采摘机器人机械臂设计_吕政昂

范文一：采摘机器人机械臂设计_吕政昂

系统解决方案

采摘机器人机械臂设计

吕政昂

（山东济南历城第二中学，济南250104）

摘

要：介绍农业采摘机器人研究现状，根据机械臂运动学原理，设计智能控制系统对机械臂进行控制。

关键词：智能控制技术；采摘机器人；机械臂设计；交流接触器

0引言

目前，我国正在大力推进农业现代化建设，进而实现农业经济的快速发展。在这一发展级阶段，大力推广机械化耕作技术是推动农业发展的关键环节。采摘机器人的使用会在很大程度上促进农业自动化和机械化的发展进程。

公式为：

A B

B A

R =A B R P +P B

2.2连杆坐标系与一参数

建立机械臂的连杆坐标系的主要目的是对机械臂各要素之间的关系进行表示。其中运用到的D-H 参数法是一种最常用的经典方法，它主要是利用齐次变换对机械中的每个连杆与固定参考系的空间几何关系进行描述，然后借助这些描述对“末端操作器坐标系”相对于“参考系”的等价齐次变换矩阵进行推导, 由此建立一个合理科学的机械臂的运动方程式。

1农业采摘机器人研究现状

随着智能控制技术和计算机书的快速发展，机器人的研究已经逐渐趋向成熟，世界各国对机器人的研究也处于不断学习和改进的阶段。在农业采摘中运用采摘机器人进行收获，不仅能够提高农业采摘的效率，还能够在很大程度上减少农民的劳动量，促进我国农业机械化水平的提高。因此，加强对采摘机器人的研究，可以推动农业自动化采摘的发展，对我国农业现代化建设十分有利，具有十分广阔的发展前景。

3智能控制系统

在设计采摘机器人的机械臂时，将采摘机器人的采摘和放回动作进行简化，一般会简化成一个圆环动作，这样就可以借助Contros Toolkits 建立一个智能控制系统，通过智能速度检测器对函数的PID 环节进行有效控制。在ADAMS/View中建立机器臂模型可以对机械臂的关节进行约束，保证其动作的流畅性。表1列出了ADAMS 模型的状态变量。将建立机械模型时所添加的运动和力替换为与控制系统建立连接的函数。被控关节的驱动函数如表2所示。

表1

变量名

2机械臂运动学原理

2.1空间与坐标变换

在机器人设计中运用运动学的主要作用是建立采摘机器人的运动方程，首先要给机械臂的每个关节设计固定的坐标系，其次是利用每个机械臂关节的坐标系变化推导机械臂的运动方程。平移坐标的变换设计比较简单, 可以假设坐标系{B}相对坐标系{A}不变, 只进行相对位移, 然后用矢量A P B 描述坐标系{B}的参考点在坐标系{A}中的位置, 这样就可以建立坐标系相对于坐标系的平移矢量，即：

ADAMS 模型的状态变量

输入/输出输出输出输入输出输出输入输出输出输入

函数

Arm_displacement

Arm_seedArm_motordriveHeight_angulardisplac. Height_angularvelocity Height_motordriveRotary_angulardisplac Rotary_angularvelocity Rotary_motordrive

DM （MARKER_49,MARKER_56）VM(MARKER_56,MARKER_49)

0.0

AZ(MARKER_15,MARKER_23)WZ(MARKER_15,MARKER_23)

0.0

AY(MARKER_15,MARKER_23)WY(MARKER_15,MARKER_23)

0.0

P =P +P B

用旋转矩阵A B R 来描述{B}相对{A}的方位，则两坐标系的旋转方程为：

P =A B R P

表2

关节名旋转基座高度调节手臂伸缩手腕

被控关节的驱动函数

函数

VARVAL(.robot.rotary_motordrive)VARVAL(height_motordrive)VARVAL(.robot.arm_motordrive)VARVAL(.robot.wrist_motordrive)

