采摘機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

采摘機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計,采摘,機械,系統(tǒng),結(jié)構(gòu)設(shè)計 采摘機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 任務(wù)書 姓名 學(xué)號 畢業(yè)屆別 專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目 采摘機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 指導(dǎo)教師 學(xué) 歷 職 稱 一、具體要求： (1) 深入研究采摘機械系統(tǒng)的工作原理，得到其工作原理示意性圖示; (2) 在采摘機械系統(tǒng)的工作原理基礎(chǔ)上,提出具體機械結(jié)構(gòu)方案； (3) 將采摘機械系統(tǒng)設(shè)計方案細(xì)化，得到零部件圖紙、裝配圖； (4) 翻譯一篇不少于2000字的英文文獻(xiàn)，最終形成畢業(yè)論文； （5）圖紙工作量要求滿足畢業(yè)設(shè)計要求。 二、進(jìn)度安排： 分析課題、閱讀資料、撰寫開題報告 3周 熟悉采摘機械系統(tǒng)的工作原理 3周 采摘機械系統(tǒng)的整體方案的確定 2周 采摘機械系統(tǒng)方案擬定、細(xì)化，詳細(xì)設(shè)計 5周 編寫設(shè)計計算說明書編寫（初、終稿） 2周 評閱答辯 1周 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 教研室意見： 教研室主任簽字： 年 月 日 題目發(fā)出日期 2015.12 設(shè)計（論文）起止時間 2015.12-2016.6 注： 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告書 課題名稱 采摘機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 課題來源 B 課題類型 Y 導(dǎo) 師 學(xué)生姓名 學(xué) 號 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及自動化 一、課題研究的背景 采摘作業(yè)所用勞動力占整個生產(chǎn)過程所用勞動力的33%一50%，采摘作業(yè)比較復(fù)雜，季節(jié)性很強，若使用人工采摘，不僅效率低、勞動量大，而且容易造成果實的損傷。使用采摘機械不僅提高采摘效率，而且降低了損傷率，節(jié)省了人工成本，提高了果農(nóng)的經(jīng)濟效益[1]。 目前國內(nèi)外對采摘機械的研究主要是采摘機械手，70年代末，計算機及控制技術(shù)的迅速發(fā)展，萌生了人們對各種農(nóng)業(yè)機器人的研究[3]。1983年，美國研制出第一臺采摘機械——番茄采摘機，至今人們對農(nóng)業(yè)機器人的研究與試驗已三十多年[2]。一些發(fā)達(dá)國家如日本、美國、法國、荷蘭、英國、西班牙等國成功研制及試驗出多種采摘機器人，如蘋果、番茄、西瓜、黃瓜等人工智能型機器人。 我國對采摘機械的研究開始于20世紀(jì)70年代，起初研制的采摘機械都是人工輔助型機械，所研制的與手扶拖拉機配套的機械振動式山楂采果機、氣囊式采果器和手持電動采果器可以很好的保護(hù)果實不被損壞，但其效率低下[4]。80年代，我國開始研制切割型采摘機械，取得一定的效果。90年代開始，國內(nèi)對采摘機器人技術(shù)進(jìn)行研究，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和科技的創(chuàng)新，國內(nèi)許多院校的學(xué)者開始深入研究采摘機器人技術(shù)。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的張鐵中教授在草莓、黃瓜、茄子、西紅柿等果蔬采摘方面做了大量的研究，并成功研制出一系列試驗機[5]。目前，我國對采摘機器人仍處于初級階段。 采摘機器人主要由行走裝置、機械手、末端執(zhí)行器、控制系統(tǒng)及視覺識別系統(tǒng)組成，末端執(zhí)行器類似于人們的手指，大多末端執(zhí)行器采用仿生學(xué)，根據(jù)采摘對象的特征，決定末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)，手指數(shù)量和外形根據(jù)采摘對象的外形特征設(shè)計[7]。對于采摘方式，目前國內(nèi)外主要有剪斷式、擰斷式、吸盤式。荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所（IMAG）發(fā)明了一種電極切割法，利用特殊電極產(chǎn)生高溫（1000℃）切割，可防止斷口的感染[6]。日本京都大學(xué)的Noboru?Kawamura?等人在80年代首先研制了五自由度關(guān)節(jié)型機械手，這種機械手自由度較低，末端執(zhí)行器的可操作度低，采摘效率低。日本崗山大學(xué)Naoshi?Kondo?等人于90年代在番茄采摘機器人上使用了具有7?個自由度的能夠指定采摘姿態(tài)的機械手，自由度越高，其手部運動越靈活，控制越復(fù)雜。?行走裝置有車輪式、履帶式、人形結(jié)構(gòu)，其中車輪式應(yīng)用最廣泛。車輪式行走機構(gòu)具有轉(zhuǎn)彎半徑小、轉(zhuǎn)向靈活等特點，但其對于松軟地面和坡陡地面適應(yīng)性差，影響機器手的運動精度。履帶式的特點剛好相反，對地面適應(yīng)性強，缺點是轉(zhuǎn)彎半徑過大，轉(zhuǎn)向不靈活。機器視覺系統(tǒng)解決果實的識別和定位。 二、技術(shù)發(fā)展前景 隨著計算機技術(shù)及自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)機器人將深入滲透農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個方面，農(nóng)業(yè)機器人正朝著智能化和自動化迅速發(fā)展[8]。提高采摘作業(yè)機械化程度有重要的意義。隨著農(nóng)業(yè)從業(yè)者的減少及老齡化趨勢不斷加大，采摘機械的開發(fā)利用具有巨大的經(jīng)濟效益和廣闊的市場前景。農(nóng)業(yè)機器人將在解決勞動力不足、工人勞動力強度大等問題上體現(xiàn)出其絕對的優(yōu)勢，農(nóng)業(yè)機器人也可提高工人勞動的舒適性及減輕農(nóng)業(yè)化肥和農(nóng)藥對工人的危害，提高采摘質(zhì)量、降低采摘效率、減小采摘成本，極大提高勞動生產(chǎn)率，能保證果蔬的適時采收[9]。提高農(nóng)產(chǎn)品的國際地位，為我國的經(jīng)濟發(fā)展增強生命力。 三、課題研究的目的與意義 通過對采摘機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，了解國國內(nèi)外對采摘機械的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景，深刻理解機械原理等所學(xué)知識，運用于設(shè)計過程，了解基本的運動結(jié)構(gòu)并運用于設(shè)計中，熟悉建模軟件的使用。 