苹果采摘机器人的结构设计与分析

Research and Exploration

研究与探索

·智能制造与趋势

苹果采摘机器人的结构设计与分析

潘肖楠

1

，张

玥

2

，耿宝龙

1

，王琨

1

（1.陇东学院；2.环县职业中等专业学校，甘肃 庆阳 745000）

摘要：

为适应复杂的果园采摘环境，本文设计了一款苹果采摘机器人，结构由麦克纳姆轮承重行走机构、Stewart六自由度并联平台、

采摘机械臂、视觉传感器、末端执行器等组成。首先，对六自由度运动平台进行隐式动力学分析与仿真，验证了模型的正确性；其次，对

主要部件六自由度平台和末端执行器进行结构及强度校核。结果分析表明，模型稳定，机械结构设计合理。

关键词：

Stewart六自由度平台；采摘机械臂；柔性末端执行器；运动分析

中图分类号：

S225.93;TP242

文献标识码：

A

文章编号：

1671-0711（2023）09（下）-0038-03

1 前言

我国作为全球最大的苹果原产地，种植面积达210

万公顷，2022年新季苹果产量约3600万吨，占世界总

产量的50%。苹果富含维生素和矿物质，而黄土高原借

助海拔高、光照充足、昼夜温差显著等优势，尤其适合

苹果种植，苹果产业作为富民产业，其高质量发展已成

为推进区域乡村振兴产业的基础。近年来，城市化进程

基金项目：陇东学院青年科技创新项目(XYZK2105)；

甘肃省教育厅高校教师创新基金项目(2023B-206)。

甘肃省自然科学基金项目：数字孪生驱动的农机电驱

液压系统虚实融合故障诊断机制及预警方法（23JRRM737）。

通讯作者：潘肖楠。

设定了7个不同的模糊子集，分别是{NB（负大），

NM(负中)，NS(负小)，Z（零），PS(正小)，PM(正中)，

PB(正大)}。综合以上所得的模糊子集建立出模糊规则。

解模糊：执行解模糊的最终目标是获得清晰度最高

的变量值，具体公式如下：

式中，

x

i

代表的是第

i

个模糊输出量，

u

（

x

i

）是

第

i

个模糊输出量的隶属值。

4 电气工程及其自动化的智能化发展趋势

（1）未来的智能化技术在运行速度、精准度及能

效等方面会提出更高的要求，智能化技术会依照电力

行业的发展需求持续提升电气系统的智能化水平，设

计研发出更多细节性的制动化调控功能。未来的智能

化技术也要使电气自动化控制过程中体现出柔性化特

质，全面提升电气工程的综合性能，实时监控系统内

部的信息流。

（2）智能化技术以既有的用户界面图形化与系统

各项参数计算可视化基础上，有效追踪与预判断模拟图

形、带图形，提升用户界面图形的便捷化、人性化程度，

进一步提升电气数据分析的精准度。

（3）智能化技术将会朝着集成化、多元模块结合

的方向发展。当前电气自动化控制领域内兴起的LED技

加快，农村人口外出迁移，造成农村劳动力资源短缺，

随着农业机械化的普及，越来越多的智能化机械应用到

农业生产中。苹果采摘机器人可以根据果实位置实时调

整采摘角度，具有降低果实损伤率、提高采摘效率、节

约人力成本等优势。赵雄设计了一款三自由度苹果采摘

机械臂，轻量化的设计方案在降低整机质量的同时保证

驱动力矩符合要求；朱容芳等人利用曲柄摇杆原理，通

过调整机械爪带动苹果树干左右摇晃，一定范围内可使

苹果脱落，适用于非商品果采摘场合；任晓智等提出一

种机械臂夹剪苹果采摘机器人，可实现苹果的采摘及传

输功能；孙浩等设计出一种六自由度的苹果采摘机械臂，

并建立轨迹规划模型，通过运动学仿真，论证其实际工

作的可行性；高群设计出一种轮式电动5轴苹果采摘机，

术有自身重量轻、体积微小及集成了多种信息化与智能

化技术的优点，能辅助提高电气工程集成电路的密度，

在存储和呈现数据等方面均表现出良好的效能。

5 结语

综上，智能化技术用于电气工程及其自动化领域有

效弥补了传统机电控制过程中暴露出的不足，增加了电

气工程控制的精准度，使电气系统运行过程的可靠性得

到更大保障，进而协助电力企业节省了很多人力、物力

资源，也明显减少了传统人工操作时带来的各种隐患因

素。未来电力企业进一步加大智能技术在电气工程建设

方面的应用力度，引领该行业的创新发展进程，一方面

能创造出理想效益，另一方面也能为社会经济长久发展

保驾护航。

参考文献：

[1]马志

瑄

.智能化技术在建筑项目电气工程中的运用[J].产业创

新研究,2022(20):148-150.

