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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。
一种柑橘采摘器的研究与设计1. 引言1.1 研究背景柑橘是一种常见的水果，具有丰富的营养价值和独特的风味，受到消费者的喜爱。
柑橘的采摘一直是一项耗时耗力的工作，传统的采摘方法存在效率低下、劳动强度大等问题。
随着农业技术的发展和现代化水平的提高，柑橘采摘器的研究和设计显得尤为重要。
研究背景中，我们需要考虑到当前柑橘产业的发展现状，以及农业生产的需求和挑战。
随着人口增多和城市化进程加快，农业劳动力短缺和成本上升的问题日益突出，如何提高柑橘采摘的效率和质量成为亟待解决的问题。
开发一种高效、智能化的柑橘采摘器具有重要的意义和市场需求。
本文旨在通过对柑橘采摘器的研究与设计，提高柑橘采摘的效率和质量，减轻农民的劳动负担，促进柑橘产业的健康发展。
通过引入先进的技术和设计理念，不断改进和优化采摘器的结构和性能，实现柑橘采摘的自动化和智能化，提升农业生产的现代化水平和竞争力。
【2000字】1.2 研究目的研究目的是为了探索一种更高效、更方便的柑橘采摘器设计方案，提高柑橘采摘的效率和质量。
目前市场上的柑橘采摘器存在一些不足，如使用不便捷、效率低下、容易损坏等问题，因此有必要进行研究与设计，以提升柑橘采摘器的性能和用户体验。
通过本研究，旨在设计出一种结构合理、操作简便、效率高的柑橘采摘器，以满足农业生产中对柑橘采摘工具的需求，促进柑橘产业的发展。
希望通过本研究的实施，为柑橘采摘器的改进和优化提供参考，为农业生产提供更加便利、高效的操作工具，推动柑橘产业的发展，提升农业生产效益和经济效益。
1.3 研究意义柑橘采摘器的研究与设计具有重要的意义。
柑橘是一种广泛栽培的水果，具有丰富的营养价值，但采摘过程繁琐且劳动强度大。
研发一种高效的柑橘采摘器可以大大提高采摘效率，减轻农民的劳动负担，提高农业生产的效率。
柑橘采摘器的研究与设计可以推动农业机械化进程，提升农业生产水平。
随着人口增长和城市化进程加快，农业劳动力短缺问题日益突出，而柑橘采摘器的应用可以有效解决这一问题，实现农业生产的自动化和智能化。
柑橘收获机器人末端执行器的设计和优化摘要: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1 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1993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[1]。
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同,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。
因此,设计机械手应在考虑栽培方式的基础上,使果实处于其作业空间内,并且能够避免障碍物(叶子、茎秆等),准确地抓取到果实。
一种柑橘采摘器的研究与设计柑橘采摘是农业生产的重要环节，传统的采摘方式主要依靠人力完成，工作量大，效率低，成本高，同时也容易造成采摘时果实坠落，引起二次伤害。
因此，需要一种高效、节约成本、安全可靠的柑橘采摘器。
本文便就此问题展开研究。
一、设计思路本文的设计思路是：采用机械控制和电动驱动相结合的方式，通过设计柑橘采摘器的结构，使其能快速、准确地完成对柑橘的采摘工作。
因此，本设计方案采用手持式、悬挂式的结构形式。
二、设计方案1.手持式柑橘采摘器手持式柑橘采摘器是一种人工操作的采摘器，主要由机体、采摘架、电机及电子控制器等部分组成。
柑橘采摘器的机身为不锈钢材质，内部设置有电机和输送带。
电机的转速可根据不同的柑橘品种和果实大小来进行调整。
输送带的作用是将采摘的柑橘从机身中传送出来，避免对果实的二次伤害。
采摘架是柑橘采摘器的重要组成部分，其结构采用三个支撑脚和一个球丝钩，主要用来夹住柑橘果实。
球丝钩采用不锈钢材质，具有较强的硬度和韧性，能够适应不同大小的柑橘果实。
电器控制系统包括电源、电机调速、输送带控制和采摘架控制等。
通过电子控制器，可以实现对电机的调速、输送带控制以及采摘架开合控制等。
悬挂架采用钢质材料，通过钢丝绳进行悬挂，可根据实际需要进行调整。
采摘臂的长度为1.8米左右，采摘架的夹口与球丝钩采用同样的设计，能够适应不同大小的柑橘果实。
悬挂式柑橘采摘器的电源采用蓄电池供电，电机控制系统采用PLC程序设计，可以实现对电机转速、臂的旋转和采摘器的开合等操作。
在采摘时，操作人员可远程控制采摘器进行采摘。
三、总结柑橘采摘器的研究和设计，主要是为了提高采摘效率，减少人力投入和减少对果实的二次伤害。
手持式柑橘采摘器和悬挂式柑橘采摘器的设计方案，结构简单、操作方便、可根据实际需要进行调整，达到了节约成本、提高效率、安全可靠的目的。
