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畢業(yè)論文
蘋果采摘機械手
系部名稱：
專業(yè)班級：
學生姓名：
指導教師：
職 稱：
沈 陽 工 學 院
二○一九年六月
The Graduation Design
Apple picking manipulator
Candidate：
Specialty：
Class：
Supervisor：
Shenyang institute of technology
2019-06
沈陽工學院畢業(yè)設計(論文)
摘 要
隨著人力勞動成本的增加及農(nóng)業(yè)自動化程度的提高，在未來的水果采摘作業(yè)中將更多的用自動化生產(chǎn)設備代替人力勞動。本設計旨在開發(fā)一種蘋果采摘的輔助機械手。該機械手為手持式長桿結構，前端伺服電機通過行星減速器，帶動曲柄搖桿機構往復運動，實現(xiàn)剪刀的張開與閉合，配合手柄所連接的連桿機構將剪刀像果柄處移動，進而剪斷果柄，最終蘋果果實落入收納機構，一并實現(xiàn)對蘋果的采摘和收納。采用電機作為驅動力，通過曲柄搖桿機構實現(xiàn)剪刀的開合，并且順利剪斷果柄，將位于高出樹枝上的果子剪下來，下方配用柔性收納裝置將果子暫時收納到袋子中，收集滿后放入箱內。采摘機械手的設計解決了人工攀爬高危樹枝采摘水果的問題。采摘更安全，攜帶更方便。效率可達人工采摘的3-5倍。它大大提高了采摘效率，節(jié)省了勞動力，大大降低了收獲成本，為果農(nóng)創(chuàng)造了更大的收入。此外，該機械手還可用于多種水果的采收，在低成本、高利用率的前提下，為我國果林的發(fā)展做出了巨大貢獻。
關鍵詞：機械手；采摘；伺服電機；行星減速器；曲柄搖桿
I
沈陽工學院畢業(yè)設計(論文)
ABSTRACT
With the increase of labor cost and the improvement of agricultural automation, more automatic production equipment will be used to replace human labor in fruit picking operation in the future. The purpose of this design is to develop an assistant manipulator for Apple picking. The manipulator is a hand-held long rod structure. The front-end servo motor drives the reciprocating movement of crank-rocker mechanism through planetary reducer to realize the opening and closing of scissors. The scissors move like the fruit handle with the connecting rod mechanism connected by the handle, and then cut the fruit handle. Finally, the apple fruit falls into the receiving mechanism, and the apple picking and accepting are realized. Using motor as driving force, the scissors can be opened and closed by crank and rocker mechanism, and the fruit handle can be cut off smoothly. The fruit located on the branch above can be cut off. The fruit can be temporarily stored in the bag with a flexible receiving device below, and then put into the box when it is full.The design of picking manipulator solves the problem of artificially climbing high-risk branches to pick fruit. Picking is safer and easier to carry. The efficiency can reach 3-5 times of manual picking. It greatly improves the efficiency of harvesting, saves labor, greatly reduces the cost of harvesting, and creates greater income for fruit farmers. In addition, the manipulator can also be used for harvesting a variety of fruits, and has made great contributions to the development of fruit forests in China on the premise of low cost and high utilization rate.
Key words: Manipulator；Pick；servo motor；Planetary reducer；Crank rocker
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 緒 論 5
1.1 引言 5
1.2 課題研究的目的及意義 5
1.3 國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 6
1.3.1國外發(fā)展概況 6
1.3.2國內發(fā)展概況. 8
1.3.3果園采摘機械的發(fā)展趨勢. 10
1.4 本文研究的目標、研究內容和研究方法 11
1.4.1研究目標 11
.1.4.2研究內容和研究方法 11
第2章 總體方案設計 13
2.1采摘機械手臂的分類 13
2.1.1機械式采摘 13
2.1.2 機器人采摘 13
2.2機械手臂機構的確定 13
2.3組成與工作原理 14
2.4剪切方案的選擇 14
2.5總體控.制方案設計 15
第3章 剪切機構設計 16
3.1電動機及減速器選擇 16
3. 1. 1 果實采摘過程受力分析 16
3. 1. 2 采摘結果分析 17
3.2電機選型計算 20
3.2.1最大剪切力 P max 20
3.3電動機功率的選擇 20
3.4偏心曲柄滑塊機構的計算 21
3.4.1 x 和最小傳動角 γmin 21
3.5行星減速器的設計計算 23
3.5.1 分析要求 23
3.5.2 系統(tǒng)組成框圖 23
