柑橘收获机器人末端执行器的设计和优化

一种柑橘采摘器的研究与设计柑橘是我国重要的经济作物之一，采摘柑橘是一个重要的经济环节。

目前，柑橘采摘工作主要依靠劳动力完成，但是，手摘柑橘效率低，成本高。

针对这个问题，本文研究设计了一种柑橘采摘器。

一、采摘器的原理柑橘采摘器的主要原理是利用机械装置将柑橘从树上摘下。

具体来说，采摘器由机械臂、抓握器、电机和电控系统等组成。

机械臂是采摘器的主要部件，它通过电机带动，在树冠上移动，把柑橘握住并摘下来。

抓握器是机械臂上的关键部件，它能够自动调整形状，根据柑橘的大小和形状自动抓握。

电控系统用于控制机械臂的运动和抓握器的开合，实现对柑橘的准确抓取。

1. 机械臂设计机械臂是采摘器的核心部件，其设计应考虑以下因素：① 移动速度：机械臂的移动速度应当适中，能够满足快速采摘和准确移动的需求。

② 移动距离：机械臂的移动距离应足够长，能够覆盖整个树冠。

同时，机械臂应当灵活，能够自由活动，避开障碍物。

③ 载重能力：机械臂需要承载抓握器和电机等部件，需要具有足够的承重能力。

2. 抓握器设计抓握器是机械臂的末端部件，负责抓取和摘取柑橘。

考虑到不同大小和形状的柑橘，抓握器应该具有一定的自适应性，能够自动调整大小和形状。

3. 电机控制系统设计电机是采摘器的核心动力，它通过带动机械臂和抓握器进行精准的柑橘采摘。

电机控制系统必须具备稳定和精确的动力输出，可以实现机械臂的迅速移动和抓握器的准确开合。

三、采摘器性能测试在设计完成后，我们进行了性能测试。

我们先在实验室进行了机械臂和抓握器的轨迹测试和精度测试，测试结果表明，机械臂和抓握器的运动速度和精度都符号要求。

接着，我们进行了野外试验，采集了一定数量的柑橘样本，并对采摘效率和采摘质量进行了测试。

结果表明，由于机械臂和抓握器的精准性和自适应性，采摘效率和采摘质量都得到了显著的提高。

四、未来展望本文研发的柑橘采摘器具有高效、稳定、精准和自适应性等优点，能够提高柑橘采摘的效率和质量。

未来，我们将进一步探索智能化和自动化采摘技术，利用计算机视觉和机器学习等技术，开发更加高效和智能的柑橘采摘器，为柑橘种植业高效生产提供技术支持。

面向机器人柑橘采摘的控制系统设计与试验在现代农业领域，随着科技的不断进步，机器人技术被广泛应用于农作物的种植和采摘过程中。

其中，面向机器人柑橘采摘的控制系统设计与试验，旨在提高采摘效率、降低劳动成本，并确保柑橘的品质与产量。

本文将介绍针对机器人柑橘采摘的控制系统的设计原则、组成部分以及设计过程中的试验验证。

一、控制系统设计原则面向机器人柑橘采摘的控制系统设计，需要遵循以下原则：1. 自动化控制：控制系统应具备自主决策和执行操作的能力，能够根据柑橘的生长状态和位置信息，自动进行采摘动作。

2. 安全可靠性：控制系统应具备安全保护机制，防止机器人在采摘过程中发生意外。

同时，控制系统的可靠性也是保证采摘质量的关键。

3. 精准灵活性：控制系统应能够实现对柑橘的精准定位和采摘动作，能够适应不同大小、形状、位置的柑橘，并在采摘过程中具备一定的灵活性。

二、控制系统组成部分面向机器人柑橘采摘的控制系统主要由以下组成部分构成：1. 传感器：通过传感器获取柑橘的成熟度、大小、形状以及位置信息，传感器类型包括视觉传感器、激光传感器等。

