【正文】 處的運動規(guī)律，其曲線見附件。由圖可知，四個點的運動規(guī)律相同，即機械手4個手指的運動情況呈現(xiàn)出一致性。另外還可以通過分析，了解手指關(guān)節(jié)處的運動情況并描述處手指運動規(guī)律等 [23]。另可由ADAMS計算出機械手上各點處的速度和加速度隨時間變化的規(guī)律。該過程也是一條近似直線的平滑的曲線。然后是旋轉(zhuǎn)切割果梗及蘋果分離后機械手后退的過程，距離不再改變。隨著仿真的進行，機械手手指慢慢的張開，距離不斷增大，直到某點處距離不再變化，手指張開程度達到最大。本次繪圖的曲線是周期為25秒的仿真曲線。部分曲線如圖13,圖14所示： 圖13 相對兩指尖相對位移 圖14 四指尖角度圖 圖13為相對兩個手指指尖之間距離隨時間的變化曲線圖，右邊1列為指尖頂點在X方向上的位移隨時間變化的曲線。選定測量的屬性后，在工作屏幕區(qū)選擇兩個Marker點，即可彈出一個以時間為橫軸的坐標系和一條平滑的曲線，該曲線描述了在整個采摘過程中選定的兩個Marker點之間的相對位置、相對速度或者相對加速度的曲線。 仿真結(jié)果的后處理 繪制仿真曲線及進行優(yōu)化分析完成一次仿真后，即可對剛才有特定參數(shù)的仿真進行分析。如果仿真分析運行順利，計算機將一直仿真分析到設(shè)定的停止時間。完成以上設(shè)置后，單擊開始仿真按鈕，開始仿真分析。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（默認的分析類型Default、動力學分析Dynamic、靜力學分析Kinematic、靜態(tài)分析Static） ；仿真分析時間（停止時間End Time、持續(xù)時間Duration） ；仿真結(jié)果的頻率（步長Step Size、步數(shù)Steps） 。打開已創(chuàng)建的ADAMS文件，進入工作界面。完成所有的約束后添加運動約束后，在命令菜單欄的File下選擇save database，將設(shè)置好的有關(guān)機械手的 .bin 格式的文件保存。Marker點起到連接坐標系或者局部坐標系的作用，與其他幾何體固聯(lián)在一起，不發(fā)生相對運動。需要施加運動的地方共4個，分別是電機支架相對于ADAMS界面里的Ground的直線運動，活塞相對于氣缸的直線運動，氣缸相對于電機的旋轉(zhuǎn)運動和蘋果相對于Ground的直線運動。根據(jù)上面敘述的機械手的工作原理及機械手的結(jié)構(gòu)特點，需要施加轉(zhuǎn)動副的地方共13處，分別是：電機_聯(lián)軸器（1個） ，手抓支架1_連桿（4個） ，連桿_手抓（4個） ，手抓和手抓支架2（4個） 。 模型約束的建立通過 ADAMS 提供的多項功能完成約束的建立。按照該方法，可以將整個機械手分為幾個大的部分：DIANJIZHIJIA（電機和電機支架）,SHOUZHUAZHIJIA1(聯(lián)軸器，氣缸，手抓支架1)，LIANGAN（4個） ，1GB67A_M4(手抓支架2和活塞等)，XIANGJIAOC(刀片，手抓，橡膠層)（4個）等共11個塊。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，然后輸入質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量（此部分數(shù)據(jù)為三維建模過程中定義獲得） ，并輸入零件的標記點名稱，完成零件質(zhì)量屬性的修改。進行質(zhì)量屬性的修改主要使用一下的方法。導入的幾個模型是沒有質(zhì)量信息的，需要用戶進行添加修改，因為0質(zhì)量將會導致無窮大的加速度，在進行計算時會出錯。啟動ADAMS2022 仿真軟件，在進入后選擇 import a file (如圖12所示),彈出File Import對話框，在File Type右側(cè)的下，點擊OK按鈕即可打開模型。由于硬件設(shè)計及版本等軟件方面的原因，本設(shè)計的仿真過程采用第一種導入的方法。 模型導入及建立約束 模型的導入將模型導入ADAMS 中常用的方法有兩種:將Pro/E 中創(chuàng)建的模型另存為ADAMS 可以識別的文件格式( 、IGES、STEP) , 然后導入ADAMS 中。用戶不僅可以采用通用模塊對一般的機械系統(tǒng)進行仿真，而且可以采用專用模塊針對特定工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的問題進行快速有效的建模與仿真分析 [15]。另一方面，又是虛擬樣機分析開發(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)用戶進行特殊類型虛擬樣機分析的二次開發(fā)工具平臺。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等 [14]。3 機械手的仿真分析 仿真分析軟件介紹ADAMS，即機械系統(tǒng)動力學自動分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，該軟件是美國MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發(fā)的虛擬樣機分析軟件。另，手部機構(gòu)的尺寸對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械傳動的任務(wù)即可。并且由于蘋果的尺寸存在大小不一的情況，所以本機械手手部的活動范圍的誤差總是小于普遍采摘過程中的蘋果尺寸差異。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，以實現(xiàn)手抓3的張合，達到抓取和松開蘋果的功能。零件1為手抓支架1，它是固定在汽缸上面的，即可將其于汽缸的部件看作一個整體。下面對機械手手指部位的運動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)進行分析，簡化的手指結(jié)構(gòu)及其傳動機構(gòu)如圖10所示：圖10 手抓結(jié)構(gòu)示意圖該圖為由蘋果采摘機械手三維模型創(chuàng)建的工程圖，該圖所標注的尺寸比例為1:1，即該圖中各零件的尺寸為其真實的尺寸，這樣對于手指的運動的規(guī)律的研究能夠?qū)崿F(xiàn)較高的精度，其真實性也能夠得以驗證。