采摘機械在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)扮演著及其重要的角色，可解放勞動力，提高勞動生產(chǎn)率和農(nóng)產(chǎn)品在國際社會的地位。 采摘機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計奠定了采摘機械研究的基礎(chǔ)，為機器視覺和控制技術(shù)提供載體，是采摘機器人系統(tǒng)中必不可少的組成部分。機械結(jié)構(gòu)使得機器視覺和控制技術(shù)有了作用對象。通過對機械結(jié)構(gòu)的改善，方便機器視覺和控制技術(shù)的實施。 四、研究的內(nèi)容 本課題要深入研究機械手的結(jié)構(gòu)原理、行走裝置的結(jié)構(gòu)特點、執(zhí)行末端的結(jié)構(gòu)設(shè)計。包括：選擇合適的基本機構(gòu)形式用于行走裝置中，使其具備所要求的功能和特點；機械手自由度的確定及機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計；末端執(zhí)行器的功能及選用合適的驅(qū)動、合理的采摘方式、執(zhí)行末端的結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，研究的主要內(nèi)容如下： 1采摘機械的研究背景 1.1采摘機械國外研究進(jìn)展 1.2采摘機械國內(nèi)研究進(jìn)展 1.3采摘機械的研究現(xiàn)狀，今后研究的方向 2 采摘機械的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1采摘機械總體設(shè)計方案 2.2行走裝置類型選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.3機械手自由度的確定及結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.4末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.5電機的選擇及傳動裝置的設(shè)計 2.6零件的設(shè)計及校核 2.7零件的裝配關(guān)系及功能實況 2.8采摘機械的三維裝配與運動仿真 3 采摘機械的裝配圖和零件圖 4 編寫計算說明書 五、實施計劃與預(yù)期目的 第1-2周 搜集資料，撰寫開題報告； 第2-5周 閱讀文獻(xiàn)資料，學(xué)習(xí)幾種典型的采摘機械結(jié)構(gòu)方案，為自己提供思路 第6周 完成采摘機械的具體方案 第7-10周 設(shè)計采摘機械零件，并用三維軟件ProE建模、裝配及運動仿真 第10-11周 校核部分零件的性能指標(biāo)，繪制裝配圖和工程圖 第12-13周 編寫計算說明書，準(zhǔn)備好材料交老師初審 五、參考文獻(xiàn) [1]梁喜鳳，苗香雯，崔紹榮，等《果實采摘機械手機構(gòu)設(shè)計與工作性能分析》1423農(nóng)機研究所 [2] Tanigaki, Kanae. Fujiura, Tateshil. Akase, Akira. Cherry-harvesting robot[J]. Computers and Electrocs in Agriculture, 2008,63(1): 65-72. [3]方建軍.移動式采摘機器人研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2004,20(2):273-278.[4]Christopher Earls Brennen編 潘中永譯.泵流體力學(xué)[M].江蘇：江蘇大學(xué)出版社，2012.6 [4]張潔,李艷文.果蔬采摘機器人的研究現(xiàn)狀、問題及對策[J].機械設(shè)計，2010,27（6）：1-3. [5]湯修映,張鐵中.果蔬收獲機器人研究綜述[Ｊ].機器人,2005,27(1):90-95. [6]張盛,李艷聰,鄭爽爽等.淺析果蔬采摘機械人研究現(xiàn)狀[J].科技創(chuàng)新,2015，30：48,. [7]易中懿，胡志超.農(nóng)業(yè)機器人概括與發(fā)展[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010(2):390-393. [8]崔玉結(jié),張祖立,白曉虎.采摘機器人的研究進(jìn)展與現(xiàn)狀分析[J].農(nóng)機化研究，2007(2):4-7. [9]立彬.農(nóng)業(yè)機器人的主要應(yīng)用領(lǐng)域和關(guān)鍵技術(shù)[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2002(30):36-411 指導(dǎo)老師簽名： 日期： 注：課題類型請?zhí)顚懴鄳?yīng)代碼，如AY，BX等，其中（1）A—工程設(shè)計；B—技術(shù)開發(fā)；C—軟件工程；D—理論研究；（2）X—真實課題；Y—模擬課題；Z—虛擬課題。 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)教師評分表 學(xué)生姓名 學(xué)號 專業(yè)年級 設(shè)計（論文）題目 采摘機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 序號 評價指標(biāo) 滿分 評分標(biāo)準(zhǔn) A B C D E 1 選題難度、綜合性及完成的工作量 20 20-18 17-16 15-14 13-12 11-0 2 調(diào)研、資料收集與整理、圖紙、程序、設(shè)計、試驗等工作完成質(zhì)量 20 20-18 17-16 15-14 13-12 11-0 3 研究過程中表現(xiàn)出的理論水平、分析問題和解決問題的能力 10 10-9 8 7 6 5-0 4 研究過程中反映出來的創(chuàng)造性（改進(jìn)或獨立見解）、以及組織能力或團隊合作能力等 10 10-9 8 7 6 5-0 5 研究過程中的工作態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神等 10 10-9 8 7 6 5-0 6 說明書、論文、試驗報告等書寫質(zhì)量（內(nèi)容完整性和結(jié)構(gòu)合理性、圖表規(guī)范性、語句通順性等） 20 20-18 17-16 15-14 13-12 11-0 7 外文翻譯（數(shù)量和質(zhì)量） 10 10-9 8 7 6 5-0 是否同意該設(shè)計（論文）提交答辯：是（ ） 否（ ） 總分 補充說明： 指導(dǎo)教師（簽名）： 年 月 日 指導(dǎo)教師姓名 職稱或?qū)W位 工作單位 主要講授課程或研究方向 注：1、請給出每項評價指標(biāo)的得分（整數(shù)），并計算總分； 2、總分優(yōu)秀（≥90分）比例原則上不超過20%，優(yōu)良（≥80分）比例原則上不超過60%； 3、總分低于60分，或評價指標(biāo)1、2、6中有一項為E級得分時，不得提交答辯； 4、補充說明欄不夠用時可另加附頁。 