蘋(píng)果采摘機(jī)設(shè)計(jì)-輪式小車(chē)式采摘機(jī)械手
蘋(píng)果采摘機(jī)設(shè)計(jì)-輪式小車(chē)式采摘機(jī)械手,蘋(píng)果,采摘,設(shè)計(jì),輪式,小車(chē),機(jī)械手
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開(kāi)題報(bào)告
課題名稱(chēng) 蘋(píng)果采摘機(jī)的設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名
學(xué) 號(hào)
所屬學(xué)院
專(zhuān) 業(yè)
班 級(jí)
指導(dǎo)教師
起止時(shí)間
機(jī)械電氣化工程學(xué)院教務(wù)辦制
填 表 說(shuō) 明
一、學(xué)生撰寫(xiě)《開(kāi)題報(bào)告》應(yīng)包含的內(nèi)容：
1、本課題來(lái)源及研究的目的和意義；
2、本課題所涉及的問(wèn)題在國(guó)內(nèi)（外）研究現(xiàn)狀及分析；
3、對(duì)課題所涉及的任務(wù)要求及實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的可行性分析；
4、本課題需要重點(diǎn)研究的、關(guān)鍵的問(wèn)題及解決的思路；
5、完成本課題所必須的工作條件及解決的辦法；
6、完成本課題的工作方案及進(jìn)度計(jì)劃；
7、主要參考文獻(xiàn)（不少于7篇）。
二、本報(bào)告必須由承擔(dān)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）課題任務(wù)的學(xué)生在接到“畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書(shū)”的兩周內(nèi)獨(dú)立撰寫(xiě)完成，并交指導(dǎo)教師審閱。
三、開(kāi)題報(bào)告要求手寫(xiě)體，字?jǐn)?shù)在3000字以上，由學(xué)生在本報(bào)告冊(cè)內(nèi)填寫(xiě)，頁(yè)面不夠可自行添加A4紙張。
四、每個(gè)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）課題須提交開(kāi)題報(bào)告一式三份，一份學(xué)生本人留存，一份指導(dǎo)教師存閱，一份學(xué)生所在學(xué)院存檔，備檢備查。
一、本題來(lái)源及研究的目的和意義
1.1 課題的來(lái)源：自選題
1.2 研究的目的
隨著中國(guó)農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，果園業(yè)也得到了很大的發(fā)展。由于果園占地面積相對(duì)狹小，而且果樹(shù)之間的間距很小，果樹(shù)生長(zhǎng)性狀復(fù)雜，這就給對(duì)果園的果類(lèi)采摘等帶來(lái)了巨大的麻煩。為了節(jié)約人們的體力勞動(dòng)，設(shè)計(jì)一種蘋(píng)果等果類(lèi)無(wú)損采摘機(jī)械裝置是非常必要的，專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于果類(lèi)采摘?？膳榔?、越埂、階梯性強(qiáng)。廣泛適用于平原、山區(qū)、丘陵、溫室等區(qū)域種植的果樹(shù)果類(lèi)采摘收獲。
1.3 研究的意義
我國(guó)是世界第一大蘋(píng)果果消費(fèi)國(guó)，也是世界第一大蘋(píng)果生產(chǎn)國(guó)。蘋(píng)果種植業(yè)的迅速發(fā)展提升了果園機(jī)械的市場(chǎng)需求。采摘作業(yè)所用勞動(dòng)力占整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程所用勞動(dòng)力的33%～50%，目前我國(guó)的蘋(píng)果果采摘絕大部分還是以人工采摘為主。蘋(píng)果采摘作業(yè)比較復(fù)雜，季節(jié)性很強(qiáng)，若使用人工采摘，不僅效率低、勞動(dòng)量大，而且容易造成果實(shí)的損傷，如果人手不夠不能及時(shí)采摘還會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)上的損失。使用采摘機(jī)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(jì)效益，因此提高蘋(píng)果采摘作業(yè)機(jī)械化程度有重要的意義。