相信在今后柑橘采摘领域中，这两种采摘器将会得到广泛的应用。
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。
一种柑橘采摘器的研究与设计1. 引言1.1 研究背景柑橘是一种重要的水果，在许多国家都有广泛种植。
柑橘的采摘却一直是一个繁重而耗时的工作，传统的采摘方法不仅效率低下，而且劳动强度大。
随着农业机械化的发展，研发一种高效、节省人力成本的柑橘采摘器成为了迫切的需求。
目前市面上已经有一些柑橘采摘工具，但它们存在着一些缺陷，比如采摘效率低、对果实容易造成伤害等问题。
设计一种更加高效、环保、人性化的柑橘采摘器成为了当前研究的主要方向之一。
本文将对柑橘采摘器进行深入研究和设计，旨在提高柑橘采摘的效率和质量，减轻劳动强度，并为农民提供更好的工具支持。
通过对现有柑橘采摘工具的现状分析，探讨柑橘采摘器的设计原则，设计合理的结构并进行性能测试，最终改进现有柑橘采摘器，为农业生产做出贡献。
1.2 研究意义柑橘采摘器在柑橘种植领域中具有重要的意义。
柑橘是我国重要的经济作物之一，其产量的提高对于农民的收入和国家的农业经济发展具有重要意义。
而柑橘采摘作为柑橘生产的一个重要环节，影响着柑橘的质量和产量。
设计一种高效、便捷、环保的柑橘采摘器对于提高柑橘采摘效率、减轻劳动强度、保障柑橘品质都具有重要意义。
随着农业现代化的进程，传统的人工采摘方式已经无法满足大规模的柑橘产量需求。
研究和设计一种先进的柑橘采摘器可以提高生产效率，降低生产成本，推动柑橘生产方式迈向智能化和高效化。
柑橘采摘器的研究与设计也为农业机械化发展提供了范例，具有一定的示范作用。
研究和设计一种高效、便捷的柑橘采摘器不仅具有重要的经济意义，还有利于推动柑橘产业的现代化和可持续发展。
本文将探讨柑橘采摘器的设计与研究，为柑橘产业的发展提供技术支持和参考。
2. 正文2.1 柑橘采摘工具现状分析柑橘采摘工具是农业生产中不可缺少的工具之一，它对柑橘的采摘效率和采摘质量有着重要影响。
目前市面上存在的柑橘采摘工具主要包括手工采摘工具和机械采摘工具两大类。
手工采摘工具主要是采摘篮、剪刀和梯子等，操作简单但效率低下，一方面耗时耗力，另一方面易损坏柑橘皮肤，影响品质。
柑橘采摘软体末端执行器的设计与试验
黎梦婷;陈霖;王键;谭云峰;胡森;唐座亮
【期刊名称】《河北农业大学学报》
【年(卷),期】2024(47)1
【摘要】为实现柑橘的无损采摘,本文设计了1款采摘软体末端执行器。
基于Yeoh本构模型建立软体手指弯曲变形力学模型;借助有限元仿真进行中心组合设计试验,最终取最优组合参数为:气囊高度为7 mm、限制层厚度为3.5 mm、气室厚度为3 mm;通过MATLAB拟合ANSYS有限元仿真结果,进行了力学模型修正;制作软体手指进行弯曲试验,验证了力学模型与有限元仿真可靠性;通过ANSYS有限元仿真得到软体手指充气压强为0.035~0.07 MPa,软体机械手即满足刚度要求又不损伤柑橘。
搭建试验平台,得出最大气压下最大挤压力为18.13 N,试验证明采摘软体末端执行器无损夹持柑橘成功率为96.67%,平均采摘1个柑橘需要耗时3.54 s。
【总页数】10页(P122-131)
【作者】黎梦婷;陈霖;王键;谭云峰;胡森;唐座亮
【作者单位】四川农业大学机电工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】S220.2
【相关文献】
1.Adams仿真的柑橘采摘末端执行器设计
2.欠驱动式柑橘采摘末端执行器设计与试验
3.柑橘采摘机器人末端执行器结构设计与仿真分析
4.欠驱动关节型柑橘采摘末端执行器设计与试验
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2018年10月农业机械学报第49卷第10期doi:10.6041/j.issn.1000⁃1298.2018.10.007仿蛇嘴咬合式柑橘采摘末端执行器设计与实验王 毅1,2 许洪斌1,2 张 茂2 马冀桐2 刘 波2 何 宇2(1.重庆大学机械工程学院,重庆400044;2.重庆理工大学机械工程学院,重庆400054)摘要:提出了通过改进采摘机器人的末端执行器来实现未知柑橘果柄空间方位的柑橘采摘,以提高采摘机器人的采摘能力㊂对柑橘果柄生长情况进行了调研,定义了果柄倾角并进行了统计,对果柄极限位置的剪切要求进行了分析并得出了末端执行器的设计要求㊂根据蛇的咬合动作和蛇嘴骨骼的特殊结构,通过仿照蛇嘴结构设计咬合式末端执行器能够满足设计要求㊂对蛇头骨骼结构进行了简化,提出了两种设计思路,并据此分别设计了两种机构的初步模型,经过运动学分析确定了较优方案,并对初步模型进行了优化,确定了末端执行器的三维模型㊂根据三维模型建立了末端执行器的运动学模型,并进行了运动学分析和仿真,保证了机构设计合理㊂制造了咬合式末端执行器样机并通过课题组自行研制的柑橘采摘机器人进行了实验室环境和自然环境的实验验证㊂实验结果表明,在实验室环境下,果柄倾角为0°㊁气压为0.6MPa㊁果柄直径不超过4.0mm 