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农业农村部、国家发展改革委、科技部、自然资源部、生态环境部、国家林草局近日联合印发《“十四五”全国农业绿色发展规划》。这是我国首部农业绿色发展专项规划...[详细]
设立北京证券交易所 新三板改革站上新起点
习近平主席2日在2021年中国国际服务贸易交易会全球服务贸易峰会致辞中宣布，继续支持中小企业创新发展，深化新三板改革，设立北京证券交易所，打造服务创新型中...[详细]
教育部出台指导性文件——课程教材将加强重大主题教育内容
课程教材要培根铸魂，启智增慧。培“根”就是要打好中国底色，铸“魂”就是要植入红色基因。“课程教材加强重大主题教育，是培根铸魂、培养社会主义合格建设者和...[详细]
7月国民经济延续稳定恢复态势
国家统计局16日发布的数据显示，7月份，国民经济延续稳定恢复态势。7月份，全国规模以上工业增加值同比增长6.4%，两年平均增长5.6%；社会消费品零售总额34925亿...[详细]
专家论坛
张 平：5G加速助推医疗资源整合
“5G技术在医疗健康行业加速融合和蓬勃发展。”近日，工业和信息化部公布5G﹢医疗健康应用试点项目公示名单，让“5G﹢智慧医疗”再一次成为业界关注的焦点。中国...[详细]
倪光南：数据网络技术赋能数字经济发展
近年来，国家出台一系列相关政策，大数据成为国家层面的重要战略资源，一个国家拥有的数据规模、活性、...[详细]
陈新光：实现全年物价调控目标具有坚实基础
2021年7月9日，国家统计局发布的2021年6月份全国CPI(居民消费价格指数)和PPI(工业生产者出厂价格指数)数据显示：CPI同比上涨1.1%，PPI同比上涨8.8%，涨幅均比上...[详细]
李红日：诠释“铁”担当 奋进新征程
一条长长的铁路，印刻着中国铁路人，在共产党领导下，忘我奋斗的坚实足迹，一个潮起东方的新时代，展示着中国铁路人，为实现中华民族伟大复兴，不忘初心、砥砺前...[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。