基于六自由度机械臂的水果采摘装置设计

简易实用的水果采集杆本案例荣获全国大学生机械工程创新设计大赛一等奖1.设计目的在水果的生产作业中，收获采集是最耗时费力的一个环节。

水果收获期间需投入的劳力约占整个种植过程的70%。

采集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。

水果收获采集具有很强的时效性，属于典型的劳动密集型的工作。

但是，由于采集作业环境和操作的复杂性，目前水果采集的自动化程度仍然很低，国内水果的采集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，而且越来越不容易得到，而人工釆集水果所需的成本在水果的整个生产成本中所占的比例高达50%。

高枝水果的米集还带有一定的危险性。

因此实现水果采集的机械化变得越来越迫切，发展技术、研究开发水果采集器具有重要的意义。

目前大多果园和农场釆集水果，例如苹果、梨、橘子、桃子、柠檬、石榴等,都是采用人工采集的方式。

由于这些长在树上的水果比人的身高要高一些，因此需要耗费大量的人力成本，且存在一定的安全隐患。

我们设计的水果采集杆可以轻松地采集到高处的水果，极大地减小了人的劳动强度，提升了工作效率，而且可以让没有足够经验的人也能体验农事。

本作品的意义主要有以下几点：(1)提供在地面方便地采集高处的水果的可能性。

(2)降低果农采集水果的劳动成本和劳动强度，同时提升他们的劳动效率。

(3)我们设计的新型水果采集杆有一定的趣味性，可以帮助生活在城市的人们更加简便地参与农事，体验自然的乐趣，增加人与自然的融合。

2.工作原理我们的采集器建立在一根长1. 17 m的杆上，按下R13-507 16MM自复位不自锁按钮点动开关，将电动机的电信号传入导线；导线接入K601型可充电聚合物锂电池，将电池中的能量释放在775扁桃D型削边轴电动机上，使它满负荷运转；电动机与高速钢刀片用一根轴连接，带动高速钢刀片高速切割被月牙形底座精准卡入的藤蔓。

水果顺势掉入用高弹力网制作的采集器里。

一种全自动可避障蜜桃采摘机的设计作者：刘磊刘恩林王春森来源：《农机使用与维修》2017年第10期摘要：研发了一种全自动可避障蜜桃采摘机，该装置包括机械系统、动力系统和视觉识别系统。

机械系统由六轮虾形可避障底盘、六自由度机械臂和防蜜桃损伤机械手构成。

动力系统包括电动机汽缸和皮带等动力机构构成。

视觉识别系统包括光学相机、红外热像仪和双目式摄像头构成。

机器依靠其特殊的六轮虾形可避障底盘可以在崎岖的地形进行工作。

通过机械臂与机械手的相互协调配合，其特有的视觉识别系统可以完全代替人类对蜜桃实现全自动采摘，大大节省了劳动力，其本身具有良好的创新性和发展性。

关键词：全自动；避障；蜜桃采摘；机械臂；创新性中图分类号：S22593文献标识码：Adoi：10.14031/ki.njwx.2017.10.0090引言在果蔬生产作业中，收获采摘约占整个作业量的40%。

采摘作业质量的好坏直接影响到果蔬的储存、加工和销售，从而最终影响市场价格和经济效益[1]。

国内的采摘机器人的起步较晚，与国外发达国家的水平还有一定的差距，亟需我们学习国外先进的设计思想与技术，创造出适合于我国发展的果蔬采摘机械。

蜜桃的主要经济栽培区在华东华北各省市，较为集中的地区有山东蒙阴、肥城、青岛、河南开封、商水、河北遵化、深县等。

这些地区的地形多以低缓的丘陵，起伏的山岭为主，为桃树的生长提供了有利的地形条件，同时，也为蜜桃成熟时的采摘带来了极大的不便。

目前，蜜桃的采摘大多以人工采摘为主，而且蜜桃的成熟期很短，在成熟时如果不能及时采摘，容易导致其掉落、腐烂，造成果农的经济损失，所以在采摘时劳动强度大，但效率不高。

