五自由度机械手臂功能原理设计与仿真

1 引言目前在我国林果产业快速发展的同时，林果种植机械化水平较发达国家相比还很落后。

林果产业生产环节的修枝、植保、施肥、采摘等机械作业难题较突出。

其中果园喷施农药80%是依靠人力完成，剪枝机械化作业几乎为零，劳动强度非常大，而发达国家喷施农药机械化率已达95%，剪枝机械化作业率为100%，所以农民迫切需要解决林果生产环节机械化作业水平低、劳动强度大、人工作业成本高、作业质量差等问题。

国内在农业机器人方面的研究始于20 世纪90 年代中期, 相对于发达国家起步较晚。

但不少院校、研究所都在进行采摘机器人和智能农业机械相关的研究。

我国是一个农、林业大国，实现农林机械化生产的意义重大。

油茶树因其种子可榨油(茶油)供食用，故名油茶。

茶油色清味香，营养丰富，耐贮藏，是优质的食用油，也可作为润滑油、防锈油用于工业。

茶饼既是农药，又是肥料，可提高农田蓄水能力和防治稻田害虫。

果皮是提制栲胶的原料。

叶部含有花黄素、茶碱等，是医药工业的原料。

具有很高的经济效益。

目前油茶果树的采摘主要是依靠人力，这大大增加了果农的负担，而且人工采摘的效率低下，油茶果的采摘期大概有一个月左右，对于大面积种植油茶果树的果农来说，油茶果的采摘，就成了一个让人头疼的问题。

对于林果采摘机械手臂的研究不仅是和国际接轨的要求，更是国内市场的强烈需求。

本课题试图运用功能原理的求解方法，发散思维，创新结构设计，并通过计算机仿真软件对最终方案进行虚拟样机仿真研究，根据机械运动系统方案建立仿真用虚拟样机三维装配模型，仔细研究其约束条件、和初始输入数据，在成熟的虚拟样机系统中进行运动学和动力学仿真，检验方案的可行性，并查找方案的潜在问题加以修正，直到得到较满意的结果。

2 设计要求与计划2.1设计要求2.1.1 功能性要求机械臂要能够采摘树冠尺寸直径为3米，高3.5米以内的所有油茶树上的油茶果实（直径约 4.5cm），其运动要灵活自如，响应要快同时稳定性要好。

不破坏油茶树的树枝，不伤油茶树的花蕾。

2.1.2 适应性要求可用于在基本尺度内各种树冠形状的油茶树油茶果的采摘，适应大小范围在20mm-60mm的所有油茶果的采摘。

2.1.3方案求解的要求综合应用机械设计学、设计方法学、创造性设计工学中的功能原理设计求解方法（功能分析法、形态分析法及各种创造技法等），求解的范围要尽量广泛，力争产生创新性功能原理方案。

2.1.4方案评价要求方案评价要兼顾效率和质量，综合应用简单评价法和技术经济评价法进行评价。

2.1.5方案表达要求主要预选方案要用功能原理方案简图和文字说明同时表达。

最终方案还要通过机械运动系统方案设计用传动系统图和总体布置示意图来表达。

2.1.6安全保护在进行功能原理设计时应考虑系统工作时的各种状态以确保整个系统能在多种环境下稳定工作。

2.1.7仿真要求使用带ADAMS求解器的虚拟样机系统或Pro/e的机构、动画仿真模块：如M SC公司的ADAMS系统或VISUAL NASTRAN DESKTOPE系统进行运动学动力学仿真。

并认真研究输入条件，力求使仿真数据接近实际。

2.2 设计计划1 首先网上、图书馆收集相关资料。

了解机械手臂的相关技术知识，与发展前沿，为自己以后的方案设计提供参考。

2 到油茶林现场调查，了解油茶树的生长状况以及机械手臂在采摘果实的过程中可能出现的各种问题。

3 功能分析与功能原理求解按机械设计学中功能原理设计理论用黑箱法描述总功能并进行功能分解，按各子功能综合应用设计方法学中的设计目录法，物理效应求解法，创造性设计工学中的各种创造技法求解各子功能的解法原理。

