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簡易手動球形水果采摘器設(shè)計
摘 要
本課題運(yùn)用制圖軟件對采摘器進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計，可伸縮夾取式采摘機(jī)械是一種為解決人們采摘高處果實(shí)難而創(chuàng)新設(shè)計的工具，同時本設(shè)計大大的方便了農(nóng)民工采摘油茶果的過程及采摘效率的提高。設(shè)計機(jī)構(gòu)內(nèi)容包括：采摘機(jī)構(gòu)、可伸縮桿機(jī)構(gòu)、和收集機(jī)構(gòu)并用solidworks軟件繪制了機(jī)構(gòu)的三維圖以助理解。可伸縮夾取式油茶球形果實(shí)采摘機(jī)構(gòu)主要采用了采摘機(jī)攜手和鋁合金管可伸縮機(jī)構(gòu)，采摘寬度范圍較大效率高、伸縮長短可調(diào)節(jié)，采摘較靈活省力，果實(shí)由鋁合金管的旁邊的引導(dǎo)軌道滑出，最小采摘水果直徑為40mm，最大采摘水果為80mm，收集極為方便省力，鋁合金管可伸縮機(jī)構(gòu)又使其質(zhì)量較輕，便于攜帶，經(jīng)投產(chǎn)和改進(jìn)后可望解決農(nóng)民朋友對于直徑相近球形果實(shí)的采摘難題，市場前景廣闊。
關(guān)鍵詞：可伸縮性；球形水果；采摘；夾取式；機(jī)構(gòu)設(shè)計。
第2章 緒論
2.1 課題背景及意義
中國是世界上最大的水果出產(chǎn)國，居全球13個產(chǎn)量超1000萬噸的國家之首。水果采收作為果園生產(chǎn)全過程中的一個重要環(huán)節(jié)，具有季節(jié)性強(qiáng)和勞動密集型的特點(diǎn)，所用勞動力占整個生產(chǎn)過程所用勞動力的35％～45％[1]。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。
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。由于現(xiàn)代大型采摘機(jī)器太過昂貴，并且大型采摘機(jī)器僅適用于面積較大的果園大規(guī)模作業(yè)采摘，對于小作業(yè)果園而言，考慮到經(jīng)濟(jì)效益，不得不放棄大型機(jī)械采摘這種高效率作業(yè)。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)。單純的人工采摘，不僅效率低、勞動量大，而且極易造成果實(shí)的損傷，同時由于依靠人工作業(yè)耗時耗力導(dǎo)致未能在果實(shí)的最佳采摘期將其采摘下來造成經(jīng)濟(jì)損失[2]。針對這種現(xiàn)狀，采用簡易的人工采摘器既能降低在采摘過程中對果實(shí)果樹造成的損傷又可以減輕人們的勞動強(qiáng)度、節(jié)省成本、提高效率。這種手動采摘器具有結(jié)構(gòu)簡單，容易操作，安全舒適的優(yōu)點(diǎn)，適用于不同高度及不同大小的水果采摘，與其他大型作業(yè)采摘機(jī)器相比結(jié)構(gòu)更具經(jīng)濟(jì)效益。加之未來人口老齡化趨勢，人工成本必會上升，因此輔助人工采摘器必將具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和廣泛的應(yīng)用前景。
2.2 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
目前，國外水果采摘分為兩種采摘方式：機(jī)械化采摘和機(jī)器人采摘。
機(jī)械化采摘：在發(fā)達(dá)國家，由于勞動力成本較高和人口老齡化等問題，在水果生產(chǎn)中不得不利用機(jī)械化方式代替人工進(jìn)行采收作業(yè)。但是，到目前為止，真正在生產(chǎn)中使用機(jī)械化采收的大多還是產(chǎn)品以加工為目的的水果和一些不易損傷的水果，如加工成果汁的柑橘、臍橙等。以新鮮產(chǎn)品形式進(jìn)行銷售的水果，基本上還是手工采收或機(jī)械輔助采收。早在20世紀(jì)40年代初，美國、法國等一些西方國家對水果采摘機(jī)械就展開了研究。40年代中期美國開始著手研究振搖式水果采摘機(jī)械。50 年代中期，出現(xiàn)了用拖拉機(jī)來進(jìn)行驅(qū)動的振搖采摘機(jī) [3]。從60年代起，歐美一些國家（美國、德國）以及澳大利亞、日本等國，隨著勞動力成本的日益上漲，果品收獲機(jī)械正越來越廣泛地應(yīng)用于多種果品的采收過程中。目前，常用的果品收獲機(jī)多采用振動方式使果實(shí)與植株分離。隨著升降平臺的出現(xiàn)，接著產(chǎn)生了各種動力切割式采摘機(jī)械，例如油鋸、氣動剪，大大提高了采摘效率。
機(jī)器人采摘：20世紀(jì)60年代美國最早開始研究果蔬采摘機(jī)器。隨著計算機(jī)和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、計算機(jī)圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的日益成熟，20世紀(jì)80年代中期以后，采摘機(jī)器人的研究和開發(fā)技術(shù)得到了快速的發(fā)展。以日本為代表的西方發(fā)達(dá)國家，包括荷蘭、美國、法國、英國、以色列、西班牙等，在果蔬采摘機(jī)器人方面做了大量的研究開發(fā)，并且成功試驗出了葡萄采摘機(jī)器人、柑橘收獲機(jī)器人、番茄采摘機(jī)器人、黃瓜采摘機(jī)器人、甘藍(lán)采摘機(jī)器人等[4-12]。由于技術(shù)、市場和價格等因素的影響，美國在自動化收獲機(jī)器人的研究方面沒有一個很清晰的戰(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)器人研究項目，進(jìn)展很快，但收獲機(jī)器人仍未能真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。荷蘭收獲機(jī)器人的研究工作走在了很多國家的前面，但其涉及的果蔬種類并不多[13]。
