采摘机械系统的结构设计

采摘机械系统的结构设计,采摘,机械,系统,结构设计 采摘机械系统的结构设计 任务书 姓名 学号 毕业届别 专业 毕业设计（论文）题目 采摘机械系统的结构设计 指导教师 学 历 职 称 一、具体要求： (1) 深入研究采摘机械系统的工作原理，得到其工作原理示意性图示; (2) 在采摘机械系统的工作原理基础上,提出具体机械结构方案； (3) 将采摘机械系统设计方案细化，得到零部件图纸、装配图； (4) 翻译一篇不少于2000字的英文文献，最终形成毕业论文； （5）图纸工作量要求满足毕业设计要求。 二、进度安排： 分析课题、阅读资料、撰写开题报告 3周 熟悉采摘机械系统的工作原理 3周 采摘机械系统的整体方案的确定 2周 采摘机械系统方案拟定、细化，详细设计 5周 编写设计计算说明书编写（初、终稿） 2周 评阅答辩 1周 指导教师签字： 年 月 日 教研室意见： 教研室主任签字： 年 月 日 题目发出日期 2015.12 设计（论文）起止时间 2015.12-2016.6 注： 华东交通大学毕业设计（论文）开题报告书 课题名称 采摘机械系统的结构设计 课题来源 B 课题类型 Y 导 师 学生姓名 学 号 专 业 机械设计制造及自动化 一、课题研究的背景 采摘作业所用劳动力占整个生产过程所用劳动力的33%一50%，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。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[1]。 目前国内外对采摘机械的研究主要是采摘机械手，70年代末，计算机及控制技术的迅速发展，萌生了人们对各种农业机器人的研究[3]。1983年，美国研制出第一台采摘机械——番茄采摘机，至今人们对农业机器人的研究与试验已三十多年[2]。一些发达国家如日本、美国、法国、荷兰、英国、西班牙等国成功研制及试验出多种采摘机器人，如苹果、番茄、西瓜、黄瓜等人工智能型机器人。 我国对采摘机械的研究开始于20世纪70年代，起初研制的采摘机械都是人工辅助型机械，所研制的与手扶拖拉机配套的机械振动式山楂采果机、气囊式采果器和手持电动采果器可以很好的保护果实不被损坏，但其效率低下[4]。80年代，我国开始研制切割型采摘机械，取得一定的效果。90年代开始，国内对采摘机器人技术进行研究，随着技术的不断发展和科技的创新，国内许多院校的学者开始深入研究采摘机器人技术。中国农业大学的张铁中教授在草莓、黄瓜、茄子、西红柿等果蔬采摘方面做了大量的研究，并成功研制出一系列试验机[5]。目前，我国对采摘机器人仍处于初级阶段。 采摘机器人主要由行走装置、机械手、末端执行器、控制系统及视觉识别系统组成，末端执行器类似于人们的手指，大多末端执行器采用仿生学，根据采摘对象的特征，决定末端执行器的结构，手指数量和外形根据采摘对象的外形特征设计[7]。对于采摘方式，目前国内外主要有剪断式、拧断式、吸盘式。荷兰农业环境工程研究所（IMAG）发明了一种电极切割法，利用特殊电极产生高温（1000℃）切割，可防止断口的感染[6]。日本京都大学的Noboru Kawamura 等人在80年代首先研制了五自由度关节型机械手，这种机械手自由度较低，末端执行器的可操作度低，采摘效率低。日本岗山大学Naoshi Kondo 等人于90年代在番茄采摘机器人上使用了具有7 个自由度的能够指定采摘姿态的机械手，自由度越高，其手部运动越灵活，控制越复杂。 行走装置有车轮式、履带式、人形结构，其中车轮式应用最广泛。车轮式行走机构具有转弯半径小、转向灵活等特点，但其对于松软地面和坡陡地面适应性差，影响机器手的运动精度。履带式的特点刚好相反，对地面适应性强，缺点是转弯半径过大，转向不灵活。机器视觉系统解决果实的识别和定位。 二、技术发展前景 随着计算机技术及自动化技术的不断发展，农业机器人将深入渗透农业生产的各个方面，农业机器人正朝着智能化和自动化迅速发展[8]。提高采摘作业机械化程度有重要的意义。随着农业从业者的减少及老龄化趋势不断加大，采摘机械的开发利用具有巨大的经济效益和广阔的市场前景。农业机器人将在解决劳动力不足、工人劳动力强度大等问题上体现出其绝对的优势，农业机器人也可提高工人劳动的舒适性及减轻农业化肥和农药对工人的危害，提高采摘质量、降低采摘效率、减小采摘成本，极大提高劳动生产率，能保证果蔬的适时采收[9]。提高农产品的国际地位，为我国的经济发展增强生命力。 三、课题研究的目的与意义 通过对采摘机械系统的结构设计，了解国国内外对采摘机械的研究现状及发展前景，深刻理解机械原理等所学知识，运用于设计过程，了解基本的运动结构并运用于设计中，熟悉建模软件的使用。 采摘机械在现代农业扮演着及其重要的角色，可解放劳动力，提高劳动生产率和农产品在国际社会的地位。 