下载文档原格式
对黄瓜采摘的机器人设计(一)生物生产中自动化的发展生物生产是指以植物和动物等生物为加工对象的生产活动。
在生物生产领域有很多种无人操作的机械系统，例如无人驾驶拖拉机、联合收割机、移植机以及自动推进器等都正在发展，它们通过联合传感系统自行在田间行走。
在植物工厂，许多种植、间苗、施肥、收获及包装等过程都发展成为无人操作的自动化机械系统；许多谷物干燥机、水稻磨粉机和剥壳去皮机也都已能完全自动地执行整个任务过程并达到一定的智能化水平。
（二）生物生产系统机器人技术存在的问题由于收到生物学，神经学MEMS技术，控制技术，通用技术，传感技术以及数学方法等相关学科技发展的制约，生物生产系统机器人至今基本上仍处于实验室研制的阶段，尤其是在克服生物疲劳性，适应性以及可靠实现预期运动行为等方面还不是十分理想，离实际应用还有相当的一段距离。
此外，生物生产机器人也不应仅局限于控制生物运动行为，还应该研究如何通过生物的视觉，触觉和听觉来为人类服务。
（三）生物生产系统机器人技术的发展趋势随着时代的发展，生物生产系统机器人的发展趋势：1.多模式识别，及在应是以图像处理为主要的信号处理方法，辅以其他识别方式，以提高农场品采集，识别的正确性；2.智能算法应用，随着模糊控制的不断发展，特别是像生物生产这样难以建立合适数学模型的领域，通过控制算法的不断改进高农业机器人的工作效率；3.生物生产机器人的开放性，机器人控制系统应允许不同的设计人员与用户对硬件与软件等部分进行二次开发与应用，且应当对生物生产机器人进行模块化设计，根据不同环境，以适应不同工作要求，以提高工作效率。
（四）关于黄瓜采摘的机械人设计1.黄瓜的种植模式和农艺要求黄瓜种植模式就是在早春气温低、黄瓜秧苗生长慢、叶面积指数远远低于合理要求的时候，在不影响农事操作情况下，在两行之中再加一行。
加行的1000株苗采摘3至4条瓜后，立即拔除。
拔除后清理干净，在原栽培行内搂沟增施腐熟有机肥，浇水，中耕两遍，全田转入正常管理；黄瓜的农艺要求就是要适时耕地，不误农时季节；不漏耕、重耕，田边地头耕翻整齐，不留三角地头。
浅析采摘机械臂的国内外研究现状论文摘要:采摘作业约占整个果蔬生产作业量的40%,自动化程度仍然很低,目前国内采摘作业基本上都是手工进行,因此研究采摘机械臂具有巨大的应用价值。
关键词:果蔬;采摘;机械臂;自由度在果蔬生产作业中,采摘作业约占整个作业量的40%。
采摘作业质量的好坏直接影响到后续的储存、加工和销售。
由于采摘作业的复杂性,其自动化程度仍然很低,目前国内采摘作业基本上都是手工进行,研究采摘机械臂不仅具有巨大的应用价值,而且具有深远的理论意义。
早在20世纪70年代,欧美国家和日本就开始了对苹果、柑桔、番茄、西瓜和葡萄等采摘机械臂的研究。
1983年,美国研制出了第一台番茄采摘机械臂。
随着农业机械化的发展,各个国家对采摘机械臂进行了更加深入的研究。
1多功能黄瓜采摘机械臂1996年,荷兰农业环境工程研究所研制出一种多功能黄瓜采摘机械臂。
研究是在荷兰2hm2的温室里进行,整个机械臂由行走车、机械臂和末端执行器组成,末端执行器则由机械臂爪和切割器构成,行走车上装有完成采摘任务的全部硬件和软件。
为采摘任务的完成提供最初的定位服务。
此采摘机械臂有7个自由度,采用三菱RV-E2型6自由度机械臂,在底座增加了一个线性滑动自由度。
温室中黄瓜种植方式为高拉线缠绕方式吊挂生长。
在采摘过程中,机械臂对单个黄瓜进行采摘,采摘成熟黄瓜过程中不伤害其它未成熟的黄瓜。
2全自动番茄采摘机械臂2004年,美国加利福尼亚番茄机械公司推出了两台全自动番茄采摘机械臂。
这类采摘机械臂首先将番茄连枝带叶割倒后卷入分选仓,仓内有能识别红色的光谱分选设备,可以挑选出红色的番茄,并将其通过输送带送入货舱内。
这类番茄采摘机械臂每分钟可采摘1吨多番茄,1小时可采摘70吨番茄。
3柑桔采摘机械臂西班牙研究人员发明了一种柑桔采摘机械臂,它是由一台装有计算机的拖拉机、一套视觉系统和一个机械臂组成,能够从柑桔的大小、形状和颜色判断出是否成熟。
这类机械臂每分钟可摘柑桔60个,并且摘下来的柑桔能够按大小马上分类。
