基于六自由度机械臂的水果采摘装置设计
全国大学生机械工程创新设计大赛获奖案例《简易实用的水果采集杆》
简易实用的水果采集杆本案例荣获全国大学生机械工程创新设计大赛一等奖1.设计目的在水果的生产作业中，收获采集是最耗时费力的一个环节。
水果收获期间需投入的劳力约占整个种植过程的70%。
采集作业质量的好坏直接影响到水果的储存、加工和销售，从而最终影响市场价格和经济效益。
水果收获采集具有很强的时效性，属于典型的劳动密集型的工作。
但是，由于采集作业环境和操作的复杂性，目前水果采集的自动化程度仍然很低，国内水果的采集作业基本上还是手工完成。
在很多国家随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，劳动力不仅成本高，而且越来越不容易得到，而人工釆集水果所需的成本在水果的整个生产成本中所占的比例高达50%。
高枝水果的米集还带有一定的危险性。
因此实现水果采集的机械化变得越来越迫切，发展技术、研究开发水果采集器具有重要的意义。
目前大多果园和农场釆集水果，例如苹果、梨、橘子、桃子、柠檬、石榴等,都是采用人工采集的方式。
由于这些长在树上的水果比人的身高要高一些，因此需要耗费大量的人力成本，且存在一定的安全隐患。
我们设计的水果采集杆可以轻松地采集到高处的水果，极大地减小了人的劳动强度，提升了工作效率，而且可以让没有足够经验的人也能体验农事。
本作品的意义主要有以下几点：(1)提供在地面方便地采集高处的水果的可能性。
(2)降低果农采集水果的劳动成本和劳动强度，同时提升他们的劳动效率。
(3)我们设计的新型水果采集杆有一定的趣味性，可以帮助生活在城市的人们更加简便地参与农事，体验自然的乐趣，增加人与自然的融合。
2.工作原理我们的采集器建立在一根长1. 17 m的杆上，按下R13-507 16MM自复位不自锁按钮点动开关，将电动机的电信号传入导线；导线接入K601型可充电聚合物锂电池，将电池中的能量释放在775扁桃D型削边轴电动机上，使它满负荷运转；电动机与高速钢刀片用一根轴连接，带动高速钢刀片高速切割被月牙形底座精准卡入的藤蔓。
水果顺势掉入用高弹力网制作的采集器里。
一种全自动可避障蜜桃采摘机的设计
一种全自动可避障蜜桃采摘机的设计作者：刘磊刘恩林王春森来源：《农机使用与维修》2017年第10期摘要：研发了一种全自动可避障蜜桃采摘机，该装置包括机械系统、动力系统和视觉识别系统。
机械系统由六轮虾形可避障底盘、六自由度机械臂和防蜜桃损伤机械手构成。
动力系统包括电动机汽缸和皮带等动力机构构成。
视觉识别系统包括光学相机、红外热像仪和双目式摄像头构成。
机器依靠其特殊的六轮虾形可避障底盘可以在崎岖的地形进行工作。
通过机械臂与机械手的相互协调配合，其特有的视觉识别系统可以完全代替人类对蜜桃实现全自动采摘，大大节省了劳动力，其本身具有良好的创新性和发展性。
关键词：全自动；避障；蜜桃采摘；机械臂；创新性中图分类号：S22593文献标识码：Adoi：10.14031/ki.njwx.2017.10.0090引言在果蔬生产作业中，收获采摘约占整个作业量的40%。
采摘作业质量的好坏直接影响到果蔬的储存、加工和销售，从而最终影响市场价格和经济效益[1]。
国内的采摘机器人的起步较晚，与国外发达国家的水平还有一定的差距，亟需我们学习国外先进的设计思想与技术，创造出适合于我国发展的果蔬采摘机械。
蜜桃的主要经济栽培区在华东华北各省市，较为集中的地区有山东蒙阴、肥城、青岛、河南开封、商水、河北遵化、深县等。
这些地区的地形多以低缓的丘陵，起伏的山岭为主，为桃树的生长提供了有利的地形条件，同时，也为蜜桃成熟时的采摘带来了极大的不便。
目前，蜜桃的采摘大多以人工采摘为主，而且蜜桃的成熟期很短，在成熟时如果不能及时采摘，容易导致其掉落、腐烂，造成果农的经济损失，所以在采摘时劳动强度大，但效率不高。
现在市场上还没有完全可以克服崎岖地形、可越障、自动采摘蜜桃的机器。
为了提高果农的经济效益、降低果农的劳动强度与生产成本，研发高效、安全、经济实用的多功能山地果园机械对我国的农林产业结构调整具有重大意义[2]。
1整体结构及其工作原理一种全自动可避障蜜桃采摘机的整体结构包括六轮虾形底盘部分、六自由度机械臂部分、采摘机械手部分、视觉识别部分、动力传输部分。
苹果采摘机器人的结构设计与分析
式中，i x代表的是第图1 采摘机器人结构图采摘机器人采用无线信号控制，底部承重平台上置有一个控电柜，内部包含主控器、信号接收器、信号发射器等，在六自由度承重平台下方焊接一圈圆形导轨，并在其上方安装可绕导轨环形运动的移动摄像头，摄像头可向上仰角20°，向下俯角60°，带有三关节，实现可自由旋转360°。
在机器人工作期间，可通过手机配合手柄控制车体运动方向，末端执行器上装有颜色识别传感器和微型超高清摄像头，首先，通过摄像头获取苹果位姿图像，提信息判断采摘对象是否成熟；其次，利用红外传感器获取苹果是否在抓手可采摘范围信息；最后，通过～700mm，不考虑物体之间的阻尼与摩擦等因素，模型材料统一设定为大减少了计算量，但对计算结果未产生本质影响；（3）为提高运算速度，计算的迭代次数等需要修改配置。
主要部件的结构与强度校核六自由度平台瞬态结构校核六自由度运动平台由承载底盘、十字虎克铰、电动缸、气缸、顶部承接台、多边形承载架等组成，本小节主要对承载底盘进行结构分析。
在Workbench行瞬态结构校核，需先进行模型简化，并将其转为求解阶段，首先删除所有接触关系，将结构设定为几个主要连接副，如图3为底部承载平台接触设计总图。
图3 底部承载平台接触设定总图此模型要求在Mechanical中实现姿态控制与运动，因此需给电缸一个位移分量，而Mechanical中只有轴可以实现位移，故在设定电缸与气缸的平移运动副时考虑将电缸及气缸的行程推杆组成全局坐标系，使得轴正方向指向电缸杆的伸出方向，以避免后续求解过程中出现位移方向不合理的情况。
通过分析，求解部分收敛性能良好，在其求解完成总图中，收敛力和标准力均符合要求。
图4 总变形云图由图4可知，在此设定状态下，底部承载平台模图5 总变形云图本文首先对苹果采摘机器人六自由度平台进行运动学分析，验证了模型设计的科学性和合理性，其次对行走机构、末端执行机构进行结构及强度校核，结果分析表明，机械结构合理有效。
基于自动控制技术的多手臂水果采摘装置的设计
