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摘要
我国是世界上最大的果蔬生产和消费国，果蔬产量稳居世界第一。而果蔬采摘是生产链中最为耗时、费力的一个环节。目前，国内多数果蔬采摘采用人工采摘，采摘费用约占成本的50%一70%.实现果蔬的机械化采摘，对于解决水果产业的劳动力不足、生产成本高、生产效率低等问题以及提高果蔬的市场竞争力等方面均有重要的意义。
本文以苹果为采摘对象，进行了苹果采摘机械手的结构设计，提出了一种具有四自由度连杆式机械臂的采摘机械手，开发了一种剪切式的末端执行机构结构形式，并通过理论分析确定了最佳结构方案。从仿真分析结果看，本文设计的苹果采摘机械手具有良好的采摘性能。具体研究内容如下：
�。�1）对国内苹果种植地的环境特点进行了分析，确定了苹果园果树种植间距、行距等数据，并对苹果在果树上的分布特点与规律进行了分析，确定了果树上苹果的分布区域；确定了采摘对象的物理性能参数；为采摘机械手总体方案的设汁提供基础数据与依据。
�。�2）根据苹果种植地的环境特点，结合机械手采摘苹果的实际Tfl---要求，合理选择了采摘机械手的驱动方式，确定了采摘机械手的自由度、末端执行机构的形式和采摘机械臂的结构方式，完成了苹果采摘机械手的总体设计方案，为采摘机械：乒的结构设计奠定了基础。
�。�3）依据苹果采摘机械手的总体设计方案，结合苹果的物理特性对采摘机械手末端执行机构进行了具体的结构设计；根据采摘机械手末端执行机构的结构和剪切动作要求，对采摘机械手机械臂进行了结构设计；最后，根据机械臂的结构，对机械臂动力部分进行了设计，最终完成了采摘机械手的全部结构设计。
�。�4）利用图谱分析和运动学分析对采摘机械手机械臂尺寸的正确性和机械手运行的稳定性进行了检验。分析结果表明：采摘机械手的工作空间能够完整的覆盖苹果在果树上的分布空间，机械臂的尺寸设计是正确的；机械手末端执行机构、机械臂的相关运动学曲线光滑，采摘机械手运行稳定，结构设计合理。
�。�5）对机械臂承垣结构进行了有限元分析，根据分析结果和机械手的采摘精度要求对机械臂承重结构进行了优化，减小了机械手的最大位移量；对机械手剪切机构进行了分析，研究了刀刃角度与剪切力和刀具变形量之间的关系，综合考虑果梗硬度、刀具寿命等因素，最终确定了刀具角度。
本文依据采摘机械手的作业环境和采摘对象的物理特性，设计了一种新型的具有连杆式机械臂和剪切式末端执行机构的苹果采摘机械手，其采摘过程中不会对果实产生物理损伤，采摘有效范围广。该机械手有效提高了苹果的采摘质量和采摘效率，降低了苹果采摘的劳动强度和采摘成本，提升了苹果的市场竞争力。本文设计所运用的方法可以为其他果蔬采摘机械设备的开发与研究提供借鉴。
关键词：采摘机械手；机械臂；末端执行机构；运动学分析；静力学分析
Abstract
China is the largest producer and consumer of fruits and vegetables in the world,and theoutput of fruits and vegetables ranks first in the world steadily.Fruit and vegetable harvestingis the most time-consuming and laborious link in the production chain.At present,most fruitsand vegetables in China are picked manually,and the cost of picking accounts for 50%-70%ofthe cost.Mechanized harvesting of fruits and vegetables is of great significance to solve theproblems of insufficient labor force,high production cost,low production efficiency andimprove the market competitiveness of fruits and vegetables.
In this paper,the structure design of apple harvesting manipulator is carried out.A kind ofharvesting manipulator with Four-Degree-of-Freedom connecting rod manipulator is proposed,and a structure form of shearing end·effector is developed.The optimum structure scheme isdetermined by theoretical analysis.The simulation results show that the apple pickingmanipulator designed in this paper has good picking performance.Specific research contentsare as follows:
�。�1）The environmental characteristics of Apple plantations in China were analyzed,theplanting spacing and rOW spacing of apple orchards were determined.the distributioncharacteristics and rules of apples on fruit trees were analyzed,the distribution area of appleson fruit trees was determined,and the physical performance parameters of picking objects weredetermined,which provided basic data and basis for the design of the overall scheme ofpicking manipulator.
