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1、苹果采摘简易机械手设计说明书一、引言近年来，随着农业产业机构的调整，林果生产已经成为很多地区经济发展和农民增收的支柱产业，随着种植面积的不断扩大，果园规模化发展和规范化管理的要求日益提高，从而果园机械化日益重要。果园收获机械的发展，可以减轻果农的劳动强度，提高生产效率，节约劳动成本，提高经济效益。由于我国果园作业机械研究起步较晚，基础相对较差，因此， 果园作业机械化程度和欧美等国家还是存在差距。所以，针对我国各地林果生产特点研究相应的作业机械，对林果产业的发展有重要意义。我国是世界第一大水果生产国，也是世界第一大水果消费国。水果种植业的迅速发展提升了果园机械的市场需求。采摘作业所用劳动力占整个
2、生产过程所用劳动力的 33% 50% ，目前我国的水果采摘绝大部分还是以人工采摘为主。采摘作业比较复杂，季节性很强，若使用人工采摘，不仅效率低、劳动量大，而且容易造成果实的损伤，如果人手不够不能及时采摘还会导致经济上的损失。使用采摘机械不仅提高采摘效率，而且降低了损伤率，节省了人工成本，提高了果农的经济效益，因此提高采摘作业机械化程度有重要的意义。随着现代农业机械化生产，大面积的种植果树，农民朋友的农产品获得丰收，果实的采摘问题也凸显而出，在面对果树高而无法采摘造成了苹果的摔落，因而这些苹果无法上市进行出售，为解决高空采摘苹果难，故设计此苹果采摘简易机械手来解决此问题。二项目设计的内容（1）
3、果蔬收获机器人作业环境和工作对象的特殊性工业领域是机器人技术的传统应用领域.由于在工业生产中 ,机器人的工作位置和障碍往往都能够事先预知,因此机器人的性能能得到很好的体现。和工业机器人相比,果蔬收获机器人有很多独特的特点,主要表现在 : (1)作业环境的非结构性收获机器人的工作环境往往是非结构性的、未知的和不确定的 .例如,机器人所处的地势可能崎岖不平,天气条件 (如光照 )也可能随时改变。即使在温室环境中 ,也必须考虑温度、湿度、天气以及其它环境参数的影响。在这种复杂多变的环境条件中,机器人必须具有智能化的传感、 规划和控制能力 ,要有很强的自适应能力。(2)作业对象的个体差异和随机分布性果
4、蔬收获机器人的首要任务是识别和定位水果 ,而果实有的可能单个生长,有的则是一簇一簇的 ,形状、尺寸、颜色、成熟度也都不一样 ,而且果实总是随机分布在田地、 藤蔓或树枝上 ,有的可能被茎杆和叶子遮挡,还要遇到不同的自然条件 ,如刮风可能导致果实摇动而不断改变其位置,并且果树和藤蔓的形状大小也往往不一样,从而使得机器人检测和接近果实变得异常困难。(3)作业对象的柔软、 易损性水果等作物一般都比较娇嫩、 柔软,收获时很容易遭受机械损伤 ,因此必须小心处理 .这需要从机器人结构、 传感器、控制系统等方面加以协调和控制。(4)收获机器人成本方面的特殊性农业机器人要想成功地应用,其成本必须低于同样结构的工
5、业机器人 ,因为农业的利润往往很小 ,设备也只能季节性地使用。 此外,农民一般不具备太多的专业知识.因此,收获机器人必须结构简单、 操作性好、可靠性高,并且价格合理。2 采摘机器人的制造成本高、应用推广难果蔬采摘机器人的采摘对象具有多样性,工作时间具有季节性 ,设备利用率低 ,操作对象大部分为农民 ,这就要求其要具有良好的通用性、可编程性、高可靠性和操作简单性。另外采摘机器人的使用和维护都需要相当高的技术水平和费用。只有当其使用成本低于人工收获成本时,采摘机器人才会真正被普及。 因此,成本问题将成为制约采摘机器人市场化的瓶颈问题。3 解决对策每一个事物的发展都是一个遇到问题解决问题的过程。为了
