蘋果采摘機械手的設計

蘋果采摘機械手的設計摘要2022年我國蘋果產量為4597.34萬噸，同比2012年增加1000萬噸，而且蘋果采摘難度極高，蘋果皮薄，在采摘過程中容易被樹枝劃傷，劃傷后會立即氧化，壞果率增加。采用機械設備不僅可以提高采摘的效率，也可以降低果實的損壞率。本文主要研究的內容是如何對果實盡可能地達到無損采摘，降低時間成本和人工成本。這次畢業(yè)設計主要對蘋果采摘機械手整體結構進行設計，設計其各部位零件，并且繪制其各部位零件圖，闡述其工作原理以及意義與影響。本次設計的機械結構由手指、手掌、機架、伸縮桿組成，材料用到高強度的鋁合金材料、橡膠等。設計的基本結構應該滿足蘋果采摘的要求。實現在機械手的協(xié)助下提高采摘效率，進而提高經濟效益。關鍵詞：機械手；無損采摘；蘋果；設計目錄第1章引言1第2章蘋果采摘機械手的研究概況22.1蘋果采摘機械手的研究目的22.2蘋果采摘機械手的研究內容22.3蘋果采摘機械手的研究現狀22.4采摘機械手的應用前景3第3章蘋果采摘機械手的總體設計43.1蘋果采摘機械手的設計方案43.2機械手的零件設計43.2.1手指43.2.2手掌、連桿53.2.3復位彈簧53.3伸縮桿、控制器、手柄的設計63.3.1伸縮桿73.3.2伸縮控制器83.3.3手柄8第4章蘋果采摘機械手工作原理及設計94.1機械傳動94.2機械手的傳動裝置設計104.3鋼絲選用及極限拉力計算114.4蘋果收集裝置的設計124.5整體裝配圖設計12結論13參考文獻14致謝2058215保定理工學院本科畢業(yè)設計-11-引言本課題對于生產生活意義非凡，作為世界上最大的發(fā)展中國家，中國果實生產消費水平位于世界前列。隨著中國種植業(yè)技術的快速發(fā)展，果實采摘機械手的需求在很大程度上得到了提高。果實采摘所用的勞動力占比高達35%到55%，人工采摘還是中國蘋果采摘的主要手段之一。這也使得蘋果采摘的效率極低。蘋果的損傷率也是居高不下。造成了很多不必要的損失。采用機械設備不僅可以提高采摘的效率，也可以降低果實的損壞率。更重要的是節(jié)約了時間，并且降低了勞動成本。提高了經濟效益。所以提高蘋果采摘機械水平迫在眉睫。設計生產一款便捷，簡單的蘋果采摘機械手對于蘋果采摘行業(yè)具有重大意義。蘋果采摘機械手的研究概況2.1蘋果采摘機械手的研究目的隨著時代的發(fā)展，從事農業(yè)方面的研究越來越多，所有研究都共同指向同一個目標，那就是機械化，機械化進程已經勢不可擋，本課題研究的目的就是為了實現蘋果采摘的機械化，只有實現了機械化采摘，才可以減輕人工的勞動強度，提高工作效率，而且從很大程度上降低了生產的成本，提高果實采摘行業(yè)的經濟效益。從另一方面可以看出，蘋果采摘機械手設計也可以推動其他農業(yè)采摘項目的發(fā)展。2.2蘋果采摘機械手的研究內容傳統(tǒng)的果園蘋果收獲基本以人工采摘為主，耗時費力。蘋果不同于山楂、核桃、棗等，蘋果皮易損傷，損傷造成蘋果表面氧化變質，品質下降，降低經濟效益。本設計主要致力于蘋果無損采摘。節(jié)省時間成本和人工成本。增加經濟收益，提高工作效率。