輔助人工采摘蘋果裝置設計
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本科畢業(yè)論文（設計）
題 目
輔助人工采摘蘋果裝置設計
輔助人工采摘蘋果裝置設計
摘要：目前，世界上各國對于果園收獲機器人的研究雖然很多，但由于果園環(huán)境復雜，自動導航辨識系統(tǒng)工作時的準確率并不是很高，所以全自動智能化作業(yè)采摘蘋果設備并沒有大規(guī)模地應用到實際生產生活中，而農民階層從古時候到現(xiàn)代一直都屬于收入偏低的一群人，他們掙錢的方式就是靠自己純粹的體力勞動來換取報酬，這也是在我國高度智能化農業(yè)機械未能大規(guī)模應用的重要原因之一，再加上我國從建國到如今科技飛速發(fā)展的時間并不是很長，在農機這方面的投入比重也是從最近幾年才開始增加，所以，現(xiàn)階段內其實是很需要有一種農業(yè)機械來代替人力完成繁重的果園勞作，這次的畢業(yè)設計課題從某種意義上來說，也是對這個領域的一種探索，而且家里的主要經濟來源也是依靠蘋果園林，本身也希望未來能夠有這么一種機械問世以減輕父母身上的重擔，所以這次的畢業(yè)設計是很有意義的。
拋開我國的智能化采摘機械設備研究進展程度不說，但就其成本而言，一臺成熟的智能采摘設備對于果農而言，它的價格是無法接受的。而市面上常見的一些簡易采摘器又無法完全承擔起整個采摘任務，減輕果農的勞動強度，希望能夠通過本次的畢業(yè)設計課題改善這種情況。本次畢業(yè)設計的主要內容包括：
首先，從搜集的資料來看，關于輔助人工采摘蘋果的研究很少，所以很多地方了參考國內外關于蘋果采摘機器人的設計思路，提出本次課題設計研究的基本原則。其次結合果園實際情況，以整個裝置中的采摘機構為主進行設計工作，同時對其他各部分機構進行了具體的結構設計，除此之外，還結合果園植株的實際生長情況對裝置的各部分零件的參數(shù)規(guī)格進行了計算，利用所學知識對整個裝置的伸縮桿進行穩(wěn)定性校核，以及對主要零件進行強度校核，確保方案的可行性。然后利用現(xiàn)有的仿真軟件Creo 2.0對輔助人工采摘蘋果裝置進行模擬仿真，做出整個裝置的三維效果圖，對照實際果園采摘情況進行分析，改進方案，同時利用工程制圖軟件CAD軟件繪出輔助人工采摘蘋果裝置的裝配圖及各部分主要零件的零件圖，使整個方案設計更加嚴謹，準確。
關鍵詞：采摘器；伸縮桿；農業(yè)機械；模擬仿真；蘋果
Design of the device for assisted artificial picking of apples
Abstract:At present, there are many researches on orchard harvesting robot in the world, but because of the complexity of orchard environment, the accuracy of automatic navigation and identification system is not very high. So the fully automatic and intelligent apple picking device has not been applied to actual production and life on a large scale, and the peasant class has been a group of people with low incomes from ancient times to modern times. Their way of earning money is to rely on their own pure physical labor in exchange for remuneration, which is one of the important reasons why highly intelligent agricultural machinery has not been applied on a large scale in our country. In addition, the period between the founding of the people's Republic of China and the rapid development of science and technology in our country is not very long. The proportion of agricultural machinery in this area has also increased in recent years. Therefore, at this stage, we really need a kind of agricultural machinery instead of manpower to complete heavy orchard work. In a sense, this graduation project is also an exploration of this field, and the main source of income of the family is also dependent on the apple garden. I hope there will be a machine to lighten the burden on my parents in the future, so this graduation project is very meaningful.
Aside from the research progress of intelligent harvesting machinery in China, the price of a mature intelligent picking equipment is unacceptable to fruit farmers in terms of its cost. And some common simple pickers in the market can not fully undertake the task of picking, reduce the labor intensity of fruit farmers, hope to improve this situation through the graduation project. The main contents of this graduation project include:
First of all, according to the collected data, there is little research on artificial apple picking, so many places refer to the design ideas of apple picking robot at home and abroad, and put forward the basic principles of this subject design research. Secondly, according to the actual situation of orchard, the picking mechanism of the whole device is used as the main design work, and the other parts of the mechanism are designed concretely, in addition, According to the actual growth of the orchard plant, the parameter specifications of each part of the device are calculated, the stability of the telescopic rod of the whole device is checked by using the knowledge learned, and the strength of the main parts is checked, and the strength of the main parts is verified. And then using the existing simulation software Creo 2 to simulate the artificial picking Apple device, make the three-dimensional effect map of the whole device, analyze the actual orchard picking situation and improve the scheme, and draw the assembly drawing of the auxiliary artificial picking Apple device by using the software CAD software of the engineering drawing software. The parts drawing of the main parts of each part makes the whole design more rigorous and accurate.