条件下的切断成功率不小于95%,不同果柄倾角的总体切断成功率为97.5%;在室外环境下,收获柑橘的总成功率为87.5%,基本实现了未知果柄空间方位下对柑橘的采摘㊂关键词:柑橘;采摘机器人;末端执行器;仿生学;咬合式;果柄倾角中图分类号:S225.93文献标识码:A文章编号:1000⁃1298(2018)10⁃0054⁃11收稿日期:20180423 修回日期:20180517基金项目:重庆市重点产业共性关键技术创新专项(cstc2015zdcyztzx70003)㊁重庆市基础研究与前沿探索(一般)项目(cstc2018jcyjAX0071)和重庆市基础科学与前沿技术研究一般项目(cstc2016jcyjA0444)作者简介:王毅(1981 ),男,博士生,重庆理工大学副教授,主要从事智能农业机械研究,E⁃mail:wangyi@通信作者:许洪斌(1967 ),男,教授,博士生导师,主要从事智能农业机械㊁机械装备制造技术研究,E⁃mail:cqhb_dragon@Design and Experiment of Bite⁃model End⁃effector for CitrusHarvesting by Simulating with Mouth of SnakeWANG Yi 1,2 XU Hongbin 1,2 ZHANG Mao 2 MA Jitong 2 LIU Bo 2 HE Yu 2(1.College of Mechanical Engineering ,Chongqing University ,Chongqing 400044,China2.College of Mechanical Engineering ,Chongqing University of Technology ,Chongqing 400054,China )Abstract :Aiming to improve the picking ability of the harvesting robot,a bite⁃model end⁃effector for citrus was designed.The design requirements of the end⁃effector were obtained by first investigation of the growth of citrus stem,the inclination of the stem and doing statistics was defined,and the shearing requirements of the stem extreme position was lastly analyzed.That the design of the bite⁃model end⁃effector can meet the design requirements by simulating the snake mouth structure which followed the snake’s biting action and the special structure of the snake’s mouth bones.Two design ideas were proposed by simplifying the structure of the snakehead skeleton.Based on this,the initial model of the two kinds of mechanism was designed respectively.After the preliminary kinematics analysis,the optimal scheme was determined and the initial model was optimized,and the three⁃dimensional model of the end⁃effector was determined.According to the three⁃dimensional model,the kinematics model of the end⁃effector was established,and the kinematics analysis and simulation were carried out to ensure the reasonable design of the mechanism.A bite⁃model end⁃effector prototype was manufactured,and then it was verified by the citrus harvesting robot developed by the research group in laboratory and outdoor