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基于六自由度机械臂的水果采摘装置设计
作者：杨絮牛亚琼张璟言李家伟李梦瑶武泽锋
来源：《科技创新导报》2019年第20期
摘 ; 要：农业机器人在推动智慧农业中有着广泛的应用，本装置采用stm32f407zet6单片
机为控制核心，设计一款自动采摘水果的六自由度机械臂装置，通过摄像头实时采集数据进行图像处理，获取果实空间坐标，通过闭环控制实现机械臂对果实的精准抓取。本实验运用了一种能适应户外光线变化的颜色识别算法，并运用了模糊控制理论对机械臂进行控制，提高了系统装置的鲁棒性。
关键词：六自由度机械臂 ;单片机 ;摄像头 ;模糊控制
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910369070.7 (22)申请日 2019.05.05 (71)申请人 安徽工程大学 地址 241000 安徽省芜湖市鸠江区北京中 路8号 (72)发明人 高洪 孙孟洋 王亚军 贡军 段陈义 王永强 方啸宇 代贡献 叶凯强 (74)专利代理机构 芜湖安汇知识产权代理有限 公司 34107 代理人 朱顺利 (51)Int.Cl. A01D 46/24(2006.01) G06F 17/50(2006.01) (54)发明名称水果采摘机果柄切割装置的设计方法(57)摘要本发明公开了一种水果采摘机果柄切割装置的设计方法，包括步骤：S1、提供固定盘、由多个切割刀片组成的刀片组及相对于固定盘可旋转且用于控制切割刀片进行旋转的旋转盘；处于打开状态的刀片组的中心处形成有让水果通过的第一避让孔；S2、根据固定盘的第二避让孔的直径和旋转盘的定位孔的直径，确定刀片本体的刀口的弦长；S3、根据固定盘的第二避让孔的直径，确定切割刀片的第一销轴的轴心与第二销轴的轴心之间的距离；S4、根据固定盘的第二避让孔的直径和切割刀片的第一销轴的轴心与第二销轴的轴心之间的距离，确定旋转盘的转角。采用该方法设计的水果采摘机果柄切割装置可以使果柄很好的定位被切断，减少采摘时对水果造 成的损伤。权利要求书2页 说明书10页 附图6页CN 110063136 A 2019.07.30 C N 110063136 A
权 利 要 求 书1/2页CN 110063136 A 1.水果采摘机果柄切割装置的设计方法，其特征在于，包括步骤： S1、提供固定盘、由多个切割刀片组成的刀片组及相对于固定盘可旋转且用于控制切割刀片进行旋转的旋转盘；处于打开状态的刀片组的中心处形成有让水果通过的第一避让孔； S2、切割刀片设计成具有刀片本体以及与刀片本体连接的第一销轴和第二销轴，旋转盘设计成具有让第一销轴插入的导向孔，固定盘设计成具有让第二销轴插入的安装孔和让水果通过的第二避让孔； 根据固定盘的第二避让孔的直径D1和旋转盘的定位孔的直径D2，确定刀片本体的刀口的弦长l1， S3、根据固定盘的第二避让孔的直径D1和固定盘的内直径D3，确定切割刀片的第一销轴的轴心与第二销轴的轴心之间的距离l2， S4、根据固定盘的第二避让孔的直径D1和切割刀片的第一销轴的轴心与第二销轴的轴心之间的距离l2，确定旋转盘的转角α， 2.根据权利要求1所述的水果采摘机果柄切割装置的设计方法，其特征在于，90°＜θ≤120°。 3.根据权利要求1或2所述的水果采摘机果柄切割装置的设计方法，其特征在于，所述导向孔设计为圆弧形孔，导向孔的长度大于所述第一销轴的直径且导向孔的轴线与第一销轴的轴线相平行。 4.根据权利要求3所述的水果采摘机果柄切割装置的设计方法，其特征在于，对于周向上相邻的两个切割刀片，让其中一个切割刀片的第一销轴插入的导向孔的轴线与另一个切割刀片的第二销轴的轴线共线，导向孔以位于其径向上的第二销轴的圆心为圆心。 5.根据权利要求1至4任一所述的水果采摘机果柄切割装置的设计方法，其特征在于，所述旋转盘上设有拨柄，拨柄用于承受外界施加的使旋转盘旋转的旋转力矩，所述固定盘设计成具有让拨柄穿过的第三避让孔。 6.根据权利要求1至5任一所述的水果采摘机果柄切割装置的设计方法，其特征在于，所述固定盘设计成具有第一盘体和设置于第一盘体上的凸台，凸台设计成插入定位孔中，所述第二避让孔为在凸台上贯穿设置的圆孔，所述切割刀片通过第二销轴与凸台转动连接。 7.根据权利要求6所述的水果采摘机果柄切割装置的设计方法，其特征在于，所述固定盘设计成还具有与所述第一盘体连接的外檐和与第一盘体相对布置的第二盘体，第一盘体和第二盘体均为圆盘状结构且第一盘体和第二盘体为同轴设置。 8.根据权利要求7所述的水果采摘机果柄切割装置的设计方法，其特征在于，所述外檐为圆环形结构且外檐与所述第一盘体和第二盘体的外边缘连接，外檐与第一盘体和第二盘体为同轴设置，所述切割刀片位于第二盘体和所述凸台之间。 9.根据权利要求1至8任一所述的水果采摘机果柄切割装置的设计方法，其特征在于， 2
