方形物件液壓機械手設(shè)計

基于液壓驅(qū)動的果實采摘裝置的設(shè)計目錄目錄11 緒 論21.1 課題研究意義21.1.1課題研究意義21.2果實采摘機器人發(fā)展概況21.2.1國外研究成果及現(xiàn)狀21.2.2國內(nèi)研究進(jìn)展71.2.3研究中存在的問題72 果實采摘裝置機身結(jié)構(gòu)設(shè)計102.1采摘裝置結(jié)構(gòu)選型102.2.1采摘裝置的選型原則102.2.2采摘裝置的選型定論112.2采摘裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計112.2.1地面運動部分設(shè)計122.2.2腰部旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計122.2.3升降機構(gòu)設(shè)計142.2.1伸縮機構(gòu)設(shè)計163 果實采摘裝置末端執(zhí)行器的設(shè)計173.1 果實采摘裝置末端執(zhí)行器研究進(jìn)展173.1.2國內(nèi)研制的末端執(zhí)行器概述183.2 果實采摘裝置末端執(zhí)行器機構(gòu)設(shè)計193.2.1果實采摘裝置末端執(zhí)行器機構(gòu)選型原則193.2.1果實采摘裝置末端執(zhí)行器機構(gòu)選型定論193.2.2果實采摘機器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)的設(shè)計204 液壓傳動部分和傳感器控制系統(tǒng)的設(shè)計224.1 液壓系統(tǒng)224.1.1液壓系統(tǒng)簡介224.1.2液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)234.1.3液壓系統(tǒng)的優(yōu)缺點234.2換向閥的設(shè)計234.4液壓缸的設(shè)計244.4.1液壓缸類型的選擇244.4.2液壓缸尺寸的選擇254.4.3液壓的分流設(shè)計274.5 傳感器控制系統(tǒng)的設(shè)計28總 結(jié)29致 謝30參考文獻(xiàn)311 緒 論1.1 課題研究意義1.1.1課題研究意義我國是一個農(nóng)業(yè)大國，要實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，農(nóng)業(yè)裝備的機械化、智能化是發(fā)展的必然趨勢。隨著計算機和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，機器人已逐步進(jìn)入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中。農(nóng)業(yè)機器人不同于工業(yè)機器人，它對生產(chǎn)作業(yè)的要求較高，都是勞動密集型作業(yè)，再加上季節(jié)的要求，保證作業(yè)質(zhì)量就成為關(guān)鍵的問題。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，世界各國均面臨人口老齡化問題，農(nóng)業(yè)勞動力逐漸向其他行業(yè)轉(zhuǎn)移，勞動力不僅成本高而且還不容易得到。果實采摘作業(yè)是果實生產(chǎn)中最耗時、最費力的一個環(huán)節(jié)，采摘作業(yè)的季節(jié)性強，勞動強度大，費用高。其收獲又屬于勞動密集型作業(yè)，果實收獲期間需投入的勞力約占整個生產(chǎn)過程的50%一70%。而且在果實收獲作業(yè)過程中，人工收獲經(jīng)常需要彎腰或借助梯子登高。因此果實收獲作業(yè)不僅是一項勞動強度大、消耗時間長，而且是具有一定危險性的勞動作業(yè)。隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，人們也急需要從這種高強度高危險性的勞動中解脫出來。因此實現(xiàn)果實收獲的機械化變得越來越迫切，研究農(nóng)業(yè)果實采摘機器人具有重要的意義。在我國，果實栽培有著悠久的歷史，種類繁多，產(chǎn)量巨大，但截止目前，果實的采摘作業(yè)都要靠人工來完成。因此，研究開發(fā)蘋果采摘機器人不僅可以減輕勞動強度、提高生產(chǎn)效率，而且具有廣闊的市場應(yīng)用前景。1.2果實采摘機器人發(fā)展概況果實機械化收獲技術(shù)已有30多年的研究歷史，最早的收獲方式主要是機械振搖式和氣動振搖式，其缺點是果實易損，效率不高，尤其無法進(jìn)行有選擇性的收獲。隨著果樹栽培方式的改變，人們開始用梯子、升降臺等設(shè)備輔助采摘水果，但勞動密集型的特點依然存在。因此，應(yīng)用機器人進(jìn)行水果的自動化采摘得到了快速的發(fā)展。1.2.1國外研究成果及現(xiàn)狀最早的機械采摘方法是采用機械振搖式和氣動振搖式，但果實容易損壞，效率不高，而且容易摘到不成熟的果實。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機器人在國外迅速發(fā)展起來。自從20世紀(jì)60年代（1968年）美國人Schertz和Brown提出用機器人采摘果實之后，對采摘機器人的研究受到廣泛重視，但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(jìn)行選擇性的收獲。20世紀(jì)80年代中期以來,隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展,特別是工業(yè)機器人技術(shù)、計算機圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的日益成熟,以日本為代表的發(fā)達(dá)國家,包括荷蘭、美國、法國、英國、以色列、西班牙等國家,在收獲采摘機器人的研究上做了大量的工作。1983年第一臺采摘機器人在美國誕收獲作業(yè)自動化和生，在以后20多年的時間里，日本及歐美等國家相繼研究了采摘蘋果、柑橘、番茄、葡萄和西瓜等的智能機器人。我國采摘機器人的研究起步雖然比較晚，但目前也逐步發(fā)展起來。如中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的張鐵中等人對草莓收獲機器人進(jìn)行了試驗性的研究，東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民研制了林木球果采摘機器人，上海交通大學(xué)正在進(jìn)行黃瓜采摘機器人的研究等。