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基于 液压 驱动 果实 采摘 装置 设计

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基于液压驱动的果实采摘装置的设计,基于,液压,驱动,果实,采摘,装置,设计

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摘要摘要目前，由于果蔬采摘作业的复杂性，采摘自动化程度仍然很低。国内果蔬采摘作业基本上还是靠手工完成。进入21世纪，世界各国均面临老龄化问题，劳动力不仅成本高，而且还不容易得到。因此，发展机械化收获技术，研究开发果蔬采摘机器人，具有重要的意义。国内外对于果蔬采摘机器人仍处于研究开发试验阶段，其实用化、商品化的进程仍很艰巨，主要原因之一就是机器人具体的结构设计与分析存在不足。国内外对于果蔬采摘机器人仍处于研究开发试验阶段，其实用化、商品化的进程仍很艰巨，主要原因之一就是机器人具体的结构设计与分析存在不足。本文首先分析了国内外果蔬采摘机器人的研究现状，针对现有主要机型结构设计上存在的不足，提出了采摘机械手结构设计的基本原则，在此基础上，通过对苹果园的调研，分析了机器人采摘苹果的具体特点，提出了一种四自由度串联关节型苹果采摘机械手。从实用化角度考虑，提出了机器人整体的结构方案和控制方案，具体设计了机械手的腰部升降平台、关节型机械臂和末端执行器的结构。然后，通过对先前设计的几种末端执行器采摘方案的机械构进行了比较，最终确定了末端执行器的改进样机结构，其本体结主要由夹持机构、切割机构，气动系统，传感控制系统四部分组成。在末端执行器的设计制造过程中，先由Pro/e做出三维图，再导出具体零件的工程图，在保证零件刚度和强度的要求下，非标零件的材料选用铝合金和工程塑料，由此尽量降低了样机的重量。发展机械化收获技术，研究开发果蔬采摘机器人，具有重要的意义。关键词:苹果采摘机器人，液压驱动 基于液压驱动的果实采摘装置的设计目录目录11 绪 论21.1 课题研究意义21.1.1课题研究意义21.2果实采摘机器人发展概况21.2.1国外研究成果及现状21.2.2国内研究进展71.2.3研究中存在的问题72 果实采摘装置机身结构设计102.1采摘装置结构选型102.2.1采摘装置的选型原则102.2.2采摘装置的选型定论112.2采摘装置结构设计112.2.1地面运动部分设计122.2.2腰部旋转机构设计122.2.3升降机构设计142.2.1伸缩机构设计163 果实采摘装置末端执行器的设计173.1 果实采摘装置末端执行器研究进展173.1.2国内研制的末端执行器概述183.2 果实采摘装置末端执行器机构设计193.2.1果实采摘装置末端执行器机构选型原则193.2.1果实采摘装置末端执行器机构选型定论193.2.2果实采摘机器人末端执行器结构的设计204 液压传动部分和传感器控制系统的设计224.1 液压系统224.1.1液压系统简介224.1.2液压系统结构234.1.3液压系统的优缺点234.2换向阀的设计234.4液压缸的设计244.4.1液压缸类型的选择244.4.2液压缸尺寸的选择254.4.3液压的分流设计274.5 传感器控制系统的设计28总 结29致 谢30参考文献311 绪 论1.1 课题研究意义1.1.1课题研究意义我国是一个农业大国，要实现农业现代化，农业装备的机械化、智能化是发展的必然趋势。随着计算机和自动控制技术的迅速发展，机器人已逐步进入到农业生产领域中。农业机器人不同于工业机器人，它对生产作业的要求较高，都是劳动密集型作业，再加上季节的要求，保证作业质量就成为关键的问题。进入21世纪，随着工业的迅速发展，世界各国均面临人口老龄化问题，农业劳动力逐渐向其他行业转移，劳动力不仅成本高而且还不容易得到。果实采摘作业是果实生产中最耗时、最费力的一个环节，采摘作业的季节性强，劳动强度大，费用高。其收获又属于劳动密集型作业，果实收获期间需投入的劳力约占整个生产过程的50%一70%。而且在果实收获作业过程中，人工收获经常需要弯腰或借助梯子登高。因此果实收获作业不仅是一项劳动强度大、消耗时间长，而且是具有一定危险性的劳动作业。随着人们生活质量的不断提高，人们也急需要从这种高强度高危险性的劳动中解脱出来。因此实现果实收获的机械化变得越来越迫切，研究农业果实采摘机器人具有重要的意义。在我国，果实栽培有着悠久的历史，种类繁多，产量巨大，但截止目前，果实的采摘作业都要靠人工来完成。因此，研究开发苹果采摘机器人不仅可以减轻劳动强度、提高生产效率，而且具有广阔的市场应用前景。1.2果实采摘机器人发展概况果实机械化收获技术已有30多年的研究历史，最早的收获方式主要是机械振摇式和气动振摇式，其缺点是果实易损，效率不高，尤其无法进行有选择性的收获。随着果树栽培方式的改变，人们开始用梯子、升降台等设备辅助采摘水果，但劳动密集型的特点依然存在。因此，应用机器人进行水果的自动化采摘得到了快速的发展。