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水果采摘 裝置 設計 0文獻綜述 0.1水果采摘實現(xiàn)機械化的必然趨勢 在水果的生產作業(yè)中，收獲采摘是整個生產中最耗時最費力的一個環(huán)節(jié)。水果收獲期間需投入的勞力約占整個種植過程的50%~70%。采摘作業(yè)質量的好壞直接影響到水果的儲存、加工和銷售，從而最終影響市場價格和經濟效益。水果收獲具有很強的時效性，屬于典型的勞動密集型的工作。但是由于采摘作業(yè)環(huán)境和操作的復雜性，水果采摘的自動化程度仍然很低，目前國內水果的采摘作業(yè)基本上還是手工完成。在很多國家隨著人口的老齡化和農業(yè)勞動力的減少，勞動力不僅成本高，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生產成本中所占的比例竟高達33%~50%。高枝水果的采摘還帶有一定的危險性。因此實現(xiàn)水果收獲的的機械化變得越來越迫切，發(fā)展機械化的收獲技術，研究開發(fā)水果采摘機器人具有重要的意義。 研究和開發(fā)果蔬收獲的智能機器人技術對于解放勞動力、提高勞動生產效率、降低生產成本、保證新鮮果蔬品質，以及滿足作物生長的實時性要求等方面都有著重要的意義。采摘機器人是未來智能農業(yè)機械化的發(fā)展方向，具有廣闊的應用前景。2004年11月1日頒布施行的《中華人民共和國農業(yè)機械化促進法》還明確規(guī)定國家采取措施鼓勵，扶持農業(yè)機械化的發(fā)展，機械采摘取代手工作業(yè)是必然的發(fā)展趨勢。 0.2國外水果機械化采摘裝置研究進展及現(xiàn)狀 水果的機械化收獲技術已有40余年的研究歷史。收獲作業(yè)的自動化和機器人的研究始于20世紀60年代的美國，1968年美國學者Schertz和Brown首次提出應用機器人技術進行果蔬的收獲，當時開發(fā)的收獲機器人樣機幾乎都需要有人的參與，因此只能算是半自動化的收獲機械。采用的收獲方式主要是機械震搖式和氣動震搖式，其缺點是果實易損，效率不高，特別是無法進行選擇性的收獲。 從20世紀80年代中期開始，隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展，特別是工業(yè)機器人技術、計算機圖像處理技術和人工智能技術的日益成熟，以日本為代表的西方發(fā)達國家，包括美國、英國、法國、荷蘭、以色列、西班牙等國家，都在水果采摘機器人方面做了大量的研究工作，涉及到的研究對象主要包括甜橙、蘋果、櫻桃、甜瓜、葡萄、草莓等，試驗成功了多種具有人工智能的收獲采摘機器人。應用機器人技術進行水果的自動化收獲得到了快速的發(fā)展。 法國是研究果蔬采摘機器人較早的國家之一，但由于技術、市場和價格等因素的影響，甜橙和蘋果采摘機器人已經停產，采摘機器人的研究工作基本陷于停頓。美國在自動化收獲機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器人研究項目，進展很快，但還未能真正實現(xiàn)商業(yè)化。荷蘭收獲機器人的研究工作走在很多國家的前面，但研究的果蔬種類并不多。 0.3我國水果機械化采摘裝置研究進展 我國的國家專利中有上百種的水果采摘器，包括機械式、電動式、氣動式的果品采摘器，其中有的實現(xiàn)單方向的水果采摘，有的可改變方向能實現(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。 我國在農業(yè)機器人領域的研究始于20世紀90年代中期，相對于發(fā)達國家起步較晚，果蔬采摘機器人的研究還處于起步階段。目前我國不少院校、研究所都在進行采摘機器人和智能農業(yè)機械相關的研究。東北林業(yè)大學的陸懷民研制了林木球果采摘機器人，它主要由5個自由度機械手、行走機構、液壓驅動系統(tǒng)和單片機控制系統(tǒng)組成。郭峰等運用彩色圖像處理技術和神經網絡理論，開發(fā)了草莓揀選機器人，采用氣動驅動器將草莓推到不同的等級方向。浙江大學的應義斌等人完成了水果自動分級機器人的研究開發(fā)。 0.4水果機械化采摘裝置發(fā)展方向 雖然水果的機械化作業(yè)最早可以追溯到上個世紀60年代，但由于簡單的機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行，此外市場對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效性。因此，在果蔬收獲中采用機器人作業(yè)，實現(xiàn)果蔬收獲的自動化和智能化，是解決上述問題的最好方式。 