本次設計的機械手可以采摘直徑為4厘米到10厘米的果實，可以采摘蘋果，桃子、梨等，機械手的長度可以調節(jié)，調節(jié)范圍為1米到2米。普通的采摘場景可以輕松應對外，還可以應用于較為復雜的場景，比如遇到較高或者較密的果樹，當果樹高度達到3.5米或者更高時，一般的機械設備很難觸及到蘋果樹頂部的位置，可以利用蘋果采摘機械手達到輕松無損采摘的目的。2.3蘋果采摘機械手的研究現狀中國是世界上最大的水果生產國和消費國。水果種植業(yè)的突飛猛進對果園機械化和智能化提出了更為嚴格的要求，人工采摘已經遠遠落后于時代的要求。中國發(fā)展的蘋果采摘技術在世界范圍內算是比較先進的，但是采摘自動化程度仍然不是很高。近年來水果產業(yè)在市場的需求不斷增加，蘋果采摘機械化很快引起了農業(yè)界機械研發(fā)人員的注意，他們最先開始了研究和探索，設計出了機械振搖式果實采摘機，通過對果樹的沖擊和振搖使果實產生合適的加速度，使果實在最薄弱處于樹枝分離。從而實現采摘的目的。這個機器對于山楂、紅棗等堅硬的果實或者果皮粗糙厚實、水分較低的果實有很好的采摘效果，但是對于蘋果、梨等果實來說，效率卻十分低，蘋果皮薄，在采摘過程中容易與其他果實或者枝葉撞擊，使得果實出現破皮、淤青等狀況。一旦出現這種狀況，極易引起蘋果的氧化變質或者腐爛，保質期嚴重縮短，良品率嚴重下降，導致果實賣不上應有的價格。經濟效益明顯降低。國外研究的采摘方式和咱們也是大同小異，主要是振搖式和撞擊式，還有一種更加特殊的切割式，由于西方大多數國家的勞動力嚴重不足，迫使他們無法將勞動力分散開，所以他們直接將長有果實的樹枝切割下來，集中到一起然后再對樹枝上的果實進行后續(xù)處理，這樣雖然可以提高效率，但是不利于果樹的生長和保護。而且果實在運輸過程中也容易損壞變質。綜上所述，現階段的采摘機采摘速度可以達到標準，但是蘋果損失率很高，良品率較低，導致總體效率降低。所以本次設計的蘋果采摘機械手主要實現果實的無損采摘，保證采摘效率的同時，提高蘋果的良品率。實現總體效率的提升。2.4采摘機械手的應用前景采摘機械手擁有很廣闊的應用前景，機械手與人手的最大區(qū)別就是機械手的準確性和耐用性，機械手可以一直不間斷重復同一個動作并且失誤率極低，而且可以在任何環(huán)境下完成工作，而且機械手方便維修和替換。采摘機械手可以是全自動化的采摘機器人，也可以是半自動化的采摘輔助器，他們都離不開機械手的工作。隨著勞動力人口的減少，如今更需要機械設備的幫助，各行各業(yè)的發(fā)展都趨于自動化和半自動化，在工業(yè)領域，機械臂廣泛運用于汽車、船舶、飛機、家電等行業(yè)。在農業(yè)領域，他被用運到采摘、種植、收割等方面。在醫(yī)療領域，它主要被運用于遠程操控，醫(yī)生與患者身在異地也可以控制機械手完成一些列操作。所以，機械手擁有很廣闊的應用前景，未來發(fā)展也一定是非常迅速的。未來一定會有各種各樣的機械手出現在生產和生活中。蘋果采摘機械手的總體設計3.1蘋果采摘機械手的設計方案本次對于蘋果采摘機械手進行了深入的了解，通過資料調研法查找相關的機械手設計結構和研究資料，本次設計的機械結構由手指、手掌、連桿、復位彈簧、伸縮桿組成，材料會用到高強度的鋁合金材料，手指由橡膠包裹，伸縮桿采用兩段式伸縮設計，由兩節(jié)鋁合金管組成，控制器類似于自行車剎車裝置，人工控制機械手掌的打開與合攏。