3.5.3傳動方案的分析與擬定 23
結 論 27
參考文獻 28
致 謝 29
28
沈陽工學院畢業(yè)設計(論文)
第1章 緒 論
1.1 引言
在水果的生產(chǎn)作業(yè)中，收獲采摘是整個生產(chǎn)中最好是費力的一個環(huán)節(jié)。水果收獲期間需投入的勞動約占整個種植過程的50%~70%。采摘作業(yè)質量的好壞直接影響到水果的存儲、加工和銷售，從而最終影響市場價格和經(jīng)濟效益。隨著機械技術的高速發(fā)展，農(nóng)林產(chǎn)品在采摘中越來越多的采用了自動化采摘機械來取代人的重復性勞動。水果自動采摘設備是近年來逐步發(fā)展出來的一種新型采摘裝置。
蘋果采摘一直是一個制約其發(fā)展的難題，在農(nóng)業(yè)飛速發(fā)展的今天，大面積種植蘋果，隨之而來的是蘋果的采摘問題，在較高的果樹上結出的果實因無法摘到，造成蘋果的摔落，因此這些蘋果無法上市銷售，無法實現(xiàn)經(jīng)濟價值，為解決高空采摘的困難，需要專用的蘋果采摘機械手來解決此問題。
1.2 課題研究的目的及意義
隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)?；鄻踊c精準化，機器人技術已在育苗、扦插、移苗、組織培養(yǎng)、嫁接、農(nóng)產(chǎn)品收獲等方面得到應用，促使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程逐步趨于自動化和智能化。農(nóng)業(yè)機器人的應用可以提高勞動生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質量，改善勞動條件，解決勞動力不足的問題。果實采摘是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的重要環(huán)節(jié)，其季節(jié)性強、勞動量大且費用高。例如，荷蘭的黃瓜人工收獲的費用占整個溫室黃瓜生產(chǎn)費用的50%。
使用采摘機械不僅可以提高采摘效率，而且降低損傷率，節(jié)約了人工成本，避免了高空采摘的危險，提高了果農(nóng)的經(jīng)濟效益，因此提高采摘作業(yè)機械化程度有重要意義。故設計此蘋果采摘機械手，解決蘋果采摘過程中遇到的問題
1.3 國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1.3.1國外發(fā)展概況
隨.著新.農(nóng).業(yè)生.產(chǎn)模.式和.新.技術的.發(fā)展與.應用，農(nóng)業(yè)機.器.人逐步.邁向農(nóng).業(yè)生產(chǎn).主力軍的行.列。采摘.機器人.作為.農(nóng)業(yè).機器.人的重.要類型，具有.很大的.發(fā)展.潛力。當.前，國.外農(nóng)業(yè)機.器人發(fā)展.迅速，國內.同類產(chǎn)品迅速跟進，現(xiàn)已取得階段性成果。
美國.是最.早進.行采.摘.機器.人研.究的國.家。196.8年，美.國學.者Schertz.和Bro.wn首.次提出應用.機器人進行.果蔬采.摘的思想.，1983年，.第一臺.采摘機.器人.在美國.誕生，此后的.30多年里，美.國、英國、法.國、荷.蘭、比.利時、以.色列、日.本、韓.國等國.家相.繼展開了.各種采摘.機器.人的研究.和開發(fā)，涉.及到的.研究.對象.主要.有蘋.果、柑.橘、.草莓、葡萄、西.瓜、黃.瓜、番茄.、櫻桃.番茄、茄.子、甘.藍、生.菜、萵.苣、蘑.菇等。
葡萄采摘機器人
在美.國，佛.羅里達大學進.行了橙子采.摘機器.人的研.究。甜橙.采摘機.器人.最新.的設.計提議.是采用兩.個相對.獨立，有.不同功能.特點.同時又能.相互.配合無間.的機.器人，第.一個機.器人負.責尋找.和發(fā)現(xiàn)各.個甜.橙的.位置，并.計算.最有.效率.的采.摘路.徑，將.信息和.數(shù)據(jù).傳至第二.個機器.人，第二.個機器人.負責在不.損壞.甜橙樹.的情.況下得.到果實。
甜橙采摘機器人
Energid公司.獲得美.國農(nóng)業(yè)部.的資助正.在開發(fā)一種.收獲柑. .橘的.機器人。該公.司所.開發(fā)的機.器人具有.機器視.覺和操.作的.能力，適用.于收.獲柑.桔、蘋.果等。該.公司的.方案.結合了機.器人.的智.能和.批量收.獲.的經(jīng).濟性，使.用一.種低成.本的.機制，通過.視覺傳.感器.和高.速的.計算機.進行信.息處.理和控.制。水.果摘.取的.末端執(zhí).行器為一.次性.使用，可.快速.更換，維.修費.用低.廉。該.系統(tǒng)可以.遠程控.制，系統(tǒng).的設計.目標是.每秒鐘摘.取32.個水果.，持續(xù).摘取1.6次，留.在樹上的.水果將.少于4％.。該水.果采摘.系統(tǒng)有.多個網(wǎng)格.盤，每個.網(wǎng)格.盤有.16.個氣.動驅.動采摘.裝置，通.過許多.相機.的.視覺.反饋，引.導采摘.裝置.末端.執(zhí)行器.剪斷.水果.的莖。
日本.在采.摘機.器人.的研.究方.面進.展很.快。如由.日本.久保.田試.驗開.發(fā)的柑.橘采摘.機器.人。因.為柑橘.樹很大.，該機.器人在.移動.臺車上.安裝.了可升.降懸.臂，在.懸臂.前端.的基.座平臺.上安裝.機械.臂。機械.臂為三.自由度.垂直多關.節(jié)型，小臂.和大臂.等長，末端執(zhí).行器像.直動關.節(jié)一樣.沿直線.運動。采用.這樣的.機構，機械.臂不會像.一般極坐.標型關.節(jié)一樣伸.向背后，從而.避免了.與背后.的果樹.發(fā)生干.擾。工.作時頻.閃光.源發(fā).光，末端執(zhí)行器內部的攝像機開始采集圖像，檢測果實，然后機械臂靠近果實，用吸盤吸.引目.標果.實，將.目標.果實.吸入.梳狀.罩，使其.和其.他果.實分.開，由.理發(fā).推子形.狀的切.刀將果.梗切.斷。
日.本岡.山大.學研.制了高架.栽培草.莓采.摘機器.人。采.用三.自由.度直. .角坐.標型.機械.臂作.業(yè)，也.有兩.種末.端執(zhí).行器：旋.轉式.末端執(zhí).行器.為了補.償視.覺傳.感器.的位.置誤.差，采.用了.送風.機吸.引的.方法.收獲，可.收.獲不.同大小.的果實.。為判.斷果. .實是.否被.吸引.進來.，采.用了.三組.光電.阻斷.器，通.過吸.盤旋.轉，將果.梗送.到切.刀的.位置.切斷。收下.的果.實在.送風.機引.力作用.下通.過管.道，落.入果.盤。試.驗結.果表.明，該.機器.人采.摘一.個果.實，作.為目.標的.果實.能夠.全部.采摘，但.是采.摘時.連同.未成.熟果.實一.起一次.收獲.多個.果實.的情.況有.50%。后.又經(jīng).試驗，鉤.式末.端執(zhí).行器.在機.構上.方安.裝了.鉤子.，可.以把.目標.果實拉.住繼.而進.行采.摘，.所以將.鄰近.果實一.起收下.來的.情況.基本.沒有。.
蘋果采摘.機器人
1.3.2國內發(fā).展概況.
