采摘機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
采摘機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),采摘,機(jī)械,系統(tǒng),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
采摘機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
任務(wù)書(shū)
姓名
學(xué)號(hào)
畢業(yè)屆別
專(zhuān)業(yè)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目
采摘機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
指導(dǎo)教師
學(xué) 歷
職 稱(chēng)
一、具體要求：
(1) 深入研究采摘機(jī)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(jī)械系統(tǒng)的工作原理基礎(chǔ)上,提出具體機(jī)械結(jié)構(gòu)方案；
(3) 將采摘機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)要求。
二、進(jìn)度安排：
分析課題、閱讀資料、撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告 3周
熟悉采摘機(jī)械系統(tǒng)的工作原理 3周
采摘機(jī)械系統(tǒng)的整體方案的確定 2周
采摘機(jī)械系統(tǒng)方案擬定、細(xì)化，詳細(xì)設(shè)計(jì) 5周
編寫(xiě)設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)編寫(xiě)（初、終稿） 2周
評(píng)閱答辯 1周
指導(dǎo)教師簽字：
年 月 日
教研室意見(jiàn)：
教研室主任簽字：
年 月 日
題目發(fā)出日期
2015.12
設(shè)計(jì)（論文）起止時(shí)間
2015.12-2016.6
注：
華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告書(shū)
課題名稱(chēng)
采摘機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
課題來(lái)源
B
課題類(lèi)型
Y
導(dǎo) 師
學(xué)生姓名
學(xué) 號(hào)
專(zhuān) 業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化
一、課題研究的背景
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%一50%，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。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[1]。
目前國(guó)內(nèi)外對(duì)采摘機(jī)械的研究主要是采摘機(jī)械手，70年代末，計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)的迅速發(fā)展，萌生了人們對(duì)各種農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究[3]。1983年，美國(guó)研制出第一臺(tái)采摘機(jī)械——番茄采摘機(jī)，至今人們對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究與試驗(yàn)已三十多年[2]。一些發(fā)達(dá)國(guó)家如日本、美國(guó)、法國(guó)、荷蘭、英國(guó)、西班牙等國(guó)成功研制及試驗(yàn)出多種采摘機(jī)器人，如蘋(píng)果、番茄、西瓜、黃瓜等人工智能型機(jī)器人。
我國(guó)對(duì)采摘機(jī)械的研究開(kāi)始于20世紀(jì)70年代，起初研制的采摘機(jī)械都是人工輔助型機(jī)械，所研制的與手扶拖拉機(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)采果器可以很好的保護(hù)果實(shí)不被損壞，但其效率低下[4]。80年代，我國(guó)開(kāi)始研制切割型采摘機(jī)械，取得一定的效果。90年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)對(duì)采摘機(jī)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(guó)內(nèi)許多院校的學(xué)者開(kāi)始深入研究采摘機(jī)器人技術(shù)。中國(guó)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(yàn)機(jī)[5]。目前，我國(guó)對(duì)采摘機(jī)器人仍處于初級(jí)階段。
采摘機(jī)器人主要由行走裝置、機(jī)械手、末端執(zhí)行器、控制系統(tǒng)及視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)組成，末端執(zhí)行器類(lèi)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(duì)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(duì)象的外形特征設(shè)計(jì)[7]。對(duì)于采摘方式，目前國(guó)內(nèi)外主要有剪斷式、擰斷式、吸盤(pán)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(jī)械手，這種機(jī)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(jī)器人上使用了具有7?個(gè)自由度的能夠指定采摘姿態(tài)的機(jī)械手，自由度越高，其手部運(yùn)動(dòng)越靈活，控制越復(fù)雜。?行走裝置有車(chē)輪式、履帶式、人形結(jié)構(gòu)，其中車(chē)輪式應(yīng)用最廣泛。車(chē)輪式行走機(jī)構(gòu)具有轉(zhuǎn)彎半徑小、轉(zhuǎn)向靈活等特點(diǎn)，但其對(duì)于松軟地面和坡陡地面適應(yīng)性差，影響機(jī)器手的運(yùn)動(dòng)精度。履帶式的特點(diǎn)剛好相反，對(duì)地面適應(yīng)性強(qiáng)，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)彎半徑過(guò)大，轉(zhuǎn)向不靈活。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)解決果實(shí)的識(shí)別和定位。
二、技術(shù)發(fā)展前景
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)器人將深入滲透農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)方面，農(nóng)業(yè)機(jī)器人正朝著智能化和自動(dòng)化迅速發(fā)展[8]。提高采摘作業(yè)機(jī)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(shì)不斷加大，采摘機(jī)械的開(kāi)發(fā)利用具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的市場(chǎng)前景。農(nóng)業(yè)機(jī)器人將在解決勞動(dòng)力不足、工人勞動(dòng)力強(qiáng)度大等問(wèn)題上體現(xiàn)出其絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，農(nóng)業(yè)機(jī)器人也可提高工人勞動(dòng)的舒適性及減輕農(nóng)業(yè)化肥和農(nóng)藥對(duì)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(dòng)生產(chǎn)率，能保證果蔬的適時(shí)采收[9]。提高農(nóng)產(chǎn)品的國(guó)際地位，為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展增強(qiáng)生命力。
