欠驅(qū)動采摘末端執(zhí)行器的設(shè)計論文[不全].doc

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1、目錄摘要.錯誤!未定義書簽。ABSTRACT.錯誤!未定義書簽。第一章緒論.31.1課題研究意義.31.2農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展概況.31.2.1國外研究成果及現(xiàn)狀.31.2.2國內(nèi)研究成果及現(xiàn)狀.61.3末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀.61.3.1國外末端執(zhí)行器研制進(jìn)展情況.71.3.2國內(nèi)研制的末端執(zhí)行器概述.81.4欠驅(qū)動技術(shù)研究發(fā)展.81.5主要內(nèi)容和研究方法.101.5.1主要研究內(nèi)容.101.5.2技術(shù)路線.11第二章欠驅(qū)動采摘末端執(zhí)行器的設(shè)計.122.1欠驅(qū)動采摘末端執(zhí)行器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計.122.1.1手指結(jié)構(gòu)設(shè)計.142.1.2轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)及機(jī)架的設(shè)計.152.1.3驅(qū)動方案的選擇.162.2手腕

2、關(guān)節(jié)的設(shè)計.172.3執(zhí)行器的控制方案設(shè)計.192.4本章小結(jié).20第三章末端執(zhí)行器靜力學(xué)分析.233.1欠驅(qū)動手指的工作原理.233.2包絡(luò)抓取時的靜態(tài)力學(xué)模型.233.3運(yùn)動學(xué)分析.263.4利用MATLAB軟件進(jìn)行手指綜合結(jié)構(gòu)參數(shù)確定.273.5手部的夾持誤差計算.283.6手指的有限元分析.303.7本章小結(jié).34第四章末端執(zhí)行器虛擬設(shè)計與仿真研究.14.1軟件概述.14.2機(jī)械手的虛擬設(shè)計與裝配.24.2.1模型的建立.24.2.2虛擬裝配.44.3手指運(yùn)動仿真.44.4模塊化設(shè)計.94.4.1模塊化設(shè)計概念.94.4.2手指的模塊化設(shè)計.10II4.5本章小結(jié).11第五章控制系統(tǒng)設(shè)

3、計.錯誤!未定義書簽。5.1系統(tǒng)硬件組成.錯誤!未定義書簽。5.1.1單片機(jī)的選用.錯誤!未定義書簽。5.1.2AVRATmega16型單片機(jī)簡介.錯誤!未定義書簽。5.1.3步進(jìn)電機(jī).錯誤!未定義書簽。5.1.4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器.錯誤!未定義書簽。5.1.5傳感器.錯誤!未定義書簽。5.1.6系統(tǒng)軟件方案分析.錯誤!未定義書簽。5.2系統(tǒng)工作原理和工作過程.錯誤!未定義書簽。5.3本章小結(jié).錯誤!未定義書簽。第六章實驗分析.錯誤!未定義書簽。6.1手抓適應(yīng)性實驗.126.2壓力傳感器實驗.錯誤!未定義書簽。6.3果實抓取力實驗分析.錯誤!未定義書簽。6.3.1壓力傳感器標(biāo)定實驗.錯誤!未定義書

4、簽。6.3.2不同脈沖頻率下力的變化實驗.錯誤!未定義書簽。6.3.3不同成熟度情況下力的變化實驗.錯誤!未定義書簽。6.3.4夾持效率實驗.錯誤!未定義書簽。6.4本章小結(jié).錯誤!未定義書簽。第七章結(jié)論和建議.錯誤!未定義書簽。7.1結(jié)論.錯誤!未定義書簽。7.2創(chuàng)新點.錯誤!未定義書簽。7.3后續(xù)研究建議.錯誤!未定義書簽。攻讀碩士期間發(fā)表的論文.錯誤!未定義書簽。致謝.錯誤!未定義書簽。第二章欠驅(qū)動采摘末端執(zhí)行器的設(shè)計3第一章緒論1.1課題研究意義水果是人類生活中必不可少的食物，水果的種植比例也在逐年增多，2002年中國果品種植面積893萬hm2，產(chǎn)量6225萬t，占世界果品產(chǎn)量的13%

