欠驱动机械手末端执行器的设计与研究

【摘要】目前果蔬采摘机器人末端执行器多为纯吸盘式采摘、筒式采摘、振动式采摘、全驱动多指式采摘，由于执行器直接接触果蔬，往往会因抓取力或夹持力过大而压伤果蔬，因此为实现果蔬自动化采摘，研究一种更加可靠的末端执行器显得至关重要。近年来，采用欠驱动多指手作为果蔬采摘机器人的末端执行器是解决这一问题的新思路。本文以苹果为采摘对象，分析采摘机械手的研究现状，根据采摘农艺要求，设计出能够满足苹果采摘的机构——欠驱动采摘末端执行器机构，同时对机构作运动学与动力学分析，并研制出样机，本文的主要研究内容与结果如下：1、阐述了国内外末端执行器的研究现状，并提出本文的研究内容与研究方法。2、研究了红富士苹果的几何特性及力学性能，并按照采摘对象的基本要求，设计了一种齿轮连杆式欠驱动末端执行器，分析原理与功能，具体方案为：电机驱动丝杠转动，丝杠带动滑块移动，滑块与三个连杆铰接从而带动3个构型一致的手指运动，3个手指共同完成抓取与松开动作，实现了一个驱动器驱动7个自由度的欠驱动机构。3、建立了欠驱动末端执行器执行器机构的运动学模型，编制了机构运动学特性分析及仿真软件，采用人机交互优化方法对平面的机构尺寸进行了优化，以各结构参数对包络空间的影响为优化目标，得到一组较优的机构运动学参数为：第一关节初始角θ1为56°，扇形齿轮杆倾斜角θ2为109°，第三关节倾斜角θ3为104°，手指第二关节内曲柄长16mm，手指第三关节长29mm，连杆长度75mm。4、利用ADAMS的二次开发功能实现末端执行器的参数化建模，以确定的结构参数为基础建立模型分析接触力大小，并研究在不同电机转速下执行器接触力的变化情况，最终得出结果为接触力变化范围为10-20N；建立末端执行器各零部件的三维模型并虚拟装配；采用ADAMS对机构进行动态仿真分析，得到机构运动轨迹、位移曲线等虚拟试验结果。5、完成了末端执行器各零部件的工程图，并研制出样机，通过对不同尺寸的苹果的抓取与松开试验，分析苹果尺寸对末端执行器抓取效果的影响，并对比虚拟仿真数据与理论分析数据结果，进一步验证机构设计的合理性。采用Grip系统对抓取力进行测试，测试接触面积及接触力的大小验证了末端执行器的可靠性。6、总结全文，并对研究内容提出进一步的展望。
【作者】张飞；
【导师】俞亚新；
【作者基本信息】浙江理工大学，机械设计及理论，2014，硕士
【关键词】欠驱动；末端执行器；运动学；参数化设计；仿真优化；

【参考文献】
[1]陈继欣.细晶粒Mo_2FeB_2基金属陶瓷制备及其高温抗氧化性能的研究[D].南京航空航天大学,材料加工,2014,硕士.
[2]康金明.山东省小学校园足球联赛开展现状及推广策略研究[D].聊城大学,体育教育训练学,2014,硕士.
[3]程亮,金菊良,郦建强,王宗志,李磊,袁潇晨.干旱频率分析研究进展[J].水科学进展,2013,02:296-302.
[4]常新伟,管叶君,张成民,徐国庆.相关法保频叠加[J].石油地球物理勘探,1996,S1:110-113+148.
[5]谢少华.生物质材料改良酸化茶园土壤的效果与机理研究[D].南京农业大学,环境科学,2013,硕士.
[6]黄祥庆.香港建设人民币离岸金融市场的影响以及人民币回流的途径分析[D].复旦大学,金融学,2012,硕士.
[7]韦旋.急性脑梗死患者不同血压类型与动脉硬化指数和早期病情轻重关系[D].广西医科大学,神经病学（专业学位）,2013,硕士.
[8]吉日嘎.2×2上三角算子矩阵的可逆性[D].内蒙古大学,数学,2013,硕士.
[9]兰郑勇.中学心理健康教育与英语课堂教学整合模式的研究[D].福建师范大学,教育,2003,硕士.
[10]李念.广东干部选任制度改革探析[D].吉林大学,公共管理,2012,硕士.
[11]张瑜,何俊民,黄润才.小儿出疹性疾病诊断智能超媒体系统中知识约简算法的实现[J].微型电脑应用,2004,05:47-49.
[12]付璨璨.论宋词写景艺术的流变[D].华中师范大学,中国古代文学,2013,硕士.
[13]姚辉.低频穴位电刺激结合镜像视觉反馈促进中风后上肢功能重建的临床研究[D].黑龙江中医药大学,针灸推拿学,2013,硕士.