采摘机器人结构设计奠定了采摘机械研究的基础，为机器视觉和控制技术提供载体，是采摘机器人系统中必不可少的组成部分。机械结构使得机器视觉和控制技术有了作用对象。通过对机械结构的改善，方便机器视觉和控制技术的实施。 四、研究的内容 本课题要深入研究机械手的结构原理、行走装置的结构特点、执行末端的结构设计。包括：选择合适的基本机构形式用于行走装置中，使其具备所要求的功能和特点；机械手自由度的确定及机械结构的设计；末端执行器的功能及选用合适的驱动、合理的采摘方式、执行末端的结构优化等，研究的主要内容如下： 1采摘机械的研究背景 1.1采摘机械国外研究进展 1.2采摘机械国内研究进展 1.3采摘机械的研究现状，今后研究的方向 2 采摘机械的结构设计 2.1采摘机械总体设计方案 2.2行走装置类型选择和结构设计 2.3机械手自由度的确定及结构设计 2.4末端执行器的结构设计 2.5电机的选择及传动装置的设计 2.6零件的设计及校核 2.7零件的装配关系及功能实况 2.8采摘机械的三维装配与运动仿真 3 采摘机械的装配图和零件图 4 编写计算说明书 五、实施计划与预期目的 第1-2周 搜集资料，撰写开题报告； 第2-5周 阅读文献资料，学习几种典型的采摘机械结构方案，为自己提供思路 第6周 完成采摘机械的具体方案 第7-10周 设计采摘机械零件，并用三维软件ProE建模、装配及运动仿真 第10-11周 校核部分零件的性能指标，绘制装配图和工程图 第12-13周 编写计算说明书，准备好材料交老师初审 五、参考文献 [1]梁喜凤，苗香雯，崔绍荣，等《果实采摘机械手机构设计与工作性能分析》1423农机研究所 [2] Tanigaki, Kanae. Fujiura, Tateshil. Akase, Akira. Cherry-harvesting robot[J]. Computers and Electrocs in Agriculture, 2008,63(1): 65-72. [3]方建军.移动式采摘机器人研究进展[J].农业工程学报,2004,20(2):273-278.[4]Christopher Earls Brennen编 潘中永译.泵流体力学[M].江苏：江苏大学出版社，2012.6 [4]张洁,李艳文.果蔬采摘机器人的研究现状、问题及对策[J].机械设计，2010,27（6）：1-3. [5]汤修映,张铁中.果蔬收获机器人研究综述[Ｊ].机器人,2005,27(1):90-95. [6]张盛,李艳聪,郑爽爽等.浅析果蔬采摘机械人研究现状[J].科技创新,2015，30：48,. [7]易中懿，胡志超.农业机器人概括与发展[J].江苏农业科学，2010(2):390-393. [8]崔玉结,张祖立,白晓虎.采摘机器人的研究进展与现状分析[J].农机化研究，2007(2):4-7. [9]立彬.农业机器人的主要应用领域和关键技术[J].浙江工业大学学报,2002(30):36-411 指导老师签名： 日期： 注：课题类型请填写相应代码，如AY，BX等，其中（1）A—工程设计；B—技术开发；C—软件工程；D—理论研究；（2）X—真实课题；Y—模拟课题；Z—虚拟课题。 本科毕业设计（论文）指导教师评分表 学生姓名 学号 专业年级 设计（论文）题目 采摘机械系统的结构设计 序号 评价指标 满分 评分标准 A B C D E 1 选题难度、综合性及完成的工作量 20 20-18 17-16 15-14 13-12 11-0 2 调研、资料收集与整理、图纸、程序、设计、试验等工作完成质量 20 20-18 17-16 15-14 13-12 11-0 3 研究过程中表现出的理论水平、分析问题和解决问题的能力 10 10-9 8 7 6 5-0 4 研究过程中反映出来的创造性（改进或独立见解）、以及组织能力或团队合作能力等 10 10-9 8 7 6 5-0 5 研究过程中的工作态度、严谨的科学精神等 10 10-9 8 7 6 5-0 6 说明书、论文、试验报告等书写质量（内容完整性和结构合理性、图表规范性、语句通顺性等） 20 20-18 17-16 15-14 13-12 11-0 7 外文翻译（数量和质量） 10 10-9 8 7 6 5-0 是否同意该设计（论文）提交答辩：是（ ） 否（ ） 总分 补充说明： 指导教师（签名）： 年 月 日 指导教师姓名 职称或学位 工作单位 主要讲授课程或研究方向 注：1、请给出每项评价指标的得分（整数），并计算总分； 2、总分优秀（≥90分）比例原则上不超过20%，优良（≥80分）比例原则上不超过60%； 3、总分低于60分，或评价指标1、2、6中有一项为E级得分时，不得提交答辩； 4、补充说明栏不够用时可另加附页。 