行业头条
个人养老金市场助力 保险资管迎发展新机遇
近年来保险资管公司资产管理规模数据来源：保险资产管理业协会 2018年，《关于规范金融机构资产管理业务的指导意见》（以下简称“资管新规”）发布，作为资产管...[详细]
前10月装备制造业利润明显回升
国家统计局近日发布数据显示：1至10月，装备制造业利润同比增长3.2%，增速较1至9月加快2.6个百分点，连续6个月回升；10月当月，装备制造业利润同比增长25.9%，实...[详细]
我国首座深水科考专用码头启用
新入列的“海洋地质二号”多功能新型科考船18日缓缓抵靠中国地质调查局广州海洋地质调查局科考码头，标志着我国首座深水科考码头正式启用，我国深海探测基地保障...[详细]
中国贸促会：多措并举助中国企业出海拓商机
记者15日从中国贸促会了解到，应出国展览行业和外贸企业需求，中国贸促会及时推出恢复出国经贸展览的针对性举措，已完成今年11月至明年2月期间的15个出国经贸展...[详细]
专家论坛
白明：中老铁路开通一年，折射出怎样的合作前景？
中老铁路，又称中老昆万铁路，它北起云南省昆明市，南至老挝首都万象市，是共建“一带一路”倡议提出后，首条以中方为主投资建设，全线采用中国标准、使用中国设...[详细]
金观平：切实稳定市场主体政策预期
近日，国务院办公厅印发《关于进一步优化营商环境降低市场主体制度性交易成本的意见》，提出要进一步规范行政权力，切实稳定市场主体政策预期。今年以来，党中央...[详细]
何建华：推动共同富裕，重在实践中听微决疑
共同富裕是社会主义的本质要求，是根植于中国历史文化传统基础上的价值追求，是中国式现代化的重要特征。发展是硬道理，这一全民共识伴随着改革开放进程深入人心...[详细]
杨忠阳：从更深层次看汽车消费
汽车销量预期从悲观转为乐观，一方面在于新冠肺炎疫情得到较好控制，另一方面则在于国家对汽车消费的重视。新能源汽车已成为全球科技创新，产业升级的标志性产品...[详细]
行业人物
一种新型农业机械臂的运动学分析
发布时间：2021-09-10 16:13:10 来源： 中国科技论文网
摘要：针对目前果蔬采摘时机械臂工作空间小和承载能力低的不足，提出了一种工作空间范围大且有较高承载
能力的新型农业机械臂。机械臂是一种串并联混合机构，具有平面内转动和移动 2 个自由度，能够实现在较
大活动范围内对果蔬的采摘功能。本文首先对机构的组成和自由度进行了分析，并在此基础上，基于闭式运
动链子组件法对机构的运动学正反解进行了分析，从而预测机械臂在工作时的空间范围。最后，求解了 5 组
机械臂的正反解分析数值算例，验证求解方法和结果的正确性。结果表明，机械臂的工作空间可实现较大范
围内的水平移动，为此类机构的分析提供了新的设计思路和参考。
关键词：机械设计；运动学分析；闭式运动链子组件；农业机械臂
中图分类号：TH112.1 文献标识码：A 文章编号：1674-2850(2021)01-0008-06
Kinematics analysis of a new agricultural robot arm
CHEN Yichao
(Nexteer Automotive Systems (Liuzhou) Co., Ltd., Liuzhou, Guangxi 545006, China)
Abstract: The objective of this study is to propose a new agricultural robot arm with large workspace and
high bearing capacity, aiming at the shortage of small workspace and low bearing capacity of the robot
arm when picking fruits and vegetables. The robot arm is a series and parallel mixing mechanism and has
two degrees of freedom: a motion and a rotation in the plane, which can realize the function of picking
fruits and vegetables in wide activity range. Firstly, the composition and degree of freedom of the
mechanism were analyzed. And on this basis, the positive and negative kinematics solutions of the
mechanism were analyzed by using the closed motion-chain module method to predict the space range of
the robot arm at work. Finally, five sets of positive and negative solution analysis numerical examples of
the robot arm were given to verify the correctness of the solution method and results. The results show
that the workspace of the robot arm can move horizontally in a large range, which provids a new design
idea and reference for the analysis of this kind of mechanism.