�。�2）According tO the environmental characteristics of Apple plantation and the actualworking requirements of apple harvesting manipulator,the driving mode of the harvestingmanipulator was reasonably selected,the degree of freedom of the harvesting manipulator,theform of the end-effector and the structure mode of the harvesting manipulator were determined,and the overall design scheme of the apple harvesting manipulator was completed,which laid afoundation for the structural design of the harvesting manipulator
�。�3）According to the overall design scheme of the apple picking manipulator and thephysical characteristics of apple,the structure design of the end·effector of the pickingmanipulator is carried out in detail;according to the structure and shearing action requirementsof the end-effector of the picking manipulator,the structure design of the end-effector of thepicking manipulator is carried out;finally,according to the structure of the manipulator,thedynamic part of the manipulator is set up.Finally,the structure design of the pickingmanipulator is completed.
�。�4）The correctness of the size of the picking manipulator arm and the stability of themanipulator operation were tested by atlas analysis and kinematics analysis.The results showthat the working space of the picking manipulator can completely cover the distribution spaceof apples on fruit trees,and the size design of the manipulator is correct.The kinematics curvesof the end-effector and the manipulator are smooth,the picking manipulator runs stably and thestructure design is reasonable.
�。�5）Finite element analysis of the load-bearing structure of the manipulator is carried out,and the load-bearing structure of the manipulator is optimized according to the analysis resultsand the requirements of picking accuracy of the manipulator.The maximum displacement ofthe manipulator after optimization.The shearing mechanism of the manipulator is analyzed,and the relationship between the cutting edge angle and the shearing force and the deformationof the tool is studied.Finally,the optimal tool angle is determined.
According to the working environment of the picking manipulator and the physicalcharacteristics of the picking object,a new type of apple picking manipulator with connectingrod manipulator and shearing end-effector was designed in this paper.The manipulatoreffectively improves the quality and efficiency of apple picking,reduces the labor intensity andcost of apple picking,and improves the market competitiveness of apple.The method used inthis paper can provide reference for the development and research of other fruit and vegetableharvesting machinery and equipment
Key words,picking manipulator;manipulator;end-effector;kinematics analysis;staticsanalysis
目录
1绪论
1.1课题背景
进入21世纪，随着农业设施的大量推广以及农业技术的逐步提升，所以对农业机械的自动化普及有了更高的要求，设计可以替代人工进行的农业生产活动的机器手臂势在必行。现在很多发展中国家已把农业机械化的普及提升到了国家的战略层面【·].一些发达国家，例如以美国、日本等，对农业的机械化投入了很多的资金用于研发，己生产出喷洒、采摘、除草等农业生产领域的机器人。只能适应特定的场景的机械设备一般只具有某些特定的功能，且通用性比较差【2】。所以，研究具有通用性比较高以及制造成本低的农业机械设备是该领域急需解决的问题，这样才能把农业机械化更快的推广。
现代农业机械设备的使用，极大的提高了生产效率，促进劳动力资源能够合理的分配。同时，促使农业生产环境得到了改善【3】。因为苹果采摘环境比较复杂、植物果实容易划伤、果实的分布较随机等特点。所以采摘机械手需要灵活、轻便、可调高度的特点�；凳直鬯淙煌夤郾冉霞虻�，但是其是机械设计以及仿生学等很多种学科的有机的结合体。随着科学技术的迅速发展，机械技术的发展日渐成熟，机械手臂被广泛的用在工业，国防和农业等与人们生活息息相关的领域，所以发展前景特别好【41.
目前，采摘机器人在世界各国都有不同程度的发展，研制出很多实用的机械手，并广泛的应用于育苗和收获等农业生产中。因为苹果收获是一项耗时的农业生产，这需要大量的劳动力。但是由于工业化的快速发展占据了农业劳动力的大部分，再加上人口老龄化的加速，导致从事第一产业生产的人越来越少，单纯依靠人类手工生产已经不能满足当前农业发展的趋势【51.随着机械制造设备以及设计技术的快速发展、采摘机器人己在农业领域中逐渐得到广泛的应用，并且促使现代的农业生产向机械化、自动化方向发展【6].