5、1。目前我國的水果總產(chǎn)量躍居世界第一位，其中以蘋果、柑橘和梨的種植面積為最大。在我國，蘋果栽培有著悠久的歷史，是我國11大優(yōu)勢農(nóng)產(chǎn)品之一。我國蘋果生產(chǎn)在世界蘋果產(chǎn)業(yè)中占有舉足輕重的地位。據(jù)統(tǒng)計，2004年我國蘋果栽培面積187.7萬公頃、產(chǎn)量2367.5萬噸，分別占世界蘋果栽培面積41.5%和產(chǎn)量的7.5%。近10多來年，我國對世界蘋果產(chǎn)量增長的貢獻(xiàn)率高達(dá)84%2。這使得果園收獲作業(yè)機(jī)械化、自動化成為廣大果農(nóng)們最為關(guān)注的熱點問題。發(fā)展機(jī)械化收獲技術(shù)，研究開發(fā)果蔬采摘機(jī)器人,不僅對于適應(yīng)市場需求、降低勞動強(qiáng)度、提高經(jīng)濟(jì)效率有著一定的現(xiàn)實意義，而且對于促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步，加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程有著重

6、大的意義。在果實類的水果采摘生產(chǎn)作業(yè)過程中，需要人工不定時的對果實進(jìn)行成熟度判斷和收獲，并不時地移動梯子登高或彎腰，因此果品采摘作業(yè)是水果生產(chǎn)鏈中最耗時、最費(fèi)力的一個環(huán)節(jié)、具有一定危險性的作業(yè)。目前，國內(nèi)水果采摘作業(yè)基本上都是人工進(jìn)行，其費(fèi)用約占成本的50%70%，并且時間較為集中。隨著水果大面積的推廣與種植，研究水果采摘機(jī)器人既可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式、解決勞動力不足問題等方面又可以減輕勞動強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率，而且具有廣闊的市場應(yīng)用前景。1.2農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展概況1.2.1國外研究成果及現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)機(jī)器人是一種集傳感技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)、人工智能技術(shù)、通訊技術(shù)、圖像識別技術(shù)、精密及系統(tǒng)集成技

7、術(shù)等多種前沿科學(xué)技術(shù)于一身的機(jī)器人4。農(nóng)業(yè)機(jī)器人是一門邊緣交叉學(xué)科，是多領(lǐng)域技術(shù)的綜合，其發(fā)展需要各相關(guān)學(xué)科的配合與支援3。農(nóng)業(yè)機(jī)器人又可以分為：施肥機(jī)器人、除草機(jī)器人、收摘機(jī)器人、嫁接機(jī)器人等。日本是研究農(nóng)業(yè)機(jī)器人最早的國家之一，早在20世紀(jì)70年代后期，隨著工業(yè)機(jī)器人的發(fā)欠驅(qū)動蘋果采摘末端執(zhí)行器研究和設(shè)計4展，對農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究工作逐漸啟動5,6,7。收獲作業(yè)的自動化和機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)60年代的美國(1968年)，采用的收獲方式主要是機(jī)械震搖式和氣動震搖式，其缺點是果實易損，效率不高，特別是無法進(jìn)行選擇性的收獲8。自1983年第1臺西紅柿采摘機(jī)器人在美國誕生以來，采摘機(jī)器人的研究和

8、開發(fā)歷經(jīng)20多年，日本和歐美等國家相繼立項研究采摘蘋果、柑桔、西紅柿、西瓜和葡萄等智能機(jī)器人9。1.2.1.1西紅柿采摘機(jī)器人日本Kondo-N10,12,13等人研制的西紅柿收獲機(jī)器人由機(jī)械手、末端執(zhí)行器、視覺傳感器和移動機(jī)構(gòu)等組成，如圖1.1所示。圖1-1西紅柿采摘機(jī)器人圖1-2美國的番茄采摘機(jī)器人Fig.1-1TomatoharvestingrobotFig.1-2Tomatopicking-robotmadeinAmerica機(jī)器人的采摘機(jī)械手采用7自由度的SCORBOTER工業(yè)機(jī)器人，能夠形成指定的采摘姿態(tài)進(jìn)行采摘。用彩色攝像機(jī)作為視覺傳感器來尋找和識別成熟果實，利用雙目視覺方法對目

