苹果捡果器设计及创新设计

喜欢就充值下载吧。。资源目录里展示的文件全都有，，请放心下载，，有疑问咨询QQ:1064457796或者1304139763 ==================== 喜欢就充值下载吧。。资源目录里展示的文件全都有，，请放心下载，，有疑问咨询QQ:1064457796或者1304139763 ==================== 题 目 苹果捡果器设计及创新 摘 要 中国作为一个农业大国，全国果树的总产量超过了7500万吨，而随着大量青壮劳动力进城打工，果树采摘的劳动力明显不足。为推动果树种植行业进一步实现机械化，捡果器作为一种高效性、安全性的采摘过程自动化解决方案，具有非常好的市场前景和研究价值。 本课题来源农业相关捡果器——捡果器。随着捡果器技术的发展国内外开始探索相关技及先进成果应用在农业领域，其中果实采摘收割捡果器是农业领域中相对大的比重，相关捡果器随着技术进步及相关经验的成熟会为人们解放劳动力、提高工作效率等方面有不可估量的前景。 本文运用大学所学知识，设计了一款轮式捡果器，本捡果器通过轮式底部结构可自由行进并用5轴式机械臂结构可有效采摘果树上的苹果。为进一步探索苹果采摘相关捡果器的研发提供了相关经验及依据，并对进一步论证相关技术有了实验的捡果器。 关键字：捡果器、农业，苹果采摘，轮式捡果器 I Abstract As an agricultural country, China has a total output of more than 75 million tons of fruit trees. However, with a large number of young and strong workers working in cities, the labor force for picking fruit trees is obviously insufficient. In order to promote the further mechanization of fruit tree planting industry, fruit picker, as an efficient and safe automatic solution of picking process, has a very good market prospect and research value. The sources of agriculture-related topics robot - apple picking robots. With the development of robot technology at home and abroad began to explore the application of relevant technologies and advanced achievements in the field of agriculture, where the fruit harvest picking robot is agriculture relatively large proportion of the relevant robot as technology advances and experience of mature people will liberate labor force improve work efficiency and so have immeasurable prospects. In this paper, the university is knowledge, designed a wheeled robot apple picking, apple picking this wheeled robots can travel freely and bottom structure with a 5-axis robot arm structure can effectively picking