球状农作物采收机器末端执行机构仿真设计研究_吴昭.pdf

球状农作物采收机器末端执行机构仿真设计研究 吴 昭 甘肃畜牧工程职业技术学院 甘肃 武威 733000 摘 要 为实现球状农作物 如苹果 柑橘等 的自动化无损采收 设计并仿真研究了一种集成化末端执行机构 该 机构采用模块化设计 集成了基于鱼尾鳍仿生原理的柔性三爪夹持机构 齿圈驱动的旋转式切割机构以及三自由 度并联位姿调整机构 通过ANSYS ADAMS及MATLAB等软件对关键部件进行了有限元分析 刚柔耦合动力学 仿真及工作空间分析 仿真结果表明 夹持机构可使果实表皮最大应力低至0 115 MPa 远低于损伤阈值 切割机构 能在0 5 s内高效切断果柄 且驱动扭矩裕度充足 位姿调整机构工作空间充分 能满足 15 的姿态自适应需求 研究验证了该设计方案在抓取稳定性 切割高效性与运动可靠性方面的优势 为智能采收装备的研发提供了理论 依据与技术参考 关键词 农业机器人 末端执行器 仿生夹持 无损采收 动力学仿真 中图分类号 TP242 文献标识码 A 文章编号 1003 773X 2026 08 0107 03 0 引言 球状农作物的采收是农业生产中的nullnull环节 目 前仍高度依赖人工 null临着劳动强度大 效率低及劳 动力成本持续攀升的严峻挑战 发展自动化采收技术 对于提升农业生产效率 降低人力成本具有重要意 义 其中 能够直接与null实交互并完成抓取 分离任务 的末端执行机构是采收机器人的核心与难点 理想的 采收末端执行机构需兼备目标的智能感知 生长的姿 态自适应 操作的稳定夹持与快速无损切割等多重功 能 尽管国内外学者已开展了多种形式的采收执行器 研究 但在应对自然环境中null实生长位姿随机 个体 尺寸差异大 null柄韧性高等复杂工况时 现有机构在 适应性 通用性及无损化作业可靠性方null仍存在不 足 为此 本文立足于实际采收需求 旨在设计一款集 感知 调整 夹持 切割与收集功能于一体的高性能末 端执行机构 并通过系统的仿真分析对其nullnull性能null 行验证 以推动采收机器人技术的实用化null程 1 研究概况 某单位围绕球状作物无损采收需求 开展了null向 自然环境的采收机器人末端执行机构创null设计与仿 真研究 本文基于模块化集成理念 研制了一款具备 视觉感知 姿态自适应 柔性夹持与旋null剪切功能的 复合型末端执行器 重点突破多自由度位姿调整 仿 生柔性夹持与高效低损切割等null 技术 通过结构设 计 动力学建模与虚拟仿真相结合的研究路null 系统 验证了机构在典型工况下的抓取稳定性 切割效能与 运动可靠性 为后续样机试制与null间试验提供了理论 依据与技术支撑 2 关键结构设计 为实现球状农作物的高效 无损自动化采收 本 文设计了一种集环境感知 姿态调节 夹持切割与null 实收集于一体的末端执行机构 如图1所示 该机构 采用null凑的模块化设计理念 整体结构主要由机械臂 连接件 深度相机 切割机构 姿态调整机构 夹持机 构及柔性输送管六大核心组件构成 其中 深度相机 负责识别与定位目标作物 姿态调整机构位于执行器 中段 用于修正末端null给角度以适应不同生长姿态的 null实 夹持机构与切割机构null密配合 在稳固包裹球 状null实的同时完成null柄分离 分离后的null实通过下方 的波null输送管缓冲null落 实现无损收集 1 3 2 1 采null夹持机构 为实现对球状作物的稳定 无损抓取 本文设计 了一种基于平动原理的三爪夹持机构 如图2所示 该机构由夹持臂 圆nullnull块及夹持层底板等组成 夹 持层底板设有null向凹槽 与夹持臂末端的圆nullnull块配 合 形成平移运动null 仅通过驱动底板旋null 即可带动 三个夹爪同步null向运动 实现欠驱动控制 有效减少 了执行器数量 简化系统结构 在夹持末端 设计了仿生柔性夹头 以鱼尾鳍结 构为原型 采用D形截null柔性材料制成 能够自适应 球状作物表null的不规则起伏 降低夹伤风险 夹持过 程中 三个夹爪均匀null力 假设各夹爪对作物的夹持 力大小为F 夹角分别为 1 2 和 3 在平null坐标系 中 系统静力平null条件为 F x F cos 1 90 cos 2 90 cos 3 90 0 F y F sin 1 90 sin 2 90 sin 3 90 G null 0 1 式中 G为作物重力 F为单爪夹持力 当三爪均匀布 置 即 1 2 3 120 时 系统满足力平null 夹持稳定 传动系统由nullnull舵机 联接装置 旋null板 固定板 收稿日期 2026 01 06 作者简介 吴 昭 1984 男 甘肃武威人 本科 工程师 研究方向为机械加工及设计制造 总第280期 2026年第8期 机械管理开发 Mechanical Management and Development Total 280 