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濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
生物系統(tǒng)工程（2003）86（2）135-144
DOI：10.1016/S1537-5110（03）00133-8
AE—自動化與新興技術(shù)
黃瓜采摘機(jī)器人的無碰撞規(guī)劃
E.J.凡Henten J.海明; B.A.J.凡Tuijl; J.G.短號;研究Bontsema
溫室工程，農(nóng)業(yè)和環(huán)境工程研究所（IMAG BV公司），箱43，NL-6700機(jī)管局瓦赫寧根，荷蘭;電子郵件通訊作者：eldert.vanhenten wur.nl
（2002年4月26日收到，2003年7月8號以修訂后的形式接受; 2003年8月29日在網(wǎng)上發(fā)表）
在農(nóng)業(yè)和環(huán)境工程學(xué)院，對于黃瓜自動收獲機(jī)，其中最大的一個挑戰(zhàn)方面就是在采摘的過程中實(shí)現(xiàn)一種快速精確的手眼協(xié)調(diào)的操作。這個程序包含兩個主要的組成部分。首先，采集信息機(jī)器人的工作環(huán)境，其次，一個程序可以讓機(jī)器人末端執(zhí)行器對黃瓜產(chǎn)生無碰撞機(jī)械運(yùn)動。這篇文章主要闡述了后者，無碰撞機(jī)械運(yùn)動所產(chǎn)生的所謂的路徑搜索算法。在這項(xiàng)研究中這個A-search算法被應(yīng)用著，用一些數(shù)值的例子對黃瓜收割應(yīng)用的搜索過程分析說明。得出的結(jié)論是，無碰撞運(yùn)動可以用于采摘黃瓜的機(jī)械手的自由度的計(jì)算。這個A-search算法非常易于實(shí)施和魯棒。當(dāng)找不到解決方案時(shí)這個算法要不產(chǎn)生一個解決方案要不就停止工作。這個有利的財(cái)產(chǎn)然而卻使算法過分的緩慢，結(jié)果表明這個算法不包括多智能的搜索過程。我們可以知道，為了滿足每10S為一個單一收獲循環(huán)的要求，還需要做進(jìn)一步的研究，去尋找發(fā)現(xiàn)快速的算法，使用盡可能多的關(guān)于這個問題特定結(jié)構(gòu)的信息來產(chǎn)生解決方案，如果這個算法找不到解決方案并能給出明確的信息。
1. 介紹
1996年，農(nóng)業(yè)和環(huán)境工程學(xué)院開始研究自主的黃瓜采摘機(jī)器人的發(fā)展，這個項(xiàng)目是由荷蘭農(nóng)業(yè)部，食品和漁業(yè)部門支持的。為農(nóng)業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)機(jī)器人的任務(wù)所提出的議題不涉及其他行業(yè)(Gielinget al., 1996 ; Van Kollenburg-）。機(jī)器人必須處在一個高度非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，在這里沒有兩個場景是一模一樣的。農(nóng)作物和水果都易于被機(jī)械損傷應(yīng)給小心處理。機(jī)器必須能夠在不利的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，如相對較高的溫度和濕度以及光線變化的條件。最后，為了符合成本效益，就機(jī)器人采摘運(yùn)動的速度和成功率而言，機(jī)器人需要滿足高的性能特點(diǎn)。在這個項(xiàng)目中這些具有挑戰(zhàn)性的問題已經(jīng)被一個機(jī)械工程，傳感技術(shù)（計(jì)算機(jī)視覺等），系統(tǒng)和控制工程，電子、軟件工程，物流，最后但不是最少園藝工程分享的互動的方式解決(Van Kollenburg-Crisan et al., 1997 ; Bontsema et al., 1999 ; Meuleman et al., 2000 )。
自動收割機(jī)的開發(fā)研制中最具有挑戰(zhàn)性的問題之一就是達(dá)到快速精確的手眼協(xié)調(diào)的，即達(dá)到機(jī)器人在采摘運(yùn)動中感官信息的采集和機(jī)器人運(yùn)動控制之間的有效相互作用，就像人們做的那樣。在園藝實(shí)踐中，一個訓(xùn)練有素的工人只需要3-6S采摘和存儲一個水果，那種表現(xiàn)是很難被打敗的。幸運(yùn)的是，就機(jī)器人的采摘速度而言沒有必要達(dá)到那么高的性能特點(diǎn)。一項(xiàng)任務(wù)分析顯示，考慮經(jīng)濟(jì)可行性，一個單一采摘運(yùn)動可能只需要10S (Bontsemaet al., 1999 )。仍然，機(jī)器人運(yùn)動應(yīng)盡可能快的同時(shí)防止機(jī)器手的碰撞，手和收獲水果作物，溫室結(jié)構(gòu)還有機(jī)器人自身的碰撞（如汽車視覺系統(tǒng)）。在荷蘭，黃瓜生產(chǎn)設(shè)施，機(jī)器人運(yùn)行在一個非常緊張的工作環(huán)境中。最后，為了保證收獲果實(shí)的質(zhì)量，在運(yùn)動路徑的各個部分對機(jī)械手的速度和加速度加以約束。
為了達(dá)到理想的手眼協(xié)調(diào)，一個人需要環(huán)境的感官信息的采集和算法去為機(jī)械手計(jì)算這種無碰撞運(yùn)動。正像Meuleman et al. (2000) 報(bào)道的那樣。在這個項(xiàng)目中感覺系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)視覺的。本文著重論述了收獲機(jī)的機(jī)械手的無碰撞運(yùn)動軌跡的快速生成。盡管有相當(dāng)大的研究工作花在自動收集蔬菜水果方面，但是這個問題在農(nóng)業(yè)工程研究中沒有引起人們極大的關(guān)注。(see e.g. Kondoet al., 1996 ; Hayashi& Sakaue, 1996 ; Arima & Kondo, 1999 )。
本文概述如下，在第二節(jié)對采摘機(jī)器人進(jìn)行了闡述，在第三節(jié)，講述的是一個單一收獲操作的任務(wù)序列，然后，第四節(jié)，表述的是無碰撞規(guī)劃的自動算法的組成。為了能夠深入洞察算法的運(yùn)行，在第五節(jié)對該算法在第二級自由度的機(jī)械手上進(jìn)行了解釋說明，第六節(jié)包含一個應(yīng)用于收獲機(jī)器人身上的six-DOF RV-E2三菱機(jī)械手的運(yùn)動規(guī)劃實(shí)驗(yàn)結(jié)果。第七節(jié)包含結(jié)束語和對未來研究的建議。
2．采摘機(jī)器人
圖1.黃瓜收獲機(jī)器人的功能模型;（a）車輛;（b）廣角相機(jī);（c）七度的自由度機(jī)械手;（d）最終效應(yīng);（e）激光測距儀和攝像機(jī)的位置當(dāng)?shù)爻上?（f）計(jì)算機(jī)和電子產(chǎn)品;（g）與220伏電源線卷軸;（h）氣動泵;（i）供熱管
圖一中，一個采摘機(jī)器人的功能模型被展示出來。它包含一個用于溫室走道里的收獲機(jī)進(jìn)行粗定位的自主車輛。這車采用加熱管作為一個鐵路進(jìn)行指導(dǎo)和支持。它作為一個移動平臺裝載電源、主動泵、各種數(shù)據(jù)收集和控制的電子硬件、一個用于監(jiān)測和定位植物上黃瓜位置的廣角攝像系統(tǒng)和一個用于機(jī)械末端運(yùn)行器定位的七個自由度的機(jī)械手。這個機(jī)械手由安裝著六個自由度的Mitsubishi RV-E2機(jī)械手的滑動線路構(gòu)成。這個RV-E2機(jī)械手包括一個人形的機(jī)械手臂和球形的手腕。這個機(jī)械手有個能夠抓去0.2毫米的穩(wěn)態(tài)精度并能夠在惡劣的溫室氣候（高濕度和高溫度）條件下滿足一般的衛(wèi)生的操作方面的要求。這個機(jī)械手裝有一個末端執(zhí)行器。它包括兩部分：一個爪抓住水果，另一個爪切割水果從植物上分離出來。這個末端執(zhí)行器帶有一個末端激光測距系統(tǒng)或一個小相機(jī)。他們是用來在黃瓜附近能夠更好地進(jìn)行運(yùn)動控制而獲取感官信息的，如果需要的話。
3.單一收割運(yùn)動的任務(wù)序列
圖2. 一個單一的收獲作業(yè)任務(wù)序列：3D，三維，TCP，工具中心點(diǎn)
圖二展示的是一個單一的收獲運(yùn)動的一個任務(wù)序列。在采摘操作中接近黃瓜被公認(rèn)為是一個兩階段的過程。首先，用安裝在車輛上的攝像系統(tǒng)，黃瓜果實(shí)被檢測到他的成熟認(rèn)定和位置是不確定的。如果我們決定采摘黃瓜則低分辨率圖像的車載攝像機(jī)就用于定位機(jī)器人末端執(zhí)行器鄰近黃瓜附近這一帶。一旦末端執(zhí)行器抵達(dá)鄰近的黃瓜，然后利用末端執(zhí)行器上面的激光測距系統(tǒng)或攝像系統(tǒng)為最終的準(zhǔn)確的接近黃瓜獲得黃瓜定位環(huán)境的高分辨率的信息。末端執(zhí)行器緊握并消減果子的莖。夾持固定分離的水果最后收獲果實(shí)移動到存儲箱。
