一種高效葡萄采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)與優(yōu)化.pdf

第 63 卷 第 6 期 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程 2025 年 6 月 Vol 63 No 6 AG ICULTU AL EQUIPMENT VEHICLE ENGINEE ING June 2025 doi 10 3969 j issn 1673 3142 2025 06 005 基金項(xiàng)目 大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目 一種小型的葡萄采摘收獲一體機(jī)設(shè)計(jì) XJ202413558001 收稿日期 2025 04 16 作者簡介 白雪軍 2001 男 研究方向 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 E mail 3370529109 qq com 通信作者 王偉軍 1993 男 碩士研究生 研究方向 農(nóng)業(yè)機(jī)械 E mail wangweijun 91 163 com 一種高效葡萄采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)與優(yōu)化 白雪軍 王偉軍 李哲 劉家琦 陳光巖 新疆理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 新疆 阿克蘇 843100 摘要 針對現(xiàn)有葡萄采摘機(jī)存在損傷葡萄及藤蔓 設(shè)備成本高等問題 設(shè)計(jì)一種小型葡萄采摘機(jī) 以降低損傷率并 提高經(jīng)濟(jì)性 通過優(yōu)化整體結(jié)構(gòu) 采用三軸機(jī)械臂系統(tǒng)與圓盤式底座設(shè)計(jì) 結(jié)合柔性夾爪和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動 減少采 摘過程中的機(jī)械沖擊 提高葡萄采摘效率 所設(shè)計(jì)的采摘機(jī)顯著降低了葡萄損傷率 同時(shí)采摘效率提升約 30 且 小型化結(jié)構(gòu)降低了約 25 的制造成本 為葡萄采摘提供了一種高效 低損傷的解決方案 兼具實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性 適 用于小規(guī)模葡萄種植場景 關(guān)鍵詞 采摘機(jī)器 機(jī)械臂 采摘夾爪 步進(jìn)電機(jī) 中圖分類號 S225 93 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1673 3142 2025 06 0021 07 引用格式 白雪軍 王偉軍 李哲 劉家琦 陳光巖 一種高效葡萄采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)與優(yōu)化 J 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工 程 2025 63 06 21 27 Design and optimization of an efficient grape picking robot BAI Xuejun WANG Weijun LI Zhe LIU Jiaqi CHEN Guangyan School of Mechanical and Electrical Engineering Xinjiang Institute of Technology Akesu 843100 Xinjiang China Abstract In response to the problems existing in the current grape harvesters such as damage to grapes and vines and high equipment costs a small scale grape harvester was designed to reduce the damage rate and improve economic efficiency Through optimizing the overall structure a three axis robotic arm system and a disc shaped base design were adopted combined with flexible grippers and stepper motor drives to reduce the mechanical impact during the harvesting process and improve