本科毕业设计（论文）评阅人评分表 学生姓名 学号 专业年级 设计（论文）题目 采摘机械系统的结构设计 序号 评价指标 满分 评分标准 A B C D E 1 选题难度、综合性及完成的工作量 25 25-23 22-20 19-17 16-15 14-0 2 调研、资料收集与整理、图纸、程序、设计、试验等工作完成质量 25 25-23 22-20 19-17 16-15 14-0 3 毕业设计（论文）中表现出的理论水平、分析问题和解决问题的能力 20 20-18 17-16 15-14 13-12 11-0 4 毕业设计（论文）中反映出来的创造性（改进性或先进性） 10 10-9 8 7 6 5-0 5 说明书、论文、试验报告等书写质量（内容完整性和结构合理性、图表规范性、语句通顺性等） 20 20-18 17-16 15-14 13-12 11-0 是否同意该设计（论文）提交答辩：是（ ） 否（ ） 总分 补充说明： 评阅人（签名）： 年 月 日 评阅人姓名 职称或学位 工作单位 主要讲授课程或研究方向 注：1、请给出每项评价指标的得分（整数），并计算总分； 2、总分优秀（≥90分）比例原则上不超过20%，优良（≥80分）比例原则上不超过60%； 3、总分低于60分，或评价指标1、2、5中有一项为E级得分时，不得提交答辩； 4、补充说明栏不够用时可另加附页。 本科毕业设计（论文）答辩委员会评分表 （小组答辩使用） 学生姓名 学号 专业年级 设计（论文）题目 采摘机械系统的结构设计 序号 评价指标 满分 评分标准 A B C D E 1 自述：条理性、正确性 20 20-18 17-16 15-14 13-12 11-0 2 问题回答的能力：正确性、概括性、逻辑性 20 20-18 17-16 15-14 13-12 11-0 3 毕业设计（论文）质量：方案的合理性、内容的正确性、结论的可靠性 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 是否同意或推荐参加学院公开答辩 是（ ） 否（ ） 答辩成绩 答辩委员会特殊说明： 负责人（签章） 年 月 日 注：1、本表填写答辩小组各成员给出的平均成绩； 2、分项分数保留一位小数，答辩成绩由各分项成绩求和后四舍五入取整数； 3、指导教师或评阅人之一不同意提交答辩者，不得进行小组答辩；根据整改情况和个人申请，答辩委员会应做出是否同意其参加学院公开答辩的决定。 毕业设计（论文）最终成绩 （参加公开答辩的同学不填写本表） 指导教师评定成绩（40%） 评阅人评定成绩（30%） 答辩成绩（30%） 百分制成绩 （ ）优秀 总评成绩原则上应≥90分，且人数应控制在专业总人数的20%以内 （ ）良好 总评成绩原则上应≥80分，且优良率应控制在专业总人数的60%以内 （ ）中等 总评成绩原则上应≥70分 （ ）及格 总评成绩≥60分 （ ）不及格 总评成绩＜60分或答辩成绩＜60分 答辩委员会主席（签章） 采摘机械系统的结构设计 摘要 目前，全世界面临人口老龄化问题，农业劳动力向其他行业转移，从事农业的劳动力严重不足。果蔬主要依靠人工采摘，采摘工作劳动强度大，成本高，效率低。采摘机械可对果蔬适时采摘，提高采摘效率和质量，降低成本，还可大量解放从事农业的劳动力。 本设计在查阅一定文献的基础上，结合各类采摘机械的优势，自行设计灵活度较高、适应性较强的采摘系统的机械结构。主要研究内容如下： 移动机构能够增加采摘机械的自由度，是采摘机械实现大面积工作的组成部分。本设计采用具有两轮转向、四轮并进、四轮转向和原地转向模式的移动机构。此机构能够适应工作范围狭窄的果蔬行间工作，其能够实现灵活转向，提高采摘工作效率。 自由度是衡量机械手运动柔性的尺度，本设计采用具有6自由度的多关节机械手，6自由度的机械手可将末端执行器移动到三维空间内适当的位置，并可处于良好的姿势。 末端执行器采用自主设计的无夹持执行末端，通过对现有的执行末端的研究，发现现有末端执行器取果方式上大多采用夹持式，因为夹持力大小不能根据不同果实的柔软程度作调整，所以会对果实造成损伤，降低采摘质量。本设计摒弃传统夹持式执行末端，最大限度减少对果实的损伤，提高采摘质量。 运用有限元分析方法，基于ANSYS Workbench 15.0平台对锥齿轮箱进行静力学分析，对其结构进行了优化。 