欠驱动三指手式果蔬柔性采摘装置的设计与试验研究

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末端执行器是果蔬采摘机器人的核心装置之一,其设计的优劣将直接影响机器人采摘装置的采摘方式和效率。本文针对果蔬采摘机器人末端执行器在作业时损伤果蔬、效率低下等问题,在总结国内外欠驱动手指机构研究成果的基础之上,研究了一种新型带有剪枝机构的欠驱动三指手式果蔬柔性采摘装置,并对该装置进行了机构设计、力学分析和抓取试验研究,在果实收获中该机构主要针对类球形果实进行采摘。  本文所设计的欠驱动三指手式果蔬柔性采摘装置主要包括:欠驱动三指手机构、机架和手掌机构、仰俯伸缩机构、剪枝机构、压力传感器以及步进电机等机构。欠驱动三指手机构为:三根欠驱动手指均布在手掌机构上,每根手指包括三个指节,三根手指分别由一个步进电机单独驱动。采用串联四连杆机构将每根手指的三个指节依次连接起来,采用机械限位和扭簧的限制,能够实现手指机构依次顺序包络果实,并且能够稳定的返回初始位置。  利用虚功原理对每根欠驱动手指进行静力学分析,建立总驱动力和三个指节接触分力之间的力学模型,并应用ADAMS仿真计算出总驱动力和各个指节的接触力的大小关系,从而验证了力学模型的正确性。  通过对传动原理的研究,设计了一种剪枝机构,通过电机驱动带动一对锥齿轮啮合传动,从而带动双向螺杆转动,实现剪刀机构的张开与闭合。对番茄果梗进行了剪切试验,得出了剪切力的大小。对剪枝机构建立了力学模型,计算出剪切力与步进电机输入转矩之间的关系,为步进电机的选型提供了理论依据。通过对剪枝机构剪刀的运动学分析,得出了剪切速度与步进电机转速之间的运动关系。  对本文所设计的采摘装置进行了物理样机的制造,并将其安装在果实自主采摘机器人机械手臂末端。并对该末端执行器进行运动控制,从控制系统的硬件组成和软件方面进行了分析,得出了一整套控制系统,并建立了抓取试验的样机系统。对安装在每个手指远指节上的压力传感器进行标定实验,得出了压力传感器压力与电压的关系曲线。对不同形状大小、不同姿态的番茄做了一系列的抓取试验,得出了欠驱动手指机构远指节的接触力大小,并通过比较抓取时间和回程时间得出了该采摘装置的抓取效率。
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