苹果采摘机械手的设计

苹果采摘机械手的设计摘要2022年我国苹果产量为4597.34万吨，同比2012年增加1000万吨，而且苹果采摘难度极高，苹果皮薄，在采摘过程中容易被树枝划伤，划伤后会立即氧化，坏果率增加。采用机械设备不仅可以提高采摘的效率，也可以降低果实的损坏率。本文主要研究的内容是如何对果实尽可能地达到无损采摘，降低时间成本和人工成本。这次毕业设计主要对苹果采摘机械手整体结构进行设计，设计其各部位零件，并且绘制其各部位零件图，阐述其工作原理以及意义与影响。本次设计的机械结构由手指、手掌、机架、伸缩杆组成，材料用到高强度的铝合金材料、橡胶等。设计的基本结构应该满足苹果采摘的要求。实现在机械手的协助下提高采摘效率，进而提高经济效益。关键词：机械手；无损采摘；苹果；设计目录第1章引言1第2章苹果采摘机械手的研究概况22.1苹果采摘机械手的研究目的22.2苹果采摘机械手的研究内容22.3苹果采摘机械手的研究现状22.4采摘机械手的应用前景3第3章苹果采摘机械手的总体设计43.1苹果采摘机械手的设计方案43.2机械手的零件设计43.2.1手指43.2.2手掌、连杆53.2.3复位弹簧53.3伸缩杆、控制器、手柄的设计63.3.1伸缩杆73.3.2伸缩控制器83.3.3手柄8第4章苹果采摘机械手工作原理及设计94.1机械传动94.2机械手的传动装置设计104.3钢丝选用及极限拉力计算114.4苹果收集装置的设计124.5整体装配图设计12结论13参考文献14致谢2058215保定理工学院本科毕业设计-11-引言本课题对于生产生活意义非凡，作为世界上最大的发展中国家，中国果实生产消费水平位于世界前列。随着中国种植业技术的快速发展，果实采摘机械手的需求在很大程度上得到了提高。果实采摘所用的劳动力占比高达35%到55%，人工采摘还是中国苹果采摘的主要手段之一。这也使得苹果采摘的效率极低。苹果的损伤率也是居高不下。造成了很多不必要的损失。采用机械设备不仅可以提高采摘的效率，也可以降低果实的损坏率。更重要的是节约了时间，并且降低了劳动成本。提高了经济效益。所以提高苹果采摘机械水平迫在眉睫。设计生产一款便捷，简单的苹果采摘机械手对于苹果采摘行业具有重大意义。苹果采摘机械手的研究概况2.1苹果采摘机械手的研究目的随着时代的发展，从事农业方面的研究越来越多，所有研究都共同指向同一个目标，那就是机械化，机械化进程已经势不可挡，本课题研究的目的就是为了实现苹果采摘的机械化，只有实现了机械化采摘，才可以减轻人工的劳动强度，提高工作效率，而且从很大程度上降低了生产的成本，提高果实采摘行业的经济效益。从另一方面可以看出，苹果采摘机械手设计也可以推动其他农业采摘项目的发展。2.2苹果采摘机械手的研究内容传统的果园苹果收获基本以人工采摘为主，耗时费力。苹果不同于山楂、核桃、枣等，苹果皮易损伤，损伤造成苹果表面氧化变质，品质下降，降低经济效益。本设计主要致力于苹果无损采摘。节省时间成本和人工成本。增加经济收益，提高工作效率。本次设计的机械手可以采摘直径为4厘米到10厘米的果实，可以采摘苹果，桃子、梨等，机械手的长度可以调节，调节范围为1米到2米。普通的采摘场景可以轻松应对外，还可以应用于较为复杂的场景，比如遇到较高或者较密的果树，当果树高度达到3.5米或者更高时，一般的机械设备很难触及到苹果树顶部的位置，可以利用苹果采摘机械手达到轻松无损采摘的目的。2.3苹果采摘机械手的研究现状中国是世界上最大的水果生产国和消费国。水果种植业的突飞猛进对果园机械化和智能化提出了更为严格的要求，人工采摘已经远远落后于时代的要求。中国发展的苹果采摘技术在世界范围内算是比较先进的，但是采摘自动化程度仍然不是很高。