果蔬采摘欠驱动机械手爪设计及其力控制_金波
水果采摘机械手装置设计与仿真
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。
果实采摘机械手的结构设计及工作能力研究
高 要求 ， 制造 成 本较 高 ， 对农 民 而 言难 以接 受 ， 因此 需
要研制 出低 成本 、 高效 、 人 性化及 智能化果 实采摘 机
械手 ， 就技 术 层 面来 看 难度 较 大 。
制 并 使 用果 实 采 摘 机 器 人 协 助 生 产 已经 成 为 大 势 所
难 以发现 被 隐 藏在 内部 的 果 实 ， 且 采 摘 机 器 人 需 要 在 采 摘 过程 中识别 枝 叶 和 果 实 ， 并 能 够 成 功 避 开 障 碍 采 摘 果 实 。不 同 于工 业 机 器 人 使 用 需进 行 专业 培训 ， 使 用 果 实采 摘 机 器 人 的对 象 均 为 农 民 ， 文 化程度较低 ， 难 以操 作 现 代化 程度 较 高 的 机器 人 ， 因此 要 求 机 器 人 操 作具 有 一 定 的人性 化 特 点 ， 只需 要 进 行 简 单 操 作 便 可 执 行相 关 动作 。
果树上发 育程 度不 同 ， 各 种 物 理 及 机 械 特 性 差 异
大， 果 实 采摘 机 器 人 缺 乏 人 类 自主 判 断 能 力 ， 在 采 摘
过程 中要 避 免 伤 到果 树 及 果 实 有 一 定 难 度 。农 作 物
随 时间 和季 节 变化 较 大 由此 导致 果 实 采 摘 机 器 人 作 业 环 境具 有 多 变性 。果 实 成 熟 时 一 般 都 是 夏 秋 季 节 ，
果 树 枝 繁 叶茂 ， 很多果 实重叠生 长 ， 果 实 采 摘 机 器 人
一
当前有两种机械手结构较为实用 ： 一 是柔性拨簧式采 摘 工作 装置 ； 二是 直 流 变 频 振 动 式 采 摘 工 作 装 置 。第
采摘机器人机械手结构设计与分析
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。
种果蔬采摘竞赛机器人的设计
种果蔬采摘竞赛机器人的设计竞赛机器人的设计是基于高效、精确和自动化的原则，旨在提高果蔬采摘的效率和质量。
下面我将详细介绍这款机器人的设计。
一、机器人的结构和执行机构：1.结构设计：机器人的结构采用轻巧、紧凑的设计，以便在狭小的果蔬园地中自由活动。
机器人的主体部分由高强度、轻质的材料构成，以减少机器人的自身重量，提高机器人的机动性和灵活性。
2.执行机构：机器人配备了多个执行机构，包括机械臂、摄像机、传感器等。
机械臂用于采摘果实，其中的抓取器可以根据不同果蔬的形状和大小进行调整。
摄像机用于监控果蔬的生长情况和位置信息。
传感器用于检测果实的成熟度和质量。
二、机器人的感知和定位系统：1.相机视觉系统：机器人配备了高分辨率的相机，可以获取果实的图像信息。
通过图像处理算法，机器人可以实时识别出果实的位置、大小和成熟度。
2.定位系统：机器人通过激光雷达或GPS等定位技术，确定自身的位置和姿态，以便精确地定位和采摘果实。
三、机器人的控制系统：1.控制算法：机器人采用先进的控制算法，以实现自主操作和快速响应。
通过与相机和传感器的配合，机器人可以实时感知果实的状态和环境的变化，并做出相应的决策。
2.控制器：机器人配备了高性能的控制器，其运行速度和计算能力可以满足机器人复杂的控制需求。
控制器可以根据预设算法和规则，精确地控制机械臂的运动、摄像机的焦距和传感器的灵敏度。
四、机器人的智能决策系统：1.决策算法：机器人配备了智能决策算法，可以根据果蔬的生长情况、成熟度和质量，以及当前的环境条件，进行智能化的决策。
例如，机器人可以根据果蔬的成熟度和质量，决定是否采摘该果实，以及确定采摘的方式和顺序。
2.数据处理和分析：机器人通过处理和分析大量的数据，可以根据历史数据和趋势预测果蔬的生长情况，并提前做出相应的调整和决策。
五、机器人的安全保护系统：1.碰撞检测：机器人配备了碰撞检测传感器，并通过控制系统实时监测机器人周围的环境。
毕业设计采摘机械手
设计一个采摘机械手作为毕业设计是一个有趣和有挑战的项目。
以下是一个简要的设计方案：
1. 目标与需求分析：
-目标：设计一个能够自动采摘果实的机械手，提高采摘效率和减轻劳动强度。
