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簡易手動球形水果采摘器設計
摘 要
本課題運用制圖軟件對采摘器進行機構設計，可伸縮夾取式采摘機械是一種為解決人們采摘高處果實難而創(chuàng)新設計的工具，同時本設計大大的方便了農民工采摘油茶果的過程及采摘效率的提高。設計機構內容包括：采摘機構、可伸縮桿機構、和收集機構并用solidworks軟件繪制了機構的三維圖以助理解?？缮炜s夾取式油茶球形果實采摘機構主要采用了采摘機攜手和鋁合金管可伸縮機構，采摘寬度范圍較大效率高、伸縮長短可調節(jié)，采摘較靈活省力，果實由鋁合金管的旁邊的引導軌道滑出，最小采摘水果直徑為40mm，最大采摘水果為80mm，收集極為方便省力，鋁合金管可伸縮機構又使其質量較輕，便于攜帶，經(jīng)投產(chǎn)和改進后可望解決農民朋友對于直徑相近球形果實的采摘難題，市場前景廣闊。
關鍵詞：可伸縮性；球形水果；采摘；夾取式；機構設計。
第2章 緒論
2.1 課題背景及意義
中國是世界上最大的水果出產(chǎn)國，居全球13個產(chǎn)量超1000萬噸的國家之首。水果采收作為果園生產(chǎn)全過程中的一個重要環(huán)節(jié)，具有季節(jié)性強和勞動密集型的特點，所用勞動力占整個生產(chǎn)過程所用勞動力的35％～45％[1]。近年來，隨著農業(yè)產(chǎn)業(yè)機構的調整，林果生產(chǎn)已經(jīng)成為很多地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和農民增收的支柱產(chǎn)業(yè)，隨著種植面積的不斷擴大，果園規(guī)?；l(fā)展和規(guī)范化管理的要求日益提高，從而果園機械化日益重要。果園收獲機械的發(fā)展，可以減輕果農的勞動強度，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約勞動成本，提高經(jīng)濟效益。
我國果園作業(yè)機械研究起步較晚，基礎相對較差，因此，果園作業(yè)機械化程度和歐美等國家還是存在差距。由于現(xiàn)代大型采摘機器太過昂貴，并且大型采摘機器僅適用于面積較大的果園大規(guī)模作業(yè)采摘，對于小作業(yè)果園而言，考慮到經(jīng)濟效益，不得不放棄大型機械采摘這種高效率作業(yè)。目前我國的水果采摘絕大部分還是以人工采摘為主。采摘作業(yè)比較復雜，季節(jié)性很強。單純的人工采摘，不僅效率低、勞動量大，而且極易造成果實的損傷，同時由于依靠人工作業(yè)耗時耗力導致未能在果實的最佳采摘期將其采摘下來造成經(jīng)濟損失[2]。針對這種現(xiàn)狀，采用簡易的人工采摘器既能降低在采摘過程中對果實果樹造成的損傷又可以減輕人們的勞動強度、節(jié)省成本、提高效率。這種手動采摘器具有結構簡單，容易操作，安全舒適的優(yōu)點，適用于不同高度及不同大小的水果采摘，與其他大型作業(yè)采摘機器相比結構更具經(jīng)濟效益。加之未來人口老齡化趨勢，人工成本必會上升，因此輔助人工采摘器必將具有巨大的經(jīng)濟效益和廣泛的應用前景。
2.2 課題國內外研究現(xiàn)狀
目前，國外水果采摘分為兩種采摘方式：機械化采摘和機器人采摘。
機械化采摘：在發(fā)達國家，由于勞動力成本較高和人口老齡化等問題，在水果生產(chǎn)中不得不利用機械化方式代替人工進行采收作業(yè)。但是，到目前為止，真正在生產(chǎn)中使用機械化采收的大多還是產(chǎn)品以加工為目的的水果和一些不易損傷的水果，如加工成果汁的柑橘、臍橙等。以新鮮產(chǎn)品形式進行銷售的水果，基本上還是手工采收或機械輔助采收。早在20世紀40年代初，美國、法國等一些西方國家對水果采摘機械就展開了研究。40年代中期美國開始著手研究振搖式水果采摘機械。50 年代中期，出現(xiàn)了用拖拉機來進行驅動的振搖采摘機 [3]。從60年代起，歐美一些國家（美國、德國）以及澳大利亞、日本等國，隨著勞動力成本的日益上漲，果品收獲機械正越來越廣泛地應用于多種果品的采收過程中。目前，常用的果品收獲機多采用振動方式使果實與植株分離。隨著升降平臺的出現(xiàn)，接著產(chǎn)生了各種動力切割式采摘機械，例如油鋸、氣動剪，大大提高了采摘效率。