采摘水果的機器人有他自身的特點: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)機器人那樣要求高。果蔬采摘機器人操作者是知識水平較低的普通農民，不是具有機電知識的專門的技術人員。因此要求果蔬采摘機器人操作技術不能太復雜，必須具有很高可靠性和操作簡單的特點。另外，水果的生產業(yè)以個體經營為主，考慮到經濟效益，采摘器的價格不能太高，否則會就很難普及。 采摘機器人作為農業(yè)機器人的重要應用具有很大的發(fā)展?jié)摿?。日后的水果采摘機器人的研究工作必須朝以下方向發(fā)展:①能夠準確地識別和定位成熟果實，并且能引導末端執(zhí)行器準確的接近目標;②研制靈巧的、不傷果實的采摘機器人末端執(zhí)行器;③采摘機器人的行走機構必須適應田間的復雜環(huán)境;④視覺系統(tǒng)要迅速識別定位果實，控制系統(tǒng)和機械手臂系統(tǒng)必須做到迅速摘取;⑤增強機器人系統(tǒng)的通用性。相信在不久的將來，在不斷克服種種技術的阻礙后，水果采摘機器人會得到廣泛地應用，水果的采摘將實現(xiàn)機械化。 1引言 1.1水果采摘裝置的研制背景 我國是農業(yè)大國，果樹業(yè)是農業(yè)的重要組成部分，果樹產值在我國農業(yè)(種植)中僅次于糧、菜居第三位。據(jù)農業(yè)部統(tǒng)計，2003年全國果樹總面積943.67公頃，總產量7551.5萬噸，皆居世界第一，且人均占有量48kg以上。柑桔1345萬噸(占世界柑桔總產量的l3%，居世界第三位，近20年來產量增長了8.43倍，是全球柑桔產量增長幅度最大的主產國)。蘋果2110萬噸(占世界總產量的25.2%)。梨979.8萬噸。 我國山區(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286萬公頃，占全國31%，果品總產量為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達到18.23萬公頃，總產量突破100萬噸，而重慶農業(yè)綜合機械化水平為僅12.23%。 近年來，為轉移農村勞動力，統(tǒng)籌城鄉(xiāng)經濟協(xié)調發(fā)展，促進農民增收，山區(qū)丘陵地區(qū)普遍把勞務輸出作為發(fā)展地方經濟、增加農民收入的一項重要舉措。伴隨著勞務進城的加快，大量壯勞動力外出務工，留在家的主要是老、弱、病、殘、婦女和兒童。水果的采摘期短，短期內勞動強度大，外出的壯勞動力不可能及時回來。高枝水果的采摘對人員的體力有較高要求，一般直接參與采摘作業(yè)的應是青壯年，手工采摘高枝水果還不能由一人完成。水果的采摘期短，短期內勞動強度大，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，勞動強度大，且效率低下。對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。國家標準GB3608-93《高處作業(yè)分級》明確規(guī)定:"凡在墜落高度基準面2m以上(含2m)有可能墜落的高處進行的作業(yè)稱為高處作業(yè)。"高枝水果有的已經遠遠高于2m，已經屬于高出作業(yè)范疇。國家規(guī)定高處作業(yè)使用高凳和梯子時，單梯只許上1人操作，支設角度以60度到70度為宜，梯子下腳要采取防滑措施，支設人字梯時，兩梯夾角應保持40度，同時兩梯要牢固，移動梯子時梯子上不準站人。使用高凳時，單凳只準站一個人，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，還應根據(jù)需要采取相應的安全措施。在沒有可靠的防護設施時，高處作業(yè)必須系安全帶，否則不準在高處作業(yè)。同時安全帶的質量必須達到以使用安全要求，并要做到高掛低用。但是實際上果農進行高枝的水果采摘時并沒有按照國家規(guī)定，也未采取任何安全防護措施。摘果時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，這種狀況很隨機不可預測。高處作業(yè)的大部分是青壯年，一般都是家庭的主要勞力。如果發(fā)生嚴重的跟骨關節(jié)內骨折，即使進行手術治療，也無法保證患者將來不出現(xiàn)創(chuàng)傷性關節(jié)炎及跟骨負重時疼痛，其勞動能力將嚴重受限，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、勞動強度大，高枝水果采摘還具有一定的危險性。 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濟收入。