四自由度采摘灵巧臂的结构设计及运动学分析陈孟元【摘要】根据四自由度机械手臂应用于蔬果采摘的要求,提出一种坐标系优化法.先列出基于此坐标系的四自由度机械手臂运动学方程,并求得其正、逆解,然后求得末端执行器的位置、方向角度与机械手臂主动关节的关系;再利用动力学仿真软件ADAMS/VIEW对机械手臂的虚拟样机进行建模;最后,将运动学分析结果导入在MATLAB/Simulink搭建好的机器人力控制系统模型,进行联合仿真,得出运动轨迹、各个方向转角误差等仿真曲线.通过仿真验证了理论推导的正确性和方案的可行性,进一步证明本方案具有很好的运动特性.%A method for optimizing coordinate system was put forward to four-degree-of-freedom arm,a kind of mechanical arm used for vegetable and fruit picking.Kinematical equations of four-degree-of-freedom mechanical arm based on this coordinate system were established to solve the direct and inverse problems.Then the relationship between the space position and the direction angle from the active joint and the end effect is derived to build a model about the mechanical arm with dynamic simulation software ADAMS/VIEW.Finally,the kinematic analysis results were imported into the model of robot force control system built in MATLAB/ Simulink and the curves of the trajectory and the direction error were thus obtained.Consequently,the correctnessof the theoretical deduction and the feasibility of solution were validated,and this solution was further proved to possess good kinetic characteristics through simulation.【期刊名称】《陕西理工学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(033)001【总页数】6页(P21-26)【关键词】四自由度机械臂;正运动学;逆运动学;仿真【作者】陈孟元【作者单位】安徽工程大学安徽省电气传动与控制重点实验室,安徽芜湖241000;中国科学技术大学精密机械与精密仪器系,安徽合肥230027【正文语种】中文【中图分类】TH123+.1;TP391.41仿人机器人是一种集仿生、传感、驱动、智能、交互等技术于一体的综合平台[1-2]，由视觉采集、灵巧臂及控制策略等组成，其中灵巧臂作为机器人的核心功能模块对仿人机器人的作业水平具有重要的影响。
探析农业采摘机器人机械臂结构设计发布时间：2021-03-10T03:18:44.659Z 来源：《防护工程》2020年31期作者：刘英启[导读] 结合果蔬采摘机器人的具体的工作场合以及性能要求，所设计的机械臂需要能够进行较大范围的工作。
山东省招远市蚕庄镇政府山东招远 265402摘要：在农业的发展中，果蔬的采摘一直是一项非常重要的工作。
而随着农村经济的快速增长，农业发展的规划越来越大，单纯的依靠手工进行果蔬的采摘已经不能够满足实际的工作需求，因此进行机械化的果蔬采摘对提升工作效率就显得尤为重要。
