蘋果撿果器設計及創新設計
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題 目 蘋果撿果器設計及創新
摘 要
中國作為一個農業大國，全國果樹的總產量超過了7500萬噸，而隨著大量青壯勞動力進城打工，果樹采摘的勞動力明顯不足。為推動果樹種植行業進一步實現機械化，撿果器作為一種高效性、安全性的采摘過程自動化解決方案，具有非常好的市場前景和研究價值。
本課題來源農業相關撿果器——撿果器。隨著撿果器技術的發展國內外開始探索相關技及先進成果應用在農業領域，其中果實采摘收割撿果器是農業領域中相對大的比重，相關撿果器隨著技術進步及相關經驗的成熟會為人們解放勞動力、提高工作效率等方面有不可估量的前景。
本文運用大學所學知識，設計了一款輪式撿果器，本撿果器通過輪式底部結構可自由行進并用5軸式機械臂結構可有效采摘果樹上的蘋果。為進一步探索蘋果采摘相關撿果器的研發提供了相關經驗及依據，并對進一步論證相關技術有了實驗的撿果器。
關鍵字：撿果器、農業，蘋果采摘，輪式撿果器
I
Abstract
As an agricultural country, China has a total output of more than 75 million tons of fruit trees. However, with a large number of young and strong workers working in cities, the labor force for picking fruit trees is obviously insufficient. In order to promote the further mechanization of fruit tree planting industry, fruit picker, as an efficient and safe automatic solution of picking process, has a very good market prospect and research value.
The sources of agriculture-related topics robot - apple picking robots. With the development of robot technology at home and abroad began to explore the application of relevant technologies and advanced achievements in the field of agriculture, where the fruit harvest picking robot is agriculture relatively large proportion of the relevant robot as technology advances and experience of mature people will liberate labor force improve work efficiency and so have immeasurable prospects.
In this paper, the university is knowledge, designed a wheeled robot apple picking, apple picking this wheeled robots can travel freely and bottom structure with a 5-axis robot arm structure can effectively picking apples fruit trees. To further explore the development of apple picking robot provides relevant and in accordance with relevant experience, and further related technology demonstration experiments with robots.