1.2.1国外研究成果及现状最早的机械采摘方法是采用机械振摇式和气动振摇式，但果实容易损坏，效率不高，而且容易摘到不成熟的果实。随着科学技术的发展，农业机器人在国外迅速发展起来。自从20世纪60年代（1968年）美国人Schertz和Brown提出用机器人采摘果实之后，对采摘机器人的研究受到广泛重视，但采用的收获方式主要是机械震摇式和气动震摇式,其缺点是果实易损,效率不高,特别是无法进行选择性的收获。20世纪80年代中期以来,随着电子技术和计算机技术的发展,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,以日本为代表的发达国家,包括荷兰、美国、法国、英国、以色列、西班牙等国家,在收获采摘机器人的研究上做了大量的工作。1983年第一台采摘机器人在美国诞收获作业自动化和生，在以后20多年的时间里，日本及欧美等国家相继研究了采摘苹果、柑橘、番茄、葡萄和西瓜等的智能机器人。我国采摘机器人的研究起步虽然比较晚，但目前也逐步发展起来。如中国农业大学的张铁中等人对草莓收获机器人进行了试验性的研究，东北林业大学的陆怀民研制了林木球果采摘机器人，上海交通大学正在进行黄瓜采摘机器人的研究等。目前，比较典型的有番茄采摘机器人、草莓采摘机器人、葡萄采摘机器人及林木球果采摘机器人等。（1）西红柿采摘机器人日本近藤(KONTO)等研制的番茄采摘机器人,由机械手、末端执行器、视觉传感器、移动机构组成(如图1-1所示)。该采摘机器人采用了7个自由度机械手。用彩色摄像机作为视觉传感器,寻找和识别成熟果实,并采用双目视觉方法对果实进行定位,利用机械手的腕关节把果实拧下。移动系统采用4轮机构,可在垄间自动行走。该番茄采摘机器人采摘速度大约是15 s/个,成功率在70%左右。主要存在的问题是当成熟番茄的位置处于叶茎相对茂密的地方时,机械手无法避开叶茎障碍物完成采摘。 图1-1日本的番茄采摘机器人在2004年2月10日美国加利福尼亚州图莱里开幕的世界农业博览会上,美国加利福尼亚西红柿机械公司展出2台全自动西红柿采摘机(如图1-2所示)。如果西红柿单位面积产量有保证的话,那么这种长12.5m、宽4.3m的西红柿采摘机每分钟可采摘1 t多西红柿,1 h可采摘70 t西红柿。这种西红柿采摘机首先将西红柿连枝带叶割倒后卷入分选仓,仓内能识别红色的光谱分选设备挑选出红色的西红柿,并将其通过输送带送入随行卡车的货舱内,然后将未成熟的西红柿连同枝叶一道粉碎喷撒在田里作肥料。图1-2美国的番茄采摘机器人（2）茄子采摘机器人日本国立蔬菜茶叶研究所与岐阜大学联合研制了茄子采摘机器人。机器人由CCD机器视觉系统、5自由度工业机械手、末端执行器以及行走装置组成,作业对象是温室中按照V形生长方式种植的Senryo-2号茄子。该机器人的末端执行器设计复杂,包括4个手指、2个吸嘴、2个诱导杆、气动剪子和光电传感器(如图1-3所示)。在实验室中进行了试验,采摘成功率为62.5%,工作速度为64.1 s/个。影响成功率的主要原因是机器视觉系统对采摘位置的判断不正确;同时,视觉系统占用了72%的工作时间(46.1 s),也是影响整个机器人采摘效率的主要因素。 图1-3美国的番茄采摘机器人（3）甘蓝采摘机器人日本国立农业研究中心的Murakami等研制了甘蓝采摘机器人,由极坐标机械手、4个手指的末端执行器、履带式行走装置和CCD机器视觉系统组成,整个系统采用液压驱动(如图1-4所示)。系统利用人工神经网络(NN算法)提取果实的二值图像,采用模板匹配的方法识别合格的甘蓝。试验表明,采摘的成功率为43%,工作速度为55 s/个。影响成功率的主要原因是光照条件的不稳定、超声波测距传感器的误差、叶子的遮挡以及机械故障等。图1-4日本的甘蓝采摘机器人（4）葡萄采摘机器人日本冈山大学研制出一种用于果园棚架栽培模式的葡萄收获机器人,机械部分是一个具有5个自由度的极坐标机械手,具有4个旋转关节(其中腰部1个、肩部1个、腕部2个)和1个棱柱型的直动关节(如图1-5所示)。这种结构使得机器人在葡萄架下行走时能够有效地工作,旋转关节可以以不同的速度旋转,直动关节可以采用简单的控制方法来获得较高的速度。为了提高使用率,更换不同的末端执行器,还可以完成喷雾、套袋和剪枝等作业。图1-5日本的葡萄采摘机器人（5）黄瓜采摘机器人日本的近藤直等研制的黄瓜采摘机器人,采用三菱MITSUBISHIRV-E2型六自由度工业机器人,利用CCD摄像机,根据黄瓜比其叶茎对红外光的反射率高的原理来识别黄瓜、叶茎(如图1-6所示)。 图1-6日本的黄瓜采摘机器人黄瓜、果梗的连接与番茄不同,采用剪断方法,先把黄瓜抓住,用接近觉传感器找出柄,然后剪断,采摘速度为16 s/个。由于黄瓜是长条形,受到茎叶的影响更大,所以采摘的成功率较低,大约60%。同样,需要改进该机器人机器手的结构、采摘工作方式和避障规划功能,以提高采摘成功率,提高采摘速度。1996年,荷兰农业环境工程研究所(IMAG)研制出一种多功能黄瓜收获机器人(如图1-7所示)。该研究在荷兰2 hm2的温室里进行,黄瓜为高拉线缠绕方式吊挂生长。