environment.In laboratory environment,the experimental results showed that the cutting success rate was not less than 95%under the condition that the air pressure was 0.6MPa,the inclination of the stem was 0°,the stem diameter was no more than 4.0mm,and the overall cutting success rate for different stem inclinations was 97.5%.The total success rate of harvesting citrus in the outdoor environment was 87.5%.Key words :citrus;harvesting robot;end⁃effector;bionics;bite⁃model;inclination of stem0 引言采摘机器人的概念于1968年由SCHERTZ和BROWN提出后,世界各国学者对采摘机器人纷纷开展了研究[1-2]㊂但是,由于采摘机器人缺乏强大的果实识别能力和精确采摘能力,目前为止仍然处在实验室阶段[1,3]㊂末端执行器作为采摘机器人的一个关键部件,直接对果蔬进行操作,对果蔬的成功采摘起着关键作用,直接影响采摘机器人的采摘能力㊂当前对末端执行器的研究,大多针对大棚中生长的水果和蔬菜[4-11],针对室外环境的研究较少㊂在大棚中生长的水果和蔬菜,其生长状态相对可控,对末端执行器的要求相对简单㊂在室外环境中生长的果蔬,如柑橘,其生长情况是随机的,对末端执行器要求更高㊂目前,末端执行器的采摘原理有利用剪刀剪断果柄[7,12]㊁通过3根或4根手指抓住果实扭断或切断果柄[7,13-14]以及通过机构夹持住果实再切断果柄[6,9,15]等㊂对于自然环境下生长的柑橘来说,果柄的生长方位是随机的,在自然环境下较难通过视觉系统精确判断每一个柑橘果实其果柄的空间方位信息㊂通过剪刀剪断果柄的方式由于果柄空间方位信息未知则难以准确切断果柄,通过手指扭断果柄的方式容易在果柄与果实分离时造成果实表皮破损,通过夹持果实的方式则容易造成果实表面淤伤等问题㊂因此,对于柑橘采摘机器人来说,有必要设计一款对果实表面损伤较小㊁未知柑橘果柄空间方位就能进行采摘的末端执行器,以提高柑橘采摘机器人的采摘能力㊂本文基于仿生学原理,模拟蛇嘴的咬合动作及其结构设计仿蛇嘴的咬合式末端执行器,对末端执行器进行运动学分析和仿真,研制末端执行器样机并进行实验室环境和室外环境的实验验证㊂1 仿蛇嘴咬合式末端执行器结构设计1.1 仿蛇嘴咬合式末端执行器的设计目标和要求为实现在未知柑橘果柄空间方位情况下就能对柑橘果实进行采摘这一技术要求,本文模拟动物吞食咬合动作来设计柑橘采摘末端执行器,即设计的末端执行器的形态类似于动物的嘴部结构,同样具有上下颚,通过类似于动物咬合的方式剪断果柄实现柑橘采摘㊂本文把这种具有上下颚咬合功能的末端执行器称之为咬合式末端执行器㊂在众多生物中,蛇类的颚部骨骼与其他动物相比有着很大的不同,蛇类颚部骨骼的特殊结构使得蛇嘴能够扩张3倍,使得蛇能够捕食体积比自身还大的猎物[16-17],这样的结构特点同样有利于吞咽果实,方便机器人采摘㊂受蛇嘴结构的启发,本文根据仿生学原理,仿照蛇嘴的结构设计采摘机器人末端执行器㊂一般情况下,柑橘都是自然生长的,其果柄的生长方位也是杂乱无章的(图1),而仿蛇嘴咬合式末端执行器的设计目标是在未知柑橘果柄空间具体方位的情况下通过末端执行器实现对柑橘果柄的剪切㊂通过观察与分析发现,对于咬合式末端执行器来说,在未知果柄空间方位的情况下剪断果柄的关键有两点:一是末端执行器张角足够大,足以包容任何生长方位的柑橘果柄而不与果柄发生碰撞(图2a);二是末端执行器能够在果柄生长范围内的任意角度实现咬合动作,从而实现对任意生长方位果柄的剪断(图2b)㊂这要求末端执行器的张角要尽可能大,且其上下颚能够在果柄生长范围内的任意角度实现咬合动作㊂图1 柑橘果柄生长情况Fig.1 Growth condition of citrus stem图2 咬合式末端执行器剪切过程示意图Fig.2 Schematic diagrams of shearing process ofbite⁃model end⁃effector以上要求都和果柄与水平面在空间中的夹角有关,为更加清楚地描述柑橘果柄空间方位,定义柑橘果柄与水平面在空间中的夹角为果柄倾角θcar㊂针对果柄倾角的分布情况在某柑橘栽培基地进行了实地测量和统计,统计方式如图3所示,得到果柄倾角与果实密度的关系图,如图4所示,其中μ为倾角范围内的果实数所占百分比㊂由图4可以发现,果柄倾角的范围分布较广,从5°~90°都有分布,在30°~90°范围分布较多,但无明显集中的区域㊂每5°取一个采样点,在每个采样点附近的柑橘算作此采样点处的样本㊂通过分析还发现,当果柄倾角为5°时,果柄接近水平位置,此时实现果柄的剪切较为容易,末端执行器只要能够顺55第10期 