【某苹果采摘机械手设计13000字（论文）】

某苹果采摘机械手设计摘要农业发展对我国经济发展至关重要，而在我国的农业经济中，苹果种植业又是占比最大的一部分，是我国农业的支柱性产业。目前我国的苹果种植产区分布广泛，产量很高，但目前各个产区的采摘方式还是以人工为主，采摘作业机械化很低，这严重影响了采摘效率，降低了果农的经济效益，制约了苹果种植业的发展。结合以上问题，本设计致力于通过综合运用机械原理、机械设计、优化设计、计算机辅助设计、制造工艺、现代设计方法、先进的三维设计软件应用等专业知识以及其它相关知识，运用优化理论和数值模拟软件等方法设计出一种苹果采摘机械手，并对其进行方案与结构的优化，完成二维图、三维图的绘制以及抓取规划问题的研究。通过所学理论知识，我们知道滑块摇杆机构在死点位置处具有增力的作用，结合此原理，本设计的苹果采摘机械手，其伞状采摘结构最大可张开260mm，并能捕捉各个朝向的果柄，从而实现对于各种大小、各个方向的苹果的采摘工作。可以提高苹果采摘作业效率，降低果农劳动强度，并具有方便人工携带，操作性能良好，可降低劳动强度，成本低廉，可市场化等优点，而且不受我国果园山地丘陵地貌限制，良好地规避了地面不平整及通过性差，大型机械易侧翻等问题；该苹果采摘机械手研发以及投入生产制造成本不高，将回报与投入的占比尽可能多的拔高，也很大程度上降低了研究成果转化与市场化推广的风险程度；由于该采摘机械手体积较小，方便携带，因此很大程度上规避了我国果园由于各种原因导致机械化作业空间小的问题；它结构简单，操作难度不大，容易上手，不需要很高的专业技术知识，由于省力结构的设计，一定程度上降低了操作者的辛苦程度。解决了人力资源消耗过多、效率不高、耗时过长、时间集中、安全隐患突出等问题。从而不仅解放了果园生产力，而且使得苹果采摘变得更加安全，方便。目录1绪论 绪论1.1研究课题背景1.1.1农业发展的重要性据历史考证，农业在我国的发展可以追溯到新石器时代，当时人们已经知道用石头打猎、耕种，已经有了农业发展的迹象，经过几千年的漫长发展，如今我国已经成为一个世界性的农业大国，农业也成为了我国的基础性产业，对我国国民经济的发展、人民生活水平的提高、进出口总额的增长等方面都起了举足轻重的作用[1]。农业对一个国家的影响体现在方方面面中，从小的方面来看，农业与平民百姓的日常生活息息相关，只有农业发展的好，人们才能吃得饱、穿得暖，人民群众最基本的吃穿问题才能得到解决，可以说农业对提高人民生活水平，实现全民小康生活有着重要的现实意义。从大的角度来看，农业问题关乎着社会的和谐稳定、关乎着国家的长治久安、更关乎着一个国家、一个民族在世界舞台上的话语权问题。农业是基础经济，农业发展得好，国家才能有更多精力发展经济、国防、科教等其他重要事业，才能实现国家的健康、稳定、和谐发展，从而不断提高综合国力和国际影响，提高国家在国际事务中的话语权。这几年是我国发展的关键时期，越是关键时期就越要稳定基础产业，重视农业经济的发展,对我国现代化建设意义重大[1]。我国仍然还是世界上最大的农业国家，农民始终是我们国家的主体，农业对于我国来说可以说是至关重要，经过几千年的发展，我国的农业有了翻天覆地的变化，已经从最初的纯粹为了满足人类的口腹之欲，逐渐演变成了影响人类发展轨迹的主要的因素[9]。几千年来，我们的社会有了巨大的进步，已经从最初的农业社会逐渐发展成为现今的科技文明社会，在这个过程中，农业经济发展的推动作用不能被忽视。