the efficiency of grape picking The designed harvester significantly reduced the damage rate of grapes At the same time the harvesting efficiency was increased by approximately 30 and the miniaturized structure reduced the manufacturing cost by about 25 It provided an efficient and low damage solution for grape picking which combined practicality and economic efficiency and was suitable for small scale grape planting scenarios Key words picking machine robotic arm picking jaws stepper motor 0 引言 葡萄作為一種廣泛種植且具有較高經(jīng)濟(jì)效益的水 果 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)重要地位 中國是世界葡萄生 產(chǎn)大國 葡萄種植面積廣 以新疆 山東 吉林等省份為 主 1 2 當(dāng)前我國葡萄采摘仍以人工為主 人工成本 占比超總利潤 50 3 隨著智能化技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的 廣泛應(yīng)用 先進(jìn)傳感器 視覺識別和機(jī)器人控制技術(shù)為 葡萄高效精準(zhǔn)采摘帶來可能 葡萄的采摘是在葡萄生 長周期中最重要的環(huán)節(jié)之一 4 但葡萄采摘機(jī)械研究 較少 缺乏大規(guī)模適用農(nóng)機(jī) 因此 實(shí)現(xiàn)葡萄自動化采 摘是未來研究的重要方向 國外對采摘機(jī)器人的研究出現(xiàn)于 1968 年 主要 采用機(jī)械式結(jié)構(gòu) 作業(yè)效率不高 5 近年來 在人工 智能技術(shù)推動下 水果采摘機(jī)器人正朝著高精度 高 效率和低成本方向發(fā)展 日本以及歐美等發(fā)達(dá)國家 的采摘機(jī)器人處于世界領(lǐng)先水平 水果采摘機(jī)器人自 動化程度較高 為國內(nèi)的研究提供了豐富的專業(yè)知識 和相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù) 6 7 國外目前的智能化采摘裝備 主要有機(jī)器視覺導(dǎo)航型采摘機(jī)器人 機(jī)械臂式采摘機(jī) 器人和無人機(jī)采摘機(jī)器人等類型 8 研究聚焦于視 覺識別技術(shù)和用先進(jìn)機(jī)械臂設(shè)計(jì)及抓取算法來保障 操作靈活等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)以及特定作物采摘方案等 我國對采摘機(jī)器人的研究起步較晚 近年來國家 對農(nóng)業(yè)發(fā)展越來越重視 投入大量的財(cái)力物力 使得 國內(nèi)采摘機(jī)器人的研究得到了較快的發(fā)展 9 10 眾多 院校與相關(guān)企業(yè)加強(qiáng)了關(guān)于水果采摘機(jī)器人以及智 能農(nóng)機(jī)方面的研究 并取得了豐碩成果 如華南農(nóng)業(yè) 大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的草莓采摘機(jī)器人基于 GB D 相機(jī) 和 YOLO 算法實(shí)現(xiàn)成熟果實(shí)識別 采用剪切式末端執(zhí) 行器 采摘成功率達(dá) 85 以上 損傷率低于 5 北京 農(nóng)林科學(xué)院開發(fā)的機(jī)器人通過氣吸式采摘裝置減少 果實(shí)損傷 但只適用于高架栽培模式等 葡萄采摘機(jī)器人研究雖然取得了一定進(jìn)展 但在 實(shí)際應(yīng)用中仍存在采摘精度與適應(yīng)性不足 單果采摘 耗時(shí)過長 采摘效率較低和損傷率仍偏高等問題 11 本文旨在深入研究葡萄采摘機(jī)器的相關(guān)技術(shù) 包括其 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 視覺感知系統(tǒng) 控制系統(tǒng)以及采摘策 略等方面 以期為提高葡萄采摘的效率和質(zhì)量 推動葡 萄產(chǎn)業(yè)智能化發(fā)展提供理論支持和實(shí)踐參考 1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理 