一般情况下, 刚体的运动既有平移又有旋转, 所以

收稿日期：2017-07-10

（下转第4页）

自动化应用

www.auto -ap p ly.co m

系统解决方案

DTE 温控器数据通讯地址见表2。

表2

通讯数据温度测量值温度设定值温度设定值温度设定值温度设定值温度设定值温度设定值温度设定值温度设定值输出值启动与停止启动与停止启动与停止启动与停止启动与停止启动与停止启动与停止启动与停止

表3

通讯数据启动

通讯地址

油温机数据通讯地址

通讯数目

通讯方式

写写读读写

数据类型

单位

DTE 温控器数据通讯地址

通讯地址

通讯数目通讯方式数据类型

单位

0200H/405130201H/405140000H/400010005H/400060401H/41026

11111

word word word word word

FF00H FF00H

———

停止

1000H/440971008H/441051009H/44106100AH/44107100BH.44108100CH/44109100DH/44110100EH/44111100FH/441121070H/4420910D8H/4431310D9H/4431410DAH/4431510DBH/4431610DCH/4431710DDH/4431810DEH/4431910DFH/44320

811111111811111111

读写写写写写写写写读写写写写写写写写

word word word word word word word word word word word word word word word word word word

0.01℃

状态

0.01℃

温度

0.1℃0.1℃

0.01℃

温度设定值

0.01℃0.01℃0.01℃0.01℃0.01℃0.01℃0.10%

————————————————————————

读写请求，并一直循环此过程。在此过程中, 如果从站因为某些原因未能收到或未能响应主站的请求，或主站无法收到从站的响应，主站会自动在发送读写请求

80ms 后判断从站未响应，通讯失败，从而跳过该从站，并在30s 后进行重新连接的尝试。

主站的每一次发收数据帧的时间约30ms ，一套完整的轮询连同其他从站共计发收94个数据帧，故一次轮询所需时间大约为94×0.03s=2.82s ，这也就是数据更新的周期，该周期完全能够满足系统运行的要求。

5HMI 显示

触摸屏界面如图3所示。将现场总线数据组态到画面上，实现各从站的可监视可操作。

4.2CP341与四台油温机通讯

油温机对螺杆进行油加热，加热过程柔和，相对电加热温度更加稳定。

一台油温机包含1个温度PID ，其通讯所包含的功能码：H03=读出多个WORD 寄存器内容，；H16=写入多个WORD 至寄存器。

通讯程序里主要的操作数据有见表3。

（a ）一号主机（b ）二号主机

图3HMI 画面

4.3MODBUS 轮询

CP341作为主站采用轮询的方式和从站通讯，按次序向各从站发送读写请求，从站根据接收到的数据帧返回对主站的响应，主站在收到响应后发送下一个

6结语

现场总线技术在实际的应用中可大大减少PLC 的I/O点数，数据准确，降低硬件维护工作量。

（上接第1页）

建立的ADAMS 机械模型在进行仿真试验后会生成三个文件，对其中的.m 文件进行输出，可以得到

机械臂的运动规划和对机械臂的性能指标优化的目标。这些试验研究分析能够在一定程度上促进采摘机器人的改进和发展，对农业发展有促进作用。

参考文献

adams_sub模块，然后将adams_sub模块作为一个子系统加入到simulink 控制系统中。

[1]王臻卓, 李伟, 范乐. 基于智能交流接触器的采摘机器

人机械臂设计[J].农机化研究, 2017, 39(6):209-213.

4结语

根据仿真试验的结果对实验参数不断进行调整控制，确保参数符合试验标准，从而完成采摘机器人

[2]董芒, 顾宝兴, 姬长英, 等. 水果采摘机器人智能移动

平台的设计与试验[J].华南农业大学学报, 2016, 37(4):128-133.