我们国家十分重视农业发展问题，为了解决农业发展的突出问题，不断提高农民群众收入，我们国家出台了很多政策，从新中国成立初期的土地革命，到改革开放时期的家庭联产承包责任制，再到21世纪的废除农业税、增加种地补贴等政策，中国政府为解决农业问题贡献了东方智慧，同时这些政策也受到了人民群众的深切拥护，极大地促进了我国农业经济的发展。如今，我国已经成为了世界第一农业大国，农业经济也成为了我国的基础性和支柱性经济，农业的创新发展对于我国的转型发展意义重大[11]。随着信息时代的到来，我国的农业生产水平也有了较大的进步，越来越多及农业机械投入到播种、病虫害防治、采摘等各个生产过程中，我国农业基本实现了机械化生产。面向未来，我们要致力于实现农业现代化，实现农业生产的智能化，而采摘机械的设计正是智能化研究的一个重要领域[12]。1.1.2我国的苹果果园采摘现状农业发展对我国经济发展至关重要，而在我国的农业经济中，苹果种植业又是占比最大的一部分，所以说苹果产业的发展对我国农业经济的发展起着不可替代的作用。目前我国的苹果种植产区主要分布于黄土高原、华北平原、山东半岛等地苹果产区分布范围，但目前各个产区的采摘方式还是以人工为主，采摘作业机械化很低，这严重影响了采摘效率，制约了苹果种植业的发展[13]。以河南省灵宝县的苹果果园采摘为例，灵宝县是我国苹果主产区之一，苹果种植面积大，产量很高，但灵宝县在苹果采摘方面还存在着很多问题。调查研究表明，灵宝县当地的苹果采摘现状依然是以人工采摘为主，果农大多都是在苹果成熟后雇工人进行集中采摘，采摘效率很低，还容易造成苹果果实的损伤，采摘技术的落后是制约灵宝县苹果种植业发展的主要因素之一，这也是我国大部分产区共同面临的问题。目前来看，人工采摘还存在着很多弊端：（1）：由于经济的快速发展，我国城镇化率大幅度提高，农村人口逐渐向城镇转移，进行采摘工作的劳动力大幅下降，在苹果集中采摘时期很容易出现劳动力不足问题，从而影响采摘效率；（2）苹果成熟期比较集中，需要及时进行采摘，否则就会出现过度成熟，甚至腐败脱落的现象，人工采摘效率很低，采摘要花费大量时间，短时间内无法满足大量苹果的采摘工作；（3）主产区内果农种植面积都比较大，苹果产量很高，如果要进行人工采摘，需要雇佣大量工人，不仅费时费力，还会大大加工果农的经济负担；（4）人工采摘具有很大的局限性，有些苹果树比较高，仅靠人为力量无法采摘，必须要借助梯子等辅助工具，大大加深了采摘工作的危险性，而且人工采摘还易破坏果树，造成苹果果实的损伤，降低果农的经济效益。总结来看，人工采摘费时费力、采摘效率极低，而且还提高了采摘成本，降低了果农的经济效益，不符合智能化农业的要求，严重制约了苹果种植业的发展[22]。1.2问题的提出苹果在我国的种植最早可追溯到清朝时期，距今已经有一百五十余年，经过一百多年的发展，我国的苹果种植业已经初具规模，种植品种十分丰富，苹果也成长为了我国种植面积最大、种植区域最广、种植产量最高的水果,对我国农村经济发展发挥了不可替代的作用。苹果种植业也早已成为我国农业的支柱性产业，在农业经济中占有举足轻重的地位。改革开放以来，我国经济持续高速发展、人民生活水平日益提高,对于苹果的消费需求也发生了较大的改变,好吃已经不是唯一的要求，人们对苹果的外观、品种、营养价值越来越重视，这也对苹果的采摘工作提出了更高的要求[6]。近几年来，我国苹果产量增长迅速，据统计数据显示，2019年我国苹果产量达到4243万吨，和2000年相比翻了一番，占世界苹果产量的58%，除满足国内市场需求外，我国苹果近30%都出口到国外市场，我国也已经成为了世界第一大苹果产出国。除了追求量的提高，我国苹果种植人员也在苹果质的提高上下足了功夫，近几年，农业科学家在新品种培育、病虫害防治、病理分析、采摘技术优化等方面潜心研究，取得了重大进展，例如我国农业研究人员根据我国烟台、天水等地地理条件，因地制宜对苹果进行合理嫁接培育，培育出了烟台红富士、甘肃花牛等优秀的苹果品牌，不仅在国内市场引起了强烈反响，还赢得了国外消费者的一致好评。