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱人評分表 學(xué)生姓名 學(xué)號 專業(yè)年級 設(shè)計（論文）題目 采摘機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 序號 評價指標(biāo) 滿分 評分標(biāo)準(zhǔn) A B C D E 1 選題難度、綜合性及完成的工作量 25 25-23 22-20 19-17 16-15 14-0 2 調(diào)研、資料收集與整理、圖紙、程序、設(shè)計、試驗等工作完成質(zhì)量 25 25-23 22-20 19-17 16-15 14-0 3 畢業(yè)設(shè)計（論文）中表現(xiàn)出的理論水平、分析問題和解決問題的能力 20 20-18 17-16 15-14 13-12 11-0 4 畢業(yè)設(shè)計（論文）中反映出來的創(chuàng)造性（改進(jìn)性或先進(jìn)性） 10 10-9 8 7 6 5-0 5 說明書、論文、試驗報告等書寫質(zhì)量（內(nèi)容完整性和結(jié)構(gòu)合理性、圖表規(guī)范性、語句通順性等） 20 20-18 17-16 15-14 13-12 11-0 是否同意該設(shè)計（論文）提交答辯：是（ ） 否（ ） 總分 補充說明： 評閱人（簽名）： 年 月 日 評閱人姓名 職稱或?qū)W位 工作單位 主要講授課程或研究方向 注：1、請給出每項評價指標(biāo)的得分（整數(shù)），并計算總分； 2、總分優(yōu)秀（≥90分）比例原則上不超過20%，優(yōu)良（≥80分）比例原則上不超過60%； 3、總分低于60分，或評價指標(biāo)1、2、5中有一項為E級得分時，不得提交答辯； 4、補充說明欄不夠用時可另加附頁。 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會評分表 （小組答辯使用） 學(xué)生姓名 學(xué)號 專業(yè)年級 設(shè)計（論文）題目 采摘機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 序號 評價指標(biāo) 滿分 評分標(biāo)準(zhǔn) A B C D E 1 自述：條理性、正確性 20 20-18 17-16 15-14 13-12 11-0 2 問題回答的能力：正確性、概括性、邏輯性 20 20-18 17-16 15-14 13-12 11-0 3 畢業(yè)設(shè)計（論文）質(zhì)量：方案的合理性、內(nèi)容的正確性、結(jié)論的可靠性 30 30-27 26-24 23-21 20-18 17-0 4 完成的工作量 30 30-27 26-24 23-21 20-18 17-0 是否同意或推薦參加學(xué)院公開答辯 是（ ） 否（ ） 答辯成績 答辯委員會特殊說明： 負(fù)責(zé)人（簽章） 年 月 日 注：1、本表填寫答辯小組各成員給出的平均成績； 2、分項分?jǐn)?shù)保留一位小數(shù)，答辯成績由各分項成績求和后四舍五入取整數(shù)； 3、指導(dǎo)教師或評閱人之一不同意提交答辯者，不得進(jìn)行小組答辯；根據(jù)整改情況和個人申請，答辯委員會應(yīng)做出是否同意其參加學(xué)院公開答辯的決定。 畢業(yè)設(shè)計（論文）最終成績 （參加公開答辯的同學(xué)不填寫本表） 指導(dǎo)教師評定成績（40%） 評閱人評定成績（30%） 答辯成績（30%） 百分制成績 （ ）優(yōu)秀 總評成績原則上應(yīng)≥90分，且人數(shù)應(yīng)控制在專業(yè)總?cè)藬?shù)的20%以內(nèi) （ ）良好 總評成績原則上應(yīng)≥80分，且優(yōu)良率應(yīng)控制在專業(yè)總?cè)藬?shù)的60%以內(nèi) （ ）中等 總評成績原則上應(yīng)≥70分 （ ）及格 總評成績≥60分 （ ）不及格 總評成績＜60分或答辯成績＜60分 答辯委員會主席（簽章） 采摘機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 摘要 目前，全世界面臨人口老齡化問題，農(nóng)業(yè)勞動力向其他行業(yè)轉(zhuǎn)移，從事農(nóng)業(yè)的勞動力嚴(yán)重不足。果蔬主要依靠人工采摘，采摘工作勞動強度大，成本高，效率低。采摘機械可對果蔬適時采摘，提高采摘效率和質(zhì)量，降低成本，還可大量解放從事農(nóng)業(yè)的勞動力。 本設(shè)計在查閱一定文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合各類采摘機械的優(yōu)勢，自行設(shè)計靈活度較高、適應(yīng)性較強的采摘系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)。主要研究內(nèi)容如下： 移動機構(gòu)能夠增加采摘機械的自由度，是采摘機械實現(xiàn)大面積工作的組成部分。本設(shè)計采用具有兩輪轉(zhuǎn)向、四輪并進(jìn)、四輪轉(zhuǎn)向和原地轉(zhuǎn)向模式的移動機構(gòu)。此機構(gòu)能夠適應(yīng)工作范圍狹窄的果蔬行間工作，其能夠?qū)崿F(xiàn)靈活轉(zhuǎn)向，提高采摘工作效率。 自由度是衡量機械手運動柔性的尺度，本設(shè)計采用具有6自由度的多關(guān)節(jié)機械手，6自由度的機械手可將末端執(zhí)行器移動到三維空間內(nèi)適當(dāng)?shù)奈恢?，并可處于良好的姿勢? 末端執(zhí)行器采用自主設(shè)計的無夾持執(zhí)行末端，通過對現(xiàn)有的執(zhí)行末端的研究，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有末端執(zhí)行器取果方式上大多采用夾持式，因為夾持力大小不能根據(jù)不同果實的柔軟程度作調(diào)整，所以會對果實造成損傷，降低采摘質(zhì)量。本設(shè)計摒棄傳統(tǒng)夾持式執(zhí)行末端，最大限度減少對果實的損傷，提高采摘質(zhì)量。 運用有限元分析方法，基于ANSYS Workbench 15.0平臺對錐齒輪箱進(jìn)行靜力學(xué)分析，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。 