apples fruit trees. To further explore the development of apple picking robot provides relevant and in accordance with relevant experience, and further related technology demonstration experiments with robots. Key words: Robot,Agriculture,Apple picking ,Wheeled robot II 目 录 摘要 I Abstract II _Toc5168242121引言 1 1.1课题的来源与研究的目的和意义 1 1.2捡果器的用途 2 1.3 捡果器特点 2 1.4本课题研究的内容 2 2 捡果器的创新设计 3 2.1 捡果器的总体方案图 3 2.2 捡果器的工作原理及方案设计 3 2.2.1.方案1方案捡果器结构简图 3 2.2.2.方案2捡果器结构简图 4 2.3 抛磨机主要零部件选型及强度校核计算 6 2.3.1大臂，小臂及连杆伺服电机设计 6 2.3.2驱动轮电机设计 7 2.3.3 轴承选型 10 2.4结构尺寸设计 10 2.4.1总体装配图设计 10 2.4.2齿轮箱盖板结构尺寸设计 11 2.4.4后轮轴的结构尺寸设计 12 2.4.5驱动电机罩的结构尺寸设计 12 2.4.6小臂底板的结构尺寸设计 13 2.4.7小臂伸缩板的结构尺寸设计 13 2.4.8电机固定盘的结构尺寸设计 13 2.4.9车面板固定架的结构尺寸设计 14 2.4.10方向固定支架的结构尺寸设计 14 2.4.11驱动齿轮的结构尺寸设计 14 2.4.12轴端盖板的结构尺寸设计 15 结论 15 致谢 16 参考文献 17 IV 1引言 1.1课题的来源与研究的目的和意义 中国作为农业大国，而农业的重要组成部分为果树业，果树产值在我国农业(种植)中位居第三位，仅次于粮食、蔬菜。农业部的统计结果显示，全国果树2003年的总产量为7551.5万吨，总占地面积为943.67公顷，都是处于世界第一的位置，并且每个人的平均占有量高达48kg以上。 我国山区多数为山区丘陵地形，面积十分广阔，大部分地区均种植果树，仅西部地区的果园面积就高达286万公顷，占全国总种植面积的31%，果产品的总产量为1837万吨。例如作为山城的重庆市，柑橘种植于2004年的面积就高达18.23万公顷，果树种植的总产量更是高达100万吨，但是其农业机械化水平仅仅为12.23%。 目前，山区丘陵地区把劳务力输出到城市作为促进农民收入增加，统筹城乡经济协调发展的一项重大举措。故此大量青壮劳动力进城打工，而留守在家的人员则是一些老、弱、病、残、妇女及儿童。水果种植具有采摘期短，劳动强度大等特点，然而外出打工的青壮年多数无法回家帮忙。高枝水果的采摘不仅对采摘人员具有较高的体力且不能独自一人完成。综上所述，山区果园种植采摘期短、难度大，短期内劳动强度大等问题亟待解决。此外，传统的果树种植作业还存着诸多弊端，主要包括以下几个方面:一是人身安全问题，即采摘过程中作业者为高处作业，可能摔伤，而且手工采摘时树枝容易划伤手臂。二是果树的损伤问题，即采摘人员在作业过程可能对果树的造成破坏。三是水果质量问题，单手采摘作业时容易出现抽心果、脱蒂等问题，且高枝上的水果容易坠落造成内外伤，影响果品的成色，卖不上价钱，从而降低果民的经济收入。目前，我国各地方政府增强地方经济为纷纷举办大量的赏果采摘节等旅游投资项目，吸引了大量游客到果园采摘旅游，游客们享受着品尝新鲜水果和采摘水果的乐趣。如果能提供一种轻巧灵便的捡果器，不仅能够保障游客的安全，而且能够让游客体会到其中的乐趣，并且保护果树不遭受损坏。 2004年6月25日，中华人民共和国第十届全国人民代表大会常务委员会第十次会议通过了《中华人民共和国农业机械化促进法》，并于2004年11月1日颁布施行。该法律的制定是为了扶持、鼓励农业生产经营组织和农民使用先进适用的农业机械，促进农业机械化、现代化。