1 1 整機(jī)結(jié)構(gòu) 葡萄采摘機(jī)器人主要分為車體 機(jī)械臂和機(jī)械手 三大部分 主要由小車框架系統(tǒng) 底部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 大 臂旋轉(zhuǎn)電機(jī) 小臂旋轉(zhuǎn)電機(jī) 機(jī)械手小臂 抓手旋轉(zhuǎn)電 機(jī) 機(jī)械手夾爪部分 絲杠 柴油發(fā)動機(jī) 傳送帶裝置 和收集裝置 結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 所示 1 底部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 2 小車框架系統(tǒng) 3 大臂旋轉(zhuǎn)電機(jī) 4 小臂旋轉(zhuǎn)電機(jī) 5 機(jī)械手小臂 6 抓手旋轉(zhuǎn)電機(jī) 7 機(jī)械手夾爪部分 8 柴油發(fā)動機(jī) 9 絲杠 10 傳送帶裝置 11 收集裝置 圖 1 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu) Fig 1 The overall structure of the robot 底部圓盤驅(qū)動部分主要由電機(jī)和輔助旋轉(zhuǎn)齒輪 構(gòu)成 為采摘機(jī)器人的前進(jìn)轉(zhuǎn)向等提供動力 小車運(yùn) 動裝置采用了車輪和 V 代復(fù)合結(jié)構(gòu) 利于葡萄采摘 機(jī)器人在水平方向自由運(yùn)行 機(jī)械臂部分包含了大臂 小臂 主旋轉(zhuǎn)電機(jī) 機(jī)械 臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)等部件 可實(shí)現(xiàn)多三由度的靈活作業(yè) 機(jī) 械手部分包含旋轉(zhuǎn)電機(jī) 機(jī)械夾爪 絲桿 連接板等部 件 可實(shí)現(xiàn)葡萄的靈活抓取 1 2 工作原理 葡萄采摘機(jī)器人工作時(shí) 是由小車運(yùn)動和機(jī)械臂 360 旋轉(zhuǎn) 采摘夾爪張開閉合夾持采摘水果以及機(jī)器 人搬運(yùn)過程組成 水平方向的運(yùn)動的動力源是由柴 油發(fā)動機(jī)提供的 通過聯(lián)軸器傳遞給帶輪傳動系統(tǒng) 為 2 個(gè)主動車輪提供水平方向前進(jìn)的動力 機(jī)械臂 的 360 旋轉(zhuǎn)是由大臂和小臂中的旋轉(zhuǎn)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)圓 盤中的主旋轉(zhuǎn)電機(jī)構(gòu)成 旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動機(jī)械臂上下運(yùn) 動 主旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)圓盤 360 旋轉(zhuǎn) 采摘夾爪開合夾持水果采摘運(yùn)動是由夾爪旋轉(zhuǎn) 電機(jī)帶動絲杠旋轉(zhuǎn) 從而推動夾爪做開合運(yùn)動 1 3 采摘機(jī)械手裝置設(shè)計(jì) 本文采用了車與葡萄采摘機(jī)械抓手相結(jié)合的設(shè) 計(jì)方法 采摘機(jī)械臂作為采摘葡萄的主要運(yùn)動工具 是整機(jī)作業(yè)的執(zhí)行裝置 三維建模如圖 2 所示 1 夾抓電機(jī) 2 連桿 3 絲桿 4 滑塊 5 夾爪 6 短臂 7 懸臂電機(jī) 8 長臂 9 懸臂電機(jī) 10 旋轉(zhuǎn)圓盤 11 旋轉(zhuǎn)電機(jī) 圖 2 采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu) Fig 2 Structure of picking manipulator 1 4 采摘機(jī)械手工作過程演示 機(jī)械手裝置采用了三軸系統(tǒng) 底部圓盤通過旋轉(zhuǎn) 電機(jī)進(jìn)行 360 旋轉(zhuǎn) 2 個(gè)機(jī)械懸臂關(guān)節(jié)處分別有 2 個(gè) 步進(jìn)電機(jī) 其轉(zhuǎn)動帶動懸臂上下運(yùn)動 并且配合圓盤 運(yùn)動 快速到達(dá)水果下方 此時(shí)夾爪電機(jī)啟動 帶動 絲桿旋轉(zhuǎn) 推動滑塊運(yùn)動 從而使夾爪開合運(yùn)動 葡 萄被采摘后 隨底部圓盤旋轉(zhuǎn)和機(jī)械臂的運(yùn)動掉到傳 送帶上 并隨傳送帶落入收集框中 隨后機(jī)械手回到 原位 重復(fù)之前的動作 工作過程如圖 3 