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蘋果采摘簡易機械手設(shè)計說明書 一、引言 近年來，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)機構(gòu)的調(diào)整，林果生產(chǎn)已經(jīng)成為很多地區(qū)經(jīng)濟發(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，從而果園機械化日益重要。果園收獲機械的發(fā)展，可以減輕果農(nóng)的勞動強度，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約勞動成本，提高經(jīng)濟效益。由于我國果園作業(yè)機械研究起步較晚，基礎(chǔ)相對較差，因此，果園作業(yè)機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)特點研究相應的作業(yè)機械，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)比較復雜，季節(jié)性很強，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致經(jīng)濟上的損失。使用采摘機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)濟效益，因此提高采摘作業(yè)機械化程度有重要的意義。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械化生產(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械手來解決此問題。 二．項目設(shè)計的內(nèi)容 （1）果蔬收獲機器人作業(yè)環(huán)境和工作對象的特殊性 工業(yè)領(lǐng)域是機器人技術(shù)的傳統(tǒng)應用領(lǐng)域.由于在工業(yè)生產(chǎn)中,機器人的工作位置和障礙往往都能夠事先預知,因此機器人的性能能得到很好的體現(xiàn)。和工業(yè)機器人相比,果蔬收獲機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。在這種復雜多變的環(huán)境條件中,機器人必須具有智能化的傳感、規(guī)劃和控制能力,要有很強的自適應能力。 (2)作業(yè)對象的個體差異和隨機分布性果蔬收獲機器人的首要任務是識別和定位水果,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,如刮風可能導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械損傷,因此必須小心處理.這需要從機器人結(jié)構(gòu)、傳感器、控制系統(tǒng)等方面加以協(xié)調(diào)和控制。 (4)收獲機器人成本方面的特殊性農(nóng)業(yè)機器人要想成功地應用,其成本必須低于同樣結(jié)構(gòu)的工業(yè)機器人,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采摘機器人的制造成本高、應用推廣難 果蔬采摘機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。另外采摘機器人的使用和維護都需要相當高的技術(shù)水平和費用。只有當其使用成本低于人工收獲成本時,采摘機器人才會真正被普及。因此,成本問題將成為制約采摘機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,解除限制采摘機器人發(fā)展的因素,可以從以下幾個方面加強探索與研究: (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行更深入的研究。 (2)可以研究適合采摘機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)化和復雜性,便于采摘機器人的視覺定位和移動。 (3)機械結(jié)構(gòu)直接決定機器人運動的靈活性、平穩(wěn)性和控制的復雜性。采摘機器人結(jié)構(gòu)必須更加緊湊和簡化,優(yōu)化機器人結(jié)構(gòu)。提高機械手和末端執(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),提高采摘機器人的通用性。只要改變機器人的機械本體和末端執(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行設(shè)計。數(shù)據(jù)測量：由于此機構(gòu)在設(shè)計初期，無準確數(shù)據(jù)，故本人用鐵絲模擬制作了一個蘋果采摘機械手，來確定相應角度和尺寸比例。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 設(shè)計此機構(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行采摘，既方便又安全。 2設(shè)計方法 設(shè)計此運動機構(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面，按引導線切除10mm，在確定小圓d=6mm，按大圓環(huán)的引導線掃描10mm。 上圖右側(cè)與圓環(huán)基準線相交且與左側(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，給定一路徑進行掃描。在a桿下面，確定兩基準面，以底部向上12mm,進行切除。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. 機構(gòu)整體分析 a. 省力，易操作。將原動力加于機械爪和圓環(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。使得機械爪始終是張開的。 b. 高空作業(yè)，無需重復。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，它的功能非常強大，在今后的學習中我們還要繼續(xù)并不斷深入的學習這個軟件。 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。 4.果蔬收獲是一個季節(jié)性強的勞動密集型工作,由于勞動力的高齡化和人力資源越來越缺乏,采用機器人進行果蔬的自動化收獲變得越來越迫切。但由于收獲機器人的工作環(huán)境往往是非結(jié)構(gòu)性的、未知的和不確定的,因此給機器人的實際應用帶來了很大的困難。要成功地實現(xiàn)機器人的智能化收獲,必須要在機器人的本體設(shè)計、果實的自動化識別和定位、機器人運動規(guī)劃和控制技術(shù)等方面進行深入的研究。