毕业设计（论文）-苹果采摘机器人结构设计及控制系统分析.doc

本科学生毕业论文设计题目：苹果采摘机器人结构设计及控制系统分析学 院：机电工程学院年 级：2015级专 业：机械设计制造及其自动化姓 名：学 号：指导教师：2019年5月10日摘要目前，因为苹果采摘仍然十分困难，采摘自动化水平也非常低，因而，苹果采摘机技术在农业上不容置疑是未来的战略性高技术，也充满了很好的时机和挑战。在21世纪的今天，世界各国都面临着老龄化的问题，随之劳动力也不容易得到，成本也在不断提高。因此，开发苹果采摘机器人的机械化，智能化和自动化技术非常重要。国内外关于苹果采摘机器人仍然处于实验阶段，在实际的应用中依然很艰难，主要的原因是苹果采摘机器人具体的结构设计还存在许多不足。由于苹果是球体，三自由度的苹果采摘机器人可以达到实现的目的，但是为了提高苹果采摘机器人的灵活度和避障能力，通过查阅资料，设计了具有六个自由度的串联式苹果摘取机械结构。苹果采摘机器人的控制也是非常重要的，自动化水平的提高，苹果采摘的效率才能相应的提高，苹果采摘需要对苹果识别，苹果定位及避障加以控制。全套图纸加扣 3012250582关键词采摘机器人；结构设计；苹果识别；苹果定位AbstractAt present, because apple harvesting is still very difficult and the level of automation is very low, the technology of Apple harvester in agriculture is undoubtedly the future strategic high-tech, but also full of good opportunities and challenges. Today, in the 21st century, all countries in the world are facing the problem of aging. With this, the labor force is not easy to obtain, and the cost is also rising. Therefore, it is very important to develop the mechanization, integration and automation technology of apple picking robot. At home and abroad, the apple picking robot is still in the experimental stage, and it is still very difficult in practical application. The main reason is that the concrete structure design of the apple picking robot still has many shortcomings. Because the apple is a sphere, the three-degree-of-freedom apple picking robot can achieve the goal, but in order to improve the flexibility and obstacle avoidance ability of the apple picking robot, through consulting the data, a six-degree-of-freedom serial apple picking mechanical structure is designed. The control of apple picking robot is also very important. With the improvement of automation level, the efficiency of apple picking can be improved accordingly. Apple picking needs to be controlled by Apple recognition, Apple location and obstacle avoidance. Key wordsPicking Robot; Structure Design; Apple recognition; Apple location II目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 