我國.20.世紀7.0年.代開.始研.究果.園.采摘.機械.，先.后研.制出.與手.扶拖.拉機.配.套的.機械.振動.式山.楂采.摘機.械，氣.囊式.采果.器和.手持.電動.采果.器。后兩.者實.際上.還是人.工作.業(yè)用的.輔助.機械.，雖.然在.保護.果實不.受損.傷方.面做.得較.好，但其.效率太.低，8.0年.代后.才開.始研.究和.制造.切割.型采摘.器。果.園.采.摘.野蔥，人.工使.用剪.刀采.摘，發(fā)展.到使.用.機.械裝.置采.摘，例.如一.種人.工財.政才.知采.摘器.，夾口.上方.有切.刀，下方.有夾.鉗，可以.將.國屏.先前.住.后.剪.斷。電機.式采.摘器，利.用果.柄引.導突.片，將果.柄引.向.切刀，在.用微型.電機.帶動.的切.刀作.往復.運動，把.國柄.切斷.，還.有一.種振.搖式.采摘.器用撥.叉深.入果枝.用電.機擺.動撥.叉兒，振.落果實.。此后.有了.更多的.輔助.工具，如.液壓.剪枝.升降.平臺.，用來.提高.工作.位置。利.于采.摘作.業(yè)。我.國還.曾經(jīng).研制.出吹.氣式.采摘.機，由.于其.風機功.率要.求大.，氣.流易.損傷.果枝.果實，.雖然.分選.效果較.好，但.采摘.效果.不佳，很.快就.被市.場淘.汰。.90.年代.開始，市.場因.素帶.動了.果樹種.植的.熱潮，眾.多中.小種.植戶.的需.求帶.動了.簡易.采摘.器的.市場.。其.后，氣動.剪枝.機、.輔助升.降平.臺等.機具.相繼.進.入了.市場。.19.92.年浙.江金.華農(nóng).機研.究所.研究.了有.拖拉.機操.作的.用于.采摘水.果的.升降.機，上升.高度.可達.7m.。2.007年..機械研.究所.研制了我.國第.一臺.多功.能果.園作業(yè).機，.即L.G-.1型.多功能果園.作業(yè).機。.這是.一種.及采.摘、修.剪、噴藥.、運輸.、動.力發(fā).電等.功能的.自走.式作.業(yè)機.，其.工作原.理是.汽油發(fā).動機將.一部分動.力分.配到.主機的.變速.箱，由.變速.箱驅.動兩.條橡.膠履.帶行.走，.另一.部分.動力帶.動雙.杠風.冷式.空壓.機，為.氣動.剪枝機.和升.降機.提供動.力。.采用橡.膠履.帶行.走部.件.是針.對果.園土.壤松.軟和.比較潮.濕的.環(huán)境.。空.壓機.連接到.升降.平臺.提升高度1..5.m。.該作.業(yè)機.的研制.成功.標志.著我.國果.園單.一的采.摘機.械進.入到.了多.功能作.業(yè)機.械時.代。
我.國南.方果.園大.部分.處于.丘陵.地帶.，受.限于.地形.，.合適的.采.摘機.械很.少，.機械.化作.業(yè)基.本上.處于空.白，.而且存.在費.工以.及作.業(yè)危.險性.方面的.問題。我.國臺.灣省.為了.在坡.地果.園上.實施機.械化.省工.經(jīng)營.，改.良了.適合.坡地.作業(yè).特性.的農(nóng).機具.，研.制成.功了v一.種自.走式.牽引振.動采.果機.。該機.以坡.地搬.運車.為主.體，.在振動.機的.下方裝.一個.可做.360°.旋轉的旋.轉盤.，采.果時.轉動圓.盤，使.牽引.推桿.對準.采收樹.枝，.牽引.推桿上.裝有自.動調.整.推桿角.度四.連桿.，可.以使.推桿.處在最.有效.的作.業(yè)角.度，當.拉緊套住.樹干.與推.桿頭.間的.繩索.時，果.實受.拉力.即可.掉落。.
我.國自.行研.制了.蘋果采.摘機.器人.，該.機器.人主要.由兩.部分.組.成：.兩自.由.度.的移.動載.體和.五自.由度.的機.械手.。移.動載體.為履.帶式平.臺，.加裝.了主.控PC.機、.電源.箱、采.摘輔.助裝.置、多.種傳.感器；.五自.由度.機械手.由各.自.的關節(jié)驅動裝.置.進行.驅動。此開鏈連.桿式關.節(jié)型.機器人，機.械手固.定在履.帶式行.走機.構上，.采摘.機器.人機.械臂.為P.RR.RP結.構，.作業(yè).時直.接與.果實.相接觸.的末端.操作器固.定于.機械.臂上.。機.械臂.第一個.自由度為.升降自.由度.，中.間三.個自.由度.為旋.轉自.由度.，第.五個.自由度為.棱柱關.節(jié)。.
由.于蘋.果采.摘機.器人.工作于.非結.構性.、未.知和.不確定的.環(huán)境中.，其作.業(yè)對.象也.是隨.機分.布的.，所.以加.裝了.不同種.類的.傳感.器以.適應.復雜的.環(huán)境.。采.用的.傳感.器分.為視覺.傳感.器、.位置傳感器和.避障.傳感.器三.類。.其中.視覺傳感.器采.用Eye—in—hand安裝方式，.完成.機器.人或.末端操.作器.與作.業(yè)對.象之.間相.對距離.，工作.對象.的品.質、.形狀及.尺寸.等任.務。.位置.傳感器包.括安.裝在.腰部、.大臂.、小.臂旋.轉關.節(jié)處.和直.動關節(jié).首尾.兩端.的8個.霍爾.傳感器.，以.用來控制.旋轉關節(jié)的旋.轉角.度和直.動關.節(jié)的.直行.進程.，另.外還.包括.末端執(zhí).行器.上的.2個.切刀.限位開關和.用于提.供所.采摘蘋.果相.對于.末.端夾持.機構.位置.信息的.兩組.紅外光.電對.管。避.障傳感.器包.括安.裝在.小臂.上、.左、右.三個.方向.上的.五組.微動.開關.和末.端執(zhí).行器.前端.的力.敏電.阻，以求采.摘機.器人.在工.作過.程中.能夠.有效躲.避障.礙物.。
1.3.3果.園采.摘機.械的.發(fā)展.趨勢.
