柑橘采摘机机械臂结构设计
毕业设计（论文）-果实采摘机械手的设计与仿真
and simulation analysis of the mechanism. According to the results of simulation and
1.3 国内研究成果及现状 .......................................................................................... 65
1.4 主要研究的内容 .................................................................................................. 65
果实采摘机械手的设计与仿真
摘要：果实采摘工作具有较强的复杂性和较低的自动化程度，目前国内水果的采
摘工作主要靠手工完成。21 世纪是农用机械化向智能自动化机械过渡的关键时期，
工业智能自动化对现代农业发展规模化、多样化和精确化十分重要。本文针对小
型柑橘进行采摘机械手的设计，实现果实的全程自动化采摘。
本文通过对果实采摘机械手的采摘环境和采摘特点进行分析，提出一种六自由
manipulator, and puts forwards to a six-degree-of- freedom small citrus picking series
manipulator. Through the design of three kinds of end executor mechanical structure,
柑橘采摘机器人结构设计及运动学算法研究
柑橘采摘机器人结构设计及运动学算法研究近年来，随着科学技术的发展，柑橘采摘机器人（Citrus Harvesting Robot，CHRB）技术取得了长足的进步，其应用范围渐渐扩大，成为农业领域的重要分支。
相比人力，CHRB不仅具有较高的效率，同时也具有安全可靠的优势，以应对大规模的采摘任务，其机器人结构设计及运动学算法也是CHRB研发的关键环节。
首先，机器人结构设计是柑橘采摘机器人研发的核心环节，它对CHRB性能有着决定性的影响。
在构建机器人结构时，设计者需要考虑许多因素，如采摘工具的形状和大小，型号的机械部件，端数量的直线滑块和橡胶轮，控制器选型等。
基于多种因素，设计者将采摘机器人的外形和内部结构定义为满足使用要求的合理构建方案，以确保机器人有较高的采摘率。
其次，机器人运动学算法是柑橘采摘机器人研发中的重要环节。
始终都是研究者致力于优化CHRB准确性和采摘效率的研究重点。
在实际研发中，要结合所采用的控制器及机器人的结构条件，对机器人的路径规划及运动状态进行实时判断，以保证采摘机器人准确采摘。
为此，研究者开发出了基于优化算法的运动学分析方法。
他们使用最小二乘法和卡尔曼滤波器算法，模拟柑橘采摘机器人在实际环境中的运动。
本文就柑橘采摘机器人结构设计及运动学算法进行了深入讨论，详细描述了柑橘采摘机器人的基本构建方案及其运动学分析算法。
柑橘采摘机器人的结构设计考虑了采摘工具的形状和大小，机械部件的型号，端数量的直线滑块和橡胶轮，控制器选型等多种因素，以确保机器人有较高的采摘率。
为了优化CHRB准确性和采摘效率，研究者开发出基于优化算法的运动学分析方法，使用最小二乘法和卡尔曼滤波器算法，模拟柑橘采摘机器人的运动。
柑橘采摘机器人的研发旨在提升果园采摘效率及质量，缩短采摘时间，减少工作强度，更加安全可靠，相信未来的柑橘采摘机器人将取得更大的进展。
综上所述，随着科学技术的发展，柑橘采摘机器人（CHRB）技术取得了长足的进步，其应用范围渐渐扩大，成为农业领域的重要分支。
一种柑橘采摘器的研究与设计
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。
水果采摘机械臂设计
水果采摘机械臂设计引言水果采摘是一项繁琐且费时的工作。
传统的人工采摘方式不仅劳动强度大，而且效率低下。
为了解决这个问题，设计和开发一台水果采摘机械臂成为了一种可行的选择。
本文将介绍水果采摘机械臂的设计原理、结构和工作过程。
设计原理水果采摘机械臂的设计基于计算机视觉和机器人学的原理。
首先，利用计算机视觉技术，对水果进行识别和定位。
然后，机械臂根据识别结果进行路径规划，以最短路径的方式前往目标水果的位置。
最后，机械臂通过夹爪或其他采摘工具进行采摘。
结构设计机械结构水果采摘机械臂主要由基座、臂体、关节、末端执行器等组成。
基座用于提供机械臂的稳定支撑，臂体由多段连接的杆件构成，关节用于连接相邻的臂体段，以实现机械臂的灵活运动。
末端执行器即水果采摘工具，它可以是夹爪、吸盘等，用于固定和采摘水果。
传感器在水果采摘机械臂中，传感器起着至关重要的作用。