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用,2022,39(10):172-173.

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中国设备工程 2023.09 （下）

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China Plant

Engineering

适应于地面平坦的采摘环境。

基于以上情况，本文针对黄土高原地区果园地形，

依托麦克纳姆轮承重行走机构设计出一款苹果采摘机器

人，以满足当地采摘需求。

2 结构设计与原理分析

考虑到果园环境的非结构化以及我国北方苹果树种

植方式的特点，苹果采摘工作具有复杂性和不确定性。

为保证运动平稳可靠，本文设计出一个灵活性高、适应

性强的苹果采摘系统，图1所示为苹果采摘机械结构三

维模型图，机构由麦克纳姆轮承重行走机构运动平台、

Stewart六自由度并联机构、采摘机械臂、视觉传感器、

末端执行器等组成。

其中，电动缸伸缩范围为：175～700mm，不考虑

物体之间的阻尼与摩擦等因素，模型材料统一设定为

Steel，使用SolidWorks Motion对该六自由度平台进

行缸体动力学分析。

3.2 问题分析

平台的长、宽均为1600mm，当电动缸处于最低姿态

时，整个平台的高度为1100mm，为保证分析结果的准确

性，确定以下步骤：

Step1：简化三维模型，去掉所有轴承组件、定位

螺栓组件，去除多余零部件；

Step2：使用SolidWorks的动画模块做出平台整体

运动效果；

Step3：将动画数据导入SolidWorks Motion中以

确定马达的驱动方式；

Step4：施加仿真条件，进行计算；

Step5：对求解的结果进行提取，得到相应的轨迹

追踪线；

Step6：针对该计算结果进行分析。

该平台整体由电缸主驱动，气缸进行随动，在实际

工程问题中，随动气缸起到分担支撑力的作用，故在本

次分析中将该部件及其所带附件去除。在多刚体运动分

析中，常选用数据点和振荡马达两种方式进行驱动。其

中数据点驱动为间断控制方式，是在给定电动缸位移范

围为0～500mm和作用时间范围0～2s内取数据点，

得到333个数据点进行分析。而振荡马达属于连续性

控制方式，相较数据点方式更为稳定。振荡马达的主要

控制参数有两个：运动频率和运动幅值，通过计算可

得振荡马达运动的最大频率为0.5Hz，最大振荡幅值为

300mm。虽然振荡马达的控制方式较平稳，但只能得到

竖直方向的最大值与最小值。因此，本文最终选择了更

直观便捷的线段驱动方式，这种方式主要研究位移与时

间的变量关系，使用的参数也可经过模块模拟验证。在

整个系统运动过程中，主要考虑：三对角方向最大值、

竖直方向最大值、左右摆动值。本次分析的是平台运动

极限位置的包络曲线，故六个电动缸设置参数均为极限

位置，得出一个电动缸的驱动参数即可。

3.3 Stewart平台刚体运动仿真及分析

加载接触、材料及重力后，首先需进行计算，检

查是否发生运动偏移，以确定模型的平稳性，再设

置实体接触、重力等必要边界条件，模型材料选择

Steel(Dry)，为减少Motion计算量，关闭实体接触摩擦，

马达与零部件处于相对移动状态，故运动类型采用前设

定好的线段驱动类别，打开运动算例属性中的精确接触，

以提高计算准确度。

通过分析及计算，最终得到包络曲线空间图如图2

所示。

通过分析Motion仿真结果，得出以下结论：（1）线

段方式的马达驱动更具针对性，且能保证运动的连续性；

（2）模型简化时考虑去除了结构中一些次要因素，大

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图1 采摘机器人结构图

采摘机器人采用无线信号控制，底部承重平台上置

有一个控电柜，内部包含主控器、信号接收器、信号发

射器等，在六自由度承重平台下方焊接一圈圆形导轨，

并在其上方安装可绕导轨环形运动的移动摄像头，摄像

头可向上仰角20°，向下俯角60°，带有三关节，实

现可自由旋转360°。