避障運(yùn)動規(guī)劃將用于黃瓜的初步做法以及收獲黃瓜回程箱子，來保證，如機(jī)器人車輛本身的工作空間中的其他對象，但也源于，如果目前，葉片和溫室建設(shè)的部分都沒有命中。顯然，收獲的黃瓜，增加最終的效應(yīng)，應(yīng)考慮在機(jī)械臂返回到存儲議案的大小。黃瓜的平均長度為300mm。
4.一個無碰撞運(yùn)動規(guī)劃算法
圖3.無碰撞的自動生成程序議案
圖3顯示了一個程序，自動生成赫爾曼（1986年）的工作基礎(chǔ)上的黃瓜采摘機(jī)器人無碰撞運(yùn)動的組成部分。無碰撞運(yùn)動規(guī)劃依賴于三維（3D）機(jī)器人的物理結(jié)構(gòu)以及在機(jī)器人操作的工作區(qū)的信息。因此，在無碰撞機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃的第一步是三維世界描述的收購。這個描述是基于感官信息，如機(jī)器視覺以及先驗(yàn)知識，例如，采摘機(jī)器人運(yùn)動學(xué)的三維結(jié)構(gòu)，如三維模型，在數(shù)據(jù)庫中。有了這個信息，在任務(wù)定義階段，機(jī)器人的整體任務(wù)的計(jì)劃。決定最后的位置和方向的效應(yīng)最終結(jié)果中的黃瓜最好的方法。也定義在此階段的具體位置和方向約束等。在階段目標(biāo)的位置和方向的最終任務(wù)定義中定義的效應(yīng)，逆運(yùn)動學(xué)，將目標(biāo)配置的manipulator.The目標(biāo)配置跨lated表示作為一個線性滑軌的翻譯和6的組合七自由度機(jī)械手關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)。使用此信息的路徑規(guī)劃，路徑規(guī)劃，采用了搜索技術(shù)找到自由碰撞路徑，從開始操縱其目標(biāo)配置配置。一旦已成功完成的無碰撞路徑規(guī)劃，軌跡規(guī)劃軌跡，可以轉(zhuǎn)換成的無碰撞路徑由機(jī)器人執(zhí)行。通常情況下，路徑規(guī)劃過程中，只有在太空中的無碰撞配置有關(guān)，但沒有速度，加速度和運(yùn)動平滑。軌跡規(guī)劃涉及這些因素。 thetrajectory策劃生產(chǎn)的機(jī)器人伺服系統(tǒng)的運(yùn)動命令。在執(zhí)行階段執(zhí)行這些命令。運(yùn)動規(guī)劃系統(tǒng)的一些部件將在更詳細(xì)地描述以下。
4.1世界的描述（采集）
Meulemanet在一份文件中描述的基于機(jī)器視覺的世界描述收購的黃瓜采摘機(jī)器人（2000年）。視覺系統(tǒng)能夠偵測在綠色canopy.Moreover綠色黃瓜，視覺系統(tǒng)決定的黃瓜成熟。最后，利用立體視覺技術(shù)QUES，相機(jī)視覺系統(tǒng)產(chǎn)生的工作空間內(nèi)的攝像頭的視角3D地圖。在這樣的機(jī)器人能夠處理工作面臨的環(huán)境與它的變異。
圖6. 自由度的三菱RV-E2的操縱一個三維模型
如上所述，先驗(yàn)知識，例如，機(jī)器人的物理結(jié)構(gòu)所需的無碰撞運(yùn)動規(guī)劃。作為一個例子，圖4顯示了一個六自由度三菱RV-E2在MATLAB中實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的三維模型。機(jī)器人的三維結(jié)構(gòu)是由矩形和三角形構(gòu)造的多邊形表示。議案的戰(zhàn)略評估模型用于模擬期間，作為操縱機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃期間的工作空間中的結(jié)構(gòu)部件的碰撞檢測的基礎(chǔ)上。
4.2逆運(yùn)動學(xué)
逆機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)關(guān)節(jié)角度的計(jì)算和翻譯，處理結(jié)果在所需的位置和方向,工具中心點(diǎn)（TCP）機(jī)器人（克雷格，1989年）。 TCP是一個預(yù)定義的endeffector點(diǎn)。對于六自由度三菱RV-E2的操縱范戴克（1999年）獲得了逆機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)的解析解。七自由度機(jī)械手，即三菱RV-E2的機(jī)械臂安裝在一個線性滑軌，一個簡單的逆運(yùn)動學(xué)解析解不存在由于在運(yùn)動鏈的固有冗余。最近獲得這種冗余機(jī)械臂的逆運(yùn)動學(xué)分析數(shù)值混合溶液（申克，2000年）。由于成熟的黃瓜的立場，該算法產(chǎn)生的七自由度機(jī)械臂的無碰撞收獲配置。此外，它可以保證關(guān)節(jié)黃瓜附近的精細(xì)運(yùn)動控制有足夠的自由。
4.3路徑規(guī)劃
無碰撞路徑規(guī)劃算法已被大量的研究對象。例如見latombe（1991）和黃和阿胡加（1992）概述。
一個無碰撞路徑規(guī)劃主要包括兩個重要組成部分：搜索算法和碰撞檢測算法。搜索算法的搜索空間探索一個可行的，即collisionfree，從起點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的議案。在搜查過程中，被選中的碰撞檢測算法在搜索空間的每一步的可行性。該算法檢查機(jī)器人的碰撞與機(jī)器人的工作空間中的其他結(jié)構(gòu)部件。重要的是要注意，對于大多數(shù)路徑規(guī)劃者的搜索空間是所謂的配置空間機(jī)器人，其中關(guān)鍵的是從不同的3D工作區(qū)機(jī)器人。在黃瓜收獲機(jī)的7自由度機(jī)械手的情況下，配置空間是由一個聯(lián)合翻譯和6個聯(lián)合旋轉(zhuǎn)組合橫跨七維空間。然后，從一開始的位置和方向的工具中心點(diǎn)為無碰撞運(yùn)動目標(biāo)的位置和方向在三維工作空間癤的單點(diǎn)無碰撞通過的議案的搜索搜索七維配置從一開始就配置目標(biāo)配置掩膜的空間。在這樣的運(yùn)動鏈中的冗余問題很容易規(guī)避。有一到一個映射的配置空間中的點(diǎn)的位置和方向，在工作區(qū)中的工具中心點(diǎn)。然而，對于大多數(shù)的機(jī)器人，相反不成立。一個單一的位置和方向，在工作區(qū)中的工具中心點(diǎn)，然后可以復(fù)制機(jī)器人的多種配置。由于其獨(dú)特的代表性配置空間搜索是首選。然而，碰撞檢測，需要說明的身體姿勢操縱在與其他物體在三維工作空間的關(guān)系。因?yàn)槊總€配置代表一個單一的姿勢在三維工作空間的機(jī)械臂，可以很容易地驗(yàn)證碰撞。然后，特別是機(jī)器人的運(yùn)動結(jié)構(gòu)，工作空間的障礙可以被映射到配置空間的障礙將會顯示。
4.3.1.搜索算法
路徑搜索算法應(yīng)該是有效率的，如果存在的話，找到一個解決方案。后者的財(cái)產(chǎn)被稱為完整性（珍珠，1984年）。通常情況下，算法的完整性，保證不計(jì)算效率。然而，計(jì)算效率是至關(guān)重要的，當(dāng)上線的應(yīng)用程序需要。運(yùn)動規(guī)劃的各個方面取得的洞察力，在這項(xiàng)研究中，上述計(jì)算效率的青睞，該算法的完整性。這樣的選擇的主要原因是一個完整的算法將找到解決辦法，或停止使用一個明確定義的停止準(zhǔn)則，如果不能找到一個解決方案。這是不是真實(shí)的，不保證完整性的算法。他們要么提供一個解決方案或卡住，恕不另行通知。在本研究中所謂的A *搜索算法（明珠，1984年;近藤，1991年，羅素和Norvig還，1995年）。它很容易實(shí)現(xiàn)和保證完整性。此外，它最大限度地降低成本標(biāo)準(zhǔn)，其中包括一個在搜索空間旅行距離的措施。該算法是在MATLABB實(shí)施
圖5.在離散化的二維配置空間的正交節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展：S，起始節(jié)點(diǎn); G，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)
使用配置空間機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃的A *算法，離散化使用一個固定的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖5。用戶可以定義網(wǎng)格的大小和分辨率。然后A *算法搜索從一開始就格點(diǎn)的目標(biāo)格點(diǎn)的路徑，同時(shí)最大限度地降低成本函數(shù)f：此成本函數(shù)f包括路徑的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)?;和樂觀的估計(jì)成本從目前的位置目標(biāo)?：在這項(xiàng)研究中，歐拉規(guī)范被用來作為樂觀的估計(jì)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的成本。A *算法是既完整和優(yōu)化。最優(yōu)保證的路徑獲得最大限度地減少使用成本函數(shù)。.
