【蘋果采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)5000字（論文）】

蘋果采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)摘要我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)中的水果產(chǎn)業(yè)是非常重要的，最常見的就屬蘋果這種水果，1952年蘋果產(chǎn)量在全國果品中占有比重僅占4.83%，到2020年年則提高到15%，增長了67.8%，成為各類果品之首，蘋果在全國水果行業(yè)經(jīng)濟(jì)中占據(jù)著重要的地位。我國蘋果的增長速度約相當(dāng)于柑桔的4倍，葡萄的5倍，梨的6.7倍，是全國果品平均增長速度的近10倍。在很多國家地區(qū)產(chǎn)量都非常驚人。大多數(shù)蘋果都是紅色的，但也有少數(shù)蘋果呈現(xiàn)綠色跟黃色。而蘋果生產(chǎn)中最耗時(shí)耗費(fèi)的就屬采摘作業(yè)，同時(shí)由于樹高的限制，人工不僅很難摘還具有一定的危險(xiǎn)，為了減輕果農(nóng)的勞動強(qiáng)度，解決生產(chǎn)成本高丶生產(chǎn)效率低下丶受傷事故以及水果市場競爭等方面的問題，農(nóng)業(yè)機(jī)械又成為了農(nóng)業(yè)中不可少的工具，所以設(shè)計(jì)一款簡易的蘋果采摘機(jī)器人是非常重要的ADDINNE.Ref.{814E679E-F0B0-42B7-AD26-A1632AAC156E}[2]。一般情況，為了不讓果實(shí)被機(jī)械擦傷，很多設(shè)計(jì)的機(jī)械手的手指內(nèi)側(cè)都會采用尼龍或者是橡膠材料來接觸蘋果的又因?yàn)樘O果的外形不規(guī)則，品種的區(qū)別所以機(jī)械手的設(shè)計(jì)部分還要把手指數(shù)量及關(guān)節(jié)數(shù)量算進(jìn)去ADDINNE.Ref.{814E679E-F0B0-42B7-AD26-A1632AAC156E}[6]。關(guān)鍵詞：蘋果采摘機(jī)械手；農(nóng)業(yè)機(jī)械；采摘作業(yè)目錄6206摘要 12862第1章緒論 4270301.1課題的目的 4144901.2采摘機(jī)械手的研究狀況 5226001.3采摘機(jī)械手存在的問題 6124771.4研究的意義 6101991.5研究的主要內(nèi)容 73148第2章蘋果采摘機(jī)械手總體方案 8245902.1手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 815562.1.1手指數(shù)量 95282.1.2手指關(guān)節(jié)數(shù)量 936222.1.3手指的材料選擇 9273902.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10140942.3采摘機(jī)械手的工作原理 1115317結(jié)論 1215572參考文獻(xiàn) 14第1章緒論1.1課題的目的選擇這個(gè)題目的是因?yàn)閯趧尤嗣竦墓ぷ鲝?qiáng)度太高，很大程度上降低蘋果的生產(chǎn)成本，一般果園占地比較小而且果樹分布比較密集，這樣大大增加了果農(nóng)的采摘難度。現(xiàn)在很多農(nóng)業(yè)方面的生產(chǎn)已經(jīng)用上了機(jī)械最常見的如除草丶噴灑丶收稻谷丶梨田等領(lǐng)域的機(jī)械，若是一直使用人工采摘話效率根本就上不去還增加了很多無謂的勞動力，在果實(shí)成熟的時(shí)期沒能及時(shí)有足夠勞動力采摘的話，其中的損失是不可估量的，就目前這么大面積的產(chǎn)量已經(jīng)不能光靠手工生產(chǎn)也不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的大方向，現(xiàn)在的技術(shù)越來越好，使用機(jī)器采摘好處多多，采摘的效率得以控制還解放許多的勞動人民節(jié)約勞動力提高果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益。