除了种植产量的快速提高，我国苹果种植区域也经历了较大的变化，21世纪初期，种植区域主要集中在黄土高原地区，如甘肃、陕西等地。2010年之后，我国山西、河南、山东等地也开始大量种植苹果，并且形成了自己的品牌，如河南灵宝苹果、山东烟台红富士苹果，苹果种植主产区也转移到了我国华北平原、山东半岛等地。到现在，苹果种植已经发展到了我国西北、华北、东北、西南等各个地区，除了个别南方地区，在祖国的山川大地上，都能看到苹果的踪影。总结来看，二十一世纪以来，我国苹果种植业可以说是如雨后春笋，发展十分迅速。尽管我国苹果产量很高，但加工生产工艺还比较落后，目前还存在很多问题，特别是苹果采摘过程。据调查显示，我国苹果种植产区采摘机械化率极低，近8成的果园还是传统的人工采摘方式，不仅采摘速度极慢，效率极低，还大大增加了采摘工作的危险性和果农的采摘成本。因此，设计出一款苹果用采摘机械手就成为了一件意义重要的事情。国外目前对苹果采摘机械的研究起步很早，也设计出了很多种成品，但很多在我国的地形上都不太适用。结合目前研究成果，比较适合我国果园使用的采摘机械需要具有以下特征：操作简单方便，采摘省时省力，方便定位果实，对各个方位的苹果都能采摘，最好设计有伸缩结构，能够采摘那些果树较高的苹果，成本较低，能大规模推广使用。本文也是在此基础上进行的设计。1.3苹果采摘机械的国内外研究概况1.3.1国外研究现状美国、法国、英国等西方国家对果园采摘机械的研究起步很早，他们在20世纪40年代就取得了一定的成果。四十年代中期，美国研究出了振动摇摆式采摘机，通过振动的方式采摘某些水果，到了五十年代中期，欧美有些国家在振动摇摆式采摘机的基础上进行优化改良，发明出了以摇晃果树为原理的采摘机械，随后这些采摘机也在欧美国家得到了普遍应用，如图1.1。同时为了采摘大型果树上的水果，解决驱动力不足的问题，人们又将摇晃式采摘机与拖拉机相结合，出现了用拖拉机来驱动的采摘机。六十年代，原来的定冲程推摇机结构的摇晃式采摘机已经不能满足日常的使用要求，人们又在此基础上进一步创新设计，研究出了惯性式振摇机、气力振摇机、以及利用动力驱动橡胶棒冲撞果枝振落果实的撞击式等多种类型的果园采摘机械，这些新式采摘机的出现大幅度提高了水果的采摘效率。但是由于这些采摘机体积都比较大，使用起来较为笨重，采摘力很大，因此果实损伤率很高，所以不适合用于采摘那些体积较小、容易损伤而且要求较高完好率的鲜食水果以及用来储藏的水果。到了六十年代中期,美国的研究人员又研究出了配合这些采摘机械使用的液压式升降车，用于采摘那些果树较高的水果，明显提高了采摘效率。自六十年代后期开始，国外一些国家将采摘机械、果树培育与修剪技术结合在一起进行研究，在对某些果树采摘前先对其进行修剪，让它与这些采摘机械更加切合，从而提高采摘效率。到了七十年代又涌现了一种以动力切割为原理的采摘机械，比如油锯、气动剪。如图1.2[5]。图1.1振摇式大型采收机图1.2切割式采摘机日本有71%的国土都是山地和丘陵地形，他们国家的果树大都种植在凹凸不平的地面上，其果园地貌和我们国家的南方地区有很大的相似程度，由于地理环境的原因，欧美哪些国家设计的在平地上比较适用的采摘机械在日本的丘陵、山地等地形中并不适用。所以从二十世纪九十年代初期开始，日本的研究人员就开始对适合在丘陵地形使用的采摘机械进行研究。比如自走式采摘车，其利用电视摄像机和无线电进行组合控制，利用枢轴式摆动悬挂机构作为行走部分，可以在丘陵、山地等地形上自由行走[5]。