该机器人利用近红外视觉系统辨识黄瓜果实,并探测其位置。机械手只收获成熟黄瓜。末端执行器由手爪和切割器构成。机械手有7个自由度,采用三菱(Mitsubishi) RV-E2六自由度机械手。该机器人视觉系统的黄瓜检测效率大于95%,采摘成功率约80%,采摘速度约为54 s/个,在实验用温室中作业效果良好。但由于采收时间过长,不能满足商用要求。图1-7荷兰的黄瓜采摘机器人（6）蘑菇采摘机器人英国Silsoe研究院研制了蘑菇采摘机器人(如图1-8所示)。它可以自动测量蘑菇的位置、大小,并且选择性地采摘和修剪。它的机械手包括2个气动移动关节和1个步进电机驱动的旋转关节;末端执行器是带有软衬垫的吸引器;视觉传感器采用TV摄像头,安装在顶部用来确定蘑菇的位置和大小。采摘成功率在75%左右,采摘速度为6.7个/s,生长倾斜是采摘失败的主要原因。图1-8 英国的蘑菇采摘机器人（7）柑橘采摘机器人西班牙科技人员发明的这种柑橘采摘机器人主体装在拖拉机上,由摘果手、彩色视觉系统和超声传感定位器3部分组成。它能依据柑桔的颜色、大小、形状来判断柑桔是否成熟,决定是否采摘。采下的桔子还可按色泽、大小分级装箱。这种采桔机器人采摘速度为1个/s,比人工提高效率6倍多。（8）甜瓜收获机器人以色列和美国科技人员联合开发研制了一台甜瓜采摘机器人。该机器人主体架设在以拖拉机牵引为动力的移动平台上,采用黑白图像处理的方法进行甜瓜的识别和定位,并根据甜瓜的特殊性来增加识别的成功率。在2个季节和2个品种的田间试验证明,甜瓜采摘机器人可以完成85%以上的田间甜瓜的识别和采摘工作。(9)苹果收获机器人韩国庆北大学研制了苹果采摘机器人,具有4个自由度,包括3个旋转关节和1个移动关节。采用三指夹持器作为末端执行器,内有压力传感器避免损伤苹果。利用CCD摄像机和光电传感器识别果实,从树冠外部识别苹果的识别率达85%,速度达5个/s。该机器人无法绕过障碍物摘取苹果;对于叶茎完全遮盖的苹果,也没有给出识别和采摘的解决方法。1.2.2国内研究进展国内在农业机器人方面的研究始于20世纪90年代中期,相对于发达国家起步较晚。但不少院校、研究所都在进行采摘机器人和智能农业机械相关的研究。在国内,果实采摘机器人的研究刚刚起步。东北林业大学的陆怀民研制了林木球果采摘机器人,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(如图1-9所示)。采摘时,机器人停在距离母树35 m处,然后单片机控制系统控制机械手大、小臂同时柔性升起达到一定高度,采摘爪张开并摆动,对准要采集的树枝,大小臂同时运动,使采摘爪沿着树枝生长方向趋近1.52 m,然后采摘爪的梳齿夹拢果枝,大小臂带动采集爪按原路向后返回,梳下枝上的球果,完成一次采摘。这种机器人的效率是500 kg/d,是人工的3050倍。而且,采摘时对母树的破坏较小,采净率高。图1-9林木球果采摘机器人原理图另外,曹其新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。周云山等研究了蘑菇采摘机器人。该系统主要由蘑菇传送带、摄像机、采摘机器手、三自由度气动伺服机构、机器手抓取控制系统和计算机等组成。计算机视觉系统为蘑菇采摘机器提供分类所需的尺寸、面积信息,并且引导机器手准确抵达待采摘蘑菇的中心位置,防止对不准, 以致影响吸盘的密封,造成抓取失败或损伤蘑菇的现象。中国农业大学张铁中等在草莓、黄瓜、西红柿、茄子等果实采摘机器人方面做了较深入地研究,研制出了试验样机。1.2.3研究中存在的问题法国是研究果实采摘机器人较早的国家之一,但由于技术、市场和价格等因素的影响,甜橙、苹果采摘机器人已停产,采摘机器人的研究工作基本陷于停顿。美国在自动化收获机器人的研究方面没有一个清晰的战略,研究工作也基本停了下来。日本近年来开展了大量的收获机器人研究项目,进展很快,但还未能真正实现商业化。荷兰收获机器人的研究工作走在很多国家的前面,但研究的果实种类并不多。我国的研究则处在逐渐上升的阶段,但大部分研究都是针对采摘机器人的某一个部分进行的,如视觉、机械手、末端执行器等。（1）果实的识别率不高或识别后定位精度不高目前识别果实和确定果实位置主要采用灰度阈值、颜色色度法和几何形状特性等方法。其中,前两者主要基于果实的光谱反射特性,但在自然光照情况下,由于图像中存在噪声和各种干扰信息,效果并不是很好。采用形状定位方式,要求目标具有完整的边界条件。由于水果和叶子等往往容易重叠在一起,很难真正区别出果实。此外,由于农业生产中的果实形状没有工业品规则,因此需要提高各种形状果实的定位精度,才能保证采摘机械手可靠抓取。（2）部分重叠或遮蔽的果实无法采摘即使对于单独的果实识别定位达到要求,但往往还有大部分的果实处在被果实或枝叶遮蔽的位置。这给采摘带来更大的难度。采摘机器人为采摘到这部分果实既需要将这部分果实识别出来,又需要有灵巧手来实现避障采摘。这给机器人的视觉、机械、控制系统都增加了难度。（3）果实的损伤率较大目前末端执行器执行抓取果实有切断果柄和直接抓下果实2种。