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1、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
2、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
3、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。2 设计要求与计划2.1设计要求2.1.1 功能性要求机械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
4、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：
5、如M SC公司的ADAMS系统或VISUAL NASTRAN DESKTOPE系统进行运动学动力学仿真。并认真研究输入条件，力求使仿真数据接近实际。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
6、：用形态分析法（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、。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。3 功能原理设计机械产品的设计视情况不同大体可以分为三种类型，见表1_1所列类型含 义占设计总数比例开发性设计在工作原理，功能结构等完全未知的情况下，运用成熟的科学理论或经过试验证明可行的新技术，设计出过去没有的新型机械 约25%适应性设计在工作原理、功能结构基本保持不变的前提下，对产品作局部的变更或新设计少数零、部件，以改变产品的某些性能或克服
8、原来的某些明显缺陷 约55%变型设计在工作原理、功能结构都保持不变的前提下，仅对产品作尺寸大小或布置方式的改变，以适应于量的变化，而且也不出现诸如材料、应力、工艺等方面的新问题 约20% 表2_1本课题属于一种开发性设计，所以工作原理、功能结构都是未知的，我们的目的是通过功能分析来创新结构设计。3.1 功能原理分析3.1.1机械系统的概念一切机械设计对象即机械产品，都可以理解为一个由若干功能元件有序结合而成、通过输入和输出与外部环境相联系并具有特定便捷的人工系统，成为机械系统。用机械系统的概念来描述和研究机械产品，则不论产品的名称或类别如何，即不论是机器、仪器、设备、装置还是机床、汽车、水泵、
9、绘图机等等，都可以一律视为具有某些共同规律的系统。在设计工作之初，因对系统的具体结构尚不清楚，故常用“黑箱图”的方式来加以抽象描述。能量、物料、信息构成了机械系统的输入和输出三要素。通常这三个要数在机械系统中从输入到输出都会随着时间而变化，故成为能量流、物料流、信息流。机械系统的功能，就是把从外界接受到的一定类型、形式和大小的能量、物料和信息，在系统中传递或转换成另一种类型、形式和大小的能量、物料和信息。在大多数机械系统中，能量流、物料流、信息流同时存在，只是主次不同而已。通常所谓的动力机械如内燃机、电动机、发电机、压气机等，以能量转换为主；工作机械如机床、包装机、收割机、搅拌机以及汽车、起重
10、机、传送带等，以物料转换为主；信息机械如打印机、绘图机、录像机等，以信息转换为主。这些为主的转换过程与该机械系统的目的功能密切相关，是设计工作中需要重点考虑和解决的问题。3.1.2 功能原理设计功能是指系统将输入转换为输出的能力，是对输入和输出转换的抽象化描述。美国人迈尔斯于1947年首次提出“用户购买的不是产品本身，而是产品所具有的功能”,明确了“功能”是研究开发、创新产品的本质与核心。功能原理设计分类1 简单动作功能 由两个或两个以上的具有特殊几何形状的构件组成，利用它们形体上的特征，可以实现互相运动或锁合的动作。 解法：几何形体组合法2 复杂动作功能 以采用常用基本机构为主，其设计已有很
11、成熟的理论和经验，以形体来实现功能。主要要用形象思维、视觉思维和动作思维。 解法：基本机构组合法3 工艺功能 1 S1主体，S2客体，F场 a. F、S1搜寻； b. 完善； c. 增加； d. 变换 2 工艺功能要考虑两个重要因素： 一是采用哪种工艺方法； 二是工作头采用什么形状和动作。 3 工艺功能的特点： 工作头的形状、运动方式和作用场完成工艺功能的三个主要因素。 4 解法：物场分析法4 关键技术功能 1 特点：由于特殊的工作条件（约束）或特殊的使用要求，用常规技术或已有技术难以达到的技术难点，或是别人目前尚难以实现的技术高度，总的来说它的技术要求高，而解决的方法也往往是出奇制胜。 2