基于自动控制技术的多手臂水果采摘装置的设计赵东辉;张慧【摘要】With labor cost increase and forestry operations to improve the degree of automation , in the future will gradual-ly adopt the automatic picking device to pick fruit .This paper discusses the design process of intelligent mobile platform , five axis manipulator , end effector ,electrical control device which belong to the automatic fruit picking device which with many arms .The device mainly uses CAD/CAE software to design and analysis , improve the design efficiency , feasibility and scientific .The unit is designed with four arms , which can pick the fruit at the same time , so the efficiency of picking manipulator is greatly improved , and is installed with a visual sensor , pressure sensor , position sensor in the manipula-tor , and the finger stress analysis was made .A crawler type walking mechanism is adopted on the device , which can a-dapt to various complicated road , the device is installed in the automatic navigation system and visual identity system , can accurately locate the position and pick fruit .In addition, the application of S7-200 model of PLC and pneumatic technology is used in the picking device , so that the overall structure is compact and more stable .%随着人力劳动成本及农林作业自动化程度的提高，在未来的水果采摘作业中将逐步采用自动化采摘设备。
水果采摘机械手装置设计与仿真
水果采摘机械手装置设计与仿真摘要近年来，随着全国经济的持续发展，人们对果蔬的需求越来越大。
在我国的果蔬生产中，柑橘生产所的占比重日益增大。
而在整个柑橘生产活动中，柑橘的采摘所占的工作量十分巨大。
除此之外，水果采摘质量的好坏还将直接影响到水果的保鲜储藏，运输配送等后续工作，并最终将严重影响到经济效益。
如果继续延续原始的手工采摘，不仅工作环境十分的艰苦，效率低下，而且水果采摘质量也得不到保障，更甚至时有采摘工作者在采摘过程中因为环境的复杂不小心从树上摔下而受伤的事故发生。
为了适应当代果蔬经济的发展，设计一种多自由度，满足工作空间的小型柑橘采摘机械手对实现农业自动化和提高经济效益具有重要意义。
根据柑橘生产活动中完成果实采摘整个过程的的具体条件，首先运用所学知识进行机构尺寸的设计；然后创新设计内嵌式关节采摘机械手所有零部件的具体合理尺寸；再按照设计的零件图通过Pro/E三维造型出机械手的所有零部件；接着根据机械手的工作方式选择合理的连接方式并通过创建合理约束完成机械手的装配；最后通过选用Pro/E 中的机构模式，经过旋转轴的自定义，伺服电机的添加，定义初始条件等完成机械手的运动仿真。
关键词：柑橘采摘机械手，内嵌式关节，Pro/E三维造型，运动仿真AbstractIn recent years, with the continuous development of economy, the proportion of citrus production in fruit and vegetable production is growing in our country. In the entire citrus production activities, the workload of citrus picking is very big. What’s more, the quality of fruit picking will directly affect the fruit storage, transportation and other follow-up work ,which eventually has serious influence on the economic benefit. If we continue to use the original manual picking, not only working environment is very difficult, working inefficient, but also the quality of fruit picking is not guaranteed .what’s worse, the fruit picking workers maybe fell from the trees and injured accidentally because the environment is very complex in the process of picking . In order to adapt to the development of contemporary economic fruit and vegetable, it is of great significance to agricultural automation realized and improving the economic benefit that designing a kind of small citrus picking manipulator with the features of multi-degree of freedom and satisfied the working space.According to the specific conditions of the whole process of fruit picking in citrus production activities, at first ,using the acquired knowledge to creatively design all parts of embedded citrus picking manipulator joints with reasonable size. Then according to the design of the part drawing shapes all parts of the manipulator through the Pro/E 3d modeling software. Next choosing the reasonable connection according to the workings of a