目前，我國各地方政府為增強地方經濟，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，保護了果農的果樹不受損壞。另外，果農可以少打矮壯素等農藥，生產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。 中華人民共和國第十屆全國人民代表大會常務委員會第十次會議于2004年6月25日通過，2004年11月1日頒布施行的《中華人民共和國農業(yè)機械化促進法》是為了鼓勵、扶持農民和農業(yè)生產經營組織使用先進適用的農業(yè)機械，促進農業(yè)機械化，建設現(xiàn)代農業(yè)而制定。2009年中央一號文件明確指出要加快研發(fā)適合丘陵山區(qū)使用的輕便農業(yè)機械，中國農業(yè)機械化事業(yè)呈現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展態(tài)勢。近年來，國家對農機化關鍵技術和裝備研制開發(fā)的扶持力度很大，"十五"期間中央財政直接投入的農機化科技攻關資金為2800萬元，"十一五"時期會超過1.4億元。 農業(yè)的根本出路在于機械化，是黨和國家各級政府，農機科研、生產、推廣部門始終堅持的方向。機械化水平是衡量農村農業(yè)發(fā)展水平的重要標志，是確保提高農村生產力，促進更多的勞動力轉移，徹底改變傳統(tǒng)的小農經濟耕作方式的前提和依據(jù)。機械手臂是目前在機械人技術領域中得到最廣泛實際應用的自動化機械裝置，在工業(yè)制造、醫(yī)學治療、娛樂服務、軍事以及太空探索等領域都能見到它的身影，農業(yè)方面的應用尚屬空缺。 《中華人民共和國農業(yè)機械化促進法》還規(guī)定國家采取措施，鼓勵和支持農業(yè)機械生產者增加新產品、新技術、新工藝的研究開發(fā)投入，并對農業(yè)機械的科研開發(fā)和制造實施稅收優(yōu)惠政策。國家支持有關的科研機構和院校加強農業(yè)機械化科學技術研究，根據(jù)不同的農業(yè)生產條件和農民需求，研究開發(fā)先進適用的農業(yè)機械，支持農業(yè)機械科研、教學與生產、推廣相結合，促進農業(yè)機械與農業(yè)生產技術的發(fā)展要求相適應。隨著我國制造業(yè)的高速發(fā)展和農業(yè)機械化普及程度的大幅提高，機械采摘取代手工作業(yè)是必然的發(fā)展趨勢。現(xiàn)階段的機械手存在兩種極端:一是含有自主行動功能的技術含量極高的類型，價格昂貴不適合丘陵地帶小型果園;一是基本屬于純機械式的，采摘器過于簡單，不利于提高生產效率，減輕操作者的勞動強度。目前急需一種介于兩者之間的，便于操作，價格低廉，效率較高的機械手臂。 水果采摘裝置可有效的解決勞動力分配，提高采摘效率，提高操作安全性，提高機械化水平，便于果樹管理，具有良好的市場前景。在《中華人民共和國農業(yè)機械化促進法》規(guī)定的國家政策鼓勵下，農業(yè)將進一步的朝著機械化方向發(fā)展。隨著我國制造業(yè)的高速發(fā)展和農業(yè)機械化普及程度的大幅提高，機械采摘取代手工作業(yè)是必然的發(fā)展趨勢。 1.2本設計的特點和目標 本課題將進行基于伸縮式機械手臂的水果采摘裝置的設計，構型簡單，操作方便。采用伸縮式機械手臂，手臂長度可調，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。采摘器采用電動機帶動到刀片轉動的方式切割果梗，操作時只需輕輕地握住手柄就能調整采摘器的方向，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入的接收裝置，再順著傳遞裝置，安全的到達地面。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。使用基于伸縮式機械手臂的水果采摘裝置可實現(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)果樹開的花都遠遠多于最后結成的果實。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%的花結的果實能達到成熟，就可以獲得豐收。開花結果過多，會導致養(yǎng)分供不應求，不僅影響果實的正常發(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，并使翌年減產造成小年。因此，除了由于果樹本身的調節(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，才能滿足生產上的要求，俗話說:"看樹定產，分枝負擔，均勻留果"，只有科學合理地疏果，才能減少養(yǎng)分消耗，提高坐果率和水果的品質。