關(guān)鍵詞：采摘機械，移動機構(gòu)，機械手，末端行執(zhí)器，結(jié)構(gòu)設(shè)計 I Abstract Structure design of picking machine system Abstract Currently, the world is facing the problem of aging population, the agricultural laborers transfer to other industries, a serious shortage of labor force engaged in agriculture. Fruits and vegetables mainly rely on artificial picking, picking work labor intensity, high cost, low efficiency. Picking machine can timely picking fruits and vegetables, improve harvesting efficiency and quality, reduce costs, and a large number of the liberation of the labor force in agriculture. This design on the basis of a certain literature, combined with the advantages of various types of harvesting machinery, design flexibility, high adaptability of the mechanical structure of the picking system. The main research contents are as follows: mobile mechanism can increase the degree of freedom of the picking machine, it is a component of the large area of the harvesting machinery. The design adopts a mobile mechanism with two wheel steering, four wheel steering, four wheel steering and steering mode. This mechanism can work a narrow range of fruit and vegetable lines which can realize flexible steering, improve the work efficiency of picking. degrees of freedom is a measure of the scale of flexible manipulator motion. This design adopts with 6 degrees of freedom multi joint manipulator, the six degree of freedom manipulator can be the end effector moves to three-dimensional space place, and can be in a good position. The end effector using the no clamping end effector of autonomous design , through research on the implementation of the existing end effector, It is found that the conventional end effector is using the clip to pick fruit, because of the clamping force size cannot be adjusted according to the different fruit softness, so it will cause damage to the fruit, reduce the picking quality. This design abandons the traditional clamping type of the end of the implementation, to minimize the damage to the fruit, improve the quality of picking. Based on ANSYS Workbench 15.0 software was carried out on the bevel gear box statics analysis, the structure is optimized Key words: picking machine, moving mechanism, mechanical arm, end effector, structure design II 目錄 目錄 第一章 緒論 1 1.1 課題研究背景與意義 1 1.2 國外采摘機械的研究進(jìn)展 1 1.3 國內(nèi)采摘機械的研究進(jìn)展 2 1.4 存在的問題及解決方案 2 第二章 采摘機械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 4 2.1 采摘機械總體方案 4 2.2 行走機構(gòu)方案 5 2.2.1 方案確定 5 2.2.2 結(jié)構(gòu)說明 7 2.2.3 功能實現(xiàn) 8 2.3 機械手臂方案 8 2.3.1 方案確定 8 2.3.2 結(jié)構(gòu)說明 9 2.3.3 功能實現(xiàn) 11 2.4 末端執(zhí)行器方案 12 2.4.1 方案確定 12 2.4.2 結(jié)構(gòu)說明 12 2.4.3 功能實現(xiàn) 14 2.5 結(jié)構(gòu)特點 14 第三章 部分零部件的計算與校核 16 3.1 電機的選擇 16 3.1.1 直流伺服電機負(fù)載校核 16 3.1.2 步進(jìn)電機的負(fù)載校核 16 3.2 機械手尺寸的確定 17 3.3 齒輪設(shè)計及強度校核 17 第四章 三維模型的建立與裝配 20 4.1 零件模型的建立 20 4.1.1 零件的建模 20 4.1.2 標(biāo)準(zhǔn)件的建模 25 4.2 零件的裝配 27 4.2.1 行走機構(gòu)裝配過程 27 4.2.2 機械臂的裝配過程 28 4.2.3 末端執(zhí)行器裝配過程 28 4.2.4 整體裝配 29 第五章 錐齒輪箱的有限元分析 30 5.1 錐齒輪箱的靜力分析 30 5.2 錐齒輪箱的模態(tài)分析 34 第六章 工程經(jīng)濟分析 38 總結(jié) 39 參考文獻(xiàn) 40 致謝 41 附錄A 外文翻譯原文 42 附錄B 外文翻譯譯文 47 IV 第一章 緒論 第1章 緒論 1.1 課題研究背景與意義 我國是農(nóng)業(yè)大國，幅員遼闊，果蔬種類繁多，其中蘋果、柑橘和梨是我國水果的主要種植品種，種植面積大，產(chǎn)量多，由于我國水果種植區(qū)域多為山區(qū)或丘陵地帶，大面積機械化種植與收獲阻力巨大，所以，目前仍然采用人工種植與采摘的方式。人工采摘采摘效率低，采摘質(zhì)量低，不能滿足市場對果蔬時令性和新鮮度的要求[1]。 改革開放以來，我國經(jīng)濟結(jié)構(gòu)不斷改善，從事農(nóng)業(yè)的勞動力大量流入工業(yè)、制造業(yè)和服務(wù)行業(yè)。同時，我國人口老齡化問題日益凸顯，勞動力緊缺，果蔬采摘作業(yè)是果蔬生產(chǎn)過程中最費時和繁瑣的環(huán)節(jié)，有些采摘作業(yè)還具有一定的危險性，果蔬采摘勞動強度大，采摘效率低，采摘質(zhì)量差，這些因素都阻礙了我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，因此研發(fā)一種能夠自動采摘的采摘機器人是解決這些困難的“最優(yōu)解”。采摘機械能夠提高采摘效率和采摘質(zhì)量，保證果蔬及時采摘，大幅度降低果農(nóng)的勞動強度和生產(chǎn)成本。 隨著計算機技術(shù)和自動化技術(shù)的發(fā)展，采摘機械的自動化采摘不再是理論。