基于PLC的六自由度机械臂控制系统研究 发表时间：2018-05-02T13:29:38.860Z 来源：《建筑学研究前沿》2017年第33期作者：王铮 [导读] 如今的工厂生产对于机械臂的依赖程度越来越大，由于机械臂能够通过对人体手臂的结构以及工作方式进行模拟。 摘要：如今的工厂生产对于机械臂的依赖程度越来越大，由于机械臂能够通过对人体手臂的结构以及工作方式进行模拟，因此机械臂的发展对于生产生活的今后发展具有十分重要的作用。六自由度机械臂是对人体优化程序学更高度模拟的一种机械臂结构，因此其在工厂生产中的应用也十分常见，但是相比于传统的机械臂结构，六自由度机械臂具有更加困难的操控步骤，因此导致其控制系统的开发也在不断进步。本文主要基于PLC六自由度机械臂控制系统的研究，对机械臂的操控提出了控制系统的调整模式，以期能够为今后六自由度机械臂更好的应用做出微薄贡献。 关键词：PLC；控制系统；六自由度 目前六自由度机械臂的操控方法已经受到了有关人员高度的关注，本文作者经过多年工作经验的总结，发现六自由度机械臂的控制系统依旧有着不小的提升空间，因此其控制系统依旧有着较大的提升空间。在本次对机械臂的总结过程中，本文作者发现PLC控制系统对于提升六自由度机械臂的操控性具有较好的作用，因此本文重点对PLC控制系统与六自由度机械臂的结合策略进行分析和讨论。 一、六自由度机械臂结构分析 一般来说，六自由度的机械臂主要结构就是其整个臂展长度的六个转弯出，通过并排连接的模式，使整个机械臂能够体现出人手臂的关节特征，确保其在工作过程中的精准和高效率程度[1]。在如今的机械臂发展过程中，为了能够保证机械臂的运行速度和销量，一般都会在机械臂的小臂位置装上气压设施，同时设施会通过接口与外部的设备进行连接，使六自由度机械臂能够更好的保障运行平稳程度。从六自由度机械臂的结构可以看出，该设施虽然结构的原理比较简单，但是由于其具有较高的人体优化程序学仿真程度，因此该机械臂的操控体系也应该受到管理人员的重视[2]。 二、PLC控制系统分析及概述 PLC控制系统在如今的社会上已经有了较为广泛的应用，由于该系统在各类生产设备的应用方面都比较强大，同时在抗干扰性方面首屈一指，因此PLC控制系统应用在目前来看相当广泛[3]。例如，在如今人们的生活中，很多空调系统都应用了PLC系统进行全盘的规划，对冷却水的使用以及溶液泵数据的采集都比较精准，因此能够更好的保证空调的制冷和发展，因此目前的该系统已经被广泛的应用。从以上的内容中可以看出，在机械臂的应用方面，如果能够大范围的使用PLC进行控制，对于六自由度机械臂的操控具有较强的引导作用，能够使该系统在运转的过程中更加便于控制，进而提升生产设备的生产效率[4]。 三、PLC远程控制系统目前应用过程中存在的问题 虽然PLC远程控制系统优点十分显著，但是目前来看在应用的过程中依旧出现了不少的问题。首先，远程控制人员的过程控制观念薄弱，会对生产的质量产生严重的影响，特别是对机械臂操控的远程控制质量来说，它要求员工必须具备较高的综合素质能力，对于复杂的远程控制技术有所了解。这一点主要体现于，远程控制人员为了缩短生产的周期，在远程控制的过程中，刻意追求远程控制的速度，对于产品的质量问题，并未做过多的考虑，也就导致产品存在一定的安全隐患。 其次，如果生产单位在对远程控制现场的管理过程中没有相应的管理框架作为支撑，就会使在远程控制环节管理阶层对于远程控制现场管理的秩序混乱，从而使生产单位的领导阶层在管理的过程中不能及时发现远程控制现场存在的安全问题和远程控制的质量问题，导致机械臂操控项目远程控制的过程控制管理困难。例如，部分生产单位在对远程控制现场的管理过程中没有相应比较完善的规章制度对远程控制的过程进行明文规定，这样就会导致部分远程控制人员在工作的过程中钻管理的漏洞，使机械臂操控项目远程控制管理的秩序混乱，整个生产的质量也不能够得到有效保障。 最后，机械臂操控的过程控制流程不规范主要表现为执行力较差这一现象。一方面，在机械臂操控的过程控制环节，缺乏有效的监督和规范，对质量管理体系的运行产生了极大的影响，在质量管理体系建立的过程中，依然按照传统的习惯，未能重视体系的重要性，没有按照体系的相关规定进行运作，而且在执行的过程中，缺乏有效的监督，对产品生产各个环节的把控出现质量问题。。 四、PLC系统应用于六自由度机械臂的注意事项 （一）提升过程控制观念 加强对员工过程控制观念的培养是实现六自由度机械臂控制优化过程控制整体质量提升的重要措施。在设计现场中，由于其所涉及的工作内容相对较多，设计作业人员种类较为复杂，使得主管部门很难对每一名设计人员进行管理，也难免会存在个别设计人员在工作过程中出现违规操作等情况，例如在六自由度机械臂控制优化的控制系统升级的环节中，会有部分设计人员不按照标准进行设计，给控制系统升级人员的安全造成隐患，导致质量受到影响。在设计现场采用问题管理模式能够对这种由于设计人员在操作上所存在的问题进行解决，从而降低问题给企业所带来的损失，但是其依然会增加优化程序的设计成本。所以，主管部门在设计现场管理过程中应当将这两种管理模式融合在一起，充分发挥其本身所具有的重要作用，不仅要重点解决已经发生的问题，还需要对未发生而要发生的问题进行预防，以避免各类问题的出现和发生，实现六自由度机械臂控制优化应用过程控制质量的全方位提升。 （二）完善监管框架 过程控制质量的真正提升需要在完善的监管框架下进行。基于以上这一点，如今的六自由度机械臂控制优化设计人员应该转变观念，都对设计现场的监管框架进行完善，使六自由度机械臂控制优化的过程控制能够在统一的框架下得到落实。就目前的情况来看，如今的六自由度机械臂控制优化管理人员可以出台相应的设计现场过程控制标准，对内部员工的设计进行严密监管，从而使设计现场的过程控制质量能够得以提升，促进六自由度机械臂控制优化质量的提升。 （三）规范控制流程 在规范控制流程方面，如今的六自由度机械臂控制优化主管部门应该做到对执行过程中出现的问题，及时的进行处理，不可以逃避看每个问题，应该正确认识到问题的严重性，充分发挥得内外审以及管理评审的重要性，对暴露出来的问题，进行严格的整改，进而提高执
