球形水果采摘机械手设计-简易手动手持便携式采摘机

球形水果采摘机械手设计-简易手动手持便携式采摘机,球形,水果,采摘,机械手,设计,简易,手动,手持,便携式 简易手动球形水果采摘器设计 摘 要 本课题运用制图软件对采摘器进行机构设计，可伸缩夹取式采摘机械是一种为解决人们采摘高处果实难而创新设计的工具，同时本设计大大的方便了农民工采摘油茶果的过程及采摘效率的提高。设计机构内容包括：采摘机构、可伸缩杆机构、和收集机构并用solidworks软件绘制了机构的三维图以助理解。可伸缩夹取式油茶球形果实采摘机构主要采用了采摘机携手和铝合金管可伸缩机构，采摘宽度范围较大效率高、伸缩长短可调节，采摘较灵活省力，果实由铝合金管的旁边的引导轨道滑出，最小采摘水果直径为40mm，最大采摘水果为80mm，收集极为方便省力，铝合金管可伸缩机构又使其质量较轻，便于携带，经投产和改进后可望解决农民朋友对于直径相近球形果实的采摘难题，市场前景广阔。 关键词：可伸缩性；球形水果；采摘；夹取式；机构设计。  第2章 绪论 2.1 课题背景及意义 中国是世界上最大的水果出产国，居全球13个产量超1000万吨的国家之首。水果采收作为果园生产全过程中的一个重要环节，具有季节性强和劳动密集型的特点，所用劳动力占整个生产过程所用劳动力的35％～45％[1]。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。 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。由于现代大型采摘机器太过昂贵，并且大型采摘机器仅适用于面积较大的果园大规模作业采摘，对于小作业果园而言，考虑到经济效益，不得不放弃大型机械采摘这种高效率作业。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。单纯的人工采摘，不仅效率低、劳动量大，而且极易造成果实的损伤，同时由于依靠人工作业耗时耗力导致未能在果实的最佳采摘期将其采摘下来造成经济损失[2]。针对这种现状，采用简易的人工采摘器既能降低在采摘过程中对果实果树造成的损伤又可以减轻人们的劳动强度、节省成本、提高效率。这种手动采摘器具有结构简单，容易操作，安全舒适的优点，适用于不同高度及不同大小的水果采摘，与其他大型作业采摘机器相比结构更具经济效益。加之未来人口老龄化趋势，人工成本必会上升，因此辅助人工采摘器必将具有巨大的经济效益和广泛的应用前景。 2.2 课题国内外研究现状 目前，国外水果采摘分为两种采摘方式：机械化采摘和机器人采摘。 机械化采摘：在发达国家，由于劳动力成本较高和人口老龄化等问题，在水果生产中不得不利用机械化方式代替人工进行采收作业。但是，到目前为止，真正在生产中使用机械化采收的大多还是产品以加工为目的的水果和一些不易损伤的水果，如加工成果汁的柑橘、脐橙等。以新鲜产品形式进行销售的水果，基本上还是手工采收或机械辅助采收。早在20世纪40年代初，美国、法国等一些西方国家对水果采摘机械就展开了研究。40年代中期美国开始着手研究振摇式水果采摘机械。50 年代中期，出现了用拖拉机来进行驱动的振摇采摘机 [3]。从60年代起，欧美一些国家（美国、德国）以及澳大利亚、日本等国，随着劳动力成本的日益上涨，果品收获机械正越来越广泛地应用于多种果品的采收过程中。目前，常用的果品收获机多采用振动方式使果实与植株分离。随着升降平台的出现，接着产生了各种动力切割式采摘机械，例如油锯、气动剪，大大提高了采摘效率。 机器人采摘：20世纪60年代美国最早开始研究果蔬采摘机器。随着计算机和自动控制技术的迅速发展，特别是工业机器人技术、计算机图像处理技术和人工智能技术的日益成熟，20世纪80年代中期以后，采摘机器人的研究和开发技术得到了快速的发展。