蘋果采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)

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畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）中期檢查記錄表 2016年 4 月18日 學(xué)生姓名 班級 課題名稱 蘋果采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì) 課題完成進(jìn)度（學(xué)生自述） 基本完成，畢業(yè)設(shè)計(jì)課題中蘋果采摘機(jī)械手的機(jī)械部分的三維圖的制作，部分零件的二維圖的制作，設(shè)計(jì)說明書的撰寫。 存在的問題及整改措施（學(xué)生自述） 1.機(jī)器各部分裝配時(shí)出現(xiàn)尺寸誤差，應(yīng)對各個(gè)部分進(jìn)行尺寸匹配，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 2.采摘機(jī)械手械手的動(dòng)力配置不合理，應(yīng)配置功率較小，扭矩較大，能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制轉(zhuǎn)位的伺服電機(jī)。 3.某些零件繪制不合要求，應(yīng)針對這些不合格零件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。 4.應(yīng)盡力把零部件做得精細(xì)。 指導(dǎo)教師意見（課題進(jìn)展情況、優(yōu)缺點(diǎn)、整改措施等） 指導(dǎo)教師簽名 年 月 日 學(xué)院意見 負(fù)責(zé)人簽名 年 月 日 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書 學(xué)院 機(jī)械電氣化工程學(xué)院 班級 學(xué)生姓名 東 學(xué)號(hào) 課題名稱 蘋果采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì) 起止時(shí)間 ） 指導(dǎo)教師 職稱 副教授 課題內(nèi)容 由于果園占地面積相對狹小，而且果樹之間的間距很小，果樹生長性狀復(fù)雜，這就給對果園的果類采摘等帶來了巨大的麻煩。為了節(jié)約人們的體力勞動(dòng)，設(shè)計(jì)一種蘋果等果類無損采摘機(jī)械手械裝置是非常必要的，專門應(yīng)用于果類采摘。可爬坡、越埂、階梯性強(qiáng)。廣泛適用于平原、山區(qū)、丘陵、溫室等區(qū)域種植的果樹果類采摘收獲。本設(shè)計(jì)的成功實(shí)現(xiàn)了果園機(jī)械化水平的提高，也提高了勞動(dòng)效率，減輕人們的體力勞動(dòng)。 本課題的研究內(nèi)容： 1）查找相關(guān)文獻(xiàn)，了解果園蘋果采摘機(jī)械手的工作原理。 2）查找專利及相關(guān)文獻(xiàn)，熟悉了解果園蘋果采摘機(jī)械手的結(jié)構(gòu)。 3）利用力學(xué)原理，機(jī)械手臂和行走承載裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 4）依據(jù)查找到的專利及文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)果園蘋果采摘機(jī)械手的三維實(shí)體模型，并生成關(guān)鍵部件及裝配圖工程圖。 擬定工作進(jìn)度（以周為單位） 第 一 周：查找相關(guān)資料，熟悉課題內(nèi)容。 第 二 周：撰寫開題報(bào)告，并制定總體方案。 第三到十周：設(shè)計(jì)果園蘋果采摘機(jī)械手的三維實(shí)體模型，并生成關(guān)鍵部件及裝配圖工程圖。 第 十一 周：對果園蘋果采摘機(jī)械手進(jìn)行傳動(dòng)設(shè)計(jì)和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。 第 十二 周：撰寫畢業(yè)論文，修改圖紙中存在的問題。 第十三周：編寫答辯提綱，準(zhǔn)備答辯。 第十四周：答辯 主要參考文獻(xiàn) [1]李偉,李吉,張俊雄,陳英,任永新.蘋果采摘機(jī)械手器人機(jī)械臂優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,06:721-726. [2]鄭爽爽,李艷聰,張盛,王睿,王東陽,顧典榮.蘋果采摘機(jī)械手械人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2015,21:11-12. [3]楊文亮.蘋果采摘機(jī)械手器人機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[D].江蘇大學(xué),2009. [4]馬強(qiáng).蘋果采摘機(jī)械手器人關(guān)鍵技術(shù)研究[D].中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院,2012. [5]張杰,姬長英,顧寶興,沈子堯,董芒.三自由度蘋果采摘機(jī)械手器人本體設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,,:. [6]鄧小蕾.果園信息獲取現(xiàn)代傳感方法及裝置研究[D].中國農(nóng)業(yè)大學(xué),2014. [7]張麒麟,姬長英,高峰,趙文旻.蘋果采摘機(jī)械手械手對果實(shí)損傷的影響[J].食品工業(yè)科技,2011,12:404-405. [8]崔鵬.蘋果采摘機(jī)械手器人末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)研究[D].中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院,2010. [9]劉兆祥,劉剛,喬軍.蘋果采摘機(jī)械手器人三維視覺傳感器設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010,02:171-175. [10]GHBrusewitz,JABartsch,吳勁松.與蘋果采摘后損傷有關(guān)的碰撞參量[J].力學(xué)進(jìn)展,1993,01:135-140. [11]常有宏,呂曉蘭,藺經(jīng),薛新宇,王中華. 我國果園機(jī)械化現(xiàn)狀與發(fā)展思路[J]. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào),2013,06:21-26. [12]王建超. 懸掛式丘陵山地果園作業(yè)升降平臺(tái)設(shè)計(jì)[D].山東農(nóng)業(yè)大學(xué),2013. [13]葛世康. 怎樣確定果樹修剪輕重程度和修剪量大小[J]. 農(nóng)業(yè)科技與信息,1997,07:17. 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[16]劉國華. 果樹的適時(shí)采摘與管理分析[J]. 農(nóng)民致富之友,2015,07:74. 任務(wù)下達(dá)人（簽字） 年 月 日 任務(wù)接受人意 任務(wù)接受人簽名 年 月 日 注：1、此任務(wù)書由指導(dǎo)教師填寫，任務(wù)下達(dá)人為指導(dǎo)教師。 2、此任務(wù)書須在學(xué)生畢業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)開始前一周下達(dá)給學(xué)生本人。 3、此任務(wù)書一式三份，一份留學(xué)院存檔，一份學(xué)生本人留存，一份指導(dǎo)教師留存。 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開題報(bào)告 課題名稱 蘋果采摘機(jī)的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 所屬學(xué)院 專 業(yè) 班 級 指導(dǎo)教師 起止時(shí)間 機(jī)械電氣化工程學(xué)院教務(wù)辦制  填 表 說 明 一、學(xué)生撰寫《開題報(bào)告》應(yīng)包含的內(nèi)容： 1、本課題來源及研究的目的和意義； 2、本課題所涉及的問題在國內(nèi)（外）研究現(xiàn)狀及分析； 3、對課題所涉及的任務(wù)要求及實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的可行性分析； 4、本課題需要重點(diǎn)研究的、關(guān)鍵的問題及解決的思路； 5、完成本課題所必須的工作條件及解決的辦法； 6、完成本課題的工作方案及進(jìn)度計(jì)劃； 7、主要參考文獻(xiàn)（不少于7篇）。 