研究背景及意义11.2 国外研究现状及成果11.2.1 苹果采摘机器人在国外的研究现状和成果11.2.2 苹果采摘机器人末端执行器在国外的研究进展21.3 国内研究现状及成果31.4 主要研究内容4第二章 苹果采摘机器人方案设计52.1 苹果的生物学特征52.2 采摘机器人的选型52.3 苹果采摘机器人的机械手的选则62.4 苹果采摘机器人总体方案设计62.4.1 苹果采摘机器人设计原则62.4.2 苹果采摘机器人设计目标及主要技术参数72.4.3 苹果采摘机器人整体结构设计7第三章 苹果采摘结构设计及计算93.1 升降梯93.2 底盘旋转结构的设计103.2.1 涡轮蜗杆的设计103.2.2 底盘旋转涡轮轴的设计计算143.3 大臂俯仰结构设计173.4 小臂俯仰结构设计173.5 腕部的结构设计183.6 末端执行器的设计及计算193.6.1 苹果采摘机器人末端执行器设计的总体原则193.6.2 半球式末端执行器设计方案193.6.3 剪刀式末端执行器的设计和计算203.7 电机的计算与选型233.8 轴承的选择、润滑及密封24第四章 苹果采摘机器人苹果识别和定位264.1 视觉系统标定264.2 目标果实的识别274.3 苹果定位27第五章 苹果采摘机器人避障功能的实现295.1 人工势场的基本原理295.2 人工势场的改进29结论31参考文献32致谢34苹果采摘机器人结构设计及控制系统分析第一章 绪论1.1 研究背景及意义21世纪是从机械化到智能和自动化的转变。随着我们对苹果的需求量不断增加，苹果采摘又是一项劳动密集型工作，因此，研究苹果采摘机器人是至关重要的。苹果采摘机器人最终目标是在确保果实不受物理损伤的前提下，提高劳动效率及消除高空作业的危险性。通过查询相关资料并进行深入对比分析，目前市场上有关苹果采摘机器人的产品很少，实用性也不够。设计一种轻巧灵活，符合使用要求的苹果采摘机器人是非常迫切和重要的。中国在苹果种植上历史悠久，苹果生产在世界上占据无比重要的地位。但是，到目前为止，苹果的采摘工作都要靠大量的手工工作完成，这样就造成了其采摘效率非常低。中国是一个大型水果生产国，由于目前还没有有效可行的苹果采摘机械，从而造成了苹果采摘效率很低。因此，在21世纪的今天，我们急需提供一种轻巧灵便，自动化程度高的苹果摘采机械手。我们将苹果采摘机械手和机器人结合起来，不仅大大提高了苹果采摘自动化的水平，而且也使得苹果的采摘更加高效便捷。1.2 国外研究现状及成果1.2.1 苹果采摘机器人在国外的研究近况和成果随着中国的计算机、机械电子控制技术及机械工程等快速发展，机器人也变得越来越自动化和智能化，并应用于服务，制造等相关领域，但尚未在农业和林业中得到很好的实际应用。自20世纪80年代以来，许多国家一直在研究水果和蔬菜收获机器人，主要涉及西红柿、葡萄、蘑菇，苹果、樱桃、草莓及其它果蔬。图1-1 “CITRUS” 柑橘采摘机器人佛罗里达大学的柑橘收获机器人由法国和西班牙尤利卡合作的工程项目一“CITRUS”是比较成功的研究成果，该项目开发的柑橘采摘机器人可以获得高达80%的苹果。如图1-1所示：35苹果采摘机器人已经在美国，日本，法国等国家进行了研究，苹果采摘机由Johan Baete和Sven Boedrij开发。使用工业机器人的六自由度关节坐标臂作为机器人的主体，整个臂可以在架子上垂直和水平移动。在果园工作时，机器人由拖拉机驱动。如图1-2所示：图1-2 苹果采摘机器人1.2.2 苹果采摘机器人末端执行器在国外的研究进展自上世纪大约80年代以来，荷兰，日本等国家已经开始研制各种苹果采摘末端执行器，并取得了很多的研究成果，然而，常见的问题是拣选质量低，拣选效率低，机器人笨重，通用性差。下面介绍几个外国采用的苹果采摘机器人执行末端。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。如图1-3所示：图1-3 苹果采摘末端执行器图1-4 苹果采摘末端执行器Sven Boedrij和Johan Baeten等人。树脂管的前端配有小型摄像头，主要用来直接在末端执行器前面获取苹果的图像。如图1-4所示：1.3 国内研究现状及成果作为水果和蔬菜生产的大国，在农业机械方面，它也开始在许多其他发达国家之后，所以，研究并开发农业机器人迫在眉睫。智能化和机械化的过程是落实中国农业智能化和现代化的首要选择。中国的农业和林业机器人的发展明显在发达国家后边，但是有许多高等教育大学和研究机构已经在进行农业采摘机器人和智能机械相关的研究和开发。东北农林科技大学陆怀民教授首次开发了第一台林木球果采摘机器人，上海交通大学设计并控制了黄瓜采摘机器人，浙江大学设计并控制了番茄采摘机器人。