以日本为代表的西方发达国家，包括荷兰、美国、法国、英国、以色列、西班牙等，在果蔬采摘机器人方面做了大量的研究开发，并且成功试验出了葡萄采摘机器人、柑橘收获机器人、番茄采摘机器人、黄瓜采摘机器人、甘蓝采摘机器人等[4-12]。由于技术、市场和价格等因素的影响，美国在自动化收获机器人的研究方面没有一个很清晰的战略，研究工作也基本处于停顿状态。 日本近年来开展了大量的收获机器人研究项目，进展很快，但收获机器人仍未能真正实现商业化。荷兰收获机器人的研究工作走在了很多国家的前面，但其涉及的果蔬种类并不多[13]。 国内，果园采收机械化的研究与应用相比也较晚。果园采摘机械从 20 世纪 70 年代才开始研究，在引进国外果园机械的同时，陆续研制成功了机械振动式山楂采果机、气囊式采果器和手持电动采果器等。 80 年代后，开始研究和制造切割型采摘器，实现使用机械装置进行采摘。 接着出现了由微型电机作为动力的切割式采摘器和振摇式采摘器。90 年代开始，出现了很多简易采摘器。用于采摘苹果、梨、桃等水果的便携式水果分级采摘器的研制改变了过去劳动强度大、水果损伤率高、劳动成本高等缺点，使果农的采摘正确率提高、时间缩短[14-16]。随着果园机械技术的进一步融合，2007 年研制出了第一台多功能果园作业机即 LG-1 型多功能果园作190业机[17]。2009 年研制出了适宜单人操作使用的枸杞采摘机[18]。 2010 年研制出了 4YS-24 型红枣收获机[19]， 我国台湾省为了在坡地果园上实施机械化，省工经营，改良发展了适合坡地作业特性的农机具，研制成功了一种自走式牵引振动采果机。我国南方水果种植园大部分处于丘陵山区地带， 受限于坡地地形，合适的采摘机械很少，基本还是靠人工采摘 ，并且在费工以及作业危险性方面的问题比平地采摘机械更突出， 需要更多的科研院所和机构投入精力开展相应地研究。 我国的水果采摘机器人的研究刚刚起步。从机械手、末端执行器、 行走装置等不同方面积极介入采摘机器人的研究和研制[20-25]。通过跟踪国外先进技术，在机器人采摘领域内取得了初步的成果，但是目前都处于实验阶段，投入农业生产实际仍需时日。我国的国家专利中有上百种的水果采摘器，包括机械式、电动式、气动式的果品采摘器，其中有的实现单方向的水果采摘，有的可改变方向能实现全方位的水果采摘。不过目前市场上商品化的采摘器品种还比较单一，且价格昂贵操作不便。 我国在农业机器人领域的研究始于20世纪90年代中期，相对于发达国家起步较晚，果蔬采摘机器人的研究还处于起步阶段。目前我国不少院校、研究所都在进行采摘机器人和智能农业机械相关的研究。东北林业大学的陆怀民研制了林木球果采摘机器人，它主要由5个自由度机械手、行走机构、液压驱动系统和单片机控制系统组成。郭峰等运用彩色图像处理技术和神经网络理论，开发了草莓拣选机器人，采用气动驱动器将草莓推到不同的等级方向。浙江大学的应义斌等人完成了水果自动分级机器人的研究开发。 纵观国内外的研究现状，发现了主要存在的两个问题： (1)虽然近些年我国采摘机械得到迅速发展，在机械产品方面出现了采摘器、动力剪枝采摘工具、多功能果园作业机械等， 但总的来说， 国内水果采收机械大多功能单一、效率不高，容易损坏果实，产量损失大，容易采摘到不熟果实，且成本较高，使果农难以接受应用。 同时再加上繁多的果实种类之间的差异，种植区域地理条件的不同，变换的果实品种的生长部位、成熟期等特点差异，都会对采收机械提出更高的要求。 因此实现水果采收机械化难度比较大，通用性不佳。 (2)国内果园的分散栽培、分户管理，农机农艺之间的不协调，几乎没有真正集中成片的适合机械化作业的大型现代化果园，生产规模小，农民素质普遍偏低等因素， 也是影响水果采收机械化实施的主要原因。