目前，比較典型的有番茄采摘機器人、草莓采摘機器人、葡萄采摘機器人及林木球果采摘機器人等。（1）西紅柿采摘機器人日本近藤(KONTO)等研制的番茄采摘機器人,由機械手、末端執(zhí)行器、視覺傳感器、移動機構(gòu)組成(如圖1-1所示)。該采摘機器人采用了7個自由度機械手。用彩色攝像機作為視覺傳感器,尋找和識別成熟果實,并采用雙目視覺方法對果實進(jìn)行定位,利用機械手的腕關(guān)節(jié)把果實擰下。移動系統(tǒng)采用4輪機構(gòu),可在壟間自動行走。該番茄采摘機器人采摘速度大約是15 s/個,成功率在70%左右。主要存在的問題是當(dāng)成熟番茄的位置處于葉莖相對茂密的地方時,機械手無法避開葉莖障礙物完成采摘。 圖1-1日本的番茄采摘機器人在2004年2月10日美國加利福尼亞州圖萊里開幕的世界農(nóng)業(yè)博覽會上,美國加利福尼亞西紅柿機械公司展出2臺全自動西紅柿采摘機(如圖1-2所示)。如果西紅柿單位面積產(chǎn)量有保證的話,那么這種長12.5m、寬4.3m的西紅柿采摘機每分鐘可采摘1 t多西紅柿,1 h可采摘70 t西紅柿。這種西紅柿采摘機首先將西紅柿連枝帶葉割倒后卷入分選倉,倉內(nèi)能識別紅色的光譜分選設(shè)備挑選出紅色的西紅柿,并將其通過輸送帶送入隨行卡車的貨艙內(nèi),然后將未成熟的西紅柿連同枝葉一道粉碎噴撒在田里作肥料。圖1-2美國的番茄采摘機器人（2）茄子采摘機器人日本國立蔬菜茶葉研究所與岐阜大學(xué)聯(lián)合研制了茄子采摘機器人。機器人由CCD機器視覺系統(tǒng)、5自由度工業(yè)機械手、末端執(zhí)行器以及行走裝置組成,作業(yè)對象是溫室中按照V形生長方式種植的Senryo-2號茄子。該機器人的末端執(zhí)行器設(shè)計復(fù)雜,包括4個手指、2個吸嘴、2個誘導(dǎo)桿、氣動剪子和光電傳感器(如圖1-3所示)。在實驗室中進(jìn)行了試驗,采摘成功率為62.5%,工作速度為64.1 s/個。影響成功率的主要原因是機器視覺系統(tǒng)對采摘位置的判斷不正確;同時,視覺系統(tǒng)占用了72%的工作時間(46.1 s),也是影響整個機器人采摘效率的主要因素。 圖1-3美國的番茄采摘機器人（3）甘藍(lán)采摘機器人日本國立農(nóng)業(yè)研究中心的Murakami等研制了甘藍(lán)采摘機器人,由極坐標(biāo)機械手、4個手指的末端執(zhí)行器、履帶式行走裝置和CCD機器視覺系統(tǒng)組成,整個系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(如圖1-4所示)。系統(tǒng)利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NN算法)提取果實的二值圖像,采用模板匹配的方法識別合格的甘藍(lán)。試驗表明,采摘的成功率為43%,工作速度為55 s/個。影響成功率的主要原因是光照條件的不穩(wěn)定、超聲波測距傳感器的誤差、葉子的遮擋以及機械故障等。圖1-4日本的甘藍(lán)采摘機器人（4）葡萄采摘機器人日本岡山大學(xué)研制出一種用于果園棚架栽培模式的葡萄收獲機器人,機械部分是一個具有5個自由度的極坐標(biāo)機械手,具有4個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(其中腰部1個、肩部1個、腕部2個)和1個棱柱型的直動關(guān)節(jié)(如圖1-5所示)。這種結(jié)構(gòu)使得機器人在葡萄架下行走時能夠有效地工作,旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可以以不同的速度旋轉(zhuǎn),直動關(guān)節(jié)可以采用簡單的控制方法來獲得較高的速度。為了提高使用率,更換不同的末端執(zhí)行器,還可以完成噴霧、套袋和剪枝等作業(yè)。圖1-5日本的葡萄采摘機器人（5）黃瓜采摘機器人日本的近藤直等研制的黃瓜采摘機器人,采用三菱MITSUBISHIRV-E2型六自由度工業(yè)機器人,利用CCD攝像機,根據(jù)黃瓜比其葉莖對紅外光的反射率高的原理來識別黃瓜、葉莖(如圖1-6所示)。 圖1-6日本的黃瓜采摘機器人黃瓜、果梗的連接與番茄不同,采用剪斷方法,先把黃瓜抓住,用接近覺傳感器找出柄,然后剪斷,采摘速度為16 s/個。由于黃瓜是長條形,受到莖葉的影響更大,所以采摘的成功率較低,大約60%。同樣,需要改進(jìn)該機器人機器手的結(jié)構(gòu)、采摘工作方式和避障規(guī)劃功能,以提高采摘成功率,提高采摘速度。1996年,荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所(IMAG)研制出一種多功能黃瓜收獲機器人(如圖1-7所示)。該研究在荷蘭2 hm2的溫室里進(jìn)行,黃瓜為高拉線纏繞方式吊掛生長。該機器人利用近紅外視覺系統(tǒng)辨識黃瓜果實,并探測其位置。機械手只收獲成熟黃瓜。末端執(zhí)行器由手爪和切割器構(gòu)成。機械手有7個自由度,采用三菱(Mitsubishi) RV-E2六自由度機械手。該機器人視覺系統(tǒng)的黃瓜檢測效率大于95%,采摘成功率約80%,采摘速度約為54 s/個,在實驗用溫室中作業(yè)效果良好。但由于采收時間過長,不能滿足商用要求。圖1-7荷蘭的黃瓜采摘機器人（6）蘑菇采摘機器人英國Silsoe研究院研制了蘑菇采摘機器人(如圖1-8所示)。它可以自動測量蘑菇的位置、大小,并且選擇性地采摘和修剪。它的機械手包括2個氣動移動關(guān)節(jié)和1個步進(jìn)電機驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié);末端執(zhí)行器是帶有軟襯墊的吸引器;視覺傳感器采用TV攝像頭,安裝在頂部用來確定蘑菇的位置和大小。采摘成功率在75%左右,采摘速度為6.7個/s,生長傾斜是采摘失敗的主要原因。圖1-8 英國的蘑菇采摘機器人（7）柑橘采摘機器人西班牙科技人員發(fā)明的這種柑橘采摘機器人主體裝在拖拉機上,由摘果手、彩色視覺系統(tǒng)和超聲傳感定位器3部分組成。它能依據(jù)柑桔的顏色、大小、形狀來判斷柑桔是否成熟,決定是否采摘。采下的桔子還可按色澤、大小分級裝箱。這種采桔機器人采摘速度為1個/s,比人工提高效率6倍多。（8）甜瓜收獲機器人以色列和美國科技人員聯(lián)合開發(fā)研制了一臺甜瓜采摘機器人。該機器人主體架設(shè)在以拖拉機牽引為動力的移動平臺上,采用黑白圖像處理的方法進(jìn)行甜瓜的識別和定位,并根據(jù)甜瓜的特殊性來增加識別的成功率。