Key words: mechanical design; kinematics analysis; closed motion-chain module; agricultural robot arm
0 引言
农业作业一般劳动强度大、工作环境恶劣，且容易使人体产生疲劳，导致生产效率低下。其次，由
于种植环境限制，农作物收获一般是露天作业，尤其在晴天进行，长时间的户外作业会对劳动者的身体
健康造成伤害。因此，农业机器人是一种潜在的社会需求，具有较好的市场发展前景。依靠机器人作业，
不仅可以提高工作效率，减少人力、物力消耗，而且在高强度和重复性作业的工况下，劳动者劳动强度
低。此外，机器人的关键组成部分是机械臂。机械臂是机器人完成预定动作的执行部分，即实现目标作
业的部件。很多学者对于不同用途和不同结构的机械臂做了大量研究工作。冯青春等[1]设计了黄瓜采摘
机械臂，且对该机械臂进行了结构优化和运动学分析。陶进伟等[2]对采摘机械臂展开了运动学分析。另
作者简介：陈谊超（1985—），男，工程师，主要研究方向：机械设计与制造. E-mail: yichao.chen@nexteer.comVol.14 No.1
March 2021
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外，李伟等[3]对苹果采摘机械臂进行了优化设计，并采用 ADAMS 和 Matlab 对其进行了仿真验证。傅隆
生等[4]设计了一种用于猕猴桃无损采摘的机械臂，且通过试验验证了该机械臂能实现无损采摘。王红军等[5]
提出了香蕉采摘抓取机械臂，构建了其三维模型，并且用 ADAMS 验证了方案的可行性。 此外，赵东
辉等[6]利用自动控制技术提出了多手臂水果采摘装置。靳龙等[7]应用 CAD 变量几何法对机械臂进行了运
动学分析。
为解决目前果蔬采摘时机械臂工作空间小和承载能力低的不足，本文提出一种新型农业机械臂，其
可以实现在较大的工作空间内对果蔬进行采摘，为此类机构的分析提供新的设计思路和参考。
1 机构的组成与自由度分析
机构的组成与自由度是机构分析的基础。本研究提出了
一种新型机械臂，如图 1 所示。该机械臂由以下几部分组成：
机架、大臂和小臂、末端执行器、摇杆和连杆、大臂油缸 s1
和末端油缸 s2. 机构的联接关系如下：首先，机架（1）与
大臂（2）的一端铰接；其次，大臂另一端与小臂（3）铰接，
同时小臂的另一端与末端执行器（4）铰接；再次，末端执
行器的另一端通过末端油缸（9）与连杆（6）的一端铰接；
连杆的另一端与摇杆（5）铰接，摇杆（5）的另一端与机架（1）
铰接；此外，连杆（6）的另一部位与摇杆（7）铰接，摇杆
（7）的另一端与机架（1）的一部位铰接；最后，大臂油缸
（8）的一端与机架（1）铰接，另一端与大臂（2）的一部
位铰接。
为便于自由度求解，绘制了机械臂的机构示意图（如图 2 所示）。机构的自由度计算公式[8]表示为
(
L H )
3 2
F n PP
=− +
，
（1）
其中，n 为活动构件数目； PL 为低副数目； PH 为高副数目。在该机构中，相应的构件、低副和高副的数
目依次为： n =10 ， PL =14和 PH = 0 . 将以上数据代入自由度计算公式（1），即可求得该机构具有 2 个
运动自由度。因此，该机构的末端执行器（4）具有完成平面内的一个移动和一个转动自由度的功能，可
满足机械臂采摘空间的作业要求。