【正文】 .............................................................19致謝 .................................................................19參考文獻: ............................................................19基于Pro/E和ADAMS的蘋果采摘機械手的仿真分析農業(yè)機械化及其自動化專業(yè)學生 張耀龍指導老師 姬長英 摘要：本文介紹了國內外農業(yè)機器人的發(fā)展概況和采摘機械手的應用前景。通過對多種不同結構機械手的優(yōu)缺點分析，提出了一種結構簡單、操作方便的機械手結構。將機械手裝配圖導入仿真分析軟件ADAMS中進行機械手的仿真。利用后處理模塊Adams /Postprocessor進行仿真視頻和各種數(shù)據(jù)曲線的輸出。關鍵詞：機械手； Pro/E； 三維建模； ADAMS； 仿真； Simulation of Apple Picking Manipulator based on Pro/E and ADAMSStudents majoring in Agricultural Mechanism and Automation Zhang YaolongTutor Ji Changying Abstract: This paper introduced the overview of the development of agricultural robots and the prospect of picking manipulat. By paring the structure of different robots, analyzing the advantages and disadvantages, a kind of manipulat has been put forward which has a simple structure is easily operated. All the parts of the robot manipulat were designed, assembled with the help of Pro / Engineer. After leading the assembling drawing into the simulation software of ADAMS, the simulation was made through Adams/View. The statics, kinematics, dynamics putation were carried out with Adams / Solver. The simulation videos Curve Data of simulation were obtained with the help of Adams / Postprocessor. By analyzing the results of the simulation, the prospect of apple picking manipulat research was given.Keywords: manipulator。 M3DM。 simulation 1 引言 選題的背景 本課題的研究意義及概況果品采摘作業(yè)是水果生產鏈中最耗時、最費力的一個環(huán)節(jié)。由于采摘作業(yè)的復雜性，采摘自動化程度仍然很低。采摘機器人作為農業(yè)機器人的重要類型，其作用在于能夠降低工人勞動強度和生產費用、提高勞動生產率和產品質量、保證果實適時采收，因而具有很大發(fā)展?jié)摿?。隨著農業(yè)生產的規(guī)?；?、多樣化和精確化，農業(yè)生產作業(yè)要求逐漸提高，許多作業(yè)項目（如蔬菜和水果的挑選與采摘、蔬菜的嫁接等）都是勞動密集型工作，再加上時令的要求，保證作業(yè)質量成為關鍵問題；同時，工業(yè)生產發(fā)展迅速，農業(yè)勞動力將逐漸向社會其他產業(yè)轉移；隨著人口的老齡化和農業(yè)勞動力的減少，農業(yè)生產成本也相應提高，這樣大大降低了產品的市場競爭力 [1]。自1983年第1臺西紅柿采摘機器人在美國問世以來，采摘機器人的研制和開發(fā)得到了快速發(fā)展(如圖1所示)。日本近年在收獲機器人的研究方面進展很快，目前已經研制出番茄、黃瓜、葡萄、柑橘等水果和蔬菜收獲機器人，但技術不太成熟，還沒有真正實現(xiàn)商業(yè)化。南京農業(yè)大學沈明霞和浙江工業(yè)大學張立斌等人正在進行農業(yè)機器人視覺方面的研究。采摘機器人是未來智能農業(yè)機械化的發(fā)展方向，具有廣闊的應用前景 [2]。日本岡山大學研制出一種具有7個自由度的西紅柿收獲機械手 [3](如圖2所示)。研究開發(fā)適合目前生產實際的果蔬果實收獲機器人不僅可以在很大程度上減輕勞動強度、提高生產效率, 而且具有廣闊的市場應用前景 [4]。本課題的研究主要是運用Pro/E軟件設計出一種結構簡單小巧的蘋果采摘機械手模型，然后導入到ADAMS 機械系統(tǒng)動力學自動分析軟件中。