-需求：机械手应具备准确的定位能力、稳定的抓取力度，并适应不同类型的果实。
2. 机械结构设计：
-手臂结构：选择合适的关节设计，使机械手具备较大的工作范围和灵活性。
-抓取器设计：根据果实的形状和大小，设计合适的抓取器，如夹爪、吸盘或夹子等，以确保稳定和安全地抓取果实。
3. 控制系统设计：
-定位系统：使用视觉传感器或激光测距仪等装置，实时识别果实的位置和姿态，并将数据传输给控制系统。
-运动控制：根据定位系统提供的数据，通过电动驱动或气动驱动等方式，控制机械手的运动，实现精确定位和抓取。
4. 自动化控制设计：
-控制算法：设计合适的算法，用于判断果实的成熟度、确定最佳采摘时机，并控制机械手的动作。
-用户界面：设计一个友好的用户界面，方便操作员监控和调整机械手的工作参数。
5. 安全性与可靠性设计：
-安全保护：考虑在机械手上安装传感器，如碰撞传感器或力传感器，以避免对果实和操作人员造成损害。
-可靠性测试：进行系统测试和验证，确保机械手在连续工作中的稳定性和可靠性。
6. 性能评估与改进：
-进行实地测试和评估机械手的采摘效率、准确性和稳定性。
-根据实际使用情况，收集反馈意见并进行改进，优化机械手的设计和性能。
以上是一个初步的设计方案，具体实施过程中需要根据自身的条件和资源对细节进行调整和完善。
另外，为确保设计的可行性和安全性，建议与导师和相关专业人士进行深入讨论和指导。
毕业设计（论文）-果实采摘机械手的设计与仿真
柑橘采摘机器人机械手的选型 .......................................................................... 69
3.1 可移动小车底盘 .................................................................................................. 72
3.2 升降梯 ............................................................................. 72
4.2 设计三维软件 SOLIDWORKS 简介 ....................................................................... 76
4.3 连杆机构设计方案 .............................................................................................. 76
the design of picking manipulator for small citrus fruit is to realize the whole process of
fruit picking.
This paper analyzes the environment of picking and characteristics of the fruit picking
果蔬采摘机械臂结构设计与性能测试
果蔬采摘机械臂结构设计与性能测试王丽丽;范晋伟;赵博;韦崇峰;孙小文;胡小安【摘要】针对作业空间较小的大棚果蔬采摘环境,研制了串联式4自由度关节型果蔬采摘机械臂.采用SolidWorks建立了机械臂的3维模型,在拉格朗日法建立动力学分析模型的基础上,利用ANSYS和ADAMS分析软件,对机械臂进行静态结构分析和运动学、动力学仿真分析.静力学仿真结果表明,机械臂的最大应力为8.181 8 MPa,最大形变为0.000329 11 m,结构设计合理,强度符合要求;运动学仿真结果表明,机械臂可以精确到达目标位置,运动过程平稳;动力学仿真结果表明,各关节的最大力矩均在安全合理的范围.为进一步验证设计的合理性,对研制的果蔬采摘机械臂进行了性能测试,结果表明机械臂定位精度最大误差±2.5 mm,平均误差±1.1 mm,带载能力3 kg,机械臂运动平稳,可以满足果蔬采摘作业要求.