果蔬采摘機械是一類針對水果和蔬菜可通過編程實現(xiàn)采摘的自動化收獲系統(tǒng),涉及機械結(jié)構(gòu)，機器視覺，圖像處理，計算機技術(shù)等領(lǐng)域[2]。國外對采摘機械的研究已近半世紀(jì)，研究水平已非常高，我國的研究進(jìn)展較慢，需要繼續(xù)加大力度研究本土化的采摘機械，對提高我國的國際競爭力具有重要的意義。 1.2 國外采摘機械的研究進(jìn)展 上世紀(jì)80年代開始，美國、日本、法國、荷蘭等發(fā)達(dá)國家開始在收獲機器人上做了大量的研究[3-7]。1983年，在美國誕生了第一臺采摘機械人[8]。接著開發(fā)了如蘋果收獲機器人，番茄收獲機器人，柑橘收獲機器人等[9]。 法國蘋果收獲機器人采用3自由度的圓柱坐標(biāo)式機械手，有兩個直動關(guān)節(jié)和一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，直動關(guān)節(jié)采用齒輪齒條來實現(xiàn)上下和水平移動，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可繞著豎直方向旋轉(zhuǎn)一定角度使得末端執(zhí)行器到達(dá)指定位置。其末端執(zhí)行器采用多個柔性手指，當(dāng)末端執(zhí)行器接近果實時，手指向后張開，到達(dá)時，手指向前聚攏，果實被收攏，將其收獲。 日本京都大學(xué)的柑橘收獲機器人采用極坐標(biāo)式3自由度機械手，采用液壓裝置驅(qū)動手腕的左右、上下旋轉(zhuǎn)和手腕的直線運動。機械手安裝在液壓升降平臺上，升降平臺保證機械手能夠到達(dá)果樹的最高點。末端執(zhí)行器包括三個橡膠手指、一把剪刀和兩個氣缸。橡膠手指與橡膠執(zhí)行機構(gòu)用鋼絲相連，當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)收縮時，通過鋼絲的拉動將橡膠手指彎曲以抓住果實，此時，氣缸1驅(qū)動剪刀伸出至果柄位置，氣缸2驅(qū)動剪刀剪斷果柄。 荷蘭黃瓜收獲機器人由行走機構(gòu)、機械手、視覺系統(tǒng)和末端執(zhí)行器四部分組成。行走機構(gòu)主要用于機械手和末端執(zhí)行器的定位，通過視覺系統(tǒng)反饋的信號控制機器人的動作。該機械手主體采用三菱RV-E2型六自由度機械手，在此基礎(chǔ)上增加了一個直動關(guān)節(jié)，使得該機械手具有7自由度。末端執(zhí)行器由手爪和切割器組成，手爪力度保持適中，保證果實在機械手運動過程中不掉落，更不能損壞黃瓜的表皮。切割器采用電極切割法，產(chǎn)生高溫將果梗燒斷，高溫使得果梗形成一個封閉的疤口，可相對鎖住水果水分，減慢熟化程度。 1.3 國內(nèi)采摘機械的研究進(jìn)展 我國在采摘機械方面的研究始于20世紀(jì)90年代中期，由于起步較晚，我國研究者主要研究方向為機器視覺及圖像處理和控制系統(tǒng)、算法等較核心部分。機械結(jié)構(gòu)主要借鑒如美國、日本、荷蘭、英國等發(fā)達(dá)國家較成熟的經(jīng)驗，相應(yīng)作出本土化的改進(jìn)。 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張鐵中教授首先在我國空缺的自動嫁接技術(shù)上做大量研究，先后開發(fā)了自動插接法、自動旋切貼合法嫁接技術(shù)。東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民研制出的林木球果采摘機器人已經(jīng)做了實體采摘，該機器人工作效率高，采摘質(zhì)量好，每天能夠采摘500kg，約為人工采摘的40倍。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的張瑞合運用雙目立體視覺技術(shù)對番茄做定位，能夠?qū)⒎雅c周圍環(huán)境分離，定位效果十分突出。江蘇大學(xué)紀(jì)良文、吳春篤在噴藥機器人在視覺系統(tǒng)方面做了研究,他們運用超聲測距技術(shù)輔助機器人視覺，取得良好的效果[10]。 相對于國外，我們起步晚，投資少，發(fā)展慢。我國目前仍處于起步階段，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，我國許多科研院校的研究深入，也取得一定的的研究成果，同類型的采摘機器人也在不斷地更新，本土化。 1.4 存在的問題及解決方案 雖然國外發(fā)達(dá)國家對采摘機械做了大量的研究，但是，采摘機械仍然無法在市場上推廣，采摘機械只能在實驗室內(nèi)發(fā)揮它的科研價值。目前仍有一些問題阻礙了采摘機械的市場推廣[11]。 1． 采摘環(huán)境的非結(jié)構(gòu)性 采摘環(huán)境是自然環(huán)境，存在許多非確定性因素，采摘環(huán)境十分復(fù)雜，復(fù)雜性越強，其對采摘機械系統(tǒng)的干擾性越強，比如天氣情況不好時，樹枝的搖晃方向不定，搖晃程度不定，這種情況對采摘機械手的避障能力提出巨大的考驗，地域的差異性大，同一種機械手對不同區(qū)域的自然環(huán)境適應(yīng)程度不同。這些都阻礙了采摘機械的推廣。 2． 采摘機械的制造和維修成本高 采摘機械系統(tǒng)龐大，涉及多領(lǐng)域，其成本較高，而農(nóng)業(yè)的利潤相對較小，季節(jié)性工作，農(nóng)業(yè)從業(yè)者具備較少專業(yè)知識，這就要求采摘機械系統(tǒng)必須結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，智能化程度高，可靠性強，這些要求都會使采摘機械系統(tǒng)的制造成本增加。 3． 果實的損傷率較高 末端執(zhí)行器都是剛體，彈性低，而果實往往因富含水分而變得柔軟易傷。目前，人們通過在末端執(zhí)行器上安裝傳感器感知抓取力度以防止傷果，但仍然無法避免抓取過程中對果實的損傷。 以上問題都是阻礙采摘機械發(fā)展的主要的問題，事物的發(fā)展都是發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的過程，問題的發(fā)現(xiàn)為我們提供了研究的方向。為了能夠更好的解決這些問題，清除采摘機械發(fā)展的障礙，可以從以下幾個方面進(jìn)行探索研究： 1. 為降低果蔬采摘環(huán)境的非結(jié)構(gòu)性，可以研究適合采摘機械工作的果蔬栽培管理模式，同時優(yōu)化采摘機械手的結(jié)構(gòu)，增強其避障能力，增加柔軟度，開發(fā)合適的控制程序，使得機械手靈活度增強。 2. 采摘機械成本必須低于同結(jié)構(gòu)的工業(yè)機械，才能被市場接受，在機械結(jié)構(gòu)方面，可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)，同時對部件進(jìn)行拓補優(yōu)化，減少材料的使用，但又滿足設(shè)計要求。開發(fā)開放式的控制程序，降低成本。 3. 深入研究末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)，研發(fā)出減少對果實損傷的末端執(zhí)行器。 