针对这种情况，本文结合农业果蔬的实际情况，进行了果蔬采摘机器人机械臂的结构设计，对农业机械化的发展有一定的促进作用。
关键词：农业果蔬采摘；机器人；机械臂；末端执行机构；设计0引言农业果蔬中，多数的形状为球形或者圆柱形，因此对采摘机器人进行设计时必须考虑到这一点，为了能够满足果蔬机械化采摘的需求，所设计的采摘机器人需要包括行走机构、具有多个关节能够灵活转动的机械臂、用于进行抓取采摘操作的末端执行器以及控制系统等多个部分。
而本文加重点针对采摘机器人的机械臂以及其末端执行器设计进行分析，完成相应的设计，从而对后续这类产品的设计研究提供一定的借鉴。
1采摘机器人机械臂设计结合果蔬采摘机器人的具体的工作场合以及性能要求，所设计的机械臂需要能够进行较大范围的工作。
如果直接单纯的将几节机械臂拼装在一起的方式，虽然具备了较大的工作范围，但实际应用并不方便。
因此通常使用伸缩式的机械臂，通过配合使用多个关节，从而能够实现多个自由度的旋转，并且能够在同一个自由度内进行一定的滑动，确保机械臂具有较高的灵活性，从而对于采摘位置比较复杂或者遮蔽物较多的果蔬能够进行采摘，使机械臂的适应性较强。
此外，采摘机器人的机械臂还需要具备较好的稳定性以及较高的工作精度，从而保证在进行采摘作业的过程中不会与枝桠或者其他未成熟的果实发生较大的碰撞，确保整个采摘作业不会影响树木的正常生产，避免产生不必要的经济损失。
基于Inspire的采摘机械臂结构优化设计目录一、项目概述 (2)1. 研究背景及意义 (2)2. 研究目的和任务 (3)3. 研究方法与流程 (4)二、Inspire软件应用基础 (5)1. Inspire软件介绍 (7)2. 软件功能模块及应用范围 (8)3. 软件操作界面及基本工具使用 (9)三、采摘机械臂结构现状分析 (10)1. 现有采摘机械臂结构概述 (11)2. 现有结构存在的问题分析 (12)3. 改进方向的确定 (13)四、采摘机械臂结构优化设计 (14)1. 设计理念与思路 (16)2. 结构设计及参数优化 (17)3. 关键部件的选型与配置 (18)4. 智能化控制系统的集成设计 (19)五、仿真分析与性能评估 (21)1. 仿真分析软件选择与应用 (22)2. 仿真分析模型的建立及参数设置 (23)3. 仿真结果分析与性能评估指标 (24)4. 进一步优化建议 (26)六、实验验证与结果分析 (27)1. 实验平台搭建及实验方案制定 (28)2. 实验过程记录与数据收集 (30)3. 实验结果分析与讨论 (31)4. 实验总结与下一步计划 (32)七、结论与展望 (34)1. 项目成果总结 (35)2. 学术价值及实际应用前景展望 (36)3. 后续研究方向与建议 (37)一、项目概述随着现代农业生产技术的不断进步，高效、精准的采摘机械臂已成为现代农业装备的重要组成部分。
目前市面上的采摘机械臂在结构设计上仍存在诸多不足，如刚度不足、稳定性差、适应性有限等，这些问题严重制约了机械臂在复杂环境下的作业效率和准确性。
Inspire作为先进的机器人技术平台，具有高度灵活性和可扩展性，非常适合用于采摘机械臂的设计与开发。
本项目旨在基于Inspire 平台，对采摘机械臂进行结构优化设计，以提高其作业性能、稳定性和适应性，从而满足现代农业生产中对于高效、智能采摘装备的需求。
通过本项目的研究，我们期望能够开发出一种结构合理、性能优越、操作便捷的采摘机械臂，为农业生产带来革命性的变革，推动农业自动化水平的提升。
采摘机器人机械手结构设计与分析一、本文概述1、采摘机器人的研究背景和意义随着农业技术的快速发展和人口老龄化的加剧，传统的人工采摘方式已经难以满足现代农业生产的需求。
采摘机器人作为一种新型的农业机械设备，具有高效、精准、省时省力等优点，正逐渐成为农业领域的研究热点。
采摘机器人的研究和应用，不仅可以提高农作物的采摘效率和质量，降低人工成本，还可以改善农民的工作环境和条件，推动农业现代化的进程。
机械手作为采摘机器人的核心部件，其结构设计直接影响到采摘机器人的性能和稳定性。
因此，对采摘机器人机械手结构的设计与分析显得尤为重要。
