时移动，让采摘爪在树干上移动1.5米到2米，再用爪子的梳齿将果枝合拢，用小臂将收集爪按原路返回，将果实梳下来，一次采收。该机器人的工作效率为每天500公斤，比人工提高了3050倍。同时，在采收过程中，母树损伤少，采收效率高。 目前，草莓采摘机器人还处于实验和理论研究的阶段，还不能大规模推广应用。不管是在国内，还是在国外。都远远没有达到机械化的程度。这种差异主要体现在四个方面：(1)在采摘草莓时，由于果皮与末端执行机构的接触，很容易造成果实表面的损伤；(2)未进行理想的操作臂设计，难以实现有效的采集距离；(3)草莓在运输过程中，

27、撞击造成的损伤是无法避免的；(4)草莓采摘的效率低，且存在较大的误差。图1 草莓采摘机器人1.3 采摘机机器人的发展趋势我国是一个农业、林业大国，如何在最小的劳动成本条件下，最大限度地完成粮食的收割和收割，是我们的职责。同时随着我国的发展，农业采摘机器人的发展情况也会逐步得到改善和优化。农业机器人能够替代人进行某些农业生产，但是在实际应用中仍存在着若干问题2：1)果品鉴定和采收率低当前，对水果进行分类和定位的方法主要有：灰度阈值、色度法、几何形态法。而自然光照下的图像存在着大量的噪声和各种干扰信息，使得该方法的有效性不高。而形状定位法则需要满足对象的全部边界条件，而果实、树叶等常常会相互重叠，

28、难以分辨出其具体的形态。另外，由于对水果的分类，需要对其进行临域的灰度分析，这一过程耗费大量的时间，无法满足快速、重复的预处理需求。2)果实平均采收时间延长，在生产实践中，对采收作业提出了更高的要求，既可以降低劳动强度，又可以提高工作效率。然而，由于图像处理、控制系统等因素，现有的水果收割机器人大多效率低下。比如采集一只柑橘，大概要3-7秒，一只要15秒，一只要10秒，一只要一分钟。如何实现水果采摘机器人的实用化，如何提高其工作效率是其中的一个重要问题。3)生产采集机器人的费用很高与传统的工业机器人相比，其结构与控制系统更为复杂，且生产成本较高。工作周期短，设备利用率低。像采集机器人这种具有光

29、电集成功能的复杂产品，其运行与维修要求较高，且成本较高。首先，最显著的发展趋势是，将会增强环境的适应性。我们都知道，我们国家幅员辽阔，南北宽，东西宽。这就造成了不同地区的气候差异，而且机器人也不可能说一种地方一种，一种天气，一种不同的天气，毕竟制造一台机器人的成本很高。因此，增强对环境的适应能力，无疑会减少许多制造机器人的麻烦。同样的，同样的机器人，同样的产品，可以让他们的产品更加的统一，更加的统一，更加的规范，这样就不会出现任何的问题，既可以提高工作的效率，又可以创造良好的经济效益。其次，农业采集机器人将会变得更简单、更廉价、更具性价比。从现实中可以看出，真正的机器人是由农民来操作，而不是由

30、科学家和技术人员来操作，如果让这些机器人变得很复杂，那么这些农民就会一头雾水。经过简化后，农场主可以自己拆卸、替换零件，这样既能提高机械人的使用寿命，又不会给农夫带来任何负担。在低价之后，对于一般收入不高的农民而言，买到这么一只既省钱又省力的“铁怪物”，也是一种不错的选择，毕竟这是他能负担得起的。因为农民们最看重的就是自己的利润，如果这台机器人要花上几十年的时间，他们是不会去做这种生意的。第三，农业采收机器人将变得更加智能化，持续时间也会更长。在我们的理想中，这种机器人应该是不受人类控制的，它们可以自己识别、分类、采摘、采集，从而降低人类的劳动能力。可以很好的防止这种事情发生。我认为，这些机器

31、人可以自动恢复到原来的位置，并且在充完电之后自动工作，这是一种非常强大的续航能力。这样，农业采收机器人的工作就会变得更加精确。因为我们都知道，收成的方法对庄稼的成长有很大的影响。比如草莓的采收，如果定位不准，剪枝的时候会对周围的果子造成损伤，导致不必要的损失。当然，这需要更加精准的控制，因为太轻的话，不能采摘，太多的话，会对树枝造成更大的伤害，而且还会消耗大量的能量。因此，提升定位精度和力量精确度，就能极大地避免出现事故，降低不必要的损失，这可是一笔不小的财富。我也认为，越是精确的工作，这种机器人就会越来越流行，越来越受人们的喜爱。最后，农业采集机器人将会有更好的抗污染性能，并且将会更加完善。