所示 22 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程 2025 年 圖 3 采摘機(jī)械手裝置工作過程 Fig 3 Working process of picking manipulator device a 機(jī)械手運(yùn)動過程 b 機(jī)械手采摘葡萄 c 機(jī)械手運(yùn)送葡萄 d 葡萄落入收集框 2 整機(jī)三維建模與實(shí)物模型 本文先使用了 SolidWorks 軟件繪制了整機(jī)的三 維模型 然后進(jìn)行了實(shí)物模型的制作 實(shí)物模型的材 料選用了光滑樹脂進(jìn)行 3D 打印 如圖 4 所示 圖 4 整機(jī)的三維模型與實(shí)物模型 Fig 4 The three dimensional model and physical model of the whole machine a 三維模型 b 實(shí)物模型 3 車體機(jī)架靜力學(xué)仿真過程 3 1 幾何模型的建立 車體幾何模型是由 SolidWorks 軟件所建立 受到 80 kg 的機(jī)械臂壓力 此處忽略葡萄重力 設(shè)定車體 為鋁合金制作 力學(xué)模型如圖 5 所示 圖 5 小車底座力學(xué)模型 Fig 5 Mechanical model of trolley base a 底座簡化模型 b 底座整體模型 對小車模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分 考慮小車的形狀與結(jié) 構(gòu) 為提高分析結(jié)果的精度此處在網(wǎng)格命令下添加補(bǔ) 丁適形法和幾何體尺寸調(diào)整子項(xiàng)目 在該子項(xiàng)目中 將網(wǎng)格劃分算法調(diào)整為六面體主導(dǎo)以提高單元與實(shí) 際輪廓的擬合程度 將單元尺寸設(shè)置為 5 mm 生成 網(wǎng)格后點(diǎn)選網(wǎng)格選項(xiàng) 單元數(shù)為 1 600 節(jié)點(diǎn)數(shù)為 9 065 如圖 6 所示 圖 6 小車模型網(wǎng)格劃分 Fig 6 Mesh division of car model 3 2 水平方向傳動裝置應(yīng)力與形變求解 1 約束條件與載荷的施加 根據(jù)車體力學(xué)模型所述添加固定支撐與載荷 一 端固定一端加載 圖 7 為固定支撐端 圖 8 為載荷施 加端 載荷如箭頭所示方向向下 其中載荷為位于中 間圈上 800 N 的集中力 圖 7 固定支撐端 Fig 7 Fixed constraint blue end 32第 63 卷第 6 期 白雪軍 等 一種高效葡萄采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)與優(yōu)化 圖 8 載荷施加端 Fig 8 Fixed constraint red end 2 小車位移云圖與應(yīng)為云圖 在求解器中插入查看應(yīng)力與位移選項(xiàng) 施加了 80 kg的機(jī)械臂壓力 等待求解結(jié)束后查看應(yīng)力與位 移云圖 結(jié)果輸出如圖 9 所示 在預(yù)定約束與載荷 的作用下 小車所受最大總變形為 4 082 7 10 5 m 最大彈性形變量為 4 966 1 10 5 mm 圖 9 位移與應(yīng)力云圖結(jié)果 Fig 9 Displacement and stress cloud diagram a 位移云圖 b 應(yīng)力云圖 經(jīng)過對小車框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析 可以確定小車 的框架在設(shè)計(jì)上的合理性 3 3 機(jī)械臂模型的建立 1 機(jī)械臂的受力分析 機(jī)械臂在作業(yè)過程中往往會受到荷重以及自身 重量 并對手臂部位產(chǎn)生作用力 同時(shí)受到靜摩擦力 和慣性力 當(dāng)機(jī)械臂在滿負(fù)荷情況下啟動時(shí) F F i F m F g 1 式中 F 機(jī)械臂在滿負(fù)荷情況下受到的力 N F i 機(jī)械臂的荷重及自重對手臂產(chǎn)生的作用力 N F m 機(jī)械臂在滿載啟動時(shí)的靜摩擦力 N F g 機(jī)械臂滿載啟動時(shí)的慣性力 N 經(jīng)測量 一串成熟的葡萄的質(zhì)量大概為 1 5 kg 機(jī)械臂采用 Q235 結(jié)構(gòu)鋼 夾持器的質(zhì)量為 10 kg 伸 縮臂的質(zhì)量為 50 kg 其余部件的質(zhì)量為 30 kg 摩擦 系數(shù) 0 2 由此可得機(jī)械臂裝置荷重為 F i m 葡萄 m 抓手 m 伸縮臂 m 其余部件 g 915 N 2 F m