摘要

　　我國是世界上最大的果蔬生產(chǎn)和消費國，果蔬產(chǎn)量穩居世界第一。而果蔬采摘是生產(chǎn)鏈中最為耗時(shí)、費力的一個(gè)環(huán)節。目前，國內多數果蔬采摘采用人工采摘，采摘費用約占成本的50%一70%.實(shí)現果蔬的機械化采摘，對于解決水果產(chǎn)業(yè)的勞動(dòng)力不足、生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)效率低等問(wèn)題以及提高果蔬的市場(chǎng)競爭力等方面均有重要的意義。

　　本文以蘋(píng)果為采摘對象，進(jìn)行了蘋(píng)果采摘機械手的結構設計，提出了一種具有四自由度連桿式機械臂的采摘機械手，開(kāi)發(fā)了一種剪切式的末端執行機構結構形式，并通過(guò)理論分析確定了最佳結構方案。從仿真分析結果看，本文設計的蘋(píng)果采摘機械手具有良好的采摘性能。具體研究?jì)热萑缦拢?/p>

　�。�1）對國內蘋(píng)果種植地的環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行了分析，確定了蘋(píng)果園果樹(shù)種植間距、行距等數據，并對蘋(píng)果在果樹(shù)上的分布特點(diǎn)與規律進(jìn)行了分析，確定了果樹(shù)上蘋(píng)果的分布區域；確定了采摘對象的物理性能參數；為采摘機械手總體方案的設汁提供基礎數據與依據。

　�。�2）根據蘋(píng)果種植地的環(huán)境特點(diǎn)，結合機械手采摘蘋(píng)果的實(shí)際Tfl---要求，合理選擇了采摘機械手的驅動(dòng)方式，確定了采摘機械手的自由度、末端執行機構的形式和采摘機械臂的結構方式，完成了蘋(píng)果采摘機械手的總體設計方案，為采摘機械：乒的結構設計奠定了基礎。

　�。�3）依據蘋(píng)果采摘機械手的總體設計方案，結合蘋(píng)果的物理特性對采摘機械手末端執行機構進(jìn)行了具體的結構設計；根據采摘機械手末端執行機構的結構和剪切動(dòng)作要求，對采摘機械手機械臂進(jìn)行了結構設計；最后，根據機械臂的結構，對機械臂動(dòng)力部分進(jìn)行了設計，最終完成了采摘機械手的全部結構設計。

　�。�4）利用圖譜分析和運動(dòng)學(xué)分析對采摘機械手機械臂尺寸的正確性和機械手運行的穩定性進(jìn)行了檢驗。分析結果表明：采摘機械手的工作空間能夠完整的覆蓋蘋(píng)果在果樹(shù)上的分布空間，機械臂的尺寸設計是正確的；機械手末端執行機構、機械臂的相關(guān)運動(dòng)學(xué)曲線(xiàn)光滑，采摘機械手運行穩定，結構設計合理。

　�。�5）對機械臂承垣結構進(jìn)行了有限元分析，根據分析結果和機械手的采摘精度要求對機械臂承重結構進(jìn)行了優(yōu)化，減小了機械手的最大位移量；對機械手剪切機構進(jìn)行了分析，研究了刀刃角度與剪切力和刀具變形量之間的關(guān)系，綜合考慮果梗硬度、刀具壽命等因素，最終確定了刀具角度。

　　本文依據采摘機械手的作業(yè)環(huán)境和采摘對象的物理特性，設計了一種新型的具有連桿式機械臂和剪切式末端執行機構的蘋(píng)果采摘機械手，其采摘過(guò)程中不會(huì )對果實(shí)產(chǎn)生物理?yè)p傷，采摘有效范圍廣。該機械手有效提高了蘋(píng)果的采摘質(zhì)量和采摘效率，降低了蘋(píng)果采摘的勞動(dòng)強度和采摘成本，提升了蘋(píng)果的市場(chǎng)競爭力。本文設計所運用的方法可以為其他果蔬采摘機械設備的開(kāi)發(fā)與研究提供借鑒。

　　關(guān)鍵詞：采摘機械手；機械臂；末端執行機構；運動(dòng)學(xué)分析；靜力學(xué)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