1.2采摘機(jī)械手的研究狀況目前，中國作為最大的發(fā)展中國家，蘋果種植面積和生產(chǎn)相對較高。也是世界第一大蘋果生產(chǎn)國。蘋果種植的迅速發(fā)展，世界種植面積的一小半的比例都被中國所占有?？梢娫谔O果產(chǎn)業(yè)中所占的比例之重大。蘋果機(jī)械化收獲技術(shù)已有三十多年的研究歷史。最早的方式主要是機(jī)械振搖式和氣動振搖式，但缺點(diǎn)也很明顯。果實(shí)容易損壞，而且效率不高。尤其無法進(jìn)行有選擇性的收獲。近年來，隨著國家重視農(nóng)業(yè)，加大對資源的投入，作為農(nóng)業(yè)機(jī)械的重點(diǎn)，機(jī)器人得到了智的優(yōu)化和跨一。但面對復(fù)雜多變的工作環(huán)境，對機(jī)器人的研究依然存在。還有很長的路要走。在我國，大部分果園生產(chǎn)規(guī)模相種植也是樣式繁多。果園的規(guī)模化程度偏低。我國果園機(jī)械化水平很低。仍然很低。我原機(jī)械無論從數(shù)量還是品種質(zhì)量上，都難以滿足產(chǎn)業(yè)大發(fā)展的需要ADDINNE.Ref.{814E679E-F0B0-42B7-AD26-A1632AAC156E}[3]。自很久以前，先后開發(fā)了機(jī)械振動式山楂采果機(jī)、空氣膠囊式采果器和手持電動采果器，這兩者其實(shí)還是屬于輔助采摘機(jī)械裝置，雖然將保護(hù)果實(shí)方面加入了機(jī)械的設(shè)計(jì)里面，但是其效率始終還是不行。80年代后，才進(jìn)一步的研究制造出了切割型采摘器，果園采摘也從人工使用剪刀采摘發(fā)展到使用機(jī)械裝置采摘。電動采摘器是利用手柄將果柄導(dǎo)向切刀，切刀在微電機(jī)的驅(qū)動下往復(fù)運(yùn)動，切斷果梗。此外，使用搖動采摘器將叉子插入果枝中，并通過電機(jī)振動水果以擺動叉子。采摘和采摘的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省時(shí)間和精力，并且水果損壞少。此后，出現(xiàn)了更多的液壓修剪升降平臺等輔助工具，可以用來提升工人的工作位置，有利于揀選作業(yè)。與山楂、核桃、棗等不同，蘋果皮在采摘過程中易破損，破損易造成蘋果氧化品質(zhì)變差，降低經(jīng)濟(jì)效益。如圖1.1所示，鹽源縣位于涼山彝族自治州，在瀘沽湖和笮山若水之間，鹽源縣的40余萬畝高原蘋果，鹽源縣憑借獨(dú)特的資源稟賦優(yōu)勢，大力發(fā)展蘋果產(chǎn)業(yè)，鹽源蘋果廣銷各地，為當(dāng)?shù)匕傩彰撠氈赂淮蛟炝诵侣稟DDINNE.Ref.{814E679E-F0B0-42B7-AD26-A1632AAC156E}[2]。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張凱良等人設(shè)計(jì)了草莓采摘機(jī)器人，其機(jī)械原理如圖1.1所示，該末端執(zhí)行器的夾持機(jī)構(gòu)主要有機(jī)械爪及其附屬部件構(gòu)成。1.手指2.內(nèi)螺紋管3.絲杠4.電機(jī)圖1.1機(jī)械爪機(jī)構(gòu)示意圖1.3采摘機(jī)械手存在的問題摘果機(jī)器人機(jī)械手的設(shè)計(jì)是摘果機(jī)器人的核心設(shè)計(jì)。這是因?yàn)槟壳捌胀ㄋ谋砥け容^脆弱，容易損壞。此外，果實(shí)的形狀和在果樹上的生長位置一般都比較復(fù)雜。因此，采摘機(jī)器人在采摘果實(shí)的過程中容易損壞。這是由于在軌跡的位置確定和運(yùn)動性能的誤差。大部分的果實(shí)被樹枝覆蓋，樹枝長得不好，所以很難確定果實(shí)的位置。