將蘋果完整的摘下。有了整體設計方案，通過文獻參考法來進一步儲備設計經驗，再根據設計思路來完成草圖的設計，之后會在NX12.0軟件上完成整體圖紙的繪畫和確定最終的設計圖。最后通過市場調研法以及現狀分析法，深入市場對比其他機械手的結構優(yōu)缺點，結合自己的設計數據，針對結構經行優(yōu)化設計。最后，通過經驗總結法、理論分析法，進行具體設計環(huán)節(jié)的分析與計算，完成各項工作，使設計完整化。3.2機械手的零件設計有了整體的設計方案，將蘋果采摘機械手分為兩部分，分別是機械手和伸縮桿。機械手又是由手指、手掌、連接桿、和復位彈簧組成。伸縮桿由內桿、外桿、伸縮控制器、手柄組成。3.2.1手指手指是由手指和手指套組成，手指的材料為奧氏體不銹鋼材料，它的優(yōu)點是衛(wèi)生安全、防腐蝕、剛性高、而且易于加工、表面光滑。手指通常與果實直接接觸，所以材料必須選用安全可靠的金屬不銹鋼材料。手指套則使用加成型硅合成橡膠，這種橡膠專用于食品行業(yè)，和醫(yī)療領域，擁有優(yōu)良的穩(wěn)定性和耐候性（使用溫度-60℃-250℃）密度/g·cm-31.1硬度（JISA）20斷裂伸長率/%≥300抗撕強度/KN·m-1≥20抗拉強度/Mpa≥5.0手指長度為6cm，寬度為3cm,可以摘取直徑為4-10cm的果實。手指部位是一個極易磨損的部位，手指使用周期大概為一年。如果頻繁使用的話，應該縮短更換周期。圖3.1蘋果采摘機械手手指零件圖圖3.2手指二維平面圖3.2.2手掌、連桿手掌是機械手的核心部位，材料是高強度鋁合金7075-T6鋁合金的優(yōu)點是重量輕、抗氧化能力強、可塑性強。非常適合框架結構。連桿是連接手指和手柄的關鍵零件，連桿的上下運動帶動手指的打開與合攏。調節(jié)連桿的長度可以改變手指開合的幅度，可以應對不同的果實。手掌上端設計為等邊三角形，邊長為100mm,中間圓孔是連桿通道，連桿上端與三根手指相連。手掌總長度為80mm,中間由加強筋加固，為減少重量，加強筋采用中空設計。手掌上有三個定位支點，分別定位三根手指，手指在支點上可以自由擺動。手掌上端圓孔對應連桿上端直徑，下端圓孔對應下端直徑分別是28mm和20mm。連桿可以在手掌中間有限度的運動。連桿的運動帶動手指的運動，實現手指的張開與合攏。圖3.3機械手掌零件圖圖3.4手掌俯視圖3.2.3復位彈簧復位彈簧的作用就是由一種狀態(tài)恢復到原有狀態(tài)，首先復位彈簧受到拉伸或者擠壓作用，發(fā)生形變，把能量以勢能的形式儲存起來，最后再釋放出去。本設計的復位彈簧使用琴鋼絲加工而成，通過淬火加回火的熱處理方式定型。復位彈簧套在連桿上，再與手掌接觸，形成一個相對完整的系統(tǒng)。由他們組成整個機械手的部分。復位彈簧復位能力是關鍵。力量太小機械手將無法復位，力量太大，則需要很強的握力才可以操縱機械手，所以復位彈簧的壓力必須適當。已知彈簧的壓力公式:F=k×?x根據連桿的長度可以知道連桿可移動范圍是5cm，彈簧的伸縮距離約為2.5cm。所以?x≈2.5cm。