三、課題研究的目的與意義
通過(guò)對(duì)采摘機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，了解國(guó)國(guó)內(nèi)外對(duì)采摘機(jī)械的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景，深刻理解機(jī)械原理等所學(xué)知識(shí)，運(yùn)用于設(shè)計(jì)過(guò)程，了解基本的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)并運(yùn)用于設(shè)計(jì)中，熟悉建模軟件的使用。
采摘機(jī)械在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)扮演著及其重要的角色，可解放勞動(dòng)力，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和農(nóng)產(chǎn)品在國(guó)際社會(huì)的地位。
采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定了采摘機(jī)械研究的基礎(chǔ)，為機(jī)器視覺(jué)和控制技術(shù)提供載體，是采摘機(jī)器人系統(tǒng)中必不可少的組成部分。機(jī)械結(jié)構(gòu)使得機(jī)器視覺(jué)和控制技術(shù)有了作用對(duì)象。通過(guò)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的改善，方便機(jī)器視覺(jué)和控制技術(shù)的實(shí)施。
四、研究的內(nèi)容
本課題要深入研究機(jī)械手的結(jié)構(gòu)原理、行走裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、執(zhí)行末端的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。包括：選擇合適的基本機(jī)構(gòu)形式用于行走裝置中，使其具備所要求的功能和特點(diǎn)；機(jī)械手自由度的確定及機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；末端執(zhí)行器的功能及選用合適的驅(qū)動(dòng)、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(jī)械的研究背景
1.1采摘機(jī)械國(guó)外研究進(jìn)展
1.2采摘機(jī)械國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展
1.3采摘機(jī)械的研究現(xiàn)狀，今后研究的方向
2 采摘機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1采摘機(jī)械總體設(shè)計(jì)方案
2.2行走裝置類(lèi)型選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.3機(jī)械手自由度的確定及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.4末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.5電機(jī)的選擇及傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)
2.6零件的設(shè)計(jì)及校核
2.7零件的裝配關(guān)系及功能實(shí)況
2.8采摘機(jī)械的三維裝配與運(yùn)動(dòng)仿真
3 采摘機(jī)械的裝配圖和零件圖
4 編寫(xiě)計(jì)算說(shuō)明書(shū)
五、實(shí)施計(jì)劃與預(yù)期目的
第1-2周 搜集資料，撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告；
第2-5周 閱讀文獻(xiàn)資料，學(xué)習(xí)幾種典型的采摘機(jī)械結(jié)構(gòu)方案，為自己提供思路
第6周 完成采摘機(jī)械的具體方案
第7-10周 設(shè)計(jì)采摘機(jī)械零件，并用三維軟件ProE建模、裝配及運(yùn)動(dòng)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(xiě)計(jì)算說(shuō)明書(shū)，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(shí)采摘機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作性能分析》1423農(nóng)機(jī)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(dòng)式采摘機(jī)器人研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),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(jī)器人的研究現(xiàn)狀、問(wèn)題及對(duì)策[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2010,27（6）：1-3.
[5]湯修映,張鐵中.果蔬收獲機(jī)器人研究綜述[Ｊ].機(jī)器人,2005,27(1):90-95.
[6]張盛,李艷聰,鄭爽爽等.淺析果蔬采摘機(jī)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(jī)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(jī)器人的研究進(jìn)展與現(xiàn)狀分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2007(2):4-7.
[9]立彬.農(nóng)業(yè)機(jī)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(bào),2002(30):36-411
指導(dǎo)老師簽名： 日期：
注：課題類(lèi)型請(qǐng)?zhí)顚?xiě)相應(yīng)代碼，如AY，BX等，其中（1）A—工程設(shè)計(jì)；B—技術(shù)開(kāi)發(fā)；C—軟件工程；D—理論研究；（2）X—真實(shí)課題；Y—模擬課題；Z—虛擬課題。
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)教師評(píng)分表
學(xué)生姓名
學(xué)號(hào)
專(zhuān)業(yè)年級(jí)
設(shè)計(jì)（論文）題目
采摘機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
序號(hào)
評(píng)價(jià)指標(biāo)
滿分
評(píng)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(jì)、試驗(yàn)等工作完成質(zhì)量
20
20-18
17-16
15-14
13-12
11-0
3
研究過(guò)程中表現(xiàn)出的理論水平、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力
10
10-9
8
7
6
5-0
4
研究過(guò)程中反映出來(lái)的創(chuàng)造性（改進(jìn)或獨(dú)立見(jiàn)解）、以及組織能力或團(tuán)隊(duì)合作能力等
10
10-9
8
7
6
5-0
5
研究過(guò)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(shuō)明書(shū)、論文、試驗(yàn)報(bào)告等書(shū)寫(xiě)質(zhì)量（內(nèi)容完整性和結(jié)構(gòu)合理性、圖表規(guī)范性、語(yǔ)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(jì)（論文）提交答辯：是（ ） 否（ ）
總分
補(bǔ)充說(shuō)明：
指導(dǎo)教師（簽名）： 年 月 日
指導(dǎo)教師姓名
職稱(chēng)或?qū)W位