51 第二章 采摘機械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 第2章 采摘機械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 2.1 采摘機械總體方案 農(nóng)業(yè)采摘機械主要由移動機構(gòu)、采摘機械臂、末端執(zhí)行器、視覺系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。根據(jù)論文的任務(wù)要求，本文只設(shè)計采摘機械的機械結(jié)構(gòu)部分，即移動機構(gòu)、采摘機械臂和末端執(zhí)行器這三部分。如圖2-1所示是本設(shè)計的結(jié)構(gòu)簡圖。 圖2-1 采摘機械結(jié)構(gòu)簡圖 1.車輪 2.轉(zhuǎn)向裝置 3.電腦顯示屏 4.DGPS 5.旋轉(zhuǎn)裝置 6.機械臂 7.雙目攝像機8.末端執(zhí)行器 9.機架 10.平移裝置 11電源系統(tǒng) 12控制系統(tǒng) 13.57式步進(jìn)電機 14直流伺服電機 本設(shè)計是全自動控制采摘機械，工作過程中由雙目攝像機7獲取實時圖像，傳輸至視覺系統(tǒng)進(jìn)行圖像處理，對果實進(jìn)行識別和定位，當(dāng)視覺系統(tǒng)判定果實成熟且確定其三維坐標(biāo)后，將信息導(dǎo)入控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)經(jīng)過計算，規(guī)劃行走機構(gòu)的行走路線和機械臂6的運動路徑，將末端執(zhí)行器8移送到采摘位置，最后末端執(zhí)行器8執(zhí)行采摘動作，完成一次采摘過程。采摘成功后，果實暫時保存在末端執(zhí)行器的儲果倉中，由于儲果倉的體積只能容納大約三個果實，所以在連續(xù)采摘三次后，需要將末端執(zhí)行器移到水果收集箱的位置，將采摘后的水果放入其中。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，臍橙果樹的高度約2m左右，臍橙的直徑在50~80mm不等。贛南臍橙多種植在丘陵地帶，具有一定坡度。根據(jù)實際情況與采摘需要，采摘機械的各項性能指標(biāo)與相關(guān)參數(shù)如下表2-1所示。 表2-1 采摘機械性能指標(biāo)與相關(guān)參數(shù) 參數(shù) 數(shù)值 外形尺寸（長×寬×高）mm 1525×960×1081.5 行走機構(gòu)電機總功率/w 280 行走速度/m·s-1 1.256 機械臂最大伸長高度/mm 1490 機械臂采摘半徑/mm 1201 爬坡角度/o 30 整機重量/kg 300 2.2 行走機構(gòu)方案 2.2.1 方案確定 由于植株是固定位置生長在土壤中，所以采摘機械需要主動移動接近植株，同時采摘目標(biāo)存在于空間固定位置，必須將機械手臂移送到相應(yīng)的采摘位置，才能執(zhí)行采摘任務(wù)。采摘機械需要有自己的移動裝置，才能實時移動到目標(biāo)位置。移動機構(gòu)主要有車輪式、履帶式和人形結(jié)構(gòu)。車輪式移動機構(gòu)轉(zhuǎn)彎半徑小，轉(zhuǎn)向靈活，但對于松軟地面適應(yīng)性差；履帶式移動機構(gòu)對地面適應(yīng)性強，但轉(zhuǎn)向不靈活，轉(zhuǎn)彎半徑大；人形移動機構(gòu)在粗糙底面有很好的移動性和避免大型障礙物的能力，但其機構(gòu)復(fù)雜，控制難，不穩(wěn)定且速度低。本設(shè)計以臍橙為采摘目標(biāo)，臍橙的生長環(huán)境主要在山地，地面較硬，有一定坡度，根據(jù)其生長環(huán)境本設(shè)計采用車輪式移動機構(gòu)，為增強其轉(zhuǎn)向的靈活性，適應(yīng)植株間狹窄的空間環(huán)境，本設(shè)計采用四輪轉(zhuǎn)向的方式。 行走機構(gòu)的動力電機選用型號為57BL-0730N1-LS-B直流伺服電機，其相關(guān)參數(shù)如表2-2所示。由于電機提供的轉(zhuǎn)速太大及電機輸出轉(zhuǎn)矩不能滿足要求，所以需要對電機輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行減速，選用減速比大且體積小的行星減速器，減速器的相關(guān)參數(shù)如表2-3所示。轉(zhuǎn)向裝置中的直齒齒輪傳動比為2，其參數(shù)為(模數(shù)m，齒數(shù)z，齒寬b)：小齒輪：m=2, z=40, b=30；大齒輪：m=2, z=80, b=35。轉(zhuǎn)向電機選用57式步進(jìn)電機，其基本參數(shù)如圖2-4所示。行走部分中的錐齒輪傳動比為1，其參數(shù)為：m=2, z=30, b=30。車輪選用減震效果好的橡膠輪胎，車輪直徑D=400mm。機架選用框架式結(jié)構(gòu)，用30×30（mm）空心鋁合金方管焊接而成，鋁合金材料質(zhì)量輕，強度高。 表2-2 直流電機參數(shù) 型號 額定功率 /w 額定電壓 /v 額定轉(zhuǎn)速 /r/min 額定轉(zhuǎn)矩 /n·m 最大轉(zhuǎn)矩 /n·m 定位轉(zhuǎn)矩 /n·m 質(zhì)量 /kg 57BL-0730N1-LS-B 70 24 3000 0.23 0.46 0.01 0.8 表2-3 行星減速器參數(shù) 傳動比 輸入軸徑(mm) 輸出軸徑(mm) 尺寸(mm) 1:50 8 14 57×57×76 表2-4 步進(jìn)電機參數(shù) 型號 相數(shù) 歩距角/o 保持轉(zhuǎn)矩 /n·m 定位轉(zhuǎn)矩 /n·m 電壓 /VDC 轉(zhuǎn)動慣量/g·㎝2 質(zhì)量 /kg 57BYG350BL-0601 3 0.6/1.2 0.45 0.07 24~70 100 0.5 轉(zhuǎn)向裝置由57式步進(jìn)電機提供動力，齒輪轉(zhuǎn)向部分組成，轉(zhuǎn)向裝置安裝在每個車輪上，每個車輪都單獨具有轉(zhuǎn)向能力，使得本移動機構(gòu)具有兩輪轉(zhuǎn)向、四輪并進(jìn)、四輪轉(zhuǎn)向和原地轉(zhuǎn)向模式。由于轉(zhuǎn)向裝置分散，導(dǎo)致移動機構(gòu)的行走動力裝置也分散至每個車輪。動力裝置由24V的直流伺服電機、行星減速器組成。移動機構(gòu)的底盤采用框架式結(jié)構(gòu)，由不銹鋼方管焊接而成，不銹鋼框架式結(jié)構(gòu)不僅能夠保證強度設(shè)計要求，還能最大限度提高材料的利用率，減少材料的浪費。移動機構(gòu)的剎車裝置采用電磁制動器，電磁制動器具有響應(yīng)快，結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，按控制方式分為通電式制動和斷電式制動。為確保在突發(fā)狀況或電源異常導(dǎo)致斷電情況下的安全，本設(shè)計使用斷電式電磁制動器。如圖2-2是行走機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖。 圖2-2 行走機構(gòu)簡圖 1.車輪 2.直流伺服電機 3.直齒輪 4.57式步進(jìn)電機 5.機架，6.平移機構(gòu) 7.行星減速器 8.傳動軸 9.錐齒輪箱體 10.錐齒輪 11.電磁制動器 12.轉(zhuǎn)動軸 13.軸承 14.螺栓 15.