自动化应用

2017

8期

范文二：苹果采摘臂设计

苹果采摘臂设计

课题来源:

随着我国工业化、城市化的进程, 越来越多的农村青年进城务工, 造成农村的主要劳动力的紧缺, 而且年龄偏大的, 中老人成主要劳动力。就拿我的家乡来说:主要种植作物为苹果树。当苹果采摘的时候,人们异常忙碌。最主要的是苹果树顶层的果子采摘劳动强度最大, 一是借助于梯子爬上爬下的采摘, 再有就是借助于树干攀沿采摘。这样就带来一定的安全隐患, 再有劳动者年龄偏大, 这样的劳动强度, 对身体也造成超负荷运动, 一般采摘一天下来脚肿、腿肿现象很普遍。如果能设计一款“苹果采摘臂”让人们能够站在地上就能采摘树顶果子,这样在很大程度上就缓解了劳动强度。于公于私都是一项不错的设计。

工作原理:

通过下拉把手带动牵引钳合口, 进而带动剪口钳剪断苹果把, 使得苹果脱落掉进剪落苹果放置袋, 当剪落苹果放置袋苹果放满, 则将采摘臂落下, 手工掏出袋内苹果。至此,正个工作过程完成。

结构示意图

经济效益分析:

整套采摘臂将成本控制在五十元以内, 售价控制在一百元以内, 将拥有可观的市场前景。以每户果农采购五件为例,则一个五百户的小村庄的的销售额在 25万左右。这个定价也是农户可以承受的范围。

范文三：柑橘采摘机机械臂结构的设计

摘要

在当今大规模制造业中, 企业为提高生产效率, 保障产品质量, 普遍重视生产过程的自动化程度, 工业柑橘采摘机器人作为自动化生产线上的重要成员, 逐渐被企业所认同并采用。工业柑橘采摘机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平, 目前, 工业柑橘采摘机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作, 工作方式一般采取示教再现的方式。

本文将设计一台五自由度的工业柑橘采摘机器人,用于给采摘水果。首先, 本文将设计柑橘采摘机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构, 然后选择合适的传动方式、驱动方式,搭建柑橘采摘机器人的结构平台;在此基础上,本文将设计该柑橘采摘机器人的控制系统, 包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计, 重点加强控制软件的可靠性和柑橘采摘机器人运行过程的安全性, 最终实现的目标包括:关节的伺服控制和制动问题、实时监测柑橘采摘机器人的各个关节的运动情况、柑橘采摘机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。

关键词:柑橘采摘机器人 ,示教编程,伺服,制动

ABSTRACT

In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way.

In this paper I will design an industrial robot with four DOFs, which is used to carry material for a punch. First I will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot. On this foundation, I will design the control system of the robot, including choosing DAQ card, servo control, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and control software. Great attention will be paid on the reliability of the control software and the robot safety during running. The aims to realize finally include: servocontrol and brake of the joint, monitoring the movement of each joint in realtime, playback programming and modifying the program online, setting reference point and returning to reference point.

KEY WORDS: robot, playback, servocontrol, brake

第 1章绪论?????????????????????????? 1 1.1 柑橘采摘机器人概述??????????????????? 3 1.2 柑橘采摘机器人的历史、现状???????????????? 4 1.3 柑橘采摘机器人的发展趋势????????????????? 5 第 2章柑橘采摘机器人机械手的设计?????????? 5

2.1自由度及关节??????????????????????? 6 2.2 基座及连杆??????????????????????? 7 2.2.1 基座???????????????????????? 8 2.2.2 大臂???????????????????????? 9 2.2.3 小臂???????????????????????? 10 2.3 机械手的设计??????????????????????? 12 2.4 驱动方式????????????????????????? 13 2.5 传动方式????????????????????????? 14 2.6 制动器?????????????????????????? 15 第 3章控制系统硬件??????????????????????? 16 3.1 控制系统模式的选择???????????????????? 17 3.2 控制系统的搭建????????????????????? 18 3.2.1 工控机??????????????????????? 19 3.2.2 数据采集卡????????????????????? 20 3.2.3 伺服放大器???????????????????? 21 3.2.4 端子板??????????????????????? 22 3.2.5电位器及其标定??????????????????? 22 3.2.6电源???????????????????????? 23 第 4章控制系统软件?????????????????????? 24 4.1预期的功能??????????????????????? 25 4.2 实现方法??????????????????????? 26 4.2.1实时显示各个关节角及运动范围控制 ???????? 26

