果实采摘机械手机构设计与工作性能分析.PDFVIP

2004 年 3 月 农 机 化 研 究 第 2 期 果实采摘机械手机构设计与工作性能分析 梁喜凤，苗香雯，崔绍荣，王永维 （浙江大学生物系统工程与食品科学学院，浙江 杭州 310029） [摘 要] 采摘机器人是农业机器人的一种类型，在农业生产中具有广阔的应用前景。为此，从型综合和 尺寸综合两方面介绍了果实采摘机器人机械手的机构设计，并分析了机械手机构的工作空间、可操作度、 避障能力、冗余空间和姿态多样性等工作性能指标以及各指标的计算方法，为果实采摘机械手的机构设计 与工作性能评价提供了理论依据。 [关键词] 农业工程；采摘机械手；机构设计；工作性能 [中图分类号] TP241；S225 [文献标识码] A 文章编号[ ] 1003─188X(2004)02─0133─03 随着农业生产的规模化、多样化与精确化，机 以是移动关节，主要有直角坐标型、圆柱坐标型、 [4] 器人技术已在育苗、扦插、移苗、组织培养、嫁接、 极坐标型和关节型 4种基本形式 。决定姿态的 3 农产品收获等方面得到应用，促使农业生产过程逐 个自由度必须是转动关节。例如，番茄采摘机械手 步趋于自动化和智能化。农业机器人的应用可以提 进行采摘作业时，末端执行器模拟人手采摘动作， 高劳动生产率和产品质量，改善劳动条件，解决劳 抓住果实、完成果实与花梗分离，需要手腕通过绕 动力不足等问题。果实采摘是农业生产的重要环节， j 轴旋转和绕 i 轴回转来实现（如图 1所示）。通常 其季节性强、劳动量大且费用高。例如，荷兰黄瓜 实现该姿态的关节有多种配置形式，但要满足仿生 [1] 要求并使结构配置简单。因此，采摘机械手的机构 人工收获的费用占整个温室黄瓜生产费用的50% 。 采摘机器人作为农业机器人的一种类型，目前在日 设计应从仿生学角度出发，根据具体作业要求，分 本、美国、荷兰等国家已有研制和初步使用，主要 解动作的实现方法，将机械手分成手臂和手腕两部 用于采摘番茄、黄瓜、草莓、葡萄、西瓜、甜瓜、 分，参照工业机械手设计中一些关节的配置形式， [2] 选择合适的关节类型与配置。为使驱动容易实现， 苹果、柑桔、甘蓝等蔬菜和水果 ，具有很大的发 展潜力。各类果实采摘机器人形式多样，但主要由 一般机械手关节都是单自由度的。 机械手、末端执行器、视觉系统、控制系统与行走 k 系统等部分组成。本文对采摘机械手机构设计与工 1 2 3 j 作性能进行了分析。 i 1 采摘机械手机构设计 机械手作为采摘机器人的主要执行部件，其功 1.机械手末杆关节 2.末端执行器 3.采摘目标 能是将末端执行器移至接近果实的位置。机械手的 图 1番茄采摘机械手手腕关节形式 机构设计要根据机构的工作要求，选择合理的机构 1.2机构选型原则 型式并求解各机构结构参数值。机构设计也称机构 机械手机构一般属于空间开