蘋果采摘機器人結構設計及控制系統(tǒng)分析含SW三維及10張CAD圖
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蘋果采摘機器人結構設計及控制系統(tǒng)分析,答辯者 ：XX 導 師 : XX 學 號 ：XX 專 業(yè) : XX,目錄,研究背景及意義 采摘機器人選型選擇 蘋果采摘機器人機械手的選型 蘋果采摘機器人的結構設計 后期工作安排,研究背景及意義,21世紀是農用機械化向智能自動化機械過渡的關鍵時期，工業(yè)智能自動化對現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展規(guī)?；⒍鄻踊途_化具有不可磨滅的重要性。隨著農業(yè)生產要求的不斷提高，許多農作物的采摘是一項勞動密集型的工作，隨著采摘季節(jié)的要求，保證采摘質量至關重要。蘋果采摘機械手是一種實用新型機械手，其最終目標是，確保人身不受傷害的前提下，提高蘋果的采摘質量與采摘效率。通過查閱相關資料與深入的調研，市場上相關產品較少且實用性不足，因此蘋果采摘機械手的市場前景廣闊。設計一款輕巧，靈便，滿足使用要求的水果采摘機械手變得十分迫切且意義重大。,采摘機器人選型選擇,采摘機械手遵循工業(yè)機械手的相關特點，同時也要考慮到采摘小型蘋果的特殊性。經調查，目前工業(yè)機械手主要有：直角坐標型機械手、圓柱坐標型機械手、極坐標型機械手、關節(jié)坐標型機械手四種。對比及蘋果采摘特性，這里我選擇的是關節(jié)坐標型的機器人。 直角坐標系 圓柱坐標系 極坐標系 關節(jié)坐標系,蘋果采摘機器人機械手的型選,通過對小型蘋果采摘應具備的特點進行查閱相關資料，蘋果采摘機器人的機械手形式最適合選擇關節(jié)坐標型。其具體結構包括旋轉底座、大臂、小臂和執(zhí)行末端四部分。并在其底部添加了升降結構, 在垂直方向上增加了機器人的作業(yè)空間，使得蘋果采摘機械手動作靈活,工作空間大、占地面積小的優(yōu)點，更加適合蘋果的采摘作業(yè)，是一種六自由度串聯(lián)關節(jié)型蘋果采摘機械手。,結構設計,升降梯,底盤旋轉機構,大臂俯仰機構,小臂俯仰機構,腕部旋轉及俯仰機構,末端執(zhí)行器機構,總裝配圖,后期工作安排,1：生成二維總裝圖及零件圖 2：進一步對控制系統(tǒng)分析 3：編寫設計說明書,謝謝,,
XXX
XXXXX
設計題目：
蘋果采摘機器人結構設計及控制系統(tǒng)分析
學 院：
年 級：
專 業(yè)：
姓 名：
學 號：
指導教師：
20XX年5月10日
摘要
目前，因為蘋果采摘仍然十分困難，采摘自動化水平也非常低，因而，蘋果采摘機技術在農業(yè)上不容置疑是未來的戰(zhàn)略性高技術，也充滿了很好的時機和挑戰(zhàn)。在21世紀的今天，世界各國都面臨著老齡化的問題，隨之勞動力也不容易得到，成本也在不斷提高。因此，開發(fā)蘋果采摘機器人的機械化，智能化和自動化技術非常重要。
國內外關于蘋果采摘機器人仍然處于實驗階段，在實際的應用中依然很艱難，主要的原因是蘋果采摘機器人具體的結構設計還存在許多不足。由于蘋果是球體，三自由度的蘋果采摘機器人可以達到實現(xiàn)的目的，但是為了提高蘋果采摘機器人的靈活度和避障能力，通過查閱資料，設計了具有六個自由度的串聯(lián)式蘋果摘取機械結構。
蘋果采摘機器人的控制也是非常重要的，自動化水平的提高，蘋果采摘的效率才能相應的提高，蘋果采摘需要對蘋果識別，蘋果定位及避障加以控制。
關鍵詞:采摘機器人；結構設計；蘋果識別；蘋果定位
Abstract
At present, because apple harvesting is still very difficult and the level of automation is very low, the technology of Apple harvester in agriculture is undoubtedly the future strategic high-tech, but also full of good opportunities and challenges. Today, in the 21st century, all countries in the world are facing the problem of aging. With this, the labor force is not easy to obtain, and the cost is also rising. Therefore, it is very important to develop the mechanization, integration and automation technology of apple picking robot.
At home and abroad, the apple picking robot is still in the experimental stage, and it is still very difficult in practical application. The main reason is that the concrete structure design of the apple picking robot still has many shortcomings. Because the apple is a sphere, the three-degree-of-freedom apple picking robot can achieve the goal, but in order to improve the flexibility and obstacle avoidance ability of the apple picking robot, through consulting the data, a six-degree-of-freedom serial apple picking mechanical structure is designed.
The control of apple picking robot is also very important. With the improvement of automation level, the efficiency of apple picking can be improved accordingly. Apple picking needs to be controlled by Apple recognition, Apple location and obstacle avoidance.
