【正文】 ....7 第三種方案的分析 ................................................7 第四種方案的分析 ................................................8 確定本課題方案 ..................................................9 機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) .................................................10 三維建模軟件 ...................................................10 創(chuàng)建裝配體 .....................................................11 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及分析 .........................................123 機(jī)械手的仿真分析 ...................................................14 仿真分析軟件介紹 .................................................14 模型導(dǎo)入及建立約束 ...............................................14 模型的導(dǎo)入 .....................................................14 實(shí)體質(zhì)量屬性的添加 .............................................15 模型約束的建立 .................................................15 機(jī)械手的仿真 .....................................................16 仿真結(jié)果的后處理 .................................................16 繪制仿真曲線及進(jìn)行優(yōu)化分析 .....................................16 產(chǎn)生仿真結(jié)果的動(dòng)畫AVI文件 ......................................184 結(jié)論 ...............................................................19 主要工作及成果 ...................................................19 展望 .............................................................19致謝 .................................................................19參考文獻(xiàn): ............................................................19基于Pro/E和ADAMS的蘋果采摘機(jī)械手的仿真分析農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生 張耀龍指導(dǎo)老師 姬長(zhǎng)英 摘要：本文介紹了國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展概況和采摘機(jī)械手的應(yīng)用前景。 Pro/E。21 世紀(jì)是農(nóng)業(yè)機(jī)械化向智能化方向發(fā)展的重要時(shí)期。2022年，張瑞合等運(yùn)用雙目立體視覺的方法研究了番茄收獲中果實(shí)的精確定位問題。利用已有的模塊對(duì)此機(jī)械手進(jìn)行多項(xiàng)內(nèi)容的模擬仿真。末端執(zhí)行器必須根據(jù)對(duì)象的物理屬性來設(shè)計(jì),包括形狀、尺寸、動(dòng)力學(xué)特性(如抓取力、切割力、彈性變形、光特性、聲音屬性、電屬性等) 。2 蘋果采摘機(jī)械手的建模 蘋果的生長(zhǎng)特性介紹蘋 果 是 薔 薇 科 蘋 果 屬 植 物 的 果 實(shí) ， 該 屬 約 25種 ， 蘋 果 是 栽 培 最 廣 泛 的 果 樹 。喜光，喜微酸性到中性土壤。(2)早果豐產(chǎn)。采用正反螺紋桿的轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)手部的夾緊和分離。其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示。圖5 方案三的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖手指 滑槽 銷軸 氣缸 活塞桿 轉(zhuǎn)軸 直流電機(jī) 刀片 第四種方案的分析由本課題的研究?jī)?nèi)容和研究目的，需要設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊，行動(dòng)性和輕便性好，易于控制，靈活性和通用性都較好的末端執(zhí)行器。電機(jī)固定在電機(jī)支架上，電機(jī)軸與氣缸架通過聯(lián)軸器固定在一起，氣缸后端固定安裝在氣缸架上，氣缸前端安裝四指夾持機(jī)構(gòu)，每個(gè)手指的內(nèi)側(cè)焊接有與手指面擬合的弧形刀片，刀片內(nèi)側(cè)附有橡膠，以緩和沖擊，減少蘋果表面的機(jī)械損傷。Pro/E是美國參數(shù)技術(shù)公司（Parametric Technology Corporation）的重要產(chǎn)品。由于本課題使用的三維建模軟件的版本為Pro/E ，仿真軟件的版本是ADAMS 2022,當(dāng)前MDI公司并沒有發(fā)布這兩個(gè)軟件該版本的接口，mech/Pro的最高版本只能支持Pro/。如果設(shè)置成其他單位，在導(dǎo)入時(shí)就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。手指合攏后，啟動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械手繞軸線旋轉(zhuǎn)以割斷果梗，使蘋果與果樹分離。由于在采摘前的進(jìn)給和采摘后的后退過程中，機(jī)械手手指部位發(fā)生的運(yùn)動(dòng)只是隨著電機(jī)的直線運(yùn)動(dòng)，該過程只涉及到行動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置，與本機(jī)械手的參數(shù)沒有關(guān)聯(lián)，所以該過程只涉及到運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究。并且由于蘋果的尺寸存在大小不一的情況，所以本機(jī)械手手部的活動(dòng)范圍的誤差總是小于普遍采摘過程中的蘋果尺寸差異。