manipulator and creating a reasonable constraint to complete the assembly of the manipulator. Finally ,through choosing mechanism model in Pro/E, after the axis of rotation of the custom, the adding of the servo motor and defined the initial conditions to complete the motion simulation of the manipulator.Keywords: citrus picking manipulator, embedded joints, Pro/E 3d modeling , motion simulation第一章绪论 (1)1.1前言 (1)1.2机械手的介绍 (1)1.3水果采摘机械手研究概况 (1)1.3.1 国外机械手的研究概况 (1)1.3.2 国内机械手研究概况 (3)1.4目的和意义 (3)第二章柑橘采摘机械手的结构设计 (5)2.1柑橘采摘机械手的系统构成 (5)2.2柑橘采摘机械手的材料选定 (5)2.3机械手大小臂长度的确定 (6)2.3.1 机械手大小臂长度的确定 (6)2.3.2 基于果园环境的机械手CAD模拟 (6)2.4机械手关节处伺服电机内嵌式创新 (8)2.5电机的选定 (8)2.5.1 电机种类的选择选择发 (8)2.5.2 电机规格的选择 (9)2.6机械臂尺寸的设计 (12)2.6.1 机械手的结构设计 (12)2.6.2 机械手各个零件的尺寸设计 (12)第三章三自由度机械手的三维造型 (14)3.1机械手大臂的三维造型。
基于六自由度机械臂的水果采摘装置设计
DOI：10.16660/ki.1674-098X.2019.20.102基于六自由度机械臂的水果采摘装置设计杨絮 牛亚琼 张璟言 李家伟 李梦瑶 武泽锋(长春理工大学电子信息工程学院 吉林长春 130000)摘 要：农业机器人在推动智慧农业中有着广泛的应用，本装置采用stm32f407zet6单片机为控制核心，设计一款自动采摘水果的六自由度机械臂装置，通过摄像头实时采集数据进行图像处理，获取果实空间坐标，通过闭环控制实现机械臂对果实的精准抓取。
本实验运用了一种能适应户外光线变化的颜色识别算法，并运用了模糊控制理论对机械臂进行控制，提高了系统装置的鲁棒性。
关键词：六自由度机械臂 单片机 摄像头 模糊控制中图分类号：S225.93 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2019)07(b)-0102-02随着人口指数增长，对自然资源的需求增大。
传统农业的生产力日益供给不上这种需求，而且对自然的负担也是指数增长。
为了缓解这种矛盾，最优最大化利用自然资源并且将人类从繁重的体力劳动中解放出来，科学界提出了现代化农业的构想，集中生产，智能生产随着今年来人工智能技术的进步，智能机器人在各个方面都有表现，而将机器人运用于农业也是一种极佳的方案，目前为止，应用于农业的机器人还不够普及，于是我们想制作一款可以推广普及的农业机器人。
1 总体装置设计本智能农业机器人由stm32f407zet6单片机为核心控制器，六自由度机械臂作为执行机构，通过摄像头捕获的图像实时进行处理并反馈水果的空间坐标位置，通过模糊PID 实现对水果的精准抓取。
系统组成结构图如图1所示。
2 六自由度机械臂数学模型的建立机械手臂的连杆和关节用D－H模型进行建模。
为了简化水果采摘机械臂的三维运动，去掉了下方云台的旋转关节，这样就可以在二维的平面上进行运动学分析[1]。
如图2所示时机械臂的几何表示，下面我们将运用几何的方法对其进行分析。
根据上面的图示列出如下方程：其中α=θ0+θ1-θ2令解得：通过同样的方法可以求得θ1和θ2，这样就完成通过末端执行器P 3的位姿的逆运动计算，显然最后有两个正确的解，根据图2的虚线部分可以看出，我们选取虚线部分得解，使得每个关节受力都可以小一些。
六自由度果实采摘机械手控制系统的设计
腕 、手 部 四个 部 分 ，每 个 部 分 通 过伺 服 电机 进 行 控
底 盘高度／ｍｍ：５８
ห้องสมุดไป่ตู้
制 ，采 用 铝 合 金 支 架 、螺 丝 、螺 母 进 行 连 接 和 加
手臂 总长度／ｍｍ：３９０
固 。
金属 齿轮伺 服 电机 尺寸／ｍｍ：４０．４×１９．８×３６
１．１ 机械 手硬件 结构组成
农 业机器人是 一 种 以农 产 品 为操作 对 象 ，兼 有 模 拟人类智能感 知和 四肢 行动 功 能、可 重 复编程 的 柔 性 自动化或者半 自动化设 备。农 业机器人 的作用 可以简单归纳为 以下几 点 ：①缓 解农 业 劳动 力 的不 足 ；② 替代人 类从事脏 、累 、辛苦 的劳 动 ；③替代人 类 从事机 械式 的单调劳 动 ；④获得高 品质 、高附加值 的 农产 品 ；⑤实 现植 物工厂 内的无菌化生产 。
金属 齿轮伺 服 电机重 量／ｇ：４８
本实验 的伺服 机 器 手臂 由底 座 、铝制 合 金 结构
中图分 类 号 ：ＴＰ２４１．３ 文献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００９—２５５２（２０１１）０２—００７２—０３
２０１１年 第２期
六 自 由度 果 实 采 摘 机 械 手 控 制 系统 的 设 计
罗 小勇 ，宁志超
（１．中铁二十二局集 团电气化工程有限公 司，北京 １０００７３；２．中国第一重型机械集团 ，齐齐哈尔 １６１０４２）
摘 要 ：主要介 绍 了基 于 ＡＶＲ 系列单 片机一 ＡＴｍｅｇａ１６的六 自由度 果 实采摘机 器手控制 器以及 机 械手 整体结构 的设计 。机械 系统的设计 采用模 块化 的设计方 案 ，从 而将 功能分解 ，降低模 块之 间 的耦合性 。硬件 系统主要是 由 ６路伺 服 电机、金 属 支架 组件 以及 控 制 器构 成 ；控 制 器分 别从硬 件和软件 两方 面进行设 计 ，并通过 实验验证 了六 自由度 果 实采摘机 械手控 制 系统的 可行性 。 关键词 ：ＡＴｍｅｇａｌ６；伺服 电机 ； 自由度 ；模块 化
基于ATmega16的六自由度果实采摘机械手控制系统的设计的开题报告
基于ATmega16的六自由度果实采摘机械手控制系统的设计的开题报告一、选题背景及研究意义随着农业自动化技术的发展，自动化采摘技术的应用得到了广泛关注。
机械手作为自动化采摘技术中的重要组成部分，具有操作精度高、速度快、效率高等优点，越来越受到人们的青睐。
在果实采摘过程中，机械手需要具备较高的运动精度和灵活性来完成采摘操作。
因此，控制系统的设计对机械手的准确性和稳定性起着至关重要的作用。
本文针对果实采摘机械手控制系统的设计问题展开研究，以ATmega16为控制芯片，设计出一套完整的六自由度机械手控制系统，为实现果实的高效采摘提供技术支持。