对于切断果柄类果实,稍有果实形状不规则易被切刀损伤;而对于果柄短、无法切断果柄类的果实需要直接抓取果实。这难免由末端执行器造成抓取伤痕,即使在末端执行器上安装传感器感知抓取力度也不可避免。另外,2种类型都存在被机械手或其他金属部位碰伤的情况。（4）果实的平均采摘周期较长生产实际中的采摘作业要求机器人不仅减轻劳动强度而且提高作业效率。而目前的果实收获机器人由于视觉、结构及控制系统等原因,大多数采摘机器人的效率不高。例如,采摘机器人收获1个柑橘约37 s,收获1个甜瓜约15 s,摘取1个黄瓜需要10 s,收获1个茄子需64 s。为使果实采摘机器人实用化,提高作业效率是关键问题之一。（5）采摘机器人的制造成本较高与工业机器人相比,农业上使用的采摘机器人结构和控制系统更加复杂,制造成本更高。由于农业生产具有周期性、收获时间短等特点,设备利用率低,设备使用和维护都需要相当高的技术水平和费用。目前,果实采摘机器人的研究正在成为机器人的新兴领域,而采摘机器人作为农业机器人的重要应用具有很大的发展潜力。日后的果实采摘机器人的研究工作必须朝以下方向发展:（1）必须能够准确地识别和定位成熟果实,并且引导末端执行器准确接近目标;（2）研制灵巧、不伤果实的采摘机器人末端执行器;（3）采摘机器人的行走机构必须适应田间的复杂环境;（4）视觉系统要迅速识别定位果实,控制系统和机械手臂系统必须做到迅速摘取;（5）增强机器人系统的通用性。相信在不久的将来,在不断克服种种技术的阻碍后,采摘机器人会更广泛地应用于农业生产中。2 果实采摘装置机身结构设计2.1采摘装置结构选型2.2.1采摘装置的选型原则由于农业环境的复杂性、不确定性和果实分布的随机性，采摘装置的选型既要遵循工业机械手的基本原则。工业机械臂主要有如图2-1所示的四种形式，其具体功能特点如下:(l)直角坐标型:该型机械臂前三个关节为移动关节，运动方向垂直，其控制方案与数控机床类似，各关节之间没有藕合，不会产生奇异位形，刚性好、精度高。缺点是占地面积大、工作空间小。(2)圆柱坐标型:该型机械臂前三个关节为两个移动关节和一个转动关节，这种形式的机器人占用空间小，结构简单。(3)极坐标型:具有两个转动关节和一个移动关节。该型机器人的优点是灵活性好，占地面积小，但刚度、精度较差。(4)关节坐标型:前三个关节都是回转关节，特点是动作灵活，工作空间大、占地面积小，缺点是刚度和精度较差。 a.直角坐标型 b.圆柱坐标型 c.极坐标型 d.关节坐标型图2-1 工业机械臂形式就工业机器人而言，机械臂的机构型式的选择取决于对机器人的活动范围、灵活性、重复定位精度、持重能力和控制的难易的要求。通常以直角坐标型至圆柱坐标型、极坐标型、关节坐标型的顺序来看，同一手臂尺寸综合的机器人，其活动范围和灵活度由小到大，控制难易的程度由易到难，而位置精度由高到低，负荷能力由大到小。2.2.2采摘装置的选型定论本设计力求实现结构简单，可控制性强，操作方便，易于实现的目标，在保证采摘要求的基础上，尽量减少自由度的数目。对于采摘机器人机械手来讲，增加自由度数目，的确可以从理论上增加机械手的避障能力，但增加一个自由度相当于增加了一级驱动，这使得机器人成本会上升一个等级，对于农业机器人而言，成本高将会大大的减缓其商品化实用化的进程。同时增加自由度会相应增加机器人的控制难度，降低机器人的可靠性，所以对于农业采摘机器人人而言，在自由度选型时不能盲目追求自由度的数量，应考虑具体的采摘对象的生物学特性，尽量减少自由度的数目，降低控制难度和成本。加快农业采摘机器人的商品化实用化进程。通过比较分析，对于果实采摘装置形式而言，得到如下选型结论：采摘装置结构基体选择圆柱坐标机械臂形式最为合适，采摘装置结构基体主要包括地面运动部分、旋转机构、升降机构，伸缩机构和末端执行机构共五个部分。其动作灵活，工作空间大、占地面积小的优点很适合果实的采摘作业。采摘装置的最终选型示意图如图2-2所示。图2-1 采摘装置的最终选型示意图2.2采摘装置结构设计 液压果实采摘装置结构基体选择圆柱坐标机械臂形式，采摘装置结构基体主要包括地面运动部分、旋转机构、升降机构、缩机构和末端执行机构共五个部分。图2-2所示为液压实采摘装置。以下将分别对地面运动部分、旋转机构、升降机构和缩机构进行分析设计，末端执行机构部分将在下一章节进行介绍。图2-2 液压果实采摘装置选型2.2.1地面运动部分设计 液压果实采摘装置地面运动部分，即为采摘机器人承载设备。可以通过自做车架，电机驱动等装置组装完成，也可以采用小型机车作为承载设备，在这里就不多作介绍，图2-3所示为地面运动机车示意图。图2-3 液压果实采摘装置地面运动部分示意图2.2.2腰部旋转机构设计 液压果实采摘装置以圆柱坐标型机械臂为基体，为扩大机械臂的工作空间和增强机械手多路径采摘的能力，在腰部添加了旋转结构，此结构为液压驱动齿轮齿条机构，在圆周方向上增加了机器人的作业空间，使得机器人拥有了采摘不同方向处果实的能力。果实采摘装置腰部旋转装置采用液压缸驱动齿轮齿条机构带动机器人基体旋转，齿轮齿条传动原理如图2-4所示。