【《某蓝莓采收机械装置的整体方案设计案例》5100字（论文）】

某蓝莓采收机械装置的整体方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u15820某蓝莓采收机械装置的整体方案设计案例 172141.1蓝莓生长特性 110971.2水果采收方法 2169931.3蓝莓采收装置类型选择 2256771.4总体结构方案 31.1蓝莓生长特性蓝莓的种植位置、管理方法、栽培方式和生物学特性等等因素是研究开发蓝莓的机械机构的基础。本章节将研究蓝莓树的果实外形特点、果实生长过程、树冠基径值、树冠高度等特征，采集各种数据诸如：株距、行距栽培方式来综合研究分析蓝莓的收割作业。图1.1蓝莓果园实景本章节以安徽省怀宁县黄墩镇蓝莓种植园为研究对象，实地勘测得知:种植园园的行间距通常比较宽，通常大约为1-3m左右，其中每一行的蓝莓树株距离大约为1-2米(图1.1)。由于不同树形、树龄和剪强度等等冠层特性不同。实验考察得知，修剪强度可以分为轻度、中度和重度修剪。同时树的外形通常可以分为疏散、分层、开心和纺锤形。这里的树龄分为4年、10年和15年。其中，表1.1是对种植园区的总体综合调研。分析得出，蓝莓树结构的不同其各种特点不同，同时关于机构的数值也相差非常大。表1.1树体结构指标项目强度基径/cm树冠高/cm底枝高/cm冠基径/m分枝数不同修建轻度修剪中度修剪重度修剪13.2414.2214.12251.6211.3141.673.41101.7111.21.411.661.111-168-116-8不同树龄4年10年15年8.1313.2219.47301.1211.1191.379.2100.188.31.591.781.116-107-127-10不同树形开心形纺锤形分层形14.2914.2213.22145.33208.45221.98108.8101.288.11.411.921.816-811-157-10调研的种植园地面较为平整，其中地上盖有塑料膜，这种措施可保证蓝莓的水分和温度在根部能够保持，与此同时通过塑料膜的反射光可以覆盖蓝莓的阴面部分。1.2水果采收方法水果蔬菜成熟后得采收方法主要有人工采摘和机械采摘两大类；(1)人工采摘水果蔬菜，主要方式有徒手采摘和手持剪刀采摘等两种采摘方式。手工采摘得水果蔬菜表皮完好不容易损坏，而且机械设备采摘果树容易破坏果蔬，并且机械采摘不能区分果蔬得成熟程度，人工采摘可以区分果实得成熟程度，能做到分期采收。但是人工采收成本高、采收效率低。(2)机械采收果蔬产品具有采收效率快、节约人工成本。机械采收果蔬主要运用于果实成熟后，用于剥落果梗与果树之间得果实。一般使用刀片或者强压强或者机械振动等方式使果实脱落，果实落下后经传动带运输至果实收集装置。1.3蓝莓采收装置类型选择蓝莓采收装置应该具有以下特点：1)机械臂主体得选择以关节型机械臂型，其主体结构为小臂、大臂、腰部共3大部分。关节型的优点为：占地面积小、工作空间大、动作灵活等等诸多优点，非常适合蓝莓采摘。2)增加机械手多路径采摘的功能和增加工作空间，本文在起腰部增加了一个结构为连杆折叠机构的升降结构，不仅在竖直方向上将蓝莓采摘机的作业空间扩大，而且将机器具备高处采摘的能力，取代传统的梯子或升降台来采摘蓝莓。3)小臂处新增伸缩的关节，该关节不但可增大机器臂作业空间，同时配合末端执行，降低机械臂的末端部分碰撞果树的概论。4)一般而言，通用机械具备3个自由度（3个转动副），同时观察蓝莓对象的外形特征可知，蓝莓外形接近标志球形，对称轴具有多条一般球体具备3条对称轴，同时在种植过程中，为了增强蓝莓的品质，果树经常修剪，随之增加了果枝之间的空隙部分，不知不觉地降低机械臂对蓝莓采摘的避障精度的高要求。综合考虑，本文设计的机械无需其腕部的自由度。同时也降低了其制作成本。总体分析，该蓝莓采摘机器具备小臂伸缩和摆动、腰部升降和转动、大臂仰俯共5个自由度（串联关节型），配置情况为:P-RRR-P。机构图1.3所示。图1.3蓝莓采摘机械臂机构1.4总体结构方案在开放式蓝莓种植园露天环境下，种植园地面的摩擦系数可能因下雨、暴晒等等环境因素影响，因此履带式底盘移动系统可以保证机构整体在种植园内移动的平稳性。