機器人采摘：20世紀60年代美國最早開始研究果蔬采摘機器。隨著計算機和自動控制技術的迅速發(fā)展，特別是工業(yè)機器人技術、計算機圖像處理技術和人工智能技術的日益成熟，20世紀80年代中期以后，采摘機器人的研究和開發(fā)技術得到了快速的發(fā)展。以日本為代表的西方發(fā)達國家，包括荷蘭、美國、法國、英國、以色列、西班牙等，在果蔬采摘機器人方面做了大量的研究開發(fā)，并且成功試驗出了葡萄采摘機器人、柑橘收獲機器人、番茄采摘機器人、黃瓜采摘機器人、甘藍采摘機器人等[4-12]。由于技術、市場和價格等因素的影響，美國在自動化收獲機器人的研究方面沒有一個很清晰的戰(zhàn)略，研究工作也基本處于停頓狀態(tài)。 日本近年來開展了大量的收獲機器人研究項目，進展很快，但收獲機器人仍未能真正實現(xiàn)商業(yè)化。荷蘭收獲機器人的研究工作走在了很多國家的前面，但其涉及的果蔬種類并不多[13]。
國內，果園采收機械化的研究與應用相比也較晚。果園采摘機械從 20 世紀 70 年代才開始研究，在引進國外果園機械的同時，陸續(xù)研制成功了機械振動式山楂采果機、氣囊式采果器和手持電動采果器等。 80 年代后，開始研究和制造切割型采摘器，實現(xiàn)使用機械裝置進行采摘。 接著出現(xiàn)了由微型電機作為動力的切割式采摘器和振搖式采摘器。90 年代開始，出現(xiàn)了很多簡易采摘器。用于采摘蘋果、梨、桃等水果的便攜式水果分級采摘器的研制改變了過去勞動強度大、水果損傷率高、勞動成本高等缺點，使果農的采摘正確率提高、時間縮短[14-16]。隨著果園機械技術的進一步融合，2007 年研制出了第一臺多功能果園作業(yè)機即 LG-1 型多功能果園作190業(yè)機[17]。2009 年研制出了適宜單人操作使用的枸杞采摘機[18]。 2010 年研制出了 4YS-24 型紅棗收獲機[19]， 我國臺灣省為了在坡地果園上實施機械化，省工經(jīng)營，改良發(fā)展了適合坡地作業(yè)特性的農機具，研制成功了一種自走式牽引振動采果機。我國南方水果種植園大部分處于丘陵山區(qū)地帶， 受限于坡地地形，合適的采摘機械很少，基本還是靠人工采摘 ，并且在費工以及作業(yè)危險性方面的問題比平地采摘機械更突出， 需要更多的科研院所和機構投入精力開展相應地研究。
我國的水果采摘機器人的研究剛剛起步。從機械手、末端執(zhí)行器、 行走裝置等不同方面積極介入采摘機器人的研究和研制[20-25]。通過跟蹤國外先進技術，在機器人采摘領域內取得了初步的成果，但是目前都處于實驗階段，投入農業(yè)生產(chǎn)實際仍需時日。我國的國家專利中有上百種的水果采摘器，包括機械式、電動式、氣動式的果品采摘器，其中有的實現(xiàn)單方向的水果采摘，有的可改變方向能實現(xiàn)全方位的水果采摘。不過目前市場上商品化的采摘器品種還比較單一，且價格昂貴操作不便。
我國在農業(yè)機器人領域的研究始于20世紀90年代中期，相對于發(fā)達國家起步較晚，果蔬采摘機器人的研究還處于起步階段。目前我國不少院校、研究所都在進行采摘機器人和智能農業(yè)機械相關的研究。東北林業(yè)大學的陸懷民研制了林木球果采摘機器人，它主要由5個自由度機械手、行走機構、液壓驅動系統(tǒng)和單片機控制系統(tǒng)組成。郭峰等運用彩色圖像處理技術和神經(jīng)網(wǎng)絡理論，開發(fā)了草莓揀選機器人，采用氣動驅動器將草莓推到不同的等級方向。浙江大學的應義斌等人完成了水果自動分級機器人的研究開發(fā)。
縱觀國內外的研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)了主要存在的兩個問題：