F i 183 N 3 F ma 4 變形后可得 F g G v g t 915 0 2 10 0 1 183 N 5 式中 t 啟動時(shí)間 加速度時(shí)間為 0 1 0 5 s 這 里 t 0 1 s v 0 2 將上述數(shù)據(jù)代入 1 式中可得 F F i F m F g 915 183 183 1 281 N 可知機(jī)械臂在滿負(fù)荷的狀態(tài)下能夠承受 1 281 N 的力 2 機(jī)械臂受力仿真 在 ANSYS Workbench 中創(chuàng)建模態(tài)系統(tǒng) 并將建 立好的幾何模型導(dǎo)入到模態(tài)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)位置處 點(diǎn)選模型選項(xiàng)并選擇機(jī)械臂材料為鋁合金 生成的 機(jī)械臂前處理界面如圖 10 所示 圖 10 機(jī)械臂模態(tài)數(shù)據(jù)分析 Fig 10 Modal data analysis of manipulator 用 ANSYS Mesh 模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分 六面體主導(dǎo) 以提高單元與實(shí)際輪廓的擬合程度 將單元尺寸設(shè)置 為 2 mm 生成網(wǎng)格后點(diǎn)選網(wǎng)格選項(xiàng) 其中單元數(shù)為 8 748 節(jié)點(diǎn)數(shù)為 41 798 如圖 11 所示 42 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程 2025 年 圖 11 機(jī)械臂模型網(wǎng)格劃分 Fig 11 obot arm model meshing 經(jīng)過對小車機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析 發(fā)現(xiàn)當(dāng)機(jī)械 臂在滿負(fù)荷情況下啟動時(shí) 最大承受 1 281 N 的力 遠(yuǎn)小于 Q235 鋼的承受能力 可以確定小車的機(jī)械臂 在設(shè)計(jì)上的合理性 3 插入求解結(jié)果 在求解器中插入后處理中將要查看的后處理結(jié)果 以便后續(xù)查看各階振型圖 其中約束類型為無約束 3 4 機(jī)械臂的固有頻率與振型分析 1 結(jié)果后處理 根據(jù)該機(jī)械臂的自由振動特點(diǎn) 將激振頻率選擇 為 1 Hz 以上并取前 6 階的模態(tài)之后 便可進(jìn)行運(yùn)算 求解 求解完成之后得到各階模態(tài)頻率及變形方向依 次如圖 12 所示 圖 12 6 階振型圖 Fig 12 Sixth order vibration mode diagram a 1 階振型圖 b 2 階振型圖 c 3 階振型圖 d 4 階振型圖 e 5 階振型圖 f 6 階振型圖 52第 63 卷第 6 期 白雪軍 等 一種高效葡萄采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)與優(yōu)化 2 機(jī)械臂各階振動頻率分析 將激振頻率選擇為 1 Hz 以上 機(jī)械臂各階振型 所對應(yīng)振動頻率如表 1 所示 表 1 機(jī)械臂頻率振型位移表 Tab 1 Mechanical arm frequency vibration mode displacement table 階數(shù) 振動頻 率 Hz 振型 最大位 移 mm 1 27 423 機(jī)械臂沿著 X 軸方向左右擺動 30 659 2 28 190 機(jī)械臂沿著 Z 軸方向左右擺動 26 683 3 38 118 機(jī)械臂沿著 Y 軸方向左右擺動 27 867 4 47 152 機(jī)械臂沿著 X 軸方向左右擺動 57 374 5 50 980 機(jī)械臂沿著 X 軸方向和 Y 軸方向左右擺動 58 342 6 53 776 機(jī)械臂沿著 X 軸方向左右擺動 31 806 由表 1 可得 機(jī)械臂在六階振型下 振動頻率為 50 98 Hz 機(jī)械臂沿著 X 軸方向和 Y 軸方向左右擺 動 此時(shí)可得最大振動位移 58 342 mm 3 5 夾持手抓加緊力的計(jì)算 手指對果蔬的夾緊力公式為 F N K 1 K 2 K 3 6 式中 K 1 安全系數(shù) 由機(jī)械手的工藝及設(shè)計(jì)要求 確定 通常情況下取值為 1 2 2 0 本設(shè)計(jì)此處取 K 1 為 1 5 K 2 工件情況系數(shù) 主要考慮慣性力的影 響 計(jì)算最大加速度 得出工作情況系數(shù) K 2 為 K 2 1 a g 1 5 9 8 1 51 7 式中 a 