番茄采摘机械手的运动学

摘 要：番茄采摘机械手是具有模仿人手采摘果实功能,完成采摘作业的自动化设备,在农业生产中具有广阔的应用前景.本文主要设计了由曲柄滑块机构驱动的机械手臂与滑块摇杆机构驱动机械手实现采摘动作,并对机械手臂的曲柄滑块机构进行MATLAB/SIMULINK运动学分析,为番茄采摘机械手的机构设计与工作性能评价提供理论依据.

关 键 词：采摘机械手；曲柄滑块机构；MATLAB/SIMULINK

中图分类号：S372文献标识码：A

引言

在现代农业潮流下的今天,设施农业产业蓬勃发展,在此影响与带动下的温室生产自动化产业也应运而生,其中机械手是其发展过程中的重要产物之一,它不仅提高了劳动生产的效率,还能代替人类完成高强度、重复而枯燥的工作,减轻人类劳动强度,可以说是一举两得.采摘机械手作为自动化农业中代替人手采摘的重要成员,在农业自动化的舞台上起到了重要作用.现代农业机械将向自动化、智能化、多功能方向发展.

1采摘机械手的机构简图

本文所设计采摘机械手臂的运动可简化为曲柄连杆机构,机械手的运动可简化为滑块摇杆机构,具有模仿人手动作摘取果实的功能.本文的设计对象为番茄采摘机械手,如图1所示.

图1采摘机械手机构简图

在图1中,O为电机输出轴,曲柄OA、连杆AB、滑块B和支架构成曲柄滑块机构；滑块B、连杆BC、摇杆CE和支架构成滑块摇杆机构.通过两个机构串联,使电机最终驱动DE来回摆动,从而实现手指的开合运动.其中上下两部分为对称运动.

2主要技术参数

初始位置：R1等于76cm,R2等于10cm,R3等于66cm,θ1≡0°,θ2等于0°,θ3等于0°,α2等于0,ω1等于15rad/min,ω2等于0,ω3等于0.

图示位置：R1等于74.7cm,R2等于10cm,R3等于66cm,θ2等于28°,θ3等于3.7°,ω1等于15rad/min.

3基于SIMIULINK的运动学仿真

3.1运动机构的数学模型

为了便于对采摘机械手的运动特性进行仿真分析,图2给出了该机构的闭环矢量图,其中R2代表曲柄,R1为机架并与滑块连接,R3为连杆,θ2、θ3、ω2、ω3、α2分别是R2、R3的运动角度、角速度和角加速度.如图2所示.

图2曲柄滑块机构的闭环矢量图

本设计采用MATLAB/SIMULINK软件包对机构的运动特性进行仿真,从而确定机构在连续运动过程中各个杆件的角度、角速度和角加速度的连续变化过程.在曲柄滑块机构的矢量环中,机构运动到任何位置都可用矢量长度和矢角表示.机构矢量满足下面的闭环矢量方程：

将各个矢量沿x和y坐标轴分解为两个分量,得到机构位移矩阵方程：

将上式两端对时间求一次导数,得机构速度矩阵方程：

上式再次对时间求一阶导,得机构加速度矩阵方程：

3.2动态仿真模型的建立

根据上述数学模型,建立曲柄滑块机构的仿真模型,如图3所示.

图3曲柄滑块机构运动学仿真的Simulink模型

3.3动态仿真结果

通过对各参数进行设置以及编写相应的M函数,可得出各参数的运动学图形（见图4）.

从R2、R3、滑块的角度、角速度、角加速度变化规律来看,可以看出采摘机械手的变化规律,从而了解机械手的运动特性.