(1)雖然近些年我國采摘機械得到迅速發(fā)展，在機械產(chǎn)品方面出現(xiàn)了采摘器、動力剪枝采摘工具、多功能果園作業(yè)機械等， 但總的來說， 國內水果采收機械大多功能單一、效率不高，容易損壞果實，產(chǎn)量損失大，容易采摘到不熟果實，且成本較高，使果農難以接受應用。 同時再加上繁多的果實種類之間的差異，種植區(qū)域地理條件的不同，變換的果實品種的生長部位、成熟期等特點差異，都會對采收機械提出更高的要求。 因此實現(xiàn)水果采收機械化難度比較大，通用性不佳。
(2)國內果園的分散栽培、分戶管理，農機農藝之間的不協(xié)調，幾乎沒有真正集中成片的適合機械化作業(yè)的大型現(xiàn)代化果園，生產(chǎn)規(guī)模小，農民素質普遍偏低等因素， 也是影響水果采收機械化實施的主要原因。因此開發(fā)研制結構簡單，操作簡便、成本較低、通用性好的適合于國情的小型機械化采摘器是當前研究的重點。
此外，傳統(tǒng)的作業(yè)還存在以下弊端:一是采摘過程中作業(yè)者的人身安全問題，即手工采摘時手臂易被樹枝劃傷或擦破，高處作業(yè)時，還可能會摔傷。二是對果樹的損傷，即對樹的枝葉芽的破壞。三是對水果質量的影響，單手采摘時容易出現(xiàn)脫蒂，易出現(xiàn)抽心果，還有就是高枝水果容易掉在地上造成內外傷，影響果品的外觀，不利于保鮮儲藏，從而最終造成降低經(jīng)濟收入。目前，我國各地方政府為增強地方經(jīng)濟，正相繼開發(fā)大量的旅游投資項目，紛紛舉辦各種賞果采摘節(jié)，如蘋果節(jié)、桃子節(jié)等，吸引了大量游客到果園采摘旅游，享受采摘水果，品嘗新鮮水果的樂趣。如果能提供一種輕巧靈便的果實摘采器，不但能讓游客充分體驗采摘的樂趣，而且還保障了游客的安全，保護了果農的果樹不受損壞。另外，果農可以少打矮壯素等農藥，生產(chǎn)出更多的無公害果子，減少成本投入和對環(huán)境對水果的污染，游客可以品嘗到更新鮮衛(wèi)生的水果。
本設計的特點和目標
本課題將進行基于伸縮式機械手臂的水果采摘裝置的設計，構型簡單，操作方便。采用伸縮式機械手臂，手臂長度可調，適合多種高枝水果，且便于攜帶，不使用時可縮短至最短的長度放置節(jié)約空間。采摘器采用手動帶動夾頭的方式夾住水果，進行拉拽水果，操作時只需輕輕地握住手柄就能調整采摘器的方向，適合各種位置的高枝水果，節(jié)省勞動力，提高效率。采摘下的水果能順利進入的接收裝置，再順著傳遞裝置，安全的到達地面。手持固定部分還可增加整個裝置的穩(wěn)定性，降低采摘員在長時間的操作過程中手腕疲勞程度。使用基于伸縮式機械手臂的水果采摘裝置可實現(xiàn)各種高度各種方向高枝水果的安全采摘，方便快捷，簡單實用。
采用采摘器還可以方便平時蔬果，清除壞果、次果，便于果樹管理。大多數(shù)果樹開的花都遠遠多于最后結成的果實。在氣候適宜開花多的年份，如果一株成年蘋果樹有5%的花、桃樹有15%~20%的花結的果實能達到成熟，就可以獲得豐收。開花結果過多，會導致養(yǎng)分供不應求，不僅影響果實的正常發(fā)育，形成許多小果、次果、還會削弱樹勢，易受凍害和感染病害，并使翌年減產(chǎn)造成小年。因此，除了由于果樹本身的調節(jié)能力，使發(fā)育不良的花和幼果自然脫落外，還需平時人工摘除多余的花和果，才能滿足生產(chǎn)上的要求，俗話說:"看樹定產(chǎn)，分枝負擔，均勻留果"，只有科學合理地疏果，才能減少養(yǎng)分消耗，提高坐果率和水果的品質。疏除方法一般用人工，也可用適當濃度的化學藥劑噴灑果樹，采用化學疏除，采用人工疏除時利用基于伸縮式機械手臂的水果采摘裝置能方便的進行蔬果，在平時也能方便及時的清除果樹上任何部位的病果、次果，不會對好的臨位水果造成物理傷害，不會出現(xiàn)摘除次果時砸壞或砸掉好果的現(xiàn)象。
基于伸縮式機械手臂的水果采摘裝置有很強的兼容性。它可改造成修枝剪，目前果樹的修剪必須采用專業(yè)工具完成，不僅使用不方便，還增加購買工具的開支。該采摘裝置只需要把夾頭換為刀片，就可以進行果樹的修枝。采摘器裝置還可該為農藥噴頭，噴頭可在機械手臂的控制下，實現(xiàn)方向的轉變，可全方位的對果樹噴灑農藥。
第3章 總體設計思路
3.1 本設計的內容和技術參數(shù)
3.1.1 設計內容:
(1)伸縮式機械手臂:手臂簡單自如地轉向和收縮;
(2)采摘器:實現(xiàn)各個方向水果準確安全的采摘;
