手持式伸縮桿電動蘋果采摘機械手的設計含開題及9張CAD圖

手持式伸縮桿電動蘋果采摘機械手的設計含開題及9張CAD圖,手持,伸縮,電動,蘋果,采摘,機械手,設計,開題,CAD XX設計（XX）開題報告院（部）： （學生填表）課題名稱手持式伸縮桿電動蘋果采摘機械手的設計學生姓名學號班級指導教師職稱學位課題類型設計 論文課題來源科研實驗工程社會其它1. 綜述本課題國內外研究動態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義蘋果和蔬菜的采摘機器人的研究始于20世紀60年代，在20世紀的美國，用于收割方法主要是機械和氣動搖晃風格。缺點是蘋果的脆弱性，效率不高，是不是特別有選擇性的收獲，存在很大的局限性采摘柔軟，新鮮蘋果和蔬菜方面。但此后，隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展，特別是在工業(yè)機器人，日益成熟的計算機圖像處理技術和人工智能技術，采摘機器人的研究和技術開發(fā)得到了快速發(fā)展。目前，日本，荷蘭，法國，英國，意大利，美國，以色列，西班牙等國相繼推出的蘋果和蔬菜采摘機器人方面的研究相關的研究主要橘子，蘋果，西紅柿，櫻桃西紅柿，蘆筍，黃瓜，甜瓜，葡萄，甘藍，菊花，草莓，蘑菇等，但這些收益還沒有真正商業(yè)化經(jīng)營的機器人。研究農(nóng)業(yè)機器人領域起步相對較晚，但近幾年的快速發(fā)展，也已經(jīng)有很多的研究。張劍峰，董劍，張志勇，如自適應魯棒跟蹤控制算法采摘機器人設計;機器人視覺傳感器設計立體的中國農(nóng)業(yè)大學，劉兆祥，劉剛，誰撿到了蘋果方面江蘇大學蔡健榮三維信息，例如恢復的障礙，為柑橘采摘機器人障礙識別技術的研究;南京農(nóng)業(yè)大學工學院和奪權的蘋果和蔬菜研究技術姬長英王學林外環(huán)控制。在國內，蘋果采摘由人工來完成，采摘效率低、采摘人員勞動強度大、工作環(huán)境差。目前對蘋果采摘機的報道比較少，最近國內也有一些采摘機具的專利，如堅果采摘機，這些專利能在一定程度上減輕采摘人員的勞動強度，改變采摘人員的工作環(huán)境；但大多結構簡單，所以未從根本上解決采摘難度，效率低等問題。果園種植業(yè)的發(fā)展提高了果園機械市場的需求。在整個生產(chǎn)中，由采摘果實所耗費的勞動力占據(jù)整個生產(chǎn)過程的5070。采摘作業(yè)季節(jié)性相對強，傳統(tǒng)人工采摘的方式不僅僅易造成果實損傷。同時，采摘不及時將會導致經(jīng)濟上的損失。農(nóng)業(yè)勞動力向其他行業(yè)轉移，人員缺乏，隨著老齡化的增長，生產(chǎn)成本不斷提高，降低了人們的種植積極性，果園種植業(yè)的發(fā)展受到了制約。為了節(jié)約人力物力，提高果農(nóng)的經(jīng)濟效益，開展采摘器械的研究有重要的意義。因此，基于目前的研究現(xiàn)狀，開展對手持式伸縮桿電動蘋果采摘機械手的變得尤為重要。2. 研究的基本內容，擬解決的主要問題（1）基本內容 對國內的蘋果園的環(huán)境進行分析，了解果樹的種植分布方式，確定兩果樹不同方位上的距離，確定果樹的高度和蘋果在果樹上的分布，確定蘋果的大小等物理參數(shù)，為設計采摘機械手提供基礎數(shù)據(jù)和事實依據(jù)。 根據(jù)收集的蘋果種植數(shù)據(jù)和特點，查閱采摘機械手的相關書籍了解采摘機械手的技術要求和借鑒已有的采摘機械，再根據(jù)實際要求初步設計蘋果采摘機械手的驅動裝置，確定采摘機械手末端執(zhí)行器的結構，設計剪切方式和采摘機械臂的結構，完成蘋果采摘機械手的總體設計方案。 在蘋果采摘機械手的總體設計方案之上，依據(jù)搜集到的條件和要求設計采摘機械手的機械傳動結構，擬定傳動方案。分析采摘機械手的末端執(zhí)行器結構和其實用性，分析采摘方式，結合蘋果的各項物理數(shù)據(jù)完成機械手機械臂的機構設計和與末端執(zhí)行器的連接 根據(jù)總體設計方案，現(xiàn)有數(shù)據(jù)和已有的蘋果采摘機械手設計并確定動力方案選擇合適的電機，并簡化操作。 對蘋果采摘機械手數(shù)據(jù)進行檢驗，對機械手進行運動學分析保證能夠正常使用。（2）擬解決的主要問題目前蘋果采摘機械手存在的問題，進行結構優(yōu)化，提出設計方案；提高傳動效率；使結構簡單、成本低、性能可靠。3. 研究步驟、方法及措施（1）研究步驟調研現(xiàn)狀，找出存在的問題，提出優(yōu)化后的設計方案；選定設計參數(shù)（長度、電機，絲杠型號等）；對傳動裝置、筒體等關鍵零部件進行設計校核。（2）方法及措施本設計將采用文獻研究、理論分析研究、機構視圖分析三種方法。文獻研究：先對已有的蘋果采摘機械手相關的文獻盡性系統(tǒng)的學習和閱讀。歸納整理蘋果采摘機械手設計的相關理論；理論分析：通過對蘋果采摘機械手設計的現(xiàn)狀解讀，提出設計的不足之處，進行改進，結合時代發(fā)展的新特點，使其更加完善；機構視圖分析：繪制蘋果采摘機械手裝配圖及主要零件圖。4. 研究工作進度1月1日3月9日畢業(yè)設計調研階段。查閱資料，現(xiàn)狀分析。1月1日3月15日開題階段。提出總體設計方案及草圖，填寫開題報告，前期檢查。3月15日4月20日 設計初稿階段。完成總體設計圖、部件圖、零件圖。4月21日5月16日 設計完善工作階段。完善設計圖紙，編寫畢業(yè)設計說明書。5月17日5月18日畢業(yè)設計預答辯。5月19日5月28日畢業(yè)設計整改。圖紙修改、設計說明書修改、定稿，材料復查。5月29日5月30日畢業(yè)設計材料評閱。5月31日6月1日畢業(yè)答辯。6月2日6月15日材料整理裝袋。5. 