Key words:Picking Robot; Structure Design; Apple recognition; Apple location
II
目錄
摘要 I
Abstract II
第一章 緒論 1
1.1 研究背景及意義 1
1.2 國外研究現(xiàn)狀及成果 1
1.2.1 蘋果采摘機器人在國外的研究現(xiàn)狀和成果 1
1.2.2 蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器在國外的研究進展 2
1.3 國內研究現(xiàn)狀及成果 3
1.4 主要研究內容 4
第二章 蘋果采摘機器人方案設計 5
2.1 蘋果的生物學特征 5
2.2 采摘機器人的選型 5
2.3 蘋果采摘機器人的機械手的選則 6
2.4 蘋果采摘機器人總體方案設計 6
2.4.1 蘋果采摘機器人設計原則 6
2.4.2 蘋果采摘機器人設計目標及主要技術參數 7
2.4.3 蘋果采摘機器人整體結構設計 7
第三章 蘋果采摘結構設計及計算 9
3.1 升降梯 9
3.2 底盤旋轉結構的設計 10
3.2.1 渦輪蝸桿的設計 10
3.2.2 底盤旋轉渦輪軸的設計計算 14
3.3 大臂俯仰結構設計 17
3.4 小臂俯仰結構設計 17
3.5 腕部的結構設計 18
3.6 末端執(zhí)行器的設計及計算 19
3.6.1 蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器設計的總體原則 19
3.6.2 半球式末端執(zhí)行器設計方案 19
3.6.3 剪刀式末端執(zhí)行器的設計和計算 20
3.7 電機的計算與選型 23
3.8 軸承的選擇、潤滑及密封 24
第四章 蘋果采摘機器人蘋果識別和定位 26
4.1 視覺系統(tǒng)標定 26
4.2 目標果實的識別 27
4.3 蘋果定位 27
第五章 蘋果采摘機器人避障功能的實現(xiàn) 29
5.1 人工勢場的基本原理 29
5.2 人工勢場的改進 29
結論 31
參考文獻 32
致謝 34
第一章 緒論
1.1 研究背景及意義
21世紀是從機械化到智能和自動化的轉變。隨著我們對蘋果的需求量不斷增加，蘋果采摘又是一項勞動密集型工作，因此，研究蘋果采摘機器人是至關重要的。蘋果采摘機器人最終目標是在確保果實不受物理損傷的前提下，提高勞動效率及消除高空作業(yè)的危險性
。通過查詢相關資料并進行深入對比分析，目前市場上有關蘋果采摘機器人的產品很少，實用性也不夠。設計一種輕巧靈活，符合使用要求的蘋果采摘機器人是非常迫切和重要的。中國在蘋果種植上歷史悠久，蘋果生產在世界上占據無比重要的地位。但是，到目前為止，蘋果的采摘工作都要靠大量的手工工作完成，這樣就造成了其采摘效率非常低。
中國是一個大型水果生產國，由于目前還沒有有效可行的蘋果采摘機械，從而造成了蘋果采摘效率很低。因此，在21世紀的今天，我們急需提供一種輕巧靈便，自動化程度高的蘋果摘采機械手。我們將蘋果采摘機械手和機器人結合起來，不僅大大提高了蘋果采摘自動化的水平，而且也使得蘋果的采摘更加高效便捷。
1.2 國外研究現(xiàn)狀及成果
1.2.1 蘋果采摘機器人在國外的研究近況和成果
隨著中國的計算機、機械電子控制技術及機械工程等快速發(fā)展，機器人也變得越來越自動化和智能化，并應用于服務，制造等相關領域，但尚未在農業(yè)和林業(yè)中得到很好的實際應用。自20世紀80年代以來，許多國家一直在研究水果和蔬菜收獲機器人，主要涉及西紅柿、葡萄、蘑菇，蘋果、櫻桃、草莓及其它果蔬。
圖1-1 “CITRUS” 柑橘采摘機器人
佛羅里達大學的柑橘收獲機器人由法國和西班牙尤利卡合作的工程項目一“CITRUS”是比較成功的研究成果，該項目開發(fā)的柑橘采摘機器人可以獲得高達80%的蘋果
。如圖1-1所示：
33
蘋果采摘機器人已經在美國，日本，法國等國家進行了研究，蘋果采摘機由Johan Baete和Sven Boedrij開發(fā)。使用工業(yè)機器人的六自由度關節(jié)坐標臂作為機器人的主體，整個臂可以在架子上垂直和水平移動
。在果園工作時，機器人由拖拉機驅動。如圖1-2所示：
圖1-2 蘋果采摘機器人
1.2.2 蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器在國外的研究進展
自上世紀大約80年代以來，荷蘭，日本等國家已經開始研制各種蘋果采摘末端執(zhí)行器，并取得了很多的研究成果，然而，常見的問題是揀選質量低，揀選效率低，機器人笨重，通用性差。下面介紹幾個外國采用的蘋果采摘機器人執(zhí)行末端。
美國佛羅里達大學研究員研制了柑橘采摘末端執(zhí)行器，其依置于末端執(zhí)行器的內部的1個CCD攝像機和超聲波傳感器來探測水果的位置
。如圖1-3所示：
圖1-3 蘋果采摘末端執(zhí)行器
圖1-4 蘋果采摘末端執(zhí)行器
Sven Boedrij和Johan Baeten等人。樹脂管的前端配有小型攝像頭，主要用來直接在末端執(zhí)行器前面獲取蘋果的圖像。如圖1-4所示：
1.3 國內研究現(xiàn)狀及成果
作為水果和蔬菜生產的大國，在農業(yè)機械方面，它也開始在許多其他發(fā)達國家之后，所以，研究并開發(fā)農業(yè)機器人迫在眉睫。智能化和機械化的過程是落實中國農業(yè)智能化和現(xiàn)代化的首要選擇。中國的農業(yè)和林業(yè)機器人的發(fā)展明顯在發(fā)達國家后邊，但是有許多高等教育大學和研究機構已經在進行農業(yè)采摘機器人和智能機械相關的研究和開發(fā)。東北農林科技大學陸懷民教授首次開發(fā)了第一臺林木球果采摘機器人，上海交通大學設計并控制了黃瓜采摘機器人，浙江大學設計并控制了番茄采摘機器人。
圖1-5 林木球果采摘機器人
當前，陸懷民教授所研究所的林木球果采摘機器人已經進行了摘取試驗。如圖1-5所示：
1.4 主要研究內容
該設計主要分析了蘋果采摘機械手的結構設計和控制系統(tǒng)，并對一些關鍵部件進行了細化。從實用智能的角度出發(fā)，設計蘋果采摘機器人的末端執(zhí)行器，從機械機構的角度提高蘋果的采摘速度和通過率。最后，對蘋果的生物學特性進行了調查和咨詢，提出了蘋果采摘機器人的相關設計要求，以便在現(xiàn)實生活中得到更好的應用。