在2個季節(jié)和2個品種的田間試驗證明,甜瓜采摘機器人可以完成85%以上的田間甜瓜的識別和采摘工作。(9)蘋果收獲機器人韓國慶北大學(xué)研制了蘋果采摘機器人,具有4個自由度,包括3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和1個移動關(guān)節(jié)。采用三指夾持器作為末端執(zhí)行器,內(nèi)有壓力傳感器避免損傷蘋果。利用CCD攝像機和光電傳感器識別果實,從樹冠外部識別蘋果的識別率達(dá)85%,速度達(dá)5個/s。該機器人無法繞過障礙物摘取蘋果;對于葉莖完全遮蓋的蘋果,也沒有給出識別和采摘的解決方法。1.2.2國內(nèi)研究進(jìn)展國內(nèi)在農(nóng)業(yè)機器人方面的研究始于20世紀(jì)90年代中期,相對于發(fā)達(dá)國家起步較晚。但不少院校、研究所都在進(jìn)行采摘機器人和智能農(nóng)業(yè)機械相關(guān)的研究。在國內(nèi),果實采摘機器人的研究剛剛起步。東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民研制了林木球果采摘機器人,主要由5個自由度機械手、行走機構(gòu)、液壓驅(qū)動系統(tǒng)和單片機控制系統(tǒng)組成(如圖1-9所示)。采摘時,機器人停在距離母樹35 m處,然后單片機控制系統(tǒng)控制機械手大、小臂同時柔性升起達(dá)到一定高度,采摘爪張開并擺動,對準(zhǔn)要采集的樹枝,大小臂同時運動,使采摘爪沿著樹枝生長方向趨近1.52 m,然后采摘爪的梳齒夾攏果枝,大小臂帶動采集爪按原路向后返回,梳下枝上的球果,完成一次采摘。這種機器人的效率是500 kg/d,是人工的3050倍。而且,采摘時對母樹的破壞較小,采凈率高。圖1-9林木球果采摘機器人原理圖另外,曹其新等運用彩色圖像處理技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論,開發(fā)了草莓揀選機器人,采用氣動驅(qū)動器將草莓推到不同的等級方向。周云山等研究了蘑菇采摘機器人。該系統(tǒng)主要由蘑菇傳送帶、攝像機、采摘機器手、三自由度氣動伺服機構(gòu)、機器手抓取控制系統(tǒng)和計算機等組成。計算機視覺系統(tǒng)為蘑菇采摘機器提供分類所需的尺寸、面積信息,并且引導(dǎo)機器手準(zhǔn)確抵達(dá)待采摘蘑菇的中心位置,防止對不準(zhǔn), 以致影響吸盤的密封,造成抓取失敗或損傷蘑菇的現(xiàn)象。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張鐵中等在草莓、黃瓜、西紅柿、茄子等果實采摘機器人方面做了較深入地研究,研制出了試驗樣機。1.2.3研究中存在的問題法國是研究果實采摘機器人較早的國家之一,但由于技術(shù)、市場和價格等因素的影響,甜橙、蘋果采摘機器人已停產(chǎn),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清晰的戰(zhàn)略,研究工作也基本停了下來。日本近年來開展了大量的收獲機器人研究項目,進(jìn)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,但研究的果實種類并不多。我國的研究則處在逐漸上升的階段,但大部分研究都是針對采摘機器人的某一個部分進(jìn)行的,如視覺、機械手、末端執(zhí)行器等。（1）果實的識別率不高或識別后定位精度不高目前識別果實和確定果實位置主要采用灰度閾值、顏色色度法和幾何形狀特性等方法。其中,前兩者主要基于果實的光譜反射特性,但在自然光照情況下,由于圖像中存在噪聲和各種干擾信息,效果并不是很好。采用形狀定位方式,要求目標(biāo)具有完整的邊界條件。由于水果和葉子等往往容易重疊在一起,很難真正區(qū)別出果實。此外,由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的果實形狀沒有工業(yè)品規(guī)則,因此需要提高各種形狀果實的定位精度,才能保證采摘機械手可靠抓取。（2）部分重疊或遮蔽的果實無法采摘即使對于單獨的果實識別定位達(dá)到要求,但往往還有大部分的果實處在被果實或枝葉遮蔽的位置。這給采摘帶來更大的難度。采摘機器人為采摘到這部分果實既需要將這部分果實識別出來,又需要有靈巧手來實現(xiàn)避障采摘。這給機器人的視覺、機械、控制系統(tǒng)都增加了難度。（3）果實的損傷率較大目前末端執(zhí)行器執(zhí)行抓取果實有切斷果柄和直接抓下果實2種。對于切斷果柄類果實,稍有果實形狀不規(guī)則易被切刀損傷;而對于果柄短、無法切斷果柄類的果實需要直接抓取果實。這難免由末端執(zhí)行器造成抓取傷痕,即使在末端執(zhí)行器上安裝傳感器感知抓取力度也不可避免。另外,2種類型都存在被機械手或其他金屬部位碰傷的情況。（4）果實的平均采摘周期較長生產(chǎn)實際中的采摘作業(yè)要求機器人不僅減輕勞動強度而且提高作業(yè)效率。而目前的果實收獲機器人由于視覺、結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)等原因,大多數(shù)采摘機器人的效率不高。例如,采摘機器人收獲1個柑橘約37 s,收獲1個甜瓜約15 s,摘取1個黃瓜需要10 s,收獲1個茄子需64 s。為使果實采摘機器人實用化,提高作業(yè)效率是關(guān)鍵問題之一。（5）采摘機器人的制造成本較高與工業(yè)機器人相比,農(nóng)業(yè)上使用的采摘機器人結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)更加復(fù)雜,制造成本更高。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有周期性、收獲時間短等特點,設(shè)備利用率低,設(shè)備使用和維護(hù)都需要相當(dāng)高的技術(shù)水平和費用。目前,果實采摘機器人的研究正在成為機器人的新興領(lǐng)域,而采摘機器人作為農(nóng)業(yè)機器人的重要應(yīng)用具有很大的發(fā)展?jié)摿?。日后的果實采摘機器人的研究工作必須朝以下方向發(fā)展:（1）必須能夠準(zhǔn)確地識別和定位成熟果實,并且引導(dǎo)末端執(zhí)行器準(zhǔn)確接近目標(biāo);（2）研制靈巧、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(gòu)必須適應(yīng)田間的復(fù)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(shù)的阻礙后,采摘機器人會更廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。