疏除方法一般用人工，也可用適當濃度的化學藥劑噴灑果樹，采用化學疏除，采用人工疏除時利用基于伸縮式機械手臂的水果采摘裝置能方便的進行蔬果，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。 基于伸縮式機械手臂的水果采摘裝置有很強的兼容性。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機換為位功率更大的，圓形鋸盤換更大的，就可以進行果樹的修枝。采摘器裝置還可該為農藥噴頭，噴頭可在機械手臂的控制下，實現(xiàn)方向的轉變，可全方位的對果樹噴灑農藥。 1.3本設計的內容和技術參數(shù) 設計內容: (1)伸縮式機械手臂:手臂簡單自如地轉向和收縮; (2)采摘器:實現(xiàn)各個方向水果準確安全的采摘; (3)接收裝置:實現(xiàn)解決果實從高處落下收集到指定的位置; (4)傳送裝置:果實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。 技術參數(shù): (1)果樹高度約3m， (2)采摘水果是球形的，直徑是3cm≤D≤10cm。 2基于伸縮式機械手臂的水果采摘裝置的總體設計 基于伸縮式機械手臂的水果采摘器是一種實用新型的設計，是一種解決人們采摘高處水果難而創(chuàng)新設計的工具，因其用途的特殊性，其總體設計因追尋以下兩大原則:(1)可操作性原則:果蔬采摘機器人操作者是知識水平較低的普通農民，不是具有機電知識的專門的技術人員，因此要求果蔬采摘機器人操作技術不能太復雜，必須具有很高可靠性和操作簡單的特點。(2)經濟性原則:在可操作性原則的基礎上，應最大限度的控制成本。水果的生產業(yè)以個體經營為主，考慮到經濟效益，采摘器的價格不能太高，否則會就很難普及。 2.1總體思路 基于伸縮式機械手臂水果采摘裝置，其特征是它結構簡單，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。它由伸縮式機械手臂，采摘器(包括旋轉機構，采摘機構)，接收裝置，傳送裝置，手持固定部分組成。 伸縮式機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管組成，由箍環(huán)連接，可實現(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，手臂下端和手持固定部分連接。 采摘器是由旋轉機構和采摘機構組成。旋轉機構機構一端由閘繩，控制手柄與伸縮手臂活動鏈接，另一端由旋轉盤與采摘機構的電動機固定連接，而旋轉盤的另一端由旋轉軸與采摘器頭活動鏈接，旋轉機構的設計原理和工作原理都類似于自行車的手閘系統(tǒng)。采摘機構由采摘頭，電動機，圓形鋸盤組成。采摘頭一端與機械手臂相連，另一端與旋轉盤活動鏈接，圓形鋸盤固定連接在電動機轉軸上。 接收裝置由類似籃球籃網的結構構成，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有搭扣與伸縮式機械手臂連接，保證果實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構與伸縮手臂下端連接， 下圖為基于伸縮式機械手臂水果采摘裝置的結構示意圖，其中1-圓形鋸盤、2-電動機、3-旋轉盤、4-鋼絲定位線固定頭、5-鋼絲定位線、6-閘繩固定節(jié)、7-旋轉軸、8-閘繩固定節(jié)、9-采摘頭、10-活動結、11-閘繩固定節(jié)、12-內管、13-箍環(huán)、14-外管、15-閘繩、16-閘繩固定節(jié)、17-復位彈簧、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基于伸縮式機械手臂水果采摘裝置的結構示意圖 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，并握住內管12的前端將其從外管14中抽出，等到伸縮式機械手臂的總長度，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)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，移動機械手臂靠近需要采摘的水果時，目測水果的方向，緩緩的捏緊控制手柄18使得圓形鋸盤1在旋轉盤3的帶動下旋轉到與水果的果蒂相垂直。另一手按下電源開關，電動機2就會帶動圓形鋸盤1高速轉動，切斷果蒂。所采摘的水果掉進圓形口的接收裝置25，再順著傳遞裝24置，安全的到達地面。