关键词：采摘机械，移动机构，机械手，末端行执器，结构设计 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 目录 目录 第一章 绪论 1 1.1 课题研究背景与意义 1 1.2 国外采摘机械的研究进展 1 1.3 国内采摘机械的研究进展 2 1.4 存在的问题及解决方案 2 第二章 采摘机械结构方案设计 4 2.1 采摘机械总体方案 4 2.2 行走机构方案 5 2.2.1 方案确定 5 2.2.2 结构说明 7 2.2.3 功能实现 8 2.3 机械手臂方案 8 2.3.1 方案确定 8 2.3.2 结构说明 9 2.3.3 功能实现 11 2.4 末端执行器方案 12 2.4.1 方案确定 12 2.4.2 结构说明 12 2.4.3 功能实现 14 2.5 结构特点 14 第三章 部分零部件的计算与校核 16 3.1 电机的选择 16 3.1.1 直流伺服电机负载校核 16 3.1.2 步进电机的负载校核 16 3.2 机械手尺寸的确定 17 3.3 齿轮设计及强度校核 17 第四章 三维模型的建立与装配 20 4.1 零件模型的建立 20 4.1.1 零件的建模 20 4.1.2 标准件的建模 25 4.2 零件的装配 27 4.2.1 行走机构装配过程 27 4.2.2 机械臂的装配过程 28 4.2.3 末端执行器装配过程 28 4.2.4 整体装配 29 第五章 锥齿轮箱的有限元分析 30 5.1 锥齿轮箱的静力分析 30 5.2 锥齿轮箱的模态分析 34 第六章 工程经济分析 38 总结 39 参考文献 40 致谢 41 附录A 外文翻译原文 42 附录B 外文翻译译文 47 IV 第一章 绪论 第1章 绪论 1.1 课题研究背景与意义 我国是农业大国，幅员辽阔，果蔬种类繁多，其中苹果、柑橘和梨是我国水果的主要种植品种，种植面积大，产量多，由于我国水果种植区域多为山区或丘陵地带，大面积机械化种植与收获阻力巨大，所以，目前仍然采用人工种植与采摘的方式。人工采摘采摘效率低，采摘质量低，不能满足市场对果蔬时令性和新鲜度的要求[1]。 改革开放以来，我国经济结构不断改善，从事农业的劳动力大量流入工业、制造业和服务行业。同时，我国人口老龄化问题日益凸显，劳动力紧缺，果蔬采摘作业是果蔬生产过程中最费时和繁琐的环节，有些采摘作业还具有一定的危险性，果蔬采摘劳动强度大，采摘效率低，采摘质量差，这些因素都阻碍了我国农业经济的发展，因此研发一种能够自动采摘的采摘机器人是解决这些困难的“最优解”。采摘机械能够提高采摘效率和采摘质量，保证果蔬及时采摘，大幅度降低果农的劳动强度和生产成本。 随着计算机技术和自动化技术的发展，采摘机械的自动化采摘不再是理论。果蔬采摘机械是一类针对水果和蔬菜可通过编程实现采摘的自动化收获系统,涉及机械结构，机器视觉，图像处理，计算机技术等领域[2]。国外对采摘机械的研究已近半世纪，研究水平已非常高，我国的研究进展较慢，需要继续加大力度研究本土化的采摘机械，对提高我国的国际竞争力具有重要的意义。 1.2 国外采摘机械的研究进展 上世纪80年代开始，美国、日本、法国、荷兰等发达国家开始在收获机器人上做了大量的研究[3-7]。1983年，在美国诞生了第一台采摘机械人[8]。接着开发了如苹果收获机器人，番茄收获机器人，柑橘收获机器人等[9]。 法国苹果收获机器人采用3自由度的圆柱坐标式机械手，有两个直动关节和一个旋转关节，直动关节采用齿轮齿条来实现上下和水平移动，旋转关节可绕着竖直方向旋转一定角度使得末端执行器到达指定位置。其末端执行器采用多个柔性手指，当末端执行器接近果实时，手指向后张开，到达时，手指向前聚拢，果实被收拢，将其收获。 日本京都大学的柑橘收获机器人采用极坐标式3自由度机械手，采用液压装置驱动手腕的左右、上下旋转和手腕的直线运动。机械手安装在液压升降平台上，升降平台保证机械手能够到达果树的最高点。末端执行器包括三个橡胶手指、一把剪刀和两个气缸。橡胶手指与橡胶执行机构用钢丝相连，当执行机构收缩时，通过钢丝的拉动将橡胶手指弯曲以抓住果实，此时，气缸1驱动剪刀伸出至果柄位置，气缸2驱动剪刀剪断果柄。 荷兰黄瓜收获机器人由行走机构、机械手、视觉系统和末端执行器四部分组成。行走机构主要用于机械手和末端执行器的定位，通过视觉系统反馈的信号控制机器人的动作。该机械手主体采用三菱RV-E2型六自由度机械手，在此基础上增加了一个直动关节，使得该机械手具有7自由度。末端执行器由手爪和切割器组成，手爪力度保持适中，保证果实在机械手运动过程中不掉落，更不能损坏黄瓜的表皮。切割器采用电极切割法，产生高温将果梗烧断，高温使得果梗形成一个封闭的疤口，可相对锁住水果水分，减慢熟化程度。 1.3 国内采摘机械的研究进展 我国在采摘机械方面的研究始于20世纪90年代中期，由于起步较晚，我国研究者主要研究方向为机器视觉及图像处理和控制系统、算法等较核心部分。机械结构主要借鉴如美国、日本、荷兰、英国等发达国家较成熟的经验，相应作出本土化的改进。 中国农业大学张铁中教授首先在我国空缺的自动嫁接技术上做大量研究，先后开发了自动插接法、自动旋切贴合法嫁接技术。