2 果實采摘裝置機身結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1采摘裝置結(jié)構(gòu)選型2.2.1采摘裝置的選型原則由于農(nóng)業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性、不確定性和果實分布的隨機性，采摘裝置的選型既要遵循工業(yè)機械手的基本原則。工業(yè)機械臂主要有如圖2-1所示的四種形式，其具體功能特點如下:(l)直角坐標(biāo)型:該型機械臂前三個關(guān)節(jié)為移動關(guān)節(jié)，運動方向垂直，其控制方案與數(shù)控機床類似，各關(guān)節(jié)之間沒有藕合，不會產(chǎn)生奇異位形，剛性好、精度高。缺點是占地面積大、工作空間小。(2)圓柱坐標(biāo)型:該型機械臂前三個關(guān)節(jié)為兩個移動關(guān)節(jié)和一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，這種形式的機器人占用空間小，結(jié)構(gòu)簡單。(3)極坐標(biāo)型:具有兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)。該型機器人的優(yōu)點是靈活性好，占地面積小，但剛度、精度較差。(4)關(guān)節(jié)坐標(biāo)型:前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，特點是動作靈活，工作空間大、占地面積小，缺點是剛度和精度較差。 a.直角坐標(biāo)型 b.圓柱坐標(biāo)型 c.極坐標(biāo)型 d.關(guān)節(jié)坐標(biāo)型圖2-1 工業(yè)機械臂形式就工業(yè)機器人而言，機械臂的機構(gòu)型式的選擇取決于對機器人的活動范圍、靈活性、重復(fù)定位精度、持重能力和控制的難易的要求。通常以直角坐標(biāo)型至圓柱坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型的順序來看，同一手臂尺寸綜合的機器人，其活動范圍和靈活度由小到大，控制難易的程度由易到難，而位置精度由高到低，負(fù)荷能力由大到小。2.2.2采摘裝置的選型定論本設(shè)計力求實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單，可控制性強，操作方便，易于實現(xiàn)的目標(biāo)，在保證采摘要求的基礎(chǔ)上，盡量減少自由度的數(shù)目。對于采摘機器人機械手來講，增加自由度數(shù)目，的確可以從理論上增加機械手的避障能力，但增加一個自由度相當(dāng)于增加了一級驅(qū)動，這使得機器人成本會上升一個等級，對于農(nóng)業(yè)機器人而言，成本高將會大大的減緩其商品化實用化的進(jìn)程。同時增加自由度會相應(yīng)增加機器人的控制難度，降低機器人的可靠性，所以對于農(nóng)業(yè)采摘機器人人而言，在自由度選型時不能盲目追求自由度的數(shù)量，應(yīng)考慮具體的采摘對象的生物學(xué)特性，盡量減少自由度的數(shù)目，降低控制難度和成本。加快農(nóng)業(yè)采摘機器人的商品化實用化進(jìn)程。通過比較分析，對于果實采摘裝置形式而言，得到如下選型結(jié)論：采摘裝置結(jié)構(gòu)基體選擇圓柱坐標(biāo)機械臂形式最為合適，采摘裝置結(jié)構(gòu)基體主要包括地面運動部分、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、升降機構(gòu)，伸縮機構(gòu)和末端執(zhí)行機構(gòu)共五個部分。其動作靈活，工作空間大、占地面積小的優(yōu)點很適合果實的采摘作業(yè)。采摘裝置的最終選型示意圖如圖2-2所示。圖2-1 采摘裝置的最終選型示意圖2.2采摘裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計 液壓果實采摘裝置結(jié)構(gòu)基體選擇圓柱坐標(biāo)機械臂形式，采摘裝置結(jié)構(gòu)基體主要包括地面運動部分、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、升降機構(gòu)、縮機構(gòu)和末端執(zhí)行機構(gòu)共五個部分。圖2-2所示為液壓實采摘裝置。以下將分別對地面運動部分、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、升降機構(gòu)和縮機構(gòu)進(jìn)行分析設(shè)計，末端執(zhí)行機構(gòu)部分將在下一章節(jié)進(jìn)行介紹。圖2-2 液壓果實采摘裝置選型2.2.1地面運動部分設(shè)計 液壓果實采摘裝置地面運動部分，即為采摘機器人承載設(shè)備。可以通過自做車架，電機驅(qū)動等裝置組裝完成，也可以采用小型機車作為承載設(shè)備，在這里就不多作介紹，圖2-3所示為地面運動機車示意圖。圖2-3 液壓果實采摘裝置地面運動部分示意圖2.2.2腰部旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計 液壓果實采摘裝置以圓柱坐標(biāo)型機械臂為基體，為擴大機械臂的工作空間和增強機械手多路徑采摘的能力，在腰部添加了旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)為液壓驅(qū)動齒輪齒條機構(gòu)，在圓周方向上增加了機器人的作業(yè)空間，使得機器人擁有了采摘不同方向處果實的能力。果實采摘裝置腰部旋轉(zhuǎn)裝置采用液壓缸驅(qū)動齒輪齒條機構(gòu)帶動機器人基體旋轉(zhuǎn)，齒輪齒條傳動原理如圖2-4所示。圖2-4 齒輪齒條傳動原理圖 果實采摘裝置腰部旋轉(zhuǎn)采用齒輪齒條傳動機構(gòu)，由于齒輪水平放置，故需用角推力軸承作為縱向支撐轉(zhuǎn)動軸承，考慮到運動的平穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)的受力情況，決定采用兩個軸承上下平行放置。