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一种苹果采摘机械臂末端夹持机构的设计与分析一种苹果采摘机械臂末端夹持机构的设计与分析温玉春1，郭秀珍1，范海（1.内蒙古机电职业技术学院，内蒙古呼和浩特0 1 0 0 7 0；2.赤峰启辉铝业发展有限公司，内蒙古赤峰0 2 4 0 0 0）【摘要现如今智能化果实采摘已成为趋势，它能够极大地提高生产效率，推动我国苹果产业更快更好的发展。末端夹持机构是苹果采摘机械臂的一个重要组成部分，直接和果实接触。本文通过对某地区苹果进行数据调查，提出了一种末端夹持机构，完成了夹持器的整体结构设计、零件的强度校核及应力分析。【关键词苹果采摘；末端夹持机构；应力分析中图分类号】TH122D0I:10.16640/ki.37-1222/t.2023.04.005【文献标识码A【文章编号】1 0 0 6-7 52 3（2 0 2 3）0 4-0 0 2 8-0 5构进行设计，其设计和分析流程如图1 所示。引言苹果是我国生产的主要果品之一，在苹果收获方面，我国依然停留在人工作业水平上。人工采摘不仅效率低，还增加了果农的效益支出。随着大量的苹果种植、生产，仅靠人工完成采摘是不可能的，需要借助一定的辅助工具。基于此，苹果采摘机器人便应用而生，然而，苹果在采摘过程中，果实的质量直接影响其储存和后续的包装加工，从而对于市场价值和其所产生的经济效益有着直接影响，因此末端夹持器的设计尤为重要。一、末端夹持器机构的设计与建模本文针对内蒙古赤峰市松山区老府镇大乌良苏村的1 2 3 苹果进行研究和分析；对末端夹持机分析苹果参数夹持机构设计与建模手掌驱动装置设计与分析静力学分析图1 设计思路流程图首先通过分析苹果的物理特性，建立苹果的三维模型；其次选择和设计出夹持机构的结手指收稿日期 2 0 2 2-1 1-2 9【基金项目】内蒙古机电职业技术学院科学研究项目：基于时延估计的声源目标定位研究（NJDZR2005）。【作者简介】温玉春（1 9 8 0 一），女，内蒙古机电职业技术学院机电工程系、副教授；郭秀珍（1 9 8 2 一），女，硕士，内蒙古机电职业技术学院机电工程系、讲师；范海（1 9 9 6 一），男，赤峰启辉铝业发展有限公司制造部，助理工程师。-28-山东工业技术2 0 2 3年第4期（总第312 期）构（模仿手型分为手掌和手指两部分）并建立表 2 苹果各部分材料参数 2 三维模型；然后根据末端夹持机构进行相应的弹性模量苹果组织(MPa)驱动装置的设计和分析；最后对机构进行静力果皮学分析。果肉1.苹果的物理特性分析2.夹持机构的设计与建模（1）苹果的物理参数。通过对内蒙古赤峰夹持机构模仿手的结构，分为手掌和手指两市松山区老府镇大乌良苏村的12 3苹果进行调部分。手掌采用圆盘形结构，手指采用腱传动机查，获得苹果的实际参数（质量和直径），如构。人手肌腱式手指机构由3个指关节构成，每表1所示。2个指关节通过一个铰相连，使用一根钢丝绳作表1苹果的实际几何参数为传送动力的腱，腱的一端固定在末端指关节上，指标最小值直径（mm)50质量（g)178（2）夹持力分析。苹果的抓取作为苹果采摘过程中的一个重要环节，在抓取过程中，要保证果实较小损伤的前提下稳定地抓住果实。因此，末端夹持机构的夹持力在整个采摘过程中起到尤为重要的作用。夹持力对果实的质量起到了决定性作用。苹果采摘时能够做到稳定抓取，必须满足几个条件：J3f=GLF一手指内侧与果实外表皮的摩擦力；G一果实的自身重力，取果实最大重力225g;从一手指关节内侧与果实之间接触面的静摩擦系数,取0.5;F一手指对果实的压力；根据苹果参数计算出手指对苹果的压力F1.5N，即夹住苹果的最小夹持力是1.5N。（3)苹果的三维模型参数。根据调查和分析，苹果主要由果皮、果肉和果核三个部分组成。包裹住整个果实的表面是果皮，与果皮内部接触的是果肉，中心是果核，考虑到果核距离受力点较远，夹持力对于果核的影响可忽略。因此，本文中只考虑将苹果分为果皮和果肉两部分。果皮和果肉由同属性的同一物质组成，唯一不同的是两部分的力学特性，每部分的弹性模量、破坏应力、泊松比 2 如表2 所示。破坏应力(MPa)11.60.464.30.31平均值最大值7080206225泊松比0.350.35另一端连接到动力装置上 3。