手持式芒果采摘装置的结构设计-毕业设计（论文）说明书

编号：毕业设计(论文)说明书题目：手持式芒果采摘装置题目类型：理论研究实验研究工程设计工程技术研究
软件开发年月日摘要芒果是我国著名的热带水果之一，它营养丰富、口感细腻，不仅可以直接食用，还大量应用于果汁、蜜饯、奶粉
等生活用品，需求量大。但是芒果采摘不便、容易损伤是一直是困扰广大果农的难题。近年来国外的研究方向主要是以机器人为主的研究方向，主要
用于与芒果采摘相类似的苹果、梨、柑橘等水果的采摘。机器人采摘在一定程度上缓解了劳动力不足的问题，但是由于受地形区域的影响和其经济性
的影响并不能广泛使用。国内在机器人采摘方面的研究还处于研究阶段，国内的研究方向主要还是在半自动化人机采摘的模式上。但在手持式芒果采
摘装置方面的并没有太多的研究，以至于手持式芒果采摘装置的发展严重受阻。研究经济性、方便性以及简单操作性的芒果采摘装置具有重要意义。
本文的主要研究即为手持式芒果采摘装置。手持式的芒果采摘装置一般分为两种，一种是电动式手持芒果采摘装置，另一种是机械式纯手动采摘装置
。电动式一般采用电机辅助采摘，机械式则是靠人为的转动或牵引直接采摘。手持芒果采摘装置是一种典型的助农机械，它以结构简单紧凑、使用方
便、成本低廉等优点，在近些年来开始越来越引起人们的重视。本次设计采用了新颖的设计方法，即通过计算、建模、验证相结合的方法来完成手持
芒果采摘装置的设计。本次设计主要分以下几大模块进行：首先分析手持芒果采摘装置的国内外研究现状及趋势，明确研究意义。然后论述常见手持
水果采摘装置的工作原理及常见的结构形式及特点，确定手持芒果采摘装置的结构方案。接着进行手持芒果采摘装置的相关参数设计及计算。然后通
过三维软件，结合此前计算出的核心参数，对手持芒果采摘装置的各个机构及部件进行模型绘制及装配。然后运用ADAMS运动仿真的方法机构的
可行性进行验证。最后通过ANSYS有限元进行分析，通过Adams和ANSYS软件的分析验证装置的可行性。关键词：芒果；采摘装置；三
维建模；ADAMS仿真；ANSYS分析AbstractMangoisoneofthefamoushotfruits
inChina.Itisrichinnutritionanddelicateintaste.Itcann
otonlybeeatendirectly,butalsobewidelyusedinfruitjuice
,preserves,milkpowderandotherdailynecessities.However,ma
ngopickingisinconvenientandeasytodamage,whichhasbeena
problemformanyfarmers.Inrecentyears,robotisthemainrese
archdirectioninforeigncountries,whichismainlyusedforpic
kingapples,pears,orangesandotherfruitssimilartomangopic
king.Robotpickingcanalleviatetheproblemoflaborshortaget
osomeextent,butitcannotbewidelyusedbecauseoftheinflu
enceofterrainanditseconomy.Thedomesticresearchonrobotp
ickingisstillintheresearchstage,andthedomesticresearch
directionismainlyinthemodeofsemi-automaticman-machinepic
king.Tosumup,mostoftheresearchonMangopickingdeviceis
focusedonthedevicesusedinindustrialandprofessionalorchar
ds.However,thereisnotmuchresearchonhand-heldmangopickin
gdevice,sothedevelopmentofhand-heldmangopickingdeviceis
seriouslyhindered.Itisofgreatsignificancetostudytheeco
nomic,convenientandsimplemangopickingdevice.Themainresea
rchofthispaperisthehand-heldmangopickingdevice.Thehand-
heldmangopickingdeviceisgenerallydividedintotwotypes,on
eistheelectrichand-heldmangopickingdevice,theotheristh
emechanicalpuremanualpickingdevice.Theelectrictypegenera
llyusestheelectricmotortoassistinpicking,whilethemecha
nicaltypereliesonthemanualrotationortractiontodirectly
pick.Thehand-heldmangopickingdeviceisatypicalagricultura
lmachinery,whichhastheadvantagesofsimpleandcompactstruc
ture,convenientuse,lowcostandsoon.Thisdesignusesanovel
designmethod,thatis,throughthecombinationofcalculation,
modelingandverificationtocompletethedesignofhand-heldman
gopickingdevice.Thisdesignismainlydividedintothefollowi
ngmodules:first,analyzethedomesticandforeignresearchstat
usandtrendofhand-heldmangopickingdevice,andclarifyther
esearchsignificance.Thenitdiscussestheworkingprinciple,co
mmonstructureandcharacteristicsofthecommonhand-heldfruit
pickingdevice,anddeterminesthestructureschemeofthehand-h
eldmangopickingdevice.Thencarryonthedesignandcalculatio
noftherelevantparametersofthehand-heldmangopickingdevic
e.Thenthroughthethree-dimensionalsoftware,combinedwiththe
previouslycalculatedcoreparameters,hand-heldmangopickingd