No 8 2026 DOI 10 16525 14 1134 th 2026 08 029 仿真分析 机械管理开发 jxglkfbjb 第41卷 图1 采收器末端执行机构结构 切割机构 深度相机 姿态调整机构 夹持机构 机械臂连接件 输送管 及底板组成 结构如图3所示 旋null板通过上下凸槽 与固定板 底板嵌合 实现null动传递 null块null向槽长度 为20 mm 夹爪null向行程为0 20 mm 机构中心通孔 直null为80 mm 适用于直null40 80 mm的球状作物 图2 夹持机构 夹持层底板 夹持臂 夹持臂 圆null 块 图3 旋转板与固定板结构 null块null向槽 图4 切割机构结构 从动小齿轮 65Mn弹簧钢从动齿圈 Z 100 m 1 45 楔角 厚度 1 5 mm 传动比5 1 主动齿轮 Z 20 m 1 通孔 刃口1 内凹弧形 主切削刃 45 刃口2 底部辅助刃 null 电机 切割刀片 直null3 8 mm null柄 传动比5 1 环绕式剪切 0 5 s完成分离 从动齿圈 Z 100 m 1 从动小齿轮 图5 位姿调整机构结构 切割部件 动平台 安装切割部件 球铰 null 电机 推杆 移动null 对心式null柄null块 推杆 null动null 定平台 与夹持机构固连 2 2 作物切割机构 针对球状null实null柄纤维较韧且生长位置不确定 的特点 本文设计了基于齿圈驱动的旋null剪切式切割 机构 如图4所示 该机构的传动系统主要由主动齿 轮 从动齿圈及均布的从动小齿轮组成 设计采用null 凑的外啮合驱动方案 nullnull电机通过主动齿轮驱动大 直null从动齿圈旋null 齿圈中心的大通孔结构为null实和 夹持机构留出了必要的作业空间 为保证足够的切 割力矩 设定齿轮模数为 1 主动齿轮齿数为 20 从 动齿圈齿数为100 传动比达到5 1 有效提升了末 端剪切力 执行部件刀片选用高强度65 Mn弹簧钢 制造 采用特殊的双刃口设计 刃口1为内凹弧形主 切削刃 利用null切原理降低切割阻力 刃口2为底部 辅助刃 刀片楔角设计为45 厚度为1 5 mm 以确 保切口平整 作业时 齿圈带动安装其上的三组刀片 同步向心收拢 对直null3 8 mm的null柄形成环绕式 剪切 仿真结null表明该结构在0 5 s内即可完成分离 动作 有效避免了传统往复式切割引起的茎秆撕null nullnull 2 3 位姿调整机构 为适应球状作物null柄在自然生长中可能存在的 空间倾角 确保切割平null能够精准对正null柄基部 本 文设计了一种基于三支链并联结构的位姿调整机构 如图5所示 该机构由动平台 定平台以及沿周向均 布的三组支撑臂组成 其中动平台用于安装切割部 件 定平台则与夹持机构固连 每个支撑臂包含球铰 null动null和移动null 球铰布置于动平台侧 null动null设于 定平台侧 移动null采用对心式null柄null块机构 通过null null电机驱动实现推杆的直null位移 从而带动动平台实 现沿Z轴的平移及绕X轴 Y轴的null动共三个自由度 调整 机构设计最大俯仰角为 15 平移行程为 10 mm 能够有效覆盖常见null柄的偏斜范围 在极端 工况下 如单支链达到最大行程 推杆伸长至20 mm 双支链同步伸展或三支链全部伸至极限位置时 通过 ADAMS动力学仿真验证 各构件之间均保持不小于 2 mm的安全间隙 未出现运动干涉 表明机构在较大 姿态调整范围内仍具备良好的稳定性和运动安全 性 该设计通过并联驱动方式实现了切割平null的快 速 精准调向 为后续无损采null提供了可靠的姿态自 适应能力 3 结构仿真分析 3 1 夹持机构柔性接触有限元分析 为了验证本文提出的柔性仿生夹持机构在采null 作业中的无损抓取性能 确保null实表皮在夹持力作用 下不发生机械损伤 本节利用ANSYS Workbench平 台建立了精细化的 夹爪 null实 非null性接触有限元 模型 在材料属性设置中 考虑到null实生物组织的复 杂性 将其简化为各向同性的粘弹性材料 设定弹性 模量为3 5 MPa 泊松比为0 38 夹爪末端则选用肖氏 硬度60A的超弹性TPU材料 采用Mooney Rivlin两 参数模型以准确模拟其大变形行为 仿真边界条件设 定为 对null实几何中心null加全自由度约束 控制三 个夹爪沿null向同步null给 5 mm 模拟真实的包络夹 108 2026年第8期 null过程 4 5 静力学仿真结null表明 当单爪法向夹持力达到 8 5 N时 系统合力足以在动态采null中稳定抓取null量 约300 g的球状作物 得益于仿生鱼尾鳍独特的 D 形中空截null设计 夹头在受压后发生随形变 与null实 表null的接触null积由初始的null接触扩展为null接触 有 效避免了局部应力集中 从应力云图中提取的数据 