东北林业大学的陆怀民研制出的林木球果采摘机器人已经做了实体采摘，该机器人工作效率高，采摘质量好，每天能够采摘500kg，约为人工采摘的40倍。南京农业大学的张瑞合运用双目立体视觉技术对番茄做定位，能够将番茄与周围环境分离，定位效果十分突出。江苏大学纪良文、吴春笃在喷药机器人在视觉系统方面做了研究,他们运用超声测距技术辅助机器人视觉，取得良好的效果[10]。 相对于国外，我们起步晚，投资少，发展慢。我国目前仍处于起步阶段，但随着技术的不断发展，我国许多科研院校的研究深入，也取得一定的的研究成果，同类型的采摘机器人也在不断地更新，本土化。 1.4 存在的问题及解决方案 虽然国外发达国家对采摘机械做了大量的研究，但是，采摘机械仍然无法在市场上推广，采摘机械只能在实验室内发挥它的科研价值。目前仍有一些问题阻碍了采摘机械的市场推广[11]。 1． 采摘环境的非结构性 采摘环境是自然环境，存在许多非确定性因素，采摘环境十分复杂，复杂性越强，其对采摘机械系统的干扰性越强，比如天气情况不好时，树枝的摇晃方向不定，摇晃程度不定，这种情况对采摘机械手的避障能力提出巨大的考验，地域的差异性大，同一种机械手对不同区域的自然环境适应程度不同。这些都阻碍了采摘机械的推广。 2． 采摘机械的制造和维修成本高 采摘机械系统庞大，涉及多领域，其成本较高，而农业的利润相对较小，季节性工作，农业从业者具备较少专业知识，这就要求采摘机械系统必须结构简单，操作方便，智能化程度高，可靠性强，这些要求都会使采摘机械系统的制造成本增加。 3． 果实的损伤率较高 末端执行器都是刚体，弹性低，而果实往往因富含水分而变得柔软易伤。目前，人们通过在末端执行器上安装传感器感知抓取力度以防止伤果，但仍然无法避免抓取过程中对果实的损伤。 以上问题都是阻碍采摘机械发展的主要的问题，事物的发展都是发现问题和解决问题的过程，问题的发现为我们提供了研究的方向。为了能够更好的解决这些问题，清除采摘机械发展的障碍，可以从以下几个方面进行探索研究： 1. 为降低果蔬采摘环境的非结构性，可以研究适合采摘机械工作的果蔬栽培管理模式，同时优化采摘机械手的结构，增强其避障能力，增加柔软度，开发合适的控制程序，使得机械手灵活度增强。 2. 采摘机械成本必须低于同结构的工业机械，才能被市场接受，在机械结构方面，可以优化结构，同时对部件进行拓补优化，减少材料的使用，但又满足设计要求。开发开放式的控制程序，降低成本。 3. 深入研究末端执行器的结构，研发出减少对果实损伤的末端执行器。 51 第二章 采摘机械结构方案设计 第2章 采摘机械结构方案设计 2.1 采摘机械总体方案 农业采摘机械主要由移动机构、采摘机械臂、末端执行器、视觉系统和控制系统组成。根据论文的任务要求，本文只设计采摘机械的机械结构部分，即移动机构、采摘机械臂和末端执行器这三部分。如图2-1所示是本设计的结构简图。 图2-1 采摘机械结构简图 1.车轮 2.转向装置 3.电脑显示屏 4.DGPS 5.旋转装置 6.机械臂 7.双目摄像机8.末端执行器 9.机架 10.平移装置 11电源系统 12控制系统 13.57式步进电机 14直流伺服电机 本设计是全自动控制采摘机械，工作过程中由双目摄像机7获取实时图像，传输至视觉系统进行图像处理，对果实进行识别和定位，当视觉系统判定果实成熟且确定其三维坐标后，将信息导入控制系统，控制系统经过计算，规划行走机构的行走路线和机械臂6的运动路径，将末端执行器8移送到采摘位置，最后末端执行器8执行采摘动作，完成一次采摘过程。采摘成功后，果实暂时保存在末端执行器的储果仓中，由于储果仓的体积只能容纳大约三个果实，所以在连续采摘三次后，需要将末端执行器移到水果收集箱的位置，将采摘后的水果放入其中。根据现场调查，脐橙果树的高度约2m左右，脐橙的直径在50~80mm不等。赣南脐橙多种植在丘陵地带，具有一定坡度。根据实际情况与采摘需要，采摘机械的各项性能指标与相关参数如下表2-1所示。 表2-1 采摘机械性能指标与相关参数 参数 数值 外形尺寸（长×宽×高）mm 1525×960×1081.5 行走机构电机总功率/w 280 行走速度/m·s-1 1.256 机械臂最大伸长高度/mm 1490 机械臂采摘半径/mm 1201 爬坡角度/º 30 整机重量/kg 300 2.2 行走机构方案 2.2.1 方案确定 由于植株是固定位置生长在土壤中，所以采摘机械需要主动移动接近植株，同时采摘目标存在于空间固定位置，必须将机械手臂移送到相应的采摘位置，才能执行采摘任务。采摘机械需要有自己的移动装置，才能实时移动到目标位置。移动机构主要有车轮式、履带式和人形结构。车轮式移动机构转弯半径小，转向灵活，但对于松软地面适应性差；履带式移动机构对地面适应性强，但转向不灵活，转弯半径大；人形移动机构在粗糙底面有很好的移动性和避免大型障碍物的能力，但其机构复杂，控制难，不稳定且速度低。