通过对采摘机器人机械手结构的研究，可以深入了解其运动特性、受力情况和优化方案，从而提高采摘机器人的采摘效率和准确性，推动采摘机器人在农业生产中的广泛应用。
这也为农业机械化、智能化和自动化的发展提供了重要的技术支撑和理论基础。
研究采摘机器人机械手结构设计与分析具有重要的理论意义和实践价值，对于推动农业现代化和提高农业生产效益具有重要意义。
2、机械手在采摘机器人中的重要作用在采摘机器人中，机械手的作用至关重要。
作为采摘机器人的核心部件之一，机械手负责直接与目标农作物进行交互，完成识别、抓取、剪切和放置等一系列复杂动作。
这些动作的成功执行，直接决定了采摘机器人的工作效率、采摘质量和适应性。
机械手的设计直接决定了采摘机器人的工作能力。
通过合理的结构设计，机械手可以适应不同形状、大小和成熟度的农作物，实现精准、高效的采摘。
机械手的运动轨迹和速度控制也是影响采摘效率的关键因素。
因此，对机械手的精确控制是实现高效采摘的关键。
机械手的性能直接影响到采摘机器人的采摘质量。
在采摘过程中，机械手需要保持稳定的抓取力度，避免对农作物造成损伤。
同时，机械手还需要具备足够的灵活性和精度，以确保能够准确地将农作物采摘下来。
这些要求都对机械手的设计和制造提出了极高的挑战。
机械手的适应性也是采摘机器人性能的重要评价指标。
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。
返回Return2010国际农业工程大会论文集黄瓜采摘机械臂结构优化与运动分析冯青春1 纪超1 张俊雄1 李伟1（1. 中国农业大学工学院，北京 100083）摘 要： 黄瓜采摘机器人在非结构环境中工作时，其机械臂的结构特点与运动精度将直接决定机器人作业范围和采摘成功率。
针对黄瓜特定的栽培模式，结合机械臂工作空间及结构长度指标，运用参数优化法，对采摘机械臂构型和结构参数进行了优化设计。
建立了机械臂运动D-H模型，实现由关节空间向笛卡尔空间的正逆变换，并确定了机械臂速度雅柯比矩阵；应用三次多项式插值法，建立了机械臂关节空间运动规划模型；并对优化参数进行检验。
结果表明，机械臂实际采摘范围可达到目标工作区域90.5%以上，关节位移变化曲线光滑，运动平稳。
关键词： 黄瓜采摘 机械臂 参数优化 运动分析Optimization design and kinematic analysis ofcucumber-harvesting-robot manipulatorFeng Qingchun Ji Chao Zhang Junxiong Li Wei（College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083）AbstractAs the cucumber-harvesting-robot works in the non-structure condition, the structure and movement of the manipulator directly determines operating space and picking success. According to the specific cucumber cultivation, the manipulator was designed and its structure parameters were optimized based on the method of parameter optimization. With the D-H kinematic model, the coordinate transformation was achieved between the Articulation and the Cartesian space, and the Jacobian matrix of velocity was derived. Besides, the model was builtin the Articulation space for planning path by means of