32、众所周知，农业和林业的环境很差，潮湿的地方到处都是泥土，干燥的地方到处都是灰尘，所以机器人的清理工作是一件很麻烦的事情，甚至还有拆卸的过程，这让张恒想起了自己小时候拆掉一件东西后就再也没有安装过的那种。要是机器人有很好的防污性能，那就可以节省不少的时间。这就需要在机器人的材质上下点功夫，尽可能地用干净的材料，同时还要考虑机器人的结构，避免出现一些很难清理的死角。同时，机器人的作用也会变得更加广泛，不再局限于单一的作物，而是可以适应多种作物，而且转化过程也不会有太大的改变，只需要更换一只爪子就可以了3。1.4 研究目标和内容1.4.1研究目标简便易行的草莓采摘设备在我国大棚草莓采摘中具有重要应用

33、价值。并做好如下工作：(1)结构合理，可合理地利用大棚草莓的垄沟；(2)结构操作简便，便于采收人员学习使用及维修保养；(3)合理有效的采收计划，提高采收效果1.3.2研究内容此次毕业设计的主要工作如下：1)机械手臂设计;2)末端执行器设计。第2章 草莓采摘机器人机械臂总体设计2.1 对草莓的认识2.1.1草莓的栽培方式在我们设计一台机械臂或者一台机器人之前，我们首先要了解它的作用，了解它的原理，了解它的结构，了解它在什么样的环境下工作，这样才能更好地进行设计和研究。这样可以让我们的工作更有效率，更有动力。草莓对土壤的适应能力很强，而且喜欢阳光和肥力，不喜欢积水，所以一般都是种植在地势较高，土壤

34、肥沃，通风好，容易排水的地方。因此，我国的草莓种植基本采用田垄式，田垄两边朝下，垄面宽40公分，垄底宽60公分，垄高25公分。草莓成熟后，果皮缓慢地向垄边倾斜，每垄相距70公分。（图2-1）图2-1 草莓采摘园2.1.2 草莓的外观形状特征在知道了如何栽培草莓之后，我们还要知道草莓通常的样子（见图2-2）。这是一种很鲜艳的红色，这一点我就不多说了，而且颜色对我们的研究也没有太大的帮助。关于外观，我想这是一种常识，在这里，草莓并不代表我们所想的所有人都是爱。很多时候，人们对实际情况并不了解，但实际上，大部分超市里的草莓，外形比较好的都是近似一个圆的，有的可能会成椭圆形的形状，甚至有点还会呈现出三

35、角形。当草莓的直径长到了2到4公分左右，这就算一个大草莓了。而且，草莓的表皮非常的薄，吃起来不用像橘子、橙子那样去皮，直接那清水清洗后就可以吃了。我们在采摘草莓的时候，经常会把它的皮连着肉一起都采摘下来，这就说明草莓的质地是很软的4。图2-2 草莓的外形2.1.3 草莓的生长周期首先，了解草莓成熟阶段，可以很好的安排机械臂的工作，第二，我们可以针对不同的气候条件，采取相应的保护措施，比如在下雨天，我们可以在机械臂上加一条帆布、一条塑料布，如果遇到严寒天气，我们可以关掉冷却装置，加入防冻剂。一般情况下，草莓的成熟时间是在5月底，这个时候正是果实的成熟期，不过，在天然条件下的草莓，往往会遇到一些困

36、难，比如天气条件差、养分匮乏等等，所以，我们一般都选择在温室内种植，这样可以大大缩短成熟的时间，让它更早的上市。而且，这些果实的个头都要大上一圈，而且还会有很高的甜味。2.2工业机械手选择准则由于草莓栽培环境的复杂性、不确定性以及果实的无规律分布，因此，在选择合适的工具时，必须严格按照工业机械手的基本原理，同时要充分考虑到其自身的特点。以下选择准则因此被确定：1)根据工业机械手的基本选择原理，主要有四种类型的工业机械手（见图2-3)，它们的特定功能特征是57:(1)直角坐标型:它的外形形状类似于 CNC铣床，3个铰链均为活动铰链，且铰链轴线彼此垂直。该结构具有刚性好、精度高等优点，但占用空间较