近年来水果产业在市场的需求不断增加，苹果采摘机械化很快引起了农业界机械研发人员的注意，他们最先开始了研究和探索，设计出了机械振摇式果实采摘机，通过对果树的冲击和振摇使果实产生合适的加速度，使果实在最薄弱处于树枝分离。从而实现采摘的目的。这个机器对于山楂、红枣等坚硬的果实或者果皮粗糙厚实、水分较低的果实有很好的采摘效果，但是对于苹果、梨等果实来说，效率却十分低，苹果皮薄，在采摘过程中容易与其他果实或者枝叶撞击，使得果实出现破皮、淤青等状况。一旦出现这种状况，极易引起苹果的氧化变质或者腐烂，保质期严重缩短，良品率严重下降，导致果实卖不上应有的价格。经济效益明显降低。国外研究的采摘方式和咱们也是大同小异，主要是振摇式和撞击式，还有一种更加特殊的切割式，由于西方大多数国家的劳动力严重不足，迫使他们无法将劳动力分散开，所以他们直接将长有果实的树枝切割下来，集中到一起然后再对树枝上的果实进行后续处理，这样虽然可以提高效率，但是不利于果树的生长和保护。而且果实在运输过程中也容易损坏变质。综上所述，现阶段的采摘机采摘速度可以达到标准，但是苹果损失率很高，良品率较低，导致总体效率降低。所以本次设计的苹果采摘机械手主要实现果实的无损采摘，保证采摘效率的同时，提高苹果的良品率。实现总体效率的提升。2.4采摘机械手的应用前景采摘机械手拥有很广阔的应用前景，机械手与人手的最大区别就是机械手的准确性和耐用性，机械手可以一直不间断重复同一个动作并且失误率极低，而且可以在任何环境下完成工作，而且机械手方便维修和替换。采摘机械手可以是全自动化的采摘机器人，也可以是半自动化的采摘辅助器，他们都离不开机械手的工作。随着劳动力人口的减少，如今更需要机械设备的帮助，各行各业的发展都趋于自动化和半自动化，在工业领域，机械臂广泛运用于汽车、船舶、飞机、家电等行业。在农业领域，他被用运到采摘、种植、收割等方面。在医疗领域，它主要被运用于远程操控，医生与患者身在异地也可以控制机械手完成一些列操作。所以，机械手拥有很广阔的应用前景，未来发展也一定是非常迅速的。未来一定会有各种各样的机械手出现在生产和生活中。苹果采摘机械手的总体设计3.1苹果采摘机械手的设计方案本次对于苹果采摘机械手进行了深入的了解，通过资料调研法查找相关的机械手设计结构和研究资料，本次设计的机械结构由手指、手掌、连杆、复位弹簧、伸缩杆组成，材料会用到高强度的铝合金材料，手指由橡胶包裹，伸缩杆采用两段式伸缩设计，由两节铝合金管组成，控制器类似于自行车刹车装置，人工控制机械手掌的打开与合拢。将苹果完整的摘下。有了整体设计方案，通过文献参考法来进一步储备设计经验，再根据设计思路来完成草图的设计，之后会在NX12.0软件上完成整体图纸的绘画和确定最终的设计图。最后通过市场调研法以及现状分析法，深入市场对比其他机械手的结构优缺点，结合自己的设计数据，针对结构经行优化设计。最后，通过经验总结法、理论分析法，进行具体设计环节的分析与计算，完成各项工作，使设计完整化。3.2机械手的零件设计有了整体的设计方案，将苹果采摘机械手分为两部分，分别是机械手和伸缩杆。机械手又是由手指、手掌、连接杆、和复位弹簧组成。伸缩杆由内杆、外杆、伸缩控制器、手柄组成。3.2.1手指手指是由手指和手指套组成，手指的材料为奥氏体不锈钢材料，它的优点是卫生安全、防腐蚀、刚性高、而且易于加工、表面光滑。手指通常与果实直接接触，所以材料必须选用安全可靠的金属不锈钢材料。手指套则使用加成型硅合成橡胶，这种橡胶专用于食品行业，和医疗领域，拥有优良的稳定性和耐候性（使用温度-60℃-250℃）密度/g·cm-31.1硬度（JISA）20断裂伸长率/%≥300抗撕强度/KN·m-1≥20抗拉强度/Mpa≥5.0手指长度为6cm，宽度为3cm,可以摘取直径为4-10cm的果实。