第二章 蘋果采摘機器人方案設計
2.1 蘋果的生物學特征
通過查閱數據及對蘋果園進行的一些調查，發(fā)現(xiàn)蘋果園行和行之間的界線通常會留下一條操作路徑，便于果樹的管理。經過在蘋果園的勘察后，蘋果園的地面基本上是平的，果圓的間距一般在3.5到4.5米之間。蘋果樹和樹之間通常存在1.2和1.8之間的大差距。蘋果樹高一般不超過3.5m，果體直徑為30mm-90mm，果重100-400克不等。蘋果樹的強度，樹的年齡和基本的樹形都有很大的關系。蘋果的收獲不同于山竹的堅硬表面，果體表面不是很硬，果皮易磕碰破壞，故采摘時需要控制好采摘時力度，輕輕的去處理，萬不可硬拉，否則蘋果將會被破壞，嚴重影響了蘋果的保鮮。在設計蘋果拾取機器人時，這也是一個應該關注點。
2.2 采摘機器人的選型
本次畢業(yè)設計的蘋果采摘機械手是根據工業(yè)機械手的一些特點，也考慮到了蘋果采摘的一些特殊性。經查資料，目前工業(yè)機械手包括有：圓柱坐標型機械手，直角坐標型機械手、極坐標型機械手、SCARA型機器人（又稱裝配機器人）、關節(jié)坐標型機械手五種，如下圖2-1、2-2、2-3、2-4、2-5所示。由于蘋果摘取環(huán)境的可變性和復雜性以及蘋果分布時的隨機性，設計采用關節(jié)坐標型機械手來解決機器人手臂運動的問題。
圖2-1 圓柱坐標系 圖2-2 直角坐標系
圖2-3 極坐標系 圖2-4 關節(jié)坐標系
1.1.1 三級標題
圖2-5 SCARA型機器人
2.3 蘋果采摘機器人的機械手的選則
圖2-6 蘋果采摘自由度示意圖
通過查閱蘋果采摘特征的相關信息，蘋果采摘機器人的機械手最適合選用關節(jié)坐標系。蘋果采摘機器人具體結構包括底盤腰座旋轉、大臂的俯仰、小臂的俯仰，腕部的俯仰、旋轉和執(zhí)行末端五個大的部分。并且升降結構被添加到底盤，這不僅僅可以增加機器人在垂直方向上的作業(yè)空間，此外，它還可以增加蘋果采摘機器人的靈活度，所以最終的選擇是一個六自由度的串聯(lián)式蘋果采摘機器人，該選型在很大的程度上可以解決避障的問題。具體的自由度示意圖由圖2-6所示。
2.4 蘋果采摘機器人總體方案設計
2.4.1 蘋果采摘機器人設計原則
為了能更好將所設計的蘋果采摘機器人應用在現(xiàn)實的果園中，故在設計蘋果采摘機器人時應該關注下列所述原則：
蘋果摘取機械臂應該具備很好的避障能力及合理的工作空間；
為了使蘋果采摘機器人利用率高，此外，還應該降低生產和使用成本，故在設計時應將其具有很好的通用性考慮在內；
蘋果采摘末端執(zhí)行器需要具有一定的通用性，并且不能損傷到果實，例如：設計的是蘋果采摘機器人，只需更換末端執(zhí)行器，就是另一類球類水果采摘器；
由于蘋果采摘機器人的操作性一般是果農，文化程度一般不高，故在設計時應盡可能考慮操作的簡單；
2.4.2 蘋果采摘機器人設計目標及主要技術參數
設計目標：蘋果采摘機器人可以實現(xiàn)采摘機械臂的合理運動，末端執(zhí)行器的蘋果獲取及蘋果自動收集等協(xié)調動作，從而，進一步實現(xiàn)蘋果采摘在果園的無人化，自動化及智能化。主要技術參數如表2-1所示：
表2-1 主要技術參數
技術參數
設計目標
蘋果識別率
大于80%
蘋果定位誤差/mm
小于15
蘋果采摘成功率
不低于85%
一幅圖象平均識別時間/s
不長于2.5
一個蘋果平均采摘時間/s
不大于10
2.4.3 蘋果采摘機器人整體結構設計
為了適應蘋果園的地面環(huán)境，選擇履帶式移動小車作為蘋果采摘機器人在蘋果園運行的移動平臺。在履帶式滿足強度要求的前提下，設計了具有更好減震性能的橡膠履帶。履帶式移動機構，可以在凹凸不平的地面上行走，穩(wěn)定性好，能跨越障礙物，支持面積大，轉向半徑小，可實現(xiàn)原地轉向。履帶式推車配有升降平臺，蘋果采摘機器人的整個部分安裝在升降平臺上，可以提高蘋果采摘機器人在垂直方向上的靈活性。
機器人的基座和關節(jié)的運動由松下伺服電機驅動，擺線行星減速器用于減速以增加輸出扭矩。大臂和小臂通過伺服電機的旋轉實現(xiàn)俯仰的功能，腕部通過兩轉法蘭實現(xiàn)俯仰和旋轉的功能。拾取機器人的末端通過法蘭相連接。末端執(zhí)行器通過同步帶傳動，帶動主動輪傳動，在裝有惰輪的情況下可實現(xiàn)相反的方向旋轉帶動刀片相反的方向旋轉，實現(xiàn)剪切的功能。蘋果收集裝置連接到末端執(zhí)行器的下面，并且收集裝置連接到柔性管，并且收集到的蘋果從其上落下。依靠蘋果的重力勢能，它通過柔性管道轉移到收集籃。其總體結構三維如圖2-7所示，二維如圖2-8所示：
圖2-7 蘋果采摘總體結構三維設計
-
圖2-8 蘋果采摘總結構二維設計
第三章 蘋果采摘結構設計及計算
3.1 升降梯
表3-1 液壓缸的選擇
升降梯的作用不僅僅大大增加了機器人的拾取范圍，而且為機器人的拾取帶來了很大的便利。本次所設計的升降梯能夠承受人的重量，可以當作梯子，可以在不安裝機器人手臂的情況下隨時移動。工作人員可以站在頂部進行人工采摘，使手動采摘更加有效，更加安全與更加方便。液壓缸的選擇可根據表3-1：
液壓缸的選型：
1：初選缸徑/桿徑，液壓缸內徑應為16mm，液壓缸活塞桿外徑尺寸應為14mm；
2：液壓缸，由設計要求及經驗，選定行程最好選第一系列，由蘋果機器人整個尺寸設計要求，液壓缸的活塞行程是應選擇125mm；當滿行程時，升降梯上板到下板的距離是287mm，當收回到最小行程時，升降梯上板到下板的距離是508mm。
圖3-1 升降梯
升降梯的結構圖如圖3-1所示：
3.2 底盤旋轉結構的設計
底盤旋轉是通過伺服電機帶動蝸桿轉動，蝸桿帶動渦輪傳動，我選擇用渦輪蝸桿傳動的最主要原因是其傳動比一般傳動比為7-80，其次，它還具有工作平穩(wěn)，無噪音，傳動功率范圍大，可以自鎖等特點。
3.2.1 渦輪蝸桿的設計
渦輪蝸桿傳動的要求：
已知，輸入功率為P=3KW,電機轉速為n=2000r/min,傳動比i=30，工作載荷較穩(wěn)定，但有不大的沖擊，要求壽命Lh為12000h.