國內(nèi)，果園采收機(jī)械化的研究與應(yīng)用相比也較晚。果園采摘機(jī)械從 20 世紀(jì) 70 年代才開始研究，在引進(jìn)國外果園機(jī)械的同時，陸續(xù)研制成功了機(jī)械振動式山楂采果機(jī)、氣囊式采果器和手持電動采果器等。 80 年代后，開始研究和制造切割型采摘器，實(shí)現(xiàn)使用機(jī)械裝置進(jìn)行采摘。 接著出現(xiàn)了由微型電機(jī)作為動力的切割式采摘器和振搖式采摘器。90 年代開始，出現(xiàn)了很多簡易采摘器。用于采摘蘋果、梨、桃等水果的便攜式水果分級采摘器的研制改變了過去勞動強(qiáng)度大、水果損傷率高、勞動成本高等缺點(diǎn)，使果農(nóng)的采摘正確率提高、時間縮短[14-16]。隨著果園機(jī)械技術(shù)的進(jìn)一步融合，2007 年研制出了第一臺多功能果園作業(yè)機(jī)即 LG-1 型多功能果園作190業(yè)機(jī)[17]。2009 年研制出了適宜單人操作使用的枸杞采摘機(jī)[18]。 2010 年研制出了 4YS-24 型紅棗收獲機(jī)[19]， 我國臺灣省為了在坡地果園上實(shí)施機(jī)械化，省工經(jīng)營，改良發(fā)展了適合坡地作業(yè)特性的農(nóng)機(jī)具，研制成功了一種自走式牽引振動采果機(jī)。我國南方水果種植園大部分處于丘陵山區(qū)地帶， 受限于坡地地形，合適的采摘機(jī)械很少，基本還是靠人工采摘 ，并且在費(fèi)工以及作業(yè)危險性方面的問題比平地采摘機(jī)械更突出， 需要更多的科研院所和機(jī)構(gòu)投入精力開展相應(yīng)地研究。
我國的水果采摘機(jī)器人的研究剛剛起步。從機(jī)械手、末端執(zhí)行器、 行走裝置等不同方面積極介入采摘機(jī)器人的研究和研制[20-25]。通過跟蹤國外先進(jìn)技術(shù)，在機(jī)器人采摘領(lǐng)域內(nèi)取得了初步的成果，但是目前都處于實(shí)驗階段，投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際仍需時日。我國的國家專利中有上百種的水果采摘器，包括機(jī)械式、電動式、氣動式的果品采摘器，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。不過目前市場上商品化的采摘器品種還比較單一，且價格昂貴操作不便。
我國在農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的研究始于20世紀(jì)90年代中期，相對于發(fā)達(dá)國家起步較晚，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個自由度機(jī)械手、行走機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動系統(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，采用氣動驅(qū)動器將草莓推到不同的等級方向。浙江大學(xué)的應(yīng)義斌等人完成了水果自動分級機(jī)器人的研究開發(fā)。
縱觀國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)了主要存在的兩個問題：
(1)雖然近些年我國采摘機(jī)械得到迅速發(fā)展，在機(jī)械產(chǎn)品方面出現(xiàn)了采摘器、動力剪枝采摘工具、多功能果園作業(yè)機(jī)械等， 但總的來說， 國內(nèi)水果采收機(jī)械大多功能單一、效率不高，容易損壞果實(shí)，產(chǎn)量損失大，容易采摘到不熟果實(shí)，且成本較高，使果農(nóng)難以接受應(yīng)用。 同時再加上繁多的果實(shí)種類之間的差異，種植區(qū)域地理條件的不同，變換的果實(shí)品種的生長部位、成熟期等特點(diǎn)差異，都會對采收機(jī)械提出更高的要求。 因此實(shí)現(xiàn)水果采收機(jī)械化難度比較大，通用性不佳。
(2)國內(nèi)果園的分散栽培、分戶管理，農(nóng)機(jī)農(nóng)藝之間的不協(xié)調(diào)，幾乎沒有真正集中成片的適合機(jī)械化作業(yè)的大型現(xiàn)代化果園，生產(chǎn)規(guī)模小，農(nóng)民素質(zhì)普遍偏低等因素， 也是影響水果采收機(jī)械化實(shí)施的主要原因。因此開發(fā)研制結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便、成本較低、通用性好的適合于國情的小型機(jī)械化采摘器是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。