(3)接收裝置:實現(xiàn)解決果實從高處落下收集到指定的位置;
(4)傳送裝置:果實從高處安全順利的傳送至地面;
(5)手持固定部分:增加整個裝置的穩(wěn)定性，降低采摘員手腕疲勞程度。
3.1.2 技術參數(shù):
(1)果樹高度約3m，
(2)采摘水果是球形的，直徑是3cm≤D≤10cm。
3.1.3 果實采摘方式的選擇
經(jīng)分析要實現(xiàn)對油茶果實的采摘機構設計，按原理可分為抓拉式、吸附式、剪切式等類型，其各自特點如下圖所示。
各類不同工作原理的采摘機構及特點
類型
優(yōu)點
缺點
抓拉式
結構簡單、操作方便、效率高
對枝條和花蕾傷害稍大
吸附式
定位要求低、動作靈敏
需要配備真空形成裝置，笨重不方便攜帶，造價較高。
剪切式
結構簡單，操作方便，對果實和枝條的傷害較小
定位要求高，效率較低，不方便收集。
通過老師的指導及設計要求，本機構設計采用拉抓式采摘類型進行設計。
3.2 基于伸縮式機械手臂的水果采摘裝置的總體設計
基于伸縮式機械手臂的水果采摘器是一種實用新型的設計，是一種解決人們采摘高處水果難而創(chuàng)新設計的工具，因其用途的特殊性，其總體設計因追尋以下兩大原則:(1)可操作性原則:果蔬采摘機器人操作者是知識水平較低的普通農民，不是具有機電知識的專門的技術人員，因此要求果蔬采摘機器人操作技術不能太復雜，必須具有很高可靠性和操作簡單的特點。(2)經(jīng)濟性原則:在可操作性原則的基礎上，應最大限度的控制成本。水果的生產(chǎn)業(yè)以個體經(jīng)營為主，考慮到經(jīng)濟效益，采摘器的價格不能太高，否則會就很難普及。
基于伸縮式機械手臂水果采摘裝置，其特征是它結構簡單，重量輕便，操作方便，可適用于多方位的多種高枝球形水果的采摘。它由伸縮式機械手臂，采摘器(包括旋轉機構，采摘機構)，接收裝置，傳送裝置，手持固定部分組成。
伸縮式機械手臂的主體部分由兩根套在一起的同心不銹鋼外管和內管組成，由箍環(huán)連接，可實現(xiàn)手臂自由的伸縮和緊固。手臂上還裝有控制手柄，手臂下端和手持固定部分連接。
采摘器是由旋轉機構和采摘機構組成。旋轉機構機構一端由閘繩，控制手柄與伸縮手臂活動鏈接，另一端由旋轉盤與采摘機構的電動機固定連接，而旋轉盤的另一端由旋轉軸與采摘器頭活動鏈接，旋轉機構的設計原理和工作原理都類似于自行車的手閘系統(tǒng)。采摘機構由采摘頭，仿形抓手組成。采摘頭一端與機械手臂相連，另一端與旋轉盤活動鏈接。
接收裝置由類似籃球籃網(wǎng)的結構構成，位于圓形鋸盤下方，安全接受采摘下的水果并輸入輸送裝置。
水果的輸送裝置由伸展收縮的組織組成，上寬下窄，整個傳送裝置管道每隔一段設有搭扣與伸縮式機械手臂連接，保證果實從高處安全順利的傳送至地面。
手持固定部分由小肘固定套，萬向穩(wěn)定連桿組成，小肘固定套上有繃帶和搭扣。萬向穩(wěn)定連桿為特殊材料制成，可向任意方向彎曲。小肘固定套可通過繃帶與金屬環(huán)的拉扣固定在胳膊的小肘部分，小肘固定套通過鉚釘或者其他的方式與萬向穩(wěn)定連桿連接，萬向穩(wěn)定連桿另一端通過螺絲結構與伸縮手臂下端連接，下圖為基于伸縮式機械手臂水果采摘裝置的結構示意圖，
其中1-上夾頭、2-水果、3-螺栓、4-螺母、5-回位彈簧、6-引導管、7-固定夾頭、8-下夾頭、9-拉繩、10-引導管固定件、11-伸縮管3、12-接受裝置、13-輸送裝置、14-伸縮管二、15-伸縮管一、16-連接蓋、17-螺栓、18-螺母、19-拉手手柄、20-固定把手、21-夾頭壓板
圖2.1基于伸縮式機械手臂水果采摘裝置的結構示意圖
第4章 采摘器的設計
4.1 采摘器常見種類
綜合目前所有國內的關于高枝水果的采摘器的專利，我國對水果采摘裝置的研究一直在不斷的努力中，也取得一定的成果。要實現(xiàn)剪切果實的功能，可以有多種功能原理實現(xiàn)，按水果從果蒂分離的方式可分為吸附式、抓拉式、剪切式等。按其采摘器的驅動力方式可將其分為機械式、電動式、氣壓式等。