二、研究内容与目标本文旨在设计一种基于ATmega16的六自由度机械手控制系统，具体研究内容包括以下几个方面：1.硬件设计：根据机械手的结构和控制要求，设计出合适的硬件电路，包括电机控制、传感器接口等。
2.软件设计：结合机械手的运动特点和控制需求，设计出合适的控制算法和程序，并用C语言进行编写和调试。
3.系统集成：将硬件和软件进行集成，进行综合测试和调试，并对机械手的性能进行评估和优化。
本文的最终目标是设计出一套稳定、高效、具有实用性的果实采摘机械手控制系统，为果实采摘自动化提供技术支持。
三、研究方法和步骤本文的研究方法和步骤如下：1.研究机械手的结构和运动学原理。
2.根据机械手的特点和控制需求，进行硬件和软件设计。
3.进行系统的集成和测试，对机械手的性能进行评估和优化。
4.完成论文撰写和答辩。
四、论文结构和进度安排本文的章节安排如下：第一章：绪论1.1研究背景和意义1.2研究现状和发展趋势1.3研究内容和目标1.4研究方法和步骤1.5论文结构第二章：机械手结构设计2.1机械手结构原理2.2机械手组成部分的设计2.3机械手运动学分析2.4机械手动力学分析第三章：控制系统设计3.1硬件设计3.2软件设计3.3通信协议设计第四章：系统测试与分析4.1测试流程及测试数据分析4.2系统性能评估第五章：性能优化与实验分析5.1系统性能瓶颈分析5.2性能提升技术5.3实验分析第六章：总结与展望6.1研究总结6.2研究展望进度安排：2021年3月-2021年6月：机械手结构设计；2021年7月-2021年10月：控制系统设计；2021年11月-2022年2月：系统测试与分析；2022年3月-2022年6月：性能优化与实验分析；2022年7月-2022年10月：论文撰写和答辩准备。
果实采摘机械手的结构设计及工作能力研究
果实采摘机械手的结构设计及工作能力研究陈艳艳;申东东【摘要】随着社会经济水平的不断提高，我国农林业取得长足发展，果农在种植水果时开始逐渐引进机械化、自动化设备，以提高种植效率。
传统收获时果农最为繁忙的季节就是成熟季，果农常需要花费大量人工采摘果实，不仅效率低，且有一定危险性，采摘机器人便在这样的背景下诞生了。
为此，针对采摘机器人的工作原理、工作空间，结合采摘作业实际需求，进行采摘机械手的结构设计及工作能力评价，旨在为相关产业发展提供理论依据。
%With the continuous development of social economy, agriculture and forestry in China achieved rapid develop-ment, growers in fruit planting began the gradual introduction of mechanization and automation equipment to improve the efficiency of planting. The traditional out of date harvest is mainly started by artificial operation. The busy season is fruit ripening season planting fruit trees consequences of agricultural, farmers often need to spend a lot of artificial cost picking fruit. Hand picking is not only a low success rate, and there is a certain risk, mechanical picking to replace artificial picking has become an important driving force for fruit market development, the robot is born in this context of the picking robot. Picking robot research mainly from its working principle, working space combined with the actual demand of picking operation. Through the picking robot can effectively reduce the uncertainty of artificial operation, and funda-mentally improve the fruit picking efficiency. In this paper, the structure design and work ability offruit picking manipu-lator is studied, which provides theoretical basis for the development of related industries.【期刊名称】《农机化研究》【年(卷),期】2017(039)010【总页数】4页(P137-140)【关键词】果实采摘机械手;结构设计;工作能力【作者】陈艳艳;申东东【作者单位】鹤壁职业技术学院机电工程学院，河南鹤壁 458030;鹤壁职业技术学院机电工程学院，河南鹤壁 458030【正文语种】中文【中图分类】S225.93随着我国农业发展规模的不断壮大，对相关技术多样化、精准化、高效化的要求更为迫切，农业开始逐渐实现机械化及智能化。
毕业设计（论文）-果实采摘机械手的设计与仿真
柑橘采摘机器人机械手的选型 .......................................................................... 69
3.1 可移动小车底盘 .................................................................................................. 72
3.2 升降梯 ............................................................................. 72
4.2 设计三维软件 SOLIDWORKS 简介 ....................................................................... 76
4.3 连杆机构设计方案 .............................................................................................. 76
the design of picking manipulator for small citrus fruit is to realize the whole process of
fruit picking.