根据2009年中央一号文件指出，要加快研发适合丘陵及山区使用的轻便农机，使中国农业机械化事业可持续发展。近几年来，我国政府加大力度扶持农机装备和关键技术的研制开发，"十五"期间中央财政投入的农业机械科技攻关资金为2800万元，"十一五"时期将会超过1.4亿元。 机械化是农业发展的的根本出路，是党和国家各级人民政府，农机生产、科研、推广部门始终坚定的方向。是农村农业发展水平高低主要靠机械化水平来衡量，机械化水平的提高能够有效提高农村生产力，促进劳动力转向农村，彻底改变原有的小农经济的耕作方式。目前在机械人技术领域中，机械手臂作为一种自动化机械装置，在军事、工业制造、娱乐服务、太空探索以及医学治疗等领域得到最广泛实际应用，然而在果树种植方面机械手臂的应用尚属空缺。 根据《中华人民共和国农业机械化促进法》规定国家采取措施，鼓励和支持农机制造者增加新产品、新工艺、新技术的科研投入，并对农机的制造实施和科研开发税收优惠政策。国家大力支持相关的院校和科研机构增强对农业机械化技术的科学研究，针对不同的农民需求和农业生产条件，研究开发适用先进的农业机械，支持农业推广相结合、教学与生产、机械科研，促进使农业机械适应于农业生产技术的发展要求。伴随着高速发展的制造业和大幅提高的农业机械化普及程度，使用机械采摘的方式代替手工采摘已经成为必然的发展趋势。现阶段捡果器存在两种极端:一种是技术含量极高的具有自主行动功能的捡果器，这种类型的捡果器价格极高，丘陵地区小型果园的果农一般无能力购买;另一种是单纯的机械式捡果器，由于这种类型的采摘器结构过于简单，不能够达到提高采摘效率，减轻作业者的劳动强度的目的。综上所述，目前果树种植行业急需一种不仅价格便宜而且操作方便，能够提高采摘效率的捡果器。 捡果器可有效的解决采摘过程的高效性、操作过程的安全性、劳动力分配，果树管理等问题，具有非常好的市场前景。在国家优惠政策的支持和鼓励下，果树种植行业将进一步实现机械化。随着我国高速发展的制造业和大幅提高的农业机械化普及程度，捡果器终究会取代手工作业。 1.2捡果器的用途 本文所设计的捡果器虽然目前尚不能够完全取代人工作业，但是它不仅奠定了农业采摘相关技术的实践基础，而且为其进一步研发提供了可操作的实验平台，很好的验证了累积相关制作技术。 1.3 捡果器特点 本文所设计捡果器是一种电机驱动轮式5轴捡果器，整体结构主要包括三自由度带夹持器的机械臂和两自由度的移动载体。本捡果器主体材料为工程塑料和铝板材料，使得其结构更加轻巧，实用更加便捷。 移动底盘： 本文设计的捡果器移动底盘选用农用拖拉机式移动小车，以便适应开放且多变的苹果园地面环境。上面还加装了主控电路板，多种传感器，采摘辅助装置，电源模块等装置。 传动结构： 本文设计的捡果器传动结构主要包括机械手腰部，大臂和小臂部分。其转动驱动源均采用交流伺服电机，选用行星齿轮减速器对电机进行减速，同时有效提高最终的输出扭矩。直接选用电动推杆作为小臂伸缩的部件，在伸出杆的末端通过螺丝连接相应旋转法兰盘组件与末端执行器固连。末端执行器初步选定使用夹持机构将果实夹紧并采摘。 1.4本课题研究的内容 本论文主要研究设计一款轮式捡果器，本捡果器可更加方便准确地采摘果树上的苹果。为进一步探索苹果采摘相关捡果器的研发提供了相关经验及依据，并对进一步论证相关技术有了实验的捡果器。 2 捡果器的创新设计 2.1 捡果器的总体方案图 根据设计要求确定捡果器的总体结构简图如图1所示。 图1 其中设备总体可分10部分，1部分为控制部分、2传感器组件、3行走小车组件、4捡果器腰部组件、5大臂辅助组件、6大臂组件、7小臂之电动伸缩组件、8小臂组件、9旋转法兰组件、10末端执行器。各部分均由电机驱动并通过齿轮、轴以及电动缸等装置进行有效的链接配合产生要求的作用。其中控制部分主要包括集中控制线路和蓄电池，通过传感器接受信息并处理运动、工作、执行命令等相关动态信息，并及时有效地指挥捡果器采摘苹果。 2.2 捡果器的工作原理及方案设计 为了达到捡果器高效、便捷采摘苹果的目的，个人制作了两种方案并对其进行比较。 2.2.1.