eviceofvariousmechanismsandcomponentsformodeldrawingand
assembly.Thenthefeasibilityofthemechanismisverifiedbyus
ingADAMS.Atlast,theFEAofANSYSisusedtoverifythefeasib
ilityofthedevicethroughtheanalysisofAdamsandANSYSsoftw
are.Keywords:Mango;pickingdevice;3Dmodeling;ADAMSsimulation;
ANSYSanalysis目录摘要IAbstractII引言11绪论21.1手持芒果采摘装置的研究背景21.2
水果采摘装置的国内外发展现状21.3本设计的主要内容52总体方案设计与各零件的建模82.1总体方案设计82.1.1手持芒
果采摘装置的结构组成、分类及特点82.1.2手持芒果采摘装置的方案设计92.2手持式芒果采摘装置的方案论证92.3手持芒果采摘装
置机构参数的设计102.3.1平面四杆机构的初步参数设计102.3.2驱动机构的尺寸参数设计112.3.3传动机构的尺寸参数设计1
12.3.4剪切机构的尺寸参数设计122.4手持芒果采摘装置各零件的建模122.4.1三维建模软件Solidworks概述122
.4.2主动刀的结构设计及建模132.4.3被动刀的结构设计及建模142.4.4主动手柄的结构设计及建模162.4.5被动手柄的结
构设计及建模172.4.6连接钢丝的结构设计及建模192.4.7固定刀连接套的结构设计及建模202.4.8固定手柄连接套的结构设计
及建模222.4.9其他部件的结构设计及建模232.5本章小结243手持芒果采摘装置的装配253.1SolidWorks三维
装配功能概述253.2各零部件的装配253.3本章小结294手持芒果采摘装置的ADAMS仿真304.1ADAMS软件概
述304.2ADAMS仿真参数的设置304.3ADAMS仿真结果分析344.4本章小结385采摘装置刀片的有限元分析39
5.1有限元方法简介395.2采摘装置刀片模型的导入395.3材料参数的设置405.4被动刀片模型网格的划分405.5被
动刀片载荷的施加415.6被动刀片的强度及刚度分析结果415.7被动刀片的模态分析435.8本章小结466总结与展望47
6.1总结476.2展望47谢辞49参考文献50引言随着水果产业化的飞速发展，我国的农业也朝着机械化不断发展。我国是农业大国，
其中果业是农业的重要组成部分，果植产业在我国仅次于粮、菜居于第三位，而芒果产业更是占据了我国果植产业的重要比重。如果芒果采摘全部靠
人力采摘的话，劳动力强度大，而且会极大地影响效率，甚至由于水果的采摘期短，不一定能保证水果能在一定的时间内采摘完毕。而且水果的采摘
所耗费的劳动力占据了整个生产的50%-70%，所以机械采摘的开发利用具有巨大的经济效益和市场前景[1]。目前应用于果园的辅助性采摘
形式主要有两种：一种是机械全自动采摘；另一种是机械辅助性半自动采摘机械。全自动采摘即机器人对果园进行采摘，但由于有些地方环境恶劣，
地面崎岖不平，所以不适合机器人的移动和运作。故机械辅助性的半自动采摘成了我们首要的研究话题，半自动采摘即人与机械联手进行快速精准的
采摘操作，机械辅助性采摘比人纯手工采摘大大节约了成本。我国现阶段的主要采摘形式为机械辅助性采摘，所以设计一款具有实用性强，方便实惠
的手持式采摘装置具有重要意义[2]。本文主要采用活动手柄的转动牵动钢丝绳实现剪刀的打开与闭合，并用钢丝绳牵引活动刀片切断果柄。弹簧
力提供夹紧力使装置自动复位，实现快速省力的采摘剪刀上附有收集网，一次性可以采摘水果五六个左右。总体而言，本设计基于以人为本的设计理
念，以减轻劳动工人的劳累程度提高工作效率为目的，创新的融合和应用各种常见装置，实现一款新型的小型水果采摘器。本文采用SolidWo
rks软件对手持式芒果采摘装置进行三维建模，画出装置的零件图然后进行组装，得出完整的结构图。然后是运用Adams软件对装置进行相应
的动力学分析。最后使用ANSYS有限元软件对装置进行动力学、静力学分析以及模态分析。1绪论1.1手持芒果采摘装置的研究背景进入
21世纪以来，随着农业设施的大量使用以及农业技术的提升，所以对农业的机械自动化程度有了更高的要求，设计出可以替代人工进行农业采摘的
机械逐日可待。现在很多的发展中国家已把农业机械化的普及提升到国家的战略层面。美国日本等国家等发达国家对农业的机械化重视程度也比较高
，他们已经生产出喷洒、采摘、除草等机器人。所以研究具有通用性比较高以及制造成本低，操作简单实用的农业机械是该领域急需解决的问题，这
样才能把农业机械化更好的推广[3]。现代农业机械的使用不仅提高了工作效率，而且促进了劳动力资源能够合理的分配，使农业生产更加合理。
因为芒果的采摘环境比较复杂、芒果果皮容易划伤、果实分布较随机等特点[4]。所以采摘机械需要有灵活轻便等特点。手持式芒果采摘装置虽然
外观比较简单，但是其设计是很多的其他手持式采摘装置的结合体。手持式的采摘装置由于其结构简单、操作简捷、性价比高等特点，手持式采摘装
置被广泛应用，其发展前景良好。芒果采摘是一项耗时耗力的农业生产，但是由于工业的快速发展占据了农业劳动力的大部分，还有人口老龄化的加
速，导致从事农业生产的人越来越少，单纯依靠人手工采摘已经不能满足当前农业发展的趋势。随着机械制造以及设计技术的发展，越来越多的机械
装置开始出现在农业生产上。其中手持式采摘装置已经在农业生产中成为必不可少的重要工具。在国内的手持式芒果采摘装置还是存在着不少问题，
例如果实采摘过程中损坏果实表皮、伤害植株性采摘和采摘效率低等问题。所以设计出一款既不伤害果实也不伤害植株而且采摘效率较高的采摘装置
具有重要意义。本课题基于芒果采摘装置的认识，探索了一种比较新型的手持式芒果采摘装置。1.2水果采摘装置的国内外发展现状随着新农业
身缠模式和新技术的发展，农业机械化生产逐步成为农业生产的主流模式。采摘机械作为农业机械的重要类型，具有很大的发展潜力。当前，国外的
采摘机械发展迅速，国内的同类型产品，现也取得了阶段性成果国外的采摘装置研究主要以采摘机器人为主。美国是最早进入采摘机器人研究的国家
。1968年，美国学者Schertz和Brown首次提出应用机器人进行果蔬采摘的想法。1983年，第一台采摘机器人在美国诞生，此后
的30多年里，美国、法国、日本、英国、比利时等国家相继展开了各种采摘机器人的研究和开发，涉及到的采摘对象有苹果、柑橘、草莓、葡萄、
番茄、芒果、梨子等等[5]。美国佛罗里达州大学研究的橙子采摘机器人是较为突出的一款机器人，其结构包括有两个相互独立的机器人，一个负
责寻找橙子的位置，另一个负责采摘。日本Kawamura等人研发的抓取式的番茄采摘机器人如图1-1，其运动装置为四轮机构，可以在田地
里行走，利用机器人上的光传感器和设置在田里的反射板，可以检测出前方是否有障碍。日本研制出的草莓采摘机器人也很特别。这个机器人使用摄
像头检测草莓的颜色和亮度确定草莓是否到了成熟期，根据这些数据进行收获就不会破坏到果实。这款机器人有两个摄像头所以能使用立体图像去检
测草莓的三维结构来定位草莓的位置。图1-1抓取式番茄采摘机器人国内的采摘机器人的研究开始于20世纪九十年代中期，比欧美国家略晚，