图1-5 林木球果采摘机器人当前，陆怀民教授所研究所的林木球果采摘机器人已经进行了摘取试验。如图1-5所示：1.4 主要研究内容该设计主要分析了苹果采摘机械手的结构设计和控制系统，并对一些关键部件进行了细化。从实用智能的角度出发，设计苹果采摘机器人的末端执行器，从机械机构的角度提高苹果的采摘速度和通过率。最后，对苹果的生物学特性进行了调查和咨询，提出了苹果采摘机器人的相关设计要求，以便在现实生活中得到更好的应用。第二章 苹果采摘机器人方案设计2.1 苹果的生物学特征通过查阅数据及对苹果园进行的一些调查，发现苹果园行和行之间的界线通常会留下一条操作路径，便于果树的管理。经过在苹果园的勘察后，苹果园的地面基本上是平的，果圆的间距一般在3.5到4.5米之间。苹果树和树之间通常存在1.2和1.8之间的大差距。苹果树高一般不超过3.5m，果体直径为30mm-90mm，果重100-400克不等。苹果树的强度，树的年龄和基本的树形都有很大的关系。苹果的收获不同于山竹的坚硬表面，果体表面不是很硬，果皮易磕碰破坏，故采摘时需要控制好采摘时力度，轻轻的去处理，万不可硬拉，否则苹果将会被破坏，严重影响了苹果的保鲜。在设计苹果拾取机器人时，这也是一个应该关注点。2.2 采摘机器人的选型本次毕业设计的苹果采摘机械手是根据工业机械手的一些特点，也考虑到了苹果采摘的一些特殊性。经查资料，目前工业机械手包括有：圆柱坐标型机械手，直角坐标型机械手、极坐标型机械手、SCARA型机器人（又称装配机器人）、关节坐标型机械手五种，如下图2-1、2-2、2-3、2-4、2-5所示。由于苹果摘取环境的可变性和复杂性以及苹果分布时的随机性，设计采用关节坐标型机械手来解决机器人手臂运动的问题。图2-1 圆柱坐标系 图2-2 直角坐标系图2-3 极坐标系 图2-4 关节坐标系1.1.1 三级标题 图2-5 SCARA型机器人2.3 苹果采摘机器人的机械手的选则图2-6 苹果采摘自由度示意图通过查阅苹果采摘特征的相关信息，苹果采摘机器人的机械手最适合选用关节坐标系。苹果采摘机器人具体结构包括底盘腰座旋转、大臂的俯仰、小臂的俯仰，腕部的俯仰、旋转和执行末端五个大的部分。并且升降结构被添加到底盘，这不仅仅可以增加机器人在垂直方向上的作业空间，此外，它还可以增加苹果采摘机器人的灵活度，所以最终的选择是一个六自由度的串联式苹果采摘机器人，该选型在很大的程度上可以解决避障的问题。具体的自由度示意图由图2-6所示。2.4 苹果采摘机器人总体方案设计2.4.1 苹果采摘机器人设计原则为了能更好将所设计的苹果采摘机器人应用在现实的果园中，故在设计苹果采摘机器人时应该关注下列所述原则：苹果摘取机械臂应该具备很好的避障能力及合理的工作空间；为了使苹果采摘机器人利用率高，此外，还应该降低生产和使用成本，故在设计时应将其具有很好的通用性考虑在内；苹果采摘末端执行器需要具有一定的通用性，并且不能损伤到果实，例如：设计的是苹果采摘机器人，只需更换末端执行器，就是另一类球类水果采摘器；由于苹果采摘机器人的操作性一般是果农，文化程度一般不高，故在设计时应尽可能考虑操作的简单；2.4.2 苹果采摘机器人设计目标及主要技术参数设计目标：苹果采摘机器人可以实现采摘机械臂的合理运动，末端执行器的苹果获取及苹果自动收集等协调动作，从而，进一步实现苹果采摘在果园的无人化，自动化及智能化。主要技术参数如表2-1所示：表2-1 主要技术参数技术参数设计目标苹果识别率大于80%苹果定位误差/mm小于15苹果采摘成功率不低于85%一幅图象平均识别时间/s不长于2.5一个苹果平均采摘时间/s不大于102.4.3 苹果采摘机器人整体结构设计为了适应苹果园的地面环境，选择履带式移动小车作为苹果采摘机器人在苹果园运行的移动平台。在履带式满足强度要求的前提下，设计了具有更好减震性能的橡胶履带。履带式移动机构，可以在凹凸不平的地面上行走，稳定性好，能跨越障碍物，支持面积大，转向半径小，可实现原地转向。履带式推车配有升降平台，苹果采摘机器人的整个部分安装在升降平台上，可以提高苹果采摘机器人在垂直方向上的灵活性。机器人的基座和关节的运动由松下伺服电机驱动，摆线行星减速器用于减速以增加输出扭矩。大臂和小臂通过伺服电机的旋转实现俯仰的功能，腕部通过两转法兰实现俯仰和旋转的功能。拾取机器人的末端通过法兰相连接。末端执行器通过同步带传动，带动主动轮传动，在装有惰轮的情况下可实现相反的方向旋转带动刀片相反的方向旋转，实现剪切的功能。苹果收集装置连接到末端执行器的下面，并且收集装置连接到柔性管，并且收集到的苹果从其上落下。依靠苹果的重力势能，它通过柔性管道转移到收集篮。