另外，即使判斷正確，集合軌跡也受到樹脂的影響，運(yùn)動也受到影響。它很容易折斷或移動。在執(zhí)行器的末端有一個(gè)傳感器，但它可以感知抓住它的力量。然而，在實(shí)際操作中，抓撓水果的現(xiàn)象仍然是不可避免的。如果表皮受損，蘋果就容易腐爛，蘋果就會腐爛，這樣會造成比較大的經(jīng)濟(jì)損失ADDINNE.Ref.{814E679E-F0B0-42B7-AD26-A1632AAC156E}[8]。蘋果采收機(jī)械的研究主要是為了減少蘋果的采收時(shí)間，提高蘋果的采收效率，盡可能地降低勞動強(qiáng)度。然而，目前研究的許多機(jī)械手的提取效率并不比人工手高。因此，提高蘋果收獲機(jī)的工作效率顯得尤為重要。雖然收獲機(jī)的成本高，應(yīng)用推廣的難度也高，而且由于業(yè)主多為農(nóng)民，要求安全可靠，易于操作，不易損壞。1.4研究的意義我國蘋果產(chǎn)量巨大，是僅次于柑橘的第二大加工水果，但主要以鮮食及初加工產(chǎn)品為主，深加工微乎其微。目前，我國市場上已經(jīng)有的初加工產(chǎn)品有三大類：一是液體加工品，包括蘋果汁、蘋果醋、蘋果罐頭、蘋果酒等，我國蘋果汁加工市場占有全球的90%；二是固體加工產(chǎn)品，包括全粉、速溶粉、果醬、果脯、蘋果干等；三是利用提取果膠后的二次皮渣生產(chǎn)蛋白飼料、有機(jī)肥和沼氣等。經(jīng)過多年的發(fā)展，中國已成為世界最大的蘋果生產(chǎn)國，蘋果種植面積和產(chǎn)量均占世界50%以上。2020年我國蘋果種植面積超過3000萬畝，產(chǎn)量達(dá)4100萬噸，約比2019年減產(chǎn)190萬噸，入庫庫存量約為1230萬噸，庫存量較2019年的1190萬噸，增加了3.36%ADDINNE.Ref.{814E679E-F0B0-42B7-AD26-A1632AAC156E}[9]。我國蘋果品種結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，上市檔期更趨合理，優(yōu)質(zhì)果率大幅提升，市場競爭力日益增強(qiáng)，蘋果出口量位居世界前列，我國將從蘋果生產(chǎn)大國向蘋果產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國邁進(jìn)。得益于氣候溫和，優(yōu)良的生產(chǎn)管理和廣泛的植物應(yīng)用，中國的蘋果產(chǎn)量每年以7％至8％的速度增長。除了大量的蘋果資源，中國的蘋果汁生產(chǎn)還得益于較低的勞動力成本。由于成本上漲，歐洲見證了蘋果汁生產(chǎn)的萎縮，因此出現(xiàn)了巨大的機(jī)會。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，使用高效的收割機(jī)是關(guān)鍵，因此發(fā)展自動化程度高、性能好、成本可接受的采摘機(jī)是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢。自古農(nóng)業(yè)作為一個(gè)大國，從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人口非常多，中國的農(nóng)業(yè)人口眾多，但隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，許多從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動者轉(zhuǎn)移了。行業(yè)發(fā)展的原因是由于生產(chǎn)人員減少，“收割機(jī)器人”的發(fā)展是必然的；隨著人們對提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的要求，人工采摘蘋果不再是蘋果的品質(zhì)，而是可以滿足人們的需求，因?yàn)椴烧侠瓩C(jī)司機(jī)不僅可以提高蘋果收獲的效率，而且大大提高了對蘋果品質(zhì)的要求，因此，采摘機(jī)械師的研究具有良好的發(fā)展前景ADDINNE.Ref.