Key words: Robot,Agriculture,Apple picking ,Wheeled robot
II
目 錄
摘要 I
Abstract II
_Toc5168242121引言 1
1.1課題的來源與研究的目的和意義 1
1.2撿果器的用途 2
1.3 撿果器特點 2
1.4本課題研究的內容 2
2 撿果器的創新設計 3
2.1 撿果器的總體方案圖 3
2.2 撿果器的工作原理及方案設計 3
2.2.1.方案1方案撿果器結構簡圖 3
2.2.2.方案2撿果器結構簡圖 4
2.3 拋磨機主要零部件選型及強度校核計算 6
2.3.1大臂，小臂及連桿伺服電機設計 6
2.3.2驅動輪電機設計 7
2.3.3 軸承選型 10
2.4結構尺寸設計 10
2.4.1總體裝配圖設計 10
2.4.2齒輪箱蓋板結構尺寸設計 11
2.4.4后輪軸的結構尺寸設計 12
2.4.5驅動電機罩的結構尺寸設計 12
2.4.6小臂底板的結構尺寸設計 13
2.4.7小臂伸縮板的結構尺寸設計 13
2.4.8電機固定盤的結構尺寸設計 13
2.4.9車面板固定架的結構尺寸設計 14
2.4.10方向固定支架的結構尺寸設計 14
2.4.11驅動齒輪的結構尺寸設計 14
2.4.12軸端蓋板的結構尺寸設計 15
結論 15
致謝 16
參考文獻 17
IV
1引言
1.1課題的來源與研究的目的和意義
中國作為農業大國，而農業的重要組成部分為果樹業，果樹產值在我國農業(種植)中位居第三位，僅次于糧食、蔬菜。農業部的統計結果顯示，全國果樹2003年的總產量為7551.5萬噸，總占地面積為943.67公頃，都是處于世界第一的位置，并且每個人的平均占有量高達48kg以上。
我國山區多數為山區丘陵地形，面積十分廣闊，大部分地區均種植果樹，僅西部地區的果園面積就高達286萬公頃，占全國總種植面積的31%，果產品的總產量為1837萬噸。例如作為山城的重慶市，柑橘種植于2004年的面積就高達18.23萬公頃，果樹種植的總產量更是高達100萬噸，但是其農業機械化水平僅僅為12.23%。
目前，山區丘陵地區把勞務力輸出到城市作為促進農民收入增加，統籌城鄉經濟協調發展的一項重大舉措。故此大量青壯勞動力進城打工，而留守在家的人員則是一些老、弱、病、殘、婦女及兒童。水果種植具有采摘期短，勞動強度大等特點，然而外出打工的青壯年多數無法回家幫忙。高枝水果的采摘不僅對采摘人員具有較高的體力且不能獨自一人完成。綜上所述，山區果園種植采摘期短、難度大，短期內勞動強度大等問題亟待解決。此外，傳統的果樹種植作業還存著諸多弊端，主要包括以下幾個方面:一是人身安全問題，即采摘過程中作業者為高處作業，可能摔傷，而且手工采摘時樹枝容易劃傷手臂。二是果樹的損傷問題，即采摘人員在作業過程可能對果樹的造成破壞。三是水果質量問題，單手采摘作業時容易出現抽心果、脫蒂等問題，且高枝上的水果容易墜落造成內外傷，影響果品的成色，賣不上價錢，從而降低果民的經濟收入。目前，我國各地方政府增強地方經濟為紛紛舉辦大量的賞果采摘節等旅游投資項目，吸引了大量游客到果園采摘旅游，游客們享受著品嘗新鮮水果和采摘水果的樂趣。如果能提供一種輕巧靈便的撿果器，不僅能夠保障游客的安全，而且能夠讓游客體會到其中的樂趣，并且保護果樹不遭受損壞。
2004年6月25日，中華人民共和國第十屆全國人民代表大會常務委員會第十次會議通過了《中華人民共和國農業機械化促進法》，并于2004年11月1日頒布施行。該法律的制定是為了扶持、鼓勵農業生產經營組織和農民使用先進適用的農業機械，促進農業機械化、現代化。根據2009年中央一號文件指出，要加快研發適合丘陵及山區使用的輕便農機，使中國農業機械化事業可持續發展。近幾年來，我國政府加大力度扶持農機裝備和關鍵技術的研制開發，"十五"期間中央財政投入的農業機械科技攻關資金為2800萬元，"十一五"時期將會超過1.4億元。