液壓果實采摘裝置腰部旋轉(zhuǎn)裝配情況如圖2-5所示。圖2-5 果實采摘裝置腰部旋轉(zhuǎn)裝配圖果實采摘裝置能夠?qū)崿F(xiàn)采摘機器人在采摘方向上180度的旋轉(zhuǎn)，由于采用齒輪齒條傳動，故運動滿足齒輪齒條傳動嚙合條件，即齒輪分度圓上的點轉(zhuǎn)過的距離與齒條直線運動的距離相等。液壓果實采摘裝置腰部旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)示意圖如圖2-6所示。圖2-6 液壓果實采摘裝置腰部旋轉(zhuǎn)示意圖取齒輪分度圓直徑為D=300mm齒輪旋轉(zhuǎn)180度所走過直線長度L=0.5D （2.1）=0.5 x 3.14 x 300=471 mm 由齒輪齒條傳動嚙合條件可知，齒條要實現(xiàn)齒輪的180度旋轉(zhuǎn)，需要的長度為 L(齒條)=471 mm2.2.3升降機構(gòu)設(shè)計 為擴大機械臂的在高度空間采摘能力，在腰部添加了升降結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)為液壓驅(qū)動滑塊機構(gòu)，在高度方向上增加了機器人的作業(yè)空間，使得機器人擁有了采摘不同高度處果實的能力，代替了人們用梯子或登高采摘果實。果實采摘裝置升降機構(gòu)采用液壓傳動機構(gòu)，液壓缸驅(qū)動滑塊沿導(dǎo)軌上下運動，從而實現(xiàn)采摘機器人在不同高度作業(yè)。 液壓果實采摘裝置升降機構(gòu)如圖2-7所示。圖2-7 果實采摘裝置機構(gòu)液壓果實采摘裝置執(zhí)行元件采用各種液壓缸，它是將氣油液的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能并將其輸出的裝置。液壓缸只要是輸出各種直線運動和力，他用液壓油作為工作介質(zhì)，其工作壓力大，所以輸出力和扭矩較大，運動平穩(wěn)，可靠性高，因此在自動化生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。此升降機構(gòu)所采用的液壓缸長度和直徑都較大，不易從市場購得，故根據(jù)需要加工而成。液壓果實采摘裝置升降所用液壓缸如圖2-8所示。圖2-8 液壓果實采摘裝置升降所用液壓缸 液壓采摘裝置升降所用液壓缸裝配情況如圖2-9所示。1-液壓缸后蓋 2-活塞 3-液壓缸壁筒 4-活塞桿 圖2-9 采摘裝置升降所用液壓缸鑒于采摘裝置升降機構(gòu)活塞桿較長，考慮到其受彎矩等影響嚴(yán)重，故本采摘裝置采用導(dǎo)軌來引導(dǎo)滑塊的上下運動，從而降低活塞桿所受彎矩，增加采摘裝裝置的使用壽命。為了降低采摘機器人的自身重量，使運動更靈活，應(yīng)用更廣泛，而且經(jīng)濟(jì)耐用，故導(dǎo)軌的材料選擇為鋁合金材料。 液壓采摘裝置升降所用導(dǎo)軌如圖2-10所示。圖2-10 采摘裝置升降所用導(dǎo)軌2.2.1伸縮機構(gòu)設(shè)計為擴大機械臂的在水平圓周空間范圍的采摘能力，添加了伸縮結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)為液壓驅(qū)動機構(gòu)，在水平方向上增加了機器人的作業(yè)空間，使得機器人擁有了采摘不同距離處果實的能力，對提高機器人的采摘效率有重要作用。液壓果實采摘裝置伸縮機構(gòu)如圖2-11所示。圖2-11 采摘裝置伸縮機構(gòu)3 果實采摘裝置末端執(zhí)行器的設(shè)計3.1 果實采摘裝置末端執(zhí)行器研究進(jìn)展末端執(zhí)行器是果實采摘機器人的重要組成部分，與工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器相比，由于其作業(yè)對象和環(huán)境的柔嫩性、不規(guī)則性和復(fù)雜多變性特征，采摘機器人的末端執(zhí)行器具有明顯的特殊性和更高的智能化要求。一般果實果實的表皮和果實本身通常都比較脆弱和柔軟，這對采摘果實的抓取力度控制提出了比較高的要求，同時對于枝葉比較繁茂的果實來說，還要求末端執(zhí)行器具有較高的避障能力。總之，末端執(zhí)行器研制的成敗直接關(guān)系到采摘作業(yè)的成功率和采摘效率的高低，以至于末端執(zhí)行器的設(shè)計成為農(nóng)業(yè)采摘機器人的研究熱點和難點。3.1.1國外末端執(zhí)行器研制進(jìn)展情況從上世紀(jì)80年代開始，日本、荷蘭、美國等國都曾開發(fā)了各種末端執(zhí)行器，取得的不少研究成果，同時也普遍存在采摘效率和成功率偏低，輕便性差，通用性較差等缺點。下面介紹幾種國外果實采摘機器人末端執(zhí)行器，以借鑒國外在研制過程中的經(jīng)驗，同時總結(jié)不足，吸取教訓(xùn)。（1）番茄采摘末端執(zhí)行器Kondo等人基于番茄的物理特性設(shè)計了一種帶有軟襯墊吸引器的雙手指末端執(zhí)行件。它由兩個平行板手指和吸引器組成，當(dāng)吸引器把果實吸住后，用手指板固定，利用機械手的腕關(guān)節(jié)把果實在果柄連接處擰下。該末端執(zhí)行件兩個手指板內(nèi)側(cè)均附有一個10mm的橡膠襯墊，以防止果實的損傷。由真空泵提供吸引器的引力，并安裝一個觸覺傳感器，在吸引器吸附水果時，傳感器被打開。其末端裝有兩個限位開關(guān)，探測停止位置。用該末端執(zhí)行件進(jìn)行番茄采摘試驗，成功率為85%，未采摘的主要原因是番茄在被手指夾住前就與吸引器分離，無法完成對短柄番茄的采摘。（2）茄子采摘機器人末端執(zhí)行器日本國立蔬菜茶葉研究所與岐阜大學(xué)聯(lián)合研制了茄子采摘機器人的末端執(zhí)行器。該機器人的末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，包括4個手指、2個吸嘴、2個誘導(dǎo)桿、氣動剪子和光電傳感器。工作中，利用模糊視覺反饋系統(tǒng)引導(dǎo)末端執(zhí)行器靠近果實，完成采摘作業(yè)。在實驗室中進(jìn)行了試驗，采摘成功率為62.5%，工作速度為64.15/個。影響成功率的主要原因是機器視覺系統(tǒng)對采摘位置的判斷不正確;同時，視覺系統(tǒng)占用了72%的工作時間，也是影響采摘效率的主要因素。茄子采摘機器人的末端執(zhí)行器如圖3-1所示。圖3-1 茄子采摘末端執(zhí)行器（3）柑橘采摘機器人末端執(zhí)行器美國佛羅里達(dá)大學(xué)研究員研制了柑橘采摘末端執(zhí)行器。其依靠置于末端執(zhí)行器的內(nèi)部的1個ccD攝像機和超聲波傳感器來探測水果的位置。