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水果采摘 裝置 設(shè)計(jì) 0文獻(xiàn)綜述 0.1水果采摘實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的必然趨勢(shì) 在水果的生產(chǎn)作業(yè)中，收獲采摘是整個(gè)生產(chǎn)中最耗時(shí)最費(fèi)力的一個(gè)環(huán)節(jié)。水果收獲期間需投入的勞力約占整個(gè)種植過程的50%~70%。采摘作業(yè)質(zhì)量的好壞直接影響到水果的儲(chǔ)存、加工和銷售，從而最終影響市場(chǎng)價(jià)格和經(jīng)濟(jì)效益。水果收獲具有很強(qiáng)的時(shí)效性，屬于典型的勞動(dòng)密集型的工作。但是由于采摘作業(yè)環(huán)境和操作的復(fù)雜性，水果采摘的自動(dòng)化程度仍然很低，目前國(guó)內(nèi)水果的采摘作業(yè)基本上還是手工完成。在很多國(guó)家隨著人口的老齡化和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的減少，勞動(dòng)力不僅成本高，而且還越來越不容易得到，而人工收獲水果所需的成本在水果的整個(gè)生產(chǎn)成本中所占的比例竟高達(dá)33%~50%。高枝水果的采摘還帶有一定的危險(xiǎn)性。因此實(shí)現(xiàn)水果收獲的的機(jī)械化變得越來越迫切，發(fā)展機(jī)械化的收獲技術(shù)，研究開發(fā)水果采摘機(jī)器人具有重要的意義。 研究和開發(fā)果蔬收獲的智能機(jī)器人技術(shù)對(duì)于解放勞動(dòng)力、提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、保證新鮮果蔬品質(zhì)，以及滿足作物生長(zhǎng)的實(shí)時(shí)性要求等方面都有著重要的意義。采摘機(jī)器人是未來智能農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。2004年11月1日頒布施行的《中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化促進(jìn)法》還明確規(guī)定國(guó)家采取措施鼓勵(lì)，扶持農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，機(jī)械采摘取代手工作業(yè)是必然的發(fā)展趨勢(shì)。 0.2國(guó)外水果機(jī)械化采摘裝置研究進(jìn)展及現(xiàn)狀 水果的機(jī)械化收獲技術(shù)已有40余年的研究歷史。收獲作業(yè)的自動(dòng)化和機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)60年代的美國(guó)，1968年美國(guó)學(xué)者Schertz和Brown首次提出應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行果蔬的收獲，當(dāng)時(shí)開發(fā)的收獲機(jī)器人樣機(jī)幾乎都需要有人的參與，因此只能算是半自動(dòng)化的收獲機(jī)械。采用的收獲方式主要是機(jī)械震搖式和氣動(dòng)震搖式，其缺點(diǎn)是果實(shí)易損，效率不高，特別是無法進(jìn)行選擇性的收獲。 從20世紀(jì)80年代中期開始，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的日益成熟，以日本為代表的西方發(fā)達(dá)國(guó)家，包括美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、荷蘭、以色列、西班牙等國(guó)家，都在水果采摘機(jī)器人方面做了大量的研究工作，涉及到的研究對(duì)象主要包括甜橙、蘋果、櫻桃、甜瓜、葡萄、草莓等，試驗(yàn)成功了多種具有人工智能的收獲采摘機(jī)器人。應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行水果的自動(dòng)化收獲得到了快速的發(fā)展。 法國(guó)是研究果蔬采摘機(jī)器人較早的國(guó)家之一，但由于技術(shù)、市場(chǎng)和價(jià)格等因素的影響，甜橙和蘋果采摘機(jī)器人已經(jīng)停產(chǎn)，采摘機(jī)器人的研究工作基本陷于停頓。美國(guó)在自動(dòng)化收獲機(jī)器人的研究方面沒有一個(gè)很清晰的戰(zhàn)略，研究工作也基本處于停頓狀態(tài)。日本近年來開展了大量的收獲機(jī)器人研究項(xiàng)目，進(jìn)展很快，但還未能真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。荷蘭收獲機(jī)器人的研究工作走在很多國(guó)家的前面，但研究的果蔬種類并不多。 0.3我國(guó)水果機(jī)械化采摘裝置研究進(jìn)展 我國(guó)的國(guó)家專利中有上百種的水果采摘器，包括機(jī)械式、電動(dòng)式、氣動(dòng)式的果品采摘器，其中有的實(shí)現(xiàn)單方向的水果采摘，有的可改變方向能實(shí)現(xiàn)全方位的水果采摘。不過目前市場(chǎng)上商品化的采摘器品種還比較單一，且價(jià)格昂貴操作不便。 我國(guó)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的研究始于20世紀(jì)90年代中期，相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚，果蔬采摘機(jī)器人的研究還處于起步階段。目前我國(guó)不少院校、研究所都在進(jìn)行采摘機(jī)器人和智能農(nóng)業(yè)機(jī)械相關(guān)的研究。東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民研制了林木球果采摘機(jī)器人，它主要由5個(gè)自由度機(jī)械手、行走機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng)組成。郭峰等運(yùn)用彩色圖像處理技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，開發(fā)了草莓揀選機(jī)器人，采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器將草莓推到不同的等級(jí)方向。浙江大學(xué)的應(yīng)義斌等人完成了水果自動(dòng)分級(jí)機(jī)器人的研究開發(fā)。 0.4水果機(jī)械化采摘裝置發(fā)展方向 雖然水果的機(jī)械化作業(yè)最早可以追溯到上個(gè)世紀(jì)60年代，但由于簡(jiǎn)單的機(jī)械收獲易造成果蔬損傷，因此在收獲柔軟新鮮的果蔬方面還存在很大的局限性而且果蔬收獲往往需要有選擇性地進(jìn)行，此外市場(chǎng)對(duì)果蔬的新鮮度也有很高的要求，這就要求果蔬的收獲要有很高的時(shí)效性。因此，在果蔬收獲中采用機(jī)器人作業(yè)，實(shí)現(xiàn)果蔬收獲的自動(dòng)化和智能化，是解決上述問題的最好方式。 采摘水果的機(jī)器人有他自身的特點(diǎn):它們一般是在室外工作，作業(yè)環(huán)境較差，但是在精度上卻沒有工業(yè)機(jī)器人那樣要求高。果蔬采摘機(jī)器人操作者是知識(shí)水平較低的普通農(nóng)民，不是具有機(jī)電知識(shí)的專門的技術(shù)人員。