工作單位
主要講授課程或研究方向
注：1、請(qǐng)給出每項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的得分（整數(shù)），并計(jì)算總分；
2、總分優(yōu)秀（≥90分）比例原則上不超過(guò)20%，優(yōu)良（≥80分）比例原則上不超過(guò)60%；
3、總分低于60分，或評(píng)價(jià)指標(biāo)1、2、6中有一項(xiàng)為E級(jí)得分時(shí)，不得提交答辯；
4、補(bǔ)充說(shuō)明欄不夠用時(shí)可另加附頁(yè)。
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱人評(píng)分表
學(xué)生姓名
學(xué)號(hào)
專(zhuān)業(yè)年級(jí)
設(shè)計(jì)（論文）題目
采摘機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
序號(hào)
評(píng)價(jià)指標(biāo)
滿分
評(píng)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(jì)、試驗(yàn)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(jì)（論文）中表現(xiàn)出的理論水平、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力
20
20-18
17-16
15-14
13-12
11-0
4
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中反映出來(lái)的創(chuàng)造性（改進(jìn)性或先進(jìn)性）
10
10-9
8
7
6
5-0
5
說(shuō)明書(shū)、論文、試驗(yàn)報(bào)告等書(shū)寫(xiě)質(zhì)量（內(nèi)容完整性和結(jié)構(gòu)合理性、圖表規(guī)范性、語(yǔ)句通順性等）
20
20-18
17-16
15-14
13-12
11-0
是否同意該設(shè)計(jì)（論文）提交答辯：是（ ） 否（ ）
總分
補(bǔ)充說(shuō)明：
評(píng)閱人（簽名）： 年 月 日
評(píng)閱人姓名
職稱(chēng)或?qū)W位
工作單位
主要講授課程或研究方向
注：1、請(qǐng)給出每項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的得分（整數(shù)），并計(jì)算總分；
2、總分優(yōu)秀（≥90分）比例原則上不超過(guò)20%，優(yōu)良（≥80分）比例原則上不超過(guò)60%；
3、總分低于60分，或評(píng)價(jià)指標(biāo)1、2、5中有一項(xiàng)為E級(jí)得分時(shí)，不得提交答辯；
4、補(bǔ)充說(shuō)明欄不夠用時(shí)可另加附頁(yè)。
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)評(píng)分表
（小組答辯使用）
學(xué)生姓名
學(xué)號(hào)
專(zhuān)業(yè)年級(jí)
設(shè)計(jì)（論文）題目
采摘機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
序號(hào)
評(píng)價(jià)指標(biāo)
滿分
評(píng)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(wèn)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(jì)（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(kāi)答辯 是（ ） 否（ ）
答辯成績(jī)
答辯委員會(huì)特殊說(shuō)明：
負(fù)責(zé)人（簽章） 年 月 日
注：1、本表填寫(xiě)答辯小組各成員給出的平均成績(jī)；
2、分項(xiàng)分?jǐn)?shù)保留一位小數(shù)，答辯成績(jī)由各分項(xiàng)成績(jī)求和后四舍五入取整數(shù)；
3、指導(dǎo)教師或評(píng)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(gè)人申請(qǐng)，答辯委員會(huì)應(yīng)做出是否同意其參加學(xué)院公開(kāi)答辯的決定。
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）最終成績(jī)
（參加公開(kāi)答辯的同學(xué)不填寫(xiě)本表）
指導(dǎo)教師評(píng)定成績(jī)（40%）
評(píng)閱人評(píng)定成績(jī)（30%）
答辯成績(jī)（30%）
百分制成績(jī)
（ ）優(yōu)秀
總評(píng)成績(jī)?cè)瓌t上應(yīng)≥90分，且人數(shù)應(yīng)控制在專(zhuān)業(yè)總?cè)藬?shù)的20%以?xún)?nèi)
（ ）良好
總評(píng)成績(jī)?cè)瓌t上應(yīng)≥80分，且優(yōu)良率應(yīng)控制在專(zhuān)業(yè)總?cè)藬?shù)的60%以?xún)?nèi)
（ ）中等
總評(píng)成績(jī)?cè)瓌t上應(yīng)≥70分
（ ）及格
總評(píng)成績(jī)≥60分
（ ）不及格
總評(píng)成績(jī)＜60分或答辯成績(jī)＜60分
答辯委員會(huì)主席（簽章）
采摘機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘要
目前，全世界面臨人口老齡化問(wèn)題，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力向其他行業(yè)轉(zhuǎn)移，從事農(nóng)業(yè)的勞動(dòng)力嚴(yán)重不足。果蔬主要依靠人工采摘，采摘工作勞動(dòng)強(qiáng)度大，成本高，效率低。采摘機(jī)械可對(duì)果蔬適時(shí)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(dòng)力。
本設(shè)計(jì)在查閱一定文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合各類(lèi)采摘機(jī)械的優(yōu)勢(shì)，自行設(shè)計(jì)靈活度較高、適應(yīng)性較強(qiáng)的采摘系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。主要研究?jī)?nèi)容如下：
移動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠增加采摘機(jī)械的自由度，是采摘機(jī)械實(shí)現(xiàn)大面積工作的組成部分。本設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)構(gòu)。此機(jī)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(jī)械手運(yùn)動(dòng)柔性的尺度，本設(shè)計(jì)采用具有6自由度的多關(guān)節(jié)機(jī)械手，6自由度的機(jī)械手可將末端執(zhí)行器移動(dòng)到三維空間內(nèi)適當(dāng)?shù)奈恢?，并可處于良好的姿?shì)。
末端執(zhí)行器采用自主設(shè)計(jì)的無(wú)夾持執(zhí)行末端，通過(guò)對(duì)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?yàn)閵A持力大小不能根據(jù)不同果實(shí)的柔軟程度作調(diào)整，所以會(huì)對(duì)果實(shí)造成損傷，降低采摘質(zhì)量。本設(shè)計(jì)摒棄傳統(tǒng)夾持式執(zhí)行末端，最大限度減少對(duì)果實(shí)的損傷，提高采摘質(zhì)量。
運(yùn)用有限元分析方法，基于ANSYS Workbench 15.0平臺(tái)對(duì)錐齒輪箱進(jìn)行靜力學(xué)分析，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。