對于水果的采摘方式，多數(shù)的采摘機器人采用用刀剪斷果莖或直接用手爪擰斷果莖。采摘機器人在設計末端執(zhí)行器(采摘器)之前，首先需要考慮采摘對象的生物特性、機械特性和理化特性，現(xiàn)階段的都是專用的采摘末端執(zhí)行器。為了避免碰傷果實，大多數(shù)的采摘機器人都在接觸果實的手指內側部位采用尼龍或橡膠材料。手指的數(shù)量和形狀的設計與所要采摘的果實有密切的關系。一般來說，手指的數(shù)量越多，采摘的效果就越好，但控制也就越變得更復雜。所以在設計的時候要綜合考慮手指的數(shù)量、控制的難度及抓取的成功率。目前研制成功多種無手指夾持的采摘機器人。荷蘭的農業(yè)環(huán)境工程研究所發(fā)明了一種叫電極切割法的方式，它代替了刀剪斷的方法，它是采用特殊電極來產(chǎn)生高溫，可防止植物的感染田。日本的三重大學開發(fā)了在采摘水果時不需要直接接觸到水果的本體，而只需要抓住果莖的軟質水果的采摘機器人。這種機器人對于采摘果莖長度較長的的果實時效果是比較好。還有一種采摘機器人采用果梗激光切斷裝置，其由激光發(fā)生控制單元和果梗聚焦切斷單元組成。激光發(fā)生控制單元由小型高功率光纖耦合半導體激光器、可變電阻、穩(wěn)壓電源、電磁閥組成，果梗聚焦切斷單元由直流伺服電機、聚焦透鏡、減速器、聯(lián)接與支承部件組成，由聚焦透鏡實現(xiàn)激光束的聚焦，通過直流伺服電機帶動聚焦透鏡的轉動，以實現(xiàn)對果梗的定位和切斷。該裝置能夠方便地切斷果梗,并大大的降低了裝置的復雜性和對夾緊力控制精度的要求。
4.2 采摘器的選擇
采摘器的不同種類均有其自身的優(yōu)點與缺點。吸附式雖然定位要求低、動作靈敏但是需配備真空形成裝置，且對果實及枝條的傷害較大。抓拉式的結構簡單、操作方便，但同樣對果實及枝條傷害極大。剪切式結構簡單，操作方便，對果實及枝條的傷害極小，但定位要求高。由此可見，為能順利的操作簡單的采摘水果選剪切式功能原理最為合適。機械式的雖然結構簡單，但是操作并不省力，采摘效率不高。電動式采摘省力，采摘速度快，但生產(chǎn)成本較高。氣壓式整體輕便，不污染環(huán)境，能源豐富但是結構復雜，氣壓技術復雜。由此可見，為能簡單操作方便快捷的采摘水果選電動式最為合適。
綜合以上所述，采摘器選用電動的剪切式，結構簡單，操作方便，對果實及枝條的傷害極小，且能減輕力氣，可調節(jié)方向的設計可以很好的滿足定位要求，對于各個方向的水果都能實現(xiàn)可靠安全的采摘。
4.3 采摘器的設計
采摘器包括旋轉機構和采摘機構組成。采摘機構由采摘頭，電動機，圓形鋸盤組成。采摘頭一端與機械手臂相連，另一端與旋轉盤活動鏈接，電動機與旋轉機構的旋轉盤固定連接，圓形鋸盤固定連接在電動機的轉軸上。
旋轉機構機構一端由閘繩，控制手柄與伸縮手臂活動鏈接，另一端由旋轉盤與采摘機構的電動機固定連接，而旋轉盤的另一端由旋轉軸與采摘器頭活動鏈接。旋轉機構的設計及工作原理類似于自行車的手閘系統(tǒng)。拉索可用自行車剎車鋼絲繩做成。旋轉機構可調節(jié)圓形鋸盤的方向，可采摘不同方向的水果，采摘準確方便。
4.3.1 尺寸計算
一、采摘器的選用
夾頭用來夾取水果，果梗不算太硬，要求的力度不是很大，但當機械手抓住水果的輪廓后，水果會有遠離刀片方向的運動，為了順利抓取水果就需要夾取力很大。
4.3.2 采摘器的強度校核計算
3.6夾頭的設計外形
據(jù)圖3-6所示，為了初步確定采摘頭的截面尺寸，須作以下幾點假設:
(l)采摘頭簡化為圓柱形懸臂梁;
(2)整個采摘頭的受力集中在采摘頭的右端;
(3)采摘水果時的扭矩太小忽略不計(電動機的扭矩為13.0mN.m);
(4)所有內外載荷均通過截面的形心(忽略局部扭轉產(chǎn)生的影響)。
因此采摘頭的受力可以簡化為圖3-7的懸臂梁模型:
圖3.5懸臂梁模型
圖中，F(xiàn)為采摘頭的總重量和切割水果的力之和，由于切割水果是轉矩不大，計算時可忽略。根據(jù)采摘器的結構及使用條件合理取值:F=10N，L=40cm=0.4m。
則:
圖3.6彎矩圖
考慮到采摘器在采摘水果的實際過程中，并不是處于理想狀態(tài)，所受的力產(chǎn)生的最大彎矩，可在理想狀態(tài)的最大靜彎矩前乘一動載系數(shù)k，由于采摘器采摘時的工作環(huán)境狀況較好，取k=2~3，此動載系數(shù)考慮了實際操作中遇到的最大障礙時的載荷增值。如果再考慮采摘頭在動載作用下將產(chǎn)生疲勞，對疲勞的影響可用疲勞系數(shù)來表示，此值取1.4，故動載下的最大彎矩為100Mpa，此處材料為工程塑料抗彎強度強度為200Mpa。結論:采摘頭材料及尺寸結構滿足強度要求。