設計：
1. 選擇蝸桿的傳動類型
根據國標的推薦，采用漸開線蝸桿（ZI）
2. 選擇渦輪，蝸桿材料
考慮到蝸桿傳動功率并不是不大，速度也只是適中，甚至可以說是低速，因此蝸桿可由45鋼制成;由于需要的效率高，耐磨性好，蝸桿的螺旋齒表面需要調制處理，調制處理的蝸桿綜合性能最好，其硬度可達到40-55HRC。為了節(jié)省昂貴的有色金屬，所以，環(huán)形齒輪由青銅制成，輪芯由灰鑄鐵HT100制成
。
3. 根據齒面接觸疲勞強度設計
由閉式蝸桿傳動的設計標準，首先應該設計齒面接觸疲勞強度，檢查齒根彎曲疲勞強度。由下式，傳動中心距：
（3-1）
（1）確定渦輪上的T2
取=2，估取效率為=0.8，故
T=9.55=9.55=9.55=349530Nmm
2) 確定系數K
由于渦輪蝸桿的工作載荷較穩(wěn)定，所以取載荷分布不均勻系數=1;由表選取使用系數=1.15; 由于轉速不高，可取動載系數=1.05,故
K= （3-2）
計算得K=1.15=1.21
（3） 確定系數Z
因為渦輪選用的材料是鑄錫磷青銅，蝸桿選用的材料是45鋼來傳動達到減速的效果和增扭的目的，因此。
（4） 確定系數
先設蝸桿分度圓直徑和傳動中心距a的比值，從圖中可查得.
（5）確定應力
由于渦輪材料為鑄錫磷青銅ZCuSn10P1,其加工為金屬模鑄造，此外，蝸桿螺旋齒面硬度>45HRC，從表中查的渦輪的基本許用應力=268MPa.
N=60j （3-3）
計算得N=60
計算壽命系數得
故：=0.82268MPa=219.76MPa
計算中心距
amm129.82mm
由于設計的整體尺寸及設計傳動的要求，取中心距a=180mm。因i=30,從表中取模數m=5,蝸桿分度圓直徑d=50mm.這時=0.28，從表中可查得接觸系數=3.1，因為，故以上計算結果可用。
4：蝸桿和渦輪的主要參數和幾何尺寸
(1) 蝸桿
軸向齒距mm,直徑系數，齒頂圓直徑，齒根圓直徑，蝸桿導程，蝸桿齒頂高 ，蝸桿軸向齒厚，分度圓導程角。
（2） 渦輪
渦輪齒數z=61,變位系數
驗算傳動比，這時的傳動比誤差為，是允許的
渦輪分度圓直徑
渦輪喉圓直徑
渦輪齒根圓直徑
渦輪咽喉母圓直徑=22.5mm
5:校核齒根彎曲疲勞強度計算
（3-4）
根據=+0.5，z=62.21,從中可查得的齒形系數=2.87.
從中查得：ZCuSn10P1制造的渦輪，
壽命系數
計算得
=8.22MPa
彎曲強度是滿足的。
6：驗算效率
；；與相對滑動速度有關
==8.54m/s
從表中用插值法=0.0204，=1.1687；代入式中得=0.855=，大于原估計值，因此不需要重算。
7：精確等級公差得確定
由于所設計得蝸桿傳動是動力傳動，從GB/T10089-1988圓柱蝸桿，渦輪精度中選擇7級精度，側隙種類為f，標注為8f，GB/T10089-1988.
圖3-2 蝸桿
8：三維建模，如圖3-2，3-3所示：
圖3-3 渦輪
9：二維圖繪制如圖3-4，3-5所示：
圖3-4 蝸桿
段落和層次標題以及各段落之間均為1.5倍行距。關
圖3-5 渦輪
3.2.2底盤旋轉渦輪軸的設計計算
旋轉渦輪軸的功率,轉速為=40r/min.
(1) 初步確定軸的最小直徑
先按下式初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調制處理。根據表差得A=120，
（3-5）
計算得
(2) 軸得結構設計
在軸的結構設計中，需要根據軸向定位來確定軸的各段直徑和長度。
1：選取軸的最小直徑為d=70mm, 為了滿足悶蓋的要求，選長度L=23mm.
2：初步選擇得是滾動軸承，因軸承主要承受徑向載荷，故選擇深溝球軸承，根據軸得最小直徑。取d=70mm，由軸承目錄中初步選取0基本游隙組，標準精度等級的深溝球軸承6215，其尺寸為，故d=75mm,而L=25mm，故L=50mm,右端軸承采用套筒定位。
3：取安裝齒輪處的軸徑d=76mm,齒輪的左端采用套筒定位，右邊采用軸肩定位，已知齒輪輪轂的寬度為100mm,為了使套筒端面可靠地將齒輪壓緊，軸的端部應略短于輪轂寬度，取L=99mm.齒輪的另一端采用軸肩定位，軸肩高度為h>0.07d,故取h=22mm,則軸環(huán)處的直徑為d=120mm.軸環(huán)寬度L=25mm.
4：為了滿足裝配要求，再做一個d=175mm,L=15.5mm,為了滿足傳動要求，在設計調心滾子軸承，初步選取0基本游隙組，標準精度等級的調心滾子軸承16032，其基本尺寸為，左邊有軸肩定位，右邊有旋轉底盤定位，故d=160mm，L=63mm。
5：齒輪和軸的采用平鍵連接來軸向定位，由機械設計查表得平鍵bh=22mm14mm,鍵槽需要用鍵槽銑刀加工，長度應該略小于輪轂長度，由機械手冊查的及優(yōu)先數列取90mm,同時齒輪與軸配合應該具有良好的對稱性，故選擇齒輪輪轂和軸的配合為基孔過度配合；滾動軸承與軸的周向定位是由過度配合來保證的，此處選取軸的直徑尺寸公差為j.