機械化是農業發展的的根本出路，是黨和國家各級人民政府，農機生產、科研、推廣部門始終堅定的方向。是農村農業發展水平高低主要靠機械化水平來衡量，機械化水平的提高能夠有效提高農村生產力，促進勞動力轉向農村，徹底改變原有的小農經濟的耕作方式。目前在機械人技術領域中，機械手臂作為一種自動化機械裝置，在軍事、工業制造、娛樂服務、太空探索以及醫學治療等領域得到最廣泛實際應用，然而在果樹種植方面機械手臂的應用尚屬空缺。
根據《中華人民共和國農業機械化促進法》規定國家采取措施，鼓勵和支持農機制造者增加新產品、新工藝、新技術的科研投入，并對農機的制造實施和科研開發稅收優惠政策。國家大力支持相關的院校和科研機構增強對農業機械化技術的科學研究，針對不同的農民需求和農業生產條件，研究開發適用先進的農業機械，支持農業推廣相結合、教學與生產、機械科研，促進使農業機械適應于農業生產技術的發展要求。伴隨著高速發展的制造業和大幅提高的農業機械化普及程度，使用機械采摘的方式代替手工采摘已經成為必然的發展趨勢?，F階段撿果器存在兩種極端:一種是技術含量極高的具有自主行動功能的撿果器，這種類型的撿果器價格極高，丘陵地區小型果園的果農一般無能力購買;另一種是單純的機械式撿果器，由于這種類型的采摘器結構過于簡單，不能夠達到提高采摘效率，減輕作業者的勞動強度的目的。綜上所述，目前果樹種植行業急需一種不僅價格便宜而且操作方便，能夠提高采摘效率的撿果器。
撿果器可有效的解決采摘過程的高效性、操作過程的安全性、勞動力分配，果樹管理等問題，具有非常好的市場前景。在國家優惠政策的支持和鼓勵下，果樹種植行業將進一步實現機械化。隨著我國高速發展的制造業和大幅提高的農業機械化普及程度，撿果器終究會取代手工作業。
1.2撿果器的用途
本文所設計的撿果器雖然目前尚不能夠完全取代人工作業，但是它不僅奠定了農業采摘相關技術的實踐基礎，而且為其進一步研發提供了可操作的實驗平臺，很好的驗證了累積相關制作技術。
1.3 撿果器特點
本文所設計撿果器是一種電機驅動輪式5軸撿果器，整體結構主要包括三自由度帶夾持器的機械臂和兩自由度的移動載體。本撿果器主體材料為工程塑料和鋁板材料，使得其結構更加輕巧，實用更加便捷。
移動底盤：
本文設計的撿果器移動底盤選用農用拖拉機式移動小車，以便適應開放且多變的蘋果園地面環境。上面還加裝了主控電路板，多種傳感器，采摘輔助裝置，電源模塊等裝置。
傳動結構：
本文設計的撿果器傳動結構主要包括機械手腰部，大臂和小臂部分。其轉動驅動源均采用交流伺服電機，選用行星齒輪減速器對電機進行減速，同時有效提高最終的輸出扭矩。直接選用電動推桿作為小臂伸縮的部件，在伸出桿的末端通過螺絲連接相應旋轉法蘭盤組件與末端執行器固連。末端執行器初步選定使用夾持機構將果實夾緊并采摘。
1.4本課題研究的內容
本論文主要研究設計一款輪式撿果器，本撿果器可更加方便準確地采摘果樹上的蘋果。為進一步探索蘋果采摘相關撿果器的研發提供了相關經驗及依據，并對進一步論證相關技術有了實驗的撿果器。
2 撿果器的創新設計
2.1 撿果器的總體方案圖
根據設計要求確定撿果器的總體結構簡圖如圖1所示。
圖1
其中設備總體可分10部分，1部分為控制部分、2傳感器組件、3行走小車組件、4撿果器腰部組件、5大臂輔助組件、6大臂組件、7小臂之電動伸縮組件、8小臂組件、9旋轉法蘭組件、10末端執行器。各部分均由電機驅動并通過齒輪、軸以及電動缸等裝置進行有效的鏈接配合產生要求的作用。其中控制部分主要包括集中控制線路和蓄電池，通過傳感器接受信息并處理運動、工作、執行命令等相關動態信息，并及時有效地指揮撿果器采摘蘋果。
2.2 撿果器的工作原理及方案設計
為了達到撿果器高效、便捷采摘蘋果的目的，個人制作了兩種方案并對其進行比較。
2.2.1.方案1方案撿果器結構簡圖
動力源：
該撿果器采用伺服驅動系統作為動力源，它具有為撿果器提供動力并且控制其按照運動控制器的指令到達預定位置的作用。因為交流伺服電動機具有諸多優點，主要包括慣量小、無電刷和換向器 、適應于高速大轉矩等，因此該撿果器的四個關節動力源均采用交流伺服電動機，且在交流電動機前增設逆變器將直流電轉變為交流電。通過對多種交流伺服系統的使用性能和經濟性進行綜合考慮, 本設計方案選用日本安川公司 ∑-Ⅱ系列。