A *算法使用兩個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，開放列表和封閉列表清單。開放列表中包含了電網(wǎng)的成本函數(shù)，其中尚未被評估，而評估已閉合的名單上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的函數(shù)值的節(jié)點(diǎn)。這是假設(shè)的起點(diǎn)和目標(biāo)，可以選擇配置，配合網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，在這些配置的密切鄰里。然后根據(jù)珍珠（1984），A *算法在網(wǎng)格如下操作節(jié)點(diǎn)。
(1)放在開放的起始節(jié)點(diǎn)S。
(2)如果打開是空的，則失敗退出，否則從關(guān)節(jié)點(diǎn)n FO其中f是最低的開放和地點(diǎn)。
(3)如果n等于目標(biāo)節(jié)點(diǎn)G;成功退出追溯從n指針為S得到的解決方案：
(4)否則擴(kuò)大N;生成所有其繼承人，并重視它們的指針回到N：對于每一個n的繼任者n’：
(a) 如果是尚未打開或關(guān)閉，估計(jì)H（n’）（樂觀的估計(jì)成本的最佳途徑，從n’到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)G），并計(jì)算F（n’）= G（n’）+ H（n’）其中g(shù)（n’）= G×（N）+ C（N，n’）C（N，n’）從節(jié)點(diǎn)n的過渡成本，節(jié)點(diǎn)n’和G（S）= 0
（b）如果已經(jīng)打開或關(guān)閉，直接收益率最低的G（1）道路沿線的指針;
(c)如發(fā)現(xiàn)閉，1所需的指針調(diào)整和重新打開它
(5)轉(zhuǎn)到第2步。
電網(wǎng)擴(kuò)張?jiān)诘?步，可以采取多種形式。在本研究中所謂的正交擴(kuò)充。這種方法是在圖5所示。
圖5還說明起始節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)沒有以配合實(shí)際的起點(diǎn)和目標(biāo)機(jī)器人的配置。在這種情況下，最近的鄰居節(jié)點(diǎn)被選中。
在這個算法，停止準(zhǔn)則是非常明確的規(guī)定。如果在第3步，從開放列表中刪除的節(jié)點(diǎn)等于目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，算法停止。另外，該算法將停止在第2步如果所有的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行評估，并開放列表已成為空。在這種情況下，沒有找到一個解決方案。
路徑搜索過程中碰撞檢測的處理有兩種方式。首先，碰撞的配置可以通過掃描整個離散化配置空間的路徑搜索前確定。這將是在一個高維離散化的空間配置，具有很高的情況下計(jì)算昂貴決議電網(wǎng)。這將是更有效地評估在搜索過程中的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的可行性。也就是說，在節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展一步，第4步，碰撞檢測算法檢查是否與該節(jié)點(diǎn)相關(guān)的機(jī)器人配置與環(huán)境或不產(chǎn)生碰撞。由于A *算法通常計(jì)算只有一小部分配置空間，這將產(chǎn)生相當(dāng)大的改善效率。碰撞可以在步驟4a中提到的成本函數(shù)加入一個大型的罰款處罰。另外，在碰撞中產(chǎn)生的一個網(wǎng)格點(diǎn)可以直接從省略開放期間電網(wǎng)的擴(kuò)張階段的名單。在這項(xiàng)研究中，后者的做法被使用。
圖6.一個面向包圍盒模型的六個自由度的RV-E2的操縱
4.3.2.碰撞檢測算法
碰撞檢測算法在MATLAB中實(shí)現(xiàn)根據(jù)報(bào)道由Boyse（1979年）的想法。該算法計(jì)算的交點(diǎn)在工作區(qū)中的其他結(jié)構(gòu)部件表面的機(jī)器人模型的表面。計(jì)算兩個曲面相交的本質(zhì)歸結(jié)為決定從幾何中使用的標(biāo)準(zhǔn)工具，可以實(shí)現(xiàn)與其他表面的一個表面的邊緣相交。所有的一切，碰撞檢測是一項(xiàng)計(jì)算密集型的任務(wù)。因此，在實(shí)時(shí)應(yīng)用，如黃瓜機(jī)器人碰撞檢測，需要碰撞檢測的精度和可用計(jì)算時(shí)間之間的權(quán)衡。精確的CAD模型圖。 4包含600個三角形和矩形表面。一因素15減少計(jì)算時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了從所謂的面向邊界建立了一個不太準(zhǔn)確的模型代替精確的操縱模型盒（更新行動）。這種三維機(jī)械手的只有36個移動的表面組成OBB的模型如圖6所示。顯然，一些與OBB的模型精度已提供計(jì)算速度的緣故。對于目前的調(diào)查，它被認(rèn)為是合理的。
5．例1：碰撞兩個度的自由操縱運(yùn)動規(guī)劃
要說明的方法，結(jié)果與兩兩自由度轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的機(jī)械臂的無碰撞運(yùn)動規(guī)劃。圖7（a）顯示了一個人為的溫室環(huán)境，其中方塊代表黃瓜莖的目標(biāo)是移動的路徑（直打下了）操縱的工具中心點(diǎn)背后掛在黃瓜黃瓜冠捷干，沒有擊中任何黃瓜莖。這被認(rèn)為是黃瓜采摘過程中最困難的議案之一。
5.1.結(jié)果
為了說明操作的運(yùn)動規(guī)劃算法，圖。 7（b）顯示相關(guān)的兩維的配置空間。一個離散化步驟五度使用。堅(jiān)實(shí)的黑色方塊，稱為配置的障礙，代表機(jī)器人和黃瓜干之間的碰撞產(chǎn)生的配置。由字母S表示開始配置目標(biāo)配置是由字母G表示：他們代表的開始姿勢和圖采摘姿態(tài)。 7（一）。路徑搜索的目標(biāo)是要找到一個起始節(jié)點(diǎn)S和目的節(jié)點(diǎn)G之間的連接：觀察，首先，配置空間的地圖，揭示了真正復(fù)雜運(yùn)動規(guī)劃的問題，可能看起來瑣碎的工作空間中。其次，觀察，一條直路從起始節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)碰撞的結(jié)果，并因此是不可行的。圖7（c）所示的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，記為*，A *算法的評估過程中向前搜索從起始節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。圖所示的配置空間中的最優(yōu)路徑。如圖7（d）及相關(guān)的無碰撞機(jī)械臂在工作區(qū)的議案快照。 7（E）。觀察，在工作區(qū)中的無碰撞運(yùn)動的空間配置結(jié)果無碰撞的議案;機(jī)器人不會干擾與工作空間的障礙：黃瓜莖。最后，圖7（f）顯示網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)A *算法當(dāng)一個落后的搜索目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的起始節(jié)點(diǎn)進(jìn)行評估。
5.2.討論
結(jié)果表明，在配置空間沸騰的路徑搜索，找到一個點(diǎn)的運(yùn)動軌跡，從一開始就配置目標(biāo)配置。
圖7（c）和（F）清楚地表明，碰撞檢查接續(xù)OFA先驗(yàn)碰撞檢測路徑搜索過程中，由于A *算法，只有部分評估在配置空間網(wǎng)格點(diǎn)的優(yōu)勢。此外，研究結(jié)果表明，如果一個障礙之間開始配置和位于目標(biāo)配置，大量的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)找到了解決辦法之前，必須進(jìn)行評估。在這種情況下，A *算法不是很有效，在發(fā)現(xiàn)周圍的配置空間障礙的一種方式。障礙的情況下密切繞過一個目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，一個落后的搜索可能會產(chǎn)生較少的解決方案由圖所示的計(jì)算時(shí)間。 7（F）。在這個例子中向后搜索向前搜索時(shí)取得117而不是146次迭代后的解決方案;減少20％。如果目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位于兩者之間的障礙脊巷子盡頭，即使在較高的迭代次數(shù)減少使用向后搜索（結(jié)果未顯示）獲得。最好的搜索方向明確，取決于手頭的特定結(jié)構(gòu)的問題。這兩個圖。 7條（d）及（e）表明，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑成本函數(shù)的意義，算法往往偷工減料，致使小機(jī)器人和障礙物之間的距離。要牢記這一特點(diǎn)，在實(shí)際運(yùn)動規(guī)劃實(shí)驗(yàn)時(shí)，傳感器為基礎(chǔ)的世界描述數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確容易。然后可能會發(fā)生碰撞，不占在運(yùn)動規(guī)劃。最后，圖7（d）顯示，由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和正交擴(kuò)展的路徑搜索過程中的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，運(yùn)動路徑包含了一些尖角。這將導(dǎo)致強(qiáng)不必要的加速和減速的鏈接時(shí)，在實(shí)踐中實(shí)施。在第4節(jié)的建議，為平滑軌跡規(guī)劃的議案等不良行為的來電。
6．例2：碰撞為6度的自由操縱運(yùn)動規(guī)劃
這一段演示六自由度三菱RV-E2的機(jī)械臂運(yùn)動規(guī)劃方案。圖8（a）顯示了三維視圖六自由度機(jī)械手，在一個人為的溫室環(huán)境。再次，目標(biāo)是從路徑中的位置移動機(jī)器人的工具中心點(diǎn)到黃瓜掛背后的黃瓜干，沒有擊中黃瓜TEMS代表由黑職位。
圖7.黃瓜采摘在一個人為的溫室環(huán)境經(jīng)營度自由操縱的無碰撞運(yùn)動規(guī)劃：（a）開始姿勢（直）和目標(biāo)姿態(tài)與機(jī)械臂的工作空間冠捷挑選黃瓜掛灰色正方形代表;（b）與代表的黑色區(qū)域配置中的碰撞和S的起點(diǎn)和目標(biāo)配置，分別代表?配置空間;（c）配置空間由A采樣黃瓜干背后*算法在從一開始向前搜索到目標(biāo)節(jié)點(diǎn);（d）通過配置空間的無碰撞軌跡;（e）6，到操盤黃瓜的無碰撞運(yùn)動的快照;（f）配置A *算法在空間采樣，從向后搜索目標(biāo)的起始節(jié)點(diǎn)1和2是第一和第二關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)。
6.1．結(jié)果
