分析力學(xué)大作業(yè)

1、基于拉格朗日方程的蘋果采摘機械手的力學(xué)分析摘要目前由于果蔬采摘的復(fù)雜性，采摘自動化程度仍然很低，國內(nèi)采摘作業(yè)基本上是依靠手工完成。進(jìn)入21世紀(jì)，世界各國均面臨老齡化問題，所需的勞動力不僅成本高，而且效率也不高，因此發(fā)展機械化收獲技術(shù)，研究開發(fā)果蔬采摘機器人，具有重要的意義。國內(nèi)外對于果蔬采摘機器人仍處于研究開發(fā)設(shè)計階段，要走的路還很長，主要原因之一是機器人具體的研究與設(shè)計與分析存在不足。針對現(xiàn)有的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計上的不足，本文以蘋果為采摘對象，對蘋果采摘機器人機械手進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析。通過了解與學(xué)習(xí)國內(nèi)外蘋果采摘機器人機械手的設(shè)計與分析，基于蘋果采摘機器人機械手的所需完成的功能原則，提出了一種具

2、有整體升降和小臂伸縮功能的三自由度蘋果采摘機械手，建立蘋果采摘機械手的簡易模型，畫出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)簡圖，對各個構(gòu)件進(jìn)行逐步受力分析，利用拉格朗日方程建立采摘機器人機械手力學(xué)方程并求解模型?！娟P(guān)鍵詞】：機械手 拉格朗日方程 動力學(xué) 一概述：進(jìn)入21世紀(jì)，隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，世界各國均面臨人口老齡化問題，農(nóng)業(yè)勞動力逐漸向其他行業(yè)轉(zhuǎn)移，勞動力不僅成本高而且還不容易得到。而果蔬采摘作業(yè)是果蔬生產(chǎn)中最耗時、最費力的一個環(huán)節(jié)，其收獲又屬于勞動密集型作業(yè)，隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，人們也急需要從這種高強度高危險性的勞動中解脫出來。因此實現(xiàn)果蔬收獲的機械化變得越來越迫切，研究農(nóng)業(yè)果實采摘機器人具有重要的意義。二

3、模型的建立及其求解2.1 模型建立的準(zhǔn)備:隨著多自由度系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，其動力學(xué)分析也成為多自由度機械系統(tǒng)設(shè)計的個重要組成部分。在單自由度機械系統(tǒng)中，由于只有一個自由度，可以把機構(gòu)簡化為個具有等效質(zhì)量或等效轉(zhuǎn)動慣量的等效構(gòu)件，再求出作用在等效構(gòu)件上的等效力和等效力矩。對于多自由度系統(tǒng)，則不能按其自由度簡單地簡化為互不相干的等效構(gòu)件。牛頓第二運動定律是研究動力學(xué)的基礎(chǔ)。用其進(jìn)行動力學(xué)分析時，必須對每根桿件列出其靜力學(xué)平衡方程，且在方程中包含有未知的約束反力，當(dāng)系統(tǒng)的桿件越多時，需求解很大的微分方程組，因此增加了問題的復(fù)雜性。而拉格朗日方程是從能量觀點上建立起來的系統(tǒng)的勢能、動能和功之間的標(biāo)量關(guān)系。

4、與直接應(yīng)用牛頓定律解題相比，應(yīng)用拉格朗日方程可使系統(tǒng)動力學(xué)方程的數(shù)目減到最少，且消去了全部約束反力。2.2 模型的理論知識 2.2.1拉格朗日原理：拉格朗日方程是拉格朗日力學(xué)中最基本的主要方程，用來描述物體的運動，特別適用于理論物理的研究。拉格朗日方程形式為： （1）式中：為主動力的廣義力，可以是力、力矩或其他力學(xué)量(不包含約束反力)。 為體系相對慣性系的動能，是系統(tǒng)的動能。 為廣義坐標(biāo)。如果主動力都為保守力，則有： 將上式帶入（1）得： 其中有：.它是一組N個用廣義坐標(biāo)表示的二階常微分方程，將這組微分方程積分，即可求得用廣義坐標(biāo)表示的質(zhì)點系的運動方程為： , 其中的2j個積分常數(shù)可由2K個初

5、始條件，即t=0時系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)和廣義速度來確定。2.3 模型的建立： 2.3.1 模型的簡化：為簡化動力學(xué)模型，本文主要研究在實際采摘作業(yè)中動作最頻繁的位于機械手末端的三個桿件即大臂，小臂，小臂伸縮桿組成的系統(tǒng)動力學(xué)方程。大臂，小臂和小臂伸縮桿在垂直平面內(nèi)運動，機械手的運動可以簡化為一個平面三自由度機械手。設(shè)機械手大小臂及伸縮桿均為勻質(zhì)桿件，則其質(zhì)心位于各桿中心處，小臂長度與伸縮桿長度相同，所以當(dāng)小臂未伸出時，其伸縮桿質(zhì)心與小臂質(zhì)心重合，而當(dāng)小臂有伸縮位移時其值可由來表示，機械手整體動力學(xué)結(jié)構(gòu)分析簡圖如下： 圖一 蘋果采摘機械手機構(gòu)簡圖2.3.2 大臂的動能及勢能因為 ， ，所以： 大臂動能

6、 大臂勢能 2.3.3小臂的動能及勢能因為 ， ， 其中： 所以： 小臂動能 小臂勢能 2.3.4 小臂伸縮桿的動能及勢能因為 ， ， ， 所以 小臂伸縮桿的動能為 小臂伸縮桿的勢能為 2.4 模型的求解：對于上述所建立的機構(gòu)運動模型及所求的大小臂及伸縮桿動能和勢能，列拉格朗日函數(shù)L: 將各個方程帶入拉格朗日方程 則得： （1） （2） （3） 三結(jié)論與展望：通過了解國內(nèi)外對于果蔬采摘機器人的研究現(xiàn)狀，得知果蔬采摘機器人目前仍處于研究開發(fā)試驗階段。其實用化，商品化的進(jìn)程仍很艱巨，主要原因之一就是具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括末端執(zhí)行器設(shè)計存在不足。為此，本文以蘋果為采摘對象，基于果蔬采摘機械手的選型原則提

7、出了一種具有整體升降和小臂伸縮功能的三自由度蘋果采摘機械手，然后建立了優(yōu)化模型。雖然本論文對蘋果采摘機器人機械手的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了研究，并取得了一些成果，但是關(guān)于蘋果及其他果樹采摘機器人的相關(guān)理論、設(shè)計方法和樣機試驗，還有諸多研究工作需要進(jìn)一步深入。成本較高一直是果蔬采摘機器人不能商業(yè)化的重要因素，如何降低成本并保證機器人具有良好的智能采摘性能，將是以后果蔬采摘機器人商業(yè)化必須克服的難題。設(shè)想可以通過改變作物的栽培模式，從而降低機器人對避障能力的要求來降低成本;基于人機協(xié)作的思想，由人對機器人進(jìn)行導(dǎo)航和視覺定位，由機器人進(jìn)行采摘，從而降低成本。通過實施以上兩種方法，可以作為智能采摘機器人商品化的過渡。 另外，機械手的效率和成功率也是需要考慮的重要問題，進(jìn)一步提高采摘機器人的末端執(zhí)行器的采摘效率和成功率，在保證智能化同時降低成本，提高末端執(zhí)行器的通用性。參考文獻(xiàn)【1】耿端陽，我國農(nóng)業(yè)機械發(fā)展趨勢分析J.2004【2】湯修映，果蔬收獲機器人研究綜述J.機器人2005【3】趙金英，基于三維機器