Keywords：Picking device, telescopic rod, agricultural machinery, apple
III
目錄
1 緒論 1
1.1 輔助人工采摘蘋果裝置的研究背景 1
1.2 國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1
1.2.1 國外研究成果現(xiàn)狀： 1
1.2.2國內研究現(xiàn)狀： 2
1.3 輔助人工采摘蘋果裝置研究的目的和意義 3
1.4 研究內容和方法 3
2 輔助人工采摘蘋果裝置研究方案設計 4
2.1 蘋果生長特性環(huán)境及果園實際種植現(xiàn)狀 4
2.2 輔助人工采摘蘋果裝置總體設計 4
2.2.1 輔助人工采摘蘋果裝置整機機構方案設計 5
2.2.2 輔助人工采摘蘋果裝置工作過程簡介 5
3 輔助人工采摘蘋果裝置采摘執(zhí)行機構的設計 7
3.1 伸縮桿設計 7
3.1.1 伸縮桿結構設計 7
3.1.2伸縮桿設計計算及校核 8
3.2 采摘頭連接裝置設計 10
3.3 采摘頭設計 10
3.3.1 夾持機構 10
3.3.2 切割機構 11
3.3.3 傳動控制 13
4 果實安全傳輸裝置的結構設計 14
5 輔助人工采摘蘋果裝置運輸機構的選擇 16
6 采摘機構受力分析及彎曲切應力強度校核 17
7 部位仿真模擬分析 20
7.1軟件介紹 20
7.2繪制零件圖 20
總結 25
參考文獻 26
致 謝 27
附錄 30
1 緒論
蘋果種植業(yè)是陜西地區(qū)農業(yè)生產的重要組成部分，蘋果也是陜西的特產之一，尤其是我的老家?guī)缀跫壹覒魬舴N植蘋果。而每年秋季采摘蘋果也成為果農們最重要，也是最辛苦的農業(yè)勞作之一，之所以這樣說，是因為蘋果成熟期很短，而果農們要趕在果實自然成熟脫落之前完成采收工作，勞動強度大，作業(yè)要求高，同時整個采摘工作完全依靠人工完成，自然也是果園農業(yè)生產工作效率低下的集中環(huán)節(jié)，而且隨著工業(yè)的興起和發(fā)展，相對于收入微薄的農業(yè)勞作，大部分人更愿意去大城市打工賺錢，這樣就導致了大量勞動力流向工業(yè)領域，這對本就需要高強度勞作的蘋果采摘來說無疑是雪上加霜，所以對于農業(yè)發(fā)展而言，機械化生產勞作無疑是提高生產效率的有效途徑，也能大幅度緩解果農果農勞作的辛勞，對促進農業(yè)發(fā)展有著重要意義。
1.1 輔助人工采摘蘋果裝置的研究背景
在我國北方大多數(shù)地區(qū)，蘋果種植多數(shù)停留在人工作業(yè)的階段，由于成本以及環(huán)境等因素的制約，現(xiàn)代化機械生產作業(yè)對于果民來說還是有一定困難，而果園生產又是一項十分辛苦的勞作，除此之外，人工作業(yè)采摘蘋果還存在很多的安全問題，比如在采摘蘋果的過程中，難免會遇到需要穿過樹枝駁雜的地方采摘蘋果的情況，這時候手臂一不小心就會被樹枝劃傷。再比如果農在采摘果樹枝頭的蘋果時，需要借助梯子或爬樹才能夠得著，有很大幾率摔傷，這也是危險來源之一。據調查可知，果農在采摘高枝蘋果時普遍采用人字梯工具，而且為了節(jié)省時間和采摘效率，很少采用安全防護措施，這使得高枝蘋果采摘工作充滿了危險和不確定性。而且這種采摘方式由于在高處作業(yè)，必然是一手扶梯以固定身形，另一只手單手進行采摘，容易使得蘋果果柄從根部斷開，或者在采摘時用力較大而影響其他成熟度高的蘋果掉落，出現(xiàn)殘次果品，影響蘋果成交價格。所以需要一種輔助人工采摘裝置來解決這些問題，使人們不用再爬高就能方便地完成采收工作。
1.2 國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1.2.1 國外研究成果現(xiàn)狀：
利用機器人收獲果品蔬菜的想法最早來源于美國的兩個學者，自此后各國紛紛展開了收獲機器人方面的研究，直至今日已經頗有成效。目前國外對采摘機械的研究主要是向智能化，自動化的方向發(fā)展，借助機器人的機械結構來實現(xiàn)這一想法。它的主流研究思想是以人機協(xié)作的方式，即由人來完成尋找、導航、定位待采摘蘋果，由機器人來完成果實的采摘任務，而在不久的將來，定位，導航的工作也將會有機械電子裝置完成，到那時，所有的工作都將以機器來完成，果農不必再為采摘蘋果而煩惱。從國外采摘機械的發(fā)展歷程來看，收獲機器人的主流結構大致有三個部分組成，即運輸，采摘以及識別部分。其中采摘部分多數(shù)是采用機械臂結構，比如1944年韓國國立大學的Jang等人所設計的蘋果收獲機器人，還有2004年美國加利福尼亞西紅柿機械公司生產出的一款西紅柿采摘機器人，都是用機械臂，不同的只是其自由度不同。利用機械裝置來代替人力作業(yè)一直都是社會發(fā)展進步的標志，采收智能機器人一方面可以極大地解放生產力，提高采摘效率，但同時它的缺點也十分明顯，由于果園的環(huán)境比研究人員的實驗室工作環(huán)境要復雜的多，比如多變的天氣，地面并不是平整的混凝土而是松軟的土壤等等，以及目前采收機器人的智能化水平并還不足以完全解決蘋果采摘時的路徑導航識別等問題，所以說，要想大規(guī)模地使用機器人來代替人去工作在現(xiàn)階段內還是很難實現(xiàn)的。
