蘋(píng)果采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)分析含SW三維及10張CAD圖

蘋(píng)果采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)分析含SW三維及10張CAD圖,蘋(píng)果,采摘,機(jī)器人,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),控制系統(tǒng),分析,sw,三維,10,cad XXX XXXXX 設(shè)計(jì)題目： 蘋(píng)果采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)分析 學(xué) 院： 年 級(jí)： 專(zhuān) 業(yè)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 20XX年5月10日 摘要 目前，因?yàn)樘O(píng)果采摘仍然十分困難，采摘自動(dòng)化水平也非常低，因而，蘋(píng)果采摘機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)上不容置疑是未來(lái)的戰(zhàn)略性高技術(shù)，也充滿了很好的時(shí)機(jī)和挑戰(zhàn)。在21世紀(jì)的今天，世界各國(guó)都面臨著老齡化的問(wèn)題，隨之勞動(dòng)力也不容易得到，成本也在不斷提高。因此，開(kāi)發(fā)蘋(píng)果采摘機(jī)器人的機(jī)械化，智能化和自動(dòng)化技術(shù)非常重要。 國(guó)內(nèi)外關(guān)于蘋(píng)果采摘機(jī)器人仍然處于實(shí)驗(yàn)階段，在實(shí)際的應(yīng)用中依然很艱難，主要的原因是蘋(píng)果采摘機(jī)器人具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還存在許多不足。由于蘋(píng)果是球體，三自由度的蘋(píng)果采摘機(jī)器人可以達(dá)到實(shí)現(xiàn)的目的，但是為了提高蘋(píng)果采摘機(jī)器人的靈活度和避障能力，通過(guò)查閱資料，設(shè)計(jì)了具有六個(gè)自由度的串聯(lián)式蘋(píng)果摘取機(jī)械結(jié)構(gòu)。 蘋(píng)果采摘機(jī)器人的控制也是非常重要的，自動(dòng)化水平的提高，蘋(píng)果采摘的效率才能相應(yīng)的提高，蘋(píng)果采摘需要對(duì)蘋(píng)果識(shí)別，蘋(píng)果定位及避障加以控制。 關(guān)鍵詞:采摘機(jī)器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；蘋(píng)果識(shí)別；蘋(píng)果定位 Abstract At present, because apple harvesting is still very difficult and the level of automation is very low, the technology of Apple harvester in agriculture is undoubtedly the future strategic high-tech, but also full of good opportunities and challenges. Today, in the 21st century, all countries in the world are facing the problem of aging. With this, the labor force is not easy to obtain, and the cost is also rising. Therefore, it is very important to develop the mechanization, integration and automation technology of apple picking robot. At home and abroad, the apple picking robot is still in the experimental stage, and it is still very difficult in practical application. The main reason is that the concrete structure design of the apple picking robot still has many shortcomings. Because the apple is a sphere, the three-degree-of-freedom apple picking robot can achieve the goal, but in order to improve the flexibility and obstacle avoidance ability of the apple picking robot, through consulting the data, a six-degree-of-freedom serial apple picking mechanical structure is designed. The control of apple picking robot is also very important. With the improvement of automation level, the efficiency of apple picking can be improved accordingly. Apple picking needs to be controlled by Apple recognition, Apple location and obstacle avoidance. Key words:Picking Robot; Structure Design; Apple recognition; Apple location II 目錄 摘要 I Abstract II 第一章 緒論 1 1.1 研究背景及意義 1 1.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀及成果 1 1.2.1 蘋(píng)果采摘機(jī)器人在國(guó)外的研究現(xiàn)狀和成果 1 1.2.2 蘋(píng)果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器在國(guó)外的研究進(jìn)展 2 1.3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀及成果 3 1.4 主要研究?jī)?nèi)容 4 第二章 蘋(píng)果采摘機(jī)器人方案設(shè)計(jì) 5 2.1 蘋(píng)果的生物學(xué)特征 5 2.2 采摘機(jī)器人的選型 5 2.3 蘋(píng)果采摘機(jī)器人的機(jī)械手的選則 6 2.4 蘋(píng)果采摘機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 6 2.4.1 蘋(píng)果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)原則 6 2.4.2 蘋(píng)果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)目標(biāo)及主要技術(shù)參數(shù) 7 2.4.3 蘋(píng)果采摘機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 第三章 蘋(píng)果采摘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 9 3.1 升降梯 9 3.2 底盤(pán)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 10 3.2.1 渦輪蝸桿的設(shè)計(jì) 10 3.2.2 底盤(pán)旋轉(zhuǎn)渦輪軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 14 3.3 大臂俯仰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 3.4 小臂俯仰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 3.5 腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18 3.6 末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)及計(jì)算 19 3.6.1 蘋(píng)果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)的總體原則 19 3.6.2 半球式末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)方案 19 3.6.3 剪刀式末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)和計(jì)算 20 3.7 電機(jī)的計(jì)算與選型 23 3.8 軸承的選擇、潤(rùn)滑及密封 24 第四章 蘋(píng)果采摘機(jī)器人蘋(píng)果識(shí)別和定位 26 4.1 視覺(jué)系統(tǒng)標(biāo)定 26 4.2 目標(biāo)果實(shí)的識(shí)別 27 4.3 蘋(píng)果定位 27 第五章 蘋(píng)果采摘機(jī)器人避障功能的實(shí)現(xiàn) 29 5.1 人工勢(shì)場(chǎng)的基本原理 29 5.2 人工勢(shì)場(chǎng)的改進(jìn) 29 結(jié)論 31 參考文獻(xiàn) 32 致謝 34 第一章 緒論 1.1 研究背景及意義 21世紀(jì)是從機(jī)械化到智能和自動(dòng)化的轉(zhuǎn)變。