因此开发研制结构简单，操作简便、成本较低、通用性好的适合于国情的小型机械化采摘器是当前研究的重点。 此外，传统的作业还存在以下弊端:一是采摘过程中作业者的人身安全问题，即手工采摘时手臂易被树枝划伤或擦破，高处作业时，还可能会摔伤。二是对果树的损伤，即对树的枝叶芽的破坏。三是对水果质量的影响，单手采摘时容易出现脱蒂，易出现抽心果，还有就是高枝水果容易掉在地上造成内外伤，影响果品的外观，不利于保鲜储藏，从而最终造成降低经济收入。目前，我国各地方政府为增强地方经济，正相继开发大量的旅游投资项目，纷纷举办各种赏果采摘节，如苹果节、桃子节等，吸引了大量游客到果园采摘旅游，享受采摘水果，品尝新鲜水果的乐趣。如果能提供一种轻巧灵便的果实摘采器，不但能让游客充分体验采摘的乐趣，而且还保障了游客的安全，保护了果农的果树不受损坏。另外，果农可以少打矮壮素等农药，生产出更多的无公害果子，减少成本投入和对环境对水果的污染，游客可以品尝到更新鲜卫生的水果。 本设计的特点和目标 本课题将进行基于伸缩式机械手臂的水果采摘装置的设计，构型简单，操作方便。采用伸缩式机械手臂，手臂长度可调，适合多种高枝水果，且便于携带，不使用时可缩短至最短的长度放置节约空间。采摘器采用手动带动夹头的方式夹住水果，进行拉拽水果，操作时只需轻轻地握住手柄就能调整采摘器的方向，适合各种位置的高枝水果，节省劳动力，提高效率。采摘下的水果能顺利进入的接收装置，再顺着传递装置，安全的到达地面。手持固定部分还可增加整个装置的稳定性，降低采摘员在长时间的操作过程中手腕疲劳程度。使用基于伸缩式机械手臂的水果采摘装置可实现各种高度各种方向高枝水果的安全采摘，方便快捷，简单实用。 采用采摘器还可以方便平时蔬果，清除坏果、次果，便于果树管理。大多数果树开的花都远远多于最后结成的果实。在气候适宜开花多的年份，如果一株成年苹果树有5%的花、桃树有15%~20%的花结的果实能达到成熟，就可以获得丰收。开花结果过多，会导致养分供不应求，不仅影响果实的正常发育，形成许多小果、次果、还会削弱树势，易受冻害和感染病害，并使翌年减产造成小年。因此，除了由于果树本身的调节能力，使发育不良的花和幼果自然脱落外，还需平时人工摘除多余的花和果，才能满足生产上的要求，俗话说:"看树定产，分枝负担，均匀留果"，只有科学合理地疏果，才能减少养分消耗，提高坐果率和水果的品质。疏除方法一般用人工，也可用适当浓度的化学药剂喷洒果树，采用化学疏除，采用人工疏除时利用基于伸缩式机械手臂的水果采摘装置能方便的进行蔬果，在平时也能方便及时的清除果树上任何部位的病果、次果，不会对好的临位水果造成物理伤害，不会出现摘除次果时砸坏或砸掉好果的现象。 基于伸缩式机械手臂的水果采摘装置有很强的兼容性。它可改造成修枝剪，目前果树的修剪必须采用专业工具完成，不仅使用不方便，还增加购买工具的开支。该采摘装置只需要把夹头换为刀片，就可以进行果树的修枝。采摘器装置还可该为农药喷头，喷头可在机械手臂的控制下，实现方向的转变，可全方位的对果树喷洒农药。  第3章 总体设计思路 3.1 本设计的内容和技术参数 3.1.1 设计内容: (1)伸缩式机械手臂:手臂简单自如地转向和收缩; (2)采摘器:实现各个方向水果准确安全的采摘; (3)接收装置:实现解决果实从高处落下收集到指定的位置; (4)传送装置:果实从高处安全顺利的传送至地面; (5)手持固定部分:增加整个装置的稳定性，降低采摘员手腕疲劳程度。 3.1.2 技术参数: (1)果树高度约3m， (2)采摘水果是球形的，直径是3cm≤D≤10cm。 3.1.3 果实采摘方式的选择 经分析要实现对油茶果实的采摘机构设计，按原理可分为抓拉式、吸附式、剪切式等类型，其各自特点如下图所示。 各类不同工作原理的采摘机构及特点 类型 优点 缺点 抓拉式 结构简单、操作方便、效率高 对枝条和花蕾伤害稍大 吸附式 定位要求低、动作灵敏 需要配备真空形成装置，笨重不方便携带，造价较高。 