每个手指关节之间安装一个圆柱扭转弹簧，用于力的传递，从而实现每个指节的弯曲，完成苹果的抓取。手指采用三手指九关节九自由度结构。根据表1调研结果显示，苹果的最大直径为80mm，因此，每个手指的总长度设计为8 0 mm。每个手指有3个关节，由于关节长度不一，所以根据指关节距离手掌的远近分别定义为指关节1、指关节2、指关节3。指关节1为距离手掌最近的关节。机构设计时遵循手指各指节的长度比例近似符合人手指节的长度比例原则，各指关节参数如表3所示。表3手指关节参数表关节活动角范围指关节1指关节2 指关节3总长手指0-90根据表1数据显示，果实直径范围在50 mm80mm，所以手掌采用最大抓取直径8 0 mm，即手掌直径为8 0 mm；三根手指以12 0 的夹角均匀分布在手掌上，三维模型如图2 所示。手掌、手指及苹果模型如图3所示。指节的材料选用铝合金1060，合金材质较轻；各指节宽度18 mm；各指节厚度8 mm；为保证在抓取过程中降低果实的损伤率，决定在手指内测覆盖一层橡胶，橡胶材质质地较软，可有效地减少果实的损伤。二、驱动装置的设计驱动装置主要针对末端夹持机构进行设计，拉动手指来完成苹果的抓取。实现苹果的抓取动作需要夹持机构和驱动装置配合完成。本文设计-29-单位:mm30262480的手指采用1个驱动电机来完成整体的驱动，即采用一台电机驱动三个手指的转动，称为欠驱动。手掌、手指及各个手指关节之间通过螺杆和螺母连接，每个关节之间的螺杆上放置圆柱扭转弹簧，从而约束其自由度。因此，需要9 个圆柱扭转弹簧，圆柱扭转弹簧连接一根键绳，用电机带动减速锥形齿轮，锥形齿轮轴上设置键绳槽，键绳固定缠绕在轴上，拉动键绳以带动指关节连动，从而实现抓取苹果的目标。一种苹果采摘机械臂末端夹持机构的设计与分析图2 手掌的三维模型图图3夹持手爪及苹果模型图型号步距角42BYGH56-401A1.8初步设定锥齿轮大端模数为1.5，传动比为2，压力角为2 0，不根切时主动轮最少齿数是13，齿数范围在10 40，为了啮合平稳，噪音小且疲劳强度较高，主、从动齿轮齿数之和不少于40，因此，本文设定主动轮齿数Z1为15，从动轮齿数Z2为30。通过设计、计算出主、从动轮的参数如表5所示。表5锥齿轮设计参数大端分度圆直径/齿宽/mmmm主动轮22.5从动轮45利用UG软件完成主、从锥齿轮动轮参数建立，生成锥齿轮并啮合，如图4所示。3.齿轮箱及机构架的建立齿轮箱用来承载和固定锥齿轮。锥齿轮在重-30-1.驱动方案的选择完成本控制可采用伺服驱动或步进驱动系统，伺服系统在价格上比较昂贵，而步进电机是一款性价比非常高的电机，得到人们的广泛运用，所以本设计选用步进电机，其型号类型如表4所示。2.锥齿轮的选择与建模锥齿轮实现两个功能：实现方向的转换和充当减速器（小齿轮带动大齿轮转动，起到减速效果）。本文选用的锥齿轮类型为正交传动锥齿轮，轴交角为9 0。表4步进电机型号及参数保持转矩驱动器工作电压1.2 N m24V量上相对较小，因此齿轮箱的材料设定可以与手部零件的材质相同，也为10 6 0 铝合金；材料厚度5mm；箱体大小6 6 mm61 mm62mm。机构架用来实现与齿轮箱的连接，并且承载电机，材料设定为10 6 0 铝合金；材料厚度5mm。用UG造型软件建立各组件的三维模型，约束零件位置并完成装配，如图5所示。分锥角/926.3354963.6646额定电流3.0A图4齿轮箱机构架图重量电机转速0.7 Kg1000 r/min图5夹持机构组装图山东工业技术2023年第4期（总第312 期）分析，夹持力分别取10 N、2 0 N、30 N、40 N、三、静力学分析50N、6 0 N、7 0 N、8 0 N、8 5N，在不同夹持力作用下分别对果肉和果皮进行分析，分析其损1.苹果的静力学分析伤情况，果肉和果皮的静力学分析部分情况如为保证苹果在采摘过程中的质量，减小机图6 所示。构对果实的损伤，本文在夹持力上进行了分析，根据不同夹持力得出果皮与果肉的最大应在施加约束与不同载荷的情况下，对果实进行力、应变变化情况，如表6 所示。