機架支撐 2.2.2 結(jié)構(gòu)說明 行走機構(gòu)的行走部分由直流伺服電機2、行星減速器7、傳動軸8、錐齒輪10、錐齒輪箱體9、軸承13、電磁制動器11、轉(zhuǎn)動軸12和機架支撐15組成。轉(zhuǎn)向部分由57式步進(jìn)電機4、直齒輪3、支架支撐15組成。平移機構(gòu)由57式步進(jìn)電機4和平移導(dǎo)軌組成。它們之間是這樣連接的：直流伺服電機2與行星減速器7通過螺栓固定連接，電機輸出軸與行星減速器輸入軸過盈配合。行星減速器7和錐齒輪箱體9通過螺栓固定在機架支撐15上。行星減速器輸出端與傳動軸8的中心孔配合，通過鍵連接實現(xiàn)轉(zhuǎn)動軸與輸出軸間的周向固定。軸承內(nèi)圈通過軸肩固定在轉(zhuǎn)動軸8上，內(nèi)圈需承受一定軸向載荷，所以內(nèi)圈與軸采用過渡配合，外圈需承受一定的旋轉(zhuǎn)載荷，所以外圈與錐齒輪箱體9孔采用過盈配合，外圈與孔采用階梯軸套的軸向固定方式固定。錐齒輪10通過軸肩實現(xiàn)軸向定位，錐齒輪另一端用螺母固定，采用鍵連接實現(xiàn)周向固定。電磁制動器制動端通過螺栓連接固定在機架支撐15上，電磁制動器的活動端通過轉(zhuǎn)動軸12上的彈性擋圈實現(xiàn)軸向固定，周向固定采用鍵連接。轉(zhuǎn)動軸12與車輪1的輪轂采用螺栓連接固定。這樣通過螺栓固定的方式將整個行走部分固定安裝在機架支撐15上，機架支撐的一端安裝直齒輪3，直齒輪與機架支撐采用螺栓固定的方式連接，這樣，整個行走部分的轉(zhuǎn)動就能與直齒輪同步。機架支撐15上安裝有軸承，軸承內(nèi)圈采用階梯軸肩方式軸向定位，內(nèi)圈與軸過盈配合，外圈與機架5也采用階梯軸肩方式軸向固定，外圈與機架5過盈配合。機架5上固定安裝57式步進(jìn)電機，電機輸出軸與直齒輪3過盈配合。平移機構(gòu)由57式步進(jìn)電機4提供動力，固定安裝在機架5上，平移導(dǎo)軌也安裝在機架5上，導(dǎo)軌滑動件用螺栓固定安裝有底板，用以支撐機械臂。導(dǎo)軌與滑動件采用螺紋連接，螺紋桿通過聯(lián)軸器與電機輸出軸連接，將驅(qū)動轉(zhuǎn)矩傳送到導(dǎo)軌上。 2.2.3 功能實現(xiàn) 行走機構(gòu)受控制系統(tǒng)控制執(zhí)行，當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出工作信號之后，四個車輪以相同的速度轉(zhuǎn)動，當(dāng)行駛到一定距離快要到達(dá)指定采摘位置時，電機停轉(zhuǎn)，同時，控制系統(tǒng)發(fā)出斷電信號，觸發(fā)電磁制動器，使其工作，使得采摘機械停在采摘位置進(jìn)行采摘工作，當(dāng)需要改變前進(jìn)方向時，控制系統(tǒng)向每個轉(zhuǎn)向裝置發(fā)送信號，轉(zhuǎn)向的動力由步進(jìn)電機提供，所以控制系統(tǒng)向每個步進(jìn)電機發(fā)送相同或不同脈沖信號，使得步進(jìn)電機按照脈沖信號轉(zhuǎn)動相同或不同角度，最后控制每個轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)向預(yù)定的角度，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)送不同信號，就能實現(xiàn)兩輪轉(zhuǎn)向、四輪并進(jìn)、四輪轉(zhuǎn)向和原地轉(zhuǎn)向模式。 2.3 機械手臂方案 2.3.1 方案確定 機械手是具有類似人類上肢的功能，使工作對象能在空間內(nèi)移動的機構(gòu)。機械手包括關(guān)節(jié)和桿件。在農(nóng)業(yè)采摘機器人中，機械手的任務(wù)就是將末端執(zhí)行器移送到采摘目標(biāo)果實位置，使其完成采摘。要求能夠?qū)?zhí)行末端移動到每一個目標(biāo)果實處。機械手可分為直角坐標(biāo)、圓柱坐標(biāo)、極坐標(biāo)和多關(guān)節(jié)型機械手。自由度是衡量機械手運動柔性的尺度，它表示機械手所具有的能夠獨立運動的數(shù)量。一般來說，機械手自由度越多，靈活度越高，但質(zhì)量大，機構(gòu)變復(fù)雜，控制難度加大。一般6自由度機械手就可以將末端執(zhí)行器移動到三維空間內(nèi)適當(dāng)?shù)奈恢?，故選用6自由度的關(guān)節(jié)型機械手。 機械手臂具有一個平移自由度、兩個旋轉(zhuǎn)自由度和三個擺動自由度。如圖2-3為機械手臂示意圖?；母叨葹?89mm，大臂的長度為300mm，小臂的長度為375mm。大臂俯仰的角度范圍為-100o~100o，小臂的擺動范圍為-110o~110o。平移的范圍為-100mm~100mm。旋轉(zhuǎn)的角度范圍為-180o~180o。機械手臂的動力由步進(jìn)電機提供，設(shè)計中根據(jù)不同部位的不同需求選用了兩種大小不同的步進(jìn)電機，其相關(guān)參數(shù)如表2-5所示。機械臂的平移自由度由滑動導(dǎo)軌機構(gòu)實現(xiàn)，購買符合要求的滑動導(dǎo)桿組，具體結(jié)構(gòu)如圖2-4所示?；男D(zhuǎn)自由度通過電機與齒輪實現(xiàn)。齒輪組的參數(shù)如下：傳動比為2.25小齒輪：m=2, z=40, b=35; 大齒輪：m=2, z=90, b=40。大臂和小臂的擺動自由度也是通過電機和錐齒輪實現(xiàn)，大臂和小臂的錐齒輪均使用相同的尺寸且傳動比均為1。其參數(shù)如下：m=2,z=45,b=35。 圖2-3 機械手示意圖 圖2-4 滑動導(dǎo)軌組 表2-5 步進(jìn)電機相關(guān)參數(shù) 型號 相數(shù) 歩距角/o 保持轉(zhuǎn)矩 /n·m 定位轉(zhuǎn)矩 /n·m 電壓 /VDC 轉(zhuǎn)動慣量/g·㎝2 質(zhì)量 /kg 57BYG350BL-0601 3 0.6/1.2 0.45 0.07 24~70 100 0.5 28BYG250C-0071 2 0.9/1.8 0.09 0.006 24 12 0.15 2.3.2 結(jié)構(gòu)說明 機械手臂由基座，大臂和小臂組成，機械臂結(jié)構(gòu)如圖2-5所示。基座部分有：基座底板4、圓錐滾子軸承5、固定板6、定位筒7、內(nèi)齒圈8、基座筒9、基座上蓋10、57式步進(jìn)電機11、小齒輪12、電機支架13組成。平移機構(gòu)用螺栓固定在機架上，平移機構(gòu)的滑動塊上安裝固定板?；装?采用螺栓連接的方式固定在滑動板，基座底板4的圓筒上安裝圓錐滾子軸承5，軸承內(nèi)圈與基座底板4的圓筒過盈配合，軸承外圈與固定板6也是過盈配合，固定板6采用階梯軸肩的方式固定軸承外圈。定位筒7通過螺栓固定在固定板6上，定位筒7成“幾”型，下端與基座底板采用間隙較大的間隙配合。內(nèi)齒圈8與基座筒9通過螺栓一起固定在固定板6上，基座筒9與基座上蓋10用螺栓固定。電機支架下端用螺栓固定在滑動板上，上端固定57式步進(jìn)電機11，電機的輸出軸與小齒輪12采用過盈配合。大臂部分有：大臂組成板14、支撐件15、螺釘16、深溝球軸承17、錐齒輪19、花鍵軸20、57式步進(jìn)電機11組成。支撐件15通過螺釘將兩塊大臂組成板14固定。大臂組成板的下端是花鍵孔，與花鍵軸20配合安裝，花鍵軸20兩端與深溝球軸承17內(nèi)圈過盈配合，內(nèi)圈定位于花鍵軸20的階梯軸肩處，軸承外圈與軸承座采用過渡配合，外圈定位于軸承座的階梯軸肩處。