随着20多年的陆续研究，也取得了不小的成果。中国农业大学研制了四自由度关节型机械臂和夹剪一体式两指气动式末端执行器，并配置了双目视
觉系统。实验表明每一果实采摘平均耗时28秒，采摘成功率高达86%。国家农业智能装备工程技术研究中心冯青春等，针对吊线栽培番茄开发的
的采摘机器人采用轨道式移动升降平台，装置的机械臂为4自由度，并且设计了吸力拉入套筒、气囊加紧进而旋转拧断采摘果实的末端执行器机构。
机器人的视觉采用了线激光视觉系统主要由CCD相继和激光扫描实现果实的定位与识别。该机器人的采摘平均耗时24s，在强光和弱光的采摘环
境下的采摘成功率分别为83.9%和79.4%[6]。西北农林科技大学设计出了，一种反切内置式芒果采摘器，涉及一种果实的采摘领域。该
装置由刀头总成、金属闸线、伸缩杆、助力带、助力带连接座、手柄、接果袋筒、刀头外壳、刀片一、刀片二、螺栓、弹簧组成。刀片一和刀片二内
置与刀头外壳内，通过螺栓连接在一起，刀片一与刀片二可绕螺栓做相对转动完成剪切动作，金属闸线的一端系在刀头一和刀头二上，从刀头总成的
管材内部穿过，在刀头总成的下方汇聚成一股，穿过伸缩杆与手柄连接，手柄可通过金属闸线控制刀片一和刀片二做剪切运动[7]。贵州省望谟县
明灿芒果种植有限公司发明了一种芒果采摘器，包括推车本体，推车本体的底端对称设置有连接轴，连接轴的底端设置有滚轮，推车本体的一侧设置
有连接板，连接板的顶端设置有支撑板，支撑板的一侧顶部设置有控制面板，推车本体的顶部且位于连接板的一侧设置有凹槽，凹槽内设置有电机，
电机的输出端设置有转动轴，转动轴的顶端设置有锥齿轮一，锥齿轮一上设置有与之相啮合的锥齿轮二，锥齿轮二上穿插设置有螺旋轴，锥齿轮二的
一侧设置有套设在螺旋轴上的轴座，且轴座与推车本体连接，轴座的一侧设置有固定座，螺旋轴远离锥齿轮二的一端设置有活动块，活动块的底端设
置有滑槽。该采摘器能方便的对高处的芒果进行采摘，增加了采摘芒果的效率[8]。使用机器人采摘的方式一般对环境的要求比较高，在一些地形
复杂，环境恶劣的条件下不能使用机器人采摘，只能采用机械辅助性的工具进行采摘。手持式采摘装置此时成为必不可少的采摘装置。国外的研究对
象主要是采摘机器人，对手持式采摘装置的研究并没有太多的太多。我国对手持式采摘装置的研究从未停止过。国内的手持式采摘装置有很多，各有
特点。按照其采摘方式一般可分为三种，旋转式的采摘装置如图1-2、剪切式的采摘装置如图1-3、以及拉拽式的采摘装置如图1-4。旋转式
的采摘最典型的是三爪采摘装置，即采摘装置末端执行器为三个爪子，控制爪的开合来抓取果实。剪切式的采摘装置为末端执行器为剪刀，控制剪刀
剪短果柄来收获果实。拉拽式的采摘装置较为简单，装置末端一般为齿形的空心圆，当果实在圆内，然后拉拽，因为有齿在的缘故，所以果实会被分
离果柄，达到采摘。图1-2旋转式采摘装置图1-3剪切式采摘装置图1-4拉拽式采摘装置这些采摘装置结构简单，但是这些装置的采
摘并不能完整地对果实进行采摘，这些装置的采摘对果实都有一定程度上的伤害，甚至对果树都有一定的损伤。旋转式和拉拽式的采摘在一定程度上
对果皮的损伤较大。多数现有的芒果采摘装置基本都存在以下的问题：（1）定位效果差。旋转式芒果采摘装置必须将芒果牢牢套住后才能旋转果柄
，使芒果脱落。但是在高空中，视野并不清楚的条件下，很难实现芒果的快速定位，采摘具有一定的困难[9]。（2）损伤可能性大。拉拽式芒果
采摘装置是通过强行拉拽而折断果柄，在这个过程中不能保证仅果柄断裂点，有可能会使芒果在根部损伤。旋转式芒果采摘装置牢牢抓住芒果会对芒
果产生挤压，从而使芒果损伤。（3）采摘效率低。旋转式和拉拽式芒果采摘装置在芒果定位时消耗时间长，另外使用旋转式芒果采摘装置过程复杂
，操作步骤多，都会使得采摘效率低[10]。综上所述，设计一款方便实用、经济实惠的无伤性采摘装置具有重要意义。本文的设计即为手持式芒
果采摘装置。1.3本设计的主要内容由以上分析可知，手持式芒果采摘装置在采摘时对果皮损伤最少的为剪切式的采摘装置，所以本设计是在原
有的剪切式采摘装置进行优化改进。设计出一款与众不同的剪切式采摘装置。本设计以最常见的芒果品种作为对象进行设计，给出了一款手动采摘装
置的设计，设计初始参数如下：（1）芒果一般重量约1kg；（2）芒果最大尺寸为长度约120mm,宽度80mm，厚50mm；（3）芒果
植株最高约为5米；（4）芒果果实与其果柄的连接力大小平均值约10N。本设计的主要内容如下：查阅相关涉及资料，选择有用的文献及材料，
学习及归纳总结国内外芒果采摘的科学研究成果，观看采摘视频。参考现有的芒果采摘装置，仔细分析现有的芒果采摘机械，分析其内部结构，工作
原理。结合现有的设计与目前的芒果采摘现状进行对比，创新及构思一种芒果采摘装置的结构总体框架。设计芒果采摘装置的方案，充分考虑材料选
用，可靠性分析。运用三维建模软件SolidWorks进行实体建模零件构造，组合装配搭建整体。运用ADAMS完成机械整体虚拟样机演示
。运用ANSYS对装置完成分析。将三维模型导出,绘制2D零件图及装配图。根据论文总体设计可以基本确定论文的总体构架如图1-5为论文
的总体框架图。其中包括的主要内容有:开始是论文方案的总体设计和装置的设计与分析，这两的描述在第二章。然后是装置的3D建模，建模的过
程主要放在第二第三章。再然后是对装置进行Adams的分析，Adams的分析在论文的第四章。最后是装置刀片的ANSYS有限元分析，A
NSYS有限元的分析在论文的第五章。图1-5手持式芒果采摘装置框架图2总体方案设计与各零件的建模2.1总体方案设计2.1.
1手持芒果采摘装置的结构组成、分类及特点手持芒果采摘装置有多种类型，它们的结构与功能存在差异，功能也有区别。总的来说，手持芒果采摘
装置都具有驱动机构、传动机构、采摘执行机构及伸缩机构等几大部分组成。常见的手持采摘装置驱动机构主要有手柄驱动和摇柄式驱动两种形式，
手柄驱动即通过手指拉动提拉手柄，并使其绕着轴线旋转，进而为采摘装置提供动力源。摇柄驱动通过摇动手柄带动连接绳，使其做圆周运动，进而
为采摘装置提供动力源。摇柄驱动装置容易出现卡线且容易倒回的缺点，并且需要双手驱动，所以摇柄驱动并不广泛使用。手柄驱动这种驱动方式操
作方便、省力，更符合人机工程学，在手持采摘装置中应用广泛。因此在本文中采用的是手柄驱动[11]。手持采摘装置的传动机构有拉线式及连
杆式两大类。拉线式传动机构不受采摘杆形状及大小的限制，可以方便地进行布局。但是拉线式传动方式容易出现拉线变形、弯曲，经过一定时间的
使用后，容易造成操作间隙增大，操作阻力增大，甚至出现卡死无法操作的现象[12]。连杆式传动结构简单可靠、使用起来省力方便，其缺点是
连杆在长度方向的尺寸过大，使加工制造难度增加，此外过长的杆件还会降低整个传动装置的刚度，造成弯曲干涉等现象[13]。由于本文的采摘
对象为最高5m的芒果树，除去人的身高臂长,采摘装置的杆长并不会很长，对杆件的影响不大。因此本文采用的是连杆式的传动机构。果实的采摘
方式有抓取扯断果柄与剪断果柄的方式两种。采用抓取果实并扯断果柄的方式适合对果皮完整度要求较高，果柄强度不高的果实采摘，此种方式通过
操作手柄首先完成果实的抓取，再通过晃动、拖拽等方式使果实脱落取出。此种方式的特点是果实采摘后不会直接掉落，不容易造成果实碰伤，缺点