主要參考文獻1 王承義.機械手及其應用M.北京：機械工業(yè)出版社，1981：105-1252 徐麗明,張鐵中.果蔬果實收獲機器人的研究現(xiàn)狀及關鍵問題和對策J.農(nóng)業(yè)工程學報,2004,20(5);38.3 孫建設.我國蘋果栽培模式的沿革與思考J.專家視點,2008,2:22-24.4 姜麗萍,陳樹人.果實采摘機器人的研究綜述J.農(nóng)業(yè)裝備技術,2006,2,32(1):8-10.5 崔玉潔,張祖立,白曉虎.采摘機器人的研究進展與現(xiàn)狀分析J.農(nóng)機化研究,2007,(2):4-5.6 Ling P, Ehsani R, Ting K C, et al.Sensing and end-effector for a robotic tomato harvesterC/ASAE Paper 043088,2004.6.答辯內容7.指導教師意見指導教師簽字： 年 月 日8.答辯委員會意見答辯委員會主任簽字：年 月 日摘 要人工作業(yè)是我國蘋果生產(chǎn)行業(yè)采摘的主要勞動方式，人工作業(yè)的采摘效率曲線會隨著時間的推移而逐漸下滑，在一定時間之后會出現(xiàn)大幅度下降，并且隨著現(xiàn)代化進程的大幅度發(fā)展，人工成本也突飛猛進的提升了一大截，并且有效地剩余勞動也在逐漸的減少，因此蘋果采摘機械的研發(fā)迫在眉睫。本次畢業(yè)設計所完成的手持式機械手是以蘋果為目標采摘對象，主體結構為采摘器及伸縮桿。在設計初期，需要對市場現(xiàn)狀、產(chǎn)品水平、應用前景進行大量的市場調研，并通過實地考察和產(chǎn)品體驗對市場上現(xiàn)有的蘋果采摘機械手的功能和結構進行了解，為后續(xù)設計研究提供理論數(shù)據(jù)支撐；隨后實地考察一些大型蘋果種植園區(qū)，考察園區(qū)的面積、用工情況、蘋果樹的成長情況，建立實際的數(shù)據(jù)，根據(jù)以上數(shù)據(jù)信息，有針對性的對于某種系列需求進行專項的結構和功能設計，最終完善設計方案產(chǎn)出成品，本次設計的采摘機械手采用電機驅動，能夠實現(xiàn)剪切枝丫和抓拽蘋果的功能，并且可根據(jù)實際情況自動調節(jié)操作為止與目標之間的距離；然后對主要零部件進行強度校核，以確保設計的可行性和可靠性；最后面向批量生產(chǎn)，通過CAD繪圖軟件將本次畢業(yè)設計所設計的蘋果采摘機械手的零件圖和總裝圖繪制完成。關鍵詞：蘋果；手持式；機械手；電機驅動；強度校核IXXXXABSTRACT Artificial work is the main way of harvesting in apple production industry in China. The efficiency curve of manual work will gradually decrease with time, and will decrease greatly after a certain period of time. With the rapid development of modernization, the labor cost has also been greatly increased, and the effective residual labor is gradually reduced.The development of apple harvesting machinery is imminent.The hand-held robotic hand completed in this graduation design is aimed at the apple harvesting, and its main structure is the harvester and telescopic rod.At the beginning of design, it is necessary to carry out a lot of Market Research on market status, product level and application prospects, and to understand the function and structure of existing apple harvesting manipulator in the market through field investigation and product experience, so as to provide theoretical data support for subsequent design research. Then, it is necessary to conduct on-site investigation on some large apple planting parks, and to investigate the area, employment situation of the parks.The growth of the apple tree, establish actual data, according to the above data information, carry out specific structure and function design for a series of requirements, and finally improve the design scheme to produce the finished product. The designed harvesting manipulator