其总体结构三维如图2-7所示，二维如图2-8所示：图2-7 苹果采摘总体结构三维设计-图2-8 苹果采摘总结构二维设计第三章 苹果采摘结构设计及计算3.1 升降梯表3-1 液压缸的选择升降梯的作用不仅仅大大增加了机器人的拾取范围，而且为机器人的拾取带来了很大的便利。本次所设计的升降梯能够承受人的重量，可以当作梯子，可以在不安装机器人手臂的情况下随时移动。工作人员可以站在顶部进行人工采摘，使手动采摘更加有效，更加安全与更加方便。液压缸的选择可根据表3-1：液压缸的选型：1：初选缸径/杆径，液压缸内径应为16mm，液压缸活塞杆外径尺寸应为14mm；2：液压缸，由设计要求及经验，选定行程最好选第一系列，由苹果机器人整个尺寸设计要求，液压缸的活塞行程是应选择125mm；当满行程时，升降梯上板到下板的距离是287mm，当收回到最小行程时，升降梯上板到下板的距离是508mm。图3-1 升降梯升降梯的结构图如图3-1所示：3.2 底盘旋转结构的设计底盘旋转是通过伺服电机带动蜗杆转动，蜗杆带动涡轮传动，我选择用涡轮蜗杆传动的最主要原因是其传动比一般传动比为7-80，其次，它还具有工作平稳，无噪音，传动功率范围大，可以自锁等特点。3.2.1 涡轮蜗杆的设计涡轮蜗杆传动的要求：已知，输入功率为P=3KW,电机转速为n=2000r/min,传动比i=30，工作载荷较稳定，但有不大的冲击，要求寿命Lh为12000h.设计：1. 选择蜗杆的传动类型根据国标的推荐，采用渐开线蜗杆（ZI）2. 选择涡轮，蜗杆材料考虑到蜗杆传动功率并不是不大，速度也只是适中，甚至可以说是低速，因此蜗杆可由45钢制成;由于需要的效率高，耐磨性好，蜗杆的螺旋齿表面需要调制处理，调制处理的蜗杆综合性能最好，其硬度可达到40-55HRC。为了节省昂贵的有色金属，所以，环形齿轮由青铜制成，轮芯由灰铸铁HT100制成。3. 根据齿面接触疲劳强度设计由闭式蜗杆传动的设计标准，首先应该设计齿面接触疲劳强度，检查齿根弯曲疲劳强度。由下式，传动中心距： （3-1）（1）确定涡轮上的T2取=2，估取效率为=0.8，故T=9.55=9.55=9.55=349530Nmm2) 确定系数K由于涡轮蜗杆的工作载荷较稳定，所以取载荷分布不均匀系数=1;由表选取使用系数=1.15; 由于转速不高，可取动载系数=1.05,故K= （3-2）计算得K=1.15=1.21（3） 确定系数Z因为涡轮选用的材料是铸锡磷青铜，蜗杆选用的材料是45钢来传动达到减速的效果和增扭的目的，因此。（4） 确定系数先设蜗杆分度圆直径和传动中心距a的比值，从图中可查得.（5）确定应力由于涡轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1,其加工为金属模铸造，此外，蜗杆螺旋齿面硬度45HRC，从表中查的涡轮的基本许用应力=268MPa.N=60j （3-3）计算得N=60计算寿命系数得故：=0.82268MPa=219.76MPa计算中心距amm129.82mm由于设计的整体尺寸及设计传动的要求，取中心距a=180mm。因i=30,从表中取模数m=5,蜗杆分度圆直径d=50mm.这时=0.28，从表中可查得接触系数=3.1，因为，故以上计算结果可用。4：蜗杆和涡轮的主要参数和几何尺寸(1) 蜗杆轴向齿距mm,直径系数，齿顶圆直径，齿根圆直径，蜗杆导程，蜗杆齿顶高 ，蜗杆轴向齿厚，分度圆导程角。（2） 涡轮涡轮齿数z=61,变位系数验算传动比，这时的传动比误差为，是允许的涡轮分度圆直径涡轮喉圆直径涡轮齿根圆直径涡轮咽喉母圆直径=22.5mm5:校核齿根弯曲疲劳强度计算 （3-4）根据=+0.5，z=62.21,从中可查得的齿形系数=2.87.从中查得：ZCuSn10P1制造的涡轮，寿命系数计算得=8.22MPa弯曲强度是满足的。6：验算效率；与相对滑动速度有关=8.54m/s从表中用插值法=0.0204，=1.1687；代入式中得=0.855=，大于原估计值，因此不需要重算。7：精确等级公差得确定由于所设计得蜗杆传动是动力传动，从GB/T10089-1988圆柱蜗杆，涡轮精度中选择7级精度，侧隙种类为f，标注为8f，GB/T10089-1988.图3-2 蜗杆8：三维建模，如图3-2，3-3所示：图3-3 涡轮9：二维图绘制如图3-4，3-5所示：图3-4 蜗杆段落和层次标题以及各段落之间均为1.5倍行距。关图3-5 涡轮3.2.2底盘旋转涡轮轴的设计计算旋转涡轮轴的功率,转速为=40r/min.(1) 初步确定轴的最小直径先按下式初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45钢，调制处理。