slmlSolution1sientSolution1SubcaxeStatc Londs 1,onMes:0.100元：0.30 1,=N/mm*2(MPa):1.00e+0010:3010.2840.266:0.2510.2340.2170.2010.1840.1670:1500.1330.117N/mmotMPa(a)80N 时果肉的应图根据表6 的九组数据总结出以下结论：（1）果实的最大应力和最大应变会随夹持力的增大而增大。（2）当夹持力在8 5N时，果肉受到的最大应力为0.32 0 MPa，果皮受到的最大应力为0.332MPa；然而果肉的破坏应力为0.31MPa，果皮的破坏应力为0.46 MPa。显然，此时的最大应力已超过果肉所承受的范围，但依然在果皮能承受的范围之内。由此得出结论：果肉比果实先达到破坏应力。.sm:Soluton1Subcase-StatcLoads:l,110.0000:9.684E003=mm9.684E0038.877E-0038.070E-0037.263E-0036.456E-0035.649E-0034.842E:0034.035E-0033228E-0032.421E-0031.614E-0038.070E-004-20E+900(a)1指节位移变化图m2Solution1SubcaeStatc Londs1,tE.VonMiesVon Mises:0.0061,:0.045,#：N/mm 2(MPa)：0.0 2 1=0.30 3=#N/mm/2 0 MPa)1.000+0010.04450.3030.04130.2840.03810.2650:03490:245:0.03170.2260.02850.207.0.02530.1870.02210.1680.01890.1480.01570.1290.01250.1100.003X0.090061N/mma2(MPa)(b)80N时果肉的应变图图6 8 0 N时果肉和果皮应力和应变图果肉的N最大应力最大应变最大应力最大应变100.0367200.0753300.1129400.1505500.188600.226700.263800.301850.320A_sim1:Solution1SubcaseSatieLonds i1Von Mises:0.01,：2 6.2 4:=Nmm=2(MPs)26.2424.0621.8719.6817.5015.3113.1310.948.756.574.382.20N/ma2(MPa)(b)1指节应变图sm2:Soluton1onMse0.04780.04430.04070.03720.03370.030z0.02660.02310.01960.01600.01250.0090.N/mma2(MPa)=N/mm2(MPa)(c)80N时果皮的应力图(d)80N时果皮的应力图表6 果实的最大应力、应变变化情况表夹持力/果肉的0.005560.011120.01670.02220.02780.03330.03890.04450.0472Sutcase-Soic Loads 1,12_sin1:Soluton10.00+0005.71E003,=mmm:0.01.:18.25,=N/mm2(MPa)VonMie5.713E-00318：2 55.237E-0316.734.761E-00315:214.285E-00313.693.800E-00312.173.32E-00310.652.85E:0039.132.380E:0037.611.904E-0036.091.428E-0034.57.9.521E:0043.054.761E-0041.53Nmh-2(MPa)(c)2指节位移变化图(d)2 指节应变图-31-果皮的0.03790.07590.11380.15170.1900.2280.2660.3030.322果皮的0.005970.011940.01790.02390.02990.03580.04180.04780.0508一种苹果采摘机械臂末端夹持机构的设计与分析_sm1:SSubcaseStatceLopdst0.04+00,:5,455E-003,=mm.VonMisesSubcaseStaticLoads 1,0.000E+000,:2.126E-004,=mmSutcasn-Saitc Lnds,.NonMoe5.455E:0035.001E-0034.546E-0034.092E-0033:637E-0033:182E-0032.726E-0032.273E:0031.818E-0031,364E-0039.092E-0044.5456-004990E+000(e)3指节位移变化图（3）在某种情况下，苹果采摘过程中，果实的表面没有受到损伤，而果肉已经损伤，需注意夹持力的把控，所以设置夹持力上限为8 0 N。