6、很好的解决以上问题,解除限制采摘机器人发展的因素,可以从以下几个方面加强探索与研究: (1)研究出一种高可靠性、 高精度的视觉系统技术 ,可以使所有成熟果实都能够识别出来并能精确地对其定位。这就需要在三维立体视觉技术、视觉传感器技术、图像获取和处理等方面进行更深入的研究。(2)可以研究适合采摘机器人工作的果蔬栽培模式,通过降低作物生长环境的非结构化和复杂性 ,便于采摘机器人的视觉定位和移动。(3)机械结构直接决定机器人运动的灵活性、平稳性和控制的复杂性。采摘机器人结构必须更加紧凑和简化,优化机器人结构。 提高机械手和末端执行器的柔性和灵巧性,成功避障 ,提高采摘的成功率 ,降低果实的损伤率。(
7、4)提高图像处理速度 ,优化软件算法 ,缩短机器视觉部分在整个采摘过程中所占用的时间 ,以提高采摘效率。(5)采用开放式的控制系统 ,提高采摘机器人的通用性。 只要改变机器人的机械本体和末端执行器 ,用一套控制系统就能完成不同果蔬的采摘,从而提高控制系统的利用率、降低成本。设计此机构有构思阶段，实际模型的建立，对实际模型数据的测量，按相应比例缩小并计算各构件的尺寸和角度。构思阶段：仿照实际生活中人手采摘苹果的运动原理进行设计。数据测量：由于此机构在设计初期，无准确数据，故本人用铁丝模拟制作了一个苹果采摘机械手，来确定相应角度和尺寸比例。 尺寸角度的确定：尺寸的确定会在下面做一详细介绍，此处构件
8、圆角处的角度的范围是85-95 度之间均可 。 （如下图）三项目设计的步骤1设计任务设计此机构的主要作用是在离地面较高而且人无法采摘，能够按照要求的尺寸来采摘符合要求的苹果（直径为110mm）从而避免了误将未成熟和较小的苹果进行采摘，既方便又安全。2设计方法设计此运动机构采用了Proe软件中拉伸扫描旋转放样等主要建模功能。3设计要求构件分三个部分：采摘可控部分，连接部分和控制部分1.确定固定圆环的直径D=110mm,在装配处确定一个基准面，按引导线切除10mm，在确定小圆 d=6mm，按大圆环的引导线扫描10mm。上图右侧与圆环基准线相交且与左侧切除扫描部分关于直径对称的孔d=4mm. 2.如
9、下图所示为圆环机械爪a.此杆长为 95mm b. 圆内接三角形，圆d=90mm 说明：在画上图 a 杆时，按直径为 12mm 画一圆，给定一路径进行扫描。在a杆下面，确定两基准面，以底部向上12mm, 进行切除。 b 图中是一直径为 90mm画圆，并作内切三角形。3.连接杆根据勾股定理：主杆连接部分长400mm ，连接杆分别为 95mm 和 350mm. 当以下两连接杆成一条直线时，为防止卡死，两连接杆的实际长度大于理论长度。4.控制转动杆在主杆距离低端约 100mm 处，连接一构件，与主杆连接处倒圆角。5.机构整体分析a. 省力，易操作。将原动力加于机械爪和圆环连接处，这样安装源动力可以减少
10、使用时操作者尽量少的握住手柄，当有苹果需要采摘时再将手柄握住，这样不但省力而且易于操作。使得机械爪始终是张开的。b. 高空作业，无需重复。在采摘苹果时，可以给圆环底部安装一个直径为110mm，长根据实际需要确定的苹果输送管。 （帆布制管子最好） 此机构可以大大减少采摘高空苹果的危险性，提高了苹果采摘的效率，有效的解决了大型果园高空苹果无法采摘（危险系数大，采摘成本高）的问题。四。设计总结1 从设计苹果采摘简易机械手的过程中，我逐渐体会到了运用Pore这个软件来设计产品的实用性，它的功能非常强大，在今后的学习中我们还要继续并不断深入的学习这个软件。2 虽然在画图的过程中我本人运用软件不熟练和不会的，也有需要同学帮忙，但我真正的理解了项目设计的真正意义。3 我设计的运动构件是我自己的想法， 所有的尺寸和角度都是按照生活实际需要按相应比例来确定的。在设计的过程中有很多不足，希望老师予以指导。4.果蔬收获是一个季节性强的劳动密集型工作,由于劳动力的高龄化和人力资源越来越缺乏 ,采用机器人进行果蔬的自动化收获变得越来越迫切。但由于收获机器人的工作环境往往是非结构性的、未知的和不确定的,因此给机器人的实际应用带来了很大的困难。要成功地实现机器人的智能化收获,必须要在机器人的本体设计、果实的自动化识别和定位、机器人运动规划和控制技术等方面进行深入的研究。