根据表差得A=120， （3-5）计算得(2) 轴得结构设计在轴的结构设计中，需要根据轴向定位来确定轴的各段直径和长度。1：选取轴的最小直径为d=70mm,为了满足闷盖的要求，选长度L=23mm.2：初步选择得是滚动轴承，因轴承主要承受径向载荷，故选择深沟球轴承，根据轴得最小直径。取d=70mm，由轴承目录中初步选取0基本游隙组，标准精度等级的深沟球轴承6215，其尺寸为，故d=75mm,而L=25mm，故L=50mm,右端轴承采用套筒定位。3：取安装齿轮处的轴径d=76mm,齿轮的左端采用套筒定位，右边采用轴肩定位，已知齿轮轮毂的宽度为100mm,为了使套筒端面可靠地将齿轮压紧，轴的端部应略短于轮毂宽度，取L=99mm.齿轮的另一端采用轴肩定位，轴肩高度为h0.07d,故取h=22mm,则轴环处的直径为d=120mm.轴环宽度L=25mm.4：为了满足装配要求，再做一个d=175mm,L=15.5mm,为了满足传动要求，在设计调心滚子轴承，初步选取0基本游隙组，标准精度等级的调心滚子轴承16032，其基本尺寸为，左边有轴肩定位，右边有旋转底盘定位，故d=160mm，L=63mm。5：齿轮和轴的采用平键连接来轴向定位，由机械设计查表得平键bh=22mm14mm,键槽需要用键槽铣刀加工，长度应该略小于轮毂长度，由机械手册查的及优先数列取90mm,同时齿轮与轴配合应该具有良好的对称性，故选择齿轮轮毂和轴的配合为基孔过度配合；滚动轴承与轴的周向定位是由过度配合来保证的，此处选取轴的直径尺寸公差为j.(3):按弯扭合成应力校核的强度进行校核时，一般校核轴上承受做大的弯矩和扭矩的截面，根据表得，以及轴单项旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取，轴上得计算应力前选定的轴的材料为45钢，需要由良好得综合性能，故需调制处理，由表查的，。因此，故安全。（3） ：三维建模，如图3-6所示：图3-6 旋转涡轮轴图3-7 底盘旋转轴（4）：二维图绘制3.3 大臂俯仰结构设计大臂的俯仰是通过电机的旋转驱动，带动摆线针轮行星减速器，达到所需的扭矩。大臂是整个苹果采摘机器人的很重要得组成部分，他的刚度会直接影响整个苹果采摘机器人的精度。由于大臂结构复杂，将其等效为简单的杆件模型时，力学解析上的误差很大。为了准确地检查苹果采摘机器人动臂的刚度和强度，目前大多数使用ANSYS软件的有限元分析。这个有限元分析我计划在我后续的学习中深入学习。机器人的大臂负责机器人本体的手臂，手腕和末端负载，具有最大的力和力矩。要求具有较高的结构强度，其材料为球墨铸铁，由于其结构复杂，焊接不能保证其精度和强度，为了满足未来大规模生产的需要，采用铸造方法，然后进行每个参考面的精密加工。其结构二维如图3-8所示：图3-8 大臂俯仰结构3.4小臂俯仰结构设计小臂的俯仰也由电动机的旋转驱动，并且摆线行星减速器实现所需的扭矩。摆线针轮行星减速器得原理是行星齿轮传动，在大多数情况下，摆线针轮行星减速器取代了两级，三级普通圆柱齿轮减速器或圆柱蜗杆减速器。其具有高速比，结构紧凑，体积小，运动平稳，噪音低，寿命长，等很多优点。小臂的俯仰会使苹果采摘机械臂更加的灵活，可以更好的实现避障能力。小臂的材料为球墨铸铁，因为球墨铸铁的综合性能最好，可以达到小臂所承载的强度和刚度。在设计小臂的过程中，应将导向性，重量及转动惯量考虑在内，此外，除了要求臂部结构紧凑，重量轻外，还要采取一定的缓冲措施。小臂的结构设计的三维图如图3-9所示。图3-9 小臂结构设计3.5腕部的结构设计苹果采摘机器人的手腕是用来连接末端执行器和手臂以及支撑末端执行器。能处于空间的任意位置，在这里，我设计的腕部具有两个自由度，分别来实现俯仰和旋转。在设计手腕时，一定要注意问题1：必须注意结构紧凑，重量轻2：动作灵活，平稳，定位精度高3：强度刚度高两自由度腕部是由B关节和R关节构成的BR腕部，或者由两个B关节来构成的BB腕部。然而，RR关节是不能通过两个R关节组成，因为两个R关节是的轴是平行的，因此减为一个自由度，导致了自由度的退化。事实上，只形成一个自由度的手腕。苹果采摘机器人设计中，腕部所采用的正是最为常用的BR手腕，具体的三位建模如图3-10所示：图3-10 腕部结构设计3.6 末端执行器的设计及计算3.6.1 苹果采摘机器人末端执行器设计的总体原则苹果采摘末端执行器应根据采摘环境和采摘方法严格来设计和计算。通过可行性研究和参数计算，最后通过比较，找到更合适的拣选苹果的计划，详细计算。在设计时，我们的目的是实现这一功能，同时也考虑到选择末端执行器的成本尽可能低，机械结构尽可能简单易用。按苹果的果根的分离方式可分为吸附式，抓住式，剪切式。根据摘取器的驱动方式，可分为机械式，电动式和气动式。