方案1方案捡果器结构简图 动力源： 该捡果器采用伺服驱动系统作为动力源，它具有为捡果器提供动力并且控制其按照运动控制器的指令到达预定位置的作用。因为交流伺服电动机具有诸多优点，主要包括惯量小、无电刷和换向器 、适应于高速大转矩等，因此该捡果器的四个关节动力源均采用交流伺服电动机，且在交流电动机前增设逆变器将直流电转变为交流电。通过对多种交流伺服系统的使用性能和经济性进行综合考虑, 本设计方案选用日本安川公司 ∑-Ⅱ系列。 传动方式的选择： 捡果器关节需要动力是大转矩、低转速,而交流伺服电动机驱动系统输出的动力是低转矩、高转速。因此, 需要通过在交流伺服电动机后串接谐波减速器结合齿轮机构作为捡果器腰关节、腕部和小臂的传动方式。 为辅助控制程序，本设计方案增设以伺服电机进行控制的连杆机构，从而使传动稳定性和控制灵活度达到提高。 接近机构设计 本设计方案的接近机构主要包括由机架、滑块、直线步进电动机的丝杠螺母结构、和导杆四部分。 夹持机构 本方案设计的夹持机构主要包括滑块、直线步进电动机的丝杠螺母结构和机架三部分。 旋转采摘机构 本方案设计的旋转采摘机构主要包括连接件Ⅰ、连接件Ⅱ和安装在腕部的减速步进电动机三部分。减速步进电动机机体通过机架Ⅱ与连接件Ⅰ固联，减速步进电动机输出轴通过机架Ⅰ与连接件Ⅱ固联，减速步进电动机旋转使连接件Ⅱ相与连接件Ⅰ相对转动。通过脉冲数的设定改变减速步进电动机的旋转角度，本方案选用的电动机的最大扭矩最大为6N•m。 2.2.2.方案2捡果器结构简图 整体结构： 该设计方案的整体结构由具有2个自由度的移动载体和具有3个自由度带夹持器的机械臂两部分构成。此捡果器主体材料为工程塑料和铝板材料，使得其结构更加轻巧，实用更加便捷。移动底盘： 本设计方案的移动底盘选用履带式移动小车，能够与多变且开放的苹果园地面环境相适应，作为。此外，还增设了多种传感器，采摘辅助装置，主控电路板，电源模块等装置。 传动结构： 本设计方案的传动结构由机械手腰部，大臂，小臂三部分构成。其转动驱动源均采用交流伺服电机，并在电机钱增设逆变器，选用行星齿轮减速器来降低电机速度，同时使最终输出扭矩实现提高。小臂伸缩的部件为电动推杆，在伸出杆的末端使用螺丝连接相应末端执行器与法兰盘相固连。 末端执行器： 末端执行器初步选定使用夹持机构将果实夹紧，再利用剪刀将果柄剪断，这种方法需要精确的检测果柄的位置，之后通过精确调整末端执行器的位置和姿态，其系统的控制难度稍难。 其主要通过接近机构，切割机构，夹持机构，动力源，传感控制系统组成。 接近机构设计: 本设计方案的接近机构包括电动机的丝杠螺母结构、导杆、机架、和滑块四部分。 夹持机构： 本设计方案夹持机构包括机架、电动机的丝杠螺母结构及滑块三部分。 切割机构： 本设计方案切割机构包括刀架和双面刀片两部分。 2.2.3.方案比较 上述两种方案中，方案1采用了传动方式为底盘-支持机构-腰关节-肩关节-肘关节-末端执行器的传统机械手臂结构，而方案2采用的传动方式为底盘-支持机构-大臂-小臂-末端执行器且通过连杆辅助大臂。将方案1与方案2进行比较可以得出，方案1的传动过程有三个阶段，传动过程较为复杂，且稳定性较差，此外对于3个传动关节还需要较高的要求的程序控制。而方案2由于采用了连杆作为辅助，只有小臂和大臂两个传动关节，只需要要求较低的控制系统，并且连杆装置的增设使其稳定性更强，控制能力也更加灵活。 此外，两种方案的另一种不同点为采摘方式不同，方案1采用旋转采摘法，此方法首先通过机构系统夹持果实，之后通过旋转的方式使果实与果柄分离，最终完成果实的采摘过程。而方案2采用刀片切割法，此方法通过夹持机构夹紧果实，之后通过刀片这种切割机构对果柄进行切割，使果实与果柄实现分离，最终完成果实的采摘过程。这两种方案均需要判断果实的具体位置，方案1不需要判断果柄的准确位置，而方案2则需要精准地判断，这就需要精度更高传感系统，从这点上看，方案1更优。然而方案1采用的旋转采摘方式容易对果实造成损伤，而方案2采用的刀片切割方式则可以使果实的完整性得到保证，从这点上来讲，方案2更优。同时方案1采摘方式的成功率明显低于方案2，因为各个果实连接程度的差异性导致了如果旋转采摘的强度和次数固定在某一个范围内则不能保证每个果实都采摘成功。