柑橘采摘末端執(zhí)行器如圖3-2所示。圖3-2 柑橘采摘末端執(zhí)行器圖（4）蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器JohanBacten和SvenBoedrij等人研制了蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器。其硅樹脂管里裝有微型攝像頭，用于獲取末端執(zhí)行器正前方蘋果圖像。真空泵提供動力，吸盤用于吸取蘋果。蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器如圖3-3所示。圖3-3 蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器圖3.1.2國內(nèi)研制的末端執(zhí)行器概述與國外相比，國內(nèi)在果實采摘機器人末端執(zhí)行器的研究方面起步較晚，成果相對較少。其中，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)對茄子采摘機器人末端執(zhí)行器進(jìn)行了研制，其采摘成功率達(dá)到92.76%。江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程研究院研制了一種基于多傳感器信息融合和開放式控制的智能控制的番茄采摘機器人末端執(zhí)行器，系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量僅為1.12kg，末端執(zhí)行器完成采摘動作的時間3s。到目前為止，國內(nèi)還沒有研制出蘋果采摘機器人的末端執(zhí)行器。因此，開發(fā)一種具有采摘效率和成功率高，具有輕便性，通用性強的蘋果采摘末端執(zhí)行器具有重要的意義。3.2 果實采摘裝置末端執(zhí)行器機構(gòu)設(shè)計3.2.1果實采摘裝置末端執(zhí)行器機構(gòu)選型原則基于具體的采摘要求，機械手要具有較好的采摘能力。包括:(l)最優(yōu)的工作空間。工作空間越大，采摘范圍越廣，通用性也就越好。(2)具有較好的避障能力。果實采摘過程中，機械手能避開障礙物。(3)機構(gòu)設(shè)計合理。若機構(gòu)設(shè)計不合理，可能會出現(xiàn)運動干涉或驅(qū)動裝置無法設(shè)置，機構(gòu)不能運動等問題。在滿足要求的前提下，盡量采用特殊結(jié)構(gòu)的機械手機構(gòu)，使相鄰運動副的軸線相互平行或正交。(4)農(nóng)業(yè)機器人要求操作簡單，成本低廉，因此盡量采用冗余度少、機構(gòu)簡單的形式。3.2.1果實采摘裝置末端執(zhí)行器機構(gòu)選型定論通過上面的分析，對于果實采摘裝置機械手形式而言，得到一下選型結(jié)論：（1）機械手基體選擇圓柱坐標(biāo)型機械臂形式最為合適，其包括旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、升降架構(gòu)、伸縮機構(gòu)共三個部分。其動作靈活，工作空間大、占地面積小的優(yōu)點很適合果實的采摘作業(yè)。（2）以圓柱坐標(biāo)型機械臂為基體，為擴大機械臂的工作空間和增強機械手多路徑采摘的能力，在腰部添加了旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)為液壓驅(qū)動齒輪齒條機構(gòu)，在圓周方向上增加了機器人的作業(yè)空間，使得機器人擁有了采摘不同方向處果實的能力。（3）為擴大機械臂的在高度空間采摘能力，在腰部添加了升降結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)為液壓驅(qū)動滑塊機構(gòu)，在高度方向上增加了機器人的作業(yè)空間，使得機器人擁有了采摘不同高度處果實的能力，代替了人們用梯子或登高采摘果實。（4）在水平方向添加了伸縮關(guān)節(jié)，此關(guān)節(jié)不僅可以進(jìn)一步擴大機器人的工作空間而且可以與末端執(zhí)行器配合。（5）末端執(zhí)行器采用液壓驅(qū)動機械手指加緊果實，通過傳感器控制機械手的夾持力，避免加持力過大夾傷果實。本設(shè)計確定的機構(gòu)類型如圖3-4所示。圖3-4 果實采摘機器人末端執(zhí)行器設(shè)計所確定的機構(gòu)類型3.2.2果實采摘機器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)的設(shè)計（1）果實采摘機器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計和尺寸計算機械手采用液壓控制連桿機構(gòu)，實現(xiàn)機械手指的張合運動。采用這種結(jié)構(gòu)控制簡單，能準(zhǔn)確實現(xiàn)預(yù)定動作，夾持力可調(diào)節(jié)，易于加工而且加工成本低。液動手指結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。圖3-5 果實采摘機器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)假設(shè)所要采摘的果實直徑為D = 80mm，手指間距開時為L1 = 120mm，手指間距閉時為L2 = 80mm。則根據(jù)計算，手指驅(qū)動液壓缸缸徑選用30mm，行程20mm單桿雙作用活塞式液壓缸。（2）果實采摘機械手夾持力伺服系統(tǒng)的設(shè)計該機械手指夾持力采用電氣比例/伺服系統(tǒng)控制?？刂破鹘o出控制信號控制電一氣比例壓力閥的輸出壓力，從而控制氣缸的壓力和輸出位移，最終使氣動手指的夾緊力受到控制，當(dāng)有桿腔進(jìn)氣時手指閉合。PLC與氣壓控制自動裝配線氣動機械手夾持力伺服系統(tǒng)原理如圖3-6所示。工作原理為:當(dāng)手指解除到物體時，觸覺傳感器發(fā)出反饋信號給控制器，控制器使比例閥打開。手指移動很小的位移，以較小的力試著夾起物體，如果物體和手指間有滑動，則滑覺傳感器發(fā)出滑動信號給控制器?？刂破髡{(diào)整比例壓力閥壓力，增加手指的夾持力，直到手指和被夾物體間沒有滑動為止。夾緊力通過移動手指來施加，而手指的位移則由手指位移傳感器檢測。手指的夾緊力通過壓力傳感器輸出，這樣可以讀出手指夾緊某物體的最適合的力，下次抓取同樣的物體即可直接對其施加夾緊力。