因此要求果蔬采摘機(jī)器人操作技術(shù)不能太復(fù)雜，必須具有很高可靠性和操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。另外，水果的生產(chǎn)業(yè)以個(gè)體經(jīng)營(yíng)為主，考慮到經(jīng)濟(jì)效益，采摘器的價(jià)格不能太高，否則會(huì)就很難普及。 采摘機(jī)器人作為農(nóng)業(yè)機(jī)器人的重要應(yīng)用具有很大的發(fā)展?jié)摿?。日后的水果采摘機(jī)器人的研究工作必須朝以下方向發(fā)展:①能夠準(zhǔn)確地識(shí)別和定位成熟果實(shí)，并且能引導(dǎo)末端執(zhí)行器準(zhǔn)確的接近目標(biāo);②研制靈巧的、不傷果實(shí)的采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器;③采摘機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)田間的復(fù)雜環(huán)境;④視覺系統(tǒng)要迅速識(shí)別定位果實(shí)，控制系統(tǒng)和機(jī)械手臂系統(tǒng)必須做到迅速摘取;⑤增強(qiáng)機(jī)器人系統(tǒng)的通用性。相信在不久的將來，在不斷克服種種技術(shù)的阻礙后，水果采摘機(jī)器人會(huì)得到廣泛地應(yīng)用，水果的采摘將實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。 1引言 1.1水果采摘裝置的研制背景 我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，果樹業(yè)是農(nóng)業(yè)的重要組成部分，果樹產(chǎn)值在我國(guó)農(nóng)業(yè)(種植)中僅次于糧、菜居第三位。據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計(jì)，2003年全國(guó)果樹總面積943.67公頃，總產(chǎn)量7551.5萬噸，皆居世界第一，且人均占有量48kg以上。柑桔1345萬噸(占世界柑桔總產(chǎn)量的l3%，居世界第三位，近20年來產(chǎn)量增長(zhǎng)了8.43倍，是全球柑桔產(chǎn)量增長(zhǎng)幅度最大的主產(chǎn)國(guó))。蘋果2110萬噸(占世界總產(chǎn)量的25.2%)。梨979.8萬噸。 我國(guó)山區(qū)丘陵地區(qū)面積廣闊且大部分種植果樹，僅西部地區(qū)果園面積就達(dá)286萬公頃，占全國(guó)31%，果品總產(chǎn)量為1837萬噸。以山城重慶柑橘種植為例，2004年柑桔種植面積就已經(jīng)達(dá)到18.23萬公頃，總產(chǎn)量突破100萬噸，而重慶農(nóng)業(yè)綜合機(jī)械化水平為僅12.23%。 近年來，為轉(zhuǎn)移農(nóng)村勞動(dòng)力，統(tǒng)籌城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展，促進(jìn)農(nóng)民增收，山區(qū)丘陵地區(qū)普遍把勞務(wù)輸出作為發(fā)展地方經(jīng)濟(jì)、增加農(nóng)民收入的一項(xiàng)重要舉措。伴隨著勞務(wù)進(jìn)城的加快，大量壯勞動(dòng)力外出務(wù)工，留在家的主要是老、弱、病、殘、婦女和兒童。水果的采摘期短，短期內(nèi)勞動(dòng)強(qiáng)度大，外出的壯勞動(dòng)力不可能及時(shí)回來。高枝水果的采摘對(duì)人員的體力有較高要求，一般直接參與采摘作業(yè)的應(yīng)是青壯年，手工采摘高枝水果還不能由一人完成。水果的采摘期短，短期內(nèi)勞動(dòng)強(qiáng)度大，這種矛盾更突顯了山區(qū)丘陵果業(yè)采摘的難度大的問題。 目前山地丘陵的水果采摘主要是使用采果剪手工采摘，手工采摘僅限于地域距地面低于兩米的灌木類果樹，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且效率低下。對(duì)于高于兩米的喬木類的果樹或比較高的枝條上的水果，采摘員要站在短梯或高凳上，將采摘的水果放入果籃或果筐中。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3608-93《高處作業(yè)分級(jí)》明確規(guī)定:"凡在墜落高度基準(zhǔn)面2m以上(含2m)有可能墜落的高處進(jìn)行的作業(yè)稱為高處作業(yè)。"高枝水果有的已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2m，已經(jīng)屬于高出作業(yè)范疇。國(guó)家規(guī)定高處作業(yè)使用高凳和梯子時(shí)，單梯只許上1人操作，支設(shè)角度以60度到70度為宜，梯子下腳要采取防滑措施，支設(shè)人字梯時(shí)，兩梯夾角應(yīng)保持40度，同時(shí)兩梯要牢固，移動(dòng)梯子時(shí)梯子上不準(zhǔn)站人。使用高凳時(shí)，單凳只準(zhǔn)站一個(gè)人，雙凳支開后，兩凳間距不得超過3m。如使用較高的梯子和高凳時(shí)，還應(yīng)根據(jù)需要采取相應(yīng)的安全措施。在沒有可靠的防護(hù)設(shè)施時(shí)，高處作業(yè)必須系安全帶，否則不準(zhǔn)在高處作業(yè)。同時(shí)安全帶的質(zhì)量必須達(dá)到以使用安全要求，并要做到高掛低用。但是實(shí)際上果農(nóng)進(jìn)行高枝的水果采摘時(shí)并沒有按照國(guó)家規(guī)定，也未采取任何安全防護(hù)措施。摘果時(shí)常因上梯或上樹精神緊張而感到非常勞累不便，也常聽到有人不慎從樹上或梯子上掉下來的消息，這種狀況很隨機(jī)不可預(yù)測(cè)。高處作業(yè)的大部分是青壯年，一般都是家庭的主要?jiǎng)诹?。如果發(fā)生嚴(yán)重的跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折，即使進(jìn)行手術(shù)治療，也無法保證患者將來不出現(xiàn)創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎及跟骨負(fù)重時(shí)疼痛，其勞動(dòng)能力將嚴(yán)重受限，甚至影響日常生活。由此可見完全依靠人力的采摘方式采摘速度慢、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，高枝水果采摘還具有一定的危險(xiǎn)性。 此外，傳統(tǒng)的作業(yè)還存在以下弊端:一是采摘過程中作業(yè)者的人身安全問題，即手工采摘時(shí)手臂易被樹枝劃傷或擦破，高處作業(yè)時(shí)，還可能會(huì)摔傷。二是對(duì)果樹的損傷，即對(duì)樹的枝葉芽的破壞。三是對(duì)水果質(zhì)量的影響，單手采摘時(shí)容易出現(xiàn)脫蒂，易出現(xiàn)抽心果，還有就是高枝水果容易掉在地上造成內(nèi)外傷，影響果品的外觀，不利于保鮮儲(chǔ)藏，從而最終造成降低經(jīng)濟(jì)收入。目前，我國(guó)各地方政府為增強(qiáng)地方經(jīng)濟(jì)，正相繼開發(fā)大量的旅游投資項(xiàng)目，紛紛舉辦各種賞果采摘節(jié)，如蘋果節(jié)、桃子節(jié)等，吸引了大量游客到果園采摘旅游，享受采摘水果，品嘗新鮮水果的樂趣。如果能提供一種輕巧靈便的果實(shí)摘采器，不但能讓游客充分體驗(yàn)采摘的樂趣，而且還保障了游客的安全，保護(hù)了果農(nóng)的果樹不受損壞。另外，果農(nóng)可以少打矮壯素等農(nóng)藥，生產(chǎn)出更多的無公害果子，減少成本投入和對(duì)環(huán)境對(duì)水果的污染，游客可以品嘗到更新鮮衛(wèi)生的水果。 