關(guān)鍵詞：采摘機(jī)械，移動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)械手，末端行執(zhí)器，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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(guó)外采摘機(jī)械的研究進(jìn)展 1
1.3 國(guó)內(nèi)采摘機(jī)械的研究進(jìn)展 2
1.4 存在的問(wèn)題及解決方案 2
第二章 采摘機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 4
2.1 采摘機(jī)械總體方案 4
2.2 行走機(jī)構(gòu)方案 5
2.2.1 方案確定 5
2.2.2 結(jié)構(gòu)說(shuō)明 7
2.2.3 功能實(shí)現(xiàn) 8
2.3 機(jī)械手臂方案 8
2.3.1 方案確定 8
2.3.2 結(jié)構(gòu)說(shuō)明 9
2.3.3 功能實(shí)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(shuō)明 12
2.4.3 功能實(shí)現(xiàn) 14
2.5 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 14
第三章 部分零部件的計(jì)算與校核 16
3.1 電機(jī)的選擇 16
3.1.1 直流伺服電機(jī)負(fù)載校核 16
3.1.2 步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載校核 16
3.2 機(jī)械手尺寸的確定 17
3.3 齒輪設(shè)計(jì)及強(qiáng)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(jī)構(gòu)裝配過(guò)程 27
4.2.2 機(jī)械臂的裝配過(guò)程 28
4.2.3 末端執(zhí)行器裝配過(guò)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(jì)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(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，幅員遼闊，果蔬種類(lèi)繁多，其中蘋(píng)果、柑橘和梨是我國(guó)水果的主要種植品種，種植面積大，產(chǎn)量多，由于我國(guó)水果種植區(qū)域多為山區(qū)或丘陵地帶，大面積機(jī)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(chǎng)對(duì)果蔬時(shí)令性和新鮮度的要求[1]。
改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)不斷改善，從事農(nóng)業(yè)的勞動(dòng)力大量流入工業(yè)、制造業(yè)和服務(wù)行業(yè)。同時(shí)，我國(guó)人口老齡化問(wèn)題日益凸顯，勞動(dòng)力緊缺，果蔬采摘作業(yè)是果蔬生產(chǎn)過(guò)程中最費(fèi)時(shí)和繁瑣的環(huán)節(jié)，有些采摘作業(yè)還具有一定的危險(xiǎn)性，果蔬采摘?jiǎng)趧?dòng)強(qiáng)度大，采摘效率低，采摘質(zhì)量差，這些因素都阻礙了我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，因此研發(fā)一種能夠自動(dòng)采摘的采摘機(jī)器人是解決這些困難的“最優(yōu)解”。采摘機(jī)械能夠提高采摘效率和采摘質(zhì)量，保證果蔬及時(shí)采摘，大幅度降低果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，采摘機(jī)械的自動(dòng)化采摘不再是理論。果蔬采摘機(jī)械是一類(lèi)針對(duì)水果和蔬菜可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)采摘的自動(dòng)化收獲系統(tǒng),涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)，機(jī)器視覺(jué)，圖像處理，計(jì)算機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域[2]。國(guó)外對(duì)采摘機(jī)械的研究已近半世紀(jì)，研究水平已非常高，我國(guó)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(jī)械，對(duì)提高我國(guó)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的意義。
1.2 國(guó)外采摘機(jī)械的研究進(jìn)展
上世紀(jì)80年代開(kāi)始，美國(guó)、日本、法國(guó)、荷蘭等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始在收獲機(jī)器人上做了大量的研究[3-7]。1983年，在美國(guó)誕生了第一臺(tái)采摘機(jī)械人[8]。接著開(kāi)發(fā)了如蘋(píng)果收獲機(jī)器人，番茄收獲機(jī)器人，柑橘收獲機(jī)器人等[9]。
法國(guó)蘋(píng)果收獲機(jī)器人采用3自由度的圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手，有兩個(gè)直動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，直動(dòng)關(guān)節(jié)采用齒輪齒條來(lái)實(shí)現(xiàn)上下和水平移動(dòng)，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(gè)柔性手指，當(dāng)末端執(zhí)行器接近果實(shí)時(shí)，手指向后張開(kāi)，到達(dá)時(shí)，手指向前聚攏，果實(shí)被收攏，將其收獲。
日本京都大學(xué)的柑橘收獲機(jī)器人采用極坐標(biāo)式3自由度機(jī)械手，采用液壓裝置驅(qū)動(dòng)手腕的左右、上下旋轉(zhuǎn)和手腕的直線運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手安裝在液壓升降平臺(tái)上，升降平臺(tái)保證機(jī)械手能夠到達(dá)果樹(shù)的最高點(diǎn)。末端執(zhí)行器包括三個(gè)橡膠手指、一把剪刀和兩個(gè)氣缸。橡膠手指與橡膠執(zhí)行機(jī)構(gòu)用鋼絲相連，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)收縮時(shí)，通過(guò)鋼絲的拉動(dòng)將橡膠手指彎曲以抓住果實(shí)，此時(shí)，氣缸1驅(qū)動(dòng)剪刀伸出至果柄位置，氣缸2驅(qū)動(dòng)剪刀剪斷果柄。
荷蘭黃瓜收獲機(jī)器人由行走機(jī)構(gòu)、機(jī)械手、視覺(jué)系統(tǒng)和末端執(zhí)行器四部分組成。行走機(jī)構(gòu)主要用于機(jī)械手和末端執(zhí)行器的定位，通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)反饋的信號(hào)控制機(jī)器人的動(dòng)作。該機(jī)械手主體采用三菱RV-E2型六自由度機(jī)械手，在此基礎(chǔ)上增加了一個(gè)直動(dòng)關(guān)節(jié)，使得該機(jī)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(shí)在機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過(guò)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(gè)封閉的疤口，可相對(duì)鎖住水果水分，減慢熟化程度。
1.3 國(guó)內(nèi)采摘機(jī)械的研究進(jìn)展