二、本報(bào)告必須由承擔(dān)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）課題任務(wù)的學(xué)生在接到“畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書”的兩周內(nèi)獨(dú)立撰寫完成，并交指導(dǎo)教師審閱。 三、開題報(bào)告要求手寫體，字?jǐn)?shù)在3000字以上，由學(xué)生在本報(bào)告冊內(nèi)填寫，頁面不夠可自行添加A4紙張。 四、每個(gè)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）課題須提交開題報(bào)告一式三份，一份學(xué)生本人留存，一份指導(dǎo)教師存閱，一份學(xué)生所在學(xué)院存檔，備檢備查。 一、本題來源及研究的目的和意義 1.1 課題的來源：自選題 1.2 研究的目的 隨著中國農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，果園業(yè)也得到了很大的發(fā)展。由于果園占地面積相對狹小，而且果樹之間的間距很小，果樹生長性狀復(fù)雜，這就給對果園的果類采摘等帶來了巨大的麻煩。為了節(jié)約人們的體力勞動(dòng)，設(shè)計(jì)一種蘋果等果類無損采摘機(jī)械手械裝置是非常必要的，專門應(yīng)用于果類采摘。可爬坡、越埂、階梯性強(qiáng)。廣泛適用于平原、山區(qū)、丘陵、溫室等區(qū)域種植的果樹果類采摘收獲。 1.3 研究的意義 我國是世界第一大蘋果果消費(fèi)國，也是世界第一大蘋果生產(chǎn)國。蘋果種植業(yè)的迅速發(fā)展提升了果園機(jī)械的市場需求。采摘作業(yè)所用勞動(dòng)力占整個(gè)生產(chǎn)過程所用勞動(dòng)力的33%～50%，目前我國的蘋果果采摘絕大部分還是以人工采摘為主。蘋果采摘作業(yè)比較復(fù)雜，季節(jié)性很強(qiáng)，若使用人工采摘，不僅效率低、勞動(dòng)量大，而且容易造成果實(shí)的損傷，如果人手不夠不能及時(shí)采摘還會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)上的損失。使用采摘機(jī)械手械不僅提高采摘效率，而且降低了損傷率，節(jié)省了人工成本，提高了果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益，因此提高蘋果采摘作業(yè)機(jī)械化程度有重要的意義。 蘋果采摘機(jī)械手械在果園規(guī)模化發(fā)展和規(guī)范化管理的地區(qū)應(yīng)用更能突顯其顯著特點(diǎn)。用機(jī)械代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人力操作完成蘋果采摘作業(yè)，既能減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高功效，還可降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)又能搶農(nóng)時(shí)，減少損失，為果樹生長發(fā)育創(chuàng)造良好環(huán)境，促進(jìn)果品優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。 二、 本課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及背景 1.國外果園采摘機(jī)械手械的發(fā)展現(xiàn)狀 上世紀(jì)40年代以英、美、法為首的西方國家率先開始蘋果等水果的機(jī)械化采摘研究，已經(jīng)針對釀造等特殊用途的蘋果實(shí)現(xiàn)機(jī)械化采摘。然而，人們期待的仿生學(xué)機(jī)器人的研究和開發(fā)正在進(jìn)行當(dāng)中，當(dāng)下人工智能技術(shù)尚不能使機(jī)器人像真實(shí)人一樣完成采摘工作。 目前國外對采摘機(jī)械手械的研究是以采摘機(jī)械手器人為主。華盛頓州立大學(xué)在2013年獲得了美國國家機(jī)器人計(jì)劃(美國農(nóng)業(yè)部)的54.8萬美元撥款，現(xiàn)在，該項(xiàng)目已經(jīng)制造了一個(gè)蘋果采摘機(jī)械手器人原型，將在今年秋天進(jìn)行測試。 1.1.國外果園采摘機(jī)械手械的發(fā)展現(xiàn)狀 國外蘋果采摘機(jī)械手械采摘主要有振搖式、撞擊式和切割式三種類型。其中，振搖式是利用外力使樹體或樹枝發(fā)生振搖或振動(dòng)，使蘋果果實(shí)產(chǎn)生加速度，在梗連結(jié)最弱處與果枝分離而掉落。撞擊式是撞擊部件直接撞擊果枝或敲打牽引果枝的棚架振落蘋果果實(shí)。切割式是將樹枝或果柄切斷使果實(shí)與果樹分離的方式，又分為機(jī)械切割式和動(dòng)力切割式。 國外對果園采摘機(jī)械手械的研究始于上世紀(jì)40年代初，以美國、法國、英國為首的西方國家較早開展此方面的研究。于40年代中期開始，美國開始研究振搖式采摘機(jī)械手械，用來采摘胡桃、蘋果和杏等水果，到50年代中期，利用振搖果樹方式收獲水果的采摘機(jī)械手械在歐美國家得到了發(fā)展和普遍應(yīng)用，出現(xiàn)了拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)的振搖采摘機(jī)械手。60年代，振搖采摘機(jī)械手械的結(jié)構(gòu)由單一的定沖程推搖機(jī)發(fā)展到慣性式振搖機(jī)、氣力振搖機(jī)、使用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)橡膠棒沖撞果枝振落果實(shí)的撞擊式機(jī)械等多種類型的果園采摘機(jī)械手械。當(dāng)時(shí)的機(jī)械采摘工作效率普遍較低，采摘的損傷率還較高，也不適用于采收易損傷、完好率要求較高的鮮食用和貯藏的蘋果。60年代中期，美國研究出液壓升降平臺(tái)車，配合采摘工具使用，使得采摘效率大大提高。 自60年代后期，歐美一些國家將水果采摘機(jī)械手械與果樹的培育和修剪結(jié)合起來研究，例如修整樹形使之適合機(jī)械化作業(yè)。直至70年代出現(xiàn)了各種動(dòng)力切割式采摘機(jī)械手械，例如油鋸、氣動(dòng)剪。 日本的果園種植地形與我國南方地形極為相似，許多在平地上使用的果園機(jī)械在丘陵地形上并不適用，故此在20世紀(jì)90年代初，日本開始研究陡坡地果園的機(jī)械化。其中四國農(nóng)業(yè)試驗(yàn)場研究開發(fā)的采用樞軸式擺動(dòng)懸掛機(jī)構(gòu)作為行走部分的自走式采摘車，配備使用電視攝像機(jī)和無線電控制組合。該采摘車的輪距寬，重心低，故爬坡能力強(qiáng)；采用就地車輪正反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，故回轉(zhuǎn)能力好；采用樞軸懸掛機(jī)構(gòu)，因而使機(jī)體擺動(dòng)小、行走穩(wěn)定，適合在坡度15°～30°的地區(qū)使用。 關(guān)于機(jī)器人采摘的研究始于70年代末期，隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，美國首先開始研究各種農(nóng)業(yè)機(jī)器人。自1983年第一臺(tái)采摘機(jī)械手器人在美國誕生以來，歷經(jīng)20多年的研究和試驗(yàn)，日本、美國、法國、荷蘭、英國、西班牙等發(fā)達(dá)國家，相繼試驗(yàn)成功了多種采摘機(jī)械手器人，如蘋果、柑桔、番茄、西瓜和葡萄等果實(shí)采摘的具有人工智能的機(jī)器人。 采摘機(jī)械手器人主要由機(jī)械手、末端執(zhí)行器、視覺識(shí)別系統(tǒng)和行走裝置等四大系統(tǒng)組成。在80年代中期日本京都大學(xué)研制了五自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械手，但這種機(jī)械手的工作空間并沒有包含所有果實(shí)的位置，而且機(jī)械手末端執(zhí)行器的可操作度也比較低。與此同時(shí)韓國研制的蘋果采摘機(jī)械手器人使用極坐標(biāo)機(jī)械手，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可左右移動(dòng)，絲桿關(guān)節(jié)可以上下移動(dòng)，從而工作空間可達(dá)3m。日本崗山大學(xué)在20世紀(jì)90年代，設(shè)計(jì)出番茄采摘機(jī)械手器人具有7個(gè)自由度的能夠設(shè)定采摘姿態(tài)的機(jī)械手。 2 我國蘋果采摘機(jī)械手械發(fā)展現(xiàn)狀 目前，我國在人工智能機(jī)器人采摘研究領(lǐng)域仍處于起步階段。 