完成整個水果采摘過程，松開控制手柄18，在復位彈簧17的作用下，旋轉機構回到最初的位置?；谏炜s式機械手臂水果采摘裝置操作簡單，采摘水果速度快，采摘水果完好，保質保量。 3采摘器的設計 3.1采摘器常見種類 綜合目前所有國內的關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。要實現(xiàn)剪切果實的功能，可以有多種功能原理實現(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。按其采摘器的驅動力方式可將其分為機械式、電動式、氣壓式等。 對于水果的采摘方式，多數(shù)的采摘機器人采用用刀剪斷果莖或直接用手爪擰斷果莖。采摘機器人在設計末端執(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，大多數(shù)的采摘機器人都在接觸果實的手指內側部位采用尼龍或橡膠材料。手指的數(shù)量和形狀的設計與所要采摘的果實有密切的關系。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雜。所以在設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器人。荷蘭的農業(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生高溫，可防止植物的感染田。日本的三重大學開發(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水果的采摘機器人。這種機器人對于采摘果莖長度較長的的果實時效果是比較好。還有一種采摘機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、聚焦透鏡、減速器、聯(lián)接與支承部件組成，由聚焦透鏡實現(xiàn)激光束的聚焦，通過直流伺服電機帶動聚焦透鏡的轉動，以實現(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雜性和對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)點與缺點。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，且對果實及枝條的傷害較大。抓拉式的結構簡單、操作方便，但同樣對果實及枝條傷害極大。剪切式結構簡單，操作方便，對果實及枝條的傷害極小，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。機械式的雖然結構簡單，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，但生產成本較高。氣壓式整體輕便，不污染環(huán)境，能源豐富但是結構復雜，氣壓技術復雜。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，結構簡單，操作方便，對果實及枝條的傷害極小，且能減輕力氣，可調節(jié)方向的設計可以很好的滿足定位要求，對于各個方向的水果都能實現(xiàn)可靠安全的采摘。 3.3采摘器的設計 采摘器包括旋轉機構和采摘機構組成。采摘機構由采摘頭，電動機，圓形鋸盤組成。采摘頭一端與機械手臂相連，另一端與旋轉盤活動鏈接，電動機與旋轉機構的旋轉盤固定連接，圓形鋸盤固定連接在電動機的轉軸上。 旋轉機構機構一端由閘繩，控制手柄與伸縮手臂活動鏈接，另一端由旋轉盤與采摘機構的電動機固定連接，而旋轉盤的另一端由旋轉軸與采摘器頭活動鏈接。旋轉機構的設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。旋轉機構可調節(jié)圓形鋸盤的方向，可采摘不同方向的水果，采摘準確方便，圓形鋸盤由電動機帶動，采摘果實速度快，采摘果實完好。 3.3.1尺寸計算 一、電動機的選用 電動機用于帶動圓形鋸盤切割果梗，果梗不算太硬，要求的功率不是很大，但當鋸片靠近時水果的果梗是，水果會有遠離刀片方向的運動，為了順利切下水果就需要電動機具有很高的轉速。為了達到節(jié)能安全，使用方便，該電動機選用直流電動機。直流電動機具有調速性能好和啟動轉矩大的優(yōu)點。所謂"調速性能"是指電動機在一定負載的條件下，根據(jù)需要，人為地改變電動機的轉速。直流電動機可以在重負載條件下，實現(xiàn)均勻、平滑的無級調速，而且調速范圍較寬。起動力矩大，可以均勻而經濟地實現(xiàn)轉速調節(jié)。 根據(jù)經驗采摘水果，如蘋果、桃、梨、柑橘等，電動機的功率5W左右，轉速在5000r/min以上就能達到使用要求。