毕业设计（论文）-可调节采摘装置设计

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文·哈尔滨理工大学学士学位论文-PAGEII--PAGEII- 可调节采摘装置设计摘要目前，由于水果采摘作业的复杂性，采摘自动化程度仍然很低。国内水果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，研究开发水果采摘机构，具有重要的意义。国内外对于水果采摘机构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构具体的结构设计与分析存在不足。国内外对于水果采摘机构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，主要原因之一就是具体的结构设计与分析存在不足。本文首先分析了国内外水果采摘机构的研究现状，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，通过对水果园的调研，分析了机构采摘水果的具体特点，提出了一种水果采摘机械手。从实用化角度考虑，提出了机构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、气动系统部分组成。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，研究开发水果采摘机构，具有重要的意义。关键词：采摘机构；液压驱动；末端执行器TheadjustablepickingdevicedesignAbstractAtPresenttheautomationlevelofPickingfruitsandvegetablesisstillverylow,becausePickingfruitsandvegetablesisacomplexwork.Inthe21stcentury,countriesaroundtheworldareallfacingtheproblemofpopulationaging,notonlythehighcostoflabor,andnotreadilyavailable.Therefore,thedevelopmentofmechanizedharvestingtechnology,researchanddevelopmentofMechanismpickingfruitsandvegetablesareofgreatsignificance.Mechanismsforpickingfruitsandvegetablesarestillinthephaseofresearchanddevelopment,theprocessisstillverydifficult,oneofthemainreasonsisthatthespecificstructureareweakindesignandanalysis.Firstly，variousMechanismsforfruitandvegetableharvestingareanalyzed.Aimingatlackofthecurrentmainstructuredesigns,thebasicprincipleforfruitandVegetableharvestingmanipulatorstructuredesignispresented.ThespecificfeaturesofpickingfruitwithMechanismswereanalyzedbyresearchonfruitorchard;akindfruitharvestingmanipulatorwasputforward.Then，severalend-effectorswhichweredesignedinpracticalandintelligentwaywerefabricated;Itiscomposedofclampingmechanism，Pneumaticsystem，andsensorcontrolsystem.Intheprocessofend-effector’sdesignandmanufacture，theengineeringdrawingoftheend-effector’spartsweremadebyPro/e.Onthebaseofensuringtherequirementsofstiffnessandstrength，thenon-standaulpartsselectedaluminumalloyandengineeringplastics.Keywords：FruitharvestingMechanism；HydraulicDrive；EndoftheactuatorPAGEII---PAGEIV-目录摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII第1章绪论 11.1课题研究的意义 11.2水果采摘机构发展概况 21.2.1国外研究成果及现状 21.2.2研究中存在的问题 2采摘机构的制造成本较高 31.2.3发展方向 31.3本章小结 4第2章水果采摘装置机身结构设计 52.1采摘装置结构选型 52.1.1采摘装置的选型原则 52.1.2采摘装置的选型定论 62.2采摘装置结构设计 72.2.1地面运动部分设计 72.2.2腰部旋转机构设计 82.2.3升降机构设计 92.2.4伸缩机构设计 112.3本章小结 12第3章水果采摘装置末端执行器的设计 133.1水果采摘装置末端执行器研究进展 133.1.1国外末端执行器研制进展情况 133.1.2国内研制的末端执行器概述 133.2水果采摘装置末端执行器机构设计 133.2.1水果采摘装置末端执行器机构选型原则 133.2.2水果采摘装置末端执行器机构选型定论 143.2.3水果采摘机构末端执行器结构的设计 153.3水果采摘装置末端执行器校核 173.1.3伸缩液压缸的选择与校核 173.3.2液压缸的联接计算 193.3.3验算活塞杆的稳定性 213.4本章小结 23第4章液压传动部分设计 244.1液压系统 244.1.1液压系统简介 244.1.2液压系统结构 254.1.3液压系统的优缺点 254.2换向阀的设计 264.3液压缸的设计 274.3.1液压缸类型的选择 274.3.2液压缸尺寸的选择 274.3.3液压的分流设计 304.4本章小结 31结论 32致谢 33参考文献 34附录 35-PAGE10--PAGE25-绪论课题研究的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，机构已逐步进入到农业生产领域中。