本设计以脐橙为采摘目标，脐橙的生长环境主要在山地，地面较硬，有一定坡度，根据其生长环境本设计采用车轮式移动机构，为增强其转向的灵活性，适应植株间狭窄的空间环境，本设计采用四轮转向的方式。 行走机构的动力电机选用型号为57BL-0730N1-LS-B直流伺服电机，其相关参数如表2-2所示。由于电机提供的转速太大及电机输出转矩不能满足要求，所以需要对电机输出转速进行减速，选用减速比大且体积小的行星减速器，减速器的相关参数如表2-3所示。转向装置中的直齿齿轮传动比为2，其参数为(模数m，齿数z，齿宽b)：小齿轮：m=2, z=40, b=30；大齿轮：m=2, z=80, b=35。转向电机选用57式步进电机，其基本参数如图2-4所示。行走部分中的锥齿轮传动比为1，其参数为：m=2, z=30, b=30。车轮选用减震效果好的橡胶轮胎，车轮直径D=400mm。机架选用框架式结构，用30×30（mm）空心铝合金方管焊接而成，铝合金材料质量轻，强度高。 表2-2 直流电机参数 型号 额定功率 /w 额定电压 /v 额定转速 /r/min 额定转矩 /n·m 最大转矩 /n·m 定位转矩 /n·m 质量 /kg 57BL-0730N1-LS-B 70 24 3000 0.23 0.46 0.01 0.8 表2-3 行星减速器参数 传动比 输入轴径(mm) 输出轴径(mm) 尺寸(mm) 1:50 8 14 57×57×76 表2-4 步进电机参数 型号 相数 歩距角/º 保持转矩 /n·m 定位转矩 /n·m 电压 /VDC 转动惯量/g·㎝2 质量 /kg 57BYG350BL-0601 3 0.6/1.2 0.45 0.07 24~70 100 0.5 转向装置由57式步进电机提供动力，齿轮转向部分组成，转向装置安装在每个车轮上，每个车轮都单独具有转向能力，使得本移动机构具有两轮转向、四轮并进、四轮转向和原地转向模式。由于转向装置分散，导致移动机构的行走动力装置也分散至每个车轮。动力装置由24V的直流伺服电机、行星减速器组成。移动机构的底盘采用框架式结构，由不锈钢方管焊接而成，不锈钢框架式结构不仅能够保证强度设计要求，还能最大限度提高材料的利用率，减少材料的浪费。移动机构的刹车装置采用电磁制动器，电磁制动器具有响应快，结构简单的优点，按控制方式分为通电式制动和断电式制动。为确保在突发状况或电源异常导致断电情况下的安全，本设计使用断电式电磁制动器。如图2-2是行走机构结构简图。 图2-2 行走机构简图 1.车轮 2.直流伺服电机 3.直齿轮 4.57式步进电机 5.机架，6.平移机构 7.行星减速器 8.传动轴 9.锥齿轮箱体 10.锥齿轮 11.电磁制动器 12.转动轴 13.轴承 14.螺栓 15.机架支撑 2.2.2 结构说明 行走机构的行走部分由直流伺服电机2、行星减速器7、传动轴8、锥齿轮10、锥齿轮箱体9、轴承13、电磁制动器11、转动轴12和机架支撑15组成。转向部分由57式步进电机4、直齿轮3、支架支撑15组成。平移机构由57式步进电机4和平移导轨组成。它们之间是这样连接的：直流伺服电机2与行星减速器7通过螺栓固定连接，电机输出轴与行星减速器输入轴过盈配合。行星减速器7和锥齿轮箱体9通过螺栓固定在机架支撑15上。行星减速器输出端与传动轴8的中心孔配合，通过键连接实现转动轴与输出轴间的周向固定。轴承内圈通过轴肩固定在转动轴8上，内圈需承受一定轴向载荷，所以内圈与轴采用过渡配合，外圈需承受一定的旋转载荷，所以外圈与锥齿轮箱体9孔采用过盈配合，外圈与孔采用阶梯轴套的轴向固定方式固定。锥齿轮10通过轴肩实现轴向定位，锥齿轮另一端用螺母固定，采用键连接实现周向固定。电磁制动器制动端通过螺栓连接固定在机架支撑15上，电磁制动器的活动端通过转动轴12上的弹性挡圈实现轴向固定，周向固定采用键连接。转动轴12与车轮1的轮毂采用螺栓连接固定。这样通过螺栓固定的方式将整个行走部分固定安装在机架支撑15上，机架支撑的一端安装直齿轮3，直齿轮与机架支撑采用螺栓固定的方式连接，这样，整个行走部分的转动就能与直齿轮同步。机架支撑15上安装有轴承，轴承内圈采用阶梯轴肩方式轴向定位，内圈与轴过盈配合，外圈与机架5也采用阶梯轴肩方式轴向固定，外圈与机架5过盈配合。机架5上固定安装57式步进电机，电机输出轴与直齿轮3过盈配合。平移机构由57式步进电机4提供动力，固定安装在机架5上，平移导轨也安装在机架5上，导轨滑动件用螺栓固定安装有底板，用以支撑机械臂。导轨与滑动件采用螺纹连接，螺纹杆通过联轴器与电机输出轴连接，将驱动转矩传送到导轨上。 