剪切式 结构简单，操作方便，对果实和枝条的伤害较小 定位要求高，效率较低，不方便收集。 通过老师的指导及设计要求，本机构设计采用拉抓式采摘类型进行设计。 3.2 基于伸缩式机械手臂的水果采摘装置的总体设计 基于伸缩式机械手臂的水果采摘器是一种实用新型的设计，是一种解决人们采摘高处水果难而创新设计的工具，因其用途的特殊性，其总体设计因追寻以下两大原则:(1)可操作性原则:果蔬采摘机器人操作者是知识水平较低的普通农民，不是具有机电知识的专门的技术人员，因此要求果蔬采摘机器人操作技术不能太复杂，必须具有很高可靠性和操作简单的特点。(2)经济性原则:在可操作性原则的基础上，应最大限度的控制成本。水果的生产业以个体经营为主，考虑到经济效益，采摘器的价格不能太高，否则会就很难普及。 基于伸缩式机械手臂水果采摘装置，其特征是它结构简单，重量轻便，操作方便，可适用于多方位的多种高枝球形水果的采摘。它由伸缩式机械手臂，采摘器(包括旋转机构，采摘机构)，接收装置，传送装置，手持固定部分组成。 伸缩式机械手臂的主体部分由两根套在一起的同心不锈钢外管和内管组成，由箍环连接，可实现手臂自由的伸缩和紧固。手臂上还装有控制手柄，手臂下端和手持固定部分连接。 采摘器是由旋转机构和采摘机构组成。旋转机构机构一端由闸绳，控制手柄与伸缩手臂活动链接，另一端由旋转盘与采摘机构的电动机固定连接，而旋转盘的另一端由旋转轴与采摘器头活动链接，旋转机构的设计原理和工作原理都类似于自行车的手闸系统。采摘机构由采摘头，仿形抓手组成。采摘头一端与机械手臂相连，另一端与旋转盘活动链接。 接收装置由类似篮球篮网的结构构成，位于圆形锯盘下方，安全接受采摘下的水果并输入输送装置。 水果的输送装置由伸展收缩的组织组成，上宽下窄，整个传送装置管道每隔一段设有搭扣与伸缩式机械手臂连接，保证果实从高处安全顺利的传送至地面。 手持固定部分由小肘固定套，万向稳定连杆组成，小肘固定套上有绷带和搭扣。万向稳定连杆为特殊材料制成，可向任意方向弯曲。小肘固定套可通过绷带与金属环的拉扣固定在胳膊的小肘部分，小肘固定套通过铆钉或者其他的方式与万向稳定连杆连接，万向稳定连杆另一端通过螺丝结构与伸缩手臂下端连接，下图为基于伸缩式机械手臂水果采摘装置的结构示意图， 其中1-上夹头、2-水果、3-螺栓、4-螺母、5-回位弹簧、6-引导管、7-固定夹头、8-下夹头、9-拉绳、10-引导管固定件、11-伸缩管3、12-接受装置、13-输送装置、14-伸缩管二、15-伸缩管一、16-连接盖、17-螺栓、18-螺母、19-拉手手柄、20-固定把手、21-夹头压板 图2.1基于伸缩式机械手臂水果采摘装置的结构示意图  第4章 采摘器的设计 4.1 采摘器常见种类 综合目前所有国内的关于高枝水果的采摘器的专利，我国对水果采摘装置的研究一直在不断的努力中，也取得一定的成果。要实现剪切果实的功能，可以有多种功能原理实现，按水果从果蒂分离的方式可分为吸附式、抓拉式、剪切式等。按其采摘器的驱动力方式可将其分为机械式、电动式、气压式等。 对于水果的采摘方式，多数的采摘机器人采用用刀剪断果茎或直接用手爪拧断果茎。采摘机器人在设计末端执行器(采摘器)之前，首先需要考虑采摘对象的生物特性、机械特性和理化特性，现阶段的都是专用的采摘末端执行器。为了避免碰伤果实，大多数的采摘机器人都在接触果实的手指内侧部位采用尼龙或橡胶材料。手指的数量和形状的设计与所要采摘的果实有密切的关系。一般来说，手指的数量越多，采摘的效果就越好，但控制也就越变得更复杂。所以在设计的时候要综合考虑手指的数量、控制的难度及抓取的成功率。目前研制成功多种无手指夹持的采摘机器人。