4.4 軟件建模
4.4.1 繪圖軟件介紹
為直觀反映采摘器的旋轉機構和采摘機構的構造，需要繪制出采摘器的實體模型圖。這里采用了比較流行的 Solidworks軟件。Solidworks是美國PTC公司研制的一套由設計至生產(chǎn)的機械自動化軟件，是新一代產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個參數(shù)化、基于特征的實體造型系統(tǒng)，并且具有單一數(shù)據(jù)庫功能。Solidworks是一種采用參數(shù)化設計的、基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角、可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設計者提供了在設計上從未有過的簡易和靈活。solidworks是目前計算機輔助設計中最為專業(yè)的軟件之一。
4.4.2 繪圖方法
該采摘器的結構較簡單，solidworks繪制實體模型圖時，選擇好基準，合理控制尺寸，采用旋轉、拉伸、掃描，倒圓角等常規(guī)方法，即可完成。
4.4.3 采摘器效果圖展示
采摘機械的采摘機械手是整個機械部分的核心，難點在于機械手造型的設計以及機械手抓取的方式、移動方式的設計
機械手的三維示意圖
此處的機械手的模型采用仿生學的原理，用彈簧的舒張和收縮完成果實的抓取和釋放。
根據(jù)經(jīng)驗我們知道蘋果的直徑為50~80之間所以我們設計的機械手的圓弧直徑為120mm這樣更有利于大多數(shù)果實的抓取。
第5章 關鍵部位的設計與分析
5.1 機械手臂的種類
機械手臂雖然有很各種各樣的結構形態(tài)，但是它們有一個共同的特點，就是能夠在接受到指令時，精確地定位到三維空間或者二維空間上的某一點來進行作業(yè)，完成指定動作。目前在工業(yè)制造、醫(yī)學治療、娛樂服務、軍事以及太空探索等領域都能見到機械手臂的身影。
圖4.1機械手臂
機械手臂根據(jù)結構形式的不同分為多關節(jié)機械手臂，直角坐標系機械手臂，球坐標系機械手臂，極坐標機械手臂，柱坐標機械手臂等。水平多關節(jié)機械手臂一般有三個主自由度，Z1轉動，Z2轉動，Z移動。通過在執(zhí)行終端加裝X轉動，Y轉動可以到達空間內的任何坐標點。直角坐標系的機械手臂有三個主自由度，X移動，Y移動，Z移動組成，通過在執(zhí)行終端加裝X轉動，Y轉動，Z轉動可以到達空間內的任何坐標點。下圖為常見的六自由度機械手臂，它有X移動，Y移動，Z移動，X轉動，Y轉動，Z轉動六個自由度組成。
圖4.2機械手臂
對于工業(yè)應用來說，有時并不需要機械手臂具有完整的六個自由度，而只需其中的一個或幾個自由度。直角坐標系機械手臂可以由單軸機械手臂組合而成。在產(chǎn)業(yè)機器人中，單軸機械手臂作為一個組件在工業(yè)中應用廣泛。單軸機械手臂看似簡單，只在單一方向往復運動，但在實際應用上功能各異，種類繁多。單軸機械手臂的驅動方式有:滾珠螺桿、時規(guī)皮帶、齒輪齒條、液壓缸、氣缸等。
下圖為銀光機械(VinkoMachine)生產(chǎn)的單軸機械手臂。單軸機械手臂的組件化大大降低了工業(yè)設計的成本，因專業(yè)制造商擁有良好的質量保證和批量生產(chǎn)的優(yōu)勢，使用組件比自行設計機械手臂更具優(yōu)勢。常見的直交機械手組合有懸臂式，龍門式，直立式，橫立式等樣式。
圖4.3VNKOBS-75單軸機械手
圖4.4VNKO多軸組合機械手