因此，收獲作業(yè)所必需的采摘機械手的仿真分析同樣具有非常廣闊的應用前景。 課題的研究內容及方法 課題的研究內容本課題研究的主要內容是在已有的研究成果的基礎上，了解蘋果采摘機械手結構設計的基本方法，基本原理及遵循的規(guī)則等。由于機械結構直接決定機器人運動的靈活性和控制的復雜性，所以機器人必須緊湊,行走、轉彎靈活,同時還要保證機器人運動平穩(wěn)和靈活避障. 設計末端執(zhí)行器時,要求準確快速切除果實并確保不損傷果實. 同時,還必須進行機構的運動學和動力學分析,運用優(yōu)化的觀點來設計機器人結構 [7]。評價機械手的結構性能參數(shù)主要有工作空間、可操作度、位置多樣性、冗余度等。能評估指標一般有:抓取范圍、水果分離率、水果損傷率等。 。 ，該過程是實現(xiàn)ADAMS對機械手進行仿真的基礎，也是對機械手進行分析、優(yōu)化的關鍵所在。 ，提出了改進方案。蘋 果 是 梨 果 的 一 種 ， 由 子 房 和 子 房 外 圍 的 組 織 發(fā) 育 而 成 。 雖 然 成 熟 蘋 果 的 大 小 、 形 狀 、 顏 色 和 酸 度 因 品 種 和 環(huán)境 條 件 的 不 同 而 差 異 很 大 ， 但 通 常 圓 形 ， 直 徑 50～ 100毫 米 ， 帶 紅 色 或 黃 色 。樹干灰褐色，老皮有不規(guī)則的縱裂或片狀剝落，小枝光滑。果實為仁果，顏色及大小因品種而異。最適于土層深厚、富含有機質、心土為通氣排水良好的沙質土壤。由于頂端優(yōu)勢和芽的異質性綜合作用的結果，蘋果通常具有較強的干性和明顯的層性。蘋果是世界性果品，由于其生態(tài)適應性較強，果品營養(yǎng)價值高，耐貯性好，供應周期長，世界上相當多的國家都將其列為主要消費果品而大力推薦 [8]。萌芽早，副梢多，副梢自然抽生率較高。紅富士蘋果腋花芽較多,前期腋花芽可占總花芽的20％左右。由以上蘋果的生長特性及栽培方式，實現(xiàn)蘋果的機械化采摘仍然面臨較大的挑戰(zhàn)。法國、韓國相繼開展了蘋果收獲機器人研究,并試做了樣機。 蘋果采摘機械手方案的選擇 第一種方案的分析針對蘋果的外形，采用兩個直動手指，手指內側附有一層橡膠材料，以保證抓起蘋果具有足夠的摩擦力，同時減少抓取過程中對蘋果表面的損害。當機械手夾住蘋果時，啟動電機以扭轉果梗的方式實現(xiàn)蘋果與樹枝的分離，機構簡圖如圖3所示。對于蘋果的分離，將夾持機構、光桿、正反螺紋桿和驅動電機用支架連接起來，通過電機6使整個支架旋轉，在手部抓緊蘋果后扭轉果柄，這種扭斷果柄的方式不會造成樹枝的晃動。缺點只要表現(xiàn)在：成本較高，靈活性較差。圖3 方案一的結構簡圖末端夾持機構 正反螺紋桿 光桿 電機一 軸承一 電機二 軸承二 支架 第二種方案的分析本方案仍然采用電機控制來實現(xiàn)手指的夾持工作，在分離水果的時候也同樣采用扭斷果梗的方式。本方案的工作過程主要是：當活塞向后運動時，推動齒條向后運動，根據(jù)齒條與齒輪的嚙合關系，兩個手指平移并實現(xiàn)夾緊果實；當活塞向前運動時，手指平移松開。本方案具有以下幾個特點：本方案對微型電機的要求非常嚴格，需要電機的重量足夠輕，尺寸足夠小，以最大限度的減少手指在運動過程中與果枝的碰撞。采用電動和氣動共同工作，可以實現(xiàn)進給和后退速度快，動作可靠準確，效率較高，但缺點是整體結構體積大，不利于避障。蘋果的分離采用割斷的方式實現(xiàn)，當兩手指夾持蘋果后，在電機的驅動下，雙面刀片在手指指尖部位進行轉動，以割斷果柄。其工作過程主要是：活塞桿前后運動，兩個手指繞支架上的軸轉動，實現(xiàn)蘋果的抓取。本方案有以下特點：本方案的末端執(zhí)行器的蘋果分離方式是切割果柄，與扭斷果梗的方式有很大的區(qū)別，這省略了電機帶動整個手部轉動扭斷果梗這一復雜的過程。該方案具有較好的通用性，可應用于包括柑橘、梨、桃等多種水果的采摘。手部外側加電機降低了進給過程中的蔽障能力。第四種方案可滿足以上要求，并且該結構在綜合了上述的一些機械手的優(yōu)缺點的基礎上，采用平行四邊形的傳動架構，采用滑槽的形式有利保證傳動的平穩(wěn)性，對于蘋果在實際的采摘具有更現(xiàn)實的意義，其結構簡圖如圖6所示。隨著旋轉電機的轉動，夾緊蘋果的機械手繞電機軸方向轉動，實現(xiàn)果梗的扭斷。扭斷果梗的過程中，電機帶動手部機構和蘋果共同轉動，由于整個末端執(zhí)行器體積小,質量較輕，所以排除了空間方位上的憂慮,運動較靈活。圖6 方案四的結構簡圖夾持機構 滑槽 銷軸 活塞桿 旋轉電機 軸承 轉軸 連桿 確定本課題方案比較以上各種方案的優(yōu)缺點，現(xiàn)提出以下方案，其機構簡圖如圖7所示。該方案的工作過程為：在夾持蘋果前，四個手指處于張開的狀態(tài)，當蘋果在夾持機構的包圍范圍內時，活塞向后運動，通過一系列傳動桿件使手指夾緊，直到手指夾緊蘋果。本方案具有以下特點：對于體積不是非常大的水果品種，夾持手指與蘋果之間無徑向的作用力，只是將蘋果包圍，不損傷果實，以利于提高采摘的效率。通用性強，靈活高，可采摘多種類球狀果實。圖7 本課題所用方案電機 聯(lián)軸器 氣缸 活塞 連桿 手指 橡膠 支架 銷軸 機械手結構的設計 三維建模軟件Pro/E是美國PTC公司旗下的產品Pro/Engineer軟件的簡稱。是一款集CAD/CAM/CAE功能一體化的