【苹果采摘机械设计9500字（论文）】

苹果采摘机械设计目录TOC\o"1-2"\h\z\u297041绪论 1266801.1课题研究背景及来源 120651.2国内外研究进展 1253421.3研究内容及意义 6214402机构的总体方案设计 7107632.1机构工作的基本原理 7260813机构的机械结构设计 833083.1机构的剪夹器传动类型选择 810413.2机构的剪夹器设计 897313.3机构的手机连接无线摄像头 1114053.4机构的电机选择 13176163.5机构的开关设计 1493494结论和展望 15183184.1结论 1516414.2主要创新点 15180874.3展望 1518634参考文献 161绪论1.1课题研究背景及来源随着经济的发展，社会的进步，人们的生活水平也在不断的提高，追求健康的饮食习惯兴起，水果作为一种健康的饮食正在目前的食品消费结构中占比越来越高。种植水果渐渐成为了许多农民发展副业的第一选择，使得我国的水果种植面积和各类型水果的产量都开始呈现显著的增长，水果产业开始蓬勃发展。尤其是在1978年我国农业结构开始调整之后，水果产业的发展更加的迅猛，1997年，中国的水果产量在世界的排名窜升到第一位，在这二十年来，其产量也从6570000吨增到50893000吨。而这在其中，作为水果产业中占比颇重的苹果产业的发展更是令人欣喜不已，2012年，我国苹果的栽种面积达到2300000公顷，产量达380000000吨，就算是在全球苹果产量中的占比都已经达到了五成，是除了我国之外的其他各国所有苹果产量的总和，中国自然就成为了集苹果的生成、出口和消费的大国。我国的苹果种植区目前主要有环渤海、黄土高原、黄河故道、西南冷凉高地。其中的两大优势地域为：（1）山东半岛，辽东南部，河北东部的渤海沿岸地区；（2）山西北部、甘肃东部、山西南部、河南西部、河北西部的黄土高原地区。2010年，在这两大优势地域里，苹果的栽种面积和产量分别达到了1330000公顷，23560000吨，占全国的61.7%和70.8%。从中国果品流通协会传来的消息，整个2021年国内苹果用产量达到了4500万吨，与网传的4600万吨相差无几，与去年的4240万吨相比，整整增加了260万吨。而从中国果品流通协会发布的权威信息来看，苹果确实丰收了，产量达到4500万吨。我国目前的苹果消费市场的两个主要产品：在苹果消费市场中占比高达九成的鲜果和占比一成的苹果加工制品，这两者决定了目前我国苹果产业中的重中之重就是适时采摘。苹果的收获采摘工作作为苹果的生产链中最费时、最辛苦的工作，极其繁琐并且工作量极大，不仅需要采摘工人们不断的登高或弯腰采摘水果，并且还要在采摘的同时判断苹果的成熟度，是否可以采摘，并且对其进行分级等步骤，这个环节毫不夸张地说需要投入整个生产过程百分之五十至百分之七十的劳动力。自进入21世纪以来，随着我国的老龄化程度不断加剧和城市化范围不断加大，劳动力自农村转移到城市，自农业转移到工业、第三方产业，农村的劳动力人口不断缩减，人力成本也在逐渐的上升，在这种社会城市化的大前提为背景下，苹果收获采摘的人力采摘这种不仅无法保证苹果的品质、质量，并且效率极其低下的工作方式自然无法满足如今的苹果产业的极速发展。半自动机械化采摘作为一种新型的科学苹果采摘方式，不仅可以极大的提高工作效率，并且稳定可靠，采摘质量得到保证，也符合如今劳动力人口的缩减和劳动力成本逐渐上升的现状。但当前我国水果产业的机械化、自动化水平不高，与我国苹果产量占全球总产量一半的超高产量完全无法对等。