因此综合考虑，选择方案2较优，选定方案2工作原理。 方案2由机械手腰部，大臂和小臂三部分构成。其转动驱动源均采用交流伺服电机，选电机减速通过行星齿轮减速器实现，同时使最终的输出扭矩得到提高。小臂伸缩通过电动推杆实现，在伸出杆的末端使用螺丝连接相应末端执行器与法兰盘相固连。末端执行器初步选定使用夹持机构将果实夹紧并采摘。 2.3 抛磨机主要零部件选型及强度校核计算 2.3.1大臂，小臂及连杆伺服电机设计 首先，本文设计的捡果器是一种五自由度串联关节型捡果器，包括腰部转动，腰部升降，小臂伸缩，小臂摆动，大臂俯仰等五个自由度，自由度配置为P-RRR-P。 机械手尺寸大致规格如下： 1.）题设中给出，苹果的重量为1KG，工作最高高度为3m(即b为3m)，工作半径为1.5m 从图中可以初步定义，小车高度，腰部，大臂，小臂，伸缩行程，末端执行器的长度依次为d1，L2,L3,L4,d5和Lm,具体实际情况和捡果器学原理可知： 根据仿生学原理，大臂长度应等于小臂加上末端执行器长度0.3，因此： L3=L4+Lm=L4+0.3m 由于结构限制，小臂伸缩的行程应小于或等于小臂长度的一半,再加上伸缩其他结构长度： d5=1/2*L4=0.45m 由于捡果器具体参数需要通过Matlab仿真，这里初步算出： d1=0.68m L3=0.62m L2=1.2m l4=0.9 d5=0.45 2.）而苹果的重量为1kg 。末端执行器及旋转法兰组件重量为4kg。 其中减速机减速比k为100、电机转速n为100 ，则根据扭矩与功率公式： 小臂的最大转矩为： T=（0.9+0.45）*9.8*5=66.15 N·m 由此带入可得P=0.4KW电机，安全系数选S=2 *S=0.4kw 根据国标，安全系数选2 ，可选用1台3000转0.4KW司服电机，减速比100的减速机。 苹果、末端执行器、旋转法兰组件小臂重量为10kg。 大臂的最大转矩为： T=（0.9+0.45+1.2）*9.8*10=249.9 N·m 由此带入可得P=0.4KW电机，安全系数选S=2 *S=0.8kw 根据国标，安全系数选2 ，可选用1台3000转伺服1KW,MSMJ-10-2电机，减速比100的减速机。 2.3.2驱动轮电机设计 通过驱动轮直径、运行速度V、捡果器质量M 可以计算出驱动电机的功率 [27]。对捡果器进行受力分析和计算时，假设捡果器沿直线加速行驶在平地上，且忽略在行驶过程中捡果器所受到的空气阻力。 如图2.3所示，采用分离法建立的驱动轮的受力模型中， 1 M 代表作用于驱动轮的驱动力矩，P 1代表驱动轮上的载荷， G 1代表驱动轮的重力，N 1 代表地面对驱动轮的法向反作用力，F1 代表地面对驱动轮的切向反作用力， f1 代表驱动轴对驱动轮的阻力。假设在加速过程中，轮子作瞬时纯滚动。 可以得出驱动轮的力的平衡方程为： 实际驱动力要克服三种部分阻力，即由驱动轮本身的滚动阻力、驱动轴传来的阻力和驱动轮本身的加速阻力。而后者而后者又由旋转质量产生的加速阻力和由平移质量产生的加速阻力组成。 从动轮的受力模型如图 2.4所示，。其中，P 2表示从动轮上的载荷，F 2代表地面对从动轮的切向反作用力，G 2代表从动轮的重力，f2代表动轮的推力，N2代表地面对从动轮的法向反作用力。通过对从动轮进行受力分析，得出其受力平衡方程为： 通过对车体进行受力分析，得出其受力平衡方程为： 通过联立公式2.3、2.4和2.5得出： 由此可知，捡果器的驱动力用来克服捡果器平移质量的加速阻力、车轮旋转质量的加速阻力和车轮的滚动阻力。因此滚动阻力必须小于驱动力才能加速行驶，若滚动阻力大于驱动力捡果器则无法启动，所以有 上式中、N1，N2分别代表地面对轮子的法向作用力，M1由车体和轮子的质量所决定，根据上述关系式得出电机的输出转矩。 根据上式得出电机的功率,其中，K代表安全系数。 