1.2.2國內研究現(xiàn)狀：
由于歷史及各方面的原因，我國研究果園采摘機械相比較于其他各國來說算是起步較晚的，而且在我國果樹種植業(yè)多在北方，以山種植地為主，崎嶇不平的路面使得正常車輛出行都受到限制，更別說是在果園的松軟地面了，這也是機械化采摘作業(yè)發(fā)展受到限制的原因之一。不過隨著社會經濟的發(fā)展，從90年代開始，市場因素帶動果樹種植熱潮，以市場需求為導向的各種簡易采摘器越來越多的現(xiàn)在人們的視野，對果園種植業(yè)的發(fā)展也起到了一定的作用，不過這也不能完全地解決我國農業(yè)采摘的諸多問題，直到我國第一臺多功能果園作業(yè)機問世，無論從那種角度來講，這都是一件令人振奮的事情，因為這標志著我國的農業(yè)機械化發(fā)展邁出了關鍵性的一步。
相比較于國外發(fā)達國家在機器人采摘領域方面的研究，我國在這方面確實還顯得很稚嫩，不過國家對這一領域也是十分重視的，先后出臺了不少政策以鼓勵智能化機器人采摘果實研究領域的發(fā)展，不僅如此，近年來國內許多高校也積極投入農業(yè)機器人采摘領域的研究，取得了一定成果。
在我國現(xiàn)階段內蘋果種植就成本，技術等種種因素考慮，現(xiàn)階段內果農可以使用的采摘機械應是以人為主，機械為輔的。即機械裝置被設計出來，其主要目的是為了幫助果農完成采摘任務，減輕果農的負擔，而不是以完全替代果農勞作為目的，這也是現(xiàn)階段內最適合我國農業(yè)生產現(xiàn)狀的機械裝置設計思路，而這又往往被很多學者所忽略。
1.3 輔助人工采摘蘋果裝置研究的目的和意義
21世紀以來，隨著我國現(xiàn)代化農業(yè)改革建設的不斷深入，原始的農業(yè)發(fā)展模式正逐漸被各種機械所替代，但在蘋果采摘這一領域卻并沒有實質性的研究突破，比如工業(yè)上很多設備生產都已經實現(xiàn)智能化管理，而在農業(yè)采摘作業(yè)方面仍舊是純手工完成，果農需要踩高爬低地辛勤勞作，累的腰酸背痛不說，效率還不高，這樣的生產方式不僅耗時費力，而且在采摘過程中，果農需要不斷地爬高，很容易從高處跌落，存在很大的危險。本課題的研究就是為了減輕果農的勞動強度，提高采摘效率，避免爬高帶來的意外傷害。
1.4 研究內容和方法
次輔助人工采摘蘋果裝置的設計是結合果園實際情況，以及果農在人工勞作時的具體過程，了解蘋果采摘的細節(jié)，然后以整個裝置中的采摘機構為主進行設計工作，除此之外 ，對其他各部分機構也進行了具體的結構設計，還結合果園植株的實際生長情況對裝置的各部分零件的參數(shù)規(guī)格進行了計算以確保裝置被設計出來不會出現(xiàn)無法組裝的問題。除了這些，還做了許多其他的工作，比如：
（1）通過對蘋果果園的實地考察，了解蘋果的生長環(huán)境和栽培方法，收集蘋果的主干基徑，樹冠高度，樹冠基徑等實際參數(shù)，并以此為基礎，結合機械設計的基本準則，從實用性的角度出發(fā)，提出合適的設計方案。
（2）利用自己熟悉的CREO 2.0仿真軟件對輔助人工采摘蘋果裝置進行模擬仿真，對照實際果園采摘情況進行分析，改進方案，同時利用CAD軟件會出輔助人工采摘蘋果裝置的裝配圖及各部分主要零件的零件圖，使整個方案設計更加嚴謹，準確。
(3) 利用所學知識對整個方案的主要零件進行設計計算與校核，確保整個裝置的可靠性與可行性。
2 輔助人工采摘蘋果裝置研究方案設計
2.1 蘋果生長特性環(huán)境及果園實際種植現(xiàn)狀
本次輔助人工采摘蘋果裝置的設計涉及到蘋果的采摘作業(yè)，所以在選定設計方案前，需要對蘋果的植株生長情況及果園的地形地貌有一定的了解，以禮泉的果園為例，本次的實地考察調研得到的數(shù)據資料，雖不全面，但也能反映出一些情況。
果園內在種植蘋果時，通常會分列種植，兩列之間會留出足夠距離作為作業(yè)通道，以方便管理果樹。植株以高度分為喬化樹種和矮化樹種，考慮到樹冠基徑，樹冠高度等情況，會留出3-4米的距離作為株距，為果樹留出足夠的生長空間。