图2-4 齿轮齿条传动原理图 果实采摘装置腰部旋转采用齿轮齿条传动机构，由于齿轮水平放置，故需用角推力轴承作为纵向支撑转动轴承，考虑到运动的平稳性和结构的受力情况，决定采用两个轴承上下平行放置。液压果实采摘装置腰部旋转装配情况如图2-5所示。图2-5 果实采摘装置腰部旋转装配图果实采摘装置能够实现采摘机器人在采摘方向上180度的旋转，由于采用齿轮齿条传动，故运动满足齿轮齿条传动啮合条件，即齿轮分度圆上的点转过的距离与齿条直线运动的距离相等。液压果实采摘装置腰部旋转旋转示意图如图2-6所示。图2-6 液压果实采摘装置腰部旋转示意图取齿轮分度圆直径为D=300mm齿轮旋转180度所走过直线长度L=0.5D （2.1）=0.5 x 3.14 x 300=471 mm 由齿轮齿条传动啮合条件可知，齿条要实现齿轮的180度旋转，需要的长度为 L(齿条)=471 mm2.2.3升降机构设计 为扩大机械臂的在高度空间采摘能力，在腰部添加了升降结构，此结构为液压驱动滑块机构，在高度方向上增加了机器人的作业空间，使得机器人拥有了采摘不同高度处果实的能力，代替了人们用梯子或登高采摘果实。果实采摘装置升降机构采用液压传动机构，液压缸驱动滑块沿导轨上下运动，从而实现采摘机器人在不同高度作业。 液压果实采摘装置升降机构如图2-7所示。图2-7 果实采摘装置机构液压果实采摘装置执行元件采用各种液压缸，它是将气油液的压力能转换为机械能并将其输出的装置。液压缸只要是输出各种直线运动和力，他用液压油作为工作介质，其工作压力大，所以输出力和扭矩较大，运动平稳，可靠性高，因此在自动化生产中应用广泛。此升降机构所采用的液压缸长度和直径都较大，不易从市场购得，故根据需要加工而成。液压果实采摘装置升降所用液压缸如图2-8所示。图2-8 液压果实采摘装置升降所用液压缸 液压采摘装置升降所用液压缸装配情况如图2-9所示。1-液压缸后盖 2-活塞 3-液压缸壁筒 4-活塞杆 图2-9 采摘装置升降所用液压缸鉴于采摘装置升降机构活塞杆较长，考虑到其受弯矩等影响严重，故本采摘装置采用导轨来引导滑块的上下运动，从而降低活塞杆所受弯矩，增加采摘装装置的使用寿命。为了降低采摘机器人的自身重量，使运动更灵活，应用更广泛，而且经济耐用，故导轨的材料选择为铝合金材料。 液压采摘装置升降所用导轨如图2-10所示。图2-10 采摘装置升降所用导轨2.2.1伸缩机构设计为扩大机械臂的在水平圆周空间范围的采摘能力，添加了伸缩结构，此结构为液压驱动机构，在水平方向上增加了机器人的作业空间，使得机器人拥有了采摘不同距离处果实的能力，对提高机器人的采摘效率有重要作用。液压果实采摘装置伸缩机构如图2-11所示。图2-11 采摘装置伸缩机构3 果实采摘装置末端执行器的设计3.1 果实采摘装置末端执行器研究进展末端执行器是果实采摘机器人的重要组成部分，与工业机器人的末端执行器相比，由于其作业对象和环境的柔嫩性、不规则性和复杂多变性特征，采摘机器人的末端执行器具有明显的特殊性和更高的智能化要求。一般果实果实的表皮和果实本身通常都比较脆弱和柔软，这对采摘果实的抓取力度控制提出了比较高的要求，同时对于枝叶比较繁茂的果实来说，还要求末端执行器具有较高的避障能力。总之，末端执行器研制的成败直接关系到采摘作业的成功率和采摘效率的高低，以至于末端执行器的设计成为农业采摘机器人的研究热点和难点。3.1.1国外末端执行器研制进展情况从上世纪80年代开始，日本、荷兰、美国等国都曾开发了各种末端执行器，取得的不少研究成果，同时也普遍存在采摘效率和成功率偏低，轻便性差，通用性较差等缺点。下面介绍几种国外果实采摘机器人末端执行器，以借鉴国外在研制过程中的经验，同时总结不足，吸取教训。（1）番茄采摘末端执行器Kondo等人基于番茄的物理特性设计了一种带有软衬垫吸引器的双手指末端执行件。它由两个平行板手指和吸引器组成，当吸引器把果实吸住后，用手指板固定，利用机械手的腕关节把果实在果柄连接处拧下。该末端执行件两个手指板内侧均附有一个10mm的橡胶衬垫，以防止果实的损伤。由真空泵提供吸引器的引力，并安装一个触觉传感器，在吸引器吸附水果时，传感器被打开。其末端装有两个限位开关，探测停止位置。用该末端执行件进行番茄采摘试验，成功率为85%，未采摘的主要原因是番茄在被手指夹住前就与吸引器分离，无法完成对短柄番茄的采摘。（2）茄子采摘机器人末端执行器日本国立蔬菜茶叶研究所与岐阜大学联合研制了茄子采摘机器人的末端执行器。该机器人的末端执行器结构设计复杂，包括4个手指、2个吸嘴、2个诱导杆、气动剪子和光电传感器。工作中，利用模糊视觉反馈系统引导末端执行器靠近果实，完成采摘作业。在实验室中进行了试验，采摘成功率为62.5%，工作速度为64.15/个。影响成功率的主要原因是机器视觉系统对采摘位置的判断不正确;同时，视觉系统占用了72%的工作时间，也是影响采摘效率的主要因素。茄子采摘机器人的末端执行器如图3-1所示。图3-1 茄子采摘末端执行器（3）柑橘采摘机器人末端执行器美国佛罗里达大学研究员研制了柑橘采摘末端执行器。其依靠置于末端执行器的内部的1个ccD摄像机和超声波传感器来探测水果的位置。