韓國開發(fā)的蘋果采摘機器人使用極坐標機械手，絲杠關節(jié)可以上下移動，旋轉關節(jié)可以左右移動，從而使作業(yè)空間范圍達到3mt。20世紀80年代中期日本京都大學NoboruKawamura等人研制出5自由度關節(jié)型的機械尹I珥。但是試驗表明，這種機械手的工作空間并沒有包括所有果實的任何位置，且它的末端執(zhí)行器的可操作度比較低。到了20世紀90年代，日本崗山大學的NaoshiKondo等人通過深入研究番茄的生理、物理特性，分析機械手的工作性能，在NoboruKawamura等人基礎上，研制出了7個自由度的機械手臂。機械手的自由度數(shù)是衡量機器人性能的重要指標之一。它直接決定了機器人的運動靈活性和控制的復雜性。荷蘭農業(yè)環(huán)境工程研究所采用機械手的三維CAD模型很好的解決了機械手與莖桿的碰撞問題。美國佛羅里達大學開發(fā)了一種由兩個轉動副和一個滑動副構成的球形坐標機器人，這種機器人的攝像系統(tǒng)裝在操作手的末端，水果的圖像位于滑動軸的中心，從而只要滑動軸稍微張開一定的角度就可以很輕易的采摘到水果。
5.2 機械手臂的選擇
本文設計的機械手臂是用于水果的采摘，考慮到生產(chǎn)實際的需要，為了便于其在果樹間的運動，采用最簡單的單軸伸縮式機械手臂，即為兩根套在一起的同心不銹鋼外管和內管，兩根管由箍環(huán)連接。工作時可根據(jù)水果的不同高度任意調節(jié)，增強實用性。平時不用時可伸縮至最短的長度放置，節(jié)約空間。
5.3 機械手臂的設計
伸縮式機械手臂的主體部分由兩根套在一起的同心不銹鋼外管和內管組成，其中外管的內徑等于或略小于內管外徑。箍環(huán)安裝在外管的前端口上，其能夠將外管和內管相互固定在一起，可實現(xiàn)手臂自由的伸縮和緊固。伸縮式機械手臂的整個結構就同市面上銷售的伸縮式拖把桿或掛衣桿結構。
采摘水果前，操作人員可以先按需要將箍環(huán)打開，并握住內管的前端將其從外管中抽出，等到伸縮式機械手臂的總長度，加上采摘人員的身高接近需要采摘的水果的高度時再擰緊箍環(huán)。
5.3.1 尺寸計算
采摘水果的果樹的高約為三米，內外管長度為內管為一米，外管為一米五，加上采摘人員的身高(保守估計一米，高度不夠時還可伸長手臂)，最長的總長度至少可到三米五。
外管的外徑選用為25mm，厚度為1mm，內管能滿足套住外管，外管的內徑等于或略小于內管外徑。內管的外徑選用直徑為23mm，厚度為1mm。
5.3.2 材料選擇
伸縮式機械手臂在工作過程中，主要為手持控制，所以它的設計必須遵循輕量化的原則。所謂輕量化，就是在滿足其性能的前提下，盡量減輕自身的重量。箍環(huán)的材料為塑料，內外管的材料為304不銹鋼，表面處理為不銹鋼拉絲色。
內外管的實物圖如下:
圖4.5內外管實物圖
5.3.3 強度校核
伸縮式機械手臂的結構示意圖如下圖所示:
圖4.6伸縮手臂示意圖
據(jù)圖4.6所示，為了進一步確定伸縮式機械手臂的選用是否符合實際操作，須作以下幾點假設：
(l)機械手臂為細長桿件，校核其穩(wěn)定性，因為細長桿件常出現(xiàn)形式失效，并非強度不夠，而是穩(wěn)定性不夠;
(2)機械手臂的受力集中在細管的正上方，整個結構簡化為一端固定一端自由的細長桿，以內管尺寸計算;
(3)采摘水果時的扭矩彎矩太小均忽略不計;
(4)所有內外載荷均通過截面的形心(忽略局部扭轉產(chǎn)生的影響)。
因此機械手臂的受力可以簡化為圖4.7的細長壓桿模型。
圖4.7壓桿模型
圖中F為伸縮式機械手臂上所有部件的總重量和切割水果的所受力之和，其余的轉矩、扭矩、外力計算時均忽略不計。根據(jù)采摘裝置在采摘水果的實際過程中，并不是處于假定的理想狀態(tài)，所受的力可在理想狀態(tài)的情況下乘以校核系數(shù)k，由于采摘器采摘時的工作環(huán)境狀況較好，取值為k=2，最后根據(jù)采摘器的使用條件合理的取值為=40N，壓桿最長是穩(wěn)定性最差，計算時取伸縮臂最長時的長度L=2.5m。
伸縮式機械手臂的材料為304不銹鋼(0Cr18Ni9不銹鋼)，304不銹鋼的抗拉強度≥520MPa,，條件屈服強度≥205MPa，伸長率(%)≥40，彈性模量E為186~206GPa，比例極限=280MPa，規(guī)定的穩(wěn)定安全因數(shù)為=8~10。
只有當壓桿的柔度大于或等于極限值時，歐拉公式校核壓桿穩(wěn)定性才滿足使用條件
伸縮式機械手臂簡化為一端固定一端自由的壓桿則，截面為圓環(huán)形(取內管的值)則截面的慣性半徑100
