果蔬采摘欠驱动机械手爪研究

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21世纪是农业机械化发展的重要时期。果蔬采摘时,末端执行器抓取或夹持力过大,易压伤果蔬外表,这个问题是设计末端执行器时核心问题之一。为了实现果蔬的无损采摘,采用了欠驱动原理设计出一种结构更简单、通用性更强的末端执行器。欠驱动机构的执行器个数小于机构本身自由度数目,这样的设计使得机械手具有简单可靠的特点,抓取物体时具有形状自适应能力,手指可完全包络物体,可以通过闭环力反馈控制最大接触力来实现无损采摘。通过对欠驱动原理的理论分析,完成了一种果蔬采摘欠驱动机械手爪的设计与制造,仅靠一个电机驱动三个手指。为了研究手指接触力的影响因素,并对手指机构进行了静力学分析,得出手指关节的接触力计算模型。以受力均匀为目标进行结构参数优化设计,得出手指各关节结构参数。确定机构尺寸之后进行ADAMS动力学仿真,分析在不同扭簧刚度以及抓取不同直径的苹果的情况下的抓取受力情况。为了实现控制功能,完成了以ARM为核心的硬件电路设计,并进行了程序编写,包括下位机控制程序和人机界面程序两个部分程序。设定了串口通信协议,实现了上下位机之间控制命令以及数据的传输。结合力反馈控制进行抓取实验并对实验结果进行分析。在完成PID参数整定之后进行了单指开环控制和多指闭环PID控制抓取实验,实验结果与仿真结果较为符合,实现了闭环最大接触力的控制,并分析了该闭环控制系统的频域响应特性。实验表明该手爪能实现期望的抓取与最大接触力控制功能,并具有结构简单、可靠、易加工、体积小和重量轻等特点。
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