9、標(biāo)進(jìn)行定位；移動機(jī)構(gòu)采用4輪結(jié)構(gòu)，能在壟間自動行走。在2004年2月10日美國加利福尼亞州圖萊里開幕的世界農(nóng)業(yè)博覽會上，美國加利福尼亞西紅柿機(jī)械公司展出2臺全自動西紅柿采摘機(jī)(圖1.2)，這種西紅柿采摘機(jī)首先將西紅柿連枝帶葉割倒后卷入分選倉，倉內(nèi)能識別紅色的光譜分選設(shè)備挑選出紅色的西紅柿，并將其通過輸送帶送入隨行卡車的貨艙內(nèi)，然后將未成熟的西紅柿連同枝葉一道粉碎，噴撒在田里作肥料14。1.2.1.2蘋果采摘機(jī)器人韓國研制的蘋果采摘機(jī)器人，其機(jī)械手工作空間達(dá)到3m，具有4個自由度，包括3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和1個移動關(guān)節(jié)，采用三指夾持器作為末端執(zhí)行器，內(nèi)有壓力傳感器避免損傷蘋果。利用CCD攝像機(jī)和光電傳感

10、器識別果實，從樹冠外部識別蘋果時識別率達(dá)85%，速度達(dá)5個/s15。第二章欠驅(qū)動采摘末端執(zhí)行器的設(shè)計5圖1-3蘋果采摘機(jī)器人Fig.1-3Appleharvestingrobot2008年JohanBaeten和SvenBoedrij等人研制的蘋果采摘機(jī)器人16(圖1.3)，利用松下VR006L型六自由度手臂作為機(jī)械手主體，在果園作業(yè)時，機(jī)械手由一臺拖拉機(jī)牽引，其機(jī)器人整體占地面積較大，機(jī)械手重量較重，且成本較高，只適于植株較矮小的蘋果樹。1.2.1.3多功能葡萄采摘機(jī)器人日本岡山大學(xué)研制出了一種多功能葡萄采摘機(jī)器人(圖1.4)17。葡萄采摘機(jī)器人采用5自由度的極坐標(biāo)機(jī)械手，末端的臂可以在葡萄

11、架下水平勻速運(yùn)動。視覺傳感器一般采用彩色攝像機(jī)，采用PSD三維視覺傳感器效果更佳，可以檢測成熟果實及其距離信息的三維信息。采摘時，用于葡萄采摘的末端執(zhí)行器有機(jī)械手指和剪刀機(jī)械手指抓住果房，剪刀剪斷穗柄。1.2.1.4蘑菇采摘機(jī)器人英國Silsoe研究所研制的蘑菇采摘機(jī)器人18，可自動測量蘑菇的位置大小，并選擇性地采摘和修剪。它的機(jī)械手由2個氣動移動關(guān)節(jié)和1個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，末端執(zhí)行器是帶有軟襯墊的吸引器，視覺傳感器采用TV攝像頭，安裝在頂部用來確定蘑菇的位置和大小。采摘成功率75%左右，采摘速度67個/s。圖1.4多功能葡萄采摘機(jī)器圖1.5草莓采摘機(jī)器人Fig.1-4Multi-o

12、perationrobotforgrapevineFig.1-5Strawberryharvestingrobot欠驅(qū)動蘋果采摘末端執(zhí)行器研究和設(shè)計61.2.1.5柑橘收獲機(jī)器人法國和西班牙尤利卡合作的工程項目“CIT2RUS”是比較成功的研究成果19,20。該項目1988年開始啟動,其研制的收獲機(jī)器人。其最高能達(dá)到80%的采摘率，采摘率一般為60%65%。由于其無法商業(yè)化,加上過多的費(fèi)用損耗,缺乏資金投入，該項目在1997年便中止了。1.2.1.6草莓采摘機(jī)器人KondoN等人針對草莓越來越多采用高架栽培模式11，研制出了5自由度的采摘機(jī)器人，如1.5所示。草莓采摘機(jī)器人的視覺系統(tǒng)與番茄采摘

13、機(jī)器人相似，末端執(zhí)行器采用真空系統(tǒng)加螺旋加速切割器。收獲時，3對光電開關(guān)檢測草莓的位置，視覺系統(tǒng)計算空間位置，控制機(jī)械手移動到預(yù)定位置，末端執(zhí)行器將草莓吸入；當(dāng)草莓位于合適的位置時，腕關(guān)節(jié)移動，果梗進(jìn)入指定位置，螺旋加速驅(qū)動切割器旋轉(zhuǎn)切斷果梗，完成采摘。1.2.2國內(nèi)研究成果及現(xiàn)狀果樹采摘機(jī)器人的研究在我國尚處于起步階段。在采摘機(jī)械手和末端執(zhí)行器的設(shè)計研究方面：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院謝建新等人為解決機(jī)器人靈巧避障問題，研究設(shè)計了6自由度的關(guān)節(jié)型機(jī)械手臂。梁喜鳳等為分析并改善番茄收獲機(jī)械手運(yùn)動學(xué)特性，進(jìn)行了番茄收獲機(jī)械手運(yùn)動學(xué)優(yōu)化與仿真試驗，取得了較好的效果。東北林業(yè)大學(xué)的路懷民研制了林木球果