现在市场上还没有完全可以克服崎岖地形、可越障、自动采摘蜜桃的机器。

为了提高果农的经济效益、降低果农的劳动强度与生产成本，研发高效、安全、经济实用的多功能山地果园机械对我国的农林产业结构调整具有重大意义[2]。

1整体结构及其工作原理一种全自动可避障蜜桃采摘机的整体结构包括六轮虾形底盘部分、六自由度机械臂部分、采摘机械手部分、视觉识别部分、动力传输部分。

式中，i x代表的是第图1 采摘机器人结构图采摘机器人采用无线信号控制，底部承重平台上置有一个控电柜，内部包含主控器、信号接收器、信号发射器等，在六自由度承重平台下方焊接一圈圆形导轨，并在其上方安装可绕导轨环形运动的移动摄像头，摄像头可向上仰角20°，向下俯角60°，带有三关节，实现可自由旋转360°。

在机器人工作期间，可通过手机配合手柄控制车体运动方向，末端执行器上装有颜色识别传感器和微型超高清摄像头，首先，通过摄像头获取苹果位姿图像，提信息判断采摘对象是否成熟；其次，利用红外传感器获取苹果是否在抓手可采摘范围信息；最后，通过～700mm，不考虑物体之间的阻尼与摩擦等因素，模型材料统一设定为大减少了计算量，但对计算结果未产生本质影响；（3）为提高运算速度，计算的迭代次数等需要修改配置。

主要部件的结构与强度校核六自由度平台瞬态结构校核六自由度运动平台由承载底盘、十字虎克铰、电动缸、气缸、顶部承接台、多边形承载架等组成，本小节主要对承载底盘进行结构分析。

在Workbench行瞬态结构校核，需先进行模型简化，并将其转为求解阶段，首先删除所有接触关系，将结构设定为几个主要连接副，如图3为底部承载平台接触设计总图。

图3 底部承载平台接触设定总图此模型要求在Mechanical中实现姿态控制与运动，因此需给电缸一个位移分量，而Mechanical中只有轴可以实现位移，故在设定电缸与气缸的平移运动副时考虑将电缸及气缸的行程推杆组成全局坐标系，使得轴正方向指向电缸杆的伸出方向，以避免后续求解过程中出现位移方向不合理的情况。

通过分析，求解部分收敛性能良好，在其求解完成总图中，收敛力和标准力均符合要求。

图4 总变形云图由图4可知，在此设定状态下，底部承载平台模图5 总变形云图本文首先对苹果采摘机器人六自由度平台进行运动学分析，验证了模型设计的科学性和合理性，其次对行走机构、末端执行机构进行结构及强度校核，结果分析表明，机械结构合理有效。

基于自动控制技术的多手臂水果采摘装置的设计赵东辉;张慧【摘要】With labor cost increase and forestry operations to improve the degree of automation , in the future will gradual-ly adopt the automatic picking device to pick fruit .This paper discusses the design process of intelligent mobile platform , five axis manipulator , end effector ,electrical control device which belong to the automatic fruit picking device which with many arms .The device mainly uses CAD/CAE software to design and analysis , improve the design efficiency , feasibility and scientific .The unit is designed with four arms , which can pick the fruit at the same time , so the efficiency of picking manipulator is greatly improved , and is installed with a visual sensor , pressure sensor , position sensor in the manipula-tor , and the finger stress analysis was made .A crawler type walking mechanism is adopted on the device , which can a-dapt to various complicated road , the device is installed in the automatic navigation system and visual identity system , can accurately locate the position and pick fruit .In addition, the application of S7-200 model of PLC and pneumatic technology is used in the picking device , so that the overall structure is compact and more stable .%随着人力劳动成本及农林作业自动化程度的提高，在未来的水果采摘作业中将逐步采用自动化采摘设备。

水果采摘机械手装置设计与仿真摘要近年来，随着全国经济的持续发展，人们对果蔬的需求越来越大。

在我国的果蔬生产中，柑橘生产所的占比重日益增大。

而在整个柑橘生产活动中，柑橘的采摘所占的工作量十分巨大。

除此之外，水果采摘质量的好坏还将直接影响到水果的保鲜储藏，运输配送等后续工作，并最终将严重影响到经济效益。

如果继续延续原始的手工采摘，不仅工作环境十分的艰苦，效率低下，而且水果采摘质量也得不到保障，更甚至时有采摘工作者在采摘过程中因为环境的复杂不小心从树上摔下而受伤的事故发生。

为了适应当代果蔬经济的发展，设计一种多自由度，满足工作空间的小型柑橘采摘机械手对实现农业自动化和提高经济效益具有重要意义。

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；再按照设计的零件图通过Pro/E三维造型出机械手的所有零部件；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；最后通过选用Pro/E 中的机构模式，经过旋转轴的自定义，伺服电机的添加，定义初始条件等完成机械手的运动仿真。