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，即手工采摘時手臂易被樹枝劃傷或擦破，高處作業(yè)時，還可能會摔傷。二是對果樹的損傷，即對樹的枝葉芽的破壞。三是對水果質(zhì)量的影響，單手采摘時容易出現(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，不利于保鮮儲藏，從而最終造成降低經(jīng)濟(jì)收入。目前，我國各地方政府為增強(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，減少成本投入和對環(huán)境對水果的污染，游客可以品嘗到更新鮮衛(wèi)生的水果。
本設(shè)計的特點(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，構(gòu)型簡單，操作方便。采用伸縮式機(jī)械手臂，手臂長度可調(diào)，適合多種高枝水果，且便于攜帶，不使用時可縮短至最短的長度放置節(jié)約空間。采摘器采用手動帶動夾頭的方式夾住水果，進(jìn)行拉拽水果，操作時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裝置的穩(wěn)定性，降低采摘員在長時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，簡單實(shí)用。
采用采摘器還可以方便平時蔬果，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、還會削弱樹勢，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，在平時也能方便及時的清除果樹上任何部位的病果、次果，不會對好的臨位水果造成物理傷害，不會出現(xiàn)摘除次果時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夾頭換為刀片，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，可全方位的對果樹噴灑農(nóng)藥。
第3章 總體設(shè)計思路
3.1 本設(shè)計的內(nèi)容和技術(shù)參數(shù)
3.1.1 設(shè)計內(nèi)容:
(1)伸縮式機(jī)械手臂:手臂簡單自如地轉(zhuǎn)向和收縮;
(2)采摘器:實(shí)現(xiàn)各個方向水果準(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:增加整個裝置的穩(wěn)定性，降低采摘員手腕疲勞程度。
3.1.2 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。
3.1.3 果實(shí)采摘方式的選擇
經(jīng)分析要實(shí)現(xiàn)對油茶果實(shí)的采摘機(jī)構(gòu)設(shè)計，按原理可分為抓拉式、吸附式、剪切式等類型，其各自特點(diǎn)如下圖所示。
各類不同工作原理的采摘機(jī)構(gòu)及特點(diǎn)
類型
優(yōu)點(diǎn)
缺點(diǎn)
抓拉式
結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、效率高
對枝條和花蕾傷害稍大
吸附式
定位要求低、動作靈敏
需要配備真空形成裝置，笨重不方便攜帶，造價較高。
剪切式
結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，對果實(shí)和枝條的傷害較小
定位要求高，效率較低，不方便收集。
通過老師的指導(dǎo)及設(shè)計要求，本機(jī)構(gòu)設(shè)計采用拉抓式采摘類型進(jìn)行設(shè)計。
3.2 基于伸縮式機(jī)械手臂的水果采摘裝置的總體設(shè)計
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，是一種解決人們采摘高處水果難而創(chuàng)新設(shè)計的工具，因其用途的特殊性，其總體設(shè)計因追尋以下兩大原則:(1)可操作性原則:果蔬采摘機(jī)器人操作者是知識水平較低的普通農(nóng)民，不是具有機(jī)電知識的專門的技術(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)以個體經(jīng)營為主，考慮到經(jīng)濟(jì)效益，采摘器的價格不能太高，否則會就很難普及。
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，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鏈接，另一端由旋轉(zhuǎn)盤與采摘機(jī)構(gòu)的電動機(jī)固定連接，而旋轉(zhuǎn)盤的另一端由旋轉(zhuǎn)軸與采摘器頭活動鏈接，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計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，仿形抓手組成。采摘頭一端與機(jī)械手臂相連，另一端與旋轉(zhuǎn)盤活動鏈接。
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-上夾頭、2-水果、3-螺栓、4-螺母、5-回位彈簧、6-引導(dǎo)管、7-固定夾頭、8-下夾頭、9-拉繩、10-引導(dǎo)管固定件、11-伸縮管3、12-接受裝置、13-輸送裝置、14-伸縮管二、15-伸縮管一、16-連接蓋、17-螺栓、18-螺母、19-拉手手柄、20-固定把手、21-夾頭壓板