目錄

　　1緒論

　　1.1課題背景

　　進(jìn)入21世紀，隨著(zhù)農業(yè)設施的大量推廣以及農業(yè)技術(shù)的逐步提升，所以對農業(yè)機械的自動(dòng)化普及有了更高的要求，設計可以替代人工進(jìn)行的農業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的機器手臂勢在必行�，F在很多發(fā)展中國家已把農業(yè)機械化的普及提升到了國家的戰略層面【·].一些發(fā)達國家，例如以美國、日本等，對農業(yè)的機械化投入了很多的資金用于研發(fā)，己生產(chǎn)出噴灑、采摘、除草等農業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的機器人。只能適應特定的場(chǎng)景的機械設備一般只具有某些特定的功能，且通用性比較差【2】。所以，研究具有通用性比較高以及制造成本低的農業(yè)機械設備是該領(lǐng)域急需解決的問(wèn)題，這樣才能把農業(yè)機械化更快的推廣。

　　現代農業(yè)機械設備的使用，極大的提高了生產(chǎn)效率，促進(jìn)勞動(dòng)力資源能夠合理的分配。同時(shí)，促使農業(yè)生產(chǎn)環(huán)境得到了改善【3】。因為蘋(píng)果采摘環(huán)境比較復雜、植物果實(shí)容易劃傷、果實(shí)的分布較隨機等特點(diǎn)。所以采摘機械手需要靈活、輕便、可調高度的特點(diǎn)。機械手臂雖然外觀(guān)比較簡(jiǎn)單，但是其是機械設計以及仿生學(xué)等很多種學(xué)科的有機的結合體。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機械技術(shù)的發(fā)展日漸成熟，機械手臂被廣泛的用在工業(yè)，國防和農業(yè)等與人們生活息息相關(guān)的領(lǐng)域，所以發(fā)展前景特別好【41.

　　目前，采摘機器人在世界各國都有不同程度的發(fā)展，研制出很多實(shí)用的機械手，并廣泛的應用于育苗和收獲等農業(yè)生產(chǎn)中。因為蘋(píng)果收獲是一項耗時(shí)的農業(yè)生產(chǎn)，這需要大量的勞動(dòng)力。但是由于工業(yè)化的快速發(fā)展占據了農業(yè)勞動(dòng)力的大部分，再加上人口老齡化的加速，導致從事第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的人越來(lái)越少，單純依靠人類(lèi)手工生產(chǎn)已經(jīng)不能滿(mǎn)足當前農業(yè)發(fā)展的趨勢【51.隨著(zhù)機械制造設備以及設計技術(shù)的快速發(fā)展、采摘機器人己在農業(yè)領(lǐng)域中逐漸得到廣泛的應用，并且促使現代的農業(yè)生產(chǎn)向機械化、自動(dòng)化方向發(fā)展【6].

　　在國內蘋(píng)果采摘機器人存在著(zhù)很多弊端，例如果實(shí)的識別率低、定位精度不高、果實(shí)的損傷率較大、果實(shí)平均采摘周期較長(cháng)等一系列問(wèn)題，因此我國果蔬采摘機器人尚不能商業(yè)化，果蔬采摘機器人仍處于初級發(fā)展階段【引。在采摘機器人中，機器人的機械手在采摘中起著(zhù)不可代替的作月J.本課題基于蘋(píng)果采摘實(shí)踐，探索了'種新型的蘋(píng)果采摘機械手。

　　1.2采摘機械手的研究現狀

　　|j}掎，已經(jīng)研發(fā)出來(lái)的采摘機械手被分為兩大類(lèi)，第一類(lèi)是自主行走式機器人，這類(lèi)機械裝置的主要特點(diǎn)是可以自助行走，行走的過(guò)程中可以進(jìn)行相應的工作【8】。第一類(lèi)機器人以自助行走系統為基礎上進(jìn)而研制成功的，其主要用在自動(dòng)插秧、自動(dòng)播種、自動(dòng)施肥等農業(yè)生產(chǎn)方面；第二類(lèi)為非自主行走式機器人，主要以水果、苗木等分布比較分散、質(zhì)量比較輕的個(gè)體為操作目標，這些機器人主要有擠奶機器人、禾苗嫁接機器人、果蔬采摘機器人等。

　　上述這些機器人還會(huì )受到季節性自然氣候條件而導致使用效率較低，從而使農業(yè)生產(chǎn)成本間接地增加了。因此目前急需一種靈活耐用效率高效農業(yè)采摘機器人。

