棉花采摘机械手机构设计及参数优化

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1、2015年3月农机化研究第3期棉花采摘机械手机构设计及参数优化张玉磊，王维新，马本学，李霞，张巍，丁平平(石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子832000)摘要:针对国内棉花采收存在的问题，提出了运用棉花采摘机械手代替人工和采棉机采收的方法。在对棉花农业特性及收获特性分析的基础上，结合新疆棉花种植模式以及棉花采摘要求，遵循机械手设计原则，设计了一种5自由度多行采收的关节型棉花采摘机械手。为使机械手能够高效灵活地收获目标空间棉铃，尽可能减小机械臂的操作空间和结构尺寸，结合采摘对象棉铃的生长分布空间和作业要求，分析了在给定空间下的

2、设计变量、优化目标和约束条件，建立了优化设计的数学模型，并利用MatLab优化工具箱进行编程，实现了棉花采摘机械手的机构参数优化。关键词:棉花;采摘机械手;机构设计;工作空间;优化设计+中图分类号:S225．911;TP242文献标识码:A文章编号:1003－188X(2015)03－0142－04DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.03.035综合棉花空间分布情况以及机械手实际工作空间，对0引言机械手结构尺寸参数进行了优化设计。2我国是种棉大国，种植面积稳定在533．33万hm1棉花采摘机械手机构设计［

3、1］左右。棉花采收一直是制约棉花发展和经济效益提高的重要因素之一。我国棉花的采摘方式主要为1．1目标采摘区域与对象分析人工采摘和采棉机采摘。人工采摘效率低、劳动强度对新疆建设兵团农八师149团棉花生长状况和棉大、采摘成本高、对身体伤害大;采棉机采摘虽然效率株形态及种植环境进行调研。结果表明:棉株高一般高，但其成本太高，采摘质量低，对棉花农艺技术要求为(700～750)mm，株行距配置为(100+660+100)高，适合采摘品种单一、生产规模大、纤维长、成熟期mm，株距为95mm。成熟的棉铃因光合作用大部分盛集中等特点的棉花。而我

4、国棉花种植地域辽阔、规模开方向为向上，吐絮的棉花通常由3～5瓣籽棉组成，不一，新疆采用集约经营方式，生产规模比较大;而内各棉籽瓣独立依附于棉壳上，棉铃基本上均匀地分布陆采用的是粗放、分散的经营方式，规模小、品种多、在整个棉株上;棉铃高度基本在(200～750)mm之纤维短、收获期长，使得机械化采棉有可能在新疆大间，单行棉株前后分布在300mm范围内，相距100mm［2－3］规模实施外，在广大内陆产棉区是很难实施的。的两行棉株前后分布在400mm范围内。根据调研结因此，开发一种适合我国棉花种植情况、采棉速度快、果最终确定y－z面相

5、邻两行植株的采摘区域为图1质量高的棉花采摘机械手具有广阔的市场应用前景。所示的ABCD矩形区域，宽400mm，高550mm。农业采摘机器人的作业环境特殊，作业对象复1．2棉花采摘机械手机构设计杂，对机械手的结构要求很高。直接购买现有的工业棉花采摘机械手的机构设计与其作业对象和作业机械手，很难达到理想的采摘效果。针对这种情况，环境密切相关。其作业对象是棉花，体积小、质量轻;本文根据新疆建设兵团农八师棉花栽培模式下采摘机械手结构尽可能紧凑、简单、轻巧，而且应具有拟合目标的空间分布特征，基于棉花的农艺特性，在分析空间任意曲线的功能。棉

6、花采摘机械手既要遵循工其生长和采摘特性的基础上，对棉花采摘机械手进行业机械手的基本原则，又要考虑其工作的特殊性，由了机构设计，建立了机械手参数优化的数学模型，于棉花在棉株上的分布具有随机性，且茎、叶多且杂，使棉花采摘机械手的作业环境比较复杂。因此，棉花收稿日期:2014－04－11采摘机械手手臂采用易于灵活定位且避障能力强的基金项目:国家自然科学基金项目(51365050)作者简介:张玉磊(1987－)，男，河南唐河人，硕士研究生，(E－mail)关节型结构最为合适。123zhang_yu_lei@sina．com。棉花采摘机械

7、手确定为关节型结构之后，还要确通讯作者:王维新(1958－)，男，山东潍坊人，教授，硕士生导师，(E－mail)weixin_wang@126．com。定其自由度数目以及运动方式。自由度越多，灵活性·142·2015年3月农机化研究第3期［5］越好，但会增加机构的复杂性和控制难度;自由度过何参数决定，而其主连杆的结构参数主要包括各臂少，虽然可以使机械手的结构简化，但将不能完成预的长度、关节转动范围等。因此，棉花采摘机械手的［4］定的工作。通常情况下，6个自由度可以实现机械机构参数优化设计主要是确定主连杆机械臂长度和手末端执行器在

8、空间的任意位姿，但在实际应用中，关节转动范围，在满足采摘要求情况下，使尺寸尽可［6］机械手的自由度数目与机械手采摘对象的特性、作业能小。方式、作业环境等关系密切。由于棉花采摘机械手的本机械手在伸缩杆没有伸长时，采摘M区域棉采摘对象棉花每一朵由3～5瓣籽棉组成，而