綜上該采摘器選用的電動機是深圳市金順來特科技有限公司生產制造的RS-380PH3270(*1)型號的12V直流電動機。實物圖如下: 圖3.1電動機實物圖 Fig.3.1MotorrealfigureRS-380PH3270(*1)型號的12V直流電動機的具體參數(shù)外形尺寸如下圖所示: 圖3.2RS-380PH3270(*1)型號直流電動機的參數(shù) Fig.3.2RS-380PH3270(*1)modelfordcparametersRS-380PH3270(*1)型號的12V直流電動機的質量為155克，空載時的轉速為16400r/min，額定負載時的轉速為14110r/min，轉矩為13.0mN.m，功率為19.2W。電動機滿足使用要求 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，鋸片內孔直徑為5mm，厚度為0.8mm。 鋸片的實物圖如下圖所示: 圖3.3鋸片實物圖 Fig.3.3sawbladerealfigure 鋸片可焊接在電動機轉軸上，電動機接通電源轉動時，帶動圓形鋸盤轉動實現(xiàn)切割。 3.3.2采摘器的強度校核計算 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，須作以下幾點假設: (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(電動機的扭矩為13.0mN.m); (4)所有內外載荷均通過截面的形心(忽略局部扭轉產生的影響)。 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 Fig.3.5cantileverbeammodel 圖中，F(xiàn)為采摘頭的總重量和切割水果的力之和，由于切割水果是轉矩不大，計算時可忽略。根據(jù)采摘器的結構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際過程中，并不是處于理想狀態(tài)，所受的力產生的最大彎矩，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: 抗彎截面系數(shù) ，此處材料為工程塑料抗彎強度強度為。 結論:采摘頭材料及尺寸結構滿足強度要求。 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機構和采摘機構的構造，需要繪制出采摘器的實體模型圖。這里采用了比較流行的Pro/Engineer軟件。Pro/Engineer是美國PTC公司研制的一套由設計至生產的機械自動化軟件，是新一代產品造型系統(tǒng)，是一個參數(shù)化、基于特征的實體造型系統(tǒng)，并且具有單一數(shù)據(jù)庫功能。Pro/Engineer是一種采用參數(shù)化設計的、基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設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計者提供了在設計上從未有過的簡易和靈活。Pro/Engineer是目前計算機輔助設計中最為專業(yè)的軟件之一。 3.4.2繪圖方法 該采摘器的結構較簡單，Pro/Engineer繪制實體模型圖時，選擇好基準，合理控制尺寸，采用旋轉、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機械手臂的設計 4.1機械手臂的種類 機械手臂雖然有很各種各樣的結構形態(tài)，但是它們有一個共同的特點，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來進行作業(yè)，完成指定動作。目前在工業(yè)制造、醫(yī)學治療、娛樂服務、軍事以及太空探索等領域都能見到機械手臂的身影。 圖4.1機械手臂 Fig.4.1mechanicalarm 機械手臂根據(jù)結構形式的不同分為多關節(jié)機械手臂，直角坐標系機械手臂，球坐標系機械手臂，極坐標機械手臂，柱坐標機械手臂等。水平多關節(jié)機械手臂一般有三個主自由度，Z1轉動，Z2轉動，Z移動。通過在執(zhí)行終端加裝X轉動，Y轉動可以到達空間內的任何坐標點。直角坐標系的機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轉動，Y轉動，Z轉動可以到達空間內的任何坐標點。下圖為常見的六自由度機械手臂，它有X移動，Y移動，Z移動，X轉動，Y轉動，Z轉動六個自由度組成。 