This paper analyzes the environment of picking and characteristics of the fruit picking
水果采摘装置设计
水果采摘装置设计水果采摘装置设计0文件综述0.1 水果采摘实现机械化的必定趋向在水果的生产作业中，收获采摘是整个生产中最耗时最费劲的一个环节。
水果收获期间需投入的劳力约占整个栽种过程的 50%~70%。
采摘作业质量的利害直接影响到水果的储藏、加工和销售，进而最后影响市场价钱和经济效益。
水果收获拥有很强的时效性，属于典型的劳动密集型的工作。
可是因为采摘作业环境和操作的复杂性，水果采摘的自动化程度仍旧很低，当前国内水果的采摘作业基本上仍是手工达成。
在好多国家跟着人口的老龄化和农业劳动力的减少，劳动力不单成本高，并且还愈来愈不简单获取，而人工收获水果所需的成本在水果的整个生产成本中所占的比率竟高达33%~50%。
高枝水果的采摘还带有必定的危险性。
所以实现水果收获的的机械化变得愈来愈急迫，发展机械化的收获技术，研究开发水果采摘机器人拥有重要的意义。
研究和开发果蔬收获的智能机器人技术对于解放劳动力、提升劳动生产效率、降低生产成本、保证新鲜果蔬质量，以及知足作物生长的及时性要求等方面都有侧重要的意义。
采摘机器人是未来智能农业机械化的发展方向，拥有广阔的应用远景。
2004 年 11 月 1 日公布实行的《中华人民共和国农业机械化促使法》还明确规定国家采纳举措鼓舞，扶助农业机械化的发展，机械采摘取代手工作业是必定的发展趋向。
0.2 外国水果机械化采摘装置研究进展及现状水果的机械化收获技术已有40 余年的研究历史。
收获作业的自动化和机器人的研究始于20 世纪 60 年月的美国，1968 年美国学者 Schertz 和 Brown 首次提出应用机器人技术进行果蔬的收获，当时开发的收获机器人样机几乎都需要有人的参加，所以只好算是半自动化的收获机械。
采纳的收获方式主假如机械震摇式随和动震摇式，其弊端是果实易损，效率不高，特别是没法进行选择性的收获。
从20 世纪 80 年月中期开始，跟着电子技术和计算机技术的发展，特别是工业机器人技术、计算机图像办理技术和人工智能技术的日趋成熟，以日本为代表的西方发达国家，包含美国、英国、法国、荷兰、以色列、西班牙等国家，都在水果采摘机器人方面做了大批的研究工作，波及到的研究对象主要包含甜橙、苹果、樱桃、甜瓜、葡萄、草莓等，试验成功了多种拥有人工智能的收获采摘机器人。
柑橘采摘装置机械臂结构设计
柑橘采摘装置机械臂结构设计摘要
本文旨在介绍一种针对柑橘采摘装置的机械臂结构设计，该设
计能够实现自动化采摘，提高采摘效率，减轻人工劳动强度。
文章
详细介绍了该机械臂结构的设计思路、结构原理和重要部件的选型。
设计思路
根据柑橘采摘过程中的特点，我们决定采用六自由度机械臂结
构设计，能够完成所有采摘动作。
该机械臂结构采用模块化设计，
方便维护和更换，同时还可以根据需要选择不同长度的机械臂，以
适应不同高度柑橘树的采摘。
结构原理
该机械臂结构由底座、一级臂、二级臂、三级臂、手腕和末端
执行器等部件组成。
底座支撑整个机械臂，一级臂与底座连接，二
级臂与一级臂相连，以此类推，形成一个“一二三四五六”的连杆结
构。
手腕由两个旋转关节组成，能够进行旋转和倾斜动作。
末端执
行器则是采摘柑橘的夹子，能够自动感知柑橘的位置并进行采摘。
重要部件选型
由于机械臂需要承受较大的负载，因此在选材时需要考虑材料
的强度和耐磨性。
底座和臂部采用了铝合金材料，具有较高的强度
和稳定性；手腕和末端执行器采用了工程塑料，具有较好的耐磨性
和重量轻的特点。
结论
本文介绍的柑橘采摘装置机械臂结构设计能够实现采摘自动化，提高采摘效率，减轻人工劳动强度。
该机械臂结构设计灵活，可根
据需要进行调整，可以很好地适应不同高度的柑橘树。
同时，在材
料选型上也考虑了耐磨性和强度要求，保证了机械臂的工作稳定性
和寿命。
果实采摘机械手机构设计与工作性能分析_梁喜凤
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2004 年 3 月
农 机 化 研 究
择适当的机器人机构 ［ ３ ］ 。
第 2 期
节放在离本体较近的地方， 有 利 于 扩 大 作 业 区 域 ［５］。 （２） 具 有 较 好 的 避 障 能 力 ［ ４ ］ 。果实采摘过程中， 植物茎叶以及植物支撑装置的位置不固定，为了减 少对植物的损伤， 机械手必须能方便地避开障碍物。 采用冗余自由度机械手是提高避障性能的途径之 一。 （３） 机 构 设 计 合 理 。 这 涉 及 到 运 动 副 型 式 的 合 理选择与配置、驱动运动的最佳传递方式和路线、 驱动装置的最佳配比和空间配置等。若机构设计不 合理，可能会出现臂杆运动干涉、驱动装置无法设 置、机 构 不 能 运 动 等 问 题
［８］
。在 满 足 要 求 的 前 提 下 ，
为简化运动学和动力学分析，降低控制的复杂性， 尽量采用特殊结构的机械手机构，使相邻运动副的 轴线相互平行或正交
［３］
。
［４］
（４） 消 除 工 作 空 间 的 奇 异 形 位
。在奇异形位
处，机械手丧失一个或多个操作自由度，即工作空 间内出现非工作区的情况，机器人工作困难。对于 非冗余度机器人，一般通过增加自由度使其具有冗 余 度 ，以 解 决 机 械 手 机 构 的 奇 异 问 题 。自 由 度 越 多 ， 灵活性越好，但是会增加机构复杂性和控制难度。 农业机器人要求操作简单、成本低廉，因此尽量采 用冗余度少、机构简单的形式。 １．３ 尺寸综合 尺 寸 综 合 用 来 确 定 机 械 手 机 构 结 构 参 数 ，通常 以机械手末杆位姿或末杆活动范围为出发点，利用 解析法和优化方法进行机构尺寸分析与计算。解析 法是利用机构的位形方程，通过消元得到机械手的 尺寸参数。由于其已知位置数目受到机构结构参数 数目的限制，因此不适于 ３ 个以上自由度的机械手 求 解 。 优 化 方 法中 ， 末 杆 的 姿 态 要 求 可 以 作 为 约 束 条件来处理，只要求出的转角逆解在关节运动范围 内，就可以满足约束。利用优化方法分析时，工作 位姿的数目不会受到限制，可以避免冗长的消元过 程和求解复杂的综合方程，还可容纳另外的设计指 标作为目标函数。用优化方法进行机器人机构尺寸 综合的数学模型为 ［ ３ ］ ｍｉｎ F （ X ） X∈ R