中華人民共和國(guó)第十屆全國(guó)人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)第十次會(huì)議于2004年6月25日通過，2004年11月1日頒布施行的《中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化促進(jìn)法》是為了鼓勵(lì)、扶持農(nóng)民和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)組織使用先進(jìn)適用的農(nóng)業(yè)機(jī)械，促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化，建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)而制定。2009年中央一號(hào)文件明確指出要加快研發(fā)適合丘陵山區(qū)使用的輕便農(nóng)業(yè)機(jī)械，中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化事業(yè)呈現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展態(tài)勢(shì)。近年來，國(guó)家對(duì)農(nóng)機(jī)化關(guān)鍵技術(shù)和裝備研制開發(fā)的扶持力度很大，"十五"期間中央財(cái)政直接投入的農(nóng)機(jī)化科技攻關(guān)資金為2800萬元，"十一五"時(shí)期會(huì)超過1.4億元。 農(nóng)業(yè)的根本出路在于機(jī)械化，是黨和國(guó)家各級(jí)政府，農(nóng)機(jī)科研、生產(chǎn)、推廣部門始終堅(jiān)持的方向。機(jī)械化水平是衡量農(nóng)村農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，是確保提高農(nóng)村生產(chǎn)力，促進(jìn)更多的勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移，徹底改變傳統(tǒng)的小農(nóng)經(jīng)濟(jì)耕作方式的前提和依據(jù)。機(jī)械手臂是目前在機(jī)械人技術(shù)領(lǐng)域中得到最廣泛實(shí)際應(yīng)用的自動(dòng)化機(jī)械裝置，在工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)治療、娛樂服務(wù)、軍事以及太空探索等領(lǐng)域都能見到它的身影，農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用尚屬空缺。 《中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化促進(jìn)法》還規(guī)定國(guó)家采取措施，鼓勵(lì)和支持農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)者增加新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝的研究開發(fā)投入，并對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的科研開發(fā)和制造實(shí)施稅收優(yōu)惠政策。國(guó)家支持有關(guān)的科研機(jī)構(gòu)和院校加強(qiáng)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)技術(shù)研究，根據(jù)不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和農(nóng)民需求，研究開發(fā)先進(jìn)適用的農(nóng)業(yè)機(jī)械，支持農(nóng)業(yè)機(jī)械科研、教學(xué)與生產(chǎn)、推廣相結(jié)合，促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展要求相適應(yīng)。隨著我國(guó)制造業(yè)的高速發(fā)展和農(nóng)業(yè)機(jī)械化普及程度的大幅提高，機(jī)械采摘取代手工作業(yè)是必然的發(fā)展趨勢(shì)。現(xiàn)階段的機(jī)械手存在兩種極端:一是含有自主行動(dòng)功能的技術(shù)含量極高的類型，價(jià)格昂貴不適合丘陵地帶小型果園;一是基本屬于純機(jī)械式的，采摘器過于簡(jiǎn)單，不利于提高生產(chǎn)效率，減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。目前急需一種介于兩者之間的，便于操作，價(jià)格低廉，效率較高的機(jī)械手臂。 水果采摘裝置可有效的解決勞動(dòng)力分配，提高采摘效率，提高操作安全性，提高機(jī)械化水平，便于果樹管理，具有良好的市場(chǎng)前景。在《中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化促進(jìn)法》規(guī)定的國(guó)家政策鼓勵(lì)下，農(nóng)業(yè)將進(jìn)一步的朝著機(jī)械化方向發(fā)展。隨著我國(guó)制造業(yè)的高速發(fā)展和農(nóng)業(yè)機(jī)械化普及程度的大幅提高，機(jī)械采摘取代手工作業(yè)是必然的發(fā)展趨勢(shì)。 1.2本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和目標(biāo) 本課題將進(jìn)行基于伸縮式機(jī)械手臂的水果采摘裝置的設(shè)計(jì)，構(gòu)型簡(jiǎn)單，操作方便。采用伸縮式機(jī)械手臂，手臂長(zhǎng)度可調(diào)，適合多種高枝水果，且便于攜帶，不使用時(shí)可縮短至最短的長(zhǎng)度放置節(jié)約空間。采摘器采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)到刀片轉(zhuǎn)動(dòng)的方式切割果梗，操作時(shí)只需輕輕地握住手柄就能調(diào)整采摘器的方向，適合各種位置的高枝水果，節(jié)省勞動(dòng)力，提高效率。采摘下的水果能順利進(jìn)入的接收裝置，再順著傳遞裝置，安全的到達(dá)地面。手持固定部分還可增加整個(gè)裝置的穩(wěn)定性，降低采摘員在長(zhǎng)時(shí)間的操作過程中手腕疲勞程度。使用基于伸縮式機(jī)械手臂的水果采摘裝置可實(shí)現(xiàn)各種高度各種方向高枝水果的安全采摘，方便快捷，簡(jiǎn)單實(shí)用。 采用采摘器還可以方便平時(shí)蔬果，清除壞果、次果，便于果樹管理。大多數(shù)果樹開的花都遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于最后結(jié)成的果實(shí)。在氣候適宜開花多的年份，如果一株成年蘋果樹有5%的花、桃樹有15%~20%的花結(jié)的果實(shí)能達(dá)到成熟，就可以獲得豐收。開花結(jié)果過多，會(huì)導(dǎo)致養(yǎng)分供不應(yīng)求，不僅影響果實(shí)的正常發(fā)育，形成許多小果、次果、還會(huì)削弱樹勢(shì)，易受凍害和感染病害，并使翌年減產(chǎn)造成小年。因此，除了由于果樹本身的調(diào)節(jié)能力，使發(fā)育不良的花和幼果自然脫落外，還需平時(shí)人工摘除多余的花和果，才能滿足生產(chǎn)上的要求，俗話說:"看樹定產(chǎn)，分枝負(fù)擔(dān)，均勻留果"，只有科學(xué)合理地疏果，才能減少養(yǎng)分消耗，提高坐果率和水果的品質(zhì)。