在国内苹果采摘机器人存在着很多弊端，例如果实的识别率低、定位精度不高、果实的损伤率较大、果实平均采摘周期较长等一系列问题，因此我国果蔬采摘机器人尚不能商业化，果蔬采摘机器人仍处于初级发展阶段【引。在采摘机器人中，机器人的机械手在采摘中起着不可代替的作月J.本课题基于苹果采摘实践，探索了'种新型的苹果采摘机械手。
1.2采摘机械手的研究现状
|j}掎，已经研发出来的采摘机械手被分为两大类，第一类是自主行走式机器人，这类机械装置的主要特点是可以自助行走，行走的过程中可以进行相应的工作【8】。第一类机器人以自助行走系统为基础上进而研制成功的，其主要用在自动插秧、自动播种、自动施肥等农业生产方面；第二类为非自主行走式机器人，主要以水果、苗木等分布比较分散、质量比较轻的个体为操作目标，这些机器人主要有挤奶机器人、禾苗嫁接机器人、果蔬采摘机器人等。
上述这些机器人还会受到季节性自然气候条件而导致使用效率较低，从而使农业生产成本间接地增加了。因此目前急需一种灵活耐用效率高效农业采摘机器人。
1.2.1国外研究现状
美国学者Schertz和BrownN是首次把机械手应用于果蔬采摘。
三Ij今，日本人口老龄化的问题日益严峻，导致日本农业劳动力也严重不足，而松下则研发了番茄采摘机器人，且预计在19年中旬开始试销【lo】。该采摘机器人采用高清晰度摄像机采集果实图像并对果实位置进行精确定位，采摘时这种机器人只会拉拽番茄果梗部分而不伤害娇嫩的果实。如图1.1.
强班牙某研究所根据人机相互协作的思想研发了一款柑橘采摘设备…】，如图1.2所示。它的组成部分包括计算机及其周边设备、一个机械手、光学视觉系统等部分，它的功能足把是否成熟，可不可以采摘通过柑橘的颜色、形状和大小判断出它的工作效率特别高，平均内分钟可以摘50个，I而人工每分钟只能摘10个。其次，通过装有光学视觉系统的机械F的柑橘采摘设备，并对采摘下来的柑橘根据其大小进行相应的分类。
美国佛罗里达大学进行了橙子采摘机械手的研究，如图1.3所示【12】。该采摘设备是采用两个相对独立，有不同功能同时又能相互配合无间的机械手，第一个机械手负责寻找和发现各个甜橙的位置，并计算最有效率的采摘路径，将信息和数据传至第二个机械手，第二个机械手负责在不损坏甜橙树的情况下得到果实。
英国奥克杜公司研制了柔软手臂机械手，如图1.4所示【131.这种机械手由一种新型柔性可折叠材料组成。它的工作原理是通过调节材料内部的气压变化来抓经过视觉系统识别的东西。该工具能够有效的替代大量的人工劳动，节约人力资源和降低农产用工成本�？掌难沽ψ魑�"柔软"机械手手臂的唯一控制组件，可以通过内部气压的变化调节机械手的大拇指及其它指关节、掌心和各段手臂来不断适应目标物体的形状，从而实现抓取目标物体又不对其造成损伤。不过}1前其各项工作仅在实验条件下能够完成。
此外，山本一郎等日本闺萤：农，lk{Of究中心的技术人研制了苹果采摘机器人【Hl.该机器人由履带式行走装置、极一怪标机械于、指状末端执行器和机器视觉传达系统组成。动力部分采用液压驱动，采摘装置卜力'配有果实收集装置，缩短J,非采摘作业时问，提高J,收获速度。成功率为43%,采摘速度为55s/个。该机械手的缺点是无法绕过枝叶树干等遮挡苹果的障碍物摘取苹果。
1.2.2国内研究现状
果蔬采摘机械手在国内的研究进展和国外还有不小差距。
江苏大学赵德安团队研制的苹果采摘相关设备，主要由移动车辆载体和五自由度的机械手这两部分组成，如图1.505].械手通过每个关节的驱动装置来驱动。此开链连杆式关节型机械手，机械手固定在履带式行走机构上，其机械臂为的结构为PRRRP结构，采摘苹果的机械臂上安装有末端操作器。因为该机械手被用于未知、不确定以及非结构性的环境中，机械手的采摘对象也是随机分布的，因此安装了很多形式的传感器用来适应比较复杂的环境。采摘机械手使用多种传感器。其中，视觉传感器主要是为了实现末端操作器与采摘对象之间的相对距离，采摘对象是否可摘、形状以及尺寸等相关的任务；位置传感器主要包括装在大臂、小臂旋转关节处、腰部等部位的8个霍尔传感器，这样才能实现对旋转关节的旋转的紧缺角度和直动关节的精确的直行距离：而避障类型的传感器主要由安装在小臂上、左、右3个不同方向的5个开关和机械手臂的后端的力敏电阻，这样可以实现其在工作过程中能更好的躲避障碍物。