我國大部分蘋果果園生產(chǎn)規(guī)模小，種植模式多樣，栽培和管理比較分散，果園的規(guī)模化和規(guī)范化程度偏低。目前，我國果園機(jī)械化基礎(chǔ)差，優(yōu)勢林果產(chǎn)區(qū)雖然已逐步形成規(guī)?；a(chǎn)，但規(guī)范化管理不足，農(nóng)藝未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，果園機(jī)械化水平仍然很低，果園機(jī)械無論從數(shù)量上還是品種、質(zhì)量上都難以滿足林果產(chǎn)業(yè)大發(fā)展的需要，在一些果園專有機(jī)械上仍處于空白。 2.1我國蘋果采摘機(jī)械手械研究開發(fā)背景 自20世紀(jì)70年代，我國開始研究果園采摘機(jī)械手械，先后開發(fā)了與手扶拖拉機(jī)配套的機(jī)械振動(dòng)式山楂采果機(jī)、氣囊式采果器和手持電動(dòng)采果器。后兩者實(shí)際上還是人工作業(yè)用的輔助機(jī)械，雖然在保護(hù)果實(shí)不受損傷方面做得較好，但是其效率還是太低。80年代后，開始研究和制造切割型采摘器，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。電機(jī)式采摘器利用果柄引導(dǎo)突片將果柄引向切刀，再用微型電機(jī)帶動(dòng)的切刀作往復(fù)運(yùn)動(dòng)把果柄切斷。此外，一種振搖式采摘器，用撥叉伸入果枝用電機(jī)擺動(dòng)撥叉而振落果實(shí)。切割式采摘的優(yōu)點(diǎn)是省時(shí)省力，對果實(shí)的損傷也小。此后有了更多的輔助工具如液壓剪枝升降平臺(tái)，可用來提升工人工作位置，利于采摘作業(yè)。 盡管如此，國內(nèi)蘋果采摘機(jī)械手械基本處于空白，蘋果不同于山楂、核桃、棗等，蘋果果皮易在采摘過程中受到損傷，損傷容易造成蘋果氧化變質(zhì)品質(zhì)下降，降低經(jīng)濟(jì)效益。 三 本課題需要重點(diǎn)研究的關(guān)鍵的問題及解決的思路 3.1 研究的主要問題： 傳統(tǒng)的果園蘋果收獲基本以人工采摘為主（特殊用途的果類除外），耗時(shí)費(fèi)力，勞動(dòng)成本高。蘋果從采摘到運(yùn)輸過程周期較長，不容易保障果品質(zhì)量。本設(shè)計(jì)主要致力蘋果無損采摘，以及初步清理，運(yùn)出果園等收獲環(huán)節(jié)。 3.2 解決思路： （1）用大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行裝配及其，保證機(jī)器在工作的時(shí)間不會(huì)因?yàn)槌d而熄火。 （2）設(shè)計(jì)機(jī)械手臂，編寫機(jī)械手臂工作程序，實(shí)現(xiàn)柔性抓取，摘果。 （3）添加視覺捕捉輔助系統(tǒng)，輔助操作員操作機(jī)械手臂。 （4）設(shè)計(jì)蘋果輸送，初步清洗裝置，將采摘的蘋果進(jìn)行運(yùn)輸、清理、裝箱。 （5）設(shè)計(jì)多自由度承載升降自走車體，搭載全部采摘設(shè)備、操作人員、駕駛?cè)藛T，及采摘蘋果、果箱等。 （6）保證機(jī)器的安全性能。 3.3具體方案： （1）本次設(shè)計(jì)把視覺捕捉系統(tǒng)、智能機(jī)器人、蘋果輸送淸選裝置、多自由度式承載裝置相結(jié)合，本設(shè)計(jì)的研究對果園的管理非常重要。 （2）該設(shè)計(jì)的成型產(chǎn)品是機(jī)械手臂、蘋果輸送清洗裝置、行走裝置與升降裝置均通過獨(dú)立動(dòng)力源提供動(dòng)力，以確保機(jī)器工作穩(wěn)定。 （3）產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)蘋果采摘、輸送、清洗，工作臺(tái)升降由操作員獨(dú)立進(jìn)行。 （4）前后的工作裝置都可以卸載，當(dāng)需要什么樣的工作時(shí)進(jìn)行安裝即可。 四 完成本課題需要的工作條件及解決的辦法 （1）查閱有關(guān)資料選擇相關(guān)參數(shù)及材料,設(shè)計(jì)機(jī)械手臂、行走裝置、輸送清洗裝置、行走裝置等的形狀。 （2）設(shè)計(jì)完各零部件后，進(jìn)行裝配組合，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的可靠性。 （3）運(yùn)用Solidworks軟件，繪制三維零件圖和裝配圖。 （4）運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件完成整機(jī)各零部件的三維建模并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。 五 工作方案及進(jìn)度計(jì)劃 工作方案： 1、設(shè)計(jì)并繪制蘋果采摘機(jī)械手總體機(jī)架。 2、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇方案及大小設(shè)計(jì)。 3、蘋果采摘機(jī)械手主要零部件的設(shè)計(jì)。 4、繪制所有零部件并查閱相關(guān)說明，各零部件尺寸要嚙合達(dá)到合適效果。 5、組裝裝配圖并生成三維立體模型，觀察效果并加以改進(jìn)。 進(jìn)度計(jì)劃： 第 一 周：查找相關(guān)資料、熟悉課題內(nèi)容。 第 二 周：撰寫開題報(bào)告，并制定總體方案。 第三周至十周：設(shè)計(jì)蘋果采摘機(jī)械手試驗(yàn)裝置的三維實(shí)體模型圖，并生成關(guān)鍵部件及裝配圖工程圖。 第 十一 周：對蘋果采摘機(jī)械手進(jìn)行傳動(dòng)設(shè)計(jì)和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。 第 十二 周：撰寫畢業(yè)論文，修改圖紙中存在的問題。 第十三周：編寫答辯提綱，準(zhǔn)備答辯。 第十四周：答辯 六 參考文獻(xiàn) [1]李偉,李吉,張俊雄,陳英,任永新.蘋果采摘機(jī)械手器人機(jī)械臂優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,06:721-726. 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Currently, the international market, there are about robot 8 to 10 billion, which accounts for the largest proportion of industrial robots. 2025, the entire robot market will reach 50 billion, the service robot from the original more than 300 million units to 12 million units,Special robot (eg: agricultural robots, EOD robots, medical robots, etc.) are increasingly vocal. In addition, Microsoft and other IT companies, Toyota, Mercedes-Benz and other car companies, and even furniture, sanitary ware enterprises have involved in the development of the robot. 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 1 引言 1 1.1課題的來源與研究的目的和意義 1 1.2蘋果采摘機(jī)械手的用途 2 1.3蘋果采摘機(jī)械手的特點(diǎn) 2 1.4本課題研究的內(nèi)容 3 1.5 UG設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 4 2 蘋果采摘機(jī)械手的創(chuàng)新設(shè)計(jì) 6 2.1蘋果采摘機(jī)械手的總體方案圖 8 2.2蘋果采摘機(jī)械手的工作原理 10 3 蘋果采摘機(jī)械手部分零部件選型及校核 12 2.3.1部分電機(jī)計(jì)算 14 2.3.2聯(lián)軸器的選型 16 2.3.3軸承的選型計(jì)算 18 4 蘋果采摘機(jī)械手的三維建模 19 4.1總體結(jié)構(gòu)三維建模 20 4.2底部輪式車三維建模 20 4.3電動(dòng)氣缸的三維建模 21 結(jié)論 22 致謝 23 參考文獻(xiàn) 24 III 1引言 1.1課題的來源與研究的目的和意義 蘋果采摘機(jī)械手與智能裝備產(chǎn)業(yè)是高度集成微電子、通信、計(jì)算機(jī)、人工智能、控制和圖像處理等學(xué)科最新科研和產(chǎn)業(yè)成果的前沿高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，是擬建的江蘇?。