这个采摘机械的轮间距宽，重心比较低，爬坡能力很强，而且由于其采用了采用就地车轮正反转机构，所有具有良好的回转能力，可以很方便得在丘陵地形中掉头；它之所以抗振能力强、稳定性较高，在坡度15~30°的地区使用时游刃有余，是用了枢轴悬挂机构。但是由于成本较高，可靠性有限等限制因素的存在，这些采摘机械在国外的应用也比较有限。1.3.2国内研究现状我国国内的果园种植方式与国外相比差别很大，国外地区由于人口较少，土地平旷，果园一般都是大规模种植，而我国一般都是分区零散种植，所以国外研究出的很多采摘机械在我国并不适用，而且我国果园采摘机械化的研究与应用起步也比较晚，与国外相比还有很大的差距。30年前，我国才逐渐进行果园采摘机械的研究，刚开始由于经验不足，研究水平较低，主要都是借鉴国外的研究成果，再结合我国的实际情况进行优化创新，成功研制了以机械振动为原理分级振动式苹果采摘机，填补了我国民用水果采摘机研究的空白。二十世纪八十年代,我国对采摘机械的研究有了重大突破，研究出了以切割原理工作的小型采摘机器人，大幅度提高了采摘效率。随后几年，人们又在此研究基础上进一步创新，用微电机作为采摘机的动力，以代替人工施力，还利用仿真学原理设计出了摇臂式水果采摘机，大大节约了采摘时间，初步实现了我国果园采摘的机械化[7]。从二十世纪九十年代开始，我国的果园种植业迎来了高速发展时期，果园种植面积迅速增长，这也间接推动了我国果园采摘机械产业的发展，市面上涌现出了各式各样很多机械采摘产品，例如后剪枝机、升降平台，这些产品也在我国得到了广泛应用。总体来看，我国对果园采摘机械的研究起步很晚，与国外相比还有很大的差距，很多研究成果还停留在理论阶段，无法实际应用。但在我国农业科技人员的努力下，近10年间，我国采摘机械有了飞速的发展，和国外的差距正在一步步缩小，甚至在某些方面已经超过了国外的研究水平。但我们还要清楚的认识到，我国在采摘机械研究上还有一大段路要走，需要在此领域不断深耕。1.3.3目前存在的问题截止到目前，国内外科学家对果园采摘机械的研究已经有近100年时间，也取得了很多突破性的成果，各项研究理论也逐渐趋于成熟，从最初的纯机械化的振动式、摇动式采摘机，到二十世纪初与电气技术、液压技术结合的电动式、液压式采摘机，再到如今与计算机技术结合的智能采摘机器人，果园采摘机械在近百年时间里有了翻天覆地的变化，这也从侧面反应了世界科学技术的不断进步。尽管我们在采摘机械领域不断创新，设计出了很多结构，但是由于各种原因，推广应用极其缓慢。从我国的实际情况来看，我国的采摘机械普及率更低，尽管国外已经研究出很多先进设备，但由于太过高昂的使用成本，太高难度的维护水平，这些设备很难在我国应用。再加上我国在果园采摘机械研究方面起步很晚，与国外研究水平差距明显，这就更加加大了我国采摘机械的推广难度，在采摘机械的研究和推广领域，我国还有很大一段路要走，必须持续加大资金投入。与国外的研究现状相比，我国还存在着以下不足之处（1）果园采摘机械品种较少，功能单一，缺乏创新性。目前我国设计出的很多设备都还只是笼统的引用、借鉴国外发达国家研究成果，缺乏本土化创新，很难在我国实际环境中应用。而且大部分采摘机械都只有简单的采摘功能，不具有收集功能，不能实现连续采摘，效率低下。（2）缺乏专用设备、高精度设备。我国研究的很多采摘设备都是通用设备，大部分都是采用切割原理，对多种机械都能采摘。但是由于各个品种的水果果实硬度、重量、体积等物理特性差距明显，这些采摘机械在设计时很难顾及这些因素，所以在遇到一些体积太大或者太小的水果时，这些采摘机械就会无法正常使用。（3）使用成本较高，实用性差。