荷兰的农业环境工程研究所发明了一种叫电极切割法的方式，它代替了刀剪断的方法，它是采用特殊电极来产生高温，可防止植物的感染田。日本的三重大学开发了在采摘水果时不需要直接接触到水果的本体，而只需要抓住果茎的软质水果的采摘机器人。这种机器人对于采摘果茎长度较长的的果实时效果是比较好。还有一种采摘机器人采用果梗激光切断装置，其由激光发生控制单元和果梗聚焦切断单元组成。激光发生控制单元由小型高功率光纤耦合半导体激光器、可变电阻、稳压电源、电磁阀组成，果梗聚焦切断单元由直流伺服电机、聚焦透镜、减速器、联接与支承部件组成，由聚焦透镜实现激光束的聚焦，通过直流伺服电机带动聚焦透镜的转动，以实现对果梗的定位和切断。该装置能够方便地切断果梗,并大大的降低了装置的复杂性和对夹紧力控制精度的要求。 4.2 采摘器的选择 采摘器的不同种类均有其自身的优点与缺点。吸附式虽然定位要求低、动作灵敏但是需配备真空形成装置，且对果实及枝条的伤害较大。抓拉式的结构简单、操作方便，但同样对果实及枝条伤害极大。剪切式结构简单，操作方便，对果实及枝条的伤害极小，但定位要求高。由此可见，为能顺利的操作简单的采摘水果选剪切式功能原理最为合适。机械式的虽然结构简单，但是操作并不省力，采摘效率不高。电动式采摘省力，采摘速度快，但生产成本较高。气压式整体轻便，不污染环境，能源丰富但是结构复杂，气压技术复杂。由此可见，为能简单操作方便快捷的采摘水果选电动式最为合适。 综合以上所述，采摘器选用电动的剪切式，结构简单，操作方便，对果实及枝条的伤害极小，且能减轻力气，可调节方向的设计可以很好的满足定位要求，对于各个方向的水果都能实现可靠安全的采摘。 4.3 采摘器的设计 采摘器包括旋转机构和采摘机构组成。采摘机构由采摘头，电动机，圆形锯盘组成。采摘头一端与机械手臂相连，另一端与旋转盘活动链接，电动机与旋转机构的旋转盘固定连接，圆形锯盘固定连接在电动机的转轴上。 旋转机构机构一端由闸绳，控制手柄与伸缩手臂活动链接，另一端由旋转盘与采摘机构的电动机固定连接，而旋转盘的另一端由旋转轴与采摘器头活动链接。旋转机构的设计及工作原理类似于自行车的手闸系统。拉索可用自行车刹车钢丝绳做成。旋转机构可调节圆形锯盘的方向，可采摘不同方向的水果，采摘准确方便。 4.3.1 尺寸计算 一、采摘器的选用 夹头用来夹取水果，果梗不算太硬，要求的力度不是很大，但当机械手抓住水果的轮廓后，水果会有远离刀片方向的运动，为了顺利抓取水果就需要夹取力很大。 4.3.2 采摘器的强度校核计算 3.6夹头的设计外形 据图3-6所示，为了初步确定采摘头的截面尺寸，须作以下几点假设: (l)采摘头简化为圆柱形悬臂梁; (2)整个采摘头的受力集中在采摘头的右端; (3)采摘水果时的扭矩太小忽略不计(电动机的扭矩为13.0mN.m); (4)所有内外载荷均通过截面的形心(忽略局部扭转产生的影响)。 因此采摘头的受力可以简化为图3-7的悬臂梁模型: 图3.5悬臂梁模型 图中，F为采摘头的总重量和切割水果的力之和，由于切割水果是转矩不大，计算时可忽略。根据采摘器的结构及使用条件合理取值:F=10N，L=40cm=0.4m。 则: 图3.6弯矩图 考虑到采摘器在采摘水果的实际过程中，并不是处于理想状态，所受的力产生的最大弯矩，可在理想状态的最大静弯矩前乘一动载系数k，由于采摘器采摘时的工作环境状况较好，取k=2~3，此动载系数考虑了实际操作中遇到的最大障碍时的载荷增值。如果再考虑采摘头在动载作用下将产生疲劳，对疲劳的影响可用疲劳系数来表示，此值取1.4，故动载下的最大弯矩为100Mpa，此处材料为工程塑料抗弯强度强度为200Mpa。结论:采摘头材料及尺寸结构满足强度要求。 4.4 软件建模 4.4.1 绘图软件介绍 为直观反映采摘器的旋转机构和采摘机构的构造，需要绘制出采摘器的实体模型图。