关键词：柑橘采摘机械手，内嵌式关节，Pro/E三维造型，运动仿真AbstractIn recent years, with the continuous development of economy, the proportion of citrus production in fruit and vegetable production is growing in our country. In the entire citrus production activities, the workload of citrus picking is very big. What’s more, the quality of fruit picking will directly affect the fruit storage, transportation and other follow-up work ,which eventually has serious influence on the economic benefit. If we continue to use the original manual picking, not only working environment is very difficult, working inefficient, but also the quality of fruit picking is not guaranteed .what’s worse, the fruit picking workers maybe fell from the trees and injured accidentally because the environment is very complex in the process of picking . In order to adapt to the development of contemporary economic fruit and vegetable, it is of great significance to agricultural automation realized and improving the economic benefit that designing a kind of small citrus picking manipulator with the features of multi-degree of freedom and satisfied the working space.According to the specific conditions of the whole process of fruit picking in citrus production activities, at first ,using the acquired knowledge to creatively design all parts of embedded citrus picking manipulator joints with reasonable size. Then according to the design of the part drawing shapes all parts of the manipulator through the Pro/E 3d modeling software. Next choosing the reasonable connection according to the workings of a manipulator and creating a reasonable constraint to complete the assembly of the manipulator. Finally ,through choosing mechanism model in Pro/E, after the axis of rotation of the custom, the adding of the servo motor and defined the initial conditions to complete the motion simulation of the manipulator.Keywords: citrus picking manipulator, embedded joints, Pro/E 3d modeling , motion simulation第一章绪论 (1)1.1前言 (1)1.2机械手的介绍 (1)1.3水果采摘机械手研究概况 (1)1.3.1 国外机械手的研究概况 (1)1.3.2 国内机械手研究概况 (3)1.4目的和意义 (3)第二章柑橘采摘机械手的结构设计 (5)2.1柑橘采摘机械手的系统构成 (5)2.2柑橘采摘机械手的材料选定 (5)2.3机械手大小臂长度的确定 (6)2.3.1 机械手大小臂长度的确定 (6)2.3.2 基于果园环境的机械手CAD模拟 (6)2.4机械手关节处伺服电机内嵌式创新 (8)2.5电机的选定 (8)2.5.1 电机种类的选择选择发 (8)2.5.2 电机规格的选择 (9)2.6机械臂尺寸的设计 (12)2.6.1 机械手的结构设计 (12)2.6.2 机械手各个零件的尺寸设计 (12)第三章三自由度机械手的三维造型 (14)3.1机械手大臂的三维造型。

DOI：10.16660/ki.1674-098X.2019.20.102基于六自由度机械臂的水果采摘装置设计杨絮 牛亚琼 张璟言 李家伟 李梦瑶 武泽锋(长春理工大学电子信息工程学院 吉林长春 130000)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 模糊控制中图分类号：S225.93 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2019)07(b)-0102-02随着人口指数增长，对自然资源的需求增大。

传统农业的生产力日益供给不上这种需求，而且对自然的负担也是指数增长。

为了缓解这种矛盾，最优最大化利用自然资源并且将人类从繁重的体力劳动中解放出来，科学界提出了现代化农业的构想，集中生产，智能生产随着今年来人工智能技术的进步，智能机器人在各个方面都有表现，而将机器人运用于农业也是一种极佳的方案，目前为止，应用于农业的机器人还不够普及，于是我们想制作一款可以推广普及的农业机器人。

1 总体装置设计本智能农业机器人由stm32f407zet6单片机为核心控制器，六自由度机械臂作为执行机构，通过摄像头捕获的图像实时进行处理并反馈水果的空间坐标位置，通过模糊PID 实现对水果的精准抓取。

系统组成结构图如图1所示。

2 六自由度机械臂数学模型的建立机械手臂的连杆和关节用D－H模型进行建模。

为了简化水果采摘机械臂的三维运动，去掉了下方云台的旋转关节，这样就可以在二维的平面上进行运动学分析[1]。

如图2所示时机械臂的几何表示，下面我们将运用几何的方法对其进行分析。

根据上面的图示列出如下方程：其中α=θ0+θ1-θ2令解得：通过同样的方法可以求得θ1和θ2，这样就完成通过末端执行器P 3的位姿的逆运动计算，显然最后有两个正确的解，根据图2的虚线部分可以看出，我们选取虚线部分得解，使得每个关节受力都可以小一些。

