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蘋果采摘簡易機(jī)械手設(shè)計說明書 一、引言 近年來，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)的調(diào)整，林果生產(chǎn)已經(jīng)成為很多地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)民增收的支柱產(chǎn)業(yè)，隨著種植面積的不斷擴(kuò)大，果園規(guī)?；l(fā)展和規(guī)范化管理的要求日益提高，從而果園機(jī)械化日益重要。果園收獲機(jī)械的發(fā)展，可以減輕果農(nóng)的勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約勞動成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。由于我國果園作業(yè)機(jī)械研究起步較晚，基礎(chǔ)相對較差，因此，果園作業(yè)機(jī)械化程度和歐美等國家還是存在差距。所以，針對我國各地林果生產(chǎn)特點研究相應(yīng)的作業(yè)機(jī)械，對林果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有重要意義。 我國是世界第一大水果生產(chǎn)國，也是世界第一大水果消費國。水果種植業(yè)的迅速發(fā)展提升了果園機(jī)械的市場需求。采摘作業(yè)所用勞動力占整個生產(chǎn)過程所用勞動力的33%～50%，目前我國的水果采摘絕大部分還是以人工采摘為主。采摘作業(yè)比較復(fù)雜，季節(jié)性很強(qiáng)，若使用人工采摘，不僅效率低、勞動量大，而且容易造成果實的損傷，如果人手不夠不能及時采摘還會導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)上的損失。使用采摘機(jī)械不僅提高采摘效率，而且降低了損傷率，節(jié)省了人工成本，提高了果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益，因此提高采摘作業(yè)機(jī)械化程度有重要的意義。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)，大面積的種植果樹，農(nóng)民朋友的農(nóng)產(chǎn)品獲得豐收，果實的采摘問題也凸顯而出，在面對果樹高而無法采摘造成了蘋果的摔落，因而這些蘋果無法上市進(jìn)行出售，為解決高空采摘蘋果難，故設(shè)計此蘋果采摘簡易機(jī)械手來解決此問題。 二．項目設(shè)計的內(nèi)容 （1）果蔬收獲機(jī)器人作業(yè)環(huán)境和工作對象的特殊性 工業(yè)領(lǐng)域是機(jī)器人技術(shù)的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域.由于在工業(yè)生產(chǎn)中,機(jī)器人的工作位置和障礙往往都能夠事先預(yù)知,因此機(jī)器人的性能能得到很好的體現(xiàn)。和工業(yè)機(jī)器人相比,果蔬收獲機(jī)器人有很多獨特的特點,主要表現(xiàn)在: (1)作業(yè)環(huán)境的非結(jié)構(gòu)性收獲機(jī)器人的工作環(huán)境往往是非結(jié)構(gòu)性的、未知的和不確定的.例如,機(jī)器人所處的地勢可能崎嶇不平,天氣條件(如光照)也可能隨時改變。即使在溫室環(huán)境中,也必須考慮溫度、濕度、天氣以及其它環(huán)境參數(shù)的影響。在這種復(fù)雜多變的環(huán)境條件中,機(jī)器人必須具有智能化的傳感、規(guī)劃和控制能力,要有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力。 (2)作業(yè)對象的個體差異和隨機(jī)分布性果蔬收獲機(jī)器人的首要任務(wù)是識別和定位水果,而果實有的可能單個生長,有的則是一簇一簇的,形狀、尺寸、顏色、成熟度也都不一樣,而且果實總是隨機(jī)分布在田地、藤蔓或樹枝上,有的可能被莖桿和葉子遮擋,還要遇到不同的自然條件,如刮風(fēng)可能導(dǎo)致果實搖動而不斷改變其位置,并且果樹和藤蔓的形狀大小也往往不一樣,從而使得機(jī)器人檢測和接近果實變得異常困難。 (3)作業(yè)對象的柔軟、易損性水果等作物一般都比較嬌嫩、柔軟,收獲時很容易遭受機(jī)械損傷,因此必須小心處理.這需要從機(jī)器人結(jié)構(gòu)、傳感器、控制系統(tǒng)等方面加以協(xié)調(diào)和控制。 (4)收獲機(jī)器人成本方面的特殊性農(nóng)業(yè)機(jī)器人要想成功地應(yīng)用,其成本必須低于同樣結(jié)構(gòu)的工業(yè)機(jī)器人,因為農(nóng)業(yè)的利潤往往很小,設(shè)備也只能季節(jié)性地使用。此外,農(nóng)民一般不具備太多的專業(yè)知識.因此,收獲機(jī)器人必須結(jié)構(gòu)簡單、操作性好、可靠性高,并且價格合理。 2采摘機(jī)器人的制造成本高、應(yīng)用推廣難 果蔬采摘機(jī)器人的采摘對象具有多樣性,工作時間具有季節(jié)性,設(shè)備利用率低,操作對象大部分為農(nóng)民,這就要求其要具有良好的通用性、可編程性、高可靠性和操作簡單性。另外采摘機(jī)器人的使用和維護(hù)都需要相當(dāng)高的技術(shù)水平和費用。只有當(dāng)其使用成本低于人工收獲成本時,采摘機(jī)器人才會真正被普及。因此,成本問題將成為制約采摘機(jī)器人市場化的瓶頸問題。 3解決對策 每一個事物的發(fā)展都是一個遇到問題解決問題的過程。為了很好的解決以上問題,解除限制采摘機(jī)器人發(fā)展的因素,可以從以下幾個方面加強(qiáng)探索與研究: (1)研究出一種高可靠性、高精度的視覺系統(tǒng)技術(shù),可以使所有成熟果實都能夠識別出來并能精確地對其定位。這就需要在三維立體視覺技術(shù)、視覺傳感器技術(shù)、圖像獲取和處理等方面進(jìn)行更深入的研究。 (2)可以研究適合采摘機(jī)器人工作的果蔬栽培模式,通過降低作物生長環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和復(fù)雜性,便于采摘機(jī)器人的視覺定位和移動。 (3)機(jī)械結(jié)構(gòu)直接決定機(jī)器人運動的靈活性、平穩(wěn)性和控制的復(fù)雜性。采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)必須更加緊湊和簡化,優(yōu)化機(jī)器人結(jié)構(gòu)。提高機(jī)械手和末端執(zhí)行器的柔性和靈巧性,成功避障,提高采摘的成功率,降低果實的損傷率。 (4)提高圖像處理速度,優(yōu)化軟件算法,縮短機(jī)器視覺部分在整個采摘過程中所占用的時間,以提高采摘效率。 (5)采用開放式的控制系統(tǒng),提高采摘機(jī)器人的通用性。只要改變機(jī)器人的機(jī)械本體和末端執(zhí)行器,用一套控制系統(tǒng)就能完成不同果蔬的采摘,從而提高控制系統(tǒng)的利用率、降低成本。 設(shè)計此機(jī)構(gòu)有構(gòu)思階段，實際模型的建立，對實際模型數(shù)據(jù)的測量，按相應(yīng)比例縮小并計算各構(gòu)件的尺寸和角度。構(gòu)思階段：仿照實際生活中人手采摘蘋果的運動原理進(jìn)行設(shè)計。