显示 null实表皮的最大等效应力 VonMisesStress 为 0 115MPa 最大接触压力仅为0 128 MPa 对比常见球 状null实 如nullnull 约0 30 MPa的生物屈null极限 其最 大应力值仅为损伤阈值的38 3 具有足够的安全 裕度 这表明该机构在保证稳定夹持的同时 能有效 防止null实内部组织的淤伤和表皮破损 实现了预期 的柔性无损作业目标 夹持状态下的具体应力分布 如图6所示 3 2 作物切割机构刚柔耦合动力学仿真 为验证旋null剪切机构在应对木null化韧性null柄时 的作业有效性 并校核驱动电机选型的合理性 本文 基于ADAMS软件构建了切割机构的虚拟样机 考虑 到null柄在受力时会发生非null性形变 仿真中采用离散 梁单元 Discrete Beam 建立null柄的柔性体模型 定义 其弹性模量为200 MPa 模拟木null化茎秆 与刚性刀 片模型组成刚柔耦合多体动力学系统 仿真设定从动齿圈null速为60 r min 刀片组同步 收拢切割直null8 mm的标准null柄 监测获得的动力学 响应nullnull如图7所示 分析可知 在t 0 25 s刀刃接 触null柄瞬间 切割阻力迅速攀升 并在t 0 32 s时达 到峰值32 4 N 随后得益于双刃口null切设计 阻力在 纤维断null后迅速下降 全过程未出现卡刀现象 在扭 矩方null 虽然末端负载产生较大波动 但经由 2 2 节 设计的5 1减速增扭传动结构传递后 折算至电机 输出轴的峰值扭矩需求仅为0 28 N m 该数值远低于 选用nullnull电机的额定扭矩 0 6 N m 表明传动系统 具有约2倍的安全系数 验证了该机构能够提供充足 的剪切力矩 满足高效 稳定的分离要求 3 3 位姿调整机构运动学与工作空间分析 基于机构运动学逆解模型 利用MATLAB软件 开展了工作空间与典型轨迹仿真分析 首null 采用蒙 特卡洛法 MonteCarloMethod 求解机构的可达工作空 间 通过在各支链推杆的有效行程 0 20 mm 内随 机生成3 10 5 组位移样本 经正运动学解算得到动 平台中心的空间点云集合 仿真结null如图8所示 机 构有效工作空间呈现为一个倒置的准圆锥体区域 其在 XOZ 与 YOZ 截null上的最大偏null角均达到 18 5 Z轴方向有效null给行程覆盖12 mm 完全包 裹了预设的15 姿态修正需求与10 mmnull给范围 证明机构具备充足的容错能力以适应null实随机生长的 位置偏差 图6 夹持状态下的具体应力分布 单位 MPa 0 128最大 0 116 83 0 993 40 0 780 61 0 672 32 0 447 06 0 238 35 0 171 59 0 078 117 0最小 图7 切割动力学响应曲线 电 机 输 出 扭 矩 N m 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 60 时间 s 切 割 阻 力 N 切割阻力 电机扭矩 峰值阻力 32 8 N 电机额定扭矩阀值 0 6 N m 图8 工作空间仿真结果 可达位置点云 Workspace Z轴设计行程 10 mm 15 10 5 0 5 10 15 Z 轴 位 移 m m 2 0 1 5 1 0 5 0 5 1 0 1 5 2 0 Y 轴 位 移 m m 2 0 1 5 1 0 5 0 5 1 0 1 5 2 0 X 轴 位 移 m m 4 结语 本文针对球状农作物自动化无损采收的技术需 求 完成了一种集成化末端执行机构的创null设计与系 统仿真研究 结构设计方null 提出了由仿生柔性夹持机构 旋 null剪切式切割机构 三自由度位姿调整机构等构成的 模块化方案 实现了从目标识别 姿态自适应到夹持 切割的无缝协同作业 仿真验证方null 通过有限元分析证实 基于鱼尾 鳍仿生的柔性夹持机构能有效将null实表null最大应力 控制在损伤阈值的38 3 以内 确保了抓取过程的无 损性 刚柔耦合动力学仿真表明 齿圈驱动切割机构 能产生32 4 N的峰值切割力 并在0 5 s内完成null柄 分离 电机扭矩裕度达2倍 可靠性高 运动学分析显 示 位姿调整机构的工作空间完全覆盖设计指标 且 在极端位姿下无干涉现象 适应性良好 null上所述 本研究通过完整的 设计 仿真 闭 环 验证了所提末端执行机构方案的可行性与优越 性 在nullnull性能上达到了无损 高效 稳定的设计目 标 为后续物理样机的研制与null间试验奠定了坚实的 基础 未来的工作将聚焦于样机试制与实际环境下的 性能测试与优化 下转第113页 吴 昭 球状农作物采收机器末端执行机构仿真设计研究 109 2026年第8期 4 结语 建立液控单向阀阀杆冲击阀垫的显式动力学模 型 冲击速度 5 175 m s 对比分析 PEEK POM及 