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1、.
蘋果采摘簡易機械手設(shè)計說明書
一、引言
近年來,隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)機構(gòu)的調(diào)整,林果生產(chǎn)已經(jīng)成為很多地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和農(nóng)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(nóng)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。由于我國果園作業(yè)機械研究起步較晚,基礎(chǔ)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。所以,針對我國各地林果生產(chǎn)特點研究相應(yīng)的作業(yè)機械,對林果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有重要意義。
我國是世界第一大水果生產(chǎn)國,也是世界第一大水果消費國。水果種植業(yè)的迅速發(fā)展提
2、升了果園機械的市場需求。采摘作業(yè)所用勞動力占整個生產(chǎn)過程所用勞動力的33%~50%,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(fù)雜,季節(jié)性很強,若使用人工采摘,不僅效率低、勞動量大,而且容易造成果實的損傷,如果人手不夠不能及時采摘還會導致經(jīng)濟上的損失。使用采摘機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)濟效益,因此提高采摘作業(yè)機械化程度有重要的意義。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn),大面積的種植果樹,農(nóng)民朋友的農(nóng)產(chǎn)品獲得豐收,果實的采摘問題也凸顯而出,在面對果樹高而無法采摘造成了蘋果的摔落,因而這些蘋果無法上市進行出售,為解決高空采摘蘋果難,故設(shè)計此蘋果采摘簡易
3、機械手來解決此問題。
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二.項目設(shè)計的內(nèi)容
(1)果蔬收獲機器人作業(yè)環(huán)境和工作對象的特殊性
工業(yè)領(lǐng)域是機器人技術(shù)的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域.由于在工業(yè)生產(chǎn)中,機器人的工作位置和障礙往往都能夠事先預(yù)知,因此機器人的性能能得到很好的體現(xiàn)。和工業(yè)機器人相比,果蔬收獲機器人有很多獨特的特點,主要表現(xiàn)在:
(1)作業(yè)環(huán)境的非結(jié)構(gòu)性收獲機器人的工作環(huán)境往往是非結(jié)構(gòu)性的、未知的和不確定的.例如,機器人所處的地勢可能崎嶇不平,天氣條件(如光照)也可能隨時改變。即使在溫室環(huán)境中,也必須考慮溫度、濕度、天氣以及其它環(huán)境參數(shù)的影響。在這種復(fù)雜多變的環(huán)境條件中,機器人必須具有智能化的傳感、規(guī)劃和控制能力,要有
4、很強的自適應(yīng)能力。
(2)作業(yè)對象的個體差異和隨機分布性果蔬收獲機器人的首要任務(wù)是識別和定位水果,而果實有的可能單個生長,有的則是一簇一簇的,形狀、尺寸、顏色、成熟度也都不一樣,而且果實總是隨機分布在田地、藤蔓或樹枝上,有的可能被莖桿和葉子遮擋,還要遇到不同的自然條件,如刮風可能導致果實搖動而不斷改變其位置,并且果樹和藤蔓的形狀大小也往往不一樣,從而使得機器人檢測和接近果實變得異常困難。
(3)作業(yè)對象的柔軟、易損性水果等作物一般都比較嬌嫩、柔軟,收獲時很容易遭受機械損傷,因此必須小心處理.這需要從機器人結(jié)構(gòu)、傳感器、控制系統(tǒng)等方面加以協(xié)調(diào)和控制。
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(4)收獲機器人成本方面
5、的特殊性農(nóng)業(yè)機器人要想成功地應(yīng)用,其成本必須低于同樣結(jié)構(gòu)的工業(yè)機器人,因為農(nóng)業(yè)的利潤往往很小,設(shè)備也只能季節(jié)性地使用。此外,農(nóng)民一般不具備太多的專業(yè)知識.因此,收獲機器人必須結(jié)構(gòu)簡單、操作性好、可靠性高,并且價格合理。
2采摘機器人的制造成本高、應(yīng)用推廣難
果蔬采摘機器人的采摘對象具有多樣性,工作時間具有季節(jié)性,設(shè)備利用率低,操作對象大部分為農(nóng)民,這就要求其要具有良好的通用性、可編程性、高可靠性和操作簡單性。另外采摘機器人的使用和維護都需要相當高的技術(shù)水平和費用。只有當其使用成本低于人工收獲成本時,采摘機器人才會真正被普及。因此,成本問題將成為制約采摘機器人市場化的瓶頸問題。
3解決對策
6、
每一個事物的發(fā)展都是一個遇到問題解決問題的過程。為了很好的解決以上問題,解除限制采摘機器人發(fā)展的因素,可以從以下幾個方面加強探索與研究:
(1)研究出一種高可靠性、高精度的視覺系統(tǒng)技術(shù),可以使所有成熟果實都能夠識別出來并能精確地對其定位。這就需要在三維立體視覺技術(shù)、視覺傳感器技術(shù)、圖像獲取和處理等方面進行更深入的研究。