【期刊名称】《农业工程》【年(卷),期】2017(007)002【总页数】8页(P107-113,23)【关键词】机械臂;拉格朗日法;静力学;运动学;动力学;果蔬采摘【作者】王丽丽;范晋伟;赵博;韦崇峰;孙小文;胡小安【作者单位】北京工业大学机械工程及应用电子技术学院,北京100124;中国农业机械化科学研究院土壤植物机器系统技术国家重点实验室,北京100083;北京工业大学机械工程及应用电子技术学院,北京100124;中国农业机械化科学研究院土壤植物机器系统技术国家重点实验室,北京100083;中国农业机械化科学研究院土壤植物机器系统技术国家重点实验室,北京100083;中国农业机械化科学研究院土壤植物机器系统技术国家重点实验室,北京100083;中国农业机械化科学研究院土壤植物机器系统技术国家重点实验室,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TP241.3采摘是果蔬生产链中最耗时、最费力的环节，为劳动密集型工作[1-3]。
种果蔬采摘竞赛机器人的设计
种果蔬采摘竞赛机器人的设计随着人工智能和机器人技术的不断发展，机器人在农业领域的应用也越来越广泛，尤其是在果蔬采摘方面，机器人的应用可以极大地提高采摘效率、减少人力成本并减少采摘过程中的浪费和损失。
因此，设计一款种果蔬采摘竞赛机器人是十分有意义的。
一、机器人的基本构造果蔬采摘竞赛机器人的基本思路就是使用机械臂进行采摘。
其机器人构造如下：1.底盘：底盘采用四轮驱动的方式，可以进行前进、后退、左右移动和转向等动作。
同时，底盘上还需配备一些传感器，如磁力传感器、红外线传感器等，以帮助机器人确定自身的位置和采摘的水果蔬菜的位置和类型。
2.机械臂：机械臂是机器人最重要的部分之一，同时也是实现果蔬采摘的基础。
机械臂需要能够伸长、收缩、旋转，以便机器人能够轻松地抓取、切割或摘取水果蔬菜。
此外，机械臂上也需要安装视觉传感器，以便机器人能够准确地定位、识别和选择要采摘的水果蔬菜。
3.控制系统：机器人的控制系统需要具备多项功能：能够实时接收传感器信息、识别对象、计算运动路径和对机器人进行控制等。
4.电源：机器人的电源需要具备稳定、可靠的性能，以保证机器人能够持续工作。
二、设备的工作流程机器人的工作流程通常包括以下几个步骤：1.定位：通过传感器，机器人可以定位自身的位置以及需要采摘的水果蔬菜的位置。
2.识别：通过视觉传感器，机器人可以识别不同类型的水果蔬菜，以便在采摘时进行正确的操作。
3.选择：根据各种因素，如熟悉程度、健康程度、大小和质量等，机器人可以选择要采摘的水果蔬菜。
4.采摘：根据选择的水果蔬菜，机器人可以通过机械臂进行相应的操作，如剪枝、夹住、抓取等。
5.储存：机器人将采摘下来的水果蔬菜存放在专门的容器中，以便日后加工或销售。
三、机器人的设计特点1.精度高：机器人能够通过不同的传感器和视觉传感器确定水果蔬菜的位置、形状和大小，从而使机械臂的操作准确无误。
2.效率高：机器人能够在短时间内采摘大量的水果蔬菜，并且操作速度快，不需要休息，可以一直工作。
果实采摘机械手机构设计与工作性能分析_梁喜凤
- 133 -
2004 年 3 月
农 机 化 研 究
择适当的机器人机构 ［ ３ ］ 。
第 2 期
节放在离本体较近的地方， 有 利 于 扩 大 作 业 区 域 ［５］。 （２） 具 有 较 好 的 避 障 能 力 ［ ４ ］ 。果实采摘过程中， 植物茎叶以及植物支撑装置的位置不固定，为了减 少对植物的损伤， 机械手必须能方便地避开障碍物。 采用冗余自由度机械手是提高避障性能的途径之 一。 （３） 机 构 设 计 合 理 。 这 涉 及 到 运 动 副 型 式 的 合 理选择与配置、驱动运动的最佳传递方式和路线、 驱动装置的最佳配比和空间配置等。若机构设计不 合理，可能会出现臂杆运动干涉、驱动装置无法设 置、机 构 不 能 运 动 等 问 题
［８］
。在 满 足 要 求 的 前 提 下 ，
为简化运动学和动力学分析，降低控制的复杂性， 尽量采用特殊结构的机械手机构，使相邻运动副的 轴线相互平行或正交
［３］
。
［４］
（４） 消 除 工 作 空 间 的 奇 异 形 位
。在奇异形位