is driven by motor, which can cut branches and grab apples, and can adjust the operation automatically according to the actual situation.Distance from target; then strength check of main parts to ensure the feasibility and reliability of the design; finally, for mass production, the part and assembly drawings of the apple harvesting manipulator designed for this graduation design are completed by CAD drawing software.Key words: Apple; Handheld; Robot; Motor Drive; Strength Check目 錄摘 要IABSTRACTII第1章 緒論11.1 課題背景及意義11.2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀11.2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀11.2.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀31.3 采摘機器人存在的問題4第2章 蘋果采摘機械手總體方案設計62.1 蘋果的數(shù)據(jù)分析62.2末端執(zhí)行器的選擇62.3 驅動方式的選擇82.4 采摘機械手機械臂的選擇9第3章 采摘器的設計103.1采摘電機的選擇103.1.1電機類型的選擇103.1.2電機型號選擇103.2絲桿螺母副的選型與校核123.2.1型號選擇123.2.2校核計算133.3軸承的選擇與校核153.3.1軸承選擇153.3.2軸承校核15第4章 伸縮桿設計174.1 伸縮桿結構設計174.2伸縮桿設計計算及校核174.3伸縮驅動機構設計19總 結20參考文獻21致 謝22IV第1章 緒論1.1 課題背景及意義蘋果的種植和生產(chǎn)占據(jù)了中華人民共和國水果產(chǎn)業(yè)但相當大的一部分市場額度，產(chǎn)量和產(chǎn)值排名中華人民共和國前四位，與此同時，是世界范圍內，就蘋果的年度總產(chǎn)量和全系列種植面積而言，已經(jīng)超過了世界蘋果種植面積和產(chǎn)量的百分之五十。隨著水果種植在全世界范圍內的興起和快速發(fā)展，催生了該行業(yè)對采摘機械的大量需求，需求促進發(fā)展，因此水果采摘機械在經(jīng)濟刺激下也迎來了發(fā)展。人工勞動力是水果生產(chǎn)行業(yè)的主流作業(yè)方式，據(jù)國家權威統(tǒng)計，人力占據(jù)了整個生產(chǎn)高達百分之五十到百分之七十的勞動力損耗。并且水果的采摘依據(jù)季節(jié)時間的變化，也會對生產(chǎn)造成不同程度的影響，采摘速度和時間直接與企業(yè)盈利掛鉤，過早或者過晚都會對水果的品質造成影響，而且由于人工的天然局限性，隨著工作時長的增加，損壞水果的幾率也會大大的提高，其次隨著社會的不斷進步、國家的不斷富強，生活品質的不斷提高，純勞動力流失嚴重，現(xiàn)存勞動力的成本極大的提高，導致了水果生產(chǎn)行業(yè)的成本日益加劇，企業(yè)不堪重負，水果生產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展也放緩了腳步，因此為了繼續(xù)發(fā)展，提高盈利空間、市場份額，大力促進研發(fā)新型采摘機械手已成為行業(yè)剛需。一款在市場現(xiàn)有采摘機械手的結構基礎上進行全新的設計的機械手的問世，是解決上述所面臨的的一些列問題的關鍵手段。近幾十年，隨著改革開放的進程，機械化作業(yè)也隨之不斷不普及，在水果種植行業(yè)隨著國家發(fā)展而快速發(fā)展的背景下產(chǎn)生的機械化的需求，刺激了采摘機械的發(fā)展，采摘機械的不斷發(fā)展，誕生了各種各樣的采摘機械，這些機械的作用和意義在于減少了人工成本，減少了損傷水果的數(shù)量，加大的提高了生產(chǎn)速度，契合采摘季節(jié)，縮短工作時長，提高經(jīng)濟效益，增加盈利空間。1.2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀在二十世紀中葉，以美利堅合眾國為首的一批國外發(fā)達國家開始投入研發(fā)可批量生產(chǎn)使用的農(nóng)用采摘機械手，在二十世紀六十年代末期，；兩位美利堅合眾國的科研人員將農(nóng)用機械手細化到用于采摘水果。隨后投入研發(fā)并批量生產(chǎn)的半自動機械手根據(jù)采摘方式可分為三種類型，這三種類型分別是振搖式、撞擊式、切割式；第一種振搖式半自動采摘機械手將自身產(chǎn)生的振動作用于樹枝或樹干，使連接處較弱的蘋果在搖晃產(chǎn)生的加速度下脫落，這種方式首先得精確掌握時間季節(jié)性，其次采摘效率太低，無法精確掌握采摘目標，具有一定的隨機性，并且掉落過程中損傷蘋果的幾率也過大；第二種撞擊式半自動采摘機械手通過對樹枝和支架的撞擊產(chǎn)生的搖晃，達到落果的目的，其原理和振搖式類似，但是比振搖式更加精確，總體而言效果也只是略強一些；第三種切割式半自動采摘機械手是通過機械或動力切割，將蘋果與樹枝分離，這種方式目的性更強，但是對于復雜樹枝的應用局限性較低，并且就效率而言比之前兩者有所不如，同樣容易造成蘋果損傷。