蘋(píng)果采摘機(jī)械在果園規(guī)?；l(fā)展和規(guī)范化管理的地區(qū)應(yīng)用更能突顯其顯著特點(diǎn)。用機(jī)械代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人力操作完成蘋(píng)果采摘作業(yè)，既能減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高功效，還可降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)又能搶農(nóng)時(shí)，減少損失，為果樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育創(chuàng)造良好環(huán)境，促進(jìn)果品優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。
二、 本課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及背景
1.國(guó)外果園采摘機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀
上世紀(jì)40年代以英、美、法為首的西方國(guó)家率先開(kāi)始蘋(píng)果等水果的機(jī)械化采摘研究，已經(jīng)針對(duì)釀造等特殊用途的蘋(píng)果實(shí)現(xiàn)機(jī)械化采摘。然而，人們期待的仿生學(xué)機(jī)器人的研究和開(kāi)發(fā)正在進(jìn)行當(dāng)中，當(dāng)下人工智能技術(shù)尚不能使機(jī)器人像真實(shí)人一樣完成采摘工作。
目前國(guó)外對(duì)采摘機(jī)械的研究是以采摘機(jī)器人為主。華盛頓州立大學(xué)在2013年獲得了美國(guó)國(guó)家機(jī)器人計(jì)劃(美國(guó)農(nóng)業(yè)部)的54.8萬(wàn)美元撥款，現(xiàn)在，該項(xiàng)目已經(jīng)制造了一個(gè)蘋(píng)果采摘機(jī)器人原型，將在今年秋天進(jìn)行測(cè)試。
1.1.國(guó)外果園采摘機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)外蘋(píng)果采摘機(jī)械采摘主要有振搖式、撞擊式和切割式三種類(lèi)型。其中，振搖式是利用外力使樹(shù)體或樹(shù)枝發(fā)生振搖或振動(dòng)，使蘋(píng)果果實(shí)產(chǎn)生加速度，在梗連結(jié)最弱處與果枝分離而掉落。撞擊式是撞擊部件直接撞擊果枝或敲打牽引果枝的棚架振落蘋(píng)果果實(shí)。切割式是將樹(shù)枝或果柄切斷使果實(shí)與果樹(shù)分離的方式，又分為機(jī)械切割式和動(dòng)力切割式。
國(guó)外對(duì)果園采摘機(jī)械的研究始于上世紀(jì)40年代初，以美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)為首的西方國(guó)家較早開(kāi)展此方面的研究。于40年代中期開(kāi)始，美國(guó)開(kāi)始研究振搖式采摘機(jī)械，用來(lái)采摘胡桃、蘋(píng)果和杏等水果，到50年代中期，利用振搖果樹(shù)方式收獲水果的采摘機(jī)械在歐美國(guó)家得到了發(fā)展和普遍應(yīng)用，出現(xiàn)了拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)的振搖采摘機(jī)。60年代，振搖采摘機(jī)械的結(jié)構(gòu)由單一的定沖程推搖機(jī)發(fā)展到慣性式振搖機(jī)、氣力振搖機(jī)、使用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)橡膠棒沖撞果枝振落果實(shí)的撞擊式機(jī)械等多種類(lèi)型的果園采摘機(jī)械。當(dāng)時(shí)的機(jī)械采摘工作效率普遍較低，采摘的損傷率還較高，也不適用于采收易損傷、完好率要求較高的鮮食用和貯藏的蘋(píng)果。60年代中期，美國(guó)研究出液壓升降平臺(tái)車(chē)，配合采摘工具使用，使得采摘效率大大提高。