机械设计课程设计说明书 六自由度机械手 TOPWORK 上海交通大学机械与动力工程学院专业机械工程与自动化 设计者： 李晶(5030209252) 李然(5030209316) 潘楷 (5030209345) 彭敏勤 (5030209347) 童幸 (5030209349) 指导老师：高雪官 2006616
、八— 刖言 在工资水平较低的中国，制造业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业 的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自 动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、 华东沿海地区的中国本土制造厂也开始对机械手表现出越 来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交 货周期缩短带来的挑战。 机械手可以确保运转周期的一贯性，提高品质。另 外，让机械手取代普通工人从模具中取出零件不仅稳定， 而且也更加安全。同时，不断发展的模具技术也为机械手 提供了更多的市场机会。 可见随着科技的进步，市场的发展，机械手的广泛应用已渐趋可能，在未来的制造业中，越来越多的机械手将 被应用，越来越好的机械手将被创造，毫不夸张地说，机 械手是人类是走向先进制造的一个标志，是人类走向现代化、高科技进步的一个象征。因此如何设计出一个功能强大，结构稳定的机械手变成了迫在眉睫的问题。
目录 一.设计要求和功能分析 4 - ?- ■基座旋转机构轴的设计及强度校核 5 三.液压泵俯仰机构零件设计和强度校核 8 四.左右摇摆机构零件设计和强度校核 11五.连腕部俯仰机构零件设计和强度校核 14六.旋转和夹紧机构零件设计和强度校核 19七.机构各自由度的连接过程 25八.设计特色 28九.心得体会 28十.参考文献30 一. 任务分工31 十二.附录（零件及装配图）31
六自由度机械臂控制系统设计 随着世界各地恐怖事件的不断爆发，采用六自由度机械臂实现对爆炸物的排除已成为现如今防恐事业的一项重要手段，机械臂在进行作业的过程中，排爆需要灵活的操作和细致的动作。机械臂的自由度往往在四五个左右，为了满足排爆工程的需求，就需要加强机械臂的操作自由度，因此设计六自由度机械臂就显得尤为重要。 标签：六自由度；机械臂；控制系统设计 1.六自由度机械臂控制系统设计要求 六自由度机械臂的运动控制硬件分别是机械手的运动控制、驱动电路的底层控制、远程通信以及远程控制、视觉传感和辅助传感系统和上层控制的人机交互。 在整个自由度机械臂控制系统中，上位机控制系统的主要功能是给操作者提供良好的人机交互界面，而且机械臂的操作能够通过配套的便携手柄而实现，所以上位机要对手柄所发射的信号进行有机的掌握和控制，对下位机系统的控制还需要上位机系统给出，同时还要将下位机及机械臂运动状态信息能够及时反馈给操作者。操作手柄和下位机作为移动设备而言，上位机控制系统除了能够提供有线的控制，还要提供相应的无线通信系统，其控制的有效距离在100米左右实现控制的指令和运动反馈的信号达成。在移动载体的设计上，除了放置机械手实现对抓取的射线图像检测仪，机械臂和车身上还装置了两台CCD摄像机和两个自由度的云台，并相应地配备录像机以对排爆过程进行全程的记录。这些信息的反馈就是通过无线图像模块实现的。 在机械臂手部的设计过程中，因为机器人的抓手在整个机械臂系统中作为最末端的执行器，在抓取和实现操作工作的时候，其可以根据需要分为钳式和吸附式。在这个层面上我们主要考虑的是机械臂在进行工具抓取的时候，需要采用钳式的爪手，在爪手上的电机，我们选择的是MICRO-STd伺服电机，在电机的尺寸设计上，要保证电力能够在最小的空间占比和最轻的质量占比，从而满足于机械臂的灵活性。在机器人的机械臂设计中，机械臂是由四到五个伺服的电机组成的，对伺服电机的控制能够保障机械臂在不同使用需求上的不同位置和方向的自由变化。机械臂的手臂电机在设计过程中为了满足其灵活性，选择的是金属齿轮的伺服电机。在六自由度机械臂的手腕处，我们采用与爪手处相同的伺服电机，为了能够更好地保证对工具的夹持和手腕部的回转设计，六自由度机械臂在其底座的设计上，我们选择合金压铸技艺，从而使得底座能够支撑起整个手臂的重量，保障其在运行过程中的稳定性。对于标准的伺服机而言，其主要有三条引线，分别为电源线VCC、接地线以及控制信号的传播线。 2.控制器的设计 在对六自由度机械臂的控制器的设计上，主要采用单片机作为主控制器，通
水果采摘机械手的设计 发表时间：2019-07-29T10:22:58.127Z 来源：《基层建设》2019年第14期作者：李永峰闫晓桂王光宇裴福玉 [导读] 摘要：机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。 哈尔滨远东理工学院黑龙江哈尔滨 150025 摘要：机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子轻工和原子能等部门。由于机械臂在各行各业中得到了愈来愈广泛的应用，机械臂控制的多样化、复杂化的需要也随之日趋增多。作为当今科技领域研究的一个热点，提高机械臂的控制精度、稳定性、操作灵活性对于提高其应用水平有着十分重要的意义。在原有机械手上进行PLC等设计可使机械手实现自动化定位控制丶自动化工作等。通过重新编程序可使其变成多功能机器。 