由于這個例子涉及一個六自由度機(jī)械手，執(zhí)行搜索，在六維的配置空間。這是不可能的可視化配置空間的無碰撞點(diǎn)的運(yùn)動，是與前面的例子一樣。因此，只有通過工作區(qū)的無碰撞運(yùn)動的快照圖。 8（一） - （F）。該議案涉及所有6個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。從本質(zhì)上講，黃瓜的議案，由兩部分組成。首先所有機(jī)器人向后傾斜，同時(shí)圍繞主垂直軸旋轉(zhuǎn)，然后傾斜前鋒再次攜帶刀具中心點(diǎn)之間的黃瓜莖。其次，同時(shí)，過去三年關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，以便能夠定位在背后的黃瓜干黃瓜工具中心點(diǎn)。這樣做，黃瓜干規(guī)避。
6.2．討論
結(jié)果表明，碰撞自由運(yùn)動的六自由度機(jī)械手可以發(fā)現(xiàn)。據(jù)預(yù)計(jì)，這一結(jié)果可以擴(kuò)展到七個自由度的機(jī)械手，在黃瓜采摘設(shè)備使用。然而，這個例子揭示了A *算法的弱點(diǎn)。對于正在審議的六自由度機(jī)械手，在六維的配置空間進(jìn)行搜索。然后，由于網(wǎng)格點(diǎn)的大量的，必須進(jìn)行評估，搜索變得過于緩慢。這部分是由于在MATLAB實(shí)現(xiàn)。該軟件包不是很有效時(shí)，必須執(zhí)行大量的迭代。再次，結(jié)果表明：在運(yùn)動軌跡的尖角。當(dāng)需要高速運(yùn)動，這些運(yùn)動軌跡要平滑，以防止上機(jī)械臂鏈接的重載。
黃瓜采摘機(jī)器人
圖8.（a）-（f）：六快照的無碰撞運(yùn)動6自由度RV-E2的操縱掛在黃瓜背后黃瓜莖代表黑色垂直職位
7.結(jié)論
本文提出了一種方法，以達(dá)到適當(dāng)?shù)氖盅蹍f(xié)調(diào)的黃瓜收獲機(jī)器人在農(nóng)業(yè)和環(huán)境工程研究所（IMAG BV）的開發(fā)。本文提出了一個方案，是能夠生成機(jī)器人無碰撞運(yùn)動。一些數(shù)值例子說明了該方法和分析。
本研究的主要結(jié)論是，無碰撞運(yùn)動可以計(jì)算六度自由度（DOF），RV-E2的機(jī)械臂在收獲機(jī)使用。據(jù)預(yù)計(jì)，這些結(jié)果可以擴(kuò)展到七自由度機(jī)械手，即RV-E2的操縱器線性滑軌安裝。被發(fā)現(xiàn)的A*搜索算法很容易實(shí)現(xiàn)和強(qiáng)大的。通過這種方式，它提供了很多有識之士為機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃的具體問題。此外，該算法的一個大優(yōu)勢是，它可以產(chǎn)生一個解決方案或停止時(shí)，無法找到一個解決方案。該財(cái)產(chǎn)的完整性，但是，使得算法望而卻步緩慢。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與本文中所描述的算法涉及的多自由度機(jī)械手運(yùn)動軌跡的計(jì)算是計(jì)算非常。至符合所需的周期時(shí)間的10秒為一個單一的收獲行動，需要進(jìn)一步研究，以減少議案所需的計(jì)算時(shí)間規(guī)劃。研究，可沿兩條線。首先，可以減少計(jì)算時(shí)間，通過使用特殊的計(jì)算機(jī)硬件，例如并行處理器。另外，同時(shí)，減少計(jì)算可以通過使用更快和有效地實(shí)現(xiàn)的算法。此外，結(jié)果表明，該算法不包括許多情報(bào)。雖然它試圖產(chǎn)生定向運(yùn)動的目標(biāo)，如果它只是配置遇到障礙樣品中的搜索空間網(wǎng)格解決方案，直到發(fā)現(xiàn)不使用有關(guān)的問題，特別是結(jié)構(gòu)的信息點(diǎn)。因此，進(jìn)一步研究需要獲得快速算法，有效地利用有關(guān)的問題，特別是結(jié)構(gòu)的信息，不卡，恕不另行通知。
致謝
這項(xiàng)工作是由荷蘭農(nóng)業(yè)，食品和漁業(yè)部的支持。匿名介紹人的建設(shè)性意見表示感謝。
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設(shè)計(jì)
振搖式紅棗采收設(shè)備設(shè)計(jì)與仿真
設(shè)計(jì)說明書
學(xué)生姓名
學(xué) 號
所屬學(xué)院
專 業(yè)
班 級
指導(dǎo)教師
日 期
前 言
本研究針對南疆地區(qū)紅棗種植面積大，紅棗采收困難的現(xiàn)實(shí)問題，以紅棗采收設(shè)備研制作為研究對象，基于振動的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性，分析振動系統(tǒng)在外部簡諧激振力的作用下產(chǎn)生的運(yùn)動軌跡振動響應(yīng)的基本條件和軌跡特征；進(jìn)行振搖式紅棗采收設(shè)備運(yùn)動特性研究。進(jìn)行采收試驗(yàn)，并對采收效率進(jìn)行有效分析，為提高紅棗采收效率的研究提供理論支持。
振搖式紅棗采收設(shè)備基本原理是搖桿晃動帶動罩子晃動，罩子晃動帶動樹枝晃動；樹枝在接受了外加的強(qiáng)迫振動后，也以一定的頻率振動，這樣就使樹枝上的棗子也以某種形式的振動而加速運(yùn)動。加速運(yùn)動的棗子要受到慣性力的作用，當(dāng)慣性力大于棗子與樹枝的結(jié)合力時(shí)，棗子就會掉落到罩子底部，達(dá)到收獲紅棗的預(yù)期效果。
紅棗為溫帶作物，適應(yīng)性強(qiáng)，營養(yǎng)豐富，富含鐵元素和維生素。紅棗素有“鐵桿莊稼”之稱，具有耐旱、耐澇的特性，是發(fā)展節(jié)水型林果業(yè)的首選良種。由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，特色農(nóng)業(yè)的建立，紅棗種植成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的一條新的產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目，紅棗產(chǎn)業(yè)已呈現(xiàn)出區(qū)域化布局、規(guī)?；l(fā)展、多種栽培模式盡顯其效的新格局。各地根據(jù)自己的情況確立了不同的棗樹種植面積，為農(nóng)民增加了經(jīng)濟(jì)收入。隨著紅棗的種植面積的增加，紅棗的機(jī)械化作業(yè)在紅棗栽培中的重要性逐漸凸顯。依據(jù)最近幾年林果業(yè)發(fā)展的態(tài)式分析，果樹種植每年以10%的速度遞增，由于林果業(yè)的快速發(fā)展，各地已形成了較大的種植規(guī)模, 每到收獲季節(jié)需要投入大量的勞力來完成水果采收?？梢灶A(yù)見到, 再過3～5 年, 新種植的果樹進(jìn)入盛果期后, 水果采收作業(yè)將會出現(xiàn)因勞動力短缺、采收不及時(shí), 而直接影響果品質(zhì)量和造成大量損失的問題。這是因?yàn)? 水果采摘是一項(xiàng)勞動投入量很大的作業(yè), 有些水果因成熟期不一致, 需要多次采摘才能完成收獲; 而有些作為鮮食或作為加工用途的果品, 因市場對于果實(shí)外觀要求較高, 不能有碰傷、刮傷、壓裂等機(jī)械損傷, 采收這些水果時(shí)必須小心翼翼; 另外, 水果收獲是在離地面有3～5m 高的空中作業(yè), 以上原因決定了水果采摘是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)、費(fèi)工、費(fèi)力的作業(yè)。人工采收水果的速度緩慢, 大面積發(fā)展水果種植時(shí), 必須要依靠機(jī)械化來提高采摘效率。據(jù)有關(guān)資料介紹, 有些鮮食水果的采收用工量較大, 約占水果生產(chǎn)總用工量的50%以上,導(dǎo)致特色果品的生產(chǎn)成本過大, 不能滿足向果品加工企業(yè)提供數(shù)量充足、質(zhì)量優(yōu)越、價(jià)格相對低廉的原料, 這樣極不利于企業(yè)直接參與市場競爭。懸掛式紅棗收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)，就是針對矮化密植紅棗的采摘要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的新型機(jī)器，紅棗的機(jī)械化收獲對提高收獲效率, 降低收獲作業(yè)成本, 做到適時(shí)收獲, 提高采收效率都有很大的幫助。
目 錄
1.緒論 1
1.1課題研究的目的和意義 1
1.2國內(nèi)外水果采摘機(jī)械的現(xiàn)狀 1
1.3本課題主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線 2
2.振搖式紅棗采收設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2
2.1總體設(shè)計(jì)方案 2
2.1.1振搖式紅棗采收設(shè)備結(jié)構(gòu)原理 3
2.1.2振搖式紅棗采收設(shè)備工作原理 4
3.振搖式紅棗采收設(shè)備具體部分設(shè)計(jì) 4
3.1圓形網(wǎng)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4
3.1.1圓形網(wǎng)罩 4
3.1.2漏棗導(dǎo)管 5
3.1.3加強(qiáng)連接處 5
3.1.4連接繩 5
3.1.5束緊繩導(dǎo)管 5
3.2束緊機(jī)構(gòu) 5
3.2.1束緊繩 6
3.2.2束繩裝置 6
3.3可調(diào)搖桿 7
3.3.1搖桿作用 7
3.3.2搖桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7
3.3.3搖桿材料 8
3.4可調(diào)束緊帶 8
3.4.1束緊帶作用 8
3.4.2結(jié)構(gòu) 8
3.4.3工作原理 9
3.4.4可調(diào)束緊帶材料 9
4.振搖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
4.1汽油機(jī)的選擇 10
4.2減速器的確定 10
4.3振動機(jī)構(gòu) 10
4.3.1曲柄滑塊的動力學(xué)特性 11
4.3.2曲柄滑塊的運(yùn)動學(xué)特性 12
4.4液壓傳動 13
4.5結(jié)論 15
5.結(jié)論 16
致 謝 17
參考文獻(xiàn) 18
1.緒論
1.1課題研究的目的和意義
目前，我國果園收獲主要靠人工手摘和借助云梯、采果刀等簡單工具輔助采收。林果采收機(jī)械的研究在我國仍處于起步階段，未見成熟先進(jìn)的實(shí)用機(jī)具報(bào)道。目前，隨著特色林果，尤其是紅棗等林果的規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，依靠人工采收的方式已經(jīng)不能滿足紅棗等產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的需要。針對紅棗人工采收效率低、勞動強(qiáng)度大、成本高的生產(chǎn)實(shí)際，需要設(shè)計(jì)一種專門針對矮化密植紅棗的收獲機(jī)具，盡量做到工作穩(wěn)定可靠，，采凈率高且不傷樹的特點(diǎn)。以滿足當(dāng)前日益產(chǎn)業(yè)化的紅棗產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)紅棗產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程，推動紅棗這一新興產(chǎn)業(yè)在我國農(nóng)產(chǎn)品的地位。