(3):按彎扭合成應力校核的強度
進行校核時，一般校核軸上承受做大的彎矩和扭矩的截面，根據表得，以及軸單項旋轉，扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力，取，軸上得計算應力
前選定的軸的材料為45鋼，需要由良好得綜合性能，故需調制處理，由表查的，。因此，故安全。
（3） ：三維建模，如圖3-6所示：
圖3-6 旋轉渦輪軸
圖3-7 底盤旋轉軸
（4）：二維圖繪制
3.3 大臂俯仰結構設計
大臂的俯仰是通過電機的旋轉驅動，帶動擺線針輪行星減速器，達到所需的扭矩。大臂是整個蘋果采摘機器人的很重要得組成部分，他的剛度會直接影響整個蘋果采摘機器人的精度。由于大臂結構復雜，將其等效為簡單的桿件模型時，力學解析上的誤差很大。為了準確地檢查蘋果采摘機器人動臂的剛度和強度，目前大多數使用ANSYS軟件的有限元分析。這個有限元分析我計劃在我后續(xù)的學習中深入學習。
機器人的大臂負責機器人本體的手臂，手腕和末端負載，具有最大的力和力矩。要求具有較高的結構強度，其材料為球墨鑄鐵，由于其結構復雜，焊接不能保證其精度和強度，為了滿足未來大規(guī)模生產的需要，采用鑄造方法，然后進行每個參考面的精密加工。其結構二維如圖3-8所示：
圖3-8 大臂俯仰結構
3.4小臂俯仰結構設計
小臂的俯仰也由電動機的旋轉驅動，并且擺線行星減速器實現(xiàn)所需的扭矩。擺線針輪行星減速器得原理是行星齒輪傳動，在大多數情況下，擺線針輪行星減速器取代了兩級，三級普通圓柱齒輪減速器或圓柱蝸桿減速器。其具有高速比，結構緊湊，體積小，運動平穩(wěn)，噪音低，壽命長，等很多優(yōu)點。小臂的俯仰會使蘋果采摘機械臂更加的靈活，可以更好的實現(xiàn)避障能力。小臂的材料為球墨鑄鐵，因為球墨鑄鐵的綜合性能最好，可以達到小臂所承載的強度和剛度。在設計小臂的過程中，應將導向性，重量及轉動慣量考慮在內，此外，除了要求臂部結構緊湊，重量輕外，還要采取一定的緩沖措施。小臂的結構設計的三維圖如圖3-9所示。
圖3-9 小臂結構設計
3.5腕部的結構設計
蘋果采摘機器人的手腕是用來連接末端執(zhí)行器和手臂以及支撐末端執(zhí)行器。能處于空間的任意位置，在這里，我設計的腕部具有兩個自由度，分別來實現(xiàn)俯仰和旋轉。在設計手腕時，一定要注意問題1：必須注意結構緊湊，重量輕2：動作靈活，平穩(wěn)，定位精度高3：強度剛度高
兩自由度腕部是由B關節(jié)和R關節(jié)構成的BR腕部，或者由兩個B關節(jié)來構成的BB腕部。然而，RR關節(jié)是不能通過兩個R關節(jié)組成，因為兩個R關節(jié)是的軸是平行的，因此減為一個自由度，導致了自由度的退化。事實上，只形成一個自由度的手腕。蘋果采摘機器人設計中，腕部所采用的正是最為常用的BR手腕，具體的三位建模如圖3-10所示：
圖3-10 腕部結構設計
3.6 末端執(zhí)行器的設計及計算
3.6.1 蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器設計的總體原則
蘋果采摘末端執(zhí)行器應根據采摘環(huán)境和采摘方法嚴格來設計和計算。通過可行性研究和參數計算，最后通過比較，找到更合適的揀選蘋果的計劃，詳細計算。在設計時，我們的目的是實現(xiàn)這一功能，同時也考慮到選擇末端執(zhí)行器的成本盡可能低，機械結構盡可能簡單易用。按蘋果的果根的分離方式可分為吸附式，抓住式，剪切式。根據摘取器的驅動方式，可分為機械式，電動式和氣動式。由于我對比了各個方式的優(yōu)缺點，最終選擇了剪切式來收集蘋果。
3.6.2 半球式末端執(zhí)行器設計方案
圖3-11 半球式末端執(zhí)行器
該方案的設計是引用蛇吞咽的想法，但設計概念不是一個簡單的四桿機制。該機構的動力源是氣動馬達，蘋果采摘執(zhí)行端通過切割球形刀片切割蘋果果柄。然后將蘋果通過柔性管道將蘋果輸送到水果盒。蘋果采摘機通過設計一個180°采摘的半球形刀片來完成，并且可以在采摘的一周內使用相同的間隙寬度。間隙邊緣鋒利，蘋果采摘更方便，可以實現(xiàn)果實的固定和果枝的切割，可以保證采摘器的手指不是撿拾器的手指也使得蘋果采摘更加安全，方便。其三維如圖3-11所示：
這種設計結合了仿生學原理和現(xiàn)實生活中的蘋果采摘，選擇吞咽口作為研究對象的過程。眾所周知，蛇吞食食物的蛇的行為可分為兩個階段：第一階段就是把嘴從張開到咬住的階段；第二階段是咬住食物到吞下它的階段。我們將這兩個階段與挑選蘋果相結合，并參照蛇的嘴設計蘋果采摘末端執(zhí)行器的結構。蛇頭部分可以簡化為閉環(huán)連桿，桿對上頜的運動影響很小。半球式末端執(zhí)行器的設計方案采用氣動馬達作為動力源直接來帶動半球式刀片實現(xiàn)剪切蘋果的作業(yè)，整體結構比較簡單，全身放置在采摘桶內，保護人體免受傷害，刀體可旋轉180°，無死角采摘。然而，對稱性與其結構無關，采摘是氣動的，速度相對較快，這使得蘋果易于碰撞，蘋果的采摘和破碎率相對較高，故我沒有選取這種方式。
3.6.3 剪刀式末端執(zhí)行器的設計和計算