华南农业大学的学者研制的荔枝采摘的机械手【|6】，如图1.6所示，其优点是呵应用立体的视觉对需要采摘的苹果进行定位，获取机械臂的视野范内的水果作为目标，然后通过数学规划为基础，采摘路径可以实现自主规划，移动其末端的夹指进行对苹果的采摘�；当壅狈浅Ｓ刑趵�，首先使用夹指把果枝进行固定，再对果枝进行切割�！荆﹞}】
为机械手臂通用性较强，所以可对不同的水果进行采摘，包括红枣、苹果、橘r等。{:61据研究者统汁，机械于每小时采摘的荔枝的重量比人工采摘的两倍都多。如果作业地点都是水泥路的前提下，机械手以GAV作为载具可以进行自由的移动，但是如果在坑坑洼洼的粜吲驰，只能通过手推车才能实现机械手采摘工作。
钱少I纠、杨庆华等学者开发j,一款采摘黄瓜的机械手【·7】，如图1.7所示，其通过多种传感器札j巨配合功能，可以对采摘对象是否成熟进行判断，同时可以判断出采摘对象的位置，实现机械手末端执行器智能化操作以及在非结构环境下的实现自身导航、对视野进行快速搜索、对视野内果子成熟度进行判定以及实现对末端执行器的相应控制。其末端执行器主要由两个弯曲的关节组装而成，执行器分别分布在底板的2侧，为了使黄瓜的表皮不受划伤，所以需要在弯曲关节处与黄瓜的表层相接触处粘贴的地方贴了一层硅胶用来避免采摘时对黄瓜的损伤。其缺点是，该末端执行器有时会抓取失败的原因是：抓持部位与果柄部位离得太近，机械臂抖动幅度较大，从而使黄瓜从机械臂上掉落。
高建忠设计丫苹果采摘机械手，其主要由压力传感器、红外位置开关、夹持手指、步进电机等组成[1 81.采摘成功率接近九成，但是采摘的效率特别低。
马履中等设汁了一款苹果采摘的术端执行设备由切割装置、传感控制系统、夹持机构和气动系统等4部分组成，其完成抓取苹果以及放下苹果的动作，经过实验测得采摘一个果一Jt的时间人约为23s,耗时较长，每天采摘490kg,是人工的25倍左右，并且，采摘果子时对主干的损害较小，采摘果子的品质较好【191.
丁7J11军等学者设汁出一款外观形似球形的果实采摘机械手的末端执行器【20l.其主要由弧形/J、电机、具有伸缩功能的气缸和阴指开合机构等部分组成。肩动电机，弧形/J对果柄进行切割，执行器移动到收集装置的f』方、放下水果即完成埘水果的采摘。
赵毙等人研制出采摘番茄的末端执行器【211.其的组成包括力传cr,j 15器、聚焦的透镜、夹持的于指和真窄的吸盘。采摘番茄时，吸盘向前移动，吸盘后拉使得番茄从中分离开；并通过力的传感器控制机械手的抓持力，最后通过激光束摘取番茄。E海一所大学研制的高地隙的跨垄作业4自由度的采摘机械手，通过使用两个CCD照相机获取草莓的外观轮廓，分析出草莓的重心位置，使用两个手指相互配合来抓取草蓦的果柄，使果实的损伤得到避免【22】。
郑甲红等人设计出一种采摘核桃机械手，其的组成部分主要包括液压控制系统、液压泵、摇振装置、电机和小推车等，采摘装置都安装在手推车上，有利于设备的移动【z,-241.该设备的采摘效率特别高，每个果实的采摘时间大约为一分钟，缺点是不能对振动机构的振幅和频率进行调节。
梁栋等学者设计了一款液压式椰果采摘机，动力来自于拖拉机，拖拉机再带动液压泵进行采摘工作【25.26】。
张燕等人研究了一款芒果的采摘机械手，其通过液压传动系统来传递运动进而实现相应的采摘工作。其工作的时候，底部的支腿先将采摘设备支，然后伸缩缸进行相应的伸缩，进而将执行机构移动到对应的位置，最后一部是推动液压剪，把芒果的枝条剪短，从而完成采摘的工作[27-291.