取小车车体的质量为60Kg，驱动轮的直径为280mm，假设行走速度是1m/s，安全系数K是2，则可选择电机的功率约为 横向轨道驱动电机所带动重量为 G总==588N 轮子需要克服摩擦力为 =11.76N 其中T=1.7 移动速度约为1m/s，两驱动轮的直径为280mm，则后轮的转速为： 计算得出 68r/min ，电机实际转速为3000rpm，因此传动比约为45，因此选择型号为26/1S 45：1 的减速箱. *S=40w 根据实际需求和结构要求，选择科尔摩根AKM系列伺服交流电机系统。 2.3.3 轴承选型 在轴承参数的选取过程中，不仅需要考虑轴径因素，还要对轴承性能加以考虑，包括其寿命、可靠度（即轴承的寿命达到或者超过规定值的概率）、额定寿命、基本额定寿命、静载荷、动载荷、基本额定载荷等。其中，最关键的因素包括轴承工作转速、旋转精度、允许空间、载荷大小和方向、轴承刚性（磙子轴承刚性一般要大于球轴承）、轴向游动、以及安装和拆卸。本设计选用d=32mm的非标轮毂轴承，因为其不仅能承受轴向载荷还要承受径向载它，不仅能够承载重量而且能够为轮毂的转动提供精确引导。 2.4结构尺寸设计 通过以上两种方案的对比得出较优的捡果器结构，通过模拟运算得出捡果器的结构尺寸，其结构尺寸如下： 2.4.1总体装配图设计 2.4.2齿轮箱盖板结构尺寸设计 2.4.3大臂枝干的结构尺寸设计 2.4.4后轮轴的结构尺寸设计 2.4.5驱动电机罩的结构尺寸设计 2.4.6小臂底板的结构尺寸设计 2.4.7小臂伸缩板的结构尺寸设计 2.4.8电机固定盘的结构尺寸设计 2.4.9车面板固定架的结构尺寸设计 2.4.10方向固定支架的结构尺寸设计 2.4.11驱动齿轮的结构尺寸设计 2.4.12轴端盖板的结构尺寸设计 结论 经过这段时间的毕业设计，我不仅学会了如何把握设计的方法以及步骤，对所用到的知识进行了更加深入的自学和复习，还收获了项目研究的宝贵经验与启示。在毕设过程中为了使用各类软件、查找资料、设计图纸，经常会遇到各种不明白的问题，得到了老师和同学的热心帮助和耐心指导，从而保障了毕设的顺利完成。本文开展的是全自动捡果器的设计与创新，经过初期开题、查阅资料和开展设计，我更加系统地了解到了相关知识的重要性，深刻体会到做一门学问的不易，这个过程需要不断的钻研和进取。最后，本设计是在老师和同学的无私帮助下完成的，非常感谢所有帮助过我的老师和同学，是你们的帮助才使这篇论文得以通过。 致谢 至此在论文完成之际，向我的导师表示由衷的感谢！真心的感谢我的导师这几年来对我的谆谆教导，感谢我敬爱的老师，您不仅在学习学业上给我以精心的指导，同时还在思想给我以无微不至的关怀支持和理解，给予我人生的启迪，使我在顺利地完成大学阶段的学业同时，也学到了很多有用的做人的道理，明确了人生目标。知道自己想要什么了，不再是从前那个爱贪玩的我了。导师严谨求实的治学态度，锐意创新的学术作风，认真加负责，公而忘私的敬业精神，豁达开朗的宽广胸怀，平易近人。经过近半年努力的设计与计算，查找了各类的全自动捡果器的设计资料，论文终于可以完成了，我的心里无比的激动和开心。虽然它不是最完美的，也不是最好的，但是在我心里，它是我最珍惜的，因为我自己已经尽力的做了，它是我用心、用汗水成就的，也是我在大学四年来对所学知识的应用和体现。四年的学习和生活，不仅丰富了我的知识，而且锻炼了我的个人能力，更重要的是从周围的老师和同学们身上潜移默化的学到了许多有用的知识，在此对所有关心我帮助我的表达我由衷敬意，谢谢各位同学老师。 参考文献 [1]金清肃，机械设计课程设计（第一版）[M].武汉：华中科技大学出版社，2007.10 [2]濮良贵，纪名刚.机械设计(第八版)[M].北京：高等教育出版社，2006.5 [3]吴宗泽，机械设计使用手册（第二版）.北京：化学工业出版社，2003.10 [4]吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册(第三版).北京:高等教育出版社,2006.5 [5]张春林，曲继方，张美麟.机械创新设计.机械工业出版社，2001.4 [6]曾孔庚.全自动捡果器的发展趋势. 全自动捡果器技术与应用论坛。 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