王毅等:仿蛇嘴咬合式柑橘采摘末端执行器设计与实验图3 果柄倾角测量图Fig.3 Measurement diagram of stem inclination图4 果柄倾角与果实密度直方图Fig.4 Histogram of relationship between inclinationof stem and fruit density利吞入果实并在水平位置附近咬合即可完成对果柄的剪切(图5a)㊂倾角逐渐增大,末端执行器剪切的难度也随之逐渐增大,当倾角为90°时,剪切难度达到最大(图5b)㊂此时果柄与水平面垂直,若要求果柄在采摘前不与末端执行器发生碰撞,则要求末端执行器上颚同样也与水平面垂直,即要求末端执行器张角为180°,在此位置能够实现咬合㊂图5 不同果柄倾角下末端执行器剪切情况Fig.5 End⁃effector shear condition at different steminclinations1.2 结构设计1.2.1 蛇嘴咬合过程与蛇头骨结构分析蛇嘴的咬合过程大致可分为对准㊁伸出㊁张嘴与咬合4个步骤(图6)㊂咬合式末端执行器采摘果实时大致也分为这4个步骤,其中对准与伸出动作可由机械臂完成,而张嘴与咬合动作由咬合式末端执行器完成㊂KARDONG 等[18]将蛇类中具有代表性的响尾蛇头部作为研究对象,发现蛇头部上颚各骨骼可组成一个封闭的机构,而下颚与上颚的运动则相对独立,蛇头骨骼结构如图7a 所示㊂进一步对该结构进行简化,用连杆表示各骨骼,用铰链表示骨骼的连接部,将蛇头结构简化为一个通过各关节铰接的铰链图6 蛇嘴的咬合过程Fig.6 Snake bite process图7 蛇头骨骼结构图[18]Fig.7 Snake head skeleton map[18]1.脑颅骨2.上颞骨3.方形骨4.翼状骨5.外翼状骨6.上颌骨7.前额8.上颚骨9.下颌骨连杆机构,如图7b 所示㊂1.2.2 蛇头骨骼结构简化与仿蛇嘴咬合结构设计根据末端执行器的设计目标和要求,对蛇头骨骼结构进行分析和简化㊂由图7b 所示的蛇头骨骼简化连杆结构图可知,杆件9(下颌骨)运动相对独立,杆件8(上颚骨)和杆件5(外翼状骨)均和杆件6(上颌骨)及杆件4(翼状骨)连接,连接关系上有一定的重叠㊂据此,本文提出2种设计思路:(1)忽略杆件8,蛇头骨骼的上颚部分可简化为如图8a 所示的7连杆机构㊂(2)忽略杆件5,同时将杆件6与杆件8视为一个杆件,蛇头骨骼的上颚部分可简化为如图8b 所示的6连杆机构㊂图8 蛇头骨上颚部分简化机构图Fig.8 Simplified mechanisms of upper jaw part of snake skull对设计思路(1)提出的7连杆机构进行分析,如图8a 所示,共有7个杆件,同时有7个转动副,但没有确定活动构件数㊁原动件类型和数目㊂若确定一个杆件为机架,则剩下6个杆件为活动件,同时具有7个转动副,根据自由度计算公式F =3n -2p 5-p 4(1)式中 F 自由度 n 活动构件数p 5 5级平面低副数p 4 4级平面高副数可计算得自由度为4,而原动件不可能为4个,此机构运动不能确定㊂若确定两个杆件如杆件4和杆件65农 业 机 械 学 报 2018年5为机架,此时活动构件数为5个,但转动数也相应减少1个,变为6个,由式(1)计算得自由度为3,运动同样不能确定㊂因此,必须对该结构进行一定的改进㊂考虑到末端执行器的总重量不能超过机械臂的负重限制,末端执行器不能选用过重的设备和材料,因此选择动力输入设备为质量较小的气缸,则有输入为直线移动的直线气缸和输入为回转运动的手指气缸可供选择㊂将杆件3和杆件4铰接处的转动副改为移动副,作为直线气缸的输入,将杆件3带动此移动副提前至杆件1处,将杆件7和杆件2视为同一杆件,将杆件4和原杆件3视为机架,则有了改进后的上颚机构a,如图9a 所示㊂此机构共有5个活动构件,7个平面低副,由式(1)计算得自由度为1,由直线气缸作为原动件㊂图9 改进后的上颚机构Fig.9 Improved upper jaw mechanisms对设计思路(2)提出的6连杆机构进行分析,如图8b 所示,若指定杆件4为机架,则有5个活动杆件和6个转动副,由式(1)计算得自由度为3㊂若指定2个杆件如杆件4和杆架3为机架,则有4个活动杆件和5个转动副,由式(1)计算得自由度为2,在只有一个原动件的条件下机构运动无法确定,同样需对该结构进行一定的简化和改进㊂通过观察发现,构件1为蛇头的脑颅骨,而杆件2和杆件7均为连接脑颅骨的构件,这3个构件之间的相对运动对主要运动影响不大,于是将这3个构件简化为1个杆件,则蛇头骨骼机构可简化为1个平面四杆机构,为改进后的上颚机构b,如图9b 所示㊂确定杆件4为机架,则有3个活动件和4个转动副,由式(1)计算得自由度为1,由手指气缸作为原动件㊂1.2.3 