隨著我們對(duì)蘋(píng)果的需求量不斷增加，蘋(píng)果采摘又是一項(xiàng)勞動(dòng)密集型工作，因此，研究蘋(píng)果采摘機(jī)器人是至關(guān)重要的。蘋(píng)果采摘機(jī)器人最終目標(biāo)是在確保果實(shí)不受物理?yè)p傷的前提下，提高勞動(dòng)效率及消除高空作業(yè)的危險(xiǎn)性 。通過(guò)查詢相關(guān)資料并進(jìn)行深入對(duì)比分析，目前市場(chǎng)上有關(guān)蘋(píng)果采摘機(jī)器人的產(chǎn)品很少，實(shí)用性也不夠。設(shè)計(jì)一種輕巧靈活，符合使用要求的蘋(píng)果采摘機(jī)器人是非常迫切和重要的。中國(guó)在蘋(píng)果種植上歷史悠久，蘋(píng)果生產(chǎn)在世界上占據(jù)無(wú)比重要的地位。但是，到目前為止，蘋(píng)果的采摘工作都要靠大量的手工工作完成，這樣就造成了其采摘效率非常低。 中國(guó)是一個(gè)大型水果生產(chǎn)國(guó)，由于目前還沒(méi)有有效可行的蘋(píng)果采摘機(jī)械，從而造成了蘋(píng)果采摘效率很低。因此，在21世紀(jì)的今天，我們急需提供一種輕巧靈便，自動(dòng)化程度高的蘋(píng)果摘采機(jī)械手。我們將蘋(píng)果采摘機(jī)械手和機(jī)器人結(jié)合起來(lái)，不僅大大提高了蘋(píng)果采摘自動(dòng)化的水平，而且也使得蘋(píng)果的采摘更加高效便捷。 1.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀及成果 1.2.1 蘋(píng)果采摘機(jī)器人在國(guó)外的研究近況和成果 隨著中國(guó)的計(jì)算機(jī)、機(jī)械電子控制技術(shù)及機(jī)械工程等快速發(fā)展，機(jī)器人也變得越來(lái)越自動(dòng)化和智能化，并應(yīng)用于服務(wù)，制造等相關(guān)領(lǐng)域，但尚未在農(nóng)業(yè)和林業(yè)中得到很好的實(shí)際應(yīng)用。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，許多國(guó)家一直在研究水果和蔬菜收獲機(jī)器人，主要涉及西紅柿、葡萄、蘑菇，蘋(píng)果、櫻桃、草莓及其它果蔬。 圖1-1 “CITRUS” 柑橘采摘機(jī)器人 佛羅里達(dá)大學(xué)的柑橘收獲機(jī)器人由法國(guó)和西班牙尤利卡合作的工程項(xiàng)目一“CITRUS”是比較成功的研究成果，該項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的柑橘采摘機(jī)器人可以獲得高達(dá)80%的蘋(píng)果 。如圖1-1所示： 33 蘋(píng)果采摘機(jī)器人已經(jīng)在美國(guó)，日本，法國(guó)等國(guó)家進(jìn)行了研究，蘋(píng)果采摘機(jī)由Johan Baete和Sven Boedrij開(kāi)發(fā)。使用工業(yè)機(jī)器人的六自由度關(guān)節(jié)坐標(biāo)臂作為機(jī)器人的主體，整個(gè)臂可以在架子上垂直和水平移動(dòng) 。在果園工作時(shí)，機(jī)器人由拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)。如圖1-2所示： 圖1-2 蘋(píng)果采摘機(jī)器人 1.2.2 蘋(píng)果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器在國(guó)外的研究進(jìn)展 自上世紀(jì)大約80年代以來(lái)，荷蘭，日本等國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始研制各種蘋(píng)果采摘末端執(zhí)行器，并取得了很多的研究成果，然而，常見(jiàn)的問(wèn)題是揀選質(zhì)量低，揀選效率低，機(jī)器人笨重，通用性差。下面介紹幾個(gè)外國(guó)采用的蘋(píng)果采摘機(jī)器人執(zhí)行末端。 美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)研究員研制了柑橘采摘末端執(zhí)行器，其依置于末端執(zhí)行器的內(nèi)部的1個(gè)CCD攝像機(jī)和超聲波傳感器來(lái)探測(cè)水果的位置 。如圖1-3所示： 圖1-3 蘋(píng)果采摘末端執(zhí)行器 圖1-4 蘋(píng)果采摘末端執(zhí)行器 Sven Boedrij和Johan Baeten等人。樹(shù)脂管的前端配有小型攝像頭，主要用來(lái)直接在末端執(zhí)行器前面獲取蘋(píng)果的圖像。如圖1-4所示： 1.3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀及成果 作為水果和蔬菜生產(chǎn)的大國(guó)，在農(nóng)業(yè)機(jī)械方面，它也開(kāi)始在許多其他發(fā)達(dá)國(guó)家之后，所以，研究并開(kāi)發(fā)農(nóng)業(yè)機(jī)器人迫在眉睫。智能化和機(jī)械化的過(guò)程是落實(shí)中國(guó)農(nóng)業(yè)智能化和現(xiàn)代化的首要選擇。中國(guó)的農(nóng)業(yè)和林業(yè)機(jī)器人的發(fā)展明顯在發(fā)達(dá)國(guó)家后邊，但是有許多高等教育大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)在進(jìn)行農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人和智能機(jī)械相關(guān)的研究和開(kāi)發(fā)。東北農(nóng)林科技大學(xué)陸懷民教授首次開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)林木球果采摘機(jī)器人，上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)并控制了黃瓜采摘機(jī)器人，浙江大學(xué)設(shè)計(jì)并控制了番茄采摘機(jī)器人。 圖1-5 林木球果采摘機(jī)器人 當(dāng)前，陸懷民教授所研究所的林木球果采摘機(jī)器人已經(jīng)進(jìn)行了摘取試驗(yàn)。如圖1-5所示： 1.4 主要研究?jī)?nèi)容 該設(shè)計(jì)主要分析了蘋(píng)果采摘機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)，并對(duì)一些關(guān)鍵部件進(jìn)行了細(xì)化。從實(shí)用智能的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)蘋(píng)果采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器，從機(jī)械機(jī)構(gòu)的角度提高蘋(píng)果的采摘速度和通過(guò)率。最后，對(duì)蘋(píng)果的生物學(xué)特性進(jìn)行了調(diào)查和咨詢，提出了蘋(píng)果采摘機(jī)器人的相關(guān)設(shè)計(jì)要求，以便在現(xiàn)實(shí)生活中得到更好的應(yīng)用。 第二章 蘋(píng)果采摘機(jī)器人方案設(shè)計(jì) 2.1 蘋(píng)果的生物學(xué)特征 通過(guò)查閱數(shù)據(jù)及對(duì)蘋(píng)果園進(jìn)行的一些調(diào)查，發(fā)現(xiàn)蘋(píng)果園行和行之間的界線通常會(huì)留下一條操作路徑，便于果樹(shù)的管理。經(jīng)過(guò)在蘋(píng)果園的勘察后，蘋(píng)果園的地面基本上是平的，果圓的間距一般在3.5到4.5米之間。蘋(píng)果樹(shù)和樹(shù)之間通常存在1.2和1.8之間的大差距。蘋(píng)果樹(shù)高一般不超過(guò)3.5m，果體直徑為30mm-90mm，果重100-400克不等。