ǔＶ荩┕I(yè)技術(shù)研究院的服務(wù)的產(chǎn)業(yè)核心和研發(fā)的產(chǎn)業(yè)立足點(diǎn)。直接影響生活最優(yōu)化和智能化的蘋果采摘機(jī)械手技術(shù)是蘋果采摘機(jī)械手與智能裝備產(chǎn)業(yè)的技術(shù)核心，推進(jìn)著未來蘋果采摘機(jī)械手與智能裝備領(lǐng)域的科技創(chuàng)新力和產(chǎn)業(yè)競爭力。 蘋果采摘機(jī)械手技術(shù)是一種是以自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為主體、有機(jī)融合各種現(xiàn)代信息技術(shù)的系統(tǒng)集成和應(yīng)用。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，蘋果采摘機(jī)械手技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，極大地提升了生產(chǎn)品質(zhì)并成功解放了勞動(dòng)力資源。作為高技術(shù)領(lǐng)域中重要的前沿技術(shù)之一，蘋果采摘機(jī)械手技術(shù)具有前瞻性、先導(dǎo)性的特點(diǎn)，對學(xué)術(shù)研究、產(chǎn)業(yè)升級、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)、保障國家安全、引領(lǐng)未來經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展有著十分重要的作用。目前，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)突破，從根本上為提升蘋果采摘機(jī)械手技術(shù)的學(xué)術(shù)研究提供了必要的支持，為蘋果采摘機(jī)械手的應(yīng)用范圍拓寬了道路，已涵蓋國防、航空航天、工業(yè)生產(chǎn)、服務(wù)、老人康復(fù)、教育甚至普通家庭生活，一場新的蘋果采摘機(jī)械手技術(shù)研究高潮和發(fā)展契機(jī)業(yè)已到來。 蘋果采摘機(jī)械手技術(shù)毫無疑問是未來的戰(zhàn)略性高技術(shù)，充滿機(jī)遇和挑戰(zhàn)。目前，國際上蘋果采摘機(jī)械手市場大概有80億至100億，其中工業(yè)蘋果采摘機(jī)械手占的比重最大。2025年，整個(gè)蘋果采摘機(jī)械手市場將達(dá)到500億，服務(wù)蘋果采摘機(jī)械手從原來的300多萬臺(tái)增加到1200多萬臺(tái)，特種蘋果采摘機(jī)械手（如：排爆蘋果采摘機(jī)械手、醫(yī)療蘋果采摘機(jī)械手等）的呼聲也越來越高。另外，微軟等IT企業(yè)，豐田、奔馳等汽車公司，甚至還有家具、衛(wèi)生潔具企業(yè)都紛紛參與蘋果采摘機(jī)械手的研制。 美國和日本多年來引領(lǐng)國際蘋果采摘機(jī)械手的發(fā)展方向，代表著國際上蘋果采摘機(jī)械手領(lǐng)域的最高科技水平。目前，日本除了比較關(guān)注特種蘋果采摘機(jī)械手和服務(wù)蘋果采摘機(jī)械手以外，還注重中間件的研制。然而，近年來日本基本上在做模仿性的工作，突破性技術(shù)比較少。而美國在蘋果采摘機(jī)械手領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)方面，一直保持著世界領(lǐng)先地位。再有，美國主要做高附加值的產(chǎn)業(yè)，比如軍用蘋果采摘機(jī)械手，目前世界銷售的9000臺(tái)軍用蘋果采摘機(jī)械手之中，有60%來自美國。比如：美國最近研制成功的Big?Dog軍用蘋果采摘機(jī)械手，能負(fù)重100公斤，行進(jìn)速度跟人相當(dāng)，每小時(shí)達(dá)到五公里，還能適應(yīng)各種地形，即使是在側(cè)面受到?jīng)_擊時(shí)也能保持很好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。 在各種蘋果采摘機(jī)械手中，工業(yè)蘋果采摘機(jī)械手應(yīng)用較早，發(fā)展最為成熟。同時(shí)，技術(shù)的不斷進(jìn)步一直在牽引著蘋果采摘機(jī)械手學(xué)科的發(fā)展，使蘋果采摘機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域從工業(yè)蘋果采摘機(jī)械手?jǐn)U展到特種蘋果采摘機(jī)械手和服務(wù)蘋果采摘機(jī)械手等。蘋果采摘機(jī)械手技術(shù)也正越來越深刻地影響著我們的生活。蘋果采摘機(jī)械手不但將在工廠、實(shí)驗(yàn)室與人一起工作，還將在車站、機(jī)場、碼頭、交通路口為人們指引路徑、回答問題、幫助行人。蘋果采摘機(jī)械手還將步入千家萬戶，為老人端茶送水，護(hù)理傷病人等等。未來蘋果采摘機(jī)械手將會(huì)越來越廣泛地進(jìn)入人類社會(huì)，人類對蘋果采摘機(jī)械手的依賴會(huì)如同現(xiàn)時(shí)對待計(jì)算機(jī)一樣，即使是短時(shí)間的離開都可能會(huì)造成很大不便。? 蘋果采摘機(jī)械手化是先進(jìn)制造領(lǐng)域的重要標(biāo)志和關(guān)鍵技術(shù)，針對先進(jìn)制造業(yè)生產(chǎn)效率提高的諸多瓶頸問題，尤其是在汽車產(chǎn)業(yè)中，蘋果采摘機(jī)械手得到了廣泛的應(yīng)用。如在毛坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)、機(jī)械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測及倉庫堆垛等作業(yè)中，蘋果采摘機(jī)械手都已逐步取代了人工作業(yè)。目前汽車制造業(yè)是所有行業(yè)中人均擁有蘋果采摘機(jī)械手密度最高的行業(yè)，如2004年德國制造業(yè)中每1萬名工人中擁有蘋果采摘機(jī)械手的數(shù)量為162臺(tái)，而在汽車制造業(yè)中每1萬名工人中擁有蘋果采摘機(jī)械手的數(shù)量則為1140臺(tái)；意大利的這一數(shù)值更能說明問題，2004年意大利制造業(yè)中每1萬名工人中擁有輔助操作的蘋果采摘機(jī)械手?jǐn)?shù)量為123臺(tái)，而在汽車制造業(yè)中每1萬名工人中蘋果采摘機(jī)械手的擁有數(shù)量則高達(dá)1600臺(tái)。 在國外，應(yīng)用于制造業(yè)的蘋果采摘機(jī)械手取得了較顯著進(jìn)展，已成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備而得到工業(yè)界廣泛應(yīng)用，從而也形成了一批在國際上較有影響力的、知名蘋果采摘機(jī)械手公司。如德國的KUKA、瑞典的ABB、日本的安川等。據(jù)專家預(yù)測，蘋果采摘機(jī)械手產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計(jì)算機(jī)之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。據(jù)聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(UNECE)和國際蘋果采摘機(jī)械手聯(lián)合會(huì)(IFR)的統(tǒng)計(jì)，2002年至2004年，世界蘋果采摘機(jī)械手市場年增長率平均在10%左右，2005年達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的30%，2007年全球蘋果采摘機(jī)械手實(shí)際安裝量達(dá)到650萬臺(tái)，蘋果采摘機(jī)械手安裝量比2006年增加3%，達(dá)到了114365臺(tái)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來全球蘋果采摘機(jī)械手行業(yè)發(fā)展迅速，2008年全球蘋果采摘機(jī)械手行業(yè)總銷售量比2006年增長25％。而無論在使用、生產(chǎn)還是出口方面，日本一直是全球領(lǐng)先者，目前日本已經(jīng)有130余家專業(yè)的蘋果采摘機(jī)械手制造商。世界各國主要行業(yè)對蘋果采摘機(jī)械手的需求詳見圖1所示。 （圖1?世界各國主要行業(yè)對蘋果采摘機(jī)械手的需求分布） 由于機(jī)械工程的知識(shí)總量已擴(kuò)大到遠(yuǎn)非個(gè)人所能全部掌握，一定的專業(yè)化是必不可少的。