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欠驱动苹果采摘末端执行器研究和设计

彭磊  
【摘要】:水果是人类生活中必不可少的食物。水果收获是农业生产过程中的重要环节之一而目前国内水果采摘作业主要是由人工作业来完成。进入21世纪,劳动力不足的现象日益严重,已成为许多发达国家和发展中国家共同面对的问题,因此,研究开发果蔬采摘机器人既对适应市场需求、降低劳动强度、促进我国农业科技进步,加速农业现代化进程、提高经济效益有重要的现实意义。 本课题在国家863项目“移动采摘机器人关键技术研究”的支持下,研制了一种欠驱动式苹果采摘末端执行器,并通过实验验证了该种末端执行器的可行性,主要工作如下: 1.在对国内外采摘机器人及采摘末端执行器的研究现状和苹果的收获方式进行分析的基础上,指出了目前采摘方式及采摘机构存在的不足,提出了欠驱动式采摘末端执行器。分析了欠驱动理论及欠驱动机构的工作原理,建立了欠驱动末端执行器静态力学模型,确定了手指的主要尺寸,利用MATLAB对手指进行了优化设计,对手指、手掌、机架等关键零部件进行了静力学强度校核。 2.运用PRO/E建立了末端执行器三维实体模型,并在PRO/E的虚拟环境下进行了装配。在ADAMS/view虚拟环境中构建了末端执行器的虚拟样机并进行了运动及动力学仿真得到了末端执行器的运动特性曲线。运用仿真结果对设计中存在的问题进行反复修改,确定了最终设计方案。 3.设计了欠驱动末端执行器的控制系统。在选用步进电机、电机驱动器、传感器以及单片机等元器件的基础上以AVR单片机作为主控制芯片,配合力传感器、位置传感器组建了控制系统并以此为基础搭建了末端执行器实验平台。在对手指运动速度与夹持力之间的关系进行研究的基础上,得出了在稳定夹持力范围内合适的阈值及步进电机的转速。 4.利用自行搭建的平台对设计的欠驱动末端执行器的可靠性进行了研究。结果表明:末端执行器具有结构简单,操作简便、可靠性高等优点,满足设计的需要。


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