时拖拽式摘果的方式，容易破坏果柄处的果肉，影响保鲜，另外这种方式还容易对树枝造成损伤[14]。剪断果柄的方式是通过采摘装置末端的剪
断机构，剪断果实的果柄，使果实掉落。这种摘果方式的特点是，操作灵活，摘果速度快，不容易伤果枝[15]。不过此种方式需考虑果实掉落造
成果实碰伤问题，适合对果皮完整度要求不高的果实。由于抓取式的采摘对果皮和果树的伤害较大，所以本文的采摘方式为剪断果柄式的采摘方式，
通过收集框收集的方式接住被摘下的果实，避免果实掉落地面对其造成损伤。通过以上分析，本文采用手柄式驱动的机构，连杆式的传动机构和采摘
方式为剪切式的采摘机构。由于其经济性、实用性、便捷性等优点。本文使用机械手持式芒果采摘装置，使用剪刀式的剪切方法。由于在剪刀果柄时
不然果实掉到地上，本装置还有个收集装置。2.1.2手持芒果采摘装置的方案设计本设计的方案与布局如下图所示。1.固定把手2.固定板
3.拉杆4.固定切刀5.活动切刀6.活动把手图21手持芒果采摘装置的方案图本方案的工作原理：活动切刀、固定切刀、固定把手、活
动把手及固定板构成了平面四杆机构。当转动活动把手时，带动拉杆动作，进而带动活动切刀绕其轴线旋转，与固定切刀形成相对运动，进而实现芒
果的采摘切断。复位弹簧的作用是保持活动手柄的复位。采摘收集框的作用是由于剪断果柄时防止芒果掉到地上而进行的暂时存储的装置。总体来说
本方案结构简单、部件数量少、加工制造方便经济性好，采用纯手动配合连杆的方式来驱动，不仅保障动作的时效性、连贯性，还保障了其经济。本
方案设计操作简单，易上手，无操作难度，是一种合理的方案。2.2手持式芒果采摘装置的方案论证下面分别从以下几个方面对本设计的方案进行
论证。自由度论证分析可知，机械装置要实现确定的运动，就需要自由度唯一，下面计算以上芒果采摘装置的自由度。由设计方案可知，采摘装置为
平面四杆机构，固定板相当于机架，活动手柄与活动刀片相当于两个摇杆，拉杆相当于连杆，活动构件有3个，转动副有4个，因此可得机构的自由
度为：F=3n-2Pl-Ph=3×3-2×4-0=1(2-1)于是可得，机构的自
由度唯一，可以实现唯一确定的运动。操作可行性论证。在以上设计方案中，采摘装置构成了一个平行四边形机构，即活动手柄与刀片的运动轨迹
完全相同，即当用手操作手柄完成捏合动作时，刀片一侧也完成相同的捏合动作，即完成芒果的采摘。采摘时，操作者一手持杆，另一手捏合手柄，
即可轻松实现芒果的采摘。此外本装置还加装了网兜，可以保证采摘掉的芒果掉入网兜内，防止落地碰伤。经济性论证。本设计的采摘装置，其部件
形状及结构简单，可以很方便地加工制造与组装。活动手柄、固定手柄、圆筒及相应的连接件，其受力不高，均可采用常规廉价的塑料材质，通过模
具注塑完成。刀片及拉杆采用金属材料，通过简单加工即可完成。总体来说本方案采摘装置经济性好，加工制造成本低，便于其大规模推广。2.3
手持芒果采摘装置机构参数的设计2.3.1平面四杆机构的初步参数设计平面四杆机构的设计计算理论如下。图2-2平面四杆机构的运动简
图在以上简图中，通过矢量法可得：(2-2)沿着x及y坐标分别进行投影后可得：(2-3)代入上式可得：(2-4)在本设计的平
行四边行机构有：(2-5)因此只需按实际需求给出刀片转角、拉杆长度，铰接孔长度等参数，即可确定出此四杆机构的尺寸参数。分析可知，
采摘装置是一个平面四杆机构。考虑到剪切开全角与手柄操作的开合角接近，其同步运动，采摘时果柄的切断力较小，为简化设计，本设计采用平行
四边形机构作为四杆机构的基本形式。其中平面四杆机构的最基本型式为铰链四杆机构，即全部运动副为转动副的四杆机构。铰链四连杆机构也可分
为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。其中曲柄摇杆机构即为铰链四杆机构的两连架杆中一个能做整周运动，另一个只能做往复运动摆动的机
构。双摇杆机构即为铰链四杆机构中的两连架杆均不能做整周转动的机构。双曲柄机构即为铰链四连杆机构的两连架杆均能做整周转动的机构。双曲
柄机构也可分为平行双曲柄机构和反平行四边形机构。平行双曲柄机构即为在双曲柄机构中若相对的两杆平行相等则为平行双曲柄机构。在双曲柄机
构中，虽然其对应边长度也相等，但其对边并不平行，两驱柄的转动方向也相反，故称其为反平行四边形机构。由于平行双曲柄机构的特点是其两曲
柄能以相同的角速度转动，而连杆做平行移动。很适合本设计的机构要求，所以本设计使用的是平面四杆机构的双曲柄机构的平行双曲柄机构[16
]。本设计的研究对象为面向个体小户型的采摘对象。本设计的手持式芒果采摘装置的对象为最高5m的芒果树，再考虑到人的身高及臂长，本设计
中取平行四边形长边的长度为4m，即拉杆的两个铰接孔距离为4m，固定把手与固定切刀铰接孔的中心距也为4m。杆长为4m的装置加上人的身
高臂长足以应对5m左右的高空芒果采摘。2.3.2驱动机构的尺寸参数设计手持芒果采摘装置的驱动机构为主动手柄与被动手柄两部分铰接而成
。由于是手持式的装置所以装置的材料要求尽可能节约轻便且具有一定的强度和硬度。在综合考虑下以及查了相关的文献最后采用的是ABS塑料。
因为ABS塑料具有优良的综合物理和机械性能，较好的低温抗冲击性能。尺寸稳定性。电性能、耐磨性、抗化学药物性、染色性、成品机工和机械
加工较好[17]。考虑到实际操作的便利性，经过查找相关文献可知，人一般人手掌的宽度与长度分别为120-150mm和150-200m
m[18]。所以设置主动手柄与被动手柄的最大相对转动角度设置为30度，两个手柄上对应四杆机构两个铰接孔的中心距取为40mm的设置最
为符合。2.3.3传动机构的尺寸参数设计手持芒果采摘装置的传动机构为一根连杆，其长度与平行四边形机构的长边长度相等为4m。连杆由于
横向尺寸较大，因此对其刚性有一定要求，综合考虑后两端选用材质为HT200灰铸铁的连接座。因为HT200有较高强度铸铁，基体为珠光体
，强度、耐磨性、耐热性均较好，减振性也良好；铸造性能较好，需要进行人工时效处理[19]。HT200的物理特性在众多的材料中较为符合
的连接座的物理特性。两连接座之间采用冷拔钢丝，材料选用60号钢。60号钢为亚共析钢，强度、硬度和弹性都很高，冷变形时塑性较低，切削
性较差，焊接和淬透性差，水淬会产生裂纹倾向，大型制件多采用正火。60号钢用于制造轴、弹簧圈、轮轴、各种垫圈、凸轮、钢绳等受力较大、
在摩擦条件下工作，要求较高强度、耐磨性和一定弹性的零件，60号钢的硬度HRC48-52，60号钢的抗拉强度和屈服强度都比较好[2
0]。60号钢的特性很符合钢丝所需的材料特性[12]。最后采用60号钢为钢丝的材料。钢丝与连接座之间通过紧固螺栓的方式进行固定。2
.3.4剪切机构的尺寸参数设计手持芒果采摘装置的剪切机构为主动刀片与被动刀片两部分组成，刀片的材质经过查找相关知识后选用SUS31
6不锈钢，因为SUS316不锈钢塑性、韧性、冷变性、焊接工艺性能良好，由于含碳量低且含有2%－3%的钼，提高了对还原性盐和各种无机
酸和有机酸、碱、盐类的耐腐蚀性能，同时高温性强度[21]。SUS316不锈钢的基本特点：（1）冷轧产品外观光泽度好；（2）由于添加
Mo(2~3%)，耐腐蚀性能，特别是耐点蚀性能优秀；（3）高温强度优秀；（4）优秀的加工硬化性（加工后弱磁性）；（5）固溶状态无磁