在机器人工作期间，可通过手机配合手柄控制车体

运动方向，末端执行器上装有颜色识别传感器和微型超

高清摄像头，首先，通过摄像头获取苹果位姿图像，提

取RGB信息判断采摘对象是否成熟；其次，利用红外传

感器获取苹果是否在抓手可采摘范围信息；最后，通过

控制器控制电机，进一步控制末端执行器执行抓取动作，

执行器由两块长度为137mm的内凹板做夹取手指，手指

与果实的接触部分使用软硅胶垫来做防护，采用齿轮齿

条机构实现手爪的张开与闭合，利用步进电机与直线模

组的搭配实现高精度的进给来对果实进行抓取，该执行

器可抓取苹果的最大直径为186mm，最大负载为70N。

3 Stewart六自由度平台运动分析

3.1 问题描述

六自由度平台多用于飞行器、运动模拟训练装置等，

是一种并联机构，其通过改变六个伸缩动作来实现空间

中的六自由度运动。

本文设计的平台由固定底座、运动平台、十字虎克

铰、电动缸以及气动缸系统组成，现需模拟出六自由度

运动平台的各个极限位置的运动轨迹曲线，以便通过该

轨迹曲线分析采摘机器人的工作适应性。

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型在推程导杆伸展150mm极限位置时最大变形量为

0.55mm，但根据云图数据分析，其在极限位置并未出现

过大的位移偏量，故该模型结构稳定，最大弹性应变为

5.422×10

-9

，冯·米赛斯最大应力为0.000685MPa，该

机构校核强度符合要求。

4.2 末端执行器瞬态强度校核

由于该末端执行器的夹持载荷是随时间变化的，故

对此采用瞬态结构校核，用以确定在受到稳态载荷、瞬

态载荷、简谐载荷下随时间变化的位移、应力和应变。

由于该机械结构中惯性力和阻尼无法忽略，故不能使用

静力学分析代替瞬态动力学分析。将模型进行前处理后，

转为X-T格式。

该执行器主要使用手板、主驱动齿条、从动齿轮、

直线模组滚珠丝杠以及定位连杆来进行驱动抓取，故简

化后只需保留以上部件，且零部件应保存为Parasolid

格式以便在ANSYS Workbench中调用。

通过参数设定与求解，得到在250步迭代完成后，

力开始收敛，由图5可知，最大变形区域发生在二指根

部接触孔上，所以应在孔周边区域增加强度，选用高强

度的硬质合金可避免此问题，通过分析，接触状态下的

许用应力及接触面效果良好，可证明该结构齿轮齿条设

计合理。

图2 包络曲线空间图

大减少了计算量，但对计算结果未产生本质影响；（3）为

提高运算速度，计算的迭代次数等需要修改配置。

4 主要部件的结构与强度校核

4.1 Stewart六自由度平台瞬态结构校核

六自由度运动平台由承载底盘、十字虎克铰、电动

缸、气缸、顶部承接台、多边形承载架等组成，本小

节主要对承载底盘进行结构分析。在Workbench中进

行瞬态结构校核，需先进行模型简化，并将其转为X-T

格式。

求解阶段，首先删除所有接触关系，将结构设定为

几个主要连接副，如图3为底部承载平台接触设计总图。

图3 底部承载平台接触设定总图

图5 总变形云图

此模型要求在Mechanical中实现姿态控制与运动，

因此需给电缸一个位移分量，而Mechanical中只有X

轴可以实现位移，故在设定电缸与气缸的平移运动副时

考虑将电缸及气缸的行程推杆组成全局坐标系，使得X

轴正方向指向电缸杆的伸出方向，以避免后续求解过程

中出现位移方向不合理的情况。

通过分析，求解部分收敛性能良好，在其求解完成

总图中，收敛力和标准力均符合要求。

5 结语

本文首先对苹果采摘机器人六自由度平台进行运动

学分析，验证了模型设计的科学性和合理性，其次对行

走机构、末端执行机构进行结构及强度校核，结果分析

表明，机械结构合理有效。本文设计的苹果采摘机器人

对提高自动化程度，降低劳动强度，实现线下果园实地

采摘具有指导意义。

参考文献：

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图4 总变形云图

由图4可知，在此设定状态下，底部承载平台模

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