在這三種機械的基礎上，雖然后續(xù)采摘也伴隨著升降機構，彌補了一部分缺點，但是又造成了極其密集的勞動，因此缺點仍然明顯。隨著計算機技術在二十世紀末的發(fā)速發(fā)展，計算機技術也應用到了采摘機械上，一些資本主義發(fā)達國家率先在投入了大量資金和技術所研究的采摘機械上采用了圖像處理、智能控制等技術，并且在后續(xù)的不斷研發(fā)中將他們的融合和應用變得更加成熟，在經(jīng)過大量的實驗后，批量生產(chǎn)出了許多與計算機技術結合應用的采摘機械手。但是在這個年代，生產(chǎn)出來的機械手大多應用于實驗并非市場普及使用。美利堅合眾國在采摘機械手的研發(fā)上一直處于世界領先地位，在二十世紀八十年代初期，美利堅合眾國研發(fā)出了世界上第一臺專門用于西紅柿采摘的機械手，時隔四年，美利堅合眾國在西紅柿采摘機械手的技術基礎上又是研發(fā)出了針對于柑橘采摘的機械手。在美利堅合眾國的技術、結構基礎上，歐洲、亞洲的四個資本主義發(fā)達國家也隨之研發(fā)出了許多各式各樣的果蔬采摘機械手，其中在二十世紀最末期我國北方的某發(fā)達國家將傳感器與機械結構相結合，研發(fā)出了較為高級的蘋果采摘機械手，同期的另一個位于亞洲的發(fā)達國家針對于適用性這一方向上開始研究，最終研究出了可以針對某一系列果蔬進行采摘的機械手。繼美利堅合眾國之后，日本于一九九三年研發(fā)出了配有傳感器、執(zhí)行器、移動能力的主體對象為西紅柿的采摘機械手，該機械手的由配有一厘米后的橡膠墊的一對由平行板組成的抓和牽引機構組成，橡膠墊可以有效的降低西紅柿受損的概率。吸引機構就是一個真空泵，在吸引西紅柿的過程中通過觸覺傳感器感知西紅柿是否到達指定位置，當?shù)竭_指定位置時，西紅柿觸碰限位開關，將切斷真空泵的動力，然后機械爪將西紅柿固定，通過執(zhí)行器的旋轉摘取西紅柿。該機械手無法實現(xiàn)果葉分離，會將西紅柿和莖葉一起采摘下來，后續(xù)還需要人工分離，但是西紅柿的采摘率可高達百分之八十五。西班牙王國的研究工作者發(fā)明了一種可以安裝在拖拉機上的柑橘采摘機械手，該機械手是計算機技術與傳統(tǒng)機械結構的結合，通過圖像處理技術，利用光學傳感器，可對柑橘的成熟情況和大小進行分析處理，計算機會自主選擇狀態(tài)和品質最優(yōu)的柑橘進行采摘并按照設定好的要求進行分類仿制，這種機械手具有非常卓越的采摘效率，平均一分鐘可完成對六十個柑橘的識別和采摘，對比于人工識別采摘效率大約提升了七到八倍。1.2.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀中華人民共和國在國內的高校和研究所的共同努力下，于二十世紀七十年代初期開始了采摘機械手和農(nóng)業(yè)機械的研究，屬于剛剛起步，而國外發(fā)達國家在這個階段已經(jīng)在這個領域具有了一定的技術基礎了，我國的發(fā)展相對較晚，技術儲備幾乎空白。在國家的支持、各方的努力下，初步研究出了半自動的山楂采摘機械手，借鑒了美利堅合眾國的振動式機械手，隨后還研究出了兩種輔助采摘機械手，這兩種機械手分別是氣囊式和手持式，但是這些機械手的技術水平較低，因此工作效率很低。為了提升工作效率，縮短工作時長，在原有機械手額基礎上進行了一系列的技術改進，隨后在這方面的技術上實現(xiàn)了自主創(chuàng)新，擁有了自主知識產(chǎn)權的技術，那么隨之而來的就是產(chǎn)品的井噴式發(fā)展，在上世紀八十年代，研發(fā)出了切割式機械手，上世紀九十年代研發(fā)出了氣動式配合升降機構協(xié)同運作的機械手，并且在九十年代至今，中華人民共和國在采摘機械手上的研發(fā)投入依然很大，技術也有一定的積累，產(chǎn)品也逐漸豐富了起來。我國學者針對目標對象是草莓的采摘機械手這一方向進行了研究，其團隊所研發(fā)的機器人集成了計算機技術，優(yōu)化了機械結構，通過機器人的視覺采集系統(tǒng)分析識別到的圖像，能夠自動選擇采摘成熟的草莓，在計算機的控制下，憑借著小巧的體積，能夠精準定位到草莓的位置，通過剪切的方式采摘草莓并實現(xiàn)收集功能。我國學者在蘋果采摘機器人上的研究也有了一定的成果和建樹，某大學在投入了大量資金和時間研究后，研發(fā)出了一款適用于經(jīng)過采摘機器人的末端執(zhí)行器，該執(zhí)行器是三指結構，驅動方式為欠驅動，這種結構的執(zhí)行器的優(yōu)勢在于具有極強的普適性，可以應用于不同種類、品種、大小的蘋果的采摘，實現(xiàn)一器多用，提高了互換性，降低了生產(chǎn)成本；西北某大學歷經(jīng)數(shù)年的潛心研發(fā)，最終設計出了一款可應用于其他機器人結構的采摘裝置，該裝置切割的方式采摘蘋果，獨具創(chuàng)新性在于這種切割方式是偏心式的，集切割、收集為一體，該裝置由三部分組成，這三部分分別是：偏心式采摘頭、可拆卸伸縮桿、緩沖下落通道。其中偏心式采摘頭采用偏心原理能夠在工作形成中快速切割，并且能夠避免傷到蘋果；伸縮桿為主動組裝式，可以通過人工組裝來完成遠距離目標的采摘；緩沖下落通道由布條構成，布條的彈性能夠緩沖蘋果下落，柔性結構能夠減少蘋果損傷。使用該裝置的機器人采摘成功率高達百分之九十二，其中所有蘋果的損壞情況不足百分之四點七。河南某高校研發(fā)出了一款西紅柿采摘機器人，該機器人的工作環(huán)境是在溫室大棚內，該機器人通過視覺識別系統(tǒng)判斷西紅柿的成熟程度和發(fā)育的大小，識別判定結束后，通過定位系統(tǒng)抵達目標地點，利用五自由度機械臂進行采摘，該機械臂在各方向上的移動的位置差不超過六點七一毫米，具有極高的精度，經(jīng)過長時間的實驗測試，該機器人的采摘成功率高達百分之九十四點八二，一次采摘僅耗時九點九四秒，具有極為優(yōu)秀的成功率和工作效率。