該蘋果末端執(zhí)行器是由12 V，30 W的直流減速機，同步帶，刀具，刀架等組成，由電路的電池來提供12 V，30 W的電源，通過一個可以改變電流方向的自鎖開關控制每分鐘60轉的直流減速機轉動，減速機的輸出軸上配同步帶輪，皮帶用于傳動以將動力從馬達傳遞到齒輪機構。同步帶帶的主動輪帶動一個從動輪，從動輪帶動一個刀架旋轉，帶動刀片旋轉，主動輪帶動一個惰輪，惰輪再帶動一個從動輪，這個從動輪也帶動一個刀架旋轉，帶動刀片旋轉，但是，這兩個刀架各自朝著反方向運動，形成了像剪刀是的剪切，使得兩個葉片沿彼此相反的方向旋轉。因此，形成類似于剪刀的模型，挑選剪刀型蘋果來挑選末端執(zhí)行器。正轉能有效切開水果枝干，反轉可防止卡刀，可達到有效的退刀功能。
同步帶的優(yōu)點：
同步帶的傳動是一種嚙合傳動，因此同步帶傳動有齒輪傳動，鏈傳動和皮帶傳動的各種優(yōu)點集齊與一體，因此選用同步帶的傳動的最佳的方案。同步帶可根據材料分為氯丁橡膠加纖維繩同步帶，聚氨酯加鋼絲同步帶，在蘋果采摘末端執(zhí)行器設計中，由于其工作特點，應選擇氯丁橡膠加纖維繩同步帶。根據齒的形狀，它主要分為兩種類型：梯形齒同步帶和圓齒同步帶。同步帶傳動具有精確的傳動比，無滑差，比例恒定
，傳動精確，傳動非常平穩(wěn)。它可以吸收沖擊，噪音低，并且具有廣泛的傳動速比，通常高達1:10，允許線速度高達50 m / s。傳動效率高，一般可達98℅―99℅。傳遞功率從幾瓦到數百千瓦。同步帶的設計的要求：
其傳動比i=1.1,傳遞功率為0.03KW,小帶輪的轉速為n=60r/min,中心距為a=300mm,設計確定帶及帶輪。
設計計算如下所示：
（1） 確定同P
（3-6）
K為載荷修正系數，K=1.2
P為工作電機上的功率P=0.03KW
=1.2*0.03=0.036KW
（2） 確定帶的型號和
可以根據同步帶傳動的設計功率P和小帶輪轉速n,由同步帶選型圖來確定所需的帶的型號和節(jié)距
查表得：選用同步帶得型號為L 型帶 節(jié)距P=9.525mm
（3）選擇大小帶輪得
可根據同步帶的最小齒數確定，查表得
選小帶輪齒數z=12,故大帶輪齒數為z=1.1*12=12
故z=12,=13
（4）確定帶輪的
d==36.38mm
（5）驗證帶速v
由公式V=計算公式得
V==1.14m/s2.78kw
松下電機的選擇如表3-3所示：
表3-3 電機的選型
選松下電機MFDHTA390伺服電機。
3.8 軸承的選擇、潤滑及密封
軸承的選擇不僅僅是考慮軸直徑的因素，我們還要考慮軸承的一些性能，一般考慮其動載荷，壽命，可靠性（參考軸承超過或達到規(guī)定壽命的概率），靜載荷，基本額定壽命，額定壽命，基本額定壽命等。在選擇的過程中最主要的是負載的大小和方向，允許的空間，軸承的工作速度，旋轉的精度，軸向運動和軸承的剛度（一般滾子軸承的剛度應大于滾珠軸承的剛度）以及軸承的安裝和拆卸。設計軸上的徑向載荷大，軸向載荷小，存在軸或殼體變形很大并且安裝了定心差的問題。因此，采用球面滾子軸承，深溝球軸承，單向推力軸承，調心軸承和深溝球軸承主要承受徑向載荷，因此它們也能承受少量的雙向載荷
。
潤滑對于滾動軸承很重要。它還可用作散熱器，減少接觸應力，吸收振動此外，還有防止生銹。軸承的潤滑有油潤滑和脂潤滑。它主要與軸承的轉速有關，通常使用滾動軸承的dn值（d是滾動軸承的內徑，mm;n為軸承轉速，r/min）表示軸承的速度的大小。適用于脂潤滑或油潤滑，可根據dn限制選擇。在本設計過程中，由于其轉速均是經過減速器減速的，其速度都是非常低的，它們均小于810mmr/min。由脂潤滑形成的潤滑膜具有高強度，可承受大負荷，不易丟失，易于密封。對于蘋果采摘機器人而言，它的作業(yè)地點是果園，是不便經常添加潤滑劑的地方，所以這種潤滑方式特別的適合，滾動軸承中的油脂量通常是軸承內部空間的體積。在選擇潤滑脂時，我們主要關注的性能為錐入度和滴點，而我所設計的軸承的dn值較小，因此，應選擇錐形穿透率較小的潤滑脂。軸承密封設計用于防止灰塵，水，酸性氣體和其他碎屑進入軸承并防止?jié)櫥瑒┮莩?。眾所周知，軸承密封裝置可分為兩種：接觸式密封和非接觸式密封
。在本次的蘋果采摘機器人的設計中，使用非接觸式密封。
第四章 蘋果采摘機器人蘋果識別和定位
在蘋果的圖像研究中，我們傾向于只對蘋果圖像的特定感興趣，這些部分被稱為目標，而剩余其他的部分則被稱為背景。對于蘋果采摘機器人，蘋果的識別和定位是蘋果采摘機器人至關重要的任務，他也是也是影響蘋果采摘成功率最為重要的因素。蘋果識別是從圖像的背景中來提取蘋果所特有的顏色差，然后再將其分離;蘋果定位是在雙目CCD攝像機坐標系中找到蘋果的中心點三維坐標，然后再將其轉換為基礎坐標系中的拾取蘋果機器人的三維坐標。有關蘋果識別與定位，國內外研究者做了很多的相關研究，對相對適合的果實圖像，顏色空間的分割，特征的提取及定位提出了比較不同的解決方案，也取得了相對的進展。我們以番茄采摘為研究對象，它著重解決成熟番茄果實的自動識別和立體定位以及自然環(huán)境中背景色差的問題。王雅琴等研究人員提出了用2r-g-b分量來圖像分割。由最佳閾值分割算法，在實驗中，對果實背景和目標進行分割，成功率達到88%。Hayashi等研究者研究了茄子的圖像特征從而來對茄子的目標區(qū)域識別和定位，這取得了相對好的識別定位效果。蘋果采摘機器人視覺系統(tǒng)的首要任務是把蘋果目標從某些復雜的背景中區(qū)分出來，這也是蘋果采摘機器人捕捉目標的基礎。在設計蘋果采摘機器人過程中，蘋果采摘機器人的蘋果定位和識別應遵循以下原則：(1)算法相對簡單、實時的原則：為保證蘋果機器人采摘蘋果的實時性，定位和識別算法應該在一定精度的保證下盡可能簡單使用。在蘋果采摘過程中，視覺識別和定位的時間應控制在所給的技術參數范圍內。(2)算法應該有良好的通用性：在實踐中，同一個對象應該具有通用性；對于不同種類的對象，應時其盡可能通用。此外，我們所研究的算法應該在不同的自然環(huán)境下生效。如果可能，應該能滿足一類型水果的識別和定位。