我國(guó)在采摘機(jī)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(guó)研究者主要研究方向?yàn)闄C(jī)器視覺(jué)及圖像處理和控制系統(tǒng)、算法等較核心部分。機(jī)械結(jié)構(gòu)主要借鑒如美國(guó)、日本、荷蘭、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家較成熟的經(jīng)驗(yàn)，相應(yīng)作出本土化的改進(jìn)。
中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)張鐵中教授首先在我國(guó)空缺的自動(dòng)嫁接技術(shù)上做大量研究，先后開(kāi)發(fā)了自動(dòng)插接法、自動(dòng)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(jī)器人已經(jīng)做了實(shí)體采摘，該機(jī)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(yùn)用雙目立體視覺(jué)技術(shù)對(duì)番茄做定位，能夠?qū)⒎雅c周?chē)h(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(jī)器人在視覺(jué)系統(tǒng)方面做了研究,他們運(yùn)用超聲測(cè)距技術(shù)輔助機(jī)器人視覺(jué)，取得良好的效果[10]。
相對(duì)于國(guó)外，我們起步晚，投資少，發(fā)展慢。我國(guó)目前仍處于起步階段，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)許多科研院校的研究深入，也取得一定的的研究成果，同類(lèi)型的采摘機(jī)器人也在不斷地更新，本土化。
1.4 存在的問(wèn)題及解決方案
雖然國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)采摘機(jī)械做了大量的研究，但是，采摘機(jī)械仍然無(wú)法在市場(chǎng)上推廣，采摘機(jī)械只能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)發(fā)揮它的科研價(jià)值。目前仍有一些問(wèn)題阻礙了采摘機(jī)械的市場(chǎng)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(qiáng)，其對(duì)采摘機(jī)械系統(tǒng)的干擾性越強(qiáng)，比如天氣情況不好時(shí)，樹(shù)枝的搖晃方向不定，搖晃程度不定，這種情況對(duì)采摘機(jī)械手的避障能力提出巨大的考驗(yàn)，地域的差異性大，同一種機(jī)械手對(duì)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(jī)械的推廣。
2． 采摘機(jī)械的制造和維修成本高
采摘機(jī)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(rùn)相對(duì)較小，季節(jié)性工作，農(nóng)業(yè)從業(yè)者具備較少專(zhuān)業(yè)知識(shí)，這就要求采摘機(jī)械系統(tǒng)必須結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，智能化程度高，可靠性強(qiáng)，這些要求都會(huì)使采摘機(jī)械系統(tǒng)的制造成本增加。
3． 果實(shí)的損傷率較高
末端執(zhí)行器都是剛體，彈性低，而果實(shí)往往因富含水分而變得柔軟易傷。目前，人們通過(guò)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(wú)法避免抓取過(guò)程中對(duì)果實(shí)的損傷。
以上問(wèn)題都是阻礙采摘機(jī)械發(fā)展的主要的問(wèn)題，事物的發(fā)展都是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的過(guò)程，問(wèn)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(wèn)題，清除采摘機(jī)械發(fā)展的障礙，可以從以下幾個(gè)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(jī)械工作的果蔬栽培管理模式，同時(shí)優(yōu)化采摘機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)其避障能力，增加柔軟度，開(kāi)發(fā)合適的控制程序，使得機(jī)械手靈活度增強(qiáng)。
2. 采摘機(jī)械成本必須低于同結(jié)構(gòu)的工業(yè)機(jī)械，才能被市場(chǎng)接受，在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，可以?xún)?yōu)化結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)部件進(jìn)行拓補(bǔ)優(yōu)化，減少材料的使用，但又滿足設(shè)計(jì)要求。開(kāi)發(fā)開(kāi)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(duì)果實(shí)損傷的末端執(zhí)行器。
51
第二章 采摘機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
第2章 采摘機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
2.1 采摘機(jī)械總體方案
農(nóng)業(yè)采摘機(jī)械主要由移動(dòng)機(jī)構(gòu)、采摘機(jī)械臂、末端執(zhí)行器、視覺(jué)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(jì)采摘機(jī)械的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，即移動(dòng)機(jī)構(gòu)、采摘機(jī)械臂和末端執(zhí)行器這三部分。如圖2-1所示是本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖2-1 采摘機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
1.車(chē)輪 2.轉(zhuǎn)向裝置 3.電腦顯示屏 4.DGPS 5.旋轉(zhuǎn)裝置 6.機(jī)械臂 7.雙目攝像機(jī)8.末端執(zhí)行器 9.機(jī)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(jī) 14直流伺服電機(jī)
本設(shè)計(jì)是全自動(dòng)控制采摘機(jī)械，工作過(guò)程中由雙目攝像機(jī)7獲取實(shí)時(shí)圖像，傳輸至視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行圖像處理，對(duì)果實(shí)進(jìn)行識(shí)別和定位，當(dāng)視覺(jué)系統(tǒng)判定果實(shí)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(guò)計(jì)算，規(guī)劃行走機(jī)構(gòu)的行走路線和機(jī)械臂6的運(yùn)動(dòng)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?jiǎng)幼?，完成一次采摘過(guò)程。采摘成功后，果實(shí)暫時(shí)保存在末端執(zhí)行器的儲(chǔ)果倉(cāng)中，由于儲(chǔ)果倉(cāng)的體積只能容納大約三個(gè)果實(shí)，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(chǎng)調(diào)查，臍橙果樹(shù)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(shí)際情況與采摘需要，采摘機(jī)械的各項(xiàng)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(jī)械性能指標(biāo)與相關(guān)參數(shù)
參數(shù)
數(shù)值
外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）mm
1525×960×1081.5
行走機(jī)構(gòu)電機(jī)總功率/w
