【摘要】本文将设计一个自由度为5的农业采摘机器人，用于采摘水果和收农作物。首先，本文对农业采摘机器人进行了概述，并对农业采摘机器人的发展趋势进行研究，然后对采摘机器人的基座、大臂和小臂进行设计，分析其驱动方式和传动方式，对机械臂的肩部结构进行分析，并对控制系统的硬件进行选择，并且加强软件可靠性控制及实时检测农业采摘机器人操作是安全控制的重点，本次设计的最终目的：每个节点实时监测农业伺服控制和制动问题。
目录
引言 1
（一） 农业采摘机器人概述 1
（二）农业采摘机器人的历史、现状 1
（三）农业采摘机器人发展趋势 2
一、机械手的设计 3
（一）基座及连杆 3
（二）机械手的设计 4
二、驱动方式 6
三、传动方式 7
四、制动器 7
五、机械臂的肩部结构分析 8
六、控制系统硬件 10
（一）控制系统模式的选择 10
（二）控制系统的搭建 10
总结 15
参考文献 16
谢辞 17
引言
（一）农业采摘机器人概述
械手在美国发展最早，随后很多国家都积极发展机械手以及对它的研究，每个国家都取得了不错的成果。各行各行都涌现出各式各样的机器手，在农业用机器手采摘水果修剪树叶，在军事领域用机械手排除炸弹和危险品，在医药行业出现了纳米机器人，在码头出现了搬运机械手等等。从图11，图12可以看出，机械手就是能模仿人的手臂，比如我们的手臂能够180度自由旋转，能够抓取东西，可以灵活的应用手指干活，因此机械手也是趋向于模仿这些功能。
机械手手腕的运动：绕X轴旋转称为旋转运动；旋转称为上下绕的Y轴（或节距）；称为绕轴摆动；沿Y轴的横向运动（或沿纵向运动的Z轴）。就像人的手拿东西一样，农业采摘机器人最简单的基本条件是要有一个类似的机制来抓取和移动手指，手腕，手臂，关节和其他部位的致动器来实现采摘果实。一般来说，农业采摘机器人通常由三部分组成，执行器，驱动传动系统和控制系统，如图11所示。


图11 农业采摘机器人的一般组成
（二）农业采
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摘机器人的历史、现状
农业采摘器人是由美国开发的。1958年，美国联合控制公司开发的第一个农业采摘机器人，该采摘机器人是是在其手臂上安装一个旋转装置，采用部分的电磁铁工件进行夹持机构。
随着科学技术的发展，机械手的应用前景越来越好，随着人们工资的普遍提高，工厂为了减少支出大量采用机械手。在传统行业加工中，铸造、焊接、铆接、冲压、冲压、热处理、加工、装配、检测、喷漆、电镀等各类应用真正的原因是机械手能够重复实现频繁的工作，而且在恶劣的环境也能工作自如，因此随着现在人们的生活物质水平的不断提升，机械手也成为最佳选择。
目前，大多数工业农业采摘机器人也属于第一代，主要依靠人工控制，因此实现其智能化控制也是我们的重中之重。
（三）农业采摘机器人发展趋势
随着生产技术的现代化，农业采摘机器人设计生产能力得到进一步加强，特别是当生产和农业收获机器人和柔性制造单元组合的柔性制造系统，以改变目前机械的手工操作，提高生产效率。
1、工业机械手可继续改进（高速、高精度、高可靠性、易操作和维护）。
2、机械结构可以进行单独设计，也可以多次开发。例如，伺服电机的关节模块、减速器、检测系统三个集成：关节模块、连杆模块与机械手的建设，在机械手的重组方式。
3、工业机械手向智能化不断前进的发展；而且结构更加精密和操作简单，而且能够实时对其进行监控以及不断的更新。
4、传感器起着重要的作用，除了位置、速度和加速度传感器的传统，装配、焊接机器人还用于视觉、触觉传感器和使用融合技术的远程机器人，环境建模和决策控制的声学和视觉触觉和触觉传感器；在产品配置系统的多传感器融合技术已经成熟的应用。
一、机械手的设计
（一）基座及连杆
1.基座
基地是全农业收获机器人的支撑。为了使农业收获机器人在工作时能够保证其工作性能稳定，本文通过对其支撑设计为“Z”形。该基座底下装有电机能够通过电机对其运动进行控制，因此基座必须加筋来满足其强度。
2.大臂
由图可知230mm，其CAD图如图11所示：


图11 大臂外形
3.小臂
小臂长度240mm，其CAD图如图1.2所示：


图12 小臂外形
（二）机械手的设计
由于工件的形状、尺寸、重量、材料和表面条件，工业农业采摘机器人的终端机械手是多种多样的，可分为以下几类：
（1）手夹钳式取料机
（2）吸附式取料手
（3）特殊算子和变换器
（4）仿生多指灵巧手
本设计对象为农业采摘机器人，不需要参考人工复杂，只需要从不同的角度抓钳装置。
手指是与工件直接接触的一部分。通过手指的开启和关闭来实现工件的释放和夹紧，由手指其形状如图13所示。


图13 机械手手指形状
通过图1.3可以知道其圆形弧面是夹具果实的部位，也是直接受力的部位。该结构是仿照人的手臂进行设计的，通过抓紧和松开果实。本文介绍了旋转传动机构。机械结构图图14为手机的初步设计（显示只有一半，另一半的中心线对称）。


图14 机械手机构简图
在图14中，O是电机的输出轴，曲轴、连杆、滑块B和支撑形式的曲柄滑块机构；滑块B、连杆、摇臂和支撑形式的滑块摇杆机构。在电机的驱动下对其进行驱动从而带动其串联机构进行运动，从而实现手指的启闭运动。在图14中，黑色和蓝色的线条代表了两个位置限制机构。
为了方便手指的顺利关闭，两个手指之间有一个弹簧，也可以提供适当的夹紧力。
此外，当使用电机时，电机的功率足以克服弹簧的收缩和开口，且该物体的力具有足够的强度。
图15为使用虚拟样机软件分析了手机的机械结构设计。

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