所以就目前而言，研究出一款半自动化的苹果采摘机器对于我国推动苹果产业由人力采摘朝半自动化采摘转变具有重大意义。现在我们的各行各业都在往机械化智能化方向发展，我们已经推出了《中国制造2025》规划。这规划中，我们已经提出了新的要求，要求在信息化发展的时代，我们需要把握机会，跟随现代智能制造的主流。另外，在规划中，努力发展工业机器人是其中的主要内容，依靠大量廉价劳动力，我国在国际上的地位逐渐上升，但是随着现代科技的飞速发展，机械逐渐取代人力，我国的人口优势在不断下降。现在的我们需要发展高新技术，通过技术来提升价值，通过机械和智能化设备来代替人力来完成生产，从而降低生产成本并提高竞争力。实际生产中，机器人也有许多人工劳动力不具备的优点，机器人拥有更高的精确度和可靠性，并且其稳定性更好，现在很多高新智能机器人不光是能够代替人力完成一些简单的生产内容，很多是代替人力去完成高精密操作。1.2国内外研究进展一般人们普遍认为，水果采摘机器人就是一种通过复杂的编程，来实现水果的采摘、分级、打包等收获任务，而且还具有强大的感知能力的自动化和机械化的收获系统。水果采摘机器人的研究涉及的知识面极其广泛，其中包括视觉图像处理，导航技术，机械结构，传感器技术，动力学，控制技术和信息处理等。1968年，美国的学者布朗和谢茨首次提出果蔬收获用机器人技术实现。1983年，美国第一次制造出西红柿采摘机器人，但是这种采摘机器人需要人工协助来完成采摘工作，所以在全自动化方面还有待研究。从此，以美国、日本为代表的发达国家，就开始注重于投入大量的精力到果蔬收获机器人研究上，而且之后各种果蔬采摘机器人就相继研制出来了，如柑橘、西红柿、黄瓜、苹果、茄子等采摘机器人。上世纪90年代，中国也开始了采摘机器人的研究，虽然研究起步较晚，但是在这几年，也取得了相当好的成绩，比如江苏大学开发的苹果采摘机器人，中国农业大学研制的黄瓜采摘机器人等。从之前研究的多种果蔬采摘机器人系统来看，采摘机器人主要由采摘机械臂、末端执行器、移动平台、控制系统以及图像处理系统等部分构成。在脐橙采摘机器人的研究领域内。北京科技大学在2020年结合国内外的脐橙采摘机器人的结构及国内脐橙采摘的工作情况，提出了一种新型采摘机器人结构并制造了脐橙采摘机器人样机。除此之外，哈尔滨工业大学展开了对脐橙采摘机器人样机的试验与研究。对其视觉定位精度进行了深入的研究，所制作的脐橙采摘机器人样机具有较高的定位精度，并且所设计的脐橙采摘机器人的结构与运动均能正常工作，马贵飞等人在2021年基于市场上现有的脐橙采摘机器人结构进行了运动学分析和仿真，进行了一定的结构优化。履带式采摘机器人使用履带完成机器人的移动。履带具有两个自由度。完成水果采摘的机械手是由大臂、小臂及末端所组成，具有五个自由度。驱动的电机及液压系统均在机械手臂后侧，该种履带式采摘机器人结构笨重，适合在较为平缓的土地上进行使用。1.2.1国外研究进展1993年，日本冈山大学紧随美国的研究脚步研制出西红柿采摘机器人。如图1-1所示。此采摘机器人跟美国首次研究出的有所不同的是采用轮式移动机构，其机械臂是更复杂的七自由度机械臂。此采摘机器人采用彩色CCD摄像机作为视觉传感器可以准确感知果实成熟度，而且可以通过双目视觉进行准确的果实定位，准确地判断果实是否在可抓取范围之内，然后再利用末端执行器将果实固定，再运用腕关节拧下。此采摘机器人从完成识别到采摘所需时间仅大约为15s/个，并且成功率在75%左右。此采摘机器人主要存在的问题有：一方面，不能识别到枝叶茂密后方的西红柿，另一方面，机械臂对被遮挡的果实也难以采摘。图1-1西红柿采摘机器人1995年，日本研究进度迅速，很快就研制出一种葡萄采摘机器人，该采摘机器人主要适用于果园棚架。