棗樹在我國的分布很廣，一般來講，小氣侯冬季最低氣溫不低于-32℃，就可栽培植棗。棗樹在我國大面積經(jīng)濟(jì)栽培主要在山東、河北、河南、山西、陜西五省的黃河流域，近年來安徽、甘肅、湖南、湖北發(fā)展很快。紅棗為溫帶作物，適應(yīng)性強(qiáng)，營養(yǎng)豐富，富含鐵元素和維生素。紅棗素有“鐵桿莊稼”之稱，具有耐旱、耐澇的特性，是發(fā)展節(jié)水型林果業(yè)的首選良種。由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，特色農(nóng)業(yè)的建立，紅棗種植成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的一條新的產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目，紅棗產(chǎn)業(yè)已呈現(xiàn)出區(qū)域化布局、規(guī)?；l(fā)展、多種栽培模式盡顯其效的新格局。各地根據(jù)自己的情況確立了不同的棗樹種植面積，為農(nóng)民增加了經(jīng)濟(jì)收入。隨著紅棗的種植面積的增加，紅棗的機(jī)械化作業(yè)在紅棗栽培中的重要性逐漸凸顯。依據(jù)最近幾年林果業(yè)發(fā)展的態(tài)式分析，果樹種植每年以10%的速度遞增，由于林果業(yè)的快速發(fā)展，各地已形成了較大的種植規(guī)模,，每到收獲季節(jié)需要投入大量的勞力來完成水果采收。可以預(yù)見到，再過3～5 年，新種植的果樹進(jìn)入盛果期后,水果采收作業(yè)將會出現(xiàn)因勞動力短缺、采收不及時(shí)，而直接影響果品質(zhì)量和造成大量損失的問題。這是因?yàn)?，水果采摘是一?xiàng)勞動投入量很大的作業(yè)，有些水果因成熟期不一致，需要多次采摘才能完成收獲；而有些作為鮮食或作為加工用途的果品，因市場對于果實(shí)外觀要求較高，不能有碰傷、刮傷、壓裂等機(jī)械損傷, 采收這些水果時(shí)必須小心翼翼；另外，水果收獲是在離地面有3～5m高的空中作業(yè)， 以上原因決定了水果采摘是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)、費(fèi)工、費(fèi)力的作業(yè)。人工采收水果的速度緩慢，大面積發(fā)展水果種植時(shí), 必須要依靠機(jī)械化來提高采摘效率。據(jù)有關(guān)資料介紹，有些鮮食水果的采收用工量較大，約占水果生產(chǎn)總用工量的50%以上,導(dǎo)致特色果品的生產(chǎn)成本過大，不能滿足向果品加工企業(yè)提供數(shù)量充足、質(zhì)量優(yōu)越、價(jià)格相對低廉的原料，這樣極不利于企業(yè)直接參與市場競爭。振搖式紅棗采收設(shè)備的研究，就是針對紅棗的采摘時(shí)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的采摘機(jī)械，紅棗的機(jī)械化收獲對提高收獲效率，降低收獲作業(yè)成本，做到適時(shí)收獲，減少收獲過程中造成的機(jī)械損，保證紅棗質(zhì)量，促進(jìn)棗業(yè)生產(chǎn)的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化具有重要現(xiàn)實(shí)意義。
1.2國內(nèi)外水果采摘機(jī)械的現(xiàn)狀
國外對水果機(jī)械化收獲技術(shù)的研究較多，機(jī)械采收在美國、西班牙、俄羅斯、意大利、英國、德國、丹麥、匈牙利等國家的果園應(yīng)用較為普遍。目前, 機(jī)采量較大的果樹作物有蘋果、葡萄、甜橙、桃、李、杏、櫻桃、越桔、油橄欖、核桃、扁桃等。他們采用的機(jī)械收獲方法主要有：震搖法、梳刷法、撞擊法、水力法、半機(jī)械化采收等方法。但是，針對紅棗收獲的采摘機(jī)械比較少。
據(jù)了解, 美國的堅(jiān)果收獲已全部實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，美國的葡萄、柑桔類水果的機(jī)械化收獲問題也解決得較好。意大利生產(chǎn)一種鮮食水果收獲機(jī)， 專用于蘋果、梨、杏、李子等鮮食水果的收獲, 雖然這種水果收獲機(jī)需要人工輔助摘果，但摘下后水果的輸送、裝箱等過程全部是機(jī)械化操作，水果收獲的效率可大大提高，同時(shí)也能避免和減少水果在收獲過程中的機(jī)械損傷。除了收獲機(jī)械之外， 還需要引進(jìn)適于機(jī)械化收獲的品種和果園修剪等管理技術(shù)。例如：在法國和意大利，為實(shí)現(xiàn)水果作業(yè)機(jī)械化，把葡萄樹普遍栽成扁平形，并花了很大的力量栽培修剪。栽果樹時(shí)，樹與樹排列成行， 既有較好的光照與通風(fēng)， 又便于拖拉機(jī)進(jìn)入行間松土、施肥、噴藥和采摘。法國的勃拉特研究所據(jù)此設(shè)計(jì)制造了一種高架式葡萄收獲機(jī)，成功地解決了釀酒用葡萄的收獲問題。國外有很多發(fā)展水果機(jī)械化收獲的經(jīng)驗(yàn)，值得我們學(xué)習(xí)和研究。
日本的果園種植地形類似于我國南方地形，許多在平地上使用的果園機(jī)械在丘陵地形上并不適用。因此日本在本世紀(jì)年代初著手研究陡坡地果園的機(jī)械化，其四國農(nóng)業(yè)試驗(yàn)場研制的采用樞軸式擺動懸掛機(jī)構(gòu)作為行走部分的自走式采摘車，使用電視攝像機(jī)和無線電控制組合 該采摘車的輪距寬 重心低。故爬坡能力強(qiáng) 采用就地車輪正反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，故回轉(zhuǎn)能力好，采用樞軸懸掛機(jī)構(gòu)。因而使機(jī)體擺動小、行走穩(wěn)定，適合在坡度的地區(qū)使用。
目前國外對采摘機(jī)械的研究是以采摘機(jī)器人為主70年代末期 隨著計(jì)算機(jī)和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，美國首先開始研究各種農(nóng)業(yè)機(jī)器人。自1983年第一臺采摘機(jī)器人在美國誕生以來，歷經(jīng)了20多年的研究和試驗(yàn)，以日本為代表的發(fā)達(dá)國家，包括美國、法國、荷蘭、英國、西班牙等國相繼試驗(yàn)成功了多種采摘機(jī)器人，如蘋果、柑桔、番茄、西瓜和葡萄等果實(shí)采摘的具有人工智能的機(jī)器人采摘機(jī)器人主要由機(jī)械手、末端執(zhí)行器、視覺識別系統(tǒng)和行走裝置等四大系統(tǒng)組成。日本京都大學(xué)在80年代中期研制了五自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械手，但這種機(jī)械手的工作空間并沒有包含所有果實(shí)的位置而且機(jī)械手末端執(zhí)行器的可操作度也低。同時(shí)韓國研制的蘋果采摘機(jī)器人采用了極坐標(biāo)機(jī)械手，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可左右移動，絲桿關(guān)節(jié)可以上下移動，從而工作空間可達(dá)3m。20世紀(jì)90年代，日本崗山大學(xué)在番茄采摘機(jī)器人上設(shè)計(jì)出了具有7個自由度的能夠指定采摘姿態(tài)的機(jī)械手，自由度越高，其手部運(yùn)動越靈活 控制越復(fù)雜。
總之，國外的水果收獲機(jī)械研究主要在鮮食水果的收獲中，他們是著眼于市場針對性的研制的各種收獲機(jī)械。他們不光強(qiáng)調(diào)機(jī)械一定要適應(yīng)當(dāng)?shù)剞r(nóng)(園)藝的要求，而是從生物學(xué)角度、農(nóng)( 園) 藝角度加大科研力度，開發(fā)利于機(jī)械化作業(yè)的新品種、新農(nóng)( 園) 藝等，為機(jī)械化作業(yè)創(chuàng)造條件。這樣就提高了水果的機(jī)械化采收作業(yè)率。
根據(jù)全國各地調(diào)查資料顯示，目前我國的水果機(jī)械化還只是停留在節(jié)水滴灌、灌溉施肥一體化、包裝保鮮等有限的幾個工序上，在清洗、分級中偶有使用，而水果采摘機(jī)械還是很少。我國的水果采摘機(jī)械種類很少，大型的機(jī)械化設(shè)備使用率很低，只有少量的半自動機(jī)械在使用。比如，可移動水果采摘梯、可伸縮式高枝采果器這樣的改進(jìn)型機(jī)械。這些機(jī)械雖然在某種意義上是生產(chǎn)效率提升，提高了水果的采摘質(zhì)量。但是對于大面積的果樹收獲還是不能滿足要求，像紅棗這樣的果實(shí)數(shù)量多，結(jié)果時(shí)，紅棗分布在果樹的各個部位，所以如果要提高生產(chǎn)率就需要機(jī)械化程度比較高的水果采摘機(jī)械來完成。
果園收獲作業(yè)是果園生產(chǎn)全過程中最重要的環(huán)節(jié)，果樹收獲勞動強(qiáng)度大，用工量多。傳統(tǒng)的人工收獲方法，每公頃需幾百個工時(shí)，占果園生產(chǎn)過程中用工量的50%左右。目前，我國果園收獲主要靠人工手摘和借助云梯、采果刀等簡單工具輔助采收。林果采收機(jī)械的研究在我國仍處于起步階段，成熟先進(jìn)的實(shí)用機(jī)具報(bào)道很少。隨著特色林果，尤其是紅棗等林果的規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，依靠簡單的人工采收的方式已不能滿足紅棗等產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的需要。2007年，農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所研制了4YS—24型紅棗收獲機(jī)，采收效果受到紅棗矮化密植的影響，機(jī)械設(shè)備無法進(jìn)入棗園，后續(xù)清理還是需要人工拾取，采收效果不理想，推廣遇到很大困難。特別是南疆地區(qū)紅棗種植的方式是矮化密植，這對機(jī)械采收提出更多難題。
各地州發(fā)展紅棗的計(jì)劃面積為240萬—270萬畝，尤其是阿克蘇地區(qū)提出到2015年全地州發(fā)展紅棗150萬畝的宏偉目標(biāo)。并申請注冊“阿克蘇紅棗”商標(biāo)。各地州根據(jù)實(shí)際情況確定了紅棗產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展縣。近年隨著南疆地區(qū)紅棗種植面積快速增長，每年到紅棗收獲季節(jié)，對人工需求特別旺盛，導(dǎo)致紅棗收獲成本劇增，棗農(nóng)的種植成本就會出現(xiàn)大幅度增加；一旦遇到陰雨天氣，大量紅棗來不及采收，淋雨后的紅棗無論是在樹上還是在地上都會出現(xiàn)大量腐爛；阿拉爾墾區(qū)2010年紅棗收獲期降雨，沒有采收完畢紅棗都出現(xiàn)50%的腐爛。因此研制一種高效紅棗采收設(shè)備是需求很迫切。
