抓持—旋切式欠驱动双指手葡萄采摘装置的设计与试验

发布时间：2018-07-21 18:08

【摘要】：葡萄是一种成簇生长的浆果类水果,果实皮薄粒大,汁少水多,易受机械损伤,主要依靠人工采摘,采摘作业劳动强度大。随着我国农业劳动力转移、老龄化加剧,果农劳动力不足凸显。因此,研发葡萄采摘机器人关键技术对于葡萄生产具有重要的研究价值与现实意义。针对葡萄的垂直悬挂生长特性和柔性无损采摘农艺要求,基于欠驱动原理和抓持-旋切协同工作方式设计了一种欠驱动双指手葡萄采摘装置,主要包括欠驱动手指机构,旋转伸缩机构,旋切机构,腕部连接卡盘和Intel RealSense实感相机。利用Real Sense实感相机对果实与果梗精确定位,采摘装置被机械臂导引到果实位置,由一个电机通过2级串联式连杆机构驱动双指四指节手爪从果实中部接近并包络抓取葡萄,复合在双指手上的3自由度旋切装置通过旋转机构和伸缩机构的摆动-伸缩动作将旋切机构导引至目标果梗位置,旋切机构带动旋切刀盘切断果梗,实现果实与果梗的分离。基于此设计思路对欠驱动双指手葡萄采摘装置开展研究,其主要工作如下:1)针对葡萄的柔性无损采摘要求,考虑葡萄垂直悬挂的生长特点、生物学特性和采摘农艺等因素,提出欠驱动双指手葡萄采摘装置总体设计方案,通过Solidworks软件建立抓持-旋切式欠驱动双指手葡萄采摘装置的三维结构模型,并对采摘装置进行了机构综合。通过对旋切装置各电机的选型设计计算,参考众多步进电机材料,选定合适的电机,并验证了装置运动控制的可能性。2)通过葡萄赤道直径分析确定了欠驱动手指机构的指节尺寸与转角范围,然后通过建立欠驱动手指机构抓持葡萄时的静力学模型,基于传力最优和接触力均布等要求确定了驱动连杆的尺寸,结合最小接触力分析和葡萄挤压破裂试验的最大接触力分析,获得抓持2kg葡萄不发生损伤的最大接触力为20N,再通过手指机构静力学模型求解获得驱动电机推力,从而指导欠驱动手指机构的驱动电机选型。并利用仿真软件Adams进行了运动姿态和抓取动作的仿真分析,理论验证了静力学模型的准确性。3)首先对欠驱动双指手葡萄采摘装置控制系统的硬件组成进行了选型,然后对以STM32F103ZET6单片机为核心的电路主控制器模块、USB USART模块和电源模块进行了电路硬件设计。同时,基于Keil uVision5软件对最大接触力控制、运动极限控制和步进电机加减速梯形运动控制进行了软件程序编写。4)对所设计的欠驱动双指手采摘装置进行了零件加工和装配,并将其安装在机械臂末端。首先对压力传感器进行了标定试验,然后通过欠驱动双指手装置抓取葡萄的试验,进一步验证了静力学模型的准确性。对赤道面直径95-200mm的葡萄进行了基于最大接触力控制的50次采摘试验,试验结果表明该装置的采摘成功率为100%,果实挤伤率为5.2%,不考虑视觉定位葡萄与果梗的耗时,完成一次抓持-旋切动作平均耗时29.4s。采用加减速梯形控制方式实现了旋切部件运动,圆盘刀转速1000-1300rpm可对果梗有效切断。
[Abstract]:The present invention relates to a three - degree - of - freedom rotary cutting device for grape harvesting . A software program has been programmed by the motion limit control and stepping motor plus deceleration trapezoidal motion control . 4 ) The designed underactuated double fingered hand picking device is processed and assembled and installed at the end of the mechanical arm . The test results show that the success rate of the device is 100 % , the fruit crushing rate is 5.2 % , the time consumption of the visual positioning grapes and fruit stalks is not considered , and the movement of the rotary cutting member is realized by using the acceleration / deceleration trapezoidal control mode .
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S225.93

【参考文献】

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本文编号：2136352