咬合式末端执行器结构仿真咬合式末端执行器要实现咬合剪断果柄,必须要上下额以相同轨迹同时运动,而蛇头骨骼结构的下颚运动则相对独立,为保证剪切效果,本文对咬合式末端执行器的下颚采用与上颚相同且对称的机构,根据前文提出的两种设计思路,设计出咬合式末端执行器的两种机构,机构简图如图10a 和图10b 所示,机构运动仿真图如图11和图12所示㊂根据机构简图,结合柑橘尺寸,利用几何图形法对机构尺寸进行优化,在Solidworks软件中建立两图10 咬合式末端执行器机构简图Fig.10 Schematic diagrams of bite⁃modelend⁃effector mechanism图11 咬合式末端执行器机构a 运动仿真图Fig.11 Motion simulation diagram of bite⁃modelend⁃effector mechanism a 图12 咬合式末端执行器机构b 运动仿真图Fig.12 Motion simulation diagram of bite⁃modelend⁃effector mechanism b种末端执行器的初步模型,如图13和图14所示㊂图13 咬合式末端执行器初步模型aFig.13 Initial model a of bite⁃model end⁃effector1.上颚支架2.上颚刀片3.主架4.下颚刀片5.下颚支架6.传动杆7.支撑长杆8.动力推杆9.随动支撑钣金 10.基座将模型a 和模型b 导入ADAMS 软件中进行初步运动分析,设置运动时间,分别导出两种模型的末端执行器执行咬合动作时上㊁下颚的速度与加速度变化曲线以及角速度与角加速度变化曲线,如图15和图16所示㊂通过分析对比图15㊁16,模型a 在运动过程中上下颚刀片的速度㊁加速度㊁角速度和角加速度均存在突变,容易造成较大的冲击㊂而模型b 的运动曲线除了启动瞬间,其余阶段均较为平稳,无明显突75第10期 王毅等:仿蛇嘴咬合式柑橘采摘末端执行器设计与实验图14 咬合式末端执行器初步模型bFig.14 Initial model b of bite⁃model end⁃effector1㊁10.手指气缸 2㊁7㊁9㊁11.传动杆 3.上颚 4.下颚 5.上刀片 6.主架 8.下刀片 12.连接法兰图15 模型a 上㊁下颚速度与角速度及加速度与角加速度变化曲线Fig.15 Changing curves of velocity and angular velocity,acceleration and angular acceleration of upper andlower jaws in model a 图16 模型b 上㊁下颚的速度与加速度及角速度与角加速度变化曲线Fig.16 Changing curves of velocity and acceleration,angular velocity and angular acceleration of upper andlower jaws in model b 变,具有较好的运动特性;比较2个模型的张角,模型b 的张角明显比模型a 的张角要大,更符合设计要求;同时模型b 的结构更简单㊂经综合比较,根据模型b 的结构设计咬合式末端执行器㊂1.3 仿蛇嘴咬合式末端执行器机构建模以图14所示的模型b 为基础,对末端执行器机构进行细化㊂咬合式末端执行器的上㊁下颚分别为平面四杆机构,如图10b 所示,点B 处连接剪切刀片,杆AB 为执行剪切动作的从动杆,杆CD 为主动杆,杆AD 为机架,杆BC 为连架杆㊂选用SMCMHY216D 型气动手指气缸为末端执行器动力源,安装在机架AD 上,其尺寸参数见文献[19]㊂手指气缸的初始状态为手指与缸体平行,最终状态为手指与缸体垂直㊂而作为剪切杆件的从动杆,其初始状态为保证张角为180°,需与机架垂直,最终的剪切状态为与机架平行的水平状态㊂据此,画出末端执行器连杆初始状态和最终剪切状态的机构图,如图17所示㊂图17 末端执行器连杆的初始状态和最终状态机构图Fig.17 Initial and final state mechanism diagrams ofend⁃effector linkage杆AB 需要完全包络柑橘,因此杆AB 长度需大于柑橘半径,但又不能过大致使无法剪切到果柄㊂经调研得到的柑橘实际尺寸,设定杆AB 长度为40mm㊂同时根据手指气缸大小和柑橘直径确定机架AD 长度为75mm,可计算出CD 杆长为40mm,BC 杆长为122mm,同时根据果柄直径和工作实际确定其他零件尺寸,得出咬合式末端执行器三维模型,如图18所示㊂图18 咬合式末端执行器三维模型Fig.18 Three⁃dimensional model of bite⁃model end⁃effector1.机架2.上颚支架3.上刀片4.下刀片5.下颚支架6.上颚连杆7.气缸支架8.下颚支架9.手指气缸 10.下颚驱动杆 11.