此采摘机器人采用的是五自由度的机械手，可以保证末端执行器可倾斜，执行器可倾斜靠近葡萄架，以此减少漏摘现象。而末端执行器则由剪刀和仿真手指组成，采摘时，首先手指会先抓住果实，然后剪刀再剪断茎脉。此采摘机器人还采用PSD三维视觉传感器，这种传感器可以捕捉并定位已经达到设定的收获采摘标准的果实具体空间位置信息。除此之外还开发了很多种末端执行器，以此满足葡萄在不同生长阶段的需求，如施肥、套袋等中期作业。与其他采摘机器人不同的是机器人不但在一年内使用的时间延长了，而且还减少了空置时间，以此提高了效率。图1-2葡萄采摘机器人如图1-2所示，此采摘机器人的机械臂是有基于极坐标的5自由度采摘机械臂，其中包含1个直动关节和4个旋转关节，这种结构可以有效确保末端执行器水平或垂直地靠近葡萄架。此采摘机器人的末端执行器是由切断茎脉的剪刀和仿真手指组成，并且设计有多套末端执行器来适应在不同的阶段，主要用于喷雾、剪枝和葡萄架的套袋作业，有效地提高了设备的综合利用率。其主要存在缺点：首先是采摘对象有很多的限制，然后就是复杂的多自由度的机械臂直接导致控制的繁琐。1996年，荷兰农业环境工程研究所不负荷兰政府多年经济投入，研制出了黄瓜采摘机器人，如图1-3所示。该机器人采用三菱公司6自由度的RVE2型机械手和安装了一个有一个线性滑动自由度底座上，所以此采摘机器人具有7个自由度，此设计虽然操作复杂，但是可以有效增大机器人的作业空间。而在末端执行器这个方面，采用了电极切割代替传统的刀片，以此保证了果实水分的减少流失。而且还采用了近红外视觉系统来辨识黄瓜果实是否承受并且进行果实准确定位。实验结果显示机器人采摘一根成熟黄瓜大约耗时10s，比较遗憾的是由于其较低的利用率和昂贵的制造成本很难实现商品化。图1-3黄瓜采摘机器人20世纪末英国silsoe研究院成功研制出了用于蘑菇采摘的农业机器人，如图1-4所示。采摘机械臂是由一个电机驱动的旋转关节和两个气动式移动关节组成的三自由度机械臂。其末端执行器上精巧地设置有软村垫和吸引设备以此防止果实的损伤。采用TV摄像头作为定位和果实识别的视觉传感器。此采摘机器人采摘一个蘑菇平均耗时6.7s，采摘成功率在75%左右，机械结构比较简单，成本较低，但同时也存在一些问题：采摘生长倾斜的蘑菇存在很大的困难。如何采用多个末端执行器提高生产率以及尝试改进图像处理算法以此更好地调整末端执行器位姿动作来提高采摘成功率是亟待解决的问题。图1-4蘑菇采摘机器人日本、法国和比利时等国家曾经都对苹果采摘机器人都进行过深入研究。比利时的JohanBaeten和KevinBoedrij等人研制的苹果采摘机器人如图1-5所示，此机器人的采摘机械臂采用的机械臂是6自由度的工业机械臂，为了增大采摘范围，还把机械臂安装在可水平和竖直移动的架子上。一台拖拉机牵引整个采摘机械部件的运动，因而机器人整体占地面积显得比较大，同时也反映出机械本体成本较昂贵和灵活度较低。图1-5苹果采摘机器人法国国立农林机械研究所研制出了MAGAL苹果采摘机器人。其机械臂采用中空结构以便于果实的收集。采用CCD摄像机和光电传感器用于果实识别和果实定位。韩国的Jang等人也进行了苹果采摘机器人的研究，设计的采摘机械臂由1个移动关节和3个旋转关节组成，各关节都由伺服电机驱动。采用CCD彩色摄像机用于果实识别和果实定位，但此机器人大多数情况下无法采摘障碍物后的苹果。2020年日本公司设计制造了一款草莓采摘机器人，这个机器人与美国不一样的地方在于它的工作时间在12到22小时左右，可以在无人工的情况下完成草莓采摘的任务。