1.3 采摘機器人存在的問題對比國外的采摘機械的發(fā)展和技術層次可得到結論：（1）中華人民共和國采摘機械發(fā)展的起步時間較晚。（2）國外發(fā)達國家經(jīng)過較長時間的技術積累，技術儲備已經(jīng)達到了一個比較高的高度，因此認知里的水果對象都已經(jīng)有了相應的采摘機械。（3）國外發(fā)達國家在采摘機械的研發(fā)、生產(chǎn)上投入了大量的資金，并且一些世界知名機械制造企業(yè)在政府的支持下，技術領先太多了。即使國外發(fā)達國家在技術上更加先進，生產(chǎn)的產(chǎn)品質量更加高端，但是我國在起步較晚的情況下，也在近些年進行了大量的投入應以對這一領域的研究，現(xiàn)已取得了不菲的成績。采摘機械手實際生產(chǎn)中需要考慮的問題是：（1）避免在采摘蘋果時造成的損傷，降低損傷率。蘋果受到損傷后，會快速的腐爛，并且會影響周圍其他的蘋果，造成經(jīng)濟損失，因此降低蘋果的損傷率很重要，我們需要采用較為柔性的末端執(zhí)行器抓取蘋果，在收集時也需要具有緩沖能力，組合使用下才能有效地降低損傷率。（2）降低采摘蘋果的時間，縮短工作時長。快速的采摘蘋果不僅可以保證蘋果的新鮮程度，提高盈利空間，還可以降低成本和能耗，目前國內的采摘機械單就采摘速度而言，遠遠不及工人，因此國內機械手如何降低采摘蘋果的時間，縮短工作時長很重要。（3）降低蘋果采摘機械手的操作難度和制作成本。蘋果作為中華人民共和國的四大水果之一，極具時間季節(jié)性，采摘緩沖時間較短，必須在短時間內完成采摘，因此是一個時間緊任務重的工作，并且操作人員的文化水平一般較低，因此操作性一定要足夠簡單，才能保證成功率，并且縮短工作時長。我們在設計時既要保證質量也要延長使用壽命，只有這樣才算成功設計出了蘋果采摘機械手。第2章 蘋果采摘機械總體方案手機構設計2.1 蘋果的數(shù)據(jù)分析蘋果的生物學特征例如大小、高度等都是設計采摘機械手需要綜合考慮的因素，對這些數(shù)據(jù)的收集調查是設計采摘機械手的結構和采摘方式的關鍵因素。我們國家主要在三個地域種植蘋果，這三個地域分別是：渤海地區(qū)，中部地區(qū)，西北地區(qū)。我們將對這三個地域的蘋果種植情況進行分析和數(shù)據(jù)收集。通過調研得到如下蘋果生物學特征及參數(shù)：本次畢業(yè)設計針對的蘋果種植園情況以河北省的蘋果種植園為研究對象，在實地考察下進行蘋果種植數(shù)據(jù)的大量采集，根據(jù)調研結果顯示：科學樹行距為，實地考察發(fā)現(xiàn)河北省蘋果樹種植間距為，行距大約為，蘋果樹最高高度為，蘋果據(jù)地面距離最低為米，蘋果樹冠幅在范圍內。本文將以種植面積最廣、最受廣大人民群眾歡迎的紅富士蘋果為例進行數(shù)據(jù)分析，如表格1紅富士數(shù)據(jù)表。表格 2-1紅富士蘋果數(shù)據(jù)表指標最小值平均值最大值蘋果直徑/mm5580120蘋果重量/g75140290果梗直徑/mm1.32.55.12.2末端執(zhí)行器的選擇末端執(zhí)行器是直接接觸蘋果的采摘機械手上的實施采摘任務的執(zhí)行元件，該機構的設計直接影響到蘋果采摘機械手的效率和蘋果質量，因此需要設計一個能夠顯著提升采摘效率，縮短工作時長，并且能夠降低制造成本，提升盈利空間的蘋果采摘機械手末端執(zhí)行器，該執(zhí)行器需能實現(xiàn)下述功能：（1）機械爪要進行柔性處理，避免損傷蘋果表面，降低蘋果表現(xiàn)受損率；（2）能夠響應指令，縮短工作時長，提高工作效率；（3）具有良好普適性，能夠適應蘋果的不同體積；（4）采摘機械手結構緊湊、簡單，質量輕，方便長時間使用。目前水果產(chǎn)業(yè)中的采摘方式一般分為兩種，第一種是通過采摘期對蘋果施加一個拽拉的力，扭拉外力直接將蘋果從樹枝上采摘下來，這種方法會對蘋果產(chǎn)生一個較大的加持力，這個力很容易損傷果實，造成不必要的經(jīng)濟損失；第二種方式是通過剪刀剪切蘋果梗實現(xiàn)蘋果的采摘，這種方式雖然結構略微有些復雜，但比之拽拉對蘋果表面的損傷更小?，F(xiàn)有的蘋果采摘機械手末端執(zhí)行器主要分為三種：（1）抓拉式采摘器目前市場上售賣的末端采摘器大部分為兩指或三指的機械鉗爪式。其結構簡單，通過對人類手部的仿生設計進行操作。但是它是通過拽拉的方式采摘的，產(chǎn)生的加持力直接與蘋果接觸，容易損傷蘋果表面。（2）吸附式末端采摘器吸附式末端采摘器對于目標物體的生物學特征具有一定的要求，只適用于一定形狀，表皮光滑，較為堅硬的蘋果。吸附式可根據(jù)工作原理將其分為磁力吸附和真空吸附兩種。由于材料特性的原因，用于采摘水果我們采用真空式吸附，工作原理是將與接觸物之間的空氣抽空進行吸附，因此需要裝備一個質量較大的真空泵，移動性不強，且生產(chǎn)制造的成本較高。（3）剪切式末端采摘器最簡單的剪切采摘器主要組成是負責固定蘋果的夾持裝置和對蘋果梗進行分離處理的剪切裝置。夾持裝置將蘋果固定后防止掉落，然后收入收納裝置，剪切裝置完成將蘋果梗與樹枝分離這一動作，即摘這一環(huán)節(jié)。采摘方式比較表類型優(yōu)點缺點抓拉式結構簡單、操作方便、效率高對枝條和花蕾傷害稍大吸附式定位要求低、動作靈敏需要配備真空形成裝置，笨重不方便攜帶，造價較高。剪切式結構簡單，操作方便，對果實和枝條的傷害較小定位要求高，效率較低，不方便收集。通過上述對三種末端執(zhí)行器的工作原理和優(yōu)缺點的對比，本次設計的是手持式采摘機械手，需要考慮到重量和移動便捷性，結合著各機械手的優(yōu)缺點，綜合分析后最終決定本次畢業(yè)設計所設計的蘋果采摘機械手將抓拉式與剪切式組合為一種全新的機械結構，如下圖2-1所示，前端機構是一個半球形采摘爪，采摘爪前端設置剪切刀刃，且刀刃為一百八十度，尺寸范圍較寬。