{814E679E-F0B0-42B7-AD26-A1632AAC156E}[7]。1.5研究的主要內(nèi)容本論文主要對蘋果采摘機(jī)器人的機(jī)械手機(jī)構(gòu)進(jìn)行了全面的設(shè)計(jì)，對國內(nèi)蘋果種植環(huán)境進(jìn)行分析，并對機(jī)器的各個(gè)部分進(jìn)行了具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動力學(xué)分析，對機(jī)器的采摘性能進(jìn)行了分析，研究、制作和測試機(jī)器人。通常，為了避免損壞水果，大多數(shù)設(shè)計(jì)都使用尼龍或橡膠來觸摸手指內(nèi)側(cè)的蘋果，取決于蘋果的形狀和大小，所以，在機(jī)器手的設(shè)計(jì)部分應(yīng)該考慮手指與蘋果的接觸尺寸和手指關(guān)節(jié)的數(shù)量。蘋果采摘機(jī)械手總體方案2.1手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在這里我們選擇的手指設(shè)計(jì)將采用欠驅(qū)動手指，欠驅(qū)動手指握持力大，承載能力高，通用性好，能牢固地握住果實(shí)，有效地防止采摘過程中果實(shí)脫落。通過減少驅(qū)動源的數(shù)量，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)易于控制。欠驅(qū)動手指運(yùn)動和動力傳輸方式主要是目前的滑輪和繩索裝置和核心肌肉凸輪裝置，還有線圈的鋼軸驅(qū)動器或四個(gè)鏈路傳輸也是可以使用的，主要問題是前三種動力傳動的損耗、效率低、夾緊力弱，以及鏈路傳輸和夾緊效率相對較高。因此，手指的運(yùn)動是通過鏈傳遞力和夾緊力的方法來實(shí)現(xiàn)的ADDINNE.Ref.{814E679E-F0B0-42B7-AD26-A1632AAC156E}[5]。圖2.1手指結(jié)構(gòu)2.1.1手指數(shù)量蘋果的形狀有時(shí)因各種外在原因而生長不規(guī)則，其形狀可分為規(guī)則型和不規(guī)則型。通常是小蘋果，大多數(shù)形狀相對規(guī)則的小水果，都是直接用兩個(gè)手指帶著一個(gè)吸盤來摘取水果。我們還對三指機(jī)器人和兩指機(jī)器人進(jìn)行了研究，但我們可以看到三指機(jī)器人能穩(wěn)定地摘水果。用4根手指和一個(gè)吸盤更有效很好，但很難控制，機(jī)械手手指的設(shè)計(jì)要求與蘋果的大小密切相關(guān)。一般情況，機(jī)械手指的抓取效果與機(jī)械手指的數(shù)量有很大關(guān)系，當(dāng)然是越多越好，但是緊握的手指數(shù)量越多就會越難以控制，所以，進(jìn)過我的深思熟慮，采用3個(gè)手指最適合。2.1.2手指關(guān)節(jié)數(shù)量一般來說，規(guī)則形狀的蘋果是一個(gè)點(diǎn)控制器。然而，由于控制和材料繁瑣，對類似于人類手指的機(jī)械手研究相對較少，摘蘋果的機(jī)械手原理是指尖與人體的相似，這意味著它通過肌肉組織與一根又細(xì)又軟的金屬絲相連，當(dāng)類似人體肌肉收縮時(shí)產(chǎn)生的張力使你的指尖輕輕彎曲，與執(zhí)行器抓取密切相關(guān)的端部效應(yīng)數(shù)量越多，端部的夾緊運(yùn)動就越自由流暢，然而，關(guān)節(jié)的數(shù)量隨著驅(qū)動器數(shù)量的增加，驅(qū)動器的數(shù)量也在增加。隨著驅(qū)動器數(shù)量的增加，它不僅會變得更加難以控制，而且還可能產(chǎn)生負(fù)面影響，如復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低其穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)四根手指各有四個(gè)關(guān)節(jié)，通過繩子的拉伸和拾取機(jī)械手的設(shè)計(jì)，即可使手指被彎曲成所需的形狀。2.1.3手指材料的選擇眾所周知機(jī)械的手指是金屬堅(jiān)硬的材料，直接接觸蘋果會使其受損，不能夠進(jìn)行長時(shí)間的保存對經(jīng)濟(jì)是一大損失，很多摘果子的機(jī)械手臂都會采用尼龍材料，因?yàn)槟猃埐牧暇哂休^高的強(qiáng)度，較好的耐熱性，磨擦系數(shù)低，耐磨性好，而且具有自潤滑性,吸震性,耐油,