手指部位是一个极易磨损的部位，手指使用周期大概为一年。如果频繁使用的话，应该缩短更换周期。图3.1苹果采摘机械手手指零件图图3.2手指二维平面图3.2.2手掌、连杆手掌是机械手的核心部位，材料是高强度铝合金7075-T6铝合金的优点是重量轻、抗氧化能力强、可塑性强。非常适合框架结构。连杆是连接手指和手柄的关键零件，连杆的上下运动带动手指的打开与合拢。调节连杆的长度可以改变手指开合的幅度，可以应对不同的果实。手掌上端设计为等边三角形，边长为100mm,中间圆孔是连杆通道，连杆上端与三根手指相连。手掌总长度为80mm,中间由加强筋加固，为减少重量，加强筋采用中空设计。手掌上有三个定位支点，分别定位三根手指，手指在支点上可以自由摆动。手掌上端圆孔对应连杆上端直径，下端圆孔对应下端直径分别是28mm和20mm。连杆可以在手掌中间有限度的运动。连杆的运动带动手指的运动，实现手指的张开与合拢。图3.3机械手掌零件图图3.4手掌俯视图3.2.3复位弹簧复位弹簧的作用就是由一种状态恢复到原有状态，首先复位弹簧受到拉伸或者挤压作用，发生形变，把能量以势能的形式储存起来，最后再释放出去。本设计的复位弹簧使用琴钢丝加工而成，通过淬火加回火的热处理方式定型。复位弹簧套在连杆上，再与手掌接触，形成一个相对完整的系统。由他们组成整个机械手的部分。复位弹簧复位能力是关键。力量太小机械手将无法复位，力量太大，则需要很强的握力才可以操纵机械手，所以复位弹簧的压力必须适当。已知弹簧的压力公式:F=k×∆x根据连杆的长度可以知道连杆可移动范围是5cm，弹簧的伸缩距离约为2.5cm。所以∆x≈2.5cm。F可以理解为人握住一个苹果将其摘下所需的力，可以假设为二倍苹果的重力，苹果假设为200g。则二倍苹果重力约为4N。所以可以求出:k=4N/2.5=1.6弹簧常数计算公式：k=(G×d⁴)/(8×Dm³×Nc)G=线材的钢性模数：琴钢丝G=8000；不锈钢丝G=7300，磷青铜线G=4500，黄铜线G=3500d=线径Do=OD=外径Di=ID=内径Dm=MD=中径=Do-dN=总圈数Nc=有效圈数=N-2根据已知的数据和信息，本次设计的弹簧材质为琴钢丝，线径为3.4mm,外径为25mm，内径为22.5mm,中径为24mm总圈数为8，有效圈数为6。由此可以计算出k=(G×d⁴)/(8×Dm³×Nc)k=(8000×3.4⁴)/(8×24³×6)≈1.61所以本次设计是复位弹簧符合要求。图3.5机械手连杆零件图图3.6复位弹簧零件图图3.7连接零件图3.8机械手装配图该机械手由三根手指，每根手指之间成120°夹角围绕在手掌上，每根手指由两个关节组成，确保手指足够灵活。手指与手掌中间的连杆相连，通过连杆的运动实现手指的运动。对果实实现夹持的作用。3.3伸缩杆、控制器、手柄的设计苹果采摘机械手的下半部分由三小部分组成，分别是伸缩杆、控制器和手柄，他们相互连接，相互控制，控制器控制伸缩杆的伸长和缩短，而手柄控制机械手的打开与合拢。他们与机械手共同构成完整的苹果采摘机械手。3.3.1伸缩杆伸缩杆是整个机械手非常重要的部分，制作伸缩杆的材料一般有三种，分别是不锈钢、PE管、轻质铝合金管，不锈钢是最为常见的材料，不生锈，耐摩擦，而且硬度高，但是价格也比较高，所以现在的不锈钢管大多为复合材料，外层不锈钢，内层为钢，PE管就是人们所了解的塑料管，比较环保，可回收，但是硬度比较低，长时间工作会产生形变。轻质铝合金管就是由铝合金和塑料组成，他们经过无缝压缩工艺一体成型，外层铝合金，内层塑料，它具有一定厚度，不易生锈。硬度强且质量轻。所以本次设计的伸缩杆使用轻质铝合金管，它有强度高、耐腐蚀、质量轻、价格便宜等优点。