当机器人在种植园内工作时，其移动系统具有自助的导航移动功能，无需人为干涉进行操作。本文的移动履带采用动力源为柴油发动机，同时装备一个小型发电机，为其机械臂提供电力源以供其采摘工作。同时上端的机械臂的升降机构整体安装在履带式底盘上，其中升降机构采用连杆折叠机构。采用交流伺服电机为其执行中间环节的机械臂的小臂、大臂、腰部等等转动作为动力源，与此同时依靠行星齿轮减速机构伺服电机进行减速，提高其输出扭矩。在与末端执行器相连的是商业化的推杆电力驱动式作为代替其小臂的伸缩部件，同时在推杆末尾通过螺栓连接其法兰盘对接其末端执行器。同时本文设计实时果实收集网管装置，采摘切割后的蓝莓直接可掉落接口，同时经过其柔性材料减震保持水果的新鲜度(图3.1)。1、履带小车；2、收集框；3、柔性带；4、末端执行器；5、收集装置；6、电动推杆；7、小臂电机；8、大臂；9、大臂电机；10、腰部电机；11、腰部；12、升降台；13、电源机动力控制设备；14、地面；图3.1机器主体机构简图(1)升降机构结构方案升降平台为其蓝莓采摘机器的臂腰部在竖直方向上的移动可以完全改变其整体在竖直方向的位移。一定程度上，可以增大一部分机械手的作业空间，同时在采摘高处蓝莓的能力也得到了增强，同时最大程度上避免依靠梯子或者升降平台等等工具的使用。同时在种植园进行采摘工作时要求其工作性能具备良好的稳定性与易控性能等等，综合考虑，本文放弃使用电控式，采用液压式升降平台，为其提供充足的压力和平稳性。1、液压缸；2、齿条；3、直齿圆柱齿轮；4、上平台；5、连杆折叠机构；6、滑杆；7、齿轮齿条机构；8、齿轮轴9、谐波减速器10、下平台图3.2液压驱动蓝莓采摘升降平台由此，本文设计出一套液压自锁蓝莓升降平台机构(图3.2)。该套机构包含齿条、谐波减速器减速、液压缸、上平台、滑杆、直齿圆柱齿轮、连杆折叠机构、蜗轮轴和下平台组成部分。其中液压缸固定在下平台，由于液压缸的伸缩速率不大。因此，通过液压缸伸出的齿条和中间齿轮传递，完成其传动的方向在空间中的转变。同时通过同一根轴，将动力传递给两侧的圆柱齿轮，通过与滑动的齿条啮合组成齿条齿轮的传动机构，齿条的前部分同时啮合了滑杆的轴齿轮，同时通过滑杆铰接与连杆折叠机构，随后在齿条的带动下，滑杆由于在下平台的滑槽约束下进行移动，最后通过滑槽约束移动来实现的升降动作。分析其工作特点:种植园内实际的蓝莓采摘工作工作过程中，需要设计一个自锁保护能力确保上平台在意外超重的情况下能够进行保护。假如确实该保护机构，由此上平台逐渐会失去支撑，轻则会造成机构的损坏，影响机构的寿命，情况严重的则会倾覆压倒周边工作人员，严重情况会伤害人类。因此在设计液压线路时，需要接入一个溢流阀，侧一个单向阀，即使有过载情况发生时，液压缸会处于静止状态，保证机构处于不运动的状态，所以当卸载了过载后，上部分的平台可以短时间进行正常运转。同时，自锁状态还可保证其上部分需要达到一定的工作状态，能够让其保持一定的高度，进行一段的时间。此时，运用该种机构，可以在通断PLC电路时，前后切换。保护电路，进行切换保护电能。(2)机械臂结构方案关节型机械臂是本文蓝莓采摘机械臂的集体，在工业制造方面，该款的机器人运用较为灵活，作业空间大等等优点，诸如：生产流水自动化线大量用关节型机械臂，工业焊接机器人。海外多家科技领域的企业批量生产，其机械臂早已商业通用化。1、腰部底座；2、大推力轴承；3、腰部面板；4、腰部减速器；5、大臂关节支架；6、大臂电机；7、大臂减速器；8、大臂空心体；9、大臂走线孔；10、小臂电机；11、小臂减速器；12、小臂关节支架；13、小臂连接坐；14、小臂伸缩关节减速器；15、小臂伸缩关节电机；图3.4机械臂结构简图同时早有将工业臂运用到农业果蔬采摘的领域机器中，这种案例也早已在内外出现过，由于其成本高，重量大，尺寸的不符合，导致其影响果蔬采摘机器的商品化脚步，同时工业机械臂的的大抓持重量和高重复定位精度等等特点在农业领域无需有如此高的要求。因此，本文相对应的开发设计出相对符合的机械臂(图3.3)。本文的蓝莓机械臂下盘底座采用了推力轴承，使其当做在腰部旋转关节的支撑部件，同时较大的轴承支撑直径在一定程度上保证了腰部的旋转平稳性。