2. 运动控制模块：根据传感器获取的信息，控制机器人的运动轨迹和速度，确保机器人能够准确到达柑橘的位置。

3. 机械臂控制模块：控制机器人的机械臂实现精准的抓取和采摘动作，包括机械臂运动轨迹规划和力控制等。

4. 决策与执行模块：根据传感器信息和预设的采摘策略，进行决策并执行相应的操作，例如选择采摘路径、抓取柑橘等。

三、控制系统设计与试验面向机器人柑橘采摘的控制系统设计需要经过多次试验验证，以保证其性能和稳定性。

1. 室内试验：在实验室环境中，通过搭建仿真平台和真实柑橘样本，进行控制算法和机器人动作的验证。

通过对不同成熟度、大小、形状的柑橘进行观察和测试，评估机器人的采摘准确度和效率。

2. 外部环境试验：在柑橘种植园等实际采摘场地中，进行控制系统的实地试验，验证其在真实环境下的适应性和稳定性。

一种水果采摘机器人末端执行器一种水果采摘机器人的末端执行器随着科技的不断进步，机器人技术正在越来越广泛地应用于各种领域。

其中，水果采摘领域也不例外。

水果采摘机器人的末端执行器是实现采摘水果的关键部分，它能够通过精确的操作，快速、高效地完成水果采摘任务。

一、末端执行器的设计水果采摘机器人的末端执行器一般采用机械手或机器人手臂的设计。

它通常由多个关节组成，具有高度的灵活性和操作性。

末端执行器可以通过感应器来感知水果的位置和形状，并通过复杂的算法来确定最佳的采摘路径。

二、末端执行器的操作流程1、感应水果：末端执行器使用感应器来探测水果的位置和形状。

这些感应器可以是光学相机、红外相机或深度相机等。

通过对采集到的图像进行处理和分析，可以确定水果的精确位置和大小。

2、路径规划：一旦确定了水果的位置，末端执行器将通过复杂的算法计算出最佳的采摘路径。

这些算法通常考虑多种因素，如机械手的灵活性、水果的位置和形状等。

3、采摘水果：在规划好路径后，末端执行器将开始执行采摘操作。

它可以使用夹持器或剪刀等工具来抓住或切断水果的茎干。

在采摘过程中，末端执行器需要保证水果不受损伤，同时也要保证机械手的操作安全。

4、放置水果：一旦采摘完成，末端执行器将把水果放置到指定的位置。

这个位置可以是篮子、箱子或其他容器。

放置过程中，末端执行器需要保证水果的稳定性和整齐性，以便后续的处理和运输。

三、末端执行器的优势1、高效性：末端执行器可以快速、准确地完成采摘任务，大大提高了采摘效率。

2、准确性：通过感应器和算法的配合，末端执行器可以精确地定位水果的位置和形状，从而保证采摘的准确性。

水果采摘机器人末端执行器的研究进展随着现代农业技术的不断发展，自动化和机器人技术在农业生产中的应用越来越广泛。

其中，水果采摘机器人在提高生产效率、降低劳动成本、提升水果质量等方面具有明显优势。

然而，采摘水果的精度和效率在很大程度上取决于机器人末端执行器的设计和功能。

《采摘机器人末端执行器设计与抓取特性研究》一、引言随着科技的进步和农业现代化的推进，采摘机器人成为了提高农业生产效率和减少人工成本的重要工具。

而末端执行器作为采摘机器人的核心部分，其设计和抓取特性直接影响着机器人的工作效率和准确性。

因此，对采摘机器人末端执行器设计与抓取特性的研究具有重要的现实意义。

二、采摘机器人末端执行器设计1. 设计要求与目标采摘机器人末端执行器设计需满足以下要求：适应不同形状和大小的果实，确保抓取的稳定性和准确性，同时要保证轻便、耐用和低能耗。

设计目标是通过精确的机械结构和智能控制系统，实现自动化、高效化的果实采摘。

2. 结构设计末端执行器主要由夹持机构、驱动机构和控制机构三部分组成。

夹持机构负责与果实接触并实现夹持动作，驱动机构提供夹持动作的动力，控制机构则负责整个执行器的控制与协调。

其中，夹持机构的设计是关键，需根据果实的形状和大小进行定制化设计。

3. 材料选择执行器的材料选择需考虑其强度、耐磨性、耐腐蚀性以及轻量化等因素。

常用的材料包括高强度合金、工程塑料等。

此外，为保证执行器的耐用性，还需对关键部件进行表面处理，如喷涂防腐漆等。

三、抓取特性研究1. 抓取稳定性研究抓取稳定性是评价末端执行器性能的重要指标。

通过优化夹持机构的结构和材料，以及合理设置夹持力的大小和方向，可提高抓取的稳定性。

此外，还可通过引入视觉系统和力觉传感器，实现精确的定位和力控制，进一步提高抓取的稳定性。

2. 抓取速度与效率研究为提高采摘机器人的工作效率，需对末端执行器的抓取速度与效率进行研究。

通过优化驱动机构的传动方式和控制策略，可实现更快的夹持动作和更高的工作效率。

同时，结合智能控制算法，可实现多任务并行处理和优化调度，进一步提高机器人的工作效率。

四、实验与分析为验证设计的合理性和抓取特性的有效性，我们进行了大量的实验和分析。

实验结果表明，优化后的末端执行器能够适应不同形状和大小的果实，具有较高的抓取稳定性和工作效率。

摘要在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业柑橘采摘机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。