由于研发人员较少、研发成本较高等因素的限制，我国市面上的采摘机械普遍都价格昂贵，果农们难以负担[8]。1.4研究内容与研究意义1.4.1研究内容通过查找相关文献资料，对苹果采摘机械手的发展问题进行深入研究；进行苹果采摘机械手的方案设计；进行苹果采摘机械手的结构设计，并完成二维图和三维图；研究苹果采摘机械手抓取规划问题并进行数值模拟；撰写本科毕业设计开题报告及学士学位论文并答辩。1.4.2研究方法eq\o\ac(○,1)综合运用机械原理、机械设计、优化设计、计算机辅助设计、制造工艺、现代设计方法、先进的三维设计软件应用等专业知识及其它相关知识进行机械设计和计算机辅助机械设计；eq\o\ac(○,2)运用优化理论和数值模拟软件等优化苹果采摘机械手的结构；eq\o\ac(○,3)掌握科技论文的写作方法。1.4.3研究意义我国目前的苹果采摘主要还是人工采摘为主，采摘工作机械化极低，存在着效率低下、费时费力、成本较高、安全隐患突出等诸多问题，这些不足之处严重制约了我国苹果种植业的发展。另外，我国苹果种植产区较广，地理环境较为复杂，很多果树都种植在凹凸不平的山地或丘陵地形上，一些设计的可以在平地上自由行走的采摘机器人在这些地形上并不适用，而且我国很多地区的苹果树都比较高大，现在市面上设计的很多采摘机器人高度和收缩长度都比较有限，都无法完成大型果树的采摘工作。我国目前的苹果种植主要以小农经济为主，由于种植经验和农业专业知识的缺乏，很多种植户都未使用正确的种植方法，为了单方面追求增产丰收，他们会过于稠密地种植果树，也不会对果树进行修剪，这些因素也制约了采摘机械人的运用。而且采摘机械人的研发费用较高、难度较大，即使研究出来，对使用环境要求也比较苛刻，我国大多数的种植地都无法使用，所以目前我国在采摘机器人方面的研究进展缓慢，根本无法满足市场的要求。与采摘机器人相比，采摘机械手没有使用地形的限制，使用起来更加简单方便，更加符合市场需求。因此，设计出一款使用方便、成本较低、可靠性较高的苹果用采摘机械手，对于提高果农经济效益、促进苹果种植业的机械化、智能化发展就有了十分重要的意义。2设计方案2.1采摘机构结构设计图2.1市面上的苹果采摘装置目前市面上的苹果采摘装置的采摘机构主要由以上两种，如图2.1所示。第一种采摘装置可以通过采摘手很方便的定位苹果果实的位置，然后靠采摘者的力量拧掉苹果，完成采摘动作，但该装置只适合正常垂直生长的苹果，当苹果的生长倾斜角度较大甚至倒立时，使用该采摘装置时，由于采摘机构的抓手在竖直表面的倾斜程度极其有限，因而很难找到合适的采摘角度，就算勉强找到采摘角度，对采摘者的身体素质及操作要求相当之高，甚至还会对采摘下来的苹果造成一定程度上不可逆转的伤害[29]。而且该装置无法在采摘杆上设置收集装置，每次完成一次采摘动作后，都要用手部结构抓紧苹果，再把苹果送到地面的收集装置中，使用起来费时费力，还易造成苹果果实的跌落，对果实造成损伤，特别当果树较高时，使用起来更是极其不方便。第二种采摘结构设置有收集装置，可以方便的收集采摘到的苹果，但其仅靠网兜上的刀片接触苹果果茎来定位苹果的位置，难以准确定位，采摘过程也是费时费力，十分不方便。而且不使用时刀片也是处于裸露状态，有很大的安全隐患。本设计的采摘结构需要考虑以下几个问题，具体要求如下：（1）要有合适的夹紧力：保证其既能顺利抓紧苹果，不会跌落，又不能对苹果施力过大，造成果实的损伤。（2）定位方便:采摘机构要对各个方位、各个大小的果实都能准确定位，保证采摘过程中的省时省力。（3）要有足够大的开合角度和开合直径：采摘机构完全张开时，开合直径要足够大，开合角度要至少要大于70度，保证尺寸很大的苹果也能顺利摘取。