傳動方式的選擇：
撿果器關節需要動力是大轉矩、低轉速,而交流伺服電動機驅動系統輸出的動力是低轉矩、高轉速。因此, 需要通過在交流伺服電動機后串接諧波減速器結合齒輪機構作為撿果器腰關節、腕部和小臂的傳動方式。
為輔助控制程序，本設計方案增設以伺服電機進行控制的連桿機構，從而使傳動穩定性和控制靈活度達到提高。
接近機構設計
本設計方案的接近機構主要包括由機架、滑塊、直線步進電動機的絲杠螺母結構、和導桿四部分。
夾持機構
本方案設計的夾持機構主要包括滑塊、直線步進電動機的絲杠螺母結構和機架三部分。
旋轉采摘機構
本方案設計的旋轉采摘機構主要包括連接件Ⅰ、連接件Ⅱ和安裝在腕部的減速步進電動機三部分。減速步進電動機機體通過機架Ⅱ與連接件Ⅰ固聯，減速步進電動機輸出軸通過機架Ⅰ與連接件Ⅱ固聯，減速步進電動機旋轉使連接件Ⅱ相與連接件Ⅰ相對轉動。通過脈沖數的設定改變減速步進電動機的旋轉角度，本方案選用的電動機的最大扭矩最大為6N?m。
2.2.2.方案2撿果器結構簡圖
整體結構：
該設計方案的整體結構由具有2個自由度的移動載體和具有3個自由度帶夾持器的機械臂兩部分構成。此撿果器主體材料為工程塑料和鋁板材料，使得其結構更加輕巧，實用更加便捷。移動底盤：
本設計方案的移動底盤選用履帶式移動小車，能夠與多變且開放的蘋果園地面環境相適應，作為。此外，還增設了多種傳感器，采摘輔助裝置，主控電路板，電源模塊等裝置。
傳動結構：
本設計方案的傳動結構由機械手腰部，大臂，小臂三部分構成。其轉動驅動源均采用交流伺服電機，并在電機錢增設逆變器，選用行星齒輪減速器來降低電機速度，同時使最終輸出扭矩實現提高。小臂伸縮的部件為電動推桿，在伸出桿的末端使用螺絲連接相應末端執行器與法蘭盤相固連。
末端執行器：
末端執行器初步選定使用夾持機構將果實夾緊，再利用剪刀將果柄剪斷，這種方法需要精確的檢測果柄的位置，之后通過精確調整末端執行器的位置和姿態，其系統的控制難度稍難。
其主要通過接近機構，切割機構，夾持機構，動力源，傳感控制系統組成。
接近機構設計:
本設計方案的接近機構包括電動機的絲杠螺母結構、導桿、機架、和滑塊四部分。
夾持機構：
本設計方案夾持機構包括機架、電動機的絲杠螺母結構及滑塊三部分。
切割機構：
本設計方案切割機構包括刀架和雙面刀片兩部分。
2.2.3.方案比較
上述兩種方案中，方案1采用了傳動方式為底盤-支持機構-腰關節-肩關節-肘關節-末端執行器的傳統機械手臂結構，而方案2采用的傳動方式為底盤-支持機構-大臂-小臂-末端執行器且通過連桿輔助大臂。將方案1與方案2進行比較可以得出，方案1的傳動過程有三個階段，傳動過程較為復雜，且穩定性較差，此外對于3個傳動關節還需要較高的要求的程序控制。而方案2由于采用了連桿作為輔助，只有小臂和大臂兩個傳動關節，只需要要求較低的控制系統，并且連桿裝置的增設使其穩定性更強，控制能力也更加靈活。
此外，兩種方案的另一種不同點為采摘方式不同，方案1采用旋轉采摘法，此方法首先通過機構系統夾持果實，之后通過旋轉的方式使果實與果柄分離，最終完成果實的采摘過程。而方案2采用刀片切割法，此方法通過夾持機構夾緊果實，之后通過刀片這種切割機構對果柄進行切割，使果實與果柄實現分離，最終完成果實的采摘過程。這兩種方案均需要判斷果實的具體位置，方案1不需要判斷果柄的準確位置，而方案2則需要精準地判斷，這就需要精度更高傳感系統，從這點上看，方案1更優。然而方案1采用的旋轉采摘方式容易對果實造成損傷，而方案2采用的刀片切割方式則可以使果實的完整性得到保證，從這點上來講，方案2更優。同時方案1采摘方式的成功率明顯低于方案2，因為各個果實連接程度的差異性導致了如果旋轉采摘的強度和次數固定在某一個范圍內則不能保證每個果實都采摘成功。因此綜合考慮，選擇方案2較優，選定方案2工作原理。
方案2由機械手腰部，大臂和小臂三部分構成。其轉動驅動源均采用交流伺服電機，選電機減速通過行星齒輪減速器實現，同時使最終的輸出扭矩得到提高。小臂伸縮通過電動推桿實現，在伸出桿的末端使用螺絲連接相應末端執行器與法蘭盤相固連。末端執行器初步選定使用夾持機構將果實夾緊并采摘。