4.2.2直流电机的伺服控制????????????????? 27 4.2.3电机的自锁????????????????????? 28 4.2.4示教编程及在线修改程序??????????????? 29 4.2.5设置参考点及回参考点???????????????? 30 第 5章总结??????????????????????????? 32 5.1 所完成的工作?????????????????????? 33 5.2 设计经验???????????????????????? 35 5.3 误差分析???????????????????????? 36 5.4 可以继续探索的方向??????????????????? 38 致谢?????????????????????????????? 39 参考文献??????????????????????????? 40

第 1章绪论

1.1 柑橘采摘机器人概述

在现代工业中, 生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中, 加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法;程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外,还有大量的装卸、搬运、装配等作业,有待于进一步实现机械化。柑橘采摘机器人的出现并得到应用,为这些作业的机械化奠定了良好的基础。 “工业柑橘采摘机器人” (Industrial Robot ) :多数是指程序可变(编)的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置 (国内称作工业柑橘采摘机器人或通用柑橘采摘机器人) 。

柑橘采摘机器人是一种具有人体上肢的部分功能, 工作程序固定的自动化装置。柑橘采摘机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势,但功能较少, 适应性较差。目前我国常把具有上述特点的柑橘采摘机器人称为专用柑橘采摘机器人,而把工业机械人称为通用柑橘采摘机器人。

简而言之, 柑橘采摘机器人就是用机器代替人手, 把工件由某个地方移向指定的工作位置,或按照工作要求以操纵工件进行加工。

柑橘采摘机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用柑橘采摘机器人,也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置,可以根据任务的需要编制程序, 以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外,还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的, 称为操作机(Manipulator ) 。它起源于原子、军事工业,先是通过操作机来完成特定的作业,后来发展到用无线电讯号操作柑橘采摘机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业柑橘采摘机器人, 主要附属于自动机床或自动生产线上, 用以解决机床上下料和工件传送。这种柑橘采摘机器人在国外通常被称之为“ Mechanical Hand ” ,它是为主机服务的,由主机驱动。除少数外,工作程序一般是固定的,因此是专用的。

柑橘采摘机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型, 其中关节型柑橘采摘机器人以其结构紧凑, 所占空间体积小, 相对工作空间最大, 甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点, 成为柑橘采摘机器人中使用最多的一种结构形式, 世界一些著名柑橘采摘机器人的本体部分都采用这种机构形式的柑橘采摘机器人。

要柑橘采摘机器人像人一样拿取东西, 最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构;像肌肉那样使手臂运动的驱动-传动系统; 像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了柑橘采摘机器人的性能。一般而言, 柑橘采摘机器人通常就是由执行机构、驱动-传动系统和控制系统这三部分组成,如图 1-1 所示。

图 1-1 柑橘采摘机器人的一般组成

对于现代智能柑橘采摘机器人而言, 还具有智能系统, 主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予柑橘采摘机器人“眼睛” , 使它能识别物体和躲避障碍物, 以及柑橘采摘机器人的触觉装置。柑橘采摘机器人的这些组成部分并不是各自独立的, 或者说并不是简单的叠加在一起,

从而构成一个柑橘采摘机器人的。要实现柑橘采摘机器人所期望实现的功能, 柑橘采摘机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图 1-2 所示。

图 1-2 柑橘采摘机器人各组成部分之间的关系

柑橘采摘机器人的机械系统主要由执行机构和驱动-传动系统组成。执行机构是柑橘采摘机器人赖以完成工作任务的实体, 通常由连杆和关节组成, 由驱动 -传动系统提供动力, 按控制系统的要求完成工作任务。驱动-传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供柑橘采摘机器人各关节所需要的动力, 传动系统则将驱动力转换为满足柑橘采摘机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把柑橘采摘机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机 (Manipulator),相当于本文中的执行机构部分。

1.2 柑橘采摘机器人的历史、现状

范文四：柑橘采摘机机械臂结构设计

摘要

在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业柑橘采摘机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业柑橘采摘机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业柑橘采摘机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。