上颚驱动杆1.4 仿蛇嘴咬合式末端执行器机构优化将末端执行器三维模型导入ADAMS 软件进行85农 业 机 械 学 报 2018年咬合剪切运动的仿真,在进行咬合动作时发现,由于果柄存在倾角,上颚会先于下颚接触果柄,而上颚在接触果柄后,由于作为动力源的手指气缸的两个手指为同时运动,上颚接触果柄后不再运动,使连接上颚的手指停下,从而使连接下颚的手指也停下,造成下颚也停止运动,无法形成咬合剪切动作,造成剪切果柄失败㊂咬合动作仿真图如图19所示㊂图19 模型咬合动作仿真图Fig.19 Simulation diagram of model bite motion仔细分析蛇头骨骼机构,发现蛇头骨骼的下颚部分与上颚的运动相对独立,能够保证上颚在咬住猎物的同时下颚继续运动形成咬合㊂对比所设计的末端执行器,上下颚的运动完全同步是造成无法咬合的主要原因㊂将咬合机构与主架的连接由两颗螺钉连接变为一个轴承连接,可释放咬合机构自行运动的自由度㊂自由度释放后,由于重力作用,手指气缸会带动咬合机构沿此轴承形成摆动,同时在主架 上增加一个挡块形成限制摆动的位置㊂根据前期研究成果,采摘姿态在45°左右时有较好的采摘效果[20],调整挡块位置,将摆动的角度限定在45°,可具有较好的采摘效果㊂优化后的末端执行器三维模型如图20所示㊂图20 优化后的末端执行器三维模型Fig.20 Three⁃dimensional model of optimized end⁃effector1.机架2.挡块3.上颚支架4.上刀片5.下刀片6.下颚支架7.上颚连杆8.气缸支架9.下颚支架 10.手指气缸 11.下颚驱动杆 12.上颚驱动杆2 仿蛇嘴咬合式末端执行器运动分析2.1 平面模型的建立根据末端执行器的三维模型,建立末端执行器的平面连杆机构模型,如图21所示,两个相同的四连杆机构带动刀片作为咬合式末端执行器的上下颚执行剪切咬合动作,两个四杆机构共用机架和动力源㊂图21 末端执行器平面连杆机构模型Fig.21 Model of end⁃effector plane link mechanism2.2 咬合式末端执行器上颚运动学分析由2.1节可知,设计的末端执行器是由两个相同的四连杆机构组成的咬合机构和机架构成,咬合机构能够在机架上转动,M 点和N 点为上㊁下颚刀尖,M 和N 点重合时即对果柄进行剪切,M 点和N 点一方面由气缸驱动进行剪切运动,另一方面随同咬合机构在重力作用下进行旋转运动,为两个运动的合成㊂由于M 点和N 点的运动过程类似,仅列出M 点的计算方程㊂ 首先考虑咬合机构在气缸驱动下进行剪切运动时M 点的运动特性,图22所示为咬合机构上半部分机构图,CD 杆为原动件㊂以角速度ω驱动四连杆机构运动,其加速度为ε,则有α=ωt(2)图22 咬合机构上颚部分机构简图Fig.22 Upper jaw mechanism sketch of occlusion mechanism式中 α CD 轴与x 反方向的夹角t 运动时间根据前文设计要求,有ψ=π2-α=π2-ωt (3)95第10期 王毅等:仿蛇嘴咬合式柑橘采摘末端执行器设计与实验式中 ψ 杆AB 与x 轴的夹角则B 点位移为x B =l 4cos ψ+l 2(4)y B =l 4sin ψ+l 3(5)式中 x B ㊁y B B 点在x ㊁y 轴方向位移l 2 A 点距原点的x 轴方向距离l 3 A 点距原点的y 轴方向距离l 4 杆AB 的长度B 点速度为v B x =x ㊃B =-l 4ψ㊃sin ψ=l 4ωsin ψ(6)v B y =y ㊃B =l 4ψ㊃cos ψ=-l 4ωcos ψ(7)式中 v B x ㊁v B y B 点在x ㊁y 轴方向速度ψ㊃杆AB 的角速度B 点加速度为a B x =x ㊃㊃B =l 4(εsin ψ-ω2cos ψ)(8)a B y =y ㊃㊃B =-l 4(εcos ψ+ω2sin ψ)(9)式中 a B x ㊁a B y 点B 在x ㊁y 轴方向的加速度ε 杆CD 的初始加速度则由B 点的运动学方程可求出M 点的运动学方程,M 点位移为x M =x B +l 5sin ψ(10)y M =y B -l 5cos ψ(11)式中 x M ㊁y M 点M 在x ㊁y 轴方向的位移l 5 杆BM 的长度M 点速度为v M x =x ㊃M =v B x -l 5ωcos ψ(12)v M y =y ㊃M =v B y -l 5ωsin ψ(13)式中 v M x 点M 在x 轴方向的速度v M y 点M 在y 轴方向的速度M 点加速度为a M x =x ㊃㊃M =a B x -l 5(εcos ψ+ω2sin ψ)(14)a M y =y ㊃㊃M =a B y -l 5(εsin ψ-ω2cos ψ)(15)式中 a M x 点M 在x 轴的加速度a M y 点M 在y 轴的加速度再考虑咬合机构在重力作用下进行旋转运动的运动特性,如图23所示为咬合机构在机架上转动示意图,将咬合机构视为一个整体,其质心为P ,质量为m ,质心距原点O 的距离为l ,质心P 与原点O 的连线与y 轴的夹角为α′,则在开始咬合动作的时间为t ,ω′为机架在t 