　　1.2.1國外研究現狀

　　美國學(xué)者Schertz和BrownN是首次把機械手應用于果蔬采摘。

　　三Ij今，日本人口老齡化的問(wèn)題日益嚴峻，導致日本農業(yè)勞動(dòng)力也嚴重不足，而松下則研發(fā)了番茄采摘機器人，且預計在19年中旬開(kāi)始試銷(xiāo)【lo】。該采摘機器人采用高清晰度攝像機采集果實(shí)圖像并對果實(shí)位置進(jìn)行精確定位，采摘時(shí)這種機器人只會(huì )拉拽番茄果梗部分而不傷害嬌嫩的果實(shí)。如圖1.1.

　　強班牙某研究所根據人機相互協(xié)作的思想研發(fā)了一款柑橘采摘設備…】，如圖1.2所示。它的組成部分包括計算機及其周邊設備、一個(gè)機械手、光學(xué)視覺(jué)系統等部分，它的功能足把是否成熟，可不可以采摘通過(guò)柑橘的顏色、形狀和大小判斷出它的工作效率特別高，平均內分鐘可以摘50個(gè)，I而人工每分鐘只能摘10個(gè)。其次，通過(guò)裝有光學(xué)視覺(jué)系統的機械F的柑橘采摘設備，并對采摘下來(lái)的柑橘根據其大小進(jìn)行相應的分類(lèi)。

　　美國佛羅里達大學(xué)進(jìn)行了橙子采摘機械手的研究，如圖1.3所示【12】。該采摘設備是采用兩個(gè)相對獨立，有不同功能同時(shí)又能相互配合無(wú)間的機械手，第一個(gè)機械手負責尋找和發(fā)現各個(gè)甜橙的位置，并計算最有效率的采摘路徑，將信息和數據傳至第二個(gè)機械手，第二個(gè)機械手負責在不損壞甜橙樹(shù)的情況下得到果實(shí)。

　　英國奧克杜公司研制了柔軟手臂機械手，如圖1.4所示【131.這種機械手由一種新型柔性可折疊材料組成。它的工作原理是通過(guò)調節材料內部的氣壓變化來(lái)抓經(jīng)過(guò)視覺(jué)系統識別的東西。該工具能夠有效的替代大量的人工勞動(dòng)，節約人力資源和降低農產(chǎn)用工成本�？諝獾膲毫ψ鳛樵�"柔軟"機械手手臂的唯一控制組件，可以通過(guò)內部氣壓的變化調節機械手的大拇指及其它指關(guān)節、掌心和各段手臂來(lái)不斷適應目標物體的形狀，從而實(shí)現抓取目標物體又不對其造成損傷。不過(guò)}1前其各項工作僅在實(shí)驗條件下能夠完成。

　　此外，山本一郎等日本閨螢：農，lk{Of究中心的技術(shù)人研制了蘋(píng)果采摘機器人【Hl.該機器人由履帶式行走裝置、極一怪標機械于、指狀末端執行器和機器視覺(jué)傳達系統組成。動(dòng)力部分采用液壓驅動(dòng)，采摘裝置卜力'配有果實(shí)收集裝置，縮短J,非采摘作業(yè)時(shí)問(wèn)，提高J,收獲速度。成功率為43%,采摘速度為55s/個(gè)。該機械手的缺點(diǎn)是無(wú)法繞過(guò)枝葉樹(shù)干等遮擋蘋(píng)果的障礙物摘取蘋(píng)果。