农业机构不同于工业机构，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。水果采摘作业是水果生产中最耗时、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，水果收获期间需投入的劳力约占整个生产过程的50%一70%[1]。而且在水果收获作业过程中，人工收获经常需要弯腰或借助梯子登高。因此水果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。因此实现水果收获的机械化变得越来越迫切，研究农业水果采摘机构具有重要的意义。采摘机构的末端执行器是安装在机械手前端，直接与采摘目标相接触，以实现水果采摘所需运动和附加功能的装置，是采摘机构实现水果采摘的关键执行部分。与工业机构的末端执行器相比，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，采摘机构的末端执行器具有明显的特殊性和更高的智能化要求。水果味道鲜美，营养丰富，深受人们喜爱，有较高的经济价值。我国水果种植面积广大，在我国水果的人工收获作业量大，劳动强度高，开发并推广水果的自动化收获技术成为现阶段亟待解决的问题。日本、美国、荷兰等国曾开发了各类末端执行器,但智能化程度较低，对于作业对象与环境的柔嫩性、不规则性和复杂多变性缺乏适应能力,影响了水果采摘的效率和成功率；末端执行器的移动性和轻便性差，多数采摘机构及其末端执行器由交流供电，无法实现移动采摘，而普通铅酸电池的体积、质量和容量等则难以达到要求；采摘机构及其末端执行器应用工控机控制，轻便性差，灵活性不足。我国目前虽然在水果采摘机构的机器视觉、智能小车、机械手等研究上均已取得一定进展，末端执行器的研究却仍是空白[2]。为此，提出一种基于多传感器信息融合和开放式控制的智能型水果采摘机构末端执行器，并进行硬件的设计开发。本设计是针对水果采摘机构末端执行器进行结构设计。水果采摘机构发展概况水果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，其缺点是水果易损，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，应用机构进行水果的自动化采摘得到了快速的发展。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，但水果容易损坏，效率不高，而且容易摘到不成熟的水果。随着科学技术的发展，农业机构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提出用机构采摘水果之后，对采摘机构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,其缺点是水果易损,效率不高,特别是无法进行选择性的收获[3]。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,特别是工业机构技术、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,在收获采摘机构的研究上做了大量的工作。1983年第一台采摘机构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、水果、葡萄和西瓜等的智能机构。我国采摘机构的研究起步虽然比较晚，但目前也逐步发展起来[4]。如中国农业大学的张铁中等人对草莓收获机构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构，上海交通大学正在进行黄瓜采摘机构的研究等。目前，比较典型的有水果采摘机构、草莓采摘机构、葡萄采摘机构及林木球果采摘机构等。研究中存在的问题法国是研究水果采摘机构较早的国家之一,但由于技术、市场和价格等因素的影响,甜橙、苹果采摘机构已停产,采摘机构的研究工作基本陷于停顿。美国在自动化收获机构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构研究项目,进展很快,但还未能真正实现商业化。荷兰收获机构的研究工作走在很多国家的前面,但研究的水果种类并不多。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构的某一个部分进行的,如视觉、机械手、末端执行器等[5]。水果的识别率不高或识别后定位精度不高目前识别水果和确定水果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,前两者主要基于水果的光谱反射特性,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[6]。由于水果和叶子等往往容易重叠在一起,很难真正区别出水果。此外,由于农业生产中的水果形状没有工业品规则,因此需要提高各种形状水果的定位精度,才能保证采摘机械手可靠抓取。