12、产品中的关键技术主要与以下几个方面有关： 材料、制造工艺、设计。 3 解法：技术矛盾分析法5 综合技术功能 1 特点：在某些特定的条件下，采用广义物理效应，有可能实现比纯机械方法更好的动作或工艺功能，但并不强调全部可以代替机械功能许多场合纯机械的动作和工艺功能还是特别简单可靠的，没有必要用更复杂的广义物理效应支代替。 2 物理效应：力学效应、热力学效应、流体效应、电磁效应、光声效应。 3 解法：物理效应引入法3.1.3 设计创造流程认识需求创意：新颖性目标界定问题求解构思：创造性分析选优评 价决 策实现：合理性表 达实 现3.1.3.1 认识需求 有时仅仅是一种含糊的不满，一种不舒服的感觉，或
13、者仅是一种对某些事物感到不对的感觉。总之需求常常是不明确的对需求的认识常常由相反的情况触发的，是由一种随机产生的事件引发的。3.1.3.2 目标界定 把需求限定在附加种确定的方面，并限定满足需求的一些特殊的技术要求和特性。3.1.3.3 问题求解 把各种可能的解法尽可能多地收集起来，供下一步分析比较，尽可能避免把也许是最好的解法遗漏掉。3.1.3.4 分析选优优化处理，尽可能把各种解法的缺点加以克服，把优点加以突出，以便在下一步做出合理评价，千万不要有先入之见，过早地把个人偏见放入分析过程去往往是有害的。3.1.3.5 评价决策 挑选有实际前途的解法，挑选出几个最有希望的解法作进一步的分析和试
14、验。 在决策中采取种种保护措施，以便在情况变化时能及早转向，避免钻牛角尖，当然也要注意不要经不起风吹草动，轻易甩掉一个正确的方向。3.1.3.6 表达设法把自己闪光的创新构思向有关领导、同事或合作者说明，使他们理解、惊喜，直至感兴趣，以使他们支持你，赞成将这个创新构思设计付诸实施。设计表达的三种方式：写、说、画3.1.3.7 实现设计不同于艺术创作的主要区别或者说难点就是必须要以物质形式来实现预想的机械功能。在功能原理设计阶段，实现的手段是模型或原理样机；在实用化设计阶段，实现的手段是实用样机；在商品化设计阶段，实现的手段就是产品样机；实现的最后标准是市场，市场是检验设计成功与否的唯一标准。3
15、.2 功能分析3.2.1功能要求机械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。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。伺服电机、液压刚旋转 支撑伺服电机、滚珠丝杆伸缩刀片剪切采摘梳齿梳理电动机、液压马达动 力 源机械手臂齿轮、连杆、皮带、链轮、槽轮传 动动 力光电开关、行程开关信号采集控 制PLC、继电器控 制 图3_1 功能分解图机械能、热能、气能、电能林果采摘机械手臂 采摘下来的果实果树控制信号噪声
16、热图3_2 林果采摘机械手臂总功能的黑箱描述3.2.2系统方案该系统的功能为复杂动作功能，即通过一系列现有的机构连接实现最终的摘取动作。考虑到其功能方面的要求该系统至少要包含三个主要部分：1地面行走部分；2 机械传动部分；3 工作头（采摘头）。其次机械手臂要能在空间内运动自如，且能够满足采摘位置的要求，初定系统自由度不低于五个。3.2.2.1地面行走部分方案设计传统行走方案大部分采用车轮式，但考虑到油茶果生长环境，我们也可以考虑采用履带式。由于本课题主要侧重于机械手臂即机械传动部分的研究，对于地面行走部分的设计我们可以参考有关资料，直接选用。3.2.2.2机械传动部分方案设计1对于机器人机械手
17、臂我们通常采用开式链的传动机构，为了满足系统工作要求我们采用关节式的机械手臂、柱坐标形式机械手臂、以及二者相结合这样三种形式，针对三种不同的传动方案，分别做出传动示意图如下：第一种：图3_3第二种：图3_4第三种：手臂采用柱坐标形式；图3_5第四种：图3_63.2.2.3 工作头方案设计人工采摘果实时无非通过两种方法，一种是借助工具将果实从枝叶上剪下来，另一种是直接用力将果实从枝叶上扯下来。工作头的最终效果是将果实采摘下来，为达到这一效果，我们可以采用很多装置通过剪切、扭断、拉扯等动作将果实采摘下来。经过实地观察油茶果的生长状况发现，油茶果的果实非常密集，采用剪切方式难度较大，而且剪切方式的效
18、率非常低，综合考虑我们决定用直接的物理作用将果实从枝叶上“扯”下来，具体方案是采用一种带有梳齿的机构，通过梳齿将果实从枝叶上梳理下来。采用这种方式可以大大提高果实的采摘效率。通过控制梳齿的间隙和机构的运动速度，可以适应不同大小的果实的采摘以及最大程度的保护枝干与果实。根据梳齿的动作有两种设计方案可供选择，一下分别作出两种方案的示意图：方案一：往复式，通过液压缸驱动梳齿，配合以机械臂的动作将果实从枝叶上“梳理”下来。具体结构如下图图3_6另外一种方案跟前面两种有所不同，它不是利用梳齿将果实“拉扯”下来，而是通过相对运动的两片切齿，将果实从枝叶上剪切下来。具体结构见下图图3_7考虑到工作头在工作时