上面的研究成果突破了一般采摘机械手在结构方面的技术屏障，也是对普通的机械手运行方式的挑战，为机械手从设计到进入农田进行使用提供了非常强的理论与技术方面的支撑。我们国家在苹果采摘机械手方面的研究还比较少，且对于苹果采摘机械手的测试设备也不全，但是，苹果的市场需求量在不断增加。国外虽然研制出了采摘机械，但是也没有解决真正的实际问题，也不与我国实际采摘环境相符合，并且从国外购买的采摘机械设备特别昂贵，这样会使得苹果的成本增加。所以购买外国的采摘机械手并不能在国内实现推广，只有研制出效率比较高、成本较低以及采摘设备可以适应我国苹果的采摘才至关重要。
1.3采摘机械手存在的问题
�。�1）苹果的损伤率较大苹果采摘时需要尽量减少外表皮的损伤、这样才能保证苹果的品质。虽然将传感器安装在末端执行器上可以用来感知"手"的抓取力度，但对果实造成抓伤在实际操作中仍然是不能避免。假如出现表皮损伤，苹果容易腐烂，这样会使得？#果减产，造成比较多的经济损失。
�。�2）果实单次采摘时间较长、效率低采摘苹果机械手的研究主要是为了减少苹果的采摘时间，提高苹果的采摘效率，最大限度地降低劳动强度，然而目前研制出来的许多机械手的采摘效率并没有人工的采摘效率高，所以提高苹果采摘机械臂的采摘效率迫在眉睫。
�。�3）结构复杂操作困难采摘机械手的生产成本居高不下、应用推广难度颇高，采藉摘取目标具有差异性和多样性，工作时间很短、具有季节性，使用主人大部分是农民，这就要求其安全可靠、操作简便、不易损坏。
1.4研究的意义
在农业生产过程，使用采摘效率较高的机械及其关键，所以研制自动化程度高、作业性能好以及成本易于接受的采摘机械手才是将来农业发展的趋势。采摘机械手有下面几个意义：
�。�1）我国从古至今都是农业大国，从事农业生产的人口较多我国农业人口众多，但是随着工业化的快速发展，使得很多从事农业生产的劳动力转移，再加之中国人口的老龄化，导致了从事农业生产的人越来越少，所以采摘机械手的研发势在必行。
�。�2）随着人们对农产品品质的要求越来越高，但是靠人工采摘苹果并不能满足人们对苹果品质的要求，因为机械手的采摘能够提高苹果的采摘效率，也能够极大的提高苹果的品质需求，所以采摘机械手的研究有很好的发展前景。
�。�3）由于采摘机械手操作便捷，且比较轻便，只要操作一两次就可以掌握操作技巧，这样可以广泛的应用于苹果采摘，便于果农的使用，极大限度提高了生产效率，为苹果采摘的机械打下了一定的基础。
1.5研究的主要内容
针对目前采摘机械手所存在的诸多问题，本文将提出一种新型结构的苹果采机械手，旨在为采摘类机械手增添一种结构类型，为现代农业发展做出一份自己的贡献。研究内容有以下几部分：
�。�1）对国内苹果种植地的环境特点进行分析，确定苹果园果树种植间距、行距等数据，并对苹果在果树L的分布特点与规律进行分析，确定了果树上苹果的分布区域；确定了采摘对象的物理性能参数；为采摘机械手总体方案的设计提供基础数据与依据。
�。�2）根据苹果种植地的环境特点，结合机械手采摘苹果的实际工作要求，合理选择了采摘机械手的驱动方式，确定采摘机械手的自由度、末端执行机构的形式和采摘机械臂的结构方式，完成苹果采摘机械手的总体设计方案，为采摘机械手的结构设计奠定了基础。
�。�3）依据苹果采摘机械手的总体设计方案，结合苹果的物理特性对采摘机械手末端执行机构进行具体的结构设计；根据采摘机械手末端执行机构的结构和剪切动作要求，对采摘机械手机械臂进行结构设计；最后，根据机械臂的结构，对机械臂动力部分进行设计，最终完成了采摘机械手的全部结构设计。