自60年代后期，歐美一些國(guó)家將水果采摘機(jī)械與果樹(shù)的培育和修剪結(jié)合起來(lái)研究，例如修整樹(shù)形使之適合機(jī)械化作業(yè)。直至70年代出現(xiàn)了各種動(dòng)力切割式采摘機(jī)械，例如油鋸、氣動(dòng)剪。 日本的果園種植地形與我國(guó)南方地形極為相似，許多在平地上使用的果園機(jī)械在丘陵地形上并不適用，故此在20世紀(jì)90年代初，日本開(kāi)始研究陡坡地果園的機(jī)械化。其中四國(guó)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)場(chǎng)研究開(kāi)發(fā)的采用樞軸式擺動(dòng)懸掛機(jī)構(gòu)作為行走部分的自走式采摘車(chē)，配備使用電視攝像機(jī)和無(wú)線(xiàn)電控制組合。該采摘車(chē)的輪距寬，重心低，故爬坡能力強(qiáng)；采用就地車(chē)輪正反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，故回轉(zhuǎn)能力好；采用樞軸懸掛機(jī)構(gòu)，因而使機(jī)體擺動(dòng)小、行走穩(wěn)定，適合在坡度15°～30°的地區(qū)使用。
關(guān)于機(jī)器人采摘的研究始于70年代末期，隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，美國(guó)首先開(kāi)始研究各種農(nóng)業(yè)機(jī)器人。自1983年第一臺(tái)采摘機(jī)器人在美國(guó)誕生以來(lái)，歷經(jīng)20多年的研究和試驗(yàn)，日本、美國(guó)、法國(guó)、荷蘭、英國(guó)、西班牙等發(fā)達(dá)國(guó)家，相繼試驗(yàn)成功了多種采摘機(jī)器人，如蘋(píng)果、柑桔、番茄、西瓜和葡萄等果實(shí)采摘的具有人工智能的機(jī)器人。 采摘機(jī)器人主要由機(jī)械手、末端執(zhí)行器、視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)和行走裝置等四大系統(tǒng)組成。在80年代中期日本京都大學(xué)研制了五自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械手，但這種機(jī)械手的工作空間并沒(méi)有包含所有果實(shí)的位置，而且機(jī)械手末端執(zhí)行器的可操作度也比較低。與此同時(shí)韓國(guó)研制的蘋(píng)果采摘機(jī)器人使用極坐標(biāo)機(jī)械手，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可左右移動(dòng)，絲桿關(guān)節(jié)可以上下移動(dòng)，從而工作空間可達(dá)3m。日本崗山大學(xué)在20世紀(jì)90年代，設(shè)計(jì)出番茄采摘機(jī)器人具有7個(gè)自由度的能夠設(shè)定采摘姿態(tài)的機(jī)械手。
2 我國(guó)蘋(píng)果采摘機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀
目前，我國(guó)在人工智能機(jī)器人采摘研究領(lǐng)域仍處于起步階段。
我國(guó)大部分蘋(píng)果果園生產(chǎn)規(guī)模小，種植模式多樣，栽培和管理比較分散，果園的規(guī)?；鸵?guī)范化程度偏低。目前，我國(guó)果園機(jī)械化基礎(chǔ)差，新疆優(yōu)勢(shì)林果產(chǎn)區(qū)雖然已逐步形成規(guī)模化生產(chǎn)，但規(guī)范化管理不足，農(nóng)藝未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，果園機(jī)械化水平仍然很低，果園機(jī)械無(wú)論從數(shù)量上還是品種、質(zhì)量上都難以滿(mǎn)足林果產(chǎn)業(yè)大發(fā)展的需要，在一些果園專(zhuān)有機(jī)械上仍處于空白。 2.1我國(guó)蘋(píng)果采摘機(jī)械研究開(kāi)發(fā)背景
自20世紀(jì)70年代，我國(guó)開(kāi)始研究果園采摘機(jī)械，先后開(kāi)發(fā)了與手扶拖拉機(jī)配套的機(jī)械振動(dòng)式山楂采果機(jī)、氣囊式采果器和手持電動(dòng)采果器。后兩者實(shí)際上還是人工作業(yè)用的輔助機(jī)械，雖然在保護(hù)果實(shí)不受損傷方面做得較好，但是其效率還是太低。80年代后，開(kāi)始研究和制造切割型采摘器，果園采摘也從人工使用剪刀采摘發(fā)展到使用機(jī)械裝置采摘。電機(jī)式采摘器利用果柄引導(dǎo)突片將果柄引向切刀，再用微型電機(jī)帶動(dòng)的切刀作往復(fù)運(yùn)動(dòng)把果柄切斷。此外，一種振搖式采摘器，用撥叉伸入果枝用電機(jī)擺動(dòng)撥叉而振落果實(shí)。切割式采摘的優(yōu)點(diǎn)是省時(shí)省力，對(duì)果實(shí)的損傷也小。此后有了更多的輔助工具如液壓剪枝升降平臺(tái)，可用來(lái)提升工人工作位置，利于采摘作業(yè)。