圖4.2機械手臂 Fig.4.2mechanicalarm 對于工業(yè)應用來說，有時并不需要機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。直角坐標系機械手臂可以由單軸機械手臂組合而成。在產業(yè)機器人中，單軸機械手臂作為一個組件在工業(yè)中應用廣泛。單軸機械手臂看似簡單，只在單一方向往復運動，但在實際應用上功能各異，種類繁多。單軸機械手臂的驅動方式有:滾珠螺桿、時規(guī)皮帶、齒輪齒條、液壓缸、氣缸等。 下圖為銀光機械(VinkoMachine)生產的單軸機械手臂。單軸機械手臂的組件化大大降低了工業(yè)設計的成本，因專業(yè)制造商擁有良好的質量保證和批量生產的優(yōu)勢，使用組件比自行設計機械手臂更具優(yōu)勢。常見的直交機械手組合有懸臂式，龍門式，直立式，橫立式等樣式。 圖4.3VNKOBS-75單軸機械手 Fig.4.3VNKOBS-75uniaxialmanipulator 圖4.4VNKO多軸組合機械手 Fig.4.4VNKOmulti-axiscombinationmanipulator 韓國開發(fā)的蘋果采摘機器人使用極坐標機械手，絲杠關節(jié)可以上下移動，旋轉關節(jié)可以左右移動，從而使作業(yè)空間范圍達到3mt。20世紀80年代中期日本京都大學NoboruKawamura等人研制出5自由度關節(jié)型的機械尹I珥。但是試驗表明，這種機械手的工作空間并沒有包括所有果實的任何位置，且它的末端執(zhí)行器的可操作度比較低。到了20世紀90年代，日本崗山大學的NaoshiKondo等人通過深入研究番茄的生理、物理特性，分析機械手的工作性能，在NoboruKawamura等人基礎上，研制出了7個自由度的機械手臂。機械手的自由度數(shù)是衡量機器人性能的重要指標之一。它直接決定了機器人的運動靈活性和控制的復雜性。荷蘭農業(yè)環(huán)境工程研究所采用機械手的三維CAD模型很好的解決了機械手與莖桿的碰撞問題。美國佛羅里達大學開發(fā)了一種由兩個轉動副和一個滑動副構成的球形坐標機器人，這種機器人的攝像系統(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。 4.2機械手臂的選擇 本文設計的機械手臂是用于水果的采摘，考慮到生產實際的需要，為了便于其在果樹間的運動，采用最簡單的單軸伸縮式機械手臂，即為兩根套在一起的同心不銹鋼外管和內管，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節(jié)，增強實用性。平時不用時可伸縮至最短的長度放置，節(jié)約空間。 4.3機械手臂的設計 伸縮式機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管組成，其中外管的內徑等于或略小于內管外徑。箍環(huán)安裝在外管的前端口上，其能夠將外管和內管相互固定在一起，可實現(xiàn)手臂自由的伸縮和緊固。伸縮式機械手臂的整個結構就同市面上銷售的伸縮式拖把桿或掛衣桿結構。 采摘水果前，操作人員可以先按需要將箍環(huán)打開，并握住內管的前端將其從外管中抽出，等到伸縮式機械手臂的總長度，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)。 4.3.1尺寸計算 采摘水果的果樹的高約為三米，內外管長度為內管為一米，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，內管能滿足套住外管，外管的內徑等于或略小于內管外徑。內管的外徑選用直徑為23mm，厚度為1mm。 4.3.2材料選擇 伸縮式機械手臂在工作過程中，主要為手持控制，所以它的設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，內外管的材料為304不銹鋼，表面處理為不銹鋼拉絲色。 內外管的實物圖如下: 圖4.5內外管實物圖 Fig.4.5internalandexternaltuberealfigure4.3.3強度校核 伸縮式機械手臂的結構示意圖如下圖所示: 圖4.6伸縮手臂示意圖 Fig.4.6telescopicarmschemes 據(jù)圖4.6所示，為了進一步確定伸縮式機械手臂的選用是否符合實際操作，須作以下幾點假設: (l)機械手臂為細長桿件，校核其穩(wěn)定性，因為細長桿件常出現(xiàn)形式失效，并非強度不夠，而是穩(wěn)定性不夠; (2)機械手臂的受力集中在細管的正上方，整個結構簡化為一端固定一端自由的細長桿，以內管尺寸計算; (3)采摘水果時的扭矩彎矩太小均忽略不計; (4)所有內外載荷均通過截面的形心(忽略局部扭轉產生的影響)。 