处，机械手丧失一个或多个操作自由度，即工作空 间内出现非工作区的情况，机器人工作困难。对于 非冗余度机器人，一般通过增加自由度使其具有冗 余 度 ，以 解 决 机 械 手 机 构 的 奇 异 问 题 。自 由 度 越 多 ， 灵活性越好，但是会增加机构复杂性和控制难度。 农业机器人要求操作简单、成本低廉，因此尽量采 用冗余度少、机构简单的形式。 １．３ 尺寸综合 尺 寸 综 合 用 来 确 定 机 械 手 机 构 结 构 参 数 ，通常 以机械手末杆位姿或末杆活动范围为出发点，利用 解析法和优化方法进行机构尺寸分析与计算。解析 法是利用机构的位形方程，通过消元得到机械手的 尺寸参数。由于其已知位置数目受到机构结构参数 数目的限制，因此不适于 ３ 个以上自由度的机械手 求 解 。 优 化 方 法中 ， 末 杆 的 姿 态 要 求 可 以 作 为 约 束 条件来处理，只要求出的转角逆解在关节运动范围 内，就可以满足约束。利用优化方法分析时，工作 位姿的数目不会受到限制，可以避免冗长的消元过 程和求解复杂的综合方程，还可容纳另外的设计指 标作为目标函数。用优化方法进行机器人机构尺寸 综合的数学模型为 ［ ３ ］ ｍｉｎ F （ X ） X∈ R
采摘机械手的设计及其控制研究
五、应用领域与未来展望
五、应用领域与未来展望
采摘机械手的研究成果可广泛应用于果树采摘、蔬菜采收等农业生产领域， 提高农业生产的自动化水平和生产效率。此外，采摘机械手在医疗、航空航天、 工业生产等领域也有广泛的应用前景。
五、应用领域与未来展望
未来，随着传感器技术、人工智能和机器学习等技术的不断发展，采摘机械 手将朝着更加智能化、自主化和高效化的方向发展。通过不断优化机械结构和控 制系统，提高采摘机械手的适应性和工作效率，有望实现真正意义上的自动化采 摘。
谢谢观看
二、背景
二、背景
近年来，国内外学者针对采摘机械手进行了广泛的研究。现有的采摘机械手 主要分为遥控式和自主式两种。遥控式机械手通过遥控器进行操作，虽然便于远 程控制，但操作复杂，需要专业人员进行指导。自主式机械手则依靠自身传感器 进行作业，虽然具有更高的自主性，但在复杂环境下的适应能力仍有待提高。因 此，如何设计一种操作简单、适应性强、效率高的采摘机械手仍是当前研究的热 点问题。
采摘机械手的设计及其控制研 究
01 一、引言
目录
02 二、背景
03
三、采摘机械手的设 计
05
五、应用领域与未来 展望
04
四、采摘机械手的控 制研究
06 六、总结
一、引言
一、引言
随着现代农业的不断发展，果实采摘已成为农业生产过程中重要的一环。然 而，传统的手工采摘方式存在效率低下、成本高等问题，无法满足现代农业大规 模生产的需求。因此，研究一种能够替代手工采摘的机械手具有重要的现实意义。 本次演示将重点探讨采摘机械手的设计及其控制方法，旨在提高果实采摘的效率 和质量。
六、总结
六、总结
本次演示对采摘机械手的设计及其控制方法进行了详细的研究。首先介绍了 采摘机械手的概念和意义，然后分析了现有采摘机械手存在的问题。在此基础上， 探讨了采摘机械手的设计思路和制作过程，并研究了采摘机械手的控制方法及其 优缺点。最后，阐述了采摘机械手的应用领域和未来展望。
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再建立一个转换矩阵 Jω，使得 J
把三个关节看成是连动的，虚拟速度 v 可以按 式(9)求得
vo y d1 11 l1C2 d 2 vo2 y2 vo y l1C l2C d3 2 3 3 33
0 d2 l2 C3 d3
1 2 d3 3 0 0 (9)
1.2
欠驱动机械手机构设计
根据欠驱动原理，研制了一种新型的果蔬采摘 欠驱动机械手爪。该手爪的机械本体部分由 3 个手 指、机架和驱动传动机构和驱动电动机构成，主要 用于抓取球状果实(如番茄，苹果等)。该机械手共 有 9 个自由度， 采用一个电动机同时驱动 3 个手指， 完成包络抓取，整个机构的材料为铝，总装配图如 图 2 所示。
图5
T
四连杆参数模型
(5)
各关节的接触点速度可以通过雅可比矩阵 Jv 用各 关节的角速度来表示，即
v J v
同理，对于四边形 BCDE，也可以得到如下的 角速度关系
2 2
(6)
h2 h2 l2 3
(13)
1 2 3
合并式(12)、(13)可以得到
2. 驱动传动机构
手指有三个关节，由上到下依次为远指、中指 和近指关节，传动形式采用两个串联的四连杆机构 作为驱动传动机构，具有传动效率高，产生的抓持 力大等特点，采用扭簧作为动力约束机构。驱动采 用一个带螺杆的步进电动机，并有配套的螺母和螺 杆配合形成螺旋传动副，从而将电动机的转动转化 成螺母的直线运动，通过连杆的传动进而驱动手指 的开合，手指各关节接触面均安装了贴片式压力传 感器。具体手指结构如图 3 所示。