双支撑架结构被采用到其大臂和小臂的关节处，同时考虑到轴向晃动间隙，本文在一定程度上减少了腰部与大臂的关节，保证大臂转动的精度。大臂构型选择中间镂空型弯件，同时设计矩形凹槽走线孔，利用该凹槽进行安置电气线路，让机械臂的外观造型，安线更加便捷。同时其伸缩机构与小臂连接。其中连接方式采用丝杠螺母副，其减速器和其驱动电机和与伸缩杆并联，动力传输通过顶端的齿形皮带进行动力传递，使其为伸缩动作过程的执行机构。通过设计，主体关节采用的动力源为交流伺服电机，该种电机通用具备过载能力控制、矩频特性好、精度高、等等优点，同时结合行星齿轮减速器机构进降速。(3)末端执行器结构方案整体机构设计的巧妙性，最终由其末端执行器的工作性能来体现整体设计的巧妙性。同时它也是果蔬采摘机器机构的最主要的部分之一，将此安装在伸缩节的末端，在种植园进行采摘作业时，机械臂先让末端执行器先靠近移动到果实对应的易采摘点，再通过软件控制器末端执行器，联合完成蓝莓采摘作业的任务。国内外主流采摘有多种，但是主流方式为两种，第一种采用吸附式吸盘，通过空气差将果实吸住，然后再将果柄用类剪刀式剪断，但是该种方法必须保证检测出果柄的具体确切位置，同时利用软件进行控制，密切调整好其末端执行器的连贯动作，上述分析可知，该过程需要进行复杂的动作算法和编程控制，一定程度上是增加了其制造和开发的难度。第二种是采用腕关节的在2个互相垂直的方向的转动，从而来模拟人类手臂的掰断果柄树枝的动作来完成采摘工作，但是其对象还需要求其果枝与果实容易区分，具有一定数量的分离，一定程度上还是限制了采摘对象的通用性。通过观察蓝莓的外形特征，一定程度上进行实用化的要求，本文设计出了一种球体果实的采摘末端执行器，其结构如图3.4所示。该果实的采摘末端执行器包含传感控制系统、切割装置、气动系统和夹持机构4大部分。其中，夹持系统是四大组成部分的重要部分之一，所以其设计部分必须考虑其蓝莓的特性。本文的夹持部分包含：手指转轴、右手指、左手指、销轴、导杆、活塞杆、双作用微型气缸、手指支架8大部分组成。其中双作用微型气缸可进行伸缩运动，其运动原理为驱动其和螺纹连接的活塞杆导杆进行运动。直流电机；2、微型蜗轮蜗杆减速器；3、钢丝绕盘；4、钢丝；5、微型双作用气缸；6、手指支架；7、活塞缸；8、导杆；9、销轴；10、23、滚轮组；11、视觉传感器；12、切割转盘；13、转盘轴；14、刀架；15、压力传感器；16、海绵材料；17、橡胶材料；18、光电开关；19、双面刀片；20、21、左右手指；22、触觉传感器；24、限位开关；25、手指转轴；图3.4末端执行器机构简图同时其中导杆的末端设计有小孔，左右的手指末尾具有与销轴宽度相同的滑槽，安装过程中，销轴会接连穿插小孔和滑槽，这样一来使其导杆能够进行直线的伸缩运动，最后利用销轴来驱动左右的手指绕转轴从而进行摆动。此结构能够转化活塞杆的直线为两个手指的左右摆动，从而进一步完成两个手指的抓取和放松蓝莓的连续动作。设计过程中，本文的手指内轮廓曲线大致在蓝莓曲面曲率大致吻合，同时在其内表面安装有一层柔性的海绵，同时在海绵的基础上再采用橡胶进一步覆盖，最大程度上确保其在抓取蓝莓的同时误伤果实，再者利用橡胶的大摩擦系数，使其抓取过程更加稳定。其中，执行切割树枝动作的切割系统部分设计也是重要组成部分之一。其包含双面刀片、刀架、切割转盘、滚轮组1、滚轮组2、钢丝、钢丝绕盘、微型蜗轮蜗杆减速机构和12V直流电机等9大小部分组成。同时通过其微型蜗轮蜗杆机构将其12V直流电机进行一定程度的减速，钢丝缠绕在钢丝转盘，接着绕过滚轮组1和滚轮组2，按螺纹轨道在切割转盘上环绕，接着刀架和钢丝固结在一起。其中，末端的刀架和双面刀片是便携式可拆卸，即使使用过程损坏，刀片工作可随时进行，快捷方便。通过12V直流电机的动力，将其转矩传递给刀片，刀片利用其绕手指的周向旋转，从而顺势将其蓝莓柄割断，完成最后的收割动作。传感系统是末端执行器的眼睛，较为精密的部分。其中传感系统包含限位开关、触觉传感器、微型视觉传感器、压力传感器、光电位置开关等等5部分。其中对射式红外线光电管是光电位置开关主要部件，将其安放在手指前后，其主要功能作用为收集电平信号，同时将电平