五自由度机械手臂功能原理设计与仿真

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1、五自由度机械手臂功能原理设计与仿真1引言目前在我国林果产业快速发展的同时，林果种植机械化水平较发达国家相比还很落后。林果产业生产环节的修枝、植保、施肥、采摘等机械作业难题较突出。其中果园喷施农药80%是依靠人力完成，剪枝机械化作业几乎为零，劳动强度非常大，而发达国家喷施农药机械化率已达95%，剪枝机械化作业率为100%，所以农民迫切需要解决林果生产环节机械化作业水平低、劳动强度大、人工作业成本高、作业质量差等问题。国内在农业机器人方面的研究始于20世纪90年代中期,相对于发达国家起步较晚。但不少院校、研究所都在

2、进行采摘机器人和智能农业机械相关的研究。我国是一个农、林业大国，实现农林机械化生产的意义重大。油茶树因其种子可榨油(茶油)供食用，故名油茶。茶油色清味香，营养丰富，耐贮藏，是优质的食用油，也可作为润滑油、防锈油用于工业。茶饼既是农药，又是肥料，可提高农田蓄水能力和防治稻田害虫。果皮是提制栲胶的原料。叶部含有花黄素、茶碱等，是医药工业的原料。具有很高的经济效益。目前油茶果树的采摘主要是依靠人力，这大大增加了果农的负担，而且人工采摘的效率低下，油茶果的采摘期大概有一个月左右，对于大面积种植油茶果树的果农来说，油茶果的

3、采摘，就成了一个让人头疼的问题。对于林果采摘机械手臂的研究不仅是和国际接轨的要求，更是国内市场的强烈需求。本课题试图运用功能原理的求解方法，发散思维，创新结构设计，并通过计算机仿真软件对最终方案进行虚拟样机仿真研究，根据机械运动系统方案建立仿真用虚拟样机三维装配模型，仔细研究其约束条件、和初始输入数据，在成熟的虚拟样机系统中进行运动学和动力学仿真，检验方案的可行性，并查找方案的潜在问题加以修正，直到得到较满意的结果。第25页五自由度机械手臂功能原理设计与仿真2设计要求与计划2.1设计要求2.1.1功能性要求机械

4、臂要能够采摘树冠尺寸直径为3米，高3.5米以内的所有油茶树上的油茶果实（直径约4.5cm），其运动要灵活自如，响应要快同时稳定性要好。不破坏油茶树的树枝，不伤油茶树的花蕾。2.1.2适应性要求可用于在基本尺度内各种树冠形状的油茶树油茶果的采摘，适应大小范围在20mm-60mm的所有油茶果的采摘。。2.1.3方案求解的要求综合应用机械设计学、设计方法学、创造性设计工学中的功能原理设计求解方法（功能分析法、形态分析法及各种创造技法等），求解的范围要尽量广泛，力争产生创新性功能原理方案。2.1.4方案评价要求方案评价要

5、兼顾效率和质量，综合应用简单评价法和技术经济评价法进行评价。2.1.5方案表达要求主要预选方案要用功能原理方案简图和文字说明同时表达。最终方案还要通过机械运动系统方案设计用传动系统图和总体布置示意图来表达。2.1.6安全保护在进行功能原理设计时应考虑系统工作时的各种状态以确保整个系统能在多种环境下稳定工作。2.1.7仿真要求使用带ADAMS求解器的虚拟样机系统或Pro/e的机构、动画仿真模块：如MSC公司的ADAMS系统或VISUALNASTRANDESKTOPE系统进行运动学动力学仿真。并认真研究输入条件，力求

6、使仿真数据接近实际。第25页五自由度机械手臂功能原理设计与仿真2.2设计计划1首先网上、图书馆收集相关资料。了解机械手臂的相关技术知识，与发展前沿，为自己以后的方案设计提供参考。2到油茶林现场调查，了解油茶树的生长状况以及机械手臂在采摘果实的过程中可能出现的各种问题。3功能分析与功能原理求解按机械设计学中功能原理设计理论用黑箱法描述总功能并进行功能分解，按各子功能综合应用设计方法学中的设计目录法，物理效应求解法，创造性设计工学中的各种创造技法求解各子功能的解法原理。4功能原理方案的构成与方案评价筛选：用形态分析

7、法（形态表）构成尽可能多的功能原理方案，不下于100种可能性，用简单评价法进行方案的初步评价，筛选出3到4个较理想方案，画出其功能原理方案简图。再用技术经济评价方法对这3到4个方案进行最后评价，得出1到2个最理想的方案。5机械运动系统方案设计对所选出的功能原理方案进行机械运动系统方案设计，画出运动循环图、传动系统图，必要时画出工作原理的三维轴测图。6对最终方案进行虚拟样机仿真研究根据机械运动系统方案建立仿真用虚拟样机三维装配模型，仔细研究其约束条件、和初始输入数据，在成熟的虚拟样机系统中进行运动学和动力学仿真，检

8、验方案的可行性，并查找方案的潜在问题加以修正，直到得到较满意的结果。7整理结果准备答辩整理设计资料，其中包括不少于10张的工程图（仿真模型的轴测图、机械系统传动方案简图、功能原理方案简图、传动系统图等）；保存仿真结果和仿真动画；将设计说明书中用到的各种表格以及插图按照国家有关标准进行修改，书写设计说明书，准备答辩。第25页五自由度机械手臂功能原理设计与仿真3功能原理设计