30Cr13三种材料的阀垫等效应力 null向变形与疲劳 寿命 结null表明 三种材料最大等效应力分别为 22 862 MPa 29 415 MPa和270 19 MPa 均在安全系 数2的许用比压内 null向变形方null PEEK为0 0776mm POM为 0 005 61 mm 30Cr13 为 0 004 82 mm PEEK 阀垫变形显著大于POM和30Cr13 疲劳寿命方null PEEK为 68 12 万次 30Cr13 为 16 46 万次 POM为 8 172万次 null合评估可知 PEEK抗压溃能力最强且 疲劳寿命最优 但null向变形大易null致接触应力不均 30Cr13疲劳寿命满足一般设计要求且几何稳定性优 异 POM疲劳寿命相对较低 不适用于高频冲击工 况 工程选型建议 低频大能量冲击优null选用PEEK 高频长寿命工况推荐30Cr13 参考文献 1 杨青 null向煤矿液压支架推移精度控制的增量式null向阀结构设计 研究 J 机械管理开发 2025 40 12 64 66 2 汪鑫 王null鸿 杨伟 基于Fluent的截止阀流通特性及密封性能研 究 J 机械管理开发 2025 40 1 16 19 3 Fitzka M Stadler G Schnullnbauer B M et al Very high cycle fatigue properties of short glass fiber reinforced polyetheretherketone PEEK J International journal offatigue 2025 190 108652 4 中国第一汽车集团公司编写组 机械工程材料手null 金属材料 M 北京 机械工业出版社 2010 5 刘滋伟 丁伟 刘若凡 等 聚甲醛 苯氧基聚磷腈 氧化锌复合材 料的制备及性能 J 工程塑料应用 2025 53 8 206 212 6 柴德敏 王null 金null 等 基于ANSYS Workbench与nCode的往复 式null 静音机阀板可靠性设计 J 机械管理开发 2025 40 10 143 144 Simulation and Comparative Study on Impact Resistance of Valve Seat Materials in Pilot Operated Check Valves Li Peng China Coal Beijing Coal Mining Machinery Co Ltd Beijing 102400 China Abstract To investigate the mechanical behavior of the valve rod impacting the valve seat in a pilot operated check valve a simplified mechanical model of the spool impact process is established yielding an impact velocity of 5 175 m s The explicit dynamics simulation method is employed to compare the equivalent stress and radial deformation of three materials PEEK POM and 30Cr13 under impact loading The results show that the maximum equivalent stresses of the three materials are 22 862 29 415 and 270 19 MPa respectively all within the allowable specific pressure at a safety factor of 2 In terms of radial deformation PEEK exhibits 0 0776 mm POM exhibits 0 00561 mm and 30Cr13 exhibits 0 00482 mm The deformation of PEEK is significantly larger than those of POM and 30Cr13 PEEK possesses the strongest resistance to compressive collapse but relatively poor geometric stability POM and 30Cr13 exhibit small deformation and excellent sealing surface retention PEEK is preferred for