通过安装距离传感器，可以实现对机械臂末端执行器与水果之间的距离测量和控制；通过安装力传感器，可以实现机械臂与水果的接触力检测，避免对水果造成损害；通过安装图像传感器，可以实现对水果的识别和定位。
工作流程1.图像采集：机械臂通过安装图像传感器来采集水果图像。
2.图像处理：利用计算机视觉技术对采集到的图像进行处理，实现对水果的识别和定位。
3.路径规划：根据水果的位置信息，机械臂进行路径规划，找到最短路径到达目标水果。
4.运动控制：根据路径规划结果，控制机械臂的关节运动，使机械臂到达目标水果的位置。
5.采摘水果：到达目标水果位置后，机械臂通过末端执行器进行水果的采摘。
6.返回初始位置：采摘完成后，机械臂返回初始位置，准备进行下一次采摘。
总结水果采摘机械臂的设计考虑了计算机视觉和机器人学的原理，通过识别和定位水果，实现了自动采摘的过程。
机械臂的结构和传感器的应用使其能够在复杂的环境下准确、高效地完成水果采摘任务。
随着技术的进步，水果采摘机械臂将逐渐替代传统的人工采摘方式，提高采摘效率，降低劳动强度。
全国大学生机械工程创新设计大赛获奖案例《背负式全方位剪切柑橘类水果采摘装置》
背负式全方位剪切柑橘类水果采摘装置本案例荣获全国大学生机械工程创新设计大赛一等奖1.设计目的现代化机械装置正在逐渐代替人类原始的劳动工具和劳动方法，机器人采摘由于技术和成本的原因，在今后较长时间内无法投入实际应用，在这种背景下，机械式釆摘将占据主流。
目前果园的机械式采摘主要有振摇式、撞击式和切割式。
但是振摇式和撞击式的采摘机械的效率普遍较低，采摘的损伤较高，也不适用于釆收易损伤、要求完好率高的新鲜食用水果和贮藏用水果。
而切割式釆摘是将树枝或果柄切断使果实与果树分离的采摘方式，在切割完之后能立即放入果篮中，可避免果实坠落至地面，减少损伤。
因此切割式采摘器的应用前景显得十分可观。
2.工作原理本设计的水果采摘装置结构简单，主要由背负装置、采摘杆、全方位切割刀头、软管、篮子等组成，其中采摘杆是可伸缩杆，用以满足不同高度的采摘任务。
果农驱动操作手柄可驱使采摘刀片进行剪切，水果被剪切下来后，顺着用尼龙材料制成的水果运送管道掉进水果筐里。
用柔软材料制成的运送管道可保证水果表面不受摩擦，从而保证水果的质量和质地。
若果农把釆摘刀片更换为套袋装置，则可以进行水果的套袋工作，方便快捷，效率高。
同时果农也可以用采摘器的头部作为支架进行农药喷洒和修剪树枝工作。
综上所述，该简易型水果采摘装置实现了农业生产中的不同工作的集中。
为减轻本装置对使用者右臂的负担，在杆的（从近地端算起）1/3处安装一根拉簧，可分担一部分作用力，减轻使用者的负担。
背负式水果采摘装置示意图如图1所示。
刀头结构示意图如图2所示。
刀头剪切机构是由多个结构相同的刀片组成的，在此只对一个刀片进行分析。
如图3所示，在刹车线的牵引下，活动刀片会绕着固定轴向下转动，其刀刃与固定刀片的刀刃相交错，从而实现剪切；在一次剪切完成之后，在小压簧的作用下活动刀片回复到原位置，进行第二次剪切。
在安装时，用M3的螺母和螺钉及3 mmX7 mm X0.5 mm的垫片装配固定刀片和活动刀片，一共安装15组此装配体，再把它们均匀安装在直径为150 mm 的环形刀头上。
全自动旋转式柑橘机械采摘机的设计
车再次刹车时，循环开始扫雪-融雪工作；最后，公交车回到公交车中心时，进行融化雪水的清理工作。
该循环扫融雪设计理念一定程度上为解决关键地点刹车停车的问题给予了新的思考，以期为公共行车安全提供更有力的保障。
结语本文基于提出了扫雪-融雪功能公交车的设计理主要包括可拆卸的扫雪装置设计、可拆卸的融雪装扫雪-融雪”功能公交车运作模式三个方面。
可公交车的设计理念一定程度上为解决关键地点刹车停车的问题给予了新的思考，从而为公共行车安全提供更有力的保障。
参考文献:[1]徐晓芬，过学迅，何波勇.新型道路铲雪除冰车设计汽车，2010（8）：44-46.[2]冯天扬.行驶汽车利用废热清除路面冰雪的装置与方法中国，CN101793015A.[3]张文聪.利用汽车尾气热量融道路冰雪的拖地套管式蓄热图1扫雪-融雪工作状态图1采摘机外形3.2产品的设计本文融合参数化建模技术，并且根据此抓取采摘机构的工作环境，进行实验模拟采摘。
现其研究内容如下：3.2.1采摘功能的实现采摘机开始工作，其主轴进行旋转运动多次拍打柑橘枝条，采摘指棒搅动柑橘植株冠层，植株的枝条被旋转的主轴分开到采摘机的两侧器壁，一部分柑橘果实在塑胶指棒的搅拌下脱离植株，另一部分果实则在主轴多次受指棒搅动在采摘机的器壁附近脱离植株，进而实现果实采摘功能[3]。
3.2.2果实收集功能的实现图2筛孔式传输皮带4可行性分析4.1经济可行性人工采收效率低，劳动强度大，成本高，每人每天只能采摘柑橘0.5亩，而每亩地所需要的人工费约200元的生产实际。
随着劳动力的紧缺，本装置产生的经济效益会进一步加大。