蘋(píng)果樹(shù)的強(qiáng)度，樹(shù)的年齡和基本的樹(shù)形都有很大的關(guān)系。蘋(píng)果的收獲不同于山竹的堅(jiān)硬表面，果體表面不是很硬，果皮易磕碰破壞，故采摘時(shí)需要控制好采摘時(shí)力度，輕輕的去處理，萬(wàn)不可硬拉，否則蘋(píng)果將會(huì)被破壞，嚴(yán)重影響了蘋(píng)果的保鮮。在設(shè)計(jì)蘋(píng)果拾取機(jī)器人時(shí)，這也是一個(gè)應(yīng)該關(guān)注點(diǎn)。 2.2 采摘機(jī)器人的選型 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的蘋(píng)果采摘機(jī)械手是根據(jù)工業(yè)機(jī)械手的一些特點(diǎn)，也考慮到了蘋(píng)果采摘的一些特殊性。經(jīng)查資料，目前工業(yè)機(jī)械手包括有：圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手，直角坐標(biāo)型機(jī)械手、極坐標(biāo)型機(jī)械手、SCARA型機(jī)器人（又稱裝配機(jī)器人）、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)械手五種，如下圖2-1、2-2、2-3、2-4、2-5所示。由于蘋(píng)果摘取環(huán)境的可變性和復(fù)雜性以及蘋(píng)果分布時(shí)的隨機(jī)性，設(shè)計(jì)采用關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)械手來(lái)解決機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題。 圖2-1 圓柱坐標(biāo)系 圖2-2 直角坐標(biāo)系 圖2-3 極坐標(biāo)系 圖2-4 關(guān)節(jié)坐標(biāo)系 1.1.1 三級(jí)標(biāo)題 圖2-5 SCARA型機(jī)器人 2.3 蘋(píng)果采摘機(jī)器人的機(jī)械手的選則 圖2-6 蘋(píng)果采摘自由度示意圖 通過(guò)查閱蘋(píng)果采摘特征的相關(guān)信息，蘋(píng)果采摘機(jī)器人的機(jī)械手最適合選用關(guān)節(jié)坐標(biāo)系。蘋(píng)果采摘機(jī)器人具體結(jié)構(gòu)包括底盤(pán)腰座旋轉(zhuǎn)、大臂的俯仰、小臂的俯仰，腕部的俯仰、旋轉(zhuǎn)和執(zhí)行末端五個(gè)大的部分。并且升降結(jié)構(gòu)被添加到底盤(pán)，這不僅僅可以增加機(jī)器人在垂直方向上的作業(yè)空間，此外，它還可以增加蘋(píng)果采摘機(jī)器人的靈活度，所以最終的選擇是一個(gè)六自由度的串聯(lián)式蘋(píng)果采摘機(jī)器人，該選型在很大的程度上可以解決避障的問(wèn)題。具體的自由度示意圖由圖2-6所示。 2.4 蘋(píng)果采摘機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 2.4.1 蘋(píng)果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)原則 為了能更好將所設(shè)計(jì)的蘋(píng)果采摘機(jī)器人應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)的果園中，故在設(shè)計(jì)蘋(píng)果采摘機(jī)器人時(shí)應(yīng)該關(guān)注下列所述原則： 蘋(píng)果摘取機(jī)械臂應(yīng)該具備很好的避障能力及合理的工作空間； 為了使蘋(píng)果采摘機(jī)器人利用率高，此外，還應(yīng)該降低生產(chǎn)和使用成本，故在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將其具有很好的通用性考慮在內(nèi)； 蘋(píng)果采摘末端執(zhí)行器需要具有一定的通用性，并且不能損傷到果實(shí)，例如：設(shè)計(jì)的是蘋(píng)果采摘機(jī)器人，只需更換末端執(zhí)行器，就是另一類(lèi)球類(lèi)水果采摘器； 由于蘋(píng)果采摘機(jī)器人的操作性一般是果農(nóng)，文化程度一般不高，故在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能考慮操作的簡(jiǎn)單； 2.4.2 蘋(píng)果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)目標(biāo)及主要技術(shù)參數(shù) 設(shè)計(jì)目標(biāo)：蘋(píng)果采摘機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)械臂的合理運(yùn)動(dòng)，末端執(zhí)行器的蘋(píng)果獲取及蘋(píng)果自動(dòng)收集等協(xié)調(diào)動(dòng)作，從而，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)蘋(píng)果采摘在果園的無(wú)人化，自動(dòng)化及智能化。主要技術(shù)參數(shù)如表2-1所示： 表2-1 主要技術(shù)參數(shù) 技術(shù)參數(shù) 設(shè)計(jì)目標(biāo) 蘋(píng)果識(shí)別率 大于80% 蘋(píng)果定位誤差/mm 小于15 蘋(píng)果采摘成功率 不低于85% 一幅圖象平均識(shí)別時(shí)間/s 不長(zhǎng)于2.5 一個(gè)蘋(píng)果平均采摘時(shí)間/s 不大于10 2.4.3 蘋(píng)果采摘機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為了適應(yīng)蘋(píng)果園的地面環(huán)境，選擇履帶式移動(dòng)小車(chē)作為蘋(píng)果采摘機(jī)器人在蘋(píng)果園運(yùn)行的移動(dòng)平臺(tái)。在履帶式滿足強(qiáng)度要求的前提下，設(shè)計(jì)了具有更好減震性能的橡膠履帶。履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以在凹凸不平的地面上行走，穩(wěn)定性好，能跨越障礙物，支持面積大，轉(zhuǎn)向半徑小，可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。履帶式推車(chē)配有升降平臺(tái)，蘋(píng)果采摘機(jī)器人的整個(gè)部分安裝在升降平臺(tái)上，可以提高蘋(píng)果采摘機(jī)器人在垂直方向上的靈活性。 機(jī)器人的基座和關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)由松下伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，擺線行星減速器用于減速以增加輸出扭矩。大臂和小臂通過(guò)伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)俯仰的功能，腕部通過(guò)兩轉(zhuǎn)法蘭實(shí)現(xiàn)俯仰和旋轉(zhuǎn)的功能。拾取機(jī)器人的末端通過(guò)法蘭相連接。末端執(zhí)行器通過(guò)同步帶傳動(dòng)，帶動(dòng)主動(dòng)輪傳動(dòng)，在裝有惰輪的情況下可實(shí)現(xiàn)相反的方向旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)刀片相反的方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)剪切的功能。蘋(píng)果收集裝置連接到末端執(zhí)行器的下面，并且收集裝置連接到柔性管，并且收集到的蘋(píng)果從其上落下。依靠蘋(píng)果的重力勢(shì)能，它通過(guò)柔性管道轉(zhuǎn)移到收集籃。其總體結(jié)構(gòu)三維如圖2-7所示，二維如圖2-8所示： 圖2-7 蘋(píng)果采摘總體結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì) - 圖2-8 蘋(píng)果采摘總結(jié)構(gòu)二維設(shè)計(jì) 第三章 蘋(píng)果采摘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 3.1 升降梯 表3-1 液壓缸的選擇 升降梯的作用不僅僅大大增加了機(jī)器人的拾取范圍，而且為機(jī)器人的拾取帶來(lái)了很大的便利。本次所設(shè)計(jì)的升降梯能夠承受人的重量，可以當(dāng)作梯子，可以在不安裝機(jī)器人手臂的情況下隨時(shí)移動(dòng)。工作人員可以站在頂部進(jìn)行人工采摘，使手動(dòng)采摘更加有效，更加安全與更加方便。