这里采用了比较流行的 Solidworks软件。Solidworks是美国PTC公司研制的一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。Solidworks是一种采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角、可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。solidworks是目前计算机辅助设计中最为专业的软件之一。 4.4.2 绘图方法 该采摘器的结构较简单，solidworks绘制实体模型图时，选择好基准，合理控制尺寸，采用旋转、拉伸、扫描，倒圆角等常规方法，即可完成。 4.4.3 采摘器效果图展示 采摘机械的采摘机械手是整个机械部分的核心，难点在于机械手造型的设计以及机械手抓取的方式、移动方式的设计 机械手的三维示意图 此处的机械手的模型采用仿生学的原理，用弹簧的舒张和收缩完成果实的抓取和释放。 根据经验我们知道苹果的直径为50~80之间所以我们设计的机械手的圆弧直径为120mm这样更有利于大多数果实的抓取。  第5章 关键部位的设计与分析 5.1 机械手臂的种类 机械手臂虽然有很各种各样的结构形态，但是它们有一个共同的特点，就是能够在接受到指令时，精确地定位到三维空间或者二维空间上的某一点来进行作业，完成指定动作。目前在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事以及太空探索等领域都能见到机械手臂的身影。 图4.1机械手臂 机械手臂根据结构形式的不同分为多关节机械手臂，直角坐标系机械手臂，球坐标系机械手臂，极坐标机械手臂，柱坐标机械手臂等。水平多关节机械手臂一般有三个主自由度，Z1转动，Z2转动，Z移动。通过在执行终端加装X转动，Y转动可以到达空间内的任何坐标点。直角坐标系的机械手臂有三个主自由度，X移动，Y移动，Z移动组成，通过在执行终端加装X转动，Y转动，Z转动可以到达空间内的任何坐标点。下图为常见的六自由度机械手臂，它有X移动，Y移动，Z移动，X转动，Y转动，Z转动六个自由度组成。 图4.2机械手臂 对于工业应用来说，有时并不需要机械手臂具有完整的六个自由度，而只需其中的一个或几个自由度。直角坐标系机械手臂可以由单轴机械手臂组合而成。在产业机器人中，单轴机械手臂作为一个组件在工业中应用广泛。单轴机械手臂看似简单，只在单一方向往复运动，但在实际应用上功能各异，种类繁多。单轴机械手臂的驱动方式有:滚珠螺杆、时规皮带、齿轮齿条、液压缸、气缸等。 下图为银光机械(VinkoMachine)生产的单轴机械手臂。单轴机械手臂的组件化大大降低了工业设计的成本，因专业制造商拥有良好的质量保证和批量生产的优势，使用组件比自行设计机械手臂更具优势。常见的直交机械手组合有悬臂式，龙门式，直立式，横立式等样式。 图4.3VNKOBS-75单轴机械手 图4.4VNKO多轴组合机械手 韩国开发的苹果采摘机器人使用极坐标机械手，丝杠关节可以上下移动，旋转关节可以左右移动，从而使作业空间范围达到3mt。20世纪80年代中期日本京都大学NoboruKawamura等人研制出5自由度关节型的机械尹I珥。但是试验表明，这种机械手的工作空间并没有包括所有果实的任何位置，且它的末端执行器的可操作度比较低。到了20世纪90年代，日本岗山大学的NaoshiKondo等人通过深入研究番茄的生理、物理特性，分析机械手的工作性能，在NoboruKawamura等人基础上，研制出了7个自由度的机械手臂。机械手的自由度数是衡量机器人性能的重要指标之一。它直接决定了机器人的运动灵活性和控制的复杂性。荷兰农业环境工程研究所采用机械手的三维CAD模型很好的解决了机械手与茎杆的碰撞问题。