关键词：采摘；机械手；水果 1、机械手的发展趋势 机械手是集机械、电子、控制、计算机、信息等多学科交叉综合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此，机械手的主要发展方向如下： 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化：由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。 机械手控制系统向基于pc机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构：大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机械手还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机械手则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制。 虚拟现实技术在机械手中的作用从仿真、预演向用于过程控制发展，如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机械手 2、设计水果采摘机械手的作用 据统计，2017年全国水果总产量（不含瓜果类，下同）达到1.82亿吨，比1978年增长26.7倍，年均增速8.9%。自1994年以来，我国水果总产量稳居世界第一。但目前存在果园人力不足、采摘效率低、有时因为采摘不及时水果坏掉、果子结在高处人工面临着高空采摘的危险等问题，而一切采摘过程目前都由人工采摘，在我国机械化的采摘目前处于空白期，即使有机械化机器的投入和使用也是个别体，且机器的投入成本往往很大，果农无法承担此高昂的成本使用该器械。 果实的采摘是一个季节性较强和劳动密集型的工作，采摘作业所用劳动力占整个生产过程所用劳动力的33% ～50%，采摘作业比较复杂，季节性很强，若使用人工采摘，不仅效率低、劳动量大，而且容易造成果实的损伤。使用采摘机械不仅提高采摘效率，而且降低了损伤率，节省了人工成本，提高了果农的经济效益。 目前而言我国是世界水果生产大国，但在果园管理程度不高（尤其是机械化采摘果品）由于人口老龄化和农村劳动力越来越少，在单调、繁重、危险的果实采摘作业上急需高效、通用、低成本的采摘技术，而智能化技术的出现和应用让人们的生活变得更加方便快捷，与传统机械臂相比，拥有智能化，仿生化等技术的机械臂操作起来更加简单方便快捷，运用起来也更加灵活多变，智能制造技术是未来先进制造技术发展的必然趋势，是抢占产业发展的制高点必胜法则。 3、水果采摘机械手的整体方案设计 为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部。考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取物件位置的不确定性，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动。按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度。 由于系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用机械传动方式。考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器（PLC）对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。 4、水果采摘机械手的设计内容 语音驱动技术：利用语音识别系统，声电转化系统，电路系统等，对采集的目标语音进行处理，将发出的声音指令进行信息化处理，最后由指令声响效果激发拾音器进行声电转换来控制用电器的开关，并经过延时后能自动断开电源，从而达到声控制动的效果。 传感技术：在机器上安装相应的传感器，使其达到预想的结果。红外传感：检测物体信息执行动作；声音传感：检测声音执行动作；倾角传感器：用倾斜角度的大小来实现对机器的旋转。 开发无人操控，将机器开发为可人为控制和自行运行模式，运用单片机编程技术，和红外传感技术，对机器进行软件编程，在无人操作下，开启自动运行，实现对果物的自行摘取。 体感技术：运用体感技术，以达到人机合一的效果。 机器驱动设计：由于工作环境不用，对机器行驶要求不同，而在果园大都为凹凸不平的土质地面，所以在驱动方面采用履带式设计，其好处在于其可以减少路况对机器行驶的限制，可以在恶劣路况下完成工作。 电源设备的改进及应用：由于产品最终投入果园进行长运作，而又要确保对环境的保护，在确保不影响环境的情况下动力的选用尤为重要，供电设备的选用也将是研究的重之重。 设备的安全性：通过对设备机体结构的设计，确保其在运行过程中能够安全稳定的工作，并要对线路的安排布置也要做出相应的措施。并要对设备加装一些应急错失和短路保护装置。 5、结束语 本次设计的机械手，相对于专用机械手，通用机械手的自由度可变，控制程序可调，因此适用面更广。动作迅速，反应灵敏，能实现过载保护，便于自动控制。工作环境适应性好，不会因环境变化影响传动及控制性能。阻力损失和泄漏较小，不会污染环境。同时成本低