37、大，工作空间较小。(2）圆柱坐标型:选择的机器人手臂的前三个关节是一个旋转的和两个活动的。这种机器人手臂结构简单，占地面积小。(3)极坐标型:它包括两个可旋转的铰链和一个可运动的铰链。这种型号的机器人手臂的优点是：灵活、占用空间少，但刚度和精度较差。(4）关节坐标型:三个铰链关节都是转动的，具有动作灵活、有较大的操作空间、占用空间少等优点，缺点就是其刚性精度较低。图2-3工业机械手的各种形式2)根据特定的采收需求，操作臂应具备良好的采收性能。其中有：(1)最佳作业区域。工作地点越大，采收面积愈大，用途就愈广泛。(2)具备良好的避障性能。在采收期间，机械手臂可以避免障碍。(3)机械手臂的结构合理

38、。假如机械结构设计不当，就会造成机械动作干扰，传动机构不能移动等问题。为了达到这个目的，应尽可能地使用专用的机械手臂，使得两个运动副的轴线相互平行或垂直。(4)农业机器人要求操作简便，造价低廉，因此尽量采用简易的机械构造。2.3机械手臂的设计2.3.1机械手臂的设计要求机械手臂是采摘机器人最重要的活动部件，它的功能是支持末端执行器和机械手腕，并控制末端执行器和机械手腕在空中的移动。由于机械手臂的重量较大和受力结构的复杂性，在摘草莓的时候，手腕、手爪和草莓之间都会产生静态载荷，从而导致了电位的精确度变化。因此，在设计机械手臂时，必须考虑到机器人的运动方式、以及抓取果实的重量和自由度和运动的精确度

39、等因素8:1)手臂的构造及大小应符合采收草莓时工作空间的需要。工作区尺寸与手臂长度、关节转角等因素有关；2)根据机械手臂所受负荷及结构特性，选用合适的手臂材材质；3)机械手臂应具有较高的运动速度和较低的惯性。在草莓采收机械臂的设计中，既要考虑到机械手臂自身的价值，又要兼顾用户的经验、受教育程度，又要兼顾草莓自身的生长特点。2.3.2机械手臂驱动方案设计根据数据收集，现有的机械臂驱动模式主要有液压驱动、电机驱动和电力驱动9。一开始，对这套系统并不是很了解，对液压系统的了解也不多，甚至连它的原理和结构，都是一知半解。电机就更不用说了，虽然平时遇到的电机很多，但说实话，对电机依然是一窍不通。至于电气

40、，那就更不用说了，基本从来没有接触过，只知道在做实验的时候，空气导轨虽然离我们很近，但大部分时间里，我们都会和它们保持一定的距离。因此，在选用电动机时，应经常查阅并且参考有关资料，以选出合适的驱动元件。液压驱动，通过对液压电机和油泵进行控制，实现液压油的供给，实现传动，见图2-4所示。图2-4液压式机械手同一时间，我们设计出来的机械臂，由于其内部的气缸可以承受很大的外力，所以可以提供非常稳定的动力，其次，液压油压相对平稳，并能提供很大的功率。同一时间，液压缸是圆柱形，虽然不是圆柱形，但其形状却是均匀对称的，所以如果使用液压缸，那么机器人的外观将会非常漂亮，而在设计机器人的整个外壳时，只需要一个

41、薄薄的外壳就可以了。不过，事与愿违，我们首先要想到的是，我们的机器人是在采摘草莓，原本就没有太大的工作空间。其次，机械臂的设计理念就是要小而简单，如果我们使用液压动力的话，那么机器人就必须“背着”一个液压油缸来给系统输送液压油。其次，机械臂的构造必须要有油路的设计，而油路的设计更是一项技术活，因为油道太深，无法加工，而过长的油道会降低机械臂结构的强度，如果油道太短，又无法到达指定的位置，这无疑会加大制造的难度和费用。最后，液压驱动系统的清洗能力很差，如果油道能够长期保持干净和密封，那就还可以，但如果油污和油渍混合在一起，在出现漏油的的情况，那就太糟糕了，我相信谁都会不喜欢黑乎乎的油渍。所以，我