部分重叠或遮蔽的水果无法采摘即使对于单独的水果识别定位达到要求,但往往还有大部分的水果处在被水果或枝叶遮蔽的位置。这给采摘带来更大的难度。采摘机构为采摘到这部分水果既需要将这部分水果识别出来,又需要有灵巧手来实现避障采摘。这给机构的视觉、机械、控制系统都增加了难度。水果的损伤率较大目前末端执行器执行抓取水果有切断果柄和直接抓下水果2种。对于切断果柄类水果,稍有水果形状不规则易被切刀损伤;而对于果柄短、无法切断果柄类的水果需要直接抓取水果。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。水果的平均采摘周期较长生产实际中的采摘作业要求机构不仅减轻劳动强度而且提高作业效率。而目前的水果收获机构由于视觉、结构及控制系统等原因,大多数采摘机构的效率不高。例如,采摘机构收获1个柑橘约3-7s,收获1个甜瓜约15s,摘取1个黄瓜需要10s,收获1个茄子需64s。为使水果采摘机构实用化,提高作业效率是关键问题之一。采摘机构的制造成本较高与工业机构相比,农业上使用的采摘机构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。发展方向目前,水果采摘机构的研究正在成为机构的新兴领域,而采摘机构作为农业机构的重要应用具有很大的发展潜力。日后的水果采摘机构的研究工作必须朝以下方向发展:必须能够准确地识别和定位成熟水果,并且引导末端执行器准确接近目标;研制灵巧、不伤水果的采摘机构末端执行器;采摘机构的行走机构必须适应田间的复杂环境;视觉系统要迅速识别定位水果,控制系统和机械手臂系统必须做到迅速摘取;增强机构系统的通用性。相信在不久的将来,在不断克服种种技术的阻碍后,采摘机构会更广泛地应用于农业生产中。本章小结本章主要阐述了课题研究的意义以及可调节采摘装置设计的应用方向。并列举了国外采摘机构的发展状况，和国内研究成果进行对比。提出了研究中存在的问题，并提出问题。水果采摘装置机身结构设计采摘装置结构选型采摘装置的选型原则由于农业环境的复杂性、不确定性和水果分布的随机性，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:(1)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，这种形式的机构占用空间小，结构简单。(3)极坐标型:具有两个转动关节和一个移动关节。该型机构的优点是灵活性好，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。如图2-1所示。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构而言，机械臂的机构型式的选择取决于对机构的活动范围、灵活性、重复定位精度、持重能力和控制的难易的要求[4]。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构，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。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。对于采摘机构机械手来讲，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，这使得机构成本会上升一个等级，对于农业机构而言，成本高将会大大的减缓其商品化实用化的进程[7]。同时增加自由度会相应增加机构的控制难度，降低机构的可靠性，所以对于农业采摘机构人而言，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。加快农业采摘机构的商品化实用化进程。通过比较分析，对于水果采摘装置形式而言，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水果的采摘作业。采摘装置的最终选型示意图如图2-2所示。图2-2采摘装置的最终选型示意图采摘装置结构设计液压水果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2-3液压水果采摘装置选型地面运动部分设计液压水果采摘装置地面运动部分，即为采摘机构承载设备。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，在此移动方式采用人工手动的方式，而非采用自动控制移动的方式。在这里就不多作介绍，图2-4所示为地面运动机车示意图。图2-4液压水果采摘装置地面运动部分示意图腰部旋转机构设计液压水果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构的作业空间，使得机构拥有了采摘不同方向处水果的能力。水果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构基体旋转，齿轮齿条传动原理如图2-5所示。图2-5齿轮齿条传动原理图水果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。液压水果采摘装置腰部旋转装配情况如图2-5所示。图2-5水果采摘装置腰部旋转装配图水果采摘装置能够实现采摘机构在采摘方向上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。液压水果采摘装置腰部旋转旋转示意图如图2-6所示。图2-6液压水果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=0.5πD=0.5x3.14x300=471mm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)=471mm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构的作业空间，使得机构拥有了采摘不同高度处水果的能力，代替了人们用梯子或登高采摘水果。