　　1.2.2國內研究現狀

　　果蔬采摘機械手在國內的研究進(jìn)展和國外還有不小差距。

　　江蘇大學(xué)趙德安團隊研制的蘋(píng)果采摘相關(guān)設備，主要由移動(dòng)車(chē)輛載體和五自由度的機械手這兩部分組成，如圖1.505].械手通過(guò)每個(gè)關(guān)節的驅動(dòng)裝置來(lái)驅動(dòng)。此開(kāi)鏈連桿式關(guān)節型機械手，機械手固定在履帶式行走機構上，其機械臂為的結構為PRRRP結構，采摘蘋(píng)果的機械臂上安裝有末端操作器。因為該機械手被用于未知、不確定以及非結構性的環(huán)境中，機械手的采摘對象也是隨機分布的，因此安裝了很多形式的傳感器用來(lái)適應比較復雜的環(huán)境。采摘機械手使用多種傳感器。其中，視覺(jué)傳感器主要是為了實(shí)現末端操作器與采摘對象之間的相對距離，采摘對象是否可摘、形狀以及尺寸等相關(guān)的任務(wù)；位置傳感器主要包括裝在大臂、小臂旋轉關(guān)節處、腰部等部位的8個(gè)霍爾傳感器，這樣才能實(shí)現對旋轉關(guān)節的旋轉的緊缺角度和直動(dòng)關(guān)節的精確的直行距離：而避障類(lèi)型的傳感器主要由安裝在小臂上、左、右3個(gè)不同方向的5個(gè)開(kāi)關(guān)和機械手臂的后端的力敏電阻，這樣可以實(shí)現其在工作過(guò)程中能更好的躲避障礙物。

　　華南農業(yè)大學(xué)的學(xué)者研制的荔枝采摘的機械手【|6】，如圖1.6所示，其優(yōu)點(diǎn)是呵應用立體的視覺(jué)對需要采摘的蘋(píng)果進(jìn)行定位，獲取機械臂的視野范內的水果作為目標，然后通過(guò)數學(xué)規劃為基礎，采摘路徑可以實(shí)現自主規劃，移動(dòng)其末端的夾指進(jìn)行對蘋(píng)果的采摘。機械臂摘果時(shí)非常有條理，首先使用夾指把果枝進(jìn)行固定，再對果枝進(jìn)行切割�！荆﹞}】

　　為機械手臂通用性較強，所以可對不同的水果進(jìn)行采摘，包括紅棗、蘋(píng)果、橘r等。{:61據研究者統汁，機械于每小時(shí)采摘的荔枝的重量比人工采摘的兩倍都多。如果作業(yè)地點(diǎn)都是水泥路的前提下，機械手以GAV作為載具可以進(jìn)行自由的移動(dòng)，但是如果在坑坑洼洼的糶吲馳，只能通過(guò)手推車(chē)才能實(shí)現機械手采摘工作。

　　錢(qián)少I(mǎi)糾、楊慶華等學(xué)者開(kāi)發(fā)j,一款采摘黃瓜的機械手【·7】，如圖1.7所示，其通過(guò)多種傳感器札j巨配合功能，可以對采摘對象是否成熟進(jìn)行判斷，同時(shí)可以判斷出采摘對象的位置，實(shí)現機械手末端執行器智能化操作以及在非結構環(huán)境下的實(shí)現自身導航、對視野進(jìn)行快速搜索、對視野內果子成熟度進(jìn)行判定以及實(shí)現對末端執行器的相應控制。其末端執行器主要由兩個(gè)彎曲的關(guān)節組裝而成，執行器分別分布在底板的2側，為了使黃瓜的表皮不受劃傷，所以需要在彎曲關(guān)節處與黃瓜的表層相接觸處粘貼的地方貼了一層硅膠用來(lái)避免采摘時(shí)對黃瓜的損傷。其缺點(diǎn)是，該末端執行器有時(shí)會(huì )抓取失敗的原因是：抓持部位與果柄部位離得太近，機械臂抖動(dòng)幅度較大，從而使黃瓜從機械臂上掉落。

　　高建忠設計丫蘋(píng)果采摘機械手，其主要由壓力傳感器、紅外位置開(kāi)關(guān)、夾持手指、步進(jìn)電機等組成[1 81.采摘成功率接近九成，但是采摘的效率特別低。

　　馬履中等設汁了一款蘋(píng)果采摘的術(shù)端執行設備由切割裝置、傳感控制系統、夾持機構和氣動(dòng)系統等4部分組成，其完成抓取蘋(píng)果以及放下蘋(píng)果的動(dòng)作，經(jīng)過(guò)實(shí)驗測得采摘一個(gè)果一Jt的時(shí)間人約為23s,耗時(shí)較長(cháng)，每天采摘490kg,是人工的25倍左右，并且，采摘果子時(shí)對主干的損害較小，采摘果子的品質(zhì)較好【191.