14、采摘機(jī)器人，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的趙金英等（2006年）對西紅柿采摘機(jī)器人整體進(jìn)行了研究。1.3末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀末端執(zhí)行件通常由機(jī)械裝置和傳感器組成。末端執(zhí)行件必須保證不傷害目標(biāo)作物，不惡化生物生產(chǎn)的質(zhì)量，與工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器相比，由于其作業(yè)對象和環(huán)境的柔嫩性、不規(guī)則性和復(fù)雜多變性特征，采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器具有明顯的特殊性和更高的智能化要求。目前果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器基本都是專用的，只能對一種果實進(jìn)行收獲,即是采摘機(jī)器人效率難以提高的主要原因，也是制約采摘機(jī)器人未來發(fā)展與應(yīng)用推廣的瓶頸。解決末端執(zhí)行器的通用性、靈活性和成本之間的矛盾,是果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器研究發(fā)展的方向。第二章欠驅(qū)動

15、采摘末端執(zhí)行器的設(shè)計71.3.1國外末端執(zhí)行器研制進(jìn)展情況Kutz等人（1987）基于CAD系統(tǒng)設(shè)計了移栽機(jī)器人21-22。如圖1.6其末端執(zhí)行件是一個并行夾取式夾持器，由1個氣缸和1個并行的夾取抓手組成。其抓取手只有張開和合攏兩種狀態(tài)，這兩種位置的距離差是20mm，兩個夾片長3mm。在3.3min內(nèi)能完成36個苗的移植，存活率可達(dá)96%。圖1.6SNS夾取器圖1.7柑橘采摘末端執(zhí)行器Fig.1-6SNSClipextractorFig.1-7Orangeharvestingend-effector美國佛羅里達(dá)大學(xué)研究員研制了用于小樹林的柑橘采摘機(jī)械手19，如圖1.7所示，依靠1個CCD攝像機(jī)

16、和超聲波傳感器置于末端執(zhí)行器的內(nèi)部來探測水果的位置。該機(jī)械手為球形坐標(biāo)形式,有7個自由度。其末段執(zhí)行器最高速率為508mm/s，最大載荷量大約為9.07kg，圖像處理和視覺伺服所花的時間為1580ms。Ryu等人（2000）設(shè)計了一種由氣動系統(tǒng)驅(qū)動的夾取裝置14。該末端器由步進(jìn)電機(jī)、氣缸、氣動卡盤和夾取指組成，如圖1.8所示。其末端執(zhí)行件由步進(jìn)電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)，并根據(jù)植株的方位確定針狀夾取指的位置，避免抓取時對植株葉片的傷害。PeterP.Ling等人（2004）設(shè)計了一種4個手指的末端執(zhí)行件23，如圖1.9。該末端執(zhí)行件主要由數(shù)字線性步進(jìn)電機(jī)、4個手指和吸引器組成。手指利用纜繩和筋腱使其彎曲，利

17、用扭矩彈簧使其伸展。數(shù)字線性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動筋腱，增強(qiáng)了末端執(zhí)行件運(yùn)動的可控性和精確性。圖1-8執(zhí)行器圖1-9手指末端執(zhí)行Fig.1-8end-effectorFig.1-9fingerend-effector欠驅(qū)動蘋果采摘末端執(zhí)行器研究和設(shè)計82008年JohanBaeten和SvenBoedrij等人研制了蘋果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器16(圖1.10)。其硅樹脂管里裝有微型攝像頭，用于獲取末端執(zhí)行器正前方蘋果圖像。真空泵提供動力，吸盤用于吸取蘋果。圖1-10蘋果采摘末端執(zhí)行器Fig.l-10Appleharvestingend-effector1.3.2國內(nèi)研制的末端執(zhí)行器概述與國外相比，國內(nèi)在果