（4）材料要满足使用要求：要保证材料有较大的刚度和强度，同时重量不要过大。（5）采摘机构内部要设置柔性保护材料，以达到保护苹果果实的目的。经过以上分析，本设计创新性地利用了滑块摇杆机构来设计采摘机构，利用该结构在死点处有增力作用的原理，可以方便的实现省力的作用。本装置在图2.2所示铰链杠杆式增力夹紧机构的基础上，进行了设计，得到如图2.3所示的执行机构，可以更有效的将力放大，更加轻松地将苹果剪断。本装置还利用了仿生学原理，将主体剪切部分设计成伞瓣状结构，保证采摘时能抓紧苹果，另外还在伞瓣间设置了刀片，通过刀片来定位果茎的位置，再利用果茎定位果实的位置，可以很方便的定位各个生长角度的苹果。该结构不仅可轻松地对倾斜生长的苹果进进行定位，而且将苹果果茎剪断后，苹果不会瞬间跌落，可以夹持在伞瓣结构内部，随后掉到下方的收集装置中，伞瓣结构内部还设置有柔性保护材料，对苹果还有一定程度上的保护作用。如图2.4所示。（注：为了清楚地看到剪切结构，图2.4仅画了1对刀片，实际装置有4对刀片，另外刀片内部保护材料没有画出）图2.2铰链杠杆式增力夹紧机构图2.3该装置滑块摇杆机构图2.4该装置采摘机构2.2伸缩机构结构设计经过调研我发现目前市面上大多数产品采摘杆部分都采用固定杆设计，无法伸缩（如图2.5所示），这种情况下如果装置比较大，使用起来就极其不方便，为了减轻装置重量，提高采摘范围，本装置的采摘杆部分拟采用伸缩杆结构，这样设计在装备不使用时也很方便携带和放置。图2.6所示为本装置的伸缩结构，与市面上的其他产品相比，本装置创新地设计了四级伸缩杆结构，一级杆位于装置最下方，上方设置有握把，一级杆和二级杆可以相互滑动，并保持松弛状态，二级杆和三级杆、三级杆和之间都靠螺旋锁紧机构或其他机构相连接。图2.6中的伸缩杆（靠螺旋锁紧机构或其他机构固定相邻两级杆）为本装置的伸缩机构（采用四级伸缩杆），一级杆（与背携机构用转动副连接）和二级杆处于松弛状态（可相对滑动），这样可以用手握住手柄，通过手臂推拉运动带动二三四级杆（三者相对固定）做伸缩运动，从而带来一个可操控运动范围，增加人的操作自由性。二级杆上的车闸线则可对采摘机构进行控制。当不进行采摘时，整个装置处于接近竖直的位置，便于携带。苹果摘机械手的整个操作模式模仿了人工采摘的过程，也就是说，先用采摘结构抓住苹果，再靠人为力量用刀片剪断果茎，完成采摘动作。因此，在摘机械手的设计中，为达到方便采摘的目的，借鉴了仿生学原理。，伸缩杆最下方设置了一个握把，握把通过弹簧、钢绳等结构与第四级杆连接，第四级杆又与滑块摇杆机构相连，握紧握把，便可实现伞瓣，也做扭转。图2.5市面上伸缩装置图2.6伸缩机构2.3背携机构结构设计图2.7背携机构为了能够让劳动人员更加方便地采摘苹果，该装置被设计成了背携式（如图2.7所示），之所以做如此设计，是出于减小手臂长时间做抬举运动的劳动强度的想法：将一级伸缩杆通过转动副连在背携机构基础上，并用拉伸弹簧进行连接，当整个采摘装置闲置时，处于接近竖直的位置，当采摘时装置被手压倾斜，拉伸弹簧弹力将抵消一部分手臂的抬升力，从而达到一定的省力效果；其次，闲置时伸缩杆处于缩回状态，立置于背携装置上，方便携带，而且设置了换手机构，左右手都可使用。伸缩杆亦可从背携装置上拆下使用，同样，意在增加使用自由性。同时设置换手机构。伸缩杆可通过将销插入或拔出从背携装置上灵活装卸，以满足人员的不同使用需求。2.4收集装置结构设计图2.8收集装置收集装置可以使用经过一定技巧布置的布袋或者网兜（如图2.8所示），进行采摘工作时，采摘下的苹果可以从布袋或者网兜洞口掉入，操作者则从下方设置的手洞拿出苹果，完成采摘动作。