水果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，从而实现采摘机构在不同高度作业。液压水果采摘装置升降机构如图2-7所示。图2-7水果采摘装置机构液压水果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。液压水果采摘装置升降所用液压缸如图2-8所示。图2-8液压水果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。为了降低采摘机构的自身重量，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构的作业空间，使得机构拥有了采摘不同距离处水果的能力，对提高机构的采摘效率有重要作用。液压水果采摘装置伸缩机构如图2-11所示。图2-11采摘装置伸缩机构本章小结本章的内容主要是采摘装置的选择，进行了采摘装置的选型、采摘装置的结构设计、升降结构的设计、伸缩结构设计、地面运动部分的设计等。通过PRO/E软件实现了装置各部分的设计意图和部分零件的设计和组装。水果采摘装置末端执行器的设计水果采摘装置末端执行器研究进展末端执行器是水果采摘机构的重要组成部分，与工业机构的末端执行器相比，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，采摘机构的末端执行器具有明显的特殊性和更高的智能化要求[5]。一般水果水果的表皮和水果本身通常都比较脆弱和柔软，这对采摘水果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水果来说，还要求末端执行器具有较高的避障能力[9]。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构的研究热点和难点。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[10]。下面介绍几种国外水果采摘机构末端执行器，以借鉴国外在研制过程中的经验，同时总结不足，吸取教训。国内研制的末端执行器概述与国外相比，国内在水果采摘机构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构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水果采摘机构末端执行器，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构的末端执行器。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水果采摘装置末端执行器机构设计3.2.1水果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:(1)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。水果采摘过程中，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)农业机构要求操作简单，成本低廉，因此尽量采用冗余度少、机构简单的形式[11]。3.2.2水果采摘装置末端执行器机构选型定论通过上面的分析，对于水果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水果的采摘作业。(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构的作业空间，使得机构拥有了采摘不同方向处水果的能力。(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构的作业空间，使得机构拥有了采摘不同高度处水果的能力，代替了人们用梯子或登高采摘水果。(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构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水果，通过传感器控制机械手的夹持力，避免加持力过大夹伤水果。本设计确定的机构类型如图3-4所示。图3-4水果采摘机构末端执行器设计所确定的机构类型具体结构如图3-5所示。1-机械手手臂后座；2-紧固螺母；3-手指液压缸后盖；4-手指液压缸壁；5-螺母；6-密封圈；7-手指液压缸活塞；8-液压缸活塞杆；9-液动手指；10-连杆；11-连接销图3-5机械手手爪结构图3.2.3水果采摘机构末端执行器结构的设计(1)水果采摘机构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3-6所示。图3-6水果采摘机构末端执行器结构假设所要采摘的水果直径为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)水果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。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。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3-7所示。/图3-7液压水果采摘装置机械手夹持力伺服系统原理图3.3水果采摘装置末端执行器校核伸缩液压缸的选择与校核系统工作压力为10MPa，根据夹紧的结构安装方式，选定液压缸的安装方式为耳环型。缸体与缸盖采用螺栓连接方式。