2.3 拋磨機主要零部件選型及強度校核計算
2.3.1大臂，小臂及連桿伺服電機設計
首先，本文設計的撿果器是一種五自由度串聯關節型撿果器，包括腰部轉動，腰部升降，小臂伸縮，小臂擺動，大臂俯仰等五個自由度，自由度配置為P-RRR-P。
機械手尺寸大致規格如下：
1.）題設中給出，蘋果的重量為1KG，工作最高高度為3m(即b為3m)，工作半徑為1.5m
從圖中可以初步定義，小車高度，腰部，大臂，小臂，伸縮行程，末端執行器的長度依次為d1，L2,L3,L4,d5和Lm,具體實際情況和撿果器學原理可知：
根據仿生學原理，大臂長度應等于小臂加上末端執行器長度0.3，因此：
L3=L4+Lm=L4+0.3m
由于結構限制，小臂伸縮的行程應小于或等于小臂長度的一半,再加上伸縮其他結構長度：
d5=1/2*L4=0.45m
由于撿果器具體參數需要通過Matlab仿真，這里初步算出：
d1=0.68m L3=0.62m L2=1.2m l4=0.9 d5=0.45
2.）而蘋果的重量為1kg 。末端執行器及旋轉法蘭組件重量為4kg。
其中減速機減速比k為100、電機轉速n為100 ，則根據扭矩與功率公式：
小臂的最大轉矩為：
T=（0.9+0.45）*9.8*5=66.15 N·m
由此帶入可得P=0.4KW電機，安全系數選S=2
*S=0.4kw
根據國標，安全系數選2 ，可選用1臺3000轉0.4KW司服電機，減速比100的減速機。
蘋果、末端執行器、旋轉法蘭組件小臂重量為10kg。
大臂的最大轉矩為：
T=（0.9+0.45+1.2）*9.8*10=249.9 N·m
由此帶入可得P=0.4KW電機，安全系數選S=2
*S=0.8kw
根據國標，安全系數選2 ，可選用1臺3000轉伺服1KW,MSMJ-10-2電機，減速比100的減速機。
2.3.2驅動輪電機設計
通過驅動輪直徑、運行速度V、撿果器質量M 可以計算出驅動電機的功率 [27]。對撿果器進行受力分析和計算時，假設撿果器沿直線加速行駛在平地上，且忽略在行駛過程中撿果器所受到的空氣阻力。
如圖2.3所示，采用分離法建立的驅動輪的受力模型中， 1 M 代表作用于驅動輪的驅動力矩，P 1代表驅動輪上的載荷， G 1代表驅動輪的重力，N 1 代表地面對驅動輪的法向反作用力，F1 代表地面對驅動輪的切向反作用力， f1 代表驅動軸對驅動輪的阻力。假設在加速過程中，輪子作瞬時純滾動。
可以得出驅動輪的力的平衡方程為：
實際驅動力要克服三種部分阻力，即由驅動輪本身的滾動阻力、驅動軸傳來的阻力和驅動輪本身的加速阻力。而后者而后者又由旋轉質量產生的加速阻力和由平移質量產生的加速阻力組成。
從動輪的受力模型如圖 2.4所示，。其中，P 2表示從動輪上的載荷，F 2代表地面對從動輪的切向反作用力，G 2代表從動輪的重力，f2代表動輪的推力，N2代表地面對從動輪的法向反作用力。通過對從動輪進行受力分析，得出其受力平衡方程為：
通過對車體進行受力分析，得出其受力平衡方程為：
通過聯立公式2.3、2.4和2.5得出：
由此可知，撿果器的驅動力用來克服撿果器平移質量的加速阻力、車輪旋轉質量的加速阻力和車輪的滾動阻力。因此滾動阻力必須小于驅動力才能加速行駛，若滾動阻力大于驅動力撿果器則無法啟動，所以有
上式中、N1，N2分別代表地面對輪子的法向作用力，M1由車體和輪子的質量所決定，根據上述關系式得出電機的輸出轉矩。
根據上式得出電機的功率,其中，K代表安全系數。
取小車車體的質量為60Kg，驅動輪的直徑為280mm，假設行走速度是1m/s，安全系數K是2，則可選擇電機的功率約為
橫向軌道驅動電機所帶動重量為
G總==588N
輪子需要克服摩擦力為
=11.76N
其中T=1.7
移動速度約為1m/s，兩驅動輪的直徑為280mm，則后輪的轉速為：
計算得出 68r/min ，電機實際轉速為3000rpm，因此傳動比約為45，因此選擇型號為26/1S 45：1 的減速箱.