白天晚上都可以工作，大大增加了农民的收益。除此之外还研究出了一种甘蓝采摘机器人。截止到2022年。国际市场上对于采摘机器人研究最详细的国家是美国，其所生产的苹果采摘机器人采用了国际上最先进的技术。苹果采摘机器人的工作原理与家用电器吸尘器相似。这种形式的苹果采摘机器人是通过视觉模拟来对成熟的苹果进行识别，然后通过气压将内部变为真空，从而达到苹果摘取的目的，这种苹果采摘机器人具有较高的采摘效率，但是其所采摘的苹果很容易在采摘过程中发生损伤。1.2.2国内研究进展我国东北林业大学的陆怀民成功地试验了林木球果采摘机器人，如图1-6所示。由于球果生长位置的特殊性，设计的采摘机械臂也跟普通的采摘机器人有所不同，机械臂的伸长距离能达到6m，因此跟人工采摘比大大提高了采摘效率，约为人工采摘的30-50倍。为了庞大的机械本体方便行走，移动平台采用液压驱动的履带式行走机构。主要存在的缺点：移动采用人工控制使其自动化程度较低、体积庞大导致系统能耗高。图1-6林木球果采摘机器人我国南京农业大学的顾宝兴、姬长英等人研制了苹果采摘机器人，如图1-7所示。采摘机械臂采用的是德国MOTONMAN工业机械臂，此机械臂可以拟合空间内的任意曲线，采摘范围比较大。视觉系统采用单双目摄像机以此识别果实，DGPS安装在履带式移动平台上实现自主导航，控制系统则采用基于上下位机的分布式控制方案。设计的苹果采摘机器人在徐州成功地进行了实验，并且采摘成功率在80%以上。其主要存在的问题：除了采用的工业机械臂不能承受较大的末端负载，还有各下位机采用独立的控制器大大增加经济成本；。图1-7苹果采摘机器人我国的中国农业大学的张凯良、张铁中等人研制出了高架草莓采摘机器人，此采摘机器人采用三自由度直角坐标机械手用于其精密运动定位机构，能对草莓进行精确的定位；中国农业大学的纪超、李伟等人设计出了温室黄瓜采摘机器人，机器人机械臂采用4自由度紧凑型关节机械臂，单根黄瓜采摘耗时28.6s；华南农业大学的邹湘军等人开发了多类型水果采摘机器人，用于荔枝、柑橘等多种水果的采摘，大大提高了设备综合利用率。1.3研究内容及意义我国是世界第一大苹果消费国，也是世界第一大苹果生产国。近年来苹果种植业的膨胀发展大幅度提升了果园机械猛烈的市场需求。采用采摘机械则可以很大程度上的避免人工采摘的诸多弊端，高效率、低成本、采摘的稳定性以及可以随时使用、不需要像人力采摘一样还要担心劳动力缺失问题，这种种好处都是直接或者间接的提高了果农们的经济效益，所以就目前来说提高苹果采摘作业机械化程度毫无疑问是有极其重要的意义。苹果采摘机械在果园规模化发展和规范化管理的地区应用更能突显其显著特点。用机械代替传统的人力操作完成苹果采摘作业，既能减轻工人的劳动强度，提高功效，还可降低生产成本，提高经济效益，同时又能抢农时，减少损失，为果树生长发育创造良好环境，促进果品优质高产。基于国内外大量的研究文献，机器人或者机械臂结构复杂，控制繁多而且设备繁多，设备维护比较麻烦，最主要的问题是经济成本太高，所以本课题设计一个机构具有简单、成本低、符合大众的特点。2机构的总体方案设计2.1机构工作的基本原理本文要实现的是半自动化采摘苹果，又要遵循机构简单，控制简单，成本低廉的原则，所以本文利用了最基本的平面四杆机构曲柄摇杆机构和凸轮锁止机构实现控制剪夹器循环执行剪夹的动作，而电机可以用开关控制，还要实现半自动化的是滑动部分，同样也是用很简单的电机控制滑动，加上其他人性化的设计，比如手机监控，都是符合本文的初衷的。