毕业设计(论文)-苹果采摘机的设计(全套图纸)
届毕业设计苹果采摘机的设计学生姓名：学号：所属专业：学院：班级：指导老师：日期：机械电气化工程学院制前言苹果原产欧洲中部、东南部，中亚西亚以及中国新疆。
苹果（Apple），是常见的水果之一。
苹果树属于蔷薇科，落叶乔木，叶椭圆形，有锯齿。
其果实球形，味甜，口感爽脆，且富含丰富的营养，是世界四大水果之冠。
苹果通常为红色，不过也有黄色和绿色。
苹果是一种低热量食物，每100克只产生60千卡热量。
苹果中营养成份可溶性大，易被人体吸收，故有“活水”之称，其有利于溶解硫元素，使皮肤润滑柔嫩。
中国是世界上最大的苹果生产国和消费国，苹果种植面积和产量均占世界总量的40%以上，在世界苹果产业中占有重要地位。
苹果消费市场主要为鲜果和加工制品,鲜食的比例高达90%,加工制品仅占10%左右。
为保证苹果的品质,适时采摘是我国苹果产业的重中之重。
采摘工作量繁重与劳动力的缺乏使得适时采摘变得越来越困难。
全套图纸加153893706目录1引言-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- - 2 -1.1题来源及研究的目的和意义 -------------------------------------------------------------------------------------------------------- - 2 -1.2本课题国内外研究现状--------------------------------------------------------------------------------------------------------------- - 2 -1.3本课题需要重点研究的关键的问题及解决的思路 --------------------------------------------------------------------------- - 4 -1.4完成本课题需要的工作条件及解决的办法 ------------------------------------------------------------------------------------- - 5 -1.5 方案及进度计划------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ - 5 -2.机械的总体设计------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ - 5 -2.1苹果采摘机工作流程 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ - 6 -2.2机械手臂设计---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- - 8 -3.苹果采摘机械动力控制机构的设计 ---------------------------------------------------------------------------------------------- - 12 -3.1输送机构传动方式 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- - 12 -3.2V带传动的失效形式及设计准则-------------------------------------------------------------------------------------------------- - 12 -3.3V带传动设计步骤和传动参数选择 ---------------------------------------------------------------------------------------------- - 12 -3.4齿轮箱齿轮结构----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- - 13 -4. 苹果采摘机械行走机构的选择 --------------------------------------------------------------------------------------------------- - 17 -4.1行走机构 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- - 18 -5.苹果采摘机输送装置的选择 --------------------------------------------------------------------------------------------------------- - 18 -5.1带式输送机 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- - 18 -5.2 装筐输送机构 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- - 18 -6.部位仿真模拟分析 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ - 19 - 总结 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 错误！未定义书签。
一种苹果采摘装置机械臂设计
一种苹果采摘装置机械臂设计摘要：随着社会的发展，苹果在朝着产业化方向发展，在这一背景下人们对于果实的采摘效率提出了更高的要求，传统的人工采摘方式不仅效率低，而且还会造成严重的人力资源浪费，基于本文设计了苹果采摘装置，希望可以有效地提高苹果的采摘效率。
关键词：苹果采摘；机械臂；设计1 前言苹果是一种深受我国人民喜爱的一种水果，在我国有大规模的种植，当前我国大部分地区都采用人工方式来完成苹果的采摘工作，人工采摘苹果对劳动力的需求比较多，而且劳动强度也比较大，生产效率也比较低。