持機(jī)械手爪搬運(yùn)過程中的加速度或減速 度的絕對值 m s 2 工業(yè)機(jī)械手的加速度在 5 10 根據(jù) 設(shè)計(jì)要求這里取 5 K 3 方位系數(shù) 根據(jù)手指與工 件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選定 由于夾 持水果動作時(shí)手爪為一般水平放置 葡萄也是水平夾 持 因此即根據(jù)手指與工件的位置要求查表取值得 K 3 為 0 5 G 被抓工件重量 本文設(shè)計(jì)取一串葡萄 最大質(zhì)量 2 5 kg 即 25 N 因此根據(jù)以上分析結(jié)果 得夾緊力的大小為 F N K 1 K 2 K 3 G 1 5 1 51 0 5 25 28 3 N 8 3 6 夾持手抓驅(qū)動力的計(jì)算 圖 13 為夾持手爪夾持工件時(shí)的受力分析簡圖 圖 13 采摘手夾持葡萄受力分析示意圖 Fig 13 Picking hand clamping grape force analysis diagram 根據(jù)受力情況水果對手爪有一個(gè)法線方向上的 力 F 作用點(diǎn)為 A 點(diǎn) 手爪電機(jī)的驅(qū)動力為 F 2 作用 力方向沿著驅(qū)動桿 以手抓結(jié)構(gòu)上的一個(gè)連接板為力矩分析的原點(diǎn) 進(jìn)行力矩平衡可得下式 M 0 0 F 1 L 1 F 2 L 2 0 9 式中 L 1 F 1 的力臂長度 根據(jù)測量 L 1 84 mm L 2 F 2 的力臂長度 根據(jù)測量 L 2 92 mm F 1 F N F 2 F 1 L 1 L 2 10 代入數(shù)據(jù)可得出 F 2 28 4 84 92 25 9 N 根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果得出 手部夾爪電機(jī)提供的驅(qū) 動力至少為 25 9 N 3 7 夾持手抓電機(jī)選型 1 根據(jù)絲桿電機(jī)扭矩計(jì)算公式為 T F d 2 1 000 0 005 2 2 5 N m 11 式中 F 驅(qū)動力 d 導(dǎo)程 2 根據(jù)絲桿電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為 n v d 10 0 005 2 000 r min 12 式中 v 移動速度 m min 取 10 3 根據(jù)絲桿電機(jī)功率計(jì)算公式為 P T n 9 550 2 5 2 000 9 550 0 52 kW 13 因此 需選擇一個(gè)輸出扭矩 2 5 N m 輸出轉(zhuǎn)速 2 000 r min 輸出功率 0 52 kW 的絲桿步進(jìn)電機(jī) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求 選擇型號為 110BYG350A 的三相異步 步進(jìn)電機(jī) 4 結(jié)論 1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性 機(jī)械臂 通過對機(jī)械臂各 方面的受力分析及其三維建模和仿真 精確分析了機(jī) 械臂在不同工況下的受力情況 通過模擬求證了機(jī) 械臂在采摘過程中能保持穩(wěn)定的姿態(tài) 承受預(yù)期的負(fù) 載而無明顯變形或損壞風(fēng)險(xiǎn) 說明其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定 性設(shè)計(jì)合理 例如 采用高強(qiáng)度輕質(zhì)材料并優(yōu)化其截 面形狀和連接方式的機(jī)械臂 在仿真中展現(xiàn)出良好的 性能 可證明該設(shè)計(jì)思路正確 夾爪 夾爪的結(jié)構(gòu)合理 性體現(xiàn)在對葡萄的抓取效果上 三維建?？蓽?zhǔn)確呈 現(xiàn)夾爪的形狀 尺寸及與葡萄接觸的方式 若仿真顯 62 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程 2025 年 示夾爪能輕柔且牢固地抓住葡萄 不會對葡萄造成過 度擠壓或損傷 同時(shí)能適應(yīng)不同大小和形狀的葡萄 便說明夾爪的設(shè)計(jì)在采摘功能上是合理的 像采用 柔性材料或可調(diào)節(jié)式夾爪結(jié)構(gòu) 經(jīng)模擬驗(yàn)證能有效降 低果實(shí)損傷率 提高采摘成功率 2 運(yùn)動性能優(yōu)化 機(jī)械臂運(yùn)動軌跡 借助仿真 可規(guī)劃出機(jī)械臂最優(yōu)化的運(yùn)動軌跡 使其在采摘過程 中能以最短的路徑 最快的速度到達(dá)目標(biāo)葡萄位置 且避免與其他部件或葡萄藤發(fā)生碰撞 這不僅提高 