工业柑橘采摘机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业柑橘采摘机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。

本文将设计一台五自由度的工业柑橘采摘机器人，用于给采摘水果。

首先，本文将设计柑橘采摘机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建柑橘采摘机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该柑橘采摘机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和柑橘采摘机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测柑橘采摘机器人的各个关节的运动情况、柑橘采摘机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。

关键词：柑橘采摘机器人，示教编程，伺服，制动ABSTRACTIn the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way.In this paper I will design an industrial robot with four DOFs, which is used to carry material for a punch. First I will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot. On this foundation, I will design the control system of the robot, including choosing DAQ card, servo control, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and control software. Great attention will be paid on the reliability of the control software and the robot safety during running. The aims to realize finally include: servocontrol and brake of the joint, monitoring the movement of each joint in realtime, playback programming and modifying the program online, setting reference point and returning to reference point.KEY WORDS: robot, playback, servocontrol, brake目录第1章绪论 (1)1.1 柑橘采摘机器人概述 (3)1.2 柑橘采摘机器人的历史、现状 (4)1.3 柑橘采摘机器人的发展趋势 (5)第2章柑橘采摘机器人机械手的设计 (5)2.1自由度及关节 (6)2.2 基座及连杆 (7)2.2.1 基座 (8)2.2.2 大臂 (9)2.2.3 小臂 (10)2.3 机械手的设计 (12)2.4 驱动方式 (13)2.5 传动方式 (14)2.6 制动器 (15)第3章控制系统硬件 (16)3.1 控制系统模式的选择 (17)3.2 控制系统的搭建 (18)3.2.1 工控机 (19)3.2.2 数据采集卡 (20)3.2.3 伺服放大器 (21)3.2.4 端子板 (22)3.2.5电位器及其标定 (22)3.2.6电源 (23)第4章控制系统软件 (24)4.1预期的功能 (25)4.2 实现方法 (26)4.2.1实时显示各个关节角及运动范围控制 (26)4.2.2直流电机的伺服控制 (27)4.2.3电机的自锁 (28)4.2.4示教编程及在线修改程序 (29)4.2.5设置参考点及回参考点 (30)第5章总结 (32)5.1 所完成的工作 (33)5.2 设计经验 (35)5.3 误差分析 (36)5.4 可以继续探索的方向 (38)致谢 (39)参考文献 (40)第1章绪论1.1 柑橘采摘机器人概述在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。

果蔬采摘机器⼈末端执⾏器的结构组成现状分析采摘机机器末端执⾏器研究现状分析末端执⾏器是果蔬采摘机器⼈的另⼀重要部件，它的设计通常被认为是机器⼈的核⼼技术之⼀。

⼀般果蔬的外表⽐较脆弱，它的形状及⽣长状况通常复杂。

在机器⼈采摘过程中果蔬外表发⽣损伤的原因主要有：①果蔬位置识别或机械臂控制规划有误，导致末端执⾏器划伤或刺伤果蔬外表；②末端执⾏器夹持或抓取⼒过⼤，压伤果蔬外表；③末端执⾏器抓持不稳定导致果蔬掉落，与地⾯或其他坚硬物体接触⽽碰上外表。

作为采摘机器⼈的执⾏装置，末端执⾏器应根据不同果蔬果实的⽣物、机械特性及栽培⽅式，采取不同的专⽤机构以提⾼采摘的成功率并减⼩对果蔬的损伤为主要⽬标。

⼀般集成两项功能：①检测果实的位姿，为执⾏机构提供导航信息；②以适当⼒度夹持果实或果梗并剪切果柄，完成采摘动作。

在动作上通常包括获取果实和果实与植株分离两部分。

为了安全与⾼效的完成采摘动作，末端执⾏器还可能加⼊吸盘、推杆等附加机构以及各类传感器以完成准确采摘并减⼩损伤。

1.获取⽅式获取和分离果实是采摘机器⼈末端执⾏器必须实现的两⼤关键动作，即⾸先通过抓取、吸⼊、勾取等⼀定⽅式获取果实，再通过扭断、剪切等不同⽅法完成果实与果梗的分离。