2.2.3 功能实现 行走机构受控制系统控制执行，当控制系统发出工作信号之后，四个车轮以相同的速度转动，当行驶到一定距离快要到达指定采摘位置时，电机停转，同时，控制系统发出断电信号，触发电磁制动器，使其工作，使得采摘机械停在采摘位置进行采摘工作，当需要改变前进方向时，控制系统向每个转向装置发送信号，转向的动力由步进电机提供，所以控制系统向每个步进电机发送相同或不同脉冲信号，使得步进电机按照脉冲信号转动相同或不同角度，最后控制每个转向装置转向预定的角度，实现转向，根据控制系统发送不同信号，就能实现两轮转向、四轮并进、四轮转向和原地转向模式。 2.3 机械手臂方案 2.3.1 方案确定 机械手是具有类似人类上肢的功能，使工作对象能在空间内移动的机构。机械手包括关节和杆件。在农业采摘机器人中，机械手的任务就是将末端执行器移送到采摘目标果实位置，使其完成采摘。要求能够将执行末端移动到每一个目标果实处。机械手可分为直角坐标、圆柱坐标、极坐标和多关节型机械手。自由度是衡量机械手运动柔性的尺度，它表示机械手所具有的能够独立运动的数量。一般来说，机械手自由度越多，灵活度越高，但质量大，机构变复杂，控制难度加大。一般6自由度机械手就可以将末端执行器移动到三维空间内适当的位置，故选用6自由度的关节型机械手。 机械手臂具有一个平移自由度、两个旋转自由度和三个摆动自由度。如图2-3为机械手臂示意图。基座的高度为289mm，大臂的长度为300mm，小臂的长度为375mm。大臂俯仰的角度范围为-100º~100º，小臂的摆动范围为-110º~110º。平移的范围为-100mm~100mm。旋转的角度范围为-180º~180º。机械手臂的动力由步进电机提供，设计中根据不同部位的不同需求选用了两种大小不同的步进电机，其相关参数如表2-5所示。机械臂的平移自由度由滑动导轨机构实现，购买符合要求的滑动导杆组，具体结构如图2-4所示。基座的旋转自由度通过电机与齿轮实现。齿轮组的参数如下：传动比为2.25小齿轮：m=2, z=40, b=35; 大齿轮：m=2, z=90, b=40。大臂和小臂的摆动自由度也是通过电机和锥齿轮实现，大臂和小臂的锥齿轮均使用相同的尺寸且传动比均为1。其参数如下：m=2,z=45,b=35。 图2-3 机械手示意图 图2-4 滑动导轨组 表2-5 步进电机相关参数 型号 相数 歩距角/º 保持转矩 /n·m 定位转矩 /n·m 电压 /VDC 转动惯量/g·㎝2 质量 /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 结构说明 机械手臂由基座，大臂和小臂组成，机械臂结构如图2-5所示。基座部分有：基座底板4、圆锥滚子轴承5、固定板6、定位筒7、内齿圈8、基座筒9、基座上盖10、57式步进电机11、小齿轮12、电机支架13组成。平移机构用螺栓固定在机架上，平移机构的滑动块上安装固定板。基座底板4采用螺栓连接的方式固定在滑动板，基座底板4的圆筒上安装圆锥滚子轴承5，轴承内圈与基座底板4的圆筒过盈配合，轴承外圈与固定板6也是过盈配合，固定板6采用阶梯轴肩的方式固定轴承外圈。定位筒7通过螺栓固定在固定板6上，定位筒7成“几”型，下端与基座底板采用间隙较大的间隙配合。内齿圈8与基座筒9通过螺栓一起固定在固定板6上，基座筒9与基座上盖10用螺栓固定。电机支架下端用螺栓固定在滑动板上，上端固定57式步进电机11，电机的输出轴与小齿轮12采用过盈配合。大臂部分有：大臂组成板14、支撑件15、螺钉16、深沟球轴承17、锥齿轮19、花键轴20、57式步进电机11组成。支撑件15通过螺钉将两块大臂组成板14固定。大臂组成板的下端是花键孔，与花键轴20配合安装，花键轴20两端与深沟球轴承17内圈过盈配合，内圈定位于花键轴20的阶梯轴肩处，轴承外圈与轴承座采用过渡配合，外圈定位于轴承座的阶梯轴肩处。锥齿轮19中一个安装在花键轴20上，通过轴肩定位，在锥齿轮与大臂组成件间套上套筒，实现锥齿轮的轴向固定，锥齿轮的周向固定采用键连接。锥齿轮19的另一个安装在57式步进电机11上，与电机输出轴过盈配合。电机固定在基座上盖10上。小臂部分有：小臂组成件24、支撑件15、57式步进电机11、电机固定板18、深沟球轴承21、圆锥齿轮22、花键轴23组成。支撑件15通过螺钉将两块小臂组成板24固定。小臂组成板的下端是花键孔，上端是轴承孔。花键孔与花键轴23配合安装，花键轴23两端与深沟球轴承21内圈过盈配合，内圈定位于花键轴23的阶梯轴肩处，轴承外圈与轴承孔采用过渡配合，外圈定位于轴承孔的阶梯轴肩处。锥齿轮22中一个安装在花键轴23上，通过轴肩定位，小臂组成件24与锥齿轮配合，实现锥齿轮的轴向固定，锥齿轮的周向固定采用键连接。步进电机11通过电机固定板安装在大臂组成板上，它们之间都采用螺栓连接。电机输出轴与锥齿轮22过盈配合。旋转关节部分有：28式步进电机25深沟球轴承26十字接头27、C型板28、旋转筒29、圆锥滚子轴承30、十字接头31、固定板32组成。