(1)液压缸的输出力：F=F=3.5KN(3-1)(2)液压缸的阻力：(3-2)式中公称压力活塞的有效面积液压缸的输出力=5024-3500=1524(3)液压缸的输出速度①单活塞双作用液压缸活塞外伸时的速度(3-3)式中—活塞的外伸速度，m/minQ—进入(或流出)液压缸的流量，—活塞的作用面积，(3-4)式中—活塞(液压缸)直径m②单活塞双作用液压缸活塞缩入时的速度(3-5)式中—活塞的外伸速度，m/minQ—进入(或流出)液压缸的流量，—活塞的作用面积，(3-6)式中—活塞(液压缸)直径，—活塞杆直径，m为了简便计算，我们选取活塞的平均速度为(4)液压缸的输出时间(3-7)式中液压缸作用的行程，液压缸的输出速度，取250(5)液压缸的储油量V=(3-8)式中D液压缸的内径，mS液压缸的行程，mV=×0.25=0.00077m=0.77L(6)液压缸的输出功率W=FS(3-9)功率则为N= (3-10)由于F=PA，V=代入上式，则N=FV=PA=PQ(3-11)式中P工作压力，PaQ输入流量，N=10=4.023.3.2液压缸的联接计算(1)缸盖的联接计算。液压缸缸盖的连接形式如图3-8。图3-8缸盖的联接螺纹处的拉应力(3-12)螺纹处的剪应力(3-13)合成应力(3-14)式中F—缸筒端部承受的最大推力D—缸筒内径d—螺纹外径d-螺纹底径K—拧紧螺纹的系数，不变载荷取K=1.25～1.5，变载荷取K=2.5～4K—螺纹连接的摩擦因数，K=0.07～0.2平均取K=0.12—缸筒材料的屈服极限n—安全系数取n=1.2～2.5=×100.475Mpa由得1.31.287〈满足条件(2)活塞与活塞杆的联接计算活塞与活塞杆采用螺纹连接，如图3-9。图3-9活塞与活塞杆采用连接示意图螺纹处的拉应力(3-15)螺纹处的剪应力(3-16)合成应力(3-17)许用应力(3-18)D=40（k=1.5）d=56（k=0.12）d=53.042（n=2）d=d-2hh查表为1.47944.12<所以符合条件3.3.3验算活塞杆的稳定性若受力F在轴线上，主要是按下式验证FF=N(3-19)式中E==1.80×10MP圆截面I==0.049dmK—液压缸安装及导向系数n—安全系数，通常取n3.5～6E—实际弹性模数.E—材料的弹性模数，MP钢材E=2.10103MPaI—活塞杆截面的惯性矩.mF—活塞杆弯曲失稳临界压缩力，N、、由表3-2查出。表3-2液压缸活塞杆长度代号缸径LL3L412560370+S452+S8045300+S347+S得L-L=l+s370+S-60=l+Sl=310l=L-L+Ll=452+S-(370+S)+60=142l=l+l+2S=310+142+2S=1452mmS=500则F=(3-20)L=l取K=2==677.2KN==135.44KN>110KN(n取5)所以稳定性好。3.4本章小结本章主要叙述看采摘装置末端执行器的设计。由机构选择原则出发，假设水果的一般直径设计机械手臂。设计了驱动机械手的液压缸并且重点叙述了液压缸与缸盖、活塞与活塞杆的连接形式，并验算稳定性。液压传动部分和夹取系统设计液压系统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[12]。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。典型液压系统如图4-1所示。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。[13]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。液压系统的优缺点液压系统的优点与机械传动、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。（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。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。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[14]。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4—2所示。图4-2二位四通电磁换向阀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4—3所示。图4-3双向作用液压缸换向回路液压缸的设计液压缸类型的选择液压水果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[16]。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：两腔面积不等，A1>A2；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=qηcv/A1=4qηcv/πD2(4-1)F1=（p1A1-p2A2）ηcm=[πD2p1/4-π(D2-d2)p2/4]ηcm=[πD2（p1-p2）/4+πd2/4]ηcm(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=qηcv/A2=4qηcv/π(D2-d2)(4-3)F2=（p1A2-p2A1）ηcm=[π(D2-d2)p1/4-πD2p2/4]ηcm=[πD2（p1-p2）/4-πd2p1/4]ηcm(4-4)式中q—缸的输出流量；A2—有杆腔的活塞有效作用面积；ηcv—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；ηcm—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)有杆腔进油时：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。