柔度為150
因為，所以歐拉公式適用于校核伸縮式機械手臂的穩(wěn)定性。
計算出伸縮式機械手臂的臨界壓力為:10N
伸縮式機械手臂的工作安全因數(shù)為50
所以滿足穩(wěn)定要求。
結論:伸縮式機械手臂材料及尺寸結構滿足強度要求和穩(wěn)定性要求。
5.4 軟件建模
5.4.1 繪圖方法
該伸縮式機械手臂結構較簡單，solidworks繪制實體模型圖時，選擇好基準，合理控制尺寸，采用旋轉、拉伸、掃描等常規(guī)方法，即可完成。
5.4.2 機械手臂效果圖展示
圖4.8機械手臂效果圖
5.5 接收傳送裝置的設計
水果被采摘器順利的采摘，不能讓其自己掉在地上，造成損傷，為保證能順利無傷害的的到達地面，必須設計接受傳送裝置。
5.5.1 接收裝置設計原則
接收裝置由類似籃球籃網(wǎng)的結構構成，保證能夠安全的接住采摘下的水果并輸入輸送裝置。
水果的輸送裝置可由伸展收縮的組織組成，上寬下窄，這樣既有利于與接收裝置連接，又有利于果品在輸送裝置內下落時有明顯的緩沖力作用，可保證果品的無傷害輸送。整個蔬果管道每隔一段可設有搭扣與伸縮式機械手臂連接，不但可防止被樹枝掛住，保證水果的順利輸送，還可以減少阻力，避免傳送帶對視覺的影響。
5.5.2 材料選擇
接收裝置的環(huán)為橢圓形由鋼絲制成，輸送裝置有軟質布料制成，類似于高樓救生員救生時使用的柔性滑道。
5.5.3 尺寸設計
因為所采摘的水果為采直徑是3cm≤D≤10cm的球形水果，水果被采摘時有一定的慣性力使得水果會有水平方向的的運動，則接收裝置的直徑要選用的大一點直徑設為20cm。傳遞裝置的直徑為保證水果順利傳輸，上寬下窄即可。
5.5.4 接收傳送裝置效果圖
圖5.1接受傳送裝置效果圖
基于伸縮式機械手臂是用于手持，伸縮式機械手臂的長度較長為了增加整個裝置的穩(wěn)定性，減少采摘員在長時間的操作過程中手腕疲勞的作用，所以特別設計手持固定部分。當此采摘器安裝在別的地方時可拆掉手持固定部分。
5.6 手持固定部分的組成
手持固定部分由小肘固定套，萬向穩(wěn)定連桿。小肘固定套的材料采用足球護膝的材料，其上有繃帶和搭扣。萬向穩(wěn)定連桿為特殊材料材料制成，可向任意方向彎曲。
小肘固定套可通過繃帶與金屬環(huán)的拉扣固定在胳膊的小肘部分，小肘固定套通過鉚釘或者其他的方式與萬向穩(wěn)定連桿連接，萬向穩(wěn)定連桿另一端通過螺絲結構與伸縮手臂下端連接。通過小肘固定套可以達到在長時間的操作過程中以減少手腕疲勞的作用，萬向穩(wěn)定桿由特殊材料制成，它可以向任何方向彎曲，而且變形的同時具有一定的支持力。
5.6.1 手持固定部分效果圖
圖6.2手持固定部分效果圖
總結與展望
基于伸縮式機械手臂的水果采摘裝置，是介于含有自主行動功能的技術含量極高且價格昂貴的機器人類型和基本屬于純機械式的過于簡單的采摘器兩者之間的一種采摘裝置。它構型簡單，操作方便，價格低廉，效率較高。采用伸縮式機械手臂，手臂長度可調，適合多種高枝水果，且便于攜帶，采摘器采用電動機帶動到刀片轉動的方式切割果梗，采摘水果速度快，節(jié)省勞動力，且采摘器的方向可調節(jié)，適合各種位置的高枝水果，采摘水果完好，保質保量，是一種值得推廣的實用新型的設計。
致謝
通過這段時間的設計，我的感受很深。尤其是在最初的設計階段，由于自己理論知識不夠系統(tǒng)和豐富，加之缺乏設計思路，使得進展比較緩慢。幸運的是之后，在老師的悉心指導下，我逐漸的學會了獨立的查閱資料，以及如何將大量的雜亂的資料系統(tǒng)化，并將其掌握。這一過程中得到的鍛煉是自己在本次設計中得到的最大收獲之一。并且在這一過程中，我發(fā)現(xiàn)了許多以前沒有注意的問題，有些想法，方法最初看起來是可行的，但認真思考后就會發(fā)現(xiàn)存在很多不足之處。如此反復思考，校對才完成了本次設計任務。
本設計中有些結論的得出，本應該進行細致的計算和分析，但限于篇幅和時間，不能一一詳盡。由于自己現(xiàn)有的能力水平有限，設計中難免有疏忽與錯誤等不足之處，望廣大老師同學給予批評指正。
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