42、们没有使用液压驱动装置来陪备其机械臂。气动驱动，对于机械臂，其驱动方式可以在很短的一段时间里，提供给机械臂很大的功率。我从来没有考虑过空气传动，不是我不习惯，而是我们的机械臂在工作的时候，并不需要这样的瞬间动力，因为我们的草莓d需要的是灵活性和稳定性，空气压力会让我们的机械臂出现一些停顿，就像是被卡住了一样，这可不是我们想要看到的。同一时间，在空气动力的作用下，汽缸会发出很大的声音，这是因为空气中气体突然爆发的能量太大了，所以会在空气中产生了巨大的噪音，这不仅是一种噪声污染，而且还是对所有的使用者都是有危害的。因此，空气压力系统也不在考虑范围之内。电动机的驱动，是由电机，马达等部件组成，通过耦

43、合器或者其他元件的连接来带领全部系统有规律的运转起来。因为我们的机械臂对于其他部位算是一个小的系统，因此我们通常都会使用的电机都很小，比如图2-5所示的 AC伺服电机，图2-6所示的直流伺服电机，和步进电机（如图2-7所示)，这些电机体积小，占地少，安装容易，并且可以更换的通道和范围都会更大。图2-5交流式伺服电机图2-6直流式伺服电机图2-7步进电机同一时间，用电机驱动作为动力源，它所能提供的功率也是非常大的，电动机的功率也很大，比如直流式电动机，就是一种很好的提供很大的转矩马达元件。在提供电源的方法上，功率较小的电机一般都是采用一个24V或者一个12V的电池提供电力源头，如果是采用220

44、V电压的话，那么我们可以通过查阅资料或者一些文献，我们可以在网络上找到一种逆变器，把它安装在电机和蓄电池两者之间，让它的输出达到所需的电压。实际上，这是一种紧急电力供应的转变。这让我想起了自己宿舍里没有电的时候，有一个舍友的电脑已经支撑不住了，所以就用了同样的方式，为自己的笔记本供电。同一时间，一般情况下，电动机的尾部都会有一个反馈装置，可以对电机马达的转速等进行实时监测，保证机器人的工作的安全环境。从这点来说，电动机驱动是我们一直追求的更好的驱动元件。那么我们就要根据具体的情况，在交流式电机、直流式电机、步进电机三种电机之间进行选择其中的一种，当然，机械臂上的使用到的电机也不可能只有一台，我

45、们需要知道并且指出这些不同电机的优劣，然后再根据需要确定电机的选择。假如采用交流式伺服电动机，将其置于整个机械臂系统中，能使其转速平稳并且控制速度，且在调节范围内，其传动效率可达90%及以上。在它的工作范围内，能实现恒定扭矩的变换，而且不会造成摩擦损失，从而降低了经济的消耗费用。不过，根据查阅一些参考资料和文献，了解到交流式伺服电动机的体积要大得多，一般要用220 V的电压才能满足机器人的工作需求，而且考虑到它重量也比较大，用在机器人的胳膊上肯定会有很大的阻力10。同一时间，由于交流式伺服电动机的线路比较复杂，需要在现场进行各种参数设置，所以并不具备很好的实用性。对于直流式伺服电机的工作原理大

46、家应该都很熟悉，它不仅操作非常方便，而且维修和更换的途径也非常多。最难得的是，它对转速的精确控制和转速特性都很满意，而且目前还有直流扭矩电机，可以满足不同工况下的工作需要。然而，由于直流式伺服电机马达自身损耗较大，且较易导致灰尘进入，因此必须做好防尘工作。步进式电动机具有比前两者更高的控制精度，而且体积更小，重量更轻，能完成更大的扭矩传输。只要按照自己的要求，对其进行相应的脉冲，就可以对其进行精密的速度控制。我认为步进式电动机最大的优点在于其自锁功能，当电源中断时，其自身会对电动机的轴产生锁止力矩，使其不会产生不必要的旋转。通过对三种电动机的对比，我认为这次机器人主要采用直流式电动机和步进式电