4 功能原理方案的构成与方案评价筛选：用形态分析法（形态表）构成尽可能多的功能原理方案，不下于100种可能性，用简单评价法进行方案的初步评价，筛选出3到4个较理想方案，画出其功能原理方案简图。

再用技术经济评价方法对这3到4个方案进行最后评价，得出1到2个最理想的方案。

5 机械运动系统方案设计对所选出的功能原理方案进行机械运动系统方案设计，画出运动循环图、传动系统图，必要时画出工作原理的三维轴测图。

6 对最终方案进行虚拟样机仿真研究根据机械运动系统方案建立仿真用虚拟样机三维装配模型，仔细研究其约束条件、和初始输入数据，在成熟的虚拟样机系统中进行运动学和动力学仿真，检验方案的可行性，并查找方案的潜在问题加以修正，直到得到较满意的结果。

7 整理结果准备答辩整理设计资料，其中包括不少于10张的工程图（仿真模型的轴测图、机械系统传动方案简图、功能原理方案简图、传动系统图等）；保存仿真结果和仿真动画；将设计说明书中用到的各种表格以及插图按照国家有关标准进行修改，书写设计说明书，准备答辩。

3 功能原理设计本课题属于一种开发性设计，所以工作原理、功能结构都是未知的，我们的目的是通过功能分析来创新结构设计。

3.1 功能原理分析3.1.1机械系统的概念一切机械设计对象即机械产品，都可以理解为一个由若干功能元件有序结合而成、通过输入和输出与外部环境相联系并具有特定便捷的人工系统，成为机械系统。

用机械系统的概念来描述和研究机械产品，则不论产品的名称或类别如何，即不论是机器、仪器、设备、装置还是机床、汽车、水泵、绘图机等等，都可以一律视为具有某些共同规律的系统。

在设计工作之初，因对系统的具体结构尚不清楚，故常用“黑箱图”的方式来加以抽象描述。

能量、物料、信息构成了机械系统的输入和输出三要素。

通常这三个要数在机械系统中从输入到输出都会随着时间而变化，故成为能量流、物料流、信息流。

机械系统的功能，就是把从外界接受到的一定类型、形式和大小的能量、物料和信息，在系统中传递或转换成另一种类型、形式和大小的能量、物料和信息。

在大多数机械系统中，能量流、物料流、信息流同时存在，只是主次不同而已。

通常所谓的动力机械如内燃机、电动机、发电机、压气机等，以能量转换为主；工作机械如机床、包装机、收割机、搅拌机以及汽车、起重机、传送带等，以物料转换为主；信息机械如打印机、绘图机、录像机等，以信息转换为主。

这些为主的转换过程与该机械系统的目的功能密切相关，是设计工作中需要重点考虑和解决的问题。

3.1.2 功能原理设计功能是指系统将输入转换为输出的能力，是对输入和输出转换的抽象化描述。

美国人迈尔斯于1947年首次提出“用户购买的不是产品本身，而是产品所具有的功能”,明确了“功能”是研究开发、创新产品的本质与核心。

功能原理设计分类1 简单动作功能由两个或两个以上的具有特殊几何形状的构件组成，利用它们形体上的特征，可以实现互相运动或锁合的动作。

解法：几何形体组合法2 复杂动作功能以采用常用基本机构为主，其设计已有很成熟的理论和经验，以形体来实现功能。

主要要用形象思维、视觉思维和动作思维。

解法：基本机构组合法3 工艺功能1 S1—主体，S2—客体，F—场a. F、S1搜寻；b. 完善；c. 增加；d. 变换2 工艺功能要考虑两个重要因素：一是采用哪种工艺方法；二是工作头采用什么形状和动作。

3 工艺功能的特点：工作头的形状、运动方式和作用场—完成工艺功能的三个主要因素。

4 解法：物—场分析法4 关键技术功能1 特点：由于特殊的工作条件（约束）或特殊的使用要求，用常规技术或已有技术难以达到的技术难点，或是别人目前尚难以实现的技术高度，总的来说它的技术要求高，而解决的方法也往往是出奇制胜。

2 产品中的关键技术主要与以下几个方面有关：材料、制造工艺、设计。

3 解法：技术矛盾分析法5 综合技术功能1 特点：在某些特定的条件下，采用广义物理效应，有可能实现比纯机械方法更好的动作或工艺功能，但并不强调全部可以代替机械功能许多场合纯机械的动作和工艺功能还是特别简单可靠的，没有必要用更复杂的广义物理效应支代替。