由于我对比了各个方式的优缺点，最终选择了剪切式来收集苹果。3.6.2 半球式末端执行器设计方案图3-11 半球式末端执行器该方案的设计是引用蛇吞咽的想法，但设计概念不是一个简单的四杆机制。该机构的动力源是气动马达，苹果采摘执行端通过切割球形刀片切割苹果果柄。然后将苹果通过柔性管道将苹果输送到水果盒。苹果采摘机通过设计一个180采摘的半球形刀片来完成，并且可以在采摘的一周内使用相同的间隙宽度。间隙边缘锋利，苹果采摘更方便，可以实现果实的固定和果枝的切割，可以保证采摘器的手指不是捡拾器的手指也使得苹果采摘更加安全，方便。其三维如图3-11所示：这种设计结合了仿生学原理和现实生活中的苹果采摘，选择吞咽口作为研究对象的过程。众所周知，蛇吞食食物的蛇的行为可分为两个阶段：第一阶段就是把嘴从张开到咬住的阶段；第二阶段是咬住食物到吞下它的阶段。我们将这两个阶段与挑选苹果相结合，并参照蛇的嘴设计苹果采摘末端执行器的结构。蛇头部分可以简化为闭环连杆，杆对上颌的运动影响很小。半球式末端执行器的设计方案采用气动马达作为动力源直接来带动半球式刀片实现剪切苹果的作业，整体结构比较简单，全身放置在采摘桶内，保护人体免受伤害，刀体可旋转180，无死角采摘。然而，对称性与其结构无关，采摘是气动的，速度相对较快，这使得苹果易于碰撞，苹果的采摘和破碎率相对较高，故我没有选取这种方式。3.6.3 剪刀式末端执行器的设计和计算该苹果末端执行器是由12 V，30 W的直流减速机，同步带，刀具，刀架等组成，由电路的电池来提供12 V，30 W的电源，通过一个可以改变电流方向的自锁开关控制每分钟60转的直流减速机转动，减速机的输出轴上配同步带轮，皮带用于传动以将动力从马达传递到齿轮机构。同步带带的主动轮带动一个从动轮，从动轮带动一个刀架旋转，带动刀片旋转，主动轮带动一个惰轮，惰轮再带动一个从动轮，这个从动轮也带动一个刀架旋转，带动刀片旋转，但是，这两个刀架各自朝着反方向运动，形成了像剪刀是的剪切，使得两个叶片沿彼此相反的方向旋转。因此，形成类似于剪刀的模型，挑选剪刀型苹果来挑选末端执行器。正转能有效切开水果枝干，反转可防止卡刀，可达到有效的退刀功能。同步带的优点：同步带的传动是一种啮合传动，因此同步带传动有齿轮传动，链传动和皮带传动的各种优点集齐与一体，因此选用同步带的传动的最佳的方案。同步带可根据材料分为氯丁橡胶加纤维绳同步带，聚氨酯加钢丝同步带，在苹果采摘末端执行器设计中，由于其工作特点，应选择氯丁橡胶加纤维绳同步带。根据齿的形状，它主要分为两种类型：梯形齿同步带和圆齿同步带。同步带传动具有精确的传动比，无滑差，比例恒定，传动精确，传动非常平稳。它可以吸收冲击，噪音低，并且具有广泛的传动速比，通常高达1:10，允许线速度高达50 m / s。传动效率高，一般可达9899。传递功率从几瓦到数百千瓦。同步带的设计的要求：其传动比i=1.1,传递功率为0.03KW,小带轮的转速为n=60r/min,中心距为a=300mm,设计确定带及带轮。设计计算如下所示：（1） 确定同P （3-6）K为载荷修正系数，K=1.2P为工作电机上的功率P=0.03KW=1.2*0.03=0.036KW（2） 确定带的型号和可以根据同步带传动的设计功率P和小带轮转速n,由同步带选型图来确定所需的带的型号和节距查表得：选用同步带得型号为L 型带 节距P=9.525mm（3）选择大小带轮得可根据同步带的最小齿数确定，查表得选小带轮齿数z=12,故大带轮齿数为z=1.1*12=12故z=12,=13（4）确定带轮的d=36.38mm（5）验证带速v由公式V=计算公式得V=1.14m/sV=40m/s（6）求L=300mm+300mm+3.14*36.38/2 =657.116mm根据表3-2选择带节线长度及齿数：表3-2 节线长度及齿数L=723.9mm z=76mm（5）计算a inv为渐开线involute inv函数就是渐开线函数Invinv=tg用逐步迭代法得2.87代入公式得确定同步带的所需宽度小带轮啮合齿数：z=5.982.78kw松下电机的选择如表3-3所示：表3-3 电机的选型选松下电机MFDHTA390伺服电机。3.8 轴承的选择、润滑及密封轴承的选择不仅仅是考虑轴直径的因素，我们还要考虑轴承的一些性能，一般考虑其动载荷，寿命，可靠性（参考轴承超过或达到规定寿命的概率），静载荷，基本额定寿命，额定寿命，基本额定寿命等。在选择的过程中最主要的是负载的大小和方向，允许的空间，轴承的工作速度，旋转的精度，轴向运动和轴承的刚度（一般滚子轴承的刚度应大于滚珠轴承的刚度）以及轴承的安装和拆卸。设计轴上的径向载荷大，轴向载荷小，存在轴或壳体变形很大并且安装了定心差的问题。