19、有一定的位置状态要求，我们必须保证工作头处在一个合理的位置进行采摘，即工作头的梳齿旋转轴必须要与树干的生长方向垂直，这样才有利于采摘，这就要求我们的工作头能够灵活的调整自己的位置，为此我们在手臂与工作头之间必须要加入一个关节，使系统遇到特殊状况（路面不平或者树木生长歪斜）时调整工作头的姿势，此关节可以有多种形式，组合或单一的都可以，只要能够起到调整执行机构的姿态就可以。4 系统方案建模4.1 Pro_E软件介绍美国PTC公司（parametric Technology Corporation,参数技术公司）于1985年在波士顿成立。自1989年公司上市伊始，即引起机械CAD/CAE/CAM界的
20、极大震动，其销售额及其净利润连续50个季度递增，每年以翻番的速度增长。PTC公司已占全球CAD/CAE/CAM市场份额的43%，成为CAD/CAE/CAM/PDM领域最具代表性的软件公司。Pro/ENGINEER软件产品的总体设计思想体现了机械CAD软件的发展趋势，在国际机械CAD软件市场上已占有领先地位。Pro/ENGINEER目前有多个专业模块，涉及工业设计、机械设计、功能仿真、加工制造等方面，为用户提供全套解决方案。4.1.2 Pro/ENGINEER软件特点PTC公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关及工程数据再利用等概念改变了机械CAD的传统观念，这种全新的概念已成为当今世界
21、机械CAD领域的新标准。利用此概念写成的第三代机械CAD产品Pro/ENGINEER软件能将产品从设计到生产的过程集成在一起，让所有的用户同时进行同一产品的设计制造工作，即所谓的并行工程。Pro/ENGINEER是基于特征的全参数化软件，该软件所创建的三维模型是一种全参数化的三维模型，“全参数化”有三层方面的含义，即特征截面几何的全参数化、零件模型的全参数化以及装配体模型的全参数化。零件模型、装配模型、制造模型以及工程图之间是全相关的，也就是说，工程图的尺寸被更改之后，其父零件模型的尺寸也会相应更改；反之，零件、装配或制造模型中的任何改变，也可以在其相应的工程图中反映出来。4.1.3 Pro/
22、ENGINEER系统配置文件用户可以利用一个名为config.pro的系统配置文件来预设Pro/ENGINEER软件的工作环境和进行全局设置4.2仿真流程Build AssemblyConstraintsLoadsCollisionRun图4_14.2.1 建立模型4.2.2 设置工作环境启动Pro/ENGINEER，进入工作界面。为方便以后的建模，对工作环境进行如下设置：（1） 创建自己的文件夹，命名为xiebochong（2） 设置Pro/ENGINEER的工作目录。将工作目录设为自己的文件夹，这样自己的文件夹即成为系统启动目录。（3） 设置Pro/ENGINEER当前环境。在“工具”菜单
23、下点击“环境”，在弹出的“环境”对话框中设置Pro/ENGINEER当前运行环境的属性。4.2.3 创建模型在Pro/ENGINEER中，我们可以利用拉伸、旋转、剪切等多种工具进行三维实体建模。在建立模型时，我们考虑更多的是零件之间的关系，对于零件的一些细节我们可以适当简化，因为我们是要做仿真，只要机构能反映出真实零件的运动特性，我们就可以用简化后的零件代替真实的零件。当所有零件模型建立好之后，在装配环境下对其进行装配。4.3 方案一建模按照前面章节所讲的步骤，启动PRO_E,设置工作环境。根据自己的方案设计做出零件模型、装配。装配好的结构如下图所示：图4_2图4_3方案一中我们主要采用的是液
24、压驱动元件，首先通过液压马达驱动转塔转动，让后同过液压缸的收缩，调整臂架以及工作头的位置，其中工作部分采用的剪切式工作头，主要结构是两片分离的齿刀，通过液压缸驱动一种的一片，形成相对运动，发生剪切作用将果实从枝叶上剪切下来。4.3 方案二建模图4_4图4_5图4_6方案二主要采用的是伺服电机与滚珠丝杠导轨组成，该系统采用的是带有梳齿结构的执行机构，同过私服电机驱动梳齿，将果实从枝叶山梳理下来，与执行机构相连接的部分采用伺服电机驱动工作头绕末端连杆轴线旋转，通过此连接可以保证工作头在工作时总能保持正对树干中心，方便采摘。4.5方案三建模图4_75 模型仿真5.1 Pro_E机构运动仿真的特点机构
25、是由构件组合而成的，而每个构件都是以一定的方式至少与另一个构件相连接。这种连接，即使两个构件直接接触，又使两个构件能够产生一定的相对运动。进行机构运动仿真的前提是建立机构，创建机构与零件装配都是将单个零部件组装成一个完整的机构模型，因此两者之间有很多相似之处。机构运动仿真与零件装配，两者都是在组建模式下进行。单击“插入”、“元件”、“装配”命令，调入元件后，弹出“元件放置”操控板。创建机构是利用操控板中的“预定义连接”列表选择预定义连接集，而零件装配是利用操控板中“用户定义的连接集”来安装各个零部件。由零件装配得到装配体，其内部的零部件之间没有相对运动，而由连接得到的机构，其内部的构建之间可以