2.2机构的工作流程图2-1流程图首先手机先连接无线摄像头，在获得监控画面后，监控剪夹器的情况，控制滑块让剪夹器滑动到要剪夹的苹果上方，对准苹果枝之后启动剪夹器开关夹住苹果，夹住之后通过机械结构来控制剪刀剪断苹果柄，然后关闭剪夹器开关并保持剪夹器夹具保持夹紧，这时候控制剪夹器滑动到合适位置，打开剪夹器夹具，便于手可以拿下，收获苹果，以此循环。3机构的机械结构设计3.1机构的剪夹器传动类型选择本文剪夹器的传动方式选择了曲柄摇杆机构以及凸轮锁止机构，曲柄摇杆机构是由一个曲柄和一个摇杆组成的铰链四杆机构。本文采用的凸轮锁止机构是由一个带有曲线轮廓的盘型凸轮、一个往复摆动的摆动推杆和一个锁止的盘型凸轮机构组成的。通常来说，曲柄作为主动件且等速转动，而摇杆则作为从动件做变速往返摆动，连杆做平面复合运动。当然曲柄摇杆机构中也有把摇杆作为主动件，把摇杆的往复摆动转换成曲柄的转动。曲柄摇杆机构是四杆机构最基本的形式。曲柄摇杆的优点是制作方便简单，容易实现，符合本文的初衷，但是也有一定的缺点，比如占用空间大，容易损坏等等。在凸轮机构中，凸轮通常为主动件做等速转动，但也有做往复摆动或移动的，凸轮机构当中最大的优点是适宜地设计出凸轮的轮廓曲线，不但可以使推杆进行预期的运动规律，而且响应特别快速，机构也简单紧凑。在凸轮机构中，特别是在自动机和自动控制装置方面有着广泛的应用。3.2机构的剪夹器设计本文采用了通过设计剪夹器机构实现边剪边夹的功能。“剪”和“夹”需由不同的机构来完成，所以剪夹器至少需要两部分组成，初步拟定由曲柄摇杆机构来完成剪的过程；由凸轮锁止机构完成夹的过程。3.2.1剪夹器工作过程分析表3.1剪夹器工作过程凸轮锁止机构曲柄摇杆机构剪夹器到达苹果上方无动作无动作剪夹器夹住苹果夹住并保持无动作剪夹器剪下苹果夹住并保持工作端合并完成剪切关闭剪夹器开关夹住并保持，凸轮回到原来位置停止工作，曲柄回到原来位置剪夹器滑到指定位置夹住并保持无动作取下苹果锁止打开无动作3.2.2剪夹器设计原理通过对剪夹器工作过程的分析，我们本着简单易操作，节约产品成本的初衷，采用凸轮锁止结构来实现“夹”的过程，采用曲柄摇杆机构来实现“剪”的过程，且剪夹有需要设计先后顺序。现设计原理图如下:图3.1凸轮锁止的设计原理剪夹的先后顺序通过曲柄与凸轮的位置来实现，即凸轮在前，曲柄在后，前后位置相差。电动机驱动机构开始运转后，凸轮先触发锁止机构，实现夹紧，曲柄随后到达剪切位置剪切。凸轮锁止结构中，由于只考虑机械原理的设计，所以凸轮的远休止过程需使连杆达到锁止位置，从而锁止，现去苹果的直径为，故凸轮最大半径应为。3.2.3曲柄摇杆的设计曲柄摇杆只负责剪的过程。现对曲柄摇杆机构定义如下：图3.2四杆机构的设计原理现用解析法设计四杆机构有：则可得现找到曲柄摇杆机构的两个极限位置，即剪切完毕时剪刀闭合，此时，，。另一个位置为剪刀张角最大时，张角最大为，此时，，。分别带入两方程可得 本着满足设计要求的前提下，尽量使其轻便易操作，可设计，。可计算出3.2,4原位置返回设计剪夹器工作完毕后，凸轮锁止机构中的凸轮以及曲柄摇杆机构中的摇杆都需回到原来的初始位置，这样才能重复的进行下次工作，从而实现循环工作。图3.3原位置返回的设计本文采用控制驱动电机输出角度位置复位来控制剪夹器凸轮锁止机构中凸轮和曲柄摇杆机构中曲柄的位置复位。在驱动电机电路中串联铜环，铜环装在输出轴上。铜环由大小两部分组成，其中面积较大的一片4与电机外壳连接而搭铁。触点臂用磷铜片制成（有弹性），其一端分别铆有触点1、2与铜环3、4接触。图3.4复位设计当电源开关打到开档，电流从蓄电池正极→驱动电机正极→驱动电机负极→开关接线柱b端→接触片→开关接线柱c端→蓄电池负极，形成回路，电机正常运转。