2 物理效应：力学效应、热力学效应、流体效应、电磁效应、光声效应。

3 解法：物理效应引入法3.1.3 设计创造流程有时仅仅是一种含糊的不满，一种不舒服的感觉，或者仅是一种对某些事物感到不对的感觉。

总之需求常常是不明确的对需求的认识常常由相反的情况触发的，是由一种随机产生的事件引发的。

3.1.3.2 目标界定把需求限定在附加种确定的方面，并限定满足需求的一些特殊的技术要求和特性。

3.1.3.3 问题求解把各种可能的解法尽可能多地收集起来，供下一步分析比较，尽可能避免把也许是最好的解法遗漏掉。

3.1.3.4 分析选优优化处理，尽可能把各种解法的缺点加以克服，把优点加以突出，以便在下一步做出合理评价，千万不要有先入之见，过早地把个人偏见放入分析过程去往往是有害的。

创意：新颖性 构思：创造性实现：合理性3.1.3.5 评价决策挑选有实际前途的解法，挑选出几个最有希望的解法作进一步的分析和试验。

在决策中采取种种保护措施，以便在情况变化时能及早转向，避免钻牛角尖，当然也要注意不要经不起风吹草动，轻易甩掉一个正确的方向。

3.1.3.6 表达设法把自己闪光的创新构思向有关领导、同事或合作者说明，使他们理解、惊喜，直至感兴趣，以使他们支持你，赞成将这个创新构思设计付诸实施。

设计表达的三种方式：写、说、画3.1.3.7 实现设计不同于艺术创作的主要区别或者说难点就是必须要以物质形式来实现预想的机械功能。

在功能原理设计阶段，实现的手段是模型或原理样机；在实用化设计阶段，实现的手段是实用样机；在商品化设计阶段，实现的手段就是产品样机；实现的最后标准是市场，市场是检验设计成功与否的唯一标准。

3.2 功能分析3.2.1功能要求机械臂要能够采摘树冠尺寸直径为3米，高3.5米以内的所有油茶树上的油茶果实（直径约 4.5cm ），其运动要灵活自如，响应要快同时稳定性要好。

不破坏油茶树的树枝，不伤油茶树的花蕾。

可用于在基本尺度内各种树冠形状的油茶树油茶果的采摘，适应大小范围在20mm-60mm 的所有油茶果的采摘。

旋转 伸缩 支撑 采摘 剪切 伺服电机、液压刚 伺服电机、滚珠丝杆 刀片图3_1 功能分解图3.2.2系统方案该系统的功能为复杂动作功能，即通过一系列现有的机构连接实现最终的摘取动作。

考虑到其功能方面的要求该系统至少要包含三个主要部分：1地面行走部分；2 机械传动部分；3 工作头（采摘头）。

其次机械手臂要能在空间内运动自如，且能够满足采摘位置的要求，初定系统自由度不低于五个。

3.2.2.1地面行走部分方案设计传统行走方案大部分采用车轮式，但考虑到油茶果生长环境，我们也可以考虑采用履带式。

由于本课题主要侧重于机械手臂即机械传动部分的研究，对于地面行走部分的设计我们可以参考有关资料，直接选用。

3.2.2.2机械传动部分方案设计1．对于机器人机械手臂我们通常采用开式链的传动机构，为了满足系统工作要求我们采用关节式的机械手臂、柱坐标形式机械手臂、以及二者相结合这样三种形式，针对三种不同的传动方案，分别做出传动示意图如下：机械手臂 动 力 控 制 梳理 动 力 源 传 动 信号采集 控 制 梳齿 电动机、液压马达 齿轮、连杆、皮带、链轮、槽轮 光电开关、行程开关 PLC 、继电器第一种：图3_3第二种：图3_4第三种：手臂采用柱坐标形式；图3_5第四种：图3_63.2.2.3 工作头方案设计人工采摘果实时无非通过两种方法，一种是借助工具将果实从枝叶上剪下来，另一种是直接用力将果实从枝叶上扯下来。