提.高資.源利用.率和農(nóng).業(yè)生.產(chǎn)率.、降低.勞動強度，.提高經(jīng)濟.效益是.現(xiàn)代.農(nóng)業(yè)的.趨勢。.由于技.術和.成本的原.因,在.今后較.長時.間內.機器人采.摘無.法投.入實.際應.用, .在這.種情.況下.,機.械式.采摘將.占據(jù)主.流, .其發(fā).展具.有以.下幾.個特.點。
1..多.功能.化
即該.機械.不僅具.有采.摘果.實的.功能還.淋具其.他作業(yè).能,如中.耕、施.肌、剪枝植保等,多.功能.作業(yè)機.械.能實.現(xiàn)一.機多.用減.少貼.機投.人同.時又.方便.使用.
2. .采摘.與山.地果.園運.輸結.合起.來。
南方. .丘陵山.地果.園坡陡.,上.山的.肥料、.農(nóng)藥.和下.山的果.品等.全靠人.力運.輸,勞.動強度.大, .效率.低, .成本.高。.有些山.地雖.能開.辟機.動車.道, .成本.高, .浪費.士地.并易.造成.水土.流..失。.因此.研究.省.力、低.成本.的山.地運.輸機.械成.為當.做。
. . 3. .操.作簡.便、.可靠性高
機器.的操.作者.是農(nóng).民, .并不.具備.系統(tǒng).的機.電外.認這.吸塊.設計合.理可.帶, .使用.
法.簡單, .維修維.護方.便
4.?通用.性好
在各.種不同的條件下，.如不.同地形.、不.同的.作業(yè)地.表、不.同的作.業(yè)對.象、不.同的水.果品種.等情形.下，要使.該機.械適.用于.大部分.甚至絕.大部分情.形。
5. 自動. .化和.智能化
隨.著現(xiàn).代科.學技.術的.進步.和廣.泛應.用，新.技術必.將進.入到.農(nóng)業(yè).機械領.域；機.械化.、自.動化、智.能化.水平將.進一步提.高。.如日.本研.制的.自走.式采.摘車.，在.20°以.上的陡.坡地.使用電.視攝.像機和.無線.電遙控.組合控制方.式，.實現(xiàn)無.人駕.駛操.作。在機器.人采摘.研究.方面.，未來.的采.摘機.器人.將朝.著以.下幾.個方.向發(fā).展：.
6.高.精度.的視覺.系統(tǒng)和.圖像處理技.術
如使.用視.覺傳.感器配合測距儀來精確定位，使用模.糊神.經(jīng)網(wǎng).絡對.圖像進行.智能化.處理。
7.研發(fā).有多.指及冗.余自.由度的.機械手.爪
多.指及.冗余自.由度.的機.械手.爪，.有柔.性和靈.巧性.的特點.。機.械手爪.要針.對作.業(yè)目標.的物.理、生.物特.性設計.，保證.采摘時.的生.產(chǎn)質量.。采.用合.適的.軌跡.規(guī)劃.，使.得行走.和采摘.時能.夠繞.過障.礙物.而不.發(fā)生碰.撞。.使用神.經(jīng)網(wǎng).絡系.統(tǒng)，.機器人就.能通.過前.次軌.跡而.自我.學習，.下次.自動采.用最.近似.的軌.跡運.動。.
8..利.用率高
可以根.據(jù)采摘.不同對.象來更.換末.端執(zhí).行器.進行采.摘作業(yè).，這樣.大大提高.機器人的利.用率.。
9.低成本.的機器.人
便于推.廣普.及，果農(nóng)買.得起.，也用.得起。
1.4 本文.研究的目.標、研.究內.容和研.究方.法
1.4.1研究.目.標
像采.摘機械.這. .樣的機..械手.的基.本要. .求是快..速、.準.確.地拾取. .和放.. ..置.物.體.，并. ..攜.帶. .它. .們. .。這.就.. .需要..高.精. . . .度、.快速. . . .響應、..一.定的...承載..能.力、足..夠..的. .工作空間、.靈. ..活.的自.由. .度以.及在..任.何.位.置. .的自.動定..位。.設. .計和啟.動.機.械手.的原..則.是充.分. .分. .析工. .作對.象和.環(huán).境.，確..定.工. .作的.結構.形..狀和.材. .料特..性.、定. .位精..度.要.求.、抓.取和.搬運過. .程中.的.應.力.特. .性、.尺. .寸和.質. .量參..數(shù)，以..進.一步. .確. .定所..需.的條..件.。為機. .械手的.結構. .和操.作控..制.，盡.可.能.選擇定..型.機. .的標.準. .部件，.簡化..設計.和. .制. .造過..程，.并兼..顧.通. .用性.和質..量.。專..用.性. .強，.可. .實. .現(xiàn)靈..活.的運.動和.伸縮.。
1.4.2研.究內容.和研究方法
所. .述的.蘋果.采摘手.臂包. .括伸.縮桿.件，.角度調.整把手.，剪切.動力.機構電機.以及剪斷.機構.剪刀。.蘋果采.摘手.臂通.過大.臂內管.與大.臂外.管的.伸縮.配合.，實.現(xiàn)了.可調.節(jié)功能，.既能.采摘高.處的.蘋果.也能.采摘相.對較.矮地.方的.蘋果臂.。在.調整大.臂桿.件長.短的.同時調整.小臂的.尺寸.，以.確保四.桿機.構正.常運.動。.在進.行采.摘作.業(yè)時，.需要.人工對.準蘋.果，將.剪刀.調整到蘋.果上.方，.然后通.過觀.察蘋.果果.柄的.位置，.隨時調.整把.手的.角度，以.確保.不傷.果，.而且剪.斷果柄.。角.度調.整完.畢之.后隨.后按.動電.機開.關，.電機轉.動后.，通.過行.星齒.輪減.速器.將速度.降至.整個切.斷并.回到原.位的.時間.為0..5秒鐘，.電機.觸電開.關每.啟動.一次.，剪刀.完成.一次.剪切.運動。.蘋果采.摘機.械手.臂結..構.簡. .單，.成. .本低，效. .率高.，安.全.可靠.。