通过对当前我国苹果种植情况进行调查发现，当前苹果的人工采摘方式有伸缩杆剪刀采摘、伸缩杆仿生爪采摘、吸盘式采摘等，人工采摘方式主要存在三方面的缺点[1]：（1）当前最常用的苹果采摘工具是，采摘人员手持可控伸缩杆，杆的顶部则固定有剪刀或者是机械爪，利用其将果柄剪断或者拧断，这样苹果就会从下方的布兜处落下，从而完成苹果的采集。
这种苹果的采摘方式具有操作简单的特点，但是采摘的效率比较低，在实际采摘过程中，采摘人员经常会因为杆力臂过长而非常费力，导致其采摘人员需要耗费大量的精力，影响采摘效率。
（2）吸盘式采摘也是常用的一种苹果采摘方式，主要利用空气泵来抽气，使得塑胶制成的吸盘处于真空的状态，这样吸盘就能够吸附在苹果的表面，这样可以使苹果和果柄都落入到下方的网兜中，从而完成苹果的采摘和收集。
这种采摘方式的采摘效率要高于采摘人员手持可控收缩杆来进行采摘的效率，但是现在还没有实现完全的普及，而且这种采摘方式还存在一个显著的问题，就是操作比较复杂，不能够完全保证吸盘一次就可以吸附果实，不适用于个体和果园进行采摘使用[2]。
（3）机械摇撞法是除了上述两种方法之外，另一种常用的采摘方法。
这种方法存在明显的缺陷，不仅效率低，而且容易伤害到果实，成本比较高，不具有通用性[3]。
总的来说，当前我国果农在苹果采摘方面有几种可选的手段，但是都存在一些缺陷，影响到了苹果的采摘效率，基于这种问题，设计一款新型的苹果采摘装置，提高苹果采摘的效率就显得尤为重要，在这样的背景下本文设计了一种苹果采摘方式。
苹果采摘机械人结构设计
苹果采摘机械人结构设计水果采摘费用高且劳动量大，为了快速且准确完成苹果采摘任务，需要进行水果采摘机械人结构设计。
首先进行采摘机械机构选型，确定合适自由度；其次，依据典型果树轮廓确定采摘臂结构尺寸，绘制采摘机械手臂零件图和装配图；最后，搭建采摘机械人结构试验台，进行实体运动和抓取实验对设计效果进行验证。
试验结果表明，该设计方案基本能够达到预期。
该设计方法，对农业领域其他类型采摘机械手设计有一定参考价值。
标签：采摘机械手臂；苹果；结构设计引言水果采摘季节性强、费用高且劳动量大[1]。
加速农业现代化进程，实施“精确”农业，广泛应用农业机器人，提高资源利用率和农业产出率，降低劳动强度，提高经济效率将是现代农业发展的必然趋势。
研究采摘机械人，对于降低人工劳动强度和采摘成本、保证水果适时采收，具有重大的意义[2]。
我国从上世纪70年代开始研究水果蔬菜类的采摘机械，并且也逐渐起步，如上海交通大学已经开始了对黄瓜采摘机器人的研制[3]，浙江大学对番茄采摘机器人进行了结构分析与设计的优化[4]，中国农业大学对采摘机器人的视觉识别装置进行了研究[5]。
目前，我国研究的采摘机器人还有西红柿、橘子、草莓、荔枝和葡萄采摘机器人等[6-8]。
文章对苹果采摘机械手臂进行选型，进一步进行详细结构设计，最后对设计结果进行试验验证。
1 机械人机构选型及自由度的确定由于采摘机械人的作业对象是苹果，质量轻，体积小，故而可选择较为简单、灵活、紧凑的结构形式。
根据机械人手臂的动作形态，按坐标形式大致可将机械人手臂部分分为以下四类[9]：直角坐标型机械手；圆柱坐标型机械手；球坐标（极坐标）型机械手；多关节型机械手。
采摘机械臂的结构型式选取主要取决于机械人的活动范围、灵活性、重复定位精度、持重能力和控制难易等要求。
以上四种型式，它们的活动范围和灵活度逐渐增大。
经过对苹果采摘空间的研究，结果表明，苹果树树冠和底部的苹果分布极少，大多分布在树冠中部，大约有80%以上的苹果分布在距地面垂直高度1-2m、距树干左右方向1-2m的空间范围内，且阴阳两面的苹果分布率并无明显的差异。
果实采摘机械手的创新设计
万方数据 万方数据２００９年７月农机化研究第７期剪相切。
与此同时，下分级板斜向下移动至最底部，从而使下分级板不能相对上分级板转动，将大果实出口通道掩盖，仅露出小果实出口。
果实茎被剪切后，果实自然落入小果实出口，若为小果实，则将直接落人小果实接收网框；若为大果实，则将搁在小果实出口上，待操纵把松手后，在复位弹簧的牵引下，活动爪将恢复原位。
同时，上、下分级板也将提升，此时下分级板能够相对上分级板转动，大果实将在重力分力的作用下推动下分级板，向大果实出口自然滚动，最终进入大果实接收网框，从而完成了果实采摘分级的自动作业过程。
图５即为该方案的实物照片。
图５实物图片Ｆｉｇ．５Ｔｈｅｐｉｃｔｕｒｅｉｎｋｉｎｄ３主要功能与特点１）保障人身安全：地面操纵，无需上树，体现人文关怀。
２）绿色环保：果树及枝条不再因受人为载荷而频繁损伤，环保意义深远。
３）适用性广：不但可适用苹果、梨、桃子、柿子等多种果实的采摘，还可用于修剪果树枝条。
４）经济卫生：果实不再与人手直接接触，果农可以少打矮壮素等农药，减少投入和污染，人们可以品尝到更新鲜卫生的水果。
√，５）可采摘到高处人手采不到的高品质果实，减少浪费。
６）采用锯齿剪，定位进度高，不会对果实造成物理损伤。
７）能够进行自动分级采摘，避免了二次分拣，既高效又卫生。
８）果实大小界限、采摘高度范围均可调节，作业半径大。
９）结构轻巧，操作灵便，采摘与分级一气呵成。
参考文献：［１］申永胜．机械原理［Ｍ］。
北京：清华大学出版社，２００４．［２］罗绍新．机械创新设计［Ｍ］．北京：机械工业出版社．２００３．［３］张春林．机械创新设计［Ｍ】．北京：机械工业出版社，１９９９．［４］王成焘．现代机械设计一思想与方法［Ｍ】．上海：上海科技文献出版社．１９９９．［５】赵卫军．机械原理［Ｍ］．西安：西安交通大学出版社，２００３．［６］龚振邦．机器人机械设计［Ｍ］．北京：电子工业出版社，１９９５．［７］王三民．机械原理与设计［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００４．ＴｈｅＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎｆｏｒＰｉｃｋｉｎｇＦｒｕｉｔＪｉｎＸｕｘｉｎｇ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｘｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｘｉ２１４１２１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｏｆｐｉｃｋｉｎｇｆｒｕｉｔｉｓｏｎｅｋｉｎｄｏｆｎ洲ａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｌｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｔｏｈｅｌｐｔｈｅｐｅｏｐｌｅｐｉｃｋｔｈｅｆｒｕｉｔｉｎｈｉｇｈｐｌａｃｅ．Ｉｔ§ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｄｅｘｔｅｒｏｕｓ。