F可以理解為人握住一個蘋果將其摘下所需的力，可以假設為二倍蘋果的重力，蘋果假設為200g。則二倍蘋果重力約為4N。所以可以求出:k=4N/2.5=1.6彈簧常數計算公式：k=(G×d?)/(8×Dm3×Nc)G=線材的鋼性模數：琴鋼絲G=8000；不銹鋼絲G=7300，磷青銅線G=4500，黃銅線G=3500d=線徑Do=OD=外徑Di=ID=內徑Dm=MD=中徑=Do-dN=總圈數Nc=有效圈數=N-2根據已知的數據和信息，本次設計的彈簧材質為琴鋼絲，線徑為3.4mm,外徑為25mm，內徑為22.5mm,中徑為24mm總圈數為8，有效圈數為6。由此可以計算出k=(G×d?)/(8×Dm3×Nc)k=(8000×3.4?)/(8×243×6)≈1.61所以本次設計是復位彈簧符合要求。圖3.5機械手連桿零件圖圖3.6復位彈簧零件圖圖3.7連接零件圖3.8機械手裝配圖該機械手由三根手指，每根手指之間成120°夾角圍繞在手掌上，每根手指由兩個關節(jié)組成，確保手指足夠靈活。手指與手掌中間的連桿相連，通過連桿的運動實現手指的運動。對果實實現夾持的作用。3.3伸縮桿、控制器、手柄的設計蘋果采摘機械手的下半部分由三小部分組成，分別是伸縮桿、控制器和手柄，他們相互連接，相互控制，控制器控制伸縮桿的伸長和縮短，而手柄控制機械手的打開與合攏。他們與機械手共同構成完整的蘋果采摘機械手。3.3.1伸縮桿伸縮桿是整個機械手非常重要的部分，制作伸縮桿的材料一般有三種，分別是不銹鋼、PE管、輕質鋁合金管，不銹鋼是最為常見的材料，不生銹，耐摩擦，而且硬度高，但是價格也比較高，所以現在的不銹鋼管大多為復合材料，外層不銹鋼，內層為鋼，PE管就是人們所了解的塑料管，比較環(huán)保，可回收，但是硬度比較低，長時間工作會產生形變。輕質鋁合金管就是由鋁合金和塑料組成，他們經過無縫壓縮工藝一體成型，外層鋁合金，內層塑料，它具有一定厚度，不易生銹。硬度強且質量輕。所以本次設計的伸縮桿使用輕質鋁合金管，它有強度高、耐腐蝕、質量輕、價格便宜等優(yōu)點。圖3.9伸縮桿本次設計的伸縮桿由內桿和外桿組成，外桿套住內桿，外桿固定，內桿自由移動，實現伸縮的效果，兩根桿分別為100cm和80cm.外桿長，內桿短，外桿的直徑為30mm,內桿直徑為26mm.桿厚度為2mm.桿表面有防滑處理，內桿與外桿中間有卡槽，可以精準的將內桿與外桿套牢，不會出現滑動的現象。內桿有多個限位孔，可以精確控制伸縮桿總體長度。內桿連接機械手，外桿連接手柄。兩桿之間安裝控制器。伸縮桿的重量占整個機械手重量的60%，所以伸縮桿的重量一定要控制在合理的范圍內，太輕的話，它的強度就會降低，在使用過程中容易出現質量問題，太重的話，反而效率會比不使用機械手更低。所以伸縮桿的重量必須控制在合理的范圍。已知鋁合金管的重量計算公式為：W=π×ρ(D-S)SL/1000W——管的理論重量，kg；π——圓周率，π=3.1416；ρ——密度，鋁合金可按ρ=7.85kg/立方分米計算；S——鋼管的壁厚，mm；D——鋼管外徑，mm；L——鋼管長度，m.