从⽬前发表的⽂献来看，获取果实的⽅式主要归为⾮夹持类和夹持类两种。

分离果实与果梗的⽅式有传统的扭断、折断、拉断以及通过剪⼑或切⼑进⾏切断，还有新式的热切割⽅法等。

1.1.直接切断式这类末端执⾏器⼀般都是直接剪断果梗，由于其本⾝不能实现果实的回收，因此剪掉的果实直接落地或者落⼊事先放置的果箱中。

例如，⽇本开发的甜椒采摘机器⼈末端执⾏器、茄⼦采摘末端执⾏器、番茄采摘末端执⾏器、美国柑橘采摘末端执⾏器均为此类结构，如下图所⽰。

1甜椒采摘末端执⾏器2茄⼦采摘末端执⾏器3番茄采摘末端执⾏器这类末端执⾏器的结构更能较为简单，适⽤于植株冠层内枝叶较稀疏，且果实具有⼀定抗冲击能⼒的果蔬。

对于果梗较短的植株，往往造成⽆法剪切或碰上果实的现象，对于冠层空间⽐较复杂的植株，果实下落过程中很容易被碰上，并且下落的位置也不定，影响果实的回收。

柑橘收获机器人末端执行器的设计和优化作者：姚吉园熊伟杨力来源：《科技资讯》2012年第04期摘要：本课题主要通过对以前的研究论文的学习及本地水果采摘环境的考察，找到适合本地柑橘，胡柚等水果进行机械收获的机器人末端执行器的本体设计，包括对采摘对象的生长环境的调查取样，末端执行器的三维建模和整体机械人的建模。

关键词：柑橘收获末端执行器结构优化中图分类号：TB47文献标识码：A文章编号：1672-3791(2012)02(a)-0001-011水果收获机器人的概念和研究意义水果收获机器人主要分为两部分：机器人的本体结构部分和控制部分。

其中，本体结构部分又可分为：机械手，末端执行器，底部平台，有的还有视觉系统。

在中国，随着农村经济的快速发展和不断调整种植结构，水果栽培面积，例如苹果、柑橘和葡萄，达到自199 3年以来的900万公顷，占世界上水果种植面积总数的四分之一。

然而，水果收割任务中50％到70％的劳动力还是靠体力劳动。

因为农业人口正在减少，收获自动化亟待普及。

此外，由于果树是高个子，收割工作需要使用梯子，使手工收获危险高和效率低下。

所以，农业收获机械化亟待普及。

因为水果本身易损伤和生长环境的复杂等因素的制约，现阶段的各种水果收获机器人都有各种不足。

本文就近几年来的有关论文进行研究学习及对本地柑橘的生长环境的调研，拟设计了一种适合本地柑橘机械采摘的简易机械臂及末端执行器。

2本地柑橘的自然采摘环境浙江大部分都是山地地貌，并且大都种植了柑橘、芦柑、胡柚等柑橘属的植物。

虽然浙江的气候、土壤等都适宜于柑橘的生长，但是浙江的山地地貌也给采摘和运输带来了一定的难度。

每年的采摘季节，需要大批的劳动力，而于此相反的是，本地的劳动力日渐下降，全都去城镇务工了。

因此，针对柑橘的采摘机器人呼之欲出。

柑橘果实外有一层较厚的果皮，它能很好的减轻柑橘间的碰撞冲击力。

3本设计的末端执行器及机械臂的结构3.1采摘机械手的设计与工业机器人机械手不何，果蔬果实收获机器人的机械手，所处的外部环境是复杂的、多变的、非结构的，并且与果实的栽培方式有很大关系。

柑橘采摘装置机械臂结构设计摘要
本文旨在介绍一种针对柑橘采摘装置的机械臂结构设计，该设
计能够实现自动化采摘，提高采摘效率，减轻人工劳动强度。

文章
详细介绍了该机械臂结构的设计思路、结构原理和重要部件的选型。

设计思路
根据柑橘采摘过程中的特点，我们决定采用六自由度机械臂结
构设计，能够完成所有采摘动作。

该机械臂结构采用模块化设计，
方便维护和更换，同时还可以根据需要选择不同长度的机械臂，以
适应不同高度柑橘树的采摘。

结构原理
该机械臂结构由底座、一级臂、二级臂、三级臂、手腕和末端
执行器等部件组成。

底座支撑整个机械臂，一级臂与底座连接，二
级臂与一级臂相连，以此类推，形成一个“一二三四五六”的连杆结
构。

手腕由两个旋转关节组成，能够进行旋转和倾斜动作。

末端执
行器则是采摘柑橘的夹子，能够自动感知柑橘的位置并进行采摘。

重要部件选型
由于机械臂需要承受较大的负载，因此在选材时需要考虑材料
的强度和耐磨性。

底座和臂部采用了铝合金材料，具有较高的强度
和稳定性；手腕和末端执行器采用了工程塑料，具有较好的耐磨性
和重量轻的特点。

结论
本文介绍的柑橘采摘装置机械臂结构设计能够实现采摘自动化，提高采摘效率，减轻人工劳动强度。

该机械臂结构设计灵活，可根
据需要进行调整，可以很好地适应不同高度的柑橘树。

同时，在材
料选型上也考虑了耐磨性和强度要求，保证了机械臂的工作稳定性
和寿命。