番茄枝叶裁剪机械手结构设计和控制系统研究
果蔬枝叶裁剪起到保护植株主茎秆正常发育的作用，目前我国的枝叶裁剪都是人工完成，人工裁剪具有劳动成本高、裁剪效率低的缺点，因此实现枝叶裁剪的自动化对提高裁剪效率有重要意义。研究以番茄枝叶为裁剪对象，进行番茄枝叶裁剪机械手的设计和试验，具体研究内容如下： （1）对番茄植株的物理特性测试，可知番茄侧枝的直径主要分布在3.8mm到6.8mm之间。且不同生长时期的侧枝，裁剪所需的剪切力大小不同，越成熟所需的剪切力越大。 （2）根据番茄侧枝的物理特性、生长空间和栽培模式等，设计了半圆形手指夹取装置和裁剪圆刀片结构的末端执行器，并选择步进电机作为驱动电机；设计了包括三个旋转关节和两个移动关节的五自由度机械臂，两个移动关节包括以齿轮齿条作为传动机构的一级伸缩关节和电动推杆为主要部件的二级伸缩关节。 （3）对番茄枝叶裁剪机械手的末端执行器关键元件进行静力学仿真，得到了主要元件在静力作用下的等效应力和应变。考虑到末端执行器零部件轻量化的原则，根据仿真计算结果，对末端执行器关键元件进行优化，将末端执行器的裁剪圆刀片厚度下降到1.5mm，半圆形手指夹爪侧面厚度减小8mm、底部厚度下降5mm。优化后的末端执行器等效应力和应变不变，质量减轻0.05kg。对末端执行器进行运动学仿真，结果表明，末端执行器完成裁剪和夹取约需要5s，其工作中，速度、加速度未出现较大的波动。对五自由度机械臂机进行了运动学、动力学和静力学仿真，根据结果可知，机械臂在整个工作过程中，速度、角速度、加速度、角加速度都未出现较大波动，运行平稳；大臂关节和腰部关节的最大扭矩分别为683N·mm和1746N·mm，验证了所选驱动电机的合理性；机械臂在静止状态下，其等效应力和应变最大分别为5.0007MPa和0.06216mm，总体结构稳定。 （4）完成了末端执行器和机械臂的控制系统设计。本文选用STM32作为机械手及其末端执行器的控制芯片，并制作了以STM32为核心的控制模块。 （5）对番茄枝叶裁剪机械手的理论误差进行计算分析。研制了机械手的样机，搭建机械手试验平台，进行空载和负载试验。分析试验结果表明在X、Y、Z轴上，番茄枝叶裁剪机械手的最大理论误差分别为2.87mm、5.61mm、2.93mm；机械手的末端执行器极限负重为1.26kg，满足机械手的工作需求；机械手完成整个裁剪过程的平均时耗为37.8s，裁减成功率大于60%，机械手工作时能到达的最大高度为335cm，最低高度为65cm。
番茄枝叶裁剪机械手;结构设计;控制系统;末端执行器;半圆形手指
中国计量大学
硕士
控制工程
梁喜凤;王尚哲
2021
中文
TP241
2022-06-10（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）