液壓缸的選擇可根據(jù)表3-1： 液壓缸的選型： 1：初選缸徑/桿徑，液壓缸內(nèi)徑應(yīng)為16mm，液壓缸活塞桿外徑尺寸應(yīng)為14mm； 2：液壓缸，由設(shè)計(jì)要求及經(jīng)驗(yàn)，選定行程最好選第一系列，由蘋(píng)果機(jī)器人整個(gè)尺寸設(shè)計(jì)要求，液壓缸的活塞行程是應(yīng)選擇125mm；當(dāng)滿行程時(shí)，升降梯上板到下板的距離是287mm，當(dāng)收回到最小行程時(shí)，升降梯上板到下板的距離是508mm。 圖3-1 升降梯 升降梯的結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示： 3.2 底盤(pán)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 底盤(pán)旋轉(zhuǎn)是通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸桿帶動(dòng)渦輪傳動(dòng)，我選擇用渦輪蝸桿傳動(dòng)的最主要原因是其傳動(dòng)比一般傳動(dòng)比為7-80，其次，它還具有工作平穩(wěn)，無(wú)噪音，傳動(dòng)功率范圍大，可以自鎖等特點(diǎn)。 3.2.1 渦輪蝸桿的設(shè)計(jì) 渦輪蝸桿傳動(dòng)的要求： 已知，輸入功率為P=3KW,電機(jī)轉(zhuǎn)速為n=2000r/min,傳動(dòng)比i=30，工作載荷較穩(wěn)定，但有不大的沖擊，要求壽命Lh為12000h. 設(shè)計(jì)： 1. 選擇蝸桿的傳動(dòng)類(lèi)型 根據(jù)國(guó)標(biāo)的推薦，采用漸開(kāi)線蝸桿（ZI） 2. 選擇渦輪，蝸桿材料 考慮到蝸桿傳動(dòng)功率并不是不大，速度也只是適中，甚至可以說(shuō)是低速，因此蝸桿可由45鋼制成;由于需要的效率高，耐磨性好，蝸桿的螺旋齒表面需要調(diào)制處理，調(diào)制處理的蝸桿綜合性能最好，其硬度可達(dá)到40-55HRC。為了節(jié)省昂貴的有色金屬，所以，環(huán)形齒輪由青銅制成，輪芯由灰鑄鐵HT100制成 。 3. 根據(jù)齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由閉式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，首先應(yīng)該設(shè)計(jì)齒面接觸疲勞強(qiáng)度，檢查齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。由下式，傳動(dòng)中心距： （3-1） （1）確定渦輪上的T2 取=2，估取效率為=0.8，故 T=9.55=9.55=9.55=349530Nmm 2) 確定系數(shù)K 由于渦輪蝸桿的工作載荷較穩(wěn)定，所以取載荷分布不均勻系數(shù)=1;由表選取使用系數(shù)=1.15; 由于轉(zhuǎn)速不高，可取動(dòng)載系數(shù)=1.05,故 K= （3-2） 計(jì)算得K=1.15=1.21 （3） 確定系數(shù)Z 因?yàn)闇u輪選用的材料是鑄錫磷青銅，蝸桿選用的材料是45鋼來(lái)傳動(dòng)達(dá)到減速的效果和增扭的目的，因此。 （4） 確定系數(shù) 先設(shè)蝸桿分度圓直徑和傳動(dòng)中心距a的比值，從圖中可查得. （5）確定應(yīng)力 由于渦輪材料為鑄錫磷青銅ZCuSn10P1,其加工為金屬模鑄造，此外，蝸桿螺旋齒面硬度>45HRC，從表中查的渦輪的基本許用應(yīng)力=268MPa. N=60j （3-3） 計(jì)算得N=60 計(jì)算壽命系數(shù)得 故：=0.82268MPa=219.76MPa 計(jì)算中心距 amm129.82mm 由于設(shè)計(jì)的整體尺寸及設(shè)計(jì)傳動(dòng)的要求，取中心距a=180mm。因i=30,從表中取模數(shù)m=5,蝸桿分度圓直徑d=50mm.這時(shí)=0.28，從表中可查得接觸系數(shù)=3.1，因?yàn)?，故以上?jì)算結(jié)果可用。 4：蝸桿和渦輪的主要參數(shù)和幾何尺寸 (1) 蝸桿 軸向齒距mm,直徑系數(shù)，齒頂圓直徑，齒根圓直徑，蝸桿導(dǎo)程，蝸桿齒頂高 ，蝸桿軸向齒厚，分度圓導(dǎo)程角。 （2） 渦輪 渦輪齒數(shù)z=61,變位系數(shù) 驗(yàn)算傳動(dòng)比，這時(shí)的傳動(dòng)比誤差為，是允許的 渦輪分度圓直徑 渦輪喉圓直徑 渦輪齒根圓直徑 渦輪咽喉母圓直徑=22.5mm 5:校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算 （3-4） 根據(jù)=+0.5，z=62.21,從中可查得的齒形系數(shù)=2.87. 從中查得：ZCuSn10P1制造的渦輪， 壽命系數(shù) 計(jì)算得 =8.22MPa 彎曲強(qiáng)度是滿足的。 6：驗(yàn)算效率 ；；與相對(duì)滑動(dòng)速度有關(guān) ==8.54m/s 從表中用插值法=0.0204，=1.1687；代入式中得=0.855=，大于原估計(jì)值，因此不需要重算。 7：精確等級(jí)公差得確定 由于所設(shè)計(jì)得蝸桿傳動(dòng)是動(dòng)力傳動(dòng)，從GB/T10089-1988圓柱蝸桿，渦輪精度中選擇7級(jí)精度，側(cè)隙種類(lèi)為f，標(biāo)注為8f，GB/T10089-1988. 圖3-2 蝸桿 8：三維建模，如圖3-2，3-3所示： 圖3-3 渦輪 9：二維圖繪制如圖3-4，3-5所示： 圖3-4 蝸桿 段落和層次標(biāo)題以及各段落之間均為1.5倍行距。關(guān) 圖3-5 渦輪 3.2.2底盤(pán)旋轉(zhuǎn)渦輪軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 旋轉(zhuǎn)渦輪軸的功率,轉(zhuǎn)速為=40r/min. (1) 初步確定軸的最小直徑 先按下式初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調(diào)制處理。根據(jù)表差得A=120， （3-5） 計(jì)算得 (2) 軸得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)軸向定位來(lái)確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度。 1：選取軸的最小直徑為d=70mm, 為了滿足悶蓋的要求，選長(zhǎng)度L=23mm. 2：初步選擇得是滾動(dòng)軸承，因軸承主要承受徑向載荷，故選擇深溝球軸承，根據(jù)軸得最小直徑。取d=70mm，由軸承目錄中初步選取0基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)精度等級(jí)的深溝球軸承6215，其尺寸為，故d=75mm,而L=25mm，故L=50mm,右端軸承采用套筒定位。 3：取安裝齒輪處的軸徑d=76mm,齒輪的左端采用套筒定位，右邊采用軸肩定位，已知齒輪輪轂的寬度為100mm,為了使套筒端面可靠地將齒輪壓緊，軸的端部應(yīng)略短于輪轂寬度，取L=99mm.齒輪的另一端采用軸肩定位，軸肩高度為h>0.07d,故取h=22mm,則軸環(huán)處的直徑為d=120mm.軸環(huán)寬度L=25mm. 4：為了滿足裝配要求，再做一個(gè)d=175mm,L=15.5mm,為了滿足傳動(dòng)要求，在設(shè)計(jì)調(diào)心滾子軸承，初步選取0基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)精度等級(jí)的調(diào)心滾子軸承16032，其基本尺寸為，左邊有軸肩定位，右邊有旋轉(zhuǎn)底盤(pán)定位，故d=160mm，L=63mm。 5：齒輪和軸的采用平鍵連接來(lái)軸向定位，由機(jī)械設(shè)計(jì)查表得平鍵bh=22mm14mm,鍵槽需要用鍵槽銑刀加工，長(zhǎng)度應(yīng)該略小于輪轂長(zhǎng)度，由機(jī)械手冊(cè)查的及優(yōu)先數(shù)列取90mm,同時(shí)齒輪與軸配合應(yīng)該具有良好的對(duì)稱性，故選擇齒輪輪轂和軸的配合為基孔過(guò)度配合；滾動(dòng)軸承與軸的周向定位是由過(guò)度配合來(lái)保證的，此處選取軸的直徑尺寸公差為j. (3):按彎扭合成應(yīng)力校核的強(qiáng)度 進(jìn)行校核時(shí)，一般校核軸上承受做大的彎矩和扭矩的截面，根據(jù)表得，以及軸單項(xiàng)旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取，軸上得計(jì)算應(yīng)力 前選定的軸的材料為45鋼，需要由良好得綜合性能，故需調(diào)制處理，由表查的，。因此，故安全。 （3） ：三維建模，如圖3-6所示： 圖3-6 旋轉(zhuǎn)渦輪軸 圖3-7 底盤(pán)旋轉(zhuǎn)軸 （4）：二維圖繪制 3.3 大臂俯仰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 大臂的俯仰是通過(guò)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)擺線針輪行星減速器，達(dá)到所需的扭矩。