苹果采摘机器人末端执行器的设计研究

论文摘要

本文设计了一种苹果采摘机器人的末端执行器。该末端执行器由夹持机构和切割机构构成。夹持机构为一个四指欠驱动腱传动仿生机械手；切割机构由一组腱传动弹簧刀刃构成。使用线缆作为传动腱可以将驱动部分和执行部分分离,将驱动部分置于远端,减轻了机械臂末端的重量,同时增加了驱动电机选择的灵活性。首先,对机械手的运动学进行了分析。通过建立模型和仿真,得到了手指关节变量间的关系和关节变量与腱位移的关系。不同关节变量值和复位弹簧的刚度成反比,和腱上作用力的力臂成正比。腱位移和手指各关节变量均成线性关系。其次,对机械手抓取稳定性的基本理论问题进行了分析与讨论,建立了抓取模型,为设计机械手的稳定抓取提供了理论依据。然后,对机械手抓握力的分布进行了分析。通过仿真分析可知,在相同的驱动力下,腱传动仿生机械手的抓握力和其机构的参数相关。其中有效抓握力的大小由手指的长度和厚度决定；抓握力的分布由各指节的长度比例决定；手指的初始张角决定了其可抓取苹果的半径范围；随着苹果半径的增大,有效抓握力将减小。摩擦力的存在能够改善抓握力在各指节分布,使抓握力分布均匀化,同时使有效的抓握力变大。最后,对机械手的机械部分和控制部分进行了设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 研究背景和发展现状
• 1.2.1 农业机器人
• 1.2.2 国内外研究现状
• 1.3 苹果采摘末端执行器
• 1.3.1 末端执行器的机构
• 1.3.2 仿人机械手
• 1.3.3 欠驱动
• 1.4 本文的研究内容和应用价值
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 应用价值
• 第二章 腱传动机械手指运动学分析
• 2.1 D-H变换和传递矩阵
• 2.2 运动学分析和仿真
• 2.2.1 铰盘绳索机构
• 2.2.2 连续腱机构
• 2.2.3 连续腱机构的奇异位形
• 2.3 本章小结
• 第三章 机械手的抓取稳定性的核心问题研究
• 3.1 抓取核心问题
• 3.2 抓取模型的建立
• 3.3 力封闭问题的求解
• 3.4 力可行性问题求解
• 3.5 本章小结
• 第四章 欠驱动手指的静态抓取性能分析
• 4.1 欠驱动手抓取稳定性分析
• 4.1.1 抓取接触力空间的分解
• 4.1.2 受力状态分析
• 4.1.3 状态的叠加
• 4.1.4 本章方法与LMI方法的联系
• 4.2 静态抓取分析
• 4.3 仿真与分析
• 0时的情况'>4.3.1 只改变θ₀时的情况
• 4.3.2 只改变m值的情况
• 4.3.3 只改变p值的情况
• 4.3.4 考虑摩擦力的情况
• 4.4 演变的抓取类型
• 4.4.1 反向限位
• 4.4.2 正向限位
• 4.5 本章小结
• 第五章 末端执行器的机构设计
• 5.1 机械手机构设计
• 5.2 切割机构的设计
• 5.2.1 推进机构的设计
• 5.2.2 刀台的设计
• 5.3 本章小结
• 第六章 控制系统设计
• 6.1 控制系统的组成和控制流程
• 6.2 机械手控制系统设计
• 6.2.1 负载形式
• 6.2.2 电机的选择
• 6.2.3 控制系统设计
• 6.3 滚珠丝杠和棘轮控制系统
• 6.3.1 直流电机的控制系统
• 6.3.2 电磁离合器的选用
• 6.4 末端执行器运行实验
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 1. 机械手仿真程序
• 1（θ₁）和f₂（θ₂）函数的M文件'>1.1 第二章2.3.2中f₁（θ₁）和f₂（θ₂）函数的M文件
• 1.2 第二章运动学仿真程序
• 1.3 第三章空间三点抓取力封闭搜索程序
• 1.4 第三章包络抓取力封闭搜索程序
• 1.5 第四章机械手抓握力仿真程序
• 1.6 第五章棘轮负载线生成程序
• 2. 仿真实验参数表
• 3. 单片机控制程序
• 3.1 直流电机控制程序（Keil C）
• 3.2 步进电机控制程序
• 4. 坐标变换
• 个人简介
• 硕士期间发表论文
• 硕士期间参与的研究项目