图3.9伸缩杆本次设计的伸缩杆由内杆和外杆组成，外杆套住内杆，外杆固定，内杆自由移动，实现伸缩的效果，两根杆分别为100cm和80cm.外杆长，内杆短，外杆的直径为30mm,内杆直径为26mm.杆厚度为2mm.杆表面有防滑处理，内杆与外杆中间有卡槽，可以精准的将内杆与外杆套牢，不会出现滑动的现象。内杆有多个限位孔，可以精确控制伸缩杆总体长度。内杆连接机械手，外杆连接手柄。两杆之间安装控制器。伸缩杆的重量占整个机械手重量的60%，所以伸缩杆的重量一定要控制在合理的范围内，太轻的话，它的强度就会降低，在使用过程中容易出现质量问题，太重的话，反而效率会比不使用机械手更低。所以伸缩杆的重量必须控制在合理的范围。已知铝合金管的重量计算公式为：W=π×ρ(D-S)SL/1000W——管的理论重量，kg；π——圆周率，π=3.1416；ρ——密度，铝合金可按ρ=7.85kg/立方分米计算；S——钢管的壁厚，mm；D——钢管外径，mm；L——钢管长度，m.由此可得本次设计的铝合金外管质量为：W≈3.1416×7.85kg/dm³×(30mm－2mm)2mm×1m/1000W≈0.15kg由此可得本次设计的铝合金内管质量为：W≈3.1416×7.85kg/dm³×(28mm－2mm)2mm×0.8m/1000W≈0.13kg那么伸缩杆的总重量约为0.3kg,由此可以估算整个机械手的重量约为0.5kg。铝管的抗弯强度计算:管材都会有弯曲，所以抗弯曲能力是非常重要的。铝管的弯曲强度计算公式为：I=/64a=d/Dπ取3.1416根据公式计算抗弯强度：I=由此可得：I≈24911.293.3.2控制器控制器是控制伸缩杆伸缩的部件，结构简单，采用塑料制成，长度7cm，大口直径31mm，小口直径28mm，大口连接粗直径伸缩杆，小口连接细直径伸缩杆，根据伸缩杆的直径，确定控制器的直径，使它刚好套在伸缩杆上。控制器上端安装控制按钮，按钮左端3mm的控制栓，当控制器上的控制栓卡在伸缩杆的限位孔上时，伸缩杆不可以伸长或者缩短，工作时可以根据果实的高度来调节控制栓在伸缩杆上的位置。应对不同的工作场景。图3.10伸缩控制器3.3.3.手柄手柄控制机械手的开合，是由人手直接操作的部件，当人握紧手柄时，手柄拉动钢丝，钢丝牵引连杆向下运动，机械手就会合拢，当人手松开手柄时，复位弹簧就会恢复原状，将势能转化为动能，使机械手恢复到开放状态。手柄前端与外杆嵌套，直径为30mm，使用高硬度塑料材料pps,它是一种硬度非常高的材料，而且耐热性比较好。轻质不易变形。手柄也可以使用金属材料，金属材料更加耐用，使用周期更长，但是金属材料普遍较重，会增加机械手整体的重量，给操作者带来不必要的负担。所以考虑综合因素，选用pps塑料材质更加合理。图3.11手柄零件3.12手柄二维平面图苹果采摘机械手的工作原理及设计4.1机械传动机械传动是日常生活中最常见的传动方式，通过机械方式传递动力和运动。机械传动大致可分为两种：依靠部件之间摩擦传递动力的摩擦传动，以及依靠主动和从动部件啮合或中间件啮合产生动力的啮合传动。机械传动具体可分为以下几种：齿轮传动、链条传动和钢丝绳传动。4.2机械手的传动装置设计本次设计苹果采摘机械手运用的就是机械传动中的钢丝索传动，钢索不是直接安装被安装在机械手上的，如果直接安装在机械手上，那么钢索的长度决定了机械手的长度，机械手就失去了伸缩的功能，为了让钢丝既可以传动，又可以改变长度，可以在钢丝上包裹上钢丝管，它有一定的弯曲效果，但又不影响钢丝的传动效果，钢丝管由两层材质组成，内层为钢外层为橡胶，将钢丝的一部分设计为螺旋结构，了解钢丝和钢丝管的最大弯曲量，就可以确定伸缩杆的伸缩范围。钢丝管的外径为5mm，内径为3mm,长度为2000mm，钢丝直径为2.8mm。