　　丁7J11軍等學(xué)者設汁出一款外觀(guān)形似球形的果實(shí)采摘機械手的末端執行器【20l.其主要由弧形/J、電機、具有伸縮功能的氣缸和陰指開(kāi)合機構等部分組成。肩動(dòng)電機，弧形/J對果柄進(jìn)行切割，執行器移動(dòng)到收集裝置的f』方、放下水果即完成塒水果的采摘。

　　趙斃等人研制出采摘番茄的末端執行器【211.其的組成包括力傳cr,j 15器、聚焦的透鏡、夾持的于指和真窄的吸盤(pán)。采摘番茄時(shí)，吸盤(pán)向前移動(dòng)，吸盤(pán)后拉使得番茄從中分離開(kāi)；并通過(guò)力的傳感器控制機械手的抓持力，最后通過(guò)激光束摘取番茄。E海一所大學(xué)研制的高地隙的跨壟作業(yè)4自由度的采摘機械手，通過(guò)使用兩個(gè)CCD照相機獲取草莓的外觀(guān)輪廓，分析出草莓的重心位置，使用兩個(gè)手指相互配合來(lái)抓取草驀的果柄，使果實(shí)的損傷得到避免【22】。

　　鄭甲紅等人設計出一種采摘核桃機械手，其的組成部分主要包括液壓控制系統、液壓泵、搖振裝置、電機和小推車(chē)等，采摘裝置都安裝在手推車(chē)上，有利于設備的移動(dòng)【z,-241.該設備的采摘效率特別高，每個(gè)果實(shí)的采摘時(shí)間大約為一分鐘，缺點(diǎn)是不能對振動(dòng)機構的振幅和頻率進(jìn)行調節。

　　梁棟等學(xué)者設計了一款液壓式椰果采摘機，動(dòng)力來(lái)自于拖拉機，拖拉機再帶動(dòng)液壓泵進(jìn)行采摘工作【25.26】。

　　張燕等人研究了一款芒果的采摘機械手，其通過(guò)液壓傳動(dòng)系統來(lái)傳遞運動(dòng)進(jìn)而實(shí)現相應的采摘工作。其工作的時(shí)候，底部的支腿先將采摘設備支，然后伸縮缸進(jìn)行相應的伸縮，進(jìn)而將執行機構移動(dòng)到對應的位置，最后一部是推動(dòng)液壓剪，把芒果的枝條剪短，從而完成采摘的工作[27-291.

　　上面的研究成果突破了一般采摘機械手在結構方面的技術(shù)屏障，也是對普通的機械手運行方式的挑戰，為機械手從設計到進(jìn)入農田進(jìn)行使用提供了非常強的理論與技術(shù)方面的支撐。我們國家在蘋(píng)果采摘機械手方面的研究還比較少，且對于蘋(píng)果采摘機械手的測試設備也不全，但是，蘋(píng)果的市場(chǎng)需求量在不斷增加。國外雖然研制出了采摘機械，但是也沒(méi)有解決真正的實(shí)際問(wèn)題，也不與我國實(shí)際采摘環(huán)境相符合，并且從國外購買(mǎi)的采摘機械設備特別昂貴，這樣會(huì )使得蘋(píng)果的成本增加。所以購買(mǎi)外國的采摘機械手并不能在國內實(shí)現推廣，只有研制出效率比較高、成本較低以及采摘設備可以適應我國蘋(píng)果的采摘才至關(guān)重要。

　　1.3采摘機械手存在的問(wèn)題

　�。�1）蘋(píng)果的損傷率較大蘋(píng)果采摘時(shí)需要盡量減少外表皮的損傷、這樣才能保證蘋(píng)果的品質(zhì)。雖然將傳感器安裝在末端執行器上可以用來(lái)感知"手"的抓取力度，但對果實(shí)造成抓傷在實(shí)際操作中仍然是不能避免。假如出現表皮損傷，蘋(píng)果容易腐爛，這樣會(huì )使得？#果減產(chǎn)，造成比較多的經(jīng)濟損失。

　�。�2）果實(shí)單次采摘時(shí)間較長(cháng)、效率低采摘蘋(píng)果機械手的研究主要是為了減少蘋(píng)果的采摘時(shí)間，提高蘋(píng)果的采摘效率，最大限度地降低勞動(dòng)強度，然而目前研制出來(lái)的許多機械手的采摘效率并沒(méi)有人工的采摘效率高，所以提高蘋(píng)果采摘機械臂的采摘效率迫在眉睫。