由于在采摘前的進給和采摘后的后退過程中，機械手手指部位發(fā)生的運動只是隨著電機的直線運動，該過程只涉及到行動機構(gòu)運動參數(shù)的設(shè)置，與本機械手的參數(shù)沒有關(guān)聯(lián)，所以該過程只涉及到運動學的研究。然后電機開始工作，轉(zhuǎn)動數(shù)圈后，通過扭動和切割雙重的作用將蘋果與樹枝分離。當機械手到達正對蘋果且距離適中的位置時，開始慢速的進給，同時機械手抓慢慢張開，直到將蘋果包圍在手爪的范圍內(nèi)。此過程為一次采摘蘋果的全過程。手指合攏后，啟動電機帶動整個機械手繞軸線旋轉(zhuǎn)以割斷果梗，使蘋果與果樹分離。當機械手和蘋果具有正確的采摘位置時，驅(qū)使機械手向水果靠近，與此同時，通過氣動實現(xiàn)活塞前運動以使手指張開。其組成自右向左的分別為：發(fā)動機、發(fā)動機支架、聯(lián)軸器、氣缸、手抓支架連桿、手抓支架手抓、刀片等零件。在完成連接定義后, 還可適當增加一些約束, 以便于在ADAMS 中生成設(shè)定各約束的關(guān)鍵點，此類點在仿真的時候是可以捕捉到的點，有利于減少將模型導入ADAMS后，設(shè)置約束這一塊的工作量。如果設(shè)置成其他單位，在導入時就會發(fā)生錯誤。本設(shè)計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。系統(tǒng)中如果存在幾個相同零件時, 應(yīng)將它們另存為不同的名字 , 以示區(qū)別, 否則同樣的零件只生成一個SLP 圖形文件, 就會導致圖形丟失 [11]。為了使該導入過程不至于出錯，在Pro/E 中造型時應(yīng)注意以下幾點：中提供的缺省模板；。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,當前MDI公司并沒有發(fā)布這兩個軟件該版本的接口，mech/Pro的最高版本只能支持Pro/。 圖8 分析流程圖5．貫穿所有應(yīng)用的完全相關(guān)性(任何一個地方的變動都將引起與之有關(guān)的每個地方變動)。Pro/Engineer的功能主要有以下幾方面： 1．特征驅(qū)動（例如：凸臺、槽、倒角、腔、殼等） ； 2．參數(shù)化（參數(shù)=尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等） ；3．通過零件的特征值之間，載荷/邊界條件與特征參數(shù)之間的關(guān)系來進行設(shè)計。Pro/E的分析流程圖如圖8所示。Pro/E是美國參數(shù)技術(shù)公司（Parametric Technology Corporation）的重要產(chǎn)品。結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可靠性較高，操作和控制簡單，成本較低。當蘋果進入四個手指的包圍范圍中的時候，活塞即向后運動使手指包圍蘋果，然后電機開始轉(zhuǎn)動即可在扭轉(zhuǎn)和切割兩種狀態(tài)下分離蘋果。此時，啟動電機，電機帶動機械手整個手指及傳動機構(gòu)和蘋果共同轉(zhuǎn)動，通過扭動和指尖處的刀片的共同作用，以扭斷和割斷分離蘋果。電機固定在電機支架上，電機軸與氣缸架通過聯(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構(gòu)，每個手指的內(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，減少蘋果表面的機械損傷。采用的零件較多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對各部件之間的配合與精度有一定的要求。本方案具有以下特點：引入了包括連桿，滑槽，銷軸等基本機構(gòu)，動力分別以液壓和電動實現(xiàn)，實現(xiàn)了采摘機械手整體結(jié)構(gòu)的緊湊性和靈活性。工作過程主要是：活塞桿向后運動時，手指在連桿的作用下沿著滑槽方向向內(nèi)作平動，即可完成夾持果實。圖5 方案三的結(jié)構(gòu)簡圖手指 滑槽 銷軸 氣缸 活塞桿 轉(zhuǎn)軸 直流電機 刀片 第四種方案的分析由本課題的研究內(nèi)容和研究目的，需要設(shè)計一個結(jié)構(gòu)緊湊，行動性和輕便性好，易于控制，靈活性和通用性都較好的末端執(zhí)行器。本方案的末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡單，可靠性較好，智能控制簡單，成本較低廉。驅(qū)動刀片的電機要求較高，要求具有較大的輸出扭矩，不利于避障，并且如果刀片不夠鋒利就不能順利割斷果梗，刀片需要經(jīng)常更換或維護。抓住水果后，啟動電機，驅(qū)動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。其機構(gòu)簡圖如圖5所示。圖4 方案二的結(jié)構(gòu)簡圖電機 手臂 左齒輪 活塞桿 右齒輪 齒條 軸承 第三種方案的分析在上述方案的基礎(chǔ)上，本方案仍然采用滑槽的方式實現(xiàn)手指的開合。通過活塞桿和齒條帶動兩個齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪與手臂的連接采用固定連接的方式，形成雙支點回轉(zhuǎn)機構(gòu)，易于保證較高的采摘率和成功率。在手指的外輪廓固定連接一個微型電機，用它來驅(qū)動手指轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)果柄的扭斷。其機構(gòu)簡圖如圖4所示。兩個電機作業(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)行機構(gòu)體積過大、質(zhì)量過重、要求機械手運動空間較大。本方案具有以下特點：夾持緩慢, 采用內(nèi)附橡膠材料夾持裝置來夾持果實, 減少了水果與機械手接觸過程中沖擊、擠壓等作用而造