但是過度的專業(yè)化造成知識(shí)過分分割，視野狹窄，不能統(tǒng)觀和統(tǒng)籌稍大規(guī)模的工程的全貌和全局，并且縮小技術(shù)交流的范圍，阻礙新技術(shù)的出現(xiàn)和技術(shù)整體的進(jìn)步，對外界條件變化的適應(yīng)能力很差。封閉性專業(yè)的專家們掌握的知識(shí)過狹，考慮問題過專，在協(xié)同工作時(shí)配合協(xié)調(diào)困難，也不利于繼續(xù)自學(xué)提高。因此自20世紀(jì)中、后期開始，又出現(xiàn)了綜合的趨勢。人們更多地注意了基礎(chǔ)理論，拓寬專業(yè)領(lǐng)域，合并分化過細(xì)的專業(yè)。綜合-專業(yè)分化-再綜合的反復(fù)循環(huán)，是知識(shí)發(fā)展的合理的和必經(jīng)的過程。不同專業(yè)的專家們各具有精湛的專業(yè)知識(shí)，又具有足夠的綜合知識(shí)來認(rèn)識(shí)、理解其他學(xué)科的問題和工程整體的面貌，才能形成互相協(xié)同工作的有力集體。綜合與專業(yè)是多層次的。在機(jī)械工程內(nèi)部有綜合與專業(yè)的矛盾；在全面的工程技術(shù)中也同樣有綜合和專業(yè)問題。在人類的全部知識(shí)中，包括社會(huì)科學(xué)、自然科學(xué)和工程技術(shù)，也有處于更高一層、更宏觀的綜合與專業(yè)問題。 1.2蘋果采摘機(jī)械手的用途 本文所設(shè)計(jì)蘋果采摘機(jī)械手雖然尚無法取代人工作業(yè)，但是對蘋果采摘機(jī)械手應(yīng)用到農(nóng)業(yè)采摘相關(guān)技術(shù)奠定了實(shí)踐基礎(chǔ)，并對進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)帶來了可操作的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對累積相關(guān)制作技術(shù)有很好的驗(yàn)證作用。 1.3 蘋果采摘機(jī)械手特點(diǎn) 本文所設(shè)計(jì)蘋果采摘機(jī)械手是一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪式5軸蘋果采摘機(jī)械手，整體結(jié)構(gòu)包括兩自由度的移動(dòng)載體和三自由度帶夾持器的機(jī)械臂。蘋果采摘機(jī)械手主體使用鋁板材料和工程塑料組裝成蘋果采摘機(jī)械手機(jī)體，結(jié)構(gòu)輕巧，方便在車體上增加模塊。 移動(dòng)底盤： 為了適應(yīng)多變的開放式的蘋果園地面環(huán)境，選用農(nóng)用拖拉機(jī)式移動(dòng)小車作為移動(dòng)底盤。上面加裝了主控電路板，采摘輔助裝置，多種傳感器，電源模塊等。 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)： 主要包括機(jī)械手腰部，大臂，小臂部分。其轉(zhuǎn)動(dòng)均采用交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，選用行星齒輪減速器對電機(jī)進(jìn)行減速，同時(shí)提高最終的輸出扭矩。直接選用電動(dòng)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(yīng)旋轉(zhuǎn)法蘭盤組件與末端執(zhí)行器固連。末端執(zhí)行器初步選定使用夾持機(jī)構(gòu)將果實(shí)夾緊并采摘。 1.4本課題研究的內(nèi)容 本論文主要研究運(yùn)用UG對全自動(dòng)蘋果采摘機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，了解UG的各種功能。 UG公司成立于1993年，由PTC公司的技術(shù)副總裁與CV公司的副總裁發(fā)起，總部位于馬薩諸州的康克爾郡（Concord,Massachusetts）內(nèi)。當(dāng)初的目標(biāo)是希望在每一個(gè)工程師的桌面上提供一套具有生產(chǎn)力的實(shí)體模型設(shè)計(jì)系統(tǒng)。從1995年推出第一套UG三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件至今已經(jīng)擁有位于全球的辦事處，并經(jīng)由300家經(jīng)銷商在全球140個(gè)國家進(jìn)行銷售與分銷該產(chǎn)品。1997年，UG被法國達(dá)索（Dassault Systemes）公司收購，作為達(dá)索中端主流市場的主打品牌。UG軟件是世界上第一個(gè)基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)。由于技術(shù)創(chuàng)新符合CAD技術(shù)的發(fā)展潮流和趨勢，UG公司于兩年間成為CAD/CAM產(chǎn)業(yè)中獲利最高的公司。良好的財(cái)務(wù)狀況和用戶支持使得UG每年都有數(shù)十乃至數(shù)百項(xiàng)的技術(shù)創(chuàng)新，公司也獲得了很多榮譽(yù)。該系統(tǒng)在1995-1999年獲得全球微機(jī)平臺(tái)CAD系統(tǒng)評比第一名。從1995年至今，已經(jīng)累計(jì)獲得十七項(xiàng)國際大獎(jiǎng)。其中僅從1999年起，美國權(quán)威的CAD專業(yè)雜志CADENCE連續(xù)4年授予UG最佳編輯獎(jiǎng)，以表彰UG的創(chuàng)新、活力和簡明。至此，UG所遵循的易用、穩(wěn)定和創(chuàng)新三大原則得到了全面的落實(shí)和證明，使用它，設(shè)計(jì)師大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，產(chǎn)品快速、高效地投向了市場。 由于UG出色的技術(shù)和市場表現(xiàn)，不僅成為CAD行業(yè)的一顆耀眼的明星，也成為華爾街青睞的對象。終于在1997年由法國達(dá)索公司以三億一千萬美元的高額市值將UG全資并購。公司原來的風(fēng)險(xiǎn)投資商和股東，以一千三百萬美元的風(fēng)險(xiǎn)投資，獲得了高額的回報(bào)，創(chuàng)造了CAD行業(yè)的世界紀(jì)錄。并購后的UG以原來的品牌和管理技術(shù)隊(duì)伍繼續(xù)獨(dú)立運(yùn)作，成為CAD行業(yè)一家高素質(zhì)的專業(yè)化公司。UG三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件也成為達(dá)索企業(yè)中最具競爭力的CAD產(chǎn)品。 由于使用了Windows OLE技術(shù)、直觀式設(shè)計(jì)技術(shù)、先進(jìn)的parasolid內(nèi)核（由劍橋提供）以及良好的與第三方軟件的集成技術(shù)。UG成為全球裝機(jī)量最大、最好用的軟件。資料顯示，目前全球發(fā)放的UG軟件使用許可約28萬，涉及航空航天、機(jī)車、食品、機(jī)械、國防、交通、模具、電子通訊、醫(yī)療器械、娛樂工業(yè)、日用品/消費(fèi)品、離散制造等分布于全球100多個(gè)國家的約3萬1千家企業(yè)。在教育市場上，每年來自全球4，300所教育機(jī)構(gòu)的近145，000名學(xué)生通過UG的培訓(xùn)課程。 據(jù)世界上著名的人才招聘網(wǎng)站檢索，與其它3D CAD軟件相比，UG相關(guān)的招聘廣告比其它軟件的總合還要多，這一事實(shí)說明了越來越多的工程師和設(shè)計(jì)者使用UG三維軟件，越來越多的企業(yè)需要UG人才。UG軟件功能強(qiáng)大，易于操作，界面人性化，技術(shù)創(chuàng)新，組件繁多是UG的五大特點(diǎn)。使得UG三維軟件成為目前全球領(lǐng)先的三維CAD解決方案。UG在設(shè)計(jì)時(shí)能夠?yàn)橛脩籼峁┎煌脑O(shè)計(jì)方案，通過方案的篩選，工程師能從中選擇合適的方案，從而在設(shè)計(jì)過程中降低設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。在目前市場上所見到的三維CAD解決方案中，UG是設(shè)計(jì)過程比較簡便又通俗易懂的軟件之一。它不僅提供如此人性化的系統(tǒng)，同時(shí)對每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)者，乃至整個(gè)機(jī)械行業(yè)提供了良好的發(fā)展基礎(chǔ)。UG軟件是世界上第一個(gè)基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，由于技術(shù)創(chuàng)新符合CAD技術(shù)的發(fā)展潮流和趨勢，UG公司于兩年間成為CAD/CAM產(chǎn)業(yè)中獲利最高的公司。良好的財(cái)務(wù)狀況和用戶支持使得UG每年都有數(shù)十乃至數(shù)百項(xiàng)的技術(shù)創(chuàng)新，公司也獲得了很多榮譽(yù)。