疏除方法一般用人工，也可用適當(dāng)濃度的化學(xué)藥劑噴灑果樹，采用化學(xué)疏除，采用人工疏除時(shí)利用基于伸縮式機(jī)械手臂的水果采摘裝置能方便的進(jìn)行蔬果，在平時(shí)也能方便及時(shí)的清除果樹上任何部位的病果、次果，不會(huì)對(duì)好的臨位水果造成物理傷害，不會(huì)出現(xiàn)摘除次果時(shí)砸壞或砸掉好果的現(xiàn)象。 基于伸縮式機(jī)械手臂的水果采摘裝置有很強(qiáng)的兼容性。它可改造成修枝剪，目前果樹的修剪必須采用專業(yè)工具完成，不僅使用不方便，還增加購買工具的開支。該采摘裝置只需要把電動(dòng)機(jī)換為位功率更大的，圓形鋸盤換更大的，就可以進(jìn)行果樹的修枝。采摘器裝置還可該為農(nóng)藥噴頭，噴頭可在機(jī)械手臂的控制下，實(shí)現(xiàn)方向的轉(zhuǎn)變，可全方位的對(duì)果樹噴灑農(nóng)藥。 1.3本設(shè)計(jì)的內(nèi)容和技術(shù)參數(shù) 設(shè)計(jì)內(nèi)容: (1)伸縮式機(jī)械手臂:手臂簡(jiǎn)單自如地轉(zhuǎn)向和收縮; (2)采摘器:實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向水果準(zhǔn)確安全的采摘; (3)接收裝置:實(shí)現(xiàn)解決果實(shí)從高處落下收集到指定的位置; (4)傳送裝置:果實(shí)從高處安全順利的傳送至地面; (5)手持固定部分:增加整個(gè)裝置的穩(wěn)定性，降低采摘員手腕疲勞程度。 技術(shù)參數(shù): (1)果樹高度約3m， (2)采摘水果是球形的，直徑是3cm≤D≤10cm。 2基于伸縮式機(jī)械手臂的水果采摘裝置的總體設(shè)計(jì) 基于伸縮式機(jī)械手臂的水果采摘器是一種實(shí)用新型的設(shè)計(jì)，是一種解決人們采摘高處水果難而創(chuàng)新設(shè)計(jì)的工具，因其用途的特殊性，其總體設(shè)計(jì)因追尋以下兩大原則:(1)可操作性原則:果蔬采摘機(jī)器人操作者是知識(shí)水平較低的普通農(nóng)民，不是具有機(jī)電知識(shí)的專門的技術(shù)人員，因此要求果蔬采摘機(jī)器人操作技術(shù)不能太復(fù)雜，必須具有很高可靠性和操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。(2)經(jīng)濟(jì)性原則:在可操作性原則的基礎(chǔ)上，應(yīng)最大限度的控制成本。水果的生產(chǎn)業(yè)以個(gè)體經(jīng)營(yíng)為主，考慮到經(jīng)濟(jì)效益，采摘器的價(jià)格不能太高，否則會(huì)就很難普及。 2.1總體思路 基于伸縮式機(jī)械手臂水果采摘裝置，其特征是它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕便，操作方便，可適用于多方位的多種高枝球形水果的采摘。它由伸縮式機(jī)械手臂，采摘器(包括旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，采摘機(jī)構(gòu))，接收裝置，傳送裝置，手持固定部分組成。 伸縮式機(jī)械手臂的主體部分由兩根套在一起的同心不銹鋼外管和內(nèi)管組成，由箍環(huán)連接，可實(shí)現(xiàn)手臂自由的伸縮和緊固。手臂上還裝有控制手柄，電源控制開關(guān)，手臂下端和手持固定部分連接。 采摘器是由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和采摘機(jī)構(gòu)組成。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)一端由閘繩，控制手柄與伸縮手臂活動(dòng)鏈接，另一端由旋轉(zhuǎn)盤與采摘機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)固定連接，而旋轉(zhuǎn)盤的另一端由旋轉(zhuǎn)軸與采摘器頭活動(dòng)鏈接，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理和工作原理都類似于自行車的手閘系統(tǒng)。采摘機(jī)構(gòu)由采摘頭，電動(dòng)機(jī)，圓形鋸盤組成。采摘頭一端與機(jī)械手臂相連，另一端與旋轉(zhuǎn)盤活動(dòng)鏈接，圓形鋸盤固定連接在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上。 接收裝置由類似籃球籃網(wǎng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，位于圓形鋸盤下方，安全接受采摘下的水果并輸入輸送裝置。 水果的輸送裝置由伸展收縮的組織組成，上寬下窄，整個(gè)傳送裝置管道每隔一段設(shè)有搭扣與伸縮式機(jī)械手臂連接，保證果實(shí)從高處安全順利的傳送至地面。 手持固定部分由小肘固定套，萬向穩(wěn)定連桿組成，小肘固定套上有繃帶和搭扣。萬向穩(wěn)定連桿為特殊材料制成，可向任意方向彎曲。小肘固定套可通過繃帶與金屬環(huán)的拉扣固定在胳膊的小肘部分，小肘固定套通過鉚釘或者其他的方式與萬向穩(wěn)定連桿連接，萬向穩(wěn)定連桿另一端通過螺絲結(jié)構(gòu)與伸縮手臂下端連接， 下圖為基于伸縮式機(jī)械手臂水果采摘裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1-圓形鋸盤、2-電動(dòng)機(jī)、3-旋轉(zhuǎn)盤、4-鋼絲定位線固定頭、5-鋼絲定位線、6-閘繩固定節(jié)、7-旋轉(zhuǎn)軸、8-閘繩固定節(jié)、9-采摘頭、10-活動(dòng)結(jié)、11-閘繩固定節(jié)、12-內(nèi)管、13-箍環(huán)、14-外管、15-閘繩、16-閘繩固定節(jié)、17-復(fù)位彈簧、18-控制手柄、19-手柄、20-萬向穩(wěn)定連桿、21-小肘固定套、22-繃帶、23-穿繃帶的環(huán)、24-傳遞裝置、25-接收裝置。 圖2.1基于伸縮式機(jī)械手臂水果采摘裝置的結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.2.1mechanicalarmbasedontelescopicstructureoffruitpickingdevicediagram2.2工作原理 采摘水果前，操作人員可以先按需要將伸縮手臂上的箍環(huán)13打開，并握住內(nèi)管12的前端將其從外管14中抽出，等到伸縮式機(jī)械手臂的總長(zhǎng)度，加上采摘人員的身高接近需要采摘的水果的高度時(shí)再擰緊箍環(huán)13。然后把小肘固定套21上的繃帶22穿過穿繃帶的金屬環(huán)23，使小肘固定套21固定在胳膊的小肘部分。接著一手握住手柄19，一手握住手臂，移動(dòng)機(jī)械手臂靠近需要采摘的水果時(shí)，目測(cè)水果的方向，緩緩的捏緊控制手柄18使得圓形鋸盤1在旋轉(zhuǎn)盤3的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)到與水果的果蒂相垂直。另一手按下電源開關(guān)，電動(dòng)機(jī)2就會(huì)帶動(dòng)圓形鋸盤1高速轉(zhuǎn)動(dòng)，切斷果蒂。所采摘的水果掉進(jìn)圓形口的接收裝置25，再順著傳遞裝24置，安全的到達(dá)地面。