美国佛罗里达大学开发了一种由两个转动副和一个滑动副构成的球形坐标机器人，这种机器人的摄像系统装在操作手的末端，水果的图像位于滑动轴的中心，从而只要滑动轴稍微张开一定的角度就可以很轻易的采摘到水果。 5.2 机械手臂的选择 本文设计的机械手臂是用于水果的采摘，考虑到生产实际的需要，为了便于其在果树间的运动，采用最简单的单轴伸缩式机械手臂，即为两根套在一起的同心不锈钢外管和内管，两根管由箍环连接。工作时可根据水果的不同高度任意调节，增强实用性。平时不用时可伸缩至最短的长度放置，节约空间。 5.3 机械手臂的设计 伸缩式机械手臂的主体部分由两根套在一起的同心不锈钢外管和内管组成，其中外管的内径等于或略小于内管外径。箍环安装在外管的前端口上，其能够将外管和内管相互固定在一起，可实现手臂自由的伸缩和紧固。伸缩式机械手臂的整个结构就同市面上销售的伸缩式拖把杆或挂衣杆结构。 采摘水果前，操作人员可以先按需要将箍环打开，并握住内管的前端将其从外管中抽出，等到伸缩式机械手臂的总长度，加上采摘人员的身高接近需要采摘的水果的高度时再拧紧箍环。 5.3.1 尺寸计算 采摘水果的果树的高约为三米，内外管长度为内管为一米，外管为一米五，加上采摘人员的身高(保守估计一米，高度不够时还可伸长手臂)，最长的总长度至少可到三米五。 外管的外径选用为25mm，厚度为1mm，内管能满足套住外管，外管的内径等于或略小于内管外径。内管的外径选用直径为23mm，厚度为1mm。 5.3.2 材料选择 伸缩式机械手臂在工作过程中，主要为手持控制，所以它的设计必须遵循轻量化的原则。所谓轻量化，就是在满足其性能的前提下，尽量减轻自身的重量。箍环的材料为塑料，内外管的材料为304不锈钢，表面处理为不锈钢拉丝色。 内外管的实物图如下: 图4.5内外管实物图 5.3.3 强度校核 伸缩式机械手臂的结构示意图如下图所示: 图4.6伸缩手臂示意图 据图4.6所示，为了进一步确定伸缩式机械手臂的选用是否符合实际操作，须作以下几点假设： (l)机械手臂为细长杆件，校核其稳定性，因为细长杆件常出现形式失效，并非强度不够，而是稳定性不够; (2)机械手臂的受力集中在细管的正上方，整个结构简化为一端固定一端自由的细长杆，以内管尺寸计算; (3)采摘水果时的扭矩弯矩太小均忽略不计; (4)所有内外载荷均通过截面的形心(忽略局部扭转产生的影响)。 因此机械手臂的受力可以简化为图4.7的细长压杆模型。 图4.7压杆模型 图中F为伸缩式机械手臂上所有部件的总重量和切割水果的所受力之和，其余的转矩、扭矩、外力计算时均忽略不计。根据采摘装置在采摘水果的实际过程中，并不是处于假定的理想状态，所受的力可在理想状态的情况下乘以校核系数k，由于采摘器采摘时的工作环境状况较好，取值为k=2，最后根据采摘器的使用条件合理的取值为=40N，压杆最长是稳定性最差，计算时取伸缩臂最长时的长度L=2.5m。 伸缩式机械手臂的材料为304不锈钢(0Cr18Ni9不锈钢)，304不锈钢的抗拉强度≥520MPa,，条件屈服强度≥205MPa，伸长率(%)≥40，弹性模量E为186~206GPa，比例极限=280MPa，规定的稳定安全因数为=8~10。 只有当压杆的柔度大于或等于极限值时，欧拉公式校核压杆稳定性才满足使用条件 伸缩式机械手臂简化为一端固定一端自由的压杆则，截面为圆环形(取内管的值)则截面的惯性半径100 柔度为150 因为，所以欧拉公式适用于校核伸缩式机械手臂的稳定性。 计算出伸缩式机械手臂的临界压力为:10N 伸缩式机械手臂的工作安全因数为50 所以满足稳定要求。 结论:伸缩式机械手臂材料及尺寸结构满足强度要求和稳定性要求。 5.4 软件建模 5.4.1 绘图方法 该伸缩式机械手臂结构较简单，solidworks绘制实体模型图时，选择好基准，合理控制尺寸，采用旋转、拉伸、扫描等常规方法，即可完成。 