280
行走速度/m·s-1
1.256
機(jī)械臂最大伸長(zhǎng)高度/mm
1490
機(jī)械臂采摘半徑/mm
1201
爬坡角度/o
30
整機(jī)重量/kg
300
2.2 行走機(jī)構(gòu)方案
2.2.1 方案確定
由于植株是固定位置生長(zhǎng)在土壤中，所以采摘機(jī)械需要主動(dòng)移動(dòng)接近植株，同時(shí)采摘目標(biāo)存在于空間固定位置，必須將機(jī)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(jī)械需要有自己的移動(dòng)裝置，才能實(shí)時(shí)移動(dòng)到目標(biāo)位置。移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有車(chē)輪式、履帶式和人形結(jié)構(gòu)。車(chē)輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)彎半徑小，轉(zhuǎn)向靈活，但對(duì)于松軟地面適應(yīng)性差；履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)地面適應(yīng)性強(qiáng)，但轉(zhuǎn)向不靈活，轉(zhuǎn)彎半徑大；人形移動(dòng)機(jī)構(gòu)在粗糙底面有很好的移動(dòng)性和避免大型障礙物的能力，但其機(jī)構(gòu)復(fù)雜，控制難，不穩(wěn)定且速度低。本設(shè)計(jì)以臍橙為采摘目標(biāo)，臍橙的生長(zhǎng)環(huán)境主要在山地，地面較硬，有一定坡度，根據(jù)其生長(zhǎng)環(huán)境本設(shè)計(jì)采用車(chē)輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，為增強(qiáng)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(jì)采用四輪轉(zhuǎn)向的方式。
行走機(jī)構(gòu)的動(dòng)力電機(jī)選用型號(hào)為57BL-0730N1-LS-B直流伺服電機(jī)，其相關(guān)參數(shù)如表2-2所示。由于電機(jī)提供的轉(zhuǎn)速太大及電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不能滿足要求，所以需要對(duì)電機(jī)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(dòng)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(jī)選用57式步進(jìn)電機(jī)，其基本參數(shù)如圖2-4所示。行走部分中的錐齒輪傳動(dòng)比為1，其參數(shù)為：m=2, z=30, b=30。車(chē)輪選用減震效果好的橡膠輪胎，車(chē)輪直徑D=400mm。機(jī)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(qiáng)度高。
表2-2 直流電機(jī)參數(shù)
型號(hào)
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(dòng)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(jī)參數(shù)
型號(hào)
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(dòng)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(jī)提供動(dòng)力，齒輪轉(zhuǎn)向部分組成，轉(zhuǎn)向裝置安裝在每個(gè)車(chē)輪上，每個(gè)車(chē)輪都單獨(dú)具有轉(zhuǎn)向能力，使得本移動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)的行走動(dòng)力裝置也分散至每個(gè)車(chē)輪。動(dòng)力裝置由24V的直流伺服電機(jī)、行星減速器組成。移動(dòng)機(jī)構(gòu)的底盤(pán)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(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，還能最大限度提高材料的利用率，減少材料的浪費(fèi)。移動(dòng)機(jī)構(gòu)的剎車(chē)裝置采用電磁制動(dòng)器，電磁制動(dòng)器具有響應(yīng)快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，按控制方式分為通電式制動(dòng)和斷電式制動(dòng)。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(jì)使用斷電式電磁制動(dòng)器。如圖2-2是行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖2-2 行走機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
1.車(chē)輪 2.直流伺服電機(jī) 3.直齒輪 4.57式步進(jìn)電機(jī) 5.機(jī)架，6.平移機(jī)構(gòu) 7.行星減速器 8.傳動(dòng)軸 9.錐齒輪箱體 10.錐齒輪 11.電磁制動(dòng)器 12.轉(zhuǎn)動(dòng)軸 13.軸承 14.螺栓 15.機(jī)架支撐
2.2.2 結(jié)構(gòu)說(shuō)明
行走機(jī)構(gòu)的行走部分由直流伺服電機(jī)2、行星減速器7、傳動(dòng)軸8、錐齒輪10、錐齒輪箱體9、軸承13、電磁制動(dòng)器11、轉(zhuǎn)動(dòng)軸12和機(jī)架支撐15組成。轉(zhuǎn)向部分由57式步進(jìn)電機(jī)4、直齒輪3、支架支撐15組成。平移機(jī)構(gòu)由57式步進(jìn)電機(jī)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(jī)2與行星減速器7通過(guò)螺栓固定連接，電機(jī)輸出軸與行星減速器輸入軸過(guò)盈配合。行星減速器7和錐齒輪箱體9通過(guò)螺栓固定在機(jī)架支撐15上。行星減速器輸出端與傳動(dòng)軸8的中心孔配合，通過(guò)鍵連接實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)軸與輸出軸間的周向固定。軸承內(nèi)圈通過(guò)軸肩固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸8上，內(nèi)圈需承受一定軸向載荷，所以?xún)?nèi)圈與軸采用過(guò)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(guò)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(guò)軸肩實(shí)現(xiàn)軸向定位，錐齒輪另一端用螺母固定，采用鍵連接實(shí)現(xiàn)周向固定。電磁制動(dòng)器制動(dòng)端通過(guò)螺栓連接固定在機(jī)架支撐15上，電磁制動(dòng)器的活動(dòng)端通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸12上的彈性擋圈實(shí)現(xiàn)軸向固定，周向固定采用鍵連接。轉(zhuǎn)動(dòng)軸12與車(chē)輪1的輪轂采用螺栓連接固定。這樣通過(guò)螺栓固定的方式將整個(gè)行走部分固定安裝在機(jī)架支撐15上，機(jī)架支撐的一端安裝直齒輪3，直齒輪與機(jī)架支撐采用螺栓固定的方式連接，這樣，整個(gè)行走部分的轉(zhuǎn)動(dòng)就能與直齒輪同步。機(jī)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(guò)盈配合，外圈與機(jī)架5也采用階梯軸肩方式軸向固定，外圈與機(jī)架5過(guò)盈配合。機(jī)架5上固定安裝57式步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)輸出軸與直齒輪3過(guò)盈配合。平移機(jī)構(gòu)由57式步進(jìn)電機(jī)4提供動(dòng)力，固定安裝在機(jī)架5上，平移導(dǎo)軌也安裝在機(jī)架5上，導(dǎo)軌滑動(dòng)件用螺栓固定安裝有底板，用以支撐機(jī)械臂。導(dǎo)軌與滑動(dòng)件采用螺紋連接，螺紋桿通過(guò)聯(lián)軸器與電機(jī)輸出軸連接，將驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳送到導(dǎo)軌上。