相.對于機.械化程.度較高.的采摘.機械來講.，不.傷果，運.動靈活.，安全.可靠，實.用方.便。對.于解.決現(xiàn).在階段.的采摘.問題有.較大幫.助。
根據(jù).已. .有的.一些設..計.方案，.進.行.了優(yōu)..化設計.。通. .過受. .力分.析，.設. .計了.蘋果采摘.機械手臂.。首.先，.對連.桿機..構、電機.減.速器.的選. .型計.算.、部.分.重要部. .件的.驗.算、動力.剪切系.統(tǒng)的..設.計進.行了..總.體. .方. .案. .設.計。
第2章 總體方案設計
本次.所設.計.的.蘋果.采摘機械手.是.一種通用的水果.采摘機.械.手，適用.于批.量或中、小.批量.采摘，可改.變剪刀的.角度及桿件的長.度。適.用于.環(huán)境.惡.劣、.v勞動.強.度.高、采摘危險性.較高.的場.合。
2.1采摘機械手臂的分類
2.1.1機械式采摘
果園機.械式采摘主.要有振搖式、撞.擊時和切割.式三種類.型。振.搖式.是利用.外力.使.樹體.或樹枝發(fā)生. .振動或振搖，使果實.產(chǎn)生加.速度，在連.接最弱處與果枝.分離.而掉落.。撞.擊式是撞.擊部.件直.接沖撞果枝.或敲打牽.引果.枝的.棚架振.落果.實。切.割式.是將樹.枝或果柄切斷.使果實與果.樹分離的.方式，又.分為機械.切割.式和.動.力切.割式。
2.1.2 機器人采摘
目前國.外對采摘機.械的研究是以.采摘機器.人為主。.70年代.末，隨.著計算機和.自動控制.技術的迅.速發(fā)展，美國.首先開.始研究.各種農(nóng).業(yè)機.器人。自.1983年.第一.臺采.摘機.器人.在美.國誕.生以來，歷.經(jīng)了.20多.年.的研.究..和試驗.，以.日本.為.代表的.發(fā).達國.家.，包.括.美國.法國.、荷.蘭、.英.國、西.班牙等國.相繼試驗.成功.了多.種采.摘機.器人，如.蘋果、柑.橘、番茄、西.瓜和葡.萄等果實.采摘.的具有.人工.智能的.機.器人。
2.2機械手臂機構的確定
根據(jù)以上.談到.的手臂.分類.，考.慮到.機械手.臂的.實用性，.最終確.定為.采用機.械式.采摘方式.中所.提到的.切割式.方式進.行機.械手.臂的.設計，此.方式采.用柔.性收.納袋，采摘.不傷.果，直.接剪.斷果.柄，不.破壞果.樹，攜帶.方便，操作.簡單，省時.省力，確保.了果.農(nóng)的.人身安.全，.降低.了果.農(nóng)的.勞動強度。.
2.3組成與工作原理
本機械采摘手臂可以將剪刀.切換.角度9.0度。它有大臂、大臂內管、小臂、小臂內管、把手、支架、電機、減速器、剪刀.等部分組成。如圖2-1所.示。
1.大臂內管2.大臂外管3.小臂內管4.小臂外管5.手柄6.電機座7.料帶支架 13.收納袋 15.直流電機 18.剪刀 19.行星減速器
裝載的最.大的果實的.尺寸..為：半徑小于100mm，最.大能.承受. .的重. .量是10kg。其工作過.程為：人.工將.桿件移.動到果實上方，調整把手剪.刀角.度，啟.動電機.按鈕，剪斷果柄，果實落入收.納袋中，取.回果實。
2.4剪切方案.的選擇
杠杠機構、液壓和氣壓的缺.點：.
杠.桿機.構的.優(yōu)點：
1. .結構簡.單；.
2. .反應迅速.；
3. .力臂較.短；
4. 體積小，質量輕；
杠桿機構的缺點：
1.桿件磨損，壽命短；
液壓傳動的優(yōu)點：
1. 在同等體.積下，.液壓.裝置.能.產(chǎn). .生出.更大.的動.力；
2. . 容.易做到.對速.度的.無極.調.節(jié)，.而且調速.范圍.大；
3. 運動..均.勻.平.穩(wěn)，換向沖.擊小.；
4. 自..潤滑，使用.壽命.長；
液. .壓傳.動的缺.點：
1. 對溫.度比..較.敏感；
2. 能量.需. .兩次轉.換，傳. .動效..率.偏低.；
3. 由于.傳動.介質的..可.壓縮.性和泄..露等.因素的.影響，.不能.嚴格保..證定.比傳動.；
4.. .元件制.造精度.高，系.統(tǒng)工.作過.程中.發(fā)生故.障.不.易診斷。
.氣壓傳動.的.優(yōu)點：.
1.. .介.質.是空氣，成.本低；
2. 工.作介質.粘.度.很小，.所以流.動阻..力.很小，壓力..損.失小，便于集. .中供.氣和遠.距離輸.送，.便于. .使用；
3. 工作..環(huán).境適.應性.好，.能夠在..惡.劣環(huán)境..中作.業(yè)；.
4. . 不.易發(fā).生. .過熱.現(xiàn).象
氣壓.傳. .動的缺點：
1. 工作壓.力低.，適. .用于. .小功.率場.合，.在. .相同的.輸出. .力的.情況下，.氣壓傳..動.裝置比液.壓傳.動裝..置.尺寸大.；
.2. . 空..可.壓縮性. .大，.速度穩(wěn)..定..性..差.；
3. 噪..聲..大；
4. 介. .質本..身.沒有潤. .滑性.；
.5. 信..號.要產(chǎn)..生.較. .大的.失. .真和.延. .滯。
綜. .合比.較之后，.選擇簡單.的杠桿.機構。
2.5總體控.制方.案設計
直流電機通過單片機的程序設置，將轉速調.整為.行星減.速器減.速范.圍之內.，使得.每次的.觸點開.關按.下之后，剪.刀完成.一次.剪切. .果柄的.操作，整個.過程.控制.在半.秒鐘.左右。.