了采摘效率 還減少了設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)和對葡萄園的破 壞 夾爪開合動作 對于夾爪的開合動作 通過模擬其 在不同速度和力度下的表現(xiàn) 可確定最佳的開合參 數(shù) 如能快速準(zhǔn)確地開合 以實(shí)現(xiàn)高效采摘 同時(shí)保 持穩(wěn)定的抓取力 確保葡萄在運(yùn)輸過程中不會掉落 3 整體協(xié)同性 部件間配合 三維建模和仿真 能全面展示機(jī)械臂 夾爪與其他部件如傳動系統(tǒng) 控 制系統(tǒng)之間的配合關(guān)系 若各部件在模擬運(yùn)行中能 無縫銜接 協(xié)同工作 實(shí)現(xiàn)采摘 運(yùn)輸 存放等一系列 動作的流暢進(jìn)行 證明整個(gè)葡萄采摘機(jī)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 具有良好的整體性和協(xié)同性 系統(tǒng)穩(wěn)定性 從整體系 統(tǒng)角度看 經(jīng)過長時(shí)間的仿真運(yùn)行 若機(jī)器的各項(xiàng)性 能指標(biāo)保持穩(wěn)定 未出現(xiàn)明顯的卡頓 失控或異常磨 損等情況 說明其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在長期運(yùn)行中具有可靠 性 能適應(yīng)實(shí)際采摘作業(yè)的高強(qiáng)度和長時(shí)間需求 通過三維建模和仿真對葡萄采摘機(jī)器的機(jī)械臂 夾爪等結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析 可全面評估其合理性和性能表 現(xiàn) 為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用提供有力依據(jù) 有 助于提高葡萄采摘的效率和質(zhì)量 推動葡萄采摘機(jī)械 化的發(fā)展 參考文獻(xiàn) 1 田輝 張駐軍 王玲 等 果蔬采摘剛度增強(qiáng)型軟體抓手設(shè)計(jì)與試 驗(yàn) J 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 2021 42 10 1 6 2 楊皓天 萬騰 葡萄采摘機(jī)械臂的藤蔓避障功能與防纏藤研究 J 農(nóng)機(jī)化研究 2022 44 10 19 24 3 陳俊丞 基于 OS 的智能草莓采摘機(jī)器人設(shè)計(jì) D 南充 西華 師范大學(xué) 2022 4 王麗麗 番茄采摘機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究 D 北京 北京工業(yè)大 學(xué) 2017 5 張鵬 唐秋宇 陳靈方 等 果蔬采摘機(jī)器人研究現(xiàn)狀與進(jìn)展分析 J 南方農(nóng)機(jī) 2023 54 7 9 12 6 劉繼展 溫室采摘機(jī)器人技術(shù)研究進(jìn)展分析 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2017 48 12 1 18 7 XIONG Y GE Y Y G IMSTAD L et al An autonomous strawberry harvesting robot design development integration and field evaluation J Journal of Field obotics 2020 37 2 202 224 8 李健 戴楚彥 王揚(yáng)威 等 面向草莓抓取的氣動四葉片軟體抓手 研制 J 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2022 54 1 105 113 9 我國草莓采摘機(jī)器人研究獲多項(xiàng)突破 J 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用 2013 3 45 10 姬麗雯 劉永華 高菊玲 等 溫室草莓采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)與試驗(yàn) J 中 國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 2023 44 1 192 198 11 諶穩(wěn)帥 水果采摘機(jī)器人采摘及跟隨收集系統(tǒng)的研究 D 上海 上海大學(xué) 2021 72第 63 卷第 6 期 白雪軍 等 一種高效葡萄采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)與優(yōu)化