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温室收获机器人自动导向车车身设计(机械部分设计)

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内容简介:
读书报告温室收获机器人自动导向车车身设计研究自动导向车的车身设计,从而为自动导向车的转向总成和驱动总成提供合理的转配空间,并且研究升降工作台的可操作方式以及加工制造方面的问题。自动导向车车身的设计使得自动导向车能够在温室相对狭小的环境里灵活地将升降工作台载至指定地点,通过升降台的升降过程将车载机器人提升至需求高度,通过机器人完成对果实的采摘。其意义在于在温室相对特殊的环境里,设计出能够适应环境的收获机器人平台,最大程度地提高收获机器人的收获效率,实现果实采摘的无人化作业。向车车身方面的设计方案及其理论,融合了有关的设计经验,采用类似于汽车底盘形式的车架,合理地设计了与导向车转向总成以及驱动总成之间的联接,同时也为自动导向车其它设备的安装和整车的再开发留下了空间。车载升降台方案中采用螺旋传力,通过丝杆的转动将转矩转化为轴向力,再通过铰链机构产生升降台的升降过程。这种设计避免了液压升降和齿轮齿条传动升降机构的复杂性以及其在尺寸方面的要求,同时也达到了传动平稳、结构合理的理念。考虑到自动导向车实际载重和尺寸的要求,选择蜗杆减速器作为减速器作为减速器方案。蜗杆减速器的使用克服了齿轮减速器和蜗杆齿轮减速器的尺寸较大的缺陷,同时也达到了传动比较大、传动平稳的要求。整车设计采用车体上下分离的结构,便于自动导向车其它设备的安装和整车的再开发。由于车身后半部驱动总成和蜗杆减速器的存在,将升降工作台安装在车体的前部,达到了整车的总体平衡。在车身的前端还设置车体挡板,避免了导向车直接和障碍物发生碰撞。整车设计借鉴了有关自动导向车的设计经验,同时也参考了现有的自动导向车,并且融合了自己的创新设计思想,最终完成了自动导向车的整体设计方案。传统种植的作物果实通常被叶子遮盖,要确定果实的位置对机器人来说是比较困难的。此外,根茎和叶子又成为机械手靠近果实的障碍物,加之果实的茎秆与植物的主枝靠得特别近,在收获过程中可能一块被切断。因此必须研究出一种新的适合黄瓜果实探测与采摘的种植模式,即新的高拉线种植模式,在该模式中每一株植物缠绕在垂直拉线上,该垂直拉线绕在一个线轴上,线轴固定在4M高的水平拉线上当植物顶都到达水平拉线时,通过线轴将垂直拉线往下放,使作物项部降至水平拉线下方500MM,在降低植物高度之前,应将植物底部的叶子摘掉。在这种种植模式中,位于3L700MM问成熟的黄瓜高度很容易发现。这个高度问隔处的黄瓜长度和质量300600G比较均匀。作物受伤率L。收获前几天将收获高度段的叶子除掉,果实容易被发现,减少探测时间和费用。为了满足新鲜蔬菜的消费需求,一年四季均可收获黄瓜,每周收获23次。采用自动收获系统时,必须考虑植物根茎密度118椿M、每行的株距035M、机械手的运动高度区域0317M和高峰期间产量熟练工人收获速度为一根黄瓜约6S。对于机器人来说采摘一个黄瓜的时间应小于1OS。采摘时间包括果实探测时间、果实摘除、果实放置在运输厢和机器人自走到下一个作业位置所需时间。结果表明,高峰时间在一个2HM的温室里需要4台机器人18HD和一个转运码头,整套设备可以完成12个熟练工人6HD的工作。每台机器人的工作速度为10S采摘一个果实。黄瓜自动收获系统由自走式收获机器人、自走式运输车和中转码头组成。自走运输车上有可以移动的集装箱,每个集装箱可以运输300根黄瓜。中转码头位于主路旁,中转码头能够将运输车上的集装箱转运到中央区域,在中央区将集装箱内黄瓜卸载。一个自动收系统至少配备二台自走运输车。运输车将黄瓜从采摘地运输到中转码头。运输车和收获机器人都在植物行间行走,利用加热水管作为轨道,这种加热管布局在荷兰园艺生产中特别普遍。自走式黄瓜收获机器人必须能够实现在某一特定环境探测出可以收获的黄瓜,然后采摘并放置到运输车上的集装箱内。它由4部分组成行走车、机械手、视觉系统和末梢执行器组成图2所示。行走车主要用于机械手和末梢执行器的初步定位,上面装有完成收获任务的所有硬件和软件。来自视觉系统的信号通过程序,控制机器人的行走、机械手的动作末梢执行器的抓取、切割动作。机器人的行走速度为08MS,每前进07M就停下来探测成熟的黄瓜,并让机械手在它的工作区域内采摘探测到的成熟黄瓜,完成收获过程。该机械手有7个自由度,它的主体采用三菱MITSUBISH1RVE26自由度机械手,它增加了一个线性滑动自由度,即MITSUBISHIRVE2的6自由度机械手可以在机器人行走车上顺着行走方向往复移动。