耐弱酸等特點(diǎn)。采摘機(jī)器人的機(jī)械手手指選擇必須要選擇合適的材料，因?yàn)椴牧线@東西對于機(jī)器人工作狀態(tài)和加工生產(chǎn)都會有影響。在查閱了大量資料和進(jìn)行多次分析之后，我們首先要通過遵循手的結(jié)構(gòu)尺寸和手指，然后在保持強(qiáng)度和質(zhì)量之后，我最終選擇了手指的尼龍材料ADDINNE.Ref.{814E679E-F0B0-42B7-AD26-A1632AAC156E}[1]。2.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在機(jī)械手設(shè)計(jì)過程中，運(yùn)動機(jī)構(gòu)的選擇是一個(gè)重要的步驟，但僅用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行理論設(shè)計(jì)和計(jì)算是不夠的。來解釋這個(gè)問題。根據(jù)初步概念，從機(jī)械原理上學(xué)的知識可以繪制機(jī)械運(yùn)動圖解，規(guī)劃可達(dá)的工作空間，然后根據(jù)計(jì)劃工作空間的有效點(diǎn)，設(shè)定機(jī)械4%的分析方程ADDINNE.Ref.{814E679E-F0B0-42B7-AD26-A1632AAC156E}[10]。通過分析機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動參數(shù)，推導(dǎo)出機(jī)械臂設(shè)計(jì)閉鎖方程，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)出標(biāo)準(zhǔn)方程，以便將來對機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行有效的研究。完成這一過程的第一步是建立機(jī)械臂的簡化結(jié)構(gòu)模型。這個(gè)設(shè)計(jì)過程的難點(diǎn)在于如何對空間點(diǎn)進(jìn)行定位，以及如何有效地識別機(jī)器手臂可能抓住的目標(biāo)蘋果。請等候機(jī)器結(jié)構(gòu)的選擇及造型設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的力量主要來自兩臺小型電力馬達(dá)帶動引絲桿實(shí)現(xiàn)伸縮機(jī)械臂，使蘋果挑器準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)果實(shí)的位置，由小型電力馬達(dá)完成把握，機(jī)器人手臂松動ADDINNE.Ref.{814E679E-F0B0-42B7-AD26-A1632AAC156E}[4]。圖2.2總體裝配圖2.3采摘機(jī)械手的工作原理手柄有3個(gè)手指，3個(gè)手指在圓周排列對稱，每個(gè)手指都有4個(gè)關(guān)節(jié)，控制器接收到控制中心信號，機(jī)械手的移動計(jì)劃路徑，抓住目標(biāo)蘋果，和手臂收縮將抓住水果在轉(zhuǎn)移托盤，蘋果通過導(dǎo)板以適當(dāng)?shù)乃俣冗M(jìn)入輸送裝置，提升后到達(dá)裝籃輸送機(jī)構(gòu)，所述裝籃輸送機(jī)構(gòu)相對于所述輸送裝置以相反方向旋轉(zhuǎn)，所述受盤接受蘋果落