18、蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的研究方面起步較晚，成果相對較少。其中，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)對茄子采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器進(jìn)行了研制，其采摘成功率達(dá)到92.76%。江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程研究院研制了一種基于多傳感器信息融合和開放式控制的智能控制的番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量僅為1.12kg，末端執(zhí)行器完成采摘動作的時間為35s。到目前為止，國內(nèi)還沒有研制出蘋果采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器。因此，開發(fā)一種具有采摘效率和成功率高，具有輕便性，通用性強(qiáng)的蘋果采摘末端執(zhí)行器具有重要的意義。1.4欠驅(qū)動技術(shù)研究發(fā)展當(dāng)一種機(jī)械機(jī)構(gòu)的驅(qū)動器數(shù)量少于這種機(jī)械機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)量時，這種機(jī)械機(jī)構(gòu)就稱為欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)24,25。這種機(jī)構(gòu)具有形狀

19、自適應(yīng)能力,欠驅(qū)動手指抓取物體時，它能夠完全包絡(luò)物體，并且能夠適應(yīng)物體的形狀。在機(jī)械手爪上的欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)與機(jī)器人系統(tǒng)上的欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)是不同的概念。欠驅(qū)動機(jī)器人通常是指含有一個或多個無驅(qū)動關(guān)節(jié)的操作器，而欠驅(qū)動機(jī)械手通常使用彈性元件來設(shè)計欠驅(qū)動關(guān)節(jié)，這就是說這些關(guān)節(jié)可以理解為無法控制或被動控制，而不是沒有驅(qū)動。美國麻省理工學(xué)院和猶他大學(xué)于1980年聯(lián)合研制成功了Utah/MIT手爪26,27,28。第二章欠驅(qū)動采摘末端執(zhí)行器的設(shè)計9手爪采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，手指的配置方式類似于人手，有四個手指:拇指、食指、中指和無名指，四個手指結(jié)構(gòu)完全相同，每個手指有4個自由度。手指關(guān)節(jié)采用伺服氣動缸作為驅(qū)動元件，由

20、腱和滑輪傳動。加拿大MDROBOTICS公司與Laval大學(xué)合作研制了非擬人手通用欠驅(qū)動手爪SARAH（Self-AdaptingRoboticAuxiliaryHand）29，如圖1.11示。該手爪有3個手指，每個手指有3個關(guān)節(jié)，加上1個轉(zhuǎn)動自由度，共10個自由度，而只用兩個電機(jī)驅(qū)動，一個電機(jī)負(fù)責(zé)手爪的開合，另一個負(fù)責(zé)手指的轉(zhuǎn)向。采用平面直齒輪差動方式，形成一路輸入三路輸出，分別去驅(qū)動三個手指開合。通過槽輪機(jī)構(gòu)對三個手指中的兩個進(jìn)行位置調(diào)整，進(jìn)行轉(zhuǎn)向，以適合不同形狀物體的抓取。圖1.11欠驅(qū)動手爪SARAH圖1.12基于錐齒輪差動機(jī)構(gòu)的欠驅(qū)動手爪Fig.l-10Self-AdaptingRo

21、boticAuxiliaryHandFig.l-12Under-actuatedrobothandbasedonconegeardifferentialmechanism國內(nèi)研究單位主要有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、合肥智能機(jī)械研究所等。北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所于80年代末開始的靈巧手研究與開發(fā)28,30。最初研究出來的BH-1靈巧手是一種仿JPL的靈巧手，功能相對簡。在隨后的幾年中又不斷改進(jìn)，研制出BH-3型靈巧手。如圖1.14所示。中科院合肥智能機(jī)械研究所開發(fā)了基于錐齒輪差動的欠驅(qū)動三指機(jī)器人手爪27,，圖1.12所示。這兩個手爪在結(jié)構(gòu)上與加拿大開發(fā)的SARAH手爪有些相似，它集成了SARAH手爪的靈巧手指機(jī)構(gòu),采用兩級錐齒輪差動方式，機(jī)構(gòu)簡潔高效，結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)方便主動適應(yīng)性和智能化程度上較SARAH有所提高。2003年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)和德國宇航中心合作，研制成功HIT/DLR多指靈巧手，圖1.13示，大大促進(jìn)了我國在靈巧手技術(shù)方面的發(fā)展31,32,33。目前國內(nèi)外欠驅(qū)動多指手的應(yīng)用背景主要是人工假手、海底探測、宇航器倉內(nèi)欠驅(qū)動手爪及太空機(jī)器人的末端操作器等,尚未見到將欠驅(qū)動多指手爪應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。