2.5装置整体图采摘装置整体由采摘机构、伸缩机构、背携机构和收集装置四部分组成，由人为施加力量，通过连杆传递力量到采摘装置，再由采摘装置完成采摘动作，随后苹果掉落到下方的收集装置中，以此来完成采摘动作，装置整体图如图2.9所示：图2.9装置整体图3理论计算3.1总体尺寸设计（1）采摘机构尺寸设计：采摘机构的尺寸由苹果果实的直径、质量等物理特性决定，而由于受到不同的生长位置、光照条件的影响，苹果果实的物理特性也不尽相同，但总体来看都是处于一定的范围之中，需要综合分析。果实物理特性表如表3.1所示，由表可知苹果最大直径一般不超过110mm,结合采摘手工作原理，苹果总是夹持在伞瓣机构一侧，为了方便定位苹果，设计采摘结构为130mm左右较为合适，因此设计采摘处的直径为260mm左右（如图3.1所示）。项目指标最小值平均值最大值果实质量（g）90180300果实直径（mm）8095110表3.1苹果果实物理特性图3.1采摘机构尺寸设计（2）伸缩机构尺寸设计：为满足不同高度苹果树的采摘要求，本文设计了两种不同尺寸的伸缩杆，根据大型苹果树普遍高度（4m左右），以及普通成年人身高（1.7m左右），设计大尺寸伸缩杆的最大伸展长度为3.5m左右。小尺寸伸缩杆按照与大尺寸伸缩杆4:7的比例设计，最大伸展长度为2m左右。（3）背携机构尺寸设计：大尺寸伸缩杆上设计有背携机构，尺寸为0.67-0.87m。小尺寸伸缩杆由于长度较短、重量较轻，使用和携带都比较方便，无需再另外设计背携机构。（4）收集装置尺寸设计：为了方便顺利接下苹果以及操作者拿取苹果，设计用作收集装置的布袋或网兜，其中大尺寸采摘杆收集装置长度为1.5m左右，入口直径25cm左右，手洞直径10cm左右，小尺寸采摘杆收集装置长度为0.8m左右，入口直径25cm左右，手洞直径10cm左右。3.2采摘机构中几个连杆的设计计算（1）连杆一（如图3.2所示）图3.2连杆一eq\o\ac(○,1)强度相关校核计算对于如图3.3所示的结构，由于工作时是单侧工作，因而可以简化为如图所示的受力模型图3.3连杆一受力分析其中力F可取为工作时的峰值载荷对应的力F，通过大量的实验可大致确定机构工作时的作用力：F作出连杆的计算简化模型，得弯矩图（如图3.4）：图3.4连杆一弯矩图可分析出危险点位于连杆的中点，最大的弯矩：M则产生的弯曲应力：σ另一分力产生的应力为：σ则危险截面处产生的拉应力：σGB/T699-1999标准规定45钢抗拉强度为600MPa，屈服强度为355MPa，因而使用45钢材料可以满足使用要求。eq\o\ac(○,2)刚度相关校核计算对简化的力学模型的变形情况进行分析，可简化为近似悬臂梁结构，它的最大挠度为：Y=可见计算出的挠度符合设计要求。因而连杆设计是合理的，满足强度和刚度要求。（2）连杆二（如图3.5）图3.5连杆二此连杆可简化为二力杆受力模型，力学模型如图3.6所示图3.6连杆二力学分析eq\o\ac(○,1)强度相关校核计算从建立的力学模型可以看出，连杆处于单轴应力状态，可按形状改变能密度理论进行强度校核。可计算出材料受到的正应力为：σ相当应力为：σGB/T699-1999标准规定45钢抗拉强度为600MPa，屈服强度为355MPa，显然使用45钢材料可以满足使用要求。eq\o\ac(○,2)刚度相关校核计算根据胡克定律，该杆在受力时产生的变形为：∆L∆l变形量也很小，满足刚度要求。（3）连杆三（如图3.7所示）图3.7连杆三如受力分析图3.8所示，连杆三在A、B、C和D处分别受到相应力的作用。图3.8连杆三受力分析A处受到的力F3始终沿杆的方向作用，为简化分析，可认为F1沿CD方向。