(2)可以研究適合采摘機器人工作的果蔬栽培模式,通過降低作物生長環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和復(fù)雜性,便于采摘機器人的視覺定位和移動。
(3)機械結(jié)構(gòu)直接決定機器人運動的靈活性、平穩(wěn)性和控制的復(fù)雜性。采摘機器人結(jié)構(gòu)必須更加緊湊和簡化,優(yōu)化機器人結(jié)構(gòu)。提高機械手和末端執(zhí)行器的柔性和靈
7、巧性,成功避障,提高采摘的成功率,降低果實的損傷率。
(4)提高圖像處理速度,優(yōu)化軟件算法,縮短機器視覺部分在整個采摘過程中所占用的時間,以提高采摘效率。
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(5)采用開放式的控制系統(tǒng),提高采摘機器人的通用性。只要改變機器人的機械本體和末端執(zhí)行器,用一套控制系統(tǒng)就能完成不同果蔬的采摘,從而提高控制系統(tǒng)的利用率、降低成本。
設(shè)計此機構(gòu)有構(gòu)思階段,實際模型的建立,對實際模型數(shù)據(jù)的測量,按相應(yīng)比例縮小并計算各構(gòu)件的尺寸和角度。構(gòu)思階段:仿照實際生活中人手采摘蘋果的運動原理進行設(shè)計。數(shù)據(jù)測量:由于此機構(gòu)在設(shè)計初期,無準確數(shù)據(jù),故本人用鐵絲模擬制作了一個蘋果采摘機械手,來確定
8、相應(yīng)角度和尺寸比例。尺寸角度的確定:尺寸的確定會在下面做一詳細介紹,此處構(gòu)件圓角處的角度的范圍是85--95度之間均可 。(如下圖)
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三.項目設(shè)計的步驟
1設(shè)計任務(wù)
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設(shè)計此機構(gòu)的主要作用是在離地面較高而且人無法采摘,能夠按照要求的尺寸來采摘符合要求的蘋果(直徑為110mm)從而避免了誤將未成熟和較小的蘋果進行采摘,既方便又安全。
2設(shè)計方法
設(shè)計此運動機構(gòu)采用了Proe軟件中拉伸掃描旋轉(zhuǎn)放樣等主要建模功能。
3設(shè)計要求
構(gòu)件分
9、三個部分:采摘可控部分,連接部分和控制部分
1.確定固定圓環(huán)的直徑D=110mm,在裝配處確定一個基準面,按引導線切除10mm,在確定小圓d=6mm,按大圓環(huán)的引導線掃描10mm。
上圖右側(cè)與圓環(huán)基準線相交且與左側(cè)切除掃描部分關(guān)于直徑對稱的孔d=4mm.
2.如下圖所示為圓環(huán)機械爪
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↑ ↑
a.此桿長為95mm b. 圓內(nèi)接三角形,圓d=90mm
說明:在畫上圖a桿時,按直徑為12mm畫一圓,給定一路徑進行
10、掃描。在a桿下面,確定兩基準面,以底部向上12mm,進行切除。b 圖中是一直徑為90mm畫圓,并作內(nèi)切三角形。
3.連接桿
根據(jù)勾股定理:主桿連接部分長400mm,連接桿分別為95mm和350mm.當以下兩連接桿成一條直線時,為防止卡死,兩連接桿的實際長度大于理論長度。
4.控制轉(zhuǎn)動桿
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在主桿距離低端約100mm處,連接一構(gòu)件,與主桿連接處倒圓角。
5. 機構(gòu)整體分析
a. 省力,易操作。將原動力加于機械爪和圓環(huán)連接處,這樣安裝源動力可以減少使用時操作者盡量少的握住手柄,當有蘋果需要采摘時再將手柄握住,這樣不但省力而且
11、易于操作。使得機械爪始終是張開的。
b. 高空作業(yè),無需重復(fù)。在采摘蘋果時,可以給圓環(huán)底部安裝一個直徑為110mm,長根據(jù)實際需要確定的蘋果輸送管。(帆布制管子最好)此機構(gòu)可以大大減少采摘高空蘋果的危險性,提高了蘋果采摘的效率,有效的解決了大型果園高空蘋果無法采摘(危險系數(shù)大,采摘成本高)的問題。
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四。設(shè)計總結(jié)
1從設(shè)計蘋果采摘簡易機械手的過程中,我逐漸體會到了運用Pore這個軟件來設(shè)計產(chǎn)品的實用性,它的功能非常強大,在今后的學習中我們還要繼續(xù)并不斷深入的學習這個軟件。
2雖然在畫圖的過程中我本人運用軟件不熟練和不會的,也有需要同學幫忙,但我真正的理解了項
12、目設(shè)計的真正意義。
3我設(shè)計的運動構(gòu)件是我自己的想法,所有的尺寸和角度都是按照生活實際需要按相應(yīng)比例來確定的。在設(shè)計的過程中有很多不足,希望老師予以指導。
4.果蔬收獲是一個季節(jié)性強的勞動密集型工作,由于勞動力的高齡化和人力資源越來越缺乏,采用機器人進行果蔬的自動化收獲變得越來越迫切。但由于收獲機器人的工作環(huán)境往往是非結(jié)構(gòu)性的、未知的和不確定的,因此給機器人的實際應(yīng)用帶來了很大的困難。要成功地實現(xiàn)機器人的智能化收獲,必須要在機器人的本體設(shè)計、果實的自動化識別和定位、機器人運動規(guī)劃和控制技術(shù)等方面進行深入的研究。
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