近年來，作為鮮食上市的水果收獲仍沒有完全實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。這是因?yàn)殚L在果樹上的果實(shí)的生長形態(tài)不適于機(jī)械化采摘, 而市場對于商品果外觀要求又較高，不能有碰傷、擦傷等機(jī)械損傷的緣故。雖然這種水果收獲機(jī)需要人工輔助摘果，但摘下后水果的輸送、裝箱等過程全部是機(jī)械化操作，水果收獲的效率可大大提高，同時(shí)也能避免和減少水果在收獲過程中的機(jī)械損傷。
故果園收獲機(jī)械化一直是國內(nèi)研究工作的重點(diǎn)。根據(jù)摘果原理不同采果機(jī)械主要有兩大類：一類是氣力振動采收機(jī)；另一類是機(jī)械振動采收機(jī)。機(jī)械振動采收機(jī)又可分為兩種，一是機(jī)械推搖采收機(jī)，另一種是機(jī)械撞擊采收機(jī)。
1.3本課題主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線
本研究針對南疆地區(qū)紅棗種植面積大，紅棗采收困難的現(xiàn)實(shí)問題，以紅棗采收設(shè)備研制作為研究對象，基于振動的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性，分析振動系統(tǒng)在外部簡諧激振力的作用下產(chǎn)生的運(yùn)動軌跡振動響應(yīng)的基本條件和軌跡特征；進(jìn)行振搖式紅棗采收設(shè)備運(yùn)動特性研究。
2.振搖式紅棗采收設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
果園收獲機(jī)械化一直是國內(nèi)研究工作的重點(diǎn)。根據(jù)摘果原理不同采果機(jī)械主要有兩大類：一類是氣力振動采收機(jī)；另一類是機(jī)械振動采收機(jī)。機(jī)械振動采收機(jī)又可分為兩種，一是機(jī)械推搖采收機(jī)，另一種是機(jī)械撞擊采收機(jī)。
2.1總體設(shè)計(jì)方案
經(jīng)過資料的查詢和實(shí)際的觀察，確定采收設(shè)備所具備的基本條件是：工作振幅小，易移動，采摘過程對樹枝和果實(shí)的損傷小，經(jīng)借鑒采用搖震式。眾多學(xué)者廣泛開展了振動采收機(jī)理研究，揭示了理論上可行。振搖式紅棗采收設(shè)備的設(shè)計(jì)方案，要求采收設(shè)備設(shè)計(jì)簡單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，操作簡便。
2.1.1振搖式紅棗采收設(shè)備結(jié)構(gòu)原理
圖2-1 振搖式紅棗采收設(shè)備示意圖
1.棗樹 2.束緊繩 3.可調(diào)搖桿4.加強(qiáng)連接處5.圓形網(wǎng)罩 6.漏棗導(dǎo)管
圖2-2 振搖式紅棗采收設(shè)備示意圖
1.棗樹2.束緊裝置3.可調(diào)束緊帶4.可調(diào)搖桿5.圓形網(wǎng)罩 6.加強(qiáng)連接處7.束緊繩
8.漏棗導(dǎo)管9.筐10.振搖裝置
根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和搜集的資料確定振搖式紅棗采收設(shè)備的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主要包括：圓形網(wǎng)罩、可調(diào)搖桿、束繩裝置、可調(diào)束緊帶等幾個部分。在網(wǎng)罩的四個方向，分別連接一個搖桿。搖桿可以通過振搖裝置產(chǎn)生振動，總體結(jié)構(gòu)如圖。
2.1.2振搖式紅棗采收設(shè)備工作原理
設(shè)備工作原理是利用圓形網(wǎng)式結(jié)構(gòu)，通過固定四個長桿，利用四根長桿將網(wǎng)把整棵棗樹枝干包住，然后將下落圓網(wǎng)收攏，利用四根長桿帶動樹干搖動，使樹上紅棗落入網(wǎng)的底部，然后打開漏棗口，棗子順著漏棗導(dǎo)管，最后通過設(shè)置好紅棗出口將紅棗倒入框中；從而完成一個樹的紅棗收獲。動力輸出是人根據(jù)棗園實(shí)際情況，和搖晃樹枝的強(qiáng)度具體情況量力而為，采摘時(shí)盡量減少對紅棗和樹枝的損傷。
3.振搖式紅棗采收設(shè)備具體部分設(shè)計(jì)
3.1圓形網(wǎng)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圓形網(wǎng)罩的結(jié)構(gòu)包括：圓形網(wǎng)袋、漏棗導(dǎo)管、加強(qiáng)連接處、束緊繩導(dǎo)管、連接繩。
圖3-1 圓形網(wǎng)罩
3.1.1圓形網(wǎng)罩
功能
從上到下，將棗樹收入網(wǎng)罩內(nèi)，收攏網(wǎng)口，捆于樹干，使棗樹處于鎖緊微壓縮狀態(tài)，便于后面的振動采收收棗。
尺寸
棗樹的所有的外圍枝葉，看成近似球形，通過測量半徑，來確定罩子的尺寸。假設(shè)測量的棗樹的半徑為，那么棗樹的表面積,設(shè)圓形網(wǎng)罩的面積為，半徑為,那么，。
材料
因?yàn)檎肿优c棗樹緊密接觸，所以棗樹上的枝葉和倒刺都會造成罩子磨損和破壞，固需要使用耐磨損，并且抗破壞性能要強(qiáng)，達(dá)到耐用的目的。這里試用粗帆布材料，粗帆布具有良好的延伸性、吸濕性，同時(shí)又具有耐磨、耐堿、耐曬、耐蟲蛀等一系列優(yōu)點(diǎn)。由于帆布是多股線織造，所以質(zhì)地堅(jiān)牢、耐磨、緊密厚實(shí)。為防止棗樹對罩子的損失過大，可以采用雙層粗帆布。
3.1.2漏棗導(dǎo)管
圖3-2 漏棗導(dǎo)管
功能
紅棗經(jīng)過振動掉落在網(wǎng)底，通過打開漏棗導(dǎo)管，棗子順著導(dǎo)管進(jìn)入到框里。
尺寸
根據(jù)圓形網(wǎng)罩的尺寸和棗樹樹干的粗細(xì)，漏棗導(dǎo)管的直徑預(yù)計(jì)在20cm—40cm之間。
材料
漏棗導(dǎo)管因?yàn)橐磸?fù)與棗子接觸，固也采用粗帆布；但是因?yàn)樯偃チ撕芏鄺棙渲θ~的磨損破壞，采用單層粗帆布即可。
3.1.3加強(qiáng)連接處
功能
防止反復(fù)振動，對網(wǎng)罩造成破壞，導(dǎo)致整個機(jī)具無法正常使用。減少力在傳遞過程中的損耗，提高工作效率。
尺寸
根據(jù)搖桿晃動布料的受力情況，可能受來自各個方向的力，固此處采用圓形加固，半徑為15cm.如若加固效果不理想，可以相應(yīng)的擴(kuò)大加固半徑。
材料和后期處理
此處可以增加2—4層的粗帆布，減小針距，致密縫合，達(dá)到預(yù)期的效果。
3.1.4連接繩
功能
把圓形網(wǎng)罩和可調(diào)搖桿連接在一起，實(shí)現(xiàn)桿動帶動罩動。
材料和尺寸
使用32股編制棉繩，棉繩摩擦因數(shù)比較大，質(zhì)地柔軟，可伸縮性小，耐磨，使用壽命長。預(yù)計(jì)長度為50cm。繩粗8mm。如若需要更改，可以因?qū)嶋H而定。
加工處理
繩頭1cm處使用薄鐵皮包裹，防止繩頭因反復(fù)使用散開。繩子與圓形網(wǎng)罩采用致密縫補(bǔ)連接。注：連接處縫合強(qiáng)度高，能經(jīng)受住拉伸力的反復(fù)作用。
3.1.5束緊繩導(dǎo)管
功能
為束緊繩子提供一個運(yùn)動的軌道，方面網(wǎng)罩的后期束緊捆綁棗樹。
材料
使用長纖維的布料，面料光滑柔軟，摩擦系數(shù)小，耐磨性高，強(qiáng)度彈性都很好質(zhì)地緊密且富有彈性。
3.2束緊機(jī)構(gòu)
本著操作簡單，實(shí)用性強(qiáng)，本束緊機(jī)構(gòu)由兩個部分組成，分別是束緊繩和束繩裝置。此機(jī)構(gòu)能快速達(dá)到預(yù)期的束緊效果，并且滿足設(shè)計(jì)的最初要求。
3.2.1束緊繩
功能
收緊網(wǎng)口捆與樹干。
尺寸
長度因圓形網(wǎng)罩網(wǎng)口的半徑而定，但總長要比網(wǎng)口周長要常100cm，繩粗8mm.
材料
根據(jù)需要采用尼龍繩，繩皮比較光滑，耐磨。根據(jù)情況可以選擇更適用的繩子。
3.2.2束繩裝置
圖3-3 束繩裝置
工作原理：將構(gòu)件1放入構(gòu)件2內(nèi)，在構(gòu)件1和構(gòu)件2之間有一個彈簧，在彈簧的作用下，構(gòu)件1始終有向上的趨勢。束緊繩同時(shí)通過構(gòu)件1和構(gòu)件2的孔洞，擋住了構(gòu)件1向上的趨勢，二者相互作用下，達(dá)到了束緊的目標(biāo)。
材料
根據(jù)此裝置束緊狀態(tài)下。采用ABS塑料鑄成。ABS塑料是由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯聚合的塑料，它色彩醒目，耐熱、堅(jiān)固、外表面可鍍鉻、鎳等金屬薄膜。
功能
此裝置主要有兩個功能：
（1）防止繩頭不慎進(jìn)入網(wǎng)罩的束緊繩導(dǎo)管，為束緊操作帶來不必要的操作。
（2）收攏網(wǎng)罩的時(shí)候，方便迅速，束緊與樹干。
彈簧
功能
為束緊裝置提供束緊動力，保證束緊裝置在正常的情況下，正常工作。
材料
根據(jù)需求，從機(jī)械設(shè)計(jì)手冊上查得，碳素彈簧鋼絲，強(qiáng)度高，性能好，適于做小彈簧，適用于本裝置。查機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊, 符合要求的是彈簧絲直徑，彈簧中徑，節(jié)距，自由高度，實(shí)驗(yàn)負(fù)荷。
3.3可調(diào)搖桿
3.3.1搖桿作用
(1)通過四個搖桿，把圓形網(wǎng)罩移動到棗樹樹頂再利用四根搖桿用網(wǎng)罩把整棵棗樹從樹頂把所有枝干包住。
(2)通過搖桿的振動帶動網(wǎng)罩振動，帶動罩子晃動，罩子晃動帶動樹枝晃動；樹枝在接受了外加的強(qiáng)迫振動后，也以一定的頻率振動，這樣就使樹枝上的棗子也以某種形式的振動而加速運(yùn)動。加速運(yùn)動的棗子要受到慣性力的作用，當(dāng)慣性力大于棗子與樹枝的結(jié)合力時(shí)，棗子就會掉落到罩子底部，達(dá)到收獲紅棗的預(yù)期效果。
3.3.2搖桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖3-4 可調(diào)搖桿示意
結(jié)構(gòu)原理
棗樹的具體高度各有不同，根據(jù)棗樹的高度不同，又為了方便實(shí)用，采用可調(diào)搖桿。搖桿主要有五部分組成，定位滑塊、底座、外管、內(nèi)管，連接頭。外管直徑為25cm，內(nèi)管直徑23cm，將內(nèi)管放入外管內(nèi)，相應(yīng)的孔洞對齊，在彈簧作用力下，定位滑塊始終處于頂起狀態(tài)，滑塊和內(nèi)外管的相互作用力，達(dá)到定位目的，滑塊可以通過彈簧壓縮和任意的外管孔洞配合，從而達(dá)到可調(diào)高度的目的。
彈簧
圖3-5 彈簧
根據(jù)需求，從機(jī)械設(shè)計(jì)手冊上查得，碳素彈簧鋼絲，強(qiáng)度高，性能好，適于做小彈簧，適用于本裝置。查機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊, 符合要求的是彈簧絲直徑，彈簧中徑，節(jié)距，自由高度，實(shí)驗(yàn)負(fù)荷。
3.3.3搖桿材料
圖3-6 可調(diào)搖桿
搖桿在采收過程中是起到傳遞力的作用，操作手通過晃動搖桿，從而達(dá)到晃動罩子和棗樹的目的。根據(jù)搖桿的工作性質(zhì)，搖桿要求質(zhì)輕，方便使用和移動；根據(jù)搖桿的工作負(fù)荷搖桿的強(qiáng)度要求不是很高，綜上兩點(diǎn)搖桿的材料可以采用鋁合金。因?yàn)殇X合金在保持純鋁質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)還能具有較高的強(qiáng)度；根據(jù)機(jī)械特性，采用鋁合金7050-T7451材料制造。