[15]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=40N。则有：缸径D==52.48mm，取D=60mm；杆径d=0.3D=15mm；活塞长度B=0.8D=40mm；导向套长度A=1d=12mm。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，mm20~200020~50010~6020~20010~60活塞长度，mm10002506020060液压水果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。[17]液压的分流设计液压水果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。液压水果采摘装置液压传动原理如图4-6所示。图4-6液压水果采摘装置液压传动原理本章小结本章着重介绍了液压驱动系统的结构、优缺点。简单介绍了各类原件，并通过液压缸的特点选用了单干双作用活塞缸。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。并通过数据计算算出液压缸尺寸。结论本文通过查阅大量相关资料，对不同水果不同类型的采摘机构比较、分析和计算，根据简单，可靠，经济原则，最后确定采用圆柱坐标型水果采摘装置方案，并通过分析计算对水果采摘装置各个机构部分和液压控制部分进行了设计。本课题主要完成的工作和结论包括:（1）通过了解国内外对于采摘机构的研究现状得知水果采摘机构目前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。基于液压控制水果采摘装置的选型原则提出了一种具有整体升降和小臂伸缩功能的四自由度圆柱坐标型采摘装置。（2）基于采摘作业开放性的特点，提出了采摘机构的具体方案，包括结构方案和控制方案，并对结构方案进行了具体的设计，包括旋转升降机构，伸缩机构，末端执行器的设计。虽然本论文对采摘装置的结构和性能进行了研究，并取得了一些成果，但是关于苹果及其他果树采摘机构的相关理论、设计方法和样机试验，还有诸多研究工作需要进一步深入:（1）成本较高一直是水果采摘机构不能商业化的重要因素，如何降低成本并保证机构具有良好的智能采摘性能，将是以后水果采摘机构商业化必须克服的难题。可以通过改变作物的栽培模式，从而降低机构对避障能力的要求来降低成本；基于人机协作的思想，由人对机构进行导航和视觉定位，由机构进行采摘，从而降低成本。通过实施以上两种方法，可以作为智能采摘机构商品化的过渡。（2）需进一步提高采摘机构的末端执行器的采摘效率和成功率，在保证智能化同时降低成本，提高末端执行器的通用性。致谢转眼间，近一学期的毕业设计就要结束了，毕业设计是专业教学计划中的最后一个教学环节，也是理论联系实际，实践性很强的一个教学环节。通过这样的一个教学环节，一方面培养了我能够独立运用所学的知识与技能解决本专业范围内一项有实际意义的设计制造、科研实验等课题；另一方面也培养了我综合分析问题的能力，独立解决问题的能力，为毕业后参加工作打下良好的基础。在设计期间遇到了很多具体问题，通过老师和同学们的帮助，这些问题得以及时的解决。我特别要感谢陈涛老师，他给了我大量的指导，并为我们提供了良好的学习环境，让我学到了知识，掌握了设计的方法，也获得了实践锻炼的机会。在我遇到困难的时候老师总是能耐心的帮我解答，并且带我去拆装制动器，了解其结构及工作原理，为我能顺利完成毕业设计提供了非常必要的帮助。在此对陈涛老师的帮助表示最诚挚的谢意。进行了毕业设计后，离毕业的日子也就不远了，能够圆满完成毕业设计是我们所有毕业生的心愿，这必将成为大学时代美好的回忆，同时更能带给我们成就感，使自己面对今后的工作时更加有信心。这次毕业设计的收获是巨大的，这不仅仅是由于自己的努力，更重要的还有指导老师、以及同学们的帮助，在此我再次向帮助过我的人表示深深的谢意。参考文献耿端阳，张铁中，罗辉，等.我国农业机械发展趋势分析[J].农业机械学，2004，35(4)208~210.汤修映，张铁中.水果收获机构研究综述[J].机构，2005，27(l):91~95樊军庆.机械优化设计及应用[M]..机械工业出版社.2011.05范祖尧等.现代机械设备设计手册—非标准机械设备设计[M].机械工业出版社.2000年6月.陈国华.机械机构及应用[M]..机械工业出版社.2008.01于惠力.机械零部件设计入门与提高[J]..机械工业出版社.2011.10张铁，谢存禧.机构学[M].华南理工大学出版社，2001，42~85.牧野洋，谢存禧，郑时雄.空间机构及机构机构学[M].机械工业出版社，1987.李团结，机构技术[M」.电子工业出版社，2009.10潘春洪，马颂德.基于多约束融合的人手臂三维运动分析[J].中国图像图形学报，2001，6(11):1053~1057樊军庆.机械优化设计及应用[M]..机械工业出版社.2011.05.唐金松.简明机械设计手册（第三版）[M].上海科学技术出版社.2009年1月.刘延俊．液压与气压传动[M].．北京：高等教育出版社，2007蔡春源．机电液设计手册[M].．北京：机械工业出版社，沈阳：东北大学出版社，2005张永茂.AutoCAD中文版机械设计实例精解[M]..机械工业出版社.2008.6LindaC.Schmidt,JonathanCagan，GGREADA:Agraphgrammar-basedmachinedesignalgorithm，1997,65-75.PASSIM8000Mechanical&ElectricalManual,PublishedbyMolineTobaccoMachinerylimonite,2005，80-90.NikraveshPE.Computer-aidedanalysisofmechanicalsystems[s.l];Prentice-HallInc,2004，101-105.附录Manipulator