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基于六自由度机械臂的水果采摘装置设计
作者：杨絮牛亚琼张璟言李家伟李梦瑶武泽锋
来源：《科技创新导报》2019年第20期
摘 ; 要：农业机器人在推动智慧农业中有着广泛的应用，本装置采用stm32f407zet6单片机为控制核心，设计一款自动采摘水果的六自由度机械臂装置，通过摄像头实时采集数据进行图像处理，获取果实空间坐标，通过闭环控制实现机械臂对果实的精准抓取。
本实验运用了一种能适应户外光线变化的颜色识别算法，并运用了模糊控制理论对机械臂进行控制，提高了系统装置的鲁棒性。
关键词：六自由度机械臂 ;单片机 ;摄像头 ;模糊控制
中图分类号：S225.93 ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; 文献标识码：A ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ;文章编号：1674-098X（2019）07（b）-0102-02
随着人口指数增长，对自然资源的需求增大。
传统农业的生产力日益供给不上这种需求，而且对自然的负担也是指数增长。
为了缓解这种矛盾，最优最大化利用自然资源并且将人类从繁重的体力劳动中解放出来，科学界提出了现代化农业的构想，集中生产，智能生产随着今年来人工智能技术的进步，智能机器人在各个方面都有表现，而将机器人运用于农业也是一种极佳的方案，目前为止，应用于农业的机器人还不够普及，于是我们想制作一款可以推广普及的农业机器人。
1 ;总体装置设计
本智能农业机器人由stm32f407zet6单片机为核心控制器，六自由度机械臂作为执行机构，通过摄像头捕获的图像实时进行处理并反馈水果的空间坐标位置，通过模糊PID实现对水果的精准抓取。
系统组成结构图如图1所示。
2 ;六自由度机械臂数学模型的建立
机械手臂的连杆和关节用D-H模型进行建模。
为了简化水果采摘机械臂的三维运动，去掉了下方云台的旋转关节，这样就可以在二维的平面上进行运动学分析[1]。
如图2所示时机械臂的几何表示，下面我们将运用几何的方法对其进行分析。
通过同样的方法可以求得θ1和θ2，这样就完成通过末端执行器P3的位姿的逆运动计算，显然最后有两个正确的解，根據图2的虚线部分可以看出，我们选取虚线部分得解，使得每个关节受力都可以小一些。
3 ;果实识别算法的实现
对果实的识别最显著的特征就是颜色与形状，本算法只要通过对颜色来对果实进行识别。
采用了 YUV 颜色空间。
Y指明视度，即亮度，而U和V分别为R-Y 和B-Y分量，又称色度，它描述色彩饱和度的属性。
YUV的优点是它的亮度信号（Y）和色度信号（U，V）相互独立，只需要用U和V两个分量即可表示色彩。
4 ;模糊控制理论的运用
本文是将误差信号E和误差信号变化率EC作为模糊控制器的输入量，将精确量模糊化变成模糊量，再根据模糊控制规则得到模糊控制量，最后解模糊即为最后精确输出控制量[3]。
4.1 模糊化
摄像头采集到的果实坐标是精确量，而模糊控制器需要的是模糊量，所以必须将精确量模糊化变成模糊量，此过程称为模糊化。
首先确定对应各语言变量的模糊子集，然后根据量化的结果，我们就可以判断该输入所属的集合并计算出对应的隶属度。
4.2 模糊推理
规则库是基于控制量的模糊化而的得到的，是实现模糊推理的基础，很大程度上依赖于经验来完成。
对于采集回来的E和EC，我们可以推出它们各所占的隶属度，此时我们可以根据模糊规则表去找出输出值所对应的隶属度。
4.3 解模糊
对建立的模糊控制规则经过模糊推理决策出的模糊子集，它是一个模糊量而不能直接控制机械臂，还需要采取合理的办法将模糊量转化为精确量，以便最好的发挥模糊推理的决策效果。
本文采用的重心法解模糊，其表达式为
式中：z0为模糊系统输出的精确控制量，zi为控制量论域内的值，μc（zi）为zi的隶属度。
5 ;程序设计及调试
软件设计是整个系统装置的核心，本装置软件编程利用STM32单片机做主控制器，程序各部分模块化，单个功能均测试通过即可有机结合在一起，通过串口进行控制变量的调节，接通电源后，等待蜂鸣器响即系统初始化成功，机械臂复位，将目标果实于机械臂前端来回移动，机械臂即可对果实进行实时跟踪，按下抓取按键，机械爪抓取果实并放置与果篮中，整个过程耗时约1s中，大大提高了采摘效率。
6 ;结语
针对国内农业机器人发展的大背景下，随着人工智能视觉系统的发展，机器人的识图能力有了飞快的进步。
本文基于六自由度的机械臂，设计了一款自动抓取果实的装置，针对农业机器人在户外等未知环境表现不佳等问题，所做了以下工作和研究成果。
（1）完成了机械臂逆运动学的数学模型建立，借助D-H模型对机械臂空间姿态进行控制，并对模型进行了验证与分析。
（2）实现了摄像头在户外太阳直射下的更好的识别目标果实，利用YUV颜色空间将亮度Y分量提取出来，做到动态适应。
（3）对机械臂的末端姿态进行了闭环控制，采用了鲁棒性更好的模糊控制器，使得采摘装置更加准确，大大提高了工作效率。
参考文献
[1] 郭志强，崔天时，吕信超，等.六自由度机械臂逆运动学求解[J].农机化研究，2016（12）：51-55.
[2] 林伟明，胡云堂.基于YUV颜色模型的番茄收获机器人图像分割方法[J].农业机械学报，2012，43（12）：176-180.
[3] 丁芳，贾翔宇，李科伟，等.模糊算法在智能车控制中的应用[J].中国民航大学学报，2009，27（1）：27-30.
[4] 初广丽，张伟，王延杰，等.基于机器视觉的水果采摘机器人目标识别方法[J].中国农机化学报，2018.。