水果采摘装置设计 0文献综述 0.1水果采摘实现机械化的必然趋势 在水果的生产作业中，收获采摘是整个生产中最耗时最费力的一个环节。 水果收获期间需投入的劳力约占整个种植过程的50%~70%采摘作业质量的好 坏直接影响到水果的储存、加工和销售，从而最终影响市场价格和经济效益。水果收获具有很强的时效性，属于典型的劳动密集型的工作。但是由于采摘作业环境和操作的复杂性，水果采摘的自动化程度仍然很低，目前国内水果的采摘作业基本上还是手工完成。在很多国家随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，劳动力不仅成本高，而且还越来越不容易得到，而人工收获水果所需的成本在水果的整个生产成本中所占的比例竟高达33%~50%高枝水果的采摘还带 有一定的危险性。因此实现水果收获的的机械化变得越来越迫切，发展机械化的收获技术，研究开发水果采摘机器人具有重要的意义。 研究和开发果蔬收获的智能机器人技术对于解放劳动力、提高劳动生产效率、降低生产成本、保证新鲜果蔬品质，以及满足作物生长的实时性要求等方面都有着重要的意义。采摘机器人是未来智能农业机械化的发展方向，具有广阔的应用前景。2004年11月1日颁布施行的《中华人民共和国农业机械化促进法》还明确规定国家采取措施鼓励，扶持农业机械化的发展，机械采摘取代手工作业是必然的发展趋势。 0.2国外水果机械化采摘装置研究进展及现状 水果的机械化收获技术已有40余年的研究历史。收获作业的自动化和机器人的研究始于20世纪60年代的美国，1968年美国学者Schertz和Brown首次提出应用机器人技术进行果蔬的收获，当时开发的收获机器人样机几乎都需要有人的参与，因此只能算是半自动化的收获机械。采用的收获方式主要是机械震摇式和气动震摇式，其缺点是果实易损，效率不高，特别是无法进行选择性的收获。 从20世纪80年代中期开始，随着电子技术和计算机技术的发展，特别是工业机器人技术、计算机图像处理技术和人工智能技术的日益成熟，以日本为代表的西方发达国家，包括美国、英国、法国、荷兰、以色列、西班牙等国家，都在水果采摘机
本科毕业论文（设计） ( 2014 届) 6自由度机械臂控制系统设计（软件）院系电子信息工程学院专业电子信息工程 姓名许克伟 指导教师范程华讲师 2014年4月
摘要 本文设计了一种以STC89C52单片机为主控元件的六自由度机械臂抓取系统。文中给出了系统的硬件设计方案以及各个功能原理图，同时给出了软件系统设计方法。系统实现了自动寻找目标并自动实施抓取目标且可通过PC上位机实时显示和控制机械手臂的功能，并能实现自动探测手臂与目标之间距离。在设计时，由于需要测量的距离范围从几厘米到几十厘米，针对超声波在传播时振幅呈指数衰减的特性，为了最大限度地提高驱动能力，采用对回波进行多级放大，以达到了设计要求，由于各个模块供电要求不同，电源电路模块通过稳压芯片输出7.2V、5V和3.3V电压。软件主要分为超声波距离测量模块和无线通信模块、数据处理模块这三大模块。软件的这种“自顶向下”的模块化软件编程方法，能使软件的结构更清晰，并有利于软件的调试和修改。经过调试，达到能够实现自动抓取目标和手动控制抓取目标功能。 关键词：超声波；VB上位机；六自由度机械手臂；STC89C52
This paper designs a mechanical arm whose main control component is STC89C52 single-chip microcomputer and based on the six degrees of freedom to control scraping system. Hardware design scheme of the system and each functional machine schematic diagram are also given in this paper , software program design method is given at the same time, the system realizes the automatic searching target and the implementation of automatic grab and real-time display by PC ,and realizes the function of controlling mechanical arm, and can realize to automatically detect the distance between the arm and target, then implement real-time display on the upper machine. .When designing, due to the distance need to measure ranges from several centimeters to tens of centimeters, aiming at the characteristics of ultrasonic wave amplitude decay exponentially in transmission, in order to develop the drive ability maximally, the echo multistage amplifier is be adopted. Due to the different requirements for each module power supply, in order to achieve the design requirements, power supply circuit module output voltage 7.2V, 5V and 3.3V through the voltage regulator chip. The software