26、产生一定的相对运动。在机械设计运动研究中，用户可以通过对机构添加运动副，使其随伺服电动机一起移动，并且在不考虑作用于系统上的力的情况下分析其运动，使用运动分析可以观察机构的运动，并测量主体位置、速度和加速度的改变。然后用图形来表示这些测量，或者创建轨迹曲线和运动包络。针对本课题，仿真分析主要是检验机构能否按照预期的轨迹运动，我们可以通过定义各个驱动电机的时间表，来控制系统的运动状态。检验系统在一些特殊位置时候的运动状态。仿真完毕后将运动仿真结果包括系统模型生成的轴测图，运动仿真生成的动画，以及屏幕截屏得到的图像都要保存。结 论通过仿真分析，以上三种方案都能达到我们预期的工作要求，当遇到假定的特
27、殊情况是都能一定程度的调整自己执行机构的工作状态，确保采摘工作的顺利进行。当然在仿真过程中我发现了很多问题，例如一开始自己对于一些零部件尺寸上的把握不是很准，还有就是在进行仿真建立连接的时候，自己对于一些定义不是太清楚，定义过后导致机构连接失败，或者不是按照自己的预期运动，导致整个仿真失败。还有一些机构虽然建立了模型，定义了连接，但由于控制要求太高，要想做出预期的运动轨迹难度很大，无法进行仿真，这样的机构在现实中是不符合经济性要求的。在仿真的过程中，我不断发现问题，解决问题，不断优化自己的结构设计，达到了此次毕业设计的目的。通过这次毕业设计，自己对于机械设计学有了更深一步的认识，而且练习使用了
28、Pro/E中的仿真模块，掌握了如何在Pro/E环境中进行机械结构的方案设计与仿真，这无疑会成为自己以后工作学习中的一个有力工具。参 考 文 献1 黄靖远，龚剑霞，贾延林主编.机械设计学.北京：机械工业出版社，2000.102 陈淑连，黄日恒编著.机械设计方法学. 北京：中国矿业大学出版社，1992.83 邹慧君主编.机械运动方案设计手册.上海：上海交通大学出版社，19944 吴圣庄主编.金属切削机床概论.北京：机械工业出版社，19855 章日晋，张立乃，尚凤武编.机械零件的结构设计.北京机械工业出版社，19876 颜鸿森著.机械装置的创造性设计. 北京：机械工业出版社，2002.77 肖云龙主
29、编.创造学基础.湖南：中南大学出版社，2001.78 R.C.约翰逊 .机械设计综合-创造性设计与最优化 陆国贤，等译.北京：机械工业出版社，19879 王贤坤主编.机械CAD/CAM技术、应用与开发.北京：机械工业出版社，2000.1110 郑文纬，吴克坚主编.机械原理.北京：高等教育出版社，1997.711 濮良贵，纪名刚主编.机械设计.北京：高等教育出版社，200112 詹友刚主编.Pro/Engineer 2001教程.北京：清华大学出版社，2003.413 林清安编著.Pro/Engineer 2001零件设计.北京：清华大学出版社，2003.814 黄圣杰，张益三，张智仁编著.实战
30、Pro/Engineer2001基础入门，2002.815 黄文谊主编.计算机仿真技术.北京：中国铁道出版社，1990 16 C.H.柯热夫尼柯夫，等.机构.孟宪源，等译.北京：机械工业出版社，198117 SHIGHIKO HAYASHI , KATSUNOBU GANNO, YUKITSUGUISHII , et al .Robotic Harvesting Systemfor EggplantsJ . JARQ,2002 ,36(3) :163 - 168 .18 HAYASHI S, GANNOK, ISHII Y. Machine visionalgorithmof eggplant
31、 recognitionfor robotic harvestingJ . J SHITA,2002 ,12(1) :38- 46. 19 HAYASHI S. Development of a harvesting end-effecter for eggplants J . J.SHITA, 2002 ,13(2) :97 - 103 .20 MURAKAMI N, INOUEK, OTSUKAK. Selective harvestingrobot of cabbage .Proceeding of international symposium of automation and robotics in bioproduction and processingJ .JSAM,1995 ,2:24 - 31