柑橘采摘末端执行器如图3-2所示。图3-2 柑橘采摘末端执行器图（4）苹果采摘机器人末端执行器JohanBacten和SvenBoedrij等人研制了苹果采摘机器人末端执行器。其硅树脂管里装有微型摄像头，用于获取末端执行器正前方苹果图像。真空泵提供动力，吸盘用于吸取苹果。苹果采摘机器人末端执行器如图3-3所示。图3-3 苹果采摘机器人末端执行器图3.1.2国内研制的末端执行器概述与国外相比，国内在果实采摘机器人末端执行器的研究方面起步较晚，成果相对较少。其中，中国农业大学对茄子采摘机器人末端执行器进行了研制，其采摘成功率达到92.76%。江苏大学农业工程研究院研制了一种基于多传感器信息融合和开放式控制的智能控制的番茄采摘机器人末端执行器，系统设计质量仅为1.12kg，末端执行器完成采摘动作的时间3s。到目前为止，国内还没有研制出苹果采摘机器人的末端执行器。因此，开发一种具有采摘效率和成功率高，具有轻便性，通用性强的苹果采摘末端执行器具有重要的意义。3.2 果实采摘装置末端执行器机构设计3.2.1果实采摘装置末端执行器机构选型原则基于具体的采摘要求，机械手要具有较好的采摘能力。包括:(l)最优的工作空间。工作空间越大，采摘范围越广，通用性也就越好。(2)具有较好的避障能力。果实采摘过程中，机械手能避开障碍物。(3)机构设计合理。若机构设计不合理，可能会出现运动干涉或驱动装置无法设置，机构不能运动等问题。在满足要求的前提下，尽量采用特殊结构的机械手机构，使相邻运动副的轴线相互平行或正交。(4)农业机器人要求操作简单，成本低廉，因此尽量采用冗余度少、机构简单的形式。3.2.1果实采摘装置末端执行器机构选型定论通过上面的分析，对于果实采摘装置机械手形式而言，得到一下选型结论：（1）机械手基体选择圆柱坐标型机械臂形式最为合适，其包括旋转机构、升降架构、伸缩机构共三个部分。其动作灵活，工作空间大、占地面积小的优点很适合果实的采摘作业。（2）以圆柱坐标型机械臂为基体，为扩大机械臂的工作空间和增强机械手多路径采摘的能力，在腰部添加了旋转结构，此结构为液压驱动齿轮齿条机构，在圆周方向上增加了机器人的作业空间，使得机器人拥有了采摘不同方向处果实的能力。（3）为扩大机械臂的在高度空间采摘能力，在腰部添加了升降结构，此结构为液压驱动滑块机构，在高度方向上增加了机器人的作业空间，使得机器人拥有了采摘不同高度处果实的能力，代替了人们用梯子或登高采摘果实。（4）在水平方向添加了伸缩关节，此关节不仅可以进一步扩大机器人的工作空间而且可以与末端执行器配合。（5）末端执行器采用液压驱动机械手指加紧果实，通过传感器控制机械手的夹持力，避免加持力过大夹伤果实。本设计确定的机构类型如图3-4所示。图3-4 果实采摘机器人末端执行器设计所确定的机构类型3.2.2果实采摘机器人末端执行器结构的设计（1）果实采摘机器人末端执行器结构设计和尺寸计算机械手采用液压控制连杆机构，实现机械手指的张合运动。采用这种结构控制简单，能准确实现预定动作，夹持力可调节，易于加工而且加工成本低。液动手指结构如图3-5所示。图3-5 果实采摘机器人末端执行器结构假设所要采摘的果实直径为D = 80mm，手指间距开时为L1 = 120mm，手指间距闭时为L2 = 80mm。则根据计算，手指驱动液压缸缸径选用30mm，行程20mm单杆双作用活塞式液压缸。（2）果实采摘机械手夹持力伺服系统的设计该机械手指夹持力采用电气比例/伺服系统控制。控制器给出控制信号控制电一气比例压力阀的输出压力，从而控制气缸的压力和输出位移，最终使气动手指的夹紧力受到控制，当有杆腔进气时手指闭合。PLC与气压控制自动装配线气动机械手夹持力伺服系统原理如图3-6所示。工作原理为:当手指解除到物体时，触觉传感器发出反馈信号给控制器，控制器使比例阀打开。手指移动很小的位移，以较小的力试着夹起物体，如果物体和手指间有滑动，则滑觉传感器发出滑动信号给控制器。控制器调整比例压力阀压力，增加手指的夹持力，直到手指和被夹物体间没有滑动为止。夹紧力通过移动手指来施加，而手指的位移则由手指位移传感器检测。手指的夹紧力通过压力传感器输出，这样可以读出手指夹紧某物体的最适合的力，下次抓取同样的物体即可直接对其施加夹紧力。图3-6 液压果实采摘装置机械手夹持力伺服系统原理图4 液压传动部分和传感器控制系统的设计4.1 液压系统4.1.1液压系统简介 一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件（附件）和液压油。 动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，指液压系统中的油泵，它向整个液压系统提供动力。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。执行元件(如液压缸和液压马达)的作用是将液体的压力能转换为机械能，驱动负载作直线往复运动或回转运动。 控制元件(即各种液压阀)在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向。