水果采摘辅助装置设计分析

2016/2017学年第二学期学生第二次大作业论文课程名称技术设计思维课题草莓采摘辅助装置的设计研究学院专业年级学号姓名任课教师日期：2017年6月11日草莓采摘辅助装置的设计研究目录1.绪论........................................................11.1工作环境和作业要求..................................................11.2草莓采摘机器人国内外发展状况........................................21.2.1国外研究现状...................................................21.2.2国内研究现状..................................................31.3研究的目标和内容....................................................31.3.1研究目标......................................................31.3.2研究内容......................................................42.草莓采摘机器人机械本体设计..................................43.草莓采摘机器人五自由度机械臂设计.............................53.1采摘机器人机构选型原则..............................................53.2机械臂的设计........................................................63.2.1设计要求......................................................63.2.2机械手臂的选择................................................63.3机械手手腕的设计....................................................73.3.1手腕设计的基本要求............................................73.3.2草莓采摘机械手手腕的结构型设计................................73.4机械手的结构型式....................................................83.5机械手运动学方程的建立..............................................83.5.1正运动学模型..................................................83.5.2逆运动学模型.................................................114.草莓采摘机器人末端执行器设计...............................134.1末端执行器介绍.....................................................134.2末端执行器的分类...................................................144.3夹持式末端执行器的选型.............................................144.3.1夹持式末端执行选择的基本要求.................................154.4末端执行器的结构型式和工作原理.....................................154.4.1整体结构.....................................................154.4.2工作原理.....................................................164.5主要部件设计.......................................................164.5.1传动部分设计.................................................164.5.2抓取和切断机构设计...........................................175.结论与建议.................................................175.1结论...............................................................175.2工作展望和建议.....................................................18参考文献...........................................................................................................................................................18草莓采摘辅助装置的设计研究第1页共20页草莓采摘辅助装置的设计研究摘要：随着草莓种植的推广。国内草莓种植面积迅猛增加，收获劳动力不足。严重制约草莓种植的发展，因此有必要进行智能草莓采摘机器人研究，来替代人来完成该项费时、费力的采摘工作。