該系統(tǒng)在1995-1999年獲得全球微機(jī)平臺(tái)CAD系統(tǒng)評比第一名；從1995年至今，已經(jīng)累計(jì)獲得十七項(xiàng)國際大獎(jiǎng)，其中僅從1999年起，美國權(quán)威的CAD專業(yè)雜志CADENCE連續(xù)4年授予UG最佳編輯獎(jiǎng)，以表彰UG的創(chuàng)新、活力和簡明。至此，UG所遵循的易用、穩(wěn)定和創(chuàng)新三大原則得到了全面的落實(shí)和證明，使用它，設(shè)計(jì)師大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，產(chǎn)品快速、高效地投向了市場。由于UG出色的技術(shù)和市場表現(xiàn)，不僅成為CAD行業(yè)的一顆耀眼的明星，也成為華爾街青睞的對象。終于在1997年由法國達(dá)索公司以三億一千萬美元的高額市值將UG全資并購。公司原來的風(fēng)險(xiǎn)投資商和股東，以一千三百萬美元的風(fēng)險(xiǎn)投資，獲得了高額的回報(bào)，創(chuàng)造了CAD行業(yè)的世界紀(jì)錄。并購后的UG以原來的品牌和管理技術(shù)隊(duì)伍繼續(xù)獨(dú)立運(yùn)作，成為CAD行業(yè)一家高素質(zhì)的專業(yè)化公司，UG三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件也成為達(dá)索企業(yè)中最具競爭力的CAD產(chǎn)品。 由于使用了Windows OLE技術(shù)、直觀式設(shè)計(jì)技術(shù)、先進(jìn)的parasolid內(nèi)（由劍橋提供）以及良好的與第三方軟件的集成技術(shù)，UG成為全球裝機(jī)量最大、最好用的軟件。資料顯示，目前全球發(fā)放的UG軟件使用許可約28萬，涉及航空航天、機(jī)車、食品、機(jī)械、國防、交通、模具、電子通訊、醫(yī)療器械、娛樂工業(yè)、日用品/消費(fèi)品、離散制造等分布于全球100多個(gè)國家的約3萬1千家企業(yè)。在教育市場上，每年來自全球4，300所教育機(jī)構(gòu)的近145，000名學(xué)生通過UG的培訓(xùn)課程。 據(jù)世界上著名的人才網(wǎng)站檢索，與其它3D CAD系統(tǒng)相比，與UG相關(guān)的招聘廣告比其它軟件的總和還要多，這比較客觀地說明了越來越多的工程師使用UG，越來越多的企業(yè)雇傭UG人才。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界用戶每年使用UG的時(shí)間已達(dá)5500萬小時(shí)。在美國，包括麻省理工學(xué)院（MIT）、斯坦福大學(xué)等在內(nèi)的著名大學(xué)已經(jīng)把UG列為制造專業(yè)的必修課，國內(nèi)的一些大學(xué)（教育機(jī)構(gòu)）如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、大連理工大學(xué)、北京理工大學(xué)、武漢理工大學(xué)等也在應(yīng)用UG進(jìn)行教學(xué)。UG軟件功能強(qiáng)大，組件繁多。 UG有功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點(diǎn)，這使得UG 成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。UG 能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。UG 不僅提供如此強(qiáng)大的功能，而且對每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)者來說，操作簡單方便、易學(xué)易用。 UG在現(xiàn)今社會(huì)階段逐漸廣泛應(yīng)用，并且UG公司對中國市場重點(diǎn)開發(fā)，日后UG應(yīng)用將會(huì)更加完善，更加普遍。通過前文對UG的深入了解后，往后會(huì)對UG進(jìn)行個(gè)別應(yīng)用的分析，如建模，裝配，工程圖，力學(xué)分析等。 UG軟件功能強(qiáng)大，組件繁多。 UG有功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點(diǎn)，這使得UG 成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。UG 能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。UG 不僅提供如此強(qiáng)大的功能，而且對每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)者來說，操作簡單方便、易學(xué)易用。 2 蘋果采摘機(jī)械手的創(chuàng)新設(shè)計(jì) 2.1 蘋果采摘機(jī)械手的總體方案圖 根據(jù)設(shè)計(jì)要求及自己確定的總體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1。 圖1 其中設(shè)備總體分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蘋果采摘機(jī)械手腰部組件、5大臂輔助組件、6大臂組件、7小臂之電動(dòng)伸縮組件、8小臂組件、9旋轉(zhuǎn)法蘭組件、10末端執(zhí)行器。各部分由電機(jī)驅(qū)動(dòng)并通過通過齒輪、軸、電動(dòng)缸等進(jìn)行有效鏈接配合產(chǎn)生作用。其中控制部分中含有蓄電池和集中控制線路由通過傳感器接受信息并處理運(yùn)動(dòng)、工作、執(zhí)行命令相關(guān)動(dòng)態(tài)信息及時(shí)指揮蘋果采摘機(jī)械手采摘蘋果。 2.2 蘋果采摘機(jī)械手的工作原理 為了達(dá)到蘋果采摘機(jī)械手采摘蘋果的目的，個(gè)人制作了兩種方案并比較。 1.方案1方案簡圖： 動(dòng)力源： 蘋果采摘機(jī)械手伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用是為蘋果采摘機(jī)械手提供動(dòng)力并且控制其按照運(yùn)動(dòng)控制器的指令到達(dá)預(yù)定位置。因?yàn)榻涣魉欧妱?dòng)機(jī)具有無電刷和換向器 、慣量小、適應(yīng)于高速大轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點(diǎn),所以,蘋果采摘機(jī)械手的 4個(gè)關(guān)節(jié)均采用交流伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源。綜合考慮使用性能和經(jīng)濟(jì)性, 選用日本安川公司 ∑-Ⅱ系列交流伺服系統(tǒng)。 傳動(dòng)方式的選擇： 蘋果采摘機(jī)械手關(guān)節(jié)需要的是低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的動(dòng)力,而交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的是高轉(zhuǎn)速 、低轉(zhuǎn)矩的動(dòng)力。因此, 蘋果采摘機(jī)械手的腰關(guān)節(jié)、小臂和腕部均采用交流伺服電動(dòng)機(jī)串接諧波減速器結(jié)合齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方式。 為了增加傳動(dòng)穩(wěn)定性，和控制靈活度，固增加連桿機(jī)構(gòu)，輔助程序控制。連桿機(jī)構(gòu)也是配以伺服電機(jī)進(jìn)行控制。 末端執(zhí)行器： 接近機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 由直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的絲杠螺母結(jié)構(gòu)、機(jī)架、滑塊和導(dǎo)桿構(gòu)成。 夾持機(jī)構(gòu) 直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的絲杠螺母結(jié)構(gòu)、滑塊和機(jī)架 旋轉(zhuǎn)采摘機(jī)械手構(gòu) 由安裝于腕部的減速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、連接件Ⅰ和連接件Ⅱ構(gòu)成。