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
第4章 采摘器的設(shè)計
4.1 采摘器常見種類
綜合目前所有國內(nèi)的關(guān)于高枝水果的采摘器的專利，我國對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)動力方式可將其分為機(jī)械式、電動式、氣壓式等。
對于水果的采摘方式，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)計末端執(zhí)行器(采摘器)之前，首先需要考慮采摘對象的生物特性、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)計的時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)器人對于采摘果莖長度較長的的果實(shí)時效果是比較好。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)帶動聚焦透鏡的轉(zhuǎn)動，以實(shí)現(xiàn)對果梗的定位和切斷。該裝置能夠方便地切斷果梗,并大大的降低了裝置的復(fù)雜性和對夾緊力控制精度的要求。
4.2 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、動作靈敏但是需配備真空形成裝置，且對果實(shí)及枝條的傷害較大。抓拉式的結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，但同樣對果實(shí)及枝條傷害極大。剪切式結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，對果實(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)簡單，但是操作并不省力，采摘效率不高。電動式采摘省力，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，為能簡單操作方便快捷的采摘水果選電動式最為合適。
綜合以上所述，采摘器選用電動的剪切式，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，對果實(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)計可以很好的滿足定位要求，對于各個方向的水果都能實(shí)現(xiàn)可靠安全的采摘。
4.3 采摘器的設(shè)計
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)盤活動鏈接，電動機(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鏈接，另一端由旋轉(zhuǎn)盤與采摘機(jī)構(gòu)的電動機(jī)固定連接，而旋轉(zhuǎn)盤的另一端由旋轉(zhuǎn)軸與采摘器頭活動鏈接。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計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。
4.3.1 尺寸計算
一、采摘器的選用
夾頭用來夾取水果，果梗不算太硬，要求的力度不是很大，但當(dāng)機(jī)械手抓住水果的輪廓后，水果會有遠(yuǎn)離刀片方向的運(yùn)動，為了順利抓取水果就需要夾取力很大。
4.3.2 采摘器的強(qiáng)度校核計算
3.6夾頭的設(shè)計外形
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)采摘頭簡化為圓柱形懸臂梁;
(2)整個采摘頭的受力集中在采摘頭的右端;
(3)采摘水果時的扭矩太小忽略不計(電動機(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化為圖3-7的懸臂梁模型:
圖3.5懸臂梁模型
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，計算時可忽略。根據(jù)采摘器的結(jié)構(gòu)及使用條件合理取值:F=10N，L=40cm=0.4m。
則:
圖3.6彎矩圖
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載系數(shù)k，由于采摘器采摘時的工作環(huán)境狀況較好，取k=2~3，此動載系數(shù)考慮了實(shí)際操作中遇到的最大障礙時的載荷增值。如果再考慮采摘頭在動載作用下將產(chǎn)生疲勞，對疲勞的影響可用疲勞系數(shù)來表示，此值取1.4，故動載下的最大彎矩為100Mpa，此處材料為工程塑料抗彎強(qiáng)度強(qiáng)度為200Mpa。結(jié)論:采摘頭材料及尺寸結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。
4.4 軟件建模