本文将设计一台五自由度的工业柑橘采摘机器人，用于给采摘水果。首先，本文将设计柑橘采摘机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建柑橘采摘机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该柑橘采摘机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和柑橘采摘机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测柑橘采摘机器人的各个关节的运动情况、柑橘采摘机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。

关键词：柑橘采摘机器人，示教编程，伺服，制动

ABSTRACT

KEY WORDS: robot, playback, servocontrol, brake

第1章绪论?????????????????????????? 1

1.1 柑橘采摘机器人概述??????????????????? 3

1.2 柑橘采摘机器人的历史、现状???????????????? 4

1.3 柑橘采摘机器人的发展趋势????????????????? 5

第2章柑橘采摘机器人机械手的设计??????????5

2.1自由度及关节???????????????????????6

2.2 基座及连杆??????????????????????? 7

2.2.1 基座???????????????????????? 8

2.2.2 大臂????????????????????????9

2.2.3 小臂???????????????????????? 10

2.3 机械手的设计???????????????????????12

2.4 驱动方式?????????????????????????13

2.5 传动方式?????????????????????????14

2.6 制动器??????????????????????????15

第3章控制系统硬件???????????????????????16

3.1 控制系统模式的选择????????????????????17

3.2 控制系统的搭建?????????????????????18

3.2.1 工控机???????????????????????19

3.2.2 数据采集卡?????????????????????20

3.2.3 伺服放大器????????????????????21

3.2.4 端子板???????????????????????22

3.2.5电位器及其标定???????????????????22

3.2.6电源????????????????????????23

第4章控制系统软件??????????????????????24

4.1预期的功能???????????????????????25

4.2 实现方法???????????????????????26

4.2.1实时显示各个关节角及运动范围控制 ????????26

4.2.2直流电机的伺服控制?????????????????27

4.2.3电机的自锁?????????????????????28

4.2.4示教编程及在线修改程序???????????????29

4.2.5设置参考点及回参考点????????????????30

第5章总结???????????????????????????32

5.1 所完成的工作??????????????????????33

5.2 设计经验????????????????????????35

5.3 误差分析????????????????????????36

5.4 可以继续探索的方向??????????????????? 38 致谢??????????????????????????????39 参考文献??????????????????????????? 40

第1章绪论

1.1 柑橘采摘机器人概述

在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。柑橘采摘机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。

“工业柑橘采摘机器人”（Industrial Robot ）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业柑橘采摘机器人或通用柑橘采摘机器人）。

柑橘采摘机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。柑橘采摘机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的柑橘采摘机器人称为专用柑橘采摘机器人，而把工业机械人称为通用柑橘采摘机器人。

简而言之，柑橘采摘机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。

柑橘采摘机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用柑橘采摘机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator ）。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作柑橘采摘机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业柑橘采摘机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种柑橘采摘机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand ”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。

柑橘采摘机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型柑橘采摘机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为柑橘采摘机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名柑橘采摘机器人的本体部分都采用这种机构形式的柑橘采摘机器人。

要柑橘采摘机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动－传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了柑橘采摘机器人的性能。一般而言，柑橘采摘机器人通常就是由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成，如图 1-1 所示。

图1-1 柑橘采摘机器人的一般组成

对于现代智能柑橘采摘机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予柑橘采摘机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及柑橘采摘机器人的触觉装置。柑橘采摘机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，

从而构成一个柑橘采摘机器人的。要实现柑橘采摘机器人所期望实现的功能，柑橘采摘机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图1-2 所示。

图1-2 柑橘采摘机器人各组成部分之间的关系

柑橘采摘机器人的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。执行机构是柑橘采摘机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动－传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动－传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供柑橘采摘机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足柑橘采摘机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把柑橘采摘机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机(Manipulator)，相当于本文中的执行机构部分。

1.2 柑橘采摘机器人的历史、现状

柑橘采摘机器人首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台柑橘采摘机器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。

日本是工业柑橘采摘机器人发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型柑橘采摘机器人后，大力从事柑橘采摘机器人的研究。

目前工业柑橘采摘机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代柑橘采摘机器人正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使柑橘采摘机器人具有感觉机能。