大臂是整個(gè)蘋(píng)果采摘機(jī)器人的很重要得組成部分，他的剛度會(huì)直接影響整個(gè)蘋(píng)果采摘機(jī)器人的精度。由于大臂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，將其等效為簡(jiǎn)單的桿件模型時(shí)，力學(xué)解析上的誤差很大。為了準(zhǔn)確地檢查蘋(píng)果采摘機(jī)器人動(dòng)臂的剛度和強(qiáng)度，目前大多數(shù)使用ANSYS軟件的有限元分析。這個(gè)有限元分析我計(jì)劃在我后續(xù)的學(xué)習(xí)中深入學(xué)習(xí)。 機(jī)器人的大臂負(fù)責(zé)機(jī)器人本體的手臂，手腕和末端負(fù)載，具有最大的力和力矩。要求具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，其材料為球墨鑄鐵，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接不能保證其精度和強(qiáng)度，為了滿足未來(lái)大規(guī)模生產(chǎn)的需要，采用鑄造方法，然后進(jìn)行每個(gè)參考面的精密加工。其結(jié)構(gòu)二維如圖3-8所示： 圖3-8 大臂俯仰結(jié)構(gòu) 3.4小臂俯仰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 小臂的俯仰也由電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，并且擺線行星減速器實(shí)現(xiàn)所需的扭矩。擺線針輪行星減速器得原理是行星齒輪傳動(dòng)，在大多數(shù)情況下，擺線針輪行星減速器取代了兩級(jí)，三級(jí)普通圓柱齒輪減速器或圓柱蝸桿減速器。其具有高速比，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，噪音低，壽命長(zhǎng)，等很多優(yōu)點(diǎn)。小臂的俯仰會(huì)使蘋(píng)果采摘機(jī)械臂更加的靈活，可以更好的實(shí)現(xiàn)避障能力。小臂的材料為球墨鑄鐵，因?yàn)榍蚰T鐵的綜合性能最好，可以達(dá)到小臂所承載的強(qiáng)度和剛度。在設(shè)計(jì)小臂的過(guò)程中，應(yīng)將導(dǎo)向性，重量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量考慮在內(nèi)，此外，除了要求臂部結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕外，還要采取一定的緩沖措施。小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三維圖如圖3-9所示。 圖3-9 小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.5腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 蘋(píng)果采摘機(jī)器人的手腕是用來(lái)連接末端執(zhí)行器和手臂以及支撐末端執(zhí)行器。能處于空間的任意位置，在這里，我設(shè)計(jì)的腕部具有兩個(gè)自由度，分別來(lái)實(shí)現(xiàn)俯仰和旋轉(zhuǎn)。在設(shè)計(jì)手腕時(shí)，一定要注意問(wèn)題1：必須注意結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕2：動(dòng)作靈活，平穩(wěn)，定位精度高3：強(qiáng)度剛度高 兩自由度腕部是由B關(guān)節(jié)和R關(guān)節(jié)構(gòu)成的BR腕部，或者由兩個(gè)B關(guān)節(jié)來(lái)構(gòu)成的BB腕部。然而，RR關(guān)節(jié)是不能通過(guò)兩個(gè)R關(guān)節(jié)組成，因?yàn)閮蓚€(gè)R關(guān)節(jié)是的軸是平行的，因此減為一個(gè)自由度，導(dǎo)致了自由度的退化。事實(shí)上，只形成一個(gè)自由度的手腕。蘋(píng)果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)中，腕部所采用的正是最為常用的BR手腕，具體的三位建模如圖3-10所示： 圖3-10 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.6 末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)及計(jì)算 3.6.1 蘋(píng)果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)的總體原則 蘋(píng)果采摘末端執(zhí)行器應(yīng)根據(jù)采摘環(huán)境和采摘方法嚴(yán)格來(lái)設(shè)計(jì)和計(jì)算。通過(guò)可行性研究和參數(shù)計(jì)算，最后通過(guò)比較，找到更合適的揀選蘋(píng)果的計(jì)劃，詳細(xì)計(jì)算。在設(shè)計(jì)時(shí)，我們的目的是實(shí)現(xiàn)這一功能，同時(shí)也考慮到選擇末端執(zhí)行器的成本盡可能低，機(jī)械結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單易用。按蘋(píng)果的果根的分離方式可分為吸附式，抓住式，剪切式。根據(jù)摘取器的驅(qū)動(dòng)方式，可分為機(jī)械式，電動(dòng)式和氣動(dòng)式。由于我對(duì)比了各個(gè)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇了剪切式來(lái)收集蘋(píng)果。 3.6.2 半球式末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)方案 圖3-11 半球式末端執(zhí)行器 該方案的設(shè)計(jì)是引用蛇吞咽的想法，但設(shè)計(jì)概念不是一個(gè)簡(jiǎn)單的四桿機(jī)制。該機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源是氣動(dòng)馬達(dá)，蘋(píng)果采摘執(zhí)行端通過(guò)切割球形刀片切割蘋(píng)果果柄。然后將蘋(píng)果通過(guò)柔性管道將蘋(píng)果輸送到水果盒。蘋(píng)果采摘機(jī)通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)180°采摘的半球形刀片來(lái)完成，并且可以在采摘的一周內(nèi)使用相同的間隙寬度。間隙邊緣鋒利，蘋(píng)果采摘更方便，可以實(shí)現(xiàn)果實(shí)的固定和果枝的切割，可以保證采摘器的手指不是撿拾器的手指也使得蘋(píng)果采摘更加安全，方便。其三維如圖3-11所示： 這種設(shè)計(jì)結(jié)合了仿生學(xué)原理和現(xiàn)實(shí)生活中的蘋(píng)果采摘，選擇吞咽口作為研究對(duì)象的過(guò)程。眾所周知，蛇吞食食物的蛇的行為可分為兩個(gè)階段：第一階段就是把嘴從張開(kāi)到咬住的階段；第二階段是咬住食物到吞下它的階段。我們將這兩個(gè)階段與挑選蘋(píng)果相結(jié)合，并參照蛇的嘴設(shè)計(jì)蘋(píng)果采摘末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)。蛇頭部分可以簡(jiǎn)化為閉環(huán)連桿，桿對(duì)上頜的運(yùn)動(dòng)影響很小。半球式末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)方案采用氣動(dòng)馬達(dá)作為動(dòng)力源直接來(lái)帶動(dòng)半球式刀片實(shí)現(xiàn)剪切蘋(píng)果的作業(yè)，整體結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，全身放置在采摘桶內(nèi)，保護(hù)人體免受傷害，刀體可旋轉(zhuǎn)180°，無(wú)死角采摘。然而，對(duì)稱性與其結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，采摘是氣動(dòng)的，速度相對(duì)較快，這使得蘋(píng)果易于碰撞，蘋(píng)果的采摘和破碎率相對(duì)較高，故我沒(méi)有選取這種方式。 3.6.3 剪刀式末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)和計(jì)算 該蘋(píng)果末端執(zhí)行器是由12 V，30 W的直流減速機(jī)，同步帶，刀具，刀架等組成，由電路的電池來(lái)提供12 V，30 W的電源，通過(guò)一個(gè)可以改變電流方向的自鎖開(kāi)關(guān)控制每分鐘60轉(zhuǎn)的直流減速機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，減速機(jī)的輸出軸上配同步帶輪，皮帶用于傳動(dòng)以將動(dòng)力從馬達(dá)傳遞到齒輪機(jī)構(gòu)。