电电源开关打到关档，如果输出轴没有回到原来位置，由于触点2和铜环4接触，则电流流进电机电枢。此时电流从蓄电池正极→电机正极→电机负极→开关接线柱b端→开关接线柱a端→接触臂触点2→铜环4→搭铁→蓄电池负极，形成回路，电机低速运转，直至凸轮锁止机构推杆和曲柄摇杆机构曲柄如图所示的特定位置。触点1和触点3通过铜环3接触，由于电枢转动时的惯性，电动机不能立即停下，电动机以发电机的方式运行而发电。因为电枢绕组所产生的反电动势的方向与外加电压的方向相反，所以电流从电机正极→接触臂触点1→铜环3→接触臂触点2→开关接线柱a→开关接线柱b→电机负极，形成回路，产生制动转矩，电机迅速停止制动，使凸轮锁止机构推杆和曲柄摇杆机构曲柄回到初始位置。3.3机构的手机连接无线摄像头本文采用小蚁无线摄像头，可以实现手机连接无线摄像头从而可以监控采摘情况，具体操作步骤如下：1、开启无线摄像头，第一次使用黄灯会闪烁。图3.5小蚁无线摄像头2、下载安装小蚁摄像机专用APP。图3.6小蚁摄像头的APP3、使用账号登录APP，然后点右上角的"+",添加摄像头。图3.7APP的操作4、按软件提示设置。图3.8摄像头的设置5、添加完成后，就可以在APP里面实际监控画图。图3.9监控页面图3.10采摘画面3.4机构的电机选择本机构使用两个电机，一个为带动剪夹器在滑轨上滑动的负载电机，一个为驱动剪夹器工作的驱动电机。3.4.1负载电机选型 剪夹器与滑轨应用以铝合金为主的材料，可计算得出剪夹器的质量，其中可取剪夹器上升的外力、滑轨的滑动摩擦系数、工作时滑轨与水平面所成的角度为。则可由公式计算可得需要提供给剪夹器的牵引力为。可取电机的机械传动效率为，滑轨终端滑轮直径。则可根据公式 计算可得电机的负载转矩为。可取安全率，则可求的必要转矩为则可选电机型号为ZWMD012012-4。3.4.2驱动电机的选型驱动电机主要驱动凸轮锁止机构与曲柄摇杆机构，其中曲柄摇杆机构剪切苹果柄，使用较锋利的剪刀，可使剪切力较小，可忽略不计。而凸轮所致机构主要用于夹取苹果，驱动电机驱动操作杆到达锁止位置，所需要的力较小。故驱动电机可选取12V小功率电机即可。3.5机构的开关设计负载电机驱动电机Ⅱ负载电机驱动电机ⅡⅠⅢ图3.10开关设计本文主要采用通过不同开关控制不同电机工作。其中负载电机是通过改变电流的方向，改变电机的正反转，从而改变剪夹器沿滑轨的前后运动。，负载开关有三个档位，其中当摇柄处于Ⅱ位置时为空挡，即负载电机处于断路状态，电机不工作。当摇柄打到Ⅰ位置时开关与，与连接。此时电流从电池正极→开关接线柱→开关接线柱→电机正极→电机负极→开关接线柱→开关接线柱→搭铁→电池负极，形成回路，电机正向连接，电机正转，从而剪夹器向远处滑动到指定位置。此时可关闭负载电机开关，打开驱动电机开关使剪夹器实现剪夹的过程。剪夹过程完毕后可关闭驱动电机开关，使驱动电机停止工作，剪夹器凸轮以及曲柄均回到初始位置，而凸轮锁止机构的连接杆保持夹住动作。当负载电机开关摇柄打到Ⅲ档位置，负载开关与，与连接。此时电流从电池正极→开关接线柱→开关接线柱→电机负极→电机正极→开关接线柱→开关接线柱→搭铁→电池负极，形成回路，电机反向连接，电机反转，从而实现剪夹器从远处向近处滑动，滑动到指定位置可使负载电机开关摇柄打回Ⅱ档位置，负载电机停止工作，此时可打开锁止，凸轮锁止机构连接杆恢复到原位置。此时可取下苹果。开关的总体设计原理图如下图3.11开关设计原理4结论和展望4.1结论本文主要工作如下、本对剪夹器中剪得机构和夹得机构分别设计并计算。利用曲柄四杆机构实现剪得过程，利用凸轮锁止机构实现夹得过程，并进行尺寸计算。符合简单、轻便的设计初