5.4.2 机械手臂效果图展示 图4.8机械手臂效果图 5.5 接收传送装置的设计 水果被采摘器顺利的采摘，不能让其自己掉在地上，造成损伤，为保证能顺利无伤害的的到达地面，必须设计接受传送装置。 5.5.1 接收装置设计原则 接收装置由类似篮球篮网的结构构成，保证能够安全的接住采摘下的水果并输入输送装置。 水果的输送装置可由伸展收缩的组织组成，上宽下窄，这样既有利于与接收装置连接，又有利于果品在输送装置内下落时有明显的缓冲力作用，可保证果品的无伤害输送。整个蔬果管道每隔一段可设有搭扣与伸缩式机械手臂连接，不但可防止被树枝挂住，保证水果的顺利输送，还可以减少阻力，避免传送带对视觉的影响。 5.5.2 材料选择 接收装置的环为椭圆形由钢丝制成，输送装置有软质布料制成，类似于高楼救生员救生时使用的柔性滑道。 5.5.3 尺寸设计 因为所采摘的水果为采直径是3cm≤D≤10cm的球形水果，水果被采摘时有一定的惯性力使得水果会有水平方向的的运动，则接收装置的直径要选用的大一点直径设为20cm。传递装置的直径为保证水果顺利传输，上宽下窄即可。 5.5.4 接收传送装置效果图 图5.1接受传送装置效果图 基于伸缩式机械手臂是用于手持，伸缩式机械手臂的长度较长为了增加整个装置的稳定性，减少采摘员在长时间的操作过程中手腕疲劳的作用，所以特别设计手持固定部分。当此采摘器安装在别的地方时可拆掉手持固定部分。 5.6 手持固定部分的组成 手持固定部分由小肘固定套，万向稳定连杆。小肘固定套的材料采用足球护膝的材料，其上有绷带和搭扣。万向稳定连杆为特殊材料材料制成，可向任意方向弯曲。 小肘固定套可通过绷带与金属环的拉扣固定在胳膊的小肘部分，小肘固定套通过铆钉或者其他的方式与万向稳定连杆连接，万向稳定连杆另一端通过螺丝结构与伸缩手臂下端连接。通过小肘固定套可以达到在长时间的操作过程中以减少手腕疲劳的作用，万向稳定杆由特殊材料制成，它可以向任何方向弯曲，而且变形的同时具有一定的支持力。 5.6.1 手持固定部分效果图 图6.2手持固定部分效果图  总结与展望 基于伸缩式机械手臂的水果采摘装置，是介于含有自主行动功能的技术含量极高且价格昂贵的机器人类型和基本属于纯机械式的过于简单的采摘器两者之间的一种采摘装置。它构型简单，操作方便，价格低廉，效率较高。采用伸缩式机械手臂，手臂长度可调，适合多种高枝水果，且便于携带，采摘器采用电动机带动到刀片转动的方式切割果梗，采摘水果速度快，节省劳动力，且采摘器的方向可调节，适合各种位置的高枝水果，采摘水果完好，保质保量，是一种值得推广的实用新型的设计。  致谢 通过这段时间的设计，我的感受很深。尤其是在最初的设计阶段，由于自己理论知识不够系统和丰富，加之缺乏设计思路，使得进展比较缓慢。幸运的是之后，在老师的悉心指导下，我逐渐的学会了独立的查阅资料，以及如何将大量的杂乱的资料系统化，并将其掌握。这一过程中得到的锻炼是自己在本次设计中得到的最大收获之一。并且在这一过程中，我发现了许多以前没有注意的问题，有些想法，方法最初看起来是可行的，但认真思考后就会发现存在很多不足之处。如此反复思考，校对才完成了本次设计任务。 本设计中有些结论的得出，本应该进行细致的计算和分析，但限于篇幅和时间，不能一一详尽。由于自己现有的能力水平有限，设计中难免有疏忽与错误等不足之处，望广大老师同学给予批评指正。  参考文献 [1] SANDERS K F．Orange harvesting systems review[J].Biosystems Engineering.2005.90(2)：115—125. 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