4.1 視覺系統(tǒng)標定
視覺系統(tǒng)校準其實是是攝像機的校準，它實際上是捕獲攝像機的內部和外部參數。通常，相機的內部參數也被稱為內部參數，并且主要包括成像平面坐標對圖像坐標的放大系數、光軸中心點的圖像坐標和鏡頭畸變系數等。攝像機的外部參數也稱為外部參數，它是給定參考坐標系中攝像機坐標系的表達，相機手眼校準是指在末端執(zhí)行器坐標系和相機坐標系之間確定的關系。相機未安裝在末端執(zhí)行器上且不隨末端執(zhí)行器移動的視覺系統(tǒng)稱為Eye-to-Hand系統(tǒng)，如果攝像機安裝在末端執(zhí)行器上并隨之移動，我們將其稱為Eye-in-Hand系統(tǒng)
。為了提高蘋果采摘的準確性，我們應該選擇手眼系統(tǒng)。攝像機的校準直接影響蘋果采摘機器人是否能正常運行的關鍵。
4.2 目標果實的識別
在這個畢業(yè)研究中，蘋果的識別是基于面積，形狀特征和顏色的組合。圖像中的蘋果紅色較高，背景綠色較高，背景與蘋果的紅綠色之間的差異非常明顯?？梢詮挠煞治龊皖伾臻g選擇的部分提取RGB色差分量R.我們通過在3×3方形結構元素上執(zhí)行形態(tài)學打開和關閉操作來移除圖像噪聲點。對上述處理后的圖像進行統(tǒng)計和標記，并設置區(qū)域閾值來去除小于蘋果像素區(qū)域的小區(qū)域面積，然后使用邊緣計算來提取目標蘋果圖像。最后，使用修改的圓形霍夫變換來檢測每個目標區(qū)域的蘋果中心的三維坐標，在具體的摘取過程中，一定有未檢測到這些中心坐標，接下來使用目標區(qū)域質心標記。具體的實現(xiàn)流程圖如圖4-1所示：
圖4-1 蘋果 識別流程圖
4.3 蘋果定位
蘋果采摘機器人在定位蘋果時使用立體視覺定位，也就是使用雙目視覺定位，其原理是三角測量，攝像機左眼參數和右眼參數是相同的，并且光軸相互平行，成像平面相互重合。用于計算蘋果深度信息的幾何模型如圖4-2所示
在下圖中，P為蘋果的中心點，b是雙目攝像機的基線長度，X、X分別是蘋果中心點的橫向坐標值，f是左眼和右眼的焦距，P、P分別是左眼和右眼圖像中蘋果
中心點，蘋果中心點在圖像左眼和右眼圖像中的視差為,根據三角測量原理可以得出H
圖4-2 雙目視覺測量原理
第五章 蘋果采摘機器人避障功能的實現(xiàn)
為了使蘋果采摘機器人更為靈活，那么避障在本次設計中應該非常重要。在本次蘋果采摘避障的問題上，主要從三個方面來解決這個問題。（1）：對果園的果樹進行修剪，一方面可以提高蘋果的產量，另一方面，蘋果樹的葉子及樹枝叉稀疏，可以實現(xiàn)一個小小的避障。（2）：利用視覺系統(tǒng)來實現(xiàn)避障。將大量的蘋果，樹葉和樹枝的圖像在不同的顏色空間下進行對比分析，通過提取多種顏色下的灰度圖像進行比較，找出蘋果與樹枝葉差異最為明顯的顏色或者色差模型，接著需要使用自適應閾值分割法，將蘋果與作為背景的樹葉，樹枝分開。（3）：利用改進的人工勢場法來進一步來實現(xiàn)避障的功能，進一步提高蘋果采摘機器人的靈活度。
5.1 人工勢場的基本原理
人工勢場法最初由Khatib于1985年提出，并成功應用于博士論文中機器人手臂的避障運動規(guī)劃，實現(xiàn)了機械臂的實時避障，該方法也適用于機器人拾取機器人手臂的路徑規(guī)劃
。
人工勢場用來解決機械手的路徑規(guī)劃的問題。便于實時控制下層，利用球體圍繞障礙物的潛在范圍，可以獲得平滑的路徑，，并且排斥場起作用，機器人總是遠離障礙物的潛在場地，因此它的路徑也是相對安全的。
然而，人工勢場法也有其局限性。在實際的應用中，其主要問題在于當環(huán)境信息相對復雜時，機器人以某種特殊的運動狀態(tài)位于目標物與障礙物所形成的特殊位置時，機器人將可能無法到達目標點。這些具體的問題主要描述如下；
（1） 全局最小問題。
（2） 局部極小值問題。
（3） 路徑振蕩問題。
5.2 人工勢場的改進
在蘋果采摘機器人的機械臂的路徑規(guī)劃中，人工勢場法時一種比較成熟的方法，目前已經得到了廣泛的應用。針對以上的問題，現(xiàn)在對其提出改進的方法。
1.勢場函數的改進
人工勢場法中的勢能函數改進可以解決全局最小問題。全局最小問題的原因是當蘋果采摘機器人接近蘋果目標點時，蘋果周圍存在障礙物，并且其也進入障礙物的影響范圍。結果是蘋果不是全局范圍中的最小點，導致機器人無法準確到達目標點?？梢孕薷膭輬龊瘮翟跈C器人接近目標點時使排斥場更接近零，從而使目標點成為完整情況的最低點。
2.虛擬目標點法
勢場函數改進方法雖然可以解決目標不可準確到達的問題，但是在蘋果采摘機器人的行進過程中，如果在到達目標前的某一點的合力為0時，機器人會錯誤地認為它會到達目標并在此時停止前進或來回振蕩，導致路徑規(guī)劃失敗。這個問題被稱為局部極小點問題。