工作時，半球形采摘爪包裹住蘋果，刀刃夾緊蘋果柄剪斷。這樣的組合式結構，既可以避免抓拉式末端執(zhí)行器對枝條和花蕾的傷害，也可以降低剪切式末端執(zhí)行器定位要求高，效率較低的缺點。圖2-1 末端執(zhí)行器結構方案簡圖2.3 驅動方式的選擇目前采摘機械手的驅動源主要是采用氣壓驅動、電驅動、液壓驅動這三種10。（1）氣動壓是一種壓縮空氣驅動系統(tǒng)，驅動執(zhí)行機構的運動，通常用空氣壓縮機作為動力源。氣動傳動有很多優(yōu)點，如過載安全，比較簡單，幾乎不會污染環(huán)境，花錢少，能夠變速，也有缺點，就是在大的設備上工作不是很穩(wěn)定，定位會有些誤差。（2）液壓驅動系統(tǒng)具有固有的效率高、響應速度快、速度簡單的特點?？稍诖蠓秶鷥葻o級調速。適應性比較強，能夠在許多種環(huán)境下工作。它能吸收沖擊力，實現(xiàn)更頻繁、穩(wěn)定的轉換方向、定位精度比之氣動較低，與此同時也會較容易出現(xiàn)漏油的現(xiàn)象，漏油有可能導致水源、土壤等環(huán)境的污染，并且出現(xiàn)漏油等故障時維修成本較高，由于工作介質是油等流體介質，長時間的作業(yè)會導致介質溫度升高，粘度發(fā)生變化，進而會影響驅動系統(tǒng)的傳動性能。（3）電動驅動方式的電機種類的選擇有很多選擇的空間，大致可以選擇五種不同類型的、運轉原理和方式迥異的電機，這五種類型的電機分別是：步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機、步進電機、力矩電機。步進電機的動態(tài)特性遠超同等價位的其他類型的電機，運行精度比較高，速度可以非常大，也可以非常小，非常穩(wěn)定，非?？煽?，控制方面也比較容易。我們通過以上三種驅動方式的優(yōu)缺點，最終覺得貴摒棄使用液壓驅動和氣壓驅動方式，所以我們將采用電機作為采摘機械手的動力來源。2.4 采摘機械手機械臂的選擇本次設計采用可伸縮的桿作為機械臂連接末端執(zhí)行器，伸縮桿由兩組短桿組成，兩組桿之間由箍環(huán)連接，采用伸縮桿的設計方式可以根據(jù)實時情況來隨時調節(jié)末端執(zhí)行器的高度，當工作結束時兩桿縮至最短，有效地節(jié)約了防止空間。綜上所述：本次設計的手持式伸縮桿電動蘋果采摘機械手總體方案簡圖如下圖2-2所示。1-采摘爪 2-連桿 3-采摘爪絲杠螺母副 4-采摘爪電機5-伸縮桿 6-伸縮絲桿螺母副 7-伸縮電機 8-手柄圖2-2 總體方案簡圖第3章 采摘器的設計3.1采摘電機的選擇3.1.1電機類型的選擇電機驅動可分為步進電機驅動和伺服電機驅動，其驅動原理相同，皆是通過力和力矩的傳遞，通過RV減速器對轉速的調節(jié)后將旋轉運動轉化為直線運動去驅動半球形采摘爪的開合，使用電機可以提供持續(xù)而可靠的動力。步進電機和伺服電機各參數(shù)對比如下，表格3-1.表 2-1電機對比表步進電機伺服電機力矩范圍中小力矩（20Nm以下）大中小力矩速度范圍低（轉速在2000轉以下，）高轉速（轉速可達5000轉）直流伺服電機可達1-2萬轉矩頻特性高速運轉時，力矩下降快。力矩特性好。過載特性過載工作時失步可3-10倍負載工作反應速度一般快準確度較低高工作溫度運行溫度高運行溫度一般維修性基本不需維修較好價格低高根據(jù)上述表格的對比可以看出，伺服電機無論是在體積、質量結構上都比步進電機更有優(yōu)勢，同時伺服電機可傳遞大扭矩，反應速度更快，定位精度更高，運行時產(chǎn)生的振動和噪聲更小，溫度更低，因此本次設計采用伺服電機作為蘋果采摘機械手的動力源。3.1.2電機型號選擇本次設計選用型號的BF系列伺服電機，該電機的電壓范圍為，功率為。選用時主要有以下幾個步驟：（1）根據(jù)脈沖當量和最大靜轉矩初選電機型號(a)步距角初選電機型號，并從手冊中查到步距角,由于故選擇(b)距頻特性最大靜轉矩也稱作電機的定位轉矩，該轉矩與額定啟動轉矩的關系是：電機在沒有負載的情況下的啟動被稱為空載啟動，其力矩計算方式如下：式中：為空載啟動力矩；為空載時加速力矩；為空載摩擦力矩；為附加摩擦力矩。電機應滿足空載啟動力矩小于額定啟動轉矩，即：計算的各項力矩如下：加速力矩空載摩擦力矩附加摩擦力矩（2）啟動矩頻特性校核步進電機有四種工況：啟動，加速至目標轉速，穩(wěn)定在目標轉速，停車。公式僅用于確定電機的最大空載轉矩是否滿足技術要求，而無法確定電機在升速啟動時會不會發(fā)生丟步現(xiàn)象，因此需要對啟動矩頻特性進行校核。升速啟動只要滿足較為長的啟動時間，那么產(chǎn)生的加速力矩就會較小，因此不會發(fā)生丟步現(xiàn)象。3.2絲桿螺母副的選型與校核普通絲杠的規(guī)格有國家標準，因此綜合考慮使用工況、載荷、轉速等因素即可選擇絲杠的類型、結構、型號和尺寸。普通絲杠設計和校核，其步驟如下：首先對于一些參數(shù)說明如下：軸向變載荷，；第i個載荷對應的轉速;第i個載荷對應的工作時間 ;絲桿副最大移動速度;絲桿預期壽命。3.2.1型號選擇（a）根據(jù)使用和結構要求 選擇絲杠螺母副的截面形狀為滾道，并且同時確定了滾珠螺母的一些相關參數(shù)，包括循環(huán)和預緊在內；（b）計算普通絲杠副的主要參數(shù) 根據(jù)工作情況，選擇各參數(shù)為：、； 計算當量轉速 計算當量載荷 初步確定導程計算絲桿預期工作轉速計算絲桿所需的額定載荷（c）選擇絲桿型號根據(jù)上述和，需選取額定載荷大于的絲桿才能滿足設計要求，因此本次選則型號為：的普通絲杠螺母副。絲杠副參數(shù)為：公稱直徑 導程 3.2.2校核計算（a）臨界轉速校核校核合格。