第三代柑橘采摘机器人（柑橘采摘机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一环。

随着工业柑橘采摘机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业柑橘采摘机器人会议ISIR 决定每年召开一次会议，讨论和研究柑橘采摘机器人的发展及应用问题。

目前，工业柑橘采摘机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业柑橘采摘机器人代替人工操作的，主要是在危险作业（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。

在国外机械制造业中，工业柑橘采摘机器人应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至柑橘采摘机器人本身的损坏。

随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的柑橘采摘机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求柑橘采摘机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（CIM ）要求柑橘采摘机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高柑橘采摘机器人系统的性能和智能水平，要求柑橘采摘机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的柑橘采摘机器人系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用柑橘采摘机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在EPROM 中，这种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的柑橘采摘机器人系统。

美国工业柑橘采摘机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段：

（1）1963-1967年为试验定型阶段。1963-1966年，万能自动化公司制造的工业柑橘采摘机器人供用户做工艺试验。1967年，该公司生产的工业柑橘采摘机器人定型为1900型。

（2）1968-1970年为实际应用阶段。这一时期，工业柑橘采摘机器人在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司1968年订购了68台工业柑橘采摘机器

人；1969年该公司又自行研制出SAM 新工业柑橘采摘机器人，并用21组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司32条冲压自动线上的448台冲床都用工业柑橘采摘机器人传递工件。

（3）1970年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972年，工业柑橘采摘机器人处于技术发展阶段。1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业柑橘采摘机器人会议。据当时统计，美国大约200台工业柑橘采摘机器人，工作时间共达60万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级柑橘采摘机器人，例如：森德斯兰德公司（Sundstrand ）发明了用小型计算机控制50台柑橘采摘机器人的系统。又如，万能自动公司制成了由25台柑橘采摘机器人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识别能力微型柑橘采摘机器人。

其他国家，如日本、苏联、西欧，大多是从1967，1968年开始以美国的“Versatran ”和“Unimate ”型柑橘采摘机器人为蓝本开始进行研制的。就日本来说，1967年，日本丰田织机公司引进美国的“Versatran ”, 川崎重工公司引进“Unimate ”，并获得迅速发展。通过引进技术、仿制、改造创新。很快研制出国产化柑橘采摘机器人，技术水平很快赶上美国并超过其他国家。经过大约10年的实用化时期以后，从1980年开始进入广泛的普及时代。

我国虽然开始研制工业柑橘采摘机器人仅比日本晚5-6年，但是由于种种原因，工业柑橘采摘机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业柑橘采摘机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业柑橘采摘机器人将会获得快速的发展。

1.3柑橘采摘机器人发展趋势

随着现代化生产技术的提高，柑橘采摘机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当柑橘采摘机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。

就目前来看，总的来说现代工业柑橘采摘机器人有以下几个发展趋势： a)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速柑橘采摘机器人功能部件的标准化和模块化，将柑橘采摘机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的柑橘采摘机器人；

b)开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走柑橘采摘机器人，以适应不同的场合；

c)研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。

第2章实验平台介绍及机械手的设计

该设计的目的是为了设计一台柑橘采摘柑橘采摘机器人，利用现有已经报废的焊接柑橘采摘机器人，本文的中结构设计主要偏向于对原有机构的改造和机械手的设计。

2.2基座及连杆

2.2.1 基座

基座是整个柑橘采摘机器人本体的支撑。为保证柑橘采摘机器人运行的稳定性，采用两块“Z ”字形实心铸铁作支撑。

基座上面是接线盒子，所有电机的驱动信号和反馈信号都从中出入。接线盒子外面，有一个引入线出口和一个引出线出口。

2.2.2 大臂

大臂长度230mm ，具体尺寸如图2.1所示：

图2.1 大臂外形

2.2.3 小臂

小臂长度240mm ，具体尺寸如图2.2所示：

图2.2 小臂外形

2.3机械手的设计

工业柑橘采摘机器人的手又称为末端执行器，它使柑橘采摘机器人直接用于抓取和握紧（吸附）专用工具（如喷枪、扳手、焊具、喷头等）进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于柑橘采摘机器人手臂的前端。由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同，因此工业柑橘采摘机器人末端操作器是多种多样的，大致可分为以下几类：