數(shù)據(jù)測量：由于此機(jī)構(gòu)在設(shè)計初期，無準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，故本人用鐵絲模擬制作了一個蘋果采摘機(jī)械手，來確定相應(yīng)角度和尺寸比例。尺寸角度的確定：尺寸的確定會在下面做一詳細(xì)介紹，此處構(gòu)件圓角處的角度的范圍是85--95度之間均可 。（如下圖） ↓ ↓ 三．項目設(shè)計的步驟 1設(shè)計任務(wù) 設(shè)計此機(jī)構(gòu)的主要作用是在離地面較高而且人無法采摘，能夠按照要求的尺寸來采摘符合要求的蘋果（直徑為110mm）從而避免了誤將未成熟和較小的蘋果進(jìn)行采摘，既方便又安全。 2設(shè)計方法 設(shè)計此運動機(jī)構(gòu)采用了Proe軟件中拉伸掃描旋轉(zhuǎn)放樣等主要建模功能。 3設(shè)計要求 構(gòu)件分三個部分：采摘可控部分，連接部分和控制部分 1.確定固定圓環(huán)的直徑D=110mm,在裝配處確定一個基準(zhǔn)面，按引導(dǎo)線切除10mm，在確定小圓d=6mm，按大圓環(huán)的引導(dǎo)線掃描10mm。 上圖右側(cè)與圓環(huán)基準(zhǔn)線相交且與左側(cè)切除掃描部分關(guān)于直徑對稱的孔d=4mm. 2.如下圖所示為圓環(huán)機(jī)械爪 ↑ ↑ a.此桿長為95mm b. 圓內(nèi)接三角形，圓d=90mm 說明：在畫上圖a桿時，按直徑為12mm畫一圓，給定一路徑進(jìn)行掃描。在a桿下面，確定兩基準(zhǔn)面，以底部向上12mm,進(jìn)行切除。b 圖中是一直徑為90mm畫圓，并作內(nèi)切三角形。 3.連接桿 根據(jù)勾股定理：主桿連接部分長400mm，連接桿分別為95mm和350mm.當(dāng)以下兩連接桿成一條直線時，為防止卡死，兩連接桿的實際長度大于理論長度。 4.控制轉(zhuǎn)動桿 在主桿距離低端約100mm處，連接一構(gòu)件，與主桿連接處倒圓角。 5. 機(jī)構(gòu)整體分析 a. 省力，易操作。將原動力加于機(jī)械爪和圓環(huán)連接處，這樣安裝源動力可以減少使用時操作者盡量少的握住手柄，當(dāng)有蘋果需要采摘時再將手柄握住，這樣不但省力而且易于操作。使得機(jī)械爪始終是張開的。 b. 高空作業(yè)，無需重復(fù)。在采摘蘋果時，可以給圓環(huán)底部安裝一個直徑為110mm，長根據(jù)實際需要確定的蘋果輸送管。（帆布制管子最好）此機(jī)構(gòu)可以大大減少采摘高空蘋果的危險性，提高了蘋果采摘的效率，有效的解決了大型果園高空蘋果無法采摘（危險系數(shù)大，采摘成本高）的問題。 四。設(shè)計總結(jié) 1從設(shè)計蘋果采摘簡易機(jī)械手的過程中，我逐漸體會到了運用Pore這個軟件來設(shè)計產(chǎn)品的實用性，它的功能非常強(qiáng)大，在今后的學(xué)習(xí)中我們還要繼續(xù)并不斷深入的學(xué)習(xí)這個軟件。 2雖然在畫圖的過程中我本人運用軟件不熟練和不會的，也有需要同學(xué)幫忙，但我真正的理解了項目設(shè)計的真正意義。 3我設(shè)計的運動構(gòu)件是我自己的想法，所有的尺寸和角度都是按照生活實際需要按相應(yīng)比例來確定的。在設(shè)計的過程中有很多不足，希望老師予以指導(dǎo)。 4.果蔬收獲是一個季節(jié)性強(qiáng)的勞動密集型工作,由于勞動力的高齡化和人力資源越來越缺乏,采用機(jī)器人進(jìn)行果蔬的自動化收獲變得越來越迫切。但由于收獲機(jī)器人的工作環(huán)境往往是非結(jié)構(gòu)性的、未知的和不確定的,因此給機(jī)器人的實際應(yīng)用帶來了很大的困難。要成功地實現(xiàn)機(jī)器人的智能化收獲,必須要在機(jī)器人的本體設(shè)計、果實的自動化識別和定位、機(jī)器人運動規(guī)劃和控制技術(shù)等方面進(jìn)行深入的研究。