另一方面，又是虛擬樣機(jī)分析開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進(jìn)行特殊類型虛擬樣機(jī)分析的二次開發(fā)工具平臺(tái)。啟動(dòng)ADAMS2022 仿真軟件，在進(jìn)入后選擇 import a file (如圖12所示),彈出File Import對(duì)話框，在File Type右側(cè)的下，點(diǎn)擊OK按鈕即可打開模型。按照該方法，可以將整個(gè)機(jī)械手分為幾個(gè)大的部分：DIANJIZHIJIA（電機(jī)和電機(jī)支架）,SHOUZHUAZHIJIA1(聯(lián)軸器，氣缸，手抓支架1)，LIANGAN（4個(gè)） ，1GB67A_M4(手抓支架2和活塞等)，XIANGJIAOC(刀片，手抓，橡膠層)（4個(gè)）等共11個(gè)塊。Marker點(diǎn)起到連接坐標(biāo)系或者局部坐標(biāo)系的作用，與其他幾何體固聯(lián)在一起，不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。完成以上設(shè)置后，單擊開始仿真按鈕，開始仿真分析。部分曲線如圖13,圖14所示： 圖13 相對(duì)兩指尖相對(duì)位移 圖14 四指尖角度圖 圖13為相對(duì)兩個(gè)手指指尖之間距離隨時(shí)間的變化曲線圖，右邊1列為指尖頂點(diǎn)在X方向上的位移隨時(shí)間變化的曲線。該過程也是一條近似直線的平滑的曲線。通過仿真，繪制出機(jī)械手各點(diǎn)處的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其曲線見附件。所以在機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)首先對(duì)機(jī)械手進(jìn)行仿真，得到機(jī)械手各主要部位的速度、加速度等曲線圖，然后對(duì)仿真結(jié)果中加速度曲線進(jìn)行分析，得到機(jī)械手在工作過程中，受力情況比較特殊的點(diǎn)或者部位。完成依次仿真后，單擊主工具箱中的“后處理模塊工具” ，彈出如下圖所示的控制面板。未來中國農(nóng)業(yè)在參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)、融入自由貿(mào)易的必由之路上，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化是必須的客觀歷史進(jìn)程，而產(chǎn)業(yè)化的根本特征即是規(guī)模、速度、效率和效益，沒有現(xiàn)代的機(jī)械化工具和技術(shù)是不可想象的。另外我還要感謝張麒麟學(xué)長(zhǎng)，即使自己很忙也會(huì)抽出時(shí)間來詢問我的工作進(jìn)度并不斷給予我?guī)椭?，?duì)這種無私奉獻(xiàn)的精神也深感敬佩。姬老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的專業(yè)知識(shí)、崇高的職業(yè)品德很令我很感動(dòng)，我從老師身上學(xué)到了做學(xué)問的態(tài)度、方法與知識(shí)，但更重要的是學(xué)到了做人的道理與做任何事情都應(yīng)有的認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。 展望工業(yè)機(jī)械手是國際上機(jī)器人學(xué)研究的熱點(diǎn)之一，構(gòu)造出具有良好性能的工業(yè)機(jī)器人的眾多構(gòu)型，以便根據(jù)應(yīng)用要求選擇不同性能的機(jī)構(gòu)，是機(jī)器人機(jī)構(gòu)中的一項(xiàng)重要任務(wù)，當(dāng)前眾多研究人員的研究方向都集中于構(gòu)建新型的機(jī)械手機(jī)構(gòu)。加載的動(dòng)畫主要分為兩種類型：時(shí)域動(dòng)畫和頻域動(dòng)畫，本課題采用時(shí)域動(dòng)畫，以時(shí)間為單位進(jìn)行仿真分析，畫面隨輸出時(shí)間步長(zhǎng)而依次生成。由物理學(xué)和理論力學(xué)等學(xué)科的某些原理可知，速度曲線上某點(diǎn)的曲率越大，其加速度越大，曲率越小，其速度變化越平穩(wěn)。由圖可知，四個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同，即機(jī)械手4個(gè)手指的運(yùn)動(dòng)情況呈現(xiàn)出一致性。然后是旋轉(zhuǎn)切割果梗及蘋果分離后機(jī)械手后退的過程，距離不再改變。選定測(cè)量的屬性后，在工作屏幕區(qū)選擇兩個(gè)Marker點(diǎn)，即可彈出一個(gè)以時(shí)間為橫軸的坐標(biāo)系和一條平滑的曲線，該曲線描述了在整個(gè)采摘過程中選定的兩個(gè)Marker點(diǎn)之間的相對(duì)位置、相對(duì)速度或者相對(duì)加速度的曲線。在主工具箱中顯示的是最常用的仿真工具和參數(shù)設(shè)置，包括：仿真類型（默認(rèn)的分析類型Default、動(dòng)力學(xué)分析Dynamic、靜力學(xué)分析Kinematic、靜態(tài)分析Static） ；仿真分析時(shí)間（停止時(shí)間End Time、持續(xù)時(shí)間Duration） ；仿真結(jié)果的頻率（步長(zhǎng)Step Size、步數(shù)Steps） 。需要施加運(yùn)動(dòng)的地方共4個(gè)，分別是電機(jī)支架相對(duì)于ADAMS界面里的Ground的直線運(yùn)動(dòng)，活塞相對(duì)于氣缸的直線運(yùn)動(dòng)，氣缸相對(duì)于電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和蘋果相對(duì)于Ground的直線運(yùn)動(dòng)。在質(zhì)量屬性的“Defined Mass By ”下拉菜單中選擇“User Input（用戶輸入） ”選項(xiàng)，然后輸入質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（此部分?jǐn)?shù)據(jù)為三維建模過程中定義獲得） ，并輸入零件的標(biāo)記點(diǎn)名稱，完成零件質(zhì)量屬性的修改。由于硬件設(shè)計(jì)及版本等軟件方面的原因，本設(shè)計(jì)的仿真過程采用第一種導(dǎo)入的方法。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等 [14]。通過連接到汽缸上的活塞（即手抓支架1）的伸縮，將手抓支架2頂起或者拉回來，以實(shí)現(xiàn)手抓3的張合，達(dá)到抓取和松開蘋果的功能。然后電機(jī)開始工作，轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)圈后，通過扭動(dòng)和切割雙重的作用將蘋果與樹枝分離。當(dāng)機(jī)械手和蘋果具有正確的采摘位置時(shí)，驅(qū)使機(jī)械手向水果靠近，與此同時(shí)，通過氣動(dòng)實(shí)現(xiàn)活塞前運(yùn)動(dòng)以使手指張開。本設(shè)計(jì)將各部件的零件圖及之后的裝配圖放入名為“三維建模圖”的文件夾里面。 圖8