�。�4）利用图谱分析和运动学分析对采摘机械手机械臂尺寸的正确性和机械手运行的稳定性进行检验。
�。�5）对机械臂承重结构进行有限元分析，根据分析结果和机械手的采摘精度要求对机械臂承重结构进行优化；对机械手剪切机构进行分析，研究刀刃角度与剪切力和刀具变形量之间的关系，综合考虑果梗硬度、刀具寿命等因素，最终确定刀具角度。
1.6本研究的技术路线图
2苹果采摘机械手的总体设计方案
2.1采摘机械手作业环境分析
2.2采摘对象物理特性分析
2.3采摘机械手驱动方式的选择
2.4采摘机械手自由度的选择
2.5采摘机械手末端执机构形式方案确定
2.6采摘机械手机械臂结构方式方案确定
2.7本章小结
3苹果采摘机械手结构设计
3.1苹果采摘机械手的整体结构设计
3.2机械手关键部件设计
3.2.1末端执行器设计
3.2.2机械臂设计
3.2.3机械手动力部分结构设计
3.3本章小结
4苹果采摘机械手运动学分析
4.1采摘机械手工作空间分析
4.1.1运动学模型建立
4.1.2运动轨迹规划
4.1.3运动模拟分析
4.2本章小结
5苹果采摘机械手优化
5.1采摘机械手机械臂承重结构优化
5.1.1机械臂有限元分析方法
5.1.2承重结构优化
5.2采摘机械手末端执行机构剪切机构优化
5.2.1刀刃材料的确定
5.2.2剪切机构优化
5.3本章小结
结论
本文以苹果为采摘对象，进行了苹果采摘机械手的结构设计，提出了一种具有四自由度连杆式机械臂的采摘机械手，开发了一种剪切式的末端执行机构结构形式，并通过理论分析确定了最佳结构方案。从仿真分析结果看，本文设计的苹果采摘机械手具有良好的采摘性能。
综上所述，本篇文章完成了以下工作：
1、对苹果的采摘作业环境等特性进行了研究，确定了采摘机械手的驱动方式、自由度、末端执行机构的形式和采摘机械臂的结构方式，完成了苹果采摘机械手的总体设计方案，对机械手的各部件进行了设计。
2、利用图谱分析和运动学分析对采摘机械手机械臂尺寸的正确性和机械手运行的稳定性进行了检验。分析结果表明：采摘机械手的工作空间能够完整的覆盖苹果在果树上的分布空问，机械臂的尺弋]'没计是正确的；机械手末端执行机构、机械臂的相关运动学曲线光滑，采摘机械手运行稳定，结构设计合理。构建机械手模型，用Solidworks软件的插件Motion对机械手进行了运动学分析。
3、对机械臂承重结构进行了有限元分析，根据分析结果和机械手的采摘精度要求对机械臂承重结构进行了优化；对机械手剪切机构进行了分析，研究了刀刃角度与剪切力和刀具变形量之间的关系，综合考虑果梗硬度、刀具寿命等因素，最终确定了刀具角度。
本文依据采摘机械手的作业环境和采摘对象的物理特性，设计了一种新型的具有连杆式机械臂和剪切式末端执行机构的苹果采摘机械手，其采摘过程中不会对果实产生物理损伤，采摘有效范围广。该机械手有效提高了苹果的采摘质量和采摘效率，降低了苹果采摘的劳动强度和采摘成本，提升了苹果的市场竞争力。本文设计所运用的方法可以为其他果蔬采摘机械设备的开发与研究提供借鉴。
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致谢
衷心感谢轻工学院许威老师对本人的精心指导，他的言传身教将使我终生受益。在这两年读研期间他对我的热心指导与帮助，不胜感激。感谢轻工学院全体老师和同学的热情帮助和支持!感谢舍友们的关心和支持!感谢所有帮助过我的人们!
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