[14]刘丽娜.基于低秩约束的随机缺失地震数据重建[D].哈尔滨工业大学,应用数学,2014,硕士.
[15]张松.论有限公司股权对外转让情形下受让人利益的保护[D].吉林大学,法律,2014,硕士.
[16]羡学磊.高精度轴类零件加工误差补偿技术研究[D].哈尔滨工业大学,机械制造及其自动化,2013,硕士.
[17]张银银.基于SALmap方法的属性抽取的研究与实现[D].东北大学,计算机软件与理论,2010,硕士.
[18]薄洪光.船舶电站仿真软件系统[D].大连海事大学,轮机工程,2004,硕士.
[19]吕杰.证券投资基金费用价值化模型研究及实证分析[D].武汉理工大学,企业管理,2003,硕士.
[20]赵玉芳,唐立新.极小化最大完工时间的单机连续型批调度问题[J].自动化学报,2006,05:730-737.
[21]郭新华.从荣格理论看劳伦斯笔下的艺术家形象[D].西北大学,英语语言文学,2013,硕士.
[22]孙兆辉.石墨烯掺杂对尿酸分子印迹电化学传感器增敏作用的研究[D].华侨大学,2012.
[23]周蓓.多学科渗透的音乐课程综合观的研究[D].上海师范大学,课程与教学论,2004,硕士.
[24]汪爽.黄山短尾猴雄性攻击支持对交配行为的影响[D].安徽大学,生态学,2013,硕士.
[25]李浩攀.室内人的跌倒行为识别[D].华南理工大学,电子与通信工程,2012,硕士.
[26]杨瑞娟.任务型教学在中职旅游英语教学中的应用研究[D].信阳师范学院,学科教学,2014,硕士.
[27]盛大树.煤气流量计的湿度补偿[J].冶金自动化,1984,01:45-48.
[28]郭树理,阎绍泽,黄琳.一类积分加权时滞型非线性微分包含的稳定性[J].控制与决策,2004,04:429-432.
[29]陈瑞红.短链菊粉对馒头品质的影响[D].河南科技大学,食品科学,2014,硕士.
[30]王楠.让·弗朗赛配器技法研究[D].西安音乐学院,配器,2013,硕士.
[31]缴春芳.普通话音节音素定位与识别算法研究[D].武汉纺织大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[32]王晓伦.视唱练耳教学中多元风格训练的探讨[D].中央音乐学院,视唱练耳,2012,硕士.
[33]刘志龙.A公司劳务派遣劳动生产率研究[D].广东工业大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[34]丁胜锋,逄玉俊.支撑向量机及其在数据挖掘中的应用[J].计算机与数字工程,2005,11:158-160.
[35]江晗.陆地棉超高强纤维品质与产量相关性状的QTL定位[D].南京农业大学,作物遗传育种,2013,硕士.
[36]陈晨.辽宁联通分组传送网的设计与实现[D].吉林大学,软件工程,2014,硕士.
[37]杨硕.无人机飞行仿真技术研究[D].沈阳航空航天大学,模式识别与智能系统,2013,硕士.
[38]胡荣强.非隔离型光伏并网逆变器关键技术研究[D].北京交通大学,2008.
[39]周曼.P2P网络借贷投资行为影响因素的实验研究[D].苏州大学,应用心理学,2013,硕士.
[40]程伟.产业集聚与新城镇建设互动关系[D].辽宁大学,区域经济学,2012,硕士.
[41]李智杰.我国家庭能源消费结构与影响因素研究[D].哈尔滨工业大学,技术经济及管理,2013,硕士.
[42]毕成成.基于ERM体系的航运企业船舶融资租赁风险评价[D].大连海事大学,交通运输工程,2014,硕士.
[43]韩小静.团簇异构体生长几率的理论预测[D].复旦大学,2011.
[44]张锦.甲基膦酸二甲酯分子印迹复合膜的合成与性能研究[D].重庆大学,化学,2014,硕士.
[45]刘佳赫.综合版画在小学美术教育中的应用[D].东北师范大学,学科教学,2012,硕士.
[46]王月,安明喆,余自若,韩松.活性粉末混凝土冻融循环前后NaCl溶液的吸入特性[J].哈尔滨工业大学学报,2015,04:71-75.
[47]葛颖.中国动物福利争论的哲学基础研究[D].南京农业大学,科学技术哲学,2013,硕士.
[48]方精云,陈安平,赵淑清,慈龙骏.中国森林生物量的估算:对Fang等Science一文(Science,2001,291:2320～2322)的若干说明[J].植物生态学报,2002,02:243-249.
[49]叶孝璐,俞立,陈军统.基于ATmega88和Delphi的双足竞步机器人设计[J].微型机与应用,2014,23:38-40+43.
[50]宁谦.我国小产权房合法性研究[D].贵州民族大学,经济法,2014,硕士.