由此可得本次設計的鋁合金外管質量為：W≈3.1416×7.85kg/dm3×(30mm－2mm)2mm×1m/1000W≈0.15kg由此可得本次設計的鋁合金內管質量為：W≈3.1416×7.85kg/dm3×(28mm－2mm)2mm×0.8m/1000W≈0.13kg那么伸縮桿的總重量約為0.3kg,由此可以估算整個機械手的重量約為0.5kg。鋁管的抗彎強度計算:管材都會有彎曲，所以抗彎曲能力是非常重要的。鋁管的彎曲強度計算公式為：I=/64a=d/Dπ取3.1416根據公式計算抗彎強度：I=由此可得：I≈24911.293.3.2控制器控制器是控制伸縮桿伸縮的部件，結構簡單，采用塑料制成，長度7cm，大口直徑31mm，小口直徑28mm，大口連接粗直徑伸縮桿，小口連接細直徑伸縮桿，根據伸縮桿的直徑，確定控制器的直徑，使它剛好套在伸縮桿上?？刂破魃隙税惭b控制按鈕，按鈕左端3mm的控制栓，當控制器上的控制栓卡在伸縮桿的限位孔上時，伸縮桿不可以伸長或者縮短，工作時可以根據果實的高度來調節(jié)控制栓在伸縮桿上的位置。應對不同的工作場景。圖3.10伸縮控制器3.3.3.手柄手柄控制機械手的開合，是由人手直接操作的部件，當人握緊手柄時，手柄拉動鋼絲，鋼絲牽引連桿向下運動，機械手就會合攏，當人手松開手柄時，復位彈簧就會恢復原狀，將勢能轉化為動能，使機械手恢復到開放狀態(tài)。手柄前端與外桿嵌套，直徑為30mm，使用高硬度塑料材料pps,它是一種硬度非常高的材料，而且耐熱性比較好。輕質不易變形。手柄也可以使用金屬材料，金屬材料更加耐用，使用周期更長，但是金屬材料普遍較重，會增加機械手整體的重量，給操作者帶來不必要的負擔。所以考慮綜合因素，選用pps塑料材質更加合理。圖3.11手柄零件3.12手柄二維平面圖蘋果采摘機械手的工作原理及設計4.1機械傳動機械傳動是日常生活中最常見的傳動方式，通過機械方式傳遞動力和運動。機械傳動大致可分為兩種：依靠部件之間摩擦傳遞動力的摩擦傳動，以及依靠主動和從動部件嚙合或中間件嚙合產生動力的嚙合傳動。機械傳動具體可分為以下幾種：齒輪傳動、鏈條傳動和鋼絲繩傳動。4.2機械手的傳動裝置設計本次設計蘋果采摘機械手運用的就是機械傳動中的鋼絲索傳動，鋼索不是直接安裝被安裝在機械手上的，如果直接安裝在機械手上，那么鋼索的長度決定了機械手的長度，機械手就失去了伸縮的功能，為了讓鋼絲既可以傳動，又可以改變長度，可以在鋼絲上包裹上鋼絲管，它有一定的彎曲效果，但又不影響鋼絲的傳動效果，鋼絲管由兩層材質組成，內層為鋼外層為橡膠，將鋼絲的一部分設計為螺旋結構，了解鋼絲和鋼絲管的最大彎曲量，就可以確定伸縮桿的伸縮范圍。鋼絲管的外徑為5mm，內徑為3mm,長度為2000mm，鋼絲直徑為2.8mm。穿過鋼絲管連接在連桿和手柄上。鋼絲管兩端有定位螺絲，分別固定在兩根鋁合金管的兩端。鋼絲與鋼絲管也是有使用周期的，定期檢查和更換是必要的，當鋼絲管表皮老化或者破裂時，傳動效率就會有明顯的下降。圖4.1蘋果采摘機械手的傳動裝置簡圖4.3鋼絲選用及極限拉力計算為了節(jié)約成本和穩(wěn)定的共作，機械手傳動鋼絲的使用也是非常重要的，選用最合適的鋼絲可以事半功倍。鋼絲的破斷拉力為S破斷=500d2（N）鋼絲的極限工作拉力S極限=S破斷/k（N）d——鋼絲的直徑k——安全系數不同的使用場景下安全系數也是不一樣的，作攬風繩用時一般為3.5，起重用時一般為4.5，綁扎吊索一般為6。