果園地面多為松軟的土壤，目前果樹果實的培育方式多為雙層套袋，及在果樹剛結出果實的時候為其套上一層塑料薄膜，待其長大一些，再套上紙袋防止病蟲害，同時保證果品的果面光潔，但這樣做也會影響蘋果的著色。所以在果實成熟之際，果農會在去掉套袋之后在地面上鋪一層反光膜材料，這樣既保證了蘋果果樹根部的水分和濕度，同時反光膜的反射作用可以使陽光照射到蘋果的背陰面，以彌補果實光澤度不足的問題，一般對于樹冠高處的成熟果實而言，果體直徑在75mm-95mm左右。
表2.1 樹形結構列表及相關參數(shù)（以下數(shù)據為均值結果）
項目
主干基徑
樹冠高度
樹冠基徑
底枝高度
喬化樹種
19.85
301.84
146.4
109.6
矮化樹種
21.04
216.93
179.2
74.7
2.2 輔助人工采摘蘋果裝置總體設計
輔助人工采摘蘋果裝置是一種為了解決人們采摘高枝蘋果效率低，耗時費力等問題而設計的農業(yè)機械工具，在設計時除了實現(xiàn)這一目標，還應該考慮一些其他的基本問題。比如該裝置的可操作性，因為輔助人工采摘蘋果裝置的使用者是廣大果農，他們大多數(shù)人并不懂如何去維修壞掉的機器，所以在設計時就必須考慮裝置的結構是否簡單易用，裝置是否易于維修，可靠性是否足夠等等。除此之外，還要考慮成本的問題，結合現(xiàn)有資料來看，現(xiàn)如今我國的果園種植基本上都是那種各自經營自家的一畝三分地，而且所研究的輔助人工采摘蘋果裝置本身的利用也僅僅是應用于蘋果采摘這一個環(huán)節(jié)，若是成本高昂，必然會導致果農難以接受，提高果園生產效率也就無從談起了，基于此，本次的輔助人工采摘蘋果裝置是以機械結構為主來進行設計。
2.2.1 輔助人工采摘蘋果裝置整機機構方案設計
目前世界上關于蘋果采摘的果園收獲機器人結構的研究大致分為三個部分，即果實的成像識別技術，采摘機構設計和運輸方式設計，且越來越趨向于智能化和一體化，其中采摘機構多脫胎于工業(yè)上的機械臂結構，以實現(xiàn)采摘范圍的最大化。本次設計方案也借鑒于這種設計思想，整個裝置整體分為三個部分，即采摘執(zhí)行機構，果實安全傳輸機構和運輸機構。 其中采摘執(zhí)行機構主體部分采用伸縮桿和采摘頭，采摘頭結構以夾持機構，刀架和電機為主進行設計。
果實傳輸機構實際上是一種柔性很好的布料制成的中通的袋子，采用內外兩層設計，外層采用彈性很好的布料柔性帶，上大下小，內層采用環(huán)節(jié)式彈性網設計，以減緩蘋果墜落時的速度，避免過大的加速碰撞而使蘋果受到損傷。
運輸機構分為外層整體設計，外框結構，內框結構三個部分，外層整體設計初步確定為小推車樣式，外框結構固定在小車上，同時預留出采摘執(zhí)行機構位置，內框作為活動式結構，在收集滿后可整筐取出，便于之后的運輸。輔助人工采摘蘋果裝置總體結構方案設計示意圖如圖2.1所示：
圖2.1 輔助人工采摘蘋果裝置總體結構方案示意圖
2.2.2 輔助人工采摘蘋果裝置工作過程簡介
果農在采摘蘋果時首先確定采摘對象，然后利用夾持機構將蘋果納入采摘范圍，利用鋼絲繩拉動彈簧，使夾持機構收緊從而固定住蘋果，進而利用夾持機構上部的刀架部分剪斷果柄，放松夾持機構，使蘋果落入中空布袋掉入收集筐中，完成采摘過程。
3 輔助人工采摘蘋果裝置采摘執(zhí)行機構的設計
本次輔助人工采摘蘋果裝置采摘執(zhí)行機構，它的特點是結構簡單，采用機械式伸縮桿代替智能化機械臂，采摘頭部分以自主設計的夾持機構和切割機構為主完成蘋果與果樹的分離工作，整個結構采用輕質材料，重量輕便，不會對人造成大的負擔。
3.1 伸縮桿設計
3.1.1 伸縮桿結構設計
伸縮桿主體部分分為內管和外管，以及伸縮桿中部的連接緊固裝置，與市面上常見的伸縮桿裝置類似。如圖3.1和3.2所示。
3.1 伸縮管外桿
伸縮桿中部的連接緊固裝置的作用是用以控制伸縮桿的長度，它的原理類似于數(shù)控機床上的刀架裝夾裝置，分為固定在外管上的承定件和采用螺紋旋緊方式的游動帽。如3.2所示。承定件作為連接部分的一端，主要作用是固定內管的方位，使其不會發(fā)生大幅度的搖擺晃動，它的外形如圓柱狀，頂端有六個彈性片，中部覆以螺紋。游動帽內孔是以內管尺寸為標準設計的，它的內表面上設置有缺口，與缺口對應的是外管上的卡口，活動件內表面上覆蓋了一層摩擦條，當承定件與游動帽通過螺紋旋緊，螺紋收緊時，游動帽壓迫承定件上的彈性鋼片固定住伸縮桿，同時其內表面的摩擦條產生靜摩擦，防止伸縮桿產生繞軸心的旋轉，這樣就保證了伸縮桿在使用時的可靠性和穩(wěn)定性。
圖3.2 伸縮桿承定件及游動帽
3.1.2伸縮桿設計計算及校核
從之前收集的果園植株基本數(shù)據可知，蘋果果樹的樹冠基本高度在3m左右，而果農在采摘蘋果時是手持伸縮桿進行勞作，去掉果農的身高，則伸縮桿總長
至少為2.5 m，按以往的經驗來進行設計，如圖3.3所示：