盡管如此，國(guó)內(nèi)蘋(píng)果采摘機(jī)械基本處于空白，蘋(píng)果不同于山楂、核桃、棗等，蘋(píng)果果皮易在采摘過(guò)程中受到損傷，損傷容易造成蘋(píng)果氧化變質(zhì)品質(zhì)下降，降低經(jīng)濟(jì)效益。
三 本課題需要重點(diǎn)研究的關(guān)鍵的問(wèn)題及解決的思路
3.1 研究的主要問(wèn)題：
傳統(tǒng)的果園蘋(píng)果收獲基本以人工采摘為主（特殊用途的果類(lèi)除外），耗時(shí)費(fèi)力，勞動(dòng)成本高。蘋(píng)果從采摘到運(yùn)輸過(guò)程周期較長(zhǎng)，不容易保障果品質(zhì)量。本設(shè)計(jì)主要致力蘋(píng)果無(wú)損采摘，以及初步清理，運(yùn)出果園等收獲環(huán)節(jié)。
3.2 解決思路：
（1）用大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行裝配及其，保證機(jī)器在工作的時(shí)間不會(huì)因?yàn)槌d而熄火。
（2）設(shè)計(jì)機(jī)械手臂，編寫(xiě)機(jī)械手臂工作程序，實(shí)現(xiàn)柔性抓取，摘果。
（3）添加視覺(jué)捕捉輔助系統(tǒng)，輔助操作員操作機(jī)械手臂。
（4）設(shè)計(jì)蘋(píng)果輸送，初步清洗裝置，將采摘的蘋(píng)果進(jìn)行運(yùn)輸、清理、裝箱。
（5）設(shè)計(jì)多自由度承載升降自走車(chē)體，搭載全部采摘設(shè)備、操作人員、駕駛?cè)藛T，及采摘蘋(píng)果、果箱等。
（6）保證機(jī)器的安全性能。
3.3具體方案：
（1）本次設(shè)計(jì)把視覺(jué)捕捉系統(tǒng)、智能機(jī)器人、蘋(píng)果輸送淸選裝置、多自由度式承載裝置相結(jié)合，本設(shè)計(jì)的研究對(duì)果園的管理非常重要。
（2）該設(shè)計(jì)的成型產(chǎn)品是機(jī)械手臂、蘋(píng)果輸送清洗裝置、行走裝置與升降裝置均通過(guò)獨(dú)立動(dòng)力源提供動(dòng)力，以確保機(jī)器工作穩(wěn)定。
（3）產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)蘋(píng)果采摘、輸送、清洗，工作臺(tái)升降由操作員獨(dú)立進(jìn)行。
（4）前后的工作裝置都可以卸載，當(dāng)需要什么樣的工作時(shí)進(jìn)行安裝即可。
四 完成本課題需要的工作條件及解決的辦法
（1）查閱有關(guān)資料選擇相關(guān)參數(shù)及材料,設(shè)計(jì)機(jī)械手臂、行走裝置、輸送清洗裝置、行走裝置等的形狀。
（2）設(shè)計(jì)完各零部件后，進(jìn)行裝配組合，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的可靠性。
（3）運(yùn)用Solidworks軟件，繪制三維零件圖和裝配圖。
（4）運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件完成整機(jī)各零部件的三維建模并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。
五 工作方案及進(jìn)度計(jì)劃
工作方案：
1、設(shè)計(jì)并繪制蘋(píng)果采摘機(jī)總體機(jī)架。
2、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇方案及大小設(shè)計(jì)。
3、蘋(píng)果采摘機(jī)主要零部件的設(shè)計(jì)。
4、繪制所有零部件并查閱相關(guān)說(shuō)明，各零部件尺寸要嚙合達(dá)到合適效果。
5、組裝裝配圖并生成三維立體模型，觀察效果并加以改進(jìn)。
進(jìn)度計(jì)劃：
第 一 周：查找相關(guān)資料、熟悉課題內(nèi)容。
第 二 周：撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告，并制定總體方案。
第三周至十周：設(shè)計(jì)蘋(píng)果采摘機(jī)試驗(yàn)裝置的三維實(shí)體模型圖，并生成關(guān)鍵部件及裝配圖工程圖。
第 十一 周：對(duì)蘋(píng)果采摘機(jī)進(jìn)行傳動(dòng)設(shè)計(jì)和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。
第 十二 周：撰寫(xiě)畢業(yè)論文，修改圖紙中存在的問(wèn)題。
第十三周：編寫(xiě)答辯提綱，準(zhǔn)備答辯。
第十四周：答辯
六 參考文獻(xiàn)
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