Robotdevelopedinrecentdecadesashigh-techautomatedproductionequipment.Industrialrobotisanimportantbranchofindustrialrobots.Itfeaturescanbeprogrammedtoperformtasksinavarietyofexpectations,inbothstructureandperformanceadvantagesoftheirownpeopleandmachines,inparticular,reflectsthepeople'sintelligenceandadaptability.Theaccuracyofrobotoperationsandavarietyofenvironmentstheabilitytocompletetheworkinthefieldofnationaleconomyandtherearebroadprospectsfordevelopment.Withthedevelopmentofindustrialautomation,therehasbeenCNCmachiningcenter,itisinreducinglaborintensity,whilegreatlyimprovedlaborproductivity.However,theupperandlowercommoninCNCmachiningprocessesmaterial,usuallystillusemanualortraditionalrelay-controlledsemi-automaticdevice.Theformertime-consumingandlaborintensive,inefficient;thelatterduetodesigncomplexity,requiremorerelays,wiringcomplexity,vulnerabilitytobodyvibrationinterference,whiletheexistenceofpoorreliability,faultmoremaintenanceproblemsandotherissues.ProgrammableLogicControllerPLC-controlledrobotcontrolsystemformaterialsupanddownmovementissimple,circuitdesignisreasonable,withastronganti-jammingcapability,ensuringthesystem'sreliability,reducedmaintenancerate,andimproveworkefficiency.Robottechnologyrelatedtomechanics,mechanics,electricalhydraulictechnology,automaticcontroltechnology,sensortechnologyandcomputertechnologyandotherfieldsofscience,isacross-disciplinaryintegratedtechnology.1.anoverviewofindustrialmanipulator