圖3.3 伸縮桿長度設計原則
圖中L1為內管長度，L2位外管長度，L2為外管內部預留承接內管部分的長度，以防止內管從根部折斷，L4為內管底部底托長度，L5為整個伸縮桿正常工作時的極限長度。
即
根據果農手持桿狀物體的實際情況和用力特點，選用外管的外徑為30mm，厚度為 2mm,內管從結構上來說是與外管套在一起的，所以它的外徑應該略小于外管內徑，即，取內管的外徑為28mm,厚度為2mm.
細長桿在受壓時，根據力學原則，它的軸線必然發(fā)生彎曲，桿件本身也會發(fā)生明顯的變形甚至折斷，由《簡明材料力學》第十章“壓桿穩(wěn)定”對壓桿的定義，可以將伸縮桿簡化為一端固定一端自由的壓桿則，利用歐拉公式來對它進行穩(wěn)定性校核。
由歐拉公式的適用范圍可知，對小柔度壓桿，應按強度問題計算，通過校驗細桿的強度來確定是否合格，而對大柔度壓桿來說，需要用用歐拉公式計算臨界應力，若超過臨界應力的適用范圍，則需要對桿進行重新設計，對中柔度壓桿則來說，歐拉公式并不適用，所以需要用到經驗公式來計算臨界壓力。
輔助人工采摘裝置在工作時主要有人提供采摘所需要的力，所以整個伸縮桿的材料應在滿足各項性能要求的前提下，盡可能地選用輕質材料，以減少整個裝置的重量，減輕果農的負擔。本次設計所選用的材料中，伸縮桿連接件材料為塑料材質，伸縮桿桿體材料為304不銹鋼。其材料的主要性能為：彈性模量為
，比例極限 ， 由表3.1可知，
表3.1 不銹鋼的參數(shù)表
鋼號
鋼板標準
使用狀態(tài)
厚度/mm
在下列溫度下的許用應力/Mpa
≤20
100
150
200
250
300
350
400
425
450
475
500
高合金鋼側板
oCr13Al
GB 4237
退火
2～15
118
105
101
100
99
97
95
90
87
-
-
-
oCr13Al
GB 4237
退火
2～60
137
126
123
120
119
117
112
109
105
100
89
72
oCr18Ni9
GB 4237
調質
2～60
137
137
130
122
114
111
107
137
137
137
137
137
137
114
103
96
90
85
82
79
78
76
75
74
oCr18Ni10Ti
GB 4237
調質，穩(wěn)定化
2～60
137
137
117
130
112
114
111
108
106
105
104
102
137
114
103
96
90
85
82
80
79
78
77
76
其許用安全應力為137MPa，結合上述伸縮桿的規(guī)格參數(shù)以及其應該能承受的最大壓力，即 , ，直徑，規(guī)定安全因數(shù)，
由《簡明材料力學》第十章式（10.9），求出
（1）
伸縮桿可簡化為一端固定一端自由的壓桿，則 由《簡明材料力學》第十章三小節(jié)的內容可知，伸縮縮桿橫截面積為圓環(huán)形，
， （2）
所以它的柔度為
（3）
因為 ，即該伸縮桿可用歐拉公式計算臨界壓力，
則
（4）
所以
伸縮桿的工作安全系數(shù)為
， （5）
所以滿足穩(wěn)定性要求。
3.2 采摘頭連接裝置設計
本次設計主要采用機械式結構，所以在采摘頭與伸縮桿的連接裝置上，仿照臺燈支架的結構，采用阻尼轉軸作為連接機構。根據設計尺寸及生產需要，選用用東莞市多信電子有限公司生產的型號為LG403A一字轉軸，實物圖如圖3.5所示：
圖3.5 一字轉軸實物圖
3.3 采摘頭設計
3.3.1 夾持機構
夾持機構在設計時分為兩部分，如圖3.6所示，
圖3.6 夾持機構1模擬仿真圖
其內部輪廓仿照蘋果外形為不規(guī)則的圓形，而且在其外表面上并不是只有硬度很大的鋼材，為了保證蘋果果實的完好程度，夾持機構在與蘋果表面直接接觸的部分是采取海綿材料作為緩沖層，這樣既方便夾取而且不傷蘋果。夾持機構在工作時它的外部輪廓類似于矩形，中間相接合，內部裝有輕質彈簧，同時在刀架兩側裝有彈性管架，以螺栓的形式連接在采摘頭刀架上，工作時，手柄處用力使彈性管內部鋼絲繩收緊，拉動夾持面接合，為果柄切割做準備，放松鋼絲繩，夾持面分離，蘋果落入果實傳輸裝置，采摘過程完成。夾持機構尺寸根據蘋果大小設計，收縮范圍為750~950 mm。
3.3.2 切割機構
切割機構是采摘蘋果的重要部分，其主要結構有刀桿，刀架，刀片，電機，行星減速器等，它的原理是依據偏心軸-連桿機構將圓周運動轉化成直線上的往復運動。在設計之初曾經考慮過采用人力拉動彈簧的方式來完成動力的輸送，成本較低，但最終還是放棄了這個方案，因為一方面采用人力在頻繁多次的剪切過程中很容易會感到疲勞，另一方面是因為所設計的夾持機構同樣要采用彈簧結構，出于結構簡單方面的考慮，最終決定采用電動的方式。