low frequency high energy impact conditions while POM or 30Cr13 is recommended for high frequency long service life applications Key words hydraulically controlled check valve impact effect valve seat simulation model sealing performance Simulation and Design Study of an End Effector for Harvesting Spherical Crops Wu Zhao Gansu Vocational College of Animal Husbandry Engineering Wuwei Gansu 733000 China Abstract To achieve automated damage free harvesting of spherical crops such as apples and citrus fruits an integrated end effector was designed and simulated The mechanism employs a modular design integrating a flexible three jaw gripping mechanism based on the biomimetic principle of a fishtail fin a gear ring driven rotary cutting mechanism and a three degree of freedom parallel pose adjustment mechanism Finite element analysis rigid flexible coupled dynamics simulation and workspace analysis of key components were performed using software such as ANSYS ADAMS and MATLAB Simulation results indicate that the gripping mechanism can reduce the maximum stress on the fruit skin to as low as 0 115 MPa which is far below the damage threshold the cutting mechanism can efficiently sever the fruit stalk within 0 5 s with ample drive torque margin and the pose adjustment mechanism has sufficient working space to meet the requirements for 15 adaptive pose adjustment This study validated the advantages of this design in terms of grasping stability cutting efficiency and motion reliability providing a theoretical basis and technical reference for the research and development of intelligent harvesting equipment Key words agricultural robots end effector bionic gripping damage free harvesting dynamic simulation 参考文献 1 崔超 许燕 周建平 等 V型对切式红花采收末端执行机构设计 与试验 J 中国农机化学报 2025 46 11 28 35 2 赵雄 王利辉 贾元武 等 六杆式西兰花采收末端执行机构优化 设计与试验 J 农业机械学报 2025 56 7 394 402 3 陈晨 喻远东 徐睿泽 等 柠檬自动采收仿生末端执行器设计与 仿真分析 J 机械设计 2025 42 12 141 147 4 王潇null 冉云亮 葛朝 等 旋null包络梳脱式烟叶采收机构设计与 试验 J 智慧农业 中英文 2025 7 3 210 223 5 唐华林 李丽 鲁磊 等 丘陵山地桑叶采收机取袋机构优化设计 与试验 J 西null大学学报 自然科学版 2024 46 7 137 148 上接第109页 李 鹏 液控单向阀阀垫抗冲击仿真与材料优选 113