cubic polynomial interpolation. All the parameters optimized was simulated in MATLAB, simulation results showed that the harvesting manipulator could reach the positions of 90.5% of the cucumbers in the workspace, moreover, it could move smoothly .Key words Cucumber harvesting robot, Parameter optimization, Kinematic analysis引言采摘机器人是一类工作于非结构环境中的复杂机电一体化产品。
在采摘过程中，机械臂只能占用相对最小的操作空间来准确完成其动作，这对机械臂结构和控制提出了更高的要求[1]。
因此，机械臂的优化设计对改善机器人的采摘效果有重要的意义。
机械臂的机构设计要根据实际的工作要求，选择合理的机构型式并求解各机构结构参数值[2]。
日本冈山大学Kondo应用可操作度优化设计机械臂构型参数，研制出一种具有球坐标式7个自由度的西红柿采摘机械手[3]。
Pons基于采摘机械臂动力学特征，引入NPI指数量化机构非线性参数，确定了机械臂的最优结构[4]。
Yoshikama通过机械臂可操纵性参数，确定了机械臂和末端执行器的最佳姿态[5]。
国内孙杏初用可变多面体搜索法优化关节型机器*国家“863”高技术研究发展计划资助项目（2007AA04Z222）作者简介：冯青春，硕士生，主要从事农业机器人技术研究。
人几何参数[6]。
李吉采用参数化分析方法，优化苹果采摘机械臂结构参数[7]。
梁凤喜结合工作空间包络面最佳和结构轻量化，对番茄采摘机械手机构尺寸参数进行优化[8]。
本文针对斜拉线式黄瓜栽培模式下采摘目标的空间分布特征，确定了机械臂的构型，并将各臂长及关节转角参数化[7]，以机械臂末端活动范围为出发点，建立臂长优化数学模型，综合机械臂实际工作空间、结构长度指标，对机械臂结构尺寸参数进行优化设计。
应用D-H 法建立机械臂正逆运动学模型及机械臂速度雅柯比矩阵，对机械臂关节空间运动进行规划，应用三次多项式插值法，建立关节运动的时间函数。
1 机械臂构型设计及臂长优化1.1 采摘区域如图1所示为黄瓜采摘机器人工作环境，采用斜拉线式栽培模式，有利于将果实与茎叶分离，便于末端执行器切割果柄。
机械臂工作空间决定于黄瓜采摘机器人摄像头视场，分布在离地面高400—1200mm、宽700mm、深度方向为200mm的空间范围内。
机械臂底座距黄瓜植株中心700mm。
图1 采摘工况Fig.1 working condition1.2 机械臂构型设计采摘目标分布区域较大，温室内可活动空间较小，环境结构复杂。
极坐标式机械臂可以在有限空间内拟合空间任意曲线，可按照人为控制对其运动轨迹进行规划，因此本文选择机械臂的结构类型为极坐标型。
黄瓜外形呈圆柱形状，由于其自身的对称性，5个自由度即可满足采摘作业要求，因此如图2所示，本文机械臂关节动作分别为○1基座的旋转、○2肩关节俯仰、○3肘关节俯仰、○4腕关节俯仰、○5腕关节旋转。
图2 机械臂构型Fig.2 the construction of arm1.3 臂长优化如图3目标区域俯视所示，当基座关节旋转范围±310时，末端执行器可达到宽700mm 的目标区域，且各角度截面内末端执行器深度方向运动范围为274mm 。
图3 目标区域俯视Fig.3 vertical view of work space图4 机械臂参数Fig.4 parameters of manipulator如图4所示，机械臂放置于小车顶部，车高440mm 。
假设小车基座距其实际工作区域中心为x ，机械臂基座高为c ，机械臂大臂长为a,小臂长b ，末端执行器长d 。