為了安全起見，本次設計使用最大的安全系數，人手摘蘋果時使用的力一般不會大于自身重力，所以極限拉力按人的自身重力計算，一般成年人的體重為60kg,那么極限拉力為60kg×9.8kg/N≈600N。當極限拉力為600N時，代入公式計算：d2=600K/500d≈2.68mm通過計算，可以得出鋼絲直徑為2.68mm,市場上鍍鋅鋼絲規(guī)格有0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm、2.0mm、2.5mm、2.8mm、3.0mm、3.2mm、3.5mm、3.8mm、4.0mm、4.2mm、4.5mm、4.8mm、5.0mm、6.2mm、7.7mm、9.3mm。根據上述的規(guī)格，本設計選用2.8mm規(guī)格的鋼絲最為合適。4.4蘋果收集裝置的設計當蘋果被完整采摘下時，由于機械手每次只能采摘一個蘋果，如果不能快速高效的將其收集起來，那么采摘效率是非常低的，所以要設計一個可以快速收集的裝置，對此設計出以下兩種方案，1、可以在機械手下放安裝一個可拆卸果筐，當蘋果被采摘下時，松開機械手，蘋果直接掉進筐內。2、可以在機械手下方安裝一個可裁卸的通道。類似于傳送帶，當蘋果被采摘下來時，松開機械手，蘋果掉進通道，順著通道直接傳送到地面的放置蘋果的容器內。有了以上兩種方案，考慮利弊等其他因素，本次設計會選擇第二種方案，第一種方案雖然結構簡單，但是當蘋果在筐內越來越多時，機械手整體的重量會急速上升，對使用者的力量有一定的要求，而且蘋果下落時勢必回與已經在筐內的蘋果發(fā)生碰撞，導致蘋果良品率下降。第二種方案雖然結構較為復雜，但是每個蘋果之間都不會發(fā)生接觸，蘋果重量也不會對使用者產生負擔。根據蘋果的尺寸，設計的投放筐，外直徑100mm,內直徑90mm，蘋果的直徑大約為40mm~100mm。滿足絕大部分蘋果的尺寸。4.5整體裝配圖設計蘋果采摘機械手的所有零部件都已經設計完成，整體裝配圖如下：圖4.2蘋果采摘機械手裝配圖圖4.3蘋果采摘機械手爆炸圖結論本文主要對蘋果采摘機械手的零件和傳動裝置進行了設計，不僅對一個零件的設計步驟與過程有了比較深入的了解，通過對零件的自身結構、尺寸、材料、等方面進行分析，還制定出了一系列的設計方案。并依據果實的自身特征和采摘環(huán)境等其他因素進行了分析，選擇出一套相對完整的方案。設計過程中還對機械手行業(yè)和水果采摘行業(yè)有了深入了解。知道了各種各樣的機械設備，和水果采摘方面的知識。在繪圖過程中，也對繪圖軟件有了更深層次的學習，熟練掌握了三維建模和圖紙繪畫。在設計過程中發(fā)現自己掌握的知識和對行業(yè)的了解還只是冰山一角，不能很好的把所學知識結合到實際中去，遇到的有很多問題還是不能獨立解決，在學校中大部分時間是學習知識，所以好多事情還是缺乏經驗。所以學習是一個不能間斷的事，畢業(yè)后還需要自己更多地學習知識，將知識轉化為能力才是最重要的。所以今后還會不斷努力。不斷進步。參考文獻[1]鄭爽爽,李艷聰,張盛,王容,王東陽,顧典榮,蘋果采摘機械人結構設計科技創(chuàng)新與應用2019.21:11-12.[2]楊文亮.蘋果采摘機器人機械