錐齒輪19中一個安裝在花鍵軸20上，通過軸肩定位，在錐齒輪與大臂組成件間套上套筒，實現(xiàn)錐齒輪的軸向固定，錐齒輪的周向固定采用鍵連接。錐齒輪19的另一個安裝在57式步進(jìn)電機11上，與電機輸出軸過盈配合。電機固定在基座上蓋10上。小臂部分有：小臂組成件24、支撐件15、57式步進(jìn)電機11、電機固定板18、深溝球軸承21、圓錐齒輪22、花鍵軸23組成。支撐件15通過螺釘將兩塊小臂組成板24固定。小臂組成板的下端是花鍵孔，上端是軸承孔?；ㄦI孔與花鍵軸23配合安裝，花鍵軸23兩端與深溝球軸承21內(nèi)圈過盈配合，內(nèi)圈定位于花鍵軸23的階梯軸肩處，軸承外圈與軸承孔采用過渡配合，外圈定位于軸承孔的階梯軸肩處。錐齒輪22中一個安裝在花鍵軸23上，通過軸肩定位，小臂組成件24與錐齒輪配合，實現(xiàn)錐齒輪的軸向固定，錐齒輪的周向固定采用鍵連接。步進(jìn)電機11通過電機固定板安裝在大臂組成板上，它們之間都采用螺栓連接。電機輸出軸與錐齒輪22過盈配合。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)部分有：28式步進(jìn)電機25深溝球軸承26十字接頭27、C型板28、旋轉(zhuǎn)筒29、圓錐滾子軸承30、十字接頭31、固定板32組成。28式步進(jìn)電機25用螺栓固定在小臂組成板24上，十字接頭27一端是“十”字柱，一端是空心圓柱。電機輸出軸與十字接頭27的空心圓柱孔過盈配合，十字接頭的“十”字柱端與C型板28的十字空心柱過盈配合，使得電機軸的轉(zhuǎn)動直接帶動C型板28的轉(zhuǎn)動。深溝球軸承26的內(nèi)圈與十字接頭27過盈配合，并通過十字接頭上的階梯軸肩定位。軸承外圈與小臂組成板的軸承孔過盈配合，通過軸承孔上的階梯軸肩定位。電機25輸出軸與十字接頭31的空心圓柱孔過盈配合，十字接頭的“十”字柱端與C型板28的十字空心柱過盈配合，在這里,C型板是固定不轉(zhuǎn)的，電機的轉(zhuǎn)動，使得電機機身轉(zhuǎn)動，電機25固定在固定板32上，即轉(zhuǎn)動的是固定板32。固定板32與旋轉(zhuǎn)筒29通過螺栓連接，旋轉(zhuǎn)筒29與圓錐滾子軸承30的外圈過盈配合，圓錐滾子軸承30的內(nèi)圈與十字接頭過盈配合，采用階梯軸肩定位。 a 整體結(jié)構(gòu)圖 b 基座結(jié)構(gòu)圖 c 手臂結(jié)構(gòu)圖 d 大臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖 e 小臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖 f 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖 圖2-5 機械臂結(jié)構(gòu)圖 1. 基座 2.大臂 3.小臂 4.基座底板 5.圓錐滾子軸承 6.固定板 7.定位筒 8.內(nèi)齒輪 9.基座筒 10.基座上蓋 11.57式步進(jìn)電機 12.小齒輪 13.電機支架 14.大臂組成板 15.支撐件 16.螺釘 17.深溝球軸承 18.電機固定板 19.圓錐齒輪 20.花鍵軸 21.深溝球軸承 22.圓錐齒輪 23.花鍵軸 24.小臂組成板 25.28式步進(jìn)電機 26.深溝球軸承 27.十字接頭 28.C型板 29.旋轉(zhuǎn)筒 30.圓錐滾子軸承 31.十字接頭 32.固定板 2.3.3 功能實現(xiàn) 機械手臂的運動是復(fù)雜的，通過控制系統(tǒng)控制每個電機的運轉(zhuǎn)情況來控制機械臂的運動。通常，當(dāng)視覺系統(tǒng)處理圖像后得知采摘目標(biāo)的三維坐標(biāo)值后，控制系統(tǒng)通過這個坐標(biāo)值進(jìn)行計算，自動規(guī)劃機械臂的運行軌跡，根據(jù)軌跡信息，對控制每個自由度的電機發(fā)送信號，電機根據(jù)信號做出相應(yīng)的運動，控制系統(tǒng)發(fā)送一系列脈沖信息，信息包含電機轉(zhuǎn)動的起始時間、方向、速度等，電機便可做出相應(yīng)的動作，最后使得機械臂達(dá)到預(yù)定的姿態(tài)，完成采摘任務(wù)。 2.4 末端執(zhí)行器方案 2.4.1 方案確定 末端執(zhí)行器是機器人用來直接執(zhí)行各種操作和任務(wù)的器件，作為采摘機械，其末端執(zhí)行器就是執(zhí)行采摘工作的機械部分，由于果蔬水分高且外表柔軟,而它的形狀大小及生長狀況復(fù)雜,因此末端執(zhí)行器的設(shè)計通常被認(rèn)為是農(nóng)業(yè)機器人的核心技術(shù)之一[12]。如何在提高末端執(zhí)行器的采摘能力的同時減少對脆弱的果實的損傷，是目前有關(guān)末端執(zhí)行器設(shè)計的方向。根據(jù)采摘對象，設(shè)計符合要求的末端執(zhí)行器，采摘機械的采摘對象是臍橙，其形狀似橢圓狀，一般分布在中部樹梢，果實體積較大，一般在50mm~80mm之間，容易成串生長。本設(shè)計采用切斷的方式采摘，但使用旋轉(zhuǎn)嘴將果實撈攏的方式使果實定位。本設(shè)計設(shè)有臨時儲果倉，連續(xù)采摘三次后再將果實放入果實收集箱中，以提高采摘效率。 末端執(zhí)行器的動力由28式步進(jìn)電機提供，以皮帶傳動的方式將動力傳輸?shù)綀?zhí)行部分，皮帶傳動比為1。旋轉(zhuǎn)嘴的一端設(shè)有齒形槽，方便果梗落入槽內(nèi)切斷。臨時儲果倉內(nèi)可容納3~4個果實，儲果倉的底部設(shè)有艙門，艙門與儲果倉用彈簧合頁連接，儲果倉的后部安裝有電磁鎖，彈簧合頁和電磁鎖如圖2-6所示。 圖2-6 彈簧合頁和電磁鎖 2.4.2 結(jié)構(gòu)說明 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)如圖2-7所示，末端執(zhí)行器由采摘部分和儲果部分組成。采摘部分有：28式步進(jìn)電機5、電機固定架6、皮帶輪7、皮帶8、擋板9、短軸10、皮帶輪11深溝球軸承12、旋轉(zhuǎn)支架13、軸承座14、切刀槽15、切刀片16。它們是這樣連接的： 28式步進(jìn)電機5用螺栓固定在電機固定架6上，皮帶輪直接安裝在電機輸出軸，與電機輸出軸過盈配合。電機固定架也用螺栓固定在臨時儲果倉倉體1上。旋轉(zhuǎn)支架13與電機支架6安裝在同一水平面上，兩者相距200mm，通過螺栓固定在臨時儲果倉倉體1上，旋轉(zhuǎn)支架的軸承孔安裝深溝球軸承12，軸承外圈與軸承孔采用無間隙配合，擋片9通過螺釘安裝在旋轉(zhuǎn)支架13上，軸承外圈通過擋片定位。軸承內(nèi)圈與短軸10過盈配合，內(nèi)圈通過軸肩定位。短軸13的小端安裝皮帶輪11，皮帶輪與短軸之間過盈配合，短軸的大端用螺栓連接固定旋轉(zhuǎn)嘴3。旋轉(zhuǎn)嘴3的另一端也與短軸螺栓連接固定，短軸通過軸承和軸承座14固定在與旋轉(zhuǎn)支架對齊的倉體1的另一邊，軸承座與臨時儲果倉倉體1用螺栓固定，軸承座與軸承外圈過盈配合，軸承內(nèi)圈與短軸過盈配合，采用軸肩定位。切刀槽15用螺栓固定在臨時儲果倉倉體1上，切刀槽與倉體上表面成120o，安裝在旋轉(zhuǎn)嘴的齒形槽方向，切刀片安裝在切刀槽的槽內(nèi)，用螺釘固定。臨時儲果倉部分有：臨時儲果倉倉體1、隔層4、彈簧合頁17、倉門18、電磁鎖19組成。它們是這樣連接的：隔層4焊接在倉體的中間，用以隔開電機和儲果倉。倉體的下部設(shè)有倉門18，倉門18用兩個彈簧合