因此，采用球面滚子轴承，深沟球轴承，单向推力轴承，调心轴承和深沟球轴承主要承受径向载荷，因此它们也能承受少量的双向载荷。润滑对于滚动轴承很重要。它还可用作散热器，减少接触应力，吸收振动此外，还有防止生锈。轴承的润滑有油润滑和脂润滑。它主要与轴承的转速有关，通常使用滚动轴承的dn值（d是滚动轴承的内径，mm;n为轴承转速，r/min）表示轴承的速度的大小。适用于脂润滑或油润滑，可根据dn限制选择。在本设计过程中，由于其转速均是经过减速器减速的，其速度都是非常低的，它们均小于810mmr/min。由脂润滑形成的润滑膜具有高强度，可承受大负荷，不易丢失，易于密封。对于苹果采摘机器人而言，它的作业地点是果园，是不便经常添加润滑剂的地方，所以这种润滑方式特别的适合，滚动轴承中的油脂量通常是轴承内部空间的体积。在选择润滑脂时，我们主要关注的性能为锥入度和滴点，而我所设计的轴承的dn值较小，因此，应选择锥形穿透率较小的润滑脂。轴承密封设计用于防止灰尘，水，酸性气体和其他碎屑进入轴承并防止润滑剂逸出。众所周知，轴承密封装置可分为两种：接触式密封和非接触式密封。在本次的苹果采摘机器人的设计中，使用非接触式密封。第四章 苹果采摘机器人苹果识别和定位在苹果的图像研究中，我们倾向于只对苹果图像的特定感兴趣，这些部分被称为目标，而剩余其他的部分则被称为背景。对于苹果采摘机器人，苹果的识别和定位是苹果采摘机器人至关重要的任务，他也是也是影响苹果采摘成功率最为重要的因素。苹果识别是从图像的背景中来提取苹果所特有的颜色差，然后再将其分离;苹果定位是在双目CCD摄像机坐标系中找到苹果的中心点三维坐标，然后再将其转换为基础坐标系中的拾取苹果机器人的三维坐标。有关苹果识别与定位，国内外研究者做了很多的相关研究，对相对适合的果实图像，颜色空间的分割，特征的提取及定位提出了比较不同的解决方案，也取得了相对的进展。我们以番茄采摘为研究对象，它着重解决成熟番茄果实的自动识别和立体定位以及自然环境中背景色差的问题。王雅琴等研究人员提出了用2r-g-b分量来图像分割。由最佳阈值分割算法，在实验中，对果实背景和目标进行分割，成功率达到88%。Hayashi等研究者研究了茄子的图像特征从而来对茄子的目标区域识别和定位，这取得了相对好的识别定位效果。苹果采摘机器人视觉系统的首要任务是把苹果目标从某些复杂的背景中区分出来，这也是苹果采摘机器人捕捉目标的基础。在设计苹果采摘机器人过程中，苹果采摘机器人的苹果定位和识别应遵循以下原则：(1)算法相对简单、实时的原则：为保证苹果机器人采摘苹果的实时性，定位和识别算法应该在一定精度的保证下尽可能简单使用。在苹果采摘过程中，视觉识别和定位的时间应控制在所给的技术参数范围内。(2)算法应该有良好的通用性：在实践中，同一个对象应该具有通用性；对于不同种类的对象，应时其尽可能通用。此外，我们所研究的算法应该在不同的自然环境下生效。如果可能，应该能满足一类型水果的识别和定位。4.1 视觉系统标定视觉系统校准其实是是摄像机的校准，它实际上是捕获摄像机的内部和外部参数。通常，相机的内部参数也被称为内部参数，并且主要包括成像平面坐标对图像坐标的放大系数、光轴中心点的图像坐标和镜头畸变系数等。摄像机的外部参数也称为外部参数，它是给定参考坐标系中摄像机坐标系的表达，相机手眼校准是指在末端执行器坐标系和相机坐标系之间确定的关系。相机未安装在末端执行器上且不随末端执行器移动的视觉系统称为Eye-to-Hand系统，如果摄像机安装在末端执行器上并随之移动，我们将其称为Eye-in-Hand系统。为了提高苹果采摘的准确性，我们应该选择手眼系统。摄像机的校准直接影响苹果采摘机器人是否能正常运行的关键。4.2 目标果实的识别在这个毕业研究中，苹果的识别是基于面积，形状特征和颜色的组合。图像中的苹果红色较高，背景绿色较高，背景与苹果的红绿色之间的差异非常明显。可以从由分析和颜色空间选择的部分提取RGB色差分量R.我们通过在33方形结构元素上执行形态学打开和关闭操作来移除图像噪声点。对上述处理后的图像进行统计和标记，并设置区域阈值来去除小于苹果像素区域的小区域面积，然后使用边缘计算来提取目标苹果图像。最后，使用修改的圆形霍夫变换来检测每个目标区域的苹果中心的三维坐标，在具体的摘取过程中，一定有未检测到这些中心坐标，接下来使用目标区域质心标记。具体的实现流程图如图4-1所示：图4-1 苹果 识别流程图4.3 苹果定位苹果采摘机器人在定位苹果时使用立体视觉定位，也就是使用双目视觉定位，其原理是三角测量，摄像机左眼参数和右眼参数是相同的，并且光轴相互平行，成像平面相互重合。