圖3-6 液壓果實采摘裝置機械手夾持力伺服系統(tǒng)原理圖4 液壓傳動部分和傳感器控制系統(tǒng)的設(shè)計4.1 液壓系統(tǒng)4.1.1液壓系統(tǒng)簡介 一個完整的液壓系統(tǒng)由五個部分組成，即動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件（附件）和液壓油。 動力元件的作用是將原動機的機械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力能，指液壓系統(tǒng)中的油泵，它向整個液壓系統(tǒng)提供動力。液壓泵的結(jié)構(gòu)形式一般有齒輪泵、葉片泵和柱塞泵。執(zhí)行元件(如液壓缸和液壓馬達(dá))的作用是將液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能，驅(qū)動負(fù)載作直線往復(fù)運動或回轉(zhuǎn)運動。 控制元件(即各種液壓閥)在液壓系統(tǒng)中控制和調(diào)節(jié)液體的壓力、流量和方向。根據(jù)控制功能的不同，液壓閥可分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。壓力控制閥又分為益流閥(安全閥)、減壓閥、順序閥、壓力繼電器等；流量控制閥包括節(jié)流閥、調(diào)整閥、分流集流閥等；方向控制閥包括單向閥、液控單向閥、梭閥、換向閥等。根據(jù)控制方式不同，液壓閥可分為開關(guān)式控制閥、定值控制閥和比例控制閥。 輔助元件包括油箱、濾油器、油管及管接頭、密封圈、快換接頭、高壓球閥、膠管總成、測壓接頭、壓力表、油位油溫計等。 液壓油是液壓系統(tǒng)中傳遞能量的工作介質(zhì)，有各種礦物油、乳化液和合成型液壓油等幾大類。 1-液壓缸 2-液壓馬達(dá) 3-溢流閥 4- 電磁換向閥 5-液壓缸6-壓力支管 7-測壓接頭 8-減壓閥 9-壓力繼電器 10-壓力表圖4-1 典型液壓系統(tǒng)4.1.2液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)液壓系統(tǒng)由信號控制和液壓動力兩部分組成，信號控制部分用于驅(qū)動液壓動力部分中的控制閥動作。 液壓動力部分采用回路圖方式表示，以表明不同功能元件之間的相互關(guān)系。液壓源含有液壓泵、電動機和液壓輔助元件；液壓控制部分含有各種控制閥，其用于控制工作油液的流量、壓力和方向；執(zhí)行部分含有液壓缸或液壓馬達(dá)，其可按實際要求來選擇。 在分析和設(shè)計實際任務(wù)時，一般采用方框圖顯示設(shè)備中實際運行狀況。 空心箭頭表示信號流，而實心箭頭則表示能量流。 基本液壓回路中的動作順序控制元件（二位四通換向閥）的換向和彈簧復(fù)位、執(zhí)行元件（雙作用液壓缸）的伸出和回縮以及溢流閥的開啟和關(guān)閉。 對于執(zhí)行元件和控制元件，演示文稿都是基于相應(yīng)回路圖符號，這也為介紹回路圖符號作了準(zhǔn)備。4.1.3液壓系統(tǒng)的優(yōu)缺點（1）液壓的優(yōu)點與機械傳動、電氣傳動相比，液壓傳動具有以下優(yōu)點： 1、液壓傳動的各種元件，可以根據(jù)需要方便、靈活地來布置。 2、重量輕、體積小、運動慣性小、反應(yīng)速度快。 3、操縱控制方便，可實現(xiàn)大范圍的無級調(diào)速（調(diào)速范圍達(dá)2000：1）。 4、可自動實現(xiàn)過載保護(hù)。 5、一般采用礦物油作為工作介質(zhì)，相對運動面可自行潤滑，使用壽命長。 6、很容易實現(xiàn)直線運動。 7、很容易實現(xiàn)機器的自動化，當(dāng)采用電液聯(lián)合控制后，不僅可實現(xiàn)更高程度的自動控制過程，而且可以實現(xiàn)遙控。 （2）液壓的缺點1、由于流體流動的阻力和泄露較大，所以效率較低。如果處理不當(dāng)，泄露不僅污染場地，而且還可能引起火災(zāi)和爆炸事故。 2、由于工作性能易受到溫度變化的影響，因此不宜在很高或很低的溫度條件下工作。 3、液壓元件的制造精度要求較高，因而價格較貴。 4、由于液體介質(zhì)的泄露及可壓縮性影響，不能得到嚴(yán)格的傳動比。 5、液壓傳動出故障時不易找出原因；使用和維修要求有較高的技術(shù)水平。 4.2換向閥的設(shè)計液壓傳動控制調(diào)節(jié)元件主要是指各類閥。他們的功能是控制和調(diào)節(jié)流體的流動方向、壓力和流量，以滿足執(zhí)行元件所需要的啟動、停止、運動方向、力或力矩、速度或轉(zhuǎn)速、動作順序和克服負(fù)載等要求，從而使系統(tǒng)按照指定的要求協(xié)調(diào)的工作。換向閥是液動控制中很重要的一類閥，用來改變氣流方向和控制管道中氣流的通斷，從而控制執(zhí)行元件的運動方向。電磁換向閥是利用電磁力來完成閥芯移動實現(xiàn)換向的換向閥。由于它可以借助按鈕開關(guān)、行程開關(guān)、壓力繼電器等發(fā)出的信號進(jìn)行控制，實現(xiàn)電氣聯(lián)合作用，而且易于實現(xiàn)計算機配合，因而得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)閥的通徑較大時，常采用先導(dǎo)式結(jié)構(gòu)。由電磁鐵控制換向氣路，用來推動主閥芯換向。本系統(tǒng)使用二位四通直動式電磁換向閥，控制液壓缸的進(jìn)油方向。電磁閥選SMC的VQDlooo直動式四通電磁閥，該電磁閥具有體積小(閥寬10mm)，重量輕(349)，響應(yīng)快(2 +lms)，流量大等優(yōu)點，二位四通電磁閥如圖42所示。 電磁換向閥的連接采用雙向作用液壓缸缸換向回路連接，如圖43所示。 圖4-2二位四通電磁換向閥 圖4-3雙向作用液壓缸換向回路4.4液壓缸的設(shè)計4.4.1液壓缸類型的選擇液壓果實采摘裝置執(zhí)行元件采用各種液壓缸，它是將氣油液的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能并將其輸出的裝置。液壓缸只要是輸出各種直線運動和力，他用液壓油作為工作介質(zhì)，其工作壓力大，所以輸出力和扭矩較大，運動平穩(wěn)，可靠性高，因此在自動化生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。液壓缸有多種形式，按照其結(jié)構(gòu)特點的不同它可分為活塞式、柱塞式和擺動式三大類；按照作用方式它又可分為單作用和雙作用兩種。本制動系統(tǒng)所采用的液壓缸均為單桿雙作用活塞缸，液壓缸如圖4-4所示。