草莓采摘机器人要求能自动检测成熟草莓的位置信息，然后根据这些信息控制机器人的执行机构动作，实现草莓采摘的自动化。本文首先综合叙述了草莓生产现状以及草莓采摘机器人国内外研究状况，再根据国内北方地垄式草莓种植的情况，设计出草莓采摘机器人机械本体，提出一种五自由度关节型草莓采摘机械手臂，五个自由度分别为：腰转、肩转、肘转、腕转和腕摆，并开发了一种末端执行器的结构形式，该末端执行器主要由伺服电机、曲柄滑块机构、动夹、镍铬电热丝组成，不以草莓果实作为抓取目标，而是夹切草莓果柄，不伤害果实，同时采用镍铬电热丝切割果柄可以防止切口感染细菌而腐烂，影响果实品质。与此同时，还在solidworks中构建了草莓采摘机器人、末端执行器的三维模型，还生成了相关重要部件的工程图，便于后期的使用。关键字：草莓采摘机器人，机械本体，五自由度草莓采摘机械手臂，末端执行器1.绪论草莓在世界绝大多数地区都有种植，因其甜美的味道及丰富的营养价值，颇获大家喜欢。其中我国草莓种植面积达10万公顷。然而为了保证草莓的外观品质和营养价值，必须在收获季节每天早晚时刻挑选并采摘草莓果实。其劳动强度之大，成本之高，约占草莓种植生产成本的四分之一。因此减轻劳动强度，降低生产成本，成了草莓收获的重中之重。日本率先研制出以高架栽培为种植模式的草莓采摘机器人［1]，Kondo等人于2010年研制的草莓采摘机器人单循环作业用时11.5s，采摘成功率约41.3%。国内徐丽明、张铁中等人针对垄作式草莓种植的自动化采摘设备进行了研究[2]。不过上述自动化采摘设备在机械手爪定位精度，采摘作业效率，果实无损采摘等方面距离实际需要还有一定不足。本文针对地垄栽培模式下草莓的生长方式，对草莓收获机器人的主要组成单元——采摘机器人机械本体、机械手臂和机末端执行器进行研究并设计模型，达到对一定范围内成熟草莓进行无损伤采摘。1.1工作环境和作业要求我国大多数草莓种植是垄作栽培模式，地垄截面成等腰梯形，垄顶宽400mm，垄底宽600mm，高250mm[3]。草莓植株生长于垄顶部，果实长出后伏在垄侧面，成熟草莓果实上方一段果柄与垄侧壁有10～20mm间隙，相邻两垄间为宽度约500mm的垄沟(图1-1)。本文要求在现有农艺条件下，设计出合适尺寸的车身模型，设计出可以达到垄面一定范围的机械手，以及可以高效且少伤果实的末端执行器。草莓采摘辅助装置的设计研究第2页共20页（a）(b）(a)草莓田实景(b)地垄截面1垄沟2地垄3果柄4草莓果实5垄侧面图1-1垄作栽培模式下的草莓田间环境1.2草莓采摘机器人国内外发展状况1.2.1国外研究现状国外自动化采摘设备发展十分迅速。自从1983年在美国诞生了第一台西红柿采摘机器人，采摘机器人的开发和研究已经有二十多年的历史，期间摘苹果、柑桔、西红柿、西瓜和葡萄等机器人相继在日本和欧美等多家研制成功。对于草莓采摘机器人的研究，目前处于初级阶段。1）日本Kondo等人针对草莓的不同栽培模式（高架栽培模式和传统栽培模式）研制出了相应得采摘机器人[4]。高架栽培模式由于适合机器人作业被越来越多地采用，该机器人采用5自由度采摘机械手，视觉系统与西红柿采摘机器人类似，机械手采用真空系统和切割器组成。收货时，由视觉系统计算采摘目标的空间位置，接着采摘机械手移动到预定35421草莓采摘辅助装置的设计研究第3页共20页位置，机械手向下移动直到把草莓吸入；由光电开关检测草莓的位置，当草莓位于合适位置时，腕关节移动，果梗进入指定位置，由切割器旋转切断果梗，完成采摘。2）日本宫崎大学研制设计了高地隙跨垄作业4自由度的草莓收获机器人[5]。该机器人采用两个CCD照相机获取草莓的图像，计算出草莓的中心方向，用激光传感器测量手爪到草莓的距离，通过采用两个直的手指来抓取草莓果柄，避免了对果实的伤害。采用切刀切断果柄。1.2.2国内研究现状1）草莓选果机[6]。栃木县农业试验场开发了非常实用的草莓选果机。该设备可根据每一个草莓的含糖量和果实大小进行选择，并可以把选好的草莓装入塑料袋内，整个过程是全自动作业，每小时可分选草莓5300多公斤。南京农业大学运用双目立体视觉技术，对图像的二维直方图进行腐蚀、膨胀、去除小团块，用拟合曲线实现彩色图像的分割，既而分离果实，并将二维图像恢复成三维坐标，实现了果实定位[7]。2）浙江大学梁喜凤等人对采摘机器人的机械手做了一定的研究，提出了评价采摘机械手工作性能的性能指标；工作空间、可操作度、避障能力、冗余空间与姿态多样性。3）中国农业大学应用草莓图像的彩色模型中的特定通道信息，对成熟草莓进行了识别，并初步建立了桥架式直角坐标机器人，还在水果采摘机器人三维视觉系统的过程中，提出了一种基于果实表面颜色色彩空间参照表的果实目标识别新方法，使计算机系统适用多种果实[8]。目前，草莓采摘机器人的智能水平还很有限，不管是国内还是国外的草莓采摘机器人，离商品化和实用化还有一定的差距。差距如下：1）没有设计出合理的末端执行器，抓取过程中容易损伤草莓的果皮；2）没有设计出理想的机械手，很难达到有效的采摘范围；3）采摘效率不高，误差大。1.3研究的目标和内容1.3.1研究目标目前研制草莓采摘机器人用于国内棚载草莓的收获，使其具有使用价值，需要在以下两个方面进行努力：1）研究结构合理，柔韧度高，不伤果皮的末端执行器；2）研究结构简单，覆盖范围广的机械手臂；3）制定出高效的采摘方案，使采摘效率要高于人工采摘效率。草莓采摘辅助装置的设计研究第4页共20页针对以上三点，本文将选择产量高、规模大的北方温室大棚垄作栽培的草莓为研究对象，对草莓采摘机器人进行设计和研究。1.3.2研究内容本文对草莓采摘机器人的设计和研究包括以下几个方面：1）机械本体设计；2）五自由度机械手臂设计；3）末端执行器设计。2.草莓采摘机器人机械本体设计根据上述工作环境和作业要求，草莓栽培温室具有温度高、沟垄窄而面不平整、垄面低矮等特点，标准温室沟垄略宽且平整，垄面也略高一些。基于这些特点，草莓采摘机器人要求做到以下