is mainly divided into three modules : the ultrasonic distance measuring module and wireless communication module, data processing module. The "top-down" modular software programming method of software can make the software structure more clearly, and benefit in the debugging and modification of software. After debugging, it can realize the function of grabbing the target though automatically add manually control. Key words: Ultrasonic wave;VB;Six degrees of freedom robotic arm;STC89C52
水果采摘机械手的设计 摘要：机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物 件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自 动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、 电子轻工和原子能等部门。由于机械臂在各行各业中得到了愈来愈广泛的应用， 机械臂控制的多样化、复杂化的需要也随之日趋增多。作为当今科技领域研究的 一个热点，提高机械臂的控制精度、稳定性、操作灵活性对于提高其应用水平有 着十分重要的意义。在原有机械手上进行PLC等设计可使机械手实现自动化定位 控制丶自动化工作等。通过重新编程序可使其变成多功能机器。 关键词：采摘；机械手；水果 1、机械手的发展趋势 机械手是集机械、电子、控制、计算机、信息等多学科交叉综合，它的发展 和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此，机械手的主要发展方向如下：机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、 检测系统三位一体化：由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外 已有模块化装配机器人产品问市。 机械手控制系统向基于pc机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构：大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感 器外，装配、焊接机械手还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机械手则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制。 虚拟现实技术在机械手中的作用从仿真、预演向用于过程控制发展，如使遥 控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机械手 2、设计水果采摘机械手的作用 据统计，2017年全国水果总产量（不含瓜果类，下同）达到1.82亿吨，比1978年增长26.7倍，年均增速8.9%。自1994年以来，我国水果总产量稳居世界第一。但目前存在果园人力不足、采摘效率低、有时因为采摘不及时水果坏掉、 果子结在高处人工面临着高空采摘的危险等问题，而一切采摘过程目前都由人工 采摘，在我国机械化的采摘目前处于空白期，即使有机械化机器的投入和使用也 是个别体，且机器的投入成本往往很大，果农无法承担此高昂的成本使用该器械。 果实的采摘是一个季节性较强和劳动密集型的工作，采摘作业所用劳动力占 整个生产过程所用劳动力的33% ～50%，采摘作业比较复杂，季节性很强，若使 用人工采摘，不仅效率低、劳动量大，而且容易造成果实的损伤。使用采摘机械 不仅提高采摘效率，而且降低了损伤率，节省了人工成本，提高了果农的经济效益。 目前而言我国是世界水果生产大国，但在果园管理程度不高（尤其是机械化 采摘果品）由于人口老龄化和农村劳动力越来越少，在单调、繁重、危险的果实 采摘作业上急需高效、通用、低成本的采摘技术，而智能化技术的出现和应用让 人们的生活变得更加方便快捷，与传统机械臂相比，拥有智能化，仿生化等技术 的机械臂操作起来更加简单方便快捷，运用起来也更加灵活多变，智能制造技术 是未来先进制造技术发展的必然趋势，是抢占产业发展的制高点必胜法则。 3、水果采摘机械手的整体方案设计
单片机六自由度机械手控制程序 #include
void init(void); void EXT1_INT(void) { EX1=1; IT1=1; EA=1; } void EXT0_INT() { EX0=1; IT0=1; EA=1; } void EXT1_INT_SRV() interrupt 2 { i++; } //主程序 void main() { while(1) {if(k1==0) {reservo();//电机复位程序break;} } EXT1_INT();//中断初始化 if(i!=0&&i%6==0)