穿过钢丝管连接在连杆和手柄上。钢丝管两端有定位螺丝，分别固定在两根铝合金管的两端。钢丝与钢丝管也是有使用周期的，定期检查和更换是必要的，当钢丝管表皮老化或者破裂时，传动效率就会有明显的下降。图4.1苹果采摘机械手的传动装置简图4.3钢丝选用及极限拉力计算为了节约成本和稳定的共作，机械手传动钢丝的使用也是非常重要的，选用最合适的钢丝可以事半功倍。钢丝的破断拉力为S破断=500d²（N）钢丝的极限工作拉力S极限=S破断/k（N）d——钢丝的直径k——安全系数不同的使用场景下安全系数也是不一样的，作揽风绳用时一般为3.5，起重用时一般为4.5，绑扎吊索一般为6。为了安全起见，本次设计使用最大的安全系数，人手摘苹果时使用的力一般不会大于自身重力，所以极限拉力按人的自身重力计算，一般成年人的体重为60kg,那么极限拉力为60kg×9.8kg/N≈600N。当极限拉力为600N时，代入公式计算：d²=600K/500d≈2.68mm通过计算，可以得出钢丝直径为2.68mm,市场上镀锌钢丝规格有0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm、2.0mm、2.5mm、2.8mm、3.0mm、3.2mm、3.5mm、3.8mm、4.0mm、4.2mm、4.5mm、4.8mm、5.0mm、6.2mm、7.7mm、9.3mm。根据上述的规格，本设计选用2.8mm规格的钢丝最为合适。4.4苹果收集装置的设计当苹果被完整采摘下时，由于机械手每次只能采摘一个苹果，如果不能快速高效的将其收集起来，那么采摘效率是非常低的，所以要设计一个可以快速收集的装置，对此设计出以下两种方案，1、可以在机械手下放安装一个可拆卸果筐，当苹果被采摘下时，松开机械手，苹果直接掉进筐内。2、可以在机械手下方安装一个可裁卸的通道。类似于传送带，当苹果被采摘下来时，松开机械手，苹果掉进通道，顺着通道直接传送到地面的放置苹果的容器内。有了以上两种方案，考虑利弊等其他因素，本次设计会选择第二种方案，第一种方案虽然结构简单，但是当苹果在筐内越来越多时，机械手整体的重量会急速上升，对使用者的力量有一定的要求，而且苹果下落时势必回与已经在筐内的苹果发生碰撞，导致苹果良品率下降。第二种方案虽然结构较为复杂，但是每个苹果之间都不会发生接触，苹果重量也不会对使用者产生负担。根据苹果的尺寸，设计的投放筐，外直径100mm,内直径90mm，苹果的直径大约为40mm~100mm。满足绝大部分苹果的尺寸。4.5整体装配图设计苹果采摘机械手的所有零部件都已经设计完成，整体装配图如下：图4.2苹果采摘机械手装配图图4.3苹果采摘机械手爆炸图结论本文主要对苹果采摘机械手的零件和传动装置进行了设计，不仅对一个零件的设计步骤与过程有了比较深入的了解，通过对零件的自身结构、尺寸、材料、等方面进行分析，还制定出了一系列的设计方案。并依据果实的自身特征和采摘环境等其他因素进行了分析，选择出一套相对完整的方案。设计过程中还对机械手行业和水果采摘行业有了深入了解。知道了各种各样的机械设备，和水果采摘方面的知识。在绘图过程中，也对绘图软件有了更深层次的学习，熟练掌握了三维建模和图纸绘画。在设计过程中发现自己掌握的知识和对行业的了解还只是冰山一角，不能很好的把所学知识结合到实际中去，遇到的有很多问题还是不能独立解决，在学校中大部分时间是学习知识，所以好多事情还是缺乏经验。所以学习是一个不能间断的事，毕业后还需要自己更多地学习知识，将知识转化为能力才是最重要的。所以今后还会不断努力。不断进步。参考文献[1]郑爽爽,李艳聪,张盛,王容,王东阳,顾典荣,苹果采摘机械人结构设计科技创新与应用2019.21:11-12.[2]杨文亮.苹果采摘机器人机械