笃斯越桔采摘机械手机构设计运动学分析

论文摘要

笃斯越桔果实采摘是其生产过程中的重要环节,为提高劳动生产率和作业质量,改善工作环境,降低劳动强度,实现采摘作业机械化、自动化和智能化,基于笃斯越桔的生物学特性,设计了笃斯越桔采摘机械手,并进行了运动学分析及仿真。根据笃斯越桔的生物学特性和机械手机构选型原则,确定了该机械手为具有两个转动关节和两个移动关节的四自由度机械手,以工作空间和杆件结构尺寸为目标,并且结合实际工作方式确定了机械手的结构尺寸参数。采用Denavit-Hartenberg法建立了笃斯越桔采摘机械手杆件坐标系,通过齐次变换矩阵建立了正运动学与逆运动学方程,获得了笃斯越桔采摘机械手的雅克比矩阵,是机械手运动学分析、仿真的基础。采用蒙特卡洛法对笃斯越桔采摘机械手的工作空间进行了仿真,应用Matlab软件编程得出了机械手的可达空间范围的仿真结果,工作空间截面区能够覆盖果实生长范围,内部工作点密集且分布均匀,满足采摘要求。规划了笃斯越桔采摘机械手关节空间的仿真轨迹,应用Matlab软件对关节位移、速度和加速度进行了仿真,机械手能由初始位置沿预定路径到达目标位置,具有较高的灵活性,各关节位置变化连续、平滑,系统运动平稳,均能满足精度要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 国外农林机器人的研究概况
• 1.1.2 国内农林机器人的研究概况
• 1.1.3 发展农林机器人的必要性
• 1.2 采摘机器人的研究概况及发展趋势
• 1.2.1 国外采摘机器人的研究概况
• 1.2.2 国内采摘机器人的研究概况
• 1.2.3 采摘机器人发展趋势
• 1.2.4 笃斯越桔国内外采摘现状
• 1.3 研究目的和意义
• 1.4 研究的内容
• 2 笃斯越桔采摘机械手机构设计
• 2.1 笃斯越桔的生物学特性
• 2.2 采摘机器人的结构组成及功能
• 2.3 末端执行器的设计
• 2.3.1 末端执行器的设计要素
• 2.3.2 末端执行器的结构设计
• 2.4 机械手的机构设计
• 2.4.1 自由度选择
• 2.4.2 机械手手腕的设计
• 2.4.3 机械手手臂的机构选型
• 2.4.4 结构尺寸及性能参数设计
• 2.5 传动系统方案
• 2.5.1 驱动方式选择
• 2.5.2 传动系统设计
• 2.5.3 驱动方式结构设计
• 2.6 本章小结
• 3 机械手运动学分析
• 3.1 机械手位置与姿态的描述
• 3.1.1 位置的描述
• 3.1.2 方位的描述
• 3.1.3 位姿的描述
• 3.1.4 齐次变换
• 3.2 机械手的位姿
• 3.2.1 机械手的坐标系
• 3.2.2 Denavit-Hartenberg（D-H）表示法
• 3.3 笃斯越桔采摘机械手的运动学正问题
• 3.3.1 建立坐标系
• 3.3.2 建立正运动学模型
• 3.4 笃斯越桔采摘机械手的运动学逆问题
• 3.5 雅克比矩阵的建立
• 3.5.1 雅可比矩阵的定义
• 3.5.2 笃斯越桔采摘机械手雅可比矩阵的求解
• 3.6 本章小结
• 4 工作空间分析
• 4.1 工作空间的概念
• 4.2 工作空间的基本描述
• 4.3 工作空间的求解方法
• 4.4 笃斯越桔采摘机械手工作空间的求解
• 4.5 本章小结
• 5 轨迹规划分析
• 5.1 轨迹规划的概念
• 5.2 机械手运动轨迹规划空间的确立
• 5.3 关节空间轨迹规划的插值函数
• 5.4 笃斯越桔采摘机械手的轨迹规划分析
• 5.4.1 路径规划
• 5.4.2 轨迹规划举例
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