完成整個(gè)水果采摘過程，松開控制手柄18，在復(fù)位彈簧17的作用下，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)回到最初的位置。基于伸縮式機(jī)械手臂水果采摘裝置操作簡(jiǎn)單，采摘水果速度快，采摘水果完好，保質(zhì)保量。 3采摘器的設(shè)計(jì) 3.1采摘器常見種類 綜合目前所有國(guó)內(nèi)的關(guān)于高枝水果的采摘器的專利，我國(guó)對(duì)水果采摘裝置的研究一直在不斷的努力中，也取得一定的成果。要實(shí)現(xiàn)剪切果實(shí)的功能，可以有多種功能原理實(shí)現(xiàn)，按水果從果蒂分離的方式可分為吸附式、抓拉式、剪切式等。按其采摘器的驅(qū)動(dòng)力方式可將其分為機(jī)械式、電動(dòng)式、氣壓式等。 對(duì)于水果的采摘方式，多數(shù)的采摘機(jī)器人采用用刀剪斷果莖或直接用手爪擰斷果莖。采摘機(jī)器人在設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器(采摘器)之前，首先需要考慮采摘對(duì)象的生物特性、機(jī)械特性和理化特性，現(xiàn)階段的都是專用的采摘末端執(zhí)行器。為了避免碰傷果實(shí)，大多數(shù)的采摘機(jī)器人都在接觸果實(shí)的手指內(nèi)側(cè)部位采用尼龍或橡膠材料。手指的數(shù)量和形狀的設(shè)計(jì)與所要采摘的果實(shí)有密切的關(guān)系。一般來說，手指的數(shù)量越多，采摘的效果就越好，但控制也就越變得更復(fù)雜。所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候要綜合考慮手指的數(shù)量、控制的難度及抓取的成功率。目前研制成功多種無手指夾持的采摘機(jī)器人。荷蘭的農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所發(fā)明了一種叫電極切割法的方式，它代替了刀剪斷的方法，它是采用特殊電極來產(chǎn)生高溫，可防止植物的感染田。日本的三重大學(xué)開發(fā)了在采摘水果時(shí)不需要直接接觸到水果的本體，而只需要抓住果莖的軟質(zhì)水果的采摘機(jī)器人。這種機(jī)器人對(duì)于采摘果莖長(zhǎng)度較長(zhǎng)的的果實(shí)時(shí)效果是比較好。還有一種采摘機(jī)器人采用果梗激光切斷裝置，其由激光發(fā)生控制單元和果梗聚焦切斷單元組成。激光發(fā)生控制單元由小型高功率光纖耦合半導(dǎo)體激光器、可變電阻、穩(wěn)壓電源、電磁閥組成，果梗聚焦切斷單元由直流伺服電機(jī)、聚焦透鏡、減速器、聯(lián)接與支承部件組成，由聚焦透鏡實(shí)現(xiàn)激光束的聚焦，通過直流伺服電機(jī)帶動(dòng)聚焦透鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)果梗的定位和切斷。該裝置能夠方便地切斷果梗,并大大的降低了裝置的復(fù)雜性和對(duì)夾緊力控制精度的要求。 3.2采摘器的選擇 采摘器的不同種類均有其自身的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。吸附式雖然定位要求低、動(dòng)作靈敏但是需配備真空形成裝置，且對(duì)果實(shí)及枝條的傷害較大。抓拉式的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，但同樣對(duì)果實(shí)及枝條傷害極大。剪切式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，對(duì)果實(shí)及枝條的傷害極小，但定位要求高。由此可見，為能順利的操作簡(jiǎn)單的采摘水果選剪切式功能原理最為合適。機(jī)械式的雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是操作并不省力，采摘效率不高。電動(dòng)式采摘省力，采摘速度快，但生產(chǎn)成本較高。氣壓式整體輕便，不污染環(huán)境，能源豐富但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣壓技術(shù)復(fù)雜。由此可見，為能簡(jiǎn)單操作方便快捷的采摘水果選電動(dòng)式最為合適。 綜合以上所述，采摘器選用電動(dòng)的剪切式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，對(duì)果實(shí)及枝條的傷害極小，且能減輕力氣，可調(diào)節(jié)方向的設(shè)計(jì)可以很好的滿足定位要求，對(duì)于各個(gè)方向的水果都能實(shí)現(xiàn)可靠安全的采摘。 3.3采摘器的設(shè)計(jì) 采摘器包括旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和采摘機(jī)構(gòu)組成。采摘機(jī)構(gòu)由采摘頭，電動(dòng)機(jī)，圓形鋸盤組成。采摘頭一端與機(jī)械手臂相連，另一端與旋轉(zhuǎn)盤活動(dòng)鏈接，電動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)盤固定連接，圓形鋸盤固定連接在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上。 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)一端由閘繩，控制手柄與伸縮手臂活動(dòng)鏈接，另一端由旋轉(zhuǎn)盤與采摘機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)固定連接，而旋轉(zhuǎn)盤的另一端由旋轉(zhuǎn)軸與采摘器頭活動(dòng)鏈接。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及工作原理類似于自行車的手閘系統(tǒng)。拉索可用自行車剎車鋼絲繩做成。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可調(diào)節(jié)圓形鋸盤的方向，可采摘不同方向的水果，采摘準(zhǔn)確方便，圓形鋸盤由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，采摘果實(shí)速度快，采摘果實(shí)完好。 3.3.1尺寸計(jì)算 一、電動(dòng)機(jī)的選用 電動(dòng)機(jī)用于帶動(dòng)圓形鋸盤切割果梗，果梗不算太硬，要求的功率不是很大，但當(dāng)鋸片靠近時(shí)水果的果梗是，水果會(huì)有遠(yuǎn)離刀片方向的運(yùn)動(dòng)，為了順利切下水果就需要電動(dòng)機(jī)具有很高的轉(zhuǎn)速。為了達(dá)到節(jié)能安全，使用方便，該電動(dòng)機(jī)選用直流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速性能好和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點(diǎn)。所謂"調(diào)速性能"是指電動(dòng)機(jī)在一定負(fù)載的條件下，根據(jù)需要，人為地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。直流電動(dòng)機(jī)可以在重負(fù)載條件下，實(shí)現(xiàn)均勻、平滑的無級(jí)調(diào)速，而且調(diào)速范圍較寬。