Robotisakindofpositioningcontrolcanbeautomatedandcanbere-programmedtochangeinmulti-functionalmachine,whichhasmultipledegreesoffreedomcanbeusedtocarryanobjectinordertocompletetheworkindifferentenvironments.LowwagesinChina,plasticproductsindustry,althoughstillalabor-intensive,mechanicalhandusehasbecomeincreasinglypopular.ElectronicsandautomotiveindustriesthatEuropeandtheUnitedStatesmultinationalcompaniesveryearlyintheirfactoriesinChina,theintroductionofautomatedproduction.Butnowthechangesarethosefoundinindustrial-intensiveSouthChina,EastChina'scoastalareas,localplasticprocessingplantshavealsoemergedinmechanicalwatchesbegantobecomeincreasinglyinterestedin,becausetheyhavetofaceahighturnoverrateofworkers,aswellasfortheworkerstopaywork-relatedinjuriesfeechallenges.

WiththerapiddevelopmentofChina'sindustrialproduction,especiallythereformandopeningupaftertherapidincreaseinthedegreeofautomationtoachievetheworkpiecehandling,steering,transmissionoroperationofbrazing,spraygun,wrenchesandothertoolsforprocessingandassemblyoperationssince,whichhasmoreandmoreattractedourattention.

Robotistoimitatethemanualpartoftheaction,accordingtoagivenprogram,trackandrequirementsforautomaticcapture,handlingoroperationoftheautomaticmechanicaldevices.

Inreallife,youwillfindthisaproblem.Inthemachineshop,theprocessingofpartsloadingtimeisnotannoying,andlaborproductivityisnothigh,thecostofproductionmajor,andsometimesman-madeincidentswilloccur,resultinginprocessingwereinjured.Thinkaboutwhatcouldreplaceitwiththeprocessingtimeofatouraslongasthereareafewpeople,andcanoperate24hourssaturatedhumanright?Theanswerisyes,buttherobotcancometoreplaceit.

Productionofmechanicalhandcanincreasetheautomationlevelofproductionandlaborproductivity;canreducelaborintensity,ensuringproductquality,toachievesafeproduction;particularlyinthehigh-temperature,highpressure,lowtemperature,lowpressure,dust,explosive,toxicandradioactivegasessuchaspoorenvironmentcanreplacethenormalworkingpeople.HereIwouldliketothinkofdesigningarobottobeusedinactualproduction.

Whywouldarobotdesignedtoprovideapneumaticpower:pneumaticrobotreferstothecompressedairaspowersource-drivenrobot.Withpressure-drivenandotherenergy-drivencomparisonhavethefollowingadvantages:1.Airinexhaustible,usedlaterdischargedintotheatmosphere,doesnotrequirerecyclinganddisposal,donotpollutetheenvironment.(Conceptofenvironmentalprotection)2.Airstickissmall,thepipelinepressurelossissmall(typicallylessthanasphaltgaspathpressuredropofone-thousandth),tofacilitatelong-distancetransport.3.Compressedairoftheworkingpressureislow(usually4to8kg/persquarecentimeter),andthereforemovingthematerialcomponentsandmanufacturingaccuracyrequirementscanbelowered.4.Withthehydraulictransmission,comparedtoitsfasteractionandreaction,whichisoneoftheadvantagespneumaticoutstanding.5.Theaircleanermedia,itwillnotdegenerate,noteasytoplugthepipeline.Buttherearealsoplaceswhereitflyintheointment:1.Asthecompressibilityofair,resultinginpooraerodynamicstabilityofthework,resultingintheimplementingagenciesastheprecisionofthevelocityandnoteasilycontrolled.2.Astheuseoflowatmosphericpressure,theoutputpowercannotbetoolarge;inordertoincreasetheoutputpowerisboundtothestructureoftheentirepneumaticsystemsizeincreased.Withpneumaticdriveandcomparewithotherenergysourcesdrivehasthefollowingadvantages:

Airinexhaustible,usedlaterdischargedintotheatmosphere,withoutrecyclinganddisposal,donotpollutetheenvironment.Accidentalorasmallamountofleakagewouldnotbeaseriousimpactonproduction.

Viscosityofairissmall,thepipelinepressurelossalsoisverysmall,easylong-distancetransport.

Thelowerworkingpressureofcompressedair,pneumaticcomponentsandthereforethematerialandmanufacturingaccuracyrequirementscanbelowered.Ingeneral,reciprocatingthrustin1to2tonspneumaticeconomyisbetter.

Comparedwiththehydraulictransmission,anditsfasteractionandreaction,whichisoneoftheoutstandingmeritsofpneumatic.

Cleanairmedium,itwillnotdegenerate,noteasytoplugthepipeline.

Itcanbesafelyusedinflammable,explosiveandthedustbigoccasions.Alsoeasytorealizeautomaticoverloadprotection.

2.thecomposition,mechanicalhand

Robotintheformofavarietyofforms,somerelativelysimple,somemorecomplicated,buttheba