性；由于SUS316不锈钢的特点很符合刀片材质所要求的所以刀片的材质最后选定为SUS316不锈钢，刀刃最薄处的厚度为2mm。2.4
手持芒果采摘装置各零件的建模2.4.1三维建模软件Solidworks概述CAD是计算机辅助设计的简称，其作用是通过计算机强大的
运算与图形绘制能力，辅助设计人员设计产品，以提高便利性，提高可视化，同时降低运算量，它在我国的各个领域的应用越来越广泛，特别是在航
空、船舶、化工等设备制造行业[22]。Solidworks是CAD技术应用的一个典型的工业平台，它在目前各个行业的三维设计领域中，
保持着领先的地位，正在被越来越多的企业引进使用。Solidworks的应用极大地精简了产品设计的流程，同时又引入了新的流程，以提高
设计效率，降低失败风险[23]。传统的二维手工绘图的方式，过程繁琐复杂[24]。画图者往往借助了画法几何中的视图表达方法，表达能力
有限，往往只能凭想象与经验绘制出有限的视图，来表达结构，而读图者又需再按照画法几何的视图方法，逆向推理出产品的结构、尺寸。如此一来
，使产品设计图纸信息传递出错的风险大大增加，并且在设计初期不容易察觉[25]。只有在样件试制出来进行装配时，才有可能发现，再加上样
件试制时的误差，使得从设计到量产耗费巨大的人力成本和时间成本。Solidworks等三维软件的应用，解决了产品从设计源头到量产实，
从概念到模型的可视化、参数化的难题[26]。同时也方便了其他上下游行业进行产品的数据对接与实时沟通。不论是早期的市场调研、成本利润
评估，潜伏失效性风险预测，还是中期的模具、夹具、装配线的设计，以及后期的商业宣传广告、包装运输，都可以应用三维模型的方法，真实地反
应模型的实际情况，快捷地进行各个环节的设计与评估，极大地提高了效率，有效降低了设计制造过程中的风险[27]。Solidworks软
件由多个功能模块集成，并且体积小，模块多且分布清晰合理。不仅具有三维建模与装配功能，还具有运动仿真、工程制图、有限元分析以及简单渲
染的能力。它的各个模块分工协作，同时又可以随时进行切换，以达到涵盖整个设计流程的目的。软件的操作方式比较简单，逻辑清晰，通过各级菜
单与命令的方式，来完成指令操作。此引，软件还引进了结构树的功能，通过树形记录建模的全部步骤与过程，以方便在需要时，回头进行修改数据
，实现了各个模块的可逆、可编辑化操作，非常适合产品设计时不断修改优化的情形，十分方便[28]。本设计采用Solidworks软件对
手持芒果采摘装置的结构进行设计并建模。2.4.2主动刀的结构设计及建模手持芒果采摘装置的的剪切机构为主动刀与被动刀，通过它们的相对
转动，剪切果柄。分析可知，主动刀片在功能上需要具有两个铰接孔，来分别作为平行四边形机构的两个节点。大的铰接孔用于和被动刀相应的铰接
孔通过一个铆钉连接，小的铰接孔与拉杆的铰接孔通过铆钉铰接，它们的中心距为40mm，大的铰接孔直径取为15mm，小的铰接孔直径取为8
mm，刀片厚度取为2mm。主动刀除了满足剪切及连接功能要求外，还需满足结构及使用要求。主动刀片的形状需设计成可以与被动刀片联合剪切
时，不与其他部件干涉，还要保证一定的作用角，以方便操作。主动刀片为典型的凸台拉伸特征零件，因此在建模时通过凸台拉伸命令即可完成其主
要形体的建模，如下图所示。图2-3主动刀的主要形体的绘制接着通过倒角命令绘制其刀刃特征，如下图所示。图2-4主动刀刀刃的绘制图
2-5主动刀的建模图2.4.3被动刀的结构设计及建模分析可知，手持芒果采摘装置的的剪切机构为主动刀与被动刀相对转动，完成剪切果柄
。因此，被动刀片在功能上需要一个铰接孔，来分别作为平行四边形机构的固定节点。被动刀的作用相当于四杆机构的机架，在剪切过程中被动刀不
动，其铰接孔用于和主动刀相应的铰接孔通过铆钉连接，以完成连接。被动刀除了满足剪切及连接功能要求外，还需满足结构及使用要求。被动刀片
的形状需设计成可以与主动刀片联合剪切时，不与其他部件干涉，同样其合理的结构还保证了剪切的作用角。此外被动刀由于其固定在支架上，因此
还需要考虑其与支架的连接，本设计中选用两个直径为4mm的连接孔，并通过螺栓螺母将其固定在支架上。被动刀通过常规的特征建模方法即可得
到。首先通过凸台拉伸命令绘制其基本形体，如下图所示。图2-6被动刀主要形体的绘制接着通过切除拉伸的方法，绘制其左下边缘的切口，如
下图所示。图2-7被动刀边缘部分的绘制然后能过切除拉伸的方法，绘制被动刀与支架的连接孔，如下图所示。图2-8被动刀连接孔的绘
制最后通过圆角命令，处理被动刀上的棱角。绘制完成后的被动刀的模型如下图所示。图2-9被动刀的建模图2.4.4主动手柄的结构
设计及建模分析可知，手持芒果采摘装置的驱动机构为主动手柄与被动手柄的相对转动，来完成剪切果柄。分析可知，主动手柄上需要两个铰接孔，
来分别作为平行四边形机构的两个节点。大的铰接孔用于和被动手柄相应的铰接孔通过一个铆钉连接，小的铰接孔与拉杆的铰接孔通过铆钉铰接，它
们的中心距为40mm，大的铰接孔直径取为15mm，小的铰接孔直径取为8mm，刀片厚度取为2mm。主动手柄除了满足驱动及连接功能要求
外，还需满足结构及使用要求。主动刀手柄的形状需设计成可以与被动手柄联合剪切时，不与其他部件干涉，还要保证一定的手动作用角，以满足人
机工程学的相关要求，方便操作。主动手柄为典型的拉伸特征零件，因此在建模时通过凸台拉伸命令即可完成其主要形体的建模，如下图所示。图2
-10主动手柄主要形体的绘制接着绘主动制手柄内部的大圆角，使其边缘光滑，防止刺伤操作者的双手，如下图所示。图2-11主动
手柄圆角特征的绘制最后绘制主动手柄内部的其他细节圆角，使其符合塑料制品的加工工艺，绘制完成后的主动手柄的模型如下图所示图2-1
2主动手柄的建模图2.4.5被动手柄的结构设计及建模手持芒果采摘装置的驱动机构为主动手柄与被动手柄相对转动，以完成装置的手工驱动
。分析可知，被动手柄在功能上需要一个铰接孔，来分别作为平行四边形机构的固定节点。被动手柄的作用相当于四杆机构的机架，在驱动过程中被
动手柄不动，其铰接孔用于和主动手柄相应的铰接孔通过铆钉连接，以完成连接[29]。分析可知，被动手柄除了满足剪切及连接功能要求外，还
需满足结构及使用要求。被动刀手柄的形状需设计成可以与主动刀手柄联合剪切时，不与其他部件干涉，同样其合理的结构还保证了驱动的作用角。
此外被动刀由于其固定在支架上，因此还需要考虑其与支架的连接，本设计中选用两个直径为4mm的连接孔，并通过螺栓螺母将其固定在支架上。
被动手柄的结构稍复杂，因此在建模时按整体到细节的思路进行。首先通过凸台拉伸命令绘制其基本形体，如下图所示。图2-13被动手柄主要
形体的绘制接着通过切除拉伸的方法，绘制其内部的缺口，以放置主动手柄，如下图所示。图2-14被动手柄内部缺口的绘制然后通过凸台
拉伸命令，绘制被动手柄尾部与支架连接的凸台，如下图所示。图2-15被动手柄内部缺口的绘制接着通过圆角命令，对被动手柄上的圆角进行
处理，以方便手持，如下图所示。图2-16被动手柄内部缺口的绘制最后通过拉伸切除的方式，绘制被动手柄上与支架连接的铰接孔，如下图所
示。图2-17被动手柄内部缺口的绘制绘制完成后的被动手柄模型如下图所示。图2-18被动手柄内部缺口的绘制2.4.6连接钢丝的结