　�。�3）結構復雜操作困難采摘機械手的生產(chǎn)成本居高不下、應用推廣難度頗高，采藉摘取目標具有差異性和多樣性，工作時(shí)間很短、具有季節性，使用主人大部分是農民，這就要求其安全可靠、操作簡(jiǎn)便、不易損壞。

　　1.4研究的意義

　　在農業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，使用采摘效率較高的機械及其關(guān)鍵，所以研制自動(dòng)化程度高、作業(yè)性能好以及成本易于接受的采摘機械手才是將來(lái)農業(yè)發(fā)展的趨勢。采摘機械手有下面幾個(gè)意義：

　�。�1）我國從古至今都是農業(yè)大國，從事農業(yè)生產(chǎn)的人口較多我國農業(yè)人口眾多，但是隨著(zhù)工業(yè)化的快速發(fā)展，使得很多從事農業(yè)生產(chǎn)的勞動(dòng)力轉移，再加之中國人口的老齡化，導致了從事農業(yè)生產(chǎn)的人越來(lái)越少，所以采摘機械手的研發(fā)勢在必行。

　�。�2）隨著(zhù)人們對農產(chǎn)品品質(zhì)的要求越來(lái)越高，但是靠人工采摘蘋(píng)果并不能滿(mǎn)足人們對蘋(píng)果品質(zhì)的要求，因為機械手的采摘能夠提高蘋(píng)果的采摘效率，也能夠極大的提高蘋(píng)果的品質(zhì)需求，所以采摘機械手的研究有很好的發(fā)展前景。

　�。�3）由于采摘機械手操作便捷，且比較輕便，只要操作一兩次就可以掌握操作技巧，這樣可以廣泛的應用于蘋(píng)果采摘，便于果農的使用，極大限度提高了生產(chǎn)效率，為蘋(píng)果采摘的機械打下了一定的基礎。

　　1.5研究的主要內容

　　針對目前采摘機械手所存在的諸多問(wèn)題，本文將提出一種新型結構的蘋(píng)果采機械手，旨在為采摘類(lèi)機械手增添一種結構類(lèi)型，為現代農業(yè)發(fā)展做出一份自己的貢獻。研究?jì)热萦幸韵聨撞糠郑?/p>

　�。�1）對國內蘋(píng)果種植地的環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行分析，確定蘋(píng)果園果樹(shù)種植間距、行距等數據，并對蘋(píng)果在果樹(shù)L的分布特點(diǎn)與規律進(jìn)行分析，確定了果樹(shù)上蘋(píng)果的分布區域；確定了采摘對象的物理性能參數；為采摘機械手總體方案的設計提供基礎數據與依據。

　�。�2）根據蘋(píng)果種植地的環(huán)境特點(diǎn)，結合機械手采摘蘋(píng)果的實(shí)際工作要求，合理選擇了采摘機械手的驅動(dòng)方式，確定采摘機械手的自由度、末端執行機構的形式和采摘機械臂的結構方式，完成蘋(píng)果采摘機械手的總體設計方案，為采摘機械手的結構設計奠定了基礎。

　�。�3）依據蘋(píng)果采摘機械手的總體設計方案，結合蘋(píng)果的物理特性對采摘機械手末端執行機構進(jìn)行具體的結構設計；根據采摘機械手末端執行機構的結構和剪切動(dòng)作要求，對采摘機械手機械臂進(jìn)行結構設計；最后，根據機械臂的結構，對機械臂動(dòng)力部分進(jìn)行設計，最終完成了采摘機械手的全部結構設計。

　�。�4）利用圖譜分析和運動(dòng)學(xué)分析對采摘機械手機械臂尺寸的正確性和機械手運行的穩定性進(jìn)行檢驗。

　�。�5）對機械臂承重結構進(jìn)行有限元分析，根據分析結果和機械手的采摘精度要求對機械臂承重結構進(jìn)行優(yōu)化；對機械手剪切機構進(jìn)行分析，研究刀刃角度與剪切力和刀具變形量之間的關(guān)系，綜合考慮果梗硬度、刀具壽命等因素，最終確定刀具角度。

