【正文】 否提交答辯： 評(píng)閱教師簽名： 年 月 日本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）答辯及綜合評(píng)分表（由答辯小組填寫）學(xué)院 工學(xué)院 專業(yè) 農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化 姓名 張耀龍論文題目 基于Pro/E和ADAMS的蘋果采摘機(jī)械手的仿真分析一、內(nèi)容的科學(xué)性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性優(yōu)秀（30—21分） 一般（20—11分） 較差（10—0）二、論文寫作水平及知識(shí)面掌握程度優(yōu)秀（30—21分） 一般（20—11分） 較差（10—0分）三、語言表達(dá)能力、邏輯思維能力、回答問題的正確性優(yōu)秀（40—31分） 一般（30—11分） 較差（10—0分）論文答辯成績(jī)：答辯小組負(fù)責(zé)人（簽名）： 年 月 日本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）綜合評(píng)定成績(jī)（由答辯委員會(huì)填寫）開題報(bào)告成績(jī)10%中期檢查成績(jī)10%指導(dǎo)教師評(píng)定成績(jī)30%畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）評(píng)閱成績(jī)30%畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）答辯成績(jī)20%綜合評(píng)定成績(jī)100%注：綜合評(píng)定成績(jī)等級(jí)：優(yōu)秀（90100） ，良好（8089） ，中等（7079） ，及格（6069） ，不及格（60分以下） 。設(shè)置好一定的播放速度后，單擊“Record”按鈕，單擊開始播放按鈕，直到播放結(jié)束后，再次單擊“Record”按鈕，即可將回放的過程記錄成AVI文件（AVI文件詳見附件）并存放在工作目錄中。每列的4個(gè)圖，分別表示在x,y,z和Magnitude方向上隨時(shí)間的變化情況。本次繪圖的曲線是周期為25秒的仿真曲線。完成所有的約束后添加運(yùn)動(dòng)約束后，在命令菜單欄的File下選擇save database，將設(shè)置好的有關(guān)機(jī)械手的 .bin 格式的文件保存。導(dǎo)入的幾個(gè)模型是沒有質(zhì)量信息的，需要用戶進(jìn)行添加修改，因?yàn)?質(zhì)量將會(huì)導(dǎo)致無窮大的加速度，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)會(huì)出錯(cuò)。另，手部機(jī)構(gòu)的尺寸對(duì)于采摘效果的影響是直接的，而后部的汽缸的尺寸，各連接處螺栓桿的尺寸方面并沒有要求，只需能夠完成各自的機(jī)械傳動(dòng)的任務(wù)即可。此過程為一次采摘蘋果的全過程。為了使該導(dǎo)入過程不至于出錯(cuò)，在Pro/E 中造型時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：中提供的缺省模板；。此時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械手整個(gè)手指及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和蘋果共同轉(zhuǎn)動(dòng)，通過扭動(dòng)和指尖處的刀片的共同作用，以扭斷和割斷分離蘋果。抓住水果后，啟動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)刀片繞手指在手指包裹區(qū)域的外圍旋轉(zhuǎn)，以割斷蘋果的果梗。在設(shè)計(jì)時(shí)，夾持機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是正反螺紋桿。蘋果自花結(jié)實(shí)力差，栽植時(shí)必須配置授粉樹。 課題的研究思路。 圖1 水果采摘機(jī)器人 圖2 番茄采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 采摘機(jī)械手應(yīng)用前景 機(jī)械手又稱操作機(jī),是指具有和人手臂相似的動(dòng)作功能,并使工作對(duì)象能在空間內(nèi)移動(dòng)的機(jī)械裝置,機(jī)械手的主要任務(wù)就是將末端執(zhí)行器移動(dòng)到可以采摘的目標(biāo)果實(shí)所處的位置。 ADAMS。利用后處理模塊Adams /Postprocessor進(jìn)行仿真視頻和各種數(shù)據(jù)曲線的輸出。日本近年在收獲機(jī)器人的研究方面進(jìn)展很快，目前已經(jīng)研制出番茄、黃瓜、葡萄、柑橘等水果和蔬菜收獲機(jī)器人，但技術(shù)不太成熟，還沒有真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)直接決定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的靈活性和控制的復(fù)雜性，所以機(jī)器人必須緊湊,行走、轉(zhuǎn)彎靈活,同時(shí)還要保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)和靈活避障. 