以采摘目标矩形(阴影部分)区域四个边界点(m 0…3,n 0…3)为初始条件，通过绘图几何求解的方法，得到大、小臂长及边界点相应关节角度分别用c 、d 、x 表示如式（1），其中1max 1min 2max 2min 14tan(3640tan(a b a c a x d θθθθ⎧=⎪⎪=⎪⎪⎨=−=−⎪−⎪⎪=−=⎪−⎩（1） 期望工作空间体积w 、d 为常量，优化约束为大小臂最小夹角30180o oγ≤≤、基座高度100≤c ≤300mm 、机械臂距采摘区的水平距离500≤x ≤800mm ，在满足优化约束的前提下，以c 、x 为变量，使机械臂实际工作空间尽可能大地与期望工作空间重合，从而得到最大化有效工作空间，且须使结构长度指标[9]L Q L =最小，相应得到的参数a 、b 为最优大、小臂长。
如图5、图6所示c 和x 与优化目标的关系，在此取c=170mm ，x=560mm ，a=236mm ，b=443mm ，d=370mm ，使得有效工作空间最大，同时保证了结构长度指标较小。
图5 基座高度c 与优化目标关系Fig.5 Relation between c and optimization goals图6 实际采摘区域位置x 与优化目标关系Fig.6 Relation between x and optimization goals2 运动分析2.1 机械臂运动方程机械臂连杆坐标系见图6[9]。
将各个连杆变换1i i T −相乘，得：0012412334TT T T T T T T =。
变换矩阵0T T 是5个关节变量的函数，表示末端执行器坐标系{T}相对于基座坐标系{0}的描述。
假设目标坐标系为{M}，采摘目标点相对基坐标的齐次变换矩阵为0M T 。
当机械臂末端{T}与目标坐标系{G}重合，完成采摘定位，即00T M T T =。
于是有机械臂正运动学方程： 123411234111231234123212112123412321211223423221s s 0c c c c c s c c d c c l c c l s d x s c d s c l s c l c d y s d s l s l z C =⎧⎪=⎪⎪−=⎪⎨+++=⎪⎪++−=⎪++=−⎪⎩(2) 其中（x 、y 、z ）为采摘目标点相对机械臂基坐标原点三维坐标值， 1...4θ分别为基座、肩关节、肘关节、腕关节转角，1l 为大臂长度、2l 为小臂长度、C 为基座高度、d 为腕关节到末端执行器距离长度，2d 为末端执行器相对基座中心Z 向偏移距离，11cos c θ=、1θ1s =sin 、123cos()θθθ=++234c 。
在采摘视场平面内黄瓜为长条状，当其采摘部位倾斜角度α时，则通过机械臂末端腕关节旋转自由度旋转角度5θ来调整末端执行器姿态，以保证可靠采摘,即5θα=。
为了使机器臂所所采摘黄瓜相对参考系的位姿满足给定的要求，需计算相应的关节变量，即对方程组(2)进行逆解。
考虑到机械臂机构动作快捷等因素，去除多解。
最终得到逆运动学方程(3)。
222222222123124235tan()1arctan ar cos()2l d y ar a x m z m z l l l θθπθθθθθα⎛=+⎜⎜⎜⎜=−⎜⎜⎜+−−⎜=−⎜⎜=−−⎜⎜=⎝- (3) 2.2 机械臂速度雅可比矩阵机械臂雅可比矩阵与机械臂末端空间速度ν及关节速度ω关系为：()J νθω=。
其中，雅可比矩阵的前三行元素vi J 可由机械臂的末端位置矢量P = [x ，y ，z ]T 对各关节变量分别求偏导得出；雅可比矩阵后三行元素与各关节的单位运动矢量Z i 有关, Z i 可由各关节坐标系对基坐标系的旋转变换矩阵0i R 求得[10]。
于是得：123221121232121123212322112123212112322322232111111()0()00()001000s d c l c l cd c s l cs l c s l c d c l c l s d s s l s s l s s l d c l c l d c l d J s s s c c c ⎧⎫−+++−−−⎪⎪+++−−−⎪⎪⎪⎪+++⎪⎪Θ=⎨⎬⎪⎪⎪⎪−−−⎪⎪⎪⎪⎩⎭ (4)2.3 机械臂运动规划应用逆运动学可以解出对应于目标位姿的各个关节角。