對于成熟的蘋果而言，它的果實果柄其實是已經接近脫落邊緣，而且這時候的果柄不會很硬，所以相較而言所需要的剪切力并不是很大。由采摘蘋果的經驗可知，切割機構較為合理的工作方式為每分鐘剪切9~12 次，即偏心軸工作速率，然后據此選擇合適的電動機以及減速器。
由《機械綜合課程設計》第三章內容可知，切割機構所需的功率為，
已知偏心軸零件直徑，
(6)
所以
，
所以電動機所需功率
, (7)
根據值擬選用常州市德利來電器有限公司生產制造的型號為63ZYT002型12v直流電動機， 確定電動機轉速，
由 , （8）
可得傳動比
（9）
據此選擇減速器，擬采用馬步崎公司生產的型號為M22GXR型行星減速器，實物圖如圖3.7所示，配合電機使用，它的規(guī)格參數(shù)信息見圖3.8。
圖3.7 行星減速器
圖3.8 行星減速器參數(shù)規(guī)格
3.3.3傳動控制
采摘頭的傳動控制由手柄，鋼絲繩，彈性管架，輕質彈簧構成，手柄采用鉸接的方式，工作時捏合手柄，鋼絲繩收緊，從而拉動彈性管使加持機構接合，放松手柄，加持機構會在輕質彈簧的作用下恢復原位，這樣就完成了一次采摘的輔助工作。其結構設計示意圖如圖3.9所示：
圖3.9 加持機構原理示意圖
4 果實安全傳輸裝置的結構設計
蘋果作為一種商品出現(xiàn)在市場上，它的價格是與果實外形的完整程度息息相關的，所以在采摘過程，如何保證蘋果果實在從高處落至地面的過程中完好無損，是在設計果實安全傳輸機構首先要考慮的問題。要使蘋果果實能夠安全地落至地面，首先就是要減緩它的下落速度。此次所設計的果實傳輸機構實際上是一種柔性很好的布料制成的中通的袋子，采用內外兩層設計，外層采用彈性很好的布料，上大下小，內層采用環(huán)節(jié)式彈性網設計，以減緩蘋果墜落時的速度，避免過大的加速碰撞而使蘋果受到損傷。整個結構分為接收架，傳送裝置兩部分，接收裝置外形為直徑為1300mm的圓形圓環(huán)，由彈性鋼材料制成，而傳送裝置為中空的布袋，布袋內側輔以環(huán)節(jié)式的彈性網，彈性網為圓環(huán)狀，示意圖如圖4.1所示，它的直徑應該略小于蘋果直徑，通過這種結構來減緩蘋果下落時的速度，整個傳送裝置外形呈上寬下窄的形狀。
圖4.1 傳輸機構結構示意圖
由本文第二章內容可知，蘋果果樹高處的果實直徑一般為75cm~95cm，保守起見，取果實直徑為100mm,為確保果實能夠落入傳送裝置內，接收架的直徑應該比果實直徑略大，取150mm。為使本裝置能夠成功減緩蘋果下落速度，彈性網的伸縮范圍應該與蘋果果實的大小相匹配，經過篩選，擬采用聚氨酯彈性纖維材料制成彈性網，其材料特性如表 所示。彈性布袋設計采用上寬下窄的結構，也是由于布料為彈性材料，蘋果進入布袋后運動至底部，在布筒彈力的作用下，速度會減至最小，最終安全地落至地面。
5 輔助人工采摘蘋果裝置運輸機構的選擇
果園種植農業(yè)發(fā)展到現(xiàn)在，雖然未有智能化設備大規(guī)模地普及，但各種幫助果農勞作的機械裝置層出不窮，現(xiàn)在的農村在田間地頭運輸蘋果時，多采用小車運輸至果園外，然后由三輪車運回家中?；诖?，本次設計的蘋果裝置運輸機構以運輸小車的結構為主改造而來，其結構分為外層整體設計，外框結構，內框結構三個部分，外層整體設計初步確定為小推車樣式，外框結構固定在小車上，同時預留出采摘執(zhí)行機構位置，內框作為活動式結構，在收集滿后可整筐取出，便于之后的運輸。輔助人工采摘蘋果裝置總體結構方案設計示意圖如圖5.1所示：
圖5.1 運輸機構設計示意圖
57
6 采摘機構受力分析及彎曲切應力強度校核
由《簡明材料力學》對梁部分內容可知，本次所設計的采摘機構可簡化為外伸梁結構，為保證機構能夠具有最大限度的可靠性，在進行受力分析時采用轉角進行分析，此時有，受力分析簡圖如圖6.1所示：
圖6.1 采摘機構受力簡圖及彎矩扭矩圖
由靜力平衡方程求出支反力，
(10)
求得
位52
列剪力和彎矩方程，在AB段內，
(11)
求得
彎矩和扭矩圖見圖6.1，此時已知
則由《簡明材料力學》第六章式(6.8) 可得
(12)
則
(13)
由彎曲切應力的強度條件
(14)
可知，切割機構滿足要求。
7 部位仿真模擬分析
7.1軟件介紹
Creo 2.0軟件是我在學校接觸到的一款功能性很強的軟件，它在三維立體圖形實體設計方面有著很強大的優(yōu)勢，而且界面很簡潔明了，操作也是依據人們在現(xiàn)實生活中的視物習慣來設計，滿足了我對實體模擬仿真的要求，其實在三維模擬仿真方面有很多功能強大的軟件，但至今為止我最喜歡用的還是PTC公司發(fā)布這款軟件。