4.4.1 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 Solidworks軟件。Solidworks是美國PTC公司研制的一套由設(shè)計至生產(chǎn)的機(jī)械自動化軟件，是新一代產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個參數(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。Solidworks是一種采用參數(shù)化設(shè)計的、基于特征的實(shí)體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計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)計者提供了在設(shè)計上從未有過的簡易和靈活。solidworks是目前計算機(jī)輔助設(shè)計中最為專業(yè)的軟件之一。
4.4.2 繪圖方法
該采摘器的結(jié)構(gòu)較簡單，solidworks繪制實(shí)體模型圖時，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。
4.4.3 采摘器效果圖展示
采摘機(jī)械的采摘機(jī)械手是整個機(jī)械部分的核心，難點(diǎn)在于機(jī)械手造型的設(shè)計以及機(jī)械手抓取的方式、移動方式的設(shè)計
機(jī)械手的三維示意圖
此處的機(jī)械手的模型采用仿生學(xué)的原理，用彈簧的舒張和收縮完成果實(shí)的抓取和釋放。
根據(jù)經(jīng)驗我們知道蘋果的直徑為50~80之間所以我們設(shè)計的機(jī)械手的圓弧直徑為120mm這樣更有利于大多數(shù)果實(shí)的抓取。
第5章 關(guān)鍵部位的設(shè)計與分析
5.1 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)，但是它們有一個共同的特點(diǎn)，就是能夠在接受到指令時，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
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)械手臂一般有三個主自由度，Z1轉(zhuǎn)動，Z2轉(zhuǎn)動，Z移動。通過在執(zhí)行終端加裝X轉(zhuǎn)動，Y轉(zhuǎn)動可以到達(dá)空間內(nèi)的任何坐標(biāo)點(diǎn)。直角坐標(biāo)系的機(jī)械手臂有三個主自由度，X移動，Y移動，Z移動組成，通過在執(zhí)行終端加裝X轉(zhuǎn)動，Y轉(zhuǎn)動，Z轉(zhuǎn)動可以到達(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，Y移動，Z移動，X轉(zhuǎn)動，Y轉(zhuǎn)動，Z轉(zhuǎn)動六個自由度組成。
圖4.2機(jī)械手臂
對于工業(yè)應(yīng)用來說，有時并不需要機(jī)械手臂具有完整的六個自由度，而只需其中的一個或幾個自由度。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)械手臂作為一個組件在工業(yè)中應(yīng)用廣泛。單軸機(jī)械手臂看似簡單，只在單一方向往復(fù)運(yùn)動，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)動方式有:滾珠螺桿、時規(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，使用組件比自行設(shè)計機(jī)械手臂更具優(yōu)勢。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
圖4.4VNKO多軸組合機(jī)械手
韓國開發(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，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可以左右移動，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。美國佛羅里達(dá)大學(xué)開發(fā)了一種由兩個轉(zhuǎn)動副和一個滑動副構(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軸的中心，從而只要滑動軸稍微張開一定的角度就可以很輕易的采摘到水果。
5.2 機(jī)械手臂的選擇
本文設(shè)計的機(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，采用最簡單的單軸伸縮式機(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。平時不用時可伸縮至最短的長度放置，節(jié)約空間。
5.3 機(jī)械手臂的設(shè)計
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)械手臂的總長度，加上采摘人員的身高接近需要采摘的水果的高度時再擰緊箍環(huán)。
5.3.1 尺寸計算
采摘水果的果樹的高約為三米，內(nèi)外管長度為內(nèi)管為一米，外管為一米五，加上采摘人員的身高(保守估計一米，高度不夠時還可伸長手臂)，最長的總長度至少可到三米五。
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。
5.3.2 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