4.2技术可行性柑橘采收机器人一直是种植业短板。
虽然果蔬收获机器人的研究已经取得了很大的进展，但离实用化和商。
农业采摘机器人机械臂结构设计与分析
通过对测试数据的分析和评估，可以总结出机械臂的优劣势以及需要改进的 方向。例如，如果机械臂的抓取精度较高但移动速度较慢，可能需要优化其传动 系统以提高移动速度；如果机械臂的移动速度较快但抓取精度较低，可能需要改 进其末端执行器设计以提高抓取精度。
四、结论
农业采摘机器人机械臂结构设计与分析是提高采摘效率和精度的关键。本次 演示通过对机械臂结构、运动原理、性能测试等方面的详细阐述，强调了农业采 摘机器人机械臂的重要性和应用前景。为了进一步优化机械臂性能，未来的研究 应以下几个方面：1）改进传动系统设计以提高移动速度和抓取精度；2）研发更 高效的末端执行器以提高采摘效率；3）
结合机器视觉和技术实现对不同形状、大小、颜色的果实自动识别和抓取； 4）完善机械臂的自我保护和故障诊断功能以提高其可靠性和耐用性。通过对这 些方向的深入研究，有望为农业采摘机器人的进一步发展提供有力支持。
参考内容
随着科技的飞速发展，农业采摘机器人已成为现代农业的重要组成部分。本 次演示将聚焦于农业采摘机器人的核心部件——机械臂，探讨其结构设计的关键 因素，以及未来的发展趋势和挑战。
3、机械臂结构设计的未来发展 趋势和挑战
未来，机械臂结构设计将朝着轻质、高强度、多功能、人性化和环保等方向 发展。在材料选用上，将更多地采用高性能轻质材料，如碳纤维复合材料和铝合 金等；在结构设计上，将更加注重人体工学和空间利用率的提高；在功能上，将 更多地引入多种传感器和执行器，提高机械臂的感知能力和动作精度；在人性化 设计上，将更加注重用户体验和操作便捷性；在环保方面，将更多地采用节能环 保材料和方法，降低机械臂的生整体结构需根据采摘对象和作业环境进行设计。一般而言，机械臂 应具备大范围的运动能力，以覆盖广阔的采摘区域。同时，为了方便操作和维护， 机械臂结构应简洁、易于拆卸。
柑橘采摘机机械臂结构设计与计算
（3）对机械臂各关节的电机及减速器进行计算与选型。
2．设计（论文）的主要内容和基本要求
主要内容：机械臂的结构设计。
（1）针对柑橘结构特点提出柑橘采摘机机械臂结构设计方案；
（2）对机械臂各部分结构进行详细的设计与计算；
（3）对机械臂各关节的电机进行计算与选型。
4．进度安排
2012.11.1~2012.11.10接受任务，熟悉内容，完成文献综述和英文翻译；
2012.11.10~2012.11.20完成开题报告，毕业实习、方案确定；
2012.11.20~2012.12.20完成设计图样和说明书初稿；
2012.12.21~2012.12.30修改图样、说明书，完成二稿；2013.1.01~2013.1.10修改、检查全部资料，打印、上交资料；
2013.1.11~2013.1.15准备论文答辩。
指导教师（签字）
2012年11月1日
教研室主任审核意见：
教研室主任（签字）
2012年11月2日
基本要求：
（1）机械臂伸缩及转向灵活，能够完成机械臂基座左右1.5m范围内的柑橘采摘，采摘高度范围为2m；
（2）机械臂动作连贯、采摘效率高；
（3）设计图样全部用计算机绘制，符合最新制图标准；投影正确，表达完整，布局合理；设计推导简明扼要，计算正确可靠；总图量不小于3张A0。开题报告、文献综述、外文翻译、设计计算书各一份。
（4）推荐参考文献（5篇以上，其中外文文献至少2篇）
[1]姜丽萍,陈树人.果实采摘机器人的研究综述[J].农业装备技术，2006，32（1）：8-10.
[2]张立彬,杨庆华,胥芳,鲍官军,阮健.机器人多指灵巧手及其驱动系统研究的现状[J].农业工程学报,2004,20(3):271-275.
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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。
化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。
但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。
专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。
但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。
柑橘采摘机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。
“工业柑橘采摘机器人”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业柑橘采摘机器人或通用柑橘采摘机器人）。