減速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)機(jī)體通過連接件Ⅰ與機(jī)架Ⅱ固聯(lián)，減速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出軸通過連接件Ⅱ與機(jī)架Ⅰ固聯(lián)，減速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)連接件Ⅱ相對連接件Ⅰ轉(zhuǎn)動(dòng)。減速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)角度通過設(shè)定脈沖數(shù)實(shí)現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)的最大扭矩可達(dá)6N?m。 2.方案2方案簡圖： 傳統(tǒng)蘋果采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡圖 整體結(jié)構(gòu)包括兩自由度的移動(dòng)載體和三自由度帶夾持器的機(jī)械臂。蘋果采摘機(jī)械手主體使用網(wǎng)孔鋁板材料和工程塑料組裝成蘋果采摘機(jī)械手機(jī)體，結(jié)構(gòu)輕巧，方便在車體上增加模塊。 移動(dòng)底盤： 為了適應(yīng)多變的開放式的蘋果園地面環(huán)境，選用履帶式移動(dòng)小車作為移動(dòng)底盤。上面加裝了主控電路板，采摘輔助裝置，多種傳感器，電源模塊等。 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)： 主要包括機(jī)械手腰部，大臂，小臂部分。其轉(zhuǎn)動(dòng)均采用交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，選用行星齒輪減速器對電機(jī)進(jìn)行減速，同時(shí)提高最終的輸出扭矩。直接選用電動(dòng)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(yīng)法蘭盤與末端執(zhí)行器固連。 末端執(zhí)行器： 末端執(zhí)行器初步選定使用夾持機(jī)構(gòu)將果實(shí)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(diào)整末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，其系統(tǒng)的控制難度稍難。 其主要通過動(dòng)力源，切割機(jī)構(gòu)，接近機(jī)構(gòu)，夾持機(jī)構(gòu)，傳感控制系統(tǒng)組成。 接近機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì): 由電動(dòng)機(jī)的絲杠螺母結(jié)構(gòu)、機(jī)架、滑塊和導(dǎo)桿構(gòu)成。 夾持機(jī)構(gòu)： 電動(dòng)機(jī)的絲杠螺母結(jié)構(gòu)、滑塊和機(jī)架 切割機(jī)構(gòu)： 由刀架和雙面刀片組成。 3.方案比較： 上述兩種方案中，方案1采用了傳統(tǒng)的機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)，為底盤-支持機(jī)構(gòu)-腰關(guān)節(jié)-肩關(guān)節(jié)-肘關(guān)節(jié)-末端執(zhí)行器的傳動(dòng)方案。相比較來講，方案2采用的是底盤-支持機(jī)構(gòu)-大臂-小臂-末端執(zhí)行器的方式，而通過連桿輔助大臂的方式，使其控制能力更靈活。方案1的傳動(dòng)過程比較復(fù)雜，包括了3個(gè)階段，而且穩(wěn)定性不如方案2，同時(shí)對于3個(gè)傳動(dòng)關(guān)節(jié)的程序控制也要求更高。而方案2采用的是連桿輔助，只有2個(gè)傳動(dòng)關(guān)節(jié)，大臂和小臂，對控制系統(tǒng)要求更低，同時(shí)，在連桿的輔助下，其穩(wěn)定性更強(qiáng)，控制能力也更高。 另外1點(diǎn)不同在于末端執(zhí)行器的采摘方式不同，方案1采用的是旋轉(zhuǎn)采摘法，通過機(jī)構(gòu)系統(tǒng)夾持果實(shí)，再通過旋轉(zhuǎn)的方式使果實(shí)與果柄分離，從而完成果實(shí)采摘。而方案2首先通過夾持機(jī)構(gòu)將果實(shí)夾緊，之后利用切割機(jī)構(gòu)，通過刀片對果柄進(jìn)行切割，使果實(shí)與果柄分離，從而完成果實(shí)采摘。2種方案都需要對果實(shí)的具體位置進(jìn)行精確判斷，但是方案1不需要對果柄的位置進(jìn)行仔細(xì)判斷，而方案2需要，從這點(diǎn)上來講，方案2對傳感系統(tǒng)的要求更高。但是方案1通過旋轉(zhuǎn)采摘容易造成果實(shí)損傷，而方案2通過切割機(jī)構(gòu)可以保證果實(shí)本身的完整性，從這點(diǎn)上來講，方案2更優(yōu)。同時(shí)旋轉(zhuǎn)采摘的成功率明顯沒有切割采摘的高，因?yàn)槊總€(gè)果實(shí)的連接程度不同，這樣導(dǎo)致了旋轉(zhuǎn)次數(shù)和強(qiáng)度如果固定在一個(gè)范圍內(nèi)不能保證果實(shí)采摘成功率。因此綜上考慮，選擇方案2比較好。所選定方案2工作原理 方案2主要包括機(jī)械手腰部，大臂，小臂部分。其轉(zhuǎn)動(dòng)均采用交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，選用行星齒輪減速器對電機(jī)進(jìn)行減速，同時(shí)提高最終的輸出扭矩。直接選用電動(dòng)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(yīng)旋轉(zhuǎn)法蘭盤組件與末端執(zhí)行器固連。末端執(zhí)行器初步選定使用夾持機(jī)構(gòu)將果實(shí)夾緊并采摘。 2.3 拋磨機(jī)主要零部件選型及強(qiáng)度校核計(jì)算 2.3.1大臂，小臂及連桿伺服電機(jī)設(shè)計(jì) 首先，蘋果采摘機(jī)械手共有5個(gè)自由度：腰部升降，腰部轉(zhuǎn)動(dòng)，大臂俯仰，小臂擺動(dòng)，小臂伸縮等五個(gè)自由度，是一種五自由度串聯(lián)關(guān)節(jié)型蘋果采摘機(jī)械手，自由度配置為P-RRR-P。 機(jī)械手尺寸大致規(guī)格如下： 1.）題設(shè)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(zhí)行器的長度依次為d1，L2,L3,L4,d5和Lm,具體實(shí)際情況和蘋果采摘機(jī)械手學(xué)原理可知： 根據(jù)仿生學(xué)原理，大臂長度應(yīng)等于小臂加上末端執(zhí)行器長度0.3，因此： L3=L4+Lm=L4+0.3m 由于結(jié)構(gòu)限制，小臂伸縮的行程應(yīng)小于或等于小臂長度的一半,再加上伸縮其他結(jié)構(gòu)長度： d5=1/2*L4=0.45m 由于蘋果采摘機(jī)械手具體參數(shù)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(zhí)行器及旋轉(zhuǎn)法蘭組件重量為4kg。 其中減速機(jī)減速比k為100、電機(jī)轉(zhuǎn)速n為100 ，則根據(jù)扭矩與功率公式： 小臂的最大轉(zhuǎn)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(jī)，安全系數(shù)選S=2 *S=0.4kw 根據(jù)國標(biāo)，安全系數(shù)選2 ，可選用1臺(tái)3000轉(zhuǎn)0.4KW司服電機(jī)，減速比100的減速機(jī)。 蘋果、末端執(zhí)行器、旋轉(zhuǎn)法蘭組件小臂重量為10kg。 大臂的最大轉(zhuǎn)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(jī)，安全系數(shù)選S=2 *S=0.8kw 根據(jù)國標(biāo)，安全系數(shù)選2 ，可選用1臺(tái)3000轉(zhuǎn)伺服1KW,MSMJ-10-2電機(jī)，減速比100的減速機(jī)。 2.3.2驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率由蘋果采摘機(jī)械手質(zhì)量M 、運(yùn)行速度V 、驅(qū)動(dòng)輪直徑來確定[27]。計(jì)算和分析蘋果采摘機(jī)械手受力情況時(shí)，假設(shè)蘋果采摘機(jī)械手在平地上直線加速行駛，不考慮蘋果采摘機(jī)械手在行駛過程中的產(chǎn)生空氣阻力。 采用分離法建立驅(qū)動(dòng)輪的受力模型如圖 2.3。