构设计及建模手持芒果采摘装置的动力传递机构为平行四边行机构，连接钢丝作为四边形机构中的长边，起着重要的作用。分析可知，连接钢丝的两
端各需要一个铰接孔，来分别作为平行四边形机构的固定节点。连接钢丝的两个末端与连接座通过焊接，连成一体，以方便与手柄与刀片的连接。在
建模时首先通过凸台拉伸命令绘制其一端的连接座，然后绘制钢丝部分，最后再绘制另一端的连接凸台。由于连接钢丝的结构简单，本设计只给出其
绘制完成后的模型图，如下图所示。图2-19连接钢丝的模型图2.4.7固定刀连接套的结构设计及建模分析可知手持芒果采摘装置中，固定
刀需要固定在机架筒上，来保持完整的采摘功能。因此需要一个连接套，用来完成机架筒与固定刀的连接。在此前的设计中可知，固定刀的末端有两
个小的铰接孔，用以其固定，因此固定刀连接套主要有两大部分连接结构，即与机架筒连接的筒体特征，及与固定刀连接的支座特征。在建模时首先
能过凸台命令绘制与机架筒连接的凸台，如下图所示。图2-20机架筒连接凸台的绘制接着通过凸台拉伸绘制连接套两个连接机构的过渡部分，
如下图所示。图2-21连接套过渡部分的绘制然后通过凸台特征绘制连接套上与被动刀连接的支座部分凸台特征，如下图所示。图2-22连
接套被动刀支座的绘制最后绘制连接套边缘的圆角特征，如下图所示。图2-23连接套边缘圆角的处理绘制完成后的固定刀连接套的模型
如下图所示。图2-24连接套完整的模型图2.4.8固定手柄连接套的结构设计及建模分析可知手持芒果采摘装置中，固定手柄需要固定在机
架筒上，来保持完整的采摘功能。因此需要另一个连接套，用来完成机架筒与固定手柄的连接。在此前的设计中可知，固定手柄的末端面上有两个小
的铰接孔，用以其固定，因此固定手柄连接套主要有两大部分连接结构，即与机架筒连接的筒体特征，及与固定手柄连接的支座特征。在建模时首先
能过凸台命令绘制与固定手柄连接的凸台，如下图所示。图2-25固定手柄连接凸台的绘制接着通过凸台拉伸命令，绘制连接套上与机架筒
的连接凸台，如下图所示。图2-26机架筒连接凸台的绘制图2-27固定手柄连接凸台的绘制2.4.9其他部件的结构设计及建模手持芒
果采摘装置中还存在着其他零部件，如圆筒、圆筒衬套及其他连接用的铆钉、螺栓、螺母等，它们的结构简单，仅起着连接固定的作用。圆筒的作用
相当于整个机构的机架，起着承载、连接及支撑其他部件的作用。圆筒衬套是橡胶材质，其作用是方便手持，增加摩擦力。拉丝链接块的作用是方便
钢丝的与手柄的连接。如下图所示分别其模型图。图2-28圆筒的模型图图2-29圆筒衬套的模型图图2-230拉丝连接块的模型图图
2-31网兜架的模型图图2-32网兜的模型图2.5本章小结本章的主要内容有（1）总体方案的设计确定手持式采摘装置的各个构件，经过分
析最后使用手柄式驱动机构连杆式传动机构，剪切式采摘机构为了防止采摘时果实掉落，装置还有个收集装置。?（2）对手持式芒果采摘装置的方
案进行了论证，分别从自由度论证和操作可行性论证以及经济性论证三方面进行论证，证实装置的可行性.（3）对装置的各个零件进行了设计与材
料的分析。（4）简单地对SolidWorks进行了阐述，然后详细地写出了装置的主要零件的三维建模过程。3手持芒果采摘装置的装配
3.1SolidWorks三维装配功能概述通常来说，复杂的部件都是由多个零件的装配而成，因此在三维建模时，不仅要绘制各个零件的单
独模型文件，还需要对其按关系进行装配，从而得到与真实机械部件相同的结构与连接方式[30]。本次设计中使用的Solidworks软件
具有强大的装配模块，通过软件的开始菜单即可进入装配界面。它的模型装配大体有两种类型，依次是自顶向下、自底下向上。在装配时向一个空白
的装配文档内，通过结构树的父子关系，分别对各个总成部件，通过新建的方式加入单独的零件文件，同时参考已有的模型元素进行参考，如新零件
可以使用旧零件的边线、面作为位置和尺寸参考，从而省去了过程繁琐统计、测量，降低了装配出错的概率和风险[31]。因此此种方法适合零部
件较多的大型装配模型的建模。第二种装配方法为自底向上。此装配方法比较简单，只需要单独对单个模型零件的尺寸与位置，进行设计，设计完成
后，通过插入现有零件的方式，来依次添加进各个完成的模型，再通过约束命令，零件处于正确合适的位置，如通过约束使轴线重合、面接触、成一
定角度等操作[32]。此外,Solidworks软件还具有快速装配功能，对于重复的零部件，还可以采用阵列、镜像装配等命令，完成相同
部件的快速装配[33]。本设计采用自底向上的装配建模思路，对手持芒果采摘装置进行装配，先绘制好各个部件的模型，然后依次插入到装配体
中。3.2各零部件的装配建模开始时，先新建一个空白的装配体文件，然后插入主动刀零件并设置固定约束，如下图所示。图3-1固定刀的
装配接着装配主动刀，约束其轴心与被动刀轴心重合，再约束其接触面接触，即可完成其装配，如下图所示。图3-2主动刀的装配然后装配被动
刀连接套，分别约束其孔轴线重合与端面重合，如下图所示。图3-3连接套的装配接着装配拉丝模型，分别约束其连接端面的与主动刀的孔位轴
线重合及其相应的接触面共面，即可完成其装配，如下图所示。图3-4连接钢丝的装配装配机架筒，如下图所示。机架筒与固定刀套同轴，且其
端面重全，设置相应的约束即可，如下图所示。图3-5圆筒的装配在完成以上主要部件的装配后，再装配连接件，如铆钉、螺栓、螺母等部件。
其中螺栓螺母等标准件可以通过软件自带的TOOLBOX工具箱里调用。装配时采用相同的约束方法即可，对于有重合的部件，采用随配合复制即
可快速装配。图3-6切削装置连接件的装配接着装配另一侧的元件，即固定手柄连接套。约束其与圆筒轴线重合，其端面与圆筒的端面重合，即
可完成装配，如下图所示。图3-7手柄连接套的装配然后装配固定手柄，约束其端面与手柄连接套固定，约束其连接孔位的轴线重合，即可完成
装配如下图所示。图3-8主动手柄的装配然后装配主动手柄。主动手柄位于固定手柄的内侧，因此约束其侧面重合，其铰接孔同轴，即可完成装
配如下图所示。图3-9被动手柄的装配装配钢丝连接块，其一端与活动手柄连接，另一侧与钢丝上的孔位连接，其侧面与活动手柄的外侧面重合
，如下图所示。图3-10拉丝连接块的装配的装配最后装配手柄侧的连接件，如下图所示。图3-11手柄侧连接件的装配装配完成后的手持
芒果采摘装置如下图所示。图3-12手持芒果采摘装置的完整模型图3.3本章小结本章节是文章的重点章节之一，本章的内容是对Soli
dWorks的三维装配功能进行了简单的概述，然后是对装置的各零件的装配进行了详细的解说，在装配的过程中应该按照怎样的条件去约束组装
都是本章的主要内容，详细的描写了装置由一个个零散的零件组装成完整的装置。4手持芒果采摘装置的ADAMS仿真4.1ADAMS
软件概述ADAMS，即机械系统动力学自动分析(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalS
ystems)，该软件是美国MDI公司(MechanicalDynamicsInc.)开发的虚拟样机分析软件[34]。目前，A
DAMS己经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。根据1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS软件销