柑橘采摘机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。
柑橘采摘机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。
目前我国常把具有上述特点的柑橘采摘机器人称为专用柑橘采摘机器人，而把工业机械人称为通用柑橘采摘机器人。
简而言之，柑橘采摘机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。
柑橘采摘机器人一般分为三类。
第一类是不需要人工操作的通用柑橘采摘机器人，也即本文所研究的对象。
它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。
它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。
第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。
它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作柑橘采摘机器人来进行探测月球等。
工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。
第三类是专业柑橘采摘机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。
这种柑橘采摘机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。
除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
柑橘采摘机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型柑橘采摘机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为柑橘采摘机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名柑橘采摘机器人的本体部分都采用这种机构形式的柑橘采摘机器人。
要柑橘采摘机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动－传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。
这些系统的性能就决定了柑橘采摘机器人的性能。
一般而言，柑橘采摘机器人通常就是由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成，如图 1-1 所示。
执行机构机器人控制系统驱动-传动系统手部腕部臂部腰部基座部（固定或移动）电、液或气驱动装置单关节伺服控制器关节协调及其它信息交换计算机图1-1 柑橘采摘机器人的一般组成对于现代智能柑橘采摘机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。
目前研究主要集中在赋予柑橘采摘机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及柑橘采摘机器人的触觉装置。
柑橘采摘机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个柑橘采摘机器人的。
要实现柑橘采摘机器人所期望实现的功能，柑橘采摘机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。
它们之间的相互关系如图1-2 所示。
位形检测控制系统（二）驱动传动装置执行机构工作对象智能系统控制系统（一）图1-2 柑橘采摘机器人各组成部分之间的关系柑橘采摘机器人的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。
执行机构是柑橘采摘机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动－传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。
驱动－传动系统主要包括驱动机构和传动系统。
驱动机构提供柑橘采摘机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足柑橘采摘机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。
有的文献则把柑橘采摘机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。