沈陽工學院畢業(yè)設計(論文)
第3章 剪切機.構設計
3.1電動.機及減速.器選擇
3. 1. 1 果實采摘.過程受.力分析
圖3-1
整個.采摘過程.可分為. 3 個階.段 ：首.先是.抓手.持過.程 ，隨著手.指的合.攏壓力.逐漸增.大 。 達.到預設.壓力.后 ，進.入第 2 .階段即果.柄折.斷過.程 ，此.時由于.果柄先處.于松弛.階段然后.逐漸受拉.力作用 ，.因此壓.力在預.設壓力.附近先波.動后.增大 ，這與.簡化幾何.模型中果.柄的運.動過.程一致 .。果柄.分離瞬間.果蒂達到.了所能.承受的.最大剪.切力果.柄與果.實分離. ，進.入后接.收過程. ，.即第 .3 階.段 。.很明.顯，曲線.的變.化過.程與.實際.理論相.符 。 果.柄在分.離瞬.間 .，曲線.出現(xiàn)明.顯波.動 ，據(jù).此選擇.適當電機 ，判斷.果柄.與果.實分.離 ，實.現(xiàn)合.理化.控制 。表 3.1 統(tǒng).計分析.了果實.樣本采摘.過程.的受力. 。峰.值壓.力和.預設壓.力通.過壓力.傳感器.標定公.式求.取 。表.中壓力.差即為.分離果柄.過程中對.果實.產(chǎn)生.的附.加壓.力 ，對應.圖 3.-1 中.果柄折.斷瞬間.壓力變化. ，.其最大值.為 3. 7 N，最小值.為 0. 7 .N，平均值.為1. . 9 N。壓力.大小不同.可能與.果實成.熟度.有關.，果實.在成.熟期果.蒂離層.易被折.斷，.相對應.壓力小。.基礎研究.中采用.曲率半徑 .52 mm.、表面.積80.0 m.m2的.弧形壓頭.進行了.果實損傷.閾值.力研究. ，發(fā).現(xiàn)壓力.小于 1.5 N 時.果實未出.現(xiàn)損傷. ，對應.壓強為 .18. .8 kPa。 由.于壓.力傳感器有效.面積為. 50.7 mm2（直徑. 13. mm）.，可求.得設定壓.力 2.. 7 .N 對應.壓強 5.. 4 kP.a，采摘中.果實最大受.力為.6. .4 N 對.應壓強 1.2. 5 kPa，均.小于.果實損傷閾.值壓強.18. 8. kPa.。 因.此 ， 保.證了果實.的采摘.要求 .，而且果.實樣本.帶回實驗.室直到.可食也.未出現(xiàn).腐壞 。
果柄.受力分析
表3.1
3. 1. 2 采摘結果分析
末端執(zhí).行器.利用此毗.鄰間隙.成功實.現(xiàn)了毗鄰. 果 .實 的. 分 離.，毗 .鄰 果. 實. 分 .離 成. 功. 率 1.00% 。果蒂.部分可明.顯看到.構成果.柄離層.的維管.束組織. ，其.組織如前.所述呈束.狀分布在.果柄周.圍 。帶.果柄的可.能原因.是果實.存在差異. ，部.分果實.未成熟. ，對.于未成.熟果實.果柄分離.所需分離.力較大. 。加之.果柄長度. 、果實大小.不同 ，.可能導致.末端執(zhí).行器旋.轉分離.果柄時.與果實.慣性軸的.夾角.不同 ，若末.端執(zhí)行.器抓持.果實后與.果實慣性.軸夾角.較大時 ，作.用過程.中果柄.離層處受.拉力作.用而非.剪切力. ，增.大果柄.分離.力 。
剪斷效果圖3-2
剪刀結構.參數(shù)
1 、刀片.行程
H—它決定了.該剪切機所.能剪切鋼.坯的最大高度。 H=.H 1 +j+q+s
H 1 =鋼坯.厚 h + (50~75)mm
j——壓板低于上刀的距離， j=5~50mm
q——下刀.低于.輥道的.距離， .q=5.~20.mm
s——上下.刀刃.的重.合量， s=5.~25mm
2、刀片.尺寸
2、刀.片長—— 由被.剪果.柄的.最大直.徑 確.定；
l =. (3.~4)bmax 小型剪
l =(2~2.5)bmax 大、.中型. . . .剪
l =bmax + (.100~300) 樹枝剪
3、刀片斷面高 h′ 與.寬 .b′.