（1）夹钳式取料手

（2）吸附式取料手

（3）专用操作器及转换器

（4）仿生多指灵巧手本文设计对象为柑橘采摘柑橘采摘机器人，并不需要复杂的多指人工指，只需要设计能从不同角度抓取工件的钳形指。

手指是直接与工件接触的部件。手指松开和夹紧工件，是通过手指的张开与闭合来实现的。该设计采用两个手指，其外形如图2.3所示

范文五：柑橘采摘机机械臂结构毕业设计与计算（机械CAD图纸）

本科机械毕业设计论文CAD图纸 QQ 401339828

毕业设计(论文)

任务书

设计(论文)题目: 柑橘采摘机机械臂结构设计与计算

学院名称: 机械工程学院专业: 机械设计制造及其自动化

学号: 学生姓名:

指导教师:

20**年 11 月 15 日

本科机械毕业设计论文CAD图纸 QQ 401339828 1( 设计(论文)拟解决的主要问题

(1) 针对柑橘结构特点提出柑橘采摘机机械臂结构设计方案;

(2) 对机械臂各部分结构进行详细的设计与计算;

(3) 对机械臂进行运动学及动力学仿真分析。

2(设计(论文)的主要内容和基本要求

主要内容:机械臂的结构设计。

(1) 针对柑橘结构特点提出柑橘采摘机机械臂结构设计方案; (2) 对机械臂各部分结构进行详细的设计与计算;

(3) 对机械臂进行运动学及动力学仿真分析。

基本要求:

(1) 机械臂伸缩及转向灵活，能够完成机械臂基座左右1.5m范围内的柑橘采

摘，采摘高度范围为2m;

(2) 机械臂动作连贯、采摘效率高;

(3) 设计图样全部用计算机绘制，符合最新制图标准;投影正确，表达完整，

布局合理;

(4) 设计推导简明扼要，计算正确可靠。

(4) 推荐参考文献(5篇以上，其中外文文献至少2篇)

[1] 姜丽萍,陈树人.果实采摘机器人的研究综述[J].农业装备技术， 2006，

32(1):8-10.

[2] 张立彬,杨庆华,胥芳,鲍官军,阮健.机器人多指灵巧手及其驱动系统研

究的现状[J].农业工程学报,2004, 20(3):271-275.

[3] 任烨，蒋焕煜，申川.农业机器人末端执行件的研究发展[J].农机化研究,

2007，(3):201-203.

[4] 李三玉，梁森苗，汪国云，等.浙江效益农业百科全书——柑橘[M].中国

农业出版社，2002.

[5] 张铁中,徐丽明.大有前景的蔬菜自动嫁接机器人技术[J].机器人技术与

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[6] N.Kondo, K.C.Ting. Robotics for bioproduction system[J]. USA:

American society of agricultural engineering publisher, 1998

[7] R.Noble, J.N.Reed, S.Miles, A.F.Jackson, J.Butler. Influnce of

mushroom strains and population density on the performance of a

robotic harveater[J]. Journal of agricultural Engng

Res.1997,(68):215-222.

4(进度安排

2010.11.16—2010.12.24 接受任务，熟悉内容，完成文献综述和英文翻译; 2010.12.25—2011.01.19 完成开题报告，毕业实习开始;

2011.01.20—2011.03.10 熟悉机械臂系统结构;

2011.03.11—2011.04.10 柑橘采摘机械臂整体结构的设计;

本科机械毕业设计论文CAD图纸 QQ 401339828 2011.04.11—2011.05.02 零件图及装配图的绘制;

2011.05.03—2011.05.09 修改图样和整理设计计算书，上交毕业设计资料; 2011.05.10—2011.05.17 论文评阅;

2011.05.18—2011.05.25 准备答辩。

指导教师(签字)

2010年 11 月16 日教研室主任审核意见:

教研室主任(签字)

2010年 11 月 17 日

本科机械毕业设计论文CAD图纸 QQ 401339828

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