47、动机。2.3.3机械手臂的选择采集机器人的机械手主要用于对末端执行器进行控制，并在一定程度上影响物体的姿态。通过草莓栽培方式、生物学特性、机械手机械选择原则及操作特性，选用了多关节机械手。当机械手在采摘草莓时，把所要的采摘的草莓近似与圆柱形或球形，四个自由度机器人即可完成采摘作业。所以本次设计的机械手有四个自由度，机械人的机械手有三个可转动的自由度和一个腕部的自由度。三个自由度的机械臂，设计的非常的紧凑，更加的灵活，在工作环境中，对手臂的影响很小，可以扩大机器人的工作空间。但是，该机器人在进行控制时存在着计算量大、定位精度不高、定位不方便等缺陷。并且，该机器人的机械臂具有多个执行部件，并且重量

48、很大。因此，在进行机器人操作设计时，应充分考虑机器人操作目标的特性和操作目标，保证机器人在操作过程中的合理性。2.3.4机械手手腕的设计机臂手是连接机械臂和终端执行机构（末端执行器）的一种装置，其主要作用是通过机械臂的运动来提高末端执行器在空气中的位置，不仅扩大机械臂的运动范围，而且使其更具灵活性和适应性。终端执行机构（末端执行器）可以通过机械界面连接并支持。2.3.5手腕设计的基本要求1)结构紧凑，重量轻，腕部位置在机械臂的末端，腕部的设计将直接影响到机械臂的运动和运行。为了减少手臂的负荷，必须要有一个紧凑的、轻的、小的腕部。2)灵活转动、合理选择自由度的腕部自由度愈大，端部操纵器的运动弹性

49、愈大，则整体采收作业的适应性愈佳。然而，随着自由度的增大，腕部的结构变得更加复杂，从而使其控制变得更加困难。所以，在设计手腕的时候，一定要满足工作需要，不需要太大的灵活性。3)合理的布置，腕部是将手臂与终端执行器相连的机构，同时还能支持二者。因此在设计腕部时，除了要确保力量与动作的需要之外，还要兼顾整体，合理地布置6。2.3.6 机械手的行程分析机器人的采收距离取决于机器人手臂的每一段的移动，所以我们在决定机器人手臂的每一段行程时都要考虑到不同的情况，比如草莓架子的高度，草莓的生长密度等等。如果行程太短，则会导致操作范围达不到操作规定要求，也会增加一些不必要的动作。行程过长就会导致材料的浪费，

50、因为行程的长度和所需材料多少有关，如果百分之十的行程没有用，那就意味着百分之十的材料所造出来的零件是没有任何用处的，同一时间，长度过大也会导致机械臂不够灵活，比如机械臂的伸长，就会导致机械臂向前倾斜，从而影响机械臂的稳定。根据上述各种因素，机械臂的运动轨迹在表2-1中给出。表2-1机械手的运动轨迹选择360度的基座，可使机器人在平面上具有最大的工作范围；胳膊的倾斜是在胳膊下降到最低点的情况下，当俯仰角达到60度以上时，会与基座发生干涉，因此这个角度是合理的。2.3.7 机械手的工作空间分析 我们确定了机械手的工作行程后，就能对其工作空间，也就是工作范围有了全面的认识和了解。其中我们可以把它分为

51、几个部分，主要包括旋转方向工作范围（如图2-8所示)、俯仰方向工作范围。在确定机器人的工作轨迹之后，我们可以充分地理解和理解机器人的工作空间，即工作区域。其中，我们可以将其分成若干个部分，主要可以分为是转动方向的工作范围（见图2-8所示)，俯仰方向工作范围(如图2-9所示）。图2-8旋转空间图2-9俯仰空间2.4 机械臂的三维模型机械臂的三维模型如图2-11所示。图2-11机械臂的三维模型第三章 草莓采摘机器人末端执行器设计3.1末端执行器的介绍为了使采收机器人的作业效率更高，机器人的结构和设计必须要合理，才能对其进行有效的控制，而机器人的设计也很关键。所以，通常将机器人的前端与与采集物体直接

52、相连的部分称为终端执行机构。终端操纵器是安装在机器人手臂的最后一条支撑杆上，其作用和手一样，但不会与目标直接接触。但是，末端执行机构的机械构造和人类的手一样，都是按照特定的工作目标和目标的特性来设计的。由于每个草莓品种和个体差异很大，因此在设计终端执行器时，必须综合考虑多种因素。末端执行机构是依据工作对象、机构的运动特性以及工作机构的基本构造来进行的。大部分末端执行器的结构和大小都是针对其工作环境和任务要求而设计的，因此它们的结构也是千差万别。直到目前为止，终端机都是专用的。我们在设计终端执行机构时，应该充分考虑到y的数目和指节的数目，并及时采摘果实等。末端的果核是一个很好的机械零件，可以很方