*S=40w
根據實際需求和結構要求，選擇科爾摩根AKM系列伺服交流電機系統。
2.3.3 軸承選型
在軸承參數的選取過程中，不僅需要考慮軸徑因素，還要對軸承性能加以考慮，包括其壽命、可靠度（即軸承的壽命達到或者超過規定值的概率）、額定壽命、基本額定壽命、靜載荷、動載荷、基本額定載荷等。其中，最關鍵的因素包括軸承工作轉速、旋轉精度、允許空間、載荷大小和方向、軸承剛性（磙子軸承剛性一般要大于球軸承）、軸向游動、以及安裝和拆卸。本設計選用d=32mm的非標輪轂軸承，因為其不僅能承受軸向載荷還要承受徑向載它，不僅能夠承載重量而且能夠為輪轂的轉動提供精確引導。
2.4結構尺寸設計
通過以上兩種方案的對比得出較優的撿果器結構，通過模擬運算得出撿果器的結構尺寸，其結構尺寸如下：
2.4.1總體裝配圖設計
2.4.2齒輪箱蓋板結構尺寸設計
2.4.3大臂枝干的結構尺寸設計
2.4.4后輪軸的結構尺寸設計
2.4.5驅動電機罩的結構尺寸設計
2.4.6小臂底板的結構尺寸設計
2.4.7小臂伸縮板的結構尺寸設計
2.4.8電機固定盤的結構尺寸設計
2.4.9車面板固定架的結構尺寸設計
2.4.10方向固定支架的結構尺寸設計
2.4.11驅動齒輪的結構尺寸設計
2.4.12軸端蓋板的結構尺寸設計
結論
經過這段時間的畢業設計，我不僅學會了如何把握設計的方法以及步驟，對所用到的知識進行了更加深入的自學和復習，還收獲了項目研究的寶貴經驗與啟示。在畢設過程中為了使用各類軟件、查找資料、設計圖紙，經常會遇到各種不明白的問題，得到了老師和同學的熱心幫助和耐心指導，從而保障了畢設的順利完成。本文開展的是全自動撿果器的設計與創新，經過初期開題、查閱資料和開展設計，我更加系統地了解到了相關知識的重要性，深刻體會到做一門學問的不易，這個過程需要不斷的鉆研和進取。最后，本設計是在老師和同學的無私幫助下完成的，非常感謝所有幫助過我的老師和同學，是你們的幫助才使這篇論文得以通過。
致謝
至此在論文完成之際，向我的導師表示由衷的感謝！真心的感謝我的導師這幾年來對我的諄諄教導，感謝我敬愛的老師，您不僅在學習學業上給我以精心的指導，同時還在思想給我以無微不至的關懷支持和理解，給予我人生的啟迪，使我在順利地完成大學階段的學業同時，也學到了很多有用的做人的道理，明確了人生目標。知道自己想要什么了，不再是從前那個愛貪玩的我了。導師嚴謹求實的治學態度，銳意創新的學術作風，認真加負責，公而忘私的敬業精神，豁達開朗的寬廣胸懷，平易近人。經過近半年努力的設計與計算，查找了各類的全自動撿果器的設計資料，論文終于可以完成了，我的心里無比的激動和開心。雖然它不是最完美的，也不是最好的，但是在我心里，它是我最珍惜的，因為我自己已經盡力的做了，它是我用心、用汗水成就的，也是我在大學四年來對所學知識的應用和體現。四年的學習和生活，不僅豐富了我的知識，而且鍛煉了我的個人能力，更重要的是從周圍的老師和同學們身上潛移默化的學到了許多有用的知識，在此對所有關心我幫助我的表達我由衷敬意，謝謝各位同學老師。
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