1
1.1
欠驱动手爪机械设计
欠驱动原理及特点
图2
1. 电动机
手爪总装配图
3. 手指 4. 机架
全驱动方式是指机构在正常工作条件下 n 自由 度机器人就需要 n 个驱动器，即机构自由度与驱动 器数目相同。欠驱动方式是指在机构驱动器数目少 于机构本身自由度数目时，仍然可以依靠机构自身 [13] 的动力约束条件来正常工作 。 多指手的手指通常有很多关节，在全驱动方式 下，手指上每个关节都必须加装驱动器；而在欠驱 动方式下，通过较少的驱动器驱动，依靠弹簧和机 械限位机构正常工作。以一个两关节欠驱动手指为 [14] 例，其工作原理如图 1 所示 。虽然该手指机构具 有 2 个自由度，开始工作时只有第一个关节具有工 作自由度，第二个关节转动自由度被约束，整个手 指绕基座转动，直到第一个关节接触物体，受到接 触封闭力的约束作用，该自由度被约束，而第二个 关节的转动自由度则在不断增大的驱动力作用下被 释放，变成工作自由度，机构自由度仍为 1，手指 能按确定的运动规律工作，直到第二个关节也接触 到物体，完成抓取过程。
Design and Force Control of an Underactuated Robotic Hand for Fruit and Vegetable Picking
JIN Bo LIN Longxian
(The State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control, Zhejiang University, Hangzhou 310007)
3
接触力 F1、F2、F3 构成：v 为外力作用点在外力作 用方向上的虚拟速度矢量，由各接触点的 y 方向的 速度分量构成，即
T T1 T2 T3
T
(2) (3) (4)
1 2 3
T
F F1
F2
F3
T
v vo1 y1
vo2 y2
vo3 y3
j Ci j cos l l i
d1 l1C 2 d 2 Jv l1C l2C d3 2 3 3 0 d2 l2 C3 d 3 0 0 d3
(10)
(11)
求 Jω 时， 如图 5 所示， 对于四边形 ABFG 分析， 可以得到如下的角速度关系
2
机
械
[6]
工
程
学
报
第 50 卷第 19 期期
两指气动夹持器。在国内江苏大学的 ZHAO 等 设 计一种用于采摘苹果的二指夹持机器人；中国农业 [7] 大学刘长林等 设计了一种茄子采摘的末端执 行器。 理想的末端执行器应该具备以下特点：① 适 用于多种果蔬， 通用性强； ② 构造简单， 易于操控； ③ 实现果蔬的无损采摘。 本文对末端执行器进行创 新设计，采用了欠驱动原理设计出一种结构更为简 单、通用性更强的末端执行器。该果蔬采摘欠驱动 机械手爪能实现期望的抓取功能，易于控制，并能 实现无损采摘。 国外早已开展欠驱动机械手爪的研究，研究欠 驱 动 多 指 手 处 于 领 先 水 平 的 加 拿 大 Laval 大 学 GOSSELIN 研究组开发了 10 自由度欠驱动三指 [8] [9] 手 ；BEGOC 等 研制了气动驱动的欠驱动手； [10] MATHIEU JOHAN 等 研制了 KTH 三指欠驱动手。 [11] [12] 等 研制了腱驱动的欠驱动手；HANGYUN 等 研制了滑轮绳索结构的欠驱动手。
摘要：为了实现果蔬的无损采摘，采用欠驱动原理设计出一种结构更简单、通用性更强的末端执行器。欠驱动机构是指驱动 器数目少于机构本身自由度数目的机构，基于欠驱动原理设计的机械手结构简单可靠，抓取物体时具有形状自适应能力，手 指可完全包络物体，可以通过最大接触力的闭环力反馈控制来实现无损采摘。基于这一设计思想设计出仅靠一个电动机驱动 三个手指的机械手爪，通过理论分析、手爪机构设计与建模、结构参数优化，确定设计尺寸制出机械手爪，设计控制电路结 合力反馈控制进行抓取试验。试验结果表明该手爪能实现期望的抓取与最大接触力控制功能，并具有控制简单可靠、抓取稳 定、不损伤果实等特点。 关键字：果蔬采摘；机械手爪；欠驱动；抓取试验；最大接触力控制 中图分类号：TP 241
第 50 卷第 19 期 2014 年 10 月
机
械
工 程
学
报
Vol.50 Oct.