六自由度机器人结构设计、 运动学分析及仿真 学科：机电一体化 姓名：袁杰 指导老师：鹿毅 答辩日期： 2012.6 摘要 近二十年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获 得应用。我国在机器人的研究和应用方面与工业化国家相比还有一定的差距，因此 研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人、推广机器人的应用是有现实意义 的。 典型的工业机器人例如焊接机器人、喷漆机器人、装配机器人等大多是固定在 生产线或加工设备旁边作业的，本论文作者在参考大量文献资料的基础上，结合项 目的要求，设计了一种小型的、固定在AGV 上以实现移动的六自由度串联机器人。 首先，作者针对机器人的设计要求提出了多个方案，对其进行分析比较，选择
其中最优的方案进行了结构设计；同时进行了运动学分析，用D-H 方法建立了坐标变换矩阵，推算了运动方程的正、逆解；用矢量积法推导了速度雅可比矩阵，并计算了包括腕点在内的一些点的位移和速度；然后借助坐标变换矩阵进行工作空间分析，作出了实际工作空间的轴剖面。这些工作为移动式机器人的结构设计、动力学分析和运动控制提供了依据。最后用ADAMS 软件进行了机器人手臂的运动学仿真，并对其结果进行了分析，对在机械设计中使用虚拟样机技术做了尝试，积累了 经验。 第1 章绪论 1.1 我国机器人研究现状 机器人是一种能够进行编程，并在自动控制下执行某种操作或移动 作业任务的机械装置。 机器人技术综合了机械工程、电子工程、计算机技术、自动控制及 人工智能等多种科学的最新研究成果，是机电一体化技术的典型代表，是当代科技发展最活跃的领域。机器人的研究、制造和应用正受到越来越多的国家的重视。近十几年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获得应用。 我国是从 20 世纪80 年代开始涉足机器人领域的研究和应用的。1986年，我国开展了“七五”机器人攻关计划。1987 年，我国的“863”计划将机器人方面的研究列入其中。目前，我国从事机器人的应用开发的主要是高校和有关科研院所。最初我国在机器人技术方面的主要
一种小型高空电动水果采摘机械手装置设计 发表时间：2018-10-17T09:46:53.860Z 来源：《基层建设》2018年第27期作者：祝怀志沈璐鹏叶国江 [导读] 摘要：水果采摘机器人在我国起步晚、发展缓慢，没有系统的方法用以设计采摘机械手，本文根据柑橘生产活动中完成果实采摘整个过程的的具体条件，首先运用所学知识进行机构尺寸的设计；然后创新设计内嵌式关节采摘机械手所有零部件的具体合理尺寸；接着根据机械手的工作方式选择合理的连接方式并通过创建合理约束完成机械手的装配。 衢州职业技术学院浙江衢州 324000 摘要：水果采摘机器人在我国起步晚、发展缓慢，没有系统的方法用以设计采摘机械手，本文根据柑橘生产活动中完成果实采摘整个过程的的具体条件，首先运用所学知识进行机构尺寸的设计；然后创新设计内嵌式关节采摘机械手所有零部件的具体合理尺寸；接着根据机械手的工作方式选择合理的连接方式并通过创建合理约束完成机械手的装配。 关键词：柑橘采摘机械手；内嵌式关节；机械设计 1.引言 近年来，随着全球经济的发展，果蔬供应需求日益增大。作为一个多类型果蔬生产的大国，果蔬的生产对全国的农业乃至国家的经济发展有着不过或缺的重要作用。为了适应时代的需求，在国家的鼓励号召下，全国大部分的果蔬生产已经成功进行了转型，由原来的小型散户种植变成了更加科学化，规模化，可控化的果蔬种植园，而全国果蔬的生产总量也得到了量和质的突破。可是相对经营方式的成功转型，在果蔬生产活动中，几乎占整个生产活动工作量的80%消耗于水果采摘过程，在很大程度的扼制着全国果蔬经济的发展。大量人力资源的投入不仅生产率没得到保障，就连生产质量也是不尽人意，而且艰苦的工作条件常使采摘人员工作中图中发生意外，导致人员受伤。为了提高果蔬采摘的效率，解放劳动力，保证水果采摘的质量，设计一款轻巧，灵便，满足工作条件的水果采摘机械手变得迫切且意义重大。 2.机械手设计 机械手是人们为了完成某些特定的生产活动，通过观察人类手臂的移动和手掌的抓举仿生设计出来的可控的机械系统，其一般包括由实现灵活移动的移动机构（手臂）和实现最终生产活动的执行末端（手掌）组成。机械手的灵活程度在很大程度上取决于机械手的自由度数和控制系统。自由度越多的机械手一般运动起来更加的灵活，人类的整个手部就是一个具有二十多个自由度的精巧结构。不过自由度越多，机械手控制起来就会变得越复杂，而人类之所以能够灵活的使用自己的手，是因为有上亿神经系统的精密控制。所以在设计机械手时，合理的选择机械手的自由度和完善控制系将决定它最终的成败。 2.1柑橘采摘机械手的系统构成 为了实现柑橘果实采摘活动，并在满足工作条件的情况下有尽可能大的工作空间，机械手必须满足俯仰，旋转等运动，所以机械手必须是多自由度的。图1为其简易结构示意图。 图1结构示意图 在图2-1中，1是控制计算机；2是底座；3是腰部；4是大臂；5是小臂。在采摘过程中，机械手在伺服电机的带动下，通过腰部的旋转，大小臂的俯仰将机械手的末端定位到所需要采摘的柑橘位置，然后通过末端的执行机构实现果实的采摘。 2.2 柑橘采摘机械手的材料选定 在柑橘采摘的整个生产活动中，由于机械臂并不需要受很大的力，为了更好的适应复杂的果园环境整体机构尽量灵巧轻便，另外考虑到制造的成本问题，综上几点，选择密度相对较低，但强度较高的铝合金为制造机械手的材料。以下是几种型号铝合金的性能参数表1。表1 铝合金性能参数表 为了满足机械臂对强度的要求以及尽可能的是机械手轻巧，优先选牌号为6061的铝合金作为机械手的材料。 2.3 基于果园环境的机械手CAD模拟 模拟原则：假设机械手是安装在履带式的行走机构上，在采摘过程中，当行走机构带着机械手靠近果树边沿时，要使机械手能成功采摘到果树上的所有成熟果实，在腰部旋转机构固定时，必须使其工作空间能够覆盖其半剖面，如图2。 2.4 机械手关节处伺服电机 设计一种将伺服电机内嵌于关节内部的机械手，不仅可以大幅减小机械手的体积使机械手整体看起来更加小巧精简，而且可以避免外