根据控制功能的不同，液压阀可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又分为益流阀(安全阀)、减压阀、顺序阀、压力继电器等；流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集流阀等；方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。根据控制方式不同，液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。 辅助元件包括油箱、滤油器、油管及管接头、密封圈、快换接头、高压球阀、胶管总成、测压接头、压力表、油位油温计等。 液压油是液压系统中传递能量的工作介质，有各种矿物油、乳化液和合成型液压油等几大类。 1-液压缸 2-液压马达 3-溢流阀 4- 电磁换向阀 5-液压缸6-压力支管 7-测压接头 8-减压阀 9-压力继电器 10-压力表图4-1 典型液压系统4.1.2液压系统结构液压系统由信号控制和液压动力两部分组成，信号控制部分用于驱动液压动力部分中的控制阀动作。 液压动力部分采用回路图方式表示，以表明不同功能元件之间的相互关系。液压源含有液压泵、电动机和液压辅助元件；液压控制部分含有各种控制阀，其用于控制工作油液的流量、压力和方向；执行部分含有液压缸或液压马达，其可按实际要求来选择。 在分析和设计实际任务时，一般采用方框图显示设备中实际运行状况。 空心箭头表示信号流，而实心箭头则表示能量流。 基本液压回路中的动作顺序控制元件（二位四通换向阀）的换向和弹簧复位、执行元件（双作用液压缸）的伸出和回缩以及溢流阀的开启和关闭。 对于执行元件和控制元件，演示文稿都是基于相应回路图符号，这也为介绍回路图符号作了准备。4.1.3液压系统的优缺点（1）液压的优点与机械传动、电气传动相比，液压传动具有以下优点： 1、液压传动的各种元件，可以根据需要方便、灵活地来布置。 2、重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快。 3、操纵控制方便，可实现大范围的无级调速（调速范围达2000：1）。 4、可自动实现过载保护。 5、一般采用矿物油作为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长。 6、很容易实现直线运动。 7、很容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可实现更高程度的自动控制过程，而且可以实现遥控。 （2）液压的缺点1、由于流体流动的阻力和泄露较大，所以效率较低。如果处理不当，泄露不仅污染场地，而且还可能引起火灾和爆炸事故。 2、由于工作性能易受到温度变化的影响，因此不宜在很高或很低的温度条件下工作。 3、液压元件的制造精度要求较高，因而价格较贵。 4、由于液体介质的泄露及可压缩性影响，不能得到严格的传动比。 5、液压传动出故障时不易找出原因；使用和维修要求有较高的技术水平。 4.2换向阀的设计液压传动控制调节元件主要是指各类阀。他们的功能是控制和调节流体的流动方向、压力和流量，以满足执行元件所需要的启动、停止、运动方向、力或力矩、速度或转速、动作顺序和克服负载等要求，从而使系统按照指定的要求协调的工作。换向阀是液动控制中很重要的一类阀，用来改变气流方向和控制管道中气流的通断，从而控制执行元件的运动方向。电磁换向阀是利用电磁力来完成阀芯移动实现换向的换向阀。由于它可以借助按钮开关、行程开关、压力继电器等发出的信号进行控制，实现电气联合作用，而且易于实现计算机配合，因而得到了广泛的应用。当阀的通径较大时，常采用先导式结构。由电磁铁控制换向气路，用来推动主阀芯换向。本系统使用二位四通直动式电磁换向阀，控制液压缸的进油方向。电磁阀选SMC的VQDlooo直动式四通电磁阀，该电磁阀具有体积小(阀宽10mm)，重量轻(349)，响应快(2 +lms)，流量大等优点，二位四通电磁阀如图42所示。 电磁换向阀的连接采用双向作用液压缸缸换向回路连接，如图43所示。 图4-2二位四通电磁换向阀 图4-3双向作用液压缸换向回路4.4液压缸的设计4.4.1液压缸类型的选择液压果实采摘装置执行元件采用各种液压缸，它是将气油液的压力能转换为机械能并将其输出的装置。液压缸只要是输出各种直线运动和力，他用液压油作为工作介质，其工作压力大，所以输出力和扭矩较大，运动平稳，可靠性高，因此在自动化生产中应用广泛。液压缸有多种形式，按照其结构特点的不同它可分为活塞式、柱塞式和摆动式三大类；按照作用方式它又可分为单作用和双作用两种。本制动系统所采用的液压缸均为单杆双作用活塞缸，液压缸如图4-4所示。图4-4 液压缸4.4.2液压缸尺寸的选择本制动系统采用简单连接形式的单杆双作用活塞缸，其特点是： 1、 两腔面积不等，A1 A2 2、压力相同时，推力不等 流量相同时，速度不等即不具有等推力等速度特性。