同步帶帶的主動(dòng)輪帶動(dòng)一個(gè)從動(dòng)輪，從動(dòng)輪帶動(dòng)一個(gè)刀架旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn)，主動(dòng)輪帶動(dòng)一個(gè)惰輪，惰輪再帶動(dòng)一個(gè)從動(dòng)輪，這個(gè)從動(dòng)輪也帶動(dòng)一個(gè)刀架旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn)，但是，這兩個(gè)刀架各自朝著反方向運(yùn)動(dòng)，形成了像剪刀是的剪切，使得兩個(gè)葉片沿彼此相反的方向旋轉(zhuǎn)。因此，形成類(lèi)似于剪刀的模型，挑選剪刀型蘋(píng)果來(lái)挑選末端執(zhí)行器。正轉(zhuǎn)能有效切開(kāi)水果枝干，反轉(zhuǎn)可防止卡刀，可達(dá)到有效的退刀功能。 同步帶的優(yōu)點(diǎn)： 同步帶的傳動(dòng)是一種嚙合傳動(dòng)，因此同步帶傳動(dòng)有齒輪傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)的各種優(yōu)點(diǎn)集齊與一體，因此選用同步帶的傳動(dòng)的最佳的方案。同步帶可根據(jù)材料分為氯丁橡膠加纖維繩同步帶，聚氨酯加鋼絲同步帶，在蘋(píng)果采摘末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)中，由于其工作特點(diǎn)，應(yīng)選擇氯丁橡膠加纖維繩同步帶。根據(jù)齒的形狀，它主要分為兩種類(lèi)型：梯形齒同步帶和圓齒同步帶。同步帶傳動(dòng)具有精確的傳動(dòng)比，無(wú)滑差，比例恒定 ，傳動(dòng)精確，傳動(dòng)非常平穩(wěn)。它可以吸收沖擊，噪音低，并且具有廣泛的傳動(dòng)速比，通常高達(dá)1:10，允許線速度高達(dá)50 m / s。傳動(dòng)效率高，一般可達(dá)98℅―99℅。傳遞功率從幾瓦到數(shù)百千瓦。同步帶的設(shè)計(jì)的要求： 其傳動(dòng)比i=1.1,傳遞功率為0.03KW,小帶輪的轉(zhuǎn)速為n=60r/min,中心距為a=300mm,設(shè)計(jì)確定帶及帶輪。 設(shè)計(jì)計(jì)算如下所示： （1） 確定同P （3-6） K為載荷修正系數(shù)，K=1.2 P為工作電機(jī)上的功率P=0.03KW =1.2*0.03=0.036KW （2） 確定帶的型號(hào)和 可以根據(jù)同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率P和小帶輪轉(zhuǎn)速n,由同步帶選型圖來(lái)確定所需的帶的型號(hào)和節(jié)距 查表得：選用同步帶得型號(hào)為L(zhǎng) 型帶 節(jié)距P=9.525mm （3）選擇大小帶輪得 可根據(jù)同步帶的最小齒數(shù)確定，查表得 選小帶輪齒數(shù)z=12,故大帶輪齒數(shù)為z=1.1*12=12 故z=12,=13 （4）確定帶輪的 d==36.38mm （5）驗(yàn)證帶速v 由公式V=計(jì)算公式得 V==1.14m/s2.78kw 松下電機(jī)的選擇如表3-3所示： 表3-3 電機(jī)的選型 選松下電機(jī)MFDHTA390伺服電機(jī)。 3.8 軸承的選擇、潤(rùn)滑及密封 軸承的選擇不僅僅是考慮軸直徑的因素，我們還要考慮軸承的一些性能，一般考慮其動(dòng)載荷，壽命，可靠性（參考軸承超過(guò)或達(dá)到規(guī)定壽命的概率），靜載荷，基本額定壽命，額定壽命，基本額定壽命等。在選擇的過(guò)程中最主要的是負(fù)載的大小和方向，允許的空間，軸承的工作速度，旋轉(zhuǎn)的精度，軸向運(yùn)動(dòng)和軸承的剛度（一般滾子軸承的剛度應(yīng)大于滾珠軸承的剛度）以及軸承的安裝和拆卸。設(shè)計(jì)軸上的徑向載荷大，軸向載荷小，存在軸或殼體變形很大并且安裝了定心差的問(wèn)題。因此，采用球面滾子軸承，深溝球軸承，單向推力軸承，調(diào)心軸承和深溝球軸承主要承受徑向載荷，因此它們也能承受少量的雙向載荷 。 潤(rùn)滑對(duì)于滾動(dòng)軸承很重要。它還可用作散熱器，減少接觸應(yīng)力，吸收振動(dòng)此外，還有防止生銹。軸承的潤(rùn)滑有油潤(rùn)滑和脂潤(rùn)滑。它主要與軸承的轉(zhuǎn)速有關(guān)，通常使用滾動(dòng)軸承的dn值（d是滾動(dòng)軸承的內(nèi)徑，mm;n為軸承轉(zhuǎn)速，r/min）表示軸承的速度的大小。適用于脂潤(rùn)滑或油潤(rùn)滑，可根據(jù)dn限制選擇。在本設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于其轉(zhuǎn)速均是經(jīng)過(guò)減速器減速的，其速度都是非常低的，它們均小于810mmr/min。由脂潤(rùn)滑形成的潤(rùn)滑膜具有高強(qiáng)度，可承受大負(fù)荷，不易丟失，易于密封。對(duì)于蘋(píng)果采摘機(jī)器人而言，它的作業(yè)地點(diǎn)是果園，是不便經(jīng)常添加潤(rùn)滑劑的地方，所以這種潤(rùn)滑方式特別的適合，滾動(dòng)軸承中的油脂量通常是軸承內(nèi)部空間的體積。在選擇潤(rùn)滑脂時(shí)，我們主要關(guān)注的性能為錐入度和滴點(diǎn)，而我所設(shè)計(jì)的軸承的dn值較小，因此，應(yīng)選擇錐形穿透率較小的潤(rùn)滑脂。軸承密封設(shè)計(jì)用于防止灰塵，水，酸性氣體和其他碎屑進(jìn)入軸承并防止?jié)櫥瑒┮莩?。眾所周知，軸承密封裝置可分為兩種：接觸式密封和非接觸式密封 。在本次的蘋(píng)果采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，使用非接觸式密封。 第四章 蘋(píng)果采摘機(jī)器人蘋(píng)果識(shí)別和定位 在蘋(píng)果的圖像研究中，我們傾向于只對(duì)蘋(píng)果圖像的特定感興趣，這些部分被稱為目標(biāo)，而剩余其他的部分則被稱為背景。對(duì)于蘋(píng)果采摘機(jī)器人，蘋(píng)果的識(shí)別和定位是蘋(píng)果采摘機(jī)器人至關(guān)重要的任務(wù)，他也是也是影響蘋(píng)果采摘成功率最為重要的因素。蘋(píng)果識(shí)別是從圖像的背景中來(lái)提取蘋(píng)果所特有的顏色差，然后再將其分離;蘋(píng)果定位是在雙目CCD攝像機(jī)坐標(biāo)系中找到蘋(píng)果的中心點(diǎn)三維坐標(biāo)，然后再將其轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)坐標(biāo)系中的拾取蘋(píng)果機(jī)器人的三維坐標(biāo)。有關(guān)蘋(píng)果識(shí)別與定位，國(guó)內(nèi)外研究者做了很多的相關(guān)研究，對(duì)相對(duì)適合的果實(shí)圖像，顏色空間的分割，特征的提取及定位提出了比較不同的解決方案，也取得了相對(duì)的進(jìn)展。我們以番茄采摘為研究對(duì)象，它著重解決成熟番茄果實(shí)的自動(dòng)識(shí)別和立體定位以及自然環(huán)境中背景色差的問(wèn)題。王雅琴等研究人員提出了用2r-g-b分量來(lái)圖像分割。由最佳閾值分割算法，在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)果實(shí)背景和目標(biāo)進(jìn)行分割，成功率達(dá)到88%。Hayashi等研究者研究了茄子的圖像特征從而來(lái)對(duì)茄子的目標(biāo)區(qū)域識(shí)別和定位，這取得了相對(duì)好的識(shí)別定位效果。蘋(píng)果采摘機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的首要任務(wù)是把蘋(píng)果目標(biāo)從某些復(fù)雜的背景中區(qū)分出來(lái)，這也是蘋(píng)果采摘機(jī)器人捕捉目標(biāo)的基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)蘋(píng)果采摘機(jī)器人過(guò)程中，蘋(píng)果采摘機(jī)器人的蘋(píng)果定位和識(shí)別應(yīng)遵循以下原則：(1)算法相對(duì)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)的原則：為保證蘋(píng)果機(jī)器人采摘蘋(píng)果的實(shí)時(shí)性，定位和識(shí)別算法應(yīng)該在一定精度的保證下盡可能簡(jiǎn)單使用。