其中， 1 M 為作用于驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力矩，P 1為驅(qū)動(dòng)輪上的載荷， G 1為驅(qū)動(dòng)輪的重力，N 1 為地面對驅(qū)動(dòng)輪的法向反作用力，F(xiàn)1 為地面對驅(qū)動(dòng)輪的切向反作用力， f1 為驅(qū)動(dòng)軸對驅(qū)動(dòng)輪的阻力。假設(shè)在加速過程中，輪子作瞬時(shí)純滾動(dòng)。 可以得出驅(qū)動(dòng)輪的力的平衡方程為： 實(shí)際驅(qū)動(dòng)力要克服三種部分阻力，即由驅(qū)動(dòng)軸傳來的阻力、驅(qū)動(dòng)輪本身的滾動(dòng)阻力和驅(qū)動(dòng)輪本身的加速阻力。而后者而后者又由平移質(zhì)量產(chǎn)生的加速阻力和由旋轉(zhuǎn)質(zhì)量產(chǎn)生的加速阻力組成。 從動(dòng)輪受力模型如圖 2.4。其中，P 2為從動(dòng)輪上的載荷，G 2為從動(dòng)輪的重力，N2為地面對從動(dòng)輪的法向反作用力，F(xiàn) 2為地面對從動(dòng)輪的切向反作用力，f2從動(dòng)輪的推力?？梢缘贸鰪膭?dòng)輪的力的平衡方程為： 可以得出車體的力的平衡方程為： 由以上的式2.2、2.4 和2.5 三個(gè)方程，聯(lián)立锝： 由此可知，蘋果采摘機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)力用來克服車輪的滾動(dòng)阻力、蘋果采摘機(jī)械手平移質(zhì)量的加速阻力和車輪旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的 加速阻力。因此驅(qū)動(dòng)力必須大于滾動(dòng)阻力才能加速行駛，若驅(qū)動(dòng)力小于滾動(dòng)阻力蘋果采摘機(jī)械手則無法啟動(dòng)，所以有 上式中、N1，N2是地面作用在輪子上的法向作用力，M1由輪子、車體的質(zhì)量決定，根據(jù)此關(guān)系式可以確定電機(jī)锝輸出轉(zhuǎn)矩。 由此確定電機(jī)的功率,其中，K 為安全系數(shù)。 取小車車體60Kg，驅(qū)動(dòng)輪直徑為280mm，預(yù)計(jì)行走速度為1m/s，安全系數(shù)K為2，則可選擇電機(jī)的功率約為 橫向軌道驅(qū)動(dòng)電機(jī)所帶動(dòng)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(dòng)速度約為1m/s，兩驅(qū)動(dòng)輪的直徑為280mm，則后輪的轉(zhuǎn)速為： 計(jì)算得 68r/min ，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速為3000rpm，因此傳動(dòng)比約為45，因此選擇型號(hào)為26/1S 45：1 的減速箱. *S=40w 根據(jù)實(shí)際需求和結(jié)構(gòu)要求，選擇Faulhaber 電機(jī)產(chǎn)品中的2657系列直流電機(jī)，所選電機(jī)型號(hào)為2657W024CR+IE2-512。該電機(jī)參數(shù)如表2.1 所示， 表 2.1 電機(jī)參數(shù)表 型號(hào) 2657W024CR 額定電壓 24 V 輸出轉(zhuǎn)矩 3.5 Nm 輸出轉(zhuǎn)速 6400 rpm 空載電流 0.058 A 轉(zhuǎn)速常數(shù) 286 rpm/V 轉(zhuǎn)矩常數(shù) 34.8 mNm/A 2.3.3 軸承選型 軸承的選擇并不是只考慮軸徑一個(gè)因素，還要考慮到軸承的性能，一般要考慮到其壽命、可靠度（指該軸承達(dá)到或超過規(guī)定壽命的概率）、靜載荷、動(dòng)載荷、額定壽命、基本額定壽命、基本額定載荷等等很多因素。最主要的是允許空間、載荷的大小和方向、軸承工作轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)精度、軸承的剛性（一般磙子軸承的剛性大于球軸承）、軸向游動(dòng)、安裝和拆卸。因?yàn)樵诒驹O(shè)計(jì)的軸上徑向載荷大，軸向載荷小，而且存在軸或殼體變形大以及安裝對中性差的問題，所以選用調(diào)心滾子軸承，因?yàn)檎{(diào)心磙子軸承主要承受徑向載荷，也可同時(shí)承受少量的雙軸向載荷，而圓錐磙子軸承有打的錐角可承受大的徑、軸向聯(lián)合載荷。所以選用（雙列向心）圓錐磙子軸承，有雙內(nèi)圈，并是可分離的軸承，根據(jù)d=32mm,由參考資料2P7－356 表7－2－78 帶緊定套的調(diào)心滾子軸承（GB/T288-1994），選用22218CK/W33+H318軸承，其基本額定載荷為=240KN,=322KN, 根據(jù)軸承選用配套的軸承座，參考資料2P7-43表7-2-105 適用圓錐孔的異徑孔滾動(dòng)軸承座(GB/T7813-1998) SNK型軸承座，可選用SNK316型的軸承。 3 蘋果采摘機(jī)械手三維建模 3.1總體的三維建模 3.2 底部輪式車的三維建模 3.3 電動(dòng)缸的三維建模 結(jié)論 在最近一段時(shí)間的畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我們充分把握設(shè)計(jì)方法和步驟，不僅復(fù)習(xí)所學(xué)的知識(shí)，而且還獲得新的經(jīng)驗(yàn)與啟示，在各種軟件的使用找到的資料或圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，會(huì)遇到不清楚的作業(yè)，老師和學(xué)生都能給予及時(shí)的指導(dǎo)，確保設(shè)計(jì)進(jìn)度，本文所設(shè)計(jì)的是全自動(dòng)蘋果采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新，通過初期的定稿，查資料和開始正式做畢設(shè)，讓我系統(tǒng)地了解到了所學(xué)知識(shí)的重要性，從而讓我更加深刻地體會(huì)到做一門學(xué)問不易，需要不斷鉆研，不斷進(jìn)取才可做得好，總之，本設(shè)計(jì)完成了老師和同學(xué)的幫助下，在大學(xué)研究的最感謝幫助過我的老師和同學(xué)，是大家的幫助才使我的論文得以通過。 致謝 至此在論文完成之際，向我的導(dǎo)師表示由衷的感謝！真心的感謝我的導(dǎo)師這幾年來對我的諄諄教導(dǎo)，感謝我敬愛的老師，您不僅在學(xué)習(xí)學(xué)業(yè)上給我以精心的指導(dǎo)，同時(shí)還在思想給我以無微不至的關(guān)懷支持和理解，給予我人生的啟迪，使我在順利地完成大學(xué)階段的學(xué)業(yè)同時(shí)，也學(xué)到了很多有用的做人的道理，明確了人生目標(biāo)。知道自己想要什么了，不再是從前那個(gè)愛貪玩的我了。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度，銳意創(chuàng)新的學(xué)術(shù)作風(fēng)，認(rèn)真加負(fù)責(zé)，公而忘私的敬業(yè)精神，豁達(dá)開朗的寬廣胸懷，平易近人。經(jīng)過近半年努力的設(shè)計(jì)與計(jì)算，查找了各類的全自動(dòng)蘋果采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)資料，論文終于可以完成了，我的心里無比的激動(dòng)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?yàn)槲易约阂呀?jīng)盡力的做了，它是我用心、用汗水成就的，也是我在大學(xué)四年來對所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用和體現(xiàn)。四年的學(xué)習(xí)和生活，不僅豐富了我的知識(shí)，而且鍛煉了我的個(gè)人能力，更重要的是從周圍的老師和同學(xué)們身上潛移默化的學(xué)到了許多有用的知識(shí)，在此對所有關(guān)心我?guī)椭业谋磉_(dá)我由衷敬意，謝謝各位同學(xué)老師。 參考文獻(xiàn) [1]金清肅，機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（第一版）[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2007.10 [2]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)(第八版)[M].北京：高等教育出版社，2006.5 [3]吳宗澤，機(jī)械設(shè)計(jì)使用手冊（第二版）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.10 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