設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器時(shí),要求準(zhǔn)確快速切除果實(shí)并確保不損傷果實(shí). 同時(shí),還必須進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析,運(yùn)用優(yōu)化的觀點(diǎn)來設(shè)計(jì)機(jī)器人結(jié)構(gòu) [7]。樹干灰褐色，老皮有不規(guī)則的縱裂或片狀剝落，小枝光滑。法國(guó)、韓國(guó)相繼開展了蘋果收獲機(jī)器人研究,并試做了樣機(jī)。采用電動(dòng)和氣動(dòng)共同工作，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)給和后退速度快，動(dòng)作可靠準(zhǔn)確，效率較高，但缺點(diǎn)是整體結(jié)構(gòu)體積大，不利于避障。扭斷果梗的過程中，電機(jī)帶動(dòng)手部機(jī)構(gòu)和蘋果共同轉(zhuǎn)動(dòng)，由于整個(gè)末端執(zhí)行器體積小,質(zhì)量較輕，所以排除了空間方位上的憂慮,運(yùn)動(dòng)較靈活。4．支持大型、復(fù)雜組合件的設(shè)計(jì)(規(guī)則排列的系列組件，交替排列，Pro/PROGRAM的各種能用零件設(shè)計(jì)的程序化方法等)?？梢詫⑵渲饕墓ぷ髟砀爬椋喊l(fā)動(dòng)機(jī)支架固定在行動(dòng)機(jī)構(gòu)中，行動(dòng)機(jī)構(gòu)完成整個(gè)機(jī)械手和蘋果相對(duì)位置的控制工作 [13]。連桿2和手抓支架手抓3都是通過鉸鏈連接，手抓3和手抓支架4也是通過鉸鏈連接。利用MSC 公司提供的Pro/E 與ADAMS 專用接口模塊Mechanism/Pro, 導(dǎo)入ADAMS。施加移動(dòng)副的地方有2個(gè)，分別是電機(jī)支架_行動(dòng)機(jī)構(gòu)(1個(gè))和氣缸_活塞（1個(gè)） 。在主工具箱的測(cè)量工具集中單擊兩點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量工具按鈕，或單擊角度測(cè)量按鈕，在主工具箱的下部即顯示測(cè)量的屬性characteristic(位移Displacement、速度velocity、加速度acceleration)和ponent（x、y、z、magnitude） 。圖14為手指指尖與電機(jī)底平面的角度，隨時(shí)間變化的規(guī)律。當(dāng)加載動(dòng)畫或者將Adams/PostProcessor設(shè)置為動(dòng)畫模式時(shí)，Adams/PostProcessor界面改變?yōu)樵试S對(duì)動(dòng)畫進(jìn)行播放和控制 [24]。致謝本次設(shè)計(jì)是在我的指導(dǎo)老師姬長(zhǎng)英教授的精心指導(dǎo)下完成的，在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)選題、開題以及撰寫過程中始終嚴(yán)格要求，同時(shí)及時(shí)地給我指導(dǎo)。因此，可以毫不夸張地說，隨著新世紀(jì)中國(guó)農(nóng)業(yè)的飛躍，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的推進(jìn)，中國(guó)農(nóng)業(yè)真正意義上的機(jī)械化時(shí)代正向我們走來。對(duì)沖擊大的點(diǎn)或部位進(jìn)行加固加厚或者更換材料等預(yù)處理，以提高機(jī)械手的使用性能。由該曲線圖可以很方便的讀取蘋果采摘機(jī)械手手指間距的最大和最小值，并了解手指在整個(gè)采摘過程中的運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。在仿真分析過程中，可以實(shí)時(shí)顯示樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀況。研究是分別將其看作一個(gè)整體。ADAMS軟件由基本模塊、擴(kuò)展模塊、接口模塊、專業(yè)領(lǐng)域模塊及工具箱5類模塊組成，如表31所示。而在中間的過程，即手指的合攏和轉(zhuǎn)動(dòng)過程涉及到了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等多方面復(fù)雜的內(nèi)容。在裝配模式下,采用不同的連接方式，包括匹配、對(duì)齊等對(duì)元件進(jìn)行約束, 放置相應(yīng)的零件，并對(duì)零件之間的位置關(guān)系做出準(zhǔn)確的定位 [12]。是一款集CAD/CAM/CAE功能一體化的綜合性三維軟件，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，并作為當(dāng)今世界 機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣，是現(xiàn)今最成功的CAD/CAM軟件之一 [10]。第四種方案可滿足以上要求，并且該結(jié)構(gòu)在綜合了上述的一些機(jī)械手的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用平行四邊形的傳動(dòng)架構(gòu)，采用滑槽的形式有利保證傳動(dòng)的平穩(wěn)性，對(duì)于蘋果在實(shí)際的采摘具有更現(xiàn)實(shí)的意義，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示。