（b）在本次設計中，絲杠的放置方式為豎直放置，因此絲杠不會受到水平方向上的載荷和撓度，所以無需校核絲杠的穩(wěn)定性和溫度變形。（c）普通絲桿的預緊預緊力的值通常為當量載荷的三分之一，即：其相應的預緊轉矩（d）穩(wěn)定性驗算絲杠的左端用雙向球軸承固定，雙向球軸承可以限定絲杠的徑向和軸向竄動，絲杠右端活動，采用深溝球軸承固定徑向竄動，為了保證絲杠在變形后可在右端活動，因此絲杠外圈不施加約束，如下圖。 需要驗算一端固定的絲杠的安全系數(shù)S，應滿足，為許用安全系數(shù)， 絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 式中，E為絲杠材料的彈性模量，在此選擇；l為絲杠工作長度（m）；為絲杠危險截面的軸慣性矩（）；取為長度系數(shù)為。 安全系數(shù) ，因此，絲杠校核合理。 高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉速臨街轉速，要求滿足絲杠的最大轉速。 臨街轉速按下式計算： 式中：為臨界轉速系數(shù)，取， 即：，所以絲杠不會發(fā)生共振。 此外普通絲杠副還受值的限制，通常要求3.3軸承的選擇與校核3.3.1軸承選擇選用角接觸球軸承來承擔工作中產(chǎn)生的軸向力。選擇軸承型號：6000。外形尺寸為：。3.3.2軸承校核1）按承載較大的滾動軸承選擇其型號，因支承跨距不大，故采用兩端固定式軸承組合方式。軸承類型選為深溝球軸承，軸承的預期壽命取為：軸承受的徑向力為，軸向力為，基本額定靜載荷為。2）徑向當量動載荷 動載荷為，查得，則有滿足要求。第4章 伸縮桿設計4.1 伸縮桿結構設計需要根據(jù)蘋果樹、蘋果的生物特征的各數(shù)據(jù)參數(shù)來設計采摘機械手時。由第2章數(shù)據(jù)可知，采摘機械手水平工作區(qū)間在，垂直工作區(qū)間在，蘋果樹冠幅在范圍，果樹高度大約在。伸縮桿由六個零部件組成，這六個零部件分別是：內管、外管、螺母套筒、絲杠、聯(lián)軸器、限位卡套。伸縮桿的工作原理是電機啟動旋轉后，將圓周運動變換為伸縮桿的直線往復運動，電機正轉時，通過絲杠螺母副完成伸縮桿伸長動作，電機反轉時，完成伸縮桿的縮短動作。圖4-1伸縮桿結構簡圖4.2伸縮桿設計計算及校核蘋果樹最高基本在3m左右，伸縮桿總長至少為2.5m，根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，我們對伸縮桿進行設計：設為內管長度，位外管長度，為用于防止內管裂損的內、外管之間預留的承接部分，為內管與末端采摘器連接部分，為伸縮桿最大長度。外管選用外徑為，厚度為的空心管，內管選用外徑為，厚度為的空心管，采用空心管可以顯著的減輕質量。伸縮桿在采摘蘋果時既會受到自身重力也會受到末端蘋果的重力，桿件會發(fā)生彎曲變形，可將伸縮桿看成一端自由另一端固定的壓桿。需對伸縮桿進行穩(wěn)定性校核，伸縮桿材料為304不銹鋼，彈性模量，比例極限，由表可知。其許用安全應力是，結合上表及伸縮桿可承受的最大壓力，即為Fmax,直徑,規(guī)定安全因數(shù)nst.由材料力學第九章公式（9-6），求出1=E/p=197109275106伸縮桿可假設為一端固定一端移動的壓桿，由材料力學可知=2，知伸縮桿橫截面為圓環(huán)，i=IA=d4求得它的柔度為：=li=2(2500103m)(31103m)14因為1，該伸縮桿可用歐拉公式計算臨界壓力，得cr=Fcr/A=2EI/A(l)2所以，F(xiàn)cr=crA=2EA/（li）2伸縮桿的工作安全系數(shù)為n=FcrFmax=13.462nst滿足穩(wěn)定性要求。4.3伸縮驅動機構設計4.3.1伸縮電機的選擇（1）電機類型的選擇同理，本次設計采用伺服電機作為蘋果采摘機械手伸縮電機的動力源。（2）電機型號選擇本次設計選用型號的絲杠電機，該電機的電壓范圍為，功率為。選用時主要有以下幾個步驟：（1）根據(jù)脈沖當量和最大靜轉矩初選電機型號(a)步距角初選電機型號，并從手冊中查到步距角,由于故選擇(b)距頻特性最大靜轉矩也稱作電機的定位轉矩，該轉矩與額定啟動轉矩的關系是：電機在沒有負載的情況下的啟動被稱為空載啟動，其力矩計算方式如下：式中：為空載啟動力矩；為空載時加速力矩；為空載摩擦力矩；為附加摩擦力矩。電機應滿足空載啟動力矩小于額定啟動轉矩，即：計算的各項力矩如下：加速力矩空載摩擦力矩附加摩擦力矩（2）啟動矩頻特性校核步進電機有四種工況：啟動，加速至目標轉速，穩(wěn)定在目標轉速，停車。公式僅用于確定電機的最大空載轉矩是否滿足技術要求，而無法確定電機在升速啟動時會不會發(fā)生丟步現(xiàn)象，因此需要對啟動矩頻特性進行校核。升速啟動只要滿足較為長的啟動時間，那么產(chǎn)生的加速力矩就會較小，因此不會發(fā)生丟步現(xiàn)象。4.3.2絲桿螺母副的選型與校核普通絲杠的規(guī)格有國家標準，因此綜合考慮使用工況、載荷、轉速等因素即可選擇絲杠的類型、結構、型號和尺寸。普通絲杠設計和校核，其步驟如下：首先對于一些參數(shù)說明如下：軸向變載荷，；第i個載荷對應的轉速;第i個載荷對應的工作時間 ;絲桿副最大移動速度;絲桿預期壽命。（1）型號選擇（a）根據(jù)使用和結構要求 選擇絲杠螺母副的截面形狀為滾道，并且同時確定了滾珠螺母的一些相關參數(shù)，包括循環(huán)和預緊在內；（b）計算普通絲杠副的主要參數(shù) 根據(jù)工作情況，選擇各參數(shù)為：、； 計算當量轉速 計算當量載荷 初步確定導程計算絲桿預期工作轉速計算絲桿所需的額定載荷（c）選擇絲桿型號根據(jù)上述和，需選取額定載荷大于的絲桿才能滿足設計要求，因此本次選則型號為：采用型號的絲杠，材料為鋁合金。