F2方向在工作过程中是变化的，经过反复的实验，受力最大时的角度大概在45度左右，按45度进行分析：F因而，Feq\o\ac(○,1)强度校核相关计算对于AB段，可按二力杆受力的力学模型进行强度校核。从建立的力学模型可以看出，连杆处于单轴应力状态，可按形状改变能密度理论进行强度校核。可计算出材料受到的正应力为：σ相当应力为：σGB/T699-1999标准规定45钢抗拉强度为600MPa，屈服强度为355MPa，显然使用45钢材料可以满足使用要求。对于BD段，受一对平行力作用，最大弯矩在靠近B截面处，最大的弯矩：M则产生的弯曲应力为：σGB/T699-1999标准规定45钢抗拉强度为600MPa，屈服强度为355MPa，显然使用45钢材料可以满足使用要求。eq\o\ac(○,2)刚度校核对于AB段，根据胡克定律，该杆在受力时产生的变形为：∆L∆l显然变形量也很小，在许可的范围内，满足刚度要求。4材料选择及加工工艺设计4.1材料的选择在该苹果采摘机械手伸缩杆、伞瓣机构的实际加工生产中，加工材料需要满足强度较高、质量较轻、可塑性较好等要求。塑料材料虽然质量很轻、可塑性比较好，但是强度和刚度都比较差，本设计的伸缩杆尺寸较大，使用过程中很容易发生断裂，因此不满足使用要求。钢材料虽然强度大，但质量较重，可塑性较差，也不太符合要求。综合分析来看，铝合金材料比较符合使用要求，铝合金密度较低，强度和刚度都比较高，比较接近钢材料，但同等体积下其重量要比钢材料低的多，比较满足使用要求，另外其还具有很高的塑性，能很方便的加工成各种形状，还具有优良的抗腐蚀性，长期使用也不会发生锈蚀现象，能保证强度和刚度使用要求，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。除此之外，一些铝合金材料还可以采用热处理获得良好的机械性能、物理性能。根据以上综合分析，建议伸缩杆、动伞瓣、定伞瓣、定伞杆、滑块、背携装置等使用材质较轻的铝合金加工。而在连杆、叶片等机构的加工中，加工材料需要满足高强度、高韧性、高可塑性等要求。经综合分析，45钢比较符合要求。45钢是一种常见的中碳结构钢，广泛用于机械产品中，具有价格低廉，分布范围广泛，机械性能良好等优点。45钢的淬透性和冷塑性较差，一般只在正火条件下使用，当被加工材料要求较高时，还需要进行调质处理。经过调制处理后，该钢的强度和硬度提升明显，还会获得较好的耐磨性和可塑性，机械性能会有明显的改善，可以说经过调质处理的45钢机械性能优于其他中碳结构钢。由45钢加工的中小型模具零件经调质后可获得较高的强度和韧性，大型零件应进行正火处理。所以，此钢通常在调质或正火状态下使用，具有良好的机械性能，因此建议刀片、连杆1、连杆2、连杆三、使用45钢加工。5部分相关二维及三维图4.1采摘机构图4.1定伞瓣图4.2动伞瓣图4.3刀片图4.4定伞杆端件图4.5特殊销图4.6定伞杆图4.7连杆一图4.8连杆二图4.9连杆三本装置采摘机构中，采用一块定伞瓣，两块动伞瓣的设计方式（如图4.1，图4.2所示），并设计四对刀片（如图4.3所示）装载在伞瓣上，采摘头设计成伞瓣状是为了依靠果柄定位果实方便采摘，并起到保护苹果表面果皮的作用。伞瓣通过定伞杆端件（如图4.4所示）、特殊销（如图4.5所示）连接到定伞杆（如图4.6所示）上，定伞杆中三种连杆（如图4.7，图4.8，图4.9所示）组成滑块连杆机构，成为采摘机构核心部件。4.2伸缩机构图4.10伞杆连接件图4.11一级杆图4.12二级杆图4.13三级杆图4.14四级杆图4.15握把环图4.16握把本装置伸缩机构设计为四级伸缩杆（如图4.11，图4.12，