h′ =(0.6.5~1.5)h
b′=h/(2..5~3)
h——果柄.直徑
3.1 剪切.過程分析
實際剪切.過程由兩個.階段.組成：刀片壓入.階段與果.柄滑.移.階段。刀.片壓.入后， 上下刀受剪.切力 P與側向力. T，在.剪. .切.力 P 形成.的.力.偶.Pa.作.用下，果.柄.沿順.時.針. .方.向旋轉 γ角，由力.的平.衡：a=x=0.5z/tg γ ，c=h/cos γ - 0.5z Pa=Tc
當壓入到.一定.深度 z 時，P 力.增大同時.果柄實際.的剪.切斷面.變小，當實際.斷面上的剪.應力達.到剪切.變形抗.力時， 軋件產(chǎn)生.滑移， 直.至剪斷。 假.定刀片與.果.柄接觸.面上壓力.均布且相.等，設果.柄寬.為 b,則有：
pxb=T0.25zb→T=P0.5zx=Ptg
由.以上.關系消去. P、a、c 可以得.出壓.入深度 z 與.轉角 γ之間的.關系：
z/h=2tgγ→sinγ≈ 2tg 2γ
可知，壓入.深度 z 越大，則.轉角 γ.越大，而.由.上式，T=.Ptg γ知，.側.向力 T也越大。在剪.切機上，為減.少側向.力的值，一 般均安.裝有壓板將.果柄.壓在.下刃.臺上以.減小 .γ角。
在無.壓板情.況下， γ=10~20度，T=(0.18~0.35)P
在有.壓板情.況下， γ=5~10度， T=(0.1~0.18)P
有壓板.后，剪切機.的 γ角.減小，側向.力減小，既.提高.了剪.切.質量，又.減少.了磨損。這時.壓板.力為 Q：
Q=(0..04~0.05)Pmax
由上面的假設可得出壓入.階段的.剪切力：
P=pbx=pb0.5z/tg γ ，p——平均壓力
τ——被剪果柄斷.面的剪.切變.形阻力。 由.上述.公式可.以看出， 在.壓入階段，
剪切力 P 隨壓.入深度 z 增加而.增加；在滑移.階段， P 隨 z .而減少。
P=pbx=.pb.0.5z/tg γ ，p——平均壓力
由上.式可得出
P=pb0.5zh-ε=z/h→P=pbh0.5ε
在滑移.階段，剪切力.為：
P=τsb(hcosb-z)
τ——被.剪金屬斷面.的剪.切變形.阻力。 由上.述公式.可以看出.， 在.壓入階段，
剪切力 P 隨壓入.深度 z 增加.而增加；在滑.移階段， P 隨 z 而減少。
剪切過.程中的.軋件的變.形與剪.切力.之間的關.系可以用下.圖表示。
圖3-2
在相對壓.入.深度 ε=ε0 時，果柄.被剪.斷。 ε0為.果柄剪斷.時的.相對壓.入深
度，它.與被剪.果柄.的性質.有關，果柄.韌性.越好則.其值.越大。
3.2電機選型計算
3.2.1最大剪切力 P max
可按以下公式計算：
Pmax=.KτmaxFmax
K 為考慮.刀片.磨鈍、 刀片.間隙增大而.使剪切力增.大的.系數(shù)。 根據(jù).不同的
剪刀.的剪.切能力， K=1.1-1.3。
對于所.剪材料無.單位剪切阻力.的實.驗數(shù)據(jù).時， 可用.以下.公式計.算最.大剪
切.力： Pmax=0.6KσtFmax
式中 σt為所.對應溫.度下的.抗拉.強度.極限。
3.3電動機功率的選擇
不帶.飛輪的剪.切機.預選.電動.機時，可.按靜.力矩的大.小直.接選.?。篗er=Mermaxkiη
帶飛輪.的剪切.機預選電.動機.可按前面求.出的.靜負.荷圖求.出其.平均值：Mη=MiTjT
預選電動.機的.額.定力矩：
M er =(1.15—1.3)M m=0.5N
圖3-3 電機及其減速裝置
綜上計.算，選.擇TTMOTOR N20減速.電機。
3.4偏心曲柄滑塊機構的計算
3.4.1 x 和最小傳動角 γmin
1．最.小傳動角 γmin的計算 曲柄滑.塊機.構如圖 1 .所示，圖.中 AB為曲柄，長度為 a，BC為連.桿，長度為 b，偏心距為 e。.γ愈大.，對機.構傳.動愈.有利，它是機構.傳動.性能.的重要.指.標之 一，工.程.上常以 γ值.來衡.量機構.的傳.力性能。
圖3-4
當主動件.為曲.柄時，隨著.其位.置不同， γ值.亦不同，最.小傳動角 γmin 出現(xiàn)在曲.柄與滑.塊導路.垂直.的.位置，其.值為：
公式
γmin=cos-1(a+eb)
計算極.位.夾角：Θ=180°K-1K+1
根據(jù)已.知條件，作.出圖. 2，曲柄支.點在圓.周上，它.的位置決定.傳力.性能， 現(xiàn)設. AC 1=x，x 作為.設計變.量，一旦.確.定了 A.點的.位置， a、.b 和 e也.就確定。下 .面找.出 a、b 和 e 與設計.變量 x .之間.的關系。
圖3-5
在△AC 1C 2 中
H2=b-a2+b+a2-2b-a（b+a）cosθ
因為 b-a=x
所以 H2=X2+X+2a2-2X（X+2a）cosθ （1）
a=xcosθ-1+H2-X2sin2θ2 （2）
又因為Hsinθ=a+bsin(∠AC1C2)=x+2aex
所以e=sinθ（x2+2a2）/H （3）
將 b=a+s 代入（1）
γmin=cos-1（e+ax+a） （4）
將式（ 2）、（3）代入式（ 4），γmin僅為 x 的.函數(shù)，則可.求得 γmin 的.值。 二、設計最優(yōu)傳.力性能.的曲柄滑.塊機.構 設計變.量 x 的.取值.范圍。 尋.優(yōu)區(qū).間起點在 C 1處：
x min=0 尋優(yōu).區(qū)間終.點在. M點：
Xmax=Htgθ
在 x 的取值.范圍內根據(jù)式.（ 2）、 （3）和（4.）可求.得 x 一一對應的 γmin值。 利用一維尋.優(yōu)最優(yōu)化技.術黃金分割法，來求 γmin取極大值時的 x 值。. 將γmin最大時.的 x 值代入（ 2）、（3）求.出 a、e，由 b=x+a求出 b 值。
本設.計H=50mm，行程.速比.系數(shù) K=1.5。選擇.傳力性.能最優(yōu).的曲.柄滑.塊機構。 x 的取值.范圍為 0～68.819mm，x=19.104mm時，γmin的最.大值為 27.458°。 曲.柄 a=22.537mm 連桿 b=41.641mm 偏心距 e=14.413
3.5行星減速器的設計計算
3.5.1 分析要求
根據(jù)電.機需求，所.設計的.行星減.速器最.終輸.出扭矩.為3.12N.m。
3.5.2 系統(tǒng)組成框圖
圖3-6 所設計的系統(tǒng)組成框圖
3.5.3傳動方案的分析與擬定
1）對傳動方.案的要求
??合理的傳.動方案，首先應滿.足工作機.的功能要求，.還要.滿足工.作可靠、傳動精.度高、體.積小、結.構簡單、尺.寸緊湊、重.量輕、成.本低、工.藝性好、使.用.和維.護方便等要求。
?2）擬定.傳動方.案
任何一個方案，要滿足上.述所有要求.是十分困難的，.要統(tǒng)籌兼顧，.滿足最主要.的和最基.本的要求。例.如圖2-2所示為作.者擬定的.傳動方案，適于.在惡劣環(huán)境.下長期連續(xù).工作。
電機.通.過聯(lián)軸.器與2K-H型.行星齒輪減速.器輸入軸.相連，傳遞扭矩.和轉.速。行星齒輪.減速器采用3個.行星輪模.式。內齒.圈固定，行星.架與輸.出軸相.連，輸出轉.速和扭矩。
a．太陽輪 b.內齒輪 c.行星輪 H.行星架 1.輸入軸 2.輸出軸
圖3-7??所設計的行星齒輪.減速器.運動簡圖
3.）行星齒.輪傳動的受.力分析
在行.星齒.輪傳動.中由于.其行星.輪的數(shù)目.通常大于1，即wn>1，且均.勻對稱.地分布.于中.心輪之間；所以在2.H—K型.行星傳.動中，各基.本構.件（中心輪a、b和轉臂H）對傳動主軸上的軸承.所作用.的總徑.向力等.于零。因.此，為了.簡便.起見，本設.計在行星.齒輪傳動的受.力分析.圖中均.未繪出.各構件.的徑向力.Fr，.且用一.條垂直.線表示.一個構.件，同時.用符.號F.代表切向.力Fr。
為了.分析各構.件所受.力的.切向力F.，提.出如下.三點：.