图4-5所示为双作用单杆活塞缸。其一端伸出活塞杆，两腔有效面积不相等当向液压缸两腔分别供油，且压力和流量都不变时，活塞在两个方向上的运动速度和推力都不相等。 a）无杆腔进油 b）有杆腔进油图4-5 单杆活塞缸单杆双作用活塞缸的速度、推力计算：如图4-5a，当无杆腔进油时，活塞的运动速度v1和推力F1分别为：v1 = qcv /A1 = 4qcv/D2 （4.1） F1 = （p1A1-p2A2）cm = D2 p1/4 -(D2-d2)p2/4cm = D2 （p1 - p2）/4+d2/4cm （4.2） 如图4-5b，当有杆腔进油时，活塞的运动速度v2和推力F2分别为：v2 = qcv /A2 = 4qcv/(D2-d2) （4.3） F2 = （p1A2- p2A1）cm = (D2-d2) p1/4 -D2 p2/4cm = D2（p1 - p2）/4-d2 p1/4cm （4.4）式中： q 缸的输出流量； A2 有杆腔的活塞有效作用面积； cv缸的容积效率； D 活塞直径（即缸筒直径）； d 活塞杆直径；p1缸的进口压力；p2缸的出口压力；A1无杆腔的活塞有效作用面积；cm缸的机械效率。 对于活塞缸，缸的直径是指缸的内径。缸内径D和活塞杆直径d可根据最大总负载和选取的工作压力来确定。对于单杆缸，无杆腔进油液时，不考虑机械效率，由式（4.5）可得： (4.5)对于单杆缸，有杆腔进油液，不考虑机械效率，由式(4.6)可得： （4.6）式中：p2背压，一般选取背压p2=0.这时，上面两式便可简化，即无杆腔进油时： D= （4.7）无杆腔进油时：D= （4.8）液压缸的缸筒长度由活塞最大行程、活塞长度、活塞杆导向套长度、活塞杆密封长度和特殊要求的其他长度确定。其中活塞长度B=(0.6 1.0)D，导向套长度A=(0.6 1.5)d。为减少加工困难，一般液压缸缸筒长度不应大于内径的20 30倍。夹紧定位机构夹持力取F=40 N。则有： 缸径D = = 52.48 mm ，取D=60 mm； 杆径d = 0.3D = 15 mm； 活塞长度B = 0.8D = 40 mm； 导向套长度A = 1d = 12 mm。经计算，各液压缸工作行程和活塞缸长度如表3-1所示。表3-1各气缸工作行程和活塞缸长度液压缸12345工作行程（mm）202000205001060202001060活塞长度（mm）10002506020060液压果实采摘机的液压压回路传动系统主要有空气压缩机、空气过滤器、调压阀、油雾器、分气器、4个二位四通电磁阀及5个单杆双作用活塞式气缸组成，实现各个液压缸的单独供气油，从而保证了装配线各个动作的准确实现。液压传动原理如图3-7所示。用液压技术来实现生产过程的自动化，是工业自动化的一种主要技术手段，是一种低成本的自动化技术，而且气压传动拥有诸多显著优点，到目前为止，液动技术倍受工业界的欢迎，其发展呈现急剧上升的趋势。4.4.3液压的分流设计液压果实采摘装置的液压回路传动系统主要有油缸、油泵、调压阀、节流阀、4个二位四通电磁阀及5个单杆双作用活塞式液压缸组成，实现各个液压缸的单独供油，从而保证了采摘装置各个动作的准确实现。液压果实采摘装置液压传动原理如图4-6所示。图4-6 液压果实采摘装置液压传动原理4.5 传感器控制系统的设计国外已研制的末端执行器传感控制系统，智能程度在不断提高，但成本却越加昂贵，这严重影响了其实用化的进程。为此，设计了基于实用化，智能化的苹果采摘机器人末端执行器传感控制系统。传感控制系统主要是由光电位置开关、压力传感器、微型视觉传感器、触觉传感器、限位开关、数据采集卡，电流换向器和便携式工控机组成。光电位置开关由对射式红外线光电管组成，在手指前后各安放一对，当有果实进入时，光源的光被苹果挡住，接收端接收不到发射端的红外线信号，这时输出端输出高电平信号，信号经处理后为工控机提供控制信息，从而起到检测果实位置和开关的作用。在室外作业环境中，简单的红外线光电检测器无法在采摘机器人末端执行器上应用。为解决这个问题，采用振荡器产生一定频率的波形加至光电开关的发射端，使红外线发射管产生一定频率脉动波，同时接收端利用集成锁相环路解码器LM567对接收到的脉动波进行鉴相、锁定，从而提高光电位置开关的抗干扰能力，其电路原理图如图4-7所示。图4-7 位置传感器电路原理图压力传感器选用的力敏电阻，受到果实挤压后，其中的导电粉末电阻变小，其变化可通过电压测出来，当测出的电压值达到或超过设定的电压值后，最终输出电压信号，一可控制抓取苹果的力度。微型视觉传感器采用Eye-in-hand安装方式采集手指前方的图像，获取前方苹果信息，提示末端执行器接近苹果进行抓取。触觉传感器安放在手指的外廓上，当有粗树枝阻挡末端执行器动作时，触觉传感器会感知到，并提示机器人改变采摘路径，进行避障。压力传感器、光电位置开关，触觉传感器输出的信号经过放大，滤波等处理后，被数据采集卡获得，连同视觉传感器采集捕捉的图像信息共为工控机所用，工控机处理这些信息从而控制直流电机和电磁阀，从而控制末端执行器夹持果实，切割果