在Creo 2.0軟件出現(xiàn)之前，工程師們在設計軟件方面通用的是Computer Aided Design (CAD)軟件，對三維實體來說，CAD并不能直接展示所設計的結構的效果，這對于設計工作來說難免會有一種朦朧感，其實CAD 軟件從電腦技術出現(xiàn)的時候就與工程設計結合在一起，到現(xiàn)在已經沿用了十幾年時間了，它的市場以及技術已經逐漸成熟，然而相較于三維軟件來說，它的操作界面繁瑣，軟件復雜，可以說，CAD軟件想要重新獲得躍進式的發(fā)展，首先要解決的就是界面操作復雜的問題。相比較而言，在三維制圖方面，Creo 2.0軟件更具有優(yōu)勢，而且它制作出來的三維立體圖形也可以直接轉換導出工程圖樣，很是方便快捷。
7.2繪制零件圖
以采摘機構刀頭零件為例，先創(chuàng)建新的文件，為繪制立體圖做準備，具體步驟如下：
準備工作：將目錄D:/dbcreo2.0/work/ch03/ch03.01 設置為工作目錄。
操作步驟如下：
Step1.選擇下拉菜單 →命令。
Step2.選擇文件類型和子類型。如圖7.1所示。
圖7.1 Creo 2.0新建文件對話框
Step3.輸入文件名。在文本框中輸入文件名“刀頭.prt”。
Step4.取消復選框并選取適當?shù)哪０?，這里選取毫米作為單位直徑。
系統(tǒng)進入零件的創(chuàng)建環(huán)境后，進行如下操作：
（1）在“模型”面板中單擊 按鈕。
Step1:單擊拉伸特征操控版中 按鈕，再在彈出的界面中單擊按鈕，系統(tǒng)彈出“草繪”對話框。如圖 7.2 所示。這時選定截面方向，點確定按鈕。
圖7.2 Creo 2.0文件“草繪”對話框
Step2.定義截面草圖放置屬性。
Step3.創(chuàng)建特征的界面草圖，用操作面板上的“草繪”模塊中的圖形選項來做出零件的平面截圖。如圖7。3所示。
圖7.3 創(chuàng)建特征的截面草圖
Step4.定義拉伸深度屬性。選取深度類型并輸入深度值。選取深度方向。如圖7.4所示。
圖7.4 選取特征的深度類型并輸入深度值
Step5.完成特征的創(chuàng)建。
在完成平面草圖的截面特征后，定義其所有要素，然后用操控版中的“預覽”選項檢查所有特征是否正確，若存在錯誤則會有信息提示。預覽完成后，單擊操控版中的“完成”按鈕，完成特征的創(chuàng)建。
（2）添加拉伸特征。創(chuàng)建零件的基本特征后，還可以在原有零件的基礎上增加其他特征，可以利用這項功能做出殼體等。
與創(chuàng)建零件基本特征相類似，不同的只是在定義拉伸屬性時，選擇選擇反向拉伸并去除材料，如圖7.5所示。
圖7.5 特征的反向拉伸
（3） 采取同樣的方法定義剩下的拉伸特征，完成零件的創(chuàng)建。
7.3 零件的有限元分析
為了使裝置具有更好的可靠性，即使用有限元分析的方法對主要零件的受力情況進行分析，以便于對裝置的使用情況有一個大致的模擬。以傳輸機構中的傳輸架為例，其有限元分析結果云圖及基本數(shù)據如圖7.6和圖7.7所示：
圖7.6 傳輸架有限元分析結果云圖
圖7.7 傳輸架有限元分析測量結果
由圖7.6云圖可以看出，并無紅色部分出現(xiàn)，所以整個傳輸架出現(xiàn)應力集中的地方幾乎沒有，而且根據圖7.7測量數(shù)據結果也可知，理論上該傳輸架是能夠承受整個傳輸機構在工作過程受到的力及載荷，綜上所述，該傳輸架零件是符合要求的，其他零件亦可以用這種方法進行簡單的測試。
總結
本次畢業(yè)設計是我在校內第一次獨立自主完成的全面系統(tǒng)的設計工作，之前也有過這種設計經驗，比如之前所做的基于激光切割技術的工藝制造“基于激光切割技術的工藝制造”，“壓條零件的機械加工工藝流程設計”等等，但那時是分組完成，每個人只負責一部分工作，相對來說容易許多，而這次的畢業(yè)設計工作從開題到最后的定稿，全都是自己一人完成，由于此次的設計只屬于理論部分設計，并不牽扯到實物制作，很多數(shù)據其實與實際應用并不符合，也沒有辦法通過實際操作去獲取第一手數(shù)據，這也是此次設計存在的最大問題，相對于其他學者所設計的科研成果而言確實有許多不足的地方，不過，在整個過程中，因為要用到許多知識點我又重新復習了許多以前學習時沒有注意到的細節(jié)知識，在模擬仿真時對軟件的操作又熟練了許多，我很感謝學校對這次畢業(yè)設計工作的重視，這也是督促我順利完成畢業(yè)設計的原因之一，這一段時間，雖然在做畢業(yè)設計的同時還要跑校招去找工作，顯得十分忙碌，但我卻覺得自己過得很充實。我會銘記這四年時光，做一個對社會有用的人才，不辜負你們的期望。
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致 謝