圖4-4 液壓缸4.4.2液壓缸尺寸的選擇本制動系統(tǒng)采用簡單連接形式的單桿雙作用活塞缸，其特點是： 1、 兩腔面積不等，A1 A2 2、壓力相同時，推力不等 流量相同時，速度不等即不具有等推力等速度特性。圖4-5所示為雙作用單桿活塞缸。其一端伸出活塞桿，兩腔有效面積不相等當(dāng)向液壓缸兩腔分別供油，且壓力和流量都不變時，活塞在兩個方向上的運動速度和推力都不相等。 a）無桿腔進(jìn)油 b）有桿腔進(jìn)油圖4-5 單桿活塞缸單桿雙作用活塞缸的速度、推力計算：如圖4-5a，當(dāng)無桿腔進(jìn)油時，活塞的運動速度v1和推力F1分別為：v1 = qcv /A1 = 4qcv/D2 （4.1） F1 = （p1A1-p2A2）cm = D2 p1/4 -(D2-d2)p2/4cm = D2 （p1 - p2）/4+d2/4cm （4.2） 如圖4-5b，當(dāng)有桿腔進(jìn)油時，活塞的運動速度v2和推力F2分別為：v2 = qcv /A2 = 4qcv/(D2-d2) （4.3） F2 = （p1A2- p2A1）cm = (D2-d2) p1/4 -D2 p2/4cm = D2（p1 - p2）/4-d2 p1/4cm （4.4）式中： q 缸的輸出流量； A2 有桿腔的活塞有效作用面積； cv缸的容積效率； D 活塞直徑（即缸筒直徑）； d 活塞桿直徑；p1缸的進(jìn)口壓力；p2缸的出口壓力；A1無桿腔的活塞有效作用面積；cm缸的機械效率。 對于活塞缸，缸的直徑是指缸的內(nèi)徑。缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d可根據(jù)最大總負(fù)載和選取的工作壓力來確定。對于單桿缸，無桿腔進(jìn)油液時，不考慮機械效率，由式（4.5）可得： (4.5)對于單桿缸，有桿腔進(jìn)油液，不考慮機械效率，由式(4.6)可得： （4.6）式中：p2背壓，一般選取背壓p2=0.這時，上面兩式便可簡化，即無桿腔進(jìn)油時： D= （4.7）無桿腔進(jìn)油時：D= （4.8）液壓缸的缸筒長度由活塞最大行程、活塞長度、活塞桿導(dǎo)向套長度、活塞桿密封長度和特殊要求的其他長度確定。其中活塞長度B=(0.6 1.0)D，導(dǎo)向套長度A=(0.6 1.5)d。為減少加工困難，一般液壓缸缸筒長度不應(yīng)大于內(nèi)徑的20 30倍。夾緊定位機構(gòu)夾持力取F=40 N。則有： 缸徑D = = 52.48 mm ，取D=60 mm； 桿徑d = 0.3D = 15 mm； 活塞長度B = 0.8D = 40 mm； 導(dǎo)向套長度A = 1d = 12 mm。經(jīng)計算，各液壓缸工作行程和活塞缸長度如表3-1所示。表3-1各氣缸工作行程和活塞缸長度液壓缸12345工作行程（mm）202000205001060202001060活塞長度（mm）10002506020060液壓果實采摘機的液壓壓回路傳動系統(tǒng)主要有空氣壓縮機、空氣過濾器、調(diào)壓閥、油霧器、分氣器、4個二位四通電磁閥及5個單桿雙作用活塞式氣缸組成，實現(xiàn)各個液壓缸的單獨供氣油，從而保證了裝配線各個動作的準(zhǔn)確實現(xiàn)。液壓傳動原理如圖3-7所示。用液壓技術(shù)來實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化，是工業(yè)自動化的一種主要技術(shù)手段，是一種低成本的自動化技術(shù)，而且氣壓傳動擁有諸多顯著優(yōu)點，到目前為止，液動技術(shù)倍受工業(yè)界的歡迎，其發(fā)展呈現(xiàn)急劇上升的趨勢。4.4.3液壓的分流設(shè)計液壓果實采摘裝置的液壓回路傳動系統(tǒng)主要有油缸、油泵、調(diào)壓閥、節(jié)流閥、4個二位四通電磁閥及5個單桿雙作用活塞式液壓缸組成，實現(xiàn)各個液壓缸的單獨供油，從而保證了采摘裝置各個動作的準(zhǔn)確實現(xiàn)。液壓果實采摘裝置液壓傳動原理如圖4-6所示。圖4-6 液壓果實采摘裝置液壓傳動原理4.5 傳感器控制系統(tǒng)的設(shè)計國外已研制的末端執(zhí)行器傳感控制系統(tǒng)，智能程度在不斷提高，但成本卻越加昂貴，這嚴(yán)重影響了其實用化的進(jìn)程。為此，設(shè)計了基于實用化，智能化的蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器傳感控制系統(tǒng)。傳感控制系統(tǒng)主要是由光電位置開關(guān)、壓力傳感器、微型視覺傳感器、觸覺傳感器、限位開關(guān)、數(shù)據(jù)采集卡，電流換向器和便攜式工控機組成。光電位置開關(guān)由對射式紅外線光電管組成，在手指前后各安放一對，當(dāng)有果實進(jìn)入時，光源的光被蘋果擋住，接收端接收不到發(fā)射端的紅外線信號，這時輸出端輸出高電平信號，信號經(jīng)處理后為工控機提供控制信息，從而起到檢測果實位置和開關(guān)的作用。在室外作業(yè)環(huán)境中，簡單的紅外線光電檢測器無法在采摘機器人末端執(zhí)行器上應(yīng)用。為解決這個問題，采用振蕩器產(chǎn)生一定頻率的波形加至光電開關(guān)的發(fā)射端，使紅外線發(fā)射管產(chǎn)生一定頻率脈動波，同時接收端利用集成鎖相環(huán)路解碼器LM567對接收到的脈動波進(jìn)行鑒相、鎖定，從而提高光電位置開關(guān)的抗干擾能力，其電路原理圖如圖4-7所示。圖4-7 位置傳感器電路原理圖壓力傳感器選用的力敏電阻，受到果實擠壓后，其中的導(dǎo)電粉末電阻變小，其變化可通過電壓測出來，當(dāng)測出的電壓值達(dá)到或超過設(shè)定的電壓值后，最終輸出電壓信號，一可控制抓取蘋果的力度。微型視覺傳感器采用Eye-in-hand安裝方式采集手指前方的圖像，獲取前方蘋果信息，提示末端執(zhí)行器接近蘋果進(jìn)行抓取。觸覺傳感器安放在手指的外廓上，當(dāng)有粗樹枝阻擋末端執(zhí)行器動作時，觸覺傳感器會感知到，并提示機器人改變采摘路徑，進(jìn)行避障。壓力傳感器、光電位置開關(guān)，觸覺傳感器輸出的信號經(jīng)過放大，濾波等處理后，被數(shù)據(jù)采集卡獲得，連同視覺傳感器采集捕捉的圖像信息共為工控機所用，工控機處理這些信息從而控制直流電機和電磁閥，從而控制末端執(zhí)行器夾持果實，切割果實柄。總 結(jié)本文通過查閱大量相關(guān)資料，對不同果實不同類型的采摘機器人比較、分析和計算，根據(jù)簡單，可靠，經(jīng)濟(jì)原則，最后確定采用圓柱