起動(dòng)力矩大，可以均勻而經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采摘水果，如蘋果、桃、梨、柑橘等，電動(dòng)機(jī)的功率5W左右，轉(zhuǎn)速在5000r/min以上就能達(dá)到使用要求。綜上該采摘器選用的電動(dòng)機(jī)是深圳市金順來特科技有限公司生產(chǎn)制造的RS-380PH3270(*1)型號(hào)的12V直流電動(dòng)機(jī)。實(shí)物圖如下: 圖3.1電動(dòng)機(jī)實(shí)物圖 Fig.3.1MotorrealfigureRS-380PH3270(*1)型號(hào)的12V直流電動(dòng)機(jī)的具體參數(shù)外形尺寸如下圖所示: 圖3.2RS-380PH3270(*1)型號(hào)直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù) Fig.3.2RS-380PH3270(*1)modelfordcparametersRS-380PH3270(*1)型號(hào)的12V直流電動(dòng)機(jī)的質(zhì)量為155克，空載時(shí)的轉(zhuǎn)速為16400r/min，額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速為14110r/min，轉(zhuǎn)矩為13.0mN.m，功率為19.2W。電動(dòng)機(jī)滿足使用要求 二、圓形鋸盤的選用 圓形鋸盤用于切割果梗，選用高速鋼鋸片，該類鋸片可用于切割木料，塑料等等。鋸片外徑為50mm，鋸片內(nèi)孔直徑為5mm，厚度為0.8mm。 鋸片的實(shí)物圖如下圖所示: 圖3.3鋸片實(shí)物圖 Fig.3.3sawbladerealfigure 鋸片可焊接在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上，電動(dòng)機(jī)接通電源轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)圓形鋸盤轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)切割。 3.3.2采摘器的強(qiáng)度校核計(jì)算 圖3.4采摘器示意圖 Fig.3.4Pickingimplementschemes 據(jù)圖3-6所示，為了初步確定采摘頭的截面尺寸，須作以下幾點(diǎn)假設(shè): (l)采摘頭簡(jiǎn)化為圓柱形懸臂梁; (2)整個(gè)采摘頭的受力集中在采摘頭的右端; (3)采摘水果時(shí)的扭矩太小忽略不計(jì)(電動(dòng)機(jī)的扭矩為13.0mN.m); (4)所有內(nèi)外載荷均通過截面的形心(忽略局部扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的影響)。 因此采摘頭的受力可以簡(jiǎn)化為圖3-7的懸臂梁模型: 圖3.5懸臂梁模型 Fig.3.5cantileverbeammodel 圖中，F(xiàn)為采摘頭的總重量和切割水果的力之和，由于切割水果是轉(zhuǎn)矩不大，計(jì)算時(shí)可忽略。根據(jù)采摘器的結(jié)構(gòu)及使用條件合理取值:F=10N，L=10cm=0.1m。 則: 圖3.6彎矩圖 Fig.3.6Bendingmomentfigure 考慮到采摘器在采摘水果的實(shí)際過程中，并不是處于理想狀態(tài)，所受的力產(chǎn)生的最大彎矩，可在理想狀態(tài)的最大靜彎矩前乘一動(dòng)載系數(shù)k，由于采摘器采摘時(shí)的工作環(huán)境狀況較好，取k=2~3，此動(dòng)載系數(shù)考慮了實(shí)際操作中遇到的最大障礙時(shí)的載荷增值。如果再考慮采摘頭在動(dòng)載作用下將產(chǎn)生疲勞，對(duì)疲勞的影響可用疲勞系數(shù)來表示，此值取1.4，故動(dòng)載下的最大彎矩為: 抗彎截面系數(shù) ，此處材料為工程塑料抗彎強(qiáng)度強(qiáng)度為。 結(jié)論:采摘頭材料及尺寸結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。 3.4軟件建模 3.4.1繪圖軟件介紹 為直觀反映采摘器的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和采摘機(jī)構(gòu)的構(gòu)造，需要繪制出采摘器的實(shí)體模型圖。這里采用了比較流行的Pro/Engineer軟件。Pro/Engineer是美國(guó)PTC公司研制的一套由設(shè)計(jì)至生產(chǎn)的機(jī)械自動(dòng)化軟件，是新一代產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個(gè)參數(shù)化、基于特征的實(shí)體造型系統(tǒng)，并且具有單一數(shù)據(jù)庫功能。Pro/Engineer是一種采用參數(shù)化設(shè)計(jì)的、基于特征的實(shí)體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計(jì)人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角、可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設(shè)計(jì)者提供了在設(shè)計(jì)上從未有過的簡(jiǎn)易和靈活。Pro/Engineer是目前計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中最為專業(yè)的軟件之一。 3.4.2繪圖方法 該采摘器的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，Pro/Engineer繪制實(shí)體模型圖時(shí)，選擇好基準(zhǔn)，合理控制尺寸，采用旋轉(zhuǎn)、拉伸、掃描，倒圓角等常規(guī)方法，即可完成。 3.4.3采摘器效果圖展示 圖3.7采摘器效果圖 Fig.3.7pickingdeviceeffectfigure4機(jī)械手臂的設(shè)計(jì) 4.1機(jī)械手臂的種類 機(jī)械手臂雖然有很各種各樣的結(jié)構(gòu)形態(tài)，但是它們有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是能夠在接受到指令時(shí)，精確地定位到三維空間或者二維空間上的某一點(diǎn)來進(jìn)行作業(yè)，完成指定動(dòng)作。目前在工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)治療、娛樂服務(wù)、軍事以及太空探索等領(lǐng)域都能見到機(jī)械手臂的身影。 圖4.1機(jī)械手臂 Fig.4.1mechanicalarm 機(jī)械手臂根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同分為多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂，直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂，球坐標(biāo)系機(jī)械手臂，極坐標(biāo)機(jī)械手臂，柱坐標(biāo)機(jī)械手臂等。水平多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂一般有三個(gè)主自由度，Z1轉(zhuǎn)動(dòng)，Z2轉(zhuǎn)動(dòng)，Z移動(dòng)。通過在執(zhí)行終端加裝X轉(zhuǎn)動(dòng)，Y轉(zhuǎn)動(dòng)可以到達(dá)空間內(nèi)的任何坐標(biāo)點(diǎn)。