從去年抽取畢業(yè)設計課題開始到現(xiàn)在，畢業(yè)設計的工作已接近尾聲，這段時間，我從一開始的茫然到現(xiàn)在的胸有成竹，很難說是一種什么樣的心情。因為在剛開始拿到畢業(yè)設計課題的時候，我確實不知道該如何下手，然而經過指導老師的細心指點，我終于找到了方向，老師給我的幫助確實很大。
本論文的工作我的指導老師是周老師，我和周老師算是比較熟悉了，他對學生的要求就像對待他所教授的制圖課一樣嚴謹，認真，負責。在一開始的論文設計方案的設計中，我?guī)缀鯖]有任何思路，是周老師詳細分析了我的課題所要實現(xiàn)的目標，并指導我查閱資料，看看別人的方案是怎么設計的，在我因為找工作和畢設焦頭爛額的時候，也是周老師寬慰我讓我不要著急，事情總是要一步一步地做，我的畢業(yè)設計能夠及時完成確實離不開周老師的諄諄教誨。進而引導我完成整個方案的設計，在論文撰寫的過程中，每當我想要破罐子破摔的時候，是周老師不斷督促鼓勵我，使我免于懈怠。真的很感謝周老師對我的幫助。
同時也要感謝我可愛的同學們，是你們提供給我許多的收集資料的途徑，使我不再盲目的去尋找，讓我的思維不再局限，為此，我要向你們表達我深深的謝意。畢業(yè)在即，雖然我馬上要離開這個生活了許久的地方，但我不會忘記這段時光，不會忘記老師們對我的教誨，我會更加努力，不會辜負大家對我的期望。
附錄
附錄A 英文原文
附錄B 中文譯文
附錄C 總裝配圖
附錄D 部件裝配圖
附錄E 主要零件圖
附錄A 英文原文
Auto Recognition of Navigation Path for Harvest Robot Based on Machine Vision
Bei He1, Gang Liu1, Ying Ji1,2, Yongsheng Si1,2, and Rui Gao1
1 Key laboratory of Modern Precision Agriculture System Integration Research, Ministry of Education, China Agricultural University, Beijing, 100083, China
2 College of Information Science & Technology, Agricultural University of Hebei,
Baoding 071001, China
chujining@163.com
Abstract：An algorithm of generating navigation path in orchard for harvesting robot based on machine vision was presented. According to the features of or-chard images, a horizontal projection method was adopted to dynamically rec-ognize the main trunks area. Border crossing points between the tree and the earth were detected by scanning the trunks areas, and these points were divided into two clusters on both sides. Resorting to least-square fitting, two border lines were extracted. The central clusters were gained by the two lines and this straight line was regarded as the navigation path.Matlab simulation result shows that the algorithm could effectively extract navigation path in complex orchard environment, and correct recognition rate was 91.7%. The method is proved to be stable and reliable, and with the deviation rate of simulation navigation angle compared with the artificial recognition angle is
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