机械手的手臂上挂接着球关节手腕。在收获过程中,机械手的任务就是将末梢执行器移动到可以采摘果实的位置,一旦果实从植物茎秆上分离并被末梢执行器牢靠抓住,末梢执行器就将果实放置到运输车上。机械手的稳态精度为土02MM,能够满足不利的温室气候条件温度和湿度相当高下的一般要求。对机械手的几何形状和物理性能有一定的要求,因为它的操作环境是一些特别密集和脆嫩的植物群,植物行的间距有限。机械手的运动必须满足以下要求;运动时间尽可能短,以满足采摘一次的循环时间要求;该系统工具中心点的位置精度为1M在收获过程中应该采取一些防止碰撞的措施,即防止机械手、末梢执行器、果实、植物茎秆、温室构件、视觉系统、行走车之间的碰撞。为了保证收获果实的质量,在各种不同运动路径的速度与加速度也要加以控制。最关键的问题是如何设计免碰撞的路径机器人免碰撞路径的设计通过以下几个方面完成机械手三维CAD模型;由已知知识和立体视觉系统的传感信号确定的机器人工作空间三维模型的描述;建立一个探测机器人与周围工作空间物体碰撞的计算方法建立一个能够产生一条从初始位置到目标位置免碰撞路径设计计算方法研究中,大多利用果实与植物其它部位的色彩和亮度的差异来探测果实。然而这个方法很难应用于黄瓜,因为黄瓜的颜色同它的叶子茎秆颜色特别接近,加之果实的多样性、周围环境不可预测的变化象光亮度的变化、阴影使得黄瓜的探测过程异常复杂。研究人员采用了许多方法,比如微波、超声波、雷达、近红外线与可见光可选波段的组合进行了试验。通过对黄瓜果实与叶子反射性及含水率的大量研究,得出探测黄瓜果实采纳的图形加工技术可利用近红外线NIR的一些可选频率来实现。学设备在实验室和温室里对图形加工技术进行了测试。该设备的硬件有二台数字式摄像机、滤光片、透镜、反射镜、棱镜。已经开发出来的视觉系统具有三大功能将果实同周围背景物区分开来,辨认果实和探测它的位置。图4显示了二根黄瓜果实的探测过程。根据黄瓜的含水率和反射差异来区分果实与周围背景物,并作出标识。长特别快,它在植物上的分布是随机的不同时成熟,因此收获前必须探测出每一根黄瓜的位置及成熟度。确定生长区域内黄瓜果实的品质最容易的办法就是收获某一范围内的所有果实。在清晰条件下收获前摘掉叶子,通过测量它的直径和长度,计算出它的体积,然后估算果实的成熟度。用三维坐标来确定植物内果实的位置。为此,开发出一种在03M范围内测量果实位置的技术,即在末梢执行器上安装了一个手指大小的微型摄像机,用于快速和精确定位为了精确测定在切割装置二电极之间的果实梗的位置,还装上一个局部传感器。这套视觉系统已经进行了试验,效果良好。果实的位置和其成熟度品质确定下来后,实施采摘由末梢执行器完成。末梢执行器由二部分组成机械爪和切割器。机械爪主要是抓取果实,切割器主要是将果实与植物的茎秆分离。末梢执行器的设计主要考虑以下4个因素机械爪与切割器的工作原理,驱动力类型,构件材料,机械爪与切割器的相对位置。这4个因素相互关联、相互影响,在末梢执行器的总体设计中应该协调一致。机械爪既有足够的抓住力度以保证果实在机械手快速运动过程中不掉落,机械爪的抓取表面又应该比较柔软,确保黄瓜果实的外表面不被损坏。切割器将果实从植物枝干分离过程中不损害叶子、枝干和其它果实。切割技术有传统的刀子切割和非传统切割技术激光、高压水喷切等。用普通刀子切割果实茎秆时,植物容易感染病毒与细菌,应将刀子泡在脱脂牛奶中消毒后使用。荷兰农业环境工程研究所发明了一种代替刀子的电极切割法特殊电极能够产生高温大约1000,高温可以防止电极间感染。试验表明切割器杀病毒所需时间取决温度的升高程度。1纪名刚等主编机械设计第八版M北京高等教育出版社,20062成大先主编机械设计手册(第四版)M化学工业出版社,20023刘鸿文主编材料力学I(第4版)M高等教育出版社,20064陆玉等编著机械设计课程设计(第三版)M北京机械工业出版社,1999055雷天觉主编液压工程手册(第一版)北京机械工业出版社,19906姜继海,宋锦春等主编液压与气压传动高等教育出版社M,20027汤科,张帆,何子燚侧翻试验台事故分析研究JTECHNICFORUM/技术论坛,20120890928花家寿,刘合法等车辆静态侧翻试验方法的分析研究J传动技术19980336469叶建华,朱春华,詹友基,许明三车辆静态稳定性试验系统的设计J重庆工学院学报自然科学200912162010李毅大客车侧翻碰撞安全性设计与优化
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