直角坐標(biāo)系的機(jī)械手臂有三個(gè)主自由度，X移動(dòng)，Y移動(dòng)，Z移動(dòng)組成，通過在執(zhí)行終端加裝X轉(zhuǎn)動(dòng)，Y轉(zhuǎn)動(dòng)，Z轉(zhuǎn)動(dòng)可以到達(dá)空間內(nèi)的任何坐標(biāo)點(diǎn)。下圖為常見的六自由度機(jī)械手臂，它有X移動(dòng)，Y移動(dòng)，Z移動(dòng)，X轉(zhuǎn)動(dòng)，Y轉(zhuǎn)動(dòng)，Z轉(zhuǎn)動(dòng)六個(gè)自由度組成。 圖4.2機(jī)械手臂 Fig.4.2mechanicalarm 對(duì)于工業(yè)應(yīng)用來說，有時(shí)并不需要機(jī)械手臂具有完整的六個(gè)自由度，而只需其中的一個(gè)或幾個(gè)自由度。直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂可以由單軸機(jī)械手臂組合而成。在產(chǎn)業(yè)機(jī)器人中，單軸機(jī)械手臂作為一個(gè)組件在工業(yè)中應(yīng)用廣泛。單軸機(jī)械手臂看似簡(jiǎn)單，只在單一方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，但在實(shí)際應(yīng)用上功能各異，種類繁多。單軸機(jī)械手臂的驅(qū)動(dòng)方式有:滾珠螺桿、時(shí)規(guī)皮帶、齒輪齒條、液壓缸、氣缸等。 下圖為銀光機(jī)械(VinkoMachine)生產(chǎn)的單軸機(jī)械手臂。單軸機(jī)械手臂的組件化大大降低了工業(yè)設(shè)計(jì)的成本，因?qū)I(yè)制造商擁有良好的質(zhì)量保證和批量生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，使用組件比自行設(shè)計(jì)機(jī)械手臂更具優(yōu)勢(shì)。常見的直交機(jī)械手組合有懸臂式，龍門式，直立式，橫立式等樣式。 圖4.3VNKOBS-75單軸機(jī)械手 Fig.4.3VNKOBS-75uniaxialmanipulator 圖4.4VNKO多軸組合機(jī)械手 Fig.4.4VNKOmulti-axiscombinationmanipulator 韓國(guó)開發(fā)的蘋果采摘機(jī)器人使用極坐標(biāo)機(jī)械手，絲杠關(guān)節(jié)可以上下移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可以左右移動(dòng)，從而使作業(yè)空間范圍達(dá)到3mt。20世紀(jì)80年代中期日本京都大學(xué)NoboruKawamura等人研制出5自由度關(guān)節(jié)型的機(jī)械尹I珥。但是試驗(yàn)表明，這種機(jī)械手的工作空間并沒有包括所有果實(shí)的任何位置，且它的末端執(zhí)行器的可操作度比較低。到了20世紀(jì)90年代，日本崗山大學(xué)的NaoshiKondo等人通過深入研究番茄的生理、物理特性，分析機(jī)械手的工作性能，在NoboruKawamura等人基礎(chǔ)上，研制出了7個(gè)自由度的機(jī)械手臂。機(jī)械手的自由度數(shù)是衡量機(jī)器人性能的重要指標(biāo)之一。它直接決定了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性和控制的復(fù)雜性。荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所采用機(jī)械手的三維CAD模型很好的解決了機(jī)械手與莖桿的碰撞問題。美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)開發(fā)了一種由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和一個(gè)滑動(dòng)副構(gòu)成的球形坐標(biāo)機(jī)器人，這種機(jī)器人的攝像系統(tǒng)裝在操作手的末端，水果的圖像位于滑動(dòng)軸的中心，從而只要滑動(dòng)軸稍微張開一定的角度就可以很輕易的采摘到水果。 4.2機(jī)械手臂的選擇 本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂是用于水果的采摘，考慮到生產(chǎn)實(shí)際的需要，為了便于其在果樹間的運(yùn)動(dòng)，采用最簡(jiǎn)單的單軸伸縮式機(jī)械手臂，即為兩根套在一起的同心不銹鋼外管和內(nèi)管，兩根管由箍環(huán)連接。工作時(shí)可根據(jù)水果的不同高度任意調(diào)節(jié)，增強(qiáng)實(shí)用性。平時(shí)不用時(shí)可伸縮至最短的長(zhǎng)度放置，節(jié)約空間。 4.3機(jī)械手臂的設(shè)計(jì) 伸縮式機(jī)械手臂的主體部分由兩根套在一起的同心不銹鋼外管和內(nèi)管組成，其中外管的內(nèi)徑等于或略小于內(nèi)管外徑。箍環(huán)安裝在外管的前端口上，其能夠?qū)⑼夤芎蛢?nèi)管相互固定在一起，可實(shí)現(xiàn)手臂自由的伸縮和緊固。伸縮式機(jī)械手臂的整個(gè)結(jié)構(gòu)就同市面上銷售的伸縮式拖把桿或掛衣桿結(jié)構(gòu)。 采摘水果前，操作人員可以先按需要將箍環(huán)打開，并握住內(nèi)管的前端將其從外管中抽出，等到伸縮式機(jī)械手臂的總長(zhǎng)度，加上采摘人員的身高接近需要采摘的水果的高度時(shí)再擰緊箍環(huán)。 4.3.1尺寸計(jì)算 采摘水果的果樹的高約為三米，內(nèi)外管長(zhǎng)度為內(nèi)管為一米，外管為一米五，加上采摘人員的身高(保守估計(jì)一米，高度不夠時(shí)還可伸長(zhǎng)手臂)，最長(zhǎng)的總長(zhǎng)度至少可到三米五。 外管的外徑選用為25mm，厚度為1mm，內(nèi)管能滿足套住外管，外管的內(nèi)徑等于或略小于內(nèi)管外徑。內(nèi)管的外徑選用直徑為23mm，厚度為1mm。 4.3.2材料選擇 伸縮式機(jī)械手臂在工作過程中，主要為手持控制，所以它的設(shè)計(jì)必須遵循輕量化的原則。所謂輕量化，就是在滿足其性能的前提下，盡量減輕自身的重量。箍環(huán)的材料為塑料，內(nèi)外管的材料為304不銹鋼，表面處理為不銹鋼拉絲色。 內(nèi)外管的實(shí)物圖如下: 圖4.5內(nèi)外管實(shí)物圖 Fig.4.5internalandexternaltuberealfigure4.3.3強(qiáng)度校核 伸縮式機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示: 圖4.6伸縮手臂示意圖 Fig.4.6telescopicarmschemes 據(jù)圖4.6所示，為了進(jìn)一步確定伸縮式機(jī)械手臂的選用是否符合實(shí)際操作，須作以下幾點(diǎn)假設(shè): (l)機(jī)械手臂為細(xì)長(zhǎng)桿件，校核其穩(wěn)定性，因?yàn)榧?xì)長(zhǎng)桿件常出現(xiàn)形式失效，并非強(qiáng)度不夠，而是穩(wěn)定性不夠; (2)機(jī)械手臂的受力集中在細(xì)管的正上方，整個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一端固定一端自由的細(xì)長(zhǎng)桿，以內(nèi)管尺寸計(jì)算; (3)采摘水果時(shí)的扭矩彎矩太小均忽略不計(jì); (4)所有內(nèi)外載荷均通過截面的形心(忽略局部扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的影響)。 