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摘 要

本篇文章从采摘机器人的发展背景及国内外的研究现状引出发展采摘机械手的意义和重要性。通过研究的苹果生长特性，得到对苹果采摘机械手性能要求，并设计出一种操作简便，结构紧凑的苹果采摘机械手。在三维建模软件CREO中设计出机械手的零部件，并完成装配。之后使用虚拟样机分析软件ADAMS对机械手的装配模型进行仿真分析，输出相应的仿真数据。虚拟样机仿真得出的数据表明，本文设计的苹果采摘机械手可以完成苹果采摘作业，并且运行高效稳定。分析曲线后对本文设计的机械手提出改进方向，对苹果采摘机械手未来的研究提出展望。

关键词：采摘；机械手；三维建模；虚拟样机；仿真

Abstract

This article draws on the significance and importance of the development of picking robots from the development background of picking robots and the research status at home and abroad. Through the research on the growth characteristics of apples, the performance requirements for apple picking manipulators are obtained, and an apple picking manipulator with simple operation and compact structure is designed. Design the parts of the manipulator in the 3D modeling software CREO and complete the assembly. Then use the virtual prototype analysis software ADAMS to simulate and analyze the assembly model of the manipulator, and output the corresponding simulation data. The data obtained from the virtual prototype simulation shows that the apple picking manipulator designed in this paper can complete the apple picking operation, and runs efficiently and stably. After analyzing the curve, the improvement direction of the robot designed in this paper is proposed, and the future research on the apple picking robot is put forward.

Key words：Picking; Manipulator; 3D modeling; Virtual prototype; Simulation

目 录

摘 要 2

Abstract 1

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 采摘机器人的发展概况 1

1.2.1 国外研究概况 1

1.2.2 国内研究概况 3

1.3 采摘机械手的意义 3

1.4 研究内容及方法 4

1.4.1 苹果采摘机械手的研究内容 4

1.4.2 研究思路 4

第二章 苹果采摘机械手的设计 6

2.1 分析采摘苹果的需求 6

2.1.1 苹果的生长特性简介 6

2.1.2 苹果采摘机械手采摘苹果的特点 6

2.1.3 苹果采摘机械手的驱动方式选择 7

2.2 苹果采摘机械手的机构设计 8

2.2.1 结构方案 8

2.2.2 三维建模软件 9

2.2.3 模型装配 10

2.2.4 传动机构的分析 11

2.3 本章小结 14

第三章 苹果采摘机械手的仿真分析 15

3.1 仿真软件 15

3.2 导入机械手模型并建立约束 15

3.2.1 导入机械手模型 15

3.2.2 添加质量特性 17

3.2.3 建立模型零件间的约束 18

3.3 机械手的仿真 18

3.4 处理仿真结果 19

3.4.1 输出仿真曲 19

3.4.2 图像分析 22

3.5 输出仿真结果的AVI文件 23

3.6 本章小结 24

第四章 结论 25

4.1 工作成果 25

4.2 展望 25

第五章 经济性分析 27

参考文献 28

致谢 30

第一章 绪论

1.1 研究背景

水果产业中，成熟时节永远是最忙碌的时候，水果在果园中成熟后，它们的保质期将变得很短，而且有些水果极难采摘，需要大量的人力物力来保证水果及时采摘上市，这就产生了高昂的人力、物力成本，因此为了降低采收的成本、增加采收的便利性是保证果品的及时采收以及增加果农收入的重要途径。可是由于采收作业十分复杂，所以要实现采摘自动化还十分的困难。目前，国内基本是通过人工来采收成熟的果品， 人工成本占据了采收成本的一半以上，而且采收的时间集中，这就极大地增加大了工人的劳动强度。作为一种农业机器人，采摘机器人可以很好的代替人工采摘，比人工更高效、高质的完成水果采摘作业，因此具有很好的发展前景。

在进入21世纪后工业快速发展的背景下，产业转移和人口老龄化造成了农业人口的减少，使得用人成本上升，水果采摘作业往往会有一定的危险性。随着农业生产规模的扩大和种植种类的增加，农业生产活动的要求也随之提高。因此如何在时令要求内完成果品的采收，同时保证生产质量成为关键问题。^[1]

1.2 采摘机器人的发展概况

机械化收获果蔬的研究已有30多年,最早的收获方式是机械振摇和气动振摇^[2]，但果品容易损坏且效率低，尤其是无法有选择地进行采收。当前已研发的采摘机械手主要分为自主行走式机器人^[3]和非自主行走机器人。前者主要用在自动插秧、自动播种、自动施肥等方面；后者主要应用于挤奶、禾苗嫁接、果蔬采摘等。

上述几种方式还会因各种条件而导致使用效率较低，从而间接增加农业生产成本。因此急需一种灵活耐用并且效率高效的农业采摘机器人。

1.2.1 国外研究概况

首次将机械手应用于果蔬采摘的是美国学者Schertz和Brown^[4]。

在工业化背景下各国的采摘机器人都各有发展。1983年美国成功研制出了第一台用于收获西红柿的机器人样机（图1.1），从那以后相关技术都在快速发展。意大利、荷兰等国家都相继立项研究苹果、芦笋、苹果、西红柿、草莓等果蔬的收获机器人。

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