1. .在轉矩.的作用.下，行星齒.輪傳動中.各構件均.處于平衡.狀態(tài)，因.此，構件間.的作用力應.等于反作.用力。
2. .如果在某一.構件上作用有.三個平行力.，則中間.的力與兩邊.的力的方向應.相反。
3.為了.求得構件.上兩個.平行力的比值.，則應研究它們對第三個力的作.用點的.力矩。
在2H—.K型行星.齒輪傳動中，.其受力.分析圖是由.運動的輸.入件開始，然后.依次確定.各構件上.所受的作.用力和轉矩.。對于.直齒圓柱.齒輪的嚙合.齒輪副只需.繪出切.向力F，如圖1—3所示。
由于在.輸入.件中心.輪a上受.有wn個行星輪g.同時施.加的作.用力gaF.和輸入轉矩.AT的作用。當行星.輪數(shù)目wn.=2時，各個.行星輪上.的載荷.均勻，（或采用載.荷分配不均勻系數(shù)pk進行補償）。在此首先確.定輸入件中.心輪a.在每一.套中（即在.每個功率分流上）所承受.的輸入.轉矩為
T=9549×370/7×750=4.46N*m?
可得??????????aT=1T*wn=3.12?N*m?
式中????Ta—中心輪所傳遞的轉矩，N*m；
????????P1—輸入件所傳遞的名義功率，kw；
（a）傳動簡圖??? ??(b)構件的受力分析
圖3-8傳動簡圖
按照上述提示進行受力分析計算，則可得行星輪g作用于中心輪a的切向力為
Fga=200T1da=200Tanwda=200×4.4832=22.8N
而行星輪g上所受.的三個切向力為中心輪a作用與行星輪g的切向力為
內齒輪作用于行星輪g的切向力為
轉臂H作用于行星.輪g的切向力為
轉臂H上所的作用力為
FgH=-2FgH=-400Tanwda=-54N
轉臂H上所的力矩.為
TH=n.wFgHrx=-400×4.4832×57=-0.982N?m
在內齒輪b上所受的切向力為
Fgb=-Fbg=200Tanwda=28N
在內齒輪b上所受的.力矩為
Tb=nwFgbdb/200=28×196/200=2.744N?m
式中???
ad—中心輪a的節(jié)圓.直徑，㎜
bd—內齒輪b的節(jié)圓直徑，㎜
???????xr—轉臂H的回轉半徑，㎜根據(jù)文獻資料，式（6—37）得
-TaTH=1iaHb=11+P
轉臂H的轉矩為.
.TH=-Ta*1+P=-0.982N?m
仿上
-TbTH=1iaHb=11-iabH=P1+P
內齒輪b所傳遞的轉矩，
Tb=-P1+P*TH=2.744N?m
沈陽工學院畢業(yè)設計(論文)
結 論
采摘機械手的設計.采用曲柄滑塊系統(tǒng)和直流電機與齒輪減速器技術 ，既.發(fā).揮了機械傳動的快速、成本低.廉的優(yōu).勢，又達.到了控制方便，安全可.靠的目的，解.決了惡劣環(huán)境中采摘蘋果的實.際問題，降.低了操作人.員的勞.動強度 ，很大程.度上提.高了生.產(chǎn)效率。
畢.業(yè)設計是培養(yǎng)學.生綜合運用知識、發(fā)現(xiàn)、分析、解.決實際問題、培養(yǎng).實踐能力的重要組.成部分。是對.學生實際工作能.力的具體培.訓和考核過程。
此次畢.業(yè)設計，從選題.到定稿，從理.論到實.踐，在.這一時期的畢.業(yè)設.計，可.以說是痛.苦多過甜。這個畢.業(yè)設.計不僅鞏.固了以前的知.識，而且學.到了很多書.本上沒.有學到的知.識。
對.我來說，最.大的收獲是方法和能.力——分.析問題和解.決問題的方.法和能力。在整個設.計過.程中，我發(fā).現(xiàn)大部分學.生缺乏經(jīng).驗，缺.乏感性認.識。有.些是理.論知.識，有些東西可.能與現(xiàn).實不符。設.計要.求我們系統(tǒng)地接.觸我們所學的相.關知識，并揭.露它的缺點，以便.改進它。通過這.次畢.業(yè)設計，我明.白了理論與實踐的.結合是非.常重要的，只有.理論知識是不.夠的，只有.理論知.識和實踐，才.能從理論上得出.結論，才能.真正服務于社會，提高實.踐能力和獨.立思考.能力。
這次畢.業(yè)設計使我受.益匪淺，為我今.后的學習和工.作打下了堅.實的基.礎。我衷.心感謝.各位老.師的幫.助和指.導。
沈陽工學院畢業(yè)設計(論文)
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