2.2.3 功能實(shí)現(xiàn)
行走機(jī)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(hào)之后，四個(gè)車(chē)輪以相同的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)行駛到一定距離快要到達(dá)指定采摘位置時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)，同時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出斷電信號(hào)，觸發(fā)電磁制動(dòng)器，使其工作，使得采摘機(jī)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(shí)，控制系統(tǒng)向每個(gè)轉(zhuǎn)向裝置發(fā)送信號(hào)，轉(zhuǎn)向的動(dòng)力由步進(jìn)電機(jī)提供，所以控制系統(tǒng)向每個(gè)步進(jìn)電機(jī)發(fā)送相同或不同脈沖信號(hào)，使得步進(jìn)電機(jī)按照脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)相同或不同角度，最后控制每個(gè)轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)向預(yù)定的角度，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)送不同信號(hào)，就能實(shí)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(jī)械手臂方案
2.3.1 方案確定
機(jī)械手是具有類(lèi)似人類(lèi)上肢的功能，使工作對(duì)象能在空間內(nèi)移動(dòng)的機(jī)構(gòu)。機(jī)械手包括關(guān)節(jié)和桿件。在農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人中，機(jī)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(shí)位置，使其完成采摘。要求能夠?qū)?zhí)行末端移動(dòng)到每一個(gè)目標(biāo)果實(shí)處。機(jī)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(jī)械手。自由度是衡量機(jī)械手運(yùn)動(dòng)柔性的尺度，它表示機(jī)械手所具有的能夠獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)量。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)械手自由度越多，靈活度越高，但質(zhì)量大，機(jī)構(gòu)變復(fù)雜，控制難度加大。一般6自由度機(jī)械手就可以將末端執(zhí)行器移動(dòng)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(jī)械手。
機(jī)械手臂具有一個(gè)平移自由度、兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和三個(gè)擺動(dòng)自由度。如圖2-3為機(jī)械手臂示意圖?；母叨葹?89mm，大臂的長(zhǎng)度為300mm，小臂的長(zhǎng)度為375mm。大臂俯仰的角度范圍為-100o~100o，小臂的擺動(dòng)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(jī)械手臂的動(dòng)力由步進(jìn)電機(jī)提供，設(shè)計(jì)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(jī)，其相關(guān)參數(shù)如表2-5所示。機(jī)械臂的平移自由度由滑動(dòng)導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，購(gòu)買(mǎi)符合要求的滑動(dòng)導(dǎo)桿組，具體結(jié)構(gòu)如圖2-4所示?；男D(zhuǎn)自由度通過(guò)電機(jī)與齒輪實(shí)現(xiàn)。齒輪組的參數(shù)如下：傳動(dòng)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(dòng)自由度也是通過(guò)電機(jī)和錐齒輪實(shí)現(xiàn)，大臂和小臂的錐齒輪均使用相同的尺寸且傳動(dòng)比均為1。其參數(shù)如下：m=2,z=45,b=35。
圖2-3 機(jī)械手示意圖
圖2-4 滑動(dòng)導(dǎo)軌組
表2-5 步進(jìn)電機(jī)相關(guān)參數(shù)
型號(hào)
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(dòng)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(shuō)明
機(jī)械手臂由基座，大臂和小臂組成，機(jī)械臂結(jié)構(gòu)如圖2-5所示?；糠钟校夯装?、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(jī)11、小齒輪12、電機(jī)支架13組成。平移機(jī)構(gòu)用螺栓固定在機(jī)架上，平移機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)塊上安裝固定板?；装?采用螺栓連接的方式固定在滑動(dòng)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(guò)盈配合，軸承外圈與固定板6也是過(guò)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(guò)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(guò)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(jī)支架下端用螺栓固定在滑動(dòng)板上，上端固定57式步進(jìn)電機(jī)11，電機(jī)的輸出軸與小齒輪12采用過(guò)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(jī)11組成。支撐件15通過(guò)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(guò)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(guò)渡配合，外圈定位于軸承座的階梯軸肩處。錐齒輪19中一個(gè)安裝在花鍵軸20上，通過(guò)軸肩定位，在錐齒輪與大臂組成件間套上套筒，實(shí)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(gè)安裝在57式步進(jìn)電機(jī)11上，與電機(jī)輸出軸過(guò)盈配合。電機(jī)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(jī)11、電機(jī)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(guò)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(guò)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(guò)渡配合，外圈定位于軸承孔的階梯軸肩處。錐齒輪22中一個(gè)安裝在花鍵軸23上，通過(guò)軸肩定位，小臂組成件24與錐齒輪配合，實(shí)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(jī)11通過(guò)電機(jī)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(jī)輸出軸與錐齒輪22過(guò)盈配合。