用于计算苹果深度信息的几何模型如图4-2所示在下图中，P为苹果的中心点，b是双目摄像机的基线长度，X、X分别是苹果中心点的横向坐标值，f是左眼和右眼的焦距，P、P分别是左眼和右眼图像中苹果中心点，苹果中心点在图像左眼和右眼图像中的视差为,根据三角测量原理可以得出H图4-2 双目视觉测量原理第五章 苹果采摘机器人避障功能的实现为了使苹果采摘机器人更为灵活，那么避障在本次设计中应该非常重要。在本次苹果采摘避障的问题上，主要从三个方面来解决这个问题。（1）：对果园的果树进行修剪，一方面可以提高苹果的产量，另一方面，苹果树的叶子及树枝叉稀疏，可以实现一个小小的避障。（2）：利用视觉系统来实现避障。将大量的苹果，树叶和树枝的图像在不同的颜色空间下进行对比分析，通过提取多种颜色下的灰度图像进行比较，找出苹果与树枝叶差异最为明显的颜色或者色差模型，接着需要使用自适应阈值分割法，将苹果与作为背景的树叶，树枝分开。（3）：利用改进的人工势场法来进一步来实现避障的功能，进一步提高苹果采摘机器人的灵活度。5.1 人工势场的基本原理人工势场法最初由Khatib于1985年提出，并成功应用于博士论文中机器人手臂的避障运动规划，实现了机械臂的实时避障，该方法也适用于机器人拾取机器人手臂的路径规划。人工势场用来解决机械手的路径规划的问题。便于实时控制下层，利用球体围绕障碍物的潜在范围，可以获得平滑的路径，并且排斥场起作用，机器人总是远离障碍物的潜在场地，因此它的路径也是相对安全的。然而，人工势场法也有其局限性。在实际的应用中，其主要问题在于当环境信息相对复杂时，机器人以某种特殊的运动状态位于目标物与障碍物所形成的特殊位置时，机器人将可能无法到达目标点。这些具体的问题主要描述如下；（1） 全局最小问题。（2） 局部极小值问题。（3） 路径振荡问题。5.2 人工势场的改进 在苹果采摘机器人的机械臂的路径规划中，人工势场法时一种比较成熟的方法，目前已经得到了广泛的应用。针对以上的问题，现在对其提出改进的方法。1.势场函数的改进 人工势场法中的势能函数改进可以解决全局最小问题。全局最小问题的原因是当苹果采摘机器人接近苹果目标点时，苹果周围存在障碍物，并且其也进入障碍物的影响范围。结果是苹果不是全局范围中的最小点，导致机器人无法准确到达目标点。可以修改势场函数在机器人接近目标点时使排斥场更接近零，从而使目标点成为完整情况的最低点。 2.虚拟目标点法 势场函数改进方法虽然可以解决目标不可准确到达的问题，但是在苹果采摘机器人的行进过程中，如果在到达目标前的某一点的合力为0时，机器人会错误地认为它会到达目标并在此时停止前进或来回振荡，导致路径规划失败。这个问题被称为局部极小点问题。解决局部最小点问题的方法使用虚拟目标点方法。系统在原始目标点附近添加虚拟目标点。由于添加了虚拟目标点，机器人在局部最小值位置处的合力不是0.它在虚拟目标点产生的虚拟力下。机器人可以远离局部最小值。 3.混沌优化算法 上述潜在的场函数方法改进和虚拟目标点方法只能分别解决目标不可达性和局部最小值的问题。也就是说，上述方法不能同时解决这两种问题，基于这个，这里提出一种对人工势场法的改进方法-混沌人工势场法，其结合了传统的人工势场法和混沌优化算法，不仅可以解决上述两个问题，同时还可以解决机器人无法找到类似障碍物之间的路径问题。 当苹果采摘机器人使用第三种方法方法进行路径规划时，传感器获取外部障碍物信息，每次采样后，通过第三种方法可以计算出最佳步长和方向角，使苹果采摘机器人能够准确地到达下一个位置。反复此过程，直到苹果采摘机器人到达苹果中心点。基于第三种的人工势场方法结合了传统的人工势场法和混沌优化算法，具有以下两方面的优点：在传感器的测量下，机器人可以在可变的环境中快速移动并且不能陷入局部极小点。在动态环境中，苹果采摘机器人可以实时有效的避开障碍物以及躲避局部极小点问题。在相近障碍物能发现路径，当机器人面对可能会产生局部极小点的位置时，可以使用混沌优化算法来找到障碍物来达到避障的功能。结论根据苹果采摘机器人的作业要求，该毕业设计采用机械结构设计，智能控制设计和苹果采摘机器人的结合。苹果采摘机器人的设计有利于降低果农们的劳动强度，保证了苹果实时收获。苹果采摘机器人可以保证苹果的质量，这对提高我国苹果园的自动化水平具有非常重要意义。在这次毕业设计学习中，主要学习结论总结如下：（1）在结构设计中，设计了升降梯，可以使其灵活度更高，大臂采用涡轮蜗杆减速、增扭来实现腰部的转动，大臂和小臂均使用电机带动摆线针轮行星减速器来实现其俯仰的功能，腕部的旋转、俯仰也是通过电机的转转带动摆线针轮行星加速器来实现，末端执行器采用剪刀式，用直流减速电机带动同步带，同步带带动齿轮，最终实现剪刀式的剪切。（2）通过对轮式底盘和履带底盘的分析比较，发现现有的轮式底盘很难满足苹果采摘设计的要求。