　　1.6本研究的技術(shù)路線(xiàn)圖

　　2蘋(píng)果采摘機械手的總體設計方案
　　2.1采摘機械手作業(yè)環(huán)境分析
　　2.2采摘對象物理特性分析
　　2.3采摘機械手驅動(dòng)方式的選擇
　　2.4采摘機械手自由度的選擇
　　2.5采摘機械手末端執機構形式方案確定
　　2.6采摘機械手機械臂結構方式方案確定
　　2.7本章小結

　　3蘋(píng)果采摘機械手結構設計
　　3.1蘋(píng)果采摘機械手的整體結構設計
　　3.2機械手關(guān)鍵部件設計
　　3.2.1末端執行器設計
　　3.2.2機械臂設計
　　3.2.3機械手動(dòng)力部分結構設計
　　3.3本章小結

　　4蘋(píng)果采摘機械手運動(dòng)學(xué)分析
　　4.1采摘機械手工作空間分析
　　4.1.1運動(dòng)學(xué)模型建立
　　4.1.2運動(dòng)軌跡規劃
　　4.1.3運動(dòng)模擬分析
　　4.2本章小結

　　5蘋(píng)果采摘機械手優(yōu)化
　　5.1采摘機械手機械臂承重結構優(yōu)化
　　5.1.1機械臂有限元分析方法
　　5.1.2承重結構優(yōu)化
　　5.2采摘機械手末端執行機構剪切機構優(yōu)化
　　5.2.1刀刃材料的確定
　　5.2.2剪切機構優(yōu)化
　　5.3本章小結

結論

　　本文以蘋(píng)果為采摘對象，進(jìn)行了蘋(píng)果采摘機械手的結構設計，提出了一種具有四自由度連桿式機械臂的采摘機械手，開(kāi)發(fā)了一種剪切式的末端執行機構結構形式，并通過(guò)理論分析確定了最佳結構方案。從仿真分析結果看，本文設計的蘋(píng)果采摘機械手具有良好的采摘性能。

　　綜上所述，本篇文章完成了以下工作：

　　1、對蘋(píng)果的采摘作業(yè)環(huán)境等特性進(jìn)行了研究，確定了采摘機械手的驅動(dòng)方式、自由度、末端執行機構的形式和采摘機械臂的結構方式，完成了蘋(píng)果采摘機械手的總體設計方案，對機械手的各部件進(jìn)行了設計。

　　2、利用圖譜分析和運動(dòng)學(xué)分析對采摘機械手機械臂尺寸的正確性和機械手運行的穩定性進(jìn)行了檢驗。分析結果表明：采摘機械手的工作空間能夠完整的覆蓋蘋(píng)果在果樹(shù)上的分布空問(wèn)，機械臂的尺弋]'沒(méi)計是正確的；機械手末端執行機構、機械臂的相關(guān)運動(dòng)學(xué)曲線(xiàn)光滑，采摘機械手運行穩定，結構設計合理。構建機械手模型，用Solidworks軟件的插件Motion對機械手進(jìn)行了運動(dòng)學(xué)分析。

　　3、對機械臂承重結構進(jìn)行了有限元分析，根據分析結果和機械手的采摘精度要求對機械臂承重結構進(jìn)行了優(yōu)化；對機械手剪切機構進(jìn)行了分析，研究了刀刃角度與剪切力和刀具變形量之間的關(guān)系，綜合考慮果梗硬度、刀具壽命等因素，最終確定了刀具角度。

　　本文依據采摘機械手的作業(yè)環(huán)境和采摘對象的物理特性，設計了一種新型的具有連桿式機械臂和剪切式末端執行機構的蘋(píng)果采摘機械手，其采摘過(guò)程中不會(huì )對果實(shí)產(chǎn)生物理?yè)p傷，采摘有效范圍廣。該機械手有效提高了蘋(píng)果的采摘質(zhì)量和采摘效率，降低了蘋(píng)果采摘的勞動(dòng)強度和采摘成本，提升了蘋(píng)果的市場(chǎng)競爭力。本文設計所運用的方法可以為其他果蔬采摘機械設備的開(kāi)發(fā)與研究提供借鑒。

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致謝

　　衷心感謝輕工學(xué)院許威老師對本人的精心指導，他的言傳身教將使我終生受益。在這兩年讀研期間他對我的熱心指導與幫助，不勝感激。感謝輕工學(xué)院全體老師和同學(xué)的熱情幫助和支持!感謝舍友們的關(guān)心和支持!感謝所有幫助過(guò)我的人們!

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