因此機(jī)械手臂的受力可以簡(jiǎn)化為圖4.7的細(xì)長(zhǎng)壓桿模型。 圖4.7壓桿模型 Fig.4.7levermodel 圖中F為伸縮式機(jī)械手臂上所有部件的總重量和切割水果的所受力之和，其余的轉(zhuǎn)矩、扭矩、外力計(jì)算時(shí)均忽略不計(jì)。根據(jù)采摘裝置在采摘水果的實(shí)際過程中，并不是處于假定的理想狀態(tài)，所受的力可在理想狀態(tài)的情況下乘一校核系數(shù)k，由于采摘器采摘時(shí)的工作環(huán)境狀況較好，取值為k=2，最后根據(jù)采摘器的使用條件合理的取值為=40N，壓桿最長(zhǎng)是穩(wěn)定性最差，計(jì)算時(shí)取伸縮臂最長(zhǎng)時(shí)的長(zhǎng)度L=2.5m。 伸縮式機(jī)械手臂的材料為304不銹鋼(0Cr18Ni9不銹鋼)，304不銹鋼的抗拉強(qiáng)度≥520MPa,，條件屈服強(qiáng)度≥205MPa，伸長(zhǎng)率(%)≥40，彈性模量E為186~206GPa，比例極限=280MPa，規(guī)定的穩(wěn)定安全因數(shù)為=8~10。 只有當(dāng)壓桿的柔度大于或等于極限值時(shí)，歐拉公式校核壓桿穩(wěn)定性才滿足使用條件 伸縮式機(jī)械手臂簡(jiǎn)化為一端固定一端自由的壓桿則，截面為圓環(huán)形(取內(nèi)管的值)則截面的慣性半徑 柔度為 因?yàn)?，所以歐拉公式適用于校核伸縮式機(jī)械手臂的穩(wěn)定性。 伸縮式機(jī)械手臂的截面慣性矩為: 計(jì)算出伸縮式機(jī)械手臂的臨界壓力為: 伸縮式機(jī)械手臂的工作安全因數(shù)為 所以滿足穩(wěn)定要求。 結(jié)論:伸縮式機(jī)械手臂材料及尺寸結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求和穩(wěn)定性要求。 4.4軟件建模 4.4.1繪圖方法 該伸縮式機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，Pro/Engineer繪制實(shí)體模型圖時(shí)，選擇好基準(zhǔn)，合理控制尺寸，采用旋轉(zhuǎn)、拉伸、掃描等常規(guī)方法，即可完成。 4.4.2機(jī)械手臂效果圖展示 圖4.8機(jī)械手臂效果圖 Fig.4.8mechanicalarmrendering5接收傳送裝置的設(shè)計(jì) 水果被采摘器順利的采摘，不能讓其自己掉在地上，造成損傷，為保證能順利無傷害的的到達(dá)地面，必須設(shè)計(jì)接受傳送裝置。 5.1設(shè)計(jì)原則 接收裝置由類似籃球籃網(wǎng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，保證能夠安全的接住采摘下的水果并輸入輸送裝置。 水果的輸送裝置可由伸展收縮的組織組成，上寬下窄，這樣既有利于與接收裝置連接，又有利于果品在輸送裝置內(nèi)下落時(shí)有明顯的緩沖力作用，可保證果品的無傷害輸送。整個(gè)蔬果管道每隔一段可設(shè)有搭扣與伸縮式機(jī)械手臂連接，不但可防止被樹枝掛住，保證水果的順利輸送，還可以減少阻力，避免傳送帶對(duì)視覺的影響。 5.2材料選擇 接收裝置的環(huán)為橢圓形由鋼絲制成，輸送裝置有軟質(zhì)布料制成，類似于高樓救生員救生時(shí)使用的柔性滑道。 5.3尺寸設(shè)計(jì) 因?yàn)樗烧乃麨椴芍睆绞?cm≤D≤10cm的球形水果，水果被采摘時(shí)有一定的慣性力使得水果會(huì)有水平方向的的運(yùn)動(dòng)，則接收裝置的直徑要選用的大一點(diǎn)直徑設(shè)為20cm。傳遞裝置的直徑為保證水果順利傳輸，上寬下窄即可。 5.4接收傳送裝置效果圖 圖5.1接受傳送裝置效果圖 Fig.5.1acceptconveyorsrendering6手持固定部分的設(shè)計(jì) 基于伸縮式機(jī)械手臂是用于手持，伸縮式機(jī)械手臂的長(zhǎng)度較長(zhǎng)為了增加整個(gè)裝置的穩(wěn)定性，減少采摘員在長(zhǎng)時(shí)間的操作過程中手腕疲勞的作用，所以特別設(shè)計(jì)手持固定部分。當(dāng)此采摘器安裝在別的地方時(shí)可拆掉手持固定部分。 6.1手持固定部分的組成 手持固定部分由小肘固定套，萬向穩(wěn)定連桿。小肘固定套的材料采用足球護(hù)膝的材料，其上有繃帶和搭扣。萬向穩(wěn)定連桿為特殊材料材料制成，可向任意方向彎曲。 小肘固定套實(shí)物圖如下圖所示: 圖6.1小肘固定套實(shí)物圖 Fig.6.1smallcubitsfixedsetofrealfigure6.2手持固定部分的工作原理 小肘固定套可通過繃帶與金屬環(huán)的拉扣固定在胳膊的小肘部分，小肘固定套通過鉚釘或者其他的方式與萬向穩(wěn)定連桿連接，萬向穩(wěn)定連桿另一端通過螺絲結(jié)構(gòu)與伸縮手臂下端連接。通過小肘固定套可以達(dá)到在長(zhǎng)時(shí)間的操作過程中以減少手腕疲勞的作用，萬向穩(wěn)定桿由特殊材料制成，它可以向任何方向彎曲，而且變形的同時(shí)具有一定的支持力。 6.3手持固定部分效果圖 圖6.2手持固定部分效果圖 Fig.6.2handheldfixedpartrendering7整體三維模型 為了能清楚直觀的看明白基于伸縮式機(jī)械手臂的水果采摘裝置的模型，下圖為拆除接受傳遞裝置的整體模型。 圖7.1整體三維模型 Fig.7.1whole3dmodel8總結(jié) 基于伸縮式機(jī)械手臂的水果采摘裝置，是介于含有自主行動(dòng)功能的技術(shù)含量極高且價(jià)格昂貴的機(jī)器人類型和基本屬于純機(jī)械式的過于簡(jiǎn)單的采摘器兩者之間的一種采摘裝置。它構(gòu)型簡(jiǎn)單，操作方便，價(jià)格低廉，效率較高。采用伸縮式機(jī)械手臂，手臂長(zhǎng)度可調(diào)，適合多種高枝水果，且便于攜帶，采摘器采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)到刀片轉(zhuǎn)動(dòng)的方式切割果梗，采摘水果速度快，節(jié)省勞動(dòng)力，且采摘器的方向可調(diào)節(jié)，適合各種位置的高枝水果，采摘水果完好，保質(zhì)保量，是一種值得推廣的實(shí)用新型的設(shè)計(jì)。 通過這段時(shí)間的設(shè)計(jì)，我的感受很深。尤其是在最初的設(shè)計(jì)階段，由于自己理論知識(shí)不夠系統(tǒng)和豐富，加之缺乏設(shè)計(jì)思路，使得進(jìn)展比較緩慢。幸運(yùn)的是之后，在老師的悉心指導(dǎo)下，我逐漸的學(xué)會(huì)了獨(dú)立的查閱資料，以及如何將大量的雜亂的資料系統(tǒng)化，并將其掌握。這一過程中得到的鍛煉是自己在本次設(shè)計(jì)中得到的最大收獲之一。并且在這一過程中，我發(fā)現(xiàn)了許多以前沒有注意的問題，有些想法，方法最初看起來是可行的，但認(rèn)真思考后就會(huì)發(fā)現(xiàn)存在很多不足之處。如此反復(fù)思考，校對(duì)才完成了本次設(shè)計(jì)任務(wù)。 本設(shè)計(jì)中有些結(jié)論的得出，本應(yīng)該進(jìn)行細(xì)致的計(jì)算和分析，但限于篇幅和時(shí)間，不能一一詳盡。由于自己現(xiàn)有的能力水平有限，設(shè)計(jì)中難免有疏忽與錯(cuò)誤等不足之處，望廣大老師同學(xué)給予批評(píng)指正。 參考文獻(xiàn) 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