售总额近八千万美元、占据了51%的份额[35]。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几
何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输
出位移、速度、加速度和反作用力曲线[36]。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限
元的输入载荷等[37]。本设计采用ADAMS对采摘装置的四杆机构进行运动仿真，以验证其机构的合理性。4.2ADAMS仿真参数的
设置首先要将建模完成后的三维模型导入ADAMS，为了简化运算，本设计将一起运动的部件简化为一个整体部件，对于起连接作用的铆钉、螺栓
、螺母等部件进行省略，重点研究四杆机构的运动仿真，导入模型后，设置重力为0，设置圆筒为固定副，然后依次接着设置连接副。在本次仿真中
，连接副主要有转动副和平面副。首先设置活动把手与地面的平面副连接，约束其平面重合，如下图所示。图4-1活动把手与地面的平面副设置
接着设置活动把手与拉线的圆柱副连接，约束其轴线重合，如下图所示。图4-2活动把手与拉线的圆柱副的设置然后设置活动把手与地面的圆柱
副连接，限制活动把手只能绕固定件的铰接孔转动，如下图所示。图4-3活动把手与地面的圆柱副设置再设置活动把手的转动为旋转驱动，驱动
的方式为函数驱动，驱动类型为角速度驱动。结合实际采摘过程中的操作，本设计中取手柄转动的速度为4m/min，转换后为24度每秒，如下
图所示。图4-4活动把旋转驱动的设置设置活动刀与拉线的平面副连接，如下图所示。图4-5活动刀与拉线的平面副设置设置活动刀与
地面的圆柱副连接，如下图所示。图4-6活动刀与地面的圆柱副设置设置活动刀与拉线的圆柱副连接，如下图所示。图4-7活动刀与拉线的
圆柱副的设置设置活动刀与地面的平面副连接，如下图所示。图4-8活动刀与地面的平面副设置然后设置活动刀刃上的阻力，因为剪断果柄的力
大小为10N，所以设置活动刀刃上的阻力的大小为10N，方向为法向，如下图所示。图4-9活动刀刃上的阻力的设置在完成以上设置后
，即可点击运算，在下图的参数设置框内，设置运算步数为1000步，运动时间1s，点击运算，直到运算完成。图4-10运动参数的设置4
.3ADAMS仿真结果分析在完成上述计算后，进入后处理界面，对四杆机构的运动仿真，进行结果分析。首先监测活动刀的运动曲线图。图4
-11活动刀刀尖在Y方向的位移曲线图如上图所示为活动刀刃沿Y方向的位移曲线，其中横轴为动作时间，纵轴为位移量，由图可以看出，刀刃
沿Y方向的位移从0开始近似线性增加至最大值约为57mm,说明刀刃的活动空间足够，方便采摘。图4-12活动刀刀尖在X方向的位移曲线
图图4-13活动刀刀尖位移幅值曲线图由上两张图可以看出，活动刀的刀尖点的移动主要发生在Y方向上，而在X方向的位移量较小，几乎不动
，在Z方向上位移量不变化，说明了活动刀片是在做圆周运动，说明了刀片在采摘过程中的稳定性良好。因此下面的分析只需要Y方向的参数进行分
析即可。图4-14活动刀在Y方向上的速度曲线图如上图所示，为活动刀在Y方向的速度曲线图。其中横轴为动作时间，纵轴为速度值，由图可
看出，刀刃沿Y方向的速度从0开始，先缓慢增加至约22.7mm/s，然后缓慢降低速度至21.5mm/s，说明了刀刃在Y方向上的活动
的速度基本稳定，呈现出先升后降的趋势，说明了采摘的剪切过程稳定。图4-15活动刀在Y方向的加速度曲线图如上图所示为活动刀在Y方向
的加速度曲线图。其中横轴为动作时间，纵轴为加速度值，由图可以看出，刀刃沿Y方向的加速度从-0.7mm/s2开始，先近似呈线性降低0
，然后开始近似呈线性增加至3.3mm/s2，说明了刀刃在Y方向上的活动的加速度值总体较小，呈现出先升再降的趋势，采摘的剪切过程刀片
的无加速度的突变。图4-16活动刀的转动角速度曲线图如上图所示，为活动刀转动的角速度曲线图。其中横轴为动作时间，纵轴为角速度值，
由图可以看出，刀刃转动的角速度从-23.66rad/s开始，缓慢增加至-23.83rad/s，说明了刀刃转动角速度值总体稳定，变化
较小，即采摘的剪切过程刀片几乎呈匀速圆周转动。图4-17活动刀的转动角加速度曲线图如上图所示，为活动刀绕着其轴线的转动的角加速度
曲线图，可以看出其转动的角加速度约为24度每秒，其中横轴为动作时间，纵轴为角速度值，由图可以看出，刀刃转动的角速度从-0.21ra
d/s2开始，缓慢降低至-0.12rad/s，其值较小，接近于0，说明了刀刃转动过程中无明显加速减速现象。接下来监测活动手柄上的受
力情况。图4-18活动手柄的受力曲线图如上图所示，为活动手柄上需要提供的作用力，其中横轴为动作时间，纵轴为受力值，由图可以看出，
手柄在转动过程中，手柄上的受力值接近于10N，且变化量非常小，说明手柄转动剪切的过程中，受力均衡且平稳。在仿真的最后，本设计还给出
了运动仿真的视频动画，以供参考。4.4本章小结本章是课题的重要环节之一，本章开始粗略地介绍了Adams软件的由来以及作用。然后主要
是对本装置进行Adams仿真分析。在Adams中建立模型后开始对装置进行设置数据设置，设置的数据为实际操作中所用到的数据。最后对装
置的仿真结果进行分析。分析的的结论为：（1）根据活动刀刀尖在X方向、Y方向和Z方向上的位移可以得出Y方向上的最大位移量为57mm，
而在X方向上的位移量很小，Z方向上的位移不变化由此说明了活动刀早剪切过程中主要的移动方向为Y轴方向，也侧面说明了活动刀在做近似圆周
运动，再从Y方向上的移动量可以得到的结论是装置刀刃的剪切空间足够，方便采摘。（2）活动刀在Y方向上的速度曲线可以看出剪刀在剪切果柄
时时比较顺畅的，也说明了装置设置的合理性。（3）由活动刀的转动角速度曲线图中得到装置在采摘过程中转动角速度和转动角加速度变化较小，
说明采摘过程装置的平稳性良好。（4）根据活动手柄受力情况可以得出装置的纵向作用力大小接近10N，符合人手轻松采摘的能力范围，由此可
也以看出装置的合理性。5采摘装置刀片的有限元分析5.1有限元方法简介有限元法起源较早，大约出现在上世纪50年代，用以解决一起
形状复杂不规则物体的一些力学特性。有限元的研究方法如今大量应用于航空航天、船舶、建筑等行业。后来计算机技术有了较快的发展，计算机的
运算性能大大提高，有限元方法的计算精度与效率也大幅提高，因此后来越来越受到人们的欢迎[38]。有限元解决力学问题的基本步骤为：首先
将连续的结构体离散成分开单元的组合体。然后对每个近似的单元，由力学关系或其他单函数来建立未知量与节点之间的关系，最后，引入边界条件
，来构成节点变量之间的代数方程组,并求解之得到所划分节点处的求变量的解的过程。ANSYS软件是一款应用非常广泛的有限元软件，它不仅
可以用做结构力学分析，还常被用于磁场、电场、声场等多种场合[39]。传统的理论计算方法往往会对物体模型进行简化等效，或者仅能够对有
限部位进行分开求解，这样一来精确度较低，计算量繁杂。如果采用有限元方法，则可以借用计算机强大的计算能力，将一个形状复杂的物体离合成
多个规则的小单元，然后对各个小单元之间进行力学计算和数据传递，极大地提高了效率[40]。本设计采用有限元的方法来分析装置刀片的强度