53、便地与其它的水果进行接触，因此，我们在采摘的时候，为了不伤害到其它的水果，很多时候，我们都会选择一些坚硬的材料，比如尼龙，比如金属橡胶11。草莓末端采摘过程机器人的主要产品设计以及核心技术之一就是关键在于草莓末端过程执行器人的设计，因为成熟采摘草莓的内部土壤里面及其表皮都比较脆弱，其物理形态也比较复杂。末端自动执行器对夹具保持支撑力的控制精度不仅要求很高，同时还可以要求整个夹持力矩系统必须能够具有一定的精度柔性，可以有效弥补部分夹持力矩的控制所可能带来的精度误差，避免如果夹具支持力由于太小而被自动抓取水果失稳，导致的大量草莓水果掉落，因此对于作为一种新型草莓水果采摘式采菜机器人的这种末端自动执

54、行器的其特点也就需要它的技术通用性和操作灵活性都比较强，且由于操作简单，成本相对较低，易于用户进行日常准备操作和维护保养，尽量做到能够有效实现各种水果新鲜蔬菜的安全无损连续开采。 3.1.1末端执行器的分类草莓幼苗采收技术中，各类末端抓取式机械手主要分为下列几种12-13，具体应用技术用途及内部构造，我们大致可以把未来的各种末端夹持执行器类型划分归类为两种:机械式的末端夹持器（如图3-1所示）和自动吸附式（如图3-2所示）的末端夹持器;按照植物手爪的运动位置和手爪运动时的形态，大致来说可以将其划分两种为纵向平移式和横向旋转型。这种单轴回转运动模式又因为可以分别划分表现为两种:单轴双支点式单轴回

55、转运动模型与双轴单支点式双轴回转运动模型。按照两种机械电动夹持工作方式划分可以详细划分分别为外电动夹支撑模式和内电动支撑模;按照电动齿轮液压驱动的工作方式又大致划分可以详细划分分别为电动、液压和全真空气压驱动三种;按照两个手爪的露出个数再次划分可以详细划分为露出两个爪的大小，即双手拇指与多指的手部。图3-1机械式夹持器图3-2吸附式夹持器3.1.2两个爪子的末端执行器起初，用来摘草莓的机械臂末端有两个平行的指头，当草莓成簇生长时，末端的执行器很容易损坏邻近的果实和茎干。为了解决这个问题，采用双爪末端的执行器，可以增加收割的成功率，但如果果实后面有果实，这样的话终端执行机构就不能有效地避开。3.

56、1.3两个以上爪子的末端执行器与双爪的末端执行器相比，多爪的末端执行器在捕捉草莓时更具稳定性。例如，固定式草莓采收机器人，其末端有四根并排弯曲的手指，它能采集不同形状、不同尺寸的草莓，还能采集其它果实。虽然爪子的数量越多，抓取的效率就会越高，但是对爪子的操控就会变得更加的复杂。末端操纵杆有三根爪子，每根指头上都有一根线与指间的钢索相连，指尖形成一个圆圈，三根手指内侧有橡皮。摘果子时，把铁丝绷紧，三根手指向中间弯曲，然后用剪子把果实剪断；当钢索被释放时，三根手指由于弹簧的作用而展开，因此当末端执行器不工作时，它是打开的。3.2夹持式末端执行器的选择夹持式末端执行器，也称为抓取臂，是一个直接接触草莓的部件，接管了人的手的功能。抓取臂由三部分组成：手指、驱动结构和驱动单元，可以抓取不同形状和大小的水果。这些手指通常与两个手指配合使用。驱动装置通常是通过齿轮机构，可以采取各种形式，如以液压、气动或电动作为驱动源。驱动机构通过导轨、角楔、支杆和杆子进行收紧和松开。夹持手部通常包括一个由旋转钳和移动钳组成的机构，该机构允许钳口轻松旋转和位移。出于这个原因，夹钳具有渐进式和旋转式两种类型。3.2.1选择夹持式末端执行器的基本要求1)要有合适的驱动力和夹紧力。机械手机械臂通过抓取物体并完成采集，最终将采集物体转移至目标位置。由于草莓自身的重量，加上操作时的惯性和震动，所以在操作时，手爪需要具有