表3-1 鋁合金的典型機(jī)械性能(Typical Mechanical Properties)
鋁合金牌號
及狀態(tài)
拉伸強(qiáng)度(25°C MPa)
屈服強(qiáng)度(25°C MPa)
硬度500kg力10mm球
延伸率1.6mm(1/16in)厚度
6061-T651
310
276
95
12
7050-T7451
510
455
135
10
7075-T651
572
503
150
11
表3-2 鋁合金的化學(xué)成份(Chemical Composition Limit Of Aluminum )
合金
牌號
硅Si
鐵Fe
銅Cu
錳Mn
鎂Mg
鉻Cr
鋅Zn
鈦Ti
其它
鋁
每個
合計(jì)
最小值
6061
23.6
0.7
0.15-0.4
0.15
0.8-1.2
0.04-0.35
0.25
0.15
0.05
0.15
余量
7050
23.5
0.15
20.-2.6
0.1
1.9-2.6
0.04
5.7-6.7
0.06
0.05
0.15
余量
7075
23.6
0.5
1.2-2.0
0.3
2.1-2.9
0.18-0.28
5.1-6.1
0.2
0.05
0.15
余量
3.4可調(diào)束緊帶
3.4.1束緊帶作用
圓形網(wǎng)罩網(wǎng)口收攏與樹后，只靠一個束繩裝置提供捆綁與樹干的力，難免有點(diǎn)單薄，有的時(shí)候用束緊繩直接捆綁與樹，又很不方便。因此設(shè)計(jì)了可調(diào)束緊帶，輔助紅棗收獲。將圓形網(wǎng)罩網(wǎng)口快速束縛與樹干，防止網(wǎng)罩網(wǎng)口因其他原因，影響紅棗收獲。它使用方便、簡捷，使用范圍廣。可以在紅棗收獲過程中節(jié)省相應(yīng)的人力和時(shí)間，達(dá)到迅速完成紅棗收獲的要求。
3.4.2結(jié)構(gòu)
可調(diào)束緊帶主要由一個自鎖裝置和鋸齒形束緊帶構(gòu)成。具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖：
圖3-7 可調(diào)束緊帶
3.4.3工作原理
鋸齒形束緊帶通過自鎖裝置，自鎖裝置內(nèi)扭矩彈簧的作用，提供一個扭力，卡死束緊帶，使束緊帶只能緊不能松，達(dá)到束緊樹干的要求。需要取下時(shí)，只要人力平衡彈簧扭力，就可以消除束緊狀態(tài)。
3.4.4可調(diào)束緊帶材料
根據(jù)工作要求，實(shí)際需要，本著節(jié)省資源，降低成本的思想，本可調(diào)束緊帶采用采用塑料。塑料主要特性：大多數(shù)塑料質(zhì)輕，化學(xué)性穩(wěn)定，不會銹蝕；耐沖擊性好；具有較好的透明性和耐磨耗性；絕緣性好，導(dǎo)熱性低；一般成型性、著色性好，加工成本低；大部分塑料耐熱性差，熱膨脹率大，易燃燒；尺寸穩(wěn)定性差，容易變形；多數(shù)塑料耐低溫性差，低溫下變脆；容易老化；某些塑料易溶于溶劑。
4.振搖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
振搖機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
圖4-1 振搖機(jī)構(gòu)示意圖
1.連接管2.液壓傳動3.振搖滑筒4.搖桿5.定桿6.曲柄7.調(diào)節(jié)支桿8.機(jī)架
汽油機(jī)和減速箱固定在機(jī)架上，汽油機(jī)、減速箱和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)都是通過相應(yīng)的聯(lián)軸器連接，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)由活動鉸鏈連接，振搖滑筒上焊接液壓傳動，液壓傳動焊接連接筒。
振搖機(jī)構(gòu)工作原理：
汽油機(jī)做為動力輸出源，通過減速器帶動曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將曲柄的圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)換成振搖滑筒直線往復(fù)運(yùn)動；可調(diào)搖桿通過液壓傳動上的連接筒與曲柄滑塊機(jī)構(gòu)連接。最終實(shí)現(xiàn)振搖機(jī)構(gòu)的作用，產(chǎn)生振搖效果。
4.1汽油機(jī)的選擇
為了達(dá)到振搖目的，需要使用一個動力原件。因電動機(jī)使用不方便，故選擇小型汽油機(jī)。
表4-1 常用小型汽油機(jī)的功率范圍
型號
排量? mL
最大功率范圍? kW
轉(zhuǎn)速r/min
1E40F
50
1.4～1.7
5500
1E43F
50
1.6～2.2
5500
1E45F
60
1.8～2.5
5500
152F
97.7
1.1～1.9
3600
168F
163
3.4～4.1
3600
168F
196
3.8～4.8
3600
173F
240
5.3～5.9
3600
177F
270
6.0～6.6
3600
182F
340
7.1～8.1
3600
188F
390
8.4～9.6
3600
根據(jù)功率使用152F型汽油機(jī)，作為動力輸出。
4.2減速器的確定
由于汽油機(jī)轉(zhuǎn)速過高，需要一個傳動比很大的減速器。通過各種參數(shù)的選擇對比，選了一種諧波齒輪減速器。
減速器型號XBZ120B
機(jī)型120
柔輪內(nèi)徑120
模數(shù)為0.6
傳動比為100
輸入轉(zhuǎn)速=3600r/min
輸出轉(zhuǎn)速=36r/min
輸出轉(zhuǎn)矩450TB/N*m
輸入軸直徑=18h6
輸出軸直徑=45h6
輸入軸長度=28mm
輸出軸長度=48mm
總長度L=240mm
高度220mm
寬度180mm
螺栓數(shù)目n=4
螺栓直徑M14
輸入軸鍵A=6*25
輸出軸鍵B=14*62
4.3振動機(jī)構(gòu)
常用于將曲柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動變換為滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動;或者將滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換為曲柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。對曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動特性分析是當(dāng)已知各構(gòu)件尺寸參數(shù)、位置參數(shù)和原動件運(yùn)動規(guī)律時(shí),研究機(jī)構(gòu)其余構(gòu)件上各點(diǎn)的軌跡、位移、速度、加速度等,從而評價(jià)機(jī)構(gòu)是否滿足工作性能要求,機(jī)構(gòu)是否發(fā)生運(yùn)動干涉等。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動副為低副,各元件間為面接觸,構(gòu)成低副兩元件的幾何形狀比較簡單,加工方便,易于得到較高的制造精度等優(yōu)點(diǎn),因而在包括煤礦機(jī)械在內(nèi)的各類機(jī)械中得到了廣泛的應(yīng)用，如自動送料機(jī)構(gòu)、沖床、內(nèi)燃機(jī)空氣壓縮機(jī)等 。本振搖裝置采用曲柄滑塊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，具體分析設(shè)計(jì)如下：
4.3.1曲柄滑塊的動力學(xué)特性
圖4-1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)
從曲柄r傳到連桿l上的力與滑塊發(fā)出的壓力
(4—1)
曲柄頸A處，沿半徑方向的力和的關(guān)系：
(4—2)
將上2式聯(lián)立，可得到:
(4—3)
曲柄頸沿r方向承受與力大小相等的壓力。曲柄頸沿圓周方向所受切線力與半徑r的乘積，就是轉(zhuǎn)矩T。
(4—4)
根據(jù)上圖可知：
(4—5)
將（1）、（4）式代入（5）式，則
(4—6)
從上式求出P。
(4—7)
一般曲柄連桿機(jī)構(gòu)l>4r，所以，可將l看成比r大很多，即l>>r ，這時(shí)，角趨近于零。
則上式可以寫成：
(4—8)
按平面幾何圓部分的勾股定理，可以導(dǎo)出將上式代入，則得： (4—9)
4.3.2曲柄滑塊的運(yùn)動學(xué)特性
圖4-2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)
取A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，x軸水平向右。在任意瞬時(shí)t，機(jī)構(gòu)的位置如圖。
可以假設(shè)C點(diǎn)的矢徑為：
(4—10)
C點(diǎn)的坐標(biāo)為其矢徑在坐標(biāo)軸上的投影：
(4—11)
(4—12)
根據(jù)圖形可知：
(4—13)
所以：
(4—14)
式中，是曲柄長與連桿長之比。將上式代入的表達(dá)式中，并考慮到，就得到了滑塊的運(yùn)動方程：
(4—15)
若將此式對時(shí)間求導(dǎo)數(shù)，其運(yùn)算較繁瑣。在工程實(shí)際中，值通常不大，故可在上式中將根式展開成的冪級數(shù)并略去起的各項(xiàng)而作近似計(jì)算：
(4—16)
(4—17)
上式再對時(shí)間取導(dǎo)數(shù)，便可以得到速度和加速度的表達(dá)式：
(4—18)
(4—19)
其中都是的周期函數(shù)。
4.3.3曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)行中的振動與平衡
在一切有質(zhì)量、構(gòu)件質(zhì)心有加速度或構(gòu)件有角加速度的機(jī)械中,都存在著慣性力。例如:曲柄壓力機(jī)在向下行程時(shí),滑塊出現(xiàn)“快落”,對傳動系統(tǒng)產(chǎn)生撞擊、振動,會降低傳動零件的使用壽命。機(jī)械在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,這種隨機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)而周期變化的強(qiáng)慣性作用將會在運(yùn)動副中引起附加動壓力。這不僅將增加運(yùn)動副中的摩擦力和構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力,導(dǎo)致磨損加劇、效率降低,也影響構(gòu)件的強(qiáng)度。而且由于慣性力隨機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)而作周期性變化,也會使機(jī)械及其基礎(chǔ)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動,從而導(dǎo)致機(jī)械工作質(zhì)量和可靠性下降、零件材料內(nèi)部疲勞損傷加劇,并由振動而產(chǎn)生噪聲污染。因此,研究機(jī)械高速運(yùn)轉(zhuǎn)中慣性力的變化規(guī)律,采用平衡設(shè)計(jì)和平衡試驗(yàn)的方法對慣性力加以平衡,以消除或減輕慣性力的不良影響,是減輕機(jī)械振動、改善機(jī)械工作性能、提高機(jī)械工作質(zhì)量、延長機(jī)械使用壽命、減輕噪聲污染的重要措施之一。
曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是最早獲得廣泛應(yīng)用的連桿機(jī)構(gòu)之一，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)各構(gòu)件產(chǎn)生的慣性力會引起機(jī)座的強(qiáng)迫振動，加劇機(jī)器構(gòu)件的磨損并產(chǎn)生噪聲污染，降低機(jī)構(gòu)的運(yùn)動精度和平穩(wěn)性。因此，對這類機(jī)構(gòu)平衡問題的研究很有必要。從理論上講，運(yùn)用質(zhì)量代換法可使這種機(jī)構(gòu)的慣性力完全平衡。但是這種平衡法會導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜化及其質(zhì)量的增加，尤其是把配重安裝在連桿上時(shí)，對機(jī)構(gòu)更為不利。因此，人們多采用慣性力部分平衡的方法來減小機(jī)構(gòu)的振動。
曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中包含有作往復(fù)運(yùn)動的滑塊和作復(fù)合運(yùn)動的連桿和作轉(zhuǎn)動的曲柄,它們質(zhì)心加速度以及角加速度的存在會導(dǎo)致周期性變化的振動力和振動力矩。這種力和力矩將造成機(jī)械的強(qiáng)烈振動和噪聲,加劇機(jī)件的磨損和疲勞失效,降低機(jī)構(gòu)的運(yùn)動精度和運(yùn)動平穩(wěn)性,限制了機(jī)械性能的提高。對運(yùn)動機(jī)構(gòu)的振動力和振動力矩平衡方面的研究,主要集中在兩個方面:振動力和振動力矩的平衡方法和平衡問題的分析方法。目前對機(jī)器傳動系統(tǒng)中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行振動力和振動力矩平衡方法主要有:(1)質(zhì)量重分配法,這種方法是通過在構(gòu)件上加平衡重的方法,使機(jī)構(gòu)的總質(zhì)心位置始終處于機(jī)架上,機(jī)構(gòu)的總質(zhì)心不會隨構(gòu)件的運(yùn)動而運(yùn)動,從而達(dá)到振動力的完全平衡;(2)平衡機(jī)構(gòu)平衡法,即在機(jī)構(gòu)上附加其它機(jī)構(gòu)來平衡原機(jī)構(gòu)的慣性作用。分析機(jī)構(gòu)振動力和振動力矩平衡問題的方法主要有:(1)質(zhì)量替代法,就是根據(jù)替代前后構(gòu)件質(zhì)量和質(zhì)量矩不變的原則,將構(gòu)件的質(zhì)量代為相應(yīng)點(diǎn)處的質(zhì)量。這種方法有利于機(jī)構(gòu)振動力和振動力矩平衡的研究;(2)線性獨(dú)立向量法,這種方法就是首先建立機(jī)構(gòu)總質(zhì)心位置的向量表達(dá)式,然后利用機(jī)構(gòu)環(huán)路方程使表達(dá)式各項(xiàng)向量線性獨(dú)立,最后設(shè)法使總質(zhì)心位置不動,即使表達(dá)式中所有與時(shí)間有關(guān)的各項(xiàng)系數(shù)全部為零。
4.4液壓傳動
在液壓系統(tǒng)中，最常用的工作介質(zhì)是液壓油，液壓油是傳遞信號和能量的工作介質(zhì)。同時(shí)，還起到潤滑，冷卻和防銹等方面的作用。液壓系統(tǒng)能否可靠和有效地工作，在很大程度上取決于液壓油。
體積壓縮系數(shù)κ，受壓液體在單位壓力變化下的液體體積相對變化量。
圖4-3液壓傳動示意圖
液體體積彈性模量K：產(chǎn)生單位體積相對變化量所需要的壓力增量。
則：
粘性：流體在外力作用下流動時(shí)，分子間的內(nèi)聚力為了阻礙分子的相對運(yùn)動而產(chǎn)生的一種內(nèi)摩擦力。相鄰兩油層間的內(nèi)摩擦力：
式中：μ—比例常數(shù)，稱粘度系數(shù)或動力粘度?！俣忍荻龋匆簩酉鄬λ俣葘σ簩泳嚯x的變化率。
切應(yīng)力：單位面積上的摩擦力,
稱為牛頓的液體內(nèi)摩擦定律。
液體的粘度,
當(dāng)時(shí)，u=t
由此可知動力粘度μ是指它在單位速度梯度下流動時(shí)單位面積上產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力。
（2）運(yùn)動粘度ν：
液體動力粘度與其密度的比值，稱為運(yùn)動粘度。
ν=μ/ρ
圖4-4 帕斯卡原理示意圖
帕斯卡定律指出,密閉容器內(nèi)的液體向各個方向施加相等的壓力,根據(jù)這一原理,作用于封閉液體的外力,以相等的壓力向限制液體的容器或管道的表面?zhèn)鬟f。液壓傳動的技術(shù)關(guān)鍵在于油缸和活塞之間不存在任何的機(jī)械摩擦,而只有液體摩擦。同時(shí),為了盡量減小缸塞間的漏油量,以保證全機(jī)處于液壓平衡狀態(tài),要求缸塞間的配合間隙極小(單邊間隙一般不得超過幾十微)。無論采用何種方案解決這一關(guān)鍵問題,不僅要以嚴(yán)謹(jǐn)可靠的理論為基礎(chǔ),還要考慮加工工藝、制造成本等諸多實(shí)際因素。傳統(tǒng)的解決方法是采用"動壓潤滑"的方法,即油缸圍繞活塞旋轉(zhuǎn)，從而在缸塞間建立液體摩擦。這一方法對有效面積較小的液壓傳動缸塞系統(tǒng)而言不難實(shí)現(xiàn)。但對于有效面積較大的工作缸塞系統(tǒng)來說，卻存在以下兩點(diǎn)問題：
(1)是由于油缸旋轉(zhuǎn)，使缸塞相對位置不斷變化，因而漏油量也不斷變化，整個液壓系統(tǒng)內(nèi)部的壓力很難保持穩(wěn)定，結(jié)果造成測力機(jī)的波動度較大。
(2)是制造工藝復(fù)雜,成本較高。
液壓油的要求和選用：
要求：
1）粘度適宜，粘溫特性要好；
2）油液純凈，不含雜質(zhì)（化學(xué)及機(jī)械雜質(zhì)）；
3）凝固點(diǎn)要低，以防寒冷凝固；閃點(diǎn)和燃點(diǎn)要高，以防燃燒；
4）潤滑性能好；
5）其它：抗泡沫性和抗乳化性好；材料相容性好；無毒，價(jià)格便宜。
選用：
1）工作壓力：
高－選粘度大的，低－選粘度小的；
2）環(huán)境溫度：
高－選粘度大的，低－選粘度小的；
3）工作部件的運(yùn)動速度：
高－選粘度小的，低－選粘度大的。
油缸的選用與校核
內(nèi)徑大小和內(nèi)桶的長度的確定是液壓式測力裝置測量范圍的重要參數(shù)，壁厚的確定是液壓測力裝置穩(wěn)定性和安全性的重要參數(shù)之一。
靜止液體和固體壁面相接觸時(shí)，固體壁面上各點(diǎn)在一方向上所受靜壓作用力的總和，便是液體在該方向上作用于固體壁面上的力。
固體壁面為一平面時(shí)，如不計(jì)重力作用(即忽略 gh項(xiàng))，平面上各點(diǎn)處的靜壓力大小相等，作用在固體壁面上的力等于靜壓力與承壓面積的乘積，即 F＝pA，其作用方向垂直于壁面。
當(dāng)固體壁面為一曲面時(shí)，情況就不同了，曲面上液壓作用力在某一方向上的分力等于壓力和曲面在該方向的垂直面內(nèi)投影面積的乘積。
圖4-5 液壓缸
缸筒壁厚的校核
當(dāng)缸筒壁厚時(shí)，可以按薄壁圓筒的計(jì)算公式校核其強(qiáng)度，即
——缸筒試驗(yàn)壓力，比最大工作壓力大20一30﹪
D—缸筒內(nèi)徑 —缸筒材料的許用應(yīng)力其中材料抗拉強(qiáng)度，n安全系數(shù)，一般取3—5當(dāng)缸筒壁厚時(shí)，應(yīng)按厚壁校核公式，即
其中低壓液壓缸的厚度常根據(jù)工藝和結(jié)構(gòu)需要確定，強(qiáng)度一般不是主要問題。本裝置采用45鋼，直徑D為161mm,壁厚25mm,屬于厚壁圓筒，材料抗拉強(qiáng)度為600Mpa,代入公式合格。
活塞選用與校核
活塞外表面的粗糙度和精度是決定液壓測力裝置精度和靈敏度的重要條件，它的密封首先用活塞圈，再用兩個O型密封圈，經(jīng)檢驗(yàn)，密封合格。用45鋼成型后，先淬火，然后滲碳，注意須放置時(shí)，要垂直放置，或懸掛。
4.5結(jié)論
本設(shè)計(jì)基本可以實(shí)現(xiàn)振搖目的，振搖幅度為20cm，振搖頻率為36次每分鐘。
5.結(jié)論
畢業(yè)論文是本科學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實(shí)際相結(jié)合的機(jī)會，在設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)該看到的問題：
（1）振搖式紅棗采收設(shè)備相對其他紅棗收獲機(jī)具有操作靈活多變，采摘具有選擇性，對棗樹木本損傷小，成本低等優(yōu)點(diǎn)。
（2）振搖式紅棗采收設(shè)備，采用機(jī)具收獲紅棗，使原本的低效率的采收有了一定的提高，并且降低了采摘的人工成本，在采摘速度上畢人工采摘有了顯著的的提高。
（3）由于本設(shè)計(jì)沒有做試驗(yàn)，對其實(shí)際的可行性程度還不能確定。首先，棗樹樹干和枝葉具體力學(xué)參數(shù)，沒有經(jīng)過試驗(yàn)獲得，對各個構(gòu)件缺少必要的力學(xué)分析和校核，可能會使此收獲工具使用存在一定的局限性；其次，振搖式紅棗采收設(shè)備各個構(gòu)件可能存在設(shè)計(jì)不合理，或者不符合實(shí)際收獲情況。
雖然畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容繁多，過程繁瑣但我的收獲卻更加豐富。各種系統(tǒng)的適用條件，和老師的溝通交流更使我對設(shè)計(jì)有了新的認(rèn)識也對自己提出了新的要求。在設(shè)計(jì)過程中確實(shí)遇見一些問題，通過老師的講解，自己翻閱了大量資料，都得到了解決。
致 謝
本畢業(yè)設(shè)計(jì)完成首先感謝我的指導(dǎo)老師，畢業(yè)設(shè)計(jì)是在廖結(jié)安老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵著我。廖老師不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時(shí)還在思想、生活上給我以無微不至的關(guān)懷，在此謹(jǐn)向廖老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。我還要感謝在一起愉快的度過畢業(yè)論文小組的同學(xué)們，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個一個的困難和疑惑，直至設(shè)計(jì)的順利完成。
在設(shè)計(jì)即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到設(shè)計(jì)的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意!最后我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們!
最后，再次對關(guān)心、幫助我的老師和同學(xué)表示衷心地感謝！
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