及刚度。5.2采摘装置刀片模型的导入在将模型导入有限元分析软件之前，首先应该对模型进行简化处理，将一些对整体结构力学性能影响较
小的零件进行简化处理，如表面细小的孔，小的圆角倒角等，以增加网格划分的质量的数量，提高运算速率。此前三维软件的通用三维格式数据接口
可以方便地将建模后模型，以通用三维模型文件的格式导出，以方便导入有限元分析软件中。将在SW中建立的模型，另存为X_T实体模型。接着
进入ANSYS软件，并在软件中首先新建一个静力学分析模块。接着通过模块中的几何体选项，导入初动刀片模型的通用格式文件。接着在新打开
的几何体窗口的菜单中，点击生成，即可得到本设计的初动刀片的有限元模型，如下图所示图5-1初动刀片的模型图5.3材料参数的设置
本设计的初动刀片材料为结构钢，其屈服强度大785MP。因此需要设置材料的有限元特性参数：弹性模量E2为11x105MPa、泊松比
ｕ=0.3。如下图所示。图5-2初动刀片材料参数的设定图5.4被动刀片模型网格的划分接着通过双击MODEL网格状的图标，即可进
入模态分析窗口。有限元分析中的网格就是有限元分析方法中的离散单元体，因此在划分网格时应在保证计算时间的前提下，尽量提高精度。由于本
设计的主轴结构形状简单，因此选用自动网格划分的方法，方式选用自动划分的方式，精度设定为高。如下图所示：图5-3主轴模型的网格参数
设定图设置完成后点击生成网格，即可得到划分后的网格图，如下图所示。图5-4主轴模型的网格图5.5被动刀片载荷的施加分析可知，对
被动刀片进行有限分析时，对刀柄一侧的施加固定约束，刀刃的位置施加剪切力10N，如下图所示。图5-5主轴模型的载荷施加图5.6被
动刀片的强度及刚度分析结果计算完成即可得到被动刀片的整体与局部的应力分布图分别如下图所示。图5-6被动的应力分布图图5-7被动刀
片的局部应力分布图由以上分析可知，被动刀片的最大应力为3.69Mpa，远小于材料的屈服强度355MPa，因此刀片的尺寸设计合理，安
全可靠，不会因为剪切出现损坏。如下图所示为主轴的变形云图，可以看下最大的变形位移量为0.01mm，相当于刀片的整体长度而言，此变形
在可接受范围内，不会影响正常剪切。图5-8初动刀片的位变形云图5.7被动刀片的模态分析在此前的静力学计算平台上，拖出一个新的模
态分析平台，以实现数据的共享，如下图所示，下面分析它的前六阶自由模态，以研究其振动特性。图5-9模态模块图由于分析的为自由模态
，因此其前六阶的频率值接近0，不作考虑，于是在参数设定选项中选择12阶，以其后6阶作为实际模态参数。计算完成即可得到被动刀片的各阶
模态图如下图所示。图5-10第一阶模态振型图由上图可以看出，第一阶共振频率为303.3HZ。图5-11第二阶模态振型图由上
图可以看出，第二阶共振频率为844.9HZ。图5-12第三阶模态振型图由上图可以看出，第三阶共振频率为1227.4HZ。图5-1
3第四阶模态振型图由上图可以看出，第四阶共振频率为1615.8HZ。图5-14第五阶模态振型图由上图可以看出，第五阶共振频率为
2170.2HZ。图5-15第六阶模态振型图由上图可以看出，第六阶共振频率为2671.1HZ。整理所可得，前六阶的共振频率如下表
所示。图5-16模态共振频率表分析可知，被动刀片的最小共振频率为303.3HZ，即每秒约303次，而刀片在实际的使用中，装置通过
人手操作采摘，其转动频率速度小于1次每秒，即小于1HZ，远低于最小的共振频率。由此也可分析出即使将其安装在电机上，实现自动化的控制
也不会因为电机的激烈而使刀片产生共振现象。综合以上分析可知，刀片的强度、刚度及振动特征均满足使用要求。5.8本章小结本章的主要内
容是本章开始对有限元进行了大概的功能阐述，接着对采摘装置的刀片导入进行了详细的描写，然后对测试装置进行模型网格划分，然后里算出被动
刀片的强度与刚度，由测出来的数据表明被动刀片的最大应力远远小于材料的屈服强度，我太可看出材料使用和刀片尺寸的的合理性，不会因为剪切
而损坏，最后对刀片进行模态分析。6总结与展望6.1总结手持式芒果采摘装置在如今人口老龄化越来越严重、农业缺乏劳动力的情况缓和
了劳动力不足的问题。所以本文针对这些问题对手持式芒果采摘装置进行了设计，在设计的过程中遇到的一些问题并且在老师同学的帮助下最终完成
了装置的设计，由此总结出了以下几个结论：（1）通过对手持式芒果采摘装置的系统性的分析后，根据其原理分析后确定了手持式芒果采摘装置的
设计方案。在SolidWorks软件中建立装置三维模型，通过Adams软件对装置进行分析。最后使用ANSYS软件对装置被动刀片进行
动静力学分析和模态分析。（2）利用Adams软件和ANSYS软件对采摘装置进行分析，避免了采摘装置过于简单而导致发生意外折断、果柄
剪切不断或活动手柄失灵失效等原因。（3）装置的Adams的分析数据设置上可能有些地方与实际有些出入所以装置的使用上可能会有些偏差。
总的来说，本次设计比较成功，设计方法新颖，考虑全面。通过计算、建模、验证相结合的方法来完成一种手持芒果采摘装置的设计过程。本设计首
先分析一种芒果采摘机的国内外研究现状及趋势，明确研究意义。然后论述常见采摘装置的工作原理及常见的结构形式及特点，确定芒果采摘机的结
构方案。接着进行一种芒果采摘机的相关参数设计及计算。然后通过三维软件，结合此前计算出的核心参数，对芒果采摘装置的主动被动刀片、主动
被动手柄、拉线、连接套等部件机构进行模型绘制及装配。最后通过Adams软件和ANSYS软件的分析验证装置的可行性。芒果采摘装置看似
是一个比较简单的系统，但是其内部包含了多个运动部件，它们需要相互联动，协同工作，以达到所需的效果。本设计成功地对装置进行三维建模及
装置可行性分析，验证了设计的可行性和合理性。但是由于时间及专业水平所限，本设计的中涉及的部件，在设计时仅保证了其运动的可行性，而对
实际的加工工艺性等方面的考虑较少，希望能够在以后的工作中继续学习，对装置进行完善。6.2展望本文通过SolidWorks软件进行建
模，Adams软件和ANSYS有限元仿真软件对手持式芒果采摘装置进行了建模与分析。通过建模和分析表明了本次课题的设计的合理性。但是
，从工程应用方面出发，本装置依然有很大的改进空间：（1）本文在对装置进行Adams分析时对装置的分析不是很全面，本文主要是对重要的
几个运动部件进行分析。这些没有进行分析的有可能会成为装置的隐患，对装置的实用性上可能会有一定的影响。（2）由于本文在对手持式芒果采
摘装置进行ANSYS有限元分析的时候，有些地方没有做到细致，仅对装置的被动刀片分析，分析的还不够全面，这有可能会导致手持式芒果采摘
装置分析的准确性有一定影响。（3）本课题设计的装置结构仍然存在一些缺陷，需要进一步优化装置的结构我相信通过以后不断地深入学习，可以
设计出更好的手持式采摘装置结构，从而提高采摘效率和确保水果和果树的完好性，实现快、狠、准的采摘方式。本课题的芒果采摘装置依旧存在这
一些缺陷，还有进一步优化的空间，我相信通过以后的不断深入学习，可以设计出更好的手持式芒果采摘装置，从而提高采摘效率和节约成本，更好
的为人民服务。谢辞参考文献杨文亮.苹果采摘机器人机械手结构分析与设计[D].江苏大学,2010桂望鹏,李军舟,秦慧敏等.手持式
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