No.19 2014
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
DOI：10.3901/JME.2014.19.001
果蔬采摘欠驱动机械手爪设计及其力控制*
金 波 林龙贤
杭州 310007) (浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室
图3 图1 两关节欠驱动手指工作原理
手指结构图
1. 近指关节 2. 中指关节 3. 远指关节 4. 四连杆机构 5. 扭簧 6. 传感器
月 2014 T T F Jv Jω T
3
1.3
力学分析
(8)
抓取物体时，手指三个关节按照抓取顺序依次 被约束以后，整个手指的构形也被确定下来。通过 静力学分析计算出一个手指和物体接触时三个关节 接触力 F1、F2、F3。图 4 所示为欠驱动手指几何模 型和静力学模型。
末端执行器是采摘机器人实现果蔬采摘的关 键执行部分，由于其作业对象具有柔韧、不规则和 复杂多变等特征，因此对于末端执行器具有更高的 [1] 智能化和特殊性的要求 。日本早在 20 世纪 90 年 代已经对水果采摘的末端执行器开始研究， [2] KONDO 等 基于番茄的物理特性设计了一种带有 [3] 软衬垫吸引器的双手指末端执行器；MONTA 等 为了适应新的番茄生产体系，开发了一种末端执行 [4] 件。HAYASHI 等 设计了一种复杂的草莓采摘末 [5] 端执行器并进行了田间试验；RYU 等 设计了一种
图4 欠驱动手指几何模型和静力学模型
[15]
根据虚功原理可得
1 1
h1 h1 l1 2
(12)
T F T v
(1)
h1 为 AB 与 FG 延长线交点 O1 到 B 点的距离。 式中，
式中，T 为手指机构的输入转矩矢量，由驱动力矩 T1 以及扭簧力矩 T2、T3 组成； 为手指机构各关节 与力矩相关的连杆的虚拟角速度矢量，由驱动连杆 和 1 以及中指关节、远指关节加速度 的角速度 2 构成；F 为作用在手指上的外力组成的矢量，由
Abstract：To achieve non-destructive fruit and vegetable picking, an end-actuator with a simpler and more versatile structure is designed based on underactuated principle. The underactuated mechanism refers to machine that has fewer drivers compared with the number of degrees of freedom. The robotic hand designed by adopting the underactuated principle is simpler and more reliable. Due to simple structure and better adaptability to shape of objects, the robotic hand can fold the object completely with its fingers. Non-destructive harvesting is achieved by using a closed-loop force-feedback control algorithm which controls the maximum contact forces. Based on this design idea, a three-finger gripper which is driven by only one motor is designed. Through theoretical analysis, mechanism design and modeling, and structural optimization, the final model size is determined and physical production is completed. A control circuit combined with force-feedback control is designed for grasping experiments. The experimental results show that the robotic hand can achieve the desired grasping function, maximum contact force control and has such features as simple and reliable control, stable grasping and non-damaging. Key words：fruit and vegetable picking；robotic hand；underactuated；grasping experiments；maximum contact force control