本方案的工作過程主要是：當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，推動(dòng)齒條向后運(yùn)動(dòng)，根據(jù)齒條與齒輪的嚙合關(guān)系，兩個(gè)手指平移并實(shí)現(xiàn)夾緊果實(shí)；當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，手指平移松開。紅富士蘋果腋花芽較多,前期腋花芽可占總花芽的20％左右。蘋 果 是 梨 果 的 一 種 ， 由 子 房 和 子 房 外 圍 的 組 織 發(fā) 育 而 成 。因此，收獲作業(yè)所必需的采摘機(jī)械手的仿真分析同樣具有非常廣闊的應(yīng)用前景。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)?；?、多樣化和精確化，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)要求逐漸提高，許多作業(yè)項(xiàng)目（如蔬菜和水果的挑選與采摘、蔬菜的嫁接等）都是勞動(dòng)密集型工作，再加上時(shí)令的要求，保證作業(yè)質(zhì)量成為關(guān)鍵問題；同時(shí)，工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展迅速，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力將逐漸向社會(huì)其他產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移；隨著人口的老齡化和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的減少，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本也相應(yīng)提高，這樣大大降低了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力 [1]。通過對(duì)多種不同結(jié)構(gòu)機(jī)械手的優(yōu)缺點(diǎn)分析，提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便的機(jī)械手結(jié)構(gòu)。目前，國(guó)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(shí)間較為集中。果蔬收獲是一個(gè)季節(jié)性強(qiáng)的勞動(dòng)密集型工作,由于勞動(dòng)力的高齡化和人力資源越來越缺乏,采用機(jī)器人進(jìn)行果蔬的自動(dòng)化收獲變得越來越迫切. 但由于收獲機(jī)器人的工作環(huán)境往往是非結(jié)構(gòu)性的、未知的和不確定的,因此給機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用帶來了很大的困難. 要成功地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能化收獲,必須要在機(jī)器人的本體設(shè)計(jì)、果實(shí)的自動(dòng)化識(shí)別和定位、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制技術(shù)等方面進(jìn)行深入的研究 [5]。 ，如手指開合的角度，角速度，穩(wěn)定性，運(yùn)動(dòng)軌跡等?，F(xiàn)以紅富士蘋果樹為例，簡(jiǎn)單介紹蘋果樹的生長(zhǎng)特性：(1)，枝量大，新梢旺，萌芽率高，成枝力強(qiáng)，剪口下可形成長(zhǎng)枝3～6個(gè)。兩個(gè)電機(jī)作業(yè)，控制難度較大，要求采摘人員具有較高的專業(yè)能力，通用性差； 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)體積過大、質(zhì)量過重、要求機(jī)械手運(yùn)動(dòng)空間較大。本方案的末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性較好，智能控制簡(jiǎn)單，成本較低廉。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，可靠性較高，操作和控制簡(jiǎn)單，成本較低。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。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。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]。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。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） 。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。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)。 展望工業(yè)機(jī)械手是國(guó)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)。另外我還要感謝張麒麟學(xué)長(zhǎng)，