由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)：公稱直徑 導程 （2）校核計算（a）臨界轉速校核校核合格。（b）在本次設計中，絲杠的放置方式為豎直放置，因此絲杠不會受到水平方向上的載荷和撓度，所以無需校核絲杠的穩(wěn)定性和溫度變形。（c）普通絲桿的預緊預緊力的值通常為當量載荷的三分之一，即：其相應的預緊轉矩（d）穩(wěn)定性驗算絲杠的左端用雙向球軸承固定，雙向球軸承可以限定絲杠的徑向和軸向竄動，絲杠右端活動，采用深溝球軸承固定徑向竄動，為了保證絲杠在變形后可在右端活動，因此絲杠外圈不施加約束，如下圖。 需要驗算一端固定的絲杠的安全系數(shù)S，應滿足，為許用安全系數(shù)， 絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 式中，E為絲杠材料的彈性模量，在此選擇；l為絲杠工作長度（m）；為絲杠危險截面的軸慣性矩（）；取為長度系數(shù)為。 安全系數(shù) ，因此，絲杠校核合理。 高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉速臨街轉速，要求滿足絲杠的最大轉速。 臨街轉速按下式計算： 式中：為臨界轉速系數(shù)，取， 即：，所以絲杠不會發(fā)生共振。 此外普通絲杠副還受值的限制，通常要求4.3.3軸承的選擇與校核（1）軸承選擇選用角接觸球軸承來承擔工作中產(chǎn)生的軸向力。選擇軸承型號：6000。外形尺寸為：。（2）軸承校核1）按承載較大的滾動軸承選擇其型號，因支承跨距不大，故采用兩端固定式軸承組合方式。軸承類型選為深溝球軸承，軸承的預期壽命取為：軸承受的徑向力為，軸向力為，基本額定靜載荷為。2）徑向當量動載荷 動載荷為，查得，則有滿足要求?？?結通過本次畢業(yè)設計的經(jīng)歷，將理論知識糅合為一體，進一步提升了對知識的理解和運用，并且提升力系統(tǒng)設計能力，為以后的從業(yè)奠定了基礎，提供了初次實踐的經(jīng)歷。即使遇到了一些列的問題，通過查找文獻、資料、同學間討論、指導教師的指導等方式均一一克服，保證了設計機械的工作效率，并且還考慮到了制造成本和維修成本的問題，通過對上述問題的解決方才完整、系統(tǒng)的完成了本次畢業(yè)設計。順利如期的完成本次畢業(yè)設計給了我很大的信心，讓我了解專業(yè)知識的同時也對本專業(yè)的發(fā)展前景充滿信心。參考文獻1 成大先. 機械設計手冊（第5版）M. 北京：化學工業(yè)出版社，2008.2 鄧星鐘主編.機電傳動控制M.第三版，華中科技大學出版社 20123 嚴霖元主編.機械制造基礎M.中國農(nóng)業(yè)大學 20134 鄭文緯，吳克堅主編.機械原理M.高等教育出版社 2013 5 范思沖.畫法幾何及機械制圖. 北京：機械工業(yè)出版社，1995：312.6 于永泗、齊民主編，機械工程材料M，大連：大連理工大學出版社，20077 余桂英、郭紀林主編，AutoCAD2008中文版實用教程M，大連：大連理工大學出版社，20078何瑛,歐陽八生.機械制造工藝學M.長沙：中南大學出版社,2015.9陳新民,趙燕.機械制造裝備設計M.長春：東北師范大學出版社,2017.10趙曉軍.理論力學M.西安：西安交通大學出版社,2015.11張強,金世佳.蘋果采摘輔助機械手設計J.農(nóng)業(yè)科技與裝備,2017,278（8）：18-21.12 徐麗明,張鐵中.果蔬果實收獲機器人的研究現(xiàn)狀及關鍵問題和對策J.農(nóng)業(yè)工程學報,2004,20(5);38.13 姜麗萍,陳樹人.果實采摘機器人的研究綜述J.農(nóng)業(yè)裝備技術,2006,2,32(1):8-10.14 崔玉潔,張祖立,白曉虎.采摘機器人的研究進展與現(xiàn)狀分析J.農(nóng)機化研究,2007,(2):4-5.15 Ling P, Ehsani R, Ting K C, et al.Sensing and end-effector for a robotic tomato harvesterC/ASAE Paper 043088,2004.16ZHAO Liang，MA Xiaoli，YAN Zhiyong.WANG Zhe.NEW Type Mechanical Hand Picking High Branch FruitsJ.Light Industry Machinery,2013,4:15-17,21.致 謝隨著時間的逝去，大學本科四年的學習生活也已經(jīng)接近了尾聲，在這四年的時光里，收獲了很多包括知識但又不絕對包括知識的東西，在此我要感謝許多老師對我的諄諄教誨以及幫助，首先感謝制圖老師，在大一入學時，在工程制圖課上，老師諄諄教誨，是我打下了良好的制圖、識圖功底，是我受益終身。其次，感謝機械原理老師，老師的機械原理以及課程設計讓我在專業(yè)課上面得到了更大的提升，為后面的更為復雜的理論學習打下了基礎。還要感謝機械設計老師，老師的機械設計以及對應的課程設計，讓我在學習中有了更大的提升。還要感謝機械制造老師，正是老師的機械制造及其課程設計讓我對機器設備、零件的生產(chǎn)過程更加理解，更加通透。感謝液氣壓老師，老師的液氣壓傳動與控制課程給我打下了對液氣壓系統(tǒng)的基礎認知，在畢業(yè)設計過程中大量的運用到了液氣壓知識。在畢業(yè)設計期間，最要感謝我的畢業(yè)設計指導教師；老師從選題開始到開題再到正式的設計，給了我很大的幫助，老師為人師表，細致耐心的對我指導，讓我在畢業(yè)設計階段少走了很多的彎路，并且給我指明了方向，老師經(jīng)常耐心的回答我的問題，感謝任老師在畢業(yè)設計階段對我的幫助。28