因此機械手臂的受力可以簡化為圖4.7的細長壓桿模型。 圖4.7壓桿模型 Fig.4.7levermodel 圖中F為伸縮式機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。 伸縮式機械手臂的材料為304不銹鋼(0Cr18Ni9不銹鋼)，304不銹鋼的抗拉強度≥520MPa,，條件屈服強度≥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(取內管的值)則截面的慣性半徑 柔度為 因為，所以歐拉公式適用于校核伸縮式機械手臂的穩(wěn)定性。 伸縮式機械手臂的截面慣性矩為: 計算出伸縮式機械手臂的臨界壓力為: 伸縮式機械手臂的工作安全因數(shù)為 所以滿足穩(wěn)定要求。 結論:伸縮式機械手臂材料及尺寸結構滿足強度要求和穩(wěn)定性要求。 4.4軟件建模 4.4.1繪圖方法 該伸縮式機械手臂結構較簡單，Pro/Engineer繪制實體模型圖時，選擇好基準，合理控制尺寸，采用旋轉、拉伸、掃描等常規(guī)方法，即可完成。 4.4.2機械手臂效果圖展示 圖4.8機械手臂效果圖 Fig.4.8mechanicalarmrendering5接收傳送裝置的設計 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地面，必須設計接受傳送裝置。 5.1設計原則 接收裝置由類似籃球籃網的結構構成，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有搭扣與伸縮式機械手臂連接，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。 5.2材料選擇 接收裝置的環(huán)為橢圓形由鋼絲制成，輸送裝置有軟質布料制成，類似于高樓救生員救生時使用的柔性滑道。 5.3尺寸設計 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動，則接收裝置的直徑要選用的大一點直徑設為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手持固定部分的設計 基于伸縮式機械手臂是用于手持，伸縮式機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，所以特別設計手持固定部分。當此采摘器安裝在別的地方時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。 小肘固定套實物圖如下圖所示: 圖6.1小肘固定套實物圖 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構與伸縮手臂下端連接。通過小肘固定套可以達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。 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 基于伸縮式機械手臂的水果采摘裝置，是介于含有自主行動功能的技術含量極高且價格昂貴的機器人類型和基本屬于純機械式的過于簡單的采摘器兩者之間的一種采摘裝置。它構型簡單，操作方便，價格低廉，效率較高。采用伸縮式機械手臂，手臂長度可調，適合多種高枝水果，且便于攜帶，采摘器采用電動機帶動到刀片轉動的方式切割果梗，采摘水果速度快，節(jié)省勞動力，且采摘器的方向可調節(jié)，適合各種位置的高枝水果，采摘水果完好，保質保量，是一種值得推廣的實用新型的設計。 通過這段時間的設計，我的感受很深。尤其是在最初的設計階段，由于自己理論知識不夠系統(tǒng)和豐富，加之缺乏設計思路，使得進展比較緩慢。幸運的是之后，在老師的悉心指導下，我逐漸的學會了獨立的查閱資料，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，但認真思考后就會發(fā)現(xiàn)存在很多不足之處。如此反復思考，校對才完成了本次設計任務。 本設計中有些結論的得出，本應該進行細致的計算和分析，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，設計中難免有疏忽與錯誤等不足之處，望廣大老師同學給予批評指正。 參考文獻 [1]楊敏麗.中國農業(yè)機械化與提高農業(yè)國際競爭力研究[D].北京:中國農業(yè)大學,2003. 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