小型六自由度的工业机械手的控制设计 1、系统设计目的及意义 工业机器人，又称机械臂，在现代化工业生产中正发挥着越来越重要的作用，它被广泛应用到流水生产线上，代替人类从事焊接、喷涂、搬运等许多较繁重的劳动，这不仅大大提高了生产效率，同时也极大地提高了产品的加工精度和产品质量。随着时代的进步，机器臂技术的应用越来越普及，已逐渐渗透到军事、航天、医疗、日常生活及教育娱乐等各个领域，可以说工业机器人的应用对现代工业的发展起到了巨大的推动作用。 论文围绕哈尔滨工程大学自动化学院学生创新实验室购买的教学用小型六自由度机械臂，完成对其关节控制系统的设计开发，开发内容包括硬件系统和软件系统。从而使其能够达到一定的控制精度，为后续的控制算法的研究提供一个完整的平台。 2、主要研究内容 论文的主要内容包括：对机械臂结构的改进、安装合适的控制系统、数学建模、运动学分析，轨迹规划研究、控制算法研究和三维仿真研究等部分。 图2.1 机械臂系统研究内容图 2.1、机械臂结构改造 创新实验室购买的教学用六自由度机械臂存在以下两个明显不足，需要对其
进行较大的改动： （1）原机械臂包括爪子在内共六个自由度，实际上爪子是机械臂的末端执行器，它不影响位置和姿态，不能作为一个独立自由度； （2）原机械臂的关节执行器使用的是6个舵机，各关节处没有任何反馈装置，只能做简单开环控制，生产厂家的技术人员证实了这一点。为了完成本次论文的立题要求，需要至少在一个关节上做成闭环控制。 针对以上两点不足，在不破坏机械臂的前提下，作者对机械臂的结构和控制部分做了以下相应改动： （1）去掉爪部关节，另外增加两个关节，使机械臂达到六个自由度，同时利于建立其数学模型； （2）将底座舵机换成直流减速电机，增加一定的机械结构来安装角度反馈装置，从而使机械臂能够完成一定的闭环控制，满足论文的立题要求。 图2.2改装后的六自由度机械臂实物图 2.2、数学建模 六自由度链式(6R)机器臂是具有六个关节的空间机构，为描述末端执行器在空间的位置和姿态，可以在每个关节上建立一个坐标系，利用坐标系之间的关系来描述末端执行器的位置。一般采用Denavit-HartenBerg法(D-H法)建立坐标系并推导机械臂的运动方程。D-H法是1995年由Denavit和HartenBerg提出的一种建立相对位姿的矩阵方法。利用齐次变换描述各个连杆相对于固定参考坐标系的空间几何关系，用一个4×4的齐次变换矩阵描述相邻两连杆的空间关系，从而推导出末端执行器坐标系相对于基坐标系的等价齐次坐标变换矩阵，建立机械臂的运动方程。依据D-H法，相邻两坐标系之间的关系表示为：
6自由度机械手 控制手册 版本：V1 YFROBOT 2015年10月23日
1、了解机械手 (3) 1.1机械手 (3) 1.26自由度机械手简介 (3) 2、机械手安装 (3) 2.16自由度机械手安装 (3) 3、硬件选择 (4) 3.1材料准备与介绍 (4) 3.2材料组合方式选择 (6) 4、连接与调试 (7) 4.1方式1连接与调试 (7) 4.2方式2连接与调试 (8) 4.3方式3连接与调试 (9) 4.4方式4连接与调试 (10) 5、总结 (12)
1、了解机械手 1.1机械手 机械手是能模仿人手和臂的动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它主要主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。它可以代替人从事繁重的危险的重复的劳动，即提高了生产效率，又能更好的保证人的安全，所以在工业生产中被广泛应用。 1.26自由度机械手简介 我们这里的机械手仅用于学习与娱乐，不能和工业机械手相提并论的！ 下面我们简单介绍下我们的机械手组成部分：1、执行部分-机械手支架2、驱动部分-伺服舵机3、控制部分-控制板或舵机控制器或控制板+舵机控制器4、电源部分-驱动伺服电源+控制部分电源。 2、机械手安装 2.16自由度机械手安装 用户根据购买的机械手类型，选择文档查看：6自由度机械手控制手册V1\机械手安装。 1、圆盘底座6自由度机械手安装 2、非圆盘底座6自由度机械手安装 ①② 安装提示：安装过程中注意舵机轴的位置，尽量保持轴在中间位置也就是90度左右，这样可以减少后期的拆卸重装的步骤！
3、硬件选择 3.1材料准备与介绍 玩一个6自由度机械手，需要的材料： □6自由度机械手支架（必备） □6个伺服舵机（必备、可选DS3115or996） □电源（必备） □控制板、舵机控制器（选择） □遥控部分-PS2手柄（可选） 3.1.1机械手支架 这里支架就是个机械结构，主体支架都是金属材质的非常可靠。 3.1.2舵机 舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成，可以根据脉冲信号，精确控制旋转角度。 它需要一个20ms的脉冲信号，其中高电平部分范围一般为0.5ms~2.5ms，间隔2ms，对应舵机旋转角度，如图：