在蘋(píng)果采摘過(guò)程中，視覺(jué)識(shí)別和定位的時(shí)間應(yīng)控制在所給的技術(shù)參數(shù)范圍內(nèi)。(2)算法應(yīng)該有良好的通用性：在實(shí)踐中，同一個(gè)對(duì)象應(yīng)該具有通用性；對(duì)于不同種類(lèi)的對(duì)象，應(yīng)時(shí)其盡可能通用。此外，我們所研究的算法應(yīng)該在不同的自然環(huán)境下生效。如果可能，應(yīng)該能滿足一類(lèi)型水果的識(shí)別和定位。 4.1 視覺(jué)系統(tǒng)標(biāo)定 視覺(jué)系統(tǒng)校準(zhǔn)其實(shí)是是攝像機(jī)的校準(zhǔn)，它實(shí)際上是捕獲攝像機(jī)的內(nèi)部和外部參數(shù)。通常，相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)也被稱為內(nèi)部參數(shù)，并且主要包括成像平面坐標(biāo)對(duì)圖像坐標(biāo)的放大系數(shù)、光軸中心點(diǎn)的圖像坐標(biāo)和鏡頭畸變系數(shù)等。攝像機(jī)的外部參數(shù)也稱為外部參數(shù)，它是給定參考坐標(biāo)系中攝像機(jī)坐標(biāo)系的表達(dá)，相機(jī)手眼校準(zhǔn)是指在末端執(zhí)行器坐標(biāo)系和相機(jī)坐標(biāo)系之間確定的關(guān)系。相機(jī)未安裝在末端執(zhí)行器上且不隨末端執(zhí)行器移動(dòng)的視覺(jué)系統(tǒng)稱為Eye-to-Hand系統(tǒng)，如果攝像機(jī)安裝在末端執(zhí)行器上并隨之移動(dòng)，我們將其稱為Eye-in-Hand系統(tǒng) 。為了提高蘋(píng)果采摘的準(zhǔn)確性，我們應(yīng)該選擇手眼系統(tǒng)。攝像機(jī)的校準(zhǔn)直接影響蘋(píng)果采摘機(jī)器人是否能正常運(yùn)行的關(guān)鍵。 4.2 目標(biāo)果實(shí)的識(shí)別 在這個(gè)畢業(yè)研究中，蘋(píng)果的識(shí)別是基于面積，形狀特征和顏色的組合。圖像中的蘋(píng)果紅色較高，背景綠色較高，背景與蘋(píng)果的紅綠色之間的差異非常明顯?？梢詮挠煞治龊皖伾臻g選擇的部分提取RGB色差分量R.我們通過(guò)在3×3方形結(jié)構(gòu)元素上執(zhí)行形態(tài)學(xué)打開(kāi)和關(guān)閉操作來(lái)移除圖像噪聲點(diǎn)。對(duì)上述處理后的圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和標(biāo)記，并設(shè)置區(qū)域閾值來(lái)去除小于蘋(píng)果像素區(qū)域的小區(qū)域面積，然后使用邊緣計(jì)算來(lái)提取目標(biāo)蘋(píng)果圖像。最后，使用修改的圓形霍夫變換來(lái)檢測(cè)每個(gè)目標(biāo)區(qū)域的蘋(píng)果中心的三維坐標(biāo)，在具體的摘取過(guò)程中，一定有未檢測(cè)到這些中心坐標(biāo)，接下來(lái)使用目標(biāo)區(qū)域質(zhì)心標(biāo)記。具體的實(shí)現(xiàn)流程圖如圖4-1所示： 圖4-1 蘋(píng)果 識(shí)別流程圖 4.3 蘋(píng)果定位 蘋(píng)果采摘機(jī)器人在定位蘋(píng)果時(shí)使用立體視覺(jué)定位，也就是使用雙目視覺(jué)定位，其原理是三角測(cè)量，攝像機(jī)左眼參數(shù)和右眼參數(shù)是相同的，并且光軸相互平行，成像平面相互重合。用于計(jì)算蘋(píng)果深度信息的幾何模型如圖4-2所示 在下圖中，P為蘋(píng)果的中心點(diǎn)，b是雙目攝像機(jī)的基線長(zhǎng)度，X、X分別是蘋(píng)果中心點(diǎn)的橫向坐標(biāo)值，f是左眼和右眼的焦距，P、P分別是左眼和右眼圖像中蘋(píng)果 中心點(diǎn)，蘋(píng)果中心點(diǎn)在圖像左眼和右眼圖像中的視差為,根據(jù)三角測(cè)量原理可以得出H 圖4-2 雙目視覺(jué)測(cè)量原理 第五章 蘋(píng)果采摘機(jī)器人避障功能的實(shí)現(xiàn) 為了使蘋(píng)果采摘機(jī)器人更為靈活，那么避障在本次設(shè)計(jì)中應(yīng)該非常重要。在本次蘋(píng)果采摘避障的問(wèn)題上，主要從三個(gè)方面來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。（1）：對(duì)果園的果樹(shù)進(jìn)行修剪，一方面可以提高蘋(píng)果的產(chǎn)量，另一方面，蘋(píng)果樹(shù)的葉子及樹(shù)枝叉稀疏，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)小小的避障。（2）：利用視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)避障。將大量的蘋(píng)果，樹(shù)葉和樹(shù)枝的圖像在不同的顏色空間下進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)提取多種顏色下的灰度圖像進(jìn)行比較，找出蘋(píng)果與樹(shù)枝葉差異最為明顯的顏色或者色差模型，接著需要使用自適應(yīng)閾值分割法，將蘋(píng)果與作為背景的樹(shù)葉，樹(shù)枝分開(kāi)。（3）：利用改進(jìn)的人工勢(shì)場(chǎng)法來(lái)進(jìn)一步來(lái)實(shí)現(xiàn)避障的功能，進(jìn)一步提高蘋(píng)果采摘機(jī)器人的靈活度。 5.1 人工勢(shì)場(chǎng)的基本原理 人工勢(shì)場(chǎng)法最初由Khatib于1985年提出，并成功應(yīng)用于博士論文中機(jī)器人手臂的避障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂的實(shí)時(shí)避障，該方法也適用于機(jī)器人拾取機(jī)器人手臂的路徑規(guī)劃 。 人工勢(shì)場(chǎng)用來(lái)解決機(jī)械手的路徑規(guī)劃的問(wèn)題。便于實(shí)時(shí)控制下層，利用球體圍繞障礙物的潛在范圍，可以獲得平滑的路徑，，并且排斥場(chǎng)起作用，機(jī)器人總是遠(yuǎn)離障礙物的潛在場(chǎng)地，因此它的路徑也是相對(duì)安全的。 然而，人工勢(shì)場(chǎng)法也有其局限性。在實(shí)際的應(yīng)用中，其主要問(wèn)題在于當(dāng)環(huán)境信息相對(duì)復(fù)雜時(shí)，機(jī)器人以某種特殊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)位于目標(biāo)物與障礙物所形成的特殊位置時(shí)，機(jī)器人將可能無(wú)法到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。這些具體的問(wèn)題主要描述如下； （1） 全局最小問(wèn)題。 （2） 局部極小值問(wèn)題。 （3） 路徑振蕩問(wèn)題。 5.2 人工勢(shì)場(chǎng)的改進(jìn) 在蘋(píng)果采摘機(jī)器人的機(jī)械臂的路徑規(guī)劃中，人工勢(shì)場(chǎng)法時(shí)一種比較成熟的方法，目前已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。針對(duì)以上的問(wèn)題，現(xiàn)在對(duì)其提出改進(jìn)的方法。 1.勢(shì)場(chǎng)函數(shù)的改進(jìn) 人工勢(shì)場(chǎng)法中的勢(shì)能函數(shù)改進(jìn)可以解決全局最小問(wèn)題。全局最小問(wèn)題的原因是當(dāng)蘋(píng)果采摘機(jī)器人接近蘋(píng)果目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，蘋(píng)果周?chē)嬖谡系K物，并且其也進(jìn)入障礙物的影響范圍。結(jié)果是蘋(píng)果不是全局范圍中的最小點(diǎn)，導(dǎo)致機(jī)器人無(wú)法準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。可以修改勢(shì)場(chǎng)函數(shù)在機(jī)器人接近目標(biāo)點(diǎn)時(shí)使排斥場(chǎng)更接近零，從而使目標(biāo)點(diǎn)成為完整情況的最低點(diǎn)。 2.虛擬目標(biāo)點(diǎn)法 勢(shì)場(chǎng)函數(shù)改進(jìn)方法雖然可以解決目標(biāo)不可準(zhǔn)確到達(dá)的問(wèn)題，但是在蘋(píng)果采摘機(jī)器人的行進(jìn)過(guò)程中，如果在到達(dá)目標(biāo)前的某一點(diǎn)的合力為0時(shí)，機(jī)器人會(huì)錯(cuò)誤地認(rèn)為它會(huì)到達(dá)目標(biāo)并在此時(shí)停止前進(jìn)或來(lái)回振蕩，導(dǎo)致路徑規(guī)劃失敗。