28式步进电机25用螺栓固定在小臂组成板24上，十字接头27一端是“十”字柱，一端是空心圆柱。电机输出轴与十字接头27的空心圆柱孔过盈配合，十字接头的“十”字柱端与C型板28的十字空心柱过盈配合，使得电机轴的转动直接带动C型板28的转动。深沟球轴承26的内圈与十字接头27过盈配合，并通过十字接头上的阶梯轴肩定位。轴承外圈与小臂组成板的轴承孔过盈配合，通过轴承孔上的阶梯轴肩定位。电机25输出轴与十字接头31的空心圆柱孔过盈配合，十字接头的“十”字柱端与C型板28的十字空心柱过盈配合，在这里,C型板是固定不转的，电机的转动，使得电机机身转动，电机25固定在固定板32上，即转动的是固定板32。固定板32与旋转筒29通过螺栓连接，旋转筒29与圆锥滚子轴承30的外圈过盈配合，圆锥滚子轴承30的内圈与十字接头过盈配合，采用阶梯轴肩定位。 a 整体结构图 b 基座结构图 c 手臂结构图 d 大臂关节结构图 e 小臂关节结构图 f 旋转关节结构图 图2-5 机械臂结构图 1. 基座 2.大臂 3.小臂 4.基座底板 5.圆锥滚子轴承 6.固定板 7.定位筒 8.内齿轮 9.基座筒 10.基座上盖 11.57式步进电机 12.小齿轮 13.电机支架 14.大臂组成板 15.支撑件 16.螺钉 17.深沟球轴承 18.电机固定板 19.圆锥齿轮 20.花键轴 21.深沟球轴承 22.圆锥齿轮 23.花键轴 24.小臂组成板 25.28式步进电机 26.深沟球轴承 27.十字接头 28.C型板 29.旋转筒 30.圆锥滚子轴承 31.十字接头 32.固定板 2.3.3 功能实现 机械手臂的运动是复杂的，通过控制系统控制每个电机的运转情况来控制机械臂的运动。通常，当视觉系统处理图像后得知采摘目标的三维坐标值后，控制系统通过这个坐标值进行计算，自动规划机械臂的运行轨迹，根据轨迹信息，对控制每个自由度的电机发送信号，电机根据信号做出相应的运动，控制系统发送一系列脉冲信息，信息包含电机转动的起始时间、方向、速度等，电机便可做出相应的动作，最后使得机械臂达到预定的姿态，完成采摘任务。 2.4 末端执行器方案 2.4.1 方案确定 末端执行器是机器人用来直接执行各种操作和任务的器件，作为采摘机械，其末端执行器就是执行采摘工作的机械部分，由于果蔬水分高且外表柔软,而它的形状大小及生长状况复杂,因此末端执行器的设计通常被认为是农业机器人的核心技术之一[12]。如何在提高末端执行器的采摘能力的同时减少对脆弱的果实的损伤，是目前有关末端执行器设计的方向。根据采摘对象，设计符合要求的末端执行器，采摘机械的采摘对象是脐橙，其形状似椭圆状，一般分布在中部树梢，果实体积较大，一般在50mm~80mm之间，容易成串生长。本设计采用切断的方式采摘，但使用旋转嘴将果实捞拢的方式使果实定位。本设计设有临时储果仓，连续采摘三次后再将果实放入果实收集箱中，以提高采摘效率。 末端执行器的动力由28式步进电机提供，以皮带传动的方式将动力传输到执行部分，皮带传动比为1。旋转嘴的一端设有齿形槽，方便果梗落入槽内切断。临时储果仓内可容纳3~4个果实，储果仓的底部设有舱门，舱门与储果仓用弹簧合页连接，储果仓的后部安装有电磁锁，弹簧合页和电磁锁如图2-6所示。 图2-6 弹簧合页和电磁锁 2.4.2 结构说明 末端执行器结构如图2-7所示，末端执行器由采摘部分和储果部分组成。采摘部分有：28式步进电机5、电机固定架6、皮带轮7、皮带8、挡板9、短轴10、皮带轮11深沟球轴承12、旋转支架13、轴承座14、切刀槽15、切刀片16。它们是这样连接的： 28式步进电机5用螺栓固定在电机固定架6上，皮带轮直接安装在电机输出轴，与电机输出轴过盈配合。电机固定架也用螺栓固定在临时储果仓仓体1上。旋转支架13与电机支架6安装在同一水平面上，两者相距200mm，通过螺栓固定在临时储果仓仓体1上，旋转支架的轴承孔安装深沟球轴承12，轴承外圈与轴承孔采用无间隙配合，挡片9通过螺钉安装在旋转支架13上，轴承外圈通过挡片定位。轴承内圈与短轴10过盈配合，内圈通过轴肩定位。短轴13的小端安装皮带轮11，皮带轮与短轴之间过盈配合，短轴的大端用螺栓连接固定旋转嘴3。旋转嘴3的另一端也与短轴螺栓连接固定，短轴通过轴承和轴承座14固定在与旋转支架对齐的仓体1的另一边，轴承座与临时储果仓仓体1用螺栓固定，轴承座与轴承外圈过盈配合，轴承内圈与短轴过盈配合，采用轴肩定位。切刀槽15用螺栓固定在临时储果仓仓体1上，切刀槽与仓体上表面成120º，安装在旋转嘴的齿形槽方向，切刀片安装在切刀槽的槽内，用螺钉固定。临时储果仓部分有：临时储果仓仓体1、隔层4、弹簧合页17、仓门18、电磁锁19组成。它们是这样连接的：隔层4焊接在仓体的中间，用以隔开电机和储果仓。仓体的下部设有仓门18，仓门18用两个弹簧合