基于ATmega16的六自由度果实采摘机械手控制系统的设计的开题报告一、选题背景及研究意义随着农业自动化技术的发展，自动化采摘技术的应用得到了广泛关注。

机械手作为自动化采摘技术中的重要组成部分，具有操作精度高、速度快、效率高等优点，越来越受到人们的青睐。

在果实采摘过程中，机械手需要具备较高的运动精度和灵活性来完成采摘操作。

因此，控制系统的设计对机械手的准确性和稳定性起着至关重要的作用。

本文针对果实采摘机械手控制系统的设计问题展开研究，以ATmega16为控制芯片，设计出一套完整的六自由度机械手控制系统，为实现果实的高效采摘提供技术支持。

二、研究内容与目标本文旨在设计一种基于ATmega16的六自由度机械手控制系统，具体研究内容包括以下几个方面：1.硬件设计：根据机械手的结构和控制要求，设计出合适的硬件电路，包括电机控制、传感器接口等。

2.软件设计：结合机械手的运动特点和控制需求，设计出合适的控制算法和程序，并用C语言进行编写和调试。

3.系统集成：将硬件和软件进行集成，进行综合测试和调试，并对机械手的性能进行评估和优化。

本文的最终目标是设计出一套稳定、高效、具有实用性的果实采摘机械手控制系统，为果实采摘自动化提供技术支持。

三、研究方法和步骤本文的研究方法和步骤如下：1.研究机械手的结构和运动学原理。

2.根据机械手的特点和控制需求，进行硬件和软件设计。

3.进行系统的集成和测试，对机械手的性能进行评估和优化。

4.完成论文撰写和答辩。

四、论文结构和进度安排本文的章节安排如下：第一章：绪论1.1研究背景和意义1.2研究现状和发展趋势1.3研究内容和目标1.4研究方法和步骤1.5论文结构第二章：机械手结构设计2.1机械手结构原理2.2机械手组成部分的设计2.3机械手运动学分析2.4机械手动力学分析第三章：控制系统设计3.1硬件设计3.2软件设计3.3通信协议设计第四章：系统测试与分析4.1测试流程及测试数据分析4.2系统性能评估第五章：性能优化与实验分析5.1系统性能瓶颈分析5.2性能提升技术5.3实验分析第六章：总结与展望6.1研究总结6.2研究展望进度安排：2021年3月-2021年6月：机械手结构设计；2021年7月-2021年10月：控制系统设计；2021年11月-2022年2月：系统测试与分析；2022年3月-2022年6月：性能优化与实验分析；2022年7月-2022年10月：论文撰写和答辩准备。

果实采摘机械手的结构设计及工作能力研究陈艳艳;申东东【摘要】随着社会经济水平的不断提高，我国农林业取得长足发展，果农在种植水果时开始逐渐引进机械化、自动化设备，以提高种植效率。

传统收获时果农最为繁忙的季节就是成熟季，果农常需要花费大量人工采摘果实，不仅效率低，且有一定危险性，采摘机器人便在这样的背景下诞生了。

为此，针对采摘机器人的工作原理、工作空间，结合采摘作业实际需求，进行采摘机械手的结构设计及工作能力评价，旨在为相关产业发展提供理论依据。

%With the continuous development of social economy, agriculture and forestry in China achieved rapid develop-ment, growers in fruit planting began the gradual introduction of mechanization and automation equipment to improve the efficiency of planting. The traditional out of date harvest is mainly started by artificial operation. The busy season is fruit ripening season planting fruit trees consequences of agricultural, farmers often need to spend a lot of artificial cost picking fruit. Hand picking is not only a low success rate, and there is a certain risk, mechanical picking to replace artificial picking has become an important driving force for fruit market development, the robot is born in this context of the picking robot. Picking robot research mainly from its working principle, working space combined with the actual demand of picking operation. Through the picking robot can effectively reduce the uncertainty of artificial operation, and funda-mentally improve the fruit picking efficiency. In this paper, the structure design and work ability offruit picking manipu-lator is studied, which provides theoretical basis for the development of related industries.【期刊名称】《农机化研究》【年(卷),期】2017(039)010【总页数】4页(P137-140)【关键词】果实采摘机械手;结构设计;工作能力【作者】陈艳艳;申东东【作者单位】鹤壁职业技术学院机电工程学院，河南鹤壁 458030;鹤壁职业技术学院机电工程学院，河南鹤壁 458030【正文语种】中文【中图分类】S225.93随着我国农业发展规模的不断壮大，对相关技术多样化、精准化、高效化的要求更为迫切，农业开始逐渐实现机械化及智能化。