這個(gè)問(wèn)題被稱為局部極小點(diǎn)問(wèn)題。 解決局部最小點(diǎn)問(wèn)題的方法使用虛擬目標(biāo)點(diǎn)方法。系統(tǒng)在原始目標(biāo)點(diǎn)附近添加虛擬目標(biāo)點(diǎn)。由于添加了虛擬目標(biāo)點(diǎn)，機(jī)器人在局部最小值位置處的合力不是0.它在虛擬目標(biāo)點(diǎn)產(chǎn)生的虛擬力下。機(jī)器人可以遠(yuǎn)離局部最小值。 3.混沌優(yōu)化算法 上述潛在的場(chǎng)函數(shù)方法改進(jìn)和虛擬目標(biāo)點(diǎn)方法只能分別解決目標(biāo)不可達(dá)性和局部最小值的問(wèn)題。也就是說(shuō)，上述方法不能同時(shí)解決這兩種問(wèn)題，基于這個(gè)，這里提出一種對(duì)人工勢(shì)場(chǎng)法的改進(jìn)方法-混沌人工勢(shì)場(chǎng)法，其結(jié)合了傳統(tǒng)的人工勢(shì)場(chǎng)法和混沌優(yōu)化算法，不僅可以解決上述兩個(gè)問(wèn)題，同時(shí)還可以解決機(jī)器人無(wú)法找到類(lèi)似障礙物之間的路徑問(wèn)題。 當(dāng)蘋(píng)果采摘機(jī)器人使用第三種方法方法進(jìn)行路徑規(guī)劃時(shí)，傳感器獲取外部障礙物信息，每次采樣后，通過(guò)第三種方法可以計(jì)算出最佳步長(zhǎng)和方向角，使蘋(píng)果采摘機(jī)器人能夠準(zhǔn)確地到達(dá)下一個(gè)位置。反復(fù)此過(guò)程，直到蘋(píng)果采摘機(jī)器人到達(dá)蘋(píng)果中心點(diǎn)。 基于第三種的人工勢(shì)場(chǎng)方法結(jié)合了傳統(tǒng)的人工勢(shì)場(chǎng)法和混沌優(yōu)化算法，具有以下兩方面的優(yōu)點(diǎn)： 在傳感器的測(cè)量下，機(jī)器人可以在可變的環(huán)境中快速移動(dòng)并且不能陷入局部極小點(diǎn)。 在動(dòng)態(tài)環(huán)境中，蘋(píng)果采摘機(jī)器人可以實(shí)時(shí)有效的避開(kāi)障礙物以及躲避局部極小點(diǎn)問(wèn)題。在相近障礙物能發(fā)現(xiàn)路徑，當(dāng)機(jī)器人面對(duì)可能會(huì)產(chǎn)生局部極小點(diǎn)的位置時(shí)，可以使用混沌優(yōu)化算法來(lái)找到障礙物來(lái)達(dá)到避障的功能。 結(jié)論 根據(jù)蘋(píng)果采摘機(jī)器人的作業(yè)要求，該畢業(yè)設(shè)計(jì)采用機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，智能控制設(shè)計(jì)和蘋(píng)果采摘機(jī)器人的結(jié)合。蘋(píng)果采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)有利于降低果農(nóng)們的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證了蘋(píng)果實(shí)時(shí)收獲。蘋(píng)果采摘機(jī)器人可以保證蘋(píng)果的質(zhì)量，這對(duì)提高我國(guó)蘋(píng)果園的自動(dòng)化水平具有非常重要意義。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)中，主要學(xué)習(xí)結(jié)論總結(jié)如下：（1）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了升降梯，可以使其靈活度更高，大臂采用渦輪蝸桿減速、增扭來(lái)實(shí)現(xiàn)腰部的轉(zhuǎn)動(dòng)，大臂和小臂均使用電機(jī)帶動(dòng)擺線針輪行星減速器來(lái)實(shí)現(xiàn)其俯仰的功能，腕部的旋轉(zhuǎn)、俯仰也是通過(guò)電機(jī)的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)擺線針輪行星加速器來(lái)實(shí)現(xiàn)，末端執(zhí)行器采用剪刀式，用直流減速電機(jī)帶動(dòng)同步帶，同步帶帶動(dòng)齒輪，最終實(shí)現(xiàn)剪刀式的剪切。（2）通過(guò)對(duì)輪式底盤(pán)和履帶底盤(pán)的分析比較，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的輪式底盤(pán)很難滿足蘋(píng)果采摘設(shè)計(jì)的要求。為此，應(yīng)選用適用于蘋(píng)果果園作業(yè)的履帶式底盤(pán)，履帶式底盤(pán)可以在凹凸不平的地面上走，穩(wěn)定性好，也可以跨越障礙物，支撐面積大，轉(zhuǎn)向半徑小，可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。（3）學(xué)習(xí)了蘋(píng)果采摘機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)，采用統(tǒng)計(jì)分析方法篩選多個(gè)顏色空間。使用RGB顏色空間中的R-G色差分量將可用顏色空間的實(shí)時(shí)圖像處理與實(shí)際分割效果進(jìn)行比較。自適應(yīng)閾值分割算法通過(guò)處理可以獲得更好的分割效果。（4）本研究結(jié)合末端執(zhí)行器，蘋(píng)果采摘機(jī)器人臂，圖像處理算法和傳感器系統(tǒng)等技術(shù)。 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本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是在指導(dǎo)老師-畢永利教授悉心指導(dǎo)下完成。在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中畢老師給我提供了很好的學(xué)習(xí)環(huán)境和學(xué)習(xí)條件，此外，在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中的選題、設(shè)計(jì)中的理論、蘋(píng)果采摘機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性以及在論文的撰寫(xiě)過(guò)程中，都得到了畢老師的耐心教導(dǎo)。在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，畢老師教會(huì)了我如何去構(gòu)思，設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)，如何去分析在原理是否行的通，在原理行的通的情況下，再去思考自己所設(shè)計(jì)的在現(xiàn)實(shí)中能否加工得出來(lái)，用的是增材還是去材的方法加工，考慮到很多因素，畢老師建議我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)用去材的方法。真的感謝畢老師在工作很忙的時(shí)候，仍然每一周開(kāi)會(huì)，給我們提出了寶貴的建議。由衷的感謝畢老師在這一年來(lái)對(duì)我的悉心教導(dǎo)，您不僅僅在學(xué)習(xí)上給了我?guī)椭?，同時(shí)也還在思想給我了一些啟迪，讓我可以順利地完成大學(xué)的學(xué)業(yè)同時(shí)，同時(shí)學(xué)到了很多在今后的工作中有用的道理，也進(jìn)一步明確了人生的奮斗目標(biāo)。在畢老師的幫助下，經(jīng)過(guò)將近半年努力的設(shè)計(jì)和計(jì)算，查找了各類(lèi)的全自動(dòng)農(nóng)業(yè)水果摘果機(jī)的設(shè)計(jì)資料，畢業(yè)設(shè)計(jì)終于可以畫(huà)個(gè)句號(hào)了。盡管本次畢業(yè)設(shè)計(jì)不是最完美的，也不是最優(yōu)秀的，但是在我內(nèi)心里，它是我最寶貴的，也是我最驕傲的，因?yàn)楸敬萎厴I(yè)設(shè)計(jì)是我用心完成的，同時(shí)他也是我在大學(xué)本科四年來(lái)對(duì)所學(xué)專(zhuān)業(yè)的綜合體現(xiàn)。本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，不僅僅再一次強(qiáng)化了我所學(xué)的知識(shí)，而且錘煉了我自主學(xué)習(xí)，自主查閱資料等個(gè)人能力。每次畢老師開(kāi)會(huì)，我的內(nèi)心真的是無(wú)比的佩服，希望自己也將能成為像畢老師的老師。 在此，我對(duì)給我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)至以最忠誠(chéng)的感謝，感謝您們給我提供的幫助，感謝畢老師給了我以后學(xué)習(xí)的目標(biāo)和動(dòng)力。