2.夹持机构的静力学分析当夹持力达到最大时，最脆弱的地方为指关节的连接处。为确保在手指动作时，材料的强度不会影响到机构的运动，对手掌及各指节进行静力学分析，各指节在受到8 0 N的应力时其位移变化和应变如图7 所示。通过对夹持机构的静力学分析可知，各组件21.00:19.2517.5015.75140012.2510.508.757.005.253:501.75N/m2(MPa)(f)3指节位移变化图图7 夹持机构位移图和应变图的最大应变均小于其材料的屈服强度，所以机构材料及设计在强度上没有问题，符合设计要求。四、结论本文中所设计的手指采用三指三指节，三指比二指在抓取果实时更加稳定，可靠性较高；在驱动方式上采用步进电机欠驱动方式，节约成本；采用以单片机为核心的控制系统，可以对苹果的大小进行判断，为后期的苹果分栋奠定基础。该产品若研发成果，适用于夹持分抹6 8 厘米的12 3苹果，为苹果的采摘和分栋工作节省人力、物力及时间。2.126E-0041.948E-0041.771E-0041.594E-0041-417E-0041.240E-0041.063E-0048.856E-0057.0BSE-0055.314E-0053.543E-0051771E:0050:000E+000mm()近指节位移变化图11.57610.6119.6478.6827.7186.7535.7884.8243.8592.8941.9300.965=N/mma2(MPa)(h)近指节位移变化图【参考文献】1张麒麟，苹果采摘机器人末端执行器的设计与研究 D.南京农业大学,2 0 11.2刘鹏莉，苹果采摘机器人的设计与研究 D.西安理工大学,2 0 18.3崔鹏，苹果采摘机器人末端执行器的设计研究 D.中国农业机械化科学研究院，2 0 10.Design and Analysis of The End Holding Mechanism of an Apple Picking Mechanical ArmWEN Yu-chun,GUO Xiu-zhen,FAN Hai?(1.Inner Mongolia Technical College of Mechanics&Electrics,Hohhot 010070,China;2.Chifeng Qihui Aluminum Development Co.,Ltd,Chifeng 024000,China)Abstract:Intelligent fruit picking is the development trend of the modern world,it can improve the productionefficiency a lot and promote apple industry greatly in our country.End holding mechanism is an important part of theapple picking robot that is in direct contact with the fruit.A kind of end clamping mechanism was developed in thisproject,it based on the data survey of apples in a certain area.And the structure design of the gripper,the strengthcheck of the parts and the analysis of stress were completed.Key Words:apple picking,end holding mechanism,analysis of stress-32-