解決局部最小點問題的方法使用虛擬目標點方法。系統(tǒng)在原始目標點附近添加虛擬目標點。由于添加了虛擬目標點，機器人在局部最小值位置處的合力不是0.它在虛擬目標點產生的虛擬力下。機器人可以遠離局部最小值。
3.混沌優(yōu)化算法
上述潛在的場函數方法改進和虛擬目標點方法只能分別解決目標不可達性和局部最小值的問題。也就是說，上述方法不能同時解決這兩種問題，基于這個，這里提出一種對人工勢場法的改進方法-混沌人工勢場法，其結合了傳統(tǒng)的人工勢場法和混沌優(yōu)化算法，不僅可以解決上述兩個問題，同時還可以解決機器人無法找到類似障礙物之間的路徑問題。
當蘋果采摘機器人使用第三種方法方法進行路徑規(guī)劃時，傳感器獲取外部障礙物信息，每次采樣后，通過第三種方法可以計算出最佳步長和方向角，使蘋果采摘機器人能夠準確地到達下一個位置。反復此過程，直到蘋果采摘機器人到達蘋果中心點。
基于第三種的人工勢場方法結合了傳統(tǒng)的人工勢場法和混沌優(yōu)化算法，具有以下兩方面的優(yōu)點：
在傳感器的測量下，機器人可以在可變的環(huán)境中快速移動并且不能陷入局部極小點。
在動態(tài)環(huán)境中，蘋果采摘機器人可以實時有效的避開障礙物以及躲避局部極小點問題。在相近障礙物能發(fā)現(xiàn)路徑，當機器人面對可能會產生局部極小點的位置時，可以使用混沌優(yōu)化算法來找到障礙物來達到避障的功能。
結論
根據蘋果采摘機器人的作業(yè)要求，該畢業(yè)設計采用機械結構設計，智能控制設計和蘋果采摘機器人的結合。蘋果采摘機器人的設計有利于降低果農們的勞動強度，保證了蘋果實時收獲。蘋果采摘機器人可以保證蘋果的質量，這對提高我國蘋果園的自動化水平具有非常重要意義。在這次畢業(yè)設計學習中，主要學習結論總結如下：（1）在結構設計中，設計了升降梯，可以使其靈活度更高，大臂采用渦輪蝸桿減速、增扭來實現(xiàn)腰部的轉動，大臂和小臂均使用電機帶動擺線針輪行星減速器來實現(xiàn)其俯仰的功能，腕部的旋轉、俯仰也是通過電機的轉轉帶動擺線針輪行星加速器來實現(xiàn)，末端執(zhí)行器采用剪刀式，用直流減速電機帶動同步帶，同步帶帶動齒輪，最終實現(xiàn)剪刀式的剪切。（2）通過對輪式底盤和履帶底盤的分析比較，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的輪式底盤很難滿足蘋果采摘設計的要求。為此，應選用適用于蘋果果園作業(yè)的履帶式底盤，履帶式底盤可以在凹凸不平的地面上走，穩(wěn)定性好，也可以跨越障礙物，支撐面積大，轉向半徑小，可實現(xiàn)原地轉向。（3）學習了蘋果采摘機器人的視覺系統(tǒng)，采用統(tǒng)計分析方法篩選多個顏色空間。使用RGB顏色空間中的R-G色差分量將可用顏色空間的實時圖像處理與實際分割效果進行比較。自適應閾值分割算法通過處理可以獲得更好的分割效果。（4）本研究結合末端執(zhí)行器，蘋果采摘機器人臂，圖像處理算法和傳感器系統(tǒng)等技術。
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致謝
本次畢業(yè)設計是在指導老師-畢永利教授悉心指導下完成。在畢業(yè)設計過程中畢老師給我提供了很好的學習環(huán)境和學習條件，此外，在本次畢業(yè)設計中的選題、設計中的理論、蘋果采摘機械結構設計的合理性以及在論文的撰寫過程中，都得到了畢老師的耐心教導。在畢業(yè)設計過程中，畢老師教會了我如何去構思，設計機械結構，如何去分析在原理是否行的通，在原理行的通的情況下，再去思考自己所設計的在現(xiàn)實中能否加工得出來，用的是增材還是去材的方法加工，考慮到很多因素，畢老師建議我們在設計時用去材的方法。真的感謝畢老師在工作很忙的時候，仍然每一周開會，給我們提出了寶貴的建議。由衷的感謝畢老師在這一年來對我的悉心教導，您不僅僅在學習上給了我?guī)椭?，同時也還在思想給我了一些啟迪，讓我可以順利地完成大學的學業(yè)同時，同時學到了很多在今后的工作中有用的道理，也進一步明確了人生的奮斗目標。在畢老師的幫助下，經過將近半年努力的設計和計算，查找了各類的全自動農業(yè)水果摘果機的設計資料，畢業(yè)設計終于可以畫個句號了。盡管本次畢業(yè)設計不是最完美的，也不是最優(yōu)秀的，但是在我內心里，它是我最寶貴的，也是我最驕傲的，因為本次畢業(yè)設計是我用心完成的，同時他也是我在大學本科四年來對所學專業(yè)的綜合體現(xiàn)。本次的畢業(yè)設計，不僅僅再一次強化了我所學的知識，而且錘煉了我自主學習，自主查閱資料等個人能力。每次畢老師開會，我的內心真的是無比的佩服，希望自己也將能成為像畢老師的老師。
在此，我對給我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W至以最忠誠的感謝，感謝您們給我提供的幫助，感謝畢老師給了我以后學習的目標和動力。
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