时间内转动的角速度,ε′为机架在t 时间内转动的角加速度,则有ω′=d α′d t ε′=d ω′d ìîíïïïït(16)图23 咬合机构在机架上转动示意图Fig.23 Schematic diagram of occlusion mechanismrotating on frame其势能V 为V =mgl (1-cos α′)(17)式中 g 重力加速度动能T 为T =12J C ω′2=12ml 2ω′2(18)式中 J C 咬合机构绕O 点旋转的转动惯量根据机械能守恒定律,有dd t(V +T )=0(19)将式(17)㊁(18)代入式(19),有d d [t mgl (1-cos α′)+12ml 2ω′]2=0(20)则有mgl sin α′d α′d t +ml 2ω′d ω′d t=0(21)解得ε′=-g sin α′l(22)对ε′进行时间的积分,可得ω′=∫tε′d t =glcos α′t (23)由于α′的初始值为45°,则有α′=π4-ω′t =π4-glcos α′t 2(24)式(24)为α′关于时间t 的函数,对应每一个时间即有确定的α′,即可确定咬合机构在重力下旋转的运动规律㊂最后考虑两个运动的合成㊂机架坐标系为x a Oy a 坐标系,咬合机构坐标系为x b Oy b 坐标系,咬合机构在机架上的运动即为咬合机构坐标系在机架坐标系中的运动,如图24所示㊂由于咬合机构上下完全对称,其质心在x b Oy b坐标系的x 轴上,因此α′为x b Oy b 坐标系的x 轴与x a Oy a 坐标系的y 轴的夹角,x b Oy b 坐标系可认为是x a Oy a 坐标系绕z 轴旋转了θ,则同一矢量由x b Oy b 坐标系转换到x a Oy a 坐标系的转换关系为[21]P a =RP b(25)06农 业 机 械 学 报 2018年图24 咬合机构在机架上的运动合成示意图Fig.24 Schematic diagram of movement of occlusionmechanism on frame其中R =cos θ-sin θ0sin θcos θ0éëêêêùûúúú001(26)θ=π2-α′(27)式中 P a x a Oy a 坐标系中的矢量P b x b Oy b 坐标系中的矢量R x b Oy b 坐标系相对于x a Oy a 坐标系的表达根据式(14)㊁(15)㊁(24)㊁(25),即可求出M 点在x a Oy a 坐标系中的运动规律㊂2.3 咬合式末端执行器上下颚运动学仿真2.3.1 运动学参数仿真结果将优化后的末端执行器三维模型导入ADAMS 软件,并设置约束条件和驱动,分别导出末端执行器动作时上㊁下颚的位移㊁速度和加速度曲线,如图25所示㊂由图25可以看出,下颚位移比上颚大,上㊁下颚速度和加速度变化基本同步,但下颚速度大于上颚 图25 上㊁下颚的位移㊁速度和加速度曲线Fig.25 Displacement,velocity and acceleration curves of upper and lower jaws速度,剪切瞬间下颚加速度变化较为剧烈,这都与咬合机构在机架上的运动合成和剪切瞬间的碰撞有关,与预期基本相符㊂2.3.2 完整咬合周期运动学仿真通过ADAMS 软件对末端执行器模型进行完整剪切周期的运动学仿真,仿真效果如图26所示,由图可以看出,末端执行器开始剪切任务后,先完成剪切运动㊁再完成旋转运动,完成旋转运动后剪切机构与机架垂直,机构复位运动顺利,整个运动过程平稳无干涉现象,能够顺利完成剪切周期的剪切动作和复位动作㊂图26 咬合式末端执行器运动过程图Fig.26 Movement process diagram of bite⁃model end⁃effector3 末端执行器制作与实验3.1 实验平台搭建根据分析结果制作末端执行器,图27为末端执行器俯视图与左视图㊂图27 末端执行器Fig.27 End⁃effector prototype将末端执行器安装在课题组自行研制的柑橘采摘机器人上进行实验验证㊂柑橘采摘机器人的控制系统框图如图28所示,该系统基于机器人操作系统(Robot operation system,ROS)在Ubuntu 操作系统下为机械臂和末端执行器搭建运动控制系统,同时基于QT 开发平台搭建双目视觉平台,机械臂选用敖博(北京)智能科技有限公司研制的AUBOi5型六自由度机械臂㊂工作原理为视觉平台利用OpenCV3.2.0视觉开源库对柑橘进行识别,基于双目立体视觉原理,计算出柑橘表面形心在机械臂坐标系的三维坐标,完成柑橘果实的定位㊂上位机利用ROS 软件开发平台,接收视觉系统提供的果实空间信息后,对机械臂进行运动学求解㊁完成场景规划㊁运动规划等工作㊂由驱动接口将ROS 输出的数据通过CAN 总线发送给驱动器,由驱动器驱动电动机转动完成机械臂的运动㊂机械臂上的传感器将采集的位置㊁速度等信息实时反馈给上位机,上位机根据反馈16第10期 王毅等:仿蛇嘴咬合式柑橘采摘末端执行器设计与实验。