5.3.3 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
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)長桿件，校核其穩(wěn)定性，因為細(xì)長桿件常出現(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，整個結(jié)構(gòu)簡化為一端固定一端自由的細(xì)長桿，以內(nèi)管尺寸計算;
(3)采摘水果時的扭矩彎矩太小均忽略不計;
(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化為圖4.7的細(xì)長壓桿模型。
圖4.7壓桿模型
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、外力計算時均忽略不計。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)的情況下乘以校核系數(shù)k，由于采摘器采摘時的工作環(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，壓桿最長是穩(wěn)定性最差，計算時取伸縮臂最長時的長度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，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100
柔度為150
因為，所以歐拉公式適用于校核伸縮式機(jī)械手臂的穩(wěn)定性。
計算出伸縮式機(jī)械手臂的臨界壓力為:10N
伸縮式機(jī)械手臂的工作安全因數(shù)為50
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。
5.4 軟件建模
5.4.1 繪圖方法
該伸縮式機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)較簡單，solidworks繪制實(shí)體模型圖時，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。
5.4.2 機(jī)械手臂效果圖展示
圖4.8機(jī)械手臂效果圖
5.5 接收傳送裝置的設(shè)計
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)計接受傳送裝置。
5.5.1 接收裝置設(shè)計原則
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)下落時有明顯的緩沖力作用，可保證果品的無傷害輸送。整個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，避免傳送帶對視覺的影響。
5.5.2 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使用的柔性滑道。
5.5.3 尺寸設(shè)計
因為所采摘的水果為采直徑是3cm≤D≤10cm的球形水果，水果被采摘時有一定的慣性力使得水果會有水平方向的的運(yùn)動，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。
5.5.4 接收傳送裝置效果圖
圖5.1接受傳送裝置效果圖
基于伸縮式機(jī)械手臂是用于手持，伸縮式機(jī)械手臂的長度較長為了增加整個裝置的穩(wěn)定性，減少采摘員在長時間的操作過程中手腕疲勞的作用，所以特別設(shè)計手持固定部分。當(dāng)此采摘器安裝在別的地方時可拆掉手持固定部分。
5.6 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)到在長時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，而且變形的同時具有一定的支持力。
5.6.1 手持固定部分效果圖
圖6.2手持固定部分效果圖
總結(jié)與展望
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功能的技術(shù)含量極高且價格昂貴的機(jī)器人類型和基本屬于純機(jī)械式的過于簡單的采摘器兩者之間的一種采摘裝置。它構(gòu)型簡單，操作方便，價格低廉，效率較高。采用伸縮式機(jī)械手臂，手臂長度可調(diào)，適合多種高枝水果，且便于攜帶，采摘器采用電動機(jī)帶動到刀片轉(zhuǎn)動的方式切割果梗，采摘水果速度快，節(jié)省勞動力，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。
致謝
通過這段時間的設(shè)計，我的感受很深。尤其是在最初的設(shè)計階段，由于自己理論知識不夠系統(tǒng)和豐富，加之缺乏設(shè)計思路，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)真思考后就會發(fā)現(xiàn)存在很多不足之處。如此反復(fù)思考，校對才完成了本次設(shè)計任務(wù)。
本設(shè)計中有些結(jié)論的得出，本應(yīng)該進(jìn)行細(xì)致的計算和分析，但限于篇幅和時間，不能一一詳盡。由于自己現(xiàn)有的能力水平有限，設(shè)計中難免有疏忽與錯誤等不足之處，望廣大老師同學(xué)給予批評指正。
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