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)部分有：28式步進(jìn)電機(jī)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(jī)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(jī)輸出軸與十字接頭27的空心圓柱孔過(guò)盈配合，十字接頭的“十”字柱端與C型板28的十字空心柱過(guò)盈配合，使得電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)直接帶動(dòng)C型板28的轉(zhuǎn)動(dòng)。深溝球軸承26的內(nèi)圈與十字接頭27過(guò)盈配合，并通過(guò)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(guò)盈配合，通過(guò)軸承孔上的階梯軸肩定位。電機(jī)25輸出軸與十字接頭31的空心圓柱孔過(guò)盈配合，十字接頭的“十”字柱端與C型板28的十字空心柱過(guò)盈配合，在這里,C型板是固定不轉(zhuǎn)的，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得電機(jī)機(jī)身轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)25固定在固定板32上，即轉(zhuǎn)動(dòng)的是固定板32。固定板32與旋轉(zhuǎn)筒29通過(guò)螺栓連接，旋轉(zhuǎn)筒29與圓錐滾子軸承30的外圈過(guò)盈配合，圓錐滾子軸承30的內(nèi)圈與十字接頭過(guò)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(jī)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(jī) 12.小齒輪 13.電機(jī)支架 14.大臂組成板 15.支撐件 16.螺釘 17.深溝球軸承 18.電機(jī)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(jī) 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(shí)現(xiàn)
機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜的，通過(guò)控制系統(tǒng)控制每個(gè)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況來(lái)控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)。通常，當(dāng)視覺(jué)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(guò)這個(gè)坐標(biāo)值進(jìn)行計(jì)算，自動(dòng)規(guī)劃?rùn)C(jī)械臂的運(yùn)行軌跡，根據(jù)軌跡信息，對(duì)控制每個(gè)自由度的電機(jī)發(fā)送信號(hào)，電機(jī)根據(jù)信號(hào)做出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，控制系統(tǒng)發(fā)送一系列脈沖信息，信息包含電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的起始時(shí)間、方向、速度等，電機(jī)便可做出相應(yīng)的動(dòng)作，最后使得機(jī)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(jī)器人用來(lái)直接執(zhí)行各種操作和任務(wù)的器件，作為采摘機(jī)械，其末端執(zhí)行器就是執(zhí)行采摘工作的機(jī)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(zhǎng)狀況復(fù)雜,因此末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)通常被認(rèn)為是農(nóng)業(yè)機(jī)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(shí)減少對(duì)脆弱的果實(shí)的損傷，是目前有關(guān)末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)的方向。根據(jù)采摘對(duì)象，設(shè)計(jì)符合要求的末端執(zhí)行器，采摘機(jī)械的采摘對(duì)象是臍橙，其形狀似橢圓狀，一般分布在中部樹(shù)梢，果實(shí)體積較大，一般在50mm~80mm之間，容易成串生長(zhǎng)。本設(shè)計(jì)采用切斷的方式采摘，但使用旋轉(zhuǎn)嘴將果實(shí)撈攏的方式使果實(shí)定位。本設(shè)計(jì)設(shè)有臨時(shí)儲(chǔ)果倉(cāng)，連續(xù)采摘三次后再將果實(shí)放入果實(shí)收集箱中，以提高采摘效率。
末端執(zhí)行器的動(dòng)力由28式步進(jìn)電機(jī)提供，以皮帶傳動(dòng)的方式將動(dòng)力傳輸?shù)綀?zhí)行部分，皮帶傳動(dòng)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(shí)儲(chǔ)果倉(cāng)內(nèi)可容納3~4個(gè)果實(shí)，儲(chǔ)果倉(cāng)的底部設(shè)有艙門(mén)，艙門(mén)與儲(chǔ)果倉(cāng)用彈簧合頁(yè)連接，儲(chǔ)果倉(cāng)的后部安裝有電磁鎖，彈簧合頁(yè)和電磁鎖如圖2-6所示。
圖2-6 彈簧合頁(yè)和電磁鎖
2.4.2 結(jié)構(gòu)說(shuō)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(chǔ)果部分組成。采摘部分有：28式步進(jìn)電機(jī)5、電機(jī)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(jī)5用螺栓固定在電機(jī)固定架6上，皮帶輪直接安裝在電機(jī)輸出軸，與電機(jī)輸出軸過(guò)盈配合。電機(jī)固定架也用螺栓固定在臨時(shí)儲(chǔ)果倉(cāng)倉(cāng)體1上。旋轉(zhuǎn)支架13與電機(jī)支架6安裝在同一水平面上，兩者相距200mm，通過(guò)螺栓固定在臨時(shí)儲(chǔ)果倉(cāng)倉(cāng)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(wú)間隙配合，擋片9通過(guò)螺釘安裝在旋轉(zhuǎn)支架13上，軸承外圈通過(guò)擋片定位。軸承內(nèi)圈與短軸10過(guò)盈配合，內(nèi)圈通過(guò)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(guò)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(guò)軸承和軸承座14固定在與旋轉(zhuǎn)支架對(duì)齊的倉(cāng)體1的另一邊，軸承座與臨時(shí)儲(chǔ)果倉(cāng)倉(cāng)體1用螺栓固定，軸承座與軸承外圈過(guò)盈配合，軸承內(nèi)圈與短軸過(guò)盈配合，采用軸肩定位。切刀槽15用螺栓固定在臨時(shí)儲(chǔ)果倉(cāng)倉(cāng)體1上，切刀槽與倉(cāng)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(shí)儲(chǔ)果倉(cāng)部分有：臨時(shí)儲(chǔ)果倉(cāng